JP2005538370A - 電気機械におけるシャフトアセンブリの振動を捕捉する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機械におけるシャフトアセンブリの振動を捕捉するための方法および装置に関する。本発明によれば振動を捕捉するために、シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））が測定され、振動に特有の成分について分析される。本発明は、一般にたいていは害を及ぼすとしかみなされていないシャフト電圧もしくはシャフト電流を利用しており、この方法は十分に精確でありかつ、この種の振動を長期にわたり監視するのに著しく適している一方、構造的に著しく簡単でありかつ高い信頼性で実現することができる。

Description

本発明は、電気機械たとえば発電施設におけるシャフトアセンブリの振動を捕捉する方法および装置に関する。

従来技術
機械たとえばターボ発電機アセンブリにおけるシャフトアセンブリの振動として、様々な特性のものが発生する可能性がある。そのような振動として曲げ振動もしくは横方向の振動を挙げることができ、これはシャフトに対し垂直方向に発生する。さらにいわゆるハンチングないしは振り子運動の発生する可能性もあり、つまりこれは一般にほぼ周期的に減衰するたいていは５０Ｈｚ（ないしは６０Ｈｚ）の電源周波数を中心としたシャフト回転周波数の変動であって、たとえば電源における衝撃的な妨害によって発生する。シャフト振動の第３のタイプとして知られているのは本来のねじれ振動であり、これはたとえば電源において負荷が急激に高まったときに発生する可能性がある。ここでねじれ振動とは、シャフトに沿って不均一な回転周波数（位相シフトまたは周波数シフト）として現れる振動であり、つまりこれによってシャフトのトーションすなわちねじれが引き起こされる。

ねじれ振動は非常に小さい振動であり、たいていは０．０１度の位相振幅範囲であるが、これによってシャフトに非常に強い負荷が加わる可能性があり、殊にこの種のねじれ振動の固有周波数がそれを励起する刺激と一致すると、この種のねじれ振動が危険なほど激しくなるおそれがあり、ひいてはシャフトが折れてしまうことにもなりかねない。ねじれ振動は数Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数をもつ可能性があり、その際に周波数は当然ながらシャフトの材料特性および厚さ、シャフトと結合されている装置の質量ならびにその大きさに依存する可能性がある。長いシャフトを備えた大きな装置であると殊に、このようなねじれ振動は極度にクリティカルなものになるおそれがある。

このような問題点の重要性ゆえに、すでに多くの特許明細書がこのテーマと取り組んできた。つまりたとえばUS 3,934, 459には、タービン発電機システムのシャフトアセンブリ全体におけるねじれ振動を測定する測定装置または測定方法が記載されている。この場合、ここで詳しくは説明しない１つまたは複数の専用のセンサを介してシャフトの１つまたは複数の点におけるねじれ振動がセンシングされる。この文献の主要なテーマは、ねじれ信号の後続処理である。この後続処理はバンドパスフィルタを用いたフィルタリングと乗算によって行われ、その目的は最大ねじれトルクを求めることである。

さらに特許文献としてUS 3,885, 420, US 4,148, 222, US 4,137, 780, US 4,317, 371を挙げておく。これらの特許文献にはおしなべて、上述の電気的装置のねじれ振動を測定する測定装置もしくは測定方法が記載されている。ねじれ振動を捕捉するため、シャフトと結合された歯車が信号発生器として用いられ、これはセンサを介して電気信号を発生させる。この信号はバンドパスフィルタおよび乗算器等によって後続処理される。US 4,317, 371には、位相シフトを測定するための特別な復調方法について記載されている。この方法によれば、低い中間周波数の発生が行われ、ついでそれ自体無線技術において知られている周波数変調が行われる。別の方法（US 3,885, 420）によれば、復調のためにＰＬＬ（phase-locked-loop）が使用される。さらにUS 4,44, 064を挙げておく。そこに記載された方法の場合、最初に磁気パターンがシャフトに組み込まれ、それはあとでパルス発生器として使用される。ねじれ振動の測定に関するさらに別のコンセプトは、シャフトに結合されている永久磁石発電機の相巻線端子における電圧を上述のような振動の捕捉のために利用することである。発生した電圧を評価することで、ねじれ振動が推定される。この評価はやはり周波数変調（ＰＬＬ技術）によって行われる。この装置の利点を挙げるとすれば、歯車による解決策と比べてコストが小さいことである。

