JP2015531864A - 光ファイバ感知技法を使用するフレーム脚荷重測定システム - Google Patents

光ファイバ感知技法を使用するフレーム脚荷重測定システム Download PDF

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Abstract

ファイバブラッググレーティング(FBG)ベースセンサは、発電機のフレーム脚荷重を決定するために、ひずみ感知要素として使用される。3つのFBGは、基本フレーム脚荷重モジュール(FFLモジュール)を形成するために、タンデムで使用され得る。2つのモジュールは、発電機フレームの角の各垂直支持ガセット上に固定され、1つのモジュールは、ガセットの前面に固定され、第2のモジュールは、ガセットの背面に固定される。したがって、各ガセットは、6つのFBGひずみゲージまたはセンサで計測され得る。ガセットは、発電機の4つの角の各々に選択される。2極発電機に関して、各角に第1の3つのガセットが使用され得、4極発電機に関して、第1の4つのガセットが使用され得る。

Description

本発明は、発電機の分野に関し、より具体的には、タービン動力発電機のフレーム脚荷重を監視することに関する。
エネルギー変換のための、タービン動力発電機、またはターボ発電機は、典型的には、発電機を支持するための必要な構造を提供するコンクリート基礎の上に設置されたフレーム構造を含む。通常は、発電機フレームの荷重を基礎に伝達するのを助ける、フレームの部分に沿った1つまたは複数の脚が存在する。発電機の脚によって支持される重量は、典型的には、シムパック、座板、およびグラウチングを介して基礎に伝達される。シムパックの厚さを変えることは、架設および保守の間の発電機とタービンとの間の位置合わせを可能にする。架設中に基礎にグラウトされた座板は、発電機のための支持の強固な基部を提供する。フレームの全長を延長することができるフレーム脚は、典型的には、タービンに対する発電機の最終的な位置合わせを得るためだけにその均一な厚さが変更されたシムパックを使用して、均一に荷重される。したがって、ステータコアの重量および電気的負荷は、発電機の中央部分によって担持され、フレーム端部は、軸受内のロータを支持する。
発電機シャフト軸受スパンを最小にし、剛性を高めるために、ロータ軸受は、外部軸受台によって支持される代わりに、フレーム構造の各端部のそれぞれのブラケットによって支持され得る。軸受のこの構成は、発電機の端部のフレーム脚が、ロータシャフトおよび軸受のための強固な支持を提供しなければならないことを意味する。過去には、各脚での荷重分布を測定し、動的な軸受荷重のための脚の位置を最適化するために、電気機械ひずみゲージが、フレームのリブ、またはガセット上で使用されてきた。フレームのたわみに基づく荷重分布パターンは、適切なフレーム脚荷重のために使用される。具体的には、1つまたは複数の電気機械ひずみゲージは、フレーム構造の角の近くに配置された1つまたは複数のガセット上で使用されており、フレーム重量を角で支えるのは、これらの垂直支持ガセットである。
上記で説明した方法での電気機械ひずみゲージの使用は、いくらかの信頼性および動作上の制限を伴う。第1に、標準的な電気機械ひずみゲージは、典型的には、時には障害を起こす可能性がある吸湿性のセメントを介してガセット基板に接着される。湿気を中に入れないようにひずみゲージをシール材で被覆するように注意が払われたとしても、セメントの接着寿命は、12〜18ヶ月と短い可能性がある。したがって、過去にフレーム脚荷重がかけられた発電機は、古いひずみゲージを除去し、将来のフレーム脚荷重のための新しいひずみゲージを設置する必要があることになる。
また、標準的な電気機械ひずみゲージの設置は、熟練技術者にとっても時間がかかる。熟練の現地保守要員による標準的なひずみゲージの設置は、各ひずみゲージに関して約1時間であると推定される。したがって、例として、4極発電機に関する典型的な設置は、ガセットを適切に取り付けるために、最高64のひずみゲージを含む可能性があり、したがって、かなりの設置時間を必要とする可能性がある。
また、設計により、各標準的なひずみゲージは、典型的には、測定のための3本のワイヤを必要とする。4極発電機の場合、256本ものワイヤが、発電機からひずみゲージのアナログコネクタにルーティングされる必要があり得る。これらの接続は、また、最終的な測定を行うために必要な大量の時間を伴う。
したがって、発電機のためのフレーム脚荷重測定を、高速で、効率的で、正確な方法で、かつ、長期間の信頼性の高い結果を保証する方法で実行する必要性が残っている。
本発明の態様は、ファイバブラッググレーティングセンサに基づくひずみ測定モジュールに関する。モジュールは、第1の端部および第2の端部を有する光信号経路を、第1の端部と第2の端部との間の光信号経路中の第1のファイバブラッググレーティングと、第1のファイバブラッググレーティングと第2の端部との間の光信号経路中の第2のファイバブラッググレーティングと共に含む。モジュールは、また、第1および第2のファイバブラッググレーティングを実質的に取り囲むように構成されたハウジングを含み、ハウジングは、発電機の支持ガセットの表面に機械的に取り付けられるように構成された外側表面を有する。さらに、温度センサが、第1および第2のファイバブラッググレーティングに近接して位置して設けられ得る。
