(57)【要約】【課題】半径方向クリアランス測定システムが提供される。【解決手段】この半径方向クリアランス測定システムは、半径方向クリアランスセンサに対して相対的に回転する対象物が軸方向に移動することに対して比較的反応しない半径方向クリアランスセンサを備える。一実施形態では、半径方向クリアランスセンサは、対象物の軸方向移動範囲に対して比較的一定の重複面積を有する電極を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型クリアランスプローブであって、
プローブ本体と、
前記プローブ本体内に嵌合される電極であって、前記静電容量型クリアランスプローブに対して相対的に回転する部品の軸方向の移動範囲内に実質的に一定の重複面積を有する電極ヘッドを有する電極と
を備える静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項２】
前記電極が中空電極を備える、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項３】
前記プローブ本体に接続されるケーブルを備える、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項４】
前記ケーブルを前記電極に接続する導体を備える、請求項３記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項５】
前記プローブ本体が、前記電極が嵌合されるセラミックヘッドを備える、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項６】
前記プローブ本体が、
一体に嵌合される２つ以上の金属本体部片と、
前記金属本体部片に嵌合されるセラミックヘッド部片であって、前記電極が前記セラミックヘッド部片内に嵌合される、セラミックヘッド部片と
を備える、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項７】
前記電極ヘッドが、前記部品上に設けられる基準フィーチャの対応する幅より小さくなるように選択される幅を有する、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項８】
前記プローブ本体の内部空洞と外部環境とを接続するリークチューブを備える、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項９】
前記静電容量型クリアランスプローブが気密密閉される、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項１０】
前記プローブ本体を保持しかつ前記プローブ本体を回転機械組立体のハウジングに設置するように構成される設置組立体を備え、前記設置組立体が、制限された数の構成で前記プローブ本体を前記ハウジングに設置するように構成され、それらの構成の各々が、前記電極ヘッドの長手方向軸を前記回転機械組立体の回転軸と平行になるように拘束する、請求項１記載の静電容量型クリアランスプローブ。
【請求項１１】
その他の部分は連続的表面形状を有する回転部品上に配置される１以上の基準フィーチャであって、前記回転部品が、前記回転部品が回転するときに中心となる軸に沿ってある範囲で軸方向に変位する、１以上の基準フィーチャと、
前記回転部品に対して相対的に固定されて保持されるハウジング上に配置される半径方向クリアランスセンサであって、前記半径方向クリアランスセンサが、前記半径方向クリアランスセンサと前記回転部品との間の静電容量を示す信号を発生させるように構成され、前記半径方向クリアランスセンサが、長方形ヘッドを有する電極であって、前記長方形ヘッドの前記軸に沿う長さが前記回転部品の前記軸方向変位範囲に一致するか又はそれより大きい電極を有している、半径方向クリアランスセンサと、
前記回転部品と前記ハウジングとの間のクリアランスを推定するために前記信号を処理するように構成される処理ユニットと
を備える半径方向クリアランス測定システム。
【請求項１２】
前記半径方向クリアランスセンサが、前記回転部品が前記ハウジングに対して相対的に移動する間に前記信号を発生させるように構成される、請求項１１記載の半径方向クリアランス測定システム。
【請求項１３】
前記半径方向クリアランスセンサに励起信号を供給するように構成される励起源と、
複数の反射信号を検知するように、さらには、前記反射信号の各々と前記それぞれの励起信号との間の位相を決定するために位相を複数回測定するように構成される位相検出器と
をさらに備える、請求項１１記載の半径方向クリアランス測定システム。
【請求項１４】
前記１以上の基準フィーチャが、第１の深さを有する第１のノッチ、及び、前記第１の深さと異なる第２の深さを有する第２のノッチを備える、請求項１１記載の半径方向クリアランス測定システム。
【請求項１５】
前記処理ユニットによって推定される前記クリアランスに基づいて前記回転部品と前記ハウジングとの間の前記クリアランスを制御するために、前記処理ユニットに結合されるクリアランス制御ユニットをさらに備える、請求項１１記載の半径方向クリアランス測定システム。
【請求項１６】
前記長方形ヘッドの幅が前記１以上の基準フィーチャの対応する幅より小さい、請求項１１記載の半径方向クリアランス測定システム。
【請求項１７】
キーイングフィーチャを備えるプローブ本体、及び前記プローブ本体内に嵌合される電極であって長方形ヘッドを含む電極を備える半径方向クリアランスセンサと、
前記クリアランスセンサプローブを保持するように構成される設置組立体であって、前記設置組立体が、円筒形本体内で前記プローブ本体を嵌合することが制限されるようにするための相補的なキーイングフィーチャを備える円筒形本体、及び回転機械組立体のハウジングに取り付けられるように構成される設置構造であって、前記設置構造が、前記回転機械組立体の相補的なフィーチャに対応する係合フィーチャを備え、したがって、前記回転機械組立体に設置されるときに、前記電極の前記長方形ヘッドの長手方向軸が、前記回転機械組立体に付随する回転軸と平行になる設置構造を備える設置組立体と
