JPH09170403A - 回転機械の監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転体の状態を早期に、かつ、正確に判定す
る。 【解決手段】 振動検出器４，５，６は、ロータ１に対
向して軸受２，３と図示しない固定部に固定され、振動
検出器４，５，６とロータ１間の変位（間隔）をロータ
１に非接触で検出可能のものが用いられる。演算装置７
は、各振動信号を取込み、ロータ１各部の振動信号から
振動振幅値および振動振幅増加率値を求め、これらの値
が所定値以上のとき異常有と判定して、ロ−タ１以外の
振動信号を加味することにより早期に、正確に異常判定
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン等の
回転機械の監視装置に係り、回転機械の振動を検出し、
異常の有無や異常の判定を早期に、かつ、正確に行うこ
とができる回転機械の監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、回転機械の運転中の異常の大部
分は、軸振動の変化として現れる。特に、ガスタービン
等のロータは、高速に回転しており、ロータに異常があ
れば重大な事故に発展するおそれがある。

【０００３】このため、従来、回転機械の監視装置は、
各軸受部に振動検出器を配置して、得られる各軸受部の
回転体の振動信号から振動振幅値を求めて所定値と比較
して異常の有無を判定していた。そして、異常の判定が
されると、回転体を停止して各部分を点検し、異常原因
の究明がなされていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
回転機械の監視装置では、各軸受部に配置する振動検出
器により得られる振動信号によって監視を行っており、
必ずしも正確な回転体の状態が把握されていないために
回転機械の異常の早期発見と健全性の確認に難点があっ
た。

【０００５】すなわち、一般に、回転体のある部分に異
常が発生すると、その部分が変形や部品の離脱によって
回転体の重量バランスを変化させ、これが拡大して軸受
部の異常振動となって現れる場合が多い。従って、各軸
受部における振動信号のみで回転体の異常を判定しよう
とすると、回転体の異常が拡大して初めて異常の発生が
判定される可能性がある。

【０００６】そこで、本発明は、回転機械の異常を早期
に、かつ、正確に判定することができる回転機械の監視
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、軸受
部に軸支される回転体の状態を監視する回転機械の監視
装置において、軸受部および軸受部以外の部所を含めて
振動検出器を配置し、これら振動検出器により得られる
回転体各部の振動信号に基づいて回転体の状態を判定す
る判定手段を設けるようにしたものである。以上の手段
によって、軸受部以外を含めて回転体各部に配置される
振動検出器により検出される各々の振動信号に基づいて
回転体の状態が判定される。この結果、従来の軸受部の
みに配置される振動検出器により検出信号のみによる判
定に比べ回転体の状態が早期に、かつ、正確に判定する
ことができる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載の回転機
械の監視装置において、回転体の各部の振動信号から振
動振幅値および振動振幅増加率値を求め、これらの値が
所定値以上のとき異常有と判定するようにしたものであ
る。以上の手段によって、軸受部以外を含めて回転体各
部に配置される振動検出器から検出される振動信号を用
いて求められた振動振幅と振動振幅増加率に基づいて異
常の有無の判定がされる。この結果、従来の軸受部のみ
に配置される振動検出器により得られる振動振幅と振動
振幅増加率のみによる判定に比べ、異常有無の判定が早
期に、かつ、正確にできる。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１記載の回転機
械の監視装置において、予め運転状態毎に回転体各部の
振動信号を収集して回転体各部の変位回転の軌跡である
振動の節と腹とからなる正常時の振動モードを求め、監
視時に回転体各部の振動信号から監視時の振動モードを
求めると共に、監視時の運転状態に応じた正常時の振動
モードと監視時の振動モードとを比較して両者の相違か
ら異常有を判定するようにしたものである。以上の手段
により、軸受部の振動信号のみならず回転体各部の振動
信号に基づいて振動モードを求め、これと正常時の振動
モードと比較判定がされる。これにより、従来の軸受部
の振動信号のみによって求めた振動モードに比べ、振動
モード自体が回転体の状態を正確に表しているため判定
結果に信頼性を求めることができる。

