JP2010060425A - タービン部材のエロージョン損傷検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン部材のエロージョン損傷に伴う音響信号や振動信号を光ファイバセンサで検出して、タービン部材の劣化および寿命を判定する装置を提供すること。
【解決手段】タービンの所定部材１１０，１２０内に光ファイバ２１０を埋め込み、前記光ファイバに光を通して透過光、反射光を検出する検出要素１４，１５と、前記検出要素により検出された信号を、予め得られた前記所定部材のエロージョン損傷に対応する光信号の特徴と対比して前記部材のエロージョン度合いを判定することを特徴とするタービン部材のエロージョン損傷検出方法およびその装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンにおけるエロージョン損傷の検出方法およびその装置に係わり、とくにタービン部材のエロージョン損傷に伴う音響信号や振動信号を光ファイバセンサで検出して、タービン部材の劣化および寿命を判定するタービン部材のエロージョン損傷検出方法および装置に関する。

タービンでは、ボイラ管内で発生した酸化スケールがノズルや動翼や静翼に衝突してエロージョンを発生させ、タービンの回転性能を低下させる。

従来、高圧初段ノズルのボイラからのスケールエロージョン対策としては、耐食性に優れたホウ化処理ノズルボックスの採用が有効な対策となる。中圧初段に対しても、同様に耐食性に優れたセラミック溶射ノズルの採用が有効な対策となる。

主要蒸気弁のスケール対策としては、弁棒材料にインコロイ、ブッシュにステライト溶接を施す技術があり、これにより、スケール生成速度は、従来の約１/３に軽減される（非特許文献１参照）。

このように、エロージョン損傷については、エロージョンを防ぐためにタービン部材の耐食性を上げたり、エロージョン損傷の回復処置を施したりする対策が採られている。一方、光ファイバを用いて振動やＡＥを検出する方法としては、特許文献１や非特許文献２に示す方法がある。
特許第2697782号公報 北川理一郎著「事業用既設火力の改良保全への取組み─ 既設発電設備の延命化と新保守構想」、東芝レビューVol.56、No.６(2001)、pp.30-36 影山和郎他著「新規光ファイバセンサの開発と構造ヘルスモニタリングへの応用」、日本機械学会、2002年度年次大会（2002.09.25-28）予稿集

現状、実機で発生しているエロージョン損傷の度合いを判定する手法がないため、エロージョン損傷の程度が重いか軽いかは分解点検などを実施しない限り判定できない。従って、上記の対策は設計段階や定期点検時の定時にしかなし得ない。

そこで、エロージョン損傷の進展具合をタービン外部から計測およびモニタリングできるようなシステムが望まれている。このようなシステムがあれば、補修作業（回復処理）の要否を判定でき、定期点検作業の簡略化や期間短縮が可能となるからである。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、タービン部材のエロージョン損傷に伴う音響信号や振動信号を光ファイバセンサで検出して、タービン部材の劣化および寿命を判定する装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本願では、次の方法及び装置の発明を提供する。

方法の発明は、
タービンの所定部材内に光ファイバを埋め込み、
前記光ファイバに光を通して透過光、反射光を検出する検出要素と、
前記検出要素により検出された信号を、予め得られた前記所定部材のエロージョン損傷に対応する光信号の特徴と対比して前記部材のエロージョン度合いを判定する
ことを特徴とするタービン部材のエロージョン損傷検出方法、
である。
装置の発明は、
耐熱処理が施されタービンの所定部材に埋め込まれた光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサに光を入力する光源と、
前記光ファイバにおける透過光、反射光を検出して電気信号に変換する光出力検出手段と、
前記光出力検出手段からの信号を計測する計測手段と、
前記計測手段による計測信号または解析結果を蓄積するデータロガーと、
診断対象毎に適正な測定条件や信号処理条件、劣化度合いや寿命を判定するためのしきい値などを蓄積した診断データベースと、
前記計測手段、前記データロガーおよび前記診断データベースの出力を用いてエロージョン損傷の判定を行う判定手段と
を備えたことを特徴とするタービン部材のエロージョン損傷検出装置、
である。

