JP2018004313A - 回転機械におけるクリアランスの計測方法、計測装置および計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】低速回転時であっても回転体とケーシングとの間のクリアランスを高精度に計測し得るクリアランスの計測方法を提供する。【解決手段】動翼３を回転させつつ、基端部が回動可能に支持されている発光部１からシート状のレーザ光Ｌを動翼３の軸方向における一方側からクリアランスに向けて照射するとともに基端部が回動可能に支持されている受光部２により前記クリアランスを透過したレーザ光Ｌを動翼３の前記軸方向における他方側で受光し、特定の動翼３が発光部１と受光部２との間を通過する際に受光部２で受光されるレーザ光Ｌの幅が経時的に一定になるように発光部１の回動位置を調整する第１の工程と、発光部１から照射される予め定められた所定寸法の幅のレーザ光Ｌが、前記所定寸法の幅の光として受光されるように受光部２の回動位置を調整する第２の工程とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は回転機械におけるクリアランスの計測方法、計測装置および計測システムに関し、高温の駆動流体で駆動されるタービンにおける動翼とケーシングとの間のクリアランス管理に適用して有用なものである。

ガスタービン等、高温の駆動流体で駆動される回転機械においては、その高効率運転を実現するために動翼とケーシングとの間の厳密なクリアランス管理を行うことが肝要である。かかるクリアランス管理に適用される回転機械の動翼とケーシングとの間のクリアランス計測には、レーザ式、静電容量式、超音波式および渦電流式等の非接触の計測方式が知られており、それぞれ固有の非接触式のセンサが用いられている。そして、いずれの場合も、センサが駆動流体の主流通路内に突出しないようにケーシングからはオフセットされて設置されており、ガスタービンのような高温環境で周速が早い動翼とケーシングとの間のクリアランス計測には静電容量型や渦電流型の非接触センサが用いられている。

これらのセンサは運転時のクリアランスを非接触で計測することを目的としたものであるので、初期クリアランスを計測することを目的とするものとしては高価な装置となってしまう。また、センサの出力範囲が限られるため、一般的に運転時より広い初期クリアランスを計測するときには、センサ出力下限近くでの計測となる。このため、信号出力が低く、Ｓ／Ｎ比が悪いため高精度の計測を行なうことができない。

一方、低速回転域である、例えば起動前のターニング運転中において回転側と固定側との間のクリアランスを計測する技術を開示する公知文献として特許文献１が存在する。特許文献１は、動翼の遠心方向に変位し得るようケーシングに固定された球体を、動翼の先端に点接触させ、このときの球体の変位量に基づきケーシングの内壁面と各動翼の先端とのクリアランスを計測するものである。

特開２０１４−１０９２４２号公報

ところが、特許文献１に開示するクリアランス計測方法では、動翼の遠心方向に変位する球体を動翼の先端に当接させて所定のクリアランスを計測する。これは、接触式の計測であるため、計測に伴い動翼を損傷するリスクがある。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、ケーシングを開放することなく、またターニング運転等の低速回転時であっても回転体とケーシングとの間のクリアランスを非接触で高精度に計測し得る回転機械におけるクリアランスの計測方法、計測装置および計測システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、次の考察の結果に基づくものである。
図１は発光部と動翼との関係を示す図で、（ａ）が動翼に対して発光部が一方向に傾斜している場合の様子を示す模式図、（ｂ）は動翼が発光部から照射した光であるレーザ光を切る場合の態様を示す模式図、（ｃ）は動翼の回転による時間の経過に伴い受光部で受光されるレーザ光の幅を示す特性図である。

図１（ａ）に示すように、発光部１は、回転機械であるタービンの動翼３を挟んで一方側、すなわち動翼３の軸方向における一方側（図では左側）に配設されている。そして、所定の幅のシート状のレーザ光Ｌを、ケーシング４の内周面と動翼３の外周面との間のクリアランスに向けて図中の照射方向Ｘ（Ｘに対して傾斜角θだけ傾斜した方向）に照射する。

ここで、シート状のレーザ光Ｌとは、一つの平面上を進む光であり、複数の平行光の集まりも含む。したがって、発光部１は、例えば前記タービンの外周側（ケーシング側）から内周側（回転軸側）に向かって所定の長さのライン状に延びた光源の集合体として好適に形成することができる。

一方、受光部２は動翼３を挟んで他方側、すなわち動翼３の軸方向における他方側（図では右側）に配設されている。そして、発光部１が照射したシート状のレーザ光Ｌを受光する。

