专利名称：向旋转机器在线监测系统提供冷却和吹洗空气流的系统的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及用于向旋转机器在线监测系统提供冷却和吹洗空气流的系统。
背景技术：
某些燃气涡轮发动机包括具有检查端口的涡轮，该检查端口构造成便于监测涡轮内的各种构件。例如，测高温系统可经由检查端口而与涡轮内部成光学连通，且构造成用以测量涡轮热气体通路内的某些构件的温度。典型的测高温系统包括观察管，其插入检查端口内且构造成用以将从涡轮构件发出和/或反射的辐射传送至检测器。这种测高温系统使用定位在观察管顶端(tip)处的透明窗口以保护观察管的灵敏光学构件免受流经涡轮的热气流。令人遗憾的是，在涡轮操作期间，窗口可能由于污染物(例如，燃烧产物中的未燃碳氢化合物和/或空气流中的颗粒)累积在窗口表面上而变得模糊。此外，熔化的金属颗粒可在冲击时嵌入窗口内。当窗口变得模糊时，可能会降低测高温系统的准确性。
发明内容
在一个实施例中，一种系统包括观察管，观察管构造成用以通过插入检查端口内而与旋转机器内部光学地连通。该系统还包括可移除地固定到观察管上的第一可互换式喷嘴顶端。第一可互换式喷嘴顶端包括窗口和构造成用以将吹洗空气引送横越窗口的多个开口。该系统还包括幕帘管，其围绕观察管设置且构造成用以将来自于第一空气源的吹洗空气经由形成在幕帘管的内表面与观察管的外表面之间的第一通道引送至开口。此外，该系统包括可移除地固定到幕帘管上的第二可互换式喷嘴顶端。第二可互换式喷嘴顶端包括构造成用以围绕窗口引送幕帘空气的多个出口。幕帘管构造成用以将来自于第二空气源的幕帘空气经由形成在幕帘管外表面与检查端口内表面之间的第二通道引送至出口。在另一实施例中，一种系统包括观察管，观察管构造成用以通过插入检查端口内而与旋转机器内部光学地连通。观察管包括窗口和构造成用以将吹洗空气引送横越窗口的多个开口。该系统还包括幕帘管，其围绕观察管设置且构造成用以将来自于第一空气源的吹洗空气经由形成在幕帘管的内表面与观察管的外表面之间的第一通道引送至开口。幕帘管包括构造成用以围绕窗口引送幕帘空气的多个出口，且幕帘管构造成用以将来自于第二空气源的幕帘空气经由形成在幕帘管外表面与检查端口内表面之间的第二通道引送至出 □。在又一实施例中，一种系统包括观察管，观察管构造成用以通过插入检查端口内而与旋转机器内部光学地连通。该系统还包括可移除地固定到观察管上的可互换式喷嘴顶端。可互换式喷嘴顶端包括窗口和构造成用以将吹洗空气引送横越窗口的多个开口。
当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中图I为轮机系统实施例的框图，该轮机系统包括构造成用以引送空气流横越观察管窗口以减少累积在窗口上的污染物的光学监测系统；
图2为示例性涡轮区段的截面视图，示出了可由一个实施例的光学监测系统监测的各种涡轮构件；
图3为可在图I中的光学监测系统内使用的光学探测器组件的实施例的透视图4为沿线4-4截取的图3中的光学探测器组件的截面视图；以及
图5为可在图3中的光学探测器组件内使用的观察管喷嘴顶端实施例的透视图。
零件清单
10燃气轮机系统
12燃料喷射器
14燃料供送源
16燃烧器
18涡轮
19轴
20排气出口
22压缩机
24进口
26负载
30空气
32压缩空气
34燃料空气混合物
36光学监测系统
38光学探测器组件
40检测器
42排出空气流
44排出空气流
45热交换器
46过滤器
47清洁空气流
48热加压气体
50轴向方向
52周向方向
54第一级导叶
56第一级叶片
58涡轮转子
60第二级导叶
62第二级叶片
64端壁
66径向方向
68平台
70柄部
72天使翼
74涡轮罩盖
76检查端口
78顶端组件
80辅助压缩机
82幕帘管
84幕帘喷嘴顶端
86观察管喷嘴顶端
88窗口
90凹部
92流动方向
94通道
95幕帘管外表面
96开口
98观察管喷嘴顶端螺纹
100观察管螺纹
101观察管
102螺纹连接
104流动方向
105通道
106观察管外表面
107幕帘管内表面
108沿径向向内的方向
110流动方向
112观察管喷嘴顶端环形凸起
114幕帘喷嘴顶端环形凸起
