JP6143085B2

JP6143085B2 - チップクリアランス計測装置

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Publication number: JP6143085B2
Application number: JP2013125190A
Authority: JP
Inventors: 富士雄笹本; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: JP2015001414A

Description

本発明は、軸流回転機械における動翼とケーシングとの隙間距離（チップクリアランス）を計測するチップクリアランス計測装置に関する。

ガスタービンや蒸気タービンなどの軸流回転機械は、円筒状のケーシング内に周方向に複数の動翼を有するロータ軸が回転自在に設置され、ケーシング内においてロータ軸および動翼が回転作動されるものである。そして、軸流回転機械としての作動安全性および作動効率向上のためには、動翼とケーシングとの間に適切なチップクリアランスの隙間が設けられる。

チップクリアランスが過小である場合には、軸流回転機械を作動させ、ロータ軸および動翼を回転動作させた際に、動翼が遠心力や熱膨張によって変形することにより、動翼とケーシングが干渉し、軸流回転機械の安全性が損なわれる虞がある。一方、チップクリアランスが過大である場合には、軸流回転機械を作動させ、ロータ軸および動翼を回転動作させた際に、流体物が動翼とケーシングとの隙間から軸方向へ流れ出ることにより、流体物が動翼の回転動作に寄与せず、軸流回転機械の作動効率が低下してしまう虞がある。

よって、軸流回転機械としての安全性および作動効率を確保するために、動翼とケーシングが干渉しない程度にチップクリアランスを最小限にする必要がある。そこで、軸流回転機械には、設計通りのチップクリアランスが確保できているかを確認するために、チップクリアランス計測装置が備えられる。チップクリアランスの計測方法としては、種々の方法が知られており、例えば、過電流式、静電容量式、光量式、放電式などがある。

特開平９−３２４６０３号公報

しかし、これらのチップクリアランス計測方法においては、以下に示すような問題がある。渦電流式および静電容量式によるチップクリアランスの計測方法においては、環境温度の変化に伴って電気抵抗が変化するので、測定結果が測定する際の環境温度に大きく影響され、計測結果であるチップクリアランスを正確に測定できない。光量式のチップクリアランス測定方法においては、光の反射量の強さで距離を測定するため、計測面やセンサの発受光面の汚れで感度が変化し、チップクリアランスを正確に測定できない。放電式のチップクリアランス測定方法においては、クリアランス値が連続データとして得られないので、軸流回転機械におけるチップクリアランスの測定には不適切である。なお、渦電流式、静電容量式および放電式のチップクリアランス測定方法においては、被測定物の材質が導電体に制限される。

また、その他のチップクリアランス測定方法としては、例えば、特許文献１がある。これは、角度θで出射する出射光が動翼によって散乱反射する光を受光して動翼が任意の一点を通過する時刻を検知し、位置センサによって異なる二点を動翼が通過する時刻を検知して、動翼の回転速度等から幾何学的にチップクリアランスを計測する。

しかし、出射部の取付け誤差等により、既知とされる出射光の出射方向である角度θに誤差が生じ、正確なチップクリアランスを算出することができない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、環境温度の影響や被測定物の制限を伴わずに、チップクリアランスの測定誤差を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るチップクリアランス計測装置は、円筒状のケーシングと、ケーシング内において回転自在に支持されるロータ軸と、ロータ軸の外周に植設されロータ軸と共にケーシング内で回転される動翼とを備える軸流回転機械における前記動翼の翼頂部と前記ケーシングの内周面との距離であるチップクリアランスを計測するチップクリアランス計測装置であって、前記ケーシングに設置され、所定方向にレーザ光を出射して前記動翼に反射した反射光を受光することにより、前記動翼が所定位置を通過したことを検出可能な第一レーザセンサと、前記ケーシングに設置され、前記所定方向とは別の所定方向にレーザ光を出射して前記動翼に反射した反射光を受光することにより、前記動翼が前記所定位置とは別の所定位置を通過したことを検出可能な第二レーザセンサと、前記動翼または前記ロータ軸の回転数を検出可能な回転計と、前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサの検出結果から前記動翼の前記所定位置から前記別の所定位置までの通過時間を算出すると共に、前記回転計によって検出される前記動翼の所定位相分の回転時間を算出し、前記通過時間と前記回転時間とチップクリアランス校正値とから成るチップクリアランス校正式によってチップクリアランスを算出するデータ処理部とを備え、前記チップクリアランス校正値は、前記動翼とは別の模擬動翼を前記ケーシングに組付けて求められるものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るチップクリアランス計測装置は、第一の発明に係るチップクリアランス計測装置において、前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサを、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光が前記ケーシングの軸方向に対して直角の方向において交差するように互いに傾斜し、更に、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光との交点が前記動翼の翼頂部よりも内周側となるように設置することを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係るチップクリアランス計測装置は、第一の発明に係るチップクリアランス計測装置において、前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサを、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光が前記ケーシングの軸方向に対して直角の方向において交差しないように、前記ケーシング内周側へ向かって広がるように互いに傾斜して設置することを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係るチップクリアランス計測装置は、第一から第三のいずれか一つの発明に係るチップクリアランス計測装置において、前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサを、前記ケーシングの中心よりも前記動翼の回転方向側へ向けて設置することを特徴とする。

