JP4373350B2

JP4373350B2 - 軸振動監視システム

Info

Publication number: JP4373350B2
Application number: JP2005037187A
Authority: JP
Inventors: 和幸山口; 亨之高木; 竹原　　勲; 康二山田
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP2006226687A

Description

本発明は、軸振動監視システムに係り、特に滑り軸受を用いたガスタービンやターボ圧縮機などのターボ機械に好適な軸振動監視システムに関する。

機器の信頼性保全への関心が高まる中、ターボ機械の運転時における安全性の確保が求められている。また、修理や機器監視などの運用コストのより一層の低減が求められている。これらの要求に応えるために、機器の異常をできるだけ早く、かつ確実に発見できる監視システムが必要である。

回転機械の軸振動の計測は比較的容易であり、機器の異常が軸振動に現われやすいことから、回転機械の監視システムとして軸振動監視システムが広く利用されている。軸振動監視システムでは、フーリエ変換に代表される周波数分析を利用し、異常振動発生時の卓越周波数を検出する手法が主流である。

最近では、ウェーブレット変換に代表される時間・周波数解析を用いて異常振動の時間変化パターンを検出する手法も開発されており、例えば特開２００１−７４６１６号公報（特許文献１）に開示されている。この特許文献１では、転がり軸受に傷がある場合を対象とし、ウェーブレット変換により求めた振動振幅の時間・周波数特性を周波数方向に加算処理することにより、インパルス的な異常振動を検出するとともに、その加算結果の自己相関を計算することにより、回転に同期しないノイズ成分を除去するようにしている。

特開２００１−７４６１６号公報

ターボ機械では、潤滑油で軸を浮上させて支持する滑り軸受を用いることが多い。滑り軸受の潤滑油が不足すると、滑り軸受の損傷、過大振動による回転体と静止体との接触などの不具合が発生する可能性があるため、軸振動監視システムにより軸受給油不足を早期に検知できるようにすることが望まれる。

軸受給油不足による異常振動現象は、偶発的に油膜が破断することによる非定常な振動現象であり、回転周波数よりも低い周波数が主体である。軸受給油不足による異常振動現象は非定常振動現象であるため、振動現象の把握には前記特許文献１のような時間・周波数解析が有効である。しかし、回転に同期しない振動現象であるため、前記特許文献１のように時間・周波数解析結果を周波数方向に加算して自己相関を計算する手法では異常振動を検出することが困難である。また、異常発生初期における異常振動周波数における振動振幅は、正常状態で卓越する回転周波数における振動振幅と比較して一般的に小さく、前記特許文献１のように周波数方向に加算する手法では、回転周波数に埋もれて、異常振動を検知できない可能性がある。

本発明の目的は、軸受給油不足時のように偶発的な非定常異常振動現象を、異常発生初期の、異常振動周波数における振動振幅が小さい状態であっても確実に検知できる軸振動監視システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、回転機械の軸振動を検出する軸振動検出手段と、前記軸振動検出手段で検出した振動波形を取り込む振動波形取込手段と、前記振動波形取込手段で取り込んだ前記振動波形を基に振動特性データを計算する振動特性計算手段であって、時間・周波数解析により振動振幅の時間・周波数特性を求め、その時間・周波数解析結果の各周波数における振動発生頻度を、その周波数における最大振動振幅と振動発生閾値との積で求まる振動発生判定振幅以上であるデータの時間割合を計算してその周波数の発生頻度として算出して前記振動特性データとする前記振動特性計算手段と、異常時の軸振動現象に対応する振動特性基準データであって、各周波数における振動発生頻度で表される振動特性基準データを保存する振動特性データベースと、前記異常時の軸振動に対応する振動特性基準データと前記振動特性データとを周波数毎に掛け算しその総和を求める内積演算により、前記振動特性基準データと前記振動特性データとを比較演算する振動特性比較演算手段と、を有する軸振動監視システムとしたことにある。

