組成物を検出及び分析するためのシステム及び方法
【課題】 部品の表面上でレーザプラズマ分光を実施し、詳細には堆積物の浸透から損傷を受けやすい皮膜によって保護されたターボ機械部品上に集積する堆積物の範囲を具体的に検出し、分析し、決定するためのシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】本システムは、レーザエネルギー源と、レーザエネルギー源と相互接続されてレーザビームを受け取り、次に部品が静止状態の間に部品の表面上にレーザビームを配向し、表面区域を走査するプローブとを含む。該プローブは、部品の表面でレーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を集めるように更に構成される。本システムは、プローブから放射線を伝搬し、放射線をスペクトル分析するために装備される。
【解決手段】本システムは、レーザエネルギー源と、レーザエネルギー源と相互接続されてレーザビームを受け取り、次に部品が静止状態の間に部品の表面上にレーザビームを配向し、表面区域を走査するプローブとを含む。該プローブは、部品の表面でレーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を集めるように更に構成される。本システムは、プローブから放射線を伝搬し、放射線をスペクトル分析するために装備される。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、総括的には組成物を検出及び分析するためのシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、ターボ機械の運転環境における汚染物質の侵入によって損傷を受けやすい皮膜により保護されるタービン部品のような、高温に曝された部品に集積する汚染物質の範囲を検出、分析及び測定するためのシステム及び方法に関する。
【技術分野】
【０００２】
発電及び推進力用に利用されるガスタービンを含むターボ機械の高温セクション部品は、下にある部品基材の温度を低下させることにより部品の耐用年数を引き延ばすために、遮熱コーティング（ＴＢＣ）により保護されることが多い。セラミック材料及び具体的にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、高温性能、熱伝導率が低いこと、並びにプラズマ溶射、フレーム溶射及び物理的気相成長法（ＰＶＤ）技術による堆積が比較的容易であることに起因して、ＴＢＣ材料として広く使用されている。空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）のようなプラズマ溶射工程は、ある程度の不均一性及び多孔性によって特徴付けられる非柱状皮膜をもたらし、装置コストが比較的低く適用が容易であるといった利点を有する。ターボ機械の最大温度領域に使用するＴＢＣは、多くの場合、歪み耐性の柱状粒子構造をもたらすＰＶＤ、具体的には電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）によって堆積される。ある程度の多孔性を有する同様の柱状微細構造は、他の原子及び分子蒸気処理を用いて生成することができる。
【０００３】
有効であるために、ＴＢＣは、何回もの加熱及び冷却サイクル全体を通じて部品に強力に接着し且つ接着を維持する必要がある。後者の要件は、セラミック材料とこれらセラミック材料が保護する基材との間の熱膨張率（ＣＴＥ）が異なることに起因して特に過酷な要求であり、この基材は、通常超合金であるが、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）も使用される。接着を促進してＴＢＣの耐用年数を延ばすと共に、下にある基材を酸化及び高温腐食作用による損傷から保護するために、耐酸化性ボンドコートが利用される場合が多い。超合金基材上に用いるボンドコートは通常、ＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケル、及びＸはイットリウム、希土類元素、又は反応性元素）のような拡散アルミナイド皮膜又はオーバーレイコートの形態である。セラミックＴＢＣの堆積及びタービン運転中などのその後の高温への曝露の間、これらボンドコートは、ＴＢＣをボンドコートに接着する強固接着アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層又はスケールを形成する。
【０００４】
ＴＢＣシステムの耐用年数は通常、ボンドコート酸化、界面応力の増大、及び結果として生じる熱疲労によって引き起こされる剥離事象によって制限される。この剥離は、ボンドコートとＴＢＣとの間の酸化成長、及びＴＢＣ（セラミック）と基材（通常は金属）との間のＣＴＥ不整合に加え、ターボ機械の運転中にターボ機械の空気流内に存在する化合物でＴＢＣが汚染される結果として促進される可能性がある。顕著な汚染物質には、カルシア、マグネシア、アルミナ及びシリカなどの様々な酸化物の混合物が含まれ、これらの存在は、周囲の空気が、泥、火山灰、セメント粉塵、及び／又はこれらの酸化物を含有する他の物質の粒子状物質を含有するときにより広く行きわたるようになる。高温で共に存在するときには、カルシア、マグネシア、アルミナ及びシリカは、本明細書でＣＭＡＳと呼ばれる共晶化合物を形成することができる。ＣＭＡＳは、約１２２５℃の比較的低い溶融温度を有し（場合によってはその正確な組成にはあまり依存しない）、タービン運転時に溶融してＴＢＣのより低温の表面領域内の気孔に浸透することができるようになり、ここでＣＭＡＳが再凝固する。結果として、熱サイクル中のＴＢＣ剥離は、柱状及び多孔性粒子構造それぞれに侵入する溶融ＣＭＡＳの能力に起因して、柱状ＴＢＣ、特にＰＶＤ及びＡＰＳにより堆積されたＴＢＣの歪み耐性特性を妨げる浸透及び凝固ＣＭＡＳから生じる可能性が高い。ＣＭＡＳの別の弊害は、ボンドコート及びＴＢＣの下にある基材が、ＣＭＡＳの浸透に関連するアルカリ堆積物による腐食作用を受けやすいことである。最終的に、ＣＭＡＳ浸透の可能性は、ターボ機械の効率を高めるためにより高い運転温度が使用される程より高くなる点に留意されたい。
【０００５】
ＣＭＡＳによる浸透に耐性を示す皮膜材料を見出すために様々な研究が実施されてきた。注目すべき実施例は、同一出願人による米国特許第５６６０８８５号、第５６８３８２５号、第５８７１８２０号、第５９１４１８９号、第６４６５０９０号、第６６２７３２３号、第６７２００３８号、及び第６８９０６６８号、並びに米国特許出願第２００７／０１１６８８３号である。これらの公報の保護皮膜は、一般的にはＣＭＡＳに対して不透過性、犠牲的、又は非湿潤性であるように説明することができる。不透過性皮膜は、溶融ＣＭＡＳの浸透を物理的に阻止し、犠牲皮膜は、ＣＭＡＳと反応してその溶融温度及び／又は粘度を高めることによって浸透性を化学的に阻止し、更に、非湿潤性皮膜は、固体ＴＢＣと溶融ＣＭＡＳとの間の引力を低下させる。
【０００６】
上記のような皮膜技術の進歩にもかかわらず、ターボ機械部品のＴＢＣ上のＣＭＡＳを検出する能力は、極めて望ましいものになる。しかしながら、ＣＭＡＳの存在の確認には化学分析を必要とし、この化学分析は、従来の装置を使用した場合にはタービンから部品を取り外す必要があり、これは厄介な問題である。結果として、ＣＭＡＳ検出は通常、定期保守計画中に行われ、主として目視観察に基づいている。従って、ＣＭＡＳの存在を検出するためにより好都合且つあまり邪魔にならない技術に対する必要性が引き続きある。また、ＴＢＣ及びＴＢＣが保護する部品の耐用寿命を予測する能力が存在する場合には、ＣＭＡＳの存在に基づいて予測することが望ましいものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５６６０８８５号明細書
【特許文献２】米国特許第５６８３８２５号明細書
【特許文献３】米国特許第５８７１８２０号明細書
【特許文献４】米国特許第５９１４１８９号明細書
【特許文献５】米国特許第６４６５０９０号明細書
【特許文献６】米国特許第６６２７３２３号明細書
【特許文献７】米国特許第６７２００３８号明細書
【特許文献８】米国特許第６８９０６６８号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００７／０１１６８８３号明細書
【特許文献１０】米国特許第６７６２８３６号明細書
【特許文献１１】米国特許第７０１６０３５号明細書
