間隙測量系統和操作方法

專利名稱：間隙測量系統和操作方法
技術領域：
本發明一般地涉及間隙測量系統，且更特定地涉及用于測量旋轉機器中的靜止部件和連續旋轉部件之間間隙的間隙測量系統。
背景技術：
不同類型的傳感器已用于測量兩個物體之間的距離。另外，這些傳感器已用在不同的應用中。例如，蒸汽渦輪機具有鄰近支架布置的旋轉輪葉。旋轉輪葉和支架之間的間隙因為不同的運行狀態而改變，例如溫度的變化、輪葉尖端的氧化等。希望在旋轉輪葉和支架之間的縫隙或間隙在蒸汽渦輪機運行中被保持。
一個現有的傳感器是電容探頭，它測量電容用于估計兩個部件之間的間隙。不幸地是現有的基于電容的測量技術受到限制，即它們產生基于直流電壓的測量結果，用于測量靜止和旋轉結構之間的間隙，該結構在轉動方向上是連續的。測量產生了時域靜態輸出，例如正比于間隙的直流電壓水平。作為結果，測量不解決因為部件溫度變化、在增益中電子漂移、電子器件偏置、輪葉尖端氧化等其它因素所導致的間隙變化。
另外，這些間隙測量系統典型地用于在設計和離線檢測中測量部件之間的間隙。不幸地是，這些現有的系統對于運行中測量是無效的，原因是除了其它因數外噪聲和由部件幾何形狀變化所產生的漂移。作為替代，運行中間隙控制基于在部件設計和離線檢測中的事先的間隙測量結果。因為部件在運行時發生磨損，對于運行中間隙控制則離線測量變得是無效的。
因此存在提供間隙測量系統的需求，該系統通過最小化校準漂移和系統內噪聲的影響提供了兩個部件之間的精確的間隙測量結果。還有利的是提供自校準的間隙測量系統，該系統將使用于在對運行中的零件的精確間隙測量。

發明內容
根據某些實施例，本技術具有間隙測量系統。間隙測量系統包括參考幾何形狀，它布置在具有其它的連續表面幾何形狀的第一物體上，還具有布置在第二物體上的傳感器，其中傳感器構造為產生代表了來自第一物體的第一感測到的參數的第一信號和來自參考幾何形狀的第二感測到的參數的第二信號。間隙測量系統還包括處理單元，它構造為基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異來處理第一和第二信號以估計在第一和第二物體之間的間隙。
根據某些實施例，本技術具有旋轉機器。旋轉機器包括與靜止部件分開的旋轉部件，其中旋轉部件包括在旋轉部件的旋轉方向上連續的表面和布置在旋轉部件的連續表面上的參考幾何形狀。旋轉機器還包括構造為產生第一和第二信號的傳感器，第一和第二信號分別代表對應于旋轉部件和參考幾何形狀的第一和第二感測到的參數，旋轉機器還包括處理單元，它構造為基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異處理第一和第二信號以估計在旋轉和靜止部件之間的間隙。
根據某些實施例，本技術提供了測量第一物體和第二物體之間間隙的方法。方法包括產生第一信號，它指示對應于第一物體的由布置在第二物體上的傳感器得到的第一感測到的參數，和產生第二信號，它指示對應于布置在第一物體的連續的表面幾何形狀上的參考幾何形狀由布置在第二物體上的傳感器得到的第二感測到的參數。方法還包括基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異處理第一和第二信號以估計第一和第二物體之間的間隙。


當參考附圖閱讀如下詳細描述時，這些和其它本發明的特征、方面和優點將變得更好理解，在全部附圖中類似的字符代表了類似的零件，其中圖1為圖示了具有根據本技術的實施例的間隙測量系統的蒸汽渦輪機的概略透視圖；圖2為圖示了圖1的根據本技術的實施例的蒸汽渦輪機的旋轉輪葉的部分概略透視圖；圖3為圖示了具有根據本技術的實施例的間隙測量系統的發電機的概略透視圖；圖4圖示了圖1的蒸汽渦輪機的透視視圖，蒸汽渦輪機具有用于測量旋轉輪葉和支架之間的間隙的根據本技術的實施例的間隙測量系統；圖5為圖4的蒸汽渦輪機的部分的截面視圖，其中本間隙控制技術可以根據本技術的實施例使用；圖6是根據本技術的實施例的圖5的詳細的截面視圖；圖7圖示了帶有凹口的旋轉部件，用于圖4和圖5的根據本技術的實施例的蒸汽渦輪機；圖8為電容的圖形表示，電容根據本技術的實施例通過圖4的間隙測量系統從圖7的轉子測量；圖9圖示了帶有多級凹口的旋轉部件，用于圖4和圖5的根據本技術的實施例的蒸汽渦輪機；圖10為電容的圖形表示，電容根據本技術的實施例通過圖3的間隙測量系統從圖9的轉子測量；圖11圖示了帶有多個凹口的旋轉部件，用于圖4和圖5的根據本技術的實施例的蒸汽渦輪機；圖12圖示了使用于圖1的根據本技術的實施例的間隙測量系統的傳感器的典型構造；圖13為圖1和圖4的根據本技術的實施例的間隙測量系統的概略的圖解；和圖14為間隙的圖形表示，間隙由圖13的根據本技術的實施例的間隙測量系統測量。
