JP2010019228A - Blade random vibration monitoring system of rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動翼と静翼で構成される段落が軸方向で複数設けられてなる回転機械について動翼に生じる可能性のあるランダム振動を監視する翼ランダム振動監視システムに関し、特に発電プラントにおける蒸気タービンなどに好適な翼ランダム振動監視システムに関する。 The present invention relates to a blade random vibration monitoring system for monitoring random vibration that may occur in a moving blade of a rotating machine in which a plurality of paragraphs each including a moving blade and a stationary blade are provided in the axial direction, and particularly in a power plant. The present invention relates to a blade random vibration monitoring system suitable for a steam turbine or the like.
例えば蒸気タービン、ガスタービンあるいは軸流圧縮機などのような翼を有する回転機械は、動翼と静翼で構成される段落を軸方向で複数設けた構造とされるのが通常である。こうした回転機械では、動翼に振動が生じるのを避けられず、特に低負荷領域においては振動監視が求められる。 For example, a rotating machine having blades such as a steam turbine, a gas turbine, or an axial flow compressor is usually configured to have a plurality of stages each including a moving blade and a stationary blade in the axial direction. In such a rotating machine, it is inevitable that vibration is generated in the rotor blade, and vibration monitoring is required particularly in a low load region.
ランダム振動は、動翼に大きな損傷や破壊をもたらすおそれのあるような大きな振動応力を伴う振動で、例えば一般的な発電プラントで用いられている蒸気タービンでは、負荷変化が大きいためランダム振動に対する対策が特に必要である。 Random vibration is vibration with large vibration stress that may cause serious damage or destruction to the rotor blades. For example, in a steam turbine used in a general power plant, the load change is large, so measures against random vibration are taken. Is particularly necessary.
発電業界では、原子力発電プラントをベースロード運転とし、負荷側の電力需要に応じた供給調整は火力発電プラントで行うという体制が一般的に採られている。このような場合、火力発電プラントの蒸気タービンには、負荷追従運転のために広い負荷範囲が求められることから、大きな負荷変動が避けられず、ランダム振動域に入るおそれのあるような負荷での運転の可能性が少なからずあり、しかも火力発電プラント向け蒸気タービンでは、車室数を減らして長翼化させる傾向により、こうしたランダム振動問題がさらに助長される可能性がある。 In the power generation industry, a system is generally adopted in which a nuclear power plant is used as a base load operation, and supply adjustment according to power demand on the load side is performed in a thermal power plant. In such a case, the steam turbine of a thermal power plant requires a wide load range for load following operation, so a large load fluctuation is unavoidable and the load is likely to enter a random vibration range. There is considerable possibility of operation, and in a steam turbine for a thermal power plant, such a random vibration problem may be further promoted by the tendency to reduce the number of passenger compartments and make the blades longer.
また原子力発電プラントについても、原子力発電の割合が増加して電力供給調整を火力発電プラントだけに頼ることが困難となった場合、広い範囲での出力調整が求められるようになる可能性がある。この場合、原子力発電プラントの蒸気タービンは、火力発電プラントの蒸気タービンより出力が大きく体積流量が大きいのが一般的で、大容量機ほど低圧タービン後方段が長翼化してランダム振動を生じ易くなる傾向にあり、負荷追従運転により、ランダム振動域に入るおそれのある負荷で蒸気タービンを運転する可能性が高くなる。 In addition, for nuclear power plants, if it becomes difficult to rely only on thermal power plants for power supply adjustment due to an increase in the ratio of nuclear power generation, there is a possibility that output adjustment in a wide range may be required. In this case, the steam turbine of a nuclear power plant generally has a larger output and a larger volume flow rate than the steam turbine of a thermal power plant. The larger the capacity, the longer the low-pressure turbine rear stage becomes and the more likely it is to generate random vibration. There is a tendency, and the load following operation increases the possibility of operating the steam turbine with a load that may enter a random vibration range.
さらに発電プラントでは、試運転期間中に通常運転時よりも幅の広い負荷範囲で調整運転を行うことが少なからずあり、その場合にもランダム振動域に入るおそれのあるような負荷で蒸気タービンが運転される可能性がある。 Furthermore, in power plants, there are not a few cases where adjustment operation is performed in a wider load range than during normal operation during the trial operation period, and even in this case, the steam turbine operates with a load that may enter the random vibration range. There is a possibility that.
こうしたことから発電プラントにおける蒸気タービンでは動翼のランダム振動についての監視、つまりランダム振動の発生を事前に判定できるようにし、ランダム振動が発生するような状態になったら、蒸気タービンの運転制限に関する警報を発してランダム振動の発生を回避できるように、翼ランダム振動監視を任意の段落における動翼を監視対象として行なえるようにするのが重要となる。 For this reason, steam turbines in power plants can monitor the random vibrations of the rotor blades, that is, enable the occurrence of random vibrations to be determined in advance. It is important that the blade random vibration monitoring can be performed on the moving blade in any paragraph as a monitoring target so that the occurrence of random vibration can be avoided.
翼ランダム振動監視は、原理的には動翼における実際の振動応力をランダム振動域入りについての指標として行うことが可能で、そのようにすることで最も精度の高い監視を行うことができる。しかし、動翼が回転する要素であることから、動翼振動応力の直接計測を実機に適用することは実際的には困難である。そのため翼ランダム振動監視を実用的に行えるようにするには、振動応力以外をランダム振動域入りについての指標とする必要がある。 In principle, the blade random vibration monitoring can be performed by using the actual vibration stress in the moving blade as an index for entering the random vibration region. By doing so, the most accurate monitoring can be performed. However, since the moving blade is a rotating element, it is practically difficult to apply the direct measurement of the moving blade vibration stress to the actual machine. Therefore, in order to be able to perform blade random vibration monitoring practically, it is necessary to use indices other than vibration stress as an index for entering a random vibration region.
