KR20150046264A - 가스 터빈 연소기 섹션 내의 온-라인 광학 감시를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
온 라인 광학 검사 및 감시 시스템은 연소기 하우징 내에 존재하는 맨 웨이 보수용 출입 통로 외부에 장착된다. 광학 윈도우를 가지는 대체 맨 웨이 덮개는 연소기 하우징에 장착된다. 하나 또는 그 초과의 광학 카메라들은, 카메라 시야(FOV)가 맨 웨이 덮개 광학 윈도우를 통하여 지향되도록, 배향된다. 카메라 FOV는 자동화 움직임 제어 시스템의 제어 하에서와 같이, 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동하고, 영상들이 캡처된다. 다수의 영상들은 연소 섹션 내의 전체 병진 운동에 대한 영상을 포함할 수 있는, 합성 영상을 형성하도록 조합된다. 비주얼 영상 및/또는 적외선(IR) 열적 영상이 캡처될 수 있다. 열적 영상 정보는 컴포넌트 온도와 상관된다. 영상 정보는 영상화 컴포넌트들의 진동 특성들을 판단하기 위해 이용된다.
Description
관련 출원들에 대한 교차 출원
본 출원은 발명의 명칭이 "가스 터빈 전이부들의 차가운 측의 온-라인 감시(On-Line Monitoring Of The Cold Side Of Gas Turbine Transitions)"이고 2012년 8월 23일에 출원되고 일련 번호 61/692,416호가 할당된 공동-계류중인 미국 가 특허 출원의 이익을 청구하며, 이 미국 가 특허 출원은 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 출원은 또한 발명의 명칭이 "가스 터빈들 내에서 연소기 바스켓 및 전이 부의 원격 진동 감지를 위한 시스템(System For Remote Vibration Detection On Combustor Basket And Transition In Gas Turbines)"이고 2012년 8월 22일에 출원되고 일련번호 13/591,635호가 할당되고 공통 소유되고 공동-계류중인 미국 특허 출원의 전체를 인용에 의해 본원에 포함한다.
발명의 분야
본 발명은 가스 터빈 연소기 섹션 내의 온-라인 광학 감시에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학 윈도우(optical window)를 가지는 맨 웨이 덮개(man way cover) 상의 연소기 맨 웨이 보수용 출입 통로(combustor man way service access) 외부에 하나 또는 그 초과의 광학 카메라들을 장착하는 광학 시스템 및 검사 방법에 관한 것이다. 외부 카메라 시야는 광학 윈도우를 통하여 배향되어, 전이부(transition)들과 같은 연소 섹션 내부 컴포넌트들에 대한 영상들을 캡처한다(capture). 영상 정보는 연소기 섹션들 내의 관찰 가능한 구조적 상태, 진동 및/또는 온도 분포들 중 하나 또는 그 초과를 검사, 감시, 및/또는 도표화하기 위해 사용된다.
가스 터빈 연소기 섹션, 및 특히 전이부 컴포넌트들 내의 정상 상태 및 과도 온도 및/또는 진동 특성들의 감시는 터빈 설계, 확인 및 작동을 위한 바람직한 툴(tool)들이다. 이러한 컴포넌트들은 연소 가스 역학(dynamics)에 의해 유발된 유도 온도 및 진동의 과도적 여기(excitations)에 민감하다. 효율 및 배출 기준들을 고려하면, 가스 터빈들의 작동은, 효율을 유지하고 배출 표준들을 충족하고 바람직하지 않은 연소 역학 특성들에 의한 진동 및/또는 열적 손상을 회피하도록, 설계 및 작동 접근들의 밸런싱(balancing)을 요구한다. 따라서 가스 터빈 엔진 설계 및 후속하는 현장 작동 동안, 과도적 상태이든 정상 상태든 간에, 전이부들과 같은 연소기 컴포넌트들을 손상시킬 수 있는 연소 열 및 진동 특성들 중 어느 하나 또는 모두를 감시하는 것이 유익하다.
특히, 연소기 내의 국부적 압력 및 온도 상태들을 고려하면, 계기들에 의한 연소기 전이부들의 온-라인 진동 및 열적 감시가 어렵다. 공지된 연소 특성 감시 계기 장비는, 온도 및/또는 온도 변화를 연소 특성들과 연관시키는, 연소기 내에 배향된 단일 열전쌍들 또는 열전쌍 어레이들을 포함한다. 그러나 심지어 열전쌍들의 어레이는, 열전쌍들을 갖지 않는 다른 연소기 위치들에서의 온도 상태들을 판단하는데 반드시 외삽법에 의해 추정되지 않을 수 있는, 이산 위치(discrete location)들에서의 국부적인 온도 정보만을 제공한다. 연소기 섹션 내에 매립된 온-라인 감시 계기들은 연소기 섹션 외부의 주변 상태들보다 더 큰 온도 및 압력 환경들을 겪는다. 매립된 계기들은 고온의 가압된 연소 가스들에 의해 손상되기 쉬어, 계기들의 잠재적 보수 신뢰성 및 수명을 감소시킨다. 손상된 매립 계기들은 매립된 계기들의 제거 또는 대체를 용이하게 하도록 엔진 중단, 이에 따른 보수 중단을 요구한다.