【００１０】請求項４の発明は、請求項３記載の回転機
械の監視装置において、それぞれ軸受に軸支される複数
の回転体を直結した回転体の場合に、正常時の振動モー
ドで形成される軸受部の振動の節が欠落しているとき、
対応する軸受の沈下を判定するようにしたものである。
以上の手段によって、軸受部以外の振動信号を含めた振
動信号により振動モードを求めて正常時の振動モードと
比較される。この場合に、従来の振動モードに比べ正確
な振動モードにより比較できるから軸受部の振動の節の
欠落から軸受の沈下を正確に判定できる。

【００１１】請求項５の発明は、請求項１記載の回転機
械の監視装置において、軸受部と軸受部との間に配置さ
れる振動検出器により検出される振動信号から低速回転
中における回転体の変位の時間的変化を求め、これと所
定の正弦波と比較して両者の偏差が所定値以上のとき異
常有の判定をするようにしたものである。以上の手段に
より、軸受間の低速回転体の振動信号から回転体の変位
量を求めて所定の正弦波と比較すると回転体の弾性係数
が異なる部分が判定でき、回転体の異常を判定できる。

【００１２】請求項６の発明は、請求項１記載の回転機
械の監視装置において、軸受部と軸受部との間に配置さ
れる振動検出器により検出される振動信号から回転体の
自重によるたわみ量を求め、求められたたわみ量から回
転体の弾性係数を求め、求められた弾性係数が所定値以
上のとき回転体の劣化を判定するようにしたものであ
る。以上の手段により、軸受間の回転体の振動信号から
軸受間の回転体のたわみ量を求めると回転体の劣化の進
行状況を正確に判定できる。

【００１３】請求項７の発明は、請求項１記載の回転機
械の監視装置において、軸受部と軸受部との間に配置さ
れる振動検出器により検出される振動信号から回転体の
自重によるたわみ量を求め、さらに、求められたたわみ
量と回転数とから回転体に対応する繰返し応力を求め、
求められた繰返し応力が所定値以上のとき回転体の劣化
を判定するようにしたものである。以上の手段により、
繰返し応力を求めて回転体の劣化を判定できる。この場
合、軸受部と軸受部との間の回転体の振動信号を用いて
求めた繰返し応力により判定するから、正確な判定がで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１実施の形態乃至第６
実施の形態を示すガスタービン振動監視装置の構成図で
あって、ガスタービンの回転機械であるロータ１は、軸
受２と軸受３とに軸支され、回転可能としている。そし
て、軸受２と軸受３とには、振動検出器４と振動検出器
５と軸受２と軸受３とのほぼ中央には振動検出器６を配
置している。振動検出器４と振動検出器５と振動検出器
６とは、演算装置７に接続され、さらに、表示装置８に
接続している。

【００１６】ここで、振動検出器４，５，６は、ロータ
１に対向して軸受２，３と図示しない固定部に固定さ
れ、振動検出器４，５，６とロータ１間の変位（間隔）
をロータ１に非接触で検出可能のものが用いられる。

【００１７】例えば、この変位式振動検出器の原理を説
明すると、コイルにある周波数の電流を流すと電磁誘導
作用によってロータ１側に渦電流が発生し、この渦電流
の大きさは、ロータ１とコイルとの間の距離に応じて増
減する。そして、渦電流による磁束が、さらに、コイル
と鎖交するためにコイルのインピーダンスが変化する。
この変化量を把えることによつてロータ１に接触するこ
となく、振動信号を変位として検出することができる。
この方式による振動検出器によればロータ１に取付ける
必要がなく、軸受部以外にも容易に振動検出器を取付け
ることができる。

【００１８】図２は、ロータ１の軸受２に振動検出器を
固定した例であり、軸受部以外は、図示しない固定部材
によって取付けられる。演算装置７は、各振動信号を取
込み、必要な演算処理を実行し、予め定めた処理手順に
よって必要な判定処理をする。表示装置８は、演算装置
７によって得られた情報を表示し監視員に知らせる。な
お、ロータ１の中央部１ａには、ガスタービンの場合、
動翼が取付けられ、両端のフランジ部１ｂは、他のロー
タ１と接続するようになっている。

