JP4781469B2 - 流体機械における動翼と動翼を取り囲む車室内壁との間隔を検出する装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体機械における少なくとも１個の動翼と車室内壁（動翼を取り囲む壁）との間隔を検出する装置並びにこの装置の利用に関する。タービン機械におけるラジアル隙間およびアキシャル隙間を監視するための相応した装置およびその利用は特許文献１で知られている。

ガス流に蓄えられたエネルギを機械エネルギ特に回転運動に転換するために、例えば蒸気タービンやガスタービンのような流体機械が熱機関として工業において採用されている。かかる流体機械の安全運転を保証するために、特に運転中、従って流体機械に配置された翼車の回転中、その翼車の動翼を連続して監視するように努められている。その場合、車室内壁（動翼を取り囲む壁）と動翼先端、即ち、動翼の半径方向外縁との間隔（ラジアル隙間）を正確に保つことが非常に重要である。安全上の理由から、最小ラジアル隙間を下回ってはならないが、過大なラジアル隙間は効率を不必要に低下させる。特に翼列に囲い輪が装備されている翼車において、ラジアル隙間のほかに、壁部分に対するアキシャル間隔も重要である。その大きさが種々の動的重要度要因によって変化するので、運転中においてラジアル隙間とアキシャル隙間の連続的監視が努めて行われる。ラジアル隙間の大きさは例えば動翼先端の近くに非接触で位置されている容量式ゾンデ（センサ）によって監視できる。しかしそのゾンデは精度、場所解析および寿命について限界がある。

特許文献１に流体機械におけるラジアル隙間およびアキシャル隙間を監視する装置が示されている。そこでは送信・受信装置を有するマイクロ波・レーダ装置が利用され、その送信・受信装置から一定周波数のマイクロ波が導波管を通して流体機械の翼車に向けられている。その導波管は翼車を取り囲む車室を貫通して導かれ、そこに固定されている。導波管の開口は翼車の動翼先端の半径方向外側に非常に近接して配置され、これにより、送信されたマイクロ波の反射により、動翼先端と導波管端との間隔、従って、動翼先端と車室内壁との間隔が検出される。その検出は反射マイクロ波の位相の評価によって行われる。送信マイクロ波と反射マイクロ波との位相差が検出されることによって、間隔の検出が行われる。

特にガスタービンにおいて車室の内部における翼車の部位は運転中に厳しい熱的条件に曝される。ガスタービンにおいて約１２００℃の温度が流速１００ｍ／ｓ、圧力１６バールの範囲で生ずる。この過激な条件は少なくとも、導波管を通してそれに接続された送信・受信装置にそれを損傷するほどに作用する。

独国特許出願公開第１９７０５７６９号明細書

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の装置とその利用を、導波管に接続された機器が流体機械において運転中生ずる過激な条件から防護されるように改良することにある。

この課題を解決するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の装置を提案する。

本発明に応じて、
− 種々の周波数の電磁波を案内するためおよび動翼を向いた少なくとも１個の 導波管開口を通して少なくとも１つの周波数の電磁波をその動翼の方向に送信 するための導波管と、
− 導波管に異なった周波数の電磁波を供給するための少なくとも１つの手段と 、
− 導波管に供給された電磁波の反射分を受信するための少なくとも１つの手段 と、
− 供給された電磁波の受信された反射分を評価するための評価装置であって、 供給された電磁波の位相を供給された電磁波の反射分の位相と比較する手段を 有し、その評価装置によってあらゆる周波数において位相比較値が求められ、 その位相比較値の対比から間隔が決定される評価装置と、
を有する、流体機械における少なくとも１個の動翼と車室内壁との間隔を検出する装置を、
− この導波管にシール要素が設けられ、このシール要素が、
− 少なくとも１つの周波数の電磁波に対して透過可能に形成され、
− 電磁波の案内方向において両側端面を有している、
ように形成する。

