JP5122807B2 - 構成部品を試験するための渦電流検査システム - Google Patents

Description

本発明は、総括的には構成部品の試験に関し、より具体的には、一様でない表面を有する構成部品を試験するための方法及び装置に関する。

渦電流（ＥＣ）検査装置が、それに限定されないが、ガスタービンエンジン構成部品のような試験中の構成部品における異常表示を検出するために使用される。少なくとも１つの公知のＥＣ検査装置は、構成部品の表面上の割れ、ピング、ディング、材料隆起及び／又はその他の表面欠陥を検出するために、並びに／或いは構成部品の導電率、密度及び／又は熱処理の程度を含む構成部品の材料特性を評価するために使用される。

操作中に、公知のＥＣ装置は、該ＥＣ装置によって発生した電磁場と検査対象の構成部品との間の相互作用を測定する。例えば、公知のＥＣ装置は、磁場を発生するプローブコイルを含む。コイルが導電性構成部品に隣接して配置された時、構成部品の表面上に渦電流が発生する。構成部品の表面上及び／又は表面付近の傷は、渦電流場内に乱れを発生させ、この乱れが二次磁場を形成し、渦電流プローブコイル又は渦電流プローブ内のセンサコイルがこの二次磁場を受けて、この変化した二次磁場を例えばストリップチャート記録装置に記録することができる電気信号に変換する。

公知の渦電流検査法は、航空機エンジン構成部品上の材料欠陥を検出するには比較的有効であるが、この渦電流検査装置は、構成部品を検査している間にプローブが遭遇する可能性がある多様な条件によって影響を受ける可能性がある。例えば、渦電流検査システムは、該ＥＣ検査システムが構成部品の一様な表面領域付近に表面割れを検出した時に比較的一貫した信号を生成することができる。

しかしながら、ＥＣ検査システムは、比較的複雑な幾何学的形状特徴部を含む構成部品のエッジ付近で割れ又は傷を検出した時には、偽（誤った）信号を生成する可能性がある。従って、ＥＣ装置が構成部品のエッジにおける割れ及び／又はすじ傷上を通過した時にＥＣ装置が生成した幾何学的形状エッジ信号を識別することは、オペレータにとって比較的難しい。より具体的には、本当の割れ及び／又はすじ傷により生成された信号を比較的複雑な幾何学的形状を有する構成部品のエッジ付近で生成される可能性がある偽信号と識別することは、オペレータにとって困難であることが多い。

一例として、少なくとも1つの公知のＥＣ装置は、構成部品における同一の反復した幾何学的形状からリアルタイム画像を生成して、偽信号を含む画像を改善するのを可能にする。より具体的には、各画像が構成部品の一部分のみを表す複数の画像を構成部品の表面に沿って生成する。これらの画像の幾つかを収集した後に、サブトラクション（減算）法を利用して、隣接する特徴部から画像を抽出する。この方法は、隣接する特徴部に共通した基本エッジ信号を少なくするのを可能にするが、構成部品内の幾何学的形状の変化によって生じた偽エッジ信号は排除しない。従って、ただ一つの構成部品特徴部を検査しようとする場合には、減算すべき反復画像がないので、この方法はほとんど有効でない。

ここでは、構成部品を検査する方法が開示される。本方法は、渦電流検査システムを利用して、試験中の構成部品の原画像を生成する段階と、原画像をその各々が異なる周波数成分を含む複数の画像に分解する段階と、渦電流傷信号に関連した周波数成分を含む構成部品の少なくとも１つの最終画像を再構成する段階とを含む。

ひとつの態様では、渦電流検査システムを提供する。本渦電流検査システムは、渦電流プローブと、渦電流プローブに結合されたコンピュータとを含む。コンピュータは、試験中の構成部品の原画像を生成し、原画像をその各々が異なる周波数成分を含む複数の画像に分解し、渦電流傷信号に関連した周波数成分を含む構成部品の少なくとも１つの最終画像を再構成するように構成される。

