(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転速度で作動中の空冷ロータ（１０）の円周方向に並んだ通気孔（２６）を出る流れの速度を測定する装置であって、通気孔は、ロータ作動時回転軸線の回りに円周方向の空気流路を形成し、前記装置は、
直線状の感知部分（５６）を有し、通気孔の流れ速度を表す信号を発生するセンサ（５４）を備えた、周波数応答が作動時のロータの回転速度に比べて高い風速計（５０）と、
風速計のセンサ（５４）の感知部分（５６）をロータ（１０）の回転軸線に垂直に配向すると共に風速計のセンサをロータの回転軸線の回りに通気孔により形成された円周方向空気流路に近接させた状態で保持する支持構造体（６０、６２、６４、５２）と、
センサが発生した信号からロータの通気孔の流れ速度を決定する手段とを有することを特徴とする流れ速度測定装置。
【請求項２】
前記決定手段は、増幅器を有することを特徴とする請求項１記載の流れ速度測定装置。
【請求項３】
支持構造体（６０、６２、６４、５２）は、センサ（５４）の感知部分（５６）をロータ（１０）の回転軸線の回りに通気孔（２６）により形成された円周方向空気流路から約0.05インチ（0.13cm）〜0.15インチ（0.38cm）離して位置決めすることを特徴とする請求項１記載の流れ速度測定装置。
【請求項４】
支持構造体（６０、６２、６４、５２）は、風速計（５０）が取り付けられた位置決めテーブル（６０）を含むことを特徴とする請求項２記載の流れ速度測定装置。
【請求項５】
支持構造体（６０、６２、６４、５２）は、ブレース（６４）及び位置決めテーブル（６０）を支持スタンド（６４）に取り付けるプレート（６２）を更に含み、支持スタンドはプレートをフロア（６６）に取り付けることを特徴とする請求項４記載の流れ速度測定装置。
【請求項６】
風速計は、高温フィルム型風速計であることを特徴とする請求項１記載の流れ速度測定装置。
【請求項７】
風速計のセンサ（５４）の感知部分（５６）は、石英ファイバ上に被着されたニッケルフィルムより成ることを特徴とする請求項６記載の流れ速度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明はロータから出る流れの速度測定装置に関し、さらに詳細には空冷タービンロータから出る円周方向の流れの速度を測定する装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
運転速度で動作中の発電機ロータに作用する流体力学及び熱伝達現象は、発電機、特に空冷ロータの性能にとって非常に重要である。しかしながら、流体力学及び熱伝達現象はそれらの性質上極端に複雑である。このため、ロータの界磁巻線の運転温度を正確に計算して予測することは、克服すべき大きな技術上の課題であった。ロータ界磁巻線運転温度の測定及び制御は発電機の効率及び絶縁系統の健全性にとって非常に重大である。
【０００３】
従来、ロータの設計の大部分は定格対冷却能力につき控え目な値を採用している。これは一理由として、ロータの通気及び運転温度についての不確実性のため必要とされた。しかしながら、新型の空冷ロータは予測運転温度と効率動作のために許容可能な最高温度との間で殆どマージンを設けない設計になっている。その結果、実際のロータと実験室モデルの両方につき広範な通気流（通風）発生試験を行うことによりロータ通気系統を効率的に設計することが必要になっている。
【０００４】
かかる試験の結果はロータ通気系統の設計及び構成に使用される。計算流体力学（ＣＦＤ）として知られる新しい非常に強力な分析手法もまた試験プロセスに用いられる。ＣＦＤモデル化は発電機のロータのような複雑なシステムにおける予想流量を計算するための効果的なツールである。試験及びＣＦＤモデル化はプロトタイプのロータにおいて通気システムが設計通りに機能することを検証し且つこれらのシステムの製造に用いる製造プロセスの健全性を確認するため特に有用である。
【０００５】
その結果、ロータ界磁巻線における熱放散効率に影響を与える流れパラメータの正確な測定値を求めることがロータの通気流量発生試験の主要な目的である。
