JPS63277898A - 主油ポンプシヤフトの折損防止方法及び同装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蒸気タービンロータの軸端に取り付けられた
主油ポンプシャフトの折損を防止するために監視する方
法、及び、該主油ポンプシャフトの折損を防止する為の
自動監視装置に関するものである。

〔従来技術〕

蒸気タービンにおいて、主油ポンプはタービン前側軸受
箱内に設けられた速度検出器や、速度−負荷制御装置か
ら蒸気タービン制御弁に至る一連の制御機器に必要な制
御油を供給する一方、軸受用潤滑油をも併せて供給する
目的で、前側軸受箱に設置されている。第３図は、蒸気
タービンプラントの制御油及び軸受油の系統図である。

蒸気タービン２３の前側に設置された主油ポンプ１９は
ブースター油ポンプ２２から昇圧された油を受は取り、
制御油を吐出する。制御油の一部はオイルタービン２１
で減圧されて軸受油となり、タービン、発電機の軸受部
へ供給される。また主油ポンプ１９が起動時等で、蒸気
タービン２３が定格回転数に達しない時の制御油及び軸
受油の供給不足を補う目的で補助油ポンプ２０が設けら
れている。

主油ポンプ１９はタービン２３のロータに直に接続され
ている。その理由は、タービン２３が定格で回転してい
る限り、タービンに必要な制御油圧及び軸受油圧を確立
させる為であり、電気エネルギーにたよらない、機械的
なシステムを採用する事で、油圧供給の安定化を図って
いるものである。

主油ポンプ１９のポンプシャフトはポンプインペラを駆
動するばかりでなく、該主油ポンプ前方に設置されたタ
ービン回転数を制御する調速機（図示せず）にタービン
の回転信号を伝達する重量な役目を持っている。このた
め、ポンプシャフトが折損した場合は、タービンの制御
が出来なくなり、タービン回転数が上昇し、オーバーラ
ンして、蒸気タービン２３のロータに植え込まれた翼が
飛散する等の大事故につながる。

主油ポンプの構造を示す第２図において、タービンロー
タ１の先端にはポンプシャフト２をはめ込む為に、イン
ロ一部が加工しである。ここにポンプシャフト２をはめ
込んで、ボルト締めで固定する。ポンプシャフト２はポ
ンプケーシング３内に水平に設置される。

ポンプシャフト２には、タービンロータ１の軸方向に移
動を検知する為の斜面を設けたディスクａｔ、ターニン
グ速度におけるタービンロータ１の偏芯検出面すが設け
である。また、非常調速機８が、タービン回転数の１１
０％速度を検出する為に設けである。ポンプインペラ４
の図示右側には、左端に油切りを目的としたツバを持つ
シーリングカラー７が設けである。ポンプインペラ４の
図示左側には該ポンプインペラ４を固定させる目的でベ
アリングカラー５がポンプシャフト２に焼ばめにより取
り付けられている。上記ベアリングカラー５の図示左側
にはインナーギア６が有り、斜面を設けたディスクａ２
がボルト締めで固定される。インナーギア６には内歯ス
プラインが切って有り、タービンロータ１の回転信号は
上記内歯スプラインを通じて調速装置（図示せず）に伝
達する。

ポンプケーシング３の図示左面にはポンプシャフト２の
左端を支持するステディ軸受９を内蔵する軸受サポート
１０が有り、該軸受サポート１０は、ポンプケーシング
３に複数個植え込んだカラーボルト１１の頭と軸受サポ
ート１０の座ぐり面との間に圧縮介装された圧縮バネ１
２によりポンプケーシング左面に取り付けられており、
ポンプケーシング３の図示左方の端面と軸受サポート１
０とは互いに摺動可能な構造になっている。

