JP2017156150A - 振動計測装置、振動計測システム及び振動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の翼の振動をより直接的に計測できる振動計測装置を提供する。
【解決手段】振動計測装置は、回転軸との間に径方向に間隔をおいて配置される環状部材と、環状部材と回転軸との間の間隔に介在して振動を伝達する流体層と、流体層を介して環状部材に伝達された振動を計測するセンサと、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械の翼の振動を計測する振動計測装置、振動計測システム及び振動計測方法に関する。

タービン等の回転機械では、動翼の振動の監視が行われる。例えば、特許文献１には、動翼が結合された回転軸に摺動接触する軸受やケーシング等に振動センサを設置し、翼の振動を検出する方法が記載されている。また、例えば、低圧段に設けられた高さが高い翼の振動を検出する方法として、低圧段の静止側に翼の通過を検出するセンサを設け、翼の通過時間を検出し，その結果を演算して翼の振動形態および振動量を算出する方法が提供されている。

特許第１１６９５５２号公報

しかし、例えば、軸受に設けた振動センサによって動翼の振動を検出する方法の場合、動翼の振動が，軸受箱の振動センサへ振動が伝達する間には、軸本体、軸受油膜、軸受、軸受箱など、振動に対して影響する要素を介するため、検出対象信号のＳＮ比が低下したり、軸受油膜で振動が減衰したり、軸受箱などの周辺部材に起因する暗振動により検出対象信号がマスキングされたりする可能性がある。また、高圧段の動翼の振動を検出する方法は提供されてこなかった。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる振動計測装置、振動計測システム及び振動計測方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、振動計測装置は、回転軸との間に径方向に間隔をおいて配置される環状部材と、前記環状部材と前記回転軸との間隔に介在して振動を伝達する流体層と、前記流体層を介して前記環状部材に伝達された振動を計測するセンサと、を有する。
上記構成によれば、環状部材は回転軸の振動とほぼ同等の挙動をし、かつ、回転軸の振動はその回転軸が備える動翼の振動をよく反映していることから、回転軸の振動を直接的に計測することができ、計測精度が向上する。

また、本発明の第２の態様によれば、前記流体層は、前記回転軸が回転している状態において、前記回転軸と前記環状部材との間で流体によって形成される流体膜であってよい。
上記構成によれば、回転軸の回転に伴い形成される剛性を持った流体膜により、回転軸の振動が流体層を介して環状部材に伝達されるので、振動の減衰や他の部材に起因する暗振動の影響を抑制し、精度よく振動を計測することができる。

また、本発明の第３の態様によれば、前記環状部材の内周に、前記回転軸との径方向の間隔が前記回転軸の回転方向に沿って減少する凹部を複数設けてもよい。
上記構成によれば、回転軸の周方向に回転に伴って生じる流体層くさび効果により、より一層高い圧力分布を形成させることができ、回転軸と環状部材との一体化を増進することで、回転軸の振動をより正確に環状部材に伝達することが可能になる。

また、本発明の第４の態様によれば、前記凹部のそれぞれを円弧形状としてもよい。
上記構成によれば、回転軸の回転に伴って回転軸と環状部材の間隔が減少するにつれて連続的に圧力が増減する、第３の態様と同等の効果を、より簡単な加工にて得ることができる。

また、本発明の第５の態様によれば、前記回転軸が備える翼の固有振動数に対する前記センサの応答が大きくなるように、前記環状部材の形状を形成してもよい。
上記構成によれば、計測したい翼の固有振動数に対して環状部材の形状を形成し、センサの応答を大きくすることで、対象とする翼の振動の計測精度を向上することができる。

また、本発明の第６の態様によれば、前記環状部材の外周に突起部を形成し、前記センサを前記突起部に設けてもよい。
上記構成によれば、計測したい複数の翼の固有振動数に応じて、形成された突起部の応答感度を個々に調整し、かつ、それに設けたセンサによって、所望の翼の振動を計測することができる。

また、本発明の第７の態様によれば、前記翼の固有振動数に対する前記センサの応答が高くなるように、前記環状部材を弾性支持ししてもよい。
上記構成によれば、計測したい翼の固有振動数に対して振動計測装置の支持方法を調整することで所望の振動数に対するセンサの応答を大きくし、対象とする翼の振動の計測精度を向上することができる。

また、本発明の第８の態様によれば、振動計測システムは、回転機械の回転軸に取り付けられた１つまたは複数の上記何れかの振動計測装置と、前記１つまたは複数の振動計測装置から取得した振動信号を解析する解析装置と、を備えていてもよい。

