(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルス分光計システムであって、該レーザパルス分光計システムを制御するためにコンピュータ読み取り可能媒体上で具現化されるコンピュータプログラムを含み、該コンピュータプログラムがユーザ選択入力データを受け取った後、前記システムに対して、
タービン（１８）の構成部品の被膜層をレーザを用いて蒸発（１１０）させ、
前記構成部品の表面から放出される放射線を測定（１２０）して前記被膜の化学成分を求め、
前記レーザの深さに応じて前記被膜の化学成分を分析（１３０）し、
前記構成部品の被膜の有効寿命を算出（１４）する、
ように遠隔命令するコードセグメントを含むレーザパルス分光計システム。
【請求項２】
前記構成部品の表面から放出される放射線をデジタル分光計を使用して測定するように更に構成されている請求項１に記載のレーザパルス分光計システム。
【請求項３】
タービン（１８）の構成部品の被膜層をネオジミアムパルスレーザを使用して蒸発させるように更に構成されている請求項１に記載のレーザパルス分光計システム。
【請求項４】
前記被膜の化学成分の特性スペクトルを求めるように更に構成されている請求項１に記載のレーザパルス分光計システム。
【請求項５】
前記被膜中のアルミニウムを重量百分率で算出するように更に構成されている請求項１に記載のレーザパルス分光計システム。
【請求項６】
レーザパルス分光計システムを制御するためにコンピュータ読み取り可能媒体上で具現化されるコンピュータプログラムであって、ユーザ選択入力データを受け取った後、前記システムに対して、
タービン（１８）の構成部品の被膜層をレーザを用いて蒸発（１１０）させ、
記構成部品の表面から放出される放射線を測定（１２０）して前記被膜の化学成分を求め、
記レーザの深さに応じて前記被膜の化学成分を分析（１３０）し、
記構成部品の被膜の有効寿命を算出（１４０）する、
ように遠隔命令するコードセグメントを含むコンピュータプログラム。
【請求項７】
前記構成部品の表面から放出される放射線をデジタル分光計を使用して測定するように更に構成されている請求項６に記載のコンピュータプログラム。
【請求項８】
タービン（１８）の構成部品の被膜層をネオジミアムパルスレーザを使用して蒸発させるように更に構成されている請求項６に記載のコンピュータプログラム。
【請求項９】
前記被膜の化学成分の特定スペクトルを求めるように更に構成されている請求項６に記載のコンピュータプログラム。
【請求項１０】
前記被膜中のアルミニウムを重量百分率で算出するように更に構成されている請求項６に記載のコンピュータプログラム。
【請求項１１】
タービン（１８）の回転部材及び固定部材の少なくとも１つに固定された構成部品の表面の被膜の有効寿命を決定する方法であって、
組み立てられた回転機械内に前記回転部材が結合された状態のままで前記構成部品の表面にわたってレーザを配向する段階と、
前記タービン（１８）の前記構成部品の被膜層を前記レーザを用いて蒸発（１１０）させる段階と、
前記構成部品の表面から放出される放射線を測定（１２０）して前記被膜の化学成分を求める段階と、
前記レーザの深さに応じて前記被膜の化学成分を分析（１３０）する段階と、
前記被膜の化学成分に基づき前記構成部品の被膜の有効寿命を算出（１４）する段階と
を含む、方法。
【請求項１２】
タービン（１８）の回転部材及び固定部材の少なくとも１つに固定された構成部品の表面の被膜の化学成分を分析し有効寿命を改善する方法であって、
組み立てられた回転機械内に前記回転部材が結合された状態のままで前記構成部品の表面にわたってレーザを配向する段階と、
前記タービン（１８）の前記構成部品の被膜層を前記レーザを用いて蒸発（１１０）させる段階と、
前記構成部品の表面から放出される放射線を測定（１２０）して前記被膜の化学成分を求める段階と、
前記レーザの深さに応じて前記被膜の化学成分を分析（１３０）する段階と、
前記被膜の化学成分に基づき前記構成部品の被膜の有効寿命を算出（１４）する段階と、
前記被膜中のアルミニウムの重量百分率が６％以下の場合には追加の被膜を施す段階と
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に、タービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジン構成部品の被膜の有効寿命を求める方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知のタービンエンジンには、少なくとも一列の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含むロータ組立体を含む。各ロータブレードは、軸方向に間隔を置いて配置された前縁及び後縁に共に接続される正圧側と負圧側とを含むエーロフォイルを含む。各エーロフォイルは、ロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延びている。各ロータブレードは更に、ダブテールなどの取り付け部を含み、該ダブテールは、プラットフォームから半径方向内向きに延び、ロータ組立体内のロータブレードをロータディスクすなわちスプールに取り付けるために使用される。少なくとも一部の公知のロータディスクは円周方向ダブテールスロットを含み、該スロットはそこに複数のロータブレードを受けるような寸法にされている。公知のロータブレードダブテールは、ディスクダブテールスロットとほぼ相補的な形状にされ、ロータブレードダブテールとロータディスクスロットとが共に係合してダブテール組立体を形成することを可能にする。
