JPS60212602A - 動作シャフトの接地装置 - 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】 この発明は概して回転機械に関し、特に使用中その回転
機械の部分を電気的に接地し、かつ回転機械の種々の動
作状態に関する情報を提供するための装置に関するもの
である。

蒸気タービンのような成る種の回転機械の動作は、軸受
によって離間された場所に支持されている回転子もしく
はシャフト上に電荷の増加もしくは増強をもたらす。シ
ャフトは実際軸受における潤滑油の薄膜上にあり、従っ
て接地電位から電気的に絶縁されている。シャフト上の
過度の電荷の増加は潤滑油の膜を通して放電を生じ、結
局は軸受を損傷する。

このような放電を避けるために、電荷の増加に対する接
地への放電路を供給するために、回転する時シャフトと
接触する接地装置が提供される。接地装置の動作寿命の
間、膜の増加が生じ、それにより電荷に対する接地への
連続路がしゃ断される。それにより電圧がシャフト上で
成る臨界値まで増加され、油膜を通る放電が生じ軸受の
損傷をもたらす。

この発明はシャフト上のいかなる電荷の増加をも阻止す
るかもしくは最小にしてかかる軸受の損傷を避けるよう
にした装置を提供することにある。加つるにその装置は
タービンの種々の動作状態の診断をも可能とする。

この発明によれば、（Ａ）固定組立体と相対的に回転可
能でかつ回転中電荷の増加を受けるシャフトを有する回
転組立体と、（Ｂ）離間された軸受から電気的に絶縁さ
れかつそれによって支持されている前記シャフトと、（
Ｃ）前記シャフトと接触する第１の電気導通接触装置と
、（Ｄ）前記シャフトと接触する第一の電気導通接触装
置と、（Ｅ）前記第１および第一の接触装置間に接続さ
れ、前記第２の接触装置を通して前記シャフトに中性電
流を提供して前記第１の接触装置における電圧の関数と
して前記電荷の増加を禁止するよう動作可能のフィード
バック回路手段と、を備えたことを特徴とする動作シャ
フトの接地装置が提供される。

この発明によればまた、診断の目的で中性電流の指示を
得るための装置が提供される。　−第１図は回転電機の
一例を、その内部構造が良く知られている蒸気タービン
ｉｏとして示している。かかる構造は固定羽根と、１つ
または２つ以上の固定ケーシング内に配置された回転羽
根との双方を含んでおり、該回転羽根は回転子もしくは
シャフト／、２に接続されている。

シャフト／、２は、このシャフトを支持する型のそれぞ
れの軸受ｌｌＩおよびｉｓによって、離（３） 間された第７および第一の場所に支持されており・軸受
ｌｌＩにおいては数字１６によって示されている薄い油
膜上で、軸受／、１においては数字／７によって示され
ている薄い油膜上で回転する。この油膜はシャフトと軸
受との間に電気絶縁を提供する。軸受自体はそれぞれの
軸受台構造１ｇおよび１９上に支持され、それら構造／
ｇおよび／？は電気的観点から接地電位にある。

その動作状況により、シャフトノコは静電荷を作る傾向
にあり、その静電荷は蒸気タービンの場合には、動作中
シャフトに衝突する水滴からの電子沈積によるものと信
じられている。回転シャツ）／コは機械の固定部分から
電気的に絶縁されているので、潜在的に危険な電位差が
油膜／Ａ、／’／を横切って作られ得る。もし薄い油膜
の電気的定格を越えたならば電気放電がそれらを通して
生じてアークオーバすなわち弧絡を生じ、もしそれが続
くならば潤滑油の焼失、点食、擾乱運動、および結果と
しての軸受の故障となり得る。

第一図は時間の関数としての電圧状態を示している。電
圧は垂直メモリにプロットされており、電子過多によっ
ているので負である。時刻ｔｏ　に続いて電圧は電子沈
積により臨界値Ｖ□に立ち上る。この臨界値は油膜を通
して放電を可能とする大きさであり、かかる放電は時刻
ｔ１において見られるように電圧の急激な変化となる。

