TWI443396B - 具有第一單元及可相對於該第一單元轉動的第二單元的機器 - Google Patents

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Description

具有第一單元及可相對於該第一單元轉動的第二單元的機器
本發明係一種利用轉動構件上的光纖光學傳感器測量之耦合光學系統的調整裝置，其中一道自由光束必須跨越兩個光波導路之間的間距。
發電廠的大型電氣及熱力機器的運轉已逐漸逼近其在設計上及材料上的極限負載。為了偵測局部過載，故在這類機器的轉動構件(例如轉子)上有設置傳感器。這些傳感器必須能夠以無線傳輸的方式從外面被讀取。這些傳感器常被用來測定溫度分佈及膨脹量。
將傳感器之測量數據從轉動的機器構件上以無限傳輸的方式向外傳輸及傳感器本身都有多種可能性可供選擇。其中一種可能性是使用具有無線電介面或外外線介面(IR)的電動傳感器進行數據傳輸。這種可能性的缺點是要很費事的將電動傳感器所需的輔助電力輸送到轉動的構件上。
為了避免這個缺點，一種常見的作法是使用被動式光學傳感器，例如以具有布拉格光纖光柵(FBG)的光導管作為測量溫度及膨脹量的傳導器。例如這些傳導器會被詢問，也就是說，當光線輸入光導管並觀察到FBG的一個反射行為時，會產生一個傳導信號。如果這個反射行為發生改變，就可以推論這是因為機械應力或溫度改變造成FBG的膨脹或阻塞。
為了將要輸入的光線從固定的測量單元傳送到移動的 機器構件，需要經由透鏡準直器產生一個自由輻射輸入。但是透鏡準直器的調整是非常複雜的，因為設置在移動的機器構件上的光導管通常是一根核心直徑僅有5至9μm的單模玻璃纖維。準直器彼此的間距(也就是自由光束需跨越的距離)通常介於1mm至2m之間。可以將準直器設置在機器的中心軸上，這樣就可以持續進行光線傳輸。也可以將準直器設置在機器的中心軸外，這樣就只有在準直器因為機器轉動而彼此接近並掠過對方時，才能夠進行光線傳輸。
經由透鏡準直器將平行光束輸入光纖有4個自由度要調整。一方面是光斑必須落在接收準直器之透鏡的中央。這樣會產生兩個存在於光束平移的自由度。另外兩個自由度是因為要輸入的光束應平行於接收準直器的光學軸，以便能夠將光線完美的輸入接收光纖。這樣會產生一個二度空間的視場，因此必須為這個視場找到適當的數值。
本發明的目的是提出一種能夠對從發射面到接收面的光束進行調整的簡化的裝置。
採用具有申請專利範圍第1項之特徵的裝置即可達到上述目的。其他附屬申請專利項目的內容均為本發明之有利的實施方式。
本發明之輸出及/或接收光束的調整裝置具有一個角度調整元件及一個與角度調整元件連接的光波導路。光波導路的終端位於角度調整元件的範圍，並經由角度調整元件發出被引導的光線。
角度調整元件能夠確定(或換句話說是能夠變化)光束的發射方向，其中在可能的發射方向中，至少有一部分的發射方向會使光束穿過空間中一個確定的且與發射方向無關的點，而且這個點係位於調整裝置之外。
這個始終會被光束穿過的點最好是另外一個光波導路的一個終端，或是在另外一個光波導路的終端的透鏡準直器的一個透鏡表面。這樣角度調整元件就會使光束總是精確的在正確的位置射入透鏡準直器或光波導路，而且只有入射方向會改變。
在一個給定的幾何形狀下，例如在由光波導路的一個發射終端及另外一個光波導路的接收終端之間的間距及這兩個光波導路的相對位置所構成的幾何形狀下，本發明能夠以簡單的方式將光線的入射角調整到完美的程度。這個入射角可以確保從一個光波導路發出的光功率能夠以在給定的條件下可能的最高傳輸率被傳輸到另外一個光波導路，也就是使兩個光波導路的光學耦合達到最完美的程度。