다른 공지된 가스 터빈 연소기 섹션 온도 및 진동 감시 계기 장비는 감시된 장소들에서 국부적 특성들을 판단한다. 그러나 열전쌍 어레이들을 사용하는 경우, 국부적인 정보가 다른 연소기 위치들에서 유사한 정보를 판단하는데 반드시 외삽법에 의해 추정되지 않을 수 있는 이산 위치들에서 습득되었다. 예시적으로 공지된 국부적인 온도 및 진동 감시 계기 장비 센서들은: 매립된 압력 변환기들(예를 들면, 피에조-전기 변환기들); 매립되고 외부에 장착된 가속도계들; 및 화염 발광을 연소 열 음향 진동 특성들을 연관짓는 광학적 시스템들을 포함한다. 앞에서 인용된, 발명의 명칭이 "가스 터빈들에서 연소기 배스킷 및 전이부 상의 원격 진동 감지를 위한 시스템"이고 2012년 8월 22일에 출원되고 일련 번호 13/591,635호가 할당되고 공통 소유되고 공동-계류중인 미국 특허 출원은 광자들을 연소기 섹션 내부 표면들로부터 반사시키고 반사와 내부 진동 특성들을 상관시키는(correlate) 외부에 장착된 광자 전송기들 및 수신기들에 관한 것이다. 외부에 장착된 전송기들 및 수신기들은 검사 포트들 등에 부착된 광학 윈도우들을 통해 광자들을 통과시킨다. 후방 산란, 회절 또는 위상-도플러 원리들을 적용하는 다른 레이저-광학 센서들은 연소기 내의 냉각수 주입 함량 및 액적 분포를 감시하기 위해 제안되었다.
이에 따라, 연소기 전이부의 길이를 따르는 것과 같이, 연소기 섹션 내의 비주얼 영상(visual image)들, 진동 및/또는 온도 분포들 중 하나 또는 그 초과를 검사, 감시 및/또는 도표화를 할 수 있는 온-라인(on-line) 가스 터빈 연소기 섹션 광학적 영상 감시 시스템에 대한 요구가 존재한다.
하우징 구조를 변경하지 않는 동시에 가스 터빈 연소기 외부에 장착되는 온-라인 가스 터빈 연소기 섹션 광학적 영상 감시 시스템에 대한 다른 요구가 존재한다.
단일 관측 위치로부터 연소기 섹션의 상당한 길이를 따라 영상 정보를 스캐닝하여 모으는 온-라인 가스 터빈 연소기 섹션 광학적 영상 감시 시스템에 대한 다른 요구가 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 연소기 섹션 내에서, 예컨대 연소기 전이부의 길이를 따라서 비주얼 영상들, 진동 및/또는 온도 분포들 중 하나 또는 그 초과를 검사, 감시 및/또는 도표화할 수 있는 온-라인 가스 터빈 연소기 섹션 광학적 영상 감시 시스템을 생성하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하우징 구조를 변경하지 않으면서 가스 터빈 연소기 외부에 장착되는 온-라인 가스 터빈 연소기 섹션 광학적 영상 감시 시스템을 생성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 관측 위치로부터 연소기 섹션의 상당한 길이를 따라 영상 정보를 스캐닝하여 모으는 온-라인 가스 터빈 연소기 섹션 광학적 영상 감시 시스템을 생성하는 것이다.
이러한 및 다른 목적들은 본 발명에 따라 연소기 하우징 내에 존재하는 맨 웨이 보수용 출입 통로 외부에 장착되는 온-라인 작동 가스 터빈 연소 섹션 광학 검사 및 감시 시스템에 의해 달성된다. 광학 윈도우를 가지는 대체 맨 웨이 덮개(replacement man way cover)가 연소기 하우징에 장착된다. 카메라 시야(FOV)가 맨 웨이 덮개 광학 윈도우를 통하여 배향되도록, 하나 또는 그 초과의 광학 카메라들이 배향된다. 카메라 FOV는 예컨대, 자동화 움직임 제어 시스템의 제어 하에서 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동되고, 영상들이 캡처된다. 다수의 영상들은 조합되어 합성 영상을 형성하는데, 이 합성 영상은 연소 섹션 내의 전체 전이부에 대한 영상을 포함할 수 있다. 비주얼 영상들 및/또는 적외선(IR) 열적 영상들이 캡처될 수 있다. 열적 영상 정보는 공지된 방사율의 페인트(known emissivity paint) 또는 시야(FOV) 열전쌍들과 같은 다른 측정 계기들을 사용한 카메라의 교정으로부터 습득된 실제 온도 정보와 상관될 수 있다. 전이부들과 같은 컴포넌트들의 합성 열적 영상들은 겹쳐진 시야들에 의해 영상들을 함께 스티칭(stitching)함으로써 생성될 수 있다. 비주얼 영상 정보는 영상 컴포넌트들의 진동 특성들과 산화의 존재를 판단하고 컴포넌트들의 비주얼 검사를 시야 내로 전달하는데 이용될 수 있다.
