(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンラインで運転中の発電ガスタービン燃焼器又はタービンセクションを内部検査するためのカメラ検査システムにおいて、
前記カメラ検査システムが、
前記発電ガスタービン燃焼器又は前記タービンセクションの検査ポートの内部に挿入するための遠位端と、ガスタービンエンジンの外側に取り付けられている光学カメラと光学的に結合されるように構成されている検査ポートの外側に位置している近位端と、を有している内部を形成しているハウジングを含んでいる、光学チューブであって、前記遠位端が、ビューイングポートを含んでいる、前記光学チューブと、
前記ハウジングによって前記ビューイングポートの近傍に形成されている冷却ポートと、
非球面レンズの視野内に発生した光学画像を前記ハウジングの前記近位端に伝送するための前記非球面レンズであって、前記検査ポート及び前記ハウジングの前記近位端と光学的に位置合わせされた状態において、前記ハウジングの内部に且つ前記ビューイングポートの近傍に取り付けられている前記非球面レンズと、
前記非球面レンズおよび前記ハウジングの前記近位端と光学的に位置合わせされた状態において、前記ハウジングの内部に取り付けられている球面レンズと、
前記ハウジングの内部において前記視野内に方向づけられた関心対象の光学的画像を伝送する組み合わせレンズと、
前記組み合わせレンズを通じて伝送された光学画像を補足するためのカメラであって、前記ガスタービンエンジンの外側において前記ハウジングの前記近位端に結合されている前記カメラと、
前記ビューイングポートの近傍に加圧ガスを放出するために前記冷却ポートに結合されている加圧ガス源と、
とを備えており、
前記組み合わせレンズと前記ハウジングの前記内部とが、華氏１１１２度（６００℃）より高い温度における連続運転を可能にする材料から構成されており、前記ハウジングの前記内部が、前記ハウジングの外側の周囲温度と熱伝達するようになっており、これにより、前記ハウジングの前記内部の温度が、前記ハウジングの前記周囲温度に応じて変化することを特徴とするカメラ検査システム。
【請求項２】
前記非球面レンズの材料は、石英ガラス、溶融石英、サファイア、透明セラミックスピネル及びアルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）から成る群から選択される請求項１に記載のカメラ検査システム。
【請求項３】
前記視野が、３４°より大きい請求項１に記載のカメラ検査システム。
【請求項４】
前記視野が、少なくとも５０°である請求項１に記載のカメラ検査システム。
【請求項５】
前記カメラ検査システムが、複数の非球面レンズを備えており、
前記非球面レンズのうち少なくとも１つの非球面レンズが、石英ガラス及び溶融石英から成る群から選択される材料から構成されている請求項１に記載のカメラ検査システム。
【請求項６】
前記カメラ検査システムが、検査ポートを有しているガスタービンを備えており、
前記ガスタービンの運転前に、前記ハウジングの前記ビューイングポートが、前記検査ポートに挿入され、
前記ガスタービンの運転中に、前記カメラ検査システムが、前記ガスタービンの内部の関心領域の画像を生成する請求項１に記載のカメラ検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国特許出願第１３／３６２，３６５号についての優先権の主張に基づくものである。米国特許出願第１３／３６２，３６５号は、参照によって本出願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、オンラインで運転中の発電タービンの非破壊内部検査のための光学カメラシステムに関する。当該発電タービンは、ガスタービン燃焼器とタービンセクションとを含んでおり、その動作温度は６００℃（華氏１１１２度）を超える範囲であり、燃焼ガス汚染物質を含んでいる。
【０００３】
赤外線スペクトル又は可視スペクトルオンラインカメラシステムは、発電ガスタービン、蒸気タービン、発電機又はそれらの関連設備の重要な内部のエンジン部材を、それらが発電所内で動作している間、高温光学システムを高速カメラ結像と結合することによって監視する。当該光学システムの設計には、レンズ、光学材料及び関連するレンズ装着構造の選択及び結合が必要であり、それによって、設備の過酷な動作環境を切り抜けながら、最高の画質が提供される。例えば、ガスタービン燃焼器及びタービンセクションは、レンズ表面に損傷を与え、汚染する高温の燃焼ガスを含んでいる。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂは、従来のガスタービン３０を概略的に示している。ガスタービン３０は、圧縮機セクション３２と、複数の周方向燃焼器３４と、回転軸４０が貫通するタービンセクション３８とを備えている。タービンセクション３８は、固定された列１の羽根４２だけではなく、シャフト４０に回転可能に結合された列１のブレード４４も含んでいる。タービンセクション３８は、列２の羽根４６及び列２のブレード４８のように、固定された羽根及び回転するブレードの連続的に交互に並ぶ列を含んでいる。タービン３０は、複数の検査ポート３６、５０及び５２を組み入れており、それによって検査のために内部部材に接近することが容易になっている。
