JP5008727B2 - 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、ガスタービン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。そこでは送受信装置を有するレーダ装置が利用され、その送受信装置から一定周波数の電磁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、送信電磁波の反射により、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。その検出は反射電磁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。ガスタービンの場合、その（ガス）流路は一般に約１２００℃の温度となる。この極めて高い温度は特に導波管の性質に特別な要件を課し、その導波管は、一方では、耐熱性を有するように形成されねばならず、他方では、案内される電磁波に対して小さな減衰性を有するようにしなければならない。例えば超合金のような高温耐熱材料は一般に、案内される電磁波に対して非常に高い減衰性を有するという性質があり、他方で、例えば銅のような低い減衰性の材料は上述の極めて高い温度に耐えられない。

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、導波管が電磁波をできるだけ僅かな減衰性で案内でき、同時に高温に耐え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、
− 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その動翼に向けて電磁波を送信するための導波管と、
− この導波管に電磁波を供給するための導波管に接続された少なくとも１つの手段と、
− この導波管に供給された電磁波の反射分を受信するための導波管に接続された少なくとも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、ガスタービン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、
− この導波管がそれぞれ異なった材料で形成された少なくとも２つの導波管セグメントで構成され、それらの材料の耐熱性および電磁波に対する減衰性が、送信・受信手段に接続されたセグメントから導波管開口を有するセグメントの方向に増大している、
ように形成する。

本発明は、導波管の温度が導波管開口から送信・受信手段の方向に減少しているという認識に基づいている。導波管における電磁波のできるだけ良好で効果的な案内を保証するために、本発明に基づいて、まず導波管における温度低下プロファイルが第１近似で図形化され、これによって本発明に基づいて、導波管が耐熱性および減衰性についての要件に応じて、それぞれ異なった減衰性とそれぞれ異なった耐熱性を有する異なった材料で形成された少なくとも２つの導波管セグメントで構成される。

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。

− 導波管は３つのセグメントで構成することができる。これにより、ガスタービンの運転中に導波管に生ずる温度プロファイルへの良好な適合が達成される。

− 有利に、送信・受信手段に接続されたセグメントは小さな減衰性を有する材料特に１１族元素や白金で形成され、導波管開口を有するセグメントは大きな耐熱性を有する超合金で形成される。

１１族元素として挙げられる銅、銀および金は、電磁波を案内する際に非常に小さな減衰性で反射する優れた導電性を有する。従って、１１族元素や白金で形成された導波管セグメントあるいは１１族元素や白金から成る少なくとも内面被覆を備えた導波管セグメントを、このセグメントに接続された送信・受信手段がガスタービンの車室内壁に対して安全な間隔を隔てて配置されるほどに長くすることができる。

超合金は高温用途に使用される複雑な組成の合金である。それは、添加元素としてコバルト、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、タングステン、レニウム、ルテニウム、タンタル、ニオブ、アルミニウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、炭素および／又はホウ素を含む鉄基、ニッケル基あるいはコバルト基の合金である。かかる導波管セグメントは、１２００℃以上の温度に対する耐熱性により、ガスタービンの運転中、その流路内の温度従って流路の側の車室内壁に生ずる高温に耐える。

− 有利に、中間セグメントは特殊鋼で形成することができる。これによって、かかるセグメントが耐食性を有することが保証される。その特殊鋼における耐熱性と減衰性は、超合金と１１族元素との間にある。

− 送信・受信手段に接続されたセグメントが、液体あるいは空気で冷却可能に形成されていることが有利である。これによって、そのセグメントを車室内壁の中に流路の方向により奥深くはめ込むことができる。その冷却によって熱応力による破損が防止される。冷却液として例えば水が利用される。

− 導波管の互いに連続する２つのセグメント間の移行部位に、その両セグメントの一方の材料から成る被覆が設けられることが有利である。これによって、２つのセグメント間の移行部位の境界面における電磁波の反射が防止され、導波管の案内特性が向上される。

− 導波管開口を有するセグメントが（ラッパ状の）ホーンとして形成されていることが有利である。これによって、電磁波がこのホーンにより規定された放射特性で導波管から出て、送信電磁波の反射分は、受信利得が導波管のホーン直径によって決定されるので、高い利得で受信される。その導波管開口に接続されたセグメントは車室内壁の流路の側の内側面にぴったり続いている。しかし、このセグメントはそれが流路におけるガスに直接曝されないようにするために、内壁開口の中に引っ込めて配置することもできる。

