JP2018200215A - 流体機械監視システム、流体機械監視装置、および流体機械監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間運転に使用可能で、かつ、流体の圧力および流速を取得可能な流体機械監視システム、流体機械監視装置、および流体機械監視方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、流体機械監視システムは、流体機械内の流体の圧力を検出する複数の圧力センサが設けられた検出装置を備える。さらに、前記システムは、前記複数の圧力センサからの信号に基づいて、前記流体機械内の複数箇所における前記流体の圧力の計測値を算出する計測部を備える。さらに、前記システムは、前記複数箇所における前記流体の圧力の計測値に基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する演算部を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、流体機械監視システム、流体機械監視装置、および流体機械監視方法に関する。

蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機等の流体機械内では、流体の流れが複雑な非定常三次元流れとなることが多い。このような流体流れを監視し制御することは、流体機械の性能を安定に維持し、流体流れにより誘起される流体振動等による流体機械の破損を防止する上で有用である。

近年、火力発電用の蒸気タービンは、運用の柔軟性が求められており、起動停止を伴う運転や低負荷運転が頻繁に行われている。しかしながら、蒸気タービンの低負荷運転時には、蒸気タービンの最終段落付近において、動翼の根元近傍の逆流渦や、動翼の先端近傍の偏流渦など、複雑な非定常三次元流れが発生する。また、蒸気タービンの低負荷運転時には、蒸気流れが設計条件から大きく逸脱することにより、失速フラッタやランダム振動が発生しやすくなり、動翼に過大な振動応力が生じるおそれがある。このような流体振動は、蒸気タービンの性能に悪影響を与えるのみならず、その励振周波数が動翼の固有振動数と同期した場合に動翼を破損させる可能性がある。

そのため、蒸気タービンの低負荷運転時に発生する複雑な三次元流れを詳細に把握することが必要となる。しかしながら、低負荷運転時に動翼に生じる振動応力について詳細な分析はなされておらず、動翼の異常振動の原因も十分に究明されていない。

動翼の異常振動を監視する手法として、動翼面に振動応力センサを設置する手法が知られている。この場合、振動応力センサが動翼面上で長時間回転し続けることになり、振動応力センサに長時間の回転遠心力に対する耐久性がないことが問題となる。

また、流れの時間変化が少ない場合に、流体の圧力をピトー管により計測することを通じて、動翼の異常振動を監視する手法が知られている。しかしながら、ピトー管は周波数応答性に制限があり、時間変化の速い非定常流れを計測対象とすることはできない。

一方、近年では、周波数応答性に優れた半導体圧力センサにより流体の圧力を計測する圧力計測プローブが提案されている。

特表２０１６−５２６６７９号公報

流体機械の運転を適切に監視し制御するためには、流体力学上の観点等から、流体の圧力の時間変化に加え、流体の流速やその方向の時間変化を計測することが望ましい。しかしながら、ピトー管は、時間変化の速い非定常流れに使用することができない。一方、半導体圧力センサは、時間変化の速い非定常流れにも使用することができるが、流体の圧力は半導体圧力センサにより計測できるものの、流体の流速は半導体圧力センサにより計測できないことが問題となる。

そこで、本発明の実施形態は、長時間運転に使用可能で、かつ、流体の圧力および流速を取得可能な流体機械監視システム、流体機械監視装置、および流体機械監視方法を提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、流体機械監視システムは、流体機械内の流体の圧力を検出する複数の圧力センサが設けられた検出装置を備える。さらに、前記システムは、前記複数の圧力センサからの信号に基づいて、前記流体機械内の複数箇所における前記流体の圧力の計測値を算出する計測部を備える。さらに、前記システムは、前記複数箇所における前記流体の圧力の計測値に基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する演算部を備える。

第１実施形態の流体機械の構成を示す断面図である。 第１実施形態の非定常プローブの構成を示す側面図および断面図である。 第１実施形態の流体機械監視システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態における圧力計測について説明するための断面図である。 第１実施形態の非定常プローブを模擬した円柱まわりの圧力分布の形成メカニズムを説明するための斜視図および矢視図である。 第１実施形態の非定常プローブを模擬した円柱まわりの圧力分布の例を示したグラフである。 第２実施形態の非定常プローブの構成を示す側面図および断面図である。 第２実施形態における圧力計測について説明するための断面図である。 第３実施形態の非定常プローブの構成を示す側面図および断面図である。 第４実施形態の流体機械監視システムの演算部の解析プロセスを示す流れ図である。 第５実施形態の非定常プローブの構成を示す側面図および断面図である。 第５実施形態の流体機械監視システムの演算部の解析プロセスを示す流れ図である。 第７実施形態の流体機械の構成を示す断面図である。 第８実施形態の流体機械の構成を示す断面図である。 第８実施形態の非定常プローブの構成を示す斜視図および矢視図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１〜図１５では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の流体機械１の構成を示す断面図である。

図１(ａ)は、流体機械１を中心軸に沿って切断した断面を示し、図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。ただし、図１(ａ)は、翼の部分だけ切断断面そのままではなく、翼形状を中心軸に沿って回転投影した形状を重ね合わせた図として示しており、流体機械１の子午面断面を示している。

