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

本開示は、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に関する。
回転機械では、翼やロータ軸などの各部の状態を監視するために監視センサが設けられる場合がある。このような監視センサで監視対象物を適切に監視するためには、監視対象物に対して監視センサを適切な位置に配置する必要がある。例えば、圧縮機のロータ軸の径方向の変位を検出するセンサに関し、径方向外側のケーシングに取り付けられたセンサとロータ軸との距離を調節可能にするセンサの取付け構造が知られている(特許文献1参照)。
特開2012-88200号公報
例えば、回転機械の動翼の振動を検出する場合、動翼の振動を検出するためのセンサは、動翼の径方向外側のケーシングに取り付けられることが多い。
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。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、熱伸び等によって翼やケーシングが変形しても翼の状態を監視できる、回転機械の翼の状態の監視センサを提供することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械の翼の状態の監視センサは、
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。
上記(1)の構成では、回転機械の運転中の温度上昇により翼やケーシングが熱伸び等によって変形し、翼とセンサとの相対位置がケーシングの軸方向に変化しても、センサの位置をケーシングの軸方向に変更できるので、翼の状態を監視できる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
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。
上記(2)の構成では、第1部分の中心軸がケーシングの径方向に沿うように第1部分をケーシングに固定すれば、第2部分の中心軸周りに第2部分を第1部分に対して回動させることで、センサの位置をケーシングの軸方向に移動できる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
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。
上記(3)の構成では、第1嵌合部に対して第2嵌合部が第1部分の中心軸に対する径方向への位置ずれを規制しながら第1部分に対して第2部分を回動できる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れかの構成において、
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。
上記(4)の構成では、締結部材が挿通される複数の第1孔部又は複数の第2孔部の少なくとも一方が長孔であるので、長孔の延在範囲内において第1部分に対して第2部分を任意の角度位置で固定できる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの構成において、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部分で保持される。
中心軸に対して非対称な構造であって、翼に対して所定の配向で測定することが必要なセンサを用いる場合、センサの配向が調節可能であることが望まれる。
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。
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れかの構成において、
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。
上記(6)の構成では、被固定部の中心軸がケーシングの径方向に沿っていれば、第1部分に対して被固定部を回動させることで、被固定部の中心軸に対して偏心しているセンサ保持部をケーシングの軸方向に移動できるので、センサをケーシングの軸方向に移動できる。
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。
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れかの構成において、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。
上記(7)の構成では、翼の径方向外側の端部とセンサの位置との距離を変更できる。
(8)本発明の少なくとも一実施形態に係るセンサの位置調節方法は、
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。
上記(8)の方法では、回転機械の運転中の温度上昇により翼やケーシングが熱伸び等によって変形し、翼とセンサとの相対位置がケーシングの軸方向に変化しても、センサの位置をケーシングの軸方向に変更できる。
(9)幾つかの実施形態では、上記(8)の方法において、
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。
上記(9)の方法では、翼に対して所定の配向で測定することが必要なセンサであっても、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の中心軸周りの角度位置を調節できる。
(10)本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