発明の開示
したがって本発明の課題は、ねじれ振動を捕捉する方法を提供するとともに、機械におけるシャフトアセンブリのさらに別の振動を捕捉する装置も提供し、これによって十分な精度が得られるようにし、さらにはこれを構造的に簡単かつ安価、堅牢に実現することにある。殊に動作中、測定の難しいシャフトアセンブリの固有周波数を、さらには時間の経過にとともに生じるその変化も捕捉するようにしたい。

本発明によればこの課題は、振動を捕捉するために発電機のシャフトとアースとの間のシャフト電圧および／またはシャフト電流を測定して分析することによって解決される。

たとえば文献EP-A1-0 271 678およびそれより後願の文献DE-A1-197 42 622に記載されているように、一般にターボ群の一部分である発電機の発電機シャフトにおいては様々な原因でシャフト電圧およびシャフト電流が発生し、それらの周波数スペクトルは直流からいっそう高い周波数にまで及び、これは発電機の回転数周波数と、さらには発電機の静止形励磁システムの周波数とも、倍数関係にある。この場合、主要な周期関数（周期＝回転数周波数）のスペクトルにおいて現れる基本周波数の高調波を観測する必要がある。

シャフト電圧またはシャフト電流は殊に、発電機シャフト周囲の磁気的非対称性に起因して、発電機シャフトの静電的な帯電に起因して、またはシャフト電圧を発電機シャフトに容量的に入力結合させる外部電界に起因して、あるいはたとえばシャフトの残留磁化など回転軸における残留磁気に起因して発生する。

シャフト電圧およびシャフト電流は基本的に発電機の様々なコンポーネントにとって潜在的な危険性を成すものであって、許容できる尺度まで低減されなかったり、あるいはシャフトアセンブリのアース設計が適切なものでなかったりすると、発電機において損傷が引き起こされるおそれがある。この目的で従来、発電機シャフトにおいて特別な安全措置がとられてきており、たとえば発電機の非駆動側に絶縁区間を組み込み、駆動側では発電機シャフトがブラシを介してアース電位と接続されるよう構成されてきた。電圧ピークを小さくする目的で、発電機シャフトを非駆動側において摺動接点を用い容量を介して交流電圧的にアース電位と結合することがしばしば行われている。

ただしシャフト電圧とシャフト電流を、シャフトアースの機能安全性と機能正常性を監視するために利用することもできる。先に挙げた文献EP-A1-0 271 678にはこれに加えて監視および評価回路についても開示されており、この回路は発電機の非駆動側において抵抗とバイパスコンデンサの並列回路を介して電流経路を形成し、機械に固有の周波数成分をこのＲＣの組み合わせ回路中を流れる電流において評価する。ＲＣの組み合わせ回路によればシャフトとアース電位との間で信頼性のある接続が得られ、これによって静電的な帯電も比較的高い周波数の電圧も軸受けにとって危険のない値まで低減される。

別の提案（DE-A1-197 42 622）によれば、駆動側において発電機シャフトのアース区間を流れるシャフト電流を測定し、シャフト電流の周波数を求め、それによってシャフト電流の原因が導き出される。

本発明の核となるまったくもって驚くべき着想は、シャフトアースの機能正常性や機能安全性に関するEP-A1-0 271 67による上述の情報、あるいはこれ以外にも挙げておくべきEP-A2-0 391 18によるロータ巻線短絡に関する情報が、シャフト電流またはシャフト電圧に含まれていることだけでなく、それらの信号にはさらにあらゆる種類のシャフト振動に関して数多くの情報も含まれている、という点にある。したがって、一般的にこの種の振動の測定のために特別に設けなければならない装置を省くことができ、機能正常性またはロータ巻線短絡を監視するためシャフト電圧またはシャフト電流を場合によってはすでに設けられている装置を用いて測定することができ、その際に含まれているデータからシャフトの振動に関する推定を行うことができる。この場合、シャフト電流および／またはシャフト電圧の測定は、この種のシャフト振動を捕捉するための十分に精確であり殊に長期間監視にきわめて適した方法である。

