(57)【要約】      （修正有）【課題】スマート放射温度測定システムにおいて、リアルタイムガスタービン制御および予測を行う。【解決手段】タービン部品１８を含むスマート放射温度測定システムを提供する。スマート放射温度測定システムは、タービン部品１８により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムを含む。この温度測定システムは、光伝送サブシステムと光通信する波長分割サブシステムであって、連続広波長域放射信号を受け取り、この放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムも含む。この温度測定システムは、波長分割サブシステムと光通信する少なくとも１つの検出器アレイ４２であって、複数のサブ波長域信号を受け取り、この信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力する少なくとも１つの検出器アレイ４２をさらに含む。【選択図】図１
2013148367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スマートリアルタイム放射温度測定システムであって、
タービン部品と、
前記部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムと、
前記光伝送サブシステムと光通信する波長分割サブシステムであって、前記連続広波長域放射信号を送り、前記放射信号を複数のサブ波長域信号に分割するように構成された波長分割サブシステムと、
前記波長分割サブシステムと光通信する少なくとも１つの検出器アレイであって、前記複数のサブ波長域信号を受け取り、前記信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するように構成された少なくとも１つの検出器アレイと、
前記少なくとも１つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも１つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）であって、前記それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力するように構成されたＡＤＣと、
前記少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣに電気的に結合された少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムであって、
前記デジタル電圧信号を点検して補償し、
参照用テーブルにより放射輝度温度を算出し、
前記放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて前記タービン部品の温度および放射率を計算し、
所定の期間内に前記温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを出力し、
前記タービンの安全な動作を確保するために、前記データに基づいて、緊急警報信号を出力し、前記ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する
ように構成された少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムと
を備える、スマートリアルタイム放射温度測定システム。
【請求項２】
前記部品の前記温度が所定の限界を超えた場合に、前記少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムが前記警報信号を送る、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記光学システムが、
前記ガスタービン部品から前記連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムと、
前記光学的イメージングサブシステムから前記連続広波長域放射信号を送るように構成された光伝送サブシステムと、
前記タービン部品の前記連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムと
を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記所定の期間が約１０マイクロ秒未満である、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
タービン部品の熱測定のための方法であって、
光学的イメージングサブシステムを介して、前記タービン部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るステップと、
光伝送サブシステムを介して前記放射信号を受け取るステップと、
波長分割サブシステムを介して前記タービン部品の前記連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割するステップと、
少なくとも１つの検出器アレイを介して、前記複数の波長域信号を受け取り、前記サブ波長域信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するステップと、
前記少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣを介して、前記それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力するステップと、
前記デジタル信号を受け取る少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムを介して複数の処理ステップを実施するステップとを含み、
前記複数の処理ステップが、
前記デジタル電圧信号を点検して補償するステップと、
参照用テーブルにより放射輝度温度を算出するステップと、
前記放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて前記タービン部品の温度および放射率を計算するステップと、
