JP2010014100A - Blade erosion monitoring method and blade erosion monitoring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、翼を有する回転機械における動翼に生じるエロージョンの監視に係り、特に発電プラントなどの蒸気タービンプラントで用いられるような蒸気タービンに好適なエロージョン監視に関する。 The present invention relates to monitoring erosion generated on a moving blade in a rotary machine having blades, and more particularly to erosion monitoring suitable for a steam turbine such as that used in a steam turbine plant such as a power plant.
蒸気タービンやガスタービンなどの回転機械は、一般に、動翼と静翼で構成される段落を軸方向で複数段有している。こうした段落構造で翼(動翼と静翼)を有する回転機械には、各段落の特性に応じて翼にエロージョンが生じ、そのエロージョンで翼が損傷するという問題がある。 A rotary machine such as a steam turbine or a gas turbine generally has a plurality of stages in the axial direction, each of which includes a moving blade and a stationary blade. A rotating machine having blades (moving blades and stationary blades) with such a paragraph structure has a problem that erosion occurs in the blades according to the characteristics of each paragraph, and the blades are damaged by the erosion.
以下では回転機械の代表的な例として蒸気タービンについて説明するとして、蒸気タービンにおけるエロージョンは、低圧タービンの動翼の場合、低圧タービンで湿り蒸気が発生し、その湿り蒸気中の水滴が動翼の負圧面(回転方向側の面)に衝突することで引き起こされる。このような湿り蒸気を主な原因とするエロージョンは後段の動翼で生じ易い。一方、高中圧タービンでは、主に初段の翼がエロージョンによる損傷を受け易い。これは、高中圧タービンにおけるエロージョンがソリッドパーティクルエロージョンであるからである。すなわちソリッドパーティクルエロージョンは、蒸気速度の大きい条件下でボイラなどで発生した固形微粒子(ソリッドパーティクル)が翼に衝突して引き起こされるエロージョンであり、ソリッドパーティクルの翼への衝突が後段よりも初段で多くなるからである。 In the following, a steam turbine will be described as a typical example of a rotating machine. In the case of a rotor blade of a low-pressure turbine, erosion in the steam turbine generates wet steam in the low-pressure turbine, and water droplets in the wet steam are generated from the rotor blade. It is caused by colliding with the suction surface (surface on the rotation direction side). Such erosion caused mainly by wet steam is likely to occur in the subsequent rotor blade. On the other hand, in the high and medium pressure turbine, the first stage blades are easily damaged by erosion. This is because the erosion in the high and medium pressure turbine is solid particle erosion. In other words, solid particle erosion is erosion caused by solid fine particles (solid particles) generated in a boiler or the like under conditions of high vapor velocity colliding with the wing, and the collision of solid particles with the wing is more in the first stage than in the latter stage. Because it becomes.
このようなエロージョンは徐々に進行し、放置しておくと、最終的にはエロージョンによる損傷で翼が破損するなどして蒸気タービンの運転継続を困難とするような事態を招く可能性がある。そのため翼エロージョンについての監視が必要となる。すなわち必要な段落における翼のエロージョンの進行を適切に監視し、翼の破損などに結びつくおそれのある限界的な状態までエロージョンが進行した場合、つまり限界エロージョンが発生した場合には、その翼をエロージョン限界翼とし、正常な翼と交換するなどの対処を行えるようにする必要がある。 Such erosion progresses gradually, and if left unattended, there may be a situation where it is difficult to continue the operation of the steam turbine due to damage to the blades caused by erosion. Therefore, it is necessary to monitor the wing erosion. In other words, the progress of wing erosion in the required paragraph is properly monitored, and when erosion has progressed to a critical state that may lead to wing breakage, etc. It is necessary to be able to cope with such as replacing the normal wing with a limit wing.
こうしたことから翼エロージョン監視を自動的に行えるようにする様々な技術が提案されている。例えば特許文献1の「蒸気タービン翼の寿命監視装置」では、運転中の蒸気タービンにおける蒸気流量、圧力、湿り度、翼と水滴の相対速度、及び水滴の絶対速度を用いて単位時間当りの浸蝕量を算定するとともに、その単位時間当りエロージョン量から現在までの総浸蝕量を算出するようにしている。
For this reason, various techniques have been proposed that enable automatic wing erosion monitoring. For example, in the “steam turbine blade life monitoring device” of
また特許文献2の「蒸気タービンの動翼浸食防止装置」では、運転中の蒸気タービンにおける蒸気中の水滴の径、蒸気湿り度、及び蒸気圧力を用いて動翼の浸食速度を求め、その浸食速度が設定上限値を超えた場合に警報を発するようにしている。
In addition, in the “rotating blade erosion preventing device for steam turbine” of
また特許文献3の「タービン翼の浸蝕監視装置」では、運転中の蒸気タービンで動翼の表面形状を光学的に測定することで浸蝕量を予測するようにしている。 Further, in the “turbine blade erosion monitoring device” of Patent Document 3, the erosion amount is predicted by optically measuring the surface shape of the moving blade with a steam turbine in operation.
