(57)【要約】【課題】燃焼タービンエンジンの燃焼器において材料欠陥を検出する方法、システム及び装置を提供すること。【解決手段】タービンエンジンの運転中に該タービンエンジンの燃焼システムの燃焼ダクトにおける欠陥を検出する方法であって、燃焼ダクトが運転中に高温ガス流路に曝される内側表面を含み、本方法は、燃焼ダクトに電気的に接続された第１の電極を提供するステップと、高温ガス流路内に位置する第２の電極を提供するステップと、第１の電極及び第２の電極の両端に電圧を印加するステップと、第１の電極及び第２の電極間に流れる電流を検出するステップとを含む。【選択図】      図６
2012145101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼タービンエンジンの運転中に該燃焼タービンエンジンの燃焼システムの燃焼ダクトにおける欠陥を検出するシステムであって、前記燃焼ダクトが、運転中に高温ガス流路の燃焼ガスに曝される内側表面を含み、前記システムが、
前記燃焼ダクトの内側表面上に配置された絶縁皮膜と、
前記燃焼ダクトに電気的に接続された第１の電極と、
前記高温ガス流路内に位置する第２の電極と、
前記第１の電極及び第２の電極の両端に電圧を誘起する手段と、
前記第１の電極及び第２の電極間に流れる電流を検出する手段と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記第２の電極が、前記燃焼ダクトを通って延びており、前記第２の電極が前記燃焼ダクトに電気的に接続されないように離隔する絶縁構造を含み、前記第２の電極が、遠位端において前記燃焼ダクトを通って高温ガス流路内に突出する導電先端を含み、前記第２の電極が、前記第１の電極が電気的に接続される燃焼ダクトの少なくとも大部分の下流側にある位置を含み、前記絶縁皮膜が遮熱コーティングを含み、前記燃焼ダクトがトランジションピース及びライナのうちの１つを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第２の電極は、前記第１の電極が電気的に接続される燃焼ダクトの下流側端部に近接した位置を含み、前記第２の電極が、作動時には、前記燃焼タービンエンジンの運転中に前記燃焼ダクトを通って流れる燃焼ガスに電気的に接続され、前記絶縁皮膜が遮熱コーティングを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
コントロールユニットを更に備え、該コントロールユニットが、前記第１の電極及び前記第２の電極の両端に所定レベルの電圧を印加するよう構成された電圧源を含み、前記コントロールユニットが、前記第１の電極及び前記第２の電極間に流れる電流を検出するよう構成された電流計を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記コントロールユニットが、前記第１の電極及び前記第２の電極間に流れる所定レベルの電流を検出するよう構成された電流計を含み、前記コントロールユニットは、前記第１の電極及び前記第２の電極間で前記検出された電流レベルが閾値電流レベルを超えるかどうかを判定するよう構成されている、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記制御ユニットは、前記絶縁皮膜が前記燃焼ダクトの内側表面を覆う所望のレベルの被覆範囲を有するときに、前記第１の電極及び第２の電極の両端に印加される所定電圧レベルによって、前記第１の電極及び第２の電極間で検出された電流レベルが前記閾値電流レベルを超えて誘起させることができないように構成される、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記コントロールユニットは、
第１の作動条件の間、前記第１の電極及び第２の電極間で検出された電流レベルが前記閾値電流レベルを超えず、
第２の作動条件の間、前記第１の電極及び第２の電極間で検出された電流レベルが前記閾値電流レベルを超える、
ように構成されており、前記第２の作動条件は、前記絶縁皮膜内に欠陥が存在する作動条件を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記欠陥が、前記燃焼ダクトの内側表面上の所定サイズの露出区域を含み、該露出区域が前記絶縁皮膜によって実質的に覆われていない区域を含み、前記所定サイズの露出した区域が、前記所定電圧レベルにより前記検出された電流レベルが前記閾値電流レベルを超えるように誘起される露出区域に相当する、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記欠陥が、前記燃焼ダクトの内側表面内の絶縁皮膜の剥離及び亀裂形成のうちの１つを含む、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の作動条件は、前記燃焼ダクトの内側表面の所望の部分が前記絶縁皮膜によって覆われる作動条件を含み、前記コントロールユニットは、前記第２の作動条件が生じたときにワーニング通知を送出するよう構成される、請求項７記載のシステム。
【請求項１１】