以下に、上記軸受サポート１０の機能について述べる。

軸受サポート１０の機能は二つ有り、その一つはポンプ
シャフト２のラジアル方向変位を吸収すること、他方は
タービン運転中に生じる高サイクルの振動を抑える事で
ある。前者のラジアル方向変位は次記のようにして生じ
る。タービンが冷機状態からの起動時に、タービンに流
入する蒸気によってタービン車室、タービンロータ及び
タービン架台の温度が上昇して、ロータの回転中心が、
車室の中心線に対して相対的に上方に動く。

一方、タービン停止時はこの逆の現象で車軸が下方、即
ち、冷機状態と同じ位置まで下がる。この現象を、ター
ビンロータのホットとコールドのアライメント変化を呼
ぶ。起動停止回数の多いタービンではロータの上下方向
移動回数が多くなる。

尚、このホットとコールドのアライメント変化の生じる
最も顕著な部分は高圧タービンロータの前側（つまりポ
ンプシャフトが接続されている部分に近い）第１軸受で
ある。タービンロータ１は両端を軸受に支持されて回転
しているが、この軸受メタルに摩耗等が生じた場合にも
タービンロータは摩耗量分に応じて軸芯移動するのでア
ライメントが変化する。

アライメント変化が生じた時、ポンプシャフト２は、タ
ービンロータ１への取付部が、固定端でステディ軸受部
が集中荷重作用点となる片持梁となり、タービンロータ
１のアライメント変化分が撓み量となる曲げ力がポンプ
シャフト２に作用する。この曲げ力がある一定限度を越
えると軸受サポート１０がポンプケーシング３との間に
相対的に滑りを生じて、ポンプシャフト２の曲げ力を軽
減させる方向に動く。尚、予め圧縮バネ１２の設定荷重
は、ポンプケーシング３と軸受サポート１０とのすべり
摩擦係数を考慮して９００〜１３００ｋｇのラジアル方
向の力で軸受サポート１０が滑る様に選んでおく。

軸受サポート１ｏの持つ機能の第二は高サイクル振動を
抑える事である。この駆動は、タービンロータの回転に
よる振動、及び、主油ポンプ自身の油の脈動から生じる
ものであって、ステディ軸受９の油膜の制振効果によっ
て抑制される。

タービンロータ１のアライメント変化と軸受サポート１
０の滑りとを関連させて、ポンプシャフト２に作用する
曲げに関して次に説明する。第４図はポンプシャフト２
とタービンロータ１、ステディ軸受９の位置関係を模式
的に示したものである。冷機状態のポンプシャフト２の
位置関係はｅである。タービンを起動させるとロータ１
は、Ｎａ１軸受内の油膜厚さ、回転によるロータのかけ
上り及びコールドとホットのアライメント変化等が加算
されて０．４〜０．５１１Ｉ１１程度上方へ移動する。

従って定格運転状態における各々の関係はｆとなる。通
常、ポンプシャフト２はタービンロータ１に対して同芯
上に芯出しされて取り付けられ、さらに、ステディ軸受
９が嵐１軸受に対し同芯上に芯出しされて取り付けられ
ている場合には、蒸気タービンの起動停止に伴うタービ
ンロータ１のアライメント変化の総和は０．４〜０　、
５　ａｍ以下であり、軸受サポート１０は滑らずに、そ
の位置を保持したままで、ポンプシャフト２はｅとｆと
の間を往復する。

