JP2025158932A - ターボ機械用の犠牲温度クーポン - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械内の構成要素が曝露された温度を決定する方法が提供される。【解決手段】方法およびシステムは、ターボ機械（１００）内の構成要素（２００）が曝露された温度（４０８）を決定することを可能にする。方法は、構成要素（２００）を含むターボ機械（１００）を経過時間にわたって動作させることと、構成要素（２００）に取り付けられたクーポン（３００）上に形成された酸化物層（３０２）の厚さ（４１０）を決定することと、酸化物層（３０２）の厚さ測定値（４１０）に基づいて温度オフセットを決定することと、を含む。方法はまた、温度オフセットを使用して構成要素（２００）が曝露された温度（４０８）を決定することと、構成要素が曝露された温度（４０８）を出力することと、を含む。【選択図】図４

Description

本開示の分野は、一般に、ガス温度測定に関し、より具体的には、様々な動作環境においてガス温度を測定する際に使用するための方法およびシステムに関する。

ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションと、排気セクションと、を含む。動作中、圧縮機セクションは、周囲空気を引き入れ圧縮する。燃焼器セクションは、一般に、圧縮空気を受け取りかつ圧縮空気を燃料と混合して燃料／空気混合気を形成する、複数の燃焼器を含む。混合気は、燃焼器内で燃焼されて高温作動ガスを形成し、この高温作動ガスは、タービンセクションに導かれ得、そこで静止翼形部と回転翼形部との交互の列を通して膨張させられ、ロータを駆動することができる動力を生成するために使用される。タービンセクションを出る膨張ガスは、排気セクションを介してエンジンから排気され得る。

タービン内部の燃焼異常は、望ましくない損傷を引き起こす可能性があり、場合によっては燃焼エンジン構成要素を、そのような構成要素の修理または交換が必要になり得るように破壊する可能性さえある。個々の燃焼器を通って導かれた燃料／空気混合気は、例えば、所望の効率および出力を維持するため、排出レベルを制御するため、圧力振動を防止するため、および／またはフレームアウトを防止するためなど、１つ以上の動作特性を所定の範囲内に維持することを容易にするために動作中に制御される。少なくともいくつかの制御システムでは、ハードワイヤード熱電対が温度を測定するために使用され得る。しかしながら、そのような熱電対は、それらの設置された場所の近傍の温度のみを測定することができる。換言すれば、熱電対は、比較的低い空間分解能を抱える。結果として、熱電対から離れて位置する構成要素は、一般に、熱電対で測定されたそれらの温度とは異なる温度に曝露されている。構成要素の故障時には、故障した構成要素が曝露された温度を把握することが、根本原因分析の精度を高める上で重要な要素となる。したがって、ハードワイヤード熱電対を使用せずに、それらの設置された場所で様々な構成要素のガス動作温度を測定するためのシステムおよび方法が必要とされている。

一態様では、ターボ機械内の構成要素が曝露された温度を決定する方法が提供される。方法は、構成要素を含むターボ機械を経過時間にわたって動作させることと、構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物層の厚さを決定することと、酸化物層の厚さ測定値に基づいて温度オフセットを決定することと、を含む。方法はまた、温度オフセットを使用して構成要素が曝露された温度を決定することと、構成要素が曝露された温度を出力することと、を含む。

別の態様では、ターボ機械内の動作温度を決定する際に使用するための測定装置が提供される。測定装置は、ターボ機械内の構成要素に結合された少なくとも１つのクーポンと、プロセッサと、を含む。プロセッサは、ターボ機械が構成要素を有し所定の期間動作した後に、クーポン上に形成された酸化物層の厚さの測定値を受信し、かつ酸化物層の厚さに基づいて温度オフセットを決定するように構成されている。プロセッサは、動作中にターボ機械内で獲得された測定された温度に温度オフセットを適用し、かつ温度オフセットを使用して、構成要素がターボ機械の動作中に曝露された実際の温度を決定するようにさらに構成されている。

さらなる態様では、命令が記憶された少なくとも１つの非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。命令は、少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、少なくとも１つのプロセッサに、予め定められた期間動作したタービン機械の構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物層の厚さの測定値を受信させ、かつ酸化物の測定された厚さに基づいて温度オフセットを決定させる。命令はまた、少なくとも１つのプロセッサに、ターボ機械の動作中に構成要素が曝露された実際の温度を決定するためにターボ機械の履歴動作温度に温度オフセットを適用させ、かつターボ機械の動作中に構成要素が曝露された実際の温度を出力させる。

上記の説明は、本明細書に開示されたいくつかの実装形態の概要としてのみ提供されている。それらのおよび他の実装形態は、ここでより詳細に説明される。加えて、いくつかの実装形態は、１つ以上のコンピューティングデバイスの１つ以上のプロセッサを含み、１つ以上のプロセッサは、関連するメモリに記憶された命令を実行するように動作可能であり、命令は、本明細書に記載された方法のうちのいずれかの実行を引き起こすように構成されている。いくつかの実装形態はまた、本明細書に記載された方法のうちのいずれかを実行するために１つ以上のプロセッサによって実行可能なコンピュータ命令を記憶する１つ以上の非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含む。

