JP5940743B2 - タービン翼の損傷検知のための測定法およびタービン - Google Patents

Description

本願発明は、タービンのインペラの翼の損傷早期検知のための測定法と、タービンとに関する。

タービンの翼の損傷を、渦流検査によって調べることが知られている。その際、極小の亀裂を検出するために、プローブが直接製品上で動かされる。

そのような検査は、プローブと翼とが直接接触するので、タービンの駆動中は不可能である。駆動中に起こる損傷はそれゆえ、早くても駆動終了後の次の検査時期に確認できる。

本願発明の課題は、改善された測定法と、当該測定法を実行するように形成されているタービンとを提供することである。

この課題は、請求項１に記載の方法と、請求項６に記載のタービンとによって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項において記載され、かつ明細書において記述されている。

タービンのインペラの翼の損傷早期検知のための本発明に係る測定法において、タービンの駆動中に、翼の翼板の先端部によって横切る際に影響を受ける複数の磁界がそれぞれ、翼の回転方向においてインペラを取り囲む周に沿った複数の箇所で、ほぼ翼の振動方向に並立して発生させられる。複数の箇所で影響を及ぼすことによって、先端部の位置値が算定される。それから位置値から、翼板の位置プロファイルが形成され、位置プロファイルから周波数が算出される。この周波数は、特定の周波数値と比較される。周波数が突然におよび／あるいは大きく変化した場合には、非常事態が検知される。

測定領域はそれぞれ、並立して設けられた複数列のプローブを備える。特にその際、複数の列は互いに、翼の振動方向に対して垂直に延在する方向に設けられている。

したがって、位置を算定するために、重複したデータを用いてよい。翼板の先端部の位置算定は、それによってより確実に実行され得る。

紹介された測定法は、特に蒸気タービンの駆動中に、独立した最終段翼に、永続的なリアルタイム振動測定器をいかにして実装できるかという可能性を示し、かつタービンの損傷からの効果的な保護を提供する。

翼根にひび割れが先行して生じてはいるが、まだはっきりと翼板が引きちぎれる前に、該当する翼での周波数変化を確認し、それに従って、より大きな損傷を効果的に防ぐために、早期にタービンを停止させることが、有利に可能である。

そのような解決法は、あらゆる伝導性のある翼の測定も透磁性のある翼の測定も含む。チタン製あるいはアルミニウム製の翼も、検査可能である。翼の一時的な磁化は、必要ない。

しかも同時に、翼に対する可変の駆動パラメータの作用を算定し、表わすことができる。

さらに、本発明に係る方法はその使用において、タービン技術へのより高い信頼性に貢献する。

本発明に係る測定法の有利な実施形態において、位置値が、位置プロファイルとして正弦曲線に変換される。

それによって、位置プロファイルの波長もしくは周波数が、容易に決定され得る。検査されるべき周波数のための値が、すぐに算出され得る。

本発明に係る測定法の有利なさらなる実施形態において、翼は周期的に、順々に検査される。

それによって、容易なやり方で、インペラのすべての翼が、定期的に検査される。その際周期が短いので、２つの検査の間では、翼の故障は起こり得ない。

本発明に係る測定法の有利なさらなる実施形態において、特定の周波数値は、すでに算出された翼の周波数から決定される。

それによって、個々の翼の異なる振動特性が、非常事態が検知された場合に、考慮される。測定法はそれにより、より正確になる。それによって、誤報を回避できる。

本発明に係る測定法の有利なさらなる実施形態において、特定の周波数は、予め定義された周波数領域から決定される。

それによって、すでにタービンの最初の駆動開始前に、調整するための値が利用可能である。測定法の使用状況は、それによって広がる。

ディフューザと、当該ディフューザ内に設けられて複数の翼を備えるインペラとを有する、本発明に係るタービンは、本発明に従えば、翼の回転方向においてインペラを取り囲む周に沿った複数の箇所に測定領域を備える。これらの測定領域はそれぞれ、少なくとも１つの励磁コイルと、ほぼ翼の振動方向に並立して設けられた複数のプローブとを備え、当該プローブは評価ユニットと接続可能である。プローブは特に、渦流プローブである。そして本発明に係るタービンは特に、蒸気タービンである。

