JP6811132B2 - 動翼解析装置、動翼解析方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、動翼解析装置、動翼解析方法、プログラムに関する。

タービンの管理者はタービン運転中にタービンを構成する動翼に発生する振動の計測を行う。管理者はこのような計測を行うことにより動翼の振動特性が設計計画通りであるか否かを検証する。また担当者はこのような計測を行い、運転条件の変化による動翼の振動特性の変化を確認し、タービン製品の信頼性の向上を図る。動翼の振動の計測技術に、一例として、動翼にひずみゲージを貼り付けてタービン装置の運転中に振動を計測するテレメータ計測技術がある。また他の動翼の振動の計測技術に、動翼と対向するケーシング部に動翼の通過を検知するセンサを設置し、動翼がセンサを通過する時間差から動翼の振動を分析する技術がある。なお関連する技術が特許文献１に開示されている。

特許第３０３８３８２号公報

ところで特許文献１に開示されているような、動翼と対向するケーシング部に動翼の通過を検知するセンサを設置し、動翼がセンサを通過する時間差から動翼の振動を計測する場合、次のような問題が生じる。例えばセンサが検出した動翼の通過を示す通過検知信号は通過時に電圧が閾値を超えるような値となる信号となる。しかしながらタービン内部の環境等によってこの通過検知信号にノイズが発生する。このようなノイズの発生した通過検知信号は、動翼の解析結果に悪影響を及ぼす。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる動翼解析装置、動翼解析方法、プログラムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、動翼解析装置は、タービンに放射状に複数設けられた動翼より外側に固定されて設けられ前記動翼の通過を検知するセンサと、時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得し、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化が示すパルス間隔の中間を含む前記動翼を検知していない不検知期間を特定し、前記翼通過検知信号の所定期間の変化において前記動翼を検知している検知期間と前記不検知期間とのうち、前記不検知期間のみにおいて前記翼通過検知信号の信号強度が閾値よりも高い翼通過検知信号の所定期間の変化を示す翼通過検知信号を前記第一の翼検知パターンデータから除去した第二の翼検知パターンデータを生成する除去部と、を備えることを特徴とする。

上述の動翼解析装置において、前記第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析する解析部を備えてよい。

また上述の動翼解析装置において、前記解析部は前記第二の翼検知パターンデータを用いて前記動翼それぞれの翼振動の状態を解析してよい。

また本発明の第２の態様によれば、動翼解析方法は、タービンに放射状に複数設けられた動翼より外側に固定されて設けられ前記動翼の通過を検知するセンサを備えた動翼解析装置が、時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得し、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化が示すパルス間隔の中間を含む前記動翼を検知していない不検知期間を特定し、前記翼通過検知信号の所定期間の変化において前記動翼を検知している検知期間と前記不検知期間とのうち、前記不検知期間のみにおいて前記翼通過検知信号の信号強度が閾値よりも高い翼通過検知信号の所定期間の変化を示す翼通過検知信号を前記第一の翼検知パターンデータから除去した第二の翼検知パターンデータを生成することを特徴とする。

また上述の動翼解析方法において、前記第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析してよい。

また本発明の第３の態様によれば、プログラムは、タービンに放射状に複数設けられた動翼より外側に固定されて設けられ前記動翼の通過を検知するセンサを備えた動翼解析装置のコンピュータを、時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得し、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化が示すパルス間隔の中間を含む前記動翼を検知していない不検知期間を特定し、前記翼通過検知信号の所定期間の変化において前記動翼を検知している検知期間と前記不検知期間とのうち、前記不検知期間のみにおいて前記翼通過検知信号の信号強度が閾値よりも高い翼通過検知信号の所定期間の変化を示す翼通過検知信号を前記第一の翼検知パターンデータから除去した第二の翼検知パターンデータを生成する除去手段、として機能させることを特徴とする。

また上述のプログラムは、前記コンピュータを、前記第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析する解析手段として機能させてよい。

本発明によれば、センサが検出した動翼の通過を示す通過検知信号は通過時に電圧が閾値を超えるような値となる信号となるが、タービン内部の環境等によって発生した通過検知信号のノイズを除去することができる。