図１（ａ）に示すように発光部１が動翼３の先端面（図中の上端面；以下同じ）に直交する基準線Ｚに対し傾斜角θで傾斜している場合において、動翼３が図１（ｂ）に矢印で示す移動方向Ｙに移動した場合、動翼３は、その回転に伴い、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で順次レーザ光Ｌに当接してこのレーザ光Ｌを遮断する。すなわち、レーザ光Ｌの遮断位置である位置Ｐ１〜Ｐ４は、動翼３の回転に伴い発光部１側から受光部２側へ移動する。この結果、図１（ｃ）に示すように、動翼３の回転に伴う経過時間に対し受光部２で受光するレーザ光Ｌの幅の特性は、動翼３の回転に伴いレーザ光Ｌを遮断する位置が、位置Ｐ１から位置Ｐ４へと移動することで、時間の経過とともに直線的またはほぼ直線的に変化して増大する。

一方、図示はしないが、動翼３に対して発光部１が図１（ａ）とは反対方向、すなわち基準線Ｚに対して時計方向に傾斜している場合には、受光部２で受光するレーザ光Ｌの幅は、動翼３の回転に伴いレーザ光Ｌを遮断する位置が発光部１側から受光部２側へと移動するに伴い直線的に変化して図１に示す場合とは逆に減少する。

このように、発光部１が基準線Ｚに対して傾斜している場合、換言すればレーザ光Ｌの照射方向が動翼３の先端面に平行でない場合、受光部２で受光されるレーザ光Ｌの幅は、動翼３の回転に伴う時間の経過とともに直線的に増減する。そして、このときの直線の傾斜は発光部１の基準線Ｚに対する傾斜角θに比例して増減する。すなわち、図２に示すように、傾斜角θが大きければ直線ｌ１，ｌ２の傾斜も大きくなる。ここで、図２は、動翼３に対する発光部１の傾斜角θがそれぞれ異なる複数の場合に関し、受光部２で検出されるレーザ光Ｌの幅を、動翼３の回転に伴う時間の経過とともに示す特性図である。

図２を参照すれば明らかな通り、直線ｌ１，ｌ２の傾斜(傾斜角θ)が小さくなるようにすればレーザ光Ｌの照射方向を動翼３の先端面に平行な方向により近接させることができる。すなわち、直線ｌ３に示すように、レーザ光Ｌの幅が、動翼３の回転に伴う時間の経過に係らず一定となるように発光部１の位置を調整すれば、レーザ光Ｌの照射方向を動翼３の先端面に平行にすることができる。

そこで、発光部１を基端部１Ａの中心Ｏ１を回動中心として垂直面（ＸＺ平面）で回動して受光部２で受光されるレーザ光Ｌの幅の時間特性を一定にする。

一方、レーザ光Ｌを動翼３の先端面に対して平行に照射することができても、図３に示すように、発光部１の長手方向の中心線Ｃ１に対して受光部２の長手方向の中心線Ｃ２が平行でなければ、正確なクリアランス計測を行うことはできない。すなわち、図３に一点鎖線および二点鎖線で示すように、受光部２の中心線Ｃ２１，Ｃ２２が、発光部１の中心線Ｃ１と平行な受光部２の中心線Ｃ２に対して、傾斜角θ１またはθ２だけ傾いている場合、発光部１から照射した既知の幅Ｗ（例えば２ｍｍ）のレーザ光Ｌが幅Ｗ１，Ｗ２（Ｗ１，Ｗ２＞Ｗ）として検出されてしまうからである。

そこで、受光部２においても、図１（ａ）に示す発光部１と同様に、基端部２Ａの中心Ｏ２を回動中心として垂直面（ＸＺ平面）を回動可能に形成する。このことにより傾斜角θ１、θ２を変化させて発光部１から既知の幅Ｗで照射したレーザ光Ｌが受光部２でもそのまま幅Ｗとして検出されるように調整する。かかる調整により傾斜角θ１、θ２＝０となる回動位置で発光部１に対する受光部２の平行度も所定通りに担保される。以上の調整で発光部１に対する受光部２の平行度の調整が完了する。なお、かかる受光部２の平行度の調整は、周方向で隣接する動翼３間を透過して受光部３で受光されるレーザ光Ｌに基づき実施するのが望ましい。隣接する動翼３間では、発光部１から照射したレーザ光Ｌの全てを透過させて受光部２で受光させるように構成することが容易であるからである。

かかる２種類の調整を行なうことで、発光部１からクリアランス５に向けて照射したレーザ光Ｌは動翼３の先端面に平行なレーザ光Ｌとなり、発光部１に対する平行度が担保された受光部２で受光される。かかる状態で、発光部１から照射したレーザ光Ｌを受光部２で検出するとともに、検出したレーザ光Ｌの幅に基づきケーシングの内周面と動翼３の先端面間のクリアランスの大きさを正確に計測することができる。