を備えるクリアランスセンサ組立体。
【請求項１８】
前記設置構造がフランジを備え、前記係合フィーチャが、前記設置組立体が前記回転機械組立体に設置されるときの向きを制限するように構成される複数のボルト孔を備える、請求項１７記載のクリアランスセンサ組立体。
【請求項１９】
前記設置組立体が２つ以上の分離可能な部片を備える、請求項１７記載のクリアランスセンサ組立体。
【請求項２０】
前記設置組立体が分割型保持リング組立体を備える、請求項１７記載のクリアランスセンサ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、回転クリアランス測定システム及び動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のタイプの回転機械が、固定部品又はシェルによって画定される空間内で回転する部品（ブレード又はバケットなど）を含む。このような機械では、種々の動作上の理由により、回転部品と固定部品との間で維持されるスペーシング又はクリアランスを監視することが重要となる場合がある。例えば、蒸気タービンは、キャリアに隣接するように配置される回転バケットを有する。温度が変化する、バケット先端部が酸化するなどの種々の運転状況により、回転バケットとキャリアとの間のクリアランスは変化する。蒸気タービンの運転時に、回転バケットとキャリアとの間の隙間又はクリアランスが維持されることが望ましい。
【０００３】
通常、ターボ機械は、回転部品及び固定部品の両方で熱膨張が起こる。このような膨張は軸方向及び半径方向の両方で起こり得、また、回転部品とハウジング（例えば、シェル）との間のクリアランス（半径方向クリアランスなど）を最小にすることが通常望ましい。しかし、設計上の変更又は運転上の変化がこのクリアランス測定値を決定するのに影響する場合がある。最小のクリアランス値を決定するのに採用される一手法はソフトラブピンを使用するものであり、ここでは、停止期間中、すなわちオフラインで測定が行われる。このようなオフライン測定は、タービンシステムが運転されているときのクリアランスを把握及び最適化する場合には、適していない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８１２１８１３号
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態では、静電容量型クリアランスプローブが提供される。この静電容量型クリアランスプローブは、プローブ本体と、プローブ本体内に嵌合される電極とを含む。電極は、静電容量型クリアランスプローブに対して相対的に回転する部品の軸方向の移動範囲より大きくなるように選択される長さを有する長方形ヘッドを備える。
【０００６】
さらなる一実施形態では、半径方向クリアランス測定システムが提供される。この半径方向クリアランス測定システムは、その他の部分は連続的表面幾何形状を有する回転部品上に配置される１以上の基準フィーチャを含む。回転部品は、回転部品が回転するときに中心となる軸に沿ってある範囲で軸方向に変位する。このシステムはまた、回転部品に対して相対的に固定されて保持されるハウジング上に配置される半径方向クリアランスセンサを含む。半径方向クリアランスセンサは、半径方向クリアランスセンサと回転部品との間の静電容量を示す信号を発生させるように構成される。半径方向クリアランスセンサは、長方形ヘッドを有する電極を備える。長方形ヘッドの軸に沿う長さは、回転部品の軸方向変位範囲より大きい。このシステムはまた、回転部品とハウジングとの間のクリアランスを推定するために信号を処理するように構成される処理ユニットを含む。
【０００７】
追加の一実施形態では、クリアランスセンサ組立体が提供される。このクリアランスセンサ組立体は、キーイングフィーチャを備えるプローブ本体と、プローブ本体内に嵌合される電極とを有する半径方向クリアランスセンサを備え、電極は長方形ヘッドを備える。このクリアランスセンサ組立体はまた、クリアランスセンサプローブを保持するように構成される設置組立体を備える。この設置組立体は、円筒形本体内にプローブ本体を嵌合するのを制限するための相補的なキーイングフィーチャを備える円筒形本体と、回転機械組立体のハウジングに取り付けられるように構成される設置構造とを備える。この設置構造は、回転機械組立体の相補的なフィーチャに対応する係合フィーチャを備え、したがって、回転機械組立体に設置されるときに、電極の長方形ヘッドの長手方向軸が、回転機械組立体に付随する回転軸に平行となる。
【０００８】
本発明のこれらの及び別の特徴、態様及び利点が、複数の図面を通して同様の参照符号が同様の部品を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の態様によるクリアランス測定システムを有する蒸気タービンを示す概略斜視図である。
【図２】本開示の態様による、図１の蒸気タービンの回転バケットの一部分を示す概略斜視図である。
【図３】本開示の態様による、回転バケットとハウジングとの間のクリアランスを測定するためのクリアランス測定システムを有する図１の蒸気タービンを示す斜視図である。
【図４】本開示の態様に従って本発明のクリアランス制御技術が使用され得る、図３の蒸気タービンの一部分を示す断面図である。
【図５】本開示の態様による図４の詳細断面図である。
【図６】本開示の態様による、ノッチを備える回転部品の一ステージを示す図である。
【図７】本開示の態様による、半径方向クリアランスセンサのプローブチップを示す斜視図である。
【図８】本開示の態様による半径方向クリアランスセンサのプローブチップを示す一部切り欠き図である。