【０００５】
図１Ａに示したように、カメラ検査システム５５は、検査ポート３６に結合されており、かつ、ビューイングポート５７を備えた光学チューブハウジング５６を含んでいる。ビューイングポート５７は、ハウジングの中心軸と軸合わせされた約３０°の視野を確立している。カメラ５８は、光学チューブハウジング５６内のレンズによって伝えられた画像を取り込む。カメラ検査システム５５は、例えば列１の羽根４２の前縁のような、視野に視認できるタービン３０内部の関心領域を検査するのに有用である。同様に、カメラ検査システム５５’は、検査ポート５０に結合されており、かつ、ビューイングポート５７’を備えた光学チューブハウジング５６’を含んでいる。ビューイングポート５７’は、ハウジングの中心軸に垂直に（すなわち横方向又は側方に）位置合わせした約３０°の視野を確立している。カメラ５８は、光学チューブハウジング５６’内のレンズによって伝えられた画像を取り込む。カメラ検査システム５５、５５’は、視野に視認できるタービン３０内部の関心領域を検査するのに有用である。しかしながら、図１Ｂに示したように、従来のカメラのビューイングポート５７’を通した視野は３０°から３４°に過ぎないので、タービンブレード４４の前縁の全幅を取り込むことはできない。
【０００６】
タービンの内部部材に関する、タービンのオンライン動作中におけるリアルタイムでの赤外線スペクトル又は可視光スペクトル撮像の現在の光学設計は、いくつかの制約に悩まされている。これらの制約によって、視野、最高動作温度、画質及びシステムの耐用年数が制限される。所望の画質を得るために、従来の光学システムは、５５０℃（華氏１０２２度）以下の温度限界を有する少なくとも１つの光学材料の使用を必要とする。加えて、従来の設計は、光学収差を補正するために、２つ以上の要素を含む、密な間隔で配置された球面レンズの複合群を用いている。
【０００７】
カメラ撮像システムのための従来の光学チューブの設計は、視野、画質及びレンズ装着システムの複雑性の間のトレードオフに悩まされている。所望されるより大きな視野は、レンズ間の間隔がより密な、より多くの量のレンズを必要とする。反対に、レンズの透過率は、レンズの量が増大するにつれて減少する。これらの設計上のトレードオフは、室温での検査アプリケーションにおいて用いられるカメラ検査システムへの影響と比較して、オンラインのガスタービンのような高温での検査アプリケーションにおいて用いられる光学システムの性能及び耐用年数に、重大なネガティブな影響を直接及ぼす。より具体的には、光学収差を補正するために、従来の光学設計は、異なるガラス材料を凸状及び凹状表面と組み合わせた球面レンズを用いている。従来の光学設計は、優れた画質を作り出すことができるものの、タービンの過酷な環境で用いられる際にいくつかの難題をもたらす。特定ではあるが異なる光学的、熱的及び機械的構造特性を備えた複数の光学材料を選択する必要がある：高温の動作環境に最も近い少なくとも１つの光学材料は、約６００℃（華氏１１１２度）の融解温度を有するべきである。光学特性を大きく損失することなくこのような高温に耐え得る光学材料は少ない。前述の光学収差を補正するために、複数の球面レンズが必要である。すでに知られている高温検査システムの光学チューブの設計では、十分な画質を作り出すために、６つまでの異なるレンズが用いられてきた。タービン内部における、検査のより広い関心領域のために所望される視野が増大すると、付加的なレンズも必要になる。実際には、従来の高温検査システムの光学チューブにおける視界／視野は３４°か、又はそれより小さい。
【０００８】
光学チューブ内のレンズの数が増大するにつれて、レンズの装着に関する機械的な設計及び動作上の制約も、システムの耐用年数も、さらなる問題に直面するようになる。例えば、マウント内のレンズの数が増大すると、高温検査アプリケーション内でレンズのアライメントを維持することがより難しくなり、従って、耐用年数にも不利益がもたらされる。
【０００９】
ガスタービンの「高温部」における冷却を行わないオンラインの監視に用いられる現在の撮像システムは、点検及び修理が必要となるまで最大約２００時間から３００時間に制限される動作可能性を有している。撮像システムの失敗は、摩耗の進行又はガスタービンの熱及び振動にさらされる様々な光学素子の破損によってもたらされることが観察されてきた。この数１００時間の使用期間は、短時間のエンジンの性能検証には十分であり得るが、産業界では、タービンの内部部材の寿命全体にわたる継続的なオンラインでの監視のために、長期運転の必要性が増大してきている。ガスタービンは、定期的な保守周期の間、継続的に運転されることを意図されている。定期的な保守周期までは、カメラ検査システムの機械光学（mecha-optical）部材を、監視されるガスタービンから、ガスタービンの運転中に取り除くことはできない。ガスタービンの一般的な保守検査周期は、４０００時間ごとに予定されており、８０００時間ごとの主要検査を伴うことが一般的である。従って、継続的なオンラインの検査監視システムにとっては、検査及び修理を受ける機会を得るまで、分解を行わずに少なくとも４０００時間は運転可能な状態であり続けることが重要である。これまで、撮像システムの耐用年数を増大させようとする様々な試みが、数１０時間から数１００時間のわずかな改善につながってきた。
