JP6877218B2 - 回転機械、計測装置及び計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械、計測装置及び計測方法に関する。

従来、ロータと該ロータを回転可能に収容するケーシングとを備えた回転機械（例えば、蒸気タービン、ガスタービン又は圧縮機等）においては、ロータの円滑な回転を確保するため、ロータとケーシングとの間に所定のクリアランスが設けられている。ロータとケーシングとの間のクリアランスは、回転機械の動作性能に影響を及ぼすため、適切に計測して適切な寸法に設定される必要があり、運転中にも監視されることが好ましい。

ところで、回転機械の定格運転時には、蒸気やガス等の作動流体の温度に起因する熱伸びや遠心力の影響により、ロータ及びその外周に設けられた動翼が径方向に伸びるため、停止時よりも上記クリアランスが狭くなる場合がある。一般に、このようにロータとケーシングとの間隔が狭く、且つ、回転数が高い定格運転時におけるクリアランスの計測は、測定距離が短く応答速度の速い静電容量式等の非接触センサを用いて行われる。

一方、作動流体の作用によらずに、モータ等で定格運転時よりも低速にロータを回転させる所謂ターニング運転の際は、熱の影響がなく回転数も低いため、上記クリアランスは定格運転時よりも広くなる傾向がある。このため、測定距離が短い場合に好適に使用される静電容量式の非接触センサでロータとケーシングとのクリアランスを直接的に計測すると計測精度が低いという問題がある。

ターニング運転時のクリアランス（所謂初期クリアランス）を計測する技術として、例えば、特許文献１には変位計を備えた接触式の計測装置が開示されている。

特開２０１４−１０９２４２号公報

上記問題に鑑み、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、回転体と静止体との間隔が広い場合にも非接触センサを用いた計測を可能とすることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る計測装置は、
回転機械における回転体と静止体との間隔を計測するための計測装置であって、
前記静止体から少なくとも部分的に出没可能に該静止体に保持された接触部と、
前記接触部を挟んで前記回転体とは反対側に配置され、前記接触部とともに前記接触部の出没方向に移動可能に構成され、前記接触部とは反対側に位置する計測基準面を有する押え部材と、
前記押え部材を前記接触部に向かって付勢する付勢部材と、
前記押え部材の前記計測基準面に対向して配置された非接触センサと、
を備える。

上記（１）の構成によれば、押え部材を介して付勢部材により付勢された接触部が、静止体から回転体側に突出する方向に付勢された状態で静止体に保持される。この状態で、静止体から突出した接触部の一部に回転体が当接すると、回転体によって押圧された接触部が付勢部材の付勢力に抗して静止体側に没入する方向に移動し、接触部に当接する押え部材が接触部と共に移動する。そして、計測基準面と非接触センサとの距離に基づき、回転体と静止体との間隔を非接触センサで容易に計測することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の計測装置において、
前記接触部は、前記回転体の回転中心軸に沿った軸周りに転動可能に構成される。

上記（２）の構成によれば、回転体の回転に伴い該回転体が接触部に当接すると、接触部が回転体の回転中心軸に沿った軸周りに転動する。これにより、回転体の回転に対して接触部が抵抗となることを抑制することができるので、計測作業を円滑に行うことができる。また、回転体及び接触部の摩耗を抑制することができるので、回転体及び計測装置の長寿命化と信頼性の向上とを図りつつ、上記（１）で述べた効果を享受することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の計測装置において、
前記計測装置は、前記回転体が定格運転時よりも低速で回転するターニング運転の際における、前記非接触センサと前記計測基準面との距離を前記非接触センサにより計測可能に構成される。

作動流体によって回転体が回転される定格運転時には、作動流体の温度に起因する熱伸びや遠心力の影響により回転体の径方向の寸法が伸びるから、回転体と静止体との間隔が停止時よりも狭くなる。一方、定格運転時よりも低速で、作動流体の作用によらずに回転体を回転させる所謂ターニング運転の際は、熱伸びの影響がないため定格運転時に比べて回転体と静止体との間隔が広い。このため、典型的な計測方法に従い非接触センサを用いて回転体までの距離を直接計測する場合、回転体に対向する静止体の表面に非接触センサの先端面が揃うように静止体に取り付けられた非接触センサと回転体との間隔がターニング運転時に広がってしまい、計測精度が低くなる傾向がある。
この点、上記（３）の構成によれば、回転体に当接する接触部と共に移動する押え部材の計測基準面と非接触センサとの距離に基づき、回転体と静止体との間隔を非接触センサで間接的に計測するため、ターニング運転の際における回転体と静止体との所謂初期クリアランスを、非接触センサを用いて適切に計測することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか一つに記載の計測装置において、
前記計測装置は、前記回転体の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、前記回転数の回転数が５ｒｐｍ以下である場合に、前記非接触センサと前記計測基準面との距離を前記非接触センサにより計測可能に構成される。

