微粒子採取装置
【課題】下方からの斜め上向きの速度成分を有するガス流に含まれる微粒子を確実に採取し、その粒径、量及び分布の正確な把握を可能にする微粒子採取装置を提供する。
【解決手段】下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に採取部を挿入し、該採取部の採取面を所定時間だけガス流に露出させて付着した微粒子を採取して観察するための微粒子採取装置１０が、ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリット１２を形成したガイド管１１と、採取部が先端部に取り付けられ、ガイド管１１の内部所定位置に挿入された状態でスリット１２を介して採取面をガス流に露出させるシャッター機構を備えたプローブ４０と、シャッター機構を操作するシャッター駆動機構と、を具備して構成されている。
【解決手段】下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に採取部を挿入し、該採取部の採取面を所定時間だけガス流に露出させて付着した微粒子を採取して観察するための微粒子採取装置１０が、ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリット１２を形成したガイド管１１と、採取部が先端部に取り付けられ、ガイド管１１の内部所定位置に挿入された状態でスリット１２を介して採取面をガス流に露出させるシャッター機構を備えたプローブ４０と、シャッター機構を操作するシャッター駆動機構と、を具備して構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば蒸気タービン低圧段の湿り蒸気中にある水滴径の計測時等に適用される水滴を含む微粒子の採取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に示す蒸気タービンＳＴにおいて、低圧段を流れる流体（図中の矢印Ｆ）は湿り蒸気となっており、従って、その蒸気中には凝縮した水滴Ｍが多数存在している。このような水滴Ｍは、蒸気流とともにタービン内を通過する際、タービン翼の静翼１や動翼２に衝突する。水滴Ｍの衝突は、動翼２に対するブレーキとして作用するので、蒸気タービンＳＴの性能上好ましいことではない。また、水滴Ｍの衝突は、静翼１や動翼２を浸食するので、信頼性にも悪影響を与えることとなる。
このような水滴Ｍの影響を小さくするためには、湿り蒸気の流れに含まれている水滴Ｍについて、その大きさ（径）、量及び分布を把握する必要がある。
【０００３】
そして、下記の特許文献１には、蒸気タービン、地熱発電設備、脱硝装置、冷却塔及び加湿装置等の内部を飛翔する水滴の粒径を測定するために用いられる水滴採取装置が開示されている。この装置は、水滴を採取する基台の表面にシリコン油等の水滴採取材と微粒子との混練材を塗布し、さらにその表面に水滴採取材のみを塗布して水滴の採取面を形成したものであり、この採取面に微小粒径及び粗大粒径の水滴を付着させて採取するものである。この場合、蒸気の流れ方向に正対して開口するスリットが外管に設けられ、このスリットを通り抜けた水滴のみが採取面に到達して採取される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１７４６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の水滴採取装置は、外管に設けたスリットを通って流入した蒸気中の水滴を直接採取する方式であるが、このスリットは蒸気の流れ方向と直交する面に開口するものである。このため、たとえば蒸気タービン低圧段のように、下方（ハブ側）から斜め上向きに流入するような蒸気流（本願の図１の矢印Ｆｕを参照）に水滴が存在するような場合、この水滴はスリットの下方及び底面を形成する外管の壁面（特許文献１の第１図を参照）に衝突して採取面まで到達できないこととなる。
実際の蒸気等のガス流には、本願の図１に示される水平方向の流れＦのみではなく、このような下方から斜め上向きの流れＦｕが多く存在しているという知見が得られているため、上述した従来の水滴採取装置では、蒸気流（ガス流）に存在する水滴（微粒子）を確実に採取することができず、この結果、採取した水滴から把握できる大きさ（径）、量及び分布の精度（正確性）には問題があった。
【０００６】
特に、蒸気タービンの低圧段における蒸気流は、下方からの斜め上向きの速度成分を有する高速の流れとなるため、このような蒸気等のガス流に含まれている水滴等の微粒子を確実に採取し、その粒径、量及び分布を正確に把握できるようにした微粒子採取装置の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、下方からの斜め上向きの速度成分を有するガス流に含まれる微粒子を確実に採取し、その粒径、量及び分布の正確な把握を可能にする微粒子採取装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る微粒子採取装置は、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に採取部を挿入し、該採取部の採取面を所定時間だけ前記ガス流に露出させて付着した微粒子を採取して観察するための微粒子採取装置であって、前記ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリットを形成したガイド管と、前記採取部が先端部に取り付けられ、前記ガイド管の内部所定位置に挿入された状態で前記スリットを介して前記採取面を前記ガス流に露出させるシャッター機構を備えたプローブと、前記シャッター機構を操作するシャッター駆動機構と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
