JP5221011B2 - クリアランス測定システムおよび動作方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、クリアランス測定システムに関し、より詳細には、回転機械の静止部品と連続回転部品の間のクリアランスを測定するためのクリアランス測定システムに関する。

様々なタイプのセンサが、２つの物体の間隔を測定するために使用されてきた。さらに、こういったセンサは、様々な用途で使用されてきた。例えば、蒸気タービンは、キャリアに隣接して配設された回転動翼を有する。回転動翼とキャリアの間のクリアランスは、温度の変化、動翼端の酸化などの、様々な動作条件のために変化する。回転動翼とキャリアの間の隙間すなわちクリアランスは、蒸気タービンの動作中維持されることが望ましい。

１つの既存のセンサは静電容量プローブであり、これは、２つの構成部品の間のクリアランスを推定するために静電容量を測定する。既存の静電容量ベースの測定技術では、静止構造体と回転構造体の間の回転方向に連続するクリアランスを測定するために、直流電圧ベースの測定値を生成する点が制限されることが残念である。この測定値はクリアランスに比例した直流電圧レベルなどの、時間的に静的な出力を生成する。その結果、構成部品の温度の変化、ゲインにおける電子的ドリフト、電子装置のずれ、動翼端の酸化、および他の要因のために、測定値はクリアランス変化の説明にならない。

さらに、こういったクリアランス測定システムは一般に、設計中およびオフライン試験中に、構成部品の間のクリアランスを測定するために使用される。こういった既存のシステムは、他の因子のなかでも特に、構成部品の幾何形状が変化することによって生成されるノイズおよびドリフトのために、稼動中の測定に有効でないことが残念である。その代わり、稼動中のクリアランス制御は、以前構成部品の設計／オフライン試験の間に取得されたクリアランス測定値に基づく。制御構成部品は利用中に磨耗していくので、このオフライン測定値は稼動中のクリアランス制御に有効でなくなる。
米国特許第５，０７０，３０２号公報 米国特許第５，１６６，６２６号公報

したがって、システムの較正ドリフトおよびノイズの影響を最小限にすることによって、２つの構成部品の間のクリアランスの正確な測定を行うクリアランス測定システムを提供する必要性がある。動作中の部品のクリアランスを正確に測定するために用いることができる自己較正クリアランス測定システムを提供することも有利なはずである。

ある実施形態によれば、本技術はクリアランス測定システムを有する。クリアランス測定システムは、通常なら連続する表面幾何形状を有する第１の物体上に配設された参照幾何形状と、第２の物体上に配設されたセンサとを含み、このセンサは、第１の物体からの第１の感知パラメータを示す第１の信号と、参照幾何形状からの第２の感知パラメータを示す第２の信号とを生成するように構成される。クリアランス測定システムはまた、第１の物体と第２の物体の間のクリアランスを推定するために、第１と第２の感知パラメータの間の測定差に基づいて、第１および第２の信号を処理するように構成された処理ユニットも含む。

ある実施形態によれば、本技術は回転機械を有する。上記回転機械は静止部品から隔置された回転部品を含み、上記回転部品はその回転方向に連続する表面を備え、参照幾何形状が上記回転部品の連続する表面上に配設されている。上記回転機械はまた、上記回転部品、上記参照幾何形状にそれぞれ対応する第１、第２の感知パラメータを示す第１、第２の信号を生成するように構成されたセンサと、上記静止部品と回転部品の間のクリアランスを推定するために、上記第１と第２の感知パラメータの間の測定差に基づいて、上記第１および第２の信号を処理するように構成された処理ユニットとを含む。

ある実施形態によれば、本技術は、第１と第２の物体の間のクリアランスを測定する方法を提供する。この方法は、第２の物体上に配設されたセンサによって第１の物体に対応する第１の感知パラメータを示す第１の信号を生成するステップと、第２の物体上に配設されたセンサによって、第１の物体の連続する表面幾何形状上に配設された参照幾何形状に対応する第２の感知パラメータを示す第２の信号を生成するステップとを含む。この方法はまた、第１と第２の物体の間のクリアランスを推定するために、第１と第２の感知パラメータの間の測定差に基づいて、第１および第２の信号を処理するステップも含む。

以下の詳細な説明を添付の図面を併せ読めば、本発明の上記および他の特徴、態様、および利点がより理解されるであろう。添付の図面では、同じ記号は図面全体にわたって同じ部品を表す。

下記に詳細に説明するように、本技術の実施形態は、蒸気タービン、発電機、タービンエンジン（例えば、飛行機のタービンエンジン）、回転部品を有する機械などの様々なシステムにおける２つの物体の間のクリアランスの、正確な測定を可能にする働きをする。ここで図面を参照すると、図１は蒸気タービン１０を示し、蒸気タービン１０は、その中にある２つの物体の間のクリアランスを測定するためのクリアランス測定システム１２を有する。示されている実施形態では、クリアランス測定システム１２は、下記に詳細に説明する蒸気タービン１０内にある、回転構成部品１４と静止構成部品１６の間のクリアランスを測定するように構成される。

