JP2012132442A

JP2012132442A - タービンエンジン内の破砕を検出するシステム及び方法

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Publication number: JP2012132442A
Application number: JP2011272891A
Authority: JP
Inventors: Jordi Estevadeordal; ジョルディ・エステバデオルダル; Guanghua Wang; グワンファ・ワン; Lucy Joelle Summerville; ルーシー・ジョエル・サマーヴィル; Nirm Velumylum Nirmalan; ニルム・ベルミルム・ニルマラン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: FR2969283A1; DE102011056567A1; CN102608039A; FR2969283B1; JP5981709B2; CN102608039B; DE102011056567B4; US10132688B2; US20120153157A1

Abstract

【課題】タービンエンジン内の破砕を検出するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】一実施例において、システムが、タービン部品５６から広波長帯域放射線信号を受信し、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割し、狭波長帯域放射線信号に基づいてタービン部品５６の放射率を測定し、放射率に基づいてタービン部品５６の表面上の破砕を検出するように構成された、マルチスペクトル高温測定システム３６を備える。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示の主題は、タービンエンジン内の破砕を検出するシステム及び方法に関する。

一部のガスタービンエンジンは、タービン内の様々な部品の監視が容易になるように構成された、覗き穴を有するタービンを備える。例えば、高温測定システムでは、タービンの高温ガス路内の一部の部品の温度を測定するために、覗き穴を通じて放射線信号を受信する。高温測定システムは、固定波長領域内のタービン部品によって放射された放射線の強度を測定するように構成された、光センサを含み得る。明らかなように、放射率を推測することにより、特定波長における放射強度に基づいて、部品の温度を測定できる。

残念ながら、部品の放射率は、温度の変化、部品上の残留物の蓄積、及び／又はタービン部品の酸化により、時間とともに変化する可能性がある。また、放射率測定は、覗き穴窓上の埃の蓄積による影響を受ける可能性がある。更に、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含むタービン部品が破砕に曝される可能性があるが、この状況下では、ＴＢＣの各部分が部品の表面から剥離し、基材が露出することになる。明らかなように、基材の放射率がＴＢＣの放射率よりも大幅に高いことがある。その結果、一定の放射率を前提とする高温測定システムでは、破砕しているタービン部品についての温度測定が不正確になることがある。例えば、固定波長領域内の放射線を測定するように構成された高温測定システムでは、破砕領域を有するタービン部品から、高い放射強度が検出されることがある。高温測定システムは、高温と高い放射率とを識別できないので、高温測定システムは高温を示すことになる。その結果、タービン部品温度の上昇の原因を究明するために、オペレータ又は自動システムがタービンエンジンを停止することがある。タービン部品の実際の温度は所望の動作範囲内なので、このような操作は、不必要にタービンエンジンの供給力を低下させることがある。

米国特許第７６３３０６６号

一実施例において、システムは、タービン部品から広波長帯域放射線信号を受信し、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割し、狭波長帯域放射線信号に基づいてタービン部品の放射率を測定し、放射率に基づいてタービン部品の表面上の破砕を検出するように構成された、マルチスペクトル高温測定システムを備える。

別の実施例において、システムは、タービンの内部と光学的に通信するように構成された、マルチスペクトル高温測定システムを含む。マルチスペクトル高温測定システムは、タービン内部のタービン部品から広波長帯域放射線信号を受信し、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割するように構成された、波長分割装置を含む。マルチスペクトル高温測定システムは更に、波長分割装置と光通信を行う検出器を含む。検出器は、狭波長帯域放射線信号を受信し、各狭波長帯域放射線信号の強度を示す信号を出力するように構成される。マルチスペクトル高温測定システムは更に、出力信号に基づいてタービン部品の放射率を測定し、放射率に基づいてタービン部品の表面上の破砕を検出するように構成されたコントローラを備える。

更なる実施例において、方法は、タービン部品から広波長帯域放射線信号を受信するステップと、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割するステップと、を含む。この方法は更に、狭波長帯域放射線信号に基づいてタービン部品の放射率を測定するステップと、放射率に基づいてタービン部品の表面上の破砕を検出するステップとを含む。

全図面を通じて同様の符号で同様のパーツを示した添付図面を参照しながら、下記の詳細な説明を読めば、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。

タービン部品の放射率を測定し、放射率に基づいてタービン部品の表面上の破砕を検出するように構成されたマルチスペクトル高温測定システムを含む、タービンシステムの一実施例のブロック図である。マルチスペクトル高温測定システムの一実施例によって監視可能な様々なタービン部品を示す、例示的なタービン区画の断面図である。複数のダイクロイックミラーを採用した、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に変換する波長分割装置を有するマルチスペクトル高温測定システムの一実施例の模式図である。タービン部品の二次元温度マップを測定し、且つ／又はタービン部品表面上の破砕の領域を測定するように構成されたコントローラを有する、マルチスペクトル高温測定システムの一実施例の模式図である。タービン部品表面上の破砕を検出するための例示的方法のフローチャートである。

以下、１つ以上の具体的な実施例について記述する。これらの実施例を簡潔に提示するために、本明細書では実際の実施例の特徴の全てを記載することはない。いかなる実際の実施例の開発においても、いかなる工学的又は設計上の計画においても、実施例ごとに異なるシステム上及びビジネス上の制約に合わせるといった、開発者の特定の目的を達成するために多くの選択が個々の実施例に必要であることを理解されたい。また、このような開発努力は、煩雑で時間がかかるものとなり得るが、本開示による利益を享受する当業者にとっては、日常的な設計、製作、製造上の仕事であることも理解されたい。

本明細書に開示の様々な実施例の要素を説明する際、不定冠詞及び定冠詞は、その要素が１つ以上存在することを意味している。「備える」「含む」「有する」といった表現は、包括的な意味で、列挙した要素以外にも追加の要素が存在し得ることを意図している。

