JP2012087655A - ターボ回転機械のロータ挙動計測装置及びロータ挙動計測方法、並びにターボ回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】車室内における実際のロータ挙動を把握することができるターボ回転機械のロータ挙動計測装置及びロータ挙動計測方法、並びにターボ回転機械を提供する。
【解決手段】ロータ挙動計測装置１は、車室４内のロータ２の外周面に設けられた突起１０と、車室４を貫通して取り付けられ、車室４内に挿入される先端側にアブレイダブル材２２を有する計測棒２０とを備える。計測棒２０のアブレイダブル材２２は、少なくともロータ挙動の計測時にロータ２の突起１０に接触するように構成されている。突起１０によってアブレイダブル材２２に形成された傷に基づいて、ターボ回転機械の車室４内におけるロータ２の挙動が計測される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサ等のターボ回転機械のロータ挙動計測装置及びロータ挙動計測方法、並びにターボ回転機械に関する。ここで、ロータ挙動計測装置とは、ターボ回転機械の車室内におけるロータの挙動を計測する装置をいう。

蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサ等のターボ回転機械では、運転効率の向上の観点から、車室内における回転部材（ロータや動翼）と静止部材（車室や静翼）との間隙を小さくすることが望まれる。

ところが、運転中のターボ回転機械は、ロータはスラスト軸受を起点として熱膨張する一方で、車室は基礎への固定点（アンカー）を起点として熱膨張することから、ロータと車室との熱伸び差が生じるし、ロータと車室とを構成する材料が異なれば、両者間の熱膨張率差に起因する熱伸び差も生じる。このため、車室内における回転部材と静止部材とのロータ軸方向における間隙は、車室とロータとの熱伸び差の影響を受けることになる。
さらに、運転中のターボ回転機械は、ロータの芯ぶれ（偏心）が生じることがあり、車室内における回転部材と静止部材との径方向における間隙は、ロータの偏心（芯ぶれ）の影響を受ける。

そこで、従来から、車室内における回転部材と静止部材との間隙を管理するために、車室とロータとの伸び差量や、ロータの芯ぶれ量（偏心量）を計測することが行われていた。
例えば、特許文献１には、蒸気タービンのロータと車室との伸び差量およびロータの偏心量を車室外（軸受の周辺）で計測する手法が記載されている。具体的には、高中圧タービンについては、車室外の軸受周辺に設けられた伸び差計及び偏心計によって伸び差量及び偏心量を常時監視する一方で、低圧タービンについては、車室外の軸受周辺に設けられた伸び差計によって伸び差量を計測するとともに、この伸び差計の検出信号から偏心量を算出するようになっている。

実開平７−８５０６号公報

しかしながら、特許文献１記載の手法では、伸び差計及び偏心計は車室外に設けられているので、車室内における実際の伸び差量及び芯ぶれ量を知ることはできない。よって、車室内のロータの挙動を知りたいときは、車室外で計測された伸び差量及び芯ぶれ量に基づいて、有限要素法（ＦＥＭ）による計算等で推定するしかなく、車室内のロータの挙動を正確に把握することは困難だった。

したがって、車室内における回転部材と静止部材との間隙について、かなり余裕度を持たせて設計せざるを得ず、結果的にターボ回転機械の運転効率の向上の障壁となっていた。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、車室内における実際のロータ挙動を把握することができるターボ回転機械のロータ挙動計測装置及びロータ挙動計測方法、並びにターボ回転機械を提供することを目的とする。

本発明に係るターボ回転機械のロータ挙動計測装置は、ターボ回転機械の車室内におけるロータの挙動を計測するためのロータ挙動計測装置であって、前記車室内の前記ロータの外周面に設けられた突起と、前記車室を貫通して取り付けられ、前記車室内に挿入される先端側にアブレイダブル材を有する計測棒とを備え、少なくともロータ挙動の計測時に、前記計測棒のアブレイダブル材が前記ロータの突起に接触するように構成されたことを特徴とする。

このロータ挙動計測装置によれば、ターボ回転機械の車室内に計測棒を挿入して、ロータに設けられた突起にアブレイダブル材を接触させてアブレイダブル材に形成した傷から、車室内における実際のロータ挙動を直接的に把握することができる。

