JP5916496B2 - 状態監視装置、及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械の運転時の状態監視を行なう装置に関するものである。

ターボ機械等の回転機械にはロータと一体に回転する翼が設けられている。
通常、この翼と翼を外周側から覆うケーシングとの間には、翼とケーシングとの接触を確実に防止するため、所定量のクリアランスが必要とされている。

しかし、回転機械の運転時には、ロータの回転周波数に起因する同期振動や、ロータを支持する軸受部のガタ、流通する主流体の乱れ等に起因する非同期振動が発生することがあり、このような振動によって上記クリアランスにもかかわらず翼が揺動し、翼がケーシングに接触してしまうことがある。

このような問題を鑑みて、特許文献１には、回転機械の軸受け部に一対の振動検出器を軸に近接して設置し、軸芯の移動量、軸と軸受けの最大隙間および最小隙間を定量的に確認することを可能とした軸受監視装置によって、回転機械の状態を監視する技術が開示されている。

また、特許文献２には、シリンダ周りに設けられた少なくとも３つのセンサによって、各動翼が各センサに到達する実際到達時間と予想到達時間との間の偏差を求めることによって、動翼の同期振動をモニターする装置が開示されている。

特開平６−２４１８８０号公報 特開平５−６５８０３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置では、軸と軸受け部の間の隙間の監視、評価を行っているのみであり、翼とケーシングとの接触を確実に回避するように状態監視を行なうには、情報量が不足している。また、特許文献２に開示された装置では、センサを少なくとも３つ設置する必要があり、複数のセンサから供給される多くのデータの処理が複雑であることや、センサ及びそのデータの処理装置のコストが高いという問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、コストを抑えながら確実に状態監視を可能とする回転機械の状態監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る状態監視装置は、回転機械の回転体との間に半径方向に間隔をおいて設けられて、前記回転体の回転に同期した信号を出力するセンサと、前記センサからの出力信号を受けて該出力信号を所定回数毎に出力するとともに、該所定回数毎の前記出力信号から前記回転体の回転数を演算する第一の演算器と、前記センサからの前記出力信号のピーク値を検出するとともに、該ピーク値の変化から前記回転体の振動を演算する第二の演算器と、前記センサからの前記出力信号の前記ピーク値のうちの最大値を前記回転体が１回転する毎に検出するとともに、該最大値から、前記回転体と該回転体に対向する部材との間の前記半径方向のクリアランスを演算する第三の演算器と、を備えることを特徴とする。

このような回転機械の監視装置によると、第一の演算器がいわゆる分周器として機能して、センサからの出力信号により回転体の回転数を演算することができる。また、第二の演算器がセンサからの出力信号のピーク値を検出してこれらのピーク値の連続的な変化を捉え、回転体の振動の振幅及び周期である振動を演算することができる。さらに、第三の演算器が、センサからの出力信号の上記ピーク値のうちで振幅が最大となる最大値を検出することで、回転体と回転体に対向する部材とが最も接近した際のこれらの間のクリアランスを演算できる。
このようにして、１つのセンサの出力信号から回転体の回転数、回転体の振動、回転体との間のクリアランスの３つの数値を取得することが可能となる。

また、前記回転数と前記振動と前記クリアランスとの基準値を予め記録し、前記回転機械の運転中に演算された前記振動と前記クリアランスとを、これら振動及びクリアランスが演算された時点の前記回転数と同一の該回転数における前記基準値と比較してもよい。

このように、基準値と運転中の現状値との比較を同一回転数の条件の下で行なうことによって、異常状態の早期検知が可能となり、より確実な状態監視が可能となる。

さらに、前記回転機械の運転中に演算された前記振動を、該振動の周波数変換値と比較してもよい。

このような比較を行なうことで、回転体の振動における支配的な周波数成分の特定が可能となるため、異常状態の原因究明を容易化でき、より確実な状態監視が可能となる。

また、予め記録された基準値に対する前記振動の比率と、該基準値に対する前記クリアランスの比率と、前記クリアランスと、前記振動に対する該振動の周波数変換値の比率とに、重み付けを行なって前記回転機械の状態を評価してもよい。

このような重み付けを用いた評価によって、状態監視の信頼性向上が可能となる。

さらに、予め記録された基準値に対する前記振動の比率と、該基準値に対する前記クリアランスの比率と、前記クリアランスと、前記振動に対する該振動の周波数変換値の比率とを各々別々の座標上にプロットして正規分布図を作成し、該正規分布図にプロットされた点がこれらの正規分布図における標準偏差の所定数倍以上となるかどうかで前記回転機械の状態を評価してもよい。

このような標準偏差を評価基準に取り入れることによって、さらなる状態監視の信頼性向上が可能となる。

また、本発明に係る回転機械は、上記の状態監視装置を備えることを特徴とする。

このような回転機械によると、第一の演算器、第二の演算器、及び第三の演算器によって、１つのセンサの出力信号から回転体の回転数、回転体の振動、回転体との間のクリアランスの３つの数値を取得することが可能となり、コストを抑えながら確実に状態監視が可能となる。

本発明の回転機械の監視装置によると、１つのセンサによって回転体の回転数、振動、回転体とのクリアランスの３つのデータを取得することができるため、コストを抑えながら確実に状態監視が可能となる。

本発明の第一実施形態に係る状態監視装置と、状態監視装置が設けられる過給機の断面図を示すものであり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示すものである。 本発明の第一実施形態に係る状態監視装置に関し、圧縮機羽根車が１回転する間の、各羽根部とセンサとが対向した際のセンサからの出力信号の波形図である。 本発明の第二実施形態に係る状態監視装置を示すものである。 本発明の第二実施形態に係る状態監視装置に関し、基準値記録部における処理フローを示す図である。 本発明の第二実施形態に係る状態監視装置に関し、比較処理部における処理フローを示す図である。 本発明の第三実施形態に係る状態監視装置を示すものである。 本発明の第三実施形態に係る状態監視装置に関し、振動比較処理部における処理フローを示す図である。 本発明の第四実施形態に係る状態監視装置を示すものである。 本発明の第四実施形態に係る状態監視装置に関し、重み付け処理部における処理フローを示す図である。 本発明の第五実施形態に係る状態監視装置を示すものである。 本発明の第五実施形態に係る状態監視装置に関し、分布図作成処理部における処理フローを示す図である。

以下、本発明の第一実施形態に係る過給機（回転機械）１Ａについて説明する。

図1に示すように、過給機１Ａは、いわゆるターボチャージャーであって、エンジンの排気ガスＥのエネルギを回転に変換するタービン２と、このタービン２によって駆動される圧縮機１１とを主要な構成としている。前記圧縮機１１は、吸入される空気Ｗを圧縮して圧縮空気ＰＷとして、エンジンに強制的に送り込んでいる。さらに前記圧縮機１１には、運転状態を監視する状態監視装置１０が設けられている。

タービン２は、タービン本体３と、このタービン本体３を外周側から覆うとともに排気ガスＥの入口通路５及び出口通路６とを有するタービンケーシング４とによって構成されている。

タービン本体３は、タービンケーシング４に取り付けられた静翼７と、軸Ｐを中心に回転するディスク９に取り付けられた動翼８とを有している。

静翼７は、入口通路５と出口通路６との接続部分に、タービンケーシング４から軸Ｐの半径方向内側に突出するように、軸Ｐの周方向に複数が間隔をあけて取り付けられた翼部材である。

動翼８は、ディスク９の外周面から半径方向外方に突出して設けられ、前記静翼７の下流側（図１の紙面左側）で、この静翼７との間に所定の間隔をおいて配置されている。

圧縮機１１は、軸Ｐを中心に回転可能とされた圧縮機羽根車（回転体）１２と、この圧縮機羽根車１２を外周から覆う圧縮機ケーシング１４とを有している。

圧縮機羽根車１２は、羽根部１３を有する遠心型のインペラである。

圧縮機ケーシング１４は、空気Ｗを取り込む空気流入口１５と、圧縮機羽根車１２によって圧縮された圧縮空気ＰＷを吐出する出口スクロール１６とを有している。
本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、羽根部１３は軸Ｐの周方向に一定の間隔をあけて１１枚が設けられている。

そして、圧縮機羽根車１２とディスク９とは軸Ｐを中心に回転するロータ１７に嵌め込まれて軸Ｐを中心に一体となって回転するようにされている。またこのロータ１７は、２つのラジアル軸受１８と、１つのスラスト軸受１９とによって、軸Ｐを中心に回転自在に支持されている。

次に、状態監視装置１０について説明する。
図１に示すように、状態監視装置１０は、圧縮機羽根車１２の羽根部１３に対向する位置で圧縮機ケーシング１４に設けられて、羽根部１３の先端との距離を測定するセンサ２１と、センサ２１からの出力信号を増幅する変換器２２と、変換器２２の出力から異なる３つの演算を行う第一の演算器３１、第二の演算器４１、第三の演算器５１とを備えている。

センサ２１は、例えば渦電流効果を利用した非接触式の変位計であって、圧縮機ケーシング１４に１つのみが設けられて動翼８の回転に同期した出力信号を出力するものである。

ここで、上記渦電流効果を利用した変位計の動作原理について説明する。この変位計は、高周波磁束を発生するコイルにより構成され、このコイルから発生した高周波磁束によって、ターゲット（測定対象）である羽根部１３の表面に発生する渦電流の変化をコイルのインピーダンスの変化として検出する。即ち、前記羽根部１３の通過に伴う上記距離の変化を前記コイルのインピーダンスの変化として検出するもので、前記羽根部１３が最も接近する際に最大の出力が得られる構成となっている。

図２に示すように、本実施形態では、センサ２１が各羽根部１３と対向する際にセンサ２１と対象物との間の距離が最も小さくなるため、センサからの出力信号は最大となる。即ち、周期的に出力される信号は、各羽根部１３とセンサ２１とが対向する際に最大の振幅となるとともに、各羽根部１３とセンサ２１とが最も離れた位置、具体的には隣接する羽根部１３同士の中間地点においては最小の振幅となるような波形を示す。即ち、センサ２１からは羽根部１３の枚数に応じた回数（本実施形態では１１回）の出力信号が出力されるようになっている。

変換器２２は、例えばトランジスタ等を用いた増幅回路から構成され、センサ２１からの微弱な出力信号を増幅して、第一の演算器３１、第二の演算器４１、第三の演算器５１へ増幅した信号を送信するものである。

第一の演算器３１は、変換器２２で増幅されたセンサ２１からの出力信号を受け、この出力信号を所定回数（本実施形態では、羽根部１３の枚数と同じ１１回）で分周して、圧縮機羽根車１２の回転数に同期した信号を出力する分周器よりなる分周部３２と、分周部３２からの出力信号の回数をカウントすることで回転数を演算する回転数算出部３３とを有している。上記分周器は、例えば論理回路より構成されている。

第二の演算器４１は、変換器２２で増幅されたセンサ２１からの出力信号のうちで、最も大きな振幅を持つ値であるピーク値Ａを検出してサンプリングするピークホールド回路よりなるピークホールド部４２を有している。上記ピークホールド回路は、例えばコンデンサ、ダイオード、オペアンプ等によって構成されている。ここでこれらピーク値Ａは、各羽根部１３とセンサ２１とが対向する個数、即ち、本実施形態では圧縮機羽根車１２が１回転する間に羽根部１３の枚数と同じ１１個がサンプリングされることとなる。

さらに、この第二の演算器４１は、これらピーク値Ａを時系列につないで連続的な変化を捉え、例えばその包絡線から圧縮機羽根車１２の振幅及び周期を表す振動を演算する振動算出部４３を有している。

第三の演算器５１は、変換器２２で増幅されたセンサ２１からの出力信号における上記ピーク値Ａを検出するとともに、圧縮機羽根車１２が１回転する中で最も大きな振幅を持つピーク値Ａを最大ピーク値（最大値）Ａｍａｘとして検出する最大値検出部５２と、この最大ピーク値Ａｍａｘを受けて、圧縮機羽根車１２の羽根部１３のチップと圧縮機ケーシング１４との間のクリアランスを演算するクリアランス算出部５３とを有している。

このような過給機１Ａにおいては、圧縮機羽根車１２が軸Ｐ回りに１回転する間に前記センサ２１から１１個のピークを持ったパルスが出力され、このパルスは、分周部３２において分周されて圧縮機羽根車１２の回転数に対応する信号が回転数算出部３３へ供給される。この回転数算出部３３は、前記パルスのカウント値から圧縮機羽根車１２の回転数を演算する。

また、第二の演算器４１におけるピークホールド部４２は、センサ２１からの出力信号のピーク値Ａを検出して、圧縮機羽根車１２の回転にともなうピーク値Ａの連続的な変化を捉える。そしてこの連続的な変化から、圧縮機羽根車１２の振動の周期性の有無等を判別することができる。

さらに、第三の演算器５１における最大値検出部５２で、センサ２１からの出力信号の最大ピーク値Ａｍａｘを圧縮機羽根車１２が１回転する毎に検出する。そして、この最大ピーク値Ａｍａｘの振幅から、クリアランス算出部５３がクリアランスを演算することができる。

このように、１つのセンサの出力信号から、圧縮機羽根車１２の回転数、圧縮機羽根車１２の振動、圧縮機羽根車１２と圧縮機ケーシング１４との間のクリアランスの３つの数値を取得することができる。

本実施形態の過給機１Ａによると、１つのセンサ２１の出力信号から、上記の３つの数値を並行して取得することが可能となり、コストを抑えながら運転監視に必要な回転数、振動、クリアランスの３つのデータを取得することができ、状態監視が可能となる。

なお、上記実施形態では１つのセンサ２１を設けた場合について説明したが、圧縮機羽根車１２の回転方向に位相をずらして複数のセンサを設けるようにしても良い。この場合、位相を９０度ずらすことによって、圧縮機羽根車１２に生じる異なる方向への周期的変化を捉えることができる。また、位相を１８０度ずらすことによって、ある方向への微少な周期的変化を捉えることができる。

次に、本発明の第二実施形態に係る過給機１Ｂについて説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、第一実施形態における状態監視装置１０が診断処理部６１をさらに備えた状態監視装置６０となっている点で、第一実施形態の過給機１Ａとは異なっている。

図３に示すように、診断処理部６１は、第一の演算器３１、第二の演算器４１、第三の演算器５１で演算された回転数、振動、クリアランスを受信する受信部６２と、例えば過給機１Ｂの初期運転時における第一の演算器３１、第二の演算器４１、第三の演算器５１で演算された回転数、振動、クリアランスを基準値として記録する基準値記録部６３と、これら受信部６２における数値と基準値記録部６３における数値とを比較して診断を行なう比較処理部６４とを有している。

受信部６２は、第一の演算器３１からの圧縮機羽根車１２の回転数、第二の演算器４１からの振動、第三の演算器５１からのクリアランスの３つの数値を取り込むものである。

基準値記録部６３は、過給機１Ｂの初期運転時において演算された第二の演算器４１からの振動を基準振動Ｖ_０とし、第三の演算器５１からのクリアランスを基準クリアランスＬ_０として、これらが演算された時点における第一の演算器３１で演算された回転数毎、即ち基準回転数Ｎ_０毎に記録するものである。なお、記録を行なう圧縮機羽根車１２の基準回転数Ｎ_０については、過給機１Ｂの運転時に想定される数値を予め選択しておくことができ、例えば５００（ｒｐｍ）毎に記録される。

比較処理部６４は、基準値記録部６３に記録された基準値のうち、受信部６２に取り込まれた数値の回転数に一致する基準回転数Ｎ_０における基準振動Ｖ_０、基準クリアランスＬ_０を呼び出し、同一回転数の条件下で、受信部６２の振動と基準振動Ｖ_０とを比較し、また受信部６２のクリアランスと基準クリアランスＬ_０とを比較する。

次に、図４に沿って、基準値記録部６３における比較診断の処理手順について説明する。
まず、例えば客先納入前の試運転等の初期運転時において、第一の演算器３１、第二の演算器４１、第三の演算器５１で演算した回転数、振動、クリアランスを基準値として収集する（Ｓ１００）。そしてこの基準値が、回転数Ｎ_０毎の基準振動Ｖ_０、基準クリアランスＬ_０として記録される（Ｓ１０１）。

続いて、図５に沿って、比較処理部６４における比較診断の処理手順について説明する。
実際に客先納入後に運転を開始し、受信部６２にて第一の演算器３１、第二の演算器４１、第三の演算器５１で演算した回転数Ｎ_ｎ、振動Ｖ_ｎ、クリアランスＬ_ｎを所定時間毎に収集する（Ｓ１１０）。なお、データ収集を行なう所定時間とは、例えば１分毎であったり、１時間毎であったり、適宜選択が可能である。

そして、受信部６２にて収集した回転数Ｎ_ｎ、振動Ｖ_ｎ、クリアランスＬ_ｎを比較処理部６４が取り込み（Ｓ１１１）、これらのうちから振動Ｖ_ｎを抽出する（Ｓ１１２）。その後、振動Ｖ_ｎの比較診断を行なう。具体的には、受信部６２が１回目に収集した振動Ｖ_ｎを回転数Ｎ_１における振動Ｖ_１として、この振動Ｖ_１を、回転数Ｎ_１と同じ基準回転数Ｎ_０における基準振動Ｖ_０で割ることによってＶ_１／Ｖ_０の値を算出する（Ｓ１１３）。そしてこのＶ_１／Ｖ_０を振動Ｖ_１の増幅率Ａ_１とし、この増幅率Ａ_１が、予め設定した所定の閾値Ａ_Ｈを超過した場合にはＹＥＳとし（Ｓ１１４）、異常状態にあるという診断を下して警告を発する（Ｓ１１５）。なお、増幅率Ａ_１が大きくなればなるほど、初期運転時と比較して振動Ｖ_１の振幅が大きくなっていることを意味している。

一方で、増幅率Ａ_１が、予め設定した所定の閾値Ａ_Ｈを下回った場合にはＮＯとし、正常状態にあるという診断を下して警告は行なわない（Ｓ１１４）。

以下、Ｓ１１０に戻って、所定時間毎に診断を繰り返す。

同様に、振動の比較診断と並行して、受信部６２にて収集した回転数Ｎ_ｎ、振動Ｖ_ｎ、クリアランスＬ_ｎのうちからクリアランスＬ_ｎを抽出し（Ｓ１２２）、このクリアランスＬ_ｎを相対的に比較診断する。具体的には、受信部６２が１回目に収集したクリアランスＬ_ｎを回転数Ｎ_１におけるクリアランスＬ_１として、このクリアランスＬ_１を、回転数Ｎ_１と同じ基準回転数Ｎ_０における基準クリアランスＬ_０で割ることによってＬ_１／Ｌ_０の値を算出する（Ｓ１２３）。そしてこのＬ_１／Ｌ_０をクリアランスＬ_１の増幅率Ｂ_１とし、この増幅率Ｂ_１が、予め設定した所定の閾値Ｂ_Ｈを下回った場合にはＹＥＳとし（Ｓ１２４）、異常状態にあるという診断を下して警告を発する（Ｓ１２５）。なお、増幅率Ｂ_１が小さくなればなるほど、初期運転時と比較してクリアランスＬ_１が小さくなっていることを意味し、即ち、圧縮機ケーシング１４と圧縮機羽根車１２の羽根部１３のチップとが接近してきていることを意味している。

一方で、増幅率Ｂ_１が、予め設定した所定の閾値Ｂ_Ｈを超過した場合にはＮＯとし、正常状態にあるという診断を下して警告は行なわない（Ｓ１２４）。

以下、Ｓ１１０に戻って、所定時間毎に診断を繰り返す。

また、振動Ｖ_ｎの比較診断及びクリアランスＬ_ｎの相対的な比較診断に並行して、クリアランスＬ_ｎの絶対的な比較診断も行い、即ち、受信部６２が１回目に収集したクリアランスＬ_１が、予め設定した所定の閾値Ｌ_Ｈを下回った場合にはＹＥＳとし（Ｓ１３４）、異常状態にあるという診断を下して警告を発する（Ｓ１３５）。一方で、閾値Ｌ_Ｈを超過した場合にはＮＯとし、正常状態にあるという診断を下して警告は行なわない（Ｓ１３４）。

以下、Ｓ１１０に戻って、所定時間毎に診断を繰り返す。

このような過給機１Ｂにおいては、診断処理部６１を備えていることで、初期運転時における基準振動Ｖ_０及び基準クリアランスＬ_０と、運転中における振動Ｖ_ｎ及び基準クリアランスＬ_ｎの現状値とを同一の回転数の下で比較、診断することができるため、異常状態の早期検知が可能となり、また、異常状態である場合には、適切な処置を速やかに施すことができる。

また、クリアランスＬ_ｎについては、相対的に行なう場合と絶対的に行なう場合との２つの手法で比較診断することで、圧縮機ケーシング１４と圧縮機羽根車１２の羽根部１３との間のクリアランスの監視を行なっている。このため、より確実に羽根部１３と圧縮機ケーシング１４との接触を回避することができる。特に相対的に比較診断する手法を導入することによっては、仮に運転中のクリアランスＬ_ｎが０となって圧縮機羽根車１２と圧縮機ケーシング１４とが接触してしまう状態にはならないとしても、増幅率Ｂ_ｎの値が客先納入後の運転開始時と比べて大きくなってきているような場合には、将来的な異常発生の予測が可能となる。そして、このような予測によって異常検知の信頼性を向上することができる。

本実施形態の過給機１Ｂによると、コストを抑えながら運転監視に必要な回転数、振動、クリアランスの３つのデータを取得することができるとともに、診断処理部６１によって、異常状態の早期検知が可能となり、より確実に状態監視が可能となる。

次に、本発明の第三実施形態に係る過給機１Ｃについて説明する。
なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、第一実施形態における状態監視装置１０が振動診断処理部７１をさらに備えた状態監視装置７０となっている点で、第一実施形態の過給機１Ａとは異なっている。

図６に示すように、振動診断処理部７１は、第二の演算器４１で演算された振動を受信する振動受信部７２と、第二の演算器４１で演算された振動に周波数変換を施す周波数変換部７３と、これらの振動と周波数変換された数値とを比較して診断を行なう振動比較処理部７４とを有している。

振動受信部７２は、第二の演算器４１からの振動を取り込むものである。

周波数変換部７３は、第二の演算器４１で演算された振動を取り込んで、この振動を、異なる周波数を有する複数の周波数成分に分解する。

ここで、このように振動を複数の周波数成分に分解する手法としては、例えばＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（高速フーリエ変換））を用いることができる。このＦＦＴでは、得られた波形を複数の異なる波長を有する正弦波及び余弦波の和によって表現し、これにより振動を複数の異なる周波数成分に分解してスペクトル分析することができる。

なお、複数の周波数成分に分解する手法は、ＦＦＴには限定されず、他の手法であってもよい。

振動比較処理部７４は、周波数変換部７３で周波数変換された振動の周波数成分のうちで診断対象となる周波数を有する周波数成分である周波数変換値と、振動受信部７２に取り込まれた振動とを比較する。

次に、図７に沿って、振動比較処理部７４における比較診断の処理手順について説明する。
まず、運転を開始し、振動受信部７２が第二の演算器４１からの振動Ｖ_ｎを所定時間毎に収集し（Ｓ１４０）、この振動Ｖ_ｎを抽出する（Ｓ１４１）。
なお、データ収集を行なう所定時間とは、例えば１分毎であったり、１時間毎であったり、適宜選択が可能である。

次に、周波数変換部７３が、振動受信部７２で収集されて抽出された振動Ｖ_ｎを複数の周波数成分に分解し、これら周波数成分のうちで診断対象となる周波数を有する周波数成分である周波数変換値Ｆ_ｎを準備する（Ｓ１５０）。

その後、振動Ｖ_ｎの比較診断を行なう。具体的には、振動受信部７２が１回目に収集した振動Ｖ_ｎを振動Ｖ_１として、この振動Ｖ_１から分解されて準備された周波数変換値Ｆ_１を振動Ｖ_１で割ることによってＦ_１／Ｖ_１の値を算出する（Ｓ１４２）。そしてこのＦ_１／Ｖ_１を比率Ｘ_１とし、この比率Ｘ_１が、予め設定した所定の閾値Ｘ_Ｈを超過した場合にはＹＥＳとし（Ｓ１４３）、異常状態にあるという診断を下して警告を発する（Ｓ１４４）。なお、比率Ｘ_１が１に近づくほど、振動Ｖ_１の支配的な周波数成分が周波数変換値Ｆ_１であることを示し、即ち診断対象となる周波数に近いことを意味している。例えば、診断対象となる周波数を圧縮機羽根車１２の回転の周波数とした場合には、振動が圧縮機羽根車１２の回転に起因するものであるということになる。

一方で、比率Ｘ_１が、予め設定した所定の閾値Ｘ_Ｈを下回った場合にはＮＯとし、正常状態にあるという診断を下して警告は行なわない（Ｓ１４３）。

以下、Ｓ１４０に戻って、所定時間毎に診断を繰り返す。

このような過給機１Ｃにおいては、振動診断処理部７１を備えていることで、振動Ｖ_ｎと、この振動Ｖ_ｎからの周波数変換値Ｆ_ｎとを比較、診断することができる。

本実施形態の過給機１Ｃによると、コストを抑えながら運転監視に必要な回転数、振動、クリアランスの３つのデータを取得することができるとともに、振動診断処理部７１によって、圧縮機羽根車１２の振動における支配的な周波数成分の特定が可能となるため、異常状態の原因究明を容易化でき、より確実な状態監視が可能となる。

なお、本実施形態では、診断対象となる周波数変換値Ｆ_ｎとの比較のみを行なっているが、例えば、この周波数分変換値Ｆ_ｎを基本波として、２倍、３倍の周波数を有する第二高調波、第三高調波等についても比較検討の対象としてもよく、このようにすることで、例えば経年劣化による過給機１Ｃ全体の変形や、軸受の摩耗によるガタの発生等、振動の他の要因についても同時に診断可能となる。

また、本実施形態の振動比較処理部７４と第二実施形態の診断処理部６１とを併設してもよい。

次に、本発明の第四実施形態に係る過給機１Ｄについて説明する。
なお、第一実施形態から第三実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、第一実施形態における状態監視装置１０が診断処理部８１をさらに備えた状態監視装置８０となっている点で、第一実施形態の過給機１Ａとは異なっている。

図８に示すように、診断処理部８１は、第二実施形態の受信部６２及び基準値記録部６３と、第三実施形態の振動受信部７２及び周波数変換部７３と、さらに重み付け処理部８６を有している。

重み付け処理部８６は、受信部６２からの振動Ｖ_ｎ及びクリアランスＬ_ｎと、基準値記録部６３からの基準振動Ｖ_０及び基準クリアランスＬ_０が入力され、これらから上述の増幅率Ａ_ｎ及び増幅率Ｂ_ｎを算出する。
さらに、振動受信部７２からの振動Ｖ_ｎと、周波数変換部７３からの周波数変換値Ｆ_ｎが入力され、これらから上述の比率Ｘ_ｎを算出する。

そして、重み付け処理部８６はこれら、増幅率Ａ_ｎ、増幅率Ｂ_ｎ、クリアランスＬ_ｎ、比率Ｘ_ｎの各因子に対して、予め決められた係数を掛け合わせてこれらを合計するとともに、これらの数値から過給機１Ｃの状態を評価する。

次に、図９に沿って、重み付け処理部８６における処理の手順について説明する。
まず、運転を開始し、受信部６２が振動Ｖ_ｎ及びクリアランスＬ_ｎを、基準値記録部６３が基準振動Ｖ_０及び基準クリアランスＬ_０を所定時間毎に収集する（Ｓ１６０）。その後、これらからクリアランスＬ_ｎの抽出及び増幅率Ａ_ｎと増幅率Ｂ_ｎと比率Ｘ_ｎとの算出を行なう（Ｓ１６１）。

続いて、これら増幅率Ａ_ｎ、増幅率Ｂ_ｎ、クリアランスＬ_ｎ、比率Ｘ_ｎから、予め記憶され、上記の因子各々の係数（本実施形態では、ａ、ｂ、ｃ、ｄ）が設定されたチャート８５に基づいて、（ａ×Ａ_１）＋（ｂ×Ｂ_１）＋（ｃ×Ｌ_１）＋（ｄ×Ｘ_１）の数値が計算され、これが総和Ｚ_１とされる（Ｓ１６２）。

その後、この総和Ｚ_１が予め設定した閾値Ｚ_Ｈを超過した場合にはＹＥＳとし（Ｓ１６３）、異常状態にあるという評価を下して警告を発する（Ｓ１６４）。

一方で、総和Ｚ_１が、予め設定した所定の閾値Ｚ_Ｈを下回った場合にはＮＯとし、正常状態にあるという評価を下して警告は行なわない（Ｓ１６３）。

以下、Ｓ１６０に戻って、所定時間毎に評価を繰り返す。

このような過給機１Ｄにおいては、診断処理部８１が重み付け処理部８６をさらに有していることで、上記４つの各因子について重み付けを行なうことができ、過給機１Ｄの状態を総合的に評価、判断することが可能となる。

本実施形態の過給機１Ｄによると、コストを抑えながら運転監視に必要な回転数、振動、クリアランスの３つのデータを取得することができるとともに、重み付け処理部８６によって、さらなる状態監視の信頼性向上が可能となる。

なお、重み付けを行なう因子は、本実施形態では増幅率Ａ_ｎ、増幅率Ｂ_ｎ、クリアランスＬ_ｎ、比率Ｘ_ｎの４つとしていたが、他の因子についても重み付けの対象とすることが可能である。

次に、本発明の第五実施形態に係る過給機１Ｅについて説明する。
なお、第一実施形態から第四実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、第一実施形態における状態監視装置１０が診断処理部９１をさらに備えた状態監視装置９０となっている点で、第一実施形態の過給機１Ａとは異なっている。

図１０に示すように、診断処理部９１は、第二実施形態の受信部６２及び基準値記録部６３と、第三実施形態の振動受信部７２及び周波数変換部７３と、さらに分布図作成処理部９６を有している。

分布図作成処理部９６は、受信部６２からの振動Ｖ_ｎ及びクリアランスＬ_ｎと、基準値記録部６３からの基準振動Ｖ_０及び基準クリアランスＬ_０が入力され、これらから上述の増幅率Ａ_ｎ及び増幅率Ｂ_ｎを算出する。
さらに、振動受信部７２からの振動Ｖ_ｎと、周波数変換部７３からの周波数変換値Ｆ_ｎを入力され、これらから上述の比率Ｘ_ｎを算出する。

そして、分布図作成処理部９６はこれら、増幅率Ａ_ｎ、増幅率Ｂ_ｎ、クリアランスＬ_ｎ、比率Ｘ_ｎの各因子を各々別々に座標上にプロットして分布図を作成するとともに、プロットされた数値から過給機１Ｄの状態を評価する。

次に、図１１に沿って、分布図作成処理部９６における処理の手順について説明する。
まず、運転を開始し、受信部６２が振動Ｖ_ｎ及びクリアランスＬ_ｎを、基準値記録部６３が基準振動Ｖ_０及び基準クリアランスＬ_０を所定時間毎に収集する（Ｓ１７０）。その後、これらからクリアランスＬ_ｎの抽出及び増幅率Ａ_ｎと増幅率Ｂ_ｎと比率Ｘ_ｎとの算出を行なう（Ｓ１７１）。

続いて、これら増幅率Ａ_ｎ、増幅率Ｂ_ｎ、クリアランスＬ_ｎ、比率Ｘ_ｎを、これら因子毎に別々に、予め記憶された座標上へ所定時間毎にプロットして、分布図９５を作成する（Ｓ１７２）。そして、このようにして作成された因子毎の分布図９５においては、プロット数がある程度の大きさとなった時点では正規分布となることが考えられる。

ここで、ある程度のプロット数によって分布図９５が作成されて正規分布となった時点で、閾値を分布図９５における標準偏差σの所定数倍（例えば３倍に設定すると３σ）として設定する。そして、次のプロットが行なわれた際に、このプロットが閾値以上の範囲に位置する場合、ＹＥＳとし（Ｓ１７３）、異常状態にあるという評価を下して警告を発する（Ｓ１７４）。

一方で、次のプロットが行なわれた際に、このプロットが閾値を下回る範囲に位置する場合、ＮＯとし、正常状態にあるという評価を下して警告は行なわない（Ｓ１７３）。

以下、Ｓ１７０に戻って、所定時間毎に評価を繰り返す。

このような過給機１Ｅにおいては、診断処理部９１が分布図作成処理部９６をさらに有していることで、上記４つの各因子について分布図を作成して、標準偏差を基準とした評価を行なうことができ、過給機１Ｅの状態を判断することが可能となる。

本実施形態の過給機１Ｅによると、コストを抑えながら運転監視に必要な回転数、振動、クリアランスの３つのデータを取得することができるとともに、分布図作成処理部９６によって、さらなる状態監視の信頼性向上が可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、上述の実施形態では回転機械の一例として過給機１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅについて説明を行なったが、例えば回転機械はガスタービン等、他の回転機械であってもよい。

また、状態監視装置１０、６０、７０、８０、９０をタービン２に設けてもよい。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ…過給機（回転機械） ２…タービン ３…タービン本体 ４…タービンケーシング ５…入口通路 ６…出口通路 ７…静翼 ８…動翼 ９…ディスク １０…状態監視装置 １１…圧縮機 １２…圧縮機羽根車（回転体） １３…羽根部 １４…圧縮機ケーシング １５…空気流入口 １６…出口スクロール １７…ロータ １８…ラジアル軸受 １９…スラスト軸受 ２１…センサ ２２…変換器 ３１…第一の演算器 ３２…分周部 ３３…回転数算出部 ４１…第二の演算器 ４２…ピークホールド部 ４３…振動算出部 ５１…第三の演算器 ５２…最大値検出部 ５３…クリアランス算出部 ６０…状態監視装置 ６１…診断処理部 ６２…受信部 ６３…基準値記録部 ６４…比較処理部 ７０…状態監視装置 ７１…振動診断処理部 ７２…振動受信部 ７３…周波数変換部 ７４…振動比較処理部 ８０…状態監視装置 ８１…診断処理部 ８５…チャート ８６…重み付け処理部 ９０…状態監視装置 ９１…診断処理部 ９５…分布図 ９６…分布図作成処理部 Ｅ…排気ガス Ｐ…軸 Ｗ…空気 ＰＷ…圧縮空気 Ａ…ピーク値 Ａｍａｘ…最大ピーク値（最大値）

Claims (6)

1. 回転機械の回転体との間に半径方向に間隔をおいて設けられて、前記回転体の回転に同期した信号を出力するセンサと、
   前記センサからの出力信号を受けて該出力信号を所定回数毎に出力するとともに、該所定回数毎の前記出力信号から前記回転体の回転数を演算する第一の演算器と、
   前記センサからの前記出力信号のピーク値を検出するとともに、該ピーク値の変化から前記回転体の振動を演算する第二の演算器と、
   前記センサからの前記出力信号の前記ピーク値のうちの最大値を前記回転体が１回転する毎に検出するとともに、該最大値から、前記回転体と該回転体に対向する部材との間の前記半径方向のクリアランスを演算する第三の演算器と、を備え、
   前記回転機械の初期運転時において演算された前記振動および前記クリアランスの各々を基準振動および基準クリアランスとし、前記基準振動および前記基準クリアランスが演算された時点における回転数を基準回転数として、前記基準振動および前記基準クリアランスを前記基準回転数毎に予め記録し、
   前記回転機械の運転中に演算された前記振動および前記クリアランスと、前記振動および前記クリアランスが演算された時点の前記回転数と同一の回転数における前記基準振動および前記基準クリアランスとを比較する相対的な比較診断を行うことを特徴とする状態監視装置。
2. 前記相対的な比較診断と並行して、前記回転機械の運転中に演算された前記クリアランスと予め設定した所定の閾値とを比較する絶対的な比較診断を行うことを特徴とする請求項１に記載の状態監視装置。
3. 前記回転機械の運転中に演算された前記振動を、該振動の周波数変換値と比較することを特徴とする請求項１又は２に記載の状態監視装置。
4. 予め記録された前記基準振動に対する前記振動の比率と、前記基準クリアランスに対する前記クリアランスの比率と、前記クリアランスと、前記振動に対する該振動の周波数変換値の比率とに、重み付けを行なって前記回転機械の状態を評価することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の状態監視装置。
5. 予め記録された前記基準振動に対する前記振動の比率と、前記基準クリアランスに対する前記クリアランスの比率と、前記クリアランスと、前記振動に対する該振動の周波数変換値の比率とを各々別々の座標上にプロットして正規分布図を作成し、該正規分布図にプロットされた点がこれらの正規分布図における標準偏差の所定数倍以上となるかどうかで前記回転機械の状態を評価することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の状態監視装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の状態監視装置を備えることを特徴とする回転機械。

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