JP5619183B2

JP5619183B2 - 熱計測値を供給するように計装されたタービン構成部品

Info

Publication number: JP5619183B2
Application number: JP2012551361A
Authority: JP
Inventors: サブラマニアン、ラメシュ; エイクルカルニ、アナンド; ジョナラガダ、ヴィネイ; ジェイミッチェル、デイヴィッド
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: JP2013518215A; WO2011094658A1; CA2788506A1; CN102782258A; KR101467178B1; EP2529085A1; US8662746B2; EP2529085B1; CN102782258B; CA2788506C; KR20120116009A; US20110222582A1

Description

関連出願
本願は、米国仮特許出願第６１／０８５，６４５号及び米国仮特許出願第６１／０８５，６５４号の出願日である２００８年８月１日の優先権の利益を主張する２００８年１２月３日付けで出願された米国特許出願第１２／３２７，０５８号の一部継続出願である。本願は、米国仮特許出願第６１／２９９，７４２号の出願日である２０１０年１月２９日の優先権の利益を更に主張する。以上の特許出願は、それぞれ、引用により、本明細書に包含される。

本発明は、一般に、ガスタービンに関し、更に詳しくは、ガスタービンの高温燃焼環境における熱計測値を示す複数の信号を供給するように計装されたガスタービン構成部品に関する。

超高温で作動する最近のガスタービン内の重要な可動構成部品の構造的完全性のリアルタイム計測に対する需要が増大している。更には、将来のガスタービンの要件は、これまで以上に高い動作温度を求めている。しかしながら、長期にわたって実証された検出器機能がないことに加えて、これらのタービンが経験する過酷なタービン環境が、これらの目的を満たすことを困難にしている。高温気体経路に晒される各材料は、その設計マージンに近接した状態において動作しており、従って、動作中のこれらの材料の状態を監視するための正確且つ信頼性の高い検出器の開発が要求されている。多くの寿命予測ツールは研究室で生成されたデータを利用しているが、組込み型検出器による能動的な監視によれば、材料障害の物理的特性、材料劣化に起因した機能の喪失、並びに、被覆のはがれ又は亀裂又は破損について更に十分に理解することができる。タービンは、通常、高温と、回転部材に作用する大きな遠心力と、に対して様々な方式で晒される多様な構成部品材料を含んでおり、且つ、タービンは、多くの場合に、高い伝導性を有する複数の金属材料によって取り囲まれている。

実証済みの信頼性を有する温度検出器の１つが熱電対である。原理的には、異なる金属から製造された２つの導体を両端で接合すると、熱電回路が形成される。この回路の端部の１つを加熱した際に、連続した電流が熱電回路内に流れる。これを１８２１年に発見したのは、トーマス・ゼーベック（ＴｈｏｍａｓＳｅｅｂｅｃｋ）である。この回路を中央において開路させた場合の、ホット開路電圧（ゼーベック電圧）は、接合部の温度と、２つの金属の組成との関数となる。このような回路は熱電対として知られている。

従来技術による大部分の熱電対は、線材から製造されている。例えば、Ｓ型熱電対などの標準的な熱電対は、１つの線材脚部が純粋なプラチナ線材から製造され、第２の線材脚部は、略９０％のプラチナと１０％のロジウムの合金から製造されている。標準的な従来技術による熱電対の別の例は、Ｒ型熱電対であり、これは、９５％のプラチナと５％のロジウムとから構成される合金から製造された１つの線材脚部を有し、第２の線材脚部は、８７％のプラチナと１３％のロジウムとから構成される合金から製造されている。これらの合金の組合せは、線材の長さに沿った各構成成分の割合が一貫性を有する線材から熱電対が製造された際には、良好に機能する。熱電対の脚部を薄膜構造で堆積させた際には、必ずしもそうではない。例えば、合金（例えば、プラチナ−１０％ロジウム）を堆積させる際には、熱電対の脚部の長さに沿った組成の変動が発生することになる。即ち、１０％のロジウムが、すべての場所で均一には分布せず、これにより、熱電対の性能の偏差が生じることになる。

従って、信頼性が高く、且つ、ガスタービンの過酷な環境にも耐えることができる熱電対が求められている。この熱電対は、温度が１３００℃を上回る場合があるタービンの高温気体の通流において機能する必要があり、且つ、この熱電対が構成部品の性能又は寿命に及ぼす影響は、最小限であることが望ましい。