前記絶縁皮膜が、前記燃焼ダクトの導電率よりも小さい導電率を有し、前記絶縁皮膜が、前記燃焼タービンエンジンの運転中に前記燃焼ダクトを通って流れる燃焼ガスの近似導電率よりも小さい導電率を有し、前記所望の部分が前記燃焼ダクトの内側表面の実質的に全てを含む、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
運転中、前記燃焼タービンエンジンの高温ガス流路が、導電性ドープ剤を含み、該導電性ドープ剤が、所定試験間隔で前記高温ガス流路内に噴射され、前記導電性ドープ剤が、前記燃焼ダクトの上流側にある部分にて前記高温ガス流路内に噴射される、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
燃焼タービンエンジンの運転中に該燃焼タービンエンジンの燃焼システムの燃焼ダクトにおける欠陥を検出する方法であって、前記燃焼ダクトが、運転中に高温ガス流路の燃焼ガスに曝される内側表面を含み、前記方法が、
前記燃焼ダクトに電気的に接続された第１の電極を提供するステップと、
前記高温ガス流路内及び前記燃焼ダクト内又は該燃焼ダクトに近接して位置する第２の電極を提供するステップと、
前記第１の電極及び第２の電極の両端に電圧を印加するステップと、
前記第１の電極及び第２の電極間に流れる電流を検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記第２の電極が、遠位端において前記燃焼ダクトを通って高温ガス流路内に突出する導電先端を含み、前記第２の電極が、前記第１の電極が電気的に接続される燃焼ダクトの下流側端部に近接した位置を含み、前記絶縁皮膜が遮熱コーティングを含み、前記燃焼ダクトがトランジションピース及びライナのうちの１つを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記燃焼ダクトの内側表面を絶縁皮膜で被覆するステップを更に含み、前記絶縁皮膜が、前記燃焼ダクトの導電率よりも小さい導電率を有し、前記絶縁皮膜が、前記燃焼タービンエンジンの運転中に前記燃焼ダクトを通って流れる燃焼ガスの近似導電率よりも小さい導電率を有する、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の電極及び前記第２の電極間に流れる所定レベルの電流を検出するステップと、
前記検出された電流レベルが閾値電流レベルを超えるかどうかを判定するステップと、
を更に含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記閾値電流レベルは、検出された電流レベルがそれを上回ると前記絶縁皮膜内の欠陥によって引き起こされる高い確率を有する閾値に相当する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記欠陥が、前記燃焼ダクトの内側表面上の所定サイズの露出区域を含み、前記露出区域が前記絶縁皮膜によって実質的に覆われていない区域を含み、前記所定サイズの露出した区域が、前記所定電圧レベルにより前記検出された電流レベルが前記閾値電流レベルを超えるサイズに相当する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記閾値レベルを超えない検出電流レベルは、前記燃焼ダクトの内側表面の所望の部分が前記絶縁皮膜によって依然として覆われているときに生じる電流レベルに相当し、前記方法が、
前記検出された電流レベルが前記閾値電流レベルを超えたときにワーニング通知を送出するステップを更に含む、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記燃焼ダクトから上流側にある位置において導電性ドープ剤を前記高温ガス流路内に噴射するステップを更に含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
前記導電性ドープ剤が、前記燃焼タービンエンジンの運転中に前記高温ガス流路を通って流れる前記燃焼ガスの導電率を高めるよう構成される、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記導電性ドープ剤が、所望の試験スケジュールに対応する噴射周期で定期的に噴射される、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に、工業生産プロセス、エンジン、又は同様のシステムにおいて生じる可能性がある欠陥（表面欠陥を含む）を検出する方法、システム及び装置に関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、燃焼タービンエンジンの高温ガスに曝され、燃焼器内で見られるような構成要素上で形成される欠陥の検出に関連する方法、システム及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動時には、一般に、燃焼タービンエンジンは、圧縮機により供給される加圧空気と共に燃料を燃焼させることができる。本明細書で使用する場合、特に別途記載のない限り、燃焼タービンエンジンとは、ガスタービンエンジン、航空機エンジン、その他を含む、全てのタイプのタービン又は回転燃焼エンジンを含むことを意味する。