JP2017201164A - タービンエンジン用のマイクロサーマルイメージングシステム - Google Patents

タービンエンジン用のマイクロサーマルイメージングシステム Download PDF

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Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用の内部構成要素の温度を一貫して測定するためのマイクロサーマルイメージングシステムを提供する。
【解決手段】タービンエンジンはまた、圧縮機セクション、燃焼器セクション、タービンセクション１０８及び駆動シャフト１１５のうちの１つに結合された複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）も含む。タービンエンジンはまた、複数の内部構成要素の少なくとも１つに結合された少なくとも１つのマイクロ赤外線センサも含む。マイクロ赤外線センサ（２７０）は、複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の表面温度を検出するように構成される。
【選択図】図２

Description

本開示の分野は、一般に、タービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用のマイクロサーマルイメージングシステムに関する。
ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機及びタービンを含み、それぞれが一連の交互になったステータブレード及びロータブレードを備える。多くの公知のシステムは、圧縮機及びタービンの両方の入口と出口において温度を測定し、幾つかの公知のシステムは、ガスタービンエンジンの内部構成要素の温度を測定する。幾つかの公知のシステムは、内部構成要素の温度を測定するための熱電対センサを含む。しかしながら、周知の熱電対センサは、ガスタービンエンジン内部の個別の点からデータを収集するに過ぎず、それにより、ガスタービンエンジンの適切な熱分析のための十分なデータを提供することはできない。或いは、幾つかの公知のシステムは、赤外線カメラを用いて、ボアスコープを通じてガスタービンエンジンの外部の位置から内部構成要素の温度を測定する。
しかしながら、これらの公知のシステムでは、内部構成要素について収集することができるデータの量も制限される。しかしながら、公知の光ファイバは、内部構成要素の温度を一貫して測定するための十分な解決法を提供しない。
米国特許第８７４９６２９号明細書
１つの態様において、タービンエンジンが提供される。タービンエンジンは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションに流体結合する燃焼器セクションと、燃焼器セクションに流体結合されるタービンセクションと、タービンセクション及び圧縮機セクションに結合される駆動シャフトとを含む。タービンエンジンはまた、圧縮機セクション、燃焼器セクション、タービンセクション及び駆動シャフトのうちの１つに結合される複数の内部構成要素も含む。タービンエンジンはまた、複数の内部構成要素の少なくとも１つに結合される少なくとも１つのマイクロ赤外線センサも含む。マイクロ赤外線センサは、複数の内部構成要素の表面温度を検出するように構成される。
別の態様において、マイクロサーマルイメージングシステムが提供される。マイクロサーマルイメージングシステムは、タービンエンジン内に配置された少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを含む。このセンサは、回転機械内の複数の構成要素の温度を検出するように構成される。マイクロサーマルイメージングシステムは、少なくとも１つのマイクロ赤外線センサに結合されるコントローラと、コントローラに結合されるユーザコンピュータデバイスとをさらに含む。このコントローラは、少なくとも１つのマイクロ赤外線センサから温度データを受け取るように構成される。ユーザコンピュータデバイスは、温度データをユーザに伝えるように構成される。
更に別の態様において、タービンエンジンを製造する方法が提供される。この方法は、圧縮機セクションと燃焼器セクションを流体連通して結合するステップと、タービンセクションと燃焼器セクションを流体連通して結合するステップとを含む。方法は、駆動シャフトをタービンセクション及び圧縮機セクションに結合するステップをさらに含む。方法は、少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを、圧縮機セクション、燃焼器セクション、タービンセクション及び駆動シャフトの１つの少なくとも１つの内部構成要素に結合するステップをさらに含む。
本開示のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。
例示的なターボ機械、すなわちガスタービンエンジンの概略図。 図１に示されるタービンエンジンと共に用いられる例示的なロータ組立体の概略図。 図２と共に用いられる例示的なセンサの概略図。 図１に示されるタービンエンジンと共に用いられる例示的なマイクロサーマルイメージングシステムの概略図。
別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証するものとする。これらの特徴は、本開示の１又はそれ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムで適用可能であると考えられる。従って、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要とされる当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではない。
以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。
単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。
「任意」又は「場合により」とは、それに続いて記載されている事象又は状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、その記載はその事象が起こる場合と起こらない場合を含む。
本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも一部の事例において、近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。