第一の発明に係るチップクリアランス計測装置によれば、動翼は、第一レーザ光および第二レーザ光を反射するものであれば良いので、被測定物の材質を制限されず、環境温度の影響を受けることもない。また、チップクリアランス校正値ａ，ｂを、ロータ軸２０および動翼３０とは別の模擬ロータ軸１２０と第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを用いて、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０が既設されたケーシング１０において算出しているので、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の取付け誤差等がチップクリアランスＤの算出値に影響することはない。すなわち、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の取付け誤差等を許容することができる。よって、より正確なチップクリアランスＤを測定することができる。

第二の発明に係るチップクリアランス計測装置によれば、第一レーザ光および第二レーザ光が小さい範囲に出射されるので、ロータ軸に設置される複数の動翼のうち測定対象である動翼を特定し易く、誤認の虞を低減することができる。

第三の発明に係るチップクリアランス計測装置によれば、第一レーザ光と第二レーザ光が交差しないので、第一レーザ光と第二レーザ光との交点の位置を考慮する必要がなく、第一レーザセンサおよび第二レーザセンサの設置角度の制限を緩和することができる。

第四の発明に係るチップクリアランス計測装置によれば、動翼の計測面の汚れ等によって反射光量が変化した場合においても、第一レーザセンサおよび第二レーザセンサの検出結果における時刻は変化しないので、測定誤差を低減することができる。

実施例１に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械の一部を示す説明図である。実施例１における軸流回転機械の第一レーザセンサおよび第二レーザセンサによって得られる時間ｔに対する反射光量ｖの関係を示すグラフである。実施例１における軸流回転機械の動翼の翼頂部近傍の拡大図である。実施例１における軸流回転機械の第一模擬動翼および第二模擬動翼の翼頂部近傍の拡大図である。実施例２に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械の一部を示す説明図である。実施例２における軸流回転機械の第一レーザセンサおよび第二レーザセンサによって得られる時間ｔに対する反射光量ｖの関係を示すグラフである。実施例３に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械の一部を示す説明図である。実施例３における軸流回転機械の第一レーザセンサおよび第二レーザセンサによって得られる時間ｔに対する反射光量ｖの関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係るチップクリアランスセンサ装置の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることは言うまでもない。

先ず、本発明の実施例１に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械の構造について、図１乃至図４を参照して説明する。

図１に示すように、本実施例に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械１は、円筒状のケーシング１０と、ケーシング１０内において回転自在に支持されるロータ軸２０と、ロータ軸２０の外周に稙設されロータ軸２０と共にケーシング１０内で回転される動翼３０とを備える。本実施例における軸流回転機械１では、動翼３０とケーシング１０との干渉を防止するために、動翼３０の翼頂部（チップ）３１とケーシング１０の内周面１１との間に隙間４０を設け、当該隙間４０を所定の距離（チップクリアランス）Ｄに設定している。

このチップクリアランスＤが過小である場合には、軸流回転機械１を作動させ、ロータ軸２０および動翼３０を回転動作させた際に、動翼３０が遠心力や熱膨張によって変形することにより、動翼３０とケーシング１０が干渉し、軸流回転機械１の安全性が損なわれる虞がある。一方、チップクリアランスＤが過大である場合には、軸流回転機械１を作動させ、ロータ軸２０および動翼３０を回転動作させた際に、図示しない流体物が動翼３０とケーシング１０との隙間４０から軸方向（図１における紙面前後方向）へ流れ出ることにより、流体物が動翼３０の回転動作に寄与せず、軸流回転機械１の作動効率が低下してしまう虞がある。

そこで、本実施例においては、軸流回転機械１としての安全性および作動効率を確保するために、軸流回転機械１にチップクリアランスＤの計測装置を備えている。これにより、チップクリアランスＤを正確に計測し、当該チップクリアランスＤが安全性および作動効率を確保する最小限の設定であることを確認することができる。

本実施例における軸流回転機械１は、チップクリアランスＤを正確に計測するための計測装置として、回転動作する動翼３０が所定位置を通過したことを検出するための第一レーザセンサ５０と、回転動作する動翼３０が前記所定位置とは別の所定位置を通過したことを検出するための第二レーザセンサ６０と、動翼３０の回転数すなわちロータ軸２０の回転数を検出する回転計７０と、第一レーザセンサ５０と第二レーザセンサ６０と回転計７０の検出結果からチップクリアランスＤを算出するデータ処理部８０とを備える。

