WO2022215630A1 - 回転機械のラビング位置同定装置、及び、ラビング位置同定方法 - Google Patents

回転機械のラビング位置同定装置、及び、ラビング位置同定方法 Download PDF

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WO2022215630A1
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rubbing
vibration sensor
shaft vibration
position identification
axial
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PCT/JP2022/016099
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洋樹 武田
理 熊谷
竜 川畠
修一 石沢
昌彦 山下
良典 田中
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三菱重工業株式会社
三菱パワー株式会社
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    • F05D2270/81—Microphones

Definitions

  • TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to a rubbing position identification device for a rotary machine and a rubbing position identification method.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-065608 filed with the Japan Patent Office on April 8, 2021, the content of which is incorporated herein.
  • rubbing detection in rotating machines was performed by detecting shaft vibration of the rotating shaft.
  • Shaft vibration in the rotating shaft may occur due to rubbing (rubbing) between the seal and the rotating shaft due to thermal deformation of the casing, and thermal bending of the rotating shaft due to the heat generated by the rubbing.
  • the occurrence of such rubbing causes shaft vibration of the rotary machine and degradation of performance due to deterioration of seals.
  • Shaft vibration of the rotating shaft is a phenomenon that can be detected when rubbing has progressed to the extent that thermal bending occurs in the rotor. There was a risk that it would be necessary to take measures that would greatly affect the operation of the machine. Therefore, early detection of rubbing is desired.
  • Rubbing detection technology using an AE sensor capable of detecting AE (Acoustic Emission) signals is known as one method for solving such problems.
  • the AE sensor is easy to install, and by detecting the AE signal based on the contact sound of the rotating body, it is possible to detect rubbing at an earlier stage than in the conventional case based on shaft vibration, which is promising.
  • a plurality of AE sensors are provided along the circumferential direction with respect to the rotating shaft, and the AE signals detected by these AE sensors are processed to identify the position where rubbing occurs in the circumferential direction. Techniques are disclosed.
  • Patent Document 1 since it is necessary to install a plurality of AE sensors for the rotating machine, the number of AE sensors increases and the cost increases.
  • rubbing is detected in a cross section where a plurality of AE sensors are arranged, it is difficult to detect rubbing if rubbing occurs at an axial position different from the cross section.
  • rubbing detection is performed based on minute phase differences between a plurality of AE sensors due to rubbing, it may be difficult to detect rubbing due to the influence of noise included in the AE signal.
  • At least one embodiment of the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and provides a rubbing position identification device for a rotary machine and a rubbing position identification method that can identify the circumferential position of rubbing with a simple configuration. With the goal.
  • a rubbing position identification device for a rotary machine includes: A rubbing position identification device for a rotating machine comprising a fixed part and a rotating part, at least one AE sensor for detecting AE signals of the rotating machine; at least one shaft vibration sensor for detecting a shaft vibration signal of the rotating part;
  • a rubbing position identification device for a rotating machine comprising a fixed part and a rotating part, at least one AE sensor for detecting AE signals of the rotating machine; at least one shaft vibration sensor for detecting a shaft vibration signal of the rotating part;
  • a rubbing position identification method for a rotary machine includes: A rubbing position identification method for a rotating machine comprising a fixed part and a rotating part, comprising: detecting an AE signal of the rotating machine; detecting a shaft vibration signal of the rotating part; When rubbing occurs in the rotary machine, the AE phase corresponding to the peak of the envelope identified based on the temporal change of the AE signal, and the AE phase identified based on the temporal change of the shaft vibration signal a step of identifying a circumferential position of a location where rubbing occurs in the rotating machine based on a difference from a shaft vibration phase corresponding to a high-spot position of the rotating part; Prepare.
  • a rubbing position identification device for a rotary machine and a rubbing position identification method that can identify the circumferential position of rubbing with a simple configuration.
