JPH065998B2

JPH065998B2 - 回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置

Info

Publication number: JPH065998B2
Application number: JP1188942A
Authority: JP
Inventors: 英博長村; 薫小柳
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-07-24
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPH0356098A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はタービン等の回転体の翼・軸連成捩り振動監視
装置に係り、特にタービン最終段落の翼および翼車の振
動応力を求めてその寿命の評価・監視を行なう回転体の
翼・軸連成捩り振動監視装置に関する。

（従来の技術）従来、軸捩り振動の監視の対象となっていたのは主とし
てタービン・発電機軸系の低次の固有捩り振動であり、
軸の低サイクル疲労損傷防止を目的としたものであっ
た。この軸捩り振動問題は高速再閉路等の電力系統外乱
発生時にタービン・発電機軸系に生じる過大な変動トル
クの繰返しによって軸捩り疲労が累積される現象であ
り、タービン・発電機軸系のジャーナル部やカップリン
グ部等の低サイクル疲労を扱うものであった。このた
め、軸捩り振動を解析する場合、翼自体の固有振動数は
考慮せず、軸翼は剛結合していると考えて比較的容易に
扱われていた。

ところが、近年・発電機逆相電流により発電機に発生す
る電力系統周波数２倍の周波数変動トルク（不平衡電気
トルク）によってタービン・発電機軸系に励振力が発生
し、この励振力により軸およびこの軸に結合された翼、
特にタービン最終段落側の長翼が相互に影響し合いなが
ら振動する翼・軸連成捩り振動が注目されている。この
翼・軸連成捩り振動は、軸と翼が連成した高次の捩り固
有振動数と電力系統周波数の２倍の周波数が一致したと
き生じる共振現象により翼およびそれを支持する翼車が
加振されるもので、翼および翼車の高サイクル疲労損傷
に大きな影響を及ぼすことが知られて来ており、近年注
目されている。

翼・軸連成捩り振動によりタービン長翼の寿命、評価お
よび監視を行なう従来の翼・軸連成捩り振動監視装置
は、第７図に示すように構成されている。この翼・軸連
成捩り振動監視装置は低圧タービン１と発電機２とを連
結する車軸３の軸捩り振動を軸捩り振動計測装置４で計
測している。

軸捩り振動計測装置４は車軸３に貼布された歪ゲージ
（第８図参照）４ａを有し、この歪ゲージ４ａで計測さ
れた軸捩り振動の歪信号はＦＭテレメータシステム等の
送信器４ｂを用いて回転側から静止側に伝送され、受信
器４ｃにより歪信号に復元される。受信器４ｃからの歪
信号は周波数分析器４ｄによって分析され、振動数ｆと
振動レベルεのデータに変換される。

周波数分析器４ｄからのデータ信号は翼・軸連成捩り振
動監視装置５の軸捩り角度演算装置６に入力される。こ
の演算装置６は振動データ記憶装置６ａ、振動モード判
別器６ｂおよび角度振幅演算器６ｃにより構成される。
軸捩り角度演算装置６は計測された振動数ｆに基づいて
振動モードが判別され、振動レベルεのデータに基づい
て軸捩り角度振幅θが演算され、この振動モードと計測
点での軸捩り角度振幅θからタービンロータの軸捩り角
度振幅θの分布とその絶対値が演算される。

軸捩り角度演算装置６の振動データ記憶装置６ａには有
限要素法等の振動解析手法によって計算された翼・軸連
成捩り振動の振動数と振動モード（軸捩り振動角度振幅
の軸方向分布状況）との対象データを記憶しており、歪
ゲージ４ａによって計測された振動数ｆと振動レベルε
のデータが、オンラインで振動モード判別器６ｂに入力
されると、第９図に示すように軸捩り振動の振動モード
情報（捩り角度振幅θと車軸３の軸方向位置）が後述す
る表示監視器９に出力表示され、問題となる捩り振動を
改善するための対策を施行すべき箇所が明確になるよう
になっている。

