JP5898866B2 - 多次元温度データを生成するためのマルチスペクトルシステム及び方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、２次元温度マップを生成するためのマルチスペクトルシステム及び方法に関する。

特定のガスタービンエンジンは、タービン内の種々の構成要素の監視を可能にするよう構成された観測ポートを有するタービンを含む。例えば、高温測定システムは、観測ポートと光学的に連通し、タービンの高温ガス経路内の特定の構成要素の温度を測定するよう構成することができる。加えて、光学監視システムは、観測ポートに結合され、タービン構成要素の２次元イメージを提供するよう構成することができる。理解されるように、水蒸気及び二酸化炭素などの特定の燃焼生成物化学種は、広範囲の波長にわたり放射線を吸収及び放出する。結果として、タービン構成要素により放出される波長の何分の一かだけが、正確に測定するのに十分な強度及び無視できるほどの干渉で観測ポートに到達する。その結果として、特定の高温測定及び／又は光学監視システムは、大きな吸収又は干渉もなく燃焼生成物を通過する可能性が高い特定の波長を監視するよう構成される。

残念ながら、このような波長の監視システムを構成すると、通常は、ガスエミッションを監視するのに好適ではないシステムになる。従って、タービン構成要素を監視するよう構成された高温測定及び／又は光学監視システムは、タービン内のガス温度を求めることができない可能性がある。更に、高温ガス経路内に配置された熱電対によるような、介入性の温度測定は、タービンを通るガス流を妨げる可能性がある。加えて、熱電対は、該熱電対と直接接触するガスの温度しか測定しないので、熱電対の間の温度変動は検出することができない。その上、熱電対の有効寿命は、タービンを通るガス流に伴う高温に起因して、有意に制限される可能性がある。

米国特許第７，６３３，０６６号公報

第１の実施形態において、システムは、タービンの内部と光学的に連通し、タービンの内部のイメージをガスの温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面の温度を示す波長の第２の２次元強度マップとに分離するよう構成された波長分離装置を含む。システムはまた、波長分離装置と光学的に連通した検出器アレイを含む。検出器アレイは、第１及び第２の２次元強度マップを示す信号を出力するよう構成される。

第２の実施形態において、システムは、ガス及びタービンの内部からガスを介して観測可能な表面のイメージを受け取り、イメージを、ガスの温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面の温度を示す波長の第２の２次元強度マップとに分離して、第１及び第２の２次元強度マップを示す信号を出力するよう構成されたイメージングシステムを含む。

第３の実施形態において、方法は、ガスと、該ガスを通じて観測可能な表面とのイメージを受け取る段階を含む。本方法はまた、イメージを、ガスの温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面の温度を示す波長の第２の２次元強度マップとに分離する段階を含む。本方法は更に、第１及び第２の２次元強度マップを示す信号を出力する段階を含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本発明の特定の開示された実施形態による、ガスと、該ガスを介して観測可能な表面との２次元強度マップを取り込むよう構成されたイメージングシステムを含むタービンシステムのブロック図。 特定の開示された実施形態による、イメージングシステムが監視できる種々のタービン構成要素を示したタービンセクションの断面図。 特定の開示された実施形態による、ガスと、該ガスを介して観測可能な表面とに配向されたイメージングシステムの概略図。 特定の開示された実施形態による、コントローラがガスの一連の温度マップスライス及び／又は３次元温度マップを生成できるように、複数の２次元強度マップをコントローラに提供するよう構成された複数の検出器アレイを含むイメージングシステムの概略図。 特定の開示された実施形態による、ガスの温度マップと、ガスを介して観測可能な表面の温度マップとを生成する方法のフローチャート。

１つ又はそれ以上の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態の説明を簡潔にする目的で、実際の実施形態の全ての特徴について本明細書で説明するとは限らない。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、数詞がないことや「前記」などの冠詞は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

本明細書で開示される実施形態は、タービン内の排出ガスの２次元又は３次元温度マップ並びにタービン構成要素表面の２次元温度マップを提供することによりタービンの作動及び保守管理を向上させることができる。１つの実施形態において、イメージングシステムは、タービンへの観測ポートと光学的に通じた波長分離装置を含む。波長分離装置は、タービン内部のイメージを、ガス温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面（例えば、ベーン、ブレード、端壁、プラットフォーム、エンジェルウィング、シュラウド、その他）の温度を示す波長の第２の２次元強度マップとに分離するよう構成される。イメージングシステムはまた、波長分離装置と光学的に通じた検出器アレイを含む。検出器アレイは、第１及び第２の２次元強度マップを示すそれぞれの信号を出力するよう構成される。特定の実施形態において、イメージングシステムは、この信号に基づいて、ガスの第１の２次元温度マップと表面の第２の２次元温度マップとを生成するよう構成されたコントローラを含む。別の実施形態において、コントローラは、ガスを含有するボリュームを通る一連の２次元温度マップスライスを生成するよう構成され、各スライスは、タービンの円周方向軸線に垂直に配向される。更に別の実施形態において、コントローラは、これらのスライスを組み合わせて、ボリューム内のガスの３次元温度マップを生成するよう構成される。結果として得られるガスの２次元又は３次元温度マップ並びに表面の２次元温度マップを利用して、作動中のタービンエンジンを制御し、及び／又はタービン構成要素の残りの有効寿命を評価し、これによりタービン作動及び保守管理の効率を高めることができる。

