JP2020518827A - レーザーサーモグラフィ - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービン部品の状態を評価するための非破壊的方法を提供する。この方法は、ガスタービン部品を加熱するための光パルスを生成するレーザー源を準備することを含んでいる。次に、加熱されたガスタービン部品の赤外線画像をキャプチャする。その後に、ガスタービン部品の特定の特性に対するガスタービン部品の分析が実施される。また、本発明は、ガスタービン部品の状態を非破壊的に評価するためのシステムを提供する。

Description

本発明は、一般に要素を非破壊検査するための方法及びシステムに関し、より具体的にはレーザーサーモグラフィを利用することによってタービン要素を非破壊検査するための方法及びシステムに関する。

多くの産業分野において、非破壊試験方法を利用して部品を損傷させずに評価するために非破壊試験方法が利用される。このような非破壊試験の実施の際には、フラッシュサーモグラフィが、例えばタービンブレードすなわちタービンベーン、燃焼器バスケット、又は遷移部品のようなタービンエンジンの部品を検査するために利用される。これら部品は、高温及び腐食環境から基材を保護するための遮熱コーティングが施された基材から構成されている場合がある。例えば、被覆されたタービン部品は、遮熱コーティングの厚さを決定するために、すなわち遮熱コーティングが亀裂若しくは剥離しているか否か、又は被覆層が基材から分離している部分を有しているか否かを判定するために、試験を必要とする場合がある。深刻な亀裂又は剥離層によって、タービンの通常運転の際に部品が故障する場合がある。

現在、被覆されたタービン部品の検査及び試験は、一般に数ミリ秒のみ持続する光パルスによって部品の表面を加熱する慣用される非破壊試験方法であるフラッシュサーモグラフィを利用して実施される。通常状態では、表面に蓄積された熱が冷却器の内部に向かって流れるので、部品はフラッシュ加熱後に冷却される。しかしながら、例えば空洞、含有物、剥離、水分、又は厚さ若しくは密度の変化のような試験片の内部異常がある場合には、表面の冷却速度に変化が生じる。そのため、赤外線カメラが、部品から放出される赤外線を捕獲することによってサーモグラフィ画像を形成するために利用される。これにより、上述の内部異常が、サーモグラフィ画像において可視化される。

フラッシュサーモグラフィによって部品の非破壊試験が実施可能となる一方、ストロボを光源／熱源として利用するフラッシュサーモグラフィには幾つかの欠点が存在する。例えば、ストロボは嵩張り、試験標本についての関心領域より広い部品の領域に亘って光／熱を発生させる。発生する熱は、時間の経過に従って減衰し、フィルタを利用することによって暗騒音を除去する必要があるような顕著な暗騒音を生成する。さらに、ストロボは、所望の温度に至るまで部品を加熱するために相当の時間を必要とする。対照的に、レーザーは急速に所望の温度に到達する。また、ガスタービン部品の表面下層より表面層すなわち遮熱コーティングに関してフラッシュサーモグラフィを利用する方が、情報を取得し易い。フラッシュサーモグラフィを利用することによって、表面下層に関する情報を取得可能であるが、検査中に大量のデータを獲得するので、獲得されたデータを分析するために相当の時間が必要とされる。

その結果として、これら欠点を克服する非破壊検査方法に対するニーズが存在する。

要約すると、本発明は、ガスタービン部品を状態評価するための非破壊方法及びシステムに関する。

本発明は、ガスタービン部品を状態評価するための非破壊試験方法を提供する。当該方法は、ガスタービン部品を加熱するための光パルスを生成するレーザーを提供するステップを含んでいる。その後に、加熱されたガスタービン部品の赤外線画像をキャプチャします。その結果、ガスタービン部品の特定の特性についてガスタービン部品を分析することができる。

本発明は、ガスタービン部品の状態を非破壊的に評価するためのシステムを提供する。当該システムは、ガスタービン部品を加熱するための光パルスを生成するレーザー源を含んでいる。ガスタービン部品から放射される熱エネルギを検出するための赤外線センサを含む赤外線カメラを利用することによって、ガスタービン部品についての少なくとも１つの画像をキャプチャする。放射された熱エネルギは、赤外線画像を生成するために赤外線センサに伝達される。

