JPH0461206B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、回転機械の軸受の異常を早期に発
見する監視システムに係り、特に軸受メタル部の
温度を計測し、その温度変化率を監視対象とした
回転機械の軸受異常監視装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

原動機や蒸気タービンを始めとする回転機械
は、容量の増加につれて回転部の直径、重量がと
もに大型化しており、運用面で汎用性を持たせる
ため、あらゆる回転数での使用が可能になるよう
に、回転機械は厳しい使用環境下に置かれるよう
になつている。中でも、回転部を支持する軸受
は、軸受荷重や直径、周速の増大が要求され、従
来になく非常に厳しい条件で使用されるようにな
つた。

回転機械の軸受の設計に当つては、あらゆる回
転条件を想定し、いかなる条件下でも安定した油
膜が形成され、充分に信頼性が保たれるよう考慮
されている。このようなことから、回転機械の軸
受の状態監視も従来のような外部からだけでな
く、軸受の内部状況を正しく把握して、かつ計算
機による監視を前提とする新しい監視システムが
強く望まれている。

従来から一般的に用いられている回転機械の軸
受は、第１図に示される軸受構造を有し、軸受１
の軸受外輪２に、軸受内輪３を介してロータ（回
転シヤフト）４が回転自在に支持される。軸受外
輪２は、水平フランジ部２ａ，２ｂに装着された
締付ボルト５ａ，５ｂおよび外輪下半インロー部
６にて図示しない静止部（固定側）に固定され
る。潤滑油は、給油孔７より軸受内に入り、軸受
１の回転部を潤滑した後、排油孔８から外部に流
出される。上記軸受内輪３の内周壁側には、所定
の厚さを有するホワイトメタルが盛られ、軸受メ
タル部９が形成される。

しかして、回転機械のロータ４を実線矢印Ａで
示すように反時計方向に回転させた場合には、給
油孔７から供給される潤滑油は、供給油路１１を
通つて軸受メタル部９に案内され、このメタル部
９を潤滑する。軸受メタル部９を潤滑した油は、
排出油路１２を通つて排油孔７から排出される。
ロータ４の回転により軸受メタル部９内に潤滑油
による油膜が形成されるが、この油膜の圧力分布
は第２図に曲線Ｂで示すように表わされ、一般的
には油膜内の最高圧力が、鉛直線下端から回転方
向（反時計方向）に中心角度αだけ、例えば、15
度乃至40度進んだ位置に形成される。

回転機械の軸受監視は、ロータ４とホワイトメ
タルからなる軸受メタル部９との金属接触を避け
るために、所望量以上の油膜が確保されているか
否かの確認と、ホワイトメタル９の温度が異常上
昇し、金属が軟化しないように監視することを目
的とし、この軸受監視方法として排油温度の絶対
値監視と、ホワイトメタル温度の絶対値監視があ
る。

このうち、排油温度の絶対値監視は、初期にお
いては、排油孔８を出た潤滑油の温度を測定した
り、また軸受下半より両側方へ漏洩する油、いわ
ゆるサイドフロー油の温度を測定することにより
行なわれている。ところで、軸受油膜の圧力分布
は第２図に示すように表わされるので、排油孔８
の潤滑油温度の測定値から油膜内の圧力が最高と
なる中心角度α点での温度を求めれば、この点で
の油膜厚さやホワイトメタルの温度が分かる。逆
にα点での温度上限値を排油孔８での温度に引き
戻してやれば、この排油孔８の温度測定により、
監視対象の温度を求めることができる。

また、ホワイトメタル温度の絶対値監視は、中
心角度α点のホワイトメタル９に温度測定用の熱
電対１３を直接的に取付け、この熱電対１３によ
つて温度を測定することにより、ホワイトメタル
温度の監視を行なうことができる。

