(57)【要約】本発明は、羽根車（２２）の少なくとも１箇所に配置され光量子を放射する物質（２８）と、回転している羽根車（２２）とそれに配置された物質（２８）に対し輻射線を照射する輻射線源（３０）と、物質（２８）から放射された光量子を検出するセンサ（３８）と、センサ（３８）の出力信号を評価して羽根車（２２）の振動挙動を検出する評価回路（４６）とを備えたタービンの羽根車の振動を検出する方法と装置に関する。本発明によれば、タービンのあらゆる運転条件の下で、高い測定確実性と精度をもって羽根車の振動挙動を安全確実に検出できる。
2007519909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（１０）の羽根車（２２）の少なくとも１箇所に外部励起によって光量子を放出する物質（２８）を用意するステップと、
回転している前記羽根車（２２）及びそれに配置された前記物質（２８）に外部励起のために輻射線源（３０）によって輻射線を照射するステップと、
前記物質（２８）から放射された光量子をセンサ（３８）で検出するステップと、
前記センサ（３８）の出力信号を評価して前記羽根車（２２）の振動挙動を検出するステップとを備える
タービン（１０）の回転している羽根車（２２）の振動を検出する方法。
【請求項２】
前記光量子を放射する物質（２８）を、前記羽根車（２２）のほぼ閉じた少なくとも１つの回転するシュラウドリング（２６）に設けるステップと、前記センサ（３８）の出力信号を評価して前記シュラウドリング（２６）の振動挙動を検出するステップとを備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記光量子を放射する物質（２８）を、前記羽根車（２２）の少なくとも１つの回転するタービン羽根（２４）に設けるステップと、前記センサ（３８）の出力信号を評価して少なくとも１つのタービン羽根（２４）の振動挙動を検出するステップとを備えることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記光量子を放射する物質（２８）を前記羽根車（２２）、シュラウドリング（２６）又は少なくとも１つのタービン羽根（２４）にストリップ状に取り付けることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
【請求項５】
前記光量子を放射する物質（２８）として、蛍光物質、燐光物質、輻射線ルミネセンス物質、熱ルミネセンス物質、摩擦ルミネセンス物質及び／又はフォトルミネセンス物質を前記羽根車（２２）に取り付け、放射された光量子を検出するために対応して感応するセンサ（３８）を用いることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記羽根車（２２）とセンサ（３８）との間に光学フィルタ（４０）を配置することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
【請求項７】
前記センサ（３８）の出力信号を、評価の前に、特に少なくとも１つのフォトダイオード又はフォトマルチプライヤにより増幅することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
【請求項８】
タービン（１０）の羽根車（２２）の少なくとも１箇所に配置され、外部励起によって光量子を放射する物質（２８）と、
回転している前記羽根車（２２）及びそこに配置されている前記物質（２８）に外部励起のために輻射線を照射する輻射線源（３０）と、
外部励起された前記物質（２８）から放射される光量子を検出するセンサ（３８）と、
前記センサ（３８）の出力信号を評価して前記羽根車（２２）の振動挙動を検出する評価回路（４８）と
を備えるタービン（１０）の回転している羽根車（２２）の振動を検出する装置。
【請求項９】
前記光量子を放射する物質（２８）が、前記羽根車（２２）のほぼ閉じた少なくとも１つの回転するシュラウドリング（２６）に取り付けられ、前記センサ（３８）の出力信号を評価して前記シュラウドリング（２６）の振動挙動を検出することを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記光量子を放射する物質（２８）が、前記羽根車（２２）の少なくとも１つの回転するタービン羽根（２４）に取り付けられ、
前記センサ（３８）の出力信号の評価により少なくとも１つのタービン羽根（２４）の振動挙動を検出することを特徴とする請求項８又は９記載の装置。
【請求項１１】
前記光量子を放射する物質（２８）が、前記羽根車（２２）、シュラウドリング（２６）、又は少なくとも１つのタービン羽根（２４）にストリップ状に取り付けられたことを特徴とする請求項８から１０の１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記光量子を放射する物質（２８）が、蛍光物質、燐光物質、輻射線ルミネセンス物質、熱ルミネセンス物質、摩擦ルミネセンス物質及び／又はフォトルミネセンス物質であり、前記センサ（３８）が放射された光量子を検出すべく感応するセンサ（３８）であることを特徴とする請求項８から１１の１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記羽根車（２２）と前記センサ（３８）との間に光学フィルタ（４０）が配置されたことを特徴とする請求項８から１２の１つに記載の装置。
【請求項１４】
