JP2008240732A - Method and device for detecting friction in a steam turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸気タービンを監視するための機器、特に蒸気タービン内の回転構成要素および固定構成要素間の摩擦検出機器に関する。 The present invention relates to equipment for monitoring a steam turbine, and more particularly to friction detection equipment between rotating and stationary components in a steam turbine.
蒸気タービンには、ステータブレード(ノズル)列の間ごとに、回転するタービンブレード(バケット)列を備えたロータが含まれる。前記タービンバケット先端は、前記タービンケーシング内側表面に隣接している。通常動作中、前記タービンバケットが前記ケーシングを摩擦することはない。しかし、前記タービンケーシング、ロータシャフト、内側ケーシングまたはその他の構成要素の微妙な変形によって、前記タービンブレードが前記タービンの固定ケーシングを摩擦することがある。前記摩擦は、前記タービンブレード先端が前記ケーシングの表面を貫通する場合をはじめ、一つの回転位置で生じることが多い。 Steam turbines include a rotor with rotating turbine blade (bucket) rows between stator blade (nozzle) rows. The turbine bucket tip is adjacent to the turbine casing inner surface. During normal operation, the turbine bucket does not rub the casing. However, subtle deformations of the turbine casing, rotor shaft, inner casing or other components can cause the turbine blades to rub against the stationary casing of the turbine. The friction often occurs at one rotational position, including when the turbine blade tip penetrates the surface of the casing.
蒸気タービンのタービンバケットおよび固定構成要素間で摩擦が生じると、タービン構成要素が損傷したり、前記タービンバケットおよび前記固定構成要素であるケーシング間の隙間が拡大したりすることがある。前記隙間が拡大すると、前記タービン内を通る空気流路が変形し、その結果、タービン効率が低下する。 If friction occurs between the turbine bucket and the stationary component of the steam turbine, the turbine component may be damaged, or the gap between the turbine bucket and the casing that is the stationary component may be enlarged. When the gap increases, the air flow path passing through the turbine is deformed, resulting in a decrease in turbine efficiency.
摩擦が激しいと、タービンバケットに故障や亀裂が生じ、その下流にあるブレードを損傷することがある。ところが、蒸気タービン内の摩擦検出は容易ではない。目視検査によって初めて、摩擦による前記タービン構成要素の摩耗が検出されることもしばしばである。さらに、タービン構成要素を目視検査するには、タービンの動作を停止し、少なくとも部分的に分解する必要がある。従って、蒸気タービンを停止することなく摩擦を検出することが求められている。蒸気タービン内の摩擦検出には、振動センサが用いられてきたが、タービン内の振動が必ずしも摩擦を意味するわけではないので、振動センサに頼って前記摩擦の発生位置或いは回転位置を判定することは困難である。従って、蒸気タービン動作中に、前記蒸気タービン内の摩擦を確実に検出し、前記摩擦の発生位置を判定できる方法およびシステムが長らく求められてきた。 Excessive friction can cause failure or cracking of the turbine bucket and damage the blades downstream of it. However, it is not easy to detect friction in the steam turbine. Frequently, wear of the turbine component due to friction is detected only by visual inspection. Furthermore, visual inspection of turbine components requires that the turbine be shut down and at least partially disassembled. Therefore, it is required to detect friction without stopping the steam turbine. Although vibration sensors have been used for detecting friction in steam turbines, vibrations in the turbine do not necessarily mean friction. Therefore, the generation position or rotational position of the friction can be determined using a vibration sensor. It is difficult. Accordingly, there has long been a need for a method and system that can reliably detect friction in the steam turbine and determine the location of the friction during steam turbine operation.