その後電圧は再び値ｖ１に上り、その時、時刻ｔ２にお
いてもう１つの放電が在じる。その後に続く立ち上りは
時刻ｔ３においてより低い臨界電圧ｖ２で放電され、こ
のような異った臨界レベルでの放電は例えば潤滑油の起
り得るゴミによる汚染によって起る。

この潜在的に危険な状態を防ぐために、一般的にシャフ
ト７．２を接地電位に維持するための手段が設けられる
。第１図においてはこれはシャフト／、２を軸受台構造
／９（または接地電位にあるタービンの他の何らかの固
定部分）に電気的に接続する接地装置を設けることによ
り達成されており、それ故タービンの回転部分と固定部
分との間に電流の放電路を作るようにしている。代表的
な接地装置が例として第ｊＡ図および第３Ｂ図に示され
ており、これからそれを参照して説明する。

第３Ａ図において接地装置はカーボングラファイトのよ
うな一対の導電性のブラシ３ｏおよび３１が備えられて
おり、それらブラシ３ｏおよびｊ／は、点３４１および
３よのまわりに枢軸回転可能な金属性のブラシホルダ３
コおよび３３によってそれぞれ担持されている。ブラシ
は回転しているシャフトｌ−に対して偏倚されるバネで
あり、数字３６で示される接地点に電気的に接続され、
それ故タービンシャフトに作られるどんな静電荷もブラ
シ並びにそれらのそれぞれのホルダを通して接地点に運
ばれる。

もう１つの型の接地装置が第３Ｂ図に示されており、シ
ャフトｌ−並びに数字４’／で示される接地点に電気的
に接触する金属性の平ひもの接地ストラップ４ｔｏを含
んでいる。

示されたような接地装置ではシャフトと導電ブラシもし
くはストラップとの間に不完全な電気接触があり、それ
放勢放電が生じる前に超えられなければならない臨界電
圧を生じる。この臨界電圧は動作および環境条件により
、連続使用でブラシまたはストラップ上に膜が作られる
結果として変化すると信じられている。それ故、接地装
置を装備しても軸受油膜を通して周期的な電気放電およ
びアークが生じ、前述したような問題を生じる。

第４１Ａ図はシャフトを接地もしくは実質的に接地に積
極的に維持するための最も簡単な形態でこの発明の一実
施例を示しており、シャフトから機械の固定部分へのア
ーク放電を避けるのを可能とする。第９図の装置はブラ
シｌＩ亭の形態にある第１の電気的接触装置と、ブラシ
ｌ！の形態にある第２の電気的接触装置とを含んでおり
その双方はシャフト７．２が回転する時それと接触を成
す。第１および第一のブラシの間にフィードバック回路
ダ３が接続されており、こ（７） の回路ａｔは、ブラシｔｉｔに現れる電圧の関数として
、シャフトノコ上に作られたどんな電荷をも避けるかも
しくは最小にするよう、ブラツク３に中和もしくは中性
電流を与える。

特にフィードバック回路は演算増幅器（ｏｐアンプ）り
Ｏを含んでおり、その増幅器ＳＯはブラシＩＩＩＩで電
圧を受けるように接続された第１の入力すなわち反転入
力３１と、接地として示されている基準電位に接続され
た第一の入力すなわち非反転入力３コとを有している。

ＯＰアンプＳＯの出力左３は中性電流を与えるようにブ
ラシｐｔに接続される。ＯＰアンプ５０の高い開ループ
利得を持って、シャフト１２は接地電位近くに維持され
る。この装置の簡単化された動作が、さらＩこ第グＡ図
および第グＢ図を参照して説明されるであろう。

第ダＡ図において、シャツ）７．２に接触している矢印
ｒｔは、シャフトへの水滴の衝突から成る割合で電子沈
積によって生じたシャフト電流を現している。矢印３９
は、シャフト上に作られた電荷１′中和するかもしくは
禁止するためにＯＰアンプ５０によって与えられる中性
電流を表している。抵抗Ｒ，はブラシ４１の抵抗と、ブ
ラシ上に作られた何らかの膜の抵抗と、ワイヤの抵抗と
を総括的に表す抵抗である。電流は正から負へ流れ電子
の流れは電流の流れと逆であるという規約を使用すると
、ｏｐアンプＳＯは電流３ｇと等しくかつ反対の電流５
デを提供する。特に成る抵抗Ｒ１でもって出力Ｓ３にお
ける電圧は、シャツ）／、２上での沈積電子がその沈積
とつり合った割合で取り除かれる大きさのものである。