실시예들은 산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 광학적 윈도우를 가지는 종래의 맨 웨이 덮개를 연소 섹션 보수용 맨 웨이에 커플링하는 단계를 포함한다. 맨 웨이 외부에 위치된 광학 카메라는 광학 윈도우를 통하여 관측하도록 배향되어, 광학 카메라가 연소 섹션 내의 관심 영역들에 대한 영상들을 캡처할 수 있다. 카메라 FOV는 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동되고 영상들은 각각 각자의 위치에서 캡처된다. 캡처된 영상들은 합성 영상으로 조합된다. 카메라 FOV는 연소 섹션 전이부의 합성 영상을 형성하도록 연소 섹션 전이부의 입구와 출구 사이의 연소 섹션 전이부의 길이를 따라 이동될 수 있다. 관심 영역의 원격 온도 감시는 교정된 적외선 카메라로 수행된다. 관심 영역들의 원격 진동 감시는 또한 관심 영역의 상대적 움직임을 감시하고 움직임과 변위를 상관시킴으로써 공간 교정식 가시광선 카메라로 수행될 수 있다. 고속 푸리에 변환 또는 이산 푸리에 변환이 이어서 진동 주파수를 판단하도록 공지된 프레임 레이트로 사용될 수 있다. 적외선 및 가시광선 카메라들 모두가 동시에 이용될 수 있다. 상기 카메라들은 빔 스플리터에 의해 제공된 공유된 공통 광학 경로를 이용할 수 있어 카메라들 모두로부터의 영상들이 덮어 씌워질 수 있다. 영상들은 자동화된 움직임 및 카메라 제어 시스템의 제어 하에서 습득될 수 있다. 광학 감시 시스템은 바람직하게는 냉각 시스템 인클로저 내에 유지된다.
다른 실시예는 산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템에 관한 것으로, 연소 섹션 보수용 맨 웨이에 커플링하기 위해 구성된, 광학 윈도우를 가지는 맨 웨이 덮개; 및 맨 웨이 외부에 위치되고, 광학 윈도우를 통하여 배향되는 시야(FOV)를 가져서, FOV가 연소 섹션 내의 관심 영역에 대한 영상들을 캡처할 수 있는 광학 카메라를 포함한다. 상기 시스템은 또한 카메라 FOV를 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동시키기 위해 카메라에 커플링되는 움직임 제어 구동 시스템; 및 움직임 제어 구동 시스템이 카메라를 위치 설정하도록 하고 각각의 위치에서 각각의 영상들을 캡처하기 위해, 움직임 제어 시스템 및 카메라에 커플링된 제어 시스템을 포함한다. 영상 처리 시스템은 각각의 캡처된 영상들을 합성 영상으로 조합한다.
또 다른 실시예는 산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템에 관한 것으로, 연소 섹션 보수용 맨 웨이에 커플링하기 위해 구성된, 광학 윈도우를 가지는 맨 웨이 덮개를 포함한다. 쌍을 이루는 적외선 카메라 및 가시 광선 스펙트럼 카메라는 공유된 공통 광학 경로 빔 스플리터에 커플링되며, 카메라들 모두는 동일한 공유된 시야(FOV)를 갖는다. 상기 카메라들 모두는 맨 웨이 외부에 위치되고, 공유된 FOV는 광학 윈도우를 통하여 배향되어, 카메라들 모두가 연소 섹션 내의 동일한 관심 영역들에 대한 영상들을 캡처할 수 있다. 각각의 원격 집속 시스템들은 각각의 카메라에 커플링된다. 움직임 제어 구동 시스템들은, 공유된 카메라 FOV를 병진 운동, 롤(roll) 및 틸트(tilt) 움직임 축선들을 따라 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동시키기 위해. 카메라 및 빔 스플리터에 커플링된다. 제어 시스템은, 움직임 제어 구동 시스템이 FOV를 선택된 경로를 따라 위치 설정하도록 하기 위해 그리고 각각의 위치에서 각각의 영상들을 캡처하기 위해, 움직임 제어 시스템, 각각의 원격 집속 시스템들 및 각각의 카메라들에 커플링된다. 영상 처리 시스템은 각각의 캡처된 영상들을 합성 영상으로 조합하는데, 이 합성 영상은 적외선 카메라에 의해 캡처된 영상 선명도 정보(image intensity information)로부터 유도된 온도 정보 및 가시 광선 스펙트럼 카메라에 의해 캡처된 움직임 정보로부터 유도된 진동 주파수 정보를 포함할 수 있다. 맨 웨이 외부의 냉각 인클로저는 카메라 및 움직임 제어 시스템들을 둘러싼다. 공기 조화기 유닛과 같은, 냉각 시스템은 인클로저 내에서 냉각 유체를 순환하기 위해 인클로저에 커플링된다.
본 발명의 목적들 및 특징들은 당업자에 의해 임의의 조합 또는 하위-조합으로 함께 또는 개별적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 사상들은 첨부된 도면들과 관련하여 아래의 상세한 설명들을 고려함으로써 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 온-라인 광학 작동식 감시 시스템의 개략적인 사시도를 도시하며;
도 2는 연소 터빈 전이부의 검사를 수행하는 도 1의 예시적인 온-라인 광학 작동식 감시 시스템의 개략적인 축방향 정면도를 도시하며;
도 3은 도 2의 3-3을 따라 취한, 연소 터빈 전이부의 검사를 수행하는 도 2의 예시적인 온-라인 광학 작동식 감시 시스템의 개략적인 반경 방향 횡단면도이며;
도 4는 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 윈도우 및 조명 포트들을 구비한 맨 웨이 덮개의 평면도이며;
도 5는 도 4의 5-5를 따라 취한, 도 4의 맨 웨이 덮개의 정면의 횡단면도이며;
도 6은 카메라 시스템 및 이의 덮개가 점선으로 도시된, 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템에 사용된 예시적인 움직임 제어 시스템의 개략적인 사시도이며;
도 7은 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템과 함께 사용된 예시적인 카메라 시스템의 정면도이며;
도 8은 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템과 함께 사용된 예시적인 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 공통인 동일한 요소들을 표시하도록, 가능한 한, 동일한 도면부호들이 사용되었다.
