CN101243329B

CN101243329B - 确定涡轮机至少一个叶片的热障涂层厚度的方法、实施该方法的相应热障涂层层厚测量装置及该方法和热障涂层厚度测量装置的应用

Info

Publication number: CN101243329B
Application number: CN200680029970.8A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·博塞尔曼; 克劳斯·休伯; 安德烈亚斯·希赫特; 迈克尔·威尔希
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: CN101243329A; US8217663B2; WO2007020170A1; JP4847527B2; EP1915639B1; JP2009505089A; EP1915639A1; US20090134884A1

Abstract

一种用于确定涡轮机(1)的至少一个叶片(4)的TBC涂层(12)厚度的方法。其中将至少一个电磁波发射到所述至少一个工作叶片(4)的表面上；所述至少一个电磁波至少在局部被该至少一个工作叶片反射；以及对所述至少一个电磁波的被反射的部分进行接收和进一步处理。另外，以与所述TBC涂层厚度相匹配的频率发射所述至少一个电磁波；将该发射的至少一个电磁波的相位与所述至少一个接收到的电磁波的相位进行比较，其中所述至少一个发射的电磁波在反射时经历相位变化；以及通过所述相位比较确定TBC涂层的层厚。另外，本发明还涉及一种用于实施该方法的TBC涂层厚度测量装置和所述方法和TBC涂层厚度测量装置的应用。

Description

确定涡轮机至少一个叶片的热障涂层厚度的方法、实施该方法的相应热障涂层层厚测量装置及该方法和热障涂层厚度测量装置的应用

技术领域

本发明涉及一种用于确定涡轮机的至少一个叶片的TBC涂层厚度的方法。本发明还涉及一种用于确定涡轮机的至少一个叶片的TBC涂层厚度的方法。另外，本发明还涉及一种用于实施上述方法的相应的TBC涂层厚度测量装置以及涉及所述方法和TBC涂层厚度测量装置的应用。

背景技术

涡轮机、例如蒸汽轮机或燃气轮机在技术上作为热力机器使用，为的是将储存在气流中的能量转变为机械能、尤其是转变为旋转运动。

为了达到在充分利用能量方面真正在燃气轮机中获得尽可能高的总效率，要将燃烧室到燃气轮机的流动通道内的气体入口温度选择得尽可能高。在现有技术中这样的气体入口温度例如处于1200℃。

在涡轮机的流动通道内设置的叶片承受热负荷，因此这些叶片设有表面涂层、即所谓的TBC涂层(“Thermal-Barrier-Coating”，热障涂层)。但是这种涂层由于随着与工作寿命相关的叶片使用时间而发生的磨损会出现老化，使得涂层厚度持续减小。在TBC涂层缺损时叶片经受极高的热负荷，这会导致叶片损坏。其结果可能是效率降低或最终损坏涡轮机。

在WO 2004/065918 A2中公开了一种用于确定涡轮机叶片的TBC涂层质量的方法以及一种用于实施该方法的装置。其中在叶片区域内发出电磁波并再由叶片接收和分析电磁波的反射部分。在分析时确定所接收到的电磁波的强度，再从中推断出叶片的表面质量。借助于该方法可以清楚地确认涂层的存在与否。在室温下几乎不能够得到有关涂层厚度的准确信息，因为电磁波的波幅衰减几乎隐没在系统噪声中。

发明内容

在此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法、一种用于实施该方法的TBC涂层厚度测量装置以及一种所述方法和TBC涂层厚度测量装置的应用，通过它们能够尽可能准确地确定、尤其是即便在运行期间也能准确地确定涡轮机叶片的TBC涂层厚度。