本発明は、蒸気タービン内の構成要素間における摩擦を検出する方法を提供する。前記方法には、蒸気タービンのケーシングにおける複数の位置で温度を感知するステップ、前記複数の位置で感知された温度を比較するステップ、前記複数の位置の一つにおいて、その他の位置よりも高温が感知された場合、前記タービンの構成要素間における摩擦を検出するステップ、および前記複数の位置の一つであって、その他の位置よりも高温が感知された位置付近で前記摩擦が発生していると記録するステップが含まれる。前記複数の位置とは、ロータ軸に対して垂直な環状アレイ、具体的には、前記タービンのロータに対して垂直な平面上に、前記ケーシングを取り囲み対称的に配置された4つのセンサの位置であり得る。 The present invention provides a method for detecting friction between components in a steam turbine. The method includes sensing a temperature at a plurality of locations in a steam turbine casing, comparing the sensed temperatures at the plurality of locations, and one of the plurality of locations having a higher temperature than the other locations. If detected, detecting friction between components of the turbine, and the friction is occurring near one of the plurality of locations where a higher temperature is sensed than the other locations. And a step of recording. The plurality of positions means an annular array perpendicular to a rotor axis, specifically, positions of four sensors arranged symmetrically surrounding the casing on a plane perpendicular to the rotor of the turbine. It can be.
本発明はまた、蒸気タービン内の摩擦を検出する方法を提供する。前記方法には、前記タービンのケーシングにおける少なくとも一つのセンサアレイにおける温度センサを監視するステップ、前記アレイ内全てのセンサの測定温度を比較するステップ、前記比較を基に前記アレイ内の最高温度を識別するステップ、前記最高温度が閾値を超えているか否か判定するステップ、および前記最高温度が前記閾値を超えていることをセンサが記録していることを識別し、前記識別された温度センサ付近の位置で摩擦が発生している可能性があることを警告するステップが含まれる。
本発明はさらに、ロータを取り囲むケーシングを有する、蒸気タービン内の摩擦を検出するシステムを提供する。前記システムには、前記ロータに面するケーシング内側表面に最も近い前記ケーシングに搭載された、少なくとも1つの温度センサアレイ、および前記アレイ内の温度センサ各々からの温度信号を監視する制御装置であって、前記温度信号の中の一つが前記アレイ内のその他の温度よりも実質的に高温を記録している場合、摩擦の発生を警告する前記制御装置が含まれる。
The present invention also provides a method for detecting friction in a steam turbine. The method includes monitoring temperature sensors in at least one sensor array in the turbine casing, comparing measured temperatures of all sensors in the array, and identifying a maximum temperature in the array based on the comparison. Identifying whether the maximum temperature exceeds a threshold, and identifying that a sensor records that the maximum temperature exceeds the threshold, and is near the identified temperature sensor. A step of warning that there may be friction at the position is included.
The present invention further provides a system for detecting friction in a steam turbine having a casing surrounding the rotor. The system includes at least one temperature sensor array mounted on the casing closest to the casing inner surface facing the rotor, and a controller that monitors temperature signals from each of the temperature sensors in the array. The control device is included to warn of the occurrence of friction if one of the temperature signals records a substantially higher temperature than the other temperatures in the array.
本発明は、蒸気タービンにおいて、タービンケーシングに温度センサを搭載し、摩擦を検出する新しいシステムおよび方法を提供する。摩擦位置には摩擦熱が生じるが、前記熱は金属ケーシングに集中する。前記ケーシング内の前記摩擦による温度上昇は、前記ケーシングに組み込まれる、熱電対などの温度センサによって記録される。また、熱電対アレイからの温度信号記録を比較することによって、高温を記録している前記センサを判定する。そして、前記アレイ内センサの一つからの前記温度記録が、前記アレイ内のその他のセンサよりも十分に高温である場合、摩擦が検出され、前記高温を記録した温度センサに最も近い位置で前記摩擦が生じていると判定される。 The present invention provides a new system and method for detecting friction by installing a temperature sensor in a turbine casing in a steam turbine. Although friction heat is generated at the friction position, the heat is concentrated on the metal casing. The temperature rise due to the friction in the casing is recorded by a temperature sensor such as a thermocouple incorporated in the casing. Also, the sensor recording the high temperature is determined by comparing the temperature signal records from the thermocouple array. And, if the temperature record from one of the sensors in the array is sufficiently hotter than the other sensors in the array, friction is detected and the position is closest to the temperature sensor that recorded the high temperature. It is determined that friction has occurred.
