JP2547905B2 - 軸系異常検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水力発電所等の発電設
備として使用される水力機械や発電機等の軸系を監視し
て、発電設備の異常または建屋基礎の傾き及び移動に伴
う異常を早期に検出する軸系異常検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、水力発電設備は、一般に高速、大
容量化の一途をたどっており、ここで使用されるポンプ
水車や水車等の水力機械や発電機は、高速、高圧及び高
荷重下で過酷な運転にさらされている。しかも電力需要
の変化に応じて、素早い起動停止と種々の負荷条件下に
あり、安定した電力供給のために高い信頼性が要求され
ている。

【０００３】しかし、高速、大容量化と、素早い起動停
止や負荷条件の変化は回転軸に加わる慣性力のために相
容れないものがある。例えば慣性力の大きい回転軸にト
ルクの変化が大きく加わると回転軸にねじれが生じ、ま
た、このねじれによって慣性主軸が回転軸芯からずれる
と、軸受間に大きな重量が付加されている部分に遠心力
によって曲げ及び振動が生じる。このような現象は高速
回転になるとさらに助長され、ひいては事故につながる
恐れもでてくる。

【０００４】そこで、従来ではかかる事故を未然に防止
する観点から、定期的に機械を停止しての外観検査や非
破壊検査、分解点検等が一般的に行われているが、異常
の種類によっては点検から次回の点検までの期間に軸系
に損傷を起こし、重大事故に発展する危険性がある。

【０００５】このため、上記の保守点検に加えて運転時
の軸振動等を測定し、この測定値の大きさを監視してあ
る大きさ以上の軸振動になった時に警報を発生させる等
の対策が採られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たように水力発電の水車やポンプ水車等の水力機械及び
発電機は電力の需要に応じて種々の負荷条件で運転され
るため、これらの水力機械及び発電機の主機運転中の軸
振動は、負荷条件や水の落差及びポンプ運転、発電運
転、調相運転等種々の運転条件によって夫々正常時の軸
振動値が異なる。

【０００７】このため、上記従来例のように、主機運転
時の軸振動値を単に測定して、その大きさのみを監視す
るだけでは、主機回転部の長期間にわたる異常の進行
や、わずかな建屋基礎の傾き、移動量の変化や異常を検
出することは非常に困難であった。

【０００８】また、他の軸系異常検出手段として、立軸
回転機械の回転中の軸振動や軸移動量を、主機回転部の
半径方向のアンバランス力が小さい低速回転の主機始動
時や停止時の過渡状態にて測定し、軸系の異常や建屋の
異常のわずかな変化をも検出する装置も提案されている
が、この装置は条件が複雑で異常検出には向いていな
い。

【０００９】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、水力発電所の立軸回転機械における軸系の微妙な変
化異常や主機を支持する建屋基礎の傾き、移動によるわ
ずかな変化異常を早期に検出できる軸系異常検出装置を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、立軸の回転機械とこれに直結される水車ま
たはポンプ水車との軸系における異常を検出する軸系異
常検出装置において、前記軸系の回転軸を支持する少な
くとも２ケ所以上のガイド軸受の各々に相対位置を所定
角度ずらせてそれぞれ設けられ回転軸との間の距離を計
測する複数個の軸受ギャップセンサと、回転機械の停止
時に前記各軸受ギャップセンサにより計測された回転軸
との間の距離に応じた電気信号が入力され、基準となる
ガイド軸受中心からの回転軸の軸芯位置を求める演算手
段と、この軸芯位置を基準停止位置判定値と比較して異
常の有無を判定し、異常のときには異常信号を出力する
判定手段とを備えるようにした。

