(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸を有する回転ロータアセンブリ（１０）内での軸方向静止部品（３８）に対する管（２８）の軸方向変位を測定するための測定システムであって、
上記管（２８）の長手軸の近傍に配置された１以上の変位センサ（４８）と、
一端で上記変位センサ（４８）に接続し、ロータアセンブリ内を通り抜ける絶縁ケーブル系（５０，５６，３６）と、
上記ロータアセンブリを軸方向に超えた位置にあって、上記ケーブル系の他端と接続したプロキシミタモジュールアセンブリ（７８）と、
上記プロキシミタモジュールアセンブリから信号をサンプリングしてデータを地上局に転送するための、プロキシミタモジュールアセンブリと動作上接続したテレメトリー装置（１１２，１１６）と
を含む測定システム。
【請求項２】
前記変位センサ（４８）が、測定部位で管の長手軸と実質的に垂直に配向している、請求項１記載の測定システム。
【請求項３】
前記測定部位が管（２８）の外面のランプ（４６）を含む、請求項２記載の測定システム。
【請求項４】
前記１以上の変位センサ（４８）が、前記ロータアセンブリ（１０）の長手軸を中心として円周方向に離隔した４つの変位センサを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の測定システム。
【請求項５】
前記１以上の変位センサ（４８）が前記ケーブル系に接続され、当該ケーブル系が半径方向にロータアセンブリの中央部に延びるとともに軸方向に前記ロータアセンブリ（１０）に沿って延びて前記プロキシミタモジュールアセンブリ（７８）と動作上接続する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の測定システム。
【請求項６】
前記プロキシミタモジュールアセンブリ（７８）が、前記ロータアセンブリ（１０）と共に回転するように取り付けられた４つのプロキシミタモジュール（５８，６０，６２，６４）を含む、請求項５記載の測定システム。
【請求項７】
前記プロキシミタモジュールアセンブリ（７８）が自己給電式である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の測定システム。
【請求項８】
前記管（２８）が前記回転ロータアセンブリ（１０）内部を軸方向に延びる蒸気導管であり、前記軸方向静止部品（３８）が前記回転ロータアセンブリ（１０）の固定スリーブ継手である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の測定システム。
【請求項９】
前記回転ロータアセンブリ（１０）が、ロータ（１２）とスペーサホイール（２０，２２，２４）とタービンホイール（１４，１６，１８，１９）とを備えるタービンロータアセンブリであり、前記固定スリーブ継手がスペーサホイール（２０）に設けられている、請求項８記載の測定システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の測定システムを備える回転ロータアセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は一般に回転環境下で軸方向変位を測定するためのシステムに関するものであり、具体的には、ガスタービンロータアセンブリの隣接部品間の相対的な軸方向運動の測定に関する。
【０００２】
【発明の概要】
本願出願人の開発した最新式ガスタービン動力装置では、第１段及び第２段ガスタービンバケットは、ガスタービンロータアセンブリ内を通る送給システムによって供給される蒸気又は空気で冷却される閉回路である。軸方向送給管と回転タービンホイールとの相対的な軸方向運動に起因する摩耗を評価するのが重要である。かかる測定が必要とされるロータは、直径約５９インチで最大回転速度４２００ｒｐｍである。蒸気送給管は、重厚なロータアセンブリ内部深くに埋設されていて、これらの管の軸方向変位の測定に用いられるセンサは機械の中心線（つまりロータ軸線）から約２４インチのところに装着する必要があり、そのため１２０００×ｇを超える遠心加速度を繰り返し受けることがそれに耐えなければならない。さらに、測定すべき部品の温度は７５°Ｆ〜２５０°Ｆとなり、信号導線を通さなくてはならない領域の温度は１０００°Ｆ近くになるであろう。システムは、最高速度及び最高温度まで一連の４０分サイクルを耐え抜かなければならず、推定耐用寿命が５０００サイクルを超えることが望ましい。ユニットは自己給電式でも、回転電力結合装置を介して外部電源で作動するものでもよい。変位信号は回転テレメトリーシステムカプセルを通して固定基地に送信される。
