JP2014009687A - ターボ機械の監視システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】メカノルミネッセンス材料を含むターボ機械構成要素を備えるターボ機械と、このターボ機械構成要素の構造上の健全性を監視するように構成されたターボ機械監視システムとを備えるシステムを提供すること。
【解決手段】一実施形態において、システムは、第１のメカノルミネッセンス材料を含む第１のターボ機械構成要素を有するターボ機械を含む。第１のターボ機械構成要素は、第１のメカノルミネッセンス材料によってメカノルミネッセンスが生じるのに十分な機械的刺激に曝されると、第１の光の放射を生成するように構成されている。システムはまた、第１の光の放射の検知に基づいて、第１の構成要素の構造上の健全性を監視するように構成されたターボ機械監視システムを含む。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械の構造上の健全性を監視するための監視システムに関する。
ターボ機械は一般に、流体とロータの間でエネルギーを伝達するように構成された特定の機械として定義することができ、これは流体を圧縮する（例えば圧縮機などの場合）、あるいはロータに接続された負荷を駆動するのに（例えばタービンエンジンなどの場合）有益であり得る。したがってターボ機械は、いくつかの異なる環境で見つけることができ、これには航空宇宙産業（例えばジェットエンジン）、エネルギー産業（例えば発電所におけるガスタービンエンジン、蒸気および／または水力タービン）および自動車（例えば圧縮機）などが含まれる。
上記に述べたエネルギー伝達を可能にするために、ターボ機械は典型的にはロータと、（これはシャフト、ドラム、ディスクまたはホイールであってもよい）と、ロータに装着されたターボ機械のブレードとを含む。エネルギーが流体からロータに伝達される状況において、流体を加熱および／または加圧することができ、ブレードに対して作用する（例えばその上をあるいはその間を流れる）ことで、ロータを回転させることができる。反対に、流体がロータからエネルギーを受け取る状況では、ロータが回転することで、ブレードを流体に対して作用させることで、流体の運動エネルギー（例えば流量）および／または潜在的エネルギー（例えば圧力）を増大させる。例えばこのようなターボ機械の構成要素は、高温および高圧などの厳しい条件に曝されることが多いため、それらが劣化しやすくなる可能性がある。例えばタービンエンジンのブレードは、それらが高温の燃焼ガスと接触する際、比較的大きな圧力と多量の熱を受ける可能性があり、それらが回転する際、様々な力がそれらにかかる可能性がある。このような状況により変形、ひび割れ、および決定的なブレードの破損が生じる恐れがある。このような劣化により、性能が低下することになり、一部の状況では、修理するためにターボ機械の休止時間が生じることになる。
当初主張されている発明の範囲にふさわしい特定の実施形態が以下に概説されている。このような実施形態は、主張される発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこのような実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することのみを意図するものである。当然のことながら、本発明は、以下に記載される実施形態と同様の場合、あるいは異なる場合の様々な形態を包含することができる。
米国特許出願公開第２０１０／０２８２１１７号公報
一実施形態において、システムは、第１のメカノルミネッセンス材料を含む第１のターボ機械構成要素を有するターボ機械を含む。第１のターボ機械構成要素は、第１のメカノルミネッセンス材料によってメカノルミネッセンスを引き起こすのに十分な機械的刺激に曝されると第１の光の放射を生成するように構成されている。システムはまた、第１の光の放射の検知に基づいて第１の構成要素の構造上の健全性を監視するように構成されたターボ機械監視システムを含む。
別の実施形態において、システムは、ターボ機械に通信可能に結合するように構成されたターボ機械監視システムを含む。ターボ機械監視システムは、メカノルミネッセンス材料を有するターボ機械構成要素からの光の放射を検知するように構成された光検出器と、光検出器に通信可能に結合され、検知された光の放射に関連するパラメータを測定するように構成された制御装置とを含む。制御装置は、測定されたパラメータに基づいてターボ機械の構造上の完全性を監視するように構成されている。
別の一実施形態において、方法は、ターボ機械監視システムを使用してメカノルミネッセンス放射に関してガスタービンエンジンの高温のガス路を監視するステップと、ターボ機械監視システムの光検出器を使用して第１のメカノルミネッセンス放射を検知するステップと、ターボ機械監視システムの制御装置を使用して、第１のメカノルミネッセンス放射が、機械的な故障を示すものか、ガスタービンエンジンの構成要素の初期の機械的な故障を示すものかを判定するステップとを含む。
本発明のこれらならびに他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な記載を添付の図面を参照して読むことでより適切に理解され、図面では、図面全体を通して同様の文字は同様の部品を表している。
本開示の一態様による、ガスタービンシステムと、ガスタービンシステムからのメカノルミネッセンス放射を監視するように構成された監視システムの一実施形態の概略図である。 本開示の一態様による、ターボ機械のブレードを監視するように構成された図１の監視システムの一実施形態の概略図である。 本開示の一態様による、図２のタービンケーシングを形成する複合材料の一実施形態の拡大図である。 本開示の一態様による、図２のターボ機械のブレードを形成する複合材料の一実施形態の拡大図である。 本開示の一態様による、図２の監視システムによって生成された放射スペクトルを表示する図２のディスプレイの一実施形態の概略図である。 本開示の一態様による、ターボ機械からのメカノルミネッセンス放射を監視し、監視された放射に基づいて作動パラメータを制御するための方法の一実施形態を示す方法のフロー図である。
本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を以下に記載する。これらの実施形態の簡潔な記載を提供しようとすることにより、実際の実装形態の全ての機能が、本明細書に記載されていない場合もある。このような実際の実装形態の開発において、何らかの技術的なまたは設計のプロジェクトの場合、例えばシステム関連および商業関連の制約に準拠するなど、この開発者の特定の目的を達成するために多数の実装形態に固有の決定を行う必要があり、これは実装形態によって異なる可能性があることを理解されたい。さらにこのような開発の取り組みは、複雑で時間がかかるものではあるが、それでもやはり、本開示の恩恵を有する当業者にとって、設計、作製および製造を請け負うことは日常的であることを理解されたい。
本発明の種々の実施形態の要素を採用する際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図されている。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は、包括的であることが意図されており、記載される要素以外の他の要素がある可能性があることを意味している。
上記に述べたように、ターボ機械の特定の構成要素、例えばブレード、およびロータなどは、経時的に劣化しやすい可能性がある。これらの構成要素は、しばしば稼働中に閉鎖した環境において作動し、比較的激しい条件の領域に配置される可能性があるため、ターボ機械の少なくとも一部の作動を停止させずにその構造上の健全性を監視することは恐らく難しい。例えばタービンを駆動させるのに高温の燃焼ガスを使用するガスタービンエンジンでは、いくつか名前を挙げると、ターボ機械のブレード、動翼、シュラウド、ノズル、燃焼ライナ、ケーシングおよび排気ダクトなどは全て、閉鎖された環境の中に配置され、比較的高いレベルの熱（例えば１０００°Ｆを超える、すなわちおよそ５３８℃を超える）を受ける可能性がある。このような状況により、ターボ機械構成要素はリアルタイムでなく、規則的な間隔で（例えばターボ機械を周期的に停止させることによる）、または作動状態が異常であることを検知したときに監視される可能性がある。