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。
例えば、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。
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。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、熱伸び等によって翼やケーシングが変形しても翼の状態を監視センサで監視できる。
幾つかの実施形態に係る蒸気タービンを示す概略構成図である。 動翼の振動検出に係る構成を示した図である。 動翼の振動検出に係る振動波形処理の説明図である。 第1動翼の振動波形を示すグラフである。 ロータに取り付けられた複数のインテグラルシュラウド翼からなる動翼列を動翼の径方向外側から見た状態を模式的に示す図である。 一実施形態の監視センサの断面を模式的に示した図であり、ケーシングの径方向に沿った断面を動翼の回転方向から見た図である。 第1フランジ部をケーシングの径方向外側から見た図である。 第1部分に対する被固定部の角度位置が図6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。 他の実施形態の監視センサの断面を模式的に示した図であり、ケーシングの径方向に沿った断面を動翼の回転方向から見た図である。 第1部分に対する第2部分の角度位置が図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。 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。 監視センサ9のエロ―ジョン対策について説明する図であり、(a)は一実施形態の監視センサの断面を模式的に示した図であり、ケーシングの径方向に沿った断面をケーシングの軸方向に沿って見た図である。(b)は、(a)と同様の図であり、センサ保護部材を設置した状態を示している。 変形例に係る第2部分の断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
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。
最初に、幾つかの実施形態に係る回転機械の一例として、図1に示す蒸気タービン1について説明する。なお、図1は、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン1を示す概略構成図である。
図1に示すように、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン1は、蒸気入口4からケーシング(車室)7a内に導入された蒸気によって、ロータ(回転軸)2を回転駆動するように構成されている。なお、同図において、排気室等の蒸気排出機構は省略している。
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。
このように構成される蒸気タービン1のような回転機械では、回転によって翼が振動することが知られている。そのため、回転機械の稼働中の翼の振動を検出することも行われている。例えば、動翼の振動を検出する場合には、動翼の径方向外側端と対向するケーシングに複数のセンサを取り付け、これら複数のセンサによって動翼の振動を検出することがある。
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。
図2は、動翼6の振動検出に係る構成を示した図である。ロータ2の周囲にはn枚の動翼6である第1動翼6-1、第2動翼6-2、第3動翼6-3・・・第n動翼6-nが取付けられている。各動翼6の径方向外側の端部、すなわち外周側(先端側)の端部と対向する位置には、動翼6の通過を検出する複数のセンサ8が配置される。センサ8は、図2において不図示のケーシング7aに対して周方向に等ピッチまたは不等ピッチで例えばm個配置される。例えば、複数のセンサ8について、ロータ2の回転方向に沿って順に、第1センサ8-1、第2センサ8-2、第3センサ8-3・・・第mセンサ8-mと呼ぶ。
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。
各センサ8の検出信号は、コントローラ50に入力されてコントローラ50で処理されるように構成されている。
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。
図3は、動翼6の振動検出に係る振動波形処理の説明図である。図3において、上から順に第1センサ8-1、第2センサ8-2、第3センサ8-3・・・の出力を示し、最下段には回転検出器51の出力を示す。なお、実線は動翼6が振動していない基準状態における各センサ8からの出力を示す。破線は動翼6が振動している状態(振動状態)における各センサ8からの出力を示す。
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。
コントローラ50は、動翼6が振動していないと仮定したときに各センサ8を各動翼6が通過する第1通過タイミングをそれぞれ算出する。すなわち、コントローラ50は、図3において実線で示したような、基準状態において出力されると推定される各センサ8からの信号の出力タイミングを第1通過タイミングとして算出する。
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。
