JP3663609B2

JP3663609B2 - ガスタービンの動翼故障診断方法および装置

Info

Publication number: JP3663609B2
Application number: JP12671696A
Authority: JP
Inventors: 秀靖飯沼; 健一中洲; 伸也皆川
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2016-05-22
Also published as: JPH09310604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用および航空用のガスタービンの動翼故障診断方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービン動翼の破損は、エンジン本体に大きな損傷を引き起こす。この動翼の破損は、まずクリープが発生し、そのクリープが進行するとクラックが発生し、そして、そのクラックが進行することにより発生する。また、何らかの理由で動翼にクラックが発生し、そのクラックが進行して破損に至ることもある。そこで、この動翼のクラックの発生を発見するために、従来は、動翼の破損しやすい部分にクラックゲージを貼付し、そのクラックゲージの抵抗値をテレメータなどで伝達して監視していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のガスタービンの動翼故障診断方法および装置では、クラックの発生は各動翼によって異なるため、全動翼にクラックゲージを貼付する必要があるが、現実には困難である。しかも、クラックの発生しやすいと思われる部分にしかクラックゲージを貼付することができない。したがって、動翼の破損を検出することができる範囲が非常に狭かった。また、クラックが発生した部分のクラックゲージは、再び使用することができないため、新しいものに交換する必要があった。さらに、クラックゲージの抵抗値を伝達するテレメータを既存のガスタービンに設置することが困難である、などの問題点があった。
【０００４】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、ガスタービン運転中における動翼のクラックの発生を確実に検知することができ、その取り付けが容易で、しかも寿命が長いガスタービンの動翼故障診断方法および装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガスタービン運転中における、ガスタービンの各動翼の固有振動数を計測し、その固有振動数を監視することにより、クラックの発生を検知し、ガスタービンの動翼の破損を防止する、ことを特徴とするガスタービンの動翼故障診断方法が提供される。
【０００６】
ガスタービン運転中において、動翼は円周方向で振動している。その振動振幅の変化から共振点を知ることができ、さらに、その共振点での回転数から各動翼の固有振動数を求めることができる。そして、ガスタービンの動翼にクラックが発生すると、その動翼の振動が変化し、固有振動数も変化する。したがって、この固有振動数の変化を監視すれば、動翼のクラックの発生を検知することができ、ガスタービンの動翼の破損を防止することができる。
【０００７】
また、本発明によれば、ガスタービン運転中における、ガスタービンの各動翼の通過するタイミングを計測するセンサと、上記通過タイミングのデータから、各動翼の振動の共振点を検出する共振点検出装置と、上記共振点のデータから、各動翼の固有振動数を求めるとともに、その固有振動数を監視し、固有振動数が変化したときに異常検出信号を発信する固有振動数監視装置と、からなることを特徴とするガスタービンの動翼故障診断装置が提供される。
【０００８】
上述の本発明の構成によれば、上記センサにより、ガスタービン運転中における、各動翼の通過タイミングを計測することができ、上記共振点検出装置により、各動翼の共振点を検出することができ、上記固有振動数監視装置により各動翼の固有振動数を求めることができる。そして、その固有振動数の変化を監視すれば、クラックの発生を検知することができる。固有振動数が変化したときには、異常検出信号が発信され、ガスタービンの運転を停止し、動翼の交換などの手段を施して、ガスタービンの動翼の破損を防止する。また、ガスタービンのケーシングにセンサを接続するだけでよいため、その取り付けが容易であり、既存のガスタービンにも取り付けることができる。さらに、センサは、クラックゲージのように短命の消耗品ではないので、装置の延命化を図ることができる。
