CN109416244B - 间隙计测装置和间隙控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供间隙计测装置和间隙控制系统。具备：标记(6b)，沿旋转方向设置于动叶片的外周面(6a)，具有与外周面(6a)不同的反射率；光传感器(11)，向外周面(6a)射出光，接收从外周面(6a)反射的反射光，并根据接收到的反射光量的变化，对标记(6b)进行检测；及计测控制部，对由光传感器(11)射出的发光信号和接收到的受光信号进行信号处理，光传感器(11)具备：受光用光纤(22、22)，配置为光轴(22a、22a)以预定角度(α)交叉，而在外周面(6a)上具有计测区域(A)；及面光源(43、43)，沿动叶片的旋转方向并列设置，相互重叠地照射计测区域(A)。

Description

间隙计测装置和间隙控制系统

技术领域

本发明涉及对形成为圆筒状的外壳与在外壳内旋转的旋转体之间的间隙进行计测的间隙计测装置和间隙控制系统。

背景技术

以往已知有具有在形成为圆筒状的外壳内旋转的多个动叶片(旋转体)的轴流压缩机等旋转机械(例如，参见专利文献1)。在这种旋转机械中，设置有对外壳与动叶片之间的顶隙进行计测的顶隙传感器，保证计测出的顶隙的值恰当。该顶隙传感器例如使用光传感器等非接触型传感器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-254091号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，在轴流压缩机、蒸汽轮机或者燃气轮机等旋转机械中，为了获得恰当的效率，外壳与动叶片(旋转体)之间的间隙管理非常重要，要求正确测定上述间隙。因此，例如，在动叶片的外周面(前端面)设置反射率与该外周面不同的预定的标记，使从光传感器的光纤照射出的激光向动叶片的外周面照射，基于其反射光量的变化，对标记是否通过了预定位置进行检测。而且，根据该检测结果求取标记通过两个不同的预定位置间的通过时间，根据该通过时间、动叶片的旋转时间等，计算出外壳与动叶片之间的间隙。

但是，在以往的结构中，存在如下问题：从光纤(点光源)照射出的激光受到因标记表面的凹凸所产生的镜面反射的影响，存在无法顺利地检测出标记的情况，而在标记的通过时间产生误差，进而无法正确计测间隙。

因此，本发明的目的在于，提供能够抑制标记表面的镜面反射、减轻间隙的计测误差的间隙计测装置和间隙控制系统。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题、达到目的，本发明是一种对形成为圆筒状的外壳的内周面与在外壳内旋转的旋转体的外周面之间的间隙进行计测的间隙计测装置，其特征在于，具备：标记，设置于旋转体的外周面；光传感器，固定于外壳，向旋转体的外周面射出光而接收从该旋转体反射的反射光，并根据接收到的反射光量的变化对标记进行检测；及计测控制部，对光传感器射出的发光信号和接收到的受光信号进行信号处理，光传感器具备：受光用光纤，配置为光轴以预定角度交叉，而在外周面上具有计测区域；及面光源，沿旋转体的旋转方向并列设置，相互重叠地照射计测区域。

根据该结构，由于从面光源向计测区域照射光，因此能够减小配光特性的差别，能够抑制通过计测区域的标记表面的镜面反射，从而正确地计测间隙。

在该结构中，优选为，光传感器在面光源之间具有受光用开口，受光用光纤的各光轴在受光用开口的内侧交叉。根据该结构，能够缩小受光用光纤的间隔，因此能够减小因热伸长所致的误差。

另外，可以是，面光源具备：送光用光纤，射出预定波长的激励光；及荧光板，通过从送光用光纤射出的激励光而发出荧光。根据该结构，由于从荧光板的整个面发出荧光，因此能够容易地照射包括计测区域在内的区域。

