專利名稱：向旋轉機器在線監測系統提供冷卻和吹洗空氣流的系統的制作方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及用于向旋轉機器在線監測系統提供冷卻和吹洗空氣流的系統。
背景技術：
某些燃氣渦輪發動機包括具有檢查端口的渦輪，該檢查端口構造成便于監測渦輪內的各種構件。例如，測高溫系統可經由檢查端口而與渦輪內部成光學連通，且構造成用以測量渦輪熱氣體通路內的某些構件的溫度。典型的測高溫系統包括觀察管，其插入檢查端口內且構造成用以將從渦輪構件發出和/或反射的輻射傳送至檢測器。這種測高溫系統使用定位在觀察管頂端(tip)處的透明窗口以保護觀察管的靈敏光學構件免受流經渦輪的熱氣流。令人遺憾的是，在渦輪操作期間，窗口可能由于污染物(例如，燃燒產物中的未燃碳氫化合物和/或空氣流中的顆粒)累積在窗口表面上而變得模糊。此外，熔化的金屬顆粒可在沖擊時嵌入窗口內。當窗口變得模糊時，可能會降低測高溫系統的準確性。
發明內容
在一個實施例中，一種系統包括觀察管，觀察管構造成用以通過插入檢查端口內而與旋轉機器內部光學地連通。該系統還包括可移除地固定到觀察管上的第一可互換式噴嘴頂端。第一可互換式噴嘴頂端包括窗口和構造成用以將吹洗空氣引送橫越窗口的多個開口。該系統還包括幕簾管，其圍繞觀察管設置且構造成用以將來自于第一空氣源的吹洗空氣經由形成在幕簾管的內表面與觀察管的外表面之間的第一通道引送至開口。此外，該系統包括可移除地固定到幕簾管上的第二可互換式噴嘴頂端。第二可互換式噴嘴頂端包括構造成用以圍繞窗口引送幕簾空氣的多個出口。幕簾管構造成用以將來自于第二空氣源的幕簾空氣經由形成在幕簾管外表面與檢查端口內表面之間的第二通道引送至出口。在另一實施例中，一種系統包括觀察管，觀察管構造成用以通過插入檢查端口內而與旋轉機器內部光學地連通。觀察管包括窗口和構造成用以將吹洗空氣引送橫越窗口的多個開口。該系統還包括幕簾管，其圍繞觀察管設置且構造成用以將來自于第一空氣源的吹洗空氣經由形成在幕簾管的內表面與觀察管的外表面之間的第一通道引送至開口。幕簾管包括構造成用以圍繞窗口引送幕簾空氣的多個出口，且幕簾管構造成用以將來自于第二空氣源的幕簾空氣經由形成在幕簾管外表面與檢查端口內表面之間的第二通道引送至出 □。在又一實施例中，一種系統包括觀察管，觀察管構造成用以通過插入檢查端口內而與旋轉機器內部光學地連通。該系統還包括可移除地固定到觀察管上的可互換式噴嘴頂端。可互換式噴嘴頂端包括窗口和構造成用以將吹洗空氣引送橫越窗口的多個開口。
當參照附圖來閱讀如下詳細描述時，本發明的這些及其它特征、方面和優點將變得更好理解，所有附圖中的相似標號表示相似的零件，在附圖中圖I為輪機系統實施例的框圖，該輪機系統包括構造成用以引送空氣流橫越觀察管窗口以減少累積在窗口上的污染物的光學監測系統；
圖2為示例性渦輪區段的截面視圖，示出了可由一個實施例的光學監測系統監測的各種渦輪構件；
圖3為可在圖I中的光學監測系統內使用的光學探測器組件的實施例的透視圖4為沿線4-4截取的圖3中的光學探測器組件的截面視圖；以及
圖5為可在圖3中的光學探測器組件內使用的觀察管噴嘴頂端實施例的透視圖。
零件清單
10燃氣輪機系統
12燃料噴射器
14燃料供送源
16燃燒器
18渦輪
19軸
20排氣出口
22壓縮機
24進口
26負載
30空氣
32壓縮空氣
34燃料空氣混合物
36光學監測系統
38光學探測器組件
40檢測器
42排出空氣流
44排出空氣流
45熱交換器
46過濾器
47清潔空氣流
48熱加壓氣體
50軸向方向
52周向方向
54第一級導葉
56第一級葉片
58渦輪轉子
60第二級導葉
62第二級葉片
64端壁
66徑向方向
68平臺
70柄部
72天使翼
74渦輪罩蓋
76檢查端口
78頂端組件
80輔助壓縮機
82幕簾管
84幕簾噴嘴頂端
86觀察管噴嘴頂端
88窗口
90凹部
92流動方向
94通道
95幕簾管外表面
96開口
98觀察管噴嘴頂端螺紋
100觀察管螺紋
101觀察管
102螺紋連接
104流動方向
105通道
106觀察管外表面
107幕簾管內表面
108沿徑向向內的方向
110流動方向
112觀察管噴嘴頂端環形凸起
114幕簾噴嘴頂端環形凸起
116第一排開口
