JP2008261335A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータシャフトのトルクおよびせん断を検知する、信頼性が高くコスト効率の良いシステムを提供すること。
【解決手段】システム２４は、それぞれ圧縮機１６およびタービン部２０と関連したプローブ２６ａ，２６ｂを備える。プローブ２６ａ，２６ｂは、圧縮機ベーンおよびタービンブレードなど所望の目標構成要素に向けて、マイクロ波周波を送る。また、プローブ２６ａ，２６ｂは、目標構成要素から反射されたマイクロ波周波を受け取り、カプラ２８ａ，２８ｂを通じて送り返す。マイクロ波検知器３６ａ，３６ｂは、反射された信号のエネルギーレベルを感知し、制御装置４０と通信する。制御装置４０は、反射されたマイクロ波周波信号を解釈し、受け取ったスプールパラメータに応答してスプール状態を決定する。
【選択図】図１

Description

本出願は、ターボ機械の内部におけるスプールなどの構成要素に関連する感知パラメータに関し、また、ターボ機械で使用されるように構成されたマイクロ波位置感知システム（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。

変位変換器（ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）およびホール効果近接プローブなどの様々な位置感知システムが存在する。しかし、これらのシステムは、精度が限られていることと、厳しい環境で働かなければならないことにより、多くの場合、ターボ機械には適さない。ターボ機械内部のタービンブレード先端のクリアランスを検知するために、マイクロ周波数信号が使用される。マイクロ波発振器が信号を生成し、この信号は、通過するタービンブレードによって反射され、タービンの外側ハウジングに対するタービンの位置を検知するために処理される。

ターボ機械に関連する様々なパラメータを検知することが望ましい。たとえば、スプールのロータシャフトがせん断されたか否かを検知することが望ましい。ロータシャフトによって支持されるタービン部は、せん断された状態においては無負荷となり、潜在的に危険な過速度状態にまで急速に加速してしまう恐れがある。現在のロータシャフトせん断の検知方法は、機械的に結合された専用のセンサを介してタービン部の加速度を感知することに依存しているが、構造ならびにコストを追加する必要がある。また、エンジンの性能およびベアリングの健全性を評価するために、タービン部と圧縮機部との間でロータシャフトのトルクを検知することが望ましい。現在のロータシャフトのトルクの検知にも、機械的に結合された専用のセンサが必要とされているが、これは望ましくない。

ロータシャフトのトルクおよびせん断を検知する、信頼性が高く、かつコスト効率の良いシステムが必要とされている。

一実施例において、ターボ機械は、スプールを備え、このスプールは、圧縮機部とタービン部とを支持するシャフトを有する。マイクロ波位置感知システムは、対応する圧縮機およびタービンの、通過するベーンおよび／またはブレードの位置などのスプールパラメータを検知するように構成されている。制御装置は、マイクロ波位置感知システムと通信し、スプールパラメータに応答してスプール状態を測定するようにプログラムされている。スプール状態は、たとえば、シャフトのトルクおよび／またはせん断を含む。また、例示のマイクロ波位置感知システムを使用して、ブレードおよび／またはベーンの先端クリアランスを検知することができるので、共通のセンサを使って、ターボ機械の動作に関する複数のパラメータを検知することができる。

本出願の上記および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解することができる。

図１は、ターボ機械１０を概略的に示す。ターボ機械１０は、軸Ａの周りで回転可能な少なくとも１つのスプール１２を備える。スプール１２は、圧縮機部１６およびタービン部２０を支持するシャフト１４を含む。当技術分野で周知のように、圧縮機１６は、円周方向に配列された多数のベーン１８を備え、タービン２０は、円周方向に配列された多数のブレード２２を備える。

たとえば、エンジンの性能およびベアリングの健全性などを測定するために、スプール１２に関する様々なスプールパラメータを監視することが望ましい。たとえば、シャフトまたはベアリングのメンテナンスが望ましいか否かを確認するために、シャフトのトルクを監視することが望ましい。他の例において、ターボ機械１０をさらに損傷し得るタービンの過速度状態を回避できるように、シャフト１４がせん断されているか否かを検知することが望ましい。

