ЛАЗЕРНАЯ ТЕРМОГРАФИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01M15/14 G01N21/88 G01N25/72 

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее раскрытие изобретения относится в целом к способу и системе для неразрушающего контроля компонентов и, более конкретно, к способу и системе для неразрушающего контроля компонентов турбины с использованием лазерной термографии.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] Во многих промышленных применениях способы неразрушающего контроля используются для оценки компонентов, не вызывая повреждений. Одно такое применение неразрушающего контроля предусматривает использование импульсной термографии для проверки компонентов газотурбинного двигателя, таких как лопатки или лопасти турбин, ограждения камер сгорания или переходный компонент. Эти компоненты часто состоят из основы, покрытой термобарьерным покрытием, которое защищает основу от высоких температур и коррозионной среды. Например, компоненты газовой турбины, имеющие покрытия, могут потребовать проверки для определения толщины термобарьерного покрытия или того, имеет ли покрытие какие–либо трещины или зоны отслаивания, то есть части, в которых слой покрытия отделился от основы. Серьезная трещина или отделившийся слой могут вызвать отказ компонента во время нормальной эксплуатации турбины.

[0003] В настоящее время контроль и проверка компонентов турбины, имеющих покрытие, могут выполняться при использовании импульсной термографии, широко используемого метода неразрушающего контроля, при котором поверхность компонента нагревают световым импульсом с длительностью, составляющей, как правило, только несколько миллисекунд. При нормальном состоянии деталь охлаждается после импульсного нагрева, поскольку тепло, попадающее на поверхность, проходит в более холодную внутреннюю часть. Однако внутренние аномалии в проверяемой детали, такие как пустоты, включения, отслаивание, влага или изменения толщины или плотности, вызывают изменения в скорости охлаждения на поверхности. При этом используется инфракрасная камера для захвата инфракрасного излучения, излучаемого компонентом, для формирования термографического изображения. Внутренние аномалии, упомянутые выше, будут видны на термографическом изображении.

[0004] Несмотря на то, что импульсная термография обеспечивает возможность неразрушающего контроля компонентов, имеется ряд недостатков, связанных с использованием импульсных ламп в качестве источника света/тепла. Например, импульсные лампы являются громоздкими и вызывают подвергание воздействию светом/теплом большей зоны компонента, чем та, которая может представлять интерес в качестве образца для испытаний. Выделенное тепло с течением времени исчезает и создает значительное количество фоновых помех, так что приходится использовать фильтры для ослабления сигнала для фильтрации этих фоновых помех. Кроме того, импульсные лампы требуют значительного количества времени для нагрева компонента до заданной температуры. Напротив, лазер обеспечивает быстрое достижение заданной температуры. Кроме того, при использовании импульсной термографии легче получить информацию, относящуюся к поверхностному слою или термобарьерному покрытию компонента турбины, чем к подповерхностному слою. При использовании импульсной термографии получение информации, относящейся к подповерхностному слою, возможно, однако во время контроля получают много данных, что требует значительного количества времени для анализа полученных данных.

[0005] Следовательно, желателен способ неразрушающего контроля, который обеспечит преодоление данных недостатков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] При кратком описании следует указать, что аспекты настоящего раскрытия изобретения относятся к неразрушающему способу и системе для оценки состояния компонента турбины.

[0007] Предложен неразрушающий способ оценки состояния компонента турбины. Способ включает предоставление лазера, генерирующего световой импульс, который нагревает компонент турбины. После этого осуществляется захват инфракрасного изображения нагретого компонента турбины. После этого можно проанализировать компонент турбины в отношении определенной характеристики компонента турбины.

[0008] Предложена система для неразрушающей оценки состояния компонента турбины. Система включает в себя источник лазерного излучения, который генерирует световой импульс, который нагревает компонент турбины. Инфракрасная камера, включающая в себя инфракрасный датчик для обнаружения тепловой энергии, излучаемой компонентом турбины, используется для захвата, по меньшей мере, одного изображения компонента турбины. Излучаемая тепловая энергия передается инфракрасному датчику для обеспечения возможности генерирования инфракрасного изображения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Фиг.1 иллюстрирует вид сбоку с частичным разрезом газовой турбины с осевым потоком;

[0010] фиг.2 иллюстрирует систему лазерной термографии для формирования изображения компонента системы;

[0011] фиг.3 иллюстрирует компонент турбины, имеющий покрытие и оцениваемый неразрушающим способом с использованием лазерной термографии; и

[0012]

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0013] Для облегчения понимания вариантов осуществления, принципов и элементов настоящего раскрытия изобретения они разъяснены в дальнейшем со ссылкой на реализацию в иллюстративных вариантах осуществления. Однако варианты осуществления настоящего раскрытия изобретения не ограничены применением в описанных системах или способах.