これによって、この導波管は流体機械の運転中に過激な条件が生ずる動翼部位に対して、シールによって封じられる。

即ち、動翼部位における過激な条件を導波管が受けることなしに、流体機械の車室壁を通して導波管によって動翼先端に導かれる電磁波によって間隔測定を行うことができる。

本発明に基づく装置の有利な実施態様は請求項１の従属請求項に記載されている。請求項１における形態は１つの従属請求項における特徴あるいは好適には複数の従属請求項における特徴と組み合わせることができる。それに応じて、本発明に基づく装置は追加的に以下の特徴を有する。

− シール要素が導波管開口の部位に設けられている。これによって、導波管お よびこの導波管に接続された例えば評価装置のような機器に対する最大の防護 作用が保証される。

− 有利に、両側端面の少なくとも一方を凸面状に形成することができ、少なく とも１つの周波数の電磁波が動翼で焦束可能に送信される。これによって特に 、動翼の先端を横方向に解析することができ、これにより、動翼先端形状を検 出することができる。

− 有利に、両側端面の少なくとも一方を凹面状に形成することもでき、少なく とも１つの周波数の電磁波が動翼の方向に散乱して送信される。この処置によ っても、特に動翼の先端を横方向に解析することができる。この場合、動翼先 端で散乱された電磁波を評価装置で評価する際、公知のＳＡＲ法（ＳＡＲ＝S ynthetic Aperture Radar＝合成開口レーダ）が利用できる。

− これに対して、シール要素の両側端面が互いに平行に延びる平らな面として 形成され、そのシール要素が少なくとも１つの第１周波数の電磁波に対して反 射可能に形成され、少なくとも１つの第２周波数の電磁波に対して透過可能に 形成されていることも有利である。そのシール要素は互いに間隔を隔てて平行 に延びる平らな両側端面を備えた形状により、周波数選択特性を有する共振器 となっている。シール要素の両側端面間の間隔（その間隔は半波長の整数倍で ある）に依存して、特定の波長の複数の電磁波だけがシール要素を通して透過 される。これに対して、その中間の波長の電磁波はシール要素によって反射さ れる。供給された電磁波のシール要素で反射された反射分と、シール要素を通 して透過された透過分と、動翼で反射された反射分の位相比較値が、評価装置 において互いに比較されることにより、流体機械における動翼と車室内壁との 間の温度補償された間隔値が求められる。この場合、導波管の熱膨張は計算で 補償される。

− シール要素が６〜２０の範囲の誘電率εを有していることが有利である。こ のようにして、導波管における電磁波の伝播は、このシール要素によって僅か な技術的考慮で調整することができる。また、このシール要素が共振器として 形成されていることによって、シール要素面（即ち、共振器面）の十分大きな 反射性が保証される。

− シール要素がセラミックス特にＡｌ₂Ｏ₃で形成されていることが有利であ る。これによって、シール要素の非常に良好な耐熱性が保証される。

− 電磁波が特に７０〜１５０ＧＨｚの周波数範囲におけるミリメートル波であ ることが有利である。これによって、その周波数における波長が約４ｍｍ以下 であるので、非常にコンパクトな導波管が採用でき、その横断面積寸法は代表 的にはほぼ案内される波長に選定される。

さらに本発明によれば、本発明に基づく装置は、ガスタービンとして形成された流体機械における少なくとも１個の動翼と車室内壁との間隔を検出するために利用される。

− その導波管は有利には車室内壁の冷却路内に配置することができる。これに よって、本発明に基づく装置を設置するために、既に内壁に冷却用に設けられ た多数の冷却路のうちの１つを利用することができる。

以下図を参照して本発明に基づく装置の実施例を詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されない。理解を容易にするために、図は実寸通りに示されておらず、発明の特徴部分が概略的に示されている。なお、図１〜図５において同一部分には同一符号が付されている。

