JPH01213527A - 軸ねじり監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はタービンの軸ねじり振動の監視装置に係り、特
にタービンの翼、翼車と軸が連成したいわゆる黄・軸達
成ねじり振動において、翼およびｗ市等のタービン回転
部の振動応力を求めてその寿命を評価する軸ねじり監視
装置に関する。

（従来の技術） 従来、軸ねじり監視の対像となっていたのは、主として
タービン・発電機軸系の低次の固有ねじり振動であり、
軸の低サイクル疲労Ｊｕｔ！防止を目的としたものであ
った。すなわち、従来の軸ねじり振動問題は高速再開路
等の系統外乱発生時に、タービン・発電機軸系に生じる
過大な変動トルクの繰返しによってねじり疲労が累積さ
れる現象であり、軸系のジャーナル部やカップリング部
等の低サイクル疲労を扱うものであった。したがって、
従来の軸ねじり振動を解析する場合、翼自体の固有振紡
数は考慮せずに軸と岡は剛結合していると考えて比較的
容易に扱うことができた。

一方、近年Ｗと軸とが連成して生じる、いわゆる翼・軸
達成ねじり振動問題となっている。この響・軸速成ねじ
り振動は発電機逆相電流により発生する系統周波数の２
（８の周波数の変動トルクにより軸系にねじり振動が発
生し、このねじり振動により軸および軸に結合された翼
（特に長翼）が相互に影響し合いながら振動する瑣傘で
ある。すなわち、軸と四が連成した高次のねじり固有振
動数と系統の周波数の２倍の周波数が一致した場合に、
共振現象により彎および翼車が加振される高サイクル疲
労に関するものである。この翼・軸連成ねしり振動は新
しい分野の問題であり、これを監視し評価する装置は未
だ開発されていない。

（発明が解決しようとする課題） 臀・軸達成ねじり振動は、発電機に発生する不平衡電気
トルクによって生じる励振力に対して、軸とその軸に結
合された翼、特に長翼が互いに影響し合いながら振動す
る現象であり、この振動は長Ｗおよびその艮Ｗを支持す
る肩車の高サイクル疲労損傷に大きな影響を及ぼすこと
が知られつつあり、近年注目されている。

第９図は一般的なタービンロータの構成を示す構成図で
ある。第９図においてタービン軸１は発電機軸２と軸継
手３を介して結合され、このタービン軸１には焼き嵌め
あるいは一体に翼車４が結合される。翼車４にはあり溝
部４ａにより多数の翼５が結合される。

翼・軸達成ねじり振動は、このタービンロータのねじり
振動の固有振動数が発電機軸２に生じる不平衡電気トル
クの周波数と共振した場合、応力集中の高い部位を有す
る翼５や翼車４に高サイクル疲労による損傷が発生する
ものである。不平衡電気トルクの周波数は一般に電気系
統周波数の２倍の周波数とされ、国内では１００　ＨＺ
または１２０Ｈ２となる。

このＷ・軸達成ねじり振動による高サイクル疲労破壊は
、発見が遅れればタービン舅５の飛散や翼車４、タービ
ン軸１の破裂等の大事故にまで伸展するおそれのある重
大な懸案事項となっている。

したがって、翼・軸達成ねじり振動によって翼および翼
車に発生する振動応力を把握し、その寿命を評価するこ
とはタービンの安全性向上にとってΦ要な問題である。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、タービ
ンの軸ねじり振動を監視することにより翼およびｍｉ等
のタービン回転部に発生する振動応力を口出し、タービ
ン回転部の寿命を評価することによって、タービンの安
全性を向上させることができる軸ねじり監視装置を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明に係る軸ねじり監視装置は、タービンの軸に作用
するねじり振動の撮動数および振動レベルを計測する軸
ねじり振動計測装置と、この軸ねじり振動計ｉｌｌ装置
によって計測された振動数および振動レベルから軸のね
じれ角度の大きさとその分布すなわちねじり撮動モード
を口出する輪ねじれ角度演口装δと、これらの軸ねじり
振動計測装置および軸ねじれ角度演算装置によって得ら
れた振動数、軸ねじれ角度およびねじり振動モードから
タービンの翼および翼車等の回転部に生じる振動応力を
口出する振動応力演算装置と、この振動応力演算装置に
よって得られた振動応力をもとにタービンの回転部の寿
命を演算して評価する寿命評価演算装置とを備えたもの
である。

