JPH0315698B2 - - Google Patents
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Description
本発明は回転体の亀裂診断装置に係り、特に火
力及び原子力発電プラントのタービン等の回転体
に使用するに好適な回転体の亀裂診断装置に関す
る。 最近の大容量蒸気タービンロータはクリープ疲
労あるいは応力腐食によつて亀裂が生じた例が報
告されている。ロータ亀裂は重大事故の原因とな
り、単に経済的な損失ばかりでなく、時には人命
をう失う結果をもたらす。このような重大事故に
到らないまでも、ロータ亀裂の進展は予期しない
長期間の運転停止をもたらすことになる。このた
めロータ亀裂による重大事故を未然に防止すると
同時に、亀裂の進展に応じてロータの計画補修を
可能にすることが必要となつている。 タービンロータの運転中の亀裂発生を検出する
手段として、従来より軸振動の変化あるいは亀裂
によるAE信号の発生を検出することが考えられ
てきた。ここで、AEはアコーステイツク・エミ
ツシヨンの略で、物体の破壊に伴う音響信号を意
味する。ところが、軸振動の変化を利用した従来
の方法は、亀裂が相当進展した場合でかつ運転速
度が可変の場合に限られるという欠点があつた。
一方、AEによる方法はAE信号中の雑音を除去す
ることにより、ロータの亀裂発生を早期に検出す
ることが可能であるが、その後の亀裂進展を診断
するには必ずしも十分でないという欠点があつ
た。 本発明の目的は、運転中のロータの亀裂発生を
早期に検出し、かつその後の亀裂進展状況をオン
ラインで検知できる回転体の亀裂診断装置を提供
することにある。 本発明の要点はロータ自身に設置したAE検出
器とロータ支持軸受に設置したAE検出器から検
知したAE信号及び振動検出器からの振動信号に
基づいてロータ亀裂の発生を位置の標定とともに
検出し、かつ振動信号から亀裂深さの推定を行
い、確実なロータの亀裂発生の早期検出、かつそ
の後の亀裂進展の診断を可能にしたことにある。 本発明になるロータの亀裂診断装置の詳細を以
下実施例に基づいて説明する。第１図は本発明に
なる亀裂診断方法の手順を示したものである。最
初に、診断のための信号として一定速度で運転中
のロータ１及び軸受部２のAE信号と軸受部の軸
振動信号を同時に検出する。ロータからのAE信
号はロータの中心孔３に設置されたAE検出器１
１によつて、亀裂ヶ所からロータの内孔を伝播し
てくるAE信号を直接捕えようとするものである。
軸受からのAE信号はすべり軸受の油膜を介して
軸受に伝播されたAE信号をAE検出器１２によつ
て間接的に捕えようとするものである。振動信号
としては接触式あるいは非接触式の振動検出器２
１を用いて、ジヤーナルを含む軸受部２近傍の軸
振動を検出する。 検出されたAE信号の中には雑音とロータ亀裂
以外のAE信号を含むので、この中から亀裂によ
るAE信号のみを抽出する。亀裂以外のAEの発生
源としてはラビングと軸受の損傷がある。ラビン
グとはロータと軸受油切り等の静止部とが回転中
に接触することで、比較的軽微なラビングの場合
でもAEが発生する。軸受損傷の中にはメタルワ
イプによるものと片当りによるものとがある。メ
タルワイプは軸受荷重が過大あるいは軸受潤滑油
が高温のときロータジヤーナルと軸受メタルが摺
動することであり、その初期の段階からAEを発
する。片当りは軸受組立時のアライメント（軸受
位置決め）不良あるいは運転中のアライメント変
化により軸方向軸受すきまの均一性がくずれ、軸
受の出口付近でジヤーナルと軸受メタルが金属接
触を起こす現象であり、前記２者の場合より弱い
ながらAEを発する。 これらのロータ亀裂以外の原因によるAE信号
にはイベント数（AE発生数）、振幅及び周期等に
それぞれ特徴があり、これを利用して亀裂による
AE信号の識別を行う。ラビングによるAE信号は
イベント周期がロータの回転周期と等しい特徴を
有するため、１回転中にロータの円周上のどの角
度で最も多く接触したかを示すAEイベントのヒ
ストグラムを作ることができる。AEの信号処理
回路中にヒストグラム処理回路を設け、その発生
の有無によりラビングの有無を識別する。メタル
ワイプによるAE信号の特徴はイベントの立上り
が比較的ゆるやかで周期性を有することである。
振幅がある閾値を越えたイベント数をカウントす
る回路を設けることにより、その発生有無を識別
する。片当りの場合は高周波ノイズの中に低周波
信号があたかも振幅変調された状態で重畳してい
る。検波後のAE信号を20〜200Hzのバンドパスフ
イルタを通し、その出力が増加したかどうかによ
り、軸受片当りの有無を識別する。 以上のラビング及び軸受損傷によるAE信号は
発生位置から考えて軸受部で検出するのが精度が
よい。AE信号をロータ自身と軸受部からとの２
系統にした理由は、軸受部のAE信号からラビン
グ及び軸受損傷の有無を確認することにより、ロ
ータからのAE信号による亀裂発生の識別精度を
上げるためである。もし、軸受からのAE信号に
よりラビング及び軸受損傷がないことが確認され
た上で、ロータからのAE信号が検知された場合
には明らかにロータ亀裂によるものであり、その
発生が検出されたことになる。ラビング又は軸受
損傷と同時にロータ亀裂が発生した場合でも上記
の方法により、ロータのAE信号の検出器により
亀裂の発生を検出できる。AE信号はロータ亀裂
の発生と同時に発生するので、その早期検出が可
能となる。 亀裂検出の次は軸方向亀裂発生位置の標定を行
う。これはロータの両端に設置した２つのAE検