添付図面に鑑み、以下、本発明の各態様について説明する。

熱電対などの検出器がその上に形成されたタービンブレードの斜視図である。ブレードの遮熱被覆上に形成された本発明の各態様による薄膜式熱電対を示すタービンブレードの一部分の断面図である。本発明の各態様による薄膜式熱電対の平面図である。ブレードの遮熱被覆（ＴＢＣ）上の高温誘電体の上部に形成された本発明の例示用の一実施形態による熱電対を示すタービンブレードの一部分の断面図である。ブレードの基材上に直接的に堆積された高温誘電体の上部に、且つ、ＴＢＣ層の下部に形成された本発明の例示用の一実施形態による熱電対を示すタービンブレードの一部分の断面図である。ＴＢＣ層内に形成された本発明の例示用の一実施形態による熱電対を示すタービンブレードの一部分の断面図である。ＴＢＣ層の上部又は下部に設けられた高温誘電体の上部に堆積された本発明の各態様による薄膜式熱電対の平面図である。温度の上昇に伴う単一元素熱電対の例示用の性能を示すグラフである。標準的なＳ型熱電対との比較において、単一元素熱電対の例示用の性能を示すグラフである。タービン構成部品の対象領域において複数の熱電対接合部から成る格子からいくつかの熱計測値を取得するのに必要とされる結合リード線の数の有利な低減に有用である１つの共通の熱電対脚部を有する熱電対構成の例示用の一実施形態の平面図である。図８に示されている１つの共通の熱電対脚部を有する個々の熱電対構成の例示用の１つの実施形態の概略図である。例示用の一用途においては、個々の熱電対構成をサーモグラフと組み合わせて使用し、タービン構成部品の対象領域における熱流束を算出することができる。図８に示されている１つの共通の熱電対脚部を有する個々の熱電対構成の例示用の異なる実施形態の概略図である。例示用の一用途においては、個々の熱電対構成をサーモグラフと組み合わせて使用し、タービン構成部品の対象領域における熱流束を算出することができる。図８に示されている１つの共通の熱電対脚部を有する個々の熱電対構成の例示用の異なる実施形態の概略図である。例示用の一用途においては、個々の熱電対構成をサーモグラフと組み合わせて使用し、タービン構成部品の対象領域における熱流束を算出することができる。

本願発明によれば、前記課題は下記によって達成される。即ち、
「ガスタービンの高温燃焼環境における熱計測値を示す複数の信号を供給するように計装された前記ガスタービンの構成部品であって、基材と、前記基材の少なくとも一部分の上部に堆積された遮熱被覆（ＴＢＣ）と、前記タービン構成部品からの赤外（ＩＲ）放射を検知するように構成された視野を有する熱撮像装置であって、マッピング対象である前記構成部品の表面の放射率が前記タービンの前記燃焼環境の変動の影響を受ける熱撮像装置と、前記熱撮像装置の前記視野内にある場合に温度値を導出するために十分に安定し且つ既知である放射率値を有する材料の少なくとも１つの当て板であって、前記ＴＢＣの外側表面上に配設された少なくとも１つの当て板と、前記構成部品の厚さ内に配設された第１の熱電対脚部であって、第１の材料を有する第１脚部と、前記第１の材料とは異なる材料を有する少なくとも２つ以上の熱電対脚部であって、前記少なくとも２つ以上の脚部は、それぞれ、個々の熱勾配を個々の電気信号に変換するために、前記第１脚部に電気的に接続されて前記第１脚部に沿って個別の熱電対接合部を形成しており、前記構成部品の前記第１脚部に沿った前記個別の熱電対接合部が全体として前記構成部品の１つの領域に延在している、少なくとも２つ以上の熱電対脚部と、前記少なくとも１つの当て板の温度値に対応する前記複数の熱電対接合部からの前記複数の電気信号を示すデータを処理して前記ＴＢＣの前記外側表面と前記構成部品の前記厚さの間の前記構成部品の前記領域における熱流束を算出するように構成されたプロセッサと、を有するものとする。」
また、「ガスタービンの高温燃焼環境における熱計測値を示す複数の信号を供給するように計装された前記ガスタービンの構成部品であって、前記構成部品の厚さ内に配設された第１の薄膜式熱電対の脚部であって、第１の材料を有する第１脚部と、前記第１の材料とは異なる材料を有する少なくとも２つ以上の薄膜式熱電対の脚部であって、前記少なくとも２つ以上の導電性の薄膜脚部は、前記構成部品の前記厚さ内に配設され、前記少なくとも２つ以上の脚部は、それぞれ、個々の熱勾配を個々の電気信号に変換するために、前記第１脚部に電気的に接続されて前記第１脚部に沿って個別の熱電対接合部を形成しており、前記第１脚部に沿った前記個別の熱電対接合部が全体として前記構成部品の１つの領域に延在している、少なくとも２つ以上の薄膜式熱電対脚部と、を有し、さらに、基材と、前記基材の少なくとも一部分の上部に堆積された遮熱被覆（ＴＢＣ）と、を有し、前記ＴＢＣは、外側表面を有し、該外側表面は、熱撮像装置の視野内にある場合に、温度値を導出するために十分に安定し且つ既知である放射率値を有する材料の少なくとも１つの当て板を有し、前記熱電対接合部からの前記複数の電気信号を示すデータは、前記ＴＢＣの前記外側表面と前記構成部品の前記厚さの間の前記構成部品の前記領域における熱流束を算出するために、前記当て板の温度値に対応してプロセッサ内において処理されるように構成されたものとする。」
薄膜技法の進展に伴って、固体表面温度を計測するための標準的な線材熱電対との比較における薄膜式熱電対のいくつかの利点の存在が認識されている。薄膜式熱電対の低質量は非常に高速の応答をもたらし、その膜の薄さは線材式検出器と比べて、表面の対流熱伝達特性を妨げることがなく、また、その小さなサイズは、複雑な電子部品製造技法に非常に適合している。更には、薄膜式検出器の低質量により、タービン構成部品に装着された際のタービンの回転によって熱電対に印加される遠心力に伴う問題も発生しない。更には、薄膜式検出器は、タービン構成部品の平坦ではない表面にぴったり合わせることができる。更には、過酷なタービン環境における重要な可動構成部品上に薄膜式検出器を実装することにより、動作中における条件に基づいた監視のための優れたデータ源が得られる。
これらの熱電対は、運転中における当該部品の信頼性監視を可能にするリアルタイムの温度分布を提供する。このような薄膜式検出器の１つの種類が単一元素熱電対である。単一元素熱電対は、異なる単一元素材料（例えば、プラチナ、パラジウム、ロジウム、又はイリジウムのような貴金属）からそれぞれが製造された２つの脚部を有する。換言すれば、単一元素熱電対は、Ｓ型及びＲ型線材式熱電対におけるような合金線材の脚部を使用していない。

