JP2011141277A - 外部流を導入した熱検査システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切なフィルム冷却及び空力分散を構築するために供試の構成要素を覆う外部流を含む熱検査システム及び方法を提供すること。
【解決手段】熱検査法が開示される。熱検査法は、構成部品の外面（１２）において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞（２０）に該構成部品を配置する段階を含む。ガスは、既知の温度Ｔで風洞に供給され、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成する。熱検査法は更に、構成部品の１つ又はそれ以上の外面温度を直接又は間接的に測定し、構成部品の外面についての外面温度分布を生成する段階と、外面温度分布を用いて構成部品の品質管理検査を実施する段階とを含む。熱検査システムも開示される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に、熱検査システム及び方法に関し、より詳細には、適切なフィルム冷却及び空力分散を構築するために供試の構成要素を覆う外部流を含む熱検査システム及び方法に関する。

エンジンの上限作動温度を高めるために、タービン翼形部などの高温ガス経路の構成部品を冷却する種々の手法が提案され実施されている。例えば、高圧タービンブレードは通常、衝突ジェットなど、一体鋳造の二重壁タービン翼形部の外部シェルを冷却するために内部シェル内に形成されたブラインド流動孔を有する複雑な流れ回路を備えた内部冷却を含む。従来、これらの冷却部品は、関連効果を評価するため間接的な測定方法により検査されている。これら間接的測定技術の１つの実施例は、タービン翼形部を通る空気流を測定し、この測定値をフィルム冷却の有効性と関連付けるものである。これは、所望のフィルム及び冷却有効性並びに内部熱伝達係数の外挿的測定法であり、この間接的方法は、最良でも、ある部品が熱的設計意図に適合しているかどうかの全体的指標に過ぎない。

実際に、高温ガス経路構成部品についてフィルム有効性及び内部熱伝達係数を間接的に測定する検査ステップは存在しない。むしろ、空気流測定、逆流測定、及びピンチェックは、熱伝達性能に対して外挿する測定に過ぎない。その結果として、意図した通りには熱的に機能しない高温ガス経路構成部品が区域内に挿入される可能性がある。構成部品の他の検査及び寸法規格もまた、翼形部の熱的性能に影響を及ぼす。この場合も同様に、高温ガス経路構成部品は、寸法上は合格するが、それでも区域内で熱的に不合格になる場合がある。例えば、フィルム孔及びフィルム孔拡散形状における幾何学的に測定不能な僅かな欠陥によってフィルム破裂が生じる可能性がある。

米国特許第７，６５１，２６１号公報

従って、部品の熱性能の適格性を直接的に得ることができる非破壊検査システム及び方法を提供することが望ましいことになる。

本発明の第１の態様は、熱検査法であって、構成部品の外面において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞に該構成部品を配置する段階を含む。本熱検査法は更に、風洞に既知の温度Ｔでガスを供給し、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成する段階を含む。構成部品の１つ又はそれ以上の外面温度を直接又は間接的に測定し、構成部品の外面についての外面温度分布を生成する。本熱検査法は更に、外面温度分布を用いて構成部品の品質管理検査を実施する段階を含む。

本発明の別の態様は、熱検査システムであって、検査対象の構成部品の外面において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞を含む。風洞に既知の温度Ｔでガスを供給し、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成するためにガス供給源が設けられる。熱検査システムは更に、構成部品の複数の表面温度を直接又は間接的に検出し、構成部品の外面についての外面温度分布を生成するよう構成された熱監視装置を含む。熱検査システムは更に、外面温度分布を使用して構成部品の品質管理検査を実施するよう構成されたプロセッサを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本発明の熱検査システムの実施形態の１つの態様の概略図。 図１の熱検査システムで使用するためのカスケード構成。 本発明の熱検査法の実施形態を示すフローチャート。 本検査方法の全体の冷却有効性の実施形態を示すフローチャート。 本検査方法の過渡熱応答を示すフローチャート。 本検査方法の別の過渡熱応答を示すフローチャート。

図１及び２を参照しながら熱検査システム４０を説明する。熱検査システムは、限定ではないが、タービン翼形部、タービンベーン及びブレード並びにそれらのプラットフォーム及び端壁、タービンシュラウド、燃焼室を形成する組立体、移行部品を形成する組立体、先端シュラウドを取り付けたブレード、流れ分散ダイアフラム、及び排気ノズル組立体を含む、幅広い種類の構成部品を検査するのに用いることができる。