上記（４）の構成によれば、回転体の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、回転数が５ｒｐｍ以下の状態において、非接触センサを用いて回転体と静止体との間隔を適切に計測することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか一つに記載の計測装置において、
前記非接触センサは、静電容量式センサ、レーザ変位計、又は、共焦点光学センサの少なくとも一つを含む。

上記（５）の構成によれば、静電容量センサ、レーザ変位計又は共焦点光学センサの少なくとも一つを含む非接触センサにより、種々の回転機械の静止体に適合する適切な計測装置を構成することができる。これにより、上記（１）で述べたように、回転体と静止体との間隔を容易に計測することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか一つに記載の計測装置において、
前記計測装置は、
少なくとも前記接触部と前記押え部材とを収容する筐体と、
前記接触部の出没方向において前記筐体と前記静止体との間に設けられる調整シムと、
をさらに備える。

上記（６）の構成によれば、調整シムの厚さを適切に調整することにより、筐体に収容された接触部の静止体からの最大突出量を調整することができる。したがって、調整シムの厚さを適切に調整することで、計測対象である回転機械の仕様（例えば、回転体の形状）に応じて、回転体と静止体との間隔を計測するための好適な位置に筐体を設置することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載の計測装置において、
前記計測装置は、
前記筐体の内面と前記押え部材とに当接し、前記押え部材を前記回転体の径方向に沿って案内する案内部材をさらに備える。

上記（７）の構成によれば、案内部材により、押え部材の傾動を抑制しながら、押え部材を回転体の径方向に沿って案内することができる。これにより、非接触センサに対する計測基準面の配向を一定に維持することができるため、計測精度を向上させることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか一つに記載の計測装置において、
前記計測装置は、
前記接触部が前記回転体によって押圧されていない前記接触部の非押圧状態における前記計測基準面と前記非接触センサとの間の距離を調整するための距離調整部をさらに備える。

上記（８）の構成によれば、距離調節部により、非接触センサと計測基準面との距離を増減させて調整することで、非接触センサを較正することができる。
なお、距離調整部による非接触センサの較正は、静止体に計測装置を取り付けた状態で行ってもよい。この場合、非接触センサの較正のために、計測装置を静止体から取り外す必要がなくなり、非接触センサの較正作業を効率的に行うことができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載の計測装置において、
前記距離調整部は、
前記非接触センサに設けられた被係止部と、
各々が前記静止体からの前記接触部の出没方向に沿う異なる位置で前記非係止部を係止するための複数の係止部と、
を備え、
前記係止部と前記被係止部とは、少なくとも一方が前記出没方向に沿う軸周りに回転されることで係合及び係合解除可能に構成される。

上記（９）の構成によれば、係止部と被係止部との少なくとも一方を、接触部の出没方向に沿う軸周りに回転させることで、係止部と被係止部との係合及び係合解除を切り替えることができる。そして、係合解除の状態で接触部の出没方向に沿う異なる位置に設けられた複数の係止部に選択的に被係止部を係止させることにより、計測基準面に対する非接触センサの配置を段階的に調整して位置決めすることができる。したがって、非接触センサの出力値の大まかな較正を短時間に行うことができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
上記（１）乃至（９）の何れか一つに記載の計測装置と、
前記回転体及び前記静止体と、
を備える。

上記（１０）の構成によれば、非接触センサにより、回転体と静止体との間隔を適切に計測可能な回転機械を得ることができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る計測方法は、
回転機械における回転体と静止体との間隔を計測するための計測方法であって、
前記静止体から部分的に出没可能に該静止体に保持された接触部を前記回転体に接触させるステップと、
前記回転体との接触時における前記接触部の変位を非接触センサにより検出するステップと、
前記検出された変位に基づき前記回転体と前記静止体との間隔を算出するステップと、を備える。

上記（１１）の方法によれば、接触部を回転体に当接させ、該回転体の径方向に沿う接触部の変位を、非接触センサで検出することにより、回転体と静止体との間隔を容易に計測することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の方法において、
前記接触部の変位を検出するステップでは、
前記接触部を挟んで前記回転体とは反対側に配置され、前記接触部とともに前記接触部の出没方向に移動可能に構成された押え部材の計測基準面と前記非接触センサとの間の距離の変化を前記接触部の変位として検出する。

上記（１２）に記載の方法によれば、接触部の変位が押え部材の計測基準面と非接触センサとの間の距離の変化として間接的に計測される。これにより、接触部の出没方向に沿う押え部材の長さを、計測対象である回転機械の仕様（例えば、回転体の形状）に応じて、回転体と静止体との間隔を計測するために好適で、且つ、非接触センサで該非接触センサと計測基準面との間の距離を計測するために好適な長さに設定して計測装置を構成することができる。したがって、計測装置の設計の自由度が向上するとともに、回転体と静止体との間隔を適切に計測することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）に記載の方法において、
前記押え部材を前記接触部に向かって付勢するステップをさらに備える。

