JP2013148367A - Smart radiation thermometry system for real-time gas turbine control and prediction - Google Patents

Smart radiation thermometry system for real-time gas turbine control and prediction Download PDF

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グァンファ・ワン
Nirm Velumylum Nirmalan
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Estevadeodal Jordi
ジョルディ・エステヴァデオーダル
Patrick Harper Sean
ショーン・パトリック・ハーパー
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PROBLEM TO BE SOLVED: To perform real-time gas turbine control and prediction in a smart radiation thermometry system.SOLUTION: A smart radiation thermometry system including a turbine component 18 is provided. The smart radiation thermometry system includes an optical imaging sub-system configured to receive a continuous broad wavelength band radiation signal emitted by the turbine component 18. The thermometry system also includes a wavelength splitting sub-system which is in optical communication with the optical transmission sub-system, receives the continuous broad wavelength band radiation signal, and splits the radiation signal into multiple sub-wavelength band signals. The thermometry system further includes at least one detector array 42 which is in optical communication with the wavelength-splitting sub-system, receives the multiple sub-wavelength band signals, and outputs respective analog voltage signals for the respective signals.

Description

本発明は、一般にスマート放射温度測定システムに関し、より詳細には、リアルタイムガスタービン制御および予測のための多波長放射温度測定システムに関する。   The present invention relates generally to smart radiation temperature measurement systems, and more particularly to a multi-wavelength radiation temperature measurement system for real-time gas turbine control and prediction.

タービンの動作温度を上昇させることによってガスタービンの効率を増加できることはよく知られている。動作温度の上昇は、ガスタービンの信頼性、可用性、および放射に悪影響を及ぼす。動作温度が上昇すると、特定のエンジン部品、特にタービンブレードおよびノズルなどの高温(HGP)部品の熱的限界を超えることがあり、その結果、耐用年数が減少し、または材料破壊すら発生する。さらに、部品の熱膨張および収縮も、クリアランスおよび他の部品との嵌合関係(interfitting relationship)に影響を及ぼす。したがって、適切な期間、タービン部品が最高定格温度を超えないことを保証するために、ガスタービンの動作中にタービン部品の温度を監視することが望ましい。たとえば、HGP部品の温度情報をガスタービン制御装置で使用して、燃料流量、静翼角、およびノズル面積などを変更することによって最高運転温度(maximum working temperature)を調整するようにアクチュエータを適合させることができる。さらに、測定温度および傾向を使用して、高価なガスタービン部品の残存寿命を予想し、関連するリスクを見積もることができる。   It is well known that the efficiency of a gas turbine can be increased by raising the operating temperature of the turbine. An increase in operating temperature adversely affects gas turbine reliability, availability, and radiation. Increasing operating temperatures can exceed the thermal limits of certain engine components, particularly high temperature (HGP) components such as turbine blades and nozzles, resulting in reduced service life or even material failure. In addition, the thermal expansion and contraction of the parts also affects the clearance and interfitting relations with other parts. Therefore, it is desirable to monitor the temperature of the turbine component during operation of the gas turbine to ensure that the turbine component does not exceed the maximum rated temperature for an appropriate period of time. For example, HGP component temperature information is used in a gas turbine controller to adapt the actuator to adjust the maximum working temperature by changing fuel flow, vane angle, nozzle area, etc. be able to. In addition, measured temperatures and trends can be used to predict the remaining life of expensive gas turbine components and estimate the associated risks.

タービンHGP部品の温度を監視する一般的な手法は、タービンを出るガスの温度を間接的に測定し、これをブレードの温度の指標として使用することである。タービン出口温度は、排気流に熱電対などの1つまたは複数の温度センサを設置することによって測定することができる。ブレードの温度は間接的に測定されるので、比較的不正確である。したがって、広い安全域を維持する必要があるので、最適温度を利用することはできない。   A common approach to monitoring the temperature of turbine HGP components is to indirectly measure the temperature of the gas exiting the turbine and use this as an indicator of blade temperature. Turbine outlet temperature can be measured by installing one or more temperature sensors, such as thermocouples, in the exhaust stream. Since the blade temperature is measured indirectly, it is relatively inaccurate. Therefore, since it is necessary to maintain a wide safety range, the optimum temperature cannot be used.

HGP部品の間接的な温度測定の欠点はよく知られており、HGP部品の温度を直接的に測定するための手法が提案されている。ある直接測定手法では、エンジンケーシングの外部にあり、ケーシング壁に形成された覗き窓を通してタービンブレードに焦点を合わせた視野を有する1つの検出波長域放射高温計を使用する。したがって、加熱されたタービンHGP部品によって放射される放射が高温計に当たり、次に高温計が、HGP部品の温度を表す電気信号を生成する。しかし、覗き窓は、エンジンの動作中に、覗き窓を曇らせ温度読み取りに悪影響を及ぼしがちな高温排気ガスにさらされる。さらに、燃料比を変化させる熱検査システムの時間応答ならびに温度および放射率を算出する処理時間には、大きな改善が必要である。   The disadvantages of indirect temperature measurement of HGP parts are well known and techniques for directly measuring the temperature of HGP parts have been proposed. One direct measurement approach uses a single detection wavelength range radiation pyrometer that is external to the engine casing and has a field of view focused on the turbine blades through a viewing window formed in the casing wall. Thus, the radiation emitted by the heated turbine HGP component strikes the pyrometer, which in turn generates an electrical signal representative of the temperature of the HGP component. However, the viewing window is exposed to hot exhaust gases that tend to cloud the viewing window and adversely affect temperature readings during engine operation. Furthermore, significant improvements are needed in the time response of the thermal inspection system that changes the fuel ratio and the processing time for calculating temperature and emissivity.

米国特許第7690840号明細書US Pat. No. 7,690,840

したがって、前述の問題の1つまたは複数に対処する改良型のスマートリアルタイム放射温度測定システムを有することが望ましい。   Accordingly, it would be desirable to have an improved smart real-time radiation temperature measurement system that addresses one or more of the aforementioned problems.

本発明の一実施形態によれば、タービンHGP部品を含むスマート放射温度測定システムが提供される。このスマート放射温度測定システムは、HGP部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムを含む。この温度測定システムは、光伝送システムと光通信する波長分割サブシステムであって、連続広波長域放射信号を受け取り、この放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムも含む。この温度測定システムは、波長分割サブシステムと光通信する少なくとも1つの検出器アレイであって、複数のサブ波長域信号を受け取り、この信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力する少なくとも1つの検出器アレイをさらに含む。この温度測定システムは、少なくとも1つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも1つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器(ADC)であって、それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力する少なくとも1つのADCをさらに含む。この温度測定システムは、少なくとも1つの高速多チャネルADCに電気的に結合された少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムも含む。このスマートリアルタイム処理サブシステムは、少なくとも1つの高速多チャネルADCからのデジタル電圧信号を使用して、反射補正および多波長アルゴリズムに基づいて、タービンHGP部品の温度および放射率を算出する。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、内蔵通信ユニットを使用して所定の期間内に温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを送る。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、最適かつ安全な動作を確保するために、データに基づいて、緊急警報信号を出力し、ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する。   According to one embodiment of the present invention, a smart radiation temperature measurement system is provided that includes a turbine HGP component. The smart radiation thermometry system includes an optical imaging subsystem that is configured to receive a continuous wide wavelength radiation signal emitted by an HGP component. The temperature measurement system also includes a wavelength division subsystem that is in optical communication with the optical transmission system and that receives a continuous wide wavelength band radiation signal and divides the radiation signal into a plurality of sub wavelength band signals. The temperature measurement system is at least one detector array in optical communication with a wavelength division subsystem, receiving at least one sub-wavelength signal and outputting a respective analog voltage signal for each of the signals. Further comprising a vessel array. The temperature measurement system is at least one high-speed multi-channel analog-to-digital converter (ADC) electrically coupled to at least one detector array, digitizing each analog voltage signal and converting the digital voltage signal to It further includes at least one ADC to output. The temperature measurement system also includes at least one smart real-time processing subsystem that is electrically coupled to the at least one high-speed multi-channel ADC. This smart real-time processing subsystem uses the digital voltage signal from at least one high-speed multi-channel ADC to calculate the temperature and emissivity of the turbine HGP component based on reflection correction and a multi-wavelength algorithm. The at least one smart real-time processing subsystem also sends data indicative of temperature, emissivity, and other parameters within a predetermined time period using the built-in communication unit. The at least one smart real-time processing subsystem also outputs an emergency alert signal and directs one or more actuators coupled to the gas turbine based on the data to ensure optimal and safe operation. Or via the control device.