ここで各図面において、図１は、ガス及びガスを通じて観測可能な表面の２次元強度マップを取り込むよう構成されたイメージングシステムを含む、タービンシステムのブロック図である。タービンシステム１０は、燃料噴射器１２、供給燃料１４、及び燃焼器１６を含む。図示のように、供給燃料１４は、液体燃料及び／又は天然ガスなどのガス燃料をガスタービンシステム１０に送り、燃料噴射器１２を通じて燃焼器１６に流入させる。以下で検討するように、燃料噴射器１２は、燃料を噴射して加圧空気と混合するよう構成される。燃焼器１６は、燃料空気混合気を点火して燃焼し、次いで、高温の加圧排出ガスをタービン１８に流す。理解されるように、タービン１８は、固定ベーン又はブレードを有する１つ又はそれ以上のステータと、ステータに対して回転するブレードを有する１つ又はそれ以上のロータとを含む。排出ガスは、タービンロータブレードを通過し、これによりタービンロータを回転駆動する。タービンロータとシャフト１９との結合により、シャフト１９の回転が生じることになり、該シャフトはまた、図示のようにガスタービンシステム１０全体にわたり複数の構成部品に結合される。最終的に、燃焼プロセスの排気は、排気出口２０を介してガスタービンシステム１０から出ることができる。

圧縮機２２は、ロータに堅固に装着されるブレードを含み、該ロータは、シャフト１９により回転駆動される。空気が回転ブレードを通過すると空気圧が増大し、これにより適正な燃焼のための十分な空気が燃焼器１６に提供される。圧縮機２２は、吸気口２４を介してガスタービンシステム１０に空気を吸い込むことができる。更に、シャフト１９は、負荷２６に結合することができ、該負荷は、シャフト１９の回転によって動力供給することができる。理解されるように、負荷２６は、発電プラント又は外部の機械的負荷など、ガスタービンシステム１０の回転出力の動力を用いることが可能な何らかの好適な装置とすることができる。例えば、負荷２６は、発電機、航空機のプロペラ、その他を含むことができる。吸気口２４は、低温吸気口などの好適な機構を介してガスタービンシステム１０に空気３０を引き込む。次いで、空気３０は、燃焼器１６に加圧空気３２を提供する圧縮機２２のブレードを通って流れる。詳細には、燃料噴射器１２は、加圧空気３２及び燃料１４を燃料空気混合気３４として燃焼器１６に噴射することができる。或いは、加圧空気３２及び燃料１４は、混合及び燃焼用に燃焼器に直接噴射することができる。

図示のように、タービンシステム１０は、タービン１８に光学的に結合されたイメージングシステム３６を含む。図示の実施形態において、イメージングシステム３６は、タービン１８への観測ポート４０と波長分離装置４２との間に延びるイメージング光学システム又は光学接続部３８（例えば、光ファイバーケーブル、光導波路、その他）を含む。図示の観測ポート４０は、タービン１８の入口に配向されるが、観測ポート４０は、タービン１８に沿って様々な場所に位置付けることができる点は理解されたい。以下で詳細に検討するように、波長分離装置４２は、タービン内部のイメージを、ガス温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面温度を示す第２の２次元強度マップとに分離するよう構成される。波長分離装置４２に光学的に結合された検出器アレイ４４は、第１及び第２の２次元強度マップを示すそれぞれの信号を出力するよう構成される。図示の実施形態において、検出器アレイ４４は、コントローラ４６に通信可能に結合され、該コントローラ４６は、それぞれの信号に基づいて、ガスの第１の２次元温度マップと表面の第２の３次元温度マップとを生成するよう構成される。以下で詳細に検討するように、コントローラ４６はまた、ガスを含有するボリュームを通る一連の２次元温度マップスライスを生成するよう構成することができ、各スライスは、タービンの円周方向軸線に垂直に配向される。特定の実施形態において、コントローラは、これらのスライスを組み合わせて、ボリューム内のガスの３次元温度マップを生成するよう構成することができる。結果として得られるガスの２次元又は３次元温度マップを利用して、効率の改善、エミッション低減、及び／又はタービン構成要素の有効寿命の拡大をもたらすよう作動中のタービンエンジンを制御することができる。加えて、表面の２次元温度マップは、タービン構成要素性能の監視及び妥当性確認、及び／又はタービン構成要素の残りの有効寿命の推定を可能にすることができる。

図２は、イメージングシステム３６により監視できる種々のタービン構成要素を示す、タービンセクションの断面図である。図示のように、燃焼器１６からの排出ガス／燃焼生成物４８は、軸方向５０及び／又は円周方向５２でタービン１８内に流れる。図示のタービン１８は、少なくとも２つの段を含み、図２には第１の２つの段が図示されている。他のタービン構成はこれよりも多い又は少ないタービン段を含むことができる。例えば、タービンは、１、２、３、４、５、６、又はそれ以上のタービン段を含むことができる。第１のタービン段は、タービン１８の周りを円周方向５２に実質的に等間隔で配置されたベーン５４及びブレード５６を含む。第１段ベーン５４は、タービン１８に堅固に装着され、燃焼ガスをブレード５６に配向するよう構成される。第１段ブレード５６は、ロータ５８に装着され、ブレード５６を流れる排出ガス４８により回転駆動される。次いで、排出ガス４８は、第２段ベーン６０及び第２段ブレード６２を通って流れる。第２段ブレード６２はまた、ロータ５８に結合される。排出ガス４８が各段を流れると、ガスからのエネルギーがロータ５８の回転エネルギーに変換される。各タービン段を通過した後、排出ガス４８が軸方向５０でタービン１８から流出する。