上記（１３）に記載の方法によれば、押え部材が接触部に向かって付勢され、押え部材によって付勢された接触部が回転体側に突出する方向に付勢された状態で静止体に保持される。これにより、静止体から部分的に突出した接触部が回転体側に付勢された状態を維持することができ、この接触部に回転体が当接した際に該接触部と回転体との間に隙間が生じることを抑制することができる。つまり、回転体の形状に対する接触部の追従性を向上させることができるため、計測精度を向上させることができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１１）乃至（１３）の何れか一つに記載の方法において、
前記計測方法は、
前記間隔を算出するステップでは、前記回転体が定格運転時よりも低速で回転するターニング運転の際における、前記回転体と前記静止体との前記間隔を算出する。

上記（１４）に記載の方法によれば、回転体に当接する接触部と共に移動する押え部材の計測基準面と非接触センサとの距離に基づき、回転体と静止体との間隔を非接触センサで間接的に計測するため、ターニング運転の際における回転体と静止体との所謂初期クリアランスを、非接触センサを用いて適切に計測することができる。

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１１）乃至（１４）の何れか一つに記載の方法において、
前記計測方法は、
前記間隔を算出するステップでは、前記回転体の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、前記回転体の回転数が５ｒｐｍ以下である場合に、前記回転体と前記静止体との前記間隔を算出する。

上記（１５）に記載の方法によれば、回転体の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、回転数が５ｒｐｍ以下の状態において、非接触センサを用いて回転体と静止体との間隔を適切に計測することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、回転体と静止体との間隔を容易に計測することができる。

一実施形態に係る回転機械の構成を示す概略図である。 一実施形態に係る計測装置の配置例を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。 一実施形態に係る計測装置の構成例を示す図であり、図２のＢ部の拡大図である。 一実施形態に係る計測装置の構成例を示す図である。 一実施形態における距離調整部を示す概略図である。 一実施形態における距離調整部の係止部を示す平面図である。 一実施形態における距離調整部の被係止部を示す平面図である。 一実施形態における距離調整部の係止部を示す平面図である。 一実施形態に係る計測方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

以下に示す幾つかの実施形態では、回転機械１として蒸気タービンを適用した場合を例に説明する。但し、他の実施形態として、例えば、回転機械１にガスタービン、圧縮機又は過給機等を適用してもよい。

図１は、本発明の幾つかの実施形態に係る回転機械の構成を示す概略図である。図２は、一実施形態における回転機械の構成を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。
図１及び図２に示すように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る回転機械１は、回転体としてのロータ１０と、該ロータ１０を回転可能に収容する静止体としてのケーシング２と、回転機械１におけるロータ１０とケーシング２との間隔を計測するための計測装置３０と、を備えている。

ロータ１０は、ロータシャフト１２と、該ロータシャフト１２よりも大径でロータシャフト１２と一体に回転可能に設けられたロータディスク１４と、ロータディスク１４の外周に設けられた複数の動翼１６と、を備えていてもよい（図２参照）。ロータディスク１４は略円板状であってもよい。動翼１６は、ロータディスク１４の周方向に沿って間隔を開けて放射状に配置されていてもよい。このようなロータ１０は、ケーシング２内に収容され、該ケーシング２内で回転軸Ｏを中心として回転可能に支持される。

図１に示すように、ケーシング２には、複数のノズル構造体３が支持されていてもよい。これらのノズル構造体３と動翼１６とは、ロータ１０の軸方向に交互に配置され、一のノズル構造体３と、当該一のノズル構造体３の下流側に隣り合って配置された一の動翼１６とにより、一のタービン段落が構成されていてもよい。回転機械１は、このようなタービン段落をロータ１０の軸方向に複数備えていてもよい。上記構成の回転機械１において、作動流体としての蒸気が複数のタービン段落を通過して動翼１６に対して仕事を行い、ロータ１０が回転駆動される。

図３は、一実施形態に係る計測装置の構成例を示す図であり、図２のＢ部の拡大図である。図３に示すように、本発明の少なくとも一実施形態に係る計測装置３０は、ケーシング２から少なくとも部分的に出没可能に該ケーシング２に保持された接触部３４と、接触部３４を挟んでロータ１０とは反対側に配置され、接触部３４とともに該接触部３４の出没方向に移動可能に構成され、接触部３４とは反対側に位置する計測基準面３６Ｂを有する押え部材３６と、押え部材３６を接触部３４に向かって付勢する付勢部材４０と、押え部材３６の計測基準面３６Ｂに対向して配置された非接触センサ５０と、を備えている。すなわち、幾つかの実施形態に係る計測装置３０は、ロータ１０に直接的に接触する接触部分と、該接触部分の変位を非接触方式で計測するセンサとの組み合わせにより、ロータ１０とケーシング２との間の距離を間接的にセンサで計測するように構成されてもよい。

