JP4173915B2 - 静電容量型間隙測定装置 - Google Patents

Description

本発明は間隙の測定に関し、特に、ガスタービン内の間隙の測定、例えばプローブから軸やディスクのような固体の物体、またはタービンの羽根などのような不連続な物体までの間隙の測定に関するものである。
多くの分野において、特にガスタービンの場合、非常な高温、例えばほぼ１，０００℃を越えるような温度で機能することができる間隙測定プローブが必要であり、そして実際に、このような機関の熱力学的効率を高めるために、例えば１，２００℃以上に、あるいは例えば１，５００℃以上に、作業温度を上昇させて作業を行うことがある。このような環境では、材料の永久磁力に依存するプローブを使用することは不可能であり、そしてまた、プローブを製造するために用いられる全ての材料が加えられるであろう温度に耐えられると保証することも重要である。こうした理由から、タービン用として静電容量プローブが提案されている。
このようなプローブのタービンの場合における使用法の１つは、タービンの羽根の先端とハウジングとの間のすき間を測定することである。タービンの効率を最大にするには、このすき間を最小にすることが非常に望ましく、さらに狭くすることが望ましいが、現行のタービンにおける典型的なこの間隔は１ｍｍである。このような狭いすき間を仕上げるには、ハウジング内にプローブを配置して、プローブの側を通過するタービンの羽根を検知するようなプローブを供することが必要である。このようなプローブは、典型的には、タービンの羽根に静電結合される電極と、この電極とタービンケーシングとの間に配置される遮蔽材と、この遮蔽材の周囲を囲み、このためにケーシング内に作られている窪みにぴったりとはめ込まれるプローブ本体と、電極と遮蔽材をケーシングから電気的に絶縁するために電極と遮蔽材との間、及び遮蔽材とリテーナとの間に配置される絶縁体とからなる。電極は３軸ケーブルの中央導線に接続され、遮蔽材はケーブルの中間遮蔽体に接続されるが、一方、リテーナまたはハウジングは、ケーブルの外側の遮蔽体に接続され、プローブからの信号をタービンの近辺の信号から遮断する。電極からの信号はユニティゲイン増幅器を経由して遮蔽材に送られ、その結果、電極信号がそれ自身の緩衝作用によって接地（ケーシング）から遮蔽される。
このようなプローブは充分に機能し羽根とケーシング間の間隙をほぼ１ｍｍに保つことができるであろうが、その製造に非常に多くの費用を必要とする。こうしたプローブはほぼ１，０００℃の温度で作動することが期待されるであろうが、それは、絶縁素子が機械加工されたセラミックスで作られなければならないことを意味する。更に、環状である絶縁素子は、電極の寸法を最大にできるように（プローブの感度を高めるため）、できるだけその壁の厚さを小さくする必要があり、従ってそのための製造が困難になり費用も増大する。そのうえ、プローブの組立は高度な熟練を要する作業であり、特にプローブはタービン内に設置しなければならず、そのうえタービン内の正規作業温度で試験されなければならないので、最終製品のコストが高くなる。
本発明によると、ある対象物との距離を静電容量によって測定するための装置が提供されるが、その装置は、対象物に静電結合する電極と、この電極の周囲に配置されかつ絶縁体によりこの電極から電気的に絶縁される遮蔽材と、この遮蔽材の周囲を囲む絶縁層とを含み、電極と遮蔽材との間の絶縁体、及び遮蔽材の周囲を囲む絶縁体は蒸着によって形成される。
本発明によるこの装置は、機械加工が困難な２つの物理的構成要素（セラミック絶縁リング）を除去して、簡単かつ安価に形成できる蒸着層に代えることによって大幅に製造費を削減できるという利点がある。更に、電極と遮蔽材との間の絶縁体と、遮蔽材の周囲を囲む絶縁体とは、予め成形されたどのようなセラミックディスクの半径方向の厚さよりもはるかに薄いので、電極の直径は、機関のケーシング中の所与の開口部寸法に対して著しく増大させることが可能になり、その結果、当該装置の感度が高められる。本発明による好ましい実施例の場合では、当該装置のほぼ全直径を電極が占めるようにすることも可能である。
