专利名称：利用成像光纤带探头来监测叶片振动的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮机叶片监测，并且更特别地涉及一种用于在叶片振动监测期间检测叶片经过事件时使用的光纤带探头。
背景技术：
高速涡轮机，诸如例如蒸汽涡轮机或燃气涡轮机，一般包括多个以轴向定向的排布置的叶片，这些叶片排响应于轴向流经机器的高压流体的力而旋转。由于叶片的复杂设计，叶片的自然机械共振频率可以与特定叶片旋转速度及其旋转谐波一致或者被所述特定叶片旋转速度及其旋转谐波激发。为了防止叶片在其正常位置附近过度地振动，谨慎的设计实践规定将叶片构造为使得最低模式的频率落在涡轮机的运行频率的谐波之间。另外， 叶片可以被诸如气动抖振或颤振的非同步的力激发。为了避免振动超过特定水平并且在叶片中设置对抗应力，通常在设计和测试叶片期间以及在涡轮机的正常运行期间都监测叶片的振动。例如，已知使用非接触式接近传感器或者探头来检测叶片振动。探头在每个叶片经过每个探头时检测该叶片的实际到达时间并且为叶片振动监测系统(BVM)提供相应的信号。由于振动造成的小偏离被提取，BVM可以从中确定每个叶片的振动的幅度、频率和相位。所测量的振动幅度高度取决于传感器在叶片目标之上的正确定位，该叶片目标可以包括附着于叶片的目标、叶片的特征、或者叶片尖端本身。在典型的测量中，探头可以被定位为感测叶片的前缘或尾缘的经过。在一个已知的从旋转叶片获得到达时间数据的系统中，五个透镜激光线探头将激光传播成跨越叶片尖端的一部分的一条线，以确保叶片尖端前缘或叶片尖端尾缘任意之一被检测为到达时间。光脉冲由在叶片尖端经过探头时从该叶片尖端反射的激光产生并且被探头接收。如果探头定位在前缘之上，则脉冲前缘指示叶片尖端前缘的到达，从而提供尖端前缘处的振动测量。如果探头定位在叶片尖端尾缘之上，则脉冲下降沿指示离开叶片尖端尾缘，从而提供尖端尾缘处的振动测量。这样的测量要求激光的线悬于前缘或尾缘之上以保证前缘或尾缘被截取，并且附加地要求用于接收反射光的探头被精确地定位以保证探头的焦点被定位在叶片的前缘或尾缘处或前缘或尾缘附近，因为“错过边缘”的情况将不被该探头配置检测到。适当地对准探头这一困难由于叶片在运行期间的轴向运动而加剧，诸如可能在转子旋转加速或减速时、在涡轮机升温或冷却时、在涡轮机上的负载改变时、以及由于叶片的扭转运动而发生。因此，期望提供一种BVM探头，该BVM探头能够提供基本上不受叶片的轴向运动影响的到达时间数据。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于监测涡轮发动机中的叶片振动的叶片振动监测器，该涡轮发动机包括叶片结构以及包围该叶片结构的壳体，所述叶片结构包括多个叶 片和与叶片相关联的叶片尖端目标部分。该叶片振动监测器包括光源和照射管道，该照射管道具有透射端部，所述透射端部用于定位为与壳体的内部部分相邻以用于将光源的图像投射到涡轮发动机中的叶片结构上，所述投射图像包括轴向伸长的投射图像。提供处理器以用于处理来自叶片尖端目标部分的与叶片经过事件相对应的反射光图像。提供成像管道，该成像管道包括由光受体通道的阵列定义的受体端部，该受体端部被定位为与壳体的内部部分相邻以用于从叶片尖端目标部分接收反射光图像并且具有横向于叶片的运动路径的轴向部件。所述处理器包括传感器阵列，该传感器阵列具有多个阵列部件，这些阵列部件用于对与沿着轴向伸长的投射图像的位置相对应的光受体通道的位置进行成像。所述处理器在每个叶片经过事件期间识别叶片上的轴向位置。根据本发明的另一方面，描述一种提供叶片振动监测器的方法，该叶片振动监测器用于监测涡轮发动机中的叶片振动，该涡轮发动机包括叶片结构并且包括包围该叶片结构的壳体，所述叶片结构包括多个具有叶片尖端目标部分的叶片并且被支承以用于旋转。 该方法包括提供连接到光源的照射管道并且将光线发射到壳体中以定义来自照射管道的轴向伸长的图像；使叶片尖端目标部分沿着行进路径经过与轴向伸长的投射图像相对应的位置并且在叶片尖端目标部分上的位置处形成反射光图像以定义叶片经过事件；在由形成受体阵列的多个光纤所定义的成像管道的受体端部处接收反射光图像，所述反射光对应于在每个叶片尖端目标部分运动经过光线时沿着轴向伸长的投射图像的多个位置；通过成像管道将反射光图像从受体阵列传送给成像管道的成像端部处的成像阵列；以及将反射光图像从成像阵列成像到传感器阵列上以用于识别叶片尖端目标部分上的至少一个预定点的轴向和切向位置。