(57)【要約】      （修正有）【課題】クリアランスの計測精度の向上を図るクリアランス計測システムを提供する。【解決手段】クリアランス計測システムは、コンプレッサハウジング５とコンプレッサハウジング５内で回転するコンプレッサ翼車７とのクリアランスを計測するシステムである。コンプレッサハウジング５のシュラウド面４３にコンプレッサ翼車７の羽根４１同士の間隔の整数倍の間隔をあけて周方向に配置され、羽根４１との間隙を検知する複数の変位センサ２１を有する第１センサ組３１と、第１センサ組３１の各変位センサ２１の信号値を加算して出力する加算回路と、を備える。【選択図】図２
2020008004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械のケーシングと前記ケーシング内で回転する翼車とのクリアランスを計測するクリアランス計測システムであって、
前記ケーシングの内壁面に前記翼車の羽根同士の間隔の整数倍の間隔をあけて周方向に配置され前記羽根との間隙を検知する複数の変位センサを有するセンサ組と、
前記センサ組の各前記変位センサの信号値を加算して出力する加算手段と、を備えるクリアランス計測システム。
【請求項２】
前記センサ組に含まれる前記変位センサの数と、前記羽根の数と、が同じである、請求項１に記載のクリアランス計測システム。
【請求項３】
複数の前記センサ組が前記翼車の回転軸線方向に配列されている、請求項１又は２に記載のクリアランス計測システム。
【請求項４】
前記センサ組のうちの一組は、前記羽根のリーディングエッジの位置で前記間隙を検知し、
前記センサ組のうちの他の一組は、前記羽根のトレーリングエッジの位置で前記間隙を検知する、請求項３に記載のクリアランス計測システム。
【請求項５】
前記加算手段は、前記変位センサの電圧信号を加算して出力する加算回路である、請求項１〜４の何れか１項に記載のクリアランス計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリアランス計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に記載の計測システムが知られている。このシステムは、圧縮機のハウジングに変位センサを設置し、ハウジング内で回転する翼車の翼に変位センサを対面させて、翼車とハウジングとのクリアランスを計測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2009-47167号公報
【特許文献２】特開2000-220408号公報
【特許文献３】特開2015-169531号公報
【特許文献４】特開平2-23205号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなシステムにおいて、例えば、静電容量型変位センサが用いられる場合には、翼車の寸法が小さいほど、翼と変位センサとの対面面積が小さくなる。この場合、翼と変位センサとの間の静電容量も小さく、小さい信号しか得られない。そうすると、信号のＳＮ比は悪化しクリアランスの計測精度も低くなる。上記のような場合に限られず、この種のクリアランス計測においては、計測精度の向上が求められる。本発明は、クリアランスの計測精度の向上を図るクリアランス計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のクリアランス計測システムは、ターボ機械のケーシングとケーシング内で回転する翼車とのクリアランスを計測するシステムであって、ケーシングの内壁面に翼車の羽根同士の間隔の整数倍の間隔をあけて周方向に配置され羽根との間隙を検知する複数の変位センサを有するセンサ組と、センサ組の各変位センサの信号値を加算して出力する加算手段と、を備える。
【０００６】
このクリアランス計測システムでは、センサ組の変位センサは、翼車の羽根同士の間隔の整数倍の間隔をあけて周方向に配置される。この構成によれば、翼車の回転中において、各変位センサは、すべて同じタイミングで羽根の端面に対面するので、同期して信号を発生する。上記の信号が加算手段で加算されるので、加算手段から出力される信号の信号値は、１つの変位センサから出力される信号値よりも大きい。その結果、ノイズに対する相対的な信号の出力値が向上するので、信号のＳＮ比が改善され、クリアランスの計測精度の向上が図られる。
【０００７】
また、センサ組に含まれる変位センサの数と、羽根の数と、が同じであってもよい。また、複数のセンサ組が翼車の回転軸線方向に配列されていてもよい。また、センサ組のうちの一組は、羽根のリーディングエッジの位置で間隙を検知し、センサ組のうちの他の一組は、羽根のトレーリングエッジの位置で間隙を検知することとしてもよい。また、加算手段は、変位センサの電圧信号を加算して出力する加算回路であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、クリアランスの計測精度の向上を図るクリアランス計測システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態のクリアランス計測システムが適用される過給機の断面図である。
【図２】変位センサ近傍を模式的に示す断面図である。
【図３】回転軸線方向から見た変位センサと、コンプレッサ翼車の羽根との位置関係を模式的に示す図である。
【図４】クリアランス計測システムを示す図である。