【００１０】
従って、本発明が属する技術分野では、６００℃（華氏１１１２度）を超える、望ましくは１０００℃（華氏１８３２度）までの温度環境における連続運転に耐え得る発電システムタービン及びこれに類するもののための高温環境下における検査システムについて、ニーズが存在する。視野が広いこのようなシステムについては、他のニーズが存在する。設計上及び動作上の複雑性を減少させるために使用するレンズの数量を低減させたこのようなシステムについては、さらなる他のニーズが存在する。画質を維持、好ましくは向上させつつ、光伝送効率を高めるという他の既存のニーズが存在する。発電システムタービンの管理された点検間隔、望ましくは４０００時間に一致するように、高温環境下における検査システムの運転耐用寿命を高めるという、当該技術分野における他の全般的なニーズが存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の潜在的な目的は、発電システムタービン及びこれに類するもののための高温環境下における検査システムであって、６００℃（華氏１１１２度）を超える、望ましくは１０００℃（華氏１８３２度）までの温度環境における連続運転に耐えること、視野が広いこと、設計上及び動作上の複雑性を減少させるために使用するレンズの数量が低減されること、光伝送効率が高いこと、画質が維持、好ましくは向上されること、及び、運転耐用寿命が高められることのうち少なくとも１つの目的を達成する、高温環境下における検査システムを作り出すことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらの、及び、その他の対象は、本発明の態様に従って、ビューイングポートを有するハウジングと、ハウジング内に装着された、６００℃（華氏１１１２度）を超える温度での継続的な運転を可能にする材料で形成された非球面レンズとを特徴とする検査装置によって得られる。
【００１３】
本発明の態様は、カメラ検査システムも対象にしている。当該システムは、ビューイングポートを有するハウジングと、６００℃（華氏１１１２度）を超える温度での継続的な運転を可能にする材料で形成され、ハウジング内でビューイングポート近傍に装着された非球面レンズとを特徴としている。当該態様は、ハウジング内で非球面レンズの後方及び非球面レンズと並んで装着された球面レンズも特徴としている。それぞれのレンズは組み合わされて、ハウジング内で、レンズによって確立された視野内に方向づけられた関心対象の画像を伝送する。カメラは、レンズを通して伝えられた画像を生成するためにハウジングに結合される。
【００１４】
本発明は、運転中のガスタービン内部の関心領域を目視検査するための方法も対象としている。当該方法は、ビューイングポートを有するハウジングを備えたカメラ検査システムを供給するステップを特徴としている。提供されたシステムにおいては、６００℃（華氏１１１２度）を超える温度での継続的な運転を可能にする材料で形成された非球面レンズが、ハウジング内部において、ビューイングポートの近傍に装着される。球面レンズは、ハウジング内部において、非球面レンズの後方及び非球面レンズと並んで装着される。それぞれのレンズは組み合わされて、ハウジング内で、レンズによって確立された視野内に方向づけられた関心対象の画像を伝送する。提供されたシステムにおいては、カメラは、レンズを通して伝えられた画像を生成するためにハウジングに結合される。当該方法の次のステップは、カメラ検査システムのハウジングのビューイングポートの、ガスタービンの検査ポートへの挿入を含んでいる。次に、当該方法は、タービン動作中におけるガスタービン内部の関心領域の画像の生成を含む。
【００１５】
本発明のいくつかの態様においては、レンズ材料は、石英ガラス、溶融石英、サファイア、スピネル、及びアルミニウム酸窒化物（ＡＩＯＮ）から成る群から選択される。いくつかの態様においては、非球面レンズは、３４°を超える視野を確立し、その他の態様においては少なくとも５０°の視野を確立する。いくつかの態様においては、当該装置はさらに、ビューイングポート近傍のハウジングによって規定される冷却ポートと、当該冷却ポートに結合された、ビューイングポート近傍に加圧ガスを放出するための加圧ガス源とを特徴としている。
【００１６】
当業者は、本発明の対象及び特徴を、共に又は別々に、何らかの組み合わせ又は部分的組み合わせにおいて利用して良い。