【特許文献１２】米国特許第７０６４８２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、総括的にはレーザプラズマ分光を実施し、ターボ機械の高温ガス経路内の高温でＣＭＡＳの浸透から損傷を受けやすい皮膜によって保護されたターボ機械部品に集積するＣＭＡＳの範囲を検出、分析、及び決定することができるシステム及び方法を提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、本システムは、総括的にはレーザエネルギー源と、レーザエネルギー源と相互接続されてレーザビームを受け取るプローブとを含む。プローブは、外側部材と外側部材の内部にある少なくとも第１及び第２の内側部材とを含み、第１及び第２の内側部材の少なくとも１つが外側部材の内部で回転可能である。第１及び第２の内側部材の各々は、レーザビームを集束するためのレンズとプローブから出る前にレーザビームを再配向する手段とを備える。プローブは、プローブを出たレーザビームを部品の表面上に配向し且つ表面区域を走査するために部品が静止している間に操作できるように、プローブがターボ機械部品に十分に近接して固定的に位置決めすることができる外部構成を有する。プローブは、部品の表面でレーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を集めるように更に構成される。最後に、本システムは、プローブから放射線を伝搬するための手段と、プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析するための手段とを更に含む。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、本方法は、一般に、レーザエネルギー源によりレーザビームを発生させる段階と、レーザビームをターボ機械部品に隣接して固定的に位置決めされたプローブに伝搬する段階と、レーザビームがプローブを出て部品の表面上に配向され、表面区域を走査するために部品が静止している間に操作されるようにプローブを作動する段階と、部品の表面でレーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線をプローブで集める段階と、プローブから放射線を伝搬する段階と、プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析する段階とを含む。プローブは、ボアスコープ・プローブでターボ機械を検査するのに用いる既存のサイトホール・ポートのような開口部を通してターボ機械に挿入されるように適合することができる。
【００１１】
本発明のシステム及び方法は、好ましくは部品に致命的な損傷を引き起こさずに、部品に対して迅速な現場検査及び測定を実施することができる。検査及び分析は、ターボ機械が運転中でなくて冷却状態にあるときに、日常的な保守又は検査計画中に行うことができる。このような検査は、前の検査の結果と前の検査以降の部品の作動状態とに基づいて計画することができる。
【００１２】
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】タービンブレードが取り付けられた高圧タービンディスクの実施例を示す部分斜視図。
【図２】図１に示すブレードの翼形部表面上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムの部分断面図。
【図３】本発明の実施形態によるＣＭＡＳ検出及び分析システムを概略的に描いた図。
【図４】図２のＣＭＡＳ検出及び分析システムで用いるのに好適なビーム集束及び操向プローブの概略図。
【図５】図２のＣＭＡＳ検出及び分析システムで用いるのに好適なビーム集束及び操向プローブの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、発電及び推進力用の使用されるガスタービンを含むターボ機械のタービン部品に関して説明されるが、本発明は、熱的及び化学的に過酷な環境内で作動する様々な部品で利用できる点は理解されたい。議論する目的で、高圧タービン組立体１０の一部分が図１に示されている。タービン組立体１０は、全体的には公知のタイプのものとして表わされ、ディスク１４に取り付けられた高圧タービンブレード１２を含む。ブレード１２は、鉄、ニッケル又はコバルト基の超合金で作ることができるが、通常はニッケル基超合金が好ましい。ブレード１２は、ディスク１４の外周に形成されたダブテールスロット１８と相互に連結するダブテール１６によりタービンディスク１４に個々に係止される。各ブレード１２は、翼形部２０及びプラットホーム２２を有し、ターボ機械の運転中にこれらに高温燃焼ガスが向けられ、従って、これらの表面は、酸化、高温腐食及び浸食並びにＣＭＡＳによる汚染によって過酷な作用を受ける。
【００１５】
翼形部１２の表面は、ＴＢＣシステム２４によって保護され、図２では、ブレード１２の表面の上にある金属ボンドコート２６を含むように示されている。ターボ機械の部品用のＴＢＣシステムで広く実施される場合、ボンドコート２６は、ＭＣｒＡｌＸ合金のオーバーレイコート、又は拡散アルミナイド又は拡散プラチナアルミナイドのような拡散皮膜などのアルミニウムリッチ組成とすることができ、これらの全ては、当技術分野で公知である。アルミニウムリッチボンドコートは、ボンドコート２６の酸化の結果として成長する酸化アルミニウム（アルミナ）スケール２８を生じる。アルミナスケール２８は、断熱材料で形成されたＴＢＣ３０をボンドコート２６に化学的に結合する。図２のＴＢＣ３０は、柱状粒子３２の歪み耐性微細構造を有するものとして表わされる。当技術分野で公知のように、このような柱状微細構造は、ＥＢＰＶＤのような物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いてＴＢＣ３０を堆積することによって得ることができる。本発明はまた、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）を含むプラズマ溶射のような方法によって堆積された非柱状ＴＢＣにも適用可能である。このタイプのＴＢＣは、溶融「スプラット」の形態であり、結果として不規則な平坦化（従って非柱状）粒子並びにある程度の不均一性及び多孔性により特徴付けられる微細構造をもたらす。先行技術のＴＢＣと同様に、本発明のＴＢＣ３０は、ブレード１２に対する必要な熱保護を提供するのに十分な厚さまで堆積することを意図している。ＴＢＣ３０用の一般的な材料は、約３から約８重量パーセントのイットリア（３−８％ＹＳＺ）を含有する組成物のようなイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であるが、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア、セリア、スカンジア又は他の酸化物によって部分的又は完全に安定化されたジルコニアを非限定的に含む他のセラミック材料を使用することができる。
【００１６】
本発明が特に関心があるのは、ＴＢＣ３０の表面３８上の堆積物３６のような、図２に示されたＣＭＡＳによる作用に対してＴＢＣ３０が影響を受けやすいことである。上記で議論されたように、ＣＭＡＳは、溶融されると柱状及び非柱状ＴＢＣ内に間隙、空隙、その他によって形成される気孔３４に浸透し、その後熱サイクル中にＴＢＣ剥離を促進するように再凝固することができる比較的低溶融化合物である。この問題に対処するために、本発明は、ターボ機械ハードウェア上のＣＭＡＳ堆積物の早期検出のためのシステム及び方法を提案する。本システム及び方法は、有利には、タービンからブレード１２を取り外すことなく利用することができ、ＴＢＣ３０を損傷することなくＣＭＡＳの存在を検出することができる。そうすることによって、本発明はまた、ＴＢＣ３０及び従ってＴＢＣ３０が保護するブレード１２の耐用寿命を予測するための能力を提供する。
【００１７】
図３は、本発明の実施形態によるＣＭＡＳ検出及び分析システム４０のブロック図である。システム４０は、レーザ誘起破壊分光法（ＬＩＢＳ）及びレーザ誘起プラズマ分光法（ＬＩＰＳ）としても知られるレーザパルス分光法（ＬＰＳ）を利用する。当技術分野で知られるように、ＬＰＳは、物質の小部分を蒸発させ（切除）てスペクトル分析のために後で収集される物質内の元素の特徴的な原子輝線を含む発光プラズマを発生させるのに十分な出力密度で物質上にパルスレーザビームを投影することを伴う。図３では、レーザビーム４２は、ブレード１２のＴＢＣ皮膜表面上にパルス状に投影（例えば、図１及び２）されるように表され、結果としてＴＢＣ３０の小部分及びＴＢＣ表面３８上のあらゆる堆積物３６の蒸発を生じ（例えば、図２）、発光プラズマ（図示せず）を発生する。次にＬＰＳ技術は、プラズマ内の特徴的な原子輝線（特性放射線）を利用して、ＴＢＣ３０上又は内部に存在するあらゆる堆積物の組成を検出し分析する。皮膜及び皮膜堆積物の組成を分析するためのＬＰＳ技術の利用は、同一出願人によるＢｅｎｉｃｅｗｉｃｚ他の米国特許第６７６２８３６号、Ｗｕ他の米国特許第７０１６０３５号、及びＶｉｅｒｔｌ他の米国特許第７０６４８２５号に開示されており、組成及びＬＰＳベースシステムの作動に関するこれらの内容は、引用により本明細書に組み込まれる。
【００１８】
本発明は、ブレード１２の様々な比較的大きな表面領域、並びにターボ機械の高温ガス経路内の他の部品表面上に現れることができるＣＭＡＳ堆積物に関する。従って、図３に示すシステム４０の好ましい態様は、ＴＢＣ３０の比較的大きな表面領域を横断するレーザビーム４２を投影する能力である。本発明の別の好ましい態様によれば、レーザビーム４２は、ブレード１２がタービン内に設置されたままである間にタービン組立体１０のブレード１２に配向することができる。
【００１９】
システム４０は、電磁スペクトルの近赤外線領域においてエネルギーを発生する、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ４４によりパルスレーザビーム４２を発生するように図３に表わされている。他のレーザ発生器は、例えば、可視及び紫外領域においてエネルギーを発生する「エキシマー（励起二重体）」タイプを利用することができる点は予測できる。レーザ４４から、ビーム４２は、ビーム分割光学素子４６を通過した後、コヒーレントファイバ束のようなファイバ光学素子４８を介してブレード１２に伝送されて、ビーム集束及び操向プローブ５０によりブレード１２の表面上に集束される。ＬＰＳシステムにおいて一般的であるように、レーザ４４は、基本波長又は調和波長のいずれかのレーザ光、或いは標的物質（この場合は、ＴＢＣ３０の表面３８上のＣＭＡＳ堆積物３６である）の発光プラズマを蒸発及び形成するのに十分に高い集光強度を発生させることができるあらゆる高ピーク出力パルスレーザを発生するよう動作される。従って、検出される主な元素は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの酸化物である。この目的のための好適なレーザビーム出力密度は、約３ＧＷ／ｃｍ２以上であると考えられる。タービン組立体１０がタービン内に設置されたままの間にレーザの使用を可能にするために、レーザ４４は、好ましくは小型で可搬性であり、レーザビーム４２に意図せずに曝露されるリスクを制限するため光不透過性ハウジング（図示せず）内に収容されるのが好ましい。
