JP2014163891A - 気液比取得システム、軸受装置、回転機械及び気液比取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気液二相流の気液比をより精度高く取得することが可能な気液比取得システム、軸受装置、回転機械及び気液比取得方法を提供する。
【解決手段】気液二相流を介在させて対向配置された回転軸５０及び軸受パッド３の表面間の静電容量を検出する静電容量センサ、及び、表面間の距離を検出する変位センサを有する計測部１１と、予め取得した距離毎の静電容量と気液比の関係に基づいて、静電容量及び距離の検出値から気液二相流における気液比を演算する気液比決定部を有する演算装置１００と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液比取得システム、この気液比取得システムを用いた軸受装置及び回転機械、並びに、気液比取得方法に関する。

蒸気タービンやコンプレッサ等の高速回転する回転軸を支持するジャーナル軸受やスラスト軸受等の軸受装置では、回転軸と該回転軸を支持する軸受パッドの間に潤滑油が介在されている。この潤滑油によるくさび膜効果によって油膜圧力が発生することで、該潤滑油を介しての軸受パッドによる回転軸の支持が行われる。

ここで潤滑油内に気泡が混入していると、該気泡の圧縮性により潤滑油による油膜圧力が著しく低下してしまう。特にタンクに一旦回収された潤滑油の休息時間が短い場合や、回転軸の外周面にノズルによって潤滑油を供給する軸受装置の場合には、潤滑油における気泡の体積割合、即ち、ボイド率が高くなる。
このようなボイド率は、気泡を減少させる手段を考案する際や気泡混入を考慮した軸受特性を解析する上で、精度高く計測することが必要となる。

ここで、例えば特許文献１には、マイクロチャンネル内の気液二相流のボイド率を静電容量センサによって計測された静電容量に基づいて求める手法が開示されている。

特開２００９−２１０５００号公報

ところで、例えば軸受装置の場合、回転軸と軸受パッドとのクリアランスが回転軸の回転とともに変化する。しかしながら、上記特許文献１に記載の手法は、部材間の距離が一定の箇所のボイド率を取得する場合にのみに適用可能であり、部材間の距離が変化する際にはこれに伴って静電容量も変化するため、ボイド率を精度高く得ることができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、気液二相流の気液比をより精度高く取得することが可能な気液比取得システム、軸受装置、回転機械及び気液比取得方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る気液比取得システムは、気液二相流を介在させて対向配置された第一部材及び第二部材の表面間の静電容量を検出する静電容量センサと、前記第一部材及び前記第二部材の表面間の距離を検出する変位センサと、予め取得した前記距離毎の前記静電容量と前記気液比の関係に基づいて、前記静電容量及び前記距離の検出値から前記気液二相流における気液比を演算する気液比決定部を有する演算装置と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る気液比取得方法は、気液二相流を介在させて対向配置された第一部材及び第二部材の表面間の前記気液二相流における気液比を検出する気液比取得方法であって、予め取得した前記距離毎の前記静電容量と前記気液比の関係に基づいて、前記表面間の静電容量及び前記表面間の距離の検出値から前記気液比を決定する気液比決定工程と、を備えることを特徴とする。

このような特徴の気液比取得システム及び方法によれば、第一部材及び第二部材間の距離毎の静電容量と気液比の関係を予め取得し、当該関係に基づいて静電容量と距離の検出値から気液比を求めることで、第一部材及び第二部材間の距離を考慮した気液比を取得することができる。

また、本発明に係る気液比取得システムは、前記第一部材が軸線回りに回転するロータであるとともに前記第二部材がステータであって、前記静電容量センサ及び前記変位センサがともに前記ロータに設けられ、前記ロータの回転数を検出する回転数センサをさらに備え、前記演算装置が、前記回転数センサの検出値に基づいて前記計測部の回転位置を演算する回転位置演算部をさらに有することが好ましい。

これによって計測部の回転位置を容易に取得することができる。

一方、本発明に係る気液比取得システムは、前記静電容量センサと前記変位センサとが同軸状に配置されていてもよい。

この場合、静電容量センサと変位センサとの配置ズレに基づく誤差を最小限に抑えることができる。

さらに、本発明に係る気液比取得システムは、前記静電容量センサ及び前記変位センサが前記ロータの周方向に離間して配置されており、前記演算装置は、前記回転位置演算部が演算した前記回転位置に基づいて、同一の前記回転位置で検出された前記静電容量及び前記距離の検出値を対応付ける回転位置補正部をさらに有し、前記気液比決定部は、前記回転位置補正部によって対応付けられた前記静電容量及び前記距離の検出値から前記気液比を演算するものであってもよい。