図示の実施形態において、各第１段ベーン５４は、半径方向６６で端壁６４から外向きに延びる。端壁６４は、高温の排出ガス４８がロータ５８に流入するのを阻止するよう構成される。同様の端壁が、第２段ベーン６０及び後続の下流側ベーン（存在する場合）に隣接して存在することができる。同様に、各第１段ブレード５６が、半径方向６６でプラットフォーム６８から外向きに延びる。理解されるように、プラットフォーム６８は、ブレード５６をロータ５８に結合するシャンク７０の一部である。シャンク７０はまた、高温の排出ガス４８がロータ５８に流入するのを阻止するよう構成されたシール又はエンジェルウィング７２を含む。同様のプラットフォーム及びエンジェルウィングは、第２段ベーンブレード６２及び後続の下流側ブレード（存在する場合）に隣接して存在することができる。更に、シュラウド７４は、第１段ブレード５６から外向きに半径方向に位置付けられる。シュラウド７４は、ブレード５６をバイパスする排出ガス４８の量を最小限にするよう構成される。ガスバイパスは、バイパスガスからのエネルギーがブレード５６により取り込まれて回転エネルギーに変換されることがないので、望ましいものではない。イメージングシステム３６は、以下ではガスタービンエンジン１０のタービン１８内の構成要素の監視に関して説明しているが、イメージングシステム３６を利用して、蒸気又は別の作動流体がタービンブレードを通過して動力又はスラストを提供するタービンなどの他の回転及び／又は往復動機械内の構成要素の監視を行うことができる点は理解されたい。加えて、イメージングシステム３６を利用して、ガソリン又はディーゼル駆動内燃エンジンなど、レシプロエンジンの内部を監視することができる。

理解されるように、タービン１８内の種々の構成要素（例えば、ベーン５４及び６０、ブレード５６及び６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４、その他）は、燃焼器１６からの高温の排出ガス４８に曝されることになる。その結果として、タービン１８の作動中に特定の構成要素の温度を測定して該温度が望ましい範囲内にあることを保証し、構成要素内の熱応力を監視することが望ましいとすることができる。例えば、イメージングシステム３６は、第１段タービンブレード５６の２次元温度マップを求めるよう構成することができる。理解されるように、２次元温度マップを利用して、各ブレード５６にわたる温度勾配を求め、これによりブレード５６内の熱応力の演算を可能にすることができる。

加えて、タービン１８を通過する排出ガス４８の温度を監視するのが望ましい場合がある。理解されるように、正確なガス温度監視により、タービン効率の向上、エミッションの低減、及び／又は排出ガスと接触する構成要素の有効寿命の拡大をもたらすようガスタービンパラメータの調整を可能にすることができる。以下で詳細に検討するように、イメージングシステム３６は、第１段タービンブレード５６に隣接する排出ガス４８の２次元温度マップを生成するよう構成される。特定の実施形態において、コントローラ４６はまた、ガスを含有するボリュームを通る一連の２次元温度マップスライスを生成するよう構成することができ、各スライスは、タービン１８の円周方向軸線５２に垂直に配向される。加えて、コントローラは、これらのスライスを組み合わせて、ボリューム内のガスの３次元温度マップを生成するよう構成することができる。

図示の実施形態は、観測ポート４０を波長分離装置４２に光学的に接続するための３つの光学接続部３８を含む。図示のように、第１の光学接続部７６は、ブレード５６の上流側に位置付けられた観測ポート４０に結合され、ブレード５６に対して角度が付けられ、第２の光学接続部７８は、第１の観測ポートから下流側に位置付けられた別の観測ポート４０に結合され、半径方向６６に対して実質的に角度が付けられ、第３の光学接続部７９は、第２の観測ポートから下流側に位置付けられた第３の観測ポート４０に結合され、上流方向に角度が付けられる。この構成において、第１の光学接続部７６は、ブレード５６及び該ブレード５６の上流側に位置する排出ガス４８のイメージを波長分離装置４２に送ることになる。加えて、第２及び第３の光学接続部７８及び７９は、排出ガスの別の斜視図のイメージを波長分離装置４２に送ることになる。以下で詳細に検討するように、コントローラ４６は、異なる斜視図から取得した排出ガス４８のイメージを利用して、排出ガス４８の複数の２次元温度マップスライス及び／又は３次元温度マップを生成することができる。

理解されるように、観測ポート４０は、軸方向５０、円周方向５２、及び／又は半径方向６６に角度が付けられ、ブレード５６及び／又は該ブレード５６に隣接する排出ガス４８の所望の領域に配向することができる。代替の実施形態において、より多く又は少ない観測ポート４０及び光学接続部３８を利用して、第１段ブレード５６及び／又は該ブレードに隣接するガスのイメージを取得することができる。例えば、特定の実施形態は、１、２、３、４、５、６、７、８、又はそれよりも多い観測ポート４０及び対応する数の光学接続部３８を利用して、ブレード５６及び排出ガス４８のイメージを波長分離装置４２に送ることができる。以下で詳細に検討するように、より正確な２次元温度マップスライス及び／又は３次元温度マップは、更なる観測ポート４０及び光学接続部３８から取得した追加の斜視図で生成することができる。上述のように、光学接続部３８は、例えば、光ファイバーケーブル又は光学イメージングシステム（例えば、堅固なイメージング光導波路システム）を含むことができる。また、特定の実施形態では、光学接続部３８を省略することもでき、波長分離装置４２を観測ポート４０に直接光学的に結合できる点は理解されたい。

