JP7116541B2 - 回転機械の翼の状態の監視センサ及びセンサの位置調節方法 - Google Patents
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Description
しかし、回転機械の運転中には、運転による温度上昇により動翼やケーシングが熱伸び等によって変形し、動翼とセンサとの相対位置が変化することがある。例えば、動翼とセンサとの相対位置がケーシングの軸方向に変化すると、センサの検出範囲から動翼が逸脱してしまうおそれがある。そのため、センサの位置をケーシングの軸方向に調節可能とすることが望まれる。
しかし、上述した特許文献1に記載されたセンサの取付け構造では、センサとロータ軸との距離が調節可能であるが、センサの位置をケーシングの軸方向に調節することができない。
回転機械の翼の状態を監視するためのセンサと、
前記回転機械のケーシングに固定されるように構成された第1部分と、
前記センサを保持するとともに、前記ケーシングの軸方向における前記センサの位置を調節可能に前記第1部分に支持された第2部分と、を備える。
前記第2部分は、前記第2部分の中心軸周りに前記第1部分に対して回動可能に構成され、
前記センサは、前記第1部分の中心軸に対して偏心した位置に設けられる。
前記第1部分は、前記第1部分の中心軸に対して同芯の円形状の凹部又は凸部により構成される第1嵌合部を含み、
前記第2部分は、前記第1嵌合部の前記凹部又は前記凸部と嵌合する円形の凸部又は凹部により構成される第2嵌合部を含む。
前記第1部分は、複数の締結部材がそれぞれ挿通される複数の第1孔部を有する第1フランジ部を含み、
前記第2部分は、前記複数の締結部材がそれぞれ挿通される複数の第2孔部を有し、前記複数の締結部材によって前記第1フランジ部と結合される第2フランジ部を含み、
前記第1フランジ部と前記第2フランジ部とは相対的に回動可能であり、
前記複数の第1孔部又は前記複数の第2孔部の少なくとも一方は、前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との相対的な回動の方向に沿って延在する長孔である。
その点、上記(5)の構成では、センサが翼に対して所定の配向で測定できるようにセンサを回動できる。
前記第2部分は、
前記第1部分に対して同芯の中心軸周りに回動可能に前記第1部分に対して固定される被固定部と、
前記センサを保持するとともに、前記被固定部の中心軸に対して偏心して、前記被固定部に対して回動可能に設けられるセンサ保持部と、
を含む。
また、センサ保持部を被固定部に対して回動させることで、ケーシングに対してセンサを回動できる。
回転機械の翼の状態を監視するためのセンサの位置調節方法であって、
前記回転機械のケーシングに第1部分が固定されており、前記センサを保持する第2部分が前記第1部分に支持されており、
前記第1部分と前記第2部分との位置関係を変更することで、前記ケーシングの軸方向における前記センサの位置を調節する位置調節工程、を備える。
前記センサは、前記第1部分の中心軸と平行である前記センサの中心軸周りに回動可能に前記第2部分で保持されており、
前記センサを前記センサの中心軸周りに回動させる回動工程、を備える。
複数の翼が取り付けられる回転軸と、
前記回転軸を収容するケーシングと、
前記複数の翼の状態を監視するための監視センサであって、前記ケーシングの径方向に沿って設けられた前記ケーシングの貫通孔に挿通されて、先端が前記ケーシングの内側に突出する監視センサと、
前記ケーシングの内周面において、前記貫通孔に対して前記翼の回転方向の上流側に取り付けられるセンサ保護部材と、を備える。
その点、上記(10)の構成では、ケーシングの内周面において、貫通孔に対して翼の回転方向の上流側にセンサ保護部材が取り付けられているので、監視センサのエロ―ジョンを抑制できる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」、「同芯」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