また特許文献4の「蒸気タービンノズルエロージョン監視方法」では、運転中の蒸気タービンにおける蒸気加減弁前圧力、蒸気加減弁開度、及び蒸気加減弁後圧力を用いて主蒸気流量と動翼入口圧力を求め、さらに主蒸気流量と動翼入口圧力を用いて動翼圧力差最大値を求め、そしてその動翼圧力差最大値に基づいて求める動翼応力最大値が所定の数値内にあるかを判定するようにして浸蝕の監視を行うようにしている。
Further, in the “steam turbine nozzle erosion monitoring method” of
翼エロージョン監視については、上述の特許文献1〜特許文献4の例のように、自動的な監視を可能とする技術が様々提案されている。しかしこれらの従来の技術はいずれも実用化されていない。その理由は必ずしも定かでないが、装置構造や監視における処理が複雑になり過ぎたり、監視精度に問題を残したりするということが大きく影響していると考えられる。
Regarding blade erosion monitoring, various techniques for enabling automatic monitoring have been proposed, as in the examples of
このように現状では自動的な監視法を用いることができていない。そのためプラントの定期検査時に蒸気タービンを分解して目視したり、あるいはノズル面積を測定したりして限界エロージョンの発生を判定する方法が採られているが、それには定期検査時にプラントの運転を停止する必要がある。しかるに、近年では定期検査時でもプラントを停止させず、より長期間での連続的運転を行うことによりプラントの運用効率を上げるというニーズが増える傾向にある。このようなニーズに応えるには、蒸気タービンが運転中でもエロージョンの監視をなせるようにする必要があるが、現状では運転中の蒸気タービンについて行う聴音でエロージョンの進行を判定するという、精度の低い方法を採らざるを得ず、限界エロージョンの発生を高い精度で特定することまではできていないのが実情である。 Thus, at present, an automatic monitoring method cannot be used. For this reason, methods are used to determine the occurrence of limit erosion by disassembling and visually observing the steam turbine during periodic inspections of the plant or measuring the nozzle area. There is a need to. However, in recent years, there is a tendency to increase the need to increase the operation efficiency of the plant by performing continuous operation for a longer period without stopping the plant even during periodic inspection. In order to meet such needs, it is necessary to be able to monitor erosion even when the steam turbine is in operation. However, at present, the progress of erosion is judged by listening to the sound of the steam turbine that is in operation. In fact, it has been impossible to identify the occurrence of limit erosion with high accuracy.
こうしたことから自動的な監視法に対する要求がますます高まってきているが、それに応えるには、翼の限界エロージョン、特にエロージョンの影響が大きな動翼について限界エロージョンの高い精度での監視を簡易なシステム構造と簡易な処理で行えるようにすることが求められる。 For this reason, there is an increasing demand for automatic monitoring methods. To meet this demand, a simple system is used to monitor the critical erosion of blades, especially for blades that are affected by erosion with high accuracy. It is required to be able to do with structure and simple processing.
本発明は以上のような要求を背景になされたものであり、その課題は、蒸気タービンなどの回転機械における動翼のエロージョンについて、簡易なシステム構造と簡易な処理により、高い精度での監視を行えるようにすることにある。 The present invention has been made against the background of the above demands, and its problem is to monitor the erosion of moving blades in a rotating machine such as a steam turbine with high accuracy by a simple system structure and simple processing. It is to be able to do it.
動翼の前縁には蒸気などの作動流体の衝突で周囲より圧力の高い高圧力部が形成される。この高圧力部を動翼前縁高圧力部と呼ぶとして、この動翼前縁高圧力部に着目する。 A high pressure part having a pressure higher than that of the surroundings is formed at the leading edge of the moving blade by the collision of working fluid such as steam. Assuming that this high pressure portion is called a blade leading edge high pressure portion, attention is paid to this blade leading edge high pressure portion.