116第一排开口
118第二排开口
120 入口
122 出口
124 人口
126 出口
具体实施例方式下文将描述一个或多个特定的实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可不描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何这些实际实现方式的开发中，如任何工程或设计项目中一样，必须作出许多特定实现方式的决定以实现开发者的特定目标，例如遵循关于系统和有关商业的约束，这可能从一个实施方式到另一个实施方式而有所不同。此外，应当认识到，此种开发工作可能很复杂和耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员来说仍为设计、制作和生产的常规事项。在介绍本文所公开的各种实施例的元件时，用词"一个"、"一种"、"该"和" 所述"意在表示存在一个或多个所述元件。用语"包括"、"包含"和"具有"旨在为包括性的，且意为可存在除所列元件外的附加元件。本文所公开的实施例可提供邻近光学探测器组件窗口的空气流以保护窗口免受涡轮内的热气流。在某些实施例中，光学探测器组件构造成用以通过插入检查端口内而与涡轮内部光学地连通。光学探测器组件包括观察管和可移除地固定到观察管上的观察管喷嘴顶端。观察管喷嘴顶端包括窗口和构造成用以引送吹洗空气横越窗口的多个开口。围绕观察管设置的幕帘管构造成用以将来自于第一空气源的吹洗空气经由形成在幕帘管内表面与观察管外表面之间的第一通道引送至开口。此外，光学探测器组件包括可移除地固定到幕帘管上的幕帘喷嘴顶端。幕帘喷嘴顶端包括构造成用以围绕窗口引送幕帘空气的多个出口。幕帘管构造成用以将来自于第二空气源的幕帘空气经由形成在幕帘管外表面与检查端口内表面之间的第二通道引送至出口。幕帘空气和吹洗空气的组合可用来将窗口保持在期望的操作温度范围内，以及用来显著减少积聚在窗口表面上的污染物。由于吹洗空气和幕帘空气由不同的空气源提供，故即使一个空气源不能有效地操作也可保护窗口。此外，由于喷嘴顶端可互换，故具有期望的开口和/或出口布置的特定喷嘴顶端可选择为用于特定的涡轮构造，从而向窗口提供有效的热防护和污染物防护。现转到附图，图I为包括光学监测系统的轮机系统实施例的框图，该光学监测系统构造成用以引送空气流横越观察管窗口以减少累积在窗口上的污染物。尽管下文描述了轮机系统，但应当认识到的是，光学监测系统可用于监测其它旋转机器或涡轮机器内的构件，举例来说，例如压缩机、喷气发动机、泵或蒸汽轮机。所示的轮机系统10包括燃料喷射器12、燃料供送源14和燃烧器16。如图所示，燃料供送源14将液体燃料和/或诸如天然气体的气体燃料导送至轮机系统10，穿过燃料喷射器12进入燃烧器16中。如下文所述，燃料喷射器12构造成用以喷射燃料并将其与压缩空气相混合。燃烧器16点燃和燃烧燃料空气混合物，且然后使热加压气体传送到涡轮18中。如将认识到的那样，涡轮18包括具有固定导叶或叶片的一个或多个定子，以及具有相对于定子旋转的叶片的一个或多个转子。热气体穿过涡轮转子叶片，从而驱动涡轮转子旋转。涡轮转子与轴19之间的联接将导致轴19 旋转，轴19还联接到整个燃气轮机系统10上的若干构件上，如图所示。最后，气体可经由排气出口 20离开燃气轮机系统10。压缩机22包括刚性地安装到转子上的叶片，该转子由轴19驱动而旋转。当空气穿过旋转叶片时，空气压力增大，从而向燃烧器16提供足够的空气以便完全地燃烧。压缩机22可经由空气进口 24将空气引入燃气轮机系统10。此外，轴19可联接到负载26上，该负载26可通过轴19的旋转来供以动力。如将认识到的那样，负载26可为可使用燃气轮机系统10的旋转输出功率的任何适合的装置，例如发电设备或外部机械负载。例如，负载26 可包括发电机、飞机推进器等。空气进口 24将空气30经由诸如冷空气进口的适合机构吸入燃气轮机系统10中。然后，空气30流经压缩机22的叶片，该压缩机22向燃烧器16提供压缩空气32。具体而言，燃料喷射器12可将压缩空气32和燃料14作为燃料空气混合物34喷射到燃烧器16中。作为备选，压缩空气32和燃料14可直接地喷射到燃烧器中以便混合和燃烧。