【００１１】

【作用】従って、本発明は上記のような手段を講じたこ
とにより、立軸の回転機械停止時に軸受ギャップセンサ
により計測された回転軸との間の距離は、演算手段によ
って各ガイド軸受内の回転軸の軸芯位置に変換され、こ
の軸芯位置が判定手段により基準停止位置と比較されて
異常の有無を判定することで、立軸の回転機械における
軸系の微妙な変化異常や主機および測定系を支持する建
屋基礎の傾き、移動による僅かな変化異常をも検出で
き、また長期間にわたる上記の変化異常を検出できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に述べる
が、はじめに本発明の前提となる回転機械停止時におけ
る垂直軸の傾きの性質について図面を参照して説明す
る。図４（ａ）は本発明が適用される立軸回転機械軸系
の軸受構成例を示す図である。同図において、１は例え
ば発電機等の立軸の回転機械における回転電機回転子２
の主軸であって、下側のカップリング３を介し、下部先
端に水車ランナ４を有する水車主軸５と縦一軸に接続さ
れている。前記立軸の重量を支えるスラスト軸受６は前
記カップリング３の上部に、また、前記立軸から受ける
横方向の力を支えるガイド軸受としては上部ガイド軸受
７および下部ガイド軸受８が前記回転電機回転子２の上
部および下部に、水車ガイド軸受９が前記水車ランナ４
の上部に夫々設置されている。

【００１３】以上のような構成をもつ立軸回転機械を停
止したときには、軸系が受ける重力のわずかな偏りのた
めに主軸１および水車主軸５（以下、垂直軸という。）
全体が、最大軸受ギャップ内一杯に傾きを生じて停止す
る。図４の（ｂ）は立軸回転機械の停止時における垂直
軸の傾きを示す図である。同図においては、立軸回転機
械停止時における垂直軸芯の停止位置を各ガイド軸受
７，８および９の中心からずれた分だけ水平方向の矢印
で示しており、この矢印の先端を直線でむすぶことによ
って垂直軸の傾きを表している。

【００１４】この垂直軸の傾きを定量的に表すために、
前記各ガイド軸受７，８および９の中心からみた垂直軸
芯の停止位置をベクトル表示したものを図４の（ｃ）に
示す。すなわち、同図においては、上部ガイド軸受７、
下部ガイド軸受８および水車ガイド軸受９における水平
方向の断面を３つの円を上から縦に並べることで夫々示
しており、円内の矢印は立軸回転機械の停止時に垂直軸
の軸芯が各ガイド軸受中心からずれた位置をＸＹ座標に
て夫々ベクトル表示している。

【００１５】このベクトルで表示される立軸回転機械停
止時の垂直軸の傾きは、運転条件を固定すると一定の範
囲内で収まるが、一度、立軸回転機械の軸系にわずかな
変化や異常が発生したり水力発電設備を構成している建
屋全体のわずかな移動や傾きが生じたときには歴然と変
化するという性質をもつ。

【００１６】この性質は、以下のように推定される。一
般に、立軸回転機械の運転中の軸系におけるガイド軸受
の剛性は、回転中に加わる半径方向のアンバランス力に
耐えるために油膜を含めてもかなり高い。ところが、立
軸回転機械停止時は油膜のバネ定数は零となるため、最
大軸受ギャップ内一杯に垂直軸全体で傾くことができ、
かつ、この垂直軸の傾きは水準器のように軸系の僅かな
アンバランスに対して正確に反映し、変化するからであ
る。

【００１７】また、回転機械を支持する建屋全体のわず
かな傾き等に対しては、垂直軸の傾きは一定であるが、
ガイド軸受の回転軸に対する位置がずれることから、相
対的に反映し、変化することになる。

【００１８】なお、これらの回転機械停止時の軸系にお
けるガイド軸受ギャップ内での移動や垂直軸の傾きは立
軸回転機械に特有の現象であり、横軸機では回転部重量
が軸受にそのまま半径方向荷重として加わるためにこの
現象は起こらない。

【００１９】本発明は、以上に述べたような現象にもと
づく軸系異常時における垂直軸の傾きの性質を利用し
て、立軸回転機械の変化や異常および建屋基礎の傾きや
移動による異常を検出することにある。

【００２０】次に本発明による軸系異常検出装置の一実
施例を図面を参照して説明する。図１は軸系異常検出装
置の電気処理ブロック図である。同図において、まず立
軸回転機械は、下部先端にある水車ロ−タ４が主軸１を
介し発電機ロ−タ２に接続され、この発電機ロ−タ２の
主軸１上下側は上部ガイド軸受７および下部ガイド軸受
８により０．１〜１ｍｍ程度のギャップをもって回転自
在に支持され、一方、前記水車ロ−タ４の上側の軸も水
車ガイド軸受９により前記ギャップをもち回転自在に支
持された構成となっている。

