(57)【要約】【課題】ケーシングを開けることなくガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に羽根の欠損を診断できるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法を提供する。【解決手段】本発明にかかるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法は、蒸気タービン１００のケーシング１０２の外側に振動センサ１２２、１２４を取り付け、蒸気タービンの稼働中に振動センサによって振動を測定し、振動センサが測定した振動データを周波数解析して、ケーシング内のタービン翼１０６の欠損に起因する蒸気の振動を検出することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン設備または蒸気タービンのケーシングの外側に振動センサを取り付け、
前記ガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に前記振動センサによって振動を測定し、
前記振動センサが測定した振動データを周波数解析して、
前記ケーシング内の羽根の欠損に起因する流体の振動を検出することを特徴とするガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法。
【請求項２】
ＣＦＤシミュレーションにより前記羽根の欠損に起因する流体の振動を数値解析し、
前記振動センサが測定した振動データと前記ＣＦＤシミュレーションによる数値解析のデータとをマッチングすることにより、前記羽根の欠損の度合いを診断することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法。
【請求項３】
前記ケーシングの外側に導波棒を設置し、該導波棒に前記振動センサを取付けることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法。
【請求項４】
前記振動センサを前記ケーシングの外側に複数設置し、
複数の前記振動センサが測定した振動データの位相差により、前記流体の振動が発生する音源位置を特定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法。
【請求項５】
前記振動センサは、ＡＥセンサ、超音波センサ、モアレセンサまたは歪センサであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン設備または蒸気タービンのケーシング内に配置され流体が通過する羽根の欠損診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン設備または蒸気タービンでは、ケーシング内に配置された羽根に蒸気やガスなどの各種流体を通過させ、羽根を回転させることで動力などを得る。なおガスタービン設備としては、例えばガスタービンや空気圧縮機（コンプレッサ）が挙げられる。これらの羽根は、ケーシング内に配置されていて、ケーシングの外からは視認され難い。一例として蒸気タービンは、発電を行う設備であり、火力発電所や原子力発電所などで利用されている。一般的な蒸気タービンのケーシング内には、発電機に連結された複数の羽根（タービン翼）が同軸方向に直列に配置されている。蒸気タービンは、複数のタービン翼に蒸気を通過させて、タービン翼を回転させることにより発電を行う。なお蒸気は、ボイラー等において生成され、蒸気配管を通じてケーシング内に供給される。
【０００３】
蒸気が通過するタービン翼は、例えば蒸気配管が酸化してスケールが発生すると、蒸気とともに移動するスケールが衝突して欠損したり、あるいは経年劣化により欠損したりすることがある。
【０００４】
特許文献１には、蒸気タービン損傷評価方法が記載されている。この方法では、蒸気タービンの少なくとも２箇所にＡＥセンサを取付けて、インパルスハンマーでブレード（タービン翼）を打撃し、打撃により発生したブレードの振動（金属の振動）をＡＥセンサで検出している。このように、この方法では、ＡＥセンサで検出された金属の振動を用いて、ブレードの損傷を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１９１９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１の方法を実施するためには、インパルスハンマーでブレードを打撃することから、蒸気タービンが停止していること、さらにケーシングが開いた状態であることが前提となっている。つまり、特許文献１の方法では、ブレードの損傷を評価する際、蒸気タービンを停止させてケーシングを開く作業が常に必要となり、定期点検に手間がかかるという問題があった。
【０００７】