出器の信号の時間差を求めることにより行う。２
つの信号の時間差をΔt、ロータ中のAE信号の伝
播速度をＶとすれば２つの検出器の中間から亀裂
発生位置までの距離ｌは次式より求まる。 ｌ＝Ｖ・ΔT／２ …(1) 亀裂発生位置が既知となつたら、これをもとに
後述の(2)式に基づいて亀裂振動の応答計算を行
い、これと実測振動値と比較して発生した亀裂深
さの推定を行う。この手段は第２図に示したよう
に、推定された軸方向位置について、まずクラツ
ク深さを適当に仮定して振動測定位置の振動応答
を計算する。この結果と軸振動の実測値を比較
し、この値がある範囲内で一致したときは、仮定
した亀裂深さをその場合の亀裂深さとして採用
し、一致しない場合は次の亀裂深さを仮定して一
致するまで同様の計算を繰返す。 亀裂による振動は亀裂部が振動系の非線形要因
となるため、振動周波数には回転１次成分（回転
数に同期した成分）ばかりでなく、その２次、３
次、……の高調波成分を含む。振動応答の計算は
適当な近似によつて系を線形化して行う。そこで
振動計算ではロータを軸方向のいくつかの点に分
割し、この時のロータ各点での互いに直行する２
方向に振幅ｘ及びｙを次式のように近似して、伝
達マトリクス法等の繰り返し数値計算により求め
る。 ｘ＝x0＋１／２（x1εi〓t＋ε-i〓t）＋１／２（x
2εi2〓t＋ε-2〓t）＋１／２（x3εi3〓t＋3ε-i-
2〓t） ｙ＝y0＋１／２（yεi〓t＋ε）＋１／２（yεi2〓
t＋ε-i2〓t）＋１／２（yεi3〓t＋ε-i3〓t）…(
2) (2)式においてｉ＝√−１は虚数単位、ωはロー
タの回転角速度、x0，y0は静たわみ成分、X1〜
X3及びY1〜Y3はそれぞれ１次〜３次の振動成分
のベクトルで、また1〜3及び1〜3はその共
役振動ベクトルである。ロータの寸法、材料定数
及び亀裂の位置と深さが与えられれば、振動測定
点を含むロータ各点の振動振幅が(2)式より得られ
る。高調波成分の存在は亀裂振動の特徴であり、
一般に亀裂深さの進展と共に高調波成分の振幅も
増加する。前記亀裂深さを推定するための振動応
答の実測値と計算値との比較に於ては、単にオー
バオールの振幅でなく、回転１次成分を含むこれ
ら高調波成分についての比較も行う。４次以上の
高次成分は小さいので、通常は回転１次〜３次ま
での比較を行えば十分である。実測値の高調波成
分は亀裂とは別の原因によつて、亀裂発生以前か
らわずかながら存在する場合がある。従つて上記
比較のための実測値の回転１次成分及びその高調
波成分は亀裂発生前の初期状態との変化分を用い
る。 亀裂振動は前記の如く回転数の整数倍の高調波
成分を含むので、測定された軸振動についてその
有無を調べれば、逆に亀裂振動の発生有無を固定
することが可能である。このためには、検出した
軸振動を回転次数比分析して高調波成分を抽出
し、回転１次成分及び回転２次〜３次の高調波成
分の変化を調べる。すなわち亀裂発生前の初期状
態に対して、これらの振動成分に変化があれば、
亀裂振動の可能性がある。この結果をAE信号に
よる亀裂検出結果と照合すれば、AE信号のみに
よる亀裂検出の誤りを防止し、亀裂発生検出の確
実性を高めることができる。 次に本発明の一実施例を第３図を用いて詳細に
説明する。軸受２で支持されたタービンロータ１
の中心孔３の両端に第１のAE検出器１１と伝送
器１３が設置されている。軸受２には第２のAE
検出器１２と振動検出器２１がそれぞれ設置され
ている。ロータ１に発生した亀裂によるAE信号
はAE検出器１１によつて検出され、伝送器１３
によつて増幅及び周波数変調され、送信アンテナ
１４ａによつてFM信号として送信される。この
信号は静止体側の受信アンテナ１４ｂを介して、
受信器１６で復調、増幅されて信号S11となりAE
信号処理装置１７に入力される。一方軸受に設置
されたもう一方のAE検出器１２で検出されたAE
信号は増幅器１５で増幅され信号S12となり、AE
信号処理装置１７に入力される。AE信号S11，
S12はAE信号処理装置１７によつて、それぞれが
ロータ１の亀裂によるものかどうかを識別し易い
ように処理される。 AE信号処理装置の機能を第４図を用いてさら
に説明する。第４図において第１のAE信号S11は
検波器４１にて復調され、時間差検出回路５１、
計算機３１の入力信号Z10となる。時間差検出回
路５１にはロータのもう一方の側のAEセンサか
らのS11に対応するAE信号S22を同時に入力され、
S11とS22との時間差Δtを検出する。ノイズの影響
を少なくするためある時定数間について時間平均
化し、直流電圧に変換したものを電子計算機３１
の入力信号Z10として出力する。第２のAE信号
S12は検波器４２で復調された後、ローパスフイ
ルタ４３、増幅器４４を経て切換スイツチ４５に
到る。切換スイツチ４５はロータ１の運転速度が
ターニング時（起動時の１分間数回転の低速運転
時）かそれ以外の高速運転時かによつて切換えら
れ、ターニング時の場合は増幅器４４の出力は軸
受損傷判定回路４６を経て電子計算機３１の入力
Z11となり、高速運転時には軸受片当り判定回路
４７を経て電子計算機３１の入力となる。この場
合ローパスフイルタ４３は軸受損傷によるAE信
号の抽出に効果があり、通常帯域は20〜200Hzに
選定される。検波器４２の出力の一方はレベル比
較器４８を経てヒストグラム処理回路４９によつ
てヒストグラム処理され、電子計算機３１の入力
Z13となる。この場合ヒストグラム処理用信号と
して回転信号SRが回転パルス検出器２２及び波形
変換器２４を経てヒストグラム処理回路４９に入
