JPS58201040A - 複合サイクルプラント軸系の異常診断装置 - 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】 本発明は圧縮機、ガスタービン、発電機および蒸気ター
ビン等の機器を一軸上に配置した複合ザイクルプラント
の軸間に設けられた可撓継手に生ずる応力を測定し、該
応力値を正常運転時における許容応力値と比較１判断し
て上記可撓継手の異常を診断し、上記各機器の運転条件
を制御する複合サイクルプラント軸系の異常診断装置に
関する。

高効率でかつ、ピークロードに対して応答し得る発電プ
ラントとしては、圧縮機、ガスタービン、発電機および
蒸気タービン等の機器を一軸上に配置した複合サイクル
プラントが有効のものとして従来より使用されている。

複合サイクルプラントの運転時において、上記機器のケ
ーシングおよびロータ軸が熱膨張し、その伸び差により
上記機器間が詰り、機器間の軸部に大きな応力が生ずる
。

従って、この応力の発生を防止するため上記機器間には
可撓継手が設けられ、この撓みにより上記応力を吸収し
ている。一般に上記可撓継手としてはダイヤフラムを有
するダイヤプラムカップリングが複合サイクルプラント
には採用されている。

このダイヤフラムカップリングの上記ダイヤフラムには
運転中に種々の力が作用し、引張又は圧縮応力２曲げ応
力等が作用する。これ等の応力によってダイヤフラムが
破損する場合が生じ、上記ダイヤフラムカップリングが
飛散する結果をまねき、極めて危険のものとなる。この
ため、従来より予防手段が採用されていた。その手段と
して、上記ダイヤフラムに歪ゲージ等の応力測定手段を
直接装着するものや、ダイヤフラムカップリングの振動
状態を監視するもの等が採用されているが、いずれもダ
イヤプラムの破損を正確に判断することが困難である欠
点を有していた。

すなわち、第１図に示す如く、複合サイクルプラント１
００は圧縮機１、ガスタービン２、発電機３および蒸気
タービン４を一つの軸１０１上に直列に配置したものか
ら構成されている。この複合サイクルプラントの利点と
しては使用側の負荷変動にあわせて、ガスタービン２お
よび蒸気タービンの出力を調節し、単一の発電機３の出
力を適宜調節することが容易であシ、並列に上記した機
器を配置したものに比べ、ビークロード時等における対
応が円滑に行われると共に、保守管理面にも優れる点に
ある。

軸１０１には軸受、可撓継手等が配置される。

すなわち、圧縮機１の一端側にはスラスト軸受Ａ７とラ
ジアル軸受９が設けられ、スラスト軸受Ａ７は圧縮機１
等のこの方向への熱膨張を規制している。圧縮機１の他
端側にはラジアル軸受９を介し、ガスタービン２の一端
側ロータ軸が連結されている。ガスタービン２の他端側
のロータ軸には発電機３の一端側のロータ軸がリジット
カップリング５を介して連結される。又、これらのロー
タ軸はラジアル軸受９により支持されている。発電機３
の他端側ロータ軸はラジアル軸受９によシ支持されると
共に、可撓継手６によシ蒸気タービン４の一端側のロー
タ軸と接続している。なお、可撓継手６と蒸気タービン
４の一端側のロータ軸間にはスラスト軸受Ｂ８が設けら
れている。又、蒸気タービン４の一端側および他端側の
ロータ軸はラジアル軸受によって支持されている。