上記考察結果に基づく本発明に係る回転機械におけるクリアランスの計測方法は、次の点を特徴とする。

１） 回転機械の回転部である動翼の外周面と固定部であるケーシングの内周面との間のクリアランスの大きさを計測する回転機械におけるクリアランスの計測方法であって、
準備工程と、前記準備工程後に前記クリアランスの大きさを計測する計測工程とを有し、
前記準備工程は、前記動翼を回転させつつ、基端部が回動可能に支持されている発光部から所定幅のシート状の光を前記動翼の軸方向における一方側から前記クリアランスに向けて照射するとともに基端部が回動可能に支持されている受光部により前記クリアランスを透過した前記光を前記動翼の前記軸方向における他方側で受光し、特定の前記動翼が前記発光部と前記受光部との間を通過する際に前記受光部で受光される前記光の幅が経時的に一定になるように前記発光部の回動位置を調整する第１の工程と、
前記発光部から予め定められた所定寸法の幅の光を照射し、前記受光部で前記所定寸法の幅の光として受光されるように前記受光部の回動位置を調整する第２の工程とを有すること。

２） 上記１）において、前記第１の工程の前に、前記発光部側の回動部と、前記発光部の前記基端部側の一部とを、前記ケーシングに設けた計測孔内に配設するとともに、前記受光部側の回動部と、前記受光部の前記基端部側の一部とを、前記ケーシングに設けた他方の計測孔内に配設すること。

３） 上記１）または２）において、前記第１の工程では、回転する前記動翼が前記光を遮断して通過する際の経過時間と、前記受光部で検出される前記光の幅との関係に基づく前記幅の変化率に応じて前記発光部を回動することで、前記変化率が所定範囲内となるように前記発光部の回動位置を調整すること。

４） 上記１）〜３）のいずれかにおいて、前記第２の工程における前記所定寸法の幅の光は、前記発光部から照射し、周方向で隣接する前記動翼間の隙間を透過させて前記受光部で受光するようにしたこと。

本発明に係る回転機械におけるクリアランスの計測装置は、次の点を特徴とする。

５） 回転機械の回転部である動翼と固定部であるケーシングの内周面との間のクリアランスを計測する回転機械におけるクリアランスの大きさを計測のための計測装置であって、
所定の幅のシート状の光を、前記クリアランスに向けて照射する発光部と、
前記発光部のケーシング側の端部である基端部を回動可能に支持している発光側の回動部と、
前記光を受光する受光部と、
前記受光部のケーシング側の端部である基端部を回動可能に支持している受光側の回動部と、
前記発光側の回動部の端部を支持するとともに、前記受光側の回動部の端部を支持するフレームとを有すること。

６） 上記５）において、前記受光部の前記基端部から先端部までの距離を、前記発光部の前記基端部から先端部までの距離よりも大きく形成したこと。

本発明に係る回転機械におけるクリアランスの計測システムは、次の点を特徴とする。

７） 回転機械の回転部である動翼と固定部であるケーシングの内周面との間のクリアランスを計測する回転機械におけるクリアランスの計測システムであって、
上記５）または６）に記載する計測装置と、
前記計測装置に備えた前記発光側の回動部を回動駆動する第１の回動駆動部および前記計測装置に備えた前記受光側の回動部を回動駆動する第２の回動駆動部と、
前記第１および第２の回動駆動部の回動動作、ならびに前記発光部の発光動作および前記受光部の受光動作を制御するとともに、前記受光部から送出されるシート状の光の幅を表す情報の処理を行なう情報処理部を備えたコントローラとを有し、
前記コントローラは、
前記計測装置の発光部から前記光を前記クリアランスに向けて照射させ、特定の前記動翼がその回転に伴い前記発光部と前記受光部との間を通過する際に前記受光部で受光される前記光の幅を表す情報に基づき、前記幅が一定になるように前記第１の回動駆動部を介して前記発光側の回動部の回動駆動を制御する第１の回動制御部、
さらに前記発光部から予め定められた所定寸法の幅の光を照射させ、前記受光部で前記所定寸法の幅の光として受光されるように、前記第２の回動駆動部を介して前記受光側の回動部の回動駆動を制御する第２の回動制御部を有するものであること

８） 上記７）において、前記第１の回動制御部は、回転する前記動翼が前記光を遮断して通過する際の経過時間と、前記受光部で検出される前記光の幅との関係に基づく前記幅の変化率に応じて前記発光部を回動することで、前記変化率が所定範囲内となるように前記発光部の回動位置を調整すること。

９） 上記７）または８）において、前記予め定められた所定寸法の幅の光は、固有の周波数または色を有するものとし、
前記コントローラは、前記固有の周波数または色の光を選択して当該光の幅が所定の値となっているか否かを検出すること。