図２は、本技術の実施形態による、図１の蒸気タービンの回転動翼２０などの、回転部品の部分斜視図である。示されている実施形態では、回転動翼２０は、静止部品すなわちキャリア１６内部に様々な段２２を有する構造に配置されている。キャリア１６は、各段２２の周りに配設されているが、例示を容易にするために図示されていないことに留意されたい。キャリア１６内部の段２２は、複数の回転動翼２４を含み、回転動翼２４は、図１の蒸気タービン１０の長さ（および回転の軸）に沿って、長手方向に互いに離して隔置される。さらに、回転動翼２４は、径方向にキャリア１６から離して隔置される。つまり、回転動翼２４の外側直径は、図１および図２を参照して示される、キャリア１６の内側直径よりも小さい。したがって、相対的に小さいクリアランスが、回転動翼２４の外側周辺部とキャリア１６の内側表面の間に存在する。さらに、下記に詳細に説明するクリアランス制御機能を別として、回転動翼２４は、回転動翼２４の回転軸２６の周りに、連続する円形の構造を形成する。この実施形態では、クリアランス測定システム１２（図１参照）が、静止部品（すなわちキャリア）１６と、連続する表面幾何形状（すなわち連続する円形の幾何形状）を有する、回転部品（すなわち、回転動翼）２４との間のクリアランスを測定するように構成される。実施形態によっては、クリアランス測定システム１２を、図３を参照して下記に説明する発電機における、静止部品と回転部品の間のクリアランスの測定に用いることもできる。ただし、連続する表面幾何形状を備えた回転部品を有する、他の回転機械におけるクリアランスの測定も本願の範囲内にある。

図３は、本技術の実施形態によるクリアランス測定システム１２を有する、発電機３０などの電気式機械の斜視図である。示されている実施形態では、発電機３０は、発電機３０の様々な構成部品を取り囲み、かつ支持するフレーム組立体３２を含む。発電機はまた、ロータ組立体３４も含み、ロータ組立体３４は、ロータコア３８の中を通って伸びるロータシャフト３６を含む。さらに、ロータ組立体３４はまた、ロータコア３８の外側周面によって支持され、磁束を生成する磁石組立体４０も含む。ロータ組立体３４はシャフト３６と共に、ステータ組立体４２の内側で、方向を示す矢印４４で示される時計回りの方向または反時計回りの方向に回転することができる。ロータシャフト３６を取り囲む軸受組立体によって、かかる回転を容易にすることができる。様々な種類の軸受組立体を、ロータシャフト３６を支持するために利用することができることが当業者には理解されよう。

示されている実施形態では、ロータ組立体３４は、ステータ組立体４２のチャンバ内に配置され、ステータ組立体４２は、フレーム３２内部に封入されている。ステータ組立体４２は、ステータ組立体４２の中を通って、ロータシャフト３６の周り円周方向、かつそれに沿って軸方向に広がる複数のステータ巻線４６を含む。動作中は、磁石組立体４０を有するロータ組立体３４が回転することによって、発電機３０内部に変化する磁界が生じる。この変化する磁界が、ステータ巻線４６内に電圧を誘起する。したがって、ロータ組立体３４の運動エネルギーは、ステータ巻線４６内の電流および電圧の形で電気エネルギーに変換される。ロータ組立体３４とステータ組立体４２の間のクリアランスは、所定の範囲内に維持されることに留意されたい。本実施形態では、クリアランス測定システム１２は、ロータ組立体３４とステータ組立体４２の間のクリアランスを測定するために、ステータ組立体４２に結合される。この実施形態では、クリアランス測定システム１２は、容量性プローブを含み、ロータ組立体３４とステータ組立体４２の間のクリアランスを、容量性プローブを介して感知された静電容量に基づいて推定する。

図１の蒸気タービンおよび図２の発電機における静止部品と回転部品の間のクリアランスを測定するために用いられるクリアランス測定システム１２は、静止部品と回転部品の間の容量測定値をベースとした直流を時間変動する容量測定値に変換するように構成される。クリアランス測定システム１２は、回転軸４４の周りの回転部品の連続する表面幾何形状（例えば、連続する円形幾何形状）の連続性を遮る少なくとも１つの参照幾何形状（例えば、ノッチ、溝、スロット、など）に基づいてこの変換を行う。かかる時間変動する容量測定値は、下記に詳細に説明するように、ロータ組立体３４とステータ組立体４２の間のクリアランスを推定するために使用される。

図４には、図１に示されている蒸気タービン５０などの回転機械が示され、回転部品と静止部品の間のクリアランスを測定するために本技術の態様を組み込むことができる。蒸気タービン５０は、シャフト５４に取り付けられたロータ５２を含む。複数のタービンブレード５６（動翼（ｂｕｃｋｅｔ）とも呼ばれる）が、ロータ５２に取り付けられている。動作中は、ブレード５６が高温高圧で蒸気５８に曝され、その蒸気がブレード５６を軸６０の周りに回転させる。ブレード５６は、ブレード１６の周りに径方向、かつ円周方向に配置された静止ハウジングすなわちシュラウド６２内部で回転する。相対的に小さいクリアランスが、ブレード５６とシュラウド６２の間に存在して、シュラウド６２内部でブレード５６が回転するのを容易にしながら、その小さいクリアランスによって、ブレード５６とシュラウド６２の間に作動流体すなわち蒸気の過度の漏れが妨げられる。本技術によれば、１つまたは複数のクリアランスセンサ６４が、静止シュラウド６２の周りの円周方向内側に配設される。示されている実施形態では、クリアランスセンサ６４は容量性プローブを含む。実施形態によっては、クリアランスセンサ６４は、マイクロ波ベースのセンサ、または光学式センサ、または渦電流センサを含んでもよく、感知されたパラメータはそれぞれ、インピーダンス、または位相遅れ、または誘起電流を含んでもよい。下記に詳細に説明するように、各センサ６４は、シュラウド６２の円周上の位置で、そのシュラウドに対するブレード５６の径方向および軸方向の位置を示す信号を生成するように構成される。