しかしながら、従来の排油およびホワイトメタ
ル温度の監視は、排油およびホワイトメタルの絶
対値温度を検出して軸受の重大な故障（以下、重
故障という。）を検知するものであるが、回転機
械の運転状態に応じて排油やホワイトメタルの温
度の変化状態を検出し、重故障に至る前の軽微な
故障（以下、軽故障という）の段階で検知し、回
転機械の保守・保全・修理に役立たせるものでは
なかつた。

〔発明の目的〕

この発明は、上述した点を考慮し、回転機械の
運転状態に応じて軸受メタル部の温度の変化状態
を検出し、この温度変化率を継続的に監視するこ
とにより、軸受の軽故障の段階でこれを検知して
軸受の保守・保全を図り、回転機械の信頼性を向
上させた回転機械の軸受異常監視装置を提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、この発明によ
る回転機械の軸受異常監視装置は、回転機械の軸
受内周壁に形成される軸受メタル部の軸受面圧が
極大となる付近に設置され、軸受メタル部の温度
を検出する温度検出器と、上記回転機械の運転状
態を判断する判定器と、この判定器から運転状態
に応じた判定信号および前記温度検出器からの軸
受メタル温度に相応する信号が入力され、上記運
転状態における軸受メタル部の温度変化率を継続
的に演算する演算器と、この演算器からの軸受メ
タル温度変化率信号を回転機械の運転状態に応じ
た制限値と比較し、前記軸受メタル温度変化率信
号が制限値を超えたとき、または前記回転機械の
回転降下中に軸受メタル部の温度変化率がゼロ以
上のとき作動信号を出力する比較器と、この比較
器からの作動信号により警報を発する警報発生装
置とを備えたものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明による回転機械の軸受異常監視
装置の実施例について添付図面を参照して説明す
る。

蒸気タービンや原動機等の回転機械には、複数
個の軸受１が設けられており、各軸受１は回転機
械のロータ４（第１図参照）を回転自在に支持し
ている。軸受１の軸受内輪４は上下に２分割可能
に結合され、その内周壁にスリーブ状のホワイト
メタルが第３図Ａ、Ｂに示すように装着され、軸
受メタル部９が構成される。この軸受メタル部９
に蒸気タービン等のロータ４が軸装され、回転自
在に支持される。

軸受内輪３の周側面には複数個の挿入孔１５が
周方向に適宜間隔をおいて穿設される。この挿入
孔１５は、軸受内輪３の周側面下部と、この下部
からロータ４の回転方向に中心角度α、例えば15
度乃至40度だけ回転した位置すなわち、軸受メタ
ル部９へ軸受面圧が極大となる位置、に形成され
る。挿入孔１５は軸受内輪３の周側面から軸受内
輪３の軸方向にかつ軸受メタル部９に接近する方
向に傾斜して延び、その先端が軸受メタル部９の
背側にその軸方向中間部で接触あるいは近接して
設けられる。上記挿入孔１５には軸受メタル部９
温度測定器としての熱電対１４が挿入され、設け
られる。

一方、回転機械のロータ回転数は第４図に示す
回転数検出器２０により検出される。この検出器
２０は回転機械の静止側に取付けられ、回転機械
のロータ回転を測定するようになつている。ま
た、軸受１に供給される潤滑油の温度は、図示し
ない給油配管に設置された熱電対等の温度検出器
２１により測定される。

第４図は軸受１の異常監視システムを示す回路
図であり、前記回転数検出器２０で検出されたロ
ータ回転数信号Ｃは、判定器２２に入力され、こ
の判定器２２にて回転機械の運転状態、すなわち
回転速度上昇中か、速度保持中か、あるいは速度
下降中かが判断される。判定器２２からの判定信
号D₁，D₂，D₃は各演算器２３，２４，２５にそ
れぞれ入力される。このうち、演算器２３には速
度上昇信号に相当する判定信号D₁が入力され、
ロータ４の速度上昇率（RPM／min）が上記演
算器２３で求められ、その出力信号E₁は軸受メ
タル温度変化率計算器としての演算器２６に入力
される。また、演算器２５には速度下降信号に相
当する判定信号D₃が入力され、この演算器２５
で速度下降率（RPM／min）が求められ、その
出力信号E₂は軸受メタル温度変化率計算器とし
ての演算器２７に入力される。