【図９】本開示の態様によるリークチューブを含むプローブチップを示す一部切り欠き図である。
【図１０】本開示の態様による設置組立体及びプローブチップを示す図である。
【図１１】本開示の態様による経時的な静電容量測定値を示すグラフである。
【図１２】本開示の態様によるクリアランス測定システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書で考察するように、ロータリ機械（蒸気タービンなど）の性能の重要な１つの測定基準は、発電に相当する運転状況などの運転状態に達するまでの時間である可能性がある。この時間を最小化するために、軸方向及び／又は半径方向のクリアランスデータが評価され得る。本明細書で考察されるように、実時間のクリアランスデータを提供するために、さらには、始動時に監視を行うのを可能にするために、１以上のクリアランスセンサが採用され得る。このクリアランスセンサを使用して得られるデータは監視及び評価を行う目的に使用され得、並びに／又は、能力を改善するためにもしくは信頼性及び効率を向上させるために、タービン制御システムに組み込まれ得る。
【００１１】
これに留意して、本開示は、軸方向の移動に反応しない１以上の静電容量型半径方向クリアランスセンサを使用することに関する。詳細には、静電容量測定値は、主として、回転部品の測定部分とセンサの測定領域との重複面積及びそれらの間の距離の両方に関係することから、重複面積が不確定であると、クリアランスの推定に誤差が生じる可能性がある。これに留意して、本明細書で考察される半径方向クリアランスセンサは、システムの通常の運転時に起こるような回転部品と固定部品との間での軸方向の移動に反応しないチップ形状及び標的形状を利用する。説明される半径方向クリアランスセンサは、軸方向の移動に起因する関連誤差を出さずに半径方向のクリアランスデータを提供することから、処理を大幅に単純化することができる。さらに、クリアランスを得るために複数のセンサデータを相互に関連させなければならないような別の用途と比較した場合、本開示は半径方向クリアランスデータを単独で独立して処理することを可能にする。
【００１２】
軸方向の移動に反応しない本発明の半径方向クリアランスセンサの種々の実施形態を考察する前に、以下でクリアランスセンサ及びその使用法を説明することを容易にするために、最初に、このようなセンサ及び検出手法と共に使用されるのに適する回転機械の種々の例を説明する。理解されるであろうが、システム及び装備の特定の例は、単に、説明を容易にすること及び文脈を提供することを目的として提供され、したがって、本開示の範囲を開示される例に限定することを意図しない。そうではなく、本明細書で考察されるクリアランスセンサは、別の部品に対する回転部品の半径方向のクリアランスが測定され、かつ、軸方向の動きに反応しないことが望ましい、任意の適当な回転機械と組み合わせて使用することができる。
【００１３】
本明細書で考察されるように、本発明のセンサの実施形態及び開示される測定は、蒸気タービン、ポンプ、圧縮機、発電機、タービンエンジン（例えば、航空機タービンエンジン）、及び、回転部品を有する機械などの、種々の回転システム内の２つの対象物の間の半径方向クリアランスを正確に測定するのを可能にするのに使用され得る。ここで図面を参照すると、図１が、蒸気タービン１０内の２つの対象物の間の半径方向クリアランスを測定するためのクリアランス測定システム１２を有する蒸気タービン１０を示している。示される実施形態では、クリアランス測定システム１２は、回転部品１４と蒸気タービン１０のハウジング又はシュラウド１６との間の半径方向クリアランスを測定するように構成され、このハウジング又はシュラウド１６は、回転部品の動作時に回転部品に対しては相対的に静止する。
【００１４】
図２を参照すると、図１の蒸気タービンの回転バケット組立体２０などの回転部品の一部分の概略斜視図が示されている。示される実施形態では、回転バケット組立体２０が、ハウジング１６内で異なるステージ２２を有するような構成で配置される。バケット組立体２０を可視化するために、ステージ２２の周りに配置されるハウジング１６が示されないことに留意されたい。ハウジング１６内のステージ２２は、図１の蒸気タービン１０の長さ（回転軸）に沿って長手方向において互いに離間される複数の回転バケット２４を含む。さらに、回転バケット２４が半径方向においてハウジング１６から（図１に描かれるように）離間される。言い換えると、回転バケット２４の外径はハウジング１６の内径より小さい。したがって、回転バケット２４の外周とハウジング１６の内側表面との間には比較的小さいクリアランスが存在する。さらに、後で詳細に考察するクリアランス制御フィーチャ（例えば、ノッチ２８）を除いて、回転バケット２４は、回転バケット２４の回転軸の周りに連続的な円形構造（ここでは、離間されるノッチ２８を備えるナイフエッジとして描かれる）を形成する。一実装形態では、ノッチ２８は、約０．０５０インチから０．２００インチ（約１．２７ｍｍから５．０８ｍｍ）の軸方向長さ（すなわち、回転軸方向の長さ）を有してよい。理解されるであろうが、ノッチ２８の構成は多様であってよく、また、概して線形すなわち直線状の側部を有するような実装形態を含むことができ、さらには、ノッチの縁部及び／又は角部がある程度の曲率を有するような他の実装形態も含むことができ、これにはノッチ２８が部分的な円であるような実施形態が含まれる。
【００１５】
この実施形態では、クリアランス測定システム１２（図１を参照）は、ハウジング１６（すなわち、相対的に固定される部品）と回転部品２４（例えば、回転バケット）との間の半径方向クリアランスを測定するように構成される。特定の実施形態では、クリアランス測定システム１２は、発電機又は別の回転機械内のハウジングと回転部品との間のクリアランスを測定するのに採用され得る。実際には、固定されているか又は他の何らかの状態の半径方向においてキャリア又はハウジング部品から離間される回転部品を有する別の回転機械内で半径方向クリアランスを測定することも本開示の範囲内にある。
