专利名称：多触点间隙测量系统以及操作方法
技术领域：
本发明总体涉及间隙测量系统，更具体地涉及一种用于测量旋转机械固定部件与可移动部件之间间隙的多触点间隙测量系统。
背景技术：
一直采用各种类型的传感器测量两个物体之间的距离。另外，这些传感器一直用于多种场合。例如，汽轮机具有靠近支架布置的旋转叶片。旋转叶片与支架之间的间隙因各种操作条件例如温度变化、叶片末端氧化等而改变。要求旋转叶片与支架之间的间隔或间隙在汽轮机操作过程中得到保持。
一种现有的传感器是多触点电容传感器，其包括测量电容的多个探测器触点，以估计固定部件和可移动部件之间的径向和轴向间隙。通常，所估计的间隙是来自传感器所有探测器触点的所有信号的增益的函数。不幸的是，该增益中的误差或一段时间后的偏差导致系统性能变差。此外，某些系统采用信号处理估计来自探测器触点的各个信号的正常状态并采用传递函数将测量信号转化成间隙。同样，探测器触点各个增益中的误差修正没有在该系统中得到解决。
而且，通常采用这些间隙测量系统在设计和离线测试过程中测量部件之间的间隙。不幸的是，这些现有系统不适合在所有因素尤其是部件几何形状的变化而产生的噪声和偏差的影响下对于使用中进行测量。代替的是，根据在先在部件的设计和离线测试过程中测得的间隙测量结果进行使用中的间隙控制。当这些部件在使用过程中磨损时离线测量结果变得不适合进行使用中的间隙控制。
因此，需要提高一种多触点间隙测量系统，其通过检测和修正单个触点的误差和偏差提供对两部件之间间隙的精确测量。同样有利的是提供一种能够用于对操作中的部件进行精确间隙测量的自校准间隙测量系统。
发明内容
简言之，根据一种实施方式，提供一种多触点间隙测量系统。该间隙测量系统包括布置在第一物体上的传感器，其中所述传感器包括被构造成产生信号的多个探测器触点，所述信号代表与第二物体相对应的感测参数，所述间隙测量系统还包括处理单元，其被构造成估算来自探测器触点的感测参数子集的信号，以检测异常探测器触点并调节相应异常探测器触点的增益或偏差，从而根据所述信号估计第一和第二物体之间的间隙。
在另一实施方式中，提供一种用于测量第一和第二物体之间间隙的方法。该方法包括通过具有多个探测器触点的传感器接收代表了与第一或第二物体相对应的感测参数的多个信号以及根据从探测器触点同时产生的感测参数子集估计第一和第二物体之间的间隙。该方法还包括分析来自探测器触点的感测参数子集的估计间隙以确定异常探测器触点以及调节异常探测器子集的增益或偏差以根据多个信号估计间隙。
在另一实施方式中，提供一种测量第一和第二物体之间间隙的方法。该方法包括通过具有多个探测器触点的传感器接收代表了与第一或第二物体相对应的感测参数的多个信号以及根据从探测器触点同时产生的感测参数子集估计第一和第二物体之间的间隙。该方法还包括分析来自探测器触点的感测参数子集的估计间隙以确定异常探测器触点以及根据来自异常探测器触点之外的探测器触点的信号估计间隙。
在另一实施方式中，提供一种旋转机械。该旋转机械包括与固定部件间隔的旋转部件以及布置在固定部件上的传感器其中传感器包括被构造成产生信号的多个探测器触点，所述信号代表与旋转部件相对应的感测参数。该旋转机械还包括处理单元，其被构造成估算来自探测器触点的感测参数子集的信号，以检测异常探测器触点并调节相应异常探测器触点的增益或偏差，从而根据所述信号估计固定和旋转部件之间的间隙。
在另一实施方式中，提供一种监控多触点间隙测量系统正常运行的方法。该方法包括通过具有多个探测器触点的传感器接收代表了与第一或第二物体相对应的感测参数的多个信号以及存储从多个探测器触点接收的多个信号。该方法还包括根据从探测器触点同时产生的感测参数子集估计第一和第二物体之间的间隙以及从来自探测器触点的感测参数子集中分析所估计的间隙以检测异常探测器触点。
当参照附图阅读以下详细描述时将会更清楚地地了解到本发明的这些和其他特征、方面以及优点，在所述附图中相同的附图标记表示同一部件，其中图1是表示具有根据本发明实施方式的多触点间隙测量系统的汽轮机的示意性透视图；图2表示图1所示的汽轮机的透视图，其具有根据本发明实施方式的用于测量旋转叶片和支架之间间隙的多触点间隙测量系统；图3是图2所示汽轮机的一部分的横截面图，其中可以根据本发明的实施方式采用本发明的间隙控制技术；图4是根据本发明实施方式的图3所示的详细横截面图；图5表示根据本发明实施方式用于图1所示多触点间隙测量系统的传感器的示例性构造；以及图6是表示根据本发明实施方式操作图1所示多触点间隙测量系统的方法的流程图。
