(57)【要約】【課題】発電機ロータを検査するための方法およびシステムを提供すること。【解決手段】システムは、アレイ状に形成される複数の変換器要素（６０２）を含む、活動面（５０４）を含むフェーズドアレイ超音波変換器（５０２）を含み、変換器要素は、活動面に対して複数の角度で超音波エネルギーの伝達ビーム（５１６）を生成するために所定の順序で励起されるように構成される。変換器要素は、活動面を介して超音波エコーを受信するように構成される。システムはまた、変換器に結合されるように構成される結合面と、ロータ（１０８）に結合されるように構成される伝達面とを含む変換器ウェッジを含む。ウェッジは、超音波伝達ビームがロータの荷重面に実質的に垂直の角度で構成要素に入るように、ビームを伝達面の所で所定の角度だけ屈折させるように構成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機ロータを検査するためのシステムにおいて、
アレイ状に形成される複数の変換器要素（６０２）を備える、活動面（５０４）を含むフェーズドアレイ超音波変換器（５０２）であって、前記要素が、前記活動面に対して複数の角度で超音波エネルギーの伝達ビーム（５１６）を生成するために所定の順序で励起されるように構成され、前記要素が、前記活動面を介して超音波エコーを受信するように構成されるフェーズドアレイ超音波変換器（５０２）と、
前記変換器に結合されるように構成される結合面と、ロータ（１０８）に結合されるように構成される伝達面とを含む変換器ウェッジであって、前記超音波伝達ビームが前記ロータの荷重面に実質的に垂直の角度で構成要素に入るように、前記ビームを前記伝達面の所で所定の角度だけ屈折させるように構成される変換器ウェッジとを備えるシステム。
【請求項２】
前記荷重面が、ロータスロットウェッジに結合されるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ロータ（１０８）が、複数の円周状のグルーブと、隣接グルーブ（３０２）の間に位置付けられるそれぞれのランド（３０４）とを含み、前記変換器が、前記ロータの外周（１１２）に切削されたグルーブ内で前記ロータに結合する大きさに作成される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記ロータ（１０８）が、複数の円周状のグルーブと、隣接グルーブの間に位置付けられるそれぞれのランドとを含み、前記変換器（５０２）が、ランド上で前記ロータの外周（１１２）に結合する大きさに作成される、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記結合面と伝達面とが、複数の角度を定め、第１の角度が、前記荷重面と前記伝達面との間の角度および前記変換器ウェッジの材料の超音波屈折率に基づいて選択され、第２の角度が、前記超音波伝達ビームが前記ロータ（１０８）の前記荷重面に沿って実質的に軸方向に進められる角度Δθの範囲に基づいて選択される、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
電気発電機のロータ（１０８）を検査するための方法において、
超音波変換器の活動面（５０４）を、実質的にウェッジ形状のシュー（５０６）に結合する段階であって、前記変換器がアレイ状に形成される複数の変換器要素（６０２）を含む段階と、
超音波伝達ビーム（５１６）を生成するために前記複数の変換器要素を励起する段階と、
前記超音波ビームが前記ロータの荷重面に実質的に垂直の角度に屈折されるように前記シューを通して前記超音波ビームを伝達する段階とを含む方法。
【請求項７】
前記ロータ（１０８）から複数のエコー信号を受信する段階と、
前記複数のエコー信号を使用して前記ロータにおける密度界面を決定する段階とさらにを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記ロータ（１０８）から複数のエコー信号を受信する段階が、複数のチャネル内の前記エコー信号を処理する段階を含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記複数の変換器要素（６０２）を励起する段階が、前記変換器要素の各々に別個の励起信号パルスを与える段階を含む、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の変換器要素（６０２）を励起する段階が、前記超音波伝達ビーム（５１６）を選択されたレイパスに沿って、垂直な面に対して角度Δθの範囲にわたって進める段階を含む、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力発電機に関し、より詳細には、電力発電機構成要素を検査するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンおよび蒸気タービンと共に使用される発電機などの従来の発電電動機械は、所望の磁束パターンを生成するように相互接続される界磁巻線の導電性ターン（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｔｕｒｎ）を受け入れるため、ロータの軸長方向に沿って放射状スロットが切削された磁性体の鍛造ロータを利用する。一般に、そのような従来のロータスロットには、ロータが動作するときに巻線にかかる放射状の外向きの力に抵抗するため、コイルスロットウェッジばかりでなく、スロットの上端部および下端部の両方に、クリーページブロック（ｃｒｅｅｐａｇｅ  ｂｌｏｃｋ）が含まれる。
