JPS62833A - 回転機械の異常診断装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、蒸気タービン発電機のような多軸系高速回転
機械において、ロータ同志を結合するカップリング部の
異常を直接測定して監視する回転機械の異常診断装置に
関する。

〔発明の技術的費用とその問題点〕

一般に大型の蒸気タービン発電機は、第５図に示すよう
に、高圧タービンロータ１、低圧タービンロータ２、発
電機ロータ３などの多数のロニタより構成された多軸系
の回転機械であり、従って各蒸気タービンで成された仕
事を発電様ロータへ伝達するため、各ロータは互いにカ
ップリング部４により結合されている。特に大型蒸気タ
ービン発ｆｆ１ｌ！ではユニット１台の発生出力が大き
い１ｃめ各ロータ間を伝達されるトルクも大ぎく、その
ためカップリング部４としては第０図に示すような剛性
の高いカップリング４ａ、４ｂが用いられ、それらを締
付ボルト５で結合して使用するようにしている。

通常、中小型の回転機械では各ロータを独立させるため
フレキシブルカップリング（図示せず）が用いられ、ロ
ータのアライメント変化や、個々のロー・夕の振動等は
カップリングの柔軟性で吸収される構造となっている。

しかしながら前述したように大型の蒸気タービン発電機
においては、各ロータが剛性の高いカップリング４ａ、
４ｂで結合されると、各ロータは独立した系とは成らず
、互いのＩｎを及ぼし合い、振ｖＪ系も！２雑になる。

即ち、１つのロータで発生した撮動は、カップリング部
の剛性が高いためフレキシブルカップリングのようには
吸収されず、他のロータへ伝達されていく。

そればかりではく、第７図に示したようなカップリング
部の心ずれ（カップリング４ａ、４ｂの中心線Ｘａ、Ｘ
ｂが一致していないもの）、第８図に示したようなカッ
プリング部の面開き（カップリング４ａ、４ｂの接合面
Ｙａ、Ｙｂが平行でないもの）、第９図に示すようなカ
ップリング部の回転ずれ（カップリング４ａ、４ｂが中
心線回りにθ方向にずれること）等の変化が各ロータの
振動状態を大きく変化させてしまう。

蒸気タービン発電機では系統ショック、アライメント変
化、負荷変化などによりカップリング部に無理な力がか
かることがあるが、その時第６図に示した締付ボルト５
に不良やボルトのゆるみ、ボルト孔の広がり等があると
、カップリング４ａ。

４ｂにずれを生じ、カップリングの形状、力のがかり方
等により前述のような心ずれ、面開き、回転ずれ等を起
すことになる。

第１０図は負荷を変化させた際に実機ロータで記録され
た振動変化を示したもので、横軸に負荷変化を、縦軸に
ロータの娠幅値をとり、負荷変化に対する振幅変化を示
しである。この図からも明らかなように、負荷がある一
定以上になった場合、振幅が急激に増大（突変）するこ
とがある。この突変の原因は、後に回転機械のロータを
解放点検して分ったことであるが、カップリング部のボ
ルト孔が規定の寸法よりも大きくなっており、負荷変化
でカップリング部にずれを生じたためであった。

蒸気タービン発電機のような大型高速回転機械では振動
の突変現象は羽根の飛散や、回転部の損傷等の重大事故
を招来する恐れがあり、運転負は振動が突変した場合に
は、その原因を早急に解明し、必要な対策を講じなけれ
ばならない。

このため、従来から例えば特公昭５〇−２４６０１号公
報に示ずような回転機械の異常診断装置が考案されてい
る。

第１１図は蒸気タービン発電機に用いられている異常診
断装置の一例を示す。同図の例では、低圧タービンロー
タ２のジャーナル部（図示せず）の近傍に振動計１０ａ
、１０ｂを取付け、これらの振動計によりロータの撮動
を計測する。計測された変位信号は振動監視装置１１に
入ノ〕される。

この振動監視装置１１は振動１ｔ１０８，１０ｂからの
信号をデジタル化し、振動に変化がないかどうかを常時
監視するもので、振動に異帛があった場合、その撮動信
号は撮動監視装置１１内にある演算装置（図示せず）に
より、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）され、周波数別に分
解された後、異常診断装置１２に送られ、異常原因を診
断される。