そうした翼ランダム振動監視としては、例えば特許文献1〜特許文献3に開示の各技術が知られている。これら従来技術では、監視対象とする段落における動翼の近傍における変動圧力(時間的に大きさが変化する圧力)を計測し、その変動圧力計測値に基づいてランダム振動発生の事前判定を行えるようにし(特許文献1や特許文献2)、また軸流マッハ数と排気圧力を用いてランダム振動発生の事前判定を行えるようにしている(特許文献3)。
As such blade random vibration monitoring, for example, each technique disclosed in
上述のような翼ランダム振動監視には、例えば特許文献3にも説明されているように、ランダム振動の発生ありと判定された場合に必要となる運転制限に関する問題が伴う。すなわち運転制限をできるだけ少なくするように運転制限の最適化を図り、しかもランダム振動の発生を確実に回避できるようにしなければならないという問題である。こうした運転制限問題は、上述のようにランダム振動域に入る可能性のあるような低負荷運転の機会が増える傾向にある電力プラントにおける蒸気タービンではますます重要になってきているが、これについて従来の技術は必ずしも十分な解決を与えているとはいえない。
The blade random vibration monitoring as described above involves a problem related to operation restriction that is required when it is determined that random vibration is generated, as described in
例えば特許文献3の場合、軸流マッハ数と排気圧力を用いてランダム振動発生の事前判定を行うようにすることで、運転制限領域を狭めることができるようにしている。しかし軸流マッハ数や排気圧力は動翼の振動に相関するとしても、振動応力との高い相関性に基づく指標を用いていないので、その精度は必ずしも高くないし、また安定的なものでなく、運転制限警報の発報に関する制限値がある程度大まかになるのを避けられず、それに応じて不要な運転制限がなされる可能性が大きくなる。
For example, in the case of
また変動圧力を指標とする特許文献1や特許文献2の技術にも同様のことがいえる。すなわち変動圧力に基づいてランダム振動の発生を事前に判定する手法で運転制限の最適化とランダム振動の確実回避を達成するには、変動圧力について設定する制限値と実際に動翼に損傷や破壊をもたらす振動応力の制限値との対応に直接的な言及がみられないなど、特許文献1や特許文献2の技術は必ずしも十分とはいえない。
The same can be said for the techniques of
本発明は以上のような事情を背景になされたものであり、その課題は、蒸気タービンなどのような回転機械について、動翼のランダム振動の確実な回避を可能としつつ、運転制限の最適化を図ることのできる翼ランダム振動監視システムの提供にある。 The present invention has been made in the background of the above circumstances, and its problem is to optimize operational restrictions for a rotating machine such as a steam turbine while reliably avoiding random vibration of moving blades. It is to provide a wing random vibration monitoring system that can achieve this.
本願発明の発明者等は、動翼における振動応力と動翼近傍における変動圧力の相関性に着目し、タービンモデルによる試験と解析を様々な角度から行ってきた。その結果得られた知見によると、環帯速度(環帯流速とも呼ばれる)を介した振動応力と変動圧力の間に相関性があることである。具体的には以下の通りである。 The inventors of the present invention focused on the correlation between the vibration stress in the moving blade and the fluctuating pressure in the vicinity of the moving blade, and have conducted tests and analyzes using a turbine model from various angles. According to the knowledge obtained as a result, there is a correlation between the vibrational stress and the fluctuating pressure via the annular velocity (also called the annular velocity). Specifically, it is as follows.
変動圧力としては、特定の部位における変動圧力である監視位置変動圧力を用いる。具体的には、監視対象動翼に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラム(外部ダイアフラム)と静翼で囲まれた流路での変動圧力を監視位置変動圧力として用いる。そしてその監視位置変動圧力について、環帯速度を一方の軸(通常は横軸)とし、変動圧力を他方の軸(通常は縦軸)とする環帯速度-変動圧力座標系上で監視位置変動圧力を監視対象動翼段落の出口における環帯速度である監視位置環帯速度に対応させてプロットすることにより環帯速度-変動圧力特性曲線を求める。その一方で、環帯速度を一方の軸とし振動応力を他方の軸とする環帯速度-振動応力座標系上で監視対象動翼の振動応力を監視位置環帯速度に対応させてプロットすることにより環帯速度-振動応力特性曲線を求める。 As the fluctuating pressure, a monitoring position fluctuating pressure that is a fluctuating pressure at a specific part is used. Specifically, the fluctuating pressure in the flow path surrounded by the diaphragm (external diaphragm) and the stationary blade on the upstream side or downstream side adjacent to the monitoring target moving blade is used as the monitoring position changing pressure. For the monitoring position fluctuation pressure, the monitoring position fluctuation on the ring speed-fluctuation pressure coordinate system with the ring speed as one axis (usually the horizontal axis) and the fluctuation pressure as the other axis (usually the vertical axis) Annular velocity-fluctuating pressure characteristic curve is obtained by plotting the pressure in correspondence with the monitoring position annular velocity which is the annular velocity at the outlet of the monitored moving blade stage. On the other hand, plot the vibration stress of the monitored blade in relation to the monitoring position ring speed on the ring speed-vibration stress coordinate system with the ring speed as one axis and the vibration stress as the other axis. To obtain the annulus velocity-vibration stress characteristic curve.
