JP5993142B2 - 回転機械のオンライン監視のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、回転機械のオンライン監視のための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次元イメージを取り込むよう構成することができる。特定の光学監視システムは、タービンの作動中にタービン構成要素のオンライン監視を提供する、すなわち、タービン構成要素の画像の取り込みを可能にするよう構成される。このような光学監視システムは、タービン構成要素に向けられ且つ構成要素の画像を光学的接続（例えば、ボアスコープ、内視鏡、ファイバースコープ、その他）を介して検出器に中継する対物レンズを含むことができる。残念ながら、各観測ポートの位置及び向きはタービンケーシングに対して固定されているので、各タービン構成要素（例えば、タービンブレード先端、プラットフォーム、その他）の特定の部分は、視野外にある可能性がある。

更に、対物レンズが狭視野を提供するよう構成されている場合、タービン構成要素の特定の領域は、高空間分解能で監視することができる。反対に、対物レンズが広視野を提供するよう構成されている場合、各構成要素の大部分を監視することができるが、空間分解能は低下することになる。その結果、典型的な光学監視システムは、高空間分解能で構成要素の限定的領域を監視するか、或いは、低空間分解能で構成要素の大きな領域を監視することしかできない。

米国特許第７，５０１，６３０号明細書

１つの実施形態において、システムは、回転機械の内部と光学的に連通するよう構成された光学監視システムを含む。光学監視システムは、回転機械が作動中である間、回転機械の内部の構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向し、各領域の画像を取り込むよう構成される。

別の実施形態において、システムは、回転機械の内部と光学的に連通するよう構成された光学監視システムを含む。光学監視システムは、回転機械が作動中である間に回転機械の内部の構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向するよう構成された光再配向装置を含む。光学監視システムはまた、光再配向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、各領域の画像を取り込むよう構成される。

別の実施形態において、方法は、回転機械が作動中である間に回転機械の内部の構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向する段階を含む。本方法はまた、各領域の画像を取り込む段階を含む。

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。

タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向し、各領域の画像を取り込むよう構成された光学監視システムを含むタービンシステムの１つの実施形態のブロック図。 光学監視システムの１つの実施形態によって監視することができる種々のタービン構成要素を示す、例示的なタービンセクションの断面図。 回転軸の周りに視野を回転可能に再配向するよう構成された例示的な光再配向装置の概略図。 第１の位置及び第２の位置でタービンブレードに向けて配向される例示的な光再配向装置の後方斜視図。 図４に示す例示的な光再配向装置の正面斜視図。 タービン構成要素の３次元モデル上にタービン構成要素の画像をマッピングする例示的な技術を示す図。 タービン構成要素の異なる領域の画像を取り込む例示的な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、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」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、各タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向することができる光学監視システムを提供することによってタービン構成要素のオンライン監視を強化することができる。１つの実施形態において、光学監視システムは、タービンの内部と光学的に連通するよう構成される。光学監視システムは、タービンが作動している間、タービンの内部の構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向するよう構成された光再配向装置を含む。光学監視システムはまた、光再配向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、各領域の画像を取り込むよう構成されている。特定の実施形態において、光学監視システムは、回転軸の周りに光再配向装置を回転させるよう構成された回転機構を含む。このような実施形態において、光学監視システムは、光再配向装置を回転させることによって構成要素の異なる領域の画像を取り込むことができる。別の実施形態において、光学監視システムは、構成要素に対して光再配向装置を移動させるよう構成された並進機構を含む。このような実施形態は、光再配向装置が構成要素から離れて位置するときには拡張視野を提供し、構成要素に近接して位置するときにはより狭い視野を提供することができる。加えて、並進機構は、光再配向装置を観測ポートの内部に完全に格納して外面上への粒子蓄積を大幅に低減し、及び／又は光再配向装置を高温ガスストリームから取り外すよう構成することができる。その結果、光再配向装置の有効動作寿命を大幅に延長することができる。

光学監視システムはまた、各領域の画像を構成要素の３次元モデルにマッピングするよう構成されたコントローラを含むことができる。表面マッピングした３次元モデルを観測することによって、オペレータは、画像の要素をタービン構成要素上の位置と容易に関連付けることができる。そのため、オペレータは、タービンブレード内で閉塞された冷却孔を識別し、タービン構成要素の残りの寿命を推定し、及び／又は望ましい検査間隔を決定することができる。結果として、タービンシステムの信頼性及び／又は可用性を有意に高めることができる。