運転中、ガスタービン１および発電機３のロータ軸は熱
膨張によって伸びるが、これ等の伸びはスラスト軸受７
を基点とし、蒸気タービン４側に向って発生する。勿論
ガスタービン２および発電機３０図示しないケーシング
も熱膨張するが、ガスタービン２と発電機３については
上記ケーシングとそのロータ軸の伸び差に対しては運転
に支障かないように設計されている。上記によりガスタ
ービン２と発電機３との加算されたケーシングとロータ
軸の伸び差は蒸気タービン４側に作用するが、もしスラ
スト軸受Ｂ８がなければ、この加算された伸び差が蒸気
タービン４に作用するため、蒸気タービン４のケーシン
グとロータ軸との軸方向に大幅な間隙を設ける必要が生
ずる。上記の伸び差はガスタービン２が高温のため３０
ｍ／ｍないし４５ｍ／ｍにも達し、この伸び差に相当す
る間隙を蒸気タービン４のケーシングとロータ軸間に設
けることは蒸気タービン４の性能保持の面から不可能と
される。従って、上記の如くスラスト軸受Ｂ８を設けて
上記伸び差による蒸気タービン４側への影響を規制する
と共に、可撓継手６を発電機３の上記他端側のラジアル
軸受９と上記スラスト軸受８８間に設ける必要がある。

上記可撓継手６としては、第２図に示すギヤ力ｙ　７’
リング１０２と第３図に示すダイマフ２ムカツ７’　Ｉ
Ｊタング０６が採用されている。

ギヤカップリング１０２は、両端側鍔部外周にギヤ１７
ａを形成し、該ギヤ１７ａを上記鍔部の厚み方向に弧状
のクラウニングを形成せしめたスリーブ、Ａ、１７と、
スリーブＡ１７のギヤ１７ａに噛合する内歯車を形成し
、スリーブＡ１７の上記ギヤ１７ａに噛合するカバＡ３
０と、カバＡ３０とポル）Ａ３１で連結すると共に、ロ
ータ軸に嵌挿する孔部を形成するカップリングボスＡ３
２とから形成されている。ギヤカップリング１０２では
、カバＡ３０がスリーブＡ１７のギヤ１７ａに噛合しな
がら、その軸方向に移動すると共に、ギヤ１７ａまわり
に回動することにより上記伸び差を吸収し、カップリン
グとして作用するように構成されている。しかしながら
上記の如くギヤカップリング１０２には可撓部材がなく
、固形の各部材の結合によって構成されるものであるた
め、結合時のアライメン）Ｐ差が生じ易く、ギヤ１７ａ
の摩耗により軸心の狂が生じ易い。又、起動時において
振動が発生し易く、この防止のだめのバランス取りに多
くの時間を要する欠点があった。

一方、ダイヤスラムカップリング１０６は、第３図に示
す如く、両端にダイヤフラム１４を設けたスリーブＢ１
５と、このダイヤフラム１４の外周側をポル）Ｂ１３を
介して挾持するカップリングボスＢｌｌおよびダイヤフ
ラムカバＢ１２とから形成され、カップリングボスＢｌ
ｌには、発電機３の他端側ロータ軸１６又は蒸気タービ
ン４の一端側のロータ軸１０が嵌挿されている。第４図
（→に示す如く間隔りに保持されていたダイヤフラムカ
ップリング１０６は上記の伸び差Ｘを吸収し第４図（ｂ
）に示す如くダイヤフラム１４は変形し、その軸方向に
圧縮され間隔Ｌ−ｘに保持される。

又、軸心が変位δだけ狂った場合には第４図（Ｃ）に示
す如く、間隔りをほぼ保持しながらダイヤフラム１４は
捩れ変形し、変位δを吸収する（なお明瞭な図示のため
、第４図各図には中心線を付すと共に、断面を示すハツ
チングは省略した）。以上の如く、可撓部材であるダイ
ヤフラム１４により上記伸び差Ｘや変位δが無理なく吸
収され、小さなスラスト反力が発生するに過ぎない。又
、無給油で使用され、かつ、バランス取りも一度行うだ
けでよい等の多くの利点を有するため、複合サイクルプ
ラントの可撓継手６としてはダイヤフラムカップリング
１０６が採用されるようになってきている。