本明細書で使用する場合に、用語「プロセッサ」及び「コンピュータ」、並びに、例えば、「処理デバイス」、「コンピュータデバイス」及び「コントローラ」などの関連用語は、単に、当技術分野においてコンピュータと呼ばれる集積回路に限定されるものではなく、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、及びその他のプログラマブル回路を広く指しており、またこれらの用語は本明細書では同義的に使用する。本明細書で記載される実施形態において、メモリは、これらに限定されるものではないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータ可読媒体、及びフラッシュメモリなどのコンピュータ可読不揮発性媒体を含むことができる。或いは、フロッピーディスク、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）を使用することもできる。また、本明細書で記載される実施形態において、付加的な入力チャネルは、これらに限定されるものではないが、マウス又はキーボードなどのオペレータインターフェースと関連したコンピュータ周辺機器とすることができる。或いは、例えば、これに限定されるものではないが、スキャナを含むことができる他のコンピュータ周辺機器を使用することもできる。さらに、例示的な実施形態において、付加的な出力チャネルは、これに限定されるものではないが、オペレータインターフェースモニタを含むことができる。
さらに、本明細書で使用する場合に、「ソフトウェア」及び「ファームウェア」という用語は同義的であり、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、クライアント及びサーバによる実行のためにメモリに格納されるあらゆるコンピュータプログラムを含む。
本明細書で使用する場合に、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール及びサブモジュール、又はいずれかのデバイス内の他のデータのような、情報の短期及び長期記憶のためのいずれかの方法又は技術で実装されるいずれかの有形コンピュータベースのデバイスを表すように意図される。従って、本明細書で記載される方法は、限定ではないが、記憶デバイス及びメモリデバイスを含む有形の非一時的コンピュータ可読媒体内に具体化される実行可能命令として符号化することができる。こうした命令は、プロセッサにより実行されるとき、プロセッサに、本明細書で記載される方法の少なくとも一部分を実行させる。さらに、本明細書で使用する場合に、用語「非一時的コンピュータ可読媒体」は、限定ではないが、ファームウェア、物理及び仮想記憶、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、及びネットワーク若しくはインターネットなどの他のいずれかのデジタルソース、並びに、唯一の例外が一時的伝搬信号である、まだ開発されていないデジタル手段のような、揮発性及び不揮発性媒体並びに取り外し可能及び取り外し不能媒体を含む非一時的コンピュータ記憶デバイスを制限なく含む、全ての有形コンピュータ可読媒体を含む。
本明細書で記載されるマイクロサーマルイメージングシステムは、ガスタービンエンジンの種々の構成要素の温度の測定を容易にする。本明細書で記載されるシステムは、ガスタービンエンジンの構成要素に埋め込まれた複数のマイクロ赤外線カメラを含む。少なくとも１つの実施形態において、システムは、ガスタービンエンジンの可動構成要素に結合された複数のマイクロ赤外線カメラを含む。可動構成要素が回転又は並進すると、マイクロ赤外線カメラは、ガスタービンエンジンの熱活性に関するデータを取得し、完全に近い種々の構成要素の表面温度のマップを提供する。次に、収集したデータを外部受信器に無線で伝送して分析し、リアルタイムで熱帰還をユーザに提供することができる。
図１は、回転機械１００、すなわちターボ機械、及びより具体的にはタービンエンジンの概略図である。例示的な実施形態において、タービンエンジン１００は、ガスタービンエンジンである。或いは、タービンエンジン１００は、限定ではないが、蒸気タービンエンジン、航空機エンジン、風力タービン及び圧縮機を含む、他のいずれかのタービンエンジン及び／又は回転機械である。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン１００は、吸気セクション１０２と、該吸気セクション１０２から下流側で且つこれと流れ連通して結合された圧縮機セクション１０４とを含む。圧縮機セクション１０４は、圧縮機ケーシング１０５内に密閉される。燃焼器セクション１０６は、圧縮機セクション１０４から下流側で且つこれと流れ連通して結合され、タービンセクション１０８は、燃焼器セクション１０６から下流側で且つこれと流れ連通して結合される。タービンセクション１０８は、タービンケーシング１０９内に密閉され、タービンセクション１０８から下流側にある排気セクション１１０を含む。燃焼器ハウジング１１１は、燃焼器セクション１０６の周りに延び、圧縮機ケーシング１０５及びタービンケーシング１０９に結合される。さらに、例示的な実施形態において、タービンセクション１０８は、限定ではないが、圧縮機ロータ又は駆動シャフト１１４及びタービンロータ又は駆動シャフト１１５を含む駆動シャフト１１２を介して、圧縮機セクション１０４に結合される。
例示的な実施形態において、燃焼器セクション１０６は、複数の燃焼器組立体、すなわち、各々が圧縮機セクション１０４と流れ連通して結合された複数の燃焼器１１６を含む。燃焼器セクション１０６はまた、少なくとも１つの燃料ノズル組立体１１８を含む。各燃焼器１１６は、少なくとも１つの燃料ノズル組立体１１８と流れ連通している。さらに、例示的な実施形態において、タービンセクション１０８及び圧縮機セクション１０４は、駆動シャフト１１４を介して負荷１２０に回転可能に結合される。例えば、負荷１２０は、限定ではないが、発電機、及び／又は例えばポンプなどの機械的駆動用途を含むことができる。或いは、ガスタービンエンジン１００は、航空機エンジンとすることもできる。例示的な実施形態において、圧縮機セクション１０４は、少なくとも１つの圧縮機ブレード組立体１２２、すなわち、ブレード１２２と、少なくとも１つの隣接する固定ベーン組立体１２３とを含む。
また、例示的な実施形態において、タービンセクション１０８は、少なくとも１つのタービンブレード組立体１２４、すなわち、少なくとも１段のタービンブレードと、少なくとも１つの隣接する固定ノズル組立体１２５、すなわち少なくとも１段のステータとを含む。各圧縮機ブレード組立体１２２及び各タービンブレード組立体１２４は、駆動シャフト１１２、又はより具体的には、圧縮機駆動シャフト１１４及びタービン駆動シャフト１１５に結合される。
