专利名称：间隙测量系统和操作方法
技术领域：
本发明一般地涉及间隙测量系统，且更特定地涉及用于测量旋转机器中的静止部件和连续旋转部件之间间隙的间隙测量系统。
背景技术：
不同类型的传感器已用于测量两个物体之间的距离。另外，这些传感器已用在不同的应用中。例如，蒸汽涡轮机具有邻近支架布置的旋转轮叶。旋转轮叶和支架之间的间隙因为不同的运行状态而改变，例如温度的变化、轮叶尖端的氧化等。希望在旋转轮叶和支架之间的缝隙或间隙在蒸汽涡轮机运行中被保持。
一个现有的传感器是电容探头，它测量电容用于估计两个部件之间的间隙。不幸地是现有的基于电容的测量技术受到限制，即它们产生基于直流电压的测量结果，用于测量静止和旋转结构之间的间隙，该结构在转动方向上是连续的。测量产生了时域静态输出，例如正比于间隙的直流电压水平。作为结果，测量不解决因为部件温度变化、在增益中电子漂移、电子器件偏置、轮叶尖端氧化等其它因素所导致的间隙变化。
另外，这些间隙测量系统典型地用于在设计和离线检测中测量部件之间的间隙。不幸地是，这些现有的系统对于运行中测量是无效的，原因是除了其它因数外噪声和由部件几何形状变化所产生的漂移。作为替代，运行中间隙控制基于在部件设计和离线检测中的事先的间隙测量结果。因为部件在运行时发生磨损，对于运行中间隙控制则离线测量变得是无效的。
因此存在提供间隙测量系统的需求，该系统通过最小化校准漂移和系统内噪声的影响提供了两个部件之间的精确的间隙测量结果。还有利的是提供自校准的间隙测量系统，该系统将使用于在对运行中的零件的精确间隙测量。
发明内容
根据某些实施例，本技术具有间隙测量系统。间隙测量系统包括参考几何形状，它布置在具有其它的连续表面几何形状的第一物体上，还具有布置在第二物体上的传感器，其中传感器构造为产生代表了来自第一物体的第一感测到的参数的第一信号和来自参考几何形状的第二感测到的参数的第二信号。间隙测量系统还包括处理单元，它构造为基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异来处理第一和第二信号以估计在第一和第二物体之间的间隙。
根据某些实施例，本技术具有旋转机器。旋转机器包括与静止部件分开的旋转部件，其中旋转部件包括在旋转部件的旋转方向上连续的表面和布置在旋转部件的连续表面上的参考几何形状。旋转机器还包括构造为产生第一和第二信号的传感器，第一和第二信号分别代表对应于旋转部件和参考几何形状的第一和第二感测到的参数，旋转机器还包括处理单元，它构造为基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异处理第一和第二信号以估计在旋转和静止部件之间的间隙。
根据某些实施例，本技术提供了测量第一物体和第二物体之间间隙的方法。方法包括产生第一信号，它指示对应于第一物体的由布置在第二物体上的传感器得到的第一感测到的参数，和产生第二信号，它指示对应于布置在第一物体的连续的表面几何形状上的参考几何形状由布置在第二物体上的传感器得到的第二感测到的参数。方法还包括基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异处理第一和第二信号以估计第一和第二物体之间的间隙。
当参考附图阅读如下详细描述时，这些和其它本发明的特征、方面和优点将变得更好理解，在全部附图中类似的字符代表了类似的零件，其中图1为图示了具有根据本技术的实施例的间隙测量系统的蒸汽涡轮机的概略透视图；图2为图示了图1的根据本技术的实施例的蒸汽涡轮机的旋转轮叶的部分概略透视图；图3为图示了具有根据本技术的实施例的间隙测量系统的发电机的概略透视图；图4图示了图1的蒸汽涡轮机的透视视图，蒸汽涡轮机具有用于测量旋转轮叶和支架之间的间隙的根据本技术的实施例的间隙测量系统；图5为图4的蒸汽涡轮机的部分的截面视图，其中本间隙控制技术可以根据本技术的实施例使用；图6是根据本技术的实施例的图5的详细的截面视图；图7图示了带有凹口的旋转部件，用于图4和图5的根据本技术的实施例的蒸汽涡轮机；图8为电容的图形表示，电容根据本技术的实施例通过图4的间隙测量系统从图7的转子测量；图9图示了带有多级凹口的旋转部件，用于图4和图5的根据本技术的实施例的蒸汽涡轮机；图10为电容的图形表示，电容根据本技术的实施例通过图3的间隙测量系统从图9的转子测量；图11图示了带有多个凹口的旋转部件，用于图4和图5的根据本技术的实施例的蒸汽涡轮机；图12图示了使用于图1的根据本技术的实施例的间隙测量系统的传感器的典型构造；图13为图1和图4的根据本技术的实施例的间隙测量系统的概略的图解；和图14为间隙的图形表示，间隙由图13的根据本技术的实施例的间隙测量系统测量。
