多色高温测定成像系统及其操作方法
【专利摘要】本发明提供一种多色高温测定成像系统及其操作方法，所述多色高温测定成像系统包括与所述高温资产的至少一个高温部件光学相通的至少一个观察口；与所述至少一个观察口光学相通的至少一个相机装置。所述至少一个相机装置包括相机外壳、以及限定在所述相机外壳内与所述至少一个观察口光学相通的至少一个相机孔。所述至少一个相机装置还包括连接到所述外壳的多色滤波机构，其配置用于按顺序传输第一预定波段内的光子和传输第二预定波段内的光子，所述第二预定波段与所述第一预定波段不同。
【专利说明】多色高温测定成像系统及其操作方法
[0001]关于由联邦政府赞助的研究的声明
[0002]本发明依据能源部授予的编号为C391520602379X10A20的合同在政府支持下进行。政府对本发明拥有特定权利。
【技术领域】
[0003]本发明的领域总体上涉及一种成像系统，确切地说，涉及一种用于燃烧系统中的多色高温测定成像系统(pyrometry imaging systems)。
【背景技术】
[0004]诸如燃气涡轮发动机等至少一些已知的涡轮机包括多个旋转涡轮机叶片或动叶片，用于引导高温流体流过燃气涡轮发动机。已知的涡轮机动叶片通常连接到燃气涡轮发动机内的转子的叶轮部分并且与转子一起构成涡轮机部分。涡轮机动叶片通常在围绕转子延伸的行中周向隔开。此外，已知的涡轮机动叶片布置在轴向隔开的行中，这些行由多个固定喷嘴段隔开，所述固定喷嘴用于引导流过发动机的流体向每个后续的旋转动叶片行流动。每行喷嘴段与关联的涡轮机动叶片行一起通常称为涡轮机级，大多数已知的涡轮发动机包括多个涡轮机级。所述涡轮机动叶片和喷嘴段的布置称为高温气体通道。
[0005]高温气体通道中已知的涡轮机动叶片和喷嘴段可能随时间的推移磨损。例如，此类高温气体通道部件可能出现与应力相关的断裂，此类应力由等于或高于预定参数的温度引起。因此，许多已知的燃气涡轮发动机包括监控系统，例如，实时提供工作温度数据的温度监控系统，即，在测量的同时提供数据。至少一些已知的温度监控系统使用光学仪器，例如，光学高温计，其产生表示受监控部件的温度的电压输出信号。此外，许多已知的燃气涡轮机监控并记录此类温度数据作为调整运行参数的输入，例如，燃气涡轮发动机的燃烧速率，即在发动机中燃烧的燃料和空气的速率和/或比率。在许多情况下，所述温度数据可以用作发动机的特定保护功能的输入。
[0006]在多数已知的燃气涡轮发动机中，烃类燃料燃烧时通常会产生烟灰这一副产物，而烟灰颗粒可能夹带在流过高温气体通道的高温气体中。此类烟灰颗粒的温度可以高于高温气体通道中的部件。所述烟灰颗粒可以与光学高温计接触，并且在高温计输出端产生振幅增大的电压信号短脉冲。因此，编程在控制器内的燃烧控制功能可能将此类高压信号可以曲解成部件温度升高。此外，从周围高温表面以及相关涡轮机叶片表面的温度反射可能产生高于实际的温度表示，其中所述温度反射随相关表面的发射率而变。许多燃气涡轮发动机控制器接收这些信号作为相关燃烧控制功能的主要输入。具体来说，可能基于错误信号对在发动机中燃烧的燃料和空气的速率和/或比率进行调整。此类条件可能导致涡轮机的电力生产意外下降，以及由于烟灰定期和/或常规地附着到光学高温计或从光学高温计去除而导致电力生产发生振荡。此外，相关温度表示可以用作燃气涡轮发动机的保护功能的输入，而错误的温度表示可能足以导致燃气涡轮发动机出现计划外关机，即机组跳闸。
【发明内容】
[0007] —方面，本发明提供一种用于高温资产的多色高温测定成像系统。所述系统包括至少一个观察口，所述观察口与所述高温资产的至少一个高温部件光学相通。所述系统还包括至少一个相机装置，所述相机装置与所述至少一个观察口光学相通。所述至少一个相机装置包括相机外壳以及限定在所述相机外壳中的至少一个相机孔。所述至少一个相机孔与所述至少一个观察口光学相通。所述至少一个相机装置还包括连接到所述外壳的多色滤波机构。所述多色滤波机构配置用于按顺序传输第一预定波段内的光子以及传输第二预定波段内的光子，所述第二预定波段与所述第一预定波段不同。
[0008]所述多色滤波机构包括:第一滤色器，所述第一滤色器配置用于传输所述第一预定波段内的光子；第二滤色器，所述第二滤色器配置用于传输所述第二预定波段内的光子；保持架，所述保持架配置用于容纳所述第一滤色器和所述第二滤色器；以及平移机构，所述平移机构连接到所述保持架，所述平移机构配置用于按顺序设置所述第一滤色器和所述第二滤色器中的每一个，所述第一滤色器和所述第二滤色器与所述至少一个相机孔和所述至少一个观察口光学相通。
[0009]其中，所述平移机构包括以下项中的至少一项:液压致动器；气压致动器；以及电力致动器。
[0010]其中，所述第一滤色器和所述第二滤色器至少部分限定多个滤色器，其中所述滤色器中的每一个均形成预定形状并且以彼此接近的方式置于所述保持架内；以及所述保持架连接到所述相机外壳，以使所述保持架促进所述多色滤波机构大体线性平移和大体旋转平移中的至少一个。其中，所述多色滤波机构包括电光系统和可调谐滤波器中的一个。
[0011]其中，所述第一预定波段和所述第二预定波段至少部分限定多个预定波段，包括:位于约0.60微米(μπ?)到约0.7μπ?范围内的波段；位于约Ι.ΟμL?到约1.ΙμL?范围内的波段；位于约1.20 μ m到约1.3 μ m范围内的波段；位于约1.55 μ m到约1.65 μ m范围内的波段；以及位于约2.15 μ m到约2.3 μ m范围内的波段。
[0012]其中，所述至少一个相机装置包括多个相机装置，所述相机装置包括:第一相机装置，所述第一相机装置包括第一滤色器，所述第一滤色器配置用于传输所述第一预定波段内的光子；以及第二相机装置，所述第二相机装置包括第二滤色器，所述第二滤色器配置用于传输所述第二预定波段内的光子。
[0013]所述系统进一步包括至少一个处理器，所述至少一个处理器连接到所述至少一个相机装置，所述至少一个处理器经编程以:接收所述至少一个相机装置内产生的第一信号流，所述第一信号流大体上表示所述第一预定波段内的光子；接收所述至少一个相机装置内产生的第二信号流，所述第二信号流大体上表示所述第二预定波段内的光子；以及产生所述至少一个部件的图像。