これらの環帯速度-変動圧力特性曲線と環帯速度-振動応力特性曲線にはきわめて高い正の相関性がある。そのため監視対象の動翼に関する環帯速度-振動応力特性曲線と当該動翼における振動応力制限値(これは材料強度などに基づいた動翼の疲労限度などとして決定される)の環帯速度-振動応力座標系上での交点を求めるとともに、その交点に対応する環帯速度を環帯速度-振動応力座標系上で求め、そしてその環帯速度に対応する変動圧力を環帯速度-変動圧力座標系上で求める。すると、その変動圧力は、監視位置変動圧力をランダム振動域入りについての指標としてランダム振動発生の事前判定を行うについての制限値としてきわめて精度の高いものとなり、運転制限を最小限として運転制限の最適化を図りつつ、ランダム振動の確実回避を可能とする運転制限値になる。 These annulus velocity-fluctuating pressure characteristic curves and annulus velocity-vibration stress characteristic curves have a very high positive correlation. Therefore, the annular velocity-vibration stress characteristic curve for the monitored moving blade and the vibrational stress limit value for the moving blade (this is determined as the fatigue limit of the moving blade based on material strength, etc.) The intersection point on the stress coordinate system is obtained, the ring speed corresponding to the intersection point is obtained on the ring speed-vibration stress coordinate system, and the fluctuating pressure corresponding to the ring speed is obtained from the ring speed-fluctuating pressure coordinate. Ask on the system. Then, the fluctuating pressure becomes extremely accurate as a limit value for performing the preliminary determination of the occurrence of random vibration using the monitoring position fluctuating pressure as an index for entering the random vibration range, and the operation restriction is optimized by minimizing the operation restriction. It becomes an operation limit value that enables reliable avoidance of random vibration while achieving the above.
本発明では以上のような知見に基づいて上記課題を解決する。したがって本発明は、動翼と静翼で構成される段落が軸方向で複数設けられた回転機械について、前記動翼に生じる可能性のあるランダム振動を任意の前記段落における前記動翼を対象として監視するための翼ランダム振動監視システムにおいて、監視対象動翼に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた流路での変動圧力である監視位置変動圧力を当該監視位置変動圧力に関して予め設定してある運転制限値に基づいて判定し、前記監視位置変動圧力が前記運転制限値を超えた場合に警報を発するようにされており、前記運転制限値は、環帯速度を一方の軸とし振動応力を他方の軸とする環帯速度-振動応力座標系上で、前記監視対象動翼の振動応力を監視対象動翼段落の出口における環帯速度である監視位置環帯速度に対応させてプロットして得られる環帯速度-振動応力特性曲線、及び環帯速度を一方の軸とし、変動圧力を他方の軸とする環帯速度-変動圧力座標系上で、前記監視位置変動圧力を前記監視位置環帯速度に対応させてプロットして得られる環帯速度-変動圧力特性曲線に基づいて求めるものとし、そして前記監視対象動翼に関する前記環帯速度-振動応力特性曲線と振動応力制限値の前記環帯速度-振動応力座標系上での交点を求めるとともに、その交点に対応する環帯速度を前記環帯速度-振動応力座標系上で求め、さらにその環帯速度に対応する変動圧力を前記環帯速度-変動圧力座標系上で求め、その変動圧力を前記運転制限値とするようにされていることを特徴としている。 The present invention solves the above problems based on the above knowledge. Therefore, the present invention is directed to the rotating blades in any of the above paragraphs for random vibrations that may occur in the moving blades of a rotary machine in which a plurality of paragraphs composed of moving blades and stationary blades are provided in the axial direction. In the blade random vibration monitoring system for monitoring, the monitoring position fluctuation pressure, which is the fluctuation pressure in the flow path surrounded by the diaphragm and the stationary blade on the upstream side or downstream side adjacent to the monitoring target moving blade, is detected. Is determined based on an operation limit value set in advance, and an alarm is issued when the monitored position fluctuation pressure exceeds the operation limit value. On the ring velocity-vibration stress coordinate system with the vibration stress as the other axis and the vibration stress of the monitored moving blade, the vibration position of the monitored moving blade is the ring position velocity at the exit of the monitored moving blade stage. On the annular velocity-fluctuating pressure coordinate system, the annular velocity-vibration stress characteristic curve obtained by plotting in accordance with the degree of vibration and the annular velocity as one axis and the fluctuating pressure as the other axis The position fluctuation pressure is obtained on the basis of the ring speed-fluctuation pressure characteristic curve obtained by plotting the position fluctuation pressure corresponding to the monitoring position ring speed, and the ring speed-vibration stress characteristic curve regarding the monitored moving blade And the vibrational stress limit value on the ring velocity-vibration stress coordinate system, the ring velocity corresponding to the intersection is obtained on the ring velocity-vibration stress coordinate system, and the ring velocity The variation pressure corresponding to is obtained on the annular velocity-variation pressure coordinate system, and the variation pressure is set as the operation limit value.
