特開 2024-155760 遮熱コーティング下のガスタービン部品の冷却特徴の位置特定システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024155760

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】遮熱コーティング下のガスタービン部品の冷却特徴の位置特定システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20241024BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024060895

(22)【出願日】2024-04-04

(31)【優先権主張番号】18/303,965

(32)【優先日】2023-04-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】110002848

【氏名又は名称】弁理士法人ＮＩＰ＆ＳＢＰＪ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】バッツィンガー、トーマス ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】モルデンハウアー、トーマス イー．

(72)【発明者】

【氏名】ベルソム、キース シー．

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA01

2F065CC08

2F065GG03

2F065GG07

2F065GG21

2F065JJ18

2F065JJ19

2F065JJ26

2F065LL22

2F065MM13

2F065MM23

2F065QQ23

2F065SS13

(57)【要約】      （修正有）

【課題】遮熱コーティング下のガスタービン部品の冷却特徴を特定する位置特定システムを提供する。
【解決手段】冷却孔１５０が遮熱コーティングで覆われているガスタービン部品１１０において冷却孔の位置を特定するための冷却孔位置特定システム１００は、ガスタービン部品の第１の側に配置された光源１６０と、ガスタービン部品の第２の側に配置された光学検出器１７０とを備えており、光学検出器は、冷却孔を覆う遮熱コーティングを通して視認される光源からの光を検出する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却孔（１５０）が遮熱コーティング（１４０）で覆われているガスタービン部品（１１０）において冷却孔（１５０）の位置を特定するための冷却孔位置特定システム（１００）であって、当該冷却孔位置特定システム（１００）が、
前記ガスタービン部品（１１０）の第１の側に配置された光源（１６０）と、
前記ガスタービン部品（１１０）の第２の側に配置された光学検出器（１７０）と
を備えており、前記光学検出器（１７０）が、前記冷却孔（１５０）を覆う遮熱コーティング（１４０）を通して視認される前記光源（１６０）からの光を検出する、冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項2】

前記光源（１６０）及び前記光学検出器（１７０）と通信するコントローラ（１８０）をさらに備える、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項3】

前記コントローラ（１８０）と通信するディスプレイ（１９０）をさらに備える、請求項２に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項4】

前記冷却孔（１５０）を覆う遮熱コーティング（１４０）を除去する機械加工システム（２００）をさらに備える、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項5】

前記ガスタービン部品（１１０）が燃焼器部品（１２０）を含む、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項6】

前記ガスタービン部品（１１０）は高温ガス経路部品（１３０）を含む、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項7】

前記高温ガス経路部品（１３０）が翼形部（７０）を含む、請求項６に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項8】

第１の側が前記ガスタービン部品（１１０）の内側を含む、請求項１に記載の冷却孔（１５０）立出システム。

【請求項9】

第１の側が前記ガスタービン部品（１１０）の外側を含む、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項10】

前記光源（１６０）が前記ガスタービン部品（１１０）に対して操作可能である、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項11】

前記光源（１６０）が、前記冷却孔（１５０）の軸の周りで操作可能である、請求項１０に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項12】

前記光学検出器（１７０）が前記ガスタービン部品（１１０）に対して操作可能である、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項13】