（作用） タービン軸にねじり振動が発生すると、軸ねじり振動計
測装置がタービン軸に作用するねじり振動の振動数およ
び振動レベルを計測し、この振動数および振動レベルか
ら軸ねじれ角度演算装置が軸のねじれ角度の大きさとそ
の分布すなわちねじり振動モードを算出する。

振動応力演篩装δは、上記振動数、軸ねじれ角度および
ねじり振動モードからタービンの翼および翼車等の回転
部に生じる振動応力を惇出し、その振動応力を基に寿命
評価演算装ｄがタービンの回転部の寿命を演口して評価
する。

このようにタービンの回転部の寿命を評価することがで
きるから、タービンの回転部の疲労による破壊が未然に
防止され、タービンの安全性を向上させることができる
。

（実施例） 本発明に係る軸ねじり監視装置の一実施例について図面
を参照して説明する。

第１図においてタービンロータの構成は第９図と同じで
あるため、同一部分には同一の符号を付して詳細な説明
を省略する。

軸ねじり監視装置は、第１図に示すように、タービン軸
１に作用するねじり振動の振動数および振動レベルを計
測する軸ねじり振動計測装置１０と、この軸ねじり振動
計測装置１０によって計測された振動数および振動レベ
ルからタービン軸１のねじれ角度の大きさとその分布す
なわちねじり振動モードを篩用する軸ねじれ角度演算装
置１１と、これらの軸ねじりＦｊｔｖＪ計測装置１０お
よび軸ねじれ角度演算装置１１によって得られた振動数
、軸ねじれ角度およびねじり振動モードからタービンの
翼５およびＷ重４等の回転部に生じる振動応力を算出す
る翼・翼車振動応力Ｆｌｉ算装δ１２と、この四・ＶＩ
Ｊ市振動応力演算装置１２によって得られた振動応力を
基にタービンのＷ５およびＷ車４等の回転部の寿命を演
算して評価する寿命評価演算装置１３とが備えられる。

軸ねじり振動計測装置１０は抵抗線歪ゲージ１５を備え
、この抵抗線歪ゲージ１５はタービン軸１上に第２図に
示すように、貼付される。すなわち、タービン軸１の中
心線０１に対して、抵抗線歪ゲージ１５の中心線０２が
４５°の傾斜角度をなすように貼付され、その抵抗線歪
ゲージ８の歪信号を検出することにより、タービン軸１
のねじり振動の周波数および振幅を計測するようになっ
ている。

Ｍ３図は抵抗ｍ歪ゲージ１５による測定原理を示す図で
ある。第３図において、ＡＣはタービン軸１が捩れてい
ないときの抵抗Ｊ１！歪ゲージ１５の長さ、ＡＣ’　は
タービン軸１が捩れたときの抵抗線歪ゲージ１５の長さ
、八〇はタービン軸１が捩れていないときにタービン軸
１上に描いたタービン軸１に平行な仮想線、ＡＢ’　は
タービン軸１が捩れたときの仮想線ＡＢの長さ、点りは
ＡＣ’上へ点Ｃから下した垂線の足を示す。

第３図から、タービン軸１のねじれ角度θは抵抗線歪ゲ
ージ１５の歪をεとすると、 Ｂ ｃｏｓ４５” θ＝２・ε と求められるため、抵抗線歪ゲージ１５の歪εの大きさ
とその変化速度ｆを解析することによりタービン軸１の
ねじり振動の周波数および振幅を計測することができる
。

抵抗線歪ゲージ１５の信号は、ＦＭテレメータシステム
により卯転体であるタービンロータ側に設けられた送信
器１６の送信アンテナから静止体側に設けられた受信器
１７の受信アンテナへ伝送され、受信器１７で受信した
タービン軸１のねじり振動の歪の信号を周波数分析器１
８に入力して歪の大きさと周波数を解析するようになっ
ている。

なお、ＦＭテレメータシステムの送信用電源としては、
誘導電源の使用が一般的であるが、短期的な使用に際し
ては乾電池を利用してもよい。

軸ねじれ角度演算装置１１には振動ｆ−タ記憶装置１９
が備えられ、この振動データ記憶装置１９には予め有限
要素法等の振動解析手法によって計算されたＷ・軸達成
ねじり振動の振動数と、振動モード（すなわち輪ねじり
振動の角趨振幅の軸方向分布状況）との対照データが記
憶されている。

