(57)【要約】【課題】情報処理負荷と反射板の取付作業を低減しつつ、タービン動翼の振動形態を同定することができるタービン動翼の振動計測方法及び振動計測システムを提供する。【解決手段】タービンロータ１００の周方向に沿って植込まれてシュラウド２００をそれぞれ有する複数のタービン動翼１０１を対象とした振動計測方法であって、ロータ半径方向外側から見て、隣接するシュラウド２００の間の間隙部２０３がロータ軸方向に対してなす傾斜角度θ１とは異なる角度θ２で、シュラウド２００の外周面毎に反射板２０４を1つずつ取り付け、静止側の光学式センサ１０２から回転側のシュラウド２００に対してロータ半径方向外側よりレーザ光を照射し、反射したレーザ光を光学センサ１０２で受光し、反射板２０４と間隙部２０３によるレーザ光の反射強度の変化を計測し、レーザ光の反射強度の変化のタイミングに基づいてタービン動翼１０１の振動形態を同定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータの周方向に沿って植込まれてシュラウドをそれぞれ有する複数のタービン動翼を対象とした振動計測方法であって、
ロータ半径方向外側から見て、隣接する前記シュラウドの間の間隙部がロータ軸方向に対してなす傾斜角度とは異なる角度で、前記シュラウドの外周面毎に反射板を1つずつ取り付け、
静止側の光学式センサから回転側の前記シュラウドに対してロータ半径方向外側よりレーザ光を照射し、反射したレーザ光を前記光学センサで受光し、
前記反射板と前記間隙部によるレーザ光の反射強度の変化を計測し、前記レーザ光の反射強度の変化のタイミングに基づいて前記タービン動翼の振動形態を同定することを特徴とするタービン動翼の振動計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載のタービン動翼の振動計測方法において、
前記光学センサで受光したレーザ光を電気信号に変換し、
前記電気信号の変化のタイミングを計測し、それに基づいて前記タービン動翼の振動形態を同定することを特徴とするタービン動翼の振動計測方法。
【請求項３】
請求項２に記載のタービン動翼の振動計測方法において、
前記反射板は、前記シュラウドの外周面より反射率が高いものであり、
前記シュラウドの外周面で反射したレーザ光を中位強度の電気信号、前記反射板で反射したレーザ光を高位強度の電気信号、前記間隙部で反射したレーザ光を低位強度の電気信号に変換して連続的に取得し、
前記高位強度の電気信号及び前記低位強度の電気信号の発生タイミングを計測し、それらに基づいて前記タービン動翼の振動形態を同定することを特徴とするタービン動翼の振動計測方法。
【請求項４】
タービンロータの周方向に沿って植込まれてシュラウドをそれぞれ有する複数のタービン動翼を対象とした振動計測システムであって、
ロータ半径方向外側から見て、隣接する前記シュラウドの間の間隙部がロータ軸方向に対してなす傾斜角度とは異なる角度で、前記シュラウドの外周面毎に１つずつ取り付けられた反射板と、
回転側の前記シュラウドに対してロータ半径方向外側よりレーザ光を投光し、反射したレーザ光を受光する静止側の光学式センサと、
前記反射板と前記間隙部によるレーザ光の反射強度の変化を計測し、前記レーザ光の反射強度の変化のタイミングに基づいて前記タービン動翼の振動形態を同定する演算処理装置とを備えたことを特徴とするタービン動翼の振動計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼の振動計測方法及び振動計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン又は蒸気タービンなどの動翼（回転翼）の振動を計測する手段の一つとして、動翼の表面に歪ゲージを貼り付け、歪ゲージの抵抗値をテレメータ（詳細には、歪ゲージの信号を電波に変調して転送する手段）などで伝達し、その抵抗値の変化に基づいて動翼の振動形態を同定する方法がある。他の手段として、静止体側に非接触型のセンサ（詳細には、例えば渦電流式又は光学式などのセンサ）を設け、動翼がセンサの検出領域を通過することでパルス信号を検出し、パルス信号の出現タイミングに基づいて動翼の振動形態を同定する方法がある。特に、タービンロータの周方向に沿って設けられた複数のタービン動翼を対象とする場合は、後者の方法が一般的となっている。
