JPH0141928B2

JPH0141928B2 -

Info

Publication number: JPH0141928B2
Application number: JP56064162A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sato; Mototsugu Oomori; Masakazu Takazumi; Motohiro Shiga; Hironori Shiohata; Fumio Fujisawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1989-09-08
Also published as: US4448077A; JPS57179625A; CA1179064A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、回転機の振動診断方法に係り、特
に、オイルホイツプ振動の診断に最適な回転機の
振動診断方法に関するものである。

［従来の技術］発電プラントの蒸気タービンや発電機ロータ
は、発電所の立地難およびコスト低減の要求に対
処するための大容量化に伴い、大形化している。
この大形の機器に万一の事故が発生した場合、経
済的および社会的損害は膨大なものとなる。した
がつて、これらの機器の重大事故を防止すること
は、従来にも増して肝要となつている。一般に、
回転機内部の異常は振動として外部に現われるこ
とが多いので、異常振動を詳細に分析すると、逆
に回転機の異常がわかる。最近、回転機の予防保
全に関し、振動データがその異常診断に積極的に
利用されるようになり、コンピユータを利用した
異常振動の自動診断技術の開発が望まれている。

回転機の異常振動の一つに自励振動と呼ばれる
ものがある。その原因としては、すべり軸受の油
膜力によるもの（オイルホイツプ（Oil Whip））、
ロータが静止部と接触した時の外部摩擦によるも
の（フリクシヨンワール（Friction Whirl））、ロ
ータ内部に存在する内部摩擦によるもの（ヒステ
リシスワール（Hysteresis Whirl））等がある。
中でも、すべり軸受の油膜力に起因するオイルホ
イツプは、蒸気タービンや発電機ロータにおいて
もしばしば発生し、振動振幅が急激にしかも自励
的に大きくなる危険性が高く、回転機にとつては
最も有害な振動である。したがつて、振幅の大き
くならないできるだへ早い時期に、この振動の発
生を発見し処理することが必要である。このよう
なオイルホイツプ振動は、設計ミスやアライメン
トの不良等により発生するものと考えられる。

ここで、オイルホイツプ振動について、さらに
詳しく説明する。まず、第一次の危険速度の２倍
のロータ回転速度の近傍で自励振動が発生した場
合について説明する。第７図は自励振動のうち、
油膜による自励振動すなわちオイルホイツプ
（Oil Film Whirlということもある。）が発生す
る場合の説明図である。

よく潤滑された軸受５２内を回転軸５０が回転
する場合を考える。正常な場合、軸中心は軸受の
中心に一致して安定に回転する。しかし、何らか
の外乱がある場合、例えば軸受間隙にある油膜の
圧力分布によつては、全体の復元力がＰのように
働き、軸の変位の方向と一致しない。回転軸は、
この力のOSに直角な方向の成分により、軸の回
転と同方向にふれ回り運動を始める。この不安定
なふれ回り運動が生じるのは、軸の回転角速度が
危険速度n₁（第１次の固有振動周波数f₁相当の回
転速度rpm）のほぼ２倍以上のときである。これ
がいわゆるオイルホイツプであり、高速回転軸の
一つの障害となつている。

このようにして発生するオイルホイツプ振動の
特徴は、第１図に示すように、その発生速度が回
転軸系の一次危険速度f₁の２倍以上であり、振動
発生後のふれ回り振動数fwが回転数によらず一
定で、ほぼ危険速度時の振動数f₁に等しいことで
ある。