したがってほぼリアルタイムで、ターボ機械の休止時間を招かないようなやり方で、ターボ機械構成要素の構造上の健全性を監視することが望ましいことが認識される。よって本開示の実施形態は、この構成要素に固有の特性を利用してターボ機械構成要素の構造上の健全性を監視するためのシステムおよび方法を含む。本開示に従って監視されるこのような１つの特性は、種々のターボ機械構成要素のメカノルミネッセンスである。例えば特定のターボ機械構成要素は、圧力（例えばピエゾルミネッセンス）、摩擦（例えばトリボルミネッセンス）、破損（フラクトルミネッセンス）、またはそれらの任意の組合せの結果としてメカノルミネッセンスが可能な１つまたは複数の材料を含むことができる。当然のことながら、本明細書で考察されるように、構成要素のメカノルミネッセンスは、この構成要素、またはこの構成要素が形成されている材料に対して何らかの機械的作用をもたらした結果としてルミネッセンスを示すことが意図されている。一例としてこのような構成要素は、１つの構成要素に組み込まれた肉眼的に異なる２つの材料を有するマトリクス複合材料を含むことができ、一方の材料は、充填材または強化材であり、他方の材料は、主要な相として機能する。このようなマトリクス複合材料は、金属マトリクス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）およびポリマーマトリクス複合材料（ＰＭＣ）を含むことができる。ＣＭＣ材料の１つの非制限的な例は、炭化ケイ素複合材料であり、これは炭化ケイ素アモルファスマトリクスの中に分散した炭化ケイ素セラミック繊維を有する。
本実施形態によると、ターボ機械構成要素のうちの任意の１つ、またはこのようなターボ機械構成要素の組合せの構造上の健全性は、このような構成要素のメカノルミネッセンスによって監視することができる。例えばメカノルミネッセンスターボ機械構成要素によって放射される光の強度、持続時間、波長および／または他のそのようなパラメータは、任意の好適な電磁検知方法によって監視することができ、このような方法にはこれに限定するものではないが、カメラ、高温測定、光ファイバなどが含まれる。当然のことながら、電磁スペクトル（例えば赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線）領域のうちの任意の１つ、またはこのような領域の組合せを検知するのに適した検出器も目下のところ、本システムおよび方法を使用し、これらの範囲内に含まれるように企図されている。したがって本実施形態による１つの構造上の健全性を監視するシステムは、光検出器、例えばフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、シンチレーションパネル（ＰＤＡ）および／またはカメラを含むことができ、これらはメカノルミネッセンス放射に基づいて構成要素の構造上の健全性を監視するように構成されたデータ取得および分析回路を有する制御装置に結合される。システムはまた、光検出器をメカノルミネッセンス構成要素に光学的に結合するように構成された機能、例えば１つまたは複数の光ファイバケーブル（すなわち光ファイバ導波管）を含む場合もある。
いくつかの実施形態において、構造上の健全性を監視するシステムは、２つ以上の材料のメカノルミネッセンスを監視するように構成されてもよい。例えばターボ機械は、異なるメカノルミネッセンス材料からそれぞれ形成された異なる構成要素を含み、各々の異なるメカノルミネッセンス材料が、別個の光放射（例えば放射された光の波長）を有する場合がある。このような構成では、構造上の健全性を監視するシステムは、各々の構成要素の構造上の健全性を判定するために、メカノルミネッセンス構成要素のうちの任意の１つ、またはそれらの組合せからの光の放射（例えば種々の波長）を監視するように構成されてもよい。
さらにまた本実施形態による構造上の健全性を監視するシステムを使用して、任意のターボ機械構成要素の構造上の健全性も監視することができ、これらの構成要素は、例えばガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、ジェットエンジン、圧縮機、タービンブレード、ポンプなどの構成要素である。よって構造上の健全性の監視作業に向けた本手法は、ガスタービンエンジンの文脈において提示されているが、これは単に種々の実施形態の提示を容易にすることを目的としており、本明細書に記載される構造上の健全性監視システムおよび方法は、メカノルミネッセンス材料を利用することができる全てのターボ機械に適用可能であることに留意されたい。
上記のことを念頭に置いて、図１は、本実施形態に従って監視することができる１つのこのようなターボ機械システムのブロック図を示している。詳細には図１は、圧縮機部分１２と、タービン部分１４と、それらの間に配置された複数の燃焼器１６とを有するガスタービンシステム１０を示している。これに加えて、各々の燃焼器１６は、少なくとも１つの関連する燃料ノズル１８を有する。システム１０はまた、圧縮機１２部分およびタービン部分１４に結合されることで、各々の部分に含まれるメカノルミネッセンス構成要素からの光の放射を監視する監視システム２０を含む（例えば構造上の健全性監視システム）。例えば図示の実施形態では、監視システム２０は、少なくとも圧縮機部分１２の圧縮機ブレード２２の組と、タービン部分１４のタービンブレード２４の組の構造上の健全性を監視するように構成されている。監視システム２０はまた、以下により詳細に考察されるように、その作動中にガスタービンシステム１０の他の機能を監視するようにも構成される場合もある。
ガスタービンシステム１０の作動中、圧縮機部分１２は、受け取った空気２６を圧縮することで圧縮空気２８を生成する。圧縮空気２８は、燃料ノズル１８および／または燃焼器１６へと経由され、そこで圧縮空気２８は、燃料３０（例えば液体および／または気体燃料）と混ぜ合わされる。燃焼器１６が、結果として生じる燃料と空気の混合物を点火し燃焼させ、その後結果として生じる高温の加圧された燃焼ガス３２（例えば排気）をタービン部分１４の中に通す。
高温の加圧燃焼ガス３２はその後、タービンブレード２４にわたって、かつその間を通り、これによりタービンブレード２４が、ブレード２４が装着されるロータ３４にエネルギーを伝達する。換言すると、高温の加圧燃焼ガス３２がタービンブレード２４に対して作用することにより、ブレード２４とロータ３４が、ロータ３４の長手方向軸３６の周りを回転する。高温の加圧燃焼ガス３２の圧力と温度は、それらがタービン部分１２を通って移動する際に低下する。結果として生じるガスは、排気３８としてタービン部分１４から出て行き、これは蒸気タービン（例えば組み合わされたサイクルシステムにおいて）で使用するための蒸気形成などの他の工程を進めるのに使用される場合もある
これに加えて、あるいは代替として、ロータ３４が負荷４０に結合される場合もあり、この負荷は、ロータ３４の回転により動力を与えることができる。一例として、負荷４０は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を生成することができる任意の好適な装置であり、例えば発電設備または外部の機械的負荷などであってもよい。例えば負荷４０は、発電機、航空機エンジンのファンなどを含むことができる。ロータ３６の回転を使用することで、圧縮機１２の中で圧縮を進めることもできる。