【００１６】
本明細書で考察されるように、クリアランス測定システム１２は、ハウジング１６と回転部品１４との間の直流電流ベースの静電容量測定値を時間変動静電容量測定値に変換するように構成される。クリアランス測定システム１２は、静電容量測定を受ける回転部品の部分上で識別され得る少なくとも１つの基準フィーチャ又は構造（例えば、ノッチ２８、溝、スロットなど）に基づいて、このような変換を行う。例えば、基準フィーチャ又は構造は、回転軸の周りの回転部品のその他の部分の連続的表面形状（例えば、連続的な円形形状）の連続性を中断させてよい。このような時間変動静電容量測定値は、後でより詳細に説明されるように、回転部品１４と周りのハウジング１６との間の半径方向クリアランスを推定するのに使用される。
【００１７】
図３を参照すると、図１に示される蒸気タービン１０などの回転機械が、本明細書で考察される半径方向クリアランス測定システム１２を組み込んで示されている。蒸気タービン１０は、シャフト５４上に設置されるロータ５２を有する回転部品１４を含む。複数のタービンブレード（例えば、バケット２４）がロータ５２に付着される。運転時に、ブレードは高温・高圧の蒸気５８を受け、この蒸気５８は軸６０を中心にブレードを回転させる。ブレード（すなわち、バケット２４）は、半径方向及び円周方向においてブレードの周りに配置されるハウジング１６又はシュラウド内で回転する。ハウジング１６内でブレードが回転するのを促進するためにブレードとハウジング１６との間に比較的小さいクリアランスが存在するが、これによりさらに、ブレードとハウジング１６との間で動作流体すなわち蒸気が過度に漏洩することが防止される。各半径方向クリアランスセンサ組立体１２のセンサ又はプローブチップ６４が、固定シュラウド６２の中でその周りの円周方向に配置される。示される実施形態では、半径方向クリアランスセンサ組立体１２は容量プローブを含む。後で説明するように、センサ組立体１２は、各々が、それぞれの円周位置のところにおけるハウジング１６に対するブレードの相対的な半径方向位置を示す信号を発生させるように構成される。
【００１８】
次に図４を参照すると、図３の蒸気タービン１０の一部分７０の断面図が示されている。示される実施形態では、ナイフエッジタイプのシールが示され、ここでは、回転部品１４（ステージ２２など）の縁部又は先端部５６が、ハウジング１６の内側円周部上に設けられる溝７４内に噛合されるパッキン歯又はシール歯７２を含む。一実施形態では、クリアランス測定システム１２（図１を参照）は、回転部品１４のステージ２２の円周部縁部又は先端部５６とハウジング１６との間の半径方向クリアランスを測定するために、ハウジング１６に結合され得る。図５を参照すると、図４の蒸気タービン１０のハウジング１６及び縁部（例えば、歯７２）の一部分７６の詳細断面図が描かれている。示されるように、シール歯７２とハウジング１６との間の半径方向クリアランスが参照符号７８で示される。
【００１９】
特定の実施形態では、ハウジング１６とロータ５２との熱膨張率の差により、半径方向クリアランス７８が減少してゼロになる可能性があり、それによりシール歯７２と溝７４との間で干渉が起こる可能性がある。したがって、特定の実施形態では、プローブが、バケット２４が回転するときにこのような干渉（すなわち、摩擦）が起こるのを防止することを目的としてシュラウド６２の表面に対してわずかに窪むように設置される。同様に、プローブ（及び、プローブチップ６４）は、上記のような干渉が起こるのを防止するために、運転時に、シュラウド６２の表面に対して、可変の距離又は設定される距離だけ後方に引かれるように構成され得る。このような実装形態では、プローブは、システムの種々の部品を配置すること及び接続することを容易にするために、組み立て時にシュラウド６２の表面に対して相対的に後方に引かれ得る。
【００２０】
本開示は半径方向クリアランス７８をオンライン測定することを可能にし、これは、半径方向クリアランスを許容範囲内の値に維持するための閉ループ制御ストラテジーに組み込まれ得る。この制御ストラテジーは例えばハウジング１６を熱作動させることを含んでよく、それにより、ハウジング１６が、ハウジング１６とシール歯７２との間のクリアランスが減少したときに適切に膨張するようになる。この実施形態では、回転バケット２４に対して相対的にハウジング１６を移動又は膨張させるために、熱アクチュエータが熱膨張特性を利用する。
【００２１】
本明細書で考察される半径方向クリアランス測定の態様を参照すると、２つの対象物の間の静電容量が測定される。この静電容量測定値は、２つの対象物の間の重複表面積及び離隔距離（すなわち、クリアランス）の両方に関係する。例えば、一実施形態では、回転部品１４の縁部又は先端部５６とハウジングとの間の静電容量は、測定される回転部品（例えば、ステージ２２）の縁部５６とハウジング１６内に埋め込まれるセンサ又はプローブチップ６４との間の半径方向クリアランス７８に関係する。回転部品１４が半径方向に膨張すると、ステージ２２の縁部又は先端部５６に沿うシール歯７２とハウジング１６との間の半径方向クリアランス７８が変化する。半径方向クリアランス７８がこのように変化することにより、測定される静電容量が変化する。本明細書で考察されるように、静電容量が変化することは半径方向に変位することに相互に関連づけられ得ることから、それにより半径方向クリアランス測定値が得られる。クリアランス測定システム１２を介して半径方向クリアランス７８を測定することは後でさらに説明される。
【００２２】
