JP5784755B2 - 高温燃焼環境中のタービン部品を温度マッピングする装置と方法 - Google Patents
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Description
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
本発明に関する研究開発は、合衆国エネルギー省（United States Department of Energy）により授与されたDE-FC26-05NT42644号契約により部分的にサポートされた。したがって、本発明の権利の一部は合衆国政府に帰属し得る。
本発明に関する研究開発は、合衆国エネルギー省（United States Department of Energy）により授与されたDE-FC26-05NT42644号契約により部分的にサポートされた。したがって、本発明の権利の一部は合衆国政府に帰属し得る。
本発明は、概してサーモグラフィーに関し、より詳しくは、高温燃焼環境中のタービン部品を温度マッピングする熱画像システム及び技術に関する。
コバルト又はニッケル系超合金など各種の超合金材料を、発電タービン、推進装置などのブレード、ベーン、及びその他の部品を形成するために使用することが周知である。当該タービンは、比較的高温で動作可能であり、一般に、一連の保護コーティングによって保護されている。このコーティングは、金属系コートの層、サービス中の部品において成長する層のような熱成長酸化層、及び最後のセラミックス熱バリアコーティング（ＴＢＣ)からなる。このようなタービンが典型的に動作する厳しい高温の研磨環境にセラミックスコーティングが長期間曝されると、位相不安定、焼結、微小亀裂、層間剥離、そして最終的にはコーティング層内破損を引き起こして超合金部品を露出させる可能性があり、場合によっては早期劣化又は故障を招き、費用及び手間のかかる修理が必要になることもある。
特許文献１（発明の名称：Method And Apparatus For Measuring On-Line Failure Of Turbine Thermal Barrier Coatings）は、ＴＢＣ欠陥の形成及び進行を監視するために、ガスタービンのタービン部品の放射輝度を非破壊で測定するように構成された、赤外線（ＩＲ）ベースのシステムを開示する。該システムでは、比較的高い特定の解像度の画像が必要とされるが、正確な絶対温度情報は必須ではない。この特許は、本発明の譲受人に譲渡され、その全内容が参照することによって本明細書に組み入れられる。
タービン部品の二次元ＩＲ画像を取得して、当部品の正確な絶対温度測定値を一貫して提供することが望まれる。しかし、各種の要因から温度測定エラーが誘引され、その要因は、従来技術の下でははっきりさせることができていない。例えば、ＴＢＣの放射率は、波長、温度、年数、汚染などに応じて変化し得る。したがって、このような課題を克服するシステム及び技術の提供が望まれる。
次の図面を参照する以下の説明によって本発明を開示する。
運転状況下のタービンにおけるタービン部品の表面温度分布をマッピングするように構成されたサーモグラフィーシステムの一実施形態の概略図。
本発明の実施形態に係るキャリブレーションプロセス中のタービン部品の状況例を示す。
高温環境下で使用するために熱バリアコーティング（ＴＢＣ）により被覆された基礎材料を有する例示部品の部分断面図。
本発明の１以上の実施形態によって、回転タービンブレードや静止ベーンなどのタービン部品の絶対温度を基本的にリアルタイムで正確に測定するのに貢献する構造的仕組みと技術のいずれか又は両方が、本明細書に開示される。これら実施形態を十分理解できるように、以下の詳細な説明において、種々の具体的詳細が説明される。しかしながら、本発明の実施形態はこれら具体例以外でも実施可能であり、本発明は例示した実施形態に限定されることはなく、本発明は様々な代替実施形態で実施可能である、ということが、当業者であれば理解される。他にも、当業者に良く知られている方法、手順、及び部品に関しては詳細に説明せずにおいて、不必要で煩わしい説明を回避する。
さらに、種々の動作について、本発明の実施形態を理解する手助けとなるように、複数の個別ステップとして説明する。しかしながら、説明の順序は、当該動作が提示されている順で実施される必要があることを示唆するとして解釈されるべきではなく、また、当該動作が順番に依存することを示唆するとも解釈されるべきではない。加えて、繰り返し使用する言い回し「一実施形態において」は、必ずしも一部の実施形態を表しているのではない（そうである場合もあるが）。最後に、本願で使用してある「備える」、「含む」、「有する」及び同様の言い回しは、別途指摘してない限り、同義語として意図されている。