動翼前縁高圧力部は、動翼の前縁近傍が中心となる圧力分布を形成する。そのため監視対象段落における動翼の前縁側に対向する流路中に適宜に設定する定点での圧力は、その定点と動翼前縁高圧力部の圧力分布中心との距離に応じて動翼前縁高圧力部の影響を受ける。そして動翼前縁高圧力部による定点の圧力への影響は、動翼の回転動に伴う特有の変化パターンでもたらされる。そのため定点の圧力は、動翼の回転動に相関して大きさが変化する変動圧力となる。つまり、定点には動翼前縁高圧力部に起因する変動圧力がもたらされるということである。この変動圧力を定点変動圧力と呼ぶとする。 The blade leading edge high pressure portion forms a pressure distribution centered on the vicinity of the leading edge of the blade. Therefore, the pressure at the fixed point set appropriately in the flow path facing the leading edge side of the moving blade in the monitored paragraph depends on the distance between the fixed point and the pressure distribution center of the high pressure portion of the moving blade leading edge. Influenced by the edge high pressure part. Then, the influence of the fixed pressure on the fixed point by the blade leading edge high pressure part is brought about by a characteristic change pattern accompanying the rotational motion of the blade. Therefore, the fixed point pressure is a fluctuating pressure whose magnitude changes in correlation with the rotational motion of the moving blade. That is, the fixed pressure is caused by the fluctuating pressure caused by the high pressure portion of the blade leading edge. This fluctuating pressure is called a fixed point fluctuating pressure.
一方、動翼のエロージョンは、動翼の前縁に生じ、主にチップ側前縁で生じる。また動翼のエロージョンは、段落における各動翼についてほぼ同様に生じるのが通常である。したがってエロージョンを生じた各動翼ではエロージョンの進行状態に応じて前縁が後退し、それに伴って各動翼についての動翼前縁高圧力部の圧力分布中心も一律に後退する。その結果、動翼前縁高圧力部の圧力分布中心と定点変動圧力の検出がなされる定点との距離は大きくなり、これに応じて定点変動圧力に対する動翼前縁高圧力部の影響が小さくなる。つまり定点変動圧力における圧力の変動幅が小さくなる。 On the other hand, erosion of the moving blade occurs at the leading edge of the moving blade, and mainly occurs at the tip side leading edge. In addition, the erosion of the moving blade usually occurs in substantially the same manner for each moving blade in the paragraph. Therefore, the leading edge of each moving blade that has caused erosion retreats according to the progress of the erosion, and the pressure distribution center of the high pressure portion of the moving blade leading edge for each moving blade also retreats uniformly. As a result, the distance between the pressure distribution center of the blade leading edge high pressure part and the fixed point where the fixed point fluctuating pressure is detected increases, and the influence of the blade leading edge high pressure part on the fixed point fluctuating pressure accordingly decreases. Become. That is, the fluctuation range of the pressure at the fixed point fluctuation pressure becomes small.
以上のような動翼におけるエロージョン、動翼前縁高圧力部、それに定点変動圧力の関係を利用すれば、定点変動圧力、より具体的には定点変動圧力における圧力変動幅を指標として、動翼の限界エロージョンを高い精度で判定することが可能となり、しかも動翼の作動中に取得して処理する必要のあるデータは定点変動圧力だけであることから、システム構造と処理を簡易なもので済ませることが可能となる。 By using the relationship between the erosion in the moving blade, the blade leading edge high pressure section, and the fixed point fluctuating pressure, the fixed blade fluctuating pressure, more specifically, the pressure fluctuation width at the fixed fluctuating pressure can be used as an index. It is possible to determine the critical erosion of the system with high accuracy, and the only data that needs to be acquired and processed during the operation of the moving blade is the fixed-point fluctuating pressure, which simplifies the system structure and processing. It becomes possible.
本発明では、以上のように考え方に基づいて上記課題を解決する。具体的には、動翼と静翼で構成される段落を軸方向で1段以上有する回転機械における前記動翼について限界エロージョンの発生を監視する翼エロージョン監視方法において、監視対象段落における前記動翼の前縁側に対向する流路中に設定される定点での変動圧力を測定し、それで得られる定点変動圧力を当該定点変動圧力に関して予め設定してあるエロージョン限界判定基準値に基づいて判定することで前記監視対象段落における前記動翼について前記限界エロージョンの発生を判定するようにして前記監視をなすようにされていることを特徴としている。 In the present invention, the above-described problems are solved based on the idea as described above. Specifically, in a blade erosion monitoring method for monitoring the occurrence of limit erosion on the moving blade in a rotary machine having one or more stages in the axial direction, the moving blade and the stationary blade in the monitored paragraph Measure the fluctuating pressure at a fixed point set in the flow channel facing the leading edge side of the gas, and determine the fixed point fluctuating pressure obtained based on the erosion limit judgment reference value preset for the fixed fluctuating pressure. Then, the monitoring is performed by determining the occurrence of the limit erosion for the moving blade in the monitoring target paragraph.
上述のように動翼のエロージョンはチップ側前縁で主に生じる。したがって上記のような翼エロージョン監視方法については、前記動翼のチップ側前縁に対向する位置に前記定点を設定するようにするのが好ましい。 As described above, erosion of the moving blade mainly occurs at the tip side leading edge. Therefore, in the blade erosion monitoring method as described above, it is preferable that the fixed point is set at a position facing the tip-side front edge of the moving blade.
