JP2009121901A - トルク計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の軸ねじれ振動を把握できるトルク計測装置を提供することである。
【解決手段】レーザ光出力装置１３からのレーザ光を一対の反射体１２ａ、１２ｂを含む回転体１１の表面に照射するとともにその反射光を光送受信装置１５ａ、１５ｂで受信し、ねじれ角算出部１７はその反射光に基づいて回転体のねじれ角θを算出する。一方、光送受信装置１５ａ、１５ｂの設置位置より回転体の周方向に９０°ずれた位置に設置された距離検出器１８ａ、１８ｂは回転体１１の表面までの距離を求め、振れ廻り角算出部１９はその距離に基づいて回転体１１の振れ廻り角αを算出する。ねじれ角補正部２０は、ねじれ角θから振れ廻り角αを取り除いて補正されたねじれ角θ’を求め、トルク算出部２１は補正されたねじれ角θ’に基づき回転体１１のトルクを算出する。また、出力装置２２は補正されたねじれ角θ’及び回転体のトルクの時系列データを出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体の軸トルクを非接触で光学的に計測するトルク計測装置に関する。

例えば、コンバインドサイクル発電プラントや蒸気タービンプラントに適用される回転体の軸トルクを計測するものとしては、回転体に反射体を軸方向に異なる位置に貼着し、両反射体にレーザ装置から発振されたレーザ光を照射して両反射体からの反射光の位相差（軸ねじれ）を検出し、その軸ねじれから軸トルクを測定するようにしたトルク計測装置がある。

このようなトルク計測装置では、レーザ光を回転体の表面上に軸方向に異なる２位置に照射し軸トルクを検出しているが、回転体の軸偏心により回転体に振れ廻りが生じると、軸トルクの検出にバラツキが生じ、このバラツキが計測誤差要因となる虞がある。

そこで、回転体上で１８０度対向する反射シールで検出される計測角の平均値をとることにより、軸偏心による振れ廻りが発生しても回転体の軸トルク検出のばらつきを少なくし、トルク測定の精度を保持するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３３３３７６号公報（明細書［０１５６］）

しかし、回転体には振れ廻りだけでなく、軸ねじれが生じた方向に軸ねじれ振動が発生することがある。特許文献１のものでは、軸偏心による振れ廻りの影響を少なくしてトルク測定の精度を向上させることはできるが、軸偏心による振れ廻りを直接的に計測していないので、軸の振れ廻りと軸ねじれ振動とを区別できない。軸ねじれ振動が発生していると回転体の軸に金属疲労が発生するので、回転体の軸ねじれ振動を把握することは重要なことである。

本発明の目的は、回転体の軸ねじれ振動を把握できるトルク計測装置を提供することである。

請求項１の発明に係わるトルク計測装置は、回転体の軸方向に間隔を保って設けられた少なくとも一対の反射体と、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を前記一対の反射体を含む前記回転体の表面に照射するとともにその反射光を受信する光送受信装置と、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向にずれた位置に設置され前記回転体の表面までの距離を求める距離検出器と、前記光送受信装置で受信した前記一対の反射体の反射光に基づいて前記回転体のねじれ角を算出するねじれ角算出部と、前記距離検出器で検出された距離に基づいて前記回転体の振れ廻り角を算出する振れ廻り角算出部と、前記ねじれ角算出部で算出されたねじれ角から前記振れ廻り角演算部で算出した振れ廻り角を取り除いて前記ねじれ角を補正するねじれ角補正部と、前記ねじれ角補正部で補正されたねじれ角に基づき前記回転体のトルクを算出するトルク算出部と、前記ねじれ角補正部で補正されたねじれ角及び前記トルク算出部で算出された前記回転体のトルクの時系列データを出力する出力装置を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わるトルク計測装置は、請求項１の発明において、前記ねじれ角補正部で補正されたねじれ角の時系列データに基づいて、前記回転体の軸ねじれ振動を算出する軸ねじれ振動算出部を備え、算出した軸ねじれ振動を前記出力装置に出力することを特徴とする。

請求項３の発明に係わるトルク計測装置は、請求項１または２の発明において、前記距離検出器は、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向に９０°ずれた位置に設置されことを特徴とする。

請求項４の発明に係わるトルク計測装置は、請求項３の発明において、前記距離検出器は、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向に９０°ずれた位置に加え、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向に−９０°ずれた位置にも設け、前記振れ廻り角算出部は、それぞれの前記距離検出器で検出された距離に基づいてそれぞれ回転体の振れ廻り角を算出し、それらの平均値を回転体の振れ廻り角として出力することを特徴とする。