マイクロ波位置感知システム２４は、スプール１２に関する少なくとも１つのスプールパラメータを検知するように構成されている。一実施例において、システム２４は、圧縮機および／またはタービン部と、ターボ機械の外側ケースと、の間の先端クリアランスを検知する。実施例において、システム２４は、シャフト１４のトルクおよび／またはせん断を検知するために使用される。ベーン１８および／またはブレード２２は、これらの位置がシステム２４によって検知される目標構成要素である。

図１を参照すると、システム２４は、圧縮機１６とタービン部２０とにそれぞれ関連したプローブ２６ａ，２６ｂを備える。一実施例において、マイクロ波供給源３２がスプリッタ３０にマイクロ波を供給し、スプリッタ３０は、マイクロ波周波を分割し、プローブ２６ａ，２６ｂに送る。マイクロ波周波は、スプリッタ３０から入力ケーブル３４を通って搬送され、プローブ２６ａ，２６ｂにそれぞれが関連したカプラ２８ａ，２８ｂに供給される。この実施例において、カプラ２８ａ，２８ｂは、各々のプローブに反射された信号から励振信号（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）を分離して取り出す。

一実施例において、プローブ２６ａ，２６ｂは、圧縮機ベーンおよびタービンブレードなどの所望の目標構成要素に向けて、マイクロ波周波を送る。この周波数は、目標構成要素の寸法と、ターボ機械内の利用可能な空間と、に基づいて選択される。また、プローブ２６ａ，２６ｂは、目標構成要素から反射されたマイクロ波周波を受け取り、カプラ２８ａ，２８ｂを通じて送り返す。一実施例において、カプラ２８ａ，２８ｂに接続された出力ケーブル３８が、対応するスプールパラメータに関連する反射されたマイクロ波周波を、対応するマイクロ波検知器３６ａ，３６ｂに供給する。この実施例において、別々のマイクロ波検知器３６ａ，３６ｂを示しているが、単一のマイクロ波検知器を使用して、反射されたマイクロ波周波を解釈してもよい。マイクロ波検知器３６ａ，３６ｂは、反射された信号のエネルギーレベルを感知し、制御装置４０と通信する。制御装置４０は、反射されたマイクロ波周波信号を解釈し、受け取ったスプールパラメータに応答してスプール状態を測定する。

一実施例において、制御装置４０は、ブレードおよびベーンの先端がプローブを通過した回数を追跡するためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを備え、反射されたマイクロ波信号のエネルギーレベルを測定する。しかし、このような機能をマイクロ波検知器３６ａ，３６ｂで提供してもよいし、マイクロ波検知器３６ａ，３６ｂを制御装置４０と一体化してもよく、又は別個の構造内にこのような機能の一部を設けてもよいことを理解されたい。一実施例において、制御装置４０は、スプール状態を比較するための情報を保存しているメモリ４２を含む。制御装置４０は、検知して得られたスプール状態を、メモリ４２に保存されている限界スプール状態に関する情報と比較する。

一実施例において、プローブ２６ａ，２６ｂは、通過するブレードおよびベーン先端の回転位置に関する情報を提供する。そして、制御装置４０は、通過する先端の相対的な位置を測定し、シャフト１４内のトルク、またはシャフトのせん断状態を測定する。一実施例において、歯先と時間とのアルゴリズム（ｔｏｏｔｈ ａｎｄ ｔｉｍｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を使用して、圧縮機１６およびタービン２０の両方のＲＰＭを同時に監視することができる。タービンのＲＰＭに対する圧縮機のＲＰＭの比が測定される。実際の比が所望の比よりも低い場合、限界スプール状態であることに相当し、タービン２０が圧縮機１６よりも速く回転しており、シャフトせん断が生じていることを示す。制御装置４０は、シャフトのせん断に応答して、さらなる損傷を回避するように、様々なターボ機械構成要素に命令することができる。たとえば、タービン２０の速度を低減させるために、制御装置４０は、燃焼器への燃料の流れを遮断するように弁に命令することができる。他の実施例において、制御装置４０は、圧縮機ＲＰＭとタービンＲＰＭとの差を測定することができる。この差が、メモリ４２に保存されている限界スプール状態の所定の量を超えたとき、シャフトのせん断が生じている。