図１は、ファン組立体１２とコアエンジン１３とを含むガスタービンエンジン１０の概略図であり、コアエンジン１３は、高圧圧縮機１４と燃焼器１６とを含む。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ブースタ２２とを含む。組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２７と排気側２９とを有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＣＦ６−５０型である。ファン組立体１２とタービン２０とは、第1のロータシャフト３１によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３３によって結合される。

作動中、空気は、ファン組立体１２を通って軸方向に、つまりエンジン１０を貫通して延びる中心軸線３４とほぼ平行な方向に流れ、加圧された空気は、高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１を介してファン組立体１２を駆動する。

図２は、それに限定されないが、ガスタービンエンジン１０に使用することができるガスタービンエンジンディスク５４のような構成部品５２を検査するために使用することができる例示的な渦電流傷検出システムの概略図である。この例示的な実施形態では、ディスク５４は、複数のダブテールポスト５６と、これらポスト５６間に形成された複数のダブテールスロット５８とを含む。

本明細書では本方法及び装置をポスト５６及びダブテールスロット５８に関して説明しているが、本方法及び装置は、多様な構成部品に適用することができることを理解されたい。例えば、構成部品５２は、あらゆる実施可能な形状、寸法及び構成のものとすることができる。そのような構成部品の実施例には、それに限定されないが、シール、フランジ、タービンブレード、タービンベーン及び／又はフランジのようなガスタービンエンジンの構成部品を含むことができる。構成部品は、それに限定されないが、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン基合金、鉄基合金及び／又はアルミニウム基合金のようなあらゆる実施可能なベース材料で製作することができる。より具体的には、本明細書では本方法及び装置を航空機エンジン構成部品に関して説明しているが、本方法及び装置は、蒸気タービン、原子力発電プラント、自動車エンジン内で使用する多様な構成部品に対して、或いはあらゆる機械的構成部品を検査するために適用することができることを理解されたい。

この例示的な実施形態では、検出システム５０は、プローブ組立体６０とデータ収集／制御システム６２とを含む。プローブ組立体６０は、渦電流コイル／プローブ７０と、プローブ７０に結合されたプローブ操作装置７２とを含む。渦電流プローブ７０及びプローブ操作装置７２は各々、制御／データ情報を渦電流プローブ７０／プローブ操作装置７２及びデータ収集／制御システム６２に／から送信することができるように、データ収集／制御システム６２に対して電気的に結合される。別の実施形態では、システム５０はまた、検査作業の間に中心軸線７４の周りで構成部品５２を回転させるように構成されたターンテーブル（図示せず）を含む。

データ収集／制御システム６２は、コンピュータインタフェース７６と、メモリ８０を備えたパーソナルコンピュータのようなコンピュータ７８と、モニタ８２とを含む。コンピュータ７８は、ファームウエア（図示せず）内に記憶された命令を実行する。コンピュータ７８は、本明細書に記載した機能を行うようにプログラムされており、本明細書で使用する場合、コンピュータという用語は、当技術分野においてコンピュータと呼ばれているような集積回路そのものだけに限定されるのではなく、広くコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能論理コントローラ、特定用途向け集積回路及びその他のプログラム可能回路をも意味しており、本明細書ではこれらの用語を互換的に使用する。

メモリ８０は、当業者にはよく知られた１つ又はそれ以上の揮発性及び／又は不揮発性記憶装置を表すことを意図している。しばしばコンピュータ７８に使用されるそのような記憶装置の実施例には、それに限定されないが、半導体メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）及びフラッシュメモリ）、磁気記憶装置（例えば、フロッピー（登録商標）ディスク及びハードディスク）、及び／又は光学記憶装置（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ及びＤＶＤ）が含まれる。メモリ８０は、コンピュータ７８に内蔵するか、或いは外付けすることができる。データ収集／制御システム６２はまた、それに限定されないが、コンピュータ７８及び／又は渦電流プローブ７０に対して電気的に結合されたストリップチャート記録装置、Ｃ−スキャン及び電子レコーダのような記録装置８４を含む。