[0014] Предусмотрено, что компоненты и материалы, описанные в дальнейшем как образующие различные варианты осуществления, являются иллюстративными, а не ограничивающими. Предусмотрено, что многие подходящие компоненты и материалы, которые выполняли бы такую же функцию или функцию, аналогичную той, которую выполняют материалы, описанные в данном документе, охватываются объемом вариантов осуществления настоящего раскрытия изобретения.

[0015] Лазеры могут обеспечить сильную энергию при использовании коротких импульсов в основном благодаря двухпозиционному переключателю. Это существенно уменьшает фоновую интенсивность, которая вызывается обычными импульсными источниками, подобными импульсным лампам. Таким образом, лазеры могут быть использованы для очень быстрого нагрева поверхности материалов. Кроме того, луч лазера является в высокой степени управляемым и имеет очень локализованную зону фокусировки. Таким образом, представлен способ использования лазера в качестве источника тепла для термографического неразрушающего контроля компонентов газовой турбины, имеющих покрытие.

[0016] Доступно множество длин волн лазера, обеспечивающих возможность визуализации характеристик поверхности компонента, а также характеристик подповерхности при использовании одной и того же установки для контроля. Поскольку покровный слой, также упоминаемый как поверхностный слой, такой как термобарьерное покрытие компонента с покрытием, пропускает волны определенной длин, информация об испытательном образце может быть адаптирована так, что при данных длинах волн в компоненте может быть обеспечено повышение температуры подповерхности. Этот сигнал температуры подповерхностного слоя может быть записан в цифровом виде посредством формирования инфракрасных изображений или активной термографии.

[0017] На фиг.1 показан промышленный газотурбинный двигатель 10. Двигатель 10 включает в себя компрессорную часть 12, часть 14 с камерами сгорания и турбинную часть 16, расположенные вдоль горизонтальной центральной оси 18. Часть 14 с камерами сгорания включает в себя множество камер 28 сгорания. Горячий рабочий газ проходит из части 14 с камерами сгорания до турбинной части 16.

[0018] Части турбины 10, которые подвергаются воздействию горячих газов при прохождении газов вдоль канала для горячих газов в турбине 10, могут включать в себя покрытие на керамической основе, которое служит для минимизации подвергания основного металла компонента, такого как основной металл деталей с аэродинамическим профилем, воздействию высоких температур, которые могут привести к окислению основного металла. Такое покрытие может представлять собой известное термобарьерное покрытие (TBC), которое нанесено на соединительный покрывающий слой, образованный на основном металле.

[0019] Турбина 10, как правило, эксплуатируется в течение длительных периодов. Слой термобарьерного покрытия или как слой термобарьерного покрытия, так и соединительный покрывающий слой могут разрушаться или отслаиваться нежелательным образом во время эксплуатации турбины 10. Это приводит к подверганию основного металла воздействию высоких температур, что может привести к окислению основного металла. Турбину 10 проверяют с периодическими интервалами для проверки на повреждение, вызванное износом, и другие нежелательные состояния, которые могут возникнуть в различных внутренних компонентах. Кроме того, слой термобарьерного покрытия и соединительный покрывающий слой регулярно проверяют для определения степени ухудшения состояния слоя термобарьерного покрытия и соединительного покрывающего слоя (то есть, остающейся толщины слоев) и других нежелательных состояний, когда газотурбинный двигатель выключен или перед сборкой.