流体機械１は、例えば蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機等であるが、ここでは低圧蒸気タービンを一例として説明する。以下、流体機械１は適宜、低圧蒸気タービン１とも表記する。

本実施形態の低圧蒸気タービン１は、図１(ａ)および図１(ｂ)に示すように、複数の動翼２と、タービンロータ３と、外側ケーシング４と、複数の静翼５と、内側ケーシング６とを備えている。本実施形態の低圧蒸気タービン１はさらに、後述する流体機械監視システムを構成する非定常プローブ１１およびリード線１２を備えている。非定常プローブ１１は、検出装置の一例である。

図１(ａ)および図１(ｂ)は、タービンロータ３の軸方向に平行なＸ方向と、タービンロータ３の軸方向に垂直なＹ方向およびＺ方向とを示している。ここで、Ｘ方向およびＹ方向は重力方向に垂直であり、Ｚ方向は重力方向に平行である。また、図１(ｂ)は、非定常プローブ１１の軸方向に垂直なｘ方向およびｙ方向と、非定常プローブ１１の軸方向に垂直なｚ方向とを示している。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向はそれぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に一致していても一致していなくてもよい。

以下、本実施形態の低圧蒸気タービン１の詳細を、図１(ａ)および図１(ｂ)を参照して説明する。この説明の中で、図２〜図６も適宜参照する。

低圧蒸気タービン１では、複数の動翼２がタービンロータ３の側面に配設されており、タービンロータ３のまわりを外側ケーシング４が覆っている。外側ケーシング４の内側面には、複数の静翼５が配設されている。これらの動翼２と静翼５は、タービンロータ３の軸方向に沿って交互に配置されている。

静翼５からなる回転周方向の翼列と、この翼列の下流側に隣接する動翼２からなる回転周方向の翼列とで、１つの段落を構成している。低圧蒸気タービン１では、タービンロータ３の軸方向に複数の段落が形成され、これらの段落を貫流するように蒸気流路Ｐが形成されている。

低圧蒸気タービン１において、蒸気流路Ｐに流入した蒸気流れＦ１は、各段落の静翼５と動翼２の間を通る過程で、タービンロータ３を回転駆動する。蒸気流路Ｐを通り最終段落の動翼２を通過した蒸気流れＦ１は、不図示の復水器へと導かれる。復水器は高い真空度に維持されているため、最終段落の動翼２を通過した蒸気流れＦ１は、出口側に向かって膨張する。そのため、外側ケーシング４と内側ケーシング６からなる流路断面積は、下流に行くにつれて拡大するように設定されている。

低圧蒸気タービン１の低負荷運転時には、蒸気流路Ｐを通過する蒸気の流量が低下するため、翼長の長い最終段落近くの動翼２では、回転遠心力により外周側に偏流する蒸気流れＦ２が現れる。そのため、動翼２の根元付近で蒸気の流速が低下し、不安定な逆流渦Ｖ１が発生する。一方、動翼２の先端側への偏流により、動翼２の先端付近には失速渦Ｖ２が発生する。

ある動翼２の周方向に逆流渦Ｖ１や失速渦Ｖ２が複数滞留している場合、この動翼２は１回転するたびに逆流渦Ｖ１や失速渦Ｖ２による圧力変動の影響を受け、回転周波数の整数倍で励振される。さらには、逆流渦Ｖ１や失速渦Ｖ２が、動翼２の回転数以下の回転数で回転していることも考えられる。この場合には、動翼２の励振周波数は回転周波数の整数倍から乖離する可能性がある。

前述のように、低圧蒸気タービン１の低負荷運転時には、逆流渦Ｖ１や失速渦Ｖ２等の複雑な非定常三次元流れが形成される。動翼２への励振周波数が動翼２の固有振動数に近くなると共振が生じる可能性があり、これにより動翼２が破損するおそれがある。

動翼２の異常振動は、低圧蒸気タービン１の外部に設置された振動計等により間接的に計測するのが一般的である。ここで、低圧蒸気タービン１の内部で流体振動を監視するために、動翼２の表面に振動応力センサを設置することが考えられる。この場合、動翼２の異常振動をより直接的に計測することが可能となるが、振動応力センサは長時間の回転遠心力に耐えられないことが問題となる。

そこで、本実施形態では、蒸気流路Ｐ内の流体振動を計測するために、非定常プローブ１１を外側ケーシング４から蒸気流路Ｐに挿入している。

図２は、第１実施形態の非定常プローブ１１の構成を示す側面図および断面図である。図２(ａ)は、非定常プローブ１１の側面を示し、図２(ｂ)は、図２(ａ)のＢ−Ｂ線に沿った断面を示している。

非定常プローブ１１は、その先端部（プローブヘッド１１ａ）に複数の圧力センサ１３を備えている。本実施形態の非定常プローブ１１は、柱形の外形を有しており、計測対象とする流れに対向するように３つの圧力センサ１３を備えている。図２(ｂ)は、これら３つの圧力センサ１３を符号１３ａ〜１３ｃで示している。非定常プローブ１１の断面形状は、図２(ｂ)では円であるが、その他の形状（例えば楕円）でもよい。

