(57)【要約】タービンまたは発電機ロータアセンブリのタービンまたは発電機ロータに形成されたタービンまたは発電機ロータボアにおいて裂け目を診断するフェーズドアレイ超音波試験システム。このシステムは、診断すべきロータボアの第２の位置に向け超音波ビームを放射するために、第１の位置においてロータボアの表面に組み付けられるように構成されたフェーズドアレイ超音波トランスデューサを含む。このシステムは、少なくとも１つの二次元フェーズドアレイトランスデューサを介して超音波をプログラムし、放射し、および操縦する、コンピュータ及びコントローラを備えた制御システムを含み、これにより精密且つ正確に対象領域を検査する。ビームのコンピュータ制御は、検査位置数および異なるトランスデューサくさびの数を減らすことを可能にし、効率的で適時の検査を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンまたは発電機のロータアセンブリのロータに形成されたロータボアを診断するためのフェーズドアレイ超音波試験システムであって、
前記ロータが内面および外面を有し、該内面が前記ロータボアの表面としての役目をもっており、
第１の位置において前記ロータボアの表面に組み付けられるように構成され、該第１の位置から前記ロータボアの表面の第２の位置に向かって超音波ビームを放射する、フェーズドアレイ超音波トランスデューサと、
前記超音波ビームの複数の焦点基準を定めるように適合させてあり、前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、前記超音波ビームを操縦し集中させて前記ロータボアの非破壊診断を実行する、制御システムと、
を備える、フェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項２】
前記制御システムは、コンピュータおよびコントローラを備え、
そのコンピュータは、非破壊診断を実行するために前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサを操作するように適合させた前記コントローラをプログラムするように構成されている、
請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項３】
前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、複数の素子を有する二次元フェーズドアレイトランスデューサを備え、
該二次元フェーズドアレイトランスデューサが、前記ロータボアの表面の固定位置に設置され、
前記制御システムは、前記ビームを第１の方向および第２の方向に操縦するために前記素子を動作させるように適合させてある、
請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項４】
前記ロータボアの表面が湾曲面である、請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項５】
前記ロータボアの表面と前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサとの間に配置されたくさびを含み、
該くさびは、前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサを前記ロータボアの表面に組み付け、前記超音波ビームを診断対象の前記ロータボアの部分に集中させるように構成されている、
請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項６】
複数の前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサが、前記ロータボアの表面に組み付けられる、請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項７】
前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、複数の素子を備えている、請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項８】
タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータに形成されたロータボアを超音波診断する方法であって、
フェーズドアレイ超音波トランスデューサを前記ロータボアの表面の第１の位置に組み付け、
前記第１の位置の前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサから診断すべき前記ロータボアの第２の位置に向かって超音波ビームを放射し、
前記超音波ビームに関する複数の焦点基準を計算し、
前記焦点基準に従い制御システムをプログラムして前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、
当該超音波ビームを診断対象の前記ロータボアの部分へ操縦し集中させる、
ことを含む方法。
【請求項９】
前記ロータボアから超音波データを収集し、
該データを分析して１つ以上の裂け目を検出する、
ことををさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
パルスエコー、ピッチ−キャッチ、電子走査、ダイナミックデプスフォーカシング、扇形走査、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される超音波試験技術を使用して前記ロータボアの超音波診断を実行する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータを使用して前記制御システムのコントローラをプログラムし、該プログラムが、前記超音波ビームの前記焦点基準を定めることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記焦点基準が、ビーム角度、焦点距離、ビーム幅、焦点位置、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択されることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサが、複数の素子を有する二次元（２Ｄ）フェーズドアレイトランスデューサを備えることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記ロータボアの表面が湾曲表面である、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記ロータの形状を判断するために使用される、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
非フェーズドアレイトランスデューサが前記ロータの形状を判断するために使用される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して超音波非破壊試験に関し、さらに詳しくは、発電設備や他の産業設備を少なくとも検査または診断するためのフェーズドアレイ超音波試験システムおよび方法に関する。特に、本発明は、タービンおよび発電機のロータボアなど、タービンおよび発電機の部品につき不連続性（裂け目）に関して少なくとも検査または診断するためのフェーズドアレイ超音波試験システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電に使用される蒸気タービンおよび発電機を定期的に検査して裂け目を見つけることが当分野で既知である。タービンや発電機などの発電設備においてはロータボア（rotor bore）の検査が実行される。当該検査は、代表的には、超音波検査や渦電流検査など各種の従来手法を使用して実行される。超音波検査は、ボア周囲のロータの体積内を検査するために使用され、渦電流検査は、ボア表面を検査するために使用される。目視および磁性粒子診断などの他の方法も、ボアを検査するために首尾良く使用されているが、これらの方法の一部は、ボアに達するかボアにきわめて近い裂け目しか検出できず、したがって、材料および検出されたいずれの裂け目についても二次元の視野しかもたらすことができない。
【０００３】
これらの検査の目的は、ロータの体積内のひびや裂け目の存在を判断することにある。検査から得られる結果は、部品の状態および無傷であることを評価するために利用される。部品の評価は、例えばサイズ、向き、位置など、ひびや裂け目の特徴に基づく。検査技術およびそこから得られるデータの精度および正確性が高いほど、部品の状態を判断するための評価が、より信頼できるものになる。裂け目を特定して、これらが部品の完全性を危うくするところおよび潜在的部品不良まで進行することがないようにすることが望まれる。ここにあげたような部品の突然の破壊的な不良は、影響が深刻になり得る。しかしながら、大きな安全マージンを分析に組み込んで検査データの正確性および分解能の不足を補う例があり、このアプローチは安全である。ただし、用心深い評価で特定された期間を超える期間に及ぶまで実際には部品が安全に動作する可能性をもつという点で、非効率的であり得る。
【０００４】
現在稼働中のタービンおよび発電機のロータの代表的な製造プロセスは、不純物が鍛造の中心へ移動する鍛造プロセスを含んでいた。ロータの中心を貫いて孔（例えば、ボア孔）を開けることによって、不純物は取り除くことが可能であった。ボア孔径のサイズは、たいていの場合、ロータ中心線付近の不純物の量および位置に関係する。不純物が多量なほど、より大径の孔が開けられる結果となった。ボア孔を開けるのは大部分の不純物を取り除くための仕組みであるが、ボア孔はロータの動作中にストレスを受ける可能性があり、ロータ材料中の裂け目につながり得る。さらに、ボア領域（容積）の外側に残る他の不純物または含有物が、稼働に関連した応力下でひろがり、不良を引き起こす可能性があり得る。