図６を参照すると、蒸気タービンで使用される回転部品１４の一部分（例えば、ステージ２２）がノッチ２８（すなわち、基準フィーチャ又は構造）を備えて示されている。示される実施形態では、この回転部分は、回転軸を中心とする概して連続的な円形縁部８４を形成するように円周方向において接続又は取り付けされる複数のブレード又はバケット２４を含む。円周部縁部８４はまた、その他の部分の連続的な円形縁部８４の連続性を中断させる１以上のノッチ２８又は別の基準フィーチャを含む。適切な基準フィーチャの例には、インデント、ノッチ、溝及びスロットなどの、凹部が含まれる。別の実施形態では、２つ以上のノッチ２８が縁部８４上に存在してよく、これらのノッチ２８のうちの特定の一部は縁部８４の残りの部分とは異なる固有の深さを有してよい。例えば、図２に描かれかつ本明細書の後の例で考察されるように、縁部８４は、円周部縁部８４に沿う２つ（又は２つ以上）のノッチ２８を有するナイフエッジシールとして設けられてよく、これらのノッチ２８のうちの少なくとも２つは縁部８４の残りの部分とは異なる深さを有する。
【００２３】
運転時に、ハウジング１６に取り付けられるセンサ組立体１２（図３を参照）が、回転部品１４（又は、回転部品１４の特定のステージ２２）とハウジング１６との間の測定される静電容量に対応する信号を発生させる。センサ組立体１２によって測定される静電容量は、次いで、ハウジング１６と回転部品１４又はそれぞれのステージ２２との間の半径方向クリアランスを推定するために処理され得る。特定の実施形態では、センサ組立体１２のチップ６４は、測定時に回転部品１４がハウジング１６に対して相対的に軸方向に移動又は変位することに対して実質的に反応しないように構成される。
【００２４】
詳細には、軸方向の変位に関連して上述したように、ハウジング１６と回転部品１４（例えば、ステージ２２）との間の静電容量を測定することは、これらの構造物の間の重複部に少なくとも部分的に関係する。静電容量測定がプローブチップ６４と回転部品１４の縁部又は円周部領域との間の相互作用に基づくような範囲では、プローブチップ６４と測定される縁部との重複面積が静電容量測定のファクタとなる。したがって、プローブチップ６４と検出される回転部品１４の部分との重複面積が不確定であると、クリアランスの推定に誤差が生じる可能性がある。
【００２５】
例えば、従来の手法では、プローブチップ６４の検出部分は円形であってよい（しかし、三角形又は台形プローブチップなどの別の非細長構成も使用され得る）。このような実装形態では、歯７２によって形成されるナイフエッジシールが運転時にハウジング１６に対して相対的に軸方向に移動すると、歯７２とハウジング内に配置される円形プローブチップとの重複面積が変化する。すなわち、円形プローブチップに対して相対的に歯７２が軸方向に変位することにより、円形プローブチップと回転部品の縁部との間の有効重複面積が変化する。したがって、半径方向クリアランス７８に対応する静電容量を正確に測定することが、回転部品１４が軸方向に移動又は変位することの影響を受けることになる。これは、このように軸方向に変位することが、プローブチップと回転部品１４の測定される縁部分との間の有効重複面積を変化させる範囲内で起こる。
【００２６】
センサプローブチップ６４と測定される回転部品１４の部分との重複面積がこのように不確定になることに対処するために、本明細書で考察される特定の実施形態は、重複面積に関連する不確実性を低減又は排除し、これにより運転時にハウジング１６に対して相対的に回転部品１４が軸方向に移動又は変位することに反応しないようなプローブチップ形状及びターゲット形状を利用する。
【００２７】
例えば、図７及び８を参照すると、半径方向クリアランス測定システム１２のプローブチップ６４の一実施形態の一例が描かれている。この例では、長方形形状のチップを有する「ネイルヘッド」タイプのプローブ電極１０２が採用される。例えば、一実施形態では、電極１０２の長方形チップは、約２００ミル×１００ミル（すなわち、約５．０８ｍｍ×２．５４ｍｍ）の寸法を有し、ここでは、長手方向の寸法（すなわち、長さ）は回転部品１４の回転軸に平行に延び、短い方の寸法（すなわち、幅）は、測定される回転部品（例えば、ステージ２２）の部分の円周部縁部８４に平行に延びる。別の実施形態では、プローブチップ６４は、０．４００インチ（約１０．１６ｍｍ）の軸方向長さを有する電極１０２を含む。別の実装形態では、プローブチップ６４における電極１０２は、約２．０インチ（約５０．８ｍｍ）以下の軸方向長さを有してもよい。一般に、回転部品１４上のノッチ２８又は別の基準フィーチャの軸方向長さとプローブチップ６４の軸方向長さとの縦横比は約１：２から約１：８であってよい。
【００２８】
電極１０２のヘッドがこのように細長いことで、測定される回転部品１４の部分（ナイフエッジシールなど）に対して軸方向の断面が実質的に一様になる。その結果、電極１０２のヘッドに対して相対的に回転部品１４の縁部８４又は別の部分が軸方向に移動する場合、電極１０２との重複面積が実質的に一定となり、半径方向クリアランス測定システム１２が回転部品１４が軸方向に移動することに対して比較的反応しなくなる。さらに、説明されるプローブチップ６４を有するクリアランス測定システム１２が軸方向において反応しないことにより、測定される静電容量の変化を、主として半径方向クリアランス７８の変化に起因させるようにすることがきるか又はそれのみに起因させるようにすることができ、また、電極１０２と回転部品１４の監視される縁部８４との重複面積が比較的一定に保持される。特定の実装形態では、回転軸に平行な方向における電極１０２のヘッドの長さは、測定される縁部８４の予想される又は考えられる軸方向の変位量と同等の長さであるか又はそれより長い。しかし、特定の実施形態では、回転軸に平行な方向における電極１０２のヘッドの長さは、測定される縁部８４の予想される又は考えられる軸方向の変位量よりわずかに小さくてもよい。このような実施形態でも、付随するフリンジフィールドが、電極１０２に付随する実際の面積よりわずかに大きい面積を容量プローブが監視するのを実際上可能にすることから、電極１０２はやはり重複面積を実際上一定にする。
【００２９】