本発明に係わるタービン部材のエロージョン損傷検出方法および装置では、耐熱処理した光ファイバセンサを用いるので、５００℃以上の高温環境でもエロージョン損傷現象に伴う振動や音響信号を検出することができる。また、光ファイバセンシングの性質を利用して、多点センサの同時計測により、複数部位の劣化や異常をモニタリングすることができる。更には、振動検出のための光センシング方法を用いてサンプリング速度を上げることにより信号処理によるＳ／Ｎ比改善も実現可能となる。

このようなエロージョン損傷検出を行えば、エロージョン損傷の位置や大きさ、スケール粒子の衝突力積などを検知することが可能となる。

本発明の骨子は、タービン部材のエロージョン損傷を、光ファイバセンシングおよび信号処理により実現する手法を提供することである。

以下、前述した考え方に基づく本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の構成を示している。この図１に示すように、光源１１からの光を、光サーキュレータ１２を介してタービンの対象箇所に照射し、光ファイバセンサ１３により取り出した透過光を透過光検出部１４に与える一方、反射光は反射光検出部１５に与える。

透過光検出部１４および反射光検出部１５の検出信号は、演算部１６を介して計測手段１７に与え、計測手段１７は診断データベース２０に予め蓄積されていた基準信号を基に計測信号を形成してデータロガー１８および信号処理手段１９に与える。

信号処理手段１９は、計測手段１７からの計測信号をデータロガー１８からの蓄積データに基づき信号処理を行い、その結果を診断データベース２０に格納するとともに、劣化判定プログラム２１に与える。

この実施例１では、タービン（図示せず）内で発生する酸化スケールの衝突に伴う音響または振動を光ファイバセンサ１３で検出する。光ファイバのセンシング部は、部材の強度を維持したまま、タービンのノズルや静翼や弁などに、耐熱処理をしてネジ留めや溶射などで埋め込んだり付設したりする。

光ファイバセンサ１３には、高出力広帯域光源や特定波長光源等の光源１１から光を入力し、透過光および反射光をフォトダイオードアレイなどの光学センサ、つまり透過光検出部１４および反射光検出部１５で検出し、電気信号に変換して演算部１６に与える。

演算部１６では電気信号を透過スペクトラムおよび反射スペクトラムに変換演算し、このスペクトラム演算結果を一定周期でオシロスコープなどの計測手段１７で計測する。計測信号データは、データロガー１８に保存する。データロガー１８に保存された計測信号の時系列変化を、モニタリングする。

次に、計測信号を、信号処理手段１９を用いて計測と同時、または一旦保存後にデータロガー１８から呼び出して時間周波数解析や周波数解析のために信号処理する。信号処理結果は、診断データベース２０に保存されるとともに機種や現象、劣化度に応じた信号処理結果およびイメージマッピングが行われ、タービン部材のエロージョン損傷の度合いや寿命を判定する。これらの一連の劣化および寿命判定は、劣化判定プログラム２１に従って実行／出力される。

図２(a)，(b)は、本発明の適用対象であるタービンの内部構造を示している。タービンは、タービン軸１１１に取り付けられた回転羽根１１２の外周に設けられた羽根１１３に対してノズル１２１から蒸気が噴射される。図２に示すようなノズル１２１によって動翼とも呼ばれる回転羽根１１２に流体である蒸気がガイドされ、効率よく回転するように設計されている。ここで、このノズルの厚みや角度がエロージョン損傷で微妙に変化すると、流体の挙動が変化し、タービンの回転性能が低下してしまう。

図３は、この蒸気タービンの内部構造、および光ファイバによるセンシング構成を示したものである。この図３に示すように、複数の光ファイバ２１０をタービンのケーシング１２０内に収容されたロータ１１０の、ノズルや静翼や弁などに耐熱処理をしてネジ留めや溶射などで埋め込んだり付設したりし、エロージョン損傷に伴う音響や振動をセンシングし、エロージョンの発生位置や劣化の程度、寿命などを判定する。