力される。 第４図はAE信号処理装置１７の半分の部分、
すなわち第３図の一方の軸受側のAE信号S11，
S12に対する構成を成したもので、AE信号処理装
置１７全体としてはこの構成とさらにもう一方の
軸受の側のAE信号S21，S22（第３図参照）に対す
る構成（第４図と同一構成）とからなつている。
この図示されていないもう一方の軸受側のAE信
号S21，S22（第３図参照）に対する電子計算機へ
の入力はそれぞれZ20，Z21，Z22，Z23（第３図参
照）となる。ただし、時間差検出回路５１は２つ
の信号S11，S22について１回路を構成し、Z10＝
Z20である。 一方、振動信号は軸受２部に設置された軸振動
検出器２１によつて検出され、振動計２３で増幅
され、Sv1，Sv2となる。アナログデータ入力装
置はローパスフイルタとＡ／Ｄ変換器とで構成さ
れている。振動信号Sv1，Sv2はアナログデータ
入力装置２６によりデイジタル化され、電子計算
機３１の入力信号Zv1，Zv2となる。サンプリン
グ信号発生器２５は回転パルス信号発生器２２か
らの１回転の一回のパルス信号を受け、振動信号
Sv1，Sv2を回転に同期してサンプルするための
信号発生器で、サンプリング周波数に応じて回転
数に比例したサンプリング信号を発生する。アナ
ログデータ入力装置２６はサンプリング信号発生
器２５の指令に応じて振動信号Sv1，Sv2の波形
をＡ／Ｄ変換して、電子計算機３１に取込む機能
を持つ。波形変換器２４は回転パルス検出器から
の１回転１パルスを正弦波に変換すると共に増幅
して、振動分析の位相基準信号を作る。アナログ
データ入力装置２６によりこの位相基準信号は
Ａ／Ｄ変換され、電子計算機３１に入力される。 電子計算機３１は入力されたAE信号及び振動
信号からロータ亀裂発生の有無を診断して表示装
置３３に結果を表示する。亀裂の診断は予め電子
計算機のメモリに記憶された診断ソフトによつて
行なわれる。第５図によつて診断ソフトの機能を
説明すると、まずAE信号による亀裂発生のチエ
ツクを行う。この場合、Z10，Z11，Z12，Z13，
Z20，Z21，Z22，Z23のいずれもが０であれば亀裂
発生の可能性はない。Z10，Z20の入力が０か非常
に小さく、Z11，Z12，Z13，Z21，Z22，Z23の信号
のいずれか１つ以上が発生していれば、ロータ亀
裂の発生はなく、発生した信号に対応する別の原
因によつてAE信号が発生している。たとえばZ13
のみが発生していれば、AE検出器１２に近い個
所でラビングが発生していることを示す。 次に振動信号Zv1，Zv2について高速フーリエ
変換（FFF）により振動分析を行い、回転数の
次数比で基準化する。すなわち振動データの回転
次数比分析を行い、回転数の５次までの振動成分
を求める。次に、振動による亀裂発生チエツクの
ため、予めメモリ３２に記憶しておいた運転初期
振動データについて各成分毎の変動分を計算す
る。この変化分が定めた閾値より大きい時は亀裂
発生の可能性がある。 亀裂発生がどうかの判定は次のように行う。も
しAE信号と振動信号のチエツク結果が共に亀裂
発生の可能性ありと出た場合は、亀裂が発生した
と見なし、いずれの結果も可能性なしと出た場合
は亀裂振動は発生しないと見なす。AE信号のチ
エツク結果と振動によるチエツク結果が異なると
きは、AE信号によるチエツク結果を優先する。
信号ノイズによる誤判定を防ぐため、少なくとも
AE信号によるチエツクと振動信号によるチエツ
クとが異なつた場合には、電子計算機３１へのデ
ータ取込みを変えて同様のチエツクを繰返す。少
なくとも３回以上の繰返しに対して、２回以上現
れたチエツク効果をより正しいものとして採用す
る。 ロータ亀裂発生のときはAE信号Z10，Z20より
(1)式に従つて亀裂発生位置の標定を行う。次にこ
の結果を用いて、第２図の手順に従つて振動応答
計算により亀裂深さを決定する。振動応答計算に
必要なロータ１の寸法、材料、強度データ及び軸
受特性値は予めメモリ３２に記憶してあるものを
用いる。 診断結果は表示装置３３に表示される。本実施
例の表示装置はCRT（陰極線表示管）を用いてお
り、記録用としてハードコピー３４を備えてい
る。第６図はモデルロータを用いた診断結果の表
示例を示したもので、図の右側に亀裂の発生位置
を、図の左側に振動測定位置の振動振幅が示され
ている。この図から亀裂発生の位置及び振動に状
況が一見してわかる。この図はデータの取込みが
変わる毎に更新され、時々刻々の診断結果が表示
される。亀裂振動が発生しないときでも右側の振
動値は表示されるようにしてあるので、通常は振
動モニターとしての機能を有する。 亀裂の時間的変化に注目する場合には、診断結
果を第７図のように表示することも可能である。
第７図では亀裂深さと代表的の振動測定位置の各
成分毎の振幅が時間経過と共に示されている。振
幅の制限値から定まる亀裂深さの制限値も示して
あるので、亀裂発生から振動制限値に達するまで
の時間的余裕をある程度見積ることができ、運転
の計画的保守管理に役立てることができる。 振動信号による亀裂振動の検出を容易にするた
めに、振動信号処理法の１つとしてケプストラム
法を用いることができる。ケプストラムとはパワ
ースペクトラムの対数のそのまたパワースペクト
ラムと定義される量で、対数変換の性質により低
レベルの周波数成分が強調され、周期性のあるも
のの検出に適した分析法である。亀裂振動信号に
この手法を適用すると亀裂振動の特徴である回転
数の高次の振動成分が強調されるので、その検出
が容易となる。第８図は第５図の診断ソフトにケ