【００２１】一方、軸系異常検出装置は、前記各ガイド
軸受内または近傍に各々配置され、主軸１の停止時に軸
とのギャップを測定し、これを電気信号に変換する非接
触型変位計の軸受ギャップセンサ１０ａ，１０ｂおよび
１０ｃと、この軸受ギャップセンサ１０ａ，１０ｂおよ
び１０ｃからの電気信号を夫々軸芯位置を表すアナログ
量（Ｘｏ，Ｙｏ）に変換する変位計１１ａ，１１ｂおよ
び１１ｃと、前記アナログ量をベクトル量である前記ベ
クトルＡに変換する演算手段１２と、ベクトルＡに関す
る温度等の補正条件の入力に基づき基準位置を算出する
判定値算出回路１３と、前記変換されたベクトルＡと前
記算出された基準位置との比較により異常判定を行い異
常のときは異常信号を出力する判定手段１４と、この異
常信号により演算を行い警報信号を出力して後述する異
常表示または警報の少なくとも一方を発生させる警報回
路１５と、前記警報信号によって，異常表示を行う異常
表示器１６および警報を発する警報器１７と、軸系異常
検出に係る各種デ−タである，前記変位計からのアナロ
グ量，前記演算手段１２からのベクトルＡ，前記判定値
算出回路１３に入力される運転条件，前記判定手段１４
からの異常信号および前記警報回路１５からの警報信号
を逐次記録する記録装置１８とを備えた構成となってい
る。

【００２２】次に、以上のように構成された軸系異常検
出装置の作用を説明する。まず、立軸回転機械の運転を
止め、主軸１が停止したら、各ガイド軸受に設けられた
軸受ギャップセンサの計測にもとづき主軸１の軸芯位置
を演算する。このときの計測方法を図２を用いて説明す
る。図示するように円で示された主軸１に対し、軸芯か
らＸおよびＹ方向に相対位置を９０度異ならせて配置し
た２つの軸受ギャップセンサにより主軸１との間の距離
を計測し、その計測に係る電気信号が変位計によって各
軸受ガイド中心からの軸芯位置ＸｏおよびＹｏを示すア
ナログ値として電気信号に変換される。この軸芯位置を
示す電気信号は、演算手段１２によりベクトル量に変換
された後、判定手段１４に送出される。

【００２３】ここで、前記軸芯位置と前記ベクトル量と
の関係を図３を用いて説明を行う。図３は原点をガイド
軸受中心ＯとするＸＹ座標に停止時の軸芯位置（Ｘ，
Ｙ）をプロットして平均値をベクトル表示した図であ
る。同図において、Ａは停止時における平均の軸芯位置
（Ｘａ，Ｙａ）を表示したベクトル量であり、移動量ａ
および傾きθの２つの成分で与えられる。前記移動量ａ
は軸芯の軸受中心に対する移動量（絶対値）を示し、次
の（１）式で与えられる。 ａ＝（Ｘａ² ＋Ｙａ² ）^1/2 …（１） また、前記傾きθは、軸受の水平軸に対する傾きを示
し、次の（２）式で与えられる。 θ＝ｔａｎ^-1（Ｙａ／Ｘａ） …（２）

【００２４】この移動量ａおよび傾きθにより停止時の
軸芯位置を表すベクトルＡは、停止時前の運転条件を一
定にすると、ほぼ一定の範囲に収まるので、このベクト
ルＡを管理することで、軸系異常等を検出できる。具体
的には、基準となる軸芯の停止位置（以下、停止位置判
定値という。）とこのベクトルＡを判定手段１４で比較
して、異常の判定を行う。

【００２５】次に、このときの比較対象である基準とな
る停止位置判定値について説明する。まず立軸回転機械
の停止時における平均の軸芯位置を示すベクトルＡは、
停止前の主機械運転状態が正常であればほぼ一定である
が、測定条件によっては多少変化する。この測定条件で
特にベクトルＡに影響を与えるものとして、季節による
温度変化等がある。従って、ベクトルＡを用いて軸系の
異常を判定するときにはこのベクトルＡの変位を考慮し
なければならない。このときに判定の基準として、種々
測定されたベクトルＡの実測値に基づき、判定値算出回
路１３が温度変化による補正信号から予め定めておく値
が停止位置判定値である。