【００２０】
プラズマを発生するためのレーザビーム４２による励起後、プラズマの遅延分光計側を用いて、プラズマ内の様々な特定の過渡種を検出し測定する。レーザビーム４２は、好ましくは多重測定が実施されるようにパルス化され、各測定はレーザパルスに従う。ＴＢＣ３０中の元の元素（ＹＳＺで形成された場合には、ジルコニウム、イットリウム、及び酸素など）の知見を用いて、プラズマから放射されたこれらの特性原子輝線（特性放射線）の強度を測定することによって、プラズマ中の元素を検出し、その量を定量的に決定することができる。検出及びスペクトル分析は、プローブ５０でプラズマから放射される特性放射線を集めて、該特性放射線をファイバ光学素子４８を通してビーム分割光学素子４６に導いて戻し、ビーム分割光学素子４６が放射線を高速デジタル分光計６０に配向することにより実施される。分光計６０は、放射線を増倍電荷結合デバイス（ＩＣＣＤ）６２又は例えば光ダイオードアレイ（ＰＤＡ）のような別の好適なアレイ検出器上にスペクトルで分散させて集束する。次いで、コンピュータ６４を利用して、ＩＣＣＤ６２から得られたスペクトルデータを表示、記憶、及び操作することができる。コンピュータ６４は、好ましくは、リアルタイムで複数プラズマ事象からの発光スペクトルを分析することができ、将来の評価のためにデータを表示又は保存する。これらの動作を実施するための様々な市販のソフトウエアパッケージが公知であり、コンピュータ６４をプログラムするために利用可能であるが、本明細書では詳細には検討しない。
【００２１】
システム４０の実施は、ＣＭＡＳの構成元素、すなわちカルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの固有波長の強度を測定し比較する段階を含む。従って、分光計６０は、好ましくは、少なくとも４つの元素を選択的に追跡するためのスペクトル範囲を有するが、より多くの元素の追跡も予測できる。励起効率の自然差違に対して適切な補正を用いて、補正された強度の比率は、レーザビーム４２によって蒸発したこれら及び他の元素の比率を提供し、ＣＭＡＳ堆積物３６の化学量論的組成を確定することができる。ＴＢＣ３０上に存在するＣＭＡＳ堆積物３６の量及び化学的性質の検出並びに定量的決定に加えて、ＣＭＡＳ元素の特性スペクトルは、深さの関数として特徴付けることができ、この深さの関数から、ＣＭＡＳがＴＢＣ３０に浸透した発生度及び場合によってはその範囲を測定することもできる。いずれの場合においても、タービン運転時間、温度、その他などの他の利用可能なデータとＣＭＡＳ測定値とを組み合わせることによって、ブレード１２上に存在するＣＭＡＳ堆積物３６の量に基づいてＴＢＣ３０及びＴＢＣ３０が保護するブレード１２の寿命を予測することが可能である。
【００２２】
図３は更に、システム４０の運転をタービン組立体１０の回転と同期させるためのデバイス６６に接続されたコンピュータ６４を更に示している。コンピュータ６４及び同期デバイス６６は、タービン組立体１０が固定され、増分的に回転され、又は連続的に回転される間にシステム１０によって個々に順次的に分析することができるように、システム４０を制御することができる。従って、システム４０は、ターボ機械のシャットダウン又は運転中に検査を実施することができる。コンピュータ６４はまた、プローブ５０の温度を制御するために冷却システム６８に結合されて示されている。このような能力は、任意選択的なものであるが、システム４０に対して想定される好ましい用途に照らして望ましく、このシステム４０におけるプローブ５０は、ボアスコープを用いた検査用の発電タービンのタービン壁に共通して見出されるサイトホール・ポート、又はこの目的のために設置することができる付加的な検査ポートなどを通って、シャットダウンの間にタービンに挿入されるように構成される。図３では、プローブ５０は、ブレード１２の比較的広い表面領域の調査を可能にするためにレーザビーム４２の好適な操作が望ましいように、タービン壁７２中のサイトホール・ポート７０の内部にほぼ固定位置にあるものとして表わされている。この目的のために、プローブ５０は、レンズ５２及び５４並びにビームデフレクタ５６及び５８の複合セットを含む組立体であるように表わされ、このビームデフレクタは、プリズムとして描かれているが、連接型ミラー配列を含む、レーザビーム４２を再配向することができる他の光学デバイスを用いることができることは明らかになる。
【００２３】
図４及び５は、ブレード１２の翼形部２０のような複雑な表面上のＣＭＡＳ測定を可能にすることができる特徴部を備えた、ビーム操向及び集束プローブ５０についての構成を描いている。プローブ５０は、２つの内側スリーブ７６及び７８を含み且つ支持する外側スリーブ７４を有して表わされている。スリーブ７４、７６、及び７８は、管状形状であるのが好ましいが、必ずしも断面が円形である必要はない。更に、内側スリーブ７６及び７８の少なくとも１つ及び好ましくは両方は、軸受８０によって支持され、該軸受により、スリーブ７６及び７８が、外側スリーブ７４と共に共通軸の周りを回転し、外側スリーブ７４内で直線的に（長手方向に）並進することが可能になる。図３に示す実施を用いる場合、外側スリーブ７４は、好ましくはサイトホール・ポート７０と緊密に嵌合するような大きさ及び構成にされる。ファイバ光学素子４８は、第１の内側スリーブ７６に結合され、レーザビーム４２をレンズ５２に配向し、次いで、公知の光学原理に基づいてビーム４２をビームデフレクタ５６上に集束する。図４及び５から明らかなように、レンズ５２及びビームデフレクタ５６の第１のセットは、第１の内側スリーブ７６内に取り付けられ、レンズ５４及びビームデフレクタ５８の第２のセットは、第２の内側スリーブ７８内に取り付けられ、これらのうちの第２のセットは、プローブ５０がサイトホール・ポート７０内に取り付けられたときに、翼形部２０に最も近くに配置されるプローブ５０の遠位端部に配置される。
【００２４】
一方又は両方の内側スリーブ７６及び７８を回転及び／又は並進させることによって、ビームデフレクタ５６及び５８は、広い範囲の焦点深度をカバーすることができ、更に、図４及び５を比較することで明らかなように翼形部２０の表面上、及び任意選択的に更に翼形部２０から離れた様々な場所に向けてビーム４２を偏向し集束することができる。コンピュータ６４が用いるためにビーム４２を集束するためのパラメータの表を求めることができる。ブレード１２に対するプローブ５０の位置が、翼形部データに対して既知である場合には、翼形部２０についてのＣＡＤデータを用いて、ＣＭＡＳ堆積物３６についてビーム４２で走査されるときに、翼形部２０の表面上に移動焦点を提供することができる。実際には、翼形部表面のラスター走査領域は、プローブ５０によって調べることができる。ＣＭＡＳ浸透及びこの結果として生じる損傷は、タービン運転中に翼形部２０の表面にわたって存在する様々な温度レベルによって影響を受けるので、このような能力は特に有益である。様々なタービンの運転状態中に翼形部２０上の高温スポットの知見を用いて、プローブ５０を利用し、ＣＭＡＳ堆積物３６の傾向が最も高い可能性がある翼形部２０のある表面区域を特に調べることができる。
【００２５】
プローブ５０は、外側スリーブ７４内及び互いに対してスリーブ７６及び７８を回転し直線的に並進するようにコンピュータ６４によって制御される電動ユニット８２（図３）を備えることができる。このようにして、コンピュータ６４を利用して、互いに対して内側スリーブ７６及び７８を直線的に移動させることによって様々な焦点距離にビーム４２を集束し、互いに対して一方又は両方の内側スリーブ７６及び７８を回転させることによってビーム４２を操向することができ、その結果プローブ５０は、多様な走査を実施することができる。例えば、２つの内側スリーブ７６及び７８が、コンピュータ６４によって反対方向に同速度で回転するように制御される場合、ビーム４２は、翼形部２０の表面上でライン走査を実施する。スリーブ７６及び７８が、同方向（時計回り又は反時計回りのいずれか）であるが異なる速度で回転する場合には、ビーム４２は、螺旋状走査或いはほぼ円形走査を実施するよう操作することができる。走査速度を段階的にすることによって、ビーム４２が実施する走査は、一連のリングを含むパターンの形態とすることができる。当業者であれば、スリーブ７６及び７８を互いに対して同方向、反対方向、同速度、及び異なる速度で回転及び直線的に並進させることができる結果として、付加的な走査パターンも実施可能であり、本発明の範囲内にある点は理解されるであろう。
【００２６】
当業者はまた、ビームデフレクタ５６及び５８用のプリズムの代わりにミラーを用いる場合には、デフレクタ５６及び５８の向きは、図４及び５に示すのとは異なるものになるが、翼形部２０の表面を走査するためのビーム４２操作の全体の概念は同じであることは理解されるであろう。ミラーを用いる場合、図４及び５に示す平面に垂直な平面でビーム４２を偏向するために、直交ミラーが更に利用されることになる。
【００２７】