さらに、本明細書では例として長方形形状の電極ヘッドが考察されるが、軸方向における重複面積が考えられる軸方向の変位範囲全体にわたって実際上一定である限りにおいては、別の電極ヘッド形状も採用され得ることが理解されるべきである。例えば、特定の別の実装形態において、電極１０２と測定される縁部８４との重複面積が予期される軸方向の変位範囲内で実際上に一定である限りにおいては、電極１０２のヘッドは正方形又は楕円形の形状であってもよい。
【００３０】
さらに、電極１０２のヘッドの別の寸法に関して、測定される回転部品１４の部分（ステージ２２の縁部８４など）にノッチ２８又は別の基準フィーチャが設けられるような実装形態では、電極１０２の幅がその対応するフィーチャより小さいことが望ましい場合がある。例えば、回転部品の円周部縁部８４にノッチ２８が設けられるような一実装形態では、ノッチの幅（半径方向又は円周方向において測定される）が同じ方向において電極１０２のヘッドの幅より幾分か（例えば、２０％）大きく、その結果、電極ヘッドが円周方向においてノッチ２８又は別の構造フィーチャ内に「嵌合」され得ることが望ましい場合がある。このような例では、回転部品が一回転するときのある時点で、電極ヘッドの全幅がノッチ２８又は別のフィーチャの幅に包含され、それにより、静電容量測定値が電極１０２からノッチ２８又は別のフィーチャの底部表面までの距離を示すことが保証される。
【００３１】
一実装形態では、プローブチップ６４は気密密閉され、また、電極１０２は、中空内径を有する中空電極（中空白金電極など）である。別の実施形態では、電極１０２は中空ではなく中実であってもよい。実際には、ろう付け接合部及び／又はセラミックメタライゼーション部などのプローブチップ６４の部品の間の構造応力を低減することが望ましいような用途では、中空電極を使用することが有用である可能性がある。さらに、示される例では、１以上のろう付け接合部は面取りされる（面取りされる嵌合部１１２を参照）。プローブチップ６４の部品を接続するのにろう付け接合部が採用されるような一実装形態では、プローブは真空炉内で垂直にろう付けされてよく、したがって、製造プロセスにおいて、重力及び面取り部の補助により、液体の流れによるろう付けを行うことができる。
【００３２】
一実施形態では、接続ケーブル又はワイヤ１０６（同軸ケーブル又はハードラインなど）の導体１０４（白金中心電極など）が電極１０２に溶接されてよい（例えば、スポット溶接１０８）。導体１０４及びケーブル１０６は、電極１０２から信号を読み取るのを可能し、また、その信号を下流の処理部品に伝達するのを可能にし、この下流の処理部品が後で考察するように静電容量を経時的に監視するために信号を処理する。
【００３３】
例として、ＢＡＵ４の金・ニッケルのろう付け合金と、９４％アルミナセラミックモリブデンマンガンメタライゼーション部（セラミックヘッド部片を取り付けるため）と、白金電極１０２と、３２１ステンレス鋼ジャケット内の白金中心導体１０４と、半剛性同軸ケーブル１０６と、４４６ステンレス鋼のプローブ本体１２０とを使用して、センサプローブチップ６４を組み立てた。特定の実装形態では、電極１０２の長方形チップを嵌合するための溝又は別の共形凹部がセラミックヘッド部片１１６内にフライス加工され得る。
【００３４】
上述したように、特定の実装形態では、プローブチップ６４は気密密閉される。プローブチップ６４上の気密シールを試験するために、リークチューブ１３０（図９）がプローブのバックキャビティ１３２内に組み込まれ得る。このような実装形態では、リークチューブ１３０が、機密性を試験するために真空にするのに使用され得る。このような気密性試験の１つは、ヘリウムの漏洩率を測定する試験である。例えば、１×１０-8ａｔｍ  ｃｃ／ｓｅｃ以下のヘリウム漏洩率が達成されれば、気密性が十分であると判断され得る。漏洩試験が完了して、プローブチップ６４が気密密閉されていると判断されると、リークチューブ１３０が溶接されて閉じられ得る。
【００３５】
図１０を参照すると、センサプローブをロータリ機械のハウジング１６に取り付けるための設置組立体の一例が描かれている。描かれる実施形態では、設置組立体１４０が分割型リテーナリングとして設けられる。この設置組立体１４０はセンサプローブに係合し、長方形電極チップ１０２の軸方向長さをタービンロータの軸に平行な状態で維持するためのキーを形成する。一実施形態では、設置組立体１４０は、ハウジング１６上のねじ孔に対応する孔１４６を有するフランジ１４４を備えるように機械加工される円筒形本体１４２から製造され得る。一実装形態では、一対の孔１４６は設置組立体１４０上で対称であり、したがって０°又は１８０°のみで回転させることが可能となり、プローブの向きが９０°又は２７０°になることが防止される。円筒形本体１４２の端部のところに、プローブチップ６４上の相補的なフィーチャに対応するフィーチャ（例えば、タブ１４８）が設けられてもよい。一実装形態では、プローブチップ６４がカウンタボア上に着座され、ボルトトルクがプローブチップ６４上に圧縮荷重を加える。コネクタ１５０の寸法が設置組立体１４０の内径を超えるような実装形態では、設置組立体１４０は、単一の部片ではなく、描かれる分割型保持リング組立体などの複数の部片で製造され得る。別法として、設置組立体１４０は最初は単一部片として製造されるが、放電加工又は別の適切な手法を使用するなどして分割されてもよい。
【００３６】
プローブ及びプローブチップに関する上記の細部に留意して、特定の実装形態では、直流電流ベース静電容量測定値が、本明細書で考察されるように、ハウジング１６と回転部品１４との間で得られる。理解されるであろうが、ハウジング１６と回転部品１４と間の半径方向クリアランスが増加すると、回転部品１４の概して円形の縁部８４に対応する静電容量測定値と基準フィーチャ（例えば、ノッチ２８）に対応する静電容量測定値との間の差が低減される。同様に、半径方向クリアランスが減少すると、この静電容量測定値の差は増大する。すなわち、検出される静電容量はハウジング１６と回転部品１４との間のクリアランスに反比例する。例として、一実装形態では、ハウジング１６と回転部品１４との間のクリアランスが２倍になると、ベースラインの静電容量とピーク静電容量との間の差が０．５倍縮小される。
