(57)【要約】      （修正有）【課題】渦電流近接プローブ組立体を有するターボ機械ブレード監視システムを含むシステムを提供する。ターボ機械は、ターボ機械ブレードの劣化を監視するブレード監視システムを含む。【解決手段】渦電流近接プローブ組立体は、プローブ先端を有する渦電流近接プローブ５２、および、プローブ先端５２の周りに配設されたプローブ先端シュラウドであって、非金属材料を含むプローブ先端シュラウドを含む。渦電流近接プローブ５２は、ターボ機械ブレード２２の存在を示す信号を提供するように構成され、渦電流近接プローブ組立体は、ターボ機械ケーシング２５内に配設されるように構成される。ターボ機械ブレード監視システム５０はまた、渦電流近接プローブ組立体に結合されたモニタであって、信号に基づいてターボ機械ブレード２２のパラメータを監視するように構成されるモニタ４９を含む。【選択図】図１
2013144977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ先端を有する近接プローブ、および、
前記プローブ先端の周りに配設され、非金属材料を含む、プローブ先端シュラウド
を備える近接プローブ組立体であって、
前記近接プローブがターボ機械ブレードの存在を示す信号を提供するように構成され、前記近接プローブ組立体がターボ機械ケーシング内に配設されるように構成される、近接プローブ組立体と、
前記近接プローブ組立体に結合されたモニタであって、前記信号に基づいて前記ターボ機械ブレードのパラメータを監視するように構成されるモニタと
を備えるターボ機械ブレード監視システム。
【請求項２】
プローブケーブルによって前記近接プローブに結合された信号ドライバを備え、前記信号ドライバが前記近接プローブに励起信号を提供するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記信号ドライバに結合されたデータ取得回路を備え、前記データ取得回路が、前記近接プローブによって生成されるリターン信号の振幅を監視し、前記振幅の各ピークを、各ピークの時刻を示すタイムスタンプに関連付けるように構成される請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記プローブ先端シュラウドが前記近接プローブの周りに配設されたプローブシースに当接し、前記近接プローブが前記ターボ機械ケーシング内に配設されると、前記プローブ先端シュラウドが前記プローブシースから前記ターボ機械ケーシングの内壁まで延在するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記非金属材料が複合材料を含む請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記プローブ先端シュラウドが、ねじ込み接続部によって、前記近接プローブの周りに配設されたプローブケースに結合される請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記近接プローブが、前記ターボ機械ブレードの到着または出発を検出するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記近接プローブが、前記ターボ機械ブレードの外側半径方向端部と前記ターボ機械ケーシングの内壁の間の隙間を検出するように構成される請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記プローブ先端シュラウドが、前記近接プローブの周りに配設されたプローブケースを覆って成形される請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記近接プローブが渦電流近接プローブである請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記近接プローブがマイクロ波近接プローブである請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記信号に基づいてターボ機械の少なくとも１つの機能を制御するように構成されるコントローラを備える請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
表面に沿って回転するブレードを有するターボ機械と、
前記表面に沿ってレセプタクル内に配設された渦電流近接プローブ組立体と
を備えるシステムであって、
前記渦電流近接プローブ組立体が、
前記表面に沿って前記ブレードの存在を示す信号を提供するように構成されたプローブ先端を有する渦電流近接プローブ、および
前記プローブ先端の周りに配設され、前記表面に沿って前記プローブ先端の周りのボイドを実質的に充填する非金属材料を含む、プローブ先端シュラウドを備えるシステム。
【請求項１４】
ターボ機械がタービンまたは圧縮機を備え、前記ブレードがタービンブレードまたは圧縮機ブレードである請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記非金属材料が複合材料を含む請求項１３記載のシステム。