例えば図１に示すように、熱検査システム４０は、検査対象の構成部品１０の外面１２において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞２０を含む。熱検査システム４０は更に、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品１０の外面１２を覆うガスの外部流を生成するよう、既知の温度Ｔのガスを風洞２０に供給するガス供給源２２を含む。図２を参照しながら風洞構成の１つの実施例を以下で検討する。図１に示す例示的な構成において、ガス供給源２２からのガスは、マニホルド１８を介して風洞に流入する。ガス供給源２２の１つの非限定的な実施例は、加圧空気供給源、例えば、圧縮機である。有利には、構成部品を覆う外部流を含めることにより、適切なフィルム冷却及び空力分散の構築が容易になる。

熱検査システム４０は更に、構成部品１０の複数の表面温度を直接又は間接的に検出し、構成部品の外面について外面温度分布を生成するよう構成された熱監視装置２４を含む。本明細書で使用される用語「間接的」とは、放射輝度を測定して必要な換算及び較正を実施して温度を得ることによって、少なくとも１つの表面温度を検出することを含むものと理解されたい。特定の実施形態において、熱監視装置２４は、赤外検出器２４を含む。赤外検出器の非限定的な実施例は、赤外線（ＩＲ）カメラ、作動パイロメータ、及び単点パイロメータを含む。

熱検査システム４０は更に、外面温度分布を使用して構成部品１０の品質管理検査を実施するよう構成されたプロセッサ３２を含む。プロセッサ３２は以下でより詳細に検討する。品質管理検査は、例えば、図５及び６を参照しながら以下で検討するように、構成部品の熱性能が適合するかどうかを判断するためにベースライン値と比較することによって達成することができる。

図１に描いた例示的な構成において、熱監視装置２４は、自動化を可能にするためにマニピュレータ３８に装着される。マニピュレータ３８の非限定的な１つの実施例は、ＦＡＮＵＣ ＬＲ Ｍａｔｅ ２００ ｉＣ ６軸ロボットアームである。この実施例において、ロボットアームは、適切な安全インターロックで完全に囲まれたベースに装着される。加えて、１つ又はそれ以上のＩＲウィンドウ４４を風洞２０内に設け、ＩＲ撮像装置１０を用いて構成部品１０を撮像することができる。

図示の実施例において、熱検査システム４０は更に、風洞２０にガスを供給する前に、既知の温度Ｔまでガスを加熱するための熱源２６を含む。特定の構成では、汚染空気（すなわち、直接燃焼により加熱された空気）が風洞に供給される。他の構成では、非汚染空気、例えば、熱交換器により加熱された空気が風洞に供給される。

図２は、予め定められたマッハ数分布に従って、構成部品１０の外面１２を覆ってガスの外部流を生成する例示的な構成を示している。図２に示す例示的な配列では、熱検査システム４０は更に、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品１０の外面を覆ってガスの外部流を生成するのを容易にするために風洞２０内に配置されるカスケード３０を含む。図２に示す例示的な配置は、比較的複雑であり、幾つかの構成部品を含むが、カスケードまた、構成部品を境界付ける２重成形壁（２重通路カスケード）、すなわち事実上湾曲風洞のように簡素にすることができる。有利には、カスケードは、構成部品の外部上に直交流と構成部品の内部への冷却空気とを提供する。図１に示す配列は、単に例示的な実施例に過ぎず、本発明はどのような特定のカスケードにも限定されない点に留意されたい。むしろ、利用されるカスケードのタイプ（要素の数、幾何形状、及び全体の構成）は、所望のマッハ数分布によって決定付けられることになる。

フィルム及び冷却有効性についての数値データを得るために、高温直交流並びに冷却及びフィルム流が必要とされる。詳細には、フィルム流は、高温ガス経路構成部品１０の表面を覆い、高温流に対して目的とする保護を提供することになる。図１に示す構成では、高温ガス流は、ガス供給源２２と組み合わせた熱源２６により提供される。カスケード３０は、適切な流れ転回を供給するのに設けることができる。

図１に示す配列では、熱検査システム４０は更に、構成部品１０の１つ又はそれ以上の内部通路１６に冷却剤を供給して１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成するための冷却剤供給源２８を含む。例示的な冷却通路１６が図１に断面で示されている。図１には示していないが、構成部品は、流れスタンド（図示せず）上に装着することができる。流れスタンドは、構成部品に供給される冷却剤の温度及び流量を変化させる手段を備えることができる。次に、冷却剤は、流れスタンドを介して、又はより詳細には、構成部品１０の少なくとも１つの内部通路１６と流体連通したプレナム（図１には示していない）を介して構成部品に供給される。冷却剤の非限定的な実施例は、空気、窒素、蒸気、水、及び何れかのニュートン流体が含まれる。更に、少なくとも１つの流量計（図１には示していない）を設けることができ、ここで流量計は、構成部品に供給される冷却流を測定するよう構成される。加えて、少なくとも１つの圧力センサ（図１には示していない）を設けることができ、ここで圧力センサは、プレナムに供給される冷却流の圧力を測定するよう構成される。

