(57)【要約】【課題】蒸気タービンにおいて侵食を受けるタービンブレードの厚みを推定するタービンブレード厚み推定方法を提供すること。【解決手段】流体中を流れる粒子がブレードに衝突することにより生じるＡＥ信号を測定すると共に、ＡＥ信号の強度及び粒径の相関により粒子の粒径を求める。ＡＥ信号の周波数スペクトルにおける低周波域Ａ１，Ｂ１成分の積分値Ｓ１及び高周波域Ａ２，Ｂ２成分の積分値Ｓ２の比であるスペクトル比Ｒを求める。そして、粒子粒径、厚み及びスペクトル比の相関により厚みを推定する。低周波域成分の積分値Ｓ１が１００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以内の全てＡ１又は一部Ｂ１の周波数域から選ばれる積分値であり、高周波域成分の積分値Ｓ２が４５０ｋＨｚ以上６００ｋＨｚ以内の全てＡ２又は一部Ｂ２の周波数域から選ばれる積分値であることが望ましい。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンにおいて侵食を受けるタービンブレードの厚みを推定するタービンブレード厚み推定方法であって、流体中を流れる粒子が前記ブレードに衝突することにより生じるＡＥ信号を測定すると共に前記粒子の粒径を求め、前記ＡＥ信号の周波数スペクトルにおける低周波域（Ａ１，Ｂ１）成分の積分値（Ｓ１）及び高周波域（Ａ２，Ｂ２）成分の積分値（Ｓ２）の比であるスペクトル比（Ｒ）を求め、前記粒子粒径、前記厚み及び前記スペクトル比の相関により前記厚みを推定することを特徴とする板材の厚み測定方法。
【請求項２】
前記ＡＥ信号の強度及び前記粒径の相関により前記粒径を求めることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード厚み推定方法。
【請求項３】
粒径により定まる前記厚みと前記スベクトル比との相関に基づき前記厚みを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンブレード厚み推定方法。
【請求項４】
低周波域成分の積分値（Ｓ１）が１００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以内の全て（Ａ１）又は一部（Ｂ１）の周波数域から選ばれる積分値であり、高周波域成分の積分値（Ｓ２）が４５０ｋＨｚ以上６００ｋＨｚ以内の全て（Ａ２）又は一部（Ｂ２）の周波数域から選ばれる積分値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタービンブレード厚み推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンにおいて侵食を受けるタービンブレードの厚みを推定するタービンブレード厚み推定方法に関する。さらに詳しくは、例えば、発電所のタービン設備で脱落酸化スケールに起因して発生するタービンブレードの亀裂やエロージョン（Ｓｏｌｉｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｅｒｏｓｉｏｎ、以下「ＳＰＥ」と略記）等により侵食を受けるタービンブレードの厚み推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所の蒸気タービン施設では、ボイラから蒸気配管を伝って蒸気がタービンに送られる。この際、蒸気配管の内面に発生した酸化スケール等の異物がタービンの起動時に蒸気により運ばれ、タービンブレードに衝突する。そして、異物の衝突によりこれらブレード等に亀裂、エロージョン等の損傷が生じることとなる。これらの損傷を評価する手法として、例えば、特許文献１ではタービンノズルやブレードの損傷評価方法が開示されている。しかし、ブレード損傷の進行によるブレード厚を把握することは同方法では不可能であった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４０００３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の実状に鑑みて、本発明は、非破壊的手法により蒸気タービンにおいて侵食を受けるタービンブレードの厚みを推定することの可能なタービンブレード厚み推定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るタービンブレード厚み推定方法の第一の特徴は、蒸気タービンにおいて侵食を受けるタービンブレードの厚みを推定する方法であって、流体中を流れる粒子が前記ブレードに衝突することにより生じるＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）信号を測定すると共に前記粒子の粒径を求め、前記ＡＥ信号の周波数スペクトルにおける低周波域成分の積分値及び高周波域成分の積分値の比であるスペクトル比を求め、前記粒子粒径、前記厚み及び前記スペクトル比の相関により前記厚みを推定することにある。
