JP2011252875A

JP2011252875A - タービン監視装置

Info

Publication number: JP2011252875A
Application number: JP2010128461A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hijikata; 健司土方
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: JP5271969B2

Abstract

【課題】タービンロータと振動検出器間の取付ギャップに過大な変動が起きた場合でも、振動計測範囲を正常範囲内に維持できるタービン監視装置をＶローラとエアシリンダから構成される追従機構を追設せず、簡単な構成で実現する。
【解決手段】内部に非接触式振動検出器２を一定位置にスプリング等の弾性体６ａ、６ｂでフローティング状態に保持する検出器プローブ５と、この検出器プローブ５をケーシング８に設けた摺動スリーブ９で摺動自在に保持するとともに検出器プローブ５の先端をタービンロータ７上に自重で接触させる機構と、非接触式振動検出器２の出力を受ける振動監視部４とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、タービン発電機などの回転機において、タービン軸の振動および軸位置を計測監視し、過大な振動や軸位置の移動が発生した際、タービンの運転を停止させるトリップ信号を出力する装置に関するものである。

従来のタービン監視装置の振動計測監視方法は、振動検出器と被測定対象であるタービンロータをあらかじめ設定された取付ギャップで取付し、その取付ギャップをゼロ点とし、タービンロータとのギャップの変動量を振動値として計測する。
従来のタービン監視装置は、振動検出器と被測定対象であるタービンロータとの取付ギャップが変動し、あらかじめ設定された取付ギャップから拡大方向に変化した場合、検出器の正常計測範囲内を逸脱してレンジオーバーとなり、振動計測監視が出来なくなる。また、逆に取付ギャップが短縮方向に変化した場合、検出器とタービンロータが接触し検出器が破損するなどの問題があった。
この取付けギャップ変動の問題を解決するため、Ｖローラとエアシリンダから構成される追従機構を用いた方法が提案されている（特許技術文献１）。

特開昭６２−１４５１６２（３頁右下段から４頁左上段）

取付けギャップ変動の問題を解決するため、Ｖローラとエアシリンダから構成される追従機構を追設する方法は、専用の追加設備が必要であり、設置場所の確保が難しい、コストが増加する、設備の保守作業が増加するとの問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、計測範囲を逸脱するような過大な取付ギャップ変動が起きた場合でも、振動計測範囲が正常範囲内でかつ振動計測監視を継続することを可能とできる監視装置を専用機構を追加せず、簡単な構成で、実現することを目的とする。

この発明に係るタービン監視装置は、内部に非接触式振動検出器を一定位置に保持する検出器プローブと、この検出器プローブを摺動自在に保持するとともに検出器プローブの先端をタービンロータ上に自重で接触させる機構と、非接触式振動検出器の出力を受ける振動監視部とを備える。

この発明に係るタービン監視装置は、内部に非接触式振動検出器を一定位置に保持する検出器プローブと、この検出器プローブを摺動自在に保持するとともに検出器プローブの先端をタービンロータ上に自重で接触させる機構と、非接触式振動検出器の出力を受ける振動監視部とを備えるため、タービンロータと振動検出器間のギャップを一定に保つことができ、計測範囲を逸脱するような過大な取付ギャップ変動が起きた場合でも、振動計測範囲を正常範囲内に維持することが簡単な構成で実現できる。

この発明の実施の形態１のタービン監視装置の構成図である。この発明の実施の形態２のタービン監視装置の構成図および説明図である。この発明の実施の形態３のタービン監視装置の構成図である。この発明の実施の形態４のタービン監視装置の構成図および説明図である。この発明の実施の形態５のタービン監視装置の構成図および説明図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態１について、図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る構成図である。

以下、この発明の実施の形態１に係るタービン監視装置１の構成を図１に基づいて説明する。
タービン監視装置１は、タービンロータの軸振動を検出する非接触式の振動検出器２、振動検出器２からの出力信号を信号変換する信号変換器３および信号変換器３からの信号を受けて、タービン軸振動を監視し、振動状態をモニタ（図示せず）に表示するとともに、異常発生時には警報を発生したり、タービンの運転を停止させるトリップ信号を発生する振動監視部４を備える。
振動検出器２は検出器プローブ５内に弾性体である上部スプリング６ａと下部スプリング６ｂでフローティング状態に保持されている。この検出器プローブ５の上部は、ケーシング８に設けられた摺動スリーブ９で上下方向に自由に移動可能状態に保持されており、検出器プローブ５の底部は、タービンロータ７の上部表面に自重で接触している。

