JP5496443B2 - マルチレンジ間隙測定システム及びそれを動作させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には間隙測定システムに関し、より具体的には、回転機械の静止構成要素と可動構成要素との間の間隙を測定するためのマルチレンジ間隙測定システムに関する。

様々なタイプのセンサが知られており、また異なる用途において使用されている。例えば、航空機エンジンにおいては、タービンは、シュラウドに隣接して配置されたタービンブレードを有する。タービンブレードとシュラウドとの間の間隙は、タービン構成要素の温度に応じて変化する。例えば、シュラウドとタービンブレードとの間の間隙は、タービンロータが低温の時に最大であり、タービンロータの温度が上昇するにつれて次第に減少する。タービンの作動効率のためにまた安全かつ有効な作動のためには、タービンブレードとシュラウドとの間に最小のギャップつまり間隙が維持されることが望ましい。

現在の制御システムは、遺憾ながら異なる作動ステージ間における変動する間隙に正確には応答しない。従って、現在の制御システムでは一般的に、性能低下、非効率又は望ましくない磨耗を引き起こす。具体的には、現在の間隙測定システムは、精度と動作範囲との間に著しい二律背反性があり、従って異なる作動ステージ間において性能低下を引き起こす。
米国特許第５，０７０，３０２号公報 米国特許第５，１６６，６２６号公報

従って、エンジンの全作動範囲にわたって２つの構成要素間の間隙の正確な測定を可能にする間隙測定システムを提供する必要性が存在する。作動中の部品の正確な間隙測定に使用することができる自己較正式間隙測定システムを提供することも利点があると言える。

特定の実施形態によると、本発明技術は、静止物体と可動物体との間の間隙を測定するためのシステムを有する。本システムは、静止物体上に配置されるように構成されかつ可動物体に対応する作動パラメータを測定するように構成された少なくとも１つのセンサと、少なくとも１つのセンサに結合されたコントローラとを含み、コントローラは、測定した作動パラメータに基づいてセンサの動作モードを制御するように構成される。

特定の実施形態によると、本発明技術は、システムを有する。本システムは、静止構成要素から間隔をおいて配置された回転構成要素と、静止構成要素上に配置されたセンサとを含み、センサは、回転構成要素の回転速度を測定するように構成され、またセンサの測定動作範囲は、測定した回転速度に応答して制御される。

特定の実施形態によると、本発明技術は、静止部品と回転部品との間の間隙を測定する方法を有する。本方法は、静止部品上に配置されたセンサによって回転部品の回転速度を測定する段階と、測定した回転速度に基づいてセンサの複数の動作モード間を切り換える段階とを含む。

特定の実施形態によると、本発明技術は、マルチレンジセンサを有する。本マルチレンジセンサは、物体に対応する作動パラメータを測定するように構成された複数の導電素子と、測定した作動パラメータに基づいて複数の導電素子を選択的に結合して該センサの測定範囲を制御するように構成された複数のスイッチとを含む。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読む時、一層よく理解されるようになるであろう。

以下に詳述するように、本発明技術の実施形態は、蒸気タービン、発電機、タービンエンジン（例えば、航空機タービンエンジン）、回転構成要素を有する機械等々のような様々なシステム内の２つの物体間の間隙の正確な測定を可能にするように機能する。次に図面を参照すると、図１は、センサシステム１２を有する航空機１０を示しており、このセンサシステム１２は、航空機１０の機体又はフレーム１６に結合された航空機エンジン１４内に配置される。この図示した実施形態では、センサシステム１２は、図２〜図８を参照しながら以下に詳述するように、航空機エンジン１４内のタービンブレードとシュラウドとの間の間隙のような２つの物体間の間隙を測定するように構成される。