进而，还可以具备滤光器，所述滤光器遮挡激励光，并使荧光透过。根据该结构，由于滤光器遮挡激励光，因此能够防止与接收激励光相伴的误动作。

另外，可以是，面光源具备：送光用光纤，射出光；及散射板，使从送光用光纤射出的光散射。根据该结构，由于散射板使光扩散，因此能够容易地照射包括计测区域在内的区域。

另外，可以是，面光源是将射出光的送光用光纤集束而形成的。根据该结构，能够扩大从各送光用光纤射出的光的照射面积，能够容易地照射包括计测区域在内的区域。

另外，可以是，本发明的间隙控制系统具备：上述间隙计测装置；及控制部，基于由该间隙计测装置计测出的间隙，执行用于调整间隙的间隙调整控制。根据该结构，能够正确地计测间隙，因此能够高精度地执行控制部的间隙调整控制。

发明效果

根据本发明，由于从各面光源向计测区域照射光，因此能够减小配光特性的差别，能够抑制通过计测区域的标记表面的镜面反射，从而正确地计测间隙。

附图说明

图1是与第一实施方式的间隙控制系统相关的概略结构图。

图2是与间隙的计算方法相关的说明图。

图3是与使用光传感器检测出的受光信号的信号强度相关的坐标图。

图4是用于说明标记的表面形状对反射光产生影响的状态的图。

图5是用于说明标记的表面形状对反射光产生影响的状态的图。

图6是示出光传感器向外周面照射了光的状态的局部剖视图。

图7是示出光传感器的检测面的俯视图。

图8是用于说明从光传感器照射出的光进行反射的状态的图。

图9是示出光传感器中的反射光所成的角与间隙之间的关系的图。

图10是示出第二实施方式的光传感器向外周面照射了光的状态的局部剖视图。

图11是示出光传感器的检测面的俯视图。

图12是示出第三实施方式的光传感器向外周面照射了光的状态的局部剖视图。

图13是示出光传感器的检测面的俯视图。

具体实施方式

下面基于附图详细说明本发明的实施方式。此外，本发明并不受该实施方式限定。另外，下述实施方式中的构成要素包括本领域技术人员能够置换且容易置换的要素或者实质上相同的要素。并且，以下记载的构成要素能够适当地组合，此外，在有多个实施方式的情况下，也能够对各实施方式进行组合。

[第一实施方式]

图1是与第一实施方式的间隙控制系统相关的概略结构图。如图1所示，第一实施方式的间隙控制系统1是对在透平机3的外壳5与动叶片(旋转体)6之间形成的间隙d进行计测并基于计测结果调整间隙d的系统。首先，在说明间隙控制系统1之前，先对透平机3进行说明。

透平机3是包括蒸汽轮机或者燃气轮机的涡轮机械。透平机3具有：多个动叶片6，设置于成为旋转轴的未图示的转子；及外壳5，设置于多个动叶片6的周围。多个动叶片6安装于转子，并且在转子的周向上隔开预定的间隔地排列设置。外壳5与在周向上排列设置的动叶片6相向设置，形成为圆筒形状。外壳5以在该外壳5的内周面5a与动叶片6的外周面(前端面)6a之间隔开预定的间隙d的方式，与多个动叶片6相向设置。外壳5例如是包括内轮盘和设置于内轮盘的外侧的外轮盘的结构。

接下来，参照图1，对间隙控制系统1进行说明。间隙控制系统1具备透平机控制部8和间隙计测装置10，间隙计测装置10对外壳5的内周面5a与动叶片6的外周面6a之间的间隙d进行计测。

透平机控制部8基于由间隙计测装置10计测出的间隙d，执行用于对间隙d进行调整的间隙调整控制。这里，作为间隙d，有转子的径向上的间隙(所谓顶隙)和转子的轴向上的间隙，在图1中，示出转子的径向上的间隙d。