今、何らかの原因でミスアライメント量がＸｍｗ＋増加
した場合について説明する。この時アライメント変化は
（０、４〜０　、５　）　＋　ｘ　−ｍであり、ポンプ
シャフト２は強制的に曲げを受けて、ｇの様に撓む。こ
の時、ステディ軸受はミスアライメント増分を解消する
方向に滑り出し、滑りが止まった点を起点として新たな
ｅ′とｆ′とによるポンプシャフトの曲げが生じる事に
なる。ステディ軸受の滑り始め荷重は、ポンプシャフト
に生じる曲げ応力を考慮して設定しておく、これにより
、該ステディ軸受は、ポンプシャフトの曲げ応力が許容
値以下となる様に自由に半径方向に滑るはずである。し
かしながら、軸受サポート１０の滑り荷重が経年的に増
えてミスアライメントが生じても、ミスアライメントを
解消させる方向に軸受サポートが滑らない場合には、ポ
ンプシャフト２はｇの状態で撓んだまま回転し、許容値
を越える曲げ応力が作用する。仮にポンプシャフトの一
部分に疲労限の低下が生じている・場合、そこを起点と
して亀裂が進展し、ポンプシャフト折損を招く虞れが有
る。構造的に曲げ応力が一番大きく作用する部分は非常
調速機の取付部である。この部分でポンプシャフトが折
損した場合、該非常調速機はタービン過速度の検出能力
を失い、蒸気タービンの危急遮断系統が、タービン過速
度を抑えこむ動作をしなくなり、オーバーランを引きお
こす。

補助油ポンプ２０（第３図参照）は、主油ポンプ１９の
吐出圧低下を検知してから起動し、制御油圧の低下を抑
える働きをするが、希な例として、タービン軸駆動の主
油ポンプ１９の制御油圧の降下による、補助油ポンプ２
０の起動指令信号に対して該補助油ポンプ２０が急速に
起動し、このため制御油圧が降下しなかった場合、制御
油圧低トリップに引っかからないで、（制御油圧の低下
を検知して作動する自動停止装置（図示せず）が作動せ
ず）タービン２３の運転が続行される。一方、ガバナの
速度検出部に対しては、ポンプシャフトの折損により回
転が伝達されないので、速度ゼロ信号が入る。従ってガ
バナ（図示せず）は蒸気加減弁を開方向へ動作させる。

この様な状況下で、負荷遮断が生じてタービンが無負荷
運転となった場合、蒸気タービンの過速を防止する方法
は無く、蒸気タービンにとって極めて危険な状況となる
。

以上述べた様に軸受サポート１ｏの滑り荷重が、管理値
を超えた場合、ポンプシャフト２に曲げ力が過大に作用
し、シャフト折損と言う重大事故につながる。

ここで、従来例として「軸受診断装置」　（公開特許公
報　昭６１−７０２１８　＞　　に示す如く、軸受内部
において初期に動くことの出来る領域を予め記憶してお
き、軸の振動を検出するセンサからの信号に基づいて前
記の領域と運転中に測定した軸の動く領域とを演算し、
比較することにより軸受の摩耗量を算出する例が有る。

しかしながら、この方法を主油ポンプのステディ軸受に
採用しても必ずしも、ポンプシャフトの折損防止策には
なり得ない。すなわち、タービンロータの運転中の上下
方向アライメント変化の動きが、ポンプシャフトのター
ビンロータのインロ一部を通じてポンプシャフト全体を
持ち上げる方向に作用し、シャフトに曲げ力が加わると
同時に、ステディ軸受にはポンプシャフトからの反作用
により半径方向に軸受メタルを押し付ける力が作用する
。

ポンプシャフトのタービンロータへの取付部への上下方
向移動によるステディ軸受メタルを摩耗させる力は、ポ
ンプシャフトの許容曲げ応力を超える力よりも大きい。

したがってステディ軸受の摩耗量の検知よりもポンプシ
ャフト自身の曲げを管理した方が軸折損の防止策として
都合が良い。

軸受摩耗の量が増加する現象はシャフトの芯ずれにより
振れが大きくなり、軸受メタルにシャフトが干渉して起
こる。つまり、摩耗は芯ずれが原因となって副次的に生
じる現象である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

主油ポンプシャフト２のステディ軸受９は、軸受サポー
ト１ｏで保持されている。ポンプケーシング３に対し軸
受サポート１０は、滑り荷重９００〜１３００ｋｇで、
主油ポンプシャフト２のミスアライメントを解消する方
向に滑り、ポンプシャフト２に生じる曲げ応力は緩和す
る。