使用中、ディスク５４のような構成部品５２は、検査の間にディスク５４を所定の位置に固定するために治具（図示せず）上に取付けられる。渦電流プローブ７０は、検査の間にダブテールスロット５８内に位置決めされて、ダブテールスロット５８の内部の実質的に全てを走査できるようにするのを可能にする。この例示的な実施形態では、プローブ操作装置７２は、６軸マニピュレータである。渦電流プローブ７０は、該プローブ７０によるダブテールスロット５８の走査の間にダブテールスロット５８の表面内に発生した渦電流に応答して電気信号を生成する。プローブ７０によって生成された電気信号は、データ通信リンク８６を介してデータ収集／制御システム６２によって受信され、メモリ８０又は記録装置８４のいずれか内に記憶される。コンピュータ７８はまた、通信リンク８８によってプローブ操作装置７２にも相互接続されて、ディスク５４の走査を制御するのを可能にする。オペレータがディスク５４の検査を制御するのを可能にするために、キーボード（図示せず）が、コンピュータ７８に対して電気的に結合される。この例示的な実施形態では、プリンタを設けて、コンピュータ７８によって生成された画像のハードコピーを作成することができる。

図３は、局所的最小値及び局所的最大値を含む表面を有する構成部品を検査する例示的な方法１００を示すフロー図である。方法１００は、原画像を生成する段階１０２と、原画像をその各々が異なる周波数成分を含む複数の画像に分解する段階１０４と、ＥＣ傷信号に関連した周波数成分を含む少なくとも1つの最終画像を再構成する段階１０６とを含む。

この例示的な実施形態では、渦電流傷検出システム５０は、それに限定されないが、ガスタービンエンジンディスク５４のような構成部品を検査し、次に原画像を生成するために利用される。原画像は次に、２段階処理で処理されて、構成部品５４内に発生した可能性がある割れ又はその他の傷を識別するのを可能にする。具体的には、原画像は、その各々が異なる周波数成分を含む複数の画像に分解される１０４。この例示的な実施形態では、原画像は、二レベル・ウェーブレット画像処理法を利用して処理される。画像処理の結果、原画像は、複数の画像に分解される。この例示的な実施形態では、原画像は、５つの別個の画像に分解される。さらに、この例示的な実施形態では原画像を５つの別個の画像に分解することを説明しているが、原画像は、本明細書に記載した本発明の技術的範囲に影響を及ぼすことなく、割れ又はその他の欠陥を識別するのを可能にするのに望ましい数の画像に分解することができることを理解されたい。

従って、またこの例示的な実施形態では、低域通過重畳フィルタを使用して原画像（図４に示す）をフィルタ処理して第１の画像（図５に示す）を生成し、高帯域通過フィルタを使用して原画像を水平方向にフィルタ処理して第２の画像（図６に示す）を生成し、中帯域通貨フィルタを使用して原画像を水平方向にフィルタ処理して第３の画像（図７に示す）を生成し、高帯域通過フィルタを使用して原画像を垂直方向にフィルタ処して第４の画像（図８に示す）を生成し、また中帯域通貨フィルタを使用して原画像を垂直方向にフィルタ処理して第５の画像（図９に示す）を生成する。

例えば、図８に示すように、構成部品の傷は、エッジ信号を完全に除去した状態で明瞭に視認できる。より具体的には、図８の画像は、構成部品内のあらゆる欠陥によって生成された信号の周波数よりも一般的に低い周波数を有するエッジ信号を除去するのを可能にする高帯域通過フィルタを利用して処理された。他方、高帯域フィルタを利用して原画像を水平方向に処理することによって生成された図６の画像は、傷信号をそれから容易には分離することができないエッジ信号を含んでいる。