本明細書でより詳細に説明される前述の概念および追加の概念のすべての組合せは、本明細書に開示された主題の一部であると考えられることを理解されたい。例えば、本開示の最後に登場する特許請求される主題のすべての組合せは、本明細書に開示された主題の一部であると考えられる。

添付の図面と併せて本発明の実施形態の以下の説明を参照することによって、本発明の上述のシステムおよび方法、ならびに他の特徴がより明らかとなり、本発明自体がより良く理解されるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの斜視断面図である。 図１に示すタービンとともに使用され得、構成要素に取り付けられた犠牲クーポンを含む、例示的な構成要素の斜視図である。 酸化物の層がクーポン上に蓄積した後の、図２に示すクーポンなどの例示的なクーポンの断面図である。 構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物を分析することによって、ガスタービン構成要素の熱履歴を決定するために使用され得る、例示的なシステムのブロック図である。 オフセット温度を決定するために使用される値を入力するために図４に示すシステムとともに使用され得る、例示的なユーザインターフェース画面を示す。 熱履歴データに適用されたオフセットに基づく所与の構成要素の実際の動作温度を示す、図４に示すシステムから出力され得る温度データの例示的なセットである。 構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物を分析することによってガスタービン構成要素の熱履歴を決定する、例示的な方法のフロー図である。

本開示の実施形態は、これらの特定の好ましい実施形態を参照して説明されているが、本発明はこれらの好ましい実施形態に限定されないことが理解されよう。しかし逆に、本発明は、多数の代替形態、修正形態、および均等物を含み、多くの代替形態、組合せ、修正形態、および変形形態が当業者に明らかであることは明白である。したがって、上記の本発明の好ましい実施形態は、例示的なものにすぎず、限定的な意味ではないことが意図されている。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。

以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語に言及するが、それらは以下の意味を有すると定義する。

単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、文脈が明らかにそうではないことを指示しない限り、複数形の言及を含む。

「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的であって、列挙された要素以外の追加の要素が存在してもよいことを意味するように意図される。

「任意選択の」または「任意選択的に」は、その後に説明された事象または状況が発生しても発生しなくてもよく、かつこの説明には事象が発生する場合と事象が発生しない場合とが含まれることを意味する。

「一実施形態」に対する参照は、記載された特徴も組み込んだ追加の実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図するものではない。さらに、本明細書に記載された様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面に示され他の図面には示されていない場合があるが、これは単に便宜上にすぎない。本開示の原理によれば、本明細書に記載された図面および／または実施形態の任意の特徴は、本明細書に記載された任意の他の図面および／または実施形態の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求され得る。さらに、明示的に反対のことが述べられていない限り、特定の特性を有する１つまたは複数の要素を「含む」または「有する」実施形態は、その特性を有さない追加のそのような要素を含んでもよい。

本明細書で使用される場合、「リアルタイム」という用語は、関連する事象が発生する時間、所定のデータを測定および収集する時間、データを処理する時間、ならびに事象および環境に対するシステム応答の時間のいずれかを指す。本明細書に記載された実施形態では、これらの活動および事象は、実質的に同時に発生する。

本明細書で使用される場合、「プロセッサ」および「コンピュータ」という用語、ならびに関連する用語、例えば「処理デバイス」、「コンピューティングデバイス」、および「コントローラ」は、当該技術においてコンピュータと呼ばれているそれらの集積回路だけに限定されず、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、および／または他のプログラム可能な回路を広く指し、これらの用語は、本明細書において互換的に使用される。本明細書に記載された実施形態では、メモリは、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、およ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み得るが、これらに限定されない。あるいは、フロッピーディスク、コンパクトディスク読出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、および／またはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もまた使用され得る。また、本明細書に記載された実施形態では、追加の入力チャネルは、マウスおよびキーボードなどのオペレータインターフェースに関係付けられたコンピュータ周辺機器であり得るが、これらに限定されない。あるいは、例えば、限定はされないが、スキャナなどの他のコンピュータ周辺機器も使用され得る。さらに、本明細書に記載された実施形態では、追加の出力チャネルは、オペレータインターフェースモニタを含み得るが、これに限定されない。

別段の指示がない限り、本明細書で使用される「一般に」、「実質的に」、および「約」などの近似を表す言語は、そのように修飾された用語が、絶対的または完全な程度ではなく、当業者によって認識されるようなおおよその程度にのみ適用され得ることを示す。したがって、「約」、「おおよそ」、および「実質的に」などの１つまたは複数の用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの場合において、近似を表す言語は、値を測定するための計器の精度に対応し得る。加えて、別段の指示がない限り、「第１の」、「第２の」などの用語は、本明細書において単にラベルとして使用され、これらの用語が言及する項目に順序、位置、または階層上の要件を課すことを意図するものではない。さらに、例えば、「第２の」項目への言及は、例えば、「第１の」もしくはより小さい番号の項目、または「第３の」もしくはより大きい番号の項目の存在を要求するものでも排除するものでもない。

