JP4221210B2 - タービンブレード先端間隙を測定する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンに関し、より具体的には、無線周波数変換器と超音波変換器とを用いてタービンブレード先端の間隙を測定するための混成センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおいては効率が増すことが望ましい。ガスタービンエンジンの効率は、とりわけ、タービンブレードの先端とタービンケーシングとの間の間隙に左右されるので、圧縮機及びガスタービンのタービン部分における可動ロータブレードと固定シュラウドとの間の間隙を測定することが望まれる。すなわち、間隙が小さいほど、翼形部先端からの気体の漏れが少なくなる。しかしながら、一定のエンジン状況のもとでは、翼形部とこれに関連したディスクは、熱膨張するので、ケーシングに接触する危険が増すことになる。
【０００３】
回転ブレードの先端とこれに関連したケーシングとの間の間隙を正確に測定することが、ガスタービンエンジンの開発のために不可欠である。このような測定を行うための従来の手法及びシステムには、ブレードを囲むケーシング上に取り付けられたプローブが含まれる。ブレード先端とプローブがコンデンサの２つの電極として働き、プローブは、ブレードとケーシング／プローブとの間の間隙内の静電容量の変化を基にしてブレード先端の間隙を測定する。
【０００４】
より具体的には、容量性プローブが電気回路の一部を形成し、発振器によって高周波数の電気信号がこれに与えられる。この高周波数の電気信号は、ブレードの先端がプローブの近くを通る際の静電容量の変化によって振幅変調される。プローブとブレード先端との間の隙間を信号の振幅の変化に基づいて計算し、ブレード先端の間隙を求める。残念なことに、容量性の測定は、近くにある電場又は磁場の存在、及びブレード先端とプローブとの間を通過する気体の含水量の変化によって悪影響を受ける。この手法の更なる欠点は、プローブをタービンの高温部分の近くに配置せねばならないことであり、これにより、プローブの寿命が制限される。
【０００５】
別の手法において、電気スパークの電圧が、電極（プローブ）とブレード先端との間の距離を測定するのに用いられる。この場合には、測定値は、ブレード先端とプローブとの間を通る気体の圧力及び／又は含水量の変化により悪影響を受ける。電気スパークはまた、通過するブレード先端に損傷を引き起こすこともある。
【０００６】
更に別の手法において、ブレード先端が磁性プローブの近くを通る際に観察される磁場の強さの変化が、プローブとブレード先端との間の隙間に比例する。容量性の技法と比較した場合に周波数反応が少ないため、一般に、この手法はガスタービンにおいては用いられない。この手法はまた、上述のような他の手法に関して記述された限界も受ける。
【０００７】
タービンブレードの先端の間隙を測定するために、光学的技法も開発された。光学的技法は、変化する電場又は磁場が存在する状態で用いることができ、更に、より速い反応時間を実現するという利点を有するが、これらの光学的技法は、光学的システム上に堆積したごみ又は油の影響を受けやすく、これにより画質が低下する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ブレード先端の間隙（すなわち、ブレード先端とステータシュラウドの表面との間の距離）を測定するために、従来の手法に関して示された問題を克服する必要性がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、２つの異なるエネルギー源及びこれに関連した信号処理回路を利用することによって、回転ブレードの先端とステータシュラウドの表面との間の距離を求める方法と装置に関する。
【００１０】
固定された変換器から可動の金属ブレードまでの距離を測定するために、無線周波数（ＲＦ）エネルギーとＲＡＤＡＲ信号処理技術が用いられる。従って、この技術は、センサ変換器とこれに関連した電子機器をタービンの高温部分から離して配置し、これにより、センサの寿命が延びるという利点を提供するものである。セラミック又は他の非導電材料を導波管として用い、ＲＦエネルギーを変換器に向けて、及び該変換器から指向させる。ＲＦエネルギーは、通過するブレードから反射され、よって、ブレード先端とＲＦ変換器との間の距離を計算することができる。しかしながら、上記の手法を用いては、ブレード先端とステータシュラウドの表面との間の距離は測定されない。
