JP2012092836A - 機械の諸部分間の間隙をリアルタイムに監視するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械の回転部分と静止部分の間の間隙をリアルタイムに監視する監視システムを提供する。
【解決手段】監視システム１００は、間隙の基準画像および間隙の１つまたは複数の次の画像を形成し、機械の内部に配置される部分および機械の外部にある部分を含む、イメージング装置１０２を含む。システムは、さらに、イメージング装置に結合され、基準画像と１つまたは複数の次の画像を比較することによって間隙が増大しているか減少しているかどうかを監視するように構成される画像プロセッサ１１０を含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、監視に関し、詳細には、タービンの回転部分と静止部分の間の距離すなわち軸方向間隙を監視することに関する。

タービンは、発電またはコンプレッサおよび他の回転機器を駆動するのに使用される。タービンは、高価であり、連続運転に使用可能であり信頼性が高い必要がある。そうしたタービンは、一般的に、外部ケーシング内に回転するロータを含む。ロータは、基部および動翼を有するバケットを含む。ケーシング内のノズルは、動翼の間に点在し、加熱蒸気（水蒸気またはガス）に動翼への方向を与える。蒸気によって動翼が回転し、その結果ロータが回転する。

いくつかのタービンは、１つまたは複数のバケット段を含む。バケット段は、スナップリングタイプのロックワイヤによって軸方向に位置決めされ保持される。これらのロックワイヤは、一般的に、タービンホイールのダブテールフック内に固定されるダウエルピンによって適切な径方向位置で保持される。ダウエルピンの不適当な固定またはロックワイヤのスナッピング（ｓｎａｐｐｉｎｇ）によって、タービンがダメージを受け、結果的に強制停止することがある。例えば、バケットまたはその一部がもはや軸方向の制約が加えられなくなるので動き出し、その結果、下流の部分がダメージを受ける恐れがある。

信頼性の最も高いバケットの検査方法では、ケーシングを通ってタービンに入るボアスコープを利用する。しかし、そうした検査にはタービンの運転停止が必要である。

米国特許出願公開第２００７／００８５９０４号公報

本発明の一態様によれば、機械の回転部分と静止部分の間の間隙をリアルタイムに監視する監視システムが開示される。この態様の監視システムは、間隙の基準画像および間隙の１つまたは複数の次の画像を形成し、機械の内部に配置される部分および機械の外部にある部分を含む、イメージング装置を含む。この態様のシステムは、さらに、イメージング装置に結合され、基準画像と１つまたは複数の次の画像を比較することによって間隙が増大しているか減少しているかどうかを監視するように構成される、画像プロセッサを含む。

本発明の他の態様によれば、機械の回転部分と静止部分の間の間隙を監視する方法が開示される。この態様の方法は、機械が動作している間間隙の画像を画像プロセッサで受け取ること、その画像と基準画像を比較すること、および画像が基準画像と異なる場合アラームを発することを含む。

上記その他の利点および特徴は、図面と併せて、以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の最後にある特許請求の範囲に具体的に指摘し明確に請求している。本発明の上記その他の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読めば明らかになる。

一実施形態による監視システムのブロック図である。 例示的な動作環境における、一実施形態による監視システムのブロック図である。 図２の例示的な動作環境の別の図である。 一実施形態による方法を示す流れ図である。

詳細な説明では、図面を参照して、一例として、利点および特徴とともに本発明の実施形態を説明する。

図１に一実施形態による監視システム１００の一例を示す。一実施形態では、監視システム１００は、タービンバケットの軸方向運動を監視するのに使用される。

この実施形態の監視システム１００は、イメージング装置１０２を含む。イメージング装置１０２は、イメージング記録装置１０４および画像伝送媒体１０６を含む。図１に示されるように、イメージング記録装置１０４はカメラであるが、それに限定されるわけではない。一実施形態では、画像伝送媒体１０６は、内視鏡または他の適当なファイバによるイメージングシステムである。画像伝送媒体１０６は、カメラ１０４によるアクセスが不可能な場所からカメラ１０４に画像を伝達する。例えば、画像伝送媒体１０６は、動作中のタービンの内部からカメラ１０４に画像を伝達する。イメージング装置１０２は、適宜、照明システム１０８を含む。照明システム１０８によって、画像伝送媒体１０６の端部に照明があてられ、対象領域が照らされる。一実施形態では、照明システム１０８は、光を対象領域に伝達する１本または複数の光ファイバケーブルを含む。