本発明の一実施形態によるタービンの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置を示す図である。 本発明の一実施形態による第一の翼通過検知信号を示す図である。 本発明の一実施形態による第二の翼通過検知信号を示す図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第一の図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第二の図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第三の図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第四の図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置のハードウェア構成図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による動翼解析装置の処理フローを示す図である。 本発明の一実施形態による解析結果の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態による動翼解析装置、動翼解析方法、プログラムを図面を参照して説明する。
図１は本実施形態によるタービンの構成を示す図である。
タービン１００は、回転するタービンロータ９（ロータ）と、このタービンロータ９を回転可能に覆うタービンケーシング１０とを有している。タービンロータ９は、回転軸９ａを軸中心に有し、複数の動翼列Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３・・・を備える。動翼列Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３・・それぞれはタービンロータ９の軸方向に間を空けて設けられている。タービンケーシング１０の内面の複数の動翼列Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３・・・の各間には、複数の静翼１１が取り付けられている。タービンケーシング１０には、動翼Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３・・の通過を検出するための第一センサ２０が取り付けられている。

図２は本実施形態による動翼解析装置を示す図である。
動翼列Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３・・はタービンロータ９の周方向に取り付けられた複数の動翼Ｂによりそれぞれが構成される。図２は一例として動翼列Ｙ１に設けられた複数の動翼Ｂ（Ｂ１−１，Ｂ１−２，Ｂ１−３・・・）を示している。動翼解析装置１は動翼Ｂが回転する周囲に対向するタービンケーシング１０の内面の位置に複数の第一センサ２０を備える。他の動翼列Ｙについても同様に第一センサ２０が備えられている。第一センサ２０は動翼解析装置１の本体と電気信号ケーブルを介して接続されている。第一センサ２０は動翼Ｂに対向する位置にタービンケーシング１０に設置されている。動翼解析装置１はタービンロータ９の１回転を検出する第二センサ３０を備える。第二センサ３０はタービンロータ９の１回転を検出して、その検出時を示す所定のパルス波を出力するための機構を有している。

第一センサ２０は一例としてレーザ光を照射する光学式センサであってよい。第一センサ２０はレーザ光が動翼Ｂにおいて反射した反射光を検知する。第一センサ２０は受光した反射光の強度が大きいほど電圧値の大きい翼通過検知信号を出力する。第一センサ２０は動翼Ｂが第一センサ２０の直近を通過する際に大きな受光強度で反射光を受光する。従って翼通過検知信号は、第一センサ２０の直近を動翼Ｂが通過した際に大きな電圧値を示す波形となる。第一センサ２０は、静電容量センサ、渦電流センサ、電磁センサなどであってもよい。

図３は本実施形態による第一の翼通過検知信号を示す図である。
一つの第一センサ２０の出力する翼通過検知信号を図３に示す。この図が示すように翼通過検知信号は第一センサ２０の直近を動翼Ｂが通過した際に大きな電圧値となるので、動翼がタービンロータ９の周方向に放射状に等間隔に設けられている場合には、当該信号の極大値が定期的に現れる波形となる。動翼解析装置１は翼通過検知閾値ｔｈ１以上の電圧値の翼通過検知信号から各動翼Ｂの通過時刻を、時間を追って順次検出し、その通過時刻に基づいて動翼Ｂの状態を解析する。図３はノイズが含まれていない翼通過検知信号を示している。

図４は本実施形態による第二の翼通過検知信号を示す図である。
図４はノイズが含まれている翼通過検知信号を示している。図４で示す翼通過検知信号は、１０回の翼通過がＰ１，Ｐ２，・・・Ｐ１０のパルスで表される。当該信号は、Ｐ１〜Ｐ２、Ｐ２とＰ３のパルス間、Ｐ３とＰ４のパルス間、Ｐ４とＰ５のパルス間、Ｐ８とＰ９のパルス間、Ｐ９とＰ１０のパルス間の電圧値が図３と比較して増加し、より速いタイミングで電圧がｔｈ１を超えていることを示す。タービン１００の内部を流れる作動流体が蒸気などである場合、第一センサ２０は、当該作動流体で反射したレーザ光の反射光を受光することにより、図４で示すようなノイズの含まれる翼通過信号を出力する場合がある。この信号は、動翼以外の蒸気等において反射した反射光を第一センサ２０で受光すること等により発生する。