［発明が解決しようとする課題］これらの特徴に着目すれば、振動原因の診断が
可能である。この場合、非線形振動との区別が重
要なポイントである。非線形振動はたとえば軸受
部のいわゆるガタ等によつてロータとその支持系
で構成される振動系に非線形ばねが生じた時に生
ずる振動であり、その振動数は回転数Ｒの整数分
の一となる。したがつて、かりにオイルホイツプ
振動が１次危険速度の３倍の3f₁の速度で発生し
たとすると、オイルホイツプの振動数はf₁（質量
とばねによる固有振動）であるから、これは丁度
回転数の1/3に等しく、1/3分数調波を有する非線
形振動との区別がつかなくなる。このため従来は
オイルホイツプが非線形振動か否かを見分けるた
め、異常振動が発生した速度付近で多少回転数を
上昇または下降させ、この時の振動数が回転数の
変化に追随するか否かを観察し、もし振動数が回
転数に追随すれば非線形振動と判定し、回転数の
変化によらず振動数が一定のときにはオイルホイ
ツプと判定する方法がとられていた。

しかし、上記従来の方法は、蒸気タービンや発
電機ロータ系の負荷運転中または過速度試験の上
限速度付近でオイルホイツプが生じた場合は、速
度の変更が困難なために、適用できない欠点があ
る。すなわち、2f₁が定格速度附近で生じること
があり、この場合には判定ができなくなる。さら
に、実際の現象としてしばしば見られふれ回りと
回転との同期性が定常的でない分数調波非線形振
動を判別できない欠点があつた。

一方、異常発生時の振動波形をオシロスコープ
またはオシログラフで観測し、ふれ回りの波形間
に波形または位相のずれがあるか否かにより両者
を判別する方法もある。この方法は振動計測のベ
テランの判断を必要とする上に、非定常的な非線
形振動との区別が困難である。さらに、振動診断
に自動化には適しないなどの欠点があつた。な
お、ふれ回り振動はオイルホイツプの振動状態を
いい、回転体の回転軸が真円形であるほど生じ易
い。

また、回転機の動的アンバランスおよび
misalignmentsの早期診断については、Early
diagnosis of dynamic unbalances and of
misalignments in large turbogenerators（by
A.Clapis et al、Energia Nucleare、Vol.2
３／n.5／maggio1976 pp271〜277）があるが、
オイルホイツプの検出については何ら言及してい
ない。

さらに、関連する従来技術としては、特公昭55
−44886号がある。この例では、振動波形を周波
数分析することによりオイルホイツプを判定する
としているが、振動数の周波数分析だけでは、非
線形振動との区別が困難であり、迅速かつ適確な
対策がとりにくかつた。

本発明の目的は、回転機の自励振動、特にオイ
ルホイツプと非線形振動とを迅速かつ正確に弁別
できる回転機に振動診断方法を提供することであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明は、上記目的を達成するために、回転機
の軸部に生じた振動をサンプリングして振動分析
しその振動性状を診断するに際して、サンプリン
グした振動波形を周波数分析し、固有振動数成分
があるときのみサンプリングした振動波形のふれ
回り成分の振動数と分数調波非線形振動の振動数
との一致を判定し、一致したときのみさらに前記
サンプリングした振動波形を分数調波非線形振動
の次数比の周期で分割して振動波形の任意の２波
相互間の位相差によりふれ回り成分の位相の変化
の有無を判定し、前記固有振動数成分を存在しふ
れ回り成分の位相が不変のときのみ非線形振動と
判断しふれ回り成分の位相が変化したときは自励
振動と判断する回転機の振動診断方法を提案する
ものである。

また、前記サンプリングのときに、振動検出信
号の振幅に対する閾値を設定し、前記回転機を構
成するロータの固有振動数に等しい周波数の成分
の振幅が前記閾値を越えるときにのみ、自動振動
か否かを判定する必要があるとして、前記周波数
分析よりも後の判別処理を実行する回転機の振動
診断方法を提案するものである。

〔作用〕

本発明においては、振動系からの振動波形を高
速フーリエ変換して振動分接を行い、その結果、
系の固有振動数（一次危険速度の振動数）に等し
い振動数を有するふれ回り振動がある場合には、
取込んだ振動波形を分数調波非線形振動に次数比
１／Ｎの周期で分割して任意の２波をとり、その
間の位相差の変化の有無により、そのふれ回り振
動が回転と１：Ｎの割合で同期している分数調波
非線形振動であるかまたは同期しない自励振動で
あるかを判別する。