それによって有利には、本発明に係る測定法を実施するためのタービンが提供される。本発明に係るタービンは、向上した駆動安全性を備える。翼の損傷による事故を回避できる。それによって、タービン自体とその周辺とが保護される。

プローブはその際突出しておらず、流れに影響を及ぼさない。高い解像能力と永続的なオンライン監視の可能性とを有する、頑丈で長寿命の装置が提供される。

本発明に係るタービンの有利な態様において、測定領域は、周全体にわたって均等に分割されて設けられている。

それによって、周全体にわたる翼の振動挙動についてのデータが算出され得る。評価するためのより多くのデータを利用できる。しかも、周全体を測定する際に、インペラが垂直軸で回転しないのであれば、個々の翼の振動挙動に対する重力の影響を調べることができる。

本発明に係るタービンの有利なさらなる態様において、当該タービンは、測定領域に水冷却器を備える。

それによって、測定領域の効果的な冷却が可能となり、この効果的な冷却は、測定領域をより好都合な駆動温度にでき、それによって測定領域の活動期間を向上させることができる。

本発明の模範的な実施形態は、図と以下の記述とに基づいて、より詳細に説明される。図に示されるのは以下である。

本発明のタービンの測定領域である。 タービンにおける複数の測定領域の配置である。 タービンの翼板上方の測定領域である。 翼板の位置プロファイルである。 ２つの翼板の周波数プロファイルである。 本発明の測定法である。

図１において、略図で模範的に、本発明のタービン１０の測定領域１３が示されている。測定領域１３は、並立して設けられた複数のプローブ１２を備え、当該プローブ１２は、特に複数列で設けられている。特に、プローブ１２には、それぞれ１つの可変の磁界を発生させるための励磁コイル２９が組み込まれている。プローブ１２は特に、渦流を検出するためのものである。

描写されている測定領域１３は、１８のプローブ１２を備える。本発明に従えば、測定領域１３のプローブ１２の数は、１８より多くてもあるいは少なくてもよい。

測定領域１３は、翼のタイプによっては、振幅の幅と翼板の幅とを足したものを超える測定幅３９を備える。測定領域１３の傾斜３８は、翼の振動方向１８に応じて設定される。個々のプローブ１２の互いの間隔は同様に、振幅に応じて設定される。測定領域１３が設けられるべきディフューザ１６の形状も、考慮される。

磁界に存在する、透磁性あるいは導電性のある翼２６を検出するために、励磁コイル２９として、たとえば直径０．５ｍｍから２ｍｍの比較的小さなものが意図されている。

本明細書に記述された発明では、伝導性あるいは透磁性のある被検物が磁界の作用領域内にあれば、いわゆる「リフトオフ信号」がインピーダンス平面で動くという特性が用いられる。

約２０Ｈｚから２ＭＨｚまでの周波数と励磁コイル２９の直径とによっては、被検物である翼２６を、プローブ１２からさらに数ｍｍ離して検出できる。この間隔は、たとえば磁気シールドやフェライト磁心のような既知の技術によって、さらに大きくできる。

図２において、略図で模範的に、本発明に係るタービン１０のディフューザ１６における複数の測定領域１３の配置が表わされている。

測定領域１３は、ディフューザ１６に堅固に、翼２６の翼板１４の先端部１５のすぐ上方に設けられている。測定領域１３は、翼２６を取り囲むディフューザ１６の内側を形成する、ディフューザ１６の周２４に、特に均等な間隔で位置している。

その際測定領域１３は、翼板１４の厚さとその軸方向の振幅とを足したものよりも大きい測定幅３９を備える。それで、約０．５ｍｍから１ｍｍの正確さで、先端部の軸方向位置決定を行うことが可能である。

翼板１４の周波数２２を測定できるようにするために、複数の測定領域１３を周２４に分割して設けることが必要である。これらの測定領域１３は、測定法１１において、回転数にシンクロして次々に起動される。

個々の測定領域１３の間の間隔は、励磁コイル２９の周波数と、周２４の長さと、翼２６の固有振動数とに依存している。例示される計算は、励磁周波数が２５Ｈｚ、周が２１ｍ、翼２６の固有振動数が１５０Ｈｚで、測定点が５つの場合、測定領域１３ごとの間隔は０．７ｍであることを示している。
２５Ｈｚ×２１ｍ＝５２５ｍ／ｓ
５２５ｍ／ｓ÷１５０Ｈｚ＝波長３．５ｍ
３．５ｍ÷測定点５つ＝間隔０．７ｍ