【０００５】
従来の超音波検査方法は、１つ以上のトランスデューサを使用して試験対象の構造体へ高周波の音波を加えることを含む。トランスデューサは、典型的には、電圧によって励起されて構造体に超音波を生じさせる圧電結晶素子を含んでいる。超音波が、伝搬媒質のインピーダンスとは有意に異なるインピーダンスを有する何か（例えば、ボイド、クラック、または他の欠陥）と相互作用すると、該超音波の一部が、反射または回折によって超音波発生源へ戻される。この戻ってきた超音波パターンの検出および定量化が、反射媒体の特徴を明らかにするために使用される。ロータボアソニック検査（rotor boresonic inspection）と称されるこの方法においては、典型的には自動システムが使用されて、超音波トランスデューサが何らかの好都合な方法によってロータのボア孔内へ運ばれ、該トランスデューサが、ロータボア表面からロータ材料内へ、ロータボアの外径の方に、音（すなわち、超音波またはビーム）を向かわせる。超音波は、ロータの材料へ十分に進入することができ、鍛造物において生じる波の反射を収集し、処理し、観察することによって、作業者は、材料の完全性についての何らかの所見を得ることができる。
【０００６】
ロータボアソニック検査においては、縦波超音波が径方向に向けられ、せん断波超音波が、ロータを巡る時計方向および反時計方向へボア表面から斜めに向けられ、そしてせん断波超音波が、ロータの全長に沿った軸方向へも向けられる。
【０００７】
標準的な超音波トランスデューサを、ロータボアソニック検査を行なうために使用することができる。一例として、せん断波斜めビーム検査は、プレキシガラスくさびを使用してビームを所定の固定角度へ屈折させる。検査中に他の角度が必要になる場合、所望の屈折角度を得るために、トランスデューサが取り外され、くさびが交換される。トランスデューサおよびくさびの交換に時間がかかり、いくつかの異なる入射角度について掃引を行うために、多数のくさびおよびトランスデューサが必要である。
【０００８】
フェーズドアレイ超音波技術は、一般に、（従来の超音波検査の単一素子トランスデューサと対照的に）多素子トランスデューサの個々の素子のコンピュータ制御励起（例えば、振幅および遅延）を提供する。圧電コンポジット素子の励起により、集中させた超音波ビームを生成することができ、ソフトウェアによって角度、焦点距離、および焦点位置などビームのパラメータを変更することが可能である。したがって、ビームを対象領域へ案内または操縦し、ロータボアのクラックおよび他の裂け目を探すために、コンピュータ制御によるビーム走査パターンを実行することが可能である。
【０００９】
特定の既知の超音波試験システムにおいては、トランスデューサが、タービンまたは発電機のロータの外側に配置され、そしてフェーズドアレイが、ボアの外側からボアの内側まで検査するために使用される。他の既知のシステムにおいては、水がロータの内側に導入され、タービンまたは発電機のロータのボアを検査し診断するために使用されるトランスデューサがその水に沈められる。さらに、これら既知のシステムにおいては、各トランスデューサが、トランスデューサから発せられるビームからのデータを集めるように配置される。ビームは、単一の、固定された、予め設定されたまたは予め明確にされた方向に発せられる。トランスデューサの方向は、所望の方向に対応させてトランスデューサを配置し直すことによって、変更することができる。例えば、前述した固定角度のくさびを、トランスデューサを配置し直して異なる方向へビームを発するために使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
タービンおよび発電機のロータボアの優れた超音波試験システムに対するニーズが依然として存在する。既知のシステムの能力には限界がある。例えば、既知のシステムはビームを操縦するのに固定角度のくさびを利用しているため、ビームの向きを変えるには、トランスデューサを取り外して別の位置に配置し直す必要がある。さらに、既知のシステムは固定焦点をもつビームを含み得るが、トランスデューサの遠近両方の領域を検査できない。したがって、対象領域を検査する多角度のアレイ（例えば、扇形走査）を提供するとともにトランスデューサの焦点深度を変更する能力を提供する、超音波試験システムを提案することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
例えばタービンおよび発電機のロータボアといったタービンおよび発電機の部品などの産業機器を、進歩したフェーズドアレイ超音波試験装置および方法を使用して検査する、システムおよび方法に関する本発明によって、上記およびその他のニーズが満たされる。
【００１２】
本発明の一態様として、フェーズドアレイ超音波試験システムが、タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータに形成されたロータボアを診断するために提供される。該ロータは内面および外面を有している。その内面はロータボアの表面としての役目を果たす。このフェーズドアレイ超音波試験システムは、第１の位置においてロータボアの表面に組み付けられるように構成されたフェーズドアレイ超音波トランスデューサを含む。該フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、その第１の位置からロータボア表面の第２の位置に向かって超音波ビームを放射する。超音波ビームの複数の焦点基準（focal law）を定めるように適合させた制御システムが、フェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、超音波ビームを操縦して集中させ、ロータボアの非破壊診断を指揮する。
【００１３】
この制御システムは、コンピュータおよびコントローラを含み得る。そのコンピュータは、診断を実行するためにトランスデューサを操作するように適合させたコントローラをプログラムするように、構成されている。フェーズドアレイ超音波トランスデューサの少なくとも１つは、複数の素子を有する二次元フェーズドアレイトランスデューサとすることができ、この場合の制御システムは、ビームを第１の方向および第２の方向へ操縦するために前記素子を動作させるように適合させる。
【００１４】
本発明の別の態様が、タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータに形成されたロータボアを超音波診断する方法である。この方法は、フェーズドアレイ超音波トランスデューサをロータボア表面の第１の位置に組み付け、診断すべきロータボアの第２の位置に向かって第１の位置のフェーズドアレイ超音波トランスデューサから超音波ビームを放射し、超音波ビームに関する複数の焦点基準を計算し、該焦点基準に従い制御システムをプログラムしてフェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、診断すべきロータボアの部分へ超音波ビームを操縦し集中させる、ことを含む。
【００１５】
当方法では、タービンまたは発電機ロータボアの部分から超音波データを収集し、該データを分析してその中の裂け目を検出することをさらに含み得る。
【００１６】
タービンまたは発電機ロータボアの超音波診断の実行は、パルスエコー、ピッチ−キャッチ、電子走査、ダイナミックデプスフォーカシング（ＤＤＦ）、扇形走査、およびこれらの組み合わせ、からなるグループから選択される超音波試験技術を使用することを含むことができる。
【００１７】
当方法では、超音波ビームに関する焦点基準を定めることを含んだ、コンピュータを使用して制御システムのコントローラをプログラムすることを、さらに含み得る。プログラムするステップは、ビーム角度、焦点距離、ビーム幅、焦点位置、およびこれらの組み合わせ、からなるグループから選択される焦点基準を、前記の焦点基準として定めることを、含めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の十分な理解は、次の図面と併せた以下の実施形態の説明から得ることができる。
【図１】従来技術に係るタービンロータアセンブリの断面図。
【図２】タービンロータボアの検査に使用される、本発明によるフェーズドアレイ超音波試験システムの概略図。
【図３】二次元フェーズドアレイトランスデューサおよびその素子の概略底面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、限定されるわけではないが、例えば、タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータに形成されたロータボアといったタービンおよび発電機の部品など、産業機器の種々の部品を検査し診断するための超音波試験システムおよび方法に関する。超音波試験検査から得られた結果は、部品の状態を評価するために利用される。
【００２０】
本発明は、幅広く様々な産業設備に応用可能であり、特に、発電設備へ応用可能である。しかしながら、本明細書においては、説明を容易にするために、発電タービン（例えば、発電機および蒸気タービン）の超音波検査に適用されるものとして本発明を説明する。
【００２１】
例えば「上」、「下」、「頂」、「底」、「左」、「右」、およびこれらの派生語など、本明細書において使用される方向の表現は、図面に示されている構成要素の向きに関するものであり、特許請求の範囲中で明確に詳述する場合を除き、特許請求の範囲を限定するものではない。
