三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014) 新製品・新技術特集

技 術 論 文11

ガスタービンの信頼性を支える動翼の非接触翼振動計測
Blade Tip Timing Measurement of Gas Turbine Blade

田 村 和 浩 *1

小 野 正 樹 *2

Kazuhiro Tamura

Masaki Ono

鳥 井 俊 介 *3

森 本 一 毅 *3

Shunsuke Torii

Kazuki Morimoto

当社の事業用ガスタービンは世界最高水準の性能を持つと共に，お客様により安全・安心してご使用いただくため製品の信頼性にも重点を置き，要素試験や実機検証試験を積み重ね，得られたデータを設計にフィードバックしている。中でもガスタービン１段動翼は最も高温でかつ高遠心力，高負荷という非常に厳しい環境で使用される。そのため，実機運転中における振動特性の確認は翼の損傷を防ぐためにも重要な検証項目となっている。当社ではガスタービン１段動翼の実機環境下における振動データをより多く取得するため，高温ガス環境下でも使用できる非接触翼振動計測技術の開発を行った。

|1. はじめに事業用ガスタービンにおいて熱効率を向上させるための特に重要な要素の１つがガスタービン動翼である。また，ガスタービン動翼は高温・高負荷環境下で使用されるため，その損傷原因として最も多いのが疲労破壊や腐食疲労など振動に起因するものとなっている。そのため，ガスター
ビン動翼には高い性能に加え十分な振動強度が求められることから，設計段階で振動特性を正確に予測する必要があり，ガスタービン動翼の振動設計技術の向上に日々取り組んでいる。振動設計技術の向上を図るためには実機運転中のガスタービン動翼の振動応答を計測し，得られた翼振動特性のデータを設計にフィードバックすることが非常に重要であるが，当社では真空チャンバで実施する回転振動試験（エアー加振）や複合サイクル発電プラント実証設備（T 地点）における実機フィールド試験においてガスタービン動翼の振動応答を計測し設計に反映している。従来，ガスタービン動翼の振動計測には直接翼にひずみゲージを貼り付けし，テレメータシステムを利用した計測（テレメータ計測）が主流であった。しかし，テレメータ計測は非常に計測精度が高い利点を持つが，ひずみゲージを貼り付けた翼の振動データしか計測できないため，多数のタービン動翼の振動を計測するには莫大なコストと時間が必要となる。そこで当社では，従来ガスター
ビン圧縮機動翼や蒸気タービン最終翼群の振動計測に適用してきた非接触翼振動計測技術を改良し，実機高温燃焼ガス環境下においてガスタービン動翼の微小振動を計測でき，より多くのタービン動翼の振動データを取得することが可能な計測技術を開発した。
本稿ではその計測技術の概要と実証発電設備における実機計測検証試験結果について紹介する。

*1 技術統括本部高砂研究所*2 技術統括本部高砂研究所 主席研究員*3 エネルギー環境ドメイン火力発電システム事業部ガスタービン技術本部高砂ガスタービン技術部

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)12|2. 非接触翼振動計測技術の特徴
非接触翼振動計測技術は，タービン動翼と対向する車室（ケーシング）にタービン動翼の通過を検知するセンサ（光学式，静電容量式，渦電流式など）を設置し，タービン動翼がセンサを通過する時の時間を計時することでタービン動翼の振動を分析する技術である。タービン動翼がセンサの先端を通過する際には図１に示すような翼通過パルス信号が発生する。タービン動翼が振動していない時はある基準信号から翼通過パルス信号が発生するまでの時間は一定である。しかし，タービン動翼が振動すると，この基準信号から翼通過パルス信号が発生するまでの時間に変動が生じる。そのため，タービン動翼が振動している時と振動していない時の上記の時間差を求めれば，タービン動翼の振動を求めることができる。また，ケーシング（静止側）に固定されたセンサ上をタービン動翼が振動しながら通過することから，タービン動翼の振動する方向が計測精度と重要な関係を持っている。すなわちタービン動翼が振動する方向が円周方向と同一の場合が最も計測に適しているが，タービン動翼の振動方向は必ずしも円周方向とは一致しない。したがって，実振幅を図２に示す式で換算し評価する必要がある。
非接触翼振動計測技術は，①非接触で計測するため余計な加工をロータに施す必要がな
い，②全翼の振動応答を計測することが可能である，といった特徴があり，当社タービン動翼の品質確認試験や実機運転時の信頼性検証試験に適用されている。

図１ 非接触翼振動計測の原理

図２ 非接触翼振動計測で計測される振幅

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)13|3. 非接触翼振動計測技術開発の歴史
図３は当社における非接触翼振動計測技術の開発の歴史を纏めたものである。当社における本計測技術の開発はムーンライト計画に端を発しており，航空宇宙技術研究所（NAL：現 JAXA）の技術指導の下，開発を開始している。その後，当社独自の技術改良を加え現在に至っている。