本発明の別の実施形態によれば、タービンHGP部品の熱測定のための方法が提供される。この方法は、光学的イメージングサブシステムを介して、タービンHGP部品によって放射された連続広波長域放射信号を受け取るステップを含む。この方法はまた、波長分割サブシステムを介して、放射信号を受け取り、タービン部品の連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割するステップを含む。この方法は、少なくとも1つの検出器アレイを介して、複数の波長域信号を受け取り、サブ波長域信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するステップも含む。この方法は、少なくとも1つの高速多チャネルADCを介して、それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力するステップをさらに含む。この方法は、デジタル信号を使用して、少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムを介して、複数の処理ステップを実施するステップも含む。これらのステップは、デジタル電圧信号を点検して補償するステップと、参照用テーブルにより放射輝度温度(radiance temperature)を算出するステップと、この放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいてタービン部品の温度および放射率を計算するステップと、所定の期間内に温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを内蔵通信ユニットに送るステップとを含む。これらのステップは、タービンの最適かつ安全な動作を確保するために、データに基づいて、緊急警報信号を出力し、ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御するステップも含む。   According to another embodiment of the present invention, a method for thermal measurement of a turbine HGP component is provided. The method includes receiving a continuous wide wavelength radiation signal emitted by a turbine HGP component via an optical imaging subsystem. The method also includes receiving the radiation signal via a wavelength division subsystem and dividing the continuous wide wavelength radiation signal of the turbine component into a plurality of sub-wavelength signals. The method also includes receiving a plurality of wavelength band signals via at least one detector array and outputting a respective analog voltage signal for each of the sub-wavelength signals. The method further includes digitizing each analog voltage signal and outputting a digital voltage signal via at least one high-speed multi-channel ADC. The method also includes performing a plurality of processing steps using at least one smart real-time processing subsystem using the digital signal. These steps include checking and compensating the digital voltage signal, calculating a radiance temperature from a look-up table, a turbine based on this radiance temperature, reflection correction, and a multi-wavelength algorithm. Calculating the temperature and emissivity of the component and sending data indicative of temperature, emissivity, and other parameters to the internal communication unit within a predetermined period of time. These steps are based on the data to output an emergency alert signal to directly or one or more actuators coupled to the gas turbine to ensure optimal and safe operation of the turbine. Via the control step.

本発明の別の実施形態によれば、タービンHGP部品のための温度測定処理システムが提供される。この温度測定処理システムは、少なくとも1つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムを含む。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムは、部品から複数のサブ波長域信号のそれぞれを表すデジタル電圧信号を受け取る。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムは、デジタル電圧信号を点検して補償し、参照用テーブルにより放射輝度温度を算出する。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいてタービン部品の温度および放射率を計算する。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、所定の期間内に温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを制御装置に送る。この少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、タービンの最適かつ安全な動作を確保するために、データに基づいて、緊急警報信号を出力し、ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する。   According to another embodiment of the present invention, a temperature measurement processing system for a turbine HGP component is provided. The temperature measurement processing system includes at least one smart real-time processing subsystem that is electrically coupled to at least one detector array. The at least one smart real-time processing subsystem receives a digital voltage signal representing each of the plurality of sub-wavelength signals from the component. The at least one smart real-time processing subsystem inspects and compensates for the digital voltage signal and calculates the radiance temperature from a look-up table. The at least one smart real-time processing subsystem also calculates the temperature and emissivity of the turbine component based on radiance temperature, reflection correction, and a multi-wavelength algorithm. The at least one smart real-time processing subsystem also sends data indicative of temperature, emissivity, and other parameters to the controller within a predetermined time period. The at least one smart real-time processing subsystem also outputs an emergency alert signal based on the data and includes one or more actuators coupled to the gas turbine to ensure optimal and safe operation of the turbine. Control directly or via a controller.

本発明の上記および他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、さらによく理解されるであろう。全図面を通して類似の参照番号は類似の部分を表す。   The above and other features, aspects and advantages of the present invention will be better understood by reading the following detailed description with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals represent like parts throughout the drawings.

本発明の一実施形態によるスマートリアルタイム処理サブシステムを含むタービンシステムの概略図である。1 is a schematic diagram of a turbine system including a smart real-time processing subsystem according to an embodiment of the present invention. FIG. 図1のガスタービンシステム内のスマートリアルタイム放射温度測定システムの簡略化したブロック図表示(block diagram representation)である。2 is a simplified block diagram representation of a smart real-time radiation temperature measurement system within the gas turbine system of FIG. 図1および2のスマートリアルタイム処理サブシステムの内部で行われるソフトウェアによるデータ処理のブロック図表示である。FIG. 3 is a block diagram representation of software data processing performed within the smart real-time processing subsystem of FIGS. 1 and 2. 図1および2のスマートリアルタイム処理サブシステムの出力データのさらなる伝送のブロック図表示である。FIG. 3 is a block diagram representation of further transmission of output data of the smart real-time processing subsystem of FIGS. 1 and 2. 図1および2のスマートリアルタイム処理サブシステム内部のハードウェアのブロック図表示である。FIG. 3 is a block diagram representation of hardware within the smart real-time processing subsystem of FIGS. 1 and 2. 本発明の一実施形態により許容できる動作波長を決定するために波長の関数として分光放射率をシミュレーションしたグラフ図である。FIG. 6 is a graphical diagram simulating spectral emissivity as a function of wavelength to determine an acceptable operating wavelength according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態により、リアルタイム処理サブシステムが、独立した制御装置として機能する例示的な実施形態のブロック図表示である。6 is a block diagram representation of an exemplary embodiment in which a real-time processing subsystem functions as an independent controller, according to one embodiment of the present invention. リアルタイム処理サブシステムが警報信号を生成する別の例示的な実施形態のブロック図表示である。FIG. 6 is a block diagram representation of another exemplary embodiment in which the real-time processing subsystem generates an alarm signal. リアルタイム処理サブシステムが図1のタービン制御装置に信号を送信するさらに別の例示的な実施形態のブロック図表示である。FIG. 6 is a block diagram representation of yet another exemplary embodiment in which a real-time processing subsystem sends signals to the turbine controller of FIG. 本発明の一実施形態によるリアルタイム制御および予測のためのタービンHGP部品の放射温度測定のための例示的な方法の各ステップを表す流れ図である。2 is a flow chart representing steps of an exemplary method for measuring radiation temperature of a turbine HGP component for real-time control and prediction according to an embodiment of the present invention.

以下で詳細に説明するように、本発明の実施形態は、物体の熱検査のためのシステムおよび方法を含む。本明細書では、「物体」という用語は、ブレードおよびノズルのようなタービンHGP部品を指すが、これらに限定されない。このシステムは、所定の、たとえば約10マイクロ秒未満の時間応答によるリアルタイムガスタービン制御および予測を提供するスマート放射温度測定システムを含み、これにより、たとえばガスタービンシステム内の燃焼器への燃料噴射の調整が可能になる。本明細書で開示される実施形態はガスタービンシステムに関して説明されるが、このようなスマートリアルタイム処理サブシステムは、種々の類似した適用例で用いられ得ることは理解されるであろう。さらに、本明細書では1つのスマートリアルタイム処理サブシステムを示すが、任意の数のこのようなスマート処理サブシステムを用いることができる。   As described in detail below, embodiments of the present invention include systems and methods for thermal inspection of objects. As used herein, the term “object” refers to, but is not limited to, turbine HGP components such as blades and nozzles. The system includes a smart radiation temperature measurement system that provides real-time gas turbine control and prediction with a predetermined, eg, less than about 10 microsecond time response, for example, for fuel injection into a combustor within the gas turbine system. Adjustment is possible. Although the embodiments disclosed herein are described with respect to a gas turbine system, it will be understood that such a smart real-time processing subsystem may be used in a variety of similar applications. Furthermore, although one smart real-time processing subsystem is shown herein, any number of such smart processing subsystems can be used.