本発明による方法に関する第１の有利な実施形態によれば、捕捉される振動はシャフトのねじれ振動および／または横方向の曲げ振動および／または振り子運動である。この場合、固有のタイプの個々の振動の存在を検出するできるだけでなく、それらの振動の時間的な経過ならびに強さも捕捉することができる。

さらに別の有利な実施形態によれば、シャフト電圧および／またはシャフト電流の測定が以下のようにして行われる。すなわち、発電機の手前にあるシャフトの第１の個所において低抵抗のアースユニットが設けられており、発電機の後方にあるシャフトの第２の個所において１つのユニットを介して、たとえばシャフトとアースとの間の高抵抗のＲＣユニットを介して、シャフト電圧すなわちシャフトとアースの間の電圧および／またはシャフト電流すなわちアースへ流れる電流が取り出され、分析ユニットにおいて分析される。その際にたとえば有利であるのは、シャフト電圧および／またはシャフト電流を分析するために信号を時間の関数として測定して記録し、時間の関数として分析することである。この場合、電源周波数または発電機の磁極ペア数で分周された電源周波数の整数倍に相応するサンプリングレートでサンプリングを行うことができる。さらに有利であるのは、結果として得られた信号（電圧または電流）をその中に含まれるシャフト電圧／シャフト電流スペクトルの高調波の周波数変調および／または振幅変調の成分に関して調べることである。その際に有利なやり方として、搬送波周波数たとえば電源周波数またはその高調波をもつ信号を場合によっては復調またはダウンミキシングした後、部分的にフーリエ変換が行われ、結果として得られたスペクトルが、周波数変調であるならば高調波の線幅の広がりについて分析され、あるいは振幅変調であるならば側波帯またはベースバンドの帯域が分析される。このような形式の分析によって、固有の振動の特徴を表す相応の信号を簡単に視覚化することができる。

フーリエ変換の適用にあたり好適であると判明したのは、１〜１０ｋＨｚのサンプリングレートたとえば５ｋＨｚの領域のサンプリングレートで信号をサンプリングし、ついで振り子運動および／またはねじれが発生したときに現れるような微細構造に関して、信号のうちそれぞれ５０ｋ〜１００ｋのデータポイントの領域の区間たとえば６４ｋのデータポイントの区間に対しフーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことである。１〜１８０Ｈｚの領域あるいは３００Ｈｚに及ぶ領域において振幅変調として現れる曲げ振動に関しては、０．５ｋ〜１．５ｋまでのデータポイントの領域たとえば１ｋのデータポイントの領域における区間をそれぞれフーリエ変換（ＦＦＴ）することができる。

基本的にわかっているのは、過渡的な横方向の曲げ振動が生じているときにはスペクトル中、１〜３００Ｈｚの領域の周波数において過渡的な線を観測できること、振り子運動が生じているときには電源周波数またはその倍数の高調波において線幅の広がりを観測できることであり、その際にシフトは対応する周波数の２〜４パーミルの領域にあり１秒までのタイムスケールで発生する。これに対してねじれ振動が発生しているときには、一般に約５０〜２００Ｈｚの領域の速度で位相変調が観測される。

シャフトの振動の捕捉および分析とは一般に、シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））から振動特性識別値を求めることである。この振動特性識別値は有利には振動固有周波数すなわち共振周波数である。その際に考慮の対象となるのはたとえば、ａ）曲げに関してクリティカルな水平方向および／または垂直方向の固有周波数、および／またはｂ）ねじれ固有周波数および／または、ｃ）振り子運動固有周波数である。オプションとして、これらの固有周波数における付加的な振幅と位相を求めて分析することができる。これらの固有周波数またはモードのすべては、定格回転数の領域すなわち５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの領域の値をとる可能性がある。さらに、倍数の高調波がこの領域に位置することになる固有周波数が生じる可能性もある。たとえば５０Ｈｚ以下の周波数で２０に及ぶねじれモードが発生する可能性があり、つまり固有周波数の密度が著しくなる可能性がある。

