JP2004354382A - 流れ開口面積を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光センサシステム（２００）を用いて物体（３８）内に画成された開口（２０２）を測定するための方法（４００）を提供する。
【解決手段】 本方法は、開口に隣接させて照明源（２１６）を位置決めする段階（４０２）と、開口を囲む周界部を照明する段階（４０４）と、照明した境界線の画像をサンプリングする段階（４０６）と、受信した境界線内の面積を計算する段階（４０８）とを含む。本システムは、開口周界部の第１の部分（２０８）と交差する第１の光のシート（２２０）を投射しかつ開口周界部の第２の部分（２１０）と交差する第2の光のシート（２２２）を投射するように配向された光源（２１６）と、物体の開口周界部と交差しかつ光検出器に向かって反射された光のシートの部分を受信する光検出器（２２４）と、該検出器からの画像をサンプリングする画像処理プロセッサ（２２６）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的に光学システムに関し、より具体的にはフローノズル内に画成された開口面積を測定するための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、直列の軸流関係で結合された圧縮機、燃焼器及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は、空気を加圧し、加圧空気は次に燃焼器に送られる。加圧空気は、燃焼器内で燃料と混合され点火されて燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスがタービンに送られる。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給すると同時に飛行中の航空機を推進する又は発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。

エンジンのノズルスロート面積は、エンジン効率に影響を及ぼす重要パラメータである。従って、ノズルスロート面積は、エンジン流体通路内の空間距離を確認するために定期点検の間に測定される。新しいノズルスロートは、特定の面積値を備えるように慎重に設計される。ノズルの開口面積を正確に測定することはまた、ノズルの製造時間の決定と同時にその後のメンテナンスと修理費用及び作業とを決定するのにも関係することになる。

従来のノズルスロート点検方法は、機械式ゲージを用いることを含む。少なくとも１つの公知の機械式ゲージでは、幾つかの特定箇所で測定したスロートの幅に高さを乗じる複雑な機械式アナログコンピュータを含む。別の公知の面積ゲージでは、電子線形電圧差動変圧器（ＬＶＤＴ）センサを用いて、スロート幅及び高さの値を測定し、次にコンピュータにより面積を計算する。しかしながら、ノズルスロートの様々な配向での正確な測定値を得ることは、困難な仕事である場合がある。さらに、ノズルスロートの輪郭及び寸法のために、このようなゲージを用いることは、費用と時間のかかる作業となる可能性がある。

１つの態様では、光センサシステムを用いて物体内に画成された開口を測定するための方法を提供する。本方法は、開口に隣接させて照明源を位置決めする段階と、開口を囲む周界部を照明する段階と、照明した周界部の画像を受信する段階と、受信した境界線内の面積を計算する段階とを含む。

別の態様では、物体の開口の面積を測定するための開口測定システムを提供する。本システムは、物体の第１の側面に向かって配向され、開口周界部の第１の部分と交差する第１の光のシートを投射しかつ開口周界部の第２の部分と交差する第2の光のシートを投射する光源と、物体開口周界部と交差しかつ光検出器に向かって反射された光のシートの部分を受信する光検出器と、光検出器に通信可能に結合されかつ該検出器からの画像をサンプリングしそのサンプリングした画像から物体開口の寸法を求めるようにプログラムされた画像処理プロセッサとを含む。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の該略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、低圧タービン２０、排気フレーム２２及びケーシング２４を含む。第１のシャフト２６は低圧圧縮機１２と低圧タービン２０とを結合し、また第２のシャフト２８は高圧圧縮機１４と高圧タービン１８とを結合する。エンジン１０は、該エンジン１０の上流側３４から後方に該エンジンの下流側３６まで延びる対称軸線３２を有する。タービンノズル区域３８は、燃焼器１６と高圧タービン１８との間でエンジン１０の周りに円周方向に配列された複数のノズルスロート（図１には示さず）を含む。１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のGeneral Electric社から購入可能なＧＥ９０型エンジンである。

運転中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの燃焼ガスは、タービン１８及び２０を駆動する。高圧タービン１８は第２のシャフト２８及び高圧圧縮機１４を回転させ、一方低圧タービン２０は第１のシャフト２６及び低圧圧縮機１２を軸線３２の周りで回転させる。

図２は、タービンノズル３８のノズルスロート開口面積２０２を測定するために用いられる例示的な測定装置２００の側面図である。開口２０２は、タービンエンジン１０を通る流路の一部を画成する。開口２０２は、円弧形の第1の壁２０４と、円弧形の第2の壁２０６と、壁２０４及び２０６間で延びる２つのほぼ平行な側壁（図示せず）とから形成されて、ほぼ矩形の開口２０２を画成する。具体的には、壁２０４の後端縁２０８と、該後端縁２０８からその内面２１２上にスロート開口２０２内で離間距離２１４が最小になるように投射した横線２１０によって特定される壁２０６の部分とが、開口２０２の境界になる。区域２１３では、後端縁２０８が境界となる。