上記の構成によれば、押え部材３６を介して付勢部材４０により付勢された接触部３４が、ケーシング２からロータ１０側に突出する方向に付勢された状態でケーシング２に保持される。この状態で、ケーシング２から突出した接触部３４の一部にロータ１０が当接すると、ロータ１０によって押圧された接触部３４が付勢部材４０の付勢力に抗してケーシング２側に没入する方向に移動し、接触部３４に当接する押え部材３６が接触部３４と共に移動する。そして、計測基準面３６Ｂと非接触センサ５０との距離に基づき、ロータ１０とケーシング２との間隔を非接触センサ５０で容易に計測することができる。このように、上記構成によれば、定格運転の際に用いて好適な非接触センサ５０により、必要に応じてターニング運転の際の初期クリアランスを計測することができる。従って、ユーザは、主に非接触センサ５０を用いて定格運転の際のクリアランス及び初期クリアランスを効率的に計測することができる。

幾つかの実施形態において、接触部３４は、ロータ１０の回転軸Ｏに沿った軸周りに転動可能に構成されていてもよい。このように構成すれば、ロータ１０の回転に伴い該ロータ１０が接触部３４に当接すると、接触部３４がロータ１０の回転軸Ｏに沿った軸周りに転動する。これにより、ロータ１０の回転に対して接触部３４が抵抗となることを抑制することができるので、計測作業を円滑に行うことができる。また、ロータ１０及び接触部３４の摩耗を抑制することができるので、ロータ１０及び計測装置３０の長寿命化と信頼性の向上とを図りつつ、本明細書の幾つかの実施形態に示す効果を享受することができる。

幾つかの実施形態において、接触部３４は、ロータ１０の回転軸Ｏと略平行な回転軸周りを含むあらゆる方向に回転可能な球体すなわちボールであってもよい。但し、他の実施形態において、接触部３４は、例えば、ロータ１０の回転軸Ｏと略平行な回転軸を有する略円柱状のローラ（図示略）であってもよいし、ロータ１０の回転軸Ｏに平行で、且つ、ロータ１０の回転方向の下流側でロータ１０に摺接する傾斜面を含む傾斜部（図示略）であってもよい。

幾つかの実施形態において、押え部材３６は、接触部３４側に該接触部３４と当接する当接面３６Ａを含んでいてもよい。当接面３６Ａは、接触部３４の形状に応じて該接触部３４と点接触、線接触又は面接触してもよい。押え部材３６のうち当接面３６Ａと逆側に位置する計測基準面３６Ｂは、例えば、ロータ１０の径方向と略直交する平面を有していてもよい。

幾つかの実施形態において、付勢部材４０は、例えば、金属又は樹脂等の弾性体で形成されていてもよく、例えば、コイルバネであってもよい。

幾つかの実施形態において、非接触センサ５０は、静電容量式センサ、レーザ変位計、又は、共焦点光学センサの少なくとも一つを含んでもよい。このような非接触センサ５０により、種々の回転機械１のケーシング２に適合する適切な計測装置３０を構成することができ、ロータ１０とケーシング２との間隔を容易に計測することができる。

一実施形態において、非接触センサ５０は、例えば、静電容量式センサであってもよい。静電容量式センサは、該センサ及び測定対象物間の静電容量を測り、測定された静電容量からセンサ及び測定対象物間の距離を算出するものである。この静電容量式センサは、測定対象物である回転体が導体（例えば、金属等）の場合に、該センサと回転体とを電気的に導通して対向配置することにより、両者の間に発生する静電容量から距離を算出する。
ここで、Ｃ＝センサ及び測定対象間の静電容量、Ａ＝電極への測定対象の投影面積、ｄ＝センサ及び測定対象物間の距離（クリアランス）、ε_ｒ＝真空誘電率、ε_０＝作動流体の比誘電率として、静電容量とクリアランスとの関係は次式（１）で表される。
［数１］
Ｃ＝ε_ｒ・ε_０・Ａ／ｄ （１）

幾つかの実施形態では、測定対象としてロータ１０の最外周をなす動翼１６の翼端と静電容量式センサとの間の距離が計測される。非接触センサ５０として静電容量式センサを用いる場合、他の非接触式のセンサと比較して小型であるため計測装置３０への組み込み性に優れており、且つ、安価であるため好ましい。