一実施形態では、ガスタービン構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物を分析することによってガスタービン構成要素の熱履歴するために、システムが使用され得る。より具体的には、一実施形態では、温度成分に対するオフセットは、温度センサからのクーポンの相対距離に基づいて決定されてもよい。オフセットは、熱履歴内に含まれる温度に適宜加算または減算されて、構成要素が動作中に曝露された真の実際の温度を決定が決定され得る。

一実装形態では、タービン構成内の構成要素の実際の熱限界を決定するために、少なくとも１つの犠牲クーポンが各対象の構成要素に取り付けられる。クーポンは、スポット溶接、接着剤、機械的締結具、および／またはクーポンが本明細書に記載のように機能することを可能にしかつ構成要素の動作に悪影響を及ぼさない任意の他の既知の結合方法を用いて、構成要素に取り付けられ得る。本明細書に記載のように、クーポンは、構成要素の熱履歴を監視および／または決定するために使用され得る。より具体的には、摘出されたクーポン上に存在する酸化物の厚さが測定され得る。酸化物の測定された厚さは、構成要素が実際に曝露された温度を決定することを可能にするために、加算器モジュールまたは他のコンピューティングデバイスなどの計算ツールに入力され得る。

一実施形態では、データベースは、多種多様な鋼合金の試験結果、および関連する酸化データを維持および記憶する。鋼合金は、それらの特定の化学組成に基づいて異なる既知の酸化速度を有する。酸化データは、対応する記録された温度、圧力、および水分レベルに加えて、酸化層測定値を含んでもよい。一般に、より高温な曝露は、より厚い酸化物層に対応する。

酸化物層または皮膜の厚さを明らかにするために、クーポンに対して断面検査が実行されてもよい。層の厚さは、曝露された温度に相関し得る。タービン内の異なる構成要素は異なる化学組成を有するが、異なるクーポンの化学組成は一貫していて既知であってもよい。例えば、鋼合金は、既知のクロム含有量を有し得る。クロム含有量は、既知の様態で酸化物厚さの変化率に影響を及ぼす。

１つの例示的な例では、圧縮機セクション内に位置決めされた低温の構成要素は、約５００°Ｆ～約９００°Ｆで動作し得る。他の実施形態では、システムは、約１０００°Ｆ～約２０００°Ｆなどの異なる温度範囲で動作する構成要素とともに使用されてもよい。１つ以上の鋼鉄クーポンが、圧縮機セクションに貼り付けられてもよい。他の実施形態では、クーポンは、限定はされないが、ニッケル、クロム、白金、ルネ（Ｒｅｎｅ）７７、および／または、貴金属を含む、クーポンが本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の他の材料などの、他の材料から製造され得る。所定の動作時間数の後、クーポンは構成要素から取り外され得る。クーポンは、設計されたクロム含有量を含む既知の化学的性質を有する。クーポンに対して断面分析が実行され得、酸化物の層の厚さが測定され得る。

タービンの熱履歴が検索され、加算器またはコンピューティングデバイスなどの計算ツールに入力され得る。例えば、熱履歴は、タービンオペレータによってシステムに入力されてもよく、かつ／または実験室の結果から収集された経験的データによって決定されてもよい。熱履歴は、ハードワイヤード熱電対で測定された温度、および動作データを含み得る。動作データには、始動、停止、ランプレート、およびクールダウンレートが含まれ得るが、含まれるのはこれらだけに限られない。

熱履歴は、タービンの特定のセクション内のみで、すなわちセンサで測定された（例えば、ハードワイヤード熱電対で測定された）温度を反映し得る。より具体的には、温度センサは、それらの特定のセクション内のみに位置決めされ得る。例えば、実装形態の熱履歴温度は、圧縮機吐出読取り値を含んでもよい。本明細書に記載のように、構成要素における温度は、温度センサからのそれらの相対距離に応じて変動し得る。変動を引き起こし得る他の要因には、とりわけ他の環境変数の中でも、周囲の構成要素、放射線、および／またはガス流が含まれ得る。

変動があるにもかかわらず、熱履歴からの温度は、タービン全体の温度の上昇および低下を決定するのに有用であり得る。より具体的には、対象の構成要素における温度は、一般に、熱履歴内で取得された温度と一致して、またはそれと協調して上昇または下降することとなる。したがって、温度変化は、特定の構成要素における温度を計算するために、決定されたオフセットと併せて使用され得る。

対象の構成要素は、センサで測定された温度よりも数度低温または高温であり得るため（例えば、センサからのクーポンの距離に応じて）、温度読出しは、構成要素に存在する実際の温度を反映しない場合がある。この目的で、システムは、温度センサからのクーポンの相対距離に基づいて温度成分に対するオフセットを決定し得る。オフセットは、動作中に構成要素が曝露された真の実際の温度を決定するために、熱履歴内に含まれる温度に適宜加算または減算され得る。