118第二排開口
120 入口
122 出口
124 人口
126 出口
具體實施例方式下文將描述一個或多個特定的實施例。為了提供對這些實施例的簡要描述，在說明書中可不描述實際實現方式的所有特征。應當認識到，在任何這些實際實現方式的開發中，如任何工程或設計項目中一樣，必須作出許多特定實現方式的決定以實現開發者的特定目標，例如遵循關于系統和有關商業的約束，這可能從一個實施方式到另一個實施方式而有所不同。此外，應當認識到，此種開發工作可能很復雜和耗時，但對于受益于本公開內容的普通技術人員來說仍為設計、制作和生產的常規事項。在介紹本文所公開的各種實施例的元件時，用詞"一個"、"一種"、"該"和" 所述"意在表示存在一個或多個所述元件。用語"包括"、"包含"和"具有"旨在為包括性的，且意為可存在除所列元件外的附加元件。本文所公開的實施例可提供鄰近光學探測器組件窗口的空氣流以保護窗口免受渦輪內的熱氣流。在某些實施例中，光學探測器組件構造成用以通過插入檢查端口內而與渦輪內部光學地連通。光學探測器組件包括觀察管和可移除地固定到觀察管上的觀察管噴嘴頂端。觀察管噴嘴頂端包括窗口和構造成用以引送吹洗空氣橫越窗口的多個開口。圍繞觀察管設置的幕簾管構造成用以將來自于第一空氣源的吹洗空氣經由形成在幕簾管內表面與觀察管外表面之間的第一通道引送至開口。此外，光學探測器組件包括可移除地固定到幕簾管上的幕簾噴嘴頂端。幕簾噴嘴頂端包括構造成用以圍繞窗口引送幕簾空氣的多個出口。幕簾管構造成用以將來自于第二空氣源的幕簾空氣經由形成在幕簾管外表面與檢查端口內表面之間的第二通道引送至出口。幕簾空氣和吹洗空氣的組合可用來將窗口保持在期望的操作溫度范圍內，以及用來顯著減少積聚在窗口表面上的污染物。由于吹洗空氣和幕簾空氣由不同的空氣源提供，故即使一個空氣源不能有效地操作也可保護窗口。此外，由于噴嘴頂端可互換，故具有期望的開口和/或出口布置的特定噴嘴頂端可選擇為用于特定的渦輪構造，從而向窗口提供有效的熱防護和污染物防護。現轉到附圖，圖I為包括光學監測系統的輪機系統實施例的框圖，該光學監測系統構造成用以引送空氣流橫越觀察管窗口以減少累積在窗口上的污染物。盡管下文描述了輪機系統，但應當認識到的是，光學監測系統可用于監測其它旋轉機器或渦輪機器內的構件，舉例來說，例如壓縮機、噴氣發動機、泵或蒸汽輪機。所示的輪機系統10包括燃料噴射器12、燃料供送源14和燃燒器16。如圖所示，燃料供送源14將液體燃料和/或諸如天然氣體的氣體燃料導送至輪機系統10，穿過燃料噴射器12進入燃燒器16中。如下文所述，燃料噴射器12構造成用以噴射燃料并將其與壓縮空氣相混合。燃燒器16點燃和燃燒燃料空氣混合物，且然后使熱加壓氣體傳送到渦輪18中。如將認識到的那樣，渦輪18包括具有固定導葉或葉片的一個或多個定子，以及具有相對于定子旋轉的葉片的一個或多個轉子。熱氣體穿過渦輪轉子葉片，從而驅動渦輪轉子旋轉。渦輪轉子與軸19之間的聯接將導致軸19 旋轉，軸19還聯接到整個燃氣輪機系統10上的若干構件上，如圖所示。最后，氣體可經由排氣出口 20離開燃氣輪機系統10。壓縮機22包括剛性地安裝到轉子上的葉片，該轉子由軸19驅動而旋轉。當空氣穿過旋轉葉片時，空氣壓力增大，從而向燃燒器16提供足夠的空氣以便完全地燃燒。壓縮機22可經由空氣進口 24將空氣引入燃氣輪機系統10。此外，軸19可聯接到負載26上，該負載26可通過軸19的旋轉來供以動力。如將認識到的那樣，負載26可為可使用燃氣輪機系統10的旋轉輸出功率的任何適合的裝置，例如發電設備或外部機械負載。例如，負載26 可包括發電機、飛機推進器等。空氣進口 24將空氣30經由諸如冷空氣進口的適合機構吸入燃氣輪機系統10中。然后，空氣30流經壓縮機22的葉片，該壓縮機22向燃燒器16提供壓縮空氣32。具體而言，燃料噴射器12可將壓縮空氣32和燃料14作為燃料空氣混合物34噴射到燃燒器16中。作為備選，壓縮空氣32和燃料14可直接地噴射到燃燒器中以便混合和燃燒。如圖所示，輪機系統10包括光學地聯接到渦輪18上的光學監測系統36。在所示的實施例中，光學監測系統36包括構造成用以插入檢查端口內的光學探測器組件38。光學探測器組件38構造成用以將渦輪構件發出和/或反射的輻射傳送至檢測器40。