【０００３】
本発明の例示的な実施形態では、Ｂｅｎｔｌｅｙ  Ｎｅｖａｄａ社から市販の近接トランスデューサーシステムを用いて、ロータ軸の周囲に９０度間隔で配設された４つの軸方向蒸気供給冷却管の、ロータアセンブリ内の静止部品に対する軸方向変位測定値を、かかる蒸気供給冷却管と静止部品がロータ軸周囲を回転している間に、検知する。
【０００４】
測定は、妨害や摩耗や劣化を起こす可動部を一切有さないトランスデューサーで行われ、標準的トランスデューサープローブの最高温度は３５０°Ｆと定められており、測定部位の近傍の予想温度を若干上回る。トランスデューサーもしくはセンサは各蒸気供給管の運動方向と垂直に配向しているとともに測定部位に集中しており、測定部位は管の傾斜部もしくは湾曲部（つまり、隅肉半径）である。これによって、管がプローブの測定距離内に止めることができる。特注ケーブルが円周方向に隔設されたセンサに接続しており、ケーブルは、一端でプローブに接続するとともに他端で発振器／復調器モジュールに接続するため、高温領域を横断する無機絶縁金属被覆部分と低温フレキシブル部分とを含む。
【０００５】
すべてのモジュールは、機械の軸受ケーシングとテレメトリーカプセルの間の２つの永久潤滑式玉軸受で支持されたモジュール支持リング内で機械中心線の近傍で回転する。モジュールは、モジュール支持リングの外径に装着された回転誘導発電システムによって給電される。誘導発電システム回転リング内部の整流器、フィルター及び調整器が、モジュールに必要な２４ＶＤＣを供給する。Ｐｒｏｘｉｍｉｔｏｒ（登録商標）モジュールからの２〜１８ＶＤＣの出力信号は、回転円形コネクタ及びフレキシブル結合装置を通してテレメトリーカプセルと接続される。テレメトリーカプセルは、毎秒約１回の割合で信号をサンプリングし、データを無線周波数リンクを通して地上局にデジタル送信する。テストセルデータ収集システムがシリアルリンクを介して地上局から上記デジタルデータを受信する。
【０００６】
測定システムのターゲットとして用いられる管の隅肉部の形状によって、システムの出力は本質的に非線形となる。そのため、管の運動の正確な絶対測定値が必要なときは、運転前に現場(in situ)での詳細な較正を行う必要がある。較正後、曲線の当てはめを行って、得られた係数を工学単位計算用のデータ収集コンピュータに入れればよい。
【０００７】
そこで、本発明は、その広義の態様では、長手軸を有する回転ロータアセンブリにおいて軸方向静止部品に対する管の軸方向変位を測定するための測定システムであって、管の長手軸の近傍に配置し得るようにした１以上の変位センサ、ロータアセンブリ内を通り抜けるようにした絶縁ケーブル系、上記ロータアセンブリを軸方向に超えた位置にあって上記ケーブルと接続したプロキシミタモジュールアセンブリ、及びプロキシミタモジュールアセンブリから信号をサンプリングしてデータを地上局に転送するための、プロキシミタモジュールアセンブリと動作上接続したテレメトリー装置を含む測定システムに関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、タービンロータアセンブリ１０は、ロータ１２、スペーサホイール２０，２２，２４で隔てられた４つのタービンホイール１４，１６，１８，１９を含む。各ホイール１４，１６，１８は複数のバケットつまり動翼（図示せず）を支持しており、動翼は静止ノズル（図示せず）と周知の通り相互作用する。
【０００９】