本明細書に開示の実施例は、温度変動と放射率変動を識別するように構成されたマルチスペクトル高温測定システムを提供することによって、タービンエンジンの供給力を高めることができる。これにより、高温測定システムで、或る特定のタービン部品上の破砕を特定し、且つ／又はより正確な温度測定を行うことができる。一実施例において、マルチスペクトル高温測定システムは、タービン内部のタービン部品から広波長帯域放射線信号を受信し、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割するように構成された、波長分割装置を含む。マルチスペクトル高温測定システムは更に、波長分割装置と光通信を行う検出器も含む。検出器は、狭波長帯域放射線信号を受信し、各狭波長帯域放射線信号の強度を示す信号を出力するように構成されている。マルチスペクトル高温測定システムは更に、出力信号に基づいてタービン部品の放射率を測定し、放射率に基づいてタービン部品表面上の破砕を検出するように構成されたコントローラを含む。コントローラは更に、信号に基づいてタービン部品の温度を測定するように構成されていてもよい。マルチスペクトル高温測定システムは見掛けの有効放射率を計算するので、コントローラは、単波長測定に基づく温度測定よりも正確な温度測定を行える。一部の実施例において、コントローラは、放射率に基づいて、タービン部品表面上の破砕領域を測定するように構成される。この領域が閾値を超える場合、コントローラはオペレータに通知を行い、且つ／又はタービンエンジンを自動的に停止することで、ＴＢＣコーティングの損失に関わる過剰な摩耗の可能性を大幅に低減又は排除する。

ここで図面を参照すると、図１は、タービン部品の放射率を測定し、放射率に基づいてタービン部品表面上の破砕を検出するように構成されたマルチスペクトル高温測定システムを含む、タービンシステム１０のブロック図である。タービンシステム１０は、燃料噴射器１２、供給燃料１４、及び燃焼器１６を含む。図示のように、燃料供給１４は、液体燃料及び／又は天然ガス等の気体燃料をガスタービンシステム１０へ、燃料噴射器１２から燃焼器１６に送給する。以下で論じるように、燃料噴射器１２は、燃料を噴射してこれを圧縮空気と混合するように構成されている。燃焼器１６は、燃料−空気混合物を点火及び燃焼させた後、高温加圧排ガスをタービン１８に受け渡す。明らかなように、タービン１８は、固定ベーン又はブレードを有する１つ以上のステータ、及びステータに対して回転するブレードを有する１つ以上のロータを含む。排ガスがこれらのタービンロータブレードを通過することにより、タービンロータが駆動されて回転する。タービンロータとシャフト１９が結合していることにより、シャフト１９の回転が生じるが、シャフト１９はまた、図示のように、ガスタービンシステム１０全体にわたって、幾つかの部品に結合されている。最終的には、燃焼プロセスの排気が、排気口２０からガスタービンシステム１０を出る。

圧縮機２２は、シャフト１９により駆動されて回転するロータに堅固に固定されたブレードを含む。回転しているブレードを空気が通過することにより、空気圧が上昇し、燃焼器１６に十分な空気が供給され、適切な燃焼が行われる。圧縮機２２は、吸気口２４からガスタービンシステム１０に空気を取り込む。更に、シャフト１９が、このシャフト１９の回転を介して動力供給される負荷２６に結合されてよい。明らかなように、負荷２６は、発電所又は外部の機械的負荷等、ガスタービンシステム１０の回転出力の動力を利用する、いずれの適切な装置であってもよい。例えば、負荷２６は、発電機、航空機のプロペラ等を含む。吸気口２４は、冷気吸入口等の適切な機構から、ガスタービンシステム１０に空気３０を取り込む。空気３０はその後、圧縮機２２のブレードを通り、燃焼器１６に圧縮空気３２を供給する。具体的には、燃料噴射器１２は、圧縮空気３２及び燃料１４を、燃料−空気混合物３４として、燃焼器１６内に注入する。或いは、圧縮空気３２及び燃料１４を、燃焼器内に直接注入し、混合し燃焼させてもよい。

図示のように、タービンシステム１０は、タービン１８と光学的に結合されたマルチスペクトル高温測定システム３６を含む。図示の実施例において、高温測定システム３６は、タービン１８内への覗き穴４０と波長分割装置４２との間に延在する、光学画像システム又は光接続部３８（例えば、光ファイバーケーブル、光導波路等）を含む。図示の覗き穴４０は、タービン１８の入口に向けて配置されているが、覗き穴４０をタービン１８に沿った様々な場所に設置してもよいことは理解されたい。後に詳述するが、波長分割装置４２は、タービン内部からの放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割するように構成されている。波長分割装置４２に光学的に結合された検出器４４は、各狭波長帯域放射線信号の強度を示す信号を出力するように構成されている。図示の実施例では、これらの信号に基づいてタービン内部のタービン部品の放射率を測定し、この放射率に基づいてタービン部品表面上の破砕を検出するように構成されたコントローラ４６に、検出器４４が通信可能に結合されている。後に詳述するが、コントローラ４６を、出力信号に基づいてタービン部品の温度を測定するように構成してもよい。一部の実施例において、広波長帯域放射線信号は、タービン部品の二次元画像であってもよい。このような実施例において、波長分割装置を、広波長帯域画像を複数の狭波長帯域画像に分割するように構成してもよく、検出器を、各狭波長帯域画像の二次元強度マップを示す信号を出力するように構成してもよい。更に、出力信号に基づいてタービン部品の二次元温度マップを測定することによって、タービン部品全体の熱勾配を測定し、その部品内の熱的応力を測定できるように、コントローラを構成してもよい。更なる実施例において、放射率に基づいてタービン部品表面上の破砕領域を測定するように、コントローラを構成してもよい。この領域が閾値を超える場合、コントローラ４６がオペレータに通知を行い、且つ／又はタービンエンジン１０を自動的に停止し、ＴＢＣコーティングの損失に関わる過剰な摩耗の可能性を大幅に低減又は排除する。