第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０は、それぞれ第一レーザ光５１，第二レーザ光６１を出射する図示しない出射部と、出射された第一レーザ光５１，第二レーザ光６１が動翼３０に当たって反射した光（反射光）を感知する図示しない受光部とを有し、回転動作する動翼３０が出射された第一レーザ光５１および第二レーザ光６１を横切るように、第一レーザ光５１，第二レーザ光６１を動翼３０の回転軌道範囲内すなわちケーシング１０内周側（図１における下方側）へ向かって出射するように出射部をケーシング１０内周側へ向けて設置される。

本実施例においては、第一レーザセンサ５０は、第一レーザ光５１がケーシング１０側からロータ軸２０中心よりも動翼３０の回転方向側（図１における右方側）へ向けて出射されるように、ケーシング１０の径方向に対して傾斜して設置され、第二レーザセンサ６０は、第二レーザ光６１がケーシング１０側からロータ軸２０中心よりも動翼３０の回転方向反対側（図１における左方側）へ向けて出射されるように、ケーシング１０の径方向に対して傾斜して設置されている。

すなわち、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０は、第一レーザ光５１と第二レーザ光６１が、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の設置位置からケーシング１０およびロータ軸２０の中心位置までの間で交差するように、ケーシング１０に設置されている。なお、図３に示すように、第一レーザ光５１と第二レーザ光６１の交点Ｐが動翼３０の翼頂部３１の軌道３１ａよりも内周側に位置するように、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の設置角度を設定する。

また、第一レーザ光５１と第二レーザ光６１の交点Ｐがロータ軸２０の中心および動翼３０の翼根部近傍ではなく、動翼３０の翼頂部３１近傍に位置するように、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の設置角度を設定することが好ましい。これによれば、後述する動翼３０の通過時間Ｔ_Xの測定誤差によるチップクリアランスＤの算出値への影響を抑えることができる。

上述の軸流回転機械１におけるチップクリアランスＤの測定について、その詳細を以下に説明する。

回転動作される動翼３０が第一レーザ光５１の径路および第二レーザ光６１の径路を横切る際に、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０によって得られる時間ｔに対する反射光量（反射光の光量）ｖの関係を、それぞれ図２（ａ），（ｂ）に示す。第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の図示しない受光部において感知される反射光量ｖは、それぞれ第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０から第一レーザ光５１，第二レーザ光６１の照射位置までの距離に比例し、図２（ａ），（ｂ）に示すように、直立部ａと平行部ｂと傾斜部ｃとを組み合わせた線図を描くように変化する。

詳細には、第一レーザセンサ５０においては、第一レーザ光５１はケーシング１０側から動翼３０の回転方向後方側へ向けて出射されているので、第一レーザ光５１はまず回転している動翼３０の前方側面３２には照射されずに翼頂部３１に照射され（図２（ａ）における直立部ａに相当）、その照射位置は動翼３０の回転に伴って動翼３０の翼頂部３１の面上を回転方向後方側へ移動し（図２（ａ）における平行部ｂに相当）、更に動翼３０の後方側面３３へ移って後方側面３３上を翼根側へ移動する（図２（ａ）における傾斜部ｃに相当）。

一方、第二レーザセンサ６０においては、第二レーザ光６１はケーシング１０側から動翼３０の回転方向後方側へ向けて出射されているので、第二レーザ光６１はまず回転している動翼３０の前方側面３２の翼根部側に照射され、その照射位置は動翼３０の回転に伴って動翼３０の前方側面３２上を翼頂部３１側へ移動し（図２（ｂ）における直立部ａに相当）、更に動翼３０の翼頂部３１の面上へ移って翼頂部３１の面上を回転方向後方側へ移動し（図２（ｂ）における平行部ｂに相当）、動翼３０は後方側面３３に第二レーザ光６１が照射されずに第二レーザ光６１の径路上を抜ける（図２（ｂ）における傾斜部ｃに相当）。

データ処理部８０においては、上記の第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の検出結果から、回転動作する動翼３０が所定位置である第一レーザ光５１の径路を通過してから前記所定位置とは別の所定位置である第二レーザ光６１の径路を通過するまでの通過時間Ｔ_Xを算出する。

本実施例においては、動翼３０が第一レーザ光５１の径路および第二レーザ光６１の径路をそれぞれ通過した時期を、動翼３０における所定箇所が第一レーザ光５１の径路および第二レーザ光６１の径路上に至る時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2とした。具体的には、動翼３０の翼頂部３１における回転方向前方側端部３４が、第一レーザ光５１の径路上および第二レーザ光６１の径路上に達したそれぞれ時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2であり（図３参照）、それぞれ図２に示すように、第一レーザセンサ５０における平行部ｂの前方端（図２における右方端）と、第二レーザセンサ６０における平行部ｂの前方端との時間差Ｔ_X（＝Ｔ_X2−Ｔ_X1）である。