具体的には、コントローラ50は、第1動翼6-1について、第1センサ8-1の設置位置における第1動翼6-1の基準状態と振動状態とでの通過時間差Δτ1、第2センサ8-2の設置位置における第1動翼6-1の基準状態と振動状態とでの通過時間差Δτ2、第3センサ8-3の設置位置における第1動翼6-1の基準状態と振動状態とでの通過時間差Δτ3・・・を算出する。同様に、コントローラは、他の動翼6-2~動翼6-nについて、各センサ8の設置位置における各動翼6-2~動翼6-nの基準状態と振動状態とでの通過時間差Δτをそれぞれ算出する。
コントローラ50は、上述のようにして算出した通過時間差△τと、動翼6の周速uとに基づいて、第1動翼6-1についての変位(振幅)δ1-1、δ1-2、δ1-3・・・を求める。
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。
コントローラ50は、他の動翼6-2~動翼6-nについても同様に、振動波形を取得する。そして、コントローラ50は、取得したこれらの振動波形に基づいて動翼6の面外方向への振動変位を算出して、動翼6の振動状態(振動モード)を検出する。
ところで、蒸気タービン1のような回転機械の運転中には、運転による温度上昇により動翼6やケーシング7aが熱伸び等によって変形し、動翼6とセンサ8との相対位置が変化することがある。例えば、動翼6とセンサ8との相対位置がケーシング7aの軸方向に変化すると、センサ8の検出範囲から動翼6が逸脱してしまうおそれがある。特に、インテグラルシュラウド翼と称される動翼の場合、動翼とセンサとのケーシングの軸方向の相対位置について、次に述べるような制約が生じることがある。
例えば、インテグラルシュラウド翼と称される動翼では、動翼の径方向外側の端部にシュラウドが形成されている。図5は、ロータに取り付けられた複数のインテグラルシュラウド翼からなる動翼列を動翼の径方向外側から見た状態を模式的に示す図である。図5に示したインテグラルシュラウド翼60は、翼型を有する翼型部61と、翼型部61における動翼の径方向外側端部に設けられたシュラウド62とを有する。図5において、矢印xは、ケーシングの軸方向を示し、矢印R1は、インテグラルシュラウド翼60の回転方向を示す。シュラウド62の端面は、隣接する他のインテグラルシュラウド翼60のシュラウド62の端面に圧接される。
例えば、図5に示すようなインテグラルシュラウド翼からなる動翼列では、センサでインテグラルシュラウド翼60のそれぞれを検出するためには、センサの検出範囲は、例えばおおよそ、ケーシングの軸方向において2本の2点鎖線で挟まれた範囲aの間でなくてはならない。例えば、ケーシングの軸方向におけるセンサの位置が、2本の2点鎖線で挟まれた範囲aから図5において左側にずれた場合、インテグラルシュラウド翼60がセンサの検出範囲から外れるおそれがある。また、例えば、ケーシングの軸方向におけるセンサの位置が、範囲aから図5において右側にずれた場合、隣接するインテグラルシュラウド翼60のシュラウド62同士が接触しているため、インテグラルシュラウド翼60を個別に検出できないおそれがある。
そこで、幾つかの実施形態では、以下に述べるように、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置を調節可能に監視センサ9を構成した。
(監視センサ9について)
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。
幾つかの実施形態の監視センサ9は、動翼6の振動を検出するための、すなわち動翼6の状態を監視するためのセンサ8を備える。幾つかの実施形態の監視センサ9は、ケーシング7aに固定されるように構成された第1部分10を備える。幾つかの実施形態の監視センサ9は、センサ8を保持するとともに、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置を調節可能に第1部分10に支持された第2部分20を備える。
第2部分20は、後述するように、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。
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。
幾つかの実施形態では、ケーシング7aにおける動翼6の径方向外側端と対向する位置には、センサ8を動翼6の径方向外側端と対向させるために貫通孔部7cが複数個所に設けられている。貫通孔部7cにおけるケーシング7aの径方向外側の内周面には、例えば、雌ねじ部7dが形成されている。
(第1部分10)
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には、第2部分20の後述するセンサ保持部220,232が挿通される貫通孔12が形成されている。貫通孔12の中心軸は、第1部分10の中心軸AX1と一致している。
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。
(第2部分20)
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。
幾つかの実施形態の第2部分20は、第1部分10の第1嵌合部13と嵌合する円形の凸部により構成される第2嵌合部21を含む。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る。
図6に示した一実施形態の第2部分20は、被固定部210と、センサ保持部220とを含み、第2嵌合部21は、後述するように、被固定部210の下部に設けられている。また、図9に示した他の実施形態の第2部分20では、第2嵌合部21は、後述するように、フランジ部231の下部に設けられている。
まず、図6に示した一実施形態の第2部分20について説明する。
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211は、被固定部210の下部に設けられたフランジ部であり、第1部分10の第1フランジ部14とフランジ結合される。すなわち、下部フランジ部211は、第1フランジ部14とフランジ結合される第2フランジ部である。
