(57)【要約】  600℃(1112°F)を超す範囲の高い運転温度にあるガスタービン燃焼器およびタービンセクションを含むオンラインで運転中の発電タービンの非破壊内部検査用の光学カメラシステム。システムは、光学チューブ筐体に温度および振動を補償する1つまたは複数のレンズシステムを含む。レンズは、レンズの軸方向面とのみ接触した状態にある装着リングを有するレンズマウント内に周方向に保持される。付勢要素は、第1の装着リングを介して第1のレンズ面に軸方向に向く付勢力を加え、運転中のタービンの振動および温度の変化に応答したマウントの撓みを許容する。レンズマウントは、600℃を超す連続運転温度に耐えうる非球面レンズと組み合わされることが有利である。非球面レンズは、単独でまたは球面レンズとの組合せで、より広い視野を確立し、球面レンズのみを組み込むレンズマウントよりも少ない組合せレンズしか必要としない。
2015508908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の軸方向面および対向した第2の軸方向面の対、ならびに前記面の間の周縁部を有するレンズと、
前記レンズの縁部の少なくとも一部と当接した内面を有するレンズマウントと、
前記レンズとその第1の軸方向面に沿ってのみ当接した状態にある第1の装着リングと、
前記第1の装着リングを介して前記第1のレンズ面に軸方向に向いた付勢力を加えるための、前記レンズマウントに結合された付勢要素と、
を備えたカメラレンズシステム。
【請求項２】
前記レンズとその第2の軸方向面に沿ってのみ当接した第2の装着リングをさらに備え、前記レンズは、対向した第1および第2の装着リングの間に捕捉されている、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記付勢要素は、圧縮バネである、請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
前記圧縮バネは、前記レンズマウントの内面内に径方向に拘束された環状の金属バネを含み、前記第1の装着リングと付勢されて当接した関係にある第1のバネ端部を有する、請求項3に記載のシステム。
【請求項５】
前記第1の装着リングは、
前記レンズマウントの内面と対向関係にある装着リム縁部を有する装着リムと、
前記装着リムに結合された近位端、および最初のレンズとその前記第1の軸方向面に沿ってのみ付勢されて当接した状態にあって、前記リムから離れるように軸方向に突出した遠位端をそれぞれに有する可撓性の複数の片持ちフィンガと、
をさらに備えている、請求項1に記載のシステム。
【請求項６】
前記レンズマウントに、互いに対して軸方向に離間され、それぞれの第1の装着リングが各レンズに対応した、複数のレンズを備えている、請求項1に記載のシステム。
【請求項７】
対応したレンズとその第2の軸方向面に沿ってのみ当接した少なくとも1つの第2の装着リングをさらに備え、前記レンズは、対向した第1および第2の装着リングの間に捕捉されている、請求項6に記載のシステム。
【請求項８】
前記付勢要素は、単一のレンズの第1の面に付勢力を加える圧縮バネ、および複数のレンズのそれぞれの第1の面に付勢力を加える圧縮バネから成る群から選択されている、請求項1に記載のシステム。
【請求項９】
前記レンズは、非球面レンズを含んでいる、請求項1に記載のシステム。
【請求項１０】
前記レンズマウントならびに各レンズ、装着リングおよび付勢要素のそれぞれは、華氏1112度(摂氏600度)を超す温度で連続的に動作可能な材料で構築されている、請求項1に記載のシステム。
【請求項１１】
前記レンズマウントを保持した筐体と、
前記レンズと位置合せされ前記筐体によって画定された覗き孔と、
前記覗き孔の近くに前記筐体によって画定された冷却孔と、
前記覗き孔の近くに加圧ガスを排出するための、前記冷却孔に結合された加圧ガス源と、
をさらに備えている、請求項1に記載のシステム。
【請求項１２】
第1の軸方向面および対向する第2の軸方向面の対、ならびに前記面の間の周縁部をそれぞれに有し、互いに対して軸方向に離間された第1および第2のレンズと、
各レンズの縁部の少なくとも一部と当接した内面を有するレンズマウントと、
対応する各レンズとそのそれぞれの第1の軸方向面に沿ってのみ当接した状態にあるそれぞれの第1の装着リングと、
その対応する第1の装着リングを介して各レンズのそれぞれ第1の面に軸方向に向いた付勢力を加えるための、前記レンズマウントに結合された付勢要素と、
を備えるカメラレンズシステム。
【請求項１３】
前記第1の装着リングのうちの少なくとも1つは、
前記レンズマウントの内面と対向関係にある装着リム縁部を有する装着リムと、
前記装着リムに結合された近位端、および前記対応する第1のレンズとその前記第1の軸方向面に沿ってのみ付勢されて接触した状態にある、前記リムから離れるように軸方向に突出する遠位端をそれぞれに有する可撓性の複数の片持ちフィンガと、
をさらに備えている、請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
対応したレンズの第2の軸方向面と当接し、前記少なくとも1つの第1の装着リングと同様のリムおよびフィンガを有する少なくとも1つの第2の装着リングをさらに備えている、請求項13に記載のシステム。
【請求項１５】
対応した各レンズとそのそれぞれの第2の軸方向面に沿ってのみ当接するそれぞれの第2の装着リングをさらに備え、前記対応したそれぞれのレンズは、対向したそれぞれの対応した第1の装着リングと第2の装着リングとの間に捕捉されている、請求項12に記載のシステム。
【請求項１６】