また、本発明の第９の態様によれば、振動計測方法として、回転軸との間に径方向に間隔をおいて環状部材を配置し、前記環状部材と前記回転軸との間隔に介在する流体層が振動を伝達し、前記流体層を介して前記環状部材に伝達された振動をセンサによって計測すてもよい。

本発明によれば、動翼が固定されたロータと振動計測装置との間に形成される流体層によって、振動計測装置により直接的に動翼の振動が伝達するので、振動の計測精度を高めることができる。

本発明に係る第一実施形態におけるタービンの概要図である。 本発明に係る第一実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た図である。 本発明に係る第一実施形態における振動計測装置を径方向から見た図である。 本発明に係る第二実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た図である。 本発明に係る第三実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た第一の図である。 本発明に係る第三実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た第二の図である。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態による振動計測装置を図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明に係る第一実施形態におけるタービンの概要図である。
図示するようにタービン１は、軸線Ｏを中心として回転する回転軸２と、回転軸２を支持するケーシング３と、ケーシング３から回転軸２に向かって突出する静翼４と、回転軸２からケーシング３に向かって突出する動翼５とを備えている。回転軸２は、軸線Ｏの方向に延びる柱状部材である。ケーシング３は、回転軸２を外周側から覆う筒状をなしている。このケーシング３には軸受６が設けられている。ケーシング３は、この軸受６を介して回転軸２を支持することで回転軸２が回転可能となっている。軸受箱７は、軸受６を径方向の外側から覆うとともに、軸受６をタービン１の本体に固定している。

静翼４は、ケーシング３に固定されてケーシング３から軸線Ｏの径方向内側に突出して配され、軸線Ｏの方向に互いに間隔をあけて複数列に設けられている。動翼５は、回転軸２に固定されて回転軸２から軸線Ｏの径方向外側に突出して配され、軸線Ｏの方向に互いに間隔をあけて複数列に設けられている。動翼５は、回転軸２に結合されており、回転軸２は動翼５を回転駆動する。

静翼４と動翼５は、一対となって一個の「段」を構成しており、タービン１には、多数の段が設けられている。各段は、タービン１を流れるガスの流れる方向（紙面の左側から右側に向かう方向）に従って、静翼４及び動翼５の翼高さ（回転軸２に略直交する方向の翼の長さ）が、長くなるよう構成されている。つまり、タービン１に流入するガスが高温、高圧な位置の静翼４及び動翼５の翼高さの翼高さは低く、比較的低温、低圧な位置の静翼４及び動翼５の翼高さの翼高さは高くなっている。

振動計測装置１０は、回転軸２の振動を計測する装置である。振動計測装置１０は、環状をしており、回転軸２の何れかの位置に、回転軸２の軸回りに取り付けられる。振動計測装置１０は、例えばケーシング３と結合されてタービン１の本体に固定されており、回転しない。

図２は、本発明に係る第一実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た図である。
振動計測装置１０は、回転軸２との間に径方向に間隔をおいて配置される環状部材１１と、この環状部材と回転軸２との間の間隔に介在して振動を伝達する流体層１２と、この流体層１２を介して前記環状部材に伝達された振動を検出するセンサ１３（１３Ａ、１３Ｂ）と、を備える。環状部材１１の内周および外周は、回転軸２と同心の真円である。流体層１２は、回転軸２が回転している状態において、回転軸２と環状部材１１との間で流体によって形成される流体膜である。回転軸２と環状部材１１との間には、空気、又は、潤滑油などがシール機構により閉じ込められている。回転軸２が回転すると、環状部材１１と回転軸２の間の流体（空気や潤滑油）がその回転に引きずられて回転しようとし、流体には圧力が生じる。この圧力により流体の剛性が高まり、流体は、回転軸２の軸回りに膜を形成する。本明細書において、流体層１２とは、回転軸２の回転により形成されるこの膜（気膜または油膜）を指す。回転軸２と環状部材１１との間隔が狭いほど気膜または油膜の剛性は高くなる。また、回転軸２が高速に回転するほど形成された気膜または油膜の剛性は高くなる。油膜などの剛性が高くなると、回転軸２の振動は、環状部材１１により正確に伝達する。

