JP2005534002A - ベーンリングスロート面積の光学測定 - Google Patents

Abstract

以下のステップに従うガスタービンエンジン用のベーンリング内のスロート面積を光学的に測定する方法及び装置を提供する。即ち、各スロートの周囲が光学測定視野に入るようにベーンリングを取り付け具の上に置くステップと、影の領域がベーンリング上に投影され、スロートの輪郭が反射領域により囲まれる暗い領域として明確に描かれるように１次放射源を位置決めするステップと、放射検出器を用いて暗い領域の画像を捕捉するステップと、スロート寸法の絶対値に比例する暗い領域の寸法データを得るために画像を解析するステップと、個別のスロートの各々から画像を漸次捕捉し解析するステップと、次いで、スケーリングと観察方向（遠近歪み）を考慮しつつ、ベーンリングの合成スロート面積の絶対値が得られるように各画像の寸法データを処理及び校正するステップである。

Description

本発明は、選択されたスロートを仕切るベーン・アンド・シュラウドを照射又は照明し、前記照射・照明により生じ、スロート面積に対応する影の面積を測定し、ベーンリング内の各スロートに対して前記手順を繰り返して、ベーンリングスロートの全面積を測定する、ことを特徴とするガスタービンエンジン用のベーンリングのスロート面積を光学的に測定する方法に関する。

本発明はガス流路において最も制限された点での流路面積、特にガスタービンエンジンのベーン又はノズルの面積を測定する方法及び装置に関する。

ベーンリング（vane ring）としても知られるステータは静翼の列であり、これらの静翼は、環状空気流が例えばタービン又は圧縮機のロータ上の回転ブレードの列に近づき、あるいはそこから離れるときにその方向を変化するために使用される。ステータベーンリングを通る最小流路面積を変化させるためにステータベーン翼（ブレード部）の後縁角に対する調節が行われる。最小流路面積はあるベーン後縁とその次のベーンの正圧面との間の距離により決定され、従って、後縁角を変化させれば最小流路面積も変化する。最小流路面積によって、タービンの圧力比とエンジンの質量流量とが制御され、従って圧縮機の作動ラインが制御される。

新しいエンジンでは、ロータに対しステータを調整（チューニング）する工程は、回転ブレード同士が厳密に等しいため、比較的単純である。しかしながら、エンジンが摩耗し、オーバホールされる際には、最適なエンジン性能が達成されるようにステータを再チューニングし、ステータ翼を個々に調整しなければならない。これらの調整はステータ翼の後縁の簡単な曲げ、後縁の切削（あるいは、分割されたベーンリングの場合はベーン部分の交換）、を伴うことがある。しかしながら、一般的に何百もの細かい曲げ又は調整をステータリングの周囲に施さねばならず、これらが積み重なればステータの流路面積に影響を与える。

ガスタービンエンジンに対してステータリングを調整するためには、ステータの流路面積を決定しなければならない。ステータ流路面積の変化は圧縮機の作動ラインを変化させ、ガス発生器の速度、圧縮機圧力比、温度、一定出力における質量流量及び過渡期間（regime）におけるエンジンサージマージンに影響を及ぼす。一定出力において、圧縮機タービンステータ流路面積を維持しながら出力タービンステータ流路面積を増加させることは、ガス発生速度と質量流量とを増加させるが、圧縮機圧力比を僅かに減少させる。従って、有効流路面積に基づくベーン調整（matching）は、最適なエンジン性能を予測し、最適な効率及びエネルギー消費を達成するための重要なエンジンオーバホールの工程である。

従来、ステータリングの流路面積は流量を用いて決定されており、例えばＥｖａｎｇｅｌｉｓｔａの米国特許第６，１４８，６７７号に示されている。この流量試験装置は管理された実験環境下で、ステータリングを通過したときの空気流の圧力降下を測定する風洞設備を備える。流量試験装置は既知の流路面積が既知の圧力降下を生じるように予め校正してもよい。従って、ある特定のステータリングにおける圧力降下を測定することにより、ステータリングの近似的な流路面積を計算することができる。

