JP5197537B2 - 蒸気タービン内の液滴計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン内に設置され、光ファイバを用いて湿り蒸気である液滴の液滴径と速度を計測する光ファイバプローブ（以下、「光プローブ」という）による液滴計測装置に関する。

蒸気タービンを用いて発電機を駆動する発電プラントにおいて、低圧タービンには飽和蒸気に近い蒸気が導入されるので、最終段の近くでは、蒸気は湿り蒸気となって大量の水滴を含有し、動翼のエロージョンの発生原因となったり、翼性能の性能低下を招来する恐れがある。したがって、低圧タービンの性能向上のためには、蒸気流中の水滴の挙動を計測、把握することが肝要である。

一般に、この液滴計測装置には、図７に示すような光プローブによる装置などがある。光プローブには、光ファイバ３１の先端をファイバ軸に垂直な方向に対して傾斜している端面３２を有するもの、あるいは端部をコーン状に成形したものなどがある。この傾斜端面あるいはコーン状端面が気相で覆われている場合、光ファイバ３１の端面３２と逆側から入射光３３を入れると、端面３２で光が反射し、反射光３４を得ることができる。

しかしながら、先端に液滴が突き刺さり、端面３２が液相で覆われると、光が液相へ透過し端面で光が反射しない。そこで、この反射光３４を計測することにより、液滴の径と速度を計測する。例えば特許文献１に示される装置は、気泡計測用であるが、上記の液滴計測にも利用可能である。

特許第３０１８１７８号公報

上述した光プローブを蒸気タービン内の液滴計測に利用するには、以下のような課題があった。蒸気タービン内の液滴は様々な方向に飛散している。光プローブは先端と同じ方向に進んで突き刺さった液滴しか精度良く計測することができないため、多方向に飛ぶ液滴を精度良く計測することが課題であった。また、液滴は蒸気流に乗って飛ぶため、光ファイバに液滴が突き刺さるには、光プローブが蒸気流を阻害しない構造とすることが課題であった。更に、光プローブはプローブ１個につき１つの位置及び方向しか計測できないため、多方向へ飛散する数多くの液滴を計測するには、光プローブの位置や方向を逐一変更して計測しなければならず、計測に多くの時間がかかる。このため、一度に多方向の液滴を精度良く計測できる構造とすることも課題であった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、蒸気流を阻害しない構造であって、多方向に飛散する液滴を迅速かつ高精度に計測できる蒸気タービン内の液滴計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の蒸気タービン内の液滴計測装置は、光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、前記光ファイバを内部に格納する液滴防護筒と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバを支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする。

また、本発明の蒸気タービン内の液滴計測装置は、光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、前記光ファイバ、及び前記光ファイバの先端と同一の方向を向いており蒸気流の動圧を計測する動圧計測管を内部に格納する液滴防護筒と、前記蒸気流の動圧が最大となるよう前記液滴防護筒の向きを調整する機構と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバ及び前記動圧計測管を支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする。

また、本発明の蒸気タービン内の液滴計測装置は、光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、前記光ファイバ及び前記光ファイバの先端と同一の方向を向いており液滴の画像を得る内視鏡を内部に格納する液滴防護筒と、前記液滴の画像に基づいて前記液滴防護筒の向きを調整する機構と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバ及び前記内視鏡を支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする。

また、本発明の蒸気タービン内の液滴計測装置は、光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、前記液滴計測装置は、異なる向きに複数設置した光ファイバと、前記光ファイバと同軸上に液滴通過孔を設けたカバーとを備えたことを特徴とする。

本発明により、蒸気タービン内の蒸気流を阻害せず、多方向に飛散する液滴を迅速かつ高精度に計測できる。

本発明の実施形態１に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図。 同液滴計測装置のＡ−Ａ線の矢視断面図。 本発明の実施形態２に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図。 同液滴計測装置の概要を示す上面図。 本発明の実施形態３に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図。 本発明の実施形態４に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図。 従来の光プローブを用いた液滴計測装置の一例を示す図。

以下、本発明の実施形態に係る蒸気タービン内の光プローブを用いた液滴計測装置について、図面を参照して説明する。実施形態２以降において、実施形態１と共通する点については、説明を省略する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光プローブを用いた液滴計測装置（センサ）の概要を示す正面断面図であり、図２は、同液滴計測装置のＡ−Ａ線の矢視断面図である。