しかしながら、このダイヤフラムカップリング１０６を
採用する際にダイヤフラム１４の信頼性が問題となる。

上記の如く、ダイヤフラム１４には、遠心力に起因する
遠心応力、トルク伝達のための捩れ応力をはじめ、上記
伸び差による軸方向の変位やアライメント不備によって
生ずる変位に基づく引張又は圧縮応力および曲げ応力が
作用する。このような各種の応力の作用によりダイヤフ
ラム１４が運転中破損すると、ダイヤフラムカップリン
グ１０６が飛散するのみならず、発電機３のロータ軸１
６および蒸気タービン４のロータ軸１０まわシの部品が
破損し、これが飛散するような計り知れない事故が発生
する。このためダイヤフラム１４の異常を診断すること
が必要となシ、従来においてもその異常診断手段が採用
されていた。その１つの手段としては、ダイヤフラム１
４（９） の表面に歪ゲージを直接取シ付け、その応力を測定して
異常を診断する手段が採用されている。しかし、ダイヤ
フラム１４には通常３０００ｒ、ｐ、ｍ又は３６００ｒ
、ｐ、ｍの高回転で回転するため、５０００Ｇ以上の遠
心加速度が作用するため、歪ゲージをダイヤフラム１４
の光面に確実に接着保持せしめることが困難である欠点
を有していた。更に、歪ゲージの測定値を検出するテレ
メータ等と歪ゲージとの距離が長くなシ検出精度が低下
する欠点も有していた。又、ダイヤフラム１４は必ずし
も表面からのみ破損するものでなく、異常の発見が遅れ
る欠点も有していた。

又、他の手段として、ダイヤフラムカップリング各部の
振動を監視し、ダイヤフラム１４の異常を診断するもの
がある。しかし、ダイヤフラム１４の破損が直接振動に
つながらない場合もあυ、正確にダイヤフラム１４の異
常を診断し得ない欠点を有していた。

又、上記２つの手段とも、ダイヤスラムカップリング１
０６の異常診断のみに着目し過ぎておシ、（１０） スラスト軸受Ｂ８に加わる反力を診断対象にしていない
ため複合サイクルプラント軸系の全体的の異常診断に対
しては不充分である欠点を有していた。

本発明は以上の欠点を解決すべく創案されたものであり
、その目的は機器間に設けられた可撓継手の異常を適確
に診断すると共に、この診断結果によって上記機器の運
転条件を調節し、軸系の異常発生を防止する複合サイク
ルプラント軸系の異常診断装置を提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するために、可撓継手を有す
る発電器、蒸気タービン等の機器間の軸上に応力測定手
段を設け、検出手段によってこの応力信号を検知し、こ
れを上記機器の固定側に設けられた演算手段に入力し、
上記可撓継手に生ずる応力値を換算すると共に、正常定
格運転時に上記可撓継手に生ずる許容応力値を求め、こ
の許容応力値と上記応力値とを比較手段および判断手段
により比較判断し、その結果によって上記機器の運転条
件を制御するようにした複合サイクルプラ（１１） ント軸系の異常診断装置を特徴としたものでちる。

以下、本発明の一実施例を図に基づき説明する。

まず、本実施例の概要を説明する。

第１図に示すごとく、発電機３と蒸気タービン４との間
には可撓継手６が設けられ、この可撓継手は第３図およ
び第５図に示す如きダイヤフラムカップリング１０６が
採用されている。第５図において、スリーブＢ１５の外
周面上には応力測定手段でおる歪ゲージ１８が取り付け
られている。

歪ゲージ１８には、この歪量を検出し、その検出信号を
発信するテレメータ方式からなる検出手段１９が係合し
ている。検出手段１９によシ検知された歪量は第６図に
示す如く受信器２０に入力された後、上記蒸気タービン
４等の固定側に設けられた演算手段である演算器Ａ２１
および演算器Ｂ２２に入力される。演算器Ａ２１は上記
歪量を応力値に換算する。演算器Ｂ２２には予めスリー
ブＢ１５に生じた応力値に対応するダイヤフラム１４に
作用する軸方向反力および曲げモーメント値等の換算係
数が記憶されているため、スリーブ（１２） Ｂ１５に生じた応力値からダイヤフラム１４に作用する
軸方向反力および曲げモーメントの値を求めることがで
きる。一方、比較手段２３には予め、正常定格運転時に
おけるダイヤフラム１４の上記軸方向反力および曲げモ
ーメント値等の許容値が記憶され、これ等の許容値と上
記実測値とが比較される。次に、この比較信号が判断手
段２４に入力され、上記実測値が許容値をこえる場合に
は運転制御手段２５に信号が発信される。運転制御手段
２５に信号が発信される。運転制御手段２５にはガスタ
ービン２、蒸気タービン４等に係合する運転制御装置２
５ａ、２５ｂ等が接続され、運転制御手段２５による制
御信号はこれ等の運転制御装［２５ａ等に伝達され、ガ
スタービン２、蒸気タービン４等の出力等を調節し、発
電機３の負荷調整を行う。以上により、ダイヤフラム１
４に加わる応力が低減され、ダイヤフラムカップリング
１０６の破損や、複合サイクルプラント軸系の異常発生
を回避することができる。