本実施形態の圧力センサ１３は、半導体圧力センサである。各圧力センサ１３の感圧面は、流体（ここでは蒸気）に直接に接触している。よって、流体から圧力センサ１３に圧力が作用することでその変形が生じ、ピエゾ効果により圧力センサ１３の電気抵抗が変化する。圧力センサ１３は、このような電気抵抗の変化を不図示のブリッジ回路により電圧信号に変換しているため、時間変化の速い非定常流れの圧力計測が可能となる。このように、圧力センサ１３は、流体機械１内の流体の圧力を電気抵抗の変化により検出し、この検出結果を示す上記の電圧信号をリード線１２へと出力する。

本実施形態では、非定常流れの時間変化が速くても電圧信号の応答遅れが生じないようにするため、圧力センサ１３をプローブヘッド１１ａの表面に配置している。一方、圧力センサ１３をプローブヘッド１１ａの内部に配置し、プローブヘッド１１ａにピトー管のような導圧管を設け、この導圧管を圧力センサ１３と連通させる内蔵形プローブも考えられる。内蔵形プローブは、圧力センサ１３を保護する観点では好ましいが、電圧信号の応答遅れが生じるため、時間変化の速い非定常流れの計測には適さない場合もある。そのため、本実施形態の圧力センサ１３は、プローブヘッド１１ａの内部ではなく表面に配置されている。

図３は、第１実施形態の流体機械監視システムの構成を示す模式図である。

本実施形態の流体機械監視システムは、流体機械１の運転を監視し制御するために設けられており、非定常プローブ１１と、リード線１２と、非定常プローブ１１に設けられた複数の圧力センサ１３と、流体機械監視装置１４と、モータ１５とを備えている。

流体機械監視装置１４は、例えば半導体集積回路により構成されており、計測部１４ａと、演算部１４ｂと、記録部１４ｃと、駆動部１４ｄとを備えている。モータ１５は、矢印Ｒで示すように非定常プローブ１１を回転させることで、各圧力センサ１３の位置を変化させることができる。流体機械監視装置１４およびモータ１５の詳細については、後述する。

図４は、第１実施形態における圧力計測について説明するための断面図である。

各圧力センサ１３で得られた電圧信号は、上述のようにリード線１２に出力され、流体機械監視装置１４に入力される。計測部１４ａは、各圧力センサ１３からの電圧信号に基づいて、各圧力センサ１３の位置における流体の圧力の計測値を算出する。具体的には、電圧信号の値が圧力値に換算される。

図４は、圧力センサ１３ａの位置における流体の圧力の計測値ｐ_１と、圧力センサ１３ｂの位置における流体の圧力の計測値ｐ_２と、圧力センサ１３ｃの位置における流体の圧力の計測値ｐ_３とを示している。計測値ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３はそれぞれ、圧力センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃで得られた電圧信号から算出される。このように、計測部１４ａは、複数の圧力センサ１３からの電圧信号に基づいて、流体機械１内の複数箇所（非定常プローブ１１の表面の複数箇所）における流体の圧力の計測値を算出する。

符号Ｆは、非定常プローブ１１に到来し、非定常プローブ１１による計測対象となる蒸気流れを示している。さらに、符号ｐ_０、ｕ_０、βはそれぞれ、この蒸気流れＦの圧力、流速、流入角を示している。具体的には、圧力ｐ_０は、蒸気流れＦの圧力の大きさを表し、流速ｕ_０は、蒸気流れＦの流速の大きさを表す。

演算部１４ｂは、上記の圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３に基づいて、蒸気流れＦの圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βの時系列値を演算する。この演算において、演算部１４ｂは、図５および図６に示すような流体力学モデルを使用する。

図５は、第１実施形態の非定常プローブ１１を模擬した円柱１１’まわりの圧力分布の形成メカニズムを説明するための斜視図および矢視図である。

図５(ａ)は、この円柱１１’を示す斜視図であり、図５(ｂ)は、この円柱１１’をＣ方向から見た矢視図である。符号ＡおよびＢは、円柱１１’の表面に位置する点を表す。符号θは、−ｘ方向を基準とする角度を表す。Ａ点は角度θが０度となる点であり、Ｂ点は角度θが９０度となる点である。

ｚ軸に沿って配置された円柱１１’に、＋ｘ方向に向かう蒸気流れＦが到来する場合、流れＦに正対するＡ点では流れＡが堰き止められる。そのため、Ａ点に圧力センサ１３が位置している場合に、この圧力センサ１３により検出される圧力ｐ_Ａは、圧力ｐ_０より高くなる（ｐ_Ａ＞ｐ_０）。

一方、Ａ点から９０度離れたＢ点では、蒸気の流線が円柱１１’の表面にほぼ平行になり、蒸気の流速が速くなる。そのため、Ｂ点に圧力センサ１３が位置している場合に、この圧力センサ１３により検出される圧力ｐ_Ｂは、圧力ｐ_０より低くなる（ｐ_Ｂ＜ｐ_０）。