[0020] На фиг.2 показана система 100 для неразрушающей оценки состояния компонента 120 турбины в соответствии с вариантом осуществления. Источник 180 лазерного излучения генерирует световой импульс 130, который нагревает компонент 120 турбины. Система включает в себя инфракрасную (ИК) камеру 160, имеющую инфракрасный датчик 150 для обнаружения тепловой энергии в инфракрасной области спектра электромагнитных волн. Обнаруживаемая тепловая энергия излучается компонентом 120 турбины и передается инфракрасному датчику 150. ИК–камера 160 выполнена с возможностью захвата ИК изображений компонента 120 турбины. Зеркало 140 может быть использовано для фокусировки светового импульса 130 от источника 180 лазерного излучения на компонент 120 турбины. В проиллюстрированном варианте осуществления в качестве компонента 120 турбины показана лопатка турбины, однако специалисту в данной области техники будет понятно, что также могут быть использованы другие компоненты турбины. ИК–датчик 150 соединен с компьютером 170 с возможностью передачи данных посредством электрического соединения или беспроводного соединения.

[0021] Компьютер 170 может включать в себя центральной процессор, память и интерфейс ввода–вывода. Компьютер, как правило, соединен посредством интерфейса ввода–вывода с дисплеем для визуализации и с различными устройствами ввода, которые обеспечивают возможность взаимодействия пользователя с компьютером 170, такими как клавиатура. Например, посредством интерфейса ввода–вывода пользователь может загрузить в компьютер 170 данные по компоненту 120 посредством идентификации типа компонента, подлежащего контролю. Используя идентифицированный тип компонента, компьютер 170 может обеспечить автоматическую установку камер 160 в соответствии с предварительно запрограммированными положениями, хранящимися в памяти, для захвата заданного изображения.

[0022] Как рассмотрено ранее, компонент 120 турбины, в частность, лопатка или лопасть турбины, может содержать базовый слой, также называемый основой, поверх которого нанесен соединительный покрывающий слой, на который нанесено термобарьерное покрытие. Фиг.3 иллюстрирует сечение такого компонента 120 турбины, имеющего покрытие. На основу 200 нанесен соединительный покрывающий слой 210, на который нанесено термобарьерное покрытие 220, а именно TBC. Основа 200 может содержать жаропрочный сплав.

[0023] Как показано на фиг.1–3, также предложен неразрушающий способ оценки состояния компонента турбины. Может быть предусмотрен источник 180 лазерного излучения, который генерирует световой импульс 130, который нагревает компонент 120 турбины. Может быть обеспечен захват инфракрасного изображения заданной части компонента 120 турбины. После этого на инфракрасном изображении может быть проанализирована характеристика компонента 120 турбины. Фиг.3 иллюстрирует вариант осуществления фокусировки светового импульса, генерируемого источником света, на компоненте турбины, имеющем покрытие. ИК–камера улавливает ИК–излучение, излучаемое компонентом турбины, имеющим покрытие, и получает данные в виде ИК–изображения.

[0024] Для получения данных, относящихся к термобарьерному покрытию 220 на поверхности компонента 120 турбины, а также данных, относящихся к подповерхности, которая может включать в себя основу 200 и/или соединительный покрывающий слой 210, способ может быть использован посредством изменения длины волны источника 180 лазерного излучения. Например, источник 180 лазерного излучения может быть включен при первой заданной длине волны для получения данных, относящихся к термобарьерному покрытию 220. При этом источник 180 лазерного излучения будет сфокусирован для импульсного освещения заданной зоны поверхности компонента 120 турбины при первой длительности импульса. ИК–камера 160 может быть использована для захвата заданной зоны поверхности компонента 120 турбины. После этого источник 180 лазерного излучения может быть выключен при первой заданной длине волны. Далее, для получения данных, относящихся к подповерхности, которая может включать в себя соединительный покрывающий слой 210 и/или основу 200, источник 180 лазерного излучения может быть включен при второй заданной длине волны. Соединительный покрывающий слой 210 и основа 200, как правило, имеют аналогичные характеристики, так что они нагреваются аналогичным образом. При этом источник 180 лазерного излучения будет сфокусирован для импульсного освещения заданной зоны поверхности компонента 120 турбины при второй длительности импульса. ИК–камера 160 может быть использована для захвата заданной зоны подповерхности компонента 120 турбины. После этого источник 180 лазерного излучения может быть выключен при второй заданной длине волны.

