(57)【要約】【課題】ターボ機械システムの回転シャフトからの静的および動的なトルクと、線形および非線形の振動とを測定する高信頼性の手段を提供する。【解決手段】多分岐ファイバ束に基づいた光スプリッタ（２２）は複数の光ファイバ束により、光を少なくとも１つのターボ機械システムシャフト（２４）の表面まで伝送する。複数の光ファイバ束は一緒に、少なくとも１つのシャフト（２４）の端部間にほぼ軸方向に配列されている。システムは、シャフト表面から反射信号を受け取り、動的反射光信号を生成するように構成された、感光検出器（３４）のアレイまで送出するための、耐熱２分岐ファイバ束に基づいた反射プローブ（２６、２８、３０、３２）のアレイを含む。検出機構（３６）は、動的反射光信号のサインに応じて、ターボ機械システムシャフトのトルクまたは振動を時間領域および周波数領域の信号処理に基づいて算出する。【選択図】図２
2010008409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械システムシャフトの静的および動的トルク、振動モード、ならびに関連する動作状態を検出するシステム（１０）であって、
少なくとも１つのターボ機械システムシャフト（２４）の表面の近傍で、前記少なくとも１つのシャフト（２４）の端部間にほぼ軸方向に配列された複数の位置に一緒に配置されている複数の光ファイバ束（２２）を介して、光を前記少なくとも１つのシャフト（２４）の表面まで伝送するように構成された光源（１２）と、
前記少なくとも１つのターボ機械システムシャフト（２４）の回転中に伝送された光に応じて、前記少なくとも１つのターボ機械システムシャフト表面（２４）から反射された動的光を検出するように、またそこから動的反射光信号を生成するように構成された光検出器（３４）、ＣＣＤ検出器またはＣＭＯＳ検出器のアレイと、
前記動的反射光信号のサインまたはパターン認識に応じて、前記少なくとも１つのターボ機械システムシャフトのトルクまたは振動を時間領域および周波数領域の信号処理に基づいて割り出すように構成された検出機構（３６）とを備えるシステム（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのターボ機械システムシャフト（２４）が光符号化されている、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記振動がねじり振動である、請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記光符号化されたシャフト（２４）が、レーザ微細加工、レーザマーキング、または溶着のいずれかにによって直接、前記シャフト（２４）の表面に取り付けられた、または埋め込まれた光符号化機構を備える、請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記光符号化されたシャフト（２４）が、シャフト表面を通って所望の位置に配置されたＶ溝と、前記シャフト表面で所望の位置に配置された周期パターンまたは非周期チャープパターンと、前記シャフト表面で所望の位置に配置された単一の直線ラインパターンとから選択された、ある角度で前記シャフト周囲を取り囲む符号化機構を備える、請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記光符号化マークがシャフト周囲に対称に分布する、請求項５記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記振動が曲げ振動である、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項８】
各光ファイバ伝送路が、プラスチックファイバ、シリカファイバ、およびサファイアファイバから選択された多分岐ファイバ束を備える、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項９】
各光ファイバに対応する１×２または１×Ｎ反射プローブ（２６）、（２８）、（３０）、（３２）をさらに備え、各反射プローブが、前記光源（１２）から受け取った光をその対応する光ファイバ束に沿って前記少なくとも１つのシャフト（２４）の表面まで前記反射プローブの伝送レグを介して伝送するように構成され、さらに前記少なくとも１つのシャフト（２４）から反射された光を前記反射プローブ（２６）、（２８）、（３０）、（３２）の測定レグを介して受光するように構成された、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記検出機構が、ルックアップテーブルまたは式から、あるいは較正変換関数から取り込まれたトルクの絶対値に測定されるシャフトねじれ角の値が対応するように、少なくとも１つのターボ機械システムシャフトそれぞれで使用するための業界で認められた標準のトルクセンサを備える、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項１１】
前記検出機構が、対象となる所望の波長の受光された光の反射サインがいつ所望の閾値を超えるかを割り出し、前記反射信号サインと関連した差動時間遅延を前記反射信号差動時間遅延に基づいてシャフトねじれ角の値を割り出し、前記シャフトねじれ角に基づいてシャフトトルクを割り出すように構成された信号プロセッサ（３６）を備える、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項１２】
反射信号パターン認識を伴う前記信号プロセッサ（３６）がさらに、所望の反射信号間の望ましくない測定可能な差異を軽減するために、前記所望の反射信号間のどんな差異も較正するように構成される、請求項１１記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、ターボ機械システム動作状態を監視するための光ファイバ多パラメータ検出のシステムおよび方法に関し、より詳細には、ターボ機械システムからの静的および動的なトルクと振動の検出を同時に行うことができるシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械の、そのシャフトに沿って変化するトルクを測定することにより、設計技術者がシステム効率を確認し改善するための重要な情報が得られる。また、機械的調整不良、ロータとステータの間でのこすれる動き、シャフトのひずみ、継ぎ手の滑り、および他のランダムな力は通常、ロータおよびシャフトに静的および動的なトルクと、曲げ振動およびねじり振動とが加わる原因となり、このトルクおよび振動がほとんどの障害事象につながる。トルクおよび振動は重要なパラメータの一部であり、これらを測定して、蒸気タービン、発電機、負荷ギア、およびガスタービンを含みうるターボ機械システムの発電効率または劣化を監視することができる。これらは、抵抗ひずみゲージ、静止近接センサ、磁気ひずみセンサ、および磁気弾性センサによって測定することができる。回転に基づいたこれらのセンサは、ロータおよびシャフトの表面またはその近くに取り付けなければならないが、スペースの制約によりいつも可能とは限らない。これら従来の測定技術の実施には、残念ながら温度、圧力、隙間、湿度、および電磁干渉などの環境条件が変化するという困難が伴う。典型的なターボ機械システムは、約１００°Ｆ〜約１２００°Ｆの温度、および高い湿度のもとで動作するので、様々なねじり振動および曲げ振動にさらされ、また大きな動的機械変形、曲げ振動およびねじり振動による径方向の熱膨張条件にさらされる。これらはすべて、これらの検出デバイスの精度および寿命に影響を及ぼす。したがって、このような検出デバイスは、大型ターボ機械内の長期間動作では信頼性が低い。
【０００３】
ロータおよびシャフトのトルク検出には、タービンまたは他の回転デバイスが発生または消費する動力量を求めることが含まれる。産業界では、製造時、特に締結具が適用される場合にトルクを測定するようにＩＳＯ  ９０００および他の品質管理規格が現在要求される。過酷な条件下で検出が行われることが検出位置でいつも必要とされる蒸気タービンのロータおよびシャフトの表面など、ターボ機械システムの静的および動的なトルクを両方測定できる実用的な検出システムが現在のところ存在しない。
【０００４】
光に基づいた既知のトルク検出技術では、シャフト表面に埋め込まれたマイクロミラーからレーザビームを反射することによってトルクを測定する、自由空間に基づいたレーザビーム偏向方法を使用する。このようなデバイスは、蒸気によってレーザビームが吸収されることより、また蒸気流環境ならびに機械的調整および振動の影響を受けやすいマイクロミラーの光学表面維持要件により、蒸気タービン環境でインターフェースするのが困難である。
【０００５】
機械的変形および変位を測定するための、同様な光学インターフェースに基づいた振動測定システムが知られているが、これらのシステムは、熱で誘起される膨張により動的環境において光集束および信号完全性を維持するのが困難になるので、振動検出と関連する蒸気タービンロータシャフトの機械的変形をターボ機械システムが検出するようには設計されていない。
