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JP6184771B2 - タービンブレードの状態監視方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、タービンブレードの状態監視方法及び装置に関する。
蒸気タービンやガスタービンはロータ及びこれに連結された多数のブレードを配置したディスク、及びこれらを格納するケーシングで構成される。例えば、蒸気タービンでは、蒸気をブレードに向けて流すことで、回転力を発生させる。これにより、ロータは高速回転し、連結された発電機で電気を生成する。タービンには、状態監視として、ロータ軸受け部または近傍に軸の変位を計測するセンサが設けられる。このセンサは機器の異常を監視することが目的であり、正常な運転動作を確認する重要なセンサである。
特開平09-310604号公報
上述したロータ軸受け部または近傍に設置した軸の変位を計測するセンサは、軸の回転異常を検知する。異常としては、回転時のバランスが取れていない場合、すなわちブレードの質量や重量等のバラツキにより回転体全体の重心がずれている状態等がある。また、この重心のずれは、運転中のブレードの異常振動に起因する場合も考えられる。これらブレード関連の異常を早期に検知することは、正常な運転維持の観点から重要となる。一般的にロータ軸受け部または近傍に軸の変位を計測するセンサが設けられているが、ブレード振動の程度によっては、検出感度が低くなる課題がある。
これに対して、特許文献１は、ブレードに近いケーシング部にレーザ光を利用するセンサを取り付けて直接ブレードの振動を測定し、ブレードの共振周波数を測定する方法及び装置が提案されている。しかし、蒸気タービンでは蒸気雰囲気中での測定が必要となることから、レーザ光を利用するセンサは蒸気の影響を受け感度が低くなることや、ブレードの異常振動の検出は過渡的な状態をとらえることが必要であるかことから、特許文献１では不十分であるといえる。本発明の目的は、ブレード位置の過渡的な変位を捉え、早期に異常を検出することにある。
本発明は、ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサと当該ブレードの軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサを有し、第二のセンサ情報から決定される第一のセンサから得られるデータ群を抽出する手段、当該データ群を加算平均する手段、健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段、及び当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較する評価手段を備え、健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段として、ディスクに配置されたブレード枚数に対応した信号毎にセンサ出力値を求めることを特徴とする。
本発明によれば、ブレード位置の過渡的な変位を捉えることが可能となることから、早期に異常を検出できる。これにより、ブレード破損の初期で回転を停止することが可能となることから、他機器への影響を最小限に抑える効果がある。
実施例１のセンサ位置を示す説明図である。 実施例１の形態を示す説明図である。 実施例１のセンサ出力の説明図である。 実施例１のセンサ出力から抽出したデータ群の加算平均の説明図である。 実施例１の加算平均波形から閾値を求める説明図である。 実施例１のブレード破損時の説明図である。 実施例２の形態を示す説明図である。 実施例２の閾値を求める説明図である。 実施例３のセンサ位置を示す説明図である。
以下、本発明の実施例について説明する。
最初に図１によりタービンの構造及びブレード破損に関して説明する。タービンはロータ軸１とブレード３を取り付けるディスク２及びディスク２の周りに複数配置されたブレード３、及びこれを覆うケーシング（図示せず）から構成される。ブレード３の損傷による影響は、回転により発生する遠心力により、ブレード３がディスク２の半径方向に想定以上に伸びる場合や、回転の不安定化に伴いブレードが軸方向に変化することがある。そこで、本実施例は、上記したブレード３の伸び５を計測する装置に関する。
ブレード３の伸び５を計測するために、ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサ４を設ける。また、当該ブレードのロータ軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサ６を設ける。例えば、ロータの１箇所にマーカ７を設けることで、第二のセンサ６は軸の定点から信号を得ることができる。この第二のセンサ６は、軸の回転周期を把握し、第一のセンサ４の信号から１回転分に対応するデータを抽出することに利用する。なお、第一のセンサ４及び第二のセンサ６として、磁場式、または渦電流式のセンサを利用することも可能である。測定した第１のセンサ４、第２のセンサ６のデータは、図２に示すフローに従い異常を検出する。センサ信号アナログ/デジタル変換手段１０によりサンプリングする。
図２は、第１のセンサ４、第２のセンサ６のデータを処理するフローを示す。第２のセンサ６の信号出力により決定される第一のセンサ４の出力信号から抽出したデータ群を抽出する手段１１により、ロータの１回転分のデータ群を抽出する。第２のセンサ６の信号出力により決定される第一のセンサ４の出力信号から抽出したデータ群を加算平均処理する手段１２により、加算平均波形を生成する。定格回転数での健全状態での加算平均波形から閾値を求める手段１３により、ブレード毎の閾値データベースを生成する。閾値評価手段１４として、その後の運転中で同様の操作を実施して、定格回転数での健全状態での加算平均波形から閾値を求める手段により求めたブレード毎の閾値データベースと逐次比較する。