具体实施例方式
如下文详细所述，本发明的实施方式用于提供对多种系统例如汽轮机、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中的两物体之间的间隙进行精确测量。特别地，本发明在径向和轴向间隙测量系统采用信号对比方法进行增益误差修正以检测并修正探测器触点误差和偏差。现在参照附图，图1表示汽轮机10，其具有用于测量汽轮机10中的两物体之间间隙的多触点间隙测量系统12。在所示实施方式中，该间隙测量系统12包括具有多个探测器触点的传感器，该传感器被构造成用于测量汽轮机10中旋转部件14和固定部件16之间的间隙，这将在下文进行详细描述。
图2表示旋转机械，例如在图1中所示的汽轮机20，其中可以包含本发明的特征以测量旋转和固定部件之间的间隙。汽轮机20包括布置在固定壳体24内的转子22。多个涡轮叶片26-还可以被称为叶片(bucket)固定在转子22上。在操作中，叶片26遭受高温和高压蒸汽，从而促使叶片26绕轴线旋转。叶片26在固定壳体或罩24内旋转，所述罩24在径向和周向上绕叶片26定位。在叶片26和罩24之间存在相对较小的间隙以便于叶片26在罩24内旋转，同时还防止工作流体也就是蒸汽在叶片26和罩24之间过度泄漏。根据本发明，例如由附图标记28，30和32表示的一个或多个间隙传感器在周向上绕固定罩24布置。在所示实施方式中，每个间隙传感器28，30和32包括被构造成产生信号的多个探测器触点，所述信号代表与叶片26相对应的感测参数。此外，叶片26和罩24之间的间隙作为来自所有探测器触点的信号增益的函数得到估计。
在示例性实施方式中，间隙传感器28，30和32包括电容探测器并且感测参数包括电容。在备选实施方式中，间隙传感器28，30和32包括涡流传感器并且感测参数包括感应电流。将在下文详细描述的是，传感器28，30和32各自被构造成产生指示叶片26在它们各自的周向位置相对于罩24的径向和轴线位置的信号。
在图2所示的实施方式中，通过传感器28，30和32检测代表感测参数的信号，这些信号随后被传送到处理单元34以对信号进行处理。特别地，估算从探测器触点同时产生的的感测参数子集以检测异常探测器触点，从而估计叶片26和罩24之间的间隙。而且，调节相应异常探测器触点的偏差或增益以与其它子集相一致，并估计叶片26和罩24之间的间隙。此外，通过传感器28，30和32的间隙测量被用于通过间隙控制系统36控制罩24和涡轮叶片26之间的间隙。下文将参照图5-6更详细地描述传感器28，30和32各自检测异常探测器触点的技术。
现在参照图3，示出了图1所示汽轮机10的底部或下部40的横截面图，表示可以由本发明测量的示例性径向和轴向间隙。在所示实施方式中，叶片26的顶端包括与设置在罩24的内圆周上的凹槽44啮合的填装齿或密封齿42。在本实施方式中，间隙测量系统12(参见图1)可以与罩24相连以测量叶片26的顶端与罩24之间的径向和轴向间隙。
图4是图3所示汽轮机的罩和叶片的一部分46的详细横截面图。如图所示，密封齿42和罩24之间的径向间隙由附图标记48表示并且齿42和罩24之间的轴向间隙由附图标记50表示。在本实施方式中，径向和轴向间隙48和50表示中心齿和罩之间的间隙。本领域技术人员将会认识到，类似地可以通过本发明估计其它密封齿和罩24之间的间隙。
在某些实施方式中，由于罩24和转子26的热膨胀率的差异，有可能存在径向间隙48降为零，导致在密封齿42和凹槽44之间发生干涉。此外，由于这种膨胀率的差异，转子26会相对于罩24轴向增长，导致齿42在凹槽44内轴向摩擦，从而增加对部件的磨损率。这些不合乎要求的干涉还会导致部件的损坏。本发明提供对径向和轴向间隙48和50的在线测量，这种测量可以结合在闭环控制策略内以保持所述间隙处于容许极限值。该控制策略可以包括例如罩24的热致动，从而促使其在罩24和密封齿42之间的间隙减小时适当地膨胀。在本实施方式中，热致动器利用热膨胀特性使罩24移动。在某些其它实施方式中，可以采用机械致动器补偿叶片26在罩24内的轴向增长。