次に図面を参照すると、図1は、スマートリアルタイム処理サブシステムを含むタービンシステム10の概略図である。このスマートリアルタイム処理サブシステムは、タービン部品たとえば圧縮機22のブレードの温度および放射率を見積もり、安全な動作を確保するために、タービンシステム10に結合された1つまたは複数のアクチュエータ11をリアルタイムで制御するように構成される。タービンシステム10は、燃料噴射器12と、燃料供給14と、燃焼器16とを含む。図示のように、燃料供給14は、天然ガスなどの液体燃料および/または気体燃料をガスタービンシステム10に送り、燃料噴射器12を通って燃焼器16に至る。燃料噴射器12は、燃料を噴射して圧縮空気と混合するように構成される。燃焼器16は、燃料−空気混合物に点火して燃焼させ、次に高温の加圧排気ガスをタービン18に通す。理解されるように、タービン18は、固定静翼またはブレードを有する1つまたは複数のステータと、ステータに対して回転するブレードを有する1つまたは複数のロータとを含む。排気ガスはタービンロータブレードを通過し、それによってタービンロータを回転駆動する。タービンロータとシャフト19が結合することによって、シャフト19が回転する。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の全体にわたっていくつかの部品に結合される。最後に、燃焼処理の排気は、排気出口20を介してガスタービンシステム10を出ることができる。   Referring now to the drawings, FIG. 1 is a schematic diagram of a turbine system 10 that includes a smart real-time processing subsystem. This smart real-time processing subsystem estimates the temperature and emissivity of turbine components, such as the blades of the compressor 22, and in real time moves one or more actuators 11 coupled to the turbine system 10 to ensure safe operation. Configured to control. The turbine system 10 includes a fuel injector 12, a fuel supply 14, and a combustor 16. As shown, the fuel supply 14 delivers liquid and / or gaseous fuel, such as natural gas, to the gas turbine system 10 and through the fuel injector 12 to the combustor 16. The fuel injector 12 is configured to inject fuel and mix it with compressed air. The combustor 16 ignites and burns the fuel-air mixture and then passes hot pressurized exhaust gas through the turbine 18. As will be appreciated, the turbine 18 includes one or more stators having stationary vanes or blades and one or more rotors having blades that rotate relative to the stator. The exhaust gas passes through the turbine rotor blades, thereby driving the turbine rotor in rotation. When the turbine rotor and the shaft 19 are coupled, the shaft 19 rotates. The shaft 19 is also coupled to several parts throughout the gas turbine system 10 as shown. Finally, the combustion process exhaust can exit the gas turbine system 10 via the exhaust outlet 20.

圧縮機22は、ロータに堅固に取り付けられたブレードを含み、ロータはシャフト19によって回転駆動される。空気が回転中のブレードを通過すると、空気圧が増加し、それによって燃焼器16に、適切な燃焼に十分な空気を提供する。圧縮機22は、空気取り入れ口24を介してガスタービンシステム10に空気を取り入れることができる。さらに、シャフト19は、負荷26に結合されてもよく、負荷26は、シャフト19の回転によって動力を供給されることができる。理解されるように、負荷26は、パワープラント(power generation plant)または外部の機械的負荷など、ガスタービンシステム10の回転出力のパワーを使用できる任意の適切なデバイスであってよい。たとえば、負荷26としては、発電機、航空機のプロペラなどがあり得る。空気取り入れ口24は、冷気取り入れ口などの適切な機構を介して空気30をガスタービンシステム10に吸い込む。空気30は、次に、圧縮機22のブレードの中を流れ、圧縮機22は燃焼器16に圧縮空気32を提供する。具体的には、燃料噴射器12は、燃焼器16に圧縮空気32および燃料14を燃料−空気混合物34として噴射することができる。あるいは、圧縮空気32および燃料14は、混合および燃焼のために燃焼器に直接噴射することができる。   The compressor 22 includes blades rigidly attached to the rotor, and the rotor is driven to rotate by the shaft 19. As air passes through the rotating blades, the air pressure increases, thereby providing the combustor 16 with sufficient air for proper combustion. The compressor 22 can take air into the gas turbine system 10 via the air intake 24. Further, the shaft 19 may be coupled to a load 26 that can be powered by rotation of the shaft 19. As will be appreciated, the load 26 may be any suitable device that can use the power of the rotational output of the gas turbine system 10 such as a power generation plant or an external mechanical load. For example, the load 26 may be a generator, an aircraft propeller, or the like. The air intake 24 draws air 30 into the gas turbine system 10 via a suitable mechanism such as a cold air intake. Air 30 then flows through the blades of compressor 22, which provides compressed air 32 to combustor 16. Specifically, the fuel injector 12 can inject compressed air 32 and fuel 14 into the combustor 16 as a fuel-air mixture 34. Alternatively, compressed air 32 and fuel 14 can be injected directly into the combustor for mixing and combustion.

図示のように、タービンシステム10は、タービン18に光学的に結合された光学的イメージングサブシステム36を含む。図示の実施形態では、光学的イメージングシステム36は、タービン18へのビューイングポート(viewing port)39と波長分割サブシステム40の間に延びる光学的接続(optical connection)38(たとえば、光学ボアスコープ、光ファイバケーブル、光導波路など)を含む。以下で詳細に説明するように、波長分割サブシステム40は、タービンHGP部品から連続広波長域放射信号を受け取り、広波長域イメージを複数のサブ波長域信号41に分割するように構成される。波長分割サブシステム40に光学的に結合された少なくとも1つの検出器アレイ42は、サブ波長信号のそれぞれを受け取り、それぞれのアナログ電圧信号43を出力するように構成される。図示の実施形態では、検出器アレイ42は、アナログ信号43をデジタル化してデジタル信号45を出力する少なくとも1つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器(ADC)44に電気的に結合される。少なくとも1つの高速多チャネルADC44に電気的に結合されたスマートリアルタイム処理サブシステム46は、デジタル信号45を受け取る。スマートリアルタイム処理サブシステム46は、デジタル電圧信号45を点検して補償し、参照用テーブルにより放射輝度温度を算出する。この放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて、タービン部品22の温度および放射率が計算される。所定の期間、たとえば特定の実施形態では約10マイクロ秒未満内に温度および放射率および他の複数のパラメータを示すデータ53が制御装置に送られる。一実施形態では、複数のパラメータとしては、信号/センサの調子(health)、信号の信頼レベル、信号選択指数、重み係数、温度傾向のログファイル、温度の統計情報などがある。データがタービンシステム10の安全動作限界を超えた場合、スマートリアルタイム処理サブシステム46内部の通信ユニット(図示せず)が緊急警報を出力する。別の実施形態では、スマートリアルタイム処理サブシステム46は、タービンシステム10に結合された1つまたは複数のアクチュエータ11をデータ53に基づいて直接的にまたは制御装置54を介して制御する。たとえば、アクチュエータ11は、燃焼器16に噴射されている燃料を、計算された温度に基づいて調整することができる。別の実施形態では、アクチュエータは、圧縮機22への空気の流れを、計算されたデータ53に基づいて調整することができる。   As shown, the turbine system 10 includes an optical imaging subsystem 36 that is optically coupled to the turbine 18. In the illustrated embodiment, the optical imaging system 36 includes an optical connection 38 (eg, an optical borescope, extending between a viewing port 39 to the turbine 18 and a wavelength division subsystem 40. Optical fiber cable, optical waveguide, etc.). As will be described in detail below, the wavelength division subsystem 40 is configured to receive a continuous wide wavelength range radiation signal from the turbine HGP component and to divide the wide wavelength range image into a plurality of sub wavelength range signals 41. At least one detector array 42 optically coupled to the wavelength division subsystem 40 is configured to receive each of the sub-wavelength signals and output a respective analog voltage signal 43. In the illustrated embodiment, the detector array 42 is electrically coupled to at least one high-speed multi-channel analog-to-digital converter (ADC) 44 that digitizes the analog signal 43 and outputs a digital signal 45. A smart real-time processing subsystem 46 electrically coupled to at least one high speed multi-channel ADC 44 receives the digital signal 45. The smart real-time processing subsystem 46 inspects and compensates for the digital voltage signal 45 and calculates the radiance temperature using a look-up table. Based on this radiance temperature, reflection correction, and multi-wavelength algorithm, the temperature and emissivity of the turbine component 22 are calculated. Data 53 indicative of temperature and emissivity and other parameters is sent to the controller within a predetermined period of time, for example, less than about 10 microseconds in certain embodiments. In one embodiment, the plurality of parameters include signal / sensor health, signal confidence level, signal selection index, weighting factor, temperature trend log file, temperature statistics, and the like. If the data exceeds the safe operating limits of the turbine system 10, a communication unit (not shown) within the smart real-time processing subsystem 46 outputs an emergency alert. In another embodiment, the smart real-time processing subsystem 46 controls one or more actuators 11 coupled to the turbine system 10 either directly or via the controller 54 based on the data 53. For example, the actuator 11 can adjust the fuel injected into the combustor 16 based on the calculated temperature. In another embodiment, the actuator can adjust the air flow to the compressor 22 based on the calculated data 53.