− 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。この周波数において波長が約４ｍｍ以下であるので、これによって、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。

さらに本発明によって、本発明に基づく装置は、ガスタービン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、既に車室内壁に冷却用に設けられた複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４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。 ３個の導波管セグメントを備えた本発明に基づく装置の概略構成図。 ２つの導波管セグメント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に多数の動翼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。

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。有利にはその導波管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。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。

ガスタービン１０の運転中、流路１３内の温度は約１２００℃となる。このために、内壁１１１の流路１３の側の表面１１２は同様に高温となり、この温度は内壁１１１の反対側の表面１１３の方向に内壁１１１を通して徐々に低下する。その温度プロファイル９１は例として線図９０で示されている。その縦軸に温度Ｔが記され、横軸に内壁１１１におけるｘ方向の距離が記されている。温度はこの線図９０において、内壁１１１の内側表面１１２における１２００℃から内壁１１１の外側表面１１３における約２００℃まで徐々に低下し、内側表面１１２と外側表面１１３間の中間における温度は約６００℃となる。

導波管４０は、ここではｘ方向に延びるその長手軸線に沿って複数のセグメントで、例えば図３によれば３つのセグメント４２ａ、４２ｂ、４２ｃで構成されている。その材料は、導波管４０の全長にわたって良好な導波管特性において、同時に大きな耐熱性を保証するために、本発明に基づいて温度プロファイル９１に応じて選定される。

即ち、導波管開口４１を有するセグメント４２ａは内壁１１１の内側表面１１２の部位が超合金で形成されている。そのために、このセグメント４２ａの材料として特に「インコネル」（米国のSpecial Metal Corporation 社の商標）や「ＰＭ１０００」（独国のPlansee GmbH 社の商標）が適している。流路１３にすぐ隣接するセグメント４２ａにとって主に、１２００℃の範囲における極端に高い温度での良好な耐熱性が重要である。この導波管部位における減衰性は二次的問題である。加えて、導波管４０の良好な放射特性および受信特性のために、導波管開口４１を有するセグメント４２ａはホーンとして形成されている。

内壁１１１の外側表面１１３の範囲において送受信装置５０に接続された導波管４０のセグメント４２ｃは比較的低い温度に曝される。従って、導波管４０のこの部位における耐熱性の問題は二次的なものである。ここでは、導波管４０の良好な導波管特性および従って導波管４０内を案内すべき電磁波３１、３２に対するセグメント４２ｃの低い減衰力を保証することが優先される。これは本発明に基づいて、送受信装置５０に接続されたセグメント４２ｃが１１族元素や白金で形成されていることによって達成される。このセグメント４２ｃはその代わりに特殊鋼でも形成することができ、その場合、電磁波３１、３２の案内にとって重要である導波管４０の内側面４３に、１１族元素や白金から成る被覆が設けられる。セグメント４２ｃ従って導波管４０は、このセグメント４２ｃに接続された送受信装置５０がガスタービン１０の車室内壁１１１に対して安全な間隔を隔てて配置できるほどに長くできる。

上述した両セグメント４２ａ、４２ｃ間に配置された中間セグメント４２ｂは有利には特殊鋼で形成されている。従って、このセグメント４２ｂは耐食性を有し、６００℃周辺の温度範囲において十分な耐熱性を有する。特殊鋼において耐熱性および減衰力は超合金と１１族元素との間にある。導波管開口４１を有するセグメント４２ａが例えば「ＰＭ１０００」で作られているとき、中間セグメント４２ｂは「インコネル」でも形成することができる。

電磁波３１、３２を案内する導波管４０の内部領域における互いに連続する２つのセグメント４２ａ、４２ｂあるいはセグメント４２ｂ、４２ｃの移行部位は、両セグメント４２ａ、４２ｂないし４２ｂ、４２ｃのいずれか一方の材料で被覆することができる。移行部位における内側表面４３のかかる被覆によって、２つのセグメント４２ａ、４２ｂあるいはセグメント４２ｂ、４２ｃの移行部位の境界面における電磁波３１、３２の反射が有利に防止され、これによって、導波管４０の案内特性が全体として向上される。