本领域技术人员将会认识到，两物体之间的电容是这两个物体之间的重叠表面面积和间距的函数。在本实施方式中，转子26和罩24之间的电容是径向间隙48和重叠面积的函数，又直接与密封齿42相对于罩24的轴向间隙50成比例。当转子26径向膨胀时，密封齿42和罩24之间的径向间隙48改变。类似地，当密封齿42沿轴向移动经过凹槽44时，传感器头部由密封齿42封盖的面积将改变。这些变化将导致测得的电容改变。根据以下所述的本发明的特征，电容变化与轴向和径向位移相关联并由此可以获得合成的间隙测量结果。下文将参照图5-6进一步描述通过多触点间隙测量系统12进行的径向和轴向间隙48和50的测量。
如上所述，多触点间隙测量系统12包括具有多个探测器触点的传感器，所述传感器被构造成产生代表感测参数的信号。另外，来自探测器触点子集的信号通过处理单元34(参见图2)得到估算，从而可以估计两物体之间的间隙。特别地，来自多个探测器触点的信号互相相对进行估算以检测异常探测器触点并调节相应异常探测器触点的增益或偏差，使其与其它触点同线，从而可以估计两物体间的间隙。在示例性实施方式中，传感器包括至少三个探测器触点。在另一实施方式中，传感器包括至少四个探测器触点，它们被构造成如下文参照图5所述的测量固定和旋转部件24和26之间的径向和轴向间隙48和50。
图5表示用于图1所示多触点间隙测量系统12的传感器26，28和30的示例性构造60的平面图。在所示实施方式中，传感器60包括多个电容探测器触点62，64，66和68，它们可以包括例如导电轴。所示的探测器62，64，66和68的几何形状和相对位置便于进行例如超过0.5英寸的较大径向位移范围的测量，同时为径向测量提供所需的分辨率，例如用于测量具有0.01英寸的量级的位移。以上特征在旋转部件14(参见图1)的轴向位移实质上比相对于罩16(参见图1)的径向位移更大的场合下是有利的。在径向位移比轴向位移更大的某些其它场合下，需要更大的探测器。此外，这种结构需要相对较大的轴向间距以获得所需的轴向分辨率。在一种实施方式中，传感器60可以包括椭圆形构件。在备选实施方式中，传感器60可以包括重叠的三角形构件。
在所示实施方式中，探测器62，64，66和68以交错方式定位在传感器头部，具有菱形构造，以对重叠区域的变化表现出最大的灵敏度。可以在具有更多或更少数量的探测器的实施方式中构想出其它交错构造。探测器62，64，66和68在头部或顶端的直径适当地足够大，以在它们与叶片14的顶端之间提供足量的重叠表面面积。在所示实施方式中，也就是对于汽轮机应用来说，可以由包括镍、铝、钴或它们的组合例如Kovar(铁镍钴合金)的材料支承探测器62，64，66和68。然而，在涉及更高温度(例如超过1000摄氏度的温度)的应用中，探测器62，64，66和68可以采用包括铂、铑、或者它们的组合的材料。
探测器触点62，64，66和68被构造成产生代表固定和旋转部件16和14(参见图1)之间电容的信号。此外，从探测器触点62，64，66和68同时产生的感应电容子集估计固定和旋转部件16和14之间的间隙。在所示实施方式中，每个子集包括来自至少两个探测器触点的感应电容。本领域技术人员将会认识到根据传感器构造可以构想出用于更多数量的探测器触点的感测参数子集。在示例性实施方式中，对于以上所述的探测器触点构造60来说，为进行间隙估计可以分析六个感应电容子集。例如，在所示实施方式中，第一子集包括来自探测器触点62和64的感应电容并且第二子集包括来自探测器触点62和66的感应电容。类似地，第三子集包括来自探测器触点62和68的感应电容并且第四子集包括来自探测器触点64和66的感应电容。此外，第五子集包括来自探测器触点64和68的感应电容并且第六子集包括来自探测器触点66和68的感应电容。还可以分析三个触点各自的另外三个子集。
