JP5738420B2 - タービンエンジンにおける対象高温域を監視する方法 - Google Patents

Description

本願は、参照してここに組み込まれる米国仮特許出願６１／４０５，３７７の出願日２０１０年１０月２１日の優先権を主張する。本願は、本願と合わせて出願され、参照してここに組み込まれる、米国特許出願１３／２７４，６９２（代理人整理番号２０１０Ｐ２０１４３ＵＳ０１、発明の名称「タービンエンジンにおける対象高温域を監視するシステム」）に関連する。

本発明の態様は、タービンエンジン、そして特に、タービンの固定ベーンの内部に配置された監視具によって実施可能であるような、対象高温域を監視するシステムに関係する。

本発明の譲受人は、タービンエンジンの回転及び固定部品の少なくともいずれかをオンラインで監視する装置及び技術を成功裏に実証した。例えば、米国特許７，６９０，８４０、発明の名称「タービン断熱部品の故障をオンラインで測定する方法及び装置」（全体的に参照してここに組み入れられる）に記載された装置及び技術が参照される。

タービンエンジン内の限られた空間のアクセスを背景として生じ得る幾何学的及び熱的制約の観点から、周知装置により提供される熱的及び空間的視野は、一般的に、タービンの筒状構造に対して半径方向内方に位置した領域に限定される。例えば、半径方向外方に位置した領域の熱的及び空間的視野の少なくともいずれかを得ることは、不可能であるか、サイズ及び入射角のいずれか又は両方において実質的に制限されている。

さらに、周知装置は、タービンの作動ガス経路に通常生じる高温及び高圧のすくなくともいずれかから空間的に離した所に配置されるので、比較的多数の光学要素（中継光学機器など）を通例必要とする比較的長い光学経路を、必要とする。長い光学経路は、設計者に、比較的低反射特性をもつ光学要素の使用を必要とする場合など、当該長い光学経路の状況において必要とされ得る光学的トレードオフを要する光学要素を使用することを、強いる。例えば、比較的高反射特性をもつ光学要素は、当要素を多数必要とする長い光学経路には不向きであり、光学要素の数が少なくてよい短い光学経路に向いている。これらの考慮は、高めの反射特性をもったより凹凸の多い光学材料を使用する可能性といった、設計者の可能性を、光学設計を他のトレードオフに対処するべく合わせるために、いくぶんか減じ得る。

したがって、上述の考慮の観点から、タービンエンジンにおける対象高温域を監視するのに有用な、向上した装置及び技術の少なくともいずれかの必要性が存在している。

本発明の態様は、次の図面を参照して後欄において説明される。
本発明の態様に係り、タービンエンジンにおける対象高温域を監視するために使用されるシステムの例示実施形態の概略を部分的に示す。 本発明の態様に係り、固定ベーンの視認ポートへ動作可能に接続されて対象領域の視野を提供する監視具（例えば視認具）を含んだ固定ベーンの例示実施形態の切断図を示す。 本発明の態様に係り、固定ベーンの視認ポートへ動作可能に接続されて対象領域の視野を提供する監視具（例えば視認具）を含んだ固定ベーンの例示実施形態の切断図を示す。 本発明の態様に係り、固定ベーンの視認ポートへ動作可能に接続されて対象領域の視野を提供する監視具（例えば視認具）を含んだ固定ベーンの例示実施形態の切断図を示す。 ベーン中に視認具を固定すべく接続されるキャップアセンブリの例示実施形態の断面図。 ベーン中に視認具を固定すべく接続されるねじりロックアセンブリの例示実施形態の断面図。 例えば光ファイバ束から成る視認具の例示実施形態の切断図。

図１は、地上、海又は航空用途で利用可能な、タービンエンジン１０内の対象高温域２０のオンライン式監視に使用される、システム８の例示実施形態の概略を部分的に示す。当業者であれば分かるように、タービン１０は、タービンの作動ガス経路に位置し、したがって比較的高温、例えば、２８００°Ｆ以上といった華氏数千度にさらされる、複数の内部冷却（例えば空冷）固定ベーンを含む。

