(57)【要約】【課題】半径方向クリアランスセンサを用いて離散的軸方向クリアランスデータを取得する装置及び方法を提供すること。【解決手段】ロータとステータとの間の軸方向クリアランスデータを求める方法及び装置が開示される。１以上の半径方向クリアランスセンサが、ステータ上に配置され、半径方向クリアランスデータ、すなわち離散的時間間隔で取得されるロータとステータとの間の半径方向距離の測定値を収集するよう構成される。コンピュータデバイスが、１以上の半径方向クリアランスセンサと動作可能に接続され、半径方向クリアランスデータを用いて軸方向クリアランスデータ、すなわちステータとロータとの間の軸方向距離を求めるよう構成される。一実施形態では、コンピュータデバイスは、とりわけ、データ点、すなわち１以上の半径方向クリアランスセンサからの信号損失の指標を用いて、軸方向クリアランスデータを外挿する。【選択図】      図１
2013139793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータとの間の軸方向クリアランスデータを求める装置であって、
前記ステータ上に配置され、半径方向クリアランスデータを収集するよう構成された１以上の半径方向クリアランスセンサであって、半径方向クリアランスデータが離散的時間間隔で取得される前記ロータと前記ステータとの間の半径方向距離の測定値を含む、半径方向クリアランスセンサと、
前記１以上の半径方向クリアランスセンサと動作可能に接続されたコンピュータデバイスであって、前記半径方向クリアランスデータを用いて、前記ステータとロータとの間の軸方向距離を含む軸方向クリアランスデータを求めるよう構成されたコンピュータデバイスと
を備える装置。
【請求項２】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、前記ロータの周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数の半径方向クリアランスセンサを含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、１つの半径方向クリアランスセンサがロータブレードの複数の段の各々と軸方向に整列されるように前記ステータに沿って軸方向に間隔を置いて配置された複数の半径方向クリアランスセンサを含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、複数の半径方向クリアランスセンサがロータブレードの複数の段の各々と軸方向に整列されるように前記ステータに沿って軸方向に間隔を置いて配置された複数の半径方向クリアランスセンサを含む、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記１以上の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の先端と前記ロータ上の点との間のクリアランスを示す電磁特性を測定するよう構成された電磁センサを含み、前記電磁特性が、キャパシタンス、インダクタンス、抵抗、飛行時間、及び減衰のうちの１以上を含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、前記ロータの長手方向軸線と実質的に垂直方向に整列される、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記コンピュータデバイスがさらに、以下のデータ点、すなわち前記１以上の半径方向クリアランスセンサの幅、前記ロータの中心線、及び前記１以上の半径方向クリアランスセンサからの信号損失の指標のうちの１以上を用いて前記軸方向クリアランスデータを外挿する、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、電磁場成形要素を含む、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記電磁場成形要素が、前記半径方向クリアランスセンサの視野を制限するために前記半径方向クリアランスセンサの先端を囲む延長シールドを含む、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサの先端が、前記ステータの表面と同一平面にあるか、又は前記ステータの表面内に埋め込まれている、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
ステータに対するロータの軸方向移動を含む離散的な軸方向クリアランスデータを取得する方法であって、
１以上の半径方向クリアランスセンサから前記ロータと前記ステータとの間のある期間にわたる半径距離を含む半径方向クリアランスデータを取得するステップと、