この種の振動が障害を及ぼすほど高まるのを回避するためには、もしくはそのことを監視するためには、たとえば定格回転数付近で不都合な振動の固有周波数が生じないようにすべきである。したがって、振動固有周波数またはその倍数の高調波が一般に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである定格回転数の＋／−１０％の領域有利には定格回転数の＋／−５％の領域にあるときに、その振動固有周波数がクリティカルであるとみなすのが有利である。この場合、共振がないとされる窓の幅は、当然ながら一般的に定格回転数の最大偏差から得られる。

従属請求項には、本発明による方法のさらに別の有利な実施形態が示されている。

本発明はさらに、これまで説明してきたような方法を実施するための装置にも関する。この装置の特徴によれば、シャフトの第１の個所においてシャフトが低抵抗でアースされており、シャフトの第２の個所においてシャフトとアースとの間に高抵抗のＲＣユニットが設けられており、このＲＣユニットを介してシャフト電圧および／またはシャフト電流が取り出され、分析ユニットにおいてシャフトの振動の特性を表す成分について分析される。その際に殊に有利であるのは、低抵抗によるアースとの接続をいわゆるドライビングエンドモジュールDriving End Module (DE-Modul) によって実現することであり、つまりシャフトにおける接触装置に対する低オームの抵抗によって実現することであり、そこにおいて直列に安全装置も配置される。さらに有利であると判明したのは、もともとの測定個所にＲＣユニットを挿入し、シャフトにおける接触装置に対する安全装置をこのＲＣユニットに設け、この安全装置を１つまたは複数のキャパシタおよびそれに対し並列におかれた抵抗を介してアースと接続し、さらにアースとキャパシタまたは抵抗との間に測定抵抗（シャント抵抗）を配置することである。この場合、安全装置とアースとの間のシャフト電圧および間接的に測定抵抗を介してシャフト電流が測定される。データの品質つまりはその解釈にとって、シャフトをいっそう確実かつ信頼性をもって接触接続することがきわめて重要であるため、接触モジュール（ＤＥモジュール、ＲＣモジュール）の構成に依存しないそれぞれ１つの金属リッツ線を接触装置として用いるのが有利であると判明した。

この場合、有利なやり方によれば、測定されたシャフト電圧または測定されたシャフト電流が時間の関数として検出されて分析ユニットへ供給され、この分析ユニットは信号（電圧、電流）をディジタル化する手段と、ディジタル化されたこの信号をフーリエ変換する手段と、変換されたデータをスペクトルで表す手段を有しており、その際にたとえば付加的に数値的に所定の判定基準に従いシャフトの振動の存在、種類および強度が自動的に求められ単純化されて表示されると有利である。ここで判定基準とは、個々の振動に関する上述の特徴的なスペクトル特性である。

従属請求項には本発明による装置の別の有利な実施形態が示されている。

図面の簡単な説明
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。図面には、シャフト電圧Ｕ_ｓ（ｔ）もしくはシャフト電流Ｉ_ｓ（ｔ）を時間（ｔ）に依存して測定する装置が示されている。

実施例
この図にはガスタービン装置の概略図が描かれており、これによれば２つのタービン１が発電機４の両側に配置されており、これら両方のタービン１は発電機４と同様、共通のシャフト２ないしはシャフトアセンブリに配置されている。ここで２つのタービンは例として挙げたにすぎず、１つのタービンのみを配置することも可能である。たとえばタービン１の始動時に発電機４を切り離すことができるようにする目的で一般にクラッチが設けられており、これによってタービン１を発電機４から機械的に分離することができる。

シャフト２は少なくとも２つの軸受け３に支承されている。軸受け３に存在する油膜によって、シャフト２はアースされた軸受け３から電気的に絶縁されている。ただしこの絶縁は特定のレベルを超えた電圧ピークが発生すると破壊される可能性があり、それによってスパーク侵食に係わる問題点が引き起こされるおそれがある。

冒頭で述べたように、発電機４のこのような発電機シャフトにおいて様々な原因に起因して、直流値から発電機の回転周波数および発電機の静止形励磁システムの周波数と倍数の関係にある周波数に及ぶシャフト電圧とシャフト電流が発生する。