具体的には、蒸気タービン1は、ロータ2側に設けられた複数の動翼6と、ケーシング7a及び該ケーシング7a側に設けられた複数の静翼7bを含むステータ(静止部)7と、を備える。
複数の動翼6と複数の静翼7bとは、ロータ2の中心軸Oの方向に交互に配列されている。ロータ2の中心軸Oの方向に沿って流れる蒸気が動翼6及び静翼7bを通過することによってロータ2が回転し、ロータ2に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて発電等に利用されるようになっている。
以下の説明では、ロータ2の中心軸Oの方向のことをケーシング7aの軸方向とも呼ぶ。また、ロータ2の径方向のことをケーシング7aの径方向と呼ぶこともあり、動翼6の径方向と呼ぶこともある。
幾つかの実施形態では、動翼6の径方向外側端と対向するケーシング7aには、動翼6の振動を検出するためのセンサ8を有する監視センサ9が複数取り付けられている。
以下、動翼6の振動検出方法の一例について、概要を説明する。なお、監視センサ9の詳細については、後で説明する。
各センサ8は、例えば、電磁式のセンサであってもよく、光学式のセンサであってもよく、静電容量式のセンサであってもよく、渦電流式のセンサであってもよい。動翼6の通過を検出できるのであれば、センサ8には、様々な検出方式のセンサを用いることができる。
なお、コントローラ50には、ロータ2のゼロ位置(基準位置)を検出するための基準位置センサである、回転検出器51の信号も入力される。
第1センサ8-1は、第1動翼6-1の通過による信号S11、第2動翼6-2の通過による信号S12、第3動翼6-3の通過による信号S13・・・を出力する。第2センサ8-2は、第1動翼6-1の通過による信号S21、第2動翼6-2の通過による信号S22・・・を出力する。同様に、第3センサ8-3は、第1動翼6-1の通過による信号S31・・・を出力する。
また、コントローラ50は、図3において破線で示したような、各センサ8で実際に検出した信号に基づいて、各動翼6の通過タイミングを第2通過タイミングとして取得する。
そして、コントローラ50は、算出した上記第1通過タイミングと各センサ8で実際に検出した各動翼6の第2通過タイミングとを比較して、通過時間差△τを算出する。
このようにして得られた振幅δ1-1、δ1-2、δ1-3・・・を図4に示すように時間軸を横軸にとってプロットすることで、第1動翼6-1の振動波形が得られる。図4は、第1動翼6-1の振動波形を示すグラフである。すなわち、コントローラ50は、算出した振幅δ1-1、δ1-2、δ1-3・・・を図4に示すように時間軸を横軸にとってプロットすることで、第1動翼6-1の振動波形を取得する。
図6は、一実施形態の監視センサ9の断面を模式的に示した図であり、ケーシング7aの径方向に沿った断面を動翼6の回転方向から見た図である。また、図9は、他の実施形態の監視センサ9の断面を模式的に示した図であり、ケーシング7aの径方向に沿った断面を動翼6の回転方向から見た図である。なお、説明の便宜上、図6及び図9においてケーシング7aの径方向外側となる図示上方向を単に上方向或いは上とも呼び、図6及び図9においてケーシング7aの径方向内側となる図示下方向を単に下方向或いは下とも呼ぶ。図6及び図9において、ケーシング7aの軸方向は図示左右方向である。図6及び図9において、矢印xはケーシング7aの軸方向を示している。
センサ8は、第1部分10の中心軸AX1に対して偏心した位置に設けられている。
幾つかの実施形態の第1部分10には、ケーシング7aの雌ねじ部7dと結合される雄ねじ部11が形成されている。幾つかの実施形態の第1部分10は、雄ねじ部11がケーシング7aの雌ねじ部7dと結合されることで、ケーシング7aに固定される。なお、ケーシング7aに対する第1部分10の固定方法は、上述した固定方法に限らず、例えば、ケーシング7aに設けた管台の雌ねじ部に対して雄ねじ部11を結合させてもよい。また、ネジ部同士の結合ではなく、第1部分10の下部にフランジ部を設けるとともに、ケーシング7aにもフランジ部を設け、これらのフランジ部同士を結合させてもよい。
幾つかの実施形態の第1部分10の上部には、第1嵌合部13が形成されている。第1嵌合部13は、第1部分10の上面から下方に向かって凹んでいて、第1部分10の中心軸AX1に対して同芯の円形状の凹部である。