具体实施例方式
如以下详细讨论，本技术的实施例的功能为提供在例如蒸汽涡轮机、发电机、涡轮发动机(例如飞机涡轮发动机)、具有旋转部件的机器等的不同的系统中的两个物体之间的间隙的精确测量结果。现在参考附图，图1图示了蒸汽涡轮机10，它具有用于测量在蒸汽涡轮机10内的两个物体之间间隙的间隙测量系统12。在图示的实施例中，间隙测量系统12构造为测量在蒸汽涡轮机10内的旋转的部件14和静止的部件16之间的间隙，这将在如下详细描述。
图2为例如根据本技术的实施例的图1的蒸汽涡轮机的旋转轮叶20的旋转部件的部分概略透视图。在图示的实施例中，旋转轮叶20布置为在静止部件，即支架16内具有不同级22的构造。应该注意的是，绕级22布置的支架16为图示简单而没有示出。支架16内的级22包括多个沿图1的蒸汽涡轮机10的长度(和旋转轴线)纵向地相互分开的旋转轮叶24。另外，旋转轮叶24径向地与支架16分开。换言之，旋转轮叶24的外部直径小于支架16的内部直径，如参考图1和图2所图示。因此，相对小的间隙存在于旋转轮叶24的外边圆周和支架16的内部表面之间。进一步地，除以下详细讨论的间隙控制特征以外，旋转轮叶24形成绕旋转轮叶24的旋转轴线26的连续的圆形结构。在此实施例中，间隙测量系统12(见图1)构造为测量静止部件(即支架)16和具有连续的表面几何形状(即连续的圆形几何形状)的旋转部件(即旋转轮叶)24之间的间隙。在某些实施例中，间隙测量系统12可以使用于测量在发电机内的静止和旋转部件之间的间隙，如以下参考图3描述。然而，测量其它具有带连续表面几何形状的旋转部件的旋转机器内的间隙也在本应用的范围内。
图3为电机的概略透视图，例如发电机30，其具有根据本技术的实施例的间隙测量系统12。在图示的实施例中，发电机30包括框架组件32，它围绕并支撑了发电机30的不同的部件。发电机还包括转子组件34，它包括延伸经过转子芯38的转子轴36。进一步地，转子组件34还包括磁体组件40，它由转子芯38的外部外围表面支撑且产生磁通量。转子组件34与轴36可以在定子组件42的内部以顺时针或逆时针方向旋转，如方向箭头44所图示。可以通过围绕转子轴36的轴承组件便于该旋转。如被本领域技术人员所认识，可以利用不同类型的轴承组件来支撑转子轴36。
在图示的实施例中，转子组件34位于定子组件42的室内部，该定子组件又封闭在框架32内。定子组件42包括多个定子绕组46，它们周向围绕转子轴36且轴向沿转子轴36延伸经过定子组件42。在运行中，具有磁体组件40的转子组件34的旋转导致了在发电机30内发生磁场变化。该磁场变化在定子绕组46中感应出电压。因此，转子组件34的动能转化为在定子绕组46内的电流和电压形式的电能。应该注意到，在转子和定子组件34和42之间的间隙被维持在预先确定的范围内。在本实施例中，间隙测量系统12连接到定子组件42，以测量转子组件34和定子组件42之间的间隙。在该实施例中，间隙测量系统12包括电容探头且在转子组件34和定子组件42之间的间隙基于由电容探头所感测到的电容来估计。
间隙测量系统12使用于测量在图1和图2的蒸汽涡轮机和发电机的静止和旋转部件之间的间隙，它构造为将基于直流电流的在静止和旋转部件之间的电容性测量结果转化为时变的电容性测量结果。间隙测量系统12基于打断绕旋转轴线44的旋转部件的连续表面几何形状(例如连续圆形几何形状)的连续性的至少一个参考几何形状(例如凹口、凹槽、狭槽等)来执行该转化。该时变电容性测量结果用于估计在转子组件34和定子组件42之间的间隙，如将在以下更详细的描述。
图4图示了旋转机器，例如图1中所图示的蒸汽涡轮机50，其中本技术的方面能合并到测量旋转和静止部件之间的间隙中。蒸汽涡轮机50包括安装在轴54上的转子52。多个也可以称为轮叶的涡轮机叶片56固定到转子52。在运行中，叶片56受到高温高压的蒸汽58，它导致叶片56绕轴线60旋转。叶片56在静止的壳体或罩62内旋转，罩62径向地和周向地绕叶片16定位。相对小的间隙存在于叶片56和罩62之间，以便于叶片56在罩62内的旋转，同时也防止在叶片56和罩62之间过度地泄漏工作流体，例如蒸汽。根据本技术，一个或多个间隙传感器64布置在静止的罩62内且周向地围绕静止的罩62。在图示的实施例中，间隙传感器64包括电容性探头。在某些实施例中，间隙传感器64可以包括基于微波的传感器、或光学传感器、或涡流传感器，且感测到的参数可以分别包括阻抗、或相位延迟、或感应电流。如以下更详细地解释，传感器64的每个构造为在其相应的周向位置产生代表叶片56相对于罩62的径向和轴向位置的信号。