Ｅｖａｎｇｅｌｉｓｔａの米国特許第６，１４８，６７７号に開示されている流量試験装置は、大規模な設備が必要であり、流量試験装置を稼動させるのに必要な時間は約４５〜６０分である。なお、ステータブレードが比較的新しく、規則正しく並んでいるときには、流量試験装置は信頼性のある結果を提供するが、摩耗したステータが使用され、前縁又は後縁に調整が施されると、局部的な圧力効果によってかなりの不正確さが生じてしまう。ステータリングが修復され、摩耗や亀裂を受け、あるいは過度に調整された場合には、従来のコンパレータ法によるガス流路面積測定には信頼性がなくなってしまう。ステータリングは極端に高価な部品であり、従って正確かつ信頼性のある流路面積測定手段が必要とされている。

ステータリングの流路面積を決定するもう一つの従来の方法はスロート領域の寸法を機械的に測定することを含む。Ｍａｓｏｎによる米国特許第４，２２２，１７２号は、スロート領域の寸法を測定するために専用の取り付け具に取り付けられた、ダイヤルゲージを用いたベーン面積測定装置を開示している。座標測定器（ＣＣＭ）がその領域を機械的にトレース（追跡）し、ベーンスロート面積を示す囲まれた面積を計算することもできる。

機械的な測定装置は不正確で、時間が掛かり、比較的高価である。座標測定器はスロート面積を決定するために現在二つの測定方法を使用している。スロート面積を得るために、第１の方法は三つの区分のスロート開口幅を測定して外挿し、第２の方法は高さを測定して外挿する。第１の方法は測定された区分間で後縁が不規則である場合には不正確である。第２の方法はプローブが接触を保ちながらスロート開口部をトレースする。プローブは翼のスタッキングライン（stacking line）、即ち翼の基準軸から所定の軸方向距離にある開口部をトレースする。スロート面積値計算は、翼弦の長さが一定であり、トレースされる経路と実際の後縁との間に外形の偏り（profile deviation）がないと仮定している。しかしながら、ベーンの調整、修正及び通常の摩耗によって、外形の偏りや翼弦の長さの偏りを生じるので、偏りは新しい部品を除いて全ての部品に生ずる。プローブトレース経路と後縁との間の距離は０．０５０〜０．１００インチ（約１．２７〜２．５４ｍｍ）であり、一方、外形の偏りは後縁から０．３００〜０．４００インチ（約７．６２〜１０．１６ｍｍ）になる。従って、ある程度の誤差はあるにしても、偏りトレースプローブによって、偏りが完全に見逃されるわけではない。

本発明の目的は迅速で安価な信頼性のあるベーンリングのスロート面積を計算する方法を提供することである。

本発明の更なる目的は先行技術である機械的な空気流測定方法の不正確さを避けるためにベーンリングスロート面積を光学的に測定することである。

本発明のその他の目的は以下の、発明の開示、図面及び詳細な説明を参照すれば明らかになるであろう。

本発明は以下のステップに従うガスタービンエンジン用のベーンリング内のスロート面積を光学的に測定する方法や装置を提供する。即ち、各スロートの周囲を光学測定視野内に入るようにベーンリングを取り付け具の上に置くステップと、影の領域をベーンリング上に投影してスロートの輪郭を反射領域により囲まれる暗い領域として描かれるように主放射源を位置決めするステップと、放射検出器を用いて暗い領域の画像を捕捉するステップと、真のスロート寸法に比例する暗い領域の寸法データを得るために画像を解析するステップと、個別のスロートの各々から画像を漸次捕捉し解析するステップと、次いで、スケーリングおよび観察方向（透視歪み）を考慮しつつ、ベーンリングの合成スロート面積に対する真値が得られるように、各画像の寸法データを処理及び校正するステップである。

好ましい実施例において、多くの環境において容易かつ安全に利用される点から、放射源は可視光、紫外光、又は赤外光のスペクトルを有した光である。光学的測定手法の顕著な利点は、ステータベーン後縁に対する修正を考慮に入れた非常に正確な測定に対してほんの２５〜３０秒しか要しない非常に高速なものであって、反復が容易で、安価であり、先行技術の方法が利用された場合通常は不正確な結果をもたらす、より古いベーンの列の不必要な切削（scraping）を防止できることである。前縁外形の偏りは従来の流量コンパレータ法にかなりの影響を与えるが、エンジンには影響を与えない。後縁のみを観察する本発明の方法の利点は、前縁外形の偏りがベーンリングスロート面積の測定に不正確さをもたらさないことである。