【０００３】
通常はダブテール形状をしているスロットウェッジは、ロータが例えば毎分３６００回転で回転している間、銅コイルを所定の場所に維持するために使用される。知られたロータでは、コイルスロットウェッジは、長さが約６から１２インチ（１５．２４から３０．４８ｃｍ）であり、特に、高い電気定格を有するより長いロータでは、複数のそのようなウェッジが、各コイルスロットで使用される。アセンブリに必要とされる部品の数を減らすと同時に、そのようなアセンブリの全体的な速度を高める努力の中で、ある適用例では、フルレングスのウェッジが使用されている。その他の適用例では、公差が、フルレングスのウェッジの使用を妨げており、そのような場合、２以上のウェッジが、各ロータスロットで使用される。しかし、いくつかの発電機のスロット壁のダブテール領域では、隣接ロータウェッジの間の突合せ接合の所に、スチールウェッジの端部に見出されるフレッティング損傷に明らかに起因する亀裂が、見つけられている。時間と共に、そのような亀裂は、成長し、ロータの性能に影響を及ぼすことがある。
【０００４】
知られた検査技法は、その能力が、ロータが所定の場所にある間の、ロータ歯ダブテールの完全性の評価に限定される。より具体的には、目視検査は、亀裂に関して、ロータ歯の限定された試験のみを可能にする。ロータ歯は、隣接ロータスロットの間に存在する構造である。亀裂が生じる可能性のあるロータ歯ダブテールを完全に試験するため、ロータおよび潜在的にはロータウェッジの取り外し、ならびに目視、磁粉、液体浸透、または渦電流技法を用いるその後のダブテールの検査を容易にするように、発電機ケーシングの少なくとも一部は、取り除かれる必要がある場合がある。しかし、労力上およびコスト上の制約のため、そのような技法は、いくつかの事例では非現実的な場合がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、発電機ロータを検査するためのシステムは、アレイ状に形成される複数の変換器要素を含む、活動面（ａｃｔｉｖｅ  ｆａｃｅ）を含むフェーズドアレイ超音波変換器を含み、変換器要素は、活動面に対して複数の角度で超音波エネルギーの伝達ビームを生成するために所定の順序で励起されるように構成される。変換器要素は、活動面を介して超音波エコーを受信するように構成される。システムはまた、変換器に結合されるように構成される結合面（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｆａｃｅ）と、ロータに結合されるように構成される伝達面（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｆａｃｅ）とを含む変換器ウェッジを含む。ウェッジは、超音波伝達ビームがロータの荷重面（ｌｏａｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）に実質的に垂直の角度で構成要素に入るように、ビームを伝達面の所で所定の角度だけ屈折させるように構成される。
【０００６】
別の実施形態では、電気発電機のロータを検査するための方法は、超音波変換器の活動面を、実質的にウェッジ形状のシュー（ｓｈｏｅ）に結合する段階であって、変換器がアレイ状に形成される複数の変換器要素を含む段階と、超音波伝達ビームを生成するために複数の変換器要素を励起する段階と、超音波ビームがロータの荷重面に実質的に垂直の角度に屈折されるようにシューを通して超音波ビームを伝達する段階とを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、電気発電機ロータの検査方法は、超音波変換器の活動面を発電機ロータの表面に沿って位置付ける段階であって、変換器がアレイ状に形成される複数の変換器要素を含む段階と、アレイから選択されたレイパス（ｒａｙ  ｐａｔｈ）に沿って発電機ロータに伝達される超音波伝達ビームを生成するために複数の変換器要素を励起する段階と、変換器を受信要素として使用して発電機ロータから複数のエコー信号を受信する段階と、複数のエコー信号を使用して発電機ロータにおける亀裂を表す密度界面を決定する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、例示的な電気発電機１００の概略端面図である。