JP7258500B2 - 遮熱コーティング破砕検出システム - Google Patents
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Description
本出願および得られる特許は、広くには、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、高温ガス経路部品上の遮熱コーティングの完全性について継続的なリアルタイムのフィードバックをもたらすサーモグラフィに基づく遮熱コーティング破砕検出システムに関する。
全体としてのガスタービンの運転および効率は、動作温度が高いほど改善される。しかしながら、高温ガス経路内の部品の寿命が、これらのより高い温度および厳しい動作条件に鑑み、損なわれる可能性がある。高温ガスの経路において見られる高い温度、化学的環境、および物理的条件から部品を保護するために、遮熱コーティングなどのセラミックコーティングを使用することができる。
遮熱コーティングは、時間につれて、破砕を被る可能性がある。破砕が発生すると、高温ガス経路部品を短い時間のうちに取り外して交換しなければならず、さもないと破局的な故障が発生する可能性がある。したがって、ガスタービンエンジンを、破砕および他の種類の損傷について検査するために、定期的に停止させなければならない。このような停止は、失われる産出ならびに検査に要する工数に関して、高価につく可能性がある。
したがって、本出願および得られる特許は、ガスタービン用の遮熱コーティング破砕検出システムを提供する。遮熱コーティング破砕検出システムは、蛍光体層と遮熱コーティングとを備える高温ガス経路部品と、刺激放射源と、光学デバイスとを含むことができ、光学デバイスは、刺激放射を遮熱コーティングに導き、発光放射を受光する。受光した発光放射の変化が、遮熱コーティングの破砕を知らせる。
本出願および得られる特許は、高温ガス経路部品の遮熱コーティングを破砕に関して検査する方法をさらに提供する。この方法は、遮熱コーティングに刺激放射を放つステップと、遮熱コーティングから発光放射を受光するステップと、連続する受光した発光放射を比較するステップと、連続する受光した発光放射において変化が示される場合に、遮熱コーティングの破砕を知らせるステップとを含むことができる。
本出願および得られる特許は、ガスタービンエンジン用の遮熱コーティング破砕検出システムをさらに提供する。遮熱コーティング破砕検出システムは、蛍光体層と遮熱コーティングとを備える高温ガス経路部品と、刺激放射源と、刺激放射を遮熱コーティングに導き、発光放射を受光する光学デバイスと、光学装置に連絡したデジタルカメラとを含むことができる。受光されてデジタルカメラ上に常時された発光放射における変化が、遮熱コーティングの破砕を知らせる。
本出願および得られる特許のこれらの特徴および改良ならびに他の特徴および改良は、以下の詳細な説明を、いくつかの図および添付の特許請求の範囲と併せて検討することにより、当業者にとって明らかになるであろう。
ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して、同じ数字は同じ要素を指しており、図１が、本明細書において使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を備えることができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５へともたらす。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧された燃料３０の流れと混合し、混合物を燃焼させて、高温の燃焼ガス３５の流れを生み出す。燃焼器２５が１つだけ示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでよい。次いで、高温の燃焼ガス３５の流れは、タービン４０へともたらされる。高温の燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的な仕事を生み出す。タービン４０において生み出された機械的な仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動し、発電機などの外部負荷５０を駆動する。
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、さまざまな種類の合成ガス、液体燃料、および／または他の種類の燃料、ならびにこれらの混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、これらに限られるわけではないが７シリーズまたは９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなど、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ州ＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙが提供するいくつかの異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってよい。ガスタービンエンジン１０は、さまざまな構成を有することができ、他の種類の構成要素を使用してもよい。他の種類のガスタービンエンジンも、本明細書において使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電設備も、本明細書において共に使用することができる。
図２は、バケットまたはノズルなどの高温ガス経路部品５５の一例の斜視図である。高温ガス経路部品５５は、以下でさらに詳しく説明されるように、遮熱コーティングを有することができる。シュラウド、燃焼器、つなぎピース、などの他の部品を、本明細書において使用することができる。高温の燃焼ガス３５に面するあらゆる部品を、本明細書において使用することができる。
図３が、本明細書において説明され得る遮熱コーティング破砕検出システム１００の概略図である。遮熱コーティング破砕検出システム１００は、刺激放射源１１０を含むことができる。この例において、刺激放射源１１０は、従来からのレーザ１２０などであってよい。刺激放射源１１０は、所定の波長範囲内の光の形態の放射線を生成することができる。他の種類の刺激放射源１１０は、紫外線源、赤外線源、および他の種類の従来からの光源を含むことができる。