もし電流５ｇが増加するならば、静電荷が作られ、シャ
ツ）／、２の電位（負の向きで）を増加しようとする。

ブラシ４ｔ＋によって検出され入力り／に与えられた負
の電圧の増加は、出力夕３に招いて成る大きさの対応の
正の増加を生じ、それは電流Ｓ９を増加して増加された
電流５ｇを調節し、それ故さらなる正味の静電荷の増加
を避けるようにする。

例としてシャフト電流ｓｒは１０ミリアンペア（ｍａ）
であり、抵抗Ｒ１がｉｏオームでありそしてＯＰアンプ
の利得が／　０．０００であると仮定しよう。出力５３
における電圧はｉｏｏミリボルト（ｍｖ）であり、抵抗
Ｒ１と関連してシャフト電流ｊざｌこ等しい／　Ｑ　ｍ
ａ　の電流Ｓりを提供すする。／　０．０００の利得な
ので入力ｊ／における電圧はＱ、ＱｌｍＶである。

電流ｓｒがコ０ｍａに上昇する傾向にあるならば、入力
３１に与えられるブラシＩＩｅの電圧の増加は、成る大
きさまでＯＦアンプの出力電圧における対応の上昇を生
じ、これにより電流よ２は電流よｔと等価となり、新し
い割合でシャフトからの電子の放出を調節する。これら
の条件下で双方の電流は、２０ｍａとなり、出力Ｓ３に
おける電圧は、ｔＱＱｍＶとなり、そして入力＆／にお
ける電圧は０．０コｍｖとなる。

ＯＰアンプ３０とシャフトｌ−との間の全抵抗に加わる
ように成る時間間隔にわたって膜がブラシ上に作られた
と仮定する。この状況が第４ＩＢ図に示されており、そ
れにおいて新しくかつより高い値の結合された抵抗がＲ
２として示されている。Ｒ７がｉｏｏオームであり、第
１図での先の量の１０倍であると仮定する。電流３ｇが
１０ｍａであり、等価の電流３９がｌＯｍａである場合
に出力Ｓ３における電圧はｌボルトであり、入力５１に
おける電圧はＯ，１ｍｖである。

電荷増加の割合における何らかの変化、もしくはＯＦア
ンプとシャフトとの間の抵抗における何らかの変化は、
その変化を補償するように検出されかつ使用されるシャ
フト電圧における対応の変化としてそれ自身に影響する
。もしこの装置がなければ、−例として約６ボルトの大
きさにシャフト電圧が増加した時弧絡が生じる〇この装
置があればシャフト電圧はｌボルトの子分の−〜３もし
くは子分のｌＯの程度の極めて低い電圧に維持される。

理論的に無限大の開ループ利得をもってｏｐアンプ５ｏ
へのλつの入力は互いに等しく維持されるであろう。す
なわちシャフト電圧は接地電位に維持されるであろう。

逆にもし開ループ利得がｉｏ、ｏｏｏの・ものよ（／ｌ
　） り小さい、例えば／、　０００であるならば、シャフト
電圧は％４　ミリボルト領域に維持され、それは弧絡を
生じるようなものよりもはるかに低い。

第５図は、変更を加えて第７図の装置を二重にしている
。ブラシ＋＋がはずんでシャフト／Ｊと一時的に接触し
なくなる場合には付加的な第３のブラシ６０が冗長を与
えるために設けられている。このようにブラシ１Ｉ４Ｌ
はブラシ１０と同様にＯＰアンプ５０の入力！ｌに電気
的に接続されており、これにより一方は他方のバックア
ップとして働く。同様にブラツク３に対して冗長ブラシ
を設けることができる。