具體實施例方式
如以下詳細討論，本技術的實施例的功能為提供在例如蒸汽渦輪機、發電機、渦輪發動機(例如飛機渦輪發動機)、具有旋轉部件的機器等的不同的系統中的兩個物體之間的間隙的精確測量結果。現在參考附圖，圖1圖示了蒸汽渦輪機10，它具有用于測量在蒸汽渦輪機10內的兩個物體之間間隙的間隙測量系統12。在圖示的實施例中，間隙測量系統12構造為測量在蒸汽渦輪機10內的旋轉的部件14和靜止的部件16之間的間隙，這將在如下詳細描述。
圖2為例如根據本技術的實施例的圖1的蒸汽渦輪機的旋轉輪葉20的旋轉部件的部分概略透視圖。在圖示的實施例中，旋轉輪葉20布置為在靜止部件，即支架16內具有不同級22的構造。應該注意的是，繞級22布置的支架16為圖示簡單而沒有示出。支架16內的級22包括多個沿圖1的蒸汽渦輪機10的長度(和旋轉軸線)縱向地相互分開的旋轉輪葉24。另外，旋轉輪葉24徑向地與支架16分開。換言之，旋轉輪葉24的外部直徑小于支架16的內部直徑，如參考圖1和圖2所圖示。因此，相對小的間隙存在于旋轉輪葉24的外邊圓周和支架16的內部表面之間。進一步地，除以下詳細討論的間隙控制特征以外，旋轉輪葉24形成繞旋轉輪葉24的旋轉軸線26的連續的圓形結構。在此實施例中，間隙測量系統12(見圖1)構造為測量靜止部件(即支架)16和具有連續的表面幾何形狀(即連續的圓形幾何形狀)的旋轉部件(即旋轉輪葉)24之間的間隙。在某些實施例中，間隙測量系統12可以使用于測量在發電機內的靜止和旋轉部件之間的間隙，如以下參考圖3描述。然而，測量其它具有帶連續表面幾何形狀的旋轉部件的旋轉機器內的間隙也在本應用的范圍內。
圖3為電機的概略透視圖，例如發電機30，其具有根據本技術的實施例的間隙測量系統12。在圖示的實施例中，發電機30包括框架組件32，它圍繞并支撐了發電機30的不同的部件。發電機還包括轉子組件34，它包括延伸經過轉子芯38的轉子軸36。進一步地，轉子組件34還包括磁體組件40，它由轉子芯38的外部外圍表面支撐且產生磁通量。轉子組件34與軸36可以在定子組件42的內部以順時針或逆時針方向旋轉，如方向箭頭44所圖示。可以通過圍繞轉子軸36的軸承組件便于該旋轉。如被本領域技術人員所認識，可以利用不同類型的軸承組件來支撐轉子軸36。
在圖示的實施例中，轉子組件34位于定子組件42的室內部，該定子組件又封閉在框架32內。定子組件42包括多個定子繞組46，它們周向圍繞轉子軸36且軸向沿轉子軸36延伸經過定子組件42。在運行中，具有磁體組件40的轉子組件34的旋轉導致了在發電機30內發生磁場變化。該磁場變化在定子繞組46中感應出電壓。因此，轉子組件34的動能轉化為在定子繞組46內的電流和電壓形式的電能。應該注意到，在轉子和定子組件34和42之間的間隙被維持在預先確定的范圍內。在本實施例中，間隙測量系統12連接到定子組件42，以測量轉子組件34和定子組件42之間的間隙。在該實施例中，間隙測量系統12包括電容探頭且在轉子組件34和定子組件42之間的間隙基于由電容探頭所感測到的電容來估計。
間隙測量系統12使用于測量在圖1和圖2的蒸汽渦輪機和發電機的靜止和旋轉部件之間的間隙，它構造為將基于直流電流的在靜止和旋轉部件之間的電容性測量結果轉化為時變的電容性測量結果。間隙測量系統12基于打斷繞旋轉軸線44的旋轉部件的連續表面幾何形狀(例如連續圓形幾何形狀)的連續性的至少一個參考幾何形狀(例如凹口、凹槽、狹槽等)來執行該轉化。該時變電容性測量結果用于估計在轉子組件34和定子組件42之間的間隙，如將在以下更詳細的描述。
圖4圖示了旋轉機器，例如圖1中所圖示的蒸汽渦輪機50，其中本技術的方面能合并到測量旋轉和靜止部件之間的間隙中。蒸汽渦輪機50包括安裝在軸54上的轉子52。多個也可以稱為輪葉的渦輪機葉片56固定到轉子52。在運行中，葉片56受到高溫高壓的蒸汽58，它導致葉片56繞軸線60旋轉。葉片56在靜止的殼體或罩62內旋轉，罩62徑向地和周向地繞葉片16定位。相對小的間隙存在于葉片56和罩62之間，以便于葉片56在罩62內的旋轉，同時也防止在葉片56和罩62之間過度地泄漏工作流體，例如蒸汽。根據本技術，一個或多個間隙傳感器64布置在靜止的罩62內且周向地圍繞靜止的罩62。在圖示的實施例中，間隙傳感器64包括電容性探頭。在某些實施例中，間隙傳感器64可以包括基于微波的傳感器、或光學傳感器、或渦流傳感器，且感測到的參數可以分別包括阻抗、或相位延遲、或感應電流。如以下更詳細地解釋，傳感器64的每個構造為在其相應的周向位置產生代表葉片56相對于罩62的徑向和軸向位置的信號。