しかしながら、軸受サポート１０の滑り面の変形及び面
粗さに起因する摩擦係数の増加等により、軸受サポート
１０の滑り始め荷重が増加した場合、ポンプシャフト２
には過大な曲げ応力が発生し、比較的短時間でポンプシ
ャフト２が折損する場合がある。ポンプシャフトはポン
プインペラを回転させるのみでなく、タービンの回転数
を制御装置の調速機に伝達する重要なものである。従っ
て、ポンプシャフト２が折損した場合、タービンの速度
制御機能を失うばかりでなく、タービン回転数が定格を
超えた時に動作し、タービンを遮断する非常調速機の機
能も失なうので、タービンはオーバーランし、非常に危
険な状態となる。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、主油ポン
プの折損を未然に防止する方法、及び、上記の方法を実
施するに好適な装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明のポンプシャフト折
損防止方法は、主油ポンプシャフトの少なくとも２点に
ついて偏芯を検出し、上記少なくとも２点の偏芯量に基
づいてポンプシャフトの撓み量、及び上記撓み量に対応
する応力値を算出し、上記の応力値が疲労限度に達する
か否かを監視し、疲労限度に達したときは当該蒸気ター
ビンの運転を停止して偏心量の増加原因を探求・排除す
ることを特徴とする。

また、上記の防止方法を実施するために創作した本発明
に係る折損防止装置は、蒸気タービンロータの軸端に取
り付けられた主油ポンプシャフトの少なくとも２カ所に
対向せしめて、それぞれ非接触式のギャップ検出器を設
け、かつ、上記少なくとも２個のギャップ検出器の出力
信号を入力する差分検出器を設け、上記の差分演算器は
前記出力信号に基づいて主油ポンプシャフトの撓み量を
算出する機能と、該算出撓み量が予め定められた一定値
に達したとき警報装置を作動せしめる機能を有するもの
としたことを特徴とする。

〔作用〕

前記の本発明に係る防止方法によれば、主油ポンプ軸に
生じる応力が疲労限度を超えるか否かを容易にしかも確
実に監視して、その応力を疲労限度未満に保つことが出
来るので、該主油ポンプシャフトは疲労破損を生じるこ
となく、長時間に互って信頼性が維持される。

また前記の本発明装置によれば、簡単な構成で主油ポン
プ軸の応力を正確に推定するとともに、その応力が疲労
限度に達するか否かを自動的に、かつ、常時監視するこ
とが出来る。

ポンプシャフトの撓みと曲げ応力との関係は次式の通り
である。

曲げ応力σｂはたわみｙに比例する。

次にシャフト材の疲れについて考える。

通常、機械部品に作用する繰返し荷重を評価する方法と
して、ＳＮ曲線を使用すると、ＳＮ曲線は縦軸に応力σ
　（ｋｇ／ｍｍ”）横軸に繰返し数Ｎ（回）を対数で目
盛ったグラフに材料の疲れ試験結果をプロットしたもの
である。鋼の場合には繰返し数１０７を折点とする２本
の直線より成立つ。したがって応力が大きい場合には、
比較的小さな回数Ｎで破壊するが、応力がある限度以下
の場合には無限の繰り返しに耐えられることになる。こ
の応力の限度を疲れ限度と呼び、鋼の場合にはＮはほぼ
１０７である。

第５図にポンプシャフトの撓みに対する許容繰り返し数
を示す、第５図はシャフト材料のＳＮ曲線を基本に、ポ
ンプシャフトの応力集中係数及び形状係数を考慮したも
のである。撓み量０　、７　ｍｍを境界として、撓み量
が０　、７　ｎ＋ｍ以下の場合には、ポンプシャフトに
生じる曲げ応力は疲れ限度以下である為に、繰り返し数
は無限回となる。つまりポンプシャフトは折損しない。