【０００６】
具体的には、前記ＡＥ信号の強度及び前記粒径の相関により前記粒径を求める。また、粒径により定まる前記厚みと前記スベクトル比との相関に基づき前記厚みを求める。数値としては、低周波域成分の積分値が１００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以内の全て又は一部の周波数域から選ばれる積分値であり、高周波域成分の積分値が４５０ｋＨｚ以上６００ｋＨｚ以内の全て又は一部の周波数域から選ばれる積分値であることが望ましい。
【０００７】
【発明の効果】
このように、上記本発明に係るタービンブレード厚み推定方法の特徴によれば、ＡＥ信号を測定すると共に粒子の粒径を求めることで、タービンブレードの厚みを推定することが可能となった。これにより、蒸気タービンのタービンブレードの侵食による残存厚みを推定することが可能となり、この種の機器の合理的な保守・点検を行えるようになった。
【０００８】
本発明の他の目的、構成、効果については、以下の「発明の実施の形態」の欄で明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１に示すように、観測対象となる流体機械の一例である蒸気タービン１は、二カ所の基礎部２にそれぞれ外壁３が支持され、各基礎部２，２の近傍にそれぞれ配置された一対の滑り軸受４，４に対して主軸５が回転自在に支持されている。主軸５の図１左側には瓦斯タービンが接続される一方、主軸５の右端には発電器が接続される。
【００１０】
主軸５にはぞれぞれ高圧ブレード群６、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８が設けられている。これら各ブレード群６，７，８は、複数のブレードを主軸５の周囲に並べてなるブレード段６ａ，７ａ，８ａを複数段主軸５の長手方向に並べて構成されている。
【００１１】
高圧ブレード群６にはボイラから高圧蒸気入口９を介して蒸気が供給され、主軸５を駆動回転させた後、高圧排気口１０を介して排気される。高圧排気口１０からの廃棄の一部はボイラで再熱されてから再熱蒸気入口１１を経て中圧ブレード群７に供給される。また、高圧排気口１０の残分は低圧蒸気入口１２を介して中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８に供給され、主軸５を駆動回転させて低圧排気口１３から排気される。本実施形態における「損傷」とは、ブレード等に生じる微細な亀裂やエロージョン等をいう。
【００１２】
蒸気タービン１をモニタするための損傷形態判別装置２０は、一対の第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２、インパルスハンマー２３及び判別ユニット３０を備えている。第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２は広帯域型であり、各軸受４，４近傍の外壁３にエポキシ樹脂等の接着剤で固定してある。そして、高圧ブレード群６、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８から生じるＡＥを主軸５，軸受４を介してそれぞれ受信し、同時に各軸受４，４から発生するＡＥも受信する。インパルスハンマー２３は高圧ブレード群６のブレードを打撃するためのものであって。打撃時のパルスを内蔵された加速度センサーにより受信し、判別ユニット３０に送信する。
【００１３】
判別ユニット３０は図２に示すように、第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２にそれぞれ並列に接続されたプリアンプ２４，２４及びフィルター２５，２５を備えている。フィルター２５は各周波数帯毎に信号を増減させることの可能なディスクリミネーターであって、必要な周波数帯を適宜選択する。第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２，インパルスハンマー２３の出力はレコーダー２６を介して記録媒体２７に一旦記憶され、又は直接的にパーソナルコンピューター２８に送られ、処理される。
【００１４】