図１は、運転状況下のタービン１５におけるタービン部品１２（例えば、タービンブレード、タービンベーンなど）の表面温度分布をマッピングするように構成されたサーモグラフィーシステム１０の一実施形態の概略図である。例えば、ブレードは、約マッハ１．２や毎時８９０マイルほどの超音速線形速度で動く。通常の運転状況下のタービン部品における表面温度は、例えば、約１０００℃から約１８００℃の範囲にある。
図１に示す通り、スポット１８1，１８2，１８3のような、１以上の物質スポットが、タービン部品の表面に付着もしくは配置される。ここで使用する用語のスポットは、部品表面に設けた、既知の物理的特性（既知の融点など）をもつ物質の比較的薄いピースを、含む。当然のことながら、図１にはスポットに関し円形状を図示してあるが、本発明の態様は、スポットに関し特定の形状に限定されない。例えば、ストライプなどの丸くない形状を採用し得る。さらに言えば、図１には３つのスポットを図示してあるが、この数は、使用され得るスポットの例示数を表すだけなので、限定の意味に解釈されるべきではない。
一実施形態において、スポット１８1，１８2，１８3の各物質は、互いに異なる融点をもち、互いに離した関係で部品表面に配置される。図１に示したスポットの例示配置（すなわち列状配置）は、他の配置（行、対角、ランダム）でも同等に機能し得るので、限定の意味に解釈されるべきではない。
一実施形態では、近赤外線（ＩＲ）スペクトル領域など、電磁スペクトルの所定スペクトル領域において、スポット物質の各放射率値は、部品表面の予想される放射率値に対して異なった値を有する。これは、例えば、部品表面からのＩＲ放射に対してスポットからのＩＲ放射を区別することを可能にする。
一実施形態において、タービンコントローラ４０は、タービンの燃焼環境の温度が予定の温度範囲以上に上昇するように、タービンを制御するよう構成される。
熱感知撮像装置１４は、（線１６で概念的に画定してある）視野内でタービン部品からのＩＲ放射を感知する。例えば、ＩＲポート２１が、スポット１８1，１８2，１８3を含んだ部品１２に対するまっすぐな「視線」を提供するべく配置される。一実施形態において、熱感知撮像装置１４は、焦点面アレイセンサ（例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）のアレイ）を備え、部品の放射輝度を測定する。速度マッハ１．２で動いているブレードから適切な特定解像度を得るべく、焦点面アレイセンサは、３マイクロ秒又はこれ以下のうちに受信ＩＲ信号を統合できるのがよい。
これら信号が熱感知撮像装置１４により受信される前の適切な光信号条件設定（例えば焦点距離選択及び適切な光学倍率）の目的で、圧力バリア２２を使用してＩＲポート２１から光学系２３へＩＲ放射を通す。
プロセッサ３０が熱感知撮像装置１４と接続され、熱感知撮像装置からの画像用データを処理する。例えば、燃焼環境のタービンの温度上昇に伴うスポット１８1，１８2，１８3の一連の画像を生成するべく使用される。
一実施形態において、モニタ４２がプロセッサ３０に接続されている。この実施形態の場合、ユーザがモニタ４２を使用してスポット１８1，１８2，１８3の一連の画像を監視し、燃焼環境のタービンの温度上昇に伴う各スポット１８1，１８2，１８3における各物理的変化の発生それぞれを判断する。各スポット１８1，１８2，１８3における各物理的変化は、各スポット物質の溶融に起因する。
なお、一実施形態においてプロセッサ３０は、各スポットにおける各物理的変化の発生を自動的に判断するように構成された画像評価モジュール４４を必要に応じ含んでいてもよいので、モニタ４２が画像表示モニタに限定される必要はない。
当業者であれば分かるように、物理的変化には、いずれかのスポットの部品表面からの全体的又は部分的剥離が含まれる。例えば、遠心力及び部品表面を通過する高速ガスの少なくともいずれかによって、溶融したスポット物質の大部分が部品表面から飛び去る。なお、各スポット物質の溶融による物理的変化は、部品表面からのスポットの物理的剥離に限る必要はない。例えば、物理的変化は、溶融時のスポット物質に作用する粘着性及び粘着力の変化に起因したスポットの歪みを伴うものでもよい。表１は、スポット物質を数例示す。
キャリブレーションモジュール４６は、各スポットの物理的変化発生が判断されたときに各温度値をタービン部品表面に割り当てるように構成される。例えば、スポット１８1の各融点がスポット１８2の融点よりも低く且つスポット１８2の融点がスポット１８3よりも低い場合、スポット１８1の物理的変化が判断されたときに第１の温度値が割り当てられ、スポット１８2の物理的変化が判断されたときに第２の温度値が割り当てられ、そして、スポット１８3の物理的変化が判断されたときに第３の温度値が割り当てられる。
図２は、タービンの燃焼環境温度が上昇していってスポット１８3の融点に到達するところであって、スポット１８1，１８2はその各融点にすでに到達して部品表面から実質的に剥離している状況の例を図示する。
