JP7495919B2 - 摩耗検知システム及び摩耗検知方法 - Google Patents

Description

本発明はターボ機械の羽根車の摩耗を検知する摩耗検知システム及び摩耗検知方法に関する。

ターボ機械においては、作動流体に不可避的に含まれている固体微粒子との衝突により羽根車に摩耗が生じることが知られている。摩耗の進行によりターボ機械の性能が低下することを回避するために、摩耗を検知して羽根車の補修又は交換を行う必要がある。

羽根車の摩耗を検出する手法としては、羽根車に近い材質の摩耗検知片をターボ機械の配管内に設置し、固体微粒子との衝突による摩耗検知片の摩耗に伴って発生する弾性振動波を検知することによって羽根車の摩耗を検知することが提案されている（特許文献１）。

特開昭６２－２３２５３２号公報

特許文献１に開示された手法において、摩耗検知片は、配管壁を貫通した片持ち状態で支持されている。この場合、配管内を流れる作動流体に晒される摩耗検知片が流体振動によって疲労破損して摩耗を検知できなくなる虞があり、また、配管壁を貫通することによる配管強度の低下や貫通箇所からの漏れといった懸念もあった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ターボ機械の羽根車の摩耗をより簡易な構成で確実に検知できる摩耗検知システム及び摩耗検知方法を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するための本発明に係る摩耗検知システムは、回転自在に支持された主軸と、前記主軸の一端に取り付けられ、複数の羽根を有する羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を収容するケーシングとが備えられたターボ機械の羽根車の摩耗を検知する摩耗検知システムであって、前記主軸に作用するスラスト荷重を取得する荷重取得部と、前記ケーシング内を流れる流体の流量を取得する流量取得部と、前記荷重取得部によって取得された前記スラスト荷重及び前記流量取得部によって取得された前記流量により前記羽根の先端部と前記ケーシングの内壁面との間の隙間を推定し、前記隙間に基づいて前記羽根車の摩耗状態を推定する推定部とを備えることを特徴とする。

ターボ機械において、作動流体に含まれている固体微粒子との衝突により羽根車の摩耗が進行すると、羽根の先端部とケーシングの内壁面との間の隙間は大きくなる。ターボ機械は通常、作動流体の流量が一定となるように運転されるが、この場合では隙間の拡大に伴い、吸い込み側に戻される作動流体の量が増大して吸い込み側と吐き出し側との圧力差が低下するので、羽根車から主軸に作用する吸い込み側へのスラスト荷重は小さくなる。すなわち、流量が一定である場合にスラスト荷重の低下が見られたことは、隙間が拡大していること、したがって羽根車の摩耗が進行中であることを意味する。

上記構成においては、流量及びスラスト荷重を経時的に取得することで、一定の流量でのスラスト荷重の変化をモニタリングすることが可能となる。その結果、一定の流量でのスラスト荷重が所定期間にわたって低下したことをもって羽根の先端部とケーシングの内壁面との間の隙間が拡大していると推定し、これに基づいて羽根車の摩耗が進行中であると推定することができる。すなわち、上記構成によれば、羽根車の摩耗が進行中であることを検知することができる。また、隙間の拡大度合と、スラスト荷重の低下度合とは相関関係があるので、スラスト荷重の低下度合から隙間の拡大度合を推定し、これに基づいて羽根車の摩耗度合を推定することができる。すなわち、上記構成によれば、羽根車の摩耗の進み具合を検知することもできる。

そして、上記構成は、ケーシングを貫通する摩耗検知部材の設置を必要としないので、摩耗検知部材の破損及びケーシングの強度の低下や作動流体の漏れといった懸念がなく、摩耗を簡易な構成で確実に検知することができる。

本発明に係る摩耗検知システムにおいて、前記推定部は、予め用意された前記スラスト荷重及び前記流量と、前記隙間との関係を示す情報を用いて前記隙間を推定すると好適である。

上記構成によれば、推定部は、荷重取得部によって取得されたスラスト荷重に対応する隙間を定量的に推定することが可能となり、その結果、羽根車の摩耗の度合いをより正確に推定することが可能となる。

