CN110462364A - 叶片异常检测装置、叶片异常检测系统、旋转机械系统以及叶片异常检测方法 - Google Patents

Abstract

一种叶片异常检测装置、叶片异常检测系统、旋转机械系统以及叶片异常检测方法，叶片异常检测装置具有：振动取得部(52)，其在转子的转速变化时与所述转速一起取得蒸汽涡轮的振动；频率解析部，其基于振动取得部(52)的取得结果进行频率解析，而取得动叶片列的各转速下的固有振动频率；接触转速取得部(54)，其基于频率解析部的解析结果取得成为临界的接触转速，该临界为相邻的动叶片的护罩彼此相互接触的状态和相互离开的状态的临界；以及判断部(55)，其基于由该接触转速取得部(54)取得的接触转速判断动叶片列是否异常。

Description

叶片异常检测装置、叶片异常检测系统、旋转机械系统以及叶 片异常检测方法

技术领域

本发明涉及叶片异常检测装置、叶片异常检测系统、旋转机械系统以及叶片异常检测方法。

本申请基于2017年3月28日向日本申请的特愿2017-063267号而主张优先权，并在此援引其内容。

背景技术

例如蒸汽轮机、燃气轮机等旋转机械具有：旋转轴；以及动叶片列组，其包括设置于该旋转轴的外周的多个动叶片列。在旋转机械运转时，测量旋转的动叶片列的振动。通过进行这种测量，能够验证动叶片列的振动特性是否依照设计计划。另外，能够确认由运转条件的变化引起的动叶片的振动特性的变化，从而能够实现涡轮制品的可靠性的提高。

例如，在专利文献1中公开有如下技术：在不与动叶片接触的静止部设置位移传感器，通过该位移传感器监视动叶片的振动。

特别是，在动叶片的叶片高度大的低压级多应用非接触监视器，该非接触监视器从静止侧测量各动叶片的通过时间并运算该结果而计算动叶片的振动方式以及振动量。

另外，在专利文献2中公开有在与转子滑动接触的静止部设置振动检测部的技术。例如，通过将作为振动检测部的加速度计设置于轴承箱，由该加速度计检测传递到该轴承箱的来自叶片列组的振动。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2003-177059号公报

专利文献2：日本特开昭53-28806号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述专利文献1所记载的技术中，特别是在动叶片的叶片高度小的高压级，位移传感器的设置环境恶劣，并且动叶片的振动振幅小，因此不能够适当地监视振动。另外，存在如下情况：由于蒸汽或燃烧气体等工作流体的性质状态而位移传感器的检测值产生误差，不能够适当地检测振动。

另外，在上述专利文献2所记载的技术中，振动从动叶片列组传递至轴承箱，因此需要经由轴承油膜、轴承、轴承壳体等振动衰减要素。因此，信号本身的品质差，另外，由于暗振动使信号被屏蔽的可能性高。因而，任一项技术都难以容易地检测动叶片列的异常。

本发明提供能够容易地检测动叶片列的异常的叶片异常检测装置、叶片异常检测系统、旋转机械系统以及叶片异常检测方法。

用于解决课题的方案

本发明的第一方式涉及旋转机械的叶片异常检测装置，该旋转机械具备：旋转轴，其绕轴线旋转；转子，其具有由多个动叶片构成的动叶片列，该多个动叶片从该旋转轴呈放射状延伸并在前端具有护罩，所述叶片异常检测装置具有：振动取得部，其与所述转子的转速一起取得所述转速变化时的所述旋转机械的振动；频率解析部，其基于所述振动取得部的取得结果进行频率解析，而取得所述动叶片列的各转速下的固有振动频率；接触转速取得部，其基于所述频率解析部的解析结果取得成为临界的接触转速，该临界为相邻的所述动叶片的护罩彼此相互接触的状态和相互离开的状态的临界；以及判断部，其基于由该接触转速取得部所取得的接触转速判断所述动叶片列是否异常。

