叶片振动监视装置、叶片振动监视系统、动叶及旋转机械的制作方法

本发明涉及叶片振动监视装置、叶片振动监视系统、动叶及旋转机械。

本申请关于2017年5月31日申请的日本特愿2017-107663号主张优先权，将其内容援引于此。

背景技术：

例如，涡轮机等旋转机械的管理者使用叶片振动监视装置来进行在涡轮机运转中在动叶产生的振动的监视。管理者通过进行这样的监视来验证动叶的振动特性是否如设计规划那样。另外，管理者进行这样的监视，确认由运转条件的变化引起的动叶的振动特性的变化，谋求涡轮机的可靠性的提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国专利第3038382号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

有时将上述的非接触叶片振动计测技术应用于在径向外侧的端部具有护罩(叶梢护罩)的动叶。这样，在隔着护罩而分析动叶的振动的情况下，由于护罩的外周面是平坦的，所以需要使传感器检测在周向上相邻的护罩间的间隙(图3中的标号g)的通过。然而，由于护罩间的间隙非常小，所以存在传感器难以清楚地取得表示该间隙的通过的检测信号这一课题。

本发明的目的在于提供能够稳定地进行具有护罩的动叶的振动的计测的叶片振动监视装置、叶片振动监视系统、动叶及旋转机械。

用于解决课题的手段

根据本发明的第一方案，叶片振动监视装置具备：旋转机械，具备沿着轴线延伸的旋转轴和多个动叶，该多个动叶具有从所述旋转轴向径向外侧呈放射状延伸的动叶主体及设置于所述动叶主体的前端且互相在周向上接触的护罩；及传感器，与所述护罩对向而设置于所述护罩的径向外侧，检测所述护罩的外周面的变化，所述护罩的外周面具有：第一表面；及第二表面，以由所述第一表面从周向两侧夹着的方式配置，所述传感器的检测信号与所述第一表面不同。

根据这样的结构，由于由传感器检测的检测信号在护罩的第一表面和第二表面处不同，所以与检测护罩间的间隙的方法相比，能够稳定地进行具有护罩的动叶的振动的计测。

在上述叶片振动监视装置中，所述第二表面可以形成为随着朝向轴线方向的上游侧及下游侧的至少一方而周向的宽度逐渐增加。

根据这样的结构，能够基于第二表面通过传感器的径向内侧的时间的长度来确定护罩的轴线方向的位置。

在上述叶片振动监视装置中，所述第二表面可以形成为随着朝向轴线方向的上游侧及下游侧的至少一方而周向的宽度阶段性地增加。

根据这样的结构，能够基于第二表面通过传感器的径向内侧的时间的长度来确定护罩的轴线方向的位置。另外，能够使第二表面通过传感器的径向内侧的时间的长度离散地变化。

在上述叶片振动监视装置中，所述第二表面可以形成为径向的高度与所述第一表面不同。

根据这样的结构，能够更容易地形成传感器的检测信号在第一表面和不同的第二表面处不同的构造。

在上述叶片振动监视装置中，所述第二表面可以由与所述第一表面不同的金属形成。

根据这样的结构，能够使护罩的外周面平坦。由此，能够抑制工作流体的紊乱。另外，能够使用能够通过产生电场来检测电场内的物体的传感器来检测第二表面。

根据本发明的第二方案，叶片振动监视系统具备：旋转机械，具备沿着轴线延伸的旋转轴和多个动叶，该多个动叶具有从所述旋转轴向径向外侧呈放射状延伸的多个动叶主体及设置于所述动叶主体的前端且互相在周向上接触的护罩；传感器，与所述护罩对向而设置于所述护罩的径向外侧，检测所述护罩的外周面的变化；及运算部，基于所述传感器的检测信号来运算所述护罩的振动量，所述护罩的外周面具有：第一表面；及第二表面，以由所述第一表面从周向两侧夹着的方式配置，所述传感器的检测信号与所述第一表面不同，所述运算部基于所述第一表面通过所述传感器的径向内侧的时间的长度来运算所述护罩的周向的振动量。