도 1은 본 발명의 예시적인 온-라인 광학 작동식 감시 시스템의 개략적인 사시도를 도시하며;
도 2는 연소 터빈 전이부의 검사를 수행하는 도 1의 예시적인 온-라인 광학 작동식 감시 시스템의 개략적인 축방향 정면도를 도시하며;
도 3은 도 2의 3-3을 따라 취한, 연소 터빈 전이부의 검사를 수행하는 도 2의 예시적인 온-라인 광학 작동식 감시 시스템의 개략적인 반경 방향 횡단면도이며;
도 4는 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 윈도우 및 조명 포트들을 구비한 맨 웨이 덮개의 평면도이며;
도 5는 도 4의 5-5를 따라 취한, 도 4의 맨 웨이 덮개의 정면의 횡단면도이며;
도 6은 카메라 시스템 및 이의 덮개가 점선으로 도시된, 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템에 사용된 예시적인 움직임 제어 시스템의 개략적인 사시도이며;
도 7은 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템과 함께 사용된 예시적인 카메라 시스템의 정면도이며;
도 8은 본 발명의 온-라인 광학 작동식 감시 시스템과 함께 사용된 예시적인 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 공통인 동일한 요소들을 표시하도록, 가능한 한, 동일한 도면부호들이 사용되었다.
아래의 설명을 고려한 다음, 본 발명의 사상들이 유용하게는, 현존 연소기 하우징의 변형 없이, 연소기 하우징 내의 존재하는 맨 웨이 보수용 출입 통로 외부에 장착되는 온-라인 작동 가스 터빈 연소 섹션 광학 검사 및 감시 시스템에 용이하게 이용될 수 있다는 것을, 당업자가 자명하게 이해될 것이다. 광학 윈도우를 가지는 대체 맨 웨이 덮개가 연소기 하우징에 장착된다. 하나 또는 그 초과의 광학 카메라들은 연소기 하우징 외부로 배향됨으로써, 카메라 시야(FOV)가 맨 웨이 덮개 광학 윈도우를 통하여 지향되어, 연소 섹션 내부를 볼 수 있게 한다. 카메라 FOV는 예컨대, 자동화 움직임 제어 시스템의 제어 하에서, 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동되고 영상들이 캡처된다. 다수의 영상들은 영상 처리 시스템에서 조합되어 예로서 연소 섹션 내의 전체 전이부에 대한 영상을 포함할 수 있는 합성 영상을 형성한다. 비주얼 영상들 및/또는 적외선(IR) 열적 영상이 캡처될 수 있다. 열적 영상 정보는 열전쌍들과 같은 다른 측정 계기들로부터 습득한 실제 온도 정보와 상관될 수 있고 전이부들과 같은 컴포넌트들의 합성 열적 영상들이 생성될 수 있다. 영상 정보는 영상화된 컴포넌트들의 진동 특성들을 판단하기 위해 이용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 맨 웨이 보수용 출입 통로 포트(22)를 포함하는 예시적인 연소 섹션 케이싱 또는 하우징(20)을 도시한다. 대체 맨 웨이 덮개(24)는 체결 장치들(도시안됨)에 의해 맨 웨이 출입 통로 포트(22)에 커플링되고 광학 윈도우(26)를 포함한다. 맨 웨이 덮개(24)는 연소 섹션을 주변 환경으로부터 격리한다. 온-라인 광학 감시 시스템(30)은 바람직하게는 가스 터빈 연소 섹션 하우징(20)을 둘러싸는 비교적 고온의 주변 환경으로부터 상기 시스템을 격리하도록 외부의 냉각 인클로저(32), 및 인클로저 내에 냉각 유체를 공급하는 냉각 시스템(34)을 포함한다. 적절한 냉각 시스템은 휴대용 공기 조화기 시스템이다. 하나 또는 그 초과의 카메라들을 포함하는 광학 카메라 시스템(40)은 맨 웨이 덮개(24)에 대해 배향되어 카메라 시야(FOV)가 맨 웨이 덮개 광학 윈도우(26)를 통해 배향된다. 카메라 시스템 FOV는 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동되며 영상들은 각각의 소망하는 위치에서, 바람직하게는 자동화 움직임 제어 시스템(50)의 제어하에서, 캡처된다. 예시적인 움직임 제어 시스템(50)은 4개의 축선들: 병진 이동 축선(X 및 Y)들, 피벗식 롤(R) 및 피벗식 피치(P)를 따라 운동할 수 있다. 다른 움직임 축선들이 설명된 예시적인 축선들에 부가될 수 있거나 이 축선들 중 어느 하나를 대체할 수 있다.
예시적인 연소기 전이부(28)들이 도 2 및 도 3에 도시된다. 캡처된 영상들은, 전이부(28)의 합성 영상들을 포함하여, 하나 또는 그 초과의 합성 영상들을 형성하도록 각각의 캡처된 영상들을 조합할 수 있는 영상 처리 시스템에서 처리된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 전이부(28)들은 자동화 움직임 제어 시스템(50)을 구비한 카메라 시스템(40)을 선택적으로 병진 운동시키고 피벗팅시킴으로써 광학 윈도우(26)를 통하여 스캐닝됨과 동시에 영상화될 수 있다. 가스 터빈이 작동할 때, 전이부(28)들은 연소 가스들에 의해 가열되고 주파수(f)에서 진동한다. 어레이 내의 열전쌍(T) 또는 복수의 열전쌍들은 연소기 배스킷에 또는 (도시된 바와 같이) 전이부(28) 내에 부착되고 각각 국부적인 온도 정보를 케이블(78)을 통해 시스템 제어 스테이션(70)으로 제공한다.