【００２２】
本明細書において、２つ以上の部品が「組み付け」られるという表現は、それらの部品が直接的に繋ぎ合わされ、あるいは、１つ以上の中間部品を介して繋ぎ合わされることを意味する。
【００２３】
本明細書において、「複雑な形状」という表現は、物体の一部分が当該物体の他の部分と実質的に異なる外形または構成を有するような、種々の異なる外形および構成を有している物体を指す。例えば、限定するわけではないが、複合曲線が、本明細書において使用されるような複雑な形状である。複合曲線は、２以上の方向または次元において変化または変動する（例えば、凸部および凹部の両方を含む）曲線である。
【００２４】
本発明はフェーズドアレイ超音波試験を採用し、例えば、タービンおよび発電機のロータ、より詳しくはタービンおよび発電機のロータに形成されたボアなど、タービンおよび発電機といった発電に使用される設備を検査する。フェーズドアレイ超音波試験システムは、単一トランスデューサまたは多重トランスデューサを含み得る。トランスデューサのそれぞれは、典型的には、トランスデューサを形成する個々の素子の連続として製造される。これら個々の素子は、これから発せられる超音波エネルギーを成形し、角度を付け、あるいはロータボアに集中させることを可能とする種々のシーケンスでパルス駆動することができる。フェーズドアレイトランスデューサは、ボアの表面（例えば、ロータの内面）に組み付けられる。ボア表面からフェーズドアレイ検査トランスデューサを使用して、（従来のボアソニック検査方法において必要である）音を屈折させるための多数の個別のくさびを不要とし、多重傾斜ビーム検査掃引の同時実行を可能とする。実行される掃引は、垂直方向または水平方向であってよい。さらに、追加の焦点基準を使用することによって、トランスデューサの変更または配置変更を必要とすることなく、トランスデューサを、ロータ材料のひびに対する感度を高めるべく合焦させることができる。
【００２５】
フェーズドアレイ超音波試験の結果が、検査部品の状態および完全性を評価するために使用される。例えば、裂け目の外縁からの反射を、徴候の広がりを正確に予測するために使用することができる。他のフェーズドアレイ技術を、問題となる重大な欠陥を、ロータ材料に以前から存在するあまり重要でない多孔性の欠陥または他の些細な鍛造の欠陥から区別するために、使用することができる。
【００２６】
本発明の特定の態様を詳しく説明したが、それらの詳細に対する種々の変更および代替を、本明細書の教示全体に照らして生み出せることは、当業者であれば理解できるはずである。したがって、開示される特定の構成は、あくまでも例示を意味するにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。さらに、図示および説明を容易にするために、タービンロータアセンブリを図面に示し、図面に関する以下の説明において述べる。しかしながら、当図面および説明は、発電機ロータアセンブリにも同様に適用可能である。
【００２７】
図１は、本発明に関係するタービンロータアセンブリ１を示している。図１の例において、タービンロータアセンブリ１は、ロータ１００、ディスク１０５、ボア１１０、およびボア開口１１５を含んでいる。ロータ１００は、内面１２０および外面１２５を有する。内面１２０は、ボア１１０の表面として機能する。ディスク１０５は、当分野で既知のいずれかの従来手段（図示略）を使用してロータボア１００に組み付けられている。ボア開口１１５は、ボア１１０へのアクセスを提供する。
【００２８】
図２は、図１に示したタービンロータアセンブリ１を試験するための本発明の一実施形態によるフェーズドアレイ超音波試験システム５０を示している。図２は、図１に示したような、ロータ１００、ディスク１０５、ボア１１０、ボア開口１１５、ロータ内面１２０、およびロータ外面１２５を含んでいる。図２には、くさび５２に組み付けられた超音波トランスデューサ５４（またはプローブ）がさらに示されている。別の実施形態においては、超音波トランスデューサ５４およびくさび５２の組み合わせを２つ以上使用することができる。前述したように、一実施形態において、トランスデューサ５４およびくさび５２は、超音波トランスデューサをボア１１０の内側へ運び入れるための当分野で従来技術である自動システムを使用して、ボア開口１１５を通しボア１１０へ挿入することができる。くさび５２は、設置領域１２３に組み付けられている。設置領域１２３は、ボア１１０の表面としての役割をもつロータ内面１２０に位置している。
【００２９】
ビーム（図示せず）がトランスデューサ５４から発せられ、くさび５２を通り、次いで試験対象の物体（例えば、ボア１１０）を通る。したがって、くさび５２は、ビームを所望の診断領域（例えば、ボア１１０）へさらに制御（例えば、配向、操縦）するために光学レンズ型装置として機能する。この方法において、くさび５２は、例えば、限定するわけではないが、ビームの幅および方向を対象領域に「集中」するように部分的に制御することができる。しかしながら、個々のくさび５２の操縦能力は限られている。したがって、既知の１Ｄトランスデューサが、例えば図２のボア１１０の領域を検査するために、多数のくさびを必要とすることが理解される。ボアの表面（すなわち、ロータ内面１２０）における多数のくさびの選択、配置、および再配置は、検査を続ける時間全体を大きく増やす時間のかかるプロセスである。くさび５２およびトランスデューサ５４の配置をより効率的にする努力で当分野において進歩が得られている（例えば、米国特許第６，７９２，８０９号に開示の「Self-Aligning Turbine Disc Inspection Apparatus」を参照）が、検査を正確に実行するために必要なくさび５２の数を減らすことが望まれる。本発明のフェーズドアレイ超音波試験システム５０および方法は、２Ｄビーム操縦能力および制御システム５６を提供してトランスデューサ５４から発せられるビームを制御することによって、この目標を首尾良く達成する。
【００３０】
トランスデューサ５４は、第１の電気ケーブル６２を介して制御システム５６と通信する。第１の電気ケーブル６２の一端はトランスデューサ５４と接続され、第１の電気ケーブル６２の他端は制御システム５６のコントローラ６０と接続される。コントローラ６０は、第２の電気ケーブル６４によってコンピュータ５８と接続される。本発明の範囲から外れることなく他の構成（図示せず）も使用可能である。例えば、一実施形態においては、無線の構成（図示さず）を使用することができ、別の実施形態においては、例えばコントローラ６０を省き、トランスデューサ５４をコンピュータ５８およびそのソフトウェアによって直接制御することができる。
【００３１】
コントローラ６０は、トランスデューサ５４の操作に適合させた既知のまたは適切なフェーズドアレイトランスデューサ制御ユニットのいずれかであってよい。より具体的に、コンピュータ５８は、コントローラ６０をプログラムして所定の焦点基準のセットに従いトランスデューサ５４を操作するためのソフトウェアを含んでいる。したがって、作業時、例えば角度、焦点距離、および焦点位置など、共同してトランスデューサ５４の焦点基準を形成するビームパラメータを、コンピュータ５８を使用して入力および変更することができる。コンピュータ５８に入力されたビームパラメータは、そのような焦点基準に従ってタービンの所定部分、例えばタービンロータボア、の診断を実行するようにトランスデューサ５４を制御すべくコントローラ６０をプログラムするために使用される。所望の診断を指揮すべくコントローラ６０をプログラムするための焦点基準および他の必要なパラメータすべてをきめるように、既知のまたは適切なソフトウェアプログラムのいずれかを使用できることが理解される。例えば、限定ではないが、既知のフェーズドアレイトランスデューサコントローラが、TomoScan III PAという商品名でカナダのZetecから市販されている。例えば、TomoScan III PAまたは同様のシステムを、超音波信号の取得を管理し、信号のリアルタイム画像化および以前の取得データのオフライン分析のいずれかまたは両方を提供するために、制御システム５６に実装することができる。実行すべき超音波診断をプログラムし、診断を実行してデータを取得し、次いで裂け目に関してデータを分析するためのスタンドアロンのソフトウェアパッケージとして使用することが可能である。あるいは、例えば、焦点基準を分けて作成し、コントローラ６０をプログラムするために使用することができる幅広く様々な他の既知のまたは適切なソフトウェアパッケージと併せて使用することが可能である。
【００３２】
追加システム（図示せず）を本発明のフェーズドアレイトランスデューサ制御ユニット６０と組み合わせて使用できることも理解される。例えば、限定するわけではないが、動作制御ユニット（図示せず）を、トランスデューサの自動的な配置および設置のための配送機構を制御するために使用することができる。前述したように、配送機構は、ボア開口１１５を通してボア１１０内へトランスデューサを届けるために使用することができる。一般に、配送機構は、トランスデューサ５４をボア１１０内に適切に配置するための通常は油圧または空気圧による機構と、トランスデューサ５４をロータ内面１２０に対して保持するための手段と、を提供する。
【００３３】
さらに、超音波データは、タービンロータボアの一部分から収集でき、このデータを分析して、この部分における裂け目を検出することができる。データの分析は、当分野で既知の種々の技術を使用して実行することができる。例えば、分析を実行するためにソフトウェアプログラムを使用することができる。一実施形態において、本明細書に援用される米国特許出願公開２００９／０３０７６２８に記載のようなソフトウェアを使用することができる。