したがつて、前記同期の有無より、自励振動
（オイルホイツプ）と非線形振動とを振動波形の
一回のサンプリングのみで正確に弁別できるの
で、振動に対する対策を迅速かつ適確にとること
が可能である。

［実施例］第２図は、本発明による振動診断方法の一実施
例を示すフローチヤートである。

まず、回転振動波形から取り取すべき山の数、
精度値、サンプリング値等の波形取込条件、すな
わち振動形の出力としてのアナログ振動波形をサ
ンプリングするための条件を設定する。次に、こ
の条件に基づいて、振動波形を高速Ａ／Ｄ変換に
より取込む。さらに、発生可能速度を判定する。
具体的には、取込波形に含まれた回転速度Ｒが、
対象とする自励振動の発生可能速度R₀以上か否
かを判定し、Ｒ＞R₀のときにのみそれ以降の処
理を実行する。R₀は、2f₁以上または少し下側で
あるように決められる。Ｒ＞R₀の波形である場
合は、さらに、高速フーリエ変換（FFT）によ
り振動分析を行い、ロータ系の一次危険速度f₁と
同一の振動数を有するふれ回り成分があるかどう
かを決定する。このときのふれ回り成分に振幅を
Aw、振動数をfwとすると、診断用に設定した閾
値A_thを振幅Awが越えたかどうかにより決定す
る。

Aw＞A_th ……(1) すなわち、むやみに小さなAwについて診断し
ても正確かつ有意義な結果が得られないため、予
め適当なA_thの値を設定しておく。

次に、ふれまわり成分の振動数が１／Ｎ次分数
調波非線形振動の振動数（1/2、1/3等の成分）に
一致していないかどうかを次式により判定する。

｜fw−Ｒ／Ｎ｜＜f₀ ……(2) (2)式でf₀は振動数差判定基準値、Ｎは分数調波
の次数を示す整数である。(2)式を満足しない場合
は明らかにオイルホイツプ等の自動振動である
が、(2)式を満足する場合は自動振動でなく非線形
振動の可能性があるので、次のふれ回りの位相が
変化しないかどうかを判定し、最終的に問題の振
動が非線形振動であるか自動振動であるかを決定
する。

ふれ回りの位相の変化の有無、すなわちふれ回
りが回転と一定の同期関係にあるかどうかの決定
は、非線形振動か自励振動であるかを判別するた
めのキーポイントである。このふれ回りの位相の
変化状態を判定するための詳細フローを第３図に
示す。

まず、サンプリングした全波形区間を１／Ｎ周
期で分割する。この分割数ｎはサンプリング波形
区間の回転周期の数をＭとする場合、すなわちロ
ータがＭ回転する間の振動波形を１データとして
取込む場合、次式のようになる。

ｎ＝Ｍ／Ｎ ……(3) 診断の精度を上げるには、(3)式のｎが整数とな
るように、Ｎに対するサンプリング周期数Ｍを選
ぶ。次に、Ｎ＝３の場合について第４図に示した
ように、ｎ分割した取込波形相互間に相対位相差
θ_kを次式により決定する。

θ_k＝φ_i−φ_j ……(4) （ただし、ｋ＝１〜ｌ、ｌ＝nC₂、ｉ、ｊ＝１〜
ｎである。） (4)式から明らかなように、相対位相差θ_kは分割
波相互間のすべての組合せに対して求める。さら
に、これらのうち次式を満足するデータの数ｍを
求める。

｜θ_k｜＜θ₀ ……(5) (5)式でθ₀は相対位相差の判定規準値である。ｍ
が一定値m₀に達したかどうか、すなわち次式に
より、非線形振動であるか自励振動であるかを最
終的に決定する。

ｍ＞m₀ ……(6) (6)式を満足する場合は、波形間の相対位相差が
少ないので非線形振動と判定し、満足しない場合
は波形間の位相変化を伴う自励振動と判定する。
なお、(6)式のｍはデータ数そのものでなく全デー
タ数ｌに対する比率で表わしてもよい。