加つるに、フィードバック回路ａｔに何らかの故障が起
きた場合にシャフト電圧は弧絡の臨界値に増加する傾向
を有する。これを避けるために、ダイオードの対Ａ２お
よびＡ３が、それぞれのシャフト電圧検出ブラシ４ｔ４
を詔よび６゜に接続されており、それ故その対の一方の
ダイオードの順方向電圧降下に到達した時にそれは導通
し、それによりシャフト電圧をこのダイオードの電圧降
下に制限する。使用されるダイオードに依存して、この
順方向電圧降下は代表的にはｌボルトの１０分のｌの数
倍からｌボルトまでの範囲にあり得る。フィードバック
回路ｌＩざが動作している時にはダイオードの対は導通
しないであろう。何故ならばその場合にはシャフト電圧
は実質的に接地電位近くに維持され、いずれにしてもダ
イオードの順方向電圧降下より低いからである。

第６図はパワープラントの蒸気タービン発電機部分を簡
単化して示す図である。システムの蒸気部分は、高圧タ
ーピンクθと、中間圧タービン７１と、低圧タービン７
．２とから成る。システムの電気的部分は、発電機７４
’と、発電機の回転子コイルに直流電流を供給する励磁
機７Ｓとを含んでいる。

構成部分は共通のシャフトクロに結合され、その共通シ
ャフトクロは蒸気部分においては先に説明した型の軸受
’ｙｇによって支持されかつ電気的に接地されている。

電気的部分における回転子は軸受１０によって支持され
ており、その軸受ｇｏは電気的に接地されておらず電気
絶＠１１によってそれから絶縁されている。

動作シャフトの接地装置ｔ４１はシャフト７６と電気的
に接触しており、蒸気タービン発電機システムのある動
作状態に関する指示を提供するための診断装置ｇｒと通
信する。第７図は装置のさらなる詳細を示す。

第７図において動作シャフト接地装置ｒ＋は第５図に記
載されたものと同じであるが、動作中にｏｐアンプｇｏ
によって供給される電流を示す出力信号を与えるように
動作可能な電流センサｑ０を付加されている。

蒸気タービンの分野において、低圧タービンに存在する
液体状の水に対する、ガス状の蒸気の比は、タービンの
性能すなわち効率を示すものとして知られている。この
情報からタービンシステムの動作は、経済的考慮に対す
る効率を最大にするように変えられ得る。電荷の増加が
シャフト上での水滴の衝突によるので、全電荷はそれ放
水量の指示を与え、そして中性電流はそれ故復水器内に
通過する全水量の指示を与える。従って電流センサブ０
の出力は、線９／上に中性電流を示す信号を提供する。

平均回路１００はその電流を示す信号を受けその平均を
出力し、かかる平均は復水器内に通過する水を示してい
る。

平均の読みは蒸気状態モニタ１０コに与えられ１そのモ
ニタｉｏコは水量に対応した読み出しを与えるよう動作
する。かかる読み出しはそれ自体平均電流であるかまた
はその平均電流は簡単なルックアップテーブルによって
対応の数値性能すなわち効率の値に変換される。

中性電流の指示値は他の診断目的のために与えられ得る
。例えば蒸気タービンの場合には機械的もしくは温度条
件が生じ、それによりタービン部分の歪もしくは異常動
作が、タービンシャフトに接続された１つまたはλつ以
上のタービン羽根またはシールを機械の固定部分に接触
させるようにし、それ故、こすりとして知られている望
ましくない潜在的に危険な状態を作る。

もしこすりがあるならば、シャフトが地面に周期的に接
触して、何らかの電荷の増加に対して補助的な放電路を
創設する。

シャフトが既知の定格速度で回転しているならば補助の
放電路が各回転に１度創設される。

第７図においてこれは、スイッチＩＯＡを通して接地ｉ
ｏｚに接続されている放電路１ｏ４１を含んだ点線配列
で示されている。スイッチ１０６は事実１回転に１度周
期的に閉じ、完全な放電路を作る。