所望ならば、このプローブは遮蔽材を成形済みの部品として組み込むこともできるが、この場合、電極と遮蔽材との間の絶縁体と、遮蔽材とケーシングとの間の絶縁体とは共に遮蔽材上に蒸着させることができる。このようなプローブは、セラミックスから作られるよりもむしろ金属から作られた部品（遮蔽材と本体（もしあれば）とを形成する部品、電極）を単に機械加工するだけで形成される。
別の方法として、電極と遮蔽材との絶縁体は遮蔽材ではなく電極に蒸着させることもできる。この形態のプローブでは、遮蔽材自体を絶縁体に蒸着させることも可能であり、そして所望ならば、遮蔽材とハウジングとの間の絶縁体を蒸着によって遮蔽材上に形成することもできる。どのような方法で遮蔽材が形成されようとも、遮蔽材は、対象物と静電結合する電極の一部を除いて、ほぼ全面的に電極の周囲を囲むことが、機関ケーシングなどのような他の要素との静電結合を減少乃至は排除するために好ましい。所望ならば、別の部品として形成されたプローブ本体を用意することもできるが、その代わりとして、蒸着によって絶縁体上に形成することもできる。この形態のプローブは、単一の一体化された成形品として形成できる効果があり、その結果、セラミック絶縁リング形成のための高価な機械加工作業を削除できるばかりでなく、熟練を要するプローブ組立工程を削除することも可能になる。
この形態のプローブのもう一つの利点は、このプローブは作動中においてその各構成部品の示差熱膨張の対象にはならないということである。従来のプローブがタービンの羽根先端のすき間測定に用いられるとすれば、このプローブが約１，０００℃の正規作業温度にまで加熱されたとき、金属部品とセラミック部品との示差熱膨張によって、ある程度までこれらの部品が緩んでしまうことがあり得る。また、タービンの羽根がプローブを通り過ぎるとき、タービンの羽根の両側における圧力差が、通常は１，０００〜６，０００Ｈｚである周波数が、６，０００Ｈｚ以上に達する周波数で電極に振動力を与え、そのため、このプローブ電極はセラミック絶縁リングに振動せん断力を作用させる。ある場合、例えばある種のターボ過給機では、振動力が１００ｋＨｚに達する周波数を有することがある。こうしたせん断力は、長時間の運転の後に、セラミックリングに損傷を与えることがあり、その結果、もしプローブがケーシングから外れるようなことがあれば、システムに破滅的な故障を生じさせる恐れがある。これと対照的に、本発明によるプローブにおいては、実質的に全プローブが同一の材料で形成されているので、示差熱膨張の問題がない。その上さらに、比較的に低い熱伝導体であるセラミックリングを取り除くことによって、プローブの様々な区域の温度差を小さくすることができる。
電極は多くの目的のために金属の中実体で作られているが、このことは動作温度がその金属の最高使用温度、例えば鋼鉄の場合、約１，１２５℃までに制限されるという欠点がある。本発明の好ましい１面によれば、電極がセラミック体として作られ、そして遮蔽材が、電極と遮蔽材との間の絶縁層及び遮蔽材とハウジングとの間の絶縁層と共に蒸着によって形成される。電極は、セラミックに蒸着された、例えば金属の電導材の層を有することによって、電導性が付与されてもよく、またはその代替として、セラミック体が電導性のセラミック・金属複合材として形成されてもよい。このようにして、金属素材部品を含まず、従って著しく高い温度、例えば１，２００℃まで乃至はそれ以上の、例えば１，５００℃までまたはそれを超える温度で動作可能なプローブを形成することができる。
蒸着によって形成される層は、関連する温度、例えば１，０００℃または１，２００℃または１，５００℃での動作を可能にするのに必要な接着力と熱安定性とを有する層を生成する方法でさえあれば、どのような方法によってでも形成することができる。例えば、これらの層は、凝縮相における蒸着、例えばアルコキシド金属の加水分解と重縮合を含むゾル・ゲル法、によって形成することができるもので、アルコキシド金属は、低温熱処理によって無機酸化物ガラスに転換される無機酸化物ゲル状態にするための、例えば、４エトキシド珪素、ブトキドチタン、またはプトキシドアルミニウムである。あるいは代替の方法として、これらの層は他の蒸着技術、例えばプラズマ支援化学蒸着法のような真空蒸着、またはスパッタリング、または好ましくはプラズマ蒸着によって形成することができるが、これらの工程は全て周知であり、そして多くの目的で工業的に採用されている。