【００３４】
前述したように、既知のロータボア超音波試験技術は、ほぼ、例えば米国特許第６，７３６，０１１号に記載されているタイプの線形または一次元（１Ｄ）トランスデューサおよび方法に限られている。本発明のトランスデューサ５４およびフェーズドアレイ超音波試験システム５０は、二次元（２Ｄ）検査を提供する。この本発明の進歩態様をさらに説明するために、続けて図２を参照し、既知の超音波トランスデューサおよび試験方法と例示システム５０および方法とを対比した実施例（限定目的ではない）を提示する。以下の実施例は、説明の目的で提示されているにすぎず、決して本発明の範囲を限定するものではない。
【００３５】
実施例：
この例においては、約３インチ（７．６２センチメートル）の幅を有するロータ１００のボア１１０の領域が診断対象である。この領域を既知の超音波試験技術を使用して検査するためには、約６個の異なるくさび（図示せず）が必要であり得る。一方で、図２に示したフェーズドアレイ超音波試験システム５０の例示的実施形態によれば、同じ領域を１つのくさび５２を使用して検査することができる。既知の１Ｄ技術は、比較的広い領域にわたりビームを操縦する能力に限界があり、したがって複数のくさびが必要である。具体的には、前述したように、一次元トランスデューサが一方向にしか操縦できないため、くさびおよびトランスデューサが完全には平坦でない湾曲面に設置される場合、ビームを望み通りに制御することを難しくする。タービンロータボア（典型的には円筒体である）の内面のあらゆるトランスデューサ設置面は、湾曲表面であり平坦ではない。したがって、例えば、ビームを所望の診断領域へ分配し、集め、あるいは集中させてボア１１０の形状に適応させるために、上述の複数（例えば、６つ）の異なるくさびが必要になる。
【００３６】
反対に、本発明のトランスデューサ５４は、二次元でプログラムおよび制御（例えば、集中させることができる）可能である。例示的制御システム５６を通じた、そして特に、（同様の結果を達成するために複数の異なるくさびを交換することではなく）所望の焦点基準でコントローラ６０をプログラムすることによる、トランスデューサ５４の焦点合わせによって、検査プロセスが大幅に能率的になる。例示的システム５０および方法は、従来のシステムおよび方法でかかる時間と比べ、ロータボア検査にかかる時間を大幅に短縮すると期待される。具体的には、システム５０は、検査時間を約１２時間に短縮する可能性を有し、結果としてタービンの停止時間を、従来の検査方法において典型的な約３日と比べ、わずか１日にすることができると、期待される。また、典型的なロータボア検査に必要なくさび（例えば、くさび５２）の数を、おおよそ５０％〜８０％、またはそれ以上に減少でき得ると、期待される。このことは、６つのくさびから１つのくさび５２へと８０％を超えるくさび数の実際の削減を示している当実施例において証明される。
【００３７】
この実施例との関連において、本発明の別の実施形態によれば、限定するものではないが、２つなど、複数のフェーズドアレイトランスデューサを使用することができる。追加のトランスデューサは、走査時間の最適化に貢献する。
【００３８】
図３は、前述したように、２Ｄフェーズドアレイトランスデューサである（図２に示す）例示的トランスデューサ５４の底の概略図を示している。図示のとおり、例示的２Ｄトランスデューサ５４は、個々の素子５３を含んでいる。図３においては、３０個の個別素子５３があって、３×１０のアレイに配置されている。個別要素５３の各々は、基本的に分割トランスデューサとして機能し、（図２に示す）トランスデューサ５４から発せられる超音波ビームを２つの方向、矢印５５で示す（図３における）左右方向および矢印５７で示す（図３における）上下方向に、操縦することを可能にする。したがって、上述したように、１つのトランスデューサ５４を、１Ｄの設計と対比した場合に、少数のくさびを使用して同等の検査を効果的に実行できるよう、効率的に操り、集中させることができる。本発明は特定の２Ｄフェーズドアレイトランスデューサの使用に限定されないことが、理解される。ある適切な数の素子を有する既知のまたは適切な２Ｄフェーズドアレイトランスデューサのいずれでも、（図２に示す）例示的システム５０において使用することができる。図３に図示したタイプの２Ｄフェーズドアレイトランスデューサは、例えば、限定するわけではないが、仏国のBesanconに事業所を有するImasonic S.A.から市販されている。一般的には、フェーズドアレイトランスデューサは、当該フェーズドアレイトランスデューサを使用する用途の要件に応じて特注される。
【００３９】
また、本明細書において説明されるとおり、（図２に示す）例示的フェーズドアレイ超音波試験システム５０および方法を、１Ｄフェーズドアレイトランスデューサの性能（例えば、限定するわけではないが、操縦および焦点合わせの能力）の改善にも首尾良く使用できることも、理解される。さらに、後に続けられる超音波診断に備えて未知の形状のタービン部品の輪郭を明らかにするために、（図２に示す）システム５０を、従来の（例えば、非フェーズドアレイトランスデューサ）センサ（例えば、測定センサ、熱センサ、光センサ）を使用してデータを収集する用途に、使用することもできる。例えば、フェーズドアレイトランスデューサまたは非フェーズドアレイトランスデューサは、ボアの内側容量からデータを生成するために使用することができ、ボアデータは、ロータの形状を割り出すために使用することができる。
【００４０】
さらに、本発明のいくつかの実施形態において、くさび５２は、トランスデューサ５４を取り付ける別部品とするのではなくて、トランスデューサ５４と一体化されていてもよいことが理解される。例えば、トランスデューサ５４は、所定角度のくさび５２に恒久的に取り付けることができる。
【００４１】
さらに、限定するわけではないが、パルスエコー技術など、様々な種類または方法の超音波検査技術を使用できることが理解される。一般に、パルスエコー技術においては、２つ以上の２Ｄフェーズドアレイトランスデューサが、基本的に互いに隣り合って配置される。そして、ビームが各トランスデューサから放射され、欠陥、裂け目に遭遇したときに各ランスデューサからのビームが、該ビームの放射元のトランスデューサにエコーとして跳ね返る。このエコーが、（図２に示す）制御システム５６を使用して分析される。
【００４２】
上記パルスエコー技術は、あくまでも、本発明を用いたタービンロータボア検査に使用することができる多数の方法および技術の一例にすぎない。例えば、電子走査、焦点収束（dynamic focusing）、および扇形走査（方位角または角度走査とも呼ばれる）のいずれか１つ以上など、幅広い各種の他の既知のまたは適切なビーム集中および操作方法を、使用することも可能である。これらの各方法は、Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications, by Dr. Michael D.C. Moles et al, R/D Tech Inc., 2004に詳しく説明されている。
【００４３】
前述し、図２に示したように、フェーズドアレイ超音波試験システム５０は、上述の進歩した超音波試験技術を、トランスデューサ５４のコンピュータ制御操作を通じて達成する。
【００４４】
本発明に従って実行されるフェーズドアレイ超音波検査は、ロータ体積内のひび、裂け目のより高解像度画像化を可能にする。また、同じ欠陥ひび、裂け目について、様々な入射角（扇形走査）からの観察（精査）も可能にし、従来の超音波検査で得られる解釈と比べて、ひび、裂け目の位置およびサイズの向上した解釈を得ることが可能になる。
【００４５】
例えばSiemens Energy, Inc.などの企業が自身のタービンまたは発電機の部品を診断する場合、例えばタービンまたは発電機ロータボアの形状に関するパラメータは、既知であり、多くの場合、焦点基準をプログラムするときにこれらパラメータをソフトウェアへ入力するだけでよい。例えば、代表的に部品の設計図またはコンピュータモデルが利用可能であり、ソフトウェアへインポートすることができる。しかしながら、例えば他社の製造に係るタービンおよび発電機の部品を検査する場合など、形状は常に既知ではない。このような場合、試験対象の物体の形状は、既知の技術および方法を使用して始めにモデル化または輪郭化することができる。
【００４６】
したがって、本発明は、既知および未知の複雑および単純な形状の幅広い様々な産業部品をより効率的に検査するためのシステムおよび方法を提供する。
【００４７】
本発明のフェーズドアレイ超音波試験システムおよび方法は、例えば、ロータの体積内の裂け目、ひびを検出するために、および、タービンまたは発電機ロータなどの部品の状態および完全性を評価して部品の寿命評価を判断するために、タービンまたは発電機ロータボアなど、産業機器の正確、精密、かつ高信頼性の検査を提供する。当該検査は、従来のロータボア検査技術と比べて短時間で実行することができる。
【００４８】
本発明の具体的実施形態を詳しく説明したが、本明細書の開示による教示全体を参考に、それらの詳細について様々な変更および代案を展開できることを、当業者であれば理解できる。したがって、開示した個々の構成は、あくまでも例示を意図しており、特許請求の範囲の全域およびそのあらゆるすべての均等物が認められるべき本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１  ロータアセンブリ
５０  フェーズドアレイ超音波試験システム
５２  くさび
５３  素子
５４  トランスデューサ
５６  制御システム
５８  コンピュータ
６０  コントローラ（CONTROLLER）
