JP5575322B2 - タービンエンジンの光学監視システム - Google Patents

Description

本発明は、米国エネルギー省によって授与された契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０１ＮＴ４１２３２に基づいて米国連邦政府支援で行われた。米国連邦政府は、本発明に一定の権利を有している。

本発明は、広くは、タービンエンジン、より詳しくは、ガスタービンエンジンの熱ガス経路内のコンポーネントを監視する監視システムを対象にする。

たとえば、ガスタービンエンジンの内部部品のような近づき難いエリアまたは閉じ込められたエリアは、多くの場合、部品の故障前に潜在的な問題、すなわち、部品の欠陥を特定することにより、内部エンジン部品の完全性を確認し、かつ、エンジンの安全動作を維持するために、または、既存の問題の原因を特定するために日常点検を必要とする。たとえば、問題は、ガスタービンエンジンの日常の不稼働時間保守中などにボアスコープの使用により目視検査を通じて特定される。

タービンエンジンの追加の光学監視が、エンジンの熱ガス経路の内部に位置しているコンポーネントの状態をさらに特定するためにエンジンの動作中に実行されることがある。エンジンの動作中のエンジンコンポーネントの光学監視は、光学要素がエンジンの内側に設置されることを必要とするので、光学要素を光学材料の動作可能範囲より高い温度に晒す可能性がある。既知のシステムでは、外部冷却が光学要素を最大動作可能温度より低く冷却するために圧縮冷気、水、または、液体窒素の形でシステムに付加された。この解決手法は、典型的にかなりの複雑さと余分な費用とを光学システムに追加した。さらに、光学要素は、エンジンの動作中に連続的に冷却されるべきであるので、短時間でこのような外部冷却されるシステムを利用することが好ましい。

本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジンの監視システムが提供される。監視システムは、内端部および外端部を有している観察用チューブ組立体を備える。内端部は、ガスタービンエンジンの内部で熱ガス流経路に隣接して位置し、外端部は、ガスタービンエンジンの外側ケーシングに隣接して位置している。観察用チューブ組立体の内面から半径方向内側に延在するアパーチャ壁が観察用チューブ組立体の内端部に位置している。光学要素が内端部に隣接して観察用チューブ組立体の内部に位置し、冷却浄化室を光学要素とアパーチャ壁との間に画定するためにアパーチャ壁から離間している。アパーチャが熱ガス流経路から光学要素への光の通過のためアパーチャ壁内に画定されている。１つ以上のスワール通路が観察用チューブ組立体の外側の場所から冷却浄化室内への冷却空気の通過のためアパーチャ壁と光学要素との間で観察用チューブ組立体内に画定され、１つ以上のスワール通路は、冷却浄化室の内部で円周方向に空気の渦巻運動をもたらす。

本発明の別の態様によれば、監視システムが半径方向外側のケーシング壁とタービンエンジンの中を通る熱ガス経路を取り囲む半径方向内側のケーシング壁とを備えるガスタービンエンジンに設けられる。監視システムは、内端部および外端部を有している観察用チューブ組立体を備える。内端部は、内側ケーシング壁に隣接して位置し、外端部は、ガスタービンエンジンの外側ケーシング壁に隣接して位置している。観察用チューブ組立体の内面から半径方向内側に延在するアパーチャ壁は、観察用チューブ組立体の内端部に位置している。光学要素は、内端部に隣接して観察用チューブ組立体の内部に位置し、光学要素とアパーチャ壁との間に冷却浄化室を画定するためにアパーチャ壁から離間している。アパーチャが熱ガス流経路から光学要素への光の通過のためアパーチャ壁内に画定されている。複数の円周方向に離間したスワール通路は、観察用チューブ組立体の外面から内面に延在し、観察用チューブ組立体の外側の場所から冷却浄化室への冷却空気の通過のため光学要素に隣接して位置し、複数のスワール通路は、冷却浄化室の内部で円周方向に空気の渦巻運動をもたらし、アパーチャを介して冷却浄化室から出るその後の冷却空気の流れをもたらすために、夫々に、観察用チューブ組立体の中央縦軸を通過する内向き方向と相対的に角度をなす。

本明細書は、本発明を特定し、かつ、明瞭に権利主張する請求項に帰するが、本発明は、類似した符号が類似した要素を識別する添付図面と併せて以下の説明からより良く理解されると考えられる。

タービンエンジンの一部を通り、本発明による監視システムを表した断面図である。 監視システムの観察用チューブ組立体の内端部を通る断面図である。 図２の線３−３による断面図である。 観察用チューブ組立体のレンズ筐体の側面図である。 観察用チューブ組立体のレンズチューブの一部の側面図である。