所定の期間内に前記温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを出力するステップと、
前記タービンの安全な動作を確保するために、前記データに基づいて、緊急警報信号を出力し、前記ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御するステップと
を含む、方法。
【請求項６】
前記温度が所定の限界を超えた場合に前記緊急警報信号を送るステップをさらに含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
データを出力する前記ステップが、約１０マイクロ秒未満でデータを出力するステップを含む、請求項５記載の方法。
【請求項８】
タービン部品のための温度測定処理システムであって、
前記少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣを介して少なくとも１つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムであって、
前記部品から複数のサブ波長域信号のそれぞれを表すデジタル電圧信号を受け取り、
前記デジタル電圧信号を点検して補償し、
参照用テーブルにより放射輝度温度を算出し、
前記放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて前記タービン部品の温度および放射率を計算し、
所定の期間内に前記温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを出力し、
前記タービンの安全な動作を確保するために、前記データに基づいて、緊急警報信号を出力し、前記ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する
ように構成されたリアルタイム処理サブシステムを備える、温度測定処理システム。
【請求項９】
前記温度が所定の限界を超えた場合に、前記少なくとも１つのスマート処理サブシステムが警報信号を送る、請求項８記載の温度測定システム。
【請求項１０】
前記所定の期間が約１０マイクロ秒未満を含む、請求項８記載の温度測定システム。
【請求項１１】
前記タービン部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムと、
前記光学的イメージングサブシステムから前記波長分割サブシステムに前記連続広波長域放射信号を送るように構成された光伝送サブシステムと、
前記タービン部品の前記連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムと、
前記波長分割サブシステムと光通信する少なくとも１つの検出器アレイであって、前記複数のサブ波長域信号を受け取り、前記信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するように構成された少なくとも１つの検出器アレイと、
前記少なくとも１つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも１つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）であって、前記それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、前記スマートリアルタイム処理サブシステムにデジタル電圧信号を出力するように構成されたＡＤＣと
をさらに備える、請求項８記載の温度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスマート放射温度測定システムに関し、より詳細には、リアルタイムガスタービン制御および予測のための多波長放射温度測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンの動作温度を上昇させることによってガスタービンの効率を増加できることはよく知られている。動作温度の上昇は、ガスタービンの信頼性、可用性、および放射に悪影響を及ぼす。動作温度が上昇すると、特定のエンジン部品、特にタービンブレードおよびノズルなどの高温（ＨＧＰ）部品の熱的限界を超えることがあり、その結果、耐用年数が減少し、または材料破壊すら発生する。さらに、部品の熱膨張および収縮も、クリアランスおよび他の部品との嵌合関係（ｉｎｔｅｒｆｉｔｔｉｎｇ  ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ）に影響を及ぼす。したがって、適切な期間、タービン部品が最高定格温度を超えないことを保証するために、ガスタービンの動作中にタービン部品の温度を監視することが望ましい。たとえば、ＨＧＰ部品の温度情報をガスタービン制御装置で使用して、燃料流量、静翼角、およびノズル面積などを変更することによって最高運転温度（ｍａｘｉｍｕｍ  ｗｏｒｋｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を調整するようにアクチュエータを適合させることができる。さらに、測定温度および傾向を使用して、高価なガスタービン部品の残存寿命を予想し、関連するリスクを見積もることができる。
【０００３】
タービンＨＧＰ部品の温度を監視する一般的な手法は、タービンを出るガスの温度を間接的に測定し、これをブレードの温度の指標として使用することである。タービン出口温度は、排気流に熱電対などの１つまたは複数の温度センサを設置することによって測定することができる。ブレードの温度は間接的に測定されるので、比較的不正確である。したがって、広い安全域を維持する必要があるので、最適温度を利用することはできない。
【０００４】
ＨＧＰ部品の間接的な温度測定の欠点はよく知られており、ＨＧＰ部品の温度を直接的に測定するための手法が提案されている。ある直接測定手法では、エンジンケーシングの外部にあり、ケーシング壁に形成された覗き窓を通してタービンブレードに焦点を合わせた視野を有する１つの検出波長域放射高温計を使用する。したがって、加熱されたタービンＨＧＰ部品によって放射される放射が高温計に当たり、次に高温計が、ＨＧＰ部品の温度を表す電気信号を生成する。しかし、覗き窓は、エンジンの動作中に、覗き窓を曇らせ温度読み取りに悪影響を及ぼしがちな高温排気ガスにさらされる。さらに、燃料比を変化させる熱検査システムの時間応答ならびに温度および放射率を算出する処理時間には、大きな改善が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６９０８４０号明細書
