JP2012159507A - シャフトの変形を測定するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シャフトの変形を測定するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】 デバイスによってシャフト２の変形を測定するための方法が、変形が加えられる前に、シャフト２に付加されたパターン３を照明するステップと、パターン３によって反射された放射線を検出することによって第１基準位置を検出するステップとから成り、変形が加えられた後に、パターン３を照明するステップと、パターン３によって反射された放射線を検出することによって第２基準位置を検出するステップとから成る。これにより、第１基準位置と第２基準位置との間の距離に基づいて、シャフトの円周方向の変形及び／又はトルクが求められる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シャフトの変形を測定するための装置及び方法に関する。

特に、シャフトは、ガスタービン、蒸気タービン、又は電動機のシャフトである。

ガスタービン、蒸気タービン、又は電動機のシャフトなど、シャフトの変形を測定するための複数の方法が知られている。

特許文献１に、長手方向で離された２つのマークを付けられたシャフトが開示されている。マークによって反射される光のための光源と検出器が、角度変形を計算する回路に接続される。

特許文献２に、離れた位置にある第１反射面と第２反射面を有するシャフトが開示されている。反射面によって反射される光のための光源と検出器が提供され、トルクを計算する回路に接続される。

これらの既知のシステムは、シャフト変形を直接測定する（すなわち変形角度を直接検出する）ことを試みるが、変形は通常非常に小さいので、この測定が不正確になる場合もあり得ることは明らかである。

米国特許第４９９５２５７号明細書 米国特許第４３４７７４８号明細書

したがって、本発明の一態様は、シャフト変形を非常に正確に求めることができる装置及び方法を提供することを含む。

本発明の別の態様は、単純であり高信頼性の装置及び方法を提供することを含む。

当該技術的な課題は、本発明にしたがって添付の特許請求の範囲による装置及び方法を提供することによって達成される。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付図面での非限定的な例によって示される、好ましいが排他的ではない装置及び方法の実施形態の説明からより明らかになろう。

本発明の一実施形態での方法の様々なステップを示す図である。 本発明の一実施形態での方法の様々なステップを示す図である。 本発明の一実施形態での方法の様々なステップを示す図である。 図２のパターン（第１ステップ、実線）を図３のパターン（第２ステップ、破線）に重ね合わせて示す図である。 放射線源及びセンサを有するキャリアの一例を示す図である。 装置の別の実施形態を示す図である。 曲線パターンの特定の実施形態を示す図である。

装置１は、例えばガスタービン、蒸気タービン、又は発電機のシャフト２を備える。しかし、別の機械のシャフトでもよいことは明らかである。また、この装置は、シャフト２の変形を測定するためのデバイスも備える。

このデバイスは、シャフト２に付加された曲線パターン３と、パターン３を照明するための放射線源４と、パターン３によって反射された放射線を検出するためのセンサ５とを備える。

曲線パターン３は、様々な技法でシャフトに付加された曲線でよい。例えば、シャフト表面を削ることができ、又はシャフト表面に印刷することができ、又は板片などの積層体にパターンを印刷し、もしくは積層体を削り、もしくは任意の他の技法で積層体にパターンを付加し、次いでそれをシャフト２に取り付けることができる。

放射線源４は、好ましくは光源であり、指向性光源又はレーザでよいが、必ずしもそうである必要はない。放射線源４は、特定の周波数又は所与の周波数範囲で光を放出することができる。当然、他のタイプの放射線源も可能である。

センサ５は、放射線源４によって放出され、パターン３によって反射された光によって作動されるフォトダイオードでよい。

シャフト２が長手方向軸６を有し、またデバイスはキャリア７も備えており、このキャリア７は、シャフト軸６に対して所定の方向８に沿って、少なくとも曲線パターンに面する区域にわたって移動可能である。例えば図３では、キャリア７が移動することができる曲線パターン３に面するこの区域が、参照番号２０によって識別されている。