こすりがない場合には先に説明したように動作シャフト
接地装置１’ｌは、ＯＦアンプＳＯによって供給される
電流がどんな電荷の増加の影響をも相殺するような値の
ものであるように動作する。もしこすりが生じたならば
、中性電流の値は、瞬間的な時間間隔の間、接地への交
互の通路によって電荷の増加がないので急に降下するで
あろう。例として第を図はセンサブ０によって検出され
る代表的な電流波形を示す。正常動作の間、電流はある
平均値１ａｖｇｏ回りで変化する。時刻ｔ、において電
流は一瞬の間急に変化し、次にその正常値に戻る。１回
転後、時刻ｔ、において電流が再び急に変化し、このよ
うな変化は時刻ｔ３＃ｔ４Ｔ等において各完全な１回転
毎に生じる。もし急な変化が成る臨界値Ｔを横切り、そ
して１回転毎に１度周期的に生じるならば、詔そらくは
こすり状態が存在する。

従って第７図の診断装［１１は、こすり状態の存在を決
定するために電流信号を分析する装置を含んでいる。こ
れを達成するために、電流臨界回路／１０が設けられて
おり、それは第を図の臨界値Ｔに対応する。この臨界値
は平均電流から測定されるので、平均回路ｉｏｏは平均
レベルを創設するように臨界回路／１０への線／／／上
にその出力信号を与えるように動作する。もし急な変化
が臨界レベルを横切ったならば、一連のパルスが比較回
路／／２ζこ与えられる。この比較回路／ｌ、２はまた
、蒸気タービン制御装置に普通設けられる一回転に１度
（すなわちｌ／回転）の発生器／／４１からのパルス入
力信号をも受ける。臨界回路／１０からのいかなるパル
ス信号、および一回転に１度の発生器１／’１からのパ
ルス信号が等しい周波数でありかつ互いに相関している
ならば、比較回路ｌ１２は線／／Ａ上に出力を出し、そ
してその出力はこすり状態の指示である。こすりモニタ
もしくは表示装置／／すはオペレータに知らせるために
使用され、かかるこすりモニタは基本的形体においては
光および／または可聴警報である。

こすり状態に加うるに、補助の放電路が、シャフトを支
持するために軸受けに供給される油系統内のゴミ汚染に
よって生じ得る。このような放電はしかしながら臨界値
を通過するけれどもランダムであるであろう。従っても
し臨界回路／１０によって与えられるパルス周波数が一
回転に１度の発生器／／’ｌによって与えられるパルス
周波数と等しくないならば、比較回路は、相関がない（
その状態はゴミ汚染を示す）と言うことを示す適当な出
力信号を線７．２０上に出力するであろう。適当なゴミ
汚染モニタ／、２コはこのような状態を表示するために
使用され、その表示は例えば光もしくは可聴および／ま
たは可聴警報である。

ゴミが回転周波数と比例した周波数で補助放電路を生ず
るというありそうもない場合には、比較回路／／Ｊは、
所定の回転数のあとだけに線／／６上にこすりを示す出
力信号を与えるように構成され得る。乱雑なもしくはラ
ンダムなゴミ汚染がこのような状態に見合うということ
はおよそあり得ないことである。

第６図の電力もしくはパワープラントの電気的部分にお
いて、発電機７４’は周囲のコア部材に電磁束を供給す
る回転子を持って構成される。

その束は回転子をＮ極から離れ、コア内で反対方向に配
分し、そして回転子のＳ極に戻る。コアは一般に複数の
部分に作られ、その配列はコア内の２つの末路において
わずかに異った量の束を生じる。この束の非対称は成る
周波数Ｅｄにおいて小さい非対称電圧を発生し、ここに
１４（１９） はコア部分の積層および機械の回転速度の関数である。

もし前もって絶縁されている軸受ｇ０が絶縁Ｅｌの故障
などによって接地されたならば、周波数１１ｆｄにおけ
る非対称電圧は、先の中性電流上に重ねられる周波数Ｋ
ｄの電流としてそれ自身を表わす。従って第７図の電流
センサはフィルタ／ＪＡに出力信号を与え、そのフィル
タｌコロは帯域フィルタであって周波数Ｅｄの波形を通
すように動作する。その周波数ｉ４は１もし臨界回路／
Ｊざによって決定されるある臨界値以上であるならば、
パワープラントの電気部分と関連した軸受の絶縁故障を
示すであろう。