その他の本発明の詳細と利点は以下に含まれる詳細な説明から明らかとなろう。

図１はターボファンエンジンの典型的な軸方向断面図を示すが、本発明はターボシャフト及びターボプロップエンジンにも同様に適用可能である。吸入空気がファンケース２内の回転するファンブレード１上を通過し、バイパス流に分割され、バイパスダクト３内と、内部エンジンコア内と、を通って進む。前記空気流の内側部分は低圧軸流圧縮機４と遠心圧縮機５とを通って燃焼器６まで進む。燃料が燃焼器６内に注入され、点火され、高温ガスがタービン７を通過してエンジンの後方排出部を通って排出される。

図２は前記タービン７の上流又は軸流圧縮機４内の圧縮機タービンの上流に、通常配設される１段のベーンリング８の斜視図を図示する。

ベーンリング８は、ステータベーン９の環状の列を有し、ステータベーン９は、各組の隣接しあうベーン９の間に設けられた複数の個別のスロート１０を区画する。図５および図６における詳細図は、以下に述べる手段により作り出される照明領域により囲まれる暗い影の領域として個々のベーンスロート１０を図示している。個別のスロート１０の各々（図６で最も良く分かる）は内側ベーンシュラウド１１と外側ベーンシュラウド１２とにより半径方向に仕切られた外周を有する平面開口部である。個々のベーンスロート１０は先行するベーン９ａの後縁１３と、隣接する追従するベーン９ｂの凸面上に投射された共平面線１４と、により円周方向に仕切られる外周を有する。

本発明の方法は図３と図４に図示されるように以下のステップで行う。ベーンリング８は好ましくは回転インデックステーブル１６を有する取り付け具１５の上に置かれ、これによりリング８を軸１７の回りに漸次回転でき、個別のスロートの各々に対する画像を漸次捕らえ、次いでデータを収集及び処理してリング８全体に対する合成スロート面積を得ることができる。

図３と図４に示すように、ベーンリング８は、選択された個別のスロート１０の周囲がカメラ１８の光学測定視野内に入るような、取り付け具１５上の画像位置に置かれる。図５と図６では、光学測定視野は矩形平面１９として図示される。如何なる形状の視野を使用してもよく、多数のカメラ１８を採用してもよいことは言うまでもない。カメラ１８で、スロート領域の所定の部分を測定しそれぞれ合算して合計を得るようにしてもよいし、あるいは各カメラでスロート全体を測定し、結果を平均することによって精度を改善してもよい。

図３と図４に示すように、二つの主放射源２０がスロートを定める位置（スロート画定位置）に配設されて、選択されたスロート１０の平面において生ずるようにベーンリング８上に影の領域（図５と図６で最もよく分かる）を投影する。図５と図６に示すように、影の領域は反射領域に囲まれ、これによりスロート領域の輪郭が視覚的に明らかに描かれる。

特に後縁１３の輪郭を最大限明確にするために、補助放射源２１が先行ベーン９ａの後縁を照明するために配置される。反射領域と影の領域の間のコントラストを最適化するために主放射源２０がオペレータにより調整される。好ましくは、主放射源２０と補助放射源２１は精度を改良するためにコリメート（視準）される。コリメートされた光源により、照明領域の縁の周りには光線の拡散がほとんどあるいは全く生じない。

放射源２０，２１は既知の種類の放射なら何でもよいが、安全面と使用の容易さのために、光スペクトル内の放射が好ましく、又同等の利点があれば可視光、赤外光又は紫外光から選択してもよい。更に、放射源２０，２１によって、パターン、つまり、高強度部とこれとコントラストが付けられた低強度部とを有した放射、が得られ、カメラ１８による検出を改善する。例えば市松模様のパターンの放射又は直線パターンの放射が、ある一定の環境において影及び照明領域のコントラスト（明暗）の検出を改善することができる。

更に、図３、図５及び図６に図示された実施例において、カメラ１８の観察方向２２が選択されたスロート１０の平面（図では視野１９の平面として示す）に対し直交している。好適な観測方向２２は、影の下側境界をより正確に定めるように（図６の線１４に沿って）直交配置より僅かに上である。