ここで各図面において、図１は、タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向し、各領域の画像を取り込むよう構成されたタービンシステムの１つの実施形態のブロック図である。以下ではタービンシステムを説明しているが、光学監視システムを利用して、例えば、圧縮機、ジェットエンジン、ポンプ、又は蒸気タービンなどの他の回転機械又はターボ機械内の構成要素を監視することができる点は理解されたい。図示のタービンシステム１０は、燃料噴射器１２、供給燃料源１４、及び燃焼器１６を含む。図示のように、供給燃料源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させ、次いで、高温の加圧ガスをタービン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。高温のガスストリームは、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との間の結合により、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、ガスストリームは、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、該負荷には、シャフト１９の回転によって動力を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光学監視システム３６を含む。図示の実施形態において、光学監視システム３６は、検出器アレイ４０からタービン１８に延びる光学的接続部３８（例えば、ボアスコープ、内視鏡、ファイバースコープ、その他）を含む。以下で詳細に検討するように、光再配向装置（例えば、プリズム、ミラー、その他）は、光学的接続部３８の端部に結合され、タービンが作動中の間にタービン１８の内部の構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向するよう構成される。結果として、検出器アレイ４０は、タービン構成要素の各領域の画像を取り込むことができる。例えば、図示の実施形態において、光学監視システム３６は、回転機構４２及び並進機構４４を含む。回転機構４２は、光再配向装置を回転させて構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向するよう構成される。加えて、並進機構４４は、光再配向装置を構成要素と相対移動させ、視野を拡大するか、又は狭めるよう構成される。更に、並進機構４４は、光学監視システム３６が使用中でないときには、タービン１８内の高温ガスストリームから離れて光再配向装置を移動させ、これにより光再配向装置の動作寿命を大幅に増大させるよう構成することができる。タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向することによって、狭い視野を有する構成要素表面の大部分を監視し、これにより高空間分解能画像を生成することができる。その結果、オペレータは、閉鎖冷却孔、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）の欠損、及び／又はタービン構成要素内の亀裂など、タービン構成要素内の微小欠陥の識別を可能にすることができる。

図示の実施形態において、検出器アレイ４０は、コントローラ４６に通信可能に結合される。特定の実施形態において、コントローラ４６は、各領域の画像を構成要素の３次元モデル上にマッピングするよう構成される。例えば、コントローラ４６は、構成要素の所望の領域に向けて光再配向装置を配向し、各所望の領域の結果として得られる画像を構成要素の３次元モデル上にマッピングするよう回転機構４２に指示することができる。オペレータは、３次元モデル上にマッピングされた２次元画像を見ることができるので、タービン構成要素上の位置と画像の要素を容易に関連付けることができる。その結果として、オペレータは、タービンブレード内で閉塞された冷却孔を識別し、タービン構成要素の残りの寿命を推定し、及び／又は望ましい検査間隔を決定することができる。

図２は、例示的なタービンセクションの断面図であり、光学監視システム３６の１つの実施形態によって監視することができる種々のタービン構成要素を示している。図示のように、燃焼器１６からの高温ガスストリーム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で実質的に等間隔に配置されたベーン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を流れる高温ガスストリーム４８により回転駆動される。ロータ５８はシャフト１９に結合され、該シャフト１９が圧縮機２２及び負荷２６を駆動する。次いで、高温ガス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。光学監視システム３６の実施形態は、ガスタービンエンジン１０のタービン１８内での構成要素の監視に関して以下で説明しているが、光学監視システム３６は、例えば、ジェットエンジン、蒸気タービン、又は圧縮機などの他の回転機械内の構成要素を監視するのに利用できる点は理解されたい。

図示のように、光学的接続部３８は、検査下流側ポート７６を通ってタービン１８の内部に延びている。理解されるように、検査ポートは、タービンが非作動状態である間にタービン構成要素の検査を容易にするような、タービンケーシングに沿った種々の位置に位置付けることができる。図示の実施形態では、光学監視システム３６は、タービン１８の作動中にタービン構成要素を監視し、オペレータ又は自動化システムがタービンの作動中の構成要素内の欠陥（例えば、閉塞冷却孔、ＴＢＣの欠損、亀裂形成、クリープ、その他）を検出できるように構成される。図示の実施形態は、第１段ブレード５６に向けた単一の光学的接続部３８を含むが、代替の実施形態は、より多くの光学的接続部３８を含むことができる点に理解されたい。例えば、特定の実施形態は、１、２、３、４、５、６、７、８、又はそれ以上の光学的接続部３８を利用して、各ブレード５６の画像を検出器アレイ４０に送ることができる。理解されるように、利用される光学的接続部３８がより多いほど、監視できるブレード５６の領域がより多くなる。更に、光学的接続部３８は、例えば、ボアスコープ、内視鏡、ファイバースコープなどのイメージング光学システムを含むことができる。

