(57)【要約】【課題】回転体１３の表面にレーザ光を照射し回転体１３からの反射光を受信するための集光レンズの汚れを防止でき、集光レンズの焦点距離も適正に調整でき、さらに保守点検が容易に行えるトルク計測装置を提供することである。【解決手段】光照射検出装置１６ａ、１６ｂのレーザ光の出射および反射光の入射を行う集光レンズの前面には、焦点距離位置調整範囲外では集光レンズを覆い、焦点距離位置調整範囲内では集光レンズを露出させる保護シャッター２０ａ、２０ｂが設けられ、焦点距離調整装置１９は回転体１３の表面に照射するレーザ光の焦点距離を調整する際には、駆動装置１８ａ、１８ｂにより光照射検出装置１６ａ、１６ｂを駆動し、その光照射検出装置１６ａ、１６ｂの移動に伴って、保護シャッター２０ａ、２０ｂが開閉する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置から出力されたレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光照射検出装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光照射検出装置から照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置と、前記光照射検出装置を駆動し前記回転体の表面に照射するレーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置と、前記光照射検出装置のレーザ光の出射および反射光の入射を行う集光レンズの前面に設けられ焦点距離位置調整範囲外では前記集光レンズを覆い焦点距離位置調整範囲内では前記集光レンズを露出させる保護シャッターとを備えたことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項２】
前記焦点距離調整装置は、反射光データを検出しながら前記光照射検出装置を焦点距離位置調整範囲で移動させ、前記光照射検出装置が反射光データの最大値を検出した位置を大まかな焦点距離とし、前記反射パターンの範囲内で同一値の反射光データを最も多く検出した位置に焦点距離を微調整することを特徴とする請求項１記載のトルク計測装置。
【請求項３】
前記焦点距離調整装置は、反射光データを測定しないときは前記光照射検出装置を焦点距離位置調整範囲外に移動させることを特徴とする請求項１記載のトルク計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転速度および軸トルクを非接触で光学的に計測するトルク計測装置に係り、特に、コンバインドサイクル発電プラントや蒸気タービンプラントに適用されるトルク計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合せて熱効率を向上させ、高効率および高運用性を図った火力発電プラントである。すなわち、コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンからの排熱を排熱回収ボイラに導き、排熱回収ボイラで発生した蒸気で蒸気タービンを駆動するように構成され熱効率を向上させている。通常、コンバインドサイクル発電プラントは複数のユニットで構成され、各ユニットはそれぞれガスタービンと蒸気タービンとを有し、ガスタービンと蒸気タービンとで１台の発電機を駆動する一軸型の構成になっている。
【０００３】
このような高効率なコンバインドサイクル発電プラントにおいても、運開後に経年劣化が生じ、ユニットによっては熱効率が低下することがある。熱効率管理上、熱効率が低下した原因を究明することは重要なことである。この場合、熱効率低下の原因がガスタービン側にあるのか蒸気タービン側にあるのか、あるいは他の主要構成機器にあるのかを把握することが必要となる。熱効率を把握するにはガスタービン出力や蒸気タービン出力を把握しなければならない。
【０００４】
そこで、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービン出力や蒸気タービン出力を検出するために、ガスタービンや蒸気タービンのような回転機器の駆動軸（回転体）のトルクを検出するための光学的なトルク計測装置が開発されている。このトルク計測装置では、回転体の軸方向の異なる位置に１対の反射体を設け、両反射体にレーザ光を照射して両反射体からの反射光を検出し、反射光の周期的な強弱に基づいて回転体の回転周期を求め、両反射体からの反射光の遅れ時間に基づいて回転体のトルクを検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、反射体の反射パターンに工夫を加えたり１対の反射体を回転体の円周方向に複数個配置したり、さらには回転体の表面に照射するレーザ光の焦点距離を調整できるようにし、トルク計測装置の検出精度をさらに向上させたものも開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２２５６４号公報（図１）