【発明の概要】
【０００６】
したがって、前述の問題の１つまたは複数に対処する改良型のスマートリアルタイム放射温度測定システムを有することが望ましい。
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、タービンＨＧＰ部品を含むスマート放射温度測定システムが提供される。このスマート放射温度測定システムは、ＨＧＰ部品により放射された連続広波長域放射信号を受け取るように構成された光学的イメージングサブシステムを含む。この温度測定システムは、光伝送システムと光通信する波長分割サブシステムであって、連続広波長域放射信号を受け取り、この放射信号を複数のサブ波長域信号に分割する波長分割サブシステムも含む。この温度測定システムは、波長分割サブシステムと光通信する少なくとも１つの検出器アレイであって、複数のサブ波長域信号を受け取り、この信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力する少なくとも１つの検出器アレイをさらに含む。この温度測定システムは、少なくとも１つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも１つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）であって、それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力する少なくとも１つのＡＤＣをさらに含む。この温度測定システムは、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣに電気的に結合された少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムも含む。このスマートリアルタイム処理サブシステムは、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣからのデジタル電圧信号を使用して、反射補正および多波長アルゴリズムに基づいて、タービンＨＧＰ部品の温度および放射率を算出する。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、内蔵通信ユニットを使用して所定の期間内に温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを送る。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、最適かつ安全な動作を確保するために、データに基づいて、緊急警報信号を出力し、ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、タービンＨＧＰ部品の熱測定のための方法が提供される。この方法は、光学的イメージングサブシステムを介して、タービンＨＧＰ部品によって放射された連続広波長域放射信号を受け取るステップを含む。この方法はまた、波長分割サブシステムを介して、放射信号を受け取り、タービン部品の連続広波長域放射信号を複数のサブ波長域信号に分割するステップを含む。この方法は、少なくとも１つの検出器アレイを介して、複数の波長域信号を受け取り、サブ波長域信号のそれぞれに対するそれぞれのアナログ電圧信号を出力するステップも含む。この方法は、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣを介して、それぞれのアナログ電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力するステップをさらに含む。この方法は、デジタル信号を使用して、少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムを介して、複数の処理ステップを実施するステップも含む。これらのステップは、デジタル電圧信号を点検して補償するステップと、参照用テーブルにより放射輝度温度（ｒａｄｉａｎｃｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を算出するステップと、この放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいてタービン部品の温度および放射率を計算するステップと、所定の期間内に温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを内蔵通信ユニットに送るステップとを含む。これらのステップは、タービンの最適かつ安全な動作を確保するために、データに基づいて、緊急警報信号を出力し、ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御するステップも含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、タービンＨＧＰ部品のための温度測定処理システムが提供される。この温度測定処理システムは、少なくとも１つの検出器アレイに電気的に結合された少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムを含む。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムは、部品から複数のサブ波長域信号のそれぞれを表すデジタル電圧信号を受け取る。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムは、デジタル電圧信号を点検して補償し、参照用テーブルにより放射輝度温度を算出する。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいてタービン部品の温度および放射率を計算する。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、所定の期間内に温度、放射率、および他の複数のパラメータを示すデータを制御装置に送る。この少なくとも１つのスマートリアルタイム処理サブシステムはまた、タービンの最適かつ安全な動作を確保するために、データに基づいて、緊急警報信号を出力し、ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御する。