観測ポート４０は、図示の実施形態において、ブレード５６及び該ブレード５６の上流側に配置された排出ガス４８に向けられるが、観測ポート４０は、代替の実施形態では他のタービン構成要素及び／又は排出ガス流の他の領域に配向してもよい点は理解されたい。例えば、１つ又はそれ以上の観測ポート４０は、第１段ベーン５４、第２段ベーン６０、第２段ブレード６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４、又はタービン４８内の他の構成要素に向けて配向することができる。このような構成は、排出ガス４８及び排出ガス４８を通して観測可能な構成要素のイメージを取り込むことができる。更なる実施形態は、タービン１８内の複数の構成要素及び／又は排気ガス流の複数の領域に配向される観測ポート４０を含むことができる。第１段ブレード５６と同様に、イメージングシステム３６は、観測ポート４０の視野内の各構成要素に対する２次元温度マップ、並びに構成要素と観測ポート４０との間に配置される排出ガス４８の２次元温度マップを生成することができる。このようにして、種々のタービン構成要素内の熱応力及び／又は構成要素に隣接する排出ガス温度が測定され、これによりタービンシステム１０の作動パラメータの調整及び／又はメンテナンス間隔の決定に用いることができるデータをオペレータに提供することができる。

上記で検討したように、光学接続部３８（例えば、光ファイバーケーブル、光導波路、その他）は、タービン内部のイメージを波長分離装置４２に送る。次いで、波長分離装置４２は、該イメージを、排出ガス４８の温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、タービン構成要素の温度を示す第２の２次元強度マップとに分離するよう構成される。検出器アレイ４４は、波長分離装置４２に光学的に結合され、第１及び第２の２次元強度マップを示す１つ又は複数の信号を出力するよう構成される。検出器アレイ４４は、ある時間期間にわたって複数のイメージを取り込むよう構成することができる。理解されるように、上述の第１段ブレード５６などの特定のタービン構成要素は、タービン１８の円周方向に沿って高速度で回転することができる。その結果、このような構成要素のイメージを取り込むために、検出器アレイ４４は、各構成要素の実質的に静止イメージをコントローラ４６に提供するのに十分な周波数で動作するよう構成することができる。例えば、特定の実施形態において、検出器アレイ４４は、約１００，０００、２００，０００、４００，０００、６００，０００、８００，０００、又は１，０００，０００Ｈｚもしくはそれ以上よりも大きい周波数で各イメージの２次元強度マップを示す信号を出力するよう構成することができる。更なる実施形態において、検出器アレイ４４は、積算時間が約１０、５、３、２、１、又は０．５マイクロ秒もしくはそれ未満の各画像の２次元強度マップを示す信号を出力するよう構成することができる。このようにして、各回転タービン構成要素について２次元強度マップを生成することができる。

更に、排出ガス４８は、ガスがタービン１８を通って下流側軸方向に移動するときに円周方向５２に回転する点に留意されたい。その結果として、検出器アレイ４４は、排出ガス４８の実質的に静止イメージをコントローラ４６に提供するのに十分な周波数で動作するよう構成することができる。以下で詳細に検討するように、排出ガス４８の特定時間において取得された各一連のイメージを利用して、トモグラフィー法により２次元温度マップスライスを生成することができる。排出ガス４８が方向５２に回転すると、次のスライスが生成され、これにより一連の２次元温度マップスライスを設定することができ、これらスライスを組み合わせて排出ガス４８の３次元温度マップを生成することができる。

特定の実施形態において、光学接続部３８は、波長分離装置４２内のマルチプレクサに結合され、各観測点からのイメージを検出器アレイ４４に提供することができる。理解されるように、各光学接続部３８からのイメージは、空間又は時間で多重化することができる。例えば、マルチプレクサがイメージを空間多重するよう構成された場合、各イメージは、検出器アレイ４４の異なる部分に投影することができる。この構成において、第１の光学接続部７６からのイメージは、検出器アレイ４４の第１の部分（例えば、３つのうちの最初の部分）に配向することができ、第２の光学接続部７８からのイメージは、検出器アレイ４４の第２の部分（例えば、３つのうちの２番目の部分）に配向することができ、更に、第３の光学接続部７９からのイメージは、第３の部分（例えば、３つのうちの３番目の部分）に配向することができる。結果として、検出器アレイ４４は、各画像を３分の１の解像度で取り込むことができる。換言すると、理解されるように、解像度が低くなるほど、高解像度よりも小さいタービン構成要素及び／又は排出ガス４８の空間的カバレージをコントローラ４６に提供する。従って、空間多重信号の数は、コントローラ４６がタービン構成要素の所望の２次元温度マップ及び／又は排出ガス４８の所望の２次元又は３次元温度マップを策定するのに十分な最小限の解像度に制限される可能性がある。

或いは、光学接続部３８から与えられたイメージは、時間で多重化することもできる。例えば、検出器アレイ４４は代替的に、検出器アレイ４４の解像度全体を用いて各光学接続部３８からのイメージを取り込むことができる。この技法を用いると、検出器アレイ４４の最大解像度を利用できるが、スキャンされる観測点の数に比例して取り込み周波数が低下する可能性がある。例えば、２つの観測点がスキャンされ、検出器アレイ周波数が１００，０００Ｈｚである場合、検出器アレイ４４は、５０，０００Ｈｚで各観測点からイメージをスキャンすることしかできない。従って、時間的に多重化された信号の数は、所望のスキャン周波数によって制限される可能性がある。加えて、実質的に異なる時間で異なる斜視図から排出ガス４８のイメージを取り込むと、２次元温度マップスライスの精度が低下する可能性がある。

