JPS62255504A

JPS62255504A - 蒸気タ−ビン翼の浸蝕監視装置

Info

Publication number: JPS62255504A
Application number: JP9795086A
Authority: JP
Inventors: Norio Yasugadaira; 安ケ平　紀雄; Kuniyoshi Tsubouchi; 邦良坪内; Takeshi Sato; 武佐藤; Tetsuo Sasada; 哲男笹田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1987-11-07

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、蒸気タービンの運転監視技術に係り、特に、
湿り蒸気で作動するタービン翼の浸蝕監視装置に関する
。

〔従来の技術〕

一般に、火力発電用蒸気タービンの低圧段落や原子力タ
ービン及び地熱タービンの全段落における作動範囲は、
通常湿り蒸気域に入っており、そ日では、相当量の水滴
を含む雰囲気中でタービンが作動されている。従って、
上記タービンの高速で回転している動翼には、湿り蒸気
中の粗大水滴が衝突し、その衝突部分を浸蝕、損傷する
。いわゆる、二ローション問題が発生する。この二ロー
ションの発生に伴って、タービン翼の寿命が著しく制限
されることから、従来からこの浸蝕を軽減、もしくは、
防止することが強く要望されていた。

先ず、第２図ないし第４図を用いて、タービン翼の水滴
による摂動現象について簡単に説明する。

第２図は、典型的は蒸気タービン低圧段落の構造例を示
したものであり、タービンロータ１、ディスク２及び３
に固着された動翼４，５と動翼４゜５の上流に配設され
、ダイヤフラム６．１２に固着された静翼８及びダイヤ
フラム７．１３に固着された静翼９などによって段落を
構成し、さらに、これら段落の周囲には、内部ケーシン
グ１０．ディフューザ１１．外部ケーシング１４が配設
されている。

この蒸気タービンの静翼９．動翼５の翼列内部における
湿り蒸気中の水滴の挙動を示したものが第３図である。

静翼９ａ〜９ｄで構成された静翼翼列に流入するθり蒸
気流の中で、微小水滴は蒸’Ｘ流１５　ａ〜１５ｄと同
一の軌跡をたどって流動するが、比較的大径の水滴１６
はその慣性効率のために蒸気流から脱して静翼９ａ〜９
ｄの翼表面に衝突、付着して水膜流１７を形成する。水
膜流１７は、静翼後縁１８に達すると、蒸気流１５によ
って加速されて、静翼の後縁端がら離脱し飛散水滴１９
となる。この飛散水滴１９は初期の水滴１６よりも水滴
径がさらに増大し、１００〜２００μｍにも達する場合
がある。このような粗大水滴１９の速度■、は蒸気流の
流速■８に比べて著しく減少する。従って、下流の動翼
５ａ〜５ｄに対して相対速度Ｗ４をもつ水滴２０となっ
て動翼へ衝突する。動翼５８〜５ｄに流入する蒸気流は
ｗ６なる速度でほとんど迎え角のない状態で入るのに反
して、水滴２０は動翼５の背面側に大きな迎え角をもっ
て衝突するため、動翼に対して制動作用が働き、水滴衝
突現象によって動′Ｒ翼面を摂動損傷させ、タービン翼
の寿命低下を招いてしまう。

このため、従来は上記のような弊害をもたらす水滴を分
離、除去する方法が数多く提案されているが、分離効率
が極めて低いこと、段落構造を複雑にすることなどの理
由によって、実機タービンへの適用性が低く、実質的効
果を上げているとは言い難い、一方、何らかの手段を用
いて、タービン翼の浸蝕状態を把握し、タービン翼の寿
命を監視、推定する方法も、特開昭５９−１０８８０６
号または特開昭６０−１４５４０１号公報に開示されて
いる。しかし、前者は翼材と同一材質の試験片を段落内
部に装着し、材料の化学的特性の変化のみから翼材の浸
蝕量を推定する方法であり、後者は、復水中のコバルト
濃度の変化から翼材の析出量を推定する方法であり、い
ずれも、間接的に翼の浸蝕量を評価することによって、
タービン翼の寿命を監視、推定する方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の従来技術は、タービン翼の摂動損傷に直接かかわ
る湿り蒸気中の水滴挙動、流動状態を把握するという点
については、はとんど言及しておらず、間接的にタービ
ン翼の浸蝕状態を評価し、タービン翼の寿命予測をして
いる点に問題があった。しかし、湿り蒸気中の水滴によ
るタービン翼の摂動現象は、発生する水滴の挙動、ある
いは、流動状態（水滴径、衝突速度、水量密度など）に
左右されることを、多くの研究者が指摘している。