【０００６】
静止近接センサ、抵抗ひずみゲージ、磁気ひずみセンサ、磁気弾性センサなどすべての従来技術は、ターボ機械システム内で蒸気タービン環境などに機械の寿命の間耐えるのに十分なほど堅牢ではなく、またすべてが温度の影響を受けやすい。このような熱の影響を受けやすい特性が、重大な信頼性の問題を引き起こしたとともに、不正確であることの原因になっている。
【０００７】
現在の技術に関連する別の問題は、蒸気タービン環境などターボ機械システム内のこれら従来のトルク／振動検出デバイスの、それだけには限らないが、湿度、圧力、変動電磁界干渉、１００°Ｆ〜１２００°Ｆの温度、およびロータの曲げ振動またはねじれ振動を含む、設置パラメータが対象となっている。例えば、ひずみゲージはロータ表面に取り付ける必要があり、磁気ひずみセンサは、シャフト表面に近接して数百マイクロメートル未満のギャップまたは隙間で取り付ける必要がある。蒸気タービンの別々の段などの、ターボ機械システム内での温度変動は、大幅で過渡的なロータの熱膨張、および曲げ振動またはねじれ振動を誘起する。過酷な環境では、蒸気タービン−発電機、発電機−負荷ギア、および負荷ギア−ガスタービンの部分間、および個々の蒸気タービン段間での信頼性のあるトルク測定および振動測定により、動作を監視し、保守停止をより最適に計画して、タービンの稼働率および出力を最大にすることが可能になる。
【０００８】
さらに、蒸気タービン−発電機、発電機−負荷ギア、および負荷ギア−ガスタービンにおける負荷の移行によって引き起こされる曲げ振動およびねじり振動が、定常状態応力レベルを超える過渡振動を全負荷条件のもとで発生させることがある。こうした過渡的な非線形振動事象は、ベアリング摩耗、シャフトの曲げ変形、および高いトルク負荷を誘起し、他にも影響があるが、蒸気タービン発電システムの安定性を脅かす。加速度計、ひずみゲージ、近接プローブ、タコメータなど従来の振動検出技術は、それだけには限らないが、温度、圧力、蒸気、ほこり粒子、湿度、および高流量を含む蒸気タービンの過酷な環境条件によって、あるいは接触デバイスおよび電気検出デバイスとしてのそれらの性質によって制限されることがある。
【０００９】
安定した平衡状態に相当する通常のシャフト動作条件のもとでは、観察される低周波数のランダムな振動信号は小さくても、それがロータとステータの間でのこすれる動き、シャフトのひずみ、継ぎ手の滑り、および他のランダムな力から生じる可能性がある。曲げ振動モードは、主として回転システムの機械的調整不良、温度分布および不平衡により引き起こされ、ねじれ振動は、シャフト負荷条件変動で誘起したトルク動力学、および過渡的な回転速度変動によることがある。外部の未知の励起力、過渡的な動力切換え、および不安定な全体システム動作もまた、大きい振動振幅を有することがある過渡的な非線形振動モードを誘起しうる。さらに、タービンブレードの劣化が出力を低下させるが、これは、トルクの低下および振動周波数変化によって監視することができる。
【００１０】
上記を考慮して、蒸気タービンなどのオンラインターボ機械システムに、発電性能ならびに発電の効率制御および最適化を改善するためのトルク解析および振動解析の実際的な解決策を提供することは有利でもあり有益でもあるはずである。この解決策は、静的および動的なトルクと、回転シャフトからの線形および非線形の振動とを測定する高信頼性の手段、あるいは障害事象の診断および予知診断の高信頼性の手段を提供しなければならない。ターボ機械システム内のタービン部分間、および個々のタービン段間の高信頼性のトルク測定および振動測定により、動作を監視し、保守停止をより最適に計画し、それによってターボ機械システムの発電効率を最大にすることが可能になる。ターボ機械システム用の静的および動的なトルク検出のシステムおよび方法を、さらに確実に線形および非線形のシャフト振動特性を測定するように容易に適合させることができれば、さらに有利になるはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４０２５５６９９Ａ１号公報
【特許文献２】米国特許第６９８１４２３Ｂ１号公報
【特許文献３】米国特許第６５１３３９０Ｂ１号公報
【特許文献４】米国特許第７２６５３３６号公報
【特許文献５】米国特許第６０３１９４４Ａ号公報
【特許文献６】米国特許第６３１８１８７Ｂ１号公報
【特許文献７】米国特許第５７２３７９４Ａ号公報
【特許文献８】米国特許第５４７４８１３Ａ号公報
【特許文献９】米国特許第６８６５９５９Ｂ２号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００７００６８２８０Ａ１号公報
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７００３４００４Ａ１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】"Diagnosis Of Thermal Efficiency Of Advanced Combined Cycle Power Plants Using Optical Torque Sensor", Umezawa, Shuichi et al., Proceeding of PWR2005, ASME Power, April 5-7, 2005, Chicago, Illinois, USA
【非特許文献２】"Low-Cost Optical Neural-Net Torque Transducer", Fred M. Discenzo et al., 1999. The Institution of Electrical Engineers
【非特許文献３】"Diagnosis Of Thermal Efficiency Of Nuclear Power Plants Using Optical Torque Sensors", Umezawa, Shuichi et al., Proceeding of ICONE14, International Conference On Nuclear Engineering, July 17-20, Miami, Florida, USA
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
機械的調整不良、ロータとステータの間でのこすれる動き、シャフトのひずみ、継ぎ手の滑り、および他のランダムな力は通常、ロータおよびシャフトに静的および動的なトルクが加わる原因となり、一方、蒸気タービン−発電機、発電機−負荷ギア、および負荷ギア−ガスタービンにおける負荷の移行は、全負荷条件のもとで定常状態応力レベルを超えうる過渡的な曲げ振動およびねじり振動を発生させることがある。さらに、このような過渡的な非線形振動事象はまた、ベアリング摩耗、シャフトの曲げ変形、および高いトルク負荷を誘起し、他にも影響があるが、蒸気タービン発電システムの安定性を脅かすこともある。
【００１４】
ターボ機械システムによる発電の効率改善および最適化、障害事象の診断および予知診断では、オンライン検出システムによって監視することが必要になる。本明細書で説明する実施形態では、蒸気タービン内部で、あるいは蒸気タービン−発電機、発電機−負荷ギア、負荷ギア−ガスタービンの間で、回転シャフトからの静的および動的なトルクと、線形および非線形の振動とを測定する高信頼性の手段を提供する。どの解決策もまた、過酷な環境に検出プローブを設置するために、温度、湿度、圧力、および流量などの必要な動作条件を満たすことができる実際的なものである必要がある。
【００１５】
光ファイバに基づいた透過および反射の測定は、様々な検出用途に使用することができる。光の伝送および信号の捕捉は、密封ケーブルを介さなければならない。より重要なことには、トルクなどの静的および動的な問い合わせパラメータ、あるいは曲げ振動およびねじり振動のモードなどの線形および非線形の問い合わせパラメータの検出信号が復号され解析されなければならない。
【００１６】
したがって、野外設置可能な密封外装されたファイバ検出プローブと、多パラメータ検出のシステムおよび方法と、一般にはターボ機械システム、特に蒸気タービンなど極めて過酷な環境において分散され、安定で、かつ動的な諸パラメータを同時に検出するのに適した設置解決策とを提供することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一実施形態は、ファイバ束に基づいた光スプリッタを含む。このような光デバイスは、複数の位置への光伝送のために単一光源からの光を効果的に分割する。一実施形態によれば、光源は、ランダムパターン、半々パターン、一定パターン、または同軸パターンのいずれかの形で構成された複数の多モードファイバを含む。これらのファイバは、耐熱セラミック接着剤で一緒に接着され、ステンレス鋼などの金属材料で封止される。
【００１８】