以下、図３から６を用いて詳細に説明する。
図３は第２のセンサ６の信号出力により決定される第一のセンサ４の出力信号から抽出したデータ群を抽出する手段１１の説明図である。図中の上の波形は第２のセンサ６の出力信号、下は第一のセンサ４の出力信号を示す。第２のセンサ６の出力信号はブレード軸の定点に設けた信号が得られる。この信号間隔Ｔ1１５は軸の１回転分の時間に対応する。この信号発生時間及び信号間隔Ｔ1１５に対応する第一のセンサ４の出力信号16を抽出することで、ブレード１回転に対応した時系列データ１６が得られる。時系列データ１６はブレードの本数に対応した信号で形成される。例えば、第２のセンサ６の信号発生時間と第１のセンサ４に発生した信号との時間差ＴK１７を求めることで、第１のセンサ４に発生した信号をブレード毎に対応させることが可能となる。このようにして、１群からＫ群までのデータ群を抽出することができる。なお、群の個数は、データのノイズ状態等により事前に決定しておく。
図４は第２のセンサ６の信号出力により決定される第一のセンサ４の出力信号から抽出したデータ群を加算平均処理する手段１２の説明図である。上述した１群からＫ群までのデータ群は、最初のデータは常に同じブレードに対応することから、各群ともに最初のデータを１番目とした時系列データとして加算平均する。これにより、新たなデータ群１８を求める。このデータ群１８はランダム的に発生するノイズを低減したものである。
図５は定格回転数での健全状態での加算平均波形から閾値を求める手段１３の説明図である。閾値は加算平均により求めた新たなデータ群１８のブレード毎のセンサ出力を閾値データ２０としてコンピュータに保存する。例えば図中に示すブレードNoＬに対応する波形から、そのピーク値Ｖ（Ｌ）１９を求め、ブレードNoＬの閾値とする。また、バラツキや管理が必要なブレード伸び量をもとに決定されるαの値を加味して、閾値データ２０にαを加えた、又は減じた値として管理することでも良い。
図６は閾値評価手段１４の説明図である。評価は閾値データ２０または、上述した閾値データにバラツキや管理が必要なブレード伸び量をもとに決定されるαを加えた、又は減じた値との比較により実施する。例えば、タービンの運転中に収録したセンサ出力は、同様にデータ抽出、加算平均を行い、ブレード毎に対応する運転時データ２３を逐次生成する。この運転時データ２３と閾値データ２０との差分を評価する。図中に示す場合は、ブレードＮｏＬでセンサ出力がＶ１（Ｌ）となり、閾値データ２１との差が発生する。この場合、運転を停止する措置がとられる。
このように、ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサと当該ブレードの軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサを有し、第二のセンサ情報から決定される第一のセンサから得られるデータ群を抽出する手段、当該データ群を加算平均する手段、健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段、及び当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較する評価手段を備えたことにより、ブレード位置の過渡的な変位を捉えることが可能となることから、早期に異常を検出できる。これにより、ブレード破損の初期で回転を停止することが可能となることから、他機器への影響を最小限に抑える効果がある。
次に実施例２を示す。本実施例は加算平均したデータを周波数分析するものである。測定した第１のセンサ４、第２のセンサ６のデータは、図７に示すフローに従い異常を検出する。センサ信号アナログ/デジタル変換手段３０によりサンプリングする。
図７において、第２のセンサ６の信号出力により決定される第一のセンサ４の出力信号から抽出したデータ群を抽出する手段３１により、ロータの１回転分のデータ群を抽出する。第２のセンサ６の信号出力により決定される第一のセンサ４の出力信号から抽出したデータ群を加算平均処理する手段３２により、加算平均波形を生成する。加算平均処理したデータを周波数分析する手段３３により、ブレード毎の閾値データベースを生成する。
加算平均処理したデータから閾値を求める手段３４により、ブレード毎の閾値データベースを生成する。閾値評価手段３５として、その後の運転中で同様の操作を実施して、定格回転数での健全状態での周波数分析結果から求めた閾値データを測定データベースと逐次比較する。
図８は加算平均波形１８から周波数分析を実施し、閾値データを生成する説明図である。まず加算平均波形１８に対して高速フーリエ変換等により周波数分析する。これにより横軸が周波数の特性３７が得られる。周波数分析結果は、第２のセンサ６の波形間隔Ｔ1の逆数となる１／Ｔ1の成分（図中ｆ1と記す）、また、加算平均波形のブレード信号の信号間隔Ｔ0３６の逆数となる１／Ｔ0の成分が主に発生する。また、これ以外のブレード振動やノイズ成分がｆ3からｆk成分として発生する。各周波数に対応するセンサ出力値を閾値データ３８として、コンピュータに保存する。例えば、ブレードが１本伸びた場合（図中はＮｏＬ３９が伸びた場合）は、ｆ1信号の増加として検出される。また、２本、３本で伸びが発生した場合は、ｆ1の増加や、ｆ1とｆ2の間に新たな周波数成分が発生する。
このように、この運転時データ４１と閾値データ３８との差分を評価することで、異常を検出することができる。異常を検出したのち運転を停止する措置がとられる。