一実施形態では、カメラ１０４の積分時間は１マイクロ秒以下である。そうした積分時間によって、要素が超高速で動いているタービンなどの環境での監視システムの利用が可能になる。例えば、タービンは、速度３０００〜３６００ｒｐｍで回転することができる。

監視システム１００は、さらに画像プロセッサ１１０を含む。一実施形態では、画像プロセッサ１１０は演算装置である。画像プロセッサ１１０は、カメラ１０４から画像を受け取る。一実施形態では、画像プロセッサ１１０は、現在の画像と基準画像を比較し、対象領域の状態に変化がないかどうかを決定する。画像プロセッサ１１０は、様々な画像処理比較技術を用いることができる。例えば、画像プロセッサ１１０は、ピクセル比較技術またはニューラルネットワークを使用したパターン認識を利用して、現在の画像と基準画像を比較することができる。

先に論じたように、監視システムは、タービンが動作している間、タービンのバケットまたは他の要素の状態を監視するのに有益であり得る。したがって、一実施形態では、監視システム１００は、動作中のタービンに利用される。そのような実施形態では、画像伝送媒体１０６および照明システム１０８はタービン内に配置される。伝送媒体１０６は、タービンが運転している間、タービン内部からカメラ１０４に画像を伝達する。そのような実施形態では、画像伝送媒体１０６および照明システム１０８は、適当に、熱から遮蔽され得る。

図２に、図１に示される監視システム１００の動作環境２００を示す。動作環境２００は、タービンの一部として全体的に図示されている。タービンは、外部ケーシング２０１を含む。外部ケーシング２０１は、一般的に、内部に設けられるボアスコープアクセス孔を含む。そうしたボアスコープアクセス孔は、オフラインのときのタービンの検査に利用される。一実施形態によれば、監視システム１００の諸部分は、これらのボアスコープアクセス孔のうちの１つを通って外部ケーシング２０１内に配置される。

この実施形態の監視システム１００は、図１で述べたように、イメージング装置１０２、カメラ１０４、伝送媒体１０６、照明システム１０８および画像プロセッサ１１０を含む。一実施形態では、照明システム１０８の少なくとも一部および伝送媒体１０６は、イメージング装置１０２に結合される。

図示の実施形態では、伝送媒体１０６および照明システム１０８の諸部分は、外部ケーシング２０１内に配置される。一実施形態では、保護カバー２０２が、外部ケーシング２０１内に配置される伝送媒体１０６および照明装置１０８の諸部分を保護する。保護カバー２０２は、一実施形態では、透明で、タービン内の熱に耐え得る材料で形成される。ブラケット２０４または他の保持手段は、外部ケーシング２０１に対して固定した関係で、保護カバー２０２したがって外部ケーシング２０１内に配置される伝送媒体１０６および照明システム１０８の諸部分を保持する。外部ケーシング２０１は一般的に動かないので、保護カバー２０２と外部ケーシング２０１の間の固定した関係によって確実に伝送媒体１０６（したがってカメラ１０４）の視界が一定またはほぼ一定に保持されるようになる。

例示的な実施形態では、視界は、タービンの動翼２０６とノズル２０８の間に位置する。具体的には、視界は、動翼２０６とノズル２０８の間の空き領域２０７に向けられる。一実施形態では、動翼２０６は第１段の動翼であり、ノズル２０８は第２段のノズルである。もちろん、動翼２０６およびノズル２０８は、タービンのどの段にでも位置してよい。

動作において、カメラ１０４は、空き領域２０７の視界の監視に利用される。空き領域２０７は、軸方向間隙とも呼ばれることがある。照明システム１０８によって空き領域２０７に照明があてられる。伝送媒体１０６は画像をカメラ１０４に戻す。一実施形態では、伝送媒体１０６は、インプットとして動翼２０６とノズル２０８の間の軸方向間隙の画像を捕えるように、ブラケット２０４によってタービンの回転軸に対して垂直に取り付けられる。

一実施形態では、空き領域２０７は、高温の場所に位置する。したがって、カメラ１０４は伝送媒体１０６の外側に位置し、伝送媒体１０６が高温の場所からケーシング２０１の外側のより低温の場所に位置するカメラ１０４に画像を伝送する。