現在參考圖5，示出了圖4的蒸汽渦輪機10的底部或下部70的截面視圖，圖示了典型的徑向和軸向間隙，它可以以本技術測量。在圖示的實施例中，葉片56的尖端包括包封齒或密封齒72，它嚙合到提供在罩62的內部圓周上的凹槽74內。在本實施例中，間隙測量系統12(見圖1)可以連接到罩62，以測量葉片56的尖端和罩62之間的徑向和軸向間隙。
圖6為圖5的蒸汽渦輪機的罩和葉片的部分76的細節截面視圖。如所圖示，密封齒72和罩62之間的徑向間隙由參考標記78所代表，齒72和罩62之間的軸向間隙由參考標記80所代表。在本實施例中，徑向和軸向間隙78和80代表了在中心齒和罩之間的間隙。如本領域技術人員所認識，在其它密封齒和罩62之間的間隙可以類似地通過本技術來估計。
在某些實施例中，因為罩62和轉子56的熱膨脹率不同，存在徑向間隙78可以減小為0的潛在性，這導致了在密封齒72和凹槽74之間的干涉。進一步地，因為膨脹率的不同，轉子56可以軸向地相對于罩62增長，導致密封齒72在凹槽74之內的軸向摩擦，這增加了部件的磨損率。這些不希望的干涉還可能導致部件的損壞。本技術提供了對徑向和軸向間隙78和80的在線測量，這可以合并到閉環控制策略中，以維持這些間隙的值在可接受的極限內。控制策略例如可以包括當罩62和密封齒72之間的間隙減小時對罩62的熱激勵，導致它適當地膨脹。在本實施例中，熱激勵器利用熱膨脹特性來產生罩62的移動。在某些其它的實施例中，機械激勵器可以用于補償葉片56在罩62內的軸向增長。
如本領域技術人員所認識，在兩個物體之間的電容是重疊表面面積和兩個物體之間的距離的函數。在本實施例中，轉子56和罩62之間的電容是徑向間隙78和重疊面積的函數，重疊面積又直接地正比于密封齒72相對于罩62的軸向間隙。當轉子56徑向地膨脹時，密封齒72和罩62之間的徑向間隙改變。類似地，當密封齒72軸向移動過凹槽74時，傳感器頭部被密封齒72覆蓋的面積將變化。這些變化將導致測量的電容的變化。根據如下討論的本技術的方面，電容的變化可以與軸向和徑向位移相關且因此可以得到復合的間隙測量結果。通過間隙測量系統12進行的該徑向和軸向間隙78和80的測量將進一步如下參考圖7至圖13描述。
圖7圖示了帶凹口的旋轉部件82，用于圖4至圖5的蒸汽渦輪機。在圖示的實施例中，旋轉部件82包括多個形成為繞旋轉軸線的連續的圓形結構84的葉片或輪葉56。進一步，旋轉部件82還包括參考幾何形狀86，它打斷了連續的圓形結構84的連續性。此參考幾何形狀86的例子包括凹陷，例如凹痕、凹口、凹槽、狹槽等。
在運行中，布置在靜止部件62的傳感器64(見圖4)產生了代表來自旋轉部件82(例如連續的圓形幾何形狀)的第一感測到的參數的第一信號。另外，傳感器64產生了代表來自參考幾何形狀86的第二感測到的參數的第二信號。在本實施例中，傳感器64包括電容探頭且第一和第二感測到的參數包括電容。進一步地，基于第一和第二感測到的參數的測量結果差異，處理來自傳感器64的第一和第二信號，以估計靜止部件62和旋轉部件82之間的徑向和軸向間隙。在某些實施例中，傳感器64可以包括至少兩個探頭尖端，用于測量靜止部件62和旋轉部件82之間的軸向和徑向間隙。
在圖示的實施例中，基于具有預先確定的深度的參考幾何形狀86，將基于直流電流的靜止部件62和旋轉部件82之間的電容測量結果轉化為時變的電容測量結果。在某些實施例中，參考幾何形狀86可以包括與旋轉部件82不同的其它材料。例如參考幾何形狀86可以包括在旋轉部件82上的凹口，它填充有電介質材料。圖8為電容88的圖形表示，該電容由圖4的間隙測量系統從圖7的轉子上測量到。電容測量結果88的縱坐標軸90代表由傳感器64從旋轉部件82上感測到的電容值而橫坐標軸92代表時間周期。在本實施例中，由傳感器64產生的第一信號代表了從旋轉部件82感測到的第一電容且由參考標記94所代表。第一電容代表了在傳感器64和旋轉部件82(例如連續的圓形幾何形狀)之間的間隙。進一步地，傳感器64還產生了第二信號，它代表了從參考幾何形狀86(例如在連續的圓形幾何形狀中的凹陷或間斷)感測到的第二電容，它由參考標記96所代表。在本實施例中，第二電容對應于參考幾何形狀86的深度98。利用由傳感器64感測到的第一和第二電容的差異和預先確定的參考幾何形狀86的深度98來確定靜止部件62和旋轉部件82之間的間隙。