図示されるように、圧縮機１２およびタービン１４、ならびにロータ３４の一部は、圧縮機ケーシング４２およびタービンケーシング４４の中にそれぞれ収容される。圧縮機ケーシング４２とタービンケーシング４４は、監視システム２０の種々の光検知要素の支持体として利用することができる。具体的には、図示されるように圧縮機ケーシング４２およびタービンケーシング４４は、第１光検出器４６と第２の光検出器４８の支持体としてそれぞれ使用される。しかしながら本実施形態はまた、例えばいずれかの流れ領域に沿って（例えば排気ダクト、流れスリーブ、流れライナ、燃焼ライナに沿って）、ガスタービンシステム１０の他の領域に配置されるように第１および第２の光検出器４６、４８を設ける。当然のことながら、光検出器４６、４８は、ガスタービンシステム１０の構成要素、例えばシステム１０の高温ガス路に沿った構成要素などを監視するために任意の好適な場所に配置することができる。さらに、一部の実施形態では、圧縮機１２およびタービン部分１４のいずれか、あるいは両方のために２つ以上の光検出器を採用する場合もあることに留意されたい。例えば１つまたは複数の光検出器を各々のタービンおよび／または圧縮機段に近接して配置することができ、各々のタービンおよび／または圧縮機段を監視するように構成することができる。換言すると、各々の圧縮機および／またはタービン段は、ブレードおよび／またはその部分の他の構成要素を監視するように構成された１つまたは複数の光検出器を有することができる。別の実施形態では、圧縮機１２および／またはタービン部分１４のそれぞれにおける光検出器の数は、２つ以上であってもよいが、段の数よりは少なくてもよい。光検出器を利用して各々の段を監視し、メカノルミネッセンスを生じさせるいかなる潜在的な機械的故障の検知や位置確認も容易にする構成を有することが恐らく望ましい。
図１は、システム１０が２つの光検出器を含むように示しているが、任意の数の光検出器を監視システム２０で使用することが目下のところ企図されていることに留意されたい。当然のことながら、１つまたは複数の光検出器を使用することで、圧縮機１２および／またはタービン１４からの光の放射を監視することができる。光検出器は、特定の構成要素からの光の放射を検知することができる任意の検知要素を含むことができる。一例として本明細書で考察される光検出器は、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、シンチレーションアレイ（ＰＤＡ）、高温計、カメラ、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。さらに各々の光検出器は、光放射に関連する１つまたは複数のパラメータを検知するように構成することができる。例えば各々の光検出器は、小さな波長範囲を検知するように構成される場合（例えば狭帯域フィルタを使用して）、あるいは複数の波長を検知するように構成される場合がある（例えば広帯域フィルタを使用して）。光検出器が、メカノルミネッセンス放射の特定の波長の特徴を検知するように構成された実施形態では、監視システム２０は、その特定の波長に関連する他のパラメータを監視するように構成される場合もある。例えば監視システム２０は、強度、持続時間、周期性および他のパラメータを監視することで、検知された放射が潜在的な構造上の健全性の問題（例えば破損、変形、摩耗）を表すものである可能性を判定することができる。このような検知方法および監視方法を以下でさらに詳細に記載する。
監視システム２０は、図示されるように、本明細書に記載される監視機能を果たすように構成された監視ユニット５０を含む。概して監視ユニット５０は、光検出器４６、４８から、圧縮機１２およびタービン部分１４からそれぞれ検知された光の放射を示す信号を受信することができる。さらにまた、この信号は、メカノルミネッセンス放射の１つまたは複数のパラメータを示す可能性もあり、このパラメータは、例えば波長、強度、周期性などである。図２に関して考察したように、監視ユニット５０は、例えば不揮発メモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどのメモリ回路を含むことができ、これは検知された放射から生じる指示および／または履歴データを記憶することができる。監視ユニット５０は、特定の検知された放射に関連するパラメータのうちの任意の１つ、またはこのようなパラメータの組合せに基づいて、その放射が、機械的な故障、初期の機械的な故障、あるいはいずれかのこのような望ましくない作動状況を示すものかを判定することができる。
監視システム２０はまた、監視ユニット５０によって監視される光の放射に応じて、ガスタービンシステム１０の１つまたは複数の構成要素の作動に影響を与える機能を含むことができる。図示の実施形態では監視システム２０は、例えば特定の放射が望ましくない作動状況を示すものであるという監視ユニット５０による判定に応じてガスタービンシステム１０の１つまたは複数の作動パラメータを維持する、あるいは調節するように構成された制御装置５２を含む。一例として制御装置５２は、１つまたは複数のタービンブレードが破損した破砕片（例えば異物の破砕片、もともとある破砕片）の領域に移動する、あるいは変形しつつある／変形したことの監視ユニット５０からの指示に応じて、１つまたは複数の制御信号をタービン部分１４に送信することで、ロータ３６の回転を中止することができる。当然のことながら、特定の制御信号により、ガスタービンシステム１０を低速にする、あるいは圧縮機１２、タービン１４またはそれらの組合せの作動を全て中止することもできる。
監視システム２０は、ガスタービンシステム１０の１つまたは複数の構成要素によるメカノルミネッセンス放射を検知することができる任意の構成を有することができることに留意されたい。例えば図２に図示されるように、この図は、システム２０によってメカノルミネッセンス放射を検知することができるやり方の概略であり、光検出器４６、４８のいずれかあるいは両方を圧縮機１２またはタービン１４から離れた場所に配置することができる。当然のことながら、光検出器４８およびその関連する回路は、燃焼器１６、タービン１４および排気口３８によって形成される高温ガス路から一定の距離離れた所に配置されることで、光検出器４８や回路を不注意による熱に関連する損傷から保護することが望ましい。しかしながら図２は、光検出器４８がタービン１４から離れて配置される一実施形態を示しているが、監視システム２０は、光ファイバケーブル、回路、ディスプレイ、オペレータワークステーションなどの観点において同様のまたは同一の構成を有することができる。
図２に示される実施形態では、監視システム２０は、構成要素の中でも、データ取得処理回路６０を含んでおり、これはメカノルミネッセンス放射に関連するデータを取得し、このデータを処理することで、検知された放射が潜在的な機械的障害を示すものかどうかを判定するように構成されている。データ取得および処理回路６０は、少なくとも１つのプログラム６２と、メモリ回路６４を含むことでこれらの機能を果たす。概してメモリ回路６４は、指示、放射に関連するデータ、システム固有の情報、ユーザの選んだものなどを記憶することができる任意の回路であってもよい。メモリ回路６４に記憶された指示は、少なくとも１つのプロセッサ６２によって実行可能であるため、監視作用を果たし、特定の構成においては本明細書に記載される機能を制御する。例えばメモリ回路６４は、１つまたは複数のセットの指示を記憶することができ、これらの指示は、少なくとも１つのプロセッサ６２によって実行される際、ガスタービンシステム１０をメカノルミネッセンス放射に関して監視するように構成されている。またこの指示によって、プロセッサ６２は、検知されたメカノルミネッセンス放射が、ガスタービンシステム１０の構成要素の機械的故障を示すものか、あるいは初期の機械的故障を示すものかを判定することもできる。構成要素にはタービンブレード２４、タービンケーシング４４、タービン動翼、タービンシュラウド、燃料ノズル、燃焼ライナ、ケーシングおよび排気ダクトが含まれてもよいが、これらに限定するものではない。
データ取得および処理回路６０（例えばプロセッサ６２とメモリ６４）は、第２の光検出器４８、および特定の実施形態では少なくとも１つの第３の光検出器６６に通信可能に結合され、これらの光検出器は共に、以下に考察するようにシステム１０からのメカノルミネッセンス放射を検知するように構成されている。データ取得および処理回路６０はまた、オペレータワークステーション６８に通信可能に結合されており、これは回路６０および／またはシステム１０に対してローカルであっても、リモートであってもよい。すなわちオペレータワークステーション６８は、ガスタービンシステム１０のほぼ近傍に設置される場合、または例えばオフィスなどの集中化したステーション内に遠隔式に設置される場合もある。