また、図３に示すように、動翼３０の前記所定箇所（本実施例においては、翼頂部３１の回転方向前方側端部３４）が、ケーシング１０内周面から所定の距離Ｃに位置する第一レーザ光５１の径路上の第一基準点Ｍ₁、同じくケーシング１０内周面から所定の距離Ｃに位置する第二レーザ光６１の径路上の第二基準点Ｍ₂を通過するに相当する位相を回転計７０によるロータ軸２０の回転位相から算出し、動翼３０の所定位相分の回転時間を基準通過時間Ｔ_M（＝Ｔ_M2−Ｔ_M1）とする。

そして、上記で求めた通過時間Ｔ_Xと基準通過時間Ｔ_Mとの比（Ｘ＝Ｔ_M／Ｔ_X）から、下式（１）のチップクリアランス校正式によってチップクリアランスＤを算出する。

Ｄ＝ａＸ＋ｂ・・・（１）

ここで、係数ａおよび係数ｂは、それぞれ式（１）のチップクリアランス校正式におけるチップクリアランス校正値であり、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の取付け角度、取付け位置等によって決められるものである。

式（１）ののチップクリアランス校正式におけるチップクリアランス校正値ａ，ｂの求め方について、その詳細を以下に説明する。なお、本実施例においては、チップクリアランス校正値ａ，ｂを、前述のロータ軸２０および動翼３０とは別のロータ軸および動翼を用いて求める。

まず、前述の軸流回転機械１におけるロータ軸２０および動翼３０に代えて、図４に示すように、前述のロータ軸２０および動翼３０とは別の模擬ロータ軸１２０と第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０を取付けたケーシング１０に回転自在に組付ける。

なお、実際には、ケーシング１０に第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０を取付けた後、かつ、ロータ軸２０および動翼３０を取付ける前に、模擬ロータ軸１２０、第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを取付け、以下に説明するチップクリアランス校正値ａ，ｂの取得作業を済ませることが好ましい。

模擬ロータ軸１２０は、ケーシング１０と同心で回転動作可能に組付けられる軸体である。第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂは、模擬ロータ軸１２０の外周に稙設され、ケーシング１０内において模擬ロータ軸１２０と共に回転動作される回転翼であり、径方向における長さ（翼長）が互いに異なるものとする。なお、第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂは、第一レーザ光５１および第二レーザ光６１の反射具合などが前述の動翼３０と同等になるように、翼形状、特に翼頂部１３１Ａ，１３１Ｂの形状を同じにすることが好ましい。

模擬ロータ軸１２０、第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを組付けたケーシング１０においては、前述の動翼３０を備えたケーシング１０の場合と同様に、第一レーザセンサ５０から第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂの回転方向側へ向けて第一レーザ光５１が出射され、第二レーザセンサ６０から第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂの回転方向反対側へ向けて第二レーザ光６１が出射される。

第一模擬動翼１３０Ａは、模擬ロータ軸１２０と共に回転動作され、第一模擬動翼１３０Ａの翼頂部（チップ）１３１Ａは、基準点Ｍ₁から距離Ｌ_Aだけ離れた第一レーザ光５１の径路上の通過点Ｔ_LA1を通過し、基準点Ｍ₂から同じく距離Ｌ_Aだけ離れた第二レーザ光６１の径路上の通過点Ｔ_LA2を通過する。

一方、第二模擬動翼１３０Ｂは、模擬ロータ軸１２０および第一模擬動翼１３０Ａと共に回転動作されるが、その翼長は第一模擬動翼１３０Ａと異なるので、第二模擬動翼１３０Ｂの翼頂部（チップ）１３１Ｂは、基準点Ｍ₁から距離Ｌ_Bだけ離れた第一レーザ光５１の径路上の通過点Ｔ_LA1を通過し、基準点Ｍ₂から同じく距離Ｌ_Bだけ離れた第二レーザ光６１の径路上の通過点Ｔ_LA2を通過する。

以上のように模擬ロータ軸１２０、第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを組付けたケーシング１０において、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０によって、第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂが第一レーザ光５１の径路および第二レーザ光６１の径路を横切る際の時間ｔに対する反射光量ｖの関係（図２と同様の関係であるので、図示を省略する）が検出され、データ処理部８０によって、当該検出結果から第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂのそれぞれの通過時間Ｔ_LA，Ｔ_LBが算出される。