また、軸捩り角度演算装置６で演算された実測の軸捩り
角度振幅θ_aiおよび振動数ｆが翼・翼車振動応力演算装
置７に入力される。この翼・翼車振動応力演算装置７は
振動応力記憶装置７ａと振動応力計算機７ｂとから構成
され、車軸３の該当部位における実測捩り角度振幅θ_ai
の入力からある振動数で軸捩り振動しているタービンロ
ータ１ａを構成する翼１ｂおよび翼車１ｃの振動応力を
算出する演算装置である。

翼・翼車振動応力演算装置７では、予め有限要素法等の
振動応答解析手法を用いて、ある加振トルク（通常は単
位加振トルク）を発電機に与えて、計算された翼１ｂお
よび翼車１ｃ各部の翼・軸連成捩り振動による振動応答
応力σ_riと、ある基準部位（車軸３または翼車１ｃの基
準部位）等での捩れ角度振幅θ_riを、振動応力記憶装置
７ａに記憶しておき、実際に角度振幅演算器６ｃにより
検出演算された当該基準部位の実測捩り角度振幅θ_aiと
前述単位加振トルクでの値θ_riとの比率α_iを演算し
て、前述振動応答応力σ_riにα_iを乗じることにより翼
１ｂおよび翼車１ｃ各部の翼・軸連成捩り振動による振
動応答応力σ_riを算出する。

翼・翼車振動応力演算装置７で演算され、算出された翼
１ｂおよび翼車１ｃ各部位の振動応力σ′_ri（データ出
力）は寿命評価演算装置８に入力される。寿命評価演算
装置８は翼・翼車振動応力演算装置７からのデータ
（σ′_ri）出力等から予め有限要素法等の応力解析手法
によって計算された翼１ｂおよび翼車１ｃ各部の遠心応
力データ（回転場での静応力データ）や材料の疲労強度
データを基にして第１０図に示すような修正グッドマン
線図上に翼１ｂおよび翼車１ｃ各部の応力振幅や平均応
力をプロットし、それらを表示監視器９に出力表示す
る。

さらに、寿命評価演算装置８は翼１ｂおよび翼車１ｃ各
部の疲労寿命をマイナー則あるいは修正マイナー則等の
方法により算出して消費寿命と残余寿命を求め、第１１
図に示すように、現時点までの疲労寿命（実機寿命）
を、縦軸に応力振幅、横軸に繰返し数をとったＳ−Ｎ曲
線（寿命曲線）上にプロットし、その寿命評価図を表示
監視器９上に出力表示する。

表示監視器９に表示された寿命評価図に基づいて問題と
なる翼１ｂおよび翼車１ｃの翼・軸連成捩り振動による
高サイクル疲労損傷および余寿命等を監視評価するよう
になっていた。

しかして、翼・軸連成捩り振動は発電機に発生する電気
的振動トルク（不均衡電気トルク）によって生じる励振
力に起因しており、この翼・軸連成捩り振動による振動
応力が問題となるのは主に低圧タービンの最終段落の長
翼である。問題となる周波数は電力系統周波数（５０Ｈ
ｚあるいは６０Ｈｚ）の２倍周波数であり、これは長翼
の翼長が長いために、長翼の機械的固有振動数が電力系
銃周波数の２倍周波数近傍に存在するためである。

電力系統周波数の２倍に相当する周波数トルクを発生さ
せるのは、発電機２のいわゆる逆相電流（周波数が同じ
で回転方向が逆向き）Ｉｚである。

（発明が解決しようとする課題）従来の回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置では、問題
となる発電機の不均衡電気トルクが電力系統周波数の２
倍の電気的振動トルクのみであるのに対して、全周波数
領域の電気的振動トルクに対応できるように余剰な演算
およびデータ所持を行なっている。例えば、周波数分析
器４ｄや軸捩り角度演算装置６はあらゆる周波数成分の
データに対して演算処理できる機能を持たせており、全
体的なシステム構成が非常に複雑化しており、かつオン
ラインで処理するデータ量が多過ぎ、データ処理が面倒
で長時間を要していた。