プラズマ蒸着の場合、セラミックまたは金属の粉末がアークまたは炎を通して噴霧され急速に蒸発させられてプラズマになる間、構成要素は真空中で回転させられている。プラズマは、回転している冷たい部品に触れると、凝縮してセラミックまたは金属の層を形成する。各絶縁層または金属層は、単一層のみとして形成されてもよく、または、所望ならば、数層から成るように形成されてもよい。例えば、最上層と基板との接着を強固にするために１層または数層のキーとなる層が設けられるが、このキーとなる層を形成するには、層の厚み全体にわたってそれぞれの層の特性が傾斜的に変化するように、例えば、最上層の真空蒸着法とは異なる真空蒸着法によって形成される。これらの方法によって蒸着される絶縁層は、一般的には、金属または半金属（メタロイド）の酸化物および窒化物、例えばアルミニウム、チタン、タンタルおよび珪素の酸化物と窒化物、もしくはこれらの酸化物または窒化物の混合物、あるいはその他の酸化物または窒化物の混合物である。したがって、この層のために混合金属酸化物を使用することも考えられる。しかしながら、本発明は、少なくともその最も広範な面において、特定の蒸着技術に限定されるわけではないことに留意すべきである。
したがって、本発明の他の側面によれば、ケーシングの内側面からタービンの羽根先端までの距離を静電容量によって測定するための装置を製作する方法であって、タービンの羽根と静電結合する電極を形成することと、少なくともケーシング内に配置される電極部分に絶縁層を蒸着させることと、遮蔽材を形成するために絶縁体に金属層を蒸着させることと、上記遮蔽材に第２の絶縁層を蒸着させることとから成る方法が供される。上記装置のこの製造方法は、上述のいずれの装置の製作にも用いることができる。
これらの層は、各層の機能にそれぞれ相応しい厚みに形成される。例えば、遮蔽材と電極の場合、必要な導電性を有するには、０．０１〜１マイクロメータ、好ましくは０．１〜０．２マイクロメータの厚みが適宜であり、一方電気絶縁層では、０．２〜０．５マイクロメータの厚みが適宜であろう。しかし、本発明の好ましい１側面によれば、対象物に面している電極の部分（「前面」）は、特にプローブがタービンの羽根先端のすき間を測定するようになっている場合、相当に大きな厚みで形成され、例えば０．５ｍｍ以上の厚み、好ましくは０．５〜２ｍｍの範囲、そして特に０．７５〜１．５ｍｍの範囲の厚みで形成される。このような層は、タービンの羽根を作っている材料より柔らかくして、タービンの羽根によって磨耗可能とされ、これによって、電極の前面と羽根との間の制御可能な非常に小さな間隙を確保するように形成することができる。プローブは、ケーシング内に設置する前に完全に作り上げておくこともできるが、電極の前面のないプローブを形成し、このプローブをケーシング内に設置し、そしてその時になって初めて電極前面を蒸着することも可能である。その場合、この電極の前面は削られて要求レベルに戻されることができ、プローブはケーシングの内側と同一平面を保つようになっている。機関の運転中に、羽根の先端がケーシングのライナーとプローブの前面とを浸食することもあるが、それでもプローブは作動し続ける。その結果、プローブの先端はまだケーシングの内径と同一平面に留まっているので、プローブは接触した後でも正しい先端すき間を出力する。これと対照的に、従来のプローブは磨耗されることはなく、ケーシング内に入り込むことになる。したがって、最初の接触の後、プローブの前面からケーシングの内径までの距離は変わり、そしてその時点から後は全てのすき間の読みは不正確になる。
上述は主としてタービンに関する説明であったが（それは、このような機関は一般的に最も過酷な環境を要求するからである）、本発明による装置は一般的な間隙の測定に用いることが可能であり、そしてこの装置を形成している材料の限界温度で機能することができる。この装置は、ガスタービンや蒸気タービンまたはその他のターボ機械、ピストン機関においても、あるいは間隙の大きさの測定を要求する他の装置においても、それらのどのような箇所にでも用いることができる。
以下に本発明による幾つかの形態のプローブを添付の図面を参照しながら、実施例によって説明する。
図１は、本発明による間隙測定プローブの第１の形態の断面図であり、