これより、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
図1は、ロータ12およびタービンケーシング14を有する蒸気タービン10断面の側面図である。前記ロータにおいて、複数のステータブレード(ノズル)18の列の間にタービンロータバケット(タービンブレード)16がそれぞれ配置されている。説明のため、前記ロータを点線で表し、ロータシャフト上の一つのバケットについて図示する。前記バケットの両側には、一対のステータブレード(ノズル)18がある。複数の前記バケットの各列の先端17は、ケーシング内側表面22に隣接する領域で運動する。
FIG. 1 is a side view of a cross section of a
ステータブレード18の複数の列は、前記ケーシングから前記ロータシャフトに向かって半径方向内側に延在している。複数の前記ステータブレードは、前記ケーシング内側表面上の複数のダブテールマウント19に取り付けられている。前記タービンバケットの列は、前記ロータから半径方向外側、すなわち隣接する複数の前記ステータブレードの列どうしの間に延在する。環状蒸気流路が、複数の前記タービンバケットおよび前記ステータブレードの列を通り形成され、そこを通る蒸気によって複数の前記ロータバケットおよび前記ロータが回転する。前記バケットが回転することによって、前記バケットの複数の先端が前記ケーシング内側表面を摩擦することが無くなる。
A plurality of rows of
摩擦によって前記タービンの表面が損傷し、前記蒸気流路の効率低下を招くことが考えられる。摩擦は典型的に、前記タービンバケットの先端17が前記ケーシングの表面を摩擦することによって生じる。前記摩擦は、複数の前記バケット先端が通過する際に摩擦する、前記ケーシング内側表面上の1箇所に最もよく集中する。
It is conceivable that the surface of the turbine is damaged by friction, and the efficiency of the steam flow path is reduced. Friction is typically caused by the
温度センサ20は、複数の前記タービンバケットの列先端に隣接するケーシング内側表面22付近で、タービンケーシング14に組み込まれている。前記温度センサとして、隣接する前記ケーシングの温度を示す電気信号を生成する複数の熱電対を用いることができる。前記ケーシングに開けた複数の穴24に前記温度センサを搭載する。前記穴は、ケーシング外側表面26から、ケーシング内側表面22まであと数センチといった近距離まで延在し得、摩擦が最も起こりやすい前記ケーシング表面に沿って位置決めされる。例えば、複数の前記穴24は、前記ケーシング内でロータシャフトを支持する、複数の軸受23間の複数の位置にあっても良い。また、温度センサ搭載用の傾斜穴25によって、蒸気入口に近い複数の前記タービンバケットの第1列目に前記センサを位置決めできる。
The
複数の温度センサ20を、前記ロータを取り囲む環状アレイ状および前記ロータの回転軸に対して垂直な平面上に配置しても良い。また、各々の平面に搭載された複数の前記温度センサを、例えば前記平面を通る垂線または水平線上に配置しても良い。すなわち、4つの温度センサを0度、90度、180度および270度の角度位置に配置し得る。複数の前記温度センサは選択的に配置可能なので、摩擦が最も生じ易い前記ケーシングの半径位置に複数の前記温度センサを配列できる。例えば、前記ケーシング上の0度、90度、180度および/または270度の角度位置で摩擦が最もよく生じる場合、複数の前記温度センサを前記角度位置に配列することで、摩擦検出の信頼性をさらに高めることができる。
The plurality of
前記ケーシングの寸法が大きいほど、より多くの温度センサが必要となる。さらに、摩擦が生じ得る位置付近に温度センサを設置することが好ましい。従って、ロータ軸に対して垂直な平面上および温度センサの前記角度方向に、前記センサのアレイをそれぞれ配置するにあたり、蒸気タービン10の寸法および摩擦が最も生じ易いであろう角度位置を基に、前記センサの位置を選択し得る。前記角度位置について、90度ごとに合計4つの温度センサ20を配置するなどして、前記センサが前記ロータケーシングを対称的に取り囲むことが好ましい。ところで、バケットの最前列と最後列の間の距離が長いほど、より多くのセンサアレイが必要となる。さらに、複数の温度センサアレイを設置するのは、前記蒸気入口かつ前記ロータを支持する複数の軸受23間にある第1列目のタービンバケット付近などの摩擦が最も生じ易い位置である必要がある。従って、前記ケーシングの長さに沿った温度センサの数および各々のアレイの位置は、前記蒸気タービンの寸法および摩擦が最も生じ易いであろう前記ケーシングの長さに沿った側面位置によって変化する。