如本領域技術人員所認識，當間隙增加時，來自旋轉部件82和參考幾何形狀86的測量結果之間的差異將減小。類似地，當間隙減小時，該兩個測量結果之間的差異將增加。典型地，感測到的電容反比于靜止部件62和旋轉部件82之間的間隙。因此，如果在典型的實施例中，如果靜止部件62和旋轉部件82之間的間隙加倍，則靜止部件62和旋轉部件82之間的感測到的電容之間的差異將減小因子0.5。如下例子圖示了靜止部件62和旋轉部件82之間間隙變化在感測到的電容之間的測量的差異上的影響。
例1在典型的旋轉機器中，對應于與傳感器64具有距離“a”的旋轉部件82的傳感器64的傳感器輸出由“x”所代表。進一步，對應于在距離“a+b”處的參考幾何形狀86(具有深度“b”)的底部的傳感器輸出由“y”所代表。假設靜止部件62和旋轉部件82之間的間隙變化為“2a”，則來自傳感器64的對應于該間隙的測量結果將為“x/2”。在本實施例中，參考幾何形狀86的底部將與傳感器64具有“2a+b”的距離。因此，對應于旋轉部件82和參考幾何形狀86的信號差異在第一情況下(距離為a)將為“x-y”。類似地，對于第二情況(距離為2a)，信號差異將為“x/2-y”。因此，在兩個測量結果之間的差異大約為x/2，它對應于從“a”到“2a”的間隙變化。
因此，在圖示的實施例中，利用在參考幾何形狀86附近感測到的和那些遠離參考幾何形狀86感測到的電容值之間的測量結果差異來確定間隙。
圖9圖示了另一個圖4和圖5的蒸汽渦輪機的旋轉部件100的典型的實施例。在圖示的實施例中，旋轉部件100包括沿連續的圓形結構84布置且打斷該結構84的連續性的多級參考幾何形狀，例如階梯形凹口102。在運行中，傳感器64產生了信號，它代表對應于旋轉部件100(例如連續的圓形幾何形狀)和多級參考幾何形狀102的不同級的感測到的電容。隨后，可以基于感測到的電容之間的測量結果差異利用該測量結果來估計靜止部件72和旋轉部件100之間的間隙。
圖10為圖3的間隙測量系統從圖9的轉子根據本技術的實施例所測量到的電容104的圖形表示。在圖示的實施例中，傳感器64產生了代表對應于旋轉部件100(遠離多級結構102)的連續的圓形表面的電容的信號，由參考標記106所代表。另外，傳感器64產生了代表對應于多級結構102的級的電容的信號，由參考序號108和110所代表。再次地，感測到的電容值對應于參考幾何形狀102的預先確定的深度112和114。利用對應于多級結構102的級和旋轉部件100的表面的感測到的電容的差異來確定靜止部件62和旋轉部件100之間的間隙。在圖示的實施例中，對于旋轉部件100的每一轉得到了在旋轉部件100的表面和多級結構102的不同級之間感測到的電容的多個差異。進一步地，基于測量結果差異和預先確定的參考幾何形狀102的深度112和114，該測量結果被處理且可以利用適當的查表來確定靜止部件62和旋轉部件100之間間隙。有利地，對于旋轉部件的每一轉所獲得的該多個測量結果差異大致上增加了間隙測量系統的速度。
進一步地，通過利用多測量結果(例如對應于階梯形凹口102的不同級)，任何在測量結果中因為例如電子器件漂移、靜止部件62和旋轉部件100的材料特性變化等因素造成的噪聲成分可以相等地出現在所有測量結果中且將隨后當估計測量結果差異時而消除。因此，使用例如多級結構102的參考幾何形狀能夠通過間隙測量系統實現大致上穩健且對漂移不敏感的測量。
圖11圖示了另一個典型的旋轉部件的構造120，它具有多個布置在其上的凹口且凹口打斷了用于圖1的蒸汽渦輪機的連續的表面幾何形狀84的連續性。在目前預期的構造中，旋轉部件120包括多個例如由參考標記122、124、126、128和130所代表的參考幾何形狀或凹口。例如旋轉部件120可以包括具有不同深度以打斷連續圓形結構84的連續性的半圓形凹口124、126、128和130和多級凹口122。在圖示的實施例中，傳感器64產生代表對應于這些凹口122、124、126、128和130的每個的電容的信號。因為對于旋轉部件120的每一轉獲得感測到的參數之間的多個差異，有利地通過使用多個凹口122、124、126、128和130而使測量系統的速度增加。在某些實施例中，該多個差異可以被使用為間隙測量系統的自校準方法。
