JP4331097B2 - 表面粗さの計測方法および装置およびタービンの劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼等の各種部材の表面粗さを光学的に計測する表面粗さの計測方法および装置およびタービンの劣化診断方法に関する。

蒸気タービンやガスタービンを初めとする高温流体機械においては、翼などの部材が長時間にわたって高温条件下に晒されることによって熱的損傷を受けるため、運転時間に依存した性能低下が問題となる。例えば蒸気タービン翼の場合には経年運転により翼面上で酸化スケールの生成が進み、翼の表面粗さが増大する。翼の表面粗さの増大は機械性能の低下に直接関連するため、保証性能を保持していくためには翼の表面状態・表面粗さを定期的に把握し、必要に応じて交換や修理を施す必要がある。

表面粗さ計測には種々の方法があるが、触針式の検出器を用いた表面粗さ計測法が一般的である。触針式表面粗さ計測器は、10μm以下の小さい先端半径を持つダイヤモンドの触針（ピックアップ）が被計測面の凸凹を一定速度でたどる時に生ずる上下動の変位を検出するもので、ピックアップ部分で部材表面を“なぞる”ことによって、物理的に部材表面の凸凹、すなわち表面粗さを計測するものである（非特許文献１参照）。

一方、特許文献１には、レーザー光や超音波などを利用した非接触型光学式粗さ検出器を用いて蒸気タービン翼のエロージョンによる侵食量を検査する方法が記載されている。また、特許文献２には半導体膜の検査方法として、被計測物からの反射光をカラーCCDカメラにより計測し、RGB（赤緑青）の波長領域毎の受光強度によって表面粗さを計測し半導体膜の良否を判定する手法が記載されている。
日本機械学会編、機械工学便覧、第10章（1987） 特開平３−１７００４３号公報 特開２００１−１１０８６１号公報

上述した触針式の表面粗さ計測器では、計測を正確に行うために計測器のピックアップ部分を適当な力で計測対象部材表面に押し付け続ける必要があるため、計測器をマグネットスタンドなどの特別な治具を用いて保持しながら計測を実施する必要があり、また計測時にはピックアップ部分が計測対象部材表面を１〜２mm程度移動しながら“なぞる”ことになるため、タービン翼などの曲面が多い計測対象物の場合には、押し付け圧力が計測区間で一定範囲に保持されるよう治具の固定を微調整しておく必要がある。さらに１回の計測領域は上述のごとく、１〜２mmmの範囲を代表とした“点”となるため、翼周りの表面粗さ分布を調査したい場合には計測位置を変えながら多くの計測を繰り返し実施する必要がある。

また特許文献１に記載されている、レーザー光や超音波などを利用した非接触型光学式粗さ検出器を用いた蒸気タービン翼のエロージョンによる侵食量検査法は、計測範囲がピンポイントになるため、ある計測範囲内の表面粗さを評価するには特許文献１の説明にもあるように検出器を精密に動かす大掛かりなドライブユニットが必要であって、タービン翼表面などの測定範囲が広くかつ湾曲しているような計測対象物に適用するには多くの制限を伴う手法である。さらに特許文献２に記載されている、レーザー光で計測対象物を照射し、その反射光をRGBの受光強度によって評価し、非平面の凹凸を判定し半導体膜等の良否検査を行う手法は、半導体膜のような微細な凹凸を判定するのにレーザー光を高精度に位置決めする必要があり、高精度にレーザー光発生器を移動させるドライブユニットが要求されるため、タービン翼などの曲面が多く、かつ検査面積が大きい計測対象物に適用できる技術ではない。

一方、最近になってディジタル顕微鏡などの光学機器も開発されてきたが、まだまだ高価格であり、さらにカメラ部分が大きいため、計測対象物周りにカメラ部分を設置するだけの十分な空間的余裕が必要などの難点があり、しかも計測時の振動に弱いなど、計測条件が制限される。従って翼周りなどのように表面粗さが領域毎に異なっている計測対象物についても、上述の方法と比較して計測が容易でかつ適用範囲が広い表面粗さの計測技術が望まれている。

