JPS60178905A - タ−ビン振動監視装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、蒸気タービン・発電機のような高速回転機械
の軸振動を測定監視する振動監視装置に係り、特に地震
発生時において不必要にタービントリップ等が起らない
ようにしたタービン振動監視装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

発電プラント等で使用される蒸気タービン等の高速回転
機械の運転において最も重要なことは。

その軸振動を全ての運転状態において適正なレベルに抑
えることである。

ところで、軸振動過大の徴侯は、タービン起動時や負荷
変化時に現われることが多く、振動は一般的な数多くの
運転監視項目のなかでも特に厳重な監視が要求されてい
るものの一つである。

また、原子力発電プラントは大容量化の進展とともに１
日本国内のベースロードとしての重要な役割を担ってい
るため、その主要機器であるタービン・発電機等の回転
機械の信頼性向上が一段と強く要求されるに至っている
。したがって１回転機械の信頼性の指標である振動の計
測は極めて重８、要であり、そこで使用される振動計も
信頼性の高いものでなくてはならない。同様をこ振動計
をセンサーとする振動監視装置も高信頼性を有するもの
でなくてはならず、例えば振動計の誤動作等で蒸気ター
ビンが緊急停止するようなことがあれば、社会生活に困
難を与えることは必至であり、振動監視装置の構成ｌこ
は十分な注意が必要である。

このような観点から、火力発成プラント３よび原子力発
成プラントで用いられている蒸気タービン発電機には、
タービンロータ、発成機ロータの軸振動を常時監視し、
その振動振幅値が或値以上ζこなると−ｇ報を発して運
転員にその異常を矧らせる自動警報装置、或は少動憑幅
値がさらに大きくなって設定値以上ζこなると、蒸気タ
ービンの入口蒸気止め弁を急閉させることによって自動
的にトリップ（運転停止）させる自動トリップ装置が安
全上設置されている。

第１図は、タービン発電機の一般的な振動計測点を示す
図であって、高圧タービンロータ１．低圧タービンロー
タ２．３よび発１機ロータ３は、一本の軸系としてフラ
ンジ結合され、各ロータ胴部の前後のジャーナル部４に
おいて軸受５によって支承されている。

ところで、上記軸受５に！！２図１こ示すようζこ通常
振動計６が装着されている。すなわち、４礎台７上に設
置された軸受台８に上記振動計６の外筒９が固着されて
いる。上記外筒９内にはバネｌＯｌこよって軸受５内に
付勢された検出杆１１が同心状に設けられ、その検出杆
１１の先端がジャーナル部４に圧接され、さらに上記検
出杆１１の基端に検出器１２が装着されている。

しかして、ジャーナル部４がｔ緩動すると、それ１３接
触している検出杆１１によりその振・幼が検出器１２−
こ伝達される。上述の如き接触型の振動計６では、゛検
出器１２は普通速度計或は加速度計で構成されているた
め、ジャーナル部４の絶対振動を検出杆ｌｌを介して速
度或は加速度として検出することができる。そこで、上
記振動針６からの出力は積分器１３Ｉこより積分され変
位信号ｔこ変喫される。なお、振動計６の型式としては
軸受台８とジャーナル部４との相対変位の変化を直接検
出できる変位針を使った非接触型のものもある。ところ
で、上記変位信号は整流器１４により整流され、変位の
絶対値である振動振幅変化に変化された後比較判断装置
１５１こ入力される。

上記比較判断装置１５１こは振幅信号を予め定められた
振動制限値すなわち警報値或は停止値と比較する演算回
績が組込まれており、ジャーナル部４の振動振幅が１１
ｉＦ報値以上になると、置載装置ｆ１６ｆこｉｉＦ報信
号を出力し、ざらにｒｉ動が増大し停止値以上になると
、トリップ装［ｔ１７に停止信号を出力する。そこでｉ
ｆ報装置ｔ１６或はトリップ装置１７は、それぞれ上記
比較判断装置工５の出力に応じて警報を発して運転員ζ
こ異常を知らせ、或はタービン発′或機をトリップさせ
る。