前記センサ（３８）の出力信号の評価前に、前記センサ（３８）の出力信号を増幅する増幅回路（４６）、特にフォトダイオード又はフォトマルチプライヤの構成の増幅回路が設けられたことを特徴とする請求項８から１３の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動測定を特に無接触で行う、タービンの回転している羽根車の振動を検出する方法と装置に関する。
【０００２】
タービン、例えば静止ガスタービンの羽根車には、数年来、センサの前を羽根車の個々の羽根が通過した時、一義的な信号を出力する光学式又は誘導式センサを用いた無接触振動測定が成功裏に実施されている。この振動測定は、タービンの安全な運転の監視及び保証のために必要なものである。
【０００３】
大直径の羽根車では、個々の羽根をしばしば生じる曲げ応力から保護すべく、いまや羽根車にほぼ閉じたシュラウドリングを設けた、所謂結合カバープレート付きの羽根が用いられる傾向にある。しかし、この閉じたシュラウドリングには、光学式又は誘導式センサにとって、羽根車の振動挙動の確実な解析のために一義的な信号を出力し得る測定マークが欠落している。そのため、閉じたシュラウドリングに所定の配置関係をもって適切な測定マークを取り付け、その出力信号から振動挙動を検出せねばならなかった。
【０００４】
ガスタービンの場合、局部的に突然生ずる高温の際にも、確実な測定を行わねばならないために困難である。この結果、誘導測定法及びそのために必要な強磁性測定マークは、キュリー温度を超えるため限定的にしか利用され得なかった。
【０００５】
米国特許第５７６１９５６号明細書で、ガスタービンの回転している羽根車の振動を検出すべく、羽根の本体に取り付けたセラミックス測定マークの種々の赤外線熱輻射を検出する光学式測定法が公知である。しかし、この測定法は赤外線熱輻射に必要な高温が不可欠であり、ガスタービンの一定の運転時間後に初めて使用可能になる。そのためガスタービンの始動中は振動挙動を監視できず、ガスタービンの運転安全性にとって欠点となる。
【０００６】
本発明の課題は、タービンの殆どあらゆる運転状態の下で高い測定確実性及び高い測定精度をもって、羽根車の振動挙動を安全確実に検出し得る、タービンの回転している羽根車の振動を検出する方法と装置を提供することである。
【０００７】
この課題は、本発明により、羽根車の少なくとも１箇所に外部励起に伴い光量子を放出する物質が配置され、回転している羽根車とそれに配置されている物質に、外部励起のために輻射線源によって輻射線を照射すると共に、物質から放射された光量子を検出するセンサを設け、評価回路でセンサの出力信号を評価して羽根の振動挙動を検出する、タービンの回転している羽根車の振動を検出する方法及び装置によって解決される。
【０００８】
本発明は、タービン羽根車の振動検出のため、光量子放射の物理的効果を利用する。光量子放射物質による光量子の放射は、物質の原子又は分子内に起こる三段プロセスの結果である。第一段で、物質の原子又は分子が外部輻射線源、例えばＵＶ光源やレーザによる輻射線量子（特に光量子）の吸収により高エネルギー状態とする。第二段で、原子又は分子の運動及び相互衝突によって異なるエネルギーレベルを励起し、もって励起エネルギーを僅かに減少させる。次の第三段で、個々の原子又は分子を基本状態に戻し、より長波長の光子を放射して、入射光と放出光との間に周波数ずれを引き起こす。
【０００９】
輻射線源として、本発明は、例えば短波長光（λ＝３５０ｎｍ）を輻射する長波長ＵＶランプを用いる。光量子放射物質として、短波長光を吸収し、材料特性に応じ通常５００〜６００ｎｍ程度の長波長光を放出する、例えば蛍光粒子を用いる。蛍光粒子には、例えばセラミックス接着剤又はフレームスプレーを混合できる。その場合、それを測定マークの形で羽根車に取り付ける。
【００１０】
本発明の無接触測定方法により、羽根車の、シュラウドリングで結合され、ほぼ閉じたタービン羽根の回転時の振動を確実かつ正確に測定できる。この測定方法は特に高使用温度に適しており、そのためガスタービンにも蒸気タービンにも利用できる。本発明による振動監視法は、あらゆるタービンのあらゆる運転状態に適用可能である。
【００１１】
既述の如く、本発明の方法とそれに対応する装置は、測定すべき羽根車の複数の羽根がほぼ閉じたシュラウドリングで互いに結合されている場合に特に有効である。光量子放出物質からなる本発明による測定マークは、例えばシュラウドリングにストリップ状に取り付けるのが良く、光量子放射物質の薄い層からなる特定のストリップを物質から放射される光量子を検出するセンサに対する測定マークとして使用できる。この特別な光学センサで検出した光量子を電気信号に変換し、更に他の処理や解析のため、例えば評価演算器に送出する。羽根車の振動は、例えば個々の測定マークに対し、実際の到着時間に比較して一定の期待到着時間を設定することで検知できる。検出した測定マークの到着時間が期待到着時間より早かったり遅かったりすれば、羽根車に振動が生じている、即ちシュラウドリングが振動によって通常位置から僅かにずれていると推定し得る。
【００１２】
測定のこの形式及び本発明によるこの方法は、羽根車の少なくとも１つのタービン羽根の振動挙動を検出すべく、同様に利用できる。その場合、本発明による上述の測定マークは、羽根車の回転する各タービン羽根に配置する。
【００１３】
本発明では、外部励起に伴い光量子を放射する物質として、蛍光物質、燐光物質、輻射線ルミネセンス物質、熱ルミネセンス物質、摩擦ルミネセンス物質及び／又はフォトルミネセンス物質を羽根車に取り付ける。換言すれば、本発明の利点は、外部励起に基づき物質から光量子又は輻射線量子を放射する全ての物理的プロセスが利用可能な点である。