[0025] Источник 180 лазерного излучения может представлять собой лазерную импульсную лампу, которая генерирует импульсы широкополосного света разных длин волн и с высокой интенсивностью излучения, имеющие длительность. Источник 180 лазерного излучения может излучать волны с длиной от 4 до 9 микрон, рассматриваемые как средние волны, и с длиной от 9 до 15 микрон, рассматриваемые как длинные волны. Поверхность или термобарьерное покрытие не пропускает волны с длиной от 4 до 9 микрон, так что характеристики термобарьерного покрытия могут быть получены на тепловом изображении в данном диапазоне. Однако характеристики материала термобарьерного покрытия делают термобарьерное покрытие пропускающим волны лазера с длиной, составляющей приблизительно 9–11 микрон. Таким образом, при длинах волн лазера в диапазоне 9–11 микрон данные, относящиеся к подповерхности или соединительному покрывающему слою 210 и/или основе 200, могут быть получены на тепловом изображении. В варианте осуществления длина волны лазера может быть задана равной 9,5–10,5 микрона. Длительность светового импульса 130 зависит от характеристики турбины, подлежащей анализу, однако длительность светового импульса 130 может находиться в диапазоне 1–30 мс. Для заданной зоны первая длительность импульса и вторая длительность импульса могут быть одинаковыми в случае равномерной толщины керамического материала и металла или разными в случае больших различий в толщине слоев.

[0026] Полученные данные могут быть проанализированы для оценки состояния компонента 120 турбины. Анализ может выполняться посредством выполнения алгоритмов в компьютере 170 для обработки полученных пикселизированных данных. Анализ может включать анализ потерь/исчезновения тепла в заданной зоне с течением времени и может обеспечить преобразование данных о промежутке времени в данные о глубине. Оценка состояния компонента 120 турбины может включать сравнение полученных данных о заданной зоне с известными параметрами для определения дефектов на компоненте, таких как отслаивание. Дефекты или разрывы непрерывности будут проявляться на термографическом изображении в виде изменения температуры, отличающегося изменения температуры при нормальном состоянии поверхности или подповерхности. Кроме того, можно оценить состояние компонента 120 турбины, измеряя толщину термобарьерного покрытия 220 на основе 200 компонента 120 турбины. В варианте осуществления может отслеживаться толщина термобарьерного покрытия 220 на компоненте 120 с разной периодичностью проверок в течение срока службы компонента.

[0001] Преимущества лазерной термографии по сравнению с импульсной термографией включают: лучшее регулирование температуры источника света и более короткий промежуток времени нагрева лазером, что уменьшает количество времени, необходимое для проверки компонента. Кроме того, использование лазера обеспечивает гибкость при изменении длины волны, в результате чего основа может быть проверена легче просто путем переключения длины волны лазера. Таким образом, обе проверки, а именно проверка термобарьерного покрытия, а также проверка основы, могут быть выполнены одновременно в одной и той же установке для контроля. Можно понять, что собранные данные о компоненте турбины могут быть сохранены для использования в будущем и к ним могут обращаться при использовании в будущем, например, таком как статистический анализ для компонента турбины. Статистические данные могут быть использованы компьютером для отслеживания состояния компонента турбины с течением времени.

[0002] Несмотря на то что варианты осуществления настоящего раскрытия изобретения были раскрыты в виде иллюстративных вариантов, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что многие модификации, добавления или исключения могут быть выполнены в них без отхода от сущности и объема изобретения и его эквивалентов, приведенных в нижеследующей формуле изобретения.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается неразрушающего способа оценки состояния компонента турбины. Способ включает в себя генерирование лазером световых импульсов для нагрева компонента турбины, захват инфракрасных изображений и анализ характеристики компонента турбины на полученных изображениях. При этом способ включает в себя фокусировку лазера для импульсного освещения заданной зоны поверхности компонента турбины при первой длине волны и первой длительности импульса, захват изображения заданной зоны поверхности компонента, фокусировку лазера для импульсного освещения заданной зоны подповерхности компонента турбины при второй длине волны и второй длительности импульса и захват второго изображения заданной зоны подповерхности компонента турбины. Технический результат заключается в ускорении анализа данных при оценке состояния компонента турбины. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Неразрушающий способ оценки состояния компонента 120 турбины, включающий:

предоставление лазера 180, генерирующего световой импульс 130, который нагревает компонент 120 турбины;

