(57)【要約】【課題】反射体の取付位置のずれに伴う計測誤差を補正するためのオフセット値を適切な時点で自動的に取得できるトルク計測装置を提供することである。【解決手段】レーザ光出力装置１１からのレーザ光を光送受信装置１２を介して回転体１３の表面に照射し、回転体１３の表面からの反射光を受信する。信号処理装置１７は、回転体１３の運転停止信号があったとき光送受信装置１２で受信した反射光を入力し、その時点での回転体１３のトルクを求め、オフセット値として記憶する。【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の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送受信装置と、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送受信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を備えたトルク計測装置において、前記信号処理装置は、前記回転体の運転停止信号があったとき前記光送受信装置で受信した反射光を入力し、その時点での前記回転体のトルクを求め、オフセット値として記憶することを特徴とするトルク計測装置。
【請求項２】
前記信号処理装置の処理開始時刻を設定するための時計手段を設け、前記信号処理装置は、前記時計手段に設定された時刻になったとき前記光送受信装置で受信した反射光を入力し、その時刻での前記回転体のトルクを求め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】
しかしながら、従来のトルク計測装置では、１対の反射体の取付位置にずれがあると正確に回転体トルクを求めることができない。すなわち、１対の反射体の取付位置が回転体の円周方向に対してずれがあると、一対の反射体からの反射光に計測誤差を生じ、回転体トルクに比例した回転体のねじれ量を正確に求めることができない。回転体のねじれ量を正確に求めるには、１対の反射板を回転体の円周方向に対してずれなく厳密に取り付ける必要があるが、これは事実上不可能である。
【０００９】
そこで、１対の反射体の取付位置のずれは許容し、その取付位置のずれによる測定誤差をオフセット値として予め計測しておき、そのオフセット値を加味して回転体のねじれ量を求めることが考えられる。このオフセット値を求めるには、回転体が無負荷かつ定格回転数で回転している状態で一対の反射体からの反射光を入力し、その時の回転体のねじれ量を計測することになる。
【００１０】
一方、回転体のトルクの計測は運転員により計測を開始するようにしている。通常運転中は、プラント運転状態を告げるアナウンスがあったときに運転員により手動で計測を開始する。従って、必ずしもアナウンスのあった的確なタイミングでトルク計測が実施できるというわけではなく多少の計測タイミングのずれがある。
【００１１】
このことから、オフセット値を求める際においても、回転体のトルクの計測タイミングのずれが生じてしまう。回転体が無負荷かつ定格回転数で比較的長時間回転している状態は、発電機が電力系統に並入される並列前である。従って、並列前にオフセット値を求めることが望ましいが、並列前においては並列以降の回転体の熱伸び等により、一対の反射体と光送受信装置との相対位置が変化してしまうので、正確なオフセット値を取得することが非常に困難である。
【００１２】
一方、回転体が無負荷かつ定格回転数で回転している状態は、解列時にも生じるが、解列時においては、回転体は定格回転数からすぐに減速を開始するので、極めて短い一瞬しか計測のタイミングが存在しない。そのため、運転員による手動での計測は極めて困難である。
【００１３】
本発明の目的は、反射体の取付位置のずれに伴う計測誤差を補正するためのオフセット値を適切な時点で自動的に取得できるトルク計測装置を提供することである。
【００１４】
【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の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送受信装置と、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送受信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を備えたトルク計測装置において、前記信号処理装置は、前記回転体の運転停止信号があったとき前記光送受信装置で受信した反射光を入力し、その時点での前記回転体のトルクを求め、オフセット値として記憶することを特徴とする。
【００１５】
