JPS61207804A - 蒸気タ−ビンの動翼浸食防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は蒸気タービン、特に、タービン出口において水
滴を含む湿り蒸気によって運転される蒸気タービンに係
り、タービン動翼の浸食を防止する蒸気タービンの動翼
浸食防止装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、近年は、蒸気タービンが大容量化されており、
それに伴って夕“−ビンの排気流發が増大し、最終段動
翼は長大化の傾向を辿っている。また、タービン出口付
近において蒸気中に水滴を含む、いわゆる湿り蒸気によ
り運転される蒸気タービン、例えば事業用火力タービン
、原子力タービン、地熱タービン等では従来から水滴に
よる動翼の浸食か生ずることがあったが、最終段動翼の
長大化により翼の周速度が増加することは避けられない
ため、動翼浸食の防止についてはその重要性が一層高ま
っている。

従来より、ドレンによる動翼の浸食を防止する目的でド
レンを通路外に排除する装置や、浸食防止用の高硬度材
を動翼に取付ける等の方法が用いられているが、このよ
うな装置や方法等では完全に動翼浸食を防止するまでに
到っていない。

また、動翼浸食の防止には構造面での改良のみならず、
蒸気タービンを適正な状態で運転するこ・とも不可欠で
ある。すなわち、設計運転状態にお′いて動翼の浸食速
度を許容値以下にしておくことは勿論であるが、部分負
荷運転中や負荷変動中にター龜ン入ロ蒸気状態と負荷と
のマツチングが不充分であったり、蒸気状態が過渡的に
変動したりすると、蒸気湿り度が異常に増加するなどし
て動翼の過度の浸食を招く場合が生じる虞れがある。

したがって、最終段の浸食速度を常時定量的に監視し、
運転゛状態をコントロールするシステムが必要となる。

そこで、従来からかような見地に基づくいくつかの動翼
浸食監視システムが提案されており、タービン排気湿り
度を監視し、運転状態をコントロールする装置も提案さ
れている。第５図はその一例を示したもので、タービン
運転状態をエンタルピ・エントロピ線図上に表しである
。この従来例によれば、乾き蒸気状態にあるタービン人
口Ａ（または入口Ａより下流の点）における蒸気の入口
圧力Ｐ　および入口温度Ｔ１と、タービン排気の排気圧
力Ｐ２とをそれぞれ検出し、これらの８値よりタービン
効率の推定値を算出して膨張線Ｂを求める。膨張線Ｂと
排気圧力Ｐ２の交点Ｃをタービン排気の状態として出口
湿り度Ｙ２を求める。

出口湿り度Ｙ２を基準値と比較して偏差が大きければ入
口圧力Ｐ１、入口温度Ｔ１、排気圧力Ｐ２、負荷等を変
化させて、出口湿り度Ｙ２を設定された値に保つか、あ
るいは警報を発する等の操作を行なうものである。この
ような従来装置によれば排気湿り度をある程度制御可能
であるが、なお次のような問題点がある。

すなわち、原子力タービン、地熱タービン等でタービン
入口の蒸気が過熱蒸気でない場合には、入口圧力Ｐ１と
入口温度Ｔ１との検出値だけでは湿り度が不明のために
タービン入口Ａの蒸気状態が確定せず、そのために、出
口湿り度Ｙ２も正しく検出できない。

また、タービン入口Ａが過熱蒸気であっても、タービン
出口Ｃまでの間に多数の段落が存在する場合には、ター
ビン効率の推定に誤差があると排気湿り度に相当な誤差
を生じる可能性があり、精度上問題がある。

さらに、動翼の浸食速度はタービン排気湿り度のみによ
って定まるものではなく、衝″突する水滴の大きさや速
度にも影響されるものであるから、排気湿り度だけを検
出して運転をコントロールする従来の装置にあっては動
翼浸食速度を正しく監視しているとは言い難い面がある
。

（発明の目的〕 本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、タービン動
翼の浸食速度を高精度で監視して、動翼の浸食を効果的
に抑制する蒸気タービンの動翼浸食防止装置を提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、タービン内の蒸気中に光を入射して得られる
水滴からの散乱光を受光して蒸気湿り度と水滴径等を演
算し、さらに、これら演算値とタービン内の蒸気圧力お
よび蒸気量とから動翼浸食速度を演算し、この動翼浸食
速度が許容値を上回ったときに警報を出力し、またはタ
ービン運転状態を変更させることを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図に基づいて
説明する。なお、第１図ないし第４図中、同一符号は同
一部分を示し、その重複した部分の説明は省略する。