如图所示，轮机系统10包括光学地联接到涡轮18上的光学监测系统36。在所示的实施例中，光学监测系统36包括构造成用以插入检查端口内的光学探测器组件38。光学探测器组件38构造成用以将涡轮构件发出和/或反射的辐射传送至检测器40。如下文详细描述的那样，光学探测器组件38包括观察管，观察管具有窗口和构造成用以引送吹洗空气横越窗口的多个开口。光学探测器组件还包括幕帘管，其围绕观察管设置且构造成用以将来自于第一空气源的吹洗空气经由形成在幕帘管的内表面与观察管的外表面之间的第一通道引送至开口。此外，幕帘管包括构造成用以围绕窗口引送幕帘空气的多个出口。幕帘管还构造成用以将来自于第二空气源的幕帘空气经由形成在幕帘管外表面与检查端口内表面之间的第二通道引送至出口。在此构造中，流过窗口的吹洗空气可用来提供在流经涡轮18的热气体与窗口之间的屏障(或阻隔物，barrier)，从而保护窗口免受污染物，否则污染物可能积聚在窗口的表面上。吹洗空气还可提供冷却以确保窗口的温度保持在期望范围内。此外，围绕窗口流动的幕帘空气可转移流经热气体的污染物(例如，未燃碳氢化合物、尘埃、熔化的金属颗粒等)，从而进一步减少积聚在窗口表面上的污染物。在所示的实施例中，压缩机22向光学探测器组件38提供第一空气源和第二空气源。具体而言，第二空气源包括来自于压缩机22的排出空气流42。尽管所示的实施例采用来自于压缩机22较后级的排出空气42，但应当认识到的是，备选实施例可使用来自于其它压缩机级的排出空气。然而，在所示的实施例中，提供给光学探测器组件38的排出空气42 的压力高于涡轮内在光学探测器组件38位置处的热气体压力。结果，来自于第二空气源的幕帘空气流将热气体转移远离光学探测器组件38的窗口，从而显著减少积聚在窗口表面上的污染物。此外，第一空气源还包括来自于压缩机22的排出空气流44。尽管所示的实施例使用来自于压缩机中间级的排出空气44，但应当认识到的是，备选实施例可使用来自于其它级的排出空气。然而，在所示的实施例中，提供给光学探测器组件38的排出空气44的压力高于涡轮内在光学探测器组件38位置处的热气体压力。如图所示，排出空气44流入热交换器45中，该热交换器45构造成用以降低排出空气44的温度。如将认识到的那样，对于某些压缩机构造，排出空气44的温度可在大约800华氏度至900华氏度(427摄氏度至 482摄氏度)之间。在某些实施例中，热交换器45可构造成用以将排出空气44的温度降低至大约300华氏度至400华氏度(149摄氏度至204摄氏度)之间，从而向光学探测器窗口提供加强的冷却。在排出空气44已冷却之后，空气流入过滤器46中，该过滤器46构造成用以遮挡来自于空气流的颗粒和液体。例如，排出空气44可包括构造成用以润滑压缩机 22的油、来自于压缩机22的金属颗粒和/或从环境空气吸入压缩机22的污染物。通过过滤来自排出空气44中的这些材料，过滤器46可将大致清洁的空气流47提供给光学探测器组件38，从而显著减少积聚在窗口表面上的污染物。尽管第一空气源47在所示实施例中由压缩机22提供，但应当认识到的是，备选实施例可采用辅助压缩机来向光学探测器组件38 提供期望的空气流。图2为示例性涡轮区段的截面视图，示出了可由光学监测系统36的实施例所监测的各种涡轮构件。如图所示，来自于燃烧器16的热加压气体48沿轴向方向50和/或周向方向52流入涡轮18中。所示的涡轮18包括至少两级，其中在图2中示出了头两级。其它涡轮构造可包括更多或更少的涡轮级。例如，涡轮可包括1，2，3，4，5，6个或更多涡轮级。第一涡轮级包括沿圆周方向52围绕涡轮18大致等距地间隔开的导叶54和叶片56。第一级导叶54刚性地安装到涡轮18上，且构造成用以朝叶片56引送燃烧气体。第一级叶片56 安装到转子58上，该转子58由流经叶片56的热气体48驱动而旋转。转子58继而又联接到轴19上，轴19驱动压缩机22和负载26。热气体48然后流经第二级导叶60和第二级叶片62。第二级叶片62还联接到转子58上。当热气体48流经各级时，来自于气体的能量转变成转子58的旋转能。在穿过各涡轮级之后，热气体48沿轴向方向50离开涡轮18。在所示的实施例中，各第一级导叶54均从端壁64沿径向方向66向外延伸。端壁64构造成用以阻挡热气体48进入转子58中。