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−３３３３７６号公報（図２、［００３９］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の光学的なトルク計測装置では、回転体の表面にレーザ光を照射し回転体からの反射光を受信する光センサを兼ねた照射光学系は、その集光レンズが回転体の表面に対して露出したままである。従って、回転体が存在する環境によっては集光レンズが汚れることがあり、集光レンズに汚れが発生した場合には、回転体の表面上でレーザー光の適切なビーム強度が得られず、長期間に亘るトルク計測が困難となることがある。すなわち、回転体の近傍は高温の熱風に晒される環境であるので、集光レンズを露出したままであると耐久性において問題が生じ、また、集光レンズ面に汚れが付着したときには必要な強度のレーザ光が得られなくなる。
【０００９】
そこで、集光レンズの前面を保護ガラスで覆い保護することが考えられるが、単に保護ガラスで覆うだけではオイルを含むダスト環境では、すぐに汚れが保護ガラスに付着してしまい、定期的にメンテナンスを行う必要が生じてしまう。高い運用性を求められる発電プラントでは、メンテナンス機会を得ることは困難である。
【００１０】
一方、反射光の計測に当たっては、時々刻々変化する回転体の動きに合わせて、集光レンズと回転体との間の焦点距離を適切に保持する必要がある。これは、回転体の変動範囲は集光レンズの焦点範囲より大きく、回転体が変動すると適切な焦点範囲でなくなるからである。焦点距離の調整を行うには、照射光学系の光センサ部分を遠隔で動作させて焦点距離を調整する必要があるので、その操作には熟練を要する。
【００１１】
また、集光レンズを含めた照射光学系の点検保守のために、その取り付けや取り外しが容易に行えるようにすることが要請されているが、照射光学系は回転体の近傍に配置されていることから非常に狭い空間での作業となる。すなわち、点検保守の機会としては回転体が完全に停止する場合の他に、ターニング運転が考えられる。コンバインドサイクル発電プラントの場合には、通常、ユニットを停止後もターニング運転が行われるが、そのターニング運転中においては回転体であるガスタービンや蒸気タービンは毎分数回転で回転しているので、ガスタービンや蒸気タービンの駆動軸近傍に配置された照射光学系の点検保守作業を行うのが難しい。
【００１２】
本発明の目的は、回転体の表面にレーザ光を照射し回転体からの反射光を受信するための集光レンズの汚れを防止でき、集光レンズの焦点距離も適正に調整でき、さらに保守点検が容易に行えるトルク計測装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係わるトルク計測装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置から出力されたレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光照射検出装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光照射検出装置から照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置と、前記光照射検出装置を駆動し前記回転体の表面に照射するレーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整装置と、前記光照射検出装置のレーザ光の出射および反射光の入射を行う集光レンズの前面に設けられ焦点距離位置調整範囲外では前記集光レンズを覆い焦点距離位置調整範囲内では前記集光レンズを露出させる保護シャッターとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明に係わるトルク計測装置は、請求項１の発明において、前記焦点距離調整装置は、反射光データを検出しながら前記光照射検出装置を焦点距離位置調整範囲で移動させ、前記光照射検出装置が反射光データの最大値を検出した位置を大まかな焦点距離とし、前記反射パターンの範囲内で同一値の反射光データを最も多く検出した位置に焦点距離を微調整することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明に係わるトルク計測装置は、請求項１の発明において、前記焦点距離調整装置は、反射光データを測定しないときは前記光照射検出装置を焦点距離位置調整範囲外に移動させることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。