次に図５を参照すると、図４の蒸気タービン１０の底部分または下側部分７０の断面図が示され、本技術によって測定することができる径方向および軸方向のクリアランスの例が示されている。示されている実施形態では、ブレード５６の翼端は、シュラウド６２の内側周辺部に設けられた溝７４に噛合するパッキン歯すなわちシール歯７２を含む。本実施形態では、クリアランス測定システム１２（図１参照）は、ブレード５６の翼端とシュラウド６２の間の径方向および軸方向のクリアランスを測定するために、シュラウド６２と結合してもよい。

図６は、図５の蒸気タービンのシュラウドの部分７６およびブレードの詳細断面図である。図に示すように、シール歯７２とシュラウド６２の間の径方向のクリアランスは、参照番号７８で示され、歯７２とシュラウド６２の間の軸方向のクリアランスは、参照番号８０で示される。本実施形態では、径方向、軸方向のクリアランス７８、８０は、中心の歯とシュラウドの間のクリアランスを表わす。残りのもう１つのシール歯とシュラウド６２の間のクリアランスが、本技術によって同様に推定されてもよいことが当業者には理解されよう。

実施形態によっては、シュラウド６２とロータ５６の熱膨張率が異なるので、径方向のクリアランス７８がゼロまで縮まり、シール歯７２と溝７４が干渉する可能性がある。さらに、この膨張率の違いのために、ロータ５６がシュラウド６２に対して軸方向に伸びて、溝７４内部の歯７２が軸方向にこすれ、したがって構成部品の磨耗率が増大する可能性がある。こういった望ましくない干渉もまた、構成部品の損傷を招く恐れがある。本技術は、こういったクリアランスを許容される限界内の値に維持するように、閉ループ制御戦略に組み込むことができる、径方向、軸方向のクリアランス７８、８０のオンライン測定を提供する。この制御戦略には、例えばシュラウド６２の熱動作が含まれてもよく、シュラウド６２とシール歯７２の間のクリアランスが減少すると、その戦略によってシュラウドが適切に広がる。この実施形態では、熱式アクチュエータが、シュラウド６２の動きを生み出すために熱膨張の性質を利用する。他の実施形態によっては、シュラウド６２内部のブレード５６の軸方向の成長を補償するのに、機械式アクチュエータを使用してもよい。

２つの物体の間の静電容量が、重なり合う表面積と、２つの物体の間の離隔距離の関数であることが当業者には理解されよう。この実施形態では、ロータ５６とシュラウド６２の間の静電容量は、径方向のクリアランス７８と重なり合う面積の関数であり、重なり合う面積は、シュラウド６２に対するシール歯７２の軸方向のクリアランスに正比例する。ロータ５６が径方向に広がると、シール歯７２とシュラウド６２の間の径方向のクリアランスが変化する。同様に、シール歯７２が溝７４を横切って軸方向に動くと、シール歯７２に覆われているセンサヘッドの面積が変化する。これらの変化によって、測定される静電容量が変化する。下記に説明する本技術の態様によれば、静電容量の変化は、軸方向／径方向の変位と相関関係をもたせることができ、したがって合成クリアランス測定値を得ることができる。クリアランス測定システム１２による径方向および軸方向のクリアランス７８および８０の測定値については、図７〜１３と共に下記に詳細に説明する。

図７には、図４および図５の蒸気タービンのノッチを有する回転部品８２が示されている。示されている実施形態では、回転部品８２は、回転軸の周りに連続する円形構造８４を形成する、複数のブレードすなわち動翼５６を含む。さらに回転部品８２はまた、連続する円形構造８４の連続性を遮る参照幾何形状８６も含む。かかる参照幾何形状８６の例には、窪み、ノッチ、溝、スロットなどの陥凹部が含まれる。

動作中は、静止部品６２上に配設されたセンサ６４（図４参照）は、回転部品８２（例えば、連続する円形幾何形状）から第１の感知パラメータを示す第１の信号を生成する。さらに、センサ６４は、参照幾何形状８６から第２の感知パラメータを示す第２の信号を生成する。この実施形態では、センサ６４は容量性プローブを含み、第１および第２の感知パラメータは静電容量を含む。さらに、センサ６４からの第１および第２の信号は、静止部品６２と回転部品８２の間の径方向および軸方向のクリアランスを推定するために、第１の感知パラメータと第２の感知パラメータの測定差に基づいて処理される。実施形態によっては、センサ６４は、静止部品６２と回転部品８２の間の軸方向および径方向のクリアランスを測定するために、少なくとも２つのプローブ先端部を含むことができる。

示されている実施形態では、静止部品６２と回転部品８２の間の容量測定値をベースとした直流が、所定の深さを有する参照幾何形状８６に基づく時間変動する容量測定値に変換される。実施形態によっては、参照幾何形状８６は、回転部品８２の材料以外の材料を含んでもよい。例えば、参照幾何形状８６は、誘電材料で充填された、回転部品８２上のノッチを含むことができる。図８は、図４のクリアランス測定システムによって図７のロータから測定された静電容量８８のグラフである。容量測定値８８の縦軸９０は、センサ６４によって回転部品８２から感知された静電容量値を表し、横軸９２は時間を表す。本実施形態では、センサ６４によって生成された第１の信号は、回転部品８２から感知された第１の静電容量を示し、参照番号９４で示される。第１の静電容量は、センサ６４と回転部品８２（例えば、連続する円形幾何形状）の間のクリアランスを示す。さらに、センサ６４はまた、参照番号９６で示される参照幾何形状８６（例えば、連続する円形幾何形状の陥凹部または切れ目）から感知された第２の静電容量を示す第２の信号も生成する。この実施形態では、第２の静電容量は、参照幾何形状８６の深さ９８に対応する。センサ６４によって感知された第１と第２の静電容量の差と、参照幾何形状８６の所定の深さ９８が、静止部品６２と回転部品８２の間のクリアランスを決定するのに利用される。