軸流式ガスタービンを斜視した部分的な断面図である。 ガスタービン部品を撮像するためのレーザーサーモグラフィシステムを表わす。 レーザーサーモグラフィを利用することによって非破壊評価された被覆ガスタービン部品を表わす。 ガスタービン部品を状態評価するための非破壊試験方法に関するステップを含んでいるフローチャートである。

本発明の実施形態、原理、及び特徴を容易に理解するために、それらについて、図解的な実施形態の実施を参照しつつ以下に説明する。しかしながら、本発明の実施形態は、説明されたシステム又は方法における利用に限定される訳ではない。

様々な実施形態を構成するものとして以下に説明する部品及び材料について、図解するが限定的なものではない。本明細書に記載されが材料と同一に又は類似して機能する多くの適切な部品及び材料が、本発明の実施形態の範囲に包含される。

レーザーは、主にオン／オフスイッチによる短いパルスを利用して強力なエネルギを発生させることができる。これにより、例えばストロボのような従来技術に基づく閃光源によって実現される背景強度を大幅に低下させることができる。従って、レーザーが、材料の表面を非常に急速に加熱するために利用される。さらに、レーザーのビームは非常に局所的な焦点領域を有しており、高度に制御可能である。従って、被覆されたタービン部品を非破壊的にサーモグラフィ試験するための加熱源としてレーザーを用いる方法がされる。

複数のレーザー波長が、同一のテスト設定を利用することによって部品の表面特性と表面下特性とを表示するために利用可能とされる。例えば被覆部品の遮熱コーティングのような表面層とも呼称されるオーバーレイ層が、特定の波長を透過するので、試験試料に関する情報は、当該特定の波長において表面下の温度上昇が部品の内部に誘導されるように適合される。表面下層についてのこのような温度信号は、赤外線撮像又は活性サーモグラフィによってデジタル記録される。

図１は、工業用ガスタービンエンジン１０を表わす。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機部１２と、燃焼器部１４と、水平中心軸線１８に沿って配置されているタービン部１６とを含んでいる。燃焼器部１４は、複数の燃焼器２８を含んでいる。高温の作動ガスが、燃焼器部１４からタービン部１６に至るまで搬送される。

気体がタービン１０の内部の高温ガス経路に沿って移動する高温ガスに曝露されるタービン１０の一部分は、母材金属の酸化の原因となり得る高温に対する翼の母材金属のような部品の母材金属の露出を最小限に抑えるように働く、セラミックベースのコーティングを含んでいる。このようなコーティングは、母材金属上に形成された接着コーティングに適用される既知の遮熱コーティング（ＴＢＣ）とされる場合がある。

タービン１０は、一般に長期間動作する。ＴＢＣ層又はＴＢＣ及び接着コート層の両方が、望ましくないが、タービン１０の運転の際に劣化又は剥離する場合がある。これにより、母材金属が高温に曝されるので、母材金属が酸化する可能性がある。タービン１０は、様々な内部部品に関して起こり得る摩耗損傷及び他の望ましくない状態について確認するために、定期的に検査される。さらに、ＴＢＣ及び接着コート層は、ＴＢＣ及び接着コート層の劣化の程度（すなわち、層の残りの厚さ）及び他の望ましくない状態について判定するために、タービンエンジンが運転停止された場合に又は組立前に定期的に検査される。

ここで、図２は、実施形態に従ってタービン部品１２０を非破壊的に状態評価するためのシステム１００を表わす。レーザー源１８０は、タービン部品１２０を加熱する光パルス１３０を生成する。当該システムは、電磁スペクトルの赤外領域における熱エネルギを検出するための赤外線センサ１５０を具備する、赤外線（ＩＲ）カメラ１６０を含んでいる。検出された熱エネルギは、タービン部品１２０によって放射され、赤外線センサ１５０に伝達される。ＩＲカメラ１６０は、タービン部品１２０のＩＲ画像をキャプチャするように構成されている。ミラー１４０は、レーザー源１８０からタービン部品１２０に至る光パルス１３０を合焦させるために利用される。図示の実施形態では、タービンブレードがタービン部品１２０として示されるが、他のガスタービン部品も同様に適用可能であることに留意すべきである。ＩＲセンサ１５０は、電気接続又は無線接続を介してコンピュータ１７０に通信可能に結合されている。