为了解决上述技术问题，提供了一种按照独立权利要求1或2的特征部分所述的方法。

本发明的方法涉及一种用于确定涡轮机的至少一个叶片的TBC涂层厚度的方法，其中

-将至少一个电磁波发射到所述至少一个工作叶片的表面上，

-所述至少一个电磁波至少在局部被该至少一个工作叶片反射，以及

-对所述至少一个电磁波的被反射的部分进行接收和进一步处理，

在此该方法的特征在于，

-以与所述TBC涂层的厚度相匹配的频率发射所述至少一个电磁波，

-将该发射的至少一个电磁波的相位与所述至少一个接收到的电磁波的相位进行比较，其中所述至少一个发射的电磁波在反射时获得相位变化，以及

-通过所述相位比较确定所述TBC涂层的层厚。

另外通过本发明还提供了一种用于确定涡轮机的至少一个导向叶片的TBC涂层厚度的方法，其中，

-将至少一个电磁波发射到所述至少一个导向叶片的表面上，

-所述至少一个电磁波至少在局部被该至少一个导向叶片反射，以及

-对所述至少一个电磁波的被反射的部分进行接收和进一步处理。

在此该方法的特征在于，

-将该发射的至少一个电磁波的相位与所述至少一个接收的电磁波的相位进行比较，其中所述至少一个发射的电磁波在反射时获得相位变化，以及

-通过所述相位比较确定所述TBC涂层的层厚。

在此充分利用在TBC涂层的层厚上发射波与反射波部分之间的相位差，通过分析该反射波部分可以确定涂层的层厚。其中相位差取决于TBC涂层的层厚，确切地说，该相位差在不存在TBC涂层时为0°而在涂层厚度逐渐增大时持续增大。

从权利要求1或2的从属权利要求中给出本发明方法的优选扩展设计。

特别有利的是，不仅确定所述至少一个工作叶片的TBC涂层厚度，也确定所述至少一个导向叶片的TBC涂层厚度。由此可以全面监视涡轮机的处于特别负荷下的部件。

另外有利的是，从所述相位变化的数值中求出所述叶片的TBC涂层的厚度。在此，以预定的频率或波长发射至少一个电磁波。尤其是4/(2n+1)倍的波长处于TBC涂层厚度的±50％、优选±20％的数量级上，其中n＝0，1，2，...，由此达到特别大的相位梯度、即相位变化与层厚变化之比。因此能够在本身波幅衰减较小时确定涂层厚度。也就是说，在这种情况下在TBC涂层厚度减小时发射波与反射波部分之间的相位变化或相位差减小。

此外有利的是，测定至少一个共振频率，在此在该共振频率下相位变化相当于一个(360°·n+180°)的数值，其中n＝0，1，2，...，由该至少一个共振频率的数值求出所述叶片的TBC涂层厚度。因为分别与各相位变化(360°·n+180°)对应的是一个共振频率并且该共振频率又与涂层厚度有关，因此通过确定关于相位变化(360°·n+180°)的共振频率来提供所希望的涂层厚度信息。也就是说，对于各共振频率所述发射的电磁波的对应波长的(2n+1)/4倍正好等于TBC涂层的厚度。

在此有利的是，利用所述至少一个用于产生至少一个电磁波的装置来接收所反射的至少一个电磁波。由此节省的位置空间可以用来在涡轮机的不同位置安装更多的组合的发射和接收装置。例如可以在涡轮机的周面上采用分散设置的用于发射和接收电磁波的装置，其中布局可以根据需要而定。

采用在30GHz至130GHz、优选50GHz至90GHz的频率范围内的至少一个毫米波作为至少一个电磁波，是有利的。具有在该频率范围内的频率的电磁波的波长处于TBC涂层厚度的典型数量级内，从而确保在反射时特别明显的相位变化。

可以有利地在涡轮机运行期间确定所述TBC涂层厚度。由此可以实现在线测量涂层厚度，由此可以实现在涂层厚度达到危险的减薄程度时适时地进行干预。因此能够避免涡轮机的停机时间，该停机时间归咎于预备性地检查TBC涂层厚度或者还有对损坏的叶片所采取的维修措施。

为了解决本发明的技术问题，提出了一种按照权利要求9所述的TBC涂层厚度测量装置，其具有

-至少一个用于产生电振荡的装置，

-至少一个用于从所述振荡中产生电磁波的装置，

-至少一个用于接收电磁波的装置，以及

-用于分析所述可接收到的电磁波的分析单元，

将该TBC涂层厚度测量装置构造如下，

-所述分析单元包括用于比较所述至少一个发射的电磁波的相位与至少一个接收的电磁波的相位的装置。

在按照本发明的TBC涂层厚度测量装置中给出了上述对于本发明方法阐述的优点。

从权利要求9的从属权利要求中给出按照本发明的TBC涂层厚度测量装置的优选扩展设计。

有利地在涡轮机的流动通道内设置所述至少一个用于产生至少一个电磁波的装置以及至少一个用于接收反射的至少一个电磁波的装置。这些装置可以分别由适合于产生和发射或接收电磁波的天线构成。所述至少一个用于产生电振荡的装置例如可以由电子振荡器构成，该振荡器与所述用于产生至少一个电磁波的天线有效连接。用于接收电磁波的装置优选与分析单元有效连接，该分析单元能够从由该接收装置提供的信号中求出TBC涂层厚度。此外也可以设想，在涡轮机的流动通道之外设置所述至少一个用于产生至少一个电磁波的装置和至少一个用于接收反射的至少一个电磁波的装置。所产生的至少一个电磁波然后通过至少一个相应地定位在涡轮机流动通道内的波导发射到该流动通道内。在叶片上反射的至少一个电磁波同样通过至少一个波导传导到所述至少一个接收装置上。

