JP4429705B2 - 距離測定方法および距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、基準面の側を通って導かれる構造部品と基準面との間の距離を測定する距離測定方法、特にタービンの動翼における半径方向隙間を測定する方法に関する。さらに本発明はその方法を実施するための距離測定装置、特にタービンの半径方向隙間の測定に使用される測定装置に関する。

タービンは発電機や作業機械を駆動するために広範囲に用いられている。その場合、通流媒体のエネルギー量、例えば燃料の燃焼によって生成される燃焼ガスのエネルギー量は、タービン軸の回転運動を遂行させるために利用される。タービン軸の回転運動を遂行させるために、通常は翼群または翼列として一緒に組込まれる多数の動翼がタービン軸に配置され、通流媒体の衝撃力によりタービン軸を駆動する。さらにタービン装置内に通流媒体を導くために通常、隣接する動翼列の間に、タービンケーシングに結合された静翼列が配置される。

この種のタービンの運転時には、多くの他のパラメータとともに、いわゆる半径方向隙間の信頼性のある監視が重要である。ここで半径方向隙間とは、各動翼の自由端とそれを取囲むタービン内部ケーシングとの間の距離を意味する。一方、タービンの特に高効率を達成するために、タービン内に導入された通流媒体がエネルギー変換の下に動翼列を通して通流するが、半径方向隙間を通して動翼へのエネルギー変換なしに通流することのないように、半径方向隙間をできるだけ小さく保つことが設計目標になっている。しかしながら他方では、動翼端部とガスタービンの内部ケーシンとを直接接触させることは、どんな場合であっても運転安全性の理由から絶対に避ける必要がある。特に注意すべきことは、まさにガスタービンへ適用する際、そこに生じる１２００℃にも達する比較的高い動作温度によって動翼の長さに熱膨張が生じ、半径方向隙間が静止状態時に比較して小さくなってしまうことである。従ってタービンの半径方向隙間は通常、定期的にまたは少なくとも抜き取り検査的に測定され検査される。

従って、タービンの半径方向隙間の測定および監視のための考え方を確立しておくことが望まれる。この考え方は、タービンの摩擦なし回転を損なわないために、無接触式に実現されなければならない。このための無接触の考え方として、半径方向隙間または一般的に基準面の側を通る構造部品と基準面との間の距離を光学的方式で検出するいわゆる三角測量方式が考えられる。この種の三角測量法においては、基準面から２つの光ビームが互いに傾斜角をもって投射されて、構造部品の移動方向と基準面に対する垂線とによって規定される平面の投影において、基準面の後ろで測定されるべき予想最大距離より長い距離点で交差するようにされる。このいわゆる投影法では、光ビームのビーム通路が底辺としての基準面の一部とともに三角形を形成する。光ビームの進路は特にその三角形が二等辺三角形となるように選択することができる。測定は、各光ビームに対して、被測定構造部品の例えばその前縁を各光ビームが通過したか否かを監視することによって行われる。これは例えば光バリヤの形で、または各光ビームに対応する反射信号を介して測定することができる。

従って、この考え方では、２つの光ビームを用いて、構造部品がビーム通路を遮断するか又はこのビーム通路内に進入する時点を求めることができる。光ビーム通路のジオメトリ（幾何学的配置）が既知であり、かつ構造部品の移動速度が既知であれば、構造部品が２つの光ビームを通過する時間差の測定から、構造部品が２つの光ビーム間を進行したときの特性長さを求めることができる。この特性長さはビーム案内に基づいて構造部品と基準面との間の距離に換算することができる。

しかし、タービンの半径方向隙間の測定における上述の考え方の信頼性のある適用は、普通、比較的高い校正労力を要し、さらに達成し得る精度にも限界がある。さらにまた、タービン運転時に生じる振動が測定精度を大幅に低下させ、それによりその種の装置の信頼性が制約される。

従って本発明の課題は、特に高精度でタービンの半径方向隙間の測定に使用するのに好適であり、基準面の側を通って導かれる構造部品と基準面との間の距離を測定する距離測定方法を提供することである。さらに本発明の課題は、その方法を実施するのに適した距離測定装置を提供することである。

方法に関する課題は、本発明により、互いにほぼ平行に向けられた２つの光ビームと、平行な光ビームに対して構造部品の移動方向に傾斜して向けられた他の光ビームとが構造部品によって形成される各反射系について監視され、一方では平行な光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差と、他方では平行な光ビームの１つおよび傾斜した１つの光ビームに、または傾斜した２つの光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差とに基づいて、距離に対する特性値が求められることによって解決される。

