JPH0263182B2

JPH0263182B2 -

Info

Publication number: JPH0263182B2
Application number: JP59257924A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Tatsuno; Tosha Umeda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-06
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1990-12-27
Also published as: JPS61134644A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕この発明は、蒸気タービンの効率、動翼の浸蝕
状態を蒸気中の水滴の粒径分布および粒子密度か
ら把握して監視するようにした蒸気タービンの蒸
気監視装置に関する。〔発明の技術的背景とその問題点〕事業用火力タービン、原子力タービン、地熱タ
ービン等は蒸気中に水滴を含む、いわゆる湿り蒸
気によつて運転される。このような蒸気タービン
の効率を知るには、湿り蒸気の持つエネルギ、つ
まり蒸気の持つエネルギと水滴の持つエネルギと
の和を知る必要がある。水滴の持つエネルギは水
滴の量から導かれるものであるため、結局、水滴
の量を知らなければ蒸気タービンの正確な効率を
求めることはできない。ところが、従来は、水滴の量を正確に判定し得
る手段が存在しなかつたため、蒸気タービンの効
率はプラントの電気出力やドレイン量等から推定
しなければならず、正確性に欠けるものであつ
た。一方、この種の蒸気タービンでは蒸気に含まれ
る水滴が動翼の浸蝕をもたらすという問題があ
る。このような動翼の浸蝕を防止するには、動翼
の材質、蒸気タービンの構造面での改良のみなら
ず、タービンを適正な状態で運転することが必要
不可欠である。設計運転状態において動翼の浸蝕
を許容値以下に抑えておくことはもちろんである
が、部分負荷運転中や負荷変動中にタービン入口
蒸気状態と負荷とのマツチングが不十分であつた
り、蒸気状態が過渡的に変動したりすると、蒸気
湿り度が異常に増加するなどして動翼の過度の浸
蝕を招くおそれがある。そこで、蒸気湿り度を常時定量的に監視し得る
装置が要請される。ところが、蒸気湿り度も、や
はり蒸気タービン中の水滴の量から把握されるも
のであるため、これを把握する手段が存在しない
以上、正確な動翼の浸蝕量を把握することも不可
能であつた。〔発明の目的〕本発明はこのような事実に基づきなされたもの
であり、その目的とするところは、蒸気タービン
の効率および動翼の浸蝕状況を蒸気中の水滴の粒
径分布および粒子密度から把握して監視し得る蒸
気タービンの蒸気監視装置を提供することにあ
る。〔発明の概要〕一般に、粒径Ｄの球状粒子にレーザ光等の平行
の単色光を照射した時、角度θ方向に生じる散乱
光強度Ｉ（Ｄ、θ）は、ミー（Mie）散乱理論に
よつて正確に計算することができる。これに基づ
き、本出願人は、被測定粒子群に照射したレーザ
光の散乱理論に基づいて求めた１粒子による散乱
光強度ｉ（Ｄ、θ）と、粒径分布nr(D)との間に、Ｉ(D)＝∫i（Ｄ、θ）nr(D)dD …(1) なる関係が成立することに基づいて、その粒径分
布nr(D)を求める粒径測定装置を提唱した。本発明は、上記装置を蒸気タービンの分野に適
用すべくなされたものであり、次のように構成し
たことを特徴としている。すなわち、本発明は、
照射用光フアイバおよび複数の受光用光フアイバ
からなるケーブルの先端部に、蒸気タービンの内
部に挿入できるプローブを以下のように構成し、