これによって静電容量センサと変位センサとがロータの回転方向の異なる位置にある場合であっても、特定の回転位置での気液比を取得することができる。

また、本発明に係る気液比取得システムでは、前記演算装置が、前記気液比決定部が演算した前記気液比と前記回転位置演算部が演算した前記回転位置とを対応付ける気液比位置決定部をさらに有するものであってもよい。

これによって、取得した気液比はいずれの回転位置での値であるかを把握することができる。即ち、各回転位置毎の気液比の値を回転軸の周方向にわたって取得することができる。

また、本発明に係る気液比取得システムは、前記気液二相流の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記演算装置が、前記温度の検出値に基づいて前記静電容量及び前記距離の検出値を校正する温度校正部をさらに有することが好ましい。
これによって、静電容量センサ及び変位センサの温度による誤差を低減させることができる。

さらに、本発明に係る軸受装置は、前記第一部材と、前記第二部材と、上記いずれかの気液比取得システムと、を備え、前記第一部材が軸線回りに回転する回転軸であって、前記第二部材が前記回転軸を支持する軸受パッドであって、前記気液二相流が潤滑油であることを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械は、上記軸受装置を備えることを特徴とする。
これによって、潤滑油における気液比であるボイド率を精度高く取得することができる。

一方、本発明に係る回転機械は、前記第一部材と、前記第二部材と、上記いずれかの気液比取得システムと、を備え、前記第一部材が動翼であって、前記第二部材が静翼であることを特徴とする。
これによって、動翼と静翼との間におけるガスの気液比を取得することができる。

本発明の気液比取得システム、軸受装置、回転機械及び気液比取得方法によれば、第一部材及び第二部材間の距離を考慮することで、気液比を精度高く取得することができる。

第一実施形態に係る蒸気タービン（回転機械）の軸線に直交する模式縦断面図である 図１の軸受装置における回転軸に直交する断面図である。 図２の軸受パッド部分の拡大図である。 第一実施形態の演算装置の機能ブロック図である。 （ａ）は容量とボイド率との関係を示すグラフ、（ｂ）は距離毎の静電容量とボイド率との関係を示すグラフ群である。 第一実施形態に係る気液比取得方法のフローチャートである。 第二実施形態に係る軸受装置の回転軸に直交する断面図である。 第二実施形態に係る計測部の斜視図である、 第二実施形態に係る演算装置の機能ブロック図である。 第二実施形態に係る気液比取得方法のフローチャートである。 第三実施形態に係る計測部の斜視図である。 第三実施形態に係る演算装置の機能ブロック図である。 第三実施形態に係る気液比取得方法のフローチャートである。 第四実施形態に係る軸受装置の回転軸に直交する断面図である。 第四実施形態に係る演算装置の機能ブロック図である。 第四実施形態おいて、静電容量センサと変位センサとの回転位置の補正の概念を説明する模式図である。 第四実施形態に係る気液比取得方法のフローチャートである。 第五実施形態に係る蒸気タービン（回転機械）の軸線に直交する模式縦断面図である。

以下、本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン２０（回転機械）について、図１を参照して説明する。ここで、蒸気タービン２０とは、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に連結して用いられるものである。

図１に示すように、蒸気タービン２０は、タービンケーシング３０と、該タービンケーシング３０を貫通するように軸線Ｏに沿って延びる回転軸５０と、タービンケーシング３０に保持された静翼６０と、回転軸５０に設けられた動翼７０と、回転軸５０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部８０とを備えている。
なお、軸受部８０は、ジャーナル軸受８１（以下、単に軸受装置８１と称する）及びスラスト軸受８２を備えている。

このような蒸気タービン２０では、タービンケーシング３０内に導入される蒸気Ｓが静翼６０及び動翼７０の間の流路を通過する。この際、蒸気Ｓが動翼７０を回転させることで該動翼７０に伴って回転軸５０が回転し、該回転軸５０に接続された発電機等の機械に動力（回転エネルギー）が伝達される。

次に、軸受装置８１について、図２から図６を参照して説明する。
図２に示すように、軸受装置８１は、上記回転軸５０（第一部材、ロータ）と、軸受ケーシング１と、支持部２と、軸受パッド３（第二部材、ステータ）と、気液比取得システム１０とを備えている。

軸受ケーシング１は、軸線Ｏを中心とした円筒状をなしており、回転軸５０と同軸に、かつ、回転軸５０を外周側から取り囲むように配置されている。この軸受ケーシング１の内周面は、回転軸５０の外周面（表面）と間隔をあけて配置されている。

