(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン内の蒸気流中で多方向に飛散する液滴の径および移動速度を計測する光ファイバプローブを備えた蒸気タービン内の液滴計測装置であって、前記光ファイバプローブの先端から離れた位置で前記光ファイバプローブを固定する金属円筒と、前記光ファイバプローブの側面を覆うように設けられた液滴防護筒と、を備えたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置。
【請求項２】
前記液滴防護筒の前記金属円筒近傍に設けられた液滴排出孔を備えた請求項１記載の液滴計測装置。
【請求項３】
前記金属円筒の材質を、形状記憶合金およびバイメタルのいずれか一方と、
前記光ファイバプローブの周囲に、筒状の電気ヒータを設置した請求項１記載の蒸気タービン内の液滴計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液滴計測装置を使用して、蒸気タービン内の蒸気の液滴径と移動速度とを計測することを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気タービン内の蒸気流中で多方向に飛散する液滴の挙動を精度よく計測する蒸気タービン内の液滴計測装置および液滴計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンを用いて発電機を駆動する発電プラントにおいて、低圧蒸気タービンには飽和蒸気に近い蒸気が導入される。このため、蒸気タービン最終段の付近では、蒸気が湿り蒸気となって大量の液滴（水滴）を含有し、この液滴が動翼へのエロージョン発生原因となり、翼性能の低下を招来する可能性がある。従って、低圧蒸気タービンの性能を向上させるためには、蒸気流中の水滴挙動を計測し、把握することが肝要となる。
【０００３】
このような液滴の挙動を計測する液滴計測方法では一般に、光ファイバプローブを適用することが行われており、図９には液滴計測方法を実施する従来の液滴計測装置の構成を例示してある。
【０００４】
図９において、金属円筒１に光ファイバプローブ２が設置されており、この光ファイバプローブ２には、先端を光ファイバプローブ軸に垂直な方向に対して傾斜する端面が形成されている。なお、光ファイバプローブ２には、図示を省略するが、端部をコーン状に成形したものも知られている。
【０００５】
このような光ファイバプローブ２の傾斜端面またはコーン状端面が気相で覆われている場合、光ファイバプローブ２の端面３の逆側から入射光ａ１を照射すると、端面３で光が反射し、反射光ａ２を得ることができる。
【０００６】
しかしながら、光ファイバプローブ２の先端に液滴が突き刺さり、傾斜状の端面３が液相で覆われると光が液相へ透過し、端面３では光が反射しない。そこで、この現象を利用して、反射光ａ２を計測することにより液滴の径と速度を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献２等参照）。なお、この技術では気泡計測を行っているが、液滴計測にも利用することが可能である。
【特許文献１】特許第３０１８１７８号公報「光ファイバプローブによる気泡計測方法および装置」
【非特許文献１】浦川智、水野泰宏、齋藤隆之、「二点光ファイバプローブによる微小気泡測定」、日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集、２００５年１０月２９日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した光ファイバプローブを蒸気タービン内の液滴計測に利用するためには、以下の課題がある。すなわち、蒸気タービン内の液滴は様々な方向に飛散しており、光ファイバプローブは先端と同じ方向に進んで突き刺さった液滴しか精度よく計測することができないため、多方向に飛ぶ液滴を精度よく計測することが困難であった。
【０００８】
また、光ファイバプローブは数百ミクロンの石英ガラスで製作された光ファイバプローブを利用するため、比較的脆く、流速が高い蒸気流中に設置すると破損してしまう。
【０００９】
さらに、液滴が光ファイバプローブに突き刺さると、液滴が通過した後でもプローブ表面に液膜が残ってしまい、次に突き刺さる液滴を計測する際に誤差が大きくなり易い。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、多方向に飛散する液滴に対応することができ、流速の高い蒸気流中でも破損することがなく、複数回液滴が突き刺さっても精度よく計測することが可能な蒸気タービン内の液滴計測装置および液滴計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明では、蒸気タービン内の蒸気流中で多方向に飛散する液滴の径および移動速度を計測する光ファイバプローブを備えた蒸気タービン内の液滴計測装置であって、前記光ファイバプローブの先端から離れた位置で前記光ファイバプローブを固定する金属円筒と、前記光ファイバプローブの側面を覆うように設けられた液滴防護筒と、を備えたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置を提供する。