上述のように動翼起因変動圧力は、動翼の回転動に伴う特有のパターンでもたらされる。そしてそのパターンは、動翼の回転数と動翼枚数(監視対象段落における動翼枚数)に相関する。したがって定点変動圧力として、動翼の回転数と動翼枚数に関する周波数の変動圧力、具体的には(動翼枚数)×回転数(rpm)/60として求められるBPF周波数の変動圧力を用いるようにすることで、より高精度な監視が可能となる。こうしたことから本発明では、上記のような翼エロージョン監視方法について、前記定点変動圧力として、前記動翼の回転数と監視対象段落における前記動翼の枚数から(動翼枚数)×回転数(rpm)/60として求められるBPF周波数の変動圧力を用いるようにすることを好ましい形態とする。 As described above, the blade-induced fluctuating pressure is produced in a unique pattern accompanying the rotational motion of the blade. The pattern correlates with the rotational speed of the moving blade and the number of moving blades (the number of moving blades in the monitored paragraph). Therefore, as the fixed point fluctuating pressure, the fluctuating pressure of the frequency related to the rotating speed of the moving blade and the number of moving blades, specifically, the fluctuating pressure of the BPF frequency obtained as (number of moving blades) × rotating speed (rpm) / 60 is used. By doing so, more accurate monitoring becomes possible. Therefore, in the present invention, in the blade erosion monitoring method as described above, the fixed-point fluctuating pressure is calculated from the number of rotating blades and the number of moving blades in the monitored paragraph (number of moving blades) × number of rotations (rpm ) / 60, it is preferable to use the fluctuation pressure of the BPF frequency obtained as / 60.
定点変動圧力は、監視対象段落における段落前後圧力比の影響も受ける。段落前後圧力比の影響は、定点変動圧力を限界エロージョンの判定指標とする上で大きな傷害にならない。ただ、段落前後圧力比の影響を排除できるようにすることで、より精度の高い監視が可能となる。こうしたことから本発明では、上記のような翼エロージョン監視方法について、前記監視対象段落における段落前後圧力比を前記エロージョン限界判定基準値に反映させるようにすることを好ましい形態とする。 Fixed point fluctuating pressure is also affected by the pressure ratio before and after the monitored paragraph. The effect of the pressure ratio before and after the paragraph does not cause a serious injury when the fixed-point fluctuating pressure is used as a judgment index for limit erosion. However, by allowing the influence of the pressure ratio before and after the paragraph to be eliminated, more accurate monitoring becomes possible. For this reason, in the present invention, the blade erosion monitoring method as described above is preferably configured such that the paragraph longitudinal pressure ratio in the monitored paragraph is reflected in the erosion limit determination reference value.
上記のような翼エロージョン監視方法におけるエロージョン限界判定基準値は、監視対象とする動翼と同様な条件でなされるモデル試験や流体解析などの試験や解析に基づいて設定するのが通常である。こうしたことから本発明では、上記のような翼エロージョン監視方法について、前記エロージョン限界判定基準値は、前記限界エロージョンが発生したエロージョン限界動翼又はそれに相当する動翼についてなされる試験又は解析で求める前記定点変動圧力に基づいて設定するのを好ましい形態とする。 Usually, the erosion limit judgment reference value in the blade erosion monitoring method as described above is set based on a test or analysis such as a model test or a fluid analysis performed under the same conditions as the moving blade to be monitored. Therefore, in the present invention, in the blade erosion monitoring method as described above, the erosion limit determination reference value is obtained by a test or analysis performed on the erosion limit moving blade in which the limit erosion has occurred or a corresponding moving blade. A preferred mode is to set based on the fixed-point fluctuation pressure.
以上のような翼エロージョン監視方法で用いられる翼エロージョン監視システムは、前記定点変動圧力の測定を行う圧力測定装置、前記エロージョン限界判定基準値を格納する判定基準値格納装置、及び前記圧力測定装置からの前記定点変動圧力を前記エロージョン限界判定基準値に基づいて判定することで前記監視対象段落における前記動翼について前記限界エロージョンの発生を判定するエロージョン限界判定装置を備えた構成とされる。 The blade erosion monitoring system used in the blade erosion monitoring method as described above includes a pressure measurement device that measures the fixed point fluctuating pressure, a determination reference value storage device that stores the erosion limit determination reference value, and the pressure measurement device. The fixed point fluctuating pressure is determined on the basis of the erosion limit determination reference value, so that an erosion limit determination device that determines the occurrence of the limit erosion of the moving blade in the monitored paragraph is provided.