図示の実施形態では、光学的接続部３８は第１段ブレード５６に向けられているが、代替の実施形態では、光学的接続部３８は他のタービン構成要素に向けることができる点を理解されたい。例えば、１つ又はそれ以上の光学的接続部３８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１８内の他の構成要素に向けることができる。別の実施形態は、タービン１８内の複数の構成要素に向けられた光学的接続部３８を含むことができる。第１段ブレード５６と同様に、光学監視システム３６は、各構成要素の異なる領域の画像を取り込み、これによりオペレータがタービン構成要素内の欠陥（例えば、過剰温度、亀裂、閉塞冷却孔、その他）を容易に識別できるようにすることができる。加えて、光学監視システム３６は、圧縮機２２の内部（例えば、ブレード、ベーン、その他）及び／又は燃焼器１６の内部（例えば、ライナ、燃料ノズル、その他）内の構成要素を監視するよう構成することができる。

上記で検討したように、光学的接続部は、タービン１８からの画像を検出器アレイ４０に送ることができる。検出器アレイ４０は、ある時間期間にわたって複数の画像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のような特定のタービン構成要素は、タービン１８の円周方向５２に沿って高速で回転することができる。その結果として、このような構成要素の画像を取り込むために、検出器アレイ４０は、各構成要素の高空間分解能の画像をコントローラ４６に提供するのに十分な積分時間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４０は、タービン構成要素の画像を示す信号を約１０、５、３、２、１、又は０．５マイクロ秒、又はそれ未満の短い積分時間で出力するよう構成することができる。複数の光学的接続部を利用する実施形態において、光学的接続部３８は、検出器アレイ４０内のマルチプレクサに結合され、各観測点からの画像の監視を可能にすることができる。理解されるように、各光学的接続部３８からの画像は、空間、時間、又は波長的に多重化することができる。例えば、マルチプレクサが画像を空間多重するよう構成されている場合、各画像は、検出器アレイ４０内の画像検知装置（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）、焦点面アレイ（ＦＰＡ）、その他）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、例えば、第１の光学的接続部からの画像は、画像検知装置の上部に配向することができ、第２の光学的接続部からの画像は、画像検知装置の中心部に配向することができ、第３の光学的接続部からの画像は、画像検知装置の下部に配向することができる。結果として、画像検知装置は、３分の１の解像度で各画像をスキャンすることができる。換言すると、スキャン解像度は、空間多重信号の数に反比例する。理解されるように、より低い解像度スキャンは、より高い解像度スキャンに比べ、コントローラ４６に提供するタービン構成要素についての情報がより少なくなる。従って、空間多重信号の数は、最低要求解像度によって制限される場合がある。

或いは、複数の光学的接続部によって提供される画像は、時間的に多重化することもできる。例えば、検出器アレイ４０は、画像検知装置の全解像度を用いて各光学的接続部３８からの画像を交互にスキャンすることができる。この技術を用いると、画像検知装置の最大解像度を利用できるが、スキャン周波数は、スキャンした観測点の数に対して比例的に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、画像検知装置の周波数が１００Ｈｚであった場合、検出器アレイ４０は、各観測点からの画像を５０Ｈｚでしかスキャンすることができない。従って、時間多重信号の数は、要求スキャン周波数によって制限される場合がある。

加えて、複数の光学的接続部によって提供される画像は、波長多重化することができる。例えば、第１の光学的接続部からの画像は、第１の狭波長帯域内のスペクトル情報を含むことができ、第２の光学的接続部からの画像は、第１の狭波長帯域とは異なる第２の狭波長帯域内のスペクトル情報を含むことができる。このような構成において、マルチスペクトル検出器アレイ４０は、画像検知装置の全解像度を用いて両方の画像を同時にスキャンすることができる。理解されるように、異なる波長帯域を有するタービン構成要素の２つの画像を受け取ることにより、光学監視システム３６が高温ガスストリーム４８からの干渉をフィルタリングすることができ、これによりコントローラ４６が構成要素によって放出される放射線を正確に測定できるようにすることができる。この技術を用いると、画像検知装置の最大解像度を利用することができるが、信号強度は、スキャンされる波長範囲の数に比例的に低下する可能性がある。換言すると、信号強度は、波長範囲の数に反比例する。従って、波長範囲の数は、検出器アレイの感度によって制限される可能性がある。

