KR101771903B1

KR101771903B1 - 다축 검사 기기에 의한 산업용 가스 터빈 및 다른 전력 발생 기관의 자동화 광 검사를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101771903B1
Application number: KR1020147024423A
Authority: KR
Inventors: 클리포드 주니어 해처
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2017-08-28
Also published as: EP2810056B1; KR101784171B1; EP2810055A1; CA2861366A1; WO2013116078A1; CN104220866A; EP2810057B1; KR20140117676A; KR20170089971A; EP2810055B1; KR20140117675A; WO2013116080A1; KR20140107649A; WO2013116490A1; JP2015513631A; JP2015513071A; EP2810057A1; CA2861330A1; JP2015513026A; CN104081191B

Abstract

가스 및 증기 터빈들과 같은 전력 발생 기관의 내부 구성요소들이 인간 개입 없이 미리 지정된 안내 경로를 따라 기관 내의 해당 구역에 대해 카메라 시계(FOV)를 자동적으로 위치지정할 수 있고 이미지들을 캡쳐할 수 있는 광 카메라 검사 시스템에 의해 검사된다. 자동 카메라 위치지정 및 이미지 캡쳐는 자동적으로 또는 작업자 허락의 수신 후에 개시될 수 있다. 미리 지정된 안내 경로는 전력 기계 내의 검사 기기의 작업자 수동 위치지정 또는 동일한 타입의 유사한 위치지정 및 나중의 반복을 위한 위치지정 단계들의 기록에 의해 규정될 수 있다. 안내 경로는 가상 시뮬레이션에 의해 또한 규정될 수 있다. 검사 시스템은 가스 터빈의 터빈 섹션 내의 검사를 위해 적절한 다축 검사 기기를 포함한다.

Description

다축 검사 기기에 의한 산업용 가스 터빈 및 다른 전력 발생 기관의 자동화 광 검사를 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR AUTOMATED OPTICAL INSPECTION OF INDUSTRIAL GAS TURBINES AND OTHER POWER GENERATION MACHINERY WITH MULTI-AXIS INSPECTION SCOPE}

본 출원은 동시 출원되었으며 해당 일련 번호(13/362,417), 변리사 일람 번호 제 2011P28983US호이며, 발명이 명칭이 "산업용 가스 터빈들 및 다른 전력 발생 기관의 자동화 광 검사를 위한 시스템 및 방법(System And Method For Automated Optical Inspection Of Industrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery)"인 동시 계류중인 미국 실용 특허 출원, 및 동시 출원되었으며 해당 일련 번호(13/362,387), 변리사 일람 번호 제 2011P22744US호이며, 발명의 명칭이 "관절 결합된 다축 검사 기기에 의한 산업용 가스 터빈들 및 다른 전력 발생 기관의 자동화 광 검사를 위한 시스템 및 방법(System And Method For Automated Optical Inspection Of Industrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery With Articulated Multi-Axis Inspection Scope)"인 동시 계류중인 미국 실용 특허 출원의 이득을 주장하며, 이들 모두는 본원에 인용에 의해 포함된다.

본 발명은 산업용 가스 터빈들 및, 비제한적인 예로서 증기 터빈들 및 발전기들을 포함하는 다른 전력 발생 기관의 비파괴 내부 검사를 위한 광 카메라 시스템(optical camera system)들에 관한 것이다. 더 구체적으로는 본 발명은 인간 개입 없이 기관 내의 해당 구역으로 카메라 시계(field of view; FOV)를 자동적으로 위치지정 하고 이미지(image)들을 캡쳐(capture)할 수 있는 광 카메라 검사 시스템에 관한 것이다. 자동 카메라 위치지정 및 이미지 캡쳐는 자동적으로 또는 작업자 허락의 수신 후에 개시될 수 있다.

증기 또는 가스 터빈들과 같은 전력 발생 기관은 종종 계획된 검사 및 보수 기간들을 갖고 종종 연속적으로 작동되며, 이러한 때에 터빈은 중단되고 정지된다. 예로서, 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)은 종종 대략 4,000 시간 동안 연속적으로 전력을 발생하도록 작동될 것이며, 이때 정기적인 보수, 검사 및 검사 동안 확인된 임의의 구성요소들의 수리를 위해 중단된다. 계획된 보수를 위해 가스 터빈을 중단시키고 결과적으로 정지시키는 것은 여러 날(multi-day)이 소요되는 프로젝트(project)이다. 터빈 로터 섹션(turbine rotor section)과 같은 몇몇의 터빈 구성요소들은 1000℃(1832℉)를 초과하는 온도들에서 작동된다. 터빈은 구성요소의 뒤틀림 또는 다른 변형의 가능성을 감소시키기 위해 완전한 정지 전에 주위 온도를 달성하기 위해 48 내지 72 시간의 냉각 시간을 요구한다. 정지 페이즈(shutdown phase) 동안 터빈 로터는 로터 뒤틀림의 가능성을 감소시키기 위해 대략 10 RPM 또는 그 미만으로 보조 구동 모터(auxiliary drive motor)에 의해 "터닝 기어 모드(turing gear mode)"로 회전된다. 터빈 하우징(turbine housing)과 같은 다른 터빈 구성요소들은 또한 주위 온도로 천천히 냉각된다.

터빈이 일단 대략 최대 72 시간의 코스(course)에 걸쳐 주위 온도로 냉각되면 이제 고정 터빈의 내부 구성요소들은 광 카메라 검사 시스템들에 의해 검사될 수 있다. 공지된 광 카메라 검사 시스템들은 터빈 주변 주위에 위치된 검사 포트(inspection port)들 안으로 삽입되는 강성 또는 가요성 광 보어 기기(optical bore scope)들을 이용한다. 보어 기기는 수동으로 위치되어 그의 시계는 하나 또는 그 초과의 베인(vane)들 또는 블레이드(blade)들, 연소기 바스켓(combustor basket)들 등과 같은 터빈 내의 해당 구역을 포함한다. 보어 기기에 광 결합된 카메라는 검사자에 의한 원격 시각화 및 (필요하다면)파일 보관(archeiving)을 위해 시계 내의 해당 대상들의 이미지들을 캡쳐한다.

주어진 터빈 검사 포트 내의 상이한 해당 구역들의 일련의 상이한 이미지들이 요구된다면, 작업자는 시계와 해당 내부 구역의 요구되는 상대 정렬을 달성하기 위해 카메라 검사 시스템 보어 기기를 수동으로 재위치 시켜야만 한다. 상대 정렬은 물리적으로 보어 기기를 이동시킴으로써 달성될 수 있어서 그의 시야 포트(viewing port)는 해당 고정 구역의 가까이에 위치된다. 고정 터빈 구성요소와 보어 기기의 이러한 상대 이동의 예들은 고정 연소기 내의 상이한 배향들로의 또는 터빈 섹션 내의 베인과 블레이드 열(row) 사이의 공간의 안으로 및 밖으로의 방사상으로의 보어 기기의 삽입에 의한 것이다. 상대 정렬은 보어 기기 시야 포트를 고정 위치로 유지하고 해당 터빈 내부 구성요소를 고정 시계 안으로 이동시킴으로써 또한 달성될 수 있다. 고정 보어 기기와 터빈 내부 구성요소의 상대 이동의 예는 터빈 로터를 순차적으로(sequentially) 몇도 수동으로 회전시키고 블레이드의 이미지를 캡쳐하는 것에 의한 블레이드 열 내의 상이한 블레이드들의 검사이다. 로터는 카메라 시계 내에 열 내의 각각의 요구되는 개별 블레이드를 정렬시키기 위해 순서대로 회전된다.

완전한 터빈 검사는 인간 검사자에 의한 카메라 검사 시스템 시야 포트와 터빈 내의 해당 구역들 사이의 다중 수동 상대 재위치지정 시퀀스(sequence)들을 필요로 한다. 검사 품질 및 생산성은 검사자 및 검사 팀(team)의 검사 및 조작 스킬(skill)들에 따른다. 검사 장치 위치지정은 가스 터빈 내의 구성요소들 사이의 복잡한 조작 경로들로 인해 어렵다. 예컨대, 제 1 열의 베인들의 리딩 에지(leading edge) 또는 관련 지지부들을 검사하기 위해 연소기 검사 포트를 통한 보어 기기의 삽입은 복합적인 조작들을 필요로한다. 터빈 내의 검사 장치의 부적절한 위치지정은 잠재적으로 터빈 내부 구성요소들을 손상시킬 수 있다. 종종 다수의 작업자들의 검사 팀은 공지된 검사 방법들 및 장치들을 사용하는 수동 검사를 수행할 필요가 있다. 요컨대, 공지된 수동 카메라 검사 과정들 및 검사 시스템 조작은 시간 소비적으로, 본질적으로 반복적이며, 종종 다수의 인원의 검사 팀의 보조를 필요로 한다. 공지된 수동 카메라 검사 과정들 및 검사 시스템 조작을 위해 필요한 "인적 요소(human factor)"는 인간의 스킬 레벨(level) 편차들에 기초하여 바람직하지 않은 검사 프로세스 편차(inspection process variance)들을 유도한다. 주어진 인간 스킬 편차들로 인해, 몇몇의 검사 팀들은 다른 팀들보다 더 적은 시간에 검사들을 완료할 수 있고 더 양호한 이미지 품질을 달성하며 더 낮은 검사 손상 위험을 갖는다. 이상적으로는 높은 성능의 검사 팀의 스킬들은 모든 팀들에 의해 사용을 위해 캡쳐될 수 있다.