类似的端壁可存在于第二级导叶60和随后的下游导叶(如果存在的话)附近。同样，各第一级叶片56均从平台68沿径向方向 66向外延伸。如将认识到的那样，平台68为将叶片56联接到转子58上的柄部70的一部分。柄部70还包括构造成用以阻挡热气体48进入转子58的密封件或天使翼72。相似的平台和天使翼可存在于第二级叶片62和随后的下游叶片(如果存在的话)附近。此外，罩盖74定位在第一级叶片56的径向外侧。罩盖74构造成用以最大限度地减少绕过叶片56 的热燃烧气体48的量。气体旁通是不希望的，因为旁通气体的能量未由叶片56捕获和转变成旋转能。尽管下文关于监测燃气涡轮发动机10的涡轮18内的构件描述了光学监测系统36的实施例，但应当认识到的是，光学监测系统36可用于监测其它旋转机器内的构件， 举例来说，例如喷气发动机、蒸汽轮机或压缩机。如所示那样，光学探测器组件38经由检查端口 76延伸至涡轮18内。如将认识到的那样，检查端口可定位在沿涡轮壳体的不同位置处以便于检查涡轮构件。在所示的实施例中，光学监测系统36构造成用以在涡轮18操作期间监测涡轮构件，以使操作人员或自动系统能够检测升高的涡轮构件温度。尽管所示的实施例包括指向第一级叶片56的单个光学探测器组件38，但应当认识到的是，备选实施例可包括更多的光学探测器组件38。例如， 某些实施例可使用1，2，3，4，5，6，7，8个或更多的光学探测器组件38来将各叶片56发出和 /或发射的辐射传送至检测器40。如将认识到的那样，如果使用更多光学探测器组件38来监测第一级叶片56，则可监测各叶片56的更多区。尽管光学探测器组件38在所示的实施例中指向第一级叶片56，但应当认识到，在备选实施例中光学探测器组件38可指向其它涡轮构件。例如，一个或多个光学探测器组件 38可指向第一级导叶54、第二级导叶60、第二级叶片62、端壁64、平台68、天使翼72、罩盖 74或涡轮18内的其它构件。其它实施例可包括指向涡轮18内的多个构件的光学探测器组件38。类似于第一级叶片56，光学监测系统36可监测各构件的温度以便于检测升高的涡轮构件温度。如前文所述，光学探测器组件38构造成用以将从涡轮构件发出和/或反射的辐射传送至检测器40。检测器40可构造成用以在一定的时间周期内捕获涡轮构件的多个图像。 如将认识到的那样，诸如上述第一级叶片56的某些涡轮构件可以高速沿涡轮18的圆周方向52旋转。因此，为了捕获这些构件的图像，检测器40可构造成用以在足以捕获各构件的大致静止的图像的积分时间(integration time)操作。例如,在某些实施例中，检测器40可构造成用以在短于大约10微秒、5微秒、3微秒、2微秒、I微秒或O. 5微秒或更少的积分时间内捕获涡轮构件的图像。在所示的实施例中，光学监测系统36构造成用以基于由构件发出的辐射强度来确定涡轮构件的温度。例如，叶片56将随叶片温度的升高而发射出较宽波长范围的辐射。 此外，某些燃烧产物物种(species)，例如水蒸气和二氧化碳，响应于升高的温度、压力和/ 或物种浓度而吸收和发射较宽波长范围的辐射。结果，在燃气涡轮发动机10的操作期间， 由叶片56发射的仅一部分波长以足够的强度和可以忽略的干涉到达光学监测系统36来用于准确的强度测量。因此，光学监测系统36可构造成用以测量一定波长的强度，这些波长很可能穿过热燃烧气体48而不会显著吸收或干涉，以便确定叶片56的温度。例如，可见光谱的红色部分内和/或近红外光谱内的波长可以低于其它频率范围的吸收穿过热气体48。 因此，某些实施例可使用这些频率范围来确定叶片56的温度。例如，某些光学监测系统36 可构造成用以测量在大约O. 5微米至I. 4微米、I. 5微米至I. 7微米和/或2. I微米至2. 4 微米的范围内的波长强度来确定叶片温度。然而，应当认识到的是，备选实施例可测量可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱的其它部分内的电磁辐射的强度。此外，某些实施例可使用二维检测器阵列来捕获二维图像和/或表示涡轮构件的二维温度分布的排放物。如前文所述，光学探测器组件38包括观察管，观察管具有窗口和构造成用以引送吹洗空气横越窗口的多个开口。