コンピュータ１７０は、中央処理装置、メモリ、及び入出力インタフェースを含んでいる。コンピュータは、一般に、Ｉ／Ｏインタフェースを介して、視覚化のためのディスプレイに、又は例えばキーボードのようなコンピュータ１７０とのユーザインターフェースとして機能する様々な入力デバイスに結合されている。例えばＩ／Ｏインタフェースから、ユーザは、検査すべき部品のタイプを識別することによって、部品１２０をコンピュータ１７０にロードすることができる。部品の識別されたタイプのを利用することによって、コンピュータ１７０は、メモリに格納されている予めプログラムされた位置に従ってカメラ１６０を自動的に位置決めし、所望の画像をキャプチャすることができる。

上述のように、タービン部品１２０、特にタービンブレードすなわちタービンベーンは、基材とも呼称される基層を含んでおり、当該基層は、ＴＢＣが施された接着コーティングと重なり合っている。図３は、このような被覆されたタービン部品１２０の断面図である。基材２００は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）２２０が施された接着コーティング２１０と重なり合っている。基材２００は、超合金材料とされる場合がある。

図１〜図４を参照すると理解されるように、タービン部品を状態評価するための非破壊試験方法も提供される。タービン部品１２０を加熱する光パルス１３０を生成するためのレーザー源１８０が設けられている。タービン部品１２０の所望の部分の赤外線画像がキャプチャされる。赤外線画像におけるタービン部品１２０の特性が分析される。図３は、被覆されたタービン部品に合焦された光源から発生される光パルスの一の実施形態を表わす。ＩＲカメラは、被覆されたタービン部品から放出される赤外線放射を捕獲すると共に、赤外線画像の形式でデータを獲得する。

タービン部品１２０の表面に施された遮熱コーティング２２０に関するデータと、基材２００及び／又は接着コート２１０を含む表面下に関するデータを獲得するために、当該方法は、レーザー源１８０の波長を変化させることによって利用可能とされる。例えば、レーザー源１８０は、遮熱コーティング２２０に関するデータを獲得するために、第１の指定波長で動作する。従って、レーザー源１８０は、第１のパルス持続時間の間にタービン部品１２０の表面の所望の領域に照射する（flash）ように合焦することができる。ＩＲカメラ１６０は、タービン部品１２０の表面の所望の領域を捕捉するために利用される。その後に、レーザー源１８０は、第１の指定波長で動作停止される。次に、被覆体２１０及び／又は基材２００を含む表面下に関するデータを得るために、レーザー源１８０は、第２の指定波長で動作する。接着コート２１０と基材２００とは、一般に、同様に加熱するように類似する特性を有している。従って、レーザー源１８０は、第２のパルス持続時間の間にタービン部品１２０の表面の所望の領域に照射するように合焦することができる。ＩＲカメラ１６０は、タービン部品１２０の表面下の所望の領域を捕捉するために利用される。その後に、レーザー源１８０は、第２の指定波長で動作停止される。

レーザー源１８０は、様々な波長及び高い放射強度を有する広帯域光の持続パルスを提供するレーザーストロボとされる場合がある。レーザー源１８０は、中波と考えられる４マイクロメートル〜９マイクロメートルの範囲の波長と、長波と考えられる９マイクロメートル〜１５マイクロメートルの範囲の波長とを放射する。表面すなわち遮熱コーティングは、４マイクロメートル〜９マイクロメートルの範囲の波長に対して不透過であるので、ＴＢＣ特性は、当該範囲内において熱画像としてキャプチャされる。しかしながら、遮熱コーティングの材料特性によって、ＴＢＣは約９マイクロメートル〜約１１マイクロメートルの範囲のレーザー波長に対して透過性を有している。これにより、９マイクロメートル〜１１マイクロメートルの範囲のレーザー波長において、表面下すなわち接着コート２１０及び／又は基材２００は、データが熱画像としてキャプチャされる。一の実施形態では、レーザーの波長は９．５マイクロメートル〜１０．５マイクロメートルに設定されている。光パルス１３０の持続時間は、分析すべきタービン特性に依存するが、１ｍｓ〜３０ｍｓの範囲とされる。特定の領域については、第１のパルス持続時間と第２のパルス持続時間とは、セラミックと金属とが一様な厚さを有している場合には同一であるが、セラミックの厚さと金属の厚さとの差が大きい場合には異なる場合がある。