このようなシャフト電圧もしくはシャフト電流は殊にシャフト２の周囲における磁気的な非対称性やシャフト２の静電的な帯電に起因して引き起こされ、またはシャフト電圧をシャフト２に容量的に入力結合させる外部電界に起因して、あるいは回転中のシャフト２の残留磁気ならびにシャフト２の（製造に起因する）残留磁化が原因となって引き起こされる。一般的にも以下の記載でもＵ_ｓとして表されるシャフト電圧と、一般的にも以下の記載でもＩ_ｓとして表されるシャフト電流は、原則的には発電機の様々なコンポーネントにとって危険なものであり、それらによって発電機を損傷させてしまうおそれがある。しかしながら本発明によれば、電気機械のシャフトにおける振動を所期のように分析し捕捉する目的で、シャフト電圧もしくはシャフト電流が利用される。

この目的で、発電機４の一方の側で低抵抗のアースユニット５たとえばいわゆるＤＥモジュール（Driving End Module）がシャフト２に接続され、これによれば実質的にシャフト２が確実に保護されながらアース点８にアースされるようになる。発電機４の他方の側においていわゆるＲＣモジュール６（抵抗のＲ、キャパシタのＣ）が一方ではシャフト２と、他方ではアース点９と接続されており、さらにこのモジュールは分析ユニット７と接続されている。

ＤＥモジュール５（Driving End Module）は接触装置１０を介してシャフト２と接続されている。接触装置がＣｕメッシュ体であると有利であり、これは摺動しながらシャフト２と電気的に接触接続した状態におかれる。ＤＥモジュール５はアース点８に対して低抵抗に形成されており、これは接触装置１０とアース点８との間に低オームの抵抗１２が接続されていることによって実現される。典型的には、抵抗１２は１〜１０Ωの範囲にあるＲの値を有している。このようにしてＤＥモジュール５により第１に、シャフト２を確実に低抵抗でアースできるようになる。

発電機４の他方の側には一般に、高周波ピークを導くためにＲＣモジュール６が配置されている。これもシャフト２に対し接触装置１１を有しており、これはやはり有利にはＣｕメッシュ体として構成されていて、シャフト２と電気的に接触接続状態におかれている。ＲＣモジュール６は第１にシャフトに対し安全装置１５を有しており、これは一般にタイプ２ＡＴの安全装置であり（ここでも安全装置は高電流から保護するために用いられる）、これに対し直列に抵抗１６が接続されており、さらにこの抵抗１６に対し並列にコンデンサとして構成されたキャパシタンス１７が配置されている。ごく一般的に、キャパシタンス１７に並列に接続された抵抗１６は１００〜１００００Ωの範囲の値Ｒを有しており、４００〜１０００Ωであると有利である。キャパシタンス１７は典型的には１〜３０Ｆの範囲の値Ｃを有している。

さらに安全装置とアースとの間でシャフト電圧Ｕ_ｓ（ｔ）が時間の関数として取り出され、同軸ケーブルを介して分析ユニット７へ転送される。さらに抵抗１６とキャパシタンス１７から成る並列接続体とアース点９との間に測定抵抗１８（シャント抵抗）が設けられており、そこに発生する電圧降下を介してシャフト電流Ｉｓ（ｔ）を計算していっしょに表すことができる。この情報も同軸ケーブルを介して分析ユニット７へ転送される。

時間の関数として測定されたシャフト電圧Ｕ_ｓ（ｔ）もしくは時間の関数として測定されたシャフト電流Ｉ_ｓ（ｔ）には、シャフトのすべての運動に関する情報が含まれることになる。ここでシャフトの運動とは、シャフト２の横方向の曲げ振動（タイプＡの運動）のような振動、シャフト２の振り子運動（タイプＢの運動）、あるいはシャフト２のねじれ運動（タイプＣの運動）である。この関連で振り子運動とは、本来の定格周波数を中心としたロータの回転速度の変動である。これが発生するのはたとえば、一般に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで駆動される電源に妨害が発生したときであり、このような妨害はロータの運動に入力結合され、たとえばその速度を遅くする。そしてこれによってやはり定格周波数を中心としたロータ周波数の振り子運動が引き起こされ、この振り子運動がシステムの固有周波数であると殊にクリティカルなものとなるおそれがある。なぜならば、そのときには振動が激しくなってしまう可能性があるからである。ねじれ振動が発生するのは、電源において突発的に負荷が高まったとき、およびこのような負荷の上昇によって発電機が短期間いくらか制動されたときである（これによってもやはり振り子運動が引き起こされる）。