図２は、図１の航空機エンジン１４として使用することができるエンジン２０の断面図であり、エンジン２０は、該エンジン２０の静止部品と回転部品との間の間隙を制御するためのアクティブ間隙制御システム２２を備えている。エンジン２０は、周囲空気流を加圧するための圧縮機セクション２４を含む。この図示した実施形態では、圧縮機前方フレーム２６は、ベルマウス入口３０を介して空気流２８を圧縮機セクション２４内に導く。特定の実施形態では、圧縮機セクション２４は、低圧圧縮機領域と高圧圧縮機領域とに分割することができる。圧縮機セクション２４は、ステータケーシング３２を含み、このステータケーシング３２は、圧縮機セクション２４の複数の段内に空気流を導く複数のステータベーンを含む。さらに、圧縮機セクション２４は、複数の回転ブレード３４を含み、またブレード３４を支持するスプール３６及びディスクを含む。

作動中、圧縮機セクション２４からの加圧空気は、燃焼器３８に導かれて燃料流を燃焼させる。次に、燃焼器流出ガス流は、タービンセクション４０に導かれ、そこで膨張する。当業者には分かるように、作動レイアウトに応じて、タービンセクション４０は、複数のタービンを含むことができる。例えば、タービンセクション４０は、低圧タービンと高圧タービンとを含むことができる。この図示した実施形態では、各タービン４０は、シュラウド４４に隣接して配置されたタービンブレード４２を含む。

一般的に、エンジン２０の作動状態に応じて、あらゆるタービンブレード４２とシュラウド４４との間の間隙は、タービンブレード４２の温度及びエンジン２０のコア速度に応じて変化する。例えば、シュラウド４４とタービンブレード４２との間の間隙は、タービン４０が低温の時に最も大きく、またタービン４０の速度が増大しまた温度が上昇するにつれて次第に減少する。この図示した実施形態では、異なるエンジン作動状態に対するシュラウド４４とタービンブレード４２との間の間隙は、アクティブ間隙制御システム２２によって制御される。

具体的には、アクティブ間隙制御システム２２は、タービンブレード４２とシュラウド４４との間の間隙のオンライン測定（つまり、作動中にモニタすること及び測定すること）を可能にし、このオンライン測定を閉ループ制御ストラテジに組み込んでこれらの間隙を許容限界内の値に維持することができる。この実施形態では、アクティブ間隙制御システム２２は、測定したコア速度、空気流量、温度、圧力、高度又はそれらの組合せのような因子に基づいて現在の間隙を推定する。さらに、ロータ速度及び高度の関数として、所望又は要求間隙を推定する。間隙制御システム２２は、現在の間隙を要求間隙と比較し、タービンバルブの位置を調整して、現在の間隙と要求間隙との間の間隙差をゼロに向けて減少させる。現在考えている構成では、間隙制御システム２２は、以下に一層詳述するマルチレンジ間隙測定システムを含む。

図３は、本発明技術の実施形態による間隙測定システムを有する図２のエンジンのタービン５０の概略図である。タービン５０は、ケーシング５４内に配置されたロータ５２を含む。さらに、ロータ５２は、ケーシング５４内に配置された多数のタービンブレード５６を含む。ケーシング５４とタービンブレード５６との間の間隙を測定するために、多数のセンサ５８、６０及び６２が、ケーシング５４内に配置される。この図示した実施形態では、ケーシング５４とブレード５６との間の間隙測定のために、３つのセンサ５８、６０及び６２が、３つの異なる位置において使用される。しかしながら、他の実施形態では、より多数又はより少数のセンサを使用することができる。

図３に示す実施形態では、間隙を表す信号が、センサ５８、６０及び６２によって検出され、次にこれらの信号は、作動パラメータに基づいてセンサ５８、６０及び６２のセンサ構成を選択するたにコントローラ６４に伝送される。具体的には、センサ５８、６０及び６２の動作範囲は、測定した作動パラメータに基づいて制御される。この実施形態では、センサ５８、６０及び６２は、容量プローブを含み、また測定した作動パラメータは、ロータ５２の回転速度を含む。さらに、センサ５８、６０及び６２による間隙測定値は、間隙制御システム６６によってケーシング５４とタービンブレード５６との間の間隙を制御するために使用される。測定した作動パラメータに基づいてセンサ５８、６０及び６２のセンサ構成を選択する方法は、図４〜図８を参照しながら以下に一層詳述する。