取得されたデータは、タービン部品１２０の状態を評価するために分析される。分析は、取得されたピクセルで構成されたデータを処理するために、コンピュータ１７０でアルゴリズムを実行することによって実施される。解析は、所望の領域における経時的な熱減衰（heat decay）を検査することを含んでおり、時空間情報を立体情報（depth information）に変換することができる。タービン部品１２０の状態を評価することは、例えば剥離のような部品の欠陥を判定するために、所望の領域に関する取得データと既知のパラメータとの比較を含んでいる。欠陥又は不連続性は、通常の表面又は表面下の状態とは異なる温度変化としてサーモグラフィ画像に表示される。また、タービン部品１２０の基材２００に施された遮熱コーティング２２０の厚さを測定することによって、タービン部品１２０の状態を評価することもできる。一の実施形態では、タービン部品１２０で施された遮熱コーティング２２０の厚さが、当該タービン部品の耐用寿命の間、異なる点検間隔で監視することができる。

フラッシュサーモグラフィと比較したレーザーサーモグラフィの利点としては、光源の温度制御の改善、レーザーの加熱時間の短縮、及びタービン部品の点検に必要とされる時間量の低減が挙げられる。また、レーザーを利用することによって、波長を柔軟に変更可能となり、その結果として単にレーザーの波長を変更することによって、基材を容易に点検することができる。従って、両方の点検、すなわち遮熱コーティングの点検と基材の点検とが、同一のテスト設定で同時に実施可能である。タービン部品に関して収集されたデータは、例えばタービン部品に関する統計的解析のような将来的な利用のために保存及び参照されることに留意すべきである。統計的データは、ガスタービン部品の健康状態を経時的に監視するために、コンピュータによって利用される。

本発明の実施形態は、例示的な形式で開示されているが、当業者にとっては、特許請求の範囲に記載されている本発明の技術的思想及び技術的範囲並びに均等物から逸脱しないことを条件として、多くの変更、追加、及び削除を当該例示的な形式に実施可能であることは明白である。

１０ ガスタービンエンジン（タービン）
１２ 圧縮機部
１４ 燃焼器部
１６ タービン部
１８ 水平中心軸線
２８ 燃焼器
１２０ タービン部品
１３０ 光パルス
１４０ ミラー
１５０ 赤外線センサ
１６０ 赤外線（ＩＲ）カメラ
１７０ コンピュータ
１８０ レーザー源
２００ 基材
２１０ 接着コート
２２０ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）

Claims (15)