【０００３】
高温酸化及び高温腐食からの保護を容易にするために、タービンエーロフォイルなどのガスタービンエンジンの少なくとも一部の構成部品は、例えば拡散アルミナイド被膜のような保護被膜で被覆される。拡散被膜は、熱／化学反応プロセスによって与えられ、通常は高温の還元又は不活性雰囲気を必要とする。被覆プロセス中、アルミニウムは、被膜の表面に拡散して空気と反応し、保護アルミナ被膜を形成する。
【０００４】
従来、ガスタービン部品の被膜寿命を求めることは、部品に対する保護金属被膜中のベータアルミナイドの残留量を測定することを伴う。しかしながら、この方法は、エッチングして顕微鏡で光学的に観察してベータアルミナイド領域の幅を測定することができるようにするため、構成部品の局部的切断及び関心領域の冶金的取り付けを必要とする。被膜中に残留するベータアルミナイドの量は、アルミナ保護被膜の生成のために残留するアルミニウムの量を示しており、このようにして被膜寿命を求めるために使用される。
【特許文献１】米国特許第4543486   号明細書
【特許文献２】米国特許第 4634291  号明細書
【特許文献３】米国特許第4677034   号明細書
【特許文献４】米国特許第 4818118  号明細書
【特許文献５】米国特許第 5216808  号明細書
【特許文献６】米国特許第 5742028  号明細書
【特許文献７】米国特許第 5847825  号明細書
【特許文献８】米国特許第 5885484  号明細書
【特許文献９】米国特許第 5932120号明細書
【特許文献１０】米国特許第 6005219  号明細書
【特許文献１１】米国特許第 6008896  号明細書
【特許文献１２】米国特許第 6075593  号明細書
【特許文献１３】米国特許第 6149389  号明細書
【特許文献１４】米国特許第6159619   号明細書
【特許文献１５】米国特許第 6197424  号明細書
【特許文献１６】米国特許第 6283714  号明細書
【特許文献１７】米国特許第6380512   号明細書
【特許文献１８】米国特許第 6452685  号明細書
【特許文献１９】米国特許第 6488986  号明細書
【特許文献２０】米国特許第 6532068  号明細書
【特許文献２１】米国特許第 6629464  号明細書
【特許文献２２】米国特許出願公開第 2003/0085203  号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、従来の方法は、部品を破壊し手間がかかり、コスト高である。更に、現場での用途では交換部品を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様において、回転機械の回転部材及び固定部材のうちの少なくとも１つに結合された構成部品の表面被膜に適用される有効寿命を求めるための方法が提供される。本方法は、回転部材が組み立てられた回転機械内に結合された状態のままで構成部品の表面にわたってレーザを配向する段階と、構成部品の表面から放出される放射線を測定する段階とを含む。
【０００７】
別の態様では、組み立てられたタービン内での所定位置に結合されて回転しているタービンロータに結合されたタービンブレード構成部品とタービンノズル構成部品のうちの少なくとも１つにわたって施される被膜の有効寿命を求めるための方法が提供される。本方法は、タービンブレード構成部品及びタービンノズル構成部品中の少なくとも１つに施される被膜の一部分をレーザを用いて蒸発させる段階と、検査されている構成部品の表面から放出される放射線を測定して被膜の化学成分を求める段階と、被膜の化学成分に基づいて被膜の有効寿命を算出する段階とを含む。
【０００８】
更に別の態様では、レーザパルス分光計システムを制御するためにコンピュータ読み取り可能媒体上で具現化されるコンピュータプログラムが提供される。コンピュータプログラムは、ユーザ選択入力データを受け取った後、システムに、タービンの構成部品の被膜層をレーザを用いて蒸発させ、構成部品の表面から放出される放射線を測定して被膜の化学成分を求め、レーザの深さに応じて被膜の化学成分を分析し、構成部品の被膜の有効寿命を算出するように遠隔命令するコードセグメントを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、発電機１２，圧縮機１４，燃焼器１６及びタービン１８を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０には、吸気側すなわち上流側２０と排気側すなわち下流側２２とを有する。１つの実施形態では、エンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓから商業的に入手可能なタービンエンジンである。