在此优选通过所述至少一个天线定向和/或聚焦地发射所述至少一个电磁波。由此确保实现相宜的涂层厚度测量。此外也可以在天线设计成能够移动和/或旋转时实现在叶片上涂层厚度测量的位置分辨率。

此外有利地规定，所述至少一个用于产生电磁波的装置不仅适合于发射电磁波，而且适合于接收电磁波。以此方式可以减少构件的数量。由此该至少一个用于产生电磁波的装置通过一个耦合器件与用于产生振荡的装置有效连接。源自接收的电磁波的信号通过该耦合器件被送往分析单元。也可以设有多个耦合器件和天线，它们例如平行地时分复用地与多个对应的分析单元或者还可以与例如一个分析单元相连。

所述涡轮机优选可以为蒸汽轮机或燃气轮机。恰恰是在大机器区域内利用本发明的TBC涂层厚度测量装置可以达到简便、运行可靠且精确地测量燃气轮机叶片的TBC涂层厚度，由此能够确保更有效的运行以及尤其可以进一步降低由于对于损坏的TBC涂层采取维护和修理措施而造成的宝贵停机时间。这样的话，例如能够达到提高装备燃气轮机的能源供应网的利用率。此外，按照本发明的装置可以构造成，在涡轮机的流动通道内对蒸汽或燃气轮机的作用尽可能保持最小。

另外，通过本发明还提供了一种按照本发明用于确定TBC涂层厚度的方法在蒸汽或燃气轮机中的应用。

此外，通过本发明还提供了一种本发明TBC涂层厚度测量装置在涡轮机的流动通道内的应用，其中，所述至少一个用于产生电磁波的装置设置在该涡轮机的流动通道内。

在此优选采用蒸汽或燃气轮机作为涡轮机。

附图说明

下面借助附图对本发明优选的、但决不限于此的具体实施方式予以详细说明。为了简明起见附图是未按比例画出的并且某些特征是简略示出的。

附图中

图1以局部剖开的透视图示出了现有技术中的燃气轮机；

图2示出了从图1中截取的一部分及一个按照本发明的装置的放大视图；

图3示出了用于实施本发明方法的原理电路图；

图4示出了图1中的燃气轮机的工作叶片；

图5示出了图1中的燃气轮机的导向叶片；

图6示出了在TBC涂层厚度相同的情况下所反射的电磁波的频谱强度分布及相位特性与波频的关系曲线；

图7示出了不同波频的反射电磁波的相位特性与TBC涂层厚度的三个关系曲线；

图8示出了共振频率的倒数与TBC涂层厚度之间的关系；以及

图9示出了用于监视导向叶片和/或工作叶片的天线装置。

在图1至图9中相互对应的构件以相同的附图标记标注。

具体实施方式

图1示出了现有技术中的燃气轮机1，该燃气轮机是针对大约1200℃的高燃气入口温度设计的。该燃气轮机1具有布设在一根可旋转地安置在壳体2内的转子轴3上的工作叶片4。另外设有不可旋转地与壳体2连接的导向叶片11(参见图4、图5)。工作叶片4和导向叶片11分别设有TBC涂层12，以便承受在燃气轮机1的流动通道6内的物理负荷。TBC涂层12(TBC：Thermal-Barrier-Coating)例如涉及“钇稳定的氧化锆”(所谓的“YSZ”)。

如图2所示，燃气轮机1装有按照本发明的TBC涂层厚度测量装置，该装置具有天线8、尤其是针对毫米波设计的天线8，该天线伸入到燃气轮机1的流动通道6内。天线8、尤其是针对电磁波设计的天线8具有30GHz至130GHz的频率，其设置在尤其两个叶片圈之间的所述待检查的叶片4、11的区域内。天线8用作发射电磁波的装置并且也可以用作接收电磁波的装置。天线8与循环器16通信联系。另外，按照本发明的装置具有通过放大器15与该循环器16有效连接的高频发生器14。循环器16与接收放大器17保持连通，接收放大器17与分析单元19相连。该分析单元19本身又与高频发生器14相连。

