JP2010230347A

JP2010230347A - トルク計測装置

Info

Publication number: JP2010230347A
Application number: JP2009075624A
Authority: JP
Inventors: Shin Yoshino; 伸吉野
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】
長期間連続的に安定して、簡易な信号処理で、振れ回りなど回転体の位置変動の影響を受けずに正確にトルクを計測できるトルク計測装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明のトルク計測装置は、回転体の表面に固定された固定部と、前記固定部での前記回転体のねじれ量に応じた回転方向の変位を前記回転体の回転軸方向に一定距離離れた計測位置に伝達する腕部と、前記計測位置の回転体の表面に取り付けられ、前記腕部との回転方向の相対変位量を光学的に計測する変位センサと、計測された相対変位量から前記回転体のねじれ量を求め、該ねじれ量からトルクを算出する信号処理装置と、前記変位センサで計測された相対変位量に係わる光信号を、前記信号処理装置まで伝達する伝達手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の軸トルクを計測するトルク計測装置に関する。

回転体のトルクを計測する方法として一般的にひずみゲージ法が用いられている。これは、回転体の外周に歪センサを設け、この歪センサで回転体のねじれ量を検出し、検出信号を外部の受信装置へ伝達し、検出したねじれ量に基づいて回転体のトルクを計測するものである（特許文献１参照）。この方式でひずみセンサからの検出信号（電気信号）を回転体から外部に静止した受信装置に伝達する方法としては、テレメータまたはスリップリングが用いられている（特許文献２参照）。

また、光信号を用いて非接触で回転体のトルクを計測する方法も用いられている。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の熱効率の変化原因を特定するために、ガスタービンや蒸気タービンのような回転機器の駆動軸のトルクを検出するための光学的なトルク計測装置が開発されている（特許文献３参照）。このトルク計測装置では、回転体の軸方向の異なる位置に１対の反射体を設け、両反射体にレーザ光を照射して両反射体からの反射光を検出し、反射光の周期的な強弱に基づいて回転体の回転周期を求め、両反射体からの反射光の遅れ時間に基づいて回転体のねじれ量及びトルクを検出するようにしている。

特開２００４−７７１７２号公報特開２００８−３９７１１号公報特開２００２−２２５６４号公報

しかし、ひずみゲージを用いる方法は、ひずみゲージの特性として値が僅かずつ変化する現象（ドリフト）があり、長期間にわたる連続計測には適さない。

また、回転体の外部への信号伝達手段として、テレテータではバッテリ切れの問題により長時間にわたる連続計測は不可能であり、スリップリングでは微小な電気信号がノイズの影響を受け、算出されるトルクにも誤差が生じることがある。

さらに、特許文献３の光信号を用いる方法は２つの光反射信号の位相差を見ているために、信号処理が複雑になり、信号処理の過程で誤差が生じる可能性がある。また、光信号の受信部が回転体の外部に設置されるとともに、回転軸方向にある程度離れた区間（１ｍ程度）の位相差を見ているために、振れまわり等回転体の位置変動の影響を受けやすく、正確なトルクが計測できない場合もある。

そこで、本発明の目的は、長期間連続的に安定して、簡易な信号処理で、振れ回りなど回転体の位置変動の影響を受けずに正確にトルクを計測できるトルク計測装置を提供することにある。

本発明に係わるトルク計測装置は、回転体の表面に固定された固定部と、前記固定部での前記回転体のねじれ量に応じた回転方向の変位を前記回転体の回転軸方向に一定距離離れた計測位置に伝達する腕部と、前記計測位置の回転体の表面に取り付けられ、前記腕部との回転方向の相対変位量を光学的に計測する変位センサと、計測された相対変位量から前記回転体のねじれ量を求め、該ねじれ量からトルクを算出する信号処理装置と、前記変位センサで計測された相対変位量に係わる光信号を前記信号処理装置まで伝達する伝達手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記変位センサは、前記固定部から前記回転体の略回転軸方向に伸ばした延長線上に取り付けられてもよい。

また、前記回転体は、発電プラントのタービンの動力伝達軸であることを特徴とし、前記信号処理装置は、発電プラントの解列信号があったときに前記変位センサで計測された相対変位量をオフセット値として記憶することを特徴としてもよい。

本発明によれば、回転体のねじれ量に応じた回転方向の相対変位量を変位センサで計測することで、回転体のねじれ量を直接求めることができるため、簡易な信号処理で、トルクを計測することができる。

また、変位センサが回転体の表面に取り付けられ、トルク計測区間を短く設定できるため、振れ回りなど回転体の位置変動の影響を受けずに正確にトルクを計測することができる。