このような本発明の微粒子採取装置によれば、ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリットを形成したガイド管としたので、シャッター機構を操作して採取面をガス流に露出させると、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に含まれる微粒子も確実に採取することができる。すなわち、水平方向のガス流に含まれる微粒子は勿論のこと、斜め上向きに流れるガス流に含まれる微粒子についても、ガイド管の先端封鎖底面部に開口するスリットを介して確実に採取することができる。
【０００９】
上記の発明において、前記シャッター機構は、ガス圧を受けて動作するトリガーと、該トリガーの動作により前記プローブを前記ガイド管の内部で回転させるばね部材とを具備して構成されることが好ましく、これにより、ガス流の外部から確実にシャッター機構を動作させることができる。なお、ここで使用するガス圧を与えるためのガスとしては、たとえば窒素ガスを用いることができる。
【００１０】
また、上記の発明において、前記プローブを回転させる前記ばね部材にばね力可変手段を設けることが望ましく、これにより、微粒子を採取するガス流の流速等に応じたシャッター機構の動作を適宜調整し、採取面の露出時間を容易に最適化することができる。
また、上記の発明において、前記プローブの先端に設けた位置決め部材と、前記ガイド管の先端部内面に設けたテーパー部とを具備し、前記採取面が前記スリットの方向を向いて挿入されるよう前記テーパー部により前記位置決め部材を導くプローブ位置決め手段を備えているので、プローブの方向が見えない状態での作業となるプローブ挿入時に、採取面及びスリットの位置や方向を容易かつ確実に合わせることができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明によれば、たとえば蒸気タービン低圧段を流れる湿り蒸気中に含まれる水滴のように、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に含まれる微粒子を採取部の採取面に確実に採取することができる。そして、採取面に採取した微粒子は、顕微鏡を介したカメラで撮影するなどして、その径や量を正確に把握することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る微粒子採取装置の一実施形態として、蒸気タービン低速段における水滴（微粒子）の採取状況を示す図である。
【図２】本発明に係る微粒子採取装置について、（ａ）はガイド管の所定位置にプローブを挿入した状態を示す要部の断面図、（ｂ）はプローブ位置決め手段のテーパー部をスリットと反対側から見た図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｄ）は位置決め部材がテーパー部と干渉した状態を示す図である。
【図３】採取部の構成例を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】プローブに採取部を取り付ける手順を示す説明図である。
【図６】シャッター機構のセット手順に関する説明図であり、（ａ）はセット前の状態、（ｂ）はセット完了後の状態を示している。
【図７】シャッター機構の動作に関する説明図であり、（ａ）はセット完了後の状態を示す断面図、（ｂ）はシャッター機構が動作して採取面をガス流に露出させた状態を示す断面図、（ｃ）はシャッター機構の動作が完了した状態を示す断面図である。
【図８】蒸気タービンの低速段における蒸気流を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る微粒子採取装置の一実施形態を図１から図７に基づいて説明する。
本実施形態の微粒子採取装置１０は、たとえば図１に示すように、蒸気タービンＳＴの低圧段を流れている蒸気（ガス流）に含まれる水滴（微粒子）を採取し、顕微鏡付きカメラ等を用いて観察するための装置である。この微粒子採取装置１０は、蒸気タービンＳＴのケーシング外部上方から静翼１と動翼２との間に長尺のガイド管１１を挿入し、たとえば図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、ガイド管１１の先端部に位置する採取部２０の採取面２１を所定時間だけ蒸気の流れに露出させて、採取面２１に付着した水滴を採取する。
すなわち、微粒子採取装置１０は、蒸気タービンＳＴの低圧段において、たとえば図１に矢印Ｆｕで示すように、下方（ハブ側）から斜め上向きの速度成分を含む蒸気流に含まれる水滴についても、略軸方向に流れる通常の蒸気流（図中の矢印Ｆ参照）と同様の採取を可能にしたものである。
【００１４】
微粒子採取装置１０は、図２（ａ）に示すように、蒸気流に挿入される長尺管の下端部に側壁面１１ａから先端封鎖底面部１１ｂに至るスリット１２を形成したガイド管１１と、先端部に採取部２０が取り付けられ、ガイド管１１の内部所定位置に挿入された状態でスリット１２を介して採取面２１を蒸気流に露出させるシャッター機構３０を備えたプローブ４０と、シャッター機構３０を操作するシャッター駆動機構（不図示）とを具備して構成される。
【００１５】
ガイド管１１は、管材１３の先端部にキャップ１４を溶接して先端封止底面部を形成した長尺管であり、管材１３には、たとえば３〜４ｍ程度の長さを有する外径２０ｍｍ／内径１５ｍｍ程度のものが使用される。ガイド管１１の下端部（先端部）には、管材１３の側面部となる側壁面１１ａからキャップ１４を溶接した先端封鎖底面部１１ｂに至るスリット１２が形成されている。図示のスリット１２は、キャップ１４の頂点位置まで、すなわち、管材１３の先端部から管材１３の軸中心位置まで略９０度の範囲にわたって形成されている。なお、スリット１２の範囲については、上述した略９０度に限定されることはなく、従来は困難であった下方から斜め上向きとなる流れの水滴等をも確実に採取するという課題を解決できるのであれば、たとえば４５度程度の範囲としてもよく、ガイド管１１等の内部構造により従来と比較したスリット１２の延長範囲を適宜選択できる。
【００１６】
ガイド管１１の他端側には、開閉弁１５を介してシールボックス１６が取り付けられている。このシールボックス１６は、後述するプローブ４０やシャッター駆動機構等の挿入／引き抜きを行う際に使用され、採取時以外には、開閉弁１５を閉じることにより、蒸気タービンＳＴの内部がスリット１２及びガイド管１１を介して外気と連通しないように遮断する。なお、図中の符号１６ａは、シールボックス１６に設けたのぞき窓である。