【００１７】
本発明の教示は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に検討することによって、容易に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】従来のカメラ検査システムで検査されているガスタービンの概略的立面図である。
【図１Ｂ】図１の１Ｂ‐１Ｂに沿った概略的平面図である。
【図２】（Ａ）は、従来の球面レンズの概略的立面図であり、（Ｂ）は、本発明の非球面レンズの概略的立面図である。
【図３Ａ】レンズの視野（ＦＯＶ）内部に配置された関心対象の画像を形成するために球面レンズスタックを組み込んだ、従来のカメラレンズシステムの概略的立面図である。
【図３Ｂ】本発明に係る非球面レンズを組み込んだ、本発明に係るカメラレンズシステムの概略的立面図である。
【図４】従来のレンズマウントの部分的横断面の概略的立面図である。
【図５】本発明のカメラ検査システムで検査されているガスタービンの概略的立面図である。
【図５Ａ】図５の５Ａ‐５Ａに沿った概略的平面図である。
【図６】本発明の一態様に係る光学チューブハウジングの概略的横断面図であり、画像がチューブの中心軸と一直線にとられた図である。
【図７】本発明の一態様に係る、図６の光学チューブハウジング内のレンズマウントの概略的横断面図である。
【図８】本発明に係る、図７のレンズマウント内の軸圧縮バネの斜視図である。
【図９】本発明に係る、図７のレンズマウント内の装着リングの斜視図である。
【図１０】本発明の一態様に係る、図６の光学チューブハウジング内の別のレンズマウントの概略的横断面図である。
【図１１】本発明の別の一態様に係る光学チューブハウジングの概略的横断面図であり、画像がチューブの中心軸に対して垂直にとられた図である。
【図１２】本発明の一態様に係る、図１１の光学チューブハウジング内のレンズマウントの概略的横断面図である。
【図１３】本発明に係る、図１２のレンズマウント内の装着リングの別態様の径方向横断面図である。
【図１４】本発明の一態様に係る、図１１の光学チューブハウジング内の別のレンズマウントの概略的横断面図である。
【図１５】本発明に係る、さらなる別のレンズマウントの態様の概略的横断面図である。
【図１６】本発明に係る、冷却システムを含む検査システムの概略的横断面立図である。
【図１７】図１６の冷却システムの細部の概略的横断面立図である。
【図１８】本発明に係る、ガスタービンの検査ポートに結合された検査システムの概略的立面斜視図である。
【図１９】本発明に係る検査システムの検査カメラピント調整機構の概略的立面斜視図である。
【図２０】本発明に係る、カメラ検査システムと関連する電子／電気機械制御システム部材とを含む、検査システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
理解を容易にすべく、可能な場合には、図面に共通する同じ部材を指すために同じ参照符号を用いた。
【００２０】
以下の説明を検討すれば、当業者は、本発明の教示が、オンラインの運転中の発電タービンに関する非破壊内部検査のための光学カメラシステムにおいて容易に活用され得ることを明確に理解するであろう。当該発電タービンは、ガスタービン燃焼器とタービンセクションとを含んでおり、その動作温度は６００℃（華氏１１１２度）を超える高温の範囲であり、燃焼ガス汚染物質を含んでいる。当該検査システムは、６００℃を超える継続的動作温度に耐え得る１つ又は複数の非球面レンズを含んでいる。非球面レンズは、単独又は球面レンズと組み合わせて、より広い視野を確立し、球面レンズのみを組み入れたレンズマウントよりも少ないレンズの組み合わせを必要とする。検査システムに組み込まれた冷却システムは、継続的な運転を容易にし、レンズの外面が燃焼ガスで汚染されるのを抑制する。
【００２１】
非球面レンズ光学
「高温」検査撮像システムの機械光学的性能を改善し、機械的組み立ての複雑性を減少させるために、好ましくは溶融石英材料から形成された非球面レンズ要素が、従来の球面レンズ要素の少なくともいくつかと交換される。溶融石英は、耐熱性を有する光学材料である。レンズの表面輪郭は、従来のシングルポイントダイヤモンド旋削製造技術を用いることによって形成され得る。サファイアは、高温で使用できる別の潜在的なレンズ材料である。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、球状表面６２を有する従来のレンズ６０は、その一定半径によって完全に規定されているが、非球状表面は、その形状を描くために、従来の多重パラメータ方程式（multi parameters equation）を必要とする。非球状表面６６を有するレンズ６４の光学的利点は図２（Ｂ）に示されており、図２（Ｂ）では、光線が一点に集中している。図２（Ａ）の球面レンズ６０の場合、光線は不鮮明さを形成し、それによって画質が低下する。