JPH03279836A - 回転機械のアンバランス監視診断装置 - 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、蒸気タービンや発電機プラント等における高
速回転機械の運転状態の異常徴候の早期検出と、その診
断を回転機械の軸振動の検出値に基づいて行う回転機械
のアンバランス監視診断装置に関する。

（従来の技術） 一般に、回転機械の運転中に発生する異常の大部分は、
ロータ等の回転体の軸振動の変化として現れる。

特に、発電プラント用の蒸気タービン・発電ユニット等
では数十〜数百トンの重量を持つロータが高速で回転し
ており、微少な振動も重大な事故につながるおそれがあ
る。

そこで、運転中の振動現象を十分に把握するため、ロー
タの各軸受部で振動を検出すると共に、これをレコーダ
によって連続的に記録し、運転上の注意を喚起する警報
値を設定して、振動検出値に基づいて回転機械の運転を
制限することが従来から行なわれている。

また最近では、特開昭６１−１２８１２８号公報に示す
ように、運転制限値に至る以前に異常徴候を検出し、さ
らに振動周波数等の特徴から原因を診断する診断装置が
提案されている。

第７図は、従来の診断装置を、蒸気タービン・発電機ユ
ニットの診断に適用した例を示す。

同図において、蒸気タービン・発電機ユニ・ソト１は高
・中圧タービン２と、低圧タービン３ａ。

３ｂと、発電機４を直結して構成されており、それらの
ロータを支える軸受部５ａ〜５ｎには、各ロータの軸振
動を検出する振動検出器６８〜６ｎが設けられている。

また、蒸気タービン・発電機ユニット１には、ロータの
回転数を検出する回転計７、各軸受部５ａ〜５ｎでの軸
振動の位相を検出する際に基準となるパルスを発信する
位相基準パルス発信器８、および発電機出力（負荷）や
蒸気温度、軸受温度等プラントの運転状態を検出する各
種センサ群９が設置されている。

回転計７および各種センサ群９の出力は、中央操作ｆｆ
１ｌＯ内に設けられた運転監視装置１１に送られる。ま
た、振動検出器６８〜６ｎおよび位相基準パルス発信器
８の出力は中央操作盤１０内に設けられた振動監視装置
１２に送られて常時チエツクされ、その出力が所定の制
限値を越える場合には、警報装置１３に指令信号が発せ
られ、警報や自動トリップの信号が出力される。

なお、振動検出器６ａ〜６ｎ、回転計７、位相基準パル
ス発信器８、および各種センサ群９の出力は、アナログ
型の連続記録計１４にも送られて記録される。また、振
動検出器６８〜６ｏおよび位相基準パルス発信器８の出
力である振動データは、振動監視装置１２によってＡ／
Ｄ変換され、軸振動診断装置２０に送られて異常徴候の
原因の診断が行われる。

この軸振動診断装置２０は、計葺機を用いて構成され、
異常診断を行なって運転員を支援するもので、賃常徴候
検出装置２１と、周波数分析器２２と、メモリ２３と、
診断部２４と、表示装置２５とから構成されている。

振動監視装置１２によってＡ／Ｄ変換された振動データ
は、所定のしきい値と比較され、異常徴候が生じている
時は、異常徴候検出装置２１によって検出される。また
、振動監視装置１２によってＡ／Ｄ変換された振動デー
タに基づいて軸振動の周波数成分の分布が周波数分析器
２２によって解析される。

各種センサ群９、異常徴候検装置２１、および周波数分
析器２２の各出力と、メモリ２３に記憶されている過去
の履歴データは診断部２４に入力され、異常徴候の原因
の診断が行なわれる。その結果は表示装置２５によって
表示されると共に、診断に使用された各種データおよび
診断結果はメモリ２Ｂに記憶される。