前記付勢要素は、単一のレンズの第1の面に付勢力を加える圧縮バネ、および複数のレンズの前記それぞれの第1の面に付勢力を加える圧縮バネから成る群から選択されている、請求項12に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第1のレンズは、非球面レンズであり、
前記レンズマウントならびに各レンズ、装着リングおよび付勢要素のそれぞれは、華氏1112度(摂氏600度)を超す温度で連続的に動作可能な材料で構築されている、請求項12に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レンズマウントを保持した筐体と、
前記レンズと位置合せされ前記筐体によって画定された覗き孔と、
前記覗き孔の近くに前記筐体によって画定された冷却孔と、
前記覗き孔の近くに加圧ガスを排出するための、前記冷却孔に結合された加圧ガス源と、
をさらに備えている、請求項12に記載のシステム。
【請求項１９】
前記レンズマウントを通じて伝達される画像を生成するための、前記レンズマウントに結合されたカメラ検査システムをさらに備えている、請求項12に記載のシステム。
【請求項２０】
運転中のガスタービン内の対象領域を視覚的に検査するための方法であって、
覗き孔を規定する筐体と、
前記覗き孔と位置合せされた、前記筐体内のレンズシステムであって、
第1の軸方向面および対向する第2の軸方向面の対、ならびに前記面の間の周縁部を有するレンズと、
前記レンズの縁部の少なくとも一部と当接した内面を有するレンズマウントと、
前記レンズとその第1の軸方向面に沿ってのみ当接した状態にある第1の装着リングと、
前記第1の装着リングを介して前記第1のレンズ面に軸方向に向いた付勢力を加えるための、前記レンズマウントに結合された付勢要素と、
前記レンズマウントを通じて伝達される画像を生成するための、前記レンズマウントに結合されたカメラと、
を含むレンズシステムと、
を有するカメラ検査システムを準備するステップと、
タービンの運転前に前記カメラ検査システムの筐体の覗き孔をガスタービンの検査孔内に挿入するステップと、
タービンの運転中に前記ガスタービン内の対象領域の画像を生成するするステップと、
を含んでいる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、"SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINES INCLUDING ASPHERIC LENS"と題して本出願と同時に出願され、シリアル番号(不明)および代理人整理番号2011P22743USが付与された係属中の米国特許出願の利益を主張しており、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、600℃(1112°F)を超す範囲の運転温度にあり燃焼ガスの汚染物質を含むガスタービン燃焼器およびタービンセクションを含むオンラインで運転中の発電タービンの非破壊内部検査用の光学カメラシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
赤外線または可視光スペクトルのオンラインカメラシステムは、高温光学システムを高速カメラ画像と組み合わせることによって、発電用のガスタービン、蒸気タービン、発電機またはそれらの関連設備の重要な内部機関部品を発電所でのそれらの運転中に監視する。設備の過酷な運転環境内で存続しながら最良の画質を提供するために、光学システムの設計には、レンズ、光学材料および関連するレンズ装着構造の選択および組合せが必要である。例えば、ガスタービン燃焼器およびタービンセクションは、レンズ面を損傷させ汚染する高温燃焼ガスを含む。
【０００４】
図1Aおよび図1Bは、圧縮機セクション32、複数の周方向燃焼器34、および回転シャフト40が通るタービンセクション38を有する既知のガスタービン30を概略的に示している。タービンセクション38は、固定列1のベーン42、およびシャフト40に回転可能に結合される列1のブレード44を含む。タービンセクション38は、列2のベーン46および列2のブレード48等、連続する固定ベーンおよび回転ブレードの交互列を含む。タービン30は、内部部品への検査アクセスを容易にするために複数の検査孔36、50および52を組み込む。
【０００５】
図1Aに示すように、カメラ検査システム55は、検査孔36に結合され、筐体の中心軸と位置合せされた約30°の視野を確立する覗き孔57を有する、光学チューブ筐体56を含む。カメラ58は、光学チューブ筐体56のレンズによって伝達される画像を取り込む。カメラ検査システム55は、例えば、列1のベーン42の先端等、視野内で視認可能なタービン30内の対象領域を検査するのに役立つ。同様に、カメラ検査システム55'は、検査孔50に結合され、筐体の中心軸に垂直に位置合せされた約30°の視野(即ち、横視または側視)を確立する覗き孔57'を有する、光学チューブ筐体56'を含む。カメラ58'は、光学チューブ筐体56'のレンズによって伝達される画像を取り込む。カメラ検査システム55、55'は、視野内で視認可能なタービン30内の対象領域を検査するのに役立つ。しかし、図1Bに示すように、覗き孔57'を通した既知のカメラの視野は、30〜34°にすぎず、したがって、タービンブレード44の先端の全幅を捉えられない。
【０００６】
タービンのオンライン運転中にタービン内部部品を赤外線または可視光スペクトルでリアルタイムに撮像するための現在の光学設計は、視野、最大運転温度、画質およびシステムの運転寿命を制限する複数の制約に悩まされる。所望の画質を実現するために、従前の光学システムは、550℃(1022°F)未満の温度制限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、従前の設計は、光学収差を補正するために、2つ以上の要素が関与する密に離間された球面レンズの複雑な集合体を使用する。