図３は、ガス８０を介して観測可能な図示のタービンブレード５６など、ガス８０（例えば、排出ガス４８）及び表面に配向されるイメージングシステム３６の概略図である。図示の実施形態において、波長分離装置４２は、第１段ブレード５６に配向される。しかしながら、波長分離装置４２は、代替の実施形態では他のタービン構成要素（例えば、ベーン５４及び６０、ブレード６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４、その他）に配向されてもよい点は理解されたい。理解されるように、ブレード５６及びガス８０から電磁放射線を放出することができる。この電磁放射線は、イメージ（例えば、ブレード５６により放出されるがガス８０により吸収されない波長及びガス８０により放出される波長の複合イメージ）としてイメージングシステム３６が取り込むことができる。こうしたイメージは、電磁スペクトルの赤外域、可視域、及び／又は紫外線域内の波長を有する放射線を含むことができる。

図示のように、レンズ８２は、波長分離装置４２とガス８０との間に位置付けられる。レンズ８２は、ブレード５６及びガス８０により放出される放射線を波長分離装置４２上に集束するよう構成される。理解されるように、レンズ８２又は一連のレンズ８２は、第１段ブレード５６の少なくとも一部又は他の所望のタービン構成要素を対象範囲とする視野８４を確立する。視野８４はまた、タービン構成要素に対する波長分離装置４２の位置及び／又は光学接続部３８（存在する場合）の構成による影響を受けることになる。適切なレンズ８２を選択すること、及び／又は波長分離装置４２を適切に位置付けることによって所望の視野８４を確立することができ、これにより、イメージングシステム３６がガス８０及びガス８０を介して観測可能なタービン構成要素の２次元イメージを取り込むことが可能になる。図示の実施形態はまた、レンズ８２とガス８０との間に位置付けられるフィルタ８６を含む。フィルタ８６は、イメージングシステム３６により受け取られた放射線の波長範囲を削減するよう構成された、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、又はバンドパスフィルタとすることができる。例えば、フィルタ８６は、ほぼ１から５ミクロンの間の波長範囲を有する放射線の通過を可能にするよう構成することができる。このような波長範囲は、タービン構成要素及び排出ガスの温度測定に好適とすることができる。代替の実施形態において、フィルタ８６は省略することができ、或いは、レンズ８２と組み合わせることもできる。

上記で検討したように、イメージングシステム３６は、ガス８０の温度を示す波長の２次元強度プロファイルと、ブレード５６の温度を示す波長の２次元強度プロファイルとを取り込むよう構成される。理解されるように、ブレード５６は、ブレードの温度が上昇するにつれて広範囲の波長にわたって放射線を放出する。加えて、水蒸気及び二酸化炭素などの特定の燃焼生成物化学種は、温度上昇に応答して広範囲の波長にわたり放射線を吸収及び放出する。結果として、ガスタービンエンジン１０の作動中、ブレード５６により放出される波長の一部だけが、正確な強度測定のために十分な強度と干渉が無視できる状態でイメージングシステム３６に到達する。その結果として、イメージングシステム３６は、有意な吸収又は干渉もなくガス８０を通過させる可能性がより高い特定の波長の強度を測定し、ブレード５６の温度を決定するよう構成することができる。例えば、可視スペクトルの赤色部分内及び／又は近赤外スペクトル内の波長は、他の周波数範囲よりも少ない吸収でガス８０を通過させることができる。従って、特定の実施形態は、こうした周波数範囲を利用してブレード５６の温度を決定することができる。例えば、特定のイメージングシステム３６は、ブレード温度を決定するために、およそ０．５から１．４ミクロン、１．５から１．７ミクロン、及び／又は２．１から２．４ミクロンの範囲内の波長の強度を測定するよう構成することができる。しかしながら、代替の実施形態は、可視、赤外、及び／又は紫外スペクトルの他の部分内の電磁放射線の強度を測定してもよい点は理解されたい。

同様に、イメージングシステム３６は、ガス温度決定のためにガス８０によって放出される特定波長の強度を測定するよう構成することができる。例えば、およそ１．４から１．５ミクロン、１．７から２．１ミクロン、２．４から３ミクロン、及び／又は４から５ミクロンの波長範囲内のガス８０によって放出される放射線の強度は、同じ波長範囲内でブレード５６により放出される放射線の強度よりも有意に高くなることができる。その結果として、イメージングシステム３６は、この範囲内の波長の強度を測定して、ガス８０の温度を決定するよう構成することができる。しかしながら、排出ガス化学種は多種多様とすることができるので、代替の実施形態は、可視、赤外、及び／又は紫外スペクトルの他の部分内の電磁放射線の強度を測定してもよい。

図示の実施形態では、波長分離装置４２は、ガス８０及び／又はガス８０を介して観測可能なタービンブレード５６のイメージを、ガス８０の温度を示す波長λ₁の第１の２次元強度マップと、ブレード５６の温度を示す波長λ₂の第２の２次元強度マップとに分離するよう構成される。波長λ₁及びλ₂によって表記される波長は、電磁スペクトルにわたって分布した波長の連続範囲又は離散的波長の群を提示する。波長λ₁及びλ₂が波長範囲の複数の不連続な群を提示する実施形態において、波長分離装置４２は、イメージを所望の範囲に分離し、次いで特定の範囲を結合してλ₁及びλ₂で表記される群を形成することができる。

波長分離装置４２は、ガス８０及びブレード５６のイメージを波長λ₁の第１の強度マップと波長λ₂の第２の強度マップとに分離するよう構成された何れかの好適な機構を含むことができる。例えば、波長分離装置４２は、イメージを第１及び第２の強度マップに変換するよう構成された１つ又はそれ以上のダイクロイックミラーを含むことができる。理解されるように、ダイクロイックミラーは、残りの放射線を通過させながら、所望の波長範囲の放射線を反射するよう構成された反射面を含む。特定の実施形態において、第１のダイクロイックミラーは、残りの波長を通過させながら、波長λ₁を有する放射線を反射するよう構成することができる。次いで、残りの波長は、波長λ₂を有する放射線を反射するよう構成された第２のダイクロイックミラーに配向することができる。理解されるように、ダイクロイックミラーにより反射された波長の範囲は、ミラーに施工されたコーティングに基づいて特に選択することができる。