第１２図は各種異常原因と、それにより引き起される振
動の周波数成分との関連を示す。この図からも分るよう
に種々ある異常原因に対して、発生する振動の周波数成
分は回転同期成分が圧制的に多く、そのため振動変化に
基いてカップリング部の異常を発見するのは非常に困難
である。従って、第１０図に示したようなカップリング
部の異常による振動突変現象の原因を正確に解明するた
めには前述したように回転機械を解放点検しなければな
らないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は背景技術における上述の如き欠点を除去すべく
なされたもので、カップリング部の振動値だけでなく、
カップリング部の変位量を直接測定して演算することに
より、カップリング部の異常を迅速かつ正確に究明する
ことのできる回転機械の異常診断装置を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の回転機械の異常診断装置は多軸系回転機械の０
−タ同志を剛性の高いカップリング部４により結合した
回転機械において、前記カップリング部４の円周面上に
は、各カップリング４ａ。

４ｂの回転を検出する変位計２０８，２０ｂ＠設置し、
かつ前記カップリング部４の側面には各カップリング４
ａ、４ｂの軸心方向の変位を検出する変位１１２１ａ、
２１ｂを設け、前記変位計２０８．２０ｂからの信号を
演算装置３００減算装置３１を通して実効値演算装置３
２に導入すると共に、位相差検出装置３５に入力し、ま
た、前記変位計２１ａ、２１ｂからの信号を加算装置３
３を通して平均値演算装置３４に導入し、前記実効値演
算装置３２、平均値演算装置３４、位相差検出装置３５
の出力を異常検出装置４０の心ずれ検出装置４１、面開
き検出装置４２、回転ずれ検出装置４３において基準値
設定器５０からの基準値と比較し、異常診断装置６０に
より前記カップリング部４の異常を診断りるようにした
ことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例とその作動を第１図ないし第４図
を参照して説明する。なお、従来と同一構成部品には上
述の例におけると同じ符号を付して説明する。

第１図は高圧タービンロータ１と低圧タービンロータ２
のカップリング部４に本発明を適用した場合のシステム
図である。同図において高圧タービンロータ１と低圧タ
ービンロータ２はカップリング４ａ、４ｂおよびそれら
の間を締付ける複数の締付ボルト５により互いに連結さ
れている。これらのカップリング４ａ、４ｂの外周およ
び側面の近傍には変位計２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１
ｂが配置され、カップリングガード２２にに取付けられ
ている。このカップリングガードは基礎（図示せず）に
固定されているため回転せず、従って変位計２０ａ、２
０ｂ、２１ａ、２１ｂは静止座標系に取付けられている
ことになる。

また、カップリング４ａ、４ｂの外周上には回転ずれを
計測するため、スリット４ａｓ、４ｂｓが設けられてい
る。これらのスリットの幅や深さはカップリング４ａ、
４ｂの大きさにより決定されるものであるが、通常の蒸
気タービン発電機の場合は数ミリ程度でよい。なお、ス
リット４ａｓ。

４ｂｓはカップリング４ａ、４ｂの回転を検出する為の
ものであるので、突起でもよい。

従って、変位計２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂとして
は非接触型のものが好ましく、渦電流式、光学式、レー
ザ一式等の非接触変位計が用いられる。

変位計２０ａ、２０ｂによって計測された変位信号、は
演算装置３０に入力される。この演算装置は減算装置３
１、実効値演算装置３２、加算装置３３、平均値演算装
置３４おにび位相差検出装置３５から構成されており、
減算装置３１により変位計２０ａの変位信号から変位計
２０ｂの変位信号が差し引かれ、次に実効値演算装置３
２により実効値が計算され、その値は異常検出装置４０
の心ずれ検出装置４１に転送される。また変位計２０８
．２０ｂで４測された変位信号は演算＠置３０の位相差
検出装置３５にも入力され、そこで求められた位相差信
号は異常検出装置４０の回転ずれ検出装置４３に入力さ
れる。

一方、変位計２１ａ、２１ｂで計測された変位信号は演
算装置３０の加算装置３３に入力され、加算された後、
平均値演算袋＠３４でそれらの平均値が演算され、異常
検出装置４０の面開き検出装置４２に転送される。

異常検出装置４０の各検出装置４１〜４３は基準値設定
器５０からの基準値と、演算装置３０からの各信号とを
比較し、後者が基準値を一定値以上越えるような変化を
した場合、異常検出装置４０に連結されている異常診断
装置６０にカップリング部の異常を伝え、警報信号を出
力させる。

次に本発明装置の作用について説明する。なお、ここで
は変位計２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂはカップリン
グ４ａ、４ｂに対しである値のギャップｅを持って設置
されているものとする。