根据图3对于按照本发明用于确定工作叶片4和导向叶片11的TBC涂层12的涂层厚度的方法详细论述如下：

电子高频发生器14产生具有固定的可预先规定的处于30GHz至130GHz之间、优选50GHz至90GHz之间频率的高频率。该高频率被输送给放大器15，放大器15本身将放大的高频率通过循环器16传输给天线8。天线8从所输入的高频能量中产生至少一个电磁波31并且将该电磁波按照其辐射特性发射，优选定向地并且尤其是聚焦地发射。至少一个相应的叶片4、11将所发射的至少一个电磁波31的一部分32反射到尤其是本身的天线8上。所反射的电磁波32又通过天线8转变为电信号，将该电信号输入到循环器16中。该循环器16将接收信号与发射信号分离开并将接收信号输入到接收放大器17中。信号从接收放大器17达到分析单元19。

在图6中以曲线图G1示出了在TBC涂层厚度相同的情况下所反射的电磁波32与频率有关的频谱强度分布S和与频率有关的相位特性曲线

。点划线的纵坐标表示反射的电磁波32的强度I，而实线的纵坐标表示所发射的电磁波31与反射的电磁波部分之间的相位差Δ

。横坐标表示频率。所示出的强度分布在特定的频率fr下具有最小值、即所谓的共振频率情况下。在该共振频率fr下在TBC涂层12内的电磁波31、32的波长的1/4正好相当于该TBC涂层的涂层厚度。在这种情况下处于TBC涂层12表面上和TBC涂层12界面上以及处于其后面的金属上的发射的电磁波31的反射部分相互间至少部分地相抵消。相位特性曲线

表示在频率低时相位差Δ

为0°，其逐渐增大到更高的频率。在图6中示出的共振频率fr下相位特性曲线

具有最高的梯度，其中相位差Δ

的值等于180°。

除了在图6中所示出的共振频率外，还存在其他未示出的共振频率Fr_n，n＝0，1，2，...，其中fr＝Fr₀。那么对于各种共振频率Fr_n适用于如下规则：在涂层表面内的电磁波31、32波长的(2n+1)/4倍正好相当于TBC涂层12的涂层厚度。相应地通过公式Δ＝(360°·n+180°)给出了在各种共振频率Fr_n情况下的相位差Δ

。

在图7中以另一幅曲线图G2示例性地示出了不同频率f1(90GHz)、f2(70GHz)以及f3(50GHz)的反射电磁波32的三个相位特性曲线1、

2、

3，其中纵坐标表示所发射的电磁波31与反射的电磁波部分32之间的相位差Δ

而横坐标表示TBC涂层12的涂层厚度。在缺少TBC涂层12、例如在TBC涂层12的涂层厚度较小时对应于所有三个频率f1、f2、f3的相位差Δ

均为0°。若涂层厚度增大，则相位差Δ

增大直至达到在所画出的曲线图G2中的360°的量值；其中在所有相位特性曲线1、

2、

3中最大的梯度出现在180°的相位差Δ

时。此时出现上文所述的共振情况，确切地举例来说n＝0。在相位差Δ

为180°时TBC涂层12的涂层厚度恰巧等于在TBC涂层12内的电磁波31、32的波长的1/4。电磁波32的频率f1、f2、f3则与相应涂层厚度的共振频率相等。因此各涂层厚度为c/(4·fi)，i＝1、2、3，其中c为电磁波31、32在TBC涂层12内的传播速度。

首先借助于分析单元19确定所发射的电磁波31与反射的电磁波32之间的相位差Δ；然后将该相位差Δ

与事先检测到的标准曲线比较，该标准曲线例如按照图7中的曲线图G2再现一个相位特征曲线；以及从中确定TBC涂层12的涂层厚度。

另外在图7中可以看到，对于较小的频率所述相位特性曲线

1、

2、

3以及进而共振频率向更大的涂层厚度方向推移。

在图8中用第三幅曲线图G3示出了共振频率Fr_n或共振频率倒数Fr_n ^-1与涂层厚度之间的关系。纵坐标表示涂层厚度，而在横坐标上画出了共振频率的倒数Fr_n ^-1。可以看到，涂层厚度与共振频率倒数Fr_n ^-1之间的关系通过直线L确定。共振频率Fr_n越小或共振频率的倒数Fr_n ^-1越大，则TBC涂层12的涂层厚度越大。

因此也可以实现，由天线8发射处于30GHz与130GHz之间、优选50GHz与90GHz之间范围内的宽频带的电磁波以及在反射到至少一个叶片4、11上之后尤其再由该天线接收该电磁波。若要转变为电信号，则通过循环器16和接收放大器17将该电磁波输入分析单元19。借助于分析单元19确定发射与反射的电磁波31、32之间的相位差Δ

