(57)【要約】【課題】タービン装置および関連する監視システムを提供すること。【解決手段】様々な実施形態では、装置は、タービンロータを含み、タービンロータは、ロータ本体、ロータ本体に沿って軸方向に分散配置されロータ本体から径方向に延在する数組のロータブレード、ロータ本体に沿って数組のロータブレードの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域、スペーサ領域内に配置され電流を引き起こす導電要素、および導電要素に電気的に接続され導電要素から電流を受けロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュールを備える。【選択図】図１
2013181537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
ロータ本体と、
前記ロータ本体に沿って軸方向に分散配置され、前記ロータ本体から径方向に延在する、数組のロータブレードと、
前記ロータ本体に沿って前記数組のロータブレードの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域と、
前記スペーサ領域内に配置される、電流を引き起こす導電要素と、
前記導電要素に電気的に接続され、前記導電要素から前記電流を受け前記ロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給する、モジュールと
を備える、装置。
【請求項２】
前記モジュールが、整流器、電圧調整器、無線受信器または無線送信器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記導電要素と前記モジュールを電気的に接続するリード線をさらに備える、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記モジュールと前記少なくとも１つの監視装置を電気的に接続するリード線をさらに備える、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記リード線が、電源リード線または信号リード線のうちの１つである、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの監視装置が、温度計、圧力計、および光学センサからなる群から選択されるセンサを含む、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記モジュールが、信号送信器を含み、さらに、前記少なくとも１つの監視装置からデータを取得し前記取得したデータについての信号を外部のデータ収集システムに送信するように構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項８】
装置であって、
タービンステータであり、
ステータ本体、
前記ステータ本体から径方向に延在する１組のステータベーン、および
前記１組のステータベーンの１つのベーンに動作可能に接続される磁石
を有するタービンステータと、
タービンロータであり、
ロータ本体、
前記ロータ本体から径方向に延在し、軸方向に分散配置される数組のロータブレード、
前記ロータ本体に沿って前記数組のロータブレードのうちの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域、
前記スペーサ領域内に配置され、前記磁石との相互作用から電流を引き起こす導電要素、および
前記導電要素に電気的に接続され、前記導電要素から前記電流を受け前記ロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュール
を有するタービンロータと
を備える、装置。
【請求項９】
前記モジュールが、無線送信器を含む、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記無線送信器からデータを取得するデータ収集装置をさらに備える、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記磁石が、永久磁石または電磁石のうちの少なくとも１つを含む、請求項８記載の装置。
【請求項１２】
前記モジュールが、整流器、電圧調整器、無線受信器または無線送信器のうちの少なくとも１つを含む、請求項８記載の装置。
【請求項１３】
前記導電要素と前記モジュールを電気的に接続するリード線をさらに備える、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記モジュールと前記少なくとも１つの監視装置を電気的に接続するリード線をさらに備える、請求項８記載の装置。
【請求項１５】
前記モジュールが、信号送信器を含み、さらに、前記少なくとも１つの監視装置からデータを取得し前記取得したデータについての信号を外部のデータ収集システムに送信するように構成されている、請求項８記載の装置。