【００１０】
本発明の上記および他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、さらによく理解されるであろう。全図面を通して類似の参照番号は類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態によるスマートリアルタイム処理サブシステムを含むタービンシステムの概略図である。
【図２】図１のガスタービンシステム内のスマートリアルタイム放射温度測定システムの簡略化したブロック図表示（ｂｌｏｃｋ  ｄｉａｇｒａｍ  ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）である。
【図３】図１および２のスマートリアルタイム処理サブシステムの内部で行われるソフトウェアによるデータ処理のブロック図表示である。
【図４】図１および２のスマートリアルタイム処理サブシステムの出力データのさらなる伝送のブロック図表示である。
【図５】図１および２のスマートリアルタイム処理サブシステム内部のハードウェアのブロック図表示である。
【図６】本発明の一実施形態により許容できる動作波長を決定するために波長の関数として分光放射率をシミュレーションしたグラフ図である。
【図７】本発明の一実施形態により、リアルタイム処理サブシステムが、独立した制御装置として機能する例示的な実施形態のブロック図表示である。
【図８】リアルタイム処理サブシステムが警報信号を生成する別の例示的な実施形態のブロック図表示である。
【図９】リアルタイム処理サブシステムが図１のタービン制御装置に信号を送信するさらに別の例示的な実施形態のブロック図表示である。
【図１０】本発明の一実施形態によるリアルタイム制御および予測のためのタービンＨＧＰ部品の放射温度測定のための例示的な方法の各ステップを表す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下で詳細に説明するように、本発明の実施形態は、物体の熱検査のためのシステムおよび方法を含む。本明細書では、「物体」という用語は、ブレードおよびノズルのようなタービンＨＧＰ部品を指すが、これらに限定されない。このシステムは、所定の、たとえば約１０マイクロ秒未満の時間応答によるリアルタイムガスタービン制御および予測を提供するスマート放射温度測定システムを含み、これにより、たとえばガスタービンシステム内の燃焼器への燃料噴射の調整が可能になる。本明細書で開示される実施形態はガスタービンシステムに関して説明されるが、このようなスマートリアルタイム処理サブシステムは、種々の類似した適用例で用いられ得ることは理解されるであろう。さらに、本明細書では１つのスマートリアルタイム処理サブシステムを示すが、任意の数のこのようなスマート処理サブシステムを用いることができる。
【００１３】
次に図面を参照すると、図１は、スマートリアルタイム処理サブシステムを含むタービンシステム１０の概略図である。このスマートリアルタイム処理サブシステムは、タービン部品たとえば圧縮機２２のブレードの温度および放射率を見積もり、安全な動作を確保するために、タービンシステム１０に結合された１つまたは複数のアクチュエータ１１をリアルタイムで制御するように構成される。タービンシステム１０は、燃料噴射器１２と、燃料供給１４と、燃焼器１６とを含む。図示のように、燃料供給１４は、天然ガスなどの液体燃料および／または気体燃料をガスタービンシステム１０に送り、燃料噴射器１２を通って燃焼器１６に至る。燃料噴射器１２は、燃料を噴射して圧縮空気と混合するように構成される。燃焼器１６は、燃料−空気混合物に点火して燃焼させ、次に高温の加圧排気ガスをタービン１８に通す。理解されるように、タービン１８は、固定静翼またはブレードを有する１つまたは複数のステータと、ステータに対して回転するブレードを有する１つまたは複数のロータとを含む。排気ガスはタービンロータブレードを通過し、それによってタービンロータを回転駆動する。タービンロータとシャフト１９が結合することによって、シャフト１９が回転する。シャフト１９はまた、図示のように、ガスタービンシステム１０の全体にわたっていくつかの部品に結合される。最後に、燃焼処理の排気は、排気出口２０を介してガスタービンシステム１０を出ることができる。
【００１４】
圧縮機２２は、ロータに堅固に取り付けられたブレードを含み、ロータはシャフト１９によって回転駆動される。空気が回転中のブレードを通過すると、空気圧が増加し、それによって燃焼器１６に、適切な燃焼に十分な空気を提供する。圧縮機２２は、空気取り入れ口２４を介してガスタービンシステム１０に空気を取り入れることができる。さらに、シャフト１９は、負荷２６に結合されてもよく、負荷２６は、シャフト１９の回転によって動力を供給されることができる。理解されるように、負荷２６は、パワープラント（ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｐｌａｎｔ）または外部の機械的負荷など、ガスタービンシステム１０の回転出力のパワーを使用できる任意の適切なデバイスであってよい。たとえば、負荷２６としては、発電機、航空機のプロペラなどがあり得る。空気取り入れ口２４は、冷気取り入れ口などの適切な機構を介して空気３０をガスタービンシステム１０に吸い込む。空気３０は、次に、圧縮機２２のブレードの中を流れ、圧縮機２２は燃焼器１６に圧縮空気３２を提供する。具体的には、燃料噴射器１２は、燃焼器１６に圧縮空気３２および燃料１４を燃料−空気混合物３４として噴射することができる。あるいは、圧縮空気３２および燃料１４は、混合および燃焼のために燃焼器に直接噴射することができる。
【００１５】