図２は、マルチスペクトル高温測定システム３６の一実施例によって監視可能な様々なタービン部品を示す、例示的なタービン区画の断面図である。図示のように、燃焼器１６からの排ガス／燃焼生成物４８は、軸方向５０及び／又は周方向５２に、タービン１８内に流入する。図示のタービン１８は、少なくとも２つの段を含むが、図２には最初の２つの段が示されている。別のタービン構成は、２つより多いか又は少ないタービン段を含んでよい。例えば、タービンは、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、又はそれ以上のタービン段を含み得る。第１のタービン段は、タービン１８の周りで、周方向５２に実質的に等間隔に離間したベーン５４及びブレード５６を含む。第１弾ベーン５４は、タービン１８に堅固に固定されており、ブレード５６に向かって燃焼ガスを案内するように構成されている。第１段ブレード５６は、このブレード５６内を流れる排ガス４８によって駆動され回転するロータ５８に取り付けられている。また、ロータ５８は、圧縮機２２及び負荷２６を駆動させるシャフト１９に結合されている。排ガス４８は次に、第２段ベーン６０及び第２段ブレード６２を流れる。第２段ブレード６２も、ロータ５８に結合されている。排ガス４８が各段を流れると、ガスからのエネルギーがロータ５８の回転エネルギーに変換される。各タービン段を通過した後、排ガス４８は、タービン１８から軸方向５０に排出される。

図示の実施例において、各第１段ベーン５４は、端壁６４から半径方向６６に、外向きに延在している。端壁６４は、ロータ５８への高温排ガス４８の侵入を阻止するように構成されている。第２段ベーン６０と、（もしあれば）これに続く下流側のベーンに隣接して、類似の端壁を存在させてもよい。同様に、各第１段ブレード５６は、プラットフォーム６８から半径方向６６に、外向きに延在している。明らかなように、プラットフォーム６８は、ブレード５６をロータ５８に結合するシャンク７０の一部である。シャンク７０は、ロータ５８への高温排ガス４８の侵入を阻止するように構成された、シール又はエンジェルウィング７２も含む。第２段ブレード６２と、（もしあれば）これに続く下流側のブレードに隣接して、類似のプラットフォーム及びエンジェルウィングを存在させてもよい。更に、シュラウド７４は、第１段ブレード５６から半径方向外向きに位置している。シュラウド７４は、ブレード５６をバイパスする排ガス４８の量を最小限に抑えるように構成されている。ガスをバイパスさせることによるエネルギーが、ブレード５６によって捕捉されて回転エネルギーに変換されることはないので、ガスのバイパスは望ましくない。マルチスペクトル高温測定システム３６を、ガスタービンエンジン１０のタービン１８内の部品監視に関連して以下に記述するが、高温測定システム３６を採用して、タービンブレードを蒸気又はその他の作動流体が通過し、動力又は推進力を供給するタービン等、その他の回転及び／又はレシプロ機械内部の部品を監視できることを理解されたい。これに加えて、高温測定システム３６を利用して、ガソリン又はディーゼル駆動の内燃機関等のレシプロエンジン内部を監視できる。

明らかなように、タービン１８内の様々な部品（例えば、ベーン５４及び６０、ブレード５６及び６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４等）は、燃焼器１６からの高温排ガス４８に曝される。結果的に、温度を所望の範囲内にするために、タービン１８の動作中に或る一定の部品の温度を測定し、且つ／又は部品内の熱的応力を監視することが望ましいことがある。例えば、マルチスペクトル高温測定システム３６を、第１段タービンブレード５６の温度を測定するように構成できる。更なる実施例において、高温測定システム３６を、ブレード５６の二次元温度マップを測定するように構成できる。明らかなように、二次元温度マップを利用して、各ブレード５６にわたる温度勾配を測定し、それによってブレード５６内の熱的応力の計算を容易にできる。

ブレード温度の上昇に加えて、高温排ガス４８によって、タービン１８内のブレード５６及び／又はその他の部品の表面から遮熱コーティング（ＴＢＣ）が剥離し、基材が高温ガス４８に曝される可能性がある。この状態は、スポールとして周知であり、タービン部品の摩耗を大幅に促進する。基材はＴＢＣよりも大幅に高い放射率を有することがあるので、マルチスペクトル高温測定システム３６を、放射率が高い領域を特定することによって、破砕を検出するように構成してもよい。一部の実施例において、高温測定システムを、放射率に基づいて、各タービン部品表面上の破砕領域を測定するように構成してもよい。この領域が閾値を超える場合、コントローラは、オペレータに通知を行い、且つ／又はタービンエンジンを自動的に停止し、ＴＢＣコーティングの損失に関わる過剰な摩耗の可能性を大幅に低減又は排除する。

図示の実施例は、覗き穴４０を波長分割装置４２に光学的に結合するために、３つの光接続部３８を含む。図示のように、第１光接続部７６は、ブレード５６の上流に位置してブレード５６に向かって傾斜した覗き穴４０に結合されており、第２光接続部７８は、ブレード５６の半径方向外側に位置してブレード５６の円周側に向かって配向された別の覗き穴４０に結合されており、第３光接続部７９は、ブレード５６の下流に位置して上流方向に傾斜した第３の覗き穴４０に結合されている。明らかなように、覗き穴４０を軸方向５０、周方向５２、及び／又は半径方向６６に傾斜させることで、ブレード５６の所望の領域に向かって覗き穴４０を配向できる。代替実施例において、より多くの又はより少ない覗き穴４０及び光接続部３８を、第１段ブレード５６からの放射線信号を取得するために採用してもよい。例えば、一部の実施例では、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、又はそれ以上の覗き穴４０と、ブレード５６の放射線信号を波長分割装置４２に送るための、これに対応する数の光接続部３８とを採用する。明らかなように、採用される覗き穴４０及び光接続部３８の数が多いほど、ブレード５６の監視される領域が多くなる。上述のように、光接続部３８は、例えば光ファイバーケーブル、又は光画像システム（例えば、剛性画像光導波路システム）を含み得る。一部の実施例では光接続部３８を省略してもよく、波長分割装置４２を覗き穴４０に直接、光学的に結合してもよいことを理解されたい。

