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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung, ein Schaufelanomalie-Erfassungssystem, ein Rotationsmaschinensystem und ein Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren.
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Priorität wird von der am 28. März 2017 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-063267 , deren Inhalt hierin durch Bezug einbezogen ist, beansprucht.
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Hintergrund
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Eine Rotationsmaschine, beispielsweise eine Dampfturbine und eine Gasturbine, weist eine Drehwelle und eine Rotorschaufelreihengruppe, die aus einer Vielzahl von an einem Außenumfang der Drehwelle vorgesehenen Rotorschaufelreihen gebildet ist, auf. Bei einem Betrieb der Rotationsmaschine wird eine Vibration der sich drehenden Rotorschaufelreihen gemessen. Durch Ausführen einer solchen Messung kann verifiziert werden, ob Vibrationscharakteristika der Rotorschaufelreihen in Übereinstimmung mit einem Auslegungsplan sind oder nicht. Zudem kann eine Änderung bei Vibrationscharakteristika der Rotorschaufeln, die durch eine Änderung von Betriebsbedingungen verursacht wird, überprüft und dadurch kann eine Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Turbinenprodukts erreicht werden.
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Beispielsweise ist eine Technik des Vorsehens eines Verlagerungssensors in einem stationären Abschnitt, der nicht mit einer Rotorschaufel in Kontakt ist, und des Überwachens einer Vibration der Rotorschaufel mittels des Verlagerungssensors in Patentschrift 1 offenbart.
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Insbesondere ist bei vielen Fällen an einer Niederdruckstufe, wo die Höhe der Rotorschaufel groß ist, ein kontaktloser Überwacher, der eine Durchlaufzeit von jeder Rotorschaufel von einer stationären Seite aus misst und das Ergebnis berechnet, um eine Vibrationsform und eine Vibrationsgröße bzw. ein Vibrationsausmaß der Rotorschaufel zu berechnen, angewendet.
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Zudem ist eine Technik des Vorsehens einer Vibrationserfassungseinheit in einem stationären Abschnitt, der schleifend mit einem Rotor in Kontakt kommt, in Patentschrift 2 offenbart. Beispielsweise wird durch Befestigen eines Lagerkastens in einem Beschleunigungsmesser, welcher die Vibrationserfassungseinheit ist, eine Vibration von einer Schaufelreihengruppe, die auf den Lagerkasten übertragen wird, durch den Beschleunigungsmesser erfasst.
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Zitierungsliste
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Patentliteratur
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- Patentschrift 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 2003-177059
- Patentschrift 2: japanische ungeprüfte Patentanmeldung erste Veröffentlichung Nr. S53-28806
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Offenbarung der Erfindung
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Technisches Problem
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Bei der in der Patentschrift 1 offenbarten Technik ist an einer Hochdruckstufe, wo die Höhe der Rotorschaufel insbesondere gering ist, eine Montageumgebung für den Verlagerungssensor schlecht und eine Vibrationsamplitude der Rotorschaufel gering. Somit kann eine Vibration nicht geeignet überwacht werden. Zudem tritt abhängig von den Eigenschaften eines Arbeitsfluids wie beispielsweise eines Dampfs und eines Verbrennungsgases, ein Fehler bei dem durch den Verlagerungssensor erfassten Wert auf und eine Vibration kann in einigen Fällen nicht geeignet erfasst werden.
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Zudem ist es bei der in der Patentschrift 2 offenbarten Technik nötig, durch Vibrationsdämpfungselemente, die einen Lagerungsölfilm, eine Lagerung und ein Lagerungsgehäuse umfassen, hindurchzugehen, um eine Vibration von einer Rotorschaufelreihengruppe zu dem Lagerkasten zu übertragen. Aus diesem Grund verschlechtert sich die Qualität eines Signals und die Möglichkeit, dass ein Signal aufgrund einer Hintergrundvibration überlagert wird, ist hoch. Somit ist es schwierig, eine Anomalie bei einer Rotorschaufelreihe mit einer der Techniken einfach zu erfassen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung, ein Schaufelanomalie-Erfassungssystem, ein Rotationsmaschinensystem und ein Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren bereitzustellen, bei welchen eine Anomalie einer Rotorschaufelreihe einfach erfasst werden kann.