支持部２は、軸受ケーシング１の内周面に周方向に間隔をあけて複数（本実施形態では４つ）設けられている。この支持部２は、回転軸５０の軸線Ｏの径方向外側の端部が軸受ケーシング１の内周面に固定されており、径方向内側の端部で回転軸５０の外周面を支持している。

軸受パッド３は、回転軸５０と軸受ケーシング１との間に設けられており、回転軸５０を外周側から取り囲むようにして周方向に間隔をあけて複数（本実施形態では４つ）設けられている。この軸受パッド３は、回転軸５０の外周面の曲率に沿って湾曲する湾曲板状をなしており、軸方向視では円弧状をなしている。軸受パッド３の径方向内側を向く面であるパッド面４（表面）の曲率半径は、回転軸５０の外周面の曲率半径よりやや大きく形成されている。また、この軸受パッド３の径方向外側を向く背面は、上記支持部２の球面形状をなす先端によって支持されている。これによって、軸受パッド３は、支持部２の先端の球面形状に従って揺動可能とされている。
このような軸受パッド３は、銅等の熱伝導率の高い金属から形成された裏金と、該裏金の径方向内側に積層され、例えばホワイトメタル、樹脂等の軸受材料で形成された表面層とから構成されている。

次に気液比取得システム１０について説明する。この気液比取得システム１０は、互いに対向配置された回転軸５０の外周面と軸受パッド３のパッド面４との間に介在される潤滑油Ｆ（気液二相流Ｆ）における気液比、即ち、ボイド率αを取得するためのシステムである。
この気液比取得システム１０は、図２に示すように、計測部１１と、演算装置１００と、表示部１１０とを備えている。

計測部１１は、図３に示すように、軸受パッド３の内部に埋め込まれるように設けられており、静電容量センサ１２と、変位センサ１３とを有している。
静電容量センサ１２は、回転軸５０の径方向に延びる円柱状をなしており、該径方向内側の端面が軸受パッド３のパッド面４から径方向内側に露出するように軸受パッド３内に埋め込まれている。この静電容量センサ１２の径方向内側の端面は、軸受パッド３と面一なセンサ電極とされている。

静電容量センサ１２は、上記のようにセンサ電極が配置されることによって、センサ電極から該センサ電極に対向する導電性材料までの間の静電容量Ｃ、即ち、センサ電極から回転軸５０の外周面までの静電容量Ｃを検出可能とされている。このように静電容量センサ１２によって検出された静電容量Ｃの検出値は、ケーブルを介して演算装置１００に入力される。

なお、このセンサ電極は、パッド面４から径方向外側に配置されていてもおく、即ち、センサ電極も軸受パッド３内に埋め込まれていてもよい。この場合、センサ電極からパッド面４までの間の軸受パッド３の厚さの分だけ、静電容量Ｃの値を補正すればパッド面４から回転軸５０の外周面までの間の静電容量Ｃの値を検出することができる。
静電容量センサ１２によって検出される静電容量Ｃの値は、回転軸５０と軸受パッド３との間に介在された潤滑油Ｆのボイド率α（潤滑油Ｆの単位体積のうち気泡の体積の割合、即ち、軸線Ｏを含む断面における潤滑油Ｆの断面積のうち気泡の断面積の割合）、及び、回転軸５０と軸受パッド３との距離ｈによって変化する。

変位センサ１３は、回転軸５０の径方向に延びる円柱状をなしており、該径方向内側の端面が軸受パッド３のパッド面４から径方向内側に露出するように軸受パッド３内に埋め込まれている。この静電容量センサ１２の径方向内側の端面は、軸受パッド３と面一なセンサ面とされている。この変位センサ１３は、静電容量センサ１２と近接して配置されている。

本実施形態では変位センサ１３として、渦電流型変位センサが用いられている。この渦電流型の変位センサによって、センサ面から回転軸５０の外周面までの距離ｈを検出することができる。なお、変位センサ１３としては、渦電流型センサに限られることなく、光学系変位センサや接触系変位センサ等、種々の構成を採用することができる。即ち、変位センサ１３としては、回転軸５０の回転とともに変化する軸受パッド３のパッド面４と回転軸５０の外周面との距離ｈを検出することができれば、いかなる構成も採用することができる。なお、変位センサ１３としては、誘電率の影響を受けずに距離ｈを検出可能なものを採用することが好ましい。この点、渦電流型変位センサを用いた場合には、誘電率の影響を受けずに距離ｈを検出することができる。
このように変位センサ１３によって検出された距離ｈの検出値は、ケーブルを介して演算装置１００に入力される。