進一步地，基于測量結果差異和預先確定的多個凹口122、124、126、128和130的深度，該感測到的參數(即電容)被隨后處理，以確定靜止部件62和旋轉部件120之間的間隙。在圖示的實施例中，基于多個具有預先確定的幾何形狀的凹口122、124、126、128和130的多個測量結果大致上減小了任何在測量結果中的噪聲成分的影響。例如，在測量結果中因為例如電子器件漂移、靜止部件62和旋轉部件120的材料特性變化等因素造成的噪聲可以大致上通過使用多個凹口122、124、126、128和130來降低。特別地，噪聲成分可以相等地出現在所有測量結果中且將隨后當估計測量結果差異時而消除。因此使用多個在旋轉部件120上的凹口能夠通過間隙測量系統實現大致上穩健且對漂移不敏感的測量。
典型地，多個凹口122、124、126、128和130的每個的尺寸具有與探頭尖端尺寸相同的量級，以便于接收來自凹口122、124、126、128和130的底部的信號而不干涉各凹口的側壁。另外，凹口122、124、126、128和130的每個的尺寸選擇為使得這些凹口不影響例如蒸汽渦輪機的旋轉機器的動力學或性能。通常，探頭尖端尺寸典型地具有與被測量的間隙相同的量級。例如，對于蒸汽渦輪機的應用，探頭尖端可以為直徑大約200密耳，且凹口的尺寸可以為半徑大約125密耳半圓。即，凹口可以為寬大約250密耳且深大約125密耳的半圓。在某些其中使用了多個凹口或其中使用了多級凹口的實施例中，凹口階梯的尺寸可以選擇為使得對應于不同級的信號可以精確地被分辨。例如，如果傳感器的可用的范圍大約為150密耳，且間隙的預計范圍大約為100密耳，則在凹口內的階梯的尺寸可以選擇為互相在50密耳以內，使得在傳感器的大致的運行范圍，凹口的不同級將是可辨別的。
如以上所圖示，傳感器64可以使用于感測對應于旋轉部件120和多個例如122、124、126、128和130的參考幾何形狀的電容。在圖示的實施例中，傳感器64是電容探頭。在一些實施例中，電容探頭64包括至少兩個探頭尖端，用于測量旋轉機器的靜止部件和旋轉部件之間的軸向和徑向間隙。如前面所討論，在旋轉部件120和傳感器64之間的電容是兩個變量的函數，即徑向間隙和軸向間隙。因此，通過測量兩個探頭的電容，可以獲得徑向間隙和軸向間隙變量的實際值。
圖12圖示了使用于測量圖1和圖4的蒸汽渦輪機的靜止部件和旋轉部件之間的間隙的傳感器64的典型構造132的平面視圖。在圖示的實施例中，傳感器132包括多個電容探頭尖端134、136、138和140，探頭尖端例如可以包括導電軸。圖示的探頭134、136、138和140的幾何形狀和相對位置便于測量大的軸向位移范圍，例如超過0.5英寸，同時提供希望的徑向測量結果分辨率，例如為測量0.01英寸量級的位移。上述特征在如下的應用中是有利的，即旋轉部件14的軸向位移大致上大于相對于罩16的徑向位移。
在圖示的實施例中，探頭134、136、138和140定位為交錯的方式，在傳感器頭部具有鉆石形狀的構造，以最大化對重疊區域變化的靈敏度。在具有更多或更少數量的探頭的實施例中可以構想其它交錯的構造。探頭134、136、138和140在頭部或尖端部分的直徑合適地足夠大，以在它們和葉片14的尖端之間提供充足的重疊表面面積。在圖示的實施例中，即用于蒸汽渦輪機的應用中，探頭134、136、138和140可以由包括鎳、鋁、鈷或它們的組合，例如科瓦鐵鎳鈷合金的材料而形成。然而，在涉及高溫(例如超過1000攝氏度的溫度)應用中，包括鉑、銠或它們的組合的材料可以用于探頭134、136、138和140。
圖13圖示了圖1至圖4的根據本技術的實施例的間隙測量系統的典型的構造142。間隙測量系統142包括傳感器144，傳感器144具有四個探頭尖端146、148、150和152，它們布置為鉆石形狀的構造，如上述參考圖12所圖示。進一步地，信號發生器154連接到探頭尖端146、148、150和152以提供輸入激勵信號到傳感器146、148、150和152。在圖示的實施例中，信號發生器154包括壓控振蕩器(VCO)。來自信號發生器154的激勵信號可以在探頭尖端146、148、150和152之間通過開關156、158、160和162來切換。在某些實施例中，探頭尖端146、148、150和152被同時地由信號發生器154激勵。替換地，探頭尖端146、148、150和152可以在不同的時間點被激勵以減小探頭尖端146、148、150和152之間的交叉干擾。