本センサにおいて、光ファイバ１は、液滴防護筒２内に格納され、液滴防護筒２の内部で支持板４_１に支持されている。支持板４_１に複数個の液滴流出孔５_１が設けられている。光ファイバ１は保護チューブで被覆されたファイバケーブル３として延長される。光プローブを構成する光ファイバ１は平行な２本の場合について図示しているが２本以上でも構わない。

液滴防護筒２上部より液滴Ｄを含んだ蒸気流ｆが流入し、液滴Ｄが光ファイバ１に突き刺さることにより液滴速度及び液滴径を測定する。液滴防護筒２により、液滴Ｄの方向が規制されるので、光ファイバ１の先端に液滴Ｄが斜めに当たることを防止し、誤信号を防ぐことができる。加えて、高速で衝突する液滴Ｄによる光ファイバ１の破損を防止することができる。

液滴防護筒２に流入した蒸気及び液滴Ｄは、液滴防護筒２の側面に設けられた流出孔から流出させたとすると、蒸気流が流入する方向と流出方向が９０度曲がることになり、流出が規制され流入蒸気を制限する可能性がある。本実施形態では、光ファイバ１、液滴防護筒２、及び液滴流出孔５_１の向きが平行であり、蒸気流が流入する方向と流出方向が同一方向になるため、流出が制限されることがなくなり、より精度の良い液滴計測が可能となる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図であり、図４は、同液滴計測装置の概要を示す上面図である。

光ファイバ１は液滴防護筒２内に格納され、液滴Ｄの方向が規制されるが、それでも、液滴Ｄが光ファイバ１に対して斜めに当たり、光ファイバ１を貫通せずに、光ファイバ上面を接触するが滑って光ファイバ１を逸れる場合がある。この場合、光ファイバ１からの計測信号は誤信号となる。液滴Ｄが進む方向に対して正確に垂直な位置に光ファイバ１がないと、液滴径及び速度をより精度良く計測することはできない。

すなわち、蒸気タービン内の液滴Ｄはその進行方向は一様でなく、様々な進行方向と径分布をもって飛散している。例えば、静翼と動翼の間の液滴Ｄを計測する場合、静翼の後縁から飛散する液滴は、静翼の三次元的形状と、静翼に形成された液膜から引きちぎられることによって生成される液滴径によって液滴Ｄの方向は決まり、しかも蒸気タービン中の径方向でも異なる。このとき、光ファイバ１が液滴Ｄの方向に対して垂直な方向に設置されていないと、その場の精度良い平均液滴径及び平均速度を得ることができない。したがって、タービン内の液滴Ｄを計測する場合は、液滴Ｄの方向に対して垂直に光ファイバ１を向けることが課題である。以下、光ファイバ１を格納する液滴防護筒２の向きを調整する機構について説明する。

本センサにおいて、液滴防護筒２内に光ファイバ１と動圧計測管６を格納し、動圧計測管６は、光ファイバ１の先端の向きと同一にして光ファイバ１と隣接して支持板４_２に取り付けられ、蒸気流の動圧を計測する。支持板４_２は十字形であり、液滴流出孔５_２が設けられ、実施形態１とは異なる形状である。光ファイバ１で計測された信号はファイバケーブル６により送信される。
動圧計測管６は、大気圧側に導き、端部に圧力変換器７が接続されている。圧力変換器７からは動圧信号が出力される。

一方、回転制御器８、防護筒回転軸９、アーム回転軸１０、リンクアーム１１、ウォームギア１２、及び駆動モータ１３からなる液滴防護筒２の回転駆動機構が設けられている。駆動モータ１３は、動圧信号が入力される回転制御器８の制御出力により駆動される。駆動モータ１３の回転により、ウォームギア１２を介してリンクアーム１１を左右に移動させ、液滴防護筒２を図３の矢印のように防護筒回転軸９の回りに回転させる。動圧計測管６で計測した蒸気流の動圧が最大となるよう液滴防護筒２の向きを調整する。
なお、回転制御器８の制御出力により液滴防護筒２を防護筒回転軸９の回りに直接回転駆動させるような機構を採用してもよい。