なお、本明細書において、「車室内におけるロータの挙動」とは、任意の方向における車室内のロータの変位を意味し、例えば、車室に対するロータのロータ軸方向への相対的な伸び量（車室とロータとのロータ軸方向伸び差）や、車室に対するロータのロータ半径方向への相対的な伸び量（車室とロータとのロータ半径方向伸び差）や、ロータの芯ぶれ量を意味する。
また、本明細書において、「アブレイダブル材」とは、前記ロータの突起に接触させたときに容易に傷が付く快削性を備えた材料であり、例えば金属材、樹脂材、金属と樹脂との混合材などで構成することができる。

上記ロータ挙動計測装置は、前記車室に固定され、前記計測棒が挿通されるスリーブと、前記計測棒と前記スリーブとの間を密封する第１シール部材と、前記スリーブと前記車室との間を密封する第２シール部材とをさらに備えることが好ましい。

このように、第１シール部材及び第２シール部材を用いて、計測棒とスリーブとの間およびスリーブと車室との間を密封することで、ターボ回転機械の車室内の流体が外部に漏洩したり、外部から車室内に大気が流入してしまうことを防止できる。

上記ロータ挙動計測装置は、前記車室に先端側が挿入された前記計測棒をその軸方向に進退させて、前記計測棒のアブレイダブル材と前記ロータの突起との距離を調節する移動手段と、前記移動手段による前記計測棒の移動量を測定する移動量測定手段とをさらに備えることが好ましい。

このように、計測棒をその軸方向に進退させる移動手段と、この移動手段による計測棒の移動量を測定する移動量測定手段とを設けることで、計測棒の移動量を正確に把握することができる。この計測棒の移動量から、車室に対するロータのロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）がないと仮定した場合におけるアブレイダブル材の傷の深さの予想値が得られる。一方、車室に対するロータのロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）が存在する場合、アブレイダブル材に実際に形成される傷の深さは上記予想値とずれる。そこで、アブレイダブル材に実際に形成される傷の深さと上記予想値との差から、車室に対するロータのロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）を求めることができる。

上記ロータ挙動計測装置において、前記突起及びこれに対応する前記計測棒が、前記ロータの軸方向に沿って複数セット設けられていることが好ましい。

ロータはスラスト軸受を起点として熱膨張する一方で、車室は基礎への固定点（アンカー）を起点として熱膨張するため、ロータと車室との熱伸び差に起因するロータの挙動はロータ軸方向位置によって異なる。そこで、突起及びこれに対応する計測棒を、ロータの軸方向に沿って複数セット設けることで、車室内のそれぞれの箇所におけるロータの挙動を計測することが可能となる。

上記ロータ挙動計測装置は、複数の前記計測棒が前記ロータの周方向に沿って設けられていることが好ましい。

このように、複数の計測棒をロータの周方向に沿って設けることで、例えば、ターボ回転機械の運転開始から定格運転状態までの期間中に複数の計測棒のアブレイダブル材に順に傷を付け、これらの傷のロータ軸方向位置や深さを比較することにより、上記期間中におけるロータ挙動の経時変化を求めることができる。また、常温条件下で一つ目の計測棒のアブレイダブル材に傷を付け、ターボ回転機械の定格運転状態で二つ目の計測棒のアブレイダブル材に傷を付け、これら２つの傷のロータ軸方向位置を比較すれば、車室に対するロータの伸び差量だけでなく、伸び差方向も計測することができる。

上記ロータ挙動測定装置において、前記突起は、ロータ軸方向に略直交する方向に沿って前記ロータの外周面上に設けられ、環状に連続するフィンであってもよい。

このようにロータ軸方向に直交する方向に沿って連続するフィン状の突起を用いれば、突起とアブレイダブル材との位置合わせは、両者のロータ軸方向位置のみを一致させれば足りるから、計測作業を簡素化できる。

上記ロータ挙動測定装置において、前記計測棒は、前記アブレイダブル材が設けられた先端側が交換可能に構成されていることが好ましい。

計測棒の先端側の交換により、計測棒の交換範囲を最小限にして、ランニングコストを低減することができる。

本発明に係るターボ回転機械は、車室と、前記車室内に収納されるロータと、上述のロータ挙動計測装置とを備えることを特徴とする。

このターボ回転機械では、上述のロータ挙動計測装置を設けたので、車室内に計測棒を挿入して、ロータに設けられた突起にアブレイダブル材を接触させてアブレイダブル材に形成した傷から、車室内における実際のロータ挙動を直接的に把握することができる。