本発明に係るタービン１０は、個々の測定領域１３のために、ディフューザ１６に貫通ポケットを備える。これらの貫通ポケットは、タービンに測定領域１３が追加装備されることになるのであれば、後から取り付けられてもよい。しかも、本発明に係るタービン１０は、プローブ１２を評価ユニットと接続するデータラインを備える。

任意的に、本発明に係るタービン１０は、励磁コイル２９を効果的に冷却できる水冷却器を備えてよい。それで、励磁コイル２９の長寿命を達成できる。

図３は、略図で模範的に、翼２６上方の複数の測定領域１３の配置の上面図を示している。この描写において、ディフューザ１６はフェードアウトされている。

翼根２７に設けられた翼板１４は、タービン１０の駆動時に回転方向１７に動き、その際振動方向１８に振動する。

回転方向１７に沿って、本明細書では例示的に、測定領域１３_１から１３_５が表わされている。測定領域１３は、振動方向１８に対して平行に設けられている。当該測定領域１３は、インペラの回転軸に対して、振動方向１８と同じ傾斜３８を備える。その測定幅３９は、振幅の幅と翼板の幅とを足したものを超える。

タービン１０のインペラの回転時に、翼板１４の先端部１５が、様々な測定領域１３_１から１３_５を順々に横切る。図３において、先端部１５はちょうど測定領域１３_５を横切っている。翼板１４の振動によって、先端部１５は、測定幅３９の異なる箇所で、様々な測定領域１３を横切る。翼板１４は、測定領域１３のプローブ１２によってこれらの箇所で算定され３２、そこから、本明細書での例では、翼２６の先端部１５に対する５つの位置値１９がもたらされる。

それぞれ１つの特定の翼２６によって、たとえば蒸気流入縁部での周に依存する先端部１５の位置変化を算出するために、測定領域１３_１から１３_５は特に、インペラの回転数にシンクロして次々に起動される。

正確な位置で翼をストロボスコープ状に測定できるようにするために、周の位置は、ロータの任意の箇所でピックアップする必要がある。

５つの測定領域１３_１から１３_５での、翼２６の５つの位置値１９から、評価ユニットによって、位置プロファイル２０が形成される３３。そのような位置プロファイル２０は、模範的に図４において表わされている。

その際、様々な５つの測定領域１３_１から１３_５の位置値１９_１から１９_５は、順番に描写される。位置値１９_１から１９_５は、本明細書では例示的に、測定領域１３それぞれにつき１８のプローブ１２_１から１２_１８によって算定される３２。位置値１９_１から１９_５は、評価ユニットによって、特に正弦関数に変換される。この正弦関数から、振動の波長が算出され、そこから数学的に、翼２６の周波数２２が算出される３４。その際測定結果は、測定点の密度が増すにつれ、より正確になる。

各翼２６の周波数２２は、このやり方で、順々に周期的に監視される。翼根２７に大きな亀裂があれば、翼の周波数２２は数Ｈｚ変化し、これは、本発明に係る技術を介して容易に反映され得る。そのために、算出された周波数２２は、時間２１にわたって観察される。

図５は、模範的に、時間２１にわたって描写される、周波数プロファイル２８における周波数２２を示している。示されているのは、本明細書では例示的に、２つの異なる翼２６の２つの周波数プロファイル２８_１と２８_２とである。本発明に従えば、特にすべての翼２６の周波数２２が監視される。

得られた周波数２２は、特定の周波数値と比較される３５。これらの周波数値は、たとえば翼のこれまでの値から獲得され得、および／あるいは特定の周波数値は特定の周波数領域２５の予め定義された値である。翼２６の周波数２２が、突然におよび／あるいは明らかに変化した場合、非常事態２３が検知され３６、警報が出力されるか、もしくはタービン１０がコントロールされて停止される。図５において、下の周波数プロファイル２８_２では、そのような非常事態２３が起こっている。