【０００６】
重要な流れパラメータには、ロータを介して圧送されつつある流れの全総合体積、この流れの圧力及び速度、ロータ本体の長さ方向（軸方向）及びロータ本体の軸周りの方向（円周方向）の両方におけるこの流れの分布がある。公知の試験ではロータの軸方向の流れ分布を表わす正確な値が得られるが、流れの円周方向の分布に関する情報は得られない。従って、ロータの円周方向の流れの分布を正確に測定できる試験方法及び装置に関する要望が存在する。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の目的は、ロータが運転速度で動作中にロータ本体の個々の通気孔から出る排気流の別々の速度を測定する試験装置及び方法を提供することにある。特に、本発明の目的はロータ軸の周りにおける流れ分布、即ち円周方向の流れ分布を測定することにある。
【０００８】
本発明によると、運転速度で作動中の空冷ロータの円周方向に並んだ通気孔を出る流れの速度を測定する装置であって、通気孔は、ロータ作動時回転軸線の回りに円周方向の空気流路を形成し、前記装置は、直線状の感知部分を有し、通気孔の流れ速度を表す信号を発生するセンサを備えた、周波数応答が作動時のロータの回転速度に比べて高い風速計と、風速計のセンサの感知部分をロータの回転軸線に垂直に配向すると共に風速計のセンサをロータの回転軸線の回りに通気孔により形成された円周方向空気流路に近接させた状態で保持する支持構造体と、センサが発生した信号からロータの通気孔の流れ速度を決定する手段とを有することを特徴とする流れ速度測定装置が提供される。
【０００９】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
本発明の好ましい実施形態は、図１−４に関して図示説明する典型的な空冷ロータの円周方向の流れ分布を測定するものである。図１は発電機の空冷ロータ１０を示す。本発明の好ましい実施形態を試験するために図１のロータ１０と同様なロータを使用した。ロータ１０はタービン側端部１２と励磁機側端部１４を有する。ロータ１０の通気通路は、図２〜図４に示されている。
【００１０】
図２は、ロータ本体の横断面を示す。この図に示すように、ロータ１０の通気設計には、２４個のロータスロットによる半径方向の通気（円周方向の通気）冷却方式が組み込まれている。各ロータスロットは、その底部に沿って延びる冷却ガス通路２２またはチャンネルを有する。ロータ本体の各極の間には１２個のスロット２０が存在し、それらのスロットは、ロータ１０の合計４０個のスロットに対応するインターバルで離隔されている。スロット２０の各端部から空気が導入されロータ本体１０を軸方向に流れる。図３はロータ１０の縦方向断面を示す。各ロータスロットには、ロータ本体１０の軸方向に４インチ（10.2cm）の間隔を有する合計２８個の通気孔２６が設けられている（例えば、図６にはこれら２８個全てを示している）。空気は冷却ガスチャンネル２２から半径方向に出て界磁コイル２４（図２）の銅製のストラップの二重スリットに流入する。その空気は巻線（界磁コイル）から熱を除去し、最終的にロータからロータ本体１０の外径部のスロットウェッジ２８の円周方向に並んだ通気孔２０から排出される。ロータ１０の表面上には通気用の空気が逃げる合計６７２個（２４×２８）の円周方向に並んだ通気孔２０が存在する。
【００１１】
図４は、１つの円周方向に並んだ通気孔２６の平面図である。スロットウェッジ２８において、銅製のストラップの周りから形成された２個のスリット３４が一緒になって単一の長楕円形の通気孔３２から外に延びる。ロータ１０の発電機システム（図示せず）において、ロータ１０を介する流れは、自己圧送作用及びロータ１０のタービン側端部１２にある単一の送風機（図示せず）により発生する。プラグ３８（図３）が各々の軸方向チャンネルに配置されて流れをブロックすると共にタービン端を励磁機側端部から隔離する。
【００１２】