演算装置１００は、図４に示すように、データ記憶部１０１と、気液比決定部１０２とを有している。
データ記憶部１０１は、距離ｈ毎の静電容量Ｃとボイド率α（気液比）の関係を記憶している。即ち、このデータ記憶部１０１は、予め取得した任意の距離ｈ及び静電容量Ｃの場合のボイド率αの値を記憶している。
ここで図５（ａ）に示すように、例えば距離ｈ＝ｈ１と一定とした場合、静電容量Ｃとボイド率αとの間には逆相関関係があり、即ち、静電容量Ｃが大きくなるほどボイド率αは低下する。また、このような静電容量Ｃとボイド率αとの逆相関関係は、距離ｈによって変化する。

そこで、データ記憶部１０１には、図５（ｂ）に示すように、予め取得した複数の距離ｈ＝ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４…の場合の静電容量Ｃとボイド率αとの関係が記憶されている。なお、データ記憶部１０１には、距離ｈ毎の静電容量Ｃとボイド率αとの関係が記憶されていればよく、距離ｈ及び静電容量Ｃの二変数に基づいて変化する各ボイド率α（距離ｈ及び各静電容量Ｃ毎のボイド率α）がデータテーブルとして記憶されていればよい。また、距離ｈ、静電容量Ｃ及びボイド率αの関係を示す三次元マップがデータとして記憶されていてもよい。
さらに、データテーブル、三次元マップのみならず、例えば、距離ｈ、静電容量Ｃ及びボイド率αの関係を示す数式がデータとして記憶されていてもよい。

上記のような距離ｈ毎の静電容量Ｃとボイド率αとの関係は、予め距離ｈを一定としてボイド率αを変化させながら静電容量Ｃを計測し、図５（ａ）に示すグラフを取得し、次いで、図５（ｂ）に示すように、当該グラフを距離ｈを変化させながら各距離ｈ毎に作成することで取得することができる。

気液比決定部１０２は、静電容量センサ１２から入力される静電容量Ｃの検出値、及び、変位センサ１３から入力される距離ｈの検出値から、データ記憶部１０１に記憶されたデータに基づいて潤滑油Ｆにおけるボイド率αを決定し出力する。

そして、表示部１１０は、演算装置１００が演算したボイド率αの値、即ち、気液比決定部１０２が決定したボイド率αの値を利用者が認識可能となるように例えばディスプレイに表示する。

次に、このような気液比取得システム１０を用いた軸受装置８１の作用について説明する。
蒸気タービン２０の運転時には、回転軸５０が回転することで該回転軸５０は軸受パッド３のパッド面４に対して潤滑油Ｆを介して摺接する。このような潤滑油Ｆは空気と接触することで該潤滑油Ｆには気泡が存在する。本実施形態の気液比取得システム１０では、このような潤滑油Ｆにおける気泡の体積割合、即ち、ボイド率αを取得する。ボイド率αの取得は、図６に示すように、気液比決定工程Ｓ１によって取得される。

即ち、気液比決定工程Ｓ１は、計測部１１から入力される静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値から、データ記憶部１０１が記憶するデータを参照してボイド率αを決定する。
より具体的には、演算装置１００の気液比決定部１０２に静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値が入力されると、該気液比決定部１０２が、これら静電容量Ｃ及び距離ｈに対応するボイド率αを、データ記憶部１０１が記憶するテーブル、三次元マップを参照して決定する。また、気液比決定部１０２は、データ記憶部１０１が記憶する静電容量Ｃ及び距離ｈを変数としたボイド率αの決定式からボイド率αを演算・決定してもよい。
このように気液比決定部１０２によって決定されたボイド率αは、表示部１１０に出力され、ディスプレイ等に表示される。

以上のように本実施形態によれば、回転軸５０と軸受パッド３の距離ｈ毎の静電容量Ｃと気液比の関係を予め取得し、当該関係に基づいて静電容量Ｃと距離ｈの検出値からボイド率αを求めることで、回転軸５０と軸受パッド３との距離ｈを考慮したボイド率αを取得することができる。
即ち、軸受装置８１では、回転軸５０の回転振動や回転軸５０に作用する外力、回転軸５０の熱変形等によって該回転軸５０の外周面とパッド面４との距離ｈが刻々と変化する。このように距離ｈが変化すると、回転軸５０と軸受パッド３との間の静電容量Ｃも変化するため、静電容量Ｃの検出値に基づいてボイド率αを精度高く取得することはできない。これに対して本実施形態では、静電容量Ｃの値に加えて距離ｈの値を予め取得し、即ち、静電容量Ｃの値に距離ｈの変化による補正を加えながらボイド率αを取得することができる。
これによって、回転軸５０と軸受パッド３との距離ｈが変化する場合であっても、これら回転軸５０と軸受パッド３との間のボイド率αを精度高く取得することが可能となる。