【００１９】以上の構成により、振動検出器４と振動検
出器５と振動検出器６とからのそれぞれの振動検出信号
が収集され、演算装置７へ入力される。演算装置７で
は、内部に設ける判定手段によって、各振動検出信号を
取込み、振動振幅値と振動振幅増加率とを求める。そし
て、これらが所定値以上あるか否かを判定する。これに
より、いずれかの振動振幅値以上のとき、判定手段によ
りロータ１の異常を判定する。

【００２０】一般に、運転中の回転機械であるロータ１
は振動しているが、ロータ１に何らかの異常が発生した
ときには、それが振動状態の変化となって表れる場合が
経験的に多い。特に、振動振幅が増加する方向で変化す
る場合には、過大な振動による機械の損傷が考えられ、
従来、運転員に注意を促したり、場合によっては、機械
の自動停止を行っている。

【００２１】従来は、ロータ１に非接触の方式の信頼性
のある振動検出器が開発されていなかったためロータ１
自体に接触する方式の振動検出器が用いられていた。そ
して、ロータ１の軸受２や軸受３に振動検出器を設け、
ここから得られる振動信号から振動振幅や振動振幅増加
率が一定の値を越えた場合に異常検知を行っている。

【００２２】ロータ１が軸受２と軸受３の間で振動を発
生している場合には、軸受の回転体も必ずその影響を受
け、何がしかの振動を示すが、軸受は振動の節となる場
合が多く、軸受の形状や潤滑油粘度、振動モード等によ
って振動の出かたが必ずしも回転体全体の振動現象を表
していない場合が多い。

【００２３】例えば、軸受２と軸受３との間のロータ１
の振動信号は、図３に示すように、一般に、正常時に一
定の周期で、かつ、振動振幅のレベル、すなわち、図示
する極大値と極小値のレベル差も一定となっている。と
ころが、ロータ１に何らかの異常が発生し、図４に示す
ように、振動信号のレベルが急増し時間ｔ１にピークに
達したとする。この場合に、振動信号のレベルの微分値
を振動振幅増加率として演算しておけば、図５に示すよ
うに、図４のピークに対応する時間ｔ１の前後で振動振
幅増加率が急変化する。

【００２４】そこで、本発明の第１実施の形態では、軸
受２と軸受３との間に振動検出器を設け、ここでの振動
振幅や振動振幅増加率が一定の値を越えた場合に、異常
有と判定することにより、早期に、かつ、より正確な異
常検知が可能となる。

【００２５】次に、第２実施の形態として、予め運転状
態毎に各振動信号を収集してロータ１の振動モード、い
わゆる振動の節と腹とを求め記憶しておく。判定に当た
って演算装置７の判定手段では、各振動検出信号に基づ
いてロータ１の振動モード、振動の節と腹とを求める。
そして、求められたロータ１の振動モードと予め収集記
憶された正常時の振動モードとを比較して異常判定がさ
れる。

【００２６】すなわち、軸受２と軸受３とに配置される
振動検出器６の振動信号値を用いればロータ１の振動モ
ード、すなわち、振動の節と腹がどこにあるかを求める
ことができる。振動モードは、ロータ１の形状や各節の
剛性により変わるので、もしロータ１にクラックや欠
損、疲労の蓄積による剛性の変化が生じた場合には、振
動モードの変化となって現れることが多い。

【００２７】例えば、回転体が図６（Ａ）に示すように
二つの軸受間に軸支されている場合、両軸受のみでなく
軸受間に設ける振動信号の振幅から振動モードが図６
（Ｂ）の上段（Ｂ１）に示すような一次振動モードが得
られる。すなわち、振動モードは、変位量が零に近い部
分である節ａ１と節ａ２と変位の量が極大となる部分で
ある腹ｂ１，腹ｂ２がある。

