JPH0543052B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、ポンプ水車等の水力機械とこれに直
続運転される発電電動機等の回転電機とからなる
回転機械の回転状態を監視し異常を早期発見でき
るようにした回転機械の回転部異常監視装置に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

回転電機の中でも揚水発電設備に使用されるよ
うな高速、大容量機においては、その回転部に高
速、高圧力、高荷重が加わつた苛酷な条件の下で
使用されていて、しかもその運転には高い信頼性
が要求されるものである。従つて、設備運用に際
しては、保守点検を確実に行なつて事故を未然に
防止する必要がある。

従来、回転部の保守点検は、半年或いは一年の
期間をおいて設備の運転を停止し、回転部の外観
検査やカラーチエツクによりクラツク等に非破壊
検査を実施するようにしている。しかし乍、異常
の種類によつては、点検から次の点検までの期間
に発生するものがあり、この異常発生により重大
事故を誘発する危険性を含んでいる。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に基づいてなされたもので、
その目的は、回転機械における回転部の回転状態
を常時に定量的に把握でき、もつて信頼性が高く
して異常診断を可能とした回転機械の回転部異常
監視装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

かかる目的を達成するために本発明にかかる回
転機械の回転部異常監視装置は、回転機械の回転
部に対向した静止部の複数箇所に配置され上記回
転部の複数箇所における夫々の振れ量を検出する
複数の変位センサと、上記回転部に設けたターゲ
ツトを検出することにより回転位相を示すパルス
信号を出力する回転位相検出器と、上記複数の変
位センサからの出力を上記回転位相検出器の出力
をトリガ信号としてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器
と、このＡ／Ｄ変換器の出力を予め設定された振
動モードにて演算し該演算結果と予め設定された
正常時の振動モードデータとを比較して差分を求
める演算装置と、該差分値が予め設定された許容
値を超えたときに異常表示する表示装置とから構
成されたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下本発明にかかる回転機械の回転部異常監視
装置を、回転機械として揚水式発電設備に適用し
た第１図に示す実施例に従い説明する。

先ず、本実施例が適用される揚水式発電設備に
ついて説明する。即ち、１０は回転電機として発
電電動機であり、２０は水力機械としてポンプ水
車である。

発電電動機１０は主軸１１、回転子１２、固定
子１３等から構成され、ベースには上部、下部ブ
ラケツト１４，１５が設置され、この上部、下部
ブラケツト１４，１５に設けられた上部、下部軸
受１６，１７によりその主軸１１及び全体が支持
されている。

ポンプ水車２０は発電電動機１０の主軸１１と
直結された主軸２１、ランナ２２、ガイドベーン
２３、ステイリング２４、ケーシング２５、ドラ
フトチユーブ２６等より主要部が構成され、この
主要部は上、下カバー２７，２８により覆われ、
上カバー２７に設けられた軸受２９によりその主
軸２１及び全体が支持されている。尚、図示３０
はランナコーンである。

上記構成にあつては揚水発電設備の運転は次ぎ
のようにしてなされる。

＜発電運転時＞ 図示しない上池から図示しない水圧鉄管を通つ
てきた流水は、ケーシング２５からステイリング
２４に流入し、ガイドベーン２３によつて流量が
調整され、ランナ２２に作用してこれを回転させ
てドラフトチユーブ２６を通つて図示しない下池
に放水される。ここで、ランナ２２の回転によ
り、ポンプ水車側主軸２１に直結された発電電動
機側主軸１１及び回転子１２が回転し、固定子１
３とによる電磁作用により電力が発生する。

＜揚水運転時＞ 外部から供給された電力により発電電動機１０
はポンプ運転方向に回転し、これにより発電電動
機側主軸１１に直結されたポンプ水車側主軸２１
及びランナ２２を回転し、図示しない下池からド
ラフトチユーブ２６を通つてポンプ作用により水
を汲み上げる。その汲み上げられた水は、ランナ
２２、ガイドベーン２３、ステイリング２４、ケ
ーシング２５の順に上方に流動させ、水圧鉄管を
通つて最終的に上池に汲み上げられる。