本明細書で説明されるように、オフセットは、クーポン上に形成された酸化物厚さを測定することによって決定され得る。より具体的には、クーポンが曝露された実際の温度は、このとき、クーポン上に形成された酸化物の測定された厚さに基づいてシステムによって決定され得る。クーポンが摘出された時点の決定されたクーポン温度は、構成要素に対するクーポンの動作の経過時間に基づいて、熱履歴のヒストグラムデータ内の温度と比較され得る。クーポン温度とリストに記載された（すなわち、温度センサの）熱履歴温度との間の計算された差は、クーポンの場所に対するオフセットを包有し得る。次いで、決定されたオフセットは、熱履歴内の任意の温度測定値に適用されて、熱履歴内に登録された任意の所与の時間の構成要素上の各クーポンの温度が決定され得る。

オフセットが分かった後、システムは、タービンの熱履歴に含まれる記憶された温度測定値のすべてに対してオフセットを加算または減算してもよい。よって、システムは、熱履歴に含まれる各時間での構成要素における温度を決定することができる。さらに、システムは、構成要素が所与の温度にどれくらいの間曝露されたのかを決定することが可能であり得、かつ／または故障が発生したときの時間枠、および故障した時間における構成要素の温度を決定することが可能であり得る。

一実施形態では、構成要素の完全な熱履歴が実行される。クーポンのサイズが比較的小さいため、複数のクーポンが比較的低コストで幅広い構成要素の上またはそれらの内部に配置され得る。さらに、各クーポンは、各クーポンが貼り付けられている実際の構成要素に何らかの害が生じる前に破壊または他の方法で酸化されてもよい。オフセット温度は、温度監視および／または構成要素故障分析の精度を高め得る。

より詳しく図面を参照すると、図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の斜視断面図を示している。例示的な実施形態では、エンジン１００は、圧縮機セクション１１２と、燃焼器セクション１１４と、タービンセクション１１６と、排気セクションまたはシステム１１８と、を含む。燃焼器セクション１１４は、各々が燃焼シェルおよびカバープレートを含む、複数の燃焼器１２０を含む。燃焼器ライナまたはバスケット１２６およびトランジションダクトが、排気セクション１１８を通って排気される前にタービンセクション１１６に向かって下流に流れる高温作動ガスを搬送するための通路を画定する。本発明は、定置型陸上用途および／もしくは車両用途における缶型、缶環状、または環状構造の燃焼器を含むがこれらに限定されない、任意の他の既知の燃焼器幾何学的形状および／またはガスタービンエンジン設計で動作可能である。

エンジン１００の動作中、圧縮機セクション１１２からの圧縮空気が燃焼器セクション１１４に提供され、そこで燃料噴射システム１２８によって供給された燃料と組み合わされる。燃料／空気混合気は、点火されて、高温作動ガスを構成する燃焼生成物を形成する。燃料および空気の燃焼は、燃焼器ライナまたはバスケット１２６およびトランジションダクト１２７を通ってタービンセクション１１６に入る通路に沿った様々な軸方向の場所で起こり得ることが理解され得る。高温作動ガスは、タービンセクション１１６を通って膨張し、排気セクション／システム１１８を通って排気される。

例示的な燃焼タービン１００では、温度センサ１３０（例えば、ハードワイヤード熱電対）が、図示のように、対象の構成要素１３２のすぐ上流に位置決めされてもよい。例えば、エンジニアは、構成要素１３２の温度を調べて、構成要素１３２が実際に曝露された温度、および／または構成要素１３２が故障したときの実際の温度を決定したい場合がある。しかしながら、構成要素１３２の周囲の温度は、温度センサ１３０と構成要素１３２との間の距離に応じてタービン１００内で変動し得る。他の可能性のある変動因子には、限定はされないが、とりわけ他の状態の中でも、放射線への曝露、他の構成要素との近接性、および／または周囲の空気流が含まれ得る。よって、構成要素１３２は、設置された温度センサ１３０の温度よりも数度低温または高温である場合があり、よって、センサ１３０における温度表示は、構成要素１３２における実際に曝露された温度を反映しない場合がある。

図２は、図１に示すタービン１００に含まれ得るような例示的な構成要素２００の斜視図である。犠牲クーポン２０２が、構成要素２００に結合されている。クーポン２０２は、クーポン２０２が本明細書に記載のように機能することを可能にする別の既知の方法で構成要素２００にスポット溶接、接着、ボルト締め、または他の方法で締結されてもよい。本明細書に記載のように、クーポン２０２は、構成要素２００の熱履歴を監視するために使用され得る。より具体的には、クーポン２０２は構成要素２００に取り付けられ得、タービン１００は通常通り動作し得る。クーポン２０２はディスクとして描写されているが、クーポン２０２は、クーポン２０２が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の他の形状またはサイズを有してもよい。動作中に所定の時間が経過した後、酸化物の層が現れ、クーポン２０２の露出面上に、深さ方向に成長し得る。クーポンは、タービンの動作が終了した後に取り外され得、各摘出されたクーポン２０２上に存在する酸化物の厚さが測定され得る。測定された厚さは、構成要素２００が曝露された温度を決定することを可能にするためにシステムに入力され得る。その後、交換クーポンが構成要素２００に取り付けられて、継続的な分析を可能にし得る。