得られる高温ガスの流れは、一般的には作動流体と呼ばれ、エンジンのタービンセクションを通って膨張される。作動流体とタービンセクションのロータブレードとの相互作用によって、タービンシャフトの回転が誘起される。このようにして、燃料中に含まれるエネルギーは回転シャフトの機械エネルギーに変換され、例えば、この機械エネルギーを用いて圧縮機のロータブレードを回転させて、燃焼に必要とされる供給加圧空気を生成させ、また、発電機のコイルを回転させて電力を発生させることができる。作動中、高温ガス経路に曝される構成要素は、過度の機械的及び熱的負荷によって高応力が加わることは理解されるであろう。これは、作動流体の過酷な温度及び速度、並びにタービンの回転速度に起因する。燃焼温度が高いほど熱機関の効率が高くなるので、科学技術では、これらの用途において使用される材料の限界に常に挑戦し続けている。
【０００３】
過度の温度、機械的負荷、又はこれらの組み合わせの何れに起因するかによらず、構成要素の故障は、依然として燃焼タービンエンジンにおける大きな関心事である。故障の大部分の原因を辿ると材料疲労に端を発する場合が多く、通常は、亀裂進展の開始により事前に警報される。より具体的には、材料疲労によって生じる亀裂の形成は、構成要素が有効寿命の限界に達したことの１次徴候であり、故障に陥ろうとしている可能性が高い。亀裂形成を検出する能力は、特に単一の構成要素の故障が引き起こす壊滅的損傷を考慮すると依然として重要な産業上の目的である。このような故障事象は、下流側のシステム及び構成要素を破壊する連鎖反応を引き起こし、高価な補修及び長期にわたる強制運転停止が必要となる。
【０００４】
高温ガス経路構成要素の有効寿命を延ばすことができる１つの手法は、遮熱コーティングのような保護皮膜を利用することである。一般に、露出表面はこれらの皮膜で覆われ、該皮膜が高温ガス経路の最も過酷な温度から構成要素を隔離する。しかしながら、当業者であれば理解されるように、これらのタイプの皮膜は、使用中に摩耗又は分断され、これは通常「皮膜剥離」又は「剥離」と呼ばれるプロセスである。剥離は、影響を受ける構成要素の表面上の離散的区域又はパッチにおいて非皮膜又は露出区域の形成及び成長を生じる可能性がある。これらの非保護区域は高温を受け、従って、疲労亀裂及び他の欠陥の早期形成を含む、より急激な劣化を生じやすい。燃焼タービンエンジンにおいて、皮膜剥離は、トランジションピースのようなタービンロータブレード及び燃焼器内の構成要素における特定の懸念事項である。皮膜剥離を早期に検出することにより、増大した熱歪みから構成要素が完全に損傷を受ける前にオペレータが修正措置をとることができる。
【０００５】
燃焼タービンエンジンのオペレータは、運転中に故障する危険のある摩滅した又は損傷を受けた構成要素の使用を避けなければならないが、有効寿命の尽きるまでは構成要素を早期に交換しないことに関する相反した関心を持っている。すなわち、オペレータは、各構成要素の有効寿命を使い果たし、これにより部品交換を行うためのエンジン停止の頻度を低減しながら、部品コストを最小限にしようとする。従って、エンジン構成要素における正確な亀裂及び／又は皮膜剥離を検出することは、産業上有意に必要なことである。しかしながら、従来の方法は、一般に、部品の定期的な目視検査を必要とする。目視検査は、有用ではあるが、時間がかかると同時に、長い時間期間にわたってエンジンをシャットダウンする必要がある。
【０００６】
亀裂の形成及び保護皮膜の剥離に関してエンジン運転中に高温ガス中の構成要素を監視できることは、長年にわたり尚も必要とされている。必要なことは、エンジンが作動している間の亀裂形成及び剥離を監視し、故障事象が生じる前又は重大な構成要素の損傷がもたらされる前に必要な措置をとることができるようにするシステムである。このようなシステムはまた、部品交換の必要性は、予想される摩耗ではなく実際の測定された摩耗に基づくことができるので、構成要素の寿命を延ばすこともできる。加えて、このようなシステムは、目視検査のようなエンジンシャットダウンを必要とする評価実施の必要性又は頻度を低減する。これらの目標をコスト効果のある手法で達成できる範囲内において、効率が向上し産業上の需要が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７１２３０３１号明細書
【発明の概要】
【０００８】
従って、本発明は、燃焼タービンエンジンの運転中に該燃焼タービンエンジンの燃焼システムの燃焼ダクトにおける欠陥を検出するシステムを記載しており、燃焼ダクトは、運転中に高温ガス流路の燃焼ガスに曝される内側表面を含む。１つの実施形態において、本システムは、燃焼ダクトの内側表面上に配置された絶縁皮膜と、燃焼ダクトに電気的に接続された第１の電極と、高温ガス流路内に位置する第２の電極と、第１の電極及び第２の電極の両端に電圧を誘起する手段と、第１の電極及び第２の電極間に流れる電流を検出する手段とを含む。
【０００９】