請求項５の発明に係わるトルク計測装置は、請求項１または２の発明において、前記回転体の周方向の９０°ずれた位置にそれぞれ前記距離検出器を設け、前記振れ廻り角算出部は、それぞれの前記距離検出器で検出された距離に基づいて前記回転体の振れ廻り角を算出することを特徴とする。

本発明によれば、回転体の表面までの距離を求める距離検出器を設け、距離検出器で検出された距離に基づいて回転体の振れ廻り角を算出し、回転体のねじれ角から振れ廻り角を取り除いてねじれ角を補正し、その補正されたねじれ角に基づいて回転体の軸ねじれ振動を求めるので、軸ねじれ振動を軸の振れ廻りと区別して把握することができる。

図１は本発明の実施の形態に係わるトルク計測装置の構成図である。回転体１１の表面には、回転体１１の軸方向に間隔を保って一対の反射体１２ａ、１２ｂが設けられている。図１では１組の反射体１２ａ、１２ｂを示しているが、回転体１１の周方向に複数組の一対の反射体１２を設けるようにしてもよい。通常、８組の一対の反射体１２が設けられる。

レーザ光出力装置１３から照射光学装置１４を介して光送受信装置１５ａ、１５ｂからレーザ光が照射される。すなわち、光送受信装置１５ａ、１５ｂから一対の反射体１２ａ、１２ｂを含む回転体１１の表面にレーザ光が照射されるとともに、光送受信装置１５ａ、１５ｂは、その一対の反射体１２ａ、１２ｂを含む回転体１１の表面からの反射光を受光する。光送受信装置１５ａ、１５ｂで受光された反射光は信号処理装置１６のねじれ角算出部１７に入力される。

一方、回転体１１の周方向に回転体の表面までの距離を求める距離検出器１８ａ、１８ｂが設けられている。距離検出器１８ａ、１８ｂは回転体１１の軸中心に向けて配置されている。距離検出器１８ａ、１８ｂで検出された回転体の表面までの距離は、信号処理装置１６の振れ廻り角算出部１９に入力される。振れ廻り角算出部１９は、距離検出器１８ａ、１８ｂで検出された回転体１１の表面までの距離に基づいて回転体１１の振れ廻り角αを算出するものである。振れ廻り角αの算出の仕方については後述する。

ねじれ角算出部１７は一対の反射体１２ａ、１２ｂからの反射光の遅れ時間ｔ_ｄに基づいて（１）式によりねじれ角θを算出する。（１）式中のＴは回転体の回転周期である。

θ＝（ｔ_ｄ／Ｔ）・３６０ …（１）
ねじれ角補正部２０は、ねじれ角算出部１７で算出されたねじれ角θから振れ廻り角演算部１９で算出した振れ廻り角αを取り除いて、（２）式で示される補正されたねじれ角θ’を算出し、トルク算出部２１及び出力装置２２に出力する。

θ’＝θ−α …（２）
トルク算出部２１は、（２）式で求められたねじれ角θ’と、回転体１１のねじり剛性Ｋとから、（３）式によりトルクτを計算する。トルク算出部２１で算出された回転体１１のトルクτは出力装置２２に出力される。

τ＝Ｋ・θ …（３）
出力装置２２は表示装置や印刷装置等であり、時系列的に得られるねじれ角θ’やトルクτの時系列データを表示出力や印刷出力する。

一方、軸ねじれ振動算出部２３は、ねじれ角補正部２０で補正されたねじれ角θ’の時系列データに基づいて、回転体１１の軸ねじれ振動を算出するものであり、ねじれ角θ’の時系列データをプロットして得られるグラフに近似する相関関数を求め、その相関関数の振動周期や振幅値を評定する。相関関数の振動周期や振幅値を評定することで回転体１１の金属疲労を評定する。

図２は振れ廻り角算出部１９での振れ廻り角αの算出の仕方の一例の説明図であり、図２（ａ）は振れ廻りが発生しない場合の説明図、図２（ｂ）は振れ廻りが発生する場合の説明図である。図２では距離検出器１８は光送受信装置１５の設置位置より回転体１１の周方向に９０°ずれた位置に設置された場合を示している。また、図２では２組の一対の反射体１２ａ（１２ｂ）、１２ａ’（１２ｂ’）を配置した場合を示している。

図２（ａ）に示すように、光送受信装置１５及び距離検出器１８は回転体１１の物理的中心位置Ｏに向けて配置され、光送受信装置１５と距離検出器１８とは回転体１１の周方向に９０°ずれた位置に設置されている。この状態で、回転体１１の物理的中心位置Ｏが回転中心位置と一致しているときは、回転体１１には振れ廻りは発生しない。つまり、距離検出器１８が検出する回転体１１の表面までの距離Ｌは一定である。従って、振れ廻り角算出部１９は、距離検出器１８で検出された回転体１１の表面までの距離Ｌが一定で変化しないときは、振れ廻り角αとして０を出力する。

