(57)【要約】      （修正有）【課題】機械内の可動及び固定部材間のクリアランスを測定するための方法及び装置を提供する。【解決手段】機械２は、固定部材と可動部材２３と含む。可動部材２３は、中心ハブ及び可動部品を含む。可動部品は、中心ハブに固定連結された第１の端部部分、第２の端部部分、及び中間部分を含む。可動部品の第２の端部部分は、ギャップを形成するように固定部材から間隔を置いて配置される。送信エレメントが、固定部材及び可動部材２３の一方に取付けられる。送信エレメントは、ギャップを横切って所定の周波数を有する音波を放出する。受信エレメント７０が、固定部材及び可動部材２３の他方に取付けられる。受信エレメント７０は、送信エレメントからの音波を受信する。機械２はさらに、ギャップを横切ってきた音波に基づいて可動部材２３及び固定部材間に延びるクリアランス距離を求める制御装置を含む。【選択図】図１
2009216706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械（２）であって、
固定部材（９）と、
前記固定部材（９）に対して回転可能に取付けられた可動部材（２３）と、を含み、
前記可動部材（２３）が、中心ハブ（２８）及び少なくとも１つの可動部品（２９）を含み、
前記少なくとも１つの可動部品（２９）が、前記中心ハブ（２８）に固定連結された第１の端部部分（３７）、第２の端部部分（３８）、及び中間部分（３９）を含み、
前記第２の端部部分（３８）が、ギャップ（４４）を形成するように前記固定部材（９）から間隔を置いて配置され、
該機械（２）が、
前記固定部材（９）及び可動部材（２３）の一方に取付けられかつ前記ギャップ（４４）を横切って所定の周波数を有する音波を放出する少なくとも１つの送信エレメント（６０）と、
前記固定部材（９）及び可動部材（２３）の他方に取付けられかつ前記送信エレメント（６０）からの音波を受信する少なくとも１つの受信エレメント（７０）と、
前記少なくとも１つの送信エレメント（６０）及び少なくとも１つの受信エレメント（７０）の少なくとも１つに作動接続された制御装置（８０）と、をさらに含み、
前記制御装置（８０）が、前記ギャップ（４４）を横切ってきた前記音波に基づいて前記可動部材（２３）及び固定部材（９）間に延びるクリアランス距離を求める、
機械。
【請求項２】
前記少なくとも１つの送信エレメント（６０）が、前記可動部材（２３）に取付けられ、また
前記少なくとも１つの受信エレメント（７０）が、前記固定部材（９）に取付けられる、
請求項１記載の機械。
【請求項３】
前記少なくとも１つの送信エレメント（６０）が、前記少なくとも１つの可動部品（２９）の第２の端部部分（３８）に取付けられる、請求項２記載の機械。
【請求項４】
前記少なくとも１つの送信エレメント（６０）が、所定の周波数を有する音波を放出するように誘起される能動送信エレメント（６４）である、請求項３記載の機械。
【請求項５】
前記能動送信エレメントが、圧電チップである、請求項４記載の機械。
【請求項６】
前記少なくとも１つの送信エレメント（６０）が、受動送信エレメント（１２４）である、請求項３記載の機械。
【請求項７】
前記受動送信エレメント（１２４）が、前記少なくとも１つの可動部品（２９）の第２の端部（３８）内に形成されたオリフィス（１３０）を含み、
前記固定部材（９）に対して前記少なくとも１つの可動部品（２９）を回転させると、空気流が前記オリフィス（１３０）を通って流れて、所定の周波数を有する音波を形成する、
請求項６記載の機械。
【請求項８】
前記可動部品（２９）が、先端部分（３７）を有するタービンブレード（３１）であり、
前記オリフィス（１３０）が、前記タービンブレード（３１）の先端部分（３７）内に形成される、
請求項７記載の機械。
【請求項９】
前記先端部分（３７）が、冷却空気出口（１０６）を有する凹部（１０４）を含み、
前記オリフィス（１３４）が、前記凹部（１０４）内で前記冷却空気出口（１０６）に形成され、
前記タービンブレード（３１）から前記オリフィス（１３４）を通して流れる冷却空気が、音波を形成する、
請求項８記載の機械。
【請求項１０】
前記制御装置（８０）が、前記送信エレメント（６０）から受信した前記音波を表す信号をリファイン処理するための電子フィルタ（８５）及びソフトウエアフィルタ（８５）の１つを有する信号処理装置（８４）に作動接続される、請求項１記載の機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械の技術分野に関し、より具体的には、機械の可動部材及び固定部材間のクリアランスを測定するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械の技術分野では、可動又は回転部品と固定部品との間のクリアランスを測定することがしばしば必要となる。適正なクリアランスがない場合には、回転部品は、固定部品に接触する可能性がある。