特定の実施形態において、光学監視システム３６は、構成要素によって放出される放射線の強度に基づき、タービン構成要素の温度を決定するよう構成することができる。例えば、ブレード５６は、ブレードの温度が高くなると、広範囲な波長にわたり放射線を放出することになる。加えて、水蒸気及び二酸化炭素などの特定の燃焼生成種は、温度上昇に反応して広範囲な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の作動中に、ブレード５６により放出される波長のごく一部だけが正確な強度測定のために十分な強度と無視できる干渉で光学監視システム３６に到達する。その結果として、光学監視システム３６は、ブレード５６の温度を求めるのに有意な吸収又は干渉がなく高温ガスストリーム４８を通過する可能性が高い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、可視スペクトルの赤色部分及び／又は近赤外スペクトル内の波長は、多の周波数範囲よりも吸収が少ない状態で高温ガスストリーム４８を通過することができる。従って、特定の実施形態は、ブレード５６の温度を求めるのにこのような周波数範囲を利用することができる。例えば、特定の光学監視システム３６は、ブレード温度を求めるために、約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、他の可視部分、赤外及び／又は紫外スペクトル内の電磁放射線の強度を測定することができる点を理解されたい。

図示の実施形態において、光再配向装置７８（例えば、プリズム、ミラー、その他）は、検出器アレイ４０とは反対側にある光学的接続部の端部に結合される。光再配向装置７８は、タービン構成要素（例えば、第１段ブレード５６）の異なる領域に向けて視野を再配向するよう構成される。以下で詳細に検討するように、光再配向装置７８は、各ブレード５６の正圧面に向けて視野を配向することができる。ブレード５６が円周方向５２で回転すると、各ブレードは、視野を通過し、これにより光学監視システム３６が正圧面の画像を取り込むことが可能となる。次いで、回転機構４２は、各ブレード５６の負圧面に向けて光再配向装置７８を回転させることができる。ブレード５６が円周方向５２で回転すると、各ブレードは、視野を通過し、これにより光学監視システム３６が負圧面の画像を取り込むことが可能となる。次いで、回転機構４２は、各ブレード５６の表面の大部分が監視されるように、ブレード５６の他の領域に向けて光反射装置７８を回転させることができる。各画像に関連する視野が狭いことに起因して、各ブレード５６の表面全体にわたって微少欠陥（例えば、約５００ミクロン又はそれ未満よりも小さい）を検出可能にすることができる。加えて、ブレード表面の大部分を覆う画像が取り込まれるので、画像をブレードの３次元モデルにマッピングし、表面欠陥のオンライン監視を強化することができる。

上記で検討したように、光学監視システム３６はまた、タービン構成要素（例えば、第１段ブレード５６）に対して光再配向装置７８を相対的に移動させるよう構成された並進機構４４を含む。理解されるように、光再配向装置７８を構成要素に近接して移動させると視野が狭くなり、光再配向装置７８が構成要素から離れて移動すると視野が拡張することになる。結果として、視野は、構成要素から所望の距離まで光再配向装置７８を移動させることにより、少なくとも部分的に調整することができる。加えて、並進機構４４は、光学監視システム３６が作動中でないときに、光再配向装置７８を高温ガスストリーム４８から離れて移動させるよう構成することができる。その結果、光再配向装置７８及び／又は光学的接続部の有効動作寿命を大幅に延長することができる。

図３は、回転軸の周りで視野を回転方向に再配向するよう構成された例示的な光再配向装置の概略図である。図示の実施形態において、光再配向装置７８は、３０度、６０度、及び９０度の角度を含む三角プリズムである。このタイプのプリズムは、Ｌｉｔｔｒｏｗプリズムとして説明することができる。図示のように、プリズム７８は、方向８２で軸線８０の周りを回転し、これにより図示の第１段ブレード５６のような、タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を配向するよう構成される。図示の実施形態では、Ｌｉｔｔｒｏｗプリズム７８は、第１の角度８４及び第２の角度８６を含む。第１の角度８４は約６０度であり、第２の角度８６は約３０度である。プリズム７８はまた、第１の角８４とは反対側の側部上に配置された反射コーティング８８を含む。この構成において、角度９２でプリズム７８に入射する例示的な光線９０は、図３に示すようにプリズム７８の表面により反射され、検出器アレイ４０に入射することになる。上述のＬｉｔｔｒｏｗプリズムの幾何形状に基づき、角度９２は約６０度である。従って、プリズム７８が回転すると、検出器アレイ４０は、軸線８０から約６０度に位置付けられる領域の画像を取り込むことができる。更に、視野は、例示的な光線９０に対して視野角９４によって定めることができる。視野角９４は、検出器アレイ構成及び／又はプリズム７８と検出器アレイ４０との間に位置付けられる光学系に基づいて変えることができる。例えば、視野角９４は、０度よりも大きく且つ９０度よりも小さくすることができる。特定の実施形態において、視野角９４は、約０から９０度、約０から６０度、約０から４５度、約０から３０度、又は約０から１５度の範囲にわたることができる。別の実施形態では、異なる幾何形状構成を有する部リズム７８を利用して、例示的な光線９０と回転軸８０との間に異なる角度を提供することができる。加えて、上記ではプリズムが説明されたが、代替の実施形態では、例えば、ミラー又は角度付き光ガイドなどの他の光再配向装置を利用してもよい点は理解されたい。