オペレータワークステーション６８は、オペレータ（例えば技術者）が、監視システム２０とインターフェース接続できるように概ね構成されており、特定の実施形態においてはガスタービンシステム１０の１つまたは複数の作動パラメータの制御／調節を可能にする場合もある。概して、オペレータワークステーション６８は、ユーザインターフェース７０およびディスプレイ７２を有するプロセッサベースのコンピュータデバイスであってもよい。したがってオペレータワークステーション６８は、デスクトップまたはラップトップコンピュータ（例えば特定用途向けまたは汎用）、タブレットコンピュータ、個人情報端末（ＰＤＡ）、電話、またはユーザインターフェースおよび／またはディスプレイの機能を果たす任意の他の手持ち式（例えば無線）または固定デバイスであってもよい。例えばユーザインターフェース７０は、ユーザが、例えばコマンドなどの情報を監視システム２０に入力するのを可能にするように構成されている。よってユーザインターフェース７０は、非制限的な例という目的で、マウス、キーボード、キーパッド、トラックボール、タッチパッドなどを含むことができる。ディスプレイ７２は、種々の検知されたおよび／または制御可能なパラメータの目に見える表示を提供するのに好適ないずれのディスプレイでもよく、これらのパラメータは、例えば検知されたメカノルミネッセンス放射に関連するパラメータ、すなわち監視システム２０および／またはガスタービンシステム１０のための作動パラメータなどである。非制限的な例という目的で、ディスプレイ７２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、種々のダイアル、電子式のインクベーススクリーン、またはその任意の組合せを含むことができる。以下に考察するように、ディスプレイ７２は、光検出器４８、６６によって検知された特定の放射の強度、タイミングおよび／または波長に関する可視的な表示を（例えばほぼリアルタイムで）ユーザに与えることができる。
上記に述べたように、データ取得および処理回路６０は、光検出器４８、６６によって検知された放射を監視するように構成されることで、潜在的な機械的問題が存在することを突き止める。図示のように、第２および第３の光検出器４８、６６はそれぞれ、タービンシステム１０から一定の距離離れたところに配置され、第１および第２の光ファイバケーブル７４、７６によってそれぞれシステム１０に光学式に結合されている。図示の実施形態は、各々の光検出器４８、６６が、１本の光ファイバケーブルによってシステム１０に結合されるように描いているが、任意の好適な数の光ファイバケーブルをこの目的に利用することができることに留意されたい。よって第２および第３の光検出器４８、６６はそれぞれ、１本、２本、３本、４本、５本またはそれ以上の光ファイバケーブルによってシステム１０に光学式に結合される可能性がある。別の実施形態において、第２および第３の光検出器４８、６６は、１つまたは複数の光ファイバケーブルを共有する場合もある。さらに光ファイバケーブルは、任意の好適な光ファイバ材料を含む可能性があり、これにはシリカ、種々のポリマー種などが含まれる。さらに光ファイバケーブルが、絶縁層によって絶縁されることで、タービンシステム１０の高温ガス路に接してあるいはその中に位置決めされることによる熱劣化から保護することができる。特定の実施形態において、システム１０は、例えば空気（例えば圧縮空気）、窒素（例えば圧縮窒素）または同様の流体を利用してケーブル、検出器および他のこのような機器を冷却するための機構を含む場合がある。例えば一実施形態において、圧縮領域１２からの圧縮空気を利用して、タービンシステム１０の高温ガス路に沿って配置され得る種々の機構を冷却することができる。
図示の実施形態において、第１の光ファイバケーブル７４が、第２の光検出器４８をタービンケーシング４４内の第１の開口７８に結合する。同様に第２の光ファイバケーブル７６が、第３の光検出器６６をタービンケーシング４４内の第２の開口８０に結合する。第１および第２の開口７８、８０が、タービンケーシング４４の異なる部分に配置されることで、タービン１４の種々の構成要素を監視することができるようなやり方を考察しやすくするように描かれていることに留意されたい。したがって第１および第２の開口７８、８０は、種々の構成要素のメカノルミネッセンス放射を光ファイバケーブル７４、７６に沿って、光検出器４６、４８、６６に伝達することができるケーシング４４（またはガスタービンシステム１０の他の部分）に沿った任意の好適な場所に位置決めすることができる。当然のことながら、第１および第２の開口７８、８０は、別個で特異なものである場合、あるいは同一である場合がある。これに加えて、上記に述べたように、タービンおよび／または圧縮機部分の異なる段は、別個の光検出器によって監視することができる。当然のことながら、非制限的な例という目的で、第１および第２の開口７８、８０が、ケーシング４４に沿って異なる円周方向および／または軸方向の部分に配置されることで、種々の段を別々に監視することが可能になる。さらに開口は、ケーシング４２、４４に沿って同一の軸方向の位置に配置されているように示されているが、必ずしもタービンブレードと同一のケーシング４２、４４に沿った軸方向の位置に配置される必要はない。むしろいくつかの実施形態において、開口７８、８０は、段とは異なるケーシング４２、４４に沿った軸方向の位置に配置される場合もある。
上記に述べたように、第１および第２の開口７８、８０によって、メカノルミネッセンス放射を検知することによってタービンシステム１０の種々の構成要素を監視することが可能になる。具体的には図示されるように、第１および第２の開口７８、８０によって、光の放射がタービン部分１４の範囲内から（例えばタービンケーシング４４によって領域が決められた領域の範囲内から）光検出器４８、６６に進むことが可能になる。これに加えて、開口７８、８０は、ケーシング４４の中の空隙として示されているが、開口７８、８０を通る際に失われる熱および／または圧力の大きさを制限するようなやり方で、光ファイバケーブル７４、７６にケーシング４４内を経由させることもできることに留意されたい。例えば開口７８、８０は、第１および第２の光ファイバケーブル７４、７６が、タービン部分１４の中へと通過することができるような十分な隙間を提供するように単に大きさを決めることができる。換言すると、第１および第２の光ファイバケーブル７４、７６は、開口７８、８０にぴったりと嵌合することができる。
別の実施形態において、開口７８、８０は、ケーシング４４の材料と比べてほぼ同様の１つまたは複数の材料によって満たされる場合がある。非制限的な例という目的で、ケーシング４４は、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料から形成されてもよく、開口７８、８０は、ＣＭＣ材料、ＣＭＣ材料のマトリクス、ＣＭＣ材料の充填材などによって満たすことができる。他の実施形態において、開口７８、８０は、好適な絶縁性を有する材料で満たされることで、ケーシング４４内での圧力や熱の損失を制限する一方で、光ファイバケーブル７４、７６が光の放射を受光し、伝達することができるようにすることができる。したがって光ファイバケーブル７４、７６は、このような伝達を可能にするようなやり方で開口７８、８０の長さ全体またはその一部に及ぶ場合がある。