一方、上記において軸受１６，１７，２９の静
止部側及び下カバー２８には夫々変位センサ４
１，４２，４３，４４が設けられ、回転部である
主軸１１，２１及び下カバー２８の軸振れを示す
変位量を電気信号にて出力する。主軸２１（又は
主軸１１）にはターゲツト４５ａが設けられ、こ
のターゲツト４５ａに対向した静止部には回転位
相センサ４５が設けられ、主軸２１の回転により
ターゲツト４５ａが回転位相センサ４５を横切る
ことにより回転位相を電気信号にて検出するよう
にしている。

４６は変位センサ４１，４２，４３，４４から
の出力信号S1，S2，S3，S4を所定のレベルまで
増幅する増幅器であり、４７は増幅器４６により
増幅された変位センサ４１，４２，４３，４４か
らの出力信号夫々をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換器である。

４８は回転位相センサ４５の出力に基づき回転
位相パルス信号を生成する回転位相検出器であ
り、この回転位相検出器４８の出力信号S0は後
述する演算装置４９を介してＡ／Ｄ変換器４７に
与えられ、Ａ／Ｄ変換時のトリガー信号として用
いられる。

４９は上記トリガー信号に基づいてＡ／Ｄ変換
器４７によりデジタル化された振れ信号（変位セ
ンサ４１，４２，４３，４４からの出力信号）を
入力し、予め設定された振動モードにて演算し該
演算結果と予め設定された正常時の振動モードデ
ータとを比較して差分を求める演算装置４９であ
り、５０は演算装置４９により演算して求められ
た差分値が予め設定された許容値を超えたときに
異常である旨を表示する表示装置である。

次ぎに上記の如く構成された本実施例の作用に
ついて説明する。

揚水式発電設備を運転中にあつて、各変位セン
サ４１，４２，４３，４４からの軸振れ信号S1、
S2、S3、S4は増幅器４６により所定の信号レベ
ルまで増幅され、Ａ／Ｄ変換器４７に入力され
る。

一方、回転位相検出器４８ではターゲツト４５
ａが横切つた時に第２図に示す如くの回転位相パ
ルス信号S0を出力する。即ち、第３図は軸振れ
信号S1、S2、S3、S4及び回転位相パルス信号S0
の波形を示している。

演算装置４９では上記パルス信号S0をトリガ
信号としてＡ／Ｄ変換器４７に与え、これにより
Ａ／Ｄ変換器４７では上記軸振れ信号S1、S2、
S3、S4をある決められた時間毎にサンプリング
し、このサンプリング時間毎に軸振れ信号S1、
S2、S3、S4をデジタル信号に変換し、演算装置
４９においてその変換データを記憶し、高速フー
リエ変換アルゴリズムによつてフーリエ変換し、
各周波数の振幅と位相とを演算する。

演算された周波数により特徴的な周波数例えば
回転数の周波数を選定し、信号S1、S2、S3、S4
の振幅をr1、r2、r3、r4とし、位相をθ1，θ2，
θ3，θ4とすると、回転数の周波数に対する実振動
モードは第４図に示すように振幅と位相とのベク
トル表示によつて簡易的に表わすことができる。

ところで、ランナ２２に欠損が生じたりする
と、第４図に示す実振動モードが変化し、例え
ば、第５図に示すように振幅がr1′、r2′、r3′、
r4′となり位相がθ1′、θ2′、θ3′、θ4′と変化し
、こ
の変化が予め設定された許容値より大きいとき
に、回転部が異常であると判定することができ
る。

この実振動モードの変化分の演算は、具体的に
は各軸振れ測定点毎にベクトル演算によつて差分
を求めるもので、第６図にその一例を示す。即
ち、第６図において振幅r1と振幅r1′との差分は
Δr1として求まり、この差分Δr1が予め設定され
た許容値より大きいときに異常と判定するもので
ある。この判定結果により表示装置５０にて異常
である旨が表示され、監視員は回転部の異常発生
を知ることができる。