【請求項１６】
装置用の監視システムであって、
前記装置上に配置され、磁界内での移動に応じて電流を引き起こす、少なくとも１つの発電コイルと、
前記装置に動作可能に接続される、前記装置の運転状態を感知するセンサと、
前記少なくとも１つの発電コイルおよび前記センサに電気的に接続される監視モジュールであり、
前記少なくとも１つの発電コイルから前記電流を受け前記センサに電力を供給すること、および
前記センサからセンサデータを受けて前記センサデータを外部のデータ収集システムに供給することを
実施するように構成されている、監視モジュールと
を備える、監視システム。
【請求項１７】
前記センサが、温度計、圧力計または光学センサのうちの１つである、請求項１６記載の監視システム。
【請求項１８】
前記監視モジュールが、整流器、電圧調整器、無線受信器または無線送信器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６記載の監視システム。
【請求項１９】
前記装置がタービン装置を含む、請求項１６記載の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、タービンに関する。より詳細には、本発明の態様は、装置および関連する監視システムを含む。
【背景技術】
【０００２】
タービンの運転を監視する従来の手法は、タービン（例えばガスタービン）内の運転環境状態により妨害を受けることがある。特に、センサおよび送信装置などの電子監視機器は、ガスタービンの高い運転温度のもとでは機能するのが難しいことがある。これらのセンサが故障すると、予定外の修理またはシャットダウンを余儀なくされ、場合によってはそれがタービンの不具合を診断する妨げとなる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１２７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
装置および関連する監視システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の様々な実施形態は、装置および関連する監視システムを含む。いくつかの実施形態では、装置は、タービンロータを含み、タービンロータは、ロータ本体、ロータ本体に沿って軸方向に分散配置されロータ本体から径方向に延在する数組のロータブレード、ロータ本体に沿って数組のロータブレードの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域、スペーサ領域内に配置され電流を引き起こす導電要素、および導電要素に電気的に接続され導電要素から電流を受けロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュールを備える。
【０００６】
本発明の第１の態様は、装置を含み、装置は、ロータ本体と、ロータ本体に沿って軸方向に分散配置されロータ本体から径方向に延在する数組のロータブレードと、ロータ本体に沿って数組のロータブレードの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域と、スペーサ領域内に配置される電流を引き起こす導電要素と、導電要素に電気的に接続され導電要素から電流を受けロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュールとを備える。
【０００７】
本発明の第２の態様は、装置を含み、装置は、タービンステータであり、ステータ本体、ステータ本体から径方向に延在する１組のステータベーン、および１組のステータベーンの１つのベーンに動作可能に接続される磁石を有する、タービンステータと、タービンロータであり、ロータ本体、ロータ本体から径方向に延在し軸方向に分散配置される数組のロータブレード、ロータ本体に沿って数組のロータブレードのうちの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域、スペーサ領域内に配置され磁石との相互作用から電流を引き起こす導電要素、および導電要素に電気的に接続され導電要素から電流を受けロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュールを有する、タービンロータとを備える。
【０００８】
本発明の第３の態様は、装置用の監視システムを含み、監視システムは、装置上に配置され磁界内での移動に応じて電流を引き起こす少なくとも１つの発電コイルと、装置に動作可能に接続される装置の運転状態を感知するセンサと、少なくとも１つの発電コイルおよびセンサに電気的に接続される監視モジュールであり、少なくとも１つの発電コイルから電流を受けセンサに電力を供給しセンサからセンサデータを受けてそれを外部のデータ収集システムに供給するように構成されている監視モジュールとを備える。
【０００９】