【請求項１６】
前記プローブ先端シュラウドが可動環状シュラウドである請求項１３記載のシステム。
【請求項１７】
前記プローブ先端シュラウドが、前記プローブ先端にしっかりと結合されるオーバーモールド成形環状シュラウドである請求項１３記載のシステム。
【請求項１８】
渦電流近接プローブ組立体を備えるシステムであって、
前記渦電流近接プローブ組立体が、
プローブ先端を有する渦電流近接プローブと、
前記渦電流近接プローブの周りに少なくとも部分的に配設されたプローブケースと、
前記プローブケースの周りに少なくとも部分的に配設されたプローブシースであって、第１のねじ込み接続部によって前記プローブケースに結合されるプローブシースと、
前記プローブ先端の周りに配設されたプローブ先端シュラウドであって、第２のねじ込み接続部によって前記プローブケースに結合され、非金属材料を含む、プローブ先端シュラウドとを備えるシステム。
【請求項１９】
前記渦電流近接プローブ組立体が、ターボ機械ケーシングのアパーチャ内に配設されるように構成され、前記渦電流近接プローブ組立体が前記ターボ機械ケーシングの前記アパーチャ内に配設されると、前記プローブ先端シュラウドの半径方向端部が前記ターボ機械ケーシングの内壁とほぼ同一平面にある請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記渦電流近接プローブ組立体を有するブレード監視システムを備え、前記ブレード監視システムが回転ブレードとケーシングの間の隙間を監視するように構成され、かつ／または、前記ブレード監視システムが前記回転ブレードの先端部の健全度を監視するように構成される請求項１８記載のシステム。
【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、ターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械用の改良型ブレード監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械は、圧縮機、ならびに、ガスタービン、蒸気タービン、およびハイドロタービンなどのタービンを含む。一般に、ターボ機械は、ロータを含み、ロータは、ターボ機械ブレードが取付けられる、シャフト、ドラム、ディスク、またはホイールとすることができる。ターボ機械は、ターボ機械ブレードの劣化を監視するブレード監視システムを含むことができる。
【０００３】
既存のブレード監視システムは、磁気ピックアップタイプの変換器を含むことができる。しかし、磁気ピックアップタイプの変換器は、種々の弱点を生じ易い場合がある。たとえば、磁気プローブは、低いタービンブレード速度で非常に低い信号振幅を、高いタービンブレード速度で非常に高い信号振幅を示しうる。さらに、磁気ピックアッププローブは、磁界にさらされる、また、磁界を誘起する。さらに、磁気ピックアッププローブ性能は、熱的応力、機械的応力、または両方のために劣化する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５７６１９５６号明細書
【発明の概要】
【０００５】
出願時の本発明の範囲に相応する一部の実施形態を以下で要約する。当然のことながら、これらの実施形態は、特許請求する本発明の範囲を制限することを意図するものではなく、むしろ、ただ単に本発明の考えられる形態の簡潔な概要を提供することだけを意図する。実際、本発明は、以下で述べる実施形態と同様な、または、異なる種々の形態を包含することができる。
【０００６】
第１の実施形態では、システムは、渦電流近接プローブ組立体を有するターボ機械ブレード監視システムを含む。渦電流近接プローブ組立体は、プローブ先端を有する渦電流近接プローブ、および、プローブ先端の周りに配設されたプローブ先端シュラウドであって、非金属材料を含むプローブ先端シュラウドを含む。渦電流近接プローブは、ターボ機械ブレードの存在を示す信号を提供するように構成され、渦電流近接プローブ組立体は、ターボ機械ケーシング内に配設されるように構成される。ターボ機械ブレード監視システムはまた、渦電流近接プローブ組立体に結合されたモニタであって、信号に基づいてターボ機械ブレードのパラメータを監視するように構成されるモニタを含む。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、表面に沿って回転するブレードを有するターボ機械と、表面に沿ってレセプタクル内に配設された渦電流近接プローブ組立体とを含む。渦電流近接プローブ組立体は、表面に沿ってブレードの存在を示す信号を提供するように構成されたプローブ先端を有する渦電流近接プローブと、プローブ先端の周りに配設されたプローブ先端シュラウドであって、表面に沿ってプローブ先端の周りのボイドを実質的に充填する非金属材料を含む、プローブ先端シュラウドとを有する。
【０００８】