如下文詳細描述的那樣，光學探測器組件38包括觀察管，觀察管具有窗口和構造成用以引送吹洗空氣橫越窗口的多個開口。光學探測器組件還包括幕簾管，其圍繞觀察管設置且構造成用以將來自于第一空氣源的吹洗空氣經由形成在幕簾管的內表面與觀察管的外表面之間的第一通道引送至開口。此外，幕簾管包括構造成用以圍繞窗口引送幕簾空氣的多個出口。幕簾管還構造成用以將來自于第二空氣源的幕簾空氣經由形成在幕簾管外表面與檢查端口內表面之間的第二通道引送至出口。在此構造中，流過窗口的吹洗空氣可用來提供在流經渦輪18的熱氣體與窗口之間的屏障(或阻隔物，barrier)，從而保護窗口免受污染物，否則污染物可能積聚在窗口的表面上。吹洗空氣還可提供冷卻以確保窗口的溫度保持在期望范圍內。此外，圍繞窗口流動的幕簾空氣可轉移流經熱氣體的污染物(例如，未燃碳氫化合物、塵埃、熔化的金屬顆粒等)，從而進一步減少積聚在窗口表面上的污染物。在所示的實施例中，壓縮機22向光學探測器組件38提供第一空氣源和第二空氣源。具體而言，第二空氣源包括來自于壓縮機22的排出空氣流42。盡管所示的實施例采用來自于壓縮機22較后級的排出空氣42，但應當認識到的是，備選實施例可使用來自于其它壓縮機級的排出空氣。然而，在所示的實施例中，提供給光學探測器組件38的排出空氣42 的壓力高于渦輪內在光學探測器組件38位置處的熱氣體壓力。結果，來自于第二空氣源的幕簾空氣流將熱氣體轉移遠離光學探測器組件38的窗口，從而顯著減少積聚在窗口表面上的污染物。此外，第一空氣源還包括來自于壓縮機22的排出空氣流44。盡管所示的實施例使用來自于壓縮機中間級的排出空氣44，但應當認識到的是，備選實施例可使用來自于其它級的排出空氣。然而，在所示的實施例中，提供給光學探測器組件38的排出空氣44的壓力高于渦輪內在光學探測器組件38位置處的熱氣體壓力。如圖所示，排出空氣44流入熱交換器45中，該熱交換器45構造成用以降低排出空氣44的溫度。如將認識到的那樣，對于某些壓縮機構造，排出空氣44的溫度可在大約800華氏度至900華氏度(427攝氏度至 482攝氏度)之間。在某些實施例中，熱交換器45可構造成用以將排出空氣44的溫度降低至大約300華氏度至400華氏度(149攝氏度至204攝氏度)之間，從而向光學探測器窗口提供加強的冷卻。在排出空氣44已冷卻之后，空氣流入過濾器46中，該過濾器46構造成用以遮擋來自于空氣流的顆粒和液體。例如，排出空氣44可包括構造成用以潤滑壓縮機 22的油、來自于壓縮機22的金屬顆粒和/或從環境空氣吸入壓縮機22的污染物。通過過濾來自排出空氣44中的這些材料，過濾器46可將大致清潔的空氣流47提供給光學探測器組件38，從而顯著減少積聚在窗口表面上的污染物。盡管第一空氣源47在所示實施例中由壓縮機22提供，但應當認識到的是，備選實施例可采用輔助壓縮機來向光學探測器組件38 提供期望的空氣流。圖2為示例性渦輪區段的截面視圖，示出了可由光學監測系統36的實施例所監測的各種渦輪構件。如圖所示，來自于燃燒器16的熱加壓氣體48沿軸向方向50和/或周向方向52流入渦輪18中。所示的渦輪18包括至少兩級，其中在圖2中示出了頭兩級。其它渦輪構造可包括更多或更少的渦輪級。例如，渦輪可包括1，2，3，4，5，6個或更多渦輪級。第一渦輪級包括沿圓周方向52圍繞渦輪18大致等距地間隔開的導葉54和葉片56。第一級導葉54剛性地安裝到渦輪18上，且構造成用以朝葉片56引送燃燒氣體。第一級葉片56 安裝到轉子58上，該轉子58由流經葉片56的熱氣體48驅動而旋轉。轉子58繼而又聯接到軸19上，軸19驅動壓縮機22和負載26。熱氣體48然后流經第二級導葉60和第二級葉片62。第二級葉片62還聯接到轉子58上。當熱氣體48流經各級時，來自于氣體的能量轉變成轉子58的旋轉能。在穿過各渦輪級之后，熱氣體48沿軸向方向50離開渦輪18。在所示的實施例中，各第一級導葉54均從端壁64沿徑向方向66向外延伸。端壁64構造成用以阻擋熱氣體48進入轉子58中。類似的端壁可存在于第二級導葉60和隨后的下游導葉(如果存在的話)附近。同樣，各第一級葉片56均從平臺68沿徑向方向 66向外延伸。如將認識到的那樣，平臺68為將葉片56聯接到轉子58上的柄部70的一部分。柄部70還包括構造成用以阻擋熱氣體48進入轉子58的密封件或天使翼72。