環状部材１１に伝達した振動は、環状部材１１に設けられたセンサ１３Ａ、１３Ｂによって検出される。センサ１３Ａ、１３Ｂは、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサなどである。なお、センサ１３Ａ、１３Ｂなどを総称してセンサ１３と呼ぶ。センサ１３Ａは、例えば、環状部材１１における回転軸２の中心を通る垂直方向の直線上に設けられる。センサ１３Ａは、環状部材１１に伝達された上下方向の振動を計測する。また、センサ１３Ｂは、例えば、環状部材１１における回転軸２の中心を通る水平方向の直線上に設けられる。センサ１３Ｂは、環状部材１１に伝達された水平方向の振動を計測する。センサ１３Ａおよびセンサ１３Ｂが計測するのは、回転軸２自身の振動の他、複数の動翼５それぞれに発生している翼振動が含まれた、様々な周波数が重なり合った振動である。センサ１３Ａおよびセンサ１３Ｂと解析装置２０とは、有線または無線によって通信可能に接続されている。解析装置２０は、センサ１３Ａが計測した上下方向の振動信号を取得する。また、解析装置２０は、センサ１３Ｂが計測した水平方向の振動信号を取得する。解析装置２０は、これらの振動情報をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）等の手法で解析し、例えば、振動の周波数ごとに振動の大きさ（振幅）、振動の方向、単位時間当たりの振動の大きさおよび方向の変化などを解析する。解析装置２０は、解析結果に基づいて、例えば、動翼５に異常振動が発生したかどうかなどを判定する。解析装置２０は、異常を判定した場合にアラームなどを通知する機能を有していてもよい。

図３は、本発明に係る第一実施形態における振動計測装置を径方向から見た図である。
振動計測装置１０は、回転軸２に環状部材１１を取り付ける空間があり、振動計測装置１０をタービン１に固定する固定部材を設置する空間があれば、回転軸２のどの位置に取り付けてもよい。例えば、複数の動翼５のうち、振動を検出したい動翼５の固有振動数が検出しやすい位置（最大応答点）（Ｐ１〜Ｐ４）が分かっている場合、その位置に振動計測装置１０を取り付けてもよい。又は、所望の振動を検出できる位置に振動計測装置１０を取り付けられるようタービン１を設計してもよい。検出したい振動数が複数ある場合、それぞれの振動数に対応する検出位置に１つずつ振動計測装置１０を取り付けてもよい。また、振動計測装置１０は、より取り付けやすいように、環状ではなく半割れ形状でもよい。

従来は、例えば、軸受箱７に加速度センサを設け、その加速度センサが検出した振動を解析して動翼５の振動を監視していた。このような方法の場合、加速度センサが計測する振動には、動翼５や回転軸２の振動だけではなく、軸受６、軸受箱７などの振動、軸受油膜による振動減衰の影響などが含まれていた。本実施形態の振動計測装置１０によれば、回転軸２と環状部材１１の間に形成される流体層１２によって、軸受６などの振動を含まない、回転軸２などの振動が、より直接的に環状部材１１に伝達されるので、振動計測の精度が高まる。特に環状部材１１は回転軸２の振動とほぼ同等の挙動をし、かつ、回転軸２の振動は回転軸２が備える動翼５の振動をよく反映していることから、精度よく動翼５の振動を計測することができる。

＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態による振動計測装置１０を、図４を参照して説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態の振動計測装置１０は、環状部材１１の内周の形状が第一実施形態と異なる。

図４は、本発明に係る第二実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た図である。
本実施形態において、環状部材１１の内周は、環状部材１１の内周と回転軸２の外周との径方向の間隔が、回転軸２の回転方向に沿って徐々に狭まるように形成された複数の凹部が複数設けられた形状となっている。図４は、このような凹部の一例を示している。図４に示す環状部材１１の内周は多円弧形状（５円弧）となっている。矢印Ｒは、回転軸２の回転方向を示している。圧力分布曲線Ｌは、回転軸２の回転に伴って流体層１２に発生する圧力の分布を示している。範囲Ｃ１で示した部分の円弧に注目すると、環状部材１１の内周と回転軸２との間隔は、回転軸２の矢印Ｒ方向への回転に伴って減少している。環状部材１１と回転軸２との間に存在する流体は、回転軸２の回転に伴い矢印Ｒの方向に移動する。環状部材１１と回転軸２との間隔は、回転軸２が回転するにつれて狭くなっているので、移動した流体は、狭い空間へ押し込められ圧力が高くなる。圧力分布曲線Ｌの内部に示した径方向の矢印は、この流体層１２に発生した圧力の大きさを示している。図示するように、流体層１２の圧力は、凹部の間隔が狭くなった部分では大きくなり、間隔が広くなった部分では小さくなる。圧力分布曲線Ｌが示すように、この圧力の変動は、環状部材１１の内周の内部に設けられた凹部の数だけ繰り返される。