本発明によれば、第１段階として回転機械の動翼を回転させつつ発光部から照射した光が動翼の先端面に平行、すなわちクリアランスに平行になるように調整することができる。また、その後、第２段段階として、発光部に対する受光部の平行度を担保するように受光部の姿勢を調整することができる。すなわち、第１段階および第２段階の２種類の調整で、動翼の外周面とケーシングの内周面との間のクリアランスを非接触計測により高精度に行うことができる。また、計測に際してはケーシングを開放することなく行うこともできるので、所定の計測作業を短時間で合理的に行なうことができる。

本発明における発光部と動翼との関係を示す図で、（ａ）が動翼に対して発光部が一方向に傾斜している場合の様子を示す模式図、（ｂ）は動翼が発光部から照射した光を切る場合の態様を示す模式図、（ｃ）は動翼の回転による時間の経過に伴い受光部で受光されるレーザ光の幅を示す特性図である。 動翼に対する発光部の複数の傾斜角に対し、受光部で検出されるレーザ光の幅を示す特性図である。 発光部に対する受光部の平行度を担保するための調整の様子を概念的に示す模式図である。 本発明の実施形態に係るクリアランスの計測装置をケーシングに装着した状態で概念的に示す模式図である。 幅レーザ計測装置の測定原理を概念的に示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転機械におけるクリアランスの計測方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るクリアランスの計測システムを示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここで、各実施形態の説明に当たり、図１〜図４は各実施形態の説明にも共用し、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略している。

なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

＜クリアランスの計測装置＞
図４は、本発明の実施形態に係るクリアランスの計測装置をケーシングに装着した状態で示す模式図である。同図に示すように、本実施形態に係る計測装置１００は、発光部１、発光側の回動部１１、受光部２、受光側の回動部１２およびフレーム１３からなる。発光部１は、ケーシング４の内周面側から動翼３のラジアル方向に沿い内部側に向かって所定の長さのライン状に延びた光源を有し、前記光源から所定の幅のシート状のレーザ光Ｌを、クリアランス５に向けて照射する。かかるレーザ光Ｌとしては幅レーザ光が最適である。ただし、シート状のレーザ光Ｌは、直線状に並んだ複数の点光源から互いに平行に照射された光の集合をも含む。このように、本発明では、複数の平行光を含み、二次元的な広がりを持つ一つの平面上を進む光をシート状の光（レーザ光Ｌを含む）という。

発光部１のケーシング４側の端部である基端部は発光側の回動部１１に回動可能に支持してある。この結果、回動部１１の回動量を調整することにより発光部１から照射されるレーザ光Ｌの照射方向を調整し得る。また、受光部２は発光部１から照射されたシート状のレーザ光Ｌを受光してその幅を表す情報を送出する。かかる構成により図１および図２に基づき説明した発光部１から照射されるレーザ光Ｌの照射方向がクリアランス５と平行になるように調整することができる。

さらに、受光部２のケーシング４側の端部である基端部は、受光側の回動部１２に回動可能に支持してある。この結果、回動部１２の回動量を調整することにより発光部１から照射されるレーザ光Ｌの方向に合わせて受光面の方向を調整し得る。すなわち、回転部１２は、図３に示す調整を行なうためのものである。

ここで、本実施形態における受光部２の基端部から先端部までの距離Ｌ０２は、発光部１の基端部から先端部までの距離Ｌ０１より長くなっている。すなわち延長部ΔＬだけ長くなるように形成してあり、その分受光素子の配設長も長くなっている。このように受光部２の長さを設定することは必須ではないが、図３に二点鎖線で示すように、受光部２が発光部１に対して傾いていても発光部１から照射されたレーザ光Ｌをすべて受光し得るようにすることができる。

フレーム１３は一方の下端部に回動部１１を介して発光部１を回動可能に支持するとともに、他方の下端部に回動部１２を介して受光部２を回動可能に支持する門型の部材である。

かかる計測装置１００は、ケーシング４に設けた計測孔４Ａにフレーム１３を挿入することにより回動部１１とともに発光部１をケーシング４内に挿入する。同時に、ケーシング４に設けた他の計測孔４Ｂにフレーム１３を挿入することにより回動部１２とともに受光部２をケーシング４内に挿入する。このようにフレーム１３により計測孔４Ａ，４Ｂを介してケーシング４の内部に挿入することで発光部１と受光部２とを、動翼３を挟んで相対向するように配設することができる。

なお、計測孔４Ａ，４Ｂは、通常は栓（図示せず）で閉塞してあり、クリアランス計測時に栓を外して上述の如くフレーム１３等を挿入する。

かかる計測装置１００を用いた場合には、計測用孔４Ａ，４Ｂにフレーム１３等を挿入するだけで、ケーシング４を開放することなく、計測の準備が整う。したがって、所定のクリアランス計測を短時間で良好に実施することができる。