비제한적인 예로서 증기 또는 가스 터빈들 및 발전기들을 포함하는 전력 발생 기관의 비파괴인 내부 검사를 수행하는데 필요한 전체 시간을 공지된 검사 장치 및 방법들에 의해 달성 가능한 것보다 감소시켜서, 기관이 보수 사이클(cycle)들 동안 더 신속하게 전력 발생을 재개하기 위해 다시 작동 상태가 될 수 있는 광 카메라 검사 시스템들 및 방법들에 대한 요구가 업계에 존재한다.

비제한적인 예로서 증기 또는 가스 터빈들 및 발전기들을 포함하는 전력 발생 기관 내의 검사 장치를 공지된 수동 검사 장치 및 방법들에 의해 달성되는 것보다, 기계 내부 구성요소에 대한 손상의 최소화된 위험, 높은 이미지 품질 및 더 신속한 검사 사이클링(cycling) 시간으로 개별 기계의 검사 사이클 내에서 또는 다수의 상이한 기계들의 검사 사이클들 내에서 일관되고 반복적으로 위치지정 할 수 있는 광 카메라 검사 시스템들 및 방법들에 대한 다른 요구가 업계에 존재한다.

상이한 검사 팀들 중에서 검사 스킬 레벨 및 생산성을 동일화하는데 도움을 주는 광 카메라 검사 시스템들 및 방법들에 대한 또 다른 요구가 업계에 존재한다.

따라서, 다른 것들 중에서도 연관되어 또는 각기, 본 발명의 잠재적인 목적들은 전력 발생 기관(비제한적인 예로서 증기 또는 가스 터빈들 및 발전기들을 포함)을 위한 광 카메라 검사 시스템들 및 방법들을 생성하는 것이며, 이들은 공지된 검사 장치 및 방법들과 비교하여 : 전체의 계획된 보수 주기 시간 및 개별 검사 사이클 시간을 감소시키고; 기계 내부 구성요소들에 대한 최소화된 손상 위험 및 높은 이미지 품질을 가지며 개별 기계의 검사 사이클 내에서 또는 다수의 상이한 기계들의 검사 사이클들 내에서 검사 장치를 일관되고 반복적으로 위치시키고; 상이한 검사 팀들 중에서 검사 스킬 레벨 및 생산성을 동일화하는데 도움을 준다.

가스 및 증기 터빈들 또는 발전기들과 같은 전력 발생 기관의 내부 구성요소들은 인간 개입 없이 미리 지정된 안내 경로를 따라 기관 내의 해당 구역으로 카메라 시계(FOV)를 자동적으로 위치지정 하고 이미지들을 캡쳐할 수 있는 광 카메라 검사 시스템에 의해 검사된다. 자동 카메라 위치지정 및 이미지 캡쳐는 자동적으로 또는 작업자 허락의 수신 후에 개시될 수 있다. 미리 지정된 안내 경로는 전력 기계 또는 동일한 타입(type)의 유사한 기계 내의 검사 기기의 작업자 수동 위치지정, 및 나중의 반복(replication)을 위한 위치지정 단계들의 시퀀스의 기록에 의해 규정될 수 있다. 안내 경로는 가상 시뮬레이션(virtual simulation)에 의해 또한 규정될 수 있다.

이러한 및 다른 목적들은 산업용 가스 터빈들을 포함하는 전력 발생 기관의 내부 검사를 위한 시스템에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 시스템은 가스 터빈 검사 포트로의 부착을 위한 장착 플랜지(mounting flange)를 포함한다. 시스템은 중앙 축선을 규정하는 기다란 본체, 장착 플랜지에 커플링되는(coupled) 기단부, 및 가스 터빈 검사 포트 내의 삽입을 위한 말단부를 갖는 검사 기기를 포함한다. 선형 구동부는 그 중앙 축선을 따라 검사 기기를 병진운동시킨다. 회전 구동부는 그의 중앙 축선을 중심으로 검사 기기를 회전시킨다. 시계를 갖는 카메라 헤드(camera head)가 검사 기기 본체 말단부에 커플링된다. 카메라가 카메라 헤드에 의해 전달되는 이미지를 캡쳐하기 위해 검사 기기에 커플링된다. 시스템은 인간 개입 없이 해당 내부 구역에 대해 가스 터빈 내의 미리 지정된 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그의 카메라 이미지를 캡쳐하기 위해 선형 및 회전 구동부들 그리고 카메라에 커플링되는 제어 시스템을 또한 포함한다.

본 발명은 또한 검사 기기 및 가스 터빈 검사 포트로의 부착을 위한 장착 플랜지를 갖는 내부 검사 시스템을 제공하는 단계를 포함하는 가스 터빈의 내부 검사 방법을 또한 특징으로 한다. 검사 기기는 중앙 축선을 규정하는 기다란 본체, 장착 플랜지에 커플링되는 기단부, 및 가스 터빈 검사 포트 내의 삽입을 위한 말단부를 갖는다. 검사 기기는 그 중앙 축선을 따라 검사 기기를 병진운동 시키기 위한 선형 구동부, 및 그 중앙 축선을 중심으로 검사 기기를 회전시키기 위한 회전 구동부를 갖는다. 시계를 갖는 카메라 헤드가 검사 기기 본체 말단부에 커플링된다. 카메라가 카메라 헤드에 의해 전달되는 이미지를 캡쳐하기 위해 검사 기기에 커플링된다. 시스템은 인간 개입 없이 해당 내부 구역에 대해 가스 터빈 내의 미리 지정된 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그의 카메라 이미지를 캡쳐하기 위해 선형 및 회전 구동부들 그리고 카메라에 커플링되는 제어 시스템을 또한 갖는다. 다음에, 장착 플랜지는 가스 터빈 검사 포트에 부착되고 검사 기기 말단부는 가스 터빈 검사 포트 안으로 삽입된다. 안내 경로가 제어 시스템에 제공된다. 그 후 가스 터빈은 인간 개입 없이 제어 시스템에 의해 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그의 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 검사된다. 카메라 이미지는 리뷰(review)를 위해 저장된다. 단계들의 순서는 이러한 방법을 수행할 때 변경될 수 있다.
가스 터빈의 내부 검사 방법은, 복수의 해당 구역들의 이미지를 조합하고 합성 이미지를 생산하는 단계; 및 복수의 횟수들로 취해진 이미지들을 조합하고 이 이미지들을 겹치게 하는 단계;로 이루어지는 그룹으로부터 선택된, 이미지들을 조합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 산업용 가스 터빈을 검사하는 방법을 특징으로 한다. 먼저, 가스 터빈은 전력 발생 작업을 멈추기 위해 정지된다. 검사 기기 및 가스 터빈 검사 포트로의 부착을 위한 장착 플랜지를 갖는 내부 검사 시스템이 제공된다. 검사 기기는 중앙 축선을 규정하는 기다란 본체, 장착 플랜지에 커플링되는 기단부 및 가스 터빈 검사 포트 내의 삽입을 위한 말단부를 갖는다. 검사 기기는 그 중앙 축선을 따라 검사 기기를 병진운동 시키기 위한 선형 구동부 및 그 중앙 축선을 중심으로 검사 기기를 회전시키는 회전 구동부를 갖는다. 시계를 갖는 카메라 헤드가 검사 기기 본체 말단부에 커플링된다. 카메라가 카메라 헤드에 의해 전달되는 이미지를 캡쳐하기 위해 검사 기기에 커플링된다. 시스템은 인간 개입 없이 해당 내부 구역에 대해 가스 터빈 내의 미리 지정된 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그의 카메라 이미지를 캡쳐하기 위해, 선형 및 회전 구동부들 그리고 카메라에 커플링되는 제어 시스템을 갖는다. 이 방법의 실행에서 가스 터빈은 150℃(300℉) 미만의 내부 온도로 냉각된다. 그 후에 장착 플랜지는 블레이드와 베인 열들 사이에 위치되는 터빈 섹션 검사 포트에 부착된다. 안내 경로가 제어 시스템에 제공된다. 터빈 섹션은 인간 개입 없이 제어 시스템에 의해 안내 경로를 따라 자동적으로 검사 기기 및 시계를 위치지정하고 그 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 자동적으로 검사된다. 카메라 이미지는 리뷰를 위해 저장된다. 단계들의 순서는 이러한 방법을 수행할 때 변경될 수 있다.