この熱電対の２つの脚部用の金属としては純粋なプラチナと純粋なパラジウムを使用することができるが、これは、これらの金属のＣＴＥ（熱膨張率）とタービン構成部品（例えば、ブレード）上に堆積され下側に横たわるセラミックの遮熱被覆（ＴＢＣ）のＣＴＥとの不整合が最小限であることに拠る。また、これらの金属の純度（即ち、これらは単一元素である）に起因し、熱電対の性能変動を引き起こす要因となる堆積された熱電対の線分の長さに沿った化学的な偏差は殆どない。本明細書に使用されている「純度」又は「単一元素」という用語は、少なくとも９９重量パーセントの純度レベルを意味している。これらの金属の使用に伴う更なる利点は、それらの優れた酸化特性と、高い融点（例えば、プラチナは１７６９℃である）と、を含み、この結果、高温燃焼気体流路環境に対して直接的に晒される可能性のあるＴＢＣの最外表面上に熱電対を堆積させることができる。

リアルタイム温度データの収集を可能にする計装された可動タービン構成部品の一例が図１に示されている。ガスタービン１１のタービンブレード１０の表面に熱電対１２と複数の導体１４とが取り付けられており、導体１４は、回路１６まで延在しており、回路１６は、熱電対１２から得られたデータを処理し、タービン１１の外部の受信機回路（図示されてはいない）に送信する。例示用の回路１６については、「ＳＭＡＲＴＣＯＭＰＯＮＥＮＴＦＯＲＵＳＥＩＮＡＮＯＰＥＲＡＴＩＮＧＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ」という名称の米国特許出願公開第２００５／０１９８９６７Ａ１号明細書に開示されている。

次に、図２を参照すれば、タービンブレード１０の一部分の断面図が示されており、タービンブレード１０の表面に、本発明の例示用の一実施形態による薄膜式熱電対１２が取り付けられており、この薄膜式熱電対１２は、金属ブレードを覆ったＴＢＣ２０の上部に形成されている。ブレード１０の基礎をなす基材２２は、その上に、接合被覆２４を有してもよく、接合被覆２４は、基材からＴＢＣ２０を分離すると共に、これら２つの間における良好な接合を確実にしている。