また、以上の例はθ_kの値にのみ注目した例を示
したが、θ_kが平均値を求め、この値が所定値以上
であるとき自励振動であると判定することもで
き、さらには、θ_Kの最大値が所定値以上であると
き自励振動であると判定しても良い。

さらに、位相差に対する比、すなわちθ′_k＝
φ_k／φ₁を求め、この値が所定値以上が否か、ま
たはその平均値、最大値がそれぞれ所定値以上か
否かにより自励振動を判定することもできる。

このように、本発明の振動診断法は、振動波形
の同期性を厳密に調べることを特徴としている。
回転との同期性を調べる方法としては、この他に
次の２つの方法が考えられる。その１つは、振動
波形の周波数分析で取込んだデータについて回転
信号を基準とする回転次数比分析を行い、その結
果非線形振動の次数比１／Ｎに一致した卓越した
周波数成分が存在するかどうかにより、間接的に
回転との同期性を調べる方法であり、もう１つ
は、１回転１回の回転パルスをトリガー信号とし
て取込時刻の異なる振動波形を２回サンプリング
し、両者の位相差を調べる方法である。

しかし、前者は振動波形が複雑な場合や雑音レ
ベルが高い場合には、卓越した１／Ｎの周波数成
分が得られなくなる。特に異常振動発生初期のふ
れ回りが小さい場合は、その傾向が一層強くな
り、判別のためのレベル設定が難しいという欠点
がある。一方、後者は非定常的なふれ回りのよう
に同期性が変動する場合は、同期性があるかどう
かの判別がむずかしいという欠点がある。

本発明の振動診断法は、これらの欠点も解消す
るように考慮されており、非定常的な非線形振動
を含めて、異常振動が非線形振動か自励振動であ
るかを確実に診断でき、しかも(1)〜(6)式の判定を
自動化することにより、振動診断の自動化にも適
する。

つぎに、本発明を実際のプラントに適用したさ
らに具体的な実施例を第５図に示す。

蒸気タービンやガスタービン等に用いられる２
基のタービンロータ１１，１２およびこれらのロ
ータに直結されて回転駆動される発電機ロータ１
３が、軸受２１，２２，２３，２４，２５，２６
により支えられている。

また、軸受２１〜２６には振動検出器３１，３
２，３３，３４，３５，３６がそれぞれ設置さ
れ、各軸受に生ずる振動状態を電気信号として出
力する。さらに、軸受部には軸の回転数を検知す
るパルス検出器３７が設けられ、軸回転数に応じ
たパルス信号（例えば１回転１パルス）を出力す
る。振動検出器３１〜３６の各出力は振動計４１
に取り込まれる。振動計４１それらの振動信号を
増幅し、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換器４
２に出力する。Ａ／Ｄ変換器４２からのデイジタ
ル信号は、データ処理装置４３にとり込まれる。

一方、パルス検出器３７の出力は、トラツキン
グ信号発生器４４および回転計４５の各々に印加
される。トラツキング信号発生器４４は、パルス
信号を回転次数比分析に必要な信号に変換し、デ
ータ処理装置４３に出力する。また、回転計４５
はパルス検出器３７の出力を回転数に対応するデ
イジタル信号に変換し、データ処理装置４３に出
力する。データ処理装置４３は、取り込んだ振動
波形の高速フーリエ変換（FFT）による周波数
分析とその結果に基づく演算処理を実行する。こ
の場合、データの取込みは回転信号を基準に行
う。トラツキング信号発生器４４は回転数のｋ倍
のパルス信号を発生できるので、これをサンプリ
ングクロツク信号として波形を取込む。この時ト
ラツキング比ｋは任意に設定できるが、データの
サンプリング数をNsとして次式の関係を満たす
ように設定する。