上記比較判断装置１５は、各軸受５に装着された振動計
６ｉこ対応して設けられて２つ、各比較判断装置ｉ５の
出力信号が第３図に示すようにそれぞれ共通の警報装置
１６３よびトリップ装置１７に入力されるようにしてあ
り、一つの振動監視装置が構成されている。

このようなタービンｌこおける振動監視装置は、ロータ
の不釣合撮動、ラビング、オイルホイップ、スチームホ
ワール等のタービン発′這機自身の内的要因に起因して
発生する振動に対して、タービン発電機を保護し、安全
性を向上させることが主目的となりている。ところが、
振動計６は第２図のように取付けられた絶対振動計であ
るために、ジャーナル部４がＳ動したときのみならず、
軸受台８を含めた全体が振動しても、その振動を感知す
ることになる。このような現象は相当に大きな外力が作
用しない限り発生しないけれども、無視し併ない場合と
して地漬時等がある。

ところで、一般に軸受台８は、第４図に示すように、基
礎台７に固定されており、その基礎台７はマット１８上
に据付けられ、さらにそのマット１８は地盤１９上に］
＠置されている。したがって、地震が発生ｒると、その
振動は地盤１９よりマット１８に伝わり、さらｔこ基礎
台７を介して軸受台８Ｓよびジャーナル部４が加振され
る。

このタービン・発ｉｔ＋ｊ＆とタービン基礎台からなる
振動系をモデル化すると、第５図１こ示すようｌこ、第
１図における高圧タービンロータ１、低圧夕≠ビンロー
タ２、および発電機ロータ３の合計質量ｌこ相当する質
量２０と、タービン・発電機基礎台７の剛性に相当する
バネ２１と、減衰項を代表するダンパー２２とからなる
一般的なバネ質量系に置きかえることができる。上記ロ
ータの合計９８に相当する質量をＭ、バネ２１のバネ定
数をＫ、ダンパー２２のダンピング係数を１）とｒると
、マット１８に付加される外力Ｘ　１：　Ａ、　Ｓ　ｉ
ｎωｔに対するタービン・発電機の応答は、入力振幅ム
に対する応答振幅Ａ２の比率で表わすと、次に示すよう
になる。

ω０ ここで、η＝□ ω ω。：タービン発電機を含む基礎台系の固有振動数 減衰が小ざい系であると、地鴛波が有する周波数成分と
基礎台系の固有振動数が一致した場合、すなわちη＝１
の場合、基礎台の上に載っているタービン発電機の振動
は大きくなる。その加振力は、基礎台７の振動特性ｌこ
依っても異なるが、マット１８での加損力の２〜５倍程
度ｌこまで達することがある。また、振動計６は軸受台
８全体が振動しても、その振動変位を感知するようにな
っているため、地震のような外力が基礎台に働いても、
その振動変位量が停止値に達した特には、やはりトリッ
プ装置１７に停止信号を出し蒸気タービンがトリップす
ることになる。

振動変位と加速度の関係は次式で表わされる。

δ＝αＸ９８００／（２πｆ）！　・・・・（２）ここ
で、δ：振動変位 α：加速度 ｆ：周波数 この式かられかるように、小さい加速度であっても周波
数が低い場合には大きな変位が生じる。

例えば、加速度が０．０５Ｇ、周波数が５　Ｈｚとする
とその変位はＱ、５ｍｍとなる。前述のように、基礎台
を伝わることによって地震波は増幅されて軸受台７１Ｃ
入力されるが、例えばその脹動応答倍率が２であると、
マット１８が０　、０２５Ｇの地貞動で加振されるとき
、軸受台７は０．０５Ｇで加振され、その変位が０．５
４１Ｔｒｌまで増幅されることになる。したがって、こ
れが停止値を越えていれば、比較判断装置Ｉ５は停止信
号を出力し、蒸気タービンはトリップしてしまう。地震
波には多くの周波数が含まれ、（１）式かられかるよう
にそれぞれの周波ｅｔｃよって振幅応答倍率も異なるた
め、このような単純な計算では十分ではないが、この検
討結果は少なくとも０．０２５Ｇ程度の小さな地震が生
じても蒸気タービンがトリップし、プラントからの送゛
亀が停止するきいう可能性を示すものである。