以下の好ましい実施形態の詳細な説明では、好ましい実施形態の一部を形成し、一例として、限定されることなく、発明が実施されることがある特定の好ましい実施形態が示された複数の添付図面が参照される。他の複数の実施形態が利用されてもよいこと、かつ、複数の変更が本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行われてもよいことが理解されるべきである。

図１を参照すると、ガスタービンエンジン１２の動作中のガスタービンエンジン１２内のコンポーネントを画像化する監視システム１０が示される。詳しくは、画像化システム１０は、タービンエンジン１２に搭載され、半径方向外側のケーシング壁１８と、タービンエンジン１２のタービンセクション２６内で外側ケーシング壁１８から半径方向内側に位置している内側ケーシング壁２０との間に延在して位置付けられた状態で示される。半径方向内側のケーシング壁２０は、環状翼輪または環状シュラウド構造体２２を支持する。内側ケーシング壁２０および環状シュラウド構造体２２は、タービンエンジン１２のタービンセクション２６を通して延在する熱ガス経路２４を取り囲む。

外側ケーシング壁１８と内側ケーシング壁２０との間のエリアは、タービンエンジン１２の圧縮機セクション（図示せず）の出口から燃焼器セクション（図示せず）へ供給される空気を含むシェル空気を収容するシェルエリア２８を備える。さらに、翼冷却空気通路３０が内側ケーシング壁２０と環状シュラウド構造体２２との間に画定され、圧縮機セクションの１つ以上の段から抽気を供給するような従来的な方法で冷却空気を複数の静止翼（図示せず）の列に供給する。図示された実施形態では、監視システム１０は、細長いタービン翼１４を備えるコンポーネント上の場所を画像化するため設けることができる。

監視システム１０は、ガスタービンエンジン１２の、内側ケーシング壁２０に隣接して位置している内端部３４と外側ケーシング壁１８に隣接して位置している外端部３６とを有している観察用チューブ組立体３２を備える。観察用チューブ組立体３２は、１つ以上の管状要素をもつ組立体を備えることができる。たとえば、観察用チューブ組立体３２は、参照によってここに組み込まれる米国特許第７２３１８１７号に記載された構造体に実質的に類似した構造体を一般に備えることができる。

図２を参照すると、図示された観察用チューブ組立体３２は、管状レンズチューブ３８と、レンズチューブ３８の内部に位置しているレンズ筐体４０とを備える。レンズ筐体４０は、観察用チューブ組立体３２の縦軸４４に沿って位置合わせされた１つ以上のレンズを備えることができ、観察用チューブ組立体３２の内端部３４から外端部３６へ光学像を伝達する光学要素４２を支持する。特定の光学要素が本発明の説明の目的のため例示されているが、このような例示は、例証のため与えられ、たとえば、光ファイバまたは他の光伝達手段を備える光学要素４２をはじめ、他の、または、追加の光学要素４２が観察用チューブ組立体３２に包含されてもよいことが理解されるべきである。

図２に示されるように、レンズチューブ３８は、内側ケーシング壁２０と係合する構造体を含む。たとえば、レンズチューブ３８は、レンズチューブ３８の軸方向位置を画定するために対応する内側ケーシング壁２０の表面４８と係合するフランジ４６を含むことができ、端部５０とシュラウド構造体２２との間に設置されたブッシング５２との係合のため設けられることができる端部５０をさらに含む。レンズチューブ３８の端部５０は、１つ以上のコンポーネント、すなわち、複数のブレード１４から観察用チューブ組立体３２の内部の光学要素４２への光の通過を許可するほぼ円筒状の開口エリアを画定する。さらに、端部５０は、レンズチューブ３８の内端面５６から半径方向内側に延在し、レンズ筐体４０の端部５８による係合のための支持構造体を形成するフランジ５４を含むことができる。

図２および４を参照すると、レンズ筐体４０は、第１の端部６０および第２の端部６２を有している管状部材を備え、外面６４と、観察用チューブ組立体３２の内部を画定する内面６６とを含む。光学要素４２は、第１の端部６０と第２の端部６２との間の場所で内面６６に支持されることができる。アパーチャ壁６８は、内面６６から半径方向内側に延在し、アパーチャ壁６８と光学要素４２との間に冷却浄化室７２を画定するために光学要素４２の内側面７０から軸方向に離間している。光学要素４２は、光学要素４２の傍の冷却浄化室７２から観察用チューブ組立体３２へのガスの通過を阻止する。

