JP4191918B2 - 蒸気タービン損傷評価方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、例えば発電所のタービン設備で脱落酸化スケールに起因して発生するタービンブレードの亀裂やエロージョン等にみられるような異物衝突による損傷評価方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
発電所の蒸気タービン施設では、ボイラから蒸気配管を伝って蒸気がタービンに送られる。この際、蒸気配管の内面に発生した酸化スケール等の異物がタービンの起動時に蒸気により運ばれ、タービンタービンブレードに衝突する。そして、異物の衝突によりこれらブレード等に亀裂やエロージョン等の損傷が生じることとなる。
【0003】
従来では、タービンを停止させての定期点検時に目視検査や蛍光探傷により損傷評価を行っていた。したがって、定期点検時以前に損傷が急激に進行した場合は問題である。一方、発明者らの研究によれば、異物の衝突による材料の損傷と異物衝突の際に生じるAE信号の重心周波数等のAEパラメーターとの間に相関のあることが見いだされた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
かかる実状に鑑みて、本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の目的は、蒸気タービンのブレード損傷に関する予兆現象を捕捉することにより、ブレードの損傷を評価することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の特徴は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのタービンブレード損傷を評価する方法において、前記蒸気タービンに前記複数のブレード段を挟む形で少なくとも2カ所にAEセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のAE信号を前記各AEセンサーで受信し、前記補正用のAE信号の強度を利用して前記各AEセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記各AEセンサーで受信され補正されたAE信号により前記損傷を評価することにある。
【0006】
具体的には、前記各AEセンサーで受信した補正用のAE信号の補正後の強度が両AEセンサー間で同レベルとなるように前記受信感度の補正を行うとよい。
【0007】
また、本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の他の特徴は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価する方法において、前記蒸気タービンにAEセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを加速度センサーを内蔵したインパルスハンマーで打撃し、前記加速度センサーで入射波を受信すると共に補正用のAE信号を前記各AEセンサーで受信し、前記補正用のAE信号の受信振幅Srを前記入射波の振幅である入射振幅Siにより除することで減衰率Qを求め、この減衰率Qにより前記AEセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記AEセンサーで受信され補正されたAE信号により前記損傷を評価することにある。加速度センサーがインパルスハンマーに内蔵され、弾性波の入射側における感度が一定していることから、入射振幅Siで受信振幅Srを除することにより、蒸気タービンの差やAEセンサーの取り付け条件の差による感度の差異を確実に標準化することが可能だからである。
【0008】
本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法のさらに他の特徴は、複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価する方法において、前記蒸気タービンにAEセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のAE信号を前記AEセンサーで受信し、前記補正用のAE信号の強度を利用して前記AEセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記AEセンサーで受信され補正されたAE信号に基づく重心周波数と補正されたAE信号の強度との相関により前記損傷を評価することにある。上記いずれかに記載の特徴において、スケールに起因する信号を前記AEセンサーによりAE信号として検出するとよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図1に示すように、本発明の観測対象となる蒸気タービン1は、二カ所の基礎部2にそれぞれ基礎部3が支持され、各基礎部2,2の近傍にそれぞれ配置された一対の軸受4,4に対して主軸5が回転自在に支持されている。主軸5の図1左側には瓦斯タービンが接続される一方、主軸5の右端には発電器が接続される。
【0010】
主軸5にはぞれぞれ高圧ブレード群6、中圧ブレード群7及び低圧ブレード群8が設けられている。これら各ブレード群6,7,8は、複数のブレードを主軸5の周囲に並べてなるブレード段6a,7a,8aを複数段主軸5の長手方向に並べて構成されている。
【0011】
高圧ブレード群6にはボイラから高圧蒸気入口9を介して蒸気が供給され、主軸5を駆動回転させた後、高圧排気口10を介して排気される。高圧排気口10からの廃棄の一部はボイラで再熱されてから再熱蒸気入口11を経て中圧ブレード群7に供給される。また、高圧排気口10の残分は低圧蒸気入口12を介して中圧ブレード群7及び低圧ブレード群8に供給され、主軸5を駆動回転させて低圧排気口13から排気される。本発明における「損傷」とは、ブレード等に生じる微細な亀裂やエロージョン等の現象をいう。