レーザ光出力装置１１から出力されたレーザ光は、光送受信装置１２を介して回転体１３の表面に照射される。回転体１３の表面には軸方向に間隔を保って一対の反射体１４ａ、１４ｂが設けられている。すなわち、レーザ光出力装置１１からのレーザ光は、光送受信装置１２の光分岐調整装置１５にてレーザ光のビーム径が調整されると共に２つに分岐され、それぞれ光照射検出装置１６ａ、１６ｂから回転体１３の表面の一対の反射体１４ａ、１４ｂが設けられた軸位置近傍に照射される。反射体１４ａ、１４ｂは、例えば、レーザ光を反射する部分とレーザ光を吸収する部分とがバーコード状に形成された反射パターンを有し、レーザ光が照射されたときその反射パターンに従った反射光が発生する。反射板１４ａ、１４ｂを含む回転体１３の表面で反射した反射光は光照射検出装置１６ａ、１６ｂで受信され、その反射光は信号処理装置１７に入力される。
【００１７】
信号処理装置１７では、回転体１３の表面で反射された反射光のうち反射体１４ａ、１４ｂで反射された反射光に基づいて、相関関数を用いて回転体１３の回転周期やねじれ量を求め、さらにねじれ量からトルクが求められる。
【００１８】
光照射検出装置１６ａ、１６ｂには駆動装置１８ａ、１８ｂが設けられ、この駆動装置１８ａ、１８ｂにより光照射検出装置１６ａ、１６ｂが焦点軸方向に移動し、光照射検出装置１６ａ、１６ｂから回転体１３の表面に照射するレーザ光の焦点距離が調整される。駆動装置１８ａ、１８ｂは焦点距離調整装置１９からの駆動指令により駆動される。
【００１９】
また、光照射検出装置１６ａ、１６ｂのレーザ光の出射および反射光の入射を行う集光レンズの前面には保護シャッター２０ａ、２０ｂが設けられ、この保護シャッター２０ａ、２０ｂは、集光レンズの焦点距離位置調整範囲外では集光レンズを覆い、焦点距離位置調整範囲内では集光レンズを露出させるように開閉動作する。すなわち、駆動装置１８ａ、１８ｂにより光照射検出装置１６ａ、１６ｂが焦点軸方向に移動したとき、光照射検出装置１６ａ、１６ｂの移動に伴い保護シャッター２０ａ、２０ｂは開閉動作を行う。
【００２０】
焦点距離調整装置１９は、光照射検出装置１６ａ、１６ｂを回転体１３から離れた集光レンズの焦点距離位置調整範囲外の所定の位置に移動させると共にその所定の位置から焦点距離位置調整範囲まで移動させるための位置調整手段２１と、焦点距離位置調整範囲内において大まかな焦点距離の調整を行うための初期調整手段２２と、初期調整手段２２で調整された大まかな焦点距離をさらに微調整するための微調整手段２３とを有する。初期調整手段２２での焦点距離の調整および微調整手段２３での焦点距離の微調整の詳細については後述する。
【００２１】
図２は、光照射検出装置１６ａ、１６ｂの移動に伴う保護シャッター２０ａ、２０ｂの開閉動作の説明図であり、図２（ａ）は保護シャッター２０ａ、２０ｂが閉じている状態、図２（ｂ）は保護シャッター２０ａ、２０ｂが開いている状態を示している。光照射検出装置１６ａ、１６ｂは、微動台２４に図示省略の駆動装置を介して搭載されており、保護シャッター２０ａ、２０ｂは微動台２４に支持部材２５で保持されている。支持部材２５と保護シャッター２０ａ、２０ｂとの取付部２６は蝶番形状に板バネ部材で形成されている。駆動装置は、例えば棒ネジと電動機とで構成され、棒ネジを電動機で回転させることにより光照射検出装置１６ａ、１６ｂを微動台２４上で移動させる。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、保護シャッター２０ａ、２０ｂが閉じている状態では、光照射検出装置１６ａ、１６ｂは集光レンズの焦点距離位置調整範囲外の状態にあり、保護シャッター２０ａ、２０ｂにより集光レンズは覆われている。この場合、支持部材２５と保護シャッター２０ａ、２０ｂとの取付部２６は板バネ部材で形成されていることから、保護シャッター２０ａ、２０ｂが下向きに配置されても、板バネ部材のバネ力で保護シャッター２０ａ、２０ｂは光照射検出装置１６ａ、１６ｂの集光レンズを覆う位置になる。
【００２３】
そして、焦点距離調整装置１９の位置調整手段２１により駆動装置を駆動して光照射検出装置１６ａ、１６ｂを集光レンズの焦点距離位置調整範囲まで移動させ、焦点距離調整装置１９の初期調整手段２２による焦点距離の大まかな調整が行われる。この状態では、図２（ｂ）に示すように、光照射検出装置１６ａ、１６ｂが保護シャッター２０ａ、２０ｂを押し退けて保護シャッター２０ａ、２０ｂの前方に位置することになる。この場合、保護シャッター２０ａ、２０ｂは光照射検出装置１６ａ、１６ｂの外周面に取付部２６の板バネ部材のバネ力で押し付けられる状態となる。
【００２４】
