(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械ケーシング（１０６）の第１の開口（１０４）を通して延びるように構成された光ファイバポート（１０２）であって、
光ファイバポートは、内側端部（１０８）と外側端部（１１０）とを備え、
光ファイバポートの内部端部は、レンズ軸線（１４０）を有するレンズ部分（１３６）を含み、
光ファイバポートは、レンズ部分を含む第１の光学経路（１２４）を有し、
レンズ部分のレンズ軸線は、光ファイバポートの中心軸線（１３８）に対して角度（１４２）で斜めに位置しており、
光ファイバポートは、機械ケーシングに結合され、中心軸線の周りで回転するように構成されて、機械ケーシングに対して異なる位置における被検査部品を見通すことができる、
光ファイバポートと、
光ファイバポートに結合された光ファイバケーブル（１１４）と、
光ファイバケーブルを通して外側端部に光学的に結合するように構成され、
機械ケーシング内の周囲光を用いて、光ファイバポートを通して、回転する被検査部品の画像を生成でき、
入射光を増幅することができる光増幅器（１１８）を備える、
撮像装置（１１２）と、
機械の回転するシャフトの形状部の位置を検出するキーフェーザ（１２１）と、
を備え、
撮像装置は、生成する画像の取得時間を制御し、かつシャフトの角度位置に同期された画像のゲーティングにより、通常運転中に、回転する被検査部品の画像を生成するように構成された画像取得ゲート（１２０）をさらに備える、
検査システム（１００）。
【請求項２】
前記ポート（１０２）が、前記撮像装置（１１２）の光センサ（１２６）に結合するように構成された第１の光学経路（１２４）と光源（１２８）に結合するように構成された第２の光学経路（１２２）とを含んでいて、両経路が前記ポート内で互いに光学的に分離される、請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項３】
前記レンズ部分がほぼ平面断面及び湾曲断面の少なくとも１つとして形成される、請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項４】
前記ポート（１０２）がボール継手（２１２）を含み、第１の光学経路（１２４）が前記ボール継手により前記機械ケーシング（１０６）に対してスイベル可能に結合され、第１の光学経路が前記機械ケーシング（１０６）に対して傾動可能である、請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項５】
前記機械ケーシング（１０６）を貫通する第２の開口に結合するように構成された光ポートをさらに含み、前記光ポートが、周囲光が前記機械ケーシングに入るのを可能にすること及び光源からの光を前記機械ケーシング内に導くことの少なくとも１つを行うように構成された光ファイバ部材を含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には回転機械部品の検査に関し、より具体的には、回転機械部品の光学検査のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも幾つかの公知の大型機械は、本機械をオンライン運転状態に維持している時に、最適な運転効率を達成する。例えば、発電用のガス及び蒸気タービンは、検査及び保守整備に費用がかかり、絶対的に必要でない限り検査及び保守整備のために実使用から取り外されないことが多い。しかしながら、機械内部の部品は一般に、機械がオフライン状態にある間にまた幾つかのケースでは少なくとも部分的に分解した状態にある間にだけしか検査することができない。例えば表面検査方法（すなわち、磁粒探傷試験法、渦電流探傷試験法、染色浸透探傷試験法）及び容積法（すなわち、超音波探傷試験法）などのようなタービンブレードを検査する公知の従来の方法は、定期的なタービンの分解に依存している。それを検査するためにタービンを分解することは、費用がかかるプロセスであり、多くの時間にわたってタービンを実使用から取り外すことになる。
【０００３】
前述の方法のいずれも、タービンがオンラインにありかつ負荷状態で運転されている間における検査には適していないので、全負荷運転中に機械部品を監視しようとして、その他のタービン検査方法が使用されている。例えば、振動分析法、アコースティックエミッション（ＡＥ）法、受動近接プローブ法及び超音波又は渦電流法が使用されてきた。これらの検査方法の各々には、それ自体の特有の幾つかの欠点がある。タービンの内部環境は、電気的な検知装置には過酷なものである。例えば、ガスタービンは一般に、約１２００℃（華氏２１９２°Ｆ）の内部温度で作動し、また蒸気タービンは、約５５０℃（１０２２°Ｆ）の温度となる場合がある。タービン内部での高圧力及び反応性化学的性質は、検査及び測定装置に対してさらに有害なものとなる。
【特許文献１】米国特許第６，９９２，３１５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７９６，７０９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０９５，２５２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，５７２，６６３号明細書