在转子的转速低的状态下彼此相邻的动叶片的护罩彼此隔开间隙而配置。转子的转速上升而达到某程度的转速时，彼此相邻的动叶片的护罩彼此相互在周向接触。像这样动叶片的护罩彼此接触时，成为动叶片列整体连接成圆环状的状态，作为动叶片列整体的固有振动频率增加。即，在动叶片列中，达到护罩彼此相互接触的转速即接触转速，由此固有振动频率急剧地增加。同样地在转子的转速减少时，相互接触的护罩彼此通过达到接触转速而相互离开，作为动叶片列整体的固有振动频率急剧地降低。

在本方式中，频率解析部基于振动取得部所取得的旋转机械的实际的振动以及转速进行频率解析，由此取得各转速下的动叶片列的固有振动频率。在接触转速取得部中，例如可以取得动叶片的固有振动频率变化为某阈值以上的转速作为接触转速。需要说明的是，也可以将转速变化时的固有振动频率的变化率在阈值以上的转速作为接触转速。

在此，作为动叶片的异常的一个方式，由于由护罩间的微振动引起的摩擦而接触面被切削，结果相邻的护罩间的间隙变宽的情况下，动叶片的接触转速与正常状态相比变高。因此，若观测旋转上升时的固有振动频率，则与正常时相比较，在因护罩被切削引起的异常状态下，护罩彼此接触的接触转速上升。

在该发现的前提下，在判断部中，基于取得的接触转速的值判断动叶片列是否异常，即，判断在该动叶片列所具有的动叶片是否产生异常。因此，能够容易地检测出动叶片列的异常。

本发明的第二方式所涉及的叶片异常检测系统具备：上述的叶片异常检测装置；以及振动传感器，其设置于所述旋转机械用于检测所述旋转机械的振动。

由此，与上述同样地，能够容易地检测出动叶片列的异常。

在上述的叶片异常检测系统中，所述旋转机械具有：轴承，其支承所述旋转轴使该旋转轴能够绕所述轴线旋转；以及轴承座，其支承该轴承，所述振动传感器也可以是设置于所述轴承座的加速度传感器。

由此，即使不在旋转机械的内部设置传感器等，也能够容易地检测出动叶片列的异常。

本发明的第三方式所涉及的旋转机械系统具备：所述旋转机械以及上述任一个叶片异常检测系统。

本发明的第四方式涉及旋转机械的叶片异常检测方法，该旋转机械具备：旋转轴，其绕轴线旋转；转子，其具有包含多个动叶片的动叶片列，该多个动叶片从该旋转轴呈放射状延伸，所述叶片异常检测方法包含：振动取得工序，其在使所述转子的转速变化的同时，与所述转速一起取得所述旋转机械的振动；频率解析工序，其基于在该振动取得工序的取得结果进行频率解析，而取得所述转速与振动频率的关系；接触转速取得工序，其基于所述频率解析工序的解析结果取得成为临界的接触转速，该临界为相邻的所述动叶片的护罩彼此相互接触的状态和相互离开的状态的临界；以及判断工序，其基于在该接触转速取得工序取得的接触转速判断所述动叶片列是否异常。