次に本発明の第二実施形態について図７〜図１０を参照して説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第二実施形態の気液比取得システム１０は、回転数センサ１６をさらに備えており、計測部１１及び演算装置１００の構成について第一実施形態と相違する。

図７に示すように、回転数センサ１６は、回転軸５０の回転数を検出するセンサである。この回転数センサ１６としては、例えばロータリーエンコーダや速度発電機等を用いて回転数を検出できる構成としてもよいし、蒸気タービン２０の出力を計測することで当該出力から回転数を取得する構成であってもよい。その他、回転数センサ１６としては、回転軸５０の回転数を検出することができる限り、いかなる構成のものも使用することができる。

本実施形態の計測部１１は、回転軸５０内に埋め込まれるように設けられている。また、図８に示すように、計測部１１における静電容量センサ１２及び変位センサ１３は同軸状に配置されている。
より詳細には、本実施形態の静電容量センサ１２は回転軸５０の径方向に延在する円筒状をなしている。また、変位センサ１３は、径方向に延在する円柱状をなしており、円筒状をなす静電容量センサ１２の内側に隙間なくはめ込まれている。これによって、静電容量センサ１２及び変位センサ１３は、径方向を中心軸線とした同軸状に配置されており、静電容量センサ１２の延在方向の端面であるセンサ電極及び変位センサ１３の延在方向の端面であるセンサ面は、互いに面一をなしている。そして、このような計測部１１は、上記センサ電極及びセンサ面を回転軸５０の外周面から露出するように該外周面に面一とさせて回転軸５０内に埋め込まれている。
なお、変位センサ１３を円筒状をなすように構成し、該変位センサ１３の内側に静電容量センサ１２を同軸に配置してもよい。

演算装置１００は、第一実施形態の構成に加えて、回転位置演算部１０３と気液比位置決定部１０４とをさらに有している。
回転位置演算部１０３には回転数センサ１６からの回転軸５０の回転数の検出値が入力される。回転位置演算部１０３は当該回転数に基づいて計測部１１における軸線Ｏを中心とした回転位置を演算する。例えば、回転位置演算部１０３は、入力される回転数の検出値、回転時間、計測部１１の初期回転位置に基づいて計測部１１の時間とともに変化する回転位置を演算する。

気液比位置決定部１０４は、気液比決定部１０２が決定したボイド率αと回転位置演算部１０３が演算した回転位置とを対応付ける。より具体的には、気液比決定部１０２に静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値が入力された時間と、回転位置演算部１０３の演算した各時間の計測部１１の回転位置とを対応付ける。これによって、気液比決定部１０２が決定したボイド率αが計測部１１のいずれの回転位置での値であるかがわかる。

このように気液比位置決定部１０４によって対応付けられたボイド率α及び計測部１１の回転位置の値は、表示部１１０に出力される。

次にこのような第二実施形態の気液比取得システム１０を用いた気液比取得方法について図１０のフローチャートを参照して説明する。
回転軸５０の回転の開始とともに気液比取得システム１０が稼働されると、気液比決定工程Ｓ１１、回転位置演算工程Ｓ１２が並列に行われる。

気液比決定工程Ｓ１１では、第一実施形態と同様、計測部１１から入力される静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値からボイド率αを決定する。なお、このようなボイド率αの決定は、連続的に、又は、所定のサンプリングタイム経過毎に行われる。
回転位置演算工程Ｓ１２では、回転数センサ１６から入力される回転数の検出値に基づいて計測部１１の回転位置が演算される。このような回転位置の演算は、連続的に、又は、所定のサンプリングタイム経過毎に行われる。

次に、気液比位置決定工程Ｓ１３が行われる。この気液比位置決定工程Ｓ１３では、気液比位置決定部１０４において、気液比決定工程Ｓ１１によって決定されたボイド率αと、回転位置演算工程Ｓ１２によって演算された計測部１１の回転位置とが、時間とともに対応付けられる。換言すれば、回転位置演算工程Ｓ１２では、同一時間でのボイド率αと計測部１１との回転位置が対応付けられる。
そして、このように対応付けられたボイド率αと計測部１１との回転位置が表示部１１０に出力され、ディスプレイ等に表示される。