しかも特許文献１の方法において、インパルスハンマーにより打撃されるブレードは、発電機に連結された動翼のみであり、ケーシングに固定され流体を整流する静翼の損傷は評価していない。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、ケーシングを開けることなくガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に羽根の欠損を診断できるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法の代表的な構成は、ガスタービン設備または蒸気タービンのケーシングの外側に振動センサを取り付け、ガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に振動センサによって振動を測定し、振動センサが測定した振動データを周波数解析して、ケーシング内の羽根の欠損に起因する流体の振動を検出することを特徴とする。
【００１０】
ここで稼働中のガスタービン設備または蒸気タービン（以下、一例として蒸気タービン）のケーシング内では、羽根（ここではタービン翼）である動翼と静翼を蒸気が通過していて、発電機の軸に連結された動翼が蒸気で回転し、ケーシングに固定された静翼が流体（蒸気）を整流している。このため蒸気タービンでは、一例として蒸気配管が酸化してスケールが発生すると、スケールが蒸気とともに移動して動翼と静翼に衝突し、動翼、静翼いずれも欠損する場合がある。さらに動翼、静翼はいずれも経年劣化により欠損する場合もある。このようなタービン翼の欠損を把握するには、本来、蒸気タービンを停止しさらにケーシングを開けた状態で定期点検を行う必要がある。
【００１１】
しかし本発明者らは、タービン翼の性能解析の結果、正常なタービン翼と欠損のあるタービン翼では、ノズルエリアの変化に起因して圧力場や蒸気流速に変化が生じることに着目し、本発明を完成するに至った。ただし本発明は、ケーシング内でタービン翼に蒸気を通過させる蒸気タービンに限らず、ガスタービンやコンプレッサなど、ガスや空気などを羽根に通過させるガスタービン設備に適用してもよい。
【００１２】
すなわち上記構成では、ガスタービン設備または蒸気タービンのケーシングの外側に取付けた振動センサにより、ガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に振動を測定している。そして、振動センサが測定した振動データを周波数解析することで、流体が通過する羽根の欠損に起因する圧力場、流体流速から生じるＡＥ信号（流体の超音波領域の振動）を検出し、これにより羽根の欠損を診断している。なお羽根の欠損の診断は、正常な羽根、および欠損の度合いが確認された羽根のＡＥ信号を予め取得し、これを基準データとして、上記の検出されたＡＥ信号と比較することで可能となる。
【００１３】
したがって本発明では、ケーシング内で羽根に流体を通過させて、羽根の欠損に起因する流体の振動を振動センサにより検出している。このため、ケーシングを開けることなくガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に羽根の欠損を診断できる。そして、羽根の欠損を診断することで、定期点検の際、ケーシングを開ける必要があるか否かを判断できる。つまり、羽根の欠損が軽度であれば、ケーシングを開けずに定期点検を行ってもよい。逆に、欠損が重度であると判断されれば、ケーシングを開ける予定がない定期点検でもケーシングを開けて点検する。このため、定期点検の際にケーシングを開くかどうかを適切に判断することが可能となるため、定期点検に伴う労力を軽減でき作業効率を改善できる。さらに、本発明では、流体が通過する羽根の欠損に起因する流体の振動を検出しているため、例えば蒸気タービンに適用した場合には、羽根（タービン翼）のうち動翼、静翼いずれの欠損も診断できる。
【００１４】
上記のＣＦＤシミュレーションにより羽根の欠損に起因する流体の振動を数値解析し、振動センサが測定した振動データとＣＦＤシミュレーションによる数値解析のデータとをマッチングすることにより、羽根の欠損の度合いを診断するとよい。
【００１５】
このように、ＣＦＤ（数値流体力学：Computational Fluid Dynamics）シミュレーションを行うことで、羽根の欠損の度合いに応じて流体の振動がどのように変化するかを予め把握し、これを基準データとすることができる。そして振動センサで実際に測定した振動データを周波数解析することで検出された流体の振動と、この基準データとを比較することで、羽根の欠損の度合いを診断できる。
【００１６】