図2は、図1に類似した、ガスタービンシステム内のスマートリアルタイム放射温度測定システム60の簡略化したブロック図表示である。光学システム36(図1)は、光学的イメージングサブシステム62と光伝送サブシステム64とをさらに含み、これらは波長分割サブシステム40(図1)に連続広波長域放射信号68を送る。光学的イメージングサブシステム62は、ガスタービンHGP部品たとえばタービンブレード66により放射された放射65を受け取り、光伝送サブシステム64に放射65を送る。   FIG. 2 is a simplified block diagram representation of a smart real-time radiation temperature measurement system 60 in a gas turbine system similar to FIG. The optical system 36 (FIG. 1) further includes an optical imaging subsystem 62 and an optical transmission subsystem 64 that send a continuous wide wavelength radiation signal 68 to the wavelength division subsystem 40 (FIG. 1). Optical imaging subsystem 62 receives radiation 65 emitted by gas turbine HGP components, such as turbine blades 66, and sends radiation 65 to optical transmission subsystem 64.

光伝送サブシステム64は、波長分割サブシステム40に連続広波長域放射信号68を送り、波長分割サブシステム40は、一連のレンズ、プリズム、鏡、および光ファイバを含むことができる。波長分割サブシステム40は、連続広波長域放射信号68を複数のサブ波長域信号72に分割するために、一連のレンズ、プリズム、鏡、分光計、および/または他の反射式光学部品および/または屈折式光学部品を含むことができる。理解されるように、複数のサブ波長域信号72はそれぞれ、連続広波長域放射信号68と実質的に同様のスペクトル成分(たとえば、波長の範囲)を含む。さらに、各信号72の解像度および視野は、連続広波長域信号68と実質的に同様である。ただし、各信号72の強度は、波長分割サブシステム40によって生成される信号72の数に反比例し得ることを理解されたい。たとえば、図示の実施形態の波長分割サブシステム40は4つのサブ波長域信号72を生成するので、各信号72の強度は、連続広波長域信号68の強度の約25%となり得る。代替実施形態では、これより多いかまたは少ないサブ波長域信号(たとえば、2、3、4、5、6、7、8、またはこれ以上)を生成することができるが、サブ波長域信号の最大数は、複数のサブ波長域信号72を受け取る検出器アレイ92の感度によって制限され得ることを理解されたい。   The optical transmission subsystem 64 sends a continuous wide wavelength radiation signal 68 to the wavelength division subsystem 40, which can include a series of lenses, prisms, mirrors, and optical fibers. The wavelength division subsystem 40 includes a series of lenses, prisms, mirrors, spectrometers, and / or other reflective optical components and / or to divide the continuous wide wavelength radiation signal 68 into a plurality of sub-wavelength signals 72. Alternatively, refractive optical components can be included. As will be appreciated, each of the plurality of sub-wavelength signals 72 includes spectral components (eg, a range of wavelengths) that are substantially similar to the continuous wide-wavelength radiation signal 68. Further, the resolution and field of view of each signal 72 is substantially similar to the continuous wide wavelength region signal 68. However, it should be understood that the intensity of each signal 72 may be inversely proportional to the number of signals 72 generated by the wavelength division subsystem 40. For example, the wavelength division subsystem 40 of the illustrated embodiment generates four sub-wavelength signals 72 so that the intensity of each signal 72 can be approximately 25% of the intensity of the continuous wide-wavelength signal 68. In alternative embodiments, more or fewer sub-wavelength signals (eg, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, or more) can be generated, but the maximum of sub-wavelength signals It should be understood that the number can be limited by the sensitivity of the detector array 92 that receives multiple sub-wavelength signals 72.

検出器アレイ92は、少なくとも1つの高速多チャネルADC98にそれぞれのアナログ電圧信号96を出力し、高速多チャネルADC98は、信号96をデジタル化してデジタル信号99に出力する。keyphasorまたは外部トリガユニット97も、高速多チャネルADC98に入力することができる。keyphasorおよび外部トリガユニット97は、少なくとも1つの高速多チャネルADCを共通時間基準(common time reference)と同期させるために使用することができる。keyphasorおよび外部トリガユニット97はまた、特にタービンブレードのような部品を回転させるために特定のHGP部品を位相ロックするために使用することができる。デジタル信号99は、スマートリアルタイム処理サブシステム102(図1の46に類似)に入力される。図1で説明したように、スマートリアルタイム処理サブシステム102は、デジタル信号99を処理してタービンHGP部品66の温度および放射率を出力する。データ104は、部品のパラメータをさらに調整し、したがって安全動作限界内でのガスタービン110の最適動作を確保するアクチュエータ108を直接的にまたは制御装置106を介して間接的に制御するために、スマートリアルタイム処理サブシステム102内部の内蔵通信ユニット(図示せず)によって送られる。   The detector array 92 outputs a respective analog voltage signal 96 to at least one high-speed multi-channel ADC 98, and the high-speed multi-channel ADC 98 digitizes the signal 96 and outputs it as a digital signal 99. A keyphasor or external trigger unit 97 can also be input to the high speed multi-channel ADC 98. The keyphasor and external trigger unit 97 can be used to synchronize at least one high speed multi-channel ADC with a common time reference. The keyphaser and external trigger unit 97 can also be used to phase lock certain HGP components, particularly for rotating components such as turbine blades. Digital signal 99 is input to smart real-time processing subsystem 102 (similar to 46 in FIG. 1). As described in FIG. 1, the smart real-time processing subsystem 102 processes the digital signal 99 and outputs the temperature and emissivity of the turbine HGP component 66. Data 104 is smart for further adjusting component parameters and thus controlling actuator 108 directly or indirectly through controller 106 to ensure optimal operation of gas turbine 110 within safe operating limits. Sent by a built-in communication unit (not shown) within the real-time processing subsystem 102.

本発明の実施形態は、本発明の処理作業を実施するためのいかなる特定の処理装置にも限定されないことに留意されたい。本明細書で使用する「処理サブシステム」という用語は、本発明の作業を実施するために必要な計算または算出を実施可能な任意の機械を意味するものである。「処理サブシステム」という用語は、構造化された入力を受け入れ、その入力を既定のルールに従って処理し、出力を生成することが可能な任意の機械を意味するものである。当業者には理解されるように、本明細書で使用する「ように構成された」という語句は、処理装置が、本発明の作業を実施するためのハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせを装備することを意味することにも留意されたい。   It should be noted that embodiments of the present invention are not limited to any particular processing apparatus for performing the processing operations of the present invention. As used herein, the term “processing subsystem” is intended to mean any machine capable of performing the calculations or calculations necessary to perform the operations of the present invention. The term “processing subsystem” is intended to mean any machine that can accept structured input, process the input according to predefined rules, and generate output. As will be appreciated by those skilled in the art, the phrase “configured to” as used herein means that the processing unit is equipped with a combination of hardware and software for performing the operations of the present invention. Also note that it means.

図3は、スマートリアルタイム処理サブシステム102(図2)の内部で行われるソフトウェアによるデータ処理のブロック図表示である。少なくとも1つの高速多チャネルADC(98)(図2)からの未処理のデジタル信号データ112はリアルタイム処理サブシステム102に供給され、データの精度を向上させるために種々の標準的な前処理技術にかけられる。特定の流れでは、データのリアルタイム処理を確実にするために種々の補正モデルが実施される。未処理の信号112は、暗信号またはバックグラウンド信号を補正するバックグラウンド補正モジュール116に入力される。バックグラウンド補正されたデータ118は不均一補正または利得補正モジュール120に入力され、不均一補正または利得補正されたデータ122はさらに不良信号置換モジュール124に入力される。不良信号置換モジュール124からのデータ出力126は較正モジュール132に入力され、ここで、放射輝度温度136を決定するために、スマートリアルタイム処理サブシステムに格納された参照用テーブル「電圧」対「温度」により較正が実施される。放射輝度温度を示すデータ136は、反射補正モジュール142からの補正係数と共に組み込み型多波長アルゴリズム138に入力される。光学的イメージングシステム(62、64、図2)によって収集された、対象となる部品(66、図2)からの放射は、2つの部分、すなわちブレードから放射された放射、およびシュラウド、ノズルなどであるがこれらに限定されない隣接部品から反射された放射を含むことができる。したがって、収集された放射から反射される成分(component)を排除するために、反射補正が実施される。反射補正されたデータ146は、多波長アルゴリズム138を介してさらに処理され、部品の未処理の温度および放射率データ152を出力する。処理速度を上げるために、アルゴリズムを並列処理モードで実施する必要があることがある。   FIG. 3 is a block diagram representation of software data processing performed within the smart real-time processing subsystem 102 (FIG. 2). Raw digital signal data 112 from at least one high-speed multi-channel ADC (98) (FIG. 2) is fed to the real-time processing subsystem 102 and subjected to various standard pre-processing techniques to improve the accuracy of the data. It is done. In a particular flow, various correction models are implemented to ensure real-time processing of the data. The unprocessed signal 112 is input to a background correction module 116 that corrects the dark or background signal. The background-corrected data 118 is input to the non-uniformity correction or gain correction module 120, and the non-uniformity correction or gain correction data 122 is further input to the defective signal replacement module 124. The data output 126 from the bad signal replacement module 124 is input to the calibration module 132 where a reference table “Voltage” vs. “Temperature” stored in the smart real-time processing subsystem to determine the radiance temperature 136. Calibration is performed by Data 136 indicating the radiance temperature is input to the embedded multi-wavelength algorithm 138 along with the correction coefficient from the reflection correction module 142. Radiation from the component of interest (66, FIG. 2) collected by the optical imaging system (62, 64, FIG. 2) is emitted in two parts: the radiation emitted from the blade, and the shroud, nozzle, etc. It may include radiation reflected from adjacent components, including but not limited to. Thus, reflection correction is performed to eliminate components that are reflected from the collected radiation. The reflection corrected data 146 is further processed via a multi-wavelength algorithm 138 to output the raw temperature and emissivity data 152 of the part. To increase processing speed, it may be necessary to run the algorithm in a parallel processing mode.