クリアランスが増大すると、回転部品８２からの測定値と参照幾何形状８６からの測定値との差が減少することが当業者には理解されよう。同様に、クリアランスが減少すると、かかる２つの測定の差は増大する。一般に、感知された静電容量は、静止部品６２と回転部品８２の間のクリアランスに反比例する。したがって、例示的な実施形態の場合、静止部品６２と回転部品８２の間のクリアランスが２倍になると、静止部品６２と回転部品８２の間の感知された静電容量の差は０．５の倍率で減少する。以下の例は、静止部品６２と回転部品８２の間のクリアランスの変化の効果を、感知された静電容量同士の測定差に基づいて示す。

回転機械の例では、センサ６４から間隔「ａ」のところにある回転部品８２に対応するセンサ６４からのセンサ出力が「ｘ」で示される。さらに、間隔「ａ＋ｂ」のところにある参照幾何形状８６（深さ「ｂ」を有する）の底部に対応するセンサ出力が「ｙ」で示される。静止部品６２と回転部品８２の間のクリアランスが「２ａ」に変化したとすると、かかるクリアランスに対応するセンサ６４からの測定値は「ｘ／２」になる。この実施形態では、参照幾何形状８６の底部はセンサ６４から間隔「２ａ＋ｂ」のところにある。したがって、第１の場合（間隔ａ）における回転部品８２と参照幾何形状８６に対応する信号の差は「ｘ−ｙ」になる。同様に、第２の場合（間隔２ａ）の信号の差は「ｘ／２−ｙ」になる。したがって、「ａ」から「２ａ」へのクリアランスの変化に対応する２つの測定値の差は、約ｘ／２になる。

したがって、示されている実施形態では、クリアランスは、参照幾何形状８６の近傍で感知された静電容量値と、参照幾何形状８６から離れたところで感知された静電容量値との測定差を利用することによって決定される。

図９には、図４および図５の蒸気タービンの回転部品１００の、他の例示的実施形態が示されている。示されている実施形態では、回転部品１００は、連続する円形構造８４に沿って配設されその連続性を遮る、段付きノッチ１０２などの多段レベルの参照幾何形状を含む。動作中は、センサ６４が、回転部品１００（例えば、連続する円形幾何形状）および、多段レベルの参照幾何形状１０２の異なるレベルに対応する、感知された静電容量を示す信号を生成する。その後、感知された静電容量同士の間の測定差に基づいて、静止部品７２と回転部品１００の間のクリアランスを推定するのに、かかる測定値を利用することができる。

図１０は、本技術の実施形態による図９のロータから、図３のクリアランス測定システムによって測定された静電容量１０４のグラフである。示されている実施形態では、センサ６４は、参照番号１０６で示された、（多段レベル構造１０２から離れた）回転部品１００の連続する円形表面に対応する静電容量を示す信号を生成する。さらに、センサ６４は、参照番号１０８および１１０で示される、多段レベル構造１０２のレベルに対応する静電容量を示す信号も生成する。この場合も、感知された静電容量値は、参照幾何形状１０２の所定の深さ１１２および１１４に対応する。多段レベル構造１０２および回転部品１００の表面の各レベルに対応する感知された静電容量の差は、静止部品６２と回転部品１００の間のクリアランスを決定するのに利用される。示されている実施形態では、回転部品１００の表面と多段レベル構造１０２の異なるレベルの間の感知された静電容量同士の複数の差が、回転部品１００の回転毎に得られる。さらに、かかる測定値が処理され、参照幾何形状１０２の測定差および所定の深さ１１２、１１４に基づいて、適切な参照テーブルを利用して、静止部品６２と回転部品１００の間のクリアランスを決定することができる。回転部品の回転毎に得られる、かかる複数の異なる測定値が、クリアランス測定システムの速度を大幅に高めるのが有利である。

さらに、複数の測定値（例えば、段付きノッチ１０２の異なるレベルに対応する）を利用することによって、電子回路のドリフトなどの因子による、測定の任意のノイズ成分、静止部品６２および回転部品１００の材料特性の変化などがすべての測定値の間に等しく現れ得る。その後、測定値の差が推定されている間にそれらは打ち消される。したがって、多段レベル構造１０２などの参照幾何形状を用いることによって、かなり堅牢な、ドリフトに反応しないクリアランス測定システムによる測定が可能になる。

図１１には、図１の蒸気タービンの連続する表面幾何形状８４上に配設され、その形状の連続性を遮る複数のノッチを有する回転部品の、別の例示的構造１２０が示されている。ここで企図されている構造では、回転部品１２０は、参照番号１２２、１２４、１２６、１２８および１３０で示されるような、複数の参照幾何形状またはノッチを含む。例えば、回転部品１２０は、多段レベルノッチ１２２と、連続する円形構造８４の連続性を遮るための異なる深さを有する半円形のノッチ１２４、１２６、１２８および１３０を含んでもよい。示されている実施形態では、センサ６４は、各ノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０に対応する静電容量を示す信号を生成する。感知されたパラメータ同士の間の複数の差が、回転部品１２０の回転毎に得られるので、複数のノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０を用いることによって、測定システムの速度が増すことが有利である。実施形態によっては、クリアランス測定システムを自己較正する手段として、かかる複数の差を用いることができる。