根据本发明的另一方面，描述一种提供叶片振动监测器的方法，该叶片振动监测器用于监测涡轮发动机中的叶片振动，该涡轮发动机包括叶片结构以及包围该叶片结构的壳体，所述叶片结构包括多个具有叶片尖端目标部分的叶片。该方法包括绕支承结构连续地缠绕光纤的股，从而形成多个彼此接触的绕组；沿着绕组的预定长度将多个绕组彼此粘合以定义光纤的粘合段；在预定长度的端部中间的位置处横向于光纤的长度地切断光纤的粘合段以形成切断端部，切断端部之一定义受体端部；将受体端部定位为与壳体的内部部分相邻；以及将光纤的成像端部定位为与受体端部相对、在处理器处，以用于检测受体端部处所接收的光。


尽管本说明书得出具体指出并且明确要求保护本发明的权利要求，但是相信根据下面结合附图的描述将更好地理解本发明，其中相同的附图标记标识出相同的元素，并且其中
图1是示出并入本发明的涡轮机和叶片振动监测系统的图解视图； 图2是根据本发明所构造的光纤带探头的部分分解的透视视图； 图3是图2的光纤带探头的受体端部的透视视图；图4是示出光纤带探头的构造的图解视图5是光纤带探头的构造 的放大图解视图，该视图示出通过切断光纤绕组的接合段所形成的切断端部；
图6是光纤带探头的接合段的切断端部的端部视图； 图7是完整的成像管道的平面视图8是示出使用成像光纤带探头来检测叶片经过事件的图解平面视图；以及图9是示出包括叶片振动监测系统的涡轮机的图解视图，该叶片振动监测系统使用多个成像光纤带探头。
具体实施例方式在下面对优选实施例的详细描述中，参考构成该优选实施例一部分的附图，并且在附图中以图解说明的方式、而不是限制的方式示出其中可以实施本发明的特定优选实施例。应当理解，在不偏离本发明的精神和范文的情况下可以使用其它实施例以及可以做出改变。图1图解示出包括开式叶片排10的涡轮机8，其中本发明的方法和装置可以在叶片振动监测系统中采用以监测涡轮机叶片14的振动。涡轮机叶片14借助于转子轮盘18 连接到转子16并且形成涡轮机8内的叶片结构15。图1中还示出涡轮机叶片振动监测系统(BVM) 20。该系统20包括安装到涡轮机 8的壳体36的涡轮机叶片探头22，用于监测涡轮机叶片14的振动。根据本发明的实施例， 可以以在圆周上彼此间隔开的方式提供多个探头22，这在下面参考图9进一步描述。如进一步在图1中所示，附加地提供参考传感器24。该参考传感器24——连同转子16上的标记21——可运行以提供每转一次(OPR)的参考脉冲信号。来自探头22的信号以及来自参考传感器24的信号被作为输入提供给叶片振动处理器28。叶片振动处理器28 的输出被输入到信号分析器32，该信号分析器32可以执行信号调理和分析。参考图2，探头22是成像光纤带探头(IFORP) 40的部件，该成像光纤带探头 (IFORP) 40包括第一照射管道42、第二照射管道44、以及成像管道46。第一和第二照射管道42、44和成像管道46每个都由多个光纤52或光纤束52构成。每个光纤束52都被构成为光纤带以用于并入在探头22中，这将在后面进一步描述。BVM 20还包括照射源或光源54，该照射源或光源54在该优选实施例中可以包括激光源。例如，可以提供连续激光源或断续(Chop)(开/关)激光源。以高固定频率运行的断续激光源可以提供对由探头22接收的反射光脉冲的频率/相位灵敏检测，以及提供信号噪声的实质性降低。第一和第二照射管道42、44包括定位在光源54处的相应受照端部42a、44a，该受照端部42a、44a用于接收将通过照射管道42、44传导的光能。照射管道42、44的相对端部包括光纤带透射端部42b、44b，用于定位为与壳体36的内部部分相邻并且在BVM过程期间在叶片14绕转子16的旋转轴38旋转时将光向叶片14投射。类似地，成像管道46包括相对端部，这些相对端部包括定位为与传感器阵列56相邻的成像端部46a、以及光纤带受体端部46b，该光纤带受体端部46b用于定位为与壳体36 的内部部分相邻并且在叶片经过事件期间在叶片14旋转经过探头22时接收反射光。尽管被示出为单独的元件，但是传感器阵列56可以包括处理器28的部件并且从辐射端部46a 接收反射光的图像。传感器阵列56响应于叶片经过事件提供与成像反射光相对应的输出以供处理器28使用，这在后面进一步描述。