1. タービン部品（１２０）の状態を評価するための非破壊試験方法において、
   前記タービン部品（１２０）を加熱するための光パルス（１３０）を生成するレーザー源（１８０）を準備するステップと、
   加熱された前記タービン部品（１２０）の少なくとも１つの赤外線画像をキャプチャするステップと、
   少なくとも１つの前記赤外線画像について前記タービン部品の特性を分析するステップと、
   を備えていることを特徴とする非破壊試験方法。
2. 前記非破壊試験方法が、
   第１の指定波長でレーザー源（１８０）を動作させるステップと、
   第１のパルス持続時間の間、前記タービン部品（１２０）の表面の所望の領域に照射するように、前記レーザー源（１８０）を合焦するステップと、
   前記タービン部品（１２０）の前記表面の前記所望の領域の第１の画像をキャプチャするステップと、
   前記第１の指定波長での前記レーザー源（１８０）の動作を停止させるステップと、
   第２の指定波長で前記レーザー源（１８０）を動作させるステップと、
   第２のパルス持続時間の間、前記タービン部品（１２０）の表面下の所望の領域に照射するように、前記レーザー源（１８０）を合焦させるステップと、
   前記タービン部品（１２０）の前記表面下の前記所望の領域の第２の画像をキャプチャするステップと、
   を備えており、
   前記第１の画像が、前記タービン部品（１２０）の前記表面の前記所望の領域に関する第１のデータセットを含んでおり、前記第２の画像が、前記タービン部品（１２０）の前記表面下の前記所望の領域に関する第２のデータセットを含んでおり、
   前記第１の指定波長と前記第２の指定波長とが相違することを特徴とする請求項１に記載の非破壊試験方法。
3. 前記非破壊試験方法が、
   第１の指定波長で前記レーザー源を動作させるステップと、
   第１のパルス持続時間の間、前記タービン部品（１２０）の表面の所望の領域に照射するように、前記レーザー源を合焦させるステップと、
   前記タービン部品（１２０）の表面の所望の領域の第１の画像をキャプチャするステップと、
   前記第１の指定波長での前記レーザー源の動作を停止させるステップと、
   第２の指定波長で前記レーザー源を動作させるステップと、
   第２のパルス持続時間の間、前記タービン部品（１２０）の表面下の所望の領域に照射するように、前記レーザー源を合焦させるステップと、
   前記タービン部品（１２０）の前記表面下の前記所望の領域の第２の画像をキャプチャするステップと、
   を備えており、
   前記第１の画像が、前記タービン部品（１２０）の前記表面の前記所望の領域に関する第１のデータセットを含んでおり、前記第２の画像が、前記タービン部品（１２０）の前記表面下の前記所望の領域に関する第２のデータセットを含んでおり、
   前記第１の指定波長と前記第２の指定波長とが相違することを特徴とする請求項１に記載の非破壊試験方法。
4. 前記第１の指定波長が、４マイクロメートル〜９マイクロメートルの範囲内とされることを特徴とする請求項２に記載の非破壊試験方法。
5. 前記第２の指定波長が、９マイクロメートル〜１１マイクロメートルの範囲内とされることを特徴とする請求項２に記載の非破壊試験方法。
6. 前記第２の指定波長が、９．５マイクロメートル〜１０．５マイクロメートルの範囲内とされることを特徴とする請求項５に記載の非破壊試験方法。
7. 前記分析が、損傷について前記表面を評価するために、前記第１のデータセットを既知の材料パラメータと比較することを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の非破壊試験方法。
8. 前記分析が、損傷について前記表面下（２１０、２２０）を評価するために、前記第２のデータセットを既知の材料パラメータと比較することを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の非破壊試験方法。
9. 前記非破壊試験方法が、
   前記キャプチャが、前記タービン部品（１２０）から放射される熱エネルギを検出するための赤外線センサを含んでいる赤外線カメラ（１６０）によって実施され、
   放射された前記熱エネルギが、赤外線画像を生成するために、前記赤外線センサ（１５０）に伝達されることを特徴とする請求項１に記載の非破壊試験方法。
10. 前記レーザー源（１８０）のパルス持続時間が、１ｍｓ〜３０ｍｓの範囲内とされることを特徴とする請求項１に記載の非破壊試験方法。
11. 前記タービン部品（１２０）の表面が、熱コーティング（２２０）を含んでおり、前記タービン部品（１２０）の表面下が、接着コーティング（２１０）及び／又は基材（２００）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の非破壊試験方法。
12. 前記レーザー源（１８０）が、レーザーストロボであることを特徴とする請求項１に記載の非破壊試験方法。
13. タービン部品の状態を非破壊的に評価するためのシステムであって、
    前記タービン部品（１２０）を加熱するための光パルス（１３０）を生成するレーザー源（１８０）と、
    前記タービン部品（１２０）によって放射された熱エネルギを検出するための赤外線センサ（１５０）を含んでいる赤外線カメラ（１６０）であって、放射された熱エネルギが、赤外線画像を生成するために、前記赤外線センサ（１５０）に伝達される、前記赤外線カメラ（１６０）と、
    前記タービン部品（１２０）と、
    を備えている前記システムにおいて、
    前記赤外線センサ（１５０）が、前記タービン部品（１２０）の少なくとも１つの画像をキャプチャすることを特徴とするシステム。
14. 前記システムが、光パルス（１３０）を前記タービン部品（１２０）に合焦させるためのミラー（１４０）を備えていることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記タービン部品（１２０）が、基材（２００）の上に重なっている遮熱コーティング（２２０）及び／又は接着コーティング（２１０）を備えていることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

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