【０００７】
カメラ撮像システム用の従前の光学チューブの設計は、視野、画質およびレンズマウントシステムの複雑性の間の設計トレードオフに悩まされる。所望の視野が広くなるにつれて、ますます密なレンズ間空間を有するますます多くの数のレンズが必要になる。レンズの数が多くなるに反してレンズの伝達性が低くなる。これらの設計トレードオフは、周囲常温検査への適用に使用されるカメラ検査システムに対する影響と比べて、オンラインのガスタービン等の高温検査への適用に使用される光学システムの性能および寿命に対して直接的な著しくネガティブな影響を及ぼす。より具体的には、光学収差を補正するために、従前の光学設計は、凸面および凹面を有する異なるガラス材料の組合せを有する球面レンズを使用する。従前の光学設計は、優れた画質をもたらしうるが、過酷なタービン環境で使用される場合には幾つかの問題点がある。固有であるが種々の光学、熱および機械的な構造特性を有する複数の光学材料を選択する必要があり、高温運転環境の最も近くにある少なくとも1つの光学材料は、約600℃(1112°F)の融解温度を有するべきである。光学特性の著しい喪失なしにそのような高温に耐えうる光学材料は殆ど存在しない。前述した光学収差を補正するために、複数の球面レンズが必要とされる。従前に知られている高温検査システム用の光学チューブの設計は、十分な画質をもたらすために最大6個の異なるレンズを使用してきた。タービン内の対象領域をより広く検査するために所望の視野が広くなると、追加のレンズも必要である。実際には、既知の高温検査システムの光学チューブの視界および/または視野は、34°以下である。
【０００８】
レンズマウントの機械設計および運転制約ならびにシステムの有益な運転寿命は、光学チューブ内のレンズの数が多くなるにつれて一層困難になる。例えば、マウントのレンズの数が多くなるにつれて、高温検査への適用ではレンズアラインメントを維持することも一層困難になり、それに応じて有益な耐用年数も短くなる。
【０００９】
ガスタービンの「高温セクション」における冷却なしのオンライン監視のために使用される現在の撮像システムは、保全および修理を必要とするまでに最大約200〜300時間に制限された運転可能性を有する。撮像システムの故障は、ガスタービンの熱および振動を受ける様々な光学要素の進行性の摩耗、破壊または位置合せ不良によって生じることが観察されている。この数百時間のサービス期間は、短期間のエンジン性能評価には十分でありうるが、タービン内部部品の運転ライフサイクル全体に亘る連続オンライン監視のために業界では長期運転がますます要求される。ガスタービンは、計画された保全周期の間に連続して運転されることが意図されている。計画された保全期間までは、タービンの運転中に監視されるガスタービンからカメラ検査システムの光機械部品を取り出すことはできない。カスタービンの標準的な保全検査周期は、4000時間毎に計画されており、通常8000時間毎の主要検査を伴う。したがって、連続オンライン検査監視システムにとっては、システムが検査されてサービスを受ける機会を有するまでに少なくとも4000時間に亘って分解なしで運転状態を保つことが重要である。これまでのところ、撮像システムの耐用年数を長くするための様々な試みは、数十時間から数百時間までの僅かな改善を導いてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、当該分野では、600℃(1112°F)を超し、望ましくは最高1000℃(1832°F)の温度環境での連続運転に耐えうる、発電システム用タービン等のための高温環境検査システムに対する必要性が存在する。拡大された視野を有する、そのようなシステムに対する別の必要性が存在する。設計および運転の複雑性を低くするために、システムで使用される個々のレンズの数を少なくする、そのようなシステムに対するさらに別の既存の必要性が存在する。画質を維持し、好ましくは高めながら、光学伝達効率を高めることに対する別の必要性が存在する。計画されたタービン保全サービス期間、望ましくは4000時間に一致するように、高温検査システムの運転耐用年数を長くすることに対する他の全体的な必要性が当該分野には存在する。
【００１１】
したがって、本発明の潜在的な目的は、とりわけ目的同士結び付けてまたはそれぞれ別個に、600℃(1112°F)を超し、望ましくは最大1000℃(1832°F)の温度環境での連続運転に耐えることができ、視野を広げることができ、システムで使用される個々のレンズの数を少なくして設計および運転の複雑性を低くすることができ、光伝達効率を高めることができ、画質を維持し、好ましくは高めることができ、運転中のオンラインのタービンにおける高温および高振動の環境によって生じる運転性の低下の可能性を低くするレンズシステムも組み込んでシステムの運転耐用年数を長くすることができる発電システムのタービン等のための高温環境検査システムを作り出すことである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらの目的および他の目的は、本発明の実施形態に従って、有益な耐用年数を延ばすカメラレンズシステムを特徴とする検査装置によって実現される。レンズシステムは、熱および振動を補償するための可撓性のレンズ装着をもたらし、とりわけ、第1の軸方向面および対向する第2の軸方向面の対、ならびに面の間の周縁部を有するレンズを含む。内面を有するレンズマウントは、レンズの縁部の少なくとも一部と外接する。第1の装着リングは、レンズとその第1の軸方向面に沿ってのみ接触した状態にある。付勢要素は、第1の装着リングを介して第1のレンズ面に軸方向に向いた付勢力を加えるために、レンズマウントに結合される。