一種可行的方式是由一個球接頭構成角度調整元件。這個球接頭可以經由一個接頭結構控制光波導路終端的移動，使光束始終會穿過一個固定點。另外一種可行的方式是由一個球面軸瓦元件構成角度調整元件，在其上有一個可以移動的球會使其一個面始終顯示這個固定點。
一種有利的實施方式是以一個測角計台作為角度調整元件。利用測角計台使光波導路的終端在一條彎曲的線上移動及擺盪，因而最終成為相當於在球面上的線性移動。 因此光束的方向始終對著這個球的虛擬中心點。這個虛擬中心點剛好就位於另外一個光波導路的終端，或是位於另外一個光波導路的終端的透鏡準直器的透鏡表面。
最好是使用兩個耦合的測角計台。這兩個測角計台彼此垂直，因此使光波導路的終端能夠在一個彎曲的面上移動及擺盪，因而最終成為相當於在部分球面上的移動。因此光束的方向始終對著這個球的虛擬中心點。同樣的，這個虛擬中心點剛好就位於另外一個光波導路的終端，或是位於另外一個光波導路的終端的透鏡準直器的透鏡表面。這種設計方式的優點是在測角計台能夠掃過的角範圍內，另外一個光波導路的方向都可以被修正。換句話說就是，在任何情況下，光束都可以被調整到與另外一個光波導路的終端或接收準直器的軸的終端平行(前提是這個軸對發光的光波導路不能的偏轉度不能太大)。
在發光的光波導路的終端最好有設置一個透鏡準直器。
本發明的一種有利的實施方式是另外加設一個線性調整元件。這個線性調整元件會使發射方向水平位移，以及使空間中的點在一個或兩個垂直於發射方向的方向上水平位移。這樣空間中的點就可以與另外一個光波導路或接收準直器的位置匹配，而不必改變發射方向，也就是不必改變入射角。
最適於使用本發明之調整裝置的機器是具有一個第一單元及一個可以相對於第一單元轉動或線性移動的第二單 元的機器。在這個情況下可以將調整裝置設置在其中一個單元上。一種有利的作法是在另外一個單元上設置另外一個光波導路，以傳輸從調整裝置射入的光線。這另外一個光波導路的終端最好是在第二單元上具有一個透鏡準直器，也就是接收準直器。
也可以在兩個單元上均設置調整光束之射出及/或接收的裝置。例如可以在一個單元上設置一個調整第一個方向用的角度調整元件，在另外一個單元上設置一個調整第二個方向(與第一個方向垂直)用的角度調整元件。
一種有利的作法是，在相對於機器周遭環境保持不動的單元上設有調整光束之射出及/或接收的裝置，且該裝置具有兩個測角計台，而在相對於機器周遭環境轉動的單元則僅設有一個接收準直器。
本發明的一種有利的實施方式是測定一個反映從第一個光波導路傳輸到第二個光波導路的功率比例的數值，如果這個數值超出一個可事先確定的下限值，則必須經由角度調整元件修正發射方向。換句話說就是利用這個規則檢驗光束的方向是否完美，或傳傳輸的功率已經低於完美的數值，因此有必要修正方向。這種實施方式亦適用於承受很大的機械負荷因而在一段時間後光束的方向會改變的機器，以確保完美的光學耦合。
一種特別有利的方式是，另外一個光波導路至少連接一個測定某種物理量的傳感器，或是另外一個光波導路本身就具有一個這樣的傳感器。如果另外一個光波導路本身 就具有一個這樣的傳感器，則另外一個光波導路可以具有一個或多個布拉格光纖光柵(FBG)，以經由BFG測量溫度或機械負荷。例如可以將一道光譜為已經的光束射入位於機器之靜止部分上的光波導路，以讀取FBG傳感器的測量值。經由調整裝置可以將光束傳輸到位於機器的轉動部分上的另外一個光波導路。當然這種情況只會發生在另外一個光波導路在轉動的過程中經過調整裝置的時候。光束會在FBG傳感器上被部分反射，並通過調整裝置回到位於機器之靜止部分上的光波導路，並在該處計算出反射的數值。