さらに、光学式変位センサを用いて相対変位量を計測し、光信号のままで検出信号を回転体の外部に静置した信号処理装置へ伝達できるため、長期間連続的に安定してトルクを計測することができる。

本発明の第１の実施形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。本発明の第１の実施形態に係わるトルク計測装置において回転体の熱膨張前後における変位センサと固定部との位置関係を説明する説明図である。本発明の第１の実施形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート図である。本発明の第２の実施形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。本発明の第２の実施形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。回転体１１の表面に固定された固定部１２に、回転体１１の回転軸方向に一定長さを有する腕部１３が取り付けられている。さらに、固定部１２から回転軸方向に一定距離離れた位置に変位センサ１５が取り付けられ、この変位センサ１５で腕部１３との回転方向の相対変位量を光学的に計測する。計測された相対変位量に係わる光信号は、ロータリージョイント１８を含む伝達手段１６を介して、回転体１１の外部に静止した信号処理装置２１まで伝達される。

信号処理装置２１で、伝達された光信号を処理して回転体１１のねじれ量及びトルクを算出する。トルク算出手段２５で算出された回転体１１のトルクは出力処理手段２６で出力処理されて信号処理装置２１から外部に出力される。図１では出力装置３１に出力される場合を示している。ここで出力装置３１は、ディスプレイ、プリンタ、ハードディスクドライブなどが例示される。

固定部１２は、回転体１１のトルク計測区間の一端に固定される。固定方法は特に限定されず、固定部１２を回転体１１の表面に接着剤で貼着してもよく、溶接固定してよい。また、回転体１１の表面に開けられたネジ穴に固定部に設けられたネジを挿入してネジ固定してもよい。

腕部１３は、回転体１１には接触しない状態で、固定部１２のみと接続され、固定部１２と連動して変位する。よって、固定部１２での回転体１１のねじれ量に応じた回転方向の変位を、回転体１１の回転軸方向に一定距離離れた計測位置１４に伝達することができる。

腕部１３の材質は特に限定されないが、高速かつ高温で回転する回転体１１に近接しているため、例えば繊維補強プラスチックのように軽量、堅牢、かつ熱膨張しにくいものが好ましい。重量が重い場合に、十分な強度を有さないと、回転体１１の回転による遠心力で腕部１３が破損するおそれがあるためである。また、熱膨張係数が大きいと、回転体１１からの熱により腕部１３が変形し、腕部１３と変位センサ１５の相対変量に誤差が生じるためである。

腕部１３の形状は固定部１２の変位を計測位置まで伝達できれば特に限定されない。図１のとおり直交する２つの長方形平板から構成するだけでなく、１つの長方形平板で構成して固定部１２から斜めに配置してもよい。また、平板だけでなく、棒部材であってもよい。

固定部１２と腕部１３の接続方法も特に限定されず、接着剤により貼着してもよく、ネジ固定してもよい。

変位センサ１５は、腕部１３との回転方向の相対変位量を光学的に計測する。光学式とすることで、センサを小型化できるとともに、計測値のドリフト現象もなく、長期間安定的に計測できる。

変位センサ１５としては、回転体１１の表面に取付可能な大きさであれば任意の光学式センサを用いることができるが、計測精度の面からレーザ式変位センサが好ましい。遠心力の影響を受けにくくするため、変位センサ１５は軽量、小型である方が良く、例えば回転体１１の表面に取り付ける部分の大きさは直径もしくは横幅が10mm以下であることが好ましい。また、計測精度に係わる分解能は低い方が良く、求める精度にもよるが、例えば、１μｍ以下であることが好ましい。特に、分光干渉方式を用いたレーザ変位計（例えば（株）キーエンス製Ｓ１−Ｆ０１）は、超小型（直径2mm）のヘッド部を回転体１１の表面に取り付けて、超高精度（分解能1nm)の変位計測ができるため、変位センサ１５として最も好ましい。

変位センサ１５は、トルク計測区間の他端（固定部１２から回転軸方向に一定距離離れた計測位置１４）の回転体１１の表面に固定される。この固定方法も特に限定されず、固定部１２と同様に、回転体１１の表面に接着剤で貼着しても、溶接固定しても、さらにネジ固定してもよい。また、トルク計測区間の長さ（固定部１２と変位センサ１５との離隔）は、任意の距離を設定することができるが、この距離が長すぎると腕部１３が大きくなり遠心力によりたわむ可能性があり、逆に短すぎると相対変位量が小さくなり十分な精度で計測できない可能性がある。前述の分解能（１μm以下）を有する変位センサ１５であれば、求める精度により、この距離は10〜100mmと設定するのが好ましい。