６２  第１の電気ケーブル
６４  第２の電気ケーブル
１００  ロータ
１０５  ディスク
１１０  ボア
１１５  ボア開口
１２０  （ロータの）内面
１２３  設置領域
１２５  （ロータの）外面
【図１】
2013536946.tif 000003
【図２】
2013536946.tif 000004
【図３】
2013536946.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月28日(2013.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンまたは発電機のロータアセンブリのロータを診断するためのフェーズドアレイ超音波試験システムであって、
前記ロータがボアおよび該ボアを囲繞する壁を有しており、
第１の位置において前記ロータ壁の内周面に組み付けられるように構成され、該第１の位置から前記ロータ壁の第２の位置に向かって超音波ビームを放射する、フェーズドアレイ超音波トランスデューサと、
前記超音波ビームの複数の焦点基準を定めるように適合させてあり、前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、前記超音波ビームを操縦し集中させて前記ロータの非破壊診断を実行する、制御システムと、
を備える、フェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項２】
前記制御システムは、コンピュータおよびコントローラを備え、
そのコンピュータは、非破壊診断を実行するために前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサを操作するように適合させた前記コントローラをプログラムするように構成されている、
請求項１に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項３】
前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、複数の素子を有する二次元フェーズドアレイトランスデューサを備え、
該二次元フェーズドアレイトランスデューサが、前記ロータ壁の内周面の固定位置に設置され、
前記制御システムは、前記ビームを第１の方向および第２の方向に操縦するために前記素子を動作させるように適合させてある、
請求項１又は請求項２に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項４】
前記ロータ壁の内周面が湾曲面である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項５】
前記ロータ壁の内周面と前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサとの間に配置されたくさびを含み、
該くさびは、前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサを前記ロータ壁の内周面に組み付け、前記超音波ビームを診断対象の前記ロータの部分に集中させるように構成されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項６】
複数の前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサが、前記ロータ壁の内周面に組み付けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項７】
前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、複数の素子を備えている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフェーズドアレイ超音波試験システム。
【請求項８】
タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータを超音波診断する方法であって、
フェーズドアレイ超音波トランスデューサを前記ロータのボアを囲繞する壁の内周面の第１の位置に組み付け、
前記第１の位置の前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサから診断すべき前記ロータ壁の第２の位置に向かって超音波ビームを放射し、
前記超音波ビームに関する複数の焦点基準を計算し、
前記焦点基準に従い制御システムをプログラムして前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、
当該超音波ビームを診断対象の前記ロータの部分へ操縦し集中させる、
ことを含む方法。
【請求項９】
前記ロータから超音波データを収集し、
該データを分析して１つ以上の裂け目を検出する、
ことををさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
パルスエコー、ピッチ−キャッチ、電子走査、ダイナミックデプスフォーカシング、扇形走査、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される超音波試験技術を使用して前記ロータの超音波診断を実行する、請求項８又は請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータを使用して前記制御システムのコントローラをプログラムし、該プログラムが、前記超音波ビームの前記焦点基準を定めることを含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記焦点基準が、ビーム角度、焦点距離、ビーム幅、焦点位置、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択されることを含む、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記フェーズドアレイ超音波トランスデューサが、複数の素子を有する二次元（２Ｄ）フェーズドアレイトランスデューサを備えることを含む、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ロータ壁の内周面が湾曲表面である、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ロータの形状を判断するために使用される、請求項８〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
非フェーズドアレイトランスデューサが前記ロータの形状を判断するために使用される、請求項８〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して超音波非破壊試験に関し、さらに詳しくは、発電設備や他の産業設備を少なくとも検査または診断するためのフェーズドアレイ超音波試験システムおよび方法に関する。特に、本発明は、タービンおよび発電機のロータボアなど、タービンおよび発電機の部品につき不連続性（裂け目）に関して少なくとも検査または診断するためのフェーズドアレイ超音波試験システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電に使用される蒸気タービンおよび発電機を定期的に検査して裂け目を見つけることが当分野で既知である。タービンや発電機などの発電設備においてはロータボア（rotor bore）の検査が実行される。当該検査は、代表的には、超音波検査や渦電流検査など各種の従来手法を使用して実行される。超音波検査は、ボア周囲のロータの体積内を検査するために使用され、渦電流検査は、ボア表面を検査するために使用される。目視および磁性粒子診断などの他の方法も、ボアを検査するために首尾良く使用されているが、これらの方法の一部は、ボアに達するかボアにきわめて近い裂け目しか検出できず、したがって、材料および検出されたいずれの裂け目についても二次元の視野しかもたらすことができない。
【０００３】
これらの検査の目的は、ロータの体積内のひびや裂け目の存在を判断することにある。検査から得られる結果は、部品の状態および無傷であることを評価するために利用される。部品の評価は、例えばサイズ、向き、位置など、ひびや裂け目の特徴に基づく。検査技術およびそこから得られるデータの精度および正確性が高いほど、部品の状態を判断するための評価が、より信頼できるものになる。裂け目を特定して、これらが部品の完全性を危うくするところおよび潜在的部品不良まで進行することがないようにすることが望まれる。ここにあげたような部品の突然の破壊的な不良は、影響が深刻になり得る。しかしながら、大きな安全マージンを分析に組み込んで検査データの正確性および分解能の不足を補う例があり、このアプローチは安全である。ただし、用心深い評価で特定された期間を超える期間に及ぶまで実際には部品が安全に動作する可能性をもつという点で、非効率的であり得る。
【０００４】
現在稼働中のタービンおよび発電機のロータの代表的な製造プロセスは、不純物が鍛造の中心へ移動する鍛造プロセスを含んでいた。ロータの中心を貫いて孔（例えば、ボア孔）を開けることによって、不純物は取り除くことが可能であった。ボア孔径のサイズは、たいていの場合、ロータ中心線付近の不純物の量および位置に関係する。不純物が多量なほど、より大径の孔が開けられる結果となった。ボア孔を開けるのは大部分の不純物を取り除くための仕組みであるが、ボア孔はロータの動作中にストレスを受ける可能性があり、ロータ材料中の裂け目につながり得る。さらに、ボア領域（容積）の外側に残る他の不純物または含有物が、稼働に関連した応力下でひろがり、不良を引き起こす可能性があり得る。