すなわち、焦点距離調整装置１９の初期調整手段２２により集光レンズの焦点距離位置調整範囲内で光照射検出装置１６ａ、１６ｂを移動させ大まかな焦点距離に調整する状態では、保護シャッター２０ａ、２０ｂが開き集光レンズ２６が露出している。さらに、この状態で焦点距離調整装置１９の微調整手段２３により焦点距離を微調整する。
【００２５】
このように、回転体表面からの反射光の計測を行う位置では、集光レンズが開状態になる。一方、計測を行わないときは集光レンズは閉じた状態となり、さらに、光照射検出装置１６ａ、１６ｂは回転体１３から離れた集光レンズの焦点距離位置調整範囲外の所定の位置に移動するので、集光レンズが保護されると共に光照射検出装置１６ａ、１６ｂのメンテナンスも回転体１３から離れた位置で行うことが可能となる。
【００２６】
図３は、初期調整手段２２での大まかな焦点距離を調整する際の説明図である。図３に示すように、初期調整手段２２は光照射検出装置１６ａ、１６ｂを焦点距離位置調整範囲内で移動させる。そして、光照射検出装置１６ａ、１６ｂで検出された反射光データを入力し、反射光データの最大値を検出した位置（例えば反射光の光量が最大の位置）を大まかな焦点距離する。
【００２７】
図４は、微調整手段２３での焦点距離を微調整する際の説明図であり、図４（ａ）は光照射検出装置１６ａ、１６ｂで検出された反射光データ、図４（ｂ）は光量に比例する検出電圧と反射光データの個数とのグラフである。図４（ａ）に示すように、反射光データのレンジＭＡＸの近傍には反射板１４ａ、１４ｂ以外の回転体１３の表面の反射光データが含まれるので、図４（ｂ）に示すように、反射光データの個数は最も多い。そこで、その範囲を除去するために、所定の範囲Ｍはマスキング処理にてマスキングをかける。所定の範囲Ｍは、例えば反射光データの最大値を示す電圧Ｖに予め定めた定数ａをかけた閾値ａＶとレンジＭＡＸとの範囲とする。
【００２８】
そして、マスキング処理した反射光データのうち反射データの個数が最も多い箇所（電圧Ｖｎの箇所）を焦点距離として調整する。従って、反射板１４ａ、１４ｂで反射された反射パターンのうち、反射データの個数が最も多い箇所（電圧Ｖｎの箇所）が焦点距離として選択されることになる。焦点距離を調整するにあたって反射光データの最大値を示す電圧Ｖの箇所ではなく、反射データの個数が最も多い箇所（電圧Ｖｎの箇所）としているのは、ノイズ信号の影響を除去するためである。
【００２９】
このように、初期調整手段で反射光データの最大値となる箇所を大まかな焦点距離位置として検索し、次に、微調整でマスキング処理を施して反射光データのうち反射パターンの反射光データの範囲内で反射光データの個数が最も多い部分を判定し、その箇所を焦点距離として調整するので、ノイズの影響を除去した適切な焦点距離に調整できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回転体の表面からの反射光を検出する光照射検出装置の集光レンズの前面に保護シャッターを設け、光照射検出装置の移動に伴って、集光レンズの焦点距離位置調整範囲では保護シャッターは開き、それ以外の範囲では保護シャッターを閉じるようにしているので、反射光データの計測を行わないときは集光レンズは保護シャッターにより保護される。また、反射光データの計測を行わないときは、光照射検出装置は焦点距離位置調整範囲外の所定の位置に移動するので回転体から離れた位置となり、光照射検出装置のメンテナンスも回転体から離れた位置で行うことが可能となる。
【００３１】
また、焦点距離調整装置は反射光データの最大値となる箇所を大まかな焦点距離位置として検索し、次に、微調整でノイズの影響を除去した箇所を焦点距離として調整するので、反射光データの検出精度が向上し、さらには信号処理装置でのトルク計測の計算精度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図。
【図２】本発明の実施の形態における光照射検出装置の移動に伴う保護シャッターの開閉動作の説明図。
【図３】本発明の実施の形態における焦点距離調整装置の初期調整手段での大まかな焦点距離を調整する際の説明図。
【図４】本発明の実施の形態における焦点距離調整装置の微調整手段での焦点距離を微調整する際の説明図。
【符号の説明】
１１…レーザ光出力装置、１２…光送受信装置、１３…、１４…、１５…光分岐調整装置、１６…光照射検出装置、１７…信号処理装置、１８…駆動装置、１９…焦点距離調整装置、２０…保護シャッター、２１…位置調整手段、２２…初期調整手段、２３…微調整手段、２４…微動台、２５…支持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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