よって、円柱１１’の表面における圧力分布は、Ａ点で高圧、Ｂ点で低圧となる分布となる。このような圧力分布は、図６に示すように、流体力学的な計算や実験により得ることが可能である。

図６は、第１実施形態の非定常プローブ１１を模擬した円柱１１’まわりの圧力分布の例を示したグラフである。図６の縦軸は、円柱１１’の表面の各点の圧力を表し、図６の横軸は、円柱１１’の表面の各点の角度θを表す。

円柱１１’まわりの圧力分布は、流体（蒸気）のレイノルズ数により変化することが知られてる。レイノルズ数は、流体の粘性率、流速、密度等に依存する。図６は、流体が粘性を有しない理想気体の場合の圧力分布と、流体が粘性を有する実際の流体の場合の場合の３つの圧力分布とを示している。後者に関しては、図６は、流体が高レイノルズ数を有する場合の圧力分布と、流体が低レイノルズ数を有する場合の圧力分布と、流体が事前に想定したレイノルズ数を有する場合の圧力分布とを示している。符号ｐ_Ａ、ｐ_Ｂは、上述の圧力ｐ_Ａ、ｐ_Ｂを示している。なお、θ＝０〜−１８０度における圧力分布は、θ＝０〜１８０度における圧力分布と同一である。

本実施形態では、様々なレイノルズ数における圧力分布の関数形を用意し、これらの関数形を記録部１４ｃに事前に登録しておく。そして、演算部１４ｂは、圧力計測値ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３とこれらの関数形とを比較し、圧力計測値ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３と最もフィットする関数形を選択する。例えば、圧力センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃがそれぞれθ＝４５度、０度、−４５度に位置する場合には、４５度の圧力ｐ_１、０度の圧力ｐ_２、および−４５度の圧力ｐ_３を各関数形と比較する。

そして、演算部１４ｂは、最もフィットする関数形のレイノルズ数に基づいて、流体の圧力ｐ_０および流速ｕ_０を算出する。また、演算部１４ｂは、最もフィットする関数形の極大点などに基づいて、流体の流入角βの算出する。この場合、これらの変数ｐ_０、ｕ_０、βの個数は圧力計測値ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３の個数と同じ３個であるため、一義的にこれらの変数ｐ_０、ｕ_０、βを求めることができる。

演算部１４ｂは、このような演算をサンプリング周期ごとに繰り返すことで、流体の圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βの時系列値を算出することができる。これらの時系列値は、圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βの時間変化の解析等に使用可能である。演算部１４ｂは、算出した圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを記録部１４ｃに逐次記録する。

本実施形態では、計測対象の流体のレイノルズ数を予め想定し、想定したレイノルズ数に近いレイノルズ数を有する関数形を多数用意しておけば、演算部１４ｂの演算を効率的に行うことができる。これらの関数形は、例えば風洞試験により得ることができる。

なお、演算部１４ｂは、計測対象の流体のレイノルズ数が、ある関数形のレイノルズ数と別の関数形のレイノルズ数との間にあると判断した場合には、これらの関数形の補間処理によりレイノルズ数を算出してもよい。これにより、用意しておく関数形の個数を低減することや、算出されるレイノルズ数の精度を高めることが可能となる。

また、圧力分布を示す関数形を記録部１４ｃに記録しておく代わりに、圧力分布を示すその他のデータ（例えばテーブル）を記録部１４ｃに記録しておいてもよい。圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３から変数ｐ_０、ｕ_０、βを求めるのに使用するデータは、どのような形で記録部１４ｃに記録されていてもよい。このようなデータはいずれも、圧力分布の予測データの例に相当する。また、複数のレイノルズ数に対応する複数の関数形を用意しておく代わりに、レイノルズ数をパラメータとして含む１つの関数形を用意しておいてもよい。

また、レイノルズ数から圧力ｐ_０および流速ｕ_０を流体力学的に算出する場合、圧力ｐ_０および流速ｕ_０は一般に、非定常プローブ１１（円柱１１’）の無限遠における流体の圧力および流速を意味する。このようにして算出される圧力ｐ_０および流速ｕ_０は、非定常プローブ１１の直前を流れ、非定常プローブ１１の影響を受ける前の流体の圧力および流速をよく近似するものと考えられる。よって、本実施形態で算出される圧力ｐ_０および流速ｕ_０は、非定常プローブ１１がない場合の非定常プローブ１１の位置での圧力および流速に相当しており、非定常プローブ１１の位置での本来の圧力および流速を表すものと理解することができる。

また、３つの圧力センサ１３ａ〜１３ｃの角度θの平均値が０度から大きくずれている場合、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３から変数ｐ_０、ｕ_０、βを精度良く求めることが難しい。理由は、この場合には一般に、少なくともいずれかの圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３の値が低くなるからである。また、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３のいずれかに異常値が見られる場合にも、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３から変数ｐ_０、ｕ_０、βを精度良く求めることが難しい。