【００１２】
特に、本発明では、前記金属円筒の材質を形状記憶合金およびバイメタルのいずれか一方としたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置を提供する。
【００１３】
また、本発明では、前記の液滴計測装置を使用して、蒸気タービン内の蒸気の液滴径と移動速度とを計測することを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光ファイバプローブの先端から離れた位置で光ファイバプローブを固定する金属円筒と、この光ファイバプローブの側面を覆うように設けられた液滴防護筒とを備え、光ファイバプローブの破損を防止し、蒸気タービン内の液滴径と速度を計測することが可能となる。
【００１５】
特に、金属円筒の材質を形状記憶合金およびバイメタルのいずれか一方としたことにより、多方向に飛散する液滴に対応することができ、流速の速い蒸気流中でも破損することがなく、複数回液滴が突き刺さっても精度よく計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る蒸気タービン内の液滴計測装置および計測方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
［第１実施形態］（図１および図２）
図１は本実施形態による液滴計測装置の全体構成を示す断面図である。
【００１８】
この図１に示すように、本実施形態の液滴計測装置１１は、蒸気タービン内の蒸気流中で多方向に飛散する液滴の径および移動速度を計測する２本の光ファイバプローブ１２ａ，１３ａを備えている。
【００１９】
これらの光ファイバプローブ１２ａ，１３ａは互いに平行に配置されており、各光ファイバプローブ１２ａ，１３ａの先端部の端面１２ｂ，１３ｂは、それぞれ傾斜面として形成されている。なお、光ファイバプローブ本数については特に限定されず、１本でもよく、また３本以上でもよい。
【００２０】
光ファイバプローブ１２ａ，１３ａは、それらの先端から離れた位置で金属製の円筒（以下、「金属円筒」という）１４の軸方向端面部に固定されている。この金属円筒１４の周囲にはヒータ（電気ヒータ）１５が装着されている。
【００２１】
また、金属円筒１４の内部には、この金属円筒１４の温度を測定する計測器として温度計測器１６が設けられている。すなわち、本実施形態では、２本の光ファイバプローブ１２ａ，１３ａの間隔を適正に保持するため、光ファイバプローブ１２ａ，１３ａの先端から離れた位置で光ファイバプローブ１２ａ，１３ａを束ねる金属円筒１４で固定されている。
【００２２】
そして、本実施形態では、金属円筒１４が例えば形状記憶合金からなる材質を適用して構成されており、蒸気タービン内での加熱温度により形状が変化できる構成としてある。
【００２３】
また、光ファイバプローブ１２ａ，１３ａと金属円筒１４との空間部分は、図示しないが、例えば充填材を満たしてその間に水または蒸気が入らないようにしてある。
【００２４】
このように、本実施形態では金属円筒１４が形状記憶合金で構成してあり、加えて金属円筒に装着した電気ヒータ１５および金属円筒１４の温度を測定する温度計測器１６が取り付けてある。
【００２５】
一方、蒸気タービンなどには光ファイバプローブ１２ａ，１３ａを装着する前に、実験結果等に基いて校正曲線が設定されている。
【００２６】
図２は、蒸気タービン内への設置時に加熱変形される金属円筒１４について、その温度と角度との校正曲線が例示してある。この図２に示すように、横軸には温度（Ｔ）が示され、縦軸には金属円筒１４が温度に対応して変化する角度（α）が示してあり、金属円筒１４の温度（Ｔ）と角度（α）との校正曲線方向を知ることができる。
【００２７】
このような構成において、光ファイバプローブ１２ａ，１３ａを蒸気タービンに装着した場合には、電気ヒータ１５により金属円筒１４が加熱され、温度計測器１６で計測された温度および図２に示した校正曲線より、光ファイバプローブの角度を高精度で測定することができる。
【００２８】
これにより、種々の方向で飛散する液滴を、１本の光ファイバプローブで測定することができる。すなわち、多方向に飛散する液滴に対応可能な蒸気タービン内の液滴計測を行うことができる。
【００２９】
なお、以上の実施形態においては、金属円筒１４を形状記憶合金によって構成した場合について図示説明したが、本発明ではこれに限らず、形状記憶合金に代えて膨張率の異なる金属からなるバイメタルを適用して構成することも可能である。
【００３０】
［第２実施形態］（図３、図４）
図３は、本発明の第２実施形態を示す側面図であり、図４は図３の平面図である。
【００３１】
図３および図４に示すように、本実施形態の液滴検出装置１１は、多数の光ファイバプローブ１２と、これらの光ファイバプローブ１２を保持する金属円筒とから構成される。