次に、本実施例を更に詳しく説明する。

（１３） 第５図および第６図に示す如く、ダイヤフラムカップリ
ング１０６のスリーブＢ１５の外周面上には応力測定手
段である歪ゲージ１８が取付゛けられている。歪ゲージ
１８は第５図等には簡略に表示しであるが、スリーブＢ
１５の軸方向および曲げ方向の歪量を検知し得るように
複数個配列される。歪ゲージ１８の歪量を検出し、これ
を上記機器の固定側に取り出す検出手段としては衆知の
テレメータ方式によるものや、スリップリング方式によ
るもの等があるが、本実施例では図に示す如く、テレメ
ータ方式による検出手段１９を歪ゲージ１８に係合せし
めて配置している。

次に、第６図に示す如く、固定側には受信器２０、演算
手段である演算器Ａ２１、演算器Ｂ２２、比較手段２３
、判断手段２４がそれぞれ設けられている。検出手段１
９によって検知された歪量の信号は受信器２０に入力さ
れる。そして、その歪量の信号は演算器Ａ２１に入力さ
れる。一般に弾性限界内においては歪量は応力に比例す
るため、一定の換算係数を予め記憶せしめることに（１
４） よシ上記歪量は応力値に換算される。又、ダイヤフラム
カップリング１０６のスリーブＢ１５の軸方向応力に対
応するダイヤフラム１４の軸方向応力との関数を予め求
めておけば、演算器Ａ２１によりダイヤフラム１４の軸
方向に作用する力を求めることができる。しかし、第４
図Ｃに示した如く、ダイヤフラムカップリング１０６は
変位δが生ずる場合が多く、スリーブＢ１５には軸方向
のみならず曲げ方向の応力が作用し、当然ながらダイヤ
フラム１４にも軸方向反力と曲げモーメントとが作用す
る。

第７図において、横軸は時間Ｔを光わし、縦軸はスリー
ブＢ１５に加わる応力（引張応力σ丁。

圧縮応力σＣ）を表示する。スリーブＢ１５が単純な引
張を受ける場合には直線Ａで示す如く、時間Ｔに無関係
に一定の引張り応力が作用する。従って、上記した如く
、演算器Ａ２１により、ダイヤフラム１４の軸方向反力
を求゛めることかできる。

しかし、一方、第４図（Ｃ）に示す場合には第７図の曲
線Ｂの如き応力が作用する。演算器Ｂ２２は（１５） このような場合にダイヤフラム１４に加わる軸方向反力
と曲げモーメントの値を換算するものである。図に示す
如く、曲線Ｂは時間Ｔによｐ波状に変化しながら進む。

平均応力σＭは設定された単位時間内の曲線Ｂの応力を
積分し、これを上記単位時間で除算することによって求
められる。又、単位時間内における最大応力と最小応力
との差を求めることにより応力振幅σ２を求めることが
できる。平均応力σＭによりダイヤフラム１４の軸方向
反力が換算され、応力振幅σＦによりダイヤフラム１４
に加わる曲げモーメントの値が求められる。なお、同様
の手段により、第７図の８曲線と異なる回転数に同期し
ない非線形のものも求められる。

一方、比較手段２３には、正常定格運転時におけるダイ
ヤフラム１４に加わる軸方向反力および曲げモーメント
値を実測又は計算によって求め、これをダイヤフラム１
４の許容値とし、予め記憶させておく。そして該許容値
と上記の実測値とを比較し、この比較信号を判断手段２
４に入力する。