以上のように本実施形態によれば、取得されるボイド率αと計測部１１の回転位置とが情報として出力されることにより、計測部１１の任意の回転位置でのボイド率αを取得することができる。

したがって、例えば４つの軸受パッド３の軸受パッド３におけるいずれの周方向位置でのボイド率αを取得したかを計測部１１における静電容量センサ１２と変位センサ１３との一組のセンサで容易に把握することができる。また、ボイド率α、回転位置を連続的に取得、演算した場合には、回転軸５０一周におけるボイド率αの変化を取得することができる。即ち、４つの軸受パッド３のパッド面４を周方向に通過するラインをボイド率α検出ラインとして、連続的にボイド率αを取得することが可能となる。

また、計測部１１では、静電容量センサ１２と変位センサ１３とが同軸に配置されているため、静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値が互いに異なる個所のものとなることはなく、即ち、同一個所における静電容量Ｃ及び距離ｈを取得することができる。したがって、任意に個所におけるボイド率αを精度高く取得することができる。

次に本発明の第三実施形態について図１１〜図１３を参照して説明する。第三実施形態では第二実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第三実施形態の気液比取得システム１０は、計測部１１及び演算装置１００の構成について第二実施形態と相違する。

計測部１１は、静電容量センサ１２及び変位センサ１３に加えて温度センサ１４を有している。この温度センサ１４は、静電容量センサ１２及び変位センサ１３に一体に設けられており、本実施形態では、円筒状をなす静電容量センサ１２内に該静電容量センサ１２の延在方向に平行に延びるように埋め込まれている。この温度センサ１４としては例えば熱電対等の種々のセンサを用いることができ、静電容量センサ１２のセンサ電極、変位センサ１３のセンサ面近傍の温度を検出することができるように配置されている。本実施形態では、センサ電極、センサ面と面一となるように、温度センサ１４の温度検出部が配置されている。

演算装置１００は、図１２に示すように、第二実施形態の構成に加えて、温度校正部１０５をさらに有している。この温度校正部１０５には、静電容量センサ１２による静電容量Ｃ、変位センサ１３による距離ｈ、温度センサ１４による温度の検出値がそれぞれ入力される。そして、温度校正部１０５では、予め記憶した静電容量センサ１２の温度校正チャート、変位センサ１３の温度校正チャートに基づいて、静電容量センサ１２、変位センサ１３の検出値を温度校正する。そして、このように温度校正された静電容量センサ１２及び変位センサ１３の検出値が、気液比決定部１０２に入力される。

次にこのような第三実施形態の気液比取得システム１０を用いた気液比取得方法について図１３のフローチャートを参照して説明する。
回転軸５０の回転の開始とともに気液比取得システム１０が稼働されると、温度校正工程Ｓ２１、回転位置演算工程Ｓ２３が並列に行われる。

温度校正工程Ｓ２１では、上述のように、静電容量センサ１２及び変位センサ１３から入力される検出値を温度校正する。そして、このように温度校正された静電容量Ｃ及び変位センサ１３の検出値は気液比決定工程Ｓ２２に入力され、上記同様ボイド率αが決定される。
また、これら温度校正工程Ｓ２１及び気液比決定工程Ｓ２２と並列に行われる回転位置演算工程Ｓ２３では、回転位置演算部１０３により計測部１１の回転位置が演算される。
その後、第二実施形態と同様に、ボイド率αと回転位置とが気液比決定部１０２による気液比決定工程Ｓ２４によって対応付けられて、表示部１１０に出力される。

以上のように本実施形態によれば、静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値が温度校正されるため、潤滑油Ｆに温度変化があった場合であっても、当該温度変化による影響を反映して精度高くボイド率αを取得することができる。

次に本発明の第四実施形態について図１４〜図１６を参照して説明する。第四実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第四実施形態の気液比取得システム１０は、さらに回転数センサ１６を備え、計測部１１及び演算装置１００の構成について第一実施形態と相違する。

図１４に示すように、回転数センサ１６は、第二実施形態と同様、回転軸５０の回転数を検出する。
計測部１１は、第一実施形態同様、静電容量センサ１２及び変位センサ１３を備えている。これら静電容量センサ１２及び変位センサ１３は、回転軸５０の周方向に離間して配置されている。即ち、これら静電容量センサ１２及び変位センサ１３は、互いに周方向に異なる個所における回転軸５０と軸受パッド３のパッド面４との間の静電容量Ｃ又は距離ｈを検出する。