前記光源（１６０）が可視光源を含む、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項14】

前記光源（１６０）が赤外線光源を含む、請求項１に記載の冷却孔位置特定システム（１００）。

【請求項15】

遮熱コーティング（１４０）で覆われたガスタービン部品（１１０）における冷却孔（１５０）の位置を特定する方法であって、当該方法が、
前記ガスタービン部品（１１０）の第１の側に光源（１６０）を配置するステップと、
前記ガスタービン部品（１１０）の第２の側に光学検出器（１７０）を配置するステップと、
前記ガスタービン部品（１１０）の第１の側に前記光源（１６０）からの光を照射するステップと、
前記光学検出器（１７０）によって前記遮熱コーティング（１４０）を通して光が検出されるまで前記光源（１６０）及び／又は前記光学検出器（１７０）を操作するステップと
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願及びその成果として特許は、広義にはガスタービンエンジンに関するものであり、具体的には、光源及び光学検出器を用いて遮熱コーティング下のガスタービン部品の冷却特徴の位置を特定するシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンエンジンは、通常、周囲空気を圧縮する圧縮機及び空気流と燃料流を混合して高温燃焼ガスを発生させる燃焼器を備えている。タービンは、高温燃焼ガスの流れを受け取って、そこからエネルギーを抽出して、圧縮機を駆動し、発電機のような外部負荷のための出力を生成する。ガスタービンエンジンの全体的効率を向上させるために燃焼器及びタービン温度の高温化がなされていることに伴って、燃焼器部品、高温ガス経路部品その他の種類の部品の温度を、それらの材料が耐えることのできるレベルに維持するため、空気のような冷却流体が必要とされることがある。冷却空気は、部品内部を通って、その表面の冷却孔のような冷却特徴から外に導かれることがある。そのため、冷却孔の数、形状、サイズ及び位置は、部品の効率的冷却のための重要なパラメータであることがある。

【0003】

そこで、これらのタービン部品では、劣化、故障又は全体的な耐用年数の減少を伴わずに、高温化に耐えることができるにすることが絶えず求められている。耐熱性を向上させる方法の１つは、部品の表面に遮熱コーティングを施工することである。かかる遮熱コーティングには、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）のような熱伝導率の低いセラミック薄層がある。このコーティングは、部品の基材に対するセラミックの良好な接着性をもたらす。遮熱コーティングの施工は、ガスタービン燃焼温度の増大又は冷却空気流の所要量の減少のいずれかによって、エンジンの性能を向上させる。

【0004】

タービン部品の修理は、遮熱コーティングの剥離及び再施工を含んでいることがある。しかし、修理後に行われる新コーティングの施工によって冷却孔が塞がれてしまうことがある。冷却孔の数及び／又は直径の減少は、全体的部品冷却及びガスタービン性能に多大な影響を与える。

【発明の概要】

【0005】

そこで、本願及びその成果として特許は、冷却孔が遮熱コーティングで覆われているガスタービン部品において冷却孔の位置を特定するための冷却孔位置特定システムを提供する。冷却孔位置特定システムは、ガスタービン部品の第１の側に配置された光源と、ガスタービン部品の第２の側に配置された光学検出器とを含む。光学検出器は、冷却孔を覆う遮熱コーティングを通して視認される光源からの光を検出する。

【0006】

本願及びその成果として特許は、さらに、遮熱コーティングで覆われたガスタービン部品における冷却孔の位置を特定する方法を提供する。本方法は、ガスタービン部品の第１の側に光源を配置するステップと、ガスタービン部品の第２の側に光学検出器を配置するステップと、ガスタービン部品の第１の側に光源からの光を照射するステップと、光学検出器によって遮熱コーティングを通して光が検出されるまで光源及び／又は光学検出器を操作するステップとを含む。

【0007】

本願及びその成果として特許は、さらに、遮熱コーティングで覆われたガスタービン部品冷却孔の位置を特定するための冷却孔位置特定システムを提供する。冷却孔位置特定システムは、ガスタービン部品と、ガスタービン部品の第１の側に配置された光源と、ガスタービン部品の第２の側に配置された光学検出器と、機械加工システムとを含む。光学検出器は、冷却孔を覆う遮熱コーティングを通して視認される光源からの光を検出し、機械加工システムは冷却孔を覆う遮熱コーティングを除去する。

【0008】

本出願及びその成果として特許の上記その他の特徴及び改良点については、以下の詳細な説明を図面及び特許請求の範囲の記載と併せて参照することにより、当業者には明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】圧縮機、燃焼器、タービン及び外部負荷を含むガス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使用し得る燃焼器の概略図。