作为转子的径向上的间隙调整控制，透平机控制部8例如对使包含内轮盘和外轮盘的外壳5上下移动的促动器进行控制，由此对间隙d进行调整。另外，透平机控制部8例如可以通过对使转子上下移动的促动器进行控制来调整间隙d。另外，透平机控制部8例如还可以控制外壳5的温度，调整外壳5的热伸长，由此对间隙d进行调整。

间隙计测装置10对外壳5与动叶片6之间的间隙d进行计测，具备光传感器11、发光部12、受光部13及计测控制部14。如图1所示，光传感器11安装于外壳5，配置为其检测面P1在转子的径向上与动叶片6相向。因此，光传感器11暴露于外壳5与动叶片6之间的高温、高压的外部环境下。光传感器11具备与发光部12连接的多个送光用光纤21和与受光部13连接的多个受光用光纤22而构成。

发光部12基于计测控制部14的发光信号，通过送光用光纤21向动叶片6的外周面6a照射光。在动叶片6的外周面6a设置有反射率大于该外周面6a的标记6b。该标记6b例如使用耐热涂料等，在动叶片6的外周面6a，在旋转方向上隔开间隔地配置。因此，照射到外周面6a的光因标记6b而反射，向光传感器11的检测面P1射入。受光部13接收到从检测面P1射入的反射光，向计测控制部14输出受光信号。

计测控制部14与发光部12和受光部13分别连接，向发光部12输出发光信号，并且被输入从受光部13输出的受光信号。另外，计测控制部14与透平机控制部8连接，对发光信号和受光信号进行信号处理，计测间隙d，将计测出的间隙d向透平机控制部8输出。

接下来，对一般的间隙d的计算方法进行说明。图2是与间隙的计算方法相关的说明图。图3是与使用光传感器检测出的受光信号的信号强度相关的坐标图。计测控制部14例如能够基于下述式(1)所示的算式计算出间隙d。

【式1】

这里，角度α是向两个受光用光纤22射入的两束光(光轴)的导光方向所成的角。该角度α是已知的角度。距离l是A-B间的长度、即两个受光用光纤22之间的距离，是已知的距离。另外，周长2πR是多个动叶片6的外周上的周长，是已知的周长。时间T是1周(旋转一圈)花费的时间，是基于转子的转速得到的时间。即，“2πR/T”是多个动叶片6的外周上的圆周速度。时间△t是从检测出设置于动叶片6的外周面6a上的标记6b起到下一次检测出标记6b为止的时间，基于受光信号获得。此时，标记6b既可以是同一个标记，也可是另外的标记。

在此，计测控制部14取得图3所示的受光信号作为受光信号。图3的横轴为时间，纵轴为信号强度。如图3所示，受光信号被检测出两个信号峰值。两个信号峰值例如根据光照射到标记6b上时的反射光量的变化而得到。而且，计测控制部14取得从一个信号峰值到另一个信号峰值为止的时间作为时间△t。计测控制部14在基于受光信号取得时间△t时，能够基于上述式(1)所示的算式，计算出间隙d。

这样，在动叶片6的外周面6a上设置标记6b，通过对该标记6b进行检测，由此能够取得从检测出前一个标记6b起至检测出下一个标记6b为止的时间△t，能够基于该时间△t计算出间隙d。因此，为了正确计算出间隙d，要求正确地检测出时间△t。通过发明者的专心研究发现，从光纤(点光源)照射的光受到标记6b的表面的凹凸的镜面反射的影响，有时无法顺利地捕捉标记6b的位置，从而时间△t有可能产生误差。图4和图5是用于说明标记的表面形状对反射光造成影响的状态的图。

在图4和图5中示出的例子中，一对送光用光纤和一对受光用光纤的光轴分别配置为以角度α交叉，从一个送光用光纤射出的光(激光束)由标记6b反射，通过受光用光纤被接收。如图4所示，当向标记6b的前端6bs照射光时，该光由标记6b反射，由受光用光纤接收。因此，在时刻t0，反射光强度(图3中的信号强度)变大。由于标记6b的表面形成有凹凸，因此在从一个方向向标记6b照射像激光束那样的指向性高的光时，照射出的光由表面的凹凸进行镜面反射。因此，在标记6b的范围内也存在反射光强度急剧变化的情况，标记6b的末端6be有时不是作为本来的时刻t1被检测，而是作为标记6b的中途的时刻t1′被检测。

