JP2000220408A - セラミック動翼の翼端すき間の計測方法 - Google Patents
セラミック動翼の翼端すき間の計測方法Info
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- JP2000220408A JP2000220408A JP2366599A JP2366599A JP2000220408A JP 2000220408 A JP2000220408 A JP 2000220408A JP 2366599 A JP2366599 A JP 2366599A JP 2366599 A JP2366599 A JP 2366599A JP 2000220408 A JP2000220408 A JP 2000220408A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 セラミック動翼の翼端すき間を運転中に計測
する。 【解決手段】 ガスタービンの金属製タービンディスク
1に植設されたセラミック動翼2の翼端すき間の計測方
法であって、先端が動翼先端に相対するようにプローブ
4を配設し、セラミック動翼2の先端部2dおよび先端
部2dと植込部2bとをアースする連絡部とに金属コー
ティングを施し、プローブ4先端と動翼先端とのすきま
の変化によるプローブ4の静電容量の変化を検出して、
翼端すき間を計測する。
する。 【解決手段】 ガスタービンの金属製タービンディスク
1に植設されたセラミック動翼2の翼端すき間の計測方
法であって、先端が動翼先端に相対するようにプローブ
4を配設し、セラミック動翼2の先端部2dおよび先端
部2dと植込部2bとをアースする連絡部とに金属コー
ティングを施し、プローブ4先端と動翼先端とのすきま
の変化によるプローブ4の静電容量の変化を検出して、
翼端すき間を計測する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はセラミックス製のタ
ービン動翼を有するガスタービンにおける動翼の翼端す
き間(チップクリアランス)の計測方法に関する。
ービン動翼を有するガスタービンにおける動翼の翼端す
き間(チップクリアランス)の計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンにおいて、チップクリアラ
ンスを低減することは、性能向上という面で非常に重要
である。特に、小型のガスタービンではその影響が顕著
であり、チップクリアランスが0.1mm減少すれば、
タービン効率は1%以上向上するといわれる。チップク
リアランスを小さくするため、金属製の動翼を有する一
般のガスタービンではシュラウドにアブレーダブルコー
ティングを施し、接触時の損傷を回避しつつ、チップク
リアランスの低減を図っている。しかし、金属製のター
ビンディスクに植設したセラミックス製の動翼ではセラ
ミックスが脆性材料であることから、動翼とシュラウド
が接触した場合に動翼が即時破壊する危険性があり、チ
ップクリアランスを精度よく予測することが重要であ
る。チップクリアランスを精度良く予測するためには、
その予測が正しいかどうかを検証する手段が必要であ
り、そのため、信頼しうる精度で運転中のチップクリア
ランスを計測する技術を確立しなけらばならない。
ンスを低減することは、性能向上という面で非常に重要
である。特に、小型のガスタービンではその影響が顕著
であり、チップクリアランスが0.1mm減少すれば、
タービン効率は1%以上向上するといわれる。チップク
リアランスを小さくするため、金属製の動翼を有する一
般のガスタービンではシュラウドにアブレーダブルコー
ティングを施し、接触時の損傷を回避しつつ、チップク
リアランスの低減を図っている。しかし、金属製のター
ビンディスクに植設したセラミックス製の動翼ではセラ
ミックスが脆性材料であることから、動翼とシュラウド
が接触した場合に動翼が即時破壊する危険性があり、チ
ップクリアランスを精度よく予測することが重要であ
る。チップクリアランスを精度良く予測するためには、
その予測が正しいかどうかを検証する手段が必要であ
り、そのため、信頼しうる精度で運転中のチップクリア
ランスを計測する技術を確立しなけらばならない。
【0003】運転中のチップクリアランスを計測する手
段としては、接触式、放電式、静電容量式、光学式、超
音波による方法などがあるが、非接触で、かつ、高温雰
囲気での計測方法としては静電容量式のものが優れてい
る。
段としては、接触式、放電式、静電容量式、光学式、超
音波による方法などがあるが、非接触で、かつ、高温雰
囲気での計測方法としては静電容量式のものが優れてい
る。
【0004】静電容量式のチップクリアランス計測装置
には、種々の形式のものがあるが、その1例として次の
ようなものがある。オシレータからプローブ先端に向っ
て高周波(例えば5MHz)の搬送波が発信されてお
り、その搬送波はプローブ先端と動翼先端との静電容量
の変化により変調する。変調した信号はデモジュレータ
に送られ、周波数−DCコンバータ回路により電圧信号
に変換される。そして、出力電圧はプローブと動翼間の
静電容量に比例したものになる。プローブ先端の静電容
量を変化させる主な要素は、センサとブレード(動翼)