本発明の上記その他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、以下にある本発明の様々な態様の詳細な説明を読めばより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態による装置の一部の概略切断端面図である。
【図２】本発明の実施形態による装置の一部の概略切断側面図である。
【図３】本発明の実施形態による装置の一部の概略拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるタービン監視システムの一部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の図面は、一定の縮尺で描かれていないことに留意されよう。図面は、本発明の典型的な態様を示しているに過ぎず、したがって、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。図面において、同様の番号は、複数の図面を通して同様の要素を示す。
【００１２】
上述のように、本明細書に開示される主題は、タービンに関する。より具体的には、本発明の態様は、タービン装置および関連する監視システムを含む。
【００１３】
本発明の実施形態は、外部電源から独立している自己給電式の装置監視システム（例えばタービン装置監視システム）を含む。このシステムは、タービンのロータに取り付けられた電気コイルおよびタービンのステータにある対応する磁石を使用して、コイル内に電流を生成することができる。電流は、例えばセンサ、計器またはシールなどを含む監視装置に送られ得る。様々な実施形態では、電圧が所望のレベルを超えた場合に送られる電力を調整するのに電圧調整器モジュールを使用することができる。いくつかの場合、交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換するのに整流器を使用することもできる。
【００１４】
本発明の様々な実施形態は、ロータ本体、およびロータ本体に沿って軸方向に分散配置されロータ本体から径方向に延在する数組のロータブレードを有する装置（例えば、ガスタービンの圧縮機ロータ）を含む。ロータは、さらに、ロータ本体に沿って数組のロータブレードのうちの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域を含むことができる。ロータは、さらに、スペーサ領域内に配置される、電流を引き起こす導電要素、および導電要素に電気的に接続され、導電要素から電流を受けロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュールを含むことができる。
【００１５】
本発明の他の様々な実施形態は、タービンステータおよびタービンロータを有する装置（例えばガスタービン圧縮機）を含む。タービンステータは、ステータ本体、ステータ本体から径方向に延在する１組のステータベーン、および１組のステータベーンの１つのベーンに動作可能に接続される磁石を含むことができる。タービンロータは、ロータ本体およびロータ本体から径方向に延在し軸方向に分散配置される数組のロータブレードを含むことができる。タービンロータは、さらに、ロータ本体に沿って数組のロータブレードの隣り合った２つの組を軸方向に隔てるスペーサ領域を含むことができる。さらに、タービンロータは、スペーサ領域内に配置され、磁石との相互作用から電流を引き起こす導電要素、および導電要素に電気的に接続され、導電要素から電流を受けロータ本体に搭載されている少なくとも１つの監視装置に電力を供給するモジュールを含むことができる。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、装置（例えばタービン装置、弁および／またはシール構成要素）のための監視システムを含む。監視システムは、装置上に配置され、磁界内での移動に応じて電流を引き起こす少なくとも１つの発電コイル、装置に動作可能に接続される、装置の運転状態を感知するセンサ、ならびに少なくとも１つの発電コイルおよびセンサに電気的に接続される監視モジュールを有する。監視モジュールは、少なくとも１つの発電コイルから電流を受けセンサに電力を供給し、センサからセンサデータを受けてそれを外部のデータ収集システムに供給するように構成される。
【００１７】
図１、図２に移ると、図面は、それぞれ本発明の実施形態による装置２の一部の概略切断端面図および概略切断側面図である。いくつかの場合、装置２はガスタービンを含むことができる。いくつかの特定の場合、装置２はガスタービン圧縮機を含むことができる。装置２の図面のいくつかは、分かりやすく示すためにいくつかの特徴を省略してある。これらの省略は、本明細書に開示される本発明を一切限定するものではないと解釈すべきである。
【００１８】