안내 경로는 복수의 방법들에 의해 미리 결정되고 검사 단계에서 사용되는 실제 검사 기기의 제어 시스템에 의해 나중의 반복을 위해 순차적으로 기록된다. 안내 경로 미리 결정 방법들은 : 선택된 안내 경로를 따라 실제 검사되는 가스 터빈 내의(또는 실제 검사되는 가스 터빈과 동일한 타입의 내부 구조를 갖는 다른 가스 터빈 내의) 검사 단계에서 사용되는 타입의 검사 기기의 이전의 인간에 의해 제어된 위치지정 단계; 선택된 안내 경로를 따라 검사되는 타입의 가상의 전력 발생 기계 내의 검사 단계에서 사용되는 타입의 가상의 검사 기기의 인간에 의해 제어된 모의 위치지정 단계; 및 인간 개입 없이 모의 선택된 안내 경로를 따라 검사 단계에서 사용되는 타입의 가상의 전력 발생 기계 및 가상의 검사 기기의 모의 위치지정 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 목적들 및 특징들은 당업자에 의해 임의의 조합 또는 하위 조합(sub-combination)으로 연관되어 또는 각기 적용될 수 있다.

본 발명의 교시들은 첨부된 도면들과 관련한 이후의 상세한 설명을 고려함으로써 쉽게 이해될 수 있다.

도 1은 공지된 가스 터빈의 부분 개략 횡단면도이고;
도 2는 연소기 검사 포트 안으로의 본 발명의 광 카메라 검사 시스템 실시예의 부분적인 삽입을 나타내는 공지된 가스 터빈의 부분 개략 횡단면도이고;
도 3은 도 2의 광 카메라 검사 시스템에 의해 연소기 내부 구성요소들의 검사를 수행하는 공지된 가스 터빈의 부분 개략 횡단면도이고;
도 4는 도 2의 광 카메라 검사 시스템에 의해 1 열의 터빈 블레이드들의 리딩 에지의 검사를 수행하는 공지된 가스 터빈의 부분 개략 횡단면도이고;
도 5는 이용 가능한 운동 등급(Ω, Τ, Φ, Ε 및 θ)들을 도시하는, 도 2의 실시예의 광 카메라 검사 시스템의 사시 개략도이고;
도 6은 도 2의 접힌 삽입 위치에서, 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 사시 개략도이고;
도 7은 도 3의 잠금된 검사 위치에서, 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 사시 개략도이고;
도 8은 운동 등급(Ω 및 Τ)들을 도시하는, 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 연장 튜브 메커니즘 부분(extension tube mechanism portion)의 사시 개략도이고;
도 9는 터빈 검사 포트에 부착되는 본 발명의 어댑터 링(adapter ring)의 개략적인 사시도이고,
도 10은 운동 등급(Φ 및 θ)들을 도시하는, 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 카메라 헤드 관절 결합 및 회전 (팬; pan) 메커니즘의 개략적인 입면도이고;
도 11은 도 10의 카메라 헤드 관절 결합 및 회전 (팬) 메커니즘의 개략적인 평면도이고;
도 12는 운동 등급(Ε)을 도시하는, 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 카메라 헤드 연장 메커니즘의 개략적인 입면도이고;
도 13은 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 카메라 헤드의 개략적인 사시도이고;
도 14는 도 5의 광 카메라 검사 시스템의 카메라 헤드의 개략적인 분해 사시도이고;
도 15는 도 14의 카메라 헤드의 개략적인 부분 조립 사시도이고;
도 16은 도 5의 광 카메라 검사 시스템을 위한 제어 박스(control box) 및 제어 시스템의 블록도이고;
도 17은 본 발명의 광 카메라 검사 시스템의 작업자 원격 모니터링(monitoring) 및 제어를 위한 태블릿 컴퓨터(tablet computer) 인간 기계 인터페이스(human machine interface; HMI)의 실시예의 사시 개략도이고;
도 18은 각각의 검사 포트들의 2 개의 별개의 터빈 섹션 열들 안으로의 본 발명의 다른 광 카메라 검사 시스템 실시예의 삽입을 도시하는 공지된 가스 터빈의 부분 개략 횡단면도이고;
도 19는 이용 가능한 운동 등급(Τ, θ 및 Φ)들을 도시하는, 도 18의 광 카메라 검사 시스템의 사시 입면도이고; 및
도 20은 운동 등급(Φ)을 위한 스윙 프리즘 관절 결합 메커니즘(swing prism articulation mechanism)의 입면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 동일한 참조 부호들은 가능하다면 도면들에서 공통인 동일한 요소들을 지정하는데 사용되었다.

이후의 설명을 고려한 후에, 당업자는 본 발명의 교시들이 비제한적인 예로서 증기 또는 가스 터빈들 및 발전기들을 포함하는 전력 발생 기관의 비파괴인 내부 검사를 위한 광 카메라 시스템들에 쉽게 이용될 수 있다는 것을 명백하게 깨달을 것이다. 광 카메라 검사 시스템은 인간 개입 없이 기관 내부의 해당 구역에 대해 카메라 시계(FOV)를 자동적으로 위치지정 하고 이미지들을 캡쳐할 수 있다. 자동 카메라 위치지정 및 이미지 캡쳐는 자동적으로 또는 작동자의 허락 수신 후에 개시될 수 있다. 대안적으로, 시스템은 "수동" 모드에서 인간에 의해 작동될 수 있다.
복수의 상기 해당 구역들의 이미지들은 합성 이미지를 생산하기 위해 조합될 수 있다.
상기 가스 터빈을 검사하는 단계 동안, 제어 시스템은 안내 경로를 따라 복수의 해당 구역들의 시계를 자동적으로 및 순차적으로 위치시키고 그 각각의 이미지들을 캡쳐할 수 있으며, 상기 가스 터빈을 검사하는 단계 내의 순차적으로 위치시키는 단계 및 이미지를 캡쳐하는 단계 중의 한 가지 이상에서, 안내 경로를 따라 다음 단계로 진행하기 전에, 인간 개입을 허용할 수 있다.

카메라 검사 시스템 개요

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 연소기(34)들, 고정된 베인(42, 46)들의 터빈 섹션 1 열 및 2 열, 회전하는 블레이드(44, 48)들의 앞선 1 열 및 2 열, 및 링 부분들을 포함하는 가스 터빈(30) 내부 구성요소들의 자동 오프 라인(off line) 원격 가시 검사를 용이하게 한다. 도 2 내지 도 4 및 도 18에 도시된 것과 같이, 본 발명의 검사 시스템의 실시예들은 터빈 검사 포트(36, 50 및 52)들에 원격 가동되는 광 카메라 검사 기기 탐침부(60, 220)들을 부착시킴으로써 완전히 주위 온도로 냉각되지 않은 터빈들의 오프 라인 검사를 가능하게 한다. 부착 시에 검사 기기 탐침부(60, 220)들은 운동 제어 시스템의 명령하에 있는 내부 운동 제어 서보 모터(internal motion control servo motor)들을 통하여 선택적으로 (작업자에 의해 수동적으로 또는 작업자 없이 자동적으로) 위치된다. 이미지 데이터(image data)가 획득되고, 캡쳐되고 요구된다면 추가의 분석을 위해 파일 보관된다.

관절 결합된 검사 기기

도 2 내지 도 4는 연소기(34) 검사 포트(36) 안으로의 관절 결합식 검사 기기 실시예(60)의 삽입에 의한(도 2) 가스 터빈의 검사를 도시한다. 가스 터빈 설비의 한계들에 대한 기기(60)의 동작 여유(maneuvering clearance)를 위해, 검사 기기(60)는 폴딩 너클(folding knuckle)을 가져서, 기기는 기다란 기기인 한 일반적으로 L 형상 프로파일(profile)로 약 절반이 접힐 수 있다. 일단 검사 기기(60)가 검사 포트(36) 내에 위치되면, 너클은 도 3 에 도시된 것과 같이 똑바르게 된다(straightened). 검사 기기(60)가 검사 포트(36)에 부착된 후에 이 검사 기기는 회전함으로써 그리고 그의 카메라 헤드를 연장함으로써 연소기 내부 구성요소들을 검사하는데 이용될 수 있다. 도 4 에서, 기기(60)가 더 연장되고 그의 카메라 헤드가 관절 결합될 때 1 열의 베인들 및 1 열의 블레이드들의 리딩 에지의 이미지들이 획득될 수 있다. 터빈 로터가 회전 모드라면, 모든 1 열의 블레이드들의 이미지들은 이들이 카메라 헤드 시계를 지나 회전할 때 캡쳐될 수 있다.