在操作中，通过处理单元34(参见图2)对如上所述的每个子集执行间隙查询。处理单元34可以采用查询表、或校正曲线、或解析表、或计算、或它们的组合，以根据感测参数估计间隙。在某些实施方式中，一些子集因误差或偏差可以具有较大的间隙并因此可以从估计结果中被删除。根据轴向位置，一些子集在物理结构上远离叶片，这样出现非常小的信号。通常，小信号更有可能受噪声或其它那样的误差源控制。这样的子集不会得到考虑，或者可以比其它子集具有更小的权重。如果来自其余同时产生的子集的估计间隙相一致，则这些信号被认为是正常的并根据来自这些子集的信号完成间隙估计。备选地，如果来自所有同时产生的子集的估计间隙不相一致，则分析这些信号以检测多个探测器触点62，64，66和68重的异常触点。
例如，如果来自包括探测器触点62，64和64，66的第一和第四子集的感应电容对来自这些子集的估计间隙表现出较大的误差，则检测到探测器触点64是异常触点。在一种实施方式中，可以通过来自异常触点之外的触点的信号估计间隙。例如，在本实施方式中，可以通过处理来自探测器触点62，66和68的信号而估计间隙。在备选实施方式中，可以调节异常触点的增益或偏差以使其与其它探测器触点相一致，由此对经过一段时间发生的性能偏差进行修正。因而，在以上示例性实施方式中，通过探测器触点62，66，68与具有调节增益的探测器触点64一起估计间隙。
图6是表示操作图1所示多触点间隙测量系统12的过程70的流程图。该过程包括接收来自具有多个探测器触点的传感器的多个信号，如步骤72所示。所述多个信号代表第一和第二物体之间的感测参数。在一种实施方式中，传感器包括电容探测器并且感测参数包括电容。备选地，传感器包括涡流传感器并且感测参数包括感应电流。在步骤74，形成多个同时产生的感测参数子集。在一种实施方式中，每个同时产生的子集包括来自至少两个探测器触点的感测参数。此外，如步骤76所示，通过处理单元根据来自探测器触点的同时产生的感测参数子集中的每一个估计第一和第二物体之间的间隙。在某些实施方式中，可以采用查询表、或校正曲线、或解析表、或计算、或它们的组合，以根据感测参数估计间隙。
在步骤78，处理单元确定通过同时产生的感测参数子集得到的估计间隙对所有子集来说是否都一致。如果所有子集的估计间隙都相一致，则完成间隙处理并根据来自所有所述子集的信号估计第一和第二物体之间的间隙(步骤80)。备选地，如果来自子集的估计间隙对所有子集来说不相一致，则处理单元确定导致增益误差的异常探测器触点(步骤82)。应该指出术语“增益”指的是整个间隙测量系统12包括电路的增益。例如，在一种实施方式中，如果探测器触点腐蚀并且尺寸变得更小，则系统中的电路增益不会变化但总信号将会变得更小，由此有助于降低系统的增益。
在一种实施方式中，调节异常触点的增益或偏差以使其与其余探测器触点相一致，这由步骤84表示。此外，如步骤86所示，根据来自所有探测器触点包括具有调节增益或偏差的异常探测器触点的信号估计间隙。在备选实施方式中，从间隙估计中删除来自异常探测器触点的信号并根据来自异常触点之外的探测器触点的信号估计间隙(步骤88和86)。应该指出在多触点间隙系统的多个探测器触点中检测异常触点便于监控间隙测量系统的正常运行。在一种实施方式中，可以由通过间隙测量系统对间隙的精确估计替换异常触点。备选地，来自异常探测器触点的信号可以从间隙估计中被删除，或者可以调节异常探测器触点的增益以修正相应探测器触点产生的误差或偏差。
以上描述的方法的各个方面可以应用在不同的场合。例如，以上所示的技术可以用于测量汽轮机旋转和静止部件之间的间隙。该技术还可以用在某些其它场合，例如用于测量发电机固定和旋转部件之间的间隙。如上所述，更通常地，在此所述的方法可以有利地用于通过多触点间隙测量系统、采用传感器构件的误差检测以及偏差跟踪提供对物体间的间隙的精确测量，由此降低所需的信号处理等级。此外，所述技术尤其有利地是即使在操作中以及经过延长的时间周期也可以提供精确测量部件间隙的自校正传感器系统，从而能够在操作的同时更好地对部件进行间隙控制。
尽管在此已经示出并描述了本发明的仅仅某些特征，但本领域技术人员将会做出多种修改和变化。因此可以认识到附加权利要求用于覆盖落入本发明真正精神范围内的所有这些修改和变化。
部件清单10汽轮机12多触点间隙测量系统14旋转部件16固定部件20涡轮22转子24外壳26叶片28传感器30传感器32传感器34处理单元36间隙控制系统40汽轮机—定子/转子构造42密封齿44定子凹槽46详细视图48径向间隙50轴向间隙60传感器构造62探测器触点64探测器触点66探测器触点68探测器触点70多触点间隙系统的操作过程72-86加工步骤