【００１１】
具体的には、ガスタービンの圧縮機及びタービン部分における可動ロータブレードと固定シュラウドとの間の間隙は、混成センサ装置を用いることによって得られる。上述のように、ブレード先端とＲＦ変換器との間の距離を測定するためにＲＦエネルギーが用いられ、ステータシュラウドと超音波（ＵＴ）変換器との間の距離を測定するために超音波エネルギーが用いられる。ＲＦ変換器及びＵＴ変換器は、タービンの中心線から半径方向に等距離に配置されるのが好ましい。ブレード先端とＲＦ変換器との間の距離から、ステータシュラウドの表面とＵＴ変換器との間の距離を減じて、ブレード先端の間隙を求める。この減算は、電子回路を用いて実行されるのが好ましい。
【００１２】
より広い態様において、本発明は、ガスタービンにおけるブレード先端の間隙を求める方法を提供するものであり、この方法は、（ａ）超音波センサとステータシュラウドの表面との間の距離を測定する段階と、（ｂ）無線周波数センサとガスタービンの回転ブレード先端との間の距離を測定する段階と、（ｃ）段階（ａ）で測定された距離と段階（ｂ）で測定された距離を用いて、ガスタービンにおけるブレード先端の間隙を求める段階とを含む。段階（ａ）は、超音波変換器を用いて、超音波エネルギーをステータシュラウドの表面に指向させ、反射された超音波エネルギーを受け取る段階と、測定値をプロセッサにリアルタイムで提供する段階とを更に含む。段階（ｂ）は、無線周波数変換器を用いて、無線周波数エネルギーをガスタービンの回転ブレード先端に指向させ、反射された周波数エネルギーを受け取る段階と、測定値をプロセッサにリアルタイムで提供する段階とを更に含む。
【００１３】
超音波導波管は、超音波エネルギーを超音波変換器とステータシュラウドの表面の間で相互に指向させるように用いられるのが好ましい。無線周波数導波管は、無線周波数エネルギーを無線周波数変換器とガスタービンの回転ブレード先端との間で相互に指向させるように用いられるのが好ましい。無線周波数導波管は、セラミック材料から作られるのが好ましい。超音波センサ及び無線周波数センサの双方は、ガスタービンの基準点から半径方向に等距離に配置されるのが好ましく、この基準点はロータ中心線である。
【００１４】
別の態様において、本発明は、ガスタービンのブレード先端の間隙を求める装置を提供するものであり、この装置は、ステータシュラウドの表面と超音波センサの位置との間の距離を測定し、それを示す第１の信号を提供する超音波センサと、ガスタービンの回転ブレード先端と無線周波数センサの位置との間の距離を測定し、それを示す第２の信号を提供する無線周波数センサと、該第１及び第２の信号を受け取ってこれを処理し、ガスタービンのブレード先端の間隙を求めるプロセッサとを備える。この装置は、超音波エネルギーを超音波センサとステータシュラウドの表面との間で相互に指向させるための超音波導波管を更に含み、該超音波導波管の第１端は超音波センサに固定され、反端側の第２端は、シュラウド表面の一体部分となるように作られる。この装置は、無線周波数を無線周波数センサとガスタービンの回転ブレード先端との間で相互に指向させるための無線周波数導波管を更に含む。
【００１５】
別の態様において、ガスタービンの回転ブレードの先端とステータシュラウドの表面との間の距離を求める方法が提供され、この方法は、（ａ）超音波変換器とステータシュラウドの表面との間の距離を測定する段階と、（ｂ）無線周波数変換器とガスタービンの回転ブレードの先端との間の距離を測定する段階と、（ｃ）段階（ａ）で測定された距離と、段階（ｂ）で測定された距離とを用いて、ブレードの先端とステータシュラウドの表面との間の距離を求める段階とを含む。
【００１６】