【図５】第２実施形態のクリアランス計測システムを示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は実施形態の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るターボ機械の実施形態について詳細に説明する。図１は、過給機１の回転軸線Ｈを含む断面を取った断面図である。過給機１は、本実施形態に係るターボ機械としてのコンプレッサ３を備えている。過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。
【００１１】
図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。
【００１２】
タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。
【００１３】
タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。
【００１４】
コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口から吐出される。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。
【００１５】
コンプレッサ３（ターボ機械）においては、コンプレッサ翼車７の回転による遠心力や、コンプレッサ翼車７及びコンプレッサハウジング５（ケーシング）の熱膨張等に起因して、コンプレッサ翼車７とコンプレッサハウジング５との間のクリアランスが変動する。従って、運転中には上記クリアランスが監視され、異常がある場合等には適切な措置が取られる。このため、過給機１は、クリアランス計測システム２０（図４参照）を備えている。クリアランス計測システム２０は、コンプレッサハウジング５とコンプレッサ翼車７との回転径方向のクリアランスを計測する。
【００１６】
クリアランス計測システム２０は、６つの変位センサ２１からなる第１センサ組３１と、６つの変位センサ２２からなる第２センサ組３２と、を備えている。変位センサ２１と変位センサ２２とは互いに同一の構成を備える。第１センサ組３１と第２センサ組３２とは、回転軸線Ｈ方向に配列されている。具体的には、第１センサ組３１の６つの変位センサ２１は、コンプレッサ翼車７の羽根４１のリーディングエッジ４１ａに対応する位置で、回転軸線Ｈに直交する仮想平面に沿って、周方向に配列される。第２センサ組３２の６つの変位センサ２２は、コンプレッサ翼車７の羽根４１のトレーリングエッジ４１ｂに対応する位置で、回転軸線Ｈに直交する仮想平面に沿って、周方向に配列される。第１センサ組３１と第２センサ組３２とは、設置位置のみが異なり互いに同一の構成を備えるので、以下では、第１センサ組３１について主に説明し重複する説明を省略する場合がある。
【００１７】
図２に示されるように、第１センサ組３１の変位センサ２１は、コンプレッサハウジング５のシュラウド面４３（内壁面）に埋込まれて設置され、羽根４１の端面４１ｅとの間隙を検知する。具体的には、変位センサ２１は、静電容量型変位センサであり、当該変位センサ２１のプローブ面４５と羽根４１の端面４１ｅとの間の静電容量に応じた電圧信号を信号線４７に出力する。ここでは、端面４１ｅは、羽根４１のチップ（シュラウドエッジ）のうちプローブ面４５に対面する部分である。
【００１８】
図３は、回転軸線Ｈ方向から見た変位センサ２１の配置と、コンプレッサ翼車７の羽根４１との位置関係を模式的に示す図である。コンプレッサ翼車７の羽根４１は、６０°の角度間隔をあけて周方向に等間隔に配置されている。変位センサ２１は、羽根４１と同数存在し、羽根４１と同じ角度間隔をあけて周方向に等間隔に配置される。すなわちここでは、６つの変位センサ２１が６０°の角度間隔をあけて周方向に配置されている。同様に、変位センサ２２は、羽根４１と同数存在し、羽根４１と同じ角度間隔をあけて周方向に等間隔に配置される。すなわちここでは、６つの変位センサ２２が６０°の角度間隔をあけて周方向に配置されている。
【００１９】
更に、図４に示されるように、クリアランス計測システム２０は加算回路４９を備えている。加算回路４９には、６つの各変位センサ２１の各信号線４７から電圧信号が入力され、加算回路４９は、入力される６つの電圧信号を加算して出力信号線５１から出力する。加算回路４９は、抵抗要素５３，５５とオペアンプ５７とを備え、抵抗要素５３，５５の抵抗値はすべて同一とされる。なお、加算回路４９は、入力された複数の電圧信号を加算して出力する加算回路として公知のものであるので、更なる詳細な説明は省略する。加算回路４９は１つの装置内に構築されてもよい。或いは、加算回路４９の各構成要素（抵抗要素５３，５５、オペアンプ５７等）が、例えば変位センサ２１を含むセンサユニットの筐体内や、信号変換器の筐体内等に適宜分散されて存在してもよい。
【００２０】
更に、クリアランス計測システム２０は制御部５９を備えている。制御部５９は例えばコンピュータである。制御部５９は、クリアランス演算部６１を有している。クリアランス演算部６１は、制御部５９を構成するコンピュータが所定のプログラムに従って動作することにより実現される構成要素である。
【００２１】
制御部５９には、加算回路４９の出力信号線５１の電圧信号が入力される。クリアランス演算部６１は、入力された上記電圧信号に基づいて演算を実行し、シュラウド面４３とコンプレッサ翼車７とのクリアランス値を算出し出力する。クリアランス演算部６１から出力されたクリアランス値は、後段のアプリケーション（例えば、クリアランスを管理するアプリケーション）で適宜利用される。
【００２２】