別の実施形態において、波長分離装置４２は、イメージを第１及び第２の強度マップに変換するためにイメージスプリッタ及びマルチフィルタを含むことができる。例えば、イメージスプリッタは、一連のレンズ、プリズム、ミラー、及び／又は他の反射及び／又は屈折光学系を含み、イメージを各々が実質的に同様のスペクトル成分（例えば、波長範囲）を有する複数の重複イメージに分離することができる。１つの重複イメージは、波長λ₁を有する放射線の通過を可能にするよう構成された第１のフィルタを通って配向することができ、別の重複イメージは、波長λ₂を有する放射線の通過を可能にするよう構成された第２のフィルタを通って配向することができる。別の実施形態は、マルチチャンネル波長分離プリズムを利用して、イメージを所望の第１及び第２の強度マップに直接分離することができる。更に別の実施形態は、複数の狭波長帯域フィルタを有するフィルタマスクを利用することができ、ここで各狭波長帯域フィルタは、検出器アレイのそれぞれの検出器素子と光学的に連通している。

イメージが所望の波長範囲に分離されると、第１の２次元強度マップが第１の検出器アレイ８７に配向され、第２の２次元強度マップが第２の検出器アレイ８８に配向される。各検出器８７及び８８は、それぞれの２次元強度マップを示す１つ又は複数の信号をコントローラ４６に出力するよう構成される。本実施形態では２つの検出器アレイ８７及び８８が利用されているが、単一の検出器アレイを利用して、両方の２次元強度マップを受け取ることができる点は理解されたい。例えば、各強度マップは、アレイの非重なり部分上に投影することができ、或いは、検出器アレイは、各強度マップを交互方式で選択的に受け取るよう構成することができる。

上記で検討したように、コントローラ４６は、検出器アレイ８７及び８８からの信号に基づいて、ガスの第１の２次元強度マップと表面の第２の２次元強度マップとを生成するよう構成される。例えば、ガス又は構成要素の温度は、特定波長で物体により放射される電磁放射線の強度を測定することにより求めることができる。例えば、仮定放射率を１（黒体仮定）とすると、プランクの法則を利用して、測定放射線強度から温度を演算することができる。しかしながら、実際の構成要素は１よりも小さい放射率を有する可能性があるので、コントローラ４６は、経験的観測及び演算に基づいて一定の放射率値を利用することができる。第１の２次元強度マップ内の各点における温度を演算することにより、コントローラ４６は、ガス８０の２次元温度マップ９０を生成することができる。イメージは、視野８４の方向８９に実質的に垂直な平面に沿って取得されるので、第１の２次元温度マップ９０は、半径方向軸線９１及び円周方向軸線９５により定められる平面の統合ガス温度マップを表す。換言すると、第１の温度マップ９０内の各点は、方向８９に沿った経路平均ガス温度を表す。同様に、第２の２次元強度マップ内の各点の温度を演算することにより、コントローラ４６は、ブレード５６の２次元強度マップ９２を生成することができる。上記で検討したように、温度マップ９０及び９２を利用して、作動中のタービンエンジンを制御し、及び／又はタービン構成要素の残りの有効寿命を評価し、これによりタービン作動及び保守管理の効率を高めることができる。

図４は、複数の２次元強度マップをコントローラ４６に提供し、該コントローラ４６がガス８０の一連の温度マップスライス及び／又は３次元（すなわちボリューム）温度マップを生成できるように構成された、複数検出器アレイを含むイメージングシステム３６の概略図である。図示のように、複数の波長分離装置／検出器アレイ組立体は、ガス８０を含有する容積９３に配向される。具体的には、第１の波長分離装置９２は、第１の検出器アレイ９６に結合され、組立体は、軸方向５０に沿って容積９３の上流側に位置付けられる。図示のように、第１の波長分離装置９４の第１の視野９８は、ボリューム９３に向かって下流側方向に角度が付けられる。加えて、第２の波長分離装置１００は、第２の検出器アレイ１０２に結合され、組立体は、半径方向６６に沿って容積９３から外向きに位置付けられる。図示のように、第２の波長分離装置１００の第２の視野１０４は、ボリューム９３に向かって下流側半径方向に角度が付けられる。更に、第３の波長分離装置１０６が、第３の検出器アレイ１０８に結合され、組立体は、軸方向５０に沿って容積９３から下流側に位置付けられる。図示のように、第３の波長分離装置１０６の第３の視野１１０は、ボリューム９３に向かって上流方向に角度が付けられる。この構成において、視野９８，１０４、及び１１０は、容積９３内に重なり合う。

図示の実施形態において、各検出器アレイ９６、１０２、及び／１０８は、コントローラ４６に通信可能に結合され、ガス温度を表す波長の２次元強度マップを示す１つ又は複数の信号を出力するよう構成される。更に、コントローラ４６は、信号を受け取り、容積９３内のガス８０の複数の２次元温度マップを生成するよう構成される。例えば、コントローラ４６は、図３を参照して上述された構成と類似した、各組立体の視野に対して垂直な平面に沿ってガス８０の２次元温度マップを生成することができる。別の実施形態において、コントローラ４６は、信号に基づいて容積９３を通る一連の２次元温度マップスライス１１２を生成することができる。このような１つの実施形態は、ガス８０内の温度分布に関する拡張データを提供し、タービンエンジン１０のより効率的な作動を可能にすることができる。