非常に早い過渡応答を有する圧力または流量測定装置をロータの本体の近くに配置することによって、過渡データの分析からロータの円周方向の流れ分布を得ることができることが判明している。ロータが毎分３６００回転の速度で回転している時、円周方向に並んだ通気孔が定置センサを通過する周波数は２．４kHzである。充分に高い周波数応答を有するセンサを用いると、円周方向の各通気孔を横切る時に読みを得ることが可能である。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態では、高温フィルム型風速計をセンサとして用いる。高温フィルム型風速計は、通常１７５kHzの高い周波数応答を有し、市販されている。ロータ１０において風速計は１組２４個（２８組のうちから）の円周方向の通気孔をモニタする。特定組の通気孔をモニタするため、風速計は、ロータが回転する時のロータの軸の周りの１組２４個の通気孔の回転により形成される円周方向通路、即ちロータ１０の外周部に整列してある。風速計は高い周波数応答を有するため、ロータの任意の円周方向通路上の２４個の円周方向に並んだ通気孔の各々を横切る際、最大２３個の読みを得ることができる。加えて、通気孔を出る流れ速度は高温フィルム型風速計で直接測定できる。本発明に用いる高温フィルム型風速計の一例を図５を参照して説明する。
【００１４】
図５に示す風速計プローブ５０は登録商標Ｄａｎｔｅｃを有するファイバ（繊維）−フィルム（薄膜）センサであり、汎用高精度風速計信号コンディショナ／プロセッサである登録商標Ｄａｎｔｅｃを有する５６ＣＯＩと共に使用される。
【００１５】
図５は本発明の実施形態に用いるセンサ５４を示す。センサ５４は登録商標Ｄａｎｔｅｃを有する５５ＲＯ１であり、長さ３mm、直径７０マイクロメートルの石英ファイバ上に被着させた厚さ０．５マイクロメートル、長さ１．２５mmのニッケルフィルムより成る直線状の感知部分５６を含む。センサ５４は０．２ｍ／秒乃至３５０ｍ／秒の速度範囲に亘って１７５ｋＨｚの定格感度を有する。Ｄａｎｔｅｃ ５６ＣＯＩ（これは一定温度の風速計である）は、ホイートストンブリッジとサーボ増幅器（図示せず）を含む。
【００１６】
動作について説明すると、センサ５４が流体（空気）の流れの作用下に置かれると、対流による熱伝達によりニッケルフィルムが瞬時に熱を失う。この熱損失によりセンサの温度、従ってその抵抗値が減少する。サーボ増幅器はセンサをその元の温度に回復させるに必要な電圧変化を発生させそれを出力する。その信号、即ち電圧変化はセンサを通過する空気の瞬時速度に相当し、非線形である。本発明の好ましい実施形態では、Ｄａｎｔｅｃ ５６Ｎ２１リニアライザが電圧と速度の間に線形な関係を生ぜしめるため構成されている。かくして、上述のシステムによりセンサを通過する空気の流速が得られる。ブリッジ、サーボ増幅器及びリニアライザは風速計の主ユニット、即ちＤａｎｔｅｃ ５６ＣＯＩの一部を形成する。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態では、各センサプローブをそれぞれ個別に構成してロータ１０の円周方向に並んだ通気孔が遭遇すると予想される流速の範囲に亘りその出力応答信号を線形化する必要がある。本発明の一実施形態では、この構成を実験室においてほぼ２０℃の周囲の空気により行う。本発明の一実施形態では、５個のセンサを０乃至１００ｍ／秒の速度範囲に亘り線形化し、増幅器により発生される電圧１ボルトが１０ｍ／秒の通気孔を出る流速に等しいように構成する。さらに、本発明の別の実施形態では、５個のプローブのうち２個を０〜２００ｍ／秒の範囲に亘り線形化し、１ボルトが２０ｍ／秒に等しいように構成する。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態を図６、図７、図８ａ及び図８ｂを参照して説明する。本発明のこの好ましい実施形態では、風速計プローブ５０はロータ本体の円周方向に並んだ通気孔を出る流れを測定する際、風速計プローブをロータに沿って軸方向に遠隔操作で且つ自動的に旋回できるようにするための位置決めテーブル６０（図８）に固着してある。本発明の好ましい実施形態では、この位置決めテーブル６０はＥｘｏｎｉｃシステムズ社製のステップモータにより駆動される一軸位置決めテーブルである。