以上のような本発明によれば、蒸気タービンなどの回転機械における動翼のエロージョンについて高い精度で監視することが可能となり、しかもシステム構造と処理を簡易なもので済ませることが可能となる。 According to the present invention as described above, it is possible to monitor erosion of moving blades in a rotary machine such as a steam turbine with high accuracy, and it is possible to simplify the system structure and processing.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図1に、第1の実施形態による翼エロージョン監視システム1の構成を監視対象のタービン段落2に対する関係とともに模式化して示す。説明の都合上、まずタービン段落2の一般的な構成について説明する。なお、本実施形態では作動流体である蒸気の流れに関する上流から下流に向かって段落が複数で設けられる一般的な蒸気タービンを監視対象とし、タービン段落2が低圧タービンの最終段である場合とする。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows a configuration of a blade
タービン段落2は、対をなす静翼3と動翼4で構成されている。静翼3は、静翼外壁(外部ダイアフラム)5に固定的に支持されて静止状態にあり、段落上流側に配置されている。また静翼3は、内側端に内部ダイアフラム6が取り付けられるとともに、静翼3と動翼4を通過する蒸気の主流れからの漏れ流れを低減するためのシールフィン7が内部ダイアフラム6に設けられている。一方、動翼4は、ロータ8に植え込んで設けられて回転可能な状態にあり、段落下流側に配置されている。また動翼4は、ロータ8の周方向に一定間隔で配列するようにして複数で設けられており、先端に取り付けられる連結カバー9を介して周方向に隣接の動翼と相互に連結させられている。
The
こうしたタービン段落2にあって、静翼3は絞り流路となっている。そのため静翼3を通過した蒸気は、熱エネルギが運動エネルギに変換され増速する。そしてその蒸気は、動翼4に流入して動翼4に回転力を与え、動翼4が連結しているロータ8に動力を発生させる。動翼4から流出する蒸気はエネルギを失っている。そのため段落前後の圧力比(Pout/Pin)は1よりも小さくなる。
In the
上述のようにタービン段落2は低圧タービンの最終段である。したがってタービン段落2では、蒸気が湿り蒸気となっており、水滴を含んでいる。動翼4の回転速度U、静翼出口における蒸気と水滴の絶対速度V,Vd、動翼入口における蒸気と水滴の相対速度W,Wdの関係を図2に示す。水滴は蒸気よりも速度が小さいので、蒸気と水滴では動翼4への流入方向が異なる。すなわち動翼4における正圧面10pと負圧面10mに関して、水滴は蒸気よりも負圧面10mの側に偏って流入する。そして最終段であるタービン段落2では動翼4の翼長が長く、そのためにチップ側の周速が大きいこともあって、動翼4はチップ側の前縁において主にエロージョンを生じるのが通常である。
As described above,
次に、翼エロージョン監視システム1について説明する。翼エロージョン監視システム1は、圧力測定装置11、判定基準値格納装置12、及びエロージョン限界判定装置13を備えている。
Next, the blade
圧力測定装置11は、翼エロージョン監視でなされる動翼4の限界エロージョン判定で指標とする定点変動圧力(これは、監視対象となるタービン段落2における動翼4の前縁側に対向する流路中に設定される定点14に後述のようにして生じる変動圧力)を測定するのに用いられる。圧力測定装置11による定点変動圧力の測定は、定点14における圧力を検出する圧力センサ15により電圧信号として得られる圧力検出信号を変換して実測圧力値を求めることでなされる。したがって圧力測定装置11からは、定点変動圧力に関する実測圧力値が変動圧力の時刻歴波形(図5参照)として出力されることになる。
The
ここで、定点14は、動翼4に生じるエロージョンとの関係で設定する。上述のように、動翼4のエロージョンはチップ側の前縁において主に生じる。ただ、動翼4の先端部分は、蒸気や水滴の衝突が連結カバー9で防がれるようになっていることから、あまりエロージョンを生じない。こうしたことを考慮すると、動翼4の先端部からやや基部側に寄った位置のチップ側前縁に対向する位置に定点14を設定するのが好ましく、本実施形態でもそのようにしている。またこれに伴って、圧力センサ15は、定点14における圧力を効果的に検出できるようにして静翼外壁5の内周面に設けている。
Here, the fixed
判定基準値格納装置12は、限界エロージョン判定で指標とする定点変動圧力に関して後述するようにして求められるエロージョン限界判定基準値を監視対象の段落ごとに格納するのに用いられる。
The determination reference
エロージョン限界判定装置13は、タービン段落2における動翼4について限界エロージョンの発生を判定する。その判定は、圧力測定装置11から提供される定点変動圧力に関する実測圧力値を判定基準値格納装置12から取り込むエロージョン限界判定基準値と比較することでなし、限界エロージョン発生と判定された場合には、そのことを警報などとして適宜に出力する。
The erosion
以下ではエロージョン限界判定基準値の求め方を説明するとして、まずエロージョン限界判定基準値導出の背景となる動翼前縁高圧力部と定点変動圧力の関係などについて説明する。 In the following, the method for obtaining the erosion limit determination reference value will be described. First, the relationship between the blade leading edge high pressure portion and the fixed point fluctuating pressure, which is the background for deriving the erosion limit determination reference value, will be described.