本発明に係る摩耗検知システムにおいて、前記主軸の回転数を取得する回転数取得部を更に備え、前記流量取得部は、予め用意された前記スラスト荷重及び前記回転数と、前記流量との相関関係を示す情報を用いて、前記荷重取得部によって取得された前記スラスト荷重及び前記回転数取得部によって取得された前記回転数により前記流量を取得すると好適である。

ターボ機械は、特にケーシングの寸法が大きい場合において、スペースの制約により流量計の設置が困難であることがある。上記構成によれば、流量計を用いることなく、スラスト荷重及び回転数により流量を取得することが可能となる。

本発明に係る摩耗検知システムにおいて、前記主軸は、軸受箱内に収容されて当該主軸に作用するスラスト荷重を受ける軸受によって支持され、前記荷重取得部は、前記軸受を介して前記軸受箱に作用するスラスト荷重を測定するロードセルを含むと好適である。

上記構成によれば、主軸に作用するスラスト荷重を安価で精度が高いロードセルによって測定することができる。

本発明に係る摩耗検知システムにおいて、前記ロードセルは、前記主軸の周方向に等間隔で複数設けられていると好適である。

上記構成によれば、主軸に作用するスラスト荷重が複数のロードセルに均等的に伝達するので、より精度の高い測定が可能となる。

本発明に係る摩耗検知システムにおいて、前記推定部によって推定された前記隙間が予め用意された前記隙間についての閾値に達したことに応じて警報を報知する報知部を更に備えると好適である。

上記構成によれば、羽根車の交換や補修が必要になる隙間について閾値を予め設定し、推定部によって推定された隙間が閾値に達すると警報を報知して作業員に交換や補修を促すことで、ターボ機械の性能を適切に維持することができる。

上述の目的を達成するための本発明に係る摩耗検知方法は、回転自在に支持された主軸と、前記主軸の一端に取り付けられ、複数の羽根を有する羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を収容するケーシングとが備えられたターボ機械の羽根車の摩耗を検知する摩耗検知方法であって、前記羽根車に向かう方向に沿って前記主軸に作用するスラスト荷重を取得する荷重取得工程と、前記ケーシング内を流れる流体の流量を取得する流量取得工程と、前記荷重取得工程において取得された前記スラスト荷重及び前記流量取得工程において取得された前記流量により前記羽根の先端部と前記ケーシングの内壁面との間の隙間を推定し、前記隙間に基づいて前記羽根車の摩耗状態を推定する推定工程とを含むことを特徴とする。

上記構成によれば、羽根の先端部とケーシングの内壁面との間の隙間を推定し、これに基づいて羽根車の摩耗が進行中であること及び羽根車の摩耗の進み具合を検知することができる。

ターボ機械の一例である立軸斜流ポンプの構成を概略的に示す図である。 図１に示す斜流ポンプの吸込ベル近辺の構成を概略的に示す図である。 本発明に係る摩耗検知システムの構成を示すブロック図である。 スラスト荷重と流量と隙間との関係を示す図である。 本発明に係る摩耗検知システムの別実施形態を示すブロック図である。

以下、ターボ機械の一例として立軸斜流ポンプを用い、ターボ機械の羽根車の摩耗を検知する本発明の摩耗検知システム及び摩耗検知方法を説明する。但し、本発明に係る摩耗検知システム及び摩耗検知方法は、羽根車の回転により主軸にスラスト荷重が作用するターボ機械であれば適用可能である。例えば、立軸斜流ポンプ以外のポンプ（横軸型のポンプや直流ポンプなど）にも適用可能であり、また、ポンプ以外のターボ機械（タービン、ファン、ジェットエンジンなど）にも適用可能である。

〔立軸斜流ポンプの構成〕
立軸斜流ポンプ１は、略鉛直方向に延びる主軸２と、主軸２の下端に取り付けられた羽根車３と、羽根車３の上方に配置されて主軸２が挿設される案内羽根ボス４と、案内羽根ボス４の外周に設けられた複数の案内羽根５と、主軸２を駆動する駆動源６と、主軸２、羽根車３、案内羽根ボス４及び案内羽根５を収容する管状のポンプケーシング７とを備えている。

