JP7403411B2

JP7403411B2 - 振動検出器および振動検出システム

Info

Publication number: JP7403411B2
Application number: JP2020133492A
Authority: JP
Inventors: 健司土方
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2023-12-22
Anticipated expiration: 2040-08-06
Also published as: JP2022029898A

Description

本願は、振動検出器および振動検出システムに関するものである。

火力あるいは原子力発電で用いられている蒸気タービン、給水ポンプ等の軸振動の測定を行う振動計に関する技術であって、保護筒内に移動可能に挿入され外部に出ている一端にタービンの回転軸に接する接触子が設けられているとともに、他端は平面に形成された振動伝達軸を備え、前記振動伝達軸の平面に一定の間隔をおいて先端が対向するよう取り付けられた渦電流式非接触形振動検出器とを具備したプローブ一体形振動計が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平６－３３０３２号公報

しかしながら、上記特許文献１に示された振動計は、タービン回転軸の軸受台に設けられた取付用穴に保護筒が固定された構造であるので、地震動による揺れが生じた場合、振動計自体が軸受台および回転軸と同位相、同振幅で揺れ、相対振動＝ゼロとなる相対振動計を構成するため、絶対振動の計測が不可能であるという問題点がある。また、発電所等の大型回転機を設置するプラントでは、プラント運転の安全性向上のため、軸受台の振動検出の精度向上について、強い要請がなされており、上記特許文献１に示された技術では対応出来ないものである。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、安定した振動検出を行うことができる振動検出器および振動検出システムを提供することを目的とする。

本願に開示される振動検出器は、回転機の軸受台に設けられたヘッドと、前記ヘッドに設けられた渦電流センサと、一端が前記回転機の軸に接し、他端が前記渦電流センサのセンサトップにギャップを有して配置されたターゲットを有するロッドとを備え、前記ロッドの上下振動に伴う前記ギャップの変動から前記回転機の振動を検出する振動検出器であって、前記渦電流センサは、前記ヘッドに設けられたダンパ筒に収納されているものである。
また、本願に開示される振動検出システムは、上記振動検出器の出力信号を上記記載の振動検出器の出力信号を受信するドライバとユニットカードによってなされる信号処理の結果が、モニタに表示されるものである。

本願に開示される振動検出器および振動検出システムによれば、安定した振動検出を行うことができる。

実施の形態１による振動検出器の配置を示す図である。実施の形態１による振動検出器を示す図である。実施の形態１による振動検出システムを示すブロック図である。実施の形態１による振動検出を示す波形図である。振動検出波形を示す比較例図である。実施の形態２による振動検出器を示す図である。実施の形態２による振動検出器を示す図である。実施の形態３による振動検出器を示す図である。実施の形態４による振動検出器を示す図である。実施の形態５による振動検出器の代替配置を示す図である。実施の形態５による振動検出器の代替配置を示す図である。

実施の形態１．
実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は回転機５０である例えば火力発電所に設置されたタービン発電機の振動を測定する振動検出器１００の配置状態を示す。振動検出器１００は回転機５０の垂直方向（Ｙ軸）の軸受台４に設けられている。図２に振動検出器１００の構成を示す。振動検出器１００の構成は、軸３０の振動を外部に伝達するロッド２と、渦電流センサ２０とに大別される。ロッド２には、一端に軸３０に摺動しながら接触するシュー１と、他端にターゲット３が設けられる。また、ロッド２の上下振動をサポートするバネ体１６を格納する保護筒９が設けられる。

渦電流センサ２０は、軸受台４に固定されたヘッド１１から延伸する第一板バネ６、第二板バネ７を介して、支持体８によって支持されたセンサ５によって構成される。センサ５の先端部分（センサトップ５Ａ）がギャップＧ（例えば、１．５ｍｍ）を介してターゲット３に対向して設けられる。第一板バネ６の長さＬ１と第二板バネ７の長さＬ２とはＬ１＞Ｌ２の関係を有す。また、ターゲット３の直径は、センサトップ５Ａの直径の３倍以上が採用される。

軸３０の振動は、シュー１を介してロッド２を上下振動させる。ターゲット３の振動はロッド２の振動を渦電流センサ２０とのギャップＧの変化として伝達し、このギャップＧの変化に対応してセンサ５からの出力信号として検出される。

次に、実施の形態１による振動検出器１００の動作について説明する。回転機５０の軸３０の振動は、シュー１に取り付けられたロッド２を介して、ターゲット３に伝達される。振動は軸受台４に固定されたヘッド１１に取り付けられた渦電流センサ２０のセンサ５のギャップＧの変化として計測され、渦電流センサ２０にはギャップＧの変動に応じた電圧出力が得られる。発生した電圧変動は外部へ信号として出力する。このように、軸３０の振動はターゲット３とその上部に設けられたセンサ５との距離（ギャップＧ）の連続した微小変動として捉えられ、電気信号として外部出力することが可能となる。