プストラム分析部を加え、前記した亀裂振動の検
出効果を狙つた例である。 本発明になる亀裂振動診断装置の実施例におい
ては、亀裂振動の診断に必要な振動信号の分析、
すなわち、振動信号の回転次数比分析やケプスト
ラム分析は電子計算機のソフトで行うようにした
が、この分析をハード的に行うことも可能であ
る。この場合には、回転次数比分析器又はケプス
トラム分析器を振動信号の前処理装置として電子
計算機３１の前に挿入され、メモリ３２にはこれ
ら分析結果が記憶される。以後の処理は前記実施
令と同様に行なうことができる。 第９図は別の実施例における亀裂深さ推定法の
手順を示す。この手順は、第２図の手順において
振動応答計算をその場で実施する代りに、下記し
た第１表に示したような振動心幅と亀裂深さの関
係を予め応答計算あるいは実験値から求めてお
き、現在診断の対象とするクラツク振動パターン
と比較するものである。すなわち、各振動成分毎
の振動値の差が最も小さいもの、あるいは１次か
ら３次成分の振幅の比率が現状の振動に一番近い
ものから亀裂深さを決定する。第１表のような値
は所定のロータ速度について、必要な亀裂位置に
ついて予め求めでおくものである。 第５図において亀裂深さの計算の部分に第２図
の手順を置きかえれば、第５図の手順はそのまま
実行できる。第１表のような亀裂深さの推定に必
要な値は予めメモリ３２に記憶されている。
力及び原子力発電プラントのタービン等の回転体
に使用するに好適な回転体の亀裂診断装置に関す
る。 最近の大容量蒸気タービンロータはクリープ疲
労あるいは応力腐食によつて亀裂が生じた例が報
告されている。ロータ亀裂は重大事故の原因とな
り、単に経済的な損失ばかりでなく、時には人命
をう失う結果をもたらす。このような重大事故に
到らないまでも、ロータ亀裂の進展は予期しない
長期間の運転停止をもたらすことになる。このた
めロータ亀裂による重大事故を未然に防止すると
同時に、亀裂の進展に応じてロータの計画補修を
可能にすることが必要となつている。 タービンロータの運転中の亀裂発生を検出する
手段として、従来より軸振動の変化あるいは亀裂
によるAE信号の発生を検出することが考えられ
てきた。ここで、AEはアコーステイツク・エミ
ツシヨンの略で、物体の破壊に伴う音響信号を意
味する。ところが、軸振動の変化を利用した従来
の方法は、亀裂が相当進展した場合でかつ運転速
度が可変の場合に限られるという欠点があつた。
一方、AEによる方法はAE信号中の雑音を除去す
ることにより、ロータの亀裂発生を早期に検出す
ることが可能であるが、その後の亀裂進展を診断
するには必ずしも十分でないという欠点があつ
た。 本発明の目的は、運転中のロータの亀裂発生を
早期に検出し、かつその後の亀裂進展状況をオン
ラインで検知できる回転体の亀裂診断装置を提供
することにある。 本発明の要点はロータ自身に設置したAE検出
器とロータ支持軸受に設置したAE検出器から検
知したAE信号及び振動検出器からの振動信号に
基づいてロータ亀裂の発生を位置の標定とともに
検出し、かつ振動信号から亀裂深さの推定を行
い、確実なロータの亀裂発生の早期検出、かつそ
の後の亀裂進展の診断を可能にしたことにある。 本発明になるロータの亀裂診断装置の詳細を以
下実施例に基づいて説明する。第１図は本発明に
なる亀裂診断方法の手順を示したものである。最
初に、診断のための信号として一定速度で運転中
のロータ１及び軸受部２のAE信号と軸受部の軸
振動信号を同時に検出する。ロータからのAE信
号はロータの中心孔３に設置されたAE検出器１
１によつて、亀裂ヶ所からロータの内孔を伝播し
てくるAE信号を直接捕えようとするものである。
軸受からのAE信号はすべり軸受の油膜を介して
軸受に伝播されたAE信号をAE検出器１２によつ
て間接的に捕えようとするものである。振動信号
としては接触式あるいは非接触式の振動検出器２
１を用いて、ジヤーナルを含む軸受部２近傍の軸
振動を検出する。 検出されたAE信号の中には雑音とロータ亀裂
以外のAE信号を含むので、この中から亀裂によ
るAE信号のみを抽出する。亀裂以外のAEの発生
源としてはラビングと軸受の損傷がある。ラビン
グとはロータと軸受油切り等の静止部とが回転中
に接触することで、比較的軽微なラビングの場合
でもAEが発生する。軸受損傷の中にはメタルワ
イプによるものと片当りによるものとがある。メ
タルワイプは軸受荷重が過大あるいは軸受潤滑油
が高温のときロータジヤーナルと軸受メタルが摺
動することであり、その初期の段階からAEを発
する。片当りは軸受組立時のアライメント（軸受
位置決め）不良あるいは運転中のアライメント変
化により軸方向軸受すきまの均一性がくずれ、軸
受の出口付近でジヤーナルと軸受メタルが金属接
触を起こす現象であり、前記２者の場合より弱い
ながらAEを発する。 これらのロータ亀裂以外の原因によるAE信号
にはイベント数（AE発生数）、振幅及び周期等に
それぞれ特徴があり、これを利用して亀裂による
AE信号の識別を行う。ラビングによるAE信号は
イベント周期がロータの回転周期と等しい特徴を
有するため、１回転中にロータの円周上のどの角
度で最も多く接触したかを示すAEイベントのヒ
ストグラムを作ることができる。AEの信号処理
回路中にヒストグラム処理回路を設け、その発生
の有無によりラビングの有無を識別する。メタル
ワイプによるAE信号の特徴はイベントの立上り
が比較的ゆるやかで周期性を有することである。
振幅がある閾値を越えたイベント数をカウントす
る回路を設けることにより、その発生有無を識別