幾つかの実施形態の第1部分10の上部には、第1フランジ部14が形成されている。図7は、第1フランジ部14をケーシング7aの径方向外側から見た図である。第1フランジ部14には、第1嵌合部13よりも外側の部分に、中心軸AX1を中心とする円周方向に延在する複数の長孔15が形成されている。
幾つかの実施形態の第2部分20は、次に述べるように、第2部分20の中心軸AX2周りに第1部分10に対して回動可能に構成されている。
一実施形態の第2部分20では、被固定部210は、下部フランジ部211と、中間部212と、上部フランジ部213とを有する。被固定部210には、上下方向に延在する貫通孔部214が形成されている。貫通孔部214の中心軸214aは、第2部分20の中心軸AX2に対して偏心している。
下部フランジ部(第2フランジ部)211の下面には、上述した第2嵌合部21が形成されている。上述したように、第2嵌合部21は、第2部分20の中心軸AX2に対して同芯の円形状の凸部であり、貫通孔部214の中心軸214aは、第2部分20の中心軸AX2に対して偏心している。したがって、第2嵌合部21に対して貫通孔部214は偏心している。
下部フランジ部211には、第2嵌合部21よりも外側の部分に、中心軸AX2を中心とする円周上に複数のボルト孔215が形成されている。ボルト孔215は、円形の孔であり、図7に示した第1フランジ部14の長孔15のような中心軸AX2を中心とする円周方向に延在する長孔ではないが、中心軸AX2を中心とする円周方向に延在する長孔であってもよい。
上部フランジ部213には、凹部216よりも外側の部分に、貫通孔部214の中心軸214aを中心とする円周上に複数のボルト孔217が形成されている。ボルト孔217は、下部フランジ部211のボルト孔215と同様に円形の孔であり、図7に示した第1フランジ部14の長孔15のような中心軸AX2を中心とする円周方向に延在する長孔ではないが、中心軸AX2を中心とする円周方向に延在する長孔であってもよい。
フランジ部(第2フランジ部)231には、第2部分20の中心軸AX2を中心とする円周上に複数のボルト孔233が形成されている。ボルト孔233は、円形の孔であり、図7に示した第1フランジ部14の長孔15のような中心軸AX2を中心とする円周方向に延在する長孔ではないが、中心軸AX2を中心とする円周方向に延在する長孔であってもよい。
センサ保持部232は、第2嵌合部21から下方に延在し、上述したように第2部分20の中心軸AX2と同芯の軸状の部位である。センサ保持部232は、下端近傍においてセンサ8を保持している。センサ8は、その中心軸8aが第2部分20の中心軸AX2から偏心するようにセンサ保持部232に保持されている。センサ保持部232は、第1部分10の貫通孔12に挿通されるとともに、ケーシング7aの貫通孔部7cに挿通される。
図6に示した一実施形態の監視センサ9では、ケーシング7aに固定された第1部分10の第1嵌合部13と第2部分20の被固定部210の第2嵌合部21とが嵌合する。第1部分10の第1フランジ部14と被固定部210の下部フランジ部211とは、長孔15とボルト孔215とに挿通されたボルト71がナット72で締結されることで結合される。これにより、第1部分10に被固定部210が固定される。
図6に示す一実施形態の監視センサ9では、被固定部210は、第1部分10に対して同芯の中心軸周りに回動可能に第1部分10に対して固定される。具体的には、次のとおりである。
一実施形態の第2部分20の中心軸AX2は、被固定部210の中心軸であり、上述したように第1部分10の中心軸AX1と同芯である。
しかし、上述したように、貫通孔部214の中心軸214aは、第2部分20の中心軸AX2に対して偏心している。したがって、貫通孔部214の中心軸214aは、第1部分10の中心軸AX1に対して偏心している。
したがって、図6に示した一実施形態の監視センサ9では、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置に関わらず、センサ8の中心軸を中心とするセンサ8の角度位置を調節できる。