【０００３】
特許文献１は、光学式センサを用いて、タービン動翼の振動を計測する方法を開示している。特許文献１では、タービン動翼のシュラウドの外周面毎に、その外周面とは反射率が異なる複数のトリガーパターン（具体的には、ロータ軸方向に対する角度が互いに異なる、例えば３つの矩形状の反射板）を設けている。そして、光学式センサからシュラウドに対してレーザ光を照射し、反射したレーザ光を光学式センサで受光し、複数のトリガーパターンによるレーザ光の反射強度の変化を計測し、それらに基づいてタービン動翼の振動形態（詳細には、振動モード形状や振動方向）を同定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／００７８０９４号明細書（特に、図４参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術には次のような課題が存在する。すなわち、特許文献１では、タービン動翼のシュラウドの外周面毎に反射板を３つずつ取り付け、反射板によるレーザ光の反射強度の変化（パルス信号）を計測している。そのため、形状や強度が類似したパルス信号が連続して発生することになり、パルス信号と反射板との関連付けを行う処理が煩雑になる。また、ガスタービン又は蒸気タービンにおける各段落の動翼の枚数は、一般的に数十〜百数十であり、動翼毎に複数の反射板を取り付けるのは作業性の観点から現時的とは言えない。
【０００６】
本発明の目的は、情報処理負荷と反射板の取付作業を低減しつつ、タービン動翼の振動形態を同定することができるタービン動翼の振動計測方法及び振動計測システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、代表的な本発明は、タービンロータの周方向に沿って植込まれてシュラウドをそれぞれ有する複数のタービン動翼を対象とした振動計測方法であって、ロータ半径方向外側から見て、隣接する前記シュラウドの間の間隙部がロータ軸方向に対してなす傾斜角度とは異なる角度で、前記シュラウドの外周面毎に反射板を1つずつ取り付け、静止側の光学式センサから回転側の前記シュラウドに対してロータ半径方向外側よりレーザ光を照射し、反射したレーザ光を前記光学センサで受光し、前記反射板と前記間隙部によるレーザ光の反射強度の変化を計測し、前記レーザ光の反射強度の変化のタイミングに基づいて前記タービン動翼の振動形態を同定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、反射板によるレーザ光の反射強度の変化（パルス信号）だけでなく、シュラウド間の間隙部によるレーザ光の反射強度の変化（パルス信号）を計測する。これにより、形状や強度が異なるパルス信号が交互に発生することになり、パルス信号と反射板又は間隙部との関連付けを行う処理が容易になる。また、シュラウドの外周面毎に反射板を１つずつ取り付ければよいので、２つ以上ずつ取り付ける場合と比べ、反射板の取付作業を低減することができる。したがって、情報処理負荷と反射板の取付作業を低減しつつ、タービン動翼の振動形態を同定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態における振動計測システムの構成をタービン動翼とともに表す図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるロータ半径方向外側から見た複数のタービン動翼を表す図である。
【図３】本発明の一実施形態における光学式センサで受光した反射光の変化を表す図である。
【図４】本発明の一実施形態における電圧増幅装置で変換した電圧信号の変化を表す図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるロータ軸方向及びロータ回転方向におけるタービン動翼の振動変位量を演算する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態における振動計測システムの構成をタービン動翼とともに表す図である。図２は、本実施形態におけるロータ半径方向外側から見た複数のタービン動翼（Ｎ−１番翼、Ｎ番翼、及びＮ＋１番翼）を表す図である。