도 4 및 도 5는 맨 웨이(22) 외부 플랜지에 커플링되는 광학 윈도우(26)를 구비한 예시적인 맨 웨이 덮개(24)를 도시한다. 맨 웨이 덮개(24)는 또한 비주얼 카메라 검사들과 관련하여 사용되는, 조명 램프(49)들의 수용을 위한 하나 또는 그 초과의 포트(28)들을 갖는다. 이어서 장착판(36)이 맨 웨이 덮개(24), 또는 광학 윈도우(26)를 통한 광학 검사 시스템(30) 시야의 배향을 용이하게 하는 다른 대안적인 외부 장착 구조물에 커플링된다.
예시적인 광학 검사 시스템(30) 움직임 제어 시스템(50)이 도 6의 사시도에 도시된다. 감시 시스템 덮개(32) 및 공기 조화 냉각 시스템(34)이 점선으로 도시된다. 움직임 제어 시스템 병진 운동 테이블(51)이 장착 판(36)에 커플링된다. X 축선 움직임 캐리지(52)는 X 축선을 따른 움직임을 용이하게 한다. 유사하게 Y 축선 움직임 캐리지(53)는 Y 축선을 따른 움직임을 용이하게 한다. 카메라 시스템 프레임(54)은 롤러들 상의 아치형 트랙(56)들과 미끄럼 가능하게 맞물리는데, 이 아치형 트랙들은 롤 축선(R)을 따른 카메라 시스템 FOV의 피벗 위치 설정을 용이하게 한다. 피치 아치형 트랙(58)들은 카메라 시스템 프레임(54)에 커플링된다. 유사하게 카메라 시스템은 롤러들 상에 피치 아치형 트랙(58)과 미끄럼 가능하게 맞물리는 카메라 장착 기부(41)(또한 도 7 참조)를 가지는데, 이 아치형 트랙들은 아치 축선(P)을 따른 카메라 시스템 FOV의 피벗 위치 설정을 용이하게 한다. 다른 공지된 움직임 제어 컴포넌트들 및 대안적인 움직임 축선들이 예시적인 움직임 제어 시스템(50)을 대체하게 된다. 각각의 움직임 제어 위치 설정 구동부(60, 62, 64 및 66)들은 각각의 롤(R), X 및 Y 병진 운동, 및 피치(P) 움직임 축선들을 따라 카메라 시스템(40) 및 이의 시야의 선택적인 위치 설정을 용이하게 한다.
예시적인 카메라 시스템(40)이 도 7에 도시된다. 카메라 장착 기부(41)는 광학 경로(OP)를 따른 카메라 FOV의 선택적 배향을 위해 움직임 제어 시스템(50)에 커플링된다. 하나 또는 그 초과의 광학 카메라들은 카메라 장착 기부(41)에 커플링되고 각각 개별 광학 경로들 및 시야를 가질 수 있다. 이러한 예시적인 카메라 시스템(40)에서 한 쌍의 가시 광선 스펙트럼 카메라(42) 및 적외선(IR) 스펙트럼 카메라(44)는, 가시 광선 스펙트럼을 반사하고 적외선 스펙트럼을 전달하는 "콜드 미러(cold mirror)" 빔 스플리터와 같은, 광학 빔 스플리터(46)를 통과하는 공통 광학 경로(OP) 및 FOV를 공유한다. 각각 각자의 카메라(42, 44)는 개략적으로 도시된 각자의 원격 집속 시스템(43, 45)을 갖는다. 원격 집속은 전자기계적 시스템들에 의해 또는 영상 처리 시스템과 함께 소프트웨어로 수행될 수 있다. 적외선 카메라는, 상기 카메라에 의해 수신된 적외선 강도를 조정하도록 원격 작동식 필터 휠을 포함하는, 중성 밀도 필터(neutral density filter; 48)를 갖는다.
광학 감시 시스템(30)을 위한 예시적인 제어 시스템이 도 8에 도시된다. 제어 시스템(70)은 산업용 프로그램 가능한 논리 제어기, 또는 카메라 시스템(40) 및 움직임 제어 시스템(50)과 통신하는 퍼스널 컴퓨터와 같은 공지된 제어기(71)를 이용한다. 더욱 상세하게는 제어기(71)는 영상 캡처 및 초점 명령(focus command)들을 각각의 가시광선 및 IR 카메라들/집속 시스템들(42/43 및 44/45)로 발송하여(issue) 이들로부터 캡처된 영상들을 수신한다. 제어기(71)는 IR 카메라에 의해 수신된 적외선 강도를 조정하도록 IR 카메라 필터 휠을 선택적으로 작동한다. 또한, 가시광선 카메라를 이용할 때 조명 램프(49)들을 선택적으로 작동시키고 IR 카메라를 이용할 때 램프들을 비작동시킨다. 제어기(71)는 또한 움직임 명령들을 움직임 제어 시스템 위치 설정 구동부(60 내지 66)들로 발송한다. 부가적으로 제어기(71)는 하나 또는 그 초과의 열전쌍(T)들로부터 작동 온도 정보를 간접적으로 또는 직접적으로 수신한다. 선택적으로 제어기(71)는 공기 조화 냉각 시스템(34)을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 제어기(71) 명령 및 제어 기능들은 하나 또는 그 초과의 공지된 피드백 루프들을 이용할 수 있다. 제어기(71)는 무선 또는 광학 섬유 통신을 포함한(비록 다른 유형들의 공지된 통신 경로들이 설정될 수 있지만) 케이블(78)을 통하여 제어 디바이스(42, 43, 44, 45, 48, 60 내지 66) 및 선택적으로 냉각 시스템(34) 또는 열전쌍(T)들과 통신한다.