図２は、本発明による間隙測定プローブの第２の形態を模式的に示したもので、
図３は、本発明による間隙測定プローブの第３の形態を模式的に示したものであり、そして
図４は、図３に示されているプローブの変更例を模式的に示したものである。
添付の図面を参照すると、図１は、タービンケーシング２に対するタービンの羽根（図示されていない）の先端の位置を決定するための間隙測定プローブ１を示している。このプローブ１は、タービンに面している前面６を有する鋼鉄製の電極４から成り、そしてタービンが回転するとき、タービンの羽根の先端がこの電極４を横切って通過する。電極４は、底部ガード８と上部ガード１０とから成る遮蔽材内に配置されており、これらのガードもまたそれぞれ鋼鉄を機械加工して作られている。この底部ガード８には内側リップがあり、このリップは、電極が底部ガード８からタービンの羽根の方に向かって滑り出さないように、電極の周縁溝にはめ込まれており、そして上部ガード１０は一般的には円錐台形の漏斗状部１２と円筒形部１３とを有し、この漏斗状部１２は、電極が機関ケーシング２に向かって後方に滑っていかないように、電極４の後部ショルダーにはめ込むことができる。底部ガード８の外側の周囲には、リテーナ１５があって、これによって、底部ガード８と上部ガード１０とそして電極４が正確に機関ケーシング２の窪み内に収められている。
底部ガード８は、組み立てられたとき、上部ガードを形成する金属が電極４とタービンケーシング２との双方から電気的に絶縁されているように、上部ガード１０に接触しているその部分を除き、その前面にわたって、プラズマ蒸着により窒化アルミニウムから形成された０．２ｍｍ厚の絶縁層を有する。上部ガード１０は、空隙により電極４とケーシング２との双方から完全に分離されてもよいいが、やはり同じように被覆されている。電極４は従来の方法で３軸ケーブル（図示されていない）の中央心線に接続されているが、一方底部ガード８と上部ガード１０とによって形成される遮蔽材は３軸ケーブルの中間遮蔽体に接続されている。遮蔽体の電圧は、それが電極と接地電位になっているタービンケーシング２との静電結合を妨げるように、ユニティゲイン増幅器によって電極の電圧に設定される。
プローブ１は、いかなる部分も機械加工によってセラミックから形成する必要なしに、非常に簡単でかつ安価な方法で作られ、そしてその鋼鉄部分の最高作業温度に達するまでのどのような温度にも耐えられるであろう。
プローブ１を組み立てるには、上部ガード１０と底部ガード８が電極４の周囲を囲むように、そして電極が底部ガードのリップ９および上部ガードの漏斗状部１２によってこの２つのガード間にしっかりと保持されるように、上部ガード１０と底部ガード８とを電極４の対向する両端上に滑り込ませ、そして互いに密着させるか、またははめ合わす。この組立体の様々な部品間にすき間があるように図示されているが、これは単に分かりやさのためである。上部ガード１０と底部ガード８は次に互いに溶接され、３軸ケーブルが挿入できるように、一般的に電極の端末の所に１つの穴１６が上部ガード１０の円筒形部１３に穿たれる。ケーブル（図示されていない）は短く切断され、そしてこの穴に挿入され、次にケーブルの中央ワイヤは電極の端面にろう付けされ、そして中間遮蔽体は上部ガード１０にろう付にされる。それからプローブ１が機関ケーシング２の窪みに挿入され、そしてリテーナ１５が電極と上部ガード１０の周囲に配置されてケーシング２に溶接され、これによってこのケーシングの窪みからプローブ１がタービンの羽根の方に滑りでることが防止される。３軸ケーブルの外側遮蔽体は機関ケーシング２に溶接され、そしてシムストック１８の薄片が点溶接され、その結果、電極は、その前面６を除いて、上部ガードと底部ガードにより形成されている遮蔽材によってその全体が囲われる。次に、セラミックのパッキングディスク（図示されていない）が上部ガード１０の円筒部の端末に配置され、そして金属ディスク（図示されていない）が、ケーシング２の窪みを閉鎖するためにパッキングディスク上に敷かれ、そしてケーシングに仮付け溶接される。