作動中、吸気セクション１０２は、流体１５０を圧縮機セクション１０４に向けて送る。例示的な実施形態において、流体１５０は空気である。代替的な実施形態において、流体１５０は、タービンエンジン１００が本明細書で記載されるように機能するのを可能にするいずれかの流体である。圧縮機セクション１０４は、流体１５０を高圧高温に加圧した後、加圧流体１５２を燃焼器セクション１０６に向けて吐出する。加圧流体１５２は、燃料ノズル組立体１１８に送られ、燃料（図示せず）と混合され、各燃焼器１１６内で燃焼されて燃焼流体１５４を発生し、該燃焼流体１５４は、タービンセクション１０８に向かって下流側に送られる。燃焼器１１６内で発生した燃焼流体１５４は、タービンセクション１０８に向かって下流側に送られる。少なくとも１つのタービンブレード組立体１２４に衝突した後、熱エネルギーは機械回転エネルギーに変換され、機械回転エネルギーにより駆動シャフト１１２が駆動される。タービンセクション１０８は、駆動シャフト１１４及び１１５を介して圧縮機セクション１０４及び／又は負荷１２０を駆動し、排気１５６が、排気セクション１１０を通って雰囲気などの周囲シンク（図示せず）に吐出される。
図２は、タービンエンジン１００（図１に示される）と共に使用される例示的なロータ組立体２００の概略図である。例示的な実施形態において、ロータ組立体２００は、タービンセクション１０８内で使用され、燃焼器１１６の下流側の複数の段２３４を含み、複数の段２３４は、回転ロータディスク組立体１２４と、ステータベーン２３６を含む固定ノズル組立体１２５とを含む。例示的な実施形態において、各ロータディスク組立体１２４は、ロータディスク２４０に結合された複数のタービンブレード２３８を含む。各ロータディスク２４０は、駆動シャフト１１５に結合される。タービンケーシング１０９は、タービンブレード２３８及びステータベーン２３６の周りに円周方向に延び、各ステータベーン２３６は、ケーシング１０９により支持される。例示的な実施形態において、各ロータディスク２４０は環状であり、そこを通って実質的に軸方向に延びる、内部に定められた中央ボア２４４を含む。より具体的には、各ディスク本体２４６は、中央ボア２４４から半径方向外向きに延びる。
例示的な実施形態において、中央ボア２４４は、そこを通って駆動シャフト１１５を受けるような大きさに作られる。ディスク本体２４６は、半径方向内側端部２４８と半径方向外側端部２５０との間に、上流面２５２から反対側の下流面２５４まで半径方向に延びる。各上流面２５２及び下流面２５４は、内側端部２４８と外側端部２５０との間に延びる。軸方向支持アーム２５６は、隣接するロータディスク２４０の間に結合され、タービンセクション１０８を形成する。
また、例示的な実施形態において、各タービンブレード２３８は、ディスク本体２４６に結合され、そこから半径方向外向きに延びる。例示的な実施形態において、タービンブレード２３８は、ロータディスク２４０の周りに円周方向に離間配置される。隣接するロータディスク２４０は、円周方向に離間配置されたタービンブレード２３８の各列２５９の間にギャップ２５８が定められるように離間配置される。ギャップ２５８は、各々がタービンケーシング１０９から駆動シャフト１１５に向かって内向きに延びる円周方向に離間配置されたステータベーン２３６の列２６０を受けるような大きさに作られる。より具体的には、例示的な実施形態において、ステータベーン２３６は、駆動シャフト１１５の周りに円周方向に離間配置され、下流側の燃焼ガスをタービンブレード２３８に向かって送るように配向される。
さらに、例示的な実施形態において、高温流体経路２６１が、タービンケーシング１０９と各ロータディスク２４０との間に定められる。タービンブレード２３８及びステータベーン２３６の各列２５９及び２６０は、高温流体経路２６１の部分を少なくとも部分的に通って延びる。さらに、例示的な実施形態において、制御システム３６０（図３に示される）は、センサ２７０などの複数のセンサ又は変換器を含む。
さらに、例示的な実施形態において、各センサ２７０は、少なくとも１つのタービンブレード２３８の外面２７２に結合される。より具体的には、例示的な実施形態において、センサ２７０がタービンブレード２３８に結合されたとき、タービンブレード２３８の外面２７２が実質的に滑らかになるように、センサ２７０は、タービンブレード２３８内に埋め込まれる。代替的な実施形態において、センサ２７０は、埋め込まれるのではなく、少なくとも１つのタービンブレード２３８の外面２７２に他の方法で取り付けられるか、又はその上に配置される。例示的な実施形態において、センサ２７０は、センサ２７０が結合される特定の構成要素の温度を検出せず、センサ２７０は、周囲の構成要素及び表面の温度を検出する。例えば、例示的な実施形態において、センサ２７０が、少なくとも、ステータブレード２３６などの上流構成要素の表面温度を検出するように、センサ２７０はタービンブレード２３８に結合される。代替的な実施形態において、センサ２７０は、これらに限定されるものではないが、タービンケーシング１０９、他のタービンブレード２３８、駆動シャフト１１５、及び／又は燃焼器ハウジング１１１のような付加的な構成要素の表面温度を検出する。例示的な実施形態において、センサ２７０が、タービンブレード２３８などの可動構成要素に結合されると、センサ２７０は、固定構成要素を分析する。本明細書で記載されるように、センサ２７０をタービンブレード２３８などの可動構成要素に結合することにより、センサ２７０の視野の範囲内にあるタービン１０８の内部のより完全なマップが生成される。従って、温度データが、複数の構成要素からほぼ同時に取り出される。次に、これらの構成要素が、ほぼリアルタイムで検査及び保持され、それにより、潜在的にタービンエンジン１００の保守の頻度が低減し、耐用寿命が向上する。本明細書で使用される場合、用語「リアルタイム」は、関連した事象の発生時間、所定のデータの測定及び収集時間、データを処理する時間、事象及び環境へのシステム応答時間の少なくとも１つを指す。対照的に、熱電対センサなどの他の方法が、個別の点、すなわちセンサが配置されるタービンエンジン内の特定の点における温度を検出するか、又は代替的に、タービンエンジンの内部の完全なサーマルイメージを提供することができない外部検出機器を必要とする。