以上のような翼ランダム振動監視システムにおける監視位置環帯速度は監視対象動翼段落の出口の体積流量、つまり監視位置体積流量で置き換えることができる。したがって本発明は、動翼と静翼で構成される段落が軸方向で複数設けられた回転機械について、前記動翼に生じる可能性のあるランダム振動を任意の前記段落における前記動翼を対象として監視するための翼ランダム振動監視システムにおいて、監視対象動翼に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた流路での変動圧力である監視位置変動圧力を当該監視位置変動圧力に関して予め設定してある運転制限値に基づいて判定し、前記監視位置変動圧力が前記運転制限値を超えた場合に警報を発するようにされており、前記運転制限値は、体積流量を一方の軸とし振動応力を他方の軸とする体積流量-振動応力座標系上で、前記監視対象動翼の振動応力を監視対象動翼段落の出口における体積流量である監視位置体積流量に対応させてプロットして得られる体積流量-振動応力特性曲線、及び体積流量を一方の軸とし、変動圧力を他方の軸とする体積流量-変動圧力座標系上で、前記監視位置変動圧力を前記監視位置体積流量に対応させてプロットして得られる体積流量-変動圧力特性曲線に基づいて求めるものとし、そして前記監視対象動翼に関する前記体積流量-振動応力特性曲線と振動応力制限値の前記体積流量-振動応力座標系上での交点を求めるとともに、その交点に対応する体積流量を前記体積流量-振動応力座標系上で求め、さらにその体積流量に対応する変動圧力を前記体積流量-変動圧力座標系上で求め、その変動圧力を前記運転制限値とするようにされていることを特徴としている。 The monitoring position ring speed in the blade random vibration monitoring system as described above can be replaced with the volume flow rate at the outlet of the monitored moving blade stage, that is, the monitoring position volume flow rate. Therefore, the present invention is directed to the rotating blades in any of the above paragraphs for random vibration that may occur in the moving blades of a rotating machine in which a plurality of paragraphs each including a moving blade and a stationary blade are provided in the axial direction. In the blade random vibration monitoring system for monitoring, the monitoring position fluctuation pressure, which is the fluctuation pressure in the flow path surrounded by the diaphragm and the stationary blade on the upstream side or downstream side adjacent to the monitoring target moving blade, is detected. Is determined based on a preset operation limit value, and an alarm is issued when the monitored position fluctuation pressure exceeds the operation limit value. On the volume flow-vibration stress coordinate system with the vibration stress as the axis and the vibration flow as the other axis, the vibration stress of the monitored moving blade is the volume flow rate at the outlet of the monitored moving blade stage. On the volume flow-vibration pressure coordinate system where the volume flow rate-vibration stress characteristic curve obtained by plotting in accordance with the volume and the volume flow rate as one axis and the fluctuating pressure as the other axis, the monitored position fluctuation pressure Of the volume flow rate-vibration stress characteristic curve and the vibration stress limit value for the monitored moving blade. Obtaining an intersection point on the volume flow rate-vibration stress coordinate system, obtaining a volume flow rate corresponding to the intersection point on the volume flow rate-vibration stress coordinate system, and further calculating a fluctuating pressure corresponding to the volume flow rate- It is obtained on a fluctuating pressure coordinate system, and the fluctuating pressure is set as the operation limit value.
また本発明では、上記のような翼ランダム振動監視システムについて、前記ダイアフラム壁面又は静翼の翼面に設けた圧力センサを介して前記監視位置変動圧力の計測をなすようにするのを好ましい形態としている。 According to the present invention, in the blade random vibration monitoring system as described above, the monitoring position fluctuation pressure is preferably measured through a pressure sensor provided on the diaphragm wall surface or the blade surface of the stationary blade. Yes.
以上のような本発明によれば、蒸気タービンなどのような回転機械について、動翼のランダム振動の確実な回避をなしつつ、運転制限の最適化を図ることのできるようになる。 According to the present invention as described above, it is possible to optimize operation restrictions for a rotary machine such as a steam turbine while reliably avoiding random vibration of the moving blades.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明による翼ランダム振動監視システムは、一例として、図1に示すような原子力発電プラントに適用される。図1の原子力発電プラントは沸騰水型の典型的な例で、原子炉圧力容器1の炉心2における核分裂反応で発生する熱を用いて水を沸騰させることで高温高圧の蒸気を発生させる。発生させた蒸気は、主蒸気配管3を流下して高圧タービン4に流入する。高圧タービン4で仕事をした蒸気は、図示を省略の湿分分離過熱器を通って低圧タービン5に流入する。低圧タービン5はロータ6を介して発電機7に回転動力を伝え、それにより発電機7が回転駆動して発電がなされる。低圧タービン5で仕事をした蒸気は、低圧タービン出口から復水器8へ導かれ、そこで凝縮されて復水となる。そして復水器8で生成された復水は、復水ポンプ9で昇圧されて、図示しない給水加熱器および給水ポンプなどを経て、原子炉圧力容器1に戻される。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. The blade random vibration monitoring system according to the present invention is applied to a nuclear power plant as shown in FIG. 1 as an example. The nuclear power plant in FIG. 1 is a typical example of a boiling water type, and generates high-temperature and high-pressure steam by boiling water using heat generated in a fission reaction in the