【図3】図１のガスタービンエンジンのタービンで使用し得る翼形部の斜視図。

【図4】本明細書に記載の冷却孔位置特定システムの概略図。

【図5】図４の冷却孔位置特定システムの幾つかの部分の概略図。

【図6】冷却孔を有するガスタービン部品の部分断面図。

【図7】遮熱コーティングで冷却孔が覆われた図６のガスタービン部品の部分斜視図。

【図8】冷却孔内の遮熱コーティングを通して光が視認される図６のガスタービン部品の部分斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照するが、図面を通して同様の構成要素には同様の符号を付した。図１は、本発明で使用し得るガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含む。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気２０の流れを複数の燃焼器缶２５に送る。燃焼器缶２５は、圧縮空気２０の流れと燃料３０の加圧流とを混合し、混合気に点火して高温の燃焼ガス３５の流れを生じる。燃焼器缶２５は１個しか示していないが、ガスタービンエンジン１０は、周方向配列などに配置された任意の数の燃焼器缶２５を含んでいてもよい。或いは、燃焼器２５は、アニュラ型燃焼器であってもよい。燃焼ガス３５の流れは、次いでタービン４０に送られる。燃焼ガス３５の流れはタービン４０を駆動して機械的仕事を生じる。タービン４０で発生する機械的仕事は、ロータシャフト４５を介して圧縮機１５及び発電機などの外部負荷５０を駆動する。

【0011】

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、各種の合成ガス、液体燃料及び／又は他の種類の燃料及びそれらのブレンドを使用し得る。ガスタービンエンジン１０は、例えば限定されるものではないが、７シリーズ又は９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなどを始めとして、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）から提供される多種多様なガスタービンエンジンのいずれであってもよく、単純サイクル又はコンバインドサイクル発電システム或いは他のタイプの発電システムの一部であってもよい。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成のものであってもよいし、他の種類の部品を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンも本発明で使用し得る。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン及び他のタイプの発電設備も本発明で一緒に使用し得る。

【0012】

図２は、上記その他の箇所で説明するガスタービンエンジン１０で使用し得る公知の燃焼器２５の一例の概略図を示す。燃焼器２５は、ヘッドエンドのエンドキャップ５２からタービン４０の後端のトランジションピース５４まで延在し得る。エンドキャップ５２の周囲に多数の燃料ノズル５６を配置してもよい。ライナ５８が燃料ノズル５６からトランジションピース５４に向かって延在していてもよく、その内部に燃焼ゾーン６０を画成し得る。ライナ５８は、フロースリーブ６２で囲まれていてもよい。ライナ５８とフロースリーブ６２は、圧縮機１５などからの空気２０を流すために、それらの間に流路６４を画成し得る。ここでの燃焼器２５の説明は、例示を目的としたものにすぎない。他の部品及び他の構成を有する燃焼器を使用してもよい。

【0013】

図３は、例示的なロータブレード又は翼形部７０を示す。ロータブレード又は翼形部７０は、ガスタービンエンジン１０のタービン４０で使用し得る。翼形部７０は、軸方向前方の前縁７２から軸方向後方の後縁７４まで、また半径方向内側の根元７６から半径方向外側の先端７８まで延在する。翼形部７０は、高温ガス経路の半径方向内側境界を画成するプラットフォーム８０を含む。翼形部７０は、多数の冷却孔８４を有する１以上の基板８２を含む。ここでの翼形部７０の説明は、例示を目的としたものにすぎない。他の部品及び他の構成を有する翼形部７０を使用してもよい。

【0014】

図４及び図５は、本願に記載の冷却孔位置特定システム１００の一例を示す。上述の通り、修理又は改修の際に、燃焼器部品１２０及び／又は高温ガス経路部品１３０のようなガスタービン部品１１０を、遮熱コーティング１４０で再塗工することがある。この再塗工によって、既存の冷却孔１５０が覆われてしまうことがある。こうして覆われた冷却孔１５０は、ガスタービン部品１１０を供用に戻す前に、位置を特定して、再生しなければならない。

【0015】

遮熱コーティング１４０の材料は幾分半透明であり、適切に配向していれば、若干の光が材料を透過できる。そこで、冷却孔位置特定システム１００は、遮熱コーティング１４０を通して冷却孔１５０の位置及び配向を決定するために、光源１６０を光学検出器１７０と共に使用する。光源１６０は、高光度可視光、赤外光などであってもよい。例として、高輝度ＬＥＤ、水銀又はキセノンアーク、メタルハライドランプ及び有用な波長のものが挙げられる。光学検出器１７０は、カメラ、光ダイオードなどであってもよい。コントラストなどを強調するため様々なタイプのフィルタを使用してもよい。例えば、ＵＶバンドパスフィルタ（１００～４００ｎｍ）或いはその部分範囲、例えばＵＶＡ（３１５～４００ｎｍ）、ＵＶＢ（２８０～３１５ｎｍ）、ＵＶＣ（１００～２８０ｎｍ）などである。光源１６０、光学検出器１７０及び／又は他の部品は、操作可能であっても或いは静止していてもよい。