ベーンリング８を結像（imaging）位置内の取り付け具１５に配置して、個別のスロート１０の周囲が光学測定視野１９内に示されば、オペレータは、放射源２０，２１に適したカメラ１８又は他の放射検出器を用いて、図５と図６に示すような視野１９内のベーンリング部分の画像の捕捉（capture）に進むことができる。光源、つまり放射源２０、２１は、スロート１０の開口部の周りの十分な領域を照明する程度に十分に広い照明領域を有すべきであり、これにより、スロート１０の開口部の周囲全てについて良好なコントラストが保証され、また、好ましくはどの光源もコリメート又はほぼコリメートされる。

光源２０，２１のような形式の放射が利用される場合には、選択されたスロート１０の個別のスロート領域に比例することになる、画像の暗い部分の寸法データを取得するために、前記画像はピクセル計数により解析される。

ベーンリング８に対する正確な合成スロート面積が必要な場合には、この方法では個別のスロート１０の各々から画像を漸次捕捉及び解析することに進み、次いで、各画像に対する寸法データを処理することにより、ベーンリング８全体に対する合成スロート面積を得ることができる。

しかしながら、いくつかの状況においては、近似的なスロート面積の推定値で足りる場合がある。そのような場合、この方法は、選択された複数の個別のスロート１０から選択された画像を漸次捕捉及び解析することを含んでもよい。ベーンリング８全体に対する近似的なスロート面積の推定値は、前記選択された画像に対する寸法データをベーンリング８全体に亘って演算（prorate）することにより得ることが出来る。

選択されたスロート１０の平面（図５と図６における矩形視野１９として示される平面）内の実際のスロート面積に対する絶対値は、取得した寸法データに少なくとも一つのスケールファクターを適用して寸法データを校正することにより得られるようにしてもよい。カメラ８がベーンリング８からある距離に配置されるので、視野１９が観察方向２２に直交するときでも、スケールファクターを与えてベーンリング８に対するスロート面積の実際の大きさを取得することが通常は必要となる。しかしながら、観測方向２２がベーンスロート１０の平面（矩形平面１９として図示される）に直交しない場合、第１のスケールファクターをデータの半径方向寸法に適用し、第２のスケールファクターを得られたデータの円周方向寸法に適用してもよい。画像データは、コンピュータ２３に送信されると、画像データは解析され個別のスロート１０の各々に対するスロート面積が得られ、あるいは取り付け具１０が漸次回転し、ベーンリング全体に対する合成スロート面積が得られる。

画像解析にあたり、より複雑な校正又はスケーリングをレンズ歪み及び画像遠近歪みを補正するために適用してもよい。前記システムは測定すべきスロート領域１０と同じ距離及び方向に置かれた既知の格子又は孔パターンを結像することにより始めに校正される。

２次的な校正は各製造モデルに対する既知のベーンスロート面積を有するマスターベーンリングを使用することを含む。前記の光学測定法は各マスターベーン上で前記光学測定システムを校正し、校正曲線を確立し、それに対して測定値が比較されて実際のベーンスロート面積を決定することにより行われる。

本明細書は発明者によって現在考えられる特に好適な態様に関して記載されているが、本発明はその広い範囲としてここで説明した構成要素の機械的及び機能的な均等物を含むことは言うまでもない。

ターボファンエンジンの軸方向断面図であって、タービンロータおよび圧縮機ロータに隣接するステータベーンリングの通常位置を示す。 １段のベーンリングの斜視図であって、内部及び外部シュラウドの間に閉じ込められたステータベーン列の後縁を示す。 回転取り付け具に取り付けられたステータベーン内の部分断面図を示す本発明による装置の立面断面図であって、回転取り付け具に設けられた主及び補助の光源が、光学カメラにより観察されるスロート領域を視覚的に描くために照明の領域により囲まれる影の領域を作り出す。 主照明源及びカメラを示す、図３の平面に直交する平面に沿った立面図である。 照明領域により囲まれたスロート領域に対応する影の領域を示す、カメラで見た斜視図である。 図５の線６−６に沿った断面図であり、図３と同様に主及び補助の光源が示され、矩形のカメラ視野がステータベーン間のスロート領域を表す影の領域の画像を捕らえる。

Claims (16)