の形状およびセンサとブレードとのクリアランスである
が、センサとブレードの形状は変化しないので、プロー
ブ先端の静電容量の変化はブレードとのクリアランスの
変化によるものである。
には、種々の形式のものがあるが、その1例として次の
ようなものがある。オシレータからプローブ先端に向っ
て高周波(例えば5MHz)の搬送波が発信されてお
り、その搬送波はプローブ先端と動翼先端との静電容量
の変化により変調する。変調した信号はデモジュレータ
に送られ、周波数−DCコンバータ回路により電圧信号
に変換される。そして、出力電圧はプローブと動翼間の
静電容量に比例したものになる。プローブ先端の静電容
量を変化させる主な要素は、センサとブレード(動翼)
の形状およびセンサとブレードとのクリアランスである
が、センサとブレードの形状は変化しないので、プロー
ブ先端の静電容量の変化はブレードとのクリアランスの
変化によるものである。
【0005】一般に、静電容量は次の式により与えられ
る。 C=εr ・εo ・A/d C:静電容量 A.電極の面積 d.電極間の距離(翼端のすき間に椎当) εr ,εo :それぞれ真空の誘電率、燃焼ガスの比誘電
率 上記式からわかるように、静電容量Cはすき間dに反比
例することがわかる。
る。 C=εr ・εo ・A/d C:静電容量 A.電極の面積 d.電極間の距離(翼端のすき間に椎当) εr ,εo :それぞれ真空の誘電率、燃焼ガスの比誘電
率 上記式からわかるように、静電容量Cはすき間dに反比
例することがわかる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上説明した静電容量
式のクリアランスセンサは、プローブ先端に対向する導
電体までの距離を計測するものである。したがって、窒
化けい素(Si3 N4 )などのセラミック動翼は絶縁体
であるため、チップクリアランスを計測することができ
ない。
式のクリアランスセンサは、プローブ先端に対向する導
電体までの距離を計測するものである。したがって、窒
化けい素(Si3 N4 )などのセラミック動翼は絶縁体
であるため、チップクリアランスを計測することができ
ない。
【0007】本発明は従来技術の以上述べた問題点に鑑
み案出されたもので、セラミック動翼の先端に導電性を
与えることにより動翼の翼端すき間を計測できるように
した翼端すき間の計測方法を提供することを目的とす
る。
み案出されたもので、セラミック動翼の先端に導電性を
与えることにより動翼の翼端すき間を計測できるように
した翼端すき間の計測方法を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のセラミック動翼の翼端すき間の計測方法
は、ガスタービンの金属製ディスクに植設されたセラミ
ック動翼の翼端すき間の計測方法であって、先端が動翼
先端に相対するようにプローブを配設し、セラミック動
翼の先端部および先端部と植込部とをアースする連絡部
とに金属コーティングを施し、プローブ先端と動翼先端
とのすき間の変化によるプローブの静電容量の変化を検
出して翼端すき間を計測するものである。
め、本発明のセラミック動翼の翼端すき間の計測方法
は、ガスタービンの金属製ディスクに植設されたセラミ
ック動翼の翼端すき間の計測方法であって、先端が動翼
先端に相対するようにプローブを配設し、セラミック動
翼の先端部および先端部と植込部とをアースする連絡部
とに金属コーティングを施し、プローブ先端と動翼先端
とのすき間の変化によるプローブの静電容量の変化を検
出して翼端すき間を計測するものである。
【0009】セラミック動翼にコーティングする金属は
白金(Pt)であるのが好ましい。
白金(Pt)であるのが好ましい。
【0010】動翼のセラミックスは窒化けい素(Si3
N4 )を主成分とするセラミックスであり、白金をコー
ティングする前にアルミナ(Al2 O3 )、ジルコニア
(Zr2 O2 )、マグネシア(MgO)、イットリア
(Y2 O3 )、イッテリアビアなどの酸化物系セラミッ
クスをプレコーティングするのが好ましい。
N4 )を主成分とするセラミックスであり、白金をコー
ティングする前にアルミナ(Al2 O3 )、ジルコニア
(Zr2 O2 )、マグネシア(MgO)、イットリア
(Y2 O3 )、イッテリアビアなどの酸化物系セラミッ
クスをプレコーティングするのが好ましい。
【0011】次に本発明の作用を説明する。セラミック
動翼の先端部に金属コーティングを施するとともに、先
端部を金属製タービンディスクにアースするために先端
部と植込部とを連絡する連絡部にも金属コーティングを
施したので動翼先端部に導電性が与えられる。したがっ
て、従来の製電容量式のチップクリアランスセンサによ
りセラミック動翼の翼端すき間の計測を行うことができ
る。
動翼の先端部に金属コーティングを施するとともに、先
端部を金属製タービンディスクにアースするために先端
部と植込部とを連絡する連絡部にも金属コーティングを
施したので動翼先端部に導電性が与えられる。したがっ
て、従来の製電容量式のチップクリアランスセンサによ
りセラミック動翼の翼端すき間の計測を行うことができ
る。
【0012】コーティングする金属は、白金の他ニッケ
ルも考えられるが実験の結果ニッケルは酸化剥離現象が