他の実施形態において、非接触センサ５０は、例えば、レーザ変位計すなわちレーザフォーカス式の光学式変位センサ（図示略）であってもよい。レーザ変位計は、特に限定しないが、例えば、測定対象物に向けてレーザビームを照射するとともに該測定対象物の表面における反射光を受信し、該反射光の信号強度を特定することで測定対象物との距離を検出するように構成される。
なお、光学式変位センサ（非接触センサ５０）は、押え部材３６の計測基準面３６Ｂのうち中央領域に対してレーザビームを照射し、当該領域からの反射光を検出するように構成されていてもよい。この場合、接触部３４の変位に応じて押え部材３６が移動する際に生じ得る押え部材３６の傾動が非接触センサ５０の計測結果に与える影響を低減できる。

他の実施形態において、非接触センサ５０は、例えば、共焦点光学式センサであってもよい。共焦点光学式センサは、例えば、不図示のコントローラ、センサ部及び光ファイバーケーブル等を含んで構成される。この共焦点光学式センサは、センサ部に設けられた複数のレンズ（マルチレンズ）を通して多色光源としての白色光を測定対象物の表面に合焦させる。白色光は各レンズの色偏差により単色光に分散される。上記共焦点光学式センサの工場出荷時には各波長の単色光に一定の距離が割り当てられており、測定対象物の表面に正確に焦点が合った波長の光（単色光）のみがピンホールを通過してスペクトルメータにより検出され、距離又は変位として出力される。
なお、共焦点光学式センサ（非接触センサ５０）は、押え部材３６の計測基準面３６Ｂのうち中央領域に対して光を照射し、当該領域からの反射光を検出するように構成されていてもよい。この場合、接触部３４の変位に応じて押え部材３６が移動する際に生じ得る押え部材３６の傾動が非接触センサ５０の計測結果に与える影響を低減できる。

幾つかの実施形態において、計測装置３０は、少なくとも接触部３４と押え部材３６とを収容する筐体３２と、接触部３４の出没方向において筐体３２とケーシング２との間に設けられる調整シム３８と、をさらに備えていてもよい（図３又は図４参照）。
上記のように構成すれば、調整シム３８の厚さを適切に調整することにより、筐体３２に収容された接触部３４のケーシング２からの最大突出量を調整することができる。したがって、調整シム３８の厚さを適切に調整することで、計測対象である回転機械１の仕様（例えば、ロータ１０の形状）に応じて、ロータ１０とケーシング２との間隔を計測するための好適な位置に筐体３２を設置することができる。
幾つかの実施形態において、筐体３２は、例えば、ロータ１０の径方向に沿う中心軸を有するように略円筒状に構成されていてもよい。この筐体３２におけるロータ１０側の端部は、接触部３４よりも小径の開口部３２Ａとされることで、接触部３４を保持するように構成されていてもよい。その際、開口部３２Ａの口径は、該開口部３２Ａからの接触部３４の突出量（寸法Ｄ）が、回転体の外周（例えば、動翼１６の端部）と接触可能な大きさに設定されることが好ましい。そして、上記の寸法Ｄが計測装置３０による計測可能範囲となる。
調整シム３８は、例えば、計測装置３０の筐体３２内に設けられる接触部３４のケーシング２からの突出量を調整するためのスペーサとして機能する。

幾つかの実施形態において、計測装置３０は、ロータ１０が定格運転時よりも低速で回転するターニング運転の際における、非接触センサ５０と計測基準面３６Ｂとの距離を非接触センサ５０により計測可能に構成されていてもよい。

ここで、作動流体によってロータ１０が回転される定格運転時には、作動流体の温度に起因する熱伸びや遠心力の影響によりロータ１０の径方向の寸法が伸びる。従って、ロータ１０とケーシング２との間隔が停止時よりも狭くなる。一方、定格運転時よりも低速で、作動流体の作用によらずにロータ１０を回転させる所謂ターニング運転の際は、熱伸びの影響がないため定格運転時に比べてロータ１０とケーシング２との間隔が広い。このため、典型的な計測方法に従い非接触センサ５０を用いてロータ１０までの距離を直接計測する場合、ロータ１０に対向するケーシング２の表面に非接触センサ５０の先端面が揃うようにケーシング２に取り付けられた非接触センサ５０とロータ１０との間隔がターニング運転時に広がってしまい、計測精度が低くなる傾向がある。
この点、上記の構成によれば、ロータ１０に当接する接触部３４と共に移動する押え部材３６の計測基準面３６Ｂと非接触センサ５０との距離に基づき、ロータ１０とケーシング２との間隔を非接触センサ５０で間接的に計測するため、ターニング運転の際におけるロータ１０とケーシング２との所謂初期クリアランスを、非接触センサ５０を用いて適切に計測することができる。