本発明は、計測対象物表面の広い面積の表面粗さを効率よく正確に計測することのできる表面粗さの計測方法および装置、およびタービンの性能劣化を正確に診断することのできる劣化診断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の表面粗さの計測方法は、計測対象物表面の代表点の表面粗さと表面色を計測して前記表面色の色刺激値と前記表面粗さの関係を表わす較正情報を作成する工程と、前記計測対象物表面の色画像を採取して前記色画像の各点の色刺激値を求め前記各点の色刺激値を前記較正情報を用いて表面粗さに変換して前記計測対象物の表面粗さを画像表示する工程とを備えている方法とする。

本発明の表面粗さの計測装置は、計測対象物表面の色画像を採取するカラー撮像手段と、前記色画像各点の色刺激値を算出する色刺激値算出手段と、前記計測対象物表面の代表点の表面色の色刺激値と表面粗さの関係を表わす較正情報を保持するデータベース部と、前記較正情報によって前記色画像各点の色刺激値を表面粗さに変換して画像表示する画像処理表示手段とを備えている構成とする。

本発明のタービンの劣化診断方法は、前記計測対象物をタービン翼とし、請求項１記載の表面粗さの計測方法およびタービン翼表面粗さとタービン性能の関係を用いて行う方法とする。

本発明によれば、計測対象物表面の広い面積の表面粗さを効率よく正確に計測することのできる表面粗さの計測方法および装置、およびタービンの性能劣化を正確に診断することのできる劣化診断方法を提供することができる。

蒸気タービンに使われる翼では長期の運転によって翼表面に酸化スケールが生成される。基本的に高温酸化の形態は雰囲気温度および翼に使われる材料に依存し、雰囲気温度が高ければより高温酸化が進む。なお材料的にはCｒの含有量が多いと耐酸化性が良くなることが知られている。

図１は発電用蒸気タービンの長期間運転後における蒸気タービン高圧段における静翼の表面状態を模式的に示した図であるが、長期間運転後のタービン翼１０は翼面における酸化スケールの生成具合に応じて、翼表面が翼材の下地色である略灰色から橙色、赤色、さらには赤黒色状に変色していることがわかった。なお段落毎に温度状況、翼に使用される材料が異なるため、こうした翼表面の模様は各段落に特徴的な模様が形成される。翼表面が橙色から赤色状に見える箇所は二酸化鉄を主成分とする錆状物が翼面に形成されている領域であり、また赤黒色状の箇所は三酸化鉄を主成分とする錆状物が翼面に形成されている領域である。

こうした翼表面の表面状況・表面粗さを把握するために、触針式の検出器を用いて図１に示したタービン翼１０を対象として表面粗さを翼面上の数箇所の計測点１１にわたって計測したところ、表面色と表面粗さの関係には強い相関が認められ、表面色が異なって見える領域毎に表面粗さが変化し、部材の酸化が進展して表面色が灰色→橙色→赤色→赤黒色となるにつれて表面粗さもこれに関連して増大していることがわかったのである。

本発明は上述の知見に基づいて成されたものであり、各種部材の表面の色画像をもとに部材の表面粗さを同定するものである。

（第１の実施の形態）
図２に本発明の表面粗さの計測方法および装置の第１の実施の形態にかかるブロック図を示す。本実施の形態は、計測対象物１に対向して設けられるカラー撮像手段であるカラーCCDカメラ２と、色刺激値算出手段３と、データベース部４と、画像処理表示手段５、および較正用計測手段６から構成されている。

カラーCCDカメラ２としては、パーソナルコンピュータ等の画像処理表示手段５とのデータ授受が容易であるディジタルスチルカメラやディジタルビデオカメラを用いる。カラーCCDカメラ２は多数の画素ピクセルから構成されており、タービン翼等の計測対象物１の表面の色画像情報を採取する。色刺激値算出手段３は、カラーCCDカメラ２によって採取した色画像情報に対しノイズ処理や平均化処理等の種々の画像処理を施した後、計測対象物１の表面の空間位置部分毎に色情報、すなわち色の３刺激値（例えばRGB値）を演算する。