【００１７】
プローブ４０は、固定側の保持部４１に対して回転可能に支持されたシャッター筒４２を具備して構成され、水滴採取時にガイド管１１の先端部となる所定位置に挿入して使用される。なお、シャッター筒４２は、後述するシャッター機構３０の構成部材となる。
プローブ４０の先端には、水滴等の微粒子を採取面２１に付着させて採取する採取部２０が取り付けられている。
【００１８】
採取部２０は、ベース金具２２の開口部２２ａを塞ぐようにして矩形断面のアクリル材２３を固定し、さらに、開口部２２ａと反対側となるアクリル材２３の面に対し、表面が採取面２１となるシリコンオイル層２４を形成したものである。また、アクリル材２３の両側面には、塗布したシリコンオイルの側方流出を防止するため、セロハン２５が設置されている。このように構成された採取部２０は、シリコンオイル塗布後に余分なシリコンオイルが取り除かれ、さらに所定時間（１日程度）ぶら下げておくことにより、アクリル材２３の表面に採取面２１となる薄膜のシリコンオイル層２４が形成される。なお、図中の符号２６は、プローブ４０に固定設置するためのビス穴である。
【００１９】
上述した採取部２０は、たとえば図５に示すような手順により、プローブ４０の先端部に設けた保持部４１の凹部４１ａ内に取り付けられる。
最初の工程では、採取部２０を斜め後方から矢印Ｓ１で示すようにスライドさせて凹部４１ａに挿入する。この後、採取部２０の後端部を矢印Ｓ２で示すように押し下げると、採取部２０は凹部４１ａの所定位置に格納される。最後に、ビス穴２６からビス４４をねじ込むことにより、採取部２０はプローブ４０の所定位置に固定設置される。
【００２０】
上述したプローブ４０は、固定側となる保持部４１の外周において、シャッター機構３０及びシャッター駆動機構により、シャッター筒４２が非採取位置（図７（ａ）を参照）から採取位置（図７（ｂ）を参照）を通過して停止位置（図７（ｃ）を参照）まで回転可能となっている。このシャッター筒４２には、シャッタースリット４３が設けられている。
シャッタースリット４３は、採取位置において上述したガイド管１１のスリット１２と周方向の位置が一致し、シャッター筒４２内の採取部２０に設けられた採取面２１を蒸気流に露出させるための開口部である。このシャッタースリット４３も、上述したスリット１２が先端封鎖底面部１１ｂまで形成されているのと同様に、採取面２１側の先端部側底面中央付近まで開口している。
【００２１】
シャッター機構３０は、採取時に保持部４１の外側でシャッター筒４２を回転させるための機構であり、たとえば図６に示すようなコイルばね４５が使用される。このコイルばね４５は、一端を保持部４１の上部適所に固定するとともに、他端をシャッター筒４２側のばね固定部４６に係止することにより、シャッター筒４２に対して回転方向の付勢（回転トルク）を付与している。なお、シャッター筒４２は、保持部４１の外周に図示しないベアリング等を介在させることにより、固定側となる保持部４１に対して回転可能となっている。
【００２２】
シャッター筒４２のコイルばね固定部４６については、たとえば図６に示すように、周方向に複数の凹凸部等を設けて選択可能とすることが望ましい。従って、コイルばね４４の係止位置を適宜選択切替することにより、コイルばね４４の回転トルクを変化させてシャッター速度を最適に調整することが可能になる。すなわち、コイルばね固定部４６は、ばね力可変手段を備えたものとなる。
【００２３】
上述したシャッター筒４２には、図６に示すように、内側にある保持部４１の外周面から突出する凸部のストッパー４７を係止するガイド溝４８が設けられている。このガイド溝４８は、軸方向部分４８ａと周方向部分４８ｂとが連結された略Ｌ字状とされる。従って、シャッター機構３０においては、ストッパー４７が、図６（ａ）に示す動作完了後の位置から図６（ｂ）に示す動作前のセット位置まで移動可能となっている。
このようなストッパー４７を移動させる操作は、たとえばドライバーＤ等の工具を用いて実施される。すなわち、シャッター筒４２は、コイルばね４４の付勢と、図示しないばねによる軸方向後端部側へ引き上げる方向の付勢に抗して、回転させた後に軸方向前端部側へ移動させると、ストッパー４７がガイド溝４８の軸方向部分４８ａに係止された状態に保持されるので、シャッター機構３０は、シャッター駆動機構により動作が可能な待機状態（セット完了後の状態）となる。
【００２４】
プローブ４０の先端部には、保持部４１に固定された位置決め部材４９が設けられている。この位置決め部材４９は、保持部４１との間を連結する軸部４９ａがシャッター筒４２の回転を妨げないように貫通している。そして、プローブ４０をガイド管１１内に挿入する際、位置決め部材４９を所定の挿入位置に導くため、ガイド管１１の先端部内面にはテーパー部１１ｃが形成されている。この場合のテーパー部１１ｃは、図２（ｂ）に示すような形状を有する別部材のテーパー形成部材１１ｄをキャップ１４の内部に固定することにより、ガイド管１１の先端部内面にテーパー部１１ｃを形成している。このテーパー部１１ｃは、位置決め部材４９を所定位置の凹部１１ｅまで導くように形成した傾斜面である。
【００２５】
そして、プローブ４０の先端に設けた位置決め部材４９と、ガイド管１１の先端部内面に設けたテーパー部１１ｃとは、プローブ４０の方向が外部から見えない状態での作業となるプローブ挿入時において、採取面２１がスリット１２の方向を向いて挿入されるように、テーパー部１１ｃにより位置決め部材４９を所望の方向へ導くプローブ位置決め手段として機能する。このとき、プローブ４０の向きがスリット１２と不一致であれば、たとえば図２（ｄ）に示すように、位置決め部材４９のハッチング部１１ｆがテーパー部１１ｃと干渉するので、位置決め部材４９はテーパー部１１ｃに導かれて向きを変え、凹部１１ｅまでスムーズに導かれる。