作動中、構成部品の温度分布は、定常回復温度分布に達するようにされ、この時点で冷却空気が構成部品に供給される。内部冷却により構成部品が冷却され、フィルム流は、高温の直交流に対して冷却空気バッファをもたらす。結果として生じる構成部品表面の温度は、サーマルイメージングデバイスにより記録され、これを用いてフィルム及び冷却有効性をそれぞれ算出する。次いで、フィルム有効性及び冷却有効性値を分析による期待値、或いは既知の熱的に良好な部品により定められる許容範囲と比較することができる。

特定の構成において、外面温度分布は、構成部品１０の外面上の幾つかの位置（この幾つかの例示的な実施例が、矢印及び参照符号１４で示される）における測定外面温度に相当する。これらの構成において、プロセッサ３２は、外面温度分布を用いて、構成部品１０の外面上の位置１４の少なくとも一部について構成部品１０の全体の冷却有効性を判定するよう構成される。加えて、例示の実施例において、カメラ制御電子回路４２は、撮像装置２４、マニピュレータ３８及びプロセッサ３２に動作可能に接続され、撮像装置の移動並びに撮像装置からの画像の収集を制御し自動化する。他の構成では、プロセッサ３２は、センサ（図示せず）又は例えばプリズムなどの光学素子（図示せず）の移動を制御及び自動化し、熱検査データの収集を自動化するよう構成することができる。

プロセッサは通常、１０フレーム／秒よりも大きい、通常は１５フレーム／秒よりも大きい適正周波数の画像フレームレートを撮像装置から取り込むことができる。本発明は、本発明の処理タスクを実施するあらゆる特定のコントローラに限定されない点に留意されたい。本明細書で使用される用語「プロセッサ」は、本発明のタスクを実施するのに必要な計算又は演算を実施することができるあらゆる機械を意味することを意図している。用語「プロセッサ」は、構造化入力を受け付けて、規定ルールに従ってこの入力を処理して出力を生成することができるあらゆる機械を意味するものとする。また、本明細書で使用される語句「ように構成された」は、プロセッサが、当業者により理解される本発明のタスクを実施するためのハードウェア及びソフトウェアの組み合わせを備えていることを意味する点に留意されたい。

図１に示す実施形態では、熱検査システム４０は更に、熱検査の結果を表示するためにプロセッサ３２に結合されたディスプレイモニタ３６を含む。

全体の冷却有効性は、構成部品のフィルム冷却有効性、内部冷却有効性、及び熱伝導率の総和とみなすことができる。全体の冷却有効性の値は、これら３つの寄与度の１つ又はそれ以上の選択的制御によって制御可能である。例えば、構成部品が低熱伝導率の材料（例えば、設計段階でセラミック又はプラスチック構成部品を用いる）から形成される場合、結果として得られる冷却有効性は、主に、フィルム冷却有効性及び内部冷却有効性の寄与度に相当することになる。すなわち、この実施例では、フィルム冷却有効性及び内部冷却有効性は、全体の冷却有効性に対して主要な寄与度を提供することになる。同様に、外部流が存在しない状態で供試の構成部品に対して熱検査が実施された場合、結果として得られる冷却有効性は、主に、構成部品の内部冷却有効性及び熱伝導率に相当することになる。このように、熱検査システムは、供試の構成部品の冷却設計の改善を構築するよう設計段階で用いることができる。

これらの実施例は、冷却有効性の要因の１つ又はそれ以上が他の要因よりも優位であるように供試の構成部品の熱応答にバイアスをかける方法を説明している。少なくとも２つ、より好ましくは２つよりも多いバイアス処理の別形態を試験することによって複数のデータセットが得られ、これから回帰分析を行うことによって、内部熱伝達係数、又は外部フィルム有効性、或いは冷却有効性に対する熱伝導率の寄与度である、所望の分布の正確な定量的大きさが決定されることになる。熱有効性寄与度の何れも（内部冷却、フィルム冷却、及び熱伝導）が試験時に絶対的及び完全には排除することができないので、２つ又はそれ以上のデータセットを用いた回帰分析が必要とされる。例えば、外部流が存在しない状態で構成部品を試験する場合、フィルム冷却はもはや構成部品表面には付着せず、完全ではないがほとんど効果が無い。２つの異なる材料の熱伝導率を有する構成部品を試験すると２つの異なるデータセットが得られ、その１つは他よりも強い伝導効果を有する。再帰分析により、種々の材料伝導率に対する内部冷却有効性及び伝導寄与度の判定が可能になる。流れ又は特性の変化に起因して熱応答が強度に非線形である場合、２つよりも多いデータセットが望ましいことになる。同様の結果を得るための別の方法は、構成部品内部の冷却流体として及びフィルム冷却として使用される流体を変えること、例えば、空気と更にＣＯ２を用いて構成部品を試験すること、及び／又は冷却流体の温度及び／又は冷却剤の質量流料を変化させることである。１つの実施例として、構成部品を覆う外部流を用いた試験は、同じフィルム冷却パラメータをもたらすが、異なる内部冷却有効性を有する冷却流体のタイプ、温度、及び流量の別形態で実施することができる。回帰分析により、フィルム冷却有効性及び内部冷却有効性の判定が可能になる。