実施例３は第一のセンサを複数個軸方向に配列した構造のセンサ５０を利用するものである。第一のセンサ５０から得る信号は、それぞれ単独に第一のセンサ４と同様に処理することで、ブレードの異常を検出することができる。第一のセンサを複数個軸方向に配列した構造のセンサ５０を利用することで、センサの感知領域を広くすることが可能となり、伸びによりブレードの軸方向位置が変化した場合でも対応可能となる。
１…ロータ軸
３…ブレード
４…第一のセンサ
６…第二のセンサ

Claims (5)

  1. ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサと当該ブレードの軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサを有し、第二のセンサ情報から決定される第一のセンサから得られるデータ群を抽出する手段、
    当該データ群を加算平均する手段、
    健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段、
    及び当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較する評価手段を備え、
    健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段として、ディスクに配置されたブレード枚数に対応した信号毎にセンサ出力値を求める
    ことを特徴とするタービンブレード位置の状態監視装置。
  2. ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサと当該ブレードの軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサを有し、第二のセンサ情報から決定される第一のセンサから得られるデータ群を抽出する手段、
    当該データ群を加算平均する手段、
    健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段、
    及び当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較する評価手段を備え、
    健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求める手段として、当該加算平均した時系列信号を周波数分析し、第二のセンサから得られる波形間隔の逆数に対応する周波数ｆ１、また上記加算平均した時系列信号のブレードに対応するパルス信号間隔の逆数に対応する周波数ｆ２、及びｆ１とｆ２間の周波数成分の信号強度を閾値として抽出し、
    当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較する評価手段として、当該周波数成分の信号強度の大小を比較する
    ことを特徴とするタービンブレード位置の状態監視装置。
  3. 請求項１又は２に記載のタービンブレード位置の状態監視装置であって、
    前記第一のセンサ及び前記第二のセンサとして、磁場式、または渦電流式のセンサを利用する
    ことを特徴とするタービンブレード位置の状態監視装置。
  4. ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサと当該ブレードの軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサを有し、第二のセンサ情報から決定される第一のセンサから得られるデータ群を抽出するステップ、
    当該データ群を加算平均するステップ、
    健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求めるステップ、
    及び当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較するステップを備え、
    前記健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求めるステップは、ディスクに配置されたブレード枚数に対応した信号毎にセンサ出力値を求めるものである
    ことを特徴とするタービンブレード位置の状態監視方法。
  5. ブレード先端に対向するケーシング外面から脱着可能に取付けた１つ以上の第一のセンサと当該ブレードの軸の定点から得られる信号を取得する第二のセンサを有し、第二のセンサ情報から決定される第一のセンサから得られるデータ群を抽出するステップ、
    当該データ群を加算平均するステップ、
    健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求めるステップ、
    及び当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較するステップを備え、
    前記健全状態で得られた当該加算平均したデータから閾値を求めるステップは、当該加算平均した時系列信号を周波数分析し、第二のセンサから得られる波形間隔の逆数に対応する周波数ｆ １ 、また上記加算平均した時系列信号のブレードに対応するパルス信号間隔の逆数に対応する周波数ｆ ２ 、及びｆ １ とｆ ２ 間の周波数成分の信号強度を閾値として抽出するものであり、
    前記当該閾値と状態監視時に得られるセンサ信号の大小を比較するステップは、当該周波数成分の信号強度の大小を比較するものである
    ことを特徴とするタービンブレード位置の状態監視方法。
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