以上のような原子力発電プラントにあって、本発明による翼ランダム振動監視システムは、例えば低圧タービン5に適用される。図2に、低圧タービン5に適用した場合の第1の実施形態による翼ランダム振動監視システム11の構成を低圧タービン5に対する関係とともに模式化して示す。翼ランダム振動監視システム11は、上記のように低圧タービン5に適用される。したがって翼ランダム振動監視システム11は、翼ランダム振動の監視対象とする回転機械が蒸気タービンの場合の例となる。
In the nuclear power plant as described above, the blade random vibration monitoring system according to the present invention is applied to, for example, the low-
低圧タービン5は、複流型であり、対称的な左右の各タービン部5L、5Rを有している。各タービン部5L、5Rは、ダイアフラムに固定的に支持されて静止状態にある静翼12とロータ6に植え込まれて回転可能な状態にある動翼13で構成される段落を複数、図の例では下流側から上流側に向かってL-0段、L-1段、L-2段、L-3段として4段、設けて構成され、高圧タービン4からの蒸気14が左右に分流してそれぞれに流入するようにされている。なお、このような複流型の場合、翼ランダム振動監視は各タービン部5L、5Rについてなされることになるが、図2では翼ランダム振動監視システム11の構成を左側タービン部5Lに関する部分だけを示し、右側タービン部5Rについては同一の構成であるとして図示を省略してある。なお、以下ではL-0段、L-1段、L-2段、L-3段それぞれにおける段落番号0〜3に対応させてi=0〜3を各段落に関するデータなどの区別に用いるものとする。
The low-
翼ランダム振動監視システム11は、動翼13に生じる可能性のあるランダム振動を任意の段落について監視するのに機能し、そのために圧力計測装置15と警報装置16を備えている。
The blade random vibration monitoring system 11 functions to monitor a random vibration that may occur in the moving
圧力計測装置15は、ランダム振動監視でランダム振動域についての指標とする監視位置変動圧力、つまり監視対象の動翼(図の例では翼長の長いL-0段、L-1段、L-2段それぞれにおける動翼が監視対象とされている)に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた蒸気流路(流体流路)での変動圧力を計測する。圧力計測装置15による監視位置変動圧力の計測は、監視位置変動圧力を検出できるようにして低圧タービン5に設けられる圧力センサ17により電圧信号として得られる圧力検出信号Viを変換して実測圧力値Piを求めることでなされる。したがって圧力計測装置15からは、監視対象の動翼に対応する各段落について、監視位置変動圧力に関する実測圧力値Piが時刻歴波形として出力される。図3に、実測圧力値Piの時刻歴波形の一例を示す。この時刻歴波形は試験的に生じさせたランダム振動状態時のものである。
The
図4と図5に圧力センサ17の設置構造の例を示す。ここで、内周および外周という用語は、蒸気流路でみた場合の内周および外周を指す。図4は、静翼12を固定的に支持する要素であるダイアフラム18を内周側から外周壁面をみた状態を模式化して示しており、図5は、L-0、L-1、L-2の各段落について子午面で断面した状態を模式化して示している。図4と図5の例では、監視対象の動翼(例えばL-0段の動翼13)の直近の静翼(例えばL-0段の静翼12)を支持しているダイアフラム18の外周壁面および下流側排気部の外周壁面にそれぞれ圧力センサ17を設けており、これにより監視対象の動翼に隣接する上流側または下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた蒸気流路での変動圧力を監視位置変動圧力として計測できるようにしている。なお監視対象がL-0段の場合は、L-0段動翼下流側にダイアフラムおよび静翼は通常存在しないので、ダイアフラムと静翼で囲まれた蒸気流路という表現は、L-0段排気部の内・外周壁面で囲まれた蒸気通路に置き換えることができる。ここで、圧力センサ17には、半導体型圧力センサなど、例えば共振周波数が数10k〜数100kHzといったように周波数応答範囲が広いものを用いるのが望ましい。
4 and 5 show examples of the installation structure of the
警報装置16は、監視対象の動翼がランダム振動域に入るのを判定し、ランダム振動域に入ると判定されたら運転制限についての警報を発する。動翼のランダム振動域入りの判定は、実測圧力値Piの変動成分として得られる監視位置変動圧力を指標として行う。ここで、変動成分として実測圧力値Piの標準偏差を用いるのが好ましく、本実施形態でもそのようにしている。そのために警報装置16は、標準偏差演算部21、制限値データベース22、及び警報部23を備えている。
The
標準偏差演算部21は、圧力計測装置15から提供される実測圧力値Piについて、適宜なサンプリング間隔での標準偏差σpi(実測変動圧力標準偏差σpi)を求める。
The standard
制限値データベース22は、ランダム振動域についての指標とする監視位置変動圧力に関して後述するようにして求められる運転制限値σpi_threを監視対象の動翼に対応する段落ごとに格納するのに用いられる。 The limit value database 22 is used to store the operation limit value σ pi_thre obtained as described later with respect to the monitored position fluctuation pressure as an index for the random vibration range for each paragraph corresponding to the moving blade to be monitored.
警報部23は、判定部24を備えており、標準偏差演算部21から提供される実測変動圧力標準偏差σpiと制限値データベース22から取り込む運転制限値σpi_threについてσpi≧σpi_threを判定し、その判定の結果が肯定的になった場合に警報を発する。
The
以下では運転制限値σpi_threの求め方について説明する。運転制限値σpi_threは、図6の(a)に示すような環帯速度-振動応力特性曲線Cviと図6の(b)に示すような環帯速度-変動圧力特性曲線Cpiを用いて求める。ここで、環帯速度-振動応力特性曲線Cviは、環帯速度を横軸とし振動応力を縦軸とする環帯速度-振動応力座標系上で得られる曲線であり、監視対象動翼の振動応力を監視位置環帯速度、つまり監視対象動翼段落の出口における環帯速度に対応させてプロットすることで得られる。一方、環帯速度-変動圧力特性曲線Cpiは、環帯速度を横軸とし変動圧力、具体的には変動圧力の標準偏差を縦軸とする環帯速度-変動圧力座標系上で得られる曲線であり、監視位置変動圧力を監視位置環帯速度に対応させてプロットして得られる。 Hereinafter, a method of obtaining the operation limit value σ pi_thre will be described. The operation limit value σ pi_thre is obtained using an annular velocity-vibration stress characteristic curve Cvi as shown in FIG. 6A and an annular velocity-variable pressure characteristic curve Cpi as shown in FIG. 6B. . Here, the ring speed-vibration stress characteristic curve Cvi is a curve obtained on the ring speed-vibration stress coordinate system in which the ring speed is the horizontal axis and the vibration stress is the vertical axis. The stress is obtained by plotting the stress corresponding to the monitored position annular velocity, that is, the annular velocity at the outlet of the monitored moving blade stage. On the other hand, the annular velocity-variable pressure characteristic curve Cpi is a curve obtained on the annular velocity-variable pressure coordinate system with the annular velocity as the horizontal axis and the variable pressure, specifically, the standard deviation of the variable pressure as the vertical axis. It is obtained by plotting the monitoring position fluctuation pressure corresponding to the monitoring position ring speed.