動作において、空き領域２０７の画像（例えば、動翼２０６とノズル２０８の間の軸方向間隙）が撮影され、基準画像が形成される。もちろん、画像には画像処理技術が適用されてよい。例えば、背景情報またはノイズを取り除き画像をさらなる処理のために準備する既知の画像処理技術が使用可能である。さらに、画像は、鮮明度の増大、曇りの除去などによっていっそう良くされる必要があり得る。

一実施形態では、第２の画像がしばらく経って形成される。第２の画像は基準画像と比較される。これらに限定されるものではないが、ピクセル比較技術、ニューラルネットワークを使用したパターン認識またはメトリック埋め込み（ｍｅｔｒｉｃ ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）による画像比較を含む画像比較技術が、画像の比較および２つの間の任意の変化の確認に利用され得る。

図３に本発明の監視システム１００の特定の実装形態を示す。この例では、伝送媒体１０６および照明システム１０８の諸部分を包む保護カバー２０２は、タービンの外部ケーシング２０１にあるボアスコープアクセス孔３０２を通って配置される。外部ケーシング２０１は、ノズル２０８に結合される。ノズル２０８は、一実施形態では、ダイアフラムである下側部分３０６を含む。下側部分３０６は、ロータ軸３０８を囲繞する。ロータ軸３０８は、１つまたは複数のバケット基部３０４に結合される。バケット基部３０４はそれぞれ動翼２０６を支持する。バケット基部３０４（バケット）は、軸方向間隙３０５によって下側部分３０６から隔てられる。

ロータ軸３０８は、高速で回転する。場合によっては、速度約３０００〜３６００ｒｐｍで回転することができる。したがって、カメラ１０４（図１）は、一実施形態では、積分時間が１マイクロ秒以下であるフレームレートを有する。これによって、各バケット３０４が軸方向間隙３０５を通り過ぎて回転するとき画像が撮影され得るようになる。

図４は、一実施形態による方法のブロック図である。ブロック４０２では、機械の内部部分の基準画像が形成される。機械は、一実施形態では、タービンである。一実施形態では、機械の部分はタービン段の間の軸方向間隙であるが、部分はそのように限定されず、機械のどんな内部部分でも含むことができる。基準画像は、一実施形態では、上述のイメージングシステムのように実装されるイメージングシステムによって形成される。もちろん、他のイメージングシステムも利用することができる。

ブロック４０４では、次の画像が機械内の同じ場所から形成される。一実施形態では、バケットが機械内の特定の場所を通るたびに画像が撮影される。もちろん、次の画像は、基準画像が形成された後でありさえずればいつでも形成されてよい。

ブロック４０６では、次の画像が基準画像と比較される。これらに限定するものではないが、ピクセル比較技術、ニューラルネットワークを使用したパターン認識またはメトリック埋め込みによる画像比較を含む画像比較技術が、画像の比較および２つの画像の間の任意の変化の確認に利用され得る。

ブロック４０８では、基準画像と次の画像の間に何か差異がないかどうかが決定される。一実施形態では、差異は、タービンの２つの部分の間の軸方向間隙の寸法の差異であってよい。差異がない場合、処理はブロック４０４に戻る。差異がある場合、処理は、アラームが発せられるブロック４１０に直接進む。しかし、一実施形態では、方法は、さらに、適宜のブロック４１２および４１４を含む。ブロック４１２には、次の画像と基準画像の間に差異がある場合に入り、カウンタがインクリメントされる。適宜のブロック４１４では、カウンタが閾値を越えたかどうかが決定される。もしそうなら、アラームがブロック４１０で発せられる。そうでない場合、処理はブロック４０４に戻る。要するに、適宜のブロック４１２および４１４は、誤ったアラームにつながる可能性のある単一画像の変状を低減するように、基準画像との差異がある画像の広範なサンプルを提供する。新しい基準画像はいつでも形成され得ると理解されたい。したがって、場合によっては、ブロック４０８または４１４のどちらかの後、処理が図４に示されるようなブロック４０４ではなくブロック４０２に戻ることもできる。

「第１」「第２」などの用語は、本明細書では、間違いのないはっきりした識別に使用しており、添付の特許請求の範囲では、いくつかの装置の順序付けおよび命名は文脈に応じて変わり得ると理解されたい。