本発明は更に、燃焼タービンエンジンの運転中に該燃焼タービンエンジンの燃焼システムの燃焼ダクトにおける欠陥を検出する方法を記載しており、燃焼ダクトは、運転中に高温ガス流路の燃焼ガスに曝される内側表面を含む。１つの実施形態において、本方法は、燃焼ダクトに電気的に接続された第１の電極を提供するステップと、高温ガス流路内及び燃焼ダクト内又は該燃焼ダクトに近接して位置する第２の電極を提供するステップと、第１の電極及び第２の電極の両端に電圧を印加するステップと、第１の電極及び第２の電極間に流れる電流を検出するステップとを含む。
【００１０】
本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。
【００１１】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本出願の実施形態を用いることができる例示的なタービンエンジンの概略図。
【図２】図１のガスタービンエンジンで用いることができる例示的な圧縮機の断面図。
【図３】図１のガスタービンエンジンで用いることができる例示的なタービンの断面図。
【図４】図１のガスタービンエンジンで用いることができ且つ本発明を利用できる例示的な燃焼器の断面図。
【図５】本発明の実施形態を利用できる例示的な燃焼器の切り欠き斜視図。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、トランジションピースと、材料欠陥を監視するためのシステムの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態を利用することができるガスタービンエンジン１００の概略図である。一般に、ガスタービンエンジンは、加圧空気のストリーム中にて燃料の燃焼によって生成される高温ガスの加圧流からエネルギーを抽出することにより作動する。図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、共通のシャフト又はロータにより下流側タービンセクション又はタービン１１０に機械的に結合される軸流圧縮機１０６と燃焼システム１１２とを備えて構成することができ、該燃焼システム１１２は、図示のように、圧縮機１０６とタービン１１０との間に位置付けられる缶型燃焼器である。
【００１４】
図２は、ガスタービンエンジン１００で用いることができる軸流圧縮機１０６の図を示す。図示のように、圧縮機１０６は複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１２０の列と、これに続く圧縮機ステータブレード１２２の列とを含むことができる。すなわち、第１の段は、中央シャフトの周りを回転する圧縮機ロータブレード１２０の列と、これに続いて、運転中に固定を維持する圧縮機ステータブレード１２２の列とを含むことができる。圧縮機ステータブレード１２２は、全体的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、回転軸の周りに固定される。圧縮機ロータブレード１２０は、ロータの軸線の周りに円周方向に間隔を置いて配置され、運転中にシャフトの周りを回転する。当業者には理解されるように、圧縮機ロータブレード１２０は、シャフトの周りを回転するときに圧縮機１０６を介して流れる空気又は作動流体に運動エネルギーを与えるように構成される。当業者には理解されるように、圧縮機１０６は、図２に示す段を上回る他の多くの段を有することができる。付加された各段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ロータブレード１２０と、これに続いて複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ステータブレード１２２とを含むことができる。
【００１５】
図３は、ガスタービンエンジン１００で使用することができる例示的なタービンセクション又はタービン１１０の部分図を示す。タービン１１０は複数の段を含むことができる。３つの例示的な段が示されているが、これよりも多い又は少ない段をタービン１１０に設けてもよい。第１の段は、運転中にシャフトの周りを回転する複数のタービンバケット又はタービンロータブレード１２６と、運転中に固定状態を維持する複数のノズル又はタービンステータブレード１２８とを含む。タービンステータブレード１２８は、全体的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、回転軸の周りに固定される。タービンロータブレード１２６は、シャフト（図示せず）の周りを回転するようタービンホイール（図示せず）上に取り付けることができる。タービン１１０の第２の段もまた図示されている。同様に第２の段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンステータブレード１２８と、これに続いて、回転のため同様にタービンホイール上に取り付けられる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレード１２６とを含む。第３の段もまた図示されており、同様に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンステータブレード１２８と、タービンロータブレード１２６とを含む。タービンステータブレード１２８及びタービンロータブレード１２６は、タービン１１０の高温ガス経路内にあることは理解されるであろう。高温ガス経路を通る高温ガスの流れ方向が矢印で示されている。当業者には理解されるように、タービン１１０は、図３に示す段を上回る他の多くの段を有することができる。付加された各段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンステータブレード１２８と、これに続いて複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレード１２６とを含むことができる。