この例示的な実施形態では、測定装置２００は、レーザのような照明源２１６とレンズ及びミラーの組合せ２１８とを用いて、平面状の光シートを生成する。レーザ２１６から放出されたビームは、レンズ及びミラーの組合せに向けて導かれ、該レンズ及びミラーの組合せは、ビームを１つ又はそれ以上の光の平面すなわち光シートに集束させ直すことができる。レンズ及びミラーの組合せは、第1の光シート２２０をほぼ垂直に後端縁２０８に向かう平面内に投射し、また第2の光シート２２２を光シート２２０にほぼ平行な平面内に投射するように配向される。

測定装置２００は、光シート２２０が後端縁２０８と交差して該後端縁２０８にわたって照明された線（照明線）を形成するように、開口２０２と位置合せされた状態に位置決めされる。光シート２２２の配向は、該光シート２２２と壁２０６の交差位置に形成された第2の照明線が、横線２１０と実質的に一致するように、光シート２２０に対して固定される。より具体的には、光シート２２２の配向は、実質的に横線２１０を照明するように使用に先立って調整される。光シート２２２はまた、壁２０４及び２０６間で延びる各側壁上の線も照明する。後端縁２０８、横線２１０及び側壁にわたる照明線は、開口２０２の高さ及び幅を表す境界線を定める。開口２０２はほぼ矩形状であるが、各照明線は、後端縁２０８、横線２１０及び側壁内の欠陥のために変形している場合がある。

開口２０２の幅及び高さを観察するために、１つ又はそれ以上の光センサ２２４が配置される。例示的な実施形態では、少なくとも１つの光センサ２２４は、ビデオカメラである。別の実施形態では、少なくとも１つの光センサ２２４は、デジタルカメラである。センサ位置合せ固定具２２５を測定装置２００に結合して、開口面積２０２の正確な測定を可能にするように光センサ２２４を開口基準点に対して位置合せした状態に位置決めする。具体的には、光センサ２２４は、照明線を感知して光センサ２２４の画面に対するそれらの位置を測定ように、光シート２２０及び２２２に対して既知の角度で配置される。各センサ２２４は、ケーブル導管２２８によって画像処理プロセッサ２２６に通信可能に結合される。開口２０２の境界を囲む照明線のデジタル表示は、画像処理プロセッサ２２６に送信される。この例示的な実施形態では、各光センサ２２４の光受信端部に結合されたフィルタが、各光ストライプをフィルタ処理して実質的に全非照明線照明を受信するのを防止する。別の実施形態では、光センサ２２４の受信端部にはフィルタが結合されない。プロセッサ２２６内で較正機能を実行して、開口２０２の周界部を定める照明線の位置の寸法座標を取り出す。１つの実施形態では、周界部は、４つのほぼ真っ直ぐな照明線を含む。別の実施形態では、周界部は、設計の複雑さ及び／又は使用中の部分ひずみのために湾曲状又は波状の線により定まる。この例示的な実施形態では、プロセッサ２２６は、光センサ２２４から画像を受信してその受信画像をピクセル化した画像に変換するデジタイザと、ピクセル化画像の境界線内の面積を求めるエキストラクタとを含む。プロセッサ２２６は、光センサ２２４の視野からの画像を表示し、またその画像をプリンタに出力できる。さらに、プロセッサ２２４は、ネットワークに直接インタフェースして画像及び部品データを他のシステムに送信できる。

センサ位置合せ固定具２２５は、測定装置２００の本体２３０に結合される。本体２３０は、測定装置２００を開口２０２に対して手動で位置決めするためのハンドル２３２を含む。本体２３０は、開口２０２に向けて光を投射するための放出端部２３４と該本体放出端部２３４から延びる位置合せフィンガ２３６とを含む。位置合せフィンガ２３６は、該位置合せフィンガ２３６を本体２３０に結合するための取付け部分２４０と、該位置合せフィンガ２３６の長さを調整するための延長部分２４２と、例えば開口２０２を形成する後端縁２０８のような周界部の一部分に係合するための係合部分２４４とを含む。本体放出端部２３４の第２の端部２４６は、本体２３０から係合部分２４４に向かって外向きに延びるショルダ部２４８を含み、かつ位置合せフィンガ２３６に対してほぼ垂直になっている。ショルダ部２４８は、該ショルダ部２４８を本体２３０に結合するための取付け端部２５０と、偏倚した支持組立体２５４を備えた接触端部２５２とを含む。この例示的な実施形態では、支持組立体２５４は、ショルダ部２４８の外面２５７を少なくとも部分的に越えて外向きに延びる端部２５６を含むボールベアリング式支持組立体である。