図６は、模範的に、開始３０から終了３７までのフローチャートにおいて、本発明に係る測定法１１を示している。第１ステップにおいて、磁界が発生させられる３１。特定の箇所の磁界を横切る翼２６の先端部１５によって、特定の磁界が影響を受け、先端部１５の位置値１９が算定される３２。位置値１９から、評価ユニットが位置プロファイル２０を形成し３３、位置プロファイル２０の周波数２２を算出する３４。得られた周波数２２は、続いて特定の周波数値と比較される３５。このやり方で、タービン１０のすべての翼２６が、周期的に順々にコントロールされる。得られた周波数２２が、特定の周波数値と相違すれば、非常事態２３が検知される３６。この非常事態２３は、たとえばタービン停止のような、さらなる安全対策のための開始信号として用いられ得る。

本発明は、好ましい実施例によって、細部においてより詳細に図解されかつ記述されたが、本発明は開示された例によって限定されるものではなく、別のヴァリエーションが、本発明の保護範囲から離れることなく、当業者によって本発明から導き出されてよい。

１０ タービン
１２ プローブ
１３ 測定領域
１４ 翼板
１５ 先端部
１６ ディフューザ
１７ 回転方向
１８ 振動方向
１９ 位置値
２０ 位置プロファイル
２１ 時間
２２ 周波数
２４ 周
２５ 周波数領域
２６ 翼
２７ 翼根
２８ 周波数プロファイル
２９ 励磁コイル
３８ 傾斜
３９ 測定幅

Claims (9)

1. タービン（１０）のインペラの翼（２６）の損傷早期検知のための測定法（１１）において、
   前記タービン（１０）の駆動中に、
   ‐前記翼（２６）の回転方向（１７）において前記インペラを取り囲む周（２４）に沿った複数の箇所で、複数の磁界がそれぞれ前記翼（２６）の略振動方向（１８）に並立して発生させられ（３１）、該複数の磁界は、前記翼（２６）の翼板（１４）の先端部（１５）が横切る際に影響を受け、前記タービン（１０）において、前記回転方向（１７）において前記周（２４）に沿った複数の箇所に測定領域（１３）が設けられ、該測定領域（１３）は、複数の励磁コイル（２９）と、並立して設けられた複数列のプローブ（１２）とで形成され、
   ‐複数の箇所で影響を及ぼすことによって、前記先端部（１５）の位置値（１９）が算定され（３２）、
   ‐該位置値（１９）から、前記翼板（１４）の位置プロファイル（２０）が形成され（３３）、
   ‐該位置プロファイル（２０）から周波数（２２）が算出され（３４）、
   ‐該周波数（２２）は、特定の周波数値と比較され（３５）、
   ‐該周波数（２２）が突然におよび／あるいは大きく変化した場合には、非常事態（２３）が検知される（３６）
   ことを特徴とする測定法（１１）。
2. 前記位置値（１９）が、位置プロファイルとして正弦曲線に変換される、請求項１に記載の測定法（１１）。
3. 前記翼（２６）は周期的に、順々に検査される、請求項１あるいは２に記載の測定法（１１）。
4. 特定の周波数値は、すでに算出された前記翼（２６）の前記周波数（２２）から決定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定法（１１）。
5. 特定の周波数は、予め定義された周波数領域（２５）から決定される、請求項１から４のいずれか１項に記載の測定法（１１）。
6. ディフューザ（１６）と、該ディフューザ（１６）内に設けられて複数の翼（２６）を備えるインペラとを有するタービン（１０）において、
   該タービン（１０）は、前記翼（２６）の回転方向（１７）において前記インペラを取り囲む周（２４）に沿った複数の箇所に測定領域（１３）を備え、
   該測定領域（１３）はそれぞれ、複数の励磁コイル（２９）と、前記翼（２６）の略振動方向（１８）に並立して設けられた複数のプローブ（１２）とを備え、該プローブ（１２）は評価ユニットと接続可能であり、
   前記測定領域（１３）はそれぞれ、並立して設けられた複数列のプローブ（１２）を備えることを特徴とするタービン（１０）。
7. 前記測定領域（１３）は、前記周（２４）全体にわたって均等に分配されて設けられている、請求項６に記載のタービン（１０）。
8. 複数の列は互いに、前記翼（２６）の前記振動方向（１８）に対して垂直に延在する方向に設けられている、請求項６に記載のタービン（１０）。
9. 前記タービン（１０）は、前記測定領域（１３）に水冷却器を備える、請求項６から８のいずれか１項に記載のタービン（１０）。

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