代替的な実施形態において、センサ２７０は、タービンエンジン１００が本明細書で記載されるように機能するのを可能にする、タービンエンジン１００（図１に示される）の他のいずれかの構成要素に結合することができる。例えば、代替的な実施形態において、センサ２７０は、ステータ２３６の表面２７２及び／又はディスク本体２４６に結合され、センサ２７０は、タービンブレード２３８などのタービン１０８の可動構成要素を分析する。他の代替的な実施形態において、センサ２７０は、圧縮機セクション１０４、燃焼器セクション１０６、排気セクション１１０内の表面、及び／又は駆動シャフト１１４又は１１５（図１に示される）上に結合される。例示的な実施形態において、センサ２７０はマイクロ赤外線センサである。より具体的には、例示的な実施形態において、センサ２７０はマイクロ赤外線カメラである。マイクロ赤外線カメラは、一般に、十分小さく軽量であるので、センサ２７０の存在はタービンエンジン１００の運転を実質的に妨害しない。一例において、マイクロ赤外線カメラは、約５グラム（ｇ）以上約５０グラム（ｇ）以下の範囲の重量を有し、約５ミリメートル（ｍｍ）以上約２５ミリメートル（ｍｍ）以下の範囲の直径のサイズを有する。従来のマイクロ赤外線カメラと比べてサイズが小さく低重量であることにより、これらの温度センサを多くのガスタービンエンジン用途と統合することが可能になる。代替的な実施形態において、センサ２７０は、タービンエンジン１００が本明細書で記載されるように機能するのを可能にする任意の重量又はサイズのいずれかのセンサである。例示的な実施形態において、センサ２７０はそれぞれ、センサ２７０が結合される構成要素の上流側の構成要素の温度を検出する。代替的な実施形態において、センサ２７０は、タービンエンジン１００が本明細書で記載されるように機能するのを可能にする、センサ２７０に対する他のいずれかの配向で下流側構成要素（単数又は複数）の温度を検出する。タービンエンジン１００はまた、タービンエンジン１００の他の運転パラメータの信号を制御システム３６０（図３に示される）に伝送することができる他のセンサ（図示せず）も含むことができる。
図２はタービンセクション１０８内で使用されるロータ組立体２００の例示的な実施形態を示すが、代替的な実施形態において、センサ２７０は、タービンエンジン１００の他のセクションの内部構成要素に結合される。本明細書で記載される場合に、「内部構成要素」とは、これらに限定されるものではないが、ロータディスク組立体１２４、固定ノズル組立体１２５、ステータベーン２３６、タービンブレード２３８、ロータディスク２４０、駆動シャフト１１２、１１４、１１５、ディスク本体２４６、ロボットアーム（図示せず）及び圧縮機セクション１０４、燃焼器セクション１０６及びタービンセクション１０８（図１に示される）内の他のいずれかの構成要素を含む。例示的な実施形態において、センサ２７０は、可動内部構成要素に結合され、固定内部構成要素からデータを取り出す。代替的な実施形態において、センサ２７０は、固定内部構成要素に結合され、可動内部構成要素からデータを取り出す。更に別の代替的な実施形態において、センサ２７０は、内部構成要素のいずれかの組み合わせに結合され、内部構成要素の他のいずれかの組み合わせからデータを取り出す。
図３は、ロータ組立体２００（図２に示される）と共に使用されるセンサ２７０の概略図である。例示的な実施形態において、センサ２７０は、センサ２７０の第２の端部２７７まで延びるケーシング２７６に結合された、センサ２７０の第１の端部２７５における光学ドーム２７４を含む。ケーシング２７６は、センサ２７０内に複数のセンサ構成要素２７８を収容する。センサ構成要素２７８は、ケーシング２７６の周辺に沿って結合された熱絶縁部２８０を含む。センサ構成要素２７８は、フィルタ２８４、プリズム２８５、複数のレンズ２８６、本明細書では赤外線受信器２８８とも記載される赤外線センサ２８８、システムオンセンサ（ＳｏＳ）２８９、バッテリ２９０、及びケーシング２７６に結合された通信ポート２９２をさらに含む。バッテリ２９０は、少なくとも赤外線センサ２８８及び通信ポート２９２に電気的に接続され、両方の構成要素２８８及び２９２に動力を供給する。例示的な実施形態において、フィルタ２８４の各々、複数のレンズ２８６の少なくとも１つ、赤外線センサ２８８、バッテリ２９０、及び通信ポート２９２は、第１の端部２７５から第２の端部２７７へと直列にケーシング２７６に結合される。代替的な実施形態において、フィルタ２８４の各々、複数のレンズ２８６の少なくとも１つ、赤外線センサ２８８、バッテリ２９０、及び通信ポート２９２は、センサ２７０が本明細書で記載されるように機能するのを可能にするいずれかの順序でケーシング２７６に結合される。
例示的な実施形態において、センサ２７０は、ケーシング２７６に結合された冷却構成要素２９４をさらに含む。冷却構成要素２９４は、センサ２７０から、より特定的には、センサ２７０内の少なくとも１つのセンサ構成要素２７８から熱を除去するいずれかの適切な熱交換器である。例示的な実施形態において、冷却構成要素２９４は、センサ２７０の第２の端部２７７でケーシング２７６に結合される。代替的な実施形態において、冷却構成要素２９４は、センサ２７０が本明細書で記載されるように機能するのを可能にするいずれかの構成でケーシング２７６に結合される。
作動中、光は光学ドーム２７４に入り、フィルタ２８４及びレンズ２８６を通過し、赤外線センサ２８８により受けられる。本明細書でさらに記載されるように、通信ポート２９２は、データを赤外線センサ２８８から外部ネットワーク３６０に送る。
図４は、タービンエンジン１００（図１に示される）と共に使用されるマイクロサーマルイメージングシステム３６０の概略図である。例示的な実施形態において、本明細書でネットワーク３６０とも記載される制御システム３６０は、各センサ２７０に、より特定的には、各センサ２７０の通信ポート２９２に無線でつながれるコントローラ３７４を含む。より具体的には、コントローラ３７４は、本明細書では受信器とも記載されるセンサインターフェース３７６を含み、各センサ２７０は、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）のような短距離無線通信チャネルなどの無線接続を介して、インターフェース３７６に結合される。ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）は、米国ワシントン州Ｋｉｒｋｌａｎｄ所在のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ ＳＩＧ，Ｉｎｃ．の登録商標である。センサインターフェース３７６とセンサ２７０との間に、種々の他の接続も利用可能であり得る。そうした接続は、限定ではないが、導体、勧告基準（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ、ＲＳ）２３２又はＲＳ−４８５などの低レベルシリアルデータ接続、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）又は電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ（登録商標））１３９４などの高レベルシリアルデータ接続、ＩＥＥＥ（登録商標）１２８４又はＩＥＥＥ（登録商標）４８８などのパラレルデータ接続、及び／又は有線であろうと無線であろうと、専用（例えば、アクセス不能な外部発電システム）ネットワーク接続を含むことができる。ＩＥＥＥは、米国ニューヨーク州ニューヨーク市所在の電気電子技術者協会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．）の登録商標である。