上記実施例では、特徴的な周波数として回転数
の周波数を選定して実振動モードを得るようにし
たが、その他に回転数の２倍の周波数、ランナコ
ーン３０の下方に生じるセンターホワールの周波
数等を選定し、夫々の周波数に対する実振動モー
ドを演算し、これらの変化を総合的に検討するな
らば、より信頼性の高い異常監視がなされるもの
である。

次ぎに異常判定における第２の実施例について
説明する。即ち、上記実施例（以下第１の実施例
と称する）では、主軸１１，２１に沿つて一平面
上に配列された変位センサ４１，４２，４３，４
４を使用した場合であるが、第２の実施例では第
７図に示すように主軸１１の振れ廻り軌跡が得ら
れるように互いに直交する変位センサ４１ａ，４
１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４
ａ，４４ｂを配置するものである。

この構成によれば、第１の実施例と同様に回転
位相検出器４８からのパルス信号S0をトリガー
として変位センサ４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２
ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４２ｂの出力をデ
ジタル化し、演算増幅器４９に与える。これによ
り、各測定平面における主軸振れ回りのリサージ
ユ図形を描くと、第８図のようになる。

第８図に示すリサージユ図形上でトリガー時刻
を基準にして時間を測り、同一時刻例えば時刻t₁
同士を結ぶと、これは時刻t₁における振動モード
が得られ、また、時刻t₂では時刻t₂における振動
モードが得られる。そこで、１回転のうち複数の
任意の時刻t₁、t₂、t₃，…、t_oの振動モードを測
定し、これら振動モードの変化によつて、異常の
発生を検出することができる。

さらに、振れ回りのリサージユ図形と軸受クレ
アランスとの相対的位置は第９図のように示され
る。第９図において、軸受クレアランス６１を示
す円の中心がＯであり、通常、振れ回りのリサー
ジユ図形６２はこの円の中心Ｏの回りに小さな振
幅で回つている。

これに対し、軸芯が中心ずれが生じると、図示
６２に示すようなリサージユ図形となり中心Ｏか
らずれて振れ回るようになる。この振れ回りの中
心をO′とすると、距離Ｏ−O′が軸芯のずれとし
て検出される。また、リサージユ図形６３と軸受
クレアランス６１との最少距離ｘが最少油膜厚さ
である。従つて、距離Ｏ−O′の監視及び距離ｘ
の常時監視を行なうことにより、経年的に変化す
る軸芯のずれ及び主軸と軸受メタルとの異常接近
等を早期に発見することができる。

次ぎに異常判定における第３の実施例について
説明する。即ち、第３の実施例は、振動動モード
に変化が生じて異常が発生しつつあると判定され
た場合（第１、第２の実施例の手法により）に、
その異常の直接的原因が、原因Ａ：発電電動機１
０側に発生したアンバランス、原因Ｂ：ポンプ水
車２０側に発生したアンバランス、原因Ｃ：軸受
１６，１７，２９の摩耗等によるクレアランスの
増大、のいずれであるかを診断するものである。

この診断手法を第１０図に示す処理流れ図を参
照して説明する。即ち、スタート７１を経て処理
７２では、初期の正常時の振動モードにおける軸
芯の位置を測定し、処理７３ではこの測定された
振動モードに基づき軸振動解析用数学モデルを作
成する。そして、処理７４ではこの数学モデルを
用いて図示しない大形コンピユータ等で上述の異
常原因が発生した時の振動モードを予め解析して
おき、その解析結果を演算装置４９に記憶してお
く。処理７５では通常振動モード、軸芯位置、最
小油膜厚さ等をモニタリングし、処理７６にてそ
の変化の有無を判定し、変化有りの時には結合子
Ｘを経て処理７７に至り、変化無しの時には再び
処理７５に戻る。