調整裝置可以確保在光波導路之間會有足夠的光功率被交換，而且是在機器組裝完成後就是如此。調整的動力可以來自於馬達或是以手動方式進行。此外也可以在機器已開始運轉後利用適當的執行元件進行後調整。
例如電動機器是一種發電機，則第一單元是一個定子，第二單元是一個轉子。
機器也可以是一種渦輪機，例如燃氣渦輪機或蒸氣渦輪機。當然也可以是其他型式的渦輪機，而且也不一定是發電用的渦輪機。
第1圖係以示意方式顯示燃氣渦輪機(1)的光學傳感器的重要部分。燃氣渦輪機(1)具有一個固定的機殼(2)及一個位於機殼內的渦輪葉片(3)。渦輪葉片(3)具有一系列的布拉格光纖光柵傳感器(13-15)，其作用是測量渦輪葉片(3)上不同位置的溫度。透過分佈在不同位置的溫度測量可以快速 且確實的偵測到渦輪葉片(3)的過載，以達到延長渦輪葉片(3)及燃氣渦輪機(1)之使用壽命的目的。
舉例而言，這個實施例中的3個布拉格光纖光柵傳感器(13-15)是透過一根單模玻璃纖維(12)產生反應，因此布拉格光纖光柵傳感器(13-15)均位於同一根玻璃纖維上。如一般所習知的，布拉格光纖光柵傳感器(13-15)的布拉格光柵可以對不同波長產生反應，因此不會彼此妨礙，換句說就是測量值可以毫無困難的同時被讀出。
為了能夠詢問任何一個布拉格光纖光柵傳感器(13-15)的測量值，一種習知的方法是將一道光譜範圍很廣的光束輸入單模玻璃纖維(12)。這個光束會在每一個布拉格光纖光柵傳感器(13-15)上被部分反射，其中反射的比例是由每一個布拉格光纖光柵傳感器(13-15)的反射區域(16-18)決定。由於渦輪葉片(3)會承受極大的機械負荷及熱負荷，因此整個傳感器的其餘部分，也就是除了單模玻璃纖維(12)及布拉格光纖光柵傳感器(13-15)之外的部分，均位於渦輪葉片(3)之外，也就是位於固定的機殼(2)內。
機殼(2)設有一個光源(4)，例如一個發光二極體或超級發光二極體(SLED)。光源(4)產生並輸入玻璃纖維(7)的光線具有一相當寬的光譜。在固定的機殼(2)及轉動的渦輪葉片(3)之間的間隙會經由一個將玻璃纖維(7)封住的機殼側的透鏡準直器(8)產生自由光束(10)。自由光束(10)會射向渦輪葉片側的透鏡準直器(11)，透鏡準直器(11)會將光束(10)輸入單模玻璃纖維(12)。
在渦輪葉片(3)上被反射後，剩餘的光束會循原路射回，也就是會經由渦輪葉片側的透鏡準直器(11)使光束(10)回到機殼側的透鏡準直器(8)。被射回的光束會被分向濾波器(6)轉向到一個分光計(19)進行光譜計算，這樣就可以得到所需的測量值，例如溫度或機械負荷的測量值。
為了產生可靠且精確的測量值，一種有利的方式是在單模玻璃纖維(12)及玻璃纖維(7)之間形成完美的光學耦合。這表示應盡可能使光源產生的光功率有最大比例通過機殼(2)及渦輪葉片(3)之間的間隙被傳輸到單模玻璃纖維(12)內，以及反過來也是應盡可能使在布拉格光纖光柵傳感器(13-15)內被反射的光功率有最大比例射入玻璃纖維(7)及分光計(19)。
以下將以在機殼(2)上進行調整為例說明。不過這個實施例僅是作為說明之用。事實上以本發明之調整裝置進行的調整也可以在渦輪葉片(3)上進行，或甚至是在機殼(2)及渦輪葉片(3)上各進行一部分調整工作。