従来におけるガスタービンの部分破断斜視図。 図１のガスタービンの動翼の斜視図。 共振器として形成されたシール要素を備えた本発明に基づく装置の概略構成図。 凸レンズとして形成されたシール要素を備えた本発明に基づく装置の概略構成図。 凹レンズとして形成されたシール要素を備えた本発明に基づく装置の概略構成図。

図１に約１２００℃の高いガス入口温度に対して設計された従来のガスタービン１０が示されている。ガスタービン１０は内壁１１１を備えた車室１１の内部に回転可能に支持されたロータ軸１２を有し、（ガス）流路１３内においてそのロータ軸１２に複数の動翼１４が配置されている。

その１つの動翼１４が図２に分解された状態で詳細に示されている。その動翼１４のいわゆる動翼先端１４１である上端が、組み立てられた状態においてガスタービン車室１１の内壁１１１に面している。

（実施例１）
図３に本発明に基づく装置の第１実施例が概略的に示されている。単純化するために動翼１４の一部だけが略示されている。矢印１４２は動翼１４がガスタービン１０の運転中における間隔測定中に矢印１４２の方向に動くことを表している。近似的にその矢印方向の動きは横方向ｚにおける直線運動と見なされる。動翼先端１４１はガスタービン車室１１の内壁１１１からラジアル間隔Δｘだけ隔てられている。ガスタービン１０のできるだけ良好な効率を保証するために、動翼１４の端部即ち動翼先端１４１とガスタービン車室１１の内壁１１１との間隔Δｘはできるだけ小さくされ、代表的には数ｍｍの範囲特に１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にされる。内壁１１１は少なくとも１つの開口を有し、この開口の中に、電磁波３１、３２を案内するための導波管４０がかみ合い結合で配置されている。その導波管４０は内壁１１１に既に存在する多数の冷却路のうちの１つにはめ込まれていると有利である。導波管４０は管状に形成され、例えば内径ｄが２〜１０ｍｍの範囲にある断面円形あるいは矩形をしている。導波管４０の壁４２は代表的には例えば鋼のような伝導性材料から成っている。特に導波管４０の開口４１を備えた端部は、流路１３におけるガス流にほんの僅かしか影響を与えないようにするために、ガスタービン１０の流路１３の中に全く突出しないか、できるだけ僅かしか突出しないように、内壁１１１内に配置されている。図３の実施例において導波管開口４１の部位に、互いに平行に延びる平らな両側端面７１ａ、７２ａを備えたシール要素７０ａが配置され、このシール要素７０ａは導波管４０の断面開口内にかみ合い結合されている。そのシール要素７０ａは導波管４０を流路１３に対して封じている。シール要素７０ａは有利に電磁ビームが少なくとも一部透過できるセラミックス特にＡｌ₂Ｏ₃で形成されている。そのセラミックスの誘電率εは特に６〜２０の範囲、好適には、９〜１５の範囲にしなければならない。導波管４０の他端は送信・受信装置５０に接続され、この送信・受信装置５０は電磁波３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ特に７０〜１５０ＧＨｚの周波数範囲におけるマイクロ波を送信するための手段５１と受信するための手段５２を有している。またこの送信・受信装置５０は評価装置６０に接続されている。

間隔の検出は詳細には次のようにして行われる。

送信・受信装置５０は、例えば２つの異なった周波数ａ、ｂの電磁波３１ａ、３１ｂを導波管４０に供給する。その両周波数ａ、ｂは、これらに対応した電磁波３１ａ、３１ｂが同じ導波管４０で案内されるように、有利にたかだか５５％および少なくとも５％だけ相違している。その送信手段５１として１つの二周波数送信手段５１、またはスイッチを介して導波管４０に接続されそれぞれ周波数ａないし周波数ｂが対応付けられた２つの送信手段（図示せず）を利用することができる。シール要素７０ａはその互いに間隔を隔てて平行に延びる平らな両側端面７１ａ、７２ａを備えた形状により、所定の周波数ａの電磁ビーム３１ａに対して共振器となっている。導波管４０における電磁波３１ａ、３２ａの案内方向ないし伝播方向に向けられたシール要素７０ａの両側端面７１ａ、７２ａ（即ち、それらの端面の垂線が電磁波の伝播方向と一致している）間の間隔がこの共振器に入射する電磁波３１ａの半波長の倍数であるとき、その電磁波３１ａは共振器の内部で数回反射され、少なくともその一部が動翼１４の方向に放射される。従って、シール要素７０ａはこの周波数ａの電磁波に対する透過体と見なされる。これに反して、中間的な周波数ｂの電磁波３１ｂは、この電磁波３１ｂが導波管４０に供給された後で入射する第１シール要素７２ａで既に送信・受信装置５０に向けて反射して戻される。こうして、図３の実施例におけるシール要素７０ａは、その透過特性および反射特性が周波数に依存する周波数選択要素である。