すなわち、上述した微粒子採取装置１０は、プローブ４０の先端に設けた位置決め部材４９と、ガイド管１１の先端部内面に設けたテーパー部１１ｃとを具備し、採取面２１がスリット１２の方向を向いて挿入されるようテーパー部１１ｃにより位置決め部材４９を導くプローブ位置決め手段を備えているので、プローブ４０とともに軸方向に挿入された位置決め部材４９は、テーパー面１１ｃに沿って最も先端部となる凹部１１ｅまでスムーズに導かれる。この結果、プローブ挿入時には、採取面２１及びスリット１２の位置や方向を容易かつ確実に合わせることができる。
【００２６】
シャッター駆動機構は、待機状態にあるシャッター機構３０を動作させるためのトリガーであり、たとえばガイド管１１の外部から供給される窒素ガスの圧力により、ガイド溝４８の軸方向部分４８ａに係止された状態にあるシャッター筒４２を前端部側へ移動させるものである。すなわち、シャッター駆動機構は、シャッター筒４２がストッパー４７によって回転を阻止された状態を解除し、コイルばね４５の付勢によりガイド溝４８の周方向部分４８ｂに沿った回転を可能にするものである。
【００２７】
このように構成された微粒子採取装置１０は、プローブ４０の所定位置に採取部２０を取り付けた後、蒸気タービンＳＴ内に予め設置されているガイド管１１の内部に向けて、開閉弁１５を開いて上端部側から挿入される。このとき、シャッター機構３０は、ストッパー４７がガイド溝４８の軸方向部分４８ａに係止されて動作可能な待機状態にある。
ガイド管１１内に挿入されたプローブ４０は、ガイド管１１の先端部近傍まで挿入されると、位置決め部材４９がテーパー部１１ｃによって所定の挿入位置まで導かれる。この結果、採取部２０の採取面２１は、図７（ａ）に示すように、ガイド管１１のスリット１２と適切に位置合わせがなされたセット完了後の状態となるが、採取面２１はシャッター筒４２により塞がれている。
【００２８】
こうして採取準備が完了した後には、適宜シャッター駆動機構を操作してシャッター機構３０を動作させる。
すなわち、窒素ガスを供給してシャッター駆動機構に圧力を与えると、シャッター筒４２が押圧されて先端部側へ移動する。このとき、シャッター筒４２は、固定側のストッパー４７に係止されているので、ガイド溝４８の軸方向部分４８ａに沿って前端部側へ移動することとなる。この結果、シャッター筒４２は、ストッパー４７と周方向部分４８ｂとが一致する位置まで移動することにより、ストッパー４７による回転方向の係止が解除され、周方向部分４８ｂに沿って回転可能となる。従って、シャッター筒４２は、コイルばね４５の付勢により、周方向部分４８ｂの範囲を回転する。
そして、図７（ｂ）に示すように、シャッター筒４２の回転途中では、シャッタースリット４３とガイド管１１のスリット１２とが一致する時間があり、短時間だけ採取面２１を蒸気流に露出させることができる。なお、採取面２１が蒸気流に露出するシャッター時間は、スリット１２やシャッタースリット４３の溝幅、及びコイルばね４５の付勢力により変化するので、これらを適宜調整することにより所望の値に設定することができる。
【００２９】
このようなシャッター筒４２の回転は、ガイド溝４８に形成された周方向部分４８ｂの範囲で可能となるので、ストッパー４７が周方向部分４８ｂの端部まで到達した時点で停止する。この停止位置では、図７（ｃ）に示すように、採取面２１はシャッター筒４２により完全に塞がれている。
そして、上述した採取面２１の露出時間においては、矢印Ｆで示す蒸気流に含まれる水滴を採取するとともに、上向きの速度成分を含む蒸気流（矢印Ｆｕ）に含まれる水滴についても、底面部側までスリット１２やシャッタースリット４３が形成されているため、ガイド管１１やシャッター筒４２に衝突することなく確実に採取できる。
【００３０】
こうして水滴の採取が終了した後には、プローブ４０をガイド管１１から引き抜き、開閉弁１５を閉じて蒸気タービンＳＴ内を外気から遮断する。
そして、プローブ４０から採取部２０を取り外し、この採取部２０を顕微鏡の観察位置にセットする。この結果、採取面２１に付着した水滴等の微粒子について、顕微鏡を介したカメラ撮影が可能となる。すなわち、カメラ撮影した画像から、付着した水滴及び微粒子の数量や径等を観察し、シャッター機構３０による採取面２１の露出時間から、時間当たりの微粒子量（水滴量）を計測できる。
【００３１】
このように、上述した本発明によれば、たとえば蒸気タービン低圧段を流れる湿り蒸気中に含まれる水滴のように、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に含まれる微粒子を採取部２０の採取面２１に確実に採取することができる。そして、採取面２１に採取した微粒子は、顕微鏡を介したカメラで撮影するなどして、その径や量を正確に把握することが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、蒸気タービンＳＴ内の蒸気流に含まれる水滴は勿論のこと、他のガス流等に含まれる微粒子の採取にも適用可能になるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 微粒子採取装置
１１ ガイド管
１２ スリット
２０ 採取部
２１ 採取面
３０ シャッター機構
４０ プローブ
４１ 保持部
４２ シャッター筒
４３ シャッタースリット
４５ コイルばね
４６ ばね固定部
４７ ストッパー
４８ ガイド溝
４９ 位置決め部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば蒸気タービン低圧段の湿り蒸気中にある水滴径の計測時等に適用される水滴を含む微粒子の採取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に示す蒸気タービンＳＴにおいて、低圧段を流れる流体（図中の矢印Ｆ）は湿り蒸気となっており、従って、その蒸気中には凝縮した水滴Ｍが多数存在している。このような水滴Ｍは、蒸気流とともにタービン内を通過する際、タービン翼の静翼１や動翼２に衝突する。水滴Ｍの衝突は、動翼２に対するブレーキとして作用するので、蒸気タービンＳＴの性能上好ましいことではない。また、水滴Ｍの衝突は、静翼１や動翼２を浸食するので、信頼性にも悪影響を与えることとなる。
このような水滴Ｍの影響を小さくするためには、湿り蒸気の流れに含まれている水滴Ｍについて、その大きさ（径）、量及び分布を把握する必要がある。
【０００３】