例えば、センサ8として用いることができるセンサには、中心軸に対して非対称な構造であって、動翼6に対して所定の配向で測定することが必要なセンサも含まれる。このようなセンサの一例として、例えば、電磁ピックアップ式のセンサであって、図11に示すように、永久磁石と検出コイルとが、仕切壁を介して並列に配置されるものが挙げられる。電磁ピックアップ式のセンサでは、永久磁石が形成する磁界の変化を検出コイルで検出する。図11は、中心軸に対して非対称な構造を有するセンサの一例としての電磁ピックアップ式のセンサを中心軸に沿って見たときの模式的な構造を示す図である。
図11に示す非対称センサ80では、非対称センサ80の中心軸に沿って見たときに、保護部材84の内部で、永久磁石81と検出コイル82とが、仕切壁83を介して並列に配置されている。
図9に示す他の実施形態の第2部分20では、第2部分20の中心軸AX2は、上述したように第1部分10の中心軸AX1と同芯である。また、他の実施形態の第2部分20では、上述したように、センサ8の中心軸8aは、第2部分20の中心軸AX2から偏心している。
図10は、第1部分10に対する第2部分20の角度位置が図9に示した状態とは異なる場合の一例について示す図である。図9と図10を比較すると明らかなように、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置は、図9に比べ図10では、図示右側にずれている。
なお、図6に示した一実施形態の監視センサ9と同様に、図9に示した他の実施形態の監視センサ9についても、第1フランジ部14のボルト孔は複数の長孔15であるので、中心軸AX1を中心とする円周方向への長孔15の延在長さの範囲内において、第1フランジ部14とフランジ部(第2フランジ部)231とは相対的に回動させて互いに結合することができる。
これにより、蒸気タービン1の運転中の温度上昇により熱伸び等が生じることで、動翼6とセンサ8との相対位置がケーシング7aの軸方向に変化しても、センサ8の位置をケーシング7aの軸方向に変更できるので、動翼6の状態を監視できる。
これにより、第1嵌合部13に対して第2嵌合部21が第1部分10の中心軸AX1に対する径方向への位置ずれを規制しながら第1部分10に対して第2部分20を回動できる。
回転機械の作動流体によって塵埃や液滴が運ばれることによって、ケーシングの内周面から突出した監視センサの先端部分にエロ―ジョンが発生するおそれがある。
例えば、蒸気タービン1では、作動流体である蒸気が凝縮してドレンが生じることがある。
センサ保護部材75は、動翼6の回転方向の上流側から見たときに突出部分222aがセンサ保護部材75によって隠れるような形状及び大きさであれば、エロ―ジョンの抑制効果が高まる。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、第1フランジ部14の複数のボルト孔をそれぞれ長孔15とすることで、第1部分10に対して第2部分20を任意の角度位置で固定できるように構成した。しかし、第1フランジ部14の複数のボルト孔は、長孔15でなく、円形の孔であってもよい。この場合であっても複数のボルト孔の配設ピッチ単位で第1部分10に対する第2部分20の角度位置を変更できる。例えば、第1フランジ部14の複数のボルト孔が30度ピッチで円周上に配置されていれば、第1部分10に対する第2部分20の角度位置を30度ピッチで変更できる。
センサ保持部220のフランジ部221における長孔224についても同様である。
例えば、中心軸AX1に沿って見たときの第1部分10の貫通孔12の形状を、ケーシング7aの軸方向に延在する長孔形状としてもよい。そして、第2部分20の軸部222やセンサ保持部232を貫通孔12内におけるケーシング7aの軸方向の任意の位置に移動させた状態で第1部分10と第2部分20とを固定できるようにしてもよい。
そして、中心軸AX2と平行な軸部235の中心軸周りに孔部232a内で軸部235を回動させることによって、第2部分20に対して中心軸8aを中心にセンサ8を回動できる。軸部235の中心軸は、例えばセンサ8の中心軸と8aと一致するようにしてもよい。なお、図13は、変形例に係る第2部分20の断面図である。