図３は、高温環境中で使用するための熱バリアコーティング（ＴＢＣ）層などのバリアコーティングにより被覆された基礎材料３２を有する例示部品１２の部分断面図である。ＴＢＣコーティング技術の技術者であれば分かるように、ＭＣｒＡｌＹ物質などのボンドコート３６を、ＴＢＣ物質３４の適用前に基礎３２に付着させ、基礎３２へのコーティング３４の接着性を向上させる。なお、本発明の態様は図３に示すコーティング仕様例に限定されず、また、当該態様はＴＢＣコーティングを有する部品に限定されない。
プロセッサ３０は、さらに、タービン部品からのＩＲ放射に基づいて、部品の放射輝度マップを生成するように構成される。本発明の態様によれば、放射輝度マップはキャリブレーションモジュール４６により割り当てられた温度値に基づいて較正され、部品表面の絶対温度を表示する較正済み部品温度マップが生成される。回転部品の場合、同期を図る目的で、毎分回転数（ＲＰＭ）センサ２４がプロセッサ３０に同期パルスを提供するべく使用される。
本発明の態様は、コンピュータ読取可能媒体に記録したコンピュータ読取可能コードとしても実施可能である。コンピュータ読取可能媒体は、データ記憶後にコンピュータシステムにより読み出し可能な物理データ記憶装置のいずれかである。コンピュータ読取可能媒体の例として、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、磁気テープ、光学データ記憶装置が含まれる。当業者であれば、コンピュータ読取可能コードがコンピュータ読取可能伝送媒体を経由してネットワークでつながったコンピュータシステムへ分配され、そして、該コンピュータ読取可能コードが分配式で記憶され、あるいは実行されることを理解できる。
以上の仕様に基づいて、本発明の態様は、コンピュータソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア、あるいはこれらの組み合わせ又はサブセットを含むコンピュータプログラミング又はエンジニアリング技術を使用して実行可能である。コンピュータ読取可能コード手段を有するそのような生成プログラムは、１以上のコンピュータ読取媒体において実施又は提供され、これにより、本発明に係るコンピュータプログラム製品、すなわち、製造物が作られる。コンピュータ読取可能媒体は、例えば、固定（ハード）ディスク、フレキシブルディスク、光学ディスク、磁気テープ、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）等の半導体メモリなどであり、インターネットやその他の通信ネットワーク又はリンクなどの送信／受信媒体を伴う。コンピュータコードを含んだ製造物は、１つの媒体から直接的にコードを実行することにより、１つの媒体から他の媒体へコードをコピーすることにより、又は、ネットワークを通してコードを伝送することにより、作成されたり使用されたりする。
本発明の態様を作成、使用、又は販売する設備は、限定するものではないが、特許請求の範囲に記載した本発明を実施する、ソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア、あるいはこれらの組み合わせ又はサブセットを含む、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、メモリ、記憶装置、通信リンク及び装置、サービス、Ｉ／Ｏ装置、又は１以上のプロセッシングシステムのサブコンポーネント、を含んだ１以上のプロセッシングシステムである。
ユーザ入力は、キーボード、マウス、ペン、音声、タッチスクリーン、又は、その他の、アプリケーションプログラムなど他のプログラムを通じることも含めてコンピュータに人がデータを入力することを可能にする手段、から入力される。
コンピュータ科学の技術者であれば、適当な汎用目的又は特殊目的コンピュータハードウエアで記述するようにして作成されるソフトウエアを組み合わせて、本発明の態様を実施するコンピュータシステム又はコンピュータサブシステムを作成することは容易にできる。
本発明の種々の実施形態を示し説明してきたが、これら実施形態が例示のみの目的で提供してあることは自明である。数多くの変形、変更、及び交換が本発明から逸脱することなくなされ得る。したがって、本発明は特許請求の範囲の思想及び範囲によってのみ限定されるものと意図されている。
１０ サーモグラフィーシステム
１２ タービン部品
１４ 熱感知撮像装置
１８1〜3 スポット
２１ ＩＲポート
２２ 圧力バリア
２３ 光学系
２４ 毎分回転数センサ（同期パルス）
３０ プロセッサ
３２ 基礎材料
３４ ＴＢＣ物質（コーティング）
３６ ボンドコート
４０ タービンコントローラ
４２ ディスプレイ
４４ 画像評価モジュール
４６ キャリブレーションモジュール
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Claims (9)
- タービンの高温燃焼環境にある回転中のタービン部品の温度放射輝度マップを較正する方法であって、