本発明に係るロータ挙動計測方法は、ターボ回転機械の車室内におけるロータの挙動を計測するロータ挙動計測方法であって、先端側にアブレイダブル材を有する計測棒を車室内に挿入し、前記ターボ回転機械の運転中に、ロータに形成された突起に前記アブレイダブル材を接触させて、該アブレイダブル材に前記突起による計測用傷を付ける計測用傷形成ステップと、前記計測用傷のロータ軸方向位置および深さの少なくとも一方に基づいて、車室内におけるロータの挙動を計測する挙動計測ステップとを備えることを特徴とする。

このロータ挙動計測方法によれば、ターボ回転機械の車室内に計測棒を挿入し、計測棒の先端側に設けられたアブレイダブル材をロータに設けられた突起に接触させて形成した計測用傷を利用してロータ挙動を計測するので、車室内における実際のロータ挙動を直接的に把握することができる。

上記ロータ挙動計測方法は、常温条件下において、前記ロータの前記突起に前記アブレイダブル材を接触させて、該アブレイダブル材に前記突起による基準傷を付ける基準傷形成ステップをさらに備え、前記挙動計測ステップでは、前記計測用傷と前記基準傷とのロータ軸方向位置の差から、前記車室内におけるロータの車室に対する伸び差を求めることが好ましい。

このように、常温条件下においてアブレイダブル材に基準傷を形成しておき、アブレイダブル材の計測用傷と基準傷とのロータ軸方向位置を比較することで、車室内におけるロータの車室に対する伸び差を正確に求めることができる。

また、上記ロータ挙動計測方法において、前記挙動計測ステップでは、前記計測用傷の深さから、前記車室内におけるロータの芯振れ量を求めてもよい。

上記ロータ挙動計測方法において、複数の前記計測棒を前記ロータの周方向に沿って設け、前記計測用傷形成ステップでは、前記ターボ回転機械の運転開始から定格運転状態に達するまでの期間において、前記ロータの突起に向けて前記複数の計測棒を順に移動させて、該複数の計測棒のアブレイダブル材にタイミングをずらして前記計測用傷を形成し、前記挙動計測ステップでは、前記複数の計測棒のアブレイダブル材にタイミングをずらして形成された前記計測用傷のロータ軸方向位置の差から、前記期間におけるロータ挙動の経時変化を求めてもよい。

このように、ロータ周方向に設けられた複数の計測棒を用いて、運転開始から定格運転状態に達するまでの期間中に複数の計測棒のアブレイダブル材に順に計測用傷を付け、これらの計測用傷のロータ軸方向位置や深さを比較することで、上記期間中におけるロータ挙動の経時変化を計測することができる。

上記ロータ挙動計測方法において、前記ターボ回転機械は蒸気タービンであり、前記挙動計測ステップの前に、前記車室内の真空状態を破壊し、前記計測棒を前記車室から引き抜く計測棒引抜ステップをさらに備えていてもよい。

また上記ロータ挙動計測方法において、前記計測用傷形成ステップでは、前記ターボ回転機械が回転数３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍの定格運転中において、前記アブレイダブル材に前記計測用傷を付け、前記基準傷形成ステップでは、前記ターボ回転機械が回転数１〜５ｒｐｍの常温状態において、前記アブレイダブル材に前記基準傷を付けてもよい。

本発明によれば、ターボ回転機械の車室内に計測棒を挿入して、ロータに設けられた突起にアブレイダブル材を接触させてアブレイダブル材に形成した傷から、車室内における実際のロータ挙動を直接的に把握することができる。

ロータ挙動計測装置の構成例を示す図であり、（ａ）はロータ挙動計測装置の全体構成を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）においてＡで示した部分の拡大図である。 ロータ挙動計測装置に用いられる計測棒の先端側の構成例を示す断面図である。 第１実施形態に係るロータ挙動の計測方法の手順を示す図である。 第２実施形態に係るロータ挙動の計測方法の手順を示す図である。 変形例に係るロータ挙動の計測方法の手順を示す図である。 変形例に係るロータ挙動の計測方法の手順を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

以下、本発明に係るロータ挙動計測装置の構成例について説明した後、このロータ挙動計測装置を用いたロータ挙動計測方法について詳述する。

図１（ａ）はロータ挙動計測装置の構成例を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）においてＡで示した部分の拡大図である。また図２は、ロータ挙動計測装置に用いられる計測棒の先端側の構成例を示す断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ロータ挙動計測装置１は、主として、ターボ回転機械のロータ２の外周面に形成された突起１０と、ターボ回転機械の車室４に着脱自在に取り付けられ、先端側にアブレイダブル材２２を有する計測棒２０とで構成される。