相似的平臺和天使翼可存在于第二級葉片62和隨后的下游葉片(如果存在的話)附近。此外，罩蓋74定位在第一級葉片56的徑向外側。罩蓋74構造成用以最大限度地減少繞過葉片56 的熱燃燒氣體48的量。氣體旁通是不希望的，因為旁通氣體的能量未由葉片56捕獲和轉變成旋轉能。盡管下文關于監測燃氣渦輪發動機10的渦輪18內的構件描述了光學監測系統36的實施例，但應當認識到的是，光學監測系統36可用于監測其它旋轉機器內的構件， 舉例來說，例如噴氣發動機、蒸汽輪機或壓縮機。如所示那樣，光學探測器組件38經由檢查端口 76延伸至渦輪18內。如將認識到的那樣，檢查端口可定位在沿渦輪殼體的不同位置處以便于檢查渦輪構件。在所示的實施例中，光學監測系統36構造成用以在渦輪18操作期間監測渦輪構件，以使操作人員或自動系統能夠檢測升高的渦輪構件溫度。盡管所示的實施例包括指向第一級葉片56的單個光學探測器組件38，但應當認識到的是，備選實施例可包括更多的光學探測器組件38。例如， 某些實施例可使用1，2，3，4，5，6，7，8個或更多的光學探測器組件38來將各葉片56發出和 /或發射的輻射傳送至檢測器40。如將認識到的那樣，如果使用更多光學探測器組件38來監測第一級葉片56，則可監測各葉片56的更多區。盡管光學探測器組件38在所示的實施例中指向第一級葉片56，但應當認識到，在備選實施例中光學探測器組件38可指向其它渦輪構件。例如，一個或多個光學探測器組件 38可指向第一級導葉54、第二級導葉60、第二級葉片62、端壁64、平臺68、天使翼72、罩蓋 74或渦輪18內的其它構件。其它實施例可包括指向渦輪18內的多個構件的光學探測器組件38。類似于第一級葉片56，光學監測系統36可監測各構件的溫度以便于檢測升高的渦輪構件溫度。如前文所述，光學探測器組件38構造成用以將從渦輪構件發出和/或反射的輻射傳送至檢測器40。檢測器40可構造成用以在一定的時間周期內捕獲渦輪構件的多個圖像。 如將認識到的那樣，諸如上述第一級葉片56的某些渦輪構件可以高速沿渦輪18的圓周方向52旋轉。因此，為了捕獲這些構件的圖像，檢測器40可構造成用以在足以捕獲各構件的大致靜止的圖像的積分時間(integration time)操作。例如,在某些實施例中，檢測器40可構造成用以在短于大約10微秒、5微秒、3微秒、2微秒、I微秒或O. 5微秒或更少的積分時間內捕獲渦輪構件的圖像。在所示的實施例中，光學監測系統36構造成用以基于由構件發出的輻射強度來確定渦輪構件的溫度。例如，葉片56將隨葉片溫度的升高而發射出較寬波長范圍的輻射。 此外，某些燃燒產物物種(species)，例如水蒸氣和二氧化碳，響應于升高的溫度、壓力和/ 或物種濃度而吸收和發射較寬波長范圍的輻射。結果，在燃氣渦輪發動機10的操作期間， 由葉片56發射的僅一部分波長以足夠的強度和可以忽略的干涉到達光學監測系統36來用于準確的強度測量。因此，光學監測系統36可構造成用以測量一定波長的強度，這些波長很可能穿過熱燃燒氣體48而不會顯著吸收或干涉，以便確定葉片56的溫度。例如，可見光譜的紅色部分內和/或近紅外光譜內的波長可以低于其它頻率范圍的吸收穿過熱氣體48。 因此，某些實施例可使用這些頻率范圍來確定葉片56的溫度。例如，某些光學監測系統36 可構造成用以測量在大約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 微米的范圍內的波長強度來確定葉片溫度。然而，應當認識到的是，備選實施例可測量可見光譜、紅外光譜和/或紫外光譜的其它部分內的電磁輻射的強度。此外，某些實施例可使用二維檢測器陣列來捕獲二維圖像和/或表示渦輪構件的二維溫度分布的排放物。如前文所述，光學探測器組件38包括觀察管，觀察管具有窗口和構造成用以引送吹洗空氣橫越窗口的多個開口。光學探測器組件還包括幕簾管，其圍繞觀察管設置且構造成用以將來自于第一空氣源的吹洗空氣經由形成在幕簾管的內表面與觀察管的外表面之間的第一通道引送至開口。此外，幕簾管包括構造成用以圍繞窗口引送幕簾空氣的多個出口。幕簾管還構造成用以將來自于第二空氣源的幕簾空氣經由形成在幕簾管外表面與檢查端口內表面之間的第二通道引送至出口。在所示的實施例中，頂端組件78聯接到光學探測器組件38的與檢測器40相反的一端上。