複数の凹部と回転軸２の回転によって生じる流体層くさび効果による周方向の圧力分布により、内周を真円形状に形成した場合と比べて、高圧力となった部分における気膜または油膜の剛性がさらに高まる。これにより、流体層１２の動きは回転軸２の動きに対してより緊密に追随し、回転軸２の振動は、流体層１２を介してより正確に環状部材１１に伝達される。このように本実施形態では、回転軸２に対し流体層くさび効果により、より一層高い周囲圧力分布を形成させることで環状部材１１と回転軸２の一体化を増進し、環状部材１１への振動伝達率を向上させることによって、センサ１３Ａ、１３Ｂによる計測精度をより高めることができる。また、内周形状を真円とした場合には、なるべく環状部材１１と回転軸２との間隔をなるべく狭く形成する必要があるが、本実施形態によれば、環状部材１１と回転軸２との間隔を比較的広く形成することができ、加工などにおいて要求される精度を緩和することができる。また、本実施形態によれば、多円弧形状等により形成された圧力分布により、センサ１３Ａ、１３Ｂの計測に対する重力等の外乱の影響を抑制できる可能性が高まる。
なお、内周に設ける凹部の数、形状、などは図４の例に限定されない。

以上、説明したように、第一実施形態、第二実施形態によれば、振動計測装置１０は、回転軸２に直接取り付けられるので、例えば、軸受箱７など、タービン１の静止部にセンサを設けて動翼の振動を計測する場合と比べ、振動伝達経路に存在する装置の数を減らし、所望の振動数の減衰やマスキング、暗振動などの影響を低減し、計測精度を向上することができる。また、振動計測装置１０は、回転軸２の任意の位置に取り付けることができる。また、回転軸２が回転することによって環状部材１１と回転軸２の間に形成される流体層１２（気膜または油膜）により、回転軸２の振動が環状部材１１へ伝達される効率を高め、より精度良く回転軸２の振動を計測することができる。

また、これまでは、高さが高い動翼５（低圧段）の振動を検出する方法は提供されているものの、翼の高さが低い高圧段での動翼５の振動については有効な方法が提供されてこなかった。第一実施形態、第二実施形態の振動計測装置１０であれば、回転軸２の任意の位置に取り付けられるので、例えば、高圧段の動翼５の固有振動数に一致する振動モードが検出できる最大応答点に振動計測装置１０を取り付けることによって、高圧段の翼振動を計測することができる。また、最大応答点に設けることができなかった場合であっても、振動数の減衰などの影響を受けないため、解析装置２０での解析により、高圧段の翼振動を計測できる可能性が高まる。

＜第三実施形態＞
以下、本発明の第三実施形態による振動計測装置１０を、図５〜図６を参照して説明する。
第三実施形態においては第一実施形態、第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第三実施形態の振動計測装置１０では、環状部材１１の形状や支持方法を工夫して、特定の振動数（周波数）に対するセンサ１３の応答を高める点で、第一実施形態、第二実施形態と相違する。

図５は、本発明に係る第三実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た第一の図である。
図５を用いて、環状部材１１の形状によって特定の振動数に対するセンサ１３の応答を高める例について説明する。
図５が示す振動計測装置１０では、環状部材１１の外周に径方向外側に突出する複数の突起部１４（１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）が形成されている。突起部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄは、周方向に互いに間隔をあけて配列されている。なお、突起部１４Ａ〜１４Ｄなどを総称して突起部１４と呼ぶ。突起部１４は、予め検出対象とする振動数を設定して、その振動数（振動数Ａとする）と同じ固有振動数（または、振動数Ａと所定の範囲内の固有振動数）を突起部１４が有するように調整して設けられている。振動数Ａとは、例えば、高温、高圧環境下にあって計測が難しい高さが低い翼の振動について、それらの翼の固有振動数を演算で求めた値である。そして、突起部１４が演算して求めた固有振動数で共振するように、突起部１４の形状を設計する。すると、計測対象とする振動数の振動が発生した場合に、突起部１４は共振し、突起部１４に設けられたセンサ１３Ａ、１３Ｂの応答が大きくなる。応答が大きくなることで、解析装置２０での振動の解析が容易になり、高圧段の翼振動に対する計測精度を高めることができる。

なお、突起部１４の配置、数、大きさ等は、図５の例に限定されない。例えば、突起部１４Ａ、１４Ｂだけでもよい。また、固有振動数を調整する方法は、突起部１４を形成することに限らない。例えば、突起部１４を設けず、環状部材１１の厚さ（ｄ）を変更することによって環状部材１１の固有振動数を調整してもよい。