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Lösung für das Problem
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung einer Rotationsmaschine mit einem Rotor, der eine Drehwelle aufweist, die dazu ausgestaltet ist, sich um eine Achse zu drehen, und einer Rotorschaufelreihe, die aus einer Vielzahl von Rotorschaufeln gebildet ist, die sich radial von der Drehwelle erstrecken und Abdeckungen an Außenenden aufweisen, bereitgestellt. Die Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung umfasst: eine Vibrationserlangungseinheit, die dazu ausgestaltet ist, eine Vibration der Rotationsmaschine zusammen mit der Drehzahl zu erlangen, wenn sich eine Drehzahl des Rotors ändert, eine Frequenzanalyseeinheit, die dazu ausgestaltet ist, eine Frequenzanalyse gemäß einem Erlangungsergebnis der Vibrationserlangungseinheit durchzuführen und eine Eigenfrequenz bei jeder Drehzahl der Rotorschaufelreihe zu erlangen, eine Kontaktdrehzahlerlangungseinheit, die dazu ausgestaltet ist, eine Kontaktdrehzahl zu erlangen, die als eine Grenze zwischen einem Zustand, in dem die Abdeckungen der benachbarten Rotorschaufeln miteinander in Kontakt sind, und einem Zustand, in dem die Abdeckungen der benachbarten Rotorschaufeln gemäß einem Analyseergebnis der Frequenzanalyseeinheit voneinander beabstandet sind, dient, und eine Bestimmungseinheit, die bestimmt, ob die Rotorschaufelreihe gemäß der von der Kontaktdrehzahlerlangungseinheit erlangten Kontaktdrehzahl abnormal ist oder nicht.
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In einem Zustand, bei dem die Drehzahl des Rotors gering ist, sind die Abdeckungen der benachbarten Rotorschaufeln mit einem Spalt bzw. Zwischenraum angeordnet. Wenn sich die Drehzahl des Rotors erhöht und eine bestimmte Drehzahl erreicht, kommen die Abdeckungen der benachbarten Rotorschaufeln in einer Umfangsrichtung miteinander in Kontakt. Wenn die Abdeckungen der Rotorschaufeln miteinander auf diese Weise in Kontakt kommen, wird die gesamte Rotorschaufelreihe ringförmig in einen verbundenen Zustand versetzt und eine Eigenfrequenz der gesamten Rotorschaufelreihe erhöht sich. Die Eigenfrequenz der Rotorschaufelreihe steigt also plötzlich an, bis sie die Kontaktdrehzahl erreicht, die eine Drehzahl ist, bei der die Abdeckungen miteinander in Kontakt kommen. Genauso entfernen sich die Abdeckungen, welche miteinander in Kontakt sind, voneinander, wenn sich die Drehzahl des Rotors verringert, bis die Kontaktdrehzahl erreicht ist, und die Eigenfrequenz der gesamten Rotorschaufelreihe nimmt rapide ab.
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Bei dem Aspekt wird durch die Frequenzanalyseeinheit, die die Frequenzanalyse gemäß der aktuellen Vibration der Rotationsmaschine und der Drehzahl durchführt, welche durch die Vibrationserlangungseinheit erlangt werden, die Eigenfrequenz der Rotorschaufelreihe bei jeder Drehzahl erlangt. Die Kontraktdrehzahlerlangungseinheit erlangt beispielsweise eine Drehzahl, bei welcher sich die Eigenfrequenz der Rotorschaufeln zu einem Wert ändert, der gleich oder größer ist als ein Grenzwert, als die Kontaktdrehzahl. Die Drehzahl, bei der ein Verhältnis einer Änderung der Eigenfrequenz gleich oder größer ist als der Grenzwert, wenn die Drehzahl geändert wird, kann als die Kontaktdrehzahl eingestellt werden.
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Dabei nimmt in einem Fall, bei dem eine Kontaktfläche in einigen Fällen aufgrund von Reibung, die durch eine leichte Vibration zwischen den Abdeckungen verursacht wird, angekratzt bzw. abgeschabt wird und ein Spalt zwischen den benachbarten Abdeckungen entsprechend größer wird, wenn eine Form einer Anomalie bei den Rotorschaufeln vorliegt, die Kontaktdrehzahl der Rotorschaufeln gegenüber einem Normalzustand zu. Da die Eigenfrequenz zum Zeitpunkt eines Rotationsanstiegs beobachtet wird, nimmt die Kontaktdrehzahl zwischen den Abdeckungen in einem abnormalen Zustand, der durch die abgeschabten Abdeckungen verursacht ist, im Vergleich zu normalen Betriebszeiten, zu.
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Mit diesem Wissen bestimmt die Bestimmungseinheit, ob die Rotorschaufelreihe abnormal ist oder nicht, ob also eine Anomalie bei den Rotorschaufeln, die in der Rotorschaufelreihe umfasst sind, gemäß einem erlangten Wert der Kontaktdrehzahl aufgetreten ist oder nicht. Daher kann eine Anomalie bei der Rotorschaufelreihe einfach erfasst werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schaufelanomalie-Erfassungssystem bereitgestellt, das die Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung und einen Vibrationssensor, der in der Rotationsmaschine vorgesehen ist und dazu ausgestaltet ist, eine Vibration der Rotationsmaschine zu erfassen, umfasst.
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Dementsprechend kann wie oben beschrieben eine Anomalie bei der Rotorschaufelreihe einfach erfasst werden.