（発明か解決しようとする課題） ところで、回転機械の軸振動は、回転機械の運転状態の
異常程度により急激に変化することがある。

そのため、軸振動による異常徴候の早期検出、異常程度
の早期診断が要求される。とりわけ、ロータの回転数と
同期した振動成分を持つアンバランス振動は可能性が最
も大きく、また、重大なトラブルへ発展する危険性もあ
るところから、診断の対象として重要な振動現象である
。

このアンバランス振動は、ロータ曲りの発生、ロータ部
材の欠損、静止部とロータの摺損（ラビング）等の原因
によって運転中に変化することがある。

この場合、特にロータ部材の欠損により発生したアンバ
ランス振動の原因を知らないで運転を続けした際には、
さらに重大な事故を誘起する可能性があり、危険である
。また、部材の欠損程度が軽微なものであっても、発生
位置によっては性能効率に大きく影響することもあり得
る。

運転中に発生した異常アンバランス振動の原因を判別し
、この振動をつりあわせによって低減すべきかどうかを
自動的に診断、表示する方法は、特公昭６２−２２４０
９号等に示すように従来から提案されている。

しかしながら、ロータ部材の欠損によるアンバランス振
動が発生した場合でも、欠損発生位置、欠損の量、欠損
の状態などの情報は、運転日がロータ部材の欠損と判断
するための情報として不足しており、運転員が判断を誤
る恐れがある。

本発明は、このような問題点を解消すべくなされたもの
で、回転機械の運転中にロータ部材の欠損により発生し
たアンバランス振動を検出し、アンバランスの発生量に
応じて警告を行い、さらに部材欠損の状態まで自動的に
診断、表示することの可能な回転機械のアンバランス監
視診断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） 本発明の回転機械のアンバランス監視診断装置は、回転
機械の軸振動の変化を監視し、これより運転状態の異常
徴候を検出して診断する軸振動診断装置において；前記
回転機械のロータの一部が欠損したことによりアンバラ
ンスが生じたことを検出するベクトル変化量突変検出手
段と；アンバランス発生位置とアンバランス量の変化量
および位相の変化量を計算するアンバランス計算手段と
；アンバランスの変化量とアンバランスの変化量のレベ
ルをリアルタイムで判定するための異常レベル判定手段
と；異常レベルの判定結果が正常域以外であった場合に
欠損状態の推定を行う部材欠損状態推定手段と；からな
ることを特徴とする。

（作　用） このように構成された本発明のアンバランス監視診断装
置では、ロータの回転数と同期した振動成分（回転同期
成分）の振動ベクトルが急激に変化したことがベクトル
変化量突変検出手段により検出されると、ロータの一部
が欠損したことによりアンバランスが生じたものと判断
する。

次いで、アンバランス計算手段により、部材の欠損箇所
の軸方向位置をアンバランス発生装置として求め、さら
に、ベクトル変化量突変検出前の回転同期成分を基準デ
ータとして、アンバランス発生位置におけるアンバラン
ス量の変化量および位相の変化量を計算する。

ここで得られたアンバランス量の変化量は、異常レベル
判定手段によって、アンバランス量の変化量のレベルが
正常なものが、注意を要求するものか、あるいは危険な
ものがを判定し、正常なレベルでない場合は、軸振動診
断内を介してリアルタイムで警報表示を行う。それと同
時に、アンバランス発生位置とアンバランス量の変化量
から、部材欠損状態推定手段によって、どの部材が欠損
したのかを推定し、表示を行う。

（実施例） 次に、本発明の回転機械のアンバランス監視診断装置の
実施例を、図面を参照して説明する。

第２図は、本発明のアンバランス監視診断装置を蒸気タ
ービン・発電機ユニットの診断に適用した例を示すもの
で、第７図におけると同一部分には同一の記号を付し、
説明は省略する。

第２図に示すように、本発明のアンバランス監視診断装
置３０は、軸振動診断装置２ｏ内に、異常徴候検出装置
２１および周波数分析器２２からなる構成部分と、診断
部２４との間に配置されている。