现在参考图5，示出了图4的蒸汽涡轮机10的底部或下部70的截面视图，图示了典型的径向和轴向间隙，它可以以本技术测量。在图示的实施例中，叶片56的尖端包括包封齿或密封齿72，它啮合到提供在罩62的内部圆周上的凹槽74内。在本实施例中，间隙测量系统12(见图1)可以连接到罩62，以测量叶片56的尖端和罩62之间的径向和轴向间隙。
图6为图5的蒸汽涡轮机的罩和叶片的部分76的细节截面视图。如所图示，密封齿72和罩62之间的径向间隙由参考标记78所代表，齿72和罩62之间的轴向间隙由参考标记80所代表。在本实施例中，径向和轴向间隙78和80代表了在中心齿和罩之间的间隙。如本领域技术人员所认识，在其它密封齿和罩62之间的间隙可以类似地通过本技术来估计。
在某些实施例中，因为罩62和转子56的热膨胀率不同，存在径向间隙78可以减小为0的潜在性，这导致了在密封齿72和凹槽74之间的干涉。进一步地，因为膨胀率的不同，转子56可以轴向地相对于罩62增长，导致密封齿72在凹槽74之内的轴向摩擦，这增加了部件的磨损率。这些不希望的干涉还可能导致部件的损坏。本技术提供了对径向和轴向间隙78和80的在线测量，这可以合并到闭环控制策略中，以维持这些间隙的值在可接受的极限内。控制策略例如可以包括当罩62和密封齿72之间的间隙减小时对罩62的热激励，导致它适当地膨胀。在本实施例中，热激励器利用热膨胀特性来产生罩62的移动。在某些其它的实施例中，机械激励器可以用于补偿叶片56在罩62内的轴向增长。
如本领域技术人员所认识，在两个物体之间的电容是重叠表面面积和两个物体之间的距离的函数。在本实施例中，转子56和罩62之间的电容是径向间隙78和重叠面积的函数，重叠面积又直接地正比于密封齿72相对于罩62的轴向间隙。当转子56径向地膨胀时，密封齿72和罩62之间的径向间隙改变。类似地，当密封齿72轴向移动过凹槽74时，传感器头部被密封齿72覆盖的面积将变化。这些变化将导致测量的电容的变化。根据如下讨论的本技术的方面，电容的变化可以与轴向和径向位移相关且因此可以得到复合的间隙测量结果。通过间隙测量系统12进行的该径向和轴向间隙78和80的测量将进一步如下参考图7至图13描述。
图7图示了带凹口的旋转部件82，用于图4至图5的蒸汽涡轮机。在图示的实施例中，旋转部件82包括多个形成为绕旋转轴线的连续的圆形结构84的叶片或轮叶56。进一步，旋转部件82还包括参考几何形状86，它打断了连续的圆形结构84的连续性。此参考几何形状86的例子包括凹陷，例如凹痕、凹口、凹槽、狭槽等。
在运行中，布置在静止部件62的传感器64(见图4)产生了代表来自旋转部件82(例如连续的圆形几何形状)的第一感测到的参数的第一信号。另外，传感器64产生了代表来自参考几何形状86的第二感测到的参数的第二信号。在本实施例中，传感器64包括电容探头且第一和第二感测到的参数包括电容。进一步地，基于第一和第二感测到的参数的测量结果差异，处理来自传感器64的第一和第二信号，以估计静止部件62和旋转部件82之间的径向和轴向间隙。在某些实施例中，传感器64可以包括至少两个探头尖端，用于测量静止部件62和旋转部件82之间的轴向和径向间隙。
在图示的实施例中，基于具有预先确定的深度的参考几何形状86，将基于直流电流的静止部件62和旋转部件82之间的电容测量结果转化为时变的电容测量结果。在某些实施例中，参考几何形状86可以包括与旋转部件82不同的其它材料。例如参考几何形状86可以包括在旋转部件82上的凹口，它填充有电介质材料。图8为电容88的图形表示，该电容由图4的间隙测量系统从图7的转子上测量到。电容测量结果88的纵坐标轴90代表由传感器64从旋转部件82上感测到的电容值而横坐标轴92代表时间周期。在本实施例中，由传感器64产生的第一信号代表了从旋转部件82感测到的第一电容且由参考标记94所代表。第一电容代表了在传感器64和旋转部件82(例如连续的圆形几何形状)之间的间隙。进一步地，传感器64还产生了第二信号，它代表了从参考几何形状86(例如在连续的圆形几何形状中的凹陷或间断)感测到的第二电容，它由参考标记96所代表。在本实施例中，第二电容对应于参考几何形状86的深度98。利用由传感器64感测到的第一和第二电容的差异和预先确定的参考几何形状86的深度98来确定静止部件62和旋转部件82之间的间隙。