突起１０は、計測棒２０のアブレイダブル材２２に傷を付けることが可能である限り、どのような形状であってもよいが、ロータ軸方向に略直交する方向に沿って環状に連続してロータ２の外周面上に形成されたフィンを突起１０として用いることが好ましい。このようにロータ軸方向に略直交する方向に沿って連続するフィン状の突起１０を用いれば、突起１０とアブレイダブル材２２との位置合わせは、両者のロータ軸方向位置のみを一致させれば足りる。

計測棒２０は、先端側にアブレイダブル材２２を有する棒状体であり、車室４への取り付け状態において、アブレイダブル材２２がロータ２の突起１０に対向するように、先端側が車室４内に挿入されている。なお、図１（ａ）には、車室４に嵌め込まれたダミーリング６に複数のダミーシール８が設けられ、計測棒２０は車室４及びダミーリング６を貫通しており、計測棒２０のアブレイダブル材２２は隣接するダミーシール８の間に位置している例を示したが、計測棒２０の取り付け態様はこの例に限定されず、車室４内における任意の箇所に計測棒２０を取り付けることができる。

また、計測棒の交換範囲を最小限にしてランニングコストを低減する観点から、計測棒２０は、アブレイダブル材２２が設けられた先端側を交換可能に構成することが好ましい。例えば、図２に示すように、アブレイダブル材２２を有する先端部２０Ａを本体部２０Ｂに螺着して計測棒２０を構成しておけば、使用済みの先端部２０Ａを新しいものに交換することで、ロータ挙動の計測を繰り返し行うことができる。

図１（ａ）に示すように、車室４への取り付け状態における計測棒２０は、環状に張り出したフランジ部３２を一端に有するスリーブ３０に挿通されている。そして、スリーブ３０のフランジ部３２が車室４の外周面から突出して形成されたボス部４Ａに締結部材３４で締結されることによって、スリーブ３０が車室４に固定されている。すなわち、計測棒２０は、締結部材３４によって車室４に固定されたスリーブ３０に挿通されている。

また、計測棒２０とスリーブ３０との間には第１シール部材３６Ａが設けられ、スリーブ３０と車室４（図１（ａ）に示す例では、車室４に嵌め込まれたダミーリング６）との間には第２シール部材３６Ｂが設けられている。このように第１シール部材３６Ａ及び第２シール部材３６Ｂを設けて、計測棒２０とスリーブ３０との間およびスリーブ３０と車室４（具体的にはダミーリング６）との間を密封することで、ターボ回転機械の車室４内の流体が外部に漏洩したり、外部から車室４内に大気が流入してしまうことを防止できる。

ロータ挙動計測装置１は、計測棒２０をその軸方向に進退させる移動手段４０を備えることが好ましい。図１（ａ）に示す例では、移動手段４０は、計測棒２０のアブレイダブル材２２とは反対側の端部に設けた雄ねじ部４２と、雄ねじ部４２に螺合する雌ねじが設けられた送り部材４４と、送り部材４４を回転させるハンドル４６とで構成されている。この移動手段４０を用いて、ハンドル４６で送り部材４４を回転させると、送り部材４４の回転に伴って計測棒２０がその軸方向に沿って進退するようになっている。
なお、移動手段４０は、図１（ａ）に示す例に限られず、油圧シリンダ等の任意のアクチュエータで構成してもよい。

また、移動手段４０による計測棒２０の移動量を測定する移動量測定手段５０を設けることが好ましい。移動量測定手段５０は、計測棒軸方向に沿った計測棒２０の移動量を測定可能であれば特に限定されず、例えば図１（ａ）に示すように、計測棒２０の端面（雄ねじ部４２の端面）に測定子５２が当接するように取り付けられたダイヤルゲージ５４を用いることができる。

このように、スリーブ３０を挿通する計測棒２０をその軸方向に進退させる移動手段４０と、この移動手段４０による計測棒２０の移動量を測定する移動量測定手段５０とを設けることで、計測棒２０の移動量を正確に把握することができる。この計測棒２０の移動量から、車室４に対するロータ２のロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）がないと仮定した場合におけるアブレイダブル材２２の傷の深さの予想値が得られる。一方、車室４に対するロータ２のロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）が存在する場合、アブレイダブル材２２に実際に形成される傷の深さは上記予想値とずれる。そこで、アブレイダブル材２２に実際に形成される傷の深さと上記予想値との差から、車室４に対するロータ２のロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）を求めることができる。