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Bei dem Schaufelanomalie-Erfassungssystem kann die Rotationsmaschine eine Lagerung, die die Drehwelle um die Achse drehbar trägt, und einen Lagerbock, der die Lagerung trägt, aufweisen und der Vibrationssensor kann ein in dem Lagerbock vorgesehener Beschleunigungssensor sein.
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Folglich kann selbst ohne Vorsehen eines Sensors innerhalb der Rotationsmaschine eine Anomalie bei der Rotorschaufelreihe einfach erfasst werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rotationsmaschinensystem bereitgestellt, das die Rotationsmaschine und das Schaufelanomalie-Erfassungssystem gemäß einem oben beschriebenen umfasst.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren einer Rotationsmaschine mit einem Rotor, der eine Drehwelle aufweist, die dazu ausgestaltet ist, sich um eine Achse zu drehen, und einer Rotorschaufelreihe mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln, die sich radial von der Drehwelle erstrecken, bereitgestellt. Das Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren umfasst einen Vibrationserlangungsschritt zum Erlangen einer Vibration der Rotationsmaschine zusammen mit einer Drehzahl des Rotors während die Drehzahl geändert wird, einen Frequenzanalyseschritt zum Durchführen einer Frequenzanalyse gemäß einem Erlangungsergebnis des Vibrationserlangungsschritts und zum Erlangen einer Beziehung zwischen der Drehzahl und der Frequenz, einen Kontaktdrehzahlerlangungsschritt zum Erlangen einer Kontaktdrehzahl, die als Grenze zwischen einem Zustand, in dem Abdeckungen der benachbarten Rotorschaufeln miteinander in Kontakt sind, und einem Zustand, in dem die Abdeckungen der benachbarten Rotorschaufeln gemäß einem Analyseergebnis des Frequenzanalyseschritts voneinander beabstandet sind, dient, und einen Bestimmungsschritt zum Bestimmen, ob die Rotorschaufelreihe gemäß der in dem Schritt zur Erlangung der Kontaktdrehzahl erlangten Kontaktdrehzahl abnormal ist oder nicht.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Bei der Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung, dem Schaufelanomalie-Erfassungssystem, dem Rotationsmaschinensystem und dem Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann eine Anomalie bei den Rotorschaufeln einfach erfasst werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Dampfturbinensystems (Rotationsmaschinensystem) gemäß einer ersten Ausführungsform.
- 2 ist ein Diagramm, das eine Hardware-Ausgestaltung eines Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtungshauptkörpers bei einer Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
- 3 ist ein funktionales Blockdiagramm des Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtungshauptkörpers bei der Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
- 4 ist eine schematische Ansicht, die einen kontaktlosen Zustand der Abdeckungen der Rotorschaufeln einer Rotorschaufelreihe darstellt.
- 5 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand darstellt, bei dem die Abdeckungen der Rotorschaufeln der Rotorschaufelreihe miteinander in Kontakt sind.
- 6 ist ein Campbell-Diagramm des Dampfturbinensystems (Rotationsmaschinensystem) gemäß der ersten Ausführungsform.
- 7 ist ein Ablaufdiagramm, das Abläufe eines Schaufelanomalie-Erfassungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
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Bester Weg zum Ausführen der Erfindung
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Im Folgenden wird ein Dampfturbinensystem (Rotationsmaschinensystem) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 7 beschrieben.
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Wie in 1 dargestellt umfasst ein Dampfturbinensystem 1 eine Dampfturbine 2 (Rotationsmaschine) und ein Schaufelanomalie-Erfassungssystem 30.
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Die Dampfturbine 2 ist eine externe Verbrennungsmaschine, die Dampfenergie als Drehkraft erzeugt und bei einem Generator eines Kraftwerks verwendet wird. Die Dampfturbine 2 umfasst einen Rotor 3, ein Axiallager 8, ein Gleitlager 9 (Lagerung), Lagerböcke 15 und einen Stator 20.
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Der Rotor 3 umfasst eine Drehwelle 4 und eine Rotorschaufelreihengruppe 5.
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Die Drehwelle 4 weist eine zylindrische Form auf, die sich mit einer Achse O als ein Mittelpunkt entlang einer horizontalen Richtung erstreckt. In einem Teil der Drehwelle 4 ist ein Axialkragen 4a ausgebildet. Der Axialkragen 4a weist eine Scheibenform mit der Achse O als ein Mittelpunkt auf. Der Axialkragen 4a steht integral von einem Hauptkörper der Drehwelle 4 zu einer radial äußeren Seite der Drehwelle 4 so vor, dass der Radialkragen eine flanschartige Form aufweist.