シャフト電流もしくはシャフト電圧を評価することによって、３つの運動タイプＡ，Ｂ，Ｃすべての診断が可能となる。その際、ねじれ振動（タイプＣ）と振り子運動（タイプＢ）を測定するため有利には、振幅変動の影響を受けない周波数復調方法を用いることができる。曲げ振動（タイプＡ）を測定するためには、振幅復調方法を用いることができる。両方のケースともに、シャフト信号の多数の高調波を使用することができる。

分析のために殊に適していると判明したのは、時間信号Ｕ_ｓ（ｔ）またはＩ_ｓ（ｔ）をフーリエ変換により評価することである。測定精度を高めるために、もしくは入力データのフィルタリングを簡単にするために、搬送波信号（キャリア）もしくはπ／２だけシフトされた相応の搬送波信号をもつ対応する時間信号を、直交検出の目的で混合することができ、別々に実部と虚部を格納してフーリエ変換（ＦＦＴ）することができる。搬送波としてたとえば電源周波数またはその整数倍の周波数が適しており、これは場合によっては電源または適切な他の場所から直接取り出すことができるし、あるいはローカルに発生させることができる。

（典型的には１５Ｖよりも低い範囲にある）入力信号Ｕ_ｓ（ｔ）もしくはＩ_ｓ（ｔ）は最初に、典型的には５ｋＨｚのサンプリングレートをもつアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）においてディジタル化され、ついでディジタル化されたこの時間信号Ｕ_ｓ（ｔ）もしくはＩ_ｓ（ｔ）が部分的にフーリエ変換される。その際、ねじれの分析のために有用であると判明したのは、たとえばそれぞれ６４ｋのデータポイントから成る窓をフーリエ変換することであり、曲げ振動の検査であれば一般に１ｋのデータポイントから成る窓であればすでに十分であって、その理由は対応するスペクトル特性が著しく粗いからである。

さらに信号を、電源周波数に相応するサンプリングレートでサンプリングすることができ、あるいは発電機の極ペア数で分周された電源周波数の整数倍に相応するサンプリングレートでサンプリングすることができる。これにより、このサンプリング周波数を中心とした周波数シフトが発生する。

曲げ振動（タイプＡ）は対応するスペクトルにおいて、シャフト電圧／電流の高調波の側波帯として表され、その際、側波帯は変調周波数を中心に隔てられている。その結果、この種の振動によって信号Ｕ_ｓ（ｔ）もしくはＩ_ｓ（ｔ）の振幅変調が引き起こされ、その際、変調周波数は約１〜３００Ｈｚとなる可能性があり、このような変調はシャフト電圧もしくはシャフト電流の基本波においても、対応する高調波においても見ることができる。したがって曲げ振動は、線またはその側波帯の簡単な観測もしくは分析によって行うことができる。この分析は視覚的に行えるが、自動化も可能である。さらに曲げ振動は、ベースバンドすなわ０Ｈｚを中心とした「側波帯」における周波数線としても表される。

振り子振動（タイプＢ）は通常、ロータの基本周波数を中心に発生する。この振動は回転周波数の急激な変化であり、つまり１秒よりも僅かなタイムスケールでの変化である。フーリエスペクトルにおいてはこれによって、回転周波数の線および高調波の上で線の幅が広がることになる。この場合、幅の広がりつまりは周波数のシフトは、周波数の３〜４パーミルの範囲である。同様に、振り子運動の発生をこの種の線の幅の広がりから視覚的にまたは自動的に識別することができ、たとえばその発生を時間順序で分析することができる。