図３は、例示用の一実施形態による熱電対１２の平面図である。第１脚部２６は、純粋なプラチナから形成することができ、第２脚部２８は、純粋なパラジウムから形成することができる。２つの脚部２６及び２８の第１端部は、地点３０において１つに接合されており、これにより、これら２つの脚部の間にオーム接触が生成され、熱を電気信号（即ち、ゼーベック電圧）に変換するための側温接点が形成される。接合パッド３２Ａ及び３２Ｂが、それぞれ、脚部２６及び２８の他方の端部上に形成されており、これらにより、電気信号（即ち、ゼーベック電圧）を回路１６に送信するための導体１４との間の電気的接触を実現することができる。

高温タービン環境（例えば、８００℃を上回るもの）における別の考慮事項は、ＴＢＣ材料の誘電的／イオン的な伝導度である。イットリア安定化ジルコニアから製造される標準的なＴＢＣは、８００℃超においてその絶縁耐力を喪失するであろう。従って、熱電対１２をＴＢＣ２０から電気的に絶縁するためのセラミック絶縁体被覆３４（図４Ａ）が必要となる可能性があり、この絶縁体被覆は、通常、１１００℃を上回る温度での絶縁耐力（０．５メガオームを上回る高温抵抗値）を提供することになろう。高温におけるこのような耐力は、様々な酸化物が保持している。興味深い例示用の１つの組成は、イットリウムアルミニウムガーネット（「ＹＡＧ」）であり、これは、５０マイクロメートルから２５０マイクロメートルの範囲内の厚さで堆積させることができ、且つ、高温（例えば、１１００℃超）における熱電対の優れた性能を実証している。

ＴＢＣ２０上における誘電性絶縁体被覆３４の断面図が図４Ａに示されている。具体的には、誘電性絶縁体被覆３４は、物理的且つ電気的に、ＴＢＣ２０から熱電対１２を分離している。タービンブレードの別の部分を示す図４Ｂには、本発明の代替実施形態が示されており、誘電性絶縁体被覆３４を基材２２上に直接的に堆積させることができ、また、熱電対１２は、この誘電性絶縁体被覆の上部に堆積されている。又、必要に応じて、別の誘電性絶縁体被覆３５（同一の材料及び厚さのもの）を熱電対１２の上部に堆積させることができる。最後に、ＴＢＣ層２０を誘電性絶縁体被覆３５の上部に（又は、熱電対の直接上部に）堆積させることができる。従って、例えば、構成部品の基材２２の温度を直接的に検知するために、熱電対１２をこの構造内に埋め込むことができる。

図４Ｃは、タービンブレードの更に別の部分を示す例示用の一実施形態であり、熱電対１２は、ＴＢＣ層２０内の温度計測値を供給するためにＴＢＣ層２０内に埋め込まれており、且つ、電気的に絶縁する材料の層３４、３５により、ＴＢＣ材料２０との接触から電気的に絶縁されている。これらの構造は、ＴＢＣ層２０を従来の方式によって形成する際に、個々の材料を溶射することによって形成することができる。

図５は、図４Ａの熱電対１２の平面図であり、例示用の一実施形態によれば、第１脚部２６’を純粋なプラチナから形成することができ、第２脚部２８’を純粋なパラジウムから形成することができる。２つの脚部２６’及び２８’は、地点３０’において１つに接合され、これにより、２つの脚部の間にオーム接触が生成されている。接合パッド３２Ａ’及び３２Ｂ’が、それぞれ、脚部２６’及び２８’の他方の端部上に形成されており、これにより、導体１４との電気的接触を実現することができる。

図６は、単一元素熱電対の例示用の性能（曲線４０）を示すグラフである。温度の上昇に伴って、熱電対電圧（ゼーベック電圧、単位：ｍＶ）が実質的に線形で増大している。図７には、これらの熱電対の例示用の性能が、標準的なＳ型熱電対（曲線４３）との比較において、曲線４１により示されている。この構成においては、単一元素熱電対の性能は、Ｓ型熱電対の３度以内にあり、これは、優れた相関関係を示している。

接合パッド３２Ａ及び３２Ｂ（又は、３２Ａ'及び３２Ｂ'）と導体１４は、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、ミニＨＶＯＦ、溶液プラズマ溶射、或いは、直接的な又は高度なマスキング又はガンノズル設計による低温溶射などの様々な堆積技法のうちのいずれかのものにより、ブレード１０上に堆積させることができる。その他の例示用の堆積技法は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、パルスレーザー堆積、ミニプラズマ、直接描画、溶液又は気体に基づいた堆積プロセスとすることができる。例示用の一実施形態においては、熱電対１２の各脚部は、２５マイクロメートルから１５０マイクロメートルの範囲内の厚さを有することができる。別の例示用の実施形態においては、熱電対１２の各脚部は、５０マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲内の厚さを有することができる。例示用の一実施形態においては、熱電対１２の各脚部は、０．２５ｍｍから４ｍｍの範囲の幅を有することができる。別の例示用の実施形態においては、熱電対１２の各脚部は、０．５ｍｍから２ｍｍの範囲の幅を有することができる。