  • FIG. 1 is a cross-sectional structural view of a rotating machine according to one embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart showing a rubbing position identification method according to one embodiment. It is a schematic diagram which shows the state inside a rotary machine. It is a schematic diagram which shows the state inside a rotary machine. It is an example of the AE signal and shaft vibration signal acquired in step S101 of FIG.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing from the axial direction the mounting position of the shaft vibration sensor in the rubbing position identification device according to another embodiment.
  • 8 is a flowchart showing a rubbing position identification method according to another embodiment; It is an example of the AE signal detected by the AE sensor and the shaft vibration signal detected by the first shaft vibration sensor and the second shaft vibration sensor acquired in step S201 of FIG.
  • FIG. 7 is an example of an orbit diagram created in step S202 of FIG. 6.
  • FIG. FIG. 8B is an example of identification of the rubbing circumferential direction position based on the normal direction identified from the orbit diagram of FIG. 8A.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a rubbing position identification device according to another embodiment; 10 is a flowchart showing a rubbing position identification method that can be performed by the rubbing position identification device of FIG. 9; FIG.
  • 10 is an explanatory diagram of linear interpolation between a shaft vibration vector corresponding to a shaft vibration signal detected by a third shaft vibration sensor and a shaft vibration vector corresponding to a shaft vibration signal detected by a fourth shaft vibration sensor; 10 is a flowchart showing another rubbing position identification method that can be performed by the rubbing position identification device of FIG. 9;
  • FIG. 1 is a sectional structural diagram of a rotary machine 1 according to one embodiment.
  • the rotary machine 1 comprises a stationary part 2 and a rotating part 4 rotatable relative to the stationary part 2 .
  • the stationary part 2 is the casing of the rotating machine 1 and is stationary with respect to the outside.
  • the rotating portion 4 is rotatably supported with respect to the stationary portion 2 via a pair of bearings 6a and 6b.
  • a clearance D is provided between the stationary part 2 and the rotating part 4 .
  • a working fluid W is supplied to the clearance D from a supply portion 3 provided in the stationary portion 2 to drive the rotating portion 4 .
  • the working fluid W that has driven the rotating portion 4 is discharged to the outside from a discharging portion 5 provided in the stationary portion 2 .
  • at least one of the stationary part 2 and the rotating part 4 is deformed due to the influence of heat or the like, which may reduce the clearance D and cause rubbing. Such rubbing can be detected based on an AE signal detected by an AE sensor 10, which will be described later.
  • the rotating part 4 is, for example, a rotor (rotating shaft) that can be rotated by the power of the working fluid W.
  • the rotating portion 4 has moving blades 4a for receiving the working fluid W, and the rotating portion 4 is rotationally driven by receiving the working fluid W at the moving blades 4a.
  • the rotary machine 1 is a steam turbine using steam as the working fluid W, for example.
  • the rotating part 4 is rotatably supported by a pair of bearings 6a and 6b (radial bearings).
  • the bearing 6 a is provided on one end side of the rotating portion 4
  • the bearing 6 b is provided on the other end side of the rotating portion 4 .
  • the bearings 6a, 6b are housed in bearing boxes 7a, 7b, respectively.
  • the rubbing position identification device 100 is a device for identifying the position where rubbing occurs when rubbing occurs in the rotary machine 1 having the above configuration.
  • a seal or the like attached to the stationary part 2 that is thermally deformed may rub against the rotating part 4 .
  • the rubbing position identification device 100 performs calculations for identifying rubbing positions based on at least one AE sensor 10, at least one shaft vibration sensor 20, and at least one AE sensor 10 and at least one shaft vibration sensor 20. and a calculation unit 30 for performing the calculation.
  • the AE sensor 10 is a sensor for detecting AE signals of the rotary machine 1 .
  • the AE wave generated at the point where rubbing occurs propagates through the stationary part 2 and the rotating part 4 as an elastic wave, and is detected as an AE signal by each AE sensor 10 installed in the rotating machine 1 .
  • the AE wave generally has a frequency in the sound wave range of several tens of kHz to several MHz, and is detected by the AE sensor 10 as an AE signal.
  • the single AE sensor 10 is provided in the bearing 6a (bearing housing 7a) so that the AE wave from the location where rubbing occurs can be detected.