【００１６】
上述のガスタービンエンジンの性質は、以下のように動作することができる。軸流圧縮機１０６内の圧縮機ロータブレード１２０の回転により空気流が加圧される。燃焼器１１２において、以下でより詳細に説明するように、加圧空気が燃料と混合されて点火されたときにエネルギーが放出される。次いで、燃焼器１１２からの結果として生じる高温ガスの流れは、タービンロータブレード１２６の上に配向され、これによりタービンロータブレード１２６のシャフトの周りの回転を誘起し、従って、ガスの高温流のエネルギーを回転シャフトの機械エネルギーに変換することができる。次に、シャフトの機械エネルギーを利用して、圧縮機ロータブレード１２０の回転を駆動することができ、加圧空気の必要な供給量が生成され、更に、例えば発電機が電気を発生するようにする。
【００１７】
次に進む前に、本発明を明確に理解するために、タービンエンジン及び関連するシステムの特定の部品又は機械構成要素に言及し且つ説明する用語の選択が必要となる点は理解されるであろう。当業界の用語は、可能な限り、一般に受け入れられる意味と適合するように使用及び利用される。しかしながら、このことは、このようなあらゆる用語は広義の意味が与えられ、本明細書で意図する意味及び添付の請求項の範囲が不当に制限されるように狭義に解釈されるものではないものとする。当業者であれば、特定の構成要素が複数の異なる用語で呼ばれる場合が多いことは理解されるであろう。加えて、本明細書で単一の要素として説明できる事柄は、別の状況では複数の構成要素を含み、又は複数の構成要素からなるものとして言及することができ、或いは、本明細書で複数の構成要素を含むものとして説明できる事柄は、単一要素に構築され、場合によっては単一の要素として言及することができる。従って、本明細書で記載される本発明の範囲を理解する際に、提供される用語及び説明にのみ留意するのではなく、本明細書で記載される構成要素の構造、構成、機能及び／又は使用に対しても留意すべきである。
【００１８】
加えて、複数の記述上の用語を本明細書で定常的に使用する場合があり、この点についてこれらの用語を定義することが有用とすることができる。本明細書で使用するこれらの用語及びその定義は、次の通りである。特に別途指定のない限り、「ロータブレード」という用語は、圧縮機又はタービンの何れかの回転ブレードを意味する表現であり、この回転ブレードには、圧縮機ロータブレード及びタービンロータブレードの両方が含まれる。特に別途指定のない限り、「ステータブレード」という用語は、圧縮機又はタービンの何れかの固定ブレードを意味する表現であり、この固定ブレードには、圧縮機ステータブレード及びタービンステータブレードの両方が含まれる。本明細書では、「ブレード」という用語は、何れかのタイプのブレードを意味するのに使用する。従って、特に別途指定のない限り、「ブレード」という用語は、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービンロータブレード及びタービンステータブレードを含む、全てのタイプのタービンエンジンブレードを包含する。更に、本明細書で使用する場合、「下流側」及び「上流側」とは、タービンを通る作動流体のような、流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流側」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流側」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「前方」又は「リーディング（前）」及び「後方」又は「トレーリング（後）」という用語は一般的に、タービンエンジンの前方端及び後方端を基準とした相対位置を意味している（すなわち、圧縮機はエンジンの前方端にあり、タービンを有する端部は後方端である）。場合によっては、本明細書を考慮して明確になるように、「リーディング（前）」及び「トレーリング（後）」という用語は、回転部品の回転方向を意味することがある。これが当てはまる場合、回転部品の「リーディングエッジ（前縁）」は、回転の先頭にある縁部であり、「トレーリングエッジ（後縁）」は、後方の縁部である。
【００１９】