式（１）のチップクリアランス校正式におけるチップクリアランス校正値ａ，ｂは、下式（２），（３）に、第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂの形状設定値であってそれぞれの翼長を示す基準点Ｍ₁，Ｍ₂からの距離Ｌ_A，Ｌ_Bと、データ処理部８０による算出値である通過時間Ｔ_LA，Ｔ_LBとを、代入することにより求められる。なお、式（２）において、Ｔ＝Ｔ_LA／Ｔ_LBである。

ａ＝（Ｌ_B−Ｌ_A）／（Ｔ−１）・・・（２）

ｂ＝Ｌ_A−ａ−ｃ・・・（３）

以上により求めたチップクリアランス校正値ａ，ｂをデータ処理部８０に記憶させ、前述のロータ軸２０および動翼３０を備えた軸流回転機械１におけるケーシング１０と動翼３０との隙間４０におけるチップクリアランスＤを求める。すなわち、模擬ロータ軸１２０と第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂをケーシング１０から取外し、本来のロータ軸２０と動翼３０をケーシング１０に組付け、軸流回転機械１を運転させることにより、チップクリアランスＤを計測する。

本実施例に係る軸流回転機械１におけるチップクリアランスＤの計測について、以下に説明する。なお、前述したように、チップクリアランスＤは、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の検出結果および回転計７０の検出結果から、上述のチップクリアランス校正値ａ，ｂを用いて式（１）のチップクリアランス校正式によって求められる。

データ処理部８０において、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０によって、動翼３０の翼頂部３１における回転方向前方側端部３４がそれぞれ第一レーザ光５１の径路上および第二レーザ光６１の径路上に達した時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2を検出し、動翼３０が第一レーザ光５１の径路を横切ってから第二レーザ光６１の径路を横切るまでの通過時間Ｔ_X（＝Ｔ_X2−Ｔ_X1）を算出する（図２および図３参照）。

また、回転計７０によって、動翼３０における翼頂部３１の回転方向前方側端部３４が、第一基準点Ｍ₁および第二基準点Ｍ₂を通過するに相当する位相を検出し、当該位相の差分を回転する基準通過時間Ｔ_Mを算出する（図３参照）。

そして、上記で求めた通過時間Ｔ_Xと基準通過時間Ｔ_Mとの比（Ｘ＝Ｔ_M／Ｔ_X）から、チップクリアランス校正値ａ，ｂを用いた式（１）のチップクリアランス校正式によって、チップクリアランスＤを算出する。

以上により、本実施例に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械１において、チップクリアランスＤを求めることができる。本実施例によれば、動翼３０は、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０による第一レーザ光５１および第二レーザ光６１を反射するものであれば良いので、被測定物の材質を制限されず、環境温度の影響を受けることもない。

また、本実施例のように、第一レーザ光５１と第二レーザ光６１を、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の設置位置からケーシング１０およびロータ軸２０の中心位置までの間で交差させて、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０をケーシング１０に設置することにより、第一レーザ光５１および第二レーザ光６１が小さい範囲に出射されるので、ロータ軸２０に設置される複数の動翼３０のうち測定対象である動翼３０を特定し易い。よって、測定対象の動翼３０を誤認する虞を低減することができる。

また、チップクリアランス校正値ａ，ｂを、ロータ軸２０および動翼３０とは別の模擬ロータ軸１２０と第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを用いて、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０が既設されたケーシング１０において算出しているので、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の取付け誤差等がチップクリアランスＤの算出値に影響することはない。すなわち、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０の取付け誤差等を許容することができる。よって、より正確なチップクリアランスＤを測定することができる。

もちろん、本発明に係るチップクリアランス計測装置において、第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０によって通過を検出する箇所は、動翼３０における翼頂部３１の回転方向前方側端部３４に限定されない。例えば、動翼３０における翼頂部３１の回転方向後方側端部を通過検出箇所として、図２における通過時間Ｔ_Yを前記通過時間Ｔ_Xとしても良く、動翼３０における翼頂部３１の回転方向前方側端部３４および回転方向後方側端部を通過検出箇所として、図２における通過時間Ｔ_Zから動翼３０の厚み分を除いたものを前記通過時間Ｔ_Xとしても良い。

また、本発明に係るチップクリアランス計測装置において、チップクリアランス校正値ａ，ｂを求める際に、本実施例のように翼長の異なる第一模擬動翼１３０Ａおよび第二模擬動翼１３０Ｂを用いることに限定されない。例えば、チップクリアランス校正値ａ，ｂを求める際に、翼長すなわち径方向における長さが可変のテスト用動翼を用いても良い。

