[发明专利]使用具有广谱镜的光学管在线检测涡轮机的系统和方法

说明书

一种用于在线运行的发电涡轮机的非破坏性内部目视检测和非接触式红外(IR)温度监控的光学检测系统。所述光学检测系统包括：具有观察端口的光学管；至少一个反射镜或镜子阵列，具有从550nm至20μm的反射率光谱范围并且能够在高于932华氏度(500摄氏度)的温度下连续工作；和安装在观察端口远端的透明窗口，在相同的光谱范围内具有高透射率。相同的光学镜子阵列可用于选择性地测量金属涡轮机叶片在近红外范围内(约1μm波长)的表面温度，以及隔热层涂覆的涡轮机叶片在长红外范围内(约10μm波长)的表面温度。

相关申请的交叉引用

本申请要求指定序列号为13/362,308的、题为“用于在线检测包括非球面透镜的涡轮机的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINESINCLUDING ASPHERIC LENS)”的以及指定序列号为13/362,365的、题为“在线检测包括温度和振动补偿透镜卡口的涡轮机的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR ONLINEINSPECTION OF TURBINES INCLUDING TEMPERATURE AND V1BRATION COMPENSATING LENSMOUNT)”的共同未决的美国实用新型专利申请的优先权，两者都是2012年1月31日提交的，并通过引用并入本文中。

关于联邦资助研发的声明

本发明的研发由美国能源部门颁发的合同号DE-FC26-05NT42644加以部分地支持。因此，美国政府可获得本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及一种用于在线发电涡轮机的非破坏性内部检测和温度监控的光学系统，包括燃气轮机，燃气轮机具有金属的或隔热层涂覆(thermal barrier coated，TBC)的涡轮机叶片，该涡轮机叶片的表面工作温度在超过600℃(1112°F)的范围内。更具体地，本发明涉及一种光学系统，包括利用一系列镜子的光学管，镜子具有从可见光到长波红外线的光谱反射率范围，即对于金镜(gold mirror)为550nm到20μm，并且能够在高于932华氏度(500摄氏度)的温度下连续工作。相同的反射式光学系统可用于选择性地测量金属涡轮机叶片在近红外范围内(约1-2μm波长)的表面温度，以及隔热层涂覆的涡轮机叶片在长红外范围内(约8-12μm波长)的表面温度。

背景技术

通过将高温折射透镜光学系统与高速相机成像相结合，红外线或可见光光谱在线相机系统在其运行于电厂中期间监控发电燃气轮机、蒸汽轮机、发电机或其相关设备的关键内部发动机部件。光学系统的设计需要选择和结合透镜和光学材料，以便提供与被检测部件的发射率兼容的最佳图像质量，同时使设备在恶劣的工作环境中存活。另外优选地，在可能的情况下，在用于多种类型内部发动机部件的多种应用的整个检测波长广谱上使用相同的光学检测系统部件。

例如，金属涡轮机叶片具有高发射率，在近红外1-2μm的波长范围内。存在合适的折射透镜材料，其在近红外和中红外1-5μm波长范围内提供良好的透射率，这能抵御运行的燃气轮机叶片段内约1000℃(～1830°F)的恶劣温度环境。因此，除其它事项外，为了精确的金属叶片表面温度测量，联接到这些折射透镜光学系统的相机监控系统在近红外范围内生成可以使用的良好质量图像。

相反，具有隔热层涂层(thermal barrier coatings，TBC)的燃气轮机叶片具有高发射率值，在大约8-12μm波长的长红外范围内。因此，长红外成像是优选的，用于测量燃气轮机TBC叶片表面温度。8-12μm检测带可以提供精确的TBC叶片表面温度测量。然而，具有挑战性的是发现合适的长红外折射透镜的光学材料，其对于用于燃气轮机环境的光学管的健壮性与用于近红外光学系统光学管的近红外折射材料相同。