覗き穴４０は、図示の実施例においては第１段ブレード５６に向かって配向されているが、代替実施例においては、覗き穴４０を別のタービン部品に向かって配向してもよいことを理解されたい。例えば、１つ以上の覗き穴４０を、第１段ベーン５４、第２段ベーン６０、第２段ブレード６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４、又はタービン１８内のその他の部品に向けて配向してもよい。更なる実施例では、タービン１８内の複数の部品に向けて配向された覗き穴４０を含む。第１段ブレード５６と同様に、マルチスペクトル高温測定システム３６で、タービン部品の温度及び／又は放射率を測定し、高い熱的応力及び／又はＴＢＣの過剰な損失を特定できる。

上述のように、光接続部３８（例えば、光ファイバーケーブル、光導波路等）は、タービン内部から波長分割装置４２へ放射線信号を搬送する。また、波長分割装置４２は、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割し、狭波長帯域放射線信号を検出器４４に送るように構成されている。検出器４４を、或る期間にわたって複数の放射線信号を捕捉するように構成してもよい。明らかなように、上述の第１段ブレード５６等、一部のタービン部品は、タービン１８の周方向５２に沿って高速で回転する。そこで、このような部品からの放射線信号（例えば、画像）を捕捉するために、検出器４４を、各部品の実質的な静止画像をコントローラ４６に提供するのに十分な周波数で動作するように構成してもよい。例えば、一部の実施例において、検出器４４は、約１００，０００、２００，０００、４００，０００、６００，０００、８００，０００、又は１，０００，０００Ｈｚ以上の周波数で、各放射線信号の強度を示す信号を出力するように構成される。更なる実施例において、検出器４４を、約１０、５、３、２、１、又は０．５マイクロ秒以下の積分時間で、各画像の強度を示す信号を出力するように構成してもよい。このようにして、各タービン部品の放射率を測定することによって、部品表面上の破砕を瞬時に検出できる。

一部の実施例では、光接続部３８が、波長分割装置４２内のマルチプレクサに結合され、各観察点からの放射線信号を検出器４４に供給する。明らかなように、各光接続部３８からの放射線信号を、空間的又は時間的に重畳化してもよい。例えば、一部の実施例において、検出器４４を、各狭波長帯域放射線信号（例えば、画像）の二次元強度マップを捕捉するように構成する。そのような実施例において、マルチプレクサが空間的に画像を重畳化するように構成されている場合、各画像は、検出器４４の異なる部分に投影される。この構成において、第１光接続部７６からの画像は検出器４４の第１部分（例えば、３等分の１つ目）に向けて配向され、第２光接続部７８からの画像は検出器４４の第２部分（例えば、３等分の２つ目）に向けて配向され、第３光接続部７９からの画像は第３部分（例えば、３等分の３つ目）に向けて配向されてもよい。その結果、検出器４４は、３分の１の分解能で各画像を捕捉することができる。言い換えると、空間分解能は、空間的に重畳化された信号の数に反比例する。明らかなように、分解能が低い場合、分解能が高い場合よりも狭いタービン部品の空間的範囲が、コントローラ４６に提供される。したがって、空間的に重畳化される信号の数は、コントローラ４６がタービン部品の所望の二次元温度マップ及び／又はタービン部品の所望の二次元放射率マップを確立するのに十分な最低分解能によって、制限されることがある。例えば、一部の実施例において、検出器４４は、約１０００ミクロン未満、約７５０ミクロン未満、約５００ミクロン未満、約２５０ミクロン未満の空間分解能を有する画像を捕捉するように構成される。結果的に、タービンブレード上のフィルム冷却穴の閉塞等、各タービン部品の微細な特徴を特定できる。

或いは、光接続部３８によって提供された画像を、時間的に重畳化してもよい。例えば、検出器４４の全分解能を使用して、検出器４４で各光接続部３８からの画像を交互に捕捉してもよい。この手法を使用すると、検出器４４の全分解能が利用されるが、捕捉周波数は、スキャンされた観察点の数に比例して減少する。例えば、２つの観察点がスキャンされ、検出器周波数が１００，０００Ｈｚである場合、検出器４４は、各観察点からの画像を５０，０００Ｈｚでスキャンすることしかできない。したがって、一時的に重畳化された信号の数は、所望のスキャン周波数によって制限されることがある。

図３は、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に変換するために複数のダイクロイックミラーを採用した波長分割装置４２を有するマルチスペクトル高温測定システム３６の実施例の模式図である。図示のように、高温測定システム３６は、第１段タービンブレード５６に向けて配向されている。しかし、代替実施例において、高温測定システム３６が別のタービン部品（例えば、ベーン５４及び５６、ブレード６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４等）に向けて配向されてもよいことを理解されたい。明らかなように、電磁放射線がブレード５６から放出され、高温測定システム３６によって広波長帯域放射線信号８０として捕捉されてもよい。このような放射線信号８０は、電磁スペクトルの赤外及び／又は可視領域内の波長を有する放射線を含み得る。

燃焼生成物４８が覗き穴４０とブレード５６との間を流れるので、或る特定の波長帯域のみを画像システム３６に送るようにしてもよい。例えば、水蒸気及び二酸化炭素等の一部の燃焼生成物は、広い波長範囲にわたる放射線を吸収及び放出する。その結果、ガスタービンエンジン１０の動作中、正確な強度測定に十分な強度且つ干渉が無視できる程度で、高温測定システム３６に到達するのは、ブレード５６によって放出された波長の一部のみとなる。そこで、著しい吸収率又は干渉を伴わずにガス４８を通過する可能性が比較的高い特定の波長の強度を測定するように測定システム３６を構成し、ブレード５６の放射率及び／又は温度を測定してもよい。例えば、可視スペクトルの赤色部分及び／又は近赤外スペクトルに含まれる波長は、その他の周波数範囲よりも少ない吸収率で、燃焼生成物４８を通過する。したがって、一部の実施例では、放射率及び／又は温度の測定に、このような周波数範囲を利用する。しかし、代替実施例では、可視、赤外、及び／又は紫外スペクトルの別の部分に含まれる電磁放射線の強度を測定してもよい。