本発明は、湿り蒸気中の水滴の挙動及び流動状態を検出
し、さらに、この物理的諸量と翼の浸蝕量を相関付けて
評価可能なアリゴリズムを構築することにより、水滴の
挙動に起因した動翼の摂動状況を適確にとらえて、翼の
寿命予測精度を向上させ、蒸気タービンの信頼性向上を
図ることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題点を解決し、本発明の目的を達成するために
、本発明は以下に示す技術的手段を採用した。

即ち、本発明のタービン翼の摂動監視装置は、　　　　
・段落内部の水滴挙動を検出する水滴挙動検出器、動翼
に衝突する水滴径、水滴速度などの水滴流動状態量及び
水滴の衝突状態量を演算する演算器及び検出された諸量
の関数として動翼の摂動状態を評価可能な摂動進展量評
価器および摂動進展量と浸蝕検出モニタの検出量とを比
較判定する比較判定器、さらに、摂動進展量を修正可能
な修正器などによって楕成し、最終的には、上記の各機
器で得られた諸量からタービン翼の寿命評価を可能とす
る。

〔作用〕

タービン段落内部に発生する水滴の挙動を検出する水滴
挙動検出器は１通常の光学的計測法を応用した検出法が
適用され、本発明では、タービン段落内部（例えば静翼
出口）空間に装着、配備される。水滴挙動検出器によっ
て検出された信号は、タービン外部に配備された水滴流
動状態量演算処理器に導かれ、それぞれの状態量（例え
ば、水滴の大きさ、速度、発生水滴量など）のスペクト
ラム分布から平均的な状態量を演算処理する。従って、
水滴挙動検出器は個々の状態量を別に検出する装置で構
成される場合もある。この水滴流動状態量演算処理器で
演算処理された状態量は、静翼出口の絶対場における水
滴の流動状態量であるために、下流の動翼に対する相対
場の運動として、水滴の流動状態量を評価することが必
要である。

この演算処理の実行は、水滴の衝突状態量演算器で行な
われ、ｉｔ！１ＩｊＫに衝突する水滴の相対速度、翼面
に直行する衝突速度（＠翼の摂動に直接的に影ｇ）など
の水滴の流動状態量が演算処理される。

さらに、動翼の摂動進展旦に影響する水滴の流動状態量
（水滴径、衝突速度）、水滴流量、動翼材の摂動強さく
材料のもつ相対硬さ）など各因子を関数とした摂動進展
量が、摂動進展量評価器によって評価される。この摂動
進展量評価値とタービン内に配備された浸蝕検出モニタ
の出力値は、夫々比較判定器に導かれ、評価値の修正が
必要な場合には、修正器を介して摂動進展量の評価値を
修正する。このようにして、タービン翼の摂動進展量を
追従監視することによって、タービン翼の寿命評価及び
予測を実行する。

〔実施例〕

第５図及び第６図は、本発明の蒸気タービンの低圧段落
に適用した実施例である。低圧タービン段落は、上部ダ
イヤフラム７と下部ダイヤフラム１３とに固着された静
翼９、ロータディスク３に固着された動翼５及び上部ダ
イヤフラム７に連続したディフユーザ壁１１などによっ
て構成される。

段落に流入する湿り蒸気２３中に含まれる湿分の一部は
、静翼９の翼面に衝突付着し、水膜流２４を形成して静
翼９の後縁から再飛散して粗大水滴２５となる。粗大水
滴２５が後流に配備された動翼５に衝突し、動翼５の翼
面を摂動損傷させる。

本発明では１段落内部に粗大水滴２５の挙動を検出可能
な水滴挙動検出器２６を配備し、静翼９の後縁から飛散
する水滴の径スペクトラム、速度スペクトラムに関する
情報を水滴挙動検出器２６によって検出する。水滴挙動
検出器２６は、通常の光学的計測法を応用した検出法が
適用されるが、個々の状態量を別々に検出する装置によ
って構成されても不都合はない。水滴挙動検出器２６で
得られた信号５９は、タービン外部に配設されたタービ
ン翼寿命監視制御システム２９に導かれ、所定の演算処
理を施して動翼５の摂動進展量を評価し、翼寿命を推定
する。