以上のことから、システム４０及びプローブ５０を用いて、定期保守計画に限定されることなく、且つ単に目視観察に依存することなく、タービンブレード１２（並びにタービンの他の高温ガス経路の部品）に対するＣＭＡＳ堆積物３６の重大度を検出、測定、及び評価することができる点は理解できる。或いは、システム４０及びプローブ５０は、保守ベースから状態ベースへのＣＭＡＳ検査計画を変更するための基礎を提供する。ＣＭＡＳ堆積物３６の量及び場所、並びにＣＭＡＳ堆積物３６及び他のあらゆる堆積物の何らかの化学的プロフィールの変化の知見を用いて、ＴＢＣ剥離及び最終的には部品の故障につながるＣＭＡＳ溶融の発生を最小限にするようターボ機械の熱プロフィールを調整できることは予測できる。
【００２８】
有利には、システム４０及びプローブ５０は通常、一連の小さなパルスを用いて所望の分析を実施することができ、除去される物質の量は、あらゆる所与の場所で使用されるレーザパルスの強度及び数により調整可能である。好適な結果は、約２０ミル（約０．５ミリメートル）の直径の表面領域から物質の約１ナノメートルを蒸発させることによって得ることができると想定されるが、これよりも多いか少ない量も可能である。表面分析は、表面処理を必要とせずに実施することができる。その結果、本発明の注目すべき潜在的利点は、部品に対して致死的損傷を引き起こすことなくターボ機械内の部品に対して実施する迅速な現場検査及び測定能力を含むことができる。このような検査は、前の検査の結果と前の検査以降の部品の作動状態とに基づいて計画することができる。更に、システム４０及びプローブ５０は、プローブ５０の遠隔作動を可能にするよう構成することができる。
【００２９】
本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者は他の形態を採用できることは明らかである。例えば、開示された実施形態を参照しながら示され説明された装置及び機器の代わりに、機能的に同等の装置及び機器を使用できることは予測できる。更に、開示された本発明は、ターボ機械部品上へのＣＭＡＳ堆積物の検出に限定されず、表面のスペクトル分析が望ましい他の環境において適用することができる。従って、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるものとする。
【符号の説明】
【００３０】
１０ タービン組立体
１２ タービンブレード
１４ ディスク
１６ ダブテール
１８ ダブテールスロット
２０ 翼形部
２２ プラットホーム
２４ ＴＢＣシステム
２６ ボンドコート
２８ 酸化アルミニウム（アルミナ）スケール
３０ ＴＢＣ
３２ 柱状粒子
３６ 堆積物
３８ 表面
４０ システム
４２ レーザビーム
４４ レーザ
４６ ビーム分割光学素子
４８ ファイバ光学素子
５０ プローブ
５２、５４ レンズ
５６、５８ ビームデフレクタ
６０ 分光計
６２ 増倍電荷結合デバイス（ＩＣＣＤ）
６４ コンピュータ
６６ デバイス
６８ 冷却システム
７０ サイトホール・ポート
７２ タービン壁
７４、７６、７８ スリーブ
８０ 軸受
８２ 電動ユニット
【背景技術】
【０００１】
本発明は、総括的には組成物を検出及び分析するためのシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、ターボ機械の運転環境における汚染物質の侵入によって損傷を受けやすい皮膜により保護されるタービン部品のような、高温に曝された部品に集積する汚染物質の範囲を検出、分析及び測定するためのシステム及び方法に関する。
【技術分野】
【０００２】
発電及び推進力用に利用されるガスタービンを含むターボ機械の高温セクション部品は、下にある部品基材の温度を低下させることにより部品の耐用年数を引き延ばすために、遮熱コーティング（ＴＢＣ）により保護されることが多い。セラミック材料及び具体的にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、高温性能、熱伝導率が低いこと、並びにプラズマ溶射、フレーム溶射及び物理的気相成長法（ＰＶＤ）技術による堆積が比較的容易であることに起因して、ＴＢＣ材料として広く使用されている。空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）のようなプラズマ溶射工程は、ある程度の不均一性及び多孔性によって特徴付けられる非柱状皮膜をもたらし、装置コストが比較的低く適用が容易であるといった利点を有する。ターボ機械の最大温度領域に使用するＴＢＣは、多くの場合、歪み耐性の柱状粒子構造をもたらすＰＶＤ、具体的には電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）によって堆積される。ある程度の多孔性を有する同様の柱状微細構造は、他の原子及び分子蒸気処理を用いて生成することができる。
【０００３】
有効であるために、ＴＢＣは、何回もの加熱及び冷却サイクル全体を通じて部品に強力に接着し且つ接着を維持する必要がある。後者の要件は、セラミック材料とこれらセラミック材料が保護する基材との間の熱膨張率（ＣＴＥ）が異なることに起因して特に過酷な要求であり、この基材は、通常超合金であるが、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）も使用される。接着を促進してＴＢＣの耐用年数を延ばすと共に、下にある基材を酸化及び高温腐食作用による損傷から保護するために、耐酸化性ボンドコートが利用される場合が多い。超合金基材上に用いるボンドコートは通常、ＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケル、及びＸはイットリウム、希土類元素、又は反応性元素）のような拡散アルミナイド皮膜又はオーバーレイコートの形態である。セラミックＴＢＣの堆積及びタービン運転中などのその後の高温への曝露の間、これらボンドコートは、ＴＢＣをボンドコートに接着する強固接着アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層又はスケールを形成する。
【０００４】
ＴＢＣシステムの耐用年数は通常、ボンドコート酸化、界面応力の増大、及び結果として生じる熱疲労によって引き起こされる剥離事象によって制限される。この剥離は、ボンドコートとＴＢＣとの間の酸化成長、及びＴＢＣ（セラミック）と基材（通常は金属）との間のＣＴＥ不整合に加え、ターボ機械の運転中にターボ機械の空気流内に存在する化合物でＴＢＣが汚染される結果として促進される可能性がある。顕著な汚染物質には、カルシア、マグネシア、アルミナ及びシリカなどの様々な酸化物の混合物が含まれ、これらの存在は、周囲の空気が、泥、火山灰、セメント粉塵、及び／又はこれらの酸化物を含有する他の物質の粒子状物質を含有するときにより広く行きわたるようになる。高温で共に存在するときには、カルシア、マグネシア、アルミナ及びシリカは、本明細書でＣＭＡＳと呼ばれる共晶化合物を形成することができる。ＣＭＡＳは、約１２２５℃の比較的低い溶融温度を有し（場合によってはその正確な組成にはあまり依存しない）、タービン運転時に溶融してＴＢＣのより低温の表面領域内の気孔に浸透することができるようになり、ここでＣＭＡＳが再凝固する。結果として、熱サイクル中のＴＢＣ剥離は、柱状及び多孔性粒子構造それぞれに侵入する溶融ＣＭＡＳの能力に起因して、柱状ＴＢＣ、特にＰＶＤ及びＡＰＳにより堆積されたＴＢＣの歪み耐性特性を妨げる浸透及び凝固ＣＭＡＳから生じる可能性が高い。ＣＭＡＳの別の弊害は、ボンドコート及びＴＢＣの下にある基材が、ＣＭＡＳの浸透に関連するアルカリ堆積物による腐食作用を受けやすいことである。最終的に、ＣＭＡＳ浸透の可能性は、ターボ機械の効率を高めるためにより高い運転温度が使用される程より高くなる点に留意されたい。
【０００５】
ＣＭＡＳによる浸透に耐性を示す皮膜材料を見出すために様々な研究が実施されてきた。注目すべき実施例は、同一出願人による米国特許第５６６０８８５号、第５６８３８２５号、第５８７１８２０号、第５９１４１８９号、第６４６５０９０号、第６６２７３２３号、第６７２００３８号、及び第６８９０６６８号、並びに米国特許出願第２００７／０１１６８８３号である。これらの公報の保護皮膜は、一般的にはＣＭＡＳに対して不透過性、犠牲的、又は非湿潤性であるように説明することができる。不透過性皮膜は、溶融ＣＭＡＳの浸透を物理的に阻止し、犠牲皮膜は、ＣＭＡＳと反応してその溶融温度及び／又は粘度を高めることによって浸透性を化学的に阻止し、更に、非湿潤性皮膜は、固体ＴＢＣと溶融ＣＭＡＳとの間の引力を低下させる。
【０００６】
上記のような皮膜技術の進歩にもかかわらず、ターボ機械部品のＴＢＣ上のＣＭＡＳを検出する能力は、極めて望ましいものになる。しかしながら、ＣＭＡＳの存在の確認には化学分析を必要とし、この化学分析は、従来の装置を使用した場合にはタービンから部品を取り外す必要があり、これは厄介な問題である。結果として、ＣＭＡＳ検出は通常、定期保守計画中に行われ、主として目視観察に基づいている。従って、ＣＭＡＳの存在を検出するためにより好都合且つあまり邪魔にならない技術に対する必要性が引き続きある。また、ＴＢＣ及びＴＢＣが保護する部品の耐用寿命を予測する能力が存在する場合には、ＣＭＡＳの存在に基づいて予測することが望ましいものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５６６０８８５号明細書
【特許文献２】米国特許第５６８３８２５号明細書
【特許文献３】米国特許第５８７１８２０号明細書
【特許文献４】米国特許第５９１４１８９号明細書
【特許文献５】米国特許第６４６５０９０号明細書
【特許文献６】米国特許第６６２７３２３号明細書
【特許文献７】米国特許第６７２００３８号明細書