このアンバランス監視診断装置３ｏは、第１図に示すよ
うに、処理順に、ベクトル変化量突変検出手段３１、ア
ンバランス計算手段３２、異常レベル判定手段３３、お
よび部材欠損状態推定手段３４から構成されている。

上述のように構成された本発明装置において、振動監視
装５ｆ１２によってＡ／Ｄｔ−換された振動データは異
常徴候検出装置２１で異常検知され、周波数分析器２２
て高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理された後、回転同期
成分の振動ベクトルを入力データとして、アンバランス
監視診断装置３０でアンバランスによる異常の監視診断
を実施される。

このアンバランス監視診断装置３ｏによる異常の監視診
断は、第３図に示す判定手順に従って行われる。即ち、
まず、ベクトル変化量突変検出手段３１では、上記入力
データの保存を行う。この場合、入力データの処理は、
現時点のデータを含め、過去のｎ点のデータを、△Ｔ時
間の間隔で保存するものとする。

これらのデータより、回転同期成分の振動ベクトルが、
第４図に示すように突変したかどうかを次のようにして
検出する。

この検出に際しては、第５図に示すように、基準データ
からのずれと、前回値からのずれを算出し、次の２式を
ともに満足した時に振動ベクトルの突変があったものと
判定する。

△Ｖｓ　１＝ｌＶｉ　−Ｖｓ ＞ＶｔＯ・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（１
）△Ｖｉ　１＝ｌＶｉ　−Ｖｉ−１ ＞Ｖｔｌ　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・　（２）ただし、 ｖｉ：現時点の振動ベクトル（ＦＦＴ処理後の回転同期
成分） Ｖｓ　：正常時の振動ベクトルを代表する基準データ Ｖｉ−１：ＶｉのへＴ時間以前の振動ベクトルｖｔＯ：
振動ベクトルの変化の大きさｌＶｉに対して、異常と判
定するためのし、きい値 ｖｔｌ　　：振動ベクトルの変化の大きさＶｉｌに対し
て、突変と判定するた めのしきい値 このようにして、ベクトル変化量突変検出手段３１にお
いて、回転同期成分の振動ベクトルの突変か検出された
場合、部材の欠損によるアンバランスが発生したものと
推定し、アンバランス計算手段３２によって、アンバラ
ンス発生位置、アンバランス量の変化量および位相の変
化；を＝１算する。これらの値は、影響係数法を利用す
ることにより求めることができる。

この影響係数法について、第６図の一般的なモデルを用
いて説明する。

まず最初に、ロータモデルに対して、振動のＤＩ定点ｌ
と、適当な位置に検査面ｊとを設定する。

この時、次式が成立する。

［Ｘｉ　］　−［Ｘｉ　’　］　＝　Ｃα、、］　　［
Ｗ、：１１Ｊ　　　　　　ｊ （３） ただし、 （Ｘｉ）：ベクトル変化量突変検出時の振動ベクトルの
マトリックス（測定点数１ の列ベクトル） ［ＸＩ’）：Ｘｉより６１時間前の振動ベトルのマトリ
ックス（測定点数ｉの列ベ クトル 〔α１．〕：影響係数マトリックス（８Ｐ１定点数１Ｊ Ｘ検査面数ｊの行列） ［Ｗ、］：△Ｔ時間で生したアンバランス量の変化量ベ
クトルのマトリックス（検 査面数ｊの列ベクトル） 第３式で、ｉ　ｍ　ｊの時は、［ａ、、）は正方行列】
Ｊ となるので、これが正則なら逆行列（ａ、、）”がＪ 存在し、故に〔Ｗ、〕は コ ［：Ｗ、）−［α　、］　−１ Ｊ　　　　　　　　１コ ｘ　　（［Ｘｉ　　）　　−［Ｘｉ　　’　　）　　）
　　・・・　（４）により求められる。また、ｌ＞ｊの
場合は、最小自乗法を適用することで求められる。