複数のステータバーワインディング（ｓｔａｔｏｒ  ｂａｒ  ｗｉｎｄｉｎｇ）１０２が、ステータコア１０６の内周の周りに定められるスロット１０４内に位置付けられる。例示的な実施形態では、ステータバーワインディング１０２は、ワインディング１０２を通る所定の屈曲経路を形成するために互いに結合される複数のフラットバー導体またはステータバーから形成される。一実施形態では、ステータバーは、銅から製作される。ロータ１０８は、ステータコア１０６の穴１１０と同軸に配置される。ロータ１０８の外周１１２は、ステータコア１０６の内周１１４から、空隙１１６によって隔てられる。ロータ１０８は、（図１の紙面を貫通する）長手方向軸１１８の周りを回転することができる。複数のロータまたは界磁スロット（ｆｉｅｌｄ  ｓｌｏｔ）１２０、および界磁歯（ｆｉｅｌｄ  ｔｏｏｔｈ）１２２は、外周１１２の周りに交互に配置される。界磁スロット１２０は、外周１１２の周りに配置される極１２４において励磁場が生成されるように界磁電流を流す界磁導体（図示されず）を受け入れるように構成される。
【０００９】
動作中、ロータ１０８は、タービンまたはエンジンなどの原動機によって、軸１１８の周りを回転させられる。導体を流れる界磁電流は、ロータ１０８と共に回転する極１２４に磁場を誘起する。磁場の磁束線は、ステータ導体と相互作用を行って、ステータ導体内に電位を生み出し、その電位が、発電機１００に結合された電気負荷に供給するために送られる電流を誘起する。
【００１０】
図２は、複数のロータ歯１２２および隣接スロット１２０のうちの１つを示す、電気発電機１００の拡大された概略端面図である。歯１２２は、ウェッジ２０２のダブテール形状に対して相補的な形状に作られた切り欠き２００を含む。ウェッジ２０２は、断面が通常はダブテール形状を有し、ロータ１０８が回転している間、（図２には共に示されない）ロータコイルおよびクリーページブロックを所定の場所に実質的に固定して維持するように、位置付けられかつ構成される。切り欠き２００は、ウェッジ２０２、ロータコイル、およびクリーページブロックの遠心荷重の一部を支えるダブテール荷重面２０４を含む。ダブテール荷重面２０４にかかる荷重力は、時間と共に、ダブテール荷重面２０４に亀裂２０６を誘発する傾向にある。例えば、動作中のウェッジ２０２の軸方向運動は、２つの隣接ウェッジ２０２の突合せ接合を横切る相対運動を引き起こす。時間と共に、そのような相対運動は、ウェッジ２０２の外向きの放射運動を制約するダブテール荷重面２０４にフレッティング（ｆｒｅｔｔｉｎｇ）を引き起こす。突合せ接合の所のダブテール荷重面２０４におけるフレッティング動作は、この場所に亀裂を誘発し得る。突合せ接合付近の荷重面における亀裂の別の考えられる原因は、ウェッジ２０２と発電機界磁の間のアーク放電である。角度２０８は、歯面１１２に対するダブテール荷重面２０４の角度を定める。
【００１１】
図３は、図２に示される歯１２２の概略側面図である。歯１２２は、外周１１２に切削された複数のグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）３０２を含む。グルーブ３０２は、外周１１２の周りに円周をなして延び、歯１２２内のグルーブ３０２が、（図３には示されない）ウェッジ２０２内のグルーブ３０２と実質的に整列するように、歯１２２と隣接ウェッジ２０２とを通って延びる。グルーブ３０２の間の外周１１２の部分は、ランド（ｌａｎｄ）３０４として知られる。
【００１２】
図４は、図２に示されるウェッジ２０２の概略側面図である。ウェッジ２０２は、一般にロータ１０８の全長にわたっては延びておらず、むしろスロット１２０内で端部と端部が接合される一連のセグメントとして構成される。したがって、ウェッジ２０２は、突合せ接合４０２において互いに接合されることができ、または突合せ接合４０４において互いに接合されることができる。フレッティングによって引き起こされる亀裂は、突合せ接合付近に発生する。ランド４０２の中央と一致する突合せ接合の場合、亀裂は、ランド中央に近い突合せ接合に隣接して発生する。グルーブ４０４の中央と一致する突合せ接合の場合、亀裂は、グルーブ中央の突合せ接合に隣接して発生する。
【００１３】
図５は、（図２に示される）ダブテール荷重面２０４における亀裂を識別し場所を特定するために使用され得る、例示的な超音波変換器構成の概略側面図である。一実施形態では、超音波変換器５０２は、変換器５０２の活動面５０４が、合わせシュー（ｍａｔｉｎｇ  ｓｈｏｅ）５０６を介して外周１１２に対合されるように位置付けられる。例示的な実施形態では、シュー５０６は、ロータ歯１２２の輪郭に実質的に一致する第１の面５０８を含む。ロータの直径が相対的に大きい代替実施形態では、面５０８はフラットである。第２の面５１０は、面５１０の角度が（図５には示されない）歯１２２における超音波ビームの屈折角５１２に影響を及ぼすよう、活動面５０４に結合するように構成される。面５０８に対する面５１０の「ルーフ」角５１４は、角度５１４が原因で超音波ビーム５１６がダブテール荷重面２０４に実質的に垂直に屈折されるように選択される（図２に示される）。