さらに、その後かかる感知されたパラメータ（すなわち静電容量）は、複数のノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０の測定差および所定の深さに基づいて、静止部品６２と回転部品１２０の間のクリアランスを決定するために処理される。示されている実施形態では、所定の幾何形状を有する複数のノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０に基づいた複数の測定値の測定の際の、ノイズ成分の影響を大幅に低減する。例えば、電子回路のドリフト、静止部品６２および回転部品１２０の材料特性の変化などの因子による測定のノイズは、複数のノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０を用いることによって大幅に低減することができる。具体的には、ノイズ成分は全ての測定値の間に等しく現れる可能性があり、その後、測定値の差が推定されている間に打ち消される。したがって、回転部品１２０上に複数のノッチを用いることによって、かなり堅牢な、ドリフトに反応しないクリアランス測定システムによる測定が可能になる。

一般に、複数のノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０の各サイズは、各ノッチの側壁からの干渉を伴わず、かつノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０の底部からの信号の受信を容易にするために、プローブ先端のサイズと同じ程度のものである。さらに、ノッチ１２２、１２４、１２６、１２８および１３０の各サイズは、これらのノッチが蒸気タービンなどの回転機械の動力学または性能に影響を及ぼさないように選択される。概して、プローブ先端のサイズは一般に測定されるクリアランスと同じ程度のものである。例えば、蒸気タービンの適用例では、プローブ先端の直径は約５．１ｍｍ（２００ミル）でよく、ノッチのサイズは半径が約３．２ｍｍ（１２５ミル）の半円形でよい。つまり、ノッチは幅が約６．３ｍｍ（２５０ミル）、深さが約３．２ｍｍ（１２５ミル）の半円形でよい。実施形態によっては、複数のノッチが用いられている場合、あるいは多段レベルノッチが用いられている場合、ノッチ段のサイズは、異なるレベルに対応する信号が正確に分解できるように選択することができる。例えば、センサの有効範囲が約３．８ｍｍ（１５０ミル）、クリアランスの予想される範囲が約２．５ｍｍ（１００ミル）ならば、ノッチの段のサイズは１．３ｍｍ（５０ミル）間隔になるように選択することができ、その結果、センサの動作範囲のほぼ全体にわたって、ノッチの様々なレベルが識別される。

上記に示すように、回転部品１２０と、１２２、１２４、１２６、１２８および１３０などの複数の参照幾何形状とに対応する静電容量を感知するために、センサ６４を用いることができる。示されている実施形態では、センサ６４は静電容量プローブである。実施形態によっては、容量性プローブ６４は、回転機械の静止部品と回転部品の間の軸方向および径方向のクリアランスを測定するための少なくとも２つのプローブ先端を含む。上述のように、回転部品１２０とセンサ６４の間の静電容量は、２つの変数、すなわち径方向のクリアランスおよび軸方向のクリアランスの関数である。したがって、２つのプローブの静電容量を測定することによって、変数（径方向および軸方向のクリアランス）の実際の値を得ることができる。

図１２には、図１および図４の蒸気タービンの、静止部品と回転部品の間のクリアランスを測定するために用いられるセンサ６４の例示的構造１３２の平面図が示されている。示されている実施形態では、センサ１３２は、複数の容量性プローブ先端１３４、１３６、１３８および１４０を含み、これらの先端は、例えば導電性のシャフトを含んでもよい。示されている幾何形状と、プローブ１３４、１３６、１３８および１４０の相対位置によって、例えば１．２７センチ（０．５インチ）を超える、軸方向の大きな変位範囲の測定が容易になり、例えば０．２５４ミリ（０．０１インチ）の程度の変位を測定するための、径方向の測定値に望ましい分解能がもたらされる。上記の特徴は、回転部品１４の軸方向の変位がシュラウド１６に対する径方向の変位よりもかなり大きい適用例で有利である。

示されている実施形態では、プローブ１３４、１３６、１３８および１４０は、重なり合う領域の変化に対する感度を最大にするために、センサヘッド上に千鳥（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）形に配置され、ダイヤモンド形の構造を有する。他の千鳥構造が、より多い、またはより少ない数のプローブを有する実施形態で考案されてもよい。ヘッドまたは先端部分のプローブ１３４、１３６、１３８および１４０の直径は、それらとブレード１４の翼端の間に重なり合う適切な表面積を与えるのに十分な、適当な大きさを有する。示されている実施形態では、すなわち蒸気タービン用途に対しては、プローブ１３４、１３６、１３８および１４０は、ニッケル、アルミニウム、コバルト、またはこれらの組み合わせ（Ｋｏｖａｒ（コバール、登録商標）など）を含む材料から形成することができる。ただし、より高い温度（例えば、１０００℃を超える温度）を伴う用途では、プラチナ、ロジウム、またはそれらの組み合わせを含む材料をプローブ１３４、１３６、１３８、および１４０に使用することができる。

図１３には、本技術の実施形態による図１〜４のクリアランス測定システムの例示的構造１４２が示されている。クリアランス測定システム１４２は、図１２に関して上記に示したダイヤモンド形の構造に配置された４つのプローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２を有するセンサ１４４を含む。さらに、信号発生器１５４が、入力励起信号をセンサ１４６、１４８、１５０および１５２に与えるために、プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２に結合されている。示されている実施形態では、信号発生器１５４は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含む。信号発生器１５４からの励起信号は、スイッチ１５６、１５８、１６０および１６２を介してプローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２の間で切り替えることができる。実施形態によっては、プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２は、信号発生器１５４によって同時に励起される。あるいは、プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２は、それらの間の混信を低減するように、異なる時点で適時に励起されてもよい。