在上述叶片振动监视系统中，可以是，所述第二表面形成为随着朝向轴线方向的一侧而周向的宽度逐渐增加，所述运算部基于所述第二表面通过所述传感器的径向内侧的时间的长度来运算所述护罩的轴线方向的振动量。

根据本发明的第三方案，动叶是具备沿着轴线延伸的旋转轴和多个动叶的旋转机械的动叶，其中，具有：动叶主体，从所述旋转轴向径向外侧呈放射状延伸；及护罩，设置于所述动叶主体的前端且互相在周向上接触，所述护罩的外周面具有：第一表面；及第二表面，以由所述第一表面从周向两侧夹着的方式配置，与所述第一表面的分界向轴线方向的上游侧及下游侧的至少任一方倾斜。

在上述动叶中，所述第二表面可以形成为随着朝向轴线方向的上游侧及下游侧的至少一方而周向的宽度逐渐增加。

在上述动叶中，所述第二表面可以形成为随着朝向轴线方向的上游侧及下游侧的至少一方而周向的宽度阶段性地增加。

在上述动叶中，所述第二表面可以形成为径向的高度与所述第一表面不同。

在上述动叶中，所述第二表面可以由与所述第一表面不同的金属形成。

根据本发明的第四方案，旋转机械具备叶片振动监视装置，该叶片振动监视装置具备：旋转轴，沿着轴线延伸；多个动叶，具有从所述旋转轴向径向外侧呈放射状延伸的动叶主体及设置于所述动叶主体的前端且互相在周向上接触的护罩；及传感器，与所述护罩对向而设置于所述护罩的径向外侧，检测所述护罩的外周面的变化，所述护罩的外周面具有：第一表面；及第二表面，以由所述第一表面从周向两侧夹着的方式配置，所述传感器的检测信号与所述第一表面不同。

发明效果

根据本发明，由于由传感器检测的检测信号在护罩的第一表面和第二表面处不同，所以与检测护罩间的间隙的方法相比，能够稳定地进行具有护罩的动叶的振动的计测。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的涡轮机的结构的图。

图2是示出本发明的第一实施方式的叶片振动监视系统的图。

图3是从径向外侧观察本发明的第一实施方式的动叶级时的图。

图4是从径向外侧观察本发明的第一实施方式的护罩时的图。

图5是图4的v-v剖视图，是本发明的第一实施方式的护罩的剖视图。

图6是使横轴为时间且使纵轴为位移传感器的检测信号的图。

图7是从径向外侧观察动叶级时的图，是对护罩在轴线方向上进行了振动的情况下的信号宽度进行说明的图。

图8是对护罩在轴线方向上进行了振动的情况下的信号宽度进行说明的图。

图9是本发明的第二实施方式的护罩的剖视图。

图10是从径向外侧观察本发明的第三实施方式的护罩时的图。

图11是从径向外侧观察本发明的第四实施方式的叶片振动监视系统时的图。

具体实施方式

〔第一实施方式〕

以下，参照附图来说明本发明的第一实施方式的叶片振动监视装置及叶片振动监视系统。叶片振动监视装置例如是包括涡轮机等旋转机械和监视动叶的振动所需的传感器的装置，叶片振动监视系统是对叶片振动监视装置100追加解析装置而得到的系统。

如图1所示，本实施方式的叶片振动监视装置100具备作为旋转机械的涡轮机1和多个位移传感器14。

涡轮机1具备旋转轴2、壳体3、具备多个静叶5的静叶级4及具备多个动叶7的动叶级6。

如图2所示，本实施方式的叶片振动监视系统101除了叶片振动监视装置100之外还具备解析装置11。

旋转轴2呈沿着轴线a延伸的圆柱状。旋转轴2的沿着轴线a的轴线方向da的两端部由轴承装置8支撑为绕着轴线旋转自如。

需要说明的是，在以下的说明中，将旋转轴2的轴线a延伸的方向设为轴线方向da。另外，将与轴线a正交的方向设为径向，将在该径向上从轴线a远离的一侧称作径向外侧，将在该径向上向轴线a接近的一侧称作径向内侧。