本発明は、タービンおいて生じ得る境界条件に適切に適合するべきであろうという考えから出発している。特にタービン運転時の振動や他の運転上の変動のためにタービン翼の局部速度が変動し得るということに考慮が払われなければならない。そのため三角測量法の考え方に基づく光学的測定法を適用する際、特に高い測定精度のために、タービン内壁に対して相対的に一定のタービン翼の移動速度、すなわち基準面に対して相対的に一定の構造部品の移動速度から出発しない。寧ろ、この測定方法は、構造部品の移動速度の変動が測定結果を悪化させることがないように設計されるべきである。これを可能とするために、概ね三角測量法に基づく測定法の考え方が、基準面に対する構造部品の実際の移動速度を実際に求める基準測定によって補足される。そのため平行な２つの光ビームを用い、構造部品と基準面との間の距離とは無関係に、それぞれの光ビーム通路を通る構造部品の通過時点を測定することによって、基準面に対する構造部品の現在の実際相対速度が推測される。次いで、それに基づいて時間差の評価が行われる、すなわち互いに傾斜した光ビームから求められた時間差がその間の構造部品の進行距離に換算される。

従って、三角測量法が基準測定によって補足され、距離特性値の検出が構造部品の実際移動速度を考慮して行われるこの考え方では、３つ、４つまたは必要に応じてそれより多くの光ビームを用いることができる。３つの光ビームを用いる場合、２つの光ビームは互いに平行に向けられ、その光ビームに対する構造部品の通過が、基準面までの距離とは無関係に、構造部品の実際の移動速度に対して特徴付けられた時間差を提供する。第３の光ビームは２つの平行な光ビームに対して傾斜して向けられ、それによりこの第３の光ビームは２つの平行な光ビームの一方と組合せて従来の三角測量法の形で利用される。４つの光ビームを用いる場合、２つの平行な光ビームを用いて基準測定が行われ、他の２つの光ビームは従来の三角測量法の形で互いに傾斜して向けられる。

特にこの距離測定方法は、生じ得る振動または構造部品の実際移動速度の変動等とは無関係に、構造部品と基準面との間のその都度の距離に対する正しい特性値を得る可能性を提供することができる。この距離測定方法が、距離に対する特性値が時間差の比に基づいて求められることにより、構造部品の予想される移動速度を全く考慮する必要なしに、評価時に利用されると好ましい。

評価すべき時間差の信頼性ある決定を可能にするために、距離測定方法は、さらに他の好ましい実施態様において、個々の光ビームに対して構造部品によって形成される反射信号の信頼性ある対応付けが行われるように構成される。そのため好ましくは、複数の光ビームとしてそれぞれ異なる波長の光が用いられ、それにより反射信号の波長選択的な評価によって個々の光ビームに対する各反射信号の一義的な対応付けが可能になる。

装置に関する課題は、本発明により、互いにほぼ平行に向けられた少なくとも２つの光ビームおよび平行な光ビームに対して構造部品の移動方向に傾斜して向けられた少なくとも１つの他の光ビームを発生する光源と、各光ビームにそれぞれ対応し構造部品によって形成される各反射系を検出する検出装置とを備え、検出装置に、一方では平行な光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差と、他方では平行な光ビームの１つおよび傾斜した１つの光ビームに、または傾斜した２つの光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差とに基づいて、距離に対する特性値を求める評価装置が付設されることによって解決される。

この距離測定装置は、好ましくは、評価装置が時間差の比に基づいて距離特性値を求めるように構成される。さらに光ビームに対する反射信号の確実な対応付けを可能とするために、代替的なまたは付加的な変形例として、光源が光ビームの数に一致する数の発光器を備え、これらの発光器はこれらの発光器から発生された光の波長を互いに異ならせている。

例えばタービンの半径方向隙間の監視の場合のように比較的過酷な環境条件の中や近づくことの困難な場所でも測定装置を使用可能とするために、例えば光源や検出装置のような機能部品は実際の使用場所、特に基準面から空間的に離れていた方がよい。これを可能とするために、光源は基準面に配置された光入出射端に光導波路装置を介して接続するのが好ましい。さらに有利な実施態様において、検出装置も光導波路装置を介して光入出射端に接続される。

まさにこのような光導波路装置の使用において特に簡単に、一方では互いに平行に向けられた両光ビームを、他方ではそれに対して傾斜して向けられた光ビームを提供するために、光導波路装置は、他の有利な実施態様によれば、光入出射端の範囲内に部分的にレンズ装置、特に凸レンズを備える。