当業者は、図２、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示されている断面図が、平坦な基材を、或いは、大部分のタービン構成部品上に見出される湾曲した又は平坦ではない表面を、示していると見なしてもよいことを理解するであろう。

本発明の例示用の一代替実施形態によれば、第１脚部２６又は２６’を純粋なプラチナとして維持しつつ、第２脚部２８又は２８’を透明導電膜（ＴＣＯ）によって置換することができる。このようなＴＣＯは、主には、それらの優れた導電性により、第１脚部としてのプラチナとの間における良好な熱電応答を提供する。別の利点は、それらの化学的な安定性にある。このような酸化物の例は、ＣｕＡｌＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂、ＺｎＯがドーピングされたＩｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃、ＣｄＩｎ₂Ｏ₄、Ｃｄ₂ＳｎＯ₄、及びＺｎＯである。この代替実施形態は、温度が１５５０℃を上回る環境に最適であろう。理由は、純粋なパラジウムは、この温度を上回る領域において軟化及び酸化を開始するためである。図６には、純粋なプラチナ−酸化物熱電対の例示用の性能曲線が曲線４２によって示されている。

タービン構成部品の平坦ではない表面上に薄膜式熱電対を製造する方法は、次に例示する複数のステップを含むことができる。即ち、第１マスクをレーザーカットして平坦ではない表面に適合するように、第１マスクを成形するステップであって、この第１マスクが熱電対の第１要素を規定するパターン開口部を含むステップと、第１マスクのパターン開口部内に第１導体を堆積させるステップと、第２マスクをレーザーカットして平坦ではない表面に適合するように、第２マスクを成形するステップであって、第２マスクが熱電対の第２要素を規定するパターン開口部を含むステップと、第２マスクのパターン開口部内に第２導体を堆積させるステップと、を含むことができる。

以下の説明は、以上において記述した基本的な構造及び動作上の側面のうちのいくつかのものに基づいたものであり、従って、読者が、既に説明済みである詳細の煩わしく且つ不必要な反復を免れることができるように試みることとする。

図８は、１つの共通の熱電対脚部を有する熱電対構成４８の例示用の一実施形態の平面図であり、これは、例えば、タービンブレードや静翼などのタービン構成部品４９の対象領域において複数の熱電対接合部から成る格子からいくつかの熱計測値を取得するのに必要とされる結合リード線の数を低減する上で有用である。

例えば、第１熱電対脚部５０、即ち、薄膜式熱電対の脚部は、タービン構成部品の厚さ内に配設することができる。第１脚部５０は、プラチナなどの第１の材料から製造することができる。例えば、薄膜式熱電対脚部５２、５３、５４、及び５５などの少なくとも２つ以上の熱電対脚部は、それぞれ、個々の熱勾配を例えば電圧信号などの個々の電気信号に変換するために、第１脚部５０に対して電気的に接続されて第１脚部５０に沿って個別の熱電対接合部５６、５７、５８、及び５９から成る格子を形成する。従って、この例示用の実施形態においては、第１熱電対脚部５０は、複数の熱電対脚部５２、５３、５４、５５によって共有される１つの熱電対脚部を構成している。

例示用の一実施形態においては、第１脚部に沿った複数の熱電対接合部から成る格子は、全体として、構成部品の１つの領域に広がっている。熱電対脚部５２、５３、５４、及び５５は、第１の材料とは異なる材料から製造することができる。これらの熱電対脚部用の様々な例示用の材料の説明は、前述のとおりであり、ここでは、省略することとする。尚、このような例示用の材料は、限定の意味においてではなく、例示の意味において解釈する必要があることを理解されたい。理由は、熱電対構成４８の形態は、それらの材料が適切な起電力（ｅｍｆ）電圧を生成し（ゼーベックの原理）、更には、所与のタービン構成部品の適用可能な温度要件を満足している限り、任意の熱電対脚部材料に適用してもよいためである。

図８に示されている例示用の熱電対構成は、第１脚部５０に接続された共通結合パッド６２との関係において、結合パッド６０、６１、６３、及び６４において４つの別個の電気信号（例えば、４つの別個のｅｍｆによって生成された電圧）を供給するが、これらの結合パッドに接続して利用されることになる結合リード線（図示されてはいない）は、５本のみであることを理解されたい。これとは対照的に、１つの共通の熱電対脚部を有しない従来の熱電対構成は、４つの異なる電圧計測値を得るためには、４対の結合リード線を必要とすることになろう。本発明のこの態様は、特定の数の熱電対接合部に限定されるものではなく、従って、図８に示されている熱電対接合部の数は、限定の意味においてではなく、例示を目的としたものであると解釈する必要があることを理解されたい。