図３ 非接触翼振動計測技術の開発の歴史

開発初期はガスタービン圧縮機翼の振動計測に適用されており，翼のセンシングには可視光の光学式センサを使用していた。その後，レーザ光のセンサを開発し受光感度を上げるなどの改良に取り組み，蒸気タービン最終翼群インテグラルシュラウド翼の回転振動試験へ適用している。
更に，実機計測をターゲットとし，少ないセンサ数でタービン動翼の振動計測が行える改良少数点法などの分析アルゴリズムを開発し，蒸気タービン実負荷検証試験へと適用範囲を広げてきた（図４）。現在においては，多点法，少数点法（１点法，２点法），改良少数点法といった様々な翼振動分析技術を有しており，計測目的や計測対象，設置できるセンサ数などの制約によりどの分析技術を適用するかを選定している。

図４ 蒸気タービン実負荷試験における非接触翼振動計測の例

これまで計測ターゲットとしてきた回転翼は振動振幅が大きく，センサ環境温度も比較的低温であった。一方，実機フィールドでのガスタービン動翼の振動計測に非接触計測技術を適用するためには下記の課題をクリアする必要がある。
① ガスタービン動翼は剛性が高く振動振幅が小さいため計測分解能の向上が必要② 燃焼ガス環境下での計測③ センサの冷却方法の確立
当社では実機フィールドにおけるガスタービン動翼の振動計測に適したセンサの選定，そして，センサ冷却方法及び信号処理技術の確立を行うことで，ガスタービン動翼振動の実機計測を可能とした。図５に非接触翼振動計測システムの概要を示す。

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図５ 非接触翼振動計測システム|4. 実機運転中のガスタービン動翼の非接触翼振動計測
図６は当社高砂製作所内にある複合サイクル発電プラント実証設備（Ｔ地点）の外観である。Ｔ地点では 2011 年２月より最新型ガスタービン M501J 形初号機の試運転が開始され，現在もM501J 形の性能向上技術の検証が行われている。
今回，ガスタービン動翼の設計技術の向上を目的とし，実際の実機運転時のガスタービン動翼の振動特性データを設計にフィードバックするため，前述の非接触翼計測技術を適用し，ガスタービン１段動翼の振動計測に成功した。また、実機フィールドに本計測技術を適用することで，ひずみゲージを用いたテレメータ計測と比べ計測準備期間の大幅な削減と計測コストの削減を可能とした。

図６ 当社高砂製作所複合サイクル発電プラント実証設備（T 地点）

タービン動翼の通過を検知するセンサは周波数特性に優れた高温用レーザセンサを使用し，空気冷却を行うことでガス温度 1 600℃環境下におけるガスタービン動翼の振動計測を可能とした（図７）。また，高温用レーザセンサは少ない冷却空気で効率良く冷却を行うため，できるだけ小型のセンサを適用している。センサとタービン動翼との軸方向相対位置は，あらかじめ解析によりタービン動翼の振動モードを確認し，複数の評価対象モードが計測可能な位置を決定している。
図８は M501J 形ガスタービン１段動翼の実機運転時の翼振動計測結果の例である。このように実機フィールドにおけるガスタービン動翼の振動応答を計測し，翼個々の固有振動数を確認することにより，ガスタービン動翼の振動特性のバラツキを考慮した振動設計評価が可能となった。

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図７ ガスタービン実機非接触翼振動計測

図８ M501J 形ガスタービン１段動翼振動計測
結果例|5. まとめ
事業用ガスタービンの心臓部ともいえるガスタービン動翼はガスタービンの信頼性に大きな影響を及ぼすため，ガスタービンの大型化，高性能化が進む現代において，タービン動翼の振動設計技術はますます重要となっている。そのため，実機フィールドにおけるタービン動翼の振動データを取得するための実験計測技術が担う役割は大きい。当社はガスタービン動翼のより多くの振動データを取得するため，非接触翼振動計測技術の適用に取り組み，実機フィールドでの計測に成功した。今後は非接触翼振動計測技術の信頼性向上に取り組み適用範囲を広げることで，当社回転機械製品の信頼性向上に寄与する所存である。

参考文献(1) Hohenberg,R, Detection and Study of Compressor-blade Vibration, Experimental Mechanics, Vol.7
Issue6 (1967) p.19-24(2) Endoh. M ほか, Noncontact Measurement of Rotating Blade Vibration, (1983), 1, Tokyo, IGTC
(3) Umemura, S ほか, Vibration Monitoring by Optical Method for the High Pressure Compressor of GT,
18th Int. Congress on Combustion Engines, (1989), 199(4) 柴田昌明ほか，非接触翼振動計測システム BVS の開発，三菱重工技報，Vol.37 No.2 (2000) p.106～
109(5) 金子康智ほか，ターボ機械の非接触翼振動計測法の開発（改良少数点法），日本機械学会論文集（Ｃ編）67 巻 658 号（2001-6）p.150～156(6) Kaneko, Y. et al., Measurement and analysis of random vibration of steam turbine low pressure
end blade, IFToMM (2002)