제어기(71)는 프로세서(72), 및 내부 또는 원격 접근 메모리(74)에 저장된 비-과도적 지시 소프트웨어 지시 세트들에 접근하여 구현하는 작동 시스템을 이용한다. 예시적인 저장 지시 세트들은 선택적으로 하나 또는 그 초과의 카메라 영상 습득 및 제어(140)(예를 들면, 영상 캡처, 카메라 초점, IR 필터 조정 및/또는 램프 조명), 움직임 제어(150), 영상 처리(160), 진동 감시(165), 온도 감시(170) 및 공기 조화 제어(134) 기능들을 포함한다. 제어 시스템(70)은 통신 디바이스(76)를 통하여 하나 또는 그 초과의 인간-기계 인터페이스(80) 또는 (다른 데이터 처리 시스템들, 터빈 작동 제어 시스템들, 원격 보수 감시 시스템들, 데이터 저장 디바이스들, 등과 같은) 원격 디바이스(82)들로 외부/원격 통신할 수 있다. 고정 배선(hard wired) 단방향 또는 양방향 통신, 데이터 버스들, 인터넷, 인트라넷, LAN 및 무선 통신(예를 들면, WLAN 또는 WWAN)을 포함하는 외부 및 원격 통신 경로들이 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 제어 시스템(70)이 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 특수 목적 프로세서들, 또는 이들의 조합의 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 위에서 설명된 바와 같이, 바람직하게는 본 발명은 프로그램 저장 디바이스 상에서 확실히 구현되는 하나 또는 그 초과의 프로그램 지시 세트들로서 소프트웨어로 실행된다. 프로그램(들)은 임의의 적절한 구성을 포함하는 기계에 업로드되어 이에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는, 기계는 하나 또는 그 초과의 중앙 처리 유닛들(CPU), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 입력/출력(I/O) 인터페이스(들)와 같은 하드웨어를 가지는 컴퓨터 플랫폼상에서 구현된다. 컴퓨터 플랫폼은 또한, 작동 시스템 및 마이크로인스트럭션 코드(microinstruction code)를 포함한다. 본원에서 설명된 다양한 프로세스들 및 기능들은 마이크로인스트럭션 코드의 일부 또는 작동 시스템을 통해 실행되는 프로그램의 일부(또는 이들의 조합)일 수 있다. 게다가, 다양한 다른 주변 디바이스들은 부가 데이터 저장 디바이스들, 다른 원격 정보 처리 시스템들 및 인간 기계 인터페이스(human machine interface)들과 같은 컴퓨터 플랫폼에 연결될 수 있다.
첨부 도면들에 설명된 구성 시스템 컴포넌트들 및 방법 단계들은 바람직하게는 소프트웨어로 구현되기 때문에, 시스템 컴포넌트들(또는 프로세스 단계들) 사이의 실제 연결들은 본 발명이 프로그래밍되는 방식에 따라 상이할 수 있다는 것이 또한, 이해되어야 한다. 상세하게는, 컴퓨터들 또는 디바이스들 중 어느 하나가 임의의 현존의 또는 나중에 발견되는 네트워킹 기술을 사용하여 상호 연결될 수 있고 또한 이들 모두는 인터넷과 같은 직원용 사내 네트워크, 메트로폴리탄 네트워크 또는 글로벌 네트워크와 같은 규모가 더 큰 네트워크 시스템을 통하여 연결될 수 있다.
영상 처리은 제어 시스템(70) 내에서 직접적으로 수행되거나 제어 시스템에 커플링되는 별도의 영상 처리 시스템에 의해 수행될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 하나 또는 그 초과의 연소 섹션 전이부(28)들의 예시적인 영상 스캔에서, 제어 시스템(70)은 움직임 제어 시스템이 하나 또는 두 개의 인접한 전이부들의 길이를 따라 카메라 시스템(40) FOV를 위치 설정하게 한다. 스캔 동안 제어 시스템(70)은 카메라 시스템(40)이 영상 품질을 위한 필요에 따라 대로 초점을 변화시키게 하고 전이부(28) 길이를 따라 영상 스냅 샷들을 캡처하도록 하며 영상들은 추가 분석을 위해 저장될 수 있다. 인접한 영상들은 공지된 영상 처리 소프트웨어를 사용하여 합성 영상으로 스티치(stitch)된다. 열적 IR 합성 영상들은 IR 강도에서의 상대적 변화를 기초로 하여 전이 길이를 따른 온도 변화들을 도표화한다. 강도 편차들은 제어 시스템(70)에 또는 별도의 영상 처리 시스템에 저장된 흑체(blackbody) 강도들/온도 데이터와 IR 강도들을 비교함으로써 실제 온도들과 상관된다. 흑체 데이터 유도 온도는 스캔 FOV 내 또는 스캔 FOV에 근접한 열전쌍(T)에 의해 또는 시야 내에 배치되는 공지된 방사율을 가지는 페인트 또는 다른 물체들의 관측에 의한 방사율 교정에 의해 측정된 실제 온도로 교정되며 그 후 다른 유도된 온도들을 조정한다. 비주얼 영상들은 조작자들이 전이부들의 구조적 결함들을 검사하는 것을 가능하게 한다. 전이부 진동 주파수(f)는 상이한 영상 샘플 시간들에서 취한 전이부의 다른 표면상의 참조 마커(reference marker)의 위치에서의 편차들을 상관시킴으로써 결정될 수 있다. 샘플 스캔들 사이의 위치 편차들은 전이부 진동 움직임에 의해 유발된 외부 표면과 카메라 사이의 배향들을 변화시키는 것으로 여겨진다. 진동 편차들은 전이부(28)의 길이에 따라 도표화될 수 있다.