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、前記信号処理装置の処理開始時刻を設定するための時計手段を設け、前記信号処理装置は、前記時計手段に設定された時刻になったとき前記光送受信装置で受信した反射光を入力し、その時刻での前記回転体のトルクを求め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。信号処理装置１７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を求めるものである。
【００１７】
信号処理装置１７は、プラントの解列信号（回転体１３の運転停止信号）があったときに演算処理を開始する。プラントの解列信号は、回転体がガスタービンや蒸気タービンである場合、ガスタービンや蒸気タービンにより駆動される発電機の遮断器解放信号である。信号処理装置１７は、プラントの解列信号があった状態での反射体１４ａ、１４ｂからの反射光データをデータ記憶部２０に記憶する。プラントの解列信号があったときは、発電機は電力系統から解列されるので、回転体１３への負荷がなくなった状態となり、回転体１３にはねじれ量は発生していない状態である。この状態でねじれ量が計測されたときは、そのねじれ量を、ねじれ量のオフセット値としてデータ記憶部２０に記憶すると共に、そのねじれ量に基づいてトルク算出手段２２でトルクを算出し、算出されたトルクを、トルクのオフセット値としてデータ記憶部２０に記憶する。
【００１８】
また、信号処理装置１７は時計手段１８を備えており、現在時刻が時計手段１８に予め設定された時刻になったときにも、信号処理装置１７は演算処理を開始する。すなわち、現在時刻が時計手段１８に設定された時刻となったとき、信号処理装置１７の入力信号処理手段１９は、光照射検出装置１６ａ、１６ｂで受信された反射光を入力し、例えば、入力した回転体１３の反射光をフィルタリング処理して、回転体１３の回転に伴う１回転分の反射光データをデータ記憶部２０に記憶する。この場合、１回転分の反射光データを複数回測定し所定回転数分の反射光データを記憶するようにしても良い。例えば、回転周期やねじれ量を算出する際に外乱に対して安定となる必要な所定回転数分の反射光データを記憶する。
【００１９】
相関処理手段２１は、入力信号処理手段１９がデータ記憶部２０に取り込んだ反射光データをデータ記憶部２０から取り出し、その取り出した反射光データ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算出する。相関処理手段２１で算出された回転体の回転周期やねじれ量はデータ記憶部２０に記憶される。
【００２０】
トルク算出手段２２は、相関処理手段２１が算出した回転体のねじれ量をデータ記憶部２０から取り出し、その取り出したねじれ量に基づいて回転体１３のトルクを算出する。トルク算出手段２２で算出された回転体１３のトルクはデータ記憶部２０に記憶される。
【００２１】
ここで、相関処理手段２１での回転体１３の回転周期およびねじれ量の算出方法について説明する。いま、回転体１３の軸方向の異なる位置に１対の反射体１４ａ、１４ｂが１組設けられ、その１対の反射体１４ａ、１４ｂは、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交互にバーコード状に形成された反射パターンを有しているとする。このような１対の反射体１４ａ、１４ｂからのレーザ光の反射光は、フィルタリング処理され雑音が除去されると、回転体１３が回転したときの反射光データは、図２に示すように、回転体１３の１回転につき、強弱が周期性をもって繰り返される１つの反射パターンが現れる。図２の上部は１対の反射体１４ａ、１４ｂのうちの一方の反射体１４ａの反射光データＡであり、下部は他方の反射体１４ｂの反射光データＢである。反射光データＡの反射パターンより反射光データＢの反射パターンが遅れ時間τだけ遅れているのは、回転体１３にねじれ量が生じていることを表している。
【００２２】
相関処理手段２１では、反射光データＡの相関関数から回転体１３の回転周期を求める。いま、反射光データＡを抽出して関数Ｆ（ｔ）とすると、反射光データＡの相関関数φ（τ）は、（１）式で示される。
【００２３】
【数１】
2005016952.tif 000003
但し、Ｃ：検出信号のずれ時間
τ：遅れ時間
δ：反射光データＡの反射パターン幅
この相関関数φ（τ）が最大となる遅れ時間τを求める。これは、反射光データＡの最初の検出信号（反射パターン）を時間的に遅れさせて次の検出信号（反射光パターン）との重なり度合を調べる操作に相当し、遅れ時間τが回転周期に近付くと、最初の検出信号が次の検出信号で一致するようになり、相関関数φ（τ）の値が大きくなる。このときの遅れ時間τが回転周期となる。この回転周期は、反射光データＡと同様に反射光データＢからも求めることができる。
【００２４】