また、異なる高さを有する複数（例えば、３段）の翼各々の振動を計測したい場合、それぞれの翼の固有振動数について調整した、各翼に対応する突起部１４（例えば１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）を形成し、それぞれの突起部１４ごとにセンサ１３（例えば１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）を設けて、センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃのそれぞれで異なる翼の振動数を対象にして計測するように構成してもよい。あるいは、複数の翼のうち１つの翼の振動数で共振するように調整した突起部１４を形成した振動計測装置１０を、検出対象とする翼の数だけ（例えば、３つ）用意し、回転軸２の３ヶ所に振動計測装置１０を取り付けてもよい。

図６は、本発明に係る第三実施形態における振動計測装置を軸線方向から見た第二の図である。
次に、振動計測装置１０の支持方法によって特定の振動数に対するセンサ１３の応答を高める例について説明する。
防振支持部３０は、振動計測装置１０を支持部４０に支持している。支持部４０は、タービン１に固定された部材である。防振支持部３０は、ばねを介して振動計測装置１０に対して弾性力を作用させて支持する弾性支持部３１と、弾性支持部３１にかかる力を減衰させるよう振動計測装置１０を支持する減衰支持部３２とを有する。弾性支持部３１は、支持部４０に固定され、ばねを介して振動計測装置１０を支持している。本実施形態の弾性支持部３１は、例えば、板バネであって弾性変形することで、振動計測装置１０から支持部４０に伝達される振動を吸収する。減衰支持部３２は、弾性支持部３１と並列して、支持部４０に固定され、振動計測装置１０を支持している。減衰支持部３２は、弾性支持部３１にかかる力を減衰している。本実施形態の減衰支持部３２は、例えば、オイルダンパである。

例えば、高圧段の翼の固有振動数を予め演算しておき、その固有振動数が回転軸２から流体層１２を介在して振動計測装置１０に伝達されたときに、センサ１３の応答が高くなるように防振支持部３０を調整する。これにより、所望の翼振動に対する計測精度を高めることができる。なお、防振支持部３０の数、支持位置などは、図６の例に限定されない。また、例えば、ダンパの設置が困難な場合など、板バネだけで振動計測装置１０を支示するようにしてもよい。

本実施形態の振動計測装置１０によれば、第一実施形態、第二実施形態の効果に加え、検出対象とする翼の固有振動数に一致する回転軸２の振動モードの有無やその最大応答点への振動計測装置１０の取り付け可否を問題にすることなく、回転軸２上の任意の位置に振動計測装置１０を取り付けて、所望の翼振動を計測することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１・・・タービン
２・・・回転軸
３・・・ケーシング
４・・・静翼
５・・・動翼
６・・・軸受
７・・・軸受箱
１０・・・振動計測装置
１１・・・環状部材
１２・・・流体層
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ・・・センサ
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ・・・突起部
３０・・・防振支持部
３１・・・弾性支持部
３２・・・減衰支持部
４０・・・支持部

Claims (9)

1. 回転軸との間に径方向に間隔をおいて配置される環状部材と、
   前記環状部材と前記回転軸との間の間隔に介在して振動を伝達する流体層と、
   前記流体層を介して前記環状部材に伝達された振動を計測するセンサと、
   を有する振動計測装置。
2. 前記流体層は、前記回転軸が回転している状態において、前記回転軸と前記環状部材との間で流体によって形成される流体膜である、
   請求項１に記載の振動計測装置。
3. 前記環状部材の内周に、前記回転軸との径方向の間隔が前記回転軸の回転方向に沿って減少する凹部を複数設けた、
   請求項１または請求項２に記載の振動計測装置。
4. 前記凹部のそれぞれが円弧形状をした、
   請求項３に記載の振動計測装置。
5. 前記回転軸が備える翼の固有振動数に対する前記センサの応答が大きくなるように、前記環状部材の形状を形成した、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の振動計測装置。
6. 前記環状部材の外周に突起部を形成し、
   前記センサを前記突起部に設けた、
   請求項５に記載の振動計測装置。
7. 前記翼の固有振動数に対する前記センサの応答が高くなるように、前記環状部材を弾性支持した、
   請求項５または請求項６に記載の振動計測装置。
8. 回転軸に取り付けられた１つまたは複数の請求項１から請求項７の何れか１項に記載の振動計測装置と、
   前記１つまたは複数の振動計測装置から取得した振動信号を解析する解析装置と、
   を備えた振動計測システム。
9. 回転軸との間に径方向に間隔をおいて環状部材を配置し、
   前記環状部材と前記回転軸との間の間隔に介在する流体層が振動を伝達し、
   前記流体層を介して前記環状部材に伝達された振動をセンサによって計測する、
   振動計測方法。

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