轴承装置8具有在旋转轴2的轴线方向da的两侧各设置有一个的径向轴承8a和仅设置于轴线方向da的单侧的推力轴承8b。径向轴承8a支撑旋转轴2的径向上的载荷。推力轴承8b支撑旋转轴2的轴线方向da上的载荷。

壳体3呈在轴线方向da上延伸的筒状。壳体3将旋转轴2从外周侧覆盖。

壳体3具备吸气口9和排气口10。吸气口9形成于壳体3的轴线方向da的上游侧(图1的右侧)，从外部向壳体3内取入蒸气(工作流体)。排气口10形成于壳体3的轴线方向da的下游侧，将通过了壳体3内的蒸气向外部排出。

在以下的说明中，在轴线方向da上，将从排气口10观察时吸气口9所处的一侧称作上游侧，将从吸气口9观察时排气口10所处的一侧称作下游侧。

静叶级4在壳体3的内周面3a沿着轴线方向da隔开间隔而设置有多级。各静叶级4配置于各动叶级6的上游侧。各静叶级4具有在轴线a的周向上隔开间隔而排列且从旋转轴2向径向外侧呈放射状延伸的多个静叶5。

静叶5以从壳体3的内周面3a朝向径向内侧延伸的方式设置。静叶5在从径向观察时具有叶片型的截面。

动叶级6在旋转轴2的外周面2a以在轴线方向da上隔开间隔的方式设置有多级。各动叶级6在旋转轴2的外周面2a上具有在轴线的周向上隔开间隔而排列的多个动叶7。

如图2所示，构成多个动叶级6中的至少一段动叶级6的多个动叶7的各自具有动叶主体12和固定于动叶主体12的叶端的护罩13(叶梢护罩)。

动叶主体12以从旋转轴2朝向径向外侧延伸的方式形成。动叶主体12在从径向观察时具有叶片型的截面。

护罩13设置于动叶主体12的径向外侧的端部。护罩13呈在径向上具有规定的厚度的板状。护罩13以在动叶主体12的径向外侧沿周向伸出的方式相对于动叶主体12一体地固定。护罩13的朝向径向外侧的面被设为护罩13的外周面13a。

如图3所示，各护罩13以在轴线a(图2参照)的周向dc上相邻并且一部分抵接的方式配置。即，护罩13与在周向dc上相邻的其他动叶7的护罩13互相按压。

在护罩13中，朝向上游侧且沿着周向dc延伸的面被设为上游侧端面19，朝向下游侧且沿着周向dc延伸的面被设为下游侧端面20。

另外，护罩13的朝向周向dc的一侧且旋转方向r前方侧的面被设为第一周向端面21，朝向周向dc的另一侧且旋转方向r后方侧的面被设为第二周向端面22。

在第一周向端面21形成有凸部23。在第二周向端面22形成有与形成于第一周向端面21的凸部23对应的凹部24。

在相邻的护罩13彼此之间设置有考虑运转时的护罩13的变形而设置的间隙g。

如图2所示，位移传感器14在护罩13的径向外侧与护罩13对向而设置。位移传感器14固定于作为静止侧的壳体3(参照图1)。位移传感器14的数量与动叶7的数量相同，但不限于此。

位移传感器14是测定与作为测定对象物的护罩13的距离的涡电流式位移传感器。作为位移传感器14，不限于涡电流式，能够采用激光式、超声波式等能够以非接触的方式测定位移的传感器。