【００１３】
また、本発明の実施形態は、とりわけ、第1の軸方向面および対向する第2の軸方向面の対、ならびに面の間の周縁部をそれぞれに有する第1および第2のレンズを含み、レンズが互いに対して軸方向に離間する、カメラレンズシステムを特徴とするカメラ検査システムを対象とする。レンズマウントは、各レンズの縁部の少なくとも一部と外接する内面を有する。それぞれの第1の装着リングは、対応する各レンズとそのそれぞれの第1の軸方向面に沿ってのみ接触した状態にある。付勢要素は、その対応する第1の装着リングを介して各第1のレンズ面に軸方向に向いた付勢力を加えるために、レンズマウントに結合される。
【００１４】
また、本発明は、覗き孔を画定する筐体を有するカメラ検査システムを準備することによって、運転中のガスタービン内の対象領域を視覚的に検査するための方法を対象とする。覗き孔と位置合せされた筐体内には、第1の軸方向面および対向する第2の軸方向面の対、ならびに面の間の周縁部を有するレンズを含むレンズシステムも設けられる。レンズの縁部の少なくとも一部と外接する内面を有し、レンズとその第1の軸方向面に沿ってのみ接触した状態にある第1の装着リングを有する、レンズマウントも設けられる。第1の装着リングを介してレンズの第1の面に軸方向に向いた付勢力を加えるための、レンズマウントに結合された付勢要素が設けられる。カメラ検査システムは、レンズマウントを通じて伝達される画像を生成するための、レンズマウントに結合されたカメラも有する。本発明の方法では、タービンの運転前にカメラ検査システムの筐体の覗き孔をガスタービンの検査孔内に挿入する。その後に、タービンの運転中にガスタービン内の対象領域の画像を生成する。
【００１５】
本発明の幾つかの実施形態では、レンズシステムは、球面レンズとの組合せで装着されてもよい1つまたは複数の非球面レンズを含む。温度および振動を補償可能な本発明のレンズマウントと、レンズマウントの光学チューブに必要とされる、一層少ない数の非球面レンズとを組み合わせることによって、撮像システムの耐用年数の長期化が促進される。幾つかの実施形態では、1つまたは複数のレンズマウント、レンズ、装着リングおよび付勢要素は、華氏1112度(摂氏600度)を超す温度で連続的に運転可能な材料で構築されてもよい。他の実施形態では、1つまたは複数のレンズは、対向する対応する第1および第2の装着リングの間に捕捉される。幾つかの実施形態の装着リングは、可撓性を有しており、レンズマウントの内面と対向関係にある装着リム縁部を有する装着リムと、装着リムに結合された近位端のレンズの軸方向面に沿ってのみ付勢されて接触した状態にあって、リムから離れるように軸方向に突出する遠位端をそれぞれに有する可撓性の複数の片持ちフィンガとを有する。
【００１６】
幾つかの実施形態では、レンズシステムは、レンズマウントを保持し、レンズと位置合せされた筐体によって画定された覗き孔も有する、光学チューブ筐体に組み込まれる。冷却孔は、覗き孔の近くに筐体によって画定され、加圧ガス源は、覗き孔の近くに加圧ガスを排出するために、冷却孔に結合される。カメラと共にレンズマウントを有する光学チューブ筐体は、カメラ検査システムに組み込まれる。
【００１７】
本発明の目的および特徴は、当業者によって任意の組合せまたは部分的な組合せで結び付けてまたはそれぞれ別個に適用されうる。
【００１８】
添付図面と共に以下の詳細な説明を考慮することによって、本発明の教示を容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】既知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立面図である。
【図１Ｂ】図1の1B-1Bに沿う概略平面図である。
【図２Ａ】既知の球面レンズの概略立面図である。
【図２Ｂ】本発明の非球面レンズの概略立面図である。
【図３Ａ】レンズの視野(FOV)内に位置する対象物体の画像を形成するための、球面レンズスタックを組み込む既知のカメラレンズシステムの概略立面図である。
【図３Ｂ】本発明の非球面レンズを組み込む、本発明のカメラレンズシステムの概略立面図である。
【図４】カメラレンズシステム用の既知のレンズマウントの部分断面の概略立面図である。
【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立面図である。
【図５Ａ】図5の5A-5Aに沿う概略平面図である。
【図６】チューブの中心軸の方向で画像が撮像される、本発明の実施形態の光学チューブ筐体の概略断面図である。
【図７】図6の本発明の光学チューブ筐体の実施形態におけるレンズマウントの概略断面図である。
【図８】図7の本発明のレンズマウントの軸方向圧縮バネの斜視図である。
【図９】図7の本発明のレンズマウントにおける装着リングの斜視図である。
【図１０】図6の本発明の光学チューブ筐体の実施形態における別のレンズマウントの概略断面図である。
【図１１】チューブの中心軸に垂直な方向で画像が撮像される、本発明の別の実施形態の光学チューブ筐体の概略断面図である。
【図１２】図11の本発明の光学チューブ筐体の実施形態におけるレンズマウントの概略断面図である。
【図１３】図12の本発明のレンズマウントにおける装着リングの別の実施形態の径方向断面図である。
【図１４】図11の本発明の光学チューブ筐体の実施形態における別のレンズマウントの概略断面図である。
【図１５】本発明のさらに別のレンズマウントの実施形態の概略断面図である。
【図１６】冷却システムを含む、本発明の検査システムの概略断面立面図である。
【図１７】図16の冷却システムの詳細な概略断面立面図である。
【図１８】ガスタービン検査孔に結合された、本発明の検査システムの概略立面斜視図である。