同样地，如图5所示，在从另一个送光用光纤照射出光时，根据标记6b的形状，在前端6bs不进行镜面反射，而无法由受光用光纤受光。因此，标记6b的前端6bs有时不是作为本来的时刻t2被检测，而是作为标记6b的中途的时刻t2′被检测。这样，在从一个方向照射像激光束那样的指向性高的光的结构中，有可能因标记6b的表面的凹凸而出现误检测时刻的情况，作为计测值的时间△t有可能是比原本的时间长的时间△t′，从而产生误差。发明者鉴于这样的问题，设计出能够抑制标记6b的表面的镜面反射而正确地检测出时间△t的光传感器11。

接下来，对光传感器11进行说明。图6是示出光传感器向外周面照射光的状态的局部剖视图，图7是示出光传感器的检测面的俯视图。如图6所示，光传感器11具有传感器主体30和头罩40，该头罩40具有检测面P1，且安装于传感器主体30。传感器主体30呈具备底板部30a和圆筒部30b的有底圆筒状，在内侧形成内部空间31。在该内部空间31收纳一对送光用光纤21和一对受光用光纤22。一对受光用光纤22配置于内部空间31的中心侧，一对送光用光纤21隔着受光用光纤22配置于内部空间31的侧壁侧。如图7所示，这些送光用光纤21和受光用光纤22沿动叶片6(图1)的旋转方向配置。

另外，如图6所示，在内部空间31，在底板部30a上配置耐压玻璃等透明部件32和层叠于该透明部件32上的光纤保持部件33。在光纤保持部件33中，形成送光用贯通孔33a和受光用贯通孔33b，在这些送光用贯通孔33a、受光用贯通孔33b中分别插入送光用光纤21、受光用光纤22。在传感器主体30的底板部30a，设置有隔着透明部件32而与送光用贯通孔33a连通的送光用窗部30a1和隔着透明部件32而与受光用贯通孔33b连通的受光用窗部30a2。在本结构中，透明部件32和光纤保持部件33被耐高压地密封保持。因此，即使在外部环境为高温、高压环境的情况下，供送光用光纤21、受光用光纤22配置的内部空间31也能设为大气压环境，能够抑制将外部环境作为重要因素的送光用光纤21、受光用光纤22的变化，因此能够抑制检测精度的降低。此外，由于内部空间31与外部环境切断，因此也能够另行将冷却后的空气循环导入内部空间31。

受光用贯通孔33b、33b形成为所插入的一对受光用光纤22、22的光轴22a、22a以上述角度α交叉。在受光用窗部30a2、30a2的周围，设置圆锥状罩34，该圆锥状罩34形成将光向受光用光纤22、22引导的导光路，在该圆锥状罩34的底部设置用于将光获取到圆锥状罩34内的受光用开口34a。因此，能够防止光从受光用开口34a以外进入圆锥状罩34内。另外，受光用光纤22、22的光轴22a、22a在受光用开口34a的内侧交叉。由此，能够缩小受光用开口34a的开口面积。受光用光纤22、22的光轴22a、22a在受光用开口34a处在上述的旋转中扩展，而与动叶片6(图1)的外周面6a抵接。因此，在本结构中，在外周面6a，沿旋转方向形成由光轴22a、22a划分出的计测区域A。