図９は、図８を参照して記述したように１つの共通の熱電対脚部５０を有する熱電対構成４８の例示用の一用途の概略図である。熱電対構成４８は、サーモグラフシステム７０と組み合わせて使用してもよく、このサーモグラフシステム７０は、タービン７３のタービン構成部品７２の１つの領域における熱流束を算出するように構成することができる。
例示用の一実施形態においては、熱電対接合部５６、５８、５９からの個々の電気信号（例えば、ｅｍｆ電圧）をデータ取得装置８６によって取得することができる。このデータ取得装置８６は、これらの電気信号に対して適切な信号調節（例えば、適切な増幅及びアナログからデジタルへの変換）を提供するように構成することができる。次いで、調節済みのデータを、当業者には既知のデータ遠隔伝送法を使用することにより、送信機８８及びアンテナ９０により、タービン環境から遠隔送信することができる。

図９に示されているタービン構成部品７２は、タービンの高温環境において使用される遮熱被覆（ＴＢＣ）の層７６などの遮断被覆によって覆われた基材７４を示す部分断面図によって示されている。ＴＢＣ被覆の分野の熟練者には容易に理解されるように、基材７４に対する被覆７６の接着を改善するために、ＴＢＣ材料７６を付ける前に、ＭＣｒＡＩＹ材料などの接合被覆７８を基材７４上に堆積させてもよい。本発明の各態様は、図９に示されている例示用の被覆構成に限定されるものではなく、また、これらの態様は、ＴＢＣ被覆を有する構成部品に限定されるものでもないことを理解されたい。

この例示用の実施形態においては、タービン構成部品からの赤外（ＩＲ）放射を視野（線分８２によって概念的に規定されているもの）内において検知すべく、熱撮像装置８０を配置することができる。例示用の一実施形態においては、熱撮像装置８０は、構成部品からの放射の放射輝度を計測するために、焦点面アレイセンサ（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）のアレイ）を有することができる。マッハ１．２の速度で運動するブレードから適切な空間分解能を得るためには、焦点面アレイセンサは、受信したＩＲ信号を３μ秒以内に統合することができる必要がある。

熱被覆のオンライン監視に有効な例示用のサーモグラフシステムと関連する一般的な背景情報を所望する読者は、「ＭｅｔｈｏｄＡｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓＦｏｒＭｅａｓｕｒｉｎｇＯｎ−ＬｉｎｅＦａｉｌｕｒｅＯｆＴｕｒｂｉｎｅＴｈｅｒｍａｌＢａｒｒｉｅｒＣｏａｔｉｎｇｓ」という名称の米国特許第７，６９０，８４０号明細書を参照されたい。この特許は、相対的に高い空間分解能の画像は得られるが、正確な絶対温度情報は必要とされないＴＢＣ欠陥の形成と進展の監視の環境においてガスタービン内のタービン構成部品の放射輝度を非破壊計測するように構成された赤外線（ＩＲ）に基づいたシステムについて記述している。
例えば、絶対温度誤差は、様々な要因に起因して混入可能であり、その理由は、例えば、ＴＢＣの放射率が、波長、温度、使用年数、汚染などの関数として変化し得るためである。

本発明の各態様によれば、熱撮像装置８０の視野８２内にある場合には、温度値を得るために、タービンの高温動作範囲にわたって十分に安定し且つ既知である放射率値を有する材料の少なくとも１つの当て板８４をＴＢＣ７６の外側表面上に配設することができる。例示用の一実施形態においては、当て板の放射率（ε）の値は、相対的に高いものとすることができる（例えば、ε≒０．７〜０．９）。更には、このような材料は、タービン内における腐食性の燃焼環境において、実質的に化学的に安定していると共に酸化に対する抵抗力を有する必要がある。即ち、当て板８４は、熱撮像装置８０の視野内の当て板領域における放射率を示すＩＲ放射輝度の安定し且つ電源を伴わない供給源として機能することができる。このような材料の例は、クロミウム酸化物、コバルトニッケル酸化物、及びプラチナである。