静翼９の蒸気条件（圧力、温度）の検出センサーによっ
て検出された検出信号５８は、運転条件検出器３０に同
時に導かれる。さらに、上部ダイヤフラム７に連結され
たディフューザ１１の壁内部には、電気絶縁部材３２で
覆われた摂動検出器３４が配設され、検出信号６０．６
１は、浸蝕検出モニタ３３へ導かれる。摂動検出器３４
は、第５図に開示したように、動翼５の下流側のディフ
ューザ１１の壁内部に配備することを限定とする必要は
なく、第６図に示したように静翼９の後流部に位置する
上部ダイヤフラム７の内部に配設可能とする。

以下、タービン翼寿命監視システム２９の構成、作用、
効果などについて詳細に説明する。

タービン翼寿命監視システム２９は、第１図に示すよう
に、水滴径、速度演算処理する水滴流動状態量演算処理
器３９、衝突速度演算する水滴の衝突状態演算器４０、
摂動通展量評価器４１、比較判定器４２、修正器４３、
翼寿命評価器４４などによって構成される。水滴流動状
！ｒ３ｍ演算処理器３９は、水滴流動検出器２６によっ
て検出された水滴径り及び水滴速度Ｖ、の頻度分布を表
わすスペクトラム６２．６３のように演算処理し、それ
ぞれのスペクトラムデータから平均水滴径り１、平均水
滴速度■４．を算定する。この水滴流動に関する情報値
が静翼９から飛散する水滴の状態量を表わす。

水滴径り１、水滴速度ｖ４．が動翼５に衝突する訳では
なく、蒸気流中での水滴が、安定に保ち得る最大水滴径
り１．、は次式で表わされるウニバー数Ｗｅで決定され
る。

σ ここに、ρ１：１Ｅ度 ■、：蒸気速度 σ　：水滴表面張力ウニバー数は通常２１〜２４であり、この条件を満足す
るように最大水滴径り３１．が決まる。

即ち、　　　Ｄ、≧Ｄ、、、　　　　　Ｄ−＝Ｄ、、。

Ｄ、＜Ｄ、、、　　　　　Ｄヮ＝Ｄ− また、動翼５に衝突する際の水滴速度は、検出された絶
対場での水滴速度ｖ１ではなく、第３図に示す水滴の速
度三角形から明らかなように、相対場での水滴速度Ｗｄ
である。さらに、動翼５の摂動進展量に直接関係する水
滴速度は、Ｗｄの翼面に直行する成分（衝突速度）Ｗａ
ｎである。従って、これらの動翼５に衝突する水滴の相
対場の情報を演算処理は、水滴の衝突状態量演算器４０
で処理される。この衝突速度Ｗ　ａ　ｎ　、最大水滴径
り１．おの演算には、タービン段落の運転状態が必要で
あるから、これらの情報として運転条件検出器３０で検
出された圧力、温度、及び、タービン回転数などが、水
滴の衝突状態量演算器４０に与えられる。

さらに、水滴挙動に関する情報値（Ｄ−、ｌ：Ｌ、、。

Ｗｌ、）及び動翼の材料強さＮ６、動翼に衝突する水滴
量Ｖ、などを関数とした決定される浸ｍ進展量（Ｙ、）
が、摂動進展量評価器４１によって評価される。摂動進
展量（Ｙ、）の評価方法は、Ｊ。

Ｋ　ｒｚ　ｙ　ｚａｎｏｗｓｋｉ等の提案としている下
記の方法を適用することができる。

ここで、Ｔ：時間、Ｙ　：摂動進展量、Ｎｅ：材料強さ
Ｕａ：衝突する水滴量、Ｗａｎ：翼面に直角に衝突する
水滴速度、Ｄ、：水滴径、Ｙ、：（ｄｙ／ｄｔ）の最大
値（第４図の特性曲線参照）本発明では、このようにし
て、摂動進展量評価器４１で予測評価された摂動進展量
の予測精度を向上するために浸蝕検出モニタで検出され
た摂動進展量との比較判定を行なう手段を適用する。即
ち、浸蝕検出モニタ３３は、タービン段落内部の静止部
に配設された摂動検出器３４の検出信号を電気信号６０
．６１の変化として検出する。即ち、電気信号６０．６
１の抵抗変化Ω、は、演算器６６によって摂動進展量Ｙ
、に演算される。この摂動進展量Ｙ、は間接的に検出さ
れる疑似進展量であり、実際の動翼材の摂動進展量に相
当しない。