図２は、図１に示されているものと類似の形態の静電容量型プローブを模式的に示しているが、この場合、電極４は（前面を含む）その全ての面を第１のセラミック絶縁層１４で覆われており、それに続いて遮蔽材を形成する厚さ０．３ｍｍのプラチナ／イリジウム層１６（前面を除く）で覆われ、そして最後にもう１層、タービンケーシング２から遮蔽材を絶縁する厚さ０．２ｍｍのセラミック層１８で覆われている。このプローブは、図１に示されている電極４と底部ガード８とそして上部ガード１０との組立体に対応しており、機関ケーシングの窪みに動かないように収められ、図１に示すプローブと同様に動作することができる。このプローブは、機械加工によって単一の要素、電極４を形成するだけでよく、したがって製造費を削減できるという利点がある。
図３は、図２に示されているプローブの修正例を示すもので、この場合電極４はセラミック素材から作られた電極本体４’を有し、これをプラズマ蒸着によりプラチナ／イリジウム層４”が被覆している。図２を参照しながら説明されたように、電極４上に絶縁層１４と１８および遮蔽材１６が形成されている。この形態のプローブは、金属素材部品を含まないという利点がある。唯一の素材部品はセラミック製であり、そのためこのプローブが相当な高温、例えば，１，２００℃を越える高温でも故障を起こさずに耐えることができる。
図４は、図３に示されているプローブの改良例を模式的に示したもので、この場合、電極４の前面６は、比較的に低密度の多孔性の金属層または金属／セラミック複合材の層の形で蒸着されている比較的に厚い金属コーティングとして形成される。前面を形成する層は約１ｍｍの厚みを有しそして（セラミックまたはタービンの羽根に比べて）比較的に柔らかいので、電極の前面は、設置された後、タービンの羽根によって磨耗され、そのため両者の間に制御可能な小さい間隙を形成する。

Claims (13)

1. 対象物に静電結合する電極と、該電極を取り囲み、絶縁体により該電極から電気的に絶縁される遮蔽材と、該遮蔽材を取り囲む絶縁体の層とを有し、前記電極と前記遮蔽材との間の前記絶縁体と、前記遮蔽材を取り囲む前記絶縁体は蒸着によって形成されている、前記対象物との距離を静電容量によって測定する装置。
2. 前記遮蔽材を予め形成された部品として含み、前記電極と前記遮蔽材との間の前記絶縁体と、前記遮蔽材を取り囲む前記絶縁体は、共に蒸着によって該遮蔽材の上に形成された、請求の範囲第１項に記載の装置。
3. 前記電極と前記遮蔽材との間に配置される前記絶縁体は、前記電極の上に蒸着された、請求の範囲第１項に記載の装置。
4. 前記遮蔽材は、前記電極と前記遮蔽材との間の前記絶縁体の上に蒸着によって形成された、請求の範囲第３項に記載の装置。
5. 前記遮蔽材を取り囲む前記絶縁体は、前記遮蔽材の上に蒸着によって形成された、請求の範囲第４項に記載の装置。
6. 前記電極は金属の固体として形成されている、請求の範囲第３項から第５項までのいずれか１項に記載の装置。
7. 前記電極は、導電層が表面に蒸着されたセラミックの固体を有する、請求の範囲第３項から第５項までのいずれか１項に記載の装置。
8. 前記電極の、タービンの羽根に面する部分は、少なくとも０．５ｍｍの厚さを有する蒸着された導電層を有する、請求の範囲第７項に記載の装置。
9. 蒸着された前記絶縁体の層は、金属またはメタロイドの酸化物または窒化物を有する、請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載の装置。
10. いずれの前記蒸着層も真空蒸着法によって蒸着された、請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の装置。
11. いずれの前記蒸着層も化学蒸着法、スパッタリング法、またはプラズマ蒸着法によって形成された、請求の範囲第１０項に記載の装置。
12. 固体の対象物までの距離を測定する装置を形成する方法であって、前記対象物と静電結合する電極を形成することと、該電極を取り囲むために該電極の少なくとも一部の上に絶縁体の層を蒸着することと、遮蔽材を形成するために該絶縁体に金属層を蒸着することと、該遮蔽材の上に絶縁体の別の層を蒸着することとを有する方法。
13. 前記絶縁体の各層と前記遮蔽材は、真空蒸着法により蒸着される、請求の範囲第１２項に記載の方法。

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