以上説明したように、ロータ挙動計測装置１は、車室４内のロータ２の外周面に設けられた突起１０と、車室４を貫通して着脱自在に取り付けられ、車室４内に挿入される先端側にアブレイダブル材２２を有する計測棒２０とを備え、少なくともロータ挙動計測時に、計測棒２０のアブレイダブル材２２がロータ２の突起１０に接触するように構成されている。
これにより、ターボ回転機械の車室４内に計測棒２０を挿入して、ロータ２に設けられた突起１０にアブレイダブル材２２を接触させてアブレイダブル材２２に形成した傷から、車室４内における実際のロータ挙動を直接的に把握することができる。

［第１実施形態］
次に、上記構成のロータ挙動計測装置１を用いて車室４内におけるロータ２の挙動を計測する方法の一例について説明する。図３は、本実施形態に係るロータ挙動の計測方法の手順を示す図である。

まず、図３（ａ）に示すように、計測棒２０を車室４内に挿入し、常温条件下において、移動手段４０によって計測棒２０をその軸方向に移動させ、ロータ２の突起１０にアブレイダブル材２２を接触させて、アブレイダブル材２２に突起１０による基準傷２４を付ける。そして、基準傷２４の形成後に、移動手段４０によって計測棒２０を移動させて、突起１０との接触位置から計測棒２０を一旦退避させておく。

なお、ターボ回転機械のロータを例えば回転数１〜５ｒｐｍで回転させながら、アブレイダブル材２２に基準傷２４を付けるようにすれば、突起１０が連続したフィン状でない場合であっても、突起１０とアブレイダブル材２２との位置合わせは、両者のロータ軸方向位置のみを一致させれば足りる。

続いて、図３（ｂ）に示すように、ターボ回転機械の定格運転中（回転数３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍ且つ定常状態）に、移動手段４０によって計測棒２０をその軸方向に移動させ、ロータ２の突起１０にアブレイダブル材２２を接触させて、アブレイダブル材２２に突起１０による計測用傷２６を付ける。そして、計測用傷２６の形成後に、移動手段４０によって計測棒２０を移動させて、突起１０との接触位置から計測棒２０を退避させる。

最後に、図３（ｃ）に示すように、ターボ回転機械を停止して計測棒２０を車室４から抜き取り、アブレイダブル材２２に形成された基準傷２４と計測用傷２６とのロータ軸方向における距離ｄを測定する。なお、ターボ回転機械が蒸気タービンである場合、ターボ回転機械（蒸気タービン）の停止によって車室４内は真空になるので、計測棒２０の抜き取り前に、車室４内の真空状態を破壊する必要がある。

このようにして得られた距離ｄは、ターボ回転機械の定格運転状態におけるロータ２と車室４とのロータ軸方向における熱伸び差量を示している。また、ロータ２と車室４との伸び差方向（ロータ２の車室４に対する相対的な熱膨張方向）は、車室４の外部に設けた従来の伸び差計の測定結果から予測可能である。したがって、上記手順により、車室４内におけるロータ２の実際の挙動（ロータ軸方向における車室４に対するロータ２の相対的な変位）を直接的に把握することができる。

なお、図３には、アブレイダブル材２２に基準傷２４及び計測用傷２６を形成し、これら基準傷２４と計測用傷２６とのロータ軸方向における距離ｄから、車室４内におけるロータ２の挙動を把握する例を示したが、常温状態において、アブレイダブル材２２の突起１０に対するロータ軸方向の相対位置が既知であれば、基準傷２４の形成工程（図３（ａ）参照）を省略し、計測用傷２６のみに基づいて車室４内におけるロータ２の挙動を把握することも可能である。

また、ロータ２はスラスト軸受を起点として熱膨張する一方で、車室４は基礎への固定点（アンカー）を起点として熱膨張するため、ロータ２と車室４とのロータ軸方向における熱伸び差に起因するロータ２の挙動はロータ軸方向位置によって異なる。そこで、突起１０及びこれに対応する計測棒２０をロータ軸方向に沿って複数セット設けて、車室４内のそれぞれの箇所におけるロータ２の挙動を計測してもよい。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態のロータ挙動計測方法について説明する。本実施形態では、以下で説明するように、ロータ周方向に沿って設けた複数の計測棒２０を用いて、ターボ回転機械の運転開始から定格運転状態に達するまでの期間におけるロータ挙動の経時変化を計測する。

図４は、本実施形態に係るロータ挙動の計測方法の手順を示す図である。図４（ａ）に示すように、複数の計測棒２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）がロータ２の周方向に沿って略同一周線上に（略同一軸方向位置に）設けられている。なお、図４では、ロータ２の周方向に連続したフィン状の突起１０を示しているが、上述のとおり、突起１０の形状は連続したフィン状のものに限定されない。