【特許文献５】米国特許第４，３２６，８０４号明細書
【特許文献６】米国特許第４，１８０，３２９号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００６／００８８７９３号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００６／００７８１９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
部品の摩耗及び／又は損傷についての信頼性がありかつ早期の検出は、補修のための運転休止を有利に計画することができる。さらに、そのような部品の状態を知ることにより、運転休止間の間隔時間を延長する技術評価が可能になり、さらに機械の効率を高めることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施形態では、回転機械部品を検査するためのシステムは、機械ケーシングの第１の開口を通して延びるように構成されかつ内側端部及び外側端部を備えた光ファイバポートを含む。本システムはさらに、外側端部に光学的に結合するように構成された撮像装置を含む。撮像装置は、周囲光を用いてポートを通して被検査部品の画像を生成できる光増幅器を含む。撮像装置はさらに、生成画像の取得時間を制御するように構成された画像取得ゲートを含む。
【０００６】
別の実施形態では、運転中に回転機械の内部部品を検査する方法は、正常機械運転中に回転機械の内部に光学的にアクセスする段階と、選択可能なゲート時間で光学的アクセスによって正常機械運転中の少なくとも１つの内部部品の画像を取得する段階とを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、回転機械は、回転部材と、回転部材を実質的に囲む固定ケーシングと、ケーシングを通して延びる光学ポートとを含み、光学ポートは、ゲート式増強撮像装置に結合するように構成された第１の外側端部と、ケーシング内部から受けた光を集束させるためのレンズを備えた第２の内側端部と、それら端部間で延びかつ受けた光を撮像装置に伝送するように構成された光ファイバ管とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の詳細な説明は、実施例として開示するものであり、限定として開示するものではない。この説明は明らかに、当業者が本開示内容を製作しかつ使用することを可能にし、現時点で本開示内容を実施する最良の形態であると思われるものを含む本開示内容の幾つかの実施、改造、変形、変更及び使用形態について説明している。本開示内容は、好ましい実施形態、すなわち運転中に回転機械の内部部品を検査する方法に適用したものとして説明している。しかしながら、本開示内容は、全ての運転フェーズの間に機械の過酷な環境内に設置された部品を検査するような一般的な用途を有することを意図している。
【０００９】
本明細書では、産業環境内で使用するガスタービンエンジン及び蒸気タービンに関して本方法及びシステムを説明しているが、本明細書に説明した方法及び装置は、それに限定されないが、航空機に据え付けたタービンを含む、モータ、ブロワ、水及び空気タービン、並びにその他の燃焼タービンシステム用途のような他の回転機械においてその有用性を見出すことができることを意図している。さらに、本明細書に記載した原理及び教示は、それに限定されないが、天然ガス、ガソリン、ケロシン、ディーゼル燃料及びジェット燃料のような多様な可燃性燃料を使用するガスタービンエンジンに適用可能である。従って、以下の説明は、限定としてではなく、単なる例示として記載するものである。
【００１０】
本明細書で使用する場合に、正常機械運転というのは、機械がその意図した機能を行っている、例えば回転力を発生して負荷を駆動している或いは発動機から回転力を受けて発電機の場合のような仕事を実行しているなどのような運転を意味している。通常機械運転であると見なさないその他の運転は、ターニングギヤ低速運転、トリップ又は運転休止による惰性減速運転、或いは異常状態時における運転である。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態による例示的な検査システム１００の側面図である。この例示的な実施形態では、システム１００は、機械ケーシング１０６の第１の開口１０４を通して延びるように構成された光ファイバポート１０２を含む。光ファイバポート１０２は、機械ケーシング１０６の内部に露出した内側端部１０８と撮像装置１１２に結合するように構成された外側端部１１０とを含む。撮像装置１１２は、光ファイバケーブル１１４を通して外側端部１１０に光学的に結合するように構成される。１つの実施形態では、アダプタヘッド１１６を用いて結合させることができる。撮像装置１１２は、低光量状態を増幅して、例えばポート１０２を通して被検査部品（図示せず）の画像を生成できる光増幅器セクション１１８を含む。この例示的な実施形態では、撮像装置１０２は、機械ケーシング１０６内部で利用可能な周囲光のみを使用して被検査部品の画像を生成するように入射光を数百万倍に増幅することができる。画像取得は、回転又はそれ以外の移動部品の高速度画像を最低限のぶれで静止した状態で取得することができるように、ゲーティング収集セクション１２０によって制御される。ゲーティングは、例えばキーフェーザ１２１を使用して機械のシャフトの角度位置に同期させることができる。キーフェーザ１２１は、例えば、それに限定されないがシャフトの回転時に移動しないキー、キースロット、フラットスポット、反射領域又はその他の形状部のようなシャフトの形状部の位置を検出する。シャフト上の既知の位置からの入力により、システム１００は、１つの回転部品の一連の画像を取得しかつ分析又は表示することができるように、画像取得時間及び継続時間をゲート制御することができる。さらに、システム１００は、キーフェーザ１２１からの入力を使用してパルス光源１２８を同期させて、取得した画像のぶれを減少させることができる。