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。
中間部212は、下部フランジ部211と上部フランジ部213とを接続する中空軸状の部位であり、内周面が貫通孔部214を形成している。
上部フランジ部213は、例えば、貫通孔部214の中心軸214aと同芯の円盤状のフランジ部である。上部フランジ部213には、上部フランジ部213の上面から下方に向かって凹んでいる凹部216が形成されている。この凹部216には、後述するように、ケーシングの径方向におけるセンサ8の位置を調節するためのスペーサ271が収納される。
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。
一実施形態の第2部分20におけるセンサ保持部220は、フランジ部221と、軸部222と、段部223とを有する。
フランジ部221は、被固定部210の上部フランジ部213とフランジ結合されるフランジ部である。フランジ部221は、図7に示した第1フランジ部14の長孔15と同様に、センサ保持部220の中心軸220aを中心とする円周方向に延在する複数の長孔224を有する。
軸部222は、フランジ部221から下方に延在し、センサ保持部220の中心軸220aと同芯の軸状の部位である。軸部222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がセンサ保持部220の中心軸220aと同芯となるように軸部222に保持されている。軸部222は、被固定部210の貫通孔部214及び第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。なお、軸部222が被固定部210の貫通孔部214に挿通されると、センサ保持部220の中心軸220aと貫通孔部214の中心軸214aが同芯となる。
なお、図6では、ケーシング7aの径方向における軸部222の下端の位置がケーシング7aの内周面の位置と略同じ位置である。しかし、軸部222の下端はケーシング7aの内周面からケーシング7aの径方向内側に突出していてもよく、ケーシング7aの内周面からケーシング7aの径方向外側に奥まっていてもよい。
段部223は、軸部222の上部で軸部222よりも大きな径を有する段付き部分である。後述するように、被固定部210にセンサ保持部220を取り付ける際に、被固定部210の凹部216の上面と段部223の下面との間にスペーサ271が配置される。
次に、図9に示した他の実施形態の第2部分20について説明する。図9に示した他の実施形態の第2部分20は、フランジ部231と、第2嵌合部21と、センサ保持部232とを有する。フランジ部231と、第2嵌合部21と、センサ保持部232とは、第2部分20の中心軸AX2に対して同芯となるように配置されている。
フランジ部231は、第1部分10の上部の第1フランジ部14とフランジ結合されるフランジ部である。すなわち、フランジ部231は、第1フランジ部14とフランジ結合される第2フランジ部である。
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。
他の実施形態の第2部分20では、第2嵌合部21は、フランジ部231の下部に設けられている。
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。
なお、図9では、ケーシング7aの径方向におけるセンサ保持部232の下端の位置がケーシング7aの内周面の位置と略同じ位置である。しかし、センサ保持部232の下端はケーシング7aの内周面からケーシング7aの径方向内側に突出していてもよく、ケーシング7aの内周面からケーシング7aの径方向外側に奥まっていてもよい。
このように構成される幾つかの実施形態の監視センサ9の各部は、次のように組み立てられている。
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に示した一実施形態の監視センサ9では、被固定部210にセンサ保持部220が固定される。具体的には、被固定部210の上部フランジ部213とセンサ保持部220のフランジ部221とは、ボルト孔217と長孔224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。なお、上述したように、被固定部210の凹部216には、スペーサ271が収納されており、凹部216の上面とセンサ保持部220の段部223の下面との間でスペーサ271が挟持されている。一実施形態の監視センサ9では、第2部分20のうち、センサ保持部220が第1部分10に対してケーシング7aの径方向の位置を変更可能に構成されている。すなわち、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の位置が調節できるので、動翼6の径方向外側の端部とセンサ8の位置との距離を変更できる。
図9に示した他の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と第2部分20のフランジ部231とは、長孔15とボルト孔233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に第2部分20が固定される。
次に、上述したように構成された、図6に示す一実施形態の監視センサ9において、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置が調節可能である点について説明する。
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。