そして、好ましくは、前記振動特性比較演算手段の比較演算結果を表示する結果表示手段をさらに有するものである。

また、好ましくは、前記時間・周波数解析結果の各周波数における前記振動発生頻度を、当該周波数における振動振幅最大値を基準とし、この振動振幅最大値の所定割合以上の振動振幅が発生する頻度とするものである。

また、好ましくは、前記時間・周波数解析結果のある周波数における振動振幅最大値が前記時間・周波数解析結果の全時間、周波数領域における振動振幅最大値の一定割合以下となる場合に、その周波数における前記振動発生頻度を０とするものである。

また、好ましくは、前記時間・周波数解析結果から正常時の前記時間・周波数解析結果を減算した差分時間・周波数解析結果を用いて、前記振動特性計算手段による前記振動特性データを計算するものである。

また、好ましくは、前記振動特性データから正常時の前記振動特性データを減算した差分振動特性データを用いて、前記振動特性比較演算手段による前記比較演算を実施するものである。

また、好ましくは、前記振動特性データと前記振動特性基準データが等しいときに、比較演算結果がある一定値となるように前記振動特性データ及び前記振動特性基準データを正規化するものである。

本発明によれば、軸受給油不足時のように偶発的な非定常異常振動現象を、異常発生初期の、異常振動周波数における振動振幅が小さい状態であっても確実に検知できる軸振動監視システムを提供することができる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

まず、本発明の実施例１の軸振動監視システム５０を図１から図７を用いて説明する。

最初に、本実施例の軸振動監視システム５０の全体構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本発明の軸振動診断システムの実施例１の構成図である。

軸振動監視システム５０は、軸振動検出手段２、振動波形取込手段４、振動特性計算手段５、振動特性データベース８、振動特性比較演算手段９、結果表示手段１１を有して構成されている。

軸振動検出手段２は回転機械１の軸振動を計測するものであり、例えば渦電流式変位計などが用いられる。回転機械１は潤滑油で潤滑される滑り軸受を用いたガスタービンやターボ圧縮機などのターボ機械で構成されている。振動波形取込手段４は振動検出手段で検出した振動波形３を取り込むものであり、例えばＡ／Ｄコンバータなどが用いられる。振動特性計算手段５は、振動波形取込手段４で取り込んだ振動波形３を基に振動特性データ６を計算するものであり、例えばパソコンなどが用いられる。異常振動発生時の振動特性データ６は振動特性基準データ７として振動特性データベース８にその都度保存される。振動特性基準データ７はこのように実測結果から作成しても良いし、数値計算などにより作成して振動特性データベース８に保存するようにしても良く、その両方で保存するようにしても良い。振動特性比較演算手段９は、振動特性データ６と振動特性基準データ７との比較演算を行ない、比較演算結果Ｗを出力するものであり、例えばパソコンなどが用いられる。振動特性計算手段５及び振動特性比較演算手段９は同一のパソコンに内蔵されていても良い。結果表示手段１１は比較演算結果Ｗを表示するものであり、例えばＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイなどが用いられる。

次に、振動特性計算手段５の動作に関して図２を参照しながら説明する。図２は本実施例の振動特性計算手段５の計算フロー図である。

振動特性計算手段５において、まず、振動波形３に対してウェーブレット変換や短時間フーリエ変換などの時間・周波数解析を行なう（ステップＳ２１）。軸受給油不足時の振動の時間・周波数解析結果の模式図を図３に示す。図３の横軸は時間、図３の縦軸は周波数であり、振動振幅を濃淡で示してある。図３の例では、高い周波数領域において回転軸の不釣合いなどによって発生する回転速度成分が現われ、その回転速度成分よりも低い周波数領域において間欠的に発生する異常振動周波数成分が現われている。正常時における時間・周波数解析結果は回転速度成分が主に現われる。

図３の例における時間ｔｉ及び時間ｔｊの周波数と振動振幅との関係を模式図で表すと、それぞれ図４及び図５に示す通りとなる。時間ｔｉにおける周波数と振動振幅との関係では図４に示すように低周波数領域の振動発生を検知できるが、時間ｔｊおける周波数と振動振幅との関係では図５に示すように低周波数領域の振動を検知できない。従って、ある時間における単なる周波数分析では軸受給油不足による異常振動のような間欠振動を検知できないことがわかる。