上記で検討したように、回転機構４２（例えば、電気モータ）は、光学的接続部３８に結合され、光再配向装置７８を回転させてタービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向するよう構成される。同様に、並進機構４４（例えば、電気モータ）は、光学的接続部３８に結合され、構成要素に対して光再配向装置７８を移動させるよう構成される。理解されるように、光再配向装置７８とタービン構成要素との間の距離を調整することにより、検出器アレイ４０に入射する光の焦点が影響を受ける。そのため、図示の実施形態は、光学的接続部３８と検出器アレイ４０との間に位置付けられる焦点調整機構９６を含む。焦点調整機構９６は、光再配向装置７８とタービン構成要素との間の距離の変動を補正するよう焦点を自動的に調整するよう構成することができる。結果として、検出器アレイは、高空間分解能を有する画像を取り込み、これによりタービン構成要素内の微少欠陥（例えば、５００ミクロン未満）の検出を可能にする。

光学監視システム３６はまた、タービンブレード５６によって放出及び／又は反射された光を光学的接続部３８上に合焦するよう構成された対物レンズを含むことができる。特定の実施形態において、対物レンズは、プリズム７８の外面に隣接して位置付けられ、レンズが視野を広げ又は狭めるようにすることができる。或いは、対物レンズは、プリズム７８と光学的接続部３８との間に位置付けることができる。別の実施形態では、対物レンズは、プリズム７８と一体化され、タービン構成要素からの光を合焦するための別個のレンズを排除することができる。

上述のように、特定の実施形態は、例示的な光線９０と回転軸８０との間に異なる角度を提供するように異なる幾何形状構成を有するプリズム７８を利用してもよい。例えば、図示の実施形態では三面体プリズムが利用されているが、代替の実施形態において４、５、６、又はそれ以上の面を有するプリズムを利用してもよい点を理解されたい。加えて、角度、反射コーティング、反射防止コーティングの種々の組み合わせを利用して、例示的な光線９０と回転軸８０との間に所望の角度を確立することができる点を理解されたい。代替の実施形態では、ミラーを利用して、例示的な光線９０の所望の角度を確立することができる。例えば、ミラーは、光学的接続部３８の端部に隣接して位置付けられ、タービンブレード５６から光学的接続部に光を反射するような角度にすることができる。このような実施形態において、対物レンズは、ミラーとタービン構成要素との間、又は光学的接続部とミラーとの間に位置付けることができる。

図示の実施形態において、光学的接続部は、内側コア９７と外層９９とを含む。内側コア９７と外層９９の両方は、光学的接続部３８の光の通過を可能にするよう構成された光透過性材料（例えば、光ファイバー、光ガイド、その他）を含む。図示の実施形態において、外層９９は、光源１０１からの光をプリズム７８に伝送するよう構成され、内側コア９７は、プリズム９８からの光を検出器アレイ４０に伝送するよう構成される。この構成において、光源１０１は、光をタービンブレード５６上に投射し、検出器アレイ４０がブレード５６から反射された光の画像を取り込むようにすることができる。理解されるように、光源１０１は、所望の波長で放射線を放出するように構成されたあらゆる好適な装置（例えば、光発光ダイオード、アーク灯、ストロボ、その他）を含むことができる。例えば、光源１０１は、可視、赤外、又は紫外スペクトル内の光を放出するよう構成することができ、これは、検出器アレイ４０の波長範囲に実質的に一致する。特定の実施形態において、光源１０１は、高周波のパルスを発生し、検出器アレイ４０が回転しているタービンブレード５６の高空間分解能の画像を取り込むことを可能にするように構成することができる。別の実施形態において、光源は、２次検査ポート７６からタービン構成要素に向けて配向され、これにより光学的接続部３８の外層９９を排除することができる。代替の実施形態において、検出器アレイ４０は、高温タービンブレード５６から放出される放射線（例えば、赤外波長）を取り込むよう構成することができる。このような実施形態において、光源１０１及び外層９９は省略してもよい。