動翼4の前縁には、図3に示すように、蒸気の衝突で周囲より圧力の高い高圧力部、つまり動翼前縁高圧力部16が形成される。動翼前縁高圧力部16は、動翼4の前縁近傍が中心となる圧力分布を形成し、その影響を上流側にも及ぼす。なお、図3中の動翼4は、動翼4のエロージョンについての検査断面(図2中の矢示A−A線に沿う断面で定点14に対応している)として示されている。
As shown in FIG. 3, a high pressure part having a pressure higher than that of the surroundings due to the collision of steam, that is, a moving blade leading edge
図4に、動翼前縁高圧力部16と定点14、それに定点14の圧力を検出する圧力センサ15の関係を模式化して示す。図4の(a)は、動翼4が正常な状態にある場合であり、図4の(b)は、動翼4に限界エロージョンが生じた場合である。
FIG. 4 schematically shows the relationship between the blade leading edge
定点14の圧力は、定点14と動翼前縁高圧力部16の圧力分布中心17との距離に応じて動翼前縁高圧力部16の影響を受ける。そして動翼前縁高圧力部16による定点14の圧力への影響は、動翼4の回転動に伴う特有の変化パターン、具体的には動翼4が定点14に対向する位置を通過する際に最大となり、その前後では小さくなるという変化パターンでもたらされる。そのため定点14の圧力は、動翼4がその回転動で定点14の対向位置を周期的に通過するのに同期して大きさが変化する変動圧力となる。
The pressure at the fixed
図5に、定点14における変動圧力、つまり定点変動圧力を圧力センサ15で検出して得られる圧力測定装置11からの時刻歴波形の例を示す。図5の(a)は、動翼4が正常な状態にある場合であり、図5の(b)は、動翼4に限界エロージョンが生じた場合である。
FIG. 5 shows an example of a time history waveform from the
図4の(a)に示すように、動翼4が正常な場合、動翼前縁高圧力部16の中心17と定点14は距離Daで対向している。一方、図4の(b)に示すように、動翼4の前縁にエロージョンにより欠落部18が生じると、その進行状態に応じて動翼4の前縁が後退し、それに伴って動翼前縁高圧力部16の中心17も定点14に対して後退する。その結果、動翼前縁高圧力部16の中心17と定点14は距離Db(>距離Da)で対向するようになり、これに応じて定点変動圧力に対する動翼前縁高圧力部16の影響が小さくなる。そして動翼4に限界エロージョンが生じた状態では、図5に示すように、圧力測定装置11からの時刻歴波形の振幅(圧力変動幅)が、動翼4が正常な状態に比べて十分に有意な幅で小さくなる。したがって図5の(a)の時刻歴波形と図5の(b)の時刻歴波形における振幅の違いを利用することで限界エロージョンの判定を高い精度で行うことが可能となる。エロージョン限界判定基準値は、このことに基づいて設定される。
As shown in FIG. 4A, when the moving
エロージョン限界判定基準値を設定するには動翼4のエロージョンの定量化が必要となる。図6に、動翼4に生じるエロージョンの例を模式化して示す。なお、図6中の動翼4は、図3の場合と同様に検査断面として示されている。図6の(a)は正常な動翼4であり、図6の(b)は前縁に生じたエロージョンにより前縁の一部が欠落して損傷したエロージョン動翼4eであり、図6の(c)にはエロージョン動翼4eで欠落したエロージョン欠落部18(図1も参照)を示してある。
To set the erosion limit judgment reference value, the erosion of the moving
このようなエロージョンについて、以下ではエロージョン欠落部18の面積でエロージョン量を定義し、エロージョンの程度を表す定量値として、エロージョン量を用いる。また動翼4の破損などに結びつくおそれのあるような限界的な状態まで進行したエロージョンである限界エロージョンのエロージョン量をエロージョン限界量と呼ぶことにする。
For such erosion, hereinafter, the erosion amount is defined by the area of the
上述のように、定点14における変動圧力は、動翼4の回転に相関して圧力を変化させる。このためエロージョン限界判定基準値を設定するについては、動翼4の回転数とタービン段落2における動翼枚数に関する周波数の変動圧力を用いるのが好ましい。具体的には(動翼枚数)×回転数(rpm)/60として求められるBPF(Blade Passing Frequency)周波数の変動圧力(以下、適宜にBPF変動圧力とも記す)を用いるのが好ましく、そのようにすることで、より高精度な監視が可能となる。
As described above, the fluctuating pressure at the fixed
図7に、圧力測定装置11からの出力される定点変動圧力の実測圧力値をBPF周波数で周波数分析した場合のデータの例を示す。BPF周波数で周波数分析した場合、BPF周波数において変動圧力が最大となるが、エロージョン限界翼のBPF変動圧力は正常翼に比べて十分に小さい。
FIG. 7 shows an example of data when the measured pressure value of the fixed point fluctuating pressure output from the
以上がエロージョン限界判定基準値導出の背景であり、こうした背景の下でエロージョン限界判定基準値は以下のようにして求められる。まず監視対象となるタービン段落2における動翼4に強度的に許容できるエロージョン限界量Ecを決定する。これは、エロージョンが進行した形状に対しFEM(有限要素法)解析を実施し、最大応力が許容応力以下となる限界のエロージョン量を限界エロージョン量Ecとする。なお、エロージョンが進行した形状は、試験であらかじめ把握しておくとする。
The above is the background for deriving the erosion limit determination reference value. Under such background, the erosion limit determination reference value is obtained as follows. First, an erosion limit amount Ec that can be tolerated for the moving