【００２８】また、ある回転体では、正常時に振動モー
ドが中段（Ｂ２）に示す二次振動モードとなっている。
このような場合、節ａ１，節ａ２以外に中央にも節ａ３
がある。さらに、ある監視時では、図示下段に（Ｂ３）
に示すように、二次振動モードの節ａ３が移動して変形
している。このような場合、図示Ｃの部所にロータの損
傷等によって、一部の剛性が低下し、振動の節が移動し
た結果等と考えることができる。

【００２９】そこで、第２実施の形態では、軸受２と軸
受３との間に配置される振動検出器６により、ロータ１
の振動モードを求め、これを同じ運転状態の正常時のも
のと比較することによりロータ１の異常を判定すること
ができる。

【００３０】次に、第３実施の形態として、まず、予め
各振動検出信号に基づいて正常時のロータ１の正常時の
振動モードを求めて記憶しておく。そして、複数のロー
タ１がそれぞれ各軸受に軸支されている回転体の場合に
は、各振動検出信号からロータ１の監視振動モードを求
める。さらに、求められた監視振動モードと正常振動モ
ードとが比較され、振動の節の状態から軸受の沈下等を
判定するようにした。

【００３１】例えば、複数のロータがフランジを介して
串型に連絡され、各々のロータの場合、図７（Ａ）に示
すように振動の節として振動モードが形成されている。
すなわち、ロータ１１が軸受１３と軸受１４に軸支され
ロータ１２が軸受１５と軸受１６に軸支され両者が直結
している。

【００３２】ここで、仮に特定の軸受１４が何らかの原
因で据付け時の位置から沈下した場合、ロータ１１の荷
重は、軸受１４から軸受１３および軸受１５に移動し、
軸受１４は次第に軸受として機能を有しなくなる。この
結果、図７（Ｂ）に示すように当初軸受１４にあった振
動モードの節が移動し、軸受１４は振動の腹になること
がある。

【００３３】そこで、第３実施の形態では、予め回転体
の正常時の振動モードを求め、監視時に特定の軸受につ
いて振動の節がなくなっていることが判った場合に、そ
の軸受の沈下が起っているものと判定することができ
る。

【００３４】次に、第４実施の形態として、ロータ１が
低速で回転中に、ロータ１の変位を求め、この変位の時
間的変化と所定の正弦波とを比較する。この比較によ
り、両者の差が所定以上あると異常と判定するようにし
た。

【００３５】一般に、回転体が低速で回転中に、遠心力
等による振動は発生しないが、軸受が本来持っている曲
げ変形があるので、特に軸受間の振動は、図８（Ａ）に
示すように正常時に回転に同期した正弦波を描く場合が
多い。ところが、回転体の一部に亀裂等を発生している
と、図８（Ｂ）に示すように回転体の弾性係数が亀裂の
ある部分だけ低下し、亀裂が上にきたときのみ、図示Ａ
１またはＡ２矢印の如く回転体の自重による変形が大き
くなる。

【００３６】第４実施の形態では、この曲げ変形は、上
記正弦波に重畳して観測されるので、軸受間の振動信号
を回転数に同期した正弦波と比較し、その差が一定以上
の場合に、回転体の弾性に異方性を与えるような異常が
発生しているものと判定することができる。

【００３７】次に、第５実施の形態として軸受２と軸受
３との間に配置した振動検出器６によりロータ１の自重
によるたわみ量を求め、さらに、弾性係数を求め得られ
る値が所定値以上の場合、にロータ１が劣化していると
判定するようにした。

【００３８】例えば、図１と同様のロータ１が図９に示
すように軸受２と軸受３とに軸支され各振動検出器４，
５，６が配置されている。この場合に、軸受２の部分の
ロータ１と振動検出器４との間の距離ａとし、振動検出
器６と対応するロータ１の部分との間の距離ｂとし、さ
らに、軸受３の部分のロータ１と振動検出器５との間の
距離ｃとし、これらの距離、ａ，ｂ，ｃは、変位式の振
動検出器を用いて検出することができる。以上のロータ
１と振動検出器４，５，６との間の変位が検出される
と、ロータ１のたわみ量Ｔは、次の式（１）で示され
る。