図４は、第１の位置及び第２の位置においてタービンブレードに向けて配向される例示的な光再配向装置の後方斜視図である。上記で検討したように、タービンブレード５６は、円周方向５２に回転するよう構成される。その結果として、光学監視システム３６は、ブレードが回転すると各ブレードの異なる領域の画像を取り込むことができる。例えば、光学監視システム３６は、ブレードが光再配向装置７８に接近するときに各ブレードの第１の側面を取り込み、ブレードが光再配向装置７８から離れて移動するときに各ブレードの第２の側面を取り込むことができる。図示の実施形態において、第１の視野９８は、第１の位置１００においてタービンブレード５６に向けて配向され、第２の視野１０２は、第２の位置１０４においてタービンブレード５６に向けて配向される。図示のように、第１の視野９８は、ブレード５６の負圧面１０６に向けて配向され、これにより光学監視システム３６が負圧面１０６の第１の領域１０８の画像を取り込むことが可能になる。

ブレード５６は円周方向５２に回転するので、光学監視システム３６は、ブレードが第１の視野９８に入ったときに各ブレード５６の第１の領域１０８の画像を取り込むことができる。各ブレード５６の第１の領域１０８の画像が取り込まれると、コントローラ４６は、回転機構４２に対し、第２のブレード位置１０４に向けて光再配向装置７８を回転させるよう指示することができる。以下で詳細に検討するように、次に光学監視システム３６は、ブレード５６の異なる領域の画像を取り込むことができる。図示の実施形態では２つの視野が示されているが、追加の視野を利用して、例えば、先端及びプラットフォーム６８などのブレード５６の他の部分の画像を取り込むことができる点は理解されたい。加えて、光学監視システム３６を利用して、他のタービン構成要素のなかでもとりわけ、シュラウド、エンジェルウィング、及びベーンなど、他のタービン構成要素の画像を取り込むことができる。

図５は、図４に示す例示的な光再配向装置の正面斜視図である。図示のように、第２の視野１０２は、ブレード５６の正圧面１１０に向けて配向され、これにより光学監視システム３６が正圧面１１０の第２の領域１１２の画像を取り込むことが可能になる。ブレード５６は、円周方向５２に回転するので、光学監視システム３６は、ブレードが第２の視野１０２に入ったときに第２の領域１１２の画像を取り込むことができる。各ブレードの異なる領域に向けて視野を再配向することによって、ブレードの表面の大分部が高空間分解能で監視され、これによりブレード内の微少欠陥（）の検出を可能にすることができる。加えて、各ブレードの表面の大部分を対象範囲とした画像が取り込まれると、画像は、ブレードの３次元モデルにマッピングされ、これによりブレード欠陥の検出を更に強化することができる。

図６は、タービン構成要素の画像をタービン構成要素の３次元モデルにマッピングする例示的な技術を示す図である。２次元画像を３次元モデルに適用するプロセスは、２次元画像を３次元モデルの２次元投影にマッピングすることによる変換を決定する段階から始まる。図示の実施形態において、変換決定プロセスは、２次元画像上の複数の基準点を３次元モデルの２次元投影上の対応点と位置合わせし、この位置合わせに基づいて双１次変換を定める段階を含む。図示のように、タービンブレード５６及びプラットフォーム６８の２次元画像１１４の基準点は、監視される構成要素の３次元モデルの２次元投影１１６の対応点と整列される。図示の実施形態において、基準点は、プラットフォーム６８のスラッシュ面１１８に沿って位置付けられる。しかしながら、代替の実施形態において、基準点は、タービン構成要素の他の領域内に位置付けることができる点は理解されたい。

図示のように、２次元画像１１４は、プラットフォーム６８の先端において第１のフラッシュ面１１８に沿って位置付けられる第１の基準点１２０と、プラットフォーム６８の先端において第２のフラッシュ面１１８に沿って位置付けられる第２の基準点１２２と、プラットフォーム６８の変曲部において第１のフラッシュ面１１８に沿って位置付けられる第３の基準点１２４と、プラットフォーム６８の変曲部において第２のフラッシュ面１１８に沿って位置付けられる第４の基準点１２６と、を含む。双１次変換を定めるために、第１の基準点１２０は、２次元投影１１６上の第１の対応点１２８と整列することができ、第２の基準点１２２は、第２の対応点１３０と整列することができ、第３の基準点１２４は、第３の対応点１３２と整列することができ、第４の基準点１２６は、第４の対応点１３４と整列することができる。図示の実施形態では４つの点が整列されているが、代替の実施形態では、より多くの点を利用できることは理解されたい。例えば、特定の実施形態は、双１次変換の計算を容易にするために、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上の点を含むことができる。