【図１９】本発明の検査システムの検査カメラの焦点調節機構の概略立面斜視図である。
【図２０】カメラ検査システムおよび関連する電子/電気機械制御システム部品を含む、本発明の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】
【００２０】
理解を容易にするために、可能である場合には、複数の図に共通する同一の要素を同一の参照番号を用いて示している。
【００２１】
以下の記述を考慮した後に、当業者は、600℃(1112°F)を超す範囲の高い運転温度にあり燃焼ガス汚染物質を含むガスタービン燃焼器およびタービンセクションを含むオンラインで運転中の発電タービンの非破壊内部検査用の光学カメラシステムに本発明の教示を容易に利用することができることを明らかに認識するであろう。検査システムは、600℃を超す連続運転温度に耐えうる1つまたは複数の非球面レンズを含む。非球面レンズは、単独でまたは球面レンズとの組合せで、より広い視野を確立し、球面レンズのみを組み込むレンズマウントよりも少ない組合せレンズしか必要としない。検査システムに組み込まれた冷却システムは、連続運転を容易にし、燃焼ガスによるレンズ外面の汚損を抑制する。
【００２２】
非球面レンズ光学系
「高温」検査の撮像光-機械性能を改善し、機械組立の複雑性を低くするために、従来の既知の球面レンズ要素のうちの少なくとも幾つかは、--好ましくは融解石英材料で作られた--非球面レンズ要素によって置き換えられる。融解石英は、高い温度抵抗性を有する光学材料である。既知の単一点ダイヤモンド回転仕上げ製造技術を利用してレンズ面の輪郭を製作することができる。サファイア、またはスピネルおよび酸窒化アルミニウム(AlON)等の透明セラミックは、潜在的な他の高温適用レンズ材料である。
【００２３】
図2Aに示すように、球面62を有する既知のレンズ60がその一定の半径によって完全に決定される一方で、非球面は、その形状を記述するために既知の複数パラメータ方程式を必要とする。非球面66を有するレンズ64の光学的な利点は、光線が単一点に収束する図2Bに示されている。図2Aの球面レンズ60の場合、光線は、画質を低下させるボケを形成する。図3Aに示すような、球面のみの既知のレンズアレイでは、ボケ画像を鮮明にするために複数の6つの球面レンズ60A〜60Eが必要である。対照的に、非球面レンズ64Aは、球面レンズ60'との組合せで、光学収差を補償し、十分に鮮明な画像をカメラセンサ上に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有する撮像検査カメラシステムは、システムの運転寿命を延ばす。レンズの総数が少なくなり、機械組立の複雑性を低くすることにつながる。故障するおよび/または位置合せが不良となる部品が少ないことによって、検査システムの耐用年数にポジティブな影響を及ぼす。連続するレンズ材料層が少ないほど層間の減衰が小さいので、レンズ品質の低下によって、光伝達性の増加に有利に寄与する。融解石英とサファイアの非球面レンズ材料は、連続運転では1000℃の温度で機能し、短期間の断続運転では1200℃で機能する。許容可能な機械組立レベルの複雑性を保ちながら、検査システムの視野を50度に広げられる。球面レンズを有する既知のシステムの視野は、34度以下に制限されていた。
【００２４】
既知のレンズマウントの制約
[0056]本発明のシステムの幾つかの実施形態は、図4に示す一般的な既知の検査システムの硬質レンズマウント構造と比べて温度および振動を補償するレンズマウントをさらに特徴とする。その例示的な既知のレンズマウントでは、一連の離間した硬質形成フランジ72、硬質スペーサリング74、76およびリテイナリング78によって、離間した球面レンズ60F〜60Hがマウント鏡筒70に保持される。鏡筒、保持リングおよび非金属製のレンズの異なる温度膨張率によって、レンズは、外部変形応力を受け、応力亀裂および/または位置合せ不良を生じ易くなる。
【００２５】
検査システムの概要
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の概略立面図である。特に、第1列のベーン42の先端を検査システム80によってリアルタイムで検査する一方で、検査システム80Aは、第1列のタービンブレード44の先端を検査する。図は、指定の検査位置での2つの検査システムの同時使用を示しているが、検査システムの数およびそれらの位置を使用者の裁量で変えることができる。それぞれの検査システムの両方は、それぞれカメラ包囲体82を有し、カメラ包囲体は、覗き孔86、86Aによって確立された視野内の画像を伝達する光学チューブ筐体84、84A(レンズマウントによって保持された複数のレンズを内部に有する)に光学的に結合される。ガスタービン検査システム80の覗き孔86は、光学チューブ筐体84の先端に向けられ、したがってその視野は、筐体の中心軸線で位置合せされる。覗き孔86Aは、光学チューブ筐体84Aの周側部で横方向に向けられ、したがってその視野は、その筐体の中心軸線に垂直な角度で位置合せされる。図5に示すように、検査システムの覗き孔86Aは、タービンブレード44の先端の画像を生成する。図5Aは、図1Aおよび図1Bに示す従来技術の既知のカメラ検査システム55'の34°以下の視野(FOV)と比べた50°以上の視野(FOV)の利点を概略的に示している。より大きな50°+のFOV角度によって、34°以下の視角を有する既知の検査システムで可能な場合よりも、対象領域のより広い部分(ここでは例示的にタービンブレード44の先端)の検査が可能となる。
【００２６】
光学チューブ筐体およびレンズマウント