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Die Rotorschaufelreihengruppe 5 ist mit einer Vielzahl von Rotorschaufelreihen 6, die an einem äußeren Umfang der Drehwelle 4 in Intervallen in einer Richtung der Achse O vorgesehen sind, ausgestaltet. Jede der Rotorschaufelreihen 6 ist durch Anordnen einer Vielzahl von Rotorschaufeln 7 in Intervallen in der Umfangsrichtung ausgestaltet. Die Rotorschaufeln 7 erstrecken sich von einer äußeren Umfangsfläche der Drehwelle 4 zu der radial äußeren Seite. Jede der Rotorschaufelreihen 6 ist also mit der Vielzahl von Rotorschaufeln 7, die radial an Positionen in derselben Richtung der Achse O der Drehwelle 4 vorgesehen sind, ausgestaltet.
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Das Axiallager 8 trägt gleitend den Axialkragen 4a von beiden Seiten in der Richtung der Achse O. Dementsprechend wird die Bewegung der Drehwelle 4 in der Richtung der Achse O reguliert.
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Ein Paar von Gleitlagern 9 ist an beiden Endseiten der Drehwelle 4 so vorgesehen, dass die Drehwelle 4 von unten getragen wird, um um die Achse O drehbar zu sein. Die Gleitlager 9 weisen jeweils einen Lagerungshauptkörper 10 und ein Lagerungsgehäuse 11 auf. Der Lagerungshauptkörper 10 weist ein Lagerungskissen auf, das die äußere Umfangsfläche der Drehwelle 4 mittels eines Ölfilms gleitend trägt. Der Lagerungshauptkörper weist einen Drehzapfen auf, der das Lagerungskissen von einer äußeren Umfangseite schwenkbar trägt. Das Lagerungsgehäuse 11 trägt den Lagerungshauptkörper 10 an einer inneren Umfangsseite, sodass die Drehwelle 4 von der Außenumfangseite umgeben ist. Das Lagerungsgehäuse 11 weist eine innere Umfangsfläche auf, an der der Drehzapfen befestigt ist, und trägt das Lagerungskissen über den Drehzapfen. Es können weitere Elemente wie beispielsweise ein Führungsring innerhalb des Lagerungsgehäuses 11 vorgesehen sein.
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Ein Paar von Lagerböcken 15 ist so vorgesehen, dass das Paar von Gleitlagern 9 von unten getragen ist. Die Lagerböcke 15 tragen jeweils untere Halbabschnitte der jeweiligen Gleitlager 9.
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Der Stator 20 umfasst ein Gehäuse 21 und eine Statorschaufelreihengruppe 22.
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Das Gehäuse 21 ist so vorgesehen, dass es einen Teil des Rotors 3 von der äußeren Umfangseite umgibt. Die Drehwelle 4 des Rotors 3 durchdringt das Gehäuse 21 in der Richtung der Achse O. Beide Enden der Drehwelle 4 sind außerhalb des Gehäuses 21 positioniert. Beide Enden der Drehwelle 4 sind durch das Axiallager 8 und das Gleitlager 9 an äußeren Seiten des Gehäuses 21 getragen. Die Rotorschaufelreihengruppe 5 des Rotors 3 ist innerhalb des Gehäuses 21 angeordnet.
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Die Statorschaufelreihengruppe 22 ist mit einer Vielzahl von Statorschaufelreihen 23, die an einem inneren Umfang des Gehäuses 21 in Intervallen in der Richtung der Achse O vorgesehen sind, ausgestaltet. Jede der Statorschaufelreihen 23 ist durch Anordnen einer Vielzahl von Statorschaufeln 24, welche sich von der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 21 zu einer radial inneren Seite erstrecken, in Intervallen in der Umfangsrichtung ausgebildet. Jede der Statorschaufelreihen 23 ist also mit der Vielzahl der Statorsschaufeln 24, die an Positionen in derselben Richtung der Achse O der Drehwelle 4 radial vorgesehen sind, ausgestaltet. Die Statorschaufelreihen 23 sind abwechselnd mit den Rotorschaufelreihen 6 des Rotors 3 in der Richtung der Achse O angeordnet.
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Bei solch einer Dampfturbine 2 tritt Dampf, der durch das Gehäuse 21 eingetragen wird, durch Strömungsdurchgänge zwischen den Statorschaufelreihen 23 und den Rotorschaufelreihen 6 hindurch. Durch den Dampf, der die Rotorschaufeln 7 dreht, dreht sich die Drehwelle 4 zusammen mit den Rotorschaufeln 7 und Kraft (Drehenergie) wird zu einer Maschine wie beispielsweise einem mit der Drehwelle 4 verbundenen Generator übertragen.
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Als nächstes wird ein Schaufelanomalie-Erfassungssystem 30 beschrieben.
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Wie in 1 dargestellt umfasst das Schaufelanomalie-Erfassungssystem 30 einen Vibrationssensor 40 und eine Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung 50.
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Der Vibrationssensor 40 ist in dem Lagerbock 15 der Dampfturbine 2 vorgesehen. Eine durch den Rotor 3 der Dampfturbine 2 erzeugte Vibration wird über die Lagerungshauptkörper 10 und die Lagerungsgehäuse 11 der Gleitlager 9 zu dem Lagerbock 15 übertragen. Der Vibrationssensor 40 erfasst die auf diese Weise übertragene Vibration. Ein Beschleunigungssensor ist als der Vibrationssensor 40 bei der Ausführungsform eingesetzt.