明らかなように、特定の波長で部品が放出した電磁放射線の強度を測定することによって、部品の温度を測定できる。例えば、放射率が１であると仮定すると（黒体であると仮定すると）、プランクの法則を利用して、測定された放射強度から温度を計算できる。しかし、実際の部品の放射率は１未満であると思われるので、一部の高温測定システムでは、一定の放射率値を前提とする。放射率は温度及び波長を含む多数の要因に基づいて変動するので、このような仮定では、温度測定が不正確になる可能性がある。例えば、タービン部品の放射率は、燃焼生成物４８からの残留物が部品上に蓄積するにつれて変化する。これに加えて、残留物及び／又はその他の破片が覗き穴４０上に蓄積して、波長分割装置４２が受信する放射強度が弱くなる可能性がある。更に、煤等の燃焼生成物によっても、部品からの放射線信号が損なわれる可能性がある。後に詳述するが、ＴＢＣを含むタービン部品が破砕に曝された状態では、ＴＢＣの一部が部品の表面から剥離し、基材が露出する可能性がある。明らかなように、基材の放射率は、ＴＢＣの放射率よりも大幅に高い。結果的に、一定の放射率を前提とする高温測定システムでは、タービン部品の破砕が原因で、温度測定が不正確になる可能性がある。例えば、高温測定システムは、破砕領域を有するタービン部品から、高い放射強度を検出する可能性がある。現在の高温測定システムでは、高温と高い放射率とを識別出来ないので、このような高温測定システムは、比較的高温を示すことになる。

図示の実施例では、マルチスペクトル高温測定システム３６が、タービン部品の放射率を測定するように構成されていることにより、正確な温度計算が容易になり、コントローラ４６で部品表面上の破砕を検出することができる。具体的には、高温測定システム３６は、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割し、各狭波長帯域放射線信号の強度を測定するように構成されている。このような構成において、コントローラ４６で、マルチチャネルアルゴリズムを用いて、タービン部品の見掛けの有効放射率を計算することにより、より正確に温度を測定できる。これに加えて、基材の放射率がＴＢＣの放射率よりも高いことがあるので、コントローラ４６は、放射率が高い領域を特定することによって、タービン部品表面上の破砕を検出できる。

図示のように、広波長帯域放射線信号８０はまず、ブレード５６から放出された放射線を平行ビーム８４に変換する光コリメータ８２を通過する。次に平行ビーム８４は、一連のダイクロイックミラー８６、８８、及び９０を通過するが、このとき、広波長帯域放射線信号８０が一連の狭波長帯域放射線信号に変換される。明らかなように、ダイクロイックミラーは、所望の波長領域の放射線を反射し、その他の放射線を通過させるように構成された反射面を有する。具体的には、第１ダイクロイックミラー８６は、狭波長帯域を有する放射線を反射するように構成されたコーティング９２を含む。例えば、反射された放射線は、約２００、１５０、１００，５０、３０、２０、１０、５、３、又は１ｎｍ未満の波長領域を有する。第１ダイクロイックミラー８６を通過する放射線９６は、第１ダイクロイックミラー８６によって反射された波長を除く平行ビーム８４の各波長を含む波長領域を有する。

狭波長帯域放射線信号９４に対応する放射線はその後、放射線を検出器４４に向けて案内するように構成された、ミラー又はプリズム等の光学素子９８を通過する。検出器４４に到達する前に、放射線は、狭波長帯域放射線信号９４を検出器４４上に合焦させるレンズ１００を通過する。一部の実施例では、光学素子９８及び／又はレンズ１００が、放射線信号９４の波長帯域を更に狭めるように構成されたフィルタを含む。例えば、光学素子９８及び／又はレンズ１００で、約２００、１５０、１００、５０、３０、２０、１０、５、３、又は１ｎｍ未満まで、波長領域を狭めてもよい。

第１ダイクロイックミラー８６によって反射されなかった波長を有する放射線９６は、第１ミラー８６を通過し、第２ダイクロイックミラー８８に入射する。第１ダイクロイックミラー８６と同様に、第２ミラー８８は、狭波長帯域を有する放射線を反射し、その他の波長を通過させるように構成される。反射された放射線はその後、第１ダイクロイックミラー８６に関連して上述した反射放射線と同様に、検出器４４に向けて配向される。ダイクロイックミラー９０を同様に機能させて、追加の狭波長帯域放射線信号に対応する放射線を検出器４４に提供できる。この構成において、検出器４４は、各々が異なる波長領域を有する３つの狭波長帯域放射線信号９４を受信する。図示の実施例では、３つのダイクロイックミラー８６、８８、及び９０を採用して、広波長帯域放射線信号８０を３つの狭波長帯域放射線信号９４に分割しているが、代替実施例では、より多くの又はより少ないダイクロイックミラーを採用してもよいことを理解されたい。例えば、一部の実施例では、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、又はそれ以上のダイクロイックミラーを含み、広波長帯域放射線信号８０を対応する数の狭波長帯域放射線信号９４に分割する。

上述のように、レンズ１００は、狭波長帯域放射線信号９４を検出器４４上に合焦させるように構成される。図示の構成では、単一の検出器４４を採用して、各狭波長帯域放射線信号９４の強度を示す信号を出力する。結果的に、各レンズ１００は、各狭波長帯域放射線信号９４を、検出器４４の対応する非重複領域上に合焦するように構成される。このようにして、検出器４４で、各狭波長帯域放射線信号９４の強度を監視できる。一部の実施例では、複数の検出器４４を採用して、各狭波長帯域放射線信号９４の強度を監視する。例えば、各狭波長帯域放射線信号９４が、個別の検出器４４上に合焦される。このような構成において、各検出器４４として、各狭波長帯域放射線信号９４の合計の強度を示す信号を出力するように構成された、フォトダイオードを含み得る。