【００３２】
これら多数の光ファイバプローブ１２は、少しずつ角度を変えて金属円筒１４に設置されている。
【００３３】
具体的には、金属円筒１４に対してその中心位置で略垂直方向に突出して設けられた光ファイバプローブ１２ｃと、その周囲に傾きを変えて設けられた多数の光ファイバプローブ１２ｄとから構成されている。
【００３４】
このような構成により、本実施形態においては、少しずつ角度を変えた多数の光ファイバプローブ１２ｄによって、様々な進行方向をもつ液滴を計測することができる。
【００３５】
すなわち、光ファイバプローブ１２ｄによる液滴径および速度計測については、光ファイバプローブ１２ｄに液滴が貫通しないと精度よい計測が行えない。例えば、光ファイバプローブに対して液滴が斜めに当接した場合、液滴は光ファイバプローブ１２ｄを貫通せず、光ファイバプローブ１２ｄ上面を接触するが滑って光ファイバプローブをそれてしまう。
【００３６】
このような場合、光ファイバプローブ１２ｄからの電気信号は誤信号となる。すなわち、液滴が進む方向に対し、垂直な位置に光ファイバプローブ１２ｄがない場合には、液滴径および速度は正しく計測できないこととなる。
【００３７】
特に、蒸気タービン内の液滴の方向は一様ではなく、様々な方向と径分布をもった液滴が飛散しているため、１本の光ファイバプローブ１２ｄの向きが固定されたものでは、その光ファイバプローブ１２ｄに垂直な向きに飛びこむ液滴しか精度よく計測することができず、それ以外の液滴は誤信号となる。このため、その場の平均液滴径と平均速度を得ることができない。
【００３８】
本実施形態によれば、少しずつ角度を変えた多数の光ファイバプローブ１２ｄによって、様々な進行方向をもつ液滴を計測することができ、平均液滴径と平均速度についての計測精度を向上することができる。すなわち、多方向に飛散する液滴に対応可能な、蒸気タービン内の液滴計測方法を得ることができる。
【００３９】
［第３実施形態］（図５）
図５は、本発明の第３実施形態を示す断面図である。
【００４０】
図５に示すように、本実施形態のセンサは、光ファイバプローブ１２および金属円筒１４に加えて、光ファイバプローブ１２の周囲を覆う液滴防護筒１７を備えており、この液滴防護筒１７には筒壁を貫通する多数の液滴排出孔１８が穿設されている。
【００４１】
上述のように、蒸気タービン内の液滴が飛散する方向は一様ではなく、様々な方向をもって分布している。したがって、蒸気タービン内に上述の計測センサを挿入した場合、液滴ｅは光ファイバプローブ１２に垂直に当接するとは限らず、傾斜方向から当接する場合もある。この場合には、液滴ｅが光ファイバプローブ１２を貫通しないため、誤信号となる。
【００４２】
また、光ファイバプローブ１２に対して高速の液滴ｅが斜めに当接すると、その衝撃によって光ファイバプローブ１２が破損する可能性もある。
【００４３】
これに対し、本実施形態によれば、光ファイバプローブ１２の周りに液滴防護筒１７を設けたことにより、光ファイバプローブ１２の先端に液滴ｅが斜めに当接することを防止し、誤信号を防ぐことができる。
【００４４】
また、光ファイバプローブ１２の根元に斜め方向から高速の液滴ｅが衝突することが防げられるため、光ファイバプローブ１２の破損を防止することができる。
【００４５】
また、液滴防護筒１７に溜まった液は、液滴排出孔１８によって液滴防護筒１７の外方に適宜排出されるため、連続的に液滴径および速度を計測することができる。
【００４６】
すなわち、流速の高い蒸気流中でも光ファイバプローブ１２が破損することなく、精度の高い蒸気タービン内の液滴計測方法を得ることができる。
【００４７】
［第４実施形態］（図６）
図６は、本発明の第４実施形態を示す断面図である。本実施形態の液滴計測装置が前記の各実施形態と異なる点は、光ファイバプローブ１２の周囲に設置された液滴防護筒が、液滴排出孔１８を有する筒状の電気ヒータ１９として構成された点にある。
【００４８】
すなわち、蒸気タービン内の液滴は多数飛散しているため、短い時間間隔で複数の液滴が光ファイバプローブに突き刺さる。最初の液滴貫通後の光ファイバプローブ１２の表面は、しばらく薄い液膜で覆われる可能性が高い。
【００４９】
薄い液膜で覆われている状態で次の液滴が突き刺さった場合、２番目の液滴の計測信号に影響し、誤差となる。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、最初の液滴貫通直後、光ファイバプローブ１２の周囲に設けた筒状の電気ヒータ１９を発熱させる。なお、最初にある程度の液滴通過時間間隔を計測または推定し、その間隔で自動的に光ファイバプローブ１２の周囲に設けた筒状の電気ヒータを発熱させることにより、光ファイバプローブ１２の表面の薄い液膜を蒸発させてもよい。
【００５１】
このような構成によれば、光ファイバプローブ１２の表面に残る薄い液膜を蒸発させることができ、次に貫通する液滴を精度よく計測することができる。
【００５２】