[0014]其中，所述高温资产是燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机限定高温气体通道，并且所述高温部件是高温气体通道部件。
[0015]另一方面，本发明提供一种用于操作燃烧系统的方法。所述方法包括使燃烧气体流流过所述燃烧系统的高温气体通道。所述高温气体通道包括至少一个部件。所述方法还包括经由至少一个观察口将从所述至少一个部件发射的光子传输到限定在至少一个相机装置内的相机孔。所述方法进一步包括按顺序传输第一预定波段内的光子以及传输第二预定波段内的光子，所述第二预定波段与所述第一预定波段不同。所述方法还包括产生所述至少一个部件的图像。
[0016]其中，按顺序传输光子包括操作多色滤波机构，所述多色滤波机构与所述相机孔光学相通，所述步骤包括:设置所述多色滤波机构的第一滤色器并且过滤光子，以使通过所述第一滤色器传输到所述相机孔内的大部分光子位于第一预定波段内；以及设置所述多色滤波机构的第二滤色器并且过滤光子，以使通过所述第二滤色器传输到所述相机孔内的大部分光子位于第二预定波段内。
[0017]其中，所述第一滤色器和所述第二滤色器设置于保持架内，以使所述第一滤色器和所述第二滤色器彼此接近，其中设置所述第一滤色器和设置所述第二滤色器包括以下项中的至少一项:相对于所述相机孔以可滑动方式线性移动所述保持架；以及相对于所述相机孔以可旋转方式移动所述保持架。
[0018]其中，设置所述第一滤色器和设置所述第二滤色器进一步包括操作平移机构，所述平移机构包括以下项中的至少一项:液压致动器、气压致动器和电力致动器。
[0019]其中，所述第一预定波段和所述 第二预定波段至少部分限定多个预定波段，其中按顺序传输光子包括以下项中的至少两项:过滤所述光子，以使传输到所述相机孔的大部分光子包括位于约0.60微米(μ m)到约0.7 μ m范围内的波段内的光子；过滤所述光子，以使传输到所述相机孔的大部分光子包括位于约Ι.Ομπι到约1.1ym范围内的波段内的光子；过滤所述光子，以使传输到所述相机孔的大部分光子包括位于约1.20 μ m到约1.3 μ m范围内的波段内的光子；
[0020]过滤所述光子，以使传输到所述相机孔的大部分光子包括位于约1.55 μπ?到约
1.65 μ m范围内的波段内的光子；以及过滤所述光子，以使传输到所述相机孔的大部分光子包括位于约2.15 μ m到约2.3μπι范围内的波段内的光子。
[0021]另一方面，本发明提供一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机包括至少一个部件，所述至少一个部件设置于限定在所述燃气涡轮发动机内的高温气体通道中。所述燃气涡轮发动机还包括多色高温测定成像系统，所述多色高温测定成像系统包括至少一个观察口，所述至少一个观察口与所述至少一个部件光学相通。所述燃气涡轮发动机进一步包括至少一个相机装置，所述相机装置与所述至少一个观察口光学相通。所述至少一个相机装置包括相机外壳以及限定在所述相机外壳中的至少一个相机孔。所述至少一个相机孔与所述至少一个观察口光学相通。所述至少一个相机装置还包括连接到所述外壳的多色滤波机构。所述多色滤波机构配置用于按顺序传输第一预定波段内的光子以及传输第二预定波段内的光子，所述第二预定波段与所述第一预定波段不同。
[0022]其中，所述多色滤波机构包括:第一滤色器，所述第一滤色器配置用于传输所述第一预定波段内的光子；第二滤色器，所述第二滤色器配置用于传输所述第二预定波段内的光子；保持架，所述保持架配置用于容纳所述第一滤色器和所述第二滤色器；以及平移机构，所述平移机构连接到所述保持架，所述平移机构配置用于按顺序设置所述第一滤色器和所述第二滤色器中的每一个，所述第一滤色器和所述第二滤色器与所述至少一个相机孔和所述至少一个观察口光学相通。
[0023]其中，所述第一滤色器和所述第二滤色器至少部分限定多个滤色器，其中所述滤色器中的每一个均形成预定形状并且以彼此接近的方式置于所述保持架内；以及所述保持架连接到所述相机外壳，以使所述保持架促进所述多色滤波机构大体线性平移和大体旋转平移中的至少一个。
[0024]其中，所述平移机构包括以下项中的至少一项:液压致动器、气压致动器和电力致动器。
[0025]其 中，所述第一预定波段和所述第二预定波段至少部分限定多个预定波段，包括:位于约0.60微米(μπ?)到约0.7μπ?范围内的波段；位于约Ι.ΟμL?到约1.ΙμL?范围内的波段；位于约1.20 μ m到约1.3μπι范围内的波段；位于约1.55 μπ?到约1.65 μπ?范围内的波段；以及位于约2.15 μ m到约2.3 μ m范围内的波段。
[0026]所述燃气涡轮发动机进一步包括至少一个处理器，所述至少一个处理器连接到所述至少一个相机装置，所述至少一个处理器经编程以:接收所述至少一个相机装置内产生的第一信号流，所述第一信号流大体上表示所述第一预定波段内的光子；接收所述至少一个相机装置内产生的第二信号流，所述第二信号流大体上表示所述第二预定波段内的光子；以及产生所述至少一个部件的图像。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中:
[0028]图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；
[0029]图2是沿区域2截取的图1所示燃气涡轮发动机的局部放大截面图；
[0030]图3是可用于图1和图2中所示的燃气涡轮发动机中的多色高温测定成像系统的示例性体系结构的示意图；
[0031]图4是可用于图2和图3所示的多色高温测定成像系统中的多个滤色波段的图形视图；
[0032]图5是可用于图2和图3所示的多色高温测定成像系统中的示例性相机装置的示意图；
[0033]图6是图5所示相机装置的透视图；
[0034]图7是可用于图2和图3所示的多色高温测定成像系统中的示例性多色滤波机构的透视图；
