JPS63184005A - 軸流流体機械の動翼先端間隙計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧縮機やタービン等の軸流流体機械の動翼先
端とケーシングとの間隙量を計測する軸流流体機械の動
翼先端間隙計測装置に関する。

〔従来の技術〕

軸流流体機械は動翼先端とケーシングとの間隙量、すな
わち、チップクリアランスが機械の性能に大きな影響を
及ぼす。特に効率に与える影響は大でありこのため間隙
量を減少させる努力が続けられている。この間隙量を減
少させるためには、運転中の機械の間隙量を非接触かつ
リアルタイムで測定することが必要である。この条件を
満たす間隙計測法としては、これまでいくつか提案され
ている。例えば、放電を利用して非接触計測する探針法
は、精度が高く、高温（１５００℃程度）で作動中のタ
ービンも測定可能である。また渦電流型変位計を利用し
た渦電流法は、安価で比較的高精度の測定が可能であり
、かつまた汚れ等に比較的強く取扱いも容易である。さ
らに、１９７９年ＮＡＳＡ発行のｒＬＡｓＥＲ−ＯＰＴ
ＩＣＡＬ　ＢＬＡＤＥ　ＴＩＰＣＬＥＡＲＡＮＣＥ　Ｍ
ＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＳＹＳＴＥＭＪＴＭ８１３７６
、Ｊ、Ｐ、Ｂａｒｒａｎｇｅｒ他にはレーザを利用した
光学式が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上述の探針法はコストが非常に高いという欠
点があり、渦電流式は、測定精度が対象物の速度や形状
や材質の影響を受け、かつまた比較的低温でしか使用で
きないという欠点がある。

また光学式は、環境の変化に弱い即ち埃塵等が付着する
と精度が低下し、また比較的高価である。

そこで、本発明の目的は、間隙量を非接触かつリアルタ
イムで計測できることはもちろんのこと精度が対象物の
速度や形状や材質等の影響および環境変化の影響をほと
んど受けず、かつ比較的高温でも使用でき安価に製造す
ることができる軸流流体機械の動翼先端間隙計測装置を
提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するために、本発明は、上記ケーシング
の内周面に取付けられ回転動翼との相対位置に応じて出
射光が上記動翼の側面及び先端に入射するように法線に
対して一定角度θで光を出射する光源と、上記ケーシン
グ内周面に取付けられ上記動翼からの散乱反射光を受光
する受光部と、上記ケーシング内周面に取付けられ上記
動翼が通過する通過時点を検出する位置センサと、上記
受光部の出力に基づき上記出射光が上記動翼先端に入射
した入射時点を判別し、この入射時点と上記通過時点と
上記角度θと上記ケーシングの半径と上記動翼先端の周
速とから上記間隙を算出する演算手段とを具備すること
を特徴とするものである。

〔作　用〕

光源は角度θで光を出射し、この出射光は回転中の動翼
に入射する。この入射位置は、光源と動翼との相対的位
置に応じて動翼の側面から動翼の先端に変化する。受光
部は動翼からの散乱反射光を受光するが、この受光量は
、動翼側面からの反射光と動翼先端からの反射光とでは
大きく異っている。位置センサは動翼の通過時点を検出
しそれに応じた出力を発生する。演算手段は、受光部で
の動翼側面からの受光量と動翼先端からの受光量との相
対的差異に基づき、出射光が動翼先端に入射した入射時
点を判別し、この入射時点と上記通過時点と上記角度θ
と予め分っているケーシングの半径と、動翼先端の周速
とから間隙量を算出する。