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Beispielsweise wird ein Piezosensor als ein Bescheinigungssensor eingesetzt. Der Piezosensor ist ein Sensor, der einen piezoelektrischen Effekt verwendet. Wenn eine Beschleunigung auf den Piezosensor aufgebracht wird, wird eine Ladung in Übereinstimmung zu einer Spannung zu diesem Zeitpunkt erzeugt. Die Ladung, die auf diese Weise erzeugt wird, wird eine Ausgabe des Beschleunigungssensors. Eine Vibration der Rotorschaufelreihen 6 des Rotors 3 wird zu dem Lagerbock 15 übertragen. Die Vibration wird durch den Beschleunigungssensor als eine Beschleunigung erfasst und wird zu der Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung 50 ausgegeben.
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Wie in 2 dargestellt ist die Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung 50 ein Computer, der eine zentrale Verarbeitungseinheit („central processing unit“, CPU) 61, einen Nur-Lese-Speicher („read only memory“, ROM) 62, einen Direktzugriffsspeicher (random access memory, RAM) 63, eine Festplatte („hard disk drive“, HDD) 64 und ein Signalempfangsmodul 65 umfasst. Das Signalempfangsmodul 65 nimmt ein Signal von dem Beschleunigungssensor auf. Das Signalempfangsmodul 65 kann beispielsweise ein Signal des Beschleunigungssensors aufnehmen, welches über einen Ladungsverstärker verstärkt wird.
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Wie in 3 dargestellt weist die CPU 61 der Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung 50 durch Ausführen eines Programms, das im Vorhinein in der Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung gespeichert ist, eine Steuereinheit 51, eine Vibrationserlangungseinheit 52, eine Frequenzanalyseeinheit 53, eine Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54, eine Bestimmungseinheit 55 und eine Warnungseinheit 56 auf.
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Die Steuereinheit 51 steuert weitere funktionale Einheiten, die in der Analysevorrichtung umfasst sind.
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Die Vibrationserlangungseinheit 52 erlangt eine Vibrations-(Beschleunigungs-) Informationen der Dampfturbine 2, wenn sich die Drehzahl des Rotors 3 ändert, zusammen mit der Drehzahl.
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Genauer gesagt erlangt die Vibrationserlangungseinheit 52 eine Vibration, wenn sich die Drehzahl beim Start der Dampfturbine 2 erhöht oder wenn sich die Drehzahl beim Beenden bzw. Anhalten des Betriebs der Dampfturbine 2 verringert, welche von dem Beschleunigungssensor zusammen mit der Drehzahl des Rotors 3 erlangt wird. Zudem kann die Vibrationserlangungseinheit eine Vibration erlangen, wenn sich die Drehzahl ändert und eine Information der Drehzahl beim Betrieb der Dampfturbine 2.
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Die Information der Drehzahl kann beispielsweise von einem zusätzlich vorgesehenen Sensor, der die Drehzahl des Rotors 3 erfasst, erlangt werden. Zudem kann die Vibrationserlangungseinheit die Drehzahl des Rotors 3 von einer Betriebsinformation der Dampfturbine 2 erlangen.
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Die Frequenzanalyseeinheit 53 führt eine Frequenzanalyse gemäß einem Erlangungsergebnis der Vibrationserlangungseinheit 52 durch und erlangt eine Eigenfrequenz bei jeder Drehzahl der gesamten Rotorschaufelreihengruppe 5.
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Die Frequenzanalyseeinheit 53 führt also eine Frequenzanalyse hinsichtlich einer Vibrations-(Beschleunigungs-) Information bei jeder Drehzahl durch, welche von dem Beschleunigungssensor erlangt wird. Dementsprechend erlangt die Frequenzanalyseeinheit für jede Drehzahl eine Eigenform und eine Eigenfrequenz, die die Frequenz zu diesem Zeitpunkt ist, der gesamten Rotorschaufelreihengruppe 5. Folglich kann die Frequenzanalyseeinheit eine Beziehung zwischen der Eigenfrequenz und der Drehzahl bei jedem Vibrationsmodus der Rotorschaufelreihengruppe 5 erlangen.
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Die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 erlangt die Kontaktdrehzahlen der Rotorschaufelreihen 6 in Übereinstimmung mit einem Analyseergebnis der Frequenzanalyseeinheit 53. Die Kontaktdrehzahl zeigt eine Drehzahl an, welche als eine Grenze zwischen einem Zustand, bei dem Abdeckungen 7a von den benachbarten Rotorschaufeln 7 miteinander in Kontakt sind, und einem Zustand, bei dem die Abdeckungen voneinander beabstandet sind, dient.