図１、図２に示されるように、装置２は、ロータ本体４を少なくとも部分的に囲繞するステータ本体３を含むことができる。装置２がガスタービン（例えばガスタービン圧縮機）の場合、装置２は、ロータ本体４から径方向に延在し軸方向に分散配置される数組のロータブレード６（図２）をさらに含むことができる。これらの数組のロータブレード６は、例えばロータ本体４の回転軸Ａに沿って、軸方向に分散配置され得る。数組のロータブレード６の間にはスペーサ領域（またはスペーサディスク）８がそれぞれ軸方向に点在し、それによって隣り合った（または連続する）数組のロータブレード６が隔てられる（図１、２）。ステータ本体３は、（例えば、ロータ本体４の回転軸Ａと平行なステータ本体の軸に沿って）組になって軸方向に分散して配置される複数のステータベーン５を含むことができる。各ベーン５は、ステータ本体３から少なくとも部分的に径方向内方に延在する。図示のように、装置２は、（場合によっては導電コイルを含むこともできる）導電要素１０を含むことができる。導電要素１０は、スペーサ領域８内に配置され、例えば磁界に対して動かされると電流を引き起こす。いくつかの場合、導電要素１０は、囲繞するステータ本体３内に配置される固定磁石に対して相対的に動かされると電流を引き起こすことができる。固定磁石は、１つまたは複数の永久磁石１４および／または電磁石１６を含むことができる。
【００１９】
やはりまた図２に示されるように、装置２は、例えばコイル出力リード１１などのハード配線を介して導電要素１０に電気的に接続される監視モジュール１８、または単なるモジュール１８を含むことができる。監視モジュール１８は、導電要素１０によって引き起こされた電流を受けるように構成される。いくつかの場合、監視モジュール１８は、ロータ本体４に搭載され得る（例えば物理的に固定またはその他の方法で取り付けられ得る）少なくとも１つの監視装置２０（図２）に電力を供給するように構成される。様々な実施形態では、監視モジュール１８は、例えばリード線（ｌｅａｄ  ｌｉｎｅ）１９を介して少なくとも１つの監視装置２０に電力を供給することができる。特定の実施形態では、少なくとも１つの監視装置２０は、少なくとも１本の信号リード線２１を介して監視モジュール１８にデータ（例えば運転状態データ）を供給することができる。他の実施形態では、少なくとも１つの監視装置２０は、監視モジュール１８に（例えば、温度データ、圧力データまたは含水量データなどの運転状態データである）データを（無線信号「ｗ」で示される）無線送信することができる。監視装置２０は、（１つまたは複数の応力／歪み計または圧電センサなどを含むことができる）例えば温度計、圧力計または光学センサなど、装置２の運転パラメータを監視することができる任意の従来のセンサであってもよい。
【００２０】
いくつかの場合、監視モジュール１８は、装置２（例えばガスタービン）の少なくとも１つの監視装置２０とは異なる部分に配置することができる。すなわち、いくつかの場合、監視モジュール１８は、動作温度が華氏約１３０〜約１８０度（摂氏約５４度〜約８２度）の間で変動する、タービンの低温端に配置される。この場合、少なくとも１つの監視装置２０は、動作温度が華氏約７００度（摂氏約３７１度）、場合によっては華氏８００度（摂氏４２６度）を超えることがあるタービンの高温端に配置することができる。従来の監視システムとは対照的に、本発明の様々な態様は、分析回路および構成要素の大部分が装置２の比較的低温のセクションに配置される監視モジュール１８内に配置される。監視モジュール１８は、装置の低温領域に配置されるので、特に回路のライフサイクル全体にわたって、タービンの高温端の動作温度に耐えられない恐れがある処理回路を含むように設計することができる。データは、監視モジュール１８と少なくとも１つの監視装置２０の間で、信号リード線１９を介して送信される。信号リード線１９は、ロータ本体４の軸に沿って延び、場合によっては（例えばスリーブ、クランプまたは一体の通路などによって）ロータ本体４に固定または他の方法で接続され得る。
【００２１】
図３は、装置２の諸部分、具体的には、スペーサ領域８内に配置される複数の導電要素１０、ならびに（例えば、永久磁石１４および／または電磁石１６であり、例示の目的で両方が示されている）固定磁石の拡大切断図である。装置２（例えばタービン）の運転中、ロータ本体４が回転すると、導電要素１０はステータ本体の内部で円周方向に移動し、１つまたは複数の永久磁石および／または電磁石１６によって作り出される１つまたは複数の磁界を出入りする。いくつかの場合、図３に示されるように、複数の導電要素１０は、監視システムの他の構成要素（例えば図２の監視モジュール１８）に接続され得る共通のリード線１７によって接続され得る。
【００２２】