さらに、未処理の温度および放射率データ152は、スマート信号処理アルゴリズム156に入力される。スマート信号処理アルゴリズム156は、低レベル処理158と、高レベル処理162と、信号調節(signal conditioning)164と、統計情報および傾向変動分析166と、制御関数168とを含む。低レベル処理158は、少なくとも1つの高速多チャネルADC174の調子を取得および評価するが、高レベル処理162は、ノイズまたは対象でない信号の除去178(たとえば、火炎または粒子信号(flame or particle signals)の拒否)を保証し、信号を比較し、信号をブレンドまたは破棄し、信号に関する品質指数を算出し、不良な検出器および不良なADCなどのようなシステムの調子を示すステータスフラグを算出する。同様に、信号調節164は、熱影響のフィルタ処理および補償182を実施する。フィルタ処理関数は、制御装置またはアクチュエータの性能と一致するように種々のデータ転送速度でフィルタ処理された信号を出力することができる。統計情報および傾向変動分析166は、各部品に対するログ傾向186を出力する。制御関数モジュール168は、ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御するための制御パラメータを出力する。   In addition, raw temperature and emissivity data 152 is input to a smart signal processing algorithm 156. Smart signal processing algorithm 156 includes low level processing 158, high level processing 162, signal conditioning 164, statistical and trend analysis 166, and control function 168. Low level processing 158 obtains and evaluates the tone of at least one high speed multi-channel ADC 174, while high level processing 162 removes noise or undesired signal 178 (eg, flame or particle signals). Reject), compare signals, blend or discard signals, calculate a quality index for the signal, and calculate status flags that indicate the health of the system, such as bad detectors and bad ADCs. Similarly, signal conditioning 164 implements thermal effect filtering and compensation 182. The filtering function can output a filtered signal at various data rates to match the performance of the controller or actuator. The statistical information and trend analysis 166 outputs a log trend 186 for each part. The control function module 168 outputs control parameters for controlling one or more actuators coupled to the gas turbine, either directly or via a controller.

図4は、スマートリアルタイム処理サブシステム102(図2)の出力データ202のさらなる伝送のブロック図表示である。データ202は、スマートリアルタイム処理サブシステム102内部の内蔵通信ユニット52に供給される。通信ユニット52は、3つのインタフェースを含む。1つはデジタルデータインタフェースである。1つはアナログデータインタフェースで、データはさらに制御装置106(図2)または1つもしくは複数のアクチュエータ108(図2)に送られる。もう1つは制御インタフェースで、メモリ内のデータを読み取り、書き込み、更新することができる。較正データまたは組み込みソフトウェアは更新可能であり、傾向ファイルのログデータは制御インタフェースを介してダウンロードすることができる。さらに、デジタルデータインタフェースとしては、Firewire(IEEE1394)、イーサネット(商標)、ギガビットイーサネット(商標)、USB、RS232、およびカメラリンクなどがあるが、これらに限定されない。アナログデータインタフェースは、制御装置またはアクチュエータが必要とする電圧、電流、周波数の範囲のデータを出力することができる。制御インタフェースとしては、Firewire(IEEE1394)、イーサネット(商標)、ギガビットイーサネット(商標)、USB、RS232、およびカメラリンクなどがあるが、これらに限定されない。   FIG. 4 is a block diagram representation of further transmission of output data 202 of smart real-time processing subsystem 102 (FIG. 2). Data 202 is supplied to a built-in communication unit 52 within the smart real-time processing subsystem 102. The communication unit 52 includes three interfaces. One is a digital data interface. One is an analog data interface and the data is further sent to the controller 106 (FIG. 2) or one or more actuators 108 (FIG. 2). The other is a control interface that can read, write, and update data in memory. Calibration data or embedded software can be updated, and trend file log data can be downloaded via the control interface. Further, digital data interfaces include, but are not limited to, Firewire (IEEE 1394), Ethernet (trademark), Gigabit Ethernet (trademark), USB, RS232, and camera link. The analog data interface can output data in the voltage, current, and frequency ranges required by the controller or actuator. Examples of the control interface include, but are not limited to, Firewire (IEEE 1394), Ethernet (trademark), Gigabit Ethernet (trademark), USB, RS232, and camera link.

図5は、スマートリアルタイム処理サブシステム102(図2)または46(図1)の内部のハードウェアのブロック図表示である。少なくとも1つの高速ADC98(図2)からの出力99は、入出力(I/O)インタフェース106を介してスマートリアルタイム処理サブシステム102に入力される。I/Oインタフェース106に電気的に結合されたフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)ユニット212が組み込まれる。さらに、デジタル信号処理(DSP)ユニット214は、FPGAユニット212から入力信号216を受け取り、メモリ224にデータを格納する。通信ユニット228は、データ232をFPGA212、DSP214、およびメモリ224と交換し、信号232(図1)を出力する。組み込み型データ処理アルゴリズムは、FPGAユニット212またはDSPユニット214で実施される。リアルタイムデータ処理速度を上げるために、アルゴリズムはFPGAユニット212またはDSPユニット214において並列モードで実施される。較正データはメモリ224に格納される。低レベル処理158、高レベル処理162、信号調節164、統計情報および傾向変動分析166、ならびに制御関数168の結果もメモリに格納される。通信ユニット228は、メモリ224にアクセスし、ガスタービン制御装置106(図2)に、またはアクチュエータに直接的に、必要なデジタルまたはアナログのデータを出力することができる。   FIG. 5 is a block diagram representation of the hardware inside the smart real-time processing subsystem 102 (FIG. 2) or 46 (FIG. 1). Output 99 from at least one high speed ADC 98 (FIG. 2) is input to the smart real-time processing subsystem 102 via an input / output (I / O) interface 106. A field programmable gate array (FPGA) unit 212 is incorporated that is electrically coupled to the I / O interface 106. Further, the digital signal processing (DSP) unit 214 receives the input signal 216 from the FPGA unit 212 and stores the data in the memory 224. The communication unit 228 exchanges the data 232 with the FPGA 212, the DSP 214, and the memory 224, and outputs a signal 232 (FIG. 1). The embedded data processing algorithm is implemented in the FPGA unit 212 or the DSP unit 214. To increase real-time data processing speed, the algorithm is implemented in parallel mode in the FPGA unit 212 or DSP unit 214. Calibration data is stored in memory 224. The results of low level processing 158, high level processing 162, signal conditioning 164, statistical information and trend analysis 166, and control function 168 are also stored in memory. The communication unit 228 can access the memory 224 and output the necessary digital or analog data to the gas turbine controller 106 (FIG. 2) or directly to the actuator.