上記のケーシングの外側に導波棒を設置し、導波棒に振動センサを取付けるとよい。上記構成では、ケーシングの外側に振動センサを直接取り付けるのではなく、導波棒を介してケーシングから離間した状態で振動センサを取り付けている。このため、ガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中にケーシングが高温（例えば６００℃）になった場合であっても、振動センサが過度に加熱されることがない。
【００１７】
上記の振動センサをケーシングの外側に複数設置し、複数の振動センサが測定した振動データの位相差により、流体の振動が発生する音源位置を特定するとよい。このように、複数の振動センサが測定した振動データの位相差から、流体の振動が発生する音源位置を特定することにより、欠損位置すなわち欠損した羽根を特定できる。なお、本発明を蒸気タービンに適用した場合には、ボイラーに最も近いタービン翼（仮称：１番の静翼）が最も欠損しやすいことがわかっている。このため少なくとも１つの振動センサは１番の静翼の近傍に設けることが好ましい。また、振動センサを１つだけ設置する場合にも、１番の静翼の近傍に設けることが好ましい。
【００１８】
上記の振動センサは、ＡＥセンサ、超音波センサ、モアレセンサまたは歪センサであるとよい。このように、振動センサとしては、（羽根の欠損に起因する流体の）超音波領域の振動を測定できるものであれば、本発明に適用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ケーシングを開けることなくガスタービン設備または蒸気タービンの稼働中に羽根の欠損を診断できるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態におけるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法が適用される蒸気タービンを例示する図である。
【図２】蒸気タービンのタービン翼の性能解析を例示する図である。
【図３】試験体として水中ポンプを用いて、正常な翼と欠損のある翼による振動の違いを測定した例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法の処理を例示するフローチャートである。
【図５】変形例の振動センサを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態におけるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法が適用される蒸気タービンを例示する図である。なお図中では、蒸気タービンの一部の断面を模式的に示している。
【００２３】
蒸気タービン１００は、発電を行う設備であり、火力発電所や原子力発電所などで利用される。稼働中の蒸気タービン１００では、ケーシング１０２の開口１０４からケーシング１０２内に流体（蒸気）が供給される。なお蒸気は、例えばボイラーによって生成され、開口１０４に連結された不図示の蒸気配管を通じて供給される。
【００２４】
蒸気タービン１００は、多段式の構造となっていて、ケーシング１０２内で同軸方向に直列に配置された複数の羽根（タービン翼１０６）を有する。タービン翼１０６は、静翼１０８と動翼１１０とを含む。
【００２５】
静翼１０８は、ケーシング１０２に固定されている。動翼１１０は、不図示の発電機に連結された軸１１２に固定されていて、軸１１２と一体に回転可能となっている。また静翼１０８と動翼１１０は、図示のように、ケーシング１０２内で軸方向に沿って交互に配置されている。
【００２６】
稼働中の蒸気タービン１００では、ケーシング１０２内に供給された蒸気が静翼１０８と動翼１１０を通過する。蒸気タービン１００は、通過する蒸気を静翼１０８が整流し、整流された蒸気を動翼１１０が受けて回転することにより、軸１１２を回転させ、その回転エネルギーを発電機に伝達して発電を行う。なお軸１１２は、ケーシング１０２の開口１１４に挿通されていて、開口１１４付近に設けられた軸受１１６を介して回転自在に支持されている。
【００２７】
ところで、蒸気が通過する静翼１０８と動翼１１０は、例えば蒸気配管が酸化してスケールが発生すると、蒸気とともに移動するスケールが衝突して欠損したり、あるいは経年劣化により欠損したりすることがある。このような静翼１０８と動翼１１０の欠損を把握するには、本来、蒸気タービン１００を停止しさらにケーシング１０２を開けた状態で定期点検を行う必要がある。しかし定期点検の度にケーシング１０２を開けることは、過大な労力を要することになる。
【００２８】
そこで本実施形態では、ケーシング１０２を開けることなく蒸気タービン１００の稼働中に静翼１０８と動翼１１０の欠損を診断する欠損診断方法を採用した。この欠損診断方法は、タービン翼１０６が欠損すると、圧力場が変化するという現象（図２参照）に着目したものである。
【００２９】