【００２６】この停止位置判定値が判定手段１４に与え
られると、判定手段１４では、停止位置判定値と前記演
算手段１２で求められたベクトルＡとを比較し、停止位
置判定値より大きい場合は異常信号を出力する。

【００２７】この異常信号が警報回路１５に入力される
と、異常表示器１６および警報器１７に警報信号として
送られる。前記異常表示器１６および警報器１７では前
記警報信号により作動して異常を表示するとともに判定
結果に応じて警報を発生させる。

【００２８】また、記録装置１８へ記録される内容に
は、各変位計から得られる各センサ出力信号、演算手段
１２で算出される各ガイド軸受７，８および９に係る各
ベクトルＡ、立軸の回転機械の運転条件である，有効電
力、水の落差、水車あるいはポンプ運転の運転モ−ドの
別および軸の回転方向の区分である運転状態並びに前記
補正信号、判定手段からの異常信号、警報回路１５から
の警報信号などがあり、異常検出時には、これらの記録
内容を参考に異常状況の調査、確認ができる。

【００２９】上述したように本実施例では、軸系の停止
時における垂直軸の傾きを、各ガイド軸受において軸芯
位置を測定することで定量的にとらえ、かつ、軸芯位置
の測定条件から基準となる軸芯停止位置を算出し停止位
置判定値として前記測定した軸芯位置との比較を行うこ
とにより軸系の異常をチェックするようにしたので、従
来の異常検出装置と比べ、水力発電所の立軸回転機械に
おける軸系の微妙な変化異常を、早期に、かつ確実に検
出できる。

【００３０】さらに、他の要因により、主機を支持する
建屋基礎の傾きおよび移動によるわずかな変化異常が現
れた場合も、軸系と測定系との位置が相対的に変化する
ことから、同様に検出できる。また、記録装置１８によ
って軸芯位置の測定に係るデ−タの記録を行うので、長
期間にわたる上記の変化異常に対する履歴を調査、確認
することができる。なお、本発明は上述し、かつ、図面
に示す実施例にのみ限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、立
軸の回転機械停止時に軸受ギャップセンサの計測に基づ
いて各ガイド軸受ギャップ内の回転軸の軸芯位置が求め
られ、この軸芯位置と基準停止位置とを比較して軸系に
おける異常の有無を判定するようにしたので、水力発電
所の立軸回転機械における軸系の微妙な変化異常や主機
を支持する建屋基礎の傾き、移動によるわずかな変化異
常を早期に検出できる軸系異常検出装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る軸系異常検出装置の電
気処理ブロック図。

【図２】軸芯位置の計測方法を示す図。

【図３】回転機械停止時における軸芯変位量の平均値を
ベクトルで表示した図。

【図４】回転機械停止時における垂直軸の傾きの性質を
説明する図。

【符号の説明】

１…主軸、２…回転電機回転子、３…カップリング、４
…水車ランナ、５…水車主軸、６…スラスト軸受、７…
上部ガイド軸受、８…下部ガイド軸受、９…水車ガイド
軸受、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…軸受ギャップセンサ、
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…変位計、１２…演算手段、１
３…判定値算出回路、１４…判定手段、１５…警報回
路、１６…異常表示器、１７…警報器、１８…記録装
置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−108213（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−31033（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−250712（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−247909（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−111913（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−13503（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−246606（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−313007（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−172709（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−285812（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−144510（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−102811（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−28405（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立軸の回転機械とこれに直結される水車
   またはポンプ水車との軸系における異常を検出する軸系
   異常検出装置において、 前記軸系の回転軸を支持する少なくとも２ケ所以上のガ
   イド軸受の各々に相対位置を所定角度ずらせてそれぞれ
   設けられ回転軸との間の距離を計測する複数個の軸受ギ
   ャップセンサと、 回転機械の停止時に前記各軸受ギャップセンサにより計
   測された回転軸との間の距離に応じた電気信号が入力さ
   れ、基準となるガイド軸受中心からの回転軸の軸芯位置
   を求める演算手段と、 この軸芯位置を基準停止位置判定値と比較して異常の有
   無を判定し、異常のときには異常信号を出力する判定手
   段とを備えたことを特徴とする軸系異常検出装置。