JP3663608B2 - ガスタービンの動翼故障診断方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用および航空用のガスタービンの動翼故障診断方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービン動翼の破損は、エンジン本体に大きな損傷を引き起こす。この動翼の破損は、まずクリープが発生し、そのクリープが進行するとクラックが発生し、そして、そのクラックが進行することにより発生する。そこで、この動翼のクリープを発見するために、従来は、動翼の破損しやすい部分にひずみゲージを貼付し、そのひずみゲージの抵抗値をテレメータなどで伝達して監視していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のガスタービンの動翼故障診断方法および装置では、クリープの発生および現象は、各動翼によって異なるため、全動翼にひずみゲージを貼付する必要があるが、現実には困難である。しかも、クリープの発生しやすいと思われる部分にしかひずみゲージを貼付することができない。したがって、動翼の破損を検出することができる範囲が非常に狭かった。また、クリープが発生した部分のひずみゲージは、再び使用することができないため、新しいものに交換する必要があった。さらに、ひずみゲージの抵抗値を伝達するテレメータを既存のガスタービンに設置することが困難である、などの問題点があった。
【０００４】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、ガスタービン運転中における動翼のクリープの発生および現象を確実に監視することができ、その取り付けが容易で、しかも寿命が長いガスタービンの動翼故障診断方法および装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガスタービンの動翼の端部とガスタービンのケーシングとの隙間の距離を計測することにより、ガスタービン運転中におけるガスタービンの動翼のクリープの発生および現象を監視し、ガスタービンの動翼の破損を防止する、ことを特徴とするガスタービンの動翼故障診断方法が提供される。
【０００６】
ガスタービン運転中において、ガスタービンの動翼にクリープが発生すると、動翼は半径方向（ケーシング側）に伸び、ガスタービンの動翼の端部とガスタービンのケーシングとの隙間の距離が縮む。したがって、この隙間の距離を計測すれば、動翼のクリープの発生および現象を監視することができ、ガスタービンの動翼の破損を防止することができる。
【０００７】
さらに、本発明によれば、ガスタービンのケーシングに設けられ、ガスタービン運転中における、ガスタービンの動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を計測するクリアランスセンサと、ガスタービンのケーシング，動翼およびディスクの温度をそれぞれ計測する温度センサと、計測されたケーシング，動翼およびディスクの温度と、上記計測時の動翼の回転数と、過去のガスタービンの正常運転時におけるデータとから、上記計測時の動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値を算出する演算処理装置と、上記クリアランスセンサにより計測された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の計測値と、上記演算処理装置から算出された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値とを比較し、その差がしきい値を越えた場合に異常検出信号を発信するデータ処理装置と、からなることを特徴とするガスタービンの動翼故障診断装置が提供される。
【０００８】
上述の本発明の構成によれば、上記クリアランスセンサによりガスタービン運転中の動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を計測することができ、ケーシング，動翼およびディスクの温度と、その計測時の動翼の回転数と、過去のガスタービンの正常運転時におけるデータとから、上記計測時における動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を予測することができる。そして、上記動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の計測値と予測値とを比較すれば、クリープの発生および現象を監視することができる。その差がしきい値を越えたときには、異常検出信号が発信され、ガスタービンの運転を停止し、動翼の交換などの手段を施して、ガスタービンの動翼の破損を防止する。また、ガスタービンのケーシングにクリアランスセンサを接続するだけでよいため、その取り付けが容易であり、既存のガスタービンにも取り付けることができる。さらに、クリアランスセンサは、ひずみゲージのように短命の消耗品ではないので、装置の延命化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１から図３を参照して説明する。