【００３７】
測定される回転部品１４の部分の上に１以上のノッチ２８又は別の基準フィーチャが設けられるような実装形態では、これらの静電容量測定値は、基準フィーチャ（例えば、ノッチ２８）がプローブチップ６４を通過して周期的に並進移動することに基づいて時間変動静電容量測定値に変換され得る。例として、図１１が、ハウジング１６内に埋め込まれるプローブチップ６４を有するクリアランス測定システム１２によって経時的に測定される静電容量１６０をグラフで示す。静電容量測定値の縦軸１６２はセンサ組立体１２によって検出される静電容量値を示し、横軸１６４は時間を示す。
【００３８】
本発明の一実施形態では、センサ組立体１２によって発せられる信号のベースライン部分１６８が、回転部品１４の概して円形の縁部分８４に対して測定される静電容量に相当する。センサ組立体１２によって発せられる信号のピーク部分又は上昇部分１７０は、ノッチ２８がセンサ組立体１２を通過して並進移動するときに測定される静電容量に相当し、それにより、得られる静電容量データ１６０の一時的な基準点が得られる。特定の実装形態では、ベースライン部分１６８を基準として測定されるピーク部分１７０の振幅が基準フィーチャ（例えば、ノッチ２８）の深さに相当する。すなわち、ベースライン部分１６８の振幅とピーク部分１７０の振幅との間の差と、基準フィーチャの所定の深さ又は既知の深さとが、回転機械が運転されるときの（すなわち、回転部品がハウジングに対して相対的に回転している間の）ハウジング１６と回転部品１４との間のクリアランスを決定するのに利用され得る。
【００３９】
描かれる例では、上のグラフが、回転部品の円形縁部８４がハウジング１６内に埋め込まれたプローブチップ６４を通過して連続して４回転するのを表しており、ここでは、円形縁部８４は異なる深さを有する離間される２つのノッチ２８を含む。理解されるであろうが、回転部品１４が１回転する毎に、検出されるパラメータ（すなわち、静電容量）間の差が複数得られるので、複数のノッチ２８（又は、別の基準フィーチャ）を採用することにより測定システムの速度が上がる。特定の実施形態では、これらの複数の差は、クリアランス測定システム１２を自己較正するための手段として利用され得る。図１１の下のグラフは、回転部品の円形縁部８４がプローブチップ６４を通過して１回転するのを拡大して表しており、観測される静電容量の差をより詳細に示す。ノッチ２８の深さの差が、それぞれのノッチ２８に付随する異なるピーク振幅１７０により確認され得る。
【００４０】
上記に留意して、図１２が、本明細書で考察されるクリアランス測定システム１２の構成の一例を示す。クリアランス測定システム１２は長方形又は別の構成の電極１０２を備えるプローブチップ６４を有するプローブを含み、これにより回転機械の軸方向に沿う重複面積が一定になる。さらに、プローブに入力励起信号を提供するために、信号発生器１７２がプローブチップ６４に結合される。示される実施形態では、信号発生器１７２は電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含む。信号発生器１７２からの励起信号は、プローブチップ６４に印加される際に、スイッチ１７６を介して切り替えられ得るか又は別の形で制御され得る。しかし、特定の実施形態では、スイッチ１７６はなくてもよい。
【００４１】
さらに、プローブチップ６４によって受信される入力信号を増幅させるために、増幅器１７８が信号発生器１７２に結合されてよい。示される実施形態では、コンデンサ１８０及び位相検出器１７４が、プローブチップ６４を介して静電容量を測定するためにプローブチップ６４に結合される。さらに、それぞれのプローブチップ６４からの入射信号及び反射信号を分離するために、方向性結合器１９０がプローブチップ６４に結合され得る。
【００４２】
運転時に、プローブチップ６４は、信号発生器１７２により励起周波数で励起される。励起周波数は、ワイヤの長さ、静電容量、プローブチップ６４の幾何形状、静的測定の静電容量、及び、別のファクタに基づいて、選択され得る。本発明の一実施形態では、位相検出器１７４が、プローブチップ６４からの反射信号と信号発生器からの励起信号との間の位相差を検知して、測定される静電容量を示す信号を発生させるように、構成される。詳細には、プローブチップ６４を介する静電容量は、コンデンサ１８０及び位相検出器１７４を使用して励起信号とそれに対応する反射信号との位相差を測定することにより、測定される。
【００４３】
次いで、プローブから発せられる信号が処理ユニット１９８を介して処理され得る。さらに、信号発生器１７２からの励起信号の周波数が、周波数追跡ユニット２００を介して追跡及び制御され得る。運転時に、処理ユニット１９８が、回転部品１４及び回転部品１４上に配置される基準フィーチャに対応する検出される静電容量を示す信号を受信する。さらに、処理ユニット１９８が、回転部品１４及び基準フィーチャ（例えば、ノッチ２８）からの検出される静電容量間の測定値の差に基づいて回転部品１４とハウジング１６との間のクリアランスを推定する。より具体的には、これらの検出される静電容量は、測定値の差及び基準フィーチャの所定のサイズに基づき、ハウジング１６と回転部品１４との間のクリアランスを決定するために処理される。
【００４４】