本発明の追加の態様によれば、ひずみ測定デバイスは、複数のモジュールを備えて提供される。モジュールの各々は、第1の端部および第2の端部を有する光信号経路と、第1の端部と第2の端部との間の光信号経路中の少なくとも1つのファイバブラッググレーティングとを備える。各モジュールは、加えて、少なくとも1つのファイバブラッググレーティングを実質的に取り囲むように構成されたハウジングを含み、ハウジングは、発電機の支持ガセットの表面に機械的に取り付けられるように構成された外側表面を有する。複数のモジュールは、単一の光信号経路を提供するように、開始モジュールおよび終了モジュールを有する隣接するモジュールの連続した鎖に配置される。光源は、開始モジュールの第1の端部に結合され、光の入射スペクトルを提供するように構成される。検出器は、開始モジュールの第1の端部に結合され、それぞれのブラッググレーティングに対応する複数のモジュールの各々からのそれぞれの反射信号を受信するように構成される。ジャンパファイバは、複数のモジュールの各々の第2の端部を、開始モジュールで開始し、終了モジュールで終了する連続した鎖中のそのそれぞれの隣のモジュールの第1の端部に光学的に結合するように構成される。
本発明のさらに別の態様は、複数のフレーム脚上に支持された発電機ケーシングを含み、発電機ケーシングとフレーム脚との間に延在するガセットを含む発電機のフレーム脚荷重を決定する方法に関する。方法は、少なくとも1つのフレーム脚荷重モジュールを複数のガセットの各々に取り付けるステップを含み、複数のモジュールは、単一の光信号経路を提供するために、開始モジュールおよび終了モジュールを有する隣接するモジュールの連続した鎖に配置される。モジュールの各々は、個々の第1の端部および第2の端部を有する光信号経路と、第1の端部と第2の端部との間の光信号経路中の少なくとも1つのファイバブラッググレーティングと、少なくとも1つのファイバブラッググレーティングを実質的に取り囲むように構成されたハウジングとを備え、ハウジングは、発電機の支持ガセットの表面に機械的に取り付けられるように構成された外側表面を有する。方法は、加えて、光源を開始モジュールの第1の端部と結合するステップであって、光源が光の入射スペクトルを提供するように構成された、ステップと、検出器を開始モジュールの第1の端部と結合するステップであって、検出器が、それぞれのブラッググレーティングに対応する複数のモジュールの各々からのそれぞれの反射信号を受信するように構成された、ステップと、複数のモジュールの各々の第2の端部を、開始モジュールで開始し、終了モジュールで終了する連続した鎖中のそのそれぞれの隣のモジュールの第1の端部に光学的に結合するために、ジャンパファイバを取り付けるステップとを含む。
本明細書は、本発明を特に指摘し、明確に特許請求する特許請求の範囲で完結するが、本発明は、同様の参照番号が同様の要素を識別する添付図面と併せて以下の説明からよりよく理解されるであろうと考えられる。
本発明の原理によるひずみゲージとして使用され得るファイバブラッググレーティングの概念図である。 本発明の原理によるひずみゲージとして使用され得る複数のファイバブラッググレーティングのセンサ構成の概念図である。 本発明の原理による溶接可能なファイバブラッググレーティングを示す図である。 本発明の原理によるモジュール内に配置された複数のファイバブラッググレーティングを示す図である。 本発明の原理によるモジュール内に配置された複数のファイバブラッググレーティングを示す図である。 本発明の原理によるモジュール内に配置された複数のファイバブラッググレーティングを示す図である。 ターボ発電機の異なる領域の斜視図である。 ターボ発電機の異なる領域の斜視図である。 本発明の原理によるフレーム脚荷重モジュールを有する2つのガセットを示す図である。 本発明の原理による複数のガセットおよびフレーム脚荷重モジュールを有する発電機フレームの角を示す図である。 本発明の原理によるフレーム脚荷重パターンを感知する例示的な方法のフローチャートである。
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成し、実例として、限定としてではなく、本発明が実践され得る特定の好ましい実施形態が示された添付図面への参照が行われる。他の実施形態が利用され得ること、および、本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、変更がなされ得ることが理解されるべきである。
本発明の態様によれば、ファイバブラッググレーティング(FBG)ベースセンサは、ターボ発電機などの発電機のフレーム脚荷重を決定するために、ひずみ感知要素として使用される。3つのFBGは、基本フレーム脚荷重モジュール(FFL:Frame Foot Loadingモジュール)を形成するために、タンデムで使用され得る。しかしながら、FFLモジュールは、単一のFBGを備えることができることが理解されるべきである。2つのモジュールは、発電機フレームの角で各々の垂直支持ガセットに固定され得、1つのモジュールは、ガセットの前面に、第2のモジュールは、ガセットの裏面に固定され得る。したがって、各ガセットは、6つのFBGセンサで計測され得る。ガセットは、発電機の4つの角の各々に選択され得る。2極発電機に関して、各角で第1の3つのガセットが使用され得、4極発電機に関して、第1の4つのガセットが使用され得る。
図1は、本発明の原理によるひずみゲージまたはセンサとして使用され得るファイバブラッググレーティングの概念図である。ファイバブラッググレーティング(FBG)104は、典型的には、光ファイバ102のコア106に形成される。コア106は、図1に示すように、クラッド108によって取り囲まれる。これらのグレーティングは、FBG104から反射された信号、またはFBG104を透過した信号を検出することによって監視され得る受動光デバイスである。グレーティング104の中心波長としても知られるブラッグ波長λBは、
λB=2neΛT
によって決定され、ここで、neは、ファイバコア106内のグレーティング104の実効屈折率であり、ΛT101は、グレーティング周期である。実効屈折率は、コア106を通って伝播する光の速度を、真空中でのその速度と比較して定量化する。測定され得るグレーティング104の環境に関連する物理的特性は、本明細書では、測定量と呼ばれ、測定量の例は、温度、ひずみ、圧力、張力、湿度、などを含む。測定値が変化すると、グレーティング周期101も変化し、これは、グレーティング104がそのローカル環境での測定量のこの変化を示すことを可能にする。