본 발명의 교시들을 포함하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 당업자는 이러한 교시들을 여전히 포함하는 많은 다른 변형된 실시예들을 쉽게 고안할 수 있다. 본 발명은 상세한 설명에 기재되거나 도면들에 예시된 구성요소들의 배열 및 구성의 예시적인 실시예의 세부사항들에 대한 본 발명의 적용에 제한되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예들을 가질 수 있고 다양한 방식들로 실현되거나 실행될 수 있다. 또한, 본원에 사용되는 어법 및 기술 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한으로서 간주하지 않아야 함이 이해되어야 한다. 본원에서의 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)" 그리고 이들의 파생어들의 사용은 이들 이후에 열거되는 항목들 그리고 이들의 등가물들뿐만 아니라 부가적인 항목들을 포함하는 것을 뜻한다. 달리 명시되거나 제한되지 않는다면, 용어들 "장착되는", "연결되는", "지지되는" 및 "커플링되는" 그리고 이들의 파생어들은 광의적으로 사용되며 직접 및 간접적인 장착들, 연결들, 지지들 및 커플링들을 포함한다. 또한, "연결되는"과 "커플링되는"은 물리적이거나 기계적인 연결들 또는 커플링들로 제한되지 않는다.
Claims (23)
- 산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법으로서,
광학 윈도우를 가지는 맨 웨이 덮개(man way cover)를 연소 섹션 보수용(service) 맨 웨이에 커플링하는 단계;
광학 카메라의 시야(FOV)가 상기 연소 섹션 내의 관심 영역들에 대한 영상들을 캡처할 수 있도록, 상기 맨 웨이 외부에 위치된 FOV를 상기 광학 윈도우를 통하여 지향시키는 단계;
상기 카메라 FOV를 상기 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동시키고 각각의 위치에서 각각의 영상들을 캡처하는 단계; 및
상기 각각의 캡처된 영상들을 합성 영상으로 조합하는 단계를 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,
연소 섹션 전이부의 합성 영상을 형성하도록 상기 영상 섹션 전이부의 입구와 출구 사이의 상기 연소 섹션 전이부의 길이를 따라 상기 카메라 FOV를 이동시키는 단계를 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,
캡처된 영상 적외선 강도를 온도와 상관시키는 단계(correlating)에 의해 적외선 카메라 FOV 내의 관심 영역들의 온도를 원격 감시하는 단계를 더 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 3 항에 있어서,
캡처된 FOV 영상 선명도를 흑체 강도 교정 데이터와 비교하는 단계 및 상기 FOV 내의 관심 영역과 관련된 독립적으로 습득된 온도 정보로 상기 교정 데이터를 미세 조정하는 단계에 의해, 상기 상관 단계가 수행되는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 4 항에 있어서,
열전쌍으로부터 온도 정보 또는 상기 연소 섹션 내에 있는 물체의 공지된 방사율을 습득하는 단계에 의해, 상기 교정 단계가 수행되는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,
가시 광선 스펙트럼 카메라 FOV 내의 관심 영역들에 대한 비주얼 영상들을 원격 감시하는 단계를 더 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 6 항에 있어서,
관심 영역의 상대적 움직임을 감시하고 상기 움직임을 진동 주파수와 상관시키는 단계에 의해, 가시 광선 스펙트럼 카메라 FOV 내의 관심 영역들에 대한 진동을 원격 감시하는 단계를 더 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,
공유된 공통 광학 경로 빔 스플리터에 커플링되는 적외선 카메라 및 가시 광선 스펙트럼 카메라로 상기 FOV를 동시에 감시하는 단계를 더 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 카메라를 자동적으로 위치 설정하고 상기 연소 섹션 내의 선택된 경로를 따라 영상들을 캡처하는 광학 카메라에 커플링된 자동화 움직임 제어 시스템에 의해, 상기 FOV를 지향시키는 단계가 수행되는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 자동화 움직임 제어 시스템에 의해 연소 섹션 전이부의 입구와 출구 사이의 상기 연소 섹션 전이부의 길이를 따라 상기 카메라 FOV를 자동적으로 위치 설정하는 단계 및 상기 연소 섹션 전이부의 합성 영상을 형성하도록 영상들을 캡처하는 단계를 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,
인클로저 내의 상기 카메라 및 관련 감시 시스템 컴포넌트들을 상기 맨 웨이 외부에 대해 격리시키고 상기 인클로저 내에 냉각 유체를 순환시키는 단계에 의해, 상기 카메라 및 관련 감시 시스템 컴포넌트들을 냉각하는 단계를 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션의 온-라인 광학 작동식 감시를 위한 방법.