ボイラや配管の内面に付着し脱落する酸化スケール等は、高圧ブレード群６、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８のブレードに衝突し、これらに損傷を与える。特に、高圧高速で最もスケールに侵食され易いのは、高圧ブレード群６の高圧入口ブレード段６ｘであることが判明した。また、高圧入口ブレード段６ｘから損傷（侵食）時に生じるＡＥが最もＡＥエネルギーが大きいと判明した。
【００１５】
したがって、第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２による高圧入口ブレード段６ｘからのＡＥをモニタするには、高圧入口ブレード段６ｘから生じるＡＥを第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２のそれぞれにより一定レベルで捕捉するように受信感度を補正すればよい。具体的には、インパルスハンマー２３で高圧入口ブレード段６ｘのブレードを打撃したときにインパルスハンマー２３により受信される入射波の振幅を入射振幅Ｈｉとする。また、第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２それぞれにより受信される受信波の振幅を受信振幅Ｈｒとする。各第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２の減衰率Ｑは次式により求められる。
【００１６】
Ｑ＝Ｈｒ／Ｈｉ
【００１７】
かかるＱを外壁３に取り付けられた第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２についてそれぞれ求める。そして、第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２による受信信号の振幅にＱを乗じて感度補正（減衰補正）を行うことで、高圧入口ブレード段６ｘのＡＥ信号を第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２の双方により同レベルで確実に捕らえることができる。本発明に係る方法は後述するが、ソフトウエアのアルゴリズムとして上述のパーソナルコンピューター２８において実現される。
【００１８】
一方、固体粒子の衝突によるＡＥ信号を検出するために、図３に示す粒子衝突装置４０を用いた実験を行った。試験体としてタービンブレードの材料である１２ＣｒＭｏＶの切片４１を用い、この試験体４１に対して粒子銃４３から発射される直径１〜２ｍｍのＣｒ・Ｍｏ鋼球を衝突させた。この試験体４１表面に配置してあるＡＥセンサー４２によりＡＥ信号の連続計測を行った。そして、上述の蒸気タービン１にセンサーを取付た場合と同様にして、受信したＡＥ信号は、上述の図２と同様の判別ユニット５０により処理される。なお、後述の実験結果は本実験装置又は上述の実機において測定されたものである。
【００１９】
次に、本発明に係る推定方法の原理をグラフを用いて詳述する。
図４は、ＡＥ信号強度と粒子直径との関係を示すグラフである。板状の試験片表面に９０度の角度で様々な直径の微小な鋼球を衝突させ、その直径毎にＡＥ信号の強度をプロットした。同関係から伺えるように、流体の流速が既知であるなら、ＡＥ信号の強度により鋼球の直径を求めることができ、同様にＳＰＥの原因となる酸化スケールの直径も導出することができる。
【００２０】
図５は、ＡＥ信号の周波数スペクトルを示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸の強度は対数目盛により表示してある。鋼球の直径を０．５，１，２ｍｍとそれぞれ変化させて一定の閾値を一定時間超える信号の周波数スペクトルを求めた。同グラフからも推察されるように、低周波域Ａ１である１００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以内の領域と、高周波域Ａ２である４５０ｋＨｚ以上６００ｋＨｚ以内の領域では、それぞれ信号に特徴がみられる。特に、低周波域Ａ１の積分値Ｓ１と高周波域Ａ２の積分値Ｓ２との比は無次元数として信号の特徴を顕著に表すので、スペクトル比Ｒを次のように定義する。
【００２１】
Ｒ＝Ｓ２／Ｓ１
【００２２】
ここに、積分値Ｓ１，Ｓ２は、上記周波数域Ａ１，Ａ２全体の積分値とする他、上記周波数域Ａ１，Ａ２に含まれる一部の周波数域、例えば、Ｂ１：２００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下、Ｂ２：５００ｋＨｚ以上５５０ｋＨｚ以下等における積分値としてもよい。すなわち、積分値Ｓ１，Ｓ２はＡ１，Ａ２の全て又は一部Ｂ１，Ｂ２の周波数域から選ばれる積分値である。