接触、特に高速度接触は、回転部品及び固定部品の一方又は他方に対して損傷を引き起こすおそれがある。一部のケースでは、クリアランスを測定することは、低侵襲的な作業である。しかしながら、大半のケースでは、クリアランスを測定することは、一定レベルの機械の取外し又は分解を必要とする。機械が作動している時には、クリアランスは、熱、遠心力及びこれらに類したものによって変化する。従って、固定クリアランスは、発生する可能性があるあらゆる変化を可能にする一定レベルの柔軟性を持たせて設定しなくてはならない。熱、疲労及びその他の条件は、可動及び固定部品間の作動クリアランスを変化させる働きをする。機械が許容範囲内で作動するのを保証するためには、定期的保守点検により、クリアランスを測定しかつ調整することが必要である。大半のケースで、クリアランスを測定するためには少なくとも部分的な分解が必要であることを考えると、保守点検は、機械をオフラインにすることを必要とする。機械をオフラインにすることは、時間がかかりかつコストがかかる作業であり、設備の生産高に悪影響を与えることになる。
【０００３】
幾つかのケースでは、タービン部品間の運転又はクリアランスを測定するのに、マイクロ波が使用される。そのようなケースでは、タービン内の可動部品に対してマイクロ波送信機が取付けられ、また固定部品に対して受信機が取付けられる。次に、受信機及び送信機間でマイクロ波を送ってクリアランスを測定する。マイクロ波は、多くのケースで有効であるが、水による影響を受ける。マイクロ波と水との間の相互作用を考えると、クリアランス検出のためのマイクロ波システムは、特に作動流体が高い含水量を有する例えば蒸気タービンのようなタービンにおいて有効でないことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５１０４２８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５２８０５４９号明細書
【特許文献３】米国特許第６０５４８６６号明細書
【特許文献４】米国特許第６７１７４１８号明細書
【特許文献５】米国特許第７２７８８２９号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／００４３４９７号明細書
【特許文献７】国際公開第２００８／００９７１７号パンフレット
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的な実施形態により構成した機械を設けることにより、先行技術の短所が克服されかつ付加的な利点が得られる。本機械は、固定部材と該固定部材に対して回転可能に取付けられた可動部材とを含む。可動部材は、中心ハブ及び少なくとも１つの可動部品を含む。少なくとも１つの可動部品は、中心ハブに固定連結された第１の端部部分、第２の端部部分、及び中間部分を含む。可動部材の第２の端部部分は、ギャップを形成するように固定部材から間隔を置いて配置される。少なくとも１つの送信エレメントが、固定部材及び可動部材の一方に取付けられる。少なくとも１つの送信エレメントは、ギャップを横切って所定の周波数を有する音波を放出する。少なくとも１つの受信エレメントが、固定部材及び可動部材の他方に取付けられる。少なくとも１つの受信エレメントは、送信エレメントからの音波を受信する。本機械はさらに、少なくとも１つの送信エレメント及び少なくとも１つの受信エレメントの少なくとも１つに作動接続された制御装置を含む。制御装置は、ギャップを横切ってきた音波に基づいて可動部材及び固定部材間に延びるクリアランス距離を求める。
【０００６】
本発明の別の例示的な実施形態によると、機械の可動部材及び固定部材間のクリアランスを測定する方法は、所定の周波数を有する音波を機械の可動部材及び固定部材の一方上に設けられた少なくとも１つの送信エレメントから発生させるステップと、可動部材及び固定部材間に延びるギャップを横切って音波を方向付けするステップとを含む。本方法はさらに、可動部材及び固定部材の他方に取付けられた少なくとも１つの送信エレメントにおいて音波を受信するステップと、ギャップを横切ってきた音波信号に基づいて可動部材及び固定部材間に延びるクリアランス距離を求めるステップとを含む。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態の技術により、付加的な特徴及び利点が実現される。本発明のその他の実施形態及び態様は、本明細書に詳細に説明しており、特許請求する発明の一部と考えている。その利点及び特徴と共に本発明を一層良好に理解するために、以下の説明及び図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、可動及び固定部材間のクリアランスを測定するためのシステムを備えたターボ機械の部分断面図。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態による送信エレメント及び受信エレメントを示す、図１のターボ機械の一部分の詳細図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、可動及び固定部材間のクリアランスを測定するためのシステムの概略図。