シャフトのトルクを測定するために、両端部に歯付車（ｇｅａｒｅｄ ｏｒ ｔｏｏｔｈｅｄ ｗｈｅｅｌ）備えた高速回転しているシャフト上のトルクを測定するような公知技術を使用することができる。この公知技術は、歯付車（この場合、圧縮機ベーンとタービンブレードが相当する）の到着時間のずれを測定する。

図２に示す他の例において、単一のプローブ１２６を使用して、シャフトのせん断を測定することができる。一実施例において、プローブ１２６は、タービン部２０を監視する。プローブ１２６は、図１に示す構成と同様のカプラ１２８、マイクロ波供給源１３２およびマイクロ波検知器１３６と通信する。制御装置１４０は、マイクロ波供給源１３２およびマイクロ波検知器１３６と通信し、シャフトのせん断を測定する。たとえば、プローブ１２６は、通過する先端の加速度を検知することができ、制御装置１４０がこの加速度情報をメモリ１４２に記憶された情報と比較し、シャフトのせん断を示すことができる。図２に示すタービン加速度を検知するための構成は、同じ構成要素を使用しながら、図１の構成に対する冗長として設けることができる。この場合、制御装置１４０は、ＲＰＭの比率および／またはＲＰＭの差に加え、加速度を測定するために必要な構成要素およびロジックを含む。

いくつかの実施例を開示したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、いくつかの修正がなされ得ることを理解されるであろう。このため、添付の請求項を検討することにより、これらの特許請求の範囲および内容を決定されたい。

例示的なマイクロ波位置感知システムを備えるターボ機械を示す概略図。 別の例示的なターボ機械およびマイクロ波位置感知システムを示す概略図。

Claims (16)

1. スプールと、
   回転パラメータを含むスプールパラメータを検知するように構成されたマイクロ波位置感知システムと、
   前記マイクロ波位置感知システムと通信し、前記スプールパラメータに応答してスプール状態を測定するようにプログラムされた制御装置と、
   を備えるターボ機械。
2. 前記回転パラメータが、シャフトのトルクであることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記回転パラメータが、シャフトのせん断であることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記スプールが、シャフト上に支持されたタービンを含み、前記スプールパラメータが前記タービンに関連していることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
5. 前記タービンが、先端を有するブレードを含み、前記スプールパラメータが、前記先端の位置に関係していることを特徴とする請求項４に記載のターボ機械。
6. 前記スプールが、前記シャフト上に支持された圧縮機を含み、前記スプールパラメータが、前記圧縮機の位置を含むことを特徴とする請求項４に記載のターボ機械。
7. 前記スプール状態が、前記タービンと前記圧縮機との間の相対位置を含むことを特徴とする請求項６に記載のターボ機械。
8. 前記スプール状態が、前記タービンと前記圧縮機との速度の比を含むことを特徴とする請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記スプール状態が、前記シャフトのトルクであることを特徴とする請求項７に記載のターボ機械。
10. 前記スプール状態が、前記タービンと前記圧縮機との速度の差であることを特徴とする請求項７に記載のターボ機械。
11. 前記スプール状態が、前記タービンの加速度であることを特徴とする請求項４に記載のターボ機械。
12. 前記制御装置が、望ましくないターボ機械の状態を識別するために、前記スプール状態を限界スプール状態と比較するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
13. 前記限界スプール状態が、シャフトのせん断を示すことを特徴とする請求項１２に記載のターボ機械。
14. 前記制御装置が、前記シャフトのせん断に応答して、燃焼器への燃料の流れを遮断するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１３に記載のターボ機械。
15. 前記限界スプール状態が、ベアリングのメンテナンス状態を示すことを特徴とする請求項１２に記載のターボ機械。
16. 前記限界スプール状態が、シャフトのメンテナンス状態を示すことを特徴とする請求項１２に記載のターボ機械。

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