＜クリアランスの計測方法＞
本実施形態に係るクリアランス計測方法では、図４に示すような態様で配設された計測装置１００を用いて所定のクリアランス計測を行なう。すなわち、本実施形態においては、回動部１１と、発光部１の基端部側の一部の光源とが、計測孔４Ａ内に配設されるとともに、回動部１２と、受光部２の基端部側の一部とが、計測孔４Ｂ内に配設されている。このように配設することは必須ではないが、かかる配設により所定のクリアランスを計測する際に基準となる線状のレーザ光Ｌ１１の位置を特定することができるので、所定の計測を容易かつ高精度に行うことができる。さらに詳言すると次の通りである。

図５は幅レーザ計測装置の測定原理を概念的に示す模式図である。同図に基づき測定対象２００のＺ軸方向に関する寸法である幅Ｗ０を計測する場合を考える。図５に示すように、幅レーザ計測装置は発光部１と受光部２とを有しており、発光部１から照射したシート状のレーザ光を受光部２で受光するように構成してある。

ここで、発光部１から受光部２に至る光路の途中に測定対象２００が置かれている場合、幅Ｗ０に相当するレーザ光Ｌは受光部２では検出されない。すなわち、測定対象２００の図中上端に接するレーザ光Ｌ１１と図中下端に接するレーザ光Ｌ１２との間隔が測定対象２００の測定値である幅Ｗ０となる。したがって、所定の計測を行なうためには、シート状のレーザ光Ｌにおいて計測の基準となる線状のレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を特定することが必要となる。

同様に、本実施形態の場合、図４に示すようにケーシング４側のクリアランス計測の基準となる線状のレーザ光Ｌ１１を得るためには、計測孔４Ａ中で計測孔４Ａの壁に遮られているレーザ光の存在が必要になる。発光部１から照射されるレーザ光Ｌの一部が計測孔４Ａで遮られるようにすることで、クリアランス５に最初に臨む線状のレーザ光Ｌ１１を特定することができる。このレーザ光Ｌ１１の位置を基準とすることで、容易かつ高精度に所定のクリアランス５の寸法を計測することができる。

本実施形態に係るクリアランスの計測方法は、図４に示す計測装置１００を利用することで良好に実施し得る。図６は本発明の実施形態に係る回転機械におけるクリアランスの計測方法を示すフローチャートである。

１） 図６に示すように、まずガスタービンが回転中であるか否かを検出する（ＳＴ１参照）。本実施形態では、ガスタービンの動翼３が移動している状態で発光部１から照射されるレーザ光Ｌの照射方向とクリアランス５との平行度（動翼３の先端面との平行度）を調整するものであるからであり、動翼３の回転（低速回転）が前提となっている。換言すれば、ターニング運転を行なっているか否かを判定する。当該運転を行なっていない場合には、運転が開始されるまで待機する。

２) ＳＴ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、計測孔４Ａ，４Ｂを介して計測装置１００をガスタービンに装着する（ＳＴ２参照）。これにより、ガスタービンの外周側から内周側に伸びる所定の幅を有するシート状のレーザ光Ｌを、クリアランス５に向けて照射する発光部１を、動翼３の軸方向に関する一方側（図４では左側）に配設するとともに、レーザ光Ｌを受光する受光部２を、クリアランス５を介して相対向するよう動翼３の軸方向に関する他方側（図４では右側）に配設する。

３） 発光部１からクリアランス５に向けてレーザ光Ｌを照射して受光部２で受光したレーザ光Ｌの幅に基づき発光部１の傾斜角θを調整する（ＳＴ３参照）。

４） 発光部１から照射するレーザ光Ｌがクリアランス５を規定する動翼３の外周面およびケーシング４の内周面に平行であるか否かを判定する（ＳＴ４参照）。これは、動翼３の回転に伴い経時的に受光部２で検出されるレーザ光Ｌの幅が一定であるか否かを判定することで実現し得る。具体的には、例えば回転する動翼３がレーザ光Ｌを遮断して通過する際の経過時間と、受光部２で検出されるレーザ光Ｌの幅との関係に基づく前記幅の変化率に応じて発光部１を回動することで前記変化率が所定範囲内となるように発光部１の回動位置を調整する。いずれにしても、受光部２で検出するレーザ光Ｌの幅が最終的に一定になるように発光部１の回動位置を調整することで所望の平行度を担保し得るので、所定の平行度が担保されるまで、ＳＴ３およびＳＴ４の処理を繰返す。この結果、例えば図２に示すように最初は大きな傾斜を持っていた直線ｌ１の傾斜が徐々に小さくなり、直線ｌ３に示すように傾斜が所定の閾値以下（レーザ光Ｌの幅が一定）となる。かかる状態でＳＴ４の判定結果が「ＹＥＳ」となり、第１の工程が終了する。