演算装置１００は、第一実施形態の構成に加えて、回転位置演算部１０３と回転位置補正部１０７とをさらに有している。
回転位置演算部１０３は、第二実施形態同様、回転数センサ１６から入力される回転数の検出値に基づいて計測部１１の各時間における回転位置を演算する。なお、本実施形態の回転位置演算部１０３は、周方向に互いに離間する静電容量センサ１２及び変位センサ１３それぞれの回転位置を演算する。

回転位置補正部１０７には、回転位置演算部１０３が演算した回転数、静電容量センサ１２及び変位センサ１３の検出値がそれぞれ入力される。そして、回転位置補正部１０７では、回転位置演算部１０３が演算した回転位置に基づいて、同一の回転位置で検出された静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値を対応付ける。
より具体的には、回転位置補正部１０７は、例えば図１６に示すように、例任意の回転位置における変位センサ１３（時刻ｔ_１）に対する静電容量センサ１２（時刻ｔ_２）の時間遅れ（ｔ_１−ｔ_２）を回転数に基づいて演算し、当該時間遅れ分を補正することで、任意の回転位置における静電容量センサ１２の検出値、及び、距離ｈの検出値を対応付ける。
そして、気液比決定部１０２では、回転位置補正部１０７によって対応付けられた静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値から、第一実施形態同様に気液比を演算し、表示部１１０に出力する。

次にこのような第四実施形態の気液比取得システム１０を用いた気液比取得方法について図１７のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態では、まず回転位置演算工程Ｓ３１が行われ、計測部１１における静電容量センサ１２及び変位センサ１３の各時間における回転位置が演算される。
次いで、回転位置補正工程Ｓ３２が行われ、回転位置演算工程Ｓ３１によって演算された回転位置の情報に基づいて、同一回転位置での静電容量Ｃ及び距離ｈが対応付けられる。即ち、これら対応付けられた静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値は、同一の回転位置における値、即ち、４つの軸受パッド３のパッド面４における同一位置に対応する値を示すものとなる。
その後、これら対応付られた静電容量Ｃ及び距離ｈの検出値から、気液比決定工程Ｓ３３によって任意の回転位置におけるボイド率αが取得され、その後表示部１１０に出力される。

以上のように本実施形態によれば、計測部１１における静電容量センサ１２と変位センサ１３とが回転軸５０の周方向に離間して配置されている場合であっても、回転数に基づいて検出位置のズレを補正することによって、同一の回転位置における静電容量センサ１２及び変位センサ１３を対応付けることができる。換言すれば、任意の回転位置における静電容量Ｃ及び距離ｈの値を把握することができる。これによって、静電容量センサ１２と変位センサ１３とが互いに周方向に離間している場合であっても、任意の回転位置でのボイド率αを取得することができ、即ち、４つの軸受パッド３のパッド面４における任意の個所のボイド率αを精度高く取得することが可能となる。さらに、静電容量センサ１２と変位センサ１３との一組のセンサで周方向全域にわたって、図１６に示す検出ラインＬ上のボイド率αを連続的に検出することができる。

次に本発明の第五実施形態について図１８を参照して説明する。第五実施形態では第一〜第四実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第一〜第四実施形態では軸受装置８１の回転軸５０と軸受パッド３との間における潤滑油Ｆのボイド率αを取得する例について説明したが、本実施形態では、蒸気タービン２０における軸線Ｏ方向に対向配置された動翼７０（第一部材）と静翼６０（第二部材）との間の気液比を取得する。即ち、蒸気タービン２０の流路内には、蒸気Ｓに加えて該蒸気Ｓが凝縮した水滴が存在する。本実施形態の気液比取得システム１０は、動翼７０と静翼６０との間における蒸気Ｓにおける水滴の割合を気液比として取得する。

そのため、本実施形態では、計測部１１が静翼６０内に埋め込まれるように配置されており、静電容量センサ１２及び変位センサ１３は、静翼６０に対して相対回転する動翼７０が該静翼６０の軸線Ｏ方向に対向した際におけるこれら静翼６０及び動翼７０の間の静電容量Ｃ、距離ｈを検出する。
そして、このように検出される静電容量Ｃ、距離ｈの値から、第一〜第四実施形態同様、予め取得された距離ｈ毎の静電容量Ｃと気液比との関係に基づいて、気液比を取得することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば第一〜第四実施形態を組み合わせた気液比取得システム１０を構成してもよい。即ち、第二実施形態における回転位置とボイド率αの対応付け、第三実施形態における温度校正、第四実施形態における静電容量センサ１２と変位センサ１３との位置ズレ補正を、これら以外の実施形態に加えてもよい。