如本领域技术人员所认识，当间隙增加时，来自旋转部件82和参考几何形状86的测量结果之间的差异将减小。类似地，当间隙减小时，该两个测量结果之间的差异将增加。典型地，感测到的电容反比于静止部件62和旋转部件82之间的间隙。因此，如果在典型的实施例中，如果静止部件62和旋转部件82之间的间隙加倍，则静止部件62和旋转部件82之间的感测到的电容之间的差异将减小因子0.5。如下例子图示了静止部件62和旋转部件82之间间隙变化在感测到的电容之间的测量的差异上的影响。
例1在典型的旋转机器中，对应于与传感器64具有距离“a”的旋转部件82的传感器64的传感器输出由“x”所代表。进一步，对应于在距离“a+b”处的参考几何形状86(具有深度“b”)的底部的传感器输出由“y”所代表。假设静止部件62和旋转部件82之间的间隙变化为“2a”，则来自传感器64的对应于该间隙的测量结果将为“x/2”。在本实施例中，参考几何形状86的底部将与传感器64具有“2a+b”的距离。因此，对应于旋转部件82和参考几何形状86的信号差异在第一情况下(距离为a)将为“x-y”。类似地，对于第二情况(距离为2a)，信号差异将为“x/2-y”。因此，在两个测量结果之间的差异大约为x/2，它对应于从“a”到“2a”的间隙变化。
因此，在图示的实施例中，利用在参考几何形状86附近感测到的和那些远离参考几何形状86感测到的电容值之间的测量结果差异来确定间隙。
图9图示了另一个图4和图5的蒸汽涡轮机的旋转部件100的典型的实施例。在图示的实施例中，旋转部件100包括沿连续的圆形结构84布置且打断该结构84的连续性的多级参考几何形状，例如阶梯形凹口102。在运行中，传感器64产生了信号，它代表对应于旋转部件100(例如连续的圆形几何形状)和多级参考几何形状102的不同级的感测到的电容。随后，可以基于感测到的电容之间的测量结果差异利用该测量结果来估计静止部件72和旋转部件100之间的间隙。
图10为图3的间隙测量系统从图9的转子根据本技术的实施例所测量到的电容104的图形表示。在图示的实施例中，传感器64产生了代表对应于旋转部件100(远离多级结构102)的连续的圆形表面的电容的信号，由参考标记106所代表。另外，传感器64产生了代表对应于多级结构102的级的电容的信号，由参考序号108和110所代表。再次地，感测到的电容值对应于参考几何形状102的预先确定的深度112和114。利用对应于多级结构102的级和旋转部件100的表面的感测到的电容的差异来确定静止部件62和旋转部件100之间的间隙。在图示的实施例中，对于旋转部件100的每一转得到了在旋转部件100的表面和多级结构102的不同级之间感测到的电容的多个差异。进一步地，基于测量结果差异和预先确定的参考几何形状102的深度112和114，该测量结果被处理且可以利用适当的查表来确定静止部件62和旋转部件100之间间隙。有利地，对于旋转部件的每一转所获得的该多个测量结果差异大致上增加了间隙测量系统的速度。
进一步地，通过利用多测量结果(例如对应于阶梯形凹口102的不同级)，任何在测量结果中因为例如电子器件漂移、静止部件62和旋转部件100的材料特性变化等因素造成的噪声成分可以相等地出现在所有测量结果中且将随后当估计测量结果差异时而消除。因此，使用例如多级结构102的参考几何形状能够通过间隙测量系统实现大致上稳健且对漂移不敏感的测量。
图11图示了另一个典型的旋转部件的构造120，它具有多个布置在其上的凹口且凹口打断了用于图1的蒸汽涡轮机的连续的表面几何形状84的连续性。在目前预期的构造中，旋转部件120包括多个例如由参考标记122、124、126、128和130所代表的参考几何形状或凹口。例如旋转部件120可以包括具有不同深度以打断连续圆形结构84的连续性的半圆形凹口124、126、128和130和多级凹口122。在图示的实施例中，传感器64产生代表对应于这些凹口122、124、126、128和130的每个的电容的信号。因为对于旋转部件120的每一转获得感测到的参数之间的多个差异，有利地通过使用多个凹口122、124、126、128和130而使测量系统的速度增加。在某些实施例中，该多个差异可以被使用为间隙测量系统的自校准方法。