図示の波長分割装置は、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割するために、ダイクロイックミラーを含むが、代替実施例では別の波長分割装置を採用してもよいことを理解されたい。例えば、一部の実施例において、波長分割装置は、広波長帯域放射線信号を複数の重複放射線信号に分割するように構成された信号分配器、及び、それぞれの重畳放射線信号を受信し、それぞれの重複放射線信号をフィルタリングし、それぞれの狭波長帯域放射線信号を取得するように構成された複数の狭波長帯域フィルタを含む。更なる実施例において、波長分割装置は、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割するように構成された、マルチチャネル波長分離プリズムを含む。一部の実施例では、二次元強度マップを示す信号を生成するために、検出器４４が複数の検出器素子を含む。このような実施例において、波長分割装置として、複数の狭波長帯域フィルタを有するフィルタマスクを含み得る。各狭波長帯域フィルタは、検出器のそれぞれの検出器素子と光通信を行う。

タービンブレード５６が周方向５２に回転すると、波長分割装置４２は、各ブレード５６を横断する見通し線（ＬＯＳ）１０２をスキャンする。明らかなように、ＬＯＳ１０２の角度は、覗き穴４０及び光接続部３８の位置及び向きに、少なくとも部分的に依存している。一部の実施例において、各タービンブレード５６は、タービン１８を流れる高温排ガス４８から基材を保護するために、ＴＢＣでコーティングされる。残念ながら、時間が経つと、ＴＢＣの一部が基材から剥離し、破砕領域１０４ができる可能性がある。基材はＴＢＣよりも大幅に高い放射率を有するので、破砕領域１０４は、ＴＢＣコーティングされたブレード５６の他の部分よりも高い放射線を放出する可能性がある。結果的に、検出器４４は、見通し線１０２が破砕領域１０４を通る際に、より高い強度を示す信号を出力することになる。

上述のように、検出器４４は、狭波長帯域放射線信号９４を受信し、各狭波長帯域放射線信号の強度を示す信号を出力するように構成されている。図示の実施例では、検出器４４は、異なる波長領域を有する３つの狭波長帯域放射線信号を受信するように構成されている。結果的に、検出器４４は、第１狭波長帯域放射線信号の強度を示す第１信号１０６、第２狭波長帯域放射線信号の強度を示す第２信号１０８、及び第３狭波長帯域放射線信号の強度を示す第３信号１１０を出力するように構成されている。図示のように、各狭波長帯域信号の強度は、タービンブレード５６の回転に伴い、時間とともに変動する。具体的には、基材は放射率が高いため、ＬＯＳ１０２が破砕領域１０４に差し掛かるにつれて強度が上昇する。その結果、各信号１０６、１０８、及び１１０は、タービンブレード５６上の破砕領域１０４に対応する極大値を有する。

上述のように、正確な強度測定に十分な強度且つ干渉が無視できる程度の、高温測定システム３６に到達する波長は、ブレード５６によって放出された波長のほんの一部のみである。そこで、著しい吸収率又は干渉を伴わずにガス４８を通過する可能性が比較的高い、或る特定の波長の強度を測定するように高温測定システム３６を構成し、ブレード５６の放射率及び／又は温度を測定してもよい。図示の実施例において、第１信号１０６は、約１０００から１１００ｎｍ、１０２５から１０７５ｎｍ、１０５０から１０７０ｎｍ、又は約１０６４ｎｍの波長領域を有する放射線強度を示す。第２信号１０８は、約１２００から１３００ｎｍ、１２２５から１２７５ｎｍ、１２４０から１２６０ｎｍ、又は約１２５０ｎｍの波長領域を有する放射線強度を示す。第３信号１１０は、約１５５０から１６５０ｎｍ、１５７５から１６２５ｎｍ、１５９０から１６１０ｎｍ、又は約１６００ｎｍの波長領域を有する放射線強度を示す。明らかなように、代替実施例では、可視及び／又は赤外スペクトルに含まれるその他の波長領域を利用できる。例えば、一部の実施例は、約６００から７００ｎｍ、及び／又は２１００から２３００ｎｍの波長領域内の放射線を監視するように構成される。更に、図示の実施例では、３つの波長領域を監視するが、代替実施例では、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、又はそれ以上の波長を採用して、タービン部品の放射率及び／又は温度を測定できることを理解されたい。

図示の実施例では、コントローラ４６が、信号１０６、１０８、及び１１０を受信して、これらの信号に基づいてタービン部品の温度及び／又は放射率を測定するように構成されている。例えば、コントローラ４６を、放射率の変動を考慮に入れたマルチチャネルアルゴリズムを用いて、温度１１２を計算するように構成してもよい。結果的に、温度１１２が、単波長測定に基づく温度計算よりも正確になる。図示のように、温度１１２は、時間を表すｘ軸１１６及び温度を表すｙ軸１１８を有するグラフ１１４として表される。曲線１２０は、時間関数としてのタービンブレード５６の温度を表す。タービンブレード５６は周方向５２に回転するので、ｘ軸１１６によって表される時間は、ＬＯＳ１０２に沿った位置を示す。結果的に、曲線１２０は、ＬＯＳ１０２を横断する一次元温度分布を表す。後に詳述するが、グラフ１１４は、ＬＯＳ１０２を横断する温度がほぼ一定であることを示しているが、これにより、破砕領域１０４の温度が、タービンブレード５６の周りのＴＢＣコーティングされた部分の温度よりも大幅に高いわけではないことがわかる。