更に別の態様において、本発明は、ステータシュラウドの表面を有するステータと、それぞれがブレード先端を有する複数の回転ブレードと、ステータシュラウドの表面と第１手段との間の距離を測定するための第１手段と、回転ブレード先端と第２手段との間の距離を測定するための第２手段と、第１手段と第２手段によって得られた測定値を受け取り、かつこれを用いて、ガスタービンのブレード先端の間隙を求めるための手段とを備えるガスタービンを提供するものである。この装置は、超音波エネルギーを第１手段とステータシュラウドの表面との間で相互に指向させるための手段と、無線周波数を第２手段とガスタービンの回転ブレード先端との間で相互に指向させるための手段とを更に備える。第１手段と第２手段の双方は、ガスタービンの基準点から半径方向に等距離に配置されるのが好ましく、この基準点は該ガスタービンロータの中心線である。
【００１７】
更に別の態様において、ガスタービンのロータブレード先端とステータシュラウドとの間の間隙を求めるための混成センサが提供され、この混成センサは、ステータシュラウドの表面と超音波センサとの間の距離を測定するための超音波センサと、回転ブレード先端と無線周波数センサとの間の距離を測定するための無線周波数センサと、超音波センサの測定値と無線周波数の測定値を受け取り、これを用いて、ガスタービンのブレード先端の間隙を求めるためのプロセッサとを備える。
【００１８】
更に別の態様において、ガスタービンを作動する方法が提供され、この方法は、（ａ）超音波変換器を用いて、ステータシュラウドの表面と該超音波変換器の位置との間の距離を示す第１の信号を生成する段階と、（ｂ）無線周波数（ＲＦ）変換器を用いて、回転ブレード先端と該ＲＦ変換器との間の距離を示す第２の信号を生成する段階とを含み、該超音波変換器の位置と該ＲＦ変換器の位置は、基本的にガスタービンの基準点から半径方向に等距離に配置されており、（ｃ）第１の信号と第２の信号を用いて、ブレード先端とステータシュラウドの表面との間の間隙を求める段階を更に含む。
【００１９】
更に別の態様において、ガスタービンを作動する方法が提供され、この方法は、（ａ）第１センサを用いて、ステータシュラウドの表面と該第１センサの位置との間の距離を示す第１の信号を生成する段階と、（ｂ）第２センサを用いて、回転ブレード先端と該第２センサの位置との間の距離を示す第２の信号を生成する段階とを含み、該第１センサの位置と該第２センサの位置は、基本的にガスタービンの基準点から半径方向に等距離であり、（ｃ）第１の信号と第２の信号を用いて、ブレード先端とステータシュラウドの表面との間の間隙を求める段階を更に含む。
【００２０】
別の実施形態において、本発明の方法と装置は、本発明の種々の態様によって蒸気タービンにおけるブレード先端を測定するために用いられる。
【００２１】
更に別の実施形態において、本発明の方法と装置は、本発明の種々の態様によって圧縮機におけるブレード先端を測定するために用いられる。
【００２２】
更に別の態様において、本発明は、本発明の種々の態様によってガスタービンの圧縮機及びタービン部分における可動ロータブレードと固定シュラウドとの間の間隙を求めるための混成センサを提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の例としての実施形態による距離測定装置１０の概略図である。この装置１０は、ガスタービンのステータシュラウドの表面１４に隣接して配置された超音波変換器（「ＵＴ変換器」）１６を含む。ＵＴ変換器はまた、別の呼称として超音波センサ（「ＵＴセンサ」）とも呼ばれる。超音波導波管（「ＵＴ導波管」）１８が、ステータシュラウドの表面１４に隣接して設けられ、超音波エネルギーをＵＴ変換器１６から該ステータシュラウドの表面１４に向けて、及びその逆に指向させる。ＵＴ導波管１８の一端は、ＵＴ変換器１６に堅く固定され、一方、反対端は、シュラウド表面１４の一体部分として作られるのが好ましい。ＵＴ導波管１８は、エネルギーを変換器に向けて、及び該変換器から指向させるために、例えば、金属、セラミック、ポリマーのような材料からできている。ＵＴ導波管を作るために用いられる材料は、好適には次の特性を有していなければならない。すなわち、（ａ）この材料は、ＵＴセンサからシュラウド表面までの所要の距離にわたって超音波エネルギーを減衰させてはならない。（ｂ）この材料は、圧縮機又はタービン環境において耐久性がなければならない（温度、振動等に耐える能力）−この要求は、センサが使用されるガスタービン、蒸気タービン、又は圧縮機における特定の軸方向の位置によって決まる。（ｃ）ブレード先端がシュラウドと接触するようになった場合、導波管が優先的に磨耗することになるので、この材料は、該ブレード先端の材料より柔らかくなければならない。ＵＴ変換器１６は、ステータシュラウドの表面１４とＵＴ変換器１６の位置との間の距離を求めるために用いられ、この距離は、ここでは一般に「Ａ」として表される。