なお、図２に示す特性（直線ｌ１，ｌ２の傾斜や傾斜方向（右上がりまたは右下がり）））は動翼３の先端面の形状や発光部１の傾斜角θ（図１参照；以下同じ）の方向（基準線Ｚに対する傾斜方向）により種々変化する。また、動翼３の先端面の形状によっては、厳密に直線的に変化する場合だけでなくほぼ直線状の変化となる場合も考えられる。ただ、いずれにしても所望の平行度を得るためには直線ｌ１，ｌ２の傾斜が小さくなり、動翼３の回転に伴うレーザ光Ｌの幅が一定になるように回動部１１により発光部１の傾斜角θを調整すれば良い。

５） ＳＴ３の処理で発光部１の回動位置が所定通りに確定されたので、発光部１に対する受光部２の平行度を所定通りの平行度となるように調整する（ＳＴ５参照）。これは図３に基づき説明した調整である。

６） ＳＴ５の処理で受光部２の傾斜角θ３，θ４（図３参照；以下同じ）を適宜変更した結果、発光部１が照射した既知の幅Ｗのレーザ光Ｌ１が受光部２で、そのまま幅Ｗで検出されているか否かを判定する（ＳＴ６参照）、すなわち、発光部１から照射したレーザ光Ｌの幅Ｗの絶対値が担保されているか否かを判定する。そこで、判定結果が「ＮＯ」の場合には、ＳＴ５およびＳＴ６の処理を繰返し、受光部２で検出する検出幅Ｗ´と幅Ｗとの差が所定の閾値以下となった時点でＳＴ６の判定結果を「ＹＥＳ」とする。かかる状態で第２の工程が終了する。

７） ＳＴ４の判定処理で発光部１が照射するレーザ光Ｌと動翼３の先端面との平行度が担保され、同時にＳＴ６の判定処理で基準姿勢となっている発光部１と受光部２との平行度が担保されているので、かかる状態で所定のクリアランス計測を行なう（ＳＴ７参照）。すなわち、発光部1の光源から照射されるシート状の光Ｌのうちケーシング４側で最初にクリアランス５に臨む光Ｌ１１（図４参照；以下同じ）を基準として光Ｌ１１から動翼３の先端面に遮断されるまでの光Ｌの幅によりクリアランスの寸法を検出する。かくして、計測工程を実施する。この結果、高精度のクリアランス計測を行うことができる。

このように本実施形態に係るクリアランスの計測方法によれば、高精度のクリアランス計測を行なうことができ、厳しいクリアランス管理が求められる回転機械に適用してきわめて有用なものとなる。特に図４に示す計測装置１００を用いた場合には、所定の計測作業を迅速かつ合理的に実施することができる。

特に、本実施形態によれば、ターニング運転等の低速運転（５〜１０ｒｐｍ程度）時のクリアランス計測に適用した場合、測定精度やコストの点で従来技術に対し、顕著な効果を奏するものとなる。

＜クリアランスの計測システム＞
図７は本発明の実施形態に係るクリアランスの計測システムを示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態に係るクリアランスの計測システムは、回転機械であるタービンの回転部である動翼３の外周面と固定部であるケーシング４の内周面との間のクリアランス５を計測するものである。ここで、動翼３は中心部を回転軸（図示せず）に固定されて回転可能となっているロータディスク（図７には図示せず）の周面に固定されている。これら動翼３、ロータディスクおよび回転軸で当該回転機械の回転体を構成している。

また、本実施形態に係る計測システムは、計測装置１００、第１および第２の回動駆動部およびコントローラ１０１を備えている。ここで、計測装置１００は、図４に基づき既に説明したので、図４と同一部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。第１の回転駆動部は、前記計測装置１００の発光側の回動部１１を回動駆動する。また、第２の回動駆動部は計測装置１００の受光側の回動部１２を回動駆動する。本実施形態における第１および第２の回転駆動部（それ自体は図示せず；以下同じ）は、いずれも回動部１１、１２に一体的に組み込まれている。すなわち、回動部１１，１２が駆動源を内蔵する回動ステージとして構成してある。ただ、このように構成することは必須ではない。駆動源の回動力を伝達して回動部１１，１２を回動し得るようになっていれば、回動部１１、１２から独立して別に設けられていても良い。