する。片当りの場合は高周波ノイズの中に低周波
信号があたかも振幅変調された状態で重畳してい
る。検波後のAE信号を20〜200Hzのバンドパスフ
イルタを通し、その出力が増加したかどうかによ
り、軸受片当りの有無を識別する。 以上のラビング及び軸受損傷によるAE信号は
発生位置から考えて軸受部で検出するのが精度が
よい。AE信号をロータ自身と軸受部からとの２
系統にした理由は、軸受部のAE信号からラビン
グ及び軸受損傷の有無を確認することにより、ロ
ータからのAE信号による亀裂発生の識別精度を
上げるためである。もし、軸受からのAE信号に
よりラビング及び軸受損傷がないことが確認され
た上で、ロータからのAE信号が検知された場合
には明らかにロータ亀裂によるものであり、その
発生が検出されたことになる。ラビング又は軸受
損傷と同時にロータ亀裂が発生した場合でも上記
の方法により、ロータのAE信号の検出器により
亀裂の発生を検出できる。AE信号はロータ亀裂
の発生と同時に発生するので、その早期検出が可
能となる。 亀裂検出の次は軸方向亀裂発生位置の標定を行
う。これはロータの両端に設置した２つのAE検
出器の信号の時間差を求めることにより行う。２
つの信号の時間差をΔt、ロータ中のAE信号の伝
播速度をＶとすれば２つの検出器の中間から亀裂
発生位置までの距離ｌは次式より求まる。 ｌ＝Ｖ・ΔT／２ …(1) 亀裂発生位置が既知となつたら、これをもとに
後述の(2)式に基づいて亀裂振動の応答計算を行
い、これと実測振動値と比較して発生した亀裂深
さの推定を行う。この手段は第２図に示したよう
に、推定された軸方向位置について、まずクラツ
ク深さを適当に仮定して振動測定位置の振動応答
を計算する。この結果と軸振動の実測値を比較
し、この値がある範囲内で一致したときは、仮定
した亀裂深さをその場合の亀裂深さとして採用
し、一致しない場合は次の亀裂深さを仮定して一
致するまで同様の計算を繰返す。 亀裂による振動は亀裂部が振動系の非線形要因
となるため、振動周波数には回転１次成分（回転
数に同期した成分）ばかりでなく、その２次、３
次、……の高調波成分を含む。振動応答の計算は
適当な近似によつて系を線形化して行う。そこで
振動計算ではロータを軸方向のいくつかの点に分
割し、この時のロータ各点での互いに直行する２
方向に振幅ｘ及びｙを次式のように近似して、伝
達マトリクス法等の繰り返し数値計算により求め
る。 ｘ＝x0＋１／２（x1εi〓t＋ε-i〓t）＋１／２（x
2εi2〓t＋ε-2〓t）＋１／２（x3εi3〓t＋3ε-i-
2〓t） ｙ＝y0＋１／２（yεi〓t＋ε）＋１／２（yεi2〓
t＋ε-i2〓t）＋１／２（yεi3〓t＋ε-i3〓t）…(
2) (2)式においてｉ＝√−１は虚数単位、ωはロー
タの回転角速度、x0，y0は静たわみ成分、X1〜
X3及びY1〜Y3はそれぞれ１次〜３次の振動成分
のベクトルで、また1〜3及び1〜3はその共
役振動ベクトルである。ロータの寸法、材料定数
及び亀裂の位置と深さが与えられれば、振動測定
点を含むロータ各点の振動振幅が(2)式より得られ
る。高調波成分の存在は亀裂振動の特徴であり、
一般に亀裂深さの進展と共に高調波成分の振幅も
増加する。前記亀裂深さを推定するための振動応
答の実測値と計算値との比較に於ては、単にオー
バオールの振幅でなく、回転１次成分を含むこれ
ら高調波成分についての比較も行う。４次以上の
高次成分は小さいので、通常は回転１次〜３次ま
での比較を行えば十分である。実測値の高調波成
分は亀裂とは別の原因によつて、亀裂発生以前か
らわずかながら存在する場合がある。従つて上記
比較のための実測値の回転１次成分及びその高調
波成分は亀裂発生前の初期状態との変化分を用い
る。 亀裂振動は前記の如く回転数の整数倍の高調波
成分を含むので、測定された軸振動についてその
有無を調べれば、逆に亀裂振動の発生有無を固定
することが可能である。このためには、検出した
軸振動を回転次数比分析して高調波成分を抽出
し、回転１次成分及び回転２次〜３次の高調波成
分の変化を調べる。すなわち亀裂発生前の初期状
態に対して、これらの振動成分に変化があれば、
亀裂振動の可能性がある。この結果をAE信号に
よる亀裂検出結果と照合すれば、AE信号のみに
よる亀裂検出の誤りを防止し、亀裂発生検出の確
実性を高めることができる。 次に本発明の一実施例を第３図を用いて詳細に
説明する。軸受２で支持されたタービンロータ１
の中心孔３の両端に第１のAE検出器１１と伝送
器１３が設置されている。軸受２には第２のAE
検出器１２と振動検出器２１がそれぞれ設置され
ている。ロータ１に発生した亀裂によるAE信号
はAE検出器１１によつて検出され、伝送器１３
によつて増幅及び周波数変調され、送信アンテナ
１４ａによつてFM信号として送信される。この
信号は静止体側の受信アンテナ１４ｂを介して、
受信器１６で復調、増幅されて信号S11となりAE
信号処理装置１７に入力される。一方軸受に設置
されたもう一方のAE検出器１２で検出されたAE
信号は増幅器１５で増幅され信号S12となり、AE
信号処理装置１７に入力される。AE信号S11，
S12はAE信号処理装置１７によつて、それぞれが
ロータ１の亀裂によるものかどうかを識別し易い
ように処理される。 AE信号処理装置の機能を第４図を用いてさら
に説明する。第４図において第１のAE信号S11は
検波器４１にて復調され、時間差検出回路５１、
計算機３１の入力信号Z10となる。時間差検出回
路５１にはロータのもう一方の側のAEセンサか
らのS11に対応するAE信号S22を同時に入力され、