例示用の一実施形態においては、タービン構成部品からのＩＲ放射に基づいて構成部品の放射輝度マップを生成するために、プロセッサ８５を熱撮像装置８０に結合することができる。本発明の各態様によれば、プロセッサ８５は、温度較正モジュール９２を含むことができ、この場合には、放射輝度マップを当て板８４の温度値に基づいて較正することができる。これにより、プロセッサ８５は、絶対温度値を供給するのに有効な構成部品の較正済みの熱マップを生成することができる。

本発明の更に別の態様においては、プロセッサ８５は熱流束算出器９４を更に含むことができ、この熱流束算出器は、当て板８４の温度値に対応する複数の熱電対接合部５６、５８、５９から成る格子からの複数の電気信号（例えば、電圧）を示すデータを処理して、熱電対構成８４が配設されているＴＢＣの外側表面と構成部品の厚さを有する場所の間のような構成部品７２の対象領域における熱流束を算出するように構成されている。

複数の熱電対接合部から成る格子により、これらの複数の熱電対接合部から成る格子が延在する構成部品の領域における熱流束の変動の判定が可能となっているので、この実施形態は有利である。例えば、熱電対接合部５８の地点における熱流束の大きさは、熱電対接合部５９及び５６における個々の熱流束の大きさとは異なる場合がある。多地点の熱流束算出に有用な複数の電気信号の取得を前述のように少ない数の結合リード線によって実現することができるので有利である。

図９に示されている例示用の実施形態においては、熱電対構成は、接合被覆７８と基材７４の間の境界に配置されたものとして示されている。図１０に示されている例示用の実施形態においては、熱電対構成は、接合被覆７８とＴＢＣ７６の間の境界に配置されたものとして示されている。しかしながら、熱電対構成は、ＴＢＣ７６内などの構成部品の厚さ内の任意の場所に配設されてもよいことを理解されたい。明確に図示するために、図９〜図１１は、取り囲んでいる材料から熱電対構成を電気的に絶縁するために必要とされるであろう誘電体被覆を示してはいない。

以上、本発明の様々な実施形態について図示及び記述したが、これらの実施形態は、例示を目的として提供されたものに過ぎないことは明らかである。本明細書に記述されている本発明を逸脱することなしに、多数の変形、変更、及び置換をすることができる。従って、本発明は、添付の請求項の精神及び範囲によってのみ、限定されるものと解釈されたい。

１２熱電対
２０、７６遮熱被覆（ＴＢＣ）
２２、７４基材
２４、７８接合被覆
３２Ａ、３２Ｂ接合パッド
４９、７２ガスタービン構成部品
５０第１熱電対脚部
５２、５３、５４熱電対脚部
５６、５７、５８、５９熱電対接合部
７０サーモグラフシステム
８０熱撮像装置
８４当て板
８５プロセッサ
８６データ取得装置
９２温度較正モジュール
９４熱流束算出器