发明效果

通过本发明的叶片异常检测装置，叶片异常检测系统，旋转机械系统以及叶片异常检测方法，能够容易地检测动叶片的异常。

附图说明

图1是第一实施方式所涉及的蒸汽轮机系统(旋转机械系统)的示意性的纵剖视图。

图2是示出第一实施方式所涉及的叶片异常检测装置的叶片异常检测装置主体的硬件结构的图。

图3是第一实施方式所涉及的叶片异常检测装置的叶片异常检测装置主体的功能的框图。

图4是示出动叶片列的动叶片的护罩彼此在非接触的状态下的示意图。

图5是示出动叶片列的动叶片的护罩彼此在接触的状态下的示意图。

图6是第一实施方式所涉及的蒸汽轮机系统(旋转机械系统)的坎贝尔图。

图7是示出第一实施方式所涉及的叶片异常检测方法的步骤的流程图。

具体实施方式

以下，参照图1～图7对本发明的实施方式所涉及的蒸汽轮机系统(旋转机械系统)进行说明。

如图1所示，蒸汽轮机系统1具备蒸汽涡轮2(旋转机械)以及叶片异常检测系统30。

蒸汽涡轮2是将蒸汽的能量作为旋转动力而取出的外燃机，用于发电所的发电机等。蒸汽涡轮2具备：转子3、推力轴承8、轴颈轴承9(轴承)、轴承座15、定子20。

转子3具备旋转轴4和动叶片列组5。

旋转轴4呈以沿水平方向的轴线O为中心而延伸的圆柱形状。在旋转轴4的一部分形成有推力环4a。推力环4a以轴线O为中心而呈圆板形状。推力环4a以呈凸缘状的方式从旋转轴4的主体向旋转轴4的径向外侧一体地伸出。

动叶片列组5由在旋转轴4的外周沿轴线O方向隔开间隔而设置的多个动叶片列6构成。各动叶片列6通过动叶片7沿周向隔开间隔排列多个而构成。动叶片7从旋转轴4的外周面朝向径向外侧延伸。即，各动叶片列6由呈放射状设置于与旋转轴4的相同的轴线O方向位置的多个动叶片7构成。

推力轴承8支承推力环4a使其能够从轴线O方向两侧滑动。由此，限制旋转轴4的轴线O方向的移动。

轴颈轴承9设置有一对，在旋转轴4的两端侧从下方支承该旋转轴4，使该旋转轴4能够绕轴线O旋转。轴颈轴承9具有轴承主体10以及轴承壳体11。轴承主体10具有将旋转轴4的外周面支撑为经由油膜能够滑动的轴瓦。轴颈轴承9具有将该轴瓦从外周侧支承为能够摆动的枢轴等。轴承壳体11从外周侧将旋转轴4包围，并且在内周侧支承上述轴承主体10。轴承壳体11在内周面固定有枢轴，并借助该枢轴支承轴瓦。需要说明的是，在轴承壳体11的内侧也可以有引导环等其他的构件。

轴承座15以从下方支承一对轴颈轴承9的方式设置有一对。这些轴承座15分别支承对应的轴颈轴承9的下半部。

定子20具备外壳21以及静叶片列组22。

外壳21以从外周侧包围转子3的一部分的方式设置。转子3的旋转轴4将外壳21沿轴线O方向贯通。旋转轴4的两端位于外壳21外。旋转轴4的两端在该外壳21的外侧被推力轴承8以及轴颈轴承9支承。转子3的动叶片列组5配置于外壳21的内侧。

静叶片列组22由在外壳21的内周沿轴线O方向隔开间隔而设置的多个静叶片列23构成。各静叶片列23通过从外壳21的内周面朝向径向内侧延伸的静叶片24在周向隔开间隔排列多个而构成。即，各静叶片列23由呈放射状设置于与旋转轴4相同的轴线O方向位置的多个静叶片24构成。静叶片列23与转子3的动叶片列6在轴线O方向上交替地配置。

在这样的蒸汽涡轮2中，导入外壳21内的蒸汽通过静叶片列23以及动叶片列6之间的流路。这时，蒸汽使动叶片7旋转，由此旋转轴4伴随着该动叶片7旋转，而向连接于该旋转轴4的发电机等机械传递动力(旋转能量)。

接下来对叶片异常检测系统30进行说明。

如图1所示，叶片异常检测系统30具备振动传感器40以及叶片异常检测装置50。

振动传感器40设置于蒸汽涡轮2的轴承座15。在蒸汽涡轮2的转子3发生的振动经由轴颈轴承9的轴承主体10以及轴承壳体11传播到轴承座15。振动传感器40检测像这样传播的振动。作为振动传感器40，在本实施方式中采用加速度传感器。