本発明の別の実施形態は、１×２ファイバ束に基づいた反射プローブを含む。このような光デバイスは、光源を検出位置まで効果的に伝送し、同時にシャフト表面からの反射を捕捉する。これは、ランダムパターン、半々パターン、一定パターン、または同軸パターンのいずれかの形で構成された複数の多モードファイバを含む。これらのファイバは、耐熱セラミック接着剤で一緒に接着され、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）などの酸化防止金属材料で封止される。ファイバの一部は光を伝送するように構成され、ファイバの一部は信号の捕捉を検出するように構成される。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、埋込みＶ溝、あるいは微細加工で製作された周期パターンまたは非周期パターン、およびシャフト周囲に刻み込まれた直線ラインを用いる光符号化方法を含む。非周期符号化パターンは静的トルク検出に用いられ、周期パターンおよび直線ラインは、動的トルク検出およびねじり振動検出に用いられる。
【００２０】
別の実施形態によれば、１×Ｎ光ファイバ束を介してターボ機械システムのシャフト表面の複数の位置まで光を伝送するように構成された光源を含む光ファイバ検出システムおよび方法が提供され、シャフト表面の複数の位置は、少なくとも１つのシャフトの端部間にほぼ軸方向に配置され、その結果、少なくとも１つのシャフトに負荷がかけられている間、複数の動的反射光信号がシャフト表面の複数の位置から受け取られるようになり、どの位置からの反射信号も密封された１×２反射プローブにより捕捉され、複数の反射プローブからの信号は、時間領域と周波数領域両方でのさらなる解析のために感光検出器のアレイまで送出される。トルクおよびねじり振動は、機械的に刻まれたＶ溝によって、または微細加工で製作されたパターンによって符号化される。光ファイバ検出システムおよび方法の一実施形態は、少なくとも１つのターボ機械システムシャフトの回転中に伝送された光に応じて、少なくとも１つのターボ機械システムシャフト表面から反射された動的光を検出するように、またそこから動的反射光信号を生成するように構成された感光検出器のアレイを含む。シャフトトルクおよびシャフト振動特性は、連続光励起により、または周波数変調された光により符号化シャフト表面から受け取られた反射光信号の少なくとも１つの特性、およびロックインに基づいた信号処理に基づいて求められる。
【００２１】
別の実施形態によれば、動作状態と関連するターボ機械システムの曲げ振動モードおよび非線形振動事象を検出する光ファイバ検出システムは、１×Ｎ光カプラを介してターボ機械システムの複数のシャフト表面位置まで光を伝送するように構成された周波数変調光源と、時間領域と周波数領域両方の信号解析用感光検出器のアレイと接続された複数の密封１×２反射プローブで受け取られる動的反射光信号とを含む。ファイバ反射プローブは、機械的符号化または光符号化シャフト表面が不要なシャフト表面の近傍の複数の位置に配置される。一実施形態はさらに感光検出器のアレイを含み、この検出器は、少なくとも１つのターボ機械システムシャフト表面から反射された動的光をそこからの動的反射光信号に応じて検出するように構成された、電荷結合検出器（ＣＣＤ）または相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器とすることができる。線形および非線形で一定および瞬時のターボ機械システム振動状態を確定するために、測定された動的反射の高速フーリエ変換が用いられる。
【００２２】
本発明の上記および他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばよりよく理解されよう。図面全体を通して同じ文字は同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態によるターボ機械システムの光ファイバトルクおよび振動検出計測装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による蒸気タービン用の、光ファイバ位相シフトに基づいたトルク検出システムを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による光ファイバトルクセンサに関する信号の符号化および処理の方式を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による多点差分位相シフトに基づいてトルク測定値を求める技法を示す簡略図である。
【図５】本発明の一実施形態によるトルク検出のためのパルス光源幅条件を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるベースライン信号と、入力光源パルス幅を変化させることによって測定された静的および動的なトルクの信号とを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による光源を複数の反射プローブへ伝送するための多分岐ファイバ束を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による光を伝送しシャフト表面から光を受け取るための６×１ファイバ構成による反射プローブを示す図である。
【図９】本発明の一実施形態によるシャフト表面からのトルク検出プローブ構成の距離、およびその対応する運用動作点を示す図である。
【図１０】図９に示されたトルク検出プローブについてそれぞれ異なる運用動作点における反射レベルを示す図である。
【図１１】本発明の特定の実施形態によるＶ溝ラインおよび直線ラインを含むシャフト表面符号化法を示す図である。
【図１２】図１０に示された３つのシャフト表面符号化パターンをさらに詳細に示す図である。
【図１３】１つの運用動作点におけるそれぞれ異なる符号化パターンからのトルク検出信号を示す図である。
【図１４】１つのサイクル内での直線ライン符号化シャフト表面からの、それぞれ異なるプローブによる静的トルク信号を示す図である。
【図１５】１つのサイクル内でのＶ溝ライン符号化シャフト表面からの、それぞれ異なるプローブによる静的トルク信号を示す図である。
【図１６】時間の関数としての第１のプローブとｋ番目のプローブの間の時間遅延による動的なトルク検出信号を示すグラフである。
【図１７】本発明の一実施形態による周期的なラインで符号化されたシャフト表面からの反射信号を示すグラフである。
【図１８】本発明の一実施形態による測定トルクと対応するねじれ角とを示すグラフである。
【図１９】本発明の一実施形態による蒸気タービン用光ファイバ振動監視システムの一部分を示す図である。
【図２０】本発明の一実施形態による、レーザ光信号を光ファイバ束を介して４つの反射プローブまで伝送し、それに応じる４つの反射プローブからの複数の反射信号を受け取る技法を示す図である。
【図２１】本発明の一実施形態による動的反射に基づいた曲げ振動信号検出の原理を示す図である。
【図２２】本発明の一実施形態による多点動的反射に基づいたねじり振動信号検出技法を示す図である。
【図２３】本発明の一実施形態による多点動的反射に基づいたねじり振動時間領域信号を示す図である。
【図２４】本発明の一実施形態による多点動的反射に基づいた、プローブからのねじり振動スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
上記の特定の図は代替実施形態を示すが、本発明の他の実施形態もまた、議論で言及するように企図されている。すべての場合で、本開示は、本発明の図示の実施形態を限定ではなく代表として提示する。本発明の原理および趣旨の範囲に入る多数の他の改変および実施形態が当業者によって考案されうる。
【００２５】
ここでは、一実施形態による、ターボ機械システムの発電効率を改善するための、あるいは劣化状態および起こりうる障害事象を監視するための、過酷な環境での光ファイバに基づいた静的および動的なトルクおよび振動の検出システムを説明する。温度の影響を受けやすい従来の静止近接センサ、磁気ひずみセンサ、および磁気弾性センサとは異なり、ここで説明する光ファイバ多パラメータ検出システムの実施形態は、熱の影響を受けず、また多分岐ファイバ束プローブによって多重化されており、このプローブは、多点のターボ機械システム構造上の健全な状態監視のために、蒸気タービン内でそれぞれ異なる圧力段に分散されるか、あるいは蒸気タービン−発電機、発電機−負荷ギア、負荷ギア−ガスタービンの間、および／またはコンプレッサ段の間に配置される。
【００２６】
例えば図１は、本発明の一実施形態によるターボ機械システムの光ファイバトルクおよび振動検出計測装置２００を示す。光ファイバトルクおよび振動検出計測装置２００は、蒸気タービン２０２の内部、蒸気タービン２０２と発電機２０４の間、発電機２０４と負荷ギア２０６の間、負荷ギア２０６とガスタービン２０８の間、およびガスタービン２０８の内部で、多点のターボ機械動作状態または動作条件の監視を行うように構成される。光ファイバ検出システムは、障害事象の診断、予知診断、および長期の動作監視のために、蒸気タービン内またはガスタービン内で局所的に分散させることができ、あるいは蒸気タービンから発電機、負荷ギア、ガスタービンまで、ターボ機械システム内全体に分散させることができる。