另一方面，如图6所示，头罩40形成为具备底板部40a和圆筒部40b的有底圆筒状，安装于传感器主体30的圆筒部30b。如图7所示，底板部40a的底面为检测面P1，在底板部40a分别与各送光用光纤21几乎同心状地形成有开口41，在该开口41安装有荧光板42。荧光板42是包含当被照射预定波长的激励光时会发出荧光的荧光材料而形成的板材。在本结构中，从发光部12射出的激励光通过送光用光纤21向荧光板42照射。荧光板42通过吸收激励光，从荧光板42的整个面发出荧光。因此，如图6所示，从荧光板42发出的荧光形成扩展得较大的照射区域B、B，这些照射区域B、B与计测区域A相互重叠而形成。在本实施方式中，具备送光用光纤21和荧光板42而构成面光源43。

根据该结构，如图8所示，从荧光板42照射出的照射光La向多个方向扩展，向标记6b照射。因此，能够减小配光特性的差别，在上述计测区域A(图6)内，照射到标记6b的任一方向上的照射光La由标记6b的前端6bs、末端6be可靠地反射，该反射光Lb射入受光用开口34a。因此，能够正确地计测作为计测值的时间△t。特别是，荧光的波长与激励光的波长不同，因此受光部13具备遮挡激励光的波长并使荧光的波长透过的滤光器(未图示)，由此能够防止因接收激励光所致的误动作。

另外，在本实施方式中，图9示出反射光Lb、Lb的角度α与间隙d之间的关系。因此，计测控制部14在基于受光信号取得时间△T时，能够基于下述式(2)所示的算式，正确地计测间隙d。计测控制部14将计测出的间隙d向透平机控制部8输出。此外，式(2)中的“2πR/T”与上述式(1)相同，是多个动叶片6的外周的圆周速度。另外，式(2)中的时间“△T”与式(1)的时间“△t”相当。

【式2】

如上所述，根据第一实施方式，由于从各面光源43向计测区域A照射光，因此能够减小配光特性的差别，能够抑制通过计测区域A的标记6b的表面的镜面反射，正确地计测间隙d。另外，光传感器11在多个面光源43、43之间具有受光用开口34a，受光用光纤22的各光轴22a、22a在受光用开口34a的内侧交叉，因此能够缩小受光用光纤22、22的间隔，所以能够减小与该受光用光纤22、22热伸长相伴的误差。

此外，面光源43具备射出预定波长的激励光的送光用光纤21和通过从送光用光纤21射出的激励光而发出荧光的荧光板42，因此，能够从荧光板42的整个面发出荧光，能够容易地照射计测区域A。

进而，受光部13具备遮挡激励光的波长并使荧光的波长透过的滤光器(未图示)，由此能够防止接收激励光所致的误动作。

[第二实施方式]

图10是示出第二实施方式的光传感器向外周面照射光的状态的局部剖视图，图11是示出光传感器的检测面的俯视图。在上述实施方式中，说明了具备面光源43的光传感器11，该面光源43具有送光用光纤21和荧光板42，但在该第二实施方式中，面光源的结构不同。对与第一实施方式相同的结构标注相同的附图标记，省略说明。

如图10和图11所示，传感器51具备面光源46，该面光源46具备送光用光纤21和散射板45而构成。散射板45例如在耐压玻璃等具有透光性的板材的表面上具有使用特定粒径的砂等形成的扩散层。在该结构中，由于在光透过时使光的方向随机反射而使光扩散，因此无需变更光的波长，装置结构简单。

根据该实施方式，由于也是从各面光源46向计测区域A照射光，因此能够减小配光特性的差别，能够抑制通过计测区域A的标记6b的表面的镜面反射，从而正确地计测间隙d。此外，面光源46具备射出光的送光用光纤21和使从送光用光纤射出的光散射的散射板45，因此能够以简单的结构使光扩散，能够容易地照射计测区域A。

[第三实施方式]

图12是示出第三实施方式的光传感器向外周面照射光的状态的局部剖视图，图13是示出光传感器的检测面的俯视图。在上述实施方式中，说明了具备面光源43的光传感器11，面光源43具有送光用光纤21和荧光板42，但在该第三实施方式中，面光源的结构不同。对与第一实施方式相同的结构标注相同的附图标记，省略说明。