このプローブに上記照射用光フアイバを介してレ
ーザ光を用いて被測定蒸気に照射し、この被測定
蒸気で散乱された散乱光の各散乱角毎の散乱光を
前記受光用光フアイバで蒸気タービンの外部に導
き、さらにこれを受光して散乱光強度分布信号を
得、この散乱光強度分布信号から粒径分布および
粒子密度を算出するようにしたものである。そし
て、前記プローブは、前記照射用光フアイバ内を
進行するレーザ光の進行の向きを180゜転回させる
如くＵ字状に屈曲された前記光照射用フアイバの
先端部と、この照射用光フアイバの先端部から出
射された光を整形し前記被測定蒸気に照射する光
学系と、この光学系と対向する前記受光用光フア
イバの先端部からなることを特徴としている。〔発明の効果〕本発明によれば、蒸気タービン内の水滴の粒径
分布および粒子密度を正確に測定することができ
るので、タービン効率および動翼の浸蝕状況を、
常時定量的に監視することができる。しかも、この発明によれば、高温・多湿の環境
下にある蒸気タービンの内部には、プローブのみ
を挿入すれば良く、他の機器は蒸気タービンの外
部に設置して両者を光フアイバで接続するように
しているので、信頼性の高い監視が行なえる。ま
た、このような構成であれば、蒸気タービンへの
着脱が極めて容易になるなどの効果も奏する。〔発明の実施例〕以下、図面を参照し、本発明の一実施例に係る
蒸気タービンの蒸気監視装置について説明する。第１図において、１は湿り蒸気で運転される監
視対象となるべき蒸気タービンである。本実施例
に係る蒸気監視装置は、この蒸気タービン１内に
その先端部を挿入されたプローブ２と、装置本体
３と、これらプローブ２と装置本体３とを光学的
に連結する照射用光フアイバ４および複数の受光
用光フアイバ５₁，５₂，５₃，…，５ｎからなる
ケーブル６と、上記装置本体３から前記プローブ
２へエアーを送込むためのエアーパイプ７，８と
で構成されている。受光用光フアイバ５₁〜５ｎ
は、例えば口径が100μｍ以上の大口径光フアイ
バであることが望ましい。装置本体３は、照射用光フアイバ４を介してプ
ローブ２に単色のレーザ光を供給するレーザ光源
１１と、このレーザ光源１１からの光を照射用光
フアイバ４の入射端に集光するレンズ１２と、受
光用光フアイバ５₁〜５ｎの入射端から出射され
る光のうち測定に供すべき特定の波長の光を透過
する干渉フイルタ１３₁，１３₂，１３₃，…，１
３ｎと、これら干渉フイルタ１３₁〜１３ｎを透
過した光を受光して光電変換するフオトデイテク
タ１４₁，１４₂，１４₃，…，１４ｎと、これら
フオトデイテクタ１４₁〜１４ｎの出力を所定の
増幅率で増幅する増幅器１５₁，１５₂，１５₃，
…，１５ｎと、これら増幅器１５₁〜１５ｎから
の出力信号を入力して被測定蒸気の水滴の粒径分
布および粒子密度を算出する演算装置１６と、前
記エアーパイプ７，８の一端部に接続されたコン
プレツサ１７とで構成されている。また、プローブ２は、具体的には第２図に示す
ように構成されている。すなわち、図中２１は、
照射用光フアイバ４および受光用光フアイバ５₁
〜５ｎの先端部を纏めて収容するフアイバ収容管
である。このフアイバ収容管２１は、その先端部
に照射用光フアイバ４の先端部が貫通し得る孔２
２と後述するところの開口部２３とを有するとと
もに先端部側に延びる支持腕２４を突設したもの
となつている。前記照射用光フアイバ４の先端部
は、前記孔２２を貫通して光フアイバ収容管２１
の先端部から延出され、可撓性の遮光管２５に被
覆されてその先端部を180゜転回させ、レーザ光を
前記光フアイバ収容管２１の開口部２３に向けて
出射する如く取付け板２６を介して前記支持腕２
４に固定されている。照射用光フアイバ４の先端