【００１４】
図６は、図５に示される超音波変換器構成の概略３Ｄ図である。変換器５０２は、線形アレイに配置される複数の変換器要素６０２を含み、複数の変換器要素６０２のうちの様々な１つを選択的に励起することによって、超音波ビーム５１６が、対応する経路に沿って歯１２２に誘導される。変換器５０２の動作中、変換器要素６０２の各々から放出される超音波パルスは、各変換器要素６０２における放出を調整し、順序付けるために制御可能である。線形フェーズドアレイ変換器５０２の連続する要素６０２からのパルスに遅延を施すことによって、方向６０４または他の適切な方向に（図２に示される）ダブテール荷重面２０４を掃引するビームが生成される。例えば、複数の変換器要素６０２の励起のタイミングを調節することによって、伝達ビーム５１６は、歯１２２の荷重面上の第１の地点に誘導される。複数の変換器要素６０２に関連する励起パラメータを変更することによって、伝達ビームは、歯１２２の荷重面を軸方向に第２の地点まで掃引される。伝達ビームが第１の地点から第２の地点まで掃引される間に受信されるエコーは、歯１２２内の亀裂兆候の存在を判定するために分析される。
【００１５】
例示的な実施形態では、変換器５０２は、個々の要素６０２の組合せによって生成されるビーム５１６がダブテール荷重面２０４に公称上垂直に屈折されるように、シュー５０６上に取り付けられる。要素の線形アレイは、歯の軸方向と平行な向きに向けられる。ビーム５１６は、ダブテール荷重面２０４を軸方向に掃引される。円周放射平面（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ−ｒａｄｉａｌ  ｐｌａｎｅ）に含まれる向きのダブテール荷重面２０４上の亀裂は、この方法を使用して検出可能である。ビーム５１６は、亀裂から検出用の変換器５０２に戻る最適反射を生成するため、軸方向に掃引される。方向６０８は、（図５の角度５１２によって示される）ビームが屈折される方向である。
【００１６】
例示的な実施形態では、シュー５０６は、複合ウェッジ形状として形成され、面５１０は、例えば、「ウェッジ」角６１０と「ルーフ」角５１４の２つの角度で切られる。ウェッジ角６１０は、変換器５０２の能動軸（ａｃｔｉｖｅ  ａｘｉｓ）に対して切られる。ウェッジ角６１０は、ビーム５１６が界磁歯１２２の荷重面に沿って横方向に進められる、方向６０４の角度の範囲に影響を及ぼす。ルーフ角５１４は、変換器５０２の受動軸（ｐａｓｓｉｖｅ  ａｘｉｓ）に対して切られ、ビーム５１６が荷重面２０４に当たる公称角度に影響を及ぼす。ビーム５１６は荷重面２０４に沿ってほぼ軸方向に進むので、角度５１４および６１０の組合せ効果がビーム５１６の軌道を決定する。ビーム５１６を反対の軸方向に進めるには、ウェッジ角６１０は、シュー５０６の反対側に切られる。
【００１７】
図７は、図２に示される歯１２２の概略側面図である。線形フェーズドアレイ変換器５０２は、突合せ接合がグルーブ３０２の中央で行われる場合、亀裂２０６を検出するために異なる位置に位置付け可能である。ウェッジ突合せ接合は、ランド３０４の軸方向中央またはグルーブ３０２の軸方向中央のいずれかで行われる。例示的な実施形態では、ウェッジ突合せ接合は、グルーブ３０２の中央に示されている。突合せ接合位置は、フレッティングが原因の亀裂が一般に発生する場所である。例示的な検査方法では、線形フェーズドアレイ変換器５０２プローブは、突合せ接合４０４の付近に手動で位置付けられる。ビーム５１６は、亀裂に関してその区域を検査するため、突合せ接合４０４に向って掃引される。グルーブ３０２内にまたは代替としてランド３０４上に位置付けられる検査を実行するため、変換器５０２が使用される。加えて、検査は、グルーブ３０２からまたはランド３０４からと、突合せ接合４０４の両側から実行される。
【００１８】
図８は、図２に示される歯１２２の概略側面図である。線形フェーズドアレイ変換器５０２は、突合せ接合がランド３０４の中央で行われる場合、亀裂２０６を検出するために異なる位置に位置付け可能である。ウェッジ突合せ接合は、ランド３０４の軸方向中央またはグルーブ３０２の軸方向中央のいずれかで行われる。例示的な実施形態では、ウェッジ突合せ接合は、ランド３０４の中央に示されている。例示的な検査方法では、線形フェーズドアレイ変換器５０２プローブは、突合せ接合４０２の付近に手動で位置付けられる。ビーム５１６は、亀裂に関してその区域を検査するため、突合せ接合４０２に向って掃引される。グルーブ３０２内にまたは代替としてランド３０４上に位置付けられる検査を実行するため、変換器５０２が使用される。加えて、検査は、グルーブ３０２からまたはランド３０４からと、突合せ接合４０２の両側から実行される。