図４は、回転構成要素５２の回転速度７４に応答した図３のタービン５０の静止構成要素５４と回転構成要素５２との間の所望の間隙７２のグラフ図７０である。この図示した実施形態では、縦座標軸は、ロータ５２とステータ５４との間の間隙を表し、横座標軸は、ロータ５２のコア回転速度を表している。さらに、寒い日、標準的な日及び暑い日における静止及び回転構成要素５４及び５２間の間隙７２の集計データを、それぞれ参照符号７６、７８及び８０で表している。この実施形態では、周囲温度は、寒い日には約−１℃（３０°Ｆ）、標準的な日には約１５℃（５９°Ｆ）、また暑い日には約５２℃（１２５°Ｆ）である。図示するように、静止及び回転構成要素５４及び５２間の間隙は、コア速度が増大するにつれて減少する。さらに、標準的な日の所望の間隙７８は、寒い日の所望の間隙７６よりも比較的大きい。同様に、暑い日の所望の間隙８０は、寒い日の所望の間隙７６及び標準的な日の所望の間隙７８よりも比較的大きい。従って、静止及び回転構成要素５４及び５２間の所望の間隙範囲は、コア速度と周囲温度及び高度のようなその他の特定の因子とにより変化する。

この実施形態では、静止及び回転構成要素５４及び５２間の間隙は、エンジン始動時、アイドリング時及びエンジン作動時に測定される。エンジン始動又はアイドリング状態時に要求される測定精度は、エンジン作動時に要求される精度よりも比較的低い。さらに、間隙測定システムに要求される測定範囲は、エンジン始動時と、アイドリング時と、エンジン作動時とで異なる。例えば、エンジン作動中には、測定範囲は、アイドリングモード及び始動モード中の測定範囲の約１／４である。この図示した実施形態では、各センサ５８、６０及び６２の動作モードは、以下に述べるように、測定したロータ速度に基づいて調整される。

図５は、図３の測定システムを動作させる方法の例示的なプロセス８２の概略図である。図示するように、センサの初期構成は、２つの物体間の間隙を測定するように設定される（ブロック８４）。この実施形態では、センサは、エンジン内の静止構成要素のような第１の物体上に配置される。さらに、ブロック８６で示すように、センサの初期構成を使用して、測定システム８８によってセンサと第２の物体との間のキャパシタンス（容量）を確定する。この実施形態では、第２の物体として、エンジンのロータのような回転物体を含む。ブロック９０において、ロータの回転速度が、ＲＰＭ推定器９２によって測定される。この実施形態では、回転速度は、回転構成要素のブレードによるセンサの通過回数に基づいて測定される。

さらに、測定した回転速度に基づいて、予測飛行フェーズが推定される（ブロック９４）。ブロック９６で示すように、第１及び第２の物体間の予測間隙が推定される。この図示した実施形態では、予測飛行フェーズ及び予測間隙は、飛行サイクルモデル９８によって推定される。さらに、予測間隙範囲に対する最適センサ構成が決定され（ブロック１００）、ブロック１０２によって示すように、必要な場合にはセンサ構成が、最適構成に変更される。１つの実施形態では、センサの構成は、センサの初期構成に対して付加的な導電素子を結合することによって変更することができる。それに代えて、センサの構成は、センサの初期構成から幾つかの導電素子を除去することによって変更することができる。この実施形態では、最適構成を決定しかつセンサ構成を最適構成に変更するために、構成オプティマイザ１０４が使用される。当業者には分かるように、この方法のステップ８６〜１０２を反復して、所望の測定分解能及び範囲（レンジ）を達成することができる。