即ち、図３の実施例において、周波数ａの電磁波３１ａはシール要素７０ａを透過し、他方で、周波数ｂの電磁波３１ｂは送信・受信装置５０に向けて反射して戻される。その透過された電磁波３１ａは導波管開口４１を通して動翼１４の方向に送信される。送信電磁波３１ａの少なくとも一部３２ａは動翼先端１４１から導波管４０に向けて反射され、シール要素７０ａを逆向きに透過し、そして導波管４０により送信・受信装置５０に導かれる。電磁波を受信するための手段５２としての例えば受信ダイオードによって、送信された例えば二周波数電磁波３１ａ、３１ｂの反射分３２ａ、３２ｂが検出され、相応した電気信号に変換され、この電気信号は評価装置６０に導かれる。その電気信号から評価装置６０によってまず、両周波数ａ、ｂにそれぞれ対応する電磁波３２ａ、３２ｂの位相φ_rａ、φ_rbが決定される。次に位相比較手段６１によって、送信電磁波３１ａ、３１ｂの位相φ₀ａ、φ₀ｂが、送信電磁波３１ａ、３１ｂの反射分３２ａ、３２ｂの位相φ_rａ、φ_rｂと比較される。例えば位相差値Δφａ＝φ_rａ−φ₀ａないしΔφｂ＝φ_rｂ−φ₀ｂにより決定される位相比較値ΔφａないしΔφｂは、送信手段５１からの送信電磁波３１ａ、３１ｂのたどった距離に直接依存する。内壁１１１ないし導波管開口４１までの動翼１４の検出すべき距離Δｘのほかに、シール要素７０ａと送信・受信装置５０との間隔も、内壁１１１従って導波管４０の熱膨張に基づいて温度的に変化し、これにより、所望の間隔検出が不正確となる。この温度上の不正確は、例えば供給された電磁波３１ａ、３１ｂの動翼先端１４１で反射された反射分３２ａおよびシール要素で反射された反射分３２ｂの位相比較値ΔφａないしΔφｂの比較例えば引き算によって補償することができる。このようにして得られた比較値Δφａbは、対応付け手段６２によって、動翼先端１４１と内壁１１１との間隔Δｘに対する測定値Ｍに対応付けられる。その対応付けは例えば数値表によってあるいは適切な計算によっても行える。

少なくとも１個の動翼１４の間隔Δｘに対する求められた測定値Ｍは、詳細には示されていない表示器ないし通報器を介して監視所に伝えられ、ないしは、センターに転送される。

評価装置６０は所定の間隔しきい値の下回りを確認できる比較機能も装備できる。即ち、例えばしきい値を下回った際、例えばガスタービン１０の停止のような適当な保護処置を開始するために、自動的に通報が行われる。

（実施例２、３）
図４と図５に本発明に基づく装置の異なった２つの実施例が概略的に示されている。これらの装置は図３における実施例にほぼ相当している。従って、相違点についてだけ以下説明する。

