JP4528721B2 - 発電機ロータのき裂進展予測システムと運転条件決定支援システム、方法およびプログラム、並びに運転制御システム - Google Patents
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Description
[構成]
図1は、本発明を適用した第1の実施形態に係る発電機ロータのき裂進展予測システムを示すブロック図である。この図1に示すように、き裂進展予測システム1は、演算部10、インタフェース部20、記憶部30等から構成されている。このき裂進展予測システム1の各部の詳細は次の通りである。
図2は、以上のような第1の実施形態に係るき裂進展予測システム1の動作概略を示すフローチャートである。
第1の実施形態に係るき裂進展予測システム1の構成および動作概略は、発明者等が見出したき裂進展のメカニズムに基づくものである。図3は、このメカニズムを説明するために、ロータ材のき裂進展カーブを模式的に示す図である。この図3において、横軸は、応力拡大係数範囲△K、縦軸は、き裂進展速度da/dNを表している。図中では、平均応力がき裂進展速度に及ぼす影響を表すため、複数の曲線がプロットされている。
以下には、図2に示したような第1の実施形態に係るき裂進展予測システム1の動作のうち、以上のようなき裂進展のメカニズムを前提とした、本発明における特徴的な処理の詳細について順次説明する。
接触面圧によりき裂の周囲に生じる圧縮応力場は、楔がシャフトダブテールに遠心力により押付けられることにより起こる。したがって、応力計算部11の接触面圧応力計算部111による接触面圧応力計算処理(S210)においては、楔、シャフトダブテール間の接触問題を解くことで接触面圧により生じる平均応力を求めることができる。これには、接触部をモデル化した簡易式や有限要素法解析などを用いることができる。また、数値実験計画法などにより作成したデータベースを用いてもよい。
ここで、Sm10は定格回転数における面圧による平均応力、ωは回転数、ω0は定格回転数である。
図2に示したように、熱応力計算部112による熱応力計算処理(S220)においては、熱応力計算部112の流体温度解析部1121、非定常温度分布解析部1122、非定常応力分布解析部1123による流体温度解析処理(S221)、非定常温度分布解析処理(S222)、非定常応力分布解析処理(S223)が、この順序で段階的に行われることにより、熱応力により生じる平均応力Sm2が算出される。
面圧による応力や熱応力と異なり、残留応力は、ロータの製鋼、スロット、シャフトダブテール加工、熱処理によって生じるが、運転中は変化しない。そのため、残留応力計算部113による残留応力計算処理(S230)においては、予め用意した残留応力データベースを用いて、材料、製造時期、SRなどの熱処理方法を入力することにより、残留応力Sm3を求める。
図6は、平均応力計算部114による平均応力計算処理(S240)において、楔との接触面圧により生じる応力Sm1、シャフトダブテールの熱応力Sm2、残留応力Sm3を合わせて、平均応力Smを計算した例を示す。この例では、熱応力Sm2に比べて接触面圧による圧縮応力が大きく定格回転数に近いときには、平均応力Smは圧縮側の平均応力となる。なお、残留応力Sm3は他の応力に比べて小さく、平均応力Smへ及ぼす影響はわずかである。熱応力Sm2は、起動時には圧縮側であるため、停止運転中の界磁電流遮断直後に平均応力Smが引張り側の最大位置となることがわかる。
図2に示したように、係数範囲計算部12による係数範囲計算処理(S250)においては、係数範囲計算部12の線形応力解析部121、ズームアップ接触応力解析部122、応力拡大係数計算部123、応力拡大係数範囲計算部124による線形応力解析処理(S251)、ズームアップ接触応力解析処理(S252)、応力拡大係数計算処理(S253)、応力拡大係数範囲計算処理(S254)が、この順序で段階的に行われることにより、応力拡大係数範囲ΔKが算出される。
以上のような第1の実施形態によれば、シャフトダブテールのき裂進展に影響を及ぼすシャフトダブテールの平均応力を正確に把握できるため、定検などで得られたシャフトダブテールのき裂について、次の定検までの運転パターンや期間を計算条件として、次の定検までにき裂がどれだけ進展するかを定量的に計算することができる。また、シャフトダブテールにおける平均応力の運転中の変化によりき裂進展が支配されているというメカニズムに基づいた応力評価手法を確立できるため、接触部の形状やロータなどに変更を行うことなしに、運転制御により、き裂進展をコントロールすることが可能となる。