また、本発明に係るチップクリアランス計測装置における第一レーザセンサおよび第二レーザセンサの設置角度は、本実施例に限定されず、第一レーザセンサ５０の第一レーザ光５１と第二レーザセンサ６０の第二レーザ光６１のいずれかがロータ軸２０の半径方向と一致しない方向に出射されるものであれば良い。第一レーザ光５１と第二レーザ光６１のいずれかをロータ軸２０の径方向と一致しないようにすることで、動翼３０の翼頂部３１の半径方向位置、すなわち、チップクリアランスＤが変化した場合に、第一レーザ光５１と第二レーザ光６１の径路を横切る際の通過時間Ｔ_Xが変化するので、当該通過時間Ｔ_Xに対応するチップクリアランスＤを求めることができる。

本発明の実施例２に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械について、図５および図６を参照して説明する。

本実施例に係る軸流回転機械は、実施例１における第一レーザセンサ５０および第二レーザセンサ６０のケーシング１０に対する取付け角度を除いて、実施例１と同様な構成を有するので、同様な構成については同一の符号を付して重複説明を省略する。

図５に示すように、本実施例における軸流回転機械１は、チップクリアランスＤを正確に計測するための計測装置として、回転動作する動翼３０が所定位置を通過したことを検出するための第一レーザセンサ２５０と、回転動作する動翼３０が前記所定位置とは別の所定位置を通過したことを検出するための第二レーザセンサ２６０と、動翼３０の回転数すなわちロータ軸２０の回転数を検出する回転計７０と、第一レーザセンサ２５０と第二レーザセンサ２６０と回転計７０の検出結果からチップクリアランスＤを算出するデータ処理部８０とを備える。

第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０は、それぞれ第一レーザ光２５１，第二レーザ光２６１を出射する図示しない出射部と、出射された第一レーザ光２５１，第二レーザ光２６１が動翼３０に当たって反射した光（反射光）を感知する図示しない受光部とを有し、回転動作する動翼３０が出射された第一レーザ光２５１および第二レーザ光２６１を横切るように、第一レーザ光２５１，第二レーザ光２６１を動翼３０の回転軌道範囲内すなわちケーシング１０内周側（図５における下方側）へ向かって出射するように出射部をケーシング１０内周側へ向けて設置される。

本実施例においては、第一レーザセンサ２５０は、第一レーザ光２５１がケーシング１０側からロータ軸２０中心よりも動翼３０の回転方向反対側（図５における左方側）へ向けて出射されるように、ケーシング１０の径方向に対して傾斜して設置され、第二レーザセンサ２６０は、第二レーザ光２６１がケーシング１０側からロータ軸２０中心よりも動翼３０の回転方向側（図５における右方側）へ向けて出射されるように、ケーシング１０の径方向に対して傾斜して設置されている。

すなわち、第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０は、第一レーザ光２５１と第二レーザ光２６１が交差しないよう、ケーシング１０内周側へ向かって開くようにケーシング１０に設置されている。

回転動作される動翼３０が第一レーザ光２５１の径路および第二レーザ光２６１の径路を横切る際に第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０によって得られる時間ｔに対する反射光量（反射光の光量）ｖの関係を、それぞれ図６（ａ），（ｂ）に示す。第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０の図示しない受光部において感知される反射光量ｖは、それぞれ第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０から第一レーザ光２５１，第二レーザ光２６１の照射位置までの距離に比例し、図６（ａ），（ｂ）に示すように、直立部ａと平行部ｂと傾斜部ｃとを組み合わせた線図を描くように変化する。

詳細には、第一レーザセンサ２５０においては、第一レーザ光２５１はケーシング１０側から動翼３０の回転方向反対側へ向けて出射されているので、第一レーザ光２５１はまず回転している動翼３０の後方側面３３の翼根部側に照射され、その照射位置は動翼３０の回転に伴って動翼３０の後方側面３３上を翼頂部３１側へ移動し（図６（ａ）における傾斜部ｃに相当）、更に動翼３０の翼頂部３１の面上へ移って翼頂部３１の面上を回転方向後方側へ移動し（図６（ａ）における平行部ｂに相当）、動翼３０は後方側面３３に第二レーザ光２６１が照射されずに第二レーザ光２６１の径路上を抜ける（図６（ａ）における直立部ａに相当）。

一方、第二レーザセンサ２６０においては、第二レーザ光２６１はケーシング１０側から動翼３０の回転方向後方側へ向けて出射されているので、第二レーザ光２６１はまず回転している動翼３０の前方側面３２には照射されずに翼頂部３１に照射され（図６（ａ）における直立部ａに相当）、その照射位置は動翼３０の回転に伴って動翼３０の翼頂部３１の面上を回転方向後方側へ移動し（図６（ａ）における平行部ｂに相当）、更に動翼３０の後方側面３３へ移って後方側面３３上を翼根側へ移動する（図６（ａ）における傾斜部ｃに相当）。

データ処理部８０においては、上記の第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０の検出結果から、回転動作する動翼３０が所定位置である第一レーザ光２５１の径路を通過してから前記所定位置とは別の所定位置である第二レーザ光２６１の径路を通過するまでの通過時間Ｔ_Xを算出する。