方法１００はさらに、渦電流傷信号と関連した周波数成分を含む最終画像を再構成する段階１０６を含む。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、公知の渦電流傷信号は一般的に、検査作業の間にノイズ又はエッジ信号によって生成された信号の振幅及び／又は周波数とは異なる周波数及び／又は振幅を有する。これらの特性は、例えばコンピュータ７８内に事前知識として記憶されている。従って、コンピュータ７８は、多様な公知の傷又は欠陥の周波数及び／又は振幅の情報を含んでいて、コンピュータ７８が、検査作業の間に傷信号とエッジ欠け及び／又は周囲ノイズとを識別することが可能になる。従って、コンピュータ７８はまた、渦電流検査の間に生成された様々な信号の周波数及び／又は振幅特性に関する事前情報を含む。この信号には、それに限定されないが、構成部品内の幾何学的形状の変化によって生じる偽エッジ信号と、プローブジオメトリ、検査速度、傷の構成等のようなパラメータとが含まれる。渦電流傷信号の形状及び周波数成分を知ることによって、望ましくない信号を弁別し、従ってそれらを最終画像から除去することができる。

従って、原画像をその各々が異なる周波数成分を含む複数の画像に分解した後に、コンピュータ７８又はオペレータのいずれかは、最終画像を再構成するために利用する少なくとも１つの画像を選択する。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、コンピュータ７８は、前に説明したように、事前知識を利用して各生成画像をフィルタ処理し、次に渦電流傷信号を最もよく示している、つまり幾何学的形状欠けの大部分を除去した少なくとも１つの画像を選択して、最終画像を再構成する。

この例示的な実施形態では、図８及び図９における生成画像を利用して、最終画像を再構成する。例えば、図１０に示すように、図８及び図９に示す傷検出信号を組合せて、検査作業の間に発見された傷欠陥を最もよく示している最終画像を生成する。従って、最終画像は、図８及び図９において観察された２つの周波数成分を利用して再構成されて、図１０は、著しく高い信号対ノイズ比を有するようになる。

本明細書に記載した方法及び装置により、エッジ或いはその他の望ましくない幾何学的形状又は汚染作用に関連した渦電流信号における特性を識別することが可能になる。より具体的には、数学的モデルを利用して、構成部品上の傷からのＥＣ信号を特徴付ける。操作中に、このモデルは、プローブジオメトリ、検査速度、傷の構成等のようなパラメータを入力することによってＥＣ信号をシミュレートする。そのようにして、ＥＣ傷信号の形状及び周波数成分を知ることによって、望ましくないＥＣ信号を弁別することができる。より具体的には、この分離法は、ＥＣ信号を異なる周波数特性を有する多くの異なる信号に分解するウェーブレット処理を使用して行った。次に、ＥＣ傷信号の周波数に近いその周波数成分を選択し、また幾何学的形状、汚染、材料及び表面関連ノイズからの全ての関係のない信号周波数並びに信号を廃棄する。この方法においては、信号処理法は、複合した元のＥＣ信号の成分である不要な特徴部に関連した信号を排除して、検査の目的である傷表示のみを残す。