以及利用Δ

＝(360°·n+180°)的相位差、尤其n＝0时的相位差确认它们的频率Fr_n。随后将该频率Fr_n的倒数值与预先检测的标准直线比较，该标准直线按照图8中的曲线图G3再现涂层厚度与共振频率倒数Fr_n ^-1之间的关系，并从中确定TBC涂层12的涂层厚度。对应于相位差Δ

＝180°的是“第一”共振频率Fr₀。但是也可以设想，确认和相应地分析更高数量级n＞0的共振频率Fr_n，此时共振频率处于更高的Δ

＝(360°·n+180°)的相位差。

所确定的TBC涂层12的涂层厚度通过未详细示出的显示或报警单元通报给监控处或传输给中央系统。分析单元也可以配备比较功能，利用该功能可以确定是否未超出预定的层厚阈值。这样的话，在未超出阈值时自动发出信号，以便引入保护措施，例如关掉气轮机。

在图9中示出了具有各自从属的辐射特性810、820及830的不同天线81、82和83的示例性实施方式和布局。天线81、82和83设置在叶片圈之间的待检查的工作叶片4和/或导向叶片11的区域内。适合设计为杆状天线或同轴天线、尤其设计为同轴结构的偶极天线。但是同样可以设想其他的天线形式、例如喇叭形天线。辐射特性可以设计为对称的，例如天线81和83，但是也可以设计为非对称的，例如天线82。除了具有宽辐射特性的天线外，也可以采用定向发射电磁波31并且此外还能聚焦地发射的天线。为此尤其考虑采用已知的喇叭形天线。

本发明并不局限于所述的实施例。采用多个用于发射和/或接收的天线8，也在本发明的保护范围内，其目的是例如为了降低测量的冗余度或者也为了达到更高的精度。

此外，本发明还提供了同时测量所述叶片4、11的TBC涂层12厚度的可能性。

Claims

1.一种用于确定涡轮机(1)的至少一个工作叶片(4)的TBC涂层(12)厚度的方法，其中，

-发射至少一个电磁波(31)到所述至少一个工作叶片(4)的表面上，

-所述至少一个电磁波(31)至少在局部被该至少一个工作叶片(4)反射，以及

-对所述至少一个电磁波(31)的被反射的部分(32)进行接收和进一步处理，

其特征在于，

-以与所述TBC涂层(12)的厚度相匹配的频率发射所述至少一个电磁波(31)，

-将该发射的至少一个电磁波(31)的相位与所述至少一个接收到的电磁波(32)的相位进行比较，其中所述至少一个发射的电磁波(31)在反射时经历相位变化，以及

-通过所述相位比较确定所述TBC涂层(12)的层厚，

-测定至少一个共振频率，其中在该共振频率下所述相位变化相当于一个(360°·n+180°)的数值，其中n＝0，1，2，...，以及由所述至少一个共振频率的数值求出所述工作叶片(4)的TBC涂层(12)的厚度。

2.一种用于确定涡轮机(1)的至少一个导向叶片(11)的TBC涂层(12)的厚度的方法，其中，

-将至少一个电磁波(31)发射到所述至少一个导向叶片(11)的表面上，

-所述至少一个电磁波(31)至少在局部被该至少一个导向叶片(11)反射，以及

其特征在于，

-将该发射的至少一个电磁波(31)的相位与所述至少一个接收的电磁波(32)的相位进行比较，其中所述至少一个发射的电磁波(31)在反射时经历相位变化，以及

-通过所述相位比较确定所述TBC涂层(12)的层厚，

-测定至少一个共振频率，其中在该共振频率下所述相位变化相当于一个(360°·n+180°)的数值，其中n＝0，1，2，...，以及由所述至少一个共振频率的数值求出所述导向叶片(11)的TBC涂层(12)的厚度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从所述相位变化的数值中求出所述叶片(4，11)的TBC涂层(12)的厚度。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个电磁波(31，32)在TBC涂层(12)内具有为该TBC涂层(12)厚度的4/(2n+1)倍的±50％的数量级的波长，其中n＝0，1，2，...。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为至少一个电磁波采用在30GHz至130GHz频率范围内的至少一个毫米波。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在涡轮机(1)运行期间确定所述TBC涂层(12)的厚度。

7.一种按照权利要求1至6中任一项所述的用于确定TBC涂层(12)厚度的方法在蒸汽或燃气轮机(1)中的应用。