図6は、波長の関数として分光放射率をシミュレーションしたグラフ図250である。X軸252は波長をミクロン単位で表し、Y軸254は、正規化された、したがって無次元の、分光放射率を表す。動作中、タービンブレードなどであるがこれに限定されない物体により放射される放射は、H2OとCO2などの他の混合ガスの放射による吸収によって最小にでき、したがって信号対雑音比の測定値が低くなる。グラフ250は許容できる動作波長域を示す。ここで、このような混合ガスの放射は最小であり、したがって、信号対雑音比の高い測定値が得られる確率は最大になる。本明細書で示すように、曲線256は、H2OとCO2の混合物の放射率を波長の関数として表す。同様に、曲線262は物体の実際の放射を表し、曲線264は高温ガスの放射を表す。したがって、許容できる動作波長域(H2OおよびCO2の放射はごくわずかである)は、符号266が付されている、0.5〜1.1μm、1.2〜1.3μm、1.5〜1.7μm、2.0〜2.4μm、および3.5〜4.2μmであることが推定され得る。 FIG. 6 is a graph 250 simulating spectral emissivity as a function of wavelength. The X axis 252 represents the wavelength in microns, and the Y axis 254 represents the normalized, and thus dimensionless, spectral emissivity. In operation, radiation emitted by objects such as but not limited to turbine blades can be minimized by absorption by radiation of other gas mixtures such as H 2 O and CO 2 , and thus a measurement of the signal to noise ratio. Becomes lower. Graph 250 shows an acceptable operating wavelength range. Here, the emission of such a gas mixture is minimal, and therefore the probability of obtaining a measurement with a high signal-to-noise ratio is maximized. As shown herein, curve 256 represents the emissivity of a mixture of H 2 O and CO 2 as a function of wavelength. Similarly, curve 262 represents the actual radiation of the object and curve 264 represents the hot gas radiation. Therefore, the acceptable operating wavelength range (H 2 O and CO 2 emissions are negligible) is labeled 0.5-1.1 μm, 1.2-1.3 μm, 1. It can be estimated to be 5-1.7 μm, 2.0-2.4 μm, and 3.5-4.2 μm.

図7〜9は、スマートリアルタイム処理サブシステム102の機能の例示的な代替実施形態のブロック図表示である。たとえば、図7は、リアルタイム処理サブシステム102(図2)が制御装置106(図2)を介さずにアクチュエータ108(図2)を直接的に調整する一実施形態を示す。言い換えれば、リアルタイム処理サブシステムは、独立した制御装置として機能する。具体的には、検出器アレイ92からの信号96(図2)は、リアルタイム処理サブシステム102によって処理される。しかし、リアルタイム処理サブシステム102は、制御装置106に出力信号104(図2)を送る代わりに、アクチュエータ108(図2)を直接的に調整する。   7-9 are block diagram representations of an exemplary alternative embodiment of the functionality of the smart real-time processing subsystem 102. For example, FIG. 7 illustrates one embodiment where the real-time processing subsystem 102 (FIG. 2) directly adjusts the actuator 108 (FIG. 2) without the controller 106 (FIG. 2). In other words, the real-time processing subsystem functions as an independent control device. Specifically, signal 96 (FIG. 2) from detector array 92 is processed by real-time processing subsystem 102. However, instead of sending the output signal 104 (FIG. 2) to the controller 106, the real-time processing subsystem 102 directly adjusts the actuator 108 (FIG. 2).

図8は、リアルタイム処理サブシステム102の追加機能のブロック図表示である。温度/放射率の値が動作の所定の限界を超えた場合に、リアルタイム処理サブシステム102は、出力信号104(図2)に基づいて警報信号(複数可)282を生成する。さらに、生成された警報信号に基づいてエンジンを停止することができる。したがって、リアルタイム処理サブシステムは、非常用装置として機能することができる。   FIG. 8 is a block diagram representation of additional functions of the real-time processing subsystem 102. The real-time processing subsystem 102 generates an alarm signal (s) 282 based on the output signal 104 (FIG. 2) when the temperature / emissivity value exceeds a predetermined limit of operation. Furthermore, the engine can be stopped based on the generated alarm signal. Thus, the real-time processing subsystem can function as an emergency device.

図9は、リアルタイム処理サブシステム102が制御装置106(図2)に出力信号104を送り、制御装置106がさらにアクチュエータ108を制御する例示的な実施形態のブロック図表示である。特定の実施形態では、制御装置106は、全般デジタルエンジン制御装置(FADEC)である。このような一実施形態では、制御装置は、出力信号104に基づいて、さらなる操作に関する決定を行う。言い換えれば、リアルタイム処理サブシステム102は、既存の制御装置のスマートセンサとして機能することができる。一実施形態では、keyphasorまたは外部トリガ97(図2)もスマートリアルタイム処理サブシステム102に適用することができる。keyphasorまたは外部トリガ97は、少なくとも1つの高速多チャネルADCをガスタービンの周辺基準(circumferential reference)と同期させ、ガスタービンの特定の部品を識別するために使用することができる。この機能は、物体がガスタービンブレードのような動きの速い物体である場合に特に重要である。keyphasorまたは外部トリガ97はまた、スマートリアルタイム放射温度測定システムを他の機器と同期させるために使用することができる。   FIG. 9 is a block diagram representation of an exemplary embodiment in which the real-time processing subsystem 102 sends an output signal 104 to the controller 106 (FIG. 2), which further controls the actuator 108. In certain embodiments, the controller 106 is a general digital engine controller (FADEC). In one such embodiment, the controller makes a decision regarding further operations based on the output signal 104. In other words, the real-time processing subsystem 102 can function as a smart sensor of an existing control device. In one embodiment, a keyphasor or external trigger 97 (FIG. 2) can also be applied to the smart real-time processing subsystem 102. A keyphasor or external trigger 97 can be used to synchronize at least one high-speed multi-channel ADC with the gas turbine's ambient reference and identify specific parts of the gas turbine. This function is particularly important when the object is a fast moving object such as a gas turbine blade. A keyphasor or external trigger 97 can also be used to synchronize the smart real-time radiation thermometry system with other equipment.

図10は、タービン部品の熱測定のための例示的な方法の各ステップを表す流れ図である。この方法は、ステップ302において、光学的イメージングサブシステムを介して、タービン部品によって放射された連続広波長域放射信号を受け取るステップを含む。ステップ304において、この放射信号を送り、波長分割サブシステムを介して複数のサブ波長域信号に分割する。ステップ306において、複数のサブ波長域信号を少なくとも1つの検出器アレイによって受け取り、それぞれのアナログ電圧信号を出力する。ステップ308において、このそれぞれの電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力する。ステップ312において、このデジタル信号をスマートリアルタイム処理サブシステムにより受け取り、デジタル電圧信号を点検して補償するステップを含む複数のステップで処理する。ステップ314において、参照用テーブルにより放射輝度温度を算出する。ステップ316では、この放射輝度温度、反射補正、および多波長信号に基づいてタービン部品の温度および放射率を計算する。ステップ318では、所定の期間、たとえば約10マイクロ秒未満内に温度、放射率および他の複数のパラメータを示すデータが通信ユニットに送られる。一実施形態では、ステップ322において、安全限界内で動作するために、緊急警報信号を出力してタービンシステムを停止する。別の実施形態では、タービンの安全な動作を確保するために、受け取ったデータに基づいて1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは間接的に(制御装置を介して)制御する。   FIG. 10 is a flow diagram representing the steps of an exemplary method for thermal measurement of turbine components. The method includes receiving, at step 302, a continuous wide wavelength radiation signal emitted by a turbine component via an optical imaging subsystem. In step 304, this radiation signal is sent and split into a plurality of sub-wavelength region signals through the wavelength division subsystem. In step 306, the plurality of sub-wavelength signals are received by the at least one detector array and respective analog voltage signals are output. In step 308, the respective voltage signals are digitized and a digital voltage signal is output. In step 312, the digital signal is received by the smart real-time processing subsystem and processed in multiple steps including checking and compensating the digital voltage signal. In step 314, the radiance temperature is calculated from the reference table. In step 316, the temperature and emissivity of the turbine component is calculated based on the radiance temperature, reflection correction, and multiwavelength signal. In step 318, data indicative of temperature, emissivity and other parameters is sent to the communication unit within a predetermined period of time, for example, less than about 10 microseconds. In one embodiment, at step 322, an emergency alert signal is output to shut down the turbine system in order to operate within safety limits. In another embodiment, one or more actuators are controlled directly or indirectly (via a controller) based on the received data to ensure safe operation of the turbine.