ねじれ振動（タイプＣ）によれば、一般に周波数が高いことからスペクトルにおいて微細な構造が発生する。ねじれ振動は一般に１００〜２００Ｈｚの範囲にあり、これによってきわめて速い周波数シフトないしは位相シフトがこのタイムスケールにおいて引き起こされる。これもやはりスペクトルにおいて視覚的にまたは自動的に識別することができ、分析することができる。

これまで説明してきた方法は、タイプＡ〜Ｃの運動の簡単な考察だけにしか利用できないわけではなく、これらの運動モードにおいてシャフトアセンブリの相応の固有周波数を求めるためにも利用できる。

この目的でたとえば過渡的な周波数成分が評価される。それというのも、このようにすることによってのみ、固有周波数を推定できるからである。

さらにこれに関連して留意しておきたいのは、本発明による方法はシャフトアセンブリの挙動を長期間にわたり観測するのにきわめて適していることである。なぜならば装置のコストがかなり僅かであり、また、センサすなわちシャフトは必ず存在しているからである。つまり、シャフト２の固有周波数が徐々にゆっくりと変化していくことから、場合によっては点検の必要性があると判定することができ、所期のように適切な点検を計画して実行することができる。

シャフト電圧Ｕ_ｓ（ｔ）もしくはシャフト電流Ｉ_ｓ（ｔ）を時間（ｔ）に依存して測定する装置の概略図

符号の説明

１ タービン
２ シャフト
３ 軸受け
４ 発電機
５ 低抵抗のアースユニット、ＤＥモジュール（Driving End Unit）
６ ＲＣモジュール（高抵抗）
７ 分析ユニット
８ ＤＥモジュールのアース点
９ ＲＣモジュールのアース点
１０ ＤＥモジュールの接触装置
１１ ＲＣモジュールの接触装置
１２ 低オームの抵抗
１３ 高オームの抵抗
１４ 安全装置
１５ 安全装置
１６ 抵抗
１７ キャパシタンス
１８ 測定抵抗（シャント抵抗）

Claims (21)