- 산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템으로서,
연소 섹션 보수용 맨 웨이에 커플링하도록 구성된, 광학 윈도우를 가지는 맨 웨이 덮개;
시야(FOV)가 상기 연소 섹션 내의 관심 영역들에 대한 영상들을 캡처할 수 있도록, 상기 광학 윈도우를 통하여 지향되는 FOV를 가지는, 맨 웨이 외부에 위치된 광학 카메라;
상기 카메라 FOV를 상기 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동시키기 위해 상기 카메라에 커플링되는 움직임 제어 구동 시스템;
상기 움직임 제어 구동 시스템이 상기 카메라를 위치 설정하게 하고 각각의 위치에서 각각의 영상들을 캡처하기 위해, 상기 움직임 제어 시스템 및 카메라에 커플링되는 제어 시스템; 및
상기 각각의 캡처된 영상들을 합성 영상으로 조합하기 위한 영상 처리 시스템을 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
FOV 영상 선명도를 캡처할 수 있는 적외선 카메라 및 캡처된 영상 선명도를 온도와 상관시킬 수 있는 영상 처리 시스템을 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 13 항에 있어서,
캡처된 FOV 영상 선명도를 흑체 강도 방사율/온도 교정치(calibration)와 비교하고 열전쌍 또는 상기 카메라 FOV 내에 있는 물체의 공지된 방사율로부터 습득된 온도 정보로 상기 교정치를 조정하는 상기 영상 처리 시스템에 의해, 상기 상관이 수행되는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
가시적 영상들을 캡처하기 위한 가시 광선 스펙트럼 카메라를 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 15 항에 있어서,
원격 진동 감시 시스템을 포함하며, 상기 영상 처리 시스템은 관심 영역의 상대 운동을 감시하고 상기 운동을 진동 주파수와 상관시키는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
공유된 공통 광학 경로 빔 스플리터에 커플링되는 적외선 카메라 및 가시 광선 스펙트럼 카메라를 포함하며, 상기 카메라들 모두는 동일하게 공유된 FOV를 가지는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 17 항에 있어서,
카메라들은 상기 제어 시스템에 커플링되는 각각의 원격 집속 시스템들을 가지는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 18 항에 있어서,
상기 움직임 제어 구동 시스템은 카메라 FOV 병진 운동, 롤(roll) 및 틸트(tilt) 움직임 축선들을 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 움직임 제어 시스템에 의해 선택된 경로를 따라 상기 카메라 FOV를 자동적으로 위치 설정하고 영상들을 캡처하여 합성 영상을 형성하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 20 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 자동화 움직임 제어 시스템으로 연소 섹션 전이부의 입구와 출구 사이의 상기 연소 섹션 전이부의 길이를 따라 카메라 FOV를 자동적으로 위치 설정하며, 영상들을 캡처하여 상기 연소 섹션 전이부의 합성 영상을 형성하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 카메라 및 움직임 제어 시스템을 둘러싸는 상기 맨 웨이 외부의 냉각 인클로저, 및 상기 인클로저 내에 냉각 유체를 순환시키기 위해 상기 엔크롤저에 커플링된 냉각 시스템을 더 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
- 산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템으로서,
연소 섹션 보수용 맨 웨이에 커플링하도록 구성된, 광학 윈도우를 가지는 맨 웨이 덮개;
공유된 공통 광학 경로 빔 스플리터에 커플링되는, 쌍을 이룬 적외선 카메라 및 가시 광선 스펙트럼 카메라로서, 상기 카메라 모두는 동일하게 공유된 시야(FOV)를 가지며, 상기 카메라들은 상기 맨 웨이 외부에 위치되고, 상기 공유된 FOV는 상기 광학 윈도우를 통하여 지향되어, 상기 FOV가 상기 연소 챔버 내의 관심 영역들에 대한 영상들을 캡처하는, 쌍을 이룬 적외선 카메라 및 가스 광선 스펙트럼 카메라;
각각의 카메라에 커플링되는 각각의 원격 집속 시스템들;
상기 카메라 FOV를 병진 운동, 롤 및 틸트 움직임 축선들을 따라 상기 연소 섹션 내의 복수 위치들로 이동시키기 위해, 상기 카메라들 및 빔 스플리터에 커플링되는 움직임 제어 구동 시스템;
상기 움직임 제어 구동 시스템이 선택된 경로를 따라 상기 FOV를 위치 설정하고 각각의 위치에서 각각의 영상들을 캡처하기 위해, 상기 움직임 제어 시스템, 상기 각각의 원격 집속 시스템 및 상기 각각의 카메라들에 커플링되는 제어 시스템;
상기 가시광선 스펙트럼 카메라에 의해 캡처된 움직임 정보로부터 유도된 진동 주파수 정보 및 상기 적외선 카메라에 의해 캡처된 영상 세기 정보로부터 유도된 온도 정보를 포함할 수 있는 합성 영상으로 상기 각각의 캡처된 영상들을 조합하기 위한 영상 처리 시스템; 및
상기 카메라 및 움직임 제어 시스템을 둘러싸는, 상기 맨 웨이 외부의 냉각 인클로저, 및 상기 인클로저 내에 냉각 유체를 순환시키기 위한, 상기 인클로저에 커플링되는 냉각 시스템을 포함하는,
산업용 가스 터빈 연소 섹션을 위한 온-라인 광학 작동식 감시 시스템.
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