本発明の態様に従い、ベーン１２は、監視ポート１４₁を含むように構成されると共にその中に、監視ポート１４₁と動作可能に接続されて、例えば、ベーン１２から離れた対象領域２０の視野１８を提供する、監視具１６を収容するように構成される。本発明の態様はベーン１２に形成される監視ポート１４₁が１つのものに限定されないことが、理解される。例えば、ベーン１２から離れた別の対象領域の各視野を提供するべく、監視ポート１４₂，１４₃などのさらなる監視ポートがベーン１２に形成可能である。対象領域２０に位置するタービン部品の例は、対応する回転ブレード（図示せず）の先端近くに位置した固定リングセグメント（図示せず）を含む。当業者なら分かるように、これらリングセグメントの断熱コーティング（ＴＢＣ）は、少なくとも高圧条件下で高速高温のガスにさらされ又はブレード先端とハードにコンタクトするので、加速的な摩耗と亀裂を経験する。

一つの例示実施形態において、システム８は、監視具１６に接続されて対象領域からデータを取得するデータ取得デバイス２２を含む。一つの例示実施形態において、データ取得デバイス２２は、監視具１６と接続されて対象領域の撮像データを取得するＩＲカメラなどの赤外線（ＩＲ）撮像デバイスである。一つの例示実施形態において、プロセッサ２３は、ＩＲ撮像デバイス２２からの撮像データを処理するよう動作可能に接続され、対象領域の画像（空間的及び熱的画像の少なくともいずれか）を生成する。ＩＲカメラからの撮像データを処理する例示技術に関して一般的背景情報を望む読者には、米国特許７，６９０，８４０が参照される。監視具１６、データ取得デバイス２２及びプロセッサ２３は（例えば所定用途の要求に基づいて）、高温測定データ、分光データ、化学組成データ、振動データ、音響データ、光学データ等を必要とする場合など、非撮像データの監視、取得及び処理のために選択的に採用されることが考えられるので、監視具１６、データ取得デバイス２２及びプロセッサ２３はそれぞれ、撮像データの監視、取得及び処理に限定されないことが、理解される。以下の例示説明は例示撮像用途にフォーカスし、監視具１６は視認具として参照される。しかしながら、上述した通り、当該例示説明は限定的意味に解釈されるべきではない。

一つの例示実施形態において、ＩＲカメラ２２は、おおよそ対象領域２０から遠ざかる視認軸２４を有する。例えば、視認軸２４は、タービンの回転軸に対して半径方向内方へ向かい、タービンの半径方向内方領域を監視するのに有用であるが、領域２０など、タービンの外方領域を監視するのには貢献しない。したがって、本発明の態様によれば、視認具１６は、適切に位置決めしたプリズム又はミラーアセンブリを用いて構成され、ＩＲカメラの視認軸２４の半径方向内向きの方向に対して（例えば斜めに遠ざかる）後方視野［retroview］を提供し、対象領域２０がＩＲカメラの視認軸内に入るようにする。視認具１６は、ベーン１２の内側に位置換え可能に、例えば、少なくとも軸２４を中心に回転可能に又は軸２４に沿って半径方向へ移動可能に、取り付けられ、監視ポート１４₁，１４₂，１４₃を通して実施される場合など、択一的な対象領域を監視する。

一つの例示実施形態において、監視具１６は、燃焼器へ向かう視野を提供する場合など、例えば第１のベーン列の上流に位置した対象領域から得られる、各種の化学的及び物理的指標の少なくともいずれかを測定するか又は見るために、もしくは測定し且つ見るために、配置される。これらの指標は、燃焼流の特性を特定するべく使用される。指標の例は、流れの特性、化学的組成、化学反応動力学などである。本発明の態様を具体化するシステムで可能な他の例示用途は、ブレード先端クリアランスの監視である。

２以上の監視具から取得されたデータが、対象領域からステレオ（例えば視差）又は３Ｄの測定結果又は撮像を生成するべく処理されること、例えば、二重視認具１６からの撮像データが対象領域のステレオ撮像に使用されることが、理解される。