これに対して、撓み量が０．７ｗ＋ｍ以上の場合には、
それぞれのたわみ量に応じた繰り返しの曲げ回数に制限
を設ける必要が有る。１０７回の曲げ回数は５０　Ｈｚ
　／６０Ｈｚの３００　Ｏｒｐｍ／　３６００ｒｐｍの
蒸気タービンのポンプシャフトの運転時間に換算すると
５６時間／４６時間となる。

この例においては、ひとたび、０．７ｍｍを超える様な
撓みがポンプシャフトに生じると、短時間（２日以内に
）でシャフト材は折損することになる。

従って、ポンプシャフトの曲げ応力を管理する為に、常
時ポンプシャフトの撓みを監視し、撓みの制限値を超え
た場合には速やかにタービンを停止させて、撓み量の増
加の原因を調査し、対策を講じる必要が有る。すなわち
、軸受サポートの滑り荷重を測定して設定値内に入って
いる事を確認すると共に、ポンプシャフトのタービンロ
ータへの取付位置を点検し、芯ずれが生じていない事を
確認する。また軸受サポートの滑り面の粗さ及び面の当
り度等を検査する。

以上の様な管理方法をポンプシャフトを行なう事により
、シャフトの撓み量は０．７ｍｍ以下となるので、ポン
プシャフトの折損を未然に防止する事が出来る。

さらに、個々のポンプシャフトに関しては過去の撓み量
の履歴を記録しておき、各々撓み量幅のうちで一箇所で
も繰り返し数を起えた場合は、シャフトの表面にクラッ
クが呪われていなくても既に酷使され疲労蓄積した事を
推察して交換を決定する事が出来る。

〔実施例〕

第１図に鎖線で示したＨ−Ｈラインよりも上方は、本発
明の方法を実施する為に構成した本発明装置の一実施例
を示す。ポンプシャフト２の偏芯検出面す及び軸受サポ
ート１０の上側の変位を測定する事によってポンプシャ
フト２の撓み量を求める為に、それぞれギャップ検出器
１３．１４を設置する。本発明を実施する際、ギャップ
検出器の設置場所は図示の場所に限られず、ポンプシャ
フトの撓み量が測定出来る設置場所を任意に選定できる
。

ギャップ検出器からの電気信号は増幅器１５と差分演算
器１６とで撓み量に換算される。

撓み量は記録計１７と警報装置１８に送られて、０．７
ｍｍを超える値に対して運転時間（繰返し数）と撓み量
が記録される一方、警報を発生させるべき軸撓み監視シ
ステムを構成する。

第６図について監視システムの動作に関して説明する。

タービン起動前にそれぞれ非接触形のギャップ検出器１
３．１４はポンプシャフト２との間に約２ｍｍのギャッ
プを設けて設置される。

上記双方の非接触形ギャップ検出器１３，１．４の出力
信号は、増幅器１５を介して差分演算器１８に入力され
る。

上記差分演算器１６は、双方のギャップ検出器１３．１
４の出力信号に基づいてポンプシャフト２の撓み寸法を
算出するとともに、算出した撓み寸法が０　、７　ｍｍ
を越えると警報器１８を作動させる。ここに撓み寸法０
．．７ｍｍとは、主油ポンプシャフト２の最大応力が疲
労限度に達する場合の撓み量であって、予め、計算又は
実験で求めておく。

本例（第１図）においてタービンが起動されると、これ
に伴ってタービンロータ１の軸芯が少しづつ上方へ動く
。これに伴いギャップ検出器１４の検出するギャップＱ
は少しづつ小さくなる。増幅器１５及び差分演算器１６
を通じて撓み量が検出され、正常な状態においてタービ
ンが定格運転状態となった時に撓み量は０．４〜０．５
ｍｍとなる。