作为加速度传感器，例如采用压电式传感器。该压电式传感器利用压电效果。若加速度作用于压电式传感器，则基于此时的应力而产生电荷。这样产生的电荷成为加速度传感器的输出。转子3的动叶片列6的振动传播到轴承座15，该振动作为加速度被加速度传感器检测而向叶片异常检测装置50输出。

如图2所示，叶片异常检测装置50是具备CPU61(Central Processing Unit)、ROM62(Read Only Memory)、RAM63(Random Access Memory)、HDD64(Hard Disk Drive)、信号接收模块65的计算机。信号接收模块65接收来自加速度传感器的信号。信号接收模块65也可以接收借助例如电荷放大器等放大的加速度传感器的信号。

如图3所示，叶片异常检测装置50的CPU61执行预先在本装置存储的程序，由此具有：控制部51、振动取得部52、频率解析部53、接触转速取得部54、判断部55以及警报部56。

控制部51控制装备于解析装置的其他的功能部。

振动取得部52与转速一起取得转子3的转速变化时的蒸汽涡轮2的振动(加速度)信息。

更加具体而言，振动取得部52与转子3的转速一起取得蒸汽涡轮2的起动时的转速上升时、或者蒸汽涡轮2的停止动作时的转速下降时的从加速度传感器获得的振动。另外，在蒸汽涡轮2的运转时，也可以取得转速变化时的振动以及转速的信息。

关于转速，可以从例如另外设置的检测转子3的转速的传感器取得信息。另外，也可以由蒸汽涡轮2的运转信息取得转子3的转速。

频率解析部53基于振动取得部52的取得结果进行频率解析，取得作为动叶片列组5整体的各转速下的固有振动频率。

即，频率解析部53对各转速下的从加速度传感器获得的振动(加速度)信息实施频率解析。由此，针对每个转速求出动叶片列组5整体的固有模式以及作为此时的振动频率的固有振动频率。由此，能够取得动叶片列组5的各振动模式的固有振动频率与转速的关系。

接触转速取得部54基于频率解析部53的解析结果取得动叶片列6的接触转速。在此，接触转速是表示相邻的动叶片7的护罩7a彼此相互接触的状态和相互离开的状态的临界的转速。

即，在转子3的转速低的状态下，例如图4所示，在周向彼此相邻的动叶片7的护罩7a彼此处于离开的状态。在这样的状态下，各动叶片7单独振动，因此作为动叶片列6以及动叶片列组5整体刚性小。因此，在动叶片列组5的各振动模式下的固有振动频率示出较小的值。

另一方面，在转子3的转速高的状态下，例如图5所示，在周向彼此相邻的动叶片7的护罩7a彼此在接触面接触。若这样的动叶片列6呈环状的一体结构，则作为动叶片列6整体一体地振动。因此，这样的作为由动叶片列6构成的动叶片列组5整体的刚性变大，在动叶片列组5的各振动模式下的固有振动频率示出较大的值。

接触转速是动叶片7的护罩7a彼此离开的状态和接触的状态的临界的转速。以接触转速作为临界，动叶片列6的各振动模式的固有振动频率变化较大。因此，在接触转速取得部54中，例如相对于转速的变化的固有振动频率的变化率在预定的阈值以上时，可以取得此时的转速作为接触转速。另外，也可以制作示出动叶片列组5的固有振动频率与转速的关系的坎贝尔图，通过目视或图像处理发现固有振动频率显著变大的转速，而将该转速作为接触转速。

判断部55基于在接触转速取得部54取得的接触转速判断动叶片列组5的任一个动叶片列6是否异常。

在此，在图6示出动叶片列组5整体的坎贝尔图。图6的横轴示出蒸汽涡轮2的转速(rpm)，纵轴示出振动频率(Hz)。另外，倾斜轴示出旋转阶数，斜率越大的倾斜轴旋转阶数越大。