光導波路装置は、好ましくは、共通の外被内に配置され光ビームの数に一致する数の光ファイバを備える。

この距離測定装置はタービンの半径方向隙間の監視のために有利に用いることができる。

本発明によって達成される利点は特に、構造部品の移動速度が変動したり又は変化したりする場合であっても、三角測量法による距離測定と基準測定との組合せが、基準面の側を通って導かれる構造部品に対する距離特性値の検出を高精度で可能にすることにある。従って本発明の方法およびその方法を実施する測定装置は、タービンの半径方向隙間の監視のために使用するのに特に適している。

さらに、この距離測定装置は光学的測定法に基づいているために、タービンの半径方向隙間の監視に適用するのに重要な全ての温度、例えば０℃〜４５０℃の温度において同一の高精度で用いることができる。光源と検出装置とを基準面に光学的に結合する際に光導波路装置を使用することによって、基準面の範囲で測定装置の特に小型の構造方式を達成することができ、それにより、比較的複雑な機械装置にも、例えば最大７．２ｍｍの外径を持つ標準化された孔を用いて制約のない適用が可能になる。また、基準測定を用いることにより、比較的長い運転期間にわたっても測定装置を校正なしに使用することが可能になり、信頼性ある測定値検出のために最初の使用開始時にしか正確な光ビームのジオメトリを求めるための校正を必要としない。光ビームのジオメトリが求められれば、測定装置のための固有の動作パラメータのさらなる再調整はもはや必要としない。

図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、全ての図において同一部分は同一符号で示されている。

図１の距離測定装置１は基準面２の側を通って導かれる構造部品４と基準面２との間の距離ｓを求めるために用いられる。基準面２の広がり面にほぼ平行に向き矢印によって示されている移動方向６を有する構造部品４は、特に詳細には示されていないタービンの動翼である。基準面２は例えばタービンの内張である。従ってここでは、距離測定装置１はタービンの半径方向隙間を監視するために用いられ、距離ｓはタービンの半径方向隙間に等しい。

測定装置１は基本的にいわゆる三角測量方式の応用に基づいている。図１の実施例では、第１の光ビーム１０と第２の光ビーム１２が用いられる。ここで第２の光ビーム１２は構造部品４の移動方向に見て、第１の光ビーム１０に対して傾斜して向けられている。図１に示されている投影において、光ビーム１０，１２は焦平面１３で交差している。焦平面１３と基準面２との間の距離ｘ₀は最大限可能な測定範囲を与え、その範囲内で距離ｓが求められる。

距離ｓを求めるために、光ビーム１０，１２が構造部品４によって形成される反射信号の生成に関して監視される。すなわち、構造部品４がその移動に基づいて光ビーム１０または１２のビーム通路に進入するや否や、それぞれの光ビーム１０または１２は構造部品４によって反射される。それによって生成された反射信号が検出される。従って、構造部品４が光バリヤの形で各光ビーム１０，１２のビーム通路を通過した時点を求めることができる。図１には、構造部品４がその移動方向に見て第１の光ビームすなわち光ビーム１２を通過する瞬間が示されている。この時点は図１にｔ₀で示されている。

構造部品４がさらに進行すると、その前縁が少し遅れた時点ｔ₁で光ビーム１０のビーム通路を通過する。両時点ｔ₁，ｔ₀間に構造部品４は区間ｙだけ進行する。このとき距離ｓに対する特性値を求めるために、まず構造部品４の進行区間ｙが
ｙ＝ｖ・（ｔ₁−ｔ₀）
によって与えられる。ここで、ｖは構造部品４の移動速度である。光ビーム１０に対する光ビーム１２の傾斜角αが既知であれば、（ここでは光ビーム１０が構造部品４に垂直に入射するとして）、構造部品４の前縁と焦平面１３との間の距離ｘは

によって与えられる。

従ってジオメトリが既知であれば、時間差ｔ₁−ｔ₀から距離ｓに対する特性値を関係式

を用いて求めることが可能である。

しかし、この種の一般的な三角測量法には、評価が構造部品４の移動速度ｖに直接依存して行われるという欠点がある。このパラメータに変動が起こり得るこのケースでは特にこのような考え方では制限された測定精度しか得られない。そこで測定装置１はそのような精度低下を補償するように、特にタービンの半径方向隙間の測定にも特に高精度で適用することができるように設計される。そのため測定装置１では三角測量法が、構造部品４の実際の移動速度ｖに依存せずに、距離ｓの決定を可能にする基準測定によって補足される。