これに加えて、コントローラ４６は、信号１０６、１０８、及び１１０に基づいて、マルチチャネルアルゴリズムを用いて放射率１２２を計算するように構成されている。図示のように、放射率は、時間を表すｘ軸１２６及び放射率を表すｙ軸１２８を有するグラフ１２４として表されている。曲線１３０は、時間関数としてのタービンブレード５６の放射率を表す。タービンブレード５６は周方向５２に回転するので、ｘ軸１２６によって表される時間は、ＬＯＳ１０２に沿った位置を示す。結果的に、曲線１３０は、ＬＯＳ１０２を横断する一次元放射率分布を表す。図示のように、放射率曲線１３０は、破砕領域１０４の位置に対応する極大値１３２を含む。上述のように、放射率の上昇は、ＴＢＣと基材との間の放射率差に起因する可能性がある。したがって、コントローラ４６を、放射率曲線１３０の極大値１３２を特定することによって、破砕領域１０４を自動的に検出するように構成することができる。例えば、放射率が上昇して閾値を超えた場合に、コントローラ４６が破砕を検出する。

一部の実施例において、コントローラ４６は、過剰温度（例えば、温度曲線１２０が閾値を超えた場合）を認識し、オペレータにその状態を警告するように且つ／又はタービンエンジン１０を自動的に停止するように構成される。例えば、タービンブレード５６の冷却穴が閉塞した場合、ブレードの温度が上昇することがある。コントローラ４６を、このような状態を認識するように構成することによって、タービンブレードが過剰に摩耗する可能性を大幅に低減又は排除することができる。コントローラ４６は、温度計算時に放射率の変動を考慮するように構成されているので、コントローラは、温度変動と放射率変動とを識別できる。例えば、グラフ１１４及び１２４に示すように、放射率は破砕領域１０４を示すものの、温度が所望の許容値未満を維持していることがある。その場合、コントローラ４６は、検出された破砕をオペレータに通知する一方で、タービン１８の動作を継続してもよい。これとは逆に、固定波長領域内の放射線を測定するように構成された高温測定システムは、破砕したタービンブレード５６から高い放射強度を検出し、高温を報告することがある。その場合は、オペレータ又は自動システムが、温度上昇の原因を究明するために、タービンエンジンを不必要に停止する可能性がある。図示の高温測定システム３６では、マルチチャネル法を採用し、温度及び放射率を計算しているので、このように不正確な温度測定を大幅に削減又は排除し、タービンエンジン１０の供給力を向上させることができる。

以上、一次元ＬＯＳ１０２について記述したが、マルチスペクトル高温測定システム３６を、ブレードが周方向５２に回転する際に各タービンブレード５６の二次元画像を捕捉するように構成してもよいことを理解されたい。例えば、一部の実施例では、視野がブレード５６の表面を横断していることによって、マルチスペクトル高温測定システム３６で複数の二次元画像を捕捉できる。上述のＬＯＳ１０２と同様に、波長分割装置４２で各二次元画像を複数の狭波長帯域画像に分割することによって、二次元温度マップ及び／又は二次元放射率マップの測定が容易になる。

図４は、タービン部品の二次元温度マップを測定し、且つ／又はタービン部品の表面上の破砕の領域を測定するように構成されたコントローラを有する、マルチスペクトル高温測定システム３６の実施例の模式図である。図示のように、波長分割装置４２は、視野１３４がブレードを包含するように、タービンブレード５６に向けて配向されている。図３を参照して上述した実施例と同様に、波長分割装置４２は、タービンブレード５６の広波長帯域放射線信号（例えば、画像）を複数の狭波長帯域画像に（例えば、一連のダイクロイックミラーを用いて）分割するように構成されている。検出器４４は、狭波長帯域画像を受信し、各狭波長帯域画像の二次元強度マップを示す信号を出力するように構成されている。また、コントローラ４６は、信号を受信して、この信号に基づいてタービン部品の二次元温度及び／又は放射率マップを測定するように構成されている。

図示の実施例では、コントローラ４６が、タービンブレード５６の二次元温度マップを出力するように構成されている。図３を参照して上述した一次元温度測定と同様に、二次元温度マップ１３６を含む温度は、単一の波長高温計で測定された温度よりも正確なことがある。具体的には、複数の狭波長帯域画像の強度を測定することで、コントローラで放射率の変動を考慮し、より正確な二次元温度マップを提供できる。二次元温度マップによって、タービン部品全体の熱勾配を測定することで、オペレータ又は自動システムで、部品内の熱的応力を測定できるようになる。高温測定システム３６は、部品温度が上昇して閾値を超えた場合に、オペレータに警告を行うように、且つ／又はタービンエンジン１０を自動的に停止するように、構成される。

更に、コントローラ４６を、タービンブレード５６の二次元放射率マップ１３８を出力するように構成できる。上述のように、タービンブレード基材の放射率が、ＴＢＣコーティングの放射率よりも高いことがある。結果的に、ブレード５６上の破砕領域は、放射率が高い領域として検出可能であろう。例えば、二次元放射率マップ１３８に示すように、高放射率領域１４０は、ブレード５６の破砕領域１０４にほぼ対応している。一部の実施例では、コントローラ４６は、二次元放射率マップ１３８に基づいて、破砕領域を測定するように構成される。この領域が閾値を超えた場合、コントローラ４６は、オペレータに通知を行い、且つ／又はタービンエンジン１０を自動的に停止し、ＴＢＣコーティングの損失に関わる過剰な摩耗の可能性を大幅に低減又は排除する。

図５は、タービン部品の表面上の破砕を検出する方法１４２のフローチャートである。まず、ブロック１４４で示すように、広波長帯域放射線信号が、タービン部品から受信される。次に、ブロック１４６で示すように、広波長帯域放射線信号が複数の狭波長帯域放射線信号に分割される。例えば、広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に変換するにあたり、複数のダイクロイックミラーを利用した波長分割装置を採用してもよい。タービン部品の放射率はその後、ブロック１４８で示すように、狭波長帯域放射線信号に基づいて測定される。例えば、コントローラで、マルチチャネルアルゴリズムを利用して、タービン部品の見掛けの有効放射率を計算できる。次に、ブロック１５０で示すように、放射率に基づいて、タービン部品表面上の破砕が検出される。上述のように、基材の放射率がＴＢＣの放射率よりも高いことがある。結果的に、破砕領域が、局所的に高い放射率を有するブレードの領域として認識される。