如下文詳細描述的那樣，頂端組件78構造為可移除的，從而使操作人員能夠容易地基于期望的操作條件而改變頂端組件78。例如，在所示的實施例中，頂端組件78包括可移除地固定到觀察管上的第一可互換式噴嘴頂端(例如，觀察管噴嘴頂端)和可移除地固定到幕簾管上的第二可互換式噴嘴頂端(例如，幕簾噴嘴頂端)。在該構造中，第一可互換式噴嘴頂端包括窗口和開口，而第二可互換式噴嘴頂端包括出口。因此，橫越窗口的流型可通過將第一可互換式噴嘴頂端與具有不同開口構造的另一頂端交換來調整(例如，孔尺寸、孔數目和孔定向等的變化)。同樣，圍繞窗口的幕簾空氣的流型可通過第二可互換式噴嘴頂端與具有不同出口構造的另一頂端交換而變化(例如，出口幾何形狀、出口數目、出口定向等的變化)。結果，頂端組件78可獨特地構造成用于期望的渦輪構造，從而使標準化的觀察管設計能夠在多種渦輪構造內使用。此外，由于窗口附接到第一可互換式噴嘴頂端上，故窗口可在不必再校準光學探測器組件38的情況下更換。例如，如果窗口固定到光學探測器組件上且窗口由于污染物積聚在窗口表面上而變得模糊，則可從檢查端口移除光學探測器組件且由新組件更換。令人遺憾的是，由于各光學探測器組件的觀察管內的光學裝置的變化，故組件在安裝之后通常會再校準。如將認識到的那樣，再校準程序可能很耗時，從而降低了輪機系統10的可用性。 相比之下，為了更換所示構造中的窗口，將從檢查端口 76移除光學探測器組件38，并利用新的噴嘴頂端來更換第一可互換式噴嘴頂端。由于使用了原來的觀察管，故可消除再校準光學裝置的過程。結果，與窗口更換相關的時間可顯著地減少，從而提高了輪機系統的可用
在所示的實施例中，第一空氣源47由輔助壓縮機80提供。輔助壓縮機80構造成用以提供壓力大于光學探測器組件30位置處的熱氣流48的壓力，從而便于吹洗空氣流過窗口。在所示的實施例中，輔助壓縮機80獨立于壓縮機22被供以動力。例如，輔助壓縮機 80可由電動機、往復式發動機或渦輪發動機，以及其它功率源驅動。輔助壓縮機80構造成用以在低于大約400華氏度(204攝氏度)的溫度下將大致清潔的空氣流提供至光學探測器組件38，從而消除了上文參照圖I所述的熱交換器和過濾器。通過將大致清潔和冷卻的空氣流47提供至光學探測器組件38，吹洗空氣流可用來冷卻窗口和顯著減少積聚在窗口表面上的污染物。此外，由于光學探測器組件38提供有來自于兩個不同源(例如，渦輪壓縮機22和輔助壓縮機80)的空氣，故即使一個空氣源不能有效地操作，窗口也可受到保護而免受污染物和升高的溫度。例如，如果向輔助壓縮機80提供動力的馬達以降低的能力操作或變為完全停機，則橫越窗口的吹洗空氣流將顯著減少或終止。然而，由于幕簾空氣由壓縮機22 提供，故只要輪機系統10在操作，則幕簾空氣便將圍繞窗口流動。具體而言，由于壓縮機葉片聯接到由渦輪18驅動的軸19上，故穿過渦輪18的熱氣流將驅動壓縮機22，從而提供排出空氣42至光學探測器組件38。在某些實施例中，幕簾空氣可提供充分的冷卻和污染物防護以便于光學監測系統36繼續操作。同樣，如果上文參照圖I描述的實施例的熱交換器45 和/或過濾器46不能有效地操作，則通向光學探測器組件38的空氣流47可能會減少或終止。然而，由壓縮機22提供的幕簾空氣可提供足夠的冷卻和污染物防護以便于光學監測系統36繼續操作。圖3為可在圖I中的光學監測系統36內使用的光學探測器組件38的實施例的透視圖。如圖所示，光學探測器組件38包括幕簾管82，且頂端組件78包括可互換式幕簾噴嘴頂端84和可互換式觀察管噴嘴頂端86。此外，觀察管噴嘴頂端86構造成用以收納窗口 88，該窗口 88用來保護觀察管光學裝置免受渦輪18內的熱氣體。如前文所述，窗口 88可聯接到可互換式觀察管噴嘴頂端86上，從而便于在無需再校準觀察管光學裝置的情況下更換窗口 88。此外，如下文詳細描述的那樣，觀察管噴嘴頂端86包括構造成用以阻止窗口 88朝渦輪18內部運動的環形凸起，且幕簾噴嘴頂端84包括構造成用以阻止觀察管噴嘴頂端86朝渦輪內部運動的環形凸起。該構造可顯著減小或消除光學探測器組件38的元件進入渦輪內部的可能性。如圖所示，幕簾噴嘴頂端84包括多個出口，如所示的軸向凹部90，其構造成用以圍繞窗口 88引送幕簾空氣。