所定のサイズを有する基準フィーチャ（例えば、ノッチ２８）に基づく測定は、電子機器のドリフト並びにハウジング１６及び回転部品１４の材料特性の変化などのファクタによる、測定におけるあらゆるノイズ成分の影響を大幅に低減する。示される実施形態では、ノイズ成分は、全測定を通して一様に明示され得、その後、測定値の差を推定しながら無効にされる。したがって、このような実施形態では、処理ユニット１９８によって受信される時間変動信号が処理され、その信号の特徴が抽出される。この実施形態では、信号の特徴には、ベースラインレベル及びピーク高さ（ノッチの深さに相当する）が含まれる。さらに、抽出されるピーク高さがノッチ２８の所定のサイズと比較される。測定されるノッチ高さがクリアランスに基づいて拡大・縮小され、クリアランスが複数の方法のうちの１つを使用して決定され得る。これらの方法には、ルックアップテーブル、分析ベースモデル／物理学ベースモデル、又は、カーブフィット関数が含まれる。上述したように、複数の基準フィーチャが採用され得、所定のサイズのこのような基準フィーチャを介して、処理ユニット１９８が、基準フィーチャの測定された拡大・縮小を提供するのに必要となるクリアランスを決定する。したがって、測定値の差を使用して処理が行われかつ測定値の絶対値が使用されないことから、例えば比較的長時間にわたって一定のオフセットを導入するようないかなる測定誤差（非時間変動誤差、又は、緩やかに変化する誤差）も排除されるようになる。
【００４５】
このように、基準フィーチャにより回転部品１４の連続的表面形状の連続性を中断させることにより、クリアランス測定システム１２が、回転部品１４とハウジング１６との間の直流電流ベース静電容量測定値を時間変動静電容量測定値に変換する。より詳細には、基準フィーチャを介して連続的表面形状の連続性を中断させることにより、容量プローブによって発せられる信号内にスパイクが組み込まれ、これは、検出システムを自己較正するのに使用され得、それにより測定が信号ドリフトの影響を受けなくなる。
【００４６】
上で考察したように、このような時間変動静電容量測定値は、回転部品１４とハウジング１６との間のクリアランスを推定するのに使用される。特定の実施形態では、処理ユニット１９８は、ルックアップテーブル、較正曲線、又は検出される静電容量の測定値の差と回転部品１４上に配置される基準ジオメトリの所定のサイズとに基づいてクリアランスを推定するための別の技法を採用することができる。さらに、処理ユニット１９８によって推定されるクリアランスに基づいて回転部品１４とハウジング１６との間のクリアランスを制御するために、クリアランス制御ユニット２０２が処理ユニット１９８に結合され得る。
【００４７】
本明細書で説明される方法の種々の態様は多様な用途において有用である。例えば、上で示される技法は、蒸気タービン内の回転部品と固定部品との間のクリアランスを測定するのに使用され得る。この技術はまた特定の別の用途、例えば、発電機内の固定部品と回転部品との間のクリアランスを測定するために使用され得る。上述したように、さらにより一般的には、本明細書で説明される方法は、回転部品の連続的表面形状を中断させる少なくとも１つの基準フィーチャに基づいて、固定部品と回転部品との間の直流電流ベース静電容量測定値を時間変動静電容量測定値に変換することによりセンサを介して対象物間の半径方向クリアランスを正確に測定するのを可能にするのに有利である可能性がある。さらに、開示される実施形態は、運転時においても長期間にわたって複数の部分のクリアランスを正確に測定するための自己較正センサシステムを提供するのに特に有利であり、それにより運転時に複数の部分のクリアランスをより良好に制御することが可能となる。
【００４８】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを示して説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲内にあるそのような修正及び変更のすべてを包含することを意図されることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４９】
１０  蒸気タービン
１２  クリアランス測定システム
１４  回転部品
１６  ハウジング又はシュラウド
２０  回転バケット組立体
２２  ステージ
２４  回転バケット
２８  ノッチ
５２  ロータ
５４  シャフト
５６  回転部品の縁部又は先端部
５８  蒸気
６０  軸
６２  固定シュラウド
６４  プローブチップ
７０  蒸気タービンの一部分
７２  パッキン歯又はシール歯
７４  溝
７６  蒸気タービンのハウジング及び縁部の一部分
７８  半径方向クリアランス
８４  円形縁部、円周部縁部
１０２  プローブ電極
１０４  導体
１０６  接続ケーブル又はワイヤ
１０８  スポット溶接
１１６  セラミックヘッド部片
１２０  プローブ本体
１３０  リークチューブ
１３２  バックキャビティ
１４０  設置組立体
１４２  円筒形本体
１４４  フランジ
１４６  孔
１４８  タブ
１５０  コネクタ
１６０  静電容量、静電容量データ
１６２  縦軸
１６４  横軸
１６８  ベースライン部分
１７０  ピーク部分又は上昇部分
１７２  信号発生器
１７４  位相検出器
１７６  スイッチ
１８０  コンデンサ
１９０  方向性結合器
１９８  処理ユニット
２００  周波数追跡ユニット
２０２  クリアランス制御ユニット２０２
【図１】
2013250266.tif 000003
【図２】
2013250266.tif 000004
【図３】
2013250266.tif 000005
【図４】
2013250266.tif 000006
【図５】
2013250266.tif 000007
【図６】
2013250266.tif 000008
【図７】
2013250266.tif 000009
【図８】
2013250266.tif 000010
【図９】
2013250266.tif 000011
【図１０】
2013250266.tif 000012
【図１１】
2013250266.tif 000013
【図１２】
2013250266.tif 000014