захват, по меньшей мере, одного инфракрасного изображения нагретого компонента 120 турбины; и

анализ характеристики компонента турбины на данном, по меньшей мере, одном изображении,

причем способ дополнительно включает:

включение лазера 180 при первой заданной длине волны;

фокусировку лазера 180 для импульсного освещения заданной зоны поверхности компонента 120 турбины при первой длительности импульса; и

захват изображения заданной зоны поверхности компонента 120 турбины;

выключение лазера 180 при заданной длине волны;

включение лазера 180 при второй заданной длине волны;

фокусировку лазера 180 для импульсного освещения заданной зоны подповерхности компонента 120 турбины при второй длительности импульса; и

захват второго изображения заданной зоны подповерхности компонента 120 турбины;

при этом первое изображение содержит первый набор данных, относящихся к заданной зоне поверхности компонента 120 турбины, и второе изображение содержит второй набор данных, относящихся к заданной зоне подповерхности компонента 120 турбины, и

при этом первая заданная длина волны и вторая заданная длина волны отличаются друг от друга.

2. Способ по п.1, в котором первая заданная длина волны находится в диапазоне 4–9 микрон.

3. Способ по п.1, в котором вторая заданная длина волны находится в диапазоне 9–11 микрон.

4. Способ по п.3, в котором вторая заданная длина волны находится в диапазоне 9,5–10,5 микрона.

5. Способ по п.1, в котором анализ включает сравнение первого набора данных с известными параметрами материалов для оценки поверхности в отношении повреждений.

6. Способ по п.1, в котором анализ включает сравнение второго набора данных с известными параметрами материалов для оценки подповерхности 210, 220 в отношении повреждений.

7. Способ по п.1, в котором захват выполняется инфракрасной камерой 160, включающей в себя инфракрасный датчик для обнаружения тепловой энергии, излучаемой компонентом 120 турбины, и

при этом излучаемая тепловая энергия передается инфракрасному датчику 150 для обеспечения возможности генерирования инфракрасного изображения.

8. Способ по п.1, в котором длительность импульса лазера 180 находится в диапазоне 1–30 мс.

9. Способ по п.1, в котором поверхность компонента 120 турбины включает в себя термобарьерное покрытие 220, и подповерхность компонента 120 турбины включает в себя соединительный покрывающий слой 210 и/или основу 200.

10. Способ по п.1, в котором лазер 180 представляет собой лазерную импульсную лампу.

11. Система для неразрушающей оценки состояния компонента турбины, содержащая:

источник 180 лазерного излучения, при этом источник 180 лазерного излучения генерирует световой импульс 130, который нагревает компонент 120 турбины;

инфракрасную камеру 160, включающую в себя инфракрасный датчик 150 для обнаружения тепловой энергии, излучаемой компонентом 120 турбины, при этом излучаемая тепловая энергия передается инфракрасному датчику 150 для обеспечения возможности генерирования инфракрасного изображения; и

компонент 120 турбины,

при этом инфракрасный датчик 150 захватывает, по меньшей мере, одно изображение компонента 120 турбины,

при этом источник 180 лазерного излучения выполнен с возможностью включения при первой заданной длине волны и фокусировки для импульсного освещения заданной зоны поверхности компонента 120 турбины при первой длительности импульса для захвата изображения заданной зоны поверхности компонента 120 турбины;

при этом источник 180 лазерного излучения выполнен также с возможностью включения при второй заданной длине волны и фокусировки для импульсного освещения заданной зоны подповерхности компонента 120 турбины при второй длительности импульса для захвата второго изображения заданной зоны подповерхности компонента 120 турбины;

при этом первое изображение содержит первый набор данных, относящихся к заданной зоне поверхности компонента 120 турбины, и второе изображение содержит второй набор данных, относящихся к заданной зоне подповерхности компонента 120 турбины, и

при этом первая заданная длина волны и вторая заданная длина волны отличаются друг от друга.

12. Система по п.11, дополнительно содержащая зеркало 140, которое фокусирует световой импульс 130 на компонент 120 турбины.

13. Система по п.11, в которой компонент 120 турбины содержит термобарьерное покрытие 220 и/или соединительный покрывающий слой 210, расположенный поверх основы 200.