そこで、予め実流状態（翼面に直交して水滴が衝突）で
検出した摂動量Ｙ？と疑似進展量Ｙ、の関係を演算器６
５で求めて、実際の摂動進展量を演算器３８で評価する
。この演算器３８で得られた摂動進展量Ｙ、を比較判定
器４２に導き、摂動進展量子測値Ｙ、の比較判定を行な
い、Ｙ≠Ｙ、の場合には修正器４３を介して摂動進展量
予測値Ｙを修正予測することができる。最終的には、摂
動傘進展量予測値Ｙとタービン運転時間を考慮し、翼寿命評
価器４４によってタービン翼の摂動に起因した翼寿命評
価を行なう。

タービン翼の寿命監視装置は、定常運転時に好適と考え
られるが、起動、停止などを含む非定常時にも勿論適用
できる。但し、起動時の低負荷条件（圧力が低い条件）
では、より粗大な水滴の発生も考えられるので、タービ
ン翼の摂動速度が大きくなる可能性がある。このような
場合には、第７図に示すように、寿命監視装置２９に、
摂動進展速度演算器５４を追設することによって進展速
度ｄ　ｙ／ｄ　ｔを演算処理し、比較器５５による許容
進展速度（ｃｌｙ／ｄｔ）Ａとの比較判定を行なう。許
容値を超える場合には、タービン負荷制御手段５６によ
って負荷上昇率を制御し、さらに、ケーシング、及び、
静翼加熱手段５７を併設することによって、許容できな
い粗大水滴の発生を制御することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、水滴を含む湿り蒸気で作動するタービ
ン翼の摂動進展状態を予測監視でき、タービン翼の寿命
予測、評価も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のタービン翼の寿命監視装
置のアルゴリズム構成図、第２図は、典型的な蒸気ター
ビンの低圧段落構造図、第３図は段落内の水滴挙動説明
図、第４図は水滴による摂動進展特性図、第５図、第６
図は本発明の寿命監視装置を適用した段落構成図、第７
図は本発明の応用実施例のフロチャートである。２６・・・水滴流動検出器、３９・・・水滴径、速度演
算器、４０・・・衝突速度演算器、４１・・・摂動進展
量評価器、３３・・・摂動検出モニタ、４２・・・比較
判定器、４３・・・修正器、３０・・・運転条件検出器
、４４・・・翼寿命評価器、２９・・・翼寿命監視装置
、５６・・・負荷上昇制御手段、５７・・・ケーシング
静翼加熱手段。

Claims

【特許請求の範囲】１、湿り蒸気中で作動する蒸気タービンにおいて、水滴
流動検出器、水滴流動状態量演算処理器、水滴の衝突状
態量演算器、浸蝕進展量評価器、浸蝕進展量比較判定器
および翼寿命評価器で構成されたことを特徴とする蒸気
タービン翼の浸蝕監視装置。２、特許請求の範囲第１項において、前記浸蝕進展量比較判定器は、前記水滴流動状態量演算
器、前記水滴衝突状態量演算器で演算処理された諸量に
基づいて前記浸蝕進展量評価器によつて評価された浸蝕
量と、前記浸蝕検出量及び前記浸蝕進展換算器で構成さ
れた浸蝕検出モニタによる浸蝕検出量とを比較、判定し
、前記比較判定器と前記浸蝕進展量評価器は修正器を介
して浸蝕進展量を修正評価することを特徴とする蒸気タ
ービン翼の浸蝕監視装置。３、特許請求の範囲第１項または、第２項において、前記浸蝕進展評価器は、これに附設した前記浸蝕進展速
度演算器及び前記浸蝕進展速度比較器の演算信号を介し
て負荷上昇制御手段及びケーシング、静翼の加熱手段を
作動制御することによつて、浸蝕進展速度の制御監視を
可能にしたことを特徴とする蒸気タービン翼の浸蝕監視
装置。