도 5를 참조하면, 검사 기기(60)는 3 개의 주요 구성요소 섹션들을 가지며 : 이들은 연장 튜브 섹션(62)(도 5 내지 도 9 참조); 모터 캔(motor can; 64)(도 5, 도 10 내지 도 12 참조); 그리고 이하의 5 개의 운동 자유도를 수행할 수 있는 카메라 선단부(66)(도 5, 도 12 내지 도 15 참조)이다.

Ω - 총 회전;

Τ - 신축 자재 연장부(telescoping extension);

Φ - 카메라 선단 관절 결합부;

Ε - 카메라 선단 연장부; 및

θ - 카메라 선단부 회전/팬.

연장 튜브 섹션(62)은 연소기 검사 포트(36)와 같은 검사 포트에 부착되는 장착 튜브(70) 및 장착 칼라(mounting collar; 72)를 갖는다. 모터 하우징(74)은 장착 칼라(72)로부터 멀리 있는 장착 튜브(70)의 대향 단부에 부착되고 운동 등급 Ω 및 Τ 를 수행하는데 필요한 서보 모터들을 수납한다. 3 개의 신축 자재 튜브(75 내지 77)들이 Τ 방향 운동을 제공하기 위해 장착 튜브(70) 안으로 포개진다.

도 6 및 도 7에 도시된 것과 같이, 스프링 장입된 잠금 너클(80)은 전체 검사 기기(60)가 도 2에 도시되고 상기에 설명된 것과 같이, 터빈(30)에 대한 콤팩트한(compact) 동작을 위해 접히는 것을 가능하게 한다. 잠금 슬리브(locking sleeve)(77A)는 신축 자재 튜브(77) 위에서 미끄러지며 검사 기기(60)가 도 7에 도시된 것과 같이 그의 잠금된 검사 위치에 있을 때 내부에서 너클(80)을 제약한다.

도 5에 도시된 것과 같이, 모터 캔(64)은 Φ 운동 등급, 카메라 선단 신축 자재 연장부(84, 86)들을 통하여 카메라 선단(66) 연장부 운동(Ε) 및 카메라 선단부(66) 회전/팬 운동 등급(θ)을 제공하는 모터식 관절 결합 조인트(motorized articulating joint)(82)를 위치시키는데 필요한 서보 모터들을 수납한다. 카메라 헤드(88)는 각각의 축방향 및 측방향 시계(FOV)들을 위한 카메라 포트(90, 92)들을 포함한다.

도 8은 회전 허브(rotation hub)(100) 내의 2 개의 동축으로 놓여지고(nested), 독립적으로 구동되는 큰 및 작은 직경의 기어들을 도시하는 모터 하우징(74)의 상세도이다. 회전 구동 기어(102)는 회전 허브(100) 내의 더 큰 직경의 기어를 회전시킴으로써 Ω 운동을 실행시키기 위해, 회전 서보 모터(104)에 의해 구동된다. 신축 자재 연장 구동 스크류(telescope extension drive screw)(106)는 회전 허브(100) 내에서 그 후 연장 구동 기어(108)와 맞물리는 더 작은 직경의 기어에 단단하게 커플링된다. 연장 서보 모터(110)는 회전 허브(100) 내의 더 작은 직경을 회전시킴으로써 Τ 운동의 실행의 원인이 된다. 장착 칼라(72)는 그 후 연소기 검사 포트(36)와 같은 검사 포트에 부착되는 어댑터 링(112)에 부착된다. 도 9에 도시된 것과 같이, 어댑터 링은 칼라(72) 내의 정합 내부 나사산들과 맞물리는 복수의 둘레 나사산(114)들을 포함한다. 어댑터 링(112)은 테이퍼형 헤드 기계 스크류(tapered head machine screw)(118)들의 수용을 위해 장착 홀(mounting hole)(116)들을 갖는다. 스크류(118)들은 어댑터 링(112) 내에 감금식으로(captively) 장착될 수 있다. 어댑터 링의 다른 구성들 또는 기기를 검사 포트에 부착하는 베이스(base)의 다른 형태들이 어댑터 링(112)을 대체할 수 있다.

도 10을 참조하면, 모터 캔(motor can)(64)은 한 쌍의 이격된 귀-형(ear-like) 모터 캔 피봇(motor can pivot)(122)들이 구비된 모터 캔 하우징(120)을 갖는다. 관절 결합 운동 서보 모터(124)는 구동 스크류(126)를 회전시키며 이는 카메라 피봇팅 허브(pivoting hub)(128)를 티핑(tipping)함으로써 Φ 관절 결합 운동을 부여한다. 티핑 운동 축(132)은 모터 캔 피봇(122)에 회전식으로 커플링되는 카메라 허브 피봇(130) 사이에 설정된다. 오프셋 링크(offset link)(133)는 구동 스크류(126)에 커플링되고 선형 운동을 티핑 운동 축(132)을 중심으로 하는 회전 운동으로 전환한다.

또한, 모터 캔 하우징(120)은 도 11에 도시된 것과 같이 카메라 선단부(66) 상에 θ 운동 등급을 부여하는 카메라 팬/회전 서보 모터(134)를 담고 있다. 서보 모터(134)는 그 후 회전 허브(129)를 회전시키기 위해, 카메라 피봇팅 허브(128) 내에서 회전식으로 캡쳐되는 피동(driven) 베벨 기어(bevel gear)를 그 후 포함하는 베벨 기어 트레인(bevel gear train; 136)을 구동시킨다. 회전 허브(129)는 카메라 선단 신축 자재 연장부(84)에 단단하게 커플링된다. 카메라 선단 신축 자재 연장부(84 및 86)들은, 그 후 선형 구동 스크류(142)와 맞물리는 연장 서보 모터(140)에 의해 Ε 운동 등급으로 연장되고 수축된다. 구동 스크류(142)는 구동 풀리(drive pulley)(144)를 포함하며, 그 위로 텐션된(tensioned) 케이블(cable)(146)이 지나간다. 슬레이브 풀리(slave pulley; 148)가 카메라 헤드(88)에 부착되고 또한 케이블(146)에 커플링된다. 코일 스프링(coil spring)(150)은 카메라 헤드(88)와 회전 허브(129) 사이에 끼워지고, 이들을 서로 멀어지도록 편향시키며, 이에 의해 케이블(146)에 장력을 부여한다(tensioning). 연장 서보 모터(140)에 의한 구동 스크류(142)의 선택적인 병진 운동이 카메라 헤드(88)를 도면에서 좌측 및 우측으로 이동시키는 것(운동 Ε)이 뒤따른다.

도 13 내지 도 15는 카메라 헤드 하우징(152) 및 선택적으로 제거 가능한 커버(cover)(15)를 구비한 캠쉘(camshell) 구조를 갖는 카메라 헤드(88)를 도시한다. 카메라(156)는 카메라 헤드(88)의 중앙 축을 따라 연장하는 "카메라 1" 포트(90)를 통하는 시계(FOV)를 갖는다. 카메라(158)는 카메라 헤드(88)의 중앙 축에 측방향으로 또는 수직으로 연장하는 "카메라 2" 포트(92)를 통하는 시계(FOV)를 갖는다. 카메라(156)는 프리즘(160)을 통하여 그의 이미지를 발생시킨다. 카메라(156, 158)들은 개인 컴퓨터들과 일상적으로 사용되는 타입의 공지된 오토-포커싱(auto-focusing) USB 카메라들이다. 발광 다이오드(LED; Light emitting diode)(162 및 164)들은 전력 발생 기관의 내부 검사 동안 카메라(156, 158)들을 위한 조명을 제공한다.