以上は、振動計６が地震波或は増幅された地震波を軸受
台８を介して直接惑乱してトリップに至る場合であるが
、このほかこの地震波が軸受台８への加撮力となり軸受
５とロータジャーナル４との間に強制外部変位を与えた
結果として誘起される一時的な大損幅によりトリップ装
置こ至る場合があるＯ 前者に対してはそれに対処するための技術が確立されて
いるが、後者の現象は最近の事例解祈により明らかにな
ったものであり、前者に対する処置が完全であったとし
ても依然として地震による不用意なタービントリップの
可能性が残っていることになる。一方、ベースロードを
担っている犬容漬タービン・発電機が不必要にトリップ
した場合ｔこは、ｔカ系統に及ぼす影響が極めて大きく
、広域全停電事故に発展して１社会的混乱を招く。

したがって１例え地震時といえどもそれによって発生す
る軸振動現象に的確に対処できるようなタービン振動監
視装置が要望されるようになった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、地震の発生によって不必
要にタービントリップが生ずることがなく、タービント
リップの機会を必要最小限にとどめることができるよう
にしたタービン振動監視装置を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は回転軸の振動を連続的に検出する振動検出装置
と、その振動検出装置より検出された振動信号を予め定
められた振動制限値と比較し、上記振動信号が振動制限
値を超えた場合に、ユニットを自動的に停止させるため
のトリップ信号を出力する比較判断装置ｌと、そのトリ
ップ信号を入力してユニットを自動停止させる自動トリ
ップ装置を有するタービン振動監視装置において、地震
を検知する装置を設け、地震発生時にその地震検知装置
から出力される地震信号によって、上記振動制限値を通
常運転用の振動制限値からそれより高位の地震時振動制
限値に切替えるようにしたことを特徴とするものであり
、地震発生時に不必要なタービントリップが生じないよ
うにしたものである。

〔発明の実施例コ 以下、第６図乃至第１５図を参照して本発明の実施例ｔ
こついて説明Ｊ−る。なお、図中前記従来装置と同一部
分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。

第６図は本発明のタービン振ｔｄＪ”Ａｔ説装置の概略
系統図であって、各比較判断装置１５には振動計６から
の信号ばかりでなく、別に併設された地震検知装置乙か
ら出力された地震信号も入力されるようにしてあり、上
記地震信号によって比較判断装［１５の振動制限値か１
通常運転用振動制限値から地震時振動制限値に切替イつ
るようにしである。

すなわち、第７図は比較判断装置ｉｉルこ使用される一
般的な通常振動制限値の講成例を示す図であり、振動振
幅値の成るレベルに対して異常状態の発生を運転員に告
げるための警報値ム、異常の進行によりユニットを停止
すべきＳ幅値に遅したことを告げ自動トリップ装置１７
１こトリップ信号を出力するトリップ１１ｆ２５．およ
び場合〆こよっては停止値に達してもトリップ信号が出
力しない誤動作時に対処するためのバックアップトリッ
プ値２６から構成されている。そこで、振動Ｓ幅値が大
きくなりトリップ値５以上になり、或はバックアップト
リップ値談で達すると、第８図（ａ）或は第８図（ｂ）
に示すようｆこ、タイマー２７を経てユニットトリップ
信号が出力されてユニットのトリップが行なわれる。