このテーブルを、操作棒コントローラ及びデジタルカウンタ付きのエンコーダを備えた遠隔モータ駆動ユニットと共に用いる。これにより、オペレータはセンサの正確な位置をモニタしながらロータの本体に沿ってその運転速度による動作中にプローブを正確に変位させることができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、Ｅｘｏｎｉｃシステムの全走行長さは２４インチ（６１cm）である。好ましい実施形態では、ロータ全体をカバーするためにこの変位システムを数回再配置する必要がある。好ましい実施形態では、風速計のセンサ及びプローブ５０が位置決めテーブル６０に取り付けられ固定されている。プローブを保持するため直径１インチ（２．５４cm）の機械加工したマイカータ（商標）製のロッド５２を用いる。このロッド５２は機械加工されたアルミニウム製のブラケットにクランプされ、このブラケットはテーブル６０の頂面にボルト付けしてある。
【００２０】
図６、図７、図８ａ及び図８ｂに示すように、テーブル及びプローブ、センサ及び保持手段全体よりなる組立体は、ロータの各端部につき一つずつスタンド組立体６２，６４を支持するために垂直に取り付けられている。これらのスタンドは、高荷重に耐えられるスチール製の補強ニール型のガセットであり、ブラケットを備えたアルミニウム製のプレート６２を含む。ブラケットを備えたアルミニウム製のプレート６２を支持するために、支持スタンド６４の取付け面は平らにフライス加工されている。これらのスタンド６２は、フロア６６に下向きにボルト留めされるよう設計されている。加えて、支持スタンド６４の基部とフロア６６との間に振動を最小限に抑えるためにネオプレンのスポンジ製のガスケット（図示せず）を用いる。図６、図７、図８ａ及び図８ｂに示すように、スタンド６４は、位置決めテーブル６０が通し孔を介してアルミニウム製のプレート６２の取付け面に直接ボルト留めされるよう設計されている。加えて、この取り付け用の孔にはテーブル６０がロータの本体１０に関して水平になるようにするためスロットが設けられている。機器類（プローブ及びテーブル）の接続に必要なケーブル（図示せず）は風速計の主ユニット及び変位制御装置（図示せず）に接続されている。本発明の好ましい実施形態では、風速計の主ユニットとプローブ５０との間のケーブルの長さは、電子装置が正確に機能するように２０ｍに制限されている。本発明の好ましい実施形態では、風速計主ユニットの出力は同軸ケーブルによりＮｉｃｏｌｅｔ４１０信号平均記憶式オシロスコープ（図示せず）に接続されている。このオシロスコープは、風速計５０からリアルタイムで連続アナログ応答信号を受け取り、デジタル化した後、指定の走査回数に亘り平均化、即ち、掃引する。掃引回数及び掃引間の時間インターバルはオペレータにより決定される。平均化したデジタル信号はオシロスコープと一体的なディスクドライブを介してフロッピーディスクにＡＳＣＩＩフォーマットで保存される。
【００２１】
プローブの最適位置、プローブの適正な校正度合い、及び高品質の信号が得られるよう平均化されるべき最適掃引回数を決定するための試験を行った。センサをロータ本体に近接して位置決めすると応答は明確であり且つ一貫性が高い（近くに配置すればするほど応答はそれだけ一層良好になる）。結果として、本発明の好ましい実施形態では、プローブが安全であるかぎりセンサを出来るだけ観点中のロータ本体に近づけて配置することが賢明である。本発明の好ましい実施形態では、この距離は約0.100インチ（0.254cm）である（0.05インチ（0.13cm）〜0.15インチ（0.38cm）である）。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、センサは１００ｍ／秒及び２００ｍ／秒に校正される。試験中、０〜５０ｍ／秒の範囲に校正されたセンサは時たま飽和状態になることがあると考えられた。特に、平均流速がこの範囲内にあっても、試験中、風速計信号が時々飽和状態になり、瞬時速度が５０ｍ／秒を越えていることを指示していることが分かった。もし試験中に飽和状態が生じると、スコープ内に記憶されている平均値に誤差が入ることになろう。かくして、飽和を避けるためには、本発明の好ましい実施形態で用いられたセンサを１００ｍ／秒及び２００ｍ／秒に校正する。