검사 기기(60)는 냉각 가스 라인(170) 및 가압된 냉각 가스 소스(pressurized cooling gas source)(172)(예컨대, 압축된 가스)에 의해 외부적으로 냉각되며, 도 15에 개략적으로 도시된다. 상기 냉각 가스 라인(170)은 냉각 공기 라인(170)일 수 있으며, 상기 냉각 가스 소스(172)는 냉각 공기 소스(172)(예컨대, 압축된 공기)일 수 있다.
장비로부터 멀리 열을 전달하기 위해 냉각 공기가 기기(60)를 통과하고, 여기서 냉각 공기는 카메라 포트(90, 92)들, 프리즘(160), 카메라(156, 158)들 주위 및 LED(162, 164)들과 같은 기기 외부 표면 내의 갭(gap)들을 통하여 배출된다. 이러한 갭들은 냉각 공기 배출 포트들로서 효과적으로 기능한다. 냉각 공기를 배출하는 다양한 냉각 포트들은 기기(60)로부터 열을 전달하는 것을 돕고 완전히 냉각되지 않은 터빈(30) 내부 온도보다 비교적 더 차가운 카메라 헤드(88) 주위의 열 배리어(thermal barrier)를 생성하는 것을 돕는다. 이러한 방식으로 검사 기기(60)는 터빈이 주위 공기 온도로 냉각되기 전에 많은 시간 여전히 고온인 정지 터빈 안으로 삽입될 수 있다. 이러한 방식으로 검사는 공지된 검사 시스템들에 의해 허용 가능했던 것보다 많은 시간 - 그리고 가능하게는 여러 날 - 더 일찍 개시될 수 있다. 이러한 방식으로 검사 프로세스는 개시될 수 있고 과거에 가능했던 것보다 터빈 서비스 기간(turbine service period) 내에서 더 일찍 완료되며, 가능하게는 전체 보수 사이클 시간을 감소시킨다.

카메라 검사 기기 제어 및 작동

그의 5 개의 운동 등급을 따라 위치지정 하는 검사 기기(60)는 5 개의 이전에 설명된 정밀 운동 제어 서보 모터[104(Ω), 110(Τ), 134(θ), 124(Φ), 및 140(Ε)]들을 활성시킴으로써(energizing) 달성된다. 서보 모터들은 공지된 운동 제어 시스템의 제어기에 의한 사용을 위해 모터 위치 정보 피드백(motor position information feedback)을 제공하는 연관된 엔코더(encoder)들을 갖는다. 도 16은 본 발명의 예시적인 운동 제어 시스템의 블록도이다. 이전에 설명된 검사 기기(60) 하드웨어(hardware)는 파선(60)에 의해 표시되었고, 또한 파선에 의해 표시된 제어 박스(180)와 다중 경로 케이블(192) 및 USB 카메라 케이블과 같은 공지된 통신 경로들에 의해 통신한다.

제어 박스(180)는 운동 제어기(186) 및 운동 제어 모터 구동부(188)에 전력을 공급하기 위한 제 1 및 제 2 전력 공급부(182, 184)들을 포함한다. 모든 구성요소(182 내지 188)들은 산업용 운동 제어 시스템들에 사용되는 공지된 디자인(design)이다. 운동 제어기(186)는 검사 기기(60) 서보 모터[104(Ω), 110(Τ), 134(θ), 124(Φ), 및 140(Ε)]들을 활성화시키고 역전시키기(reversing)위해 운동 제어기 모터 구동부(188)로 명령을 발행한다. 간결함을 위해 모든 이러한 모터들은 "서보 모터들"로서 집합적으로 참조된다. 각각의 서보 모터들은 그 각각의 운동 범위 내의 기기 위치를 나타내는 엔코더 신호들을 발생하는 연관된 엔코더들을 갖는다. 예컨대, 서보 모터(104)와 연관된 엔코더는 연장 튜브 부분(62)의 총 회전 위치(Ω)를 나타내는 회전 위치 신호를 발생한다. 각각의 엔코더로부터의 위치 신호 정보는 운동 제어기(186)에 의해 접속된다. 운동 제어기(186)는 검사 기기(60) 공간 위치에 의한 각각의 모터 엔코더 신호들과 상호 관련한다. 디지털 광 제어기(digital light controller )(190)는 LED(162, 164) 조명 출력 및 온(on)/오프(off)를 제어하고, 운동 제어기(186)와 통신한다. 운동 제어기(186)는 또한 검사 기기(60) 안으로의 및 이를 통하는 냉각 공기 유동, 예컨대 냉각 포트(174)로부터의 유량을 제어한다.

운동 제어기(186)는 선택적인 무선 통신 가능부(194)를 갖는다. 예컨대 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)에 따른 통신 신호들을 전달하는 케이블인, 하드웨어 내장형(hardwired) 데이터 경로(198)는 호스트(host) 제어기(200)와 통신한다. 예시적인 호스트 제어기(200)는 내부 메모리(memory) 용량 그리고 요구된다면 외부 메모리(202)를 구비한 개인 컴퓨터이다. 호스트 제어기 컴퓨터(200)는 또한 처리될 수 있는 카메라(156)(USB 카메라 1) 및 카메라(158)(USB 카메라 2)로부터 이미지 데이터를 수용하고 처리한다. 컴퓨터(200)는 메모리(202)에 원본의 또는 처리된 이미지 데이터를 파일 보관하거나 다른 방식으로 저장할 수 있다. 검사 기기(60)는 조이스틱(joystick; 204) 및/또는 HMI 시야/터치 스크린(touch screen)(206)과 같은 인간 명령 및 제어 하에서 위치될 수 있다. 카메라(156, 158)들로부터의 이미지들은 HMI 시야 스크린(206)에 의해 볼 수 있다. 선택적으로 컴퓨터(200)는 예컨대 다른 컴퓨터들과 통신하기 위해 무선 통신 가능부를 가질 수 있으며, 이는 예컨대 태블릿 컴퓨터와 같은, HMI를 갖춘 태블릿 컴퓨터(210)를 포함한다. 도 17은 카메라 1 이미지 디스플레이(image display)(212), 카메라 2 이미지 디스플레이(214), 탐침 위치 정보 디스플레이(216) 및 검사 기기(60) 위치를 조작하기 위한 HMI 제어 인터페이스(218)를 포함하는 예시적인 태블릿 컴퓨터 HMI 디스플레이 스크린을 도시한다. 태블릿 컴퓨터(210)는 호스트 제어기 컴퓨터(200)를 통하여 통신할 필요가 없이, 운동 제어기(186)와 직접 통신 가능부를 가질 수 있다.

블레이드/베인 검사 기기

블레이드/베인 검사 기기(220) 실시예가 도 18 내지 도 20에 도시된다. 이 실시예는 가스 터빈(30) 터빈 섹션(38)의 한계들 내의 회전 블레이드들과 고정 베인들 사이의 열들 사이의 검사를 위해 특히 적절하다. 도 18은 각각의 1 열의 검사 포트(50)와 2 열의 검사 포트(52)에 각각 장착되는 한 쌍의 검사 기기(220)들을 도시한다. 하지만, 검사 팀의 재량에 따라 단일 검사 기기(220)가 선택된 검사 포트에 장착될 수 있거나 2 개 초과의 검사 기기(220)들이 검사 과정 동안 동시적으로 터빈(30)에 장착될 수 있다. 유사하게, 검사 팀은 그의 재량으로 또한 임의의 검사 과정에서 검사 기기(220) 실시예와 함께 또는 검사 기기(220) 실시예 없이 하나 또는 그 초과의 검사 기기(60) 실시예들을 또한 동시적으로 작동시킬 수 있다.
각각 제 1 및 제 2 측들을 갖는 터빈 블레이드들의 열(row)을 검사하는 방법은, 상기 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측에 또는 제 2 측에 가까이 있는 검사 포트에 장착 플랜지를 부착하는 단계; 상기 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측 또는 제 2 측을 향하는 시계를 배향시키기 위해 제어 시스템에 제 1 안내 경로 또는 제 2 안내 경로를 제공하는 단계; 및 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측 또는 상기 제 2 측을 검사하는 단계;를 포함할 수 있다.

도 19 및 도 20에 도시된 것과 같이, 검사 기기(220) 실시예는 장착 플랜지(222)에 의해 가스 터빈 검사 포트(여기서 1 열의 검사 포트(50))에 장착된다. 연관된 서보 모터 및 엔코더를 구비한 선형 구동부(224)는 신축 자재 연장 위치 운동 등급(Τ)으로 검사 기기를 병진운동시킨다. 연관된 서보 모터 및 엔코더를 구비한 회전 구동부(226)는 카메라 회전/팬 운동 등급(θ)으로 검사 기기를 회전시킨다. 보어 기기(228)는 선형 구동부(224) 및 회전 구동부(226)에 기계적으로 커플링되고, 그의 시계(FOV) 내에서 캡쳐하는 카메라 헤드(230)를 갖는다. 카메라 헤드(230)는 피봇팅 프리즘(pivoting prism)(232)을 포함하며 그의 관절 결합(Φ) 운동 등급으로의 운동은 연관된 서보 모터 및 엔코더에 의해 부여된다. 보어 기기(228)는 공지된 구조이며 광섬유 렌즈(fiber optic lens)(234)들 및 조명을 비추고 카메라 헤드 시계 내의 이미지들을 카메라(336)로 전달하는 보조 외부 광(도시되지 않음)을 포함한다. 카메라(236)는 도 16에 도시된 것과 같이, 운동 제어 시스템에 커플링되는 오토 포커싱 USB 카메라일 수 있다. 검사 기기(220)의 그 운동 등급(Φ,θ 및 Τ)들을 따른 일반적인 운동 제어 및 위치지정 및 카메라 이미지 캡쳐는 검사 기기 실시예(50)에 대하여 이전에 설명된 것과 같이 수행된다.
상기 검사 시스템은 상기 검사 기기의 중앙 축선에 대해 상기 카메라 헤드의 시계를 관절식으로 이동시키도록, 상기 카메라 헤드와 제어 시스템에 커플링되는, 관절 구동부 더 포함할 수 있고, 상기 제어 시스템은 각각 제 1 및 제 2 위치들의 안내 경로와 대응하는 제 1 및 제 2 관절 위치들로 카메라 헤드를 각각 관절 이동시킬 수 있다.