【００３９】 Ｔ＝｛（ａ＋ｃ／２）−ｂ｝−−−−（１）

【００４０】一方、軸受２，３との間の振動検出器６が
図示するように、ｄだけ沈んでいる場合、ロータ１のた
わみ量Ｔ１は、次の式（２）で示される。

【００４１】 Ｔ１＝｛（ａ＋ｃ／２）−ｂ−ｄ｝−−−−（２）

【００４２】従って、これにより、ロータ１のたわみ量
から弾性係数を求めることができる。

【００４３】第５実施の形態によれば、回転体と振動検
出器との間の距離を求めることができる変位計式の振動
検出器を用い、軸受部および軸受間の振動検出器の相対
位置を事前に求めておけば、振動検出器の出力信号から
回転体の軸受間のたわみ量を求めることができる。回転
体に疲労が蓄積すると、材料が硬化し、上記たわみ量が
低下する。従って、たわみ量が所定値以下になった場合
には、回転体に疲労が蓄積し劣化が進んでいるものと判
定することができる。

【００４４】次に、第６実施の形態として軸受２と軸受
３との間に配置した振動検出器６によりロータ１の自重
によるたわみ量を求め、求められたロータ１のたわみ量
と回転数とから繰返し応力の値を積算する。そして、得
られる繰返し応力の値が所定値を越える場合にロータ１
が劣化していると判定するようにした。

【００４５】たわみ量は、回転体が１回転する間の回転
体の曲げ変形量を表し、材料の余寿命は、材料の変形量
と変形回数の関数で表される。従って、たわみ量と回転
体の回転数を累積計算すれば、回転体の寿命があとどの
程度残っているか、すなわち、余寿命を知ることができ
る。余寿命が一定値より小さくなった場合に回転体が劣
化しているものと判定することができる。なお、本発明
の実施の形態ではガスタービンのロータについて説明し
たが、これに限らず、蒸気タービン等の回転機械にも同
様に適用することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、軸受部以外を含めて回転体各部に配置される振動
検出器により検出される各々の振動信号に基づいて回転
体の状態を判定するようにしたために従来の軸受部のみ
に配置される振動検出器により検出信号のみによる判定
に比べ回転体の状態が早期に、かつ、正確に判定するこ
とができる。

【００４７】請求項２の発明によれば、軸受部以外を含
めて回転体各部に配置される振動検出器から検出される
振動信号を用いて求められた振動振幅と振動振幅増加率
に基づいて異常の有無の判定をするようにしたために従
来の軸受部のみに配置される振動検出器により得られる
振動振幅と振動振幅増加率のみによる判定に比べ、異常
有無の判定が早期に、かつ、正確にできる。

【００４８】請求項３の発明によれば、軸受部の振動信
号のみならず回転体各部の振動信号に基づいて振動モー
ドを求め、これと正常時の振動モードと比較判定するよ
うにしたために従来の軸受部の振動信号のみによって求
めた振動モードに比べ、振動モード自体が回転体の状態
を正確に表しているため判定結果に信頼性を求めること
ができる。

【００４９】請求項４の発明によれば、軸受部以外の振
動信号を含めた振動信号により振動モードを求めて正常
時の振動モードと比較するようにしたために従来の振動
モードに比べ正確な振動モードにより比較できるから軸
受部の振動の節の欠落から軸受の沈下を正確に判定でき
る。

【００５０】請求項５の発明によれば、軸受間の低速回
転体の振動信号から回転体の変位量を求めて所定の正弦
波と比較するようにしたために回転体の弾性係数が異な
る部分が判定でき、回転体の異常を判定できる。