ポンプケーシング７は、吸込ベル７１、吐出しボウル７２及び吐出配管７３が下方から上方へ順に接続されて構成される。主軸２の下端２１は、吸込ベル７１の上部近傍まで延びており、主軸２の下端２１に取り付けられた羽根車３は、羽根３１の先端部３１１と吸込ベル７１の内壁面７１１との間に所定の隙間ｇが形成された状態で、吸込ベル７１の上部及び吐出しボウル７２の下部によって包囲されている。案内羽根ボス４は、吐出しボウル７２内に収容されており、案内羽根５を介して吐出しボウル７２に固定されている。主軸２の上端２２は、吐出配管７３を貫通して上方に延びており、駆動源６の一例としての電動機や減速機に連結されている。

主軸２は、下端２１の近傍において軸受２３によって回転自在に支持されている。本実施形態において、軸受２３は、主軸２に作用するラジアル荷重を受ける軸受であり、主軸２が挿設される吐出しボウル７２の貫通孔内に設けられている。軸受２３の一例として、セラミック軸受けを用いることができる。

また、主軸２は、上端２２の近傍において軸受２４によって回転自在に支持されている。主軸２には、主軸２や羽根車３等の自重と、羽根車３の回転によって発生する吸込み側に向かう力とを含むスラスト荷重が作用する。本実施形態において、軸受２４は、ラジアル荷重及びスラスト荷重を受ける軸受であり、一例として、複式スラストアンギュラ玉軸受を用いることができる。軸受２４は、軸受箱２５内に収容されており、軸受箱２５は、外周面から突設されたフランジ２５１を介して軸受台２６に載置されて支持されている。

駆動源６によって主軸２が回転されると、羽根車３が回転し、ポンプ井内の作動流体が吸込ベル７１から吸い込まれ、吐出しボウル７２内において案内羽根５によって整流された後、吐出配管７３から吐き出される。

〔摩耗検知システムの構成（第一の実施形態）〕
第一の実施形態において、摩耗検知システム８は、立軸斜流ポンプ１の運転状態に基づいて羽根車３の摩耗状態を推定するものであり、制御部８１と、流量取得部８２と、荷重取得部８３と、報知部８４とを備えている。

流量取得部８２は、立軸斜流ポンプ１の運転状態に関するデータとしての流量を取得し、信号として制御部８１に送信する（本発明における流量取得工程に相当）。本実施形態において、流量取得部８２は立軸斜流ポンプ１を流れる作動流体の流量を計測する流量計（図示せず）によって構成される。流量計としては、超音波流量計、電磁流量計やベンド流量計等を用いることができる。

荷重取得部８３は、立軸斜流ポンプ１の運転状態に関するデータとしてのスラスト荷重を取得し、信号として制御部８１に送信する（本発明におけるスラスト荷重取得工程に相当）。本実施形態においては、軸受箱２５のフランジ２５１と軸受台２６との間に配置されたロードセルによって構成される。主軸２に作用するスラスト荷重は、軸受２４を介して軸受箱２５に作用し、ロードセルは、軸受箱２５に作用するスラスト荷重を測定し、主軸２に作用するスラスト荷重として取得する。測定精度を向上する観点から、ロードセルは主軸２の周方向に等間隔で三つ設けられ、これらのロードセルの測定値が合算されて主軸２のスラスト荷重として取得される。但し、ロードセルの数はこれに限られず、二つ以下であってもよく、四つ以上であってもよい。

制御部８１は、摩耗検知システム８の動作を制御するものであり、推定部８１１として機能するＣＰＵ等のプロセッサと、記憶部８１２として機能するメモリやハードディスク等の記憶装置とによって構成される。記憶部８１２には、摩耗検知システム８の動作を実現するためのプログラムが記憶されており、推定部８１１はプログラムを実行することにより実現される。

推定部８１１には、流量取得部８２によって取得された流量と、荷重取得部８３によって取得されたスラスト荷重とを示す信号が送信される。推定部８１１は、受信した流量及びスラスト荷重により、羽根車３が有する羽根３１の先端部３１１と吸込ベル７１の内壁面７１１との間の隙間ｇを推定し、推定した隙間ｇに基づいて羽根車の摩耗状態を推定する（本発明における推定工程に相当）。