ロータ挙動の計測を開始するに当たって、まずは、図４（ｂ）に示すように、常温条件下において、一つ目の計測棒２０Ａをその軸方向に移動手段４０によって移動させ、ロータ２の突起１０にアブレイダブル材２２Ａを接触させて、アブレイダブル材２２Ａに突起１０による計測用傷２６Ａ（図４（ｅ）参照）を付ける。

この後、図４（ｃ）に示すように、移動手段４０によって計測棒２０Ａを移動させて、突起１０との接触位置から計測棒２０Ａを退避させる。さらに、ターボ回転機械の危険速度域通過時に、二つ目の計測棒２０Ｂをその軸方向に移動手段４０によって移動させ、ロータ２の突起１０にアブレイダブル材２２Ｂを接触させて、アブレイダブル材２２Ｂに突起１０による計測用傷２６Ｂ（図４（ｅ）参照）を付ける。

続いて、図４（ｄ）に示すように、移動手段４０によって計測棒２０Ｂを移動させて、突起１０との接触位置から計測棒２０Ｂを退避させる。さらに、ターボ回転機械の定格運転状態（回転数３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍ且つ定常状態）において、三つ目の計測棒２０Ｃをその軸方向に移動手段４０によって移動させ、ロータ２の突起１０にアブレイダブル材２２Ｃを接触させて、アブレイダブル材２２Ｃに突起１０による計測用傷２６Ｃ（図４（ｅ）参照）を付ける。

最後に、図４（ｅ）に示すように、ターボ回転機械を停止して各計測棒２０を車室４から抜き取り、アブレイダブル材２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）にそれぞれ形成された計測用傷２６（２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ）を比較して、運転開始から危険速度域を経て定格運転状態に達するまでの期間におけるロータ挙動の経時変化を求める。

例えば、計測用傷２６（２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ）のロータ軸方向位置を比較すれば、運転開始から定格運転状態に達するまでの期間中における、車室４に対するロータ２のロータ軸方向への熱伸び差量および熱伸び差方向の経時変化が得られる。

また、移動量測定手段５０によって、計測用傷形成時における各計測棒２０の移動量を測定し、車室４に対するロータ２のロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）がないと仮定した場合におけるアブレイダブル材２２の傷の深さの予想値を求めておけば、この予想値と各々の計測用傷２６（２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ）の実際の深さとの差から、車室４に対するロータ２のロータ半径方向における相対的な変位量（熱伸び差や芯ぶれ量）を求めることができる。特に、ターボ回転機械の危険速度域では、ロータ２に振動（芯ぶれ）が発生しやすいから、常温状態から危険速度域を通過して定格運転状態に至るまでのロータ２のロータ半径方向における相対変位量の経時変化が得られれば、ロータ２の振動対策を検討する上で貴重な情報となる。

以上説明したように、第１実施形態及び第２実施形態は、いずれも、先端側にアブレイダブル材２２を有する計測棒２０を車室４内に挿入し、ターボ回転機械の運転中に、ロータ２に形成された突起１０にアブレイダブル材２２を接触させて、アブレイダブル材２２に突起１０による計測用傷２６を付け、この計測用傷２６のロータ軸方向位置および深さの少なくとも一方に基づいて、車室４内におけるロータ２の挙動を計測するものである。
第１実施形態及び第２実施形態によれば、ターボ回転機械の車室４内に計測棒２０を挿入し、計測棒２０の先端側に設けられたアブレイダブル材２２をロータ２に設けられた突起１０に接触させて形成した計測用傷２６を利用してロータ挙動を計測するので、車室４内における実際のロータ挙動を直接的に把握することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、ロータ２と車室４との伸び差方向（ロータ２の車室４に対する相対的な熱膨張方向）について、第１実施形態では車室４の外部に設けた伸び差計の測定結果から上記伸び差方向を予測する手法を説明し、第２実施形態ではロータ周方向に設けた複数の計測棒２０のアブレイダブル材２２に順に形成した計測用傷２６（２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ）のロータ軸方向位置を比較することで上記伸び差方向を求める手法を説明した。
しかし、これらの手法以外にも、突起１０の形状の工夫により、ロータ２と車室４との伸び差方向を求めることも可能である。

図５は、突起１０の形状の工夫によりロータ２と車室４との伸び差方向を求めるロータ挙動計測方法の手順を示す図である。同図に示す計測手順は、突起１０の形状と基準傷２４及び計測用傷２６の形状を除けば、第１実施形態において図３を用いて説明した計測手順と共通するから、ここでは図３に示した計測手順との相違点を中心に説明する。