また、図４に示されるように、加算回路４９に並行して加算回路６５が設けられている。加算回路６５は、加算回路４９と同一の構成を備えており、第２センサ組３２から入力される６つの電圧信号を加算して制御部５９に出力する。クリアランス演算部６１では、第１センサ組３１からの信号に基づいてリーディングエッジ４１ａのクリアランスが算出されると共に、第２センサ組３２からの信号に基づいてトレーリングエッジ４１ｂのクリアランスが算出される。
【００２３】
以上のクリアランス計測システム２０による作用効果について説明する。コンプレッサ翼車７のクリアランス計測において、静電容量型の変位センサが採用される場合には、静電容量型変位センサの原理上、羽根４１の端面４１ｅの面積が小さくなるほど信号の出力値も小さくなる。その結果、ノイズに対する相対的な信号の出力値が小さくなり、信号のＳＮ比が悪化することになる。コンプレッサ３のような遠心圧縮機においては、小さいコンプレッサ翼車７をもつ小型のものも存在するので、仮に、単独の変位センサを用いた場合には、上記のようなＳＮ比の悪化が起こりやすい。
【００２４】
これに対し、クリアランス計測システム２０においては、第１センサ組３１の変位センサ２１は、コンプレッサ翼車７の羽根４１と同数（６個）存在し、回転軸線Ｈに直交する仮想平面に沿って、羽根４１と同間隔（６０°間隔）をあけて周方向に配置される。この構成によれば、コンプレッサ翼車７の回転中において、６つの変位センサ２１がすべて同じタイミングで羽根４１の端面４１ｅに対面するので、同期して電圧信号を発生する。そして、６つの電圧信号が加算回路４９で加算される。
【００２５】
従って、加算回路４９の信号値は、１つの変位センサ２１から出力される信号値の約６倍となる。従って、ノイズに対する相対的な信号の出力値が向上し、信号のＳＮ比が改善される。その結果、クリアランスの計測精度の向上が図られる。同様にして、第２センサ組３２においても、クリアランスの計測精度の向上が図られる。なお、上記のように得られた加算回路４９の信号値の１／６が、１つの変位センサ２１から出力される信号値の平均値として、後段のアプリケーションで使用されてもよい。
【００２６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態において第１実施形態と同一又は同等の構成要素には図面に同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２７】
図５に示されるように、本実施形態のクリアランス計測システム１２０は、６つの変位センサ２１の信号値を加算して出力する加算手段として加算演算部７１を備え、６つの変位センサ２２の信号値を加算して出力する加算手段として加算演算部７２を備えている。
【００２８】
加算演算部７１は、第１センサ組３１の各変位センサ２１から制御部５９にそれぞれ入力される６つの電圧信号の信号値を加算してクリアランス演算部６２に出力する。クリアランス演算部６２では、加算演算部７１から出力された信号値に基づいてリーディングエッジ４１ａのクリアランスが算出される。同様に、加算演算部７２は、第２センサ組３２の各変位センサ２２から制御部５９にそれぞれ入力される６つの電圧信号の信号値を加算してクリアランス演算部６２に出力する。クリアランス演算部６２では、加算演算部７１から出力された信号値に基づいてトレーリングエッジ４１ｂのクリアランスが算出される。クリアランス演算部６２から出力されたクリアランス値は、後段のアプリケーション（例えば、クリアランスを管理するアプリケーション）で適宜利用される。なお、加算演算部７１、加算演算部７２及びクリアランス演算部６２は、制御部５９を構成するコンピュータが所定のプログラムに従って動作することにより実現される構成要素である。
【００２９】
このようなクリアランス計測システム１２０によっても、変位センサ２１，２２の各電圧信号値が加算されることにより、ノイズの影響が相対的に低減されるので、前述のクリアランス計測システム２０と同様の作用効果が奏される。
【００３０】
本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。
【００３１】
実施形態では、変位センサ２１の周方向の配置間隔がコンプレッサ翼車７の羽根４１と同じ配置間隔であったが、変位センサ２１の配置間隔は、羽根４１の配置間隔の整数倍であればよい。すなわち、例えば図６（ａ）に示されるように、変位センサ２１の配置間隔が１２０°とされてもよい。また、変位センサ２１を周方向全周に亘って均等に設置する必要はなく、羽根４１の配置間隔の整数倍の配置間隔で設置された変位センサ２１の組み合わせが少なくとも１組存在すればよい。すなわち、例えば図６（ｂ）に示されるように、１２０°の間隔で２つの変位センサ２１のみが設置されてもよい。また、実施形態では、コンプレッサ翼車７の羽根４１が６枚である場合を一例として説明したが、羽根４１の枚数は適宜増減されてもよい。また、実施形態では、センサ組が２組存在する場合を例として説明したが、センサ組の組数は３組以上であってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
３  コンプレッサ（ターボ機械）
５  コンプレッサハウジング（ケーシング）
７  コンプレッサ翼車（翼車）
２０，１２０  クリアランス計測システム
２１，２２  変位センサ
３１  第１センサ組
３２  第２センサ組
４１  羽根（翼）
４１ａ  リーディングエッジ
４１ｂ  トレーリングエッジ
４９，６５  加算回路（加算手段）
７１，７２  加算演算部（加算手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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