また、実施形態では軸受装置８１としてジャーナル軸受に適用した例について説明したが、スラスト軸受に適用してもよい。また、軸受装置８１を、ティルティングパッド軸受、スリーブ軸受のいずれに適用してもよい。

さらに、実施形態では気液比取得システムを用いた軸受装置８１を蒸気タービンに対して適用した例について説明したが、ガスタービンやポンプ、ファン等の他の回転機械に適用してもよい。また、気液比取得システムを軸受装置８１や蒸気タービン２０のみならず、気液比やボイド率αの取得を要する他の機械、装置等に適用してもよい。

１ 軸受ケーシング
２ 支持部
３ 軸受パッド
４ パッド面
１０ 気液比取得システム
１１ 計測部
１２ 静電容量センサ
１３ 変位センサ
１４ 温度センサ
１６ 回転数センサ
２０ 蒸気タービン
３０ タービンケーシング
５０ 回転軸
６０ 静翼（第二部材）
７０ 動翼（第一部材）
８０ 軸受部
８１ ジャーナル軸受（軸受装置）
８２ スラスト軸受
１００ 演算装置
１０１ データ記憶部
１０２ 気液比決定部
１０３ 回転位置演算部
１０４ 気液比位置決定部
１０５ 温度校正部
１０７ 回転位置補正部
１１０ 表示部
Ｏ 軸線
Ｓ 蒸気
Ｆ 潤滑油（気液二相流）
h 距離
Ｃ 静電容量
α ボイド率

Claims (10)

1. 気液二相流を介在させて対向配置された第一部材及び第二部材の表面間の静電容量を検出する静電容量センサ、及び、前記表面間の距離を検出する変位センサを有する計測部と、
   予め取得した前記距離毎の前記静電容量と気液比の関係に基づいて、前記静電容量及び前記距離の検出値から前記気液二相流における気液比を演算する気液比決定部を有する演算装置と、
   を備えることを特徴とする気液比取得システム。
2. 前記第一部材が軸線回りに回転するロータであるとともに前記第二部材がステータであって、
   前記静電容量センサ及び前記変位センサがともに前記ロータに設けられ、
   前記ロータの回転数を検出する回転数センサをさらに備え、
   前記演算装置が、
   前記回転数センサの検出値に基づいて前記計測部の回転位置を演算する回転位置演算部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の気液比取得システム。
3. 前記静電容量センサと前記変位センサとが、同軸状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の気液比取得システム。
4. 前記静電容量センサ及び前記変位センサが前記ロータの周方向に離間して配置されており、
   前記演算装置は、
   前記回転位置演算部が演算した前記回転位置に基づいて、同一の前記回転位置で検出された前記静電容量及び前記距離の検出値を対応付ける回転位置補正部をさらに有し、
   前記気液比決定部は、前記回転位置補正部によって対応付けられた前記静電容量及び前記距離の検出値から前記気液比を演算することを特徴とする請求項２に記載の気液比取得システム。
5. 前記演算装置が、
   前記気液比決定部が演算した前記気液比と前記回転位置演算部が演算した前記回転位置とを対応付ける気液比位置決定部をさらに有することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の気液比取得システム。
6. 前記気液二相流の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記演算装置が、
   前記温度センサの検出値に基づいて前記静電容量及び前記距離の検出値を校正する温度校正部をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の気液比取得システム。
7. 前記第一部材と、
   前記第二部材と、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の気液比取得システムと、
   を備え、
   前記第一部材が軸線回りに回転する回転軸であって、
   前記第二部材が前記回転軸を支持する軸受パッドであって、
   前記気液二相流が潤滑油であることを特徴とする軸受装置。
8. 請求項７に記載の軸受装置を備えることを特徴とする回転機械。
9. 前記第一部材と、
   前記第二部材と、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の気液比取得システムと、
   を備え、
   前記第一部材が動翼であって、
   第二部材が静翼であることを特徴とする回転機械。
10. 気液二相流を介在させて対向配置された第一部材及び第二部材の表面間の前記気液二相流における気液比を検出する気液比取得方法であって、
    予め取得した前記距離毎の前記静電容量と前記気液比の関係に基づいて、前記表面間の静電容量及び前記表面間の距離の検出値から前記気液比を決定する気液比決定工程と、
    を備えることを特徴とする気液比取得方法。

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