さらに、プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２によってそれぞれ受け取られる入力信号を増幅するために、増幅器１６４、１６６、１６８および１７０を信号発生器１５４に結合することができる。示されている実施形態では、プローブ先端１４６を介して静電容量を測定するために、プローブ先端１４６にコンデンサ１７２および位相検出器１７４が結合されている。同様に、各プローブ先端を介して静電容量を測定するために、プローブ先端１４８、１５０、１５２に、それぞれコンデンサ１７６、１７８、１８０および位相検出器１８２、１８４、１８６を結合することができる。さらに、各プローブ先端からの入射信号と反射信号を分離するために、プローブ先端１４６、１４８、１５０、１５２に、方向性結合器１９０、１９２、１９４、１９６を結合することができる。

動作中は、プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２は、信号発生器１５４によって励起周波数で励起される。励起周波数は、配線長さ、静電容量、プローブ先端１４６、１４８、１５０、１５２の幾何形状、静的測定静電容量、および他の因子に基づいて選択することができる。ある実施形態では、位相検出器１７４、１８２、１８４および１８６は、回転部品１４の表面などの第１の物体から第１の感知パラメータすなわち静電容量を示す第１の信号を生成するために、プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２からの反射信号を励起周波数に基づいて検出するように構成される。プローブ先端１４６、１４８、１５０および１５２を介した静電容量は、励起信号と対応する反射信号の間の位相差を、コンデンサ１７２、１７６、１７８および１８０と、位相検出器１７４、１８２、１８４および１８６で測定することによって測定される。同様に、第２の感知パラメータすなわち静電容量を示す第２の信号が、回転部品１４上に配設された参照幾何形状からの励起信号と対応する反射信号の間の位相差を測定することによって、その参照幾何形状から生成される。実施形態によっては、図９および１０に関して上記に示した、回転部品１４上に配設された参照幾何形状の多重レベルに対応する複数の信号を生成してもよい。ある他の実施形態では、図１１に関して上記で説明した、回転部品１４の表面に配設された、複数の参照幾何形状に対応する複数の信号をセンサ１４４から生成することができる。

次いで、センサ１４４から生成された第１および第２の信号を処理ユニット１９８によって処理することができる。さらに、信号発生器からの励起信号の周波数を周波数追跡ユニット２００によって追跡し、制御することができる。動作中は、処理ユニット１９８は、回転部品１４および回転部品１４上に配設された参照幾何形状に対応する感知された静電容量を示す信号を受け取る。さらに、処理ユニット１９８は、回転部品１４および参照幾何形状から感知された静電容量の測定差に基づいて、回転部品１４と静止部品１６の間のクリアランスを推定する。より具体的には、かかる感知された静電容量は、参照幾何形状の測定差および所定のサイズに基づいて、静止部品１４と回転部品１６の間のクリアランス決定するために処理される。

所定のサイズを有する参照幾何形状に基づいた測定値によって、電子回路のドリフト、静止部品１４および回転部品１６の材料特性の変化などの因子による測定の際のノイズ成分の影響が大幅に低減される。示されている実施形態では、ノイズ成分は、全ての測定値の間に等しく現れる可能性があり、その後、測定値の差が推定されている間に打ち消される。したがってこの実施形態では、処理ユニット１９８に受け取られた時間変動する信号は処理され、その信号の形状が抽出される。この実施形態では、信号の形状は基準線レベルおよびノッチ高さを含む。さらに、抽出されたノッチ高さは、ノッチの所定のサイズと比較される。測定されたノッチ高さは、クリアランスに応じてスケーリングされるので、複数の方法の１つを使用してクリアランスを決定することができる。これらの方法には、参照テーブル、解析／物理学ベースのモデル、またはカーブフィッティング機能が含まれる。上述のように、複数のかかる参照幾何形状が用いられてもよい。かかる参照幾何形状の所定のサイズによって、処理ユニット１９８は、測定による上記参照幾何形状のスケーリングを可能にするのに必要なクリアランスを決定する。したがって、測定値の絶対値ではなく測定値の差を使用して処理が行われるので、例えば比較的長い時間にわたって固定オフセット（時間変動なし、または徐々に変動する誤差）を導入するあらゆる測定誤差が取り除かれる。同様に、多段レベル幾何形状を使用すると、形状深さの複数の差について処理が行われるので、あらゆる利得誤差も取り除くことができる。概して、簡単なノッチを用いることによってオフセット（徐々に変動する）誤差を取り除くことができ、多段レベル幾何形状を使用することによって利得／スケーリングの誤差を取り除くことができる。

したがって、回転部品１４の連続する表面幾何形状の連続性を参照幾何形状によって遮ることによって、クリアランス測定システム１４２は、回転部品１４と静止部品１６の間の直流をベースとした容量測定値を時間変動する容量測定値に変換する。より具体的には、連続する表面幾何形状の連続性を参照幾何形状によって遮ることによって、容量性プローブによって生成された信号に、感知システムを自己較正するのに使用でき、かつ測定値が信号ドリフトの影響を受けないようにするスパイク波形が導入される。

上述のように、かかる時間変動する容量測定値は、回転部品１４と静止部品１６の間のクリアランスを推定するために利用される。実施形態によっては、処理ユニット１９８は、参照テーブル、または較正曲線、または感知された静電容量と回転部品１４上に配設された参照幾何形状の所定のサイズの測定差に基づいてクリアランスを推定するための他の技術を使用してもよい。さらに、処理ユニット１９８によって推定されたクリアランスに基づいて、回転部品と静止部品の間のクリアランスを制御するために、クリアランス制御ユニット２０２を処理ユニット１９８に結合することができる。