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In einem Zustand, bei dem die Drehzahl des Rotors 3 wie beispielsweise in 4 dargestellt gering ist, sind die Abdeckungen 7a der benachbarten Rotorschaufeln 7 in der Umfangsrichtung in einem separierten bzw. getrennten Zustand. Da jede der Rotorschaufeln 7 in einem solchen Zustand unabhängig vibriert, weisen die Rotorschaufelreihen 6 und die Rotorschaufelreihengruppe 5 eine geringe Festigkeit auf. Aus diesem Grund ist die Eigenfrequenz bei jedem Vibrationsmodus der Rotorschaufelreihengruppe 5 ein relativ geringer Wert.
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Demgegenüber sind in einem Zustand, bei dem die Drehzahl des Rotors 3 wie beispielsweise in 5 dargestellt hoch ist, die Abdeckungen 7a der benachbarten Rotorschaufeln 7 in der Umfangsrichtung an einer Kontaktläche in Kontakt miteinander. Wenn die Rotorschaufelreihen 6 auf diese Weise eine ringförmige integrale Struktur bilden, vibrieren die Rotorschaufelreihen 6 insgesamt integral. Aus diesem Grund weist die gesamte Rotorschaufelreihengruppe 5, die mit solchen Rotorschaufelreihen 6 ausgestaltet ist, eine hohe Festigkeit auf und eine Eigenfrequenz bei jedem Vibrationsmodus der Rotorschaufelreihengruppe 5 ist ein relativ großer Wert.
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Die Kontaktdrehzahl ist eine Drehzahl, welche als eine Grenze zwischen einem Zustand, bei dem die Abdeckungen 7a der Rotorlaufschaufeln 7 voneinander beabstandet sind, und einem Zustand, bei dem die Abdeckungen in Kontakt miteinander sind, dient. Mit der Kontaktdrehzahl als die Grenze, ändert sich die Eigenfrequenz von jedem Vibrationsmodus der Rotorschaufelreihen 6 signifikant. Aus diesem Grund kann die Kontaktdrehzahl-Erlangungseinheit 54 beispielsweise eine Drehzahl erlangen, wenn ein Verhältnis einer Änderung bei der Eigenfrequenz zu einer Änderung bei der Drehzahl gleich oder größer als ein Grenzwert ist, der im Vorhinein als die Kontaktdrehzahl bestimmt ist. Zudem kann ein Campbell-Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Eigenfrequenz und der Drehzahl der Rotorschaufelreihengruppe 5 darstellt, erzeugt werden, wobei die Drehzahl, bei welcher sich eine Eigenfrequenz um eine Stufe erhöht, durch visuelle Inspektion oder Bildverarbeitung gefunden werden kann und diese Drehzahl als die Kontaktdrehzahl eingestellt werden kann.
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Die Bestimmungseinheit 55 bestimmt ob eine der Rotorschaufelreihen 6 der Rotorschaufelreihengruppe 5 gemäß der Kontaktdrehzahl, die durch die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 erlangt ist, abnormal ist oder nicht.
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Ein Campbell-Diagramm der gesamten Rotorschaufelreihengruppe 5 ist in 6 dargestellt. Eine horizontale Achse aus 6 zeigt die Drehzahl (rpm) der Dampfturbine 2 an, und eine vertikale Achse zeigt eine Frequenz (Hz) an. Zudem zeigt eine geneigte Achse ein Rotationsgrad an und je steiler die Neigung der geneigten Achse ist, umso größer ist der Rotationsgrad.
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Eine durchgezogene Linie, die sich in einer Richtung einer horizontalen Achse in 6 erstreckt, ist eine Eigenfrequenz (Primärmodus) der Rotorschaufelreihengruppe 5 zu normalen Zeiten, wenn eine Anomalie oder eine Beschädigung in keinem der Rotorschaufel 7 aufgetreten ist. Eine gestrichelte Linie, die sich in der Richtung der horizontalen Achse in 4 erstreckt, ist eine Eigenfrequenz (Primärmodus) der Rotorschaufelreihengruppe 5 zu abnormalen Zeiten, wenn eine Anomalie oder eine Beschädigung bei einer der Rotorschaufeln 7 aufgetreten ist. Obwohl in 6 die Eigenfrequenz nur in dem Primärmodus dargestellt ist, wird das gleiche Verhalten wie die Linie in dem Primärmodus auch im Sekundär-, Tertiär- und noch höheren Modi dargestellt.
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Als eine Form einer Anomalie bei den Rotorschaufeln 7, ist die Kontaktfläche in einigen Fällen aufgrund einer Reibung, die durch leichte Vibration zwischen den Abdeckungen 7a erzeugt wird, angekratzt bzw. abgeschabt. Folglich sind in einem Fall, bei dem ein Spalt zwischen den benachbarten Abdeckungen 7a weit bzw. groß ist, die Kontaktdrehzahlen der Rotorschaufeln 7 hoch, verglichen mit einem normalen Zustand. Da also die Eigenfrequenz zum Zeitpunkt eines Drehzahlanstiegs beobachtet wird, erhöht sich eine Kontaktdrehzahl zwischen den Abdeckungen 7a in einem abnormalen Zustand, der durch die abgeschabten Abdeckungen 7a verursacht wird, im Vergleich zu normalen Zeiten.