本実施例においては、動翼３０が第一レーザ光２５１の径路および第二レーザ光２６１の径路をそれぞれ通過した時期を、動翼３０における所定箇所が第一レーザ光２５１の径路および第二レーザ光２６１の径路上に至る時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2とした。具体的には、動翼３０の翼頂部３１における回転方向前方側端部３４が、第一レーザ光２５１の径路上および第二レーザ光２６１の径路上に達したそれぞれ時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2であり、それぞれ図６に示すように、第一レーザセンサ２５０における平行部ｂの前方端（図６における右方端）と、第二レーザセンサ２６０における平行部ｂの前方端との時間差Ｔ_X（＝Ｔ_X1−Ｔ_X2）である。

式（１）のチップクリアランス校正式およびチップクリアランス校正値ａ，ｂについては、実施例１と同様であるので説明を省略する。

本実施例によれば、第一レーザ光２５１と第二レーザ光２６１が交差しないので、第一レーザ光２５１と第二レーザ光２６１との交点の位置を考慮する必要がなく、第一レーザセンサ２５０および第二レーザセンサ２６０の設置角度の制限を緩和することができる。

本発明の実施例３に係るチップクリアランス計測装置を備えた軸流回転機械について、図７および図８を参照して説明する。

図７に示すように、本実施例における軸流回転機械１は、チップクリアランスＤを正確に計測するための計測装置として、回転動作する動翼３０が所定位置を通過したことを検出するための第一レーザセンサ３５０と、回転動作する動翼３０が前記所定位置とは別の所定位置を通過したことを検出するための第二レーザセンサ３６０と、動翼３０の回転数すなわちロータ軸２０の回転数を検出する回転計７０と、第一レーザセンサ３５０と第二レーザセンサ３６０と回転計７０の検出結果からチップクリアランスＤを算出するデータ処理部８０とを備える。

第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０は、それぞれ第一レーザ光３５１，第二レーザ光３６１を出射する図示しない出射部と、出射された第一レーザ光３５１，第二レーザ光３６１が動翼３０に当たって反射した光（反射光）を感知する図示しない受光部とを有し、回転動作する動翼３０が出射された第一レーザ光３５１および第二レーザ光３６１を横切るように、第一レーザ光３５１，第二レーザ光３６１を動翼３０の回転軌道範囲内すなわちケーシング１０内周側（図７における下方側）へ向かって出射するように出射部をケーシング１０内周側へ向けて設置される。

本実施例においては、第一レーザセンサ３５０は、第一レーザ光３５１がケーシング１０側からロータ軸２０中心よりも動翼３０の回転方向側（図７における右方側）へ向けて出射されるように、ケーシング１０の径方向に対して傾斜して設置され、第二レーザセンサ３６０は、第二レーザ光３６１がケーシング１０側からロータ軸２０中心よりも動翼３０の回転方向側（図７における右方側）へ向けて出射されるように、ケーシング１０の径方向に対して傾斜して設置されている。

なお、第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０は、第一レーザ光３５１と第二レーザ光３６１が交差しないよう、ケーシング１０内周側へ向かって開くようにケーシング１０に設置されている。もちろん、実施例１のように、第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０を、第一レーザ光３５１と第二レーザ光３６１が交差するように設置しても良い。

回転動作される動翼３０が第一レーザ光３５１の径路および第二レーザ光３６１の径路を横切る際に第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０によって得られる時間ｔに対する反射光量（反射光の光量）ｖの関係を、それぞれ図８（ａ），（ｂ）に示す。第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０の図示しない受光部において感知される反射光量ｖは、それぞれ第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０から第一レーザ光３５１，第二レーザ光３６１の照射位置までの距離に比例し、図８（ａ），（ｂ）に示すように、直立部ａと平行部ｂと傾斜部ｃとを組み合わせた線図を描くように変化する。

詳細には、第一レーザセンサ３５０においては、第一レーザ光３５１はケーシング１０側から動翼３０の回転方向側へ向けて出射されているので、第一レーザ光３５１はまず回転している動翼３０の前方側面３２には照射されずに翼頂部３１に照射され（図８（ａ）における直立部ａに相当）、その照射位置は動翼３０の回転に伴って動翼３０の翼頂部３１の面上を回転方向後方側へ移動し（図８（ａ）における平行部ｂに相当）、更に動翼３０の後方側面３３へ移って後方側面３３上を翼根側へ移動する（図８（ａ）における傾斜部ｃに相当）。