【００２７】
次に、シャフト表面２４に沿って配置された多ファイバ束検出プローブに関する図２を参照して説明すると、光ファイバ検出システムの一実施形態は、マイクロ秒のパルス持続時間で変調されるか、あるいは連続モードで動作する可視（４０５〜６７１ｎｍ）から近赤外線（１．０〜１．７μｍ）の多色照明（例えば多波長レーザまたは広帯域ＬＥＤ）源１２を含む。照明源は１×Ｎの光スプリッタによって複数の枝路に分割されて、ターボ機械シャフト表面２４上の別々の領域１４、１６、１８、２０に送出され、各領域が光学的または機械的な符号化機構３８を含み、１×２の耐熱ファイバ束に基づいた反射プローブ２６、２８、３０、３２が、シャフト表面近傍で反射信号を受け取り、これらの信号を感光検出器のアレイ３４および信号処理ユニット３６に送出するために使用される。光源が変調される場合は、多チャネルカウントロックイン増幅器が、高速フォトダイオード検出器アレイ３４と多色照明源１２の間の必要なハンドシェーキングを行う。
【００２８】
照明源は、すべての反射プローブ２６、２８、３０、３２が光符号化シャフト表面１４、１６、１８、２０からの最大反射サインを検出することが可能になる連続波とすることができる。少なくとも１つのターボ機械システムシャフト表面から反射された静信号は、いずれか２つのプローブ信号からの反射サインの差をとることによって解析される。静的なシャフトねじれまたはシャフトトルクは、いずれか２つの反射プローブの光符号化信号サイン間の差から求められる。
【００２９】
光信号持続時間がまず、すべての反射プローブ２６、２８、３０、３２がシャフト表面エンコーダ３８からの最大反射差を検出できるように変調される。少なくとも１つのターボ機械システムシャフト表面から反射された動信号は、いずれか２つのプローブ信号間の時間遅延の差をとることによって解析される。時間遅延は、いずれか２つの反射プローブからの、符号化シャフトで誘起した反射サインに基づく。次に、動的なシャフトトルクがシャフト回転速度、およびシャフト材料弾性係数によって求められる。
【００３０】
動的トルク検出システム１０によってもたらされる特徴は、トルクで誘起された時間遅延を捕捉するのに必要な時間と等しくなるように光パルス持続時間を変調することによって、あるいはターボ機械シャフト表面２４上の符号化高反射性細片縁部から出る立上がり信号時間遅延の差をとることによって、トルクを検出できることである。さらに、反射サイン信号の高速フーリエ変換により、ねじり振動と障害に伴う振動の両モードのオンライン解析を行うこともできる。
【００３１】
静的および動的トルク検出システム１０によってもたらされる別の特徴は、その位相に基づいたトルク算出であり、これは、反射信号強度に依存せず、そのために、腐食、シャフト表面浸食、または反射プローブ２６、２８、３０、３２とシャフト表面エンコーダ３８の間の光路中の汚染物質による反射率低下または散乱光変動の悪影響を受けない。
【００３２】
第３の特徴は、ターボ機械シャフト表面２４と反射プローブ２６、２８、３０、３２の間の比較的大きい隙間（１〜１０ｍｍ）を対象とし、この隙間により、ターボ機械ロータの曲げ振動またはねじり振動、および径方向熱膨張が許容される都合のよい設置方法が得られる。
【００３３】
静的および動的トルク検出システム１０によってもたらされるさらに別の特徴は、その多波長照明源１２であり、これは、光源の２つの波長または多波長を用いた差動同時トルク検出によって、トルク検出が決して湿度、炭化水素油および汚れの影響を受けないようにする。一方、シャフト周囲を取り囲むシャフト表面エンコーダはさらに、汚染エンコーダにより起こりうるひずみ反射サインを軽減する。
【００３４】
トルク検出システム１０の一実施形態では、室温での動作時に０．０５°よりもよいトルク検出分解能を実証し、約１２００°Ｆでは分解能は０．１°よりもよいはずである。
【００３５】
要約して説明すると、光ファイバ検出システム１０は、蒸気タービンなどのターボ機械システム内に、別々の圧力段でロータシャフトトルクを監視するために簡単に設置できる単独型の計測器を実現する。この計測器の主要な構成要素は、照明源（例えば、多色レーザまたは広帯域ＬＥＤ）１２、多分岐光ファイバスプリッタ２２、１×２耐熱反射検出プローブアレイ２６、２８、３０、３２、感光検出器のアレイ３４、信号プロセッサ３６、および関連する信号処理ソフトウェアである。符号化シャフト表面は、このような光ファイバ検出システムが静的トルク、動的トルク、およびロータねじり振動などいくつかの重要なパラメータを測定することを可能にする。他の特徴には以下が含まれる。
【００３６】
光ファイバに基づいた検出システム１０は、位相シフトおよびＦＦＴに基づいた符号化信号処理と一体化された波長多重化に基づく技術である。シャフト動作状態監視方法を実現するために、検出信号は、高温耐性ファイバ２６、２８、３０および３２を介して符号化シャフト表面２４との間で送受信され、この方法は、どんな過渡的な動力変動で誘起される電磁干渉にも受動的である。
【００３７】
トルクとねじれ振動の同時検出により、光ファイバの反射に基づいた１つの検出システムで「静的」および「動的」両方の検出方法が実現し、この検出システムは、蒸気タービンなどの下位システムに対しては縮小でき、発電所のターボ機械システム全体に対しては拡大することができる。静的応答と動的応答の組合せにより、ベースラインドリフトおよび頻繁な再較正と関連する現在の静止近接センサ、抵抗ひずみゲージ、磁気ひずみセンサおよび磁気弾性ひずみセンサの問題、ならびに電磁干渉問題を克服する独特の解決策が得られる。
【００３８】
ターボ機械システムが蒸気タービン、ガスタービンおよび発電機を含むので、これら下位システムのほとんどは、これらの検出デバイスを高信頼で使用するのに重大な影響を及ぼしうる室温から約１２００°Ｆまでの温度で、かつ様々の圧力、様々の振動で、またロータの熱膨張時に動作する。多分岐ファイバ束に基づいた反射検出プローブ２６、２８、３０、３２は、高温および高圧に耐えることができ、どのシャフト表面部分に配置するにも十分なだけ柔軟性があり、それによって、環境条件の影響を受けない監視方法が得られる。
【００３９】
光ファイバ反射検出プローブ２６、２８、３０、３２はアレイとして配置することができ、したがって、単一のレーザ源またはＬＥＤ光源を多くの個別検出プローブに分割して、高い空間分解能の測定を行うことができる。したがって、光ファイバ検出システム１０は、蒸気タービンの高圧（ＨＰ）段、中圧（ＩＰ）段、および低圧（ＬＰ）段と関連するものなど、高い空間分解能で局所的検出を必要とする応用例、または大規模な多点シャフト動作状態監視を必要とする応用例に理想的である。
【００４０】
システム内に多波長光ビームを使用すると、別々の波長による各検出信号の差を同時にとることによって、炭化水素油、汚れ、または腐食性表面が潜在的な問題となりうるどんな場合でも、より信頼性のあるシャフト状態監視が可能になる。これは、ある特定の波長がこれらの汚染物質によって強く吸収されることがあり、それが信号を低下させ、または失わせることさえあるのに対して、他の波長ではわずかな吸収があるだけということがあり、その結果、わずかしか吸収されなかった２つのビームの差で、過酷な環境でパラメータを測定する高信頼性の方法を実現できるからである。
【００４１】
光符号化機構（例えば、シャフト符号化反射細片）３８による時間遅延と、相互相関関数のノイズ抑圧包絡線および搬送波を回復するための信号プロセッサ３６による、ＦＦＴに基づいたセンサ信号の相互相関およびフィルタリングとにより、静的および動的トルクのリアルタイムオンライン解析技術も監視技術も実現する。一実施形態によれば、均一に間隔をあけた一連のラインを有するシャフト表面符号化反射細片が、各反射プローブ信号からの周期的にゲート制御されるＤＣ＋搬送波信号をつくり出す。別の実施形態によれば、チャープすなわち不均一に間隔をあけた一連のラインを有するシャフト表面符号化反射細片が、各反射プローブ信号から連続チャープ搬送波信号をつくり出す。このような符号化信号パターンは、トルク振動モードおよびねじり振動モードなど静的および動的両方の検出パラメータに対する特有の反射サインを与える。
【００４２】
相互相関関数のノイズ抑圧包絡線および搬送波を回復するための、ＦＦＴに基づいた反射信号の相互相関およびフィルタリングは有利なことに、光ビーム反射率変化で誘起する可能性のあるどんな検出精度低下も解決する。これは、角度変位に関連した機械的変形およびシャフト表面ねじれ、または角度変位を求めるのに、包絡線からまず全体シフトを導き出し、次に、任意の搬送波位相シフトから正確なシフト（搬送波周期の半分以内）を導き出すことによって達成される。この技法は、静的および動的なトルク状態監視を実現するだけでなく、有利なことに、時間遅延信号のＦＦＴ解析からロータのねじれ振動または曲げ振動を同時に測定する直接的方法も実現する。