此外，放大器164、166、168和170可以連接到信號發生器154以放大分別由探頭尖端146、148、150和152接收的輸入信號。在圖示的實施例中，電容器172和相位檢測器174連接到探頭尖端146以測量通過探頭尖端146的電容。類似地，電容器176、178和180和相位檢測器182、184和186可以分別連接到探頭尖端148、150和152，以測量通過這些探頭尖端的每個的電容。進一步地，定向藕合器190、192、194和196可以連接到探頭尖端146、148、150和152，以分離入射信號和來自各探頭尖端的反射信號。
在運行中，探頭尖端146、148、150和152由信號發生器154以激勵頻率激勵。激勵頻率可以基于線長、電容、探頭尖端146、148、150和152的幾何形狀、靜態測量電容等因素來選擇。在本實施例中，相位檢測器174、182、184和186構造為基于激勵頻率檢測來自探頭尖端146、148、150和152的反射信號，以生產第一信號，該第一信號代表來自例如旋轉部件14的表面的第一物體的第一感測到的參數，即電容。通過探頭尖端146、148、150和152的電容通過以電容器172、176、178和180和相位檢測器174、182、184和186測量激勵信號和相應的反射信號之間的相位差來測量。類似地，第二信號代表了第二感測到的參數，即電容，該第二信號從布置在旋轉部件14上的參考幾何形狀通過測量激勵信號和相應的來自參考幾何形狀的反射信號之間的相位差來產生。在某些實施例中，可以產生對應于布置在旋轉部件14上的參考幾何形狀的多級的多個信號，例如上述參考圖9和圖10所圖示。在某些其它實施例中，可以從傳感器144產生對應于布置在旋轉部件14的表面上的多個參考幾何形狀的多個信號，例如上述參考圖11所討論。
從傳感器144產生的第一和第二信號可以然后由處理單元198來處理。進一步地，來自信號發生器的激勵信號的頻率可以由信號跟蹤單元200跟蹤和控制。在運行中，處理單元198接收代表了感測到的對應于旋轉部件14和布置在旋轉部件14上的參考幾何形狀的電容的信號。進一步地，處理單元198基于感測到的來自旋轉部件14和參考幾何形狀的電容之間的測量結果差異，估計了旋轉部件14和靜止部件16之間的間隙。更特定地，基于測量結果差異和預先確定的參考幾何形狀的尺寸處理該感測到的電容，以確定靜止部件16和旋轉部件14之間的間隙。
基于具有預先確定尺寸的參考幾何形狀的測量結果大致上減小了任何在測量結果中因為電子器件漂移、靜止部件16和旋轉部件14的材料特性變化等因素造成的噪聲成分的影響。在圖示的實施例中，噪聲成分可以相等地出現在所有測量結果中且將隨后當估計測量結果差異時而消除。因此，在本實施例中，由處理單元198接收到的時變信號被處理且信號特征被提取。在本實施例中，信號特征包括基線水平和凹口高度。進一步地，提取的凹口高度與預先確定的凹口尺寸進行對比。因為測量的凹口高度將取決于間隙而放縮，間隙可以使用多個方法中的一個來確定。方法包括查表、基于分析/物理的模型、或曲線擬合函數。如上所述，可以使用多個此參考幾何形狀且通過預先確定的該參考幾何形狀的尺寸，處理單元198確定了提供測量的所述的參考幾何形狀的放縮所必需的間隙。因此，任何在相對長的時間例如引入了固定偏差的測量誤差(非時變誤差或慢變誤差)將被消除，因為處理使用了測量結果差異來完成而不是測量結果的絕對值來完成。類似地，當使用多級幾何形狀時任何增益誤差也可以被消除，因為處理在特征深度的多個差異上完成。通常，偏差(慢變)誤差可以通過使用簡單的凹口被消除，且增益/放縮誤差可以通過使用多級幾何形狀被消除。
因此，通過以參考幾何形狀來打斷連續的旋轉部件14的幾何形狀表面的連續性，間隙測量系統142將基于直流電流的旋轉部件14和靜止部件16之間的電容測量結果轉化為時變的電容測量結果。更特定地，通過以參考幾何形狀來打斷連續的幾何形狀表面的連續性，在由電容探頭產生的信號中引入了尖峰，它可以用于感測系統的自校準且保證測量結果不受信號漂移的影響。