1. 電気機械のシャフト（２）の振動を捕捉する方法において、
   振動を捕捉するために、シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））を測定し分析することを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記振動は、シャフトの曲げ振動および／またはたわみ振動およびまたは振り子運動であることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   シャフト電圧および／またはシャフト電流の測定のために、前記シャフト（２）において発電機（４）前方の第１の個所にアースユニット（５）を設け、該シャフト（２）において発電機（４）後方の第２の個所で前記シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／または前記シャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））を取り出し、分析ユニット（７）において分析することを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法において、
   高抵抗のＲＣモジュール（６）を設け、該ＲＣモジュールを介してシャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））を取り出すことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、
   分析のため前記シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／または前記シャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））を時間（ｔ）の関数として測定することを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法において、
   前記測定を、電源周波数または発電機の極ペア数で分周された電源周波数の整数倍に対応するサンプリングレートによるサンプリングとして行うことを特徴とする方法。
7. 請求項５または６記載の方法において、
   シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））を分析するため、対応する信号（Ｕ_ｓ（ｔ）、Ｉ_ｓ（ｔ））を該信号に含まれる周波数変調および／または振幅変調および／またはベースバンドの周波数線について調べることを特徴とする方法。
8. 請求項７記載の方法において、
   スペクトラム中の過渡的な過程を評価することを特徴とする方法。
9. 請求項６、７または８記載の方法において、
   搬送波周波数をもつ信号（Ｕ_ｓ（ｔ）、Ｉ_ｓ（ｔ））たとえば電源周波数（π_Ｎｅｔｚ）および極ペア数で分周された整数倍の高調波をもつ信号（Ｕ_ｓ（ｔ）、Ｉ_ｓ（ｔ））を必要に応じて復調またはダウンミキシングした後、部分的にフーリエ変換を行い、結果として得られたスペクトルを線幅の広がりおよび／または側波帯について、および／またはベースバンドの周波数線について分析することを特徴とする方法。
10. 請求項７から９のいずれか１項記載の方法において、
    １〜１０ｋＨｚのサンプリングレートたとえば５ｋＨｚの領域のサンプリングレートにより信号をサンプリングし、次に振り子運動および／またはねじれが発生したときに現れる微細構造を検出するために、前記信号のうち１０ｋ〜１００ｋのデータポイントの領域たとえば６４ｋのデータポイントの領域の区間をそれぞれフーリエ変換し、または０．５ｋ〜１．５ｋのデータポイントの領域たとえば１ｋのデータポイントの領域の区間をそれぞれフーリエ変換（ＦＦＴ）することを特徴とする方法。
11. 請求項１０記載の方法において、
    曲げ振動の指標としてスペクトル中、１〜３００Ｈｚの領域の周波数における過渡的な非高調波の線を評価することを特徴とする方法。
12. 請求項１０または１１記載の方法において、
    振り子運動の指標として、電源周波数または磁極ペア数により分周された電源周波数の倍数の高調波における線の過渡的なシフトまたは幅の広がりを評価することを特徴とする方法。
13. 請求項１０から１２のいずれか１項記載の方法において、
    ねじれ振動の指標として過渡的な位相変調を評価することを特徴とする方法。
14. 請求項８から１３のいずれか１項記載の方法において、
    シャフトアセンブリの固有周波数を捕捉するためにスペクトルの過渡的な成分を評価することを特徴とする方法。
15. 請求項１から１４のいずれか１項記載の方法において、
    前記シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／または前記シャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））から振動特性識別値を求めることを特徴とする方法。
16. 請求項１５記載の方法において、
    前記振動特性識別値は振動固有周波数であり、たとえばａ）水平方向および／または垂直方向の曲げ固有周波数および／またはｂ）ねじれ固有周波数および／またはｃ）振り子運動固有周波数であり、オプションとして付加的に固有周波数における振幅と位相を求めることを特徴とする方法。
17. 請求項１６記載の方法において、
    振動固有周波数または該振動固有周波数の整数倍の高調波が、一般に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚにある定格回転数の＋／−１０％の領域たとえば＋／−５％の領域にあるとき、該振動固有周波数をクリティカルであるとみなすことを特徴とする方法。
18. 請求項１から１７のいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、
    発電機（４）の一方の側であるシャフト（２）の第１の個所に該シャフト（２）の第１のアースユニット（５）が設けられており、
    前記発電機（４）の他方の側である前記シャフト（２）の第２の個所に第２のアースユニット（６）が設けられており、該アースユニットを介してシャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））および／またはシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））が測定され、たとえばシャフトの接触接続のためにそれぞれ金属製のリッツ線が設けられていることを特徴とする装置。
19. 請求項１８記載の装置において、
    前記第１のアースユニット（５）は、シャフト（２）における接触装置（１０）に対する低オームの抵抗（１２）と、アース点（８）に対する高オームの抵抗（１３）を有しており、該高オームの抵抗（１３）と並列に安全装置（１４）が配置されていることを特徴とする装置。
20. 請求項１８または１９記載の装置において、
    前記第２のアースユニット（６）は、シャフト（２）における接触装置（１１）に対する安全装置（１５）と、１つまたは複数の並列に配置されたキャパシタンス（１７）および該キャパシタンス（１７）に並列にアース点（９）に対する抵抗（１６）を有しており、アース点（９）とキャパシタンス（１７）または抵抗（１６）の間に測定抵抗（１８）が配置されており、前記シャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））は安全装置とアース点の間で取り出され、前記シャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））は前記測定抵抗（１８）を介して取り出されることを特徴とする装置。
21. 請求項２０記載の装置において、
    測定されたシャフト電圧（Ｕ_ｓ（ｔ））または測定されたシャフト電流（Ｉ_ｓ（ｔ））は時間の関数として測定され、分析ユニット（７）へ供給され、該分析ユニット（７）は信号（Ｕ_ｓ（ｔ）、Ｉ_ｓ（ｔ））をディジタル化する手段と、ディジタル化された該信号をフーリエ変換する手段と、変換されたデータをスペクトルで表す手段を有しており、たとえば付加的に数値的に所定の判定基準に従い前記シャフト（２）の振動の存在、種類および強度が自動的に求められ、単純化されて表示されることを特徴とする装置。

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