【００１０】
図１は本発明のガスタービンの動翼故障診断装置を示す全体構成図である。図１に示すように、本発明のガスタービンの動翼故障診断装置は、ガスタービン運転中における、ガスタービンの動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を計測するクリアランスセンサと、ガスタービンのケーシングの温度（Ｔ_K ），動翼の温度（Ｔ_B ）およびディスクの温度（Ｔ_D ）をそれぞれ計測する温度センサ（図示せず）と、その計測されたケーシング，動翼およびディスクの温度（Ｔ_K ，Ｔ_B ，Ｔ_D ）と、計測時の動翼の回転数（Ｎ）と、過去のガスタービンの正常運転時におけるデータ（Ｄ）とから、計測時の動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値（ｄ_e ）を算出する演算処理装置と、クリアランスセンサにより計測された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の計測値（ｄ_m ）と、演算処理装置から算出された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値（ｄ_e ）とを比較し、その差（ｄ_m −ｄ_e ）がしきい値（Ｌ）を越えた場合に異常検出信号を発信するデータ処理装置と、からなるものである。なお、この演算処理装置およびデータ処理装置は制御装置として一体に構成してもよい。
【００１１】
上記クリアランスセンサとしては、ガスタービンの動翼の端部とセンサとの静電容量を利用したもの、渦電流を利用したもの、細針をケーシングから動翼の端部に向けて挿入し、その細針の先端に高電圧をかけたときに発生する放電電流を利用したもの、などが使用される。また、温度センサ（図示せず）により、直接的にガスタービンのケーシングの温度（Ｔ_K ），動翼の温度（Ｔ_B ）およびディスクの温度（Ｔ_D ）を計測することが好ましいが、動翼の温度（Ｔ_B ）およびディスクの温度（Ｔ_D ）の計測が困難な場合には、ガスタービンのガス温度や運転時間などから予測するようにしてもよい。
【００１２】
上記クリアランスセンサにより、ガスタービン運転中における、ガスタービンの動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を計測することができるが、このとき、動翼は高速回転しているため半径方向に遠心力が働いており、さらに高温雰囲気に晒されているため熱膨張もしている。したがって、クリアランスセンサによる計測値（ｄ_m ）だけでは、クリープの発生によるものであるか否かが不明である。そこで、ガスタービン運転中における動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を計測するとともに、ケーシングの温度（Ｔ_K ），動翼の温度（Ｔ_B ），ディスクの温度（Ｔ_D ）および動翼の回転数（Ｎ）を計測し、過去のガスタービンの正常運転時におけるデータ（Ｄ）から、計測時の環境における実際の動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を予測値（ｄ_e ）として算出している。この作業を行うのが上記演算処理装置である。すなわち、演算処理装置は、過去のデータ（Ｄ）から、関数ｆ（Ｔ_K ，Ｔ_B ，Ｔ_D ，Ｎ）＝ｄ_e を導出（または初期データとして記憶）し、リアルタイムで送信されてくる各データ（Ｔ_K ，Ｔ_B ，Ｔ_D ，Ｎ）を演算処理している。なお、過去のデータ（Ｄ）としては、ガスタービンの正常運転時における、動翼の端部とケーシングとの隙間の距離、ケーシング，動翼，ディスクの温度および動翼の回転数が使用される。
【００１３】
この演算処理装置で算出された予測値（ｄ_e ）と、クリアランスセンサにより計測された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の計測値（ｄ_m ）とを比較し、動翼にクリープが発生しているか否かを検出するのがデータ処理装置である。このデータ処理装置では、クリアランスセンサによる計測値（ｄ_m ）から、演算処理装置による予測値（ｄ_e ）を引いた値が、しきい値（Ｌ）を越えているか否かを判断している。そして、その差がしきい値（Ｌ）を越えている場合（すなわち、ｄ_m −ｄ_e ＞Ｌの場合）には、異常検出信号をガスタービン制御盤に発信するようになっている。ガスタービン制御盤に異常検出信号が発信されると、自動または手動操作でガスタービンの運転を中止して動翼の交換をしたり、ガスタービンを低速運転に切り換えて動翼への負担を軽減させる、などの措置を採ることができる。なお、しきい値（Ｌ）は、動翼の材質，寸法およびクリープ許容値などの諸条件から予め定めておく。
【００１４】