そのため、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とを嵌合させた状態で、中心軸AX1を中心として(中心軸AX2を中心として)第1部分10に対して被固定部210を回動させると、中心軸AX1を中心として貫通孔部214の中心軸214aが周方向に移動する。上述したように、貫通孔部214にはセンサ保持部220の軸部222が挿通されており、センサ8が軸部222に保持されている。したがって、中心軸AX1を中心として第1部分10に対して被固定部210を回動させると、センサ8が中心軸AX1を中心とする周方向に移動する。このように、センサ8を中心軸AX1を中心とする周方向に移動させることで、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置を調節できる。
このように、一実施形態の監視センサ9を用いたセンサの位置調節方法では、第1部分10と第2部分20との位置関係を変更することで、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置を調節する位置調節工程を備える。なお、一実施形態の監視センサ9を用いたセンサの位置調節方法において、第1部分10と第2部分20との位置関係を変更することには、第1部分10に対して被固定部210を回動させることが含まれる。
図8は、第1部分10に対する被固定部210の角度位置が図6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6と図8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6に比べ図8では、図示右側にずれている。
すなわち、一実施形態の監視センサ9では、第1部分10に対して被固定部210を回動させることで、被固定部210の中心軸である第2部分20の中心軸AX2に対して偏心しているセンサ保持部220をケーシング7aの軸方向に移動できるので、センサ8をケーシング7aの軸方向に移動できる。
なお、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と下部フランジ部(第2フランジ部)211とを相対的に回動させることができる。このように、一実施形態の監視センサ9では、長孔15が第1フランジ14部と下部フランジ部(第2フランジ部)211との相対的な回動の方向に沿って延在するので長孔15の延在範囲内において第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。
また、図6に示した一実施形態の監視センサ9では、貫通孔部214の中心軸214a(センサ保持部220の中心軸220a)を中心として被固定部210に対してセンサ保持部220を回動できる。すなわち、センサ8は、第1部分10の中心軸AX1と平行であるセンサ8の中心軸周りに回動可能に第2部分20で保持される。また、センサ保持部220は、センサ8を保持するとともに、被固定部210の中心軸AX2に対して偏心して、被固定部210に対して回動可能に設けられる。
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。
このように、一実施形態の監視センサ9を用いたセンサの位置調節方法では、センサ8をセンサ8の中心軸周りに回動させる回動工程を備える。
これにより、次の作用効果を奏する。
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。
例えば、この非対称センサ80を幾つかの実施形態に係るセンサ8として用い、非対称センサ80の中心軸の向きがケーシング7aの径方向に沿うように非対称センサ80を配置した場合について説明する。この場合、非対称センサ80に対して、図11の矢印bで示したように動翼6が最初に永久磁石81に接近し、次いで検出コイル82に接近するように非対称センサ80を配向した場合に、非対称センサ80における動翼6の検出感度が最も高まる。そのため、非対称センサ80を幾つかの実施形態に係るセンサ8として用いた場合、非対称センサ80の配向を変更できるように監視センサ9が構成されていることが望ましい。
その点、一実施形態の監視センサ9では、上述したように、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ので、センサ8として非対称センサ80を用いた場合に、非対称センサ80が動翼6に対して所定の配向で測定できるように非対称センサ80を回動できる。
次に、上述したように構成された、図9に示す他の実施形態の監視センサ9において、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置が調節可能である点について説明する。
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。
そのため、第1部分10の第1嵌合部13と第2部分20の第2嵌合部21とを嵌合させた状態で、中心軸AX1を中心として(中心軸AX2を中心として)第1部分10に対して第2部分20を回動させると、中心軸AX1を中心としてセンサ8の中心軸8aが、すなわちセンサ8が周方向に移動する。このように、センサ8を中心軸AX1を中心とする周方向に移動させることで、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置を調節できる。
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。
このように、幾つかの実施形態の監視センサ9は、上述したように、動翼6の状態を監視するためのセンサ8と、ケーシング7aに固定されるように構成された第1部分10と、センサ8を保持する第2部分20を備える。第2部分20は、ケーシング7aの軸方向におけるセンサ8の位置を調節可能に第1部分10に支持される。