しかし、本実施例の意図するところは、つり合わせを行
うことではなく、アンバランス発生位置を求めることに
ある。従って、検査面の数を多くした方が効果的である
ため、ｉくｊとする。この場合、第３式を解くことは数
学的には不可能である。そこで、検査面ｊの一面だけに
アンバランス量の変化が生したと仮定すると、検査面」
における変化量Ｗｊは最小自乗法により求められる。

次に、全ての検査面のＷｊの内、その時の自乗誤差が最
小となる面を求め、その面をアンバランス発生位置とす
る。

なお、Ｊ而における自乗誤ＺＥＪは次式により求められ
る。

Ｅ、−Σ、１α、、Ｗ、−（Ｘｊ−Ｘｊ’）　　２１ｌ
ｊＪ ・・・・　・・・・・　（５） このようにして、アンバランス発生位置か検査面ｊとし
て求められた時、アユバランス量の変化量ベクトルＷｊ
は次式のように求められる。

Ｗ　Ｊ　＝ＷＲ＋　ｊ　Ｗｌ　　　　　・・・・・・・
・・・・・・・・（６）ただし、 ＷＲ：変化量ベクトルＷｊの実数成分 Ｗｌ　：変化量ベクトルＷｉの虚数成分従って、求める
アンバランス量の変化Ｗ１位相の変化量φは次式のよう
になる。

φ−ｊａｎ−１（Ｗｌ　／ＷＲ）　−−（８）次に、こ
のようにして得られたアンバランス量の変化Ｈｗに対す
る異常のレベルの判定を異常レベル判定手段３３で行う
。

この異常のレベルは、アンバランス量の変化量Ｗの大き
さとアンバランス発生位置に応して下記の５段階で判定
される。

ＬＯ：正常域（異常と判定されない時はこのレベルにあ
る） Ｌｌ：注意域（正常域からのずれが大きい状！り Ｌ２：警報域（プラント異常警報状態）Ｌ３：停止域（
プラント異常トリップ推奨状態） Ｌ４ニトリツブ域（緊急トリップ要求状態）ここで、上
記した異常レベルの名称は、通常の蒸気タービン・発電
機ユニットにおいて運転制限値が規定されている振幅に
対応するものである。

しかし、本発明の検知装置では、早期に異常検知をする
ことが目的であるため、通常のものと異常レベルについ
て同一名称を用いても、その設定値は、ユニットの運転
制限値よりも低いレベルに設定することも可能である。

次に、異常レベルの判定結果が正常域以外であった場合
は、部材欠損状態推定手段３４で部材の欠損状態の推定
を行う。この推定方法について、以下に説明する。

まず、先のアンバランス計算手段３２で得られたアンバ
ランス量の変化ｆｆ１Ｗは次式に展開することができる
。

Ｗ−ＧｘＲ・・・・旧・・・・・・旧・・・・・・・・
・・・・・・・・・（９）ただし、 Ｇ：欠損した部材の質量 Ｒ：欠損した部材の慣性半径 第９式からＧとＲの値を特定することは難しいが、アン
バランス計算手段３２で得られたアンバランス発生位置
と過去の部材欠損の事例（例えばシュラウド飛散、羽根
飛散、バランスウェイト脱落等）から、欠損した部材の
ＲｆｆｉＧと欠損した部材の慣性半径Ｒの組合わせをあ
る程度まで絞ることが可能である。ここで考えられる全
ての組合せを推定結果として出力する。