上述のように構成された回転機械の異常診断装置におい
て、変位計２０ａ、２０ｂで計測された変位信号の一例
を第２図（Ａ）、（Ｂ）に示す。

これらの図はそれぞれ横軸に時刻を、縦軸に変位をとり
、変位信号の時間経過を示したものである。

第２図（Ａ）、（Ｂ）中の実線はそれぞれカップリング
部が正常な場合に変位計２０８，２０ｂによって計測さ
れた変位信号を示す。これらの信号はカップリング４ａ
、４ｂと変位計２０８゜２０ｂのギャップを示すギャッ
プ成分７０ａ。

７０ｂに回転による振動成分７１ａ、７１ｂが重なった
信号となる。

カップリング部が正常な時（心ずれ、面開き、回転ずれ
がない場合）はカップリング４ａ、４ｂの剛性が高いた
めに変位計２０ａ、２０ｂにはほぼ同じ振動波形が記録
される。また、カップリング部にはスリット４ａｓ、４
ｂｓまたは突起が設【プられているため、カップリング
４ａ、４ｂが１回転する間にパルス波７２ａ、７２ｂが
１回記録される。

このように変位計２０ａ、２０ｔ）によって検出された
変位信号は演算装置３ｏの減算装置３１に入力される。

減算装置３１は変位計２０ａ、２０ｂから入力する変位
信号を互いに減算するもので、カップリング部が正常な
場合には両変位信号は等しく、減算装置３１の出力は第
３図中の実線で示ずようにゼロとなる。

しかしながら、例えば第７図に示すような心ずれΔｅが
生じると、変位信号は第２図（Ｂ）中の点線で示すよう
に振動値が八〇だけ増加したような波形となるため、減
算装置３１からの出力は第３図中に点線で示したにうに
心ずれ分△ｅだけ振動している波形となる。

減算装置３１からの出力はさらに実効値演算装置３２に
入力され、ここで実効値に変換された後、異常検出装置
４０の心ずれ検出装置４１に人力されるが、心ずれ検出
装置４１は基準値設定器５０に予め設定されていた心ず
れの基準値（組立て時に計測された心ずれ母）と上記実
効値とを比較し、後者が前者よりも大きい場合には異常
診断装置６０に心ずれの発生を知らせる。

また、第２図（Ａ＞、（Ｂ）中のパルス波７２ａ、７２
ｂはスリット４ａｓ、４ｂｓの位置を示しているので、
演算装置３０の位相差検出装置３５は変位計２０８で計
測されたスリット４ａｓによるパルスの発生時刻ｔ１と
変位計２０ｂで計測されたスリット４ｂｓによるパルス
波７２ｂの発生時刻ｔ２との差を算出し、位相差として
）′シ常検出装置４０の回転ずれ検出装置４３に転送す
る。

回転ずれ検出装置４３はこの位相差と予め基準値設定器
５０に設定されている回転ずれ基準値（１］立て時に計
測された回転ずれ）とを比較する。

ここで、カップリング部に第９図に示したような回転ず
れθが生じた場合、パルス波７２ａ。

７２ｂの発生時刻の差は第２図（Ｂ）中に示、すように
、Δ１（＝θ÷２π×〔１回転に要する時間〕）だけ基
準値よりずれる。従って位相差が基型値より変化した場
合に回転ずれが生じたこととなり、その場合、回転ずれ
検出装置４３は回転ずれの発生を異常診断装置６０に伝
える。

一方、変位計２１ａ、２１ｂによって計測された変位信
号は演算装置３０の加算装Ｗｌ　３３に入力されて加算
される。従ってカップリング部に而聞きのない場合には
加算装置３３からの出力は第４図の実線で示すように変
位＝’ｔ２１　ａ、　２　ｌ　ｂとカップリング４ａ、
４ｂとのギャップの和２ｅとなる。なお、このように両
信号の和をとった理由は、カップリング部がロータの熱
変形等により軸方向に変化した場合でも、その変化分を
無視できるＪ：うにするためである。

これに対して、第８図で示したように面開きがΔｅだけ
生じると、加算装置３３から出力される信号は第４図中
の点線で示すようにΔｅだけ小さくなったように振動す
る。そして加算装置３３　′ＩＪｓらの出力は平均値演
算袋ｒ：Ｉ３４に入力され、変位波形の平均値を演算し
て出力するので、△ｅの面開きが生じると平均値演算装
置３４からは（２ｅ−Δｅ÷２〉の値が出力されること
になる。

この場合、面開ぎ検出装置４２は平均値演算装置３４か
らの出力と暴準値設定器５０に予め設定されている面開
き基準値（組立時に計測された面開き但）とを比較し、
所定レベル以上の変化があった場合には、面開き検出装
置４２から異常診断装置６０に向けて面開き発生信号を
伝達し、警報を出力させる。