【0012】
蒸気タービン1をモニタするための蒸気タービン損傷評価装置20は、一対の第一AEセンサー21,第二AEセンサー22、インパルスハンマー23及び評価装置ユニット30を備えている。第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22は各軸受4,4近傍の基礎部3に取り付けられ,高圧ブレード群6、中圧ブレード群7及び低圧ブレード群8から生じるAE(アコースティックエミッション)を主軸5,軸受4を介してそれぞれ受信する。インパルスハンマー23は高圧ブレード群6のブレードを打撃するためのものであって。打撃時のパルスを内蔵された加速度センサーにより受信し、評価装置ユニット30に送信する。
【0013】
評価装置ユニット30は図2に示すように、第一AEセンサー21,第二AEセンサー22にそれぞれ並列に接続されたプリアンプ24,24及びフィルター25,25を備えている。フィルター25は各周波数帯毎に信号を増減させることの可能なディスクリミネーターであって、必要な周波数帯を適宜選択する。第一AEセンサー21,第二AEセンサー22,インパルスハンマー23の出力はレコーダー26を介して記録媒体27に一旦記憶され、又は直接的にパーソナルコンピューター28に送られ、処理される。
【0014】
ボイラや配管の内面に付着し脱落する酸化スケールは、高圧ブレード群6、中圧ブレード群7及び低圧ブレード群8のブレードに衝突し、これらに損傷を与える。特に、高圧高速で最もスケールに侵食され易いのは、高圧ブレード群6の高圧入口ブレード段6xであることが判明した。また、高圧入口ブレード段6xから損傷(侵食)時に生じるAEが最もAEエネルギーが大きいと判明した。
【0015】
したがって、第一AEセンサー21,第二AEセンサー22による高圧入口ブレード段6xからのAEをモニタするには、高圧入口ブレード段6xから生じるAEを第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22のそれぞれにより一定レベルで捕捉するように受信感度を補正すればよい。具体的には、インパルスハンマー23で高圧入口ブレード段6xのブレードを打撃したときにインパルスハンマー23により受信される入射波の振幅を入射振幅Siとする。また、第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22それぞれにより受信される受信波の振幅を受信振幅Srとする。各第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22の減衰率Qは次式により求められる。
【0016】
Q=Sr/Si
【0017】
かかるQを基礎部3に取り付けられた第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22についてそれぞれ求める。そして、第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22による受信信号の振幅にQを乗じて感度補正(減衰補正)を行うことで、高圧入口ブレード段6xのAE信号を第一AEセンサー21及び第二AEセンサー22の双方により同レベルで確実に捕らえることができる。
【0018】
図3は実際に蒸気タービンに広帯域型のセンサーを取り付けて測定を行った結果であり、その横軸は重心周波数、縦軸は受信信号の振幅強度をそれぞれ示している。重心周波数は、衝突により生じたAE信号を一定時間サンプリングし、その周波数スペクトルを用いて重心となる周波数を求めたものである。縦軸の受信信号強度は上記減衰補正を施した信号強度である。
【0019】
図3における信号群A1は、電気ノイズに起因するものであって、重心周波数180〜380kHz程度であるが、受信振幅は低い。信号群A2は通常運転音、信号群A3は弁の開閉音であり、いずれも重心周波数170kHz以下である。信号群A4は上記軸受4,4より発生するノイズに起因する。信号群A5はスケールが発生した場合であり、このスケールに起因して亀裂やエロージョンが進行するため、同信号群は侵食の予兆現象として捕らえられる。そして、侵食が実際に進行する場合には、信号群A5と同程度でさらに高強度の信号である信号群A6の信号が受信されることとなる。したがって、信号群A5,A6に着目することにより、損傷の予兆現象を捕らえることが可能である。
【0020】
中圧ブレード群7,低圧ブレード群8には高圧ブレード群6よりも低圧の流体が通過することから、ブレードが損傷、侵食される確率は低い。したがって、通常は高圧入口ブレード段6xから生じる信号をモニタすれば十分であり、損傷の予兆現象を捕らえた時点で配管等の切替や物理的・化学的なスケール除去を行えばよい。二カ所に分離させて第一AEセンサー21,第二AEセンサー22を設けてあるので、中圧ブレード群7及び低圧ブレード群8が高圧ブレード群6よりも第二AEセンサー22に近いことから、中圧ブレード群7,低圧ブレード群8におけるAEは高圧ブレード群6におけるAEに比較してより高レベルで第二AEセンサー22に受信される。また、高圧ブレード群6の下流側ブレードにおけるAEは高圧入口ブレード段6xにおけるAEに比較してより高レベルで第一AEセンサー21に受信される。したがって、同第一AEセンサー21,第二AEセンサー22の配置によれば、高圧入口ブレード段6x以外で発生する損傷の予兆を見逃すことがない。
【0021】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記実施形態では、AEパラメーターとして、重心周波数を用いた。しかし、AEパラメーターは上記実施形態に限られるものではなく、受信信号の平均周波数やピーク周波数もAEパラメーターに含まれる。
【0022】