[0035]图8是可用于图7所示的多色滤波机构中的示例性滤色器保持架的透视图；
[0036]图9是可用于图7所示的多色滤波机构中的示例性滤色器的透视图；
[0037]图10是连接到图5和图6所示的相机装置的图7所示多色滤波机构的正面视图，其中已移除滤色器；
[0038]图11是连接到图5和图6所示的相机装置的图7所示多色滤波机构的正面视图，其中已安装滤色器并且多色滤波机构位于第一位置中；
[0039]图12是位于第二位置中的图11所示多色滤波机构的正面视图；
[0040]图13是图2和图3所示的多色高温测定成像系统产生的多幅示例性图像；以及
[0041]图14是可连接到图5和图6中所示的相机装置的替代示例性多色滤波机构。
[0042]除非另作说明，否则本说明书中提供的附图用于示出本发明实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本说明书中公开的实施例所需的所有传统特征。【具体实施方式】
[0043]在以下说明和随附权利要求中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。
[0044]除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数参考。
[0045]“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述描述同时包括事件发生或者不发生的情况。
[0046]本说明书中和权利要求书中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示能够在许可范围内变动，而不改变与其相关的基本功能。因此，由一个或多个“大约”、“近似”和“大体上”等术语修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以相结合和/或交替，除非上下文或语言另作规定，否则此类范围均表示并且包括本说明书中包含的所有子范围。
[0047]本说明书中所述的多色成像系统提供了一种经济有效的方法来提高燃气涡轮发动机和其他高温系统的可靠性并减少运行中断。具体来说，本说明书中所述的多色成像系统从第一波长范围内的光子产生部件的第一图像；从第二波长范围内的光子产生同一部件的第二图像；以及组合所述图像以产生使用各个图像本身无法获得的优质图像。本说明书中所述的多色成像系统在预定波段内运行，所述预定波段对诸如水和二氧化碳等高温气体成分的吸收率低，并且具有用于光子强度测量的足够光子通量。此外，本说明书中所述的多色成像系统按顺序过滤预定波段内的光子并将其传输通过多滤色器装置。本说明书中所述的多滤色器装置包括平移机构(translation mechanisms)、电-光系统和可调谐滤波器。本说明书中所述的平移机构在物理上按顺序将滤色器置于相机孔前方，以将光子过滤到所需波段。所述电-光系统调整滤色器附近的电场，以按顺序实时改变滤波带(wavelengthfiltering bands)。所述可调谐滤波器按顺序实时调谐，以改变所述滤波带。
[0048]图1是高温资产的示意图，即涡轮机的示意图，具体来说，在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100的示意图。或者，可以使用大体上与本说明书中所述多色高温测定成像系统(图1中未图示)类似的系统来监控和/或控制任何高温设备、系统和设施，包括，但不限于，诸如化石燃料熔炉等燃烧系统、气化系统以及相关高温排气系统。
[0049]在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括进气部分102以及压缩机部分104，所述压缩机部分连接在进气部分102下游并与其流体连通。压缩机部分104封闭在压缩机外壳105内。燃烧器部分106连接在压缩机部分104的下游并与其流体连通，并且涡轮机部分108连接在燃烧器部分106下游并与其流体连通。燃气涡轮发动机100封闭在涡轮机外壳109内，并且包括排气部分110，所述排气部分位于涡轮机部分108的下游。此外，在示例性实施例中，涡轮机部分108通过包括但不限于压缩机转子的转子组件112或者驱动轴114和涡轮机转子或者驱动轴115连接到压缩机部分104。
[0050]在示例性实施例中，燃烧器部分106包括多个燃烧器组件，即，各自与压缩机部分104流体连通的燃烧器116。燃烧器部分106还包括至少一个燃料喷嘴组件118。每个燃烧器116与至少一个燃料喷嘴组件118流体连通。此外，在示例性实施例中，涡轮机部分108和压缩机部分104通过驱动轴114以旋转方式连接到负载120。例如，负载120可以包括，但不限于，发电机和/或机械驱动应用，例如泵。或者，燃气涡轮发动机100可以是飞机发动机。在示例性实施例中，压缩机部分104包括至少一个压缩机叶片组件122，即叶片122，以及至少一个相邻的固定叶片组件123。
[0051]此外，在示例性实施例中，涡轮机部分108包括至少一个涡轮机叶片组件，即动叶片124，以及至少一个相邻的固定喷嘴组件125。每个压缩机叶片组件122和每个涡轮机动叶片124连接到转子组件112，或者，具体来说，压缩机驱动轴114和涡轮机驱动轴115。
[0052]在操作中，进气部分102将空气150朝向压缩机部分104输送。压缩机部分104将进气150压缩到更高压力和温度，然后将压缩空气152排放到燃烧器部分106中。压缩空气152输送到燃料喷嘴组件118、与燃料(未图示)混合并在每个燃烧器116内燃烧以产生燃烧气体154，所述燃烧气体向下游输送到涡轮机部分108。燃烧器116内产生的燃烧气体154向下游输送到涡轮机部分108。冲击涡轮机动叶片124之后，热能转换成用于驱动转子组件112的机械旋转能。涡轮机部分108通过驱动轴114和115驱动压缩机部分104和/或负载120，排气156通过排气部分110输送到环境大气中。