コンピュータデバイスが前記半径方向クリアランスデータを用いて前記軸方向クリアランスデータを外挿するステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、前記ロータの周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数の半径方向クリアランスセンサを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、１つの半径方向クリアランスセンサがロータブレードの複数の段の各々と軸方向に整列されるように前記ステータに沿って軸方向に間隔を置いて配置された複数の半径方向クリアランスセンサを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、複数の半径方向クリアランスセンサがロータブレードの複数の段の各々と軸方向に整列されるように前記ステータに沿って軸方向に間隔を置いて配置された複数の半径方向クリアランスセンサを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記１以上の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の先端と前記ロータ上の点との間のクリアランスを示す電磁特性を測定するよう構成された電磁センサを含み、前記電磁特性が、キャパシタンス、インダクタンス、抵抗、飛行時間、及び減衰のうちの１以上を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、前記ロータの長手方向軸線と実質的に垂直方向に整列される、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記コンピュータデバイスがさらに、以下のデータ点、すなわち前記１以上の半径方向クリアランスセンサの幅、前記ロータの中心線、及び前記１以上の半径方向クリアランスセンサからの信号損失の指標のうちの１以上を用いて前記軸方向クリアランスデータを外挿する、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサが、電磁場成形要素を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記電磁場成形要素が、前記半径方向クリアランスセンサの視野を制限するために前記半径方向クリアランスセンサの先端を囲む延長シールドを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記１以上の半径方向クリアランスセンサの先端が、前記ステータの表面と同一平面にあるか、又は前記ステータの表面内に埋め込まれている、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に、蒸気及びガスタービンなどのターボ機械に関し、より詳細には、半径方向クリアランスセンサを用いて離散的軸方向クリアランスデータを取得する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス及び蒸気タービンなどのターボ機械は通常、中心に配置されてステータ内で回転するロータを含む。ロータシャフトから半径方向外向きに延在する円周方向に配列された回転ブレードの１以上の列を通って作動流体が流れる。この作動流体は、シャフトにエネルギーを与え、該シャフトを用いて発電機又は圧縮機などの負荷を駆動する。
【０００３】
回転ブレードの半径方向外側先端とステータの内部上の静止シュラウドとの間のクリアランスは、ターボ機械の効率に大きな影響を及ぼす。ロータブレードとステータの内側表面との間のクリアランスが小さいほど、ブレード先端にわたる流体漏洩の可能性が少なくなる。ブレード先端にわたる流体漏洩により流体がブレード列を迂回し、効率が低下する。しかしながら、不十分なクリアランスもまた問題がある。動作条件によってブレード及び他の部品が異なる変化率で熱膨張を生じる可能性があり、これによりブレード先端クリアランスの変動をもたらす可能性がある。ブレードクリアランスに対する種々の動作条件の特異的な作用は、特定のターボ機械のタイプ及び設計に応じて変わる可能性がある。例えば、ガスタービン圧縮機の先端クリアランスは、タービンがシャットダウンして冷却したときに最低値に達することができるが、他方、低圧蒸気タービンにおける先端クリアランスは、定常全負荷運転中にその最低値に達することができる。ターボ機械が検査／補修後に組み立て又は再組み立てされたときに不十分な先端クリアランスが設けられた場合には、特定の条件下での作動時に回転ブレードが周囲のシュラウドに衝突し、ステータ内部、ブレード、又はその両方のシュラウドに対し損傷を生じる場合がある。
【０００４】