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。
また、幾つかの実施形態の監視センサ9では、上述したように、第2部分20は、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、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。これにより、第2部分20の中心軸AX2周りに第2部分20を第1部分10に対して回動させることで、センサ8の位置をケーシング7aの軸方向に移動できる。
幾つかの実施形態の監視センサ9では、上述したように、第1部分10は、中心軸AX1に対して同芯の円形状の凹部により構成される第1嵌合部13を含む。また、第2部分20は、第1嵌合部13の凹部と嵌合する円形の凸部により構成される第2嵌合部21を含む。
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。
(監視センサ9のエロ―ジョン対策について)
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。
図12(a)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ケーシングの軸方向に沿って見た図である。図12(a)において、矢印R2は、動翼6の回転方向を示す。例えば図12(a)に示すように、監視センサ9の軸部222の下端がケーシング7aの内周面からケーシング7aの径方向内側に突出している場合、ドレンは、動翼6の回転方向に沿って運ばれて、軸部222におけるケーシング7aの内周面からの突出部分222aに対して、動翼6の回転方向の上流側から衝突する。そのため、突出部分222aのうち、動翼6の回転方向の上流側にエロ―ジョンが発生するおそれがある。
そこで、幾つかの実施形態では、図12(b)に示すように、ケーシング7aの内周面における、貫通孔部7cに対して動翼6の回転方向の上流側となる位置にセンサ保護部材75を取り付けている。これにより、動翼6の回転方向の上流側から運ばれるドレン等が突出部分222aに衝突することを抑制できるので、軸部222のエロ―ジョンを抑制できる。なお、図12(b)は、図12(a)と同様の図であり、センサ保護部材75を設置した状態を示している。
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。
センサ保護部材75の材質は、金属やセラミックス等とすることができる。なお、センサ8の種類が渦電流センサである等、センサ保護部材75の材質を金属とすることが望ましくない場合には、センサ保護部材75の材質をセラミックス等の非金属材料とすればよい。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
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。
上述した幾つかの実施形態では、第2部分20の中心軸AX2周りに、すなわち第1部分10の中心軸AX1周りに第1部分10に対して回動可能に第2部分20を構成した。そして、センサ8を第1部分10の中心軸AX1に対して偏心した位置に設けることにより、第1部分10に対して第2部分20を回動させてセンサ8の位置をケーシング7aの軸方向に調節できるように構成した。しかし、センサ8の位置をケーシング7aの軸方向に調節するための構成は、このような構成に限定されない。
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。
上述した他の実施形態では、第2部分20に対し、センサ8の中心軸8aを中心にセンサ8を回動できなかった。しかし、例えば、図13に示すように、センサ保持部232に対して中心軸AX2と平行な方向に延在する孔部232aを設け、この孔部232aに軸部235を挿通させる。軸部235には、下端近傍においてセンサ8を保持させる。
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。
上述した幾つかの実施形態では、監視センサ9は、動翼6の振動を検出するために設けられていた。しかし、幾つかの実施形態の監視センサ9に係る構成を静翼7bの振動検出のための監視センサに適用してもよい。
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。
上述した一実施形態の監視センサ9では、スペーサ271によってセンサ保持部220と被固定部210との相対位置を調節することでケーシング7aの径方向におけるセンサ8の位置を調節するように構成されている。しかし、スペーサ271によって被固定部210と第1部分10との相対位置を調節するように構成してもよく、このように構成することによっても、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。
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。
また、上述した幾つかの実施形態において、互いに結合される2つのフランジ部における一方のフランジ部のボルト孔を長孔とし、他方のフランジ部のボルト孔を円形の孔としている場合に、一方のフランジ部のボルト孔を円形の孔とし、他方のフランジ部のボルト孔を長孔としてもよい。
1 蒸気タービン
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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
    請求項に記載のセンサの位置調節方法。
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