光学探测器组件还包括幕帘管，其围绕观察管设置且构造成用以将来自于第一空气源的吹洗空气经由形成在幕帘管的内表面与观察管的外表面之间的第一通道引送至开口。此外，幕帘管包括构造成用以围绕窗口引送幕帘空气的多个出口。幕帘管还构造成用以将来自于第二空气源的幕帘空气经由形成在幕帘管外表面与检查端口内表面之间的第二通道引送至出口。在所示的实施例中，顶端组件78联接到光学探测器组件38的与检测器40相反的一端上。如下文详细描述的那样，顶端组件78构造为可移除的，从而使操作人员能够容易地基于期望的操作条件而改变顶端组件78。例如，在所示的实施例中，顶端组件78包括可移除地固定到观察管上的第一可互换式喷嘴顶端(例如，观察管喷嘴顶端)和可移除地固定到幕帘管上的第二可互换式喷嘴顶端(例如，幕帘喷嘴顶端)。在该构造中，第一可互换式喷嘴顶端包括窗口和开口，而第二可互换式喷嘴顶端包括出口。因此，横越窗口的流型可通过将第一可互换式喷嘴顶端与具有不同开口构造的另一顶端交换来调整(例如，孔尺寸、孔数目和孔定向等的变化)。同样，围绕窗口的幕帘空气的流型可通过第二可互换式喷嘴顶端与具有不同出口构造的另一顶端交换而变化(例如，出口几何形状、出口数目、出口定向等的变化)。结果，顶端组件78可独特地构造成用于期望的涡轮构造，从而使标准化的观察管设计能够在多种涡轮构造内使用。此外，由于窗口附接到第一可互换式喷嘴顶端上，故窗口可在不必再校准光学探测器组件38的情况下更换。例如，如果窗口固定到光学探测器组件上且窗口由于污染物积聚在窗口表面上而变得模糊，则可从检查端口移除光学探测器组件且由新组件更换。令人遗憾的是，由于各光学探测器组件的观察管内的光学装置的变化，故组件在安装之后通常会再校准。如将认识到的那样，再校准程序可能很耗时，从而降低了轮机系统10的可用性。 相比之下，为了更换所示构造中的窗口，将从检查端口 76移除光学探测器组件38，并利用新的喷嘴顶端来更换第一可互换式喷嘴顶端。由于使用了原来的观察管，故可消除再校准光学装置的过程。结果，与窗口更换相关的时间可显著地减少，从而提高了轮机系统的可用
在所示的实施例中，第一空气源47由辅助压缩机80提供。辅助压缩机80构造成用以提供压力大于光学探测器组件30位置处的热气流48的压力，从而便于吹洗空气流过窗口。在所示的实施例中，辅助压缩机80独立于压缩机22被供以动力。例如，辅助压缩机 80可由电动机、往复式发动机或涡轮发动机，以及其它功率源驱动。辅助压缩机80构造成用以在低于大约400华氏度(204摄氏度)的温度下将大致清洁的空气流提供至光学探测器组件38，从而消除了上文参照图I所述的热交换器和过滤器。通过将大致清洁和冷却的空气流47提供至光学探测器组件38，吹洗空气流可用来冷却窗口和显著减少积聚在窗口表面上的污染物。此外，由于光学探测器组件38提供有来自于两个不同源(例如，涡轮压缩机22和辅助压缩机80)的空气，故即使一个空气源不能有效地操作，窗口也可受到保护而免受污染物和升高的温度。例如，如果向辅助压缩机80提供动力的马达以降低的能力操作或变为完全停机，则横越窗口的吹洗空气流将显著减少或终止。然而，由于幕帘空气由压缩机22 提供，故只要轮机系统10在操作，则幕帘空气便将围绕窗口流动。具体而言，由于压缩机叶片联接到由涡轮18驱动的轴19上，故穿过涡轮18的热气流将驱动压缩机22，从而提供排出空气42至光学探测器组件38。在某些实施例中，幕帘空气可提供充分的冷却和污染物防护以便于光学监测系统36继续操作。同样，如果上文参照图I描述的实施例的热交换器45 和/或过滤器46不能有效地操作，则通向光学探测器组件38的空气流47可能会减少或终止。然而，由压缩机22提供的幕帘空气可提供足够的冷却和污染物防护以便于光学监测系统36继续操作。图3为可在图I中的光学监测系统36内使用的光学探测器组件38的实施例的透视图。如图所示，光学探测器组件38包括幕帘管82，且顶端组件78包括可互换式幕帘喷嘴顶端84和可互换式观察管喷嘴顶端86。此外，观察管喷嘴顶端86构造成用以收纳窗口 88，该窗口 88用来保护观察管光学装置免受涡轮18内的热气体。如前文所述，窗口 88可联接到可互换式观察管喷嘴顶端86上，从而便于在无需再校准观察管光学装置的情况下更换窗口 88。