【００２３】
初期試験中、信号が５マイクロ秒のインターバルでサンプリングされる場合、信号が認識可能になる前に約２０回の掃引を平均化することが必要であった。信号の品質は、平均掃引回数の増加に伴って高まった。これらの試験に基づき、本発明の好ましい実施形態では、５００回の掃引平均値が用いられる。その結果、３６００ｒｐｍで回転しているロータに関する本発明の好ましい実施形態では、プローブを出来るだけロータに近接して配置し、校正を１００ｍ／秒及び２００ｍ／秒に設定し、５マイクロ秒のインターバル及び一回平均少なくとも５００回の掃引回数で得た信号を用いる。
【００２４】
もう一つの考慮すべき事項は、ロータの回転、即ちロータの回転軸線に対するプローブのセンサ感知部分５６の向き（配向状態）及びプローブ用のシールドを用いるかどうかである。運転速度（３６００ｒｐｍ）では、ロータ表面、従って、これに隣接して位置する空気は、６２８フィート／秒（１９２ｍ／秒）の速度で動いている。この速度は、円周方向に並んだ通気孔を出る空気の速度よりも著しく大きい。円周方向に並んだ通気孔を出る空気の速度は、約１５０フィート／秒から６０フィート／秒（４６ｍ／秒〜１８ｍ／秒）までの範囲にわたって様々である。種々の遮蔽構造が剪断流れ成分を遮断するかどうかにつき判定するために種々の遮蔽構造を試験した。加えて、プローブのセンサ感知部分の向きが剪断流れ成分を除くかどうかにつき判定するためにプローブのセンサ感知部分の向きを試験した。
【００２５】
詳細を述べると、プローブのセンサ感知部分をロータ本体に対して平行に配向すると、センサの時間応答は最も大きいが、センサは剪断流れ成分の影響をすっかり受ける。プローブのセンサ感知部分をロータ本体に対して垂直に配向すると、プローブの時間応答は、僅かに減少するが、センサは剪断流れ成分の影響を受ける度合いが相対的に小さくなった。プローブの最適構成を決定するために、ロータ本体からのセンサ感知部分の半径方向距離を０．１１〜０．５１１インチ（０．２８〜１．３cm）の範囲で変えながら、ロータの軸線に対するセンサ感知部分の向きを垂直から水平に変えた。最適構成は、センサ感知部分をロータ本体の表面に関して０．１１インチのところ、ロータ本体の回転軸線に対して垂直に配置したときである。
【００２６】
また、試験結果の示すところによれば、信号の大きさは、センサ感知部分をロータ本体から遠ざけると、迅速に減少する。たとえば、ロータ本体から０．５１１インチ（1.3cm）離れたところでは、ここの通気流量は、プローブのセンサ感知部分が垂直の向きにある場合には区別できないが、プローブのセンサ感知部分が平行な向きにある場合には、特定のパターンが依然として存在する。センサ感知部分がロータ表面から０．１１インチ（０．２８cm）のところに位置した状態でロータ軸線に対して平行に向いているとき、通気孔のところのピーク速度は１２０〜１１０ｍ／秒であり、極領域（通気孔は存在しない）に沿う速度は約５５ｍ／秒である。垂直の向きでは、通気孔のところのピーク速度は、５５〜６０ｍ／秒、他方、極領域に沿う速度は約２０ｍ／秒である。通気領域における速度相互の差は、プローブのセンサ感知部分が平行の向きにあるときに存在する剪断流れ成分が無いことによるものである。
【００２７】
それにもかかわらず、上述したように、センサ感知部分をロータ軸線に対して垂直に差し向けた状態における極領域内の速度測定値は、依然として０ではない。これは主として、高温フィルム型風速計が流れの向きの影響を受けにくいことに起因している。たとえば、表面に沿う平均流速が０であるとき、ランダムな正及び負の流れによって特徴付けられる乱流変動が依然として存在する。風速計は流速の大きさだけを測定し、その方向は測定しないので、正及び負の流れは打ち消し合い、かくしてセンサはロータ本体の表面上の平均又はＲＭＳ乱流レベルを検出又は決定する。
【００２８】