一方、回転体１３のねじれ量は、反射光データＡと反射光データＢとの相関関数φｉ（τ）から求める。いま、反射光データＡの出力信号を抽出して関数Ｇ１（ｔ）とし、反射光データＢの出力信号を抽出して関数Ｇ２（ｔ）とすると、相関関数φｉ（τ）は（２）式で示される。
【００２５】
【数２】
2005016952.tif 000004
但し、Ｃｉ：反射光データＡの検出信号のずれ時間
τ  ：反射光データＡと反射光データＢとの遅れ時間
δｉ：反射光データＡの反射パターン幅
この相関関数φｉ（τ）が最大となる遅れ時間τを求める。これは、反射光データＡの検出信号（反射パターン）を時間的に遅れさせ、反射光データＢの検出信号（反射パターン）との重なり度合を調べる操作に相当する。相関関数φｉ（τ）が最大になったときの遅れ時間τが回転体１３の駆動軸のねじれ量に相当する。
【００２６】
プラントの解列信号があったとき、あるいは現在時刻が時計手段１８に予め定められた時刻になったとき、入力信号処理手段１９は、反射光データをデータ記憶部２０に記憶するので、相関処理手段２１では、その反射光データに基づいて、（１）式や（２）式の相関関数を用いて、その時刻における回転周期やねじれ量を算出する。このように、プラントの解列信号があったとき、あるいは現在時刻が時計手段１８に予め定められた時刻になったとき、その時刻における回転周期やねじれ量が自動的に算出できるので、適切なタイミングで回転周期やねじれ量を得ることができる。
【００２７】
また、トルク算出手段２２では、相関処理手段２１で得られたねじれ量（遅れ時間τ）に基づいて回転体１３のトルクＦｔを（３）式で求める。
【００２８】
Ｆｔ＝２πＫｘ・τ／Ｔ  …（３）
但し、Ｋ：回転体１３の駆動軸のねじればね定数
ｘ：反射体１４ａと反射体１４ｂとの距離
Ｔ：回転体１３の回転周期
回転体のトルクＦｔは、１対の反射体１４ａ、１４ｂから得られる反射パターンのねじれ量（遅れ時間τ）に基づいて算出されることから、１対の反射体１４ａ、１４ｂの取付位置が回転体１３の円周方向に対してずれがないように精度良く取り付ける必要がある。１対の反射体１４ａ、１４ｂの取付位置にずれがあると、ねじれ量（遅れ時間τ）にはそのずれに応じたオフセット値τ０が生じる。
【００２９】
本発明の実施の形態では、プラントが解列し、回転体１３の負荷がない状態のときに計測されたねじれ量を、ねじれ量（遅れ時間τ）のオフセット値τ０とする。また、そのときのねじれ量に基づいてトルクを計算し、計算されたトルクを、トルクのオフセット値Ｆｔ０とする。従って、ねじれ量のオフセット値τ０やトルクのオフセット値Ｆｔ０を適切に得ることができる。
【００３０】
トルクのオフセット値Ｆｔ０を得るタイミングとして、プラントの解列信号があったときとしているのは、以下の理由による。プラントの解列時には回転体１３が熱的に飽和しており回転体１３の熱伸び等の影響がほとんどなく、正確なオフセット値を取得できるからである。そこで、解列時に計測した回転体のねじれ量やトルクをオフセット値に選ぶようにした。
【００３１】
なお、プラントの解列時は、回転体は定格回転数からすぐに減速を開始するので、極めて短い一瞬しか計測のタイミングが存在しないが、解列を表すプラントの解列信号を計測開始のトリガとして自動計測するようにしているので、適切なタイミングで一対の反射体１４ａ、１４ｂからの反射光を入力でき、誤差のほとんどないねじれ量のオフセット値τ０やトルクのオフセット値Ｆｔ０を得ることができる。
【００３２】
以上の説明では、時計手段１８を設け、通常運転時においても自動的に一対の反射体１４ａ、１４ｂからの反射光を入力し自動計測するようにしたが、通常運転時において計測のタイミングにさほどの精度を要求されない場合には、通常運転時においては運転員による手動で計測するようにしても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、反射体の取付位置のずれをオフセット値として計測するので、反射体の取付位置にずれがあったとしても、そのずれによる計測誤差を補正できるので、トルクの計測精度を向上させることができる。また、時計手段に設定された時刻に自動的にトルクが計測できるので、適切なタイミングでトルクの計測を行うことができる。
【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１対の反射体から得られた反射光データの説明図。
【符号の説明】
１１…レーザ光出力装置、１２…光送受信装置、１３…回転体、１４…反射体、１５…光分岐調整装置、１６…光照射検出装置、１７…信号処理装置、１８…時計手段、１９…入力信号処理手段、２０…データ記憶部、２１…相関処理手段、２２…トルク算出手段
【図１】
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【図２】
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