【００２４】
装置１０は、ステータシュラウドの表面１４に隣接して配置された無線周波数（ＲＦ）変換器２０を更に含む。ガスタービンの回転ブレード１２の先端までの半径方向の距離を測定するために、ＲＦ導波管２２が、ＲＦエネルギーをＲＦ変換器２０からガスタービン１１（図４）の回転ブレード１２に、及びその逆に指向させる。ＲＦ変換器はまた、代わりにＲＦセンサとも呼ばれる。簡単にするために、単一のブレード１２が図１に示されている。タービンは、このようなブレードを複数個備えるものであることが理解されるであろう。
【００２５】
ＲＦ導波管２２は、その一端がＲＦ変換器２０に固定され、一方、反対端が、シュラウドの表面１４と一体となるように配置されるのが好ましい。セラミック又は他の非導電材料が、ＲＦ導波管２２のために用いられるのが好ましい。このＲＦ導波管は比較的長いので、ＲＦセンサをタービンの高温部分から離して配置することができ、よって、センサの寿命が延びる。ＲＦ変換器及びＵＴ変換器は、ガスタービンの基準点から半径方向に等距離に配置されるのが好ましく、一般的に、この基準点は該ガスタービンのロータ中心線である。ＲＦ変換器２０は、ガスタービンの回転ブレード先端とＲＦ変換器２０の位置との間の距離を求めるために用いられ、この距離は、ここでは一般に「Ｂ」として表される。
【００２６】
コンピュータシステム２４（図２）は、プロセッサ２６とデータベース２８とを有する。このコンピュータシステム２４は、ＵＴ変換器１６とＲＦ変換器２０から信号を受け取って、ブレード先端の間隙を求める。測定値ＡとＢがコンピュータシステム２４に与えられ、データベース２８に格納される。プロセッサ２６は、距離（Ｂ）（すなわち、ブレード先端とＲＦ変換器との間の距離）から距離（Ａ）（すなわち、ステータシュラウドの表面とＵＴ変換器１６との間の距離）を減じて、ブレード先端の間隙の測定値をリアルタイムで提供するようにプログラムすることができる。コンピュータシステム２４の出力は、ブレード先端の間隙を示す値を提供する。コンピュータシステム２４はまた、ブレード先端がシュラウドと接触するようになった場合、可視信号又は音響信号を出すことによって操作者に警告を与えることができる。
【００２７】
図３は、本発明の例としての実施形態に従ってブレード先端の間隙を求めるのに必要とされる種々の段階を示す流れ図である。作動時に、ＵＴセンサ１６からの超音波エネルギーは、ＵＴ導波管１８を通じてステータシュラウドの表面１４へ向けられ、段階２９で全体が示されるように、ＵＴ変換器とステータシュラウドの表面との間の距離（Ａ）が求められる。同様に、ＲＦ変換器２０からのＲＦエネルギーは、ＲＦ導波管２２を通じてガスタービンの回転ブレード１２へ向けられ、段階３０で示されるように、ＲＦ変換器と回転ブレードの先端との間の距離（Ｂ）が求められる。段階３１で示されるように、距離（Ａ）及び（Ｂ）を示す信号は、コンピュータシステム２４（図２）に与えられ、データベース２８に格納される。段階３２で示されるように、格納されたデータは、プロセッサ２６が利用できるようにされ、ブレード先端の間隙、すなわち、回転ブレードの先端１３とステータシュラウドの表面１４（図１）との間の差が求められる。
【００２８】
図４は、ガスタービン１１のハイレベル概略図が、図１に示されるブレード先端間隙測定装置１０を有している本発明の別の実施形態を示す。
【００２９】
図５は、蒸気タービン３３のハイレベル概略図が、図１に示されるブレード先端間隙測定装置１０を有している本発明の別の実施形態を示す。図５は、簡単にするために、蒸気タービンの一部を示す。ここで、ＲＦ変換器及びＵＴ変換器は、蒸気タービンの基準点から半径方向に等距離に配置されており、一般的に、この基準点は該蒸気タービンのロータ中心線である。
【００３０】
図６は、圧縮機３４のハイレベル概略図が、図１に示されるブレード先端間隙測定装置１０を有している本発明の更に別の実施形態を示す。ここで、ＲＦ変換器及びＵＴ変換器は、圧縮機の基準点から半径方向に等距離に配置されており、一般的に、この基準点は該圧縮機のロータ中心線である。