[0053]图2是沿区域2 (图1中所示)截取的燃气涡轮发动机100的局部放大截面图。涡轮机部分108包括高温气体通道160，所述高温气体通道至少部分由涡轮机动叶片124限定。涡轮机部分108还包括多个固定叶片，即进一步限定高温气体通道160的固定喷嘴组件125。燃气涡轮发动机100包括多色高温测定成像系统164，所述多色高温测定成像系统包括至少一个观察口 166 (仅图示了一个)，所述观察口延伸到高温气体通道160的一部分中。在示例性实施例中，观察口 166通向由第一级涡轮机动叶片(即，位于燃烧器116与涡轮机部分108的联轴器附近的第一级动叶片(SlB) 167)限定的高温气体通道160的一部分、并与其光学相通。或者，观察口 166通向高温气体通道160中，使得所述多色高温测定成像系统164能够如本说明书中所述运行的任何部分。多色高温测定成像系统(Mult1-colorpyrometry imaging system)164还包括相机装置168 (如下详述),所述相机装置与观察口166光学相通。
[0054]多色高温测定成像系统164进一步包括处理单元169，所述处理单元连接到相机装置168。处理单元169包括至少一个处理器170、连接到处理器170的存储装置172以及至少一个输入/输出(I/O)导管174，其中导管174包括至少一个I/O通道(未图示)。在示例性实施例中，相机装置168和处理单元169构成一个集成、整体的“智能高温测定体系结构”，其执行所有算法和控制逻辑并且产生和传输所有数据输出，以使多色高温测定成像系统164能够如本说明书中所述运行。或者，处理单元169可以是远离相机装置168的单独单元。
[0055]本说明书中所用术语“处理器”并不限于在所属领域中称为计算机的集成电路，而是广泛地指代微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路，并且这些术语在本说明书中可以互换使用。在本说明书中所述的实施例中，存储器可以包括，但不限于，计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)，以及计算机可读非易失性介质，例如闪存。或者，也可以使用软磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM )、磁光盘(MOD )和/或数字多功能光盘(DVD)。此外，在本说明书中所述的实施例中，额外的输入通道可以是，但不限于，与诸如鼠标和键盘等操作员接口相关的计算机外围设备。或者，还可以使用其他计算机外围设备，例如，包括，但不限于，扫描仪。此外，在示例性实施例中，额外的输入通道可以包括，但不限于，操作员接口监控器。
[0056]处理器170和本说明书中所述的其他处理器(未图示)处理从多个电气和电子装置，包括但不限于相机装置168，传输的信息。存储装置172和存储装置(未图示)存储并传输由处理器170执行的信息和指令。存储装置172和存储装置还可以用于在处理器170执行指令期间存储、并将临时变量、静态(即，非易失性和不变的)信息和指令或者其他中间信息提供给处理器170。要执行的指令包括，但不限于，分析从相机装置168传输的信号。指令执行序列并不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
[0057]在示例性实施例中,燃气涡轮发动机100包括燃气涡轮机控制器176，所述燃气涡轮机控制器通过I/o导管174连接到处理单元169。在示例性实施例中，燃气涡轮机控制器176从根本上说是标准组件，例如，但不限于，燃气涡轮机数字发动机控制(GT DEC)系统和/或预测和运行状况监控(PHM)系统。燃气涡轮机控制器176包括足够的存储和处理资源来使得燃气涡轮发动机100如本说明书中所述运行，其中此类存储和处理资源如上所述。此外，如上所述，相机装置168和处理单元169构成一个集成、整体的体系结构，其执行所有算法和控制逻辑并且产生并将所述数据 输出传输到燃气涡轮机控制器176。因此，在示例性实施例中，只需对燃气涡轮机控制器176的体系结构和编程稍作修改即可适应处理单元169以及从中传输的数据。或者，燃气涡轮机控制器176可以包括执行处理单元169的功能所需的体系结构和编程，从而可以省去处理单元169。
[0058]多色高温测定成像系统164包括使得燃气涡轮发动机100能够如本说明书中所述运行的任意数量的观察口 166、相机装置168和处理单元169。多色高温测定成像系统164接收从对象发出的在其光学感测范围内的光子(图2中未图示)，所述光子的波长在宽波段内，包括，但不限于，介于约0.4微米(μ m) (400纳米(nm))与约10 μ m (10，OOOnm)之间的范围。相机装置168配置用于可见范围，例如，介于约0.6μπι (600nm)与0.7μπι (700nm)之间，以及近红外范围，例如，介于约0.75μπι (750nm)与约3.Ομπι (3000nm)之间。
[0059]多色高温测定成像系统164配置用于将燃气涡轮机高温气体通道部件的宽波段辐射信号分成多个窄波段。具体来说，每个相机装置168包括多个滤波装置(图2中未图示)，每个滤波装置配置用于以上定义的宽波段内的预定窄波段。例如，但不限于，一些相机装置168的实施例包括至少一个铟镓砷(InGaAs)滤波装置，所述滤波装置配置用于以约
1.25ym(l, 250nm)为中心的波段。此外，一些相机装置168的实施例包括至少一个InGaAs滤波装置，所述滤波装置配置用于以约1.6μπι (l，600nm)为中心的波段。此外，一些相机装置168的实施例包括至少一个扩充域InGaAs滤波装置，所述滤波装置配置用于以约
2.22ym(2, 220nm)为中心的波段。此外，一些相机装置168的实施例包括至少一个InGaAs滤波装置，所述滤波装置配置用于以约1.05 μπ? (l，050nm)为中心的波段。此外，一些相机装置168的实施例包括至少一个硅(Si)滤波装置，所述滤波装置配置用于以约0.65μπι(650nm)为中心的波段。使用使得多色高温测定成像系统164能够如本说明书中所述运行的这五种滤波装置的任何组合。