图3相对于叶片14 (图解示出)进一步示出探头22。探头22包括非常小的柱面透镜58，该柱面透镜58附接到照射管道42、44的透射端部42b、44b以及成像管道46的受体端部46b上。柱面透镜58将从光源54通过照射管道42、44被传送并且从透射端部42b、 44b被发射的光聚焦为定义轴向伸长的投射图像的汇聚光线60、62，如在图3中的64处描绘的那样。伸长的投射图像64被聚焦到与每个旋转叶片14的叶片尖端目标部分66在转子16的旋转运动期间都经过的位置一致的空间位置。伸长的投射图像64的位置还包括透镜58的中心的焦线，并且从目标部分66反射的光形成反射光图像68，该反射光图像68被柱面透镜58聚焦到成像管道46的受体端部46b上。应当注意，所示实施例的叶片尖端目标部分66包括由每个叶片14的轴向上的外部尖端所定义的叶片表面。然而，目标部分可以包括单独形成的构件(未示出)，所述构件可以附接在叶片结构15的外圆周处并且能够提供反射光信号，从而指示经过探头22的目标部分的经过。参考图4，示出了用于在形成IFORP 40的管道42、44、46时使用的构造方法。为了该描述的目的，详细描述仅成像管道46及其相关联的成像带端部46a和受体带端部46b的构造。成像管道46在支承结构70周围形成，该支承结构70被示出为鼓状结构，但是可以包括任何用于支承光纤52的多个绕组的曲折结构。发状光纤52的股，例如具有直径大约 125 μ m的光纤52的股，连续地绕支承结构70缠绕，其中光纤52的绕组被定位为彼此紧密接触。光纤52被缠绕以形成绕支承结构70延伸的带状结构72。形成带状结构72的预定长度的多个绕组被粘结在一起以定义光纤52的接合的或粘合的段74。在形成光纤52的粘合段74以后，粘合段74在粘合段74的端部78、80中间的位置处被横向于光纤52的长度地、即横向于光纤52的伸长方向地切断，如由箭头76描绘的那样。优选地，粘合段74在段74的端部78、80之间的中间点处被切断以形成两个接合的光纤带82、84，如在图5中看到的那样。接合光纤带82、84的所切断的表面被抛光以提供透光的表面，其中接合光纤带82的经过抛光的表面定义成像管道46的受体端部46b，并且接合光纤带84的经过抛光的表面定义成像端部46a。举例来说，每个接合光纤带82、84都可以被配置为狭窄的矩形光学阵列，该狭窄的矩形光学阵列具有大约0. 750英寸(1.905cm) 的长度或主要尺寸48以及大约0. 062英寸(0. 157cm)的厚度或次要尺寸50。图7示出完整的成像管道46，该成像管道46具有相对的矩形接合光纤带82、84并且包括在接合光纤带 82、84之间围绕光纤52的护套104。由于成像端部46a和受体端部46b被形成在粘合段74的共同的切断位置76处， 因此在形成受体端部46b处的受体阵列的光纤端部与形成成像端部46a处的成像阵列的光纤端部之间存在一一对应。也就是说，对于受体端部46b中的光纤52的每个端部而言，在成像端部46a中存在相同光纤52的端部，其中成像端部46a中的光纤的端部的位置精确地对应于受体端部46b中的光纤的端部的位置。因此，从目标部分66所反射并且成像到受体端部46b的光纤52上的光将在成像端部46a处的光纤52的相对端部处产生相对应的基本上相同的图像。特别地，当光在沿着探头22的主轴88的特定位置处被成像到受体端部46b时(参见图2)，光纤52将充当用于将光成像到沿着成像端部46a的主轴100的相应位置的个别化光受体通道(图2和8)。 照射管道42、44可以使用与上面参考图4和5所描述的构造过程类似的构造过程来形成，其中粘合端部82、84定义透射端部42b、44b以用于在探头22中定位。