ロータアセンブリ内部では、複数の軸方向に延びる蒸気導管つまり管（２つを符号２６，２８で示す）が第１及び第２段ホイール１４，１６のバケットに冷却蒸気を供給するが、冷却管２６，２８は後方ホイール３０を起点とし、そこで冷却回路は複数の管３２，３４等で半径方向内側に曲がり、次いで軸方向に延びてロータの外へと通じる。
【００１０】
矢印Ａで示す位置が、本発明に従って冷却管２８の相対的軸方向運動を測定し得る位置の一つである。測定トランスデューサーからのケーブルはロータアセンブリ内を通って後述のプロキシミタモジュールまで延びていなければならない。ケーブルはまず半径方向内側に向かってロータ中央部まで延び、次いで後方に向かって後述の電子機器通路に至る。図１では、ケーブルの軸方向部分を符号３６で示す。４つの測定位置とセンサプローブ配置は事実上同一であるので、その１つを詳しく説明すればよい。
【００１１】
次に図２を参照すると、細部を強調した図であり、軸方向に延びる蒸気冷却管２８を示すが、この軸方向に延びる蒸気冷却管２８は第１−第２段スペーサホイール２０を通り、そこで固定スリーブ継手３８と係合する。管の自由端４０は、第１段ホイール１４の固定リング４２と係合して「スプーリー」連結器４４を収容する。本発明では、スリーブ継手３８に対する管２８の軸方向運動の測定は、固定スリーブ継手の直ぐ近傍の管の湾曲隅肉部つまりランプ４６に沿ってなされる。検知トランスデューサーつまりセンサプローブ４８は、管２８の運動方向と垂直に配置される。ランプつまり隅肉部４６に集中させることで、管２８はセンサプローブの測定距離範囲内に止まるであろう。センサプローブ４８は、市販のＢｅｎｔｌｅｙ  Ｎｅｖａｄａ社製３３００シリーズプロキシミティトランスデューサーシステム(3300 Series Proximity Transducer System)の一部でもよく、妨害や摩耗や劣化を起こす可動部を一切有していないこと、センサプローブ４８の定格最高温度が３５０°Ｆで近接部の予想温度を若干上回ること、及びセンサプローブが比較的安価であることなど、幾つかの利点をもつ。ただし、標準３３００シリーズトランスデューサーは過酷な用途用に耐久化し得る。
【００１２】
センサプローブ４８からワイヤガイド５２を通してコネクタ５４までフレキシブルケーブル５０が延びており、コネクタ５４から「ハード」ケーブル５６がロータ中央部を経て軸方向にプロキシミタモジュール５８，６０，６２，６４まで延びる。前述の通り、かかる軸方向ケーブル３６は４つ存在し、ロータ構造体の周囲に約９０度間隔で配設された４つの蒸気冷却管に近接した４つのトランスデューサーもしくはセンサプローブそれぞれとつながっている。
【００１３】
使用時の管２８は、ロータアセンブリ１０内部の高温のため軸方向に膨張する。管の温度及び材料特性は既知であるので、熱膨張による軸方向の運動の程度はある程度の精度で予測できる。ただし、管２８はロータの回転によって管に加わる遠心力のため半径方向の運動にも付される。これに関して、管２８がどのように図２のスリーブ継手３８と半径方向外側端で係合し、半径方向内側端で離れるかに留意されたい。遠心力は円形の管を「楕円化」してプローブ近傍での半径方向運動を増す可能性もある。測定表面はランプ（つまり隅肉部）４６であるので、管２８が少しでも動けばセンサプローブ４８とランプ４６との距離が変化する。半径方向の運動はごくわずかではあるが、センサプローブ４８は半径方向の運動と軸方向の運動を共に検知できる。管２８の長さに沿って３乃至４つのスリーブ継手３８のような継手が軸方向に隔設される点で、軸方向の運動は相当なもの（例えば、約０．３８３インチ）となり得る。第１−第２段スペーサホイール２０に位置する継手が残りのスリーブ継手の負荷を引き受け、継手はてい摩擦面を有するので管２８はスムーズに膨張できる。システムは管材の熱膨張特性に応じて較正できるので、遠心力による楕円化及び／又は滑動及び摺動などの他の原因による軸方向運動は高精度で（つまり２００ミルもの細かな動きまで）検知できる。
【００１４】