図6〜図15は、本発明の光学チューブの実施形態84、84Aならびにレンズおよびレンズマウントの例示的な実施形態を示している。図6を参照すると、光学チューブ筐体84は、その先端に向けられた覗き孔86を有する。先端レンズマウント90および中間レンズマウント92は、金属製の光学チューブ筐体84内に保持されており、異なるレンズ構成を保持する。図7〜図9に示すように、先端レンズマウント90は、チューブ状構造で構築されており、一体のレンズ保持フランジ102、および非球面レンズ106と外接してレンズを捕捉する内周面104を有する、金属製のレンズマウント鏡筒100を有する。レンズマウント100は、レンズ106と完全に外接しているが、当業者の裁量で、それは、レンズの一部のみと外接するように構築されてもよい。
【００２７】
非球面レンズ106は、保持フランジ102と当接する前面108、および後面110を有する。周縁部112は、レンズ106の径方向の境界を画定する。レンズ106と当接する保持フランジ102の部分形状は、レンズの周囲の対称的な圧力のために前面108の部分形状と一致する。球面レンズ116は、非球面レンズ106と離間した関係で位置合せされており、前面118、後面120および周縁部122を有する。レンズ106、116間の位置合せおよび離間は、環状/円筒状の金属製の第1の装着リング114(図9)によって確立され、その前面114Aの局所形状は、非球面レンズの後面110の局所形状と一致し、その後面114Bの形状は、球面レンズの前面118の形状と一致する。チューブ状の金属製の第2の装着リング124は、球面レンズの後面120の局所形状と一致する形状を有する前面を有する。
【００２８】
マウント鏡筒100の内周面104内での周方向における、および対応して一致するレンズ面および装着リングの当接形状による軸方向における、レンズ106、116のそれぞれの捕捉は、タービンにおける運転温度の変動および振動に拘らずに、画質のための所望のレンズアラインメントを維持する。圧縮バネ126(図8)は、タービンの運転中における温度および振動の変動に拘らずに、レンズ106、116の前面および後面に一定の軸方向力を加える付勢要素である。このようにして、レンズ106、116、保持リング114、124およびレンズマウント鏡筒100は、それらのそれぞれの部品の全ての中で比較的一定の軸方向付勢力を維持しながら、異なる度合いの軸方向膨張/収縮を経験することができる。圧縮バネ126は、中実のステンレススチールチューブを放電加工機によって切削加工して形成される。他の形状のバネ付勢要素によって、圧縮バネ126を置き換えてもよい。圧縮バネの第1の端部128は、第2の保持リング124と当接し、第2の端部130は、筐体100内に捕捉されるバネ保持リング132と当接する。代わりに、先端レンズマウント90の軸方向長さを短くすることを望む場合には、バネ保持リング132の代わりに、圧縮バネの第2の端部130を溶接等によって筐体の内周面に恒久的に取り付けてもよい。先端レンズマウント90も、光学チューブ筐体84の覗き孔86と位置合せされる、先端レンズマウントの覗き孔134を有する。
【００２９】
図10に示すように、中間レンズマウント92は、付勢要素である圧縮バネ126'およびバネ保持リング132'と共に、周方向でレンズマウント鏡筒100'内に捕捉され、第1の装着リング114'によって軸方向に保持された単一の非球面レンズ106'を有する。
【００３０】
図11には、横視または側視の光学チューブ84Aの実施形態が示されている。側視は、スペクトル周波数波(例えば、赤外線または可視光スペクトル)を光学的に屈曲させて、非球面レンズ106Aを有する先端レンズマウント90A(図12)、および非球面レンズ106A'を有する中間レンズマウント92A(図14)と位置合せするプリズム150によって可能となる。
【００３１】
例示的な先端レンズマウント90Aは、図12に示されており、レンズ前面装着リテイナ154が接合されるレンズマウント鏡筒152を含む。リテイナ154は、非球面レンズ106Aと当接し、当接面形状は、レンズ前面即ち第1の面の局所形状に対応する。可撓性のレンズ装着リング156は、レンズ106Aの第2の面即ち後面に対応する表面形状も有し、圧縮バネである軸方向付勢要素164およびバネ保持リング166によって加えられた軸方向付勢圧力によって、軸方向でレンズと当接する。図13に示すように、可撓性のレンズ装着リング156は、リム158、およびリム158から軸方向に離れるように突出する複数の片持ちフィンガ160を有する。フィンガ160は、当接レンズ106Aの局所形状に対応する形状を有する先端接触面162を有する。可撓性のレンズ装着リングは、当接レンズ106Aに追加の付勢力を加え、レンズマウント鏡筒152の局所的な屈曲を補償することができる。代わりに、図7および図10のそれぞれのレンズマウント90、92に使用されるレンズ保持リングのような中実な保持リングによって、レンズマウント90Aまたは他の例示的な実施形態のマウントの可撓性のレンズ装着リング156を置き換えてもよい。
【００３２】
図14に示す中間レンズマウント92Aでは、レンズマウント鏡筒152Aは、周方向でレンズ106A'を捕捉し、対向する可撓性のレンズ装着リング156A、156A'の間でレンズを軸方向に保持する。対向する可撓性の装着リング156Aおよび156A'と共に、圧縮バネ164Aは、レンズ106A'に軸方向付勢力を加える。バネ保持リング166Aは、レンズマウント鏡筒152A内にバネ164Aを保持する。
【００３３】