その両実施例において、シール要素７０ｂ、７０ｃは導波管開口４１の部位に両面が湾曲した面７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃが形成されている。図４においてその両面は凸状に湾曲されているが、図５のシール要素は両側凹面７１ｃ、７２ｃを有している。両実施例において、シール要素７０ｂ、７０ｃは送信・受信装置５０から導波管４０に供給された電磁波３１ａに対してレンズの機能を負っている。

図４における両側凸面７１ｂ、７２ｂを備えたシール要素７０ｂによって、導波管４０に供給された電磁波３１ａを動翼先端１４１に焦束することができる。これによって、動翼先端１４１における焦点によって狭く限定された所定部位で後方散乱された電磁波３２ａの評価において、その部位における間隔Δｘが検出される。それに続く時間窓においてガスタービン１０の運転中に動翼１４が矢印ｚの方向にさらに動くので、この時間窓における動翼先端１４１の形状に基づいて、間隔Δｘが形状に応じて変化する。

電磁波を受信するための手段５２としての例えば上述した受信ダイオードによって、送信電磁波３１ａの反射分３２ａが検出され、相応した電気信号に変換され、この電気信号は評価装置６０に導かれる。その電気信号から評価装置６０によってまず、電磁波３２ａの形状に依存して時間に依存する位相φ_rａ（ｔ）が決定される。次に位相比較手段６１によって、送信電磁波３１ａの一定の位相φ₀ａが、送信電磁波３１ａの反射分３２ａの時間依存位相φ_rａ（ｔ）と比較される。例えば位相差値Δφａ（ｔ）＝φ_rａ（ｔ）−φ₀ａにより決定される時間依存位相比較値Δφａ（ｔ）は、送信手段５１からの送信電磁波３１ａのたどった距離に直接依存する。その位相差値Δφａ（ｔ）は、対応付け手段６２によって動翼先端１４１と内壁１１１との間隔Δｘに対する時間依存測定値Ｍ（ｔ）に対応付けられる。その対応付けは例えば数値表によってあるいは適切な計算によっても行える。

動翼先端形状を検出するために、評価装置６０は追加的にもう１つの対応付け手段６３を有している。この対応付け手段６３によって、得られた時間依存位相比較値Δφａ（ｔ）が横軸方向ｚにおける場所解析された動翼先端形状Ｌ（ｚ）に対応付けられる。

図５における凹面７１ｃ、７２ｃを備えたシール要素７０ｃによって、導波管４０に供給された電磁波３１ａを動翼先端１４１の方向に拡散して送信することができる。これによって、動翼先端１４１全体で後方散乱された電磁波３１ａの評価において間隔Δｘが検出される。動翼先端１４１の形状に基づいて、後方散乱されたすべての電磁波部分３２ａ_i（ｉ＝自然数、図５においてｉ＝１，２）の全体において、散乱電磁波分３２ａ_iに対する異なった位相値φ_rａ_iが生ずる。後方散乱された電磁波部分３２ａ_iの形状に依存した位相差から、動翼先端１４１の形状が推定できる。

電磁波を受信するための手段５２としての例えば上述した受信ダイオードによって、送信電磁波３１ａの反射分３２ａ_iが検出され、相応した電気信号に変換され、この電気信号は評価装置６０に導かれる。その電気信号から評価装置６０によってまず、形状に依存した電磁波３２ａ_iの位相値φ_rａ_iの各ｉの値から全体像が決定される。次に位相比較手段６１によって、送信電磁波３１ａの一定位相φ₀ａが、反射分３２ａ_iの種々の位相φ_rａ_iと比較される。例えば位相差値Δφａ_i＝φ_rａ_i−φ₀ａにより決定される異なった位相比較値Δφ_rａ_iは、送信手段５１からの送信電磁波３１ａのたどった距離に直接依存する。これらの位相比較値Δφａ_iは対応付け手段６２によって、動翼先端１４１と内壁１１１との間隔Δｘに対する測定値Ｍに対応付けられる。その対応付けは例えば数値表によってあるいは適当な計算によっても行える。