【００１９】
図９は、一様な歯面を有する例示的な歯の概略側面図である。本発明の検査方法は、多様な界磁歯設計に適用可能である。例示的な実施形態では、発電機界磁歯設計は、歯の外面上に一連のランドおよびグルーブを含まない。例示的な実施形態は、歯の中央に冷却用のベントスロット（ｖｅｎｔ  ｓｌｏｔ）９０２を含む。様々な代替実施形態では、発電機界磁歯設計は、ベントスロット９０２を含まない。歯面が実質的に一様である場合、変換器５０２が位置付けられ得る場所を制限するグルーブおよびランドが存在しないので、亀裂を識別し場所を特定するための検査は、比較的より簡単である。ロータ歯の各構成では、ダブテール荷重面２０４に実質的に垂直な屈折超音波ビームを生成するように構成されるシューが使用される。ダブテール荷重面２０４が１つの歯設計から別の歯設計に変更された場合は常に、異なるシュー５０６が、ダブテール荷重面２０４に実質的に垂直な屈折超音波ビームを生成するために使用される。シュー５０６と歯１２２の表面による屈折のため、角度５１４と角度９０４とは等しくないことがある。各適用例における各シュー５０６の角度５１４は、検査される歯設計用の特定の角度９０４と超音波ビーム５１６のビーム経路の屈折率とを使用して決定可能である。例示的な実施形態では、変換器５０２は、突合せ接合位置の付近の外側歯面１１２上に手動で位置付けられる。ビーム５１６は、亀裂に関してその区域を検査するため、突合せ接合に向って掃引される。検査は、突合せ接合位置の両側から実行される。
【００２０】
超音波検査および試験システムの上で説明された実施形態は、装置を検査しかつ／または修理するための費用対効果に優れ信頼性の高い手段を提供する。より具体的には、超音波システムは、例えば発電機ロータなどの工作物の近くに、超音波変換器を位置付けることが容易になるように、またロータ歯内の亀裂などの異常を識別し場所を特定するために試験および／または検査変換器を操作することが容易になるように構成される。その結果、本明細書で説明された方法および機器は、費用対効果に優れ信頼性の高い方式で試験を行うことを容易にする。
【００２１】
超音波検査および試験システムの例示的な実施形態が、上で詳細に説明された。システムは、本明細書で説明された具体的な実施形態に限定されず、各システムの構成要素は、本明細書で説明された他の構成要素とは独立かつ別個に利用されることができる。各システム構成要素は、他のシステム構成要素と組み合わせて使用されることもできる。
【００２２】
本発明が様々な具体的な実施形態に関して説明されたが、特許請求の範囲の主旨および範囲内の修正を施して本発明が実施され得ることは、当業者であれば理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】例示的な電気発電機の概略端面図である。
【図２】複数のロータ歯および隣接スロットのうちの１つを示す、電気発電機の拡大された概略端面図である。
【図３】図２に示される歯の概略側面図である。
【図４】図２に示されるウェッジの概略側面図である。
【図５】図２に示されるダブテール荷重面における亀裂を識別し場所を特定するために使用され得る、例示的な超音波変換器構成の概略側面図である。
【図６】図５に示される超音波変換器構成の概略３Ｄ図である。
【図７】図２に示される歯の概略側面図である。
【図８】図２に示される歯の別の概略側面図である。
【図９】一様な歯面を有する例示的な歯の概略側面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００  電気発電機
１０２  ワインディング
１０４  スロット
１０６  ステータコア
１０８  ロータ
１１０  内径
１１２  外周
１１４  内周
１１６  空隙
１１８  長手方向軸
１２０  スロット
１２０  界磁スロット
１２０  隣接スロット
１２２  歯
１２４  極
２００  切り欠き
２０２  ウェッジ
２０４  ダブテール荷重面
２０６  亀裂
２０８  角度
３０２  グルーブ
３０４  ランド
４０２  突合せ接合
４０４  突合せ接合
５０２  変換器
５０４  活動面
５０６  シュー
５０８  第１の面
５１０  第２の面
５１２  屈折角
５１４  角度
５１６  伝達ビーム
６０２  変換器要素
６０４  方向
６０６  方向
６０８  方向
６１０  ウェッジ角
９０２  ベントスロット
９０４  角度
【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】
2007116894.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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