【0016】

光源１６０及び光学検出器１７０は、コントローラ１８０と通信してもよい。コントローラ１８０は、制御ロジックによって動作するマイクロコンピュータのようないかなるタイプのプログラマブルロジックデバイスであってもよい。複数のコントローラ１８０を使用してもよい。コントローラ１８０は、冷却孔位置特定システム１００専用であってもよいし、ガスタービンエンジン１０の全体的制御の一部、修理又は製造施設の一部、或いは他のものに基づくものであっても。コントローラ１８０は、ローカルであっても或いはリモートであってもよい。モニタ１９０などの１以上の周辺機器も使用し得る。他の部品及び他の構成を使用してもよい。

【0017】

使用に際して、光源１６０をガスタービン部品１１０の第１の側１６２に配置し、光学検出器１７０をガスタービン部品１１０の第２の側１６４に配置してもよい。第１の側１６２はガスタービン部品１１０の内側又は外側とすることができ、第２の側１６４は、ガスタービン部品１１０の性状に応じて逆である。光源１６０は、冷却孔１５０及び遮熱コーティング１４０を通して透過光強度が最大となるように調整し得る。最大強度は、光源１６０及び光学検出器１７０が冷却孔１５０の貫通軸と整列したときに得られる。光源１６０及び／又は光学検出器１７０は、遮熱コーティング１４０を通過する光が光学検出器１７０によって検出されるまで操作し得る。

【0018】

光学検出器１７０で決定した冷却孔１５０の位置は、コントローラ１８０に記憶してもよいし、或いは冷却孔１５０の再生に使用するために別の方法で維持してもよい。例えば、コントローラ１８０は、冷却孔１５０を再生するために機械加工システム２００と通信してもよい。機械加工システム２００は、冷却孔１５０を覆う遮熱コーティング１４０を除去することができる機械的、電気機械的、レーザなどの任意のタイプの従来の機械加工装置であってもよい。他の部品及び他の構成を使用してもよい。

【0019】

図６～図８は、冷却孔位置特定システム１００の使用例を示す。上述の通り、燃焼器２５は、燃料ノズル５６及び燃焼ゾーン６０の下流にトランジションピース５４を有する。トランジションピース５４は燃焼器部品１２０の一例である。図６に示すように、トランジションピース５４は、例えば軸方向燃料ステージングポート２１０と後方フレーム２２０の間に形成された多数の冷却孔１５０を有し得る。少なくとも軸方向燃料ステージングポート２１０の近傍に形成された冷却孔１５０については、それぞれの部品幾何形状及びそれぞれの流路に適応させるため角度を付けて穿孔してもよい。図７に示すように、これらの冷却孔１５０は、トランジションピース５４の内部が遮熱コーティング１４０で再塗工されると、明瞭に視認できなくなってしまうことがある。図８に示すように、光源１６０からの光は、トランジションピース５４内の冷却孔１５０を覆う遮熱コーティング１４０を通して視認し得る。すると、冷却孔１５０は、機械加工システム２００その他によって再生し得る。

【0020】

図３の翼形部７０のような高温ガス経路部品１３０でも、同様のプロセスを用いることができる。この例では、光源１６０からの光が冷却孔１５０内の遮熱コーティング１４０を通して外部から視認できるように、光源１６０を翼形部７０内に配置してもよい。この場合も、冷却孔１５０は、機械加工システム２００その他によって遮熱コーティング１４０を取り除くことができる。

【0021】

冷却孔位置特定システム１００は、こうして、遮熱コーティング１４０で覆われた状態の冷却孔１５０の位置を特定するための簡略化されたシステムを提供する。冷却孔位置特定システム１００は、遮熱コーティング１４０の再施工前に冷却孔１５０を予め測定しておく必要なしに、あらゆるタイプのガスタービン部品１１０で使用し得る。冷却孔位置特定システム１００は、このように、ガスタービン部品１１０に損傷を与えずに機械加工システム２００で冷却孔１５０を再生できるにするための適度な精度で遮熱コーティング１４０の下の冷却孔１５０の位置を決定するため、高光度光源１６０に依拠する。