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態による光ファイバ検出システム１０とともに使用するのに適した信号符号化および処理体系７０を示す図である。全体として、上述の位相シフトトルク検出技術と、ＦＦＴに基づいた信号処理の方法およびシステム７０とは、環境温度変化と、とりわけ腐食および浸食によるシャフト表面の不完全性とにかかわらず、自己較正能力を伴ってロータの静的および動的なトルクの同時検出に使用することができる。
【００４４】
さらに、絶対反射光強度ではなく、上述の反射信号サイン解析技術と、ＦＦＴに基づいた信号処理方法および体系７０とで、デジタル化角度変位に基づいた対検出パラメータ応答を行うことができ、これは、従来の強度または反射に基づいたアナログ検出技術よりもずっと信頼性が高い。上述の多分岐ファイバスプリッタ２２および同軸トルク検出プローブ２６、２８、３０、３２は、光学調整の必要がないシステムを実現し、それによってシステムの可用性を大幅に改善し、システム保守要件を軽減する。
【００４５】
信号符号化および処理体系７０は、一実施形態によりトルクおよびねじり振動情報符号化用に間隔を均一にまたは変化させてあけた一連のラインで符号化された、ターボ機械シャフト反射細片３８から出る反射パルス光（すなわちレーザまたはＬＥＤ）信号に基づいて、周期的にゲート制御されるＤＣ＋搬送波信号、または非周期チャープＤＣ＋搬送波信号をつくり出す。一実施形態による光符号化機構３８は、シャフト表面２４の所望の位置に埋め込まれたＶ溝または金属バーコードを伴って、上述のように入射光（すなわちレーザまたＬＥＤ）信号を反射する。
【００４６】
ターボ機械シャフト２４の表面はそれ自体、シャフト表面の他の領域と比較して異なる深さを有する領域を設けるために、それだけには限らないが、表面のきめを変えることによって改変することができる。光符号化機構３８は、例えば、シャフトの表面を通して所望の位置にＶ溝を形成することによって実施でき、その結果、対応する時間遅延をどこか２つのＶ溝位置から検出してシャフトねじれ角の値を求めることができるようになり、この値は、シャフトトルクを算出するのに使用することができる。
【００４７】
ターボ機械のシャフトの上または中に適用される光符号化機構はまた、それだけには限らないが、周期パターンまたは非周期チャープパターン、あるいは単一の直線ラインパターンを所望の位置でシャフト表面の上または中に付ける、または他の方法で生成することにより実施することができ、その結果、対応する時間遅延を検出できるようになる。
【００４８】
ＦＦＴ６８に基づいた相互相関６４、およびセンサ信号６２のフィルタリング６６は、信号処理のために相互相関関数のノイズ抑圧包絡線および搬送波を回復するように機能する。粗い推定（総シフト）７６はノイズ抑圧包絡線から導き出され、精密なシフト（搬送波周期の半分以内）７２は、搬送波位相シフトから導き出されて高精度の位相シフト推定値７４が得られ、この推定値は次に、所望のシャフトねじれおよびシャフト振動の情報の正確な算出を支持するのに使用することができる。
【００４９】
次に、光が多分岐光ファイバ光スプリッタ２２を介してシャフト２４の表面に当てられる。光源は、それだけには限らないが、ＬＥＤ光源、レーザ光源、または白色光源などの広帯域光源、あるいは、ここでより詳細に説明するようなシャフト汚染などに強い多色光源とすることができる。無垢または完全なシャフトでは、ここで説明する原理によるシステムおよび方法を実現するのに、１波長の光しか必要としない。
【００５０】
一実施形態によれば、光ファイバスプリッタ２２はファイバ束であり、これは、上述のような光源１２からの光を受け取り、ターボ機械シャフト表面２４の特定の領域に至る個別の光ファイバに分岐（分裂）する。分岐の各レグは、光が進まなければならない各レグの間での距離の相対差により、分岐の他のレグに伴うものとは異なる光振幅を伴う。しかし波長は、光サインがレグの端部で一定のままになるように、各レグで同じである。光ファイバ相互接続による多波長の光の伝送は、ここで説明する原理により同時に行うことができる。一実施形態による光ファイバ相互接続を以下で図７を参照してより詳細に説明する。このような光デバイスは、ランダムパターン、半々パターン、一定パターン、または同軸パターンのいずれかの形で構成された複数の多モードファイバを含む。これらのファイバは、耐熱セラミック接着剤で一緒に接着され、ステンレス鋼などの金属材料で封止される（１５００°Ｆまでの動作範囲）。
【００５１】
光ファイバ相互接続の各レグは、入射／伝送レグ、および検出／測定レグを有する反射プローブ２６、２８、３０、３２に結合される。入射レグは、入射光をシャフトの表面に加え／伝送し、測定レグは、入射光に応じてシャフト表面で反射された変更されている光を検出する。各反射プローブは、シャフトの表面に近接して配置される。反射プローブの一実施形態を以下で図８を参照してより詳細に説明する。１×２ファイバ束に基づいた反射プローブは、ランダムパターン、半々パターン、一定パターン、または同軸パターンのいずれかの形で構成された複数の多モードファイバを含む。これらのファイバ（２０００°Ｆまでの動作範囲）は耐熱金属接着剤（２０００°Ｆまでの動作範囲）で一緒に接着され、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）  ６２５（２１００°Ｆまでの動作範囲）などの酸化防止金属材料で封止される。
【００５２】
反射プローブ測定レグは、フォトセンサアレイ３４、すなわちＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの感光検出機構に結合される。対象となる波長の反射光の反射パターンは、対象となる信号を発生する光検出機構によって測定される。
【００５３】
信号処理は、シャフトが静止している間にファイバによって搬送される各測定信号間に測定可能な差が存在しないように、ターボ機械シャフトに沿って別々の位置から受け取られた各反射信号間に差があればそれをまず較正することから開始する。したがって、トルク測定エラーの原因になりうるものは何でもトルク計算から取り消される。
【００５４】
上述の構造および原理を念頭におくと、加えられるどんなトルクでも、反射プローブ間の初期アラインメントを変化させるターボ機械シャフトのねじれを引き起こす。ファイバ反射プローブ間の反射サインの変化があればそれが測定されて信号情報が取り込まれ、この信号情報は、静的および動的トルクによるシャフトねじれのそれぞれの変化（ねじれ値）およびその動的変動を求めるのに使用することができる。所望のシャフトトルクおよびねじり振動の情報（トルク値）は、ねじれ値およびその時間依存性から求められる。
【００５５】
このトルク値は、２つの技法のうちの１つによって求めることができる。第１の技法は、一般に認められた標準のトルクセンサを使用する較正によるもので、このトルクセンサは、ルックアップテーブルを用いてねじれの測定値をトルクの絶対値と関連付ける。第２の技法は、ねじれの測定値に基づいてトルクを計算する数式を用いた解析手法によるもので、形状、材料弾性係数などのシャフト特性に依存する。このような数式および変換関数は、信号処理ソフトウェアに埋め込まれる。
【００５６】
ここで説明した光ファイバに基づいた計測装置を使用すると、有利なことに、自由空間光学部品を扱う場合に特別なレンズ、プリズム、回折格子、およびこの業界の他の同様なツールが不要になり、焦点距離、焦点などに影響する温度変化に対処する調整の問題が回避される。ここで説明した光ファイバ機構を使用するとまた、光学レンズホルダ、台および金属部品の温度に依存する機械的特性に対処する問題も軽減される。
【００５７】
位相測定だけに基づいてトルク値を求めると、測定信号中にあいまいさが生じうる。これらのあいまいさは、一実施形態によれば、図３を参照して上記で説明したような光符号化反射サイン信号処理技法を実施することによって軽減することができる。
【００５８】
ここで説明したような光ファイバおよび分散検出技法を用いると、有利なことに、１セットの計測装置を使用することで個別の検出器を不要にすることができる。本発明の上述の実施形態によれば、多数の波長を有し、長期にわたると生じうる様々な種類のシャフト汚染を貫通できる広帯域光源を使用して、マルチパラメータ検出システムを実施することができる。さらに、ここで説明した多分岐ファイバ束を使用すると、それだけには限らないが、自由空間光学部品システムの故障と関連するものなど、レンズの汚れおよび焦点はずれを引き起こしうる高温、湿度および化学物質蒸気の影響を受けにくい堅牢な検出システムが実現する。
【００５９】
図４は、本発明の一実施形態による多点差分位相シフトに基づいてトルク測定値を求める技法を示す簡略図である。ターボ機械シャフト２４の表面は、本発明の一態様による均一に間隔をあけた一連のラインを有する１つまたは複数の符号化反射細片３８を含む。ターボ機械シャフト２４に加わるトルクでシャフトがねじれて、シャフト２４の角度変位４０が生じる。
【００６０】