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Aus diesem Grund zeigt wie in 6 dargestellt eine Kontaktdrehzahl N2 zu abnormalen Zeiten einen großen Wert verglichen mit einer Kontaktdrehzahl N1 zu normalen Zeiten. Selbst wenn eine Anomalie bei einigen Rotorschaufeln 7 der Rotorschaufelreihe 6 aus der Vielzahl von Rotorschaufelreihengruppen 5 aufgetreten ist, verringert sich die Kontaktdrehzahl der gesamten Rotorschaufelreihengruppe 5.
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Basierend auf diesem Wissen bestimmt die Bestimmungseinheit 55, ob die Kontaktdrehzahl (die Kontaktdrehzahl gemäß einem gemessenen Vibrationswert), die durch die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 erlangt ist, abnormal ist oder nicht, durch Vergleichen mit der Kontaktdrehzahl N1 zu normalen Zeiten. In einem Fall, bei dem sich beispielsweise die Kontaktdrehzahl, die durch die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 erlangt ist, von der Kontaktdrehzahl N1 durch einen vorbestimmten Grenzwert oder mehr unterscheidet, kann es bestimmt werden, dass es eine Anomalie gibt. Zudem kann, in einem Fall, bei dem die Kontaktdrehzahl gleich oder größer als ein im Vorhinein bestimmter Grenzwert ist (ein Wert größer als die Kontaktdrehzahl N1 zu normalen Zeiten), bestimmt werden, dass es eine Anomalie gibt.
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Die Warnungseinheit 56 gibt eine Warnung gemäß einem vorbestimmten Ergebnis der Bestimmungseinheit 55 aus. In einem Fall, bei dem die Bestimmungseinheit 55 bestimmt, dass eine Anomalie vorliegt, führt die Warneinheit 56 also die Verarbeitung der Ausgabe einer Warnung durch. Die Warneinheit 56 kann die Verarbeitung der Anzeige von Warninformationen auf einem Monitor oder die Verarbeitung der Ausgabe einer Warnung als Alarm durchführen.
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Als nächstes wird ein Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren gemäß der Ausführungsform mit Bezug auf ein in 7 dargestelltes Ablaufdiagramm beschrieben. Das Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren umfasst eine Vibrationserlangungsschritt S1, einen Frequenzanalyseschritt S2, einen Kontaktdrehzahlerlangungsschritt S2 und einen Bestimmungsschritt S4.
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Bei dem Vibrationserlangungsschritt S1 wird, wie bei der von der Vibrationserfassungseinheit 52 ausgeführten Verarbeitung, die Vibration der Dampfturbine 2 zusammen mit der Drehzahl erlangt, wenn sich die Drehzahl des Rotors 3 ändert.
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Nach dem Vibrationserlangungsschritt S1 wird der Frequenzanalyseschritt S2 durchgeführt. Bei dem Frequenzanalyseschritt S2 wird wie bei der von der Frequenzanalyseeinheit 53 ausgeführten Verarbeitung eine Frequenzanalyse gemäß einem Erlangungsergebnis der Vibrationserlangungseinheit 52 ausgeführt und eine Eigenfrequenz bei jeder Drehzahl der gesamten Rotorschaufelreihengruppe 5 wird erlangt. Folglich kann eine Beziehung zwischen der Eigenfrequenz und der Drehzahl der gesamten Rotorschaufelreihengruppe 5 erlangt werden.
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Nach dem Frequenzanalyseschritt S2 wird der Kontaktdrehzahlerlangungsschritt S3 durchgeführt. Bei dem Kontaktdrehzahlerlangungsschritt S3 werden wie bei der Verarbeitung durch die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 die Kontaktdrehzahlen der Rotorschaufelreihen 6 gemäß einem Analyseergebnis der Frequenzanalyseeinheit 53 erlangt.
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Nach dem Frequenzanalyseschritt S2 wird der Bestimmungsschritt S4 durchgeführt. Bei dem Bestimmungsschritt S4 wird wie bei der Verarbeitung der Bestimmungseinheit 55 gemäß der Kontaktdrehzahl, die durch die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 erlangt ist, bestimmt, ob eine der Rotorschaufelreihen 6 oder die Rotorschaufelreihengruppe 5 abnormal ist oder nicht.
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Wie vorstehend beschrieben, kann bei dem Dampfturbinensystem 1 gemäß der Ausführungsform leicht erfahren werden, ob bei einer der Rotorschaufeln 7 der Rotorschaufelreihen 6 in der Rotorschaufelreihengruppe 5 eine Anomalie aufgetreten ist oder nicht, indem bestimmt wird, ob die Rotorschaufelreihengruppen mit der gemäß einem Vibrationsmesswert als ein Indikator erlangten Kontaktdrehzahl abnormal sind oder nicht.