在图2中示出相对于一个动叶级6配置的位移传感器14，但对于其他动叶级6也可以同样地配置位移传感器14。位移传感器14与叶片振动监视系统101的解析装置11经由电信号电缆而连接。

叶片振动监视装置100具备检测旋转轴2的一圈旋转的旋转传感器17。旋转传感器17检测旋转轴2的一圈旋转，输出表示该检测时的规定的脉冲波输出。

接着，对本实施方式的护罩13的详细形状进行说明。

如图4所示，护罩13的外周面13a具有第一表面25和以由第一表面25从周向dc两侧夹着的方式配置的第二表面26。第二表面26呈在护罩13的周向dc的中央附近处在轴线方向da上延伸的带状。第二表面26从护罩13的上游侧端面19延伸至下游侧端面20。

第二表面26形成为随着朝向轴线方向da的一侧(下游侧)而周向dc的宽度逐渐增加。换言之，第一表面25与第二表面26之间的一对分界线27是直线，一对分界线27以随着朝向轴线方向da的一侧而互相分离的方式倾斜。第二表面26形成为一对分界线27彼此的周向dc的间隔(以下，称作第二表面宽度w)成为规定的长度以上。

如图5所示，第二表面26形成为径向dr的高度与第一表面25不同。本实施方式的第二表面26的径向dr的高度比第一表面25低。换言之，第二表面26的厚度比第一表面25的厚度薄。即，第二表面26形成为位移传感器14的检测信号与第一表面25不同。

构成一个动叶级6的全部护罩13的第一表面25及第二表面26呈相同形状。

解析装置11具有存储部11a和基于位移传感器14的检测信号即位移传感器14与护罩13的距离来运算护罩13的振动量的运算部11b。

在解析装置11的存储部11a中存储有通过位移传感器14的径向内侧的第二表面26的周向dc的长度(第二表面宽度w)与护罩13的轴线方向da的位置的关系。

对如以上这样构成的涡轮机1的动作进行说明。

在使涡轮机1运转时，首先从蒸发器等蒸气供给源(图示省略)供给的高温高压的蒸气通过吸气口9而向壳体3的内部导入。导入到壳体3内的蒸气与动叶7(动叶级6)及静叶5(静叶级4)依次碰撞。

在各静叶级4中，通过从上游侧流过来的蒸气与静叶5抵碰，向该蒸气流施加绕着旋转轴2的回旋成分。由此，在各静叶级4的下游侧，蒸气流绕着旋转轴2回旋。经过上游侧的静叶级4并绕着旋转轴2回旋后的蒸气流到达各动叶级6。通过该回旋后的蒸气流与各动叶7抵碰，旋转轴2得到旋转能而绕着轴线旋转。该旋转轴2的旋转运动由连结于轴端的发电机等(图示省略)取出。

以上的循环连续地反复。

在涡轮机1的运转中，由位移传感器14检测的检测信号向解析装置11连续地发送。

图6是使横轴为时间且使纵轴为位移传感器14的检测信号的信号强度的图。如图6所示，由位移传感器14检测到的检测信号即位移传感器14与护罩13的外周面的距离在第二表面26通过了位移传感器14的径向内侧时变大。在动叶7在旋转轴2的周向dc上等间隔地设置的情况下，第二表面26的检测信号成为定期出现的波形。由于第二表面26和第一表面25的径向的高度不同，所以检测信号清楚地变化。

在动叶7(护罩13)未在周向dc及轴线方向da上振动的情况下，第二表面26的时间宽度t1(第二表面26通过位移传感器14的径向内侧的时间的长度)和第一表面25的时间宽度t2(第一表面25通过位移传感器14的径向内侧的时间的长度)分别一定。