검사 기기(220)는 터빈 섹션(30)이 여전히 최대 대략 150℃의 상승된 온도를 가질 때 터빈(30) 냉각 단계 내의 검사를 위한 외부 냉각 시스템을 포함한다. 검사 기기 실시예(50)에 대하여 설명되었던 것과 같이, 냉각 시스템은 카메라 헤드(230) 주위와 같은, 하나 또는 그 초과의 기능적 냉각 공기 배출 포트들을 통하여 냉각 공기 소스로부터 얻어지는 냉각 공기를 방출하는 보어 기기(228)에 평행하게 또는 그 내부에 이어진(running) 공기 라인(170)을 포함한다.

블레이드/베인 검사 기기(220) 실시예의 3 개의 운동 등급(Φ, θ 및 Τ)들은 터빈 로터가 터닝 기어 모드로 돌아가는(spinning) 동안 주어진 열 내의 모든 회전 터빈 블레이드들의 리딩 또는 트레일링(trailing) 측들의 완전한 이미지들을 얻기에 충분하다. 예컨대 도 18에서 1 열의 터빈 블레이드(44)들의 각각의 리딩 측은 검사 포트(50)에 위치되는 검사 기기(220)에 의해 검사될 수 있다. 카메라 헤드(230) 시계 내에서 각각의 개별 블레이드가 회전할 때 그의 이미지는 연관된 제어 시스템에 의해 캡쳐된다. 부분적인 또는 전체의 일련의 블레이드 이미지들은 터빈(30)이 터닝 기어 모드에 있는 동안 단일 로터(40)의 회전 동안에 얻어질 수 있다. 단일 카메라 헤드(230) 시계는 터빈 블레이드의 해당 구역의 전체의 방사상의 길이를 캡쳐하지는 않을 것이다. 카메라 헤드 기울기 각도(Φ)를 재위치지정 하거나 Τ 자유도를 따라 보어 기기(228)를 삽입/수축함으로써 카메라 시계는 블레이드 또는 베인 길이를 따라 방사상으로 재위치될 수 있다. 상이한 블레이드/베인 방사상의 위치들에서 캡쳐된 이미지들은 전체 블레이드의 전체 이미지를 생성하기 위해 조합될 수 있다. 유사하게, 1 열 내의 각각의 블레이드(44)의 트레일링 에지의 이미지는 리딩 에지들에 대하여 행해졌던 것과 같이, 터빈 검사 포트(52) 내의 검사 기기(220)를 위치지정 함으로써 캡쳐될 수 있다.
카메라 헤드 시계보다 더 긴 방사상의 길이를 갖는 터빈 블레이드들의 열을 검사하는 방법은, 상기 터빈 블레이드들의 인접하는 제 1 및 제 2 방사상 길이들을 각각 향하는 카메라 헤드 시계를 배향시키기 위해, 제어 시스템에 제 1 및 제 2 위치들을 갖는 안내 경로를 제공하는 단계; 제어 시스템에 의해 제 1 위치의 안내 경로에 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 1 방사상의 길이를 검사하는 단계; 및 제어 시스템에 의해 제 2 위치의 안내 경로에 검사 기기 시계를 자동적으로 위치지정함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 2 방사상의 길이를 검사하는 단계;를 포함할 수 있다.

예시적인 터빈 검사 과정들

본 발명의 카메라 검사 시스템은, 인간 개입 없이 가스 터빈과 같은 터빈의 해당 구역에 대한 검사 카메라 시계의 자동 위치지정 및 이미지 캡쳐 능력을 제공한다. 검사 기기 위치지정 후에 시퀀스 정보가 시스템에 제공되며, 그 후의 검사들은 상이한 검사 팀들에 의해 이들의 개별 검사 기기 위치지정 스킬 또는 검사 속도와 관계없이 반복 가능하다. 자동화 검사들은 공지된 검사 과정들과 비교할 때 인간 생성 에러(human-created error)들의 더 적은 가능성을 가지고, 더 신속하게 완료될 수 있다. 본 발명의 검사 방법들의 추가의 설명은 예시적인 산업용 가스 터빈의 검사를 참조할 것이다.

검사 기기 위치지정 시퀀스 정보는 선택된 검사 포트에 본 발명의 검사 기기 실시예를 설치하고 모든 제어된 운동들을 초기화된 또는 "시작" 위치로 배향함으로써 얻어질 수 있다. 인간 검사자는 예컨대 제어 시스템 제어기들/호스트 컴퓨터 중 하나 또는 양쪽 내에 기록되는 터빈 내의 안내된 경로를 통하여 조이스틱 또는 터치 스크린 패드(touch screen pad)의 사용에 의한 제어 시스템 HMI을 통해 검사 기기를 가이드(guide)한다. 안내 경로는 터빈 내부 구성요소들과 기기의 바람직하지 않은 충돌을 야기하지 않으면서 해당 구역 내의 검사 기기 카메라 헤드 시계를 배향하도록 선택된다.

제어 시스템은 초기에 인간에 의해 제어된 검사로부터의 안내 경로 정보를 보유하고 그 후에 동일한 터빈 또는 동일한 내부 구조를 갖는 다른 터빈들의 나중의 검사 사이클들에 대해 검사 기기 위치지정 시퀀스를 반복할 수 있다. 예컨대, 안내 경로 시퀀스는 단일 테스트 터빈(single test turbine)에 수행될 수 있고 시퀀스는 다른 원격 장소들로 통신될 수 있어서 검사 팀들에 의해 이 장소에 위치되는 동일한 구조의 가스 터빈을 검사하는데 사용된다. 현장에서, 검사 팀은 다른 가스 터빈이 원래의 가스 터빈으로부터 내부 구조의 변동들을 갖는지에 관심을 가질 수 있다. 현장의 팀은 검사를 수행하기 위해 현장의 설치 터빈을 위해 요구되는 임의의 경로 변동들을 수용하기 위해 국부적으로 중단하면서, 저장된 안내 경로를 개별적으로 단계적으로 리뷰할 수 있거나, 현장 위치한 터빈 전용의 새로운 안내 경로를 프로그램(program)하도록 선택할 수 있다.

안내 경로들은 대안적으로 인간 검사자가 모의 터빈 내의 안내 경로를 모의 실험하고 그리고 실제 터빈 검사들에서의 그 후의 사용을 위한 경로를 기록함으로써 가상 공간에서 결정될 수 있다. 다른 대안으로서, 기기 검사 모의 프로그램이 인간 검사자에 의한 리뷰 및 승인을 위해 제안된 검사 안내 경로를 제조할 수 있다.

안내 경로 시퀀스는 해당하는 하나의 위치로부터 해당하는 다른 위치로 카메라 헤드 시계를 이동시킬 수 있다. 예컨대, 검사 기기는 연소기 검사 포트에 부착될 수 있고, 이때에 검사 시스템은 연소기 내의 내부 구성요소들의 이미지들을 캡쳐하고 기록할 수 있으며, 그 후 1 열의 리딩 에지로 이동하고 이러한 베인들을 통과하며 1 열의 블레이드들의 리딩 에지를 검사할 수 있다. 터빈이 터닝 기어 모드에 있다면, 카메라 헤드는 그 후에 단일 로터 회전 동안 각각의 블레이드에 대한 동일한 이미지를 기록할 수 있다.

안내 경로 위치에 있을 때 카메라 헤드는 동일한 기준 지점으로부터 상이한 카메라 시계들로부터의 이미지 정보를 얻기 위해 재위치될 수 있다. 동일한 기준 지점으로부터 취해진 다양한 이미지들은 구조 요소들의 합성 또는 "봉합형(stitched)" 뷰(view)를 얻기 위해, 또는 터빈 내부의 임의의 또는 모든 부분들의 가상 "시찰(tour)"을 위해 조합될 수 있다.