S11とS22との時間差Δtを検出する。ノイズの影響
を少なくするためある時定数間について時間平均
化し、直流電圧に変換したものを電子計算機３１
の入力信号Z10として出力する。第２のAE信号
S12は検波器４２で復調された後、ローパスフイ
ルタ４３、増幅器４４を経て切換スイツチ４５に
到る。切換スイツチ４５はロータ１の運転速度が
ターニング時（起動時の１分間数回転の低速運転
時）かそれ以外の高速運転時かによつて切換えら
れ、ターニング時の場合は増幅器４４の出力は軸
受損傷判定回路４６を経て電子計算機３１の入力
Z11となり、高速運転時には軸受片当り判定回路
４７を経て電子計算機３１の入力となる。この場
合ローパスフイルタ４３は軸受損傷によるAE信
号の抽出に効果があり、通常帯域は20〜200Hzに
選定される。検波器４２の出力の一方はレベル比
較器４８を経てヒストグラム処理回路４９によつ
てヒストグラム処理され、電子計算機３１の入力
Z13となる。この場合ヒストグラム処理用信号と
して回転信号SRが回転パルス検出器２２及び波形
変換器２４を経てヒストグラム処理回路４９に入
力される。 第４図はAE信号処理装置１７の半分の部分、
すなわち第３図の一方の軸受側のAE信号S11，
S12に対する構成を成したもので、AE信号処理装
置１７全体としてはこの構成とさらにもう一方の
軸受の側のAE信号S21，S22（第３図参照）に対す
る構成（第４図と同一構成）とからなつている。
この図示されていないもう一方の軸受側のAE信
号S21，S22（第３図参照）に対する電子計算機へ
の入力はそれぞれZ20，Z21，Z22，Z23（第３図参
照）となる。ただし、時間差検出回路５１は２つ
の信号S11，S22について１回路を構成し、Z10＝
Z20である。 一方、振動信号は軸受２部に設置された軸振動
検出器２１によつて検出され、振動計２３で増幅
され、Sv1，Sv2となる。アナログデータ入力装
置はローパスフイルタとＡ／Ｄ変換器とで構成さ
れている。振動信号Sv1，Sv2はアナログデータ
入力装置２６によりデイジタル化され、電子計算
機３１の入力信号Zv1，Zv2となる。サンプリン
グ信号発生器２５は回転パルス信号発生器２２か
らの１回転の一回のパルス信号を受け、振動信号
Sv1，Sv2を回転に同期してサンプルするための
信号発生器で、サンプリング周波数に応じて回転
数に比例したサンプリング信号を発生する。アナ
ログデータ入力装置２６はサンプリング信号発生
器２５の指令に応じて振動信号Sv1，Sv2の波形
をＡ／Ｄ変換して、電子計算機３１に取込む機能
を持つ。波形変換器２４は回転パルス検出器から
の１回転１パルスを正弦波に変換すると共に増幅
して、振動分析の位相基準信号を作る。アナログ
データ入力装置２６によりこの位相基準信号は
Ａ／Ｄ変換され、電子計算機３１に入力される。 電子計算機３１は入力されたAE信号及び振動
信号からロータ亀裂発生の有無を診断して表示装
置３３に結果を表示する。亀裂の診断は予め電子
計算機のメモリに記憶された診断ソフトによつて
行なわれる。第５図によつて診断ソフトの機能を
説明すると、まずAE信号による亀裂発生のチエ
ツクを行う。この場合、Z10，Z11，Z12，Z13，
Z20，Z21，Z22，Z23のいずれもが０であれば亀裂
発生の可能性はない。Z10，Z20の入力が０か非常
に小さく、Z11，Z12，Z13，Z21，Z22，Z23の信号
のいずれか１つ以上が発生していれば、ロータ亀
裂の発生はなく、発生した信号に対応する別の原
因によつてAE信号が発生している。たとえばZ13
のみが発生していれば、AE検出器１２に近い個
所でラビングが発生していることを示す。 次に振動信号Zv1，Zv2について高速フーリエ
変換（FFF）により振動分析を行い、回転数の
次数比で基準化する。すなわち振動データの回転
次数比分析を行い、回転数の５次までの振動成分
を求める。次に、振動による亀裂発生チエツクの
ため、予めメモリ３２に記憶しておいた運転初期
振動データについて各成分毎の変動分を計算す
る。この変化分が定めた閾値より大きい時は亀裂
発生の可能性がある。 亀裂発生がどうかの判定は次のように行う。も
しAE信号と振動信号のチエツク結果が共に亀裂
発生の可能性ありと出た場合は、亀裂が発生した
と見なし、いずれの結果も可能性なしと出た場合
は亀裂振動は発生しないと見なす。AE信号のチ
エツク結果と振動によるチエツク結果が異なると
きは、AE信号によるチエツク結果を優先する。
信号ノイズによる誤判定を防ぐため、少なくとも
AE信号によるチエツクと振動信号によるチエツ
クとが異なつた場合には、電子計算機３１へのデ
ータ取込みを変えて同様のチエツクを繰返す。少
なくとも３回以上の繰返しに対して、２回以上現
れたチエツク効果をより正しいものとして採用す
る。 ロータ亀裂発生のときはAE信号Z10，Z20より
(1)式に従つて亀裂発生位置の標定を行う。次にこ
の結果を用いて、第２図の手順に従つて振動応答
計算により亀裂深さを決定する。振動応答計算に
必要なロータ１の寸法、材料、強度データ及び軸
受特性値は予めメモリ３２に記憶してあるものを
用いる。 診断結果は表示装置３３に表示される。本実施
例の表示装置はCRT（陰極線表示管）を用いてお
り、記録用としてハードコピー３４を備えてい
る。第６図はモデルロータを用いた診断結果の表
示例を示したもので、図の右側に亀裂の発生位置
を、図の左側に振動測定位置の振動振幅が示され
ている。この図から亀裂発生の位置及び振動に状
況が一見してわかる。この図はデータの取込みが