概ね上記で考察したように、光検出器４８、６６によって検知されるメカノルミネッセンス放射は、タービン１４の１つまたは複数のメカノルミネッセンス構成要素が、この構成要素にルミネッセンスを生じさせるのに十分な機械的な刺激に曝されていることの１つの結果であり得る。一実施形態において、このようなルミネッセンスは、この構成要素を構成する材料の分子レベルの変形および／または変化によって生じる場合がある。例えばタービン１４のメカノルミネッセンス構成要素（例えばタービンブレード２４）が、ＣＭＣ材料を含む実施形態では、セラミック充填材および／またはセラミックマトリクスに分子結合を生じさせ、結果として生じる分子が一時的に励起状態に進められる程度まで分解または変形するのに十分な機械的ストレスによってルミネッセンスを生じさせることができる。分子がより低いエネルギー状態に緩和される際、光が放射される。したがって複合材料における分子結合を分解または変形させるのに十分な機械的ストレスによって、複合材料にルミネッセンスを生じさせることができる（すなわち光を放射する）。上記に述べたように、光の放射は、機械的変形、破損、摩擦、またはそれらの任意の組合せの結果であってもよい。よって光の放射は、構造上の異常を示すものである可能性がある。
タービン１４の各々のメカノルミネッセンス構成要素によって放射される光は、その構成要素を構築するのに使用される特定の材料の特性であってもよい。当然のことながら、同一の材料を使用してターボ機械の構成要素を構築することで生産し易くすることが望ましいが、異なるメカノルミネッセンス材料から構成要素を構築することで、監視システム２０が、特定の検知された放射を特定のターボ機械の構成要素の構造上の異常に相関させることができることもまた望ましい。よってタービンブレード２４、シャフト３４およびタービンケーシング４４は、同一のまたは異なるメカノルミネッセンス構成要素から形成されてもよい。図示の実施形態では、タービンブレード２４と、タービンケーシング４４は、異なるメカノルミネッセンス材料から形成されており、これにより監視システム２０が各々の潜在的な構造上の異常を検知することができる。ケーシング４４とブレード２４を形成するのに使用することができる複合材料の例を、図３および図４にそれぞれ関して以下でさらに詳細に考察する。
例えば矢印によって描かれるように、タービンブレード２４およびシャフト３４は、回転方向８２に回転することができる。上記に述べたように、タービンブレード２４は、ブレード２４を潜在的に変形させる、ひび割れさせるまたは全体を破壊する可能性のある様々な力を受ける可能性がある。よって描かれるように、特定の機械的ストレスに十分に曝されると、第１タービンブレード８４は、矢印によって描かれるように第１の光の放射８６を生成する。第１の光の放射８６は、第１および／または第２の光ファイバケーブル７４、７６によって第２および／または第３の光検出器４８、６６に伝達されてもよい。第２および／または第３の光検出器４８、６６はその後、第１の光の放射８６の波長、第１の光の放射８６の強度、第１の光の放射８６の持続期間、第１の光の放射８６の周期性、またはそれらの任意の組合せを示す信号を生成することができる。データ取得および分析回路６０はその後、このような信号を受信し処理することで、第１の光の放射８６が第１タービンブレード８４における構造上の異常を示しているかどうか判定することができる。
第１の光の放射８６は、上記に述べたように第２および／または第３の光検出器４８、６６のいずれかに伝達され、そのいずれかによって検知されてもよい。しかしながらタービンシステム１０の構成要素、特に高温ガス路に沿って配置された構成要素は、比較的高い温度を有するため、可視波長（例えばＩＲ）を上回る波長において比較的高い照射照度を有する可能性があることに留意されたい。よってタービン１４は、メカノルミネッセンス放射に加えて、比較的大量の背景放射を有する場合もある。したがって監視システム２０が、１つまたは複数の光学フィルタを含む場合もあり、これらは、電磁スペクトルの特定の部分が、光ファイバケーブル７４、７６に沿って伝達される、かつ／または光検出器４８、６６によって検知されるのを阻止することができる。光学フィルタは、一例として光ファイバケーブル７４、６６に沿って光検出器４８、６６と、ケーシング４４によって画定される領域の間、あるいは光ファイバケーブル７４、７６の末端、あるいはそれらを組み合わせたところに配置することができる。したがって光学フィルタによって、データ取得および分析回路６０が、選択された光の波長を監視することが可能になる。これにより望ましくは、光検出器４８、６６の寿命を延ばし、メカノルミネッセンス放射に対する感度を上げることもできる。これに加えて、第１および第２の光ファイバケーブル７４、７６のそれぞれに関して選択された別個の光学フィルタによって、光検出器４８、６６の各々を特定の放射の波長に関する専用のチャネルにすることができ、その結果第１の光ファイバケーブル７４およびその関連する光学フィルタが、第１の光の放射に専用の第１チャネルを形成し、第２の光ファイバケーブル７６およびその関連する光学フィルタが、第２の光の放射に専用の第２チャネルを形成する。このような構成は、別個の放射の検知、差別化および処理を容易にすることが望ましい場合があり、これは以下で詳細に考察する。当然のことながら、特定の実施形態において、異なる波長は、光検出器４８、６６の各々によって監視することができ、この波長は、異なる光源からの放射を示している。
タービンケーシング４４は上記に述べたように、第２のメカノルミネッセンス材料から形成することができる。タービンケーシング４４は必ずしも、タービンブレード２４と同じ力を受けるわけではない。しかしながらケーシング４４は、それでもなお、高温の燃焼ガスに曝されることから生じる熱膨張／収縮によって生成される機械的ストレスだけでなく、タービンブレード２４が、ケーシング４４（これは考察を容易にするために、タービンシュラウド、動翼などを含むことができる）と接触するような状況における摩耗に遭遇する可能性がある。図示の実施形態では、タービンブレード２４または別の対象物がケーシング４４に接触することで破砕片８８の領域を形成する。破砕片８８の領域は、ケーシング材料、タービンブレード材料またはそれらを組み合わせたものを含むことができる。簡素化し、考察し易くするために、破砕片８８の領域をケーシング材料のみを含む文脈で考察するが、破砕片の領域は、タービン１４とは異質な、または局所的であり得る他の材料を含む場合もあることを理解されたい。
ブレード２４が回転する際、それらは破砕片８８の領域を通過し、ブレード２４と、破砕片８８の領域を構成する粒子の両方を摩耗させる。これにより、ケーシング材料によって、矢印によって描かれる第１の光の放射８６または第２の光の放射９０が生じることになる。当然のことながら、破砕片８８の領域を形成させる事象、すなわちケーシング４４にぶつかるブレード２４の摩耗もまた、第２の光の放射９０となり得る。
ケーシング４４は、異なるメカノルミネッセンス材料から形成されるため、第２の光の放射９０は、第１の光の放射８６とは異なる可能性がある。例えば第２の光の放射９０の波長は、第１の光の放射８６と比較したときに異質なものであり得る。このような波長の違いにより、データ取得および処理回路６０が、第１の光の放射８６の第１の検知された波長の特徴を第１タービンブレード８４に相関させ、第２の光の放射９０の第２の検知された波長の特徴をタービンケーシング４４に相関させることが可能になる。監視システム２０は、タービンブレード２４および／またはケーシング４４が、潜在的に損傷している、あるいは修理サービスの恩恵を受ける可能性があることをユーザが認知できる指示、例えばディスプレイ７２上の視覚的表示を提供することができる。