コントローラ１０１は、発光部１の発光動作および受光部２の受光動作の制御、第１および第２の回動駆動部の回動動作の制御を行なうとともに、受光部２から送出されるシート状のレーザ光Ｌの幅を表す情報に基づき所定の処理を行なう。具体的には、発光指令部１０１Ａは発光部１の発光動作、すなわちレーザ光Ｌの照射開始および停止を制御する。受光指令部１０１Ｂは受光部２でのレーザ光Ｌの受光動作の開始および停止を制御する。第１の回動制御部１０１Ｃは、情報処理部１０１Ｅにおける所定の情報処理の結果に基づき回動部１１の回動を制御する。第２の回動制御部１０１Ｄは、情報処理部１０１Ｅにおける所定の情報処理の結果に基づき回動部１２の回動を制御する。ここで、本実施形態における第１および第２の回動制御部１０１Ｃ，１０１Ｄからの制御指令は、回転ステージとなっている回動部１１，１２の第１および第２の回転駆動部に供給される。一方、回動部１１，１２の駆動源が回動部１１，１２から独立して別に設けられている場合には、それぞれの駆動源に対して第１および第２の回動制御部１０１Ｃ，１０１Ｄからの制御指令をそれぞれ供給する。

第１の回転制御部１０１Ｃは、受光部２からの出力信号に基づきレーザ光Ｌが、回転する動翼３の間を通過する際に受光されるその幅を検出するとともに、幅を表す情報に基づきその幅が一定になるように回動部１１を回動駆動して発光部１の傾斜角θを調整する。具体的には、例えばレーザ光Ｌの幅の検出処理ごとに任意の回動量で第１の回動制御部１０１Ｃを介して回動部１１を回動させて動翼３の回転に伴う経時的なレーザ光Ｌの幅が所定の範囲内に収まるように調整する。または、回転する動翼３がレーザ光Ｌを遮断して通過する際の経過時間と、情報処理部１０１Ｅで検出されるレーザ光Ｌの幅との関係に基づくレーザ光Ｌの幅の変化率に応じて第１の回動制御部１０１Ｃにより回動部１１を介して発光部１を回動することで、前記変化率が所定範囲内となるように発光部１の回動位置を調整する。例えば変化率の正負に応じて回動方向を設定し変化率の大きさに応じて回動量を設定して、発光部１を回動する。すなわち、コントローラ１０１から発光部１および受光部２を経てコントローラ１０１に戻るフィードバック制御系を構成することで、経時的なレーザ光Ｌの幅を良好に一定にすることができる。いずれにしても、情報処理部１０１Ｅで検出するレーザ光Ｌの幅が最終的に一定になるように発光部１の回動位置を調整することで、クリアランス５に対するレーザ光Ｌの所望の平行度を担保し得る。

さらに第２の回動制御部１０１Ｄは、図３に示すように、発光部１から照射される予め定められた所定寸法の幅Ｗのレーザ光Ｌ１が、所定寸法の幅Ｗのレーザ光Ｌ１として受光されるように、回動部１２を回動制御する。ここで、予め定められた所定寸法の幅Ｗのレーザ光Ｌ１は、固有の周波数または色を有するものとすることができる。この場合、情報処理部１０１Ｅは、固有の周波数または色のレーザ光Ｌ１を選択して当該レーザ光Ｌ１の幅が所定の値となっているか否かを検出する。このことにより幅Ｗを特定するためのレーザ光Ｌ１を容易かつ確実に特定し、第２の回動制御部１０１Ｄにおける上述の如き回動部１２の回動制御を実行させる。

かくして、本実施形態に係る計測システムによれば、発光部１から照射されるレーザ光Ｌの照射方向を動翼３の先端面およびクリアランスと平行にすることができ、さらに発光部１と受光部２との相互間の平行度も担保することができる。そこで、かかる２段階の調整後に行なうクリアランス計測は、高精度なものとなり、厳密なクリアランス管理に資することができる。

＜他の実施形態＞
上記実施形態ではタービンの動翼とケーシングとの間のクリアランスを計測する場合を例にとって説明したが、これに限るものではない、回転機械の回転部と固定部であるケーシング等のクリアランスを計測する場合に広く適用し得る。また、光はレーザ光Ｌに限る必要はないが、直進性および非拡散性に優れるレーザ光を用いるのが最適である。さらに、上記実施形態では幅レーザを用いたが、これに限るものではない。多数のレーザ光源を高密度にライン状に並べても同様のものを作製することはできる。

１ 発光部
１Ａ，１Ｂ 基端部
２ 受光部
３ 動翼
４ ケーシング
５ クリアランス
１１，１２ 回動部
１３ フレーム
１００ 計測装置
１０１ コントローラ
１０１Ａ 発光指令部
１０１Ｂ 受光指令部
１０１Ｃ 第１の回動制御部
１０１Ｄ 第２の回動制御部
１０１Ｅ 情報処理部
Ｐ１〜Ｐ４ 位置
θ 傾斜角
Ｌ，Ｌ１ レーザ光

Claims (9)