〔実施例〕

以下に、本発明による軸流流体機械の動翼先端間隙計測
装置の一実施例を第１図乃至第３図を参照して説明する
。

第１図において、ケーシング１の内周面には、光源２と
受光部３と第１の位置センサ４とが周方向に同一位置に
取付けられている。この光源２は、その法線、即ちこの
光源２を通る半径５に対して角度θ（０くθく９０°）
の方向に光束６を出射する。この光束６は、レーザ光の
ような細いものが好ましく、矢印Ａ方向に回転する動翼
７に入射する。この動翼７への入射位置は、動翼７が光
源２に近ずくにつれて動翼側面７ａから動翼先端７ｂへ
と移動する。受光部３は動翼７からの散乱反射光を受光
して電気信号に変換する。ケーシング内周面には、第１
の位置センサ４から周方向に円弧距離ａだけ離れた位置
に第２の位置センサ８が取付けられている。これらの第
１および第２位置センサ４，８はそれぞれ自身の所を通
過する動［７を検出し、電気信号を発生する。受光部３
と第１および第２位置センサ４，８からの各出力信号は
演算器９に入力され、この演算器９はこれらの信号に基
づき動翼先端７ｂとケーシング１の内周面との間隙量Ｘ
を算出して、表示器１０に送出する。電源１１は、本装
置全体に給電する。

次にこの装置の作用を説明する。

動翼７が矢印入方向に回転しているときに、光源２が光
束６を角度θで出射すると、この光束６は動翼７が光源
２から離れているときには動翼側面７ａに入射し、動翼
７が図示位置に達すると動翼先端７ｂの被測定点１２に
入射し、さらに動翼７が移動するとこれの次の動翼の側
面に入射する。

受光部３は動翼７の各位置からの散乱反射光を受光し第
２図（ａ）に示された電気信号１３を演算器９に送出す
る。この電気信号は１３は、動翼側面７ａからの散乱反
射光に対応する傾斜領域１３ａから、動翼先端７ｂから
の反射光に対応するピーク領域１３ｂを経て次の動翼の
側面からの反射光に対応する傾斜領域１３ｃに変化する
。演算機９はこの電気信号１３からのピーク領域１３ｂ
の最大ピーク時刻ｔ１を求め記憶する。

動翼７が第１位置センサ４の所を通過すると、この第１
位置センサ４は第２図（ｂ）に示されたように電気信号
１４を発生し、同様に第２位置センサ８は動翼７の通過
時に第２図（Ｃ）に示された電気信号１５を発生する。

演算器９はこれらの電気信号１４．１５から動ｍ７が第
１位置センサ４および第２位置センサ８をそれぞれ通過
した通過時刻ｔ３、ｔ５をそれぞれ記憶する。演算器９
は、このケーシング１の半径Ｒと上記角度θと上記時刻
ｔ１．ｔ３．ｔ５とに基づき、動翼先端７ｂ上の被測定
点１２とケーシング１との間隙ｆｆ１ｘを算出し、表示
器１０はこの間隙量を表示する。

この間隙量Ｘの算出式は、次のように求めることができ
る。

第３図において、第１図の位置にあるときの動翼先端７
ｂに対向したケーシング１上の点Ｐ１と第１位置センサ
４の位置Ｐ２との間の円弧の長さをｇとし、動翼先端７
ｂの周速をＵとすると、次式が成立する。

１−ｕ　（ｔｓ−ｔｔ　）　　−・　　　　　■第１位
置センサ位置Ｐ２と第２位置センサ位置Ｐ３との間の円
弧長さをａとすると、次式が成立する。

ｕ−□　・・・・・　・　・・　・　・・　−■５　ｔ
ｓ この０式を０式に代入すると、 点Ｐ　と動翼回転中心０□と点Ｐ２とのなす角度をφ（
ラジアン）とすると、次式が成立する。

この０式に■式を代入すると、 動翼回転中心０１から直線６に下した垂線の足をＰ　と
するとＯ，Ｐ４−Ｒｓ１ｎθとなる。中心０　を点Ｐ５
と点Ｐ４とのなす角は（θ＋ψ）であるから、０ＩＰ５
の長さをＣとすると、Ｃは次式から求まる。