此外，如下文详细描述的那样，观察管喷嘴顶端86包括构造成用以阻止窗口 88朝涡轮18内部运动的环形凸起，且幕帘喷嘴顶端84包括构造成用以阻止观察管喷嘴顶端86朝涡轮内部运动的环形凸起。该构造可显著减小或消除光学探测器组件38的元件进入涡轮内部的可能性。如图所示，幕帘喷嘴顶端84包括多个出口，如所示的轴向凹部90，其构造成用以围绕窗口 88引送幕帘空气。在所示的实施例中，幕帘空气流构造成用以将热气体转移远离窗口 88，从而显著减少积聚在窗口 88表面上的污染物。如前文所述，压缩机22构造成用以将幕帘空气42流以足够的压力提供至光学探测器组件38而形成进入涡轮内部的流动。如图所示，幕帘空气沿方向92流经形成在幕帘管82的外表面95与检查端口 76的内表面之间的通道94。此外，幕帘喷嘴顶端84与检查端口 76的内表面直接接触，使得凹部90形成在通道94与涡轮18内部之间延伸的开口。结果，幕帘空气流将从各凹部90放出，从而防护窗口 88免受热气流。尽管所示的凹部90平行于光学探测器组件38的纵轴线延伸，但应当认识到的是， 备选实施例可使用其它凹部构造。例如，在某些实施例中，凹部90可构造成用以引起围绕窗口 88的幕帘空气旋流。此外，另外的实施例可使用更多或更少的凹部90和/或更窄或更宽的凹部90以形成围绕窗口 88的期望流型。此外，幕帘喷嘴顶端84可包括构造成用以围绕窗口 88引送幕帘空气的其它出口。例如，某些实施例可包括在通道94与涡轮18内部之间延伸的孔。因此，幕帘空气流将从各凹部90和各孔放出，从而防护窗口 88免受热气流。 如前文所述，幕帘喷嘴顶端84可从幕帘管82移除，从而能够选择期望的出口图案来用于特定涡轮构造。例如，具有较大数目凹部90的幕帘喷嘴顶端84可选为用于在多沙/多灰的环境中操作的轮机系统10，以便于加强污染物远离窗口 88的转移。此外，观察管喷嘴顶端86包括构造成用以提供横越窗口 88的吹洗空气流的多个开口 96。吹洗空气流构造成用以冷却面对热气体48的窗口 88表面，从而显著延长窗口 88 的操作寿命。此外，由开口 96提供的吹洗空气和由凹部90提供的幕帘空气的组合构造成用以将污染物转移远离窗口 88。结果，可显著减少积聚在窗口 88表面上的污染物，从而提高光学监测系统36的准确性。此外，由于窗口 88联接到观察管喷嘴顶端86上，故窗口 88 可通过交换喷嘴顶端86来更换。因此，可消除与整个光学探测器组件38的更换相关的再校准过程。此外，由于观察管喷嘴顶端86可移除，故具有期望开口图案的喷嘴顶端86可选为用于特定的涡轮构造。例如，构造成用以产生过热气体的高级燃烧系统可使用具有开口 96的观察管喷嘴顶端86，该开口 96构造成用以提供附加空气流横越窗口 88以将窗口 88 保持在期望的操作温度范围内。图4为沿线4-4截取的图3中的光学探测器组件38的截面视图。如前文所述，观察管喷嘴顶端86可移除以便于窗口的更换和/或选择期望的开口构造。在所示的实施例中，观察管喷嘴顶端86包括构造成用以与观察管101的螺纹100对接的螺纹98。在该构造中，观察管喷嘴顶端86可通过喷嘴顶端86相对于观察管101的旋转来固定和移除。同样，幕帘喷嘴顶端84可利用螺纹连接102固定到幕帘管82上。尽管螺纹连接在所示的实施例中用于将观察管喷嘴顶端86固定到观察管101上以及将幕帘喷嘴顶端84固定到幕帘管82上，但备选实施例可使用其它连接系统(例如，紧固件、凸起/凹部等)以便将各喷嘴顶端可移除地固定到相应的管上。在另外的实施例中，观察管喷嘴顶端86和/或幕帘喷嘴顶端84可固定到相应管上(例如，通过焊接联接，压配合等)。如前文所述，压缩机22构造成用以将幕帘空气42流以足够的压力提供至光学探测器组件38以形成进入涡轮内部的流动。如图所示，幕帘空气沿方向92流经形成在幕帘管82的外表面95与检查端口 76的内表面之间的通道94。此外，幕帘喷嘴顶端84与检查端口 76的内表面直接接触，使得凹部90形成在通道94与涡轮18内部之间延伸的开口。结果，幕帘空气流将从各凹部90放出，从而防护窗口 88免受热气流。同样，压缩机22，经由热交换器45和过滤器46，或辅助压缩机80构造成用以提供吹洗空气47流以足够的压力通向光学探测器组件38以形成进入涡轮内部的空气流。