「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に関して異なる半径方向位置にある要素を記述するために必要となることが多い。このようなケースでは、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素が、第２の構成要素の「半径方向内向き」又は「内寄り」にあると記述することができる。これに対して、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から更に遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素が、第２の構成要素の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述することができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動又は位置を意味する。最後に、「円周方向」又は「角度位置」という用語は、軸線周りの移動又は位置を意味する。
【００２０】
図４及び図５は、ガスタービンエンジンにおいて用いることができ、また、本発明の実施形態を用いることができる例示的な燃焼器１３０を示している。当業者には理解されるように、燃焼器１３０は、必要な空気及び燃料を燃焼器に供給する種々のマニホルドを一般に有するヘッド端部１６３と、端部カバー１７０とを含むことができる。複数の燃料ライン１３７は、端部カバーを通り、前方ケース又はキャップ組立体１４０の後端に位置付けられる燃料ノズル又は燃料噴射装置１３８に延びることができる。キャップ組立体１４０は、全体的に円筒形状であり、前方端部にて端部カバー１７０に固定される点は理解されるであろう。
【００２１】
一般に、燃料噴射装置１３８は、燃焼用に燃料及び空気の混合気を集める。例えば、燃料は天然ガスとすることができ、空気は、圧縮機から供給される加圧空気（この流れが複数の矢印で図５に示される）とすることができる。当業者には理解されるように、燃料噴射装置１３８の下流側には、燃焼が生じる燃焼室１８０がある。燃焼室１８０は、全体的に、流れスリーブ１４４内に密閉されるライナ１４６により定められる。流れスリーブ１４４とライナ１４６との間にはアニュラスが形成される。トランジションピース１４８は、ライナ１４６から下流側のタービンセクション（図４には図示せず）に移るときにライナの円形断面から環状断面に移行する。トランジションピースインピンジメントスリーブ１５０（以降、「インピンジメントスリーブ１５０」）は、トランジションピース１４８を密閉し、同様にインピンジメントスリーブ１５０とトランジションピース１４８との間にアニュラスを生成することができる。トランジションピース１４８の下流側端部において、トランジションピース後方フレーム１５２は、タービン１１０の第１の段に位置付けられた翼形部に向けて作動流体の流れを配向することができる。流れスリーブ１４４及びインピンジメントスリーブ１５０は通常、貫通して形成されるインピンジメントアパーチャ（図４には図示せず）を有し、該アパーチャにより圧縮機１０６からの加圧空気の衝突流が、流れスリーブ１４４とライナ１４６との間及びインピンジメントスリーブ１５０とトランジションピース１４８との間に形成されたキャビティに流入できる点は理解されるであろう。インピンジメントアパーチャを通る加圧空気の流れは、ライナ１４６及びトランジションピース１４８の外部表面を対流冷却する。
【００２２】
ここで図６を参照すると、本発明の例示的な実施形態による材料欠陥を監視するためのシステムが提供される。この例示的な実施形態は、燃焼システムのトランジションピース１４８内での使用法に関して説明している。しかしながら、以下で定められるように、この説明は例証に過ぎず、本発明は、ライナ１４６を含み且つ燃焼ガス又は高温ガスが流れる他のダクトと共に用いることができる点は理解されるであろう。本発明によれば、トランジションピース１４８の内部表面は、絶縁皮膜１６１で被覆することができる。幾つかの実施形態において、絶縁皮膜１６１は、遮熱コーティングを含むことができる。詳細には、特定の好ましい環境において、ジルコニア酸化物の遮熱コーティングを用いることができる。しかしながら、本発明は、このタイプの皮膜に限定されるものではない。どちらかと言えば、電気的絶縁をもたらすあらゆる皮膜を用いることができる。すなわち、タービン環境で用いるのに好適であり且つトランジションピース１４８又は燃焼ダクトの下部の構造体としてより低い導電性があることが分かっているあらゆる皮膜を用いることができる。絶縁皮膜はまた、エンジン運転中にトランジションピース１４８を流れる燃焼ガスよりも低い導電率を有することができる点は理解されるであろう。幾つかの実施形態において、絶縁皮膜は、セラミック材料、腐食皮膜、又は燃焼生成物からなることができる。
【００２３】
図示のように、第１の電極１６３は、トランジションピース１４８に電気的に接続することができる。トランジションピース１４８は、金属であり、高い導電率を有することができる点は理解されるであろう。第２の電極１６４は、高温ガス経路に電気的に曝される（且つトランジションピース１４８に接続されない）ように位置付けることができる。これを行うことができる１つの手法は、図６に示すように、第２の電極１６４をトランジションピース１４８に貫通させるが、電気絶縁材料又は構造体１６５によりトランジションピース１４８から電気的に絶縁させ、更に高温ガス経路に曝される導電性先端１６６を有するようにすることである。このため、第２の電極１６４は、少なくとも部分的には、高温ガス流に曝され且つ第１の電極１６３に近接するように位置付けることができる。例示的な実施形態において、第２の電極１６４は、第１の電極１６３の下流側及び／又はトランジションピース１４８の下流側に（又は下流端に向けて）位置付けることができる。第２の電極１６４は、過酷な高温ガス経路に耐えることのできる材料から構成することができる。例えば、第２の電極１６４の導電性先端１６６は、銅、銀、マンガン、ケイ素、又は他の好適な材料で作ることができる。