図３は、蓄積した酸化物の層３０２を含むクーポン３００の拡大断面図を示す。酸化物層３０２の厚さは、クーポン３００が構成要素２００から分離されるかまたは切り離され、断面化された後に測定されてもよい。一実施形態では、酸化物層３０２の厚さの複数の測定値の平均値が計算され、システムに入力されてもよい。一般に、より高温な曝露は、より厚い酸化物層に一般に対応する。動作温度以外に、クーポン３００の表面３０４上の酸化物成長の厚さに影響を及ぼし得る他の要因には、限定はされないが、構成要素２００、したがってクーポン３００が曝露された圧力および／または水分が含まれ得る。

図４は、動作中に構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物を分析することによって、構成要素２００（図２に示す）などのガスタービン構成要素の熱履歴４０２を決定するために使用され得る、例示的なシステム４００のブロック図である。図に示すように、オフセット決定モジュール４０４が、温度センサからのクーポンの相対距離に基づいて温度成分に対するオフセットを決定し得る。オフセットは、クーポンが構成要素から取り外された後にクーポン上に形成された酸化物層の測定された厚さ４１０を用いて決定され得る。オフセットは、構成要素が曝露された真の実際の温度４０８を決定するために、タービンの熱履歴４０６に含まれる温度に対して適宜加算または減算され得る。

タービンの熱履歴４０６は、加算器モジュール４１２などの計算ツールへの入力として検索され得る。熱履歴４０６は、タービンオペレータによって提供されてもよく、または実験室の結果から収集された経験的データを使用して入力されてもよい。熱履歴４０６には、温度が含まれるだけでなく動作データも含まれ得るが、これらに限定されない。動作データには、始動、停止、ランプレート、クールダウンレート、および／またはタービン動作に関連する任意の他の動作データの記録が含まれ得るが、含まれるのはこれらだけに限られない。

加算器モジュール４１２は、数字の加算を実行するデジタル回路を含んでもよい。例示的な実施形態では、加算器モジュール４１２は、構成要素温度決定４１４を含み、これには、１つ以上のプロセッサ４２２を使用して加算を実行するとともに、メモリ４２４の例示的なモジュール４０４、４１２、および／または４１６の様々な機能を実行するコンピューティングデバイスが含まれ得る。酸化物厚さと温度との相関モジュール４１６は、熱履歴データ４０６を動作圧力および水分レベルと相関させ得る。システム４００は、クロムレベルおよび／または曝露データの時間をさらに考慮してもよい。

図５は、オフセット温度を決定するために使用され得るシステム４００（図４に示す）に例示的な値５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、および／または５１４を入力するために使用され得る例示的なユーザインターフェース画面５００を示す。より具体的には、ユーザは、クーポンの熱曝露の経過動作時間５０２を時間単位で入力してもよい。別のフィールドは、クーポン中のクロムの割合５０４を含んでもよい。別の入力は、ヒストグラムデータからの動作温度５０６を含んでもよい。加えて、動作圧力５０８および水分率または含水量５１０もインターフェース５００に入力されてもよい。他の入力には、壁厚５１２の損失量の測定値および／または酸化物厚さ５１４の測定値が含まれ得る。本明細書に記載のように、一実施形態では、データベースは、多種多様な鋼合金および／または他の材料に関連する試験結果、ならびに関連する酸化データとともにアクセスされ維持され得る。酸化データは、例えば、対応する記録された温度、圧力、および水分レベルに加えて、酸化層測定値を含み得る。

図６は、システム４００から出力され得、熱履歴データ６０２に適用されたオフセット６０６に基づいて所与の構成要素の実際の温度６０８を示す、温度データの列６０２、６０４、６０６、および６０８の例示的なセットである。例えば、例示的な実施形態では、１７．５３８５°Ｆのオフセット６０６は、対象の構成要素のすぐ近くに位置決めされたクーポン上に形成された酸化物層の分析から決定されている場合がある。最初の行６１０に示すように、１７．５３８５°Ｆのオフセット６０６は熱履歴６０２内の温度（すなわち、６０２°Ｆ）に追加されて、構成要素（すなわち、６１９．５３８４７°Ｆ）が動作中に曝露された実際の温度６０８に到達し得る。ユーザはまた、列６０４を見て、構成要素が実際に温度に曝露された時間の割合、すなわち時間量を確認してもよい。このデータは、構成要素が故障したときの時間枠および構成要素が故障したときの動作温度を決定するのに有用であり得る。

図７は、構成要素に結合されたクーポン上に形成された酸化物を分析することによってガスタービン構成要素の熱履歴を決定するために実施され得る例示的な方法７００のフロー図である。そうするために、一般に、方法７００は、温度センサからのクーポンの相対距離に基づいて温度成分に対するオフセットを決定し得る。オフセットは、構成要素が曝露された実際の温度を決定するために、熱履歴に含まれる温度に対して適宜加算または減算され得る。

より詳しくフロー図を参照すると、方法７００は、タービン構成内のそれらの実際の熱限界を決定するために、それらの対象の構成要素に１つ以上の犠牲クーポンを取り付けること７０２を含み得る。本明細書に記載のように、クーポンは、構成要素の熱履歴を追跡するように機能し得る。次いで、タービンは、通常通り動作させられ得る７０４。タービンの動作の熱履歴のログが記録され得る７０６。