如前面所討論，利用該時變電容測量結果估計旋轉部件14和靜止部件16之間的間隙。在某些實施例中，基于感測到的電容之間的測量結果差異和預先確定的布置在旋轉部件14上的參考幾何形狀的尺寸，處理單元198可以使用查表或校準曲線或其它技術來估計間隙。進一步地，間隙控制單元202可以連接到處理單元198以基于由處理單元198所估計的間隙來控制旋轉部件和靜止部件之間的間隙。
圖14是由圖13的根據本技術實施例的間隙測量系統測量的傳感器輸出204的圖形表示。輸出204的縱坐標軸代表了從探頭尖端測量到的凹口高度206，而橫坐標軸代表了測量到的旋轉部件14和靜止部件16之間的軸向間隙，單位為密耳。在圖示的實施例中，曲線圖210和212代表了從兩個如圖12所圖示位于相同徑向位置的探頭尖端136和140測量到的凹口高度。進一步地，曲線214和216代表了從位于探頭尖端136和140的左側和右側的探頭尖端138和134測量到的凹口高度。在本實施例中，測量到的凹口高度206是靜止物體和旋轉物體之間的間隙的測量結果。
如所圖示，例如由凹口高度206所代表的凹口的參考幾何形狀的電信號根據凹口高度而變化，而凹口高度又是軸向和徑向位移的函數。例如，當探頭尖端136大致地靠近凹口時，由探頭尖端接收到的信號由曲線218所代表。進一步地，當探頭尖端136從凹口移開時，信號由曲線220和224所代表。因此，由凹口接收的信號隨凹口高度和凹口到探頭尖端134、136、138和140的距離而變化。當旋轉部件和靜止部件之間的徑向間隙增加時，感測到的來自探頭尖端134、136、138和140的輸出信號減小。例如由參考標記226所代表的徑向位移增加在來自探頭尖端136的信號218、220、222和224中反映出。類似地，來自其它探頭尖端134、138和140的信號響應于凹口高度和到探頭尖端的距離而變化，如曲線210、212和216所代表。
以上所述的方法的不同方面在不同的應用中具有效用。例如，以上所圖示的技術可以用于測量蒸汽渦輪機的旋轉部件和靜止部件之間的間隙。該技術也可以用于某些其它的應用，例如用于測量發電機的靜止部件和旋轉部件之間的間隙。如以上所記錄，甚至更一般地，通過基于至少一個打斷旋轉部件的連續表面幾何形狀的參考幾何形狀而將基于直流電流的靜止部件和旋轉部件之間的電容測量結果轉化為時變的電容測量結果，該此處描述的方法可以有利地通過傳感器提供精確的物體之間間隙的測量結果。進一步地，本技術特別地有利地提供用于零件的精確的間隙測量的自校準傳感器系統，甚至在運行中和在延長的時間周期內，能實現更好的運行中在零件中的間隙控制。
雖然本發明的僅某些特征在此圖示和描述，那些本領域技術人員將設想許多修改和變化。因此要理解的是后附的權利要求書意圖于覆蓋所有此類在本發明的實際精神范圍內的修改和變化。
部件列表10 蒸汽渦輪機12 間隙測量系統14 旋轉部件16 靜止部件20 無支架蒸汽渦輪機22 蒸汽渦輪機級24 旋轉輪葉26 旋轉方向30 發電機32 框架組件34 轉子組件36 轉子軸38 轉子芯40 轉子疊片42 定子組件44 旋轉方向46 定子繞組50 蒸汽渦輪機
52 轉子54 軸56 旋轉輪葉58 蒸汽60 旋轉軸線62 殼體/支架64 傳感器70 蒸汽渦輪機—定子/轉子構造72 密封齒74 定子凹槽76 細節視圖78 徑向間隙80 軸向間隙82 具有凹口的轉子84 轉子連續表面86 凹口88 電容/間隙測量結果對時間90 電容/間隙92 時間94 來自表面的信號96 來自凹口的信號98 凹口深度100 具有多級凹口的轉子102 多級凹口104 電容/間隙測量結果對時間106 來自表面的信號108 來自凹口的信號110 來自凹口的信號112 凹口第一深度114 凹口第二深度120 具有多個凹口的轉子122-130 凹口
132 傳感器134-140 探頭尖端142 間隙測量系統146-152 探頭尖端154 壓控振蕩器156-162 開關164-170 放大器172-180 電容器190-196 定向耦合器174-186 相位檢測器198 處理鏈200 頻率跟蹤202 間隙控制單元204 傳感器輸出對軸向間隙206 傳感器輸出208 軸向間隙210 從尖端1的輸出212 從尖端3的輸出214 從尖端4的輸出216 從尖端2的輸出218-224 從傳感器尖端1的輸出216 增加徑向間隙
權利要求