これら環帯速度-振動応力特性曲線Cviと環帯速度-変動圧力特性曲線Cpiには、図6にみられるように、きわめて高い正の相関性がある。こうした相関性を利用して運転制限値σpi_threを求める。具体的には、まず材料強度などに基づいた動翼の疲労限度など(適宜安全率を考慮したもの)として監視対象の動翼の振動応力制限値Si_threを求め、この振動応力制限値Si_threと監視対象の動翼に関する環帯速度-振動応力特性曲線Cviの交点Taを環帯速度-振動応力座標系上で求める。なお、振動応力制限値Si_threの環帯速度-振動応力特性曲線Cviに対する交点は2つあるが、環帯速度の大きい側の交点を交点Taとする。それから交点Taに対応する環帯速度Ui_threを環帯速度-変動圧力座標系上で求め、そしてその環帯速度Ui_threに対応する変動圧力、つまり環帯速度Ui_threと環帯速度-変動圧力特性曲線Cpiの交点Tbに対応する変動圧力(変動圧力の標準偏差)として変動圧力制限値σpi_threを求め、これを運転制限値σpi_threとし、運転制限値σpi_threより変動圧力の大きい範囲(図におけるハッチング部分)を運転制限について警報を発する範囲とする。 As shown in FIG. 6, the annular velocity-vibration stress characteristic curve Cvi and the annular velocity-variable pressure characteristic curve Cpi have a very high positive correlation. The operation limit value σ pi_thre is obtained using such correlation. Specifically, first, the vibration stress limit value S i_thre of the moving blade to be monitored is obtained as a fatigue limit of the rotor blade based on material strength or the like (appropriately considering the safety factor), and this vibration stress limit value S i_thre is obtained. And the intersection Ta of the ring velocity-vibration stress characteristic curve Cvi regarding the moving blade to be monitored are obtained on the ring velocity-vibration stress coordinate system. There are two intersections of the vibrational stress limit value S i_thre with the annular velocity-vibration stress characteristic curve Cvi, and the intersection on the side with the larger annular velocity is the intersection Ta. Then annulus velocity U I_thre the annulus speed corresponding to the intersection Ta - calculated on fluctuating pressure coordinate system, and variable pressure, i.e. annulus velocity U I_thre and annulus velocity corresponding to the annulus velocity U i_thre - fluctuating pressure A fluctuation pressure limit value σ pi_thre is obtained as a fluctuation pressure (standard deviation of the fluctuation pressure) corresponding to the intersection Tb of the characteristic curve Cpi, and this is set as an operation limit value σ pi_thre, and a range in which the fluctuation pressure is larger than the operation limit value σ pi_thre (see FIG. The hatched part in Fig. 2 is the range where warnings are issued for driving restrictions.
以上のように求められる運転制限値σpi_threは、監視位置変動圧力をランダム振動域入りについての指標として動翼のランダム振動発生の事前判定を行って運転制限警報を発するについての制限値としてきわめて精度の高いものとなる。つまり運転制限値σpi_threは、運転制限を最小限として運転制限の最適化を図りつつ、ランダム振動を確実に回避することを可能とする運転制限値になるということである。 The operation limit value σ pi_thre obtained as described above is extremely accurate as a limit value for issuing an operation limit alarm by making a prior determination of the occurrence of random vibration of the rotor blade using the monitoring position fluctuation pressure as an index for entering the random vibration range. Will be expensive. In other words, the operation limit value σ pi_thre is an operation limit value that makes it possible to reliably avoid random vibration while optimizing the operation limit with the operation limit as a minimum.
ここで、環帯速度-振動応力特性曲線Cviと環帯速度-変動圧力特性曲線Cpiは、翼ランダム振動について監視対象とする蒸気タービンと同様な構成のモデル蒸気タービンについて実機運転条件に基づいた試験を行うことで求めることになる。またその試験では、監視対象動翼に対応する段落(段落番号i=0〜n)ごとに環帯速度-振動応力特性曲線Cviと環帯速度-変動圧力特性曲線Cpi求め、それらから得られる監視対象動翼ごとの運転制限値σpi_threを制限値データベース22に格納して用いる。 Here, the ring speed-vibration stress characteristic curve Cvi and the ring speed-fluctuating pressure characteristic curve Cpi are tests based on actual operating conditions for a model steam turbine having the same configuration as the steam turbine to be monitored for blade random vibration. It will be asked by doing. In the test, the ring speed-vibration stress characteristic curve Cvi and the ring speed-fluctuating pressure characteristic curve Cpi are obtained for each paragraph (paragraph number i = 0 to n) corresponding to the monitored moving blade, and the monitoring obtained from them. The operation limit value σ pi_thre for each target blade is stored in the limit value database 22 and used.
以上のような翼ランダム振動監視システム11における監視位置環帯速度は、監視対象の動翼に対応する段落における段落出口の体積流量で置き換えることができる。そのようにする場合には、監視対象の動翼に対応する段落における段落出口の体積流量である監視位置体積流量を監視位置環帯速度に代えて用い、また環帯速度-振動応力特性曲線に代えて体積流量-振動応力特性曲線を用い、環帯速度-変動圧力特性曲線に代えて体積流量-変動圧力特性曲線を用いることになる。 The monitoring position ring speed in the blade random vibration monitoring system 11 as described above can be replaced with the volume flow rate at the paragraph outlet in the paragraph corresponding to the moving blade to be monitored. In such a case, the monitoring position volume flow rate, which is the volume flow rate at the exit of the paragraph corresponding to the moving blade to be monitored, is used instead of the monitoring position annular velocity, and the annular velocity-vibration stress characteristic curve is used. Instead, a volume flow rate-vibration stress characteristic curve is used, and a volume flow rate-fluctuation pressure characteristic curve is used instead of the annular velocity-fluctuation pressure characteristic curve.