第１図（Ａ＞は本発明の一実施例の全体構成を示すブロ
ック線図であり、光源１はレーザ光や必要な光度を安定
して発光させる発光体を備え、かつ光を集合させて光フ
ァイバ等の光を伝達する導光体２を介して投光器３にレ
ーザ光等を伝送する。

投光器３は後述する水滴５からの散乱光６を受光する受
光器７と対をなし、タービンケーシング１０１内の浸食
を監視しようとするタービン動翼１０２周りの蒸気中に
所要の間隔をおいて対向配置される。これら投光器３お
よび受光器７は共に光学レンズ、または同等の機能を有
する光学系からなり、例えば第１図（Ｂ）に示すように
対向配置される。すなわち、投光器３からの入射光４は
蒸気中の水滴５により散乱されるので、水滴５からの散
乱光６を受光できる位置に受光器７を設置している。

受光器７は光フフイバ等の導光体８を介してフォトディ
テクタ９に接続されている。このフォトディテクタ９は
受光器７からの光信号を電気信号に変換する光・電気変
換器であり、増幅器１０を介して第１次演算器１１に接
続されている。第１次演算器１１は受光器７にて検出さ
れた検出値から、タービン動１１！１０２周りの蒸気中
の水滴について水滴径りおよび蒸気湿り度Ｙをそれぞれ
演算する演算器であり、第２次演算器１２に電気的に接
続されている。また、第２次演算器１２はタービンケー
シング１０１内に設置されてタービンケーシング１０１
内の蒸気圧力Ｐを検出する圧力検出器１３と、タービン
動翼１０２を通過する蒸気流量Ｇを検出する蒸気量検出
器１４とにそれぞれ電気的に接続されており、上記水滴
径りおよび蒸気湿り度Ｙの各演算値と、上記蒸気圧力Ｐ
および蒸気流量Ｇの各検出値とからタービン動Ｗｔ１０
２の浸食速度Ｅを演算する。この動翼浸食速度Ｅは、許
容される動翼浸食速度の上限値を設定している設定器１
５を接続している比較器１６にてこの設定値Ｅ。と比較
される。

比較器１６は動翼浸食速度Ｅを同設定値ＥＱと比較して
ＥＶＥ、が成立した場合には、警報発生器１７から警報
を出力させると共に１、運転状態変更器１８を介してタ
ー゛ビン運転状態を変更させるようになっている。

なお、第１図（Ａ）中、矢印１０３は蒸気の流れ方向を
示している。

次に本実施例の作用について述べる。

まず、光源１から導光体２および投光器３を介してター
ビンケーシング１０１内の蒸気中にレーザ光等の光を投
光すると、この蒸気中の入射光４は蒸気中の水滴群５に
到達して散乱し、散乱光が各方向に向けて発する。散乱
光の強さは、これを受光する受光器７の受光方向と入射
光４の入射方向とでなす角度θ、および水滴の直径によ
って定まる。したがって、定められた角度にある受光器
７によって散乱光６の強さを検出すれば水滴群５の大き
さを知ることができる。検出された散乱光６は導光体８
によってタービンケーシング１０１の外へ取り出され、
フォトディテクタ９において電気信号に変換された後、
増幅器１０で必要な信号レベルにまで増幅されて、第１
次演算器１１に入力される。第２次演算器１２では予め
記憶している理論的な水滴の散乱特性や、測定装置の光
学的特性を適用し、検出された散乱光強度をもとに水滴
径りおよび水滴量（湿り度Ｙ）をそれぞれ算出する。こ
れら算出値り、Ｙは第２次演算器１４へ入力される。

一方、圧力検出器１３は、蒸気圧力Ｐを直接電気信号に
変換してタービン外へ取り出すか、または、導圧管をタ
ービンケーシング１０１外に設【プだ圧力変換器に連通
させて電気信号に変換する等の方法が用いられる。また
、蒸気量検出器１３によりタービン動翼１０２を通過す
る蒸気流ＩＩＧが検出される。これはタービン入口蒸気
量から抽気蒸気量を差引くか、あるいは復水流量の測定
値をもとにタービン最終段以外から復水器へ流入するド
レンの母を差引く等の方法によって求めることができる
。これら蒸気圧力Ｐ、蒸気流ＩＧは共に：第２次演算器
１４に入力される。