調整工作包括正確調整4個自由度，這4個自由度當然並非彼此無關。其中一個調整是光束(10)必須射入渦輪葉片側的透鏡準直器(11)，也就是說必須在一個與渦輪葉片側的透鏡準直器(11)的軸垂直的想像中的平面上正確調整在渦輪葉片側的透鏡準直器(11)上的入射點，這相當於兩個自由度的調整。
在這個實施例中首先是經由預調整達到上述的調整工作。例如可以設置調整螺絲，然後以手動方式透過調整螺 絲調整發射點，也就是調整機殼側的透鏡準直器(8)的位置。在這個實施例中，精確度僅須達到0.5mm左右即可。
如果入射點(25)已調整正確，則另外兩個自由度也必須適當的調整。這來自於正確的入射角。如果光束(10)正好平行於渦輪葉片側的透鏡準直器(11)或單模玻璃纖維(12)的終端，就可以獲得完美的入射角。這個調整工作是利用在第1圖中僅以示意方式繪出、但是在第2圖中則以較詳細之方式繪出的調整裝置(9)進行。
第2圖顯示渦輪葉片側的透鏡準直器(11)，自由光束(10)是從透鏡準直器(11)的中心點射入。同樣的，第2圖也是以示意方式繪出單模玻璃纖維(12)及布拉格光纖光柵傳感器(13-15)。光束(10)從機殼側的準直器(8)是從機殼(2)的一側射出。
機殼側的準直器(8)係設置在一個測角計裝置(21)上。測角計裝置(21)具有兩個測角計台，並能夠使自由光束(10)在調整範圍(24)內被調整。為了調整角度，也就是調整測角計裝置(21)，故在測角計裝置(21)的一側設有一個調整螺絲(23)。由於測角計裝置(21)迫使機殼側的透鏡準直器(8)在一個球面上移動，因此光束(10)始終會對準渦輪葉片側的透鏡準直器(11)的中心射入。因此可以經由測角計裝置(21)及為簡化圖面而未在第2圖中繪出的另外一個測角計台將光束(10)調整到與單模玻璃纖維(12)的終端或渦輪葉片側的透鏡準直器(11)的軸平行，以確保獲得完美的光學耦合。由於光束(10)在射出時始終與單模玻璃纖維(12)的終 端或玻璃纖維(7)的終端平行，因此在反向射回的路徑中也會具有完美的光學耦合，這個路徑也就是光源(4)發射的光線的被反射部分必須跨越的介於機殼(2)及渦輪葉片(3)之間的間距。
因此測角計裝置(21)或兩個測角計台(21)的任務是在已給定的入射點(25)定位的限制下調整入射角，以使輸入玻璃纖維(7，12)的光功率達到最大值。
這個實施例描述的手動調整及經由測角計裝置(21)調整入射點(25)及入射角的方式使調整裝置的構造得以簡化且不易故障。但是這種方式只能以手動方式達到完美的調整，也就是說只能在組裝在維修燃氣渦輪機(1)時進行調整。另外一種可行方式(也就是第二個實施例)是使用馬達進行自動化的調整。雖然這樣做會使調整裝置(9)的構造變得比較複雜，但好處是無需以人工方式介入燃氣渦輪機即可進行調整。
第二個實施例使用的構造在很大程度上是和第一個實施例相同的。第二個實施例是將一個線性調整元件設置在機殼例的透鏡準直器(8)的區域，該線性元件可以在無需同時改變入射角的情況下經由馬達調整入射點(25)。同時兩個測角計台(21)的情況也是裝設調整馬達，該調整馬達可以在無需同的改變入射點(25)的情況下調整入射角。因此只需適當的連接及控制調整馬達就可以從燃氣渦輪機(1)外面調整到完美的光學耦合。原則上這種方式亦適用於運轉中的機器。