例示的な実施形態において、各センサ２７０は、温度値、又はセンサ２７０の視野内のそれぞれの領域についてセンサ２７０により検出される値のような運転パラメータに対応する信号をコントローラ３７４に伝送する。さらに、各センサ２７０は、例えば、信号を連続的に、定期的に、又は一回だけ伝送することができる。他の信号タイミングも企図できる。さらに、各センサ２７０は、信号をアナログ形態又はデジタル形態のいずれかで伝送することができる。代替的な実施形態において、タービンエンジン１００内の他のセンサ（図示せず）は、これに限定されるものではないが、圧力などの他の運転パラメータの信号をコントローラ３７４に伝送する。
さらに、例示的な実施形態において、コントローラ３７４は、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、及び／又は本明細書で記載される機能を実行することができる他のいずれかの回路又はプロセッサを含む、コンピュータシステムなどのいずれかの適切なプロセッサベース又はマイクロプロセッサベースのシステムを含む、リアルタイムコントローラである。一実施形態において、コントローラ３７４は、例えば２メガビットＲＯＭ及び６４キロビットＲＡＭを備える３２ビットマイクロコンピュータなどの、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）及び／又はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むマイクロプロセッサとすることができる。
例示的な実施形態において、コントローラ３７４はまた、実行可能命令、及び／又はタービンエンジン１００の運転状態を表す及び／又は示す１つ又はそれ以上の運転パラメータを格納するメモリデバイス３７８も含む。例えば、例示的な実施形態において、メモリデバイス３７８は、センサ２７０により検出される温度データを格納する。例示的な実施形態において、コントローラ３７４はまた、システムバス３８２を介してメモリデバイス３７８及びセンサインターフェース３７６に結合されるプロセッサ３８０も含む。
一実施形態において、プロセッサ３８０は、限定されないが、集積回路（ＩＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、及び／又は他のいずれかのプログラマブル回路などの処理ユニットを含むことができる。或いは、プロセッサ３８０は、複数の処理ユニット（例えば、マルチコア構成における）を含むことができる。上記の例は単なる例示に過ぎず、従って、用語「プロセッサ」の定義及び／又は意味を多少なりとも制限するように意図していない。代替的な実施形態において、システムオンセンサ２８９（図２に示される）は、センサ２７０内に含められ、センサ２７０の内部の処理及び／又は計算機能を実施する。
例示的な実施形態において、制御システム３６０はまた、コントローラ３７４に結合されるユーザコンピュータデバイス３８６も含む。より具体的には、ユーザコンピュータデバイス３８６は、コントローラ３７４内に含まれる通信インターフェース３９１に結合される通信インターフェース３９０を含む。ユーザコンピュータデバイス３８６は、命令を実行するためのプロセッサ３９２を含む。幾つかの実施形態において、実行可能命令は、メモリデバイス３９４内に格納される。プロセッサ３９２は、１つ又はそれ以上の処理ユニット（例えば、マルチコア構成における）を含むことができる。メモリデバイス３９４は、実行可能命令及び／又は他のデータなどの情報を格納し、取り出すのを可能にするいずれかのデバイスである。
ユーザコンピュータデバイス３８６はまた、情報をユーザ（図示せず）に提示するのに用いる少なくとも１つの媒体出力構成要素３９６も含む。媒体出力構成要素３９６は、情報をユーザに伝達することができるいずれかの構成要素である。媒体出力構成要素３９６は、限定ではないが、ディスプレイデバイス（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、又は音声出力デバイス（例えば、スピーカ又はヘッドフォン））を含むことができる。
さらに、例示的な実施形態において、ユーザコンピュータデバイス３８６は、ユーザから入力を受け取るための入力インターフェース３９８を含む。幾つかの実施形態において、入力インターフェース３９８は、例えばキーボード、ポインティングデバイス、マウス、スタイラス、タッチパネル（例えば、タッチパッド又はタッチスクリーン）、ジャイロスコープ、加速度計、位置検出器、及び／又は音声入力デバイスを含む。タッチスクリーンなどの単一の構成要素は、媒体出力構成要素３９６及び入力インターフェース３９８の両方の出力デバイスとして機能し得る。
上述のマイクロサーマルイメージングシステムは、回転機械のための公知の温度検出システムと関連した幾つかの欠陥を克服する。本明細書で記載されるマイクロサーマルイメージングシステムは、ガスタービンエンジンの種々の構成要素の温度の測定を容易にする。本明細書で記載されるシステムは、ガスタービンエンジンの構成要素に埋め込まれた複数のマイクロ赤外線カメラを含む。少なくとも１つの実施形態において、システムは、ガスタービンエンジンの可動構成要素に埋め込まれた複数のマイクロ赤外線カメラを含む。可動構成要素が回転又は並進すると、マイクロ赤外線カメラは、ガスタービンエンジンの熱活性に関するデータを取り出し、種々の構成要素の表面温度の完全に近いマップを提供する。次に、収集したデータを外部受信器に無線で伝送して分析し、リアルタイムで熱帰還をユーザに提供することができる。
本明細書で記載される方法、システム及び装置の例示的な技術的効果として、（ａ）構成要素の表面上の個別の点以外の温度を測定する、ガスタービンエンジン内の温度センサを統合する、（ｂ）例えば従来の赤外線カメラ及びボアスコープを介するなどの、外部検出機器を必要とすることなく、内部構成要素の温度測定を可能にする、（ｃ）特にマイクロ赤外線センサがタービンエンジンの内部の可動部品に結合されたとき、複数の構成要素の表面温度をほぼ同時に測定することを可能にする、（ｄ）タービンエンジンの内部構成要素のほぼリアルタイムでの検査を可能にする、のうちの少なくとも１つが挙げられ、それにより、潜在的にタービンエンジン１００の保守の頻度が低減し、耐用寿命が向上する。
マイクロサーマルイメージングシステムの例示的な実施形態が上記で詳細に説明される。マイクロサーマルイメージングシステム、並びにこうしたシステム及びデバイスを製造若しくは作動させる方法は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又はステップから独立して別個に利用することができる。例えば、本システム、装置、及び方法は、回転又は並進部品を含む他のタイプの機械と組み合わせて使用することもでき、本明細書で記載されるマイクロサーマルイメージングシステムだけの実施に限定されるものでない。むしろ、例示的な実施形態は、本明細書で記載されるマイクロサーマルイメージングシステムの使用から利益を得ることができる多くの他の用途、機器及びシステムに関連して実施及び利用することができる。