温度センサ20は、ケーシング内側表面22に近くなるよう、ケーシング穴24および傾斜穴25の遠位端に設置される。また、前記温度センサは、電線またはその他の電気通信手段を備え、コンピュータ制御装置28などの制御装置へ信号を送る。前記電線は、前記温度センサからケーシング穴24および傾斜穴25を通り前記ケーシングを越えて延在し、前記制御装置に至る。前記制御装置は、各々の前記温度センサからの前記信号を読取温度に変換する。前記読取温度は、実測温度または前記アレイ内のその他の熱電対と比較した相対的な温度である。例えば、コンピュータ制御装置28は、温度センサアレイ内の各熱電対センサについて電圧出力を計測できる。前記熱電対センサそれぞれの電圧出力は、前記タービンケーシングを監視する、一つの前記アレイ内のその他の熱電対の電圧出力およびその他のアレイ内の複数の熱電対の電圧出力と比較して、測定温度を相対的に示すものである。
The larger the casing dimensions, the more temperature sensors are required. Furthermore, it is preferable to install a temperature sensor near a position where friction can occur. Accordingly, in arranging the array of sensors on a plane perpendicular to the rotor axis and in the angular direction of the temperature sensors, respectively, the dimensions of the
The
図2は、前記蒸気タービンの摩擦を検出するために前記制御装置が実行するアルゴリズムを示す流れ図である。前記制御装置には、ソフトウェアなどアクセス可能なメモリの命令を実行する、マイクロプロセッサなどのコンピュータ制御装置28が含まれる。前記コンピュータは、前記ケーシングの前記熱電対各々の電圧出力を測定する電圧測定装置からのデータ信号などのデータ入力信号を、複数の温度センサから受信する。
FIG. 2 is a flowchart illustrating an algorithm executed by the controller to detect friction of the steam turbine. The control device includes a
前記制御装置が実行するアルゴリズム40によって、蒸気タービン内、例えばバケット先端および前記ケーシング内側表面で生じ得る摩擦を検出する。前記制御装置は、各センサアレイ内の各温度センサ20の前記温度信号を監視する(ステップ42)。前記制御装置は、前記温度信号を一時的にメモリに保存し、フィルター技術および平均法を用いて、ノイズおよびその他の信号のアーチファクトを除去できる。
An
前記制御装置は、アレイ内全てのセンサの温度信号を比較し(ステップ44)、前記温度信号を同一アレイ内のその他の温度センサからの信号と比較することによって、最高温度を記録しているセンサを識別する(ステップ46)。摩擦が全く生じていない場合、前記ロータに対して垂直な平面に搭載された温度センサ20のアレイにおいて、複数の前記センサはほぼ同じケーシング温度を記録するはずである。よって、一つのセンサがその他のセンサに比して十分に高温を記録することは、摩擦の発生を意味する。前記ロータブレード先端および前記先端に対向する前記ケーシング間の摩擦によって、摩擦熱が生じ、前記摩擦熱は、前記金属ケーシング全体に伝播する。前記摩擦発生位置に最も近い前記ケーシングの領域が加熱し、前記摩擦領域に最も近い前記温度センサが最高温度を記録する。
The controller compares the temperature signals of all sensors in the array (step 44), and compares the temperature signal with signals from other temperature sensors in the same array, thereby recording the highest temperature. Is identified (step 46). If there is no friction at all, in an array of