[構成]
図7は、本発明を適用した第2の実施形態に係る発電機ロータの運転条件決定支援システムを示すブロック図である。この図7に示す運転条件決定支援システム2は、シャフトダブテールに発生したき裂サイズに応じて、き裂が進展しない運転パターンを決定するシステムであり、そのために、第1の実施形態に係るき裂進展予測システム1の演算部10におけるき裂進展量計算部13に代えて、運転制限値計算部14と運転パターン決定部15を設けたものである。
図8は、以上のような第2の実施形態に係る運転条件決定支援システム2の動作概略を示すフローチャートである。
以上のような第2の実施形態によれば、き裂進展を生じない運転条件を決定することができるため、き裂進展をコントロール可能な発電機ロータの運転条件決定支援システムと方法およびプログラムを提供することができる。
[構成]
図10は、本発明を適用した第3の実施形態に係る発電機ロータの運転条件決定支援システムを示すブロック図である。この図10に示す運転条件決定支援システム3は、第2の実施形態に係る運転条件決定支援システム2と同様の手法で、き裂が進展しない運転パターンにより発電機ロータを運転している際に、何らかの事情で運転制限値を超えた運転を余儀なくされた場合に、き裂の進展量に応じて新しい運転制限値を計算して運転パターンを変更するシステムである。そのために、本実施形態においては、第1の実施形態に係るき裂進展予測システム1の演算部10に、き裂サイズ計算部16を追加するとともに、第2の実施形態と同様の運転制限値計算部14と運転パターン決定部15を設けている。
図11は、以上のような第3の実施形態に係る運転条件決定支援システム3の動作概略を示すフローチャートである。
以上のような第3の実施形態によれば、定検などで発見されたシャフトダブテールのき裂情報を元に、運転中のき裂進展量を逐一予測し、現在のき裂長さや運転制限を運転者が容易に確認できるため、発見したき裂のハツリ除去を行わなくても、発電機ロータの信頼性を維持したまま運転を継続することができる。
図12は、本発明を適用した第4の実施形態に係る発電機ロータの運転制御システムを示すブロック図である。この図12に示す運転制御システム4は、第2の実施形態に係る運転条件決定支援システム2に、発電機ロータの運転を制御する運転制御装置40を組み込んだものである。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。まず、図面に示したシステム構成やフローチャートは、一例にすぎず、具体的な構成、動作手順や各処理の詳細などは適宜選択可能である。例えば、第4の実施形態においては、第2の実施形態に係る運転条件決定支援システムと運転制御手段を組み合わせたが、第3の実施形態に係る運転条件決定支援システムと運転制御手段を組み合わせてもよい。
2,3…運転条件決定支援システム
4…運転制御システム
10…演算部
11…応力計算部
111…接触面圧応力計算部
112…熱応力計算部
1121…流体温度解析部
1122…非定常温度分布解析部
1123…非定常応力分布解析部
113…残留応力計算部
114…平均応力計算部
12…係数範囲計算部
121…線形応力解析部
122…ズームアップ接触応力解析部
123…応力拡大係数計算部
124…応力拡大係数範囲計算部
13…き裂進展量計算部
14…運転制限値計算部
15…運転パターン決定部
16…き裂サイズ計算部
20…インタフェース部
21…データ入力部
22…データ出力部
30…記憶部
40…運転制御装置
Claims (15)
- 記憶手段と、
データの入力および結果の出力を行うインタフェース手段と、
発電機ロータのシャフトダブテールに生じる平均応力を計算し前記記憶手段に格納する応力計算手段と、
シャフトダブテールに発生したき裂の応力拡大係数範囲を計算し前記記憶手段に格納する係数範囲計算手段と、
前記記憶手段に格納された平均応力および応力拡大係数範囲と、き裂に関するデータから、シャフトダブテールのき裂進展量を計算するき裂進展量計算手段を有する