하나의 위치로부터 다른 위치로 검사 기기 카메라 헤드 시계를 이동시키는 것 외에, 고정 카메라 헤드의 시계 내로 해당 터빈 구성요소 구역들을 이동시키는 것이 또한 가능하다. 예컨대, 터빈이 터닝 기어 모드에 있든지 또는 작업자가 완전히 멈춘 터빈 로터의 각각의 블레이드를 순차적으로(sequentially) 카메라 헤드 앞에 수동으로 "마주하게(bump)" 하든지, 블레이드와 베인 열들 사이에 삽입되는 검사 기기는 카메라 시계 내에서 회전하는 각각의 블레이드의 이미지를 캡쳐할 수 있다.

본 발명의 교시들을 포함하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 당업자는 여전히 이러한 교시들을 포함하는 다른 변화된 실시예들을 쉽게 고안할 수 있다. 예컨대, 터빈 내부 구성요소의 "광 이미지들"은 가시광 스펙트럼(spectrum)에서 또는 적외선 스펙트럼에서 얻어질 수 있다. 검사 기기 운동 등급들은 서보 모터[104(Ω), 110(Τ), 134(θ), 124(Φ), 및 140(Ε)]들에 의해 가능한 이러한 예시적인 운동들로 제한될 필요는 없다. 기기 운동은 서보 모터들에 의해 부여될 필요는 없으며, 공지된 대안적인 공압 또는 다른 운동 제어 시스템들을 포함할 수 있다.