非接触式の振動検出器２には、渦電流式、静電容量式などの方式があるが、例えば渦電流式を使用した場合は、振動検出器２の出力信号は交流電圧信号となり、信号変換器３はこの交流電圧信号を直流信号（例えば、０〜１００％／１〜５Ｖ）に変換する。
検出器プローブ５は、軸振動検出に影響を与えないように、樹脂などの非誘電体を用いた円筒状の薄板成型品を使用する。また、検出器プローブ５の材質は、熱膨張係数が小さい材質のものが望ましい。
上部スプリング６ａと下部スプリング６ｂも軸振動検出に影響を及ぼさないように樹脂製スプリングなどの弾性体を使用する。

次に、タービン監視装置１の動作について、図１に基づいて説明する。
検出器プローブ５はタービンロータ７に自重で接触しており、内部にフローティングマウントされた振動検出器２とタービンロータ７のギャップは物理的に一定となる。タービンロータ７やタービン車室の移動により、タービンロータ７と検出器プローブ５の取付部のギャップが変動した場合は、検出器プローブ５は摺動スリーブ９を上下方向スライド可動であるため、タービンロータ７の移動に追従し、振動検出器２とタービンロータ７とのギャップは常に一定に保たれる。
タービンロータ７の回転により、ケーシング８は振動するが、この振動に対しては、振動検出器２は検出器プローブ５内部に弾性体でフローティング状態に保持されているため、静止状態を保つことができる。

ここで、振動検出器２とタービンロータ７間のギャップ変動の原因であるタービンロータ７およびケーシング８の移動要因について説明する。
タービンの停止時や起動時に比較して、運転中は温度が上昇し車室構造材料の寸法が伸びることで、結果として車室すなわちケーシングが移動する。
また、タービンロータ軸受けの油圧やタービンの推進力により、タービンロータ自体が浮き上がることが、タービンロータ移動の要因である。

検出器プローブ５内に振動検出器２をフローティング状態に保持する方法として、スプリング等弾性体で振動検出器２の上部、下部を支持する方法を説明したが、振動検出器外周を検出器プローブの内周面にリング状板バネを使用して保持しても同様の効果を奏する。

このように実施の形態１によれば、タービンロータ７およびケーシング８の移動により、振動検出器２の計測範囲を逸脱するような過大な取付ギャップ変動が起きた場合でも、振動検出器２とタービンロータ７間のギャップは常時一定に保たれるため、振動検出器２の正常計測範囲を逸脱せず、タービン軸の振動を確実に計測監視することが可能である。また、Ｖローラとエアシリンダから構成される追従機構を追設することなく、簡単な構成で、タービン軸の振動計測監視を確実に行える効果がある。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る構成図および説明図である。図において、図1と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態２は、圧力調整装置２０を使用して、実施の形態１の検出器プローブ５が、タービンロータ７に接触する圧力を一定に調整する構成としたものである。

この発明の実施の形態２に係るタービン監視装置１１の構成を、図２（ａ）に基づいて説明する。
圧力調整装置２０は、検出器プローブ１５とタービンロータ７の接触圧力を検出する感圧器１７、この感圧器からの検出圧力信号を受ける制御部１２、および制御部１２からの制御信号に基づき検出器プローブ１５を上下移動させるサーボ１３から構成される。
検出器プローブ１５とタービンロータ７の接触圧力は、ラック・ピニオン１８により感圧器１７に伝達される。検出器プローブ１５の上部端に接続されたラックギヤ取付部材１８ａは、感圧器１７の上部、下部に設けられた摺動保持部１８ｂおよび１８ｃで上下方向摺動可能に保持されている。
サーボ１３は、サーボ駆動軸１３ａを上下移動させることで、検出器プローブ１５とタービンロータ７の接触圧力を一定に調整する。
非接触式の振動検出器２は、検出器プローブ１５内に上部スプリング１６ａと下部スプリング１６ｂでフローティング状態に保持されている。