よって、駆動部１４ｄは、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３に基づいて、非定常プローブ１１をモータ１５により回転させ、圧力センサ１３ａ〜１３ｃの位置を変化させる。例えば、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３から算出される角度θの平均値が０度から所定値より大きくずれている場合や、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３のいずれかが異常値である場合には、非定常プローブ１１の回転により圧力センサ１３ａ〜１３ｃの位置が調整される。これにより、変数ｐ_０、ｕ_０、βを精度良く求めることが可能となる。

なお、互いに隣接する圧力センサ１３間の角度は、小さすぎず、かつ、大きすぎない値とすることが望ましい。理由は、角度が小さすぎると、これらの圧力センサ１３の圧力計測値の差がでにくくなり、角度が大きすぎると、少なくともいずれかの圧力センサ１３の圧力計測値が低くなるからである。よって、互いに隣接する圧力センサ１３間の角度は、例えば２０〜７０度に設定することが望ましく、例えば３０度、４５度、または６０度に設定することが望ましい。

以上のように、本実施形態では、非定常プローブ１１に設けられた複数の圧力センサ１３ａ〜１３ｃにより流体の圧力を検出して複数の圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３を取得し、これらの圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３に基づいて流体の圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βの時系列値を演算する。

よって、本実施形態によれば、動翼面上に設置される振動応力センサとは異なり、これらの圧力センサを長時間運転に使用することが可能となる。また、流体の流速は一般に圧力センサ１３により計測することはできないが、本実施形態によれば、複数の圧力センサ１３ａ〜１３ｃによる複数の圧力計測値ｐ_１〜ｐ_３から流体の流速ｕ_０を演算するという形で、流体の流速ｕ_０を取得することが可能となる。よって、本実施形態によれば、長時間運転に使用可能で、かつ、流体の圧力および流速を取得可能な流体機械監視システムを実現することが可能となる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の非定常プローブ１１の構成を示す側面図および断面図である。図７(ａ)は、非定常プローブ１１の側面を示し、図７(ｂ)は、図７(ａ)のＤ−Ｄ線に沿った断面を示している。

本実施形態の非定常プローブ１１は、第１実施形態の非定常プローブ１１と同様に、その先端部（プローブヘッド１１ａ）に複数の圧力センサ１３を備えている。ただし、本実施形態の圧力センサ１３の個数は、６つとなっている。図７(ｂ)は、これら６つの圧力センサ１３を符号１３ａ〜１３ｆで示している。圧力センサ１３ａ〜１３ｆは、非定常プローブ１１を環状（円状）に包囲するように設けられている。

互いに隣接する圧力センサ１３間の角度は、例えば２０〜７０度に設定することが望ましい。本実施形態では、互いに隣接する圧力センサ１３間の角度が、６０度に設定されている。

図８は、第２実施形態における圧力計測について説明するための断面図である。

図８は、上述の計測値ｐ_１〜ｐ_３に加えて、圧力センサ１３ｄの位置における流体の圧力の計測値ｐ_４と、圧力センサ１３ｅの位置における流体の圧力の計測値ｐ_５と、圧力センサ１３ｆの位置における流体の圧力の計測値ｐ_６とを示している。これらの圧力計測値ｐ_１〜ｐ_６はそれぞれ、圧力センサ１３ａ〜１３ｆで得られた電圧信号から算出される。

本実施形態では、圧力計測値ｐ_１〜ｐ_６のうち３つが判明すれば、これら３つの圧力計測値から流体の圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを求めることができる。そこで、演算部１４ｂは、計測対象の流れに対向する３つの圧力センサ１３の圧力計測値を選別し、選別した３つの圧力計測値に基づいて圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを計算する。これにより、圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを精度良く求めることが可能となる。演算部１４ｂは例えば、図６(ｂ)に示す角度θの絶対値が小さい３つの圧力センサ１３を選別することで、このような計算を行うことができる。

本実施形態によれば、駆動部１４ｄにより圧力センサ１３ａ〜１３ｆの位置を調整せずに、圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを精度良く求めることが可能となる。よって、本実施形態の流体機械監視システムは、駆動部１４ｄおよびモータ１５を備えていなくてもよい。ただし、本実施形態においても圧力センサ１３ａ〜１３ｆの位置を調整することが望ましい場合には、流体機械監視システムは、駆動部１４ｄおよびモータ１５を備えていてもよい。

一方、第１実施形態には、圧力センサ１３を設置する個数を低減できるという利点がある。一般に、半導体圧力センサは高価であるため、圧力センサ１３を設置するコストを抑えたい場合には、第１実施形態を採用することが考えられる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の非定常プローブ１１の構成を示す側面図および断面図である。図９(ａ)は、非定常プローブ１１の側面を示し、図９(ｂ)は、図９(ａ)のＥ−Ｅ線に沿った断面を示している。

本実施形態の非定常プローブ１１は、第２実施形態の非定常プローブ１１と同様に、その先端部（プローブヘッド１１ａ）に複数の圧力センサ１３を備えている。ただし、第２実施形態の圧力センサ１３が、１個の環をなすように設けられているのに対し、第３実施形態の圧力センサ１３は、複数個の環をなすように設けられている。本実施形態の圧力センサ１３の個数は１８個となっており、各環が、第２実施形態と同様に、６つの圧力センサ１３により構成されている（図９(ｂ)）。これらの環の個数は、３個に限定されるものではなく、また、互いに隣接する環同士の間隔は、等間隔でも非等間隔でもよい。