■ したがって間隙量Ｘは次のように求めることができる。

Ｘ■Ｒ−Ｃ ■ ここでＲ，ａ、　　θは予め既知の値であるから時刻ｔ
１、ｔ３、ｔ５をそれぞれ受光部３の出力信号１３、第
１位置センサ４の出力信号１４、第２位置センサ８の出
力信号１５から求めれば、演算器９は間隙量Ｘを算出す
ることができる。

なお、上述の例では、時刻ｔ１、ｔ３、ｔ５を用いたが
それらの代りにそれぞれ時刻ｔ２、ｔ４、ｔ６を用いて
も全く同様である。また、時刻としては、１１とｔ２、
ｔ３とｔ４、ｔ５とｔ６の各平均値を用いることもでき
る。

動翼先端の周速Ｕは上側では第１、第２位置センサ４．
８の出力から算出したがこれを動翼７の回転数から算出
することもでき、この場合には、第２位置センサ８は不
要となる。

さらに、光源１と受光部３と第１位置センサ４の位置も
必ずしも周方向に同一にする必要はなく、それぞれ周方
向にずらして配置することもできる。

この場合は上述の０式は多少修正されることになる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ケー
シング内周面に取付けた光源から光束を所定の角度方向
に出射し、この光束が回転中の動翼に入射しそこから散
乱反射した光をケーシング内周面に取付けた受光部で受
光し、この受光部の出力信号から上記光束が動翼先端に
入射した入射時点を求め、またケーシング内周面に取付
けた位置センサの所を動翼が通過する通過時点を位置セ
ンサの出力から求め、これらの入射時点と通過時点と上
記角度と上記ケーシングの半径と動翼先端の周速とから
間隙量を求めるので、非接触で高精度の計測が可能とな
る。また受光部の出力の絶対値でなく相対的変化を利用
して入射時点を求めているので、計測精度は軸流流体機
械やその作動流体の汚れや動翼の材質等に余り影響を受
けることがない。また、初期調整が終了すれば周囲の状
態の変化による出力のドリフトの恐れがほとんどなく、
較正を不要にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は米発明による軸流流体機械の動翼先端間隙計測
装置の一実施例を概略的に示した断面図、第２図（ａ）
、（ｂ）、　　（ｃ）は出力波形とそれが生ずるタイミ
ングとを模式的に示したグラフ、第３図は、第１図の各
部材の幾何学的位置関係を示した図である。 １・・・ケーシング、２・・・光源、３・・・受光部、
４・・・位置センサ、６・・・出射光、７・・・動翼、
７ａ・・・動翼側面、７ｂ・・・動翼先端、９・・・演
算器。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 活３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転中の軸流流体機械の動翼先端とケーシングとの
   間の間隙を計測する軸流流体機械の動翼先端間隙計測装
   置において、上記ケーシングの内周面に取付けられ回転
   動翼との相対位置に応じて出射光が上記動翼の側面及び
   先端に入射するように法線に対して一定角度θで光を出
   射する光源と、上記ケーシング内周面に取付けられ上記
   動翼からの散乱反射光を受光する受光部と、上記ケーシ
   ング内周面に取付けられ上記動翼が通過する通過時点を
   検出する位置センサと、上記受光部の出力に基づき上記
   出射光が上記動翼先端に入射した入射時点を判別し、こ
   の入射時点と上記通過時点と上記角度θと上記ケーシン
   グの半径と上記動翼先端の周速とから上記間隙を算出す
   る演算手段とを具備することを特徴とする軸流流体機械
   の動翼先端間隙計測装置。 ２、上記光源と上記受光部と上記位置センサとは、周方
   向に実質的に同一位置に配置されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の軸流流体機械の動翼先
   端間隙計測装置。 ３、上記ケーシング内周面には上記位置センサから周方
   向に所定距離だけ離れて別の位置センサが取付けられ、
   これらの両位置センサの出力から上記動翼先端の周速を
   算出することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の軸流流体機械の動翼先端間隙計測装置。