これに対し９本発明においては第９図（ａ）および（ｂ
）に示すように、地震検知装置間から発生された地震信
号−こよって、比較判断装置ｔＬ５の通常運転制限値で
ある振動大トリップ値２５が殺され、それより高位のバ
ックアップ）　ＩＪツブ値局のみが残される。しかして
、地震が発生した場合ｌこＳいても、振動振幅がバック
アップトリップ値以下の場合には自動トリップ装置１７
が作動することはなく、不必要なタービン）　ＩＪツブ
が生ずることが防止される。

また、第１０図（ａ）　、　（ｂ）？こ示すようｌこ、
地震信号によって振動大トリップ値２５とバックアップ
トリップ値２６の両方を殺し、それらよ゛り高位レベル
の地震時トリップ値２８に振動市１］限値を切替えるよ
うにしても、同様の効果を奏する。

なお、上記のいずれの方式を採用するかは、バックアッ
プ！・リップ値２６の設定方法如何Ｃとよって決定すべ
きもので、それが振動大トリップＩｆｆ、２５の単純な
バックアップとしてそれよりもわずかに上のレベルに設
定されるならば、第１０図（ａ）のように。

それよりも上位のタービン発電機軸受の強度限界から定
まる地震時トリップ値あを設けるべきである。一方、バ
ックアンプ）　ＩＪツブ値２６が初めから軸受強度限界
をベースに設定されているならば。

第９図（ａ）に示すようζこ単純に通常運転制限値であ
る振動大トリップ値５を殺すようｌこするだけでよい。

ところで、上述の如き制限値の切替えは、上述のようｔ
こ地震検出装置２７からの地震信号で行なってよいが、
第１１図および第１２図に示すように、地震検知装置２
７からの地震信号と、振動計６からの振動大信号の両方
が出力されたときに制限値の切替えを行なうようｌこし
てもよい。この場合の振動大の信号は振動大トリップ値
５よりも低い任意の値が選定できるが１通常運転制限値
である振動大警報値２４を使用することが最も実際的で
ある。しかして、振動が警報値以下に納まった時点、或
は地震が納まった時点で、自動的ｌこ通常運転用の制限
直にもどることになるとともに、地震検知装置の誤動作
を防止することが可能となる。

なお、前記地震検出装置詔は地震計を使用し、或一定撮
幅以上の地震で地震信号を出力するようにしてもよいし
、感震計を使用して一定強度の地震で地震信号を得るよ
うにしてもよい。さらにこれらの地震検出装置乙は第１
３図の如くタービン発電機基礎台７のマツＨ８ζこ設置
してもよく、第１４図に示すよう【こ上記基礎台７１こ
設置してもよい。

第１３図のようにマット１８ζこ設置すれば、発生ずる
地震の強度に関係づけらｎた設定が可能であるが、第１
４図のように基礎台７に設置する場合には、振動応答倍
率を考慮した設定が必要になる。ただし。

後者の場合軸受５の強度に関連づけた設定値にできると
いう利点がある。

また、上記実施例１こおいては地震計等からなる地震検
知装置を設けたものを示したが、地震発生時においては
、タービン・発電凌軸系の軸方向に配設された複数個の
軸受の振動計が特に遠く離れたものでも同時に振動大現
象を示すことから、各軸受にそれぞれ設けられた振動計
により第１５図（ａ）のように２つの軸受の振動が振動
大警報値に達した時、或は第１５図（ｂ）のようｌこ３
つの軸受の振動が振動大擾報値に達した時に信号が出力
されるようｆこし、これによって地震発生を検知しその
出力信号を地震信号としてもよい。

ところで、比較判断装置における通常運転用振動制限値
は、前述の如くロータ系の不均合振動、ラビング、オイ
ルホイップ、スチームホワール等の内的要因に起因する
振動増加に対して、蒸気タービン・発電機を保護するこ
とを目的とし、通常振動レベルからの上昇傾向をできる
限り早期に発見するためｌこ、ロータ系を支承する軸受
の強度限界よりもずつと低目に設定されるのが普通であ
る。