データベース部４は、計測対象物１の表面色が異なる代表的な計測点において触針式表面粗さ計測器などの較正用計測手段６によって別途計測した表面粗さ情報と、色刺激値算出手段３によって算出したその点における色情報に基づいて色−表面粗さ較正曲線８を作成し保存している。色−表面粗さ較正曲線８は、例えば計測対象物１の表面が明灰色、灰色、暗灰色、橙色、赤色、赤黒色を成す領域でそれぞれ表面粗さを計測するとともに、その計測点における色画像情報を色刺激値算出手段３を入力して色の３刺激値（例えばRGB値）を演算により求め、３次元色空間７上に表面粗さと色の３刺激値の関係をプロットすることによって作成される。計測対象物１の表面の色画像情報は採取時の明るさや、照明などの影響によって変化するので、精度良い計測を行うためには、それぞれの計測時において、色画像情報採取時のカラーCCDカメラ２と計測対象物１の距離や記録時の照明環境を同一にする必要がある。また明度の影響を排除したrgb系の３刺激値を用いることも効果的である。

画像処理表示手段５は、色刺激値算出手段３によって求められた色情報（＝３刺激値）を入力し、かつデータベース部４を参照して色−表面粗さ較正曲線８により計測対象物１の表面の空間位置部分毎に色刺激値を表面粗さに変換して面情報として表示する。

表面粗さ計測の実施手順は図３の通りである。まずステップＳＡ１において計測対象物１の色の異なる数箇所の代表点における色画像情報をカラーCCDカメラ２を用いて取得記録する。またステップＳＡ２において計測対象物１の前記代表点において較正用計測手段６によって触針式等の表面粗さ計測を実施する。次にステップＳＡ３において、カラーCCDカメラ２を用いて取得記録した色画像情報から色刺激値算出手段３によって前記代表点における色刺激値を求め、ステップＳＡ４において前記色刺激値と前記代表点における表面粗さに基づいた色−表面粗さの較正曲線８（データベース部４）を作成する。次にステップＳＡ５において、カラーCCDカメラ２によって計測対象物１上の計測対象面全体の色画像情報を取り込み、ステップＳＡ６において色刺激値算出手段３によって計測面全体の色刺激値を算出し、ステップＳＡ７において画像処理表示手段５によって色刺激値を入力し、データベース部４の較正曲線８に基づいて計測面全体の色刺激値を表面粗さに換算して計測対象物１表面の表面粗さを面情報として表示する。

本実施の形態によれば、これまで膨大な数の計測点を必要としていた表面粗さの面情報を、容易にかつ精度良く求めることができる。

（第２の実施の形態）
図４は図１に示したタービン翼１０の背側をカラーCCDカメラで計測したときの画素ピクセル１２と、代表計測点１１の対応を模式的に示した図である。仮に翼背側部分が100（Ｘ）×100（Ｙ）の画素ピクセルで計測されたものとし、翼背側の代表点として例えば灰色の部分がピクセルの位置で（Ｘ，Ｙ）＝（80，10）の領域に対応しているものとすると、その画素領域の色情報（例えばRGB値）をカラーCCDカメラと色刺激値算出手段によってピックアップし記録する。領域が複数のピクセルに跨る場合には画素毎にRGB値を求める。あるいは領域平均化処理を施してもよい。同様な方法によって数点の代表計測点１１における色情報（RGB値）を求める。こうして求めた代表計測点１１に対応した画素ピクセル１２の色情報と、その点における較正用計測手段６によって求めた表面粗さを対応させたものがデータベース部４となる。

図５はこうして求めた翼背側数箇所における翼表面色の色情報（RGB値）と、較正用計測手段６によって求めたその点における表面粗さの情報を対応させて整理したデータベースを示したものである。このように計測対象物１の代表点数箇所における色情報とその点における表面粗さを求めることにより、色−表面粗さ較正曲線８ａからなるデータベースを得ることができる。図５のデータの場合はＲ値に対する相関が特に強く、Ｒ値の増大とともに表面粗さもほぼ一意的に増大していくことがわかる。表面粗さが小さい範囲では１つのＲ値に対して２つの表面粗さが対応している部分があるが、それ以上の範囲では色情報としてＲ値を知ることによって表面粗さを同定することができる。なお表面粗さが小さい領域ではＲ値で評価した場合では１つのＲ値に対して２つの表面粗さが対応していることになるが、こうした場合でもこれらのデータを、色の３刺激値をそれぞれ座標軸とした３次元色空間（RGB空間）７内にプロットすることで、次の第３の実施の形態に述べるようなデータベース部を構築することが可能である。