そして、下記の特許文献１には、蒸気タービン、地熱発電設備、脱硝装置、冷却塔及び加湿装置等の内部を飛翔する水滴の粒径を測定するために用いられる水滴採取装置が開示されている。この装置は、水滴を採取する基台の表面にシリコン油等の水滴採取材と微粒子との混練材を塗布し、さらにその表面に水滴採取材のみを塗布して水滴の採取面を形成したものであり、この採取面に微小粒径及び粗大粒径の水滴を付着させて採取するものである。この場合、蒸気の流れ方向に正対して開口するスリットが外管に設けられ、このスリットを通り抜けた水滴のみが採取面に到達して採取される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１７４６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の水滴採取装置は、外管に設けたスリットを通って流入した蒸気中の水滴を直接採取する方式であるが、このスリットは蒸気の流れ方向と直交する面に開口するものである。このため、たとえば蒸気タービン低圧段のように、下方（ハブ側）から斜め上向きに流入するような蒸気流（本願の図１の矢印Ｆｕを参照）に水滴が存在するような場合、この水滴はスリットの下方及び底面を形成する外管の壁面（特許文献１の第１図を参照）に衝突して採取面まで到達できないこととなる。
実際の蒸気等のガス流には、本願の図１に示される水平方向の流れＦのみではなく、このような下方から斜め上向きの流れＦｕが多く存在しているという知見が得られているため、上述した従来の水滴採取装置では、蒸気流（ガス流）に存在する水滴（微粒子）を確実に採取することができず、この結果、採取した水滴から把握できる大きさ（径）、量及び分布の精度（正確性）には問題があった。
【０００６】
特に、蒸気タービンの低圧段における蒸気流は、下方からの斜め上向きの速度成分を有する高速の流れとなるため、このような蒸気等のガス流に含まれている水滴等の微粒子を確実に採取し、その粒径、量及び分布を正確に把握できるようにした微粒子採取装置の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、下方からの斜め上向きの速度成分を有するガス流に含まれる微粒子を確実に採取し、その粒径、量及び分布の正確な把握を可能にする微粒子採取装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る微粒子採取装置は、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に採取部を挿入し、該採取部の採取面を所定時間だけ前記ガス流に露出させて付着した微粒子を採取して観察するための微粒子採取装置であって、前記ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリットを形成したガイド管と、前記採取部が先端部に取り付けられ、前記ガイド管の内部所定位置に挿入された状態で前記スリットを介して前記採取面を前記ガス流に露出させるシャッター機構を備えたプローブと、前記シャッター機構を操作するシャッター駆動機構と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
このような本発明の微粒子採取装置によれば、ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリットを形成したガイド管としたので、シャッター機構を操作して採取面をガス流に露出させると、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に含まれる微粒子も確実に採取することができる。すなわち、水平方向のガス流に含まれる微粒子は勿論のこと、斜め上向きに流れるガス流に含まれる微粒子についても、ガイド管の先端封鎖底面部に開口するスリットを介して確実に採取することができる。
【０００９】
上記の発明において、前記シャッター機構は、ガス圧を受けて動作するトリガーと、該トリガーの動作により前記プローブを前記ガイド管の内部で回転させるばね部材とを具備して構成されることが好ましく、これにより、ガス流の外部から確実にシャッター機構を動作させることができる。なお、ここで使用するガス圧を与えるためのガスとしては、たとえば窒素ガスを用いることができる。
【００１０】
また、上記の発明において、前記プローブを回転させる前記ばね部材にばね力可変手段を設けることが望ましく、これにより、微粒子を採取するガス流の流速等に応じたシャッター機構の動作を適宜調整し、採取面の露出時間を容易に最適化することができる。
また、上記の発明において、前記プローブの先端に設けた位置決め部材と、前記ガイド管の先端部内面に設けたテーパー部とを具備し、前記採取面が前記スリットの方向を向いて挿入されるよう前記テーパー部により前記位置決め部材を導くプローブ位置決め手段を備えているので、プローブの方向が見えない状態での作業となるプローブ挿入時に、採取面及びスリットの位置や方向を容易かつ確実に合わせることができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明によれば、たとえば蒸気タービン低圧段を流れる湿り蒸気中に含まれる水滴のように、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に含まれる微粒子を採取部の採取面に確実に採取することができる。そして、採取面に採取した微粒子は、顕微鏡を介したカメラで撮影するなどして、その径や量を正確に把握することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る微粒子採取装置の一実施形態として、蒸気タービン低速段における水滴（微粒子）の採取状況を示す図である。
【図２】本発明に係る微粒子採取装置について、（ａ）はガイド管の所定位置にプローブを挿入した状態を示す要部の断面図、（ｂ）はプローブ位置決め手段のテーパー部をスリットと反対側から見た図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｄ）は位置決め部材がテーパー部と干渉した状態を示す図である。