【特許文献８】米国特許第６８９０６６８号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００７／０１１６８８３号明細書
【特許文献１０】米国特許第６７６２８３６号明細書
【特許文献１１】米国特許第７０１６０３５号明細書
【特許文献１２】米国特許第７０６４８２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、総括的にはレーザプラズマ分光を実施し、ターボ機械の高温ガス経路内の高温でＣＭＡＳの浸透から損傷を受けやすい皮膜によって保護されたターボ機械部品に集積するＣＭＡＳの範囲を検出、分析、及び決定することができるシステム及び方法を提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、本システムは、総括的にはレーザエネルギー源と、レーザエネルギー源と相互接続されてレーザビームを受け取るプローブとを含む。プローブは、外側部材と外側部材の内部にある少なくとも第１及び第２の内側部材とを含み、第１及び第２の内側部材の少なくとも１つが外側部材の内部で回転可能である。第１及び第２の内側部材の各々は、レーザビームを集束するためのレンズとプローブから出る前にレーザビームを再配向する手段とを備える。プローブは、プローブを出たレーザビームを部品の表面上に配向し且つ表面区域を走査するために部品が静止している間に操作できるように、プローブがターボ機械部品に十分に近接して固定的に位置決めすることができる外部構成を有する。プローブは、部品の表面でレーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を集めるように更に構成される。最後に、本システムは、プローブから放射線を伝搬するための手段と、プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析するための手段とを更に含む。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、本方法は、一般に、レーザエネルギー源によりレーザビームを発生させる段階と、レーザビームをターボ機械部品に隣接して固定的に位置決めされたプローブに伝搬する段階と、レーザビームがプローブを出て部品の表面上に配向され、表面区域を走査するために部品が静止している間に操作されるようにプローブを作動する段階と、部品の表面でレーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線をプローブで集める段階と、プローブから放射線を伝搬する段階と、プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析する段階とを含む。プローブは、ボアスコープ・プローブでターボ機械を検査するのに用いる既存のサイトホール・ポートのような開口部を通してターボ機械に挿入されるように適合することができる。
【００１１】
本発明のシステム及び方法は、好ましくは部品に致命的な損傷を引き起こさずに、部品に対して迅速な現場検査及び測定を実施することができる。検査及び分析は、ターボ機械が運転中でなくて冷却状態にあるときに、日常的な保守又は検査計画中に行うことができる。このような検査は、前の検査の結果と前の検査以降の部品の作動状態とに基づいて計画することができる。
【００１２】
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】タービンブレードが取り付けられた高圧タービンディスクの実施例を示す部分斜視図。
【図２】図１に示すブレードの翼形部表面上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムの部分断面図。
【図３】本発明の実施形態によるＣＭＡＳ検出及び分析システムを概略的に描いた図。
【図４】図２のＣＭＡＳ検出及び分析システムで用いるのに好適なビーム集束及び操向プローブの概略図。
【図５】図２のＣＭＡＳ検出及び分析システムで用いるのに好適なビーム集束及び操向プローブの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、発電及び推進力用の使用されるガスタービンを含むターボ機械のタービン部品に関して説明されるが、本発明は、熱的及び化学的に過酷な環境内で作動する様々な部品で利用できる点は理解されたい。議論する目的で、高圧タービン組立体１０の一部分が図１に示されている。タービン組立体１０は、全体的には公知のタイプのものとして表わされ、ディスク１４に取り付けられた高圧タービンブレード１２を含む。ブレード１２は、鉄、ニッケル又はコバルト基の超合金で作ることができるが、通常はニッケル基超合金が好ましい。ブレード１２は、ディスク１４の外周に形成されたダブテールスロット１８と相互に連結するダブテール１６によりタービンディスク１４に個々に係止される。各ブレード１２は、翼形部２０及びプラットホーム２２を有し、ターボ機械の運転中にこれらに高温燃焼ガスが向けられ、従って、これらの表面は、酸化、高温腐食及び浸食並びにＣＭＡＳによる汚染によって過酷な作用を受ける。
【００１５】
翼形部１２の表面は、ＴＢＣシステム２４によって保護され、図２では、ブレード１２の表面の上にある金属ボンドコート２６を含むように示されている。ターボ機械の部品用のＴＢＣシステムで広く実施される場合、ボンドコート２６は、ＭＣｒＡｌＸ合金のオーバーレイコート、又は拡散アルミナイド又は拡散プラチナアルミナイドのような拡散皮膜などのアルミニウムリッチ組成とすることができ、これらの全ては、当技術分野で公知である。アルミニウムリッチボンドコートは、ボンドコート２６の酸化の結果として成長する酸化アルミニウム（アルミナ）スケール２８を生じる。アルミナスケール２８は、断熱材料で形成されたＴＢＣ３０をボンドコート２６に化学的に結合する。図２のＴＢＣ３０は、柱状粒子３２の歪み耐性微細構造を有するものとして表わされる。当技術分野で公知のように、このような柱状微細構造は、ＥＢＰＶＤのような物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いてＴＢＣ３０を堆積することによって得ることができる。本発明はまた、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）を含むプラズマ溶射のような方法によって堆積された非柱状ＴＢＣにも適用可能である。このタイプのＴＢＣは、溶融「スプラット」の形態であり、結果として不規則な平坦化（従って非柱状）粒子並びにある程度の不均一性及び多孔性により特徴付けられる微細構造をもたらす。先行技術のＴＢＣと同様に、本発明のＴＢＣ３０は、ブレード１２に対する必要な熱保護を提供するのに十分な厚さまで堆積することを意図している。ＴＢＣ３０用の一般的な材料は、約３から約８重量パーセントのイットリア（３−８％ＹＳＺ）を含有する組成物のようなイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であるが、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア、セリア、スカンジア又は他の酸化物によって部分的又は完全に安定化されたジルコニアを非限定的に含む他のセラミック材料を使用することができる。
【００１６】
本発明が特に関心があるのは、ＴＢＣ３０の表面３８上の堆積物３６のような、図２に示されたＣＭＡＳによる作用に対してＴＢＣ３０が影響を受けやすいことである。上記で議論されたように、ＣＭＡＳは、溶融されると柱状及び非柱状ＴＢＣ内に間隙、空隙、その他によって形成される気孔３４に浸透し、その後熱サイクル中にＴＢＣ剥離を促進するように再凝固することができる比較的低溶融化合物である。この問題に対処するために、本発明は、ターボ機械ハードウェア上のＣＭＡＳ堆積物の早期検出のためのシステム及び方法を提案する。本システム及び方法は、有利には、タービンからブレード１２を取り外すことなく利用することができ、ＴＢＣ３０を損傷することなくＣＭＡＳの存在を検出することができる。そうすることによって、本発明はまた、ＴＢＣ３０及び従ってＴＢＣ３０が保護するブレード１２の耐用寿命を予測するための能力を提供する。
【００１７】
図３は、本発明の実施形態によるＣＭＡＳ検出及び分析システム４０のブロック図である。システム４０は、レーザ誘起破壊分光法（ＬＩＢＳ）及びレーザ誘起プラズマ分光法（ＬＩＰＳ）としても知られるレーザパルス分光法（ＬＰＳ）を利用する。当技術分野で知られるように、ＬＰＳは、物質の小部分を蒸発させ（切除）てスペクトル分析のために後で収集される物質内の元素の特徴的な原子輝線を含む発光プラズマを発生させるのに十分な出力密度で物質上にパルスレーザビームを投影することを伴う。図３では、レーザビーム４２は、ブレード１２のＴＢＣ皮膜表面上にパルス状に投影（例えば、図１及び２）されるように表され、結果としてＴＢＣ３０の小部分及びＴＢＣ表面３８上のあらゆる堆積物３６の蒸発を生じ（例えば、図２）、発光プラズマ（図示せず）を発生する。次にＬＰＳ技術は、プラズマ内の特徴的な原子輝線（特性放射線）を利用して、ＴＢＣ３０上又は内部に存在するあらゆる堆積物の組成を検出し分析する。皮膜及び皮膜堆積物の組成を分析するためのＬＰＳ技術の利用は、同一出願人によるＢｅｎｉｃｅｗｉｃｚ他の米国特許第６７６２８３６号、Ｗｕ他の米国特許第７０１６０３５号、及びＶｉｅｒｔｌ他の米国特許第７０６４８２５号に開示されており、組成及びＬＰＳベースシステムの作動に関するこれらの内容は、引用により本明細書に組み込まれる。
【００１８】