次に、自然現象の地震動あるいは発電所用大型補機の運転に伴う地震動が生じた場合、軸受台４と回転機５０すなわち軸３０とは、同位相、同振幅で揺れるが、ヘッド１１に振動抑制用のダンパとして機能する長さの異なる第一板バネ６、第二板バネ７により、フローティングマウントされた渦電流センサ２０は、２枚の第一板バネ６、第二板バネ７の振動周波数の違いから相互にダンピングして揺れを抑え、空間での静止位置を保つ。よって軸受台４、回転機５０の揺れはターゲット３とセンサ５のギャップ変動となり、地震動による軸受台４、回転機５０（軸３０）の揺れ＝絶対振動を検知して信号出力可能な絶対振動計を構成することが可能となる。

図３は、実施の形態１の振動検出システムを示すブロック図である。振動検出器１００の渦電流センサ２０の出力は、ドライバ１１０を介してユニットカード１２０に送信される。このユニットカード１２０ではアナログ出力回路、警報出力回路、センサ断線検出回路等が設けられており、渦電流センサ２０から得られる振動変位に比例した交流波形を読み込み、所定の演算処理を行い、その結果がモニタ１３０に出力、表示される。

図４に、時間経過に伴う地震動、回転機５０の軸３０の振動、振動検出器１００の出力、モニタ１３０の検出、表示波形例を示す。図４において、Ａは地震動、Ｂは軸３０の振動、Ｃは振動検出器１００の出力、Ｄはユニットカード１２０で処理されたモニタ１３０に表示される例を示す。図４のＡに示すように、時刻ｔ１において地震動が発生し、時刻ｔ３で減衰する。一方、Ｂに示すように同時刻のｔ１において軸振動が発生し、時刻ｔ２で減衰している。振動検出器１００は時刻ｔ１から時刻ｔ３にわたり、Ｃの曲線に示す出力をする。この出力を入力するユニットカード１２０は所定の処理を実行し、Ｄの時刻ｔ１から時刻ｔ３の曲線に示す出力がモニタ１３０に表示される。また、Ｂに示すように時刻ｔ４からｔ５にかけて発生する軸３０の振動は、Ｄに示す時刻ｔ４からｔ５の曲線に示す出力がモニタ１３０に表示される。この図４から明らかなように、この実施の形態１では安定した振動検出と絶対振動を検出することができ、回転機５０の異常発生を未然に防止可能となり、プラントの安全運転に寄与できるという効果がある。

尚、上記図４に例示した地震動および軸３０の振動と同一現象が発生したとする場合に、比較例による検出、表示波形を、比較図として図５に示す。

実施の形態２．
次に、実施の形態２を図に基づいて説明する。図６に示すように、この実施の形態２による振動検出器１００は、前述した実施の形態１の図２の渦電流センサ２０に代替した渦電流センサ２０Ａとしたものであり、これ以外は図２と同様である。渦電流センサ２０Ａは、ヘッド１１にダンパ機能を有する第一板バネ６、第二板バネ７によって支持されるとともに、同じくダンパ機能を有するダンパ筒１２内にセンサ５が設けられている。ダンパ筒１２は樹脂製で、内部に低粘度のオイル１３、例えばシリコンオイルと、不活性ガス１４、例えば窒素ガスが封入されている。センサ５の先端部のセンサトップ５Ａはダンパ筒１２から突出しており、封止材１５は、例えばオーリングで、オイル１３、不活性ガス１４が漏洩しないよう封止されている。この構成により、センサ５がダンパ筒１２の内部を上下方向に自由に動くことが可能であり、前述した実施の形態１と同様にセンサ５とターゲット３のギャップＧの変動に対応した電圧出力が得られる。尚、オイル１３の粘度、流入量、および不活性ガス１４の封入圧力は、試験の上最適値が設定される。尚、前述した図６に代替して図７に示すようにダンパ筒１２Ｃがヘッド１１にネジ部１７にねじ込んで固定される構成の渦電流センサ２０Ｃを備えた振動検出器１００であってもよい。

このように、実施の形態２の図６によれば、地震動による揺れが発生した場合、ヘッド１１、回転機５０（軸３０）と同位相、同振幅で揺れるが、ヘッド１１に支持されたダンパ筒１２の内部に封入されたオイル１３と不活性ガス１４によりフローティングマウントされたセンサ５は、オイル１３と不活性ガス１４でダンピングされて揺れを抑えて空間での静止位置を保つ。また、第一板バネ６、第二板バネ７によりフローティングマウントされたダンパ筒１２は、より大きな揺れでも空間での静止位置を保ち、オイル１３、不活性ガス１４のフローティング作用を補完する。また、図７に示す構成では加えてヘッド１１によるダンパ機能によって、よりフローティング作用を補完する。よって、軸受台４、軸３０の振動はターゲット３とセンサ５とのギャップＧの変動となり、絶対振動の検出を可能とする。以上の各振動の検出、表示波形は前述した図４と同様であり、この実施の形態２においても実施の形態１と同様の効果がある。