次に、モデル試験や流体解析により、限界エロージョン量Ecのエロージョンを生じているエロージョン限界翼についてBPF変動圧力Fc(BPF変動圧力関数Fc:本実施形態の場合には定数となる)を求め、これをエロージョン限界判定基準値として用いる。 Next, a BPF fluctuation pressure Fc (BPF fluctuation pressure function Fc: constant in the case of the present embodiment) is obtained for the erosion limit blade that has caused erosion of the limit erosion amount Ec by model test or fluid analysis. Is used as the erosion limit criterion value.
この場合、エロージョン限界判定装置13は、圧力測定装置11から提供される実測圧力値をBPF周波数で周波数分析することで実測値FPを生成させる。そして判定基準値格納装置12から取り出したタービン段落2に関するBPF変動圧力Fcと実測値FPについてFP<Fcを判定し、その判定の結果が肯定的になったら限界エロージョン発生とし、そのことを警報などとして適宜に出力する。
In this case, the erosion
以下では、第2の実施形態について説明する。図8に、第2の実施形態による翼エロージョン監視システム21の構成を監視対象のタービン段落22に対する関係とともに模式化して示す。本実施形態で対象とするタービン段落22は、高タービンあるいは中圧タービンにおける初段であるとする。ただし、タービン段落22の構成は、基本的には図1におけるタービン段落2と同様で、翼長が短いこと、それに動翼4の連結カバー9に対向する静翼外壁5にもシールフィン7が設けられていることで相違している。
Hereinafter, the second embodiment will be described. FIG. 8 schematically shows the configuration of the blade erosion monitoring system 21 according to the second embodiment together with the relationship with the
高中圧タービンでは、上述のように、主に初段におけるソリッドパーティクルエロージョンが問題になる。そして初段におけるソリッドパーティクルエロージョンは、静翼3で最も生じ易いが、動翼4にも生じる。すなわちソリッドパーティクルは静翼3の腹(正圧面)側に衝突してソリッドパーティクルエロージョンを生じさせ、次に動翼4にソリッドパーティクルエロージョンを生じさせる。
In the high and medium pressure turbine, as described above, the solid particle erosion mainly in the first stage is a problem. Solid particle erosion at the first stage is most likely to occur in the stationary blade 3, but also occurs in the moving
こうしたソリッドパーティクルエロージョンでもその限界エロージョンの判定については第1の実施形態の場合と同様である。したがって翼エロージョン監視システム21は、翼エロージョン監視システム1と同様に、圧力測定装置11、判定基準値格納装置12、及びエロージョン限界判定装置23を備えている。圧力測定装置11と判定基準値格納装置12は、図1におけるそれらと同様である。エロージョン限界判定装置23は、図1におけるエロージョン限界判定装置13と対応するが、圧力比算出部24が設けられている点でエロージョン限界判定装置13と相違している。
Even in such solid particle erosion, the determination of the limit erosion is the same as in the case of the first embodiment. Therefore, the blade erosion monitoring system 21 includes the
エロージョン限界判定装置23に圧力比算出部24を設けたのは、段落前後圧力比(これは上述の圧力比(Pout/Pin)である)をエロージョン限界判定基準値に反映させることができるようにし、それによりタービン段落22の段落前後圧力比が限界エロージョンの判定に影響するのを避け、より精度の高い監視を行えるようにするためである。
The reason why the pressure
定点14における変動圧力は、段落前後圧力比の影響も受ける。図9に示すのは、段落前後の圧力比、エロージョン量、BPF変動圧力の関係についての概念図である。段落前後圧力比が同じであればエロージョン量が大きいほどBPF変動圧力は小さく、またエロージョン量が同じであれば段落前後圧力比が大きいほどBPF変動圧力は小さくなる。
The fluctuating pressure at the fixed
こうした関係を前提に、実際のプラントにおける運転条件として起こり得るとして想定する離散的な段落前後圧力比を変数とするモデル試験又は流体解析を正常な動翼とエロージョン限界動翼について行い、それによりBPF変動圧力を想定段落前後圧力比ごとに、つまり離散的に求めるとともに、それに基づいて圧力比を引数とするBPF変動圧力算出関数 Fc(Pout/Pin)を求め、これをエロージョン限界判定基準値として用いる。 Based on such a relationship, a model test or fluid analysis is performed on normal blades and erosion limit blades using discrete stage front-rear pressure ratios as variables, which are assumed to occur as operating conditions in an actual plant. The fluctuating pressure is obtained for each pressure ratio before and after the assumed paragraph, that is, discretely, and based on this, the BPF fluctuating pressure calculation function Fc (P out / P in ) using the pressure ratio as an argument is obtained, and this is the erosion limit criterion value Used as