図６は、図３の間隙測定システム１１０の概略図である。間隙測定システム１１０は、シュラウドのような静止構成要素５４上に配置されたプローブ１１２を含み、タービン５０のロータ５２のような可動構成要素の回転速度を測定するように構成される。この実施形態では、プローブ１１２は、容量プローブを含む。この図示した実施形態では、プローブ１１２は、第１の導電素子１１４、第２の導電素子１１６及び第３の導電素子１１８を含む。しかしながら、間隙測定システム１１０内では、より多数又はより少数の導電素子を使用することができる。プローブ１１２は、ロータ５２の回転速度に基づいて該プローブ１１２の測定範囲を制御するためのコントローラ６４に結合される。

さらに、間隙測定システム１１０は、コントローラ６４に対して導電素子１１４、１１６及び１１８を選択的に結合するための第１のスイッチ１２０、第２のスイッチ１２２及び第３のスイッチ１２４を含む。以下に一層詳述するように、コントローラ６４は、ロータ５２の回転速度に基づいて、導電素子１１４、１１６及び１１８を互いに選択的に結合することによってプローブ１１２の構成を最適化するように動作可能である。導電素子１１４、１１６及び１１８はまた、静止及び回転構成要素５４及び５２間の分離を制御するように動作可能な間隙制御システム６６に結合される。戻り経路として作用しかつプローブ１１２をノイズ及び干渉から遮蔽するために、付加的な導電素子１２６が設けられる。しかしながら、プローブ１１２を遮蔽するために、導電素子１２６に対してより多数の導電素子を結合することができる。

この図示した実施形態では、コントローラ６４は、測定した回転速度に基づいてプローブ１１２の面積（Ａ）を最適化するように構成される。動作中、測定した回転速度は、所定の回転速度と比較される。この実施形態では、プローブ１１２は、測定した回転速度が所定の値を超えた場合には高精度モードに切り換わり、それによって静止及び回転構成要素５４及び５２間の間隙は、プローブ１１２の通常動作範囲に基づいて測定される。それに代えて、プローブ１１２は、測定した回転速度が所定の値よりも小さい場合には低精度モードに切り換わり、それによって静止及び回転構成要素５４及び５２間の間隙は、プローブ１１２の拡張動作範囲にわたって推定される。従って、静止及び回転構成要素５４及び５２間の間隙は、プローブ１１２の選択したモードに基づいて計算される。

動作中、コントローラ６４は、ロータ５２の測定した回転速度に基づいてプローブ１１２の面積を最適化する。コントローラ６４は、スイッチ１２０、１２２及び１２４を選択的に閉じ、それによって特定の導電素子１１４、１１６及び１１８を制御することによって、プローブ１１２の面積（Ａ）を制御する。例えば、低間隙モードの場合には、コントローラ６４は、スイッチ１２４を閉じかつスイッチ１２０及び１２２を開くことによって戻り経路１２６以外には単一の導電素子１１８をプローブ１１２の出力部に結合することができる。それに代えて、高間隙モードの場合には、コントローラ６４は、スイッチ１２０及び１２２を閉じることによって導電素子１１４及び１１６を出力部に対して動作結合することができる。

この図示した実施形態では、コントローラ６４は、スイッチ１２０、１２２及び１２４の制御を可能にするためのインタフェース１２８を含む。加えて、コントローラ６４はまた、プローブ１１２からの信号を処理しかつインタフェースに指令してロータ５２の測定した回転速度に基づいてスイッチ１２０、１２２及び１２４を選択的に開閉するようにするためのプロセッサ１３０を含む。さらに、コントローラ６４はまた、導電素子１１４、１１６及び１１８の選択的結合を制御するための所定のプログラム、内部基準値及びその他の情報を記憶するためのメモリ回路１３２を含む。