  • FIG. 1 illustrates the case where the single AE sensor 10 is provided in the bearing 6a (bearing box 7a), it may be provided in the bearing 6b (bearing box 7b).
  • the shaft vibration sensor 20 is a sensor for detecting shaft vibration signals of the rotary machine 1 .
  • the shaft vibration sensor 20 is arranged such that the detection portion faces the rotating portion 4, which is a detection target of shaft vibration, and is configured to be able to detect shaft vibration based on the distance between the detecting portion and the rotating portion 4.
  • the single shaft vibration sensor 20 is provided in the bearing 6a (bearing housing 7a), so that the shaft vibration from the location where rubbing occurs can be detected.
  • FIG. 1 illustrates the case where the single shaft vibration sensor 20 is provided in the bearing 6a (bearing box 7a), it may be provided in the bearing 6b (bearing box 7b).
  • the AE sensor 10 and the shaft vibration sensor 20 are installed at mutually different axial positions in the common bearing 6a (bearing housing 7a).
  • the box 7a) and the other may be installed in the bearing 6b (bearing box 7b)), respectively, or may be installed in the same axial position as each other.
  • the calculation unit 30 is configured to perform calculations to identify the rubbing position based on the detection results of the AE sensor 10 and the shaft vibration sensor 20.
  • a CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • a series of processes for realizing various functions is stored in a storage medium or the like in the form of a program, for example, and the CPU reads out this program to a RAM or the like, and executes information processing and arithmetic processing. As a result, various functions are realized.
  • the program is pre-installed in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. etc. may be applied.
  • Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, semiconductor memories, and the like.
  • the calculation unit 30 includes a rubbing determination unit 32 for determining the presence or absence of rubbing, and a rubbing position identification unit 34 for identifying the rubbing generation position when it is determined that there is rubbing. It should be noted that the method of determining the presence or absence of rubbing in the rubbing determination unit 32 follows a known example, and although the details are omitted, early rubbing determination is possible by performing determination based on the AE signal detected by the AE sensor 10. is.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a rubbing position identification method according to one embodiment.
  • the rubbing determination unit 32 determines the presence or absence of rubbing (step S100).
  • the rubbing determination in step S100 is performed based on the AE signal detected by the AE sensor 10, for example. If the rubbing determination unit 32 determines that there is rubbing (step S100: YES), the rubbing position identification unit 34 detects the AE signal detected by the AE sensor 10 and the shaft vibration signal detected by the shaft vibration sensor 20. (step S101).
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams showing the internal state of the rotary machine 1, and FIG. 4 is an example of the AE signal and shaft vibration signal acquired in step S101 of FIG.
  • the rotating portion 4 is rotationally driven inside the stationary portion 2 .
  • the radially outermost high spot position Ph of the rotating portion 4 moves along a trajectory K eccentric to the center O of the stationary portion 2 (for example, a substantially circular trajectory having a whirling center O′).
  • FIG. 3A shows that the high spot position Ph is closest to the shaft vibration sensor 20 mounted at the position of the mounting angle ⁇ vib from the predetermined reference position Pr in the stationary part 2, and FIG. A state in which rubbing occurs due to contact of the spot position Ph with the stationary portion 2 is shown.
  • FIG. 4 shows temporal changes in the AE signal and the shaft vibration signal detected simultaneously by the AE sensor 10 and the shaft vibration sensor 20 .
  • the detection of the AE signal by the AE sensor 10 and the detection of the shaft vibration signal by the shaft vibration sensor 20 are continuously performed.
  • a signal is made over a period of time.
  • the predetermined time is appropriately set so that the AE signal and the shaft vibration signal sufficient to specify the AE phase ⁇ rub and the shaft vibration phase ⁇ vib, which will be described later, are obtained.
  • the AE signal generally has a waveform whose amplitude fluctuates at a predetermined frequency.
  • a component synchronous with the rotation speed of the rotary machine 1 (rotational speed synchronous component) appears in the envelope Lh specified by .