変わる毎に更新され、時々刻々の診断結果が表示
される。亀裂振動が発生しないときでも右側の振
動値は表示されるようにしてあるので、通常は振
動モニターとしての機能を有する。 亀裂の時間的変化に注目する場合には、診断結
果を第７図のように表示することも可能である。
第７図では亀裂深さと代表的の振動測定位置の各
成分毎の振幅が時間経過と共に示されている。振
幅の制限値から定まる亀裂深さの制限値も示して
あるので、亀裂発生から振動制限値に達するまで
の時間的余裕をある程度見積ることができ、運転
の計画的保守管理に役立てることができる。 振動信号による亀裂振動の検出を容易にするた
めに、振動信号処理法の１つとしてケプストラム
法を用いることができる。ケプストラムとはパワ
ースペクトラムの対数のそのまたパワースペクト
ラムと定義される量で、対数変換の性質により低
レベルの周波数成分が強調され、周期性のあるも
のの検出に適した分析法である。亀裂振動信号に
この手法を適用すると亀裂振動の特徴である回転
数の高次の振動成分が強調されるので、その検出
が容易となる。第８図は第５図の診断ソフトにケ
プストラム分析部を加え、前記した亀裂振動の検
出効果を狙つた例である。 本発明になる亀裂振動診断装置の実施例におい
ては、亀裂振動の診断に必要な振動信号の分析、
すなわち、振動信号の回転次数比分析やケプスト
ラム分析は電子計算機のソフトで行うようにした
が、この分析をハード的に行うことも可能であ
る。この場合には、回転次数比分析器又はケプス
トラム分析器を振動信号の前処理装置として電子
計算機３１の前に挿入され、メモリ３２にはこれ
ら分析結果が記憶される。以後の処理は前記実施
令と同様に行なうことができる。 第９図は別の実施例における亀裂深さ推定法の
手順を示す。この手順は、第２図の手順において
振動応答計算をその場で実施する代りに、下記し
た第１表に示したような振動心幅と亀裂深さの関
係を予め応答計算あるいは実験値から求めてお
き、現在診断の対象とするクラツク振動パターン
と比較するものである。すなわち、各振動成分毎
の振動値の差が最も小さいもの、あるいは１次か
ら３次成分の振幅の比率が現状の振動に一番近い
ものから亀裂深さを決定する。第１表のような値
は所定のロータ速度について、必要な亀裂位置に
ついて予め求めでおくものである。 第５図において亀裂深さの計算の部分に第２図
の手順を置きかえれば、第５図の手順はそのまま
実行できる。第１表のような亀裂深さの推定に必
要な値は予めメモリ３２に記憶されている。
【表】
以上詳述したように本発明になる亀裂振動の診
断装置によれば、運転中のロータに発生した亀裂
を早期に確実に検出し、かつ亀裂深さを推定でき
るので、ロータ亀裂による重大事故の防止及びロ
ータの計画的な保守が可能となる効果が得られ
る。
断装置によれば、運転中のロータに発生した亀裂
を早期に確実に検出し、かつ亀裂深さを推定でき
るので、ロータ亀裂による重大事故の防止及びロ
ータの計画的な保守が可能となる効果が得られ
る。
第１図は本発明になるロータ亀裂診断法の手順
を示すフローチヤート、第２図は亀裂深さの推定
の手順を示すフローチヤート、第３図は本発明の
一実施例である回転体の亀裂診断装置を示す構成
図、第４図は第３図におけるAE信号による診断
の詳細を示すブロツク図、第５図は診断ソフトの
機能を示すフローチヤート、第６図は本発明にな
る亀裂診断結果の表示例を示す説明図、第７図は
本発明になる亀裂診断結果の別な表示例を示す
図、第８図は本発明の他の実施例における診断ソ
フトのフローチヤート、第９図は本発明の他の実
施例における診断手順のフローチヤートである。 １……タービンロータ、２……軸受、１１，１
２……AE検出器、２６……アナログデータ入力
装置、３１……電子計算機、２５……サンプリン
グ信号発生器、２４……波形変換器、３３……表
示装置、１７……AE信号処理装置、４６……軸
受損傷判定回路、４７……軸受片当り判定回路、
４３……ローパスフイルタ、２１……振動検出
器、４９……ヒストグラム処理回路。
を示すフローチヤート、第２図は亀裂深さの推定
の手順を示すフローチヤート、第３図は本発明の
一実施例である回転体の亀裂診断装置を示す構成
図、第４図は第３図におけるAE信号による診断
の詳細を示すブロツク図、第５図は診断ソフトの
機能を示すフローチヤート、第６図は本発明にな
る亀裂診断結果の表示例を示す説明図、第７図は
本発明になる亀裂診断結果の別な表示例を示す
図、第８図は本発明の他の実施例における診断ソ
フトのフローチヤート、第９図は本発明の他の実
施例における診断手順のフローチヤートである。 １……タービンロータ、２……軸受、１１，１
２……AE検出器、２６……アナログデータ入力
装置、３１……電子計算機、２５……サンプリン
グ信号発生器、２４……波形変換器、３３……表
示装置、１７……AE信号処理装置、４６……軸
受損傷判定回路、４７……軸受片当り判定回路、
４３……ローパスフイルタ、２１……振動検出
器、４９……ヒストグラム処理回路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 回転体に軸方向に間隔をおいて設置された２
つの回転側AE検出器と、 該回転側AE検出器にて検出された信号を送信
するAE信号送信器と、 前記回転体の軸受部に設置された固定側AE検
出器と、 同軸受部に設置された振動検出器と、 前記AE信号送信器の信号を受信する受信器と、 回転体の−回転−パルスを検出するパルス検出
器と、 該パルス検出器のパルスに同期した振動波形の