本開示の種々の実施形態の特定の特徴が一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本開示の原理によれば、図面のいずれかの特徴は、他の何いずかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。
幾つかの実施形態は、１つ又は複数の電子又はコンピュータデバイスの使用を必要とする。こうしたデバイスは、一般に、汎用中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）、フィールド・プログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号処理（ＤＳＰ）デバイス、及び／又は本明細書で記載される機能を実行することができる他のいずれかの回路又は処理デバイスなどの、プロセッサ、処理デバイス、又はコントローラを含む。本明細書で記載される方法は、限定されないが、記憶デバイス及び／又はメモリデバイスを含む、コンピュータ可読媒体内に埋め込まれた実行可能命令として符号化することができる。こうした命令は、処理デバイスにより実行されるとき、処理デバイスに、本明細書で記載される方法の少なくとも一部を実施させる。上記の例は単なる例示に過ぎず、従って、用語プロセッサ及び処理デバイスの定義及び／又は意味を多少なりとも制限するように意図していいない。
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、実施形態を開示し、また当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを製作し且つ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む実施形態を実施することを可能にもする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内にあるものとする。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
タービンエンジン（１００）であって、
圧縮機セクションと、
上記圧縮機セクションに流体結合された燃焼器セクションと、
上記燃焼器セクションに流体結合されたタービンセクションと、
上記タービンセクション及び上記圧縮機セクションに結合された駆動シャフトと、
上記圧縮機セクション、上記燃焼器セクション、上記タービンセクション及び上記駆動シャフトのうちの１つに結合された複数の内部構成要素と、
上記複数の内部構成要素の少なくとも１つに結合され、上記複数の内部構成要素の表面温度を検出するように構成された少なくとも１つのマイクロ赤外線センサと、
を含む、タービンエンジン。
［実施態様２］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、ケーシング、光学ドーム、赤外線受信器、フィルタ、少なくとも１つのレンズ、及び上記ケーシングに結合された通信ポートを含み、上記通信ポートは、マイクロサーマルイメージングシステムにおいて、データを上記赤外線受信器からコントローラへ送るように構成される、実施態様１に記載のタービンエンジン。
［実施態様３］
上記複数の内部構成要素の少なくとも１つは可動であり、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、可動である上記複数の内部構成要素の上記少なくとも１つに結合される、実施態様１に記載のタービンエンジン。
［実施態様４］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、上記マイクロ赤外線センサの上流側の上記複数の内部構成要素の表面温度を検出するように構成される、実施態様１に記載のタービンエンジン。
［実施態様５］
上記マイクロ赤外線センサは、固定された上記複数の内部構成要素の少なくとも１つの表面温度を検出するように構成される、実施態様１に記載のタービンエンジン。
［実施態様６］
上記マイクロ赤外線センサは、上記複数の内部構成要素の少なくとも１つの表面内に埋め込まれる、実施態様１に記載のタービンエンジン。
［実施態様７］
上記複数の内部構成要素の少なくとも１つは、上記駆動シャフトに結合された複数のタービンブレードを含むロータディスク組立体を含み、上記マイクロ赤外線センサの少なくとも１つは、上記複数のタービンブレードの少なくとも１つに結合される、実施態様１に記載のタービンエンジン。
［実施態様８］
マイクロサーマルイメージングシステムであって、
回転機械内に配置され、上記回転機械内の複数の構成要素の温度を検出するように構成された少なくとも１つのマイクロ赤外線センサと、
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサに結合され、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサから温度データを受け取るように構成されたコントローラと、
上記コントローラに結合され、温度データをユーザに伝達するように構成されたユーザコンピュータデバイスと、
を含む、マイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様９］
上記コントローラは、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサに結合されたセンサインターフェースと、上記センサインターフェースに結合されたプロセッサとを含む、実施態様８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様１０］
上記ユーザコンピュータデバイスは、上記コントローラに結合された通信インターフェースと、上記通信インターフェースに結合されたプロセッサとを含む、実施態様８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様１１］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、ケーシング、光学ドーム、赤外線受信器、フィルタ、少なくとも１つのレンズ、及び上記ケーシングに結合された通信ポートを含み、上記通信ポートは、データを上記赤外線受信器から上記コントローラへ送るように構成される、実施態様８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様１２］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、上記マイクロ赤外線センサの上流側の上記複数の構成要素の表面温度を検出するように構成される、実施態様８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様１３］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、上記複数の構成要素の少なくとも１つに結合される、実施態様８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様１４］