【００１４】
本発明に従って用いるセンサが、所望の如くほぼ物質から放射される光量子のみを検出するよう、センサの前に、放射される光量子の波長に適合するスペクトル窓を持った光学フィルタを配置できる。かくしてセンサ出力信号を、温度に依存する赤外線の背景輻射線及び金属面での反射光から光学的に完全に分離できる。
【００１５】
本発明による光量子放出物質の利用信号は比較的僅かな光強度を持つ。そこでその信号を確実に検知すべく、増幅回路、特にフォトダイオード又はフォトマルチプライヤを介して他の利用に供すべく評価できる。
【００１６】
次に図面を参照し、タービンの回転している羽根車の振動を検出する本発明による方法と装置の実施例を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、ガスタービンとして構成したタービン１０を簡略化して示す。このタービン１０は主要構成部品としてステータ、即ちハウジング１２とそれに回転自在に支持されたロータ１４を備えている。
【００１８】
タービン１０はほぼ３つの部分、即ち圧縮機部１６、燃焼器部１８及び駆動部２０からなる。圧縮機部１６と駆動部２０内で、各々、タービン１０のロータ１４に、軸方向に配列された複数の羽根車２２が配置されている。
【００１９】
図２と３は、各々羽根車２２の断面を簡略化して示す。
【００２０】
図２に示す羽根車２２は多数のタービン羽根２４を備えているが、図２はその内の２枚を断面図で示す。
【００２１】
図３に示す羽根車２２では、各タービン羽根２４の先端を、周方向に走るカバープレートの構造の囲い輪、所謂シュラウドリング２６で互いに結合している。
【００２２】
タービン１０において、回転している羽根車２２の振動挙動を特に駆動部２０内に生じる高温の下でも高い正確性と確実性をもって検出すべく、タービン１０に多数の振動検出装置を配設する。図２は振動検出装置の第１実施例、図３は第２実施例を示す。
【００２３】
各羽根車２２の振動挙動を検出する本発明の装置は、蛍光、燐光、輻射線ルミネセンス、熱ルミネセンス、摩擦ルミネセンス及び／又はフォトルミネセンスの原理に基づいて動作する。これらの装置は、各々光量子放出物質のストリップ２８を備えている。ストリップ２８は、図２に示す実施例では、タービン羽根２４の先端部に各々規則的な間隔で周期的に配置されている。それに対し図３に示す実施例では、ストリップ２８はシュラウドリング２６に構成されている。ストリップ２８の光量子放射物質は、例えばタービン羽根２４又はシュラウドリング２６にセラミックス接着剤によって取り付けられる。
【００２４】
ストリップ２８に対向して輻射線源３０が配置されている。輻射線源３０は、光学系３２、光導体３４及び輻射線発生器３６を含む。輻射線発生器３６で生じた広義の輻射線、例えば波長約３５０ｎｍのＵＶ線、即ち紫外線は光導体３４を経て光学系３２に導かれ、そこから各羽根車２２と一緒に回転するストリップ２８に向けて照射される。
【００２５】
光学系３２にセンサ３８が隣接している。センサ３８は、主要構成要素として光学フィルタ４０、受信モジュール４２、電気導体４４、増幅器４６及び評価回路４８を含む。
【００２６】
輻射線源３０で発生され放出されたＵＶ線に基づき、ストリップ２８の光量子物質が、例えば蛍光の原理により物質の材料特性に応じて約５００〜６００ｎｍの比較的長波長の光を放射する。放射された光は、ストリップ２８の１つがその前を通り過ぎる時、光学フィルタ４０を介して透過する。その場合、理想的には、輻射線源３０又は光学系３２及びセンサ３８又はフィルタ４０は空間的に間近に又は同一領域内に存在させる。即ち、蛍光は励起後比較的短い時間範囲内だけ放出される。これに対し燐光の場合は、より長い発光時間を達成できるので、送信器と受信器を空間的により遠く離して配置できる。
【００２７】
放出された光は受信モジュール４２に到達して電気信号に変換され、電気導体４４を介して増幅器４６に送られ、最後に評価回路４８に送出される。評価回路４８では受信信号が他の処理のため、及び各羽根車２２の振動挙動の解析のために評価される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による装置を備えたタービンの一例を示す縦断面図である。
【図２】図１によるタービンの回転している羽根車の振動を検出する本発明による装置の第１実施例を示す説明図である。
【図３】図１によるタービンの回転している羽根車の振動を検出する本発明による装置の第２実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  タービン、１２  ハウジング、１４  ロータ、１６  圧縮機部、１８  燃焼器部、２０  駆動部、２２  羽根車、２４  タービン羽根、２６  シュラウドリング、２８  光量子放射物質ストリップ、３０  輻射線源、３２  光学系、３４  光導体、３６  輻射線発生器、３８  センサ、４０  光学フィルタ、４２  受信モジュール、４４  電気導体、４６  増幅器、４８  評価回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2007519909.tif 000008
2007519909.tif 000009
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