管理者能够基于时间宽度t1、时间宽度t2的变化来进行在动叶7产生的振动的监视。

在动叶7在周向dc上振动的情况下，时间宽度t2变化。

解析装置11的运算部基于时间宽度t2来运算护罩13的振动量。运算部根据护罩13的周速vr和时间宽度t2来运算护罩13的振动量。

在动叶7在轴线方向da上振动的情况下，时间宽度t1变化。即，通过形成为第二表面宽度w随着朝向轴线方向da的一侧而逐渐增加，时间宽度t1根据护罩13的轴线方向da的位置而变化。

解析装置11的运算部基于时间宽度t1来运算第二表面宽度w。若将护罩13的周速设为vr，则第二表面宽度w能够以vr×t1算出。接着，使用存储于存储部11a的第二表面宽度w与护罩13的轴线方向da的位置的关系，能够确定护罩13的轴线方向da的位置(轴线方向da的振动量)。

另外，在解析装置11的存储部11a中能够事前存储由工场试验等取得的校准用的数据。校准用的数据例如是规定的周速下的测定到的时间宽度t1与通过了位移传感器14的径向内侧的第二表面26的周向dc的长度的关系。

这样，通过将校准用的数据存储于存储部，即使在因传感器的频率特性低而检测信号变得不清楚的情况下，也能够通过与校准用的数据的对比来预测振动量。

另外，通过使第一表面25与第二表面26之间的分界线27倾斜，能够增大在护罩13在轴线方向da上进行了移动时由位移传感器14计测的时间宽度，谋求灵敏度的提高。

图7是从径向外侧观察动叶级6时的图，是对护罩13在轴线方向da上进行了振动的情况下的信号宽度进行说明的图。

在图7中，单点划线所示的护罩f2相对于成为基准的护罩f1在轴线方向da上未振动。实线所示的护罩f3相对于成为基准的护罩f1在轴线方向da上进行了振动。是情况下的护罩的位置。需要说明的是，在图7中，为了使效果清楚，夸大了第二表面26的形状及护罩的振动量。

在此，护罩的实际振幅是线段ab的距离，但由位移传感器14计测的传感器计测振幅是线段aa’的距离。如图8所示，线段aa’能够利用以下的数学式(1)来算出。θ是第一表面25与第二表面26之间的分界线27相对于轴线a的角度。x、y是护罩13的实际振幅的成分。

aa’＝y+xtanθ…(1)

这样，通过使分界线27相对于轴线a倾斜，能够使由位移传感器14计测的传感器计测振幅aa’比实际振幅ab大。由此，能够谋求叶片振动监视装置100的灵敏度的提高。

根据上述实施方式，由位移传感器14检测的检测信号在护罩13的第一表面25和第二表面26处不同，因此与检测护罩13间的间隙g的方法相比，能够稳定地进行具有护罩13的动叶7的振动的计测。

另外，本实施方式的护罩13通过使第一表面25和第二表面26的径向的高度不同而使位移传感器14的检测信号在第一表面25和第二表面26处不同。由此，能够更容易地形成位移传感器14的检测信号在第一表面25和第二表面26处不同的构造。

另外，能够基于第一表面25通过位移传感器14的径向内侧的时间的长度来运算护罩13的周向dc的振动量。

另外，通过第二表面26形成为随着朝向轴线方向da的一侧而周向dc的宽度逐渐增加，能够基于第二表面26通过位移传感器14的径向内侧的时间的长度来运算护罩13的轴线方向da的振动量。

另外，由于能够基于第二表面宽度w来掌握位移传感器14对护罩13的测定位置，所以能够也反映于叶片振动监视中的限制值、安全率的重新评估。

〔第二实施方式〕

以下，参照附图对本发明的第二实施方式的叶片振动监视装置进行详细说明。需要说明的是，在本实施方式中，叙述与上述的第一实施方式的不同点，关于同样的部分省略其说明。

如图9所示，本实施方式的护罩13b具有护罩主体30和埋入于护罩主体30的异种金属部31。从径向外侧观察时的异种金属部31的形状与第一实施方式的第二表面26的形状相同。本实施方式的第二表面26是埋入于护罩主体30的异种金属部31的表面。护罩13b的外周面形成为第一表面25和第二表面26成为同一平面上(同一曲面上)。