振動データ記憶装置１９には振ｆＪＪ　Ｅ−ド判定ｐ！
！２０が接続されており、軸ねじり振動計測装置１０に
よって計測された振動数データがオンラインで振動モー
ド判定器２０に入力されると、振動モード判定器２０は
即座に例えば第４図に示すような軸ねじり振動の振動モ
ードを判定するようになっている。

振動データ記憶装置１９には角度振幅演算器２１が備え
られ、この角度振幅演算器２１は軸ねじり振動計測装置
１０により得られた抵抗線歪ゲージ１５の歪振幅εとね
じれ角度振幅θとの関係、θｚ２・εにより歪振幅εを
ねじれ角度振幅θに変換するとともに、振動モード判定
器２０で得られた第４図に例示されるような振動モード
図におけるタービン軸１の重要な部位のねじれ角度振幅
の実際の値θ、ｉを算出するようになっている。

すなわち、タービン軸１の重要な部位のねじれ角度振幅
の実際の値θ、ｉは、タービン軸１の重要な部位のねじ
れ角度振幅の計算値θｉと、抵抗線歪ゲージ１５を貼付
した部位のねじれ角度振幅の計算値θ　との比θ・／θ
。に、抵抗線歪ゲージ１５の貼付部位の実測のねじれ角
度振幅θを乗することにより、θ　・＝θ×θ、／θ０
として求め旧　　　　　　１ られる。なお、タービン軸１の重要な部位とは、通常間
長が長く固有振動数が系統周波数の２倍の周波数の近傍
にある最終段Ｗあるいはその前段翼、前々段層が位置す
る部位である。

翼・翼車振動応力演算装置１２には振動応力記ｔｎＳｉ
！装置２２が備えられ、振動応力記憶装置２２には予め
有限要素法等の振動応答解析手法を用いて、ある加振ト
ルク（通常は単位加振トルク）を発電機に与えて計算さ
れた翼５およびＷ車４各部のＷ・軸連成ねじり振動によ
る振動応答応ツノσ、ｊと、ある基準部位すなわち翼根
元あるいは層中根元等における角度振幅θ、ｉとの対照
データが記憶されている。

振動応力記憶装置２２には振動応力演算器２３が接続さ
れ、この振動応力演算器２３は角度振幅演ｏｓ２ｉの出
力に含まれるねじれ角度振幅の実際値θ、１と、振動応
力記憶装置２２に記憶されている単位トルク加振計算結
果のねじれ角喰振幅θ、１との比率αｉを演算し、その
比率αｉを単位トルク加振計算結果の翼５および翼車４
の各部の振動応力σｒｊに乗じることによりタービンの
重要部品である翼５および翼車４の各部位の振動応力の
実際値σ、ｊを演算するようになっている。すなわち、
σ　、＝σ　・・α・＝σ　・Φθ　・／θ　・の演ａ
Ｊ　　　　ｒＪ　　　　　ｌ　　　　　ｒＪ　　　　ａ
ｔ　　　　　ｒＪ算を実行するようになっている。

なお、振幅の比較としては角度振幅に半径を乗じて変位
振幅として扱った場合も考え方は同様である。

寿命評価演鋒装置１３には遠心応力記憶装置２４および
材料データ記憶装置２５が備えられ、遠心゛応力記憶装
置Ｍ２４には予め有限要素法等の応力解析手法によって
計算された習５および翼車４各部の遠心応力のデータ（
すなわち回転場における静応力のデータ）が記憶される
一方、材料データ配憶装置２５にはタービン軸１および
翼車４各部を構成する材料の疲労試験データ並びに引張
り強さ、耐力等の材料データが記憶されている。

遠心応力記憶装置２４および材料データ記憶装置２５に
は疲労強度演算器２６および寿命演算器２７が接続され
る。疲労強度演算器２６は遠心応力記憶装置２４からの
遠心応力データ、材料データ記憶装置２５からの材料デ
ータおよび振動応力演算器２３からの出力に含まれる振
動応力の実際値σａｊとにより、第５図に示すような縦
軸に応力振幅、横軸に平均応力を採り、疲労限度線で囲
った形の修正グツドマン線図上に、あるいはそれに類似
した例えばゲルバー線図（図示せず）やソーダバーブ線
図（図示せず）上に、Ｗ５および翼車４各部の応力振幅
および平均応力をプロツトシて、表示器２８の疲労強度
図表示機能２９部分に図形出力するようになっている。