然而，在用于形成照射管道42、44的过程中，执行附加的切断操作，其中带状结构72在接合光纤带端部82、84之间的中间位置处、即在由点线86所指示的位置处被切断，以定义两个单独的带结构，这诸如在名称为 “METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING BLADE VIBRATION WITH A FIBER OPTIC RIBBON PROBE”的美国专利申请序列号12/360，897 (代理人案号 2008P18616US01)中描述，该专利申请的全部公开内容通过引用并入于此。例如，带状结构 72可以在86处被切断，使得带端部82和相关联的光纤52形成第一照射管道42，其中带端部82的经过抛光的光纤端部形成第一透射端部42b。类似地，带端部84和相关联的光纤52 可以形成第二照射管道44，其中带端部84的经过抛光的光纤端部形成第二透射端部44b。 光纤52的为每个照射管道42、44在切断位置86处形成的非接合切断端部可以被集合在一起以定义相应照射管道42、44的受照端部42a、44a。例如，每个照射管道42、44的非接合切断端部都可以被集合以形成圆形来定义受照端部42a、44a，所述受照端部42a、44a用于从光源54接收光并且将光通过照射管道传输给透射端部42b、44b。应当注意，受照端部42a、 44a不限于任何特定的形状，并且可以被形成为易于将光从光源54耦合到受照端部42a、 44a的任何形状。可替代地，每个照射管道42、44都可以通过针对成像管道46所描述的相同构造技术来形成。具体地，相应照射管道42、44的每个相对端部42a、42b和44a、44b都可以通过以狭窄矩形配置的粘合光纤的段来定义。探头22通过将受体端部46以夹层关系定位在透射端部42a、44a之间而被形成， 如可以从图2中看到的那样。透射端部42b、44b优选地被粘合或接合到受体端部46b的任一侧，以将探头22配置为定义主轴88的狭窄矩形。附加地，壳体90 (图2)可以被提供环绕透射端部42b、44b以及受体端部46b的侧面以定义探头22的外表面。柱面透镜58的平面57被直接接合到经过抛光的透射端部表面和受体端部表面 42b,44b和46b。柱面透镜58被配置为狭窄矩形以基本上与端部表面42b、44b和46b的组合尺寸相匹配。例如，柱面透镜58可以具有大约0. 750英寸(1. 905cm)的主要尺寸和大约 0. 200英寸(0. 508cm)的次要尺寸。因此，柱面透镜58的纵长外缘部分被定位在透射端部 42b、44b之上以将来自照射管道42、44的光纤52的透射光以预定角度向内聚焦到轴向伸长的投射图像64的位置64，并且柱面透镜58的中心部分被定位在受体端部46b之上以将来自位置64的光聚焦到成像管道46的光纤52中。在探头22的可替代的配置中，可以提供仅仅一个照射管道42或44，其中透射端部之一 42b或44b与成像管道46的受体端部46b具有并排关系。如在前面所述的实施例中那样，柱面透镜58可以附接到光纤52的经过抛光的端部以使一个投射端部42或44b和受体端部46将光聚焦到轴向伸长的投射图像64的位置或者对来自该位置的光进行聚焦。如上所述，成像端部46a被定位为与传感器阵列56相邻。传感器阵列56利用大体上由图2中的网格位置102图解描绘的多个阵列部件形成。阵列部件102包括光敏元件， 这些光敏元件用于接收与在成像端部46a处的光纤52所定义的光通道位置相对应的图像并且用于提供输出给处理器28，该输出对应于对沿着轴向伸长的、与目标部分66相交的投射图像64的位置进行成像并且在受体端部46b处被接收的反射光。在优选实施例中，传感器阵列56包括高速CCD摄像机，该CCD摄像机具有亚微秒范围内的快门速度并且具有非常高的CCD阵列像素计数。成像管道46的成像端部46a指向摄像机的CCD阵列，并且该摄像机被配置为跟踪在受体端部46b处产生并且被传输到成像端部46a的扫描图像上的特定点。也就是说，传感器阵列56 (即CCD摄像机)能够识别特定的像素位置以及来自成像端部46a的光在每个像素位置处被接收/感测的相应时刻。因此，处理器28接收如下数据 所述数据包括对应于目标部分66上的特定位置的特定像素或像素组随着转子16的每次旋转被照射的精确时间。 优选地由两个不同过程之一来执行在叶片经过事件期间从目标部分66采集数据以及将该数据与特定时间或“时间戳”相关联。