[0060]图3是可用于燃气涡轮发动机100 (如图1和图2中所示)中的多色高温测定成像系统164的示例性体系结构的示意图。如上所述，处理单元169包括处理器170和存储装置172 (均如图2中所示)。在示例性实施例中，多色高温测定成像系统164的处理单元169包括实时模块180，所述实时模块包括足够的系统定时硬件、软件和/或固件，以便于以至少一兆赫(IMHz)的预定处理速度执行多色高温测定成像系统164的编程功能。本说明书中所用的术语“实时”是指以几乎可忽略的时间延迟高速处理辐射181的测量值，即，大体上在测量的同时。此外，本说明书中所用的术语“高速”是指IMHz或以上的处理频率。在示例性实施例中，处理单元169包括至少一个高速I/O模块182,所述模块包括多个端口(未图示)，所述端口连接到I/O导管174中的多个I/O通道(未图示)。I/O通道182促进从相机装置168高速传输温度信号和图像信号输入、并且向燃气涡轮机控制器176高速传输温度信号和图像信号输出。处理单元169进一步包括多色高温测定(MCP)算法模块184、数字滤波器模块186和控制逻辑模块188。模块180、182、184、186和188以通信方式连接。
[0061]在操作中，相机装置168和处理单元169内产生的S1B167的温度测量值和图像通过I/O导管174传输到燃气涡轮机控制器176。S1B167通常是高温气体通道160内将要经历最高温度的部件，因为它是暴露于来自燃烧器116的排气156中的第一个部件。因此，燃气涡轮机控制器176包括足够的编程，以将S1B167的温度测量值用作燃气涡轮发动机100的运行状况的一个主要度量。此外，燃气涡轮机控制器176包括足够的编程，以使用S1B167的温度测量值控制燃烧速率，即，燃烧器116内燃料和空气的燃烧速率和比率。此外，燃气涡轮机控制器176包括足够的编程，以使用S1B167的温度测量值启动燃气涡轮发动机100内的保护功能，从而降低燃气涡轮发动机100在温度大幅偏移期间发生损坏的可能性。此外，每个处理单元169和燃气涡轮机控制器176包括足够的编程，以产生燃气涡轮发动机100的操作员通过观察口 166旋转观察时能够看到每个S1B167的图像。
[0062]图4是可用于多色高温测定成像系统164 (如图2和图3所示)中的多个滤色波段的图200。图200包括左侧(LHS)y轴202，它表示从S1B167 (如图1和图3所示)发出的叶片辐射光子通量值，此值使用约1，500开氏度(° K) (1，237摄氏度(°C)和2，259华氏度(° F))的温度通过普朗克定律( Planck’s Law)计算得出，单位为10_19光子/立方米-秒Cm3-秒)[光子/ Cm3-秒)]。LHS y轴202以0.5光子/ Cm3-秒)的单位在O到3.5光子/ (m3-秒)的范围内划分刻度。
[0063]图400还包括X轴204，它表示从0.5μπι (400nm)延伸到3 μ m (3，000nm)的波长(入)谱，单位刻度为0.05 μπ?。图200进一步包括叶片辐射通量曲线206，其中所述叶片辐射光子通量的分布是辐射波长(λ )的函数。
[0064]图200包括右侧(RHS) y轴208，它表示燃烧气体154 (如图1和图2所示)内的常见燃烧产物的无单位吸收率系数，其中所述燃烧气体是诸如水和二氧化碳等烃类燃料在燃气涡轮发动机100 (如图1和图2所示)的典型运行条件下的燃烧产物。RHS y轴208在
0.0到1.0的范围内以0.02的单位划分刻度。图200进一步包括吸收率系数曲线210，其中所述吸收率的分布是辐射长度(λ )的函数。
[0065]多色高温测定成像系统164配置用于对与吸收率系数曲线210相关的值近似为零的波长范围使用波长谱的不同部分。此类低吸收率波长范围称为无吸收检测窗口(absorption-free detection windows)。在示例性实施例中，本说明书中所述的多色高温测定成像系统164可以使用五个无吸收/发射检测窗口进行多色高温测定(MCP)测量中。具体来说，第一滤色波段212从约0.6μπι延伸到约0.7 μ m，其中通常使用硅(Si)检测器。第二滤色波段214从约1.0 μ m延伸到约1.1 μ m。第三滤色波段216从约1.2 μ m延伸到约
1.3 μπ?。第四滤色波段218从约1.55 μπ?延伸到约1.65 μπ?。铟稼砷(InGaAs)检测器通常分别用于第二滤色波段214、第三滤色波段216和第四滤色波段218。第五滤色波段220从约2.15 μ m延伸到约2.3 μ m，其中通常使用波长扩展铟镓砷检测器。
[0066]此外，在通常情况下，温度和成像结果随着接收到的叶片辐射增加而得到改善。因此，在本说明书中所述的一些实施例中，使用了所述五个滤色波段的组合。具体来说，一个实施例分别使用了第三滤色波段216和第四滤色波段220，分别是因为这两个波段接近无吸收率检测窗口、具有充分的叶片辐射传输，并且使用铟镓砷技术。尽管所描述的示例性实施例使用了特定波段，但是替代实施例可以具有基于特定因素选择的不同波段，例如，但不限于，燃烧燃料的类型和质量以及高温气体通道中的热力学条件，例如温度和压力。
[0067]图5是可用于多色高温测定成像系统164 (如图2和图3所示)中的示例性相机装置168的示意图。图6是相机装置168的透视图。在示例性实施例中，相机装置168包括相机外壳300，所述相机外壳包括连接装置302，用于将相机外壳300连接到观察口 166。相机外壳300限定相机孔304,所述相机孔与观察口 166光学相通。相机孔304包括传感器，例如，但不限于，焦平面阵列。相机装置168还包括相机306，所述相机通过相机输出通道308连接到处理单元169。相机装置168进一步包括多色滤波机构310，所述多色滤波机构置于观察口 166与相机孔304之间。