光センサ２２４は、開口２０２の周界部を定める照明線から多数の個別の点を受信する。センサ２２４は、このデータを用いて照明線により囲まれた面積を計算する。１つの実施形態では、ノズルスロート開口２０２の面積は、既知の固定具（図示せず）と共に測定装置２００を用いてノズルの主スロートに隣接する２つの半スロート開口の面積を測定することによって計算される。これらの結果を組合せることによって、複雑な形状の面積又は複数の非連続開口の全体面積が得られる。

操作において、本体２３０は、係合部分２４４が後端縁２０８に係合しかつ接触端部２５６が壁２０６の外部表面３０４に接触するように、開口２０２近傍に手動で位置決めされる。この係合位置において、光シート２２０は後端縁２０６を照明し、また光シート２２２は横線２１０と開口２０２を画成する側壁とを照明する。光センサ２２４は、後端縁２０８、横線２１０及び側壁を照明する線が光センサ２２４の視野内にあるように開口２０２に対して位置合せされる。各光センサ２２４は、照明線画像を受信してその画像をケーブル２２８によってプロセッサ２２６に送信する。プロセッサ２２６は、光シート２２０及び２２２、係合端部２４４並びに光センサ２２４の所定の角度位置合せに基づいて、照明線が境界になっている面積を求める。プロセッサ２２６は、計算の結果をユーザが要求した形式で表示する。

図３は、後端縁２０８の拡大図３００である。後端縁２０８は、開口２０２を画成しかつ側面２０６に対向する内部表面３０２を含む。係合部分２４４は、内部表面３０２に係合し、ハンドル２３２により手動の押圧力が加えられたとき、部分２４４が本体２３０を開口２０２と位置合せした状態に保持する。光シート２２０は、後端縁２０８の外部表面３０４上で該後端縁２０８と交差する。距離３０６は、プロセッサ２２６内で開口２０２の面積が計算されるときに考慮される修正距離を表す。実際には、開口２０２は、内部表面３０２の一部が境界になるが、測定装置２００は照明線境界線によって定まる面積を測定することになり、従ってプロセッサ２２６により計算が実行される間に距離３０６が考慮される。

図４は、装置２００（図２に示す）のような測定装置を含む光センサシステムを用いて物体の開口を測定する例示的な方法４００を示すフローチャートである。本方法は、開口に隣接させて照明源を位置決めする段階４０２を含む。例示的な実施形態では、照明源は、少なくとも１つのレーザダイオードを含む。レーザダイオードからのレーザ光ビームは、円筒形レンズに向けられる２つのビームに分割され、該円筒形レンズが、これらレーザビームを互いにほぼ平行に照明源を出る２つのレーザ光シートに向け直す。照明源に結合された位置合せフィンガは、測定する開口を画成する表面と係合して、照明源が、それに限定するのではないが、ノズル開口の後端縁及び測定される所定の基準区域のような所定の開口境界面と位置合せされるようになる。より具体的には、位置合せフィンガが表面と係合したとき、照明源をそれ以上調整せずに、光シートが測定される開口の所定の部分を照明するように、照明源は位置合せされる。さらに、位置合せは、異なる大きさの物体及び異なる形状を有する物体を測定するように補正するために調整可能である。照明源は、光シートを用いて開口を囲みかつ画成する境界面を照明する４０４。この例示的な実施形態では、開口の境界線は、２つのレーザ光シートによって定まる。別の実施形態では、開口の複雑さに応じて、開口境界面を照明するのに付加的な光シートが必要となる場合がある。各光シートは、物体開口付近で物体の表面と交差して、交差部が該物体開口付近の物体上に照明線を形成するようになる。照明線は開口境界線とほぼ平行に位置合せされ、物体境界線が各照明線の位置に相関できるようになる。開口の他の境界線は、開口の全周界部が照明源により照明された線によって定まるまで１つ又はそれ以上の照明線により同様に照明されることができる。別の実施形態では、光の線によって照明されない境界面の部分は、画像処理プロセッサ内の処理ソフトウェアによって推測されて、開口の全周界部が、光の線と推測した境界線の組合せによって定まるようになる。

光検出器すなわち光学受信機は、該光学受信機が照明された境界面をサンプリングする４０６ように、該受信機の視野内の照明線境界線とほぼ位置合せされた状態に位置決めされる。１つの実施形態では、光学受信機内の受光レンズは、例えば周囲の光及び日光のような非照明線照明を該光学受信機の視野から実質的に除去するフィルタを含む。光学受信機の入力をフィルタ処理することで、開口周界部のコントラストを増すことを可能にし、それによって光学受信機の有効性を高めることが可能になる。この例示的な実施形態では、光学受信機はビデオカメラである。別の実施形態では、光学式受信機はデジタルカメラである。