以上のようにしてアンバランス監視診断装置３０て得ら
れた結果は診断部２４に送られ、表示装置で表示される
。

第７図は本発明によるアンバランス監視診断結果の表示
例であり、ＣＲＴ両面上に表示されたものである。画面
の左上にはアンバランスの発生位置が一目で分るよう、
矢印で位置が指示されている。また、画面の左下には、
ベクトル変化量突変検出前の振動データとベクトル食化
量突嚢検出後の振動データが表示されており、アンバラ
ンス発生位置と振動の関連性を掴みやすくしている。ま
た、画面の右上には、アンバランス量の変化ｉＷと位相
の変化量φか極座標上にシンボル・て表示されている。

このシンボルの表示状態は、先の異常レベル判定手段３
２て得られた異常レベルによって次のように変化する。

異常レベルがＬｌ　：表示色を黄色とする。

”　　　　Ｌ２：表示色を橙色とする。

”　　　　Ｌ３：表示色を赤色とする。

″　　　Ｌ４：表示色を赤色とし、フリッカ−する。

このように表示状態を変えることて、運転ｄに警告を与
えることが可能となる。また、画面の右下には、部材欠
（ｉ状態推定手段３４て得られた推定結果か表示されて
いる。

以上の画面情報により、運転員は状況判断を行い、安全
性と紅済性を考慮した上で、即時に、プラントを停ロー
するか、あるいは保守点検を行う適切な時期を決定する
ことが可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、蒸気タービン・発電機プラント等の高
速回転機械において、運転中にロータ部材の欠損により
発生したアンバランス振動を検出し、アンバランスの発
生量に応して警告を行い、さらに部材欠損の状態まで自
動的に診断・表示することが可能となる。そのため、運
転中に発生したロータ部材の欠損を早期かつ見落すこと
なく確実に検出・診断できるとともに、全体として省力
化を図ることができるようになる。また、欠損の位置、
程度、状態の判定か可能となるので、プラントの運転、
保守に対するきめ細かい支援ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転機械のアンバランス監視診断装置
の機能を示すブロック図、第２図は本発明装置の適用例
を示す全体構成図、第３図は第１図のアンバランス監視
診断装置の各機能の判定手順を示すフローチャート、第
４図はロータ部材の欠損による振動の変化の特徴を示す
説明図、第５図は本発明の実施例に適用されるベクトル
変化量突変検出手段の判定方法を説明するグラフ、第６
図は影響係数法の説明図、第７図は本発明の実施例にお
ける診断結果の表示例を示す説明図、第８図は従来の回
転機械の運転状態を診断する診断装置のブック図である
。 １・・・蒸気タービン・発電機ユニット、２・・・高・
中圧タービン、３ａ、３ｂ・・・低圧タービン、４・・
・発電機、５ａ〜５ｎ・・・軸受部、６ａ〜６ｎ・・・
振動検出部、７・・・回転計、８・・位相基準パルス発
信器、９・・・各種センサ群、１０・・・中央操作盤、
ニド・・運転監視装置、１２・・振動監視装置、１３・
・・警報装置、１４・・・記録計、２０・・・軸振動診
断装置、２］・・・異常徴紋検出装置、２２・・・周波
数分析器、２３・・・メモリ、２４・・・診断部、２５
・・・表示装置、３０・・・アンバランス監視診断２置
、３〕・・・ベクトル変化量突変検出手段、３２・・ア
ンバランス＝１算手段、３３・・・異常レベル判定手段
、３４・・・部材欠損状態推定手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転機械の軸振動の変化を監視し、これより運転状態の
   異常徴候を検出して診断する軸振動診断装置において；
   前記回転機械のロータの一部が欠損したことによりアン
   バランスが生じたことを検出するベクトル変化量突変検
   出手段と；アンバランス発生位置とアンバランス量の変
   化量および位相の変化量を計算するアンバランス計算手
   段と；アンバランスの変化量とアンバランスの変化量の
   レベルをリアルタイムで判定するための異常レベル判定
   手段と；異常レベルの判定結果が正常域以外であった場
   合に欠損状態の推定を行う部材欠損状態推定手段と；か
   らなることを特徴とする回転機械のアンバランス監視診
   断装置。