実際には、広帯域スペクトルを有する光110は、入力として光ファイバ102に結合され、グレーティング104は、広帯域入力光110の一部を反射する。反射光114の中心波長は、各ファイバブラッググレーティングによって決定され、各々は、固有であり、λB1、λB2は、複数の反射中心波長を代表するものであり得る。測定量がグレーティング104に影響を与えるとき、結果は、グレーティングによって反射された光の中心波長がシフトすることである。このスペクトルシフトは、測定量の直接測定とみなされ得る。
さらに、図1にも示されているように、グレーティング104で反射されない広帯域スペクトル110の一部は、透過スペクトル112としてグレーティング104を通り過ぎて継続する。透過スペクトル112は、以下にさらに論じるように、異なる中心波長を中心とする波長範囲の反射光信号を提供する1つまたは複数の後続のFBGで反射され得る光のスペクトルを提供する。
図2は、本発明の原理によるひずみゲージ構成として使用され得る複数のファイバブラッググレーティングのセンサ構成の概念図である。各々がそれぞれの異なる中心波長λB1、λB2、λB3、λB4、およびλB5を有するいくつかのFBGグレーティング2041、2042、2043、2044、および2045は、同じファイバ202の鎖内に含まれ得、同時に測定され得る。そのようなFBGベースセンサの基本構成は、照明源201と、光カプラ212と、検出ユニット216と、異なるFBG、すなわち、2041〜2045とを含むことができる。源208からの光210は、各FBGから反射され、カプラ208は、この反射光を検出ユニット216に渡す。ブラッグ波長のシフトは、測定量の変化に変換される。具体的には、反射光の反射スペクトル214は、FBG2041〜2045の各々からのそれぞれの反射信号を含み、それぞれの反射信号は、FBG2041〜2045のそれぞれのブラッグ波長λ1〜λ5に依存する。既知の測定量の値でのグレーティングのブラッグ波長を知ることによって、その波長の観測されるシフトは、その測定量の値の変化を決定するために使用され得る。
図2に示すように、複数のFBG2041〜2045の波長のシフトは、同時に検出され得、ブラッグ波長の個々のシフトは、それぞれ、ブラッググレーティングによって占められる特定の場所での測定量の変化を示すことになる。単一のファイバ202内に組み込まれ得るFBGの数は、各FBGの動作の波長範囲、および検出ユニット216の全体の利用可能な波長範囲に依存する。ひずみによる波長シフトは、典型的には、温度よりも顕著であるので、FBGひずみセンサは、しばしば、〜5nmの範囲が与えられ、FBG温度センサは、〜1nmが割り当てられる。典型的な検出器は、約50〜100nmの測定量の範囲を提供することができるので、センサの各ファイバアレイは、通常、反射波長が光スペクトルで重ならない限り、1つから80よりも多くまでのFBGセンサをどこにでも組み込むことができる。広帯域源201は、約1550nmの中心波長λ0を有する1500nmから1600nmまでの間の波長を有するスペクトル210を生成する光源を含むことができる。当業者は、他の広帯域光源、他の動作波長、および、より多いまたはより少ないFBGが、本発明の範囲から逸脱することなく使用され得ることを認識するであろう。
したがって、図2では、グレーティング2041〜2045は、それらの反射スペクトルが光源201によって提供される光スペクトル210のスペクトルバンド内にあるように選択される。ブラッググレーティングは、各々が、それ自体のスペクトルバンドによって検出ユニット216で識別可能であるように、重ならないスペクトル反射特性214を有する。各FBGからの反射ブラッグ信号は、検出システム216によって反射が監視される。ブラッグ波長の任意のシフトは、対応するFBGセンサ位置での測定量の変化を示すことになる。
本発明の態様によれば、FBGひずみセンサは、ターボ発電機などの発電機の垂直支持ガセット上に配置され得る。この場所では、センサは、複数の他の同様のセンサと共に、発電機のフレーム脚荷重パラメータを決定するために有益なひずみ情報を検出するために使用され得る。したがって、本発明のこの態様によれば、FBGセンサは、ガセットの表面のひずみが、次いで検出および測定され得るFBGひずみセンサの結果として生じるひずみを引き起こし得るように、ガセットの表面に機械的に結合される。図3は、本発明の原理による溶接可能なファイバブラッググレーティング構成要素300を示す。
図3の溶接可能なFBG構成要素300は、FBG304を組み込み、溶接可能なプレート303に取り付けられた、予め延伸されたまたは予め張力をかけられた光ファイバ302を含むことができる。溶接可能なプレート303は、適切な表面へのファイバ302の接合を単純化する比較的平坦で平滑な表面を提供する。プレート303は、エポキシ、セメント、または他の接着剤によって表面に固定され得る。しかしながら、1つの有益な方法は、ひずみが測定される表面に溶接され得る金属からプレート303を構築することである。例えば、プレート303は、下にある基板表面にスポット溶接され得る。溶接は、エポキシまたはセメントと比較して、経時的により信頼性の高い取り付けを提供することができる。
ファイバ302は、典型的には、溶接可能なプレート303の両端部303A、303Bに固定され、それぞれのファイバ延長部302Aおよび302Bが、各々のそのような固定点から延在する。ファイバ延長部302A、302Bは、各々、FBG構成要素300が多構成要素ファイバアセンブリの一部として内部に容易に挿入されることを可能にするそれぞれのコネクタまたは光カプラ320Aおよび320Bを有することができる。