【図４】本発明の例示的な実施形態により配置した受動送信エレメントを有する回転部材の先端部分の部分斜視図。
【図５】本発明の別の例示的な実施形態により配置した受動送信エレメントを有する回転部材の先端部分の部分斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
先ず始めに図１を参照すると、ターボ機械の形態で図示した機械は、その全体を参照符号２で示している。ターボ機械２は、タービン部分６に作動連結された燃焼部分４を含む。タービン部分６は、シュラウド部分１３を有する固定部材つまり外側ケーシング１０を含む。タービン部分６は、その各々がタービンファン組立体２３〜２５の形態で図示した対応する可動部材を有する複数の段１８〜２０を含む。各タービンファン組立体は実質的に同様であるので、詳細な記述は、タービンファン組立体２３に関する記述に従うことにし、残りのタービンファン組立体２４〜２５は、類似の構造を有するものと理解されたい。
【００１０】
図２を参照すると、タービンファン組立体２３は、中心ハブ２８を含み、該中心ハブ２８から複数の可動部品つまりタービンファンブレードが延びており、それらファンブレードの１つを参照符号３０で示している。タービンブレード３０は、中間部分３９を介して第２の端部部分３８に達する第１の端部部分つまり先端部分３７を有する本体部分３５を含む。第２の端部部分３８は、ギャップ４４を形成するように先端部分３７がシュラウド部分１３から間隔を置いて配置された状態で中心ハブ２８に連結される。ギャップ４４は、先端部分３７とシュラウド部分１３との間のクリアランスを形成する。作動時に、ギャップ４４は、タービン６内を通って流れる熱によるタービンブレード３０の熱膨張の結果として変化する。時の経過と共に、熱及びタービンブレード３０の磨耗が、ギャップに影響を与えることになる。ギャップが過度に小さくなった場合には、先端部分３７は、シュラウド部分１３と接触し、タービンブレード３０に損傷を引き起こすおそれがある。ターボ機械２の性能を高めるためには、ギャップ４４は、所定の限界値内に維持しなくてはならない。一般的に、ギャップ４４は、効率を最大にするためには最小にすべきである。しかしながら、最小のギャップを維持することと先端部分３７及びシュラウド部分１３間の接触可能性のリスクとの間には、トレードオフが存在する。その目的のために、ターボ機械２は、先端部分３７とシュラウド部分１３との間のクリアランスつまりギャップ４４をリアルタイムに測定するためのシステム５０（図３）を含む。以下において一層十分に説明するように、システム５０は、所定の周波数の音波を使用して、ギャップ４４を測定する。
【００１１】
図２及び図３に最もよく示しているように、システム５０は、送信エレメント６０を含み、この送信エレメント６０は、この図示した例示的な実施形態では、タービンブレード３０の先端部分３７に隣接して取付けられた能動エレメントつまりスピーカ６４である。以下において一層十分に説明するように、スピーカ６４は、所定の周波数の音波を放出する。システム５０はまた、受信エレメント７０を含み、この受信エレメント７０は、この図示した例示的な実施形態では、シュラウド部分１３に取付けられたマイクロフォンの形態をとっている。受信エレメント７０はまた、ケーシング１０に取付けられたマイクロフォンの形態をとることもできる。いずれのケースでも、受信エレメント７０及び送信エレメント６０は、フィルタ８５を有する信号処理装置８４に作動結合される。フィルタ８５は、送信エレメント６０から放出された所定の周波数を分離するように構成された電子フィルタ又はソフトウエアフィルタとすることができる。フィルタ処理した信号は、制御装置８０に送られ、制御装置８０は、送信エレメント６０及び受信エレメント７０間の距離を求める。送信エレメント６０及び受信エレメント７０間の距離を求めた後に、制御装置８０は、ギャップ４４の寸法を計算する。
【００１２】
作動中に、タービンファン組立体２３〜２５は、シュラウド部分１３内で回転する。送信エレメント６０は、音響信号を放出し、この音響信号が受信エレメント７０によって受信される。この時点で、音響信号は、信号処理装置８４によりフィルタ処理されかつ分析のために制御装置８０に送られる。制御装置８０は、音響信号を評価して、ギャップ４４の寸法を求める。送信エレメント６０及び受信エレメント７０に加えて、残りのタービンファン組立体２４〜２５は、タービンファン組立体２４に関連して参照符号９４及び９６で示したような類似の送信及び受信エレメントを含む。この構成の場合には、各送信エレメント、例えば送信エレメント６４、９４は、異なる周波数を有する音響信号を放出し、この周波数は、制御装置８０によって分離されかつ特定のタービンファン組立体に相関されて対応するギャップを計算するように構成される。