この場合、エロージョン限界判定装置13は、圧力測定装置11から提供される実測圧力値をBPF周波数で周波数分析することで実測値FPを生成させる。その一方で、当該時点での段落前後圧力比を圧力比算出部24で求める。次いで、判定基準値格納装置12からタービン段落22に関するBPF変動圧力算出関数 Fc(Pout/Pin)を取り出し、そのBPF変動圧力算出関数 Fc(Pout/Pin)について圧力比算出部24が求め当該時点での段落前後圧力比を引数として演算を行うことでBPF変動圧力予測値 Fc(Pout/Pin)を求める。それから実測値FP<BPF変動圧力予測値Fc(Pout/Pin)を判定し、その判定の結果が肯定的になったら限界エロージョン発生とし、そのことを警報などとして適宜に出力する。
In this case, the erosion
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば上記実施形態では蒸気タービンを対象としていたが、動翼のエロージョン監視を必要とする回転機械であれば、その種類を問わずに本発明を適用することができる。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, these are only representative examples, This invention can be implemented with various forms in the range which does not deviate from the meaning. For example, although the steam turbine is targeted in the above embodiment, the present invention can be applied to any rotating machine that requires erosion monitoring of a moving blade.
1、21 翼エロージョン監視システム
2 タービン段落
3 静翼
4 動翼
11 圧力測定装置
12 判定基準値格納装置
13、23 エロージョン限界判定装置
14 定点
24 圧力比算出部
1, 21 Blade
Claims (6)
監視対象段落における前記動翼の前縁側に対向する流路中に設定される定点での変動圧力を測定し、それで得られる定点変動圧力を当該定点変動圧力に関して予め設定してあるエロージョン限界判定基準値に基づいて判定することで前記監視対象段落における前記動翼について前記限界エロージョンの発生を判定するようにして前記監視をなすようにされていることを特徴とする翼エロージョン監視方法。 In a blade erosion monitoring method for monitoring the occurrence of limit erosion in the rotating blade in a rotary machine having one or more stages in the axial direction including a stage composed of a moving blade and a stationary blade,
An erosion limit judgment criterion in which a fluctuating pressure at a fixed point set in the flow path facing the leading edge side of the moving blade in the monitoring target paragraph is measured, and the fixed fluctuating pressure obtained by the measurement is preset with respect to the fixed fluctuating pressure. The blade erosion monitoring method, wherein the monitoring is performed by determining the occurrence of the limit erosion of the moving blade in the monitoring target paragraph by determining based on a value.
前記定点変動圧力の測定を行う圧力測定装置、前記エロージョン限界判定基準値を格納する判定基準値格納装置、及び前記圧力測定装置からの前記定点変動圧力を前記エロージョン限界判定基準値に基づいて判定することで前記監視対象段落における前記動翼について前記限界エロージョンの発生を判定するエロージョン限界判定装置を備えていることを特徴とする翼エロージョン監視システム。 A blade erosion monitoring system used in the blade erosion monitoring method according to any one of claims 1 to 5,
A pressure measuring device that measures the fixed point fluctuating pressure, a determination reference value storage device that stores the erosion limit determination reference value, and the fixed point fluctuating pressure from the pressure measuring device is determined based on the erosion limit determination reference value. A blade erosion monitoring system comprising: an erosion limit determination device for determining occurrence of the limit erosion for the moving blade in the monitoring target paragraph.
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- 2008-07-07 JP JP2008177418A patent/JP2010014100A/en active Pending
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