  • Such a rotation speed synchronous component has a behavior that fluctuates so as to show a maximum peak periodically.
  • the shaft vibration signal has a waveform whose amplitude changes periodically according to the distance between the shaft vibration sensor 20 attached to the stationary portion 2 and the rotating portion 4, as shown in FIG.
  • Such a shaft vibration signal is obtained as a sine wave having a maximum peak at the timing when the high spot position Ph passes near the shaft vibration sensor 20 .
  • the rubbing position identification unit 34 obtains the AE phase ⁇ rub based on the AE signal acquired in step S101 (step S102).
  • the AE phase .theta.rub is the phase corresponding to the peak of the envelope Lh specified based on the temporal change of the AE signal (when the rpm synchronous component of the envelope Lh of the AE signal becomes maximum). is specified as the rotation angle ⁇ ).
  • the rubbing position identification unit 34 also obtains the shaft vibration phase ⁇ vib based on the shaft vibration signal acquired in step S101 (step S103).
  • the shaft vibration phase ⁇ vib is the phase corresponding to the high spot position Ph of the rotating part 4 specified based on the temporal change of the shaft vibration signal (the rotation angle at which the amplitude of the shaft vibration signal is maximized). ⁇ ).
  • ⁇ vib and ⁇ rub are angles with respect to the reference position Pr defined for the stationary portion 2 .
  • the reference position Pr for example, a position where a one-pulse meter (not shown) for counting the number of revolutions of the rotating part 4 is installed can be used.
  • ⁇ vib and ⁇ rub are rotation angles ⁇ with respect to the reference angle of the rotating portion 4.
  • the angle at which the one-pulse marker provided on the rotating portion 4 passes the position of the one-pulse meter provided on the stationary portion 2 is the reference. Can be used as corners.
  • the circumferential position of the rubbing occurrence location can be similarly identified.
  • ⁇ vib 0
  • ⁇ rub is the relative rotation angle from the rotation angle at which the shaft vibration displacement is maximum.
  • the circumferential position of the location where rubbing occurs is preferably determined based on the AE signal detected by the single AE sensor 10 and the shaft vibration signal detected by the shaft vibration sensor 20. can be identified as Such identification of the circumferential position does not require a complicated configuration or calculation, and is less susceptible to noise, so it is possible to identify the rubbing position with high reliability even under various conditions. .
  • the stationary part 2 is composed of two casings divided into upper and lower parts
  • the location where rubbing occurs is located on the upper side in the circumferential direction
  • only the upper casing is opened to take countermeasures.
  • the range of countermeasures can be effectively narrowed down.
  • the location where rubbing occurs is located on the lower side in the circumferential direction, it is possible to grasp in advance whether or not it is necessary to lift the rotating part 4 in order to repair the casing on the lower side, thereby efficiently planning the work. I can make a plan.
  • the direction in which the clearance D should be adjusted is determined based on the circumferential position of the location where rubbing occurs.
  • the mechanism can be operated or controlled based on the determination result.
  • the trajectory K of the high spot position Ph on the cross section perpendicular to the axial direction is substantially circular
  • the axial position of the point where rubbing occurs is in the vicinity of the shaft vibration sensor 20.
  • the circumferential position can be preferably identified under the condition that the axial vibration phase ⁇ vib is uniform in the axial direction. Accuracy may decrease.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the mounting position of the shaft vibration sensor 20 in the rubbing position identification device 100 according to another embodiment from the axial direction.
  • the orbit K has a substantially elliptical shape with respect to the whirling center O′, and on the same cross section perpendicular to the axial direction, the shaft vibration sensor 20 has a first shaft having a mounting angle different from each other.
  • a vibration sensor 20a and a second axis vibration sensor 20b are provided. That is, the mounting angle ⁇ vib1 of the first shaft vibration sensor 20a and the mounting angle ⁇ vib2 of the second shaft vibration sensor 20b are different.
  • the mounting angle ⁇ vib1 of the first shaft vibration sensor 20a and the mounting angle ⁇ vib2 of the second shaft vibration sensor 20b are different from each other by 90 degrees.