如图所示，吹洗空气沿方向104流经形成在观察管101的外表面106与幕帘管82的内表面107之间的通道105。此外，观察管喷嘴顶端86与幕帘喷嘴顶端84直接接触，从而引送吹洗空气流穿过开口 96。结果，吹洗空气流将沿径向向内的方向108从各开口 96放出，从而冷却窗口 88且将污染物转移远离窗口 88。此外，从凹部90放出的幕帘空气将沿方向110流动，从而进一步将污染物转移远离窗口 88。举例而言，颗粒物质如未燃碳氢化合物、沙、尘埃、润滑剂和/或其它污染物可存在于热气流48内。由于幕帘空气的压力大于热气体的压力，故幕帘空气流将热气流转移远离窗口 88。因此，可显著减少积聚在面对涡轮18内部的窗口 88表面上的污染物。然而，由于幕帘空气直接从压缩机22获取，故幕帘空气可包含来自于压缩机22的尘埃和/或润滑剂。此外，由于幕帘空气可从压缩机的较后级获取，故幕帘空气的温度可能不足以在延长的持续时间内有效地冷却窗口 88。因此，沿方向108横越窗口的吹洗空气流用来保护窗口免受可存在于幕帘空气内的污染物，以及冷却窗口 88的表面。幕帘空气和吹洗空气的组合可用来将窗口 88保持在期望的操作温度范围内，且确保窗口 88的表面保持大致洁净，从而便于光学监测系统36的操作。此外，由于幕帘空气和吹洗空气由不同的空气源提供，故可保护窗口免受热气体而不论一个空气源是否部分或完全失效。在所示的实施例中，观察管喷嘴顶端86包括环形凸起112，环形凸起112构造成用以阻挡窗口 88朝涡轮内部的运动。因此，窗口 88和/或定位在观察管101内的任何光学构件进入涡轮内部的可能性显著降低或消除，从而确保涡轮18的高效操作。此外，幕帘管84包括环形凸起114，环形凸起114构造成用以阻挡观察管喷嘴顶端86朝涡轮18内部的运动。结果，观察管喷嘴顶端86和/或观察管101进入涡轮内部的可能性显著降低或消除。由于观察管环形凸起112和幕帘管环形凸起114的组合，故光学探测器组件38干扰涡轮18操作的可能性显著降低或消除。图5为可在图3中的光学探测器组件38内使用的观察管喷嘴顶端86的实施例的透视图。如图所示，喷嘴顶端86包括第一排116开口 96和第二排118开口 96。在所示的实施例中，第一排116内的各开口均构造成用以大致垂直于窗口 88来弓丨送吹洗空气。具体而言，第一排116内的各开口 96均包括入口 120和出口 122。如图所示，入口 120和出口 122均定位成用以沿大致平行于窗口表面的平面沿径向向内地引送吹洗空气流。此外，第二排118的各开口均构造成用以从窗口 88沿轴向向外地引送吹洗空气流。具体而言，第二排118内的各开口 96的入口 124和出口 126均构造成用以朝涡轮内的热气体引送吹洗空气流。形成横越窗口 88和远离窗口 88的流动的组合可用来保护窗口免受污染物以及用来将窗口保持在期望的操作温度范围内。尽管所示的实施例中使用了两排116和118，但应当认识到的是，更多或更少排的开口 96可存在于备选实施例中。例如，某些观察管喷嘴顶端86可包括I排、2排、3排、4 排、5排、6排或更多排开口 96。此外，尽管在所示实施例中各开口 96均沿径向向内指向，但应当认识到的是，备选实施例可包括构造成用以将吹洗空气流以旋流图案引送的开口。此外，应当认识到的是，各开口 96的数目、尺寸和/或形状可独特地构造用以形成所期望的流型。例如，在所示的实施例中，观察管喷嘴顶端86为可互换的，使得期望的开口布置可选择为用于特定涡轮构造。本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种系统(10),包括观察管(101)，其构造成用以通过插入检查端口(76)内而与旋转机器(18)的内部光学地连通；可移除地固定到所述观察管(101)上的第一可互换式喷嘴顶端(86)，其中所述第一可互换式喷嘴顶端(86)包括窗口(88)和构造成用以引送吹洗空气横越所述窗口(88)的多个开口 (96)；幕帘管(82)，其围绕所述观察管(101)设置且构造成用以将所述吹洗空气从第一空气源经由第一通道(105)引送至所述多个开口(96)，所述第一通道(105)形成在所述幕帘管 (82)的内表面(107)与所述观察管(101)的外表面(106)之间；以及可移除地固定到所述幕帘管(82)上的第二可互换式喷嘴顶端(84)，其中所述第二可互换式喷嘴顶端(84)包括构造成用以围绕所述窗口(88)引送幕帘空气的多个出口 ；其中所述幕帘管(82)构造成用以将所述幕帘空气从第二空气源经由第二通道(94)引送至所述多个出口，所述第二通道(94)形成在所述幕帘管(82)的外表面(95)与所述检查端口(76)的内表面之间。