【００１０】
運転中、高圧縮空気が圧縮機１４から燃焼器１６に送り込まれる。燃料ガスが、複数の燃料ノズル（図１には図示せず。）を通じて燃焼器１６に供給され、燃焼器１６からの高温の排気ガスがタービンノズル組立体（図１には示さず）を通じて排出され、タービン１８を駆動するのに使用される。タービン１８は更に、圧縮機１４及び発電機１２を駆動する。
【００１１】
図２は、タービンエンジン１０（図１に示す）などのエンジンに使用することのできるロータ組立体４０の斜視図である。組立体４０は、ロータディスク４４に装着される複数のロータバケットすなわちブレード４２を含む。１つの実施形態では、ブレード４２は、タービンエンジン１０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。別の実施形態では、複数の固定式タービンノズル（図示せず）が、タービンブレード４２の隣接する横列の間に位置付けられる。
【００１２】
ロータブレード４２は、ロータディスク４４から半径方向外向きに延び、各ブレードは４２は、エーロフォイル５０、プラットフォーム５２、シャンク５４及びダブテール５６を含む。各エーロフォイル５０は、第１の側壁６０と第２の側壁６２とを含む。第１の側壁６０は、凸状でありエーロフォイル５０の負圧側を形成し、第２の側壁６２は、凹状でありエーロフォイル５０の正圧側を形成する。
側壁６０及び６２は、エーロフォイル５０の前縁６４とこれから軸方向に間隔を置いて配置された後縁６５とにおいて結合される。より具体的には、エーロフォイル後縁６５は、エーロフォイルの前縁６４から弦方向下流側に間隔を置いて配置される。複数の後縁スロット６７が、エーロフォイル５０内に形成されて後縁６５に冷却空気を排出するようにされる。冷却空気は、後縁６５が受ける温度、熱応力及び歪みの低減を促進する。
【００１３】
第１及び第２の側壁６０及び６２は、それぞれ、プラットフォーム５２に隣接して配置されたブレード根元６８からエーロフォイル先端部７０までスパンにわたり長手方向又は半径方向外向きに延びる。エーロフォイルの先端部７０は、内部冷却チャンバ（図２には示さず）の半径方向外側境界を定める。冷却チャンバは、側壁６０と側壁６２との間のエーロフォイル５０内に境界付けられ、プラットフォーム５２及びシャンク５４を通ってダブテール５６に延びている。より具体的には、エーロフォイル５０は、内表面（図２には示さず）と外表面７４とを含み、冷却チャンバはエーロフォイルの内表面によって形成される。
【００１４】
プラットフォーム５２は、各エーロフォイル５０が各それぞれのプラットフォーム５２から半径方向外向きに延びるように、エーロフォイル５０とシャンク５４との間に延びる。シャンク５４は、プラットフォーム５２からダブテール５６まで半径方向内向きに延びる。ダブテール５６は、シャンク５４から半径方向内向きに延びて、ロータブレード４２をロータディスク４４に装着するのを助ける。より具体的には、各ダブテール５６は、該ダブテール５６から半径方向外向きに延び、各ダブテール５６をそれぞれのダブテールスロット８２内に装着するのを助ける少なくとも１つの舌状部８０を含む。例示的な実施形態では、ダブテール５６は、上方ブレード舌状部８４の対と下方ブレード舌状部８６の対とを含む。
【００１５】
図３は、レーザパルス分光法を利用してタービン構成部品の有効寿命を求める例示的な方法を示すフローチャート１００のブロック図である。本方法は、被膜プラズマから発生された光放射線すなわちスペクトルの特性放出を利用するものである。最初に、タービン構成部品の表面にわたってレーザが印加すなわち配向される。１つの実施形態では、レーザは、回転組立体４０がタービンエンジン１０に結合された状態のままで構成部品の表面にわたって配向される。レーザは、被膜材の薄層を蒸発させて被膜の成分濃度を測定するのを容易にする。より具体的には、各レーザパルスは、構成部品の表面に衝突する間に材料の薄層を除去する。ネオジミウムパルスレーザなどのパルスレーザは、熱パルスを供給して被膜を蒸発させる。熱パルスは、光ファイバー又は連接式ミラー装置のいずれかを使用して部品表面に送出される。
【００１６】
スペクトルの測定は、励起レーザ法を使用して行われ、この方法においては、レーザプラズマの遅延スペクトル測定は、種々の特定の過渡種を検出して測定するのに使用される。より具体的には、遅延量をプラズマ発生パルスに対して測定する。ガスタービン保護被膜及び基材中の元の元素の情報は、サンプルからの測定値と比較されて種々の元素の濃度を定量的に求めて成分を推定する。元素濃度は、プラズマから放出される種々の特性スペクトル線の強度を測定１２０することによって求められる。１つの実施形態では、スペクトルは、高速デジタル分光計を使用して測定１２０される。