発生して使用できないことがわかった。また、セラミッ
クスとして窒化けい素(Si3N4)を使用し、それに直
接白金をコートすると、セラミックス表面とコーティン
グ内面との間に多数の気泡が発生していることがわかっ
た。この気泡は白金の触媒作用のため窒化けい素表面か
ら発生した窒素であると推定されるので、白金コーティ
ングを行うまえに酸化物系セラミックスをプレコーティ
ングすることにより解決した。
ルも考えられるが実験の結果ニッケルは酸化剥離現象が
発生して使用できないことがわかった。また、セラミッ
クスとして窒化けい素(Si3N4)を使用し、それに直
接白金をコートすると、セラミックス表面とコーティン
グ内面との間に多数の気泡が発生していることがわかっ
た。この気泡は白金の触媒作用のため窒化けい素表面か
ら発生した窒素であると推定されるので、白金コーティ
ングを行うまえに酸化物系セラミックスをプレコーティ
ングすることにより解決した。
【0013】
【発明の実施の形態】以下本発明の1実施形態について
図面を参照しつつ説明する。図1はすき間計測装置の概
念図であり、図2はタービン動翼付近の側面図であり、
図3(A)は図2のA−A矢視図、図3(B)は図3
(A)のB−B矢視端面図である。これらの図におい
て、1は金属製のタービンディスクであり、タービンデ
ィスク1の外周にはタービン軸に平行な多数の溝1aが
設けられている。2は動翼であり、翼部2a、植込部2
b、プラットフォーム2cを有している。2dは翼端部
である。
図面を参照しつつ説明する。図1はすき間計測装置の概
念図であり、図2はタービン動翼付近の側面図であり、
図3(A)は図2のA−A矢視図、図3(B)は図3
(A)のB−B矢視端面図である。これらの図におい
て、1は金属製のタービンディスクであり、タービンデ
ィスク1の外周にはタービン軸に平行な多数の溝1aが
設けられている。2は動翼であり、翼部2a、植込部2
b、プラットフォーム2cを有している。2dは翼端部
である。
【0014】3はシュラウド、4はプローブで静電容量
型である。δは翼端すき間であり、翼端部2dとシュラ
ウド3内面との間の距離である。プローブ4の静電容量
とすき間δとは、反比例の関係があるので、静電容量の
変化を計測することによりすき間δを検知できる。5は
燃焼ガスである。
型である。δは翼端すき間であり、翼端部2dとシュラ
ウド3内面との間の距離である。プローブ4の静電容量
とすき間δとは、反比例の関係があるので、静電容量の
変化を計測することによりすき間δを検知できる。5は
燃焼ガスである。
【0015】このように、静電容量の変化によりすき間
δを検知するので、動翼には導電性が要求される。そこ
で窒化けい素製の動翼の翼端部2dはもちろん、翼端部
2dを金属製のタービンディスク1にアースするために
翼部2a、プラットフォーム2c、植込部2b(これら
を総称して連絡部という)にも金属コーティングをする
必要がある。連絡部の金属コーティングは動翼2全体で
なくてよく、帯状であってもよいし、片面(腹側または
背側)のみであってもよい。金属コーティングの材質は
高温に耐える白金がよい。
δを検知するので、動翼には導電性が要求される。そこ
で窒化けい素製の動翼の翼端部2dはもちろん、翼端部
2dを金属製のタービンディスク1にアースするために
翼部2a、プラットフォーム2c、植込部2b(これら
を総称して連絡部という)にも金属コーティングをする
必要がある。連絡部の金属コーティングは動翼2全体で
なくてよく、帯状であってもよいし、片面(腹側または
背側)のみであってもよい。金属コーティングの材質は
高温に耐える白金がよい。
【0016】図1に示すように、プローブ4は先端がセ
ラミック動翼と先端に相対するように配設されている。
プローブ4は互に90゜離れて円周方向に4個設けられ
ている。セラミック動翼は全部に金属コーティングして
もよいが、テストのためには1個にコーティングすれば
よい。プローブ4に図示しないオシレータから5MHz
程度の高周波の搬送波が送られている。動翼の回転につ
れてプローブ4の静電容量が変化するので上記搬送波は
変調する。変調した搬送波は図示しないデモシュレータ
に送られ、そこで周波数−DCコンバータ回路により電
圧信号に変換される。電圧信号の電圧はプローブの静電
容量に比例するものであり、静電容量は動翼の翼端すき
間δに反比例するので、上記電圧信号の変化を計測する
ことにより、翼端すき間の変化を計測することができ
る。したがって、較正作業を経て翼端すき間の絶対値を
計測することができる。
ラミック動翼と先端に相対するように配設されている。
プローブ4は互に90゜離れて円周方向に4個設けられ
ている。セラミック動翼は全部に金属コーティングして
もよいが、テストのためには1個にコーティングすれば
よい。プローブ4に図示しないオシレータから5MHz
程度の高周波の搬送波が送られている。動翼の回転につ
れてプローブ4の静電容量が変化するので上記搬送波は
変調する。変調した搬送波は図示しないデモシュレータ
に送られ、そこで周波数−DCコンバータ回路により電
圧信号に変換される。電圧信号の電圧はプローブの静電
容量に比例するものであり、静電容量は動翼の翼端すき
間δに反比例するので、上記電圧信号の変化を計測する
ことにより、翼端すき間の変化を計測することができ