[0068]图7是可用于多色高温测定成像系统164 (如图2和图3所示)中的多色滤波机构310的透视图。图8是可用于多色滤波机构310 (如图7所示)中的示例性滤色器保持架320的透视图。图9是可用于多色滤波机构310 (如图7所示)中的示例性第一滤色器322的透视图。图10是连接到相机外壳300并且已移除滤色器322和324的多色滤波机构310的正面视图。
[0069]在示例性实施例中，多色滤波机构310包括滤色器保持架320，所述滤色器保持架配置用于容纳左侧(LHS)滤色器322和右侧(RHS)滤色器324。保持架320配置用于两个彼此接近的滤色器。或者，保持架320可以配置用于使得多色滤波机构310能够如本说明书中所述运行的任意数量的滤色器。此外，LHS滤色器322和RHS滤色器324大体上成圆形并且与相邻的配对表面326对称，各自由弦328限定。或者，多色滤波机构310包括滤色器，所述滤色器可以是任何形状，包括，但不限于，完整圆形或矩形。此外，LHS滤色器322和RHS滤色器324置于与特定平面大体重合的位置，所述平面沿z轴334由x轴330和y轴332限定。轴330、332和334彼此正交。或者，滤色器322和324可以各自设置于z轴334的不同点处，以符合滤色器322和324的不同焦点特性。
[0070]此外，在示例性实施例中，保持架320包括框架336，所述框架限定LHS滤色器空腔338和相邻的RHS滤色器空腔340，所述LHS滤色器空腔和RHS滤色器空腔配置用于分别容纳滤色器322和324。框架336包括平移调整片(translation tab) 342，所述平移调整片促进框架336沿X轴330的平移。或者，平移调整片342可以配置用于促进框架336沿y轴332和/或z轴334平移(以调整焦距)。
[0071]此外，在示例性实施例中，LHS滤色器322配置用于过滤辐射181(如图3所示)，以使位于约1.20 μ m至约1.3μπι范围内的第一预定波段内的光子(未图示)传输到嵌入相机孔304内的传感器(如图5和图6所示)。此外，RHS滤色器324配置用于过滤辐射181 (如图3所示)，以使位于约1.55 μ m至约1.65 μ m范围内的第二预定波段内的光子(未图示)传输到嵌入相机孔304内的传感器。[0072] 此外，在示例性实施例中，多色滤波机构310包括平移机构350。滤色器保持架320的平移调整片342与平移机构350关联。平移机构350包括上轨352以及大体平行的下轨354，分别限定上槽356和下槽358。槽356和358容纳滤色器保持架320并且限定足够的间隙，以促进滤色器保持架320沿X轴330横向遍历。平移机构350还包括LHS连接器360和RHS连接器362。平移机构350进一步包括活塞杆364，所述活塞杆连接到LHS连接器360和RHS连接器362并且延伸在两者之间。平移机构350还包括活塞366，所述活塞连接到活塞杆364。活塞杆364限定一个长度，所述长度促进活塞366和活塞杆364沿x轴330横向往返移动(lateral traversal)。RHS连接器362还容纳滤色保持架320的平移调整片342，以使活塞366在活塞杆364上的横向移动能够促进滤色器保持架320横向移动。
[0073]平移机构350是以下项中的一项:液压致动器、气压致动器和电力致动器，例如螺线管。液压流体、空气和电力可以从与燃气涡轮发动机100 (如图1所示)关联的现有服务提供。平移机构350的操作命令可以传输自处理单元169和燃气涡轮机控制器176中的一个，或者使得多色高温测定成像系统164能够如本说明书中所述运行的其他任何来源。平移机构350通过多个紧固件(未图示)连接到相机外壳300，所述紧固件插入限定在上轨352与下轨354中的紧固件孔368中(图7中仅标注了一个)。
[0074]图11是连接到相机外壳300的多色滤波机构310的正面视图，其中所述多色滤波机构位于第一位置中。图12是多色滤波机构310的正面视图，其中所述多色滤波机构位于第二位置中。图13是多色高温测定成像系统164 (如图2和图3所示)产生的多幅示例性图像。
[0075]在操作中，辐射181 (如图3所示)中的光子通过观察口 166 (如图2、图3和图5所示)传输到相机装置168。许多光子(未图示)位于宽波段中，例如，但不限于，所述宽波段包括介于约0.4μηι与约10 μπ?之间的范围。滤色器保持架320置于左侧，以使RHS滤色器324与观察口 166和相机孔304光学相通并且置于这两者之间。将宽广光子流过滤到位于约1.55 μ m到约1.65 μ m范围内的第二波段中。经过过滤的光子通量通过相机孔304传输到相机306。相机306产生表不第二范围内的光子的信号流,并将其传输到处理单兀169(如图2和图3所示)。处理单元169产生一个预定S1B167的第一图像400。
[0076]此外，在操作中，按照特定顺序，平移机构350操作性地将滤色器保持架320平移到右侧，以使LHS滤色器322与观察口 166和相机孔304光学相通并且置于这两者之间。将宽广光子流过滤到位于与1.2 μ m到约1.3 μ m范围内的第一波段。经过过滤的光子通量通过相机孔304传输到相机306。相机306产生表不第一范围内的光子的信号流，并将其传输到处理单元169。处理单元169产生预定S1B167的第二图像402。
[0077]第一图像400和第二图像402的曝光时间是使得多色高温测定成像系统164能够如本说明书中所述运行的任意值，例如，但不限于，位于约I微秒(μ sec)到100 μ sec范围内的值。
[0078]此外，在操作中，处理单元169执行产生组合图像404所需的算法和指令。处理单元169执行光学修正，以处理可能来自高温气体通道160中位于滤色器322和/或324焦点之外区域的辐射181。此外，处理单元169执行滤色器322和324的修正建模，以修正滤色器322和324的潜在特性，例如，但不限于，低功率和低焦距。
[0079]此外，在操作中，要产生组合图像404，处理单元169使用多色算法来获取如本说明书中所述按顺序通过滤色器322和324的原始颜色。处理单元169使用黑体校准数据，以便于确定相关颜色的辐射温度值。此外，处理单元169将所测量的光子强度值转换成每个测量颜色的辐射温度值，并且计算单色温度以便于比较。