幾つかの実施形態において、計測装置３０は、ロータ１０の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、ロータ１０の回転数が５ｒｐｍ以下（好ましくは、ロータ１０の周速が３８０〜５１０ｍｍ／ｓｅｃ、又は、ロータ１０の回転数が４ｒｐｍ以下）である場合に、非接触センサ５０と計測基準面３６Ｂとの距離を非接触センサ５０により計測可能に構成されてもよい。このようにすれば、ロータ１０の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、回転数が５ｒｐｍ以下の状態において、非接触センサ５０を用いてロータ１０とケーシング２との間隔を適切に計測することができる。
幾つかの実施形態では、上記ターニング運転の際のロータ１０の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、ロータ１０の回転数が５ｒｐｍ以下（好ましくは、ロータ１０の周速が３８０〜５１０ｍｍ／ｓｅｃ、又は、ロータ１０の回転数が４ｒｐｍ以下）であってもよい。

図４に示すように、幾つかの実施形態において、計測装置３０は、筐体３２の内面と押え部材３６とに当接し、押え部材３６をロータ１０の径方向に沿って案内する案内部材６０をさらに備えていてもよい。案内部材６０は、例えば、リニアボール軸受であってもよい。リニアボール軸受は、接触部３４の出没方向（すなわち、ロータ１０の径方向）における押え部材３６の移動を円滑に行わせるためのものであり、例えば、無限軌道上に配置された複数のボールを備えた円筒状の軸受であってもよい。
他の実施形態において、案内部材６０は、例えば、ブッシュ等であってもよく、ブッシュには上記出没方向に沿う１以上のリニアガイドが設けられていてもよい。
上記のように構成すれば、案内部材６０により、押え部材３６の傾動を抑制しながら、押え部材３６をロータ１０の径方向に沿って案内することができる。これにより、非接触センサ５０に対する計測基準面３６Ｂの配向を略一定に維持することができるため、計測精度を向上させることができる。

図５に示すように、幾つかの実施形態において、計測装置３０は、接触部３４がロータ１０によって押圧されていない上記接触部３４の非押圧状態における計測基準面３６Ｂと非接触センサ５０との間の距離を調整するための距離調整部７０をさらに備えていてもよい。この構成によれば、距離調整部７０により、非接触センサ５０と計測基準面３６Ｂとの距離を増減させて調整することで、非接触センサ５０を較正することができる。
なお、距離調整部７０による非接触センサ５０の較正は、ケーシング２に計測装置３０を取り付けた状態で行ってもよい。この場合、非接触センサ５０の較正のために、計測装置３０をケーシング２から取り外す必要がなくなり、非接触センサ５０の較正作業を効率的に行うことができる。

幾つかの実施形態において、距離調整部７０は、非接触センサ５０に設けられた被係止部７４と、各々がケーシング２からの接触部３４の出没方向に沿う異なる位置で被係止部７４を係止するための複数の係止部７２と、を備えていてもよい（図５参照）。そして、係止部７２と被係止部７４とは、少なくとも一方が出没方向に沿う軸周りに回転されることで係合及び係合解除可能に構成されてもよい。このように構成すれば、係止部７２と被係止部７４との少なくとも一方を、接触部３４の出没方向に沿う軸周りに回転させることで、係止部７２と被係止部７４との係合及び係合解除を切り替えることができる。そして、係合解除の状態で接触部３４の出没方向に沿う異なる位置に設けられた複数の係止部７２に選択的に被係止部７４を係止させることにより、計測基準面３６Ｂに対する非接触センサ５０の配置を段階的に調整して位置決めすることができる。したがって、非接触センサ５０の出力値の大まかな較正を短時間に行うことができる。
幾つかの実施形態では、上記接触部３４の出没方向においてロータ１０から遠い側の係止部７２Ａが、筐体３２の内周に沿って略環状に設けられていてもよい（例えば、図６参照）。
被係止部７４は、非接触センサ５０のうちロータ１０とは反対側の端部に接続されたロッド７３と一体に回転可能に設けられていてもよい。この被係止部７４は、略円形の板状体を切り欠いて大径部７４Ａと小径部７４Ｂとを有するように形成されてもよい（例えば、図７参照）。小径部７４Ｂは、例えば、略円形の板状体の中心を挟んで径方向に対称な２箇所が切り欠かれていてもよい。大径部７４Ａの径は、筐体３２の内周と略同径であってもよい。かかる被係止部７４は、例えば、コイルバネ７５等の付勢部材により、押え部材３６の計測基準面３６Ｂから非接触センサ５０を離す方向に付勢されていてもよい。
接触部３４の出没方向においてロータ１０に近い側の係止部７２Ｂは、筐体３２の内周に沿って設けられ、且つ、上記被係止部７４の大径部７４Ａを上記出没方向に通過可能とする形状を有していてもよい（例えば、図８参照）。