図１４は、本技術の実施形態による図１３のクリアランス測定システムによって測定されたセンサ出力２０４のグラフである。出力２０４の縦軸は、プローブ先端から測定されたノッチ高さ２０６を表し、横軸は、回転部品１４と静止部品１６の間の測定された軸方向のクリアランス２０８をミル単位で表す。示されている実施形態では、グラフ２１０、２１２は、図１２に示す同じ径方向位置に配置された２つのプローブ先端１３６、１４０から測定されたノッチ高さを表す。さらに、曲線２１４、２１６は、プローブ先端１３６および１４０の左側、右側に配置されたプローブ先端１３８、１３４から測定されたノッチ高さを表す。本実施形態では、測定されたノッチ高さ２０６は、静止体と回転体の間のクリアランスの尺度である。

図に示すように、ノッチ高さ２０６で代表されるノッチなどの参照幾何形状の電気的記号は、ノッチ高さに応じて変化する。ノッチ高さは、軸方向および径方向変位の関数である。例えば、プローブ先端１３６がノッチにかなり近接するときは、プローブ先端から受け取る信号が曲線２１８で示される。さらに、プローブ先端１３６が移動してノッチから離れると、信号は曲線２２０および２２４で示される。したがって、ノッチから受け取る信号は、ノッチ高さと、プローブ先端１３４、１３６、１３８および１４０からのノッチの間隔に応じて変化する。回転部品と静止部品の間の径方向のクリアランスが増大すると、プローブ先端１３４、１３６、１３８および１３８から感知された出力が低減する。例えば、参照番号２２６で示される径方向の変位の増加量は、プローブ先端１３６からの信号２１８、２２０、２２２および２２４に反映される。同様に、他のプローブ先端１３４、１３８および１４０からの信号が、曲線２１０、２１２および２１６で示されるように、ノッチ高さおよびプローブ先端からの間隔に応答して変化する。

上記に説明した方法の様々な態様は、様々な用途で効用を有する。例えば、上記に例示した技術は、蒸気タービンの回転部品と静的部品の間のクリアランスを測定するのに使用することができる。この技術は、例えば発電機の静止部品と回転部品の間のクリアランスを測定するなど、他のある種の用途に使用することもできる。上述したように、さらに一般的には、本明細書に記載の方法は、静止部品と回転部品の間の直流をベースとした容量測定値を、回転部品の連続する表面幾何形状を遮る少なくとも１つの参照幾何形状に基づく時間変動する容量測定値に変換することによって、センサによる物体同士の間のクリアランスの正確な測定が可能になることが有利になり得る。さらに、この技術は、動作中でさえ長期間にわたって、部品のクリアランスを正確に測定し、動作中に、より優れた、部品のクリアランス制御を可能にするための自己較正センサシステムを実現することが特に有利である。

本発明のある種の特徴だけを本明細書に例示し、説明したが、多くの改変および変更を当業者なら思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の本来の趣旨の範囲内に入る改変および変更を全て包含するためのものであることを理解されたい。

本技術の実施形態によるクリアランス測定システムを有する蒸気タービンの斜視図である。 本技術の実施形態による図１の蒸気タービンの回転動翼の部分斜視図である。 本技術の実施形態によるクリアランス測定システムを有する発電機の斜視図である。 本技術の実施形態による回転動翼とキャリアの間のクリアランスを測定するためのクリアランス測定システムを有する、図１の蒸気タービンの斜視図である。 本クリアランス制御技術を本技術の実施形態に従って使用することができる、図４の蒸気タービンの部分断面図である。 本技術の実施形態による図５の詳細断面図である。 本技術の実施形態による図４および５の蒸気タービン用のノッチを備えた回転部品の図である。 本技術の実施形態に従って図７のロータから図４のクリアランス測定システムによって測定された静電容量のグラフである。 本技術の実施形態による図４および５の蒸気タービン用の多段レベルノッチを備えた回転部品の図である。 本技術の実施形態に従って図９のロータから図３のクリアランス測定システムによって測定された静電容量のグラフである。 本技術の実施形態による図４および５の蒸気タービン用の複数のノッチを備えた回転部品の図である。 本技術の実施形態による図１のクリアランス測定システムのために用いられるセンサの例示的構造の図である。 本技術の実施形態による図１および４のクリアランス測定システムの概略図である。 本技術の実施形態による図１３のクリアランス測定システムによって測定されたクリアランスのグラフである。