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Im Hinblick darauf wird durch die Frequenzanalyseeinheit 53, die eine Frequenzanalyse gemäß der tatsächlichen Vibration der Rotationsmaschine und der Drehzahl durchführt, die durch die Vibrationserlangungseinheit 52 erlangt wird, die Eigenfrequenz der Rotorschaufelreihen 6 bei jeder Drehzahl erlangt. Die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54 erlangt eine Drehzahl, bei der sich die Eigenfrequenz der Rotorschaufeln 7 beispielsweise auf einen Wert ändert, der gleich oder größer als ein Grenzwert ist, als die Kontaktdrehzahl.
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Dabei steigt die Kontaktdrehzahl, wie vorstehend beschrieben, in abnormalen Zeiten, bei denen die Abdeckungen 7a verkratzt bzw. abgeschabt sind, im Vergleich zu normalen Zeiten an. Basierend auf dem Wissen, bestimmt die Kontaktdrehzahlerlangungseinheit 54, ob die Rotorschaufelreihen 6 abnormal sind oder nicht, d.h. ob eine Anomalie bei den Rotorschaufeln 7, die in den Rotorschaufelreihen 6 umfasst sind, gemäß der Kontaktdrehzahl aufgetreten ist oder nicht. Dementsprechend ist eine Anomalie bei den Rotorschaufelreihen 6 leicht zu erfassen.
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Darüber hinaus wird der in dem Lagerbock 15 vorgesehene Beschleunigungssensor als der Vibrationssensor 40, der die Vibration der Dampfturbine 2 erfasst, bei der Ausführungsform eingesetzt. Somit kann eine Anomalie bei den Rotorschaufeln 7 unabhängig von den Eigenschaften des Dampfes, der ein Arbeitsfluid der Dampfturbine 2 ist, stabil erfasst werden.
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Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oben beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und verschiedene Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom technischen Geist der Erfindung abzuweichen.
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Obwohl beispielsweise bei der Ausführungsform ein Beispiel den Einsatz des in dem Lagerbock 15 vorgesehenen Beschleunigungssensors als Vibrationssensor 40 beschrieben ist, kann eine andere Ausgestaltung als der Vibrationssensor 40 verwendet werden. So kann beispielsweise ein Verlagerungssensor vorgesehen werden, der die Verlagerung der Drehwelle 4 von der Außenseite der Dampfturbine 2 erfasst, und eine Verlagerungsinformation der Drehwelle 4, die von dem Verlagerungssensor erfasst wird, können als Vibrationsinformation an die Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung 50 ausgegeben werden. Dementsprechend ist, wie bei der Ausführungsform, eine Anomalie bei den Rotorschaufelreihen 6 leicht zu erfassen.
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Obwohl ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung bei der Dampfturbine 2 angewendet ist, bei der Ausführungsform beschrieben ist, kann die Erfindung bei einer anderen Rotationsmaschine, beispielsweise bei einer Gasturbine, angewendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Bei der Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung, dem Schaufelanomalie-Erfassungssystem, dem Rotationsmaschinensystem und dem Schaufelanomalie-Erfassungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann eine Anomalie bei den Rotorschaufeln einfach erfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Dampfturbinensystem
- 2:
- Dampfturbine
- 3:
- Rotor
- 4:
- Drehwelle
- 5:
- Rotorschaufelreihengruppe
- 6:
- Rotorschaufelreihe
- 7:
- Rotorschaufel
- 7a:
- Abdeckung
- 8:
- Axiallager
- 9:
- Gleitlager
- 10:
- Lagerungshauptkörper
- 11:
- Lagerungsgehäuse
- 15:
- Lagerbock
- 20:
- Stator
- 21:
- Gehäuse
- 22:
- Statorschaufelreihengruppe
- 23:
- Statorschaufelreihe
- 24:
- Statorschaufel
- 30:
- Schaufelanomalie-Erfassungssystem
- 40:
- Vibrationssensor
- 50:
- Schaufelanomalie-Erfassungsvorrichtung
- 51:
- Steuereinheit
- 52:
- Vibrationserlangungseinheit
- 53:
- Frequenzanalyseeinheit
- 54:
- Kontaktdrehzahlerlangungseinheit
- 55:
- Bestimmungseinheit
- 56:
- Warneinheit
- 61:
- CPU
- 62:
- ROM
- 63:
- RAM
- 64:
- HDD
- 65:
- Signalempfangsmodul
- S1:
- Vibrationserlangungsschritt
- S2:
- Frequenzanalyseschritt
- S3:
- Kontaktdrehzahlerlangungsschritt
- S4:
- Bestimmungsschritt
- O:
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2017063267 [0002]
- JP 2003177059 [0006]
- JP S5328806 [0006]