図９は、一実施形態に係る計測方法を示すフローチャートである。
本発明の少なくとも一実施形態に係る計測方法は、回転機械１におけるロータ１０とケーシング２との間隔を計測するための計測方法であって、ケーシング２から部分的に出没可能に該ケーシング２に保持された接触部３４をロータ１０に接触させ（Ｓ１）、ロータ１０との接触時における接触部３４の変位を非接触センサ５０により検出し（Ｓ２）、検出された変位に基づきロータ１０とケーシング２との間隔を算出する（Ｓ３）。この方法によれば、接触部３４をロータ１０に当接させ、該ロータ１０の径方向に沿う接触部３４の変位を、非接触センサ５０で検出することにより、ロータ１０とケーシング２との間隔を容易に計測することができる。

幾つかの実施形態において、接触部３４の変位を検出するステップ（Ｓ２）では、接触部３４を挟んでロータ１０とは反対側に配置され、接触部３４とともに接触部３４の出没方向に移動可能に構成された押え部材３６の計測基準面３６Ｂと非接触センサ５０との間の距離の変化を接触部３４の変位として検出してもよい。この方法によれば、接触部３４の変位が押え部材３６の計測基準面３６Ｂと非接触センサ５０との間の距離の変化として間接的に計測される。これにより、接触部３４の出没方向に沿う押え部材３６の長さを、計測対象である回転機械１の仕様（例えば、ロータ１０の形状）に応じて、ロータ１０とケーシング２との間隔を計測するために好適で、且つ、非接触センサ５０で該非接触センサ５０と計測基準面３６Ｂとの間の距離を計測するために好適な長さに設定して計測装置３０を構成することができる。したがって、計測装置３０の設計の自由度が向上するとともに、ロータ１０とケーシング２との間隔を適切に計測することができる。

幾つかの実施形態において、上記方法は、押え部材３６を接触部３４に向かって付勢するステップをさらに備えていてもよい。この方法によれば、接触部３４は、押え部材３６を介してロータ１０側に突出する方向に付勢された状態でケーシング２に保持される。これにより、ケーシング２から部分的に突出した接触部３４がロータ１０側に付勢された状態を維持することができ、この接触部３４にロータ１０が当接した際に該接触部３４とロータ１０との間に隙間が生じることを抑制することができる。つまり、ロータ１０の形状に対する接触部３４の追従性を向上させることができるため、計測精度を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、上記間隔を算出するステップにおいて、ロータ１０が定格運転時よりも低速で回転するターニング運転の際における、ロータ１０とケーシング２との間隔を算出してもよい。この方法によれば、ロータ１０に当接する接触部３４と共に移動する押え部材３６の計測基準面３６Ｂと非接触センサ５０との距離に基づき、ロータ１０とケーシング２との間隔を非接触センサ５０で間接的に計測するため、ターニング運転の際におけるロータ１０とケーシング２との所謂初期クリアランスを、非接触センサ５０を用いて適切に計測することができる。

幾つかの実施形態において、上記間隔を算出するステップでは、ロータ１０の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、ロータ１０の回転数が５ｒｐｍ以下（好ましくは、ロータ１０の周速が３８０〜５１０ｍｍ／ｓｅｃ、又は、ロータ１０の回転数が４ｒｐｍ以下）である場合に、ロータ１０とケーシング２との間隔を算出してもよい。この方法によれば、ロータ１０の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、回転数が５ｒｐｍ以下の状態において、非接触センサ５０を用いてロータ１０とケーシング２との間隔を適切に計測することができる。

以上述べた構成によれば、非接触センサ５０により、ロータ１０とケーシング２との間隔を適切に計測可能な回転機械１を得ることができる。
また、幾つかの実施形態における非接触センサ５０は、接触部３４を介してロータ１０とケーシング２との間の距離を間接的に計測するように、ケーシング２の内部から離れた位置に設置されるため、使用温度範囲は高温タイプではなく汎用の常温タイプ（例えば、１００℃以下）で足りる。従って、非接触センサ５０として比較的、安価なものを用いることができる。
幾つかの実施形態では、例えば、計測装置３０を用いて、翼形状が異なる、異形式の回転機械１のロータ１０とケーシング２との間隔を計測する場合であっても、翼形状に合わせた演算式の変更やパラメータ値の補正を行う必要がなく、単一の同じ較正式を用いてロータ１０とケーシング２との間隔を計測することができる。
幾つかの実施形態では、計測基準面３６Ｂとの距離を非接触センサ５０で計測し、ケーシング２に対する計測装置３０の既知の据え付け寸法や公差等を考慮して演算することで、ロータ１０とケーシング２との間隔を計測してもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。