図示のように、タービンシステム１０は、タービン１８に光学的に結合された光学的イメージングサブシステム３６を含む。図示の実施形態では、光学的イメージングシステム３６は、タービン１８へのビューイングポート（ｖｉｅｗｉｎｇ  ｐｏｒｔ）３９と波長分割サブシステム４０の間に延びる光学的接続（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）３８（たとえば、光学ボアスコープ、光ファイバケーブル、光導波路など）を含む。以下で詳細に説明するように、波長分割サブシステム４０は、タービンＨＧＰ部品から連続広波長域放射信号を受け取り、広波長域イメージを複数のサブ波長域信号４１に分割するように構成される。波長分割サブシステム４０に光学的に結合された少なくとも１つの検出器アレイ４２は、サブ波長信号のそれぞれを受け取り、それぞれのアナログ電圧信号４３を出力するように構成される。図示の実施形態では、検出器アレイ４２は、アナログ信号４３をデジタル化してデジタル信号４５を出力する少なくとも１つの高速多チャネルアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４４に電気的に結合される。少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣ４４に電気的に結合されたスマートリアルタイム処理サブシステム４６は、デジタル信号４５を受け取る。スマートリアルタイム処理サブシステム４６は、デジタル電圧信号４５を点検して補償し、参照用テーブルにより放射輝度温度を算出する。この放射輝度温度、反射補正、および多波長アルゴリズムに基づいて、タービン部品２２の温度および放射率が計算される。所定の期間、たとえば特定の実施形態では約１０マイクロ秒未満内に温度および放射率および他の複数のパラメータを示すデータ５３が制御装置に送られる。一実施形態では、複数のパラメータとしては、信号／センサの調子（ｈｅａｌｔｈ）、信号の信頼レベル、信号選択指数、重み係数、温度傾向のログファイル、温度の統計情報などがある。データがタービンシステム１０の安全動作限界を超えた場合、スマートリアルタイム処理サブシステム４６内部の通信ユニット（図示せず）が緊急警報を出力する。別の実施形態では、スマートリアルタイム処理サブシステム４６は、タービンシステム１０に結合された１つまたは複数のアクチュエータ１１をデータ５３に基づいて直接的にまたは制御装置５４を介して制御する。たとえば、アクチュエータ１１は、燃焼器１６に噴射されている燃料を、計算された温度に基づいて調整することができる。別の実施形態では、アクチュエータは、圧縮機２２への空気の流れを、計算されたデータ５３に基づいて調整することができる。
【００１６】
図２は、図１に類似した、ガスタービンシステム内のスマートリアルタイム放射温度測定システム６０の簡略化したブロック図表示である。光学システム３６（図１）は、光学的イメージングサブシステム６２と光伝送サブシステム６４とをさらに含み、これらは波長分割サブシステム４０（図１）に連続広波長域放射信号６８を送る。光学的イメージングサブシステム６２は、ガスタービンＨＧＰ部品たとえばタービンブレード６６により放射された放射６５を受け取り、光伝送サブシステム６４に放射６５を送る。
【００１７】
光伝送サブシステム６４は、波長分割サブシステム４０に連続広波長域放射信号６８を送り、波長分割サブシステム４０は、一連のレンズ、プリズム、鏡、および光ファイバを含むことができる。波長分割サブシステム４０は、連続広波長域放射信号６８を複数のサブ波長域信号７２に分割するために、一連のレンズ、プリズム、鏡、分光計、および／または他の反射式光学部品および／または屈折式光学部品を含むことができる。理解されるように、複数のサブ波長域信号７２はそれぞれ、連続広波長域放射信号６８と実質的に同様のスペクトル成分（たとえば、波長の範囲）を含む。さらに、各信号７２の解像度および視野は、連続広波長域信号６８と実質的に同様である。ただし、各信号７２の強度は、波長分割サブシステム４０によって生成される信号７２の数に反比例し得ることを理解されたい。たとえば、図示の実施形態の波長分割サブシステム４０は４つのサブ波長域信号７２を生成するので、各信号７２の強度は、連続広波長域信号６８の強度の約２５％となり得る。代替実施形態では、これより多いかまたは少ないサブ波長域信号（たとえば、２、３、４、５、６、７、８、またはこれ以上）を生成することができるが、サブ波長域信号の最大数は、複数のサブ波長域信号７２を受け取る検出器アレイ９２の感度によって制限され得ることを理解されたい。
【００１８】
検出器アレイ９２は、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣ９８にそれぞれのアナログ電圧信号９６を出力し、高速多チャネルＡＤＣ９８は、信号９６をデジタル化してデジタル信号９９に出力する。ｋｅｙｐｈａｓｏｒまたは外部トリガユニット９７も、高速多チャネルＡＤＣ９８に入力することができる。ｋｅｙｐｈａｓｏｒおよび外部トリガユニット９７は、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣを共通時間基準（ｃｏｍｍｏｎ  ｔｉｍｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）と同期させるために使用することができる。ｋｅｙｐｈａｓｏｒおよび外部トリガユニット９７はまた、特にタービンブレードのような部品を回転させるために特定のＨＧＰ部品を位相ロックするために使用することができる。デジタル信号９９は、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２（図１の４６に類似）に入力される。図１で説明したように、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２は、デジタル信号９９を処理してタービンＨＧＰ部品６６の温度および放射率を出力する。データ１０４は、部品のパラメータをさらに調整し、したがって安全動作限界内でのガスタービン１１０の最適動作を確保するアクチュエータ１０８を直接的にまたは制御装置１０６を介して間接的に制御するために、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２内部の内蔵通信ユニット（図示せず）によって送られる。
【００１９】