ケーシング４４およびタービンブレード２４を形成するのに使用される材料には、上記に述べたように、マトリクスの中に配置された充填材（例えば粒子、繊維、ロッド、リング、ディスク、球体、ナノ分散質）を含む複合材料が含まれてもよい。充填材、マトリクスまたはその両方は、炭化ケイ素、無機酸化物（例えばシリカ、アルミナ、チタニア）、無機酸化物誘導体（例えばＳｒＡｌ2Ｏ4)、ドープ無機酸化物（例えばＰｒ−ｄｏｐｅｄ ＢａＴｉＯ3、Ｅｕ-またはＤｙ−ｄｏｐｅｄ ＳｒＡｌ2Ｏ3、Ｅｕ−ｄｏｐｅｄ ＳｒＭｇＡｌ6Ｏ11、Ｃｅ−ｄｏｐｅｄ Ｃａ2Ａｌ2ＳｉＯ7、Ｔｉ−ｄｏｐｅｄ ＺｒＯ2）、Ｍｎ−ｄｏｐｅｄ ＺｎＳ、ＺｎＭｎＴｅまたは所望される物理特性を有する任意のメカノルミネッセンス材料を含めたメカノルミネッセンス材料であってもよい。したがって図１および図２の監視システム２０によって本実施形態に従って監視することができる波長は、メカノルミネッセンスにおいてこのような材料のうちの任意の１つ、またはこのような材料の組合せによって放射される特定の波長に対応する可能性がある。一例として、炭化ケイ素は、およそ５８０ｎｍの狭帯域の波長を放射する。当然のことながら、一実施形態においてメカノルミネッセンス材料が、炭化ケイ素である場合もあり、これは特定の構成のメカノルミネッセンスであってもよく（例えばＣＭＣ複合体）、これはまたガスタービンで使用するのに望ましい熱安定性と機械的強度を有する。ケーシング４４およびタービンブレード２４はいくつかの実施形態において、複数の層を一緒に重ね合わせることによって作成される場合もあり、複数の層の各々は、マトリクス（例えば、金属、ポリマーまたはセラミックマトリクス）の中に配置されたセラミック充填材を有する。ケーシング４４およびタービンブレード２４の拡大した概略図が、図３および図４にそれぞれ示されている。
詳細には、図３は、図２の線３−３で切り取ったケーシング４４の一実施形態の拡大した概略図を描いている。ケーシング４４は、図示されるように、互いに対して積み重ねられた複数の層１００によって形成されている。層１００は、ケーシング４４の湾曲部を形成するように湾曲させることができることに留意されたい。しかしながら層１００がほぼ直線である構成も目下のところ企図されている。層１００はそれぞれセラミック充填材１０２を含んでおり、これは、セラミックマトリクス１０４内に配置されたセラミック繊維として示されている。一実施形態においてセラミック充填材１０２およびマトリクス１０４は、炭化ケイ素である。図示されるように、マトリクス１０４の中での充填材１０２の配向は、異なる層１００にわたって同一であっても、異なっていてもよい。例えばケーシング４４の拡大図は、その各々の充填材を第１の配向で有する第１の層１０６を示している。第２の層１０８は、図示されるように、第１の層１０６における充填材１０２に対してほぼ垂直の第２の配向でその各々の充填材１０２を有する。当然のことながら、層１００は、充填材１０２の任意の相対的な配向を有することができる。例えば第３の層１１０は、その各々の充填材１１０を第１の層１０６と比較して一定の角度で有する。第４、第５および第６の層１１２、１１４および１１６は全て、第１の層１０６に対してほぼ平行に配向される。本実施形態によるターボ機械構成要素は、このような相対的な配向のうちの任意の１つ、またはそれらの組合せを有することができる。
セラミック充填材１０２、セラミックマトリクス１０４、またはそれらの組合せは、機械的に変形されると光を放射することができる。セラミックマトリクス１０４は、相対的に非結晶であり（例えば無秩序な）、一部をわずかに変形させることにより、セラミック複合体の弾性を高めることが恐らく可能である。しかしながらセラミック充填材１０２は、図示の実施形態では、はっきりと分かる程まで変形することは意図されない秩序立った繊維である。したがって、充填材１０２は、変形した場合（例えば曲がった場合、亀裂が入った場合、破損した場合）、タービンシステム１０の通常の作動過程においてマトリクス１０４が遭遇する典型的な変形によって生じる可能性のある放射に比べて比較的強度の放射を生成することができる。したがって「スパイク」または比較的強度の放射が検知される実施形態では、これは、充填材１０２（例えば繊維、粒子）が、極度の曲げ、ひび割れ、分解、または比較的大きな量の摩耗の結果として変形している可能性があることを示す可能性がある。
上記に述べたように、図４は、図２の線４−４で切り取ったタービンブレード２４の１つの拡大図を示している。具体的にはタービンブレード２４は、複数の層１２０を含んでおり、それぞれが、マトリクス１２４内に配置された充填材１２２を有する。これに加えて、層１２０は、ほぼ直線になるように示されているが、特定の実施形態では層１２０は、曲げられる（例えば図３に示されるように）、捩られる、またはそれらをいずれかに組み合わせる場合もある。換言すると、一部の層１２０は直線であるが、他の層は、曲げられる、かつ／または捩られる場合もある。図３に関して上記に記載したものと同様のやり方において、充填材１２２は、マトリクス１２４内に様々な配向を有する可能性がある。当然のことながら、図示されるように、タービンブレード２４は、第７の層１２６を含んでおり、各々が互いに対して、かつ層１２６によって画定される面に対してほぼ平行に配向された充填材１２２を有しており、この面は、各々のブレードの長手方向軸とほぼ平行である。タービンブレード２４はまた、層１２８によって画定される面に対して傾斜した充填材１２２を有する第８の層１２８と、層１３０によって画定される面に対してほぼ垂直な充填材１２２を有する第９の層１３０とを含む。所与の層１２０内の充填材１２２は、同一の配向を有する必要はないことに留意されたい。したがって図示されるように、タービンブレード２４は、実質的に不揃いなその充填材１２２の配向を有する第１０の層１３２も含んでいる。
本明細書に記載される複合材料は、図３および図４に対して上記に記載したいずれかの層構造の有することができる。当然のことながら、各々の層内の充填材の特定の配向は、特定の種類の機械的ストレスを検知し易くすることが恐らく望ましい。非制限的な例により、タービンブレード２４は、例えば遠心力、トルクなどによって生じる変形など特定の方向に変形されると、メカノルミネッセンス放射を可能にする配向の充填材を有する層を含む、あるいはそのような層で構成されてもよい。１つのこのような構造は、第７の層１２６において図示されるようなものであり、これによりこの層にかかる剪断応力の結果として最大数の充填材を変形させることが可能になる。当然のことながら、概括的な意味において、充填材、層、マトリクスなどにおいて変形／分解される結合の数が大きくなればなるほど、メカノルミネッセンス放射が大きくなる。
同様にケーシング４４は、摩耗を受けたときのメカノルミネッセンスを容易にするような形で、その充填材の向きを置くことができる。例えば、摩耗は、タービンブレード２４によって第２の層１０８内の充填材の配向にほぼ直交する方向で生じやすいため、図３における第２の層１０８によって描かれる配向により、このような放射を促進させることができる。換言すると、直交する配向により、充填材の変形および／または分解を促進させることができ、これにより放射強度を高めることができる。
上記に述べたように、監視システム２０は、ガスタービンシステム１０の１つまたは複数のメカノルミネッセンス構成要素からの放射を監視することができ、この構成要素に相関する可能性のある様々な放射スペクトルを表示することができる（図２のディスプレイ７２上に）。ディスプレイ７２の一例が図５に示されている。図示される実施形態では、ディスプレイ７２は、監視された第１の波長（例えば図２の第１のタービンブレード８４に相当する）に関する放射強度と、時間の第１のグラフ１４０と、監視された第２の波長（例えば図２のタービンケーシング４４に相当する）に関する放射強度と、時間の第２のグラフ１４２とを含んでいる。第１および第２のグラフ１４０、１４２は図示されるように、同時に同一の地点に相当する場合もあるが、必ずしもそうである必要はない。すなわち第１および第２のグラフ１４０、１４２は、場合によってほぼ同一の時間に生じるように考察されているが、特定の実施形態では、第１および第２のグラフ１４０、１４２を形成する目的で放射が検知される時間における地点は異なる場合もある。
さらに特定の実施形態において、ディスプレイ７２は、一度に１つの監視された波長（あるいは監視された波長の帯域）を表示するのみである場合、あるいは複数の監視された波長（または監視された帯域）の表示を提供する場合がある。当然のことながら、各々のグラフは、特定のデータチャネルに相当する場合がある。例えば監視システム２０の各々の光検出器によって生成される信号は、別々のチャネルを構成することができる。この方法において、ディスプレイ７２は、同一の監視された波長または複数の光検出器にわたる波長の帯域の表示を提供することができる。