具体的に説明すると、作動流体に含まれている固体微粒子との衝突により羽根車３の摩耗が進行すると、羽根３１の先端部３１１と吸込ベル７１の内壁面７１１との間の隙間ｇは大きくなるのであるが、隙間ｇと、立軸斜流ポンプ１の流量及び主軸２に作用するスラスト荷重とには、一例として図４に示されるように、流量の多寡にかかわらず隙間ｇの拡大に応じてスラスト荷重が低下するという相関関係が見られる。したがって、通常は流量が一定となるように運転する立軸斜流ポンプ１において、運転中にスラスト荷重が低下したことは、隙間ｇが拡大していること、すなわち羽根車３の摩耗が進行中であることを意味する。

そこで、制御部８１は、羽根車３に摩耗が生じていない立軸斜流ポンプ１の運転初期のスラスト荷重を取得すると共に、運転初期以降のスラスト荷重を連続的に又は定期的に取得するように荷重取得部８３を制御する。そして、推定部８１１は、流量取得部８２によって取得された流量に対応するスラスト荷重が、運転初期からの任意の所定期間にわたって低下した場合に、隙間ｇが拡大していると推定し、羽根車３の摩耗が進行中であると推定する。更に、推定部８１１は、運転初期からの任意の所定期間にわたってスラスト荷重が低下する度合を算出し、記憶部８１２に予め記憶された所定の相関関係を用いて隙間の拡大度合を推定し、これに基づいて羽根車３の摩耗度合を推定してもよい。

或いは、記憶部８１２には、図４に示されるような相関関係を示す情報が記憶されており、推定部８１１は、相関関係を用いて、流量取得部８２によって取得された流量と、荷重取得部８３によって取得された任意のタイミングのスラスト荷重とにより隙間ｇを定量的に推定し、推定された隙間ｇに基づいて摩耗が進行中であるか否か又は摩耗度合を推定する。相関関係は、実験等を通じて予め求めることができる。

更に、推定部８１１は、摩耗状態についての推定の結果に基づいて、記憶部８１２に予め記憶されている羽根車の交換や補修が必要になる隙間ｇについての閾値を用いて、羽根車３の交換や補修が必要になったか否かを判断し、判断の結果を信号として報知部８４に送信する。具体的に、推定部８１１は、スラスト荷重の低下度合から推定した隙間ｇの拡大度合と、隙間ｇの拡大度合についての閾値とを比較し、推定した隙間ｇの拡大度合が閾値に達した場合に、羽根車の交換や補修が必要であると判断する。或いは、推定部８１１は、相関関係を用いて流量及びスラスト荷重により定量的に推定した隙間ｇと、隙間ｇについての閾値とを比較し、推定した隙間ｇが閾値に達した場合に、羽根車の交換や補修が必要であると判断する。

報知部８４は、推定部８１１から受信した、羽根車の交換や補修が必要であるとの判断の結果を示す信号に応じて警報を出力し、立軸斜流ポンプ１の作業員に交換や補修を促す。報知部８４としては、音声、光、色及び文字のいずれか又はその組み合わせで警報を出力する公知の装置を用いることができる。更に、報知部８４は、流量取得部８２によって取得された流量、荷重取得部８３によって取得されたスラスト荷重及び推定部８１１によって推定された隙間ｇのうちの少なくとも一つを示す信号を受信して報知するように構成されてもよい。

〔摩耗検知システムの構成（第二の実施形態）〕
第二の実施形態において、摩耗検知システム８は、制御部８１と、荷重取得部８３と、報知部８４と、回転数取得部８５とを備え、制御部８１は、推定部８１１及び流量取得部８１３として機能するＣＰＵ等のプロセッサと、記憶部８１２として機能するメモリやハードディスク等の記憶装置とによって構成される。

本実施形態は、推定部８１１による隙間ｇの推定に必要な立軸斜流ポンプ１の流量について、流量計によって計測する代わりに、荷重取得部８３によって取得されたスラスト荷重と、回転数取得部８５によって取得された回転数とにより取得するように構成された点において第一の実施形態と異なる。以下、第一の実施形態と異なる構成について説明する。第一の実施形態において説明したのと同一の構成である荷重取得部８３、報知部８４等については、煩雑を避けるため説明を省略する。

回転数取得部８５は、立軸斜流ポンプ１の運転状態に関するデータとしての主軸２の回転数を取得し、信号として制御部８１に送信する。本実施形態において、回転数取得部８５は主軸２の回転数を計測する回転計（図示せず）によって構成される。回転計としては、公知の接触式又は非接触式のものを用いることができる。