（１６） 判断手段２４は実測値が許容値を越えると、運転制御手
段２５に信号を発するように構成されている。第８図は
上記の糸路をブロック線図により説明したものである。

又、第６図に示す如く、圧縮機１、ガスタービン２およ
び蒸気タービン４にはそれぞれ運転制御装置２５Ｃ，２
５ａ、２５ｂが係合している。上記の運転制御手段２５
に判断手段２４から入力された信号はここで分析される
。この分析結果によυ、運転制御手段２５から各運転制
御装置２５ａ等に対し制御指令が送られる。この指令に
より、ガスタービン２等は出力ダウン、停止２回転数ダ
ウン等の運転条件が制御される。

スリーブＢ１５への歪ゲージ１８の取付けはダイヤフラ
ム１４ＶＣ直接歪ゲージを取付けた従来技術に比べては
るかに確実のものであり、歪変化は正確に把握すること
ができる。又、演算器Ａ２１、演算器Ｂ２２により、ダ
イヤフラム１４の軸方向反力お工び曲げモーメント値も
正確に把握することができる。従って、ダイヤフラム１
４の実測値（１７） と許容値との差が適確に把握され、実測値が許容値を越
えた場合には各機器の運転条件が直ちに調節されるため
、ダイヤフラム１４の異常が即時解消されることになる
。以上により、複合サイクルプラント軸系の異常発生が
解消される。

又、ダイヤフラム１４に加わる軸方向反力は、スラスト
軸受Ｂ８に作用する軸方向力に相当するものであるから
、上記制御は単にダイヤフラム１４の破損防止のみなら
ず、スラスト軸受Ｂ８の焼付を防止し、複合サイクルプ
ラント軸系の異常発生を防止することになる。

次に、別の実施例を説明する。

上記の実施例では、ダイヤスラムカップリング１０６の
スリーブＢ１５の外周面上の１箇所にのみ歪ゲージ１８
を取付けたが、本実施例では、第５図に示す如く歪ゲー
ジ１８の反対側のスリーブＢ１５の外周面上に歪ゲージ
１８ａを取付けたものである。この場合には、第９図に
示す如く、時間Ｔの変化に対し、曲線Ｃおよび曲線りの
応力モードが得られる。曲線Ｃと曲線りとの応力の平均
（１８） 値を求めれば、平均応力０丁が求まり、時間Ｔの変化に
無関係に軸方向反力を求めることができ、かつ、平均応
力σＴの値の精度も向上する。

勿論、歪ゲージ１８は上記の２箇所に限定するものでな
く、複数個のものを使用し、よプ精度を向上せしめるこ
とができる。

次に、上記の実施例はすべて、歪ゲージ１８はダイヤフ
ラムカップリング１０６のスリーブＢ１５に取付けたも
のであるが、第５図および第６図に示すごとく、スラス
ト軸受Ｂ１８とラジアル軸受９との間のいずれの箇所で
もよく、例えば、発電機３の他端側ロータ軸１６上に歪
ゲージ１８ｂを取付けたもの、蒸気タービン４の一端側
のロータ軸１０上に歪ゲージ１８Ｃを取付けたものであ
ってもよい。上記と同様にこれ等の歪ゲージ１８ｂ。

１８Ｃの検出値により上記と同様の手段によシダイヤフ
ラム１４の異常を診断することができる。

第１０図は更に別の実施例のブロック線図を示したもの
でおる。図において同一符号のものは上記実施例と同一
の手段を示す。

（１９） 上記の如く、ダイヤフラムカップリング１０６には伸び
差に相当する伸縮が与えられる。この伸び差値２７は発
電機３等の出力値２８に比例する。

そこで、正常定格運転時における出力値２８に相当する
伸び差値２７を実測又は計算によって求め、これによっ
て演算器Ｃ２６によりダイヤフラム１４の軸方向反力の
許容値を換算し、この値を比較手段２３に伝達する。比
較手段２３では上記実施例と同様にこの許容値と実測値
とを比較し、ダイヤフラムカップリング１０６の異常を
診断することができる。