【００１２】
本実施形態の振動計測システムは、タービンロータ１００の周方向（回転方向）に沿って植え込まれた複数のタービン動翼１０１を対象とし、光学式センサ１０２、レーザ発信器１０３、光検出器１０４、電圧増幅装置１０５Ａ，１０５Ｂ、回転基準信号発生装置１０６、演算処理装置１０７、及びモニタ１０８を備えている。
【００１３】
各タービン動翼１０１の先端部にはシュラウド２００が形成されている。各タービン動翼１０１は、根元部から先端部にかけて捩れるように形成されており、ロータ回転時の遠心力によって捩じり戻り（アンツイスト）が作用する。すなわち、静止時には、ロータ周方向に隣接する各シュラウド２００は互いに非接触の状態であるが、定格回転時には前述の捩じり戻りによって互いに接触した状態となる。具体的には、図２で示すように、各シュラウド２００はロータ回転方向側と反回転方向側とに、互いに隣接するシュラウド２００との接触部が設けられている。図２の例では、各シュラウド２００にはロータ回転方向側でタービン動翼の背側の領域となる部位に凸部、反回転方向側でタービン動翼の腹側の領域となる部位に凹部が形成されており、これら凹凸部を構成する端面の一部が接触部２０１，２０２となる。そして、遠心力による翼の捩じり戻りを、隣接するシュラウド２００同士の接触部２０１，２０２で拘束することによって、剛性や振動減衰を高めている。
【００１４】
各シュラウド２００の外周面には、その外周面より反射率が高い矩形状の反射板２０４が１つ取り付けられている。反射板２０４は、図２で示すようにロータ半径方向外側から見て、ロータ軸方向に対して間隙部２０３（言い換えれば、シュラウド２００の凹凸部を構成する端面の内、捩じり戻りの拘束には寄与しない端面）がなす傾斜角度θ１（但し、θ１≠０）とは異なる角度θ２で取り付けられている。なお、反射板２０４の取り付け方法としては、接着材による接着や溶接などが考えられる。
【００１５】
光学式センサ１０２は静止体側に取り付けられており、レーザ発信器１０３及び光検出器１０４と光ファイバーケーブルを介して接続されている。レーザ発信器１０３は、レーザ光の供給源である。
【００１６】
光学式センサ１０２は、ロータ半径方向外側からロータ中心に向けて、すなわちタービン動翼１０１のシュラウド２００に対してレーザ光を照射するとともに、反射したレーザ光を受光する機能を有している。そして、ロータ１００の回転に伴い、光学式センサ１０２から発せられたレーザ光が図２中の走査線２０５上（言い変えれば、シュラウド２００の外周面、シュラウド２００間の間隙部２０３、及び反射板２０４）を走査するようになっている。
【００１７】
シュラウド２００の外周面で反射したレーザ光（反射光）の強度は、ほぼ一定の中位強度である。シュラウド２００間の間隙部２０３で反射したレーザ光（反射光）の強度は、前述した中位強度より著しく低い低位強度である。反射板２０４で反射したレーザ光（反射光）の強度は、前述した中位強度より高い高位強度である。そのため、光学式センサ１０２で感知された反射光強度は、例えば図３で示すように変化する。具体的に説明すると、Ｎ−１番翼のシュラウド２００とＮ番翼のシュラウド２００の間の間隙部２０３による反射光強度の変化が凹状のパルス信号３００として出現し、Ｎ番翼の反射板２０４による反射光強度の変化が凸状のパルス信号３０１として出現し、Ｎ番翼のシュラウド２００とＮ＋１番翼のシュラウド２００の間の間隙部２０３による反射光強度の変化が凹状のパルス信号３０２として出現する。
【００１８】
光検出器１０４は、例えばフォトダイオードなどで構成されており、光学式センサ１０２で受光した反射光を、その強度に対応した電圧信号に変換して電圧増幅装置１０５Ａ，１０５Ｂへ出力する。
【００１９】