また、監視センサ9の用途は動翼6の振動検出に限定されず、例えば、幾つかの実施形態に係る監視センサ9によって、動翼6の径方向外側の端部と、ケーシング7aの内周面とのクリアランスである、チップクリアランスを検出するようにしてもよい。
また、図9に示した他の実施形態に係る監視センサ9において、第1部分10と第2部分20との間にスペーサ271を介在させて、スペーサ271の厚さを変更することでケーシング7aの径方向におけるセンサ8の位置を調節できるようにしてもよい。
2 ロータ(回転軸)
6 動翼
7a ケーシング(車室)
7b 静翼
8 センサ
9 監視センサ
10 第1部分
13 第1嵌合部
14 第1フランジ部
15 長孔
20 第2部分
21 第2嵌合部
75 センサ保護部材
210 被固定部
211 下部フランジ部(第2フランジ部)
220,232 センサ保持部
231 フランジ部(第2フランジ部)
Claims (8)
- 回転機械の翼の状態を監視するためのセンサと、
前記回転機械のケーシングに固定されるように構成された第1部分と、
前記センサを保持するとともに、前記ケーシングの軸方向における前記センサを翼に対して所定の配向で測定できるように調節可能に前記第1部分に支持された第2部分と、を備え、
前記センサは、前記第1部分の中心軸と平行である前記センサの中心軸周りに回動可能に前記第2部分で保持され、
前記第2部分は、前記第1部分の中心軸と前記センサの中心軸とが常に平行となるように前記センサを保持する
回転機械の翼の状態の監視センサ。 - 前記第2部分は、さらに、前記第2部分の中心軸周りに前記第1部分に対して回動可能に構成され、
前記センサは、前記第1部分の中心軸に対して偏心した位置に設けられた
請求項1に記載の回転機械の翼の状態の監視センサ。 - 前記第1部分は、前記第1部分の中心軸に対して同芯の円形状の凹部又は凸部により構成される第1嵌合部を含み、
前記第2部分は、前記第1嵌合部の前記凹部又は前記凸部と嵌合する円形の凸部又は凹部により構成される第2嵌合部を含む
請求項1又は2に記載の回転機械の翼の状態の監視センサ。 - 前記第1部分は、複数の締結部材がそれぞれ挿通される複数の第1孔部を有する第1フランジ部を含み、
前記第2部分は、前記複数の締結部材がそれぞれ挿通される複数の第2孔部を有し、前記複数の締結部材によって前記第1フランジ部と結合される第2フランジ部を含み、
前記第1フランジ部と前記第2フランジ部とは相対的に回動可能であり、
前記複数の第1孔部又は前記複数の第2孔部の少なくとも一方は、前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との相対的な回動の方向に沿って延在する長孔である
請求項1乃至3の何れか一項に記載の回転機械の翼の状態の監視センサ。 - 前記第2部分は、
前記第1部分に対して同芯の中心軸周りに回動可能に前記第1部分に対して固定される被固定部と、
前記センサを保持するとともに、前記被固定部の中心軸に対して偏心して、前記被固定部に対して回動可能に設けられるセンサ保持部と、
を含む
請求項1乃至4の何れか一項に記載の回転機械の翼の状態の監視センサ。 - 前記第2部分が前記第1部分に対して前記ケーシングの径方向の位置を変更可能に構成されている
請求項1乃至5の何れか一項に記載の回転機械の翼の状態の監視センサ。 - 回転機械の翼の状態を監視するためのセンサの位置調節方法であって、
前記回転機械のケーシングに第1部分が固定されており、前記センサを保持する第2部分が前記第1部分に支持されており、
前記第1部分と前記第2部分との位置関係を変更することで、前記ケーシングの軸方向における前記センサの位置を調節する位置調節工程、を備え、
前記位置調節工程では、前記第1部分の中心軸と前記センサの中心軸とが常に平行となるように前記ケーシングの軸方向における前記センサの位置を調節する
センサの位置調節方法。 - 前記センサは、前記第1部分の中心軸と平行である前記センサの中心軸周りに回動可能に前記第2部分で保持されており、
前記センサを前記センサの中心軸周りに回動させる回動工程、を備える
請求項7に記載のセンサの位置調節方法。
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