次いで、ノイズ除去のためのカットオフ閾値Ａが与えられると共に（ステップＳ２２）、振動発生閾値Ｂが与えられ（ステップＳ２３）、図３のような時間・周波数分析結果の全時間、全周波数範囲における最大振動振幅とカットオフ閾値との積で求まるカットオフ振動振幅よりも各周波数における最大振動振幅の方が大きいかを判定する（ステップＳ２４）。

ステップＳ２４の判定において、カットオフ振動振幅よりも各周波数における最大振動振幅の方が小さいときには、その周波数における発生頻度を０とし（ステップＳ２５）、ステップＳ２４に戻って各周波数毎の判定をさらに進める。一方、ステップＳ２４の判定において、ある周波数における最大振動振幅がカットオフ振動振幅よりも大きいときには、その周波数における最大振動振幅と振動発生閾値Ｂとの積で求まる振動発生判定振幅以上であるデータの時間割合を計算してその周波数の発生頻度とし（ステップＳ２６）、ステップＳ２４に戻って各周波数毎の判定をさらに進めて、振動特性データ６を得る。

図３に示す周波数ｆｉにおける時間と振動振幅の関係の模式図を図６に示す。図６において、周波数ｆｉにおける最大振動振幅Ｘｉと振動発生閾値Ｂとの積Ｘｉ・Ｂが振動発生の振動振幅閾値であり、振動振幅がＸｉ・Ｂ以上となる時間の全時間中の割合が周波数ｆｉにおける振動発生頻度である。

図３に示す各周波数における振動発生頻度の模式図を図７に示す。図７は図２の振動特性データ６に相当する。回転速度成分は定常振動成分であるので、発生頻度はほぼ１である。各周波数における最大振動振幅の所定割合以上となる振動発生頻度であるから、振動特性データ６は振動振幅の絶対値に依存せず、間欠振動の発生頻度を純粋に表すことになる。このため、異常発生初期の、異常振動周波数における振動振幅が小さい状態でも、異常発生を確実に検出することができる。

次に、図１の振動特性比較演算手段９に関して説明する。振動特性比較演算手段９は、振動特性データ６と振動特性基準データ７の内積を計算するものである。振動特性データ６をＶｉ、振動特性基準データ７をＴｉとすると、比較演算結果Ｗは次の式（１）で表される。

ただし、ｎは周波数データ数である。振動特性データ６と振動特性基準データ７の差異が大きくなると、式（１）の比較演算結果Ｗが小さくなる。

上述した実施例１によれば、振動特性データ６として時間・周波数解析結果の各周波数における振動発生頻度を用いることにより、偶発的な非定常振動現象を定量的に検出することができる。また、時間・周波数解析結果の各周波数における振動発生頻度は、当該周波数における振動振幅最大値を基準とし、その最大振動振幅の所定割合以上の振動振幅が発生する頻度とすることにより、異常発生初期で異常振動周波数における振動振幅が小さくても、その周波数における振動振幅を増幅して評価するため、異常振動発生初期からその異常を検出することができる。

次に、本発明の実施例２について図８を用いて説明する。図８は本発明の軸振動監視システム５０の実施例２の振動特性計算手段５の計算フロー図である。この実施例２は、次に述べる点で実施例１と相違するものであり、その他の点については実施例１と基本的には同一である。

この実施例２では、振動特性データ６と振動特性基準データ７が等しいときに、比較演算結果Ｗが１となるように振動特性データ６を正規化している（ステップＳ２８）。換言すると、式（１）における振動特性基準データＴｉに振動特性データＶｉを代入したときの比較演算結果Ｗの値が１となるように、振動特性データＶｉを定数倍している。このため、各異常振動現象における振動特性の比較演算結果Ｗの感度が均一になっている。