符号の説明

１０ 蒸気タービン
１２ クリアランス測定システム
１４ 回転部品
１６ 静止部品
２０ キャリアなしの蒸気タービン
２２ 蒸気タービンの段
２４ 回転動翼
２６ 回転の方向
３０ 発電機
３２ フレーム組立体
３４ ロータ組立体
３６ ロータシャフト
３８ ロータコア
４０ ロータラミネーション
４２ ステータ組立体
４４ 回転の方向
４６ ステータ巻線
５０ 蒸気タービン
５２ ロータ
５４ シャフト
５６ 回転動翼
５８ 蒸気
６０ 回転軸
６２ ケーシング／キャリア
６４ センサ
７０ 蒸気タービン−ステータ／ロータ構造
７２ シール歯
７４ ステータ溝
７６ 詳細図
７８ 径方向のクリアランス
８０ 軸方向のクリアランス
８２ ノッチを有するロータ
８４ ロータの連続する表面
８６ ノッチ
８８ 静電容量／クリアランス測定値と時間の関係
９０ 静電容量／クリアランス
９２ 時間
９４ 表面からの信号
９６ ノッチからの信号
９８ ノッチの深さ
１００ 多段レベルノッチを有するロータ
１０２ 多段レベルノッチ
１０４ 静電容量／クリアランス測定値と時間の関係
１０６ 表面からの信号
１０８ ノッチからの信号
１１０ ノッチからの信号
１１２ ノッチの第１の深さ
１１４ ノッチの第２の深さ
１２０ 複数のノッチを有するロータ
１２２〜１３０ ノッチ
１３２ センサ
１３４〜１４０ プローブ先端
１４２ クリアランス測定システム
１４６〜１５２ プローブ先端
１５４ ＶＣＯ
１５６〜１６２ スイッチ
１６４〜１７０ 増幅器
１７２〜１８０ コンデンサ
１９０〜１９６ 方向性結合器
１７４〜１８６ 位相検出器
１９８ 処理連鎖
２００ 周波数追跡器
２０２ クリアランス制御ユニット
２０４ センサ出力と軸方向のクリアランスの関係
２０６ センサ出力
２０８ 軸方向のクリアランス
２１０ 先端１からの出力
２１２ 先端３からの出力
２１４ 先端４からの出力
２１６ 先端２からの出力
２１８〜２２４ センサ先端１からの出力
２１６ 増大する径方向のクリアランス

Claims (8)

1. クリアランス測定システム（１２）であって、当該クリアランス測定システム（１２）が、
   参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）で連続性が遮られている点以外は連続した表面幾何形状を有するタービンの回転部品（１４）上に配設された参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）であって、該連続した表面幾何形状が、複数の動翼（５６）に沿って延在する円形構造（８４）を形成しており、前記参照幾何形状が、前記連続した表面幾何形状に対して複数の異なる深さを有する多段レベル構造を有する単一の参照幾何形状（１０２）、前記連続した表面幾何形状に対して各々異なる深さを有する複数の参照幾何形状（１２４，１２６，１２８，１３０）、又はこれらの組合せ（１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）である、参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）と、
   前記回転部品（１４）の周囲に配置された静止部品（１６）上に配設されたセンサ（６４）であって、前記回転部品（１４）からの第１の感知パラメータを示す第１の信号と、前記参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）からの第２の感知パラメータを示す第２の信号とを生成するように構成されたセンサ（６４）と、
   前記回転部品（１４）と前記静止部品（１６）の間のクリアランスを推定するために、前記第１の感知パラメータと第２の感知パラメータの間の測定差に基づいて、前記第１及び第２の信号を処理するように構成された処理ユニット（１９８）と
   を含んでおり、前記参照幾何形状に対応する前記第２の感知パラメータを示す第２の信号が、前記回転部品（１４）と前記静止部品（１６）の間のクリアランスの関数として変化する、クリアランス測定システム（１２）。
2. 励起信号を前記センサ（６４）に供給するように構成された励起源（１５４）と、
   前記回転部品（１４）及び前記参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）のそれぞれからの複数の反射信号を検出し、各前記反射信号とそれぞれの励起信号の間の位相を決定するために複数の位相測定を行うように構成された位相検出器（１７４）とをさらに含む、請求項１記載のクリアランス測定システム（１２）。
3. 前記センサ（６４）が容量性プローブであり、前記第１及び第２の感知パラメータが静電容量である、請求項１又は請求項２記載のクリアランス測定システム（１２）。
4. 前記容量性プローブが、軸方向及び径方向のクリアランスを測定するための少なくとも２つのプローブ先端を含む、請求項３記載のクリアランス測定システム（１２）。
5. 前記処理ユニット（１９８）が、第１の感知パラメータと第２の感知パラメータの測定差に基づいて回転部品（１４）と前記静止部品（１６）の間のクリアランスを推定するための参照テーブル、較正曲線、解析モデル、カーブフィッティング機能又はこれらの組合せを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のクリアランス測定システム（１２）。
6. 前記処理ユニット（１９８）によって推定された前記クリアランスに基づいて、前記回転部品（１４）と前記静止部品（１６）の間のクリアランスを制御するための、前記処理ユニット（１９８）に結合されたクリアランス制御ユニット（２０２）をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のクリアランス測定システム（１２）。
7. その回転方向に連続する表面を含む、静止部品（１６）から離して隔置された回転部品（１４）と、
   前記回転部品（１４）の前記連続する表面上に配設された参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）であって、連続した表面に対して複数の異なる深さを有する多段レベル構造を有する単一の参照幾何形状（１０２）、前記連続した表面に対して各々異なる深さを有する複数の参照幾何形状（１２４，１２６，１２８，１３０）、又はこれらの組合せ（１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）である参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）と、
   前記回転部品（１４）、前記参照幾何形状（８６，１０２，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０）にそれぞれ対応する第１、第２の感知パラメータを示す第１、第２の信号を生成するように構成されたセンサ（６４）であって、前記参照幾何形状に対応する前記第２の感知パラメータを示す第２の信号が、前記回転部品（１４）と前記静止部品（１６）の間のクリアランスの関数として変化する、センサ（６４）と、
   前記回転部品（１４）と静止部品（１６）の間のクリアランスを推定するために、前記第１の感知パラメータと第２の感知パラメータの間の測定差及び前記参照幾何形状の複数の深さに基づいて、前記第１及び第２の信号を処理するように構成された、処理ユニット（１９８）と
   を備える、回転機械（１０）。
8. 静止部品（１６）と、
   該静止部品（１６）から離して隔置された回転部品（１４）と、
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のクリアランス測定システム（１２）と
   を備える回転機械（１０）。
   

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