間隔の検出は詳細には次のようにして行われる。

送受信装置５０は電磁波３１、３２、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。この送受信装置５０は、導波管４０に接続された送信手段５１により例えば周波数ａの電磁波３１を導波管４０に供給する。その電磁波３１は導波管４０を通して動翼１４の方向に送信される。送信電磁波３１は間隔Δｘをたどった後、その少なくとも一部３２が動翼先端１４１により導波管４０に向けて反射され、そして導波管４０から送受信装置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、送信電磁波３１の反射分３２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、周波数ａに関連する電磁波３２の位相φ_rａが決定される。次に位相比較手段６１によって、送信電磁波３１の位相φ₀ａが送信電磁波３１の反射分３２の位相φ_rａと比較される。例えば位相差値Δφａ＝φ_rａ−φ₀ａにより決定される位相比較値Δφａは、送信手段５１からの送信電磁波３１のたどった距離に直接依存する。このようにして得られた位相比較値Δφａ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に対して求められた測定値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は比較機能も装備することができ、これにより所定の間隔しきい値の下回りを確認できる。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の停止のような適切な保護処置を開始するために、自動的に通報が行われる。

図４に本発明に基づく装置の異なった実施例が概略的に示されている。この装置は図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。

図４において導波管４０は２つのセグメント４２ａ、４２ｃしか有していない。図３における中間セグメント４２ｂは省かれている。ここでは、導波管開口４１を有するセグメント４２ａは内壁１１１の内側表面１１２にきっちり接しておらず、流路１３における温度に直に曝されないようにするために、ｘ方向に下げられている。そのセグメント４２ａの材料として、ここでも超合金特に「インコネル」が特に適している。送受信装置５０に接続されたセグメント４２ｃは上述したように１１族元素や白金で形成され、あるいは特殊鋼で形成され、その場合、導波管４０の内側面４３に１１族元素や白金から成る被覆が設けられる。送受信装置５０に接続されたセグメント４２ｃが内壁１１１の内側表面１１２と外側表面１１３間の中間まで達しているので、少なくともこのセグメント４２ｃは冷却装置を備えている。このために、このセグメント４２ｃは例えば水ないし空気のような液状あるいは気体状の冷却材を案内するための通路（図４には図示せず）を有している。その冷却材はセグメント４２ｃに配置された入口ノズル８０と出口ノズル８１を介して冷却路を通して導かれる。矢印８０２、８１１はそれぞれ冷却材の流入および流出を示している。これによって、送受信装置５０に接続されたセグメント４２ｃが内壁１１１の中央部位において温度上の損傷から保護されることが保証される。

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
３１ （送信）電磁波
３２ （反射）電磁波
４０ 導波管
４１ 導波管開口
５１ 送信手段
５２ 受信手段
６０ 評価装置
１１１ 車室内壁

Claims (10)

1. ガスタービン（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、
   − 電磁波（３１、３２）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）を通してその動翼（１４）に向けて電磁波（３１）を送信するための導波管（４０）と、
   − 導波管（４０）に電磁波（３１）を供給するための導波管（４０）に接続された少なくとも１つの手段（５１）と、
   − 導波管（４０）に供給された電磁波（３１）の反射分（３２）を受信するための導波管（４０）に接続された少なくとも１つの手段（５２）と、
   − 供給された電磁波（３１）の受信された反射分（３２）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（３１）の位相を供給された電磁波（３１）の反射分（３２）の位相と比較する手段（６１）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（Δｘ）が決定される評価装置（６０）と、
   を有する、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、
   − 導波管（４０）がそれぞれ異なった材料で形成された少なくとも２つの導波管セグメントで構成され、それらの材料の耐熱性および電磁波に対する減衰性が、送信・受信手段（５１、５２）に接続されたセグメントから導波管開口（４１）を有するセグメントの方向に増大している、
   ことを特徴とするガスタービン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. 送信・受信手段（５１、５２）に接続されたセグメントが、電磁波に対する小さな減衰性を有する材料で形成され、導波管開口（４１）を有するセグメントが大きな耐熱性を有する超合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 導波管（４０）が３つのセグメントで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 中間セグメントが特殊鋼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. 送信・受信手段（５１、５２）に接続されたセグメントが、液体あるいは空気で冷却可能に形成されてい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. 導波管がその互いに連続する２つのセグメントの移行部位に、その両セグメントの一方の材料から成る被覆が設けられてい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。
7. 導波管開口（４１）を有するセグメントがホーンとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の装置。
8. 電磁波（３１、３２）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７のいずれか１つに記載の装置。
9. ガスタービン（１０）における少なくとも１個の動翼（１４）とこれを取り囲む車室内壁（１１１）との間隔（Δｘ）を検出するために使用されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の装置。
10. 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９に記載の装置。

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