サンプリング信号を得るサンプリング信号発生器
と、 前記２つの回転側AE検出器のAE信号及び前記
振動検出器の振動信号に基づいて亀裂発生の検出
並びに両AE検出信号の差から位置評定を行う第
１の演算装置と、 前記振動検出器の振動信号に基づいて亀裂深さ
の演算を行う第２の演算装置と、 前記第１及び第２の演算装置の演算結果を表示
する表示装置と、 を備えてなる回転体の亀裂診断装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57034414A JPS58150859A (ja) | 1982-03-03 | 1982-03-03 | 回転体の亀裂診断装置 |
| CA000422702A CA1203883A (en) | 1982-03-03 | 1983-03-02 | Method and apparatus for monitoring cracks of a rotatable body |
| DE8383102026T DE3368768D1 (en) | 1982-03-03 | 1983-03-02 | Method and apparatus for monitoring cracks of a rotatable body |
| EP83102026A EP0087813B1 (en) | 1982-03-03 | 1983-03-02 | Method and apparatus for monitoring cracks of a rotatable body |
| US06/681,576 US4685335A (en) | 1982-03-03 | 1984-12-14 | Method and apparatus for monitoring cracks of a rotatable body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57034414A JPS58150859A (ja) | 1982-03-03 | 1982-03-03 | 回転体の亀裂診断装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58150859A JPS58150859A (ja) | 1983-09-07 |
| JPH0315698B2 true JPH0315698B2 (ja) | 1991-03-01 |
Family
ID=12413530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57034414A Granted JPS58150859A (ja) | 1982-03-03 | 1982-03-03 | 回転体の亀裂診断装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4685335A (ja) |
| EP (1) | EP0087813B1 (ja) |
| JP (1) | JPS58150859A (ja) |
| CA (1) | CA1203883A (ja) |
| DE (1) | DE3368768D1 (ja) |
Families Citing this family (37)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPS6219755A (ja) * | 1985-07-19 | 1987-01-28 | Hitachi Ltd | Ａｅ方式回転機異常診断システム |
| JPS6234900A (ja) * | 1985-08-09 | 1987-02-14 | 防衛庁技術研究本部長 | 航空機運航時の機械的強度推定法 |
| US4875170A (en) * | 1986-04-10 | 1989-10-17 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for estimating life expectancy of mechanical structures |
| DE3627796C1 (en) * | 1986-08-16 | 1987-10-22 | Klaus Dipl-Ing Nordmann | Device for monitoring the state and breakage of rotating tools by means of measurements of structure-borne sound |
| US4977516A (en) * | 1987-04-10 | 1990-12-11 | Shepherd James E | Data acquisition device for balancing rotating components of large machinery |
| JPH065193B2 (ja) * | 1987-04-28 | 1994-01-19 | 光洋精工株式会社 | 軸受残存寿命予知装置 |
| US5258923A (en) * | 1987-07-22 | 1993-11-02 | General Electric Company | System and method for detecting the occurrence, location and depth of cracks in turbine-generator rotors |
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