ターボ機械（例えば、蒸気タービン）の半径方向クリアランスは、静止部品上に配置されて気密シールされたクリアランスセンサを用いて測定することができる。例えば、センサは、ギャップを示す電圧出力を有するセンサを用いることにより、センサのセンサ先端と回転部品上の点との間のギャップを測定することができる。クリアランスは、電圧データ、蒸気キャパシタンス（静電容量）、及びギャップ距離を相関付けることにより求めることができる。タービンの作動中、回転部品及び静止部品は異なる割合で加熱及び冷却する可能性があり、従って、静止部品上に位置するクリアランスセンサの軸方向位置は、回転部品と相対移動する。この相対移動に起因して、軸方向移動に対処するために幅広のセンサ先端を有する比較的大型のセンサが望ましい。しかしながら、大型のセンサは、静止部品で利用できる比較的小さな区域内に含めるのが困難であることが多い。従って、実際には、センサは、多くの場合は要求よりも小さくなり、様々な軸方向運動の全範囲を対象としていない。この結果として、ロータ−ステータの軸方向の差動移動がクリアランスセンサの軸方向の動作範囲を超えたことを示す、信号の損失を生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３３３９１３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
ロータとステータとの間の軸方向クリアランスデータを求める方法及び装置が開示される。１以上の半径方向クリアランスセンサが、ステータ上に配置され、半径方向クリアランスデータ、すなわち離散的時間間隔で取得されるロータとステータとの間の半径方向距離の測定値を収集するよう構成される。コンピュータデバイスが、１以上の半径方向クリアランスセンサと動作可能に接続され、半径方向クリアランスデータを用いて軸方向クリアランスデータ、すなわちステータとロータとの間の軸方向距離を求めるよう構成される。一実施形態では、コンピュータデバイスは、とりわけ、データ点、すなわち１以上の半径方向クリアランスセンサからの信号損失の指標を用いて軸方向クリアランスデータを外挿する。
【０００７】
本開示の第１の態様は、ロータとステータとの間の軸方向クリアランスデータを求める装置を提供し、該装置は、ステータ上に配置され、半径方向クリアランスデータを収集するよう構成された１以上の半径方向クリアランスセンサを備え、半径方向クリアランスデータが離散的時間間隔で取得されるロータとステータとの間の半径方向距離の測定値を含み、上記装置がさらに、１以上の半径方向クリアランスセンサと動作可能に接続されたコンピュータデバイスを備え、コンピュータデバイスが、半径方向クリアランスデータを用いて軸方向クリアランスデータを求めるよう構成され、軸方向クリアランスデータが、ステータとロータとの間の軸方向距離を含む。
【０００８】
本開示の第２の態様は、ステータに対するロータの軸方向移動を含む離散的な軸方向クリアランスデータを取得する方法を提供し、本方法は、１以上の半径方向クリアランスセンサからロータとステータとの間のある期間にわたる半径距離を含む半径方向クリアランスデータを取得するステップと、コンピュータデバイスが半径方向クリアランスデータを用いて軸方向クリアランスデータを外挿するステップとを含む。
【０００９】
本発明のこれらの及びその他の態様、利点並びに顕著な特徴は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を指している添付図面と関連させて本発明の実施形態を開示した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１０】
本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半径方向クリアランスセンサを含む、ターボ機械の一部の断面図。
【図２】第１の位置にあるロータ及びステータの断面図。
【図３】第２の位置にあるロータ及びステータの断面図。
【図４】半径方向クリアランスセンサを用いて離散的軸方向クリアランスデータを取得するためのシステムの概略図。
【図５】例示的な半径方向クリアランスセンサの斜視図。
【図６】半径方向クリアランスセンサを用いて離散的軸方向クリアランスデータを取得する方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたって同じ要素を示している。
【００１３】
本発明の少なくとも一実施形態をターボ機械の作動に関連した用途に関して以下で説明する。本発明の実施形態は蒸気タービンの形態のターボ機械に関して例示されているが、本発明の教示は、限定ではなくガスタービンを含む他のターボ機械にも等しく適用可能であることは理解される。さらに、本発明の少なくとも一実施形態は、公称寸法のセットを含む、公称サイズに関連して以下で説明されている。しかしながら、本発明は、あらゆる好適なタービン及び／又は発電機にも同様に適用可能である点は当業者には理解されるはずである。さらに、本発明は、公称サイズ及び／又は公称寸法の種々のスケールにも同様に適用可能である点は、当業者には理解されるはずである。
【００１４】
上述のように、図１〜５は、半径方向クリアランスセンサを用いた離散的軸方向クリアランスデータを取得するための装置を示しており、本発明の態様はこのような装置を提供し、図６は、半径方向クリアランスセンサを用いた離散的軸方向クリアランスデータを取得するための方法を示している。
【００１５】
図１に示すように、ターボ機械における回転部品（ロータ）１０２と静止部品（ステータ）１０４との間の軸方向クリアランスデータを決定する装置１００が開示される。当該技術分野で公知のように、タービン作動中、ロータ１０２及びステータ１０４は、異なる割合で加熱及び冷却し、従って、ロータ１０２及びステータ１０４間の半径方向クリアランスはタービン作動中に変化する。