多分岐ファイバ束４２、４４は、パルスレーザビームをシャフト表面２４まで伝送するとともに、そこからの反射信号を受け取る伝送媒体を提供する。反射信号は、図２に示されたような感光検出器３４で受け取られる。２つの反射プローブ間の位相シフトは、時間領域におけるそれらの最大反射ピーク位置とのそれらの時間差によって求めることができる。
【００６１】
ベースラインすなわち最初の時間信号４８は、光ファイバ４２を介してパルスレーザビームに基づいて測定される。別の時間遅延信号５０は、光ファイバ４４を介してパルスレーザビームに基づいて測定される。より具体的には、トルク変位４０は、符号化シャフト表面１４、１６、１８、２０などに至る伝送パルスレーザビームに応じた各受信反射信号の間の時間遅延差に基づいて算出される。
【００６２】
反射細片３８のトルク変位４０は、次式で表すことができる。
【００６３】
トルク変位Δα＝Δｔ×ｖ、ここでΔｔは時間差であり、ｖはシャフト回転角速度である。実際の位相シフトは次式で表すことができる。
【００６４】
位相シフトθ＝Δα／Ｒ、ここでθは反射細片３８の角度変位であり、Ｒは該当するシャフトの半径である。
【００６５】
多点がシャフト表面２４上で測定されるので、検出信号のすべてを時間により電子的にゲート制御して、別々の位置のトルクに対応するすべての位相シフトを得ることができる。
【００６６】
図５は、本発明の一実施形態によるトルク検出のためのパルス光源幅条件を示す図である加えられる光源の持続時間ｔがトルク変位Δａの算出において役割を果たすことがわかる。実際には、連続光源もまたトルク検出に使用することができ、この場合には時間遅延は、空間的に分離された２つの反射プローブの信号からの時間領域反射信号サインの差をとることによって得られる。単純な状況では、このようなサインは、反射信号が単一ピーク様のプロファイルを有したときの最大反射ピークに相当する。別の状況では、このようなサインは、周期的または非周期的な光符号化機構により生じる波パッケージ包絡線からの単一または複数のサブピークに相当する。しかし、錆びた、または汚染したシャフト表面では、パルス光源を使用することが、不規則なシャフト表面からの疑似信号を回避するためにより適しており、それによって、ターボ機械システムの障害事象の診断および予知診断のためのより信頼性の高い方法が実現する。
【００６７】
時間遅延とロータねじり振動の同時検出では、上述のような単一の光ファイバトルク検出システムによって静的および動的両方のトルク検出が実現する。この２つの検出応答の組合せにより、それだけには限らないが、ベースラインドリフト、および頻繁な較正の必要性を含む、現在の静止近接センサ、ひずみゲージ、磁気ひずみセンサおよび磁気弾性ひずみセンサに伴う諸問題を克服する新規な解決策が得られる。
【００６８】
図６は、本発明の一実施形態による、複数のファイバ束反射プローブからの１組のベースライン信号８０、ならびに、図５に示したような入力光源パルス幅を変化させることによって測定された、静的および動的なトルクで誘起した時間遅延信号８２を示す図である。光源のゲート制御は、静的および動的トルク信号の両方を捕捉するようにタイミングがとられる。
【００６９】
図７は、本発明の一実施形態による、光源１２を複数の反射プローブへ伝送するための、多分岐ファイバ束に基づいたスプリッタ９０、または図２では２２、を示す図である。ここで、分割された光ファイバ９２はアレイとして配置することができ、したがって、単一のレーザ光源１２を多くの個別伝送プローブ９４に分割して、高い空間分解能の測定を行うことができる。したがって、検出システム１０は、蒸気タービンのＨＰ段、ＩＰ段およびＬＰ段、またはターボ機械システム全体など、高い空間分解能で多点およびマルチパラメータを監視する必要がある応用例に適している。
【００７０】
図２を再び見ると、光ファイバ検出システム１０は、別々の互いに異なる３つの波長のレーザ光、または広帯域発光ダイオードを用いた差分マルチパラメータ同時検出を使用している。光ファイバ検出システム１０は、それだけには限らないが、蒸気タービン、ロータシャフトの機械的変形状態（静的および動的トルク、ロータ曲げ振動など）の監視および制御を含むリアルタイムターボ機械システム応用例に使用して、発電効率を改善することができる。光ファイバ検出システム１０は、回転システム動作の状態または条件を検出する応用例では、温度の影響を受けやすい既知の静止近接センサ、磁気ひずみセンサ、および磁気弾性センサよりも堅牢で信頼性が高い。例えば、光ファイバ検出システム１０は、検出プローブ、すなわちファイバにパッケージを加えたものが高温動作に耐えることができるので、従来の知られている多くのトルク検出デバイスおよびシステムよりも高い約１２００°Ｆの温度で動作することができる。
【００７１】
図８は、本発明の一実施形態による光伝送、およびシャフト表面２４からの反射受光のための、６×１ファイバ構成による１×２反射プローブ１００を示す図であり、この反射プローブは、ファイバのブラッグ格子構造または長周期格子構造とは対照的に、図２に示された耐熱ファイバ束に基づいた反射検出プローブ２６、２８、３０および３２を実施するための、光ファイバ検出システム１０と合わせた使用に適しており、それによってシステム１０は、静的および／または動的パラメータを検出するのに理想的になる。中心ファイバ１０２は、光スプリッタからのレーザビーム伝送に使用され、６本の同軸ファイバ１０４は、ロータ符号化シャフト表面２４から感光検出３４のアレイの１つの素子に至る散乱信号を捕捉するのに使用される。単一の２分岐同軸６×１ファイバ束構造は、有利なことに、ロータ曲げ振動検出プローブとして加速度計に取って代わって単一検出機器によるトルクとねじりおよび曲げ振動モードの同時検出を可能にする。この２分岐同軸６×１ファイバ束構造は、有利なことに、従来のトルク検出システムと比べると大幅に低減したシステムコストで多重化要件を効果的に解決する。
【００７２】
本発明の一実施形態によれば、反射検出プローブ１００は、ランダム、半々、同軸その他など、多くのファイバ構成のうちの１つの形で構成して、光を伝送し、シャフト表面２４から反射光を受け取ることができる。このような反射検出プローブ１００は、蒸気タービンのＬＰ段、ＩＰ段およびＨＰ段の静的および／または動的トルク検出、ならびにねじり振動および曲げ振動の検出のための解決策をもたらす。このような反射検出プローブ１００は、ターボ機械システムのマルチパラメータおよび複数位置の動作状態の診断および予知診断の目的によく適合している。
【００７３】
ここで説明した多波長光源および位相シフトに基づく反射検出方法およびシステムは、ロータシャフトの絶対表面反射率および絶対散乱効率に依存しない。その代わりに、これらの方法およびシステムは、符号化反射サイン、コントラストで誘起した信号立上がり時間遅延、および位相シフト、ならびに周波数サインに基づく。これらのサインパターンの認識および識別により、それだけには限らないが、腐食／浸食、油および水で誘起した反射率変動を含むシャフト表面の欠陥が大きく軽減するが、これは、既知のトルク検出の方法およびシステムを用いては実現することができない。さらに、ここで説明した耐熱パッケージファイバ束反射プローブ構造では、熱輻射で誘起する反射率変動がＴ＜１２００°Ｆの場合には無視できるので、他の方法ではトルク検出精度に影響を及ぼす蒸気タービン内部温度変動を許容する。
【００７４】
ここで説明した耐熱パッケージファイバ束プローブ構造はまた、約１ｍｍから約１０ｍｍのシャフト隙間を許容するランダム、半々、および同軸のファイバ構成を使用して最大の融通性および許容範囲を実現し、またロータ曲げ振動および熱膨張、ならびに温度および圧力に依存するシャフトの機械的変形を軽減することもできる。一実施形態によれば、各ファイバ束内のファイバコアは、５０マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲の直径を有し、Ｔ＞１０００°Ｆの応用例ではＮｉ、Ｔｉ、またはＡｕの金属化表面を備え、あるいはＴ＜８００°Ｆの応用例ではポリイミド表面を備える。これらのファイバは一緒に接着され、２０００°Ｆ金属接着剤で金属フェルール内に封止される。
【００７５】
図９は、本発明の一実施形態による、シャフト表面２４と、その対応する１０８または１０９にある運用動作点とからの距離ｄ  １０６での反射検出プローブ１０４による信号検出を示す。反射プローブは、シャフト表面から２つの典型的な距離のところに取り付けることができ、第１の運用動作距離１０８は、短い距離によって高い感度を与え、第２の運用動作距離１１０では、検出プローブをシャフト表面からより遠くに配置することができる。これらの動作距離で、シャフト曲げ振動の変動する動的変位、熱膨張および非線形障害事象の検出を行う。
【００７６】
図１０は、図９に示されたトルク検出プローブの様々な運用動作点での反射レベルを示す。
【００７７】
図１１は、本発明の特定の実施形態によるＶ溝ライン１１２および直線ライン１１４を含む、シャフト表面２４の９０°ごとの符号化方法を示し、これは、図２に示した光エンコーダ３８を実施するのに適している。これらのエンコーダは、３６０°、１８０°、９０°、６０°、３０°などの特定の角度ごとにシャフト周囲に沿って分布させることができる。