第３の実施形態では、システムは、渦電流近接プローブ組立体を備え、渦電流近接プローブ組立体は、プローブ先端を有する渦電流近接プローブと、渦電流近接プローブの周りに少なくとも部分的に配設されたプローブケースと、プローブケースの周りに少なくとも部分的に配設されたプローブシースであって、第１のねじ込み接続部によってプローブケースに結合される、プローブシースとを含む。渦電流近接プローブ組立体はさらに、プローブ先端の周りに配設されたプローブ先端シュラウドであって、第２のねじ込み接続部によってプローブケースに結合され、非金属材料を含む、プローブ先端シュラウドを含む。
【０００９】
添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むと、本発明のこれらのまた他の特徴、態様、および利点をよりよく理解するであろう。図面では、同じ記号は、図面全体を通して同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンエンジンの図である。
【図２】本開示の実施形態による、ターボ機械ブレード監視システムの図である。
【図３】本開示の実施形態による、ターボ機械ブレード監視システムによって取得されるタービンブレード到着および出発データを示すグラフである。
【図４】本開示の実施形態による、ターボ機械ブレード監視システムによって取得されるタービンブレード到着および出発データを示すグラフである。
【図５】ターボ機械ブレード監視システム用の渦電流プローブ組立体の実施形態の断面図である。
【図６】ターボ機械ブレード監視システム用の渦電流プローブ組立体の実施形態の部分断面図である。
【図７】ターボ機械ブレード監視システム用の渦電流プローブ組立体の実施形態の部分断面図である。
【図８】ターボ機械ブレード監視システム用の渦電流プローブ組立体の実施形態の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下で述べる。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、実際の実施態様の全ての特徴を、本明細書で述べるとは限らない。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトの場合と同様に、任意のこうした実際の実施態様の開発において、実施態様ごとに変動する場合があるシステム関連制約およびビジネス関連制約の遵守などの、開発者の特定の目標を達成するために、多数の実施態様特有の決定が行われなければならないことを理解されたい。さらに、こうした開発努力は、複雑でありかつ時間がかかる場合があるが、それでも、本開示の利益を有する当業者にとって、設計、作製、および製造の日常的な課題であることを理解されたい。
【００１２】
本発明の種々の実施形態の要素を導入するときに、冠詞「(ａ)」、「(ａｎ)」、「(ｔｈｅ)」、および「(ｓａｉｄ)」は、要素の１つまたは複数が存在することを意味することを意図する。用語「備える(ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ)」、「含む(ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ)」、および「有する(ｈａｖｉｎｇ)」は、包含的であることを意図し、挙げた要素以外のさらなる要素が存在する場合があることを意味する。
【００１３】
本開示の実施形態は、ターボ機械のターボ機械ブレードを監視するように構成されたブレード監視システムを対象とする。ブレード監視システムは、ターボ機械のケーシング内に配設されたプローブ組立体を含む。より具体的には、プローブ組立体は、プローブ先端シュラウドによって囲まれたプローブ先端を有するプローブ（たとえば、渦電流近接プローブ）を含む。プローブ先端シュラウドは、炭素繊維、硫化ポリフェニレン、ファイバーグラス、ＰＥＥＫ、または他のプラスチックなどの非金属材料から形成され、プローブ組立体がケーシング内に配設されると、プローブを囲むプローブシースからターボ機械ケーシングの内壁まで延在することができる。こうして、プローブ先端シュラウドは、プローブ組立体がターボ機械ケーシング内に設置されると、プローブ先端とターボ機械ケーシングの間に普通なら存在することになる空気ボイドを充填する。プローブ先端とターボ機械ケーシングの間に普通なら存在することになる空気ボイドを、非金属プローブ先端シュラウドによって充填することによって、ターボ機械内の流れの乱れを増加させることなく、ターボ機械ブレードを監視するために渦電流プローブを使用することができる。以下で開示される実施形態は、ガスタービンと共に使用されるブレード監視システムを対象とするが、ブレード監視システムは、蒸気タービンまたは圧縮機などの他のターボ機械と共に使用可能であることを留意することが重要である。
【００１４】
図１は、改良型ブレード監視システム５０（たとえば、モニタユニット４９、制御ユニット５１、およびプローブ５２を含む）を有する圧縮機セクション１２（たとえば、圧縮機）およびタービンセクション１８（たとえば、タービン）を有するガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図を示す。システム１０はまた、燃料ノズル１６を有する燃焼器１４を含む。燃料ノズル１６は、天然ガスまたは合成ガスなどの液体燃料および／またはガス燃料を燃焼器１４内に経路制御する。燃焼器１４は、燃焼器１４内で混合されることができる燃料空気混合物を点火し燃焼させ、その後、熱い加圧燃焼ガス２０（たとえば、排気ガス）をタービンセクション１８内に送る。