前記タービン部品の表面に、異なる融点をもつ２つ以上の物質のスポットを設け、
前記タービンを運転して前記タービン部品を回転させ、
前記２つ以上のスポットが視野内にあるように撮像装置を配置し、該撮像装置によって、前記２つ以上のスポットを含んだ回転している前記タービン部品の画像用データを取得し、
前記タービンの燃焼環境の温度を上昇させ、
前記画像用データを処理して、前記２つ以上のスポットを含んだ回転している前記タービン部品の、前記燃焼環境のタービンの温度上昇に伴う一連の二次元画像を生成し、
前記２つ以上のスポットを含んでいる前記一連の画像を監視して、前記燃焼環境のタービンの温度上昇に伴う前記２つ以上のスポットのそれぞれの物理的変化の発生を判断し、
当該各物理的変化は、前記各物質の溶融に起因し、該各物質の融点がそれぞれ既知であり、
前記２つ以上のスポットの各物理的変化の発生が判断された場合に、前記タービン部品の表面に、対応する温度値を割り当て、
当該タービン部品の表面に割り当てる各温度値は、前記各物質の前記既知の融点にそれぞれ相当し、
回転している前記タービン部品からの赤外線（ＩＲ）放射に基づいて当該タービン部品の温度放射輝度マップを生成し、
前記割り当てた温度値に基づいて、回転している前記タービン部品の前記放射輝度マップを較正して、回転している前記タービン部品の表面における絶対温度を示す前記タービン部品の較正済み温度マップを生成する、
ことを含む方法。 - 前記タービンの燃焼環境の温度を上昇させるときに、該タービンの燃焼環境の温度を予定温度範囲以上に上昇させるように前記タービンを制御することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記タービン部品が熱バリアコーティング（ＴＢＣ）を備えている、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 前記２つ以上のスポットを含んでいる前記一連の画像を監視するときに、前記２つ以上のスポットの各物理的変化の発生を自動的に判断することを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- タービンの高温燃焼環境にある回転中のタービン部品の温度放射輝度マップを較正するシステムであって、
前記タービン部品の表面に設けられ、少なくとも電磁スペクトルのスペクトル領域において各放射率値が前記タービン部品の表面の放射率値に対してそれぞれ異なる値を有する、２つ以上の物質のスポットと、
前記タービンを運転して前記タービン部品を回転させるコントローラと、
前記２つ以上のスポットが視野内にあって当該２つ以上のスポットを含んだ回転している前記タービン部品の画像用データを前記スペクトル領域において取得できるように配置された、赤外線（ＩＲ）撮像装置と、
前記２つ以上のスポットを含んでいる前記画像用データを処理して、前記２つ以上のスポットを含んだ回転している前記タービン部品の、燃焼環境の前記タービンの温度上昇に伴う一連の二次元画像を生成するように構成された、プロセッサと、
該プロセッサに接続され、前記２つ以上のスポットを含んでいる前記一連の画像を監視して、前記燃焼環境のタービンの温度上昇に伴う前記２つ以上のスポットのそれぞれの物理的変化の発生を判断する、モニタと、
前記２つ以上のスポットの各物理的変化の発生が判断された場合に、前記タービン部品の表面に、対応する温度値を割り当てるように構成された、キャリブレーションモジュールと、
を備え、
前記２つ以上のスポットの前記各物理的変化は、前記各物質の溶融に起因し、該各物質の融点がそれぞれ既知で異なっており、
前記タービン部品の表面に前記キャリブレーションモジュールによって割り当てられる前記各温度値は、前記各物質の前記既知の融点にそれぞれ相当し、
前記プロセッサは、回転している前記タービン部品からの赤外線（ＩＲ）放射に基づいて当該タービン部品の温度放射輝度マップを生成するように構成されると共に、前記割り当てた温度値に基づいて、回転している前記タービン部品の前記放射輝度マップを較正して、回転している前記タービン部品の表面における絶対温度を示す前記タービン部品の較正済み温度マップを生成するように構成される、
システム。 - 前記コントローラは、前記タービンの燃焼環境の温度が予定温度範囲以上に上昇するよう前記タービンを制御するように構成される、請求項５に記載のシステム。
- 前記タービン部品は、熱バリアコーティング（ＴＢＣ）を備えている、請求項５又は請求項６に記載のシステム。
- 前記２つ以上のスポットの各物質として、前記予定温度範囲に融点を有する金属物質及びガラス状物質のいずれかを用いる、請求項６に記載のシステム。
- 前記モニタは、前記２つ以上のスポットの各物理的変化の発生を自動的に判断するように構成された画像評価モジュールを備える、請求項５〜８のいずれか１項に記載のシステム。
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