【００７８】
図１２はさらに、図１１に示されたＶ溝ライン１１２および直線ライン１１４を実施するのに適した、３つのシャフト表面符号化パターン１２０、１２２、１２４を詳細に示す。このＶ溝は、レーザ微細加工プロセスまたはレーザマーキングでシャフト表面に直接作製することができ、他の２つの方法でもまた、ＨＰ／ＩＰ部分ではＣｒＭｏＶ鋼のシート上に、ＬＰ部分ではＮｉＣｒＭｏＶ鋼のシート上にレーザ微細加工プロセスまたはマーキングプロセスで製作された単一直線ライン、または周期直線ラインおよび非周期チャープ直線ラインに基づくことができる。断面トルク測定のための連結の部分では、シャフトの直径は一般に１０インチから３０インチである。必要な符号化シート寸法は、（長さ）１０ｍｍ×（幅）５ｍｍ×（厚さ）０．１ｍｍとすることができ、金属シートの厚さの選択により、顕著な反射信号サイン変化が生じるはずである。
【００７９】
図１３は、周期直線ラインまたはチャープ直線ラインの符号化シャフト表面からの検出信号１３０と、Ｖ溝符号化シャフト表面からの検出信号１３２とを含む、両方が図１０の後方運用動作点１１０において１サイクルの範囲内の、それぞれ異なる符号化パターンからのトルク検出信号を示す。周波数領域において、シャフト回転の固有周波数は、１８００〜３６００ｒｐｍ回転システムでは３０〜６０Ｈｚになるはずである。４分の１部分それぞれによる光符号化では、４つの符号化マークが通常、一定の時間遅延をそれらの間に有する。静的トルク、過渡トルク、および振動は、これらの時間遅延を時間とともに変化させることがあり、またリアルタイムのターボ機械システム動作条件に依存することもある。
【００８０】
図１４は、静的および動的トルク検出の１サイクルの範囲内の、周期直線ラインまたはチャープ直線ラインで符号化されたシャフト表面に応じた、それぞれ異なる反射プローブと関連する時間遅延信号１３０を示す。
【００８１】
図１５は、１サイクルの範囲内の、Ｖ溝ラインで符号化されたシャフト表面に応じた、それぞれ異なるプローブと関連する静的および動的トルク信号１３２を示す。
【００８２】
図１６は、本発明の一実施形態による、図１４および図１５からの時間の関数としての第１のプローブとｋ番目のプローブの間の時間遅延に基づいた動的トルク検出信号１３４を示すグラフである。ここでは、平均信号は静的トルク値を表す。
【００８３】
図１７は、本発明の一実施形態による周期直線ラインまたはチャープ直線ラインの符号化シャフト表面１４２からの反射信号１４０を示すグラフである。周期直線ラインからの測定された反射信号１４０は、光符号化方法によって反射信号サインがどのようにして周期的に変調されるかを示した。シャフトに負荷がかかる静的トルク検出では、チャープ直線ラインによる符号化が好ましい。
【００８４】
図１８は、本発明の一実施形態による測定トルクと対応するねじり角を示すグラフである。図１〜１８を参照して以上で説明した原理はまた、図１９〜２４を参照して以下で説明するように適用して、全負荷条件のもとで定常状態応力レベルを超える過渡振動を生じる可能性があるタービン発電機シャフトの曲げ振動およびねじり振動（線形と非線形両方）を監視することもできる。
【００８５】
以下でさらに詳細に説明するターボ機械システムの光ファイバマルチパラメータ検出計測装置は、上述のように、全負荷条件のもとで定常状態応力レベルを超える過渡振動を生じる可能性がある、様々な部分のロータおよびシャフトの曲げ振動およびねじり振動を監視するのに有用である。このような過渡的な非線形振動事象は、ベアリングの摩耗、シャフトの曲げ変形、および高トルク負荷を誘起することがあり、とりわけ蒸気タービン発電システムの安定性を脅かす。加速度計、ひずみゲージ、近接プローブおよびタコメータなど従来の振動検出技術は、それだけには限らないが、温度、圧力、蒸気または湿度、および高流量を含む蒸気タービンの過酷な環境条件によって、あるいは接触デバイスおよび電気検出デバイスとしてのそれらの性質によって制限されることがある。図１８〜２３を参照して以下で説明する、光ファイバに基づいたトルクおよび振動検出システムの実施形態は、ターボ機械システムの障害診断および障害予知診断を対象とし、有利なことに熱の影響を受けにくく、かつ電磁干渉に対し耐性がある。
【００８６】
図１９は、本発明の一実施形態による蒸気タービン２１２の光ファイバ振動監視システム２１０の一部分を示す。その検出機構は、多分岐ファイバ束２１４によって実施され、このファイバ束は、例えばレーザビームである多波長光を光符号化シャフト表面２１６まで伝送し、またシャフト表面２１６から高速光検出器アレイ２１８に至る動的反射信号を受け取る。入射光源は周期的に変調され、光符号化シャフト表面２１６から受け取られた動的反射信号は、高速光検出器アレイ２１８によって検出される。検出された反射信号は、本発明の一実施形態による多チャネルデータ取得システムによって解析される。
【００８７】
曲げ振動とねじり振動の両方が、基本シャフト回転固有周波数に対する高次高調波成分に応じて、高速フーリエ変換法を用いた動的反射信号のスペクトル解析に基づいて得られる。より具体的には、相対的に高振幅での変形サイクルに対応する過渡的なねじりモードを、以下でさらに詳細に論じる瞬時高周波振動によって識別することができる。
【００８８】
ここで説明する振動検出方法および計測装置は、上述のように過渡的な非線形シャフトトルク動力学を測定するのに実に容易に使用することができ、伝送路障害事象と関連付けることもできる。ここで説明する振動検出技法の特徴は、どんな接触要件もなくすること、ならびに湿度、圧力、および燃料／ガス流動力学の影響を受けないことと関係がある。他の特徴には、それだけには限らないが、振動特性と、ターボ機械システムの障害診断および障害予知診断と関連した付随する非線形効果との両方の同時検出が含まれる。
【００８９】
ここで説明する振動システムの技法およびトポロジによってもたらされる実質的な利点は、ターボ機械システム内に、約１２００°Ｆまでの温度で動作できる複数の検出プローブを分散させることと関係がある。
【００９０】
振動検出を実施するシステムおよび方法の特定の実施形態をここで説明しているが、静的および動的トルク検出のための上述のような光符号化シャフト表面は、ねじり振動特性を検出するには必要であるが、曲げ振動特性を検出するには不要であることもある。これは、振動の検出信号が、上述のように、シャフト基本周波数モードに対する高次高調波成分を観測することによって周波数領域で解析されるからである。
【００９１】
図２０は、本発明の一実施形態による、光ファイバ束２２６を介してレーザ光信号２２０を伝送し、それに応じて複数の反射信号２２４を受け取る技法を示す。図２０に示されたデバイスおよび機構は、マルチポイントで非侵入的な、曲げ／ねじり振動オンライン監視および診断のシステムを形成し、このシステムは、基本シャフト回転固有周波数から、蒸気タービン発電機シャフトによる一般的な障害形態である高次高調波成分までの振動周波数範囲を検出することができる。結果として得られるシステムは、上述のような光符号化シャフト表面から測定された動的反射の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）技法によって、動的トルク信号解析を行う。一実施形態によれば、検出デバイスは、多波長レーザビームをシャフト表面まで伝送する多分岐ファイバ束に基づいた光スプリッタ２２６を含み、反射検出プローブ２２８は、シャフト表面から光検出器アレイ２３０に至る動的反射信号を受け取る。入射レーザビームは、連続波からｋＨｚ方形波に周期的に変調され、受け取られた動的反射信号は、高速光検出器アレイ２３０によって検出される。次に、検出信号は、一実施形態による多チャネルデータ取得システムによって解析される。
【００９２】
安定した平衡状態に該当する通常のシャフト動作条件のもとで、観測される低周波数のランダム振動信号は、たとえ小さくても、ロータとステータの間でのこすれる動き、シャフトのひずみ、継ぎ手の滑り、および他のランダムな力によって生じたものでありうる。曲げ振動モードは、主として回転システムの機械的調整不良、不平衡、温度分布、および屈曲前により引き起こされるのに対し、ねじり振動は、シャフト負荷条件変化で誘起するトルク動力学変化および過渡的な回転速度変化によることがある。外部の未知の励振力、過渡的な動力切換え、および不安定な全体システム動作でもまた、高振動振幅を有しうる過渡的な非線形振動モードを誘起することがある。
【００９３】
図２１は、本発明の一実施形態による動的反射に基づいた曲げ振動信号検出の原理を示す。上記で論じたような符号化シャフト表面は、動的反射からの周波数領域スペクトル解析がそれ自体、上述のように通常負荷条件の状態を判定するのに用いることができるので、ランダム振動および曲げ振動の測定には必要ではない。
【００９４】