[0080]在示例性实施例中，假定与S1B167的叶片表面发射率相关的发射率值以及来自高温气体通道160 (如图2和图3中所示)中的周围高温表面的温度反射。本说明书中所用的材料发射率(ε )是其表面通过辐射释放能量的相对能力。这是特定材料辐射的能量与相同温度的黑体辐射的能量之比。例如，纯黑体应具有ε=1，而任何实际对象应具有ε〈1。发射率是无因次量/无量纲值(dimensionless quantity)。通常情况下,材料颜色越单调且越黑，其发射率约接近1，并且材料反射越大，其发射率越低。或者，发射率值可以实时确定。
[0081]此外，在操作中，执行图像配准以产生组合图像404。此类图像配准便于匹配各种彩色图像，例如，图像400和402，以补偿不同的放大率和抖动。此外，处理单元169可以执行累积算法来将额外帧(additional frames)添加到第一图像400和/或第二图像402,以增加与图像400和402相关的信号。此外，处理单元169可以使用去模糊算法、对比算法以及平均算法来产生组合图像404。
[0082]如上所述，示例性实施例包括滤色器324，以通过将光子过滤到位于约1.55 μ m到约1.65 μ m范围内的波段来产生第一图像400。此外，滤色器322通过将光子过滤到约
1.20 μπ?到约1.3μπι范围内的波段来产生第二图像402。但是，如上所述，可以使用其他滤色器。此类替代滤色器将光子过滤到特定波段，包括位于约0.60微米(μ m)到约0.7 μ m范围内的波段、位于约Ι.Ομπι到约1.1 μ m范围内的波段以及位于约2.15口!11到约2.34111范围内的波段。
[0083]此外，多个多色高温测定成像系统164可以置于燃气涡轮发动机100周围。在此类替代构造中，可以使用多个相机装置168，以使一个替代相机装置168包括第一单色滤波器，用于传输选自上述五个波段的第一预定波段内的光子，并且另一替代相机装置168包括第二单色滤波器，用于传输选自上述五个波段的第二预定波段内的光子。其他替代构造包括多个替代相机装置168，每个相机装置包括多个滤色器，所述滤色器具有使得多色高温测定成像系统164能够如本说明书中所述运行的任何波段组合。
[0084]此外，多色高温测定成像系统164包括足够的编程，以便于在S1B167高速旋转的同时以预定顺序目视观察每个S1B167。此类编程包括足够的算法，以便于在S1B167旋转的同时按顺序捕获它的图像。此类编程可以使用现有键相信息。本说明书中所用术语“键相(keyphasor)”是指源自旋转轴115 (如图1和图2所示)上的点(未图示)的电脉冲或触发器。随着所述点旋转过涡轮机部分108 (如图1和图2所示)中的固定装置(未图示)，传输触发器信号(未图示)，以使键相触发器信号的频率等于S1B167的旋转频率，即，轴115的速度。
[0085]图14示出了替代示例性多色滤波机构500，所述多色滤波机构可以连接到限定相机孔304的相机外壳300。多色滤波机构500包括替代滤色器保持架502，所述滤色器保持架通过枢转装置504铰接到相机外壳300。多色滤波机构500还包括弹簧型平移装置506，所述弹簧型平移装置包括弹簧508和杆510，这两者均连接到滤色器保持架502。平移装置506偏置，以将第一滤色器512保持在相机孔304上。平移装置506通过液压力、气动力和电(螺线管)力中的一个激活，以将杆510推动到左侧，以克服弹簧508的偏置并且以旋转方式沿箭头514的方向平移滤色器保持架502，以使第二滤色器516置于相机孔304上。一旦杆510松弛，弹簧508的偏置会重置滤色器保持架502，以使第二滤色器512重置在相机孔304 上。
[0086]本说明书中所述多色滤波机构的其他替代实施例可以包括电光装置，所述电光装置通过调整滤色器322、324、510和514附近的电场来改变相关滤色器的光学性质。此外，本说明书中所述多色滤波机构的其他替代实施例可以包括可调谐滤波器，所述可调谐滤波器连接到，或者而不是，滤色器322、324、510和514，以使传输穿过相机孔304的光子在预定波段内。电光装置和可调谐滤波器可以通过处理单元169实时控制，以按顺序将光子过滤到所需的波段。
[0087]上述多色成像系统提供了一种经济有效的方法来提高燃气涡轮发动机和其他高温系统的可靠性并减少运行中断。具体来说，本说明书中所述的装置、系统和方法从第一波长范围内的光子产生部件的第一图像；从第二波长范围内的光子产生同一部件的第二图像；以及组合所述图像以产生使用各个图像本身无法获得的优质图像。本说明书中所述的装置、系统和方法在预定波段内运行，所述预定波段对诸如水和二氧化碳等高温气体成分的吸收率低，并且具有用于光子强度测量的足够光子通量。此外，本说明书中所述的装置、系统和方法按顺序过滤预定波段内的光子并将其传输通过多滤色器装置。本说明书中所述的多滤色器装置包括平移机构、电-光系统和可调谐滤波器。本说明书中所述的平移机构在物理上按顺序将滤色器置于相机孔前方，以将光子过滤到所需波段。所述电光系统调整滤色器附近的电场，以按顺序实时改变滤波带。所述可调谐滤波器按顺序实时调谐，以改变所述滤波带。通过清晰的实时光学图像改进高温气体部件的监控可以有助于尽早检测到物理变形，以便制定补救计划。此外，表示受监控部件没有任何物理变形可以有助于推迟检修停机。早期检测以及推迟措施都能够有助于节省燃气涡轮发动机的运行和维修成本。
[0088]本说明书中所述方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下项中的至少一项:(a)从收集自窄波段的光子所产生的多幅图像中产生高温气体通道部件的组合图像；(b)有助于减少由于部件温度监控不准确而产生的燃烧速率振荡；以及(C)有助于减少由于部件温度监控不准确而引起的自动保护措施。