図15は、可撓性の装着リングの対156B、156B'および対156B"、156B"'によってそれぞれに保持された2つの直列の非球面レンズ106Bおよび球面レンズ116Bの例示的な実施形態を示している。レンズ106Bおよび116Bは、スペーサブッシュ168によって隔てられており、レンズの周縁部とレンズマウント鏡筒152Bの間に挟まれる弾性の金属製の環状ブッシュ167、167Aのそれぞれによって周方向に拘束される。圧縮バネ164B(ここでは巻きバネとして示される)は、レンズマウント152B内または光学チューブ84A構造体内での熱および振動によって引き起こされた歪みを補償するために、リングの対156B、156B'および対156B"、156B"'のそれぞれの付勢された可撓性の片持ちフィンガと共に、レンズ106Bおよび116B上の付勢された軸方向圧力を維持する。弾性の金属製の環状ブッシュ167、167'は、追加の振動減衰および撓み補償をレンズ106B、116Bにもたらす。圧縮バネ164Bは、ネジ付きのバネ保持リング166Bによって筐体152B内に保持される。
【００３４】
光学チューブの冷却およびレンズの清掃
本発明の検査システムは、光学チューブ筐体の外周周りに加圧ガスを噴射し、光学チューブの覗き孔の近くに向けられる冷却孔内に加圧ガスを導きもする、冷却システムをさらに利用してもよい。加圧ガス源を、タービンの圧縮機セクションから分流される圧縮空気、または任意の外部加圧空気、または発電所内で利用可能な他のガス源とすることができる。
【００３５】
図16および図17を参照すると、光学チューブ筐体84は、ガスタービンの検査孔内に挿入される。加圧空気源172は、600℃(1112°F)よりも低く、またはタービンセクション内の周辺温度よりも高い、約450℃(842°F)の温度を有する、ガスタービンの排出空洞からの主冷却空気である。主冷却空気G1は、タービンセクションのガス経路G6内の相対圧力よりも高い相対圧力を有する。冷却空気G1は、冷却孔169を通って送られ、光学チューブ筐体84の外周面に沿って軸方向下向きに流れる。光学チューブ筐体84内に形成された冷却孔170は、非球面レンズ106Cおよびその可撓性のレンズ装着リング156Cの近くおよび正面に冷却空気流を導き、冷却空気流は、ガス流経路G3として示すように覗き孔86から出る。冷却ガス流G3は、タービンセクション内にある燃焼ガス経路G6よりも高圧かつ低温である。結果として、冷却ガス経路G1〜G3は、光学チューブ筐体84、覗き孔86および非球面レンズ106Cから遠ざけるように熱を伝達するものであり、より高温の燃焼ガスG6からの熱バリア断熱層である。冷却ガスG3のバリア層は、非球面レンズ106Cの正面の、汚染物質を含まない比較的「清浄」なガス層を維持し、したがって、レンズは、燃焼ガスの汚染物質から汚れた汚染膜を収集し難くなる。
【００３６】
検査システムの電子装置および動作
図18および図19は、光学チューブ筐体に結合されるカメラ撮像システム58のハードウェア部品を示している。光学チューブおよびカメラ撮像システム58は、検査孔をシールする既知の構造の孔フランジ装着リング180によってタービン検査孔36、50、52に結合される。既知の撮像カメラ182は、既知のサーボモータ/位置エンコーダ186を有し、焦点方向X矢印に沿ってカメラを並進させることができる、カメラ焦点ドライブ184に装着される。
【００３７】
図20を参照すると、画像制御システム190は、カメラ焦点駆動モータ186およびカメラ182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た焦点駆動位置情報に部分的に基づいて焦点駆動モータを始動、停止および反転させ、カメラ182をトリガして画像を記録し、さらなる処理および格納のためにカメラから画像を受けとる。画像制御システム190は、メモリ196に格納されたプログラム指令を実行する既知のコントローラ194を含む。コントローラ194は、双方向データ経路(例えば、イーサネット（登録商標）通信プロトコルを実現するケーブルおよび/またはデータバス)を介してホストコントローラ200と通信する。例示的なホストコントローラ200は、メモリ204内のアクセス可能なプログラム指令を実施するプロセッサ202を有するパーソナルコンピュータ(PC)である。既知のヒューマンマシンインタフェース(HMI)206は、人間の命令、操作および監視を実施するためにPCと通信する。PCは、Bluetooth（登録商標）プロトコル等の既知の無線プロトコルを介してタブレットコンピュータ208等の他のHMI装置と通信してもよい。画像制御システムは、カメラ182から受けた画像を格納、処理および保管するためのデータストレージ装置を含んでもよい。
【００３８】
検査されるべきガスタービンを始動する前に、1つまたは複数のカメラ検査システム80、80Aは、所望のタービン検査孔36、50、52のそれぞれに光学チューブ84、84Aを挿入して孔フランジ装着リング180を検査孔に固定することによって検査孔に個別に結合される。加圧冷却ガス源172は、光学チューブ筐体84、84Aの周りおよび覗き孔86、86Aの近くに冷却ガスを噴射する。前に論じたように、冷却ガス源172は、タービン圧縮機セクションから得られてもよい。カメラ182は、画像制御システム190から受けたトリガ命令に応答してガスタービン内部部品内の対象領域の画像を取り込み、取り込んだ画像を後続の処理および保管のために画像制御システムに送る。
【００３９】
検査システムの利点の概要
本発明のカメラ検査システムで非球面レンズ要素を使用することによって、少なくとも以下の利点が得られる。
【００４０】
1.ライフシステム運転耐用年数(life system operational service life)の増加