次に、図２（ｂ）に示すように、回転体１１の回転中心位置Ｐが物理的中心位置Ｏより距離検出器１８側にずれている場合には、回転体１１は回転中心位置Ｐを中心に回転するので、回転体１１には振れ廻りが発生する。いま、光送受信装置１５は、初期位置での回転体１１ａの反射体１２ａ（１２ｂ）に対し対面しているとする。また、このときの回転体１１ａの物理的中心位置をＯａとし、回転体１１の表面までの距離ＬはＬ０であるとする。

図３は回転体１１が回転中心位置Ｐを中心に回転し振れ廻りが発生した場合の状態図であり、図３（ａ）は回転体１１が０°〜１８０°の間に位置する場合の状態図、図３（ｂ）は回転体１１が１８０°回転した場合の状態図である。図３（ａ）に示すように、回転体１１が回転中心位置Ｐを中心に回転すると、物理的中心位置Ｏは円軌跡２４に従って移動し、また、距離検出器１８が検出する回転体１１の表面までの距離Ｌは変化する。つまり、回転体１１の初期状態での距離Ｌ０と距離検出器１８で検出された距離Ｌとの距離偏差ΔＬ（Ｌ０−Ｌ）が変化する。図３（ａ）中の点Ｏｂは、距離検出器１８で検出した距離がＬであるときの物理的中心位置である。

次に、図３（ｂ）に示すように、回転体１１が回転中心位置Ｐを中心に１８０°回転すると、一対の反射体１２ａ’（１２ｂ’）が光送受信装置１５側に位置するが、距離偏差ΔＬが生じているので、回転体が１８０°回転しても反射体１２ａ’（１２ｂ’）は光送受信装置１５と対面しない。さらに、距離偏差ΔＬ分だけ回転したときに反射体１２ａ’（１２ｂ’）は光送受信装置１５と対面し、これにより、光送受信装置１５は反射体１２ａ’（１２ｂ’）からの反射光を受信することになる。

このことから、光送受信装置１８で検出される反射体１２の位置は、距離偏差ΔＬ（Ｌ０−Ｌ）分だけずれた位置となる。この距離偏差ΔＬによる回転体１１の振れ廻り角αは、１８０°回転した回転体１１の回転中心位置Ｏｃに対する距離偏差ΔＬが張る角度で示される。従って、回転体１１の半径をｒとすると、振れ廻り角αは（４）式で示される。

α＝ΔＬ／ｒ …（４）
前述したように、ねじれ角補正部２０では、ねじれ角算出部１７で算出されたねじれ角θから振れ廻り角演算部１９で算出した振れ廻り角αを取り除いて、（２）式で示される補正されたねじれ角θ’を算出する。これにより、振れ廻り角αを除去したねじれ角θ’が得られる。

以上の説明では、２組の一対の反射体１２ａ、１２ｂを設けた場合について説明したが、８組の反射体１２ａ、１２ｂを設けた場合には、回転体が４５°ずつ回転した場合の振れ廻り角αを計算し、ねじれ角算出部１７で算出されたねじれ角θを補正することになる。

また、以上の説明では、距離検出器１８は、光送受信装置１５の設置位置より回転体１１の周方向に９０°ずれた位置に設けたが、必ずしも９０°でなくともよい。また、光送受信装置１５の設置位置より回転体の周方向に±９０°ずれた位置（回転体の周方向の１８０°ずれた位置）に距離検出器１８をそれぞれ設けてもよい。

図４は、距離検出器の配置の他の一例の説明図であり、光送受信装置１５の設置位置より回転体１１の周方向に±９０°ずれた位置にそれぞれ距離検出器１８ａ、１８ｂを設けた場合を示している。図４に示すように、距離検出器１８ａ、１８ｂは、光送受信装置１５の設置位置より回転体１１の周方向に±９０°ずれた位置に設けられている。

図４において、回転体１１の回転中心位置Ｐが物理的中心位置Ｏより距離検出器１８側にずれており、光送受信装置１５は初期位置での回転体１１ａの反射体１２ａ（１２ｂ）に対し対面しており、このときの回転体１１ａの物理的中心位置をＯａとし、１８０°回転したときの回転体１１ｃの物理的中心位置をＯｃとする。また、距離検出器１８ａで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ１はＬ１０、距離検出器１８ｂで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ２はＬ２０であるとする。