本発明は、ブレード１２の様々な比較的大きな表面領域、並びにターボ機械の高温ガス経路内の他の部品表面上に現れることができるＣＭＡＳ堆積物に関する。従って、図３に示すシステム４０の好ましい態様は、ＴＢＣ３０の比較的大きな表面領域を横断するレーザビーム４２を投影する能力である。本発明の別の好ましい態様によれば、レーザビーム４２は、ブレード１２がタービン内に設置されたままである間にタービン組立体１０のブレード１２に配向することができる。
【００１９】
システム４０は、電磁スペクトルの近赤外線領域においてエネルギーを発生する、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ４４によりパルスレーザビーム４２を発生するように図３に表わされている。他のレーザ発生器は、例えば、可視及び紫外領域においてエネルギーを発生する「エキシマー（励起二重体）」タイプを利用することができる点は予測できる。レーザ４４から、ビーム４２は、ビーム分割光学素子４６を通過した後、コヒーレントファイバ束のようなファイバ光学素子４８を介してブレード１２に伝送されて、ビーム集束及び操向プローブ５０によりブレード１２の表面上に集束される。ＬＰＳシステムにおいて一般的であるように、レーザ４４は、基本波長又は調和波長のいずれかのレーザ光、或いは標的物質（この場合は、ＴＢＣ３０の表面３８上のＣＭＡＳ堆積物３６である）の発光プラズマを蒸発及び形成するのに十分に高い集光強度を発生させることができるあらゆる高ピーク出力パルスレーザを発生するよう動作される。従って、検出される主な元素は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの酸化物である。この目的のための好適なレーザビーム出力密度は、約３ＧＷ／ｃｍ２以上であると考えられる。タービン組立体１０がタービン内に設置されたままの間にレーザの使用を可能にするために、レーザ４４は、好ましくは小型で可搬性であり、レーザビーム４２に意図せずに曝露されるリスクを制限するため光不透過性ハウジング（図示せず）内に収容されるのが好ましい。
【００２０】
プラズマを発生するためのレーザビーム４２による励起後、プラズマの遅延分光計側を用いて、プラズマ内の様々な特定の過渡種を検出し測定する。レーザビーム４２は、好ましくは多重測定が実施されるようにパルス化され、各測定はレーザパルスに従う。ＴＢＣ３０中の元の元素（ＹＳＺで形成された場合には、ジルコニウム、イットリウム、及び酸素など）の知見を用いて、プラズマから放射されたこれらの特性原子輝線（特性放射線）の強度を測定することによって、プラズマ中の元素を検出し、その量を定量的に決定することができる。検出及びスペクトル分析は、プローブ５０でプラズマから放射される特性放射線を集めて、該特性放射線をファイバ光学素子４８を通してビーム分割光学素子４６に導いて戻し、ビーム分割光学素子４６が放射線を高速デジタル分光計６０に配向することにより実施される。分光計６０は、放射線を増倍電荷結合デバイス（ＩＣＣＤ）６２又は例えば光ダイオードアレイ（ＰＤＡ）のような別の好適なアレイ検出器上にスペクトルで分散させて集束する。次いで、コンピュータ６４を利用して、ＩＣＣＤ６２から得られたスペクトルデータを表示、記憶、及び操作することができる。コンピュータ６４は、好ましくは、リアルタイムで複数プラズマ事象からの発光スペクトルを分析することができ、将来の評価のためにデータを表示又は保存する。これらの動作を実施するための様々な市販のソフトウエアパッケージが公知であり、コンピュータ６４をプログラムするために利用可能であるが、本明細書では詳細には検討しない。
【００２１】
システム４０の実施は、ＣＭＡＳの構成元素、すなわちカルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの固有波長の強度を測定し比較する段階を含む。従って、分光計６０は、好ましくは、少なくとも４つの元素を選択的に追跡するためのスペクトル範囲を有するが、より多くの元素の追跡も予測できる。励起効率の自然差違に対して適切な補正を用いて、補正された強度の比率は、レーザビーム４２によって蒸発したこれら及び他の元素の比率を提供し、ＣＭＡＳ堆積物３６の化学量論的組成を確定することができる。ＴＢＣ３０上に存在するＣＭＡＳ堆積物３６の量及び化学的性質の検出並びに定量的決定に加えて、ＣＭＡＳ元素の特性スペクトルは、深さの関数として特徴付けることができ、この深さの関数から、ＣＭＡＳがＴＢＣ３０に浸透した発生度及び場合によってはその範囲を測定することもできる。いずれの場合においても、タービン運転時間、温度、その他などの他の利用可能なデータとＣＭＡＳ測定値とを組み合わせることによって、ブレード１２上に存在するＣＭＡＳ堆積物３６の量に基づいてＴＢＣ３０及びＴＢＣ３０が保護するブレード１２の寿命を予測することが可能である。
【００２２】
図３は更に、システム４０の運転をタービン組立体１０の回転と同期させるためのデバイス６６に接続されたコンピュータ６４を更に示している。コンピュータ６４及び同期デバイス６６は、タービン組立体１０が固定され、増分的に回転され、又は連続的に回転される間にシステム１０によって個々に順次的に分析することができるように、システム４０を制御することができる。従って、システム４０は、ターボ機械のシャットダウン又は運転中に検査を実施することができる。コンピュータ６４はまた、プローブ５０の温度を制御するために冷却システム６８に結合されて示されている。このような能力は、任意選択的なものであるが、システム４０に対して想定される好ましい用途に照らして望ましく、このシステム４０におけるプローブ５０は、ボアスコープを用いた検査用の発電タービンのタービン壁に共通して見出されるサイトホール・ポート、又はこの目的のために設置することができる付加的な検査ポートなどを通って、シャットダウンの間にタービンに挿入されるように構成される。図３では、プローブ５０は、ブレード１２の比較的広い表面領域の調査を可能にするためにレーザビーム４２の好適な操作が望ましいように、タービン壁７２中のサイトホール・ポート７０の内部にほぼ固定位置にあるものとして表わされている。この目的のために、プローブ５０は、レンズ５２及び５４並びにビームデフレクタ５６及び５８の複合セットを含む組立体であるように表わされ、このビームデフレクタは、プリズムとして描かれているが、連接型ミラー配列を含む、レーザビーム４２を再配向することができる他の光学デバイスを用いることができることは明らかになる。
【００２３】
図４及び５は、ブレード１２の翼形部２０のような複雑な表面上のＣＭＡＳ測定を可能にすることができる特徴部を備えた、ビーム操向及び集束プローブ５０についての構成を描いている。プローブ５０は、２つの内側スリーブ７６及び７８を含み且つ支持する外側スリーブ７４を有して表わされている。スリーブ７４、７６、及び７８は、管状形状であるのが好ましいが、必ずしも断面が円形である必要はない。更に、内側スリーブ７６及び７８の少なくとも１つ及び好ましくは両方は、軸受８０によって支持され、該軸受により、スリーブ７６及び７８が、外側スリーブ７４と共に共通軸の周りを回転し、外側スリーブ７４内で直線的に（長手方向に）並進することが可能になる。図３に示す実施を用いる場合、外側スリーブ７４は、好ましくはサイトホール・ポート７０と緊密に嵌合するような大きさ及び構成にされる。ファイバ光学素子４８は、第１の内側スリーブ７６に結合され、レーザビーム４２をレンズ５２に配向し、次いで、公知の光学原理に基づいてビーム４２をビームデフレクタ５６上に集束する。図４及び５から明らかなように、レンズ５２及びビームデフレクタ５６の第１のセットは、第１の内側スリーブ７６内に取り付けられ、レンズ５４及びビームデフレクタ５８の第２のセットは、第２の内側スリーブ７８内に取り付けられ、これらのうちの第２のセットは、プローブ５０がサイトホール・ポート７０内に取り付けられたときに、翼形部２０に最も近くに配置されるプローブ５０の遠位端部に配置される。
【００２４】
一方又は両方の内側スリーブ７６及び７８を回転及び／又は並進させることによって、ビームデフレクタ５６及び５８は、広い範囲の焦点深度をカバーすることができ、更に、図４及び５を比較することで明らかなように翼形部２０の表面上、及び任意選択的に更に翼形部２０から離れた様々な場所に向けてビーム４２を偏向し集束することができる。コンピュータ６４が用いるためにビーム４２を集束するためのパラメータの表を求めることができる。ブレード１２に対するプローブ５０の位置が、翼形部データに対して既知である場合には、翼形部２０についてのＣＡＤデータを用いて、ＣＭＡＳ堆積物３６についてビーム４２で走査されるときに、翼形部２０の表面上に移動焦点を提供することができる。実際には、翼形部表面のラスター走査領域は、プローブ５０によって調べることができる。ＣＭＡＳ浸透及びこの結果として生じる損傷は、タービン運転中に翼形部２０の表面にわたって存在する様々な温度レベルによって影響を受けるので、このような能力は特に有益である。様々なタービンの運転状態中に翼形部２０上の高温スポットの知見を用いて、プローブ５０を利用し、ＣＭＡＳ堆積物３６の傾向が最も高い可能性がある翼形部２０のある表面区域を特に調べることができる。
【００２５】