処理７７では、変化有りの時の振動モードと処
理７４で予め解析し演算装置４９に記憶された振
動モードパターンとを比較して異常の有無を判定
すると共に及びその原因（Ａ、Ｂ、Ｃ）を統計的
に診断する。そして、処理７８にて異常の有無及
び原因（Ａ、Ｂ、Ｃ）の診断結果を表示装置５０
に表示し、監視員に異常の有無及び原因（Ａ、
Ｂ、Ｃ）の診断結果を知らせる。

上記実施例では、変位センサを軸受１６，１
７，２９及び上カバー２８に設けた例を説明した
が、他の回転部と対向した静止部や支持部材等に
設け、測定点を多くして測定精度の向上を図つて
もよい。勿論、揚水式発電設備以外の回転電機や
水力機械等に適用できるということは言うまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上の如く詳述したように本発明によれば、回
転機械の回転部に対向した静止部の複数箇所に変
位センサを配置して上記回転部の複数箇所におけ
る夫々の振れ量を検出し、上記回転部に設けたタ
ーゲツトを回転位相検出器により検出することに
より回転位相を示すパルス信号を得て、上記複数
の変位センサからの出力を上記回転位相検出器の
出力をトリガ信号としてＡ／Ｄ変換して、この
Ａ／Ｄ変換出力を予め設定された振動モードにて
演算し該演算結果と予め設定された正常時の振動
モードデータとを比較して差分を求め、該差分値
が予め設定された許容値を超えたときに異常表示
するようにしたので、回転状態を常時に定量的に
把握でき、もつて信頼性が高くして回転部の異常
診断がなされる回転機械の回転部異常監視装置が
提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による回転機械の回転部異常監
視装置として揚水式発電設備に適用した一実施例
を示す構成図、第２図は回転位相検出器の出力波
形を説明する図、第３図はデジタル化された軸振
れ信号の波形を説明する図、第４図乃至第６図は
夫々異常判定の第１の実施例を説明するもので第
４図及び第５図は夫々振動モードの説明図、第６
図は振動モードの変化分を示す図、第７図乃至第
９図は夫々異常判定の第２の実施例を説明するも
ので第７図は変位センサの配置を説明する図、第
８図はリサージユ図形と振動モードとの関係を説
明する図、第９図は軸受クレアランスと振れ回り
リサージユとの位置関係を説明する図、第１０図
は異常判定の第３の実施例を説明する処理流れ図
である。 １０……発電電動機、２０……ポンプ水車、１
１，２１……主軸、１６，１７，２９……軸受、
２８……上カバー、４１，４２，４３，４４……
変位センサ、４５……回転位相センサ、４５ａ…
…ターゲツト、４６……増幅器、４７……Ａ／Ｄ
変換器、４８……回転位相検出器、４９……演算
装置、５０……表示装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転機械の回転部に対向した静止部の複数箇
   所に配置され上記回転部の複数箇所における夫々
   の振れ量を検出する複数の変位センサと、上記回
   転部に設けたターゲツトを検出することにより回
   転位相を示すパルス信号を出力する回転位相検出
   器と、上記複数の変位センサからの出力を上記回
   転位相検出器の出力をトリガ信号としてＡ／Ｄ変
   換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器の出力
   を予め設定された振動モードにて演算し該演算結
   果と予め設定された正常時の振動モードデータと
   を比較して差分を求める演算装置と、誤差分値が
   予め設定された許容値を超えたときに異常表示す
   る表示装置とから構成されたことを特徴とする回
   転機械の回転部異常監視装置。 ２ 演算装置は、回転位相検出器の出力をトリガ
   信号としてＡ／Ｄ変換された変位センサの出力
   を、高速フーリエ変換して特徴的周波数及び振幅
   の位相を求め振動モードを演算する構成であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転
   記載の回転部異常監視装置。 ３ 演算装置は、変位センサが互いに直交して配
   置されてなり、回転位相検出器の出力をトリガ信
   号としてＡ／Ｄ変換された変位センサの出力に基
   づきリサージユ図形を描き、トリガ時点からの時
   間経過によつて振動モードを演算する構成である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回
   転機械の回転部異常監視装置。