【００１６】
蒸気タービンにおける半径方向クリアランス（図１の距離ＲＣとして示される）は、例えば、米国特許公開２００７／０００５２９４に記載されるクリアランスセンサのような、気密シールされたクリアランスセンサ１０６により測定することができる。センサ１０６は、半径方向クリアランスセンサ１０６の先端とロータ１０２上の点との間のクリアランスを示す電磁特性（例えば、電気的及び／又は光学的）を測定するよう構成された現在公知又は今後開発されるあらゆる電磁センサを含むことができる。電磁特性は、限定ではないが、キャパシタンス（静電容量）、抵抗、飛行時間、及び／又は減衰など、２つの部品間のギャップを示すあらゆる測定可能な特性を含むことができる。一例として挙げれば、センサ１０６は、センサの先端とロータ１０２上の点との間のギャップを示す電圧出力を有する容量型クリアランスセンサを含むことができる。クリアランスは、電圧降下、蒸気キャパシタンス、及びギャップ距離を相関付けることにより求めることができる。
【００１７】
ロータ１０２及びステータ１０４の相対移動はまた、ステータ１０４の軸方向位置がロータ１０２に対して移動することを意味している。移動範囲は図２及び３に示されるが、説明の目的で強調されている。図２に示すように、始動時、すなわち低温クリアランスでは、ステータ１０４上の静止ノズル１１０の一方の側部とロータ１０２上の第１の回転バケット１１２上に軸方向距離Ａ０があり、ステータ１０４上の静止ノズル１１０の他方の側部とロータ１０２上の第２の回転バケット１１２上に軸方向距離Ｂ０がある。図３は、ターボ機械が始動し、種々の部品が加熱されているときのこれらの軸方向距離Ａ１及びＢ１を示す。図２と図３を比較して分かるように、軸方向距離Ａ１は軸方向距離Ａ０よりも小さく、静止ノズル１１０が運転中に低温クリアランス時よりも第１の回転バケット１１２により近接していることを示しており、他方、軸方向距離Ｂ１は軸方向距離Ｂ０よりも大きく、静止ノズル１１０が運転中に低温クリアランス時よりも第２の回転バケット１１２からより離れていることを示している。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、図１に示すように、１以上の半径方向クリアランスセンサ１０６がステータ１０４上に配置される。図１に示すように、一実施形態では、半径方向クリアランスセンサ１０６は、ロータ１０２の長手方向軸線と実質的に垂直方向に整列することができる。センサ１０６は、離散的な時間間隔で取得した、ロータ１０２及びステータ１０４間の半径方向距離の測定値のような半径方向クリアランスデータを収集するよう構成されている。クリアランスセンサ１０６は、複数のクリアランスセンサ１０６を含むことができる点は理解される。一実施形態では、クリアランスセンサ１０６は、ブレードの２つの段で分けられる。他の実施形態では、約３〜約６個のクリアランスセンサ１０６をステータ１０４に沿って軸方向に間隔を置いて配置することができる。別の実施形態では、複数のクリアランスセンサ１０６は、１つのクリアランスセンサ１０６がロータ１０２上で複数の段のブレードの各々と軸方向に整列されるように配置することができる。このような実施形態では、クリアランスセンサ１０６の数は、ロータ１０２上のブレードの段数と等しくすることができる。他の実施形態では、１つのクリアランスセンサ１０６は、ロータ１０２上でブレードの他のあらゆる段と軸方向に整列され、クリアランスセンサ１０６の数がロータ１０２上のブレードの段数の半分に等しくすることができる。別の構成において、複数のクリアランスセンサ１０６は、ロータ１０２上でブレードの複数の各段と軸方向に整列することができる。しかしながら、これらの構成は単に例証に過ぎず、ロータ１０２上のブレードの段に対するクリアランスセンサ１０６の他の配列も本発明の他の実施形態として企図される。
【００１９】
図４に示すように、システム１００はさらに、センサ１０６と動作可能に接続されたコンピュータデバイス３５０を含む。例えば、クリアランスセンサ１０６は、クリアランスセンサ計装リード線３４０を介してコンピュータデバイス３５０と通信することができる。コンピュータデバイス３５０は、あらゆる有線又は無線構成によりセンサ１０６に動作可能に接続することができる。コンピュータデバイス３５０は、本明細書でより詳細に考察されるように、半径方向クリアランスデータを用いて、軸方向クリアランスデータ、すなわち、ステータ１０４上のセンサ１０６とロータ１０２との間の軸方向距離を求めるよう構成される。
【００２０】