図示されるように、第１のグラフ１４０は、監視システム２０の１つまたは複数の光検出器によって検知された放射に対応する複数のピークを含んでいる。これらのピークは、グラフ１４０の残りの部分と比較したとき、比較的高い強度を有する第１のピーク１４４を含む。このようなピークは、例えば１つまたは複数のタービンブレード２４の破損および／または破壊によって生じる比較的強力で短期間の放射を示す可能性がある。第１のグラフ１４０はまた、比較的低い強度の一連のピーク１４６も含んでおり、これらは、１つまたは複数のタービンブレード２４におけるわずかな変形を示す場合がある。当然のことながら、ピーク１４６の反復性は、その放射が、変形している最中の回転するタービンブレード２４から生じていることを示す可能性がある。さらに第１のグラフ１４０はまた、第２のピーク１４８も含んでおり、これは比較的強力で長期間のものである。このようなピークは、ブレード２４が、それらが回転する際、例えば破砕片など（例えば図２の破砕片８８領域）によりほぼ一定の摩耗を受けていることを示す可能性がある。
第２のグラフ１４２は、描写し易くするために第１のグラフ１４０とは別のディスプレイ７２の部分に示されており、これは比較的強力で短期間の第３のピーク１５０を含んでいる。第１のピーク１４４と同様のやり方で、このようなピークは、例えばタービンブレード２４がケーシング４４の表面にぶつかることによって生じる破損などのケーシング４４における破損を示すものであってもよい。第２のグラフ１４２はまた、第４のピーク１５２も含んでおり、これは比較的強力で長期間のものである。当然のことながら、第４のピーク１５２は、第２のピーク１４８と同一のまたは同様の事柄の結果であってもよい（すなわちブレード２４が破砕片の領域を通過して回転すること）。例えば第２のピーク１４８は、ブレード２４からのメカノルミネッセンス放射によって生じる可能性があり、その一方で第４のピーク１５２は、破砕片の領域を構成する材料からのメカノルミネッセンス放射によって生じる可能性がある。
検知された放射の性質により、監視システム２０は、この放射が決定的な機械的故障（すなわち破壊）、初期の故障（例えば決定的な故障を生じさせる可能性のある変形）、大きな摩損または衝撃などを示すものかどうかを判定し、この判定に基づいて適切な措置を採ることが可能になることに留意されたい。図２に関して考察したように、監視システム２０は、このような措置を行うように構成されたデータ取得および制御回路を含むことができる。図６は、メカノルミネッセンス放射を監視し、メカノルミネッセンス放射の性質（すなわちこの放射が、特定のタイプの機械的変形または故障を示すものであるかどうか）を判定し、この判定に基づいて適切な制御措置を行うための方法１６０の一実施形態の方法のフロー図を示している。
方法１６０は、監視システム２０によって実行されてもよく、監視および分析ステップのいくつかが、メモリ６４に記憶された指示に基づいてプロセッサ６２によって行われ、このメモリは、上記に述べたようにプロセッサ６２によって実行可能な指示を一括して記憶する１つまたは複数の非一時的な機械読取り可能な媒体であってもよい。したがって方法１６０の措置は、全体をまたは部分的に自動化することができる。
図示の実施形態では、方法１６０は、ターボ機械（例えばガスタービンシステム１０）をメカノルミネッセンス放射に関して監視するステップ（ブロック１６２）を含む。例えば監視システム２０は、メカノルミネッセンス材料によって生成される光を検知した結果として、光検出器４６、４８、６６（図１および図２）のうちの任意の１つ、またはそれらの組合せによって生成される信号を監視することができる。監視されるガスタービン機械の構成要素が、炭化ケイ素ＣＭＣ材料（例えば図３および図４に示される材料と同様の）から形成される実施形態では、例えば監視システム２０は、おおよそ５８０ｎｍを中心とする放射を監視することができる。当然のことながら、概括的な意味において、監視システム２０は、例えばおよそ４００ｎｍから７５０ｎｍの間の可視領域の波長を有する放射を監視することができるが、この範囲外の他の波長（例えば４００ｎｍ未満）も目下のところ企図されている。さらにまた電磁スペクトルの赤外領域に相当する波長も、それらが高温ガス路の構成要素を加熱することによる背景放射に相当する可能性があるため選別される場合もある。上記に述べたように、監視システム２０は、カメラ、高温計、ダイオードアレイ、シンチレーションパネル、光電子増倍管、またはそれらの任意の組合せによってメカノルミネッセンス放射を監視することができる。
方法１６０はまた、ブロック１６２に従って検知された放射を分析するステップ（ブロック１６４）を含む。例えば監視システム２０は、検知された放射に関連する任意のパラメータを分析することができ、これらのパラメータは、例えば放射の強度、放射の持続期間、放射の周期性もしくは頻度、放射の波長、放射のタイミング、種々の波長における相対的な強度、またはそれらの任意の組合せなどである。
例えば高い強度で短期間の放射は、決定的な故障を表す可能性があり、その一方で例えば図５のピーク１４４、１５０によって表せる比較的強度で短期間の放射は、衝撃、破損、決定的な故障、またはそれらの任意の組合せを表す可能性がある。図５のピーク１４８および１５２などの幅の広いピークは、破砕片の領域を表す可能性があり、反復するピーク（例えば図５のピーク１４６）は、例えば回転、トルクおよび他の遠心力により生じる剪断によるものなど規則的に加わる機械的ストレスの結果として、１つまたは複数の構成要素による反復する放射を表す可能性がある。特定の実施形態において、分析されたパラメータは、放射がトリボルミネッセンス、フラクトルミネッセンス、ピエゾルミネッセンスなどの結果であるかどうか示す場合がある。ブロック１６４において表される措置を実行する際、監視システム２０はまた、この放射が、第１のメカノルミネッセンス材料を有する第１の構成要素の第１の光の放射によるものか、または第２のメカノルミネッセンス材料を有する第２の構成要素の第２の光の放射によるものかを判定することもできる。当然のことながら、別の実施形態では、分析された放射のパラメータに基づいた監視システムは、たとえこれらの構成要素がほぼ同一の材料から形成されているような状況であっても、その放射が第１の構成要素からのものか、または第２の構成要素からのものかを判定することができる。このような実施形態では、検知された放射は、異なる構成要素を構成する複合体の配向もしくは構成の違いから生じる放射の１つまたは複数の特徴に基づいて、特定の構成要素に相関させることができる。
方法１６０はまた、分析の結果としてユーザが認知できる表示を与えるステップ、またはこの分析に基づいて適切な制御措置を実行するステップ（ブロック１６６）を含む。例えば、分析の結果として、この放射が機械的破損または初期の機械的破損の結果であることが監視システム２０によって判定される実施形態では、監視システム２０は、ターボ機械に対する点検が必要な可能性があることを示す視覚的または聴覚的な警告を技術者に与えることができる。監視システム２０はまた、統計値を提供することもでき、これは例えばガスタービンシステム１０の種々の構造上の構成要素に関連する履歴データである。例えば監視システム２０は、特定の構成要素の推定される摩損、特定の構成要素が故障する可能性または同様の兆候を表す視覚的指示をユーザに与えることができる。
このような実施形態では、監視システム２０は、追加的にあるいは代替として、好適な制御措置を行う場合がある。例えば監視システム２０は、ガスタービンシステム１０の全てまたは一部の作動を停止させる、開始させる、または減速させることができる。当然のことながら、概括的な意味において、監視システム２０は、好適なメンテナンスが行われるまで、検知された破損の結果としてガスタービンシステムのさらなる損傷を軽減することができる制御措置を実行することができる。非制限的な例として、監視システム２０は、ケーシング４４に対する（例えばケーシングのシュラウドに対する）タービンブレード２４の隙間を調節することで、ケーシングに接触するブレード４４のいかなる摩耗も矯正する、またはブレード２４がケーシング４４に接触するようにぶつかるのも矯正することができる。
本明細書は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと実質的に相違ない等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。
１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機部分
１４ タービン部分
１６ 燃焼器
１８ 燃料ノズル
２０ 監視システム
２２ 圧縮機ブレード
２４ タービンブレード
２６ 受け取った空気を圧縮する
２８ 圧縮空気を生成する
３０ 燃料
３２ 加圧後の燃焼ガス
３４ ロータ
３６ 長手方向軸
３８ 排気口
４０ 負荷
４２ 圧縮機ケーシング
４４ タービンケーシング
４６ 第１の光検出器
４８ 第２の光検出器
５０ 監視ユニット
５２ 制御ユニット
６０ 処理回路
６２ プロセッサ
６４ メモリ回路
６６ 第３の光検出器
６８ オペレータワークステーション
７０ ユーザインターフェース
７２ ディスプレイ
７４ 第１の光ファイバケーブル
７６ 第２の光ファイバケーブル
７８ 第１の開口
８０ 第２の開口
８２ 回転方向
８４ 第１のタービンブレード
８６ 第１の光の放射
８８ 破砕片
９０ 第２の光の放射
１００ 層
１０２ セラミック充填材
１０４ セラミックマトリクス
１０６ 第１の層
１０８ 第２の層
１１０ 第３の層
１１２ 第４の層
１１４ 第５の層
１１６ 第６の層
１２０ 層
１２２ 充填材
１２４ マトリクス
１２６ 第７の層
１２８ 第８の層
１３０ 第９の層
１３２ 第１０の層
１４０ 第１のグラフ
１４２ 第２のグラフ
１４４ 第１のピーク
１４６ 比較的低い強度のピーク
１４８ 第２のピーク
１５０ 第３のピーク
１５２ 第４のピーク
１６０ 方法
１６２ ターボ機械をメカノルミネッセンス放射に関して監視する
１６４ 検知された放射を分析する
１６６ 分析に基づいて指示を与える／適切な制御措置を行う

Claims (12)

  1. 第１のメカノルミネッセンス材料(１０２、１０４)を含む第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)を備えるターボ機械（１０）であって、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)が、前記第１のメカノルミネッセンス材料(１０２、１０４)によってメカノルミネッセンスが生じるのに十分な機械的刺激に曝されると、第１の光の放射(８６、９０)を生成するように構成されている、ターボ機械（１０）と、
    前記第１の光の放射(８６、９０)の検知に基づいて、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)の構造上の健全性を監視するように構成されたターボ機械監視システム（２０）と
    を具備するシステム。
  2. 前記ターボ機械監視システム（２０）が、
    前記第１の光の放射（８６、９０)を検知し、前記第１の光の放射（８６、９０)を表す第１の電気信号を生成するように構成された光検出器(４６、４８、６６)と、
    前記第１の電気信号を分析して、前記第１の光の放射（８６、９０)に関するパラメータを測定するように構成された制御装置（５０、５２、６０）と
    を備える、請求項１記載のシステム。
  3. 前記制御装置（５０、５２、６０）が、前記パラメータを測定することで、前記放射（８６、９０）が、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)の機械的故障を示すものか、または初期の機械的故障を示すものかを判定するように構成されている、請求項２記載のシステム。
  4. 前記パラメータが、前記検知された第１の光の放射（８６、９０）の強度、前記第１の光の放射（８６、９０）における１つまたは複数の波長の相対的強度、前記第１の光の放射（８６、９０）のタイミング、前記第１の光の放射（８６、９０）の波長、前記第１の光の放射（８６、９０）の周波数、またはそれらの任意の組合せを含む、請求項２記載のシステム。
  5. 前記制御装置（５０、５２、６０)が、前記測定されたパラメータの決定値に応じて、前記ターボ機械（１０）の作動パラメータを変化させるように構成されており、前記決定値が、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)の機械的故障または初期の機械的故障を示す、請求項２記載のシステム。
  6. 前記ターボ機械監視システム（２０）が、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)を前記光検出器（４６、４８、６６）に光学的に結合する光ファイバケーブル（７４、７６）を備える、請求項２記載のシステム。
  7. 前記ターボ機械監視システム（２０）が、前記第１の光の放射（８６、９０）の少なくとも一部を捕捉するように構成されたカメラ（４６、４８、６６）を備える、請求項１記載のシステム。
  8. 前記ターボ機械（１０）が、タービン（１４）、圧縮機（１２）またはポンプを備え、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)が、燃料ノズル（１８）、燃焼器（１６）、排気部分、回転ブレード（２２、２４）、またはそれらの任意の組合せのうちの少なくとも一部を備える、請求項１記載のシステム。
  9. 前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)が、複数の積み重ねられた層(１００、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１２０)を備え、前記複数の積み重ねられた層のそれぞれがセラミックマトリクス複合体（ＣＭＣ）から形成される、請求項１記載のシステム。
  10. 前記ターボ機械（１０）が、第２のメカノルミネッセンス材料（１０２、１０４）を有する第２のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)を備え、前記第２のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)が、前記第２のメカノルミネッセンス材料(１０２、１０４)によって第２の光の放射(８６、９０)が生じるのに十分な第２の機械的刺激に曝されると、前記放射(８６、９０)を生成するように構成されており、前記ターボ機械監視システム（２０）が、前記第２の光の放射(８６、９０)の検知に基づいて前記第２の構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)の構造上の健全性を監視するように構成されている、請求項１記載のシステム。
  11. 前記第１の光の放射（８６、９０）および前記第２の光の放射（８６、９０）がそれぞれ、１つまたは複数の特徴的な放射パラメータを含み、前記ターボ機械監視システム（２０）が、前記第１の光の放射(８６、９０)と、前記第２の光の放射(８６、９０)を差別化することで、前記第１のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)および前記第２のターボ機械構成要素(１２、１４、１８、１６、２２、２４)の機械的故障が示されているか、または初期の機械的故障が示されているかを判定するように構成されている、請求項１０記載のシステム。
  12. 前記機械的刺激が、前記第１のメカノルミネッセンス材料（１０２、１０４）に対する圧力、前記第１のメカノルミネッセンス材料（１０２、１０４）に対する摩耗、前記第１のメカノルミネッセンス材料（１０２、１０４）に対する振動性かつ固定式の負荷、または前記第１のメカノルミネッセンス材料（１０２、１０４）に対する異物損傷のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のシステム。
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