１ 回転機械
２ ケーシング（静止体）
３ ノズル構造体
１０ ロータ（回転体）
１２ ロータシャフト
１４ ロータディスク部
１６ 動翼
３０ 計測装置
３２ 筐体
３２Ａ 開口部
３４ ボール（接触部）
３６ 押え部材
３６Ａ 当接面
３６Ｂ 計測基準面
３８ 調整シム
４０ 付勢部材
５０ 非接触センサ
６０ 案内部材
７０ 距離調整部
７２，７２Ａ，７２Ｂ 係止部
７３ ロッド
７４ 被係止部
７５ コイルバネ

Claims (14)

1. 回転機械における回転体と静止体との間隔を計測するための計測装置であって、
   前記静止体から少なくとも部分的に出没可能に該静止体に保持された接触部と、
   前記接触部を挟んで前記回転体とは反対側に配置され、前記接触部とともに前記接触部の出没方向に移動可能に構成され、前記接触部とは反対側に位置する計測基準面を有する押え部材と、
   前記押え部材を前記接触部に向かって付勢する付勢部材と、
   前記押え部材の前記計測基準面に対向して配置された非接触センサと、
   を備え、
   前記非接触センサは、前記付勢部材としてのコイルバネの径方向内側において前記計測基準面に向かって延在する
   ことを特徴とする計測装置。
2. 前記接触部は、前記回転体の回転中心軸に沿った軸周りに転動可能に構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記計測装置は、前記回転体が定格運転時よりも低速で回転するターニング運転の際における、前記非接触センサと前記計測基準面との距離を前記非接触センサにより計測可能に構成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記計測装置は、前記回転体の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、前記回転体の回転数が５ｒｐｍ以下である場合に、前記非接触センサと前記計測基準面との距離を前記非接触センサにより計測可能に構成される
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の計測装置。
5. 前記非接触センサは、静電容量式センサ、レーザ変位計、又は、共焦点光学センサの少なくとも一つを含む
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の計測装置。
6. 少なくとも前記接触部と前記押え部材とを収容する筐体と、
   前記接触部の出没方向において前記筐体と前記静止体との間に設けられる調整シムと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の計測装置。
7. 前記筐体の内面と前記押え部材とに当接し、前記押え部材を前記回転体の径方向に沿って案内する案内部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
8. 回転機械における回転体と静止体との間隔を計測するための計測装置であって、
   前記静止体から少なくとも部分的に出没可能に該静止体に保持された接触部と、
   前記接触部を挟んで前記回転体とは反対側に配置され、前記接触部とともに前記接触部の出没方向に移動可能に構成され、前記接触部とは反対側に位置する計測基準面を有する押え部材と、
   前記押え部材を前記接触部に向かって付勢する付勢部材と、
   前記押え部材の前記計測基準面に対向して配置された非接触センサと、
   を備え、
   前記接触部が前記回転体によって押圧されていない前記接触部の非押圧状態における前記計測基準面と前記非接触センサとの間の距離を調整するための距離調整部をさらに備える
   ことを特徴とする計測装置。
9. 前記距離調整部は、
   前記非接触センサに設けられた被係止部と、
   各々が前記静止体からの前記接触部の出没方向に沿う異なる位置で前記被係止部を係止するための複数の係止部と、
   を備え、
   前記係止部と前記被係止部とは、少なくとも一方が前記出没方向に沿う軸周りに回転されることで係合及び係合解除可能に構成される
   ことを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の計測装置と、
    前記回転体及び前記静止体と、
    を備えたことを特徴とする回転機械。
11. 回転機械における回転体と静止体との間隔を計測するための計測方法であって、
    前記静止体から部分的に出没可能に該静止体に保持された接触部を前記回転体に接触させるステップと、
    前記回転体との接触時における前記接触部の変位を非接触センサにより検出するステップと、
    前記検出された変位に基づき前記回転体と前記静止体との間隔を算出するステップと、
    を備え、
    前記接触部の変位を検出するステップでは、
    前記接触部を挟んで前記回転体とは反対側に配置され、前記接触部とともに前記接触部の出没方向に移動可能に構成された押え部材の計測基準面と前記非接触センサとの間の距離の変化を前記接触部の変位として検出するとともに、
    前記接触部が前記回転体によって押圧されていない前記接触部の非押圧状態における前記計測基準面と前記非接触センサとの間の距離を調整するステップを備える
    ことを特徴とする計測方法。
12. 前記押え部材を前記接触部に向かって付勢するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の計測方法。
13. 前記間隔を算出するステップでは、前記回転体が定格運転時よりも低速で回転するターニング運転の際における、前記回転体と前記静止体との前記間隔を算出する
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の計測方法。
14. 前記間隔を算出するステップでは、前記回転体の周速が５５０ｍｍ／ｓｅｃ以下、又は、前記回転体の回転数が５ｒｐｍ以下である場合に、前記回転体と前記静止体との前記間隔を算出する
    ことを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか一項に記載の計測方法。

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