Claims

ガスタービンの高温燃焼環境における熱計測値を示す複数の信号を供給するように計装された前記ガスタービンの構成部品であって、
基材と、
前記基材の少なくとも一部分の上部に堆積された遮熱被覆（ＴＢＣ）と、
前記タービン構成部品からの赤外（ＩＲ）放射を検知するように構成された視野を有する熱撮像装置であって、マッピング対象である前記構成部品の表面の放射率が前記タービンの前記燃焼環境の変動の影響を受ける熱撮像装置と、
前記熱撮像装置の前記視野内にある場合に温度値を導出するために十分に安定し且つ既知である放射率値を有する材料の少なくとも１つの当て板であって、前記ＴＢＣの外側表面上に配設された少なくとも１つの当て板と、
前記構成部品の厚さ内に配設された第１の熱電対脚部であって、第１の材料を有する第１脚部と、
前記第１の材料とは異なる材料を有する少なくとも２つ以上の熱電対脚部であって、前記少なくとも２つ以上の脚部は、それぞれ、個々の熱勾配を個々の電気信号に変換するために、前記第１脚部に電気的に接続されて前記第１脚部に沿って個別の熱電対接合部を形成しており、前記構成部品の前記第１脚部に沿った前記個別の熱電対接合部が全体として前記構成部品の１つの領域に延在している、少なくとも２つ以上の熱電対脚部と、
前記少なくとも１つの当て板の温度値に対応する前記複数の熱電対接合部からの前記複数の電気信号を示すデータを処理して前記ＴＢＣの前記外側表面と前記構成部品の前記厚さの間の前記構成部品の前記領域における熱流束を算出するように構成されたプロセッサと、
を有するガスタービン構成部品。
前記プロセッサは、前記タービン構成部品からの前記赤外（ＩＲ）放射に基づいて前記構成部品の放射輝度マップを生成するように更に構成されており、前記プロセッサは、前記少なくとも１つの当て板の前記温度値に基づいて前記放射輝度マップを較正して前記ＴＢＣの前記外側表面における絶対温度を供給する較正された熱マップを生成するように構成された熱較正モジュールを備える請求項１に記載のタービン構成部品。
前記第１の材料はプラチナから成る請求項１に記載のガスタービン構成部品。
前記少なくとも２つ以上の脚部のうちの少なくとも１つのものの前記異なる材料は、パラジウム、ロジウム、及びイリジウムから成る群から選択される請求項１に記載のガスタービン構成部品。
前記２つ以上の脚部のうちの少なくとも１つのものの前記異なる材料は、ＣｕＡｌＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂、ＺｎＯがドーピングされたＩｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃、ＣｄＩｎ₂Ｏ₄、Ｃｄ₂ＳｎＯ₄、及びＺｎＯからなる群から選択される請求項１に記載のガスタービン構成部品。
前記少なくとも１つの当て板の前記材料は、プラチナ、クロミウム酸化物、及びコバルトニッケル酸化物から成る群から選択される請求項１に記載のガスタービン構成部品。
各熱電対脚部は薄膜式熱電対の脚部を有し、且つ、２５マイクロメートルから１５０マイクロメートルの範囲内の厚さを有する請求項１に記載のガスタービン構成部品。
各熱電対脚部は薄膜式熱電対の脚部を有し、且つ、５０マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲内の厚さを有する請求項１に記載のガスタービン構成部品。
前記各熱電対脚部は前記基材と接合被覆の間の境界に配置される請求項１に記載のガスタービン構成部品。
前記各熱電対脚部は、接合被覆と前記ＴＢＣの間の境界に配設される請求項１に記載のガスタービン構成部品。
前記各熱電対脚部は、前記ＴＢＣ内に配設される請求項１に記載のガスタービン構成部品。
ガスタービンの高温燃焼環境における熱計測値を示す複数の信号を供給するように計装された前記ガスタービンの構成部品であって、
前記構成部品の厚さ内に配設された第１の薄膜式熱電対の脚部であって、第１の材料を有する第１脚部と、
前記第１の材料とは異なる材料を有する少なくとも２つ以上の薄膜式熱電対の脚部であって、前記少なくとも２つ以上の導電性の薄膜脚部は、前記構成部品の前記厚さ内に配設され、前記少なくとも２つ以上の脚部は、それぞれ、個々の熱勾配を個々の電気信号に変換するために、前記第１脚部に電気的に接続されて前記第１脚部に沿って個別の熱電対接合部を形成しており、前記第１脚部に沿った前記個別の熱電対接合部が全体として前記構成部品の１つの領域に延在している、少なくとも２つ以上の薄膜式熱電対脚部と、
を有し、さらに、
基材と、前記基材の少なくとも一部分の上部に堆積された遮熱被覆（ＴＢＣ）と、を有し、前記ＴＢＣは、外側表面を有し、該外側表面は、熱撮像装置の視野内にある場合に、温度値を導出するために十分に安定し且つ既知である放射率値を有する材料の少なくとも１つの当て板を有し、
前記熱電対接合部からの前記複数の電気信号を示すデータは、前記ＴＢＣの前記外側表面と前記構成部品の前記厚さの間の前記構成部品の前記領域における熱流束を算出するために、前記当て板の温度値に対応してプロセッサ内において処理されるように構成された、
ガスタービン構成部品。
前記第１の材料はプラチナから成る請求項１２に記載のガスタービン構成部品。
前記少なくとも２つ以上の脚部のうちの少なくとも１つのものの前記異なる材料は、パラジウム、ロジウム、及びイリジウムから成る群から選択される請求項１２に記載のガスタービン構成部品。
前記少なくとも２つ以上の脚部のうちの少なくとも１つのものの前記異なる材料は、ＣｕＡｌＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂、ＺｎＯがドーピングされたＩｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃、ＣｄＩｎ₂Ｏ₄、Ｃｄ₂ＳｎＯ₄、及びＺｎＯから成る群から選択される請求項１２に記載のガスタービン構成部品。
前記少なくとも１つの当て板の前記材料は、プラチナ、クロミウム酸化物、及びコバルトニッケル酸化物から成る群から選択される請求項１２に記載のガスタービン構成部品。
それぞれの熱電対脚部は、２５マイクロメートルから１５０マイクロメートルの範囲内の厚さを有する請求項１２に記載のガスタービン構成部品。
それぞれの熱電対脚部は、５０マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲内の厚さを有する請求項１２に記載のガスタービン構成部品。