进一步地，基于测量结果差异和预先确定的多个凹口122、124、126、128和130的深度，该感测到的参数(即电容)被随后处理，以确定静止部件62和旋转部件120之间的间隙。在图示的实施例中，基于多个具有预先确定的几何形状的凹口122、124、126、128和130的多个测量结果大致上减小了任何在测量结果中的噪声成分的影响。例如，在测量结果中因为例如电子器件漂移、静止部件62和旋转部件120的材料特性变化等因素造成的噪声可以大致上通过使用多个凹口122、124、126、128和130来降低。特别地，噪声成分可以相等地出现在所有测量结果中且将随后当估计测量结果差异时而消除。因此使用多个在旋转部件120上的凹口能够通过间隙测量系统实现大致上稳健且对漂移不敏感的测量。
典型地，多个凹口122、124、126、128和130的每个的尺寸具有与探头尖端尺寸相同的量级，以便于接收来自凹口122、124、126、128和130的底部的信号而不干涉各凹口的侧壁。另外，凹口122、124、126、128和130的每个的尺寸选择为使得这些凹口不影响例如蒸汽涡轮机的旋转机器的动力学或性能。通常，探头尖端尺寸典型地具有与被测量的间隙相同的量级。例如，对于蒸汽涡轮机的应用，探头尖端可以为直径大约200密耳，且凹口的尺寸可以为半径大约125密耳半圆。即，凹口可以为宽大约250密耳且深大约125密耳的半圆。在某些其中使用了多个凹口或其中使用了多级凹口的实施例中，凹口阶梯的尺寸可以选择为使得对应于不同级的信号可以精确地被分辨。例如，如果传感器的可用的范围大约为150密耳，且间隙的预计范围大约为100密耳，则在凹口内的阶梯的尺寸可以选择为互相在50密耳以内，使得在传感器的大致的运行范围，凹口的不同级将是可辨别的。
如以上所图示，传感器64可以使用于感测对应于旋转部件120和多个例如122、124、126、128和130的参考几何形状的电容。在图示的实施例中，传感器64是电容探头。在一些实施例中，电容探头64包括至少两个探头尖端，用于测量旋转机器的静止部件和旋转部件之间的轴向和径向间隙。如前面所讨论，在旋转部件120和传感器64之间的电容是两个变量的函数，即径向间隙和轴向间隙。因此，通过测量两个探头的电容，可以获得径向间隙和轴向间隙变量的实际值。
图12图示了使用于测量图1和图4的蒸汽涡轮机的静止部件和旋转部件之间的间隙的传感器64的典型构造132的平面视图。在图示的实施例中，传感器132包括多个电容探头尖端134、136、138和140，探头尖端例如可以包括导电轴。图示的探头134、136、138和140的几何形状和相对位置便于测量大的轴向位移范围，例如超过0.5英寸，同时提供希望的径向测量结果分辨率，例如为测量0.01英寸量级的位移。上述特征在如下的应用中是有利的，即旋转部件14的轴向位移大致上大于相对于罩16的径向位移。
在图示的实施例中，探头134、136、138和140定位为交错的方式，在传感器头部具有钻石形状的构造，以最大化对重叠区域变化的灵敏度。在具有更多或更少数量的探头的实施例中可以构想其它交错的构造。探头134、136、138和140在头部或尖端部分的直径合适地足够大，以在它们和叶片14的尖端之间提供充足的重叠表面面积。在图示的实施例中，即用于蒸汽涡轮机的应用中，探头134、136、138和140可以由包括镍、铝、钴或它们的组合，例如科瓦铁镍钴合金的材料而形成。然而，在涉及高温(例如超过1000摄氏度的温度)应用中，包括铂、铑或它们的组合的材料可以用于探头134、136、138和140。
图13图示了图1至图4的根据本技术的实施例的间隙测量系统的典型的构造142。间隙测量系统142包括传感器144，传感器144具有四个探头尖端146、148、150和152，它们布置为钻石形状的构造，如上述参考图12所图示。进一步地，信号发生器154连接到探头尖端146、148、150和152以提供输入激励信号到传感器146、148、150和152。在图示的实施例中，信号发生器154包括压控振荡器(VCO)。来自信号发生器154的激励信号可以在探头尖端146、148、150和152之间通过开关156、158、160和162来切换。在某些实施例中，探头尖端146、148、150和152被同时地由信号发生器154激励。替换地，探头尖端146、148、150和152可以在不同的时间点被激励以减小探头尖端146、148、150和152之间的交叉干扰。