動翼解析装置１は図４で示すノイズの含まれる信号を第一センサ２０から受信すると、通常より早いタイミングで動翼の通過を検知したと判断する。具体的にパルスＰ２を用いて説明すると、動翼解析装置１は、翼通過信号にノイズが含まれていない場合には時刻ｔ１でＰ２の電圧値が第一閾値ｔｈ１を上回ることを検出し、時刻ｔ１がパルスＰ２の発生タイミングであると判定する。しかしながら翼通過信号に図４で示すようなノイズが含まれている場合、動翼解析装置１は時刻ｔ１よりα分時間早い時刻ｔ１−αでＰ２の電圧値が第一閾値ｔｈ１を上回ることを検出し、時刻ｔ１−αをパルスＰ２の発生タイミングであると判定する。タービンロータ９は単位時間当たりの回転数が高いため、動翼の通過の検知時刻の僅かなずれは、動翼解析装置１の解析結果に大きな影響を与える。翼通過検知信号は、図４で示すノイズの態様以外にも、例えば、図３で示す信号の何れかのパルス間に第一閾値ｔｈ１の電圧値より僅かに電圧値が大きいパルスが生じるなどの態様を示す場合がある。この場合には動翼解析装置１は電圧値が第一閾値ｔｈ１をわずかに超えるような異常なパルスの発生時刻を動翼の通過検知時刻と誤認識するおそれがある。したがって、動翼解析装置１はこのようなノイズを除去する処理を行う。

図５は動翼解析装置の処理概要を示す第一の図である。
動翼解析装置１は第一センサ２０から得られた動翼検知信号を用いて、タービンロータ９の１回転の間に発生したパルスを分割する。例えば動翼解析装置１の動翼列Ｙ１に５つの動翼Ｂが設けられている場合には、第二センサ３０から得られたパルス信号を基準に次の第二センサ３０から１回転を示すパルス信号が得られる時刻まで１／５回転周期毎に動翼検知信号を分割する。なお第二センサ３０は、タービンロータ９の１回転の検出をパルスとパルスの間の電圧値が低いタイミング、つまり動翼Ｂを検出しないタイミングで取得できるよう予め設計されている。動翼解析装置１は取得した動翼検知信号を分割して各パルス信号を取得する処理を繰り返す。

図６は本実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第二の図である。
図６は図５で示す処理によって動翼解析装置１が取得した各パルスを重畳して示したものである。この図において動翼Ｂを検知したことを示す信号のピークの発生時刻をピーク時刻ｔＰと呼ぶ。また２つの動翼の間の位置を第一センサ２０が検出した場合の電圧値の低い時刻をローレベル時刻ｔＬと呼ぶ。一例としてローレベル時刻ｔＬは、ピーク時刻ｔＰを基準としてパルス出現周期の１／２周期前の時刻と設定される。ローレベル時刻ｔＬは、動翼の検出を示すパルスのピークの間隔の中間の時刻である。この図が示すように、動翼検知信号には、ローレベル時刻ｔＬの近辺において電圧値が第二閾値ｔｈ２（ｔｈ２＜ｔｈ１）よりも大きい信号が存在する場合がある。動翼解析装置１はローレベル時刻ｔＬにおいて電圧値が第一閾値ｔｈ２よりも高い信号を、動翼以外から反射した光の受光による影響を示すノイズ信号と特定し、動翼検知信号から除去する処理を行う。これにより動翼以外の蒸気などの影響により受光した反射光に対応する信号を除去することができる。

図７は本実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第三の図である。
動翼解析装置１はローレベル時刻ｔＬを基準とした前後の期間を検知対象区間Ｄと記憶している。この検知対象区間Ｄの長さは動翼解析装置１が予め記憶する。検知対象区間Ｄは動翼検知信号において動翼と動翼の間を検知していると想定される電圧値の低い領域に設定される。本実施形態による動翼解析装置１は、この検知対象区間Ｄにおいて電圧値が第一閾値ｔｈ１よりも高い信号を、ノイズの含まれる信号と特定し、動翼検知信号から除去する。