【０００５】
従来の超音波検査方法は、１つ以上のトランスデューサを使用して試験対象の構造体へ高周波の音波を加えることを含む。トランスデューサは、典型的には、電圧によって励起されて構造体に超音波を生じさせる圧電結晶素子を含んでいる。超音波が、伝搬媒質のインピーダンスとは有意に異なるインピーダンスを有する何か（例えば、ボイド、クラック、または他の欠陥）と相互作用すると、該超音波の一部が、反射または回折によって超音波発生源へ戻される。この戻ってきた超音波パターンの検出および定量化が、反射媒体の特徴を明らかにするために使用される。ロータボアソニック検査（rotor boresonic inspection）と称されるこの方法においては、典型的には自動システムが使用されて、超音波トランスデューサが何らかの好都合な方法によってロータのボア孔内へ運ばれ、該トランスデューサが、ロータボア表面からロータ材料内へ、ロータボアの外径の方に、音（すなわち、超音波またはビーム）を向かわせる。超音波は、ロータの材料へ十分に進入することができ、鍛造物において生じる波の反射を収集し、処理し、観察することによって、作業者は、材料の完全性についての何らかの所見を得ることができる。
【０００６】
ロータボアソニック検査においては、縦波超音波が径方向に向けられ、せん断波超音波が、ロータを巡る時計方向および反時計方向へボア表面から斜めに向けられ、そしてせん断波超音波が、ロータの全長に沿った軸方向へも向けられる。
【０００７】
標準的な超音波トランスデューサを、ロータボアソニック検査を行なうために使用することができる。一例として、せん断波斜めビーム検査は、プレキシガラスくさびを使用してビームを所定の固定角度へ屈折させる。検査中に他の角度が必要になる場合、所望の屈折角度を得るために、トランスデューサが取り外され、くさびが交換される。トランスデューサおよびくさびの交換に時間がかかり、いくつかの異なる入射角度について掃引を行うために、多数のくさびおよびトランスデューサが必要である。
【０００８】
フェーズドアレイ超音波技術は、一般に、（従来の超音波検査の単一素子トランスデューサと対照的に）多素子トランスデューサの個々の素子のコンピュータ制御励起（例えば、振幅および遅延）を提供する。圧電コンポジット素子の励起により、集中させた超音波ビームを生成することができ、ソフトウェアによって角度、焦点距離、および焦点位置などビームのパラメータを変更することが可能である。したがって、ビームを対象領域へ案内または操縦し、ロータボアのクラックおよび他の裂け目を探すために、コンピュータ制御によるビーム走査パターンを実行することが可能である。
【０００９】
特定の既知の超音波試験システムにおいては、トランスデューサが、タービンまたは発電機のロータの外側に配置され、そしてフェーズドアレイが、ボアの外側からボアの内側まで検査するために使用される。他の既知のシステムにおいては、水がロータの内側に導入され、タービンまたは発電機のロータのボアを検査し診断するために使用されるトランスデューサがその水に沈められる。さらに、これら既知のシステムにおいては、各トランスデューサが、トランスデューサから発せられるビームからのデータを集めるように配置される。ビームは、単一の、固定された、予め設定されたまたは予め明確にされた方向に発せられる。トランスデューサの方向は、所望の方向に対応させてトランスデューサを配置し直すことによって、変更することができる。例えば、前述した固定角度のくさびを、トランスデューサを配置し直して異なる方向へビームを発するために使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
タービンおよび発電機のロータボアの優れた超音波試験システムに対するニーズが依然として存在する。既知のシステムの能力には限界がある。例えば、既知のシステムはビームを操縦するのに固定角度のくさびを利用しているため、ビームの向きを変えるには、トランスデューサを取り外して別の位置に配置し直す必要がある。さらに、既知のシステムは固定焦点をもつビームを含み得るが、トランスデューサの遠近両方の領域を検査できない。したがって、対象領域を検査する多角度のアレイ（例えば、扇形走査）を提供するとともにトランスデューサの焦点深度を変更する能力を提供する、超音波試験システムを提案することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
例えばタービンおよび発電機のロータボアといったタービンおよび発電機の部品などの産業機器を、進歩したフェーズドアレイ超音波試験装置および方法を使用して検査する、システムおよび方法に関する本発明によって、上記およびその他のニーズが満たされる。
【００１２】
本発明の一態様として、フェーズドアレイ超音波試験システムが、タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータを診断するために提供される。該ロータはボアおよび該ボアを囲繞する壁を有している。その内面はロータボアの表面としての役目を果たす。このフェーズドアレイ超音波試験システムは、第１の位置においてロータ壁の内周面に組み付けられるように構成されたフェーズドアレイ超音波トランスデューサを含む。該フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、その第１の位置からロータ壁の第２の位置に向かって超音波ビームを放射する。超音波ビームの複数の焦点基準（focal law）を定めるように適合させた制御システムが、フェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、超音波ビームを操縦して集中させ、ロータの非破壊診断を指揮する。
【００１３】
この制御システムは、コンピュータおよびコントローラを含み得る。そのコンピュータは、診断を実行するためにトランスデューサを操作するように適合させたコントローラをプログラムするように、構成されている。フェーズドアレイ超音波トランスデューサの少なくとも１つは、複数の素子を有する二次元フェーズドアレイトランスデューサとすることができ、この場合の制御システムは、ビームを第１の方向および第２の方向へ操縦するために前記素子を動作させるように適合させる。
【００１４】
本発明の別の態様が、タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータを超音波診断する方法である。この方法は、フェーズドアレイ超音波トランスデューサをロータのボアを囲繞する壁の内周面の第１の位置に組み付け、診断すべきロータ壁の第２の位置に向かって第１の位置のフェーズドアレイ超音波トランスデューサから超音波ビームを放射し、超音波ビームに関する複数の焦点基準を計算し、該焦点基準に従い制御システムをプログラムしてフェーズドアレイ超音波トランスデューサからの超音波ビームの放射を制御し、診断すべきロータの部分へ超音波ビームを操縦し集中させる、ことを含む。
【００１５】
当方法では、タービンまたは発電機ロータの部分から超音波データを収集し、該データを分析してその中の裂け目を検出することをさらに含み得る。
【００１６】
タービンまたは発電機ロータボアの超音波診断の実行は、パルスエコー、ピッチ−キャッチ、電子走査、ダイナミックデプスフォーカシング（ＤＤＦ）、扇形走査、およびこれらの組み合わせ、からなるグループから選択される超音波試験技術を使用することを含むことができる。
【００１７】
当方法では、超音波ビームに関する焦点基準を定めることを含んだ、コンピュータを使用して制御システムのコントローラをプログラムすることを、さらに含み得る。プログラムするステップは、ビーム角度、焦点距離、ビーム幅、焦点位置、およびこれらの組み合わせ、からなるグループから選択される焦点基準を、前記の焦点基準として定めることを、含めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の十分な理解は、次の図面と併せた以下の実施形態の説明から得ることができる。
【図１】従来技術に係るタービンロータアセンブリの断面図。
【図２】タービンロータのボア検査に使用される、本発明によるフェーズドアレイ超音波試験システムの概略図。
【図３】二次元フェーズドアレイトランスデューサおよびその素子の概略底面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、限定されるわけではないが、例えば、タービンまたは発電機ロータアセンブリのロータボアを形成したロータといったタービンおよび発電機の部品など、産業機器の種々の部品を検査し診断するための超音波試験システムおよび方法に関する。超音波試験検査から得られた結果は、部品の状態を評価するために利用される。
【００２０】
本発明は、幅広く様々な産業設備に応用可能であり、特に、発電設備へ応用可能である。しかしながら、本明細書においては、説明を容易にするために、発電タービン（例えば、発電機および蒸気タービン）の超音波検査に適用されるものとして本発明を説明する。
【００２１】
例えば「上」、「下」、「頂」、「底」、「左」、「右」、およびこれらの派生語など、本明細書において使用される方向の表現は、図面に示されている構成要素の向きに関するものであり、特許請求の範囲中で明確に詳述する場合を除き、特許請求の範囲を限定するものではない。
【００２２】
本明細書において、２つ以上の部品が「組み付け」られるという表現は、それらの部品が直接的に繋ぎ合わされ、あるいは、１つ以上の中間部品を介して繋ぎ合わされることを意味する。
【００２３】