電圧増幅装置１０５Ａは、光検出器１０４からの電圧信号を正の倍率で増幅して（詳細には、図４（ａ）で示すように、前述した凹状のパルス信号３００，３０２に対応する凹状のパルス信号３００Ａ，３０２Ａに増幅し、前述した凸状のパルス信号３０１に対応する凸状のパルス信号３０１Ａに増幅して）、演算処理装置１０７へ出力する。一方、電圧増幅装置１０５Ｂは、光検出器１０４からの電圧信号を負の倍率で増幅して（詳細には、図４（ｂ）で示すように、前述した凹状のパルス信号３００，３０２に対応する凸状のパルス信号３００Ｂ，３０２Ｂに増幅し、前述した凸状のパルス信号３０１に対応する凹状のパルス信号３０１Ｂに増幅して）、演算処理装置１０７へ出力する。
【００２０】
回転基準信号発生装置１０６は、タービンロータ１００の１回転（１周期）毎に回転基準信号を発生して演算処理装置１０７へ出力するようになっている。具体的には、例えば光学式センサ、レーザ発信器、光検出器、及び電圧増幅装置などで構成されている。タービンロータ１００の周方向の一部分には他の部分とは反射率が異なる回転基準部材（詳細には、例えば反射テープなど）が取り付けられている。そして、回転基準部材にレーザ光を照射し、回転基準部材で反射したレーザ光（反射光）を受光し、反射光を電圧信号に変換して回転基準信号を生成するようになっている。
【００２１】
演算処理装置１０７は、電圧増幅装置１０５Ａから入力した電圧信号に対し、予め設定されたトリガレベルＡ（図４（ａ）参照）より大きいかを判定することにより、反射板２０４に対応する凸状のパルス信号を抽出して、その発生タイミング（言い換えれば、反射板２０４が光学式センサ１０２の検出領域を通過する時刻）を記録する。また、ロータ回転方向における回転基準部材とタービン動翼１０１の位置関係が予め記憶されており、回転基準信号発生装置１０６から入力した回転基準信号の発生タイミングに基づき、抽出したパルス信号がいずれのタービン動翼１０１の反射板２０４に対応するものかを特定する。
【００２２】
また、回転基準信号の発生タイミングは、ロータ１００の回転位相に対応し、タービン動翼１０１の振動とは無関係なものとして扱うことができる。一方、各タービン動翼１０１の反射板２０４に対応するパルス信号の発生タイミングは、各タービン動翼１０１の振動に付随して変化するものである。そこで、ロータ１００の１回転毎に、回転基準信号の発生タイミングを基準として、各タービン動翼１０１の反射板２０４に対応するパルス信号の発生タイミングの相対値を演算する。さらに、回転前後におけるパルス信号の発生タイミングの相対値の差分を演算し、その差分に基づいて光学式センサ１０２の走査線２０５上における各タービン動翼１０１の反射板２０４の移動量（詳細には、後述する移動量λＮ２等）を演算する。
【００２３】
また、演算処理装置１０７は、電圧増幅装置１０５Ｂから入力した電圧信号に対し、予め設定されたトリガレベルＢ（図４（ｂ）参照）より大きいかを判定することにより、間隙部２０３に対応するパルス信号を抽出して、その発生タイミング（言い換えれば、間隙部２０３が光学式センサ１０２の検出領域を通過する時刻）を記録する。また、回転基準信号発生装置１０６から入力した回転基準信号の発生タイミングに基づき、抽出したパルス信号がいずれのタービン動翼１０１の間隙部２０３に対応するものかを特定する。
【００２４】
また、各タービン動翼１０１の間隙部２０３に対応するパルス信号の発生タイミングは、各タービン動翼１０１の振動に付随して変化するものである。そこで、ロータ１００の１回転毎に、回転基準信号の発生タイミングを基準として用い、各タービン動翼１０１の間隙部２０３に対応するパルス信号の発生タイミングの相対値を演算する。さらに、回転前後におけるパルス信号の発生タイミングの相対値の差分を演算し、その差分に基づいて光学式センサ１０２の走査線２０５上における各タービン動翼１０１の間隙部２０３の移動量（詳細には、後述する移動量λＮ１等）を演算する。
【００２５】
そして、光学式センサ１０２の走査線２０５上における各タービン動翼１０１の反射板２０４と間隙部２０３の移動量に基づき、各タービン動翼１０１の振動方向とその振動方向における振動変位量を演算する。その詳細を、図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて説明する。