Ｍ＝Ns／ｋ＝nN ……(7) すなわち、取り込まれる回転の数Ｍが非線形振
動次数Ｎのｎ倍（ｎは整数）となるようにｋを設
定する。このようにすると、データはロータがＭ
回回る間を１周期として取込まれ、これをFFT
分析したとき回転１次成分はＭ番目の点に、１／
Ｎ次成分はｎ番目の点に入ることになるので、
１／Ｎ次の分析精度が向上するとともに、目的と
する診断全体の精度が向上する。

(1)式〜(6)式で示した振動診断のための演算処理
内容は、この場合データ処理装置４３のCPUの
ソフトウエアとして与えられており、第２図およ
び第３図の手順に従つた処置が自動的に行われ、
その結果が入出力装置４６中のCRTに表示され
る。

第６図はオイルホイツプ振動が発生した場合の
診断結果の表示画面の一例である。測定位置＃５
および＃６の軸受部に警報値をこえた異常振動が
発生し、その原因がオイルホイツプであることが
左上の枠内に表示され、この時の発生時刻とロー
タの回転数が右上の枠内に表示されている。振動
データに関する情報としては、全測定位置の振幅
と振幅数とが柱状グラフで示されている。上側の
振幅は、振動の全周波数成分を含むオーバオール
の振幅と、そのうち＊印で示されたオイルホイツ
プ振動成分の振幅とを制限値に対する百分率で示
している。点線は警報値を示し、この場合はオイ
ルホイツプかどうかを診断するための閾値を兼ね
ている。下側の振動数は、回転周波数に対する割
合で示されているが、＊印で示されたオイルホイ
ツプの振動数は30％強で1/3次分数調波非線形振
動の振動数に近い。このように、振動の原因と内
容とが一目瞭然とした形で得られるようになつて
いる。表示が終わると、次の時点の振動波形を取
込み、以上の経過が自動的に繰返される。

［発明の効果］本発明によれば、回転機における自励振動の発
生を非線形振動と明確に区別できる振動診断方法
が得られ、回転機の予防保全対策をたてやすくな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はオイルホイツプ振動の特性を示す特性
図、第２図は本発明による振動診断方法の一例を
示すフローチヤート、第３図は第２図方法におい
てふれ回り位相の変化量判定の詳細処理を示すフ
ローチヤート、第４図は取込み波形の位相差を示
す説明図、第５図は本発明を実際のプラントに適
用した具体的な一実施例を示すブロツク図、第６
図はオイルホイツプ振動発生時の第５図実施例に
よる表示画面の一例を示す図、第７図はオイルホ
イツプ振動の発生メカニズムを示す説明図であ
る。１１，１２……タービンロータ、１３……発電
機ロータ、２１，２２，２３，２４，２５，２６
……軸受、３７……パルス検出器、４１……振動
計、４２……Ａ／Ｄ変換器、４３……データ処理
装置、４４……トラツキング信号発生器、４５…
…回転計、４６……入出力装置。

Claims

【特許請求の範囲】１回転機の軸部に生じた振動をサンプリングし
て振動分析しその振動性状を診断する回転機の振
動診断方法において、サンプリングした振動波形と周波数分析し、固有振動数成分があるときのみサンプリングし
た振動波形のふれ回り成分の振動数と分数調波非
線形振動の振動数との一致を判定し、一致したときのみさらに前記サンプリングした
振動波形を分数調波非線形振動の次数比の周期で
分割して振動波形の任意の２波相互間の位相差に
よりふれ回り成分の位相の変化の有無を判定し、前記固有振動数成分が存在しふれ回り成分の位
相が不変のときのみ非線形振動と判断しふれ回り
成分の位相が変化したときは自励振動と判断することを特徴とする回転機の振動診断方法。２前記サンプリングに際し、振動検出信号の振
幅に対する閾値を設定し、前記回転機を構成する
ロータの固有振動数に等しい周波数の成分の振幅
が前記閾値を越えるときにのみ前記周波数分析よ
りも後の判別処理を実行することを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の回転機の振動診断方
法。