図２は、蒸気タービンのタービン翼の性能解析を例示する図である。図２（ａ）の左側、右側の写真は、正常な静翼１０８Ａ、経年による欠損のある静翼１０８Ｂをそれぞれ示している。図２（ｂ）は、ＣＦＤ（数値流体力学：Computational Fluid Dynamics）シミュレーションによる性能解析を例示したものである。
【００３０】
図２（ｂ）の左側は、正常な静翼１０８Ａおよび正常な動翼１１０Ａの圧力場を示している。図２（ｂ）の右側は、欠損のある静翼１０８Ｂおよび正常な動翼１１０Ａの圧力場を示している。なお図中の領域１１８、１２０は、静翼１０８Ａ、１０８Ｂの後流において、蒸気流速が速くて圧力が低い領域をそれぞれ示している。
【００３１】
両者の圧力場を比較すると、正常な静翼１０８Ａの後流での領域１１８に比べて、欠損のある静翼１０８Ｂの後流での領域１２０が小さくなっている。すなわちＣＦＤシミュレーションの結果は、蒸気が通過する図１の静翼１０８や動翼１１０が実際に欠損するとノズルエリアが大きくなり、圧力場が変化して蒸気流速が低下することを明らかに示している。
【００３２】
そこで本実施形態の欠損診断方法では、蒸気が通過する静翼１０８や動翼１１０の欠損に起因する圧力場の変化から生じるＡＥ（アコースティック・エミッション：Acoustic Emission）信号、すなわち蒸気の超音波領域の振動を検出して、タービン翼１０６の欠損の診断を行う。
【００３３】
本発明者らは、蒸気タービン１００に代え、水中ポンプの翼の欠損に起因するＡＥ信号を検出することにより、翼の欠損を診断することを既に試みている（図３参照）。図３は、試験体として水中ポンプを用いて、正常な翼と欠損のある翼による振動の違いを測定した例を示す図である。
【００３４】
図３（ａ）は、正常な翼を有する水中ポンプの作動音をマイクで取得したデータ（図中、上側）と、取得したデータに対してフーリエ変換による周波数解析を行ったデータ（図中、下側）とを例示している。
【００３５】
図３（ｂ）は、欠損のある翼を有する水中ポンプの作動音をマイクで取得したデータ（図中、上側）と、取得したデータに対してフーリエ変換による周波数解析を行ったデータ（図中、下側）とを例示している。なお欠損のある翼を有する水中ポンプでは、複数枚の翼のうち、１枚が完全に破損していて、他の１枚が１／３程度破損した状態となっている。
【００３６】
周波数解析を行った両者のデータを比較すると、欠損のある翼を有する水中ポンプにおいては、図３（ｂ）の下側に示すように、周波数１５００〜２５００Ｈｚの範囲で雑音が検出された。一方正常な翼を有する水中ポンプでは、図３（ａ）の下側に示すように、同様の周波数の範囲で雑音は検出されなかった。
【００３７】
したがって、図３で用いた手法を蒸気タービン１００に適用することで、タービン翼１０６の欠損を診断できると推察される。
【００３８】
図４は、本発明の実施形態におけるガスタービン設備または蒸気タービンの羽根の欠損診断方法の処理を例示するフローチャートである。ここでは、本発明の欠損診断方法を、一例として蒸気タービン１００のタービン翼１０６に対して適用している。
【００３９】
本実施形態の欠損診断方法では、まず、蒸気タービン１００のケーシング１０２の外側に振動センサ１２２、１２４（図１参照）を取付ける。ここで、ボイラーに最も近いタービン翼１０６、すなわち蒸気配管に連結されたケーシング１０２の開口１０４に最も近い静翼１０８（１番の静翼）や動翼１１０（１番の動翼）が、最も欠損しやすいことが知られている。
【００４０】
そこで１つの振動センサ１２２は、図１に示すようにケーシング１０２の外側のうち、開口１０４に最も近い静翼１０８や動翼１１０の近傍に取付けている。また他の振動センサ１２４は、特に限定されないが、振動センサ１２２から１ｍ程度以上離間した箇所に取付けてよい。
【００４１】
さらに振動センサ１２２、１２４としては、タービン翼１０６の欠損に起因する蒸気の超音波領域の振動を測定できるものであれば適用可能であり、一例として、ＡＥセンサ、超音波センサ、モアレセンサまたは歪センサが挙げられる。
【００４２】
つぎに、蒸気タービン１００の稼働中に振動センサ１２２、１２４によって、ケーシング１０２の外側から振動を計測（ＡＥ計測）する（ステップＳ１００）。欠損のあるタービン翼１０６ではノズルエリアが大きくなり、蒸気流速が低下する（ステップＳ１０２）。この蒸気流速の低下に伴い、振動センサ１２２、１２４により計測されるＡＥ信号が変化する（ステップＳ１０４）。
【００４３】
ところで、振動センサ１２２、１２４で実際に計測したＡＥ信号の変化を用いて、欠損の診断を行うためには、基準データが必要となる。そこでステップＳ２００において、ＣＦＤシミュレーションによりタービン翼１０６の性能解析を予め行う（図２（ｂ）参照）。
【００４４】
具体的には、ＣＦＤシミュレーションにおいて、タービン翼１０６の欠損の度合いに応じて蒸気流速がどのように低下するかを把握し（ステップＳ２０２）、さらにそのときのＡＥ信号の周波数、振幅の変化を理論的に把握し（ステップＳ２０４）、これを基準データとする。