図3のFBGひずみセンサは、単に、そのようなセンサが、物体の表面に取り付けられ得るひずみセンサを提供するために構築され得る1つの方法の一例である。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、FBGひずみセンサを構築する他の機能的に等価な方法が存在することを認識するであろう。
図4A〜図4Cは、本発明の原理による1つまたは複数のファイバブラッググレーティングで構成され得るモジュールまたはモジュラ構造400を示す。図4A〜図4Cのモジュール400は、フレーム脚荷重(FFL)モジュールと呼ばれ得る。図4Aの構成は、第1のFBGひずみセンサ3001(左側)および第2のFBGひずみセンサ3002(右側)を含むことができるファイバ鎖を含む。ひずみセンサ3001、3002は、上記で説明した構成要素300と同様に構築され得、それ自体、各々、上記で説明したプレート303などの溶接可能なプレートを含むことができる。モジュール400は、また、2つのひずみセンサ3001、3002の間に配置されたFBG温度センサ404を含むことができる。FBG温度センサおよびFBGひずみセンサの構造は、溶接可能なプレート303がFBG温度センサ404のために含まれる必要がないことを除いて、実質的に同じである。各場合では、FBGの各々のグレーティング周期は、測定量の変化の結果として変化する。具体的には、FBG温度センサ404に関して、温度センサFBGの実効屈折率neは、ファイバ402の温度変化の結果として変化し、それによって、ブラッグ波長をシフトする。
異なるFBGセンサ3001、3002、404の間にカップリングおよびコネクタ(図示せず)が存在し得るが、効果は、ファイバ402が、事実上、モジュール400のための終端の光カプラまたはコネクタ422Aおよび422B間の連続的な光ファイバ経路であることである。
図4Bは、モジュール400のための保護ハウジングまたはケーシングに取り付けられる図4からのFBGセンサ構成を示す。ケーシングは、図4AのFBGセンサ構成のための筐体を提供するボトムプレート430およびカバープレート432を含むことができる。端子コネクタ422A、422Bは、各々、それぞれの外部コネクタ424A、424Bと結合され得る。このようにして、図4Bおよび図4Cのモジュール400は、1つまたは複数のFBGセンサを含むことができる独立型ひずみセンサモジュールであり得る。具体的には、本明細書で説明されるように、モジュール400は、複数のFBGひずみセンサ、例えば、2つのFBGひずみセンサを含み、FBG温度センサ、ならびに、光信号を送受信するための接続点を含むことができる独立型ひずみセンサモジュールであり得る。
図4Cは、ボトムプレート430の1つの特定の特徴を示す。ボトムプレート430は、なんらかの方法でフレームガセットに取り付けられることになることと、モジュール400の内部は、カバープレート432を除去することによってアクセス可能になることとが想定される。しかしながら、FBGひずみセンサ3001、3002をボトムプレート430に取り付けることは、ガセットが受けているひずみを正確に検出しない可能性がある。したがって、それぞれの開口部440、442が、ボトムプレート430に設けられる。これらの開口部は、各FBGひずみセンサ3001、3002に関連するそれぞれの溶接可能なプレート303が、ボトムプレート430からのどのような干渉もなしに、ガセットの表面に直接溶接されることを可能にする。開口部440、442は、溶接可能なプレート303のサイズに基づいて、適切に大きさを決められ、間隔に関しては、開口部440、442は、約4インチ〜約7インチの間の距離だけ分離され得る。結果として、モジュール400は、ガセットの表面に取り付けられたとき、そのガセット表面が受けるひずみ、ならびに、これらのFBGひずみセンサ3001、3002が配置された場所の温度の示度の、2つの異なる測定値を提供することになる。
FBG温度センサ404は、温度センサ404をFBGひずみセンサ3001、3002に接続するファイバによって、モジュール内に確実に配置され得る。したがって、温度センサ404は、固定面に強固に取り付けられることの応力またはひずみによって影響を受けることを回避することができる。前述のように、FBG温度センサ404は、FBGひずみセンサ3001、3002の場所付近の温度を測定する1つの方法を提供する。しかしながら、当業者は、異なるタイプの温度センサが同様に設けられ得ることを認識するであろう。例えば、識別可能な半導体ベースの温度センサのワイヤレスネットワークは、モジュール400が配置され得る異なる場所で温度が感知されることを可能にすることになる。
当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、追加のFBGひずみセンサが、モジュール400に含まれ得ることを認識するであろう。例えば、第3のひずみセンサは、FBG温度センサ404とFBGひずみセンサ3002との間に配置され得る。この構成では、モジュール400の幅は、追加のセンサを収容するために、右に拡張され得る。そのような構成では、ファイバ402は、FBGひずみセンサの3つすべてが、拡張されたモジュール内で実質的に垂直に整列されるように、蛇行形状に形成され得る。
図5Aおよび図5Bは、各々、ターボ発電機の異なる領域の斜視図である。図5Aでは、発電機の450の一方の側は、発電機450のその側の各端部の近くにガセットを示すことが示され、同様のガセットが、発電機450の他方の側に同様に配置される。発電機450の前方右の角のガセットは、第1〜第5のガセット452A〜452Eを含む。これらのガセット452A〜452Eは、発電機450のケーシング451と、フレーム脚458とに結合され、したがって、ガセットでのひずみは、発電機450が受けるフレーム脚荷重を示す。典型的には、第1の4つのガセット452A〜452Dでのひずみが決定され得る。図5Aにも示すように、1つまたは複数のトラニオン454、456が存在する。これらのトラニオンおよび液圧ジャッキ、または同様の手段を使用して、発電機450の角は、脚フレーム458がいかなる支持基礎上にも位置しないように、持ち上げられ得る。このようにして、ガセット表面452A〜452Dが受けるベースラインひずみは、その角のフレーム脚に荷重が存在しないとき、決定され得る。