本实施方式的传感器是能够通过产生电场而以非接触的方式检测电场内的物体的电场传感器。由此，传感器的检测信号在第一表面25和第二表面26处不同。

根据上述实施方式，能够使护罩13b的外周面13a平坦。由此，能够抑制工作流体的紊乱。另外，能够使用能够通过产生电场来检测电场内的物体的传感器来检测第二表面26。

需要说明的是，在上述实施方式中，虽然设为了将具有规定的厚度的异种金属部31埋入的结构，但不限于此，也可以粘贴由与护罩主体30的材料不同的金属材料形成的带。

〔第三实施方式〕

以下，参照附图对本发明的第三实施方式的叶片振动监视装置进行详细说明。需要说明的是，在本实施方式中，叙述与上述的第一实施方式的不同点，关于同样的部分省略其说明。

如图10所示，本实施方式的第二表面26c形成为随着朝向轴线方向da的一侧而周向dc的宽度阶段性地增加。换言之，第一表面25与第二表面26c之间的分界线27c形成为台阶状。

根据这样的结构，能够基于第二表面26通过传感器的径向内侧的时间的长度来确定护罩13c的轴线方向da的位置。另外，能够使第二表面26c通过传感器的径向内侧的时间的长度离散地变化。

〔第四实施方式〕

以下，参照附图对本发明的第四实施方式的叶片振动监视装置进行详细说明。需要说明的是，在本实施方式中，叙述与上述的第一实施方式的不同点，关于同样的部分省略其说明。

如图11所示，本实施方式的叶片振动监视装置100d具有配置于与位移传感器14相同的轴线方向的位置的激光传感器15和清洗激光传感器15的前端的吹扫空气供给装置16。激光传感器15是照射激光并检测激光在护罩13的外周面处反射回的反射光的光学式传感器。

激光传感器15由于频率特性高，所以与涡电流式位移传感器等相比能够准确地计测高速通过的护罩13的第二表面宽度w(参照图4)。

激光传感器15在蒸气涡轮机的环境下会受蒸气的影响，有可能成为信号不良，但激光传感器15的目的是检测第二表面宽度w，因此始终能够稳定地计测不是那么重要。即，只要能够短时间计测即可，不是全部的动叶7(护罩13)，即便只是数片的检测信号能够良好取得，也能够进行一定的评价。由此，理想的是，仅在激光传感器15的信号变得不顺时向传感器前端吹入吹扫空气来清洗传感器前端，即便只是短期间也碰巧具有能够取得信号的构造。由于吹扫空气只是短时间的吹入，所以能够使对涡轮机1的影响停留于最小限度。

以上，虽然参照附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体的结构不限于该实施方式，也包括不脱离本发明的主旨的范围的设计变更等。

需要说明的是，在上述实施方式中，第二表面26形成为随着朝向轴线方向的下游侧而周向的宽度逐渐增加，但不限于此，也可以形成为随着朝向轴线方向的下游侧而周向的宽度逐渐减小。

上述实施方式的叶片振动监视装置及叶片振动监视系统是能够在蒸气涡轮机、燃气涡轮机等旋转机械中没有区别地使用的技术。

标号说明

1涡轮机

2旋转轴

3壳体

4静叶级

5静叶

6动叶级

7动叶

8轴承装置

9吸气口

10排气口

11解析装置

12动叶主体

13护罩

13a外周面

14位移传感器

15激光传感器

16吹扫空气供给装置

17旋转传感器

19上游侧端面

20下游侧端面

21第一周向端面

22第二周向端面

23凸部

24凹部

25第一表面

26第二表面

27分界线

30护罩主体

31异种金属部

100叶片振动监视装置

101叶片振动监视系统

a轴线

da轴方向

dc周向

dr径向

g间隙。