在所示的實施例中，幕簾空氣流構造成用以將熱氣體轉移遠離窗口 88，從而顯著減少積聚在窗口 88表面上的污染物。如前文所述，壓縮機22構造成用以將幕簾空氣42流以足夠的壓力提供至光學探測器組件38而形成進入渦輪內部的流動。如圖所示，幕簾空氣沿方向92流經形成在幕簾管82的外表面95與檢查端口 76的內表面之間的通道94。此外，幕簾噴嘴頂端84與檢查端口 76的內表面直接接觸，使得凹部90形成在通道94與渦輪18內部之間延伸的開口。結果，幕簾空氣流將從各凹部90放出，從而防護窗口 88免受熱氣流。盡管所示的凹部90平行于光學探測器組件38的縱軸線延伸，但應當認識到的是， 備選實施例可使用其它凹部構造。例如，在某些實施例中，凹部90可構造成用以引起圍繞窗口 88的幕簾空氣旋流。此外，另外的實施例可使用更多或更少的凹部90和/或更窄或更寬的凹部90以形成圍繞窗口 88的期望流型。此外，幕簾噴嘴頂端84可包括構造成用以圍繞窗口 88引送幕簾空氣的其它出口。例如，某些實施例可包括在通道94與渦輪18內部之間延伸的孔。因此，幕簾空氣流將從各凹部90和各孔放出，從而防護窗口 88免受熱氣流。 如前文所述，幕簾噴嘴頂端84可從幕簾管82移除，從而能夠選擇期望的出口圖案來用于特定渦輪構造。例如，具有較大數目凹部90的幕簾噴嘴頂端84可選為用于在多沙/多灰的環境中操作的輪機系統10，以便于加強污染物遠離窗口 88的轉移。此外，觀察管噴嘴頂端86包括構造成用以提供橫越窗口 88的吹洗空氣流的多個開口 96。吹洗空氣流構造成用以冷卻面對熱氣體48的窗口 88表面，從而顯著延長窗口 88 的操作壽命。此外，由開口 96提供的吹洗空氣和由凹部90提供的幕簾空氣的組合構造成用以將污染物轉移遠離窗口 88。結果，可顯著減少積聚在窗口 88表面上的污染物，從而提高光學監測系統36的準確性。此外，由于窗口 88聯接到觀察管噴嘴頂端86上，故窗口 88 可通過交換噴嘴頂端86來更換。因此，可消除與整個光學探測器組件38的更換相關的再校準過程。此外，由于觀察管噴嘴頂端86可移除，故具有期望開口圖案的噴嘴頂端86可選為用于特定的渦輪構造。例如，構造成用以產生過熱氣體的高級燃燒系統可使用具有開口 96的觀察管噴嘴頂端86，該開口 96構造成用以提供附加空氣流橫越窗口 88以將窗口 88 保持在期望的操作溫度范圍內。圖4為沿線4-4截取的圖3中的光學探測器組件38的截面視圖。如前文所述，觀察管噴嘴頂端86可移除以便于窗口的更換和/或選擇期望的開口構造。在所示的實施例中，觀察管噴嘴頂端86包括構造成用以與觀察管101的螺紋100對接的螺紋98。在該構造中，觀察管噴嘴頂端86可通過噴嘴頂端86相對于觀察管101的旋轉來固定和移除。同樣，幕簾噴嘴頂端84可利用螺紋連接102固定到幕簾管82上。盡管螺紋連接在所示的實施例中用于將觀察管噴嘴頂端86固定到觀察管101上以及將幕簾噴嘴頂端84固定到幕簾管82上，但備選實施例可使用其它連接系統(例如，緊固件、凸起/凹部等)以便將各噴嘴頂端可移除地固定到相應的管上。在另外的實施例中，觀察管噴嘴頂端86和/或幕簾噴嘴頂端84可固定到相應管上(例如，通過焊接聯接，壓配合等)。如前文所述，壓縮機22構造成用以將幕簾空氣42流以足夠的壓力提供至光學探測器組件38以形成進入渦輪內部的流動。如圖所示，幕簾空氣沿方向92流經形成在幕簾管82的外表面95與檢查端口 76的內表面之間的通道94。此外，幕簾噴嘴頂端84與檢查端口 76的內表面直接接觸，使得凹部90形成在通道94與渦輪18內部之間延伸的開口。結果，幕簾空氣流將從各凹部90放出，從而防護窗口 88免受熱氣流。同樣，壓縮機22，經由熱交換器45和過濾器46，或輔助壓縮機80構造成用以提供吹洗空氣47流以足夠的壓力通向光學探測器組件38以形成進入渦輪內部的空氣流。如圖所示，吹洗空氣沿方向104流經形成在觀察管101的外表面106與幕簾管82的內表面107之間的通道105。此外，觀察管噴嘴頂端86與幕簾噴嘴頂端84直接接觸，從而引送吹洗空氣流穿過開口 96。結果，吹洗空氣流將沿徑向向內的方向108從各開口 96放出，從而冷卻窗口 88且將污染物轉移遠離窗口 88。此外，從凹部90放出的幕簾空氣將沿方向110流動，從而進一步將污染物轉移遠離窗口 88。