【０００９】
さらに、本発明の実施の形態によれば、上記共振点検出装置は、上記センサにより計測される各動翼の通過タイミングのデータと、各動翼が振動していないときの通過タイミングのデータとから、各動翼の通過タイミングのズレを検出し、その通過タイミングのズレの値の正負が逆転した瞬間、または、その通過タイミングのズレの絶対値が最大になった瞬間を共振点として検出することが好ましく、上記固有振動数監視装置は、上記共振点検出装置により検出された各動翼の共振点のデータから、共振点での振動周期を計算し、その周期の逆数を固有振動数として導出し、その固有振動数が変化したときの変化率が、しきい値を越えたときに異常検出信号を発信することが好ましい。
【００１０】
上述の本発明の実施の形態の構成によれば、ガスタービン運転中における、ガスタービンの各動翼の固有振動数を計測し、その固有振動数を監視することができる。したがって、クラックの発生を検知し、ガスタービンの動翼の破損を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１から図６を参照して説明する。
図１は、本発明のガスタービンの動翼故障診断装置を示す全体構成図である。なお、ガスタービンについては、その動翼１とシャフト２のみを示している。本発明のガスタービンの動翼故障診断方法は、ガスタービン運転中における、ガスタービンの各動翼の固有振動数を計測し、その固有振動数を監視することにより、クラックの発生を検知し、ガスタービンの動翼の破損を防止しようとするものである。そして、図１に示すように、本発明のガスタービンの動翼故障診断装置は、ガスタービンの各動翼１の通過するタイミングを計測する第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂと、シャフトの通過するタイミングを計測する基準センサ４と、それらのセンサ３ａ，３ｂ，４により計測された各動翼１の通過タイミングから、各動翼１の振動の共振点を検出する共振点検出装置と、その共振点検出装置により検出された共振点から、各動翼の固有振動数を求めるとともに、その固有振動数を監視し、固有振動数が変化したときに異常検出信号を発信する固有振動数監視装置と、からなるものである。なお、この共振点検出装置および固有振動数監視装置は制御装置として一体に構成してもよい。
【００１２】
各動翼１の通過するタイミングを計測するセンサは、動翼１の振動の大きな部分に設けられるのが好ましい。したがって、図１に示すように、動翼１の外周にシュラウドリングが設けられていない場合には、各動翼１の端部を利用して通過タイミングを計測する。この第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂは、動翼１の円周上に適当な間隔を空けてガスタービンのケーシング（図示せず）に設けられており、これらのセンサ３ａ，３ｂを各動翼１が通過するタイミングをそれぞれ計測して、そのデータを共振点検出装置に送信している。また、第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂには、反射型のものが使用されており、動翼１の半径方向にレーザ光を発信し、動翼１の端部で反射するレーザ光を受信して、動翼１の通過タイミングを計測している。さらに、基準センサ４もガスタービンのケーシング（図示せず）に設けられており、上述のセンサ３ａ，３ｂと同様に反射型のものが使用され、シャフト２の半径方向にレーザ光を発信し、シャフト２にマーキングされた目印５から反射するレーザ光を受信して、シャフト２の通過タイミング（すなわちガスタービンの回転周期）を計測している。
【００１３】
上述した第一センサ３ａ，第二センサ３ｂおよび基準センサ４のデータが上記共振点検出装置に送信され、共振点が検出される。その共振点検出装置の作用について、図２から図４を参照して説明する。図２は第一センサ，第二センサおよび基準センサにより動翼およびシャフトの通過タイミングを計測したときの図であり、図３は動翼の振動の様子を示した図であり、図４は動翼の通過タイミングから共振点を検出するときの図である。
【００１４】