一つの例示実施形態において、このような二重の視認具は互いに近づけて配置され、（概念的に双眼鏡の二連スコープに似ている）、対象領域の部分的重複視野を提供することが、理解される。２以上の視認具は必ずしも互いに近づけて配置されるものではないことが、理解される。例えば、２以上の視認具は、正確に予定された間隔の離れた位置に配置されて所定対象領域の異なる斜視視野を提供し、これが処理されて対象領域のステレオ又は３Ｄの測定結果又は撮像を生成する。

図１において理解できるように、一つの例示実施形態においてＩＲカメラ２２は、タービンの内側ケース２８と外側ケース３０とで画定されるプレナム２６に配置される。この例示実施形態において、プレナム２６内の温度が、高温の作動ガスが作用する領域よりは実質的に冷えているが、おおよそ８５０°Ｆ以上といった華氏数百度になるので、ＩＲカメラ２２は水冷システム３２を含む。ＩＲ撮像デバイス２２は、水冷システム３２が不要であり得る、タービンの外側ケース３０の外など、他の領域に配置可能でもあるので、必ずしもプレナム２６に配置される必要はないことが、理解される。

視認具１６は、多種の取り付け機構例のいずれかを使用して、ベーン１２の内部に固定的に取り付けられることが、当業者に理解される。例えば、図２は、視認具１６の末端部を受け入れるよう構成されたガイドチューブ３３を含む、ベーン１２の切断図を示す。図３は、視認具１６を固定するための他の機構例を示し、ベーン１２は、ベーン１２中に視認具１６を受け入れるための漏斗状チューブ３６を支持するようにベーン１２の手前端部で接続されたブラケット３４を含んでいる。図３に示すように、視認ポート１４は、制限部２１（例えばボス）を含み、ベーンの視認ポートを通る冷却空気の流れを制限する。

図４は、ブラケット３４がキャップアセンブリ４０と接続されている例示実施形態を示し、キャップアセンブリ４０は、視認具１６をベーン１２内に固定し、視認具１６のケース末端をベースプレート４１へ向け付勢する軸方向の力を加えるように、アレンジされている。

詳細を図５に示すように、一つの例示実施形態においてキャップアセンブリ４０は、ブラケット３４に接続されて雌キャップ４６を受ける雄キャップ４４により構成され、当キャップ４４，４６は、互いに螺合するようにアレンジされている。視認具１６に形成されたフランジ５０との間にスプリング付勢要素４８が配置され、雄キャップ４４に雌キャップ４６をねじ込むと、スプリング付勢要素４８により、視認具１６の末端をベースプレート４１（図４）に向け付勢する軸方向の力が加えられる。

図６に示すように、別の例示実施形態においてブラケット３４は、ねじりロックアセンブリ５２を含み、該ねじりロックアセンブリ５２は、視認具１６に設けられたロックピン５６を受け入れるロックスロット５４を含み、さらに、ボトムプレートに向け視認具の末端を付勢する軸方向の力を加えるように組み入れられたスプリング付勢要素５８を含む。図６から分かるように、ブラケット３４は、ベーンを通り抜ける作動ガスに対する障害を減らすべく複数の貫通孔５７を含む。

図７に示すように、一つの例示実施形態において、視認具１６は、対象領域２０からのＩＲ放射を視認するべくアレンジされた１以上の光ファイバ束６０（フレキシブル医用内視鏡の構造に類似）から構成することも考えられるので、視認具１６は固定光学実装（写真技術の望遠レンズの構造に類似）に限られないことが、理解される。この実施形態は、固定光学実装と比較して、光学ルートの柔軟性を提供可能であることが、理解される。例えば、光ファイバ束６０とＩＲカメラ２２（図１）との間の光学カップリングは、ＩＲカメラ２２の配置に関する応用性の点などで、設計者に応用性を提供する。

運転時、本発明の態様を実施する電気−光学−機械システムは、対象領域のタービン部品の温度マッピング及び空間撮像の少なくともいずれかを提供するように構成される。一つの例示実施形態において、ＩＲデータが相対又は絶対温度で計算されて対象領域のタービン部品の温度マップを生成する。例えば、これにより、当該タービン部品の１以上の領域が熱的疲労を経験しているか否かを判断することが可能となる。当業者に理解されるように、この熱的疲労は、該当タービン部品の寿命劣化又はダメージにつながる。