したがって、上述のスマート温度測定システムの種々の実施形態は、タービンブレードなどであるがこれに限定されない物体の温度のリアルタイム測定のための簡便で効率的な手段を実現する方法を提供する。この技術は、システムの時間応答を著しく改善し、いくつかのパラメータのうち特に燃料噴射の望ましい調整を可能にする。さらに、システムは、温度および放射率の情報をどのように使用するかに応じて、独立した制御装置、非常用装置、および既存の制御システムのスマートセンサとして実施することができる。リアルタイム性能を多波長情報と組み合わせることによって、さらに、制御システムの冗長性、より高い温度精度、光学システムの汚染に対する耐性、および誤った低温または高温の物体温度を拒否するより高い信頼性をもたらす。この技術はまた、設計が単純で小型であることにより費用効率の高い手段を可能にする。この技術はまた、現在の制御ハードウェアおよびソフトウェアを修正しなくても既存のガスタービンシステムで容易に実施することができる。   Accordingly, the various embodiments of the smart temperature measurement system described above provide a way to implement a simple and efficient means for real-time measurement of the temperature of an object, such as but not limited to a turbine blade. This technique significantly improves the time response of the system and allows desirable adjustment of fuel injection, among other parameters. Furthermore, the system can be implemented as an independent controller, an emergency device, and a smart sensor of an existing control system, depending on how the temperature and emissivity information is used. Combining real-time performance with multi-wavelength information further provides control system redundancy, higher temperature accuracy, resistance to optical system contamination, and higher reliability that rejects false cold or hot object temperatures. This technology also allows a cost-effective means due to its simple design and small size. This technique can also be easily implemented in existing gas turbine systems without modification of current control hardware and software.

必ずしも上述のすべてのこのような目的または利点がいずれかの特定の実施形態により達成されるわけではないことを理解されたい。したがって、たとえば、本明細書で教示する1つの利点または利点のグループを達成または最適化する方法で、本明細書で教示または示唆される他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で説明するシステムおよび技術を実施または実行できることが当業者には了解されよう。   It should be understood that not necessarily all such objects or advantages described above may be achieved by any particular embodiment. Thus, for example, in a manner that achieves or optimizes one advantage or group of advantages taught herein, without necessarily achieving the other objects or advantages taught or suggested herein. Those skilled in the art will appreciate that the systems and techniques described in can be implemented or implemented.

さらに、異なる実施形態の種々の特徴が交換可能であることが当業者には理解されよう。同様に、説明する種々の特徴ならびに各特徴の周知の他の等価物は当業者により混合および適合され、本開示の原理に従って追加のシステムおよび技術を構築することができる。   Further, those skilled in the art will appreciate that various features of different embodiments can be interchanged. Similarly, the various features described, as well as other known equivalents of each feature, can be mixed and adapted by those skilled in the art, and additional systems and techniques can be constructed in accordance with the principles of the present disclosure.

本発明を限られた数の実施形態に関して詳細に説明したが、本発明はこのような開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明を修正し、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に相応する任意の数の変形、改変、置き換え、または等価な構成を組み入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態のいくつかのみを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると見なすべきである。   Although the invention has been described in detail with respect to a limited number of embodiments, it will be readily understood that the invention is not limited to such disclosed embodiments. Rather, the invention can be modified to incorporate any number of variations, alterations, substitutions or equivalent arrangements not heretofore described, but which are commensurate with the spirit and scope of the invention. Moreover, while various embodiments of the invention have been described, it is to be understood that aspects of the invention can include only some of the described embodiments. Accordingly, the invention should not be limited by the foregoing description, but only by the scope of the appended claims.

新規かつ米国の特許証により保証されることが望まれるものを、添付の特許請求の範囲において述べる。   What is desired to be guaranteed by a new and US patent is set forth in the appended claims.

10 ガスタービンシステム
11 アクチュエータ
12 燃料噴射器
14 燃料供給、燃料
16 燃焼器
18 タービン
19 シャフト
20 排気出口
22 圧縮機、タービン部品
24 空気取り入れ口
26 負荷
30 空気
32 圧縮空気
34 燃料−空気混合物
36 光学的イメージングサブシステム、光学的イメージングシステム、光学システム
38 光学的接続
39 ビューイングポート
40 波長分割サブシステム
41 サブ波長域信号
42 検出器アレイ
43 アナログ電圧信号
44 高速多チャネルアナログ−デジタル変換器(ADC)
45 デジタル電圧信号
46 スマートリアルタイム処理サブシステム
52 内蔵通信ユニット
53 データ
54 制御装置
60 スマートリアルタイム放射温度測定システム
62 光学的イメージングサブシステム
64 光伝送サブシステム
65 放射
66 タービンHGP部品、タービンブレード
68 連続広波長域放射信号
72 サブ波長域信号
92 検出器アレイ
96 アナログ電圧信号
97 keyphasorまたは外部トリガユニット
98 高速多チャネルADC
99 デジタル信号、出力
102 スマートリアルタイム処理サブシステム
104 出力信号、データ
106 ガスタービン制御装置、I/Oインタフェース
108 アクチュエータ
110 ガスタービン
112 未処理のデジタル信号データ、未処理の信号
116 バックグラウンド補正モジュール
118 バックグラウンド補正されたデータ
120 不均一補正または利得補正モジュール
122 不均一補正または利得補正されたデータ
124 不良信号置換モジュール
126 データ出力
132 較正モジュール
136 放射輝度温度、データ
138 多波長アルゴリズム
142 反射補正モジュール
146 反射補正されたデータ
152 未処理の温度および放射率データ
156 スマート信号処理アルゴリズム
158 低レベル処理
162 高レベル処理
164 信号調節
166 統計情報および傾向変動分析
168 制御関数、制御関数モジュール
174 高速多チャネルADC
178 ノイズまたは対象でない信号の除去
182 フィルタ処理および補償
186 ログ傾向
202 出力データ
212 フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)ユニット
214 デジタル信号処理(DSP)ユニット
216 入力信号
224 メモリ
228 通信ユニット
232 データ、信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas turbine system 11 Actuator 12 Fuel injector 14 Fuel supply, fuel 16 Combustor 18 Turbine 19 Shaft 20 Exhaust outlet 22 Compressor, turbine component 24 Air intake 26 Load 30 Air 32 Compressed air 34 Fuel-air mixture 36 Optical Imaging Subsystem, Optical Imaging System, Optical System 38 Optical Connection 39 Viewing Port 40 Wavelength Division Subsystem 41 Sub Wavelength Signal 42 Detector Array 43 Analog Voltage Signal 44 High Speed Multi-Channel Analog to Digital Converter (ADC)
45 Digital voltage signal 46 Smart real-time processing subsystem 52 Built-in communication unit 53 Data 54 Controller 60 Smart real-time radiation temperature measurement system 62 Optical imaging subsystem 64 Optical transmission subsystem 65 Radiation 66 Turbine HGP components, turbine blades 68 Continuous wide wavelength Radiation signal 72 Sub-wavelength signal 92 Detector array 96 Analog voltage signal 97 keyphasor or external trigger unit 98 High-speed multi-channel ADC
99 Digital signal, output 102 Smart real-time processing subsystem 104 Output signal, data 106 Gas turbine controller, I / O interface 108 Actuator 110 Gas turbine 112 Raw digital signal data, raw signal 116 Background correction module 118 Back Ground corrected data 120 Non-uniform correction or gain correction module 122 Non-uniform correction or gain corrected data 124 Bad signal replacement module 126 Data output 132 Calibration module 136 Radiant temperature, data 138 Multi-wavelength algorithm 142 Reflection correction module 146 Reflection Corrected data 152 Raw temperature and emissivity data 156 Smart signal processing algorithm 158 Low level processing 162 High level Processing 164 Signal conditioning 166 Statistical information and trend analysis 168 Control functions, control function module 174 High-speed multi-channel ADC
178 Noise or non-target signal removal 182 Filtering and compensation 186 Log trend 202 Output data 212 Field programmable gate array (FPGA) unit 214 Digital signal processing (DSP) unit 216 Input signal 224 Memory 228 Communication unit 232 Data, signal

Claims (11)