ここで、変位センサ１５は、固定部１２から回転体１１の略回転軸方向に伸ばした延長線上（図１中の一点鎖線上）に取り付けられることが好ましい。これは、変位センサ１５と固定部１２で、回転体における回転方向の位置を略同一とすることに該当する。

この理由を図２を用いて説明する。図２は、回転体の熱膨張前後における変位センサと固定部との位置関係を説明する説明図であり、図２（ａ）は、変位センサと固定部とで回転方向の位置にズレがある場合を、図２（ｂ）は、同位置が略同一である場合を表している。

前述のとおり回転体１１は回転中に高温となり熱膨張するが、図２（ａ）示すように変位センサ１５と固定部１２とで回転方向の位置にズレｇがあると、回転体の熱膨張により両者の回転方向の間隔がΔ_ｔだけ変化し、これと連動して変位センサ１５と腕部１３の離隔ｄ_０もΔ_ｔだけ変化する。その分だけ、計測される相対変位量が増加し、計測誤差の要因となる。そこで、図２（ｂ）に示すように変位センサ１５と固定部とで回転方向の位置を略同一としておけば、回転体が熱膨張しても両者は同様に変位するため、変位センサ１５と腕部１３の離隔ｄ_０’は変化せず、熱膨張の影響を受けず正確に相対変位量を計測することができる。

伝達手段１６は、変位センサ１５で計測された相対変位量に係わる光信号を回転体１１の外部に静止された信号処理装置２１まで伝達する。光信号のままで信号処理装置２１へ伝達することで、電気信号を伝達する場合に必要な信号増幅装置やバッテリが不要となり、かつノイズが発生しにくいため、長期間連続的に安定してトルクを計測することができる。

伝達手段１６は、信号ケーブル１７とロータリージョイント１８とから構成される。信号ケーブル１７には、光ファイバが用いられる。ロータリージョイント１８は回転体１１の端面に設置される。ロータリージョイント１８は、回転体１１に沿って設置された信号ケーブル１７ａと接続されて回転体１１と同様に回転する回転部１８ａと、信号処理装置２１へと向かう信号ケーブル１７ｂと接続された静止部１８ｂとで構成され、回転部１８ａと静止部１８ｂとの間でレンズ（図示せず）を介して光信号が伝達される。

以上の説明では、図１に基づき、伝達手段１６としてロータリージョイント１８を用いた構成を対象としたが、光信号を伝達する手段はこれに限らない。例えば、回転体１１の外周に、その直径より大きなスリップリング（図示せず）を設け、スリップリングの任意の位置で一方の信号ケーブル１７ａからの光信号を受信するとともに、スリップリングから他方の信号ケーブル１７ｂへと光信号を発信する光ファイバスリップリング方式を用いることができる。ロータリージョイント１８は回転体１１の端面にのみ設置できるが、スリップリングは回転体１１の任意の位置に設置でき、光ファイバスリップリング方式の方が信号ケーブル１７の配線の自由度が増すことになる。

次に信号処理装置２１について説明する。信号処理装置２１は、伝達手段１６により伝達された光信号を処理して、回転体１１のねじれ量を求め、さらにトルクを算出するものである。

回転体１１の回転方向の相対変位量に係わる光信号は、まず入力信号処理手段２２に送られる。入力信号処理手段２２では、送られた光信号から相対変位量を求める処理を行う。ここでの処理は変位センサ１５の信号処理方式に従って行われる。例えば、前述の分光干渉方式では、広波長帯域の光が光源から発信され、変位センサ内で反射した光と腕部１３で反射した光との干渉光が入力信号処理手段２２に送られる。入力信号処理手段２２では、各波長の光強度分布を求めるための波形解析を行い、光強度が卓越する波長と変位量との関係から、相対変位量を求める処理を行う。

回転体１１が回転している間に計測された相対変位量のデータは、データ記憶部２３に記憶される。

次に、ねじれ量算出手段２４で回転体１１のねじれ量を算出する方法について説明する。ねじれ量としては、（１）式で示される固定部１２と計測位置１４での相対ねじれ角θ（rad）を用いる。ここで、ｄは固定部１２と腕部１３の相対変位量、ｒは回転体１１の断面半径である。

（数１）
θ＝ｄ／ｒ …（１）
次に、トルク算出手段２５で回転体１１のトルクを算出する方法について説明する。トルクＴは、相対ねじれ角θを用いて（２）式で算出される。ここで、Ｋは回転体１１のねじればね定数、ｘは固定部１２と計測位置１４の距離である。

（数２）
Ｔ＝Ｋ・ｘ・θ …（２）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート図である。まず、回転体１１の回転中のねじれ量に応じた相対変位量を計測し、記憶する（Ｓ１）。次に、相対変位量に基づいて回転体１１のねじれ量を算出し（Ｓ２）、算出された回転体１１のねじれ量に基づいてトルクを算出する（Ｓ３）。そして、回転体１１の回転が継続している間はＳ１〜Ｓ３を繰り返し、回転体１１の回転が停止した場合は計測を終了する（Ｓ４）。