図5Bは、座板460上に位置するフレーム脚458の詳細図を示す。第1および第2のガセット452Aおよび452Bは、参照のためにラベル付けされたそれぞれのモジュールのための位置400Lで示されている。シム462は、ガセットが受けるフレーム脚荷重パターンを調整するために、座板460とフレーム脚458との間に挿入される。
図6は、本発明の原理によるフレーム脚荷重モジュールを有する第1の2つのガセット452A、452Bを示す。フレーム脚荷重情報を取得するための1つの有益な技法は、ガセット452A〜452Dの各々の上に複数のモジュール400を配置することである。例えば、第1のガセット452A上には、FBGひずみセンサモジュール400A1が、ガセット452Aの前面側に配置され、対応するモジュール400A2が、ガセット452Aの背面側に配置される。「前面側」および「背面側」という用語は、便宜上、ガセットの対向する側を示すために使用され、本発明の実施形態を特定の空間的配置に限定することを意図していない。
同様に、モジュール400B1および400B2の第2の対は、第2のガセット452Bに取り付けられる。したがって、各ガセット452A、452Bは、各ガセット452A、452Bが4つのFBGひずみセンサおよび2つのFBG温度センサを含むように、2つのFBGひずみセンサモジュールを有する。モジュール400A1、400A2、400B1、400B2は、モジュールの誤配置が測定量の意図しない違いを導入しないように、それぞれのガセット表面上の同様の場所に配置され得る。具体的には、各モジュールは、それぞれのガセットの外側エッジから約3〜7インチに、フレーム脚の約3〜7インチ上に配置され得る。
光ファイバ470は、第1のモジュール400A1を源/検出器、例えば、図2に示す源201/検出ユニット216に接続することができ、ジャンパファイバ472Aは、第1のモジュール400A1を第2のモジュール400A2に接続することができる。別のジャンパファイバ474Aは、第2のモジュール400A2を第2のガセット452B上の第1のモジュール400B1に接続することができ、さらなるジャンパファイバ472Bは、第1のモジュール400B1を第2のモジュール400B2に接続することができる。追加の光ファイバ474Bは、ファイバ鎖を追加のモジュールに拡張するために使用され得る。
図7は、本発明の原理によるそれぞれのフレーム脚荷重モジュールを支持する複数のガセット452A、452B、452C、452Dを有する発電機フレームの角を示す。図7では、4つの異なるモジュール400A1、400B1、400C1、400D1の各々は、それぞれのガセットに取り付けられて示されている。これらの4つの異なるモジュールの各々は、図7の発電機の角に8つのモジュールが存在するように、それらのそれぞれのガセットの反対側に表示されていない対応するモジュールを有する。また、図7に示されていない3つの他の角が存在し、これらの角は、これらの角のそれぞれのガセット上にモジュールの同様の構成を有することができる。したがって、図7の発電機は、フレーム脚荷重パラメータの決定を助けるために、例えば、合計32のモジュールを有することができる。
前述のように、モジュールが発電機の各角で3つのガセットのみに取り付けられ得る場合がある。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、4つより多くのガセットがモジュールに同様に取り付けられ得ることを認識するであろう。
上記で説明したように、ガセットの一方の側のモジュールは、対応するジャンパファイバ472A〜472Dによって対応する反対側のモジュールに結合される。また、一方のガセットからのモジュールと別のガセット上のモジュールとの間の結合を表すジャンパファイバ474A〜474Cが存在する。これらのジャンパファイバ472A〜472Dおよび474A〜474Cは、異なるモジュールのひずみ(および温度)測定値が取得されているときに使用される。発電機の動作前に、フレーム脚荷重が調整された後に、これらのジャンパファイバ472A〜472Dおよび474A〜474Cは、除去され得る。1つの利点は、フレーム脚荷重が将来のある時点で再計算される必要がある場合、必要な接続のみがジャンパファイバに追加されるように、モジュール400A1〜400D1および関連する反対側のモジュールが元の場所に残され得、実質的に従来の測定システムに対して複雑さおよび接続時間を低減することである。
前述のように、複数のFBGひずみセンサは、互いに直列に結合され得、すべて一度に解析され得る。したがって、図7に示す角のガセットに結合された8つのモジュールからの信号は、すべて同時に解析され得る。異なる角が解析されるとき、次いで、これらの8つのモジュールへの接続部が設置され得、これらの信号が解析され得る。しかしながら、各角が別々に解析されるのに加えて、ジャンパファイバ474Nによって表され得るように、ジャンパファイバは、1つの角からの「最後の」モジュールを、発電機の第2の角の「第1の」モジュールに結合するために使用され得る。このようにして、発電機のすべての角(または、角の一部のみ)は、すべての角からの信号が同時に取得され、解析され得るように、互いにリンクされ得る。