使用されるレンズの数が少なくなると、レンズマウントの機械組立の複雑性が低くなり、よって、システムの寿命に直接的な影響が及ぶ。システムおよび運転の耐用年数は、熱および振動の補償をもたらす本発明のレンズマウントによって増大する。本発明のレンズマウントは、タービン運転中のレンズの損傷および/または位置合せ不良の可能性を低くし、したがって、撮像システムは、計画されたタービンの保全間隔の間の連続運転サービスを可能にする。温度および振動の補償を可能にする本発明のレンズマウントと、許容可能な画質を形成するために必要とされるレンズマウント光学チューブに必要な一層少ない数の非球面レンズとの組合せは、撮像システムの耐用年数を長くすることをさらに助ける。
【００４１】
2.信号の改善
レンズの削減によって、全体的な減衰が低くなり、よってシステム全体におけるカメラへの光伝達性の増加が導かれる。
【００４２】
3.より高温での運転可能性
融解石英もしくはサファイア、またはスピネルおよび酸窒化アルミニウム(AION)等の透明セラミックを使用して非球面および球面レンズを形成することによって、連続運転でより高い1000℃の運転温度および短期運転で1200℃の運転温度が可能となる。これは、旧式の既知の設計よりも400℃を越える改善である。運転温度範囲の改善は、ガスタービンの運転中に光学チューブ部品の熱および振動によって引き起こされる歪みを補償しながら、より高い運転温度にも耐える材料で構築された、本発明のレンズマウントと組み合わせるときに特に明らかである。
【００４３】
4.視野の拡大
許容可能な機械組立レベルの複雑性および画質を維持しながら視野を広くすることができる。本発明は、50°の視野を可能にする。既知のシステムは、34°以下の視野を有する。
【００４４】
本発明の教示を組み込む様々な実施形態を本明細書に示して詳述してきたが、当業者は、これらの教示を組み込む他の多くの変形実施形態を容易に考案することができる。
【符号の説明】
【００４５】
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  検査孔
38  タービンセクション
40  回転シャフト
42、46  ベーン
44、48  ブレード
55、55'、80、80A  カメラ検査システム
56、56'、84、84A  光学チューブ筐体
57、57'、86、86A、134  覗き孔
58、58'  カメラ、カメラ撮像システム
60、60'、60A〜60H、116、116B  球面レンズ
62  球面
64、64A、106、106'、106A、106A'、106B、106C  非球面レンズ
66  非球面
70、100、100'、152、152A、152B  レンズマウント鏡筒
72  硬質形成フランジ
74、76  硬質スペーサリング
78  リテイナリング
82  カメラ包囲体
90、90A  先端レンズマウント
92、92A  中間レンズマウント
102  レンズ保持フランジ
104  内周面
108、118、114A  前面
110、120、114B  後面
112、122  周縁部
114、114'  第1の装着リング、保持リング
124  第2の装着リング、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'、166、166A、166B  バネ保持リング
150  プリズム
154  レンズ前面装着リテイナ
156、156A、156A'、156B、156B'、156B"'、156B""、156C、156C'  レンズ装着リング
158  リム
160  片持ちフィンガ
162  先端接触面
164、164A、164B  軸方向付勢要素、圧縮バネ
167、167'、167A  環状ブッシュ
168  スペーサブッシュ
169、170  冷却孔
172  加圧空気源
180  孔フランジ装着リング
182  撮像カメラ
184  カメラ焦点ドライブ、カメラ焦点駆動モータ
186  サーボモータ/位置エンコーダ
190  画像制御システム
194  コントローラ
196、204  メモリ
200  ホストコントローラ
202  プロセッサ
206  ヒューマンマシンインタフェース
208  タブレットコンピュータ
210  データストレージ装置
FOV  視野
G1  主冷却空気
G3  冷却ガス流
G6  燃焼ガス
【図１Ａ】
2015508908.tif 000003
【図１Ｂ】
2015508908.tif 000004
【図２】
2015508908.tif 000005
【図３Ａ】
2015508908.tif 000006
【図３Ｂ】
2015508908.tif 000007
【図４】
2015508908.tif 000008
【図５】
2015508908.tif 000009
【図５Ａ】
2015508908.tif 000010
【図６】
2015508908.tif 000011
【図７】
2015508908.tif 000012
【図８】
2015508908.tif 000013
【図９】
2015508908.tif 000014
【図１０】
2015508908.tif 000015
【図１１】
2015508908.tif 000016
【図１２】
2015508908.tif 000017
【図１３】
2015508908.tif 000018
【図１４】
2015508908.tif 000019
【図１５】
2015508908.tif 000020
【図１６】
2015508908.tif 000021
【図１７】
2015508908.tif 000022
【図１８】
2015508908.tif 000023
【図１９】
2015508908.tif 000024
【図２０】
2015508908.tif 000025
【国際調査報告】
2015508908.tif 000026
2015508908.tif 000027
2015508908.tif 000028
2015508908.tif 000029
2015508908.tif 000030