このために、第１の光ビーム１０にほぼ平行に向けられた第３の光ビーム１４が用いられる。この光ビーム１４は、図１の実施例では構造部品４の移動方向に見て光ビーム１０，１２の後方に位置している。しかしここではもちろん、他の任意の空間配置とすることも可能である。かくして距離測定装置１は、一方では光ビーム１０，１２によって形成される収束ビーム通路と、他方では光ビーム１０，１２の１つおよび光ビーム１４によって形成された同軸ビーム通路とを含む。

図１に示されている実施例では、構造部品４の前縁が時点ｔ₂で光ビーム１４を通過すると、その時点で光ビーム１４に対応する反射信号が検知される。光ビーム１０，１４は平行な光ビームであり、そのため光ビーム１０および光ビーム１４に対応する反射信号間の（測定可能な）時間差ｔ₂−ｔ₁が

によって与えられる。ここで、ｄは構造部品４の移動方向に見た光ビーム１４，１０間の相互距離である。従って、時間差ｔ₂−ｔ₁から距離ｓを

によって、構造部品４の移動速度ｖに対する評価値を考慮することなしに、求めることが可能になる。

光ビーム１０，１２，１４を発生するために、距離測定装置１は所定数の発光器１８を含む光源１６を備えている。この場合、各発光器１８はそれぞれ光ビーム１０，１２，１４の１つに対応している。測定装置１はさらに検出装置２０とこれに接続された評価装置２２を備えている。ここで検出装置２０は構造部品４によって形成される各反射信号の到達時点を求める。なお反射信号は光ビーム１０，１２，１４の１つが構造部品４の表面で反射することによって生成され、その反射信号の検知時点は構造部品４が光ビーム１０，１２，１４に到達する時点に一致する。

個々の光ビーム１０，１２，１４に個々の反射信号を対応付けるために、発光器１８はそれぞれ異なる波長の光を発生するように設計され、検出装置２０は受信信号の波長選択的な評価を行い得るように設計される。従って検出装置２０では個々の反射信号を個々の光ビーム１０，１２，１４に対応付けることができ、それにより構造部品４が各光ビーム１０，１２，１４に到達する時点を常に求めることができる。このようにして得られた光ビーム固有の時間特性値は評価装置２２に送出され、そこで既知のジオメトリ値に基づいて距離ｓに対する特性値が求められる。

距離測定装置１を、例えばタービンの半径方向隙間測定の場合のような近づくことの比較的困難な場所や悪環境でも使用可能とするために、例えば光源１６や検出装置２０のような能動構造部品は基準面２から空間的に分離して配置される。そのため光源１６および検出装置２０は光導波路装置２４を介して、基準面２内に配置された光入出射端２６に接続される。光導波路装置２４は光入出射端２６の範囲内に、一方では光ビーム１０，１４の出射が互いにほぼ平行に行われ、かつ他方では光ビーム１２の出射が光ビーム１０，１４に対して傾斜して行われるように構成されている。そのため、光導波路装置２４は光入出射端２６の範囲内に部分的に、光ビーム１０，１４をほぼ直線状に通過させ光ビーム１２のみを屈折させるレンズ装置２８を備えている。

図１の実施例では、全部で３つの光ビーム１０，１２，１４を使用する三角測量法と基準測定との組合せが示されている。この実施例では光ビーム１０は三角測量にも基準測定にも用いられる。図２に示す実施例においても測定装置１’に三角測量法と基準測定との組合せが用いられているが、三角測量法と基準測定とに対して全く異なる別々の光ビームが用いられる。すなわち図２の実施例では、基準測定を実施するために互いにほぼ平行に向けられた２つの光ビーム４０，４２と、三角測量を実施するために構造部品４の移動方向に見て光ビーム４０，４２に対して傾斜している２つの光ビーム４４，４６との４つの光ビームが用いられる。距離測定装置１’は、一方では光ビーム４４，４６によって形成された双収束ビーム通路と、他方では光ビーム４０，４２によって形成された同軸ビーム通路とを含んでいる。

図２に示されているように、構造部品４の前縁は時点ｔ₀で光ビーム４０のビーム通路を通過し、時点ｔ₁で光ビーム４４のビーム通路を通過し、時点ｔ₂で光ビーム４６のビーム通路を通過し、時点ｔ₃で光ビーム４２のビーム通路を通過する。勿論、ここでもこれらの時点の実際の順序および光ビーム４０，４２，４４，４６の空間的位置決めは互いに相対的に変化させることができる。

図２に示されている測定装置１'の構成では、距離ｓに対する特性値は関係式

によって求めることができる。

図２の実施例において、レンズ装置２８は、勿論光ビーム４２，４４が基準面２をほぼ直線状に出射し、光ビーム４４，４６がそれに対して屈曲して出射するように構成されている。