クーポンがタービン停止中に摘出され得る７０８、その蓄積した酸化物層の厚さが測定され得る７１０。クーポンの外面上に形成された酸化物層の厚さを明らかにするために、クーポンに対して断面分析が実行され得る７１０。層の厚さは、曝露された温度に相関し得る。タービン内の異なる構成要素は異なる化学組成を有する場合があるが、クーポンの化学組成は一貫していて既知であってもよい。例えば、鋼合金は、既知のクロム含有量を有し得る。クロム含有量は、既知の様態で酸化物厚さの変化率に影響を及ぼす。

測定された厚さは、加算器モジュールまたは他のコンピューティングデバイスなどの計算ツールに入力され得る７１２。タービンの熱履歴は、計算ツールへの追加の入力として検索され得る７１４。例えば、熱履歴は、タービンオペレータによって、または実験室の結果からの経験的データによって提供されてもよい。熱履歴は、温度および動作データを含んでもよい。動作データは、始動、停止、ランプレート、およびクールダウンレートの記録を含んでもよい。本明細書に記載のように、熱履歴内に反映された温度変化は、特定の構成要素の温度を計算するために、決定されたオフセットと併せて使用され得る。

システムは、温度センサからのクーポンの相対距離に基づいて温度成分に対するオフセットを決定し得る７１６。本明細書で説明するように、オフセットは、クーポン上に形成された酸化物厚さを測定することによって決定され得る７１６。より具体的には、クーポンに曝露された温度は、このとき、測定された厚さに基づいてシステムによってルックアップされ得る。クーポンが摘出された時点の決定されたクーポン温度は、熱履歴のヒストグラムデータにおけるその時点の温度と比較され得る。クーポン温度とリストに記載された（すなわち、温度センサの）熱履歴温度との間の計算された差は、クーポンの位置に対するオフセットを含み得る。

オフセットは、構成要素が曝露された真の実際の温度を決定するために、熱履歴内に含まれる温度に適宜加算または減算され得る７１８。次いで、決定されたオフセットが熱履歴内の任意の温度測定値に適用されて、熱履歴内に登録された任意の所与の時点における構成要素のクーポンの温度が出力され得る７２０。

このようにして、方法７００を使用して、熱履歴内に含まれる時点の各々における構成要素の温度を決定してもよい。よって、方法７００を使用して、構成要素が所与の温度にどれくらいの間曝露されたのかを決定してもよい。システムはまた、故障がいつ発生したか、および故障時の構成要素の温度を決定することが可能であり得る。

本明細書に記載された特定の実施形態は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態、またはハードウェア要素とソフトウェア要素との両方を包含する実施形態の形態をとり得る。特定の実施形態では、開示された方法は、プロセッサ可読記憶媒体に組み込まれた、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含むがこれらに限定されないプロセッサによって実行されるソフトウェアで実施される。

さらに、１つ以上の実施形態などの本開示の実施形態は、コンピュータまたは任意の命令実行システムによって、またはそれに関連して使用するためのプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能記憶媒体またはコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態をとってもよい。この説明の目的のために、非一時的なコンピュータ使用可能記憶媒体またはコンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータプログラムを有形に具現化し得かつ命令実行システム、装置、もしくはデバイスによって、またはそれに関連して使用するためのプログラムを包含する、記憶する、通信する、伝播する、または移送し得る、任意の装置であってもよい。

様々な実施形態では、媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、もしくは半導体システム（または装置もしくはデバイス）または伝播媒体を含み得る。コンピュータ可読記憶媒体の例には、半導体または固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク、および光ディスクが含まれる。光ディスクの現在の例には、コンパクトディスク－読出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、コンパクトディスク－読出し／書込み（ＣＤ－Ｒ／Ｗ）、およびデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）が含まれる。

プログラムコードを記憶および／または実行するのに適したデータ処理システムは、システムバスを介してメモリ要素に直接的または間接的に結合された少なくとも１つのプロセッサを含み得る。メモリ要素は、プログラムコードの実際の実行中に採用されるローカルメモリ、バルクストレージ、および実行中にバルクストレージからコードを検索しなければならない回数を減らすために少なくともあるプログラムコードの一時的なストレージを提供するキャッシュメモリを含み得る。

入力／出力またはＩ／Ｏデバイス（キーボード、ディスプレイ、ポインティングデバイスなどを含むがこれらに限定されない）は、直接的にまたは介在するＩ／Ｏコントローラを介してのいずれかでデータ処理システムに結合され得る。ネットワークアダプタもまた、介在するプライベートネットワークまたは公衆ネットワークを介して、データ処理システムが他のデータ処理システムまたはリモートプリンタもしくは記憶デバイスに結合することができるように、システムに結合され得る。モデム、ケーブルモデム、およびイーサネットカードは、現在利用可能なタイプのネットワークアダプタのうちのごく一部である。