【００２４】
第１の電極１６３及び第２の電極１６４は、図６に示すように、コントロールユニット１７０に接続することができる。コントロールユニット１７０は、２つの電極１６３、１６４の両端に電圧を印加するよう構成された電源を含むことができる。電源は、電力供給装置又は電圧源を有するあらゆる従来のシステム又は機器を含むことができる。コントロールユニット１７０はまた、２つの電極１６３、１６４間に電流が流れているかどうか及び／又は２つの電極１６３、１６４間に流れる電流のレベルを確定又は検出するための電流計又は同様の計測器を含むことができる。
【００２５】
通常運転中、コントロールユニット１７０により検出される２つの電極１６３、１６４間に流れる電流が全く又はほとんど存在しない点は理解されるであろう。これは、トランジションピース１４８の内側表面を覆う絶縁皮膜１６１の電気絶縁性に起因する。すなわち、絶縁皮膜１６１は、トランジションピース１４８に印加される電圧を流路の高温ガスから離隔することができる。しかしながら、トランジションピース１４８の内部に沿った何れかの場所にて亀裂が発生した場合には、図６に示すように、絶縁皮膜１６１を徐々に傷つけ、最終的には欠陥１７３を引き起こす可能性がある点は理解されるであろう。より具体的には、最終的に亀裂により遮熱コーティング（又は他の絶縁皮膜）の剥離が生じる可能性があり、その結果、トランジションピース１４８の露出パッチ又は導電性の高い表面の部分もしくは区域がエンジン運転中に流路の高温ガスに曝される。
【００２６】
高温ガス流路の燃焼ガスが比較的導電性があり、トランジションピース１４８の表面が露出されたときに電気回路１８０が形成できる点は当業者には理解されるであろう。すなわち、高温ガスは、トランジションピース１４８の露出表面（トランジションピース１４８内の欠陥に起因する浸食又は剥離のため露出する）と、第２の電極１６４の導電性先端１６６との間を電気的に導通させることができる。そのため、コントロールユニット１７０は、２つの電極１６３、１６４間に電流が流れていること及び電気回路１８０が形成されたことを検出する。例示的な実施形態において、回路１８０の検出により、システムは、欠陥１７３が存在する可能性があること及び／又は修正措置をとる必要がある旨のワーニング通知を提供するようにすることができる。システムの感度は、異なる電圧を用いて、又はワーニング通知が送出される前に満足すべき特定の所定電流閾値を要求することによって調整することができる。
【００２７】
代替の実施形態において、通常運転中に２つの電極１６３、１６４間を流れる電流を観測することができ、該電流は欠陥１７３が生じたときに上昇する。これは、特定のタイプの保護絶縁皮膜が導電性である（或いは、少なくとも、他のタイプの皮膜よりも導電性がある）ことに起因することができる。従って、この場合、通常運転中に２つの電極１６３、１６４間でコントロールユニット１７０により観測されるあるレベルの電流が存在する点は理解されるであろう。しかしながら、絶縁皮膜を徐々に傷つけて、皮膜の剥離又は絶縁皮膜の単純な浸食により、トランジションピース１４８のより導電性の高い表面の一部が高温ガス流路の燃焼ガスに曝される亀裂が生成されると、コントロールユニット１７０により、２つの電極１３４、１３５間に増大したレベルの電流が流れるのが観測される。この実施形態では、電流の増大が観測されることにより、欠陥１３８についてのワーニング信号が提供される。前述と同様に、回路１８０を流れる電流の増大が検出されることで、システムは、欠陥１７３が存在する可能性があること及び／又は修正措置をとる必要がある旨のワーニング通知を提供させるようにすることができる。システムの感度は、異なる電圧を用いて、又はワーニング通知が送出される前に満足すべき特定の電流閾値、すなわちこの実施形態の場合、特定のレベルの電流変化を示す閾値を要求することによって調整することができる。
【００２８】
幾つかの実施形態において、流路の高温ガスの導電性は、燃料を導電性材料でドープすることにより、又は導電性材料をエンジンの圧縮機内の加圧空気流路に噴射することによって高めることができる。導電性材料を噴射することにより、電極間に流れる電流レベルが増大し、検出システムの精度を高めることができる点は理解されるであろう。幾つかの実施形態において、導電性ドープ材料の噴射は、欠陥（すなわち、亀裂形成又は皮膜剥離）試験が実施される試験サイクル中に定期的に行うことができる。上述のように、この時間的測定は、欠陥検出精度を向上させることができる。加えて、欠陥１７３のサイズは、印加電圧及び以前の欠陥サイズ並びに他の関連条件（すなわち、ドープ剤が存在するか否か、その他）が与えられると、形成された電気回路１８０を通る電流フローの大きさでシステムを較正することにより決定付けることができる。例えば、電流レベルが高いほどより大きな欠陥サイズを示す。特定サイズの欠陥を示す閾値電流レベルを設定することができる。