なお、上述した異常診断装置を第１１図につき説明した
振動監視装置１１と結合するようにすれば、振動変化と
カップリング部の異常の関係を明確にでき、より正確な
異常診断が可能となる。即ち、振動監視装置１ｆｆ１１
により回転同期成分の振動変化が生じたと判別した場合
、カップリング部に異常が発生していれば、異常検出装
置４０から異常発生が前もって知らされているため、そ
の振動変化がカップリング部の異常によるものであると
直ちに診断できる。また、回転同期成分の振動変化が生
じても、異常検出装置４０からカップリング部には異常
が無い旨の信号が入力されている場合には、異常検出装
置４０はカップリング部の影響を無視して異常診断を行
うことができるため、診断は簡潔になり、迅速かつ正確
となる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の回転機械の異常診断装置にお
いては、回転機械の各軸を連結するカップリング部の近
傍に複数の変位計２０ａ、２０ｂ。

２１ａ、２１ｂを配設し、これらの変位計出力を演算装
［３０の減算装置３１、加算装置３３、位相差検出装置
３５に入力し、前記減算装置３１および加算装置１３３
の出力を実効値演算装置３２、平均値演算装置ｉ！３４
を介して、位相差検出装置３５の出力と共に異常検出装
置４０、心ずれ検出装置４１、面開き検出装置４２、回
転ずれ検出波＠４３に入力するよう構成しであるので、
回転機械のカップリング部の異常を早期に発見すること
ができる。また、振動変化との関係を調べることにより
振動変化を生じさせる異常原因の診断を簡潔にし、より
迅速に、しかも正確な異常診断が可能となるため、回転
機械の運転時の安全性および信頼性向上に寄与すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転機械の異常診断装置の実施例を示
すシステム図、第２図（Ａ）、（Ｂ）は変位ｉｔ　２０
　ａ　、　２０　ｂによって検出された変位信号の変化
の様子を示すグラフ、第３図は心ずれの発生時における
変位信号の変化の様子を示すグラフ、第４図はカップリ
ング部に面開きが生じた場合の変位信号の変化の様子を
示すグラフ、第５０は蒸気タービン発電機のロータ部の
関係を示す蒸気タービンの要部の構成図、第６図はその
カップリング部の実施例を示す平面図、第７図ないし第
９図はカップリング部の心ずれ、面開きおよび回転ずれ
を示す概略図、第１０図は負荷変化に対する振幅変化を
示すグラフ、第１１図は従来の回転機械の異常診断装置
の概略構成図、第１２図は回転体に発生する各種異常に
対する振動成分変、化を例示する表である。 １・・・高圧タービンロータ、２・・・低圧タービンロ
ータ、３・・・発電機ロータ、４・・・カップリング部
、４ａ、４ｂ・・・カップリング、５・・・締付ボルト
、１１−・・振動監視装置、２０ａ、２０ｂ、２１ａ。 ２１ｂ・・・変位計、３０・・・演算装置、４０・・・
異常検出装置、７０ａ、７０ｂ・・・ギャップ信号、７
１ａ。 ７１ｂ・・・振動成分、７２ａ、７２ｂ・・・パルス波
。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 Ｏυ 茶　ｌ　図 （Ａ）　　　＄２図　８ 螢　３　面 時刻 蔓　４　図 蔓　５　図 蔓　６　図 蔓　７　図 ４　　句 卒６　図 第　９　図 負　荷 某　ｌθ　図 某ｆｆ　　目 蔓　１２　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　多軸系回転機械のロータ同志を剛性の高いカップリ
   ング部４により結合した回転機械において、前記カップ
   リング部４の円周面上には、各カップリング４ａ、４ｂ
   の回転を検出する変位計２０ａ、２０ｂを設置し、かつ
   前記カップリング部４の側面には各カップリング４ａ、
   ４ｂの軸心方向の変位を検出する変位計２１ａ、２１ｂ
   を設け、前記変位計２０ａ、２０ｂからの信号を演算装
   置３０の減算装置３１を通して実効値演算装置３２に導
   入すると共に、位相差検出装置３５に入力し、また、前
   記変位計２１ａ、２１ｂからの信号を加算装置３３を通
   して平均値演算装置３４に導入し、前記実効値演算装置
   ３２、平均値演算装置３４、位相差検出装置３５の出力
   を異常検出装置４０の心ずれ検出装置４１、面開き検出
   装置４２、回転ずれ検出装置４３において基準値設定器
   ５０からの基準値と比較し、異常診断装置６０により前
   記カップリング部４の異常を診断するようにしたことを
   特徴とする回転機械の異常診断装置。