この場合、初期距離Ｌ１０、Ｌ２０と、各々の距離検出器１８ａ、１８ｂで検出された回転体１１の表面までの距離Ｌ１、Ｌ２との距離偏差ΔＬ１（Ｌ１０−Ｌ１）、ΔＬ２（Ｌ２０−Ｌ２）を求め、振れ廻り角算出部１９は、これら距離偏差ΔＬ１（Ｌ１０−Ｌ１）、ΔＬ２（Ｌ２０−Ｌ２）から振れ廻り角α１、α２を求め、振れ廻り角α１、α２の平均値を求めて振れ廻り角αとする。これにより、振れ廻り角αの精度が向上する。

図５は、距離検出器の配置の別の他の一例の説明図である。図５は、回転体１１の周方向の９０°ずれた位置にそれぞれ距離検出器１８ａ、１８ｂを設けたものである。図５では、光送受信装置１５の設置位置より回転体１１の周方向に９０°ずれた位置に距離検出器１８ａを設け、１８０°ずれた位置に距離検出器１８ｂを設けた場合を示している。

光送受信装置１５は初期位置での回転体１１ａの反射体１２ａ（１２ｂ）に対し対面しており、このときの回転体１１ａの物理的中心位置をＯａとし、回転中心位置Ｐで０°〜１８０°の間で回転したときの回転体１１ｉの物理的中心位置をＯｉとする。また、距離検出器１８ａで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ１はＬ１０、距離検出器１８ｂで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ２はＬ２０であるとする。

この場合、距離検出器１８ａで検出される回転体１１ｉの表面までの距離Ｌ１は、回転体１１ｉの表面の法線方向の点Ｑ１までの距離である。また、回転体１１ｉの物理的中心位置Ｏｉから回転体１１ｉの表面の法線方向の点Ｑ１までの距離は回転体１１ｉの半径ｒである。同様に、距離検出器１８ｂで検出される回転体１１ｉの表面までの距離Ｌ２は、回転体１１ｉの表面の法線方向の点Ｑ２までの距離である。また、回転体１１ｉの物理的中心位置Ｏｉから回転体１１ｉの表面の法線方向の点Ｑ２までの距離は回転体１１ｉの半径ｒである。

このことから、距離検出器１８ａ、１８ｂで検出される回転体１１ｉの表面までの距離Ｌ１、Ｌ２を計測することで、回転体１１ｉの物理的中心位置Ｏｉを特定することができる。従って、回転体１１ｉの回転中心位置Ｐが特定できない場合であっても、回転体１１ｉの物理的中心位置Ｏｉの軌跡を計測できる。一方、初期位置での回転体１１ａの物理的中心位置Ｏａは、距離検出器１８ａ、１８ｂで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ１０、Ｌ２０から特定できる。従って、振れ廻りが発生している回転体１１ｉの物理的中心位置Ｏｉと初期位置の回転体１１ａの物理的中心位置Ｏａとから、振れ廻りが発生している回転体１１ｉの反射体１２ａ（１２ｂ）位置と、光送受信装置１５の設置位置との距離偏差ΔＬ１を求めることができる。同様に、光送受信装置１５に対して垂直方向の距離偏差ΔＬ２も求めることができる。

これにより、回転体１１が光送受信装置１５に対して垂直方向に振れ廻りを生じている場合であっても、その垂直成分方向の振れ廻りを加味した距離偏差ΔＬ１を精度良く測定できる。

以上の説明では、光送受信装置１５の設置位置より回転体１１の周方向に９０°ずれた位置に距離検出器１８ａを設け、１８０°ずれた位置に距離検出器１８ｂを設けた場合について説明したが、光送受信装置１５の設置位置からずれた位置に、９０°を保って２個の距離検出器１８ａ、１８ｂを配置してもよい。

図６は、距離検出器の配置のさらに別の他の一例の説明図であり、図５では、光送受信装置１５の設置位置からずれた位置に、９０°を保って２個の距離検出器１８ａ、１８ｂを配置した場合を示している。

図５の一例の場合と同様に、光送受信装置１５は初期位置での回転体１１ａの反射体１２ａ（１２ｂ）に対し対面しており、このときの回転体１１ａの物理的中心位置をＯａとし、回転中心位置Ｐで０°〜１８０°の間で回転したときの回転体１１ｉの物理的中心位置をＯｉとする。また、距離検出器１８ａで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ１はＬ１０、距離検出器１８ｂで検出される初期位置の回転体１１ａの表面までの距離Ｌ２はＬ２０であるとする。また、距離検出器１８ａの配置位置は光送受信装置１５からβの位置であるとする。