プローブ５０は、外側スリーブ７４内及び互いに対してスリーブ７６及び７８を回転し直線的に並進するようにコンピュータ６４によって制御される電動ユニット８２（図３）を備えることができる。このようにして、コンピュータ６４を利用して、互いに対して内側スリーブ７６及び７８を直線的に移動させることによって様々な焦点距離にビーム４２を集束し、互いに対して一方又は両方の内側スリーブ７６及び７８を回転させることによってビーム４２を操向することができ、その結果プローブ５０は、多様な走査を実施することができる。例えば、２つの内側スリーブ７６及び７８が、コンピュータ６４によって反対方向に同速度で回転するように制御される場合、ビーム４２は、翼形部２０の表面上でライン走査を実施する。スリーブ７６及び７８が、同方向（時計回り又は反時計回りのいずれか）であるが異なる速度で回転する場合には、ビーム４２は、螺旋状走査或いはほぼ円形走査を実施するよう操作することができる。走査速度を段階的にすることによって、ビーム４２が実施する走査は、一連のリングを含むパターンの形態とすることができる。当業者であれば、スリーブ７６及び７８を互いに対して同方向、反対方向、同速度、及び異なる速度で回転及び直線的に並進させることができる結果として、付加的な走査パターンも実施可能であり、本発明の範囲内にある点は理解されるであろう。
【００２６】
当業者はまた、ビームデフレクタ５６及び５８用のプリズムの代わりにミラーを用いる場合には、デフレクタ５６及び５８の向きは、図４及び５に示すのとは異なるものになるが、翼形部２０の表面を走査するためのビーム４２操作の全体の概念は同じであることは理解されるであろう。ミラーを用いる場合、図４及び５に示す平面に垂直な平面でビーム４２を偏向するために、直交ミラーが更に利用されることになる。
【００２７】
以上のことから、システム４０及びプローブ５０を用いて、定期保守計画に限定されることなく、且つ単に目視観察に依存することなく、タービンブレード１２（並びにタービンの他の高温ガス経路の部品）に対するＣＭＡＳ堆積物３６の重大度を検出、測定、及び評価することができる点は理解できる。或いは、システム４０及びプローブ５０は、保守ベースから状態ベースへのＣＭＡＳ検査計画を変更するための基礎を提供する。ＣＭＡＳ堆積物３６の量及び場所、並びにＣＭＡＳ堆積物３６及び他のあらゆる堆積物の何らかの化学的プロフィールの変化の知見を用いて、ＴＢＣ剥離及び最終的には部品の故障につながるＣＭＡＳ溶融の発生を最小限にするようターボ機械の熱プロフィールを調整できることは予測できる。
【００２８】
有利には、システム４０及びプローブ５０は通常、一連の小さなパルスを用いて所望の分析を実施することができ、除去される物質の量は、あらゆる所与の場所で使用されるレーザパルスの強度及び数により調整可能である。好適な結果は、約２０ミル（約０．５ミリメートル）の直径の表面領域から物質の約１ナノメートルを蒸発させることによって得ることができると想定されるが、これよりも多いか少ない量も可能である。表面分析は、表面処理を必要とせずに実施することができる。その結果、本発明の注目すべき潜在的利点は、部品に対して致死的損傷を引き起こすことなくターボ機械内の部品に対して実施する迅速な現場検査及び測定能力を含むことができる。このような検査は、前の検査の結果と前の検査以降の部品の作動状態とに基づいて計画することができる。更に、システム４０及びプローブ５０は、プローブ５０の遠隔作動を可能にするよう構成することができる。
【００２９】
本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者は他の形態を採用できることは明らかである。例えば、開示された実施形態を参照しながら示され説明された装置及び機器の代わりに、機能的に同等の装置及び機器を使用できることは予測できる。更に、開示された本発明は、ターボ機械部品上へのＣＭＡＳ堆積物の検出に限定されず、表面のスペクトル分析が望ましい他の環境において適用することができる。従って、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるものとする。
【符号の説明】
【００３０】
１０ タービン組立体
１２ タービンブレード
１４ ディスク
１６ ダブテール
１８ ダブテールスロット
２０ 翼形部
２２ プラットホーム
２４ ＴＢＣシステム
２６ ボンドコート
２８ 酸化アルミニウム（アルミナ）スケール
３０ ＴＢＣ
３２ 柱状粒子
３６ 堆積物
３８ 表面
４０ システム
４２ レーザビーム
４４ レーザ
４６ ビーム分割光学素子
４８ ファイバ光学素子
５０ プローブ
５２、５４ レンズ
５６、５８ ビームデフレクタ
６０ 分光計
６２ 増倍電荷結合デバイス（ＩＣＣＤ）
６４ コンピュータ
６６ デバイス
６８ 冷却システム
７０ サイトホール・ポート
７２ タービン壁
７４、７６、７８ スリーブ
８０ 軸受
８２ 電動ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の表面上でレーザプラズマ分光を実施するためのシステムであって、
レーザエネルギー源と、
前記レーザエネルギー源と相互接続されてレーザビームを受け取るプローブと、
を備え、
前記プローブが、外側部材と該外側部材の内部にある少なくとも第１及び第２の内側部材とを含み、前記第１及び第２の内側部材の少なくとも１つが前記外側部材の内部で回転可能であり、前記第１及び第２の内側部材の各々が、レーザビームを集束するためのレンズと前記プローブから出る前にレーザビームを再配向する手段とを含み、前記プローブが、該プローブから出たレーザビームを部品の表面上に配向し且つ前記表面区域を走査するために前記部品が静止している間に操作できるように、前記プローブが前記部品に十分に近接して固定的に位置決めすることができる外部構成を有し、前記プローブが、前記部品の表面で前記レーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を集めるように構成されており、
前記システムが更に、
前記プローブから放射線を伝搬するための手段と、
前記プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析するための手段と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記伝搬手段が、前記レーザビームを前記レーザエネルギー源から前記プローブに伝搬する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の内側部材のレンズが、前記第１の内側部材の再配向手段上にレーザビームを集束し、前記第１の内側部材の再配向手段が、前記第２の内側部材の再配向手段上にレーザビームを配向し、前記第２の内側部材の再配向手段が、前記第２の内側部材のレンズ上にレーザビームを配向する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザビームを前記部品上に複数の様々なパターンで走査するために、前記レンズの作動手段と、前記プローブの再配向手段とを更に備える、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記作動手段が、前記第１及び第２の内側部材を個々に回転及び直線並進させるように動作可能である、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記作動手段が、前記第１及び第２の内側部材を同方向、反対方向、同速度、及び異なる速度で回転及び直線的に並進するよう作動可能な電動ユニットを備える、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記伝搬手段が、前記第１の内側部材の前記レンズ上にレーザビームを投影する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記部品の表面が皮膜によって形成され、前記レーザエネルギー源及び前記プローブが、前記皮膜上の堆積物を蒸発させるよう協働して適合され、前記スペクトル分析手段が、前記堆積物を選択的に検出して化学的に分析し、前記堆積物を定量的に測定するように適合される、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記堆積物が、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの酸化物を含有する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記部品がターボ機械のタービン部品であり、前記プローブが、前記ターボ機械の一部分に取り付けられるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
部品の表面上でレーザプラズマ分光を実施する方法であって、
レーザエネルギー源によりレーザビームを発生させる段階と、
前記レーザビームを前記部品に隣接して固定的に位置決めされたプローブに伝搬する段階と、
前記レーザビームが前記プローブから出て、前記部品の表面上に配向され、前記表面区域を走査するために前記部品が静止している間に操作されるように前記プローブを作動する段階と、
前記部品の表面で前記レーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を前記プローブで集める段階と、
前記プローブから前記放射線を伝搬する段階と、
前記プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析する段階と
を含む方法。
【請求項１２】