图6中沿横轴方向延伸的实线线条是在任意动叶片7上都没有产生异常、损伤的正常时的动叶片列组5的固有振动频率(一阶振模)。图4中沿横轴方向延伸的虚线线条是在任一个动叶片7产生异常、损伤的异常时的动叶片列组5的固有振动频率(一阶振模)。需要说明的是，在图6中只图示了一阶振模的固有振动频率，但即使是二阶、三阶振模、进而高阶振模也可示出与一阶振模的线条同样的行为。

在此，作为动叶片7异常的一个方式，存在因护罩7a间的微振动引起的摩擦而使接触面被切削的情况。其结果是，在相邻的护罩7a间的间隙变宽的情况下，动叶片7的接触转速与正常状态相比变高。因此，若观测旋转上升时的固有振动频率，则与正常时相比较，在由护罩7a被切削引起的异常状态下，护罩7a彼此的接触转速上升。

因此，如图6所示，与正常时的接触转速N1相比，异常时的接触转速N2示出大的值。需要说明的是，即使在多个动叶片列组5中的一部分的动叶片列6的动叶片7产生异常，作为动叶片列组5整体接触转速也降低。

在判断部55中，基于该发现，接触转速取得部54所取得的接触转速(基于振动实测值得到的接触转速)与正常时的接触转速N1相比较，由此来判断是否异常。具体而言，例如接触转速取得部54所取得的接触转速与接触转速N1相差规定的阈值以上的情况下，可以判断为异常。另外，该接触转速在预定的阈值(比正常时的接触转速N1大的值)以上的情况下，也可以判断为异常。

警报部56基于判断部55的判断结果输出警报。即，警报部56在判断部55判断为异常的情况下，进行输出警报的处理。警报部56可以进行将警报信息在监视器上显示的处理，也可以进行鸣响作为警报的警铃的处理。

接下来，参照图7所示的流程图对实施方式所涉及的叶片异常检测方法进行说明。叶片异常检测方法包含：振动取得工序S1、频率解析工序S2、接触转速取得工序S3、以及判断工序S4。

在振动取得工序S1中，如同在上述振动取得部52进行的处理，与转速一起取得转子3的转速变化时的蒸汽涡轮2的振动。

在振动取得工序S1之后进行频率解析工序S2。在频率解析工序S2中，如同在上述频率解析部53进行的处理那样，基于振动取得部52的取得结果进行频率解析，取得作为动叶片列组5整体的各转速下的固有振动频率。由此，能够取得作为动叶片列组5整体的固有振动频率与转速的关系。

在频率解析工序S2之后进行接触转速取得工序S3。在接触转速取得工序S3中，如同在上述接触转速取得部54的处理那样，基于频率解析部53的解析结果取得动叶片列6的接触转速。

在频率解析工序S2之后进行判断工序S4。在判断工序S4中，如同在上述判断部55的处理那样，基于在接触转速取得部54取得的接触转速判断动叶片列组5的任一个动叶片列6是否异常。

如以上那样通过本实施方式所涉及的蒸汽轮机系统1，将基于振动实测值取得的接触转速作为指标，判断动叶片列组是否异常，由此能够容易地掌握在动叶片列组5的任一个动叶片列6的动叶片7是否产生异常。

在本方式中，频率解析部53基于振动取得部52所取得的旋转机械的实际的振动以及转速进行频率解析，取得各转速下的动叶片列6的固有振动频率。在接触转速取得部54中，取得动叶片7的固有振动频率变化为例如某阈值以上的转速作为接触转速。

在此，如上所述，在护罩7a被切削的异常时，与正常时相比接触转速上升。基于该发现，在接触转速取得部54中基于上述接触转速判断动叶片列6是否异常，即，判断在该动叶片列6所具有的动叶片7是否产生异常。由此，能够容易地检测出动叶片列6的异常。