本明細書において、「複雑な形状」という表現は、物体の一部分が当該物体の他の部分と実質的に異なる外形または構成を有するような、種々の異なる外形および構成を有している物体を指す。例えば、限定するわけではないが、複合曲線が、本明細書において使用されるような複雑な形状である。複合曲線は、２以上の方向または次元において変化または変動する（例えば、凸部および凹部の両方を含む）曲線である。
【００２４】
本発明はフェーズドアレイ超音波試験を採用し、例えば、タービンおよび発電機のロータ、より詳しくはタービンおよび発電機のロータに形成されたボアなど、タービンおよび発電機といった発電に使用される設備を検査する。フェーズドアレイ超音波試験システムは、単一トランスデューサまたは多重トランスデューサを含み得る。トランスデューサのそれぞれは、典型的には、トランスデューサを形成する個々の素子の連続として製造される。これら個々の素子は、これから発せられる超音波エネルギーを成形し、角度を付け、あるいはボアを形成したロータに集中させることを可能とする種々のシーケンスでパルス駆動することができる。フェーズドアレイトランスデューサは、ボアの表面（例えば、ロータの内面）に組み付けられる。ボア表面からフェーズドアレイ検査トランスデューサを使用して、（従来のボアソニック検査方法において必要である）音を屈折させるための多数の個別のくさびを不要とし、多重傾斜ビーム検査掃引の同時実行を可能とする。実行される掃引は、垂直方向または水平方向であってよい。さらに、追加の焦点基準を使用することによって、トランスデューサの変更または配置変更を必要とすることなく、トランスデューサを、ロータ材料のひびに対する感度を高めるべく合焦させることができる。
【００２５】
フェーズドアレイ超音波試験の結果が、検査部品の状態および完全性を評価するために使用される。例えば、裂け目の外縁からの反射を、徴候の広がりを正確に予測するために使用することができる。他のフェーズドアレイ技術を、問題となる重大な欠陥を、ロータ材料に以前から存在するあまり重要でない多孔性の欠陥または他の些細な鍛造の欠陥から区別するために、使用することができる。
【００２６】
本発明の特定の態様を詳しく説明したが、それらの詳細に対する種々の変更および代替を、本明細書の教示全体に照らして生み出せることは、当業者であれば理解できるはずである。したがって、開示される特定の構成は、あくまでも例示を意味するにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。さらに、図示および説明を容易にするために、タービンロータアセンブリを図面に示し、図面に関する以下の説明において述べる。しかしながら、当図面および説明は、発電機ロータアセンブリにも同様に適用可能である。
【００２７】
図１は、本発明に関係するタービンロータアセンブリ１を示している。図１の例において、タービンロータアセンブリ１は、ロータ１００、ディスク１０５、ボア１１０、およびボア開口１１５を含んでいる。ロータ１００は、内面１２０および外面１２５を有する。内面１２０は、ボア１１０の表面として機能する。ディスク１０５は、当分野で既知のいずれかの従来手段（図示略）を使用してロータボア１００に組み付けられている。ボア開口１１５は、ボア１１０へのアクセスを提供する。
【００２８】
図２は、図１に示したタービンロータアセンブリ１を試験するための本発明の一実施形態によるフェーズドアレイ超音波試験システム５０を示している。図２は、図１に示したような、ロータ１００、ディスク１０５、ボア１１０、ボア開口１１５、ロータ内面１２０、およびロータ外面１２５を含んでいる。図２には、くさび５２に組み付けられた超音波トランスデューサ５４（またはプローブ）がさらに示されている。別の実施形態においては、超音波トランスデューサ５４およびくさび５２の組み合わせを２つ以上使用することができる。前述したように、一実施形態において、トランスデューサ５４およびくさび５２は、超音波トランスデューサをボア１１０の内側へ運び入れるための当分野で従来技術である自動システムを使用して、ボア開口１１５を通しボア１１０へ挿入することができる。くさび５２は、設置領域１２３に組み付けられている。設置領域１２３は、ボア１１０の表面としての役割をもつロータ内面１２０に位置している。
【００２９】
ビーム（図示せず）がトランスデューサ５４から発せられ、くさび５２を通り、次いで試験対象の物体（例えば、ロータ１００）を通る。したがって、くさび５２は、ビームを所望の診断領域（例えば、ロータ１００）へさらに制御（例えば、配向、操縦）するために光学レンズ型装置として機能する。この方法において、くさび５２は、例えば、限定するわけではないが、ビームの幅および方向を対象領域に「集中」するように部分的に制御することができる。しかしながら、個々のくさび５２の操縦能力は限られている。したがって、既知の１Ｄトランスデューサが、例えば図２のボア１１０の領域を検査するために、多数のくさびを必要とすることが理解される。ボアの表面（すなわち、ロータ内面１２０）における多数のくさびの選択、配置、および再配置は、検査を続ける時間全体を大きく増やす時間のかかるプロセスである。くさび５２およびトランスデューサ５４の配置をより効率的にする努力で当分野において進歩が得られている（例えば、米国特許第６，７９２，８０９号に開示の「Self-Aligning Turbine Disc Inspection Apparatus」を参照）が、検査を正確に実行するために必要なくさび５２の数を減らすことが望まれる。本発明のフェーズドアレイ超音波試験システム５０および方法は、２Ｄビーム操縦能力および制御システム５６を提供してトランスデューサ５４から発せられるビームを制御することによって、この目標を首尾良く達成する。
【００３０】
トランスデューサ５４は、第１の電気ケーブル６２を介して制御システム５６と通信する。第１の電気ケーブル６２の一端はトランスデューサ５４と接続され、第１の電気ケーブル６２の他端は制御システム５６のコントローラ６０と接続される。コントローラ６０は、第２の電気ケーブル６４によってコンピュータ５８と接続される。本発明の範囲から外れることなく他の構成（図示せず）も使用可能である。例えば、一実施形態においては、無線の構成（図示さず）を使用することができ、別の実施形態においては、例えばコントローラ６０を省き、トランスデューサ５４をコンピュータ５８およびそのソフトウェアによって直接制御することができる。
【００３１】
コントローラ６０は、トランスデューサ５４の操作に適合させた既知のまたは適切なフェーズドアレイトランスデューサ制御ユニットのいずれかであってよい。より具体的に、コンピュータ５８は、コントローラ６０をプログラムして所定の焦点基準のセットに従いトランスデューサ５４を操作するためのソフトウェアを含んでいる。したがって、作業時、例えば角度、焦点距離、および焦点位置など、共同してトランスデューサ５４の焦点基準を形成するビームパラメータを、コンピュータ５８を使用して入力および変更することができる。コンピュータ５８に入力されたビームパラメータは、そのような焦点基準に従ってタービンの所定部分、例えばタービンロータボア、の診断を実行するようにトランスデューサ５４を制御すべくコントローラ６０をプログラムするために使用される。所望の診断を指揮すべくコントローラ６０をプログラムするための焦点基準および他の必要なパラメータすべてをきめるように、既知のまたは適切なソフトウェアプログラムのいずれかを使用できることが理解される。例えば、限定ではないが、既知のフェーズドアレイトランスデューサコントローラが、TomoScan III PAという商品名でカナダのZetecから市販されている。例えば、TomoScan III PAまたは同様のシステムを、超音波信号の取得を管理し、信号のリアルタイム画像化および以前の取得データのオフライン分析のいずれかまたは両方を提供するために、制御システム５６に実装することができる。実行すべき超音波診断をプログラムし、診断を実行してデータを取得し、次いで裂け目に関してデータを分析するためのスタンドアロンのソフトウェアパッケージとして使用することが可能である。あるいは、例えば、焦点基準を分けて作成し、コントローラ６０をプログラムするために使用することができる幅広く様々な他の既知のまたは適切なソフトウェアパッケージと併せて使用することが可能である。
【００３２】
追加システム（図示せず）を本発明のフェーズドアレイトランスデューサ制御ユニット６０と組み合わせて使用できることも理解される。例えば、限定するわけではないが、動作制御ユニット（図示せず）を、トランスデューサの自動的な配置および設置のための配送機構を制御するために使用することができる。前述したように、配送機構は、ボア開口１１５を通してボア１１０内へトランスデューサを届けるために使用することができる。一般に、配送機構は、トランスデューサ５４をボア１１０内に適切に配置するための通常は油圧または空気圧による機構と、トランスデューサ５４をロータ内面１２０に対して保持するための手段と、を提供する。
【００３３】
さらに、超音波データは、タービンロータの一部分から収集でき、このデータを分析して、この部分における裂け目を検出することができる。データの分析は、当分野で既知の種々の技術を使用して実行することができる。例えば、分析を実行するためにソフトウェアプログラムを使用することができる。一実施形態において、本明細書に援用される米国特許出願公開２００９／０３０７６２８に記載のようなソフトウェアを使用することができる。
【００３４】