本発明の実施形態は、本発明の処理作業を実施するためのいかなる特定の処理装置にも限定されないことに留意されたい。本明細書で使用する「処理サブシステム」という用語は、本発明の作業を実施するために必要な計算または算出を実施可能な任意の機械を意味するものである。「処理サブシステム」という用語は、構造化された入力を受け入れ、その入力を既定のルールに従って処理し、出力を生成することが可能な任意の機械を意味するものである。当業者には理解されるように、本明細書で使用する「ように構成された」という語句は、処理装置が、本発明の作業を実施するためのハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせを装備することを意味することにも留意されたい。
【００２０】
図３は、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２（図２）の内部で行われるソフトウェアによるデータ処理のブロック図表示である。少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣ（９８）（図２）からの未処理のデジタル信号データ１１２はリアルタイム処理サブシステム１０２に供給され、データの精度を向上させるために種々の標準的な前処理技術にかけられる。特定の流れでは、データのリアルタイム処理を確実にするために種々の補正モデルが実施される。未処理の信号１１２は、暗信号またはバックグラウンド信号を補正するバックグラウンド補正モジュール１１６に入力される。バックグラウンド補正されたデータ１１８は不均一補正または利得補正モジュール１２０に入力され、不均一補正または利得補正されたデータ１２２はさらに不良信号置換モジュール１２４に入力される。不良信号置換モジュール１２４からのデータ出力１２６は較正モジュール１３２に入力され、ここで、放射輝度温度１３６を決定するために、スマートリアルタイム処理サブシステムに格納された参照用テーブル「電圧」対「温度」により較正が実施される。放射輝度温度を示すデータ１３６は、反射補正モジュール１４２からの補正係数と共に組み込み型多波長アルゴリズム１３８に入力される。光学的イメージングシステム（６２、６４、図２）によって収集された、対象となる部品（６６、図２）からの放射は、２つの部分、すなわちブレードから放射された放射、およびシュラウド、ノズルなどであるがこれらに限定されない隣接部品から反射された放射を含むことができる。したがって、収集された放射から反射される成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を排除するために、反射補正が実施される。反射補正されたデータ１４６は、多波長アルゴリズム１３８を介してさらに処理され、部品の未処理の温度および放射率データ１５２を出力する。処理速度を上げるために、アルゴリズムを並列処理モードで実施する必要があることがある。
【００２１】
さらに、未処理の温度および放射率データ１５２は、スマート信号処理アルゴリズム１５６に入力される。スマート信号処理アルゴリズム１５６は、低レベル処理１５８と、高レベル処理１６２と、信号調節（ｓｉｇｎａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）１６４と、統計情報および傾向変動分析１６６と、制御関数１６８とを含む。低レベル処理１５８は、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣ１７４の調子を取得および評価するが、高レベル処理１６２は、ノイズまたは対象でない信号の除去１７８（たとえば、火炎または粒子信号（ｆｌａｍｅ  ｏｒ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｉｇｎａｌｓ）の拒否）を保証し、信号を比較し、信号をブレンドまたは破棄し、信号に関する品質指数を算出し、不良な検出器および不良なＡＤＣなどのようなシステムの調子を示すステータスフラグを算出する。同様に、信号調節１６４は、熱影響のフィルタ処理および補償１８２を実施する。フィルタ処理関数は、制御装置またはアクチュエータの性能と一致するように種々のデータ転送速度でフィルタ処理された信号を出力することができる。統計情報および傾向変動分析１６６は、各部品に対するログ傾向１８６を出力する。制御関数モジュール１６８は、ガスタービンに結合された１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは制御装置を介して制御するための制御パラメータを出力する。
【００２２】
図４は、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２（図２）の出力データ２０２のさらなる伝送のブロック図表示である。データ２０２は、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２内部の内蔵通信ユニット５２に供給される。通信ユニット５２は、３つのインタフェースを含む。１つはデジタルデータインタフェースである。１つはアナログデータインタフェースで、データはさらに制御装置１０６（図２）または１つもしくは複数のアクチュエータ１０８（図２）に送られる。もう１つは制御インタフェースで、メモリ内のデータを読み取り、書き込み、更新することができる。較正データまたは組み込みソフトウェアは更新可能であり、傾向ファイルのログデータは制御インタフェースを介してダウンロードすることができる。さらに、デジタルデータインタフェースとしては、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ（ＩＥＥＥ１３９４）、イーサネット（商標）、ギガビットイーサネット（商標）、ＵＳＢ、ＲＳ２３２、およびカメラリンクなどがあるが、これらに限定されない。アナログデータインタフェースは、制御装置またはアクチュエータが必要とする電圧、電流、周波数の範囲のデータを出力することができる。制御インタフェースとしては、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ（ＩＥＥＥ１３９４）、イーサネット（商標）、ギガビットイーサネット（商標）、ＵＳＢ、ＲＳ２３２、およびカメラリンクなどがあるが、これらに限定されない。
【００２３】