  • FIG. 6 is a flow chart showing a rubbing position identification method according to another embodiment.
  • the rubbing determination unit 32 determines the presence or absence of rubbing (step S200) in the same manner as in step S100 described above. If the rubbing determination unit 32 determines that there is rubbing (step S200: YES), the rubbing position identification unit 34 detects the AE signal detected by the AE sensor 10, the first axis vibration sensor 20a and the second axis vibration sensor 20b. , respectively, are acquired (step S201).
  • FIG. 7 shows an example of the AE signal detected by the AE sensor 10 and the shaft vibration signals detected by the first shaft vibration sensor 20a and the second shaft vibration sensor 20b obtained in step S201 of FIG.
  • the shaft vibration signal detected by the first shaft vibration sensor 20a has a predetermined phase difference from the shaft vibration signal detected by the second shaft vibration sensor 20b.
  • the phase difference corresponds to the mounting angle ⁇ vib1 of the first shaft vibration sensor 20a and the mounting angle ⁇ vib2 of the second shaft vibration sensor 20b.
  • the rubbing position identification unit 34 obtains the shaft vibration trajectory of the rotating unit 4 based on the shaft vibration signal acquired in step S201 (step S202).
  • the shaft vibration trajectory is obtained by creating an orbit diagram Fo based on the shaft vibration signal detected by the first shaft vibration sensor 20a and the shaft vibration signal detected by the second shaft vibration sensor 20b.
  • FIG. 8A is an example of the orbit diagram Fo created in step S202 of FIG. 6, and
  • FIG. 8B is an example of identifying the rubbing circumferential position based on the normal direction Dh specified from the orbit diagram Fo of FIG. 8A. is.
  • the trajectory K of the high spot position Ph with respect to the whirling center O' has a substantially elliptical shape.
  • the rubbing position identification unit 34 obtains the AE phase ⁇ rub based on the AE signal acquired in step S201 (step S203).
  • step S203 as in step S102 described above, as shown in FIG. 7, the phase corresponding to the peak of the envelope specified based on the temporal change of the AE signal (the rotation speed synchronization of the envelope Lh of the AE signal) It is specified as the rotation angle ⁇ ) when the component is maximized.
  • the rubbing position identification unit 34 identifies a tangent line Ls passing through the position corresponding to the AE phase ⁇ rub obtained in step S203 in the trajectory K obtained in step S202, and further identifies the tangent line Ls.
  • a normal direction Dh is obtained (step S204).
  • the rubbing position identification unit 34 identifies the circumferential position of rubbing as an intersection point Pc between a straight line passing through the center of the stationary portion 2 and parallel to the normal direction Dh and the stationary portion 2 ( step S205).
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a rubbing position identification device 100 according to another embodiment.
  • the rubbing position identification device 100 includes, as the axial vibration sensors 20, a third axial vibration sensor 20c and a fourth axial vibration sensor 20d which are installed at mutually different axial positions.
  • a third shaft vibration sensor 20c and a fourth shaft vibration sensor 20d are provided in the bearing housings 7a and 7b of the bearings 6a and 6b, respectively.
  • the AE sensor 10 and the third shaft vibration sensor 20c are installed at different axial positions in the common bearing 6a (bearing housing 7a). They may be installed on the bearings (for example, the bearing 6a (bearing box 7a) on one side and the bearing 6b (bearing box 7b) on the other side), or they may be installed at the same axial position.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a rubbing position identification method that can be performed by the rubbing position identification device 100 of FIG. In this embodiment, it is assumed that the deformation that occurs in the rotating part 4 during operation of the rotating machine 1 is sufficiently small and can be regarded as a rigid body.
  • the rubbing determination unit 32 determines the presence or absence of rubbing (step S300) in the same manner as in steps S100 and S200 described above.
  • the rubbing position identification unit 34 estimates the axial position of the rubbing on the rotating unit 4 (step S301).