此外，放大器164、166、168和170可以连接到信号发生器154以放大分别由探头尖端146、148、150和152接收的输入信号。在图示的实施例中，电容器172和相位检测器174连接到探头尖端146以测量通过探头尖端146的电容。类似地，电容器176、178和180和相位检测器182、184和186可以分别连接到探头尖端148、150和152，以测量通过这些探头尖端的每个的电容。进一步地，定向藕合器190、192、194和196可以连接到探头尖端146、148、150和152，以分离入射信号和来自各探头尖端的反射信号。
在运行中，探头尖端146、148、150和152由信号发生器154以激励频率激励。激励频率可以基于线长、电容、探头尖端146、148、150和152的几何形状、静态测量电容等因素来选择。在本实施例中，相位检测器174、182、184和186构造为基于激励频率检测来自探头尖端146、148、150和152的反射信号，以生产第一信号，该第一信号代表来自例如旋转部件14的表面的第一物体的第一感测到的参数，即电容。通过探头尖端146、148、150和152的电容通过以电容器172、176、178和180和相位检测器174、182、184和186测量激励信号和相应的反射信号之间的相位差来测量。类似地，第二信号代表了第二感测到的参数，即电容，该第二信号从布置在旋转部件14上的参考几何形状通过测量激励信号和相应的来自参考几何形状的反射信号之间的相位差来产生。在某些实施例中，可以产生对应于布置在旋转部件14上的参考几何形状的多级的多个信号，例如上述参考图9和图10所图示。在某些其它实施例中，可以从传感器144产生对应于布置在旋转部件14的表面上的多个参考几何形状的多个信号，例如上述参考图11所讨论。
从传感器144产生的第一和第二信号可以然后由处理单元198来处理。进一步地，来自信号发生器的激励信号的频率可以由信号跟踪单元200跟踪和控制。在运行中，处理单元198接收代表了感测到的对应于旋转部件14和布置在旋转部件14上的参考几何形状的电容的信号。进一步地，处理单元198基于感测到的来自旋转部件14和参考几何形状的电容之间的测量结果差异，估计了旋转部件14和静止部件16之间的间隙。更特定地，基于测量结果差异和预先确定的参考几何形状的尺寸处理该感测到的电容，以确定静止部件16和旋转部件14之间的间隙。
基于具有预先确定尺寸的参考几何形状的测量结果大致上减小了任何在测量结果中因为电子器件漂移、静止部件16和旋转部件14的材料特性变化等因素造成的噪声成分的影响。在图示的实施例中，噪声成分可以相等地出现在所有测量结果中且将随后当估计测量结果差异时而消除。因此，在本实施例中，由处理单元198接收到的时变信号被处理且信号特征被提取。在本实施例中，信号特征包括基线水平和凹口高度。进一步地，提取的凹口高度与预先确定的凹口尺寸进行对比。因为测量的凹口高度将取决于间隙而放缩，间隙可以使用多个方法中的一个来确定。方法包括查表、基于分析/物理的模型、或曲线拟合函数。如上所述，可以使用多个此参考几何形状且通过预先确定的该参考几何形状的尺寸，处理单元198确定了提供测量的所述的参考几何形状的放缩所必需的间隙。因此，任何在相对长的时间例如引入了固定偏差的测量误差(非时变误差或慢变误差)将被消除，因为处理使用了测量结果差异来完成而不是测量结果的绝对值来完成。类似地，当使用多级几何形状时任何增益误差也可以被消除，因为处理在特征深度的多个差异上完成。通常，偏差(慢变)误差可以通过使用简单的凹口被消除，且增益/放缩误差可以通过使用多级几何形状被消除。
因此，通过以参考几何形状来打断连续的旋转部件14的几何形状表面的连续性，间隙测量系统142将基于直流电流的旋转部件14和静止部件16之间的电容测量结果转化为时变的电容测量结果。更特定地，通过以参考几何形状来打断连续的几何形状表面的连续性，在由电容探头产生的信号中引入了尖峰，它可以用于感测系统的自校准且保证测量结果不受信号漂移的影响。