如图12和图13所示，光传感器61具备面光源48，该面光源48具备将多根(20～40根)送光用光纤21集束而形成的送光用光纤组62而构成。在本实施方式中，在光纤保持部件33形成有供送光用光纤组62插入的贯通孔33c。从送光用光纤21射出的激光束虽然指向性高，但通过将送光用光纤21集束来扩大送光面积，由此能够作为面光源发挥功能，使光扩散。

在头罩40的底板部40a设置逐渐扩径的导光开口47，使光扩散。根据该实施方式，由于也是从各面光源48向计测区域A照射光，因此能够减小配光特性的差别，能够抑制通过计测区域A的标记6b的表面的镜面反射，从而正确地计测间隙d。另外，面光源48可以形成为将射出光的多根送光用光纤21集束而成的送光用光纤组。根据该结构，能够扩大从送光用光纤组62射出的光的照射面积，能够容易地照射计测区域A。

以上，说明了本发明的一个实施方式，但是上述实施方式是作为例子提出的，并非意图限定发明的范围。例如，在上述实施方式中，作为对间隙d进行计测的对象，说明了透平机3的外壳5与动叶片6之间的间隙，但只要为旋转体在外壳内旋转的结构，就不局限于透平机。

附图标记说明

1 间隙控制系统

3 透平机

5 外壳

5a 内周面

6 动叶片(旋转体)

6a 外周面

6b 标记

6be 末端

6bs 前端

8 透平机控制部

10 间隙计测装置

11、51、61 光传感器

12 发光部

13 受光部

14 计测控制部

21 送光用光纤

22 受光用光纤

22a 光轴

30 传感器主体

34a 受光用开口

40 头罩

42 荧光板

43、46、48 面光源

45 散射板

62 送光用光纤组

A 计测区域

B 照射区域

d 间隙

△t 时间。

Claims (7)

1.一种间隙计测装置，对形成为圆筒状的外壳的内周面与在所述外壳内旋转的旋转体的外周面之间的间隙进行计测，

所述间隙计测装置的特征在于，具备：

标记，设置于所述旋转体的外周面；

光传感器，固定于所述外壳，向所述旋转体的外周面射出光而接收从该旋转体反射的反射光，并根据接收到的反射光量的变化对所述标记进行检测，及

计测控制部，对所述光传感器射出的发光信号和接收到的受光信号进行信号处理，

所述光传感器具备：

受光用光纤，配置为光轴以预定角度交叉，而在所述外周面上具有计测区域；及

面光源，沿所述旋转体的旋转方向并列设置，并以照射区域与所述计测区域相互重叠的方式向所述计测区域照射。

2.根据权利要求1所述的间隙计测装置，其特征在于，

所述光传感器在所述面光源之间具有受光用开口，所述受光用光纤的各光轴在所述受光用开口的内侧交叉。

3.根据权利要求1或2所述的间隙计测装置，其特征在于，

所述面光源具备：

送光用光纤，射出预定波长的激励光；及

荧光板，通过从所述送光用光纤射出的所述激励光而发出荧光。

4.根据权利要求3所述的间隙计测装置，其特征在于，

具备滤光器，所述滤光器遮挡所述激励光，并使所述荧光透过。

5.根据权利要求1或2所述的间隙计测装置，其特征在于，

所述面光源具备：

送光用光纤，射出光；及

散射板，使从所述送光用光纤射出的所述光散射。

6.根据权利要求1或2所述的间隙计测装置，其特征在于，

所述面光源是将射出光的送光用光纤集束而形成的。

7.一种间隙控制系统，其特征在于，具备：

权利要求1～6中任一项所述的间隙计测装置；及

控制部，基于由所述间隙计测装置计测出的所述间隙，执行用于对所述间隙进行调整的间隙调整控制。

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