以上、渦電流検査システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本明細書に説明した方法は、本明細書に記載した特定のシステムに限定されるものではなく、むしろ、本方法は、多様な検査システムで実施することができる。より具体的には、本明細書では本方法及び装置を航空機エンジン構成部品に関して説明しているが、本方法及び装置は、蒸気タービン、原子力発電プラント、自動車エンジン内で使用する多様な構成部品に対して、或いはあらゆる機械的構成部品を検査するために適用することができることを理解されたい。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 例示的な渦電流表面傷検出システムの概略図。 渦電流検査を行う例示的な方法を示すフロー図。 図３の方法を使用して生成した画像。 図３の方法を使用して生成した画像。 図３の方法を使用して生成した画像。 図３の方法を使用して生成した画像。 図３の方法を使用して生成した画像。 図３の方法を使用して生成した画像。 図３の方法を使用して生成した最終画像。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１３ コアエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２７ 吸気側
２９ 排気側
３１ 第1のロータシャフト
３３ 第２のロータシャフト
３４ 中心軸線
５０ 検出システム
５２ 構成部品
５４ ガスタービンエンジンディスク
５６ ポスト
５８ ダブテールスロット
６０ プローブ組立体
６２ 収集／制御システム
７０ 電流プローブ
７２ プローブ操作装置
７４ 中心軸線
７６ コンピュータインタフェース
７８ コンピュータ
８０ メモリ
８２ モニタ
８４ 記録装置
８６ データ通信リンク
８８ 通信リンク
１００ 方法
１０２ 生成する段階
１０４ 分解する段階
１０６ 再構成する段階

Claims (9)

1. 渦電流プローブ（７０）と、
   前記渦電流プローブに結合されたコンピュータ（７８）と、
   を含み、前記コンピュータが、
   試験中の構成部品（５２）の原画像を生成し（１０２）、
   前記原画像を、その各々が異なる空間周波数成分を含む複数の画像に分解し（１０４）、
   既知の渦電流傷信号に対応する空間周波数成分を含む空間周波数データを記憶し、
   記憶された前記空間周波数データに基づく前記既知の渦電流傷信号に対応する複数の異なる空間周波数成分を含む複数の画像を前記複数の画像の中から選択し、
   前記選択された複数の画像を使用して、前記構成部品の少なくとも１つの最終画像を再構成する（１０６）ように構成された、渦電流検査システム。
2. 前記コンピュータ（７８）が、ガスタービンエンジン構成部品（５２）の原画像を生成する（１０２）ようにさらに構成される、請求項１記載のシステム。
3. 前記コンピュータ（７８）が、ウェーブレット画像処理法を利用して前記原画像を分解する（１０４）ようにさらに構成される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記コンピュータ（７８）が、高帯域通過フィルタ、中間帯域通過フィルタ及び重畳フィルタの少なくとも１つを使用して前記原画像を分解する（１０４）ようにさらに構成される、請求項１または２に記載のシステム。
5. 前記コンピュータ（７８）が、前記傷信号の空間周波数成分とは異なる空間周波数成分を有する信号を前記再構成画像から除去するようにさらに構成される、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記コンピュータ（７８）が、エッジ欠けに関連した複数の空間周波数成分を記憶し、前記記憶した空間周波数成分を利用して前記傷信号と前記エッジ欠けとを識別するようにさらに構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記コンピュータ（７８）が、
   少なくとも１つの渦電流傷信号に高帯域通過フィルタを適用して高帯域通過フィルタ処理された画像を生成し、
   前記少なくとも１つの渦電流傷信号に中帯域通過フィルタを適用して中帯域通過フィルタ処理された画像を生成し、
   前記高帯域通過フィルタ処理された画像と、前記中帯域通過フィルタ処理された画像とを組み合わせて、最終画像を再構成するようにさらに構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記コンピュータ（７８）が、
   少なくとも１つの渦電流傷信号に高帯域通過フィルタを所定の方向にのみ適用して高帯域通過フィルタ処理された画像を生成し、
   前記少なくとも１つの渦電流傷信号に中帯域通過フィルタを所定の方向にのみ適用して中帯域通過フィルタ処理された画像を生成し、
   前記高帯域通過フィルタ処理された画像と、前記中帯域通過フィルタ処理された画像とを組み合わせて、最終画像を再構成するようにさらに構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
9. 前記コンピュータ（７８）が、渦電流プローブジオメトリ及び渦電流検査速度のうちの少なくとも１つを使用して前記既知の渦電流傷信号をシミュレートするようにさらに構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。