【００１５】
タービンブレード２２は、ロータ２４に結合され、ロータ２４はまた、示すように、タービンシステム１０全体を通していくつかの他の構成要素に結合される。タービンセクション１８はまた、タービンケーシング２５を含み、タービンケーシング２５は、以下でさらに詳細に述べるように、ブレード監視システム５０のブレード監視プローブ５２（たとえば、渦電流近接プローブまたはマイクロ波近接プローブ）を支持する。燃焼ガス２０が、タービンセクション１８内のタービンブレード２２を通過するときに、タービンセクション１８は、回転するように駆動され、ロータ２４が回転させられる。最終的に、燃焼ガス２０は、排気ガス出口２６を介してタービンセクション１８を出る。
【００１６】
圧縮機セクション１２は、圧縮機ケーシング２９によって囲まれた圧縮機ブレード２８を含む。圧縮機セクション１２内のブレード２８は、ロータ２４に結合され、先に論じたように、ロータ２４がタービンセクション１８によって回転するように駆動されると回転する。ブレード監視システム５０は、さらに、圧縮機ブレード２８の健全度または動作を監視するために使用することができる。ブレード２８は圧縮機セクション１２内で回転するにつれて、空気取込み口からの空気を加圧空気３０になるように圧縮し、加圧空気３０は、燃焼器１４、燃料ノズル１６、およびガスタービンシステム１０の他の部分に経路制御することができる。
【００１７】
燃料ノズル１６は、その後、適した燃料空気混合物を生成するために加圧空気３０と燃料を混合することができ、その燃料空気混合物は、タービンセクション１８を駆動する燃焼ガス２０を生成するために燃焼器１４内で燃焼する。さらに、ロータ２４の回転によって動力供給することができる負荷３２にロータ２４を結合することができる。例として、負荷３２は、発電プラントまたは外部の機械的負荷などの、タービンシステム１０の回転出力によって電力を生成することができる任意の適したデバイスとすることができる。たとえば、負荷３２は、発電機、航空機エンジンのファンなどを含むことができる。
【００１８】
以下の論議では、軸方向２、半径方向４、および円周方向６に対して参照することができる。より具体的には、軸方向２、半径方向４、および円周方向６は、ロータ２４に対して種々の方向を指すことができる。
【００１９】
ブレード監視システム５０は、モニタユニット４９および制御ユニット５１を含む。ブレード監視システム５０（たとえば、モニタユニット４９）は、ガスタービンシステム１０のタービンブレード２２および／または圧縮機ブレード２８の健全度を監視することができる。たとえば、ブレードの健全度を監視することは、タービンブレード２２および／または圧縮機ブレード２８の欠陥、振動、周波数、または他の特性を監視することを含むことができる。理解されるように、ブレード監視システム５０によって監視されるブレード特性は、監視されるブレードのタイプ（たとえば、タービンブレード２２または圧縮機ブレード２８）に応じて変動する場合がある。さらに、ブレード監視システム５０（たとえば、モニタユニット４９）は、タービンブレード２２とタービンケーシング２５の間の隙間および／または圧縮機ブレード２８と圧縮機ケーシング２９の間の隙間を監視することができる。さらに、ブレード監視システム５０（たとえば、制御ユニット５１）は、ブレード監視システム５０（たとえば、モニタユニット４９）によって監視されるデータに基づいてガスタービンシステム１０（たとえば、圧縮機セクション１２および／またはタービンセクション１８）の動作を調節、修正、または制御することができる。以下で論じるブレード監視システム５０の実施形態は、タービンセクション１８の文脈で述べられるが、ブレード監視システム５０を、圧縮機セクション１２または他のターボ機械と共に使用可能であることに留意することが重要である。
【００２０】
図２は、圧縮機セクション１２およびタービンセクション１８または他のターボ機械と共に使用することができるブレード監視システム５０（たとえば、モニタユニット４９）の実施形態を示す図である。ブレード監視システム５０は、タービンブレード２２およびロータ２４を囲むタービンケーシング２５内に配設された近接プローブセンサ組立体１３８の、示す実施形態内の渦電流近接プローブなどのプローブ５２を含む。具体的には、プローブ５２は、半径方向４に完全にタービンケーシング２５を貫通して延在する、タービンケーシング２５のアパーチャ５４内に配設される。こうして、プローブ５２のプローブ先端５６は、タービンセクション１８の内部５８に向く。いくつかの実施形態では、プローブ５２は、以下で述べるように、プローブ先端５６の周りに非金属シュラウドを有する渦電流プローブまたはマイクロ波近接プローブとすることができる。理解されるように、渦電流プローブは、磁界を受けず、また、タービンセクション１８のブレード２２あるいはタービンセクション１８またはガスタービンシステム１０の他の電子部品に影響を及ぼす有意に十分な磁界を誘起しない。