1. 回転機械の回転部である動翼の外周面と固定部であるケーシングの内周面との間のクリアランスの大きさを計測する回転機械におけるクリアランスの計測方法であって、
   準備工程と、前記準備工程後に前記クリアランスの大きさを計測する計測工程とを有し、
   前記準備工程は、前記動翼を回転させつつ、基端部が回動可能に支持されている発光部から所定幅のシート状の光を前記動翼の軸方向における一方側から前記クリアランスに向けて照射するとともに基端部が回動可能に支持されている受光部により前記クリアランスを透過した前記光を前記動翼の前記軸方向における他方側で受光し、特定の前記動翼が前記発光部と前記受光部との間を通過する際に前記受光部で受光される前記光の幅が経時的に一定になるように前記発光部の回動位置を調整する第１の工程と、
   前記発光部から予め定められた所定寸法の幅の光を照射し、前記受光部で前記所定寸法の幅の光として受光されるように前記受光部の回動位置を調整する第２の工程とを有することを特徴とする回転機械におけるクリアランスの計測方法。
2. 前記第１の工程の前に、前記発光部側の回動部と、前記発光部の前記基端部側の一部とを、前記ケーシングに設けた計測孔内に配設するとともに、前記受光部側の回動部と、前記受光部の前記基端部側の一部とを、前記ケーシングに設けた他方の計測孔内に配設することを特徴とする請求項１に記載するクリアランスの計測方法。
3. 前記第１の工程では、回転する前記動翼が前記光を遮断して通過する際の経過時間と、前記受光部で検出される前記光の幅との関係に基づく前記幅の変化率に応じて前記発光部を回動することで、前記変化率が所定範囲内となるように前記発光部の回動位置を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載する回転機械におけるクリアランスの計測方法。
4. 前記第２の工程における前記所定寸法の幅の光は、前記発光部から照射し、周方向で隣接する前記動翼間の隙間を透過させて前記受光部で受光するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載する回転機械におけるクリアランスの計測方法。
5. 回転機械の回転部である動翼の外周面と固定部であるケーシングの内周面との間のクリアランスの大きさを計測する回転機械におけるクリアランスの計測のための計測装置であって、
   所定の幅のシート状の光を、前記クリアランスに向けて照射する発光部と、
   前記発光部の前記ケーシング側の端部である基端部を回動可能に支持している発光側の回動部と、
   前記光を受光する受光部と、
   前記受光部の前記ケーシング側の端部である基端部を回動可能に支持している受光側の回動部と、
   前記発光側の回動部の端部を支持するとともに、前記受光側の回動部の端部を支持するフレームとを有することを特徴とする回転機械におけるクリアランスの計測装置。
6. 前記受光部の前記基端部から先端部までの距離を、前記発光部の前記基端部から先端部までの距離よりも大きく形成したことを特徴とする請求項５に記載するクリアランスの計測装置。
7. 回転機械の回転部である動翼の外周面と固定部であるケーシングの内周面との間のクリアランスを計測する回転機械におけるクリアランスの計測システムであって、
   請求項５または請求項６に記載する計測装置と、
   前記計測装置に備えた前記発光側の回動部を回動駆動する第１の回動駆動部および前記計測装置に備えた前記受光側の回動部を回動駆動する第２の回動駆動部と、
   前記第１および第２の回動駆動部の回動動作、ならびに前記発光部の発光動作および前記受光部の受光動作を制御するとともに、前記受光部から送出されるシート状の光の幅を表す情報の処理を行なう情報処理部を備えたコントローラとを有し、
   前記コントローラは、
   前記計測装置の発光部から前記光を前記クリアランスに向けて照射させ、特定の前記動翼がその回転に伴い前記発光部と前記受光部との間を通過する際に前記受光部で受光される前記光の幅を表す情報に基づき、前記幅が一定になるように前記第１の回動駆動部を介して前記発光側の回動部の回動駆動を制御する第１の回動制御部と、
   さらに前記発光部から予め定められた所定寸法の幅の光を照射させ、前記受光部で前記所定寸法の幅の光として受光されるように、前記第２の回動駆動部を介して前記受光側の回動部の回動駆動を制御する第２の回動制御部とを有するものであることを特徴とする回転機械におけるクリアランスの計測システム。
8. 前記第１の回動制御部は、
   回転する前記動翼が前記光を遮断して通過する際の経過時間と、前記受光部で検出される前記光の幅との関係に基づく前記幅の変化率に応じて前記発光部を回動することで、前記変化率が所定範囲内となるように前記発光部の回動位置を調整することを特徴とする請求項７に記載する回転機械におけるクリアランスの計測システム。
9. 前記予め定められた所定寸法の幅の光は、固有の周波数または色を有するものとし、
   前記コントローラは、前記固有の周波数または色の光を選択して当該光の幅が所定の値となっているか否かを検出することを特徴とする請求項７または請求項８に記載する回転機械におけるクリアランスの計測システム。

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