舉例而言，顆粒物質如未燃碳氫化合物、沙、塵埃、潤滑劑和/或其它污染物可存在于熱氣流48內。由于幕簾空氣的壓力大于熱氣體的壓力，故幕簾空氣流將熱氣流轉移遠離窗口 88。因此，可顯著減少積聚在面對渦輪18內部的窗口 88表面上的污染物。然而，由于幕簾空氣直接從壓縮機22獲取，故幕簾空氣可包含來自于壓縮機22的塵埃和/或潤滑劑。此外，由于幕簾空氣可從壓縮機的較后級獲取，故幕簾空氣的溫度可能不足以在延長的持續時間內有效地冷卻窗口 88。因此，沿方向108橫越窗口的吹洗空氣流用來保護窗口免受可存在于幕簾空氣內的污染物，以及冷卻窗口 88的表面。幕簾空氣和吹洗空氣的組合可用來將窗口 88保持在期望的操作溫度范圍內，且確保窗口 88的表面保持大致潔凈，從而便于光學監測系統36的操作。此外，由于幕簾空氣和吹洗空氣由不同的空氣源提供，故可保護窗口免受熱氣體而不論一個空氣源是否部分或完全失效。在所示的實施例中，觀察管噴嘴頂端86包括環形凸起112，環形凸起112構造成用以阻擋窗口 88朝渦輪內部的運動。因此，窗口 88和/或定位在觀察管101內的任何光學構件進入渦輪內部的可能性顯著降低或消除，從而確保渦輪18的高效操作。此外，幕簾管84包括環形凸起114，環形凸起114構造成用以阻擋觀察管噴嘴頂端86朝渦輪18內部的運動。結果，觀察管噴嘴頂端86和/或觀察管101進入渦輪內部的可能性顯著降低或消除。由于觀察管環形凸起112和幕簾管環形凸起114的組合，故光學探測器組件38干擾渦輪18操作的可能性顯著降低或消除。圖5為可在圖3中的光學探測器組件38內使用的觀察管噴嘴頂端86的實施例的透視圖。如圖所示，噴嘴頂端86包括第一排116開口 96和第二排118開口 96。在所示的實施例中，第一排116內的各開口均構造成用以大致垂直于窗口 88來弓丨送吹洗空氣。具體而言，第一排116內的各開口 96均包括入口 120和出口 122。如圖所示，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徑向向內地引送吹洗空氣流。此外，第二排118的各開口均構造成用以從窗口 88沿軸向向外地引送吹洗空氣流。具體而言，第二排118內的各開口 96的入口 124和出口 126均構造成用以朝渦輪內的熱氣體引送吹洗空氣流。形成橫越窗口 88和遠離窗口 88的流動的組合可用來保護窗口免受污染物以及用來將窗口保持在期望的操作溫度范圍內。盡管所示的實施例中使用了兩排116和118，但應當認識到的是，更多或更少排的開口 96可存在于備選實施例中。例如，某些觀察管噴嘴頂端86可包括I排、2排、3排、4 排、5排、6排或更多排開口 96。此外，盡管在所示實施例中各開口 96均沿徑向向內指向，但應當認識到的是，備選實施例可包括構造成用以將吹洗空氣流以旋流圖案引送的開口。此外，應當認識到的是，各開口 96的數目、尺寸和/或形狀可獨特地構造用以形成所期望的流型。例如，在所示的實施例中，觀察管噴嘴頂端86為可互換的，使得期望的開口布置可選擇為用于特定渦輪構造。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發明，且還使本領域的技術人員能夠實施本發明，包括制作和使用任何裝置或系統以及執行任何所結合的方法。本發明可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域的技術人員所構思出的其它實例。如果這些其它實例具有與權利要求的字面語言并無不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無實質差異的同等結構元件，則認為這些實例在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種系統(10),包括觀察管(101)，其構造成用以通過插入檢查端口(76)內而與旋轉機器(18)的內部光學地連通；可移除地固定到所述觀察管(101)上的第一可互換式噴嘴頂端(86)，其中所述第一可互換式噴嘴頂端(86)包括窗口(88)和構造成用以引送吹洗空氣橫越所述窗口(88)的多個開口 (96)；幕簾管(82)，其圍繞所述觀察管(101)設置且構造成用以將所述吹洗空氣從第一空氣源經由第一通道(105)引送至所述多個開口(96)，所述第一通道(105)形成在所述幕簾管 (82)的內表面(107)與所述觀察管(101)的外表面(106)之間；以及可移除地固定到所述幕簾管(82)上的第二可互換式噴嘴頂端(84)，其中所述第二可互換式噴嘴頂端(84)包括構造成用以圍繞所述窗口(88)引送幕簾空氣的多個出口 ；其中所述幕簾管(82)構造成用以將所述幕簾空氣從第二空氣源經由第二通道(94)引送至所述多個出口，所述第二通道(94)形成在所述幕簾管(82)的外表面(95)與所述檢查端口(76)的內表面之間。