図１に示す例示的な構成では、熱検査システム４０は更に、構成部品の熱過渡状態を誘起するために、構成部品１０の１つ又はそれ以上の内部通路１６に加熱された冷却剤を供給する前に冷却剤を加熱する熱源３４を含む。熱源３４の１つの非限定的な実施例は、メッシュ（抵抗性）ヒータである。本明細書で使用される用語「過渡熱応答」は、構成部品１０の１つ又はそれ以上の局所熱応答、又は構成部品１０の領域の空間熱応答、或いは構成部品１０全体の熱応答を含む。この構成において、熱監視装置２４は、構成部品の外面温度を経時的に測定するよう構成され、その結果、生成される外面温度分布が加熱冷却剤に対する構成部品１０の過渡熱応答に相当するようになる。熱応答は通常画像の明度値のセットとして得られる点に留意されたい。明度値は、温度値と相関付けられ、温度を求めることができる。この操作は、温度値に関して実施されるように本明細書で記載されているが、当業者であれば、明度値でこの操作を実施してもよい点は理解されるであろう。

この熱過渡状態の実施形態では、プロセッサ３２は、過渡熱応答を用いて、構成部品１０の複合熱応答、構成部品内の１つ又はそれ以上の内部通路１６のそれぞれについての少なくとも１つの熱伝達係数、並びに１つ又はそれ以上の内部通路１６のそれぞれを通る流量のうちの少なくとも１つを求めるよう構成することができる。本明細書で使用される用語「複合熱応答」は、限定ではないが、内部リブ、フィルム孔、内部隆起部、クロスオーバ孔、及び他の特徴部により得られる全ての内部冷却、フィルム冷却、並びに材料熱伝導及び熱拡散作用を含む、構成部品１０についての全ての熱的影響を反映したものである。有利には、製造部品における全ての熱的影響の複合熱応答を求めることによって、本技術は、冷却部品について、特に、タービン翼形部などの複雑な冷却部品について熱的許容性又は排除の即時的措置を提供することができる。更に、用語「流量」は、実際の物理量と、限定ではないが、流量係数などの流量特性とを包含するものと理解される。特定の配列において、熱監視装置２４は、外部流及び冷却剤流に対する構成部品１０の熱応答に相当する複数の画像を取り込むよう構成された赤外線カメラ２４であり、ここでプロセッサ３２は、画像から構成部品の過渡熱応答を生成するよう構成される。

例示的な熱伝達係数｛ｈ_ｌｍｎ｝は、同一出願人による同時係属の米国特許出願シリアル番号１２／１０１，２８５、Ｂｕｎｋｅｒ他の「熱検査システム及び方法（Ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ）」において検討されている。熱監視装置２４は通常、投影面を２次元表現として検出するが、熱伝達係数｛ｈ_ｌｍｎ｝は、３次元成分に相当する点に留意されたい。熱伝達係数は、米国特許出願シリアル番号１２／１０１，２８５、及び／又は米国特許第６，８０４，６２２号、Ｂｕｎｋｅｒ他の「非破壊熱検査のための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）」に記載の技術を用いて算出することができ、これら両方の引例は引用により全体が本明細書に組み込まれる。内部通路内のそれぞれの場所｛ｌ、ｍ、ｎ｝に対応する熱伝達係数｛ｈ_ｌｍｎ｝を用いて、（ａ）内部通路の開口のそれぞれを通る流量、（ｂ）内部通路の開口のそれぞれについての断面積のうちの少なくとも１つを決定することができる。

例えば、米国特許出願シリアル番号１２／１０１，２８５で検討されるように、熱伝達係数｛ｈ_ｌｍｎ｝が既知になると、以下の式を解いて、（ａ）内部通路の開口のそれぞれを通る流量、又は（ｂ）内部通路の開口のそれぞれについての断面積の何れかを求めることができる。