上述したように、スイッチ１２０、１２２及び１２４は、導電素子１１４、１１６及び１１８をプローブ１１２に結合するために使用される。１つの実施形態では、スイッチ１２０、１２２及び１２４は、半導体スイッチを含む。別の実施形態では、スイッチ１２０、１２２及び１２４は、機械的リレーを含むことができる。さらに別の実施形態では、スイッチ１２０、１２２及び１２４は、無線周波数マイクロ電子機械システムスイッチを含むことができる。スイッチ１２２及び１２４を介して付加的な導電素子１１６及び１１８を結合することは、プローブ１１２の測定範囲を拡大することに注目されたい。別の実施形態では、プローブ１１２の測定範囲を拡大するために互いに結合するようには使用されない導電素子を導電素子１２６に結合して、付加的な遮蔽を形成することができる。別の実施形態では、使用しない導電素子を所定の電位に保持して、測定における干渉を低減することができる。

図７は、パターン配列の導電素子を備えたセンサ１４０の概略図である。この図示した実施形態では、導電素子は、所定のパターンで配列された中央導電素子１４２、第１のグループの導電素子１４４及び第２のグループの導電素子１４６を含む。中央導電素子１４２は、プローブ１４０による全測定範囲のためにプローブ１４０に結合することができる。第１のグループの導電素子１４４は、面積（Ａ）を増大させるために中央導電素子１４２に結合することができる。付加的な面積が必要とされる場合には、第２のグループの導電素子１４６は、中央導電素子１４２及び第１のグループの導電素子１４４に結合することができる。しかしながら、その他の構成も使用することができる。外側導電素子１４８は、導電素子１４２、１４４及び１４６の周りに配置されて、戻り経路として作用しかつ電気的ノイズ及び干渉から導電素子１４２、１４４及び１４６を遮蔽する。それに代わる実施形態では、あらゆる使用されない導電素子も、外側導電素子１４８に結合することができる。

図８は、環状配列の導電素子を備えたセンサ１５０の概略図である。プローブ１５０は、中央導電素子１５２と、環状の同心パターンで中央導電素子１５２を囲む円筒状の導電素子１５４及び１５６とを含む。外側導電素子１５８は、導電素子１５２、１５４及び１５６の周りに同心的に配置されて、キャパシタンスの測定に対するあらゆる電気的ノイズ及び干渉の影響を低減する。この場合もまた、プローブ１５０は、所望の測定範囲に基づいて、より少数又はより多数の導電素子を有することができる。さらに、導電素子１５４及び１５６は、プローブ１５０の分解能を高めるために中央導電素子１５２に対して選択的に結合することができる。

上記の測定方法は、全作動範囲にわたって静止物体と隣接する可動部品との間の間隙の正確な測定を可能にする。上記の方法の様々な態様は、広い距離範囲にわたる間隙測定が望まれるか或いはシステムの性能向上が望まれる用途における有用性を有する。例えば、上記の方法は、航空機エンジン内の回転構成要素と静止構成要素との間の間隙を測定するのに使用ことができる。上に指摘したように、ここに記載した方法は、回転構成要素の測定した回転速度に基づいて、センサの導電素子を選択的に結合して物体間の距離を測定するようにセンサの面積を調整することよりセンサ構成を選択することによって、広い距離範囲にわたる測定に有利なものとすることができる。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの変更形態及び変形形態が考えられるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、本発明の技術思想の範囲内に属する全てのそのような変更形態及び変形形態を保護しようとしていることを理解されたい。

本発明技術の実施形態によるセンサシステムを備えたエンジンを有する航空機の概略斜視図。 本発明技術の実施形態によるアクティブ間隙制御システムを備えた図１のエンジンの断面図。 本発明技術の実施形態による間隙測定システムを有する図２のエンジンのタービンの概略図。 本発明技術の実施形態による、回転構成要素の回転速度に応答した図３のタービンの静止及び回転構成要素間の間隙のグラフ図。 本発明技術の実施形態による、図３の測定システムを動作させる方法の例示的なプロセスの概略図。 本発明技術の実施形態による図３の間隙測定システムの概略図。 本発明技術の実施形態による、パターン配列の導電素子を備えたセンサの概略図。 本発明技術の実施形態による、環状配列の導電素子を備えたセンサの概略図。