また、実施例２では、算出した振動特性データ６と正常時の振動特性データ６の差を計算し（ステップＳ２７）、比較演算用の振動特性データ６として出力している（ステップＳ２８）。このため、異常振動現象をより明確に表現することができる。

次に、本発明の実施例３について図９を用いて説明する。図９は本発明の軸振動監視システム５０の実施例３の振動特性計算手段５の計算フロー図である。この実施例３は、次に述べる点で実施例１と相違するものであり、その他の点については実施例１と基本的には同一である。

この実施例３では、実施例２で説明したステップＳ２８を追加すると共に、ステップＳ２１とステップＳ２２との間に、算出した時間・周波数解析結果と正常時の時間周波数解析結果の差を用いて振動特性データ６を計算するステップＳ２９を加えている。このため、異常振動現象をより明確に表現することができる。

本発明の実施例１の軸振動診断システムの構成図である。実施例１の振動特性計算手段の計算フロー図である。実施例１における時間・周波数解析結果の模式図である。ある時間における周波数と振動振幅の関係の模式図である。他のある時間における周波数と振動振幅の関係の模式図である。実施例１のある周波数における時間と振動振幅の関係の模式図である。実施例１の振動発生頻度の模式図である。本発明の軸振動診断システムの実施例２の振動特性計算手段の計算フロー図である。本発明の軸振動診断システムの実施例３の振動特性計算手段の計算フロー図である。

符号の説明

１…回転機械、２…軸振動検出手段、３…振動波形、４…振動波形取込手段、５…振動特性計算手段、６…振動特性データ、７…振動特性基準データ、８…振動特性データベース、９…振動特性比較演算手段、１１…結果表示手段、５０…軸振動監視システム、Ｗ…比較演算結果。

Claims

回転機械の軸振動を検出する軸振動検出手段と、
前記軸振動検出手段で検出した振動波形を取り込む振動波形取込手段と、
前記振動波形取込手段で取り込んだ前記振動波形を基に振動特性データを計算する振動特性計算手段であって、時間・周波数解析により振動振幅の時間・周波数特性を求め、その時間・周波数解析結果の各周波数における振動発生頻度を、その周波数における最大振動振幅と振動発生閾値との積で求まる振動発生判定振幅以上であるデータの時間割合を計算してその周波数の発生頻度として算出して前記振動特性データとする前記振動特性計算手段と、
異常時の軸振動現象に対応する振動特性基準データであって、各周波数における振動発生頻度で表される振動特性基準データを保存する振動特性データベースと、
前記異常時の軸振動に対応する振動特性基準データと前記振動特性データとを周波数毎に掛け算しその総和を求める内積演算により、前記振動特性基準データと前記振動特性データとを比較演算する振動特性比較演算手段と、を有することを特徴とする軸振動監視システム。
請求項１に記載の軸振動監視システムにおいて、前記振動特性比較演算手段の比較演算結果を表示する結果表示手段を有することを特徴とする軸振動監視システム。
請求項１に記載の軸振動監視システムにおいて、前記時間・周波数解析結果のある周波数における振動振幅最大値が前記時間・周波数解析結果の全時間、周波数領域における振動振幅最大値の一定割合以下となる場合に、その周波数における前記振動発生頻度を０とすることを特徴とする軸振動監視システム。
請求項１から３の何れかに記載の軸振動監視システムにおいて、前記時間・周波数解析結果から正常時の前記時間・周波数解析結果を減算した差分時間・周波数解析結果を用いて、前記振動特性計算手段による前記振動特性データを計算することを特徴とする軸振動監視システム。
請求項１から４の何れかに記載の軸振動監視システムにおいて、前記振動特性データから正常時の前記振動特性データを減算した差分振動特性データを用いて、前記振動特性比較演算手段による前記比較演算を実施することを特徴とする軸振動監視システム。
請求項１から５の何れかに記載の軸振動監視システムにおいて、前記振動特性データと前記振動特性基準データが等しいときに、比較演算結果がある一定値となるように前記振動特性データ及び前記振動特性基準データを正規化することを特徴とする軸振動監視システム。