さらに、遮熱コーティング破砕検出システム１００は、１つ以上の光学デバイス１３０を含むことができる。光学デバイス１３０は、刺激放射を放出し、刺激放射に応答した発光放射を受光するために、従来からのフィルタ、共振器、センサ、などを含むことができる。さらに、遮熱コーティング破砕検出システム１００は、１つ以上の従来からの光学フィルタ１４０およびデジタルカメラ１５０を含むことができる。従来からの光検出器も使用することができる。光学フィルタ１４０は、受光した発光放射をデジタルカメラによって処理し、表示し、記録できるように、受光した発光放射の色を集光および／または分解することができる。さまざまな種類の画像処理ソフトウェアを、本明細書において使用することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書において使用してもよい。
遮熱コーティング破砕検出システム１００を、１つ以上の高温ガス経路部品１６０において使用することができる。上述のように、高温ガス経路部品１６０は、バケット、ノズル、シュラウド、燃焼器、つなぎピース、などであってよい。高温ガス経路部品１６０は、基材１７０を含むことができる。基材１７０を、ニッケル、コバルト、鉄、またはこれらの組み合わせの合金から製造することができる。例えば、基材１７０は、例えば超合金などの高温耐熱合金を含むことができる。適切な高温ニッケル系合金の例として、これらに限られるわけではないが、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８０合金、Ｒｅｎｅ（登録商標）９５合金）、Ｕｄｉｍｅｔ（登録商標）、またはこれらの組み合わせが挙げられる。具体的には、基材１７０を、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、セラミックマトリックス複合材料、および同様の材料のうちの１つ以上から製造することができる。
高温ガス経路部品１６０は、基材１７０上にベースコート１８０を含むことができる。ベースコート１８０を、下方の基材１７０を保護し、後述される遮熱コーティングを基材によりしっかりと付着させることを可能にする金属耐酸化性材料から形成することができる。したがって、ベースコート１８０は、付着促進および耐酸化性の形態の機能を提供する。ベースコート１８０のための適切な材料は、Ｍ１ＣｒＡｌＹ合金粉末を含むことができ、ここでＭ１は、鉄、ニッケル、白金、またはコバルトなどの金属を表すことができる。他の材料として、シリサイド化合物または元素のケイ素、ならびにニッケルアルミナイド、白金アルミナイド、またはこれらの組み合わせなどの金属アルミナイドを含むことができる。
高温ガス経路部品１６０は、遮熱コーティング１９０を含むことができる。遮熱コーティング１９０は、高温ガス経路部品１６０の下方の基材１７０への熱の流れを実質的に低減し、すなわち熱障壁を形成することができる材料であってよい。遮熱コーティング１９０は、約１０００℃～約３０００℃よりも高い融点を有することができる。セラミック遮熱コーティング材料の例として、これらに限られるわけではないが、種々のジルコニアを挙げることができ、とくにはイットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、ならびにこのような安定化ジルコニアの混合物など、化学的に安定化させたジルコニア（例えば、金属酸化物をジルコニアと混ぜたもの）が挙げられる。
さらに、高温ガス経路部品１６０は、ベースコート１８０と遮熱コーティング１９０との間に配置されたサーモグラフィに基づく蛍光体層２００を有することができる。サーモグラフィに基づく蛍光体層２００を、リン光材料などを有する任意の種類の発光材料から製作することができる。例として、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）結晶、ルテチウムアルミニウムガーネット（ＬｕＡＧ）結晶、スカンジウムアルミニウムガーネット（ＳｃＡＧ）結晶、イットリウムアルミニウムホウ素チッ素ガーネット（ＹＡＢＮＧ）結晶、イットリウムアルミニウムホウ素ガーネット（ＹＡＢＧ）結晶、石英結晶、サファイア結晶、またはサーモグラフィ蛍光体でドープされた任意の他の適切な結晶などの材料が挙げられる。例として、結晶を、ネオジム（Ｎｄ）、クロム（Ｃｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ツリウム（Ｔｍ）、または任意の他の適切なサーモグラフィ蛍光体、ならびにこれらの組み合わせなどの希土類元素でドープすることができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書において使用してもよい。
使用時に、ベースコート１８０、サーモグラフィに基づく蛍光体層２００、および遮熱コーティング１９０を、従来からのやり方で高温ガス経路部品１６０の基材１７０へと適用することができる。高温ガス経路部品１６０は、従来からのやり方でガスタービンエンジン１０内で作動させることができる。遮熱コーティング破砕検出システム１００は、遮熱コーティング１９０を継続的または定期的に監視することができる。具体的には、遮熱コーティング破砕検出システム１００は、光学デバイス１３０を介してレーザ１２０または他の種類の刺激放射源１１０からの刺激放射を導き、発光放射を受光することができる。発光放射を、光学フィルタ１４０およびデジタルカメラ１５０によって処理および表示することができる。図３に示されるように、遮熱コーティング１９０は、発光放射がデジタルカメラ１５０内の画素格子２１０の全体にわたって一様な応答をもたらす場合、無傷であるように示され得る。図４に示されるように、画素格子２１０内に変化が示されている場合、破砕が発生している可能性がある。換言すると、サーモグラフィ蛍光体層２００が、破砕ゆえに可視になり、蛍光を発生させて発光放射の性質を変化させることができる。したがって、遮熱コーティング破砕検出システム１００は、さらなる検査およびおそらくは修理のために停止が必要である旨を知らせることができる。