図３Ａに示したような従来の球面レンズのみのレンズアレイにおいては、６つの球面レンズ６０‐６０Ｅが、不鮮明な画像を鮮明にするために必要である。対照的に、非球面レンズ６４Ａは、球面レンズ６０’と組み合わされて、十分鮮明な画像を生成するのに十分である。非球面レンズを含むレンズアレイを備えた撮像検査カメラシステムは、システムの耐用年数を増大させる。レンズの総数は減少し、次に機械的組み立ての複雑性の減少がもたらされる。故障及び／又はミスアライメントを生じた部材で、検査システムの耐用年数にポジティブな影響を与える部材は少ない。レンズの数の減少は、有利には、数少ない連続的なレンズ材料層の間での減衰が少ないゆえの、光透過率の増大によるものである。溶融石英及びサファイアの非球面レンズ材料は、１０００℃での継続的運転で動作し、１２００℃での短期間の断続的運転で動作するであろう。検査システムの視野は、機械的組み立ての複雑性の受容可能なレベルを維持しながら、５０°まで増大し得る。従来の球面レンズを有するシステムの視野は、３４°以下に制限されていた。
【００２３】
従来のレンズマウントの限界
本発明に係るシステムのいくつかの態様は、さらに、図４に示した従来の一般的な検査システムのレンズマウントの剛性構造と比べて、温度及び振動を補償するレンズマウントを特徴としている。この例示的な従来のレンズマウントにおいては、間隙を介する球面レンズ６０Ｆ‐６０Ｈは、マウントバレル７０内に、一連の離間した堅く形成されたフランジ７２、堅いスペーサーリング７４、７６及び保持リング７８によって保持されている。バレル、保持リング及び非金属レンズの熱膨張率が変化するので、レンズは外部の変形応力にさらされ、応力によって亀裂及び／又はミスアライメントを生じやすくなる。
【００２４】
検査システム概要
図５は、本発明のカメラ検査システムで検査されている、運転中のオンラインのガスタービン３０の概略的立面図である。特に、第１列の羽根４２の前縁が、検査システム８０によってリアルタイムに検査されている一方で、検査システム８０Ａは、第１列のタービンブレード４４の前縁を検査する。当該図面は、２つの検査システムが特定の検査位置で同時に用いられていることを示しているが、検査システムの数及びその配置は、使用者の裁量で変更可能である。各検査システムはどちらも、それぞれカメラ筐体８２を備えており、当該カメラ筐体は、ビューイングポート８６、８６Ａを通じて確立された視野内部の画像を伝送する光学チューブハウジング８４、８４Ａ（内部にレンズマウントによって保持された複数のレンズを有している）に光学的に結合されている。ガスタービン検査システム８０内のビューイングポート８６は、光学チューブハウジング８４の遠位端に配置されているので、その視野はハウジングの中心軸と位置合わせされている。ビューイングポート８６Ａは、光学チューブハウジング８４Ａの外周面上に且つ外側に配置されているので、その視野は、ハウジングの中心軸に対して垂直の角度で位置合わせされる。図５に示したように、検査システムのビューイングポート８６Ａは、タービンブレード４４の前縁の画像を生成する。図５Ａは、５０°以上の視野（ＦＯＶ）が、図１Ａ及び図１Ｂに示した先行技術に係るカメラ検査システム５５’の３４°以下の視野（ＦＯＶ）と比較して有する利点を概略的に描写している。５０°以上のＦＯＶによって、関心領域（ここではタービンブレード４４の前縁が例として挙げられる）について、視野角が３４°以下である従来の検査システムで可能であるよりも大きな部分を検査することが可能になる。
【００２５】
光学チューブハウジング及びレンズマウント
図６から図１５は、本発明に係る光学チューブの態様８４、８４Ａと、レンズ及びレンズマウントの例示的態様とを示している。図６を参照すると、光学チューブハウジング８４は、その遠位端に配置されたビューイングポート８６を有している。末端のレンズマウント９０と中間のレンズマウント９２とは、金属製の光学チューブハウジング８４内に保持され、次々に異なるレンズ構成を保持する。図７から図９に示したように、遠位端レンズマウント９０は、金属製のレンズマウントバレル１００を有しており、当該レンズマウントバレルは、管状の形態で構成されており、一体的レンズ保持フランジ１０２と、非球面レンズ１０６を囲み捕捉する内周１０４とを有している。レンズマウント１００が完全にレンズ１０６を囲んでいる一方で、当業者の裁量で、レンズの部分のみを囲むように当該レンズマウントを構成しても良い。
【００２６】
非球面レンズ１０６は、保持フランジ１０２に接する前面１０８と後面１１０とを有している。周縁エッジ１１２は、レンズ１０６の径方向境界を決定する。レンズ１０６に接する保持フランジ１０２の局所輪郭は、レンズの外周への対称的な圧力ゆえに、前面１０８の局所輪郭に一致する。球面レンズ１１６は、非球面レンズ１０６とは離間した関係にあると共に位置合わせされており、前面１１８、後面１２０及び周縁エッジ１２２を有している。レンズ１０６及びレンズ１１６の間におけるアライメント及び離間は、環状／管状の金属製の第１の装着リング１１４（図１０参照）によって確立されている。その前面１１４Ａの局所輪郭は、非球面レンズの後面１１０の局所輪郭に一致し、その後面１１４Ｂの輪郭は、球面レンズの前面１１８の輪郭に一致する。第２の管状の金属製装着リング１２４は、球面レンズの後面１２０の局所輪郭と一致する輪郭を有する前面を備えている。