[0089]上述详述了燃气涡轮发动机的多色成像系统和方法的示例性实施例。所述多色成像系统以及此类系统的操作方法并不限于本说明书中所述的特定实施例，相反，本说明书中所述系统的部件和/或方法的步骤可以独立于其他部件和/或步骤单独使用。例如，所述方法还可以与其他高温燃烧系统和方法结合使用，并不限于仅使用本说明书中所述的燃气涡轮机系统和多色成像系统和方法进行实践。但是，示例性实施例可以结合许多其他高温燃烧应用来实施和使用。
[0090]尽管本发明多个实施例的特定特征可以在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅用于简要地说明。根据本发明的原则，附图中的任何特征可以结合其他任何附图中的任何特征来参考和/或提出权利要求。
[0091]本说明书使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种用于高温资产的多色高温测定成像系统，所述多色高温测定成像系统包括: 至少一个观察口，所述至少一个观察口与所述高温资产的至少一个部件光学相通；以及 至少一个相机装置，所述至少一个相机装置与所述至少一个观察口光学相通，其中所述至少一个相机装置包括: 相机外壳； 至少一个相机孔，所述相机孔限定在所述相机外壳内，其中所述至少一个相机孔与所述至少一个观察口光学相通；以及 多色滤波机构，所述多色滤波机构连接到所述外壳，所述多色滤波机构配置用于按顺序传输第一预定波段内的光子和传输第二预定波段内的光子，所述第二预定波段与所述第一预定波段不同。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多色滤波机构包括: 第一滤色器，所述第一滤色器配置用于传输所述第一预定波段内的光子； 第二滤色器，所述第二滤色器配置用于传输所述第二预定波段内的光子； 保持架，所述保持架配置用于容纳所述第一滤色器和所述第二滤色器；以及平移机构，所述平移机构连接到所述保持架，所述平移机构配置用于按顺序设置所述第一滤色器和所述第二滤色器中的每一个，所述第一滤色器和所述第二滤色器与所述至少一个相机孔和所述至少一个观察口光学相通。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述平移机构包括以下项中的至少一项: 液压致动器； 气压致动器；以及 电力致动器。
4.根据权利要求2所述的系统，其中: 所述第一滤色器和所述第二滤色器至少部分限定多个滤色器，其中所述滤色器中的每一个均形成预定形状并且以彼此接近的方式置于所述保持架内；以及 所述保持架连接到所述相机外壳，以使所述保持架促进所述多色滤波机构大体线性平移和大体旋转平移中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一预定波段和所述第二预定波段至少部分限定多个预定波段，包括: 位于约0.60微米(μ m)到约0.7 μ m范围内的波段； 位于约1.0 μ m到约1.1 μ m范围内的波段； 位于约1.20 μ m到约1.3 μ m范围内的波段； 位于约1.55 μ m到约1.65 μ m范围内的波段；以及 位于约2.15 μ m到约2.3μπι范围内的波段。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述至少一个相机装置包括多个相机装置，所述相机装置包括: 第一相机装置，所述第一相机装置包括第一滤色器，所述第一滤色器配置用于传输所述第一预定波段内的光子；以及
第二相机装置，所述第二相机装置包括第二滤色器，所述第二滤色器配置用于传输所述第二预定波段内的光子。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个处理器，所述至少一个处理器连接到所述至少一个相机装置，所述至少一个处理器经编程以: 接收所述至少一个相机装置内产生的第一信号流，所述第一信号流大体上表示所述第一预定波段内的光子； 接收所述至少一个相机装置内产生的第二信号流，所述第二信号流大体上表示所述第二预定波段内的光子；以及 产生所述至少一个部件的图像。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述高温资产是燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机限定高温气体通道，并且所述高温部件是高温气体通道部件。
9.一种燃气涡轮发动机,包括: 置于高温气体通道内的至少一个部件，所述高温气体通道限定在所述燃气涡轮发动机内；以及 多色高温测定成像系统，所述多色高温测定成像系统包括: 至少一个观察口，所述至少一个观察口与所述至少一个部件光学相通；以及至少一个相机装置，所述至少一个相机装置与所述至少一个观察口光学相通，其中所述至少一个相机装置包括: 相机外壳； 至少一个相机孔，所述相机孔限定在所述相机外壳内，其中所述至少一个相机孔与所述至少一个观察口光学相通；以及 多色滤波机构，所述多色滤波机构连接到所述外壳，所述多色滤波机构配置用于按顺序传输第一预定波段内的光子以及传输第二预定波段内的光子，所述第二预定波段与所述第一预定波段不同。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其中所述多色滤波机构包括: 第一滤色器，所述第一滤色器配置用于传输所述第一预定波段内的光子； 第二滤色器，所述第二滤色器配置用于传输所述第二预定波段内的光子； 保持架，所述保持架配置用于容纳所述第一滤色器和所述第二滤色器；以及 平移机构，所述平移机构连接到所述保持架，所述平移机构配置用于按顺序设置所述第一滤色器和所述第二滤色器中的每一个，所述第一滤色器和所述第二滤色器与所述至少一个相机孔和所述至少一个观察口光学相通。
【文档编号】G01J5/00GK103968950SQ201410035439
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】J.埃斯特瓦德奥尔达尔, N.V.尼尔马兰, N.特拉尔沙瓦拉, J.C.贝利 申请人:通用电气公司