図８は本実施形態による動翼解析装置の処理概要を示す第四の図である。
図８の左図８１はノイズ除去前の動翼検知信号を示す。図８の右図８２はノイズ除去後の動翼検知信号を示す。動翼解析装置１はノイズ除去を行うことにより、パルス波にノイズが含まれることによる動翼解析に生じる悪影響を軽減することができる。

図９は本実施形態による動翼解析装置のハードウェア構成を示す図である。
図９で示すように動翼解析装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１０４、信号受信モジュール１０５を備えるコンピュータである。

図１０は本実施形態による動翼解析装置の機能ブロック図である。
動翼解析装置１のＣＰＵ１０１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部１１１、ノイズ除去部１１２、解析部１１３、表示部１１４の各構成を備える。

制御部１１１は動翼解析装置１に備わる他の機能部を制御する。
ノイズ除去部１１２は時刻の経過に応じて第一センサ２０で得られた翼通過検知信号の信号強度の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得する。第一の翼検知パターンデータは図８の左図８１で示すデータである。ノイズ除去部１１２は、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼検知信号に基づいて動翼を検知していない不検知期間を特定する。この不検知期間が翼通過検知信号に含まれるノイズの検知対象区間となる。ノイズ除去部１１２は当該検知対象区間において翼検知信号の信号強度が閾値ｔｈ２よりも高い翼検知信号を第一翼検知パターンデータから除去し、第二の翼検知パターンデータを生成する。第二の翼検知パターンデータは図８の右図８２で示すデータである。
解析部１１３は第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析する処理を行う。
表示部１１４は動翼の解析結果を出力する処理部である。

図１１は本実施形態による動翼解析装置の処理フローを示す図である。
次に動翼解析装置１の処理フローについて順を追って説明する。
まず動翼解析装置１は動作中のタービン１００に取り付けられた複数の第一センサ２０から動翼検知信号を受信する（ステップＳ１０１）。また動翼解析装置１はタービン１００に取り付けられた第二センサ３０から１回転を検知した回転パルス信号を受信する（ステップＳ１０２）。

制御部１１１は各信号を受信すると共に、ノイズ除去部１１２に対してノイズ除去を指示する。ノイズ除去部１１２は動翼解析装置１の受信した各信号を取得する。ノイズ除去部１１２は回転パルス信号と、動翼の数に基づいて、回転パルス信号の１周期の間を動翼の数で分割し、動翼の通過検知のパルスを示す第一の翼検知パターンデータを生成する（ステップＳ１０３）。ノイズ除去部１１２は第一の翼検知パターンデータに含まれる各翼検知信号の検知対象区間Ｄにおける電圧値と電圧閾値ｔｈ２とを比較する。ノイズ除去部１１２は検知対象区間Ｄの時間帯における電圧値が電圧閾値ｔｈ２以上となる翼検知信号を削除した第二の翼検検知パターンデータを生成する（ステップＳ１０４）。

ノイズ除去部１１２は第一センサ２０、第二センサ３０からの信号の受信を終了するか判定する（ステップＳ１０５）。担当者などからの終了指示を入力していない場合には、信号の受信を繰り返し、ノイズ除去を行って第二の翼検知パターンデータを生成する。ノイズ除去部１１２はノイズ除去判定を終了すると解析部１１３に解析処理の実行を指示する。解析部１１３は第二の翼検知パターンデータを用いて解析処理を行う（ステップＳ１０６）。

解析部１１３の解析処理の具体例は、例えば第二の翼検知パターンデータを用いて、時刻の経過に応じた第一センサ２０それぞれにおける翼通過タイミングを特定する。解析部１１３は第一センサ２０それぞれにおける翼通過タイミングに基づいて、第一センサ２０で検出した動翼の通過の振動変位波形を生成する。