【００２１】
磁気ピックアッププローブと違って、渦電流プローブは、タービンブレード２２の外側半径方向縁６２とケーシング２５の内壁６４の間の隙間６０（たとえば、プローブセンサに対する半径方向４の距離）を測定するように構成することができる。たとえば、渦電流プローブのワイヤコイルのインピーダンスの変化は、タービンブレード２２の外側半径方向縁６２とケーシング２５の内壁６４の間の隙間６０の変化を示すことができる。いくつかの実施形態では、渦電流プローブのワイヤコイルのインピーダンス変化を、隙間６０の変化に応答して振幅が変化することができる（たとえば、モニタユニット４９によって）電圧出力に変換することができる。示す実施形態は１つのプローブ５２を示すがブレード監視システム５０は、タービンセクション１８のタービンケーシング２５内に配設された複数のプローブ５２を含むことができる。以下で詳細に論じるように、プローブ５２は、プローブ５２を、タービンケーシング２５の既存のアパーチャ５４に嵌合すると共に、プローブ５２の寿命および動作を改善するために、シース、シュラウド、または他の構成要素を含むことができる。
【００２２】
動作時、プローブ５２は、タービンブレード２２がタービンケーシング２５内で円周方向６６に回転するときに、タービンブレード２２のそれぞれの到着時刻および出発時刻を検出するように構成される。たとえば、プローブ５２は、各ブレード２２がプローブ５２のプローブ先端５６を通過するときに、各タービンブレード２２の到着および出発を検出するために渦電流を誘起するように構成することができる。より具体的には、ブレード監視システム５０の電源７０によって電力供給されるプロキシメータ６８は、プローブ５２に駆動信号を提供することによってプローブ５２を駆動する。いくつかの実施形態では、プロキシメータ６８は、渦電流プローブを駆動するように構成することができる。たとえば、プロキシータ６８の周波数応答は、タービンブレード２２の通過周波数より大きくなるように増加または増大されることができる。駆動信号に応答して、プローブ５２は、プロキシメータ６８にリターン信号を送る。実際には、プローブ５２が渦電流プローブである実施形態では、リターン信号は、広い範囲のタービンブレード２２速度にわたってより一貫性のある振幅を有することができる。図示するように、プロキシメータ６８は、プロキシメータ６８と共に使用するために調節するまたは「調整する（ｔｕｎｅｄ）」ことができるプローブケーブル７２によってプローブ５２に結合される。すなわち、ケーブル７２は、プローブ５２のインピーダンスをプロキシメータ６８に整合させるように構成することができる。いくつかの実施形態では、プローブケーブル７２は、約１〜２０メートル長とすることができる。プローブケーブル７２が５メートル長より長い実施形態の場合、プローブ５２をプロキシメータ６８に結合するために、伸張ケーブルを使用することができる。
【００２３】
プロキシメータ６８はさらに、電源７０によって同様に電力供給されるデータ取得回路７４に結合される。先に述べたように、プローブ５２は、リターン信号をプロキシメータ６８に送る。各タービンブレード２２が、プローブ５２のプローブ先端５６を通過するときに、プローブ５２によって提供されるリターン信号は、リターン信号内でピークまたは「ブリップ（ｂｌｉｐ）」を送信する。データ取得回路７４は、プロキシメータ６８によって受信されるリターン信号を監視し、リターン信号内で送信される各ピークまたは「ブリップ」にタイムスタンプを割当てる。換言すれば、タービンブレード２２がプローブ５２のプローブ先端５６を通過するたびに、ブレード２２がプローブ先端５６を通過する時刻が記録される。こうして、タービンブレード２２が通過する間の経過時間の間隔を計算することができる。タービンブレード２２が通過する間の経過時間の間隔は、タービンブレード２２の偏向、割れ、および同様なものが存在しない場合、ほぼ一定のままである場合がある。しかし、タービンブレード２２が通過する間の経過時間の間隔の逸脱は、タービンブレード２２の偏向、割れ、または他のタービンブレード２２の劣化を示すとすることができる。こうして、タービンブレード２２の健全度を、ブレード監視システム５０によって監視することができる。
【００２４】
図３および図４は、時間１０４の関数としての電圧１０２として表される、プロキシメータ６８に対してプローブ５２によって生成されるリターン信号１００の実施形態を示すグラフである。より具体的には、図３および図４に示すリターン信号１００のグラフは、タービンブレード２２を通過する間の経過時間の間隔を示す。たとえば、図３は、各タービンブレード２２が通過する間に経過した時間１０４の間隔１０６が一定であるリターン信号１００を示す。先に述べたように、各タービンブレード２２が通過する間に経過した時間１０４の間隔１０６は、リターン信号１００における各ピーク１０８または「ブリップ」間に経過した時間１０４として計算される。
【００２５】