この値は許容たわみ量０　、７　ｍｍ以下である。

今、何らかの原因で、タービンロータのミスアライメン
トが大きくなったとすると、通常の場合は軸受サポート
１０がポンプケーシング３との間で滑り、ミスアライメ
ントを解消する方向へ動くので撓み量は一瞬増加して許
容たわみ量を超えるが、再び、０．４〜０．５＋ｎｎ＋
程度の撓み量の範囲まで低下する。しかし、軸受サポー
ト１０が滑らない場合は、許容撓み量を超えたままで、
ポンプシャフト２が連続回転するにの時、主油ポンプシ
ャフト２には、許容曲げ応力を超える応力が作用するの
で、疲労破壊を生じる虞れが大きい。警報装置１８は許
容撓み（０，７ｍｍ）を超えた時に警報を発するので、
タービンの運転員は第５図に示す撓み量と繰返し数との
関数により、撓み量に応じて直ちにタービンを停止させ
るか否かを判断することが出来る。

主油ポンプシャフト２の撓み量が０．７ＩＩｌ１１に達
して、該油ポンプシャフト２に生じる応力が疲労限度に
達した場合は、蒸気タービンの運転を停止して、撓み量
増加の原因に探究し、その原因を排除する。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の方法によれば、主油ポン
プ軸に生じる応力が疲労限度に達しているか否かを自動
的に監視することが出来るので、該主油ポンプ軸の折損
を未然に防止することが出来る。

また、本発明の装置によれば上記の方法を容易に実施し
て、その効果を充分に発揮せしめることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の折損防止装置の一実施例を備えた主油
ポンプ軸付近の断面図である。 第２図は主油ポンプ付近の断面図、第３図は上記主油ポ
ンプ近傍の系統図、第４図は主油ポンプシャフトのアラ
イメント変化の説明図表、第５図は主油ポンプシャフト
の疲労を説明するための図表、第６図は起動時及びミス
アライメント発生時のギャップ及び撓み量の関係を示す
図表である。 １・・・タービンロータ、２・・・主油ポンプシャフト
、３・・・ポンプケーシング、４・・・ポンプインペラ
、５・・・ベアリングカラー、６・・・インナーギア、
７・・・シーリングカラー、８・・・非常調速器、９・
・・ステディ軸受、１０・・・軸受サポート、１１・・
・カラーポル１〜．１２・・・圧縮バネ、１３・・・ギ
ャップ検出器、１４・・・ギャップ検出器、１５・・・
増幅器、１６・・・差分演算器、１７・・・記録計、１
８・・・警報装置、１９・・・主油ポンプ、２ｏ・・・
補助油ポンプ、２１・・・オイルタービン、２２・・・
ブースターオイルポンプ、２３・・・蒸気タービン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンロータの軸端に取り付けられた主油ポ
   ンプシャフトの折損を防止する方法において、上記主油
   ポンプシャフトの少なくとも２点について偏芯を検出し
   、上記少なくとも２点の偏芯量に基づいてポンプシャフ
   トの撓み量、及び上記撓み量に対応する応力値を算出し
   、上記の応力値が疲労限度に達するか否かを監視し、疲
   労限度に達したときは当該蒸気タービンの運転を停止し
   て偏心量の増加原因を探求・排除することを特徴とする
   、主油ポンプシャフトの折損防止方法。 ２、蒸気タービンロータの軸端に取り付けられた主油ポ
   ンプシャフトの少なくとも２カ所に対向せしめて、それ
   ぞれ非接触式のギャップ検出器を設け、かつ、上記少な
   くとも２個のギャップ検出器の出力信号を入力する差分
   検出器を設け、上記の差分演算器は前記出力信号に基づ
   いて主油ポンプシャフトの撓み量を算出する機能と、該
   算出撓み量が予め定められた一定値に達したとき警報装
   置を作動せしめる機能とを有するものとしたことを特徴
   とする、主油ポンプシャフトの折損防止装置。