如前面所讨论，利用该时变电容测量结果估计旋转部件14和静止部件16之间的间隙。在某些实施例中，基于感测到的电容之间的测量结果差异和预先确定的布置在旋转部件14上的参考几何形状的尺寸，处理单元198可以使用查表或校准曲线或其它技术来估计间隙。进一步地，间隙控制单元202可以连接到处理单元198以基于由处理单元198所估计的间隙来控制旋转部件和静止部件之间的间隙。
图14是由图13的根据本技术实施例的间隙测量系统测量的传感器输出204的图形表示。输出204的纵坐标轴代表了从探头尖端测量到的凹口高度206，而横坐标轴代表了测量到的旋转部件14和静止部件16之间的轴向间隙，单位为密耳。在图示的实施例中，曲线图210和212代表了从两个如图12所图示位于相同径向位置的探头尖端136和140测量到的凹口高度。进一步地，曲线214和216代表了从位于探头尖端136和140的左侧和右侧的探头尖端138和134测量到的凹口高度。在本实施例中，测量到的凹口高度206是静止物体和旋转物体之间的间隙的测量结果。
如所图示，例如由凹口高度206所代表的凹口的参考几何形状的电信号根据凹口高度而变化，而凹口高度又是轴向和径向位移的函数。例如，当探头尖端136大致地靠近凹口时，由探头尖端接收到的信号由曲线218所代表。进一步地，当探头尖端136从凹口移开时，信号由曲线220和224所代表。因此，由凹口接收的信号随凹口高度和凹口到探头尖端134、136、138和140的距离而变化。当旋转部件和静止部件之间的径向间隙增加时，感测到的来自探头尖端134、136、138和140的输出信号减小。例如由参考标记226所代表的径向位移增加在来自探头尖端136的信号218、220、222和224中反映出。类似地，来自其它探头尖端134、138和140的信号响应于凹口高度和到探头尖端的距离而变化，如曲线210、212和216所代表。
以上所述的方法的不同方面在不同的应用中具有效用。例如，以上所图示的技术可以用于测量蒸汽涡轮机的旋转部件和静止部件之间的间隙。该技术也可以用于某些其它的应用，例如用于测量发电机的静止部件和旋转部件之间的间隙。如以上所记录，甚至更一般地，通过基于至少一个打断旋转部件的连续表面几何形状的参考几何形状而将基于直流电流的静止部件和旋转部件之间的电容测量结果转化为时变的电容测量结果，该此处描述的方法可以有利地通过传感器提供精确的物体之间间隙的测量结果。进一步地，本技术特别地有利地提供用于零件的精确的间隙测量的自校准传感器系统，甚至在运行中和在延长的时间周期内，能实现更好的运行中在零件中的间隙控制。
虽然本发明的仅某些特征在此图示和描述，那些本领域技术人员将设想许多修改和变化。因此要理解的是后附的权利要求书意图于覆盖所有此类在本发明的实际精神范围内的修改和变化。
部件列表10 蒸汽涡轮机12 间隙测量系统14 旋转部件16 静止部件20 无支架蒸汽涡轮机22 蒸汽涡轮机级24 旋转轮叶26 旋转方向30 发电机32 框架组件34 转子组件36 转子轴38 转子芯40 转子叠片42 定子组件44 旋转方向46 定子绕组50 蒸汽涡轮机
52 转子54 轴56 旋转轮叶58 蒸汽60 旋转轴线62 壳体/支架64 传感器70 蒸汽涡轮机—定子/转子构造72 密封齿74 定子凹槽76 细节视图78 径向间隙80 轴向间隙82 具有凹口的转子84 转子连续表面86 凹口88 电容/间隙测量结果对时间90 电容/间隙92 时间94 来自表面的信号96 来自凹口的信号98 凹口深度100 具有多级凹口的转子102 多级凹口104 电容/间隙测量结果对时间106 来自表面的信号108 来自凹口的信号110 来自凹口的信号112 凹口第一深度114 凹口第二深度120 具有多个凹口的转子122-130 凹口
132 传感器134-140 探头尖端142 间隙测量系统146-152 探头尖端154 压控振荡器156-162 开关164-170 放大器172-180 电容器190-196 定向耦合器174-186 相位检测器198 处理链200 频率跟踪202 间隙控制单元204 传感器输出对轴向间隙206 传感器输出208 轴向间隙210 从尖端1的输出212 从尖端3的输出214 从尖端4的输出216 从尖端2的输出218-224 从传感器尖端1的输出216 增加径向间隙
权利要求