【0022】

以上の説明は、本出願及びその成果として特許の幾つかの実施形態に関するものにすぎない。当業者であれば、以下の特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想及び技術的範囲並びにその均等の範囲から逸脱せずに、様々な変更及び修正をなすことができる。

【0023】

本発明のその他の態様を、以下の実施態様項に示す。
［実施態様項１］
冷却孔が遮熱コーティングで覆われているガスタービン部品において冷却孔の位置を特定するための冷却孔位置特定システムであって、当該冷却孔位置特定システムが、ガスタービン部品の第１の側に配置された光源と、ガスタービン部品の第２の側に配置された光学検出器とを備えており、光学検出器が、冷却孔を覆う遮熱コーティングを通して視認される光源からの光を検出する、冷却孔位置特定システム。
［実施態様項２］
光源及び光学検出器と通信するコントローラをさらに備える、実施態様項１に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項３］
コントローラと通信するディスプレイをさらに備える、実施態様項１又は実施態様項２に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項４］
冷却孔を覆う遮熱コーティングを除去するための機械加工システムをさらに備える、実施態様項１乃至実施態様項３のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項５］
ガスタービン部品が燃焼器部品を含む、実施態様項１乃至実施態様項４のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項６］
ガスタービン部品が高温ガス経路部品を含む、実施態様項１乃至実施態様項５のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項７］
高温ガス経路部品が翼形部を含む、実施態様項６に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項８］
第１の側がガスタービン部品の内側を含む、実施態様項１乃至実施態様項７のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項９］
第１の側がガスタービン部品の外側を含む、実施態様項１乃至実施態様項７のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１０］
光源がガスタービン部品に対して操作可能である、実施態様項１乃至実施態様項９のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１１］
光源が冷却孔の軸の周りで操作可能である、実施態様項１乃至実施態様項１０のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１２］
光学検出器がガスタービン部品に対して操作可能である、実施態様項１乃至実施態様項１１のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１３］
光源が可視光源を含む、実施態様項１乃至実施態様項１２のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１４］
光源が赤外線光源を含む、実施態様項１乃至実施態様項１２のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１５］
遮熱コーティングで覆われたガスタービン部品における冷却孔の位置を特定する方法であって、ガスタービン部品の第１の側に光源を配置するステップと、ガスタービン部品の第２の側に光学検出器を配置するステップと、ガスタービン部品の第１の側に光源からの光を照射するステップと、光学検出器によって遮熱コーティングを通して光が検出されるまで光源及び／又は光学検出器を操作するステップとを含む、方法。
［実施態様項１６］
遮熱コーティングで覆われたガスタービン部品の冷却孔を特定するための冷却孔位置特定システムであって、当該冷却孔位置特定システムが、ガスタービン部品と、ガスタービン部品の第１の側に配置された光源と、ガスタービン部品の第２の側に配置された光学検出器と、機械加工システムとを備えており、光学検出器が、冷却孔を覆う遮熱コーティングを通して視認される光源からの光を検出し、機械加工システムが、冷却孔を覆う遮熱コーティングを除去する、冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１７］
光源、光学検出器及び機械加工システムと通信するコントローラをさらに備える、実施態様項１６に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１８］
ガスタービン部品が、燃焼器部品又は高温ガス経路成分を含む、実施態様項１６又は実施態様項１７に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項１９］
第１の側がガスタービン部品の内側又は外側を含む、実施態様項１６乃至実施態様項１８のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。
［実施態様項２０］
光源及び／又は光学検出器がガスタービン部品に対して操作可能である、実施態様項１６乃至実施態様項１９のいずれか１項に記載の冷却孔位置特定システム。

【符号の説明】

【0024】

７０ 翼形部
８４ 冷却孔
１００ 冷却孔位置特定システム
１１０ ガスタービン部品
１２０ 燃焼器部品
１３０ 高温ガス経路部品
１４０ 遮熱コーティング
１５０ 冷却孔
１６０ 光源
１６２ 第１の側
１６４ 第２の側
１７０ 光学検出器
１８０ コントローラ
１９０ モニタ
２００ 機械加工システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【外国語明細書】