すなわち、光源３１から光アイソレータ３２およびスキャナ３３を介してＦＢＧセンサ２００に光を照射して取り出した検出光を、光アイソレータ３２が光電変換モジュール３４に送り込み、電気信号に変換してスペクトラムアナライザ３５、汎用目的インターフェースバス（GPIB）３６を介して診断用パソコン３７に与え、診断データベース３８を用いた診断を行う。

光ファイバを使用することで、複数のセンシング部は、直列にすれば一つの光源で多点計測ができる。また、直列でなくともスキャナ３３などで切替検出をすることで、センサ間の干渉ノイズなどを低減してもよい。

図４(a)，(b)は、FGBセンサの概略構造および測定原理を示したものである。光ファイバセンサは、図４(a)に示すようなＦＢＧ型の光ファイバを使用すれば、検出対象の振動または音響信号が、入力光の透過光や反射光スペクトルの光波長信号の変動として検出される。

ＦＧＢ型センサとは、光ファイバグレーティング（FBG：Fiber Bragg Grating）によるセンサであり、光ファイバ２１０のコア部２１１の屈折率を周期的に変化させた回折格子の構造のセンサである。入射光がＦＢＧ２１２を透過すると、ブラック波長と呼ばれる波長成分がＦＢＧ２１２で反射され、残りの成分は透過される。このブラッグ波長のシフト量分が歪みや温度に依存して変化するため、音響や振動信号も検出できる。図４(b)は、光ファイバセンサにおける入射光特性、反射光特性およびそれらの差である透過光特性を示したものである。

上記のように、振動や音響を透過光や反射光スペクトルの波長変動として検出する場合には、スペクトルの中心波長を求める必要があるため、一定のワイドな波長領域についてフォトダイオードなどの光検出素子を準備して光電変換計測およびスペクトラム演算を実施する必要がある。この場合、一つのスペクトルを作り出すための計測時間と計算時間との合計が、動的状態を観測するためのボトルネックとなる。

そこで、予め診断対象物や現象によって異なる音響／振動検出のための最適周波数帯を、対象や現象ごとに実験的または理論的に求め、診断データベースに蓄積しておけば、ワイドバンドでの光計測と光電（Ｏ／Ｅ）変換などをせずに、ある特定周波数帯のみに感度を持つ、つまり特徴周波数帯を持つフォトトランジスタ（またはダイオード）を用いて、その波長での光スペクトル強度の変化を計測することにより高速で音響／振動を計測することができるようになる。

図５(a)，(b)は、FGBセンサのスペクトル強度変化での音響、振動検出の原理を示す図であり、図５(a)は反射型ブロードバンドの場合を、図5(b)は長周期FBGの場合をそれぞれ示している。

この特徴周波数帯については、図５に示すように、光スペクトルの波長微分の絶対値が最大となる帯域を選択すれば、音響／振動検出の感度および分解能を高めることができる。

このような原理で、計測手段に、数１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの高速サンプリング機能を備えるオシロスコープ、ＰＣ計測系を選択すれば、ＡＥや加速度の検出もできるようになる。

そして、この計測手段による計測信号に対し、短時間ＦＦＴやwavelet変換を施して時間周波数解析をすれば、計測信号のノイズ低減と特徴抽出がし易くなる。具体的には、計測手段による計測信号に対し時間周波数解析を施し、時間周波数解析結果のイメージマイニングを行うなどして、異常診断や劣化診断、寿命診断をすることができる。

図６(a)ないし(d)は、FBG技術を用いた音響／振動の特徴検出原理を示したものである。原波形が図６(a)に示すものである音響／振動の検出信号であると、図６(b)に示すようなFBGスペクトラム強度の変化を求めてwavelet変換することにより、図６(d)に示す時間―周波数解析結果が得られる。