【００１２】
様々な他の実施形態では、機械ケーシング１０６外部からの周囲光は、光専用ポート（図１には図示せず）を使用して機械ケーシング１０６の内部に導入される。さらに他の実施形態では、光は、ケーブル１１４内の光路１２２を介して機械ケーシング１０６内に導入される。光は一般に、紫外線（ＵＶ）乃至赤外線（ＩＲ）波長域のあらゆる波長とすることができかつ絶えず照らすことができるか又は画像取得のゲーティングと一致するようにゲート制御することができる。
【００１３】
この例示的な実施形態では、ポート１０２は、光路１２２と同心のほぼ円筒形の光学経路１２４を含む。様々な別の実施形態では、光路１２２及び光学経路１２４は、並べて配向されるか又は複数の個別の光路１２２は、１以上の光学経路１２４と並べて配向される。さらに、複数の光路１２２は、１以上の光学経路１２４を囲むように配向することができる。
【００１４】
光学経路１２４は、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は光電陰極のような撮像装置１１２の光センサ１２６に結合するように構成される。光路１２２は、光センサ１２８に結合するように構成される。この例示的な実施形態では、光学経路１２４及び光路１２２は、撮像装置１１２及び内側端部１０８間で、例えばフォイル光バリヤ１３０を使用して互いに光学的に分離される。
【００１５】
光路１２２の内側端部１３２は、内側端部１３２から所定の角度で発散する光１３６を集束させるか又は拡散させるように構成されたレンズ部分１３４を含むことができる。同様に、光学経路１２４は、その上に入射する光を集束させて対象の被検査部品の明瞭な画像を維持するようにするレンズ部分１３６を含むことができる。レンズ部分１３４及び１３６は、ほぼ平面断面又は湾曲断面として形成することができる。
【００１６】
ポート１０４は、中心軸線１３８を含み、レンズ部分１３６は、レンズ軸線１４０を含む。この例示的な実施形態では、レンズ軸線１４０は、中心軸線１３８に対して角度１４２で斜めに位置している。様々な他の実施形態では、角度１４２は、レンズ部分１３６が異なる位置で被検査部品の方向に向くことができるように変化させることができる。この例示的な実施形態では、ポート１０４は、中心軸線１３８周りで回転するように構成されて、この回転するポート１０４で、異なる位置における被検査部品を見通すことができるようになる。
【００１７】
図２は、本発明の別の例示的な実施形態による検査システム２００の側面図である。この例示的な実施形態では、システム２００は、ケーシング２０４の開口２０８を通して延びるネジ付きグランドナット２０６を使用して機械ケーシング２０４に結合可能な光学ポート２０２を含む。光導管又は光ファイバ管２１０は、ボール継手２１２を介してグランドナット２０６に結合される。ボール継手２１２により、光ファイバ管２１０は二次元内で自由に傾く動きが可能になりかつ光ファイバ管２１０は中心軸線２１４周りで回転することが可能になる。このような動きの程度により、システム２００がケーシング２０４の内部の広い領域を見通すことが可能になる。
【００１８】
この例示的な実施形態では、高速ゲート画像増強ＣＣＤカメラのような撮像装置２１６は、光ファイバ管２１０に直接結合されかつ光ファイバ管２１０の様々な動きの程度により光ファイバ管２１０と共に移動する。光ファイバ管２１０は、ケーシング２０４の内部を撮像装置２１６と関連するセンサ２２０に光学的に結合する少なくとも光学経路２１８を含む。光ファイバ管２１０はまた、ケーシング２０４外部からケーシング２０４の内部まで光を導くように構成された少なくとも１つの光路２２２を含む。光は、周囲光とすることができ、或いは光源によって発生されかつ光路２２２内に導かれた光とすることができる。
【００１９】
図３は、検査システム１００及び２００（それぞれ、図１及び図２に示す）で使用することができる光専用光学ポート３００の側面図である。この例示的な実施形態では、光専用光学ポート３００は、機械ケーシング３０６の開口３０４に対してポート３００を螺合可能に結合するように構成されたグランドナット３０２を含む。光ファイバ管３０８は、グランドナット３０２内のボア３１０を通して滑動可能に結合される。光ファイバ管３０８とグランドナット３０２との間のシール３１２は、光ファイバ管３０８とグランドナット３０２との間のギャップ３１４を通る材料又はガスの通過を実質的に防止する。シール３１２には、摩擦嵌め、締り嵌め、ラビリンス、パッキン、溶接その他のシールを含むことができる。ポート３００は、光ファイバ管３０８に結合された光源３１６を含み、光源で発生した光が光ファイバ管３０８に入りかつケーシング３０６の内部に伝送されてケーシング３０６の内部を照らすようになる。光源３１６は、それに限定されないが、ＵＶ及びＩＲ間の波長を含むあらゆる波長で光を発生させることができる。さらに、光源３１６は、検査システム（図３には図示せず）によって制御して、光をオン又はオフにゲート制御しかつ光の強さ及び／又は周波数を制御することができる。それに代えて、ポート３００は、ケーシング３０６外部の周囲光に開口した状態に操作して、光ファイバ管３０８を通して周囲光を導くことができる。