半径方向クリアランスＣＲを測定する際に、クリアランスセンサ１０６は、半径方向クリアランスＣＲを表す信号をコンピュータデバイス３５０に送信することができる。図４に示すように、コンピュータデバイス３５０は、プロセッシングユニット３４６、メモリ３５２、及び経路３５４によって互いに動作可能に接続された入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース３４８を含み、該経路３５４は、コンピュータデバイス３５０内の部品の各々の間の通信リンクを提供する。さらに、コンピュータデバイス３５０は、ディスプレイ３５６、外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース３５８、及び記憶装置３６０と連通して図示される。Ｉ／Ｏデバイス／リソース３５８は、マウス、キーボード、ジョイスティック、数字キーパッドもしくはアルファベットキーパッド、又は人間のユーザがコンピュータデバイス３５０と対話できるようにする他の選択デバイスなどの１以上のヒューマンＩ／Ｏデバイス、及び／又はあらゆるタイプの通信リンクを用いてデバイスのユーザがコンピュータデバイス３５０と通信できるようにする１以上の通信デバイスを含むことができる。
【００２１】
一般に、プロセッシングユニット３４６は、コンピュータデバイス３５０の機能を提供するコンピュータプログラムコードを実行する。本明細書で詳細に記載される予測モデリングモジュール３６４などのモジュールは、メモリ３５２及び／又は記憶装置３６０内に格納され、本明細書で記載されるような本発明の機能及び／又はステップを実施する。メモリ３５２及び／又は記憶装置３６０は、１以上の物理的位置に存在する種々のタイプのコンピュータ可読データ記憶媒体の何れかの組み合わせを含むことができる。この点に関して、記憶装置３６０は、磁気ディスク度ライム又は光学ディスクドライブなど、１以上のストレージデバイスを含むことができる。さらにまた、図４には図示していない１以上の追加の部品をコンピュータデバイス３５０に含めることができる点は理解される。加えて、一部の実施形態では、１以上の外部デバイス３５８、ディスプレイ３５６、及び／又は記憶装置３６０は、ポータブル及び／又はハンドヘルドとすることができるコンピュータデバイス３５０の形態で、図示のように外部ではなく、コンピュータデバイス３５０の内部に含めることができる。
【００２２】
コンピュータデバイス３５０は、内部にインストールされたプログラムコード（プログラム３６２のような）を実行できる１以上の汎用コンピュータ製品を含むことができる。本明細書で使用される場合、「プログラムコード」は、あらゆる言語、コード又は表記法のあらゆる命令集合を意味し、情報処理能力を有するコンピュータデバイスが直接的に、或いは、以下：（ａ）別の言語、コード又は表記法への変換；（ｂ）異なるマテリアル形態での展開；及び／又は（ｃ）復元の何れかの組み合わせの後、特定のアクションを実施するようにするものである点は理解される。この点に関して、プログラム３６２は、システムソフトウェア及び／又はアプリケーションソフトウェアのあらゆる組み合わせとして具現化することができる。
【００２３】
さらに、プログラム３６２は、などのモジュール予測モデリングモジュール３６４又はモジュール３６６のセットを用いて実施することができる。この場合、予測モデリングモジュール３６４は、コンピュータデバイス３５０がメモリ３５２プログラム３６２によって使用されるタスクのセットを実行可能にすることができるようにし、プログラム３６２の他の部分とは別に独立して作成及び／又は実装することができる。本明細書で使用される用語「部品」は、ソフトウェアの有無にかかわらず、あらゆるソリューションを用いて関連して記述される機能を実施するハードウェアのあらゆる構成を意味し、他方、用語「モジュール」は、あらゆるソリューションを用いて関連して記述されるアクションをコンピュータデバイス３５０が実施することを可能にするプログラムコードを意味する。プロセッシングユニット３４６を含むコンピュータデバイス３５０のメモリ３５２又は記憶装置３６０内に入れられると、モジュールは、アクションを実施する部品の実質的な部分である。何れにしても２以上の部品、モジュール、及び／又はシステムは、それぞれのハードウェア及び／又はソフトウェアの一部／全てを共有することができる点は理解される。さらに、本明細書で考察される機能の一部は実施されなくてもよく、或いは、追加の機能をコンピュータデバイス３５０の一部として含めることができる点は理解される。
【００２４】
コンピュータシステム３５０が複数のコンピュータデバイスを備える場合、各コンピュータデバイスは、プログラム３６２の一部だけを入れることもできる（例えば、１以上のモジュール３６４、３６６）。しかしながら、コンピュータデバイス３５０及びプログラム３６２は、本明細書で説明されるプロセスを実施できる種々の実施可能な同等のコンピュータシステムの代表的なものに過ぎないことは理解される。この点に関して、他の実施形態では、コンピュータデバイス３５０及びプログラム３６２によって提供される機能は、プログラムコードの有無に関係なく、限定ではないが、ステータ−ロータ間クリアランスのハンドヘルド測定デバイスを含む、汎用及び／又は専用のハードウェアの何れかの組み合わせを備えた１以上のコンピュータデバイスによって少なくとも部分的に実施することができる。各実施形態では、ハードウェア及びプログラムコードは、含められる場合には、標準的なエンジニアリング技法及びプログラミング技法をそれぞれ用いて作成することができる。
【００２５】