例として、時刻ｔ1にて、リターン信号１００は、電圧増加１１０を送信する。理解されるように、電圧増加１１０は、タービンブレード２２の到着を示す。換言すれば、時刻ｔ1にて、タービンブレード２２は、プローブ５２のプローブ先端５６を通過し始める。時刻ｔ2にて、リターン信号１００は、電圧減少１１２を送信する。電圧減少１１２は、タービンブレード２２の出発を示す。すなわち、タービンブレード２２は、時刻ｔ2にて、プローブ５２のプローブ先端５６を完全に通過した。換言すれば、タービンブレード２２は、時刻ｔ1と時刻ｔ2の間に経過する時間１１４中にプローブ５２のプローブ先端５６を通過する。その後、時刻ｔ3にて、リターン信号１００はロータ２４に結合された次のタービンブレード２２がプローブ５２のプローブ先端５６を通過し始めることを示す電圧増加１１０を送信する。理解されるように、時刻ｔ2と時刻ｔ3の間に経過する時間１１６（すなわち、間隔１０６）中に、タービンブレード２２は全くプローブ５２のプローブ先端５６を通過しない。
【００２６】
いくつかの実施形態では、タービンブレード２２が到着する間に経過した時間は、タービンブレード２２の健全度を評価するために、計算され監視されることができる。たとえば、時刻ｔ4にて、リターン信号１００は、電圧増加１１０を送信し、それにより、リターン信号１００内にピーク１０８を生成し、タービンブレード２２の到着を示す。同様に、時刻ｔ5にて、リターン信号１００は、再び電圧増加１１０を送信し、それにより、リターン信号１００内にピーク１０８を生成し、次のタービンブレード２２の到着を示す。時刻ｔ4と時刻ｔ5の間に経過する時間１１８（すなわち、連続するタービンブレード２２のそれぞれが到着する間に経過した時間）は、タービンブレード２２の健全度を評価するために監視することができる間隔として規定することができる。
【００２７】
先に述べたように、図３に示すリターン信号１００内のピーク１０８間の間隔１０６（すなわち、タービンブレード２２がプローブ５２のプローブ先端５６を通過する間の経過時間）は、ブレード２２が良好な健全度状態にある場合、ほぼ一定のままである。たとえば、間隔１０６の一貫性は、タービンブレード２２が偏向していない、割れていないなどであることを示す場合がある。しかし、間隔１０６および／または１０８の変動は、ブレード２２の健全度の低下を示す場合がある。
【００２８】
図４は、タービンブレード２２が通過する間の経過時間の間隔１０６が一定でない場合にプローブ５２によって生成されるリターン信号１００を示す。たとえば、時刻ｔ1にて、リターン信号１００は、電圧増加１１０を送信し、それにより、リターン信号１００内にピーク１０８を生成し、タービンブレード２２がプローブ先端５６へ到着したことを示す。時刻ｔ2にて、リターン信号１００は、電圧減少１１２を送信し、タービンブレード２２がプローブ先端５６から出発したことを示す。その後、時刻ｔ3にて、リターン信号１００は、再び電圧増加１１０を送信し、次のタービンブレード２２がプローブ先端５６へ到着したことを示す。その後、タービンブレード２２が通過する間の第１の間隔１２０は、時刻ｔ2と時刻ｔ3の間に経過する時間として規定することができる。同様に、時刻ｔ4にて、リターン信号１００は、電圧増加１１０を送信し、タービンブレード２２がプローブ先端５６へ到着したことを示す。時刻ｔ5にて、リターン信号１００は、電圧減少１１２を送信し、タービンブレード２２がプローブ先端５６から出発したことを示す。その後、時刻ｔ6にて、リターン信号１００は、再び電圧増加１１０を送信し、次のタービンブレード２２が到着したことを示す。結果として、タービンブレード２２が通過する間の第２の間隔１２２は、時刻ｔ5と時刻ｔ6の間に経過する時間として規定することができる。第１の間隔１２０と第２の間隔１２２は、同じではない。したがって、タービンブレード２２のうちの１つまたは複数が、偏向、割れ、またはタービンブレード２２の劣化を示す他の徴候を経験する場合がある。
【００２９】
図５は、タービンケーシング２５内に配設された近接プローブセンサ組立体１３８の実施形態の断面図である。近接プローブセンサ組立体１３８は、ステンレス鋼などの金属で作ることができるプローブケース１４０（たとえば、環状ケース）内に配設されたプローブ５２を含む。プローブケース１４０はさらに、プローブシース１４２（たとえば、環状シース）内に配設される。プローブシース１４２は、タービンセクション１８のタービンケーシング２５内に形成されたアパーチャ５４内に配設される。より具体的には、プローブシース１４２は、ねじ込み接続部１４４（たとえば、シース１４２の雄ねじとアパーチャ５４の雌ねじ）によってタービンセクション１８のタービンケーシング２５に結合される。いくつかの実施形態では、接着剤、密封剤、ねじロッキング材料、または他の表面処理を、ねじ込み接続部１４４においてプローブシース１４２とタービンケーシング２５の間に配設することができる。さらに、薄ナット１４６を、プローブシース１４２の周りでかつタービンケーシング２５に隣接して配設して、ケーシング２５のアパーチャ５４内にプローブ５２をさらに固定する。プローブ組立体１４０の他の実施形態は、プローブシース１４２を含まない場合がある。
【００３０】