【００２３】
図６は、タービンブレードの厚みを代表する試験片厚さと上記スペクトル比Ｒとの関係を示すグラフである。使用する鋼球の直径を異ならせて実験を行い、その結果を異なる形状の点でプロットしている。点形状は、それぞれ、三角印が０．５ｍｍ、菱形が１ｍｍ、四角が２ｍｍ、丸印が４ｍｍである。これらは十分な流速により鋼球の衝突により圧痕の形成される場合であるが、さらにエネルギーが高くなって衝突により亀裂を生じる場合は解釈が異なり、直径２ｍｍで亀裂を生じる場合を×印で表示してある。
【００２４】
図７は図６の縦軸を拡大したグラフであり、図８は図６の縦軸を対数表示したグラフであり、いずれも図６と同趣旨である。同図からも明らかなように、粒子である鋼球の直径が定まれば、それに応じて試験片厚さとスペクトル比Ｒとの比が求まるので、スペクトル比Ｒを用いて試験片厚さを推定することが可能となる。
【００２５】
ここで、図９は、粒子径と図６のスペクトル比を試験片厚さで除した傾きとの相関を示すグラフであり、横軸及び縦軸とも対数目盛で構成される。粒径を０．５，１，２，４ｍｍと変化させた圧痕ありの場合（四角）と粒径２ｍｍで亀裂ありの場合（×印）とについての実験結果を示す。
【００２６】
試験片厚さを求めるに当たっては、まず、上述の図４のグラフより粒径を求め、図９のグラフより傾きを求める。そして、当該傾きを有する直線を図６に描き、スペクトル比Ｒとの交点として試験片厚さを最終的に求めればよい。また、実際の蒸気タービンにあっては、これらのアルゴリズムをパーソナルコンピューター２８内で実現すればよい。
【００２７】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。なお、以下の各実施形態を適宜組み合わせて実施してもよい。
【００２８】
上記実施形態では、ＡＥセンサ２１，２２を二カ所に取り付けたが、高圧入口タービン６ｘのみを評価するのであれば、単一のＡＥセンサを取り付けるのみでも構わない。また、逆に、ＡＥセンサを３カ所以上に離隔させて取り付けても良い。
【００２９】
上記実施形態では、粒子として酸化スケールや鋼球を例示したが、粒子にはタービンを侵食するあらゆるものが含まれる。
【００３０】
上記実施形態では、ＡＥ信号の強度として、「振幅強度」を用いたが、例えば、振幅強度を積分して求められる「ＡＥエネルギー強度」を用いてもよい。
【００３１】
上記実施形態における重心周波数や受信振幅等の具体的数値はあくまでも例示に過ぎず、ＡＥセンサの特性によっても変化する。したがって、本発明はこれらの例示した数値に限定されるものではない。
【００３２】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る判別方法の対象となる蒸気タービンとＡＥセンサー等の関係を示す概略図である。
【図２】本発明に係る蒸気タービンブレード厚み推定方法を実施するための判別装置のブロック図である。
【図３】固体粒子衝突試験装置の概略図である。
【図４】ＡＥ信号強度と粒子直径との関係を示すグラフである。
【図５】ＡＥ信号の周波数スペクトルを示すグラフである。
【図６】タービンブレードの厚みを代表する試験片厚さとスペクトル比との関係を示すグラフである。
【図７】図６の縦軸を拡大したグラフである。
【図８】図６の縦軸を対数表示したグラフである。
【図９】粒子径と図６のスペクトル比を試験片厚さで除した傾きとの相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１：蒸気タービン、２：基礎部、３：外壁、４：軸受、５：主軸、６高圧ブレード群，６ａ：ブレード段、６ｘ：高圧入口ブレード段、７：中圧ブレード群、７ａ：ブレード段、８：低圧ブレード群、８ａ：ブレード段、９：高圧蒸気入口、１０：高圧排気口、１１：再熱蒸気入口、１２：低圧蒸気入口、１３：低圧排気口、２０：損傷形態判別装置、２１：第一ＡＥセンサー、２２：第二ＡＥセンサー、２３：インパルスハンマー、２４：プリアンプ、２５：フィルター、２６：レコーダー、２７：記録媒体、２８：パーソナルコンピューター、３０：判別ユニット、４０：衝突実験装置、４１：試験体、４２：ＡＥセンサー、４３：粒子銃、５０：判別ユニット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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