ことを特徴とする発電機ロータのき裂進展予測システム。 - 前記応力計算手段は、シャフトダブテールと楔との接触面圧によりシャフトダブテールに生じる平均応力と、シャフトダブテールの熱応力によりシャフトダブテールに生じる平均応力と、残留応力によりシャフトダブテールに生じる平均応力を合計して、シャフトダブテールに生じる平均応力を計算するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の発電機ロータのき裂進展予測システム。
- 前記き裂進展量計算手段は、得られた平均応力および応力拡大係数範囲と、運転パターン、運転時間、およびき裂に関するデータから、任意の時間におけるシャフトダブテールのき裂進展量を計算するように構成されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発電機ロータのき裂進展予測システム。 - 前記応力計算手段は、シャフトダブテールの熱応力を計算するための手段として、
発電機ロータおよび発電機コイル近傍の冷却媒体の流体温度解析を行う手段と、
流体温度解析により得られた冷却媒体の熱伝達率と温度のデータを温度境界条件として用いて、楔とロータの非定常温度分布解析を行う手段と、
非定常温度分布解析により得られた温度分布を用いて、ロータと楔の非定常接触応力解析を行う手段を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の発電機ロータのき裂進展予測システム。 - 前記係数範囲計算手段は、
発電機ロータ全体モデルの線形応力解析を行う手段と、
線形応力解析により得られたロータの一部分の変形、応力データを用いて、シャフトダブテールのズームアップ接触応力解析を行う手段と、
ズームアップ接触応力解析により得られた応力分布または変位分布を用いて、シャフトダブテールのき裂の応力拡大係数を計算する手段を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の発電機ロータのき裂進展予測システム。 - 前記応力計算手段は、発電機のモニタリング運転情報から、シャフトダブテールに生じる平均応力を計算するように構成され、
前記係数範囲計算手段は、シャフトダブテールに発生したき裂のサイズ、位置、形状に基づき、シャフトダブテールに発生したき裂の応力拡大係数範囲を計算するように構成され、
前記き裂進展量計算手段は、得られた応力拡大係数範囲および平均応力と、材料き裂進展データから、運転中のき裂進展量を計算するように構成され、
前記演算手段は、
得られたき裂進展量を用いて、現在のき裂サイズを逐一計算するき裂サイズ計算手段を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の発電機ロータのき裂進展予測システム。 - 発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を抑制するための発電機の運転条件を決定する発電機ロータの運転条件決定支援システムにおいて、
請求項6のき裂進展予測システムにより実現されるき裂進展予測手段と、
得られたき裂サイズを用いて、新しい運転条件を決定する運転制限値を計算する運転制限値計算手段
を備えたことを特徴とする発電機ロータの運転条件決定支援システム。 - 記憶手段と、
データの入力および結果の出力を行うインタフェース手段と、
シャフトダブテールに発生したき裂のサイズ、位置、形状に基づき、シャフトダブテールに発生したき裂の応力拡大係数範囲を計算して前記記憶手段に格納する係数範囲計算手段と、
材料の下限界応力拡大係数範囲のデータに基づき、前記記憶手段に格納された応力拡大係数範囲に対応するき裂が進展しない平均応力を、運転条件を決定する運転制限値として計算して前記記憶手段に格納する運転制限値計算手段と、
各種の運転パターンから作成した平均応力データを用いて、前記記憶手段に格納された運転制限値に基づき、き裂が進展しない運転パターンを決定する運転パターン決定手段を有する
ことを特徴とする発電機ロータの運転条件決定支援システム。 - 前記平均応力データは、シャフトダブテールと楔との接触面圧によりシャフトダブテールに生じる平均応力と、シャフトダブテールの熱応力によりシャフトダブテールに生じる平均応力と、残留応力によりシャフトダブテールに生じる平均応力を合計して、運転パターンごとに作成されている
ことを特徴とする請求項8に記載の発電機ロータの運転条件決定支援システム。 - 発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を抑制するための発電機の運転条件を決定する発電機ロータの運転条件決定支援システムにおいて、