2.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述第一空氣源包括來自獨立于所述旋轉機器(18)被供以動力的壓縮機(80)的空氣流。
3.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述第一空氣源包括來自經由軸 (19)可旋轉地聯接到所述旋轉機器(18)上的壓縮機(22)的排出空氣流(44)，其中所述排出空氣流(44)在流入所述第一通道(105)之前經受冷卻、過濾或它們的組合。
4.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述第二空氣源包括來自經由軸 (19)可旋轉地聯接到所述旋轉機器(18)上的壓縮機(22)的排出空氣流(42)。
5.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述多個開口(96)構造成用以將所述吹洗空氣沿徑向向內引送橫越所述窗口(88)。
6.根據權利要求5所述的系統(10)，其特征在于，所述多個開口(96)包括構造成用以大致垂直于所述窗口(88)引送所述吹洗空氣的第一排(116)開口(96)，以及構造成用以從所述窗口(88)沿軸向向外引送所述吹洗空氣的第二排(118)開口(96)。
7.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述第一可互換式噴嘴頂端(86)經由螺紋連接(98，100)可移除地固定到所述觀察管(101)上。
8.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述多個出口中的至少一個包括在所述第二通道(94)與所述旋轉機器(18)的內部之間延伸的凹部(90)。
9.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述第一可互換式噴嘴頂端(86)包括構造成用以阻擋所述窗口(88)朝所述旋轉機器(18)的內部運動的環形凸起(112)。
10.根據權利要求I所述的系統(10)，其特征在于，所述第二可互換式噴嘴頂端(84) 包括構造成用以阻擋所述第一可互換式噴嘴頂端(86)朝所述旋轉機器(18)的內部運動的環形凸起(114)。
全文摘要
本發明涉及用于向旋轉機器在線監測系統提供冷卻和吹洗空氣流的系統。在一個實施例中，一種系統(10)包括構造成通過插入檢查端口(76)內而與旋轉機器(18)內部光學地連通的觀察管(101)。觀察管(101)包括窗口(88)和構造成用以引送吹洗空氣橫越窗口(88)的多個開口(96)。系統(10)還包括幕簾管(82)，該幕簾管(82)圍繞觀察管(101)設置并構造成用以將吹洗空氣從第一空氣源經由第一通道(105)引送至開口(96)，該第一通道(105)形成在幕簾管(82)的內表面(107)與觀察管(101)的外表面(106)之間。幕簾管(82)包括構造成圍繞窗口(88)引送幕簾空氣的多個出口，且幕簾管(82)構造成用以將幕簾空氣從第二空氣源經由第二通道(94)引送至出口，該第二通道(94)形成在幕簾管(82)的外表面(95)與檢查端口(76)的內表面之間。
文檔編號F02C7/00GK102588116SQ20121001271
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月4日 優先權日2011年1月4日
發明者J·C·貝利, J·P·德蘭西, J·R·艾倫, L·J·薩默維爾, N·V·尼爾馬蘭, 王光華 申請人:通用電氣公司