ｒｆ命演算器２７は、遠心応力記憶装置２４からの遠心
応力データ、材料データ記憶装置２５がらの材料データ
および振動応力演０３２３の出力に含まれる振動応力の
実際値σ、ｊとにより、翼５およびＷ車４各郡の疲労寿
命をマイナー則や修正マイナー則あるいはその他の類似
した方法に基づいて算出して消費寿命と残余寿命を表示
３２８の寿命表示機能３０部分に数値で表示し、かつ第
６図に示すようにその時点までの疲労寿命並びに疲労寿
命の進行過程を、縦軸に応力振幅を採り、横軸に繰返し
数を採ったＳ−Ｎ曲線図上にプロットし、その寿命評価
図を表示器２８の寿命評価図表示機能３１部分に図形出
力するようになっている。

ここで、マイナー則とは実働荷重に対する疲労寿命の推
定法の１つであって、疲労限度以上の応力σ、を＃！返
し負荷するとき、繰返し数Ｎ、で破壊するものとすれば
各繰返し毎に拐料は１／Ｎ。

■ の疲れ被害が生じ、この被害の総和が１に達したされる
。

また、修正マイナー則とは、実働荷重において疲労限度
以下の繰返し応力の発生頻度が高い場合にこれを考霜に
入れる方法で、基本Ｓ−Ｎ曲線を疲労限度以下にも延長
して寿命を推定する方法である。

表示３２８に備えられた振動モード図表示機能３２部分
には、前記振動モード判定器２０により判別された振動
し一ドが第４図に示すようなモード図として表示される
ようになっている。この撮動モード図により、問題とな
るねじり振動を改善するための対策を施行すべき部位が
明確になる。

次に上記実施例の作用について説明する。

タービンにねじり揚動が住じると、タービン軸１に作用
するねじり振動の振動数および振動レベルが軸ねじり振
動計測装置１０により計測され、その振動数および振動
レベルからタービン軸１のねじれ角度の大きさとその分
布寸なわらねじり振動モードが軸ねじれ角度演鋒装置１
１により口出される。

翼・翼車振動応力波ｔ１装置１２は上記振動数、軸ねじ
れ角度およびねじり振動モードからタービンの翼５およ
び翼車４等の回転部に生じる振動応力を惇出し、この振
動応力を基に寿命評価演口装首１３がタービンの翼５お
よび翼車４等の回転部の寿命を演算して評価し、表示器
２８に表示する。

このように上記実施例によれば、翼５および翼車４等の
タービン回転部の疲労による消費寿命および残余寿命を
常時観測することができるため、軸ねじりに起因する疲
労破壊を未然に防止することができ、タービンの安全性
を大幅に向上させることができる。また、軸ねじり振動
モード図を表示することにより、問題となる軸ねじり振
動を改善するための対策を施すべき部位を明確に把握す
ることができる。

また、残余寿命を監視することにより、改善対策実施あ
るいは部品交換実施のための最適な時期を把１１ｉ１す
ることが可能となり、タイムリーな更新により信頼性お
よび経済性を向上させることができる。

なお、上記実施例においては、振動データ記憶装置１９
および振動応力記憶装置２２に記憶させるねじり振動の
各種データとして、翼５と翼車４とタービン軸１とが互
いに影響を及ぼし合って振動している状況を模擬した解
析モデルを有限要素法等の振動解析手法によって解析し
た結果を用いたが、ｍｍ４を剛体と仮定してｖＡ５とタ
ービン軸１のみが影響を及ぼし合って振動している状況
を模擬した簡易形の解析モデルを有限要素法等の解析手
法によって解析した結果を用いてもよい。

第７図は本発明に係る輪ねじり監視装置の第２実施例を
示す構成図である。第７図において、軸ねじり振動計測
装置１０△以外の部分は第１図と同じであるため、図示
を省略する。この実施例にＪ３いては前記実施例にねじ
り振動を検出する方法として備えられた抵抗線歪ゲージ
１５による計測システムに代えて、歯車・電磁ピックア
ップシステムから成る工１測システムが備えられる。

この実施例の軸ねじり振動計測装置１０△においては、
タービン軸１や軸継手３Ａ等の回転部に歯車３４が設置
され、静止部側において上記歯車３４と対向する位首に
電磁ピックアップ３５が設置され、この電磁ピックアッ
プ３５にＪ：リタービン軸１および発電機軸２から成る
軸系のねじり振動の影響による歯車３４の歯の通過通電
の変動を検出して精密回転計３６に送り、この精密回転
計３６からの検出信号を周波数分析器３７に入力して、
タービン軸１のねじり振動の周波数ｆと振幅ｒもしくは
それに相当する歪εを解析するようになっている。