例えば、コントローラ４６は、トモグラフィー法を利用して、円周方向５２に対して垂直な平面内でガス８０の２次元温度マップを数学的に演算することができる。このような実施形態において、各検出器９６、１０２、及び１０８は、第１の時間にてそれぞれの視野に垂直な平面に沿ったガス８０の２次元強度マップを受け取ることになる。コントローラ４６は、これらの強度マップを利用して、有限展開再構成法、代数的再構成法（ＡＲＴ）、最尤推定期待値最大化（ＭＬ−ＥＭ）、反復再構成、統計的再構成法、又は他の好適な再構成法などの種々のトモグラフィー法を用いてボリューム４６を通る第１のスライス１１４を生成することができる。

上記で検討したように、ガス８０は、タービン１８を通って円周方向５２に回転することができる。その結果として、ボリューム９３を通る第２の２次元温度マップスライス１１６は、第２の時間で２次元強度マップを取り込むことによって演算することができ、第３のスライス１１８は、第３の時間で２次元強度マップを取り込むことによって演算することができる。上記で検討したように、積算時間は、およそ１０、５、３、２、又は０．５マイクロ秒或いはそれ未満よりも短くすることができ、２次元強度マップは、およそ１００，０００、２００，０００、４００，０００、６００，０００、８００，０００、又は１，０００，０００Ｈｚ、もしくはそれ以上よりも大きい周波数で取り込むことができる。その結果、一連のスライス１１２は、ガス８０内の温度分布の正確な再構成を提供することができる。更に、高周波数及び短い積算時間は、種々の３次元トモグラフィー法と相まって、コントローラ４６が、ボリューム９３内のガス８０の３次元温度マップの生成を可能にすることができる。結果として得られるガスの３次元温度マップ１２０を利用して、作動中のタービンエンジンを制御し、効率の改善、エミッション低減、及び／又はタービン構成要素の有効寿命の拡大を行うことができる。

図示の実施形態には３つの波長分離装置／検出器アレイ組立体が含まれているが、代替の実施形態では、より多くの又はより少ない組立体を利用してもよい点は理解されたい。例えば、特定の実施形態では、ボリューム９３の異なる斜視図を取り込むために、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上の組立体を含めることができる。理解されるように、ボリューム９３内の温度分布のより正確な再構成は、多数の組立体を用いて生成することができる。別の実施形態において、各波長分離装置からのイメージを同時に又は順次的に取り込むためのマルチプレクサを含む複数の波長分離装置を単一の検出器アレイに光学的に結合してもよい。更に別の実施形態において、複数の観測ポート４０から単一の波長分離装置に延びる複数の光学接続部３８を利用して、図２に示す構成のような各２次元強度マップを取り込むことができる。

代替の実施形態は、単一の配向可能波長分離装置／検出器アレイ組立体を利用して、２次元強度マップスライスを生成するのに使用される各２次元強度マップを取り込むことができる。例えば、特定の実施形態において、組立体は、ボリューム９３内のガス８０の複数の斜視図を取り込むために複数の位置の間を移動可能にすることができる。別の実施形態において、組立体は、固定組立体をボリューム９３内のガス８０の異なる領域に配向するために、移動可能／回転可能な反射又は屈折装置（例えば、ミラー、プリズム、その他）を含めることができる。ガス８０が円周方向５２に沿って回転している速度に起因して、組立体の再配向に伴う遅延によりスライス１１２の演算が不正確になる可能性がある。その結果として、コントローラ４６は、ガス８０の後続の回転中にイメージを取り込むよう検出器アレイに対して命令するように構成することができる。例えば、ガス８０の回転速度は、タービンブレード５６の回転速度と実質的に同様とすることができる。その結果として、コントローラ４６は、特定のブレードがアレイに近接して位置付けられるときに、ガス８０のイメージを取り込むよう命令することができる。次いで、コントローラ４６は、ガス８０の第２の領域に組立体を再配向することができる。特定のブレードがアレイに隣接する位置に復帰すると、コントローラ４６は、検出器アレイに第２のイメージを取り込むよう命令することができる。この手法を繰り返し行い、単一の組立体を用いてガス８０の複数の斜視図を取り込むことができる。各２次元強度マップが取り込まれた後、コントローラ４６は、上述のように温度マップスライスを構成することができる。他のブレード位置について本手法を繰り返すことにより、追加スライスを生成することができる。

図５は、ガスの温度マップ並びにガスを介して観測可能な表面の温度マップを生成する方法１２２のフローチャートである。最初に、ブロック１２４で表されるように、ガスのイメージ及びガスを介して観測可能な表面を受け取る。上記で検討したように、イメージは、観測ポート４０及び光学接続部３８を介してタービン１８の内部から受け取ることができる。このような構成において、ガスは、タービン１８を流れる排出ガス４８を含み、表面はタービン構成要素を含むことになる。次に、ブロック１２６で表されるように、イメージは、ガス温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面温度を示す波長の第２の２次元強度マップとに分離される。このような分離動作は、タービン１８への観測ポート４０と光学的に連通した波長分離装置４２により実施することができる。次いで、ブロック１２８で表されるように、第１及び第２の２次元強度マップを示す信号が出力される。例えば、波長分離装置４２は、強度マップを受け取り且つそれぞれの信号を出力するyおう構成された１つ又はそれ以上の検出器アレイと光学的に連通することができる。