このようにして、遮熱コーティング破砕検出システム１００は、遮熱コーティングによって保護された高温ガス経路部品１６０または他の部品を継続的または定期的に監視する。結果として、破砕の定期的な検査を省略することができる。むしろ、顧客は、遮熱コーティング破砕検出システム１００が破砕が生じた旨を知らせるまで、ガスタービンエンジン１０を連続的に運転することができる。このようにして、顧客は、定期的な検査のための定期的な停止の全費用を回避しつつ、ガスタービンエンジンを安心して運転することができる。
以上が、あくまでも本出願および得られる特許のうちの特定の実施形態に関するにすぎないことは、明らかである。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定められる本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更および修正を行うことが可能である。
１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
５５ 高温ガス経路部品
１００ 遮熱コーティング破砕検出システム
１１０ 刺激放射源
１２０ レーザ
１３０ 光学デバイス
１４０ 光学フィルタ
１５０ デジタルカメラ
１６０ 高温ガス経路部品
１７０ 基材
１８０ ベースコート
１９０ 遮熱コーティング
２００ 蛍光体層、サーモグラフィ蛍光体層
２１０ 画素格子
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
５５ 高温ガス経路部品
１００ 遮熱コーティング破砕検出システム
１１０ 刺激放射源
１２０ レーザ
１３０ 光学デバイス
１４０ 光学フィルタ
１５０ デジタルカメラ
１６０ 高温ガス経路部品
１７０ 基材
１８０ ベースコート
１９０ 遮熱コーティング
２００ 蛍光体層、サーモグラフィ蛍光体層
２１０ 画素格子
Claims (10)
- ガスタービンエンジン（１０）用の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）であって、当該遮熱コーティング破砕検出システム（１００）が、
ベースコート（１８０）を表面に有する基材（１７０）、蛍光体層（２００）及び遮熱コーティング（１９０）を備える高温ガス経路部品（１６０）であって、前記蛍光体層（２００）が前記遮熱コーティング（１９０）と前記ベースコート（１８０）との間に配置されている、高温ガス経路部品（１６０）と、
刺激放射源（１１０）と、
光学デバイス（１３０）と
を備えており、
前記光学デバイス（１３０）が、刺激放射を前記遮熱コーティング（１９０）に導き、かつ発光放射を受光し、
受光した発光放射における変化が、前記遮熱コーティング（１９０）の破砕をを知らせ、
前記蛍光体層（２００）がサーモグラフィに基づく蛍光体層を備えており、前記サーモグラフィに基づく蛍光体層（２００）が、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）結晶、ルテチウムアルミニウムガーネット（ＬｕＡＧ）結晶、スカンジウムアルミニウムガーネット（ＳｃＡＧ）結晶、イットリウムアルミニウムホウ素チッ素ガーネット（ＹＡＢＮＧ）結晶、イットリウムアルミニウムホウ素ガーネット（ＹＡＢＧ）結晶、石英結晶又はサファイア結晶から選択される結晶を含む、遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。 - 前記刺激放射源（１１０）が、レーザ（１２０）を備える、請求項１に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記光学デバイス（１３０）に連絡した光学フィルタ（１４０）をさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記光学デバイス（１３０）に連絡したデジタルカメラ（１５０）をさらに備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記デジタルカメラ（１５０）が画素格子（２１０）を備える、請求項４に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記画素格子（２１０）における変化が、前記遮熱コーティング（１９０）の破砕を知らせる、請求項５に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記サーモグラフィに基づく蛍光体層（２００）が、希土類元素を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記希土類元素が、ネオジム（Ｎｄ）、クロム（Ｃｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）又はツリウム（Ｔｍ）を含む、請求項７に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 前記遮熱コーティング（１９０）がジルコニアを含む、請求項１に記載の遮熱コーティング破砕検出システム（１００）。
- 高温ガス経路部品（１６０）の遮熱コーティング（１９０）を破砕に関して検査する方法であって、前記高温ガス経路部品（１６０）が、ベースコート（１８０）を表面に有する基材（１７０）、蛍光体層（２００）及び遮熱コーティング（１９０）を備えていて、前記蛍光体層（２００）が前記遮熱コーティング（１９０）と前記ベースコート（１８０）との間に配置されており、当該方法が、
前記遮熱コーティング（１９０）に刺激放射を放つステップと、
前記遮熱コーティング（１９０）から発光放射を受光するステップと、
連続する受光した発光放射を比較するステップと、
前記連続する受光した発光放射において変化が示される場合に、前記遮熱コーティング（１９０）の破砕を知らせるステップと
を含んでおり、前記蛍光体層（２００）がサーモグラフィに基づく蛍光体層を備えており、前記サーモグラフィに基づく蛍光体層（２００）が、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）結晶、ルテチウムアルミニウムガーネット（ＬｕＡＧ）結晶、スカンジウムアルミニウムガーネット（ＳｃＡＧ）結晶、イットリウムアルミニウムホウ素チッ素ガーネット（ＹＡＢＮＧ）結晶、イットリウムアルミニウムホウ素ガーネット（ＹＡＢＧ）結晶、石英結晶又はサファイア結晶から選択される結晶を含む、方法。
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