前記最高温度を識別するには、前記制御装置がアレイ内の全センサが記録した温度の中で最高温度を識別するだけで良い。また、前記制御装置は、前記アレイが記録した全ての温度についての平均温度または中央温度を判定する。前記アレイ内の各センサが記録した各温度について、前記制御装置は、前記記録温度と前記平均または中間温度との温度差を判定する。前記制御装置には、「10〜50℃の範囲」などの差分閾値が予めプログラムされている。前記制御装置は、前記アレイで記録された最高温度と、前記平均または中間温度との差が前記差分閾値を超えるか否か判定できる(ステップ48)。代替的に、前記制御装置は、所定閾値を超える温度を記録している前記アレイ内センサがあるか否かを判定しても良い。前記アレイ内で測定された前記最高温度が前記所定閾値を超える場合、前記制御装置は、前記アレイ内センサ一つが、その他のセンサよりも十分に高温を記録していると判定し(ステップ48)、前記蒸気タービン内で摩擦が生じていると断定する。 To identify the highest temperature, the controller need only identify the highest temperature among the temperatures recorded by all sensors in the array. The controller also determines an average temperature or median temperature for all temperatures recorded by the array. For each temperature recorded by each sensor in the array, the controller determines the temperature difference between the recorded temperature and the average or intermediate temperature. The control device is preprogrammed with a difference threshold value such as “range of 10 to 50 ° C.”. The controller can determine whether the difference between the highest temperature recorded in the array and the average or intermediate temperature exceeds the difference threshold (step 48). Alternatively, the control device may determine whether there is an in-array sensor that records a temperature that exceeds a predetermined threshold. If the maximum temperature measured in the array exceeds the predetermined threshold, the controller determines that one of the sensors in the array records a sufficiently higher temperature than the other sensors (step 48). It is determined that friction is generated in the steam turbine.
コンピュータ制御装置28が、アレイ内の測定温度が摩擦発生を示唆するに十分な高温であると判定すると、前記制御装置は、前記高温を記録している温度センサ20の横位置および角度位置を識別する(ステップ50)。前記センサの前記位置から、前記ケーシング内の前記摩擦の発生推定位置を識別する。前記摩擦は、前記バケット先端に面する前記ケーシング内側表面および前記最高温度を記録している前記センサの最も近くにおいて、生じると思われる。
When the
前記制御装置は、前記識別された温度センサ付近で摩擦が生じる可能性があることを警告する(ステップ52)。図1に示す前記警告には、視覚警報および可聴警報56、および前記摩擦付近であると識別されたセンサを有するセンサアレイについてのデータ記録が含まれる。前記データには、前記アレイからの現在温度読取情報および温度読取履歴が含まれ得る。専門家や技術者は、前記データによって、摩擦発生の可能性があることを判断できる。
The controller warns that there may be friction near the identified temperature sensor (step 52). The alert shown in FIG. 1 includes a visual and
前記制御装置は、全てのセンサアレイに対して前記アルゴリズムを周期的に反復する(ステップ54)。例えば全てのセンサにおいて5分に1回温度測定を行うといった、前記アルゴリズムの反復頻度は、タービンによって異なる。 The controller periodically repeats the algorithm for all sensor arrays (step 54). The frequency with which the algorithm is repeated, for example, once every 5 minutes for all sensors, varies from turbine to turbine.