【図３】採取部の構成例を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】プローブに採取部を取り付ける手順を示す説明図である。
【図６】シャッター機構のセット手順に関する説明図であり、（ａ）はセット前の状態、（ｂ）はセット完了後の状態を示している。
【図７】シャッター機構の動作に関する説明図であり、（ａ）はセット完了後の状態を示す断面図、（ｂ）はシャッター機構が動作して採取面をガス流に露出させた状態を示す断面図、（ｃ）はシャッター機構の動作が完了した状態を示す断面図である。
【図８】蒸気タービンの低速段における蒸気流を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る微粒子採取装置の一実施形態を図１から図７に基づいて説明する。
本実施形態の微粒子採取装置１０は、たとえば図１に示すように、蒸気タービンＳＴの低圧段を流れている蒸気（ガス流）に含まれる水滴（微粒子）を採取し、顕微鏡付きカメラ等を用いて観察するための装置である。この微粒子採取装置１０は、蒸気タービンＳＴのケーシング外部上方から静翼１と動翼２との間に長尺のガイド管１１を挿入し、たとえば図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、ガイド管１１の先端部に位置する採取部２０の採取面２１を所定時間だけ蒸気の流れに露出させて、採取面２１に付着した水滴を採取する。
すなわち、微粒子採取装置１０は、蒸気タービンＳＴの低圧段において、たとえば図１に矢印Ｆｕで示すように、下方（ハブ側）から斜め上向きの速度成分を含む蒸気流に含まれる水滴についても、略軸方向に流れる通常の蒸気流（図中の矢印Ｆ参照）と同様の採取を可能にしたものである。
【００１４】
微粒子採取装置１０は、図２（ａ）に示すように、蒸気流に挿入される長尺管の下端部に側壁面１１ａから先端封鎖底面部１１ｂに至るスリット１２を形成したガイド管１１と、先端部に採取部２０が取り付けられ、ガイド管１１の内部所定位置に挿入された状態でスリット１２を介して採取面２１を蒸気流に露出させるシャッター機構３０を備えたプローブ４０と、シャッター機構３０を操作するシャッター駆動機構（不図示）とを具備して構成される。
【００１５】
ガイド管１１は、管材１３の先端部にキャップ１４を溶接して先端封止底面部を形成した長尺管であり、管材１３には、たとえば３〜４ｍ程度の長さを有する外径２０ｍｍ／内径１５ｍｍ程度のものが使用される。ガイド管１１の下端部（先端部）には、管材１３の側面部となる側壁面１１ａからキャップ１４を溶接した先端封鎖底面部１１ｂに至るスリット１２が形成されている。図示のスリット１２は、キャップ１４の頂点位置まで、すなわち、管材１３の先端部から管材１３の軸中心位置まで略９０度の範囲にわたって形成されている。なお、スリット１２の範囲については、上述した略９０度に限定されることはなく、従来は困難であった下方から斜め上向きとなる流れの水滴等をも確実に採取するという課題を解決できるのであれば、たとえば４５度程度の範囲としてもよく、ガイド管１１等の内部構造により従来と比較したスリット１２の延長範囲を適宜選択できる。
【００１６】
ガイド管１１の他端側には、開閉弁１５を介してシールボックス１６が取り付けられている。このシールボックス１６は、後述するプローブ４０やシャッター駆動機構等の挿入／引き抜きを行う際に使用され、採取時以外には、開閉弁１５を閉じることにより、蒸気タービンＳＴの内部がスリット１２及びガイド管１１を介して外気と連通しないように遮断する。なお、図中の符号１６ａは、シールボックス１６に設けたのぞき窓である。
【００１７】
プローブ４０は、固定側の保持部４１に対して回転可能に支持されたシャッター筒４２を具備して構成され、水滴採取時にガイド管１１の先端部となる所定位置に挿入して使用される。なお、シャッター筒４２は、後述するシャッター機構３０の構成部材となる。
プローブ４０の先端には、水滴等の微粒子を採取面２１に付着させて採取する採取部２０が取り付けられている。
【００１８】
採取部２０は、ベース金具２２の開口部２２ａを塞ぐようにして矩形断面のアクリル材２３を固定し、さらに、開口部２２ａと反対側となるアクリル材２３の面に対し、表面が採取面２１となるシリコンオイル層２４を形成したものである。また、アクリル材２３の両側面には、塗布したシリコンオイルの側方流出を防止するため、セロハン２５が設置されている。このように構成された採取部２０は、シリコンオイル塗布後に余分なシリコンオイルが取り除かれ、さらに所定時間（１日程度）ぶら下げておくことにより、アクリル材２３の表面に採取面２１となる薄膜のシリコンオイル層２４が形成される。なお、図中の符号２６は、プローブ４０に固定設置するためのビス穴である。
【００１９】
上述した採取部２０は、たとえば図５に示すような手順により、プローブ４０の先端部に設けた保持部４１の凹部４１ａ内に取り付けられる。
最初の工程では、採取部２０を斜め後方から矢印Ｓ１で示すようにスライドさせて凹部４１ａに挿入する。この後、採取部２０の後端部を矢印Ｓ２で示すように押し下げると、採取部２０は凹部４１ａの所定位置に格納される。最後に、ビス穴２６からビス４４をねじ込むことにより、採取部２０はプローブ４０の所定位置に固定設置される。
【００２０】
上述したプローブ４０は、固定側となる保持部４１の外周において、シャッター機構３０及びシャッター駆動機構により、シャッター筒４２が非採取位置（図７（ａ）を参照）から採取位置（図７（ｂ）を参照）を通過して停止位置（図７（ｃ）を参照）まで回転可能となっている。このシャッター筒４２には、シャッタースリット４３が設けられている。
シャッタースリット４３は、採取位置において上述したガイド管１１のスリット１２と周方向の位置が一致し、シャッター筒４２内の採取部２０に設けられた採取面２１を蒸気流に露出させるための開口部である。このシャッタースリット４３も、上述したスリット１２が先端封鎖底面部１１ｂまで形成されているのと同様に、採取面２１側の先端部側底面中央付近まで開口している。
【００２１】