スマートリアルタイム放射温度測定システムであって、
タービン部品と、
前記部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムと、
前記光伝送サブシステムと光通信する波長分割サブシステムであって、前記連続広波長域放射信号を送り、前記放射信号を複数のサブ波長域信号に分割するように構成された波長分割サブシステムと、
前記波長分割サブシステムと光通信する少なくとも1つの検出器アレイであって、前記複数のサブ波長域信号を受け取り、前記信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するように構成された少なくとも1つの検出器アレイと、
前記少なくとも1つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも1つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器(ADC)であって、前記それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力するように構成されたADCと、
前記少なくとも1つの高速多チャネルADCに電気的に結合された少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムであって、
前記デジタル電圧信号を点検して補償し、
参照用テーブルにより放射輝度温度を算出し、
前記放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて前記タービン部品の温度および放射率を計算し、
所定の期間内に前記温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを出力し、
前記タービンの安全な動作を確保するために、前記データに基づいて、緊急警報信号を出力し、前記ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する
ように構成された少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムと
を備える、スマートリアルタイム放射温度測定システム。
A smart real-time radiation temperature measurement system,
Turbine components,
An optical imaging subsystem configured to receive a continuous wide wavelength radiation signal emitted by the component;
A wavelength division subsystem in optical communication with the optical transmission subsystem, the wavelength division subsystem configured to send the continuous wide wavelength band radiation signal and to divide the radiation signal into a plurality of sub wavelength band signals; ,
At least one detector array in optical communication with the wavelength division subsystem, the at least one detector configured to receive the plurality of sub-wavelength signals and to output a respective analog voltage signal for each of the signals A detector array;
At least one high-speed multi-channel analog-to-digital converter (ADC) electrically coupled to the at least one detector array for digitizing the respective analog voltage signals and outputting digital voltage signals; A configured ADC;
At least one smart real-time processing subsystem electrically coupled to the at least one high-speed multi-channel ADC;
Check and compensate the digital voltage signal;
Calculate the radiance temperature using the reference table,
Calculating the temperature and emissivity of the turbine component based on the radiance temperature, reflection correction, and multi-wavelength algorithm;
Outputting data indicating the temperature, emissivity, and other parameters within a predetermined period of time;
Based on the data, an emergency warning signal is output to control one or more actuators coupled to the gas turbine, either directly or via a controller, to ensure safe operation of the turbine. And a smart real-time radiation temperature measurement system comprising: at least one smart real-time processing subsystem configured as described above.
前記部品の前記温度が所定の限界を超えた場合に、前記少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムが前記警報信号を送る、請求項1記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the at least one smart real-time processing subsystem sends the alarm signal when the temperature of the part exceeds a predetermined limit. 前記光学システムが、
前記ガスタービン部品から前記連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムと、
前記光学的イメージングサブシステムから前記連続広波長域放射信号を送るように構成された光伝送サブシステムと、
前記タービン部品の前記連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムと
を備える、請求項1記載のシステム。
The optical system comprises:
An optical imaging subsystem configured to receive the continuous wide wavelength radiation signal from the gas turbine component;
An optical transmission subsystem configured to send the continuous wide wavelength radiation signal from the optical imaging subsystem;
The system of claim 1, comprising: a wavelength division subsystem that divides the continuous wide wavelength range radiation signal of the turbine component into a plurality of sub wavelength range signals.
前記所定の期間が約10マイクロ秒未満である、請求項1記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the predetermined period is less than about 10 microseconds. タービン部品の熱測定のための方法であって、
光学的イメージングサブシステムを介して、前記タービン部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るステップと、
光伝送サブシステムを介して前記放射信号を受け取るステップと、
波長分割サブシステムを介して前記タービン部品の前記連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割するステップと、
少なくとも1つの検出器アレイを介して、前記複数の波長域信号を受け取り、前記サブ波長域信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するステップと、
前記少なくとも1つの高速多チャネルADCを介して、前記それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力するステップと、
前記デジタル信号を受け取る少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムを介して複数の処理ステップを実施するステップとを含み、
前記複数の処理ステップが、
前記デジタル電圧信号を点検して補償するステップと、
参照用テーブルにより放射輝度温度を算出するステップと、
前記放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて前記タービン部品の温度および放射率を計算するステップと、
所定の期間内に前記温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを出力するステップと、
前記タービンの安全な動作を確保するために、前記データに基づいて、緊急警報信号を出力し、前記ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御するステップと
を含む、方法。
A method for thermal measurement of turbine parts, comprising:
Receiving a continuous wide wavelength radiation signal emitted by the turbine component via an optical imaging subsystem;
Receiving the radiation signal via an optical transmission subsystem;
Dividing the continuous wide wavelength band radiation signal of the turbine component into a plurality of sub wavelength band signals via a wavelength division subsystem;
Receiving the plurality of wavelength band signals via at least one detector array and outputting a respective analog voltage signal for each of the sub-wavelength signals;
Digitizing each respective analog voltage signal via the at least one high-speed multi-channel ADC and outputting a digital voltage signal;
Performing a plurality of processing steps via at least one smart real-time processing subsystem that receives the digital signal;
The plurality of processing steps include:
Inspecting and compensating the digital voltage signal;
Calculating a radiance temperature from a reference table;
Calculating the temperature and emissivity of the turbine component based on the radiance temperature, reflection correction, and a multi-wavelength algorithm;
Outputting data indicative of the temperature, emissivity, and other parameters within a predetermined period of time;
Based on the data, an emergency warning signal is output to control one or more actuators coupled to the gas turbine, either directly or via a controller, to ensure safe operation of the turbine. A method comprising steps and.
前記温度が所定の限界を超えた場合に前記緊急警報信号を送るステップをさらに含む、請求項5記載の方法。 The method of claim 5, further comprising sending the emergency alert signal when the temperature exceeds a predetermined limit. データを出力する前記ステップが、約10マイクロ秒未満でデータを出力するステップを含む、請求項5記載の方法。 The method of claim 5, wherein the step of outputting data comprises outputting data in less than about 10 microseconds. タービン部品のための温度測定処理システムであって、
前記少なくとも1つの高速多チャネルADCを介して少なくとも1つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも1つのスマートリアルタイム処理サブシステムであって、
前記部品から複数のサブ波長域信号のそれぞれを表すデジタル電圧信号を受け取り、
前記デジタル電圧信号を点検して補償し、
参照用テーブルにより放射輝度温度を算出し、
前記放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて前記タービン部品の温度および放射率を計算し、
所定の期間内に前記温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを出力し、
前記タービンの安全な動作を確保するために、前記データに基づいて、緊急警報信号を出力し、前記ガスタービンに結合された1つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する
ように構成されたリアルタイム処理サブシステムを備える、温度測定処理システム。
A temperature measurement processing system for a turbine component, comprising:
At least one smart real-time processing subsystem electrically coupled to at least one detector array via the at least one high-speed multi-channel ADC;
Receiving a digital voltage signal representing each of a plurality of sub-wavelength signals from the component;
Check and compensate the digital voltage signal;
Calculate the radiance temperature using the reference table,
Calculating the temperature and emissivity of the turbine component based on the radiance temperature, reflection correction, and multi-wavelength algorithm;
Outputting data indicating the temperature, emissivity, and other parameters within a predetermined period of time;
Based on the data, an emergency warning signal is output to control one or more actuators coupled to the gas turbine, either directly or via a controller, to ensure safe operation of the turbine. A temperature measurement processing system comprising a real-time processing subsystem configured as described above.
前記温度が所定の限界を超えた場合に、前記少なくとも1つのスマート処理サブシステムが警報信号を送る、請求項8記載の温度測定システム。 The temperature measurement system of claim 8, wherein the at least one smart processing subsystem sends an alarm signal when the temperature exceeds a predetermined limit. 前記所定の期間が約10マイクロ秒未満を含む、請求項8記載の温度測定システム。 The temperature measurement system of claim 8, wherein the predetermined period comprises less than about 10 microseconds. 前記タービン部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムと、
前記光学的イメージングサブシステムから前記波長分割サブシステムに前記連続広波長域放射信号を送るように構成された光伝送サブシステムと、
前記タービン部品の前記連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムと、
前記波長分割サブシステムと光通信する少なくとも1つの検出器アレイであって、前記複数のサブ波長域信号を受け取り、前記信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するように構成された少なくとも1つの検出器アレイと、
前記少なくとも1つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも1つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器(ADC)であって、前記それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、前記スマートリアルタイム処理サブシステムにデジタル電圧信号を出力するように構成されたADCと
をさらに備える、請求項8記載の温度測定システム。
An optical imaging subsystem configured to receive a continuous wide wavelength radiation signal emitted by the turbine component;
An optical transmission subsystem configured to send the continuous wide wavelength radiation signal from the optical imaging subsystem to the wavelength division subsystem;
A wavelength division subsystem that divides the continuous wide wavelength radiation signal of the turbine component into a plurality of sub-wavelength signals;
At least one detector array in optical communication with the wavelength division subsystem, the at least one detector configured to receive the plurality of sub-wavelength signals and to output a respective analog voltage signal for each of the signals A detector array;
At least one high-speed multi-channel analog-to-digital converter (ADC) electrically coupled to the at least one detector array for digitizing the respective analog voltage signals and digitalizing them to the smart real-time processing subsystem; The temperature measurement system of claim 8, further comprising: an ADC configured to output a voltage signal.
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