この場合も、図５の一例の場合と同様に、回転体１１ｉの物理的中心位置Ｏｉを特定することができ、初期位置の回転体１１ａの物理的中心位置Ｏａが特定できるので、振れ廻りが発生している回転体１１ｉの反射体１２ａ（１２ｂ）位置と、光送受信装置１５の設置位置との距離偏差ΔＬ１を求めることができる。従って、回転体１１が光送受信装置１５に対して垂直方向に振れ廻りを生じている場合であっても、その垂直成分方向の振れ廻りを加味した距離偏差ΔＬ１を精度良く測定できる。

本発明の実施の形態によれば、回転体１１の表面までの距離を求める距離検出器１８を設け、距離検出器１８で検出された距離に基づいて回転体１１の振れ廻り角αを算出し、回転体１１のねじれ角θから振れ廻り角αを取り除いてねじれ角を補正し、その補正されたねじれ角θ’に基づいて回転体１１の軸ねじれ振動を求めるので、軸ねじれ振動を軸の振れ廻りと区別して把握することができる。

大きな軸ねじれ振動は、プラント破壊にも繋がるもので、軸ねじれ振動を把握できることはプラントの安全性の向上に役立つ。また、振れ廻り角を取り除いたねじれ角を用いて、回転体のトルクを計測するので、回転体のトルクの計測精度も向上する。これにより、回転体の出力も精度良く得られるので、プラントの効率の把握も的確にできる。

本発明の実施の形態に係わるトルク計測装置の構成図。 本発明の実施の形態における振れ廻り角算出部での振れ廻り角αの算出の仕方の一例の説明図。 図２（ｂ）の回転中心位置Ｐを中心に回転体が回転し振れ廻りが発生した場合の状態図。 本発明の実施の形態における距離検出器の配置の他の一例の説明図。 本発明の実施の形態における距離検出器の配置の別の他の一例の説明図。 本発明の実施の形態における距離検出器の配置のさらに別の他の一例の説明図。

符号の説明

１１…回転体、１２…反射体、１３…レーザ光出力装置、１４…照射光学装置、１５…光送受信装置、１６…信号処理装置、１７…ねじれ角算出部、１８…距離検出器、１９…振れ廻り角算出部、２０…ねじれ角補正部、２１…トルク算出部、２２…出力装置、２３…軸ねじれ振動算出部、２４…円軌跡

Claims (5)

1. 回転体の軸方向に間隔を保って設けられた少なくとも一対の反射体と、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を前記一対の反射体を含む前記回転体の表面に照射するとともにその反射光を受信する光送受信装置と、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向にずれた位置に設置され前記回転体の表面までの距離を求める距離検出器と、前記光送受信装置で受信した前記一対の反射体の反射光に基づいて前記回転体のねじれ角を算出するねじれ角算出部と、前記距離検出器で検出された距離に基づいて前記回転体の振れ廻り角を算出する振れ廻り角算出部と、前記ねじれ角算出部で算出されたねじれ角から前記振れ廻り角演算部で算出した振れ廻り角を取り除いて前記ねじれ角を補正するねじれ角補正部と、前記ねじれ角補正部で補正されたねじれ角に基づき前記回転体のトルクを算出するトルク算出部と、前記ねじれ角補正部で補正されたねじれ角及び前記トルク算出部で算出された前記回転体のトルクの時系列データを出力する出力装置を備えたことを特徴とするトルク計測装置。
2. 前記ねじれ角補正部で補正されたねじれ角の時系列データに基づいて、前記回転体の軸ねじれ振動を算出する軸ねじれ振動算出部を備え、算出した軸ねじれ振動を前記出力装置に出力することを特徴とする請求項１記載のトルク計測装置。
3. 前記距離検出器は、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向に９０°ずれた位置に設置されことを特徴とする請求項１または２記載のトルク計測装置。
4. 前記距離検出器は、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向に９０°ずれた位置に加え、前記光送受信装置の設置位置より前記回転体の周方向に−９０°ずれた位置にも設け、前記振れ廻り角算出部は、それぞれの前記距離検出器で検出された距離に基づいてそれぞれ回転体の振れ廻り角を算出し、それらの平均値を回転体の振れ廻り角として出力することを特徴とする請求項３記載のトルク計測装置。
5. 前記回転体の周方向の９０°ずれた位置にそれぞれ前記距離検出器を設け、前記振れ廻り角算出部は、それぞれの前記距離検出器で検出された距離に基づいて前記回転体の振れ廻り角を算出することを特徴とする請求項１または２記載のトルク計測装置。

Images