シャッター機構３０は、採取時に保持部４１の外側でシャッター筒４２を回転させるための機構であり、たとえば図６に示すようなコイルばね４５が使用される。このコイルばね４５は、一端を保持部４１の上部適所に固定するとともに、他端をシャッター筒４２側のばね固定部４６に係止することにより、シャッター筒４２に対して回転方向の付勢（回転トルク）を付与している。なお、シャッター筒４２は、保持部４１の外周に図示しないベアリング等を介在させることにより、固定側となる保持部４１に対して回転可能となっている。
【００２２】
シャッター筒４２のコイルばね固定部４６については、たとえば図６に示すように、周方向に複数の凹凸部等を設けて選択可能とすることが望ましい。従って、コイルばね４４の係止位置を適宜選択切替することにより、コイルばね４４の回転トルクを変化させてシャッター速度を最適に調整することが可能になる。すなわち、コイルばね固定部４６は、ばね力可変手段を備えたものとなる。
【００２３】
上述したシャッター筒４２には、図６に示すように、内側にある保持部４１の外周面から突出する凸部のストッパー４７を係止するガイド溝４８が設けられている。このガイド溝４８は、軸方向部分４８ａと周方向部分４８ｂとが連結された略Ｌ字状とされる。従って、シャッター機構３０においては、ストッパー４７が、図６（ａ）に示す動作完了後の位置から図６（ｂ）に示す動作前のセット位置まで移動可能となっている。
このようなストッパー４７を移動させる操作は、たとえばドライバーＤ等の工具を用いて実施される。すなわち、シャッター筒４２は、コイルばね４４の付勢と、図示しないばねによる軸方向後端部側へ引き上げる方向の付勢に抗して、回転させた後に軸方向前端部側へ移動させると、ストッパー４７がガイド溝４８の軸方向部分４８ａに係止された状態に保持されるので、シャッター機構３０は、シャッター駆動機構により動作が可能な待機状態（セット完了後の状態）となる。
【００２４】
プローブ４０の先端部には、保持部４１に固定された位置決め部材４９が設けられている。この位置決め部材４９は、保持部４１との間を連結する軸部４９ａがシャッター筒４２の回転を妨げないように貫通している。そして、プローブ４０をガイド管１１内に挿入する際、位置決め部材４９を所定の挿入位置に導くため、ガイド管１１の先端部内面にはテーパー部１１ｃが形成されている。この場合のテーパー部１１ｃは、図２（ｂ）に示すような形状を有する別部材のテーパー形成部材１１ｄをキャップ１４の内部に固定することにより、ガイド管１１の先端部内面にテーパー部１１ｃを形成している。このテーパー部１１ｃは、位置決め部材４９を所定位置の凹部１１ｅまで導くように形成した傾斜面である。
【００２５】
そして、プローブ４０の先端に設けた位置決め部材４９と、ガイド管１１の先端部内面に設けたテーパー部１１ｃとは、プローブ４０の方向が外部から見えない状態での作業となるプローブ挿入時において、採取面２１がスリット１２の方向を向いて挿入されるように、テーパー部１１ｃにより位置決め部材４９を所望の方向へ導くプローブ位置決め手段として機能する。このとき、プローブ４０の向きがスリット１２と不一致であれば、たとえば図２（ｄ）に示すように、位置決め部材４９のハッチング部１１ｆがテーパー部１１ｃと干渉するので、位置決め部材４９はテーパー部１１ｃに導かれて向きを変え、凹部１１ｅまでスムーズに導かれる。
すなわち、上述した微粒子採取装置１０は、プローブ４０の先端に設けた位置決め部材４９と、ガイド管１１の先端部内面に設けたテーパー部１１ｃとを具備し、採取面２１がスリット１２の方向を向いて挿入されるようテーパー部１１ｃにより位置決め部材４９を導くプローブ位置決め手段を備えているので、プローブ４０とともに軸方向に挿入された位置決め部材４９は、テーパー面１１ｃに沿って最も先端部となる凹部１１ｅまでスムーズに導かれる。この結果、プローブ挿入時には、採取面２１及びスリット１２の位置や方向を容易かつ確実に合わせることができる。
【００２６】
シャッター駆動機構は、待機状態にあるシャッター機構３０を動作させるためのトリガーであり、たとえばガイド管１１の外部から供給される窒素ガスの圧力により、ガイド溝４８の軸方向部分４８ａに係止された状態にあるシャッター筒４２を前端部側へ移動させるものである。すなわち、シャッター駆動機構は、シャッター筒４２がストッパー４７によって回転を阻止された状態を解除し、コイルばね４５の付勢によりガイド溝４８の周方向部分４８ｂに沿った回転を可能にするものである。
【００２７】
このように構成された微粒子採取装置１０は、プローブ４０の所定位置に採取部２０を取り付けた後、蒸気タービンＳＴ内に予め設置されているガイド管１１の内部に向けて、開閉弁１５を開いて上端部側から挿入される。このとき、シャッター機構３０は、ストッパー４７がガイド溝４８の軸方向部分４８ａに係止されて動作可能な待機状態にある。
ガイド管１１内に挿入されたプローブ４０は、ガイド管１１の先端部近傍まで挿入されると、位置決め部材４９がテーパー部１１ｃによって所定の挿入位置まで導かれる。この結果、採取部２０の採取面２１は、図７（ａ）に示すように、ガイド管１１のスリット１２と適切に位置合わせがなされたセット完了後の状態となるが、採取面２１はシャッター筒４２により塞がれている。
【００２８】
こうして採取準備が完了した後には、適宜シャッター駆動機構を操作してシャッター機構３０を動作させる。
すなわち、窒素ガスを供給してシャッター駆動機構に圧力を与えると、シャッター筒４２が押圧されて先端部側へ移動する。このとき、シャッター筒４２は、固定側のストッパー４７に係止されているので、ガイド溝４８の軸方向部分４８ａに沿って前端部側へ移動することとなる。この結果、シャッター筒４２は、ストッパー４７と周方向部分４８ｂとが一致する位置まで移動することにより、ストッパー４７による回転方向の係止が解除され、周方向部分４８ｂに沿って回転可能となる。従って、シャッター筒４２は、コイルばね４５の付勢により、周方向部分４８ｂの範囲を回転する。
そして、図７（ｂ）に示すように、シャッター筒４２の回転途中では、シャッタースリット４３とガイド管１１のスリット１２とが一致する時間があり、短時間だけ採取面２１を蒸気流に露出させることができる。なお、採取面２１が蒸気流に露出するシャッター時間は、スリット１２やシャッタースリット４３の溝幅、及びコイルばね４５の付勢力により変化するので、これらを適宜調整することにより所望の値に設定することができる。