1.一种间隙测量系统(12)，其包括布置在具有其它的连续表面几何形状的第一物体(14)上的参考几何形状(86)；布置在第二物体(16)上的传感器(64)，其中传感器(64)构造为产生代表了来自第一物体(14)的第一感测到的参数的第一信号和代表了来自参考几何形状(86)的第二感测到的参数的第二信号，和；处理单元(198)，其构造为基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异来处理第一和第二信号，以估计第一物体(14)和第二物体(16)之间的间隙。
2.如权利要求1所述的系统(12)，进一步包括激励源(154)，构造为提供激励信号到传感器(64)；相位检测器(174)，构造为检测来自第一物体(14)和参考几何形状(86)相应的一个的多个反射信号，且进行多个相位测量以确定每个反射的信号和相应的激励信号之间的相位。
3.如权利要求1所述的系统(12)，其中传感器(64)为电容探头，且第一和第二感测到的参数为电容。
4.如权利要求1所述的系统(12)，其中参考几何形状(86)包括布置在第一物体(14)上的凹陷或突出。
5.如权利要求1所述的系统(12)，其中多个参考几何形状(86)布置在第一物体(14)的连续表面上。
6.如权利要求1所述的系统(12)，进一步包括连接到处理单元(198)用于基于由处理单元(198)估计到的间隙来控制第一物体(14)和第二物体(16)之间间隙的间隙控制单元(202)。
7.一种旋转机器(10)，其包括与静止部件(16)分开的旋转部件(14)，其中旋转部件(14)包括在旋转部件(14)的旋转方向上的连续表面；布置在旋转部件(14)的连续表面上的参考几何形状(86)；传感器(64)，构造为产生代表了分别对应于旋转部件(14)和参考几何形状(86)的第一和第二感测到的参数的第一和第二信号；和处理单元(198)，构造为基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异来处理第一和第二信号以估计在旋转部件(14)和静止部件(16)之间的间隙。
8.一种测量第一和第二物体之间间隙的方法，其包括通过布置在第二物体上的传感器产生表示了对应于第一物体的第一感测到的参数的第一信号；通过布置在第二物体上的传感器产生表示了对应于布置在第一物体的连续表面几何形状上的参考几何形状的第二感测到的参数的第二信号；和基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异来处理第一和第二信号，以估计第一和第二物体之间的间隙。
9.一种用于测量第一和第二物体之间间隙的系统，其包括用于产生在第一和第二物体之间电容测量结果的装置；用于将基于直流电流的电容测量结果转化为第一和第二物体之间的时变电容测量结果的装置；用于处理时变电容测量结果来估计第一和第二物体之间间隙的装置。
10.一种旋转机器(10)，其包括与静止部件(16)分开的旋转部件(14)，其中旋转部件(14)包括连续的圆形结构，该结构具有至少一个打断了绕旋转部件(14)的旋转轴线的连续圆形结构的连续性的参考几何形状(86)；和连接到旋转部件(14)和静止部件(16)的间隙测量系统(12)，其中，该间隙测量系统(12)构造为基于该至少一个参考几何形状(86)将旋转部件(14)和静止部件(16)之间的基于直流电流的电容测量结果转化为时变的电容测量结果，且构造为基于时变电容测量结果来估计旋转部件(14)和静止部件(16)之间的间隙。
全文摘要
提供了间隙测量系统(12)。该间隙测量系统(12)包括布置在具有其它的连续的表面几何形状的第一物体(14)上的参考几何形状(86)，和布置在第二物体(16)上的传感器(64)，其中传感器(64)构造为产生代表了来自第一物体(14)的第一感测到的参数的第一信号，和代表了来自参考几何形状(86)的第二感测到的参数的第二信号。间隙测量系统(12)还包括处理单元(198)，构造为基于第一和第二感测到的参数之间的测量结果差异来处理第一和第二信号，以估计第一物体(14)和第二物体(16)之间的间隙。
文档编号G01B21/16GK1892172SQ20061010004
公开日2007年1月10日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年6月27日
发明者E·A·安达拉维斯, M·布拉苏布拉马尼亚姆, T·A·安德逊, S·达斯古普塔, D·M·沙多克, S·马尼, J·蒋 申请人:通用电气公司