図２は本発明のガスタービンの動翼故障診断方法をジェットエンジンに適用した場合の模式図である。この図に示すように、ジェットエンジンは、一般に、空気取入口１、圧縮機２、燃焼器３、ガスタービン４、アフターバーナ５、ジェットノズル６、ケーシング７などを備えており、空気を空気取入口１から導入し、圧縮機２でこの空気を圧縮し、燃焼器３内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン４を駆動し、このガスタービン４で圧縮機２を駆動し、必要なときはアフターバーナ５でガスタービン４を出た排ガスにより燃料を再度燃焼させ、高温の燃焼排ガスをジェットノズル６で膨張させて後方に噴出し、推力を発生するようになっている。そして、ガスタービン４は動翼４Ｂおよびディスク４Ｄなどから構成されている。本発明のガスタービンの動翼故障診断方法は、この動翼４Ｂの端部とケーシング７の隙間８の距離を計測することにより、ガスタービン４の運転中におけるガスタービン４の動翼４Ｂのクリープの発生および現象を監視し、ガスタービン４の動翼４Ｂの破損を防止しようとするものである。また、本発明のガスタービンの動翼故障診断装置としては、上述した通りであるが、クリアランスセンサは、図２に示すように、動翼４Ｂの端部近傍のケーシング７に固着されている。
【００１５】
図３は本発明のガスタービンの動翼故障診断装置を使用して動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を監視したときの図である。この図において、横軸は時間の変化を示し、縦軸は動翼の端部とケーシングとの隙間の距離および回転数を示している。図に示すように、ガスタービンは一定の高速回転および低速回転を繰り返している。その回転数およびケーシング，動翼，ディスクの温度から、常時、動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値が算出されている。動翼にクリープが発生していない場合には、予測値と計測値が一致している。動翼にクリープが発生した場合には、図３において破線で示すように、計測値が予測値よりも低い値を示す。この予測値と計測値の差が、しきい値に達しない場合にはそのままガスタービンの運転を続け、しきい値を越えた場合には異常検出信号が発信されることになる。
【００１６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１７】
【発明の効果】
上述した本発明のガスタービンの動翼故障診断方法および装置によれば、ガスタービン運転中における動翼の端部とガスタービンのケーシングとの隙間の距離を計測することができるため、動翼のクリープの発生および現象を監視することができ、ガスタービンの動翼の破損を防止することができる。また、ガスタービンのケーシングにクリアランスセンサを接続するだけでよいため、その取り付けが容易であり、既存のガスタービンにも取り付けることができる。さらに、クリアランスセンサは、ひずみゲージのような短命の消耗品ではないので、装置の延命化を図ることができる、などの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの動翼故障診断装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明のガスタービンの動翼故障診断方法をジェットエンジンに適用した場合の模式図である。
【図３】本発明のガスタービンの動翼故障診断装置を使用して動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を監視したときの図である。
【符号の説明】
１ 空気取入口
２ 圧縮機
３ 燃焼機
４ ガスタービン
４Ｂ 動翼
４Ｄ ディスク
５ アフターバーナ
６ ジェットノズル
７ ケーシング
８ 動翼の端部とケーシングとの隙間

Claims (2)

1. ガスタービンの動翼の端部とガスタービンのケーシングとの隙間の距離を計測することにより、ガスタービン運転中におけるガスタービンの動翼のクリープの発生および現象を監視し、ガスタービンの動翼の破損を防止する、ことを特徴とするガスタービンの動翼故障診断方法。
2. ガスタービンのケーシングに設けられ、ガスタービン運転中における、ガスタービンの動翼の端部とケーシングとの隙間の距離を計測するクリアランスセンサと、
   ガスタービンのケーシング，動翼およびディスクの温度をそれぞれ計測する温度センサと、
   計測されたケーシング，動翼およびディスクの温度と、上記計測時の動翼の回転数と、過去のガスタービンの正常運転時におけるデータとから、上記計測時の動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値を算出する演算処理装置と、
   上記クリアランスセンサにより計測された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の計測値と、上記演算処理装置から算出された動翼の端部とケーシングとの隙間の距離の予測値とを比較し、その差がしきい値を越えた場合に異常検出信号を発信するデータ処理装置と、
   からなることを特徴とするガスタービンの動翼故障診断装置。

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