フランジ５４は、熱ガス経路２４から観察用チューブ組立体３２への光の通過を許可する開口７４を含む。さらに、アパーチャ壁６８は、レンズ筐体４０への光の通過を許可し、コンポーネント、すなわち、タービン翼１４上の場所を光学要素４２に画像化する視野を画定するナイフエッジ光学アパーチャ７６を含む。光学アパーチャ７６は、光学要素４２の径と比較して、すなわち、レンズと比較して実質的に小さい開口であり、光学要素４２（レンズ）の径は、光学アパーチャ７６の径より少なくとも５倍大きい。その上、レンズ筐体４０の端部５８は、フランジとアパーチャ壁との間に光学アパーチャ７６を取り囲む環状エリア７８を画定するためにフランジ５４から所定の軸方向距離までアパーチャ壁６８を離す。

図２および３を参照すると、レンズ筐体４０は、冷却浄化室７２への冷気の通過のための少なくとも１つのスワール通路８０を含み、好ましくは、複数の円周方向に離間したスワール通路８０を含む。複数のスワール通路８０は、光学要素４２に実質的に接近している冷却浄化室７２に沿って軸方向位置に設置され、光学要素４２の内側面７０によって画定された平面のような縦軸４４とほぼ垂直な平面と平行状態にある。

図４に示されるように、レンズ筐体４０は、第１の端部６０に隣接する第１のフランジ７９と、第２の端部６２に隣接する第２のフランジ８１とを含む。第１のフランジ７９および第２のフランジ８１は、冷却空気Ｃ_A1（図２）を受け入れる冷却空気供給通路８２がレンズチューブ３８とレンズ筐体４０との間のギャップに画定される程度に、レンズチューブ３８の内部からレンズ筐体４０の外面６４を離す。空気通路８２に供給される冷却空気Ｃ_A1は、シェルエリア２８から観察用チューブ組立体３２の中へ入るシェル空気からなることができる。たとえば、レンズチューブ３８は、レンズチューブ３８の外側の場所から空気通路８２へのシェル供給冷却空気Ｃ_A1の通過のための１つ以上の孔８４（図５も参照のこと）が設けられることができる。複数のスワール通路８０によって冷却浄化室７２の中へ供給される全流れエリアは、シェル空気の圧力と実質的に同じ大きさの圧力が冷却浄化室７２の内部で維持される程度に、冷却浄化室７２から光学アパーチャ７６を介して供給される流れエリアより大きい。

図３に示されるように、複数のスワール通路８０は、複数の通路８０が冷却浄化室７２に入る冷却空気Ｃ_A1の渦巻運動をもたらす程度に、冷却浄化室７２に入る冷却空気Ｃ_A1がスワール通路８０での内面６６から観察用チューブ組立体３２の縦軸４４を通過する半径方向ｒを横切る内側方向Ｄへ流れるように案内する。詳しくは、複数のスワール通路８０は、レンズ筐体４０の内面６６にほぼ接線方向Ｄで冷却浄化室７２に入るように冷却空気Ｃ_A1を案内するために方向を合わされ、光学要素４２に隣接した円周方向に冷却空気Ｃ_A1の渦巻運動Ｓをもたらす。

熱ガス経路２４の中を流れる熱ガスは、観察用チューブ組立体３２の中へ流れる傾向があり、冷却浄化室７２に供給される冷却空気Ｃ_A1は、冷却浄化室７２の内部の圧力を上昇させ、熱ガスの流入を阻止または制限すると共に光学要素４２を対流冷却することに注目することができる。さらに、冷却空気Ｃ_A1の渦巻運動Ｓは、たとえば、光学要素４２の内側面７０から汚染物の清掃および浄化を行うことにより、光学要素４２への汚染物の堆積を減少させるように作用すると考えられる。冷却空気Ｃ_A1の渦巻運動は、さらに、光学要素４２の表面での冷却空気の運動の増大により対流冷却を強めるように作用する。

図２を参照すると、追加、または、２次冷却空気Ｃ_A2が環状エリア７８への２次冷却空気Ｃ_A2の通過のためレンズチューブ３８に形成された複数の開口８６（図５）を介して観察用チューブ組立体３２に供給されることができる。詳しくは、２次冷却空気Ｃ_A2は、レンズ筐体４０の端部５８に隣接した複数の開口８６を通過し、２次冷却空気Ｃ_A2は、シェル供給冷却空気Ｃ_A1のための空気通路８２と反対側の第２のフランジ８１の側面で、レンズチューブ３８とレンズ筐体４０との間のギャップエリア９０に入る。レンズ筐体４０の端部５８は、環状エリア７８の中への隣接する複数のポスト５８ａの間に複数の空気通路８８を画定する複数の円周方向に離間したポスト５８ａ（図４）を備えることができる。２次冷却空気Ｃ_A2は、翼冷却通路３０から供給された翼冷却空気からなることができ、典型的に、シェルエリア２８から供給された冷却空気Ｃ_A1より低い圧力の空気からなる。２次冷却空気Ｃ_A2は、観察用チューブ組立体３２の内部の冷却空気圧力をさらに上昇させるために供給されることができる。