【００５１】請求項６の発明によれば、軸受間の回転体
の振動信号から軸受間の回転体のたわみ量を求めて回転
体の劣化の進行状況を正確に判定できる。

【００５２】請求項７の発明によれば、軸受部と軸受部
との間の回転体の振動信号を用いて求めた繰返し応力に
より判定するようにしために回転体の劣化の正確な判定
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すガスタービンへ適用
した全体構成図である。

【図２】図１に用いる振動検出器を軸受に取付けた外観
図である。

【図３】本発明の第１実施の形態を示す振動振幅を表す
説明図である。

【図４】図３の場合の他の振動振幅を表す説明図であ
る。

【図５】図３の場合の振動振幅増加率を表す説明図であ
る。

【図６（Ａ）】本発明の第２実施の形態を示す振動モー
ドを説明するための図である。

【図６（Ｂ）】振動モードの例を示す説明図である。

【図７（Ａ）】本発明の第３実施の形態を示す回転体を
直結した場合の正常振動モードの例を示す説明図であ
る。

【図７（Ｂ）】図７（Ａ）で異常が発生したときの振動
モードの例を示す説明図である。

【図８（Ａ）】本発明の第４実施の形態を示す低速回転
のロータの変位を示す説明図である。

【図８（Ｂ）】図８（Ａ）の場合にロータに異常がある
ときのロータの変位を示す説明図である。

【図９】本発明の第５実施の形態を示すロータのたわみ
量を示す説明図である。

【符号の説明】

１，１１，１２ ロータ ２，３，１３，１４，１５，１６ 軸受 ４，５，６ 振動検出器 ７ 演算装置 ８ 表示装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸受部に軸支される回転体の状態を監視
   する回転機械の監視装置において、 前記軸受部および前記軸受部以外の部所を含めて振動検
   出器を配置し、これら振動検出器により得られる前記回
   転体各部の振動信号に基づいて前記回転体の状態を判定
   する判定手段を備えることを特徴とする回転機械の監視
   装置。
2. 【請求項２】 前記回転体各部の振動信号から振動振幅
   値および振動振幅増加率値を求め、これらの値が所定値
   以上のとき異常有と判定することを特徴とする請求項１
   記載の回転機械の監視装置。
3. 【請求項３】 予め運転状態毎に前記回転体各部の振動
   信号を収集して回転体各部の変位回転の軌跡である振動
   の節と腹とからなる正常時の振動モードを求め、監視時
   に前記回転体各部の振動信号から監視時の振動モードを
   求めると共に、監視時の運転状態に応じた前記正常時の
   振動モードと前記監視時の振動モードとを比較して両者
   の相違から異常有を判定することを特徴とする請求項１
   記載の回転機械の監視装置。
4. 【請求項４】 それぞれ軸受に軸支される複数の回転体
   を直結した回転体の場合に、正常時の振動モードで形成
   される軸受部の振動の節が欠落しているとき、対応する
   軸受の沈下を判定することを特徴とする請求項３記載の
   回転機械の監視装置。
5. 【請求項５】 軸受部と軸受部との間に配置される振動
   検出器により検出される振動信号から低速回転中におけ
   る回転体の変位の時間的変化を求め、これと所定の正弦
   波と比較して両者の偏差が所定値以上のとき異常有の判
   定をすることを特徴とする請求項１記載の回転機械の監
   視装置。
6. 【請求項６】 軸受部と軸受部との間に配置される振動
   検出器により検出される振動信号から回転体の自重によ
   るたわみ量を求め、求められたたわみ量から前記回転体
   の弾性係数を求め、求められた弾性係数が所定値以上の
   とき前記回転体の劣化を判定することを特徴とする請求
   項１記載の回転機械の監視装置。
7. 【請求項７】 軸受部と軸受部との間に配置される振動
   検出器により検出される振動信号から回転体の自重によ
   るたわみ量を求め、さらに、求められたたわみ量と回転
   数とから前記回転体に対応する繰返し応力を求め、求め
   られた繰返し応力が所定値以上のとき前記回転体の劣化
   を判定することを特徴とする請求項１記載の回転機械の
   監視装置。