次に、タービン監視装置１１の動作について、図２（ａ）および（ｂ）に基づいて説明する。
実施の形態１で説明したタービンの運転状況による温度変化やタービンロータ自体の浮き上がりにより、ケーシング８やタービンロータ７が移動した場合、検出器プローブ１５とタービンロータ７の接触圧力が変化する。感圧器１７はラック・ピニオン１８経由でこの接触圧力の変化を検出し、この接触圧力の変化を制御部１２が処理して、図２（ｂ）に示すように接触圧力が一定となるようにサーボ１３を制御する。

振動検出器２からの信号を信号変換器３で信号変換し、この軸振動信号を振動監視部で処理し、監視用モニタへの表示や警報発生、タービン保護動作を行う。

振動検出器２とタービンロータ７の接触圧力を一定に調整する圧力調整装置２０を使用した場合は、実施の形態１で説明した検出器プローブの自重で接触を保持する場合に比較して、接触圧力の調整が可能であるため、タービンロータ７表面の荒れによるジャンピングが発生しても、対応（加圧調整）が可能となる利点がある。

このように実施の形態２によれば、タービンロータ７およびケーシング８の移動により、振動検出器２の計測範囲を逸脱するような過大な取付ギャップ変動が起きた場合でも、振動検出器２とタービンロータ７間のギャップは常時一定に保たれ、且つ振動検出器２とタービンロータ７の接触圧力も一定に調整されるため、振動検出器２の正常計測範囲を逸脱せず、タービンの振動を確実に計測監視することが可能である。
またＶローラとエアシリンダから構成される追従機構を追設することなく、簡単な構成で、タービン軸の振動計測監視を確実に行える効果がある。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る構成図である。図において、図1と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態３は、実施の形態１のタービン監視装置にさらに別の振動検出器２２を追加する構成としたものである。

この発明の実施の形態３に係るタービン監視装置２１の構成および動作を、図３に基づいて説明する。
タービン監視装置２１は、タービンの軸振動を検出する検出器として、検出器プローブ２５内にフローティング保持された非接触式の振動検出器２と、検出器プローブ２５の上部に接続された振動伝達部材２８の上端部に取り付けられた接触式の振動検出器２２を備える。
また、タービン監視装置２１は、振動検出器２と振動検出器２２の出力信号を受けて信号変換する信号変換器２３およびこの信号変換器２３からの信号を受けて、タービン軸振動を監視し、振動状態をモニタに表示したり、また異常時には警報を発生したり、タービンをトリップさせる信号を発生する振動監視部２４を備える。

振動検出器２は、実施の形態１と同様に、検出器プローブ２５内に上部スプリング２６ａと下部スプリング２６ｂでフローティング状態に保持されている。この検出器プローブ２５の上部は、ケーシング８に設けられた摺動スリーブ９で上下方向に自由に移動可能状態に保持されており、検出器プローブ２５の底部は、タービンロータ７の上部表面に自重で接触している。
振動検出器２２は、摺動スリーブ９の上部に取り付けられた保護ボックス内に納められ、タービンロータ７の軸振動を、検出器プローブ２５および振動伝達部材２８を経由して検出する。
ここで、振動検出器２は非接触でタービンロータ７の振動を検出するため、例えば、渦電流式が使用されるが、振動検出器２２は接触式であるため、例えば電磁式や圧電式が使用される。
信号変換器２３では、この２台の振動検出器からの信号を受けて、直流電圧信号（例えば、０〜１００％／１〜５Ｖ）に変換して、振動監視部２４に出力する。

振動監視部２４は、２種類の軸振動信号に対して、各検出器の特性に応じた処理を行う。例えば、振動検出器２２は、タービンロータ７の回転により、ケーシング８に発生する振動やタービンロータの浮き上がりを検出する可能性があるため、この振動検出器２２からの軸振動信号に対しては、監視対象であるタービンロータ７の軸振動のみ抽出するためフィルタ処理を行う。
振動監視部２４は、上記処理した信号を用いて、監視用モニタへの表示や警報発生、タービン保護動作を行う。

実施の形態３のタービン監視装置２１は、検出方式の異なる２種類の振動検出器を備えているため、２台の検出器からの信号の平均値を使用できる。また１台故障時に正常な検出器をバックアップとして使用できるので、確実にタービン軸振動の監視を行うことができる。また、タービンの運転を停止することは、タービンを設置しているプラントにも重大な影響を与えるため、このタービントリップ信号を２種類の振動検出器からの信号が同時に異常になった場合にのみ発生する等の信頼性向上対策を実施することができる。