【００２９】
トランジションピースの内部表面に沿った亀裂形成がない場合、電気絶縁皮膜１６１の単純浸食又は剥離はまた、トランジションピース１４８の金属表面を流路の高温ガスに曝す欠陥１７３を生じる可能性がある。すなわち、遮熱コーティングの剥離又は浸食が、トランジションピースの亀裂形成なしに通常的に発生する。何れの場合においても、２つの電極１６３、１６４間に電気回路１８０を形成させ、これにより、コントロールユニット１７０によるこのような欠陥を示す電流の検出をもたらす結果となる露出表面が存在する。剥離は、トランジションピース１４８内の絶縁皮膜１６１の摩滅又は浸食によって引き起こされる可能性がある。この場合、システムは、欠陥１７３のワーニングを提供することによって、露出材料の劣化及び／又はそれに続く亀裂又はより深刻な欠陥の形成を阻止することができる。修正措置なしでは、剥離によりトランジションピース１４８の内部表面への熱応力の増大及び／又は材料劣化がもたらされ、これにより修正措置のない状態で壊滅的故障を引き起こす可能性がある。
【００３０】
本発明の機能を試験により確認した。例えば、ある試験では、燃焼器のトランジションピース内に２つの電極を上記の説明と合致させて位置付けた。電圧源を電極に接続し、電極間に約５Ｖを印加した。閾値電流（すなわち、指示電流）は約１．２５マイクロアンペアに設定した。これらのパラメータを仮定すると、試験の結果、検出可能な剥離サイズ（すなわち、高温ガスに曝されるトランジションピースの区域）は０．５平方インチであった。すなわち、試験の結果、トランジションピースの内側表面の少なくとも０．５平方インチの曝露をもたらす欠陥により、閾値又は指示電流を上回る結果となった。勿論、当業者には理解されるように、パラメータは、システムの特性及び所望の感度に応じて調整することができる。
【００３１】
上述の応用は例証に過ぎず、本方法を燃焼ガスが配向される他のダクトにおける欠陥の検出にも適用可能である点は当業者であれば理解されるであろう。例えば、トランジションピース１４８に関連する上述の本方法は、燃焼システムのライナ１４６、或いは、更に言えば他の類似のダクトにも同様の手法で適用することができる。従って、添付の請求項内で「燃焼ダクト」に言及された場合、これはトランジションピース１４８及びライナ１４６の両方を含む点は理解されるであろう。また、上述のように、このような言及は、燃焼ガスが流れる他の何れかの同様のダクトを含むことができる。
【００３２】
エンジンの作動中に亀裂形成及び皮膜剥離を監視することにより、定期的な目視検査の必要性を低減することができ、また、エンジン停止時間も短縮することができる点は理解されるであろう。理解されるように、典型的にはトランジションピース１４８及びライナ１４６は、数千時間の運転後に燃焼システムが診断チェックを受けるまで検査されない。エンジンの作動中に亀裂形成及び皮膜剥離を監視することにより、他の場合にはこの検査が行われるまでは気付かれなかったであろう有意な欠陥の形成を検出することができる。欠陥の重大度によっては、エンジンが継続して運転され且つ修正措置がとられない場合、特に故障により下流側構成要素に損傷をもたらすトランジションピース又はライナもしくは他のこのようなダクトの要素が放出される場合には、重大な損傷を生じる可能性がある。このような事象は、本発明のリアルタイム監視機能が利用可能である場合には回避することができる。
【００３３】
当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するよう更に選択的に適用することができる。簡潔にするため及び当業者の能力を考慮して、各々の可能な繰り返しは本明細書で詳細には述べていないが、添付の複数の請求項によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなすものとする。加えて、本発明の複数の例示的な実施形態の上記の説明から、当業者であれば改善、変更及び修正が理解されるであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更及び修正はまた、添付の請求項によって保護されるものとする。更に、上記のことは、本出願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３４】
１４６  ライナ
１４８  トランジションピース
１６１  絶縁皮膜
１６３  第１の電極
１６４  第２の電極
１６５  電気絶縁材料又は構造体
１６６  導電性先端
１７０  コントロールユニット
１７３  欠陥
１８０  電気回路
【図１】
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【図２】
2012145101.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012145101.tif 000007
【図６】
2012145101.tif 000008
【外国語明細書】
2012145101000001.pdf