符号の説明

１０ 航空機
１２ 間隙測定システム
１４ 航空機エンジン
１６ 機体
２０ エンジン断面
２２ アクティブ間隙制御システム
２４ 圧縮機
２６ 圧縮機前方フレーム
２８ 空気流
３０ ベルマウス入口
３２ 圧縮機ケーシング
３４ ブレード
３６ スプール
３８ 燃焼器
４０ タービン
４２ ブレード
４４ シュラウド
５０ 間隙測定システムを有するタービン
５２ ロータ
５４ ケーシング
５６ ブレード
５８〜６２ センサ
６４ コントローラ
６６ 間隙制御システム
７０ 間隙対ロータ速度
７２ 所望の間隙
７４ コア速度
７６ 寒い日における所望の間隙
７８ 標準的な日における所望の間隙
８０ 暑い日における所望の間隙
８２ 作動させる方法のプロセス
８４〜１０４ プロセスステップ
１１０ 間隙測定システム
１１４〜１１８ プローブ先端
１２０〜１２４ スイッチ
１２６ 遮蔽素子
１２８ インタフェース
１３０ プロセッサ
１３２ メモリ
１４０ センサ構成
１４２〜１４８ プローブ先端
１５０ 環状構成
１５２〜１５６ プローブ素子
１５８ 遮蔽素子

Claims (6)

1. 静止物体（４４）と回転構成要素（４２）との間の間隙を測定するためのシステム（１２）であって、
   前記静止物体（４４）上に配置されるように構成されかつ前記回転構成要素（４２）の回転速度を測定するように構成された少なくとも１つのセンサ（５８）と、
   前記少なくとも１つのセンサ（５８）に結合されたコントローラ（６４）と、
   を含み、
   前記コントローラ（６４）が、前記測定した回転速度に基づいて前記センサ（５８）の動作モードを制御するように構成され、
   前記センサ（５８）が、複数の導電素子（１１４〜１１８）を有する容量プローブと、前記複数の導電素子（１１４〜１１８）の各々を該センサ（５８）の出力部に対して選択的に結合するように動作可能な複数のスイッチ（１２０〜１２４）とを含む
   ことを特徴とする、システム（１２）。
2. 前記可動物体（４２）が、航空機エンジン（１４）のロータを含み、また前記静止物体（４４）が、前記ロータの周りに配置されたケーシングを含む、請求項１記載のシステム（１２）。
3. 静止部品と回転部品との間の間隙を測定する方法であって、
   前記静止部品上に配置されたセンサによって前記回転部品の回転速度を測定する段階と、
   前記測定した回転速度に基づいて前記センサの複数の動作モード間を切り換える段階と、
   を含み、
   前記センサが、複数の導電素子（１１４〜１１８）を有する容量プローブと、前記複数の導電素子（１１４〜１１８）の各々を該センサ（５８）の出力部に対して選択的に結合するように動作可能な複数のスイッチ（１２０〜１２４）とを含む
   ことを特徴とする、方法。
4. 前記測定した回転速度に基づいて、飛行サイクルモデル（９８）によって飛行フェーズと間隙とが推定され、
   前記推定した間隙に基づいて、構成オプティマイザ（１０４）によって最適センサ構成が決定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記測定した回転速度に基づいて、予測飛行フェーズを推定し、予測間隙を推定し、該予測間隙の範囲に基づいて最適センサ構成を決定することを特徴とする、請求項１又は２に記載のシステム。
6. 前記構成オプティマイザ（１０４）による最適センサ構成の決定は、前記推定した間隙の範囲に基づいて行われることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
   

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