請求項6のき裂進展予測システムにより実現されるき裂進展予測手段と、
得られたき裂サイズを用いて、新しい運転条件を決定する運転制限値を計算する運転制限値計算手段を備え、
前記運転制限値計算手段は、請求項7または請求項8の運転条件決定支援システムにより実現される
ことを特徴とする発電機ロータの運転条件決定支援システム。 - 発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を抑制するように発電機の運転を制御する発電機ロータの運転制御システムにおいて、
請求項7乃至請求項10のいずれかの運転条件決定支援システムにより実現されて、運転条件を決定する運転条件決定支援手段と、
決定された運転条件により発電機ロータの運転を制御する運転制御手段
を備えたことを特徴とする発電機ロータの運転制御システム。 - 発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を予測する発電機ロータのき裂進展予測方法において、
き裂進展を予測するための計算を行う演算手段と、計算結果を保存する記憶手段と、データの入力を受付け結果の出力を行うインタフェース手段を用いて、
前記演算手段により、
シャフトダブテールに生じる平均応力を計算する応力計算ステップと、
シャフトダブテールに発生したき裂の応力拡大係数範囲を計算する係数範囲計算ステップと、
得られた平均応力および応力拡大係数範囲と、き裂に関するデータから、シャフトダブテールのき裂進展量を計算して前記記憶手段に保存するき裂進展量計算ステップを行い、
前記インタフェース手段により、得られた計算結果を表示する結果表示ステップを行う
ことを特徴とする発電機ロータのき裂進展予測方法。 - 発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を抑制するための発電機の運転条件を決定する発電機ロータの運転条件決定支援方法において、
運転条件決定用の計算を行う演算手段と、計算結果を保存する記憶手段と、データの入力を受付け結果の出力を行うインタフェース手段を用いて、
前記演算手段により、
シャフトダブテールに発生したき裂のサイズ、位置、形状に基づき、シャフトダブテールのき裂の応力拡大係数範囲を計算する係数範囲計算ステップと、
材料の下限界応力拡大係数範囲のデータに基づき、得られた応力拡大係数範囲に対応するき裂が進展しない平均応力を、運転条件を決定する運転制限値として計算する運転制限値計算ステップと、
各種の運転パターンから作成した平均応力データを用いて、得られた運転制限値に基づき、き裂が進展しない運転パターンを決定し、前記記憶手段に保存する運転パターン決定ステップを行い、
前記インタフェース手段により、得られた計算結果を表示する結果表示ステップを行う
ことを特徴とする発電機ロータの運転条件決定支援方法。 - コンピュータを利用して、発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を予測する発電機ロータのき裂進展予測プログラムにおいて、
前記コンピュータに、
シャフトダブテールに生じる平均応力を計算する応力計算機能と、
シャフトダブテールに発生したき裂の応力拡大係数範囲を計算する係数範囲計算機能と、
得られた平均応力および応力拡大係数範囲と、き裂に関するデータから、シャフトダブテールのき裂進展量を計算するき裂進展量計算機能
を実現させることを特徴とする発電機ロータのき裂進展予測プログラム。 - コンピュータを利用して、発電機ロータのシャフトダブテールのき裂進展を抑制するための発電機の運転条件を決定する発電機ロータの運転条件決定支援プログラムにおいて、
前記コンピュータに、
シャフトダブテールに発生したき裂のサイズ、位置、形状に基づき、シャフトダブテールのき裂の応力拡大係数範囲を計算する係数範囲計算機能と、
材料の下限界応力拡大係数範囲のデータに基づき、得られた応力拡大係数範囲に対応するき裂が進展しない平均応力を、運転条件を決定する運転制限値として計算する運転制限値計算機能と、
各種の運転パターンから作成した平均応力データを用いて、得られた運転制限値に基づき、き裂が進展しない運転パターンを決定する運転パターン決定機能
を実現させることを特徴とする発電機ロータの運転条件決定支援プログラム。
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