一方、温度検出器２１からの給油温度信号Ｆと
軸受メタル部９の熱電対１４からの温度信号Ｇは
演算器２８に共に入力され、ここで軸受メタル部
温度Ｔが較正される。すなわち、演算器２８は Ｔ＝（軸受メタル部検出温度）−（給油温度）が
演算される。この演算結果は信号Ｈにより各演算
器２６，２４，２７に入力され、各演算器２６，
２４，２７は軸受メタル温度の単位時間（あるい
は単位回転数でもよい。）当りの変化率（ΔT／
min）が連続的に計算される。すなわち、軸受メ
タルの温度変化率（ΔT／min）は、ロータの回
転数上昇中、保持中あるいは下降中に分けて求め
られる。各演算器２６，２４，２７から出力され
る軸受メタル温度変化率信号I₁，I₂，I₃は各判定
器３０，３１，３２に個別に入力され、この判定
器３０，３１，３２で制限器３３，３４，３５か
らの制限値信号J₁，J₂，J₃と大小が比較され、軸
受メタル部の温度変化率（ΔT／min）が通常値
あるいは制限値を逸脱したと判定されたとき、そ
の出力信号S₁，S₂，S₃が警報発生装置３６に出力
され、軸常異常の警報を発するようになつてい
る。

なお、軸受メタル部９の温度の絶対値監視は、
従来と同様判定器３８および制限器３９で行なう
ことができ、判定器３８からの出力信号K₄に警
報発生装置３６を作動させるようにしてもよい。

なお、給油温度信号Ｆと軸受メタル温度信号Ｇ
とを比較する演算器２８は、給油温度の変動が軸
受メタル部９の温度変化率に悪影響が及ぶのを避
けるために設けられているものであり、給油温度
が常時一定に制御される回転機械においては、上
記演算器２８は不要となる。

次に、各制限器３３，３４，３５での軸受メタ
ル温度変化率（ΔT／min）の制限値の決定方法
について説明する。

初めに、回転機械のロータ回転数が一定に保た
れている定速回転時の制限値の定め方について述
べる。この場合、軸受メタル温度が常に一定であ
るので理論計算により求めることも可能である
が、実際にはホワイトメタルに小さな傷ができた
場合を想定したり、あるいは、小さな異物を注入
して軽故障を生じさせることにより、実験的に求
める方法が採用されている。大型の蒸気タービン
の場合では、実験的に求められた制限値は例えば
４〜８℃／minである。実際に回転機械へ適用す
る場合には、計算または実験により求められた制
限値に安全率（マージン）を附することがある
が、この安全率は回転機械の種別・特性等により
異なるので一律に定めることは困難である。

回転機械のロータ４の回転上昇中または回転下
降中の制限値は、次のようにして求めることがで
きる。

回転上昇中および下降中の軸受メタル温度は、
軸受油膜内での摩擦損失によるものと考えられ、
これは回転数のｎ乗に比例する。一般にはｎ＝２
である。すなわち、軸受メタル温度Ｔは、 Ｔ∝Ａ・（RPM）ⁿ ……(1) ここに、Ａ：軸受の形式、材料等で定まる定数
で表わされる。

(1)式を微分すると、 ΔT／Δt∝ｎ・Ａ・（PRPM）^n-1・ΔRPM／Δt ……(2) となり軸受メタル部の温度変化率ΔT／Δtが求ま
る。

第５図は軸受メタル温度Ｔとロータ回転数
RPMの関係を示したものであり、この曲線の傾
きはΔT／ΔRPMで表わされる。一方、回転機械
のロータ回転数の変化ΔRPM／Δtは演算器２３，
２５によりそれぞれ求められているので、軸受メ
タル温度変化率ΔT／Δtは、第５図の曲線の傾き
ΔT／ΔRPMおよびロータ回転数の変化ΔRPM／
Δtから計算される。軸受メタル温度変化率ΔT／
Δtを、第５図の曲線の傾きΔT／ΔRPMで監視し
てもよい。