上記複数の構成要素の少なくとも１つは複数のタービンブレードを含み、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、上記複数のタービンブレードの少なくとも１つに結合される、実施態様８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム。
［実施態様１５］
タービンエンジンを製造する方法であって、
圧縮機セクションと燃焼器セクションを流体連通して結合するステップと、
タービンセクションと上記燃焼器セクションを流体連通して結合するステップと、
駆動シャフトを上記タービンセクション及び上記圧縮機セクションに結合するステップと、
少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを、上記圧縮機セクション、燃焼器セクション、タービンセクション及び駆動シャフトの１つの少なくとも１つの内部構成要素に結合するステップと、
を含む、方法。
［実施態様１６］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサは、ケーシングに結合された光学ドームと、上記ケーシングに結合され、上記光学ドーム、フィルタ及び少なくとも１つのレンズを通して光を捕捉するように構成された赤外線受信器と、データを上記赤外線受信器から外部ネットワークへ送るように構成された通信ポートとを含む、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様１７］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを少なくとも１つの内部構成要素に結合するステップは、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを少なくとも１つの可動内部構成要素に結合するステップをさらに含む、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様１８］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを少なくとも１つの内部構成要素に結合するステップは、上記内部構成要素の表面内に上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを埋め込むステップをさらに含む、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様１９］
上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを少なくとも１つの内部構成要素に結合するステップは、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサが上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサの上流側の少なくとも１つの内部構成要素の表面温度を検出するように、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを位置決めするステップをさらに含む、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様２０］
上記少なくとも１つの内部構成要素は少なくとも１つのタービンブレードを含み、上記方法は、上記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサを上記少なくとも１つのタービンブレードに結合するステップをさらに含む、実施態様１５に記載の方法。
１００ タービンエンジン、回転機械
１０２ 吸気セクション
１０４ 圧縮セクション
１０５ 圧縮機ケーシング
１０６ 燃焼器セクション
１０８ タービンセクション
１０９ タービンケーシング
１１０ 排気セクション
１１１ 燃焼器ハウジング
１１２ 駆動シャフト
１１４ 駆動シャフト
１１５ 駆動シャフト
１１６ 燃焼器
１１８ 燃焼ノズル組立体
１２０ 負荷
１２２ 圧縮機ブレード組立体、ブレード
１２３ 固定ベーン組立体
１２４ タービンブレード組立体、タービンブレード
１２５ 固定ノズル組立体、ステータ
１５０ 流体
１５２ 加圧流体
１５４ 燃焼流体
１５６ 排気
２００ ロータ組立体
２３４ 複数の段
２３６ ステータベーン
２３８ タービンブレード
２４０ ロータディスク
２４４ 中央ボア
２４６ ディスク本体
２４８ 半径方向内側端部
２５０ 半径方向外側端部
２５２ 上流面
２５４ 下流面
２５６ 軸方向支持アーム
２５８ ギャップ
２５９ タービンブレード２３８の各列
２６０ ステータベーン２３６の列
２６１ 高温流体経路
２７０ センサ
２７２ タービンブレード２３８の外面
２７４ 光学ドーム
２７５ センサ２７０第１の端部
２７６ ケーシング
２７７ センサ２７０第２の端部
２７８ センサ構成要素
２８０ 熱絶縁部
２８４ フィルタ
２８５ プリズム
２８６ レンズ
２８８ 赤外線センサ、赤外線受信器
２８９ システムオンセンサ（ＳｏＳ）
２９０ バッテリ
２９２ 通信ポート
２９４ 冷却構成要素
３６０ 制御システム、外部ネットワーク、マイクロサーマルイメージングシステム
３７４ コントローラ
３７６ センサインターフェース
３７８ メモリデバイス
３８０ プロセッサ
３８２ システムバス
３８６ ユーザコンピュータデバイス
３９０ 通信インターフェース
３９２ プロセッサ
３９４ メモリデバイス
３９６ 媒体出力構成要素
３９８ 入力インターフェース

Claims (14)

  1. タービンエンジン（１００）であって、
    圧縮機セクション（１０４）と、
    前記圧縮機セクション（１０４）に流体結合された燃焼器セクション（１０６）と、
    前記燃焼器セクション（１０６）に流体結合されたタービンセクション（１０８）と、
    前記タービンセクション（１０８）及び前記圧縮機セクション（１０４）に結合された駆動シャフト（１１２）と、
    前記圧縮機セクション（１０４）、前記燃焼器セクション（１０６）、前記タービンセクション（１０８）及び前記駆動シャフト（１１２）のうちの１つに結合された複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）と、