図５は、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２（図２）または４６（図１）の内部のハードウェアのブロック図表示である。少なくとも１つの高速ＡＤＣ９８（図２）からの出力９９は、入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース１０６を介してスマートリアルタイム処理サブシステム１０２に入力される。Ｉ／Ｏインタフェース１０６に電気的に結合されたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）ユニット２１２が組み込まれる。さらに、デジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット２１４は、ＦＰＧＡユニット２１２から入力信号２１６を受け取り、メモリ２２４にデータを格納する。通信ユニット２２８は、データ２３２をＦＰＧＡ２１２、ＤＳＰ２１４、およびメモリ２２４と交換し、信号２３２（図１）を出力する。組み込み型データ処理アルゴリズムは、ＦＰＧＡユニット２１２またはＤＳＰユニット２１４で実施される。リアルタイムデータ処理速度を上げるために、アルゴリズムはＦＰＧＡユニット２１２またはＤＳＰユニット２１４において並列モードで実施される。較正データはメモリ２２４に格納される。低レベル処理１５８、高レベル処理１６２、信号調節１６４、統計情報および傾向変動分析１６６、ならびに制御関数１６８の結果もメモリに格納される。通信ユニット２２８は、メモリ２２４にアクセスし、ガスタービン制御装置１０６（図２）に、またはアクチュエータに直接的に、必要なデジタルまたはアナログのデータを出力することができる。
【００２４】
図６は、波長の関数として分光放射率をシミュレーションしたグラフ図２５０である。Ｘ軸２５２は波長をミクロン単位で表し、Ｙ軸２５４は、正規化された、したがって無次元の、分光放射率を表す。動作中、タービンブレードなどであるがこれに限定されない物体により放射される放射は、Ｈ2ＯとＣＯ2などの他の混合ガスの放射による吸収によって最小にでき、したがって信号対雑音比の測定値が低くなる。グラフ２５０は許容できる動作波長域を示す。ここで、このような混合ガスの放射は最小であり、したがって、信号対雑音比の高い測定値が得られる確率は最大になる。本明細書で示すように、曲線２５６は、Ｈ2ＯとＣＯ2の混合物の放射率を波長の関数として表す。同様に、曲線２６２は物体の実際の放射を表し、曲線２６４は高温ガスの放射を表す。したがって、許容できる動作波長域（Ｈ2ＯおよびＣＯ2の放射はごくわずかである）は、符号２６６が付されている、０．５〜１．１μｍ、１．２〜１．３μｍ、１．５〜１．７μｍ、２．０〜２．４μｍ、および３．５〜４．２μｍであることが推定され得る。
【００２５】
図７〜９は、スマートリアルタイム処理サブシステム１０２の機能の例示的な代替実施形態のブロック図表示である。たとえば、図７は、リアルタイム処理サブシステム１０２（図２）が制御装置１０６（図２）を介さずにアクチュエータ１０８（図２）を直接的に調整する一実施形態を示す。言い換えれば、リアルタイム処理サブシステムは、独立した制御装置として機能する。具体的には、検出器アレイ９２からの信号９６（図２）は、リアルタイム処理サブシステム１０２によって処理される。しかし、リアルタイム処理サブシステム１０２は、制御装置１０６に出力信号１０４（図２）を送る代わりに、アクチュエータ１０８（図２）を直接的に調整する。
【００２６】
図８は、リアルタイム処理サブシステム１０２の追加機能のブロック図表示である。温度／放射率の値が動作の所定の限界を超えた場合に、リアルタイム処理サブシステム１０２は、出力信号１０４（図２）に基づいて警報信号（複数可）２８２を生成する。さらに、生成された警報信号に基づいてエンジンを停止することができる。したがって、リアルタイム処理サブシステムは、非常用装置として機能することができる。
【００２７】
図９は、リアルタイム処理サブシステム１０２が制御装置１０６（図２）に出力信号１０４を送り、制御装置１０６がさらにアクチュエータ１０８を制御する例示的な実施形態のブロック図表示である。特定の実施形態では、制御装置１０６は、全般デジタルエンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ）である。このような一実施形態では、制御装置は、出力信号１０４に基づいて、さらなる操作に関する決定を行う。言い換えれば、リアルタイム処理サブシステム１０２は、既存の制御装置のスマートセンサとして機能することができる。一実施形態では、ｋｅｙｐｈａｓｏｒまたは外部トリガ９７（図２）もスマートリアルタイム処理サブシステム１０２に適用することができる。ｋｅｙｐｈａｓｏｒまたは外部トリガ９７は、少なくとも１つの高速多チャネルＡＤＣをガスタービンの周辺基準（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）と同期させ、ガスタービンの特定の部品を識別するために使用することができる。この機能は、物体がガスタービンブレードのような動きの速い物体である場合に特に重要である。ｋｅｙｐｈａｓｏｒまたは外部トリガ９７はまた、スマートリアルタイム放射温度測定システムを他の機器と同期させるために使用することができる。
【００２８】
図１０は、タービン部品の熱測定のための例示的な方法の各ステップを表す流れ図である。この方法は、ステップ３０２において、光学的イメージングサブシステムを介して、タービン部品によって放射された連続広波長域放射信号を受け取るステップを含む。ステップ３０４において、この放射信号を送り、波長分割サブシステムを介して複数のサブ波長域信号に分割する。ステップ３０６において、複数のサブ波長域信号を少なくとも１つの検出器アレイによって受け取り、それぞれのアナログ電圧信号を出力する。ステップ３０８において、このそれぞれの電圧信号をデジタル化し、デジタル電圧信号を出力する。ステップ３１２において、このデジタル信号をスマートリアルタイム処理サブシステムにより受け取り、デジタル電圧信号を点検して補償するステップを含む複数のステップで処理する。ステップ３１４において、参照用テーブルにより放射輝度温度を算出する。ステップ３１６では、この放射輝度温度、反射補正、および多波長信号に基づいてタービン部品の温度および放射率を計算する。ステップ３１８では、所定の期間、たとえば約１０マイクロ秒未満内に温度、放射率および他の複数のパラメータを示すデータが通信ユニットに送られる。一実施形態では、ステップ３２２において、安全限界内で動作するために、緊急警報信号を出力してタービンシステムを停止する。別の実施形態では、タービンの安全な動作を確保するために、受け取ったデータに基づいて１つまたは複数のアクチュエータを直接的にまたは間接的に（制御装置を介して）制御する。