実装形態の利点には、構成要素の完全な熱履歴を生成することが含まれ得る。クーポンのサイズが比較的小さいため、複数のクーポンが比較的低コストで幅広い構成要素の上またはそれらの内部に配置され得る。さらに、各クーポンは、各クーポンが貼り付けられている実際の構成要素に何らかの害が生じる前に破壊または他の方法で酸化されてもよい。オフセット温度は、温度監視および／または構成要素故障分析の精度を高め得る。

本発明のさらなる態様は、以下の条項の主題によって提供される。

ターボ機械内の構成要素が曝露された温度を決定する方法であって、方法が、構成要素を含むターボ機械を経過時間にわたって動作させることと、構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物層の厚さを決定することと、酸化物層の厚さ測定値に基づいて温度オフセットを決定することと、温度オフセットを使用して構成要素が曝露された温度を決定することと、構成要素が曝露された温度を出力することと、を含む、方法。

方法が、ターボ機械の動作の熱履歴を受信することをさらに含み、熱履歴が、記録された温度を含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、酸化物層の厚さを決定することが、クーポンが構成要素から取り外された後にクーポンを断面化することをさらに含むことをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、既知の酸化速度を有するクーポンを構成要素に取り付けることをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、複数のクーポンを構成要素に取り付けることをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、ターボ機械の予め定められた動作期間が経過した後にターボ機械からクーポンを摘出することをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、温度オフセットを決定することが、測定された酸化物層の厚さを厚さに関連する履歴温度に相関させることであって、履歴温度が、各々が複数の履歴厚さ測定値に相関する熱履歴内に維持された複数の温度のうちの１つである、相関させることをさらに含むことをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、測定された温度と履歴温度との間の温度差を決定することをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、構成要素がターボ機械動作中に曝露された含水量および動作圧力のうちの少なくとも一方を決定することをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

方法が、交換クーポンを、酸化されたクーポンがターボ機械内で以前に占有したのと同じ場所で構成要素に結合することをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の方法。

ターボ機械内の動作温度を決定する際に使用するための測定装置であって、測定装置が、ターボ機械内の構成要素に結合された少なくとも１つのクーポンと、ターボ機械が構成要素を有し所定の期間動作した後に、クーポン上に形成された酸化物層の厚さの測定値を受信し、酸化物層の厚さに基づいて温度オフセットを決定し、動作中にターボ機械内で獲得された測定された温度に温度オフセットを適用し、かつ温度オフセットを使用して、構成要素がターボ機械の動作中に曝露された実際の温度を決定するように構成されたプロセッサと、を備える、測定装置。

装置が、ターボ機械の動作の熱履歴を受信することをさらに含み、熱履歴が、ターボ機械動作中に取得された複数の温度データを含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

装置が、既知の酸化速度を有する少なくとも１つのクーポンをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

装置が、溶接、接着剤、および機械的締結具のうちの少なくとも１つを使用して構成要素に締結された少なくとも１つのクーポンをさらに含む、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

クーポンが、ターボ機械がターボ機械内の構成要素とともに一定期間動作した後に、ターボ機械から摘出される、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

プロセッサが、酸化物層の測定された厚さをターボ機械の熱履歴内に記憶された温度に相関させるようにさらに構成されており、熱履歴内に記憶された各温度が、厚さに関連付けられている、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

プロセッサが、測定された温度と記憶された温度との間の温度差を決定するようにさらに構成されている、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

プロセッサが、ターボ機械の動作中に構成要素の近傍の含水量および動作圧力のうちの少なくとも一方に関連する少なくとも１つの入力を受信するようにさらに構成されている、先行する条項のうちのいずれかに記載の装置。

少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、少なくとも１つのプロセッサに、予め定められた期間動作したタービン機械の構成要素に取り付けられたクーポン上に形成された酸化物層の厚さの測定値を受信させ、酸化物の測定された厚さに基づいて温度オフセットを決定させ、ターボ機械の動作中に構成要素が曝露された実際の温度を決定するためにターボ機械の履歴動作温度に温度オフセットを適用させ、かつターボ機械の動作中に構成要素が曝露された実際の温度を出力させる命令が記憶された少なくとも１つの非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

少なくとも１つのプロセッサが、測定された厚さを厚さに関連する少なくとも１つの履歴温度に相関させるようにさらに構成されており、各履歴温度が、厚さ測定値に相関する、先行する条項のうちのいずれかに記載の少なくとも１つの非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

開示された実施形態の前述の説明は、当業者が開示された実施形態を作成または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書に示す実施形態に限定されることを意図するものではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される原理および特徴と一致する可能な最も広い範囲が与えられるべきである。

本明細書に記載された方法およびシステムは、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されない。例えば、各システムの構成要素および／または各方法のステップは、本明細書に記載された他の構成要素および／またはステップとは独立して別個に利用されてもよい。例えば、方法およびシステムはまた、他の燃焼システムと組み合わせて使用されてもよく、本明細書に記載のようにガスタービンエンジンのみで実施されることに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の回転機械および燃焼アプリケーションに関連して実装および利用され得る。

本明細書は、本発明を最良のモードを含めて開示し、さらに任意のデバイスまたはシステムの製作および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、例を用いている。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、当業者が想到する他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