図8は、本発明の原理によるフレーム脚荷重パターンを感知する例示的な方法のフローチャートである。第1のステップ802では、複数のFBGひずみゲージモジュール(すなわち、FFLモジュール)は、発電機の1つまたは複数の角のガセット上の適切な場所に取り付けられる。FFLモジュールは、また、複数のFBGひずみセンサを含む光信号経路を作成するために、適切なジャンパファイバによって互いにリンクされる。光信号経路は、また、複数のFBG温度センサを含むことができる。
ステップ804では、FBGひずみゲージのベースライン測定値が決定される。具体的には、発電機の角は、いかなる荷重も発電機の角のフレーム脚(および支持ガセット)から除去され得るように、持ち上げられ得る。各FBGは、荷重がフレーム脚にかかっていないときであっても、依然としていくらかの張力またはひずみを受ける可能性がある。例えば、典型的なFBG302は、図3に示すように、溶接可能なプレート303に固定される前に、予め延伸される。また、ガセット表面へのプレート303の溶接は、FBG302に追加のひずみを加える可能性もある。したがって、ステップ804では、各FBGひずみセンサのベースラインブラッグ波長は、無荷重のガセットへのその設置された状態で決定される。
図4A〜図4Cに示すように、FBG温度センサが利用される場合、既知の温度での各温度センサのブラッグ波長が計算され得るように、キャリブレーションステップが実行され得る。具体的には、FBG温度センサのキャリブレーションは、ステップ804で無荷重ひずみ測定値が決定されるのと同時に実行され得る。
ベースラインひずみ測定値および温度キャリブレーション測定値を決定するために、信号源および検出器が、一連のFFLモジュールに結合され、反射信号は、一連のFFLモジュール内の各FBGのためのベースラインまたはキャリブレーションのブラッグ波長を決定するために使用される。
ステップ806では、発電機のフレーム脚は、それらのそれぞれの座板に取り付けられる、または再取り付けされる。上記で説明したように、信号源および検出器を有する信号解析器は、ステップ808で、光信号経路を提供する一連のFFLモジュールと結合され得る。上記で説明したように、信号源は、光信号経路中の各FBGからのそれぞれの反射信号を引き起こす広帯域信号を送信する。反射信号の各々は、ひずみまたは温度の差の結果として、それぞれのFBGセンサのベースラインブラッグ波長と比較してシフトされ得る。
したがって、ステップ810では、FBG温度センサに関する反射信号は、特定のFBGひずみセンサのひずみ測定値を評価するときに使用される補正係数を決定するために使用され得る。例えば、1つのFFLモジュールに関して、2つのFBGひずみセンサおよび近くのFBG温度センサが存在し得る。各ひずみセンサは、それらが取り付けられたガセット表面が受けるひずみによるそれぞれのブラッグ波長シフトを受けることになる。FBGひずみセンサは、また、それらの現在の環境と、ベースラインひずみ読み取り値が決定されたときの環境との間の任意の周囲温度差によるブラッグ波長シフトを受けることになる。したがって、FBG温度センサは、温度差から生じるブラッグ波長シフトの量を示し、このシフトは、ひずみ単独によるブラッグ波長シフトが決定され得るように、ステップ810で、各FBGひずみゲージからの反射信号の測定値を補正するために使用され得る。したがって、ステップ812では、各ガセットおよびフレーム脚での荷重は、様々な温度状況の下で正確に計算され得る。計算されたフレーム脚荷重パターンに基づいて、シムおよび他の技法は、ステップ814で、フレーム脚荷重を所望のパターンに調整するために使用され得る。
上記で説明したように、隣接するガセット間、および発電機の角間のジャンパファイバは、発電機を動作状態にする前に、モジュールとのそれらのそれぞれの結合部で除去され得る。さらに、ジャンパファイバは、図8で説明したステップを後で再び実行するために、比較的少ない接続を必要とするタイムリーかつ効率的な方法で、再取り付けされ得る。
本発明の特定の実施形態が、例示され、説明されてきたが、様々な他の変更および修正が、本発明の要旨および範囲から逸脱することなくなされ得ることが、当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲では、本発明の範囲内にあるすべてのそのような変更および修正をカバーすることが意図される。
101 ΛT、グレーティング周期
102 光ファイバ
104 ファイバブラッググレーティング(FBG)
106 コア、ファイバコア
108 クラッド
110 広帯域スペクトルを有する光、広帯域入力光
112 透過スペクトル
114 反射光
201 照明源、広帯域源、光源
202 ファイバ
2041 FBGグレーティング
2042 FBGグレーティング
2043 FBGグレーティング
2044 FBGグレーティング
2045 FBGグレーティング
210 光、スペクトル
212 光カプラ
214 反射スペクトル、スペクトル反射特性
216 検出ユニット
300 溶接可能なファイバブラッググレーティング(FBG)構成要素
3001 第1のFBGひずみセンサ
3001 第2のFBGひずみセンサ
302 光ファイバ
302A ファイバ延長部
302B ファイバ延長部
303 溶接可能なプレート
303A 端部
303B 端部
304 FBG
320A コネクタまたは光カプラ
320B コネクタまたは光カプラ
400 モジュールまたはモジュラ構造、モジュール
400A1 FBGひずみセンサモジュール
400A2 FBGひずみセンサモジュール
400B1 モジュール
400B2 モジュール
400C1 モジュール
400D1 モジュール
400L 位置
402 ファイバ
404 FBG温度センサ
422A コネクタ、端子コネクタ
422B コネクタ
424A 外部コネクタ
424B 外部コネクタ
430 ボトムプレート
432 カバープレート
440 開口部
442 開口部
450 発電機
451 フレーム脚
452A 第1のガセット
452B 第2のガセット
452C 第3のガセット