図４に移ると、図面は、本発明の様々な実施形態による、監視モジュールおよび接続されている構成要素の概略図である。監視モジュール１８は、導電要素１０から送られてくる電流を受ける１つまたは複数の構成要素を含むことができ、また、少なくとも１つの監視装置２０のための電源として働くことができる。いくつかの場合、監視モジュール１８は、電流を少なくとも１つの監視装置２０に送る前に導電要素１０から受けた電流の電圧を減少させる働きをすることができる電圧調整器を含むことができる。いくつかの場合、監視モジュール１８は、例えば交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）またはＤＣからＡＣに変換することによって、導電要素１０から受けた電流のタイプを変える整流器を含むことができる。いくつかの場合、整流器のタイプ、したがって電流変換のタイプは、少なくとも１つの監視装置２０によって決められる。他の様々な場合、監視モジュール１８は、例えば少なくとも１つの監視装置２０である１つまたは複数のセンサから無線信号を受信する無線受信器を含むことができる。監視モジュール１８は、さらに、外部ソース（例えば図示されない試験装置）から無線信号を受信することができる。さらに、監視モジュール１８は、データ収集装置（すなわちＤＡＱ装置）２２などの外部ソースに無線信号を送信する無線送信器を含むこともできる。さらに他の実施形態では、監視モジュール１８は、監視モジュール１８と少なくとも１つの監視装置２０の間における双方向データ通信を可能にする。これによって、少なくとも１つの監視装置２０が、データを監視モジュール１８に連続的に送信し、監視モジュール１８がそのデータを（例えば、その無線送信器を介して）ＤＡＱ装置２２に送信することができるようになる。
【００２３】
タービン（例えばガスタービン）用の従来の監視システムとは対照的に、本発明の態様は、タービンの高温端に費用のかかる耐熱性の回路を必要とすることなく、タービンの運転状態に関する信頼性の高いデータを提供することができる監視システムを実現する。本明細書に記載の監視システムは、タービンの低温端に分析および通信の回路を配置することができるので、従来の監視システムと比較すると信頼性が向上し費用を低減することができる。
【００２４】
本明細書に記載の装置は、様々な実施形態に従って、例えば弁またはシールなどの１つまたは複数の工業的構成要素を有するいくつかの装置の運動から電流を生成するのに使用可能であると理解されよう。これらの場合、導電要素（例えば導電要素１０）は、弁フラップまたはシール座などのいくつかの動く装置部分に固定されるまたはそれと接触することができる。このような状況において、発電装置の運転の原理は実質的に変わらないままであり、装置は、本明細書に記載する導電要素とモジュールの間の接続を利用することができる。さらに、監視システムは、これらのタイプの装置および／または構成要素の１つまたは複数のものを監視するのに使用することができる。
【００２５】
本明細書で使用する専門用語は、具体的な実施形態を説明することだけが目的であり、本開示に対する限定を意図するものではない。本明細書で使用する、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態も含むものとする。さらに、本明細書で用いる場合の「備える」および／または「備えている」という用語は、記載した特徴、整数値（ｉｎｔｅｇｅｒｓ）、ステップ、操作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数のその他の特徴、整数値、ステップ、操作、要素、構成要素および／またはそれらの群の存在もしくは付加を排除するものではないと理解されよう。さらに、「前方」および「後方」という用語は、限定を意図するものではなく、必要に応じて交換可能であることを意図するものであると理解されよう。
【００２６】
記載の説明は、例を用いて最良の形態を含めて本発明を開示しており、さらに、任意の装置またはシステムを作成し使用し、組み込まれた任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるようにする。特許性のある本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例も含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の文字通りの文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な差異を伴わない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。
【符号の説明】
【００２７】
２  装置
３  ステータ本体
４  ロータ本体
５  ステータベーン
６  ロータブレード
８  スペーサ領域
１０  導電要素
１１  コイル出力リード
１４  永久磁石
１６  電磁石
１７  リード線
１８  監視モジュール
１９  リード線
２０  監視装置
２１  信号リード線
２２  ＤＡＱ装置
Ａ  回転軸
ｗ  無線信号
【図１】
2013181537.tif 000003
【図２】
2013181537.tif 000004
【図３】
2013181537.tif 000005
【図４】
2013181537.tif 000006