る。したがって、較正作業を経て翼端すき間の絶対値を
計測することができる。
【0017】次に白金のコーティング方法について説明
する。図4は図2のC−C矢視図であり、図4(A)は
プレコーティング(第1層)、白金コーティング(第2
層)の2層のものを示しており、図4(B)はプレコー
ティング(第1層)、白金コーティング(第2層)およ
び保護コーティング(第3層)の3層のものを示してい
る。図に示すように窒化けい素製の動翼の翼端部2dお
よび背側にコーティングをしている。第1層6(プレコ
ーティング)としてはアルミナまたはジルコニヤなどの
酸化物系セラミックスをコーティングする。コーティン
グ厚さは1μm程度でよく、スパッタリングまたはイオ
ンプレーティング等のPVD法により施工する。第1層
6の上に第2層7の白金をコーティングする。厚さは5
μm程度でよく、スパッタリングまたはイオンプレーテ
ィング等のPVD法により施工する。通常のテスト用で
あれば以上の2層でよい。実機に取り付けてテストを行
う等長時間使用する場合には燃焼ガス5による腐食から
白金を保護するためアルミナ等のセラミックスを第3層
8としてコーティングする。コーティング厚さは10μ
m程度でよく、PVD法により施工する。なお、プラッ
トフォーム2cより下の植込部2bには第3層8のコー
ティングは行わない。翼端部2d以外の白金コーティン
グ7は翼端部2dから金属製のタービンディスク1への
アース線としての役割を有している。したがって、動翼
全面に、コーティングする必要はなく、背側または腹側
のみに行ってもよいし、帯状のコーティングでもよい。
する。図4は図2のC−C矢視図であり、図4(A)は
プレコーティング(第1層)、白金コーティング(第2
層)の2層のものを示しており、図4(B)はプレコー
ティング(第1層)、白金コーティング(第2層)およ
び保護コーティング(第3層)の3層のものを示してい
る。図に示すように窒化けい素製の動翼の翼端部2dお
よび背側にコーティングをしている。第1層6(プレコ
ーティング)としてはアルミナまたはジルコニヤなどの
酸化物系セラミックスをコーティングする。コーティン
グ厚さは1μm程度でよく、スパッタリングまたはイオ
ンプレーティング等のPVD法により施工する。第1層
6の上に第2層7の白金をコーティングする。厚さは5
μm程度でよく、スパッタリングまたはイオンプレーテ
ィング等のPVD法により施工する。通常のテスト用で
あれば以上の2層でよい。実機に取り付けてテストを行
う等長時間使用する場合には燃焼ガス5による腐食から
白金を保護するためアルミナ等のセラミックスを第3層
8としてコーティングする。コーティング厚さは10μ
m程度でよく、PVD法により施工する。なお、プラッ
トフォーム2cより下の植込部2bには第3層8のコー
ティングは行わない。翼端部2d以外の白金コーティン
グ7は翼端部2dから金属製のタービンディスク1への
アース線としての役割を有している。したがって、動翼
全面に、コーティングする必要はなく、背側または腹側
のみに行ってもよいし、帯状のコーティングでもよい。
【0018】本発明は、以上説明した実施形態に限定さ
れるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
の変更が可能である。すなわち、プレコーティングの酸
化物系セラミックスの材質はアルミナやジルコニヤだけ
でなく、マグネシア、イットリア、イッチリビアなどで
あってもよい。
れるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
の変更が可能である。すなわち、プレコーティングの酸
化物系セラミックスの材質はアルミナやジルコニヤだけ
でなく、マグネシア、イットリア、イッチリビアなどで
あってもよい。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
ク動翼の翼端すき間の計測方法はセラミック動翼の先端
部および連絡部に金属コーティングを施し、先端部にタ
ービンディスクにアースされた導電性を与えたので、通
常の静電容量式チップクリアランス計測装置により翼端
すき間を正確に、かつ、安価に計測することができるな
どの優れた効果を有する。
ク動翼の翼端すき間の計測方法はセラミック動翼の先端
部および連絡部に金属コーティングを施し、先端部にタ
ービンディスクにアースされた導電性を与えたので、通
常の静電容量式チップクリアランス計測装置により翼端
すき間を正確に、かつ、安価に計測することができるな
どの優れた効果を有する。
【図1】すき間計測装置の概念図である。
【図2】タービン動翼付近の側面図である。
【図3】(A)は図2のA−A矢視図、(B)は(A)
のB−B矢視図である。
のB−B矢視図である。
【図4】図2のC−C矢視図であり、(A)は2層コー
ティングのもの、(B)は3層コーティングのものをそ
れぞれ示している。
ティングのもの、(B)は3層コーティングのものをそ
れぞれ示している。
1 金属製タービンディスク 2 セラミック動翼 4 プローブ 6 プレコーティング 7 金属コーティング(白金コーティング)
Claims (3)
- 【請求項1】 ガスタービンの金属製タービンディスク
に植設されたセラミック動翼の翼端すき間の計測方法で