一種有利的方式是在安裝燃氣渦輪機(1)時就調整到所能夠達到的最佳光學耦合。這可以用手動方式進行。另外一種可行方式是用機器控制的方式探測測角計台(21)的角度範圍及入射點(25)的範圍，並自動確定那一種調整方式可以達到完美的光學耦合。
一種特別有利的方式是將第二個實施例的構造方式應用於閉合環路調整。這種閉合環路調整會自動檢驗機器運轉過程中的阻尼是否有變差。如果發現阻尼變差，機器控制就會試著經由改變線性調整元件及/或測角計台(21)回復到最佳阻尼值，也就是盡可能達到最好的光學耦合。
1‧‧‧燃氣渦輪機
2‧‧‧機殼
3‧‧‧渦輪葉片
4‧‧‧光源
5‧‧‧光譜
6‧‧‧分向濾波器
7‧‧‧光波導路
8‧‧‧準直器
9‧‧‧調整裝置
10‧‧‧自由光束
11‧‧‧準直器
12‧‧‧單模玻璃纖維
13-15‧‧‧布拉格光纖光柵傳感器
16-18‧‧‧反射區域
19‧‧‧分光計
20‧‧‧反射光譜
21‧‧‧測角計裝置
22‧‧‧玻璃纖維引線
23‧‧‧調整螺絲
24‧‧‧調整範圍
25‧‧‧入射點
以下將配合圖式及實施例對本發明的內容作進一步的說明，但是本發明的範圍並不受以下之實施例的限制。以下的圖式係以示意方式繪出各元件的形狀，且相同作用之元件均使用相同的元件符號。
第1圖：一個具有光學傳感器的渦輪機。
第2圖：一個調整裝置。

Claims (11)

  1. 一種具有一第一單元及一可相對於該第一單元轉動的第二單元的機器，其中該第一單元含有發射或接收光束之裝置，該裝置具有：一角度調整元件；及一發出光束並與該角度調整元件連接的第一光波導路，其中該第一光波導路的終端位於該角度調整元件的範圍角度調整元件，其中該角度調整元件能夠確定該第一光波導路的光束的發射方向，其中在可能的發射方向中之至少一部分的發射方向，該光束穿過空間中一個確定的且不依存於發射方向的點，其中該點係位於該裝置的外側，其中該第二單元包含第二光波導路，用以傳輸從該第一單元射入的光線。
  2. 如申請專利範圍第1項的機器，其中該角度調整元件是由一測角計台所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項的機器，其中該角度調整元件是由兩個測角計台所構成，其中該光波導路的終端可以藉由該測角計台在一球面的部分區域上移動。
  4. 如申請專利範圍第1項的機器，其中該角度調整元件是由一球接頭構成，該光波導路的終端可以藉由該球接頭在一球面的部分區域上移動。
  5. 如申請專利範圍第1項的機器，其中在該光波導路的該終端附近設有一準直器。
  6. 如申請專利範圍第1項的機器，其中另外設有一線性調整元件，該線性調整元件會使該發射方向、以及空間中的該點在一個或兩個垂直於該發射方向的方向上水平位移。
  7. 如申請專利範圍第1項的機器，其中該另外一個光波導路的終端在該第二單元上有一個準直器。
  8. 如申請專利範圍第1項的機器，其中測定一表示從該光波導路傳輸到該第二光波導路的功率比例的數值，若該數值超出一界定的臨界值，則會經由該角度調整元件修正發射方向。
  9. 如申請專利範圍第1項的機器，其中第二光波導路係與物理量用的至少一個傳感器連接，或者具有此物理量用的傳感器。
  10. 如申請專利範圍第1項的機器，其中該第一單元是電動機器定子，該第二單元是該電動機器的轉子。
  11. 如申請專利範圍第1項的機器，其中該第一單元是渦輪機的機殼的一部分，該第二單元是該渦輪機之渦輪葉片的一部分。
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