(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法であって、
前記蒸気タービンに前記複数のブレード段を挟む形で少なくとも２カ所にＡＥセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のＡＥ信号を前記各ＡＥセンサーで受信し、前記補正用のＡＥ信号の強度を利用して前記各ＡＥセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記各ＡＥセンサーで受信され補正されたＡＥ信号により前記損傷を評価する蒸気タービン損傷評価方法。
【請求項２】
前記各ＡＥセンサーで受信した補正用のＡＥ信号の補正後の強度が両ＡＥセンサー間で同レベルとなるように前記受信感度の補正を行う請求項１記載の蒸気タービン損傷評価方法。
【請求項３】
複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法であって、
前記蒸気タービンにＡＥセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを加速度センサーを内蔵したインパルスハンマーで打撃し、前記加速度センサーで入射波を受信すると共に補正用のＡＥ信号を前記各ＡＥセンサーで受信し、前記補正用のＡＥ信号の受信振幅Ｓｒを前記入射波の振幅である入射振幅Ｓｉにより除することで減衰率Ｑを求め、この減衰率Ｑにより前記ＡＥセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記ＡＥセンサーで受信され補正されたＡＥ信号により前記損傷を評価する蒸気タービン損傷評価方法。
【請求項４】
複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法であって、
前記蒸気タービンにＡＥセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のＡＥ信号を前記ＡＥセンサーで受信し、前記補正用のＡＥ信号の強度を利用して前記ＡＥセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記ＡＥセンサーで受信され補正されたＡＥ信号に基づく重心周波数と補正されたＡＥ信号の強度との相関により前記損傷を評価する蒸気タービン損傷評価方法。
【請求項５】
スケールに起因する信号を前記ＡＥセンサーによりＡＥ信号として検出する請求項１〜４のいずれかに記載の蒸気タービン損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、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等にみられるような異物衝突による損傷評価方法に関するものである。
【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やエロージョン等の損傷が生じることとなる。
【０００３】
従来では、タービンを停止させての定期点検時に目視検査や蛍光探傷により損傷評価を行っていた。したがって、定期点検時以前に損傷が急激に進行した場合は問題である。一方、発明者らの研究によれば、異物の衝突による材料の損傷と異物衝突の際に生じるＡＥ信号の重心周波数等のＡＥパラメーターとの間に相関のあることが見いだされた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる実状に鑑みて、本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の目的は、蒸気タービンのブレード損傷に関する予兆現象を捕捉することにより、ブレードの損傷を評価することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の特徴は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのタービンブレード損傷を評価する方法において、前記蒸気タービンに前記複数のブレード段を挟む形で少なくとも２カ所にＡＥセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のＡＥ信号を前記各ＡＥセンサーで受信し、前記補正用のＡＥ信号の強度を利用して前記各ＡＥセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記各ＡＥセンサーで受信され補正されたＡＥ信号により前記損傷を評価することにある。
【０００６】
具体的には、前記各ＡＥセンサーで受信した補正用のＡＥ信号の補正後の強度が両ＡＥセンサー間で同レベルとなるように前記受信感度の補正を行うとよい。
【０００７】
また、本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の他の特徴は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価する方法において、前記蒸気タービンにＡＥセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを加速度センサーを内蔵したインパルスハンマーで打撃し、前記加速度センサーで入射波を受信すると共に補正用のＡＥ信号を前記各ＡＥセンサーで受信し、前記補正用のＡＥ信号の受信振幅Ｓｒを前記入射波の振幅である入射振幅Ｓｉにより除することで減衰率Ｑを求め、この減衰率Ｑにより前記ＡＥセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記ＡＥセンサーで受信され補正されたＡＥ信号により前記損傷を評価することにある。加速度センサーがインパルスハンマーに内蔵され、弾性波の入射側における感度が一定していることから、入射振幅Ｓｉで受信振幅Ｓｒを除することにより、蒸気タービンの差やＡＥセンサーの取り付け条件の差による感度の差異を確実に標準化することが可能だからである。
【０００８】
本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法のさらに他の特徴は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価する方法において、前記蒸気タービンにＡＥセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のＡＥ信号を前記ＡＥセンサーで受信し、前記補正用のＡＥ信号の強度を利用して前記ＡＥセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記ＡＥセンサーで受信され補正されたＡＥ信号に基づく重心周波数と補正されたＡＥ信号の強度との相関により前記損傷を評価することにある。上記いずれかに記載の特徴において、スケールに起因する信号を前記ＡＥセンサーによりＡＥ信号として検出するとよい。
【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、本発明の観測対象となる蒸気タービン１は、二カ所の基礎部２にそれぞれ基礎部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。本発明における「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の現象をいう。
【００１２】