１００ ガスタービンエンジン、燃焼タービン
１１２ 圧縮機セクション
１１４ 燃焼器セクション
１１６ タービンセクション
１１８ 排気セクションまたはシステム、排気セクション／システム
１２０ 複数の燃焼器
１２６ 燃焼器ライナまたはバスケット
１２７ トランジションダクト
１２８ 燃料噴射システム
１３０ 温度センサ
１３２ 構成要素
２００ 構成要素
２０２ 犠牲クーポン
３００ クーポン
３０２ 酸化物の層、酸化物層
３０４ 表面
４００ システム
４０２ 熱履歴
４０４ オフセット決定モジュール
４０６ 熱履歴、熱履歴データ
４０８ 真の実際の温度
４１０ 厚さ
４１２ 加算器モジュール
４１４ 構成要素温度決定
４１６ 相関モジュール
４２２ プロセッサ
４２４ メモリ
５００ ユーザインターフェース画面、インターフェース
５０２ 値、経過動作時間
５０４ 値、クロムの割合
５０６ 値、動作温度
５０８ 値、動作圧力
５１０ 値、水分率または含水量
５１２ 値、壁厚
５１４ 値、酸化物厚さ
６０２ 熱履歴データ、列、熱履歴
６０４ 列
６０６ オフセット、列
６０８ 実際の温度、列
６１０ 最初の行
７００ 方法

Claims (10)

1. ターボ機械（１００）内の構成要素（２００）が曝露された温度（４０８）を決定する方法であって、前記方法が、
   前記構成要素（２００）を含む前記ターボ機械（１００）を経過時間にわたって動作させることと、
   前記構成要素（２００）に取り付けられたクーポン（３００）上に形成された酸化物層（３０２）の厚さ（４１０）を決定することと、
   前記酸化物層（３０２）の厚さ測定値（４１０）に基づいて温度オフセットを決定することと、
   前記温度オフセットを使用して前記構成要素（２００）が曝露された前記温度（４０８）を決定することと、
   前記構成要素（２００）が曝露された前記温度（４０８）を出力することと、
   を含む、方法。
2. 前記ターボ機械（１００）の動作の熱履歴（４０２）を受信することをさらに含み、前記熱履歴（４０２）が、記録された温度を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸化物層（３０２）の前記厚さ（４１０）を前記決定することが、前記クーポン（３００）が前記構成要素（２００）から取り外された後に前記クーポン（３００）を断面化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 既知の酸化速度を有する少なくとも１つのクーポン（３００）を前記構成要素（２００）に取り付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ターボ機械（１００）の予め定められた動作期間が経過した後に前記ターボ機械（１００）から前記クーポン（３００）を摘出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記温度オフセットを前記決定することが、
   測定された酸化物層（３０２）の前記厚さ（４１０）を前記厚さ（４１０）に関連する履歴温度に相関させることであって、前記履歴温度が、各々が複数の履歴厚さ測定値に相関する前記熱履歴（４０２）内に維持された複数の温度のうちの１つである、相関させることと、
   測定された温度と前記履歴温度との間の温度差を決定することと、
   を含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記温度オフセットを前記決定することが、前記構成要素（２００）が前記ターボ機械（１００）の動作中に曝露された含水量および動作圧力のうちの少なくとも一方を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. ターボ機械（１００）内の動作温度（４０８）を決定する際に使用するための測定装置（４００）であって、前記測定装置（４００）が、
   前記ターボ機械（１００）内の構成要素（２００）に結合された少なくとも１つのクーポン（３００）と、
   前記ターボ機械（１００）が前記構成要素（２００）を有し所定の期間動作した後に、前記クーポン（３００）上に形成された酸化物層（３０２）の厚さ（４１０）の測定値を受信し、
   前記酸化物層（３０２）の前記厚さ（４１０）に基づいて温度オフセットを決定し、
   動作中に前記ターボ機械（１００）内で獲得された測定された温度に前記温度オフセットを適用し、かつ
   前記温度オフセットを使用して、前記構成要素（２００）が前記ターボ機械（１００）の動作中に曝露された実際の温度（４０８）を決定する
   ように構成されたプロセッサ（４２２）と、
   を備える、測定装置（４００）。
9. 前記プロセッサ（４２２）が、
   前記ターボ機械（１００）の動作の熱履歴（４０２）を受信することであって、前記熱履歴（４０２）が、前記ターボ機械（１００）の動作中に取得された複数の温度データを含む、受信することと、
   前記酸化物層（３０２）の測定された厚さを前記ターボ機械（１００）の前記熱履歴（４０２）内に記憶された温度に相関させることであって、前記熱履歴（４０２）内に記憶された各温度が、厚さに関連付けられている、相関させることと、
   前記測定された温度と前記記憶された温度との間の温度差を決定することと、
   を行うようにさらに構成されている、請求項８に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つのクーポン（３００）が、既知の酸化速度を有し、前記プロセッサ（４２２）が、前記ターボ機械（１００）の動作中に前記構成要素（２００）の近傍の含水量および動作圧力のうちの少なくとも一方に関連する少なくとも１つの入力を受信するようにさらに構成されている、請求項９に記載の装置。