このように実施の形態３によれば、タービンロータ７およびケーシング８の移動により、振動検出器２の計測範囲を逸脱するような過大な取付ギャップ変動が起きた場合でも、振動検出器２とタービンロータ７間のギャップは常時一定に保たれるため、振動検出器２の正常計測範囲を逸脱せず、タービンの振動などを確実に計測監視することが可能である。
また、Ｖローラとエアシリンダから構成される追従機構を追設することなく、簡単な構成で、タービンの振動計測監視を確実に行える効果がある。
さらに、また検出方式の異なる振動検出器２台を備えているため、監視のために２台の検出器からの信号の平均値を使用できる。また１台故障時に正常な１台をバックアップに使用でき、またタービン保護動作に対する信頼性向上対策を実施することができる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る構成図である。図において、図1と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。
この発明の実施の形態４に係るタービン監視装置３１の構成を、図４に基づいて説明する。
タービン監視装置３１は、タービンロータ７の軸振動を検出する非接触式の振動検出器２、振動検出器２からの出力信号を信号変換する信号変換器３および信号変換器３からの信号を受けて、この信号を処理して、サーボ３３を制御するとともに、振動検出器２からの出力信号を振動監視部３４へも出力する制御部３２を備える。
振動検出器２は、検出器プローブ３５に納められ、検出器プローブ３５の外周面には検出器プローブネジ部３５ａがあり、これにネジ溝が設けられている。この検出器プローブ３５は、ケーシング８のらせん溝スリーブ３９に、回転挿入されており、サーボ３３が検出器プローブ３５を回転させることで、検出器プローブ３５は上下移動する。

次に、タービン監視装置３１の動作について、図４に基づいて説明する。
非接触式の振動検出器２は、原理的に振動検出器２とタービンロータ７間のギャップの変化を検出しているため、振動検出器２で検出された軸振動信号は、信号変換器３でタービン軸振動信号が重畳されたギャップ電圧に変換される（図４（ｂ）参照）。
制御部３２は、図４（ｂ）のギャップ電圧を平均値処理等の演算処理を行うことで、中心電圧を抽出し（図４（ｃ）参照）、この中心電圧の変動分を補償するように、サーボ３３に対してフィードバック制御を行う。このように制御部４がギャップ電圧の中心電圧が常に一定値になるようサーボ２を制御することで、振動検出器２の取付位置が調整され、振動検出器２とタービンロータ７間の取付ギャップは常に一定に調整される。

制御部３２から振動監視部３４へ出力される信号は、上記のようにタービン軸振動信号以外にギャップ位置の変動信号も含むため、振動監視部３４では、タービン軸振動信号のみを抽出処理する。振動監視部３４は、この抽出されたタービン軸振動信号を用いて、タービン軸振動を監視し、振動状態をモニタに表示し、また異常時には警報やタービン停止させるトリップ信号を発生させる。

このように実施の形態４によれば、タービンロータ７およびケーシング８の移動により、振動検出器２の計測範囲を逸脱するような過大な取付ギャップ変動が起きた場合でも、振動検出器２とタービンロータ７間のギャップは自動的に調整されるため、振動検出器２の正常計測範囲を逸脱せず、タービン軸の振動を確実に計測監視することが可能である。また、Ｖローラとエアシリンダから構成される追従機構を追設することなく、簡単な構成で、タービンの振動計測監視を確実に行える効果がある。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係る構成図である。
この発明の実施の形態５に係るタービン監視装置５１の構成を、図５に基づいて説明する。
タービン監視装置５１は、タービンロータ６０の中心軸に沿った方向の軸位置を検出する非接触式の位置検出器５２、位置検出器５２からの出力信号を信号変換する信号変換器５３および信号変換器５３からの信号を受けて、この信号を処理して、サーボ５６を制御するとともに、監視用の信号を位置監視部５５へも出力する制御部５４を備える。
位置検出器５２は、検出器プローブ５７に納められ、検出器プローブ５７の外周面に検出器プローブネジ部５７ａがあり、これにネジ溝が設けられている。この検出器プローブ５７は、ケーシング５８のらせん溝スリーブ５９に、回転挿入されて水平に保持されている。
タービンロータ６０の軸位置を検出するために、タービンロータ６０には、円盤状の軸位置ディスク６１が取り付けられており、軸位置ディスク６１に対向する位置に位置検出器５２が取り付けられる。
サーボ５６が検出器プローブ５７を回転させることで、検出器プローブ５７は水平方向に移動して、軸位置ディスク６１と対向する距離（取付ギャップ）が調整される。