蒸気タービン１をモニタするための蒸気タービン損傷評価装置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及び評価装置ユニット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は各軸受４，４近傍の基礎部３に取り付けられ，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から生じるＡＥ（アコースティックエミッション）を主軸５，軸受４を介してそれぞれ受信する。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、評価装置ユニット３０に送信する。
【００１３】
評価装置ユニット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Ｓｉ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Ｓｒ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＝Ｓｒ／Ｓｉ
【００１７】
かかるＱを基礎部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。
【００１８】
図３は実際に蒸気タービンに広帯域型のセンサーを取り付けて測定を行った結果であり、その横軸は重心周波数、縦軸は受信信号の振幅強度をそれぞれ示している。重心周波数は、衝突により生じたＡＥ信号を一定時間サンプリングし、その周波数スペクトルを用いて重心となる周波数を求めたものである。縦軸の受信信号強度は上記減衰補正を施した信号強度である。
【００１９】
図３における信号群Ａ１は、電気ノイズに起因するものであって、重心周波数１８０〜３８０ｋＨｚ程度であるが、受信振幅は低い。信号群Ａ２は通常運転音、信号群Ａ３は弁の開閉音であり、いずれも重心周波数１７０ｋＨｚ以下である。信号群Ａ４は上記軸受４，４より発生するノイズに起因する。信号群Ａ５はスケールが発生した場合であり、このスケールに起因して亀裂やエロージョンが進行するため、同信号群は侵食の予兆現象として捕らえられる。そして、侵食が実際に進行する場合には、信号群Ａ５と同程度でさらに高強度の信号である信号群Ａ６の信号が受信されることとなる。したがって、信号群Ａ５，Ａ６に着目することにより、損傷の予兆現象を捕らえることが可能である。
【００２０】
中圧ブレード群７，低圧ブレード群８には高圧ブレード群６よりも低圧の流体が通過することから、ブレードが損傷、侵食される確率は低い。したがって、通常は高圧入口ブレード段６ｘから生じる信号をモニタすれば十分であり、損傷の予兆現象を捕らえた時点で配管等の切替や物理的・化学的なスケール除去を行えばよい。二カ所に分離させて第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２を設けてあるので、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８が高圧ブレード群６よりも第二ＡＥセンサー２２に近いことから、中圧ブレード群７，低圧ブレード群８におけるＡＥは高圧ブレード群６におけるＡＥに比較してより高レベルで第二ＡＥセンサー２２に受信される。また、高圧ブレード群６の下流側ブレードにおけるＡＥは高圧入口ブレード段６ｘにおけるＡＥに比較してより高レベルで第一ＡＥセンサー２１に受信される。したがって、同第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２の配置によれば、高圧入口ブレード段６ｘ以外で発生する損傷の予兆を見逃すことがない。
【００２１】
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。
上記実施形態では、ＡＥパラメーターとして、重心周波数を用いた。しかし、ＡＥパラメーターは上記実施形態に限られるものではなく、受信信号の平均周波数やピーク周波数もＡＥパラメーターに含まれる。
【００２２】
上記実施形態の図３で例示したＡＥパラメーターと受信振幅に基づく平面における信号の分布（マッピング）で損傷の予兆現象を捕捉する手法は、上記タービンの損傷のみでなく、他の損傷についても適用可能である。例えば、滑り軸受の損傷については、「ＡＥ信号の強度」として受信信号を積分して求められ「ＡＥエネルギー強度」を用いれば、損傷の予兆現象を捕捉することが可能である。すなわち、本発明にいう「ＡＥ信号の強度」には「振幅強度」と「ＡＥエネルギー強度」の双方が含まれる。
【００２３】
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。
【００２４】
上記実施形態では、高中低圧ブレード群を一体的に備えた高中低圧蒸気タービンを例示した。しかし、上記軸受４，４間に高中圧ブレード群を一体的に備えた高中圧蒸気タービンを配置し、さらに主軸５の右側に低圧蒸気タービンと発電機とを順次備えた構成を採用してもよい。また、上記軸受４，４間に一対の高圧ブレード群を一体的に備えた高圧蒸気タービンを配置し、主軸５の右側に中圧蒸気タービン及び低圧蒸気タービンと発電機とを順次備えた構成を採用することもできる。本発明にいう「最も高圧段のブレード段」とは、各蒸気タービンにおける最も高圧段のブレード段を意味し、例えば中低圧蒸気タービンでは「中圧ブレード群」において最も高圧段のブレード段を選択すればよい。
【００２５】
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であって、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。
【００２６】
【発明の効果】
このように、上記本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の特徴によれば、最も危険な高圧入口ブレード段から発生するＡＥ信号を重点的に評価することで、蒸気タービンのブレード損傷に関する予兆現象を確実に捕らえ、ブレードの損傷を蒸気タービンを駆動させたままで評価することが可能となった。また、上述の如く複数のブレード段を挟む形で少なくとも２カ所にＡＥセンサーを配置し、両ＡＥセンサー間で感度調整を行うことで、他のブレードから生じるＡＥ信号も捕捉でき、その結果、ブレード全体の損傷をより確実に評価することができるようになった。
【００２７】
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】本発明に係る評価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損傷評価方法を実施するための評価装置のブロック図である。
【図３】重心周波数とＡＥ信号強度との関係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：シェル、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：蒸気タービン損傷評価装置、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：評価装置ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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