【００２９】
したがって、上述のスマート温度測定システムの種々の実施形態は、タービンブレードなどであるがこれに限定されない物体の温度のリアルタイム測定のための簡便で効率的な手段を実現する方法を提供する。この技術は、システムの時間応答を著しく改善し、いくつかのパラメータのうち特に燃料噴射の望ましい調整を可能にする。さらに、システムは、温度および放射率の情報をどのように使用するかに応じて、独立した制御装置、非常用装置、および既存の制御システムのスマートセンサとして実施することができる。リアルタイム性能を多波長情報と組み合わせることによって、さらに、制御システムの冗長性、より高い温度精度、光学システムの汚染に対する耐性、および誤った低温または高温の物体温度を拒否するより高い信頼性をもたらす。この技術はまた、設計が単純で小型であることにより費用効率の高い手段を可能にする。この技術はまた、現在の制御ハードウェアおよびソフトウェアを修正しなくても既存のガスタービンシステムで容易に実施することができる。
【００３０】
必ずしも上述のすべてのこのような目的または利点がいずれかの特定の実施形態により達成されるわけではないことを理解されたい。したがって、たとえば、本明細書で教示する１つの利点または利点のグループを達成または最適化する方法で、本明細書で教示または示唆される他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で説明するシステムおよび技術を実施または実行できることが当業者には了解されよう。
【００３１】
さらに、異なる実施形態の種々の特徴が交換可能であることが当業者には理解されよう。同様に、説明する種々の特徴ならびに各特徴の周知の他の等価物は当業者により混合および適合され、本開示の原理に従って追加のシステムおよび技術を構築することができる。
【００３２】
本発明を限られた数の実施形態に関して詳細に説明したが、本発明はこのような開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明を修正し、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に相応する任意の数の変形、改変、置き換え、または等価な構成を組み入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態のいくつかのみを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると見なすべきである。
【００３３】
新規かつ米国の特許証により保証されることが望まれるものを、添付の特許請求の範囲において述べる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ガスタービンシステム
１１  アクチュエータ
１２  燃料噴射器
１４  燃料供給、燃料
１６  燃焼器
１８  タービン
１９  シャフト
２０  排気出口
２２  圧縮機、タービン部品
２４  空気取り入れ口
２６  負荷
３０  空気
３２  圧縮空気
３４  燃料−空気混合物
３６  光学的イメージングサブシステム、光学的イメージングシステム、光学システム
３８  光学的接続
３９  ビューイングポート
４０  波長分割サブシステム
４１  サブ波長域信号
４２  検出器アレイ
４３  アナログ電圧信号
４４  高速多チャネルアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
４５  デジタル電圧信号
４６  スマートリアルタイム処理サブシステム
５２  内蔵通信ユニット
５３  データ
５４  制御装置
６０  スマートリアルタイム放射温度測定システム
６２  光学的イメージングサブシステム
６４  光伝送サブシステム
６５  放射
６６  タービンＨＧＰ部品、タービンブレード
６８  連続広波長域放射信号
７２  サブ波長域信号
９２  検出器アレイ
９６  アナログ電圧信号
９７  ｋｅｙｐｈａｓｏｒまたは外部トリガユニット
９８  高速多チャネルＡＤＣ
９９  デジタル信号、出力
１０２  スマートリアルタイム処理サブシステム
１０４  出力信号、データ
１０６  ガスタービン制御装置、Ｉ／Ｏインタフェース
１０８  アクチュエータ
１１０  ガスタービン
１１２  未処理のデジタル信号データ、未処理の信号
１１６  バックグラウンド補正モジュール
１１８  バックグラウンド補正されたデータ
１２０  不均一補正または利得補正モジュール
１２２  不均一補正または利得補正されたデータ
１２４  不良信号置換モジュール
１２６  データ出力
１３２  較正モジュール
１３６  放射輝度温度、データ
１３８  多波長アルゴリズム
１４２  反射補正モジュール
１４６  反射補正されたデータ
１５２  未処理の温度および放射率データ
１５６  スマート信号処理アルゴリズム
１５８  低レベル処理
１６２  高レベル処理
１６４  信号調節
１６６  統計情報および傾向変動分析
１６８  制御関数、制御関数モジュール
１７４  高速多チャネルＡＤＣ
１７８  ノイズまたは対象でない信号の除去
１８２  フィルタ処理および補償
１８６  ログ傾向
２０２  出力データ
２１２  フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）ユニット
２１４  デジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット
２１６  入力信号
２２４  メモリ
２２８  通信ユニット
２３２  データ、信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2013148367000001.pdf