特定の実施形態において、ブロック１３０で表されるように、ガスの第１の２次元強度マップ及び表面の第２の２次元強度マップが生成される。例えば、検出器アレイは、コントローラ４６に通信可能に結合することができ、コントローラ４６は、選択波長の検出強度に基づいて、信号を受け取り且つ２次元温度マップを生成するよう構成することができる。別の実施形態において、ブロック１３２で表されるように、ガスの複数の２次元温度マップを生成することができる。例えば、イメージングシステム３６は、複数の波長分離装置／検出器アレイ組立体を含むことができ、コントローラ４６は、各組立体の視野に垂直な平面に沿ったガスの２次元温度マップを生成することができる。別の実施形態において、コントローラ４６は、トモグラフィー法を用いてガスを介した一連の２次元温度マップスライスを生成することができる。最後に、ブロック１３４で表されるように、ガスの３次元温度マップを生成することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービンシステム
１２ 燃料噴射器
１４ 供給燃料
１６ 燃焼器
１８ タービン
１９ シャフト
２０ 排気出口
２２ 圧縮機
２４ 吸気口
２６ 負荷
３０ 空気
３２ 加圧空気
３４ 燃料空気混合気
３６ イメージングシステム
３８ 光学接続部
４０ 観測ポート
４２ 波長分離装置
４４ 検出器アレイ
４６ コントローラ
４８ 排出ガス
５０ 軸方向
５２ 円周方向
５４ 第１段ベーン
５６ 第１段ブレード
５８ タービンロータ
６０ 第２段ベーン
６２ 第２段ブレード
６４ 端壁
６６ 半径方向
６８ プラットフォーム
７０ シャンク
７２ エンジェルウィング
７４ タービンシュラウド
７６ 第１の光学接続部
７８ 第２の光学接続部
７９ 第３の光学接続部
８０ ガス
８２ レンズ
８４ 視野
８６ フィルタ
８７ 第１の検出器アレイ
８８ 第２の検出器アレイ
８９ 視野方向
９０ 第１の２次元温度マップ
９１ 半径方向軸線
９２ 第２の２次元温度マップ
９３ ボリューム
９４ 第１の波長分離装置
９５ 円周方向軸線
９６ 第１の検出器アレイ
９８ 第１の視野
１００ 第２の波長分離装置
１０２ 第２の検出器アレイ
１０４ 第２の視野
１０６ 第３の波長分離装置
１０８ 第３の検出器アレイ
１１０ 第３の視野
１１２ 一連の２次元温度マップスライス
１１４ 第１の２次元温度マップスライス
１１６ 第２の２次元温度マップスライス
１１８ 第３の２次元温度マップスライス
１２０ ３次元温度マップ
１２２ 方法のフローチャート
１２４ ガス及び表面のイメージを受け取る
１２６ イメージを、ガス温度を示す波長の２次元強度マップと、表面温度を示す波長の２次元強度マップとに分離する
１２８ ２次元強度マップを示す信号を出力する
１３０ ガスの２次元温度マップと、表面の２次元温度マップとを生成する
１３２ ガスの複数の２次元温度マップを生成する
１３４ ガスの３次元温度マップを生成する

Claims (10)

1. 複数のブレード（５６）を含むタービン（１８）の内部と光学的に連通し、前記タービン（１８）の内部のイメージを、該タービンの円周方向（５２）に回転するガス（８０）の温度を示す波長の第１の２次元強度マップと、表面の温度を示す波長の第２の２次元強度マップとに分離するよう構成された波長分離装置（４２）と、
   前記波長分離装置（４２）と光学的に連通した検出器アレイ（４４）と、
   を備え、
   前記検出器アレイ（４４）が、前記イメージを取り込み、前記第１及び第２の２次元強度マップを示す信号を出力するよう構成され、
   前記検出器アレイ（４４）が、前記複数のブレードの特定のブレードが該検出器アレイ（４４）に近接して位置づけられるときに前記イメージを取り込むよう構成される、システム（１０）。
2. 前記検出器アレイ（４４）に通信可能に結合されたコントローラ（４６）を更に備え、
   前記コントローラ（４６）が、前記信号に基づいて、前記ガス（８０）の第１の２次元温度マップ（９０）と、前記表面の第２の２次元温度マップ（９２）とを生成するよう構成される、
   請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記コントローラ（４６）が、トモグラフィー法により前記信号に基づいて複数の２次元温度マップ（１１２）を生成するよう構成される、
   請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 各２次元温度マップ（１１４、１１６、１１８）が、前記ガス（８０）を含有するボリューム（９３）を通るスライスを含み、各スライス（１１４、１１６、１１８）が、前記タービン（１８）の円周方向（５２）に垂直な平面に設定される、
   請求項３に記載のシステム（１０）。
5. 前記コントローラ（４６）が、前記複数のスライス（１１２）から前記ボリューム（９３）内のガス（８０）の３次元温度マップ（１２０）を生成するよう構成される、
   請求項４に記載のシステム（１０）。
6. 前記検出器アレイ（４４）が、１００，０００Ｈｚよりも高い周波数で前記信号を出力するよう構成される、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
7. 前記ガス（８０）の温度を示す波長が１．４から５ミクロンの間であり、前記表面の温度を示す波長が０．５から２．４ミクロンの間である、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
8. 前記波長分離装置（４２）は、光ファイバーケーブル又はイメージング光学システム（３８）を介して前記タービン（１８）への観測ポート（４０）に光学的に結合するよう構成される、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
9. 前記表面が、ブレード（５６、６２）、ベーン（５４、６０）、端壁（６４）、プラットフォーム（６８）、エンジェルウィング（７２）、又はシュラウド（７２）を含む、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
10. 前記検出器アレイ（４４）による前記イメージの取り込みは、前記複数のブレードのうち前記特定のブレード以外の各ブレードが前記検出器アレイ（４４）に近接して位置づけられるときにも更に行われる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
    

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