図７は、図６により説明した特徴抽出原理を信号処理プロセスとして示したものである。すなわち、FBGセンシング（４１）により検出した信号を光電変換し（４２）、信号増幅（４３）してから、高速サンプリング（４４）する。

このサンプリングした信号にwavelet変換、ＳＦＦＴなどの時間周波数解析（４５）を施した上でイメージマイニング（４６）し、判定結果を得る（４７）。この判定は、異常診断、劣化診断、寿命診断等を含む。

図８は、本発明で用いる信号検出要素としての光ファイバの設置形態を示したもので、タービンのノズル１２１内に、縦横に光ファイバ２１０ａ，２１０ｂを配置した例を示している。

この図８に示すように、光ファイバ２１０の埋め込みを、損傷検出対象の振動面に平行な二次元面の二軸方向とすれば、ノズル板などの対象表面のどの位置にスケールが衝突したかとか、どの位置でエロージョンが進行しているか、といった情報を捉えられるようになる。

図９(a)，(b)，(c)は、光ファイバの他の配置例を示したものである。この図９(a)に示すように、光ファイバ２１０の埋め込みを、損傷検出対象の振動面に対して垂直な方向にも積層させ、振動面に与えられる力積を計算する機能を付加する事も効果がある。

そして、図９(b)，(c)に示すように、図９(a)におけるｘ−ｙ平面およびｘ−ｚ平面での振動振幅レベルを丸内の数値で表せば、これらの数値分布からエロージョンの存在が観察できる。

光ファイバでの音響／振動検出時は、振動や音響と同時に光ファイバセンサ部の温度変化分布も検出されるため、これを分離し、温度補償が可能であればより正確な音響／振動検出を実現できる。補償係数や、その他寿命判定しきい値など、診断／判定に必要な情報は、診断データベースに蓄積し、検出したい劣化現象及び対象機器毎に最適な光源の種類、波長、計測周波数、劣化速度（しきい値）、信号処理プログラムを備えておく。

図１０は、限られた検出領域からの信号検出を行うレーザードップラ型の光ファイバセンサの構成例を示している。これは、ファイバ湾曲部が検出対象から受ける振動または音響信号を入力光の周波数の変動として検出するものである。この方式は、ＦＢＧセンサに比べセンシング部自体の製造コストを抑えることができる。

本発明の第１の実施例の概略的構成図。 図２(a)はタービンのノズルの機構を説明する斜視図、図２(b)は縦断面図。 本発明の第１の実施例を適用する際の蒸気タービンの構造とセンシングの概要例を説明する図。 図４(a)は、本発明の第１の実施例におけるＦＢＧ型光ファイバセンサの原理を説明する構造斜視図、図４(b)は同センサの特性図。 本発明の第１の実施例におけるＦＢＧ型光ファイバセンサのスペクトル強度変化での音響・振動検出の原理を説明する図であり、図５(a)はＦＢＧセンサを反射型ブロードバンドに適用した場合の特性図、図５(b)は長周期ＦＢＧの場合の特性図。 本発明の第１の実施例におけるＦＢＧセンシングでの高速サンプリングおよび信号処理の原理を説明する図であり、図６(a)は動作内容を示す波形図、図６(b)は動作内容を示すプロセス図。 本発明の第１の実施例におけるＦＢＧセンシングでの動作内容を示すプロセス図。 本発明の第１の実施例の光ファイバの二次元配置の例を説明する図。 本発明の第１の実施例のエロージョン損傷位置の同定原理を説明する図であり、 図９(a)は透視図、図９(b)は図９(a)のｘ−ｙ平面における振動振幅レベルを示す図、図９(c)は図９(a)における振動振幅レベルを示す図。 本発明の第１の実施例のレーザードップラ効果検出型光ファイバセンサの原理を示す図。