部には、ここから出射されたレーザ光を平行ビー
ムに整形するためのコリメータレンズ２７が設け
られている。このコリメータレンズ２７と照射用光フアイバ
４の先端部は筒体２８の内部に収容されている。
この筒体２８の出射端には環状部材２９が取付け
られている。この環状部材２９は、第３図にその
詳細を示す如く、半径方向の一方を圧肉に、また
他方を薄肉に形成した中空環状体３１の孔３２の
内面でかつ圧肉部に位置する部分に周方向に延び
るエアー噴出し口３３を形成したものとなつてい
る。そして、中空環状体３１の外周面でかつ薄肉
部に位置する部分に接続されたエアーパイプ７を
介して前記コンプレツサ１７からエアーＡを導入
し、前記エアー噴出し口３３からエアーＡを噴出
すことによつて前記孔３２にエアーカーテンを形
成し得るものとなつている。この環状部材２９の
出射端に対向する位置には、筒状の光学的遮蔽体
３４が設けられている。この光学的遮蔽体３４
は、支持板３５を介して前記支持腕２４に固定さ
れている。この光学的遮蔽体３４と前記コリメー
タレンズ２７との間の相対位置は支持板２６，３
５を支持腕２４に固定するねじ３６，３７によつ
て調整可能となつている。光学的遮蔽体３４は、
基端側の開口部３８から光を内部に導入し、先端
側の開口部３９から光を出射するものとなつてい
る。上記開口部３９の直径は、コリメータレンズ
２７から出射されるレーザビームの径よりも僅か
大きく設定されている。光学的遮蔽体３４の側面
には、エアーを導入する導入孔４０が設けられて
おり、この導入孔４０には前記エアーパイプ８の
一端部が接続されている。光フアイバ収容管２１の開口部２３は、測定領
域Ｐを介して光学的遮蔽体３４の出射端部と対向
している。この開口部２３は、奥に行く程その幅
が広がる如く形成されており、内部に受光用光フ
アイバ５₁〜５ｎの受光部端を前記測定領域Ｐか
ら等距離で、かつ散乱角0゜、θ₁、θ₂、…、θn−１
の位置に配置するようにしたものである。これら
の相対位置は支持部材４１によつて決定される。
なお、光フアイバ収容管２１の開口部２３（第２
図中一点鎖線で囲まれた部分Ｑ）の内面には、迷
光防止用の黒の艶消し塗装が施されている。次にこのように構成された本実施例に係る蒸気
監視装置の作用について説明する。レーザ光源１１の発振によつて生じた単色のレ
ーザ光は、レンズ１２を介して照射用光フアイバ
４内に導かれ、コリメータレンズ２７で所定断面
積の平行レーザビームに形成される。この時、コ
リメータレンズ２７の内部気泡等によつて散乱光
を生ずることがあるが、この散乱光の大部分は光
学的遮蔽体３４で遮蔽される。したがつて、光学
的遮蔽体３４の開口部３９を通過して測定領域Ｐ
に照射されるのは、平行ビーム成分が殆どであ
る。ところで、コリメータレンズ２７の収容された
筒体２８の光出射端、光学的遮蔽体３４の開口部
３８，３９は蒸気と接している。したがつて、こ
れらの部分に蒸気中の水滴が付着してレーザ光の
進行を妨げるおそれがある。しかし、本実施例装
置では、環状部材２９および光学的遮蔽体３４の
内部にコンプレツサ１７からエアーＡを送り込
み、環状部材２９にあつてはエアーカーテンを形
成することによつて、また光学的遮蔽体３４にあ
つては内部からのエアーの噴出しによつて、孔３
２や開口部３８，３９に付着する水滴を除去する
ことができる。このようなエアーパージのされた光学系を通過
して測定領域Ｐにレーザ光Ｃが照射されると、レ
ーザ光Ｃは被測定蒸気Ｒによつて散乱され、測定
情報を担つた散乱光C′として各受光用光フアイバ
５₁〜５ｎに入射される。各受光用光フアイバ５₁
〜５ｎによつて蒸気タービン１の外部に導かれた
各散乱角における散乱光C′は、干渉フイルタ１３