すなわら、一般的に大振動の危険性は回転部と静止部の
接触にあり、ロータの局部加熱の結果として生じるロー
タの熱的り現象によってその傾向が発散性を帯びてくる
ため１通常運転用振動制限値はできるだけ低く設定され
ている。

これに対し、地震時におけるロータ系の応答は。

第５図のような振動系が安定位置から強制外部変位を与
えられた場合に相当するが１通常の設計によるタービン
・発電機軸系の振動特性は剛性が極めて高＜、ロータ系
と軸受および軸受台は一体となりて動くことが解明され
ている。このような場合には、振動計が地震動を検出し
ないように振動計側で処置すればよいが、地震動がその
ままロータと軸受との相対振動として現われる場合は、
第５図で示される振動系の固有振動数が８〜ｌＯＨ２と
いわれる地震の卓越周波数に比較的近い場合であり、こ
のときロータは一時的ではあるが、地震波と固有振動数
に相当する周波数の重畳された波形を有し、通常運転用
振動大トリップ値を超えるような大振動を惹き起づ−こ
とになる。このような例は４極機の大容量蒸気タービン
・発電機で見られ、定格回転数が１５００或は１８００
　ｒｐｍのユニットであることから、１２〜１５Ｈｚ近
辺に固有振動数をもつことが多く、シたがって地震の影
響を大きく受け易いことになる。

ところが、地震時の大振動は、儀幅値としては軸受間隙
に匹敵するほどの大きさになることもあるけれども、そ
の周波数は地震波動の周波数あるいは系の固有振動数で
あることから、定格回転周波数よりも十分低いという特
徴８Ｍする。したがつて、この振動によってラビングを
生じたとしても９回転量期成分を有しないために口・−
夕の局部加熱には請びつかず、凹りには至らない。この
ようｌこ４．層液によって励起される大振動は、地震動
が収束すれば収束することとなり、発散性の振動現象に
発展する恐れは殆どなく、極めて安定な性質を有すると
いうことができる。そのため、この場合安全運転の限界
を与えるものはロータ系を支承する軸受側の強度で与え
られ、それを基準として設定された振動ｊｂ（ｊ限１直
で監視すればよいこととなる。すなわら、地震波によっ
て起こされる大振動に対して前述のように低い値に設定
されている通常運転用振動制限値を適用する必要はない
。

このようなことから１本発明のように振動１ｔｔｉｊ　
Ｐ、ｌｌ値を地震発生に応じて地襄時用振動制限値に切
替えてもその安全性には何ら問題はなく、この切替ｌこ
よって地震発生と同時にタービンがトリップすることを
防止でき、不必要なタービントリップの発生をなくすこ
とができる。

すなわち、今４億機ユニットである大容量原子であるト
リップ値は２５／１００ｍｍに設定されているが、軸受
強度限界からこｎを定めると３５／ｌ　Ｑ　Ｑ　ｍｍ或
はそｉｔ以上の熾幅値まで許容することができ、十分余
裕をもって地ＪＪこよるトリップを避けることが可能と
なる。また、万一、地震動の最中に発散性の振動に発展
４″′ることがあったとしても、前述の如く地震の収束
に前後して地贋時振動制限匝が通常運転用制限値に自動
的に戻るためｌこ、その時点で自動トリップ装置が作動
し、それ以上の振動増大を防止することができ、機器本
体に損傷を及ばず恐れは全（無い。