運転時、本発明の態様を実施する電気−光学−機械システムは、対象領域の温度及びコンディションをリアルタイムで又はほぼリアルタイムで監視するように構成される。本発明の態様に係るシステムは、対象領域に向かった後方範囲視認（例えばほぼ後ろ向きの視認）を提供するように革新的にアレンジされる。該システムは、タービンの様々な運転コンディション（例えば、スタートアップ、ベース負荷、及びシャットダウン）のもとで対象領域を監視するように構成される。

一つの例示実施形態において、ＩＲデータは、対象領域のタービン部品の空間撮像を生成するように処理される。例えば、空間撮像は、物理的疲労を経験している該当タービン部品の１以上の領域の可視化に有用である。空間撮像は、さらに、予定通りに機能していないタービン部品に関する運転上の問題点の認識に有用である。熱マッピング及び空間撮像は、対象領域のタービン部品の各種特性、例えば運転上のパフォーマンス、寿命劣化又はダメージの原因因子、製造欠陥、使用で生じた欠陥などに関する実体的知識を得るべく相乗的に組み合わせて使用されることが、理解される。本発明の態様を実施する監視具により取得されるデータは、異なる波長で取得されることが、理解される。これらデータは、その後、例えば、該当の対象領域からの多重スペクトル画像及び測定結果の少なくともいずれかを生成するべく使用される場合など、温度又は他のスペクトル測定結果の特性評価又は定量化をさらに生成するために処理される。

本発明の例示態様は、動作又は静止しているＴＢＣ被覆部品の診断のための熱的及び空間的撮像の少なくともいずれか、タービン運転を中断させず又は最小限の中断で定量的測定を実行する能力、及び、ＴＢＣ損傷に起因するリスク及びダメージを低減するために本質的にリアルタイムの運転決定を行う能力、を含む。本発明の態様を実施するシステムは、オンライン運転に限定されず、オフラインモードにあるタービンで新しい、使用に供された、及び使用に供されて修理された部品など、各種セッティング下の非破壊及び非接触の定量的測定を可能にする場合というような、オフライン運転に適用されることが、理解される。

一例のオンライン実施形態において、少なくとも測定結果を示すか又は対象領域の画像を生成するのに適したデータは、タービンのほぼリアルタイム運転で周期的に監視及び追跡される。少なくともエキスパート又はスーパーバイザリサブシステムを利用するような、高速分析及び判断システムが、収集データを分析しタービンの運転に関する判断を行うために使用されることが、理解される。エキスパート及びスーパーバイザリサブシステムの少なくともいずれかは、所定の不完全なコンディションが検出されたときに利用可能な予測運転時間を許容するなどの、予測アルゴリズムを含む。エキスパート及びスーパーバイザリサブシステムの少なくともいずれかは、オペレータが本質的にリアルタイムでタービン運転コンディションを変更すること及びスーパーバイザリコントローラとコミュニケートして本質的にリアルタイムでタービン運転コンディションを変更することの少なくともいずれかを可能とするように構成される。

本発明の種々の実施形態をここに示して説明したが、当実施形態は一例として提供されるにすぎないことが理解される。多数の変形、改変及び代替が、本願の発明から逸脱することなくなされ得る。したがって、特許請求の範囲によってのみ本発明は限定されるということが意図されている。

８ システム
１０ タービン（タービンエンジン）
１２ ベーン
１４（１４₁，１４₂，１４₃） 監視ポート
１６ 監視具（視認具）
１８ 視野
２０ 対象領域（対象高温域）
２２ データ取得デバイス（ＩＲ撮像デバイス、ＩＲカメラ）
２４ 視認軸
２６ プレナム
２８ 内側ケース
３０ 外側ケース
３２ 水冷システム
３４ ブラケット
３６ 漏斗状チューブ
４０ キャップアセンブリ
４１ ベースプレート
４４ 雄キャップ
４６ 雌キャップ
４８ スプリング付勢要素
５０ フランジ
５２ ねじりロックアセンブリ
５４ ロックスロット
５６ ロックピン
５８ スプリング付勢要素
６０ 光ファイバ束