在用于采集数据的第一“突发曝光”过程中， 通过基于BVM的时钟信号并且参考由参考传感器24所提供的OPR信号触发传感器阵列56 ((XD摄像机)来执行在每个叶片14经过探头22时以及对应于叶片经过事件来识别该叶片 14。例如，以96MHz BVM时钟运行并且具有3600rpm转子速度的系统将产生每转96，000/60 =1，600, 000个计数。如在常规已知的BVM处理技术中那样，BVM可以基于从OPR中所确定的转子速度来确定特定的叶片14将在其旋转中处于特定的位置，这对于本发明而言使得能够识别特定的时钟计数窗口，在该特定的时钟计数窗口期间任何给定的叶片14处于探头22的视野内。传感器阵列56 (CCD摄像机)在针对每个叶片经过事件的该已知时钟窗口期间被触发，以形成提供关于每个目标部分66 (叶片尖端)的位置的数据的多个摄像机曝光。通过在多次转动的范围内采集对应于给定叶片14的预定时钟窗口内的摄像机曝光， 目标部分66 (叶片尖端)的位置针对摄像机曝光的序列被得知或者被识别。每个摄像机曝光被利用其相关联的触发时钟计数(摄像机“快门”触发时间)来标记。因此，针对每个叶片经过事件(或者时钟窗口)基于所感测的CPR位置，通过多次地、例如以BVM时钟频率触发传感器阵列56 ((XD摄像机)，BVM可以针对每个叶片14的叶片经过事件记录带时间戳的数据，从而提供关于目标位置66 (叶片尖端)上的由探头22针对由时钟窗口定义的每个叶片经过事件所成像的任何以及所有点的信息。在上述突发曝光过程的变型方案中，类似于探头22的第二探头(未示出)可以作为第二接收器通道提供在如下位置处在该位置处，叶片14的前缘92将在经过事件感测探头22之前经过第二探头以由此产生叶片的前缘92处的触发信号(trigger)。该第二探头可以以与上面引用的名称为 “METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING BLADE VIBRATION WITH A FIBER OPTIC RIBBON PROBE”的美国专利申请序列号12/360，897 (代理人案号 2008P18616US01)中所描述的两个探头感测布置类似的方式来提供。触发第二探头被用于启动传感器阵列56的高速摄像机曝光的突发或序列，所述高速摄像机曝光可以由96MHz BVM时钟触发或者可以由以所选频率运行的不同时钟来触发。如在前面所述的数据采集过程中那样，所触发的摄像机曝光序列可以在从叶片的尖端前缘92进行测量时跟踪目标部分66上、即叶片尖端上的任何点。另外，如在首先描述的突发曝光数据采集过程中那样，参考CPR信号来执行对与叶片经过事件相关联的特定叶片14的识别。在用于采集数据的第二“编程(智能)照射”过程中，从光源54到事件感测探头22 的光(即激光)可以以时钟频率来断续，该时钟频率可以涉及BVM时钟频率或者可以是某个另外选择的频率。与如上所述使用断续光信号来降低噪声不同，对断续光信号的当前使用被用于提供单个目标部分66关于传感器阵列56 (CCD摄像机)的单个曝光的多个图像。也就是说，有效的摄像机“快门，，在每个叶片经过事件期间保持开启。应当注意，传感器阵列 56 (CCD摄像机)实际上不包括快门，但是包括电子等价物，使得可以操作该电子等价物以随时间接收和保留所采集的接收图像的序列，以产生整个目标部分66 (叶片尖端)的在事件感测探头22情况下被成像的单个曝光或叶片经过事件图像。触发第二探头(未示出)可以被用于针对每个叶片14以及在每次转动期间触发基础启动时间，其中基础启动时间被用于启动光的断续。应当注意，触发第二探头产生准连续的光图像64，因为来自该触发探头的光是连续地开启的，但是一出现前缘触发信号就被熄灭。由该过程产生的曝光或叶片经过事件图像包括点的序列，这些点在时间上间隔相等并且对应于沿着以光断续频率被间断地照射的整个目标部分66 (叶片尖端)的位置。尽管触发第二探头被描述为与事件感测探头22分开，但是两个探头功能可以被组合成单个探头，即被组合成事件感测探头22。