第１の実施形態によれば、回転体１１のねじれ量に応じた回転方向の相対変位量を変位センサ１５で計測することで、回転体１１のねじれ量を直接求めることができるため、簡易な信号処理で、トルクを計測することができる。また、小型の変位センサ１５が回転体の表面に取り付けられ、トルク計測区間を短く設定できるため、振れ回りなど回転体の位置変動の影響を受けずに正確にトルクを計測することができる。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態では、回転体１１として発電プラントのタービンの動力伝達軸を対象とする。ここで、発電プラントとは、火力発電プラント、原子力発電プラントを含み、タービンとは、蒸気タービン、ガスタービンその他前述の発電プラントで用いられるタービンを含むものである。

図４は、本発明の第２の実施形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。この第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対し、発電プラントの解列信号があったときに変位センサ１５で計測された相対変位量をオフセット値として記憶するオフセット値記憶部２７を追加して設けたものである。

ここで、解列信号とは、動力伝達軸の運転停止信号であり、ガスタービンや蒸気タービン等により駆動される発電機の遮断器解放信号である。解列信号の直前まではタービンは通常運転状態となっており、解列信号時には動力伝達軸は無負荷状態になる一方で、動力伝達軸の温度条件は通常運転状態からほとんど変化しない。

解列信号時に相対変位量のオフセット値を計測するのは、前述のとおり解列信号時は動力伝達軸の温度条件が通常運転状態に最も近く、熱膨張の影響を反映した相対変位量のオフセット値が得られるためである。仮に、変位センサ１５と固定部１２との回転方向の位置がずれている場合（図２（ａ）参照）でも、このオフセット値を用いることで、変位センサ１５と腕部１３の離隔ｄ_０の温度変化分Δ_ｔの影響を除去することができる。また、変位センサ１５と固定部１２との回転方向の位置が略同一の場合（図２（ｂ）参照）でも、腕部１３や変位センサ１５自体の熱膨張により変位センサ１５と腕部１３の離隔ｄ_０’が変化する可能性があるが、同じくオフセット値を用いることで、この熱膨張による変化分の影響を除去することができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート図である。まず、相対変位量のオフセット値が記憶されているか確認し（Ｓ１１）、記憶されていない場合には、発電プラントの解列信号があったときに相対変位量のオフセット値を計測し、記憶する（Ｓ１２）。オフセット値の記憶が完了したら、本発明の第１の実施形態と同様に、回転体１１（動力伝達軸）の回転中のねじれ量に応じた相対変位量を計測し、記憶する（Ｓ１）。次に、相対変位量にオフセット値を加味した変位量に基づいて回転体１１（動力伝達軸）のねじれ量を算出し（Ｓ２）、算出された回転体１１（動力伝達軸）のねじれ量に基づいてトルクを算出する（Ｓ３）。そして、回転体１１（動力伝達軸）の回転が継続している間はＳ１〜Ｓ３を繰り返し、回転体１１（動力伝達軸）の回転が停止した場合は計測を終了する（Ｓ４）。

１１回転体
１２固定部
１３腕部
１４計測位置
１５変位センサ
１６伝達手段
１７信号ケーブル
１８ロータリージョイント
２１信号処理装置
２２入力信号処理手段
２３データ記憶部
２４ねじれ量算出手段
２５トルク算出手段
２６出力処理手段
２７オフセット値記憶部
３１出力装置

Claims

回転体の表面に固定された固定部と、
前記固定部での前記回転体のねじれ量に応じた回転方向の変位を前記回転体の回転軸方向に一定距離離れた計測位置に伝達する腕部と、
前記計測位置の回転体の表面に取り付けられ、前記腕部との回転方向の相対変位量を光学的に計測する変位センサと、
計測された相対変位量から前記回転体のねじれ量を求め、該ねじれ量からトルクを算出する信号処理装置と、
前記変位センサで計測された相対変位量に係わる光信号を、前記信号処理装置まで伝達する伝達手段とを備えたことを特徴とするトルク計測装置。
前記変位センサは、前記固定部から前記回転体の略回転軸方向に伸ばした延長線上に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のトルク計測装置。
前記回転体は、発電プラントのタービンの動力伝達軸であることを特徴とする請求項１または２に記載のトルク計測装置。
前記信号処理装置は、発電プラントの解列信号があったときに前記変位センサで計測された相対変位量をオフセット値として記憶することを特徴とする請求項３に記載のトルク計測装置。