受信した画像は、該受信したビデオ画像をデジタル化するデジタイザを含むデジタル画像処理プロセッサに送信される。デジタル画像内の照明線が境界となる開口の面積は、画像処理プロセッサによって計算される４０８。この例示的な実施形態では、画像処理プロセッサは、受信した境界線内の最小面積を計算する４０８。画像処理プロセッサは、デジタル化画像から２次元座標情報を取り出し、画像処理プロセッサがアクセス可能な位置合せ及び較正情報を用いて、受信した境界線内にある座標を求める。全座標によって表された面積が、計算され４０８、ユーザが選択した所定のフォーマットで画像処理プロセッサから出力される。

エンジンノズルスロート開口面積に関して本発明を説明しているが、多くの他の用途が考えられる。例えば、本発明は、開口周界部を照明しかつその照明した周界部を設定可能な角度及び距離から見ることができるような、それに限定するのではないが例えば熱交換器、バルブ及び冷却通路のようなような任意のシステムに適用できることが考えられる。

上記の開口測定システムは、物体内の開口の寸法を求める上で費用効果がありかつ高い信頼性がある。より具体的には、本明細書に記載した方法及びシステムは、開口の境界面及び該境界面が境界となっている面積を求めるのを可能にする。さらに、上記の方法及びシステムは、最小の段取り時間又は操作者の訓練で開口の正確かつ反復可能な測定を迅速に行うことを可能にする。その結果、本明細書に記載した方法及びシステムは、費用効果がありかつ信頼性がある方法で停止時間及びメンテナンス費用を削減するのを可能にする。

以上、開口測定システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されのではなく、むしろ各システムの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。各システム構成部品はまた、他のシステム構成部品と組合せて使用することもできる。

特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 タービンノズルのノズルスロート開口面積を測定するために用いられる例示的な測定装置の側面図。 後端縁２０８の拡大図３００。 測定装置を含む光センサシステムを用いて物体の開口を測定する例示的な方法を示すフローチャート。

符号の説明

３８ タービンノズル区域
２００ 測定装置
２０２ ノズルスロート開口面積
２０４ 開口の第1の壁
２０６ 開口の第２の壁
２０８ 第１の壁の後端縁
２１０ 横線
２１２ 第２の壁の内面
２１４ 離間距離
２１６ レーザ
２１８ レンズ及びミラーの組合せ
２２０ 第１の光シート
２２２ 第２の光シート
２２４ 光センサ
２２５ センサ位置合せ固定具
２２６ 画像処理プロセッサ
２３０ 測定装置の本体
２３６ 位置合せフィンガ
２４４ フィンガの係合部分
２４８ ショルダ部
２５２ ショルダ部の接触端部

Claims (10)

1. 光センサシステム（２００）を用いて物体（３８）内に画成された開口（２０２）を測定する方法（４００）であって、
   前記開口に隣接させて照明源（２１６）を位置決めする段階（４０２）と、
   前記開口を囲む周界部を照明する段階（４０４）と、
   前記照明した周界部の画像をサンプリングする段階（４０６）と、
   前記サンプリング画像から受信した境界線内の面積を計算する段階（４０８）と、
   を含む方法。
2. 照明源を位置決めする段階が、前記照明源に結合された位置合せフィンガ（２３６）が前記開口の境界となる表面に係合するように、該照明源を位置決めする段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記開口を囲む周界部を照明する段階が、
   第１の光シート（２２０）で前記開口周界部の第１の部分（２０８）を照明する段階と、
   第２の光シート（２２２）で前記開口周界部の第２の部分（２１０）を照明する段階と、
   を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記開口周界部の第１の部分を照明する段階が、前記開口周界部の第１の部分にほぼ平行な平面内に配向された光のシートを投射する光源で前記開口の第１の部分を照明する段階を含む、請求項３記載の方法。
5. 前記照明した周界部をサンプリングする段階が、各光シートと前記物体の開口周界部との間の交差位置に形成された照明線をサンプリングする段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 照明線をサンプリングする段階が、光学受信機（２２４）を用いて各照明線を受信する段階を含む、請求項５記載の方法。
7. 各照明線をサンプリングする段階が、各線をフィルタ処理して実質的に全非照明線照明を受信するのを防止することを可能にする段階を含む、請求項５記載の方法。
8. 受信した周界部内の面積を計算する段階が、前記受信周界部内に定まる最小面積を計算する段階を含む、請求項１記載の方法。
9. 受信した周界部内の面積を計算する段階が、受信したビデオ画像をデジタル化する段階を含む、請求項１記載の方法。
10. 前記デジタル化した画像から２次元座標情報を取り出す段階と、
    前記受信周界部内の座標を求める段階と、
    をさらに含む、請求項９記載の方法。

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