第２次演算器１４においては上述した各測定値の入力信
号と、予め記憶している計算方法とによって動翼の浸食
速度の瞬時値が計算される。この内容を第２図にフロー
チャートで示す。

まず、蒸気圧力Ｐと蒸気流量Ｇとの各検出値より蒸気速
度Ｖを求める。

すなわち、 ｙ＝ｆ１　（Ｐ、Ｇ） また、水滴径りと蒸気速度Ｖとからは、動翼浸食の原因
となる水滴の速度を算出することができるノテ、水滴の
速度ｖ、　は　Ｖ、＝ｆ２　（Ｄ、Ｖ）により求まる。

動翼に対する水滴の衝突速度Ｗは、水滴速度■、と動翼
の周速Ｕとから幾何学的な関係を用いて計算される。す
なわち、ｗ−ｆ３　（ＶＬ　、ｕ）である。以上より動
翼の浸食速度Ｅは次式を用いて算出される。

Ｅ−に−Ｇ−Ｙ−ｆｌ　（Ｗ） ここでＥは浸食速度、Ｋは材料による定数、Ｇは蒸気流
量、Ｙは蒸気湿り度、Ｗは水滴と動翼の衝突速度である
。

そして、設定器１５には、許容される動翼浸食速度の上
限値Ｅ。が設定されており、これと実際の浸食速度Ｅと
が比較器１６において比較され、ＥＶＥｏの場合は日報
を発するとともに、タービン入口蒸気状態を変更して監
視部の蒸気湿り度を減少させる等の運転状態の変更動作
を行なう。このため、何らかの原因により動翼の浸食が
異常に進行するような事態となった場合には、速やかに
浸食速度が許容値以下に減じられて動翼は保護される。

なお第１図に示す実施例においては、その投光器３と、
受光器７と、圧力検出器１３とはタービン動１１１０２
の蒸気流下流側に設置された例を示しているが、本発明
はこれに限定されるものではなく、タービン動翼の浸食
速度を求めるのに適した任意の位置に設けることができ
る。

第３図（Ａ＞（Ｂ）は本発明の他の実施例を示すプロツ
ク線図であり、タービンケーシング１０１内の蒸気中の
水滴の状態をさらに精度良く検出することを本実施例は
目的としている。水滴５により散乱された散乱光６の強
さは水滴径りと、第３図（８）で示す散乱角度θによっ
て異なる。したがって、異なる散乱角度θにおいて、そ
れぞれ独立して散乱光量を検出すれば、単一の角度にお
いて光器を検出する場合よりも精度が向上する。

このために、本実施例では入射光４に対する受光角度θ
がそれぞれ異なるように受光器７ａ、７ｂ・・・を複数
個設け、これに対応して導光体８ａ、８ｂ・・・、フォ
トディテクタｇａ、ｇｂ・・・もそれぞれ同数個設けた
ものである。本実施例により水滴径りおよび蒸気湿り度
Ｙの検出精度が向上するため、浸食速度Ｅの算定精度が
一層向上し、動翼浸食量の監視機能に対する信頼性は一
層高まる。