本実施形態の演算部１４ｂは、計測対象の流れに対向する３つの圧力センサ１３の圧力計測値を環ごとに選別し、圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを環ごとに算出する。その結果、第１の環のｐ_０、ｕ_０、βと、第２の環のｐ_０、ｕ_０、βと、第３の環のｐ_０、ｕ_０、βとが算出される。

よって、本実施形態によれば、流体の流れのｚ方向における差異を解析することが可能となり、三次元流れをより適切に解析することが可能となる。その結果、空間的な広がりを有する渦流れや流体振動などを把握することが可能となる。

（第４実施形態）
図１０は、第４実施形態の流体機械監視システムの演算部１４ｂの解析プロセスを示す流れ図である。

図６を参照して説明したように、プローブヘッド１１ａの表面における圧力分布は、計測対象の流れ場の属性に応じて変化し、具体的には、レイノルズ数に応じて変化する。レイノルズ数の定義式によれば、レイノルズ数は流速ｕ_０に比例する。

一方、演算部１４ｂは、第１実施形態で説明したように、流体の圧力計測値からフィッティングや補間処理によりレイノルズ数を特定し、特定したレイノルズ数から各時刻の圧力ｐ_０や流速ｕ_０を算出する（ステップＳ１）。本実施形態の演算部１４ｂはその後、この流速ｕ_０に基づいて改めてレイノルズ数を算出し（ステップＳ２）、ステップＳ１のレイノルズ数とステップＳ２のレイノルズ数との間に差異がある場合には、この差異が縮小するように、図６に示す圧力分布の関数形の各々を修正する（ステップＳ３）。圧力分布の関数形は、圧力分布の予測データの例である。以下、圧力分布の関数形を、関数形ｆとも表記する。

ステップＳ３の修正は、例えば次のように行われる。まず、関数形ｆをパラメータｋを含む形で規定しておき、パラメータｋの初期値をデフォルト値（例えば１）に設定する。そして、ステップＳ３で関数形ｆを修正する必要が生じるごとに、パラメータｋの値を元の値から変更することで関数形ｆを修正する。

演算部１４ｂは、ステップＳ１〜Ｓ３の処理を複数の時刻において繰り返し実行する。例えば、ある時刻に関数形ｆを修正した場合には、その次の時刻の圧力ｐ_０や流速ｕ_０を修正された関数形ｆに基づいて算出する。これにより、流体の圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βをより高精度に求めることが可能となる。

（第５実施形態）
図１１は、第５実施形態の非定常プローブ１１の構成を示す側面図および断面図である。図１１(ａ)は、非定常プローブ１１の側面を示し、図１１(ｂ)は、図１１(ａ)のＦ−Ｆ線に沿った断面を示している。

本実施形態の圧力センサ１３は、第３実施形態の圧力センサ１３と同様に、複数個の環をなすように設けられている。ただし、本実施形態では、第３実施形態の１８個の圧力センサ１３のうちの少なくとも１つが、温度センサ１６に置き換えられている。図１１(ｂ)は、第３実施形態の圧力センサ１３ｆが、温度センサ１６に置き換えられた様子を示している。

温度センサ１６は、流体機械１内の流体の温度を検出し、この検出結果を示す信号をリード線１２を介して流体機械監視装置１４に出力する。計測部１４ａまたは演算部１４ｂは、温度センサ１６からの信号に基づいて、温度センサ１６の位置における流体の温度の計測値を得ることができる。計測部１４ａが温度の計測値を得る構成の場合には、計測部１４ａから演算部１４ｂに当該計測値が提供される。

上述のように、レイノルズ数は、流体の粘性率、流速、密度等の物性値に依存するが、これらの物性値は、流体の温度に依存する。レイノルズ数の温度依存性は、多くの場合は無視できるが、高精度の解析を行う場合には考慮に入れることが望ましいこともある。そこで、本実施形態の演算部１４ｂは、上記の温度計測値に基づいて、圧力分布の関数形ｆを修正する。この処理の詳細を、図１２を参照して説明する。

図１２は、第５実施形態の流体機械監視システムの演算部１４ｂの解析プロセスを示す流れ図である。本実施形態では、上記のステップＳ１とステップＳ２との間に、以下のステップＳ４〜Ｓ７を実行する。

まず、演算部１４ｂは、ステップＳ１において、流体の圧力計測値からフィッティングや補間処理によりレイノルズ数を特定し、各時刻の圧力ｐ_０や流速ｕ_０を算出する。次に、演算部１４ｂは、流体の温度計測値を取得し（ステップＳ４）、温度計測値を用いて流体の上記物性値を修正し、修正された物性値を用いて改めてレイノルズ数を算出する（ステップＳ５）。