コンピュータデバイス３５０が複数のコンピュータデバイスを含むときには、コンピュータデバイスは、何らかのタイプの通信リンクを介して通信することができる。さらに、本明細書で説明されるプロセスを実施している間、コンピュータデバイス３５０は、何らかのタイプの通信リンクを用いて１以上の他のコンピュータシステムと通信することができる。何れの場合においても、通信リンクは、種々のタイプの有線及び／又は無線リンクの何らかの組み合わせを含み、１以上のタイプのネットワークの何らかの組み合わせを含み、及び／又は種々のタイプの伝送技術及びプロトコルの何らかの組み合わせを利用することができる。
【００２６】
上述のように、コンピュータデバイス３５０は、半径方向クリアランスセンサ１０６によって提供される信号を分析して軸方向クリアランスデータを求める予測モデリングモジュール３６４を含む。コンピュータデバイス３５０は、とりわけ、半径方向クリアランスデータを含むセンサ１０６からの信号を用いて、予測モジュールの相関関係が軸方向クリアランスデータを求めることができるようにする。予測モジュールは、テーブル、データ構造、ニューラルネットワーク、その他で具現化することができ、センサ１０６からの半径方向クリアランスデータを含む入力データのセットから軸方向クリアランスを計算可能にすることができる。入力データのセットは、ユーザがＩ／Ｏデバイス３５８を通じて直接入力したデータ、並びにセンサ１０６から受け取ったデータセットを含むことができる。一実施形態では、入力データのセットは、コンピュータデバイス３５０が軸方向クリアランスデータを求めるのに用いることができる以下のデータ点、すなわち、半径方向クリアランスセンサ１０６の幅、ロータ１０２の中心線、及び半径方向クリアランスセンサ１０６からの信号損失の指標の１以上を含むことができる。例えば、センサ１０６の幅が既知と仮定し、またロータ１０２の中心線が既知と仮定すると、センサ１０６が信号を損失したときに、コンピュータデバイス３５０は、ステータ１０４とロータ１０２との間でどれほどの軸方向移動が発生したかを外挿することができる。換言すると、センサ１０６が信号を損失したとき、すなわち、ロータ１０２がもはやステータ１０４と半径方向に整列していないときには、コンピュータデバイス３５０がターボ機械部品の開始位置及びセンサ１０６の寸法を認識しているので、ロータ１０２がステータ１０４に対してどれだけ離れて軸方向に移動したはずであるかをコンピュータデバイス３５０が求めることができる。この軸方向移動は、軸方向クリアランスを低温時クリアランス値「ｘ」から作動中の値「ｘ＋ｄｘ」まで変化させる。例えば、センサ１０６が０．１００インチの相対移動の後に信号を損失した場合、その時点で軸方向クリアランスが低温時クリアランス＋０．１００インチであると外挿することができる。
【００２７】
この軸方向クリアランスの測定方法は、図６に図示される。Ｓ１において、半径方向クリアランスセンサの特性（例えば、センサの寸法）、並びにロータの特性（例えば、中心線）を求める。次に、Ｓ２において、ロータとステータとの間の低温時半径方向クリアランスを求める。次いで、Ｓ３において、１以上の半径方向クリアランスセンサから半径方向クリアランスデータを求める。本明細書で考察されるように、このデータは、連続的に、又は離散的時間間隔で、或いは何らかの所望の時点で取得することができる。Ｓ４において、半径方向クリアランスデータを用いて軸方向クリアランスデータを外挿する。
【００２８】
センサ１０６の一例が図５に図示され、寸法「ａ」及び「ｂ」で定められる矩形のセンサ先端を示している。寸法「ｂ」は、ターボ機械の軸線と整列され、全てのターボ機械作動中にクリアランス測定を可能にするように選択される。クリアランスセンサ用の利用可能なスペースが制限される場合、１つの代替策は、差分軸方向運動の全範囲が対象とならないよう寸法「ｂ」を小さくすることである。これは、ロータ１０２がステータ１０４から十分に離れて移動したときに、クリアランスセンサ１０６がステータ１０４とロータ１０２の間の半径方向距離をもはや測定できなくなるので、クリアランスセンサからの信号の損失を必然的に生じる。換言すると、信号損失は、ロータ−ステータ間の差分軸方向移動が、寸法「ｂ」によって可能とされるクリアランスセンサの動作範囲を超過したことの指標である。
【００２９】
しかしながら、本明細書で考察されるように、半径方向クリアランスデータの損失は、軸方向クリアランスを予測するのに用いることができる情報を提供する。半径方向クリアランスセンサ１０６からの信号損失は、クリアランスセンサ１０６がもはやロータブレード１１２の先端の上にないことを意味する。通常は、時間、温度、及び他のパラメータも測定されるので、この情報を用いてタービンの過渡挙動のモデルを相関付けて、予測方法を改善することができる。
【００３０】
一実施形態では、複数のセンサ１０６が使用され、１以上のセンサ１０６があらゆる所与の時間において半径方向クリアランスデータを収集し、何れかのセンサ１０６からの信号の損失を用いて軸方向クリアランスを求めることができるように軸方向に配置される。この実施形態では、他のセンサからではなく、１つのセンサ１０６からの半径方向信号の損失は、この信号損失が軸方向の相対運動に起因しており、半径方向クリアランスの大きな急増によるものではないことを示している。