【００２９】
このようなシャッター筒４２の回転は、ガイド溝４８に形成された周方向部分４８ｂの範囲で可能となるので、ストッパー４７が周方向部分４８ｂの端部まで到達した時点で停止する。この停止位置では、図７（ｃ）に示すように、採取面２１はシャッター筒４２により完全に塞がれている。
そして、上述した採取面２１の露出時間においては、矢印Ｆで示す蒸気流に含まれる水滴を採取するとともに、上向きの速度成分を含む蒸気流（矢印Ｆｕ）に含まれる水滴についても、底面部側までスリット１２やシャッタースリット４３が形成されているため、ガイド管１１やシャッター筒４２に衝突することなく確実に採取できる。
【００３０】
こうして水滴の採取が終了した後には、プローブ４０をガイド管１１から引き抜き、開閉弁１５を閉じて蒸気タービンＳＴ内を外気から遮断する。
そして、プローブ４０から採取部２０を取り外し、この採取部２０を顕微鏡の観察位置にセットする。この結果、採取面２１に付着した水滴等の微粒子について、顕微鏡を介したカメラ撮影が可能となる。すなわち、カメラ撮影した画像から、付着した水滴及び微粒子の数量や径等を観察し、シャッター機構３０による採取面２１の露出時間から、時間当たりの微粒子量（水滴量）を計測できる。
【００３１】
このように、上述した本発明によれば、たとえば蒸気タービン低圧段を流れる湿り蒸気中に含まれる水滴のように、下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に含まれる微粒子を採取部２０の採取面２１に確実に採取することができる。そして、採取面２１に採取した微粒子は、顕微鏡を介したカメラで撮影するなどして、その径や量を正確に把握することが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、蒸気タービンＳＴ内の蒸気流に含まれる水滴は勿論のこと、他のガス流等に含まれる微粒子の採取にも適用可能になるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 微粒子採取装置
１１ ガイド管
１２ スリット
２０ 採取部
２１ 採取面
３０ シャッター機構
４０ プローブ
４１ 保持部
４２ シャッター筒
４３ シャッタースリット
４５ コイルばね
４６ ばね固定部
４７ ストッパー
４８ ガイド溝
４９ 位置決め部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に採取部を挿入し、該採取部の採取面を所定時間だけ前記ガス流に露出させて付着した微粒子を採取して観察するための微粒子採取装置であって、
前記ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリットを形成したガイド管と、
前記採取部が先端部に取り付けられ、前記ガイド管の内部所定位置に挿入された状態で前記スリットを介して前記採取面を前記ガス流に露出させるシャッター機構を備えたプローブと、
前記シャッター機構を操作するシャッター駆動機構と、
を具備して構成したことを特徴とする微粒子採取装置。
【請求項２】
前記シャッター機構は、ガス圧を受けて動作するトリガーと、該トリガーの動作により前記プローブを前記ガイド管の内部で回転させるばね部材とを具備して構成されることを特徴とする請求項１に記載の微粒子採取装置。
【請求項３】
前記プローブを回転させる前記ばね部材にばね力可変手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の微粒子採取装置。
【請求項４】
前記プローブの先端に設けた位置決め部材と、前記ガイド管の先端部内面に設けたテーパー部とを具備し、前記採取面が前記スリットの方向を向いて挿入されるよう前記テーパー部により前記位置決め部材を導くプローブ位置決め手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微粒子採取装置。
【請求項１】
下方からの斜め上向きの速度成分を含むガス流に採取部を挿入し、該採取部の採取面を所定時間だけ前記ガス流に露出させて付着した微粒子を採取して観察するための微粒子採取装置であって、
前記ガス流に挿入される長尺管の下端部に側壁面から先端封鎖底面部に至るスリットを形成したガイド管と、
前記採取部が先端部に取り付けられ、前記ガイド管の内部所定位置に挿入された状態で前記スリットを介して前記採取面を前記ガス流に露出させるシャッター機構を備えたプローブと、
前記シャッター機構を操作するシャッター駆動機構と、
を具備して構成したことを特徴とする微粒子採取装置。
【請求項２】
前記シャッター機構は、ガス圧を受けて動作するトリガーと、該トリガーの動作により前記プローブを前記ガイド管の内部で回転させるばね部材とを具備して構成されることを特徴とする請求項１に記載の微粒子採取装置。
【請求項３】
前記プローブを回転させる前記ばね部材にばね力可変手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の微粒子採取装置。
【請求項４】
前記プローブの先端に設けた位置決め部材と、前記ガイド管の先端部内面に設けたテーパー部とを具備し、前記採取面が前記スリットの方向を向いて挿入されるよう前記テーパー部により前記位置決め部材を導くプローブ位置決め手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微粒子採取装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２０３８１５（Ｐ２０１０−２０３８１５Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４７３６３（Ｐ２００９−４７３６３）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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