    前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つに結合され、前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の表面温度を検出するように構成された少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）と、
    を含む、タービンエンジン（１００）。
  2. 前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、ケーシング（２７６）、光学ドーム（２７４）、赤外線受信器（２８８）、フィルタ（２８４）、少なくとも１つのレンズ（２８６）、及び前記ケーシング（２７６）に結合された通信ポート（２９２）を含み、前記通信ポート（２９２）は、マイクロサーマルイメージングシステム（３６０）において、データを前記赤外線受信器（２８８）からコントローラ（３７４）へ送るように構成される、請求項１に記載のタービンエンジン（１００）。
  3. 前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つは可動であり、前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、可動である前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の前記少なくとも１つに結合される、請求項１に記載のタービンエンジン（１００）。
  4. 前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、前記マイクロ赤外線センサ（２７０）の上流側の前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の表面温度を検出するように構成される、請求項１に記載のタービンエンジン（１００）。
  5. 前記マイクロ赤外線センサ（２７０）は、固定された前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つの表面温度を検出するように構成される、請求項１に記載のタービンエンジン（１００）。
  6. 前記マイクロ赤外線センサ（２７０）は、前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つの表面（２７２）内に埋め込まれる、請求項１に記載のタービンエンジン（１００）。
  7. 前記複数の内部構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つは、前記駆動シャフト（１１２）に結合された複数のタービンブレード（２３８）を含むロータディスク組立体（２００）を含み、前記マイクロ赤外線センサ（２７０）の少なくとも１つは、前記複数のタービンブレード（２３８）の少なくとも１つに結合される、請求項１に記載のタービンエンジン（１００）。
  8. マイクロサーマルイメージングシステム（３６０）であって
    回転機械（１００）内に配置され、前記回転機械（１００）内の複数の構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の温度を検出するように構成された少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）と、
    前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）に結合され、前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）から温度データを受け取るように構成されたコントローラ（３７４）と、
    前記コントローラ（３７４）に結合され、温度データをユーザに伝達するように構成されたユーザコンピュータデバイス（３８６）と、
    を含む、マイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
  9. 前記コントローラは、前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサに結合されたセンサインターフェースと、前記センサインターフェースに結合されたプロセッサとを含む、請求項８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
  10. 前記ユーザコンピュータデバイスは、前記コントローラに結合された通信インターフェースと、前記通信インターフェースに結合されたプロセッサとを含む、請求項８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
  11. 前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、ケーシング（２７６）、光学ドーム（２７４）、赤外線受信器（２８８）、フィルタ（２８４）、少なくとも１つのレンズ（２８６）、及び前記ケーシング（２７６）に結合された通信ポート（２９２）を含み、前記通信ポート（２９２）は、データを前記赤外線受信器（２８８）から前記コントローラ（３７４）へ送るように構成される、請求項８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
  12. 前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、前記マイクロ赤外線センサ（２７０）の上流側の前記複数の構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の表面温度を検出するように構成される、請求項８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
  13. 前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、前記複数の構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つに結合される、請求項８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
  14. 前記複数の構成要素（１２４、１２５、２３６、２３８、２４０、２４６）の少なくとも１つは複数のタービンブレード（２３８）を含み、前記少なくとも１つのマイクロ赤外線センサ（２７０）は、前記複数のタービンブレード（２３８）の少なくとも１つに結合される、請求項８に記載のマイクロサーマルイメージングシステム（３６０）。
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