図２では、上から順に、基準センサ４，第一センサ３ａ，第二センサ３ｂにより計測された通過タイミングを示しており、第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂにより計測された通過タイミングにおいては、実際に計測された通過タイミングを実線で示し、動翼１が振動していないときの通過タイミングを破線で示している。基準センサ４により計測された通過タイミングの間隔Ｔｕは、シャフト２（ガスタービン）の回転周期を示すとともに、動翼１に番号付けをするものである。第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂは、任意の箇所に取り付けることができるため、予め第一センサ３ａと第二センサ３ｂの間に介在する動翼１の枚数を知ることができる。例えば、第一センサ３ａと第二センサ３ｂの間に２枚の動翼が介在している場合には、図２に示すように、第一センサ３ａにより第１番目に計測された動翼１は、第二センサ３ｂでは第３番目に計測されることになる。したがって、これらの第一センサ３ａ，第二センサ３ｂおよび基準センサ４により各動翼１の通過タイミングを計測することができる。また、第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂにより実際に計測された通過タイミングの間隔をＴｖとし、動翼１が振動していないときの通過タイミングの間隔をＴｂとすると、各動翼１の通過タイミングのズレΔＴ（すなわち、ΔＴ＝Ｔｖ−Ｔｂ）を計算することができる。そして、ガスタービンの回転周期（シャフト２の通過タイミングの間隔）に対する動翼１の通過タイミングのズレΔＴ／Ｔｕの時間の変化を監視することにより、動翼１の振動の共振点を検出することができる。
【００１５】
ここで、図３を参照して動翼の振動の様子について説明する。図３において、横軸は時間の変化を示し、縦軸は動翼１の円周方向を示している。また、縦軸の破線は、動翼１が振動していないときの動翼１の通過タイミングを示している。すなわち、この破線の間隔が図２に示す間隔Ｔｂである。さらに、横軸の破線は、第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂの３つの異なる取り付け箇所Ａ，Ｂ，Ｃを示している。そして、実線で示す波線が、動翼１の振動する様子を示している。すなわち、横軸の破線と波線の交点Ｐ₁と、縦軸の破線と波線の交点Ｐ₂との間隔が、ガスタービンの回転周期に対する動翼１の通過タイミングのズレΔＴ／Ｔｕを示している。この図に示すように、一般に、共振点では振動の振幅が最大になるとともに、共振点を境に振動の位相が変化する。そこで、このガスタービンの回転周期に対する動翼１の通過タイミングのズレΔＴ／Ｔｕを縦軸とし、時間の変化を横軸として図示すると、図４に示すように、異なるパターンの図が得られる。なお、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図３における第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂの取り付け箇所Ａ，Ｂ，Ｃに対応している。図４（Ａ），（Ｃ）では、ガスタービンの回転周期に対する動翼１の通過タイミングのズレΔＴ／Ｔｕの値の正負が逆転する瞬間が共振点であり、図４（Ｂ）では、ガスタービンの回転周期に対する動翼１の通過タイミングのズレΔＴ／Ｔｕの振幅（すなわち、通過タイミングのズレΔＴ／Ｔｕの絶対値）が最大となる瞬間が共振点である。したがって、第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂを動翼１の円周方向のどの箇所に設けても、各動翼１の共振点を検出することができる。
【００１６】
上述した共振点検出装置により検出された共振点のデータが、上記固有振動数監視装置に送信され、各動翼１の固有振動数が監視される。この固有振動数監視装置の作用について、図５を参照して説明する。図５は、固有振動数の時間の変化を示した図である。この図において、横軸は時間の変化を示し、左縦軸は固有振動数を割合（％）で示し、右縦軸はガスタービンの回転数を割合（％）で示している。図に示すように、ガスタービン（シャフト２）は一定の高速回転および低速回転を繰り返している。固有振動数は、共振点検出装置から送信される共振点の振動周期の逆数として各動翼１ごとに導出され、正常時は時間の変化に関わらず一定（１００％）である。そして、クラックの発生により異常な共振点が検出されると、その動翼１の固有振動数は低下する。その固有振動数が正常時のおよそ２〜３％低下すると、動翼１が破損してしまうことが、発明者らの実験の結果から判明しているため、その固有振動数の低下率ΔＦがしきい値Ｌ（Ｌ＜２％）を越えたときに固有振動数監視装置から異常検出信号がガスタービン制御盤などに発信される。異常検出信号が発信されると、自動または手動操作でガスタービンの運転を中止して動翼１の交換をしたり、ガスタービンを低速運転に切り換えて動翼１への負担を軽減させる、などの措置を採ることができる。なお、実際には、しきい値Ｌを低めに設定しておき、固有振動数が少しでも低下したら、異常検出信号を発信するようにしておく方が好ましい。