図３には基準面２における光導波路装置２４の出射範囲の例が平面図で示されている。この実施例では共通の外被５０内に、光ビームの数に一致する数の光ファイバのビーム系５２，５４，５６，５８が配置されている。ビーム系５２，５４は三角測量のために用いられる光ビームを伝送するように構成されている。従って、ビーム系５２，５４の出射範囲は、その範囲が凸レンズとして構成されたレンズ装置２８によって覆われている。それに対して、ビーム系５６，５８は、基準測定のために用いられる光ビームを伝送するように構成され、その出射範囲は各光ビームがほぼ直線状に出射するように構成されている。

１つのビーム系５２の内部構造が図４に示されている。ここではビーム系５２の中央範囲内に、ファイバコリメータ６２によって取り囲まれた能動ファイバ６０が配置されている。それに対して、外周範囲には、対応するコリメータを有するか又は有しない複数の受動ファイバ６４が配置されている。

基準面の側を通って導かれる構造部品と基準面との間の距離を求める測定装置の説明図である。（実施例１） 図１の測定装置の変形例を示す説明図である。（実施例２） 図１または図２の測定装置の測定ヘッドを示す横断面図である。 図３の測定ヘッドの光ファイバを備えたビーム系の内部構造を示す横断面図である。

符号の説明

１ 距離測定装置
１’ 距離測定装置
２ 基準面
４ 構造部品
６ 移動方向
１０ 光ビーム
１２ 光ビーム
１３ 焦平面
１４ 光ビーム
１６ 光源
１８ 発光器
２０ 検出装置
２２ 評価装置
２４ 光導波路装置
２６ 光入出射端
２８ レンズ装置
４０ 光ビーム
４２ 光ビーム
４４ 光ビーム
４６ 光ビーム
５０ 外被
５２ ビーム系
５４ ビーム系
５６ ビーム系
５８ ビーム系
６０ 能動ファイバ
６２ ファイバコリメータ
６４ 受動ファイバ

Claims (11)

1. 基準面の側を通って導かれる構造部品と前記基準面との間の距離を測定する距離測定方法において、互いにほぼ平行に向けられた２つの光ビームと、前記平行な光ビームに対して前記構造部品の移動方向に傾斜して向けられた他の光ビームとが前記構造部品によって形成される各反射系について監視され、一方では前記平行な光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差と、他方では前記平行な光ビームの１つおよび前記傾斜した１つの他の光ビームに、または前記傾斜した２つの他の光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差とに基づいて、前記距離に対する特性値が求められることを特徴とする距離測定方法。
2. 前記距離に対する特性値が２つの前記時間差の比から求められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記各光ビームとしてそれぞれ異なる波長の光が用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 基準面の側を通って導かれる構造部品と前記基準面との間の距離を測定する距離測定装置において、
   互いにほぼ平行に向けられた少なくとも２つの光ビームおよび前記平行な光ビームに対して構造部品の移動方向に傾斜して向けられた少なくとも１つの他の光ビームを発生する光源と、
   前記各光ビームにそれぞれ対応し前記構造部品によって形成される各反射系を検出する検出装置とを備え、
   前記検出装置に、一方では前記平行な光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差と、他方では前記平行な光ビームの１つおよび前記傾斜した１つの他の光ビームに、または前記傾斜した２つの他の光ビームに対応する反射系への到達時点間の時間差とに基づいて、前記距離に対する特性値を求める評価装置が付設されていることを特徴とする距離測定装置。
5. 前記評価装置は２つの前記時間差の比に基づいて距離特性値を求める請求項４記載の装置。
   
6. 前記光源は、前記光ビームの数に一致する数の発光器を備え、これらの発光器はこれらの発光器から発生された光の波長を互いに異ならせていることを特徴とする請求項４又は５記載の装置。
7. 前記光源は、前記基準面に配置された光入出射端に光導波路装置を介して接続されていることを特徴とする請求項４乃至６の１つに記載の装置。
8. 前記検出装置も前記光導波路装置を介して前記光入出射端に接続されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記光導波路装置は、前記光入出射端の範囲内に部分的にレンズ装置を備えていることを特徴とする請求項７又は８記載の装置。
10. 前記光導波路装置は、共通の外被内に配置され前記光ビームの数に一致する数のビーム系を備えていることを特徴とする請求項７乃至９の１つに記載の装置。
11. タービンの半径方向隙間を監視するために使用されることを特徴とする請求項４乃至１０の１つに記載の装置。

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