このように、液滴防護筒２の向きが、液滴Ｄの進行方向が一致する位置となり、また、光ファイバ１の向きと同一なため、このとき光ファイバ１が液滴Ｄと垂直に当たることとなる。したがって、蒸気流の動圧の計測値が最大となるよう液滴防護筒２の向きを制御することで、光ファイバ１を液滴Ｄの向きに対して適切な方向に向けることができ、液滴径や速度を精度良く計測することができる。

（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図である。

本センサにおいて、液滴防護筒２内に光ファイバ１及び先端に対物レンズを有する内視鏡１４を格納し、内視鏡１４は、光ファイバ１と並行に、向きを同一として支持板４_１に取り付けられる。実施形態２と同様に、液滴防護筒２の回転駆動機構（不図示）を備えている。

液滴Ｄが内視鏡１４に衝突し、内視鏡１４の画像を目視、又は画像処理して液滴Ｄが垂直に飛来するか、斜めに飛来するかを判別する。液滴Ｄの画像に基づいて飛来方向が判別されると、光ファイバ１が液滴Ｄと垂直に当たるように回転駆動機構により液滴防護筒２を回転させる。
本実施形態によれば、光ファイバ１を液滴Ｄの向きに対して適切な方向に設置することができ、液滴径や速度を精度良く計測することができる。

（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４に係る光プローブを用いた液滴計測装置の概要を示す正面断面図である。

本センサにおいて、光プローブを構成する例えば２本の光ファイバ２１が多方向に向けて複数設けられ、複数の光ファイバ２１の周囲は球形あるいは半球形の金属製のカバー２４で覆われる。カバー２４には光ファイバ２１の同軸上に液滴通過孔２５が設けられている。カバー２４はファイバケーブル２６を保護する保護管２７に連設されている。液滴通過孔２５を通過した蒸気及び液滴は、保護管２７の空洞内に流れる。

本実施形態によれば、光ファイバ２１を多方向に設置することにより、多方向に飛散する液滴を一度に計測でき、更に各光ファイバ２１の先端に液滴が斜めに当たることを防止し、誤信号を防ぐことができる。なお、図示のように、各光ファイバ２１は、液滴防護筒２２内に格納され、液滴流出孔を有する支持板２３に支持されているが、これらの液滴防護筒２２と支持板２３を省略することもできる。

Ｄ…液滴、ｆ…蒸気流、１，２１…光ファイバ、２，２２…液滴防護筒、３，２６…ファイバケーブル、４_１，４_２，２３…支持板、５_１，５_２…液滴流出孔、６…動圧計測管、７…圧力変換器、８…回転制御器、９…防護筒回転軸、１０…アーム回転軸、１１…リンクアーム、１２…ウォームギア、１３…駆動モータ、１４…内視鏡、２４…カバー、２５…液滴通過孔、２７…保護管。

Claims (5)

1. 光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、
   前記光ファイバを内部に格納する液滴防護筒と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバを支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置。
2. 光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、
   前記光ファイバ、及び前記光ファイバの先端と同一の方向を向いており蒸気流の動圧を計測する動圧計測管を内部に格納する液滴防護筒と、前記蒸気流の動圧が最大となるよう前記液滴防護筒の向きを調整する機構と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバ及び前記動圧計測管を支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置。
3. 光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、
   前記光ファイバ及び前記光ファイバの先端と同一の方向を向いており液滴の画像を得る内視鏡を内部に格納する液滴防護筒と、前記液滴の画像に基づいて前記液滴防護筒の向きを調整する機構と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバ及び前記内視鏡を支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置。
4. 光ファイバに液滴が当たることにより液滴径と速度を計測する蒸気タービン内の液滴計測装置において、
   前記液滴計測装置は、異なる向きに複数設置した光ファイバと、前記光ファイバと同軸上に液滴通過孔を設けたカバーとを備えたことを特徴とする蒸気タービン内の液滴計測装置。
5. 前記光ファイバの各々を内部に格納する液滴防護筒と、前記液滴防護筒の内部で前記光ファイバを支持する支持板とを備え、前記支持板に液滴流出孔を設けたことを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン内の液滴計測装置。

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