シェル供給冷却空気Ｃ_A1と２次冷却空気Ｃ_A2との合成圧力は、熱ガス経路２４内を流れる熱ガスの圧力より高い。したがって、複数の冷却空気流Ｃ_A1、Ｃ_A2によって与えられる圧力は、観察用チューブ組立体３２への熱ガスの流入を阻止するように作用できる。

本発明は、ガスタービンエンジンの動作中に、光学要素４２、すなわち、１つ以上のレンズの動作温度が典型的に熱ガス経路２４を通過するガスの温度より低い光学監視システムの使用を実現し易くする。したがって、本システムは、光学システム１０の光学要素４２のための強化された冷却および汚染物からの保護によって光学システム１０の長時間動作を実現し易くすることができる。

本発明の特有の実施形態が例示され、説明されているが、様々な他の変更および変形が発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行われ得ることが当業者には明白であろう。したがって、本発明の範囲に含まれるこのようなあらゆる変更および変形を、添付の請求項において網羅することが意図されている。

１０ 監視システム
１２ ガスタービンエンジン
１４ タービン翼
１８ 外側ケーシング壁
２０ 内側ケーシング壁
２２ シュラウド構造体
２４ 熱ガス経路
２６ タービンセクション
２８ シェルエリア
３０ 翼冷却空気通路
３２ 観察用チューブ組立体
３４ 内端部
３６ 外端部
３８ レンズチューブ
４０ レンズ筐体
４２ 光学要素
４４ 縦軸
４６、５４ フランジ
４８ 表面
５０、５８ 端部
５２ ブッシング
５６ 内端面
５８ａ ポスト
６０ 第１の端部
６２ 第２の端部
６４ 外面
６６ 内面
６８ アパーチャ壁
７０ 内側面
７２ 冷却浄化室
７４、８６ 開口
７６ 光学アパーチャ
７８ 環状エリア
７９ 第１のフランジ
８０ スワール通路
８１ 第２のフランジ
８２ 冷却空気供給通路
８４ 孔
８８ 空気通路
９０ ギャップエリア

Claims (19)