一部の実施例において、マルチスペクトル高温測定システムが、タービン部品の二次元強度マップを捕捉するように構成される。このような実施例において、タービン部品表面上の破砕領域は、ブロック１５２で示すように、放射率に基づいて測定される。領域が閾値を超えた場合、オペレータにその状態を通知し、且つ／又はタービンエンジン１０を自動的に停止し、ＴＢＣコーティングの損失に関わる過剰な摩耗の可能性を大幅に低減又は排除できる。最後に、ブロック１５４で示すように、タービン部品の温度が、狭波長帯域放射線信号に基づいて測定される。マルチスペクトル高温測定システムは、温度計算時に放射率の変動を考慮に入れるので、温度測定は実質的に、単一の波長高温計によって測定される温度よりも正確である。これに加えて、一部の実施例では、タービン部品の二次元強度マップを生成するように構成することによって、部品内の熱的応力の測定を容易にできる。

本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示しているが、これによって当業者は、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びにこれに付随する任意の方法の実施を含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は請求項に記載されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。

１０ガスタービンシステム
１２燃料噴射器
１４供給燃料
１６燃焼器
１８タービン
１９シャフト
２０排気口
２２圧縮機
２４吸気口
２６負荷
３０空気
３２圧縮空気
３４燃料−空気混合物
３６マルチスペクトル高温測定システム
３８光接続部
４０覗き穴
４２波長分割装置
４４検出器
４６コントローラ
４８排ガス
５０軸方向
５２周方向
５４第１段ベーン
５６第１段ブレード
５８タービンロータ
６０第２段ベーン
６２第２段ブレード
６４端壁
６６半径方向
６８プラットフォーム
７０シャンク
７２エンジェルウィング
７４タービンシュラウド
７６第１光接続部
７８第２光接続部
７９第３光接続部
８０広波長帯域放射線信号
８２光コリメータ
８４平行ビーム
８６第１ダイクロイックミラー
８８第２ダイクロイックミラー
９０第３ダイクロイックミラー
９２反射コーティング
９４狭波長帯域放射線信号
９６放射線
９８光学素子
１００レンズ
１０２見通し線
１０４破砕
１０６第１信号
１０８第２信号
１１０第３信号
１１２温度
１１４グラフ
１１６ｘ軸
１１８ｙ軸
１２０曲線
１２２放射率
１２４グラフ
１２６ｘ軸
１２８ｙ軸
１３０曲線
１３２極大値
１３４視野
１３６二次元温度マップ
１３８二次元放射率マップ
１４０高放射率領域
１４２方法フローチャート
１４４タービン部品から広波長帯域放射線信号を受信する
１４６広波長帯域放射線信号を複数の狭波長帯域放射線信号に分割する
１４８狭波長帯域放射線信号に基づいてタービン部品の放射率を測定する
１５０放射率に基づいてタービン部品表面上の破砕を検出する
１５２放射率に基づいてタービン部品表面上の破砕領域を測定する
１５４狭波長帯域放射線信号に基づいてタービン部品の温度を測定する

Claims

タービン部品（５６）から広波長帯域放射線信号（８０）を受信し、前記広波長帯域放射線信号（８０）を複数の狭波長帯域放射線信号（９４）に分割し、前記複数の狭波長帯域放射線信号（９４）に基づいて前記タービン部品（５６）の放射率（１２２）を測定し、前記放射率（１２２）に基づいて前記タービン部品（５６）の表面上の破砕（１０４）を検出するように構成された、マルチスペクトル高温測定システム（３６）を備える、システム（１０）。
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、前記複数の狭波長帯域放射線信号（９４）に基づいて前記タービン部品（５６）の温度（１１２）を測定するように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、前記複数の狭波長帯域放射線信号（９４）に基づいて前記タービン部品（５６）の二次元温度マップ（１３６）を測定するように構成されている、請求項２に記載のシステム（１０）。
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、前記広波長帯域放射線信号（８０）を少なくとも３つの狭波長帯域放射線信号（９４）に分割するように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
第１狭波長帯域放射線信号（９４）が約１０００から１１００ｎｍの波長領域を有し、第２狭波長帯域放射線信号（９４）が約１２００から１３００ｎｍの波長領域を有し、第３狭波長帯域放射線信号（９４）が約１５５０から１６５０ｎｍの波長領域を有する、請求項４に記載のシステム（１０）。
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、前記広波長帯域放射線信号（８０）を前記複数の狭波長帯域放射線信号（９４）に分割するように構成された波長分割装置（４２）を備え、
前記波長分割装置（４２）が、複数のダイクロイックミラー（８６、８８、９０）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、前記複数の狭波長帯域放射線信号（９４）に基づいて前記タービン部品（５６）の二次元放射率マップ（１３８）を測定するように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、前記放射率（１２２）に基づいて前記タービン部品（５６）の表面上の破砕（１０４）の領域を測定するように構成されている、請求項７に記載のシステム（１０）。
タービン（１８）であって、前記タービン部品（５６）及び該タービン（１８）内に通じる覗き穴（４０）を備えたタービン（１８）を含み、
前記マルチスペクトル高温測定システム（３６）が、光ファイバーケーブル又は光学画像システムを介して前記覗き穴（４０）と光学的に結合されるように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記タービン部品（５６）が、ブレード（５６、６２）、ベーン（５４、６０）、端壁（６４）、プラットフォーム（６８）、エンジェルウィング（７２）、又はシュラウド（７４）を備える、請求項１に記載のシステム（１０）。