Claims (19)

1. タービンエンジンにおける対象領域を監視する方法であって、
   内部冷却固定ベーンを備え、
   該固定ベーンに監視ポートを設け、
   監視具を前記監視ポートと動作可能に接続して対象領域の視野を提供し、
   前記監視具に接続されたデータ取得デバイスによって、前記対象領域からデータを取得し、
   前記監視具に視認具を備えると共に前記データ取得デバイスに赤外線（ＩＲ）撮像デバイスを備え、
   前記対象領域からのデータ取得は、前記赤外線（ＩＲ）撮像デバイスに接続された前記視認具によって、前記対象領域から撮像データを取得する、
   ことを含む方法。
2. 前記対象領域からのデータ取得は、高温測定データ、分光データ及び化学組成データからなるグループから選択される非撮像データを取得することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＩＲ撮像デバイスにＩＲカメラを備え、
   前記対象領域を前記ＩＲカメラの視認軸内に入れるために、前記対象領域から遠ざかる前記ＩＲカメラの視認軸に対して後方視野を提供するように、前記視認具の視野をアレンジすることをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記固定ベーンに別の監視ポートを設けることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ベーン内で前記監視具を位置換えして前記別の監視ポートに動作可能に接続することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ベーン内の監視具の位置換えは、前記監視具を回転させること及び半径方向に移動させることの少なくともいずれかを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記ベーン内のガイドチューブによって前記監視具を案内し、前記監視具の末端を受け入れるように前記ガイドチューブを構成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記監視ポートを通る空気の流れを制限することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ＩＲ撮像デバイスにＩＲカメラを備え、
   前記タービンの内側ケースと外側ケースとにより画定されるプレナムに前記ＩＲカメラを配置することをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記監視具を用いてブレード先端のクリアランスを監視することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記監視具の視野を燃焼器からの燃焼流に向け、第１のベーン列の上流に位置した前記対象領域から得られる化学的及び物理的指標の少なくともいずれかを監視することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. タービンエンジンにおける対象領域を監視する方法であって、
    内部冷却固定ベーンを備え、
    前記固定ベーンに監視ポートを設け、
    監視具を前記監視ポートと動作可能に接続して対象領域の視野を提供し、
    前記監視具に接続したデータ取得デバイスによって、前記対象領域からデータを取得し、
    前記データ取得デバイスからのデータを処理して少なくとも前記対象領域の測定結果を生成し、
    前記監視具に視認具を備えると共に前記データ取得デバイスに赤外線（ＩＲ）撮像デバイスを備え、
    前記対象領域からのデータ取得は、前記赤外線（ＩＲ）撮像デバイスに接続された前記視認具によって、前記対象領域から撮像データを取得する、
    ことを含む方法。
13. 前記対象領域からのデータ取得は、高温測定データ、分光データ及び化学組成データからなるグループから選択される非撮像データを取得することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも２つ又はこれより多い監視デバイスをそれぞれの前記監視ポートと動作可能に接続し、前記対象領域のそれぞれの視野を提供することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記少なくとも２つ又はこれより多い監視デバイスからのデータ処理は、前記対象領域の３次元の測定結果及び画像の少なくともいずれかを生成するように設定される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記２以上の監視デバイスのうちの少なくとも数個を互いに隣接させて配置し、前記対象領域の部分的重複視野を提供することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記２以上の監視デバイスのうちの少なくとも数個を所定間隔離れた位置に配置し、前記対象領域の少なくとも異なる斜視視野を提供することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記対象領域からのデータ取得は、少なくとも２つの異なる波長でデータを取得することを含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記少なくとも２つの異なる波長で取得したデータの処理は、前記対象領域からの多重スペクトル画像及び多重スペクトル測定結果の少なくともいずれかを生成するように設定される、請求項１８に記載の方法。
    

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