前記作動段階が、前記レーザビームを前記部品上に複数の様々なパターンで走査する段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブが、外側部材と該外側部材の内部にある少なくとも第１及び第２の内側部材とを備え、前記作動段階が、前記外側部材の内部で前記第１及び第２の内側部材の少なくとも１つを回転及び直線的に並進させるうちの少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記作動段階が更に、前記第１の内側部材のレンズを用いて前記レーザビームを前記第１の内側部材の再配向手段上に集束する段階と、前記再配向手段を用いて前記レーザビームを前記第２の内側部材の再配向手段上に配向する段階と、前記第２の内側部材の再配向手段を用いて前記レーザビームを前記第２の内側部材のレンズ上に配向する段階とを更に含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記作動段階が、同方向、反対方向、同速度、及び異なる速度のうちの少なくとも１つに従って前記第１及び第２の内側部材を選択的に回転及び直線的に並進させる段階を更に含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記部品の表面が皮膜によって形成され、前記レーザビームが前記皮膜上の堆積物を蒸発させ、前記放射線がスペクトル分析され、前記堆積物を検出して化学的に分析し、前記堆積物を定量的に測定することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記堆積物が、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの酸化物を含有することを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記堆積物が前記皮膜内の気孔に浸透した範囲を検出する段階を更に含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記皮膜が遮熱コーティングである、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記部品がターボ機械のタービン部品であり、前記プローブが前記ターボ機械の一部分に取り付けられる、請求項１９記載の方法。
【請求項１】
部品の表面上でレーザプラズマ分光を実施するためのシステムであって、
レーザエネルギー源と、
前記レーザエネルギー源と相互接続されてレーザビームを受け取るプローブと、
を備え、
前記プローブが、外側部材と該外側部材の内部にある少なくとも第１及び第２の内側部材とを含み、前記第１及び第２の内側部材の少なくとも１つが前記外側部材の内部で回転可能であり、前記第１及び第２の内側部材の各々が、レーザビームを集束するためのレンズと前記プローブから出る前にレーザビームを再配向する手段とを含み、前記プローブが、該プローブから出たレーザビームを部品の表面上に配向し且つ前記表面区域を走査するために前記部品が静止している間に操作できるように、前記プローブが前記部品に十分に近接して固定的に位置決めすることができる外部構成を有し、前記プローブが、前記部品の表面で前記レーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を集めるように構成されており、
前記システムが更に、
前記プローブから放射線を伝搬するための手段と、
前記プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析するための手段と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記伝搬手段が、前記レーザビームを前記レーザエネルギー源から前記プローブに伝搬する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の内側部材のレンズが、前記第１の内側部材の再配向手段上にレーザビームを集束し、前記第１の内側部材の再配向手段が、前記第２の内側部材の再配向手段上にレーザビームを配向し、前記第２の内側部材の再配向手段が、前記第２の内側部材のレンズ上にレーザビームを配向する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザビームを前記部品上に複数の様々なパターンで走査するために、前記レンズの作動手段と、前記プローブの再配向手段とを更に備える、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記作動手段が、前記第１及び第２の内側部材を個々に回転及び直線並進させるように動作可能である、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記作動手段が、前記第１及び第２の内側部材を同方向、反対方向、同速度、及び異なる速度で回転及び直線的に並進するよう作動可能な電動ユニットを備える、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記伝搬手段が、前記第１の内側部材の前記レンズ上にレーザビームを投影する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記部品の表面が皮膜によって形成され、前記レーザエネルギー源及び前記プローブが、前記皮膜上の堆積物を蒸発させるよう協働して適合され、前記スペクトル分析手段が、前記堆積物を選択的に検出して化学的に分析し、前記堆積物を定量的に測定するように適合される、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記堆積物が、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの酸化物を含有する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記部品がターボ機械のタービン部品であり、前記プローブが、前記ターボ機械の一部分に取り付けられるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
部品の表面上でレーザプラズマ分光を実施する方法であって、
レーザエネルギー源によりレーザビームを発生させる段階と、
前記レーザビームを前記部品に隣接して固定的に位置決めされたプローブに伝搬する段階と、
前記レーザビームが前記プローブから出て、前記部品の表面上に配向され、前記表面区域を走査するために前記部品が静止している間に操作されるように前記プローブを作動する段階と、
前記部品の表面で前記レーザビームによって発生したレーザ誘起プラズマから放出される放射線を前記プローブで集める段階と、
前記プローブから前記放射線を伝搬する段階と、
前記プローブから伝搬された放射線をスペクトル分析する段階と
を含む方法。
【請求項１２】
前記作動段階が、前記レーザビームを前記部品上に複数の様々なパターンで走査する段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブが、外側部材と該外側部材の内部にある少なくとも第１及び第２の内側部材とを備え、前記作動段階が、前記外側部材の内部で前記第１及び第２の内側部材の少なくとも１つを回転及び直線的に並進させるうちの少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記作動段階が更に、前記第１の内側部材のレンズを用いて前記レーザビームを前記第１の内側部材の再配向手段上に集束する段階と、前記再配向手段を用いて前記レーザビームを前記第２の内側部材の再配向手段上に配向する段階と、前記第２の内側部材の再配向手段を用いて前記レーザビームを前記第２の内側部材のレンズ上に配向する段階とを更に含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記作動段階が、同方向、反対方向、同速度、及び異なる速度のうちの少なくとも１つに従って前記第１及び第２の内側部材を選択的に回転及び直線的に並進させる段階を更に含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記部品の表面が皮膜によって形成され、前記レーザビームが前記皮膜上の堆積物を蒸発させ、前記放射線がスペクトル分析され、前記堆積物を検出して化学的に分析し、前記堆積物を定量的に測定することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記堆積物が、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム及びシリコンの酸化物を含有することを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記堆積物が前記皮膜内の気孔に浸透した範囲を検出する段階を更に含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記皮膜が遮熱コーティングである、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記部品がターボ機械のタービン部品であり、前記プローブが前記ターボ機械の一部分に取り付けられる、請求項１９記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１６２７５７（Ｐ２００９−１６２７５７Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３１（Ｐ２００９−５３１）
【出願日】平成２１年１月６日（２００９．１．６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月６日（２００９．１．６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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