また、歪ゲージ４ａや送信器４ｂが回転体である車軸３
上に取り付けられているため、信頼性や保守性の上で問
題があり、さらに、周波数分析器４ｄ等にフィルタを用
いているが、このフィルタ等の使用による時間遅れが、
問題とする振動周波数検出精度に悪影響を及ぼすおそれ
があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シス
テム構成を簡素化するとともにオンライン処理データ量
を少なくして回転体の寿命評価、監視を効率的に行なう
ことができる回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置を提
供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、回転体上に検出器を設置す
る必要がなく、信頼性や保守性の向上を図ることができ
る回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置を提供するにあ
る。

さらに、本発明の他の目的は、周波数分析器を不要に
し、フィルタ等による振動周波数検出精度に悪影響を与
えない回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置を提供する
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）本発明に係る回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置は、
上述した課題を解決するために、発電機からの出力線に
逆相電流を検出する電流検出器と、検出された逆相電流
から逆相電流値およびその継続時間を演算する逆相電流
演算器と、この逆相電流演算器からの逆相電流信号を入
力し、翼および翼車等の回転体に生じる振動応力を算出
する翼・翼車振動応力演算装置と、上記回転体の振動応
力と逆相電流継続時間とから回転体の寿命を演算・評価
する寿命評価演算装置と、この寿命評価演算装置で演算
・評価されたデータを外部出力する表示監視器とから構
成したものである。

また、本発明の回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置に
おいては、従来技術が有する課題を解決するために、翼
・翼車振動応力演算装置は、逆相電流演算器からの逆相
電流信号が入力される振動応力演算器と、規定の逆相電
流による振動トルクを加えたとき、翼および翼車各部の
振動応力対軸捩り周波数の関係データを予め収納したデ
ータ収納部とを有し、前記振動応力演算器はデータ収納
部からの振動応力データ値と逆相電流信号とを入力して
翼および翼車に生じる振動応力を算出するようにしたも
のである。

（作用）この回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置は、発電機に
発生する不均衡電気トルクが逆相電流による量（電流値
および継続時間）であると考えて検出するデータ量を発
電機出力線からの逆相電流に限定し、この逆相電流のＰ
Ｕ値と経過時間とから問題とする翼および翼車該当部分
の振動応力および寿命を算出し、評価するようにしたも
のである。

この翼・軸連成捩り振動監視装置は、検出量を逆相電流
に限定しているため、取込みデータ量が少なく、システ
ム構成を簡素化して問題とする翼および翼車等の回転体
部位の寿命評価、監視を効率よく正確に行なうことがで
きる。

また、この翼・軸連成捩り振動監視装置は、逆相電流を
検出するだけでよく、電流検出器を回転体上に設置する
必要がないから、信頼性や保守性の向上を図ることがで
き、また、周波数分析器を不要としたので、振動周波数
検出に時間遅れがなく、リアルタイムで正確な振動周波
数検出を行なうことができる。

（実施例）本発明に係る回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置の一
実施例について添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明の回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置
をタービン発電機の車軸振動検出用に適用した代表例を
示し、図中符号１０は低圧タービン（ＬＰ１）である。
低圧タービン１０は実際の商用発電所においては複数台
（ＬＰ１，ＬＰ２，ＬＰ３…）設置されるが、第１図は
１台のみを概略的に例示する。低圧タービン１０は車軸
１１を介して発電機１２、代表的には三相交流発電機に
連続され、この発電機１２を回転駆動させるようになっ
ている。低圧タービン１０のナービンロータ１３はター
ビン軸１３ａに固定された翼車（ロータホイール）１３
ｂに多数の翼１３ｃを周方向に列状に植設して構成され
る。

一方、発電機１２から発電機出力線１４が延設されてお
り、この発電機出力線１４は電力系統線１５に各相毎に
接続される。発電機出力線１４の途中には各相毎に電流
検出器としての変流器１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設置さ
れ、この変流器１６ａ，１６ｂ，１６ｃにより逆相電流
が検出される。変流器１６ａ〜１６ｃは翼軸連成捩り振
動監視装置１８の逆相電流演算器２０に接続され、検出
された電流信号が逆相電流演算器２０に入力される。