1. ガスタービンエンジンの監視システムであって、
   前記ガスタービンエンジンの内部で熱ガス流経路に隣接して位置している内端部および前記ガスタービンエンジンの外筒に隣接して位置している外端部を有している観察用チューブ組立体と、
   前記観察用チューブ組立体の前記内端部に位置し、前記観察用チューブ組立体の内部から半径方向内側に延在するアパーチャ壁と、
   前記内端部に隣接して前記観察用チューブ組立体の内部に位置し、光学要素と前記アパーチャ壁との間に冷却浄化室を画定するために前記アパーチャ壁から離間している光学要素と、
   前記熱ガス流経路から前記光学要素への光の通過のため前記アパーチャ壁内に画定されているアパーチャと、
   前記観察用チューブ組立体の外側の場所から前記冷却浄化室内への冷却空気の通過のため前記アパーチャ壁と前記光学要素との間で前記観察用チューブ組立体内に画定され、前記冷却浄化室の内部で円周方向に空気の渦巻運動をもたらす１つ以上のスワール通路と、
   を備える監視システム。
2. 前記１つ以上のスワール通路は、前記冷却浄化室に入る冷却空気を前記観察用チューブ組立体の中央縦軸を通過する半径方向を横切る内向き方向に流すように案内する、請求項１に記載の監視システム。
3. 前記１つ以上のスワール通路は、前記観察用チューブ組立体の前記内部の内面に接線方向に前記冷却浄化室に入るように冷却空気を案内するために方向を合わされている、請求項２に記載の監視システム。
4. 前記１つ以上のスワール通路は、前記縦軸に垂直である平面と平行状態にある、請求項２に記載の監視システム。
5. 前記観察用チューブ組立体は、
   レンズチューブと、
   前記観察用チューブ組立体の前記内端部で前記レンズチューブの内部に位置し、前記１つ以上のスワール通路を画定するレンズ筐体と、
   を備える、請求項１に記載の監視システム。
6. 軸方向に延在する空気通路が前記レンズチューブと前記レンズ筐体との間のギャップ内に画定され、冷却空気を前記１つ以上のスワール通路に供給する、請求項５に記載の監視システム。
7. 冷却空気が前記ガスタービンエンジンの半径方向外側のケーシング壁と半径方向内側のケーシング壁との間を通過するシェル空気から前記軸方向に延在する空気通路に供給される、請求項６に記載の監視システム。
8. 前記ガスタービンエンジンの前記内側ケーシング壁と環状シュラウド構造体との間に画定された翼冷却空気通路を含み、前記観察用チューブ組立体は、前記アパーチャ壁から軸方向に離間し、前記冷却浄化室の反対側の前記アパーチャ壁の側面で前記アパーチャを取り囲む環状エリア、および、前記観察用チューブ組立体の外側の前記翼冷却空気通路から前記環状エリアの中への翼冷却空気の通過のための開口を画定する半径方向内側に延在するフランジを含む、請求項７に記載の監視システム。
9. 前記冷却浄化室に供給される前記シェル空気の圧力は、前記環状エリアに供給される前記翼冷却空気の圧力より高い、請求項８に記載の監視システム。
10. 前記光学要素は、レンズを備え、前記レンズの径は、前記アパーチャの径より少なくとも５倍大きい、請求項１に記載の監視システム。
11. 半径方向外側のケーシング壁とタービンエンジンの中を通る熱ガス経路を取り囲む半径方向内側のケーシング壁とを備えるガスタービンエンジンの監視システムであって、
    前記ガスタービンエンジンの前記内側ケーシング壁に隣接して位置している内端部および前記外側ケーシング壁に隣接して位置している外端部を有している観察用チューブ組立体と、
    前記観察用チューブ組立体の前記内端部に位置し、前記観察用チューブ組立体の内部から半径方向内側に延在するアパーチャ壁と、
    前記内端部に隣接して前記観察用チューブ組立体の内部に位置し、光学要素と前記アパーチャ壁との間に冷却浄化室を画定するために前記アパーチャ壁から離間している光学要素と、
    前記熱ガス流経路から前記光学要素への光の通過のため前記アパーチャ壁内に画定されているアパーチャと、
    前記観察用チューブ組立体の外面から内面に延在し、前記観察用チューブ組立体の外側の場所から前記冷却浄化室への冷却空気の通過のため前記光学要素に隣接して位置し、前記冷却浄化室の内部で円周方向に空気の渦巻運動をもたらし、前記アパーチャを介して前記冷却浄化室から出るその後の冷却空気の流れをもたらすために、夫々に、前記観察用チューブ組立体の中央縦軸を通過する内向き方向と相対的に角度をなす、複数の円周方向に離間したスワール通路と、
    を備える監視システム。
12. 前記複数のスワール通路は、前記縦軸に垂直である平面と平行状態にある、請求項１１に記載の監視システム。
13. 前記複数のスワール通路は、前記観察用チューブ組立体の前記内面に接線方向に前記冷却浄化室に入るように冷却空気を案内するために方向を合わされている、請求項１２に記載の監視システム。
14. 前記観察用チューブ組立体は、
    レンズチューブと、
    前記観察用チューブ組立体の前記内端部で前記レンズチューブの内部に位置し、前記複数のスワール通路を画定するレンズ筐体と、
    を備える、請求項１１に記載の監視システム。
15. 軸方向に延在する空気通路が前記レンズチューブと前記レンズ筐体との間のギャップ内に画定され、冷却空気を前記複数のスワール通路に供給する、請求項１４に記載の監視システム。
16. 冷却空気が前記外側ケーシング壁と前記内側ケーシング壁との間を通過するシェル空気から前記軸方向に延在する空気通路に供給され、前記ガスタービンエンジンの前記内側ケーシング壁と環状シュラウド構造体との間に画定された翼冷却空気通路を含み、前記観察用チューブ組立体は、前記アパーチャ壁から軸方向に離間し、前記冷却浄化室の反対側の前記アパーチャ壁の側面で前記アパーチャを取り囲む環状エリア、および、前記観察用チューブ組立体の外側の前記翼冷却空気通路から前記環状エリアの中への翼冷却空気の通過のための開口を画定する半径方向内側に延在するフランジを含む、請求項１５に記載の監視システム。
17. 前記冷却浄化室に供給される前記シェル空気の圧力は、前記環状エリアに供給される前記翼冷却空気の圧力より高い、請求項１６に記載の監視システム。
18. 前記複数の各スワール通路の径は、前記アパーチャの径より大きい、請求項１１に記載の監視システム。
19. 前記光学要素は、レンズを備え、前記レンズの径は、前記アパーチャの径より少なくとも５倍大きい、請求項１１に記載の監視システム。
    

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