この指示は軸受絶縁モニタ／３０によって与えられ得る
。軸受絶縁故障の指示は必ずしも絶縁Ｅｌが故障したと
いうことを意味するものではなく例えば作業者によって
軸受が事故的に接地されたと言うようなその絶縁関数に
支障を来たしたということをも示す。

第４ｔＡ図において抵抗Ｒ１はワイヤ、ブラシおよび膜
の総合抵抗を示した。第１Ｂ図において抵抗Ｒ２は膜が
作られたことによるより高い値を示した。抵抗のより高
い値を持ってｏＰアンプ３０の出力５３における電圧の
値は、同じ中性電流を維持するために必然的により高い
ものでなければならない。従ってＯＦアンプ３０の出力
は膜が作られたことの指示であり、ブラシ状態の指示を
与えるようこの電圧を監視するための手段が提供される
。電圧臨界回路／３４１は線／３ｋを経てＯＦアンプ３
０の出力に接続され、もしある臨界電圧を越えたならば
、ブラシ指示回路／３Ａは、ブラシがきれいにされるか
取り変えられなければならないということを意味する出
力を与える。

シャフト上でのどんな静電荷の増加も避けるように回転
シャフトを事実上の接地電位に自動的に維持し、それに
よりある機械要素の寿命を延ばすようにした装置が開示
されてきた。加つるにこの接地装置は、機械の種々の動
作状態を診断する主な信号を出力し、それにより機械の
全寿命に渡って実質的な経済的節約をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸受によって指示される回転機械を示す横断面
図、第２図は、第１図の機械のシャフト上に回転中現れ
る電圧を示す波形図、第３Ａ図および第３Ｂ図は、第１
図の機械のための一般的な接地装置を示す図、第ダ図は
この発明の一実施例による接地装置を示す図、第４ｎＡ
図および第１ＩＢ図は、種々の状態下でのこの発明の詳
細な説明するための図、第５図は、第ダ図の変形例を示
す図、第６図は、パワープラントの代表的な蒸気タービ
ンおよび発電機部分を示す図、第７図は、この発明のも
う７つの実施例による、第６図の機械の診断読出しを与
えるための装置を示す回路面、第５図は、診断されてい
る機械の一動作状態に対して第７図の装置において生じ
る波形を示す波形図である。図において１１Ｏは蒸気タ
ービン、１２はシャフト、／＋および１５は軸受、＋＋
は第１の電気的接触装置ｓ’ｌ！ｒは第一の電気的接触
装置、１ＩＩｒは（ユ３） フィードバック回路、７６はシャフト、ざ□は軸受、１
ａｌｌは動作シャフト接地装置、ｔ３は診断装置、９０
は電流センサである。 ＝１１−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋ｌ）　（Ａ）　固定組立体と相対的に回転可能でかつ
   回転中電荷の増加を受けるシャフトを有する回転組立体
   と、 （Ｂ）　離間された軸受から電気的に絶縁されかつそれ
   によって支持されている前記シャフトと、 （０）　前記シャフトと接触する第１の電気導通接触装
   置と、 （Ｄ）　前記シャフトと接触する第一の電気導通接触装
   置と、 （Ｋ）　前記第１および第一の接触装置間に接続され１
   前記第一の接触装置を通して前記シャフトに中性電流を
   提供して前記第１の接触装置における電圧の関数として
   前記電荷の増加を禁止するよう動作可能のフィードバッ
   ク回路手段と、 を備えたことを特徴とする動作シャフトの接地装置。 （２）　回転中電荷の増加を受ける回転シャフトを有し
   た機械のための診断装置であって、（Ａ）　前記電荷の
   増加の放電のための接地路を提供するための手段と・ （Ｂ）　前記接地路におけるどんな電流をも検出して対
   応の電流信号を出力するための手段と１ を備えたことを特徴とする診断装置。