【００２７】
周方向においてレンズ１０６、１１６のそれぞれを、マウントバレル１００の内周１０４内に取り込むこと、及び、軸方向においてレンズフェース及び装着リングの隣接する輪郭を対応して整合させることによって、画質のために所望されるレンズのアライメントが、タービン内の動作温度の変動及び振動にも関わらず維持される。圧縮バネ１２６（図１０参照）は付勢要素であり、タービン運転中の温度及び振動の変動にも関わらず、一定の軸方向の力をレンズ１０６、１１６の前面及び後面に加える。このようにして、レンズ１０６、１１６と、保持リング１１４、１２４と、レンズマウントバレル１００とは、それぞれの部材全ての間で比較的一定の軸方向付勢力を維持しながら、異なる軸方向膨張率／収縮率を経験することが可能である。圧縮バネ１２４は、放電加工機で硬いステンレス鋼のチューブを機械加工することによって形成される。圧縮バネ１２４の代わりに、他の弾性付勢要素（profile spring biasing element）を用いても良い。圧縮バネの第１の端部１２８は、第２の保持リング１２４に接しており、第２の端部１３０は、ハウジング１００内部に取り込まれたバネの保持リング１３２に接している。別法として、バネ保持リング１３２の代わりに圧縮バネの第２の端部１３０が、末端のレンズマウント９０の軸方向長さを減少させるために望まれる場合には、ハウジングの内周に溶接等によって永久的に取り付けられて良い。末端のレンズマウント９０も、末端レンズマウントビューイングポート１３４を備えており、末端レンズマウントビューイングポート１３４は、光学チューブハウジング８４のビューイングポート８６と軸合わせされている。
【００２８】
図１０に示したように、中間レンズマウント９２は単独の非球面レンズ１０６’を有しており、非球面レンズ１０６’は、周方向においてはレンズマウントバレル１００’内に取り込まれ、軸方向においては第１の装着リング１１４’と共に付勢要素圧縮バネ１２６’及びバネ保持リング１３２’によって次々に保持されている。
【００２９】
図１１には、光学チューブ８４Ａの態様が側面図すなわち横方向から見た図で示されている。側面図は、プリズム１５０によって可能であり、プリズム１５０は、スペクトル周波（spectral frequency waves）（例えば赤外線スペクトル又は可視スペクトル）を光学的に屈曲させ、それによって、非球面レンズ１０６Ａを有する末端レンズマウント９０Ａ（図１２）と、次に非球面レンズ１０６Ａ’を有する中間レンズマウント９２Ａ（図１４）との軸合わせが行われる。
【００３０】
例示的な末端レンズマウント９０Ａが図１２に示されている。末端レンズマウント９０Ａは、レンズマウントバレル１５２を含んでおり、レンズマウントバレル１５２には、レンズ前面装着保持装置１５４が接続されている。保持装置１５４は、非球面レンズ１０６Ａに当接している。当接する表面輪郭は、レンズ前面又は第１面の局所輪郭に対応している。柔軟なレンズ装着リング１５６もまた、レンズ１０６Ａの第２面又は後面に対応する表面輪郭を有しており、圧縮バネ軸方向付勢要素１６４及びバネ保持リング１６６によって加えられる軸方向の付勢圧力によって、軸方向においてレンズに当接している。図１３に示したように、柔軟なレンズ装着リング１５６は、リム１５８と、リム１５８から軸方向に突出した複数の片持ちフィンガー１６０とを有している。フィンガー１６０は、末端に接触面１６２を有しており、接触面１６２は、当接するレンズ１０６Ａの局所輪郭に対応する輪郭を有している。柔軟なレンズ装着リングは、当接するレンズ１０６Ａに対して付加的な付勢力を加え、レンズマウントバレル１５２内の局所的な屈曲を補償することができる。別法として、レンズマウント９０Ａ内又はその他の例示的な態様のマウント内の柔軟なレンズ装着リング１５６の代わりに、図７及び図１０それぞれのレンズマウント９０、９２内で用いられるような硬い保持リングを用いることが可能である。
【００３１】
図１４に示した中間レンズマウント９２Ａ内では、レンズマウントバレル１５２Ａが、周方向においてレンズ１０６Ａ’を取り込み、軸方向においては、互いに対して反対に配置された柔軟なレンズ装着リング１５６Ａと１５６Ａ’との間のレンズを保持している。圧縮バネ１６４Ａは、レンズ１０６Ａ’に、互いに対して反対に配置された柔軟な装着リング１５６Ａ及び１５６Ａ’と同時に、軸方向の付勢力を加える。バネ保持リング１６６Ａは、バネ１６４Ａを、レンズマウントバレル１５２Ａ内に保持する。
【００３２】