図２２は、本発明の一実施形態による多点動的反射に基づいたねじり振動信号検出技法を示す。動的シャフトトルクと関連した過渡的なねじり振動では、本発明の一実施形態による上述のような符号化シャフト表面を使用するのが望ましい。動的トルクは時間領域符号化サインの位相シフトによって決まるのに対して、ねじり振動は、本発明の一実施形態による多点動的反射に基づいたねじり振動の時間領域信号を示す図２３と、本発明の一実施形態による多点動的反射に基づいたプローブからのねじり振動スペクトルを示す図２４とに表されたような、シャフト振動の基本固有周波数の積分である周波数領域の高周波高調波成分を誘起する。ここで説明した周波数領域振動検出技法を用いて実現可能な高帯域により、前述の振動モードを電力スペクトルと位相スペクトルの両方によって同時に識別することができる。
【００９５】
ここで説明した振動検出の原理は、上述のように、一定および過渡的な曲げ振動事象とねじり振動事象の両方を、シャフト回転基本固有周波数から高次高調波成分まで同時に監視するために実施することができる。より具体的には、相対的に高振幅の変形サイクルに相当する過渡的な非線形ねじりモードは、過渡的な伝送路障害事象を識別するのに使用できる瞬間的で短期間の高周波振動によって識別することができる。このような自動化監視技法は、例えば、それだけには限らないが、シャフト破損が過渡的で非線形の曲げ振動およびねじり振動によって誘起しうる、発電施設の複数のロータまたはシャフトを含む蒸気タービンのそれぞれ異なる圧力段で使用することができる。
【００９６】
本明細書で説明した多パラメータファイバ束に基づいた多重ねじり振動検出の原理は、ロータまたはシャフトの障害診断に有用であるが、さらに、熱で誘起したシャフトの機械的変形、および過渡的なシャフト回転速度変動、ならびに過渡的な非線形振動特性の同時測定にも有用である。
【００９７】
本明細書で説明した特徴を有する振動検出システムによってもたらされる利点は、それだけには限らないが、
１）光ファイバに基づいたターボ機械システムシャフトの振動状態監視システムは、電磁干渉に対し耐性があること、
２）このシステムは、温度、圧力、湿度などの影響を受ける過酷な環境中に配備できること、
３）このシステムは、光符号化シャフト表面または裸シャフト表面からの動的反射を検出することによって、複数の振動モード（横、曲げおよびねじり）を同時に検出すること、
４）このシステムは可動部分を有さず、また光学調整の必要もないこと、
５）このシステムは、単一の計測器で多点同時振動事象検出を可能にする１×２、１×４および１×８光スプリッタなど、ファイバ束に基づいた光スプリッタによって、シャフト表面からの動的反射信号を検出すること、
６）この光ファイバ検出システムは、耐熱、低熱膨張の酸化防止金属（すなわちＫｏｖａｒ（登録商標）、Ｉｎｖａｒ（登録商標）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）またはＩｎｃｏｌｏｙ（登録商標）など）のフェルールと、接着材料としての耐熱金属接着剤と、入射光（すなわちレーザ）ビーム伝送用の単一ファイバと、一実施形態による動的反射信号受信用の六角形構成による多（すなわち６本）ファイバとで構成された反射検出プローブを使用すること、
７）一実施形態によるインタロックＢＸステンレス鋼で被覆されたケーブル内に収容されている光反射プローブ（すなわち１×２、１×４または１×８光結合器）によって、受信反射信号を光検出器アレイまで伝送できるように構成されたシステム、
８）光ファイバによって伝送される反射が、２μｍ未満の波長を高域遮断した狭いスペクトル範囲に制限されて長波長放射の影響を受けなくなるので、温度の影響を受けることがない検出プローブを使用すること、また、Ｔ＜１２００°Ｆの場合には、熱放射で誘起される反射変動がごくわずかであること、
９）一実施形態による疎水性耐熱アルミニウムベースのセラミック薄膜でコーティングされて、動的反射信号振幅が湿度の影響を受けなくなる検出プローブ表面を使用すること、
１０）単一光源が、高圧段から低圧段までの蒸気タービンシャフト振動状態監視用などの多点検出応用例に理想的な、高い空間分解能の測定を行う多くの個別検出プローブに分割されるようにする、アレイとして配置された光ファイバ検出プローブを使用すること、
１１）様々な波長による反射測定値の差を同時にとることによって、動的反射検出が湿度、炭化水素油および汚れによる光吸収の影響を受けないようにできる多波長光源を使用すること、
１２）静的および動的両方のリアルタイム振動状態オンライン解析および監視を行うために、ノイズ抑制包絡線および搬送波を回復して相互相関関数を得ることができるフィルタリング技術を含む検出信号処理を使用すること、
１３）非線形過渡的な振動解析に基づいた予測診断および予知診断の方法を使用すること、および
１４）非線形振動の振幅とモードを同時に観測することによって、ターボ機械のベアリング、ロータおよびシャフトの調整確認のための実用的な監視方法を使用することを含む。
【００９８】
本発明のほんのいくつかの特徴を本明細書で図示し説明したが、多くの改変形態および変更形態が当業者には想起されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲に入るそのようなすべての改変形態および変更形態に及ぶものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００９９】
１０  光ファイバに基づいたトルク検出システム
１２  多色照明源
１４  シャフト表面領域
１６  シャフト表面領域
１８  シャフト表面領域
２０  シャフト表面領域
２２  多分岐ファイバ束に基づいたスプリッタ
２４  ターボ機械シャフト表面
２６  反射プローブ
２８  反射プローブ
３０  反射プローブ
３２  反射プローブ
３４  感光検出器アレイ
３６  信号処理ユニット
３８  シャフト表面符号化機構
４０  角度変位、トルク変位
４２  多分岐ファイバ束
４４  多分岐ファイバ束
４８  ベースライン時間信号
５０  時間遅延信号
６４  相互相関ユニット
６６  低域通過フィルタユニット
６８  ＦＦＴユニット
７０  信号符号化および処理体系
７２  精密位相シフト推定ユニット
７４  高精度位相シフト推定ユニット
７６  粗位相シフト推定ユニット
８０  ベースライン信号組
８２  トルクで誘起した時間遅延信号
９０  多分岐ファイバ束に基づいたスプリッタ
９２  光ファイバ
９４  伝送プローブ
１００  反射プローブ
１０２  中心ファイバ
１０４  同軸ファイバ
１０６  動作距離
１０８  動作距離運用点、運用動作点
１１０  動作距離運用点、運用動作点
１１２  Ｖ溝
１１４  直線ライン溝
１２０  Ｖ溝表面符号化パターン
１２２  複数周期ライン符号化パターン
１２４  単一直線ライン符号化パターン
１３０  直線ライン符号化シャフト表面からのトルク検出信号
１３２  Ｖ溝表面符号化シャフト表面からのトルク検出信号
１３４  時間遅延に基づく動的トルク検出信号
１４０  周期直線ラインまたはチャープ直線ライン符号化シャフト表面からの反射信号
１４２  周期ライン符号化シャフト表面
２００  ターボ機械システムの光ファイバトルクおよび振動検出計測装置
２０２  蒸気タービン
２０４  発電機
２０６  負荷ギア
２０８  ガスタービン
２１０  光ファイバ振動監視システム
２１２  蒸気タービン
２１４  多分岐ファイバ束
２１６  光符号化シャフト表面
２１８  光検出器アレイ
２２０  レーザ光信号
２２４  複数の反射信号
２２６  光ファイバ束スプリッタ
２３０  光検出器アレイ
【図１】
2010008409.tif 000003
【図２】
2010008409.tif 000004
【図３】
2010008409.tif 000005
【図４】
2010008409.tif 000006
【図５】
2010008409.tif 000007
【図６】
2010008409.tif 000008
【図７】
2010008409.tif 000009
【図８】
2010008409.tif 000010
【図９】
2010008409.tif 000011
【図１０】
2010008409.tif 000012
【図１１】
2010008409.tif 000013
【図１２】
2010008409.tif 000014
【図１３】
2010008409.tif 000015
【図１４】
2010008409.tif 000016
【図１５】
2010008409.tif 000017
【図１６】
2010008409.tif 000018
【図１７】
2010008409.tif 000019
【図１８】
2010008409.tif 000020
【図１９】
2010008409.tif 000021
【図２０】
2010008409.tif 000022
【図２１】
2010008409.tif 000023
【図２２】
2010008409.tif 000024
【図２３】
2010008409.tif 000025
【図２４】
2010008409.tif 000026