在这样的布置中，从探头22所传输的光源光60、62将连续地为开启的，直到叶片的前缘92被感测到，在该时刻，该连续的光被熄灭并且基础启动时间被触发以提供光源光60、62作为断续光源。可以注意，在任何上面的数据采集过程中，目标部分66可以被调整以使得易于检测沿着目标部分66的特定点。例如，目标部分66可以被形成为涂黑的、基本上非反射的叶片尖端表面，并且间隔相等的反射条的序列可以被提供在叶片尖端表面上作为对沿着目标部分66的间隔相等的特定位置的指示物。参考图8，一种使用IFORP 40来为BVM 20提供信号的方法包括将探头22定位在叶片14的前缘92中的至少一个之上或者定位在叶片14的尾缘94之上。考虑到系统20 的配置——其中探头22被定位为感测对应于叶片前缘92的经过的叶片经过事件，探头22 被定位为使得其主轴88以相对于旋转轴38大体上为轴向的方向延伸。特别地，探头22的定向为使得该探头22以横向于目标部分66的轴向延伸。探头22的位置被选择为使得被探头22跨过的轴向区域——由在第一边界线96与第二边界线98之间被划界的区域来表示——在涡轮机8的各种运行条件期间在叶片14的轴向运动的整个范围内与叶片14的前缘92重叠。当叶片14旋转并且前缘92在探头22下经过时，叶片尖端目标部分66与包括来自透射端部42b、44b的投射图像64的光线相交并且将光反射到受体端部46b。形成受体端部46b处的光受体通道的光纤52从叶片前缘92与投射图像64相交 时起直到叶片尖端目标部分66经过离开投射图像64为止从沿着投射图像64的多个连续变化的位置接收反射光。也就是说，形成受体端部46b的不同组的光纤52将在前缘92 —旦与投射图像64相交时就渐进地向传感器阵列56发送光信号。针对每个叶片经过事件在叶片的前缘92与投射图像64相交时在沿着探头22的主轴88的任意位置处被检测的光的初始检测被用作为参考位置，该参考位置用于在叶片经过事件期间识别沿着目标部分66的所有随后的位置以用于在转子16多次旋转期间无论转子16和/或叶片14的轴向位移如何都提供BVM数据。例如，图8中的位置106标识出传感器阵列56上的对应于叶片14的前缘92初始地与投射图像64相交的第一照射位置，并且位置108标识出传感器阵列56上的对应于目标部分66与投射图像64相交的当前位置110 (在初始照射之后)的位置。当叶片14连续旋转时，从成像端部46a投射的光图像扫过传感器阵列56，如由箭头112所指示的那样。沿着目标部分66 (即叶片尖端)的特定点——例如位置110——可以由BVM 20通过针对叶片 14的每个叶片经过事件跟踪传感器阵列56上的特定像素密度来进行跟踪和分析。具体地， 来自前缘92、即来自传感器阵列56上的第一照射106的预定像素数目针对每个叶片14被跟踪，其中来自前缘92 (第一照射106)的像素数目对应于沿着目标部分66的特定预定位置。通过这种方式，目标部分66上的相同位置可以针对转子16的多次转动参考叶片14的前缘92被跟踪。传感器阵列56、即CCD摄像机针对转子16的每次转动识别预定目标位置的到达时间，以为处理器28提供数据以用于使用已知的叶片振动分析技术来确定切向振动叶片运动。
另外，叶片14的轴向运动将导致对应于叶片的前缘92的第一照射106的位置在转子16的多次旋转的范围内出现在传感器阵列56上的不同像素位置处。当叶片14和目标部分66的轴向位置在不同的叶片经过事件(多次转子旋转)期间移位时，第一照射106 (前缘92)的位置将在传感器阵列56上以平行于成像端部46a的主轴100的方向移位。传感器阵列56上的第一照射106的轴向移位将不影响切向(到达时间)叶片振动测量，因为每个到达时间测量涉及目标部分66上的点，该点对应于来自前缘92的预定像素计数或者传感器阵列56上的第一照射106，而无论该第一照射106发生在传感器阵列56上的何处。因此，目标部分66的轴向和切向运动可以被独立地测量。另外，使用目标部分66上的预定位置的轴向和切向运动，每个叶片14的轨道运动可以在转子16的多次旋转的范围内被跟踪以确定叶片14上的特定叶片尖端位置的精确轨道模式运动。如上所述，探头22可以被定位在尾缘94之上以与针对定位在前缘92之上的探头 22所描述的方式类似的方式针对每个叶片经过事件提供到达时间数据以及轴向运动数据。 