【００３１】
軸方向移動に起因する信号損失と、過剰な半径方向移動に起因する信号損失との間の区別を改善する１つの方法は、予想される半径方向クリアランスの範囲を認識し、センサ１０６が予測範囲内でのクリアランスの測定を確実にできるようにすることである。別の手法は、各センサ１０６において異なる位置で信号損失が生じるようにロータ１０２の周りに円周方向に配列されて且つ僅かに軸方向に交互になった複数の半径方向クリアランスセンサ１０６を所与のタービン段で用いることである。別の代替手法は、隣接又は近隣の段においてセンサ１０６を予測される軸方向移動に対して僅かにオフセットさせて配置し、半径方向クリアランスデータが１つの段上で収集され、その近傍が軸方向で範囲外であるようにすることである。
【００３２】
別の実施形態では、半径方向クリアランスセンサ１０６は、半径方向クリアランスセンサ１０６の視野を制限するために半径方向クリアランスセンサ１０６の先端を囲む延長シールドのような電磁場成形要素を含むことができる。延長シールドのような電磁場成形要素は、半径方向クリアランスセンサ１０６が軸方向範囲の外にある（特定の軸方向クリアランスを示す）ときに作成される信号パターンを先鋭化することができる。先端の周りでシールドが延在することによりセンサの視野が「集束」され、フリンジ場が低減される。この延長シールドは、ステータ１０４の表面と同一平面にある先端を有するセンサに取り付けられたシールドとすることができ、或いは、センサ１０６の先端をステータ１０４の表面内に埋め込むことによって同様の効果を得ることができる。
【００３３】
上述し且つ本明細書でさらに考察したように、クリアランスセンサ１０６を含む、軸方向クリアランスの測定システムは、半径方向クリアランスセンサ１０６を用いて軸方向クリアランスデータの測定を可能にする技術的効果を有する。本明細書で考察されるシステム及び実施形態は、最適以下の軸方向範囲を備えたクリアランスセンサ１０６を用いることを可能にし、センサをより小型にし、よってタービンステータハードウェア内に収容し易くすることができる。小型化及び収容のし易さに加えて、センサ１０６は、軸方向クリアランスの決定及び予測の改善のために離散的すなわち不連続のデータを提供する。
【００３４】
本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、順序、数量、又は重要性を意味するものではなく、ある部品を別の部品と区別するために使用され、用語「１つの」とは、本明細書においては数量の限定を表しておらず、言及された品目の１以上が存在することを表している。数量に関して使用する「約」という修飾語は、記載の数値を包含しており、前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に付随するある程度の誤差を含む）。本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１以上を含む（例えば、１つ又は複数の金属という表現は、１以上の金属を含む）ことを意図している。本明細書に開示した範囲は、包括的であり且つ独立して組み合わせ可能である（例えば、「最大約６まで、又はより具体的には約３〜約６個のセンサ」の範囲というのは、「約３〜約６個」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。
【００３５】
本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、さらにこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含する。
【００３６】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１００  装置／システム
１０２  回転部品（ロータ）
１０４  静止部品（ステータ）
１０６  クリアランスセンサ
１１０  静止ノズル
１１２  回転バケット
１２０  ロータの中心線
３４０  計装リード線
３４６  プロセッシングユニット
３４８  入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース
３５０  コンピュータデバイス
３５２  メモリ
３５４  経路
３５６  ディスプレイ
３５８  外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース
３６０  記憶装置
３６２  コンピュータプログラムコード
３６４  予測モデリングモジュール
３６６  モジュール
【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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【外国語明細書】
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