ｈ＝（ｋ／Ｄ）ＣＲｅ^ｍＰｒ^ｎ 式１
ここで、ｋは流体の熱伝導率、Ｄは接続されるオリフィスの油圧直径、Ｒｅはレイノルズ数、及びＰｒはプラントル数、ｍ及びｎは相関定数である。式１は、圧縮性又は非圧縮性の何れにも関わらず内部流に当てはまる極めて広い範囲の流れ状況に適用される。何れかの特定の検査幾何形状事例において、相関定数は、公称部品の設計及び開発で実施されるような事前調査及び試験から既知である。内部通路の開口の１つについて断面積を求めるため、式１はＤの値を求める。オリフィスの油圧直径が、例えばＸ線イメージングにより求められて既知である場合、式１は、レイノルズ数の値を求め、これはオリフィスを通る流量を提供する。油圧直径又は面積が既知であるが、検査が単一のオリフィスだけを目的としている場合、式１は油圧直径Ｄについて値を求める。油圧直径が既知ではなく、複数のオリフィスが存在する場合、式１は、オリフィスの群の平均油圧直径についての値を求める。或いは、この後者の事例では、複数の検査を種々の流量に対して実行することができる。種々の油圧直径は検査毎に変更されないが、熱伝達係数は変わることになる。回帰分析を用いて、式１の形及び当てはめが不変であることを認識し、個々の油圧直径及び流量を求めることができる。

加えて、プロセッサ３２は更に、構成部品の少なくとも一部の流量、少なくとも１つの熱伝達係数、及び複合熱応答の少なくとも１つを少なくとも１つのベースライン値と比較して、構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定するよう構成することができる。このようにして、構成部品の品質管理検査を達成することができる。ベースライン値の非限定的な実施例は、１つ又はそれ以上の局所値、局所値の群の平均値、及び局所値の群の標準偏差を含む。ベースライン値を定義できる種々の段が存在する。１つの実施形態において、何らかの劣化作用の前に構成部品１０に対して「新規」に最適条件で実施される測定は、引き続き実施される測定のベースラインを形成する。別の実施形態では、ベースライン値は、例えば、構成部品１０に複数のベンチ試験を実施することによって、タービンエンジンに構成部品１０を導入する前に過渡熱解析を実施することにより得られる。更に別の実施形態では、ベースライン値は、供試中の何れかの時点で得られる測定値を取得し分析することによって再定義され、このような再定義されたベースラインは、将来の時間における後続の測定値に対する比較データとしての機能を果たすことになる。

上述のように、及びこれに加えて、熱検査システム４０は更に、ベースライン値との比較の結果を表示するディスプレイ３６を含むことができる。

図３から６を参照しながら熱検査方法を説明する。熱検査方法は、ステップ５０において、構成部品の外面（図１の参照符号１２で示される）において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞（図１の要素２０）に構成部品（図１の要素１０）を配置する段階を含む。熱検査方法は、更に、ステップ５２において、風洞に既知の温度Ｔでガスを供給し、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成する段階を含む。本方法は更に、ステップ５４において、構成部品の外面温度を直接又は間接的に（１つ又はそれ以上の位置で）測定し、構成部品の外面についての外面温度分布を生成する段階を含む。上記で検討したように、外面温度は、直接又は間接的に測定することができる。特定の実施形態では、赤外ラジオグラフィーが利用される。特定の実施形態によれば、検査対象の構成部品についての予め定められたマッハ数分布が求められる。例えば、予め定められたマッハ数分布は、構成部品のモデルを風洞内に配置して静的圧力分布を測定することによって、数値的に（数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションなどのコンピュータシミュレーションによる）、或いは実験的に求めることができる。熱検査法は更に、ステップ６０において、外面温度分布を用いて構成部品の品質管理検査を実施する段階を含む。この品質管理検査は、例えば、図５及び６を参照しながら以下で検討するように、ベースライン値と比較して構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定することによって達成することができる。

より詳細な実施形態によれば、熱検査法は、任意選択的に、ステップ４６において、予め定められたマッハ数分布に従って構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成可能にするよう風洞内にカスケードを形成する段階を含むことができる。図２は例示的なカスケード構成を示している。上述のように、利用されるカスケードのタイプ（要素の数、幾何形状、及び全体の構成）は、所望のマッハ数分布によって決定付けられることになる。例えば、カスケードは、構成部品を境界付ける２つの成形壁、すなわち事実上湾曲風洞のように簡素にすることができる。同様に、図２に示すようなより複雑なカスケード配列を利用してもよい。

図３に示すように、熱検査法は、任意選択的に、ステップ４８において、ガスを風洞に供給する前に既知の温度Ｔまでガスを加熱する段階を含むことができる。これは、汚染空気（すなわち、直接燃焼により加熱された空気）、又は非汚染空気（例えば、熱交換器により加熱された空気）を風洞に供給することにより達成することができる。