【００１３】
次に、本発明の別の例示的な実施形態により構成した送信エレメント１０２を示している図４を参照する。図示するように、タービンブレード３０の先端部分３７は、第１の複数の開口１０６を有する凹部又は空洞１０４を含む。開口１０６は、冷却空気がタービンブレード３０から流出するのを可能にするように構成される。同様に、第２の複数の開口１０９が、タービンブレード３０の前縁部分（個々には参照符号を付していない）において本体部分３５に沿って長手方向に延び、また第３の複数の開口１１０が、タービンブレード３０の後縁部分（個々には参照符号を付していない）において本体部分３５に沿って長手方向に延びる。開口１０９及び１１０はまた、冷却空気がタービンブレード３０から出て行くのを可能にする通路を形成する。この図示した実施形態では、送信エレメント１０２は、先端部分３７内に形成された受動エレメントつまりオリフィス１２４の形態をとる。オリフィス１２４は、空気ストリームに曝された時に、所定の周波数を有する音波（笛）を形成するように設計される。より具体的には、タービンブレード３０がタービン部分６内で回転すると、空気ストリームが、オリフィス１２４を通って流れる。空気ストリームは、音波を発生し、この音波が、受信エレメント、例えば受信エレメント７４によって受信される。受信エレメント７４は、オリフィス１２４から発する音波を「聞き取る」ように調整される。この構成の場合には、送信エレメント１０２から制御装置８０まで追加的な有線接続が不要である。上記に加えて、制御装置８０は、タービンブレード３０とシュラウド部分１３との間の接触を検出するように構成することもできる。より具体的には、摩擦が発生した場合には、送信エレメント１０２は、所定の周波数とは異なる周波数を有する音波を放出することになる。この異なる周波数が受信エレメント７４によって検出され場合には、接触を示している。
【００１４】
図５は、本発明のさらに別の例示的な実施形態により構成した送信エレメント１３０を示している。送信エレメント１３０は、凹部１０４内で開口１０６に形成されたオリフィスの形態をとっている。この構成の場合、開口１０６を介してタービンブレード３０から流出する冷却空気はまた、オリフィス１３４を通って流れて、所定の周波数を有する音波（笛）を形成する。この構成の場合には、オリフィス１３４を凹部１０４内に設置することによって、送信エレメント１３０及び制御装置８０間に付加的な配線接続が不要であるだけでなく、先端部分３７におけるタービンブレード３０の材料特性も低下しない。本発明の例示的な実施形態により、分解を必要とせずに機械内の可動体及び固定体間のクリアランス寸法をリアルタイムに測定するための低コストのシステムが提供されることが理解されたい。このシステムは、要員がクリアランスのあらゆる変化をリアルタイムに監視しかつ可動部材が固定部材に接触する以前に補正措置を取り、それによって運転停止時間を最小にすることにより機械の出力を増大させることを可能にする。加えて、クリアランスをリアルタイムに監視することによって、平均メインテナンスサイクル間隔が増大する。
【００１５】
全体として、本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、またさらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、本発明の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００１６】
２  ターボ機械
４  燃焼部分
６  タービン部分
９  固定部材
１０  外側ケーシング
１３  シュラウド部分
１８  複数の段
１９  複数の段
２０  複数の段
２３  可動部材、タービンファン組立体
２８  中心ハブ
２９  可動部品
３０  複数の回転部品、タービンブレード
３１  部材／タービンブレード
３５  本体部分
３７  第１の端部部分
３７  先端部分
３８  第２の端部部分
３９  中間部分
４４  ギャップ
５０  システム
６０  送信エレメント
６４  スピーカ、能動送信エレメント
７０  受信エレメント
７４  マイクロフォン、受信エレメント
８０  制御装置
８４  信号処理装置
８５  電子フィルタ、ソフトウエアフィルタ
９４  送信エレメント
９６  受信エレメント
１０２  送信エレメント
１０４  凹部／空洞
１０６  第１の複数の開口／冷却空気出口
１０９  第２の複数の開口
１１５  送信エレメント
１１６  オリフィス
１１７  受動部品
１２４  笛    
１２９  送信エレメント
１３０  オリフィス
１３１  受動部品
１３４  笛
【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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