  • the axial position may be estimated, for example, based on the design specifications of the stationary part 2 and the rotating part 4 of the rotating machine 1 (for example, if rubbing is likely to occur based on the distribution of the clearance D along the axial direction) Position may be estimated), numerical analysis may be performed, or the clearance D may be estimated based on the measurement result of a sensor (not shown) capable of measuring.
  • the rubbing position identification unit 34 obtains the AE phase ⁇ rub based on the AE signal acquired in step S301 (step S302) in the same manner as in step S102 described above.
  • the AE phase ⁇ rub is the phase corresponding to the peak of the envelope Lh specified based on the temporal change of the AE signal (rotation angle ⁇ when the rotational frequency synchronous component of the envelope Lh of the AE signal is maximized). identified.
  • the rubbing position identification unit 34 detects the shaft vibration vector V1 (amplitude A, phase ⁇ ) corresponding to the shaft vibration signal detected by the third shaft vibration sensor 20c and the fourth shaft vibration sensor By linearly interpolating the shaft vibration vector V2 (amplitude B, phase ⁇ ) corresponding to the shaft vibration signal detected at 20d, the shaft vibration phase ⁇ vib at the axial position is obtained (step S303). Specifically, as shown in FIG.
  • the rubbing position identification unit 34 determines the circumferential position of the rubbing occurrence location. is identified (step S304).
  • the rubbing circumferential position can be preferably identified at any axial position.
  • FIG. 12 is a flowchart showing another rubbing position identification method that can be implemented by the rubbing position identification device 100 of FIG. This embodiment can also be applied when the deformation of the rotating part 4 cannot be ignored and cannot be approximated as a rigid body mode.
  • the rubbing determination unit 32 determines the presence or absence of rubbing (step S400) in the same manner as in steps S100, S200, and S300 described above. If the rubbing determination unit 32 determines that there is rubbing (step S400: YES), the rubbing position identification unit 34 identifies a vibration mode that can be excited at the rotational speed at which rubbing occurs (step S401). For example, before carrying out this method, the relationship between the number of revolutions of the rotating part 4 and the types of vibration modes excited at each number of revolutions is obtained by carrying out a mode analysis in advance, and in step S401 , the number of revolutions at which rubbing occurs, to the relationship, it is determined which vibration modes can be excited.
  • the rubbing position identification unit 34 determines whether or not the number of vibration modes identified in step S401 is equal to or less than the number of axial vibration sensors 20 arranged at mutually different axial positions (step S402).
  • the condition of step S402 is satisfied by specifying two vibration modes in step S401 (the number of vibration modes and the number of shaft vibration sensors 20 are equal) will be described. If the number of vibration modes is less than the number of axial vibration sensors 20 arranged at mutually different axial positions (step S402: NO), the following identification method does not hold, and the process ends.
  • step S403 determines, for each vibration mode specified in step S401, The amplitude ratio between the axial position of the shaft vibration sensor 20 and the axial position of the location where rubbing occurs is calculated by mode analysis (step S403).
  • mode analysis step S403 for the first vibration mode, the ratio of the vibration amplitude at the third axis vibration sensor 20c, the vibration amplitude at the fourth axis vibration sensor 20d, and the vibration amplitude at the rubbing occurrence location is 1: ⁇ 1: ⁇ 1.
  • the ratio of the vibration amplitude at the third axis vibration sensor 20c, the vibration amplitude at the fourth axis vibration sensor 20d, and the vibration amplitude at the rubbing occurrence location was calculated as 1: ⁇ 2: ⁇ 2. A case will be described.
  • the contact position in the circumferential direction can be identified at any axial position using modal analysis. is.