図7に、第2の実施形態による翼ランダム振動監視システム31の構成を低圧タービン5に対する関係とともに模式化して示す。本実施形態の翼ランダム振動監視システム31は、基本的には図2の翼ランダム振動監視システム11と同様で、トレンド作成装置32を備えている点に特徴がある。したがって以下では翼ランダム振動監視システム31に特徴的な構成について主に説明し、翼ランダム振動監視システム11と共通する構成については上での説明を援用するものとする。なお、図7では警報装置16を簡略化して示してあるが、その詳細構成は上で説明したのと同様である。
FIG. 7 schematically shows the configuration of the blade random
トレンド作成装置32は、環帯速度算出部33、特性曲線データベース34、及びトレンド作成部35を備えている。環帯速度算出部33は、監視中の低圧タービン5における監視対象の動翼に対応する段落のそれぞれについて実際の環帯速度を算出する。環帯速度算出部33による環帯速度算出処理は、一例として、図8に示す流れにしたがってなされる。すなわち低圧タービン5に接続する発電機の出力、低圧タービン5における各段落の入口・出口や抽気段落の圧力及び温度などの実測データを取得し、それから熱・流量バランス計算により各監視対象段落の段落質量流量や抽気段落抽気量などを求める。そして監視対象段落の段落質量流量、実測圧力値Pi(これは適宜なサンプリング間隔での平均値として用いる)、比体積、及び環状流路面積などから環帯速度を算出する。
The
環帯速度算出については、以上の方法の他に、必要な個所に直接的にセンサ類を設置してデータを取得する方法を用いることもできる。ただ、熱・流量バランス計算を利用する上記の方法は、低圧タービン5への各種センサ類の配設に伴うタービンケーシングの加工などを必要とせず、それだけ簡便であり、しかも適度な精度を確保できるという点で優れている。
In addition to the above method, the ring speed calculation can be performed by a method in which sensors are directly installed at necessary locations to acquire data. However, the above-described method using the heat / flow rate balance calculation does not require processing of the turbine casing accompanying the arrangement of various sensors to the low-
特性曲線データベース34は、上述のようにして得られる環帯速度-変動圧力特性曲線を低圧タービン5における監視対象の動翼に対応する段落ごとに格納するのに用いられる。
The
トレンド作成部35は、環帯速度-変動圧力特性曲線上での実測圧力値トレンドを作成する。具体的には、図9に示すように、特性曲線データベース34から得られる環帯速度-変動圧力特性曲線Cpi上に実測圧力値Piの標準偏差σpiを環帯速度算出部33から得られる実環帯速度とともにプロットすることで実測圧力値トレンドを作成する。この場合、プロットの時間間隔は、サンプリング間隔に依存することになるが、そのサンプリング間隔の設定として任意に設定することができる。
The
トレンド作成装置32が作成した実測圧力値トレンドは、例えばモニタ装置などに表示される。したがって翼ランダム振動監視システム31では、環帯速度-変動圧力特性曲線上で実測圧力値のトレンドを監視しながら低圧タービン5の運転を行うことが可能となる。
The measured pressure value trend created by the
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば上記実施形態では、圧力センサをダイアフラムの外周壁面に設けるようにしていたが、このようにする必要は必ずしもない。要は、監視位置変動圧力、つまり監視対象動翼に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた流路での変動圧力を適切に検出できるように圧力センサを設置すればよく、例えば監視対象の動翼に隣接する静翼の翼面上、あるいはその静翼の近傍の流路側壁面などに設けるようにしてもよい。また圧力センサについては、監視対象の段落ごとに複数設けるようにしてもよく、そのようにする場合には、圧力センサの設置位置ごとに環帯速度-変動圧力特性曲線と環帯速度-振動応力特性曲線を求め、それにより得られる圧力センサの設置位置ごとの変動圧力制限値を運転制限値として用いるようにすることもできる。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, these are only representative examples, This invention can be implemented with various forms in the range which does not deviate from the meaning. For example, in the above-described embodiment, the pressure sensor is provided on the outer peripheral wall surface of the diaphragm, but it is not always necessary to do so. In short, it is only necessary to install a pressure sensor so that the monitoring position fluctuating pressure, that is, the fluctuating pressure in the flow path surrounded by the diaphragm and stationary blade on the upstream side or downstream side adjacent to the moving blade to be monitored can be detected appropriately. For example, it may be provided on the blade surface of the stationary blade adjacent to the moving blade to be monitored, or on the channel side wall surface in the vicinity of the stationary blade. A plurality of pressure sensors may be provided for each paragraph to be monitored. In such a case, the annular velocity-fluctuating pressure characteristic curve and the annular velocity-vibration stress for each installation position of the pressure sensor. It is also possible to obtain a characteristic curve and use the fluctuating pressure limit value for each installation position of the pressure sensor obtained thereby as the operation limit value.
また上記実施形態では、L-0段からL-2段までを監視対象としていたが、今後さらに長翼化が進むと、さらに上流側でもランダム振動が問題になる可能性もある。そのように場合は、L-2段より上流側の段落も対象とすることになる。 In the above embodiment, the L-0 stage to the L-2 stage are monitored, but if the blades are further increased in the future, random vibration may become a problem even further upstream. In such a case, the paragraph upstream of the L-2 stage is also targeted.
また上記実施形態では、蒸気タービンを対象としていたが、動翼にランダム振動が発生する可能性のある回転機械であれば、その種類を問わずに本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, the steam turbine is a target. However, the present invention can be applied to any rotating machine that may generate random vibrations on the moving blades.