〔発明の効果Ｊ 以上説明したようｋこ５本発明６とおいては地震発生時
にその地震信号によつ−Ｃタービン振動監視装置ζこお
ける比較＠Ｗｒ裟りの倣動’＋ｔｉｔｌ限値を通常運転
用の振動？ｔｉｌｌ限１直からそれより高１立の地漬時
振動制限値に切替入るようＶこしたので、地震動による
軸振動増加に対して、不用意なトリップ作動を防ぎ機器
の強度上の設計限界近くまで運転を継続することができ
る。したがって、はんのちょっとした地震でタービン発
電機がトリップすることがなくなり、運転耐用性を著る
しく向上させることができ、より一層安定した岐力供給
を行なうことができ、大電力ストツブによる混乱を未然
に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービンの軸系の説明図、第２図は振動監視装
置の振動針の軸受への取付構造説明図、第３図は従来の
タービン振動監視装置の概略系統図、第４図は基礎台を
含めたタービン発電機の軸受部ｌこ８ける縦断面図、第
５図は第４図の装置の振動系をモデル化した図、第６図
は本発明の５ＩＩｌｂ監視装置の概略系統図、第７図は
タービン振動監視装置の振動制限値の説明図、第８図（
ａ）および（ｂ）はそれぞれ従来の振動監視の考え方を
示すブロック図、第９図（ａ）、第１０図（ａ）、第１
１図（ａ）、第１２図（ａ）はそれぞれ本発明の作動説
明図、粛９図（ｂ）、　ｇ１０図（ｂ）、ｉｎ図（ｂ）
、第１２図（ｂ）はそｎぞれ本発明の振動監視の考え方
を示すブロック図、第１３図および第１４図はそれぞれ
地震検知装置の設置状態説明図、第１５図（ａ）および
（ｂ）はそれぞれ地震検知手段として振動計そのものを
使用する場合の考え方を示すブロック図である。 １１・・高圧タービンロータ、２・−・低圧タービンロ
ータ、３・・・発を機ロータ、５・・・軸受、６・・・
振動計、７・・・基礎台、８・−・軸受台、１５・−・
比較判断装置、１６−・・警報装置、　１７・−・トリ
ップ装置、２３・・・地震検知装置。 出願人代理人　猪　股　清 名１目 ３ 躬２目 第３目 躬６目 躬り菌 躬υ目 （ａ） ７ （ｂ） 躬、９図 （ａ） （ｂ） 築１０菌 （Ｇ） ８ （ｂ） 第’１１図 （ｂ） 第１２目 （ｂ） 筋１３目 筋１４図 ５ ２１頁の続き ■Ｉｎｔ、ＣＩ、’　識別記号　庁内整理番号Ｇ　Ｏｌ
　Ｍ　１９１００　６６１１−２Ｇ１発　明　者　北　
村　理　横浜市鶴見区末広町２丁目事業所内 ・発　明　者　高　宮　滋　東京都千代田区内幸町１の
東京事務所内 ４　東京芝浦電気株式会社京浜 １の６　東京芝浦電気株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸の振動を連続的に検出する振動構出装置と、
   その振動検出装置より検出された振切信号を予め定めら
   れた振動制限１ｍき比奴し、上記感動信号がＯｉ動制限
   値を超えた”烏合に、ユニットを自動的に停止させるた
   めのトリップ信号を出力する比較判断ｔｃ置と、そのｔ
   −１，１ツブ信号を入力してユニットを自動停止させる
   自動トリップ装置を有するタービン振動監視装置におい
   て。 ４Ａを検知する装置を設け、地震発生時にその地震検知
   装置から出力される地震信号によって。 上記振動制限値を通常運転用の振動制限庫からそれより
   高位の地４時振動制限値ζこ切替えるようｌこしたごと
   を特徴とする、タービンｉＭ　動監睨装置。 ２、地震検知装置は、タービン基礎地盤或はタービン基
   礎台上ｌこ設置された地震計或は感婁計であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のタービン振動監視
   装置。 ３、通常運転用振動制限値から地震時振動制限値への切
   替えは、振動検出装置からの振動大信号と、地震検知装
   置からの地震信号の両信号が出力されている時に行なわ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のター
   ビン振動監視装置。 ４、地震検知装置は、タービン発成機の複数の軸受にそ
   れぞれ装着された振動計からなり、複数の振動計からの
   撮動大信号をもりて地震信号とすることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のタービン振動監視装置。