_１〜１３ｎを透過してデイテクタ１４₁〜１４ｎで
光電変換され、さらに増幅器１５₁〜１５ｎで増
幅されて散乱光強度分布信号Ir（θ）として演算
装置１６に入力される。演算装置１６は、入力さ
れた信号Ir（θ）から前述した(1)に基づいて、例
えば対数束縛積分方程式法又は対数分布関数近似
法によつて粒径分布nr(D)を算出する。ところで、上記散乱光強度分布信号Ir（θ）は
相対値であるため、上記粒径分布nr(D)も相対値で
ある。ここでは粒径分布nr(D)を、 ∫nr(D)dD＝１ …(2) となるように規格化している。絶対的な粒径分布
ｎ(D)と粒子密度N₀とは次のような方法によつて
算出することができる。一つの方法は、測定した相対的な散乱光強度分
布Ir(D)を絶対強度（光のエネルギ密度Ｗ／m²）で
表示した散乱光強度分布Ｉ（θ）に変換する方法
である。すなわち、まず、被測定蒸気の測定に先
立つて、粒径分布と粒子密度とが既知である粒子
群にレーザ光を照射して散乱光強度分布Im（θ）
を測定する。一方、この粒子群による理論散乱光
強度分布Ip（θ）を散乱理論に基づいて計算して
おき、Ｋ（θ）＝Ip（θ）／Im（θ） …(3) なる較正係数Ｋ（θ）を求めておけば、実際の測
定値Ir（θ）から、Ｉ（θ）＝Ｋ（θ）・Ir（θ） …(4) なる式で絶対的な散乱光強度分布Ｉ（θ）を求め
ることができる。ここで、測定領域Ｐに入射され
た入射光の減衰を考慮すると、Ｉ（θ）は、Ｉ（θ）＝∫^L ₀｛Iin exp〔−xN₀∫c(D)n_r(D)dD〕・∫i
（Ｄ、θ）・πB²N₀n_r(D)dD｝dx…(5) と表わすことができる。但し、Ｌ；散乱光路長 Iin；入射光強度Ｃ(D)；散乱断面積Ｂ；照射ビームの半径である。したがつて、前記(4)式を用いて変換した
値Ｉ（θ）を(5)式の右辺に代入し、(5)式をN₀につ
いて解けば、粒子密度N₀が求まる。したがつて、ｎ(D)＝N₀・nr(D) …(6) なる式によつて、絶対的な粒径分布ｎ(D)も算出さ
れる。また、もう一つの方法は、透過率を測定する方
法である。すなわち、測定した透過率Ｅ＝Iout（θ）／Iin（θ）は、Ｅ＝exp｛−L∫c(D)N₀n_r(D)dD｝ …(7) で表わすことができる。(7)式をN₀について解け
ば、粒子密度が求まる。以下は同様である。以上の演算によつて演算装置１６は、粒径分布
ｎ(D)および粒子密度N₀を算出し、たとえば図示
しないデイスプレイ装置または制御装置にその結
果を送出する。なお、蒸気タービンの蒸気湿り度Ｈは、Ｈ＝Wl／Wb …(8) で示される。ここに、 Wl；蒸気中の液体の重さ Wb；全蒸気の重さである。タービン内の圧力は容易に測定すること
ができ、圧力が求まれば飽和蒸気曲線から気体の
密度および液体の密度が求まり、全蒸気の重さ
Wbが求まる。そして、本実施例装置によつて粒
径分布ｎ(D)が求まるので、各粒径の粒子個数が分
り、結局、蒸気中の気体の重さWlが求まる。このように、本実施例によれば、蒸気タービン
１内の水滴の粒径分布および粒子密度を正確に測
定することができるので、タービン効率および動
翼の浸蝕状況を、常時定量的に監視することがで
きる。しかも、この場合、プローブ２のみを一つ
の挿入口から蒸気タービン１内に僅か挿入させる
だけで良く、その他の機器は蒸気タービン１の外
部に設置可能であるため、タービン内部の如く高
温多湿の環境下における測定が可能になる。ま
た、受光用光フアイバ５₁〜５ｎとして、大口径
フアイバを用いるようにしているので、集光用の
レンズなどが必要なく、プローブ２の小形化に寄
与することができる。また、本実施例では、光フアイバ収容管２１の
開口部２３に施された艶消し塗装や光学的遮蔽体