【００３１】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されない。また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例としての実施形態による距離測定装置の概略図。
【図２】 図１の装置を用いて行われた測定値からブレード先端の間隙を求めるためのシステムを示す図。
【図３】 図１及び図２に示すように、本発明によってブレード先端の間隙を求める流れ図。
【図４】 図１に示す装置を含むガスタービンのハイレベル概略図。
【図５】 蒸気タービンにおいてブレード先端の間隙を測定するための、図１に示すような装置を示す図。
【図６】 圧縮機においてブレード先端の間隙を測定するための、図１に示すような装置を示す図。
【符号の説明】
１０ 距離測定装置
１２ 回転ブレード
１３ ブレード先端
１４ ステータシュラウドの表面
１６ 超音波センサ
１８ 超音波導波管
２０ 無線周波数センサ
２２ 無線周波数導波管
２４ コンピュータシステム

Claims (10)

1. ガスタービンにおけるブレード先端間隙を求める方法であって、
   （ａ）超音波センサ（１６）とステータシュラウドの表面（１４）との間の距離Ａを測定する段階と、
   （ｂ）無線周波数センサ（２０）と前記ガスタービンの回転ブレード先端（１３）との間の距離Ｂを測定する段階と、
   （ｃ）前記段階（ｂ）で測定された前記距離Ｂから、前記段階（ａ）で測定された前記距離Ａを減じる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記段階（ａ）が、超音波エネルギーを前記ステータシュラウドの表面（１４）に指向させる段階と、測定値をコンピュータシステム（２４）にリアルタイムで提供する段階と、を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記段階（ｂ）が、
   無線周波数エネルギーを前記ガスタービンの回転ブレード（１２）に指向させる段階と、
   測定値をコンピュータシステム（２４）にリアルタイムで提供する段階と、
   を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 超音波エネルギーを指向させる前記段階が、超音波導波管（１８）を通して遂行されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 無線周波数エネルギーを指向させる前記段階が、無線周波数導波管（２２）を通して遂行されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. 前記無線周波数導波管（２２）が、セラミック材料で作られることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記超音波センサ（１６）と前記無線周波数センサ（２０）の双方が、前記ガスタービンの中心線から半径方向に等距離に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. ガスタービンのブレード先端の間隙をリアルタイムで求める装置（１０）であって、
   ステータシュラウドの表面（１４）との間の距離Ａを測定するための超音波センサ（１６）と、
   前記ガスタービンの回転ブレード先端（１３）との間の距離Ｂを測定するための無線周波数センサ（２０）と、
   前記超音波センサの測定値と前記無線周波数センサの測定値を受け取り、該無線周波数センサの測定値から該超音波センサの測定値を減じるコンピュータシステム（２４）と、
   を含むことを特徴とする装置。
9. 超音波エネルギーを前記超音波センサ（１６）から前記ステータシュラウドの表面（１４）に、及びその逆に指向させる超音波導波管（１８）を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記超音波導波管（１８）の第１端が、前記超音波センサ（１６）に固定され、反対側の第２端が、前記シュラウドの表面（１４）の一体部分となるように作られることを特徴とする、請求項９に記載の装置。

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