1.一種間隙測量系統(12)，其包括布置在具有其它的連續表面幾何形狀的第一物體(14)上的參考幾何形狀(86)；布置在第二物體(16)上的傳感器(64)，其中傳感器(64)構造為產生代表了來自第一物體(14)的第一感測到的參數的第一信號和代表了來自參考幾何形狀(86)的第二感測到的參數的第二信號，和；處理單元(198)，其構造為基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異來處理第一和第二信號，以估計第一物體(14)和第二物體(16)之間的間隙。
2.如權利要求1所述的系統(12)，進一步包括激勵源(154)，構造為提供激勵信號到傳感器(64)；相位檢測器(174)，構造為檢測來自第一物體(14)和參考幾何形狀(86)相應的一個的多個反射信號，且進行多個相位測量以確定每個反射的信號和相應的激勵信號之間的相位。
3.如權利要求1所述的系統(12)，其中傳感器(64)為電容探頭，且第一和第二感測到的參數為電容。
4.如權利要求1所述的系統(12)，其中參考幾何形狀(86)包括布置在第一物體(14)上的凹陷或突出。
5.如權利要求1所述的系統(12)，其中多個參考幾何形狀(86)布置在第一物體(14)的連續表面上。
6.如權利要求1所述的系統(12)，進一步包括連接到處理單元(198)用于基于由處理單元(198)估計到的間隙來控制第一物體(14)和第二物體(16)之間間隙的間隙控制單元(202)。
7.一種旋轉機器(10)，其包括與靜止部件(16)分開的旋轉部件(14)，其中旋轉部件(14)包括在旋轉部件(14)的旋轉方向上的連續表面；布置在旋轉部件(14)的連續表面上的參考幾何形狀(86)；傳感器(64)，構造為產生代表了分別對應于旋轉部件(14)和參考幾何形狀(86)的第一和第二感測到的參數的第一和第二信號；和處理單元(198)，構造為基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異來處理第一和第二信號以估計在旋轉部件(14)和靜止部件(16)之間的間隙。
8.一種測量第一和第二物體之間間隙的方法，其包括通過布置在第二物體上的傳感器產生表示了對應于第一物體的第一感測到的參數的第一信號；通過布置在第二物體上的傳感器產生表示了對應于布置在第一物體的連續表面幾何形狀上的參考幾何形狀的第二感測到的參數的第二信號；和基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異來處理第一和第二信號，以估計第一和第二物體之間的間隙。
9.一種用于測量第一和第二物體之間間隙的系統，其包括用于產生在第一和第二物體之間電容測量結果的裝置；用于將基于直流電流的電容測量結果轉化為第一和第二物體之間的時變電容測量結果的裝置；用于處理時變電容測量結果來估計第一和第二物體之間間隙的裝置。
10.一種旋轉機器(10)，其包括與靜止部件(16)分開的旋轉部件(14)，其中旋轉部件(14)包括連續的圓形結構，該結構具有至少一個打斷了繞旋轉部件(14)的旋轉軸線的連續圓形結構的連續性的參考幾何形狀(86)；和連接到旋轉部件(14)和靜止部件(16)的間隙測量系統(12)，其中，該間隙測量系統(12)構造為基于該至少一個參考幾何形狀(86)將旋轉部件(14)和靜止部件(16)之間的基于直流電流的電容測量結果轉化為時變的電容測量結果，且構造為基于時變電容測量結果來估計旋轉部件(14)和靜止部件(16)之間的間隙。
全文摘要
提供了間隙測量系統(12)。該間隙測量系統(12)包括布置在具有其它的連續的表面幾何形狀的第一物體(14)上的參考幾何形狀(86)，和布置在第二物體(16)上的傳感器(64)，其中傳感器(64)構造為產生代表了來自第一物體(14)的第一感測到的參數的第一信號，和代表了來自參考幾何形狀(86)的第二感測到的參數的第二信號。間隙測量系統(12)還包括處理單元(198)，構造為基于第一和第二感測到的參數之間的測量結果差異來處理第一和第二信號，以估計第一物體(14)和第二物體(16)之間的間隙。
文檔編號G01B21/16GK1892172SQ20061010004
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月27日 優先權日2005年6月27日
發明者E·A·安達拉維斯, M·布拉蘇布拉馬尼亞姆, T·A·安德遜, S·達斯古普塔, D·M·沙多克, S·馬尼, J·蔣 申請人:通用電氣公司