検知された軸方向運動はケーブル３６を介して、図３乃至図６に部分概略図として示すとともに図７に機能的線図として示した電子機器パッケージ６６に配置された４つの円周方向に配設されたプロキシミタモジュール５８，６０，６２，６４に伝送される。図３を参照すると、パッケージ６６は、パッケージの中心線６６がロータアセンブリ１０の軸線と整列するように、タービンロータの軸受ケーシング（図示せず）の後方端にボルト（その２つを符号６８で示す）、案内ピン（その２つを符号７０で示す）及び／又はパッケージフレーム７２の他の適当な手段で取り付けられるようになっている。ケーブル３６を収容した計装チューブ７４はフレーム７２内を通って、スプライン７６を介してプロキシミタモジュールアセンブリ７８に接続される。プロキシミタモジュールアセンブリ７８はボルト８０によってフレーム７２に固定される。プロキシミタモジュール５８，６０，６２，６４は、前方支持板８２と支持リング８４と後方板８６の中に収容される。このサブアセンブリは、軸受８８，９０によって管７４と共に回転可能であり、軸受８８，９０は押さえナット９２で所定位置に保持される。軸受荷重ばね８７が軸受の軸方向後方に設置される。（軸方向に管７４と当接する）直径の大きいワイヤガイド管９１が、４つのプロキシミタモジュール５８，６０，６２，６４の中央に延びて後方支持板８８とつながっている。プロキシミタモジュールの前方には、静置１次電力コイルと回転２次電力コイルがある。コイル９３はリング９６と支持体９８で支持される。コイル９４は電源１００に接続される。こうして、プロキシミタモジュールアセンブリの自己給電が可能になり、試験中にリアルタイムなデータ収集が可能となる。コイル９３，９４は線形増幅器１０８及び交流電源１１０（図７参照）に接続される。
【００１５】
３つの静置環状コネクター１０２，１０４，１０６がプロキシミタモジュール５８，６０，６２，６４の背後に位置しており、１つのコネクターはパッケージを基準温度に較正するのに用いられ、残りの２つのコネクターは各々センサプローブ４８からの４つのケーブルの２つを受け入れる。（ケブラー(Keblar)レーシング１１４を用いた）フレキシブル駆動継手１１２が、モジュールの後方支持板８６と、取り付け板１１８で支持されるスリップリング１１６との間に配置される。図５に、駆動継手におけるレーシングの端面図を示す。これは回転部品から静止部品へと信号を変換するフレキシブル駆動継手とスリップリングである。この構成の機能的な線図を図７に示す。
【００１６】
フレキシブル駆動継手１１２及びスリップリング１１６は、Ａｃｃｕｍｅｔｒｉｃｓ社から市販の回転テレメトリーシステムの一部である。テレメトリーシステムは、毎秒約１回の割合で信号をサンプリングし、データを無線周波数リンクを介して地上局にデジタル送信する。テストセル収集システムがシリアルリンクを介して地上局からデジタルデータを受信する。
【００１７】
以上、本発明を現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態について説明してきたが、本発明は、開示した実施形態のみに限定されるものではなく、請求項に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成にも及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る測定システムを組み込んだタービンロータアセンブリの部分断面斜視図。
【図２】  ロータアセンブリの蒸気送給管支持部の部分断面図であり、タービンホイール上でのトランスデューサーの装着位置を、軸方向に向いた送給管の隅肉部近傍のトランスデューサー先端と共に示す。
【図３】  本発明で使用される回転電子機器パッケージの部分側面図。
【図４】  図３の線４−４に沿う断面図。
【図５】  図３の線５−５に沿う断面図。
【図６】  図３の線６−６に沿う断面図。
【図７】  本発明に係る軸方向変位測定システムの機能ブロック線図。
【図１】
0004776069.tif 000002
【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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【図７】
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