２次元画像１１４上の各基準点及び３次元モデルの２次元投影１１６上の各対応点の２次元位置を測定することによって、双１次変換を計算することができる。理解されるように、双１次変換は、次式に基づいて算出することができる。

ここで、（ｘ、ｙ）は２次元画像１１４上の各点の座標、（ｕ，ｖ）は３次元モデルの２次元投影１１６上の各対応点の座標、並びにａ₀、ａ₁、ａ₂、ａ₃、ｂ₀、ｂ₁、ｂ₂、及びｂ₃は、双１次変換を定めるパラメータである。図示の実施形態は、２次元画像１１４の４つの基準点を３次元モデルの２次元投影１１６上の４つの対応点にマッピングしているので、上記の一組の式に基づいて合計で８つの式（各点につき２つずつ）が生成されることになる。その結果、８つの式は、双１次変換を定める８つのパラメータ（ａ₀、ａ₁、ａ₂、ａ₃、ｂ₀、ｂ₁、ｂ₂、及びｂ₃）について解くことができる。４つよりも多い点が利用される場合には、最小二乗法を利用して８つのパラメータを求めることができる。

双１次変換が計算されると、２次元画像１１４に変換を適用し、変換画像を定めることができる。例えば、２次元画像１１４上の各点（例えば、画素）の位置（例えば、（ｘ、ｙ）座標）は、上式により変換画像上の対応点の位置（例えば、（ｕ，ｖ）座標）に変換することができる。図示の実施形態では双１次変換を利用しているが、代替の実施形態では、２次元画像１１４を３次元モデルの２次元投影１１６上にマッピングするために他の変換（例えば、アフィン、プロクラステス、透視、多項式、その他）を利用することができる点は理解されたい。

次いで、変換画像は、３次元モデルに適用され、複合モデル（例えば、マッピング面を有するモデル）を定めることができる。例えば、図示の実施形態は、逆透視変換を利用して変換画像を３次元モデルにマッピングすることができる。理解されるように、３次元モデルは、タービン構成要素の形状を定める一連の頂点（ｖｅｒｔｅｘ）又はノードを含む。３次元モデルの２次元投影１１６内の各ノードの位置は、投影１１６の位置、向き、及び視野に基づいて計算することができる。変換画像の座標は、２次元投影部１１６の座標に実質的に一致するので、変換画像のノードは、逆透視変換により３次元モデルのノードと整列させることができる。次いで、変換画像は、３次元モデルにマッピングされ、これにより複合モデル定めることができる。理解されるように、逆直交投影などの他の変換を利用して、変換画像を２次元モデルに適用することができる。

光学監視システム３６は、タービン構成要素の表面の大部分を対象範囲とした画像を取り込むよう構成されるので、各画像が３次元モデルにマッピングされると、実質的に完全な複合モデルを生成することができる。完全な複合モデルは、オペレータが閉塞した冷却孔及び／又は他の異常を２次元画像の観測に比べてより迅速に識別できるようにすることができる。結果として、オペレータは、構成要素の残りの動作寿命を効率的に推定し、及び／又は所望の検査間隔を定めることができる。

図７は、タービン構成要素の異なる領域の画像を取り込む例示的な方法１３６のフローチャートである。最初に、ブロック１３８で示されるように、タービンの作動中にタービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向する。例えば、光再配向装置が回転軸の周りを回転し、タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向することができる。加えて、光再配向装置は、タービン構成要素に対して並進し、これにより、例えばより狭い視野又はより広い視野を提供することができる。次に、ブロック１４０で示されるように、各領域の画像を取り込む。上記で検討したように、焦点調整機構を利用して、各画像を検出器アレイ上に自動的に合焦し、これにより光再配向装置とタービン構成要素との間の距離の変動を補正することができる。タービン構成要素の異なる領域に向けて狭視野を配向することにより、構成要素の表面の大部分を高空間分解能で監視することができる。結果として、閉塞冷却孔、亀裂、ＴＢＣの欠損、及び／又は他の欠陥など、構成要素内の微小（例えば、約５００ミクロン未満）欠陥を検出することができる。

ブロック１４２で示されるように、特定の実施形態において、各領域の画像は、タービン構成要素の３次元モデル上にマッピングされる。例えば、コントローラは、構成要素の所望の領域に向けて光再配向装置を配向するよう回転機構に指示し、各所望の領域の結果として得られる画像を構成要素の３次元モデルにマッピングすることができる。オペレータは、３次元モデル上にマッピングされた２次元画像を見ることができるので、画像の要素をタービン構成要素上の位置に容易に関連付けることができる。結果として、オペレータは、タービンブレード内の閉塞冷却孔を識別し、タービン構成要素の残りの寿命を推定して、及び／又は所望の検査間隔を決定することができる。