図４は、熱検査法の特定の実施形態を示し、ここでは構成部品の全体の冷却有効性が求められる。上記で検討したように、３つの寄与度（構成部品のフィルム冷却有効性、内部冷却有効性、及び熱伝導率）の１つ又はそれ以上を選択的に制御することによって、全体の冷却有効性値を制御することができる。例えば、低熱伝導率の材料では、フィルム有効性がバイアスされ、外面への内部冷却有効性の影響が最小限になる。従って、結果として得られる冷却有効性が主にフィルム冷却有効性に相当するように、構成部品を設計段階で低熱伝導率の材料から形成することができる。

図４に示す特定の実施形態では、外面温度分布は、構成部品の外面上の複数の位置（図１において参照符号１４で示される）における測定された外面温度に相当する。図４に示すように、熱検査法は更に、ステップ５３において、構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路（図１において参照符号１６で示される）に冷却剤を供給し、１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成する段階を含む。熱検査法は更に、ステップ５６において、外面温度分布を用いて、構成部品の外面上の位置の少なくとも一部について該構成部品の全体の冷却有効性を判定する段階を含む。より詳細な実施形態によれば、ステップ５３における構成部品の内部通路に冷却剤を供給する段階は、構成部品における熱過渡状態を含む。より詳細な実施形態によれば、構成部品は、外部流及び冷却流が存在する状態では定常温度に至るようにされ、構成部品が定常温度に達した後、測定ステップ５４が実施される。特定の構成において、測定ステップ５４は、外部流及び冷却流が存在する状態で赤外ラジオグラフィーを用いて実施され、構成部品の外面における外面温度分布を生成する。

図５は、検査法の過渡温度応答の実施形態を示している。この技法は、例えば、ベースライン値との比較を生成し、構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定するのに用いることができる。加えて、結果として得られる熱性能値は、供試中の構成部品の期待寿命を予測するため寿命解析へ入力することができる。

図５に示す特定の実施形態において、外面温度分布は、構成部品の外面上の複数の位置（図１において参照符号１４で示される）における測定外面温度に相当する。図５に示すように、熱検査法は更に、ステップ５３において、構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路（図５において参照符号１６で示される）に冷却剤を供給し、１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成する段階を含む。ステップ５１において、冷却剤は、構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路に供給される前に加熱され、構成部品において熱過渡状態を誘起する。この実施形態では、測定ステップ５４が経時的に実施され、生成される外面温度分布が加熱冷却剤に対する構成部品の過渡熱応答に相当するようになる。

図５に示す特定の実施形態において、熱検査法は更に、ステップ５８において、過渡熱応答を用いて、構成部品の複合熱応答、構成部品内のそれぞれの内部通路についての少なくとも１つの熱伝達係数、並びにそれぞれの内部通路を通る流量のうちの少なくとも１つを求める段階を含む。加えて、例示の熱検査法は更に、ステップ６０（品質管理検査）において、構成部品の少なくとも一部の流量、少なくとも１つの熱伝達係数、及び複合熱応答を少なくとも１つを少なくとも１つのベースライン値と比較して、構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定する段階を含む。このようにして、品質管理検査６０が達成される。例示的なベースライン値は、本発明の熱検査システムの実施形態を参照しながら上記で説明した。

図６は、熱検査法の別の熱過渡状態の実施形態を示している。この技法は、例えば、ベースライン値との比較を生成し、構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定するのに用いることができる。熱性能規格に適合しない構成部品は、排除されるか、又は再加工を受けることができる。加えて、結果として得られる熱性能値は、供試中の構成部品の期待寿命を予測する寿命解析へ入力することができる。更に、結果として得られる熱性能値を用いて、当該分野又は構成部品のオンライン予後及び正常性管理における部品正常性監視（すなわち、ボアスコープ検査）を起動することができる。

図６に示す特定の実施形態では、外面温度分布は、構成部品の外面上の複数の位置における測定外面温度に相当する。図６に示すように、熱検査法は更に、ステップ５３において、構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路に冷却剤を供給し、１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成する段階を含む。熱検査法は更に、ステップ５７において、風洞内に供給されるガスの温度を変更し、構成部品において熱過渡状態を誘起する段階を含む。この実施形態において、測定ステップ５４が経時的に実施され、生成される外面温度分布は、風洞内に供給されるガスの温度を変更する段階に対する構成部品の過渡熱応答に相当するようになる。

図６に示す特定の実施形態では、熱検査法は更に、ステップ５８において、過渡熱応答を用いて、構成部品の複合熱応答、構成部品内の１つ又はそれ以上の内部通路のそれぞれについての少なくとも１つの熱伝達係数、並びに１つ又はそれ以上の内部通路のそれぞれを通る流量のうちの少なくとも１つを求める段階を含む。加えて、例示の熱検査法は更に、ステップ６０（品質管理検査）において、構成部品の少なくとも一部の流量、少なくとも１つの熱伝達係数、及び複合熱応答の少なくとも１つを少なくとも１つのベースライン値と比較して、構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定する段階を含む。このようにして、品質管理検査６０が達成される。