また、試験の示すところによれば、極部分（通気孔ではない）のところでセンサにより測定された速度は、センサ感知部分の向きがロータ軸線に対して垂直である場合、ロータ本体からのセンサの距離の影響を比較的受けにくい。しかしながら、極部分のところでセンサにより測定された速度は、センサ感知部分の向きがロータ軸線に対して平行である場合、ロータ本体からのセンサの距離が増すにつれて着実に減少する。さらに、このデータの示すところによれば、極部分のところでセンサにより測定された速度は、センサ感知部分の向きがロータ軸線に対して垂直である場合、主としてＲＭＳ乱流レベルであり、これに対して、極部分のところでセンサにより測定された速度は、センサ感知部分の向きがロータ軸線に対して平行である場合、剪断速度である。
【００２９】
上記の観察結果を考察すると、本発明の好ましい実施形態では、最も意味があり且つ正確な信号は、センサ感知部分がロータ表面から約０．１００インチ（０．２５４cm）離れたところに位置し、且つセンサ感知部分の向きがロータ軸線に対して垂直である場合に得られる。図９は、ロータ１０の円周方向に並んだ通気孔の番号１５についてこの好ましい位置にあるセンサで得た流速測定値を示している。図９に示すように、ロータ１０の極について１２個の円周方向に並んだ通気孔の各々は、鋭いピークの次に非常に小さなピークが生じていることを特徴としている。鋭いピークは、通気孔（１５）を出た流れに対応し、小さなピークはＲＭＳ乱流に対応している。
【００３０】
また、種々のシールドを備えたプローブの試験を行い、その結果によれば、プローブはシールド無しで満足の行く程度に動作した。全てのシールド試験は、プローブのセンサ感知部分をロータ軸線に垂直に差し向けて実施した。センサ感知部分の向きにより、これら試験は、ベース風速計信号に対するシールドの影響を評価するに過ぎなかった。試験を行った第１のシールドの形状は、マイカータ（商標）製ロッドプローブホルダと一体の半円形であった。この試験中、ホルダを単にプローブ上に滑らせるだけでセンサの上流側がシールドされるようになった。試験の示すところによれば、第１のシールドを定位置に配置した状態で極部分に沿うベースライン乱流が１８ｍ／秒から２３ｍ／秒に増大した。全体として、風速計に対する第１のシールドの効果は小さかった。
【００３１】
また、第２のシールドも試験した。第２のシールドの形態はＵ字形の「靴べら」形状であった。このシールドの幾何学的形状は、剪断流れに加えて軸方向同伴流を遮断するよう設計された。第２のシールドは、周囲流れに著しい影響を及ぼした。特に、ベースライン乱流は約２６ｍ／秒に増大し、円周方向に並んだ通気孔からの特性信号は著しく変更された。試験の示すところによれば、第２のシールドは、流れを著しく歪めるので許容できない。結果として、本発明の好ましい実施形態では、プローブをシールドしない。
【００３２】
本発明を好ましい実施形態を用いて説明したが、本発明の精神及び範囲は、特許請求の範囲に記載されていない事項によっては限定されない。たとえば、第１のシールド、即ち、半円形又は他の類似の形状のシールドが回転中のロータの通気孔からの流れの測定に役立つかどうかを判定するために別の試験を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】空冷タービンロータの略図である。
【図２】図１に示すロータ本体の横断面図である。
【図３】図１に示すロータ本体の縦方向断面図である。
【図４】図１のロータ本体の円周方向通気孔の平面図である。
【図５】高温フィルム型風速計の一例を示す。
【図６】本発明による風速計試験装置の縦方向の非対称的な図である。
【図７】図６に示す風速計試験装置の横断面を示す非対称的な図である。
【図８ａ】図６に示す風速計位置決めテーブル及び支持スタンド組立体を示す。
【図８ｂ】図８ａに示す風速計位置決めテーブル及び支持スタンド組立体の側面図である。
【図９】本発明により測定される図６のロータと同一のロータの１組１２個の円周方向に並んだ通気孔の流れ速度を示す。
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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