あって、先端が動翼先端に相対するようにプローブを配
設し、セラミック動翼の先端部および先端部と植込部と
をアースする連絡部とに金属コーティングを施し、プロ
ーブ先端と動翼先端とのすき間の変化によるプローブの
静電容量の変化を検出して、翼端すき間を計測すること
を特徴とするセラミック動翼の翼端すき間の計測方法。 - 【請求項2】 セラミック動翼にコーティングする金属
は白金(Pt)である請求項1記載のセラミック動翼の
翼端すき間の計測方法。 - 【請求項3】 動翼のセラミックスは、窒化けい素(S
i3 N4 )を主成分とするセラミックスであり、白金を
コーティングする前にアルミナ(Al2 O3)、ジルコ
ニア(Zr2 O2 )、マグネシア(MgO)、イットリ
ア(Y2 O3)、イッテリピアなどの酸化物系セラミッ
クスをプレコーティングする請求項2記載のセラミック
動翼の翼端すき間の計測方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2366599A JP2000220408A (ja) | 1999-02-01 | 1999-02-01 | セラミック動翼の翼端すき間の計測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2366599A JP2000220408A (ja) | 1999-02-01 | 1999-02-01 | セラミック動翼の翼端すき間の計測方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000220408A true JP2000220408A (ja) | 2000-08-08 |
Family
ID=12116803
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2366599A Pending JP2000220408A (ja) | 1999-02-01 | 1999-02-01 | セラミック動翼の翼端すき間の計測方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000220408A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007010656A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-18 | General Electric Co <Ge> | クリアランス測定システムおよび動作方法 |
CN106524978A (zh) * | 2016-11-16 | 2017-03-22 | 上海核工程研究设计院 | 一种核电站的主设备支撑间隙测量系统 |
CN110360920A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-10-22 | 天津大学 | 一种基于fft的发动机叶尖间隙检测方法 |
CN111043949A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 电子科技大学 | 一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置 |
CN112097627A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-18 | 北京航空航天大学 | 叶尖间隙测量方法及装置 |
-
1999
- 1999-02-01 JP JP2366599A patent/JP2000220408A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007010656A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-18 | General Electric Co <Ge> | クリアランス測定システムおよび動作方法 |
CN106524978A (zh) * | 2016-11-16 | 2017-03-22 | 上海核工程研究设计院 | 一种核电站的主设备支撑间隙测量系统 |
CN110360920A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-10-22 | 天津大学 | 一种基于fft的发动机叶尖间隙检测方法 |
CN110360920B (zh) * | 2019-07-18 | 2021-01-29 | 天津大学 | 一种基于fft的发动机叶尖间隙检测方法 |
CN111043949A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 电子科技大学 | 一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置 |
CN112097627A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-18 | 北京航空航天大学 | 叶尖间隙测量方法及装置 |
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