另外，探头22可以被形成为具有足以在叶片14的前缘和尾缘92、94之上延伸的长度，以便覆盖整个目标部分66，即沿着从前缘92到尾缘94的叶片尖端。这样的探头22可以被定向为轴向，以沿着叶片14的目标部分66 (叶片尖端)对覆盖进行最大化，即使该定向可能导致探头22由于叶片14的陡峭斜面而同时对两个目标部分66进行成像。如果两个目标部分66在叶片经过事件期间被成像，则处理器28将跟踪被投射到传感器阵列56上的图像， 以通过跟踪阵列56上的投射图像参考指示每个叶片经过事件的重复模式来识别每个叶片 14。具体地，每个叶片经过事件将包括第一照射106，随后是对所照射的像素到最终位置的连续扫描。传感器阵列56 ((XD摄像机)将跟踪对阵列56的每次完整的扫过作为叶片经过事件。这将显示为投射到阵列56上的两个点，其中来自第一叶片的“较旧”的点将显示为图8中的阵列56上的最右边的点，并且来自之后或随后的叶片14的“较新”的点将显示为图8中的阵列上的最左边的点。参考图9，示出本发明的实施例，其中多个探头22 (示出4个探头22)以在圆周上间隔开的关系定位在涡轮机8周围，并且该实施例可以包括针对单排涡轮机叶片——例如压缩机叶片——来感测多个经过事件或者用于感测多排叶片的探头。探头22全部可以通过相应的成对照射管道42、44从共同的光源54接收光。在每个探头22处所接收的光信号可以通过相应的成像管道46被传送到共同的传感器阵列56((XD摄像机)。成像管道46的成像端部46a形成指向传感器阵列56的堆叠的辐射阵列114。辐射阵列中的每个成像端部 46a提供与在每个探头22处所接收的反射光信号相对应的图像。来自成像端部46a的多个图像通过传感器阵列56上的位置被个别地识别，其中每个图像被投射到传感器阵列56上的预定范围的像素并且对应于特定的成像端部46a。 尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是将对本领域的技术人员而言显然的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种其它的改变和修改。因此旨 在所附权利要求书中覆盖处于本发明的范围内的所有这样的改变和修改。
权利要求
1.在包括叶片结构和包围该叶片结构的壳体的涡轮发动机中，所述叶片结构包括多个叶片和与所述叶片相关联的叶片尖端目标部分，一种用于监测叶片振动的叶片振动监测器包括光源；照射管道，该照射管道具有透射端部，该透射端部用于定位为与壳体的内部部分相邻以用于将光源的图像投射到涡轮发动机中的叶片结构上，所述投射图像包括轴向伸长的投射图像；处理器，用于处理来自叶片尖端目标部分的与叶片经过事件相对应的反射光图像；成像管道，包括由光受体通道的阵列定义的受体端部，该受体端部被定位为与壳体的内部部分相邻以用于接收来自叶片尖端目标部分的反射光图像并且具有横向于叶片的运动路径的轴向部件；并且所述处理器包括具有多个阵列部件的传感器阵列，所述阵列部件用于对与沿着轴向伸长的投射图像的位置相对应的光受体通道的位置进行成像，所述处理器在每个叶片经过事件期间识别叶片上的轴向位置。
2.如在权利要求1中所述的叶片振动监测器，其中成像管道包括多个光纤，所述光纤定义光受体通道并且形成受体端部，并且成像管道定义被定位为与传感器阵列相邻的相对辐射端部。
3.如在权利要求2中所述的叶片振动监测器，其中成像管道的辐射端部包括在数目和位置方面与受体端部处的光纤的相应端部具有一一对应的光纤端部。
4.如在权利要求3中所述的叶片振动监测器，其中传感器阵列包括CCD阵列。
5.如在权利要求2中所述的叶片振动监测器，其中成像管道的受体端部以由多个光纤所定义的狭窄矩形配置来形成。
6.如在权利要求5中所述的叶片振动监测器，其中照射管道的透射端部包括多个光纤，所述光纤以狭窄矩形配置来形成并且被定位为与成像管道的受体端部的一侧相邻。
7.如在权利要求6中所述的叶片振动监测器，包括柱面透镜，该柱面透镜用于将来自照射管道的透射端部的光聚焦到叶片尖端目标部分上并且用于将来自叶片尖端目标部分的光聚焦到成像管道的受体端部上。