一方、第二レーザセンサ３６０においては、第二レーザ光３６１はケーシング１０側から動翼３０の回転方向側へ向けて出射されているので、第二レーザ光３６１はまず回転している動翼３０の前方側面３２には照射されずに翼頂部３１に照射され（図８（ｂ）における直立部ａに相当）、その照射位置は動翼３０の回転に伴って動翼３０の翼頂部３１の面上を回転方向後方側へ移動し（図８（ｂ）における平行部ｂに相当）、更に動翼３０の後方側面３３へ移って後方側面３３上を翼根側へ移動する（図８（ｂ）における傾斜部ｃに相当）。

データ処理部８０においては、上記の第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０の検出結果から、回転動作する動翼３０が所定位置である第一レーザ光３５１の径路を通過してから前記所定位置とは別の所定位置である第二レーザ光３６１の径路を通過するまでの通過時間Ｔ_Xを算出する。

本実施例においては、動翼３０が第一レーザ光３５１の径路および第二レーザ光３６１の径路をそれぞれ通過した時期を、動翼３０における所定箇所が第一レーザ光３５１の径路および第二レーザ光３６１の径路上に至る時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2とした。具体的には、動翼３０の翼頂部３１における回転方向前方側端部３４が、第一レーザ光３５１の径路上および第二レーザ光３６１の径路上に達したそれぞれ時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2であり、それぞれ図８に示すように、第一レーザセンサ３５０における平行部ｂの前方端（図８における右方端）と、第二レーザセンサ３６０における平行部ｂの前方端との時間差Ｔ_X（＝Ｔ_X2−Ｔ_X1）である。

本実施例によれば、第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０の検出結果における時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2は、図８（ａ），（ｂ）に示すように、平行部ｂの前方端、すなわち、平行部ｂと直立部ａとの交点（直立部ａの上端部）における時刻であり、反射光量ｖが変化した場合においても、当該時刻は変化しないので、測定誤差を生じ難い。つまり、動翼３０の計測面の汚れ等によって反射光量ｖが変化した場合においても、第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０の検出結果における時刻Ｔ_X1，Ｔ_X2は変化しないので、測定誤差を低減することができる。

また、本実施例においては、第一レーザ光３５１と第二レーザ光３６１が交差しないので、第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０の設置角度の制限を緩和することができる。もちろん、実施例１のように、第一レーザセンサ３５０および第二レーザセンサ３６０を、第一レーザ光３５１と第二レーザ光３６１が交差するように設置しても良い。

１軸流回転機械
１０ケーシング
２０ロータ軸
３０動翼
３１動翼の翼頂部（チップ）
３１ａ動翼の翼頂部（チップ）の軌道
３２動翼の回転方向前方側面
３３動翼の回転方向後方側面
４０隙間
５０第一レーザセンサ
５１第一レーザ光
６０第二レーザセンサ
６１第二レーザ光
７０回転計
８０データ処理部
１２０模擬ロータ軸
１３０Ａ第一模擬動翼
１３０Ｂ第二模擬動翼

Claims

円筒状のケーシングと、ケーシング内において回転自在に支持されるロータ軸と、ロータ軸の外周に植設されロータ軸と共にケーシング内で回転される動翼とを備える軸流回転機械における前記動翼の翼頂部と前記ケーシングの内周面との距離であるチップクリアランスを計測するチップクリアランス計測装置であって、
前記ケーシングに設置され、所定方向にレーザ光を出射して前記動翼に反射した反射光を受光することにより、前記動翼が所定位置を通過したことを検出可能な第一レーザセンサと、
前記ケーシングに設置され、前記所定方向とは別の所定方向にレーザ光を出射して前記動翼に反射した反射光を受光することにより、前記動翼が前記所定位置とは別の所定位置を通過したことを検出可能な第二レーザセンサと、
前記動翼または前記ロータ軸の回転数を検出可能な回転計と、
前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサの検出結果から前記動翼の前記所定位置から前記別の所定位置までの通過時間を算出すると共に、前記回転計によって検出される前記動翼の所定位相分の回転時間を算出し、前記通過時間と前記回転時間とチップクリアランス校正値とから成るチップクリアランス校正式によってチップクリアランスを算出するデータ処理部と
を備え、
前記チップクリアランス校正値は、前記動翼とは別の模擬動翼を前記ケーシングに組付けて求められるものである
ことを特徴とするチップクリアランス計測装置。
前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサを、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光が前記ケーシングの軸方向に対して直角の方向において交差するように互いに傾斜し、更に、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光との交点が前記動翼の翼頂部よりも内周側となるように設置することを特徴とする請求項１に記載のチップクリアランス計測装置。
前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサを、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光が前記ケーシングの軸方向に対して直角の方向において交差しないように、前記ケーシング内周側へ向かって広がるように互いに傾斜して設置することを特徴とする請求項１に記載のチップクリアランス計測装置。
前記第一レーザセンサおよび前記第二レーザセンサを、前記ケーシングの中心よりも前記動翼の回転方向側へ向けて設置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のチップクリアランス計測装置。