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 供給燃料源
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 光学監視システム
３８ 光学的接続部３
４０ 検出器アレイ
４２ 回転機構
４４ 並進機構
４６ コントローラ
４８ 高温ガスストリーム
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 検査ポート
７８ 光再配向装置
８０ 回転軸
８２ 回転方向
８４ プリズムの第１の角度
８６ プリズムの第２の角度
８８ 反射コーティング
９０ 例示的な光線
９２ 例示的な光線と回転軸との間の角度
９４ 視野角
９６ 焦点調整機構
９７ 内側コア
９８ 第１の視野
９９ 外層
１００ 第１のタービンブレード位置
１０１ 光源
１０２ 第２の視野
１０４ 第２のタービンブレード位置
１０６ 負圧面
１０８ 負圧面の第１の領域
１１０ 正圧面
１１２ 正圧面の第２の領域
１１４ ２次元画像
１１６ ３次元モデルの２次元投影
１１８ スラッシュ面
１２０ 第１の基準点
１２２ 第２の基準点
１２４ 第３の基準点
１２６ 第４の基準点
１２８ 第１の対応点
１３０ 第２の対応点
１３２ 第３の対応点
１３４ 第４の対応点
１３６ 方法のフローチャート
１３８ タービン構成要素の異なる領域に向けて視野を再配向する
１４０ 各領域の画像を取り込む
１４２ 各領域の画像をタービン構成要素の３次元モデル上にマッピングする

Claims (6)

1. 光学監視システム（３６）を備えるシステム（１０）であって、前記光学監視システム（３６）が、
   光学的接続部（３８）と、
   前記光学的接続部（３８）の一方の端部と結合して、前記回転機械（１８）の内部と光学的に連絡するように構成された再配向光再配向装置（７８）と、
   前記光学的接続部（３８）の他方の端部と結合した検出器アレイ（４０）と、
   回転軸（８０）の周りで前記光再配向装置（７８）を回転させて光再配向装置（７８）の視野を回転可能に再配向させるように構成された回転機構（４２）と、
   前記回転機械（１８）の内部の構成要素（５６）に対して前記光再配向装置（７８）を移動させるように構成された並進機構（４４）と、
   前記光学的接続部（３８）と前記検出器アレイ（４０）との間に配置され、焦点を調節するように構成された焦点調整機構（９６）と
   を含んでおり、前記光学監視システム（３６）が、前記回転機械（１８）が作動中に前記構成要素（５６）の異なる領域（１０８、１１２）に向けて視野（９８、１０２）を再配向し、前記各領域（１０８、１１２）の画像（１１４）を取り込むように構成されている、システム（１０）。
2. 前記光再配向装置（７８）がプリズムを含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記光学監視システム（３６）が、前記構成要素（５６）を照射するように構成された光源（１０１）を含む、請求項１又は請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 前記光学監視システム（３６）が、前記各領域（１０８、１１２）の画像（１１４）を前記構成要素（５６）の３次元モデル上にマッピングするように構成されたコントローラ（４６）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
5. 前記光学監視システム（３６）が、前記回転機械（１８）のケーシング内の検査ポート（７６）を介して前記回転機械（１８）の内部と光学的に連絡するように構成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
6. 回転機械（１８）の内部と光学的に連絡するように構成され光学監視システム（３６）を備えるシステム（１０）であって、前記光学監視システム（３６）が、
   光学的接続部（３８）と結合して、前記回転機械（１８）が作動中に前記回転機械（１８）の内部の構成要素（５６）の異なる領域（１０８、１１２）に向けて視野（９８、１０２）を再配向するように構成された再配向光再配向装置（７８）と、
   前記再配向光再配向装置（７８）と光学的に結合して、前記各領域（１０８、１１２）の画像（１１４）を取り込むように構成された検出器アレイ（４０）と、
   回転軸（８０）の周りで前記光再配向装置（７８）を回転させて光再配向装置（７８）の視野を回転可能に再配向させるように構成された回転機構（４２）と、
   前記構成要素（５６）に対して前記光再配向装置（７８）を移動させるように構成された並進機構（４４）と、
   前記光学的接続部（３８）と前記検出器アレイ（４０）との間に配置され、焦点を調節するように構成された焦点調整機構（９６）と
   を含む、システム（１０）。
   

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