本明細書にある教示のサポートには、デジタルシステムおよび／またはアナログシステムを含む様々な分析コンポーネントを使用してよい。本システムは、当業界で良く理解されているいくつかのやり方のいずれかで本明細書で開示される装置および方法の動作および分析を行うように、プロセッサ、記憶媒体、メモリ、インプット、アウトプット、（有線、無線、パルスマッド（ｐｕｌｓｅｄ ｍｕｄ）、光学などの）通信リンク、ユーザーインターフェース、ソフトウェアプログラム、（デジタルまたはアナログ）シグナルプロセッサ、および（例えば抵抗器、キャパシタ、インダクタなどの）他のそのようなコンポーネントなどのコンポーネントを有することができる。これらの教示は、必ずしもそうである必要はないが、コンピュータ可読媒体上に記憶される１組のコンピュータ実行可能命令と一緒に実装され得ると考えられる。コンピュータ可読媒体には、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、光学（ＣＤ−ＲＯＭ）または磁気（ディスク、ハードドライブ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）または実行されるとコンピュータを本発明の方法に実装させる任意の他のタイプのものが含まれる。これらの命令は、本開示で述べられる機能に加えて、システム設計者、所有者、使用者または他のそのような関係者が関連性があると判断した機器の動作、制御、データ収集および分析ならびに他の機能を提供することができる。したがって、本発明が演算装置に実装される監視システムを含むことができる場合、一実施形態は、タービンの軸方向間隙の寸法が基準画像との比較に基づいて変わっているかどうかを決定する。

本発明を限られた数の実施形態だけに関連して詳細に述べてきたが、本発明はそうした開示の実施形態に限定されないと容易に理解されたい。むしろ、本発明は、任意の数の変形形態、代替形態、置換形態、またはこれまで述べられていないが本発明の精神および範囲と同等である均等の構造を組み込むように修正されてよい。さらに、本発明の様々な実施形態を述べてきたが、本発明の態様は先に述べた実施形態のいくつかだけしか含まなくてよいと理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとして理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１００ 監視システム
１０２ イメージング装置
１０４ 記録装置
１０６ 伝送媒体
１０８ 照明システム
１１０ 画像プロセッサ
２００ 動作環境
２０１ 外部ケーシング
２０２ 保護カバー
２０４ ブラケット
２０６ 動翼
２０７ 空き領域
２０８ ノズル
３０２ アクセス孔
３０４ バケット基部
３０５ 軸方向間隙
３０６ 下側部分
３０８ ロータ軸
４０２ ブロック
４０４ ブロック
４０６ ブロック
４０８ ブロック
４１０ ブロック
４１２ ブロック
４１４ ブロック

Claims (10)

1. 機械の回転部分と静止部分の間の間隙をリアルタイムに監視する監視システム（１００）であって、
   前記間隙の基準画像および前記間隙の１つまたは複数の次の画像を形成するイメージング装置（１０２）であり、前記機械の内部に配置される部分および前記機械の外部にある部分を含む、イメージング装置（１０２）と、
   前記イメージング装置（１０２）に結合され、前記間隙が前記基準画像と前記１つまたは複数の次の画像を比較することによって増大しているか減少しているかどうかを監視するように構成される、画像プロセッサ（１１０）と
   を備える、監視システム（１００）。
2. 前記機械がタービンである、請求項１記載の監視システム（１００）。
3. 内部位置が、バケット（３０４）とノズル（２０８）の間の軸方向間隙（３０５）である、請求項２記載の監視システム（１００）。
4. 前記バケット（３０４）が第１段のバケットであり、前記ノズル（２０８）が第２段のノズルである、請求項３記載の監視システム（１００）。
5. 前記機械の内部に配置される前記部分が、１つまたは複数の内視鏡によって形成される、請求項１記載の監視システム（１００）。
6. 前記機械の内部に配置される前記部分が、光ファイバケーブルによって形成される、請求項１記載の監視システム（１００）。
7. 前記機械の外部にある前記部分がカメラ（１０４）である、請求項１記載の監視システム（１００）。
8. 機械の回転部分と静止部分の間の間隙をリアルタイムに監視する方法であって、
   前記機械の動作の間、前記間隙の画像を画像プロセッサ（１１０）で受け取るステップと、
   前記画像と基準画像を比較するステップと、
   前記画像が前記基準画像とは異なる場合アラームを発するステップと
   を含む、方法。
9. 前記間隙が、タービン内のバケット（３０４）とノズル（２０８）の間の軸方向間隙（３０５）である、請求項８記載の方法。
10. 前記画像が、前記機械の内部に配置される部分と前記機械の外部にある部分を含むイメージング装置（１０２）から受け取られる、請求項８記載の方法。

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