なお計測対象物１がタービン翼である場合には、タービン翼が酸化スケールの生成に応じてその表面色を変え、かつ表面粗さがそれに応じて変化するという状況を、高温試験装置などによって蒸気タービン実機運転条件を模擬して再現したり、あるいは別途計測した表面色と表面粗さの情報を整理したりすることによって、図５に示したようなデータベースを予め構築しておくことも可能である。

（第３の実施の形態）
図６に示すデータベースは、色の３刺激値としてRGB値を採用するとともに各刺激値Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値をそれぞれ座標軸にとり３次元色空間７としてのRGB空間を形成し、その空間内に計測対象物１表面の表面粗さによって変化している表面色のRGB値をプロットしたものである。前記第２の実施の形態の図５ではＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの値と表面粗さの関係を２次元的に整理して示したが、図６はまったく同じデータを３次元的に整理しなおして示したものである。図６において点Ａは表面粗さが最も小さい状態を示し、点Ｄは表面粗さが最も大きい状態を示す。

点Ａに示す表面粗さが最も小さい領域から点Ｄに示す表面粗さが最も大きい領域まで、表面色が異なる代表的な数箇所において較正用計測手段６によって計測対象物１表面の表面粗さを計測するとともに、カラーCCDカメラ２と色刺激値算出手段３を用いてこれらの計測点における色情報を取得する。そしてRGB空間内にプロットすると、図６に示すようにキャリブレーション線としての色-表面粗さ特性曲線が得られる。このように色の３刺激値（この場合はRGB、他の３刺激値であるHSLなどを用いてもよい）をそれぞれ座標軸とする色空間内にプロットすると、表面粗さが異なる場合は色情報も異なっているので、RGB空間内における色と表面粗さの関係は、交わることがない（同じ色をたどらない）一本の較正曲線８になる。

このように色空間内で色情報と表面粗さの関係を表わすデータベースを構築すると、図５では１つのＲ値に対して２つの表面粗さが対応している多価関数になっていた領域においても、計測対象物１表面の色情報を知ることによって、計測対象物１表面の表面粗さを一意的に同定することができる。

（第４の実施の形態）
前記第３の実施の形態の図６に示したデータベースでは、表面粗さとRGB値で示した各測定点間が広く空いているが、このデータ間隔は必要に応じて補間することで、表面粗さを計測した代表計測点１１以外の計測対象物１の表面色に対しても表面粗さを特定することができる。図７は図６のデータを表面粗さの変化に応じて補間したデータベースを示したものである。図７において点Ａは表面粗さが最も小さい状態を示し、点Ｄは表面粗さが最も大きい状態を示す。

なお実際の表面粗さ計測にあたっては、同じような計測対象物１の表面色であっても表面粗さにバラつきがあることが多いので、上に求めた代表計測点１１を使って求めた色−表面粗さ較正曲線８上にすべての色情報が一致するものでもない。そこでこうした計測時のバラつき誤差については次のような処理を行うことで対処する。すなわち、色−表面粗さ較正曲線８は理想的には太さのない曲線であるが、計測時のバラつきを考慮して表面粗さの値に対して許容できるRGB値にある種の誤差幅を持たせる。

すなわち図７に示すように、色−表面粗さ較正曲線８に沿って延びるパイプ状の許容誤差領域パイプ９を設け、データベースとして採用する。そして、実際に計測対象物１表面の色情報を測定して得られたRGB値が許容誤差領域パイプ９に入っていれば、信頼性あるデータとして採用し、そのRGB値で特定される３次元色空間７内の点から最短距離にある色−表面粗さ較正曲線８上の点を求め、その点に対応する表面粗さを計測値として採用する。また、実際に計測対象物１表面の色画像情報を測定して得られたRGB値が許容誤差領域パイプ９に入っていない場合には、何らかの理由で信頼できないデータであると判断して採用しないようにする。こうした情報処理は画像処理表示手段５において実施される。

以上第１から第４の実施の形態は蒸気タービン翼の表面粗さ計測について説明したが、計測対象物１が蒸気タービン翼に限定されることがないことは勿論のことであるし、色画像情報の処理の仕方についてもRGB値以外の色刺激値を用いてもかまわない。またデータによっては３次元色空間内に展開するまでもなく、Ｒ値のみ、Ｇ値のみ、あるいはＢ値のみなどの色−表面粗さ較正曲線８を採用してよいことも勿論のことである。