好ましくは、曲線パターン３は、シャフト軸６に平行な軸と共に、曲線パターン３にわたって変化する角度を決定する。

キャリア７は、センサ５を担持し、図示される実施形態では放射線源４も担持する。

好ましい実施形態では、所定の方向８は、（両方の向き８ａ、８ｂで）シャフト軸６に対してほぼ平行な方向である。

これに関して、デバイスは、シャフト軸６に平行に延びるレール９を含み、キャリア７がこのレール９上で摺動する。

また、デバイスは、好ましくはキャリア７に搭載した制御ユニット１０も含む。制御ユニット１０は、放射線源４及びセンサ５に接続され、また好ましくはディスプレイなど出力要素２１に接続される。

加えて、デバイスは、シャフト２の軸方向位置を感知するセンサ１１をさらに含む。このセンサ１１も制御ユニット１０に接続される。

有利には、制御ユニット１０は、パターン３が放射線源４に面するとき時だけ放射線源４を作動させるために配置され得る。これに関して角度センサ１２が提供される。角度センサ１２は、シャフト２に関連付けられ、制御ユニット１０に接続される。

この装置の動作は、本明細書の説明及び図面から明らかであり、実質的に以下のようなものである。

図１は、キャリア７の第１基準位置が測定される第１操作ステップを示す。例えば、第１基準位置は、不動の（すなわち静止している）シャフトを用いて、又は所与の条件下で回転するシャフトを用いて測定することができる。

キャリア７が方向８に沿って移動され、放射線源４が作動される。

シャフトが回転するとき、放射線源４は、好ましくは、パターン３が放射線源４に面する時だけ作動される。これは、センサ１１によってシャフト２の角度位置を測定し、この情報を制御ユニット１０に伝送し、制御ユニット１０がそれに従って放射線源４を作動することによって実現される。

放射線源４によって発生された光ビーム１５は、ある角度ａでシャフト２及びパターン３に当たり、ビームがパターン３に当たった位置で、パターン３に垂直な軸１７に対して同じ角度ａで反射されて返される（参照番号１６が、反射されたビームを示す）。

図１に示されるように、位置Ｐ１でパターン３が、ビーム１５に対して十分に垂直でない場合、反射されたビーム１６は、キャリア７及びセンサ５に向けて反射されず、センサ５は信号を何も検出しない。

キャリア７が移動され、パターン３とビーム１５とが、互いにほぼ垂直な位置Ｐ２でビーム１５がパターン３に当たるとき、反射されたビーム１６は、ビーム１５に対してほぼ平行に、センサ５に向けて反射される。したがって、反射されたビーム１６をセンサ５によって検出することができ、センサ５（又はキャリア７）の第１基準位置が確定される。

したがって、トルクが加えられ、シャフトは、求めなければならない変形に耐える。

この変形によりパターン３も変形される。例えば図３に、シャフト変形により変形されたパターン３が示されている。この変形後には、第１基準位置にあるセンサ５は反射されたビーム１６をもはや受け取らないことは明らかである。

したがって、第１基準位置の検出に関して上述したのと同じステップで、変形されたパターン３がビーム１５に対してほぼ垂直である位置Ｐ３が求められ、センサ５（又はキャリア７）の第２基準位置が確定される。

この軸方向距離（すなわち、シャフト軸６に沿った第１基準位置と第２基準位置との間の距離）が、シャフト変形を示唆する。

これに関して、パターン３は、シャフトの所与の変形（トルク）が第１基準位置と第２基準位置との間の所与の距離に対応するような形状にすることができる。これにより、有利には、この間接的な検出によってシャフトの変形を増幅することができ、検出が容易になるので、小さい変形も非常に正確に求めることができるようになる。

操作中、シャフト２は、軸方向のずれに耐えることもできる。そのため、シャフト２の軸方向位置を測定して、生じていることがあるシャフト２のずれを検出する。次いで、この情報が制御ユニット１０に伝送されて、第１基準位置と第２基準位置との間の距離の差の値を補償し、すなわちシャフト変形を補償する。