452D 第4のガセット
452E 第5のガセット
454 トラニオン
456 トラニオン
458 脚フレーム
460 座板
462 シム
470 光ファイバ
472A ジャンパファイバ
472B ジャンパファイバ
472C ジャンパファイバ
472D ジャンパファイバ
474A ジャンパファイバ
474B 光ファイバ、ジャンパファイバ
474C ジャンパファイバ
474N ジャンパファイバ

Claims (20)

  1. 第1の端部および第2の端部を有する光信号経路と、
    ひずみモジュールであって、
    前記第1の端部と前記第2の端部との間の前記光信号経路中の第1のファイバブラッググレーティングと、
    前記第1のファイバブラッググレーティングと前記第2の端部との間の前記光信号経路中の第2のファイバブラッググレーティングと
    を備える、ひずみモジュールと、
    前記ひずみモジュールを実質的に取り囲むように構成されたハウジングと
    を備え、前記ハウジングが、発電機の支持ガセットの表面に機械的に取り付けられるように構成された外側表面を有する、ひずみ測定デバイス。
  2. 前記ハウジングが、カバープレートおよびボトムプレートを含み、前記ボトムプレートの外側表面が、前記発電機の前記支持ガセットの前記表面に機械的に取り付けられるように構成された前記外側表面に対応し、前記ボトムプレートが、前記支持ガセットの前記表面に前記ハウジングの内部を露出させる第1および第2の開口部を含む、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記第1のファイバブラッググレーティングが、第1の溶接可能なプレートに固定された第1の光ファイバを備え、
    前記第2のファイバグレーティングが、第2の溶接可能なプレートに固定された第2の光ファイバを備え、
    前記第1の開口部が、前記第1の溶接可能なプレートが第1の位置で前記支持ガセットの前記表面と接触することを可能にするように、前記第1の溶接可能なプレートを収容するように構成され、前記第2の開口部が、前記第2の溶接可能なプレートが第2の位置で前記支持ガセットの前記表面と接触することを可能にするように、前記第2の溶接可能なプレートを収容するように構成された、請求項2に記載のデバイス。
  4. 前記第1の端部が、第1のジャンパファイバと結合されるように構成された第1の光コネクタを含み、
    前記第2の端部が、第2のジャンパファイバと結合されるように構成された第2の光コネクタを含む、請求項1に記載のデバイス。
  5. 前記ひずみモジュールが、前記第1および第2のファイバブラッググレーティングに近接して配置された温度センサをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。
  6. 前記温度センサが、第3のファイバブラッググレーティングを備える、請求項5に記載のデバイス。
  7. 前記第3のファイバブラッググレーティングが、前記光信号経路中に含まれた、請求項6に記載のデバイス。
  8. 前記第3のファイバブラッググレーティングが、前記第1のファイバブラッググレーティングと前記第2のファイバブラッググレーティングとの間に配置された、請求項7に記載のデバイス。
  9. 前記第1、第2、および第3のファイバブラッググレーティングのそれぞれのブラッグ波長が異なる、請求項7に記載のデバイス。
  10. 複数のモジュールであって、各モジュールが、
    第1の端部および第2の端部を有する光信号経路と、
    前記第1の端部と前記第2の端部との間の前記光信号経路中の少なくとも1つのファイバブラッググレーティングと、
    前記少なくとも1つのファイバブラッググレーティングを実質的に取り囲むように構成されたハウジングと
    を備え、前記ハウジングが、発電機の支持ガセットの表面に機械的に取り付けられるように構成された外側表面を有し、
    前記複数のモジュールが、単一の光信号経路を提供するように、開始モジュールおよび終了モジュールを有する隣接するモジュールの連続した鎖に配置された、複数のモジュールと、
    前記開始モジュールの第1の端部に結合され、光の入射スペクトルを提供するように構成された光源と、
    前記開始モジュールの前記第1の端部に結合され、それぞれの前記ブラッググレーティングに対応する前記複数のモジュールの各々からのそれぞれの反射信号を受信するように構成された検出器と、
    前記複数のモジュールの各々の第2の端部を、前記開始モジュールで開始し、前記終了モジュールで終了する前記連続した鎖中のそのそれぞれの隣のモジュールの第1の端部に光学的に結合するように構成されたジャンパファイバと
    を備える、ひずみ測定デバイス。
  11. モジュールの特定の対に関して、前記対の第1のモジュールがそれぞれのガセットの第1の側に取り付けられるように構成され、前記対の第2のモジュールが、前記それぞれのガセットの第2の側に取り付けられるように構成されるように、前記複数のモジュールが、モジュールの対として論理的にグループ化された、請求項10に記載のデバイス。
  12. 前記少なくとも1つのファイバブラッググレーティングが、第1のファイバブラッググレーティングを備え、
    前記複数のモジュールの各々が、
    前記第1のファイバブラッググレーティングと前記第2の端部との間の前記光信号経路中の第2のファイバブラッググレーティングと、
    前記第1および第2のファイバブラッググレーティングに近接して配置された温度センサと
    をさらに備える、請求項11に記載のデバイス。
  13. 前記複数のモジュールの各々について、
    前記ハウジングが、カバープレートおよびボトムプレートを含み、前記ボトムプレートの外側表面が、前記発電機の前記支持ガセットの前記表面に機械的に取り付けられるように構成された前記外側表面に対応し、前記ボトムプレートが、前記ハウジングの内部を前記支持ガセットの前記表面に露出させる第1および第2の開口部を含み、