図５（ａ）に示すように、ロータ２に設けられた突起１０は、ロータ２の外周面からの突起長さが互いに異なる一対の突起１０Ａ及び１０Ｂからなる。基準傷２４の形成工程では、突起長さの大きい突起１０Ａにのみアブレイダブル材２２が接触するように、突起１０に向かう計測棒２０の移動量を少なくする。一方、計測用傷２６の形成工程では、図５（ｂ）に示すように、突起１０Ａ及び１０Ｂの両方にアブレイダブル材２２が接触するように、突起１０に向かう計測棒２０の移動量を多くする。最終的には、図５（ｃ）に示すように、突起１０Ａのみに対応する一つの基準傷２４と、突起１０Ａ及び１０Ｂの両方に対応する一対の計測用傷２６がアブレイダブル材２２に形成されるので、基準傷２４と計測用傷２６とを明確に区別することができる。
これにより、車室４の外部に伸び差計を設けていない場合であっても、単一の計測棒２０を用いてロータ２と車室４との伸び差方向を求めることも可能である。

なお、計測用傷２６の形成工程では、ターボ回転機械が運転中であるためロータ２のロータ半径方向における変位（ロータ半径方向への熱伸びや芯ぶれ）が起こりうるが、ロータ２のロータ半径方向における変位がないと仮定して計測棒２０の移動量を調節しておけば、ロータ２のロータ半径方向における変位が起こっても突起１０Ａ及び１０Ｂの両方をアブレイダブル材２２に確実に接触させることができる。
また、基準傷２４に比べて計測傷２６を深く形成するように計測棒２０の移動量を調節すれば、仮に計測用傷２６の形成工程でロータ２のロータ半径方向における変位が起こったとしても、計測傷２６は予想を超えて深く形成されるだけであって、基準傷２４と計測傷２６との傷の深さの大小関係が逆転することはない。よって、基準傷２４に比べて計測傷２６を確実に深く形成できるので、両者の区別を誤ることを防止できる。

また、以下のように、ロータ２に一つの突起１０しか設けられていない場合であっても、以下のようにして、突起１０に向かう計測棒２０の移動量（押し込み量）の調節により、ロータ２と車室４との伸び差方向を求めることも可能である。

図６は、突起１０に向かう計測棒２０の移動量の調節によりロータ２と車室４との伸び差方向を求めるロータ挙動計測方法の手順を示す図である。同図に示す計測手順は、突起１０に向かう計測棒２０の移動量（押し込み量）を除けば、第１実施形態において図３を用いて説明した計測手順と共通するから、ここでは図３に示した計測手順との相違点を中心に説明する。

図６（ａ）に示す基準傷２４の計測工程に比べて、図６（ｂ）に示す計測傷２６の計測工程における計測棒２０の押し込み量を大きくする。最終的には、図６（ｃ）に示すように、浅い基準傷２４と、深い計測傷２６とがアブレイダブル材２２に形成されるので、基準傷２４と計測用傷２６とを明確に区別することができる。
これにより、車室４の外部に伸び差計を設けていない場合であっても、単一の計測棒２０を用いてロータ２と車室４との伸び差方向を求めることも可能である。

なお、計測用傷２６の形成工程では、ターボ回転機械が運転中であるためロータ２のロータ半径方向における変位（ロータ半径方向への熱伸びや芯ぶれ）が起こりうるが、ロータ２のロータ半径方向における変位がないと仮定して計測棒２０の移動量を調節しておけば、ロータ２のロータ半径方向における変位が起こっても突起１０Ａ及び１０Ｂの両方をアブレイダブル材２２に確実に接触させることができる。
また、基準傷２４に比べて計測傷２６を深く形成するように計測棒２０の移動量を調節すれば、仮に計測用傷２６の形成工程でロータ２のロータ半径方向における変位が起こったとしても、計測傷２６は予想を超えて深く形成されるだけであって、基準傷２４と計測傷２６との傷の深さの大小関係が逆転することはない。よって、基準傷２４に比べて計測傷２６を確実に深く形成できるので、両者の区別を誤ることを防止できる。