有利には、本発明の熱検査法及びシステムを用いて、量産翼形部及び他の高温ガス経路構成部品の定量的評価を実施することができる。更に、上述の熱検査プロセスは、様々な製造段階で実施することができる。例えば、本検査は、初期製造段階で実施することができ、補修プロセスを通過する構成部品に適用することもできる。加えて、本検査は、補修前の構成部品について実施し、補修が必要であるかどうかを判定することができる。タービン構成部品では、本検査は、インベストメント鋳造の後で最終機械加工の前に実施することができる。本検査はまた、最終機械加工の後でも実施することができる。更に、本検査は、フィルム孔が形成された後（鋳造後プロセス）で、コーティングが施工される前又は後に実施することができる。その上、本発明の熱検査法及びシステムを用いて、供試翼形部に関する熱性能を測定し、タービン翼形部冷却設計を選別することができる。

本明細書では、本発明の特定の特徴のみを例示し説明してきたが、多くの修正及び変更が当業者には想起されるであろう。本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。

１０ 構成部品
１２ 構成部品の外面
１４ 構成部品の外面上の位置
１６ 構成部品内の内部通路
１８ マニホルド
２０ 風洞
２２ ガス供給源
２４ 熱監視装置
２６ 風洞に供給されるガスを加熱するための熱源
２８ 冷却剤供給源
３０ カスケード
３２ プロセッサ
３４ 冷却剤を加熱するための熱源
３６ ディスプレイ
３８ マニピュレータ
４０ 熱検査システム
４２ カメラ制御電子回路
４４ ＩＲウィンドウ
４６ 風洞内にカスケードを形成するステップ
４８ 既知の温度Ｔまでガスを加熱するステップ
５０ 構成部品を風洞内に配置するステップ
５１ 冷却剤を加熱するステップ
５２ 風洞内にガスを供給するステップ
５３ 構成部品の内部通路に冷却剤を供給するステップ
５４ 構成部品の外部温度を測定するステップ
５６ 構成部品の全体の冷却有効性を判定するステップ
５７ 風洞に供給されるガスの温度を変更するステップ
５８ 複合熱応答、熱伝達係数、及び流量のうちの少なくとも１つを求めるステップ
６０ 外面温度分布を用いて構成部品の品質管理検査を実施するステップ

Claims (10)