一方、第５図を参照すると、軸受メタル温度変
化率ΔT／Δtはロータ回転数に応じて異なるが、
実際の回転機械への適用においては、ロータ回転
数をパラメータとして制限値を計算する方法と、
曲線の傾きの最大値を求めてこれを１つの制限値
とする方法がある。最近は計算機が発達している
ので、第５図の軸受メタル温度Ｔとロータ回転数
RPMとの関係を各軸受毎に記憶させ、回転数を
パラメータとして軸受メタル温度の変化率を継続
的に求め適当なマージン（安全率）を附して制限
値とする方法が、軸受をより厳密に監視する方法
として用いられる。なお、回転降下中における制
限値は、ロータの回転上昇時とは逆であると考え
ればよい。

なお、第４図に示された軸受異常監視システム
は、回転機械のロータ定速運転を含めたあらゆる
運転状態を対象にしたものであるが、軸受の損傷
は、回転上昇時や回転降下時に比較的多いので、
軸受損傷の多い回転上昇時または回転下降時のみ
を軸受監視の対象に限定することもできる。

第６図は、回転機械のロータの回転降下時の軸
受メタル温度変化率を求め、この温度変化率から
軸受監視を連続的に行なうようにしたもので、軸
受メタル部９に挿入された温度検出器としての熱
電対１４が、軸受の軽い損傷、例えばゴミ等の異
物の付着等により浅い傷がついた場合でも回転降
下中に特異な現象を示すことを利用したものであ
る。

一般に、回転機械は定格回転数で運転中に駆動
源から切り離されると、その後のロータ回転数の
降下は第７図において回転数降下曲線Ｌで表わさ
れる。このときに、軸受メタル部の温度（軸受メ
タル温度）Ｔは回転数のｎ乗、一般にはほぼ２乗
に逆比例して降下し、温度降下曲線Ｍで表わされ
る。

ところが、回転機械の軸受に損傷が生ずると、
ロータ回転数が低くなつた軸受油膜が薄くなるに
つれて、破線Ｎで示すように軸受メタル温度Ｔが
上昇する現象がみられる。軸受焼損などの重故障
では、軸受メタル温度が上限値を越えてしまうの
で、従来のような軸受温度の絶対値監視でも検出
できる。しかしながら、浅い傷等の軽微な故障
（軽故障）では、破線Ｎで示すように再降下する
ことが知られている。これは、部分的に軸受メタ
ル部の温度が上昇したものの損傷が軽く、これ以
上進行しないので、潤滑油により充分冷却される
ためと考えられている。このような軽故障の検出
は、従来の軸受メタル温度の絶対値監視では全く
不可能である。

第７図に示される温度降下曲線Ｍからロータ回
転数の降下とともに軸受メタル温度も下がるけれ
ども、浅い傷等の異常発生により軸受メタル温度
Ｔが破線Ｎで示すように部分的に上昇する。すな
わち、軸受メタル温度Ｔの温度変化率ΔT／Δtが
負であつたものが、正に反転することがあり、こ
の正への反転を検出して何らかの異常を監視する
ことができる。

この軸受異常監視システムは第６図に示すよう
に表わされ、回転機械のロータ回転数を検出する
回転数検出器２０から回転数信号Ｃが判定器２２
に入力され、この判定器２２にて回転機械の運転
状態、特に回転、降下中であることが判断され、
回転数降下信号に相当する判定信号Ｄが計算指令
信号となつて演算器としての変化率計算器に入力
される。

一方、回転機械の軸受１への給油温度は温度検
出器２１により測定され、この給油温度信号Ｆが
演算器２８に入力される。この演算器２８には、
軸受メタル部９の温度を検出する熱電対１４から
の軸受メタル温度信号Ｇも入力され、入力された
両信号Ｆ、Ｇは演算器２８で比較され、演算され
る。具体的には、演算器２８は、（軸受メタル温
度）−（給油温度）の計算を行なう。給油温度が一
定の場合には演算器２８は不要である。