記憶部８１２には、主軸２の回転数及び主軸２に作用するスラスト荷重と、立軸斜流ポンプ１の流量との相関関係を示す情報（式、モデル、グラフなど）が予め記憶され、この相関関係は、例えば、回転数及びスラスト荷重を説明変数とし、流量を目的変数とした重回帰分析を行うことによって求めることができる。推定部８１１は、この相関関係を用いて、荷重取得部８３によって取得されたスラスト荷重及び回転数取得部８５によって取得された回転数により立軸斜流ポンプ１の流量を推定する。そして、推定部８１１は、このように推定した流量を用いて、第一の実施形態において説明したように隙間ｇを推定し、隙間ｇに基づいて摩耗状態を推定する。

１ ：立軸斜流ポンプ
２ ：主軸
２１ ：下端
２２ ：上端
２３ ：軸受
２４ ：軸受
２５ ：軸受箱
２５１ ：フランジ
２６ ：軸受台
３ ：羽根車
３１ ：羽根
３１１ ：先端部
４ ：案内羽根ボス
５ ：案内羽根
６ ：駆動源
７ ：ポンプケーシング
７１ ：吸込ベル
７１１ ：内壁面
７２ ：吐出しボウル
７３ ：吐出配管
８ ：摩耗検知システム
８１ ：制御部
８１１ ：推定部
８１２ ：記憶部
８１３ ：流量取得部
８２ ：流量取得部
８３ ：荷重取得部
８４ ：報知部
８５ ：回転数取得部
ｇ ：隙間

Claims (7)

1. 回転自在に支持された主軸と、前記主軸の一端に取り付けられ、複数の羽根を有する羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を収容するケーシングとが備えられたターボ機械の羽根車の摩耗を検知する摩耗検知システムであって、
   前記主軸に作用するスラスト荷重を取得する荷重取得部と、
   前記ケーシング内を流れる流体の流量を取得する流量取得部と、
   前記荷重取得部によって取得された前記スラスト荷重及び前記流量取得部によって取得された前記流量により前記羽根の先端部と前記ケーシングの内壁面との間の隙間を推定し、前記隙間に基づいて前記羽根車の摩耗状態を推定する推定部とを備える、摩耗検知システム。
2. 前記推定部は、予め用意された前記スラスト荷重及び前記流量と、前記隙間との相関関係を示す情報を用いて前記隙間を推定する、請求項１に記載の摩耗検知システム。
3. 前記主軸の回転数を取得する回転数取得部を更に備え、
   前記流量取得部は、予め用意された前記スラスト荷重及び前記回転数と、前記流量との相関関係を示す情報を用いて、前記荷重取得部によって取得された前記スラスト荷重及び前記回転数取得部によって取得された前記回転数により前記流量を取得する、請求項１又は２に記載の摩耗検知システム。
4. 前記主軸は、軸受箱内に収容されて当該主軸に作用するスラスト荷重を受ける軸受によって支持され、
   前記荷重取得部は、前記軸受を介して前記軸受箱に作用するスラスト荷重を測定するロードセルを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の摩耗検知システム。
5. 前記ロードセルは、前記主軸の周方向に等間隔で複数設けられている、請求項４に記載の摩耗検知システム。
6. 前記推定部によって推定された前記隙間が予め用意された前記隙間についての閾値に達したことに応じて警報を報知する報知部を更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の摩耗検知システム。
7. 回転自在に支持された主軸と、前記主軸の一端に取り付けられ、複数の羽根を有する羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を収容するケーシングとが備えられたターボ機械の羽根車の摩耗を検知する摩耗検知方法であって、
   前記羽根車に向かう方向に沿って前記主軸に作用するスラスト荷重を取得する荷重取得工程と、
   前記ケーシング内を流れる流体の流量を取得する流量取得工程と、
   前記荷重取得工程において取得された前記スラスト荷重及び前記流量取得工程において取得された前記流量により前記羽根の先端部と前記ケーシングの内壁面との間の隙間を推定し、前記隙間に基づいて前記羽根の摩耗状態を推定する推定工程とを含む摩耗検知方法。

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