8.如在权利要求7中所述的叶片振动监测器，其中照射管道包括第一照射管道并且包括第二照射管道，该第二照射管道包括多个定义受体端部的光纤，该第二照射管道以与第一照射管道基本上相同的配置来形成。
9.如在权利要求8中所述的叶片振动监测器，其中成像管道的受体端部被定位为夹在第一和第二照射管道的透射端部之间。
10.在包括叶片结构和包围该叶片结构的壳体的涡轮发动机中，所述叶片结构包括多个具有叶片尖端目标部分的叶片并且被支承以用于旋转，一种提供叶片振动监测器的方法包括提供连接到光源的照射管道并且将光线发射到壳体中以定义来自照射管道的轴向伸长的图像；使叶片尖端目标部分沿着行进路径经过与轴向伸长的投射图像相对应的位置并且在叶片尖端目标部分上的位置处形成反射光图像以定义叶片经过事件；在由形成受体阵列的多个光纤所定义的成像管道的受体端部处接收反射光图像，所述反射光对应于在每个叶片尖端目标部分运动经过光线时沿着轴向伸长的投射图像的多个位置；通过成像管道将反射光图像从受体阵列传送到成像管道的成像端部处的成像阵列；以及将反射光图像从成像阵列成像到传感器阵列上以用于识别叶片尖端目标部分上的至少一个预定点的轴向和切向位置。
11.如在权利要求10中所述的方法，包括使用从叶片结构的多次旋转中所识别的轴向和切向位置来确定每个叶片的轨道运动。
12.如在权利要求10中所述的方法，其中至少一个预定点被识别为被定位为与叶片尖端目标部分的所感测的前缘或尾缘相距预定距离。
13.如在权利要求10中所述的方法，其中成像管道的受体端部和成像端部被形成为基本上类似的矩形光学阵列，并且该方法包括使叶片尖端目标部分沿着与轴向伸长的投射图像相对应的行进路径经过，以致使反射光图像沿着受体端部的长度扫描。
14.如在权利要求13中所述的方法，其中传感器阵列包括CCD阵列，并且其中从成像阵列所提供的图像针对叶片尖端目标部分的每次经过包括CCD阵列上的扫描图像。
15.如在权利要求10中所述的方法，包括多个具有相应受体阵列的成像管道，所述受体阵列被定位在围绕壳体、在圆周上间隔开的位置处，并且包括相应的成像阵列，所述成像阵列被定位为与传感器阵列相邻以用于将反射图像从不同位置成像到传感器阵列。
16.在包括叶片结构和包围该叶片结构的壳体的涡轮发动机中，所述叶片结构包括多个具有叶片尖端目标部分的叶片，一种提供叶片振动监测器的方法包括绕支承结构连续地缠绕光纤的股，从而形成多个彼此接触的绕组；沿着绕组的预定长度将多个绕组彼此粘合以定义光纤的粘合段；在预定长度的端部中间的位置处横向于光纤的长度地切断光纤的粘合段以形成切断端部，切断端部之一定义受体端部；将受体端部定位为与壳体的内部部分相邻；以及将光纤的成像端部定位为与受体端部相对、在处理器处，以用于检测在受体端部处所接收的光。
17.如在权利要求16中所述的方法，其中成像端部包括在粘合段处所形成的切断端部之一。
18.如在权利要求16中所述的方法，包括提供连接到光源的照射管道并且将光线发射到壳体中以定义来自照射管道的轴向伸长的图像。
19.如在权利要求18中所述的方法，其中光纤的受体端部和成像端部被形成为基本上类似的矩形光学阵列，并且该方法包括使叶片尖端目标部分沿着与轴向伸长的投射图像相对应的行进路径经过，以致使反射光图像沿着受体端部的长度扫描。
20.如在权利要求19中所述的方法，其中处理器包括C⑶阵列，并且该方法包括将对应于反射光图像的光图像从照射端部辐射到CCD阵列上以针对叶片尖端目标部分的每次经过提供CXD阵列上的扫描图像。
全文摘要
用于监测涡轮发动机中的叶片振动的方法和装置，该涡轮发动机具有与叶片相关联的叶片尖端目标部分。照射管道包括多个光纤，这些光线将光从光源传送给光纤的透射端部，在那里光被聚焦以定义轴向伸长的投射图像。叶片尖端目标部分经过投射图像，并且将光反射到由形成成像管道的多个光纤的受体端部所定义的受体阵列以用于将反射光传送给传感器阵列。成像管道的成像端部将与在受体阵列处所接收的反射光图像相同的图像辐射到传感器阵列上，以跟踪目标部分上的预定点的切向和轴向运动。
文档编号G01H9/00GK102165292SQ200980137156
公开日2011年8月24日 申请日期2009年8月25日 优先权日2008年9月24日
发明者M·特威尔多奇利布 申请人:西门子能源公司