5 低圧タービン(回転機械)
11、31 翼ランダム振動監視システム
12 静翼
13 動翼
17 圧力センサ
18 ダイアフラム
Cvi 環帯速度-振動応力特性曲線
Cpi 環帯速度-変動圧力特性曲線
L-0〜L-3 段落
Ta 交点
5 Low pressure turbine (rotary machine)
11, 31 Blade random
Claims (3)
監視対象動翼に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた流路での変動圧力である監視位置変動圧力を当該監視位置変動圧力に関して予め設定してある運転制限値に基づいて判定し、前記監視位置変動圧力が前記運転制限値を超えた場合に警報を発するようにされており、
前記運転制限値は、環帯速度を一方の軸とし振動応力を他方の軸とする環帯速度-振動応力座標系上で、前記監視対象動翼の振動応力を監視対象動翼段落の出口における環帯速度である監視位置環帯速度に対応させてプロットして得られる環帯速度-振動応力特性曲線、及び環帯速度を一方の軸とし、変動圧力を他方の軸とする環帯速度-変動圧力座標系上で、前記監視位置変動圧力を前記監視位置環帯速度に対応させてプロットして得られる環帯速度-変動圧力特性曲線に基づいて求めるものとし、
そして前記監視対象動翼に関する前記環帯速度-振動応力特性曲線と振動応力制限値の前記環帯速度-振動応力座標系上での交点を求めるとともに、その交点に対応する環帯速度を前記環帯速度-振動応力座標系上で求め、さらにその環帯速度に対応する変動圧力を前記環帯速度-変動圧力座標系上で求め、その変動圧力を前記運転制限値とするようにされていることを特徴とする翼ランダム振動監視システム。 A blade for monitoring a random vibration that may occur in the moving blade for the rotating blade in any of the paragraphs, with respect to a rotary machine in which a plurality of paragraphs including a moving blade and a stationary blade are provided in the axial direction In random vibration monitoring system,
Based on the operation limit value set in advance with respect to the monitoring position fluctuation pressure, the monitoring position fluctuation pressure, which is the fluctuation pressure in the flow path surrounded by the diaphragm and the stationary blade on the upstream side or downstream side adjacent to the monitoring target moving blade A warning is issued when the monitored position fluctuation pressure exceeds the operation limit value,
The operation limit value is obtained by calculating the vibration stress of the monitored moving blade at the exit of the monitored moving blade stage on the annular velocity-vibrating stress coordinate system where the annular velocity is one axis and the vibration stress is the other axis. Annular velocity obtained by plotting corresponding to the annular velocity at the monitoring position, which is the annular velocity-Annular velocity with the vibrational velocity characteristic curve as one axis and the annular velocity as the other axis- On the fluctuating pressure coordinate system, the monitoring position fluctuating pressure is obtained based on a ring velocity-fluctuating pressure characteristic curve obtained by plotting the monitoring position fluctuating pressure corresponding to the monitoring position ring velocity,
Then, an intersection point of the annular velocity-vibration stress characteristic curve and the vibration stress limit value on the monitored moving blade on the annular velocity-vibration stress coordinate system is obtained, and the annular velocity corresponding to the intersection point is calculated as the ring velocity. It is obtained on the belt speed-vibration stress coordinate system, and the fluctuation pressure corresponding to the ring speed is obtained on the ring speed-fluctuation pressure coordinate system, and the fluctuation pressure is set as the operation limit value. Wing random vibration monitoring system.
監視対象動翼に隣接する上流側又は下流側におけるダイアフラムと静翼で囲まれた流路での変動圧力である監視位置変動圧力を当該監視位置変動圧力に関して予め設定してある運転制限値に基づいて判定し、前記監視位置変動圧力が前記運転制限値を超えた場合に警報を発するようにされており、
前記運転制限値は、体積流量を一方の軸とし振動応力を他方の軸とする体積流量-振動応力座標系上で、前記監視対象動翼の振動応力を監視対象動翼段落の出口における体積流量である監視位置体積流量に対応させてプロットして得られる体積流量-振動応力特性曲線、及び体積流量を一方の軸とし、変動圧力を他方の軸とする体積流量-変動圧力座標系上で、前記監視位置変動圧力を前記監視位置体積流量に対応させてプロットして得られる体積流量-変動圧力特性曲線に基づいて求めるものとし、
そして前記監視対象動翼に関する前記体積流量-振動応力特性曲線と振動応力制限値の前記体積流量-振動応力座標系上での交点を求めるとともに、その交点に対応する体積流量を前記体積流量-振動応力座標系上で求め、さらにその体積流量に対応する変動圧力を前記体積流量-変動圧力座標系上で求め、その変動圧力を前記運転制限値とするようにされていることを特徴とする翼ランダム振動監視システム。 A blade for monitoring a random vibration that may occur in the moving blade for the rotating blade in any of the paragraphs, with respect to a rotary machine in which a plurality of paragraphs including a moving blade and a stationary blade are provided in the axial direction In random vibration monitoring system,
Based on the operation limit value set in advance with respect to the monitoring position fluctuation pressure, the monitoring position fluctuation pressure, which is the fluctuation pressure in the flow path surrounded by the diaphragm and the stationary blade on the upstream side or downstream side adjacent to the monitoring target moving blade A warning is issued when the monitored position fluctuation pressure exceeds the operation limit value,
The operation limit value is the volume flow rate at the outlet of the monitored moving blade stage on the volume flow-vibration stress coordinate system where the volume flow rate is one axis and the vibration stress is the other axis. On the volume flow-vibration pressure coordinate system with the volume flow-vibration stress characteristic curve obtained by plotting corresponding to the monitoring position volume flow, and the volume flow as one axis and the variable pressure as the other axis, The monitoring position fluctuation pressure is obtained based on a volume flow rate-fluctuation pressure characteristic curve obtained by plotting the monitoring position fluctuation flow corresponding to the monitoring position volume flow,
Then, an intersection point of the volume flow rate-vibration stress characteristic curve and the vibration stress limit value on the monitored moving blade on the volume flow rate-vibration stress coordinate system is obtained, and the volume flow rate corresponding to the intersection point is determined as the volume flow rate-vibration rate. A blade characterized in that it is obtained on a stress coordinate system, and further, a fluctuating pressure corresponding to the volume flow rate is obtained on the volume flow-fluctuating pressure coordinate system, and the fluctuating pressure is set as the operation limit value. Random vibration monitoring system.
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