另外，在本实施方式中作为检测蒸汽涡轮2的振动的振动传感器40，采用设置于轴承座15的加速度传感器。因此，不论作为蒸汽涡轮2的工作流体的蒸汽的性质状态，都能够稳定检测动叶片7的异常。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内能够适当变更。

例如，在实施方式中对采用设置于轴承座15的加速度传感器作为振动传感器40的例子进行了说明，但也可以采用其他的结构作为振动传感器40。例如，也可以是，设置从蒸汽涡轮2的外部检测旋转轴4的位移的位移传感器，将通过该位移传感器检测的旋转轴4的位移信息作为振动信息向叶片异常检测装置50输出。由此也与实施方式同样地能够容易地检测动叶片列6的异常。

在实施方式中对将本发明应用于蒸汽涡轮2的例子进行了说明，但也可以应用于例如燃气涡轮等其他的旋转机械。

工业实用性

通过本发明的叶片异常检测装置、叶片异常检测系统、旋转机械系统以及叶片异常检测方法，能够容易地检测动叶片的异常。

附图标记说明：

1-蒸汽轮机系统

2-蒸汽涡轮

3-转子

4-旋转轴

5-动叶片列组

6-动叶片列

7-动叶片

7a-护罩

8-推力轴承

9-轴颈轴承

10-轴承主体

11-轴承壳体

15-轴承座

20-定子

21-外壳

22-静叶片列组

23-静叶片列

24-静叶片

30-叶片异常检测系统

40-振动传感器

50-叶片异常检测装置

51-控制部

52-振动取得部

53-频率解析部

54-接触转速取得部

55-判断部

56-警报部

61-CPU

62-ROM

63-RAM

64-HDD

65-信号接收模块

S1-振动取得工序

S2-频率解析工序

S3-接触转速取得工序

S4-判断工序

O-轴线

Claims (5)

1.一种旋转机械的叶片异常检测装置，该旋转机械具备：旋转轴，其绕轴线旋转；转子，其具有由多个动叶片构成的动叶片列，该多个动叶片从该旋转轴呈放射状延伸并在前端具有护罩，其中，

所述叶片异常检测装置具有：

振动取得部，其与所述转子的转速一起取得所述转速变化时的所述旋转机械的振动；

频率解析部，其基于所述振动取得部的取得结果进行频率解析，而取得所述动叶片列的各转速下的固有振动频率；

接触转速取得部，其基于所述频率解析部的解析结果取得成为临界的接触转速，该临界为相邻的所述动叶片的护罩彼此相互接触的状态和相互离开的状态的临界；以及

判断部，其基于由该接触转速取得部所取得的接触转速判断所述动叶片列是否异常。

2.一种叶片异常检测系统，其中，具备：权利要求1所述的叶片异常检测装置和振动传感器，该振动传感器设置于所述旋转机械用于检测所述旋转机械的振动。

3.根据权利要求2所述的叶片异常检测系统，其中，

所述旋转机械具有：轴承，其支承所述旋转轴使该旋转轴能够绕所述轴线旋转；以及轴承座，其支承该轴承，

所述振动传感器是设置于所述轴承座的加速度传感器。

4.一种旋转机械系统，其中，具备：所述旋转机械和权利要求2或者3所述的叶片异常检测系统。

5.一种旋转机械的叶片异常检测方法，该旋转机械具备：旋转轴，其绕轴线旋转；转子，其具有动叶片列，该动叶片列具有从该旋转轴呈放射状延伸的多个动叶片，其中，

所述叶片异常检测方法包含：

振动取得工序，其在使所述转子的转速变化的同时，与所述转速一起取得所述旋转机械的振动；

频率解析工序，其基于在该振动取得工序的取得结果进行频率解析，而取得所述转速与振动频率的关系；

接触转速取得工序，其基于所述频率解析工序的解析结果取得成为临界的接触转速，该临界为相邻的所述动叶片的护罩彼此相互接触的状态和相互离开的状态的临界；以及

判断工序，其基于在该接触转速取得工序取得的接触转速判断所述动叶片列是否异常。