図１５は、２つの直列に並んだ非球面レンズ１０６Ｂ及び球面レンズ１１６Ｂの例示的な実施態様を示しており、当該レンズはそれぞれ、柔軟な装着リング対１５６Ｂ、１５６Ｂ’及び１５６Ｂ”、１５６Ｂ”’によって保持されている。レンズ１０６Ｂ及び１１６Ｂは、スペーサーブッシング１６８によって離間されており、周方向において、各弾性環状ブッシング１６７、１６７Ａによって固定されている。弾性環状ブッシング１６７、１６７Ａは、レンズの周縁エッジとレンズマウントバレル１５２Ｂとの間に挿入されている。圧縮バネ１６４Ｂ（ここではらせん状ワイヤバネとして示されている）は、リング対１５６Ｂ、１５６Ｂ’及び１５６Ｂ”、１５６Ｂ”’のそれぞれの上の、付勢された柔軟な片持ちフィンガーと共に、レンズ１０６Ｂ及び１１６Ｂへの軸方向の付勢圧力を維持し、それによって、レンズマウント１６４Ｂ又は光学チューブ８４Ａ構造内の熱及び振動によって誘発される歪みを補償する。金属製の弾性環状ブッシング１６７は、レンズ１０６Ｂ、１１６Ｂに、付加的な振動減衰と歪みの補償とを提供する。圧縮バネ１６４Ｂは、ねじ込み（threaded）バネ保持リング１６６Ｂによって、ハウジング１５２Ｂ内に保持される。
【００３３】
光学チューブの冷却及びレンズの洗浄
本発明に係る検査システムは、付加的に冷却システムを用いて良い。当該冷却システムは、光学チューブハウジングの外周の回りに加圧ガスを噴射し、かつ、加圧ガスを冷却ポート内へ誘導する。当該冷却ポートは、光学チューブのビューイングポートの近くに配置されている。加圧ガス源は、タービンの圧縮機セクションからバイパスされた圧縮空気、何らかの外部の加圧空気、又は、発電所内で利用可能なその他のガス源であり得る。
【００３４】
図１６及び図１７を参照すると、光学チューブハウジング８４が、ガスタービンの検査ポートに挿入されている。加圧空気源１７２は、ガスタービンの排出空洞からの主要冷却空気であり、当該主要冷却空気は約４５０℃（華氏８４２度）の温度を有しており、当該温度は６００℃（華氏１１１２度）よりも低いか、又は、タービンセクション内部の雰囲気温度よりも高い。主要冷却空気Ｇ１は、タービンセクションのガス経路Ｇ６内部の相対応力よりも高い相対応力を有している。冷却空気Ｇ１は、冷却ポート１６９を通るように送られ、光学チューブハウジング８４の外周に沿って軸方向下方に流れる。光学チューブハウジング８４内に形成された冷却ポート１７０は、冷却空気のフローを、非球面レンズ１０６Ｃ及びその柔軟なレンズ装着リング１５６Ｃの近くかつ前に誘導し、ガスフローの経路Ｇ３に示したように、当該冷却空気はすぐにビューイングポート８６から流出する。冷却ガスフローＧ３は、タービンセクション内の燃焼ガス経路Ｇ６より高い圧力と低い温度とを有している。結果として、冷却ガス経路Ｇ１‐Ｇ３は、熱を光学チューブハウジング８４、ビューイングポート８６及び非球面レンズ１０６Ｃから運び去り、より高温の燃焼ガスＧ６から遮熱する断熱層である。冷却ガスＧ３の断熱層は、非球面レンズ１０６Ｃの前の比較的「清浄な」汚染物質を含まないガスの層も維持するので、レンズは、燃焼ガス内の汚染物質から、不鮮明にする汚染物質の薄膜を収集しにくくなる。
【００３５】
検査システムの電子機器及び運用
図１８及び図１９にはカメラ撮像システム５８のハードウェア部材が図示されており、当該ハードウェア部材は、光学チューブハウジングに結合されている。光学チューブ及びカメラ撮像システム５８は、検査ポートを密封する従来の構成のポートフランジ装着リング１８０によって、タービンの検査ポート３６、５０、５２に結合されている。従来の撮像カメラ１８２は、従来のサーボモータ／位置エンコーダ１８６を有するカメラのフォーカスドライブ１８４に取り付けられており、フォーカスドライブ１８４は、カメラを焦点Ｘの矢印に沿って移動させることができる。
【００３６】
図２０を参照すると、画像制御システム１９０は、カメラフォーカスドライブモータ１８６とカメラ１８２とに電力を供給し、モータ１８６のエンコーダによって供給されるフォーカスドライブの位置情報に部分的に基づいてフォーカスドライブモータを起動、停止及び逆回転させ、カメラ１８２に画像を記録させ、さらなる処理及び記憶のためにカメラから画像を受信する。画像制御システム１９０は、従来のコントローラ１９４を含んでおり、コントローラ１９４は、メモリ１９６に記憶されたプログラムの指示を実行する。コントローラ１９４は、双方向データ経路（例えば、ケーブル及び／又はイーサネット（登録商標）通信プロトコルを実行するデータバス）を経由して、ホストコントローラ２００と通信している。例示的なホストコントローラ２００はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、当該ＰＣは、メモリ２０４内でアクセス可能なプログラミング指示を実行するプロセッサ２０２を有している。従来のヒューマンマシンインターフェイス（ＨＭＩ）２０６は、人間による命令、制御及び監視を実行するためにＰＣと通信している。ＰＣは、タブレットコンピュータ２０８等の他のＨＭＩデバイスと、ブルートゥースプロトコル等の従来のワイヤレス通信プロトコルを経由して通信しても良い。画像制御システムは、カメラ１８２から受け取った画像を記憶、処理及びアーカイブに保存するためのデータ記憶装置を含んで良い。
【００３７】