上記実施形態の図3で例示したAEパラメーターと受信振幅に基づく平面における信号の分布(マッピング)で損傷の予兆現象を捕捉する手法は、上記タービンの損傷のみでなく、他の損傷についても適用可能である。例えば、滑り軸受の損傷については、「AE信号の強度」として受信信号を積分して求められ「AEエネルギー強度」を用いれば、損傷の予兆現象を捕捉することが可能である。すなわち、本発明にいう「AE信号の強度」には「振幅強度」と「AEエネルギー強度」の双方が含まれる。
【0023】
上記実施形態では、AEセンサ21,22を二カ所に取り付けたが、高圧入口タービン6xのみを評価するのであれば、単一のAEセンサを取り付けるのみでも構わない。また、逆に、AEセンサを3カ所以上に離隔させて取り付けても良い。
【0024】
上記実施形態では、高中低圧ブレード群を一体的に備えた高中低圧蒸気タービンを例示した。しかし、上記軸受4,4間に高中圧ブレード群を一体的に備えた高中圧蒸気タービンを配置し、さらに主軸5の右側に低圧蒸気タービンと発電機とを順次備えた構成を採用してもよい。また、上記軸受4,4間に一対の高圧ブレード群を一体的に備えた高圧蒸気タービンを配置し、主軸5の右側に中圧蒸気タービン及び低圧蒸気タービンと発電機とを順次備えた構成を採用することもできる。本発明にいう「最も高圧段のブレード段」とは、各蒸気タービンにおける最も高圧段のブレード段を意味し、例えば中低圧蒸気タービンでは「中圧ブレード群」において最も高圧段のブレード段を選択すればよい。
【0025】
上記実施形態における重心周波数や受信振幅等の具体的数値はあくまでも例示であって、AEセンサの特性によっても変化する。したがって、本発明はこれらの例示した数値に限定されるものではない。
【0026】
【発明の効果】
このように、上記本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法の特徴によれば、最も危険な高圧入口ブレード段から発生するAE信号を重点的に評価することで、蒸気タービンのブレード損傷に関する予兆現象を確実に捕らえ、ブレードの損傷を蒸気タービンを駆動させたままで評価することが可能となった。また、上述の如く複数のブレード段を挟む形で少なくとも2カ所にAEセンサーを配置し、両AEセンサー間で感度調整を行うことで、他のブレードから生じるAE信号も捕捉でき、その結果、ブレード全体の損傷をより確実に評価することができるようになった。
【0027】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る評価方法の対象となる蒸気タービンとAEセンサー等の関係を示す概略図である。
【図2】本発明に係る蒸気タービン損傷評価方法を実施するための評価装置のブロック図である。
【図3】重心周波数とAE信号強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1:蒸気タービン、2:基礎部、3:シェル、4:軸受、5:主軸、6高圧ブレード群,6a:ブレード段、6x:高圧入口ブレード段、7:中圧ブレード群、7a:ブレード段、8:低圧ブレード群、8a:ブレード段、9:高圧蒸気入口、10:高圧排気口、11:再熱蒸気入口、12:低圧蒸気入口、13:低圧排気口、20:蒸気タービン損傷評価装置、21:第一AEセンサー、22:第二AEセンサー、23:インパルスハンマー、24:プリアンプ、25:フィルター、26:レコーダー、27:記録媒体、28:パーソナルコンピューター、30:評価装置ユニット
Claims (5)
- 複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法であって、
前記蒸気タービンに前記複数のブレード段を挟む形で少なくとも2カ所にAEセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のAE信号を前記各AEセンサーで受信し、前記補正用のAE信号の強度を利用して前記各AEセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記各AEセンサーで受信され補正されたAE信号により前記損傷を評価する蒸気タービン損傷評価方法。 - 前記各AEセンサーで受信した補正用のAE信号の補正後の強度が両AEセンサー間で同レベルとなるように前記受信感度の補正を行う請求項1記載の蒸気タービン損傷評価方法。
- 複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法であって、
前記蒸気タービンにAEセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを加速度センサーを内蔵したインパルスハンマーで打撃し、前記加速度センサーで入射波を受信すると共に補正用のAE信号を前記各AEセンサーで受信し、前記補正用のAE信号の受信振幅Srを前記入射波の振幅である入射振幅Siにより除することで減衰率Qを求め、この減衰率Qにより前記AEセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記AEセンサーで受信され補正されたAE信号により前記損傷を評価する蒸気タービン損傷評価方法。 - 複数のブレード段を有する蒸気タービンのブレード損傷を評価するための蒸気タービン損傷評価方法であって、
前記蒸気タービンにAEセンサーを取り付け、前記ブレード段のうち最も高圧段の入り口近傍における高圧入口ブレード段のブレードを打撃して補正用のAE信号を前記AEセンサーで受信し、前記補正用のAE信号の強度を利用して前記AEセンサーにおける前記受信感度の補正を行い、前記AEセンサーで受信され補正されたAE信号に基づく重心周波数と補正されたAE信号の強度との相関により前記損傷を評価する蒸気タービン損傷評価方法。 - スケールに起因する信号を前記AEセンサーによりAE信号として検出する請求項1〜4のいずれかに記載の蒸気タービン損傷評価方法。
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