次に、演算部１４ｂは、ステップＳ１のレイノルズ数とステップＳ５のレイノルズ数との間の差異が縮小するように、圧力分布の関数形ｆの各々を修正する（ステップＳ６）。そして、演算部１４ｂは、ステップＳ６およびＳ７の修正を反映してステップＳ１と同様の処理を実行し、各時刻の圧力ｐ_０や流速ｕ_０を再度算出する（ステップＳ７）。

演算部１４ｂは、これらの処理を複数の時刻において繰り返し実行する。これにより、流体の圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを、流体の温度を考慮に入れてより高精度に求めることが可能となる。

（第６実施形態）
以下、第６実施形態の流体機械監視システムについて説明する。本実施形態の流体機械監視システムは、第５実施形態の流体機械監視システムの変形例である。具体的には、非定常プローブ１１が、複数個の環をなすように圧力センサ１３を備えており（図１１(ａ)および図１１(ｂ)を参照）、演算部１４ｂが、流体の流速や温度に基づいて圧力分布の関数形ｆを修正する。

逆流渦Ｖ１や失速渦Ｖ２などの非定常三次元流れを計測対象とする場合、圧力センサ１３の環の位置によって、算出される流速ｕ_０の値が異なることがある。そこで、本実施形態の演算部１４ｂは、上記のステップＳ１〜Ｓ７を環ごとに実行する。よって、ステップＳ３やステップＳ６では、圧力分布の関数形ｆが環ごとに修正される。例えば、第１の環に関する関数形ｆを大きく修正し、第２の環に関する関数形ｆをわずかに修正するような個別的な修正が可能となる。

よって、本実施形態によれば、流体の圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および流入角βを、環の位置を考慮に入れてより高精度に求めることが可能となる。

（第７実施形態）
図１３は、第７実施形態の流体機械１の構成を示す断面図である。図１３(ａ)は、流体機械１を中心軸に沿って切断した断面（子午面断面）を示し、図１３(ｂ)は、図１３(ａ)のＧ−Ｇ線に沿った断面を示している。

本実施形態では、蒸気流路Ｐ内の流体振動を計測するために、非定常プローブ１１と非定常プローブ２１とを外側ケーシング４から蒸気流路Ｐに挿入している。非定常プローブ２１は、非定常プローブ１１と同様の構造や機能を有しており、図１３(ｂ)に示すように非定常プローブ１１の回転周方向に配置されている。非定常プローブ２１は、リード線２２により流体機械監視装置１４に接続されている。

本実施形態によれば、流体の流れの回転周方向における差異を解析することが可能となり、三次元流れをより適切に解析することが可能となる。その結果、空間的な広がりを有する渦流れや流体振動などを把握することが可能となる。さらには、逆流域の拡大や動翼の失速状況などの広範囲の流動特性を明らかにすることが可能となり、ランダム振動や失速フラッタなど低負荷運転特有の翼振動現象解明に向けた有用なデータを提供することが可能となる。

なお、非定常プローブ２１は、非定常プローブ１１の回転周方向に位置していなくてもよく、例えば、非定常プローブ１１の流体軸方向に位置していてもよい。また、本実施形態の流体機械監視システムは、３つ以上の非定常プローブを備えていてもよい。

（第８実施形態）
図１４は、第８実施形態の流体機械１の構成を示す断面図である。図１４は、流体機械１を中心軸に沿って切断した断面（子午面断面）を示している。

本実施形態では、蒸気流路Ｐ内の流体振動を計測するために、非定常プローブ３１を外側ケーシング４から蒸気流路Ｐに挿入している。非定常プローブ３１は、非定常プローブ１１と同様の機能を有しているが、非定常プローブ１１と異なりＬ字形状を有している。具体的には、非定常プローブ３１は、円柱形の外形を有するプローブ本体３１ａと、プローブ本体３１ａの側面に設けられたプローブヘッド３１ｂとを備えている。非定常プローブ３１は、リード線３２により流体機械監視装置１４に接続されている。

図１５は、第８実施形態の非定常プローブ３１の構成を示す斜視図および矢視図である。図１５(ａ)は、非定常プローブ３１のプローブヘッド３１ｂを示す斜視図であり、図１５(ｂ)は、プローブヘッド３１ｂをＨ方向から見た矢視図である。

図１５(ａ)および図１５(ｂ)に示すように、プローブヘッド３１ｂの先端部は半球形の外形を有している。そして、プローブヘッド３１ｂは、この半球面に複数の圧力センサ３３を備えている。これらの圧力センサ３３は、符号３３ａ〜３３ｅで示されている。圧力センサ３３の構造や機能は、上述の圧力センサ１３と同様である。

具体的には、圧力センサ３３ａは、プローブヘッド３１ｂの半球面の中心に配置されている。圧力センサ３３ｂ、３３ｃはそれぞれ、この半球面上において圧力センサ３３ａの左右に配置されている（図１５(ｂ)）。圧力センサ３３ｄ、３３ｅはそれぞれ、この半球面上において圧力センサ３３ａの上下に配置されている（図１５(ｂ)）。