【００２０】
図４は、本発明の実施形態による例示的な光学経路先端部４００の側面図である。この例示的な実施形態では、光学経路先端部４００は、圧力シール４０６を使用してボアスコープポート４０４に結合された高温度レンズ４０２を含む。
【００２１】
当業者には分かるようにまた前述の明細書に基づいて、本開示の上記の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、或いはそれらのあらゆる組合せ又はサブセットを含むコンピュータプログラミング又はエンジニアリング法を使用して実施することができ、この場合に、その技術的効果は、ゲート画像増強装置を使用して低光量状態で監視及び観察するようになったオンライン機械部品の現場画像ングにある。コンピュータ読取り可能コード手段を有するあらゆるそのような得られるプログラムは、本発明の説明した実施形態に従って、１以上のコンピュータ読取り可能媒体内に具現化し又は形成し、それによってコンピュータプログラム製品、すなわち製造品を作ることができる。コンピュータ読取り可能媒体は、例えば、それに限定されないが固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリ、並びに／或いはインタネット又は他の通信ネットワーク又はリンクのようなあらゆる送信／受信媒体とすることができる。コンピュータコードを含む製造品は、１つの媒体から直接コードを実行すること、１つの媒体から別の媒体にコードをコピーすること、又はネットワークを通してコードを送信することによって作る及び／又は使用することができる。
【００２２】
上記の方法及び装置は、ゲート画像増強を使用しての低光量状態でのオンライン回転機械構成部の検査及び観察のための費用効果がありかつ信頼性がある現場画像ング装置を提供する。その結果、本明細書で説明した方法及び装置により、費用効果がありかつ信頼性がある方法でガスタービンエンジンを運転し、保守整備しかつ補修することが可能になる。
【００２３】
以上、ゲート画像増強装置を使用して低光量状態で検査及び観察を行うようになったオンライン回転機械部品の現場画像ングのための例示的な方法及び装置を詳細に説明している。例示した本システムは、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各々の部品は本明細書に説明した他の部品から独立してかつ別個に利用することができる。各システム部品はまた、他のシステム部品と組み合わせて使用することができる。
【００２４】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲の範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態による例示的な検査システムの側面図。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態による検査システムの側面図。
【図３】それぞれ図１及び図２に示す検査システムで使用することができる光専用光学ポートの側面図。
【図４】本発明の実施形態による例示的な光学経路先端部の側面図。
【符号の説明】
【００２６】
１００  検査システム
１０２  光ファイバポート
１０４  第１の開口
１０６  機械ケーシング
１０８  内側端部
１１０  外側端部
１１２  撮像装置
１１４  光ファイバケーブル
１１６  アダプタヘッド
１１８  光増幅器セクション
１２０  ゲーティング収集セクション
１２１  キーフェーザ
１２２  光路
１２４  光学経路
１２６  光センサ
１２８  光源
１３０  フォイル光バリヤ
１３２  内側端部
１３４  レンズ部分
１３６  レンズ部分
１３８  中心軸線
１４０  レンズ軸線
１４２  角度
２００  検査システム
２０２  光学ポート
２０４  機械ケーシング
２０６  グランドナット
２０８  開口
２１０  光ファイバ管
２１２  ボール継手
２１４  中心軸線
２１６  撮像装置
２１８  光学経路
２２０  センサ
２２２  光路
３００  光学ポート
３０２  グランドナット
３０４  開口
３０６  機械ケーシング
３０８  光ファイバ管
３１０  ボア
３１２  シール
３１４  ギャップ
３１６  光源
４００  光学経路先端部
４０２  高温度レンズ
４０４  ボアスコープポート
４０６  圧力シール
【図１】
0005346180.tif 000002
【図２】
0005346180.tif 000003
【図３】
0005346180.tif 000004
【図４】
0005346180.tif 000005