【００１７】
アルミニウムの重量パーセントの確定精度を高めるのを容易にするために、種々のスペクトルの組み合わせが利用される。これは、アルミニウムが２つの化学量論相、すなわちＮｉＡｌとＮｉ３Ａｌに存在するので有用である。従って、被膜中のアルミニウムとニッケルとの重量パーセントの間には相関関係がある。１つの実施形態では、本方法はまた金属及びセラミック被膜並びに基材を調べるのに利用される。
【００１８】
プラズマの深さに応じて被膜元素の特性スペクトルを類別することにより、被膜の化学成分の分布が確定１３０される。このような動的な測定能力を、限定ではないが、時間、温度及びファイアリング環境などの他の暴露データと組み合わせることにより、被膜／基材組み合わせにおける部品の被膜寿命を算出することができる。１つの実施形態では、被膜寿命は、成分の設計温度分布を使用して算出される。別の実施形態では、コバルトなどの別の元素の測定を用いて温度を測定することができる。
【００１９】
データが収集されると、データ分析が行われて被膜の有効寿命が算出１４０される。１つの実施形態では、被膜の有効寿命は、時間データ及び温度データのうちの少なくとも１つを利用して算出１４０される。スペクトルデータの稼動メジアンを使用することでマクロレベルのアルミニウム濃度のより正確な推定値を得ることが容易になる。
【００２０】
稼動メジアン算出法は更に、被膜成分が深さに伴い変化するときにこれらの被膜と関連した「ノイズ」を低減するのが容易になる。しかしながら、タービンの構成部品に対する被膜寿命は、部品の被膜において利用可能な単位当たりのアルミニウムの合計量によって決まる。例えば、被膜減少は、５〜７％重量アルミニウムの範囲内で発生する。１つの実施形態では、アルミニウムの重量百分率がおよそ６％より少ない場合には、どのようなアルミニウムの蓄積も存在しない。従って、被膜減耗を受けている構成部品に対して追加の被膜を施すことができる。
【００２１】
１つの実施形態では、コンピュータプログラムが、レーザパルス分光計システムを制御するためにコンピュータ読み取り可能媒体上に具現化される。このコンピュータプログラムは、ユーザ選択入力データを受け取り、次いで前記システムに本方法１００を実行するよう遠隔で命令するコードセグメントを含む。
【００２２】
使用時には、本方法は、金属被膜のアルミニウム含有量を測定し、これを構成部品の被膜の有効寿命に関連付けることからなる、迅速で正確な方法を提供する。本方法は、タービン内部などの遠隔の空間に達することができる。加えて、本方法により、高温ガスの部品に対して既存の又は簡単に設置可能な検査ポートを通じて遠隔作業が可能である。
【００２３】
上述の方法は、被膜中のアルミニウム及び他の元素濃度を測定して金属被膜上にアルミナの保護外被膜を形成するために利用可能なベータアルミナイドの量を求めるのにコスト効果があり極めて信頼性がある。数値データ処理を用いることにより、データの信号対ノイズ比を高め、被膜の寿命決定に必要とされる良好な濃度測定ができるようになる。更に、上述の方法は、構成部品の損傷又は構成部品の局部区域の破壊なしにタービン構成部品の被膜寿命を求める。
【００２４】
レーザパルス分光法の例示的な実施形態を上記で詳細に説明された。本システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各システムの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立して個別に利用することができる。各システムの構成部品は更に、他のシステムの構成部品と組み合わせて使用することもできる。
【００２５】
本発明を種々の特定の実施形態について説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び範囲内で変更を行うことができることは当業者であれば理解するであろう。特許請求の範囲において示した参照番号は、本発明の技術的範囲を限定するものでなく、これらの理解を容易にするためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】例示的なタービンの部分切取斜視図。
【図２】図１に示すタービンに使用することができる例示的なロータ組立体の部分斜視図。
【図３】図１に示す回転機械の構成部品の有効寿命を求めるための例示的な方法を示すフローチャートのブロック図。
【符号の説明】
【００２７】
１１０  タービン構成部品の被膜を蒸発させる
１２０  被膜が放出するスペクトルを測定する
１３０  被膜の化学成分の分布を求める
１４０  被膜の有効寿命を算出する
【図１】
0004688479.tif 000002
【図２】
0004688479.tif 000003
【図３】
0004688479.tif 000004