３４等によつて、測定のノイズ成分となる散乱光
の発生、影響を有効に防止することができ、信頼
性の高い監視を行なうことができる。また、コリ
メータレンズ２７の出射口や光学的遮蔽体３４の
入射および出射口にエアーパージを施しているの
で、微小径の開口部等が蒸気中の水滴によつて閉
塞され、光の進行が撹乱されるのを防止すること
ができる。このように、本実施例によれば、極めて多大な
効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る蒸気タービン
の蒸気測定装置の概略構成を示す図、第２図は同
装置におけるプローブの詳細を示す断面図、第３
図は第２図における環状部材を更に詳細に示す図
であり、同図ａは斜視図、同図ｂは断面図、同図
ｃは正面図である。１……蒸気タービン、２……プローブ、３……
装置本体、４……照射用光フアイバ、５₁〜５ｎ
……受光用光フアイバ、６……ケーブル、７，８
……エアーパイプ、１３₁〜１３ｎ……干渉フイ
ルタ、１４₁〜１３ｎ……デイテクタ、２１……
光フアイバ収容管、２３……開口部、２４……支
持腕、２５……遮光パイプ、２６，３５……支持
板、２７……コリメータレンズ、２９……環状部
材、３３……エアー噴出し口、３４……光学的遮
蔽体、Ｐ……測定領域。

Claims

【特許請求の範囲】１蒸気タービンの外部に設置されたレーザ光源
と、先端部に前記蒸気タービンの内部に挿入され
るプローブを形成するとともに、前記レーザ光源
からのレーザ光を前記蒸気タービンの内部に導く
照射用光フアイバおよびこの光照射光フアイバを
介して前記蒸気タービンの内部に導かれ被測定蒸
気に照射されて散乱された散乱光を各散乱角毎に
受光して前記蒸気タービンの外部に導く複数の受
光用光フアイバからなるケーブルと、前記複数の
受光用光フアイバを介して前記蒸気タービンの外
部に導かれた前記各散乱角毎の散乱光をそれぞれ
受光して散乱光強度分布信号として出力する光検
出器と、この光検出器から出力された散乱光強度
分布信号から前記被測定蒸気の粒径分布および粒
子密度を算出する演算装置とを具備し、前記プロ
ーブは、前記照射用光フアイバ内を進行するレー
ザ光の進行の向きを180゜転回させる如くＵ字状に
屈曲された前記光照射用フアイバの先端部と、こ
の照射用光フアイバの先端部から出射された光を
整形し前記被測定蒸気に照射する光学系と、この
光学系と対向する前記受光用光フアイバの先端部
からなるものであることを特徴とする蒸気タービ
ンの蒸気監視装置。２前記光学系は、前記光照射用フアイバの先端
部から出射された前記レーザ光を平行ビームに整
形するコリメータレンズと、このコリメータレン
ズから出射された光を通過させる開口部を有する
光学的遮蔽体とからなるものであること特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の蒸気タービンの蒸
気監視装置。３前記コリメータレンズと前記光学的遮蔽体と
は互いの相対位置を調整可能な機構によつて支持
されているものであることを特徴とする特許請求
の範囲第２項記載の蒸気タービンの蒸気監視装
置。４前記光学系は、前記レーザ光を通過させかつ
前記被測定蒸気に接する開口部を有するものであ
り、この開口部を前記蒸気タービンの外部から導
入された空気によつてエアパージされるものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
蒸気タービンの蒸気監視装置。５前記受光用光フアイバの少なくとも先端部
は、黒の艶消し表面を持つ部材で覆われているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸気
タービンの蒸気監視装置。