逆相電流は翼・軸連成捩り振動に重大な影響を及ぼして
いる翼・軸連成捩り振動は発電機の電気的振動トルクに
よって生じる励振力に起因することが知られている。こ
の翼・軸連成捩り振動による振動応力が問題となるの
は、回転体としての低圧タービンの最終段翼（長翼）で
あり、問題とする共振周波数は電力系統周波数の２倍周
波数である。低圧タービンの長翼は翼長が長いために、
その機械的固有振動数が電力系統周波数の２倍周波数付
近に必然的に存在する。そして、電力系統周波数の２倍
周波数に相当する周波数トルクを発生させるのは、逆相
電流であることがわかってきた。したがって、この逆相
電流の電流値や継続時間を検出すれば、翼および翼車の
実機寿命を予測し、評価することができることがわか
る。

逆相電流演算器２０は変流器１６ａ，１６ｂ，１６ｃの
検出電流により逆相電流Ｉｚの絶対電流値および継続時
間を検出演算する。逆相電流Ｉｚは三相交流発電機１２
の各相に流される周波数が同じで回転方向が逆向きの電
流である。逆相電流演算器２０からの逆相電流信号は翼
・翼車振動応力演算装置２１の振動応力演算器２２に入
力される。

翼・翼車振動応力演算装置２１は振動応力演算器２２と
データ収納部２３とから構成されている。データ収納部
２３は、低圧タービン１０の翼１３ｃおよび翼車１３ｂ
に単位逆相トルクを加えた場合の車軸捩り振動数に対す
る振動応力値の関連データを予め収納しておく部分であ
る。このデータ収納部２３には単位逆相トルクを加えた
場合に、低圧タービン１０の翼１３ｃおよび翼車１３ｂ
が問題とする共振周波数やこの周波数での振動応力値
を、有限要素法等の振動解析手法による解析または実ト
ルク印加試験データに基づき予めインプットされる。

データ収納部２３からの振動応力データ値σｚの信号お
よび逆相電流演算器２０からの出力信号（逆相電流信
号）Ｉｚは振動応力演算器２２にそれぞれ入力され、こ
の演算器２０は問題とする逆相電流Ｉｚが流れたとき、
翼１３ｃおよび翼車１３ｂの該当部位の振動応力値σを
演算により算出するようになっている。振動応力演算器
２２は逆相電流のＰｕ値（定格出力値に対する比率）を
求め、このＰｕ値を、データ収納部２３に予め記憶され
ているタービン長翼各部の単位Ｐｕベースでの振動応力
値に乗ずることにより、問題とする翼１３ｃおよび翼車
１３ｂ部位の振動応力値を求めることができる。

翼・翼車振動応力演算装置２１で演算された翼１３ｃお
よび翼車１３ｂ各部位の振動応力値は寿命評価演算装置
２５に入力される。この寿命評価演算装置２５は例えば
第２図に示すように振動応力値σ_riを入力して予め記憶
されている遠心応力データを基にして修正グッドマン線
図を作成して現在の応力状態を示す点（実機応力Ｐ）を
図示にプロットし、この実機応力Ｐを表示監視器２６で
第３図に示すように図形出力する。この第３図は修正グ
ッドマン線図を用いた疲労限度表示を表わすもので、符
号Ａは疲労限度線である。

また、寿命評価演算装置２５は問題とする翼１３ｃおよ
び翼車１３ｂの振動応力値σ_riと；逆相電流が流れてい
る時間と翼１３ｃおよび翼車１３ｂ該当部位の共振周波
数ｆとから求めた応力繰返し回数とから、翼１３ｃおよ
び翼車１３ｂ各部の実機寿命Ｑを算出し、この実機寿命
Ｑを第４図に示すようにＳ−Ｎ曲線（寿命曲線）Ｂ上に
プロットし、出力表示している。

寿命評価演算装置２５で翼および翼車該当部分の実機応
力Ｐや実機寿命Ｑが演算により算出され、算出された実
機寿命Ｑは表示監視器２６に第５図に示す形で表示する
こともできる。表示監視器２６はタービンロータ１３の
加振試験により振動応力に対応する逆相電流ＩｚのＰｕ
値を換算しておき、縦軸に逆相電流Ｐｕ値が、横軸に応
力繰返し回数の代りに等価な逆相電流継続時間が採用さ
れる。一方、表示監視器２６の表示画面には寿命曲線
（Ｓ−Ｎ曲線）Ｂから所要の裕度を持たせた寿命警報曲
線Ｃが表示される。