図６は、この装置の異なる実施形態を示す。この図で、上述したものと同一又は同様の要素は同様の参照番号で示されている。

図示されるように、この実施形態での装置も、曲線パターン３を有するシャフト２を含み、この曲線パターン３は、例えば前の実施形態を参照して上述したパターンと同じ形状である。

さらに、曲線パターン３に面する区域２０にわたって移動することができるキャリア７に放射線源４及びセンサ５を取り付けるのではなく、複数の放射線源４及びセンサ５を備えるアレイ２２が提供される。

好ましくは、放射線源４とセンサ５は対として構成され、すなわち放射線源４がそれに対応するセンサ５を有する。

さらに、好ましくは、アレイ２２が、曲線パターン３に面する区域２０にわたって延在している。

すべての放射線源４及びセンサ５（それらは第１実施形態に関して上述したのと同じ特徴を有することができる）が、制御ユニット１０に接続される。制御ユニット１０は、次にシャフト２の軸方向位置を感知するセンサ１１及び角度を感知するセンサ１２に接続される。

好ましくは、曲線パターン３は、シャフト軸６に平行な軸と共に、曲線パターン３にわたって変化する角度ｂ１、ｂ２を決定する。

この装置には、可動部を有さないという利点がある。

この実施形態での装置の動作は、上述したものと同様である。

測定すべきトルク（又はそれにより引き起こされる変形）が加えられる前に、（すべての）放射線源４が作動される。それらがビーム１５を発生し、ビーム１５がパターン３によって反射される。特に、上述したように、パターン３がビーム１５に対してほぼ垂直である時だけ、反射されたビーム１６がセンサ５に当たる。

特に、ビーム１５は、シャフト軸６に垂直な軸２３に対して非常に小さな角度で放出される。そのため、ビーム１５が放射線源４ａによって放出される場合、ビーム１５に対してほぼ垂直な位置でパターン３によって反射された対応するビーム１６は、その放射線源４ａに隣接するセンサ５ａに当たり、ビーム１５の傾きの方向にずれる。このようにして、第１基準位置を確定することができる。

その後、測定すべきトルクが加えられ、測定が再び行われ、第２基準位置が確定される。

第１基準位置と第２基準位置との間の距離（又は差）により、トルク及び／又は円形変形を確定することができるようになる。

別の実施形態（図７）では、曲線パターン３が、角度の付いた複数の離散した線からなることもあり、連続的なアナログの尺度ではなくデジタルの尺度を有する。

また、本発明は、シャフトの変形を測定するための方法にも言及する。

この方法は、変形が加えられる前に、パターン３を照明するステップと、パターン３によって反射された放射線を検出することによって第１基準位置を検出するステップとを有する。

次いで、変形が加えられ、パターンを照明するステップと、パターン３によって反射された放射線を検出することによって第２基準位置を検出するステップとがさらに行われる。

次いで、第１基準位置と第２基準位置との間の距離に基づいて、シャフトの円周方向の変形及び／又はトルクを求めることができる。

有利には、第１基準位置と第２基準位置との間の距離は、シャフト軸に平行な方向に沿って確定される。

当然、説明した特徴を互いに別々に提供することもできる。

実際、使用される材料及び寸法は、要件及び現況技術に応じて任意に選択することができる。

１ 装置
２ シャフト
３ パターン
４、４ａ 放射線源
５、５ａ センサ
６ シャフト２の軸
７ キャリア
８ 方向
８ａ、８ｂ 方向８の向き
９ レール
１０ 制御ユニット
１１ シャフト２の軸方向位置を感知するセンサ
１２ シャフト２の角度を感知するセンサ
１５ 放射線源４によって発生される光ビーム
１６ パターン３によって反射された光ビーム
１７ パターン３に垂直な軸
２０ パターンに面する区域
２１ ディスプレイ
２２ アレイ
２３ 軸６に垂直な軸
ａ 角度
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ パターン３上での位置

Claims (15)