前述したように、既知のロータボア超音波試験技術は、ほぼ、例えば米国特許第６，７３６，０１１号に記載されているタイプの線形または一次元（１Ｄ）トランスデューサおよび方法に限られている。本発明のトランスデューサ５４およびフェーズドアレイ超音波試験システム５０は、二次元（２Ｄ）検査を提供する。この本発明の進歩態様をさらに説明するために、続けて図２を参照し、既知の超音波トランスデューサおよび試験方法と例示システム５０および方法とを対比した実施例（限定目的ではない）を提示する。以下の実施例は、説明の目的で提示されているにすぎず、決して本発明の範囲を限定するものではない。
【００３５】
実施例：
この例においては、約３インチ（７．６２センチメートル）の幅を有するロータ１００のボア１１０の領域が診断対象である。この領域を既知の超音波試験技術を使用して検査するためには、約６個の異なるくさび（図示せず）が必要であり得る。一方で、図２に示したフェーズドアレイ超音波試験システム５０の例示的実施形態によれば、同じ領域を１つのくさび５２を使用して検査することができる。既知の１Ｄ技術は、比較的広い領域にわたりビームを操縦する能力に限界があり、したがって複数のくさびが必要である。具体的には、前述したように、一次元トランスデューサが一方向にしか操縦できないため、くさびおよびトランスデューサが完全には平坦でない湾曲面に設置される場合、ビームを望み通りに制御することを難しくする。ボアを有するタービンロータ（典型的には円筒体である）の内面のあらゆるトランスデューサ設置面は、湾曲表面であり平坦ではない。したがって、例えば、ビームを所望の診断領域へ分配し、集め、あるいは集中させてボア１１０の形状に適応させるために、上述の複数（例えば、６つ）の異なるくさびが必要になる。
【００３６】
反対に、本発明のトランスデューサ５４は、二次元でプログラムおよび制御（例えば、集中させることができる）可能である。例示的制御システム５６を通じた、そして特に、（同様の結果を達成するために複数の異なるくさびを交換することではなく）所望の焦点基準でコントローラ６０をプログラムすることによる、トランスデューサ５４の焦点合わせによって、検査プロセスが大幅に能率的になる。例示的システム５０および方法は、従来のシステムおよび方法でかかる時間と比べ、ロータボア検査にかかる時間を大幅に短縮すると期待される。具体的には、システム５０は、検査時間を約１２時間に短縮する可能性を有し、結果としてタービンの停止時間を、従来の検査方法において典型的な約３日と比べ、わずか１日にすることができると、期待される。また、典型的なロータボア検査に必要なくさび（例えば、くさび５２）の数を、おおよそ５０％〜８０％、またはそれ以上に減少でき得ると、期待される。このことは、６つのくさびから１つのくさび５２へと８０％を超えるくさび数の実際の削減を示している当実施例において証明される。
【００３７】
この実施例との関連において、本発明の別の実施形態によれば、限定するものではないが、２つなど、複数のフェーズドアレイトランスデューサを使用することができる。追加のトランスデューサは、走査時間の最適化に貢献する。
【００３８】
図３は、前述したように、２Ｄフェーズドアレイトランスデューサである（図２に示す）例示的トランスデューサ５４の底の概略図を示している。図示のとおり、例示的２Ｄトランスデューサ５４は、個々の素子５３を含んでいる。図３においては、３０個の個別素子５３があって、３×１０のアレイに配置されている。個別要素５３の各々は、基本的に分割トランスデューサとして機能し、（図２に示す）トランスデューサ５４から発せられる超音波ビームを２つの方向、矢印５５で示す（図３における）左右方向および矢印５７で示す（図３における）上下方向に、操縦することを可能にする。したがって、上述したように、１つのトランスデューサ５４を、１Ｄの設計と対比した場合に、少数のくさびを使用して同等の検査を効果的に実行できるよう、効率的に操り、集中させることができる。本発明は特定の２Ｄフェーズドアレイトランスデューサの使用に限定されないことが、理解される。ある適切な数の素子を有する既知のまたは適切な２Ｄフェーズドアレイトランスデューサのいずれでも、（図２に示す）例示的システム５０において使用することができる。図３に図示したタイプの２Ｄフェーズドアレイトランスデューサは、例えば、限定するわけではないが、仏国のBesanconに事業所を有するImasonic S.A.から市販されている。一般的には、フェーズドアレイトランスデューサは、当該フェーズドアレイトランスデューサを使用する用途の要件に応じて特注される。
【００３９】
また、本明細書において説明されるとおり、（図２に示す）例示的フェーズドアレイ超音波試験システム５０および方法を、１Ｄフェーズドアレイトランスデューサの性能（例えば、限定するわけではないが、操縦および焦点合わせの能力）の改善にも首尾良く使用できることも、理解される。さらに、後に続けられる超音波診断に備えて未知の形状のタービン部品の輪郭を明らかにするために、（図２に示す）システム５０を、従来の（例えば、非フェーズドアレイトランスデューサ）センサ（例えば、測定センサ、熱センサ、光センサ）を使用してデータを収集する用途に、使用することもできる。例えば、フェーズドアレイトランスデューサまたは非フェーズドアレイトランスデューサは、ボアの内側容量からデータを生成するために使用することができ、ボアデータは、ロータの形状を割り出すために使用することができる。
【００４０】
さらに、本発明のいくつかの実施形態において、くさび５２は、トランスデューサ５４を取り付ける別部品とするのではなくて、トランスデューサ５４と一体化されていてもよいことが理解される。例えば、トランスデューサ５４は、所定角度のくさび５２に恒久的に取り付けることができる。
【００４１】
さらに、限定するわけではないが、パルスエコー技術など、様々な種類または方法の超音波検査技術を使用できることが理解される。一般に、パルスエコー技術においては、２つ以上の２Ｄフェーズドアレイトランスデューサが、基本的に互いに隣り合って配置される。そして、ビームが各トランスデューサから放射され、欠陥、裂け目に遭遇したときに各ランスデューサからのビームが、該ビームの放射元のトランスデューサにエコーとして跳ね返る。このエコーが、（図２に示す）制御システム５６を使用して分析される。
【００４２】
上記パルスエコー技術は、あくまでも、本発明を用いたタービンロータボア検査に使用することができる多数の方法および技術の一例にすぎない。例えば、電子走査、焦点収束（dynamic focusing）、および扇形走査（方位角または角度走査とも呼ばれる）のいずれか１つ以上など、幅広い各種の他の既知のまたは適切なビーム集中および操作方法を、使用することも可能である。これらの各方法は、Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications, by Dr. Michael D.C. Moles et al, R/D Tech Inc., 2004に詳しく説明されている。
【００４３】
前述し、図２に示したように、フェーズドアレイ超音波試験システム５０は、上述の進歩した超音波試験技術を、トランスデューサ５４のコンピュータ制御操作を通じて達成する。
【００４４】
本発明に従って実行されるフェーズドアレイ超音波検査は、ロータ体積内のひび、裂け目のより高解像度画像化を可能にする。また、同じ欠陥ひび、裂け目について、様々な入射角（扇形走査）からの観察（精査）も可能にし、従来の超音波検査で得られる解釈と比べて、ひび、裂け目の位置およびサイズの向上した解釈を得ることが可能になる。
【００４５】
例えばSiemens Energy, Inc.などの企業が自身のタービンまたは発電機の部品を診断する場合、例えばタービンまたは発電機ロータボアの形状に関するパラメータは、既知であり、多くの場合、焦点基準をプログラムするときにこれらパラメータをソフトウェアへ入力するだけでよい。例えば、代表的に部品の設計図またはコンピュータモデルが利用可能であり、ソフトウェアへインポートすることができる。しかしながら、例えば他社の製造に係るタービンおよび発電機の部品を検査する場合など、形状は常に既知ではない。このような場合、試験対象の物体の形状は、既知の技術および方法を使用して始めにモデル化または輪郭化することができる。
【００４６】
したがって、本発明は、既知および未知の複雑および単純な形状の幅広い様々な産業部品をより効率的に検査するためのシステムおよび方法を提供する。
【００４７】
本発明のフェーズドアレイ超音波試験システムおよび方法は、例えば、ロータの体積内の裂け目、ひびを検出するために、および、タービンまたは発電機ロータなどの部品の状態および完全性を評価して部品の寿命評価を判断するために、タービンまたは発電機ロータボアなど、産業機器の正確、精密、かつ高信頼性の検査を提供する。当該検査は、従来のロータボア検査技術と比べて短時間で実行することができる。
【００４８】
本発明の具体的実施形態を詳しく説明したが、本明細書の開示による教示全体を参考に、それらの詳細について様々な変更および代案を展開できることを、当業者であれば理解できる。したがって、開示した個々の構成は、あくまでも例示を意図しており、特許請求の範囲の全域およびそのあらゆるすべての均等物が認められるべき本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１  ロータアセンブリ
５０  フェーズドアレイ超音波試験システム
５２  くさび
５３  素子
５４  トランスデューサ
５６  制御システム
５８  コンピュータ
６０  コントローラ（CONTROLLER）
６２  第１の電気ケーブル
６４  第２の電気ケーブル
１００  ロータ
１０５  ディスク
１１０  ボア
１１５  ボア開口
１２０  （ロータの）内面
１２３  設置領域
１２５  （ロータの）外面
【国際調査報告】
2013536946.tif 000006
2013536946.tif 000007