【００１７】
本発明のガスタービンの動翼故障診断方法および装置は、動翼１の外周にシュラウドリングが設けられている場合にも適用することができる。図６は、シュラウドリングを有する動翼に本発明を適用したときの図である。図に示すように、動翼１の外周にシュラウドリング６が設けられている場合には、上述の第一センサ３ａおよび第二センサ３ｂに代えて投光センサ３ｃおよび受光センサ３ｄを使用する。投光センサ３ｃおよび受光センサ３ｄには、透過型のものが使用されており、ガスタービンのケーシング（図示せず）に、投光センサ３ｃは動翼１の斜め前方に設けられ、受光センサ３ｄは動翼１の斜め後方に設けられている。そして、投光センサ３ｃからレーザ光を発信し、受光センサ３ｄでそのレーザ光を受信することにより、動翼１が通過したときのレーザ光の消失を検知して、動翼１の通過のタイミングを計測している。なお、他の部分については、既に説明したものと同様であるので、その説明については省略する。
【００１８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
上述した本発明のガスタービンの動翼故障診断方法および装置によれば、ガスタービン運転中における、各動翼の固有振動数を監視することができるため、各動翼のクラックの発生を検知することができ、ガスタービンの動翼の破損を防止することができる。また、ガスタービンのケーシングに、動翼の通過タイミングを計測するセンサを接続するだけでよいため、その取り付けが容易であり、既存のガスタービンにも取り付けることができる。さらに、そのセンサは、クラックゲージのような短命の消耗品ではないので、装置の延命化を図ることができる、などの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの動翼故障診断装置を示す全体構成図である。
【図２】第一センサ，第二センサおよび基準センサにより動翼およびシャフトの通過タイミングを計測したときの図である。
【図３】動翼の振動の様子を示した図である。
【図４】動翼の通過タイミングから共振点を検出するときの図である。
【図５】固有振動数の時間の変化を示した図である。
【図６】シュラウドリングを有する動翼に本発明を適用したときの図である。
【符号の説明】
１動翼
２シャフト
３センサ
３ａ第一センサ
３ｂ第二センサ
３ｃ投光センサ
３ｄ受光センサ
４基準センサ
５目印
６シュラウドリング

Claims

ガスタービン運転中における、ガスタービンの各動翼の固有振動数を計測し、その固有振動数を監視することにより、クラックの発生を検知し、ガスタービンの動翼の破損を防止する、ことを特徴とするガスタービンの動翼故障診断方法。
ガスタービン運転中における、ガスタービンの各動翼の通過するタイミングを計測するセンサと、
上記通過タイミングのデータから、各動翼の振動の共振点を検出する共振点検出装置と、
上記共振点のデータから、各動翼の固有振動数を求めるとともに、その固有振動数を監視し、固有振動数が変化したときに異常検出信号を発信する固有振動数監視装置と、
からなることを特徴とするガスタービンの動翼故障診断装置。
上記共振点検出装置は、上記センサにより計測される各動翼の通過タイミングのデータと、各動翼が振動していないときの通過タイミングのデータとから、各動翼の通過タイミングのズレを検出し、その通過タイミングのズレの値の正負が逆転した瞬間、または、その通過タイミングのズレの絶対値が最大になった瞬間を共振点として検出する、請求項２に記載のガスタービンの動翼故障診断装置。
上記固有振動数監視装置は、上記共振点検出装置により検出された各動翼の共振点のデータから、共振点での振動周期を計算し、その周期の逆数を固有振動数として導出し、その固有振動数が変化したときの変化率が、しきい値を越えたときに異常検出信号を発信する、請求項２または請求項３に記載のガスタービンの動翼故障診断装置。