第８図は本発明に係る軸ねじり監視装置の第２実施例を
示す構成図である。第８図において軸ねじり撮動計測装
置Ｎ１０Ｂ以外の部分については第１図と同じであるた
め図示を省略する。この実施例においては、２［ｌの歯
車・電磁ピックアップシステムが備えられる。第８図に
おいてタービン軸１、軸継手３Ｂあるいは発電機軸２等
の回転部の離れた位置に２個の歯車３８．３９が設鍔さ
れる。

静止部側には、上記歯車３８．３９と対向する位置にそ
れぞれ電磁ピックアップ４０．４１が備えられる。各歯
車３８．３９の回転速泣の変動は各電磁ピックアップ４
０．４１によりそれぞれ検出され、その検出信号が位相
差検出器４２に入力されて、歯ｒＪ３８と歯車３９との
間のねじり振動の位相差と相対振幅の信号に変換され、
さらに周波教訓口器４３によりねじり振動の周波数ｆと
振幅ｒもしくはそれに相当する歪εが演算されて、その
結果がねじれ角度演算装置１１に出力されるようになっ
ている。なお、第８図においては２組の歯車・’￥ｆｌ
ａピックアップシステムについて図示したが、３組ある
いはそれ以上の歯車・電磁ピックアップシステムを備え
てもよい。

〔発明の効果〕

本発明に係る軸ねじり監視装置は、タービンの軸に作用
するねじり振動の振動数および振動レベルを計測する軸
ねじり振動計測＆置と、この軸ねじり振動計測装置によ
って計測された振動数および振動レベルから軸のねじれ
角度の大きさとその分布ずなわらねじり振動モードを口
出する軸ねじれ角度演ｔｈｉｎと、これらの軸ねじり振
ｆｌＪ計測装置および軸ねじれ角度演算装置によって得
られた振動数、軸ねじれ角度およびねじり振動モードか
らタービンの翼および翼車等の回転部に生じる振動応力
を締出する振動応力演１３装賀と、この撮動応力演算装
置によって得られた振動応力を６とにタービンの回転部
の寿命を演算して評価する寿命評価演算装置とを備えた
から、タービンの軸ねじり振動を監視することによって
黄および翼車等のタービン回転部に発生する振動応力を
算出し、翼および契巾等のタービン回転部の寿命を評価
することにより、タービンの安全性を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る軸ねじり監視装置の一実施例を示
す構成図、第２図は上記実施例において抵抗線歪ゲージ
がタービン軸に貼付された状態を示す配置図、第３図は
上記実施例において抵抗線歪ゲージによる測定原理を示
す図、第４図は上記実施例における振動モード図の一例
を示す特性図、第５図はＦ記実施例において修正グツド
マン線図上に表示された疲労弾痕を示す特性図、第６図
は上記実施例においてＳ−Ｎ曲線図上に表示された実機
寿命を示す特性図、第７図は本発明の第２実施例を示す
構成図、第８図は本発明の第３実施例を示す構成図、第
９図は一般的なタービンロータの構成を示す構成図であ
る。 １・・・タービン軸、４・・・翼車、５・・・翼、１０
・・・軸ねじり振動計測装置、１１・・・軸ねじれ角度
演算装置、１２・・・翼・翼車振動応力演算装置、１３
・・・寿命評価演り装置。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久茶２日 第４巳 平均応力□ 第５　口 第６　配 ε、ｆ 、！！、／７　フ Ｅ、ｆ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. タービンの軸に作用するねじり振動の振動数および振動
   レベルを計測する軸ねじり振動計測装置と、この軸ねじ
   り振動計測装置によって計測された振動数および振動レ
   ベルから軸のねじれ角度の大きさとその分布すなわちね
   じり振動モードを算出する軸ねじれ角度演算装置と、こ
   れらの軸ねじり振動計測装置および軸ねじれ角度演算装
   置によって得られた振動数、軸ねじれ角度およびねじり
   振動モードからタービンの翼および翼車等の回転部に生
   じる振動応力を算出する振動応力演算装置と、この振動
   応力演算装置によって得られた振動応力をもとにタービ
   ンの回転部の寿命を演算して評価する寿命評価演算装置
   とを備えたことを特徴とする軸ねじり監視装置。