以上の実施例において、ダイヤフラムカップリング１０
６を発電機３と蒸気タービン４との間にのみ設けたがこ
れに限定するものでない。又、応力測定手段も勿論歪ゲ
ージに限定するものでない。

以上の説明によって明らかの如く、本発明によれば、発
電機、蒸気タービン等の機器間に設けられた可撓継手の
異常を適確に診断すると共に、この結果によって上記機
器の運転条件を制御し、可撓継手の破損を防止し、かつ
、複合ザイクルプラ（２０） ント軸系の異常発生を防止し得る効果を上げることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合サイクルプラントの構成図、第２図はギヤ
カップリングの構成を示す断面図、第３図はダイヤフラ
ムカップリングの構成を示す断面図、第４図（ａ）ない
しくＣ）はダイヤフラムカップリングの動作を示す説明
図、第５図は本発明一実施例のダイヤフラムカップリン
グに応力測定手段を取付けた状態を示す斜視図、第６図
は該−実施例の構成図、第７図は一実施例における応力
分布状態を示す線図、第８図は該実施例の動作を説明す
るブロック線図、第９図は別の実施例における応力分布
を示す線図、第１０図は更に別の実施例の動作を説明す
るブロック線図である。 １・・・圧縮機、２・・・ガスタービン、３・・・発電
機、４・・・蒸気タービン、６・・・可撓継手、７・・
・スラスト軸受Ａ、８・・・スラスト軸受Ｂ、９・・・
ラジアル軸受、１０・・・蒸気タービン側のロータ軸、
１１・・・カップリングポスＢ１１２・・・ダイヤフラ
ムカバＢ１１３（２１） ・・・ボルトＢ１１４・・・ダイヤフラム、１５・・・
スリーブＢ１１６・・・発電機側のロータ軸、１８，１
８ａ。 １８ｂ、１８Ｃ・・・歪ゲージ、１９・・・検出手段、
２０・・・受信器、２１・・・演算器Ａ、２２川演算器
Ｂ、２３・・・比較手段、２４・・・判断手段、２５・
・・運転制御手段、２５　ａ、２５ｂ、２５Ｃ・・・運
転制御装置、２６・・・演算器Ｃ１２７・・・伸び差値
、２８・・・出力値、１０６・・・ダイヤフラムカップ
リング。 代理人　弁理士　秋本正実 （２２） 隼　２　図 １０２ 第　３　図 ２ ｏ６ 第　４　国 、１７　　目 茅δ目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービン、発電機および蒸気タービンを一軸上
   に配置し、各機器間に可撓継手を設け、上記軸上の応力
   を測定し、上記可撓継手の異常を診断する複合サイクル
   プラント軸系の異常診断装置において、上記軸上に応力
   測定手段を設け、検出手段によって上記応力信号を上記
   機器の固定側に設けられた演算手段に入力し、該演算手
   段により上記可撓継手に作用する応力値を演算すると共
   に、正常定格運転時における上記可撓継手の許容応力値
   を求め、該許容応力値と上記応力値とを比較手段および
   判断手段により比較１判断し、上記各機器に係合する運
   転制御手段に上記判断信号を入力し、上記各機器の運転
   条件を制御するように構成したことを特徴とする複合サ
   イクルプラント軸系の異常診断装置。 ２、ダイヤフラムカップリングからなる上記可撓継手を
   上記発電機と蒸気タービンとの間に設け、該ダイヤフラ
   ムカップリングのダイヤスラム支持部に上記応力測定手
   段を装着せしめ、上記ダイヤフラムカップリングのダイ
   ヤフラムに生ずる応力値を換算するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の複合サイクルプラ
   ント軸系の異常診断装置。 ３、上記正常運転時における上記各機器間の」二記軸間
   の伸び差を求め、該伸び差から上記可撓継手内に生ずる
   上記許容応力値を演算するように構成したことを特徴と
   する複合サイクルプラント軸系の異常診断装置。