このように、圧力センサ３３ａ〜３３ｅは、三次元的にカーブした表面上に三次元的に分布するように配置されている。例えば、第１〜第７実施形態のプローブヘッド１１ａの表面は円柱面であり、これはｘ方向およびｙ方向に二次元的にカーブした曲面である。一方、本実施形態のプローブヘッド３１ｂの表面は半球面であり、これはｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向に三次元的にカーブした曲面となっている。

さらに、第１実施形態の圧力センサ１３ａ〜１３ｃや、第２実施形態の圧力センサ１３ａ〜１３ｆは、同じ平面（ｘｙ平面）上に配置されており、従って、二次元的に分布するように配置されている。一方、本実施形態の圧力センサ３３ａ〜３３ｅは、同じ平面上に配置されておらず、従って、三次元的に分布するように配置されている。

このような圧力センサ３３ａ〜３３ｅの配置によれば、計測対象の流れの三次元性をより正確に把握可能な圧力計測を実現することが可能となる。なお、圧力センサ３３ａ〜３３ｅを三次元的にカーブした表面上に三次元的に分布するよう配置可能であれば、プローブ本体３１ａの外形は円柱形でなくてもよいし、プローブヘッド３１ｂの外形は半球形でなくてもよい。

なお、流体力学上、円柱まわりの流れは圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および１つの角度（流入角β）により解析されるが、半球まわりの流れは圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および２つの角度により解析される。よって、本実施形態の演算部１４ｂは、４個の圧力計測値からこれら４つの変数（圧力ｐ_０、流速ｕ_０、および２つの角度）の値を算出する。そのため、本実施形態の演算部１４ｂは、第２実施形態の演算部１４ｂと同様に、計測対象の流れに対向する４つの圧力センサ１３の圧力計測値を選別し、選別した４つの圧力計測値に基づいてこれらの変数の値を算出する。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステム、装置、および方法は、その他の様々な形態にて実施することができる。また、本明細書で説明したシステム、装置、および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：流体機械（低圧蒸気タービン）、２：動翼、３：タービンロータ、
４：外側ケーシング、５：静翼、６：内側ケーシング、
１１：非定常プローブ、１１ａ：プローブヘッド、１２：リード線、
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ：圧力センサ、
１４：流体機械監視装置、１４ａ：計測部、１４ｂ：演算部、
１４ｃ：記録部、１４ｄ：駆動部、１５：モータ、１６：温度センサ、
２１：非定常プローブ、２２：リード線、
３１：非定常プローブ、３１ａ：プローブ本体、３１ｂ：プローブヘッド、
３２：リード線、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ：圧力センサ

Claims (14)

1. 流体機械内の流体の圧力を検出する複数の圧力センサが設けられた検出装置と、
   前記複数の圧力センサからの信号に基づいて、前記流体機械内の複数箇所における前記流体の圧力の計測値を算出する計測部と、
   前記複数箇所における前記流体の圧力の計測値に基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する演算部と、
   を備える流体機械監視システム。
2. さらに、前記複数箇所における前記流体の圧力の計測値に基づいて、前記圧力センサの位置を変化させる駆動部を備える、請求項１に記載の流体機械監視システム。
3. 前記圧力センサは、前記検出装置の表面に設けられている、請求項１または２に記載の流体機械監視システム。
4. 前記演算部は、流体力学上の無限遠における前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体機械監視システム。
5. 前記圧力センサは、前記検出装置に環状に設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体機械監視システム。
6. 前記圧力センサは、複数個の環をなすように設けられている、請求項５に記載の流体機械監視システム。
7. 前記演算部は、前記流体の圧力の計測値と、前記流体の圧力分布の予測データとに基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する、請求項１から６のいずれか１項に記載の流体機械監視システム。
8. 前記演算部は、演算した各時刻の流速に基づいて、前記予測データを修正する、請求項７に記載の流体機械監視システム。
9. 前記検出装置はさらに、前記流体機械内の前記流体の温度を検出する少なくとも１つの温度センサを備え、
   前記演算部は、検出された各時刻の温度に応じて、前記予測データを修正する、請求項７または８に記載の流体機械監視システム。
10. 前記演算部は、前記流体の圧力の計測値と、前記流体の圧力分布の予測データとに基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算し、前記予測データを前記環ごとに修正する、請求項６に記載の流体機械監視システム。
11. 前記検出装置として、前記流体機械内の互いに異なる位置に設けられた複数の検出装置を備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の流体機械監視システム。
12. 前記複数の圧力センサは、三次元的にカーブした表面上に三次元的に分布するように配置されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の流体機械監視システム。
13. 流体機械内の流体の圧力を検出する複数の圧力センサからの信号に基づいて、前記流体機械内の複数箇所における前記流体の圧力の計測値を算出する計測部と、
    前記複数箇所における前記流体の圧力の計測値に基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する演算部と、
    を備える流体機械監視装置。
14. 流体機械内の流体の圧力を検出する複数の圧力センサからの信号に基づいて、前記流体機械内の複数箇所における前記流体の圧力の計測値を算出し、
    前記複数箇所における前記流体の圧力の計測値に基づいて、前記流体の圧力および流速の時系列値を演算する、
    ことを備える流体機械監視方法。

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