プローブ先端シュラウド１４８（たとえば、環状シュラウド）は、プローブ５２のプローブ先端５６の周りに配設される。より具体的には、プローブ先端シュラウド１４８は、ねじ込み接続部１５０（たとえば、プローブケース１４０および／またはプローブ先端５６の雄ねじとプローブ先端シュラウド１４８の雌ねじ）によってプローブケース１４０に少なくとも部分的に固定される。たとえば、プローブ先端シュラウド１４８は、プローブケース１４０の上にねじ込まれ、ねじロッキング材料、エポキシ、または他の接着剤によって所定場所に保持することができる。いくつかの実施形態では、プローブ先端シュラウド１４８は、セラミック、複合材、またはプラスチックなどの非金属材料から形成することができる。たとえば、プローブ先端シュラウド１４８は、炭素繊維、硫化ポリフェニレン、ファイバーグラス、ＰＥＥＫ、または他のプラスチックなどの非金属材料から形成することができる。さらなる例として、プローブ先端シュラウド１４８は、炭素繊維または他の複合材料から作ることができる。理解されるように、渦電流プローブの場合、プローブ先端５６は、プローブ５２の動作との干渉を回避するために、非金属容積（たとえば、シュラウド１４８）によって囲まれる。しかし、プローブ先端５６の周りに配設される非金属プローブ先端シュラウド１４８がない場合、空の空間またはボイドが、プローブ先端５６とタービンのケーシング２５の間に存在する場合がある。こうしたボイドは、タービンセクション１８内に流れの乱れを生じる場合がある。その結果、非金属材料から形成されるプローブ先端シュラウド１４８がプローブ先端５６の周りに配設され、ボイドを充填する。実際には、図示するように、プローブ先端シュラウド１４８は、プローブシース１４２に当接し、プローブシース１４２から、ほぼケーシング２５の内壁６４まで延在する。こうして、タービンケーシング２５の内壁６４とプローブ先端シュラウド１４８の半径方向端部１５２は、ほぼ同一平面になり（たとえば、壁６４内に凹所が残らず）、それにより、タービンセクション１８内の流れの乱れが低減される。
【００３１】
示す実施形態では、プローブ先端シュラウド１４８は、半径方向長さ１５４を有する。換言すれば、プローブ先端シュラウド１４８がプローブシース１４２からタービンケーシング２５の内壁６４まで延在する半径方向距離は長さ１５４である。いくつかの実施形態では、プローブ先端シュラウド１４８の長さ１５４は、プローブ先端５６の径１５６にほぼ等しい場合がある。他の実施形態では、プローブ先端シュラウド１４８の長さ１５４は、図６に関して以下でさらに述べるように、プローブ先端５６の径１５６より著しく大きい場合がある。
【００３２】
先に述べたように、プローブ先端シュラウド１４８は、炭素繊維、硫化ポリフェニレン、ファイバーグラス、ＰＥＥＫ、または他のプラスチックから形成することができる。理解されるように、こうした材料は、極端な温度および振動において破壊抵抗性を有するまたは故障耐性を有する場合がある。同様に、こうした材料は、脆くなく、圧縮品質を有する場合がある。その結果、プローブ先端シュラウド１４８が破壊し、タービンセクション１８内に部分的にまたは完全に落ちる可能性が減少する。プローブ先端シュラウド１４８が破壊する、かつ／または、タービンセクション１８内に落ちることをさらに阻止するために、タービンケーシング２５内のアパーチャ５４は、プローブ先端５６においてより小さいまたはテーパ付き部分１５８を有することができる。すなわち、テーパ付き部分１５８は、径が減少して、プローブ先端シュラウド１４８をアパーチャ５４内に保持し、プローブ先端シュラウド１４８がタービンセクション１８内に落ちることを阻止するのに役立つ。さらに、テーパ付き部分１５８は、プローブ先端５６とプローブ先端シュラウド１４８をケーシング２５の内壁６４と同一平面上に配置するための位置合わせに役立つことができる。
【００３３】
図６〜８は、タービンケーシング２５のアパーチャ５４内に配設された近接プローブセンサ組立体１３８の、図５のライン６−６内で切り取った部分的な側断面図である。具体的には、先に述べたように、図６は、プローブ先端シュラウド１４８であって、その長さ１５４が、プローブ先端５６の径１５６より著しく大きい、プローブ先端シュラウド１４８の実施形態を示す。実際には、プローブ先端シュラウド１４８は、「縦長の（ｔａｌｌ）」構成を有し、図５に示す実施形態に比べて、プローブケース１４０のより大きな部分の周りに半径方向に延在する。換言すれば、プローブ先端シュラウド１４８とプローブケース１４０の間のねじ込み接続部１５０は、図５に示す実施形態に比べて、図６に示す実施形態において大きい。こうした実施形態は、プローブ先端シュラウド１４８をプローブケース１４０にさらに固定するのに役立つ場合がある。たとえば、半径方向長さ１５４と径１５６の比は、約１：１〜１０：１、１．５：１〜５：１、または２：１〜３：１の間の範囲にある場合がある。
【００３４】