2.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述第一空气源包括来自独立于所述旋转机器(18)被供以动力的压缩机(80)的空气流。
3.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述第一空气源包括来自经由轴 (19)可旋转地联接到所述旋转机器(18)上的压缩机(22)的排出空气流(44)，其中所述排出空气流(44)在流入所述第一通道(105)之前经受冷却、过滤或它们的组合。
4.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述第二空气源包括来自经由轴 (19)可旋转地联接到所述旋转机器(18)上的压缩机(22)的排出空气流(42)。
5.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述多个开口(96)构造成用以将所述吹洗空气沿径向向内引送横越所述窗口(88)。
6.根据权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述多个开口(96)包括构造成用以大致垂直于所述窗口(88)引送所述吹洗空气的第一排(116)开口(96)，以及构造成用以从所述窗口(88)沿轴向向外引送所述吹洗空气的第二排(118)开口(96)。
7.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述第一可互换式喷嘴顶端(86)经由螺纹连接(98，100)可移除地固定到所述观察管(101)上。
8.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述多个出口中的至少一个包括在所述第二通道(94)与所述旋转机器(18)的内部之间延伸的凹部(90)。
9.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述第一可互换式喷嘴顶端(86)包括构造成用以阻挡所述窗口(88)朝所述旋转机器(18)的内部运动的环形凸起(112)。
10.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述第二可互换式喷嘴顶端(84) 包括构造成用以阻挡所述第一可互换式喷嘴顶端(86)朝所述旋转机器(18)的内部运动的环形凸起(114)。
全文摘要
本发明涉及用于向旋转机器在线监测系统提供冷却和吹洗空气流的系统。在一个实施例中，一种系统(10)包括构造成通过插入检查端口(76)内而与旋转机器(18)内部光学地连通的观察管(101)。观察管(101)包括窗口(88)和构造成用以引送吹洗空气横越窗口(88)的多个开口(96)。系统(10)还包括幕帘管(82)，该幕帘管(82)围绕观察管(101)设置并构造成用以将吹洗空气从第一空气源经由第一通道(105)引送至开口(96)，该第一通道(105)形成在幕帘管(82)的内表面(107)与观察管(101)的外表面(106)之间。幕帘管(82)包括构造成围绕窗口(88)引送幕帘空气的多个出口，且幕帘管(82)构造成用以将幕帘空气从第二空气源经由第二通道(94)引送至出口，该第二通道(94)形成在幕帘管(82)的外表面(95)与检查端口(76)的内表面之间。
文档编号F02C7/00GK102588116SQ20121001271
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者J·C·贝利, J·P·德兰西, J·R·艾伦, L·J·萨默维尔, N·V·尼尔马兰, 王光华 申请人:通用电气公司