第４図は本発明のさらに他の実施例を示し、水滴５の散
乱光６から第１次演算器１１Ａにおいて水滴速度■、を
も併せて検出する点が上述の各実施例と主に相違してい
る。蒸気速度■と水滴径りより水滴速度Ｖ、を推定する
第１図（Ａ）の実施例に較べ、水滴速度ｖＬを直接計測
して用いるため、第２次演算器１２における動翼浸食速
度の演算精度が一層向上する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、蒸気タービンのタービン
内の蒸気中に光を投光する投光器と、投光された蒸気中
の水滴からの散乱光を受光する受光器と、この受光器か
らの検出出力より蒸気中の水滴の水滴径および蒸気湿り
度を演算する第１次演算器と、タービン内の蒸気圧力を
検出する蒸気圧力検出器と、所要のタービン動翼を通過
する蒸気量を検出する蒸気流量検出器と、上記第１次演
算器からの演算出力並びに上記蒸気圧力検出器および上
記蒸気流量検出器からの各検出出力をそれぞれ入力して
上記タービン動翼の浸食速度を演算する第２次演算器と
、動翼浸食速度について許容される上限値を設定する設
定値に上記第２次演算器にて算出された動翼浸食速度を
比較する比較器とを有し、この比較器において上記動翼
浸食速度がその設定値を超えたときは、動翼浸食速度異
常警報を出力すると共に、タービン運転状態を変更させ
るようにした。したがって、本発明によれば、タービン
内の蒸気の状態を検出するに際し、実際にタービン動翼
を通過する湿り蒸気の性状を直接検出し、演算するので
、従来例のようにタービン入口状態とタービンの推定効
率を基に間接的に蒸気湿り度を演算する場合に比して、
蒸気性状の検出精度が格段に向上する。

また、タービン入口蒸気が湿り蒸気であっても何ら支障
なく任意の位置の蒸気性状を検出できる。

さらに、直接的な検出方法のため、過渡的運転状態であ
っても瞬時に蒸気性状の検出を行ない、動翼浸食速度を
求荀て迅速に対応することが可能である。

さらにまた、タービン動翼の浸食速度を算定するに当っ
ては、従来例のように蒸気湿り度のみを基準に判定する
ものに比べ、動翼浸食のメカニズムに基づいて水滴径、
水滴速度等も含めた理論式により算出するため、浸食速
度の推定精度が大幅に向上するから、監視装置としての
信頼性が著しく増大する。

以上述べたように本発明によれば、′タービン動翼の浸
食速度を常時精度良く監視し、しかも、適正値に保つよ
うにタービン運転状態を変更させることができるため、
動翼を異常な浸食から保護し、蒸気タービンの信頼性を
向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明に係る蒸気タービンの動翼浸食防
止装置の一実施例の全体構成を示すブロック線図、第１
図（Ｂ）は第１図の部分拡大図、第２図は第１図で示す
実施例の動翼浸食速度演算手順を示すフローチャート、
第３図（Ａ）は本発明の他の実施例の全体構成を示すブ
ロック線図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）の部分拡大図
、第４図は本発明のさらに他の実施例の全体構成を示す
ブロック縮図、第５図は従来例のタービン運転状態を説
明するためのエンタルピ・エントロピ線図である。 １・・・光源、２．８・・・導光体、３・・・投光器、
７・・・受光器、９・・・フォトディ亨りタ、１０・・
・増幅器、１１・・・第１次演算器、１２・・・第２次
演算器、１３・・・圧力検出器、１４・・・蒸気量検出
器、１５・・・設定器、１６・・・比較器。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第２図 第　３　図（Ａ） 第４図 ］ローー丁 第５図 エントロじ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンのタービン内の蒸気中に光を投光する
   投光器と、投光された蒸気中の水滴からの散乱光を受光
   する受光器と、この受光器からの検出出力より蒸気中の
   水滴の水滴径および蒸気湿り度を演算する第１次演算器
   と、タービン内の蒸気圧力を検出する蒸気圧力検出器と
   、所要のタービン動翼を通過する蒸気量を検出する蒸気
   流量検出器と、上記第１次演算器からの演算出力並びに
   上記蒸気圧力検出器および上記蒸気流量検出器からの各
   検出出力をそれぞれ入力して上記タービン動翼の浸食速
   度を演算する第２次演算器と、動翼浸食速度について許
   容される上限値を設定する設定値に上記第２次演算器に
   て算出された動翼浸食速度を比較する比較器とを有し、
   この比較器において上記動翼浸食速度がその設定値を超
   えたときは、動翼浸食速度異常警報を出力すると共に、
   タービン運転状態を変更させるようにしたことを特徴と
   する蒸気タービンの動翼浸食防止装置。 ２、受光器は投光器からの投光に対する受光角度がそれ
   ぞれ異なるように複数個配列されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の蒸気タービンの動翼浸
   食防止装置。 ３、第１次演算器は受光器からの検出出力より蒸気中の
   水滴の水滴径および蒸気湿り度と共に、水滴速度を演算
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の蒸
   気タービンの動翼浸食防止装置。