図７は、プローブ先端シュラウド１４８がプローブケース１４０とプローブ先端５６の周りにオーバーモールド成形される近接プローブセンサ組立体１３８の実施形態を示す。換言すれば、プローブ先端シュラウド１４８は、プローブ５２を含むプローブケース１４０の上に成形される、炭素繊維、硫化ポリフェニレン、ファバーグラス、ＰＥＥＫ、または他のプラスチックなどの非金属材料を使用して形成される。そのため、プローブ先端シュラウド１４８は、ケース１４０およびプローブ先端５６に直接固着される。図８は、プローブシース１４２およびプローブ先端シュラウド１４８が共に統合され（たとえば、１つの環状ピース１４９）、炭素繊維、硫化ポリフェニレン、ファイバーグラス、ＰＥＥＫ、または他のプラスチックなどの非金属材料から形成される近接プローブセンサ組立体１３８の実施形態を示す。換言すれば、プローブシース１４２は、非金属材料から形成され、プローブケース１４０およびプローブ５２のプローブ先端５６の上に延在し、それらにねじ込まれる。
【００３５】
本開示の実施形態は、タービンセクション１８のタービンケーシング２５内に配設された近接プローブセンサ組立体１３８を含むブレード監視システム５０を対象とする。他の実施形態では、ブレード監視システム５０は、圧縮機セクション１２の圧縮機ケーシング２９内に配設されることができる。近接プローブセンサ組立体１３８は、プローブ先端シュラウド１４８（たとえば、環状シュラウド）によって囲まれたプローブ先端５６を有するプローブ５２（たとえば、渦電流プローブまたはマイクロ波近接プローブ）を含む。具体的には、プローブ先端シュラウド１４８は、炭素繊維、硫化ポリフェニレン、ファイバーグラス、ＰＥＥＫ、または他のプラスチックなどの非金属材料から形成され、近接プローブセンサ組立体１３８がケーシング２５のアパーチャ５４内に配設されると、プローブシース１４２からタービンケーシング２５の内壁６４まで延在することができる。こうして、プローブ先端シュラウド１４８は、近接プローブセンサ組立体１３８がタービンケーシング２５に設置されると、プローブ先端５６とタービンケーシング２５の間に普通なら存在することになる空の空間またはボイドを充填し、それにより、渦電流プローブを、タービンセクション１８内の流れの乱れを低減しながら、タービンブレード２２の健全度を監視するために使用することを可能にする。さらに、先に開示された実施形態は、タービンセクション１８の文脈で述べたが、ブレード監視システム５０は、蒸気タービン、ハイドロタービン、ポンプ、圧縮機、または他のターボ機械などといった、他のターボ機械と共に使用することができる。
【００３６】
この書面による説明は、本発明を、その最良のモードを含めて開示するために、また、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作り使用すること、および任意の組み込まれた方法を実施することを含めて本発明を実施することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって規定され、かつ、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の字義通りの言葉に相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義通りの言葉とごくわずかな差違を有する等価な構造要素を有する場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００３７】
２  軸方向
４  半径方向
６  円周方向
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機セクション
１４  燃焼器
１６  燃料ノズル
１８  タービンセクション
２０  燃焼ガス
２２  タービンブレード
２４  ロータ
２５  タービンケーシング
２６  排気ガス出口、排気ガスセクション
２８  圧縮機ブレード
２９  圧縮機ケーシング
３０  加圧空気
３２  負荷
４９  モニタユニット
５０  ブレード監視システム
５１  制御ユニット
５２  ブレード監視プローブ
５４  アパーチャ
５６  プローブ先端
５８  内部
６０  隙間
６２  外側半径方向縁
６４  内壁
６６  円周方向
６８  プロキシメータ
７０  電源
７２  プローブケーブル
７４  データ取得回路
１００  リターン信号
１０２  電圧
１０４  時間
１０６  間隔
１０８  ピーク、ブリップ
１１０  電圧増加
１１２  電圧減少
１１４  時間
１１６  時間
１１８  時間
１２０  第１の間隔
１２２  第２の間隔
１３８  近接プローブセンサ組立体
１４０  プローブケース
１４２  プローブシース
１４４  ねじ込み接続部
１４６  薄ナット
１４８  プローブ先端シュラウド
１４９  環状ピース
１５０  ねじ込み接続部
１５２  半径方向端部
１５４  半径方向長さ
１５６  径
１５８  より小さいまたはテーパ付き部分
【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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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
2013144977000001.pdf