1. シャフト（２）の変形を測定するためのデバイスを備える、シャフト（２）の装置（１）であって、前記デバイスは、
   前記シャフト（２）に付加された曲線パターン（３）、
   前記パターン（３）を照明するための放射線源（４）、及び
   前記パターン（３）によって反射された前記放射線を検出するためのセンサ（５）を備える当該装置において、
   当該装置は、前記パターン（３）に面する区域（２０）にわたって前記シャフト軸（６）に対して所定の方向（８）に移動可能なキャリア（７）をさらに備え、このキャリア（７）は、少なくとも前記センサ（５）を担持することを特徴とする装置（１）。
2. シャフト（２）の変形を測定するためのデバイスを備える、シャフト（２）の装置（１）であって、前記デバイスは、
   前記シャフト（２）に付加された曲線パターン（３）、
   前記パターン（３）を照明するための放射線源（４）、及び
   前記パターン（３）によって反射された前記放射線を検出するためのセンサ（５）を備え、
   前記装置（１）は、前記パターン（３）に面する区域（２０）にわたって延在しているアレイ（２２）を画定する複数の放射線源（４）と複数のセンサ（５）とを有し、
   前記曲線パターン（３）が、前記シャフト軸（６）に対して平行な軸と共に角度（ｂ１、ｂ２）を決定する当該装置（１）において、
   前記角度（ｂ１、ｂ２）は、前記曲線パターン（３）にわたって変化することを特徴とする装置（１）。
3. 前記キャリア（７）は、前記放射線源（４）も担持することを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
4. 前記所定の方向（８）は、前記シャフト軸（６）対してほぼ平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
5. 前記曲線パターン（３）は、前記シャフト軸（６）に対して平行な軸と共に前記曲線パターン（３）にわたって変化する角度を決定することを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
6. 前記装置（１）は、前記シャフト（２）の軸方向の位置を感知するセンサ（１１）をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。
7. 前記装置（１）は、前記パターン（３）が前記放射線源（４）に面する時だけ前記放射線源（４）を作動させるために配置された制御ユニット（１０）をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。
8. 前記装置（１）は、前記シャフト（２）に関連付けられ且つ前記制御ユニット（１０）に接続された角度センサ（１２）をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の装置（１）。
9. 前記放射線源（４）は、光源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。
10. 前記光源は、レーザであることを特徴とする請求項９に記載の装置（１）。
11. 前記パターン（３）は、角度の付いた複数の離散した線から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。
12. デバイスによってシャフト（２）の変形を測定するための方法であって、
    前記デバイスは、
    前記シャフト（２）に付加された曲線パターン（３）、
    前記パターン（３）を照明するための放射線源（４）、
    前記パターン（３）によって反射された前記放射線を検出するためのセンサ（５）、及び
    前記パターン（３）に面する区域（２０）にわたって前記シャフト軸（６）に対して所定の方向（８）に移動可能なキャリア（７）を備え、
    前記キャリア（７）が、少なくとも前記センサ（５）を担持するか、又は、前記センサ（５）が、前記パターン（３）に面する区域（２０）にわたって延在しているアレイ（２２）を画定する複数のセンサ（５）を有する当該方法において、
    当該方法は、変形が加えられる前に、
    前記パターン（３）を照明するステップと、
    前記パターン（３）によって反射された前記放射線を検出することによって第１基準位置を検出するステップとを有し、
    前記変形が加えられた後に、
    前記パターン（３）を照明するステップと、
    前記パターン（３）によって反射された前記放射線を検出することによって第２基準位置を検出するステップと有し、
    前記第１基準位置と前記第２基準位置との間の距離に基づいて、前記シャフトの円周方向の変形及び／又はトルクを求めるステップを有する方法。
13. 前記キャリア（７）は、前記放射線源（４）も担持することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１基準位置と前記第２基準位置との間の距離は、前記シャフト軸に対して平行な方向に沿って確定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記アレイ（２２）は、複数の放射線源（４）も備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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