【００２６】
図５（ａ）は、変位前のＮ番翼のシュラウド２００と変位後のＮ番翼のシュラウド２００’を表している。図５（ｂ）は、変位前のＮ番翼の反射板２０４と変位後のＮ番翼の反射板２０４’を表している。なお、これら図５（ａ）及び図５（ｂ）において、Ｎ番翼の振動方向とその振動方向における振動変位量ＸＮは同じである。また、ロータ軸方向の振動変位量ＸＮＡＮ及びロータ回転方向の振動変位量ＸＮＴＮも同じである。
【００２７】
変位前のＮ番翼のシュラウド２００は、光学式センサ１０２の走査線２０５上に位置する点Ｏ１を有しており、振動によって点Ｏ１が点Ｏ１’に変位する。また、変位後のＮ番翼のシュラウド２００’は、光学式センサ１０２の走査線２０５上に位置するＰ１を有しており、点Ｏ１と点Ｐ１の間隔は、上述のように演算した移動量λＮ１である。したがって、図５（ａ）で示す位置関係から、下記の式（１）を導出することができる。
【００２８】
同様に、変位前のＮ番翼の反射板２０４は、光学式センサ１０２の走査線２０５上に位置する点Ｏ２を有しており、Ｎ番翼の振動によって点Ｏ２が点Ｏ２’に変位する。また、変位後のＮ番翼の反射板２０４は、光学式センサ１０２の走査線２０５上に位置するＰ２を有しており、点Ｏ２と点Ｐ２の間隔は、上述のように演算した移動量λＮ２である。したがって、図５（ｂ）で示す位置関係から、下記の式（２）を導出することができる。
【００２９】
λＮ１＝ＸＮＴＮ＋ＸＮＡＮ×tanθ１  …（１）
λＮ２＝ＸＮＴＮ＋ＸＮＡＮ×tanθ２  …（２）
【００３０】
上記の式（１）及び式（２）からなる連立方程式を解くと、下記の式（３）及び式（４）を導出することができる。
【００３１】
ＸＮＡＮ＝（λＮ１−λＮ２）／（tanθ１−tanθ２）  …（３）
ＸＮＴＮ＝（λＮ２×tanθ１−λＮ１×tanθ２）／（tanθ１−tanθ２）  …（４）
【００３２】
そして、シュラウド２００間の間隙部２０３の傾斜角度θ１及び反射板２０４の角度θ２（但し、θ２≠θ１）が既知であるから、上記の式（３）及び（４）を用いて、ロータ軸方向の振動変位量ＸＮＡＮとロータ回転方向の振動変位量ＸＮＴＮを演算することができる。さらに、振動変位量ＸＮＡＮ，ＸＮＴＮを用いて、Ｎ番翼の振動方向とその振動方向における振動変位量ＸＮも演算することができる。
【００３３】
なお、モニタ１０８は、電圧増幅装置１０５Ａ，１０５Ｂからの電圧信号や、演算処理装置１０７による動翼振動解析に必要な他の情報をリアルタイムで表示するようになっている。
【００３４】
以上のように本実施形態においては、反射板２０４によるレーザ光の反射強度の変化（パルス信号）だけでなく、シュラウド２００間の間隙部２０３によるレーザ光の反射強度の変化（パルス信号）を計測する。これにより、形状や強度が異なるパルス信号が交互に発生することになり、パルス信号と反射板２０４又は間隙部２０３との関連付けを行う処理が容易である。また、シュラウド２００の外周面毎に反射板２０４を１つずつ取り付ければよいので、２つ以上ずつ取り付ける場合と比べ、反射板２０４の取付作業を低減することができる。したがって、情報処理負荷と反射板２０４の取付作業を低減しつつ、タービン動翼１０１の振動形態を同定することができる。
【００３５】
なお、上記一実施形態においては、図２で示すように反射板２０４の角度θ２≠０である場合を例にとって説明したが、これに限られず、反射板２０４の角度θ２＝０であってもよい。この場合、上記の式（３）及び式（４）を、下記の式（５）及び（６）に変形することができる。
【００３６】
ＸＮＡＮ＝（λＮ１−λＮ２）／tanθ１  …（５）
ＸＮＴＮ＝λＮ２  …（６）
【符号の説明】
【００３７】
１００    タービンロータ
１０１    タービン動翼
１０２    光学式センサ
１０７    演算処理装置
２００    シュラウド
２０３    間隙部
２０４    反射板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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