次に、タービン監視装置５１の動作について、図５に基づいて説明する。
タービンロータ６０の軸位置ディスク６１に対向して取り付けられた位置検出器５２が正常に位置検出できる範囲は制限されているため、この範囲を越えてタービンロータ６０が軸方向に移動すると、位置検出器５２が正常に位置検出できる範囲を逸脱する。
また、逆に軸位置ディスク６１が位置検出器５２に近づき過ぎると、接触する可能性もある。

タービンの通常運転状態では、図５（ｂ）において、正常検出範囲のほぼ中間に位置していた軸位置出力信号が、何らかの原因で軸位置出力電圧が正常計測範囲の上限付近に来た場合（軸位置ディスク６１が位置検出器５２から離れる方向に移動する）を説明する。
制御部５４は、軸位置出力電圧を正常検出範囲のほぼ中間に位置戻すように、サーボ５６を制御して、位置検出器５２を距離Ｘだけ軸位置ディスク６１に近づくように移動させる（図５（ｃ）参照）。従って、真のタービン軸の位置は、現在の軸位置出力（Ｙ）＋軸検出器の移動量（Ｘ）となる。
逆に何らかの原因で、軸位置出力電圧が正常計測範囲の下限付近に来た場合（すなわち、軸位置ディスク６１が位置検出器５２に近づく方向に移動する）は、制御部５４は、軸位置出力電圧を正常検出範囲のほぼ中間に位置戻すように、サーボ５６を制御して、位置検出器５２を軸位置ディスク６１から離す方向に移動させる。

制御部５４は、位置検出器５２の現状の計測値とサーボ５３による検出器の移動量から、タービン軸位置の移動量を演算し、真の軸位置信号を位置監視部５５に出力する。
位置監視部５５は、制御部５４からこの軸位置信号を受けて、タービンロータ６０の軸位置状態をモニタに表示し、また異常時には警報やタービン停止させるトリップ信号を発生させる。

このように実施の形態５によれば、タービンロータ７の軸位置が位置検出器の正常計測範囲を逸脱するほど大きく移動した場合も、位置検出器５２の取付け位置は計測範囲内に自動的に調整されるため、位置検出器５２の正常計測範囲を逸脱せず、タービン軸位置の計測監視を確実に行うことができる。

１，１１，２１，３１，５１タービン監視装置、２，２２振動検出器、
３，２３，５３信号変換器、４，２４，３４振動監視部、
５，１５，２５，３５，５７検出器プローブ、
６ａ，１６ａ，２６ａ上部スプリング、６ｂ，１６ｂ，２６ｂ下部スプリング、
７タービンロータ、８，５８ケーシング、９摺動スリーブ、
１２，３２，５４制御部、１３，３３，５６サーボ、１７感圧器、
１８ラック・ピニオン、２０圧力調整装置、５２位置検出器、５５位置監視部、６０タービン軸、６１軸位置ディスク。

Claims

内部に非接触式振動検出器を一定位置に保持する検出器プローブと、この検出器プローブを摺動自在に保持するとともに前記検出器プローブの先端をタービンロータ上に自重で接触させる機構と、前記非接触式振動検出器の出力を受ける振動監視部とを備えたタービン監視装置。
前記検出器プローブの上部に接触する接触式振動検出器を更に備え、この接触式振動検出器の出力が前記振動監視部入力される請求項１記載のタービン監視装置。
前記検出器プローブと前記タービンロータとの接触圧力を一定に調整する機構を更に備えた請求項１記載のタービン監視装置。
タービンロータとの距離を非接触的方法により測定する検出器と、この検出器の出力の中心値を演算し、中心値が一定となるように前記検出器の位置を調整する機構と、前記検出器の出力を受ける振動監視部とを備えたタービン監視装置。
タービンロータの所定位置に設けた板との距離を非接触的方法により測定する検出器と、この検出器の出力が所定の範囲内となるように、前記検出器の位置を調整する機構と、前記検出器の初期位置からの移動距離に対応する検出器出力を前記検出器の出力に加算したものを受ける位置監視部とを備えたタービン監視装置。