1. 熱検査法であって、
   構成部品（１０）の外面（１２）において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞（２０）に該構成部品を配置する段階と、
   前記風洞に既知の温度Ｔでガスを供給し、前記予め定められたマッハ数分布に従って前記構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成する段階と、
   前記構成部品の１つ又はそれ以上の外面温度を直接又は間接的に測定し、前記構成部品の外面についての外面温度分布を生成する段階と、
   前記外面温度分布を用いて前記構成部品の品質管理検査を実施する段階と、
   を含む熱検査方法。
2. 前記外面温度分布が、前記構成部品（１０）の外面上の複数の位置（１４）についての測定された外面温度に相当し、
   前記熱検査法が更に、
   前記構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）に冷却剤を供給し、前記１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成する段階と、
   前記外面温度分布を用いて、前記構成部品の外面上の位置の少なくとも一部について該構成部品の全体の冷却有効性を判定する段階と、
   を含む、
   請求項１に記載の熱検査方法。
3. 冷却剤を供給する前記段階が前記構成部品（１０）における熱過渡状態を含み、
   前記熱検査法が更に、前記構成部品（１０）が前記外部流及び冷却流が存在する状態で定常温度に達することができるようにする段階を含み、前記構成部品が定常温度分布に達した後に前記測定段階を実施するようにする、
   請求項２に記載の熱検査方法。
4. 前記外面温度分布が、前記構成部品（１０）の外面上の複数の位置（１４）についての測定された外面温度に相当し、
   前記熱検査法が更に、
   前記構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）に冷却剤を供給し、前記１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成する段階と、
   前記冷却剤を加熱した後に、該加熱した冷却剤を前記構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路に供給し、前記構成部品において熱過渡状態を誘起する段階と、
   を含み、
   前記構成部品の外面温度を測定する段階が経時的に実施され、生成される外面温度分布が前記加熱冷却剤に対する前記構成部品の過渡熱応答に相当するようになり、
   前記熱検査法が更に、
   前記過渡熱応答を用いて、前記構成部品（１０）の複合熱応答、前記構成部品内の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）のそれぞれについての少なくとも１つの熱伝達係数、並びに前記１つ又はそれ以上の内部通路のそれぞれを通る流量のうちの少なくとも１つを求める段階と、
   を含み、
   前記構成部品の品質管理検査を実施する段階が、前記構成部品の少なくとも一部の流量、少なくとも１つの熱伝達係数、及び複合熱応答の少なくとも１つを少なくとも１つのベースライン値と比較して、前記構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定する段階を含む、
   請求項１に記載の熱検査方法。
5. 前記外面温度分布が、前記構成部品（１０）の外面上の複数の位置（１４）についての測定された外面温度に相当し、
   前記熱検査法が更に、
   前記構成部品の１つ又はそれ以上の内部通路に冷却剤を供給し、前記１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成する段階と、
   前記風洞（２０）内に供給されるガスの温度を変更し、前記構成部品において熱過渡状態を誘起する段階と、
   を含み、
   前記構成部品の外面温度を測定する段階が経時的に実施され、生成された前記外面温度分布が、前記風洞内に供給されるガスの温度を変更する段階に対する前記構成部品の過渡熱応答に相当するようになり、
   前記熱検査法が更に、
   前記過渡熱応答を用いて、前記構成部品（１０）の複合熱応答、前記構成部品内の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）のそれぞれについての少なくとも１つの熱伝達係数、並びに前記１つ又はそれ以上の内部通路のそれぞれを通る流量のうちの少なくとも１つを求める段階と、
   を含み、
   前記構成部品の品質管理検査を実施する段階が、前記構成部品の少なくとも一部の流量、少なくとも１つの熱伝達係数、及び複合熱応答の少なくとも１つを少なくとも１つのベースライン値と比較して、前記構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定する段階を含む、
   請求項１に記載の熱検査方法。
6. 前記構成部品の外面温度を測定する段階が、前記外部流が存在する状態で赤外ラジオグラフィーを用いて前記構成部品の外面における外面温度分布を生成する段階を含む、
   請求項１に記載の熱検査方法。
7. 熱検査システム（４０）であって、
   検査対象の構成部品（１０）の外面（１２）において予め定められたマッハ数分布を生成するよう構成された風洞（２０）と、
   前記風洞に既知の温度Ｔでガスを供給し、前記予め定められたマッハ数分布に従って前記構成部品の外面を覆うガスの外部流を生成するためのガス供給源（２２）と、
   前記構成部品の複数の表面温度を直接又は間接的に検出し、前記構成部品の外面についての外面温度分布を生成するよう構成された熱監視装置（２４）と、
   前記外面温度分布を使用して前記構成部品の品質管理検査を実施するよう構成されたプロセッサ（３２）と、
   を備える熱検査システム（４０）。
8. 前記予め定められたマッハ数分布に従って前記構成部品（１０）の外面を覆ってガスの外部流を生成するのを容易にするために前記風洞（２０）内に配置されるカスケード（３０）を更に備える、
   請求項７に記載の熱検査システム（４０）。
9. 前記構成部品（１６）の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）に冷却剤を供給し、該１つ又はそれ以上の内部通路を通る冷却流を形成するための冷却剤供給源（２８）を更に備え、前記外面温度分布が、前記構成部品（１６）の外面上の複数の位置（１４）について測定された外面温度に相当し、前記プロセッサ（３２）が、前記外面温度分布を用いて、前記構成部品の外面上の位置の少なくとも一部について該構成部品の全体の冷却有効性を判定するよう構成されており、
   前記熱検査システム（４０）が更に、
   前記冷却剤を加熱した後に前記構成部品（１０）の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）に該加熱された冷却剤を供給し、前記構成部品の熱過渡状態を誘起するための熱源（３４）を備え、
   前記熱監視装置（２４）が、前記構成部品の外面温度を経時的に測定し、生成された外面温度分布が前記加熱冷却剤に対する前記構成部品の過渡熱応答に相当するように構成されており、
   前記プロセッサ（３２）が更に、前記過渡熱応答を用いて、前記構成部品（１０）の複合熱応答、前記構成部品内の１つ又はそれ以上の内部通路（１６）のそれぞれについての少なくとも１つの熱伝達係数、並びに前記１つ又はそれ以上の内部通路（１６）のそれぞれを通る流量のうちの少なくとも１つを求めるように構成されている、
   請求項７に記載の熱検査システム（４０）。
10. 前記プロセッサ（３２）が、前記構成部品の少なくとも一部の流量、少なくとも１つの熱伝達係数、及び複合熱応答の少なくとも１つを少なくとも１つのベースライン値と比較して、前記構成部品の熱性能が適合するかどうかを判定することにより前記構成部品の品質管理検査を実施するよう構成されている、
    請求項９に記載の熱検査システム（４０）。

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