符号の説明

１１ 光源、１２ 光サーキュレータ、１３ 光ファイバセンサ、１４ 透過光検出部、
１５ 反射光検出部、１６ 演算部、１７ 計測手段、１８ データロガー、
１９ 新語処理手段、２０ 診断データベース、２１ 劣化判定プログラム、
３１ 光源、３２ 光アイソレータ、３３ スキャナ、３４ 光電変換モジュール、
３５ スペクトラムアナライザ、３６ 汎用インターフェースバス、
３７ 診断用パソコン、３８ 診断データベース、４１ ＦＢＧセンシング、
４２ 光電変換、４３ 信号増幅、４４ 高速サンプリング、４５ 時間周波数解析、
４６ イメージマイニング、４７ 判定結果出力、１１１ タービン軸、
１１２ 回転円盤、１１３ 羽根、１２１ ノズル、１２２ａ 光源、
１２２ｂ ハーフミラー、１２２ｃ カプラ、１２２ｄ ＡＯＭ、１２２ｅ 検出器、
２００ ＦＢＧセンサ、２１０ 光ファイバ、２１１ コア、２１２ ブラッグ格子。

Claims (12)

1. タービンの所定部材内に光ファイバを埋め込み、
   前記光ファイバに光を通して透過光、反射光を検出する検出要素と、
   前記検出要素により検出された信号を、予め得られた前記所定部材のエロージョン損傷に対応する光信号の特徴と対比して前記部材のエロージョン度合いを判定する
   ことを特徴とするタービン部材のエロージョン損傷検出方法。
2. 耐熱処理が施されタービンの所定部材に埋め込まれた光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサに光を入力する光源と、
   前記光ファイバにおける透過光、反射光を検出して電気信号に変換する光出力検出手段と、
   前記光出力検出手段からの信号を計測する計測手段と、
   前記計測手段による計測信号または解析結果を蓄積するデータロガーと、
   診断対象毎に適正な測定条件や信号処理条件、劣化度合いや寿命を判定するためのしきい値などを蓄積した診断データベースと、
   前記計測手段、前記データロガーおよび前記診断データベースの出力を用いてエロージョン損傷の判定を行う判定手段と
   を備えたことを特徴とするタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
3. 前記光ファイバセンサとしてＦＢＧ型の光ファイバを使用し、検出対象の振動または音響信号を入力光の光スペクトルの光波長信号の変動として検出することを特徴とする請求項２記載のタービン部材のエロージョン検出装置。
4. 前記光ファイバセンサとしてＦＢＧ型の光ファイバを使用し、検出対象の振動または音響信号を入力光の光スペクトルの強度の変動として検出することを特徴とする請求項２記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
5. 前記光ファイバセンサとしてＦＢＧ型の光ファイバを使用し、検出対象の振動または音響信号を入力光のある特定波長のみの光スペクトルの強度の変動として検出することを特徴とする請求項２記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
6. 前記光ファイバセンサは、ファイバ湾曲部が検出対象から受ける振動または音響信号を入力光の周波数の変動として検出することを特徴とする請求項２記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
7. 前記光ファイバを、損傷検出対象の振動面に平行な二次元面の二軸方向に埋め込むことを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
8. 前記光ファイバを、損傷検出対象の振動面に対して垂直な方向にも積層させて埋め込み、前記振動面に与えられる力積を計算する機能を備えたことを特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
9. 前記計測手段は、１００ＭＨｚ以下の高速サンプリング機能を備えることを特徴とする請求項２乃至８の何れかに記載のタービン部材のエロージョン検出装置。
10. 前記解析手段は、前記計測手段による計測信号に対し時間周波数解析を施すことを特徴とする請求項２乃至９の何れかに記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
11. 前記解析手段は、前記計測手段による計測信号に対し時間周波数解析を施し、時間周波数解析結果のイメージマイニングを行うことを特徴とする請求項２乃至１０の何れかに記載のタービン部材のエロージョン損傷検出装置。
12. 前記光ファイバセンサは、光ファイバセンサ部の温度変化分布を検出し温度補償することを特徴とする請求項２乃至１１記載のタービン部材のエロージョン検出装置。

Images