【００４５】
ただし基準データとしては、これに限られず、ＣＦＤシミュレーションを行わず、正常なタービン翼、および欠損の度合いが確認されたタービン翼の実際のＡＥ信号を予め取得し、これを周波数解析したものを基準データとしてもよい。
【００４６】
続いて、振動センサ１２２、１２４により計測されたＡＥ信号を周波数解析し（ステップＳ１０６）、解析されたＡＥ信号と、ステップＳ２０４で把握された基準データとを比較することで、タービン翼の欠損の度合いを診断する（ステップＳ１０８）。
【００４７】
上記説明したように、本実施形態にかかる欠損診断方法では、ケーシング１０２内でタービン翼１０６に蒸気を通過させて、タービン翼１０６の欠損に起因する蒸気の振動を、ケーシング１０２の外側に取付けた振動センサ１２２、１２４により検出している。したがって、欠損診断方法によれば、ケーシング１０２を開けることなく蒸気タービン１００の稼働中に、タービン翼１０６のうち静翼１０８、動翼１１０いずれの欠損も診断できる。
【００４８】
またタービン翼１０６の欠損を診断することで、定期点検の際、ケーシング１０２を開ける必要があるか否かを判断できる。一例として、タービン翼１０６の欠損が軽度であれば、ケーシング１０２を開けずに定期点検を行ってもよい。逆に、欠損が重度であると判断されれば、ケーシング１０２を開ける予定がない定期点検でもケーシング１０２を開けて点検する。したがって本発明にかかる欠損診断方法によれば、定期点検の度にケーシング１０２を開ける必要がなくなることから、定期点検に伴う労力を軽減でき作業効率を改善できる。
【００４９】
さらに本発明にかかる欠損診断方法では、ケーシング１０２の外側に複数（ここでは２つ）の振動センサ１２２、１２４を設置しているため、振動センサ１２２、１２４が測定した振動データの位相差により、蒸気の振動が発生する音源位置を特定できる。そして、音源位置を特定することにより、欠損位置すなわち欠損したタービン翼１０６を特定できる。
【００５０】
ただし、少なくとも１つの振動センサ１２２は、図１に示すように、上記した最も欠損しやすい静翼１０８や動翼１１０の近傍、すなわち音源位置になると予想される箇所の近傍に設けることが好ましい。このようにすれば、欠損に起因する蒸気の振動を、振動センサ１２２により確実に検出できる。
【００５１】
図５は、変形例の振動センサ１２６を例示する図である。変形例の振動センサ１２６は、ケーシング１０２の外側に直接取り付けられるのではなく（図１参照）、ケーシング１０２の外側に設置された導波棒１２８に取付けられている。
【００５２】
導波棒１２８は、図示のように、ねじ１３０やボルトなどによりケーシング１０２に固定された一端部１３２と、一端部１３２に連続しケーシング１０２の外側から離間した他端部１３４とを有する。振動センサ１２６は、導波棒１２８の他端部１３４に取付けられていて、ケーシング１０２の外側から離間した状態となっている。
【００５３】
このようにすれば、蒸気タービン１００の稼働中にケーシング１０２が高温（例えば６００℃）になった場合であっても、振動センサ１２６が過度に加熱されることを防止できる。なお導波棒１２８の一端部１３２は、ねじ１３０やボルトに限らず、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接などの溶接、ろう付け、はんだ付けなどにより、ケーシング１０２に設置するようにしてもよい。
【００５４】
上記実施形態では、本発明にかかる欠損診断方法を蒸気タービン１００のタービン翼１０６に適用した場合を例示したが、これに限定されない。一例として、本発明にかかる欠損診断方法をガスタービンやコンプレッサなどのガスタービン設備に適用し、羽根の欠損に起因するガスや空気の振動を検出することで、ケーシングを開けることなくガスタービン設備の稼働中に羽根の欠損を診断するようにしてもよい。
【００５５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、ガスタービン設備または蒸気タービンのケーシング内に配置され流体が通過する羽根の欠損診断方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１００…蒸気タービン、１０２…ケーシング、１０４、１１４…ケーシングの開口、１０６…タービン翼、１０８、１０８Ａ、１０８Ｂ…静翼、１１０、１１０Ａ…動翼、１１２…軸、１１６…軸受、１１８、１２０…圧力場の領域、１２２、１２４、１２６…振動センサ、１２８…導波棒、１３０…ねじ、１３２…導波棒の一端部、１３４…導波棒の他端部
【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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