動翼先端形状を検出するために、公知のＳＡＲ法（ＳＡＲ＝Synthetic Aperture Radar＝合成開口レーダ）が利用される。このために、評価装置６０は追加的にもう１つの対応付け手段６４を有し、この対応付け手段６４によって、得られた形状に依存する位相比較値Δφａ_iが横方向ｚにおける場所解析された動翼先端形状Ｌ（ｚ）に対応付けられる。

本発明は図示された実施例に限定されない。例えば測定の冗長性あるいは高い精度を得るために送信用および／又は受信用に複数の導波管４０を利用することも本発明の保護範囲に入る。

１０ ガスタービン
１４ 動翼
３１ａ、ｂ （送信）電磁波
３２ａ、ｂ （反射）電磁波
４０ 導波管
４１ 導波管開口
５１ 送信器
５２ 受信器
６０ 評価装置
７０ａ、ｂ、ｃ シール要素
１１１ （車室）内壁

Claims (7)

1. 流体機械（１０）における少なくとも１個の動翼（１４）とこの動翼（１４）を取り囲む車室内壁（１１１）との間隔（Δｘ）を検出する装置であって、
   − 種々の周波数の電磁波（３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ）を案内するためおよび動翼（１４）を向いた少なくとも１個の導波管開口（４１）を通して少なくとも１つの周波数の電磁波（３１ａ）をその動翼（１４）の方向に送信するための１つの導波管（４０）と、
   − 導波管（４０）に異なった周波数の電磁波（３１ａ、３１ｂ）を供給するための少なくとも１つの手段（５１）と、
   − 導波管（４０）に供給された電磁波（３１ａ、３１ｂ）の反射分（３２ａ、３２ｂ）を受信するための少なくとも１つの手段（５２）と、
   − 供給された電磁波（３１ａ、３１ｂ）の受信された反射分（３２ａ、３２ｂ）を評価するための評価装置（６０）であって、供給された電磁波（３１ａ、３１ｂ）の位相を供給された電磁波（３１ａ、３１ｂ）の反射分（３２ａ、３２ｂ）の位相と比較する手段（６１）を有し、その評価装置によってそれぞれの周波数において位相比較値が求められ、その位相比較値の対比から間隔（Δｘ）が決定される評価装置と、
   を有し、
   − その導波管（４０）にシール要素（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）が設けられ、このシール要素（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）が、
   − 少なくとも１つの周波数の電磁波（３１ａ、３２ａ）に対して透過可能に形成され、
   − 電磁波（３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ）の案内方向において両側端面（７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ）を有している、
   流体機械（１０）における少なくとも１個の動翼（１４）と車室内壁（１１１）との間隔（Δｘ）を検出する装置において、
   シール要素（７０ａ）の両側端面（７１ａ、７２ａ）が互いに平行に延びる平らな面として形成され、
   そのシール要素（７０ａ）が少なくとも１つの第１周波数の電磁波（３１ｂ、３２ｂ）に対して反射可能に形成され、少なくとも１つの第２周波数の電磁波（３１ａ、３２ａ）に対して透過可能に形成されており、
   前記評価装置（６０）によって、供給された電磁波におけるシール要素によって反射された反射分とシール要素を通して透過され動翼で反射された反射分の位相差値の対比から、温度補償された間隔（Δｘ）が検出されることを特徴とする流体機械における少なくとも１個の動翼と車室内壁との間隔を検出する装置。
2. シール要素（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）が導波管開口（４１）の部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. シール要素（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）が６〜２０の範囲の誘電率（ε）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. シール要素（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）がセラミックスＡｌ₂Ｏ₃で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 電磁波（３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ）が７０〜１５０ＧＨｚの周波数範囲におけるミリメートル波であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の装置。
6. ガスタービンとして形成された流体機械（１０）における少なくとも１個の動翼（１４）とこの動翼（１４）を取り囲む車室内壁（１１１）との間隔（Δｘ）を検出するために利用されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置の利用。
7. 導波管（４０）が車室内壁（１１１）の冷却路内に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の利用。

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