Claims

가스 터빈(gas turbine)의 내부 검사 시스템(system)으로서 :
가스 터빈 검사 포트(gas turbine inspection port)로의 부착을 위한 장착 플랜지(mounting flange);
중앙 축선을 규정하는 기다란 본체(elongated body), 상기 장착 플랜지에 커플링되는(coupled) 기단부(proximal end) 및 가스 터빈 검사 포트 내의 삽입을 위한 말단부(distal end)를 갖는 검사 기기(inspection scope);
중앙 축선을 따라, 커플링 된 검사 기기를 병진운동 시키기 위한 선형 구동부;
중앙 축선을 중심으로, 커플링 된 검사 기기를 회전시키기 위한 회전 구동부;
검사 기기 본체 말단부에 커플링되는, 시계(field of view)를 갖는 카메라 헤드(camera head);
카메라 헤드에 의해 전달되는 이미지(image)를 캡쳐(capture)하기 위해, 상기 카메라 헤드를 통해 검사 기기에 커플링되는 카메라;
상기 검사 기기의 중앙 축선의 기단부와 말단부(inspection scope central axis proximal and distal ends)에 대해 상기 카메라 헤드의 시계를 관절식으로 이동시키도록(articulating), 상기 카메라 헤드와 제어 시스템(control system)에 커플링되는, 관절 구동부(articulation drive); 및
인간 개입 없이 해당 내부 구역에 대해 가스 터빈 내의 미리 지정된 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그 카메라 이미지를 캡쳐하기 위해 상기 선형 구동부, 회전 구동부 및 관절 구동부 그리고 카메라에 커플링되는, 상기 제어 시스템을 포함하고,
상기 검사 기기는 연장 튜브 섹션(extension tube section; 62), 모터 캔(motor can; 64) 및 카메라 선단부(camera tip; 66)를 포함하고,
상기 연장 튜브 섹션(62), 모터 캔(64) 및 카메라 선단부(66)는 모두 세장형 몸체들을 갖고, 상기 세장형 몸체들은 각각 연장 튜브 섹션 축선, 모터 캔 축선 및 카메라 선단부 축선을 형성하고,
세장형 모터 캔(64)의 한 단부는 세장형 연장 튜브 섹션(62)의 한 단부에 연결되고, 세장형 모터 캔(64)의 다른 단부는 세장형 카메라 선단부(66)의 한 단부에 연결되고,
상기 카메라 헤드는 세장형 카메라 선단부(66)의 다른 단부에 위치되고,
상기 모터 캔(64)은, 상기 카메라 선단부 축선을 중심으로 세장형 카메라 선단부(66)를 회전(θ)시키기 위한 서보 모터(servo motor; 134)를 수용할 수 있으며,
상기 카메라 선단부 축선을 중심으로 하는 세장형 카메라 선단부(66)의 회전(θ)은 상기 검사 기기의 중앙 축선을 중심으로 하는 상기 검사 기기의 회전(Ω)에 부가되는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 안내 경로를 따라 복수의 해당 구역들로 시계를 자동적으로 그리고 순차적으로 위치시키고 그의 각각의 이미지들을 캡쳐하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 검사 기기는 순차적인 위치들 사이에서 고정된 채로 남아있고, 기계 내의 복수의 해당 구역들이 안내 경로를 따라 이동하며, 제어기는 복수의 해당 구역들이 시계 내에 있을 때 카메라가 이 복수의 해당 구역들의 이미지들을 캡쳐하는 것을 야기하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 해당 구역들은 터빈 블레이드(turbine blade)들을 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 복수의 해당 구역들의 이미지들은 합성 이미지를 생산하기 위해 조합되는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 5 항에 있어서,
복수의 해당 구역들의 이미지들을 조합하고 합성 이미지를 생산하는 것; 및
복수의 횟수들로 취해진 이미지들을 조합하고 이 이미지들을 겹치는 것으로 이루어진 그룹(group)으로부터 선택되는 이미지들을 조합하는 것을 더 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 검사 기기는 내부에 카메라 헤드를 포함하는 보어 기기(bore scope)인,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 카메라 헤드에 커플링되는 관절 결합 구동부 및 검사 기기 중앙 축선에 대해 카메라 헤드 시계를 관절 결합시키기 위한 제어 시스템을 더 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 검사 기기를 통하여 가압된 냉각 가스(pressurized cooling gas)를 전달(routing)하기 위해 검사 기기에 커플링되는 냉각 시스템을 더 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 카메라 헤드 시계를 조명하기 위해 카메라 헤드에 커플링되는 조명 시스템을 더 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 시스템.
가스 터빈의 내부 검사 방법으로서 :
내부 검사 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 내부 검사 시스템은,
가스 터빈 검사 포트로의 부착을 위한 장착 플랜지;
중앙 축선을 규정하는 기다란 본체, 장착 플랜지에 커플링되는 기단부, 및 가스 터빈 검사 포트 내의 삽입을 위한 말단부를 갖는 검사 기기;
중앙 축선을 따라, 커플링 된 검사 기기를 병진운동 시키기 위한 선형 구동부;
중앙 축선을 중심으로, 커플링 된 검사 기기를 회전시키기 위한 회전 구동부;
검사 기기 본체 말단부에 커플링되는, 시계를 갖는 카메라 헤드;
카메라 헤드에 의해 전달되는 이미지를 캡쳐하기 위해, 상기 카메라 헤드를 통해 검사 기기에 커플링되는 카메라;
상기 검사 기기의 중앙 축선의 기단부와 말단부에 대해 상기 카메라 헤드의 시계를 관절식으로 이동시키도록, 상기 카메라 헤드와 제어 시스템에 커플링되는, 관절 구동부; 및
인간 개입 없이 해당 내부 구역에 대해 가스 터빈 내의 미리 지정된 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그 카메라 이미지를 캡쳐하기 위해 상기 선형 구동부, 회전 구동부 및 관절 구동부 그리고 카메라에 커플링되는, 상기 제어 시스템을 포함하는, 내부 검사 시스템을 제공하는 단계;
가스 터빈 검사 포트에 장착 플랜지를 부착시키고 내부에 검사 기기 말단부를 삽입하는 단계;
제어 시스템에 안내 경로를 제공하는 단계;
인간 개입 없이 상기 제어 시스템으로 상기 선형 구동부, 회전 구동부 및 관절 구동부를 사용하여(engage) 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고, 그 카메라 이미지를 캡쳐함으로써, 가스 터빈을 검사하는 단계; 및
리뷰(review)를 위해 카메라 이미지를 저장하는 단계를 포함하고,
상기 검사 기기는 연장 튜브 섹션(62), 모터 캔(64) 및 카메라 선단부(66)를 포함하고,
상기 연장 튜브 섹션(62), 모터 캔(64) 및 카메라 선단부(66)는 모두 세장형 몸체들을 갖고, 상기 세장형 몸체들은 각각 연장 튜브 섹션 축선, 모터 캔 축선 및 카메라 선단부 축선을 형성하고,
세장형 모터 캔(64)의 한 단부는 세장형 연장 튜브 섹션(62)의 한 단부에 연결되고, 세장형 모터 캔(64)의 다른 단부는 세장형 카메라 선단부(66)의 한 단부에 연결되고,
상기 카메라 헤드는 세장형 카메라 선단부(66)의 다른 단부에 위치되고,
상기 모터 캔(64)은, 상기 카메라 선단부 축선을 중심으로 세장형 카메라 선단부(66)를 회전(θ)시키기 위한 서보 모터(134)를 수용할 수 있으며,
상기 카메라 선단부 축선을 중심으로 하는 세장형 카메라 선단부(66)의 회전(θ)은 상기 검사 기기의 중앙 축선을 중심으로 하는 상기 검사 기기의 회전(Ω)에 부가되는,
가스 터빈의 내부 검사 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 가스 터빈을 검사하는 단계 동안 제어 시스템은 안내 경로를 따라 복수의 해당 구역들의 시계를 자동적으로 및 순차적으로 위치시키고 그 각각의 이미지들을 캡쳐하는,
가스 터빈의 내부 검사 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 가스 터빈을 검사하는 단계 내의 순차적으로 위치시키는 단계 및 이미지를 캡쳐하는 단계 중의 한 가지 이상에서, 안내 경로를 따라 다음 단계로 진행하기 전에, 인간 개입을 허용하는,
가스 터빈의 내부 검사 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 가스 터빈을 검사하는 단계 동안 :
제어 시스템에 의해 검사 기기를 고정 위치로 유지하는 단계;
안내 경로를 따라 기계 내의 복수의 해당 구역들을 이동시키는 단계; 및
카메라 및 제어 시스템에 의해, 복수의 해당 구역들이 시계 안으로 이동할 때 이 복수의 해당 구역들의 이미지들을 캡쳐하는 단계를 더 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 복수의 해당 구역들은 터닝 기어 모드(turning gear mode)로 회전되는 터빈 로터(turbine rotor) 상에 장착되는 터빈 블레이드들인,
가스 터빈의 내부 검사 방법.
제 12 항에 있어서,
복수의 해당 구역들의 이미지를 조합하고 합성 이미지를 생산하는 단계; 및
복수의 횟수들로 취해진 이미지들을 조합하고 이 이미지들을 겹치게 하는 단계로 이루어지는 그룹으로부터 선택된, 이미지들을 조합하는 단계를 더 포함하는,
가스 터빈의 내부 검사 방법.
산업용 가스 터빈의 터빈 섹션(turbine section) 검사 방법으로서 :
가스 터빈 작업을 정지시키는 단계,
내부 검사 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 내부 검사 시스템은,
터빈 섹션 검사 포트로의 부착을 위한 장착 플랜지;
중앙 축선을 규정하는 기다란 본체, 장착 플랜지에 커플링되는 기단부, 및 가스 터빈 검사 포트 내의 삽입을 위한 말단부를 갖는 검사 기기;
중앙 축선을 따라, 커플링 된 검사 기기를 병진운동 시키기 위한 선형 구동부;
중앙 축선을 중심으로, 커플링 된 검사 기기를 회전시키기 위한 회전 구동부,
검사 기기 본체 말단부에 커플링되는, 시계를 갖는 카메라 헤드;
카메라 헤드에 의해 전달되는 이미지를 캡쳐하기 위해, 상기 카메라 헤드를 통해 검사 기기에 커플링되는 카메라;
상기 검사 기기의 중앙 축선의 기단부와 말단부에 대해 상기 카메라 헤드의 시계를 관절식으로 이동시키도록, 상기 카메라 헤드와 제어 시스템에 커플링되는, 관절 구동부; 및
인간 개입 없이 해당 내부 구역에 대해 가스 터빈 내의 미리 지정된 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그 카메라 이미지를 캡쳐하기 위해 상기 선형 구동부, 회전 구동부 및 관절 구동부 그리고 카메라에 커플링되는 상기 제어 시스템을 포함하는, 내부 검사 시스템을 제공하는 단계;
가스 터빈을 150℃(300℉) 미만의 내부 온도로 냉각시키는 단계;
블레이드와 베인(vane) 열들 사이에 위치되는 터빈 섹션 검사 포트에 장착 플랜지를 부착하는 단계;
상기 제어 시스템에 안내 경로를 제공하는 단계;
인간 개입 없이 상기 제어 시스템으로 상기 선형 구동부, 회전 구동부 및 관절 구동부를 사용하여(engage) 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 그 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 터빈 섹션을 검사하는 단계; 및
리뷰를 위해 카메라 이미지를 저장하는 단계를 포함하고,
상기 검사 기기는 연장 튜브 섹션(62), 모터 캔(64) 및 카메라 선단부(66)를 포함하고,
상기 연장 튜브 섹션(62), 모터 캔(64) 및 카메라 선단부(66)는 모두 세장형 몸체들을 갖고, 상기 세장형 몸체들은 각각 연장 튜브 섹션 축선, 모터 캔 축선 및 카메라 선단부 축선을 형성하고,
세장형 모터 캔(64)의 한 단부는 세장형 연장 튜브 섹션(62)의 한 단부에 연결되고, 세장형 모터 캔(64)의 다른 단부는 세장형 카메라 선단부(66)의 한 단부에 연결되고,
상기 카메라 헤드는 세장형 카메라 선단부(66)의 다른 단부에 위치되고,
상기 모터 캔(64)은, 상기 카메라 선단부 축선을 중심으로 세장형 카메라 선단부(66)를 회전(θ)시키기 위한 서보 모터(134)를 수용할 수 있으며,
상기 카메라 선단부 축선을 중심으로 하는 세장형 카메라 선단부(66)의 회전(θ)은 상기 검사 기기의 중앙 축선을 중심으로 하는 상기 검사 기기의 회전(Ω)에 부가되는,
산업용 가스 터빈의 터빈 섹션 검사 방법.
제 17 항에 따라 각각 제 1 및 제 2 측들을 갖는 터빈 블레이드들의 열(row)을 검사하는 방법으로서 :
로터를 터닝 기어 모드로 회전시킴으로써 가스 터빈을 작동시키고, 이에 의해 블레이드들을 회전시키는 단계;
상기 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측에 가까이 있는 검사 포트에 장착 플랜지를 부착하는 단계;
상기 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측을 향하는 시계를 배향시키기 위해 제어 시스템에 제 1 안내 경로를 제공하는 단계;
인간 개입 없이 제어 시스템에 의해 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 적어도 복수의 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측의 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 1 측을 검사하는 단계;
상기 터빈 블레이드들의 제 2 측에 가까이 있는 검사 포트에 장착 플랜지를 부착하는 단계;
상기 터빈 블레이드들의 상기 제 2 측을 향하는 시계를 배향시키기 위해 제어 시스템에 제 2 안내 경로를 제공하는 단계;
인간 개입 없이 제어 시스템에 의해 안내 경로를 따라 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 적어도 복수의 터빈 블레이드들의 상기 제 2 측의 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 2 측을 검사하는 단계; 및
리뷰를 위해 블레이드의 제 1 및 제 2 측 카메라 이미지들을 저장하는 단계를 포함하는,
터빈 블레이드들의 열을 검사하는 방법
제 17 항에 따라 각각 카메라 헤드 시계보다 더 긴 방사상의 길이를 갖는 터빈 블레이드들의 열을 검사하는 방법으로서,
로터를 터닝 기어 모드로 회전시킴으로써 가스 터빈을 작동시키고, 이에 의해 블레이드들을 회전시키는 단계;
상기 터빈 블레이드들의 측으로부터 가까이 있는 검사 포트에 장착 플랜지를 부착하는 단계;
상기 터빈 블레이드들의 인접하는 제 1 및 제 2 방사상 길이들을 각각 향하는 카메라 헤드 시계를 배향시키기 위해, 제어 시스템에 제 1 및 제 2 위치들을 갖는 안내 경로를 제공하는 단계;
인간 개입 없이 제어 시스템에 의해 제 1 위치의 안내 경로에 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 적어도 복수의 터빈 블레이드들의 상기 제 1 방사상 길이의 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 1 방사상 길이를 검사하는 단계;
인간 개입 없이 제어 시스템에 의해 제 2 위치의 안내 경로에 검사 기기 및 시계를 자동적으로 위치지정하고 적어도 복수의 터빈 블레이드들의 상기 제 2 방사상 길이의 카메라 이미지를 캡쳐함으로써 회전 터빈 블레이드들의 상기 제 2 방사상 길이를 검사하는 단계; 및
리뷰를 위해 블레이드 제 1 방사상 길이 및 제 2 방사상 길이 카메라 이미지들을 저장하고, 요구된다면, 복합 이미지를 형성하기 위해 하나 이상의 터빈 블레이드에 대한 대응하는 제 1 및 제 2 이미지들을 조합하는 단계를 포함하는,
터빈 블레이드들의 열을 검사하는 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 각각 제 1 및 제 2 위치들의 안내 경로와 대응하는 제 1 및 제 2 관절 결합 위치들로 카메라 헤드를 각각 관절 결합시키는,
터빈 블레이드의 열을 검사하는 방법.