1. ガスタービンエンジン用のベーンリングにおけるスロート面積を光学的に測定する測定方法であって、前記ベーンリングは環状のベーン列を有し、隣接する先行するベーンと追従するベーンとの間に複数の個別のスロートを画定し、前記個別のスロートの各々が平面開口部であり、該平面開口部は、周囲が半径方向においては内側ベーンシュラウドと外側ベーンシュラウドとにより仕切られ、円周方向においては先行ベーンの後縁と、隣接する追従ベーンの凸面上に投射された共平面線と、により仕切られるものにおいて、
   選択された個別のスロートの周囲が光学測定視野内に入るような取り付け具上の結像位置に、前記ベーンリングを置くステップと、
   スロート画定位置に少なくとも一つの主放射源を位置決めするステップであって、前記主放射源により、影の領域が前記選択されたスロートの平面内に生じるように前記ベーンリング上に投影され、前記影の領域が反射領域により囲まれるようなステップと、
   放射検出器を用いて前記視野内にある前記ベーンリングの部分の少なくとも一つの画像を捕捉するステップと、
   前記選択された個別のスロート面積に比例する各画像の暗い部分の寸法データが得られるように、各画像を解析するステップと、を含んだ測定方法。
2. 前記個別のスロートの各々から画像を漸次捕捉及び解析するステップと、
   前記ベーンリングに対する合成スロート面積が得られるように、各画像の前記寸法データを処理するステップと、をさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
3. 選択された複数の前記個別のスロートから選択された画像を漸次捕捉及び解析するステップと、
   前記選択された画像の前記寸法データを前記ベーンリングに亘って演算することにより前記ベーンリングの近似的なスロート面積を推定するステップと、をさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
4. 前記主放射源がコリメート（視準）されることを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
5. 前記主放射源が、可視光、赤外光、及び紫外光を含んだ群から選択されたスペクトルの光を投射することを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
6. 前記主放射源が高強度と低強度の部分を有する放射パターンを投射することを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
7. 前記寸法データを、既知のスロート面積を有するマスターベーンから得られた寸法データと比較することにより前記選択されたスロートのスロート面積を決定するように前記寸法データを校正するステップをさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
8. 少なくとも一つのスケールファクターを前記寸法データに適用することにより前記選択されたスロートの平面内のスロート面積を決定するように前記寸法データを校正するステップをさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
9. ピクセル計数により前記画像を解析するステップをさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
10. 第１のスケールファクターを前記データの第１の寸法に適用し、第２のスケールファクターを前記データの第２の寸法に適用するステップをさらに含み、かつ、前記選択されたスロートの平面と前記放射検出器の観察方向とが直交しないことを特徴とする請求項８に記載の測定方法。
11. 補助放射源を用いて前記先行ベーンの前記後縁を照明するステップをさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
12. 前記追従ベーン上の望ましくない影を減少させるように補助放射源を用いて前記追従ベーンの前記後縁を照明するステップをさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
13. 反射領域と影の領域との間のコントラストを最適化するように前記主放射源を調整するステップをさらに含んだ請求項１に記載の測定方法。
14. 前記取り付け具が回転インデックステーブルを含むことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
15. ガスタービンエンジン用のベーンリングにおけるスロート面積を光学的に測定する測定装置であって、前記ベーンリングは環状のベーン列を有し、隣接する先行するベーンと追従するベーンとの間に複数の個別のスロートを画定し、前記個別のスロートの各々が平面開口部であり、該平面開口部は、周囲が半径方向においては内側ベーンシュラウドと外側ベーンシュラウドとにより仕切られ、円周方向においては先行ベーンの後縁と、隣接する追従ベーンの凸面上に投射された共平面線と、により仕切られるものにおいて、
    選択された個別のスロートの周囲が光学測定視野内に入るような結像位置内に前記ベーンリングを保持する取り付け手段と、
    スロート画定位置に配設された主放射源であって、これにより、前記スロート画定位置においては、影の領域を、前記ベーンリング上の前記選択されたスロート平面に投影し、かつ、反射領域で囲むようにするものと、
    前記視野内の前記ベーンリングの部分の画像を捕捉する放射検出手段と、
    前記選択されたスロートの個別のスロート面積に比例する画像の暗い部分の寸法データが得られるように前記画像を解析する画像解析手段と、を備えた測定装置。
16. 前記取り付け具が回転インデックステーブルを含み、かつ、
    前記ベーンリングに対する合成スロート面積が得られるように各画像の前記寸法データを処理する寸法データ処理手段をさらに含んだ請求項１５に記載の測定装置。

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