また、筒状の電気ヒータ１９に溜まった液は液滴排出孔１８を介して適宜外方に排出されるため、連続的に液滴径および速度を計測することができる。
【００５３】
本実施形態によれば、筒状の電気ヒータ１９を備えることにより、第３実施形態と同様に、光ファイバプローブの防護にもなるとともに、これに加えて、流速の速い蒸気流中でも破損することがなく、複数回液滴が突き刺さっても精度よく計測可能となる効果が得られる。
【００５４】
［第５実施形態］（図７）
図７は、本発明の第５実施形態を示す断面図である。
【００５５】
図７に示すように、本実施形態では、光ファイバプローブ１２に近接する配置で、金属円筒４にして中空構造のノズル部材２１が設けられており、このノズル部材２１における光ファイバプローブ１２への対向部位に空気噴射ノズル２０が穿設されている。ノズル部材２１には、図７の下部に示すように、空気供給部２２が設けられており、この空気供給部２２から導入される空気ｆが空気噴射ノズル２０を介して光ファイバ１２に噴出される構成としてある。
【００５６】
なお、第４実施形態で説明したように、最初の液滴貫通後の光ファイバプローブ１２の表面は、しばらく液膜で覆われており、この状態で次の液滴が突き刺さると、２番目に突き刺さった液滴の計測誤差が大きくなる。
【００５７】
これに対し、本実施形態では、最初の液滴貫通直後、光ファイバプローブ１２に近接して設置した空気噴射ノズル２０から、空気ｆを吹き付けることにより、光ファイバプローブの１２の表面に残る薄い液膜を吹き飛ばすことができる。
【００５８】
これにより、光ファイバプローブ１２の表面に残る薄い液膜を除去することができ、次に貫通する液滴ｅを精度よく計測することができる。すなわち、複数回液滴が突き刺さった場合でも、蒸気タービン内の液滴計測を精度よく行うことができる。
【００５９】
［第６実施形態］（図８）
図８は、本発明の第６実施形態を示す断面図である。
【００６０】
図８に示すように、本実施形態では、光ファイバプローブ１２の先端部を覆う液滴防護筒１７の先端位置に、開閉可能なシャッタ２３が設けられている。その他の構成については、前記各実施形態と同様である。
【００６１】
前記実施形態で説明したように、最初の液滴貫通後の光ファイバプローブ１２の表面は暫時、液膜で覆われており、この状態で次の液滴ｅが光ファイバプローブ１２に突き刺さると、２番目に突き刺さった液滴の計測誤差が大きくなる。
【００６２】
これに対し、本実施形態では、最初の液滴貫通直後、光ファイバプローブ１２の先端に設けたシャッタ２３を暫時閉じ状態とする。
【００６３】
そして、最初の液滴貫通後に光ファイバプローブ１２の表面に残る液膜（薄液膜）がなくなるタイミングでシャッタ２３を開動作させる。
【００６４】
これにより、最初の液滴貫通後に、光ファイバプローブ１２の表面に薄液膜が残った状態で、次の液滴が光ファイバプローブ１２を貫通することがなくなり、計測誤差を低減することができる。
【００６５】
また、光ファイバプローブ１２の周囲に筒を設けたことにより、光ファイバプローブ１２の先端に液滴ｅが斜めに当接することを防止し、誤信号を防ぐことができる。
【００６６】
光ファイバプローブ１２の根元に斜めから高速の液滴ｅが衝突することを防げることができるため、光ファイバプローブ１２の破損を防止することができる。
【００６７】
また、液滴防護筒１７に溜まった液は、液滴排出孔２１を介して適宜排出されるため、連続して液滴径および速度を計測することができる。
【００６８】
すなわち、流速の速い蒸気流中でも破損することがなく、複数回液滴が突き刺さっても精度よく計測可能な蒸気タービン内の液滴計測方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態を示す断面図。
【図２】本発明の第１実施形態における特性を示すグラフ。
【図３】本発明の第２実施形態を示す側面図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す平面図。
【図５】本発明の第３実施形態を示す断面図。
【図６】本発明の第４実施形態を示す断面図。
【図７】本発明の第５実施形態を示す断面図。
【図８】本発明の第６実施形態を示す断面図。
【図９】従来例を説明する断面図。
【符号の説明】
【００７０】
１１  液滴計測装置
１２ａ，１３ａ  光ファイバプローブ
１４  金属円筒
１５  電気ヒータ
１６  温度計測器
１７  液滴防護筒
１８  液滴排出孔
１９  電気ヒータ
２１  ノズル部材
２２  空気供給部
２３  シャッタ
【図１】
0005085426.tif 000002
【図２】
0005085426.tif 000003
【図３】
0005085426.tif 000004
【図４】
0005085426.tif 000005
【図５】
0005085426.tif 000006
【図６】
0005085426.tif 000007
【図７】
0005085426.tif 000008
【図８】
0005085426.tif 000009
【図９】
0005085426.tif 000010