  • a rotary machine rubbing position identification device includes: A rubbing position identification device (for example, the A rubbing position identification device 30), at least one AE sensor (for example, AE sensor 10 in the above embodiment) for detecting AE signals of the rotating machine; at least one shaft vibration sensor (for example, the shaft vibration sensor 20 of the above embodiment) for detecting a shaft vibration signal of the rotating part;
  • a rubbing position identification device for example, the A rubbing position identification device 30
  • at least one AE sensor for example, AE sensor 10 in the above embodiment
  • shaft vibration sensor for example, the shaft vibration sensor 20 of the above embodiment
  • the shaft vibration signal Based on the difference from the shaft vibration phase (for example, the shaft vibration phase ⁇ vib in the above embodiment) corresponding to the high spot position (for example, the high spot position Ph in the above embodiment) of the rotating portion specified based on the temporal change
  • a rubbing position identification unit for example, the rubbing position identification unit 34 of the above embodiment for identifying the circumferential position of the rubbing occurrence location in the
  • the circumferential position where rubbing occurs can be preferably identified based on the AE signals detected by a small number of AE sensors and the shaft vibration signal detected by the shaft vibration sensor.
  • identification of the circumferential position does not require a complicated configuration or calculation, and is less susceptible to noise, so it is possible to identify the rubbing position with high reliability even under various conditions. .
  • the at least one shaft vibration sensor has an amplitude corresponding to the size of a clearance (for example, the clearance D in the above embodiment) between the shaft vibration sensor installed on the fixed portion and the rotating portion. configured to detect a vibration signal,
  • the rubbing position identification unit identifies the high spot position based on a maximum peak included in the temporal change of the amplitude.
  • the at least one shaft vibration sensor includes a first shaft vibration sensor (for example, the first shaft vibration sensor 20a in the above embodiment) and a second shaft vibration sensor (for example, the second shaft vibration sensor in the above embodiment) having mounting angles different from each other. 20b),
  • the rubbing position identification unit obtains a trajectory of the high spot position based on the shaft vibration signals respectively detected by the first shaft vibration sensor and the second shaft vibration sensor, and calculates the trajectory of the high spot position based on the trajectory and the AE phase. Identify the circumferential position.
  • the high spot position is activated based on the shaft vibration signals detected by the plurality of shaft vibration sensors, and the AE phase is based on the AE signals detected by the AE sensor.
  • the trajectory of the high spot position has a non-circular shape such as an ellipse
  • the circumferential position of the rubbing occurrence point can be preferably identified.
  • the circumferential position identifying unit identifies the circumferential position by a normal direction of a tangent line passing through a point corresponding to the AE phase plotted on the track.
  • the circumferential position can be identified by plotting the point corresponding to the AE phase on the orbit and obtaining the normal direction of the tangent line passing through the point.
  • the at least one axial vibration sensor includes a third axial vibration sensor (for example, the third axial vibration sensor 20c in the above embodiment) and a fourth axial vibration sensor (for example, the fourth axial vibration sensor in the above embodiment) which are respectively installed at different axial positions. including a four-axis vibration sensor 20d),
  • the circumferential position identification unit calculates the axial phase by linear interpolation of shaft vibration vectors based on the shaft vibration signals detected by the third shaft vibration sensor and the fourth shaft vibration sensor.
  • the shaft vibration vector based on the shaft vibration signals detected by the two shaft vibration sensors located at different axial positions. Even when rubbing occurs at the directional position, the circumferential position can be properly identified.
  • the at least one axial vibration sensor includes a fifth axial vibration sensor (for example, the fifth axial vibration sensor 20e in the above embodiment) and a sixth axial vibration sensor (for example, the fifth axial vibration sensor 20e in the above embodiment) which are respectively installed at axial positions different from each other.
  • the rubbing position identification unit uses a coefficient that defines a vibration amplitude ratio between the fifth axis vibration sensor, the sixth axis vibration sensor, and the rubbing occurrence location for each vibration mode obtained by the mode analysis to determine the The circumferential position is identified by obtaining an axial vibration vector corresponding to the location where the rubbing occurs as a linear sum of axial vibration vectors respectively corresponding to the fifth axial vibration sensor and the sixth axial vibration sensor.
  • rubbing is performed as a linear sum of shaft vibration vectors corresponding to each shaft vibration sensor using a coefficient corresponding to the vibration amplitude ratio between each shaft vibration sensor and the rubbing occurrence location for each vibration mode.
  • the circumferential position of the rