JP2015513071A - 多軸検査スコープを用いて産業用ガスタービンおよび他の発電機械を自動光学検査するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ガスおよび蒸気のタービンなど、発電機械の内部部品は、カメラの視界(FOV)を、機械内の関心領域に、あらかじめ指定された操縦経路に沿って自動的に位置決めし、人が介入することなく画像を取得できる光学カメラ検査システムで検査される。自動的なカメラの位置決めおよび画像取得は、自動的に、または、操作者の許可を受けた後に開始され得る。あらかじめ指定された操縦経路は、操作者が、発電機械または同じタイプの同様のものの検査スコープを手作業で位置決めし、将来の繰り返しのために位置決めステップを記録することで、定めることができる。操縦経路は、仮想的なシミュレーションによって定めることもできる。検査システムは、ガスタービンのタービン部内の検査に適した多軸検査スコープを備える。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、本出願と同時に出願され、割り当てられた出願番号第13/362,417号、整理番号2011P28983USの「System And Method For Automated Optical Inspection Of Industrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery」という名称の同時係属中の米国特許出願、および割り当てられた出願番号第13/362,387号、整理番号2011P22744USの「System And Method For Automated Optical Inspection Of Industrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery With Articulated Multi-Axis Inspection Scope」という名称の同時係属中の米国特許出願の優先権を主張するものであり、それらは参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、産業用ガスタービン、および非限定的な例として蒸気タービンおよび発電機を含む他の発電機械を、非破壊で内部検査するための光学カメラシステムに関する。より詳細には、本発明は、カメラの視界(FOV)を機械内の関心領域に自動的に位置決めでき、人が介入することなく画像を取得できる光学カメラ検査システムに関する。自動的なカメラの位置決めおよび画像取得は、自動的に、または、操作者の許可を受けた後に開始され得る。

蒸気タービンまたはガスタービンなどの発電機械は、予定された検査および保守期間で連続してしばしば運転され、その検査および保守期間のときに、タービンがラインから切り離されて停止される。例として、ガスタービンエンジンは、しばしば電力をおよそ4000時間の間連続して生成するように運転され、その後、定期的な保守、検査、および、検査中に特定された何らかの部品の修理のためにラインから切り離される。予定された保守のためにガスタービンをラインから切り離して最終的にガスタービンを完全に停止することは、多くの日数を要するプロジェクトである。タービンロータ部分など、一部のタービン部品は、1000℃(華氏1832度)を超える温度で運転される。タービンは、部品の歪みや他の変形の可能性を低減するために、完全に停止する前に、周囲温度に達するまで48〜72時間の冷却時間を必要とする。停止段階の間、タービンロータは、ロータの歪みの可能性を低減するために、「回転装置モード」で補助駆動モータによって、およそ10RPM以下で回転される。タービン筺体などの他のタービン部品も、ゆっくりと周囲温度まで冷却される。

最大でおよそ72時間までの経過でタービンが周囲温度まで冷却されると、そこで静止されたタービンの内部部品が、光学カメラ検査システムで検査され得る。公知の光学カメラ検査システムは、タービンの周囲部に周りに配置された検査ポートに挿入される剛性または可撓性の光学ボアスコープを採用している。ボアスコープは、その視界が、1つまたは複数の静翼または動翼、内筒など、タービン内の関心領域を網羅するように、手動で位置決めされる。ボアスコープに光結合されたカメラは、遠隔可視化のために、視界内の関心対象物の画像を取得し、(必要に応じて)検査者が保管する。

所与のタービン検査ポート内の異なる関心領域の一連の異なる画像が必要とされる場合、操作者は、内部関心領域と視界との所望の相対的な位置合せを達成するために、カメラ検査システムのボアスコープを手動で繰り返し位置決めしなければならない。相対的な位置合せは、ボアスコープのビューイングポートが静止関心領域に近接して位置決めされるように、ボアスコープを物理的に移動することによって達成することができる。ボアスコープと静止したタービン部品とのこのような相対移動の例は、静止した燃焼器内で異なる配向にボアスコープを挿入することや、または、タービン部内の静翼列と動翼列との間の空間に径方向に出し入れするようにボアスコープを挿入することによるものである。相対的な位置合せは、ボアスコープのビューイングポートを静止位置に維持し、タービン内部関心部品を静止した視野内に移動することによっても得ることができる。タービン内部部品と静止したボアスコープの相対移動の例は、タービンロータを小さな角度で連続して手動で回転して動翼の画像を取得することによる、動翼列内の異なる動翼の検査である。ロータは、カメラの視野内で、列の各所望の個々の動翼を一列に並べるために、連続して回転される。

完全なタービン検査は、カメラ検査システムのビューイングポートと、タービン内の関心領域との間での、検査者による複数回の手作業による相対的な再位置決めシーケンスを必要とする。検査の品質および生産性は、検査者および検査チームの検査スキルおよび操作スキルに影響される。検査装置の位置決めは、ガスタービンの構成部品間の複雑な操作経路のため、難易度が高い。例えば、第1の列の静翼の前縁または関連する支持部を検査するために、ボアスコープを燃焼器の検査ポートを通じて挿入することは、複合的な操作を必要とする。検査装置をタービン内で不適切に位置決めすることは、タービン内部部品を潜在的に損傷する可能性がある。複数の操作者の検査チームは、しばしば、公知の検査方法および装置を用いて、手動検査を実施することが必要とされる。手短に言えば、公知の手動カメラ検査手順および検査システム操作は、時間を必要とし、事実上繰り返しであり、複数の人員の検査チームの支援をしばしば必要とする。公知の手動カメラ検査手順および検査システム操作に必要とされる「人的要因」は、人員のスキルの程度が異なることに基づいて、検査工程の望ましくない相違をもたらす。人員のスキルに相違があるので、ある検査チームは、他のチームより、より少ない時間で検査を完了することができ、より優れた画像品質を得られ、検査による損傷の危険性がより少ない。理想的には、高度な検査実施チームのスキルを、すべてのチームで使用するために取り入れることができるとよい。

非限定的な例として蒸気またはガスのタービンおよび発電機を含む発電機械の非破壊の内部検査を実施するために必要な全体時間を、公知の検査の装置および方法によって達成できるよりも短縮し、その結果、発電機械が、保守サイクルの間により素早く発電を再開するためにラインに戻され得る光学カメラ検査のシステムおよび方法に対する必要性が、当技術分野にある。

非限定的な例として蒸気またはガスのタービンおよび発電機を含む発電機械の内部で、個々の発電機械の検査サイクル内、または、複数の異なる発電機械の検査サイクル内で、公知の手作業の検査の装置および方法によって達成できるよりも、機械内部部品への損傷の最小限の危険性、高い画像品質、および、より迅速な検査サイクル時間で、一貫して繰り返して検査装置を位置決めできる光学カメラ検査のシステムおよび方法に対する別の必要性が、当技術分野にある。

異なる検査チーム間の検査スキルの程度および生産性を等しくする助けとなる光学カメラ検査のシステムおよび方法に対するさらに別の必要性が、当技術分野にある。

したがって、本発明の潜在的な目的は、数ある中で共同または別々で、公知の検査の装置および方法と比較して、全体の予定される保守期間と個々の検査サイクル時間とを短縮し、個々の発電機械の検査サイクル内、または、複数の異なる発電機械の検査サイクル内で、機械内部部品への損傷の最小限の危険性および高い画像品質で、一貫して繰り返して検査装置を位置決めし、かつ、異なる検査チーム間の検査スキルの程度および生産性を等しくする助けとなる(非限定的な例として蒸気またはガスのタービンおよび発電機を含む)発電機械用の光学カメラ検査のシステムおよび方法を作り出すことである。

ガスおよび蒸気のタービンまたは発電機など、発電機械の内部部品は、カメラの視界(FOV)を、機械内の関心領域に、あらかじめ指定された操縦経路に沿って自動的に位置決めし、人が介入することなく画像を取得できる光学カメラ検査システムで検査される。自動的なカメラの位置決めおよび画像取得は、自動的に、または、操作者の許可を受けた後に開始され得る。あらかじめ指定された操縦経路は、操作者が、発電機械または同じタイプの同様のものの内部に検査スコープを手作業で位置決めし、将来の繰り返しのために一連の位置決めステップを記録することで、定めることができる。操縦経路は、仮想的なシミュレーションによって定めることもできる。

これらの目的および他の目的は、本発明に従って、産業用ガスタービンを含む発電機械の内部検査のためのシステムによって達成される。システムは、ガスタービン検査ポートに取り付けるための取付フランジを備える。システムは、中心軸線を定める細長い本体部、取付フランジに連結された近位端、および、ガスタービン検査ポート内に挿入するための遠位端を備える検査スコープを備える。線形駆動部が、検査スコープをその中心軸線に沿って移動する。回転駆動部が、検査スコープをその中心軸線周りで回転する。視界を有するカメラヘッドが、検査スコープの本体部の遠位端に連結される。カメラが、カメラヘッドによって送信される画像を取得するため、検査スコープに連結される。システムは、線形駆動部、回転駆動部、およびカメラに連結され、検査スコープおよび視界をガスタービン内のあらかじめ指定された操縦経路に沿って内部関心領域へと自動的に位置決めするための制御システムであって、人が介入することなく前記内部領域のカメラ画像を取得するための制御システムをも備える。

本発明は、ガスタービンの内部検査のための方法も特徴としており、その方法は、ガスタービン検査ポートに取り付けるための取付フランジと検査スコープとを備える内部検査システムを提供するステップを含む。検査スコープは、中心軸線を定める細長い本体部、取付フランジに連結された近位端、および、ガスタービン検査ポート内に挿入するための遠位端を備える。検査スコープは、検査スコープをその中心軸線に沿って移動するための線形駆動部と、検査スコープをその中心軸線周りで回転するための回転駆動部とを備える。視界を有するカメラヘッドが、検査スコープの本体部の遠位端に連結される。カメラが、カメラヘッドによって送信される画像を取得するため、検査スコープに連結される。システムは、線形駆動部、回転駆動部、およびカメラに連結され、検査スコープおよび視界をガスタービン内のあらかじめ指定された操縦経路に沿って内部関心領域へと自動的に位置決めするための制御システムであって、人が介入することなく前記内部領域のカメラ画像を取得するための制御システムをも備える。次に、取付フランジはガスタービン検査ポートに取り付けられ、検査スコープの遠位端はガスタービン検査ポートに挿入される。操縦経路は制御システムに提供される。そして、ガスタービンは、検査スコープおよび視界を操縦経路に沿って制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなくそのカメラ画像を取得することによって、検査される。カメラの画像は検討のために保管される。ステップの順番は、この方法を実施するとき、変更されてもよい。

本発明は、産業用ガスタービンを検査するための方法も特徴としている。第1に、ガスタービンは、発電運転を中断するために停止される。ガスタービン検査ポートに取り付けるための取付フランジと検査スコープとを備える内部検査システムが提供される。検査スコープは、中心軸線を定める細長い本体部、取付フランジに連結された近位端、および、ガスタービン検査ポート内に挿入するための遠位端を備える。検査スコープは、検査スコープをその中心軸線に沿って移動するための線形駆動部と、検査スコープをその中心軸線周りで回転するための回転駆動部とを備える。視界を有するカメラヘッドが、検査スコープの本体部の遠位端に連結される。カメラが、カメラヘッドによって送信される画像を取得するため、検査スコープに連結される。システムは、線形駆動部、回転駆動部、およびカメラに連結され、検査スコープおよび視界をガスタービン内のあらかじめ指定された操縦経路に沿って内部関心領域へと自動的に位置決めするための制御システムであって、人が介入することなく前記内部領域のカメラ画像を取得するための制御システムをも備える。方法の実施では、ガスタービンは150℃(華氏300度)未満の内部温度へと冷却される。その後、取付フランジは、動翼列と静翼列との間に配置されたタービン部検査ポートに取り付けられる。操縦経路は制御システムに提供される。タービン部は、検査スコープおよび視界を操縦経路に沿って制御システムで位置決めし、人が介入することなくそのカメラ画像を取得することによって、自動的に検査される。カメラの画像は検討のために保管される。ステップの順番は、この方法を実施するとき、変更されてもよい。

操縦経路は、多くの方法によってあらかじめ指定され、続いて、将来の繰り返しのために、検査するステップにおいて用いられる実際の検査スコープの制御システムによって記録される。操縦経路をあらかじめ指定する方法は、実際に検査されるガスタービン内(または、実際に検査されるガスタービンと同じタイプの内部構造を備える別のガスタービン内)で選択された操縦経路に沿って検査するステップで用いられるタイプの検査スコープを、事前に人が制御して位置決めするステップと、選択された操縦経路に沿って検査されているタイプの仮想的な発電機械内での検査するステップで用いられるタイプの仮想的な検査スコープを、人が制御してシミュレートされた位置決めをするステップと、検査するステップで用いられるタイプの仮想的な検査スコープおよび仮想的な発電機械を、シミュレートされた選択された操縦経路に沿って人が介入することなくシミュレートされた位置決めをするステップとを含んでもよい。

本発明の目的および特徴は、任意の組み合わせ、または、任意の副次的な組み合わせで、当業者によって共同または別々で適用されてもよい。

本発明の教示は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することで、容易に理解され得る。

公知のガスタービンの部分的な断面の概略図である。 本発明の光学カメラ検査システムの実施形態を燃焼器の検査ポートに一部挿入した状態を示す、公知のガスタービンの部分的な断面の概略図である。 燃焼器の内部部品の検査を図2の光学カメラ検査システムで実施する公知のガスタービンの部分的な断面の概略図である。 列1のタービン動翼の前縁の検査を図2の光学カメラ検査システムで実施する公知のガスタービンの部分的な断面の概略図である。 Ω、T、Φ、E、およびΘの使用可能な運動度を示す、図2の実施形態の光学カメラ検査システムの斜視概略図である。 図2の屈折挿入位置における、図5の光学カメラ検査システムの斜視概略図である。 図3の固定検査位置における、図5の光学カメラ検査システムの斜視概略図である。 ΩおよびTの運動度を示す、図5の光学カメラ検査システムの延長管機構部の斜視概略図である。 タービンの検査ポートに取り付けられている本発明のアダプターリングの概略的な斜視図である。 ΦおよびΘの運動度を示す、図5の光学カメラ検査システムのカメラヘッドの関節および回転(パン)の機構の概略的な正面図である。 図10のカメラヘッドの関節および回転(パン)の機構の概略的な平面図である。 Eの運動度を示す、図5の光学カメラ検査システムのカメラヘッド延長機構の概略的な正面図である。 図5の光学カメラ検査システムのカメラヘッドの概略的な斜視図である。 図5の光学カメラ検査システムのカメラヘッドの概略的な展開した斜視図である。 図14のカメラヘッドの概略的な部分的組立体の斜視図である。 図5の光学カメラ検査システム用の制御ボックスおよび制御システムのブロック図である。 本発明の光学カメラ検査システムの操作者による遠隔からの監視および制御のためのタブレットコンピュータのヒューマンマシンインターフェース(HMI)の実施形態の斜視概略図である。 本発明の別の光学カメラ検査システムの実施形態を2つの別個のタービン部分の列の各検査ポートに挿入した状態を示す、公知のガスタービンの部分的な断面の概略図である。 T、Θ、およびΦの使用可能な運動度を示す、図18の光学カメラ検査システムの実施形態の正面斜視図である。 Φの運動度のための揺動プリズム関節機構の正面図である。

理解を容易にするように、図面を通じて共通の同一の要素を指示するために、可能であれば、同一の参照符号が用いられている。

以下の説明を考慮した後、当業者は、本発明の教示が、非限定的な例として蒸気またはガスのタービンおよび発電機を含む発電機械の非破壊の内部検査のための光学カメラシステムで容易に利用できることを、明確に理解することになる。光学カメラ検査システムは、カメラの視界(FOV)を機械内の関心領域に自動的に位置決めし、人が介入することなく画像を取得できる。自動的なカメラの位置決めおよび画像取得は、自動的に、または、操作者の許可を受けた後に開始され得る。代替で、システムは、「手動」モードで人に操作されてもよい。

カメラ検査システムの概要

図1を参照すると、本発明の実施形態は、燃焼器34、タービン部の第1列および第2列の固定された静翼42、46、先端の第1列および第2列の回転する動翼44、48、および環状部分とを含むガスタービン30の内部部品の、ラインから切り離しての自動化された遠隔からの目視検査を容易にする。図2〜図4および図18に示すように、本発明の検査システムの実施形態は、周囲温度まで完全に冷却されていないラインから切り離されたタービンの検査を、遠隔作動される光学カメラの検査スコーププローブ60、220をタービンの検査ポート36、50、および52に取り付けることで、可能にする。取り付けの際、検査スコーププローブ60、220は、運動制御システムの命令に支配される内部運動制御サーボモータによって選択的に(操作者により手動で、または、操作者のいない自動で)位置決めされる。画像データが、獲得および取得され、ならびに、必要により、さらなる分析のために保管される。

関節式検査スコープ

図2〜図4は、関節式検査スコープの実施形態60を燃焼器34の検査ポート36に挿入すること(図2)によるガスタービンの検査を示している。ガスタービン設備の領域の周りでのスコープ60のクリアランスを操作するために、検査スコープ60は屈折ナックルを有しており、そのため、スコープは細長くされたスコープの約半分の長さの概してL字形の外形に折ることができる。検査スコープ60が検査ポート36内に位置決めされると、ナックルは、図3に示すように、真っ直ぐにされる。検査スコープ60は、検査ポート36に取り付けられた後、そのカメラヘッドを回転および延長することで、燃焼器の内部部品を検査するために利用され得る。図4では、スコープ60がさらに延長され、そのカメラヘッドが関節でつなげられて、第1列の静翼と第1列の動翼の前縁との画像が獲得され得る。タービンロータが回転モードである場合、すべての第1列の動翼の画像は、動翼がカメラヘッドの視界を通り過ぎて回転するとき、取得できる。

図5を参照すると、検査スコープ60は、3つの主要な構成部品区域、つまり、以下の5つの運動自由度を実施できる延長管区域62(図5〜図9参照)、モータ被覆部64(図5、図10〜図12)、および、カメラ先端部66(図5、図12〜図15)を備える。

Ω -- 全体回転

T -- 伸縮延長

Φ -- カメラヘッド連結

E -- カメラヘッド先端延長

Θ -- カメラヘッド回転/パン

延長管区域62は、燃焼器の検査ポート36などの検査ポートに取り付けられる取付管70および取付首部72を備えている。モータ筺体74は、取付首部72の遠位における取付管70の反対の端に取り付けられており、ΩおよびTの運動度を実施するために必要なサーボモータを収容する。3つの伸縮管75〜77は、T方向の運動を提供するために、取付管70内へと収まる。

図6および図7に示すように、バネが装填された固定ナックル80は、検査スコープ60全体を、図2で示して前述したように、タービン30の周りでコンパクトに操作するように屈折させることができる。固定袖部77Aは、伸縮管77上を摺動し、図7に示すように検査スコープ60が固定検査位置にあるとき、伸縮管77においてナックル80を抑える。

図5に示すように、モータ被覆部64は、運動度Φと、カメラヘッド伸縮延長部84、86を介したカメラヘッド88のヘッド延長運動Eと、カメラヘッド88の回転/パン運動度Θとを提供する電動の関節連結部82を位置決めするために必要なサーボモータを収容する。カメラヘッド88は、軸線方向および横方向の視界(FOV)それぞれのためのカメラポート90、92を備えている。

図8は、回転ハブ100において、2つの同軸の入れ子とされた個々に駆動される大径歯車および小径歯車を示すモータ筺体74の詳細図である。回転駆動歯車102は、回転ハブ100において大径歯車を回転することによってΩ運動を生じさせるために、回転サーボモータ104によって駆動される。伸縮延長駆動ねじ106が、回転ハブ100において小径歯車に強固に連結され、回転ハブ100はさらに延長駆動歯車108と係合している。延長サーボモータ110は、回転ハブ100において小径歯車を回転することによって、T運動を生じさせることに関与している。取付首部72はアダプターリング112に取り付けられ、そのアダプターリング112は、燃焼器の検査ポート36などの検査ポートへとさらに取り付けられる。図9に示すように、アダプターリングは、首部72内の合致する内部ねじと係合される複数の周囲ねじ114を備えている。アダプターリング112は、テーパ状ヘッド機械ねじ118を受け入れるための取付孔116を備えている。ねじ118は、アダプターリング112内に埋め込まれるようにして取り付けられ得る。アダプターリングの他の構成、または、スコープを検査ポートに取り付ける他の形態の基体が、アダプターリング112に代用されてもよい。

図10を参照すると、モータ被覆部64は、一対の離間された耳状のモータ被覆旋回部122を有するモータ被覆筺体120を備えている。関節運動サーボモータ124は、カメラ旋回ハブ128を傾けるだけのΦの関節運動を与える駆動ねじ126を回転する。傾斜運動軸132が、モータ被覆旋回部122に回転可能に連結されたカメラハブ旋回部130の間に設けられている。オフセットリンク133が、駆動ねじ126に連結されており、直線運動を傾斜運動軸132の周りの回転運動に変換する。

モータ被覆筺体120は、図11に示すように、カメラヘッド66のΘの運動度を与えるカメラパン/回転サーボモータ134も収容している。サーボモータ134はかさ歯車列136を駆動し、そのかさ歯車列136は、さらに回転ハブ129を回転するために、カメラ旋回ハブ128内に回転するように獲得されている従動かさ歯車を備えている。回転ハブ129は、カメラヘッド伸縮延長部84に強固に連結されている。カメラヘッド伸縮延長部84および86は、延長サーボモータ140によってEの運動度で延長および収縮され、その延長サーボモータ140は、さらに線形駆動ねじ142と係合している。駆動ねじ142は、引っ張られたケーブル146が架け渡された駆動プーリ144を備えている。従属プーリ148がカメラヘッド88に取り付けられており、従属プーリ148もまたケーブル146に連結されている。コイルばね150が、カメラヘッド88と回転ハブ129との間に介在されており、それらカメラヘッド88と回転ハブ129とを互いから離すように付勢し、それによってケーブル146を引っ張っている。延長サーボモータ140による駆動スクリュー142の選択的な移動は、カメラヘッド88を図において左右に動かす(運動E)。

図13〜図15は、カメラヘッド筺体152と選択的に取り外し可能なカバー154とを備えたクラムシェル構造を有するカメラヘッド88を示している。カメラ156は、カメラヘッド88の中心軸線に沿って延びる「第1カメラ」のポート90を通じた視界(FOV)を有する。カメラ158は、横方向に、または、カメラヘッド88の中心軸線に直角に延びる「第2カメラ」のポート92を通じた視界(FOV)を有する。カメラ156は、プリズム160を通じてその画像を生成する。カメラ156、158は、パーソナルコンピュータで通常使用されるタイプの公知の自動焦点式USBカメラである。発光ダイオード(LED)162および164が、発電機械の内部検査の間、カメラ156、158に対する照明を提供する。

検査スコープ60は、図15に概略的に示すように、冷却空気路170と加圧冷却空気供給源172(例えば、圧縮空気)とによって外部から冷却される。冷却空気は、スコープ60を通過して、熱を機器から持ち去り、カメラ156、158およびLED162、164の周りで、カメラポート90、92、プリズム160などのスコープの外表面内の隙間を通って排出する。これらの隙間は、冷却空気排出ポートとして有効に機能する。様々な冷却ポートから排出する冷却空気は、熱をスコープ60から持ち去る助けとなり、完全に冷却されていないタービン30の内部温度と比べてより低温のカメラヘッド88の周りに熱障壁を作り出す助けとなる。この方法で、検査スコープ60は、タービンが周囲空気温度まで冷却する何時間も前に、なおも高温の停止されたタービン内に挿入させておくことができる。この方法で、検査は、公知の検査システムで許容可能とされるよりも、何時間も早く、おそらくは数日間も早く、開始できる。この方法で、検査工程は、過去に可能であったよりも、タービン点検期間においてより早く開始されて完了され、総計の保守サイクル時間をおそらく低減できる。

カメラ検査スコープの制御および操作

5つの運動度に沿った検査スコープ60の位置決めは、前述の5つの精密運動制御サーボモータ104(Ω)、110(T)、134(Θ)、124(Φ)、および140(E)に電圧を加えることで達成される。サーボモータは、公知の運動制御システムの制御装置が使用するためのモータ位置情報フィードバックを提供する関連付けられたエンコーダを備えている。図16は、本発明の例示の運動制御システムのブロック図である。前述の検査スコープ60のハードウェアは、点線60によって指示されており、これもまた点線で指示された制御ボックス180と、多経路ケーブル192およびUSBカメラケーブルなどの公知の通信経路によって、通信している。

制御ボックス180は、運動制御装置186および運動制御装置モータ駆動部188に電圧を加える第1の電力供給源182および第2の電力供給源184を備えている。構成部品182〜188のすべてが、産業用運動制御システムに利用される公知の設計のものである。運動制御装置186は、運動制御装置モータ駆動部188に、検査スコープ60のサーボモータ104(Ω)、110(T)、134(Θ)、124(Φ)、および140(E)に電圧を加えるために、および、反転するために命令を出す。簡潔にするため、すべてのこのようなモータは、「サーボモータ」と総称される。それぞれのサーボモータは、それぞれの運動範囲内のスコープの位置を指示するエンコーダ信号を生成する関連付けられたエンコーダを備えている。例えば、サーボモータ104と関連付けられたエンコーダは、延長管部62の全体回転位置(Ω)を指示する回転位置信号を生成する。各々のエンコーダからの位置信号情報は、運動制御装置186によってアクセスされる。運動制御装置186は、それぞれのモータエンコーダ信号を検査スコープ60の空間位置と関連付ける。デジタルライト制御装置190は、LED162、164の輝度出力およびオン/オフを制御し、運動制御装置186と通信する。運動制御装置186は、例えば冷却ポート174からの流量といった、検査スコープ60に入って通過する冷却空気の流れも制御する。

運動制御装置186は、選択的な無線通信機能194を備えている。配線接続されたデータ経路198は、例えば、イーサネット(登録商標)プロトコルに準拠した通信信号を送信するケーブルといったものであり、主制御装置200と通信している。例示の主制御装置200は、内部メモリ容量と、必要により外部メモリ202とを備えるパーソナルコンピュータである。主制御装置コンピュータ200はまた、カメラ156(第1USBカメラ)およびカメラ158(第2USBカメラ)から処理され得る画像データを受信して処理する。コンピュータ200は、未加工の画像データまたは処理された画像データを、メモリ202に保管もしくは他の方法で保存できる。検査スコープ60は、ジョイスティック204および/またはHMI表示/タッチスクリーン206などを介して、人の命令および制御のもとで位置決めできる。カメラ156、158からの画像は、HMI表示スクリーン206によって見ることができる。選択的に、コンピュータ200は、例えば、例えばHMIを備えたタブレットコンピュータ210を含む、例えばタブレットコンピュータなどの他のコンピュータと通信するために、無線通信機能を有してもよい。図17は、第1カメラ画像表示部212と、第2カメラ画像表示部214と、プローブ位置情報表示部216と、検査スコープ60の位置を操作するためのHMI制御インターフェース218とを備える例示のタブレットコンピュータHMI表示スクリーンを示している。タブレットコンピュータ210は、主制御装置コンピュータ200を通じて通信する必要のない、運動制御装置186との直接通信機能を有してもよい。

動翼/静翼検査スコープ

動翼/静翼検査スコープ220の実施形態が図18〜図20に示されている。この実施形態は、具体的には、回転する動翼列と静止する静翼列との間で、ガスタービン30のタービン部38の領域内の検査に適している。図18は、第1列の検査ポート50および第2列の検査ポート52の各々にそれぞれ取り付けられる一対の検査スコープ220を示している。しかしながら、検査チームの裁量で、単一の検査スコープ220が選択された検査ポートに取り付けられてもよいし、または、3つ以上の検査スコープ220が、検査工程の間に同時にタービン30に取り付けられてもよい。同様に、検査チームは、その裁量で、1つまたは複数の検査スコープ60の実施形態を、任意の検査工程において、検査スコープ220の実施形態と共に、または、検査スコープ220の実施形態なしで、同時に操作してもよい。

図19および図20に示すように、検査スコープ220の実施形態は、取付フランジ222によって、ガスタービン検査ポート(ここでは第1列の検査ポート50)に取り付けられている。関連するサーボモータとエンコーダとを備えた線形駆動部224は、伸縮する延長位置運動度Tで検査スコープを移動する。関連するサーボモータとエンコーダとを備えた回転駆動部226は、カメラ回転/パン運動度Θで検査スコープを回転する。ボアスコープ228は、線形駆動部224および回転駆動部226に機械的に連結されており、その視界(FOV)内で画像取り込みを行うカメラヘッド230を備えている。カメラヘッド230は、関節の運動度Φの運動が関連するサーボモータとエンコーダとによって与えられる旋回プリズム232を備えている。ボアスコープ228は、公知の構造のものであり、照らしてカメラヘッドの視界内の画像をカメラ236に送信する光ファイバーレンズ234および補助外部ライト(図示せず)を備えている。カメラ236は、図16に示すような、運動制御システムに連結された自動焦点式USBカメラであり得る。大まかな運動制御、検査スコープ220のその運動度Φ、Θ、およびTに沿った位置決め、およびカメラ画像取得は、検査スコープ60の実施形態と関連して先に説明したように実施される。

検査スコープ220は、タービン部30がおよそ150℃までの上昇した温度をなおも有するとき、タービン30の冷却段階での検査のための外部冷却システムを備えている。検査スコープ60の実施形態と関連して先に説明したように、冷却システムは、ボアスコープ228と平行に、または、ボアスコープ228内で延びる空気路170を備え、その空気路170は、冷却空気供給源から得られた冷却空気を、カメラヘッド230の周りなど、1つまたは複数の機能的な冷却空気排出ポートを通じて放出する。

動翼/静翼検査スコープ220の実施形態の3つの運動度Φ、Θ、およびTは、タービンロータが回転装置モードで回っている間に、所与の列内のすべての回転するタービン動翼の前縁側または後縁側の完全な画像を得るに十分である。例えば図18では、第1列のタービン動翼44の各々の前縁側は、検査ポート50に位置決めされた検査スコープ220によって検査できる。各々個別の動翼がカメラヘッド230の視界内で回転すると、その画像が関連する制御システムによって取得される。一続きの動翼画像の一部または全部は、タービン30が回転装置モードにある間の単一のロータ40の回転の間に取得できる。単一のカメラヘッド230の視界は、タービン動翼上の関心領域を径方向の長さ全体では取得できない。カメラヘッドの傾斜角度Φを再位置決めすること、または、Tの自由度に沿ってボアスコープ228を挿入/後退することによって、カメラの視界は、動翼または静翼の長さに沿って径方向に再位置決めできる。異なる動翼/静翼径方向位置で取得された画像は、動翼全体の統合した画像を作り出すために組み合わせることができる。同様に、第1列の各々の動翼44の後縁の画像が、前縁について行われたように、タービン検査ポート52に検査スコープ220を位置決めすることによって取得できる。

例示のタービン検査工程

本発明のカメラ検査システムは、人が介入することなく、ガスタービンなどのタービンの関心領域に対して、自動位置決めと検査カメラの視界の画像取得との機能を提供する。検査スコープ位置決めの一連の情報がシステムに提供された後、その後の検査は、検査チーム個々の検査スコープの位置決めのスキルまたは検査速度に関係なく、異なる検査チームによって繰り返すことができる。自動検査は、公知の検査工程と比較して、人が引き起こす過失がより起こり難い状態で、より素早く完了できる。本発明の検査方法のさらなる説明は、例示の産業用ガスタービンの検査を参照したものとなる。

検査スコープの位置決めの一連の情報は、本発明の検査スコープの実施形態を選択された検査ポートに設置し、すべての制御される運動を初期化または「開始」位置に配向することによって得ることができる。検査者が、例えばジョイスティックやタッチスクリーンパッドを用いるといった制御システムHMIを通じて、タービン内で操縦される経路を通じて検査スコープを案内し、その経路は一方または両方の制御システムの制御装置/主コンピュータ内に記録される。操縦経路は、検査スコープがタービンの内部部品と望ましくない衝突を起こさずに、関心領域内で検査スコープのカメラヘッドの視界を配向するように選択される。

制御システムは、最初に人が制御した検査からの操縦経路情報を保持し、同じタービン、または、同じ内部構造を有する他のタービンでの将来の検査サイクルについて、検査スコープの位置決めの進行を後で繰り返すことができる。例えば、操縦経路の順序は単一の試験タービンで実施でき、その順序は、その現場に配置された同じ構造のガスタービンを検査する検査チームが用いるために、他の離れた現場に送ることができる。現地において、検査チームは、異なるガスタービンが元々のガスタービンとは内部構造が違うかもしれないことを懸念するかもしれない。現地のチームは、現地に設置されたタービンが検査を実施するのに必要とされる任意の経路変更に対応するようにその場で上書きするように、保存された操縦経路を個々に少しずつ再検討できるか、または、現地に配置されたタービン専用の新しい操縦経路をプログラムするように選択できる。

操縦経路は、代替で、検査者がシミュレートされたタービンで操縦経路をシミュレートし、実際のタービンの検査において後で用いるためにその経路を記録することで、仮想空間で決定されてもよい。別の代替として、スコープ検査シミュレーションプログラムは、検査者による検討および認可のために、提案された検査操縦経路を準備できる。

操縦経路の順序は、カメラヘッドの視界を、ある関心位置から他の関心位置へと移動できる。例えば、検査スコープが燃焼器の検査ポートに取り付けられると、検査システムは燃焼器内の内部部品の画像を取得して記録し、次に、第1列の静翼の前縁に移動し、それらの静翼を通過し、第1列の動翼の前縁を検査することができる。タービンが回転装置モードである場合、カメラヘッドは、単一のロータの回転の間、各々の動翼に関しての同じ画像を連続して記録できる。

操縦経路位置にあるとき、カメラヘッドは、カメラの異なる視界からの画像情報を同じ基準位置から得るために、再位置決めされ得る。同じ基準位置から撮られた様々な画像は、構造要素の合成表示もしくは「縫い合わされた」表示を得るために、または、タービン内部の任意またはすべての部分の仮想的な「巡回」を行うために、組み合わせられ得る。

検査スコープのカメラヘッドの視界をある位置から他の位置へと移動するのではなく、静止するカメラヘッドの視界内にタービン部品の関心領域を移動することも可能である。例えば、動翼列と静翼列との間に挿入された検査スコープは、タービンが回転装置モードにあるか、または、操作者が、カメラヘッドの前で、完全に停止されたタービンロータの各々の動翼を連続して手動で「ぶつける」ことで、カメラの視界内で回転する各々の動翼の画像を取得できる。

本発明の教示を組み込む様々な実施形態が、本明細書において詳細に示されて説明されたが、当業者は、これらの教示をなおも組み込む多くの他の変形の実施形態を容易に考案できる。例えば、タービン内部部品の「光学画像」は、可視光スペクトルまたは赤外線スペクトルで取得できる。検査スコープの運動度は、サーボモータ104(Ω)、110(T)、124(Θ)、124(Φ)、および140(E)によって可能とされた例示の運動に限定される必要はない。スコープの運動は、サーボモータによって与えられる必要はなく、公知の代替の空気圧または他の運動制御システムを含むことができる。

30 ガスタービン
34 燃焼器
36 検査ポート
38 タービン部
42 静翼
44 動翼
46 静翼
48 動翼
50 検査ポート
52 検査ポート
60 検査スコーププローブ
60 関節式検査スコープ
62 延長管区域
62 延長管部
64 モータ被覆部
66 カメラ先端部
70 取付管
72 取付首部
74 モータ筺体
75 伸縮管
76 伸縮管
77 伸縮管
77A 固定袖部
80 固定ナックル
82 関節連結部
84 カメラヘッド伸縮延長部
86 カメラヘッド伸縮延長部
88 カメラヘッド
90 カメラポート
92 カメラポート
100 回転ハブ
102 回転駆動歯車
104 回転サーボモータ
104 エンコーダ
106 伸縮延長駆動ねじ
108 延長駆動歯車
110 延長サーボモータ
112 アダプターリング
114 周囲ねじ
116 取付孔
118 ねじ
120 モータ被覆筺体
122 モータ被覆旋回部
124 関節運動サーボモータ
126 駆動ねじ
128 カメラ旋回ハブ
129 回転ハブ
130 カメラハブ旋回部
132 傾斜運動軸
134 カメラパン/回転サーボモータ
136 かさ歯車列
140 延長サーボモータ
142 線形駆動ねじ
144 駆動プーリ
146 ケーブル
148 従属プーリ
150 コイルばね
152 カメラヘッド筺体
154 カバー
156 カメラ
158 カメラ
160 プリズム
162 発光ダイオード
164 発光ダイオード
170 冷却空気路
172 加圧冷却空気供給源
174 冷却ポート
180 制御ボックス
182 第1の電力供給源
184 第2の電力供給源
186 運動制御装置
188 運動制御装置モータ駆動部
190 デジタルライト制御装置
192 多経路ケーブル
194 無線通信機能
198 データ経路
200 主制御装置
200 主制御装置コンピュータ
202 外部メモリ
204 ジョイスティック
206 HMI表示/タッチスクリーン
210 タブレットコンピュータ
220 検査スコーププローブ
220 動翼/静翼検査スコープ
222 取付フランジ
224 線形駆動部
226 回転駆動部
228 ボアスコープ
230 カメラヘッド
232 旋回プリズム
234 光ファイバーレンズ
236 カメラ

Claims (20)

1. ガスタービンの内部検査のためのシステムであって、
   ガスタービン検査ポートに取り付けるための取付フランジと、
   中心軸線を定める細長い本体部、前記取付フランジに連結された近位端、および、ガスタービン検査ポート内に挿入するための遠位端を備える検査スコープと、
   前記検査スコープをその中心軸線に沿って移動するための、前記検査スコープに連結された線形駆動部と、
   前記検査スコープをその中心軸線周りで回転するための、前記検査スコープに連結された回転駆動部と、
   視界を有し、前記検査スコープの前記本体部の前記遠位端に連結されたカメラヘッドと、
   前記検査スコープに連結され、前記カメラヘッドによって送信される画像を取得するためのカメラと、
   前記線形駆動部、前記回転駆動部、および前記カメラに連結され、前記検査スコープおよび前記視界をガスタービン内のあらかじめ指定された操縦経路に沿って内部関心領域へと自動的に位置決めするための制御システムであって、人が介入することなく前記内部関心領域のカメラ画像を取得するための制御システムと
   を備えるシステム。
2. 前記制御システムは、前記視界を、複数の関心領域に、前記操縦経路に沿って自動的に連続して位置決めし、前記複数の関心領域のそれぞれの画像を取得する、請求項1に記載のシステム。
3. 前記検査スコープは連続する位置間で静止したままであり、機械内の前記複数の関心領域は前記操縦経路に沿って移動し、前記制御装置は、前記複数の関心領域が前記視界内にあるとき、前記カメラに前記複数の関心領域の画像を取得させる、請求項2に記載のシステム。
4. 前記複数の関心領域はタービン動翼を含む、請求項3に記載のシステム。
5. 複数の関心領域の画像は、合成画像を作製するために組み合わされる、請求項2に記載のシステム。
6. 複数の関心領域の画像を組み合わせて合成画像を作製することと、
   複数の時間において撮られた画像を組み合わせて画像を重ね合わせることと
   から成る群から選択された組み合わせ画像をさらに備える、請求項5に記載のシステム。
7. 前記検査スコープは、前記カメラヘッドを内部に組み込むボアスコープである、請求項1に記載のシステム。
8. 前記カメラヘッドおよび前記制御システムに連結され、前記検査スコープの前記中心軸線に対して前記カメラヘッドの前記視界を関節でつなげるための関節駆動部をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
9. 前記検査スコープに連結された、加圧された冷却ガスを、前記検査スコープを通すように送るための冷却システムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
10. 前記カメラヘッドの前記視界を照らすために前記カメラヘッドに連結された照明システムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
11. ガスタービンの内部検査のための方法であって、
    ガスタービン検査ポートに取り付けるための取付フランジと、
    中心軸線を定める細長い本体部、前記取付フランジに連結された近位端、および、ガスタービン検査ポート内に挿入するための遠位端を備える検査スコープと、
    前記検査スコープをその中心軸線に沿って移動するための、前記検査スコープに連結された線形駆動部と、
    前記検査スコープをその中心軸線周りで回転するための、前記検査スコープに連結された回転駆動部と、
    視界を有し、前記検査スコープの前記本体部の前記遠位端に連結されたカメラヘッドと、
    前記検査スコープに連結され、前記カメラヘッドによって送信される画像を取得するためのカメラと、
    前記線形駆動部、前記回転駆動部、および前記カメラに連結され、前記検査スコープおよび前記視界をガスタービン内のあらかじめ指定された操縦経路に沿って内部関心領域へと自動的に位置決めするための制御システムであって、人が介入することなく前記内部関心領域のカメラ画像を取得するための制御システムと
    を備える内部検査システムを提供するステップと、
    前記取付フランジをガスタービン検査ポートに取り付け、前記検査スコープの前記遠位端を前記ガスタービン検査ポートに挿入するステップと、
    前記操縦経路を前記制御システムに提供するステップと、
    前記検査スコープおよび前記視界を前記操縦経路に沿って前記制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなくそのカメラ画像を取得することによって、前記ガスタービンを検査するステップと、
    前記カメラの画像を検討のために保管するステップと
    を含む方法。
12. 前記検査するステップの間に、前記制御システムが、前記視界を、複数の関心領域に、前記操縦経路に沿って自動的に連続して位置決めし、前記複数の関心領域のそれぞれの画像を取得するステップを含む、請求項11に記載の方法。
13. 前記検査するステップのうちの、前記連続して位置決めして画像を取得するステップは、前記操縦経路に沿って次のステップに進む前のステップのうちの少なくとも1つにおいて人の介入を許容する、請求項12に記載の方法。
14. 前記検査するステップの間に、
    前記検査スコープを静止した位置に前記制御システムで維持するステップと、
    前記機械内の前記複数の関心領域を前記操縦経路に沿って移動するステップと、
    前記複数の関心領域が前記視界内に移動するとき、前記カメラおよび前記制御システムで、前記複数の関心領域の画像を取得するステップと
    をさらに含む、請求項12に記載の方法。
15. 前記複数の関心領域は、回転装置モードで回転されているタービンロータに取り付けられたタービン動翼である、請求項14に記載の方法。
16. 複数の関心領域の画像を組み合わせて合成画像を作製することと、
    複数の時間において撮られた画像を組み合わせて画像を重ね合わせることと
    から成る群から選択された画像を組み合わせるステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
17. 産業用ガスタービンのタービン部を検査するための方法であって、
    ガスタービンの運転を停止するステップと、
    タービン部検査ポートに取り付けるための取付フランジと、
    中心軸線を定める細長い本体部、前記取付フランジに連結された近位端、および、ガスタービン検査ポート内に挿入するための遠位端を備える検査スコープと、
    前記検査スコープをその中心軸線に沿って移動するための、前記検査スコープに連結された線形駆動部と、
    前記検査スコープをその中心軸線周りで回転するための、前記検査スコープに連結された回転駆動部と、
    視界を有し、前記検査スコープの前記本体部の前記遠位端に連結されたカメラヘッドと、
    前記検査スコープに連結され、前記カメラヘッドによって送信される画像を取得するためのカメラと、
    前記線形駆動部、前記回転駆動部、および前記カメラに連結され、前記検査スコープおよび前記視界をガスタービン内のあらかじめ指定された操縦経路に沿って内部関心領域へと自動的に位置決めするための制御システムであって、人が介入することなく前記内部関心領域のカメラ画像を取得するための制御システムと
    を備える内部検査システムを提供するステップと、
    前記ガスタービンを150℃(華氏300度)未満の内部温度へと冷却するステップと、
    前記取付フランジを、動翼列と静翼列との間に配置されたタービン部検査ポートに取り付けるステップと、
    前記操縦経路を前記制御システムに提供するステップと、
    前記検査スコープおよび前記視界を前記操縦経路に沿って前記制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなくそのカメラ画像を取得することによって、前記タービン部を検査するステップと、
    前記カメラの画像を検討のために保管するステップと
    を含む方法。
18. それぞれが第1の側および第2の側を有するタービン動翼の列を検査するための方法であって、
    回転装置モードでロータを回転することで前記ガスタービンを運転し、それによって前記動翼を回転するステップと、
    前記取付フランジを、前記タービン動翼の前記第1の側に近接して検査ポートに取り付けるステップと、
    前記タービン動翼の前記第1の側に向かい合う前記視界を配向するために、第1の操縦経路を前記制御システムに提供するステップと、
    前記検査スコープおよび前記視界を前記操縦経路に沿って前記制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなく、少なくとも複数のタービン動翼の前記第1の側のカメラ画像を取得することによって、回転する前記タービン動翼の前記第1の側を検査するステップと、
    前記取付フランジを、前記タービン動翼の前記第2の側に近接して検査ポートに取り付けるステップと、
    前記タービン動翼の前記第2の側に向かい合う前記視界を配向するために、第2の操縦経路を前記制御システムに提供するステップと、
    前記検査スコープおよび前記視界を前記操縦経路に沿って前記制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなく、少なくとも複数のタービン動翼の前記第2の側のカメラ画像を取得することによって、回転する前記タービン動翼の前記第2の側を検査するステップと、
    前記動翼の前記第1の側の前記カメラ画像と前記第2の側の前記カメラ画像とを検討のために保管するステップと
    を含む請求項17に記載の方法。
19. 前記カメラヘッドの前記視界より長い径方向長さをそれぞれ有するタービン動翼の列を検査するための方法であって、
    回転装置モードでロータを回転することで前記ガスタービンを運転し、それによって前記動翼を回転するステップと、
    前記取付フランジを、前記タービン動翼の側部に近接して検査ポートに取り付けるステップと、
    前記タービン動翼の第1および第2の隣接する径方向長さにそれぞれ向かい合う前記カメラヘッドの前記視界を配向するために、第1の位置および第2の位置を有する操縦経路を前記制御システムに提供するステップと、
    前記検査スコープの前記視界を前記操縦経路の前記第1の位置に前記制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなく、少なくとも複数のタービン動翼の前記第1の長さのカメラ画像を取得することによって、回転する前記タービン動翼の前記第1の径方向長さを検査するステップと、
    前記検査スコープおよび前記視界を前記操縦経路の前記第2の位置に前記制御システムで自動的に位置決めし、人が介入することなく、少なくとも同じ複数のタービン動翼の前記第2の長さのカメラ画像を取得することによって、回転する前記タービン動翼の前記第2の径方向長さを検査するステップと、
    前記動翼の前記第1の長さの前記カメラ画像と前記第2の長さの前記カメラ画像とを検討のために保管するステップと、
    必要により、少なくとも1つのタービン動翼に関して対応する第1の画像および第2の画像を組み合わせて、前記第1の画像および前記第2の画像の合成画像を形成するステップと
    を含む請求項17に記載の方法。
20. 前記検査システムは、前記カメラヘッドおよび前記制御システムに連結され、前記検査スコープの前記中心軸線に対して前記カメラヘッドの前記視界を統合するための関節駆動部をさらに備え、前記制御システムは、前記操縦経路の前記第1の位置および前記第2の位置にそれぞれ対応する第1の関節位置および第2の関節位置で、前記カメラヘッドをそれぞれ関節でつなげる、請求項19に記載の方法。

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