    前記第1のファイバブラッググレーティングが、第1の溶接可能なプレートに固定された第1の光ファイバを備え、
    前記第2のファイバブラッググレーティングが、第2の溶接可能なプレートに固定された第2の光ファイバを備え、
    前記第1の開口部が、前記第1の溶接可能なプレートが第1の位置で前記支持ガセットの前記表面と接触することを可能にするように、前記第1の溶接可能なプレートを収容するように構成され、前記第2の開口部が、前記第2の溶接可能なプレートが第2の位置で前記支持ガセットの前記表面と接触することを可能にするように、前記第2の溶接可能なプレートを収容するように構成された、請求項12に記載のデバイス。
  14. 前記複数のモジュールの各々について、
    前記温度センサが、前記光信号経路中に含まれた、前記第1のファイバブラッググレーティングと前記第2のファイバブラッググレーティングとの間に配置された第3のファイバブラッググレーティングを備える、請求項12に記載のデバイス。
  15. 前記第1、第2、および第3のファイバブラッググレーティングのそれぞれのブラッグ波長が異なる、請求項14に記載のデバイス。
  16. 複数のフレーム脚上に支持された発電機ケーシングを含み、前記発電機ケーシングと前記フレーム脚との間に延在するガセットを含む発電機のフレーム脚荷重を決定する方法であって、前記方法が、
    少なくとも1つのフレーム脚荷重モジュールを複数のガセットの各々に取り付けるステップであって、前記複数のモジュールが、単一の光信号経路を提供するように、開始モジュールおよび終了モジュールを有する隣接するモジュールの連続した鎖に配置され、各モジュールが、
    第1の端部および第2の端部を有する光信号経路と、
    前記第1の端部と前記第2の端部との間の前記光信号経路中の少なくとも1つのファイバブラッググレーティングと、
    前記少なくとも1つのファイバブラッググレーティングを実質的に取り囲むように構成されたハウジングと
    を備え、前記ハウジングが、発電機の支持ガセットの表面に機械的に取り付けられるように構成された外側表面を有し、
    光源を前記開始モジュールの第1の端部と結合するステップであって、前記光源が光の入射スペクトルを提供するように構成された、ステップと、
    検出器を前記開始モジュールの前記第1の端部と結合するステップであって、前記検出器が、前記複数のモジュールの各々のそれぞれの前記少なくとも1つのブラッググレーティングに対応する前記複数のモジュールの各々からのそれぞれの反射信号を受信するように構成された、ステップと、
    前記複数のモジュールの各々の第2の端部を、前記開始モジュールで開始し、前記終了モジュールで終了する前記連続した鎖中のそのそれぞれの隣のモジュールの第1の端部に光学的に結合するために、それぞれのジャンパファイバを取り付けるステップと
    を含む、方法。
  17. 少なくとも1つのフレーム脚に関するフレーム脚荷重を決定するステップと、前記発電機の動作前に前記ジャンパファイバを除去するステップとを含む、請求項16に記載の方法。
  18. 前記発電機の動作の後で、フレーム脚荷重のさらなる決定を実行するために、前記モジュール間にそれぞれの前記ジャンパファイバを再取り付けするステップを含む、請求項17に記載の方法。
  19. 少なくとも2つの前記フレーム脚上の前記モジュールのすべてが前記単一の光信号経路中に接続されるように、前記少なくとも2つのフレーム脚上の複数のガセットに前記モジュールが設けられた、請求項16に記載の方法。
  20. 前記少なくとも1つのフレーム脚荷重モジュールを複数の前記ガセットの各々に取り付ける前記ステップが、
    第1のフレーム脚荷重モジュールを前記発電機の第1のガセットの第1の側に結合するステップと、
    第2のフレーム脚荷重モジュールを前記ターボ発電機の前記第1のガセットの第2の側に結合するステップと、
    前記第1のフレーム脚荷重モジュールを前記第2のフレーム脚荷重モジュールに光学的に結合するステップと、
    前記第1のフレーム脚荷重モジュールに関連する第1の温度補正係数を決定するステップと、
    前記第2のフレーム脚荷重モジュールに関連する第2の温度補正係数を決定するステップと、
    前記第1のフレーム脚荷重モジュールに対応する第1のひずみ測定値を検出するステップと、
    前記第2のフレーム脚荷重モジュールに対応する第2のひずみ測定値を検出するステップと、
    前記第1の温度補正係数に基づいて前記第1のひずみ測定値を補正するステップと、
    前記第2の温度補正係数に基づいて前記第2のひずみ測定値を補正するステップと、
    前記補正された第1および第2のひずみ測定値に基づいてフレーム脚荷重パターンを計算するステップと
    を含み、前記第1および第2のフレーム脚荷重モジュールが、それぞれ、
    第1の端部および第2の端部を有する前記光信号経路のうちの1つと、
    前記第1の端部と前記第2の端部との間の前記光信号経路中の第1のファイバブラッググレーティングと、
    前記第1のファイバブラッググレーティングと前記第2の端部との間の前記光信号経路中の第2のファイバブラッググレーティングと、
    前記第1および第2のファイバブラッググレーティングに近接して前記光信号経路中に配置された温度センサを備える第3のファイバブラッググレーティングと、
    前記第1、第2、および第3のファイバブラッググレーティングを実質的に取り囲むように構成されたハウジングと
    を備える、請求項16に記載の方法。
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