１ ロータ挙動計測装置
２ ロータ
４ 車室
６ ダミーリング
８ ダミーシール
１０ 突起
１０Ａ 突起
１０Ｂ 突起
２０ 計測棒
２０Ａ 先端部
２０Ｂ 本体部
２２ アブレイダブル材
２４ 基準傷
２６ 計測用傷
３０ スリーブ
３２ フランジ部
３４ 締結部材
３６Ａ 第１シール部材
３６Ｂ 第２シール部材
４０ 移動手段
４２ 雄ねじ部
４４ 送り部材
４６ ハンドル
５０ 移動量測定手段
５２ 測定子
５４ ダイヤルゲージ

Claims (14)

1. ターボ回転機械の車室内におけるロータの挙動を計測するためのロータ挙動計測装置であって、
   前記車室内の前記ロータの外周面に設けられた突起と、
   前記車室を貫通して取り付けられ、前記車室内に挿入される先端側にアブレイダブル材を有する計測棒とを備え、
   少なくともロータ挙動の計測時に、前記計測棒のアブレイダブル材が前記ロータの突起に接触するように構成されたことを特徴とするロータ挙動計測装置。
2. 前記車室に固定され、前記計測棒が挿通されるスリーブと、
   前記計測棒と前記スリーブとの間を密封する第１シール部材と、
   前記スリーブと前記車室との間を密封する第２シール部材とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のロータ挙動計測装置。
3. 前記車室に先端側が挿入された前記計測棒をその軸方向に進退させて、前記計測棒のアブレイダブル材と前記ロータの突起との距離を調節する移動手段と、
   前記移動手段による前記計測棒の移動量を測定する移動量測定手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ挙動計測装置。
4. 前記突起及びこれに対応する前記計測棒が、前記ロータの軸方向に沿って複数セット設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロータ挙動計測装置。
5. 複数の前記計測棒が前記ロータの周方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロータ挙動計測装置。
6. 前記突起は、ロータ軸方向に略直交する方向に沿って前記ロータの外周面上に設けられ、環状に連続するフィンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロータ挙動計測装置。
7. 前記計測棒は、前記アブレイダブル材が設けられた先端側が交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のロータ挙動計測装置。
8. 車室と、前記車室内に収納されるロータと、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロータ挙動計測装置とを備えることを特徴とするターボ回転機械。
9. ターボ回転機械の車室内におけるロータの挙動を計測するロータ挙動計測方法であって、
   先端側にアブレイダブル材を有する計測棒を車室内に挿入し、前記ターボ回転機械の運転中に、ロータに形成された突起に前記アブレイダブル材を接触させて、該アブレイダブル材に前記突起による計測用傷を付ける計測用傷形成ステップと、
   前記計測用傷のロータ軸方向位置および深さの少なくとも一方に基づいて、車室内におけるロータの挙動を計測する挙動計測ステップとを備えることを特徴とするロータ挙動計測方法。
10. 常温条件下において、前記ロータの前記突起に前記アブレイダブル材を接触させて、該アブレイダブル材に前記突起による基準傷を付ける基準傷形成ステップをさらに備え、
    前記挙動計測ステップでは、前記計測用傷と前記基準傷とのロータ軸方向位置の差から、前記車室内におけるロータの車室に対する伸び差を求めることを特徴とする請求項９に記載のロータ挙動計測方法。
11. 前記挙動計測ステップでは、前記計測用傷の深さから、前記車室内におけるロータの芯振れ量を求めることを特徴とする請求項９又は１０に記載のロータ挙動計測方法。
12. 複数の前記計測棒を前記ロータの周方向に沿って設け、
    前記計測用傷形成ステップでは、前記ターボ回転機械の運転開始から定格運転状態に達するまでの期間において、前記ロータの突起に向けて前記複数の計測棒を順に移動させて、該複数の計測棒のアブレイダブル材にタイミングをずらして前記計測用傷を形成し、
    前記挙動計測ステップでは、前記複数の計測棒のアブレイダブル材にタイミングをずらして形成された前記計測用傷を比較して、前記期間におけるロータ挙動の経時変化を求めることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のロータ挙動計測方法。
13. 前記ターボ回転機械は蒸気タービンであり、
    前記挙動計測ステップの前に、前記車室内の真空状態を破壊し、前記計測棒を前記車室から引き抜く計測棒引抜ステップをさらに備えることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載のロータ挙動計測方法。
14. 前記計測用傷形成ステップでは、前記ターボ回転機械が回転数３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍの定格運転中において、前記アブレイダブル材に前記計測用傷を付け、
    前記基準傷形成ステップでは、前記ターボ回転機械が回転数１〜５ｒｐｍの常温状態において、前記アブレイダブル材に前記基準傷を付けることを特徴とする請求項１０に記載のロータ挙動計測方法。

Images