演算器２８からの出力信号Ｈは変化率計算器２
７に入力され、ここで単位時間当りの軸受メタル
温度変化率ΔT／minが計算され、その軸受メタ
ル温度変化率信号Ｉは、比較器である判定器３２
に入力され、ここで軸受メタル温度変化率の正負
が判定される。判定器３２では軸受メタル温度変
化率ΔT／min≧０の場合、判定信号Ｋを警報発
生装置３６に出力し、この警報発生装置３６を作
動させ、軸受の異常を知らせる警報を発するよう
になつている。

実際の回転機械への適用に当つては、軸受メタ
ル温度検出側の温度バラツキ等を考慮し、制限値
をβ℃／minとして、この制限値信号Ｊを制限器
３５から判定器３２に入力させ、軸受メタル温度
変化率ΔT／min≧α＞０のとき、判定信号Ｋを
警報発生装置３６に出力するようになつている。
制限値βの値は、回転機械の形式や回転特性等に
より異なり、一義的に決定することは難しい。

〔発明の効果〕

以上に述べたようにこの発明に係る回転機械の
軸受異常監視装置は、回転機械の運転状態に応じ
た軸受メタル温度の変化率を継続的に監視し、前
記軸受メタル温度変化率信号が制限値を超えたと
き、または回転機械の回転降下中に軸受メタル部
の温度変化率がゼロ以上のとき比較器から作動信
号を出力して警報発生装置を作動させ、警報を発
するようにしたので、回転機械の運転状態に応じ
て、また、軸受損傷の比比較的多い回転降下時の
軸受監視を適切に行なうことができ、回転機械の
軸受の浅い損傷等の軽故障段階で、この軽故障を
正確かつ確実に検出でき、軽故障段階での検出に
より軸受の保守・保全を図ることができるので、
回転機械の信頼性を一層・大幅に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気タービン等の回転機械のロータを
支持する軸受を示す断面図、第２図は上記軸受内
に形成される潤滑油の圧力分布状態を示す図、第
３図ＡおよびＢは、軸受の軸受メタル温度を検出
するため、温度検出器として熱電対を設置した例
を示す図、第４図はこの発明に係る回転機械の軸
受異常監視装置の一実施例を示すシステム図、第
５図は回転機械のロータ回転数と軸受メタル温度
との関係を示すグラフ、第６図はこの発明の変形
例を示すシステム図、第７図は回転機械の回転降
下中における軸受メタル温度の挙動関係を示すグ
ラフである。 １…軸受、２…軸受外輪、３…軸受内輪、４…
ロータ、７…給油孔、８…排油孔、９…軸受メタ
ル部（ホワイトメタル）、１４…熱電対（温度検
出器）、１５…挿入孔、２０…回転数検出器、２
１…給油温度検出器、２２…判定器、２３，２
４，２５，２８…演算器、２６，２７…演算器
（変化率計算器）、３０，３１，３２，３８…比較
器（判定器）、３３，３４，３５，３９…制限器、
３６…警報発生装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転機械の軸受内周壁に形成される軸受メタ
   ル部の軸受面圧が極大となる付近に設けられ、軸
   受メタル部の温度を検出する温度検出器と、上記
   回転機械の運転状態を判断する判定器と、この判
   定器から運転状態に応じた判定信号および前記温
   度検出器からの軸受メタル温度に相応する信号が
   入力され、上記運転状態における軸受メタル部の
   温度変化率を継続的に演算する演算器と、この演
   算器からの軸受メタル温度変化率信号を、回転機
   械の運転状態に応じた制限値と比較し、前記軸受
   メタル温度変化率信号が制限値を超えたとき、ま
   たは前記回転機械の回転降下中に軸受メタル部の
   温度変化率がゼロ以上のとき作動信号を出力する
   比較器と、この比較器からの作動信号により警報
   を発する警報発生装置とを有することを特徴とす
   る回転機械の軸受異常監視装置。