そして、実機寿命Ｌが寿命警報曲線Ｃを超過した時点で
警報表示が行なわれ、場合によっては、表示監視器２６
からタービントリップを行なう信号が出力されるように
なっている。実機寿命Ｌは表示監視器２６に必要に応じ
て記録され、再生可能となる。

また、第５図に表示される画面において、発電機１２に
逆相電流が流れた度毎に、逆相電流Ｐｕ値と逆相電流継
続時間の積算をもって寿命と評価する場合には、寿命警
報曲線Ｃはある程度余裕をもって設定するのが望まし
い。

なお、翼・軸捩り振動の振動モード図は第８図に示す従
来の振動モード図と実質的に異なることがないので省略
する。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る回転体の翼・軸連成捩
り振動監視装置は検出量を電流検出器からの逆相電流に
限定しているため、取込みデータ量が少なくシステム構
成を簡素化することができ、問題とする翼および翼車等
の回転体部位の寿命評価、監視を効率よく簡単かつ正確
に行なうことができる。

また、この翼・軸連成捩り振動監視装置は電流検出器を
発電機出力線に設置し、回転側に検出器を設置する必要
がないから、信頼性や保守性の向上を図ることができ、
さらに、周波数分析器を不要としたので振動周波数検出
に時間遅れがなく、リアルタイムで正確な振動周波数検
出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る回転体の翼・軸連成捩り振動監視
装置の一実施例を示す図、第２図は上記翼・軸連成捩り
振動監視装置の演算部の具体例を例示的に示す図、第３
図は修正グッドマン線図を用いた疲労強度表示を示す
図、第４図は低圧タービン等の実機寿命をＳ−Ｎ曲線上
へ表示して示す図、第５図は逆相電流による寿命評価
図、第６図は従来の翼・軸連成捩り振動監視装置を示す
図、第７図は車軸への歪ゲージの取付状態を示す図、第
８図は低圧タービン等の翼・軸捩り振動の振動モード
図、第９図は修正グッドマン線図を用いた疲労強度表示
を示す図、第１０図は低圧タービン等の実機寿命をＳ−
Ｎ曲線上へ表示して示す図である。１０…低圧タービン、１…車軸、１２…発電機、１３…
タービンロータ、１３ａ…タービン軸、１３ｂ…翼車、
１３ｃ…翼、１４…発電機出力線、１５…電力系統線、
１６ａ〜１６ｃ…変流器（電流検出器）、１８…翼・軸
連成捩り振動監視装置、２０…逆相電流演算器、２１…
翼・翼車振動応力演算装置、２２…振動応力演算器、２
３…データ収納部、２５…寿命評価演算装置、２６…表
示監視器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発電機からの出力線に逆相電流を検出する
電流検出器と、検出された逆相電流から逆相電流値およ
びその継続時間を演算する逆相電流演算器と、この逆相
電流演算器からの逆相電流信号を入力し、翼および翼車
等の回転体に生じる振動応力を算出する翼・翼車振動応
力演算装置と、上記回転体の振動応力と逆相電流継続時
間とから回転体の寿命を演算・評価する寿命評価演算装
置と、この寿命評価演算装置で演算・評価されたデータ
を外部出力する表示監視器とから構成したことを特徴と
する回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置。
【請求項２】翼・翼車振動応力演算装置は、逆相電流演
算器からの逆相電流信号が入力される振動応力演算器
と、規定の逆相電流による振動トルクを加えたとき、翼
および翼車各部の振動応力対軸捩り周波数の関係データ
を予め収納したデータ収納部とを有し、前記振動応力演
算器はデータ収納部からの振動応力データ値と逆相電流
信号とを入力して翼および翼車に生じる振動応力を算出
するようにした請求項１記載の回転体の翼・軸連成捩り
振動監視装置。