权利要求
1.一种多触点间隙测量系统(12)，包括布置在第一物体(24)上的传感器(28)，其中所述传感器包括被构造成产生信号的多个探测器触点(62，64，66，68)，所述信号代表与第二物体(26)相对应的感测参数；以及处理单元(34)，其被构造成估算来自探测器触点(62，64，66，68)的感测参数子集的信号，以检测异常探测器触点并调节相应异常探测器触点的增益或偏差，从而根据所述信号估计第一和第二物体(24，26)之间的间隙。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器(28)包括至少三个探测器触点。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，处理单元(34)被构造成通过处理与异常探测器触点之外的探测器触点相对应的信号来估计第一和第二物体(24，26)之间的间隙。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器(28)包括电容传感器并且所述感测参数包括电容。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器(28)包括涡流传感器并且所述感测参数包括感应电流。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，处理单元(34)包括查询表、或校正曲线、或解析表、或计算、或它们的组合以估计间隙并根据来自探测器触点(62，64，66，68)的感测参数子集的信号检测异常探测器触点。
7.一种用于测量第一和第二物体之间间隙的方法，包括通过具有多个探测器触点的传感器接收代表了与第一或第二物体相对应的感测参数的多个信号；根据从探测器触点同时产生的感测参数子集估计第一和第二物体之间的间隙；分析来自探测器触点的感测参数子集的估计间隙以确定异常探测器触点；以及调节异常探测器子集的增益或偏差以根据多个信号估计间隙。
8.一种测量第一和第二物体之间间隙的方法，包括通过具有多个探测器触点的传感器接收代表了与第一或第二物体相对应的感测参数的多个信号；根据从探测器触点同时产生的感测参数子集估计第一和第二物体之间的间隙；分析来自探测器触点的感测参数子集的估计间隙以确定异常探测器触点；以及根据来自异常探测器触点之外的探测器触点的信号估计间隙。
9.一种旋转机械(20)，包括与固定部件(24)间隔的旋转部件(22)；布置在固定部件(24)上的传感器(28)，其中传感器(28)包括被构造成产生信号的多个探测器触点(62，64，66，68)，所述信号代表与旋转部件(22)相对应的感测参数；以及处理单元(34)，其被构造成估算来自探测器触点(62，64，66，68)的感测参数子集的信号，以检测异常探测器触点并调节相应异常探测器触点的增益或偏差，从而根据所述信号估计固定和旋转部件(22，24)之间的间隙。
10.一种监控多触点间隙测量系统正常运行的方法，包括通过具有多个探测器触点的传感器接收代表了与第一或第二物体相对应的感测参数的多个信号；存储从多个探测器触点接收的多个信号；根据从探测器触点同时产生的感测参数子集估计第一和第二物体之间的间隙；以及从来自探测器触点的感测参数子集中分析所估计的间隙以检测异常探测器触点。
全文摘要
提供一种多触点间隙测量系统(12)。该间隙测量系统(12)包括布置在第一物体(24)上的传感器(28)，其中所述传感器包括被构造成产生信号的多个探测器触点(62，64，66，68)，所述信号代表与第二物体(26)相对应的感测参数，所述间隙测量系统还包括处理单元(34)，其被构造成估算来自探测器触点(62，64，66，68)的感测参数子集的信号，以检测异常探测器触点并调节相应异常探测器触点的增益或偏差，从而根据所述信号估计第一和第二物体(24，26)之间的间隙。
文档编号G01B7/14GK101046367SQ20071009218
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年3月30日
发明者E·A·安达拉维斯, S·达斯古普塔, S·马尼, 陈为国 申请人:通用电气公司