（第５の実施の形態）
図８は本発明のタービンの劣化診断方法の実施の形態を示す流れ図である。
長時間運転後の蒸気タービン翼は翼面における酸化スケールの生成具合に応じて、翼表面の表面粗さが増大し翼周りの摩擦損失が大きくなる。その結果、翼列の圧力損失が増大することによって蒸気タービンの性能が劣化する。翼の表面粗さと翼列性能に関しては例えばBoundary-Layer Theory, H.Schlichting, McGraw-Hill Book Company, pp.611,(1968)にあるような損失モデルが知られており、このモデルに基づいて翼の表面粗さが増大したことによるタービンの性能劣化を予測することができる。

すなわち図８に示すように、ステップＳＢ１において上記第１ないし第４の実施の形態の表面粗さ計測方法および装置によってタービン翼の表面粗さ計測を行い、ステップＳＢ２において表面粗さ情報を得る。一方、ステップＳＢ３において翼表面粗さの劣化度合いと運転時間に応じたタービン性能予測値を求める。次にステップＳＢ４において翼表面粗さ情報とタービン性能予測値とを用いてタービンの劣化診断を行う。そしてステップＳＢ５において、タービン効率を保証性能以上に保持していくためには、翼をいつ補修すべきか、どの期間で交換すべきか等のメンテナンス診断を行う。

本実施の形態によれば精度良く計測された広範囲の翼の表面粗さ情報を用いることができるので、タービンの性能劣化診断をより正確に行うことができ、タイムリーで効果的なメンテナンスを行うことが可能となる。

（ａ）は蒸気タービン翼の断面図、（ｂ）はタービン長期運転後の（ａ）のＡ方向から見た表面状態を示し、本発明の原理を説明する図。 本発明の第１の実施の形態の表面粗さの計測装置を示すブロック図。 本発明の第１の実施の形態の表面粗さの計測方法を示す流れ図。 本発明の第２の実施の形態を説明し、（ａ）はタービン翼の表面に座標軸を設定した状態、（ｂ）は（ａ）に画素ピクセルを設定した状態を示す図。 本発明の第２の実施の形態の表面粗さの計測装置のデータベース部に備えられる色刺激値と表面粗さの関係を表わす曲線図。 本発明の第３の実施の形態の表面粗さの計測装置のデータベース部に備えられるRGB空間にプロットした色刺激値と表面粗さの関係を表わす曲線図。 本発明の第４の実施の形態の表面粗さの計測装置のデータベース部に備えられる色−表面粗さ較正曲線の補間方法を説明する図。 本発明の第５の実施の形態のタービンの劣化診断方法を示す流れ図。

符号の説明

１…計測対象物、２…カラーCCDカメラ、３…色刺激値算出手段、４…データベース部、５…画像処理表示手段、６…較正用計測手段、７…３次元色空間、８，８ａ…色−表面粗さ較正曲線、９…許容誤差領域パイプ、１０…タービン翼、１１…代表計測点、１２…画素ピクセル。

Claims (4)

1. 計測対象物表面の代表点の表面粗さと表面色画像情報とを計測して前記表面色画像情報に対する色刺激値と前記表面粗さの関係を表わす較正情報を作成する工程と、前記計測対象物表面の色画像情報を採取して前記色画像情報の各点の色刺激値を求め前記各点の色刺激値を前記較正情報を用いて表面粗さに変換して前記計測対象物の表面粗さを画像表示する工程とを備えていることを特徴とする表面粗さの計測方法。
2. 計測対象物表面の色画像を採取するカラー撮像手段と、前記色画像各点の色刺激値を算出する色刺激値算出手段と、前記計測対象物表面の代表点の表面色の色刺激値と表面粗さの関係を表わす較正情報を保持するデータベース部と、前記データベース部を参照し、前記較正情報によって前記色画像各点の色刺激値を表面粗さに変換して画像表示する画像処理表示手段とを備えていることを特徴とする表面粗さの計測装置。
3. 前記較正情報は、前記代表点の色の３刺激値の各刺激値に１つの座標軸を対応させた３個の座標軸を有する３次元色空間内で色刺激値と表面粗さの関係を表わしていることを特徴とする請求項２記載の表面粗さの計測装置。
4. 前記計測対象物をタービン翼とし、請求項１記載の表面粗さの計測方法およびタービン翼表面粗さとタービン性能の関係を用いて行うことを特徴とするタービンの劣化診断方法。
   
   

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