図１２は解析結果の一例を示す図である。
図１２の上図１２１は、第一センサ２０−１，２０−２，２０−３，・・・，２０−ｎで検出した、各動翼Ｂ１−１，Ｂ１−２，Ｂ１−３，・・・，Ｂ１−Ｎの通過検知タイミングを示す。上図１２１の動翼Ｂ１−１についてみると、第一センサ２０−１，２０−２，２０−３，・・・，２０−ｎにおいて、基準のタイミングよりもτ１，τ２，τ３，・・・，τＮの時間差が生じている。解析部１１３は、このような第二の翼検知パターンデータを用いて、図１２の下図１２２で示すような振動変位波形を各動翼ごとに生成する。解析部１１３は図１２の下図１２２の解析結果を表示部１１４に出力するようにしもよい。また解析部１１３はさらに、図１２の下図１２２の振動変位波形に基づいて、動翼Ｂの不良を解析するようにしてもよい。例えば解析部１１３は振動変位波形の振幅が所定の閾値以上である場合に、動翼Ｂが不良であると解析してもよい。

上述の動翼解析装置１は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、動翼解析装置１に上述した各処理を行わせるためのプログラムは、当該動翼解析装置１のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムを動翼解析装置１のコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した各処理部の機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１・・・動翼解析装置
２０・・・第一センサ
３０・・・第二センサ
Ｂ・・・動翼
Ｙ・・・動翼列
１１１・・・制御部
１１２・・・ノイズ除去部
１１３・・・解析部
１１４・・・表示部
１０１・・・ＣＰＵ
１０２・・・ＲＯＭ
１０３・・・ＲＡＭ
１０４・・・ＨＤＤ
１０５・・・信号受信モジュール

Claims (8)

1. タービンに放射状に複数設けられた動翼より外側に固定されて設けられ前記動翼の通過を検知するセンサと、
   時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得し、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化が示すパルス間隔の中間を含む前記動翼を検知していない不検知期間を特定し、前記翼通過検知信号の所定期間の変化において前記動翼を検知している検知期間と前記不検知期間とのうち、前記不検知期間のみにおいて前記翼通過検知信号の信号強度が閾値よりも高い翼通過検知信号の所定期間の変化を示す翼通過検知信号を前記第一の翼検知パターンデータから除去した第二の翼検知パターンデータを生成する除去部と、
   を備える動翼解析装置。
2. 前記第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析する解析部と、
   を備える請求項１に記載の動翼解析装置。
3. 前記解析部は前記第二の翼検知パターンデータを用いて前記動翼それぞれの翼振動の状態を解析する
   請求項２に記載の動翼解析装置。
4. 前記所定期間は、前記時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の変化の前記タービンの１周期分を、前記動翼の数で分割した期間であって前記不検知期間と、一つの前記パルスを含む前記検知期間と、を含む期間を示す
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の動翼解析装置。
5. タービンに放射状に複数設けられた動翼より外側に固定されて設けられ前記動翼の通過を検知するセンサを備えた動翼解析装置が、
   時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得し、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化が示すパルス間隔の中間を含む前記動翼を検知していない不検知期間を特定し、前記翼通過検知信号の所定期間の変化において前記動翼を検知している検知期間と前記不検知期間とのうち、前記不検知期間のみにおいて前記翼通過検知信号の信号強度が閾値よりも高い翼通過検知信号の所定期間の変化を示す翼通過検知信号を前記第一の翼検知パターンデータから除去した第二の翼検知パターンデータを生成する
   動翼解析方法。
6. 前記第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析する
   請求項５に記載の動翼解析方法。
7. タービンに放射状に複数設けられた動翼より外側に固定されて設けられ前記動翼の通過を検知するセンサを備えた動翼解析装置のコンピュータを、
   時刻の経過に応じて前記センサで得られた翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化を示す第一の翼検知パターンデータを取得し、当該第一の翼検知パターンデータに含まれる複数の動翼についての翼通過検知信号の信号強度の所定期間の変化が示すパルス間隔の中間を含む前記動翼を検知していない不検知期間を特定し、前記翼通過検知信号の所定期間の変化において前記動翼を検知している検知期間と前記不検知期間とのうち、前記不検知期間のみにおいて前記翼通過検知信号の信号強度が閾値よりも高い翼通過検知信号の所定期間の変化を示す翼通過検知信号を前記第一の翼検知パターンデータから除去した第二の翼検知パターンデータを生成する除去手段、
   として機能させるプログラム。
8. 前記コンピュータを、前記第二の翼検知パターンデータを用いて動翼の状態を解析する解析手段
   として機能させる請求項７に記載のプログラム。