検査されるべきガスタービンを起動する前に、１つ又は複数のカメラ検査システム８０、８０Ａがそれぞれ、所望される各タービン検査ポート３６、５０、５２に、光学チューブ８４、８４Ａを当該検査ポートに挿入することによって、及び、ポートフランジ装着リング１８０を検査ポートに取り付けることによって結合される。加圧冷却ガス源１７２は、冷却ガスを光学チューブハウジング８４、８４Ａの周囲及びビューイングポート８６、８６Ａの近くに噴射する。すでに述べたように、冷却ガス源１７２を、タービンの圧縮機セクションから得ても良い。カメラ１８２は、画像制御システム１９０から受信したトリガー命令に応えて、ガスタービンの内部部材内の関心領域の画像を取り込み、取り込んだ画像を、後続の処理及び記録のために、画像制御システムに伝達する。
【００３８】
当該検査システムの利点の要約
本発明に係るカメラ検査システムで非球面レンズ要素を用いることは、少なくとも以下の利点を提供する。
【００３９】
１．システムの耐用年数の増大：使用されるレンズの数が減少し、それによって、レンズマウントの機械的組み立ての複雑性が減少する。複雑性の減少は、システムの寿命に直接の影響を与える。
【００４０】
２．信号の改善：レンズの減少は、全体的な減衰を減少させ、システム全体におけるカメラへの光伝送を増大させる。
【００４１】
３．より高温での動作可能性：非球面レンズ及び球面レンズを形成するために溶融石英、サファイア、又は、スピネル及びアルミニウム酸窒化物（ＡＩＯＮ）等の透明セラミックスを用いることによって、継続的運転での１０００℃及び短期間の運転での１２００℃という、より高温の動作温度が可能になる。これは、従来の旧型デザインよりも４００℃上回る改善である。
【００４２】
４．視野の拡大：視野は、受容可能な機械的組み立ての複雑性のレベル及び画質を維持しながら増大し得る。本発明は、５０°の視野を可能にする。従来のシステムは、３４°以下の視野を有する。
【００４３】
ここまで、本発明の教示を組み込む様々な態様が図示かつ詳細に記載されてきたが、当業者は、やはりこれらの教示を組み込むその他の様々な態様を容易に考案することができる。
【００４４】
１、２  列
３０  ガスタービン
３２  圧縮機セクション
３４  周方向燃焼器
３６、５０、５２  検査ポート
３８  タービンセクション
４０  回転軸
４２、４６  羽根
４４、４８  ブレード
５５、５５’  カメラ検査システム
５６、５６’  光学チューブハウジング
５７、５７’  ビューイングポート
５８  カメラ撮像システム
６０、６０’、６０Ａ−６０Ｈ  球面レンズ
６２  球状表面
６４  レンズ
６４Ａ  非球面レンズ
６６  非球状表面
７０  マウントバレル
７２  フランジ
７４、７６  スペーサーリング
７８  保持リング
８０、８０Ａ  検査システム
８２  カメラ筐体
８４、８４Ａ  光学チューブハウジング
８６、８６Ａ  ビューイングポート
９０、９０Ａ  末端のレンズマウント
９２、９２Ａ  中間のレンズマウント
１００、１００’  レンズマウントバレル
１０２  レンズ保持フランジ
１０４  内周
１０６、１０６’、１０６Ａ、１０６Ａ’、１０６Ｂ、１０６Ｃ  非球面レンズ
１０８  前面
１１０  後面
１１２  周縁エッジ
１１４、１１４’  装着リング、保持リング
１１４Ａ  前面
１１４Ｂ  後面
１１６、１１６Ｂ  球面レンズ
１１８  前面
１２０  後面
１２２  周縁エッジ
１２４  装着リング、圧縮バネ、保持リング
１２６、１２６’  圧縮バネ
１２８  第１の端部
１３０  第２の端部
１３２、１３２’  バネの保持リング
１３４  末端レンズマウントビューイングポート
１５０  プリズム
１５２、１５２Ａ、１５２Ｂ  レンズマウントバレル
１５４  レンズ前面装着保持装置
１５６、１５６Ａ、１５６Ａ’、１５６Ｂ、１５６Ｂ’、１５６Ｂ”、１５６Ｂ”’、１５６Ｃ  レンズ装着リング
１５８  リム
１６０  片持ちフィンガー
１６２  接触面
１６４  圧縮バネ軸方向付勢要素
１６４Ａ、１６４Ｂ  圧縮バネ
１６６、１６６Ａ、１６６Ｂ  バネ保持リング
１６７、１６７Ａ  弾性環状ブッシング
１６８  スペーサーブッシング
１６９、１７０  冷却ポート
１７２  加圧空気源
１８０  ポートフランジ装着リング
１８２  カメラ
１８４  フォーカスドライブ
１８６  サーボモータ／位置エンコーダ
１９０  画像制御システム
１９２  電力供給装置
１９４  コントローラ
１９６  メモリ
２００  ホストコントローラ
２０２  プロセッサ
２０４  メモリ
２０６  ヒューマンマシンインターフェイス（ＨＭＩ）
２０８  タブレットコンピュータ
２１０  データ記憶装置
Ｇ１−Ｇ３  冷却ガス経路
Ｇ６  燃焼ガス経路
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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