本発明による技術的効果は、蒸気タービン内の摩擦発生および摩擦発生位置の識別手段を提供することにある。前記効果には、前記ケーシング内の温度を監視すること、および高温位置を摩擦発生推定位置であると識別することが含まれる。 The technical effect of the present invention is to provide means for identifying friction generation and friction generation positions in a steam turbine. The effects include monitoring the temperature in the casing and identifying the high temperature position as the estimated friction occurrence position.
以上、本発明を現在最も実用的かつ好ましいと思われる実施形態に関して説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。また、添付の特許請求の範囲に記載の技術には、以上の例示を様々に変形、変更したものが含まれることを理解されたい。 Although the present invention has been described with respect to the embodiments that are presently considered to be the most practical and preferred, these are merely examples and are not intended to limit the scope of the claims. In addition, it should be understood that the techniques described in the appended claims include various modifications and alterations of the above examples.
10 蒸気タービン
12 ロータ
14 ケーシング
16 ロータバケット(タービンブレード)
17 タービンブレード先端
18 ステータブレード(ノズル)
19 ダブテールマウント
20 温度センサ
22 ケーシング内側表面
23 軸受
24 ケーシング穴
25 傾斜穴
26 ケーシング外側表面
28 コンピュータ制御装置
40 アルゴリズム
42 温度を感知する
44 全てのセンサの温度信号を比較する
46 最高温度を記録しているセンサを識別する
48 アレイ内センサの一つが、その他のセンサよりも十分に高温を記録していると判定する
50 高温を記録しているセンサの横位置および角度位置を識別する
52 摩擦が生じる可能性があることを警告する
54 全てのセンサアレイに対してアルゴリズムを周期的に反復する
56 視覚警報および可聴警報
10
17
19
Claims (10)
前記蒸気タービンのケーシングにおける複数の位置(24,25)での温度を感知するステップ(42)、
前記複数の位置で記録された温度を比較するステップ(44)、
前記複数の位置の中の一つにおいて記録された温度が、その他の前記位置よりも高温である場合、前記構成要素間での前記摩擦を検出するステップ(46,48,50)、および
前記複数の位置の中で、より前記高温が記録された一つの位置付近で前記摩擦が生じていると警告するステップ(52、56)を含むことを特徴とする、前記摩擦検出方法。 A method for detecting friction between components (17, 22) of a steam turbine (10),
Sensing temperature at a plurality of locations (24, 25) in the steam turbine casing (42);
Comparing the temperatures recorded at the plurality of positions (44);
Detecting the friction between the components (46, 48, 50) if the temperature recorded at one of the plurality of positions is higher than the other positions; and the plurality The friction detection method further comprises a step (52, 56) of warning that the friction is occurring near one position where the high temperature is recorded among the positions.
前記タービン用ケーシング(14)に搭載された少なくとも一つのセンサアレイ内の複数の温度センサ(20)を監視するステップ(42)、
前記アレイ内全てのセンサの測定温度を比較するステップ(44)、
前記比較から前記アレイ内の最高温度を識別するステップ(46)、
前記最高温度が閾値を超えているか否かを判定するステップ(48)、
前記閾値を超える最高温度を記録した温度センサ(20)を識別するステップ(50)、および
前記識別された温度センサ付近で摩擦が生じる可能性があることを警告するステップ(52)
を含むことを特徴とする、前記摩擦検出方法。 A method for detecting friction in a steam turbine (10), comprising:
Monitoring (42) a plurality of temperature sensors (20) in at least one sensor array mounted on the turbine casing (14);
Comparing measured temperatures of all sensors in the array (44);
Identifying the highest temperature in the array from the comparison (46);
Determining whether the maximum temperature exceeds a threshold (48);
Identifying (50) the temperature sensor (20) that recorded the highest temperature exceeding the threshold, and warning (52) that friction may occur near the identified temperature sensor
The friction detection method described above.
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