実施の形態３．
次に、実施の形態３を図に基づいて説明する。図８に示すように、この実施の形態３による振動検出器１００は、前述した実施の形態２の図７に示した渦電流センサ２０Ｃとダンパ筒１２Ｃをそれぞれ渦電流センサ２０Ｂ、ダンパ筒１２Ａとしたものである。これ以外は図７と同様である。渦電流センサ２０Ｂは、センサトップ５Ａがダンパ筒１２Ａ内に収納されるとともにヘッド１１のネジ部１７にねじ込み固定されている。尚、図８に示すギャップＧは１０ｍｍ～１５ｍｍとしている。このように、実施の形態３によれば、オイル１３、不活性ガス１４の封止材を必要とせず、簡単な構造となるとともに、前述した実施の形態２と同様の効果がある。

実施の形態４．
次に、実施の形態４を図に基づいて説明する。図９に示すように、この実施の形態４による振動検出器１００は、前述した実施の形態３の渦電流センサ２０Ｂの支持がヘッド１１のネジ部１７のみで固定されたものである。この実施の形態４によれば、より簡素化された構成で安定した振動検出と絶対振動を検出できる。

実施の形態５．
次に、実施の形態５を図に基づいて説明する。図１０に示すように、この実施の形態５は、前述した実施の形態１から実施の形態４のいずれかと同様、同じまたはそれぞれ異なる振動検出器１００を軸受台４において軸３０の垂直方向（Ｙ軸）に１台、水平方向（Ｘ軸）に１台設けるとともに、これらの振動検出器１００のそれぞれの出力信号を図３に示したドライバ１１０、ユニットカード１２０で処理後、モニタ１３０にてそれぞれ表示するものである。このように、軸受台４のＹ軸、Ｘ軸上にそれぞれ振動検出器１００を設ける構成を採用することにより、発生する地震動の成分解析判定が容易となり、前述の効果に加えてより正確な振動検出が可能となる。

尚、実施の形態１の図１で示した振動検出器１００の配置に代替して、図１１に示すように４５°の位置に設けてもよい。このような構成を採用することで、実施の形態１と同様の効果がある。また、回転機５０としてタービン発電機の例を示したが、タービン同様、送水機等の大型高速の回転機であってもよい。さらに、ダンパとして第一板バネ６、第二板バネ７で支持する構成を示したが、コイルバネであってもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１シュー、２ロッド、３ターゲット、４軸受台、５センサ、
５Ａセンサトップ、６第一板バネ、７第二板バネ、１１ヘッド、
１２，１２Ａダンパ筒、１３オイル、１４不活性ガス、
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ渦電流センサ、３０軸、５０回転機、
１００振動検出器、１３０モニタ。

Claims

回転機の軸受台に設けられたヘッドと、前記ヘッドに設けられた渦電流センサと、一端が前記回転機の軸に接し、他端が前記渦電流センサのセンサトップにギャップを有して配置されたターゲットを有するロッドとを備え、前記ロッドの上下振動に伴う前記ギャップの変動から前記回転機の振動を検出する振動検出器であって、
前記渦電流センサは、前記ヘッドに設けられたダンパ筒に収納されている振動検出器。
前記ダンパ筒は、前記ヘッドから延伸する長さが異なる第一板バネ、第二板バネによって保持されている請求項１に記載の振動検出器。
前記ダンパ筒は、加えて前記ヘッドのネジ部で固定されている請求項２に記載の振動検出器。
前記ダンパ筒は、前記ヘッドのネジ部で固定されている請求項１に記載の振動検出器。
前記ダンパ筒内には、オイルおよび不活性ガスが封入されている請求項１に記載の振動検出器。
前記ダンパ筒は、樹脂製とする請求項１に記載の振動検出器。
前記軸受台の垂直軸上に設けられた請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の振動検出器。
前記軸受台の垂直軸から４５°離れて設けられた請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の振動検出器。
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の振動検出器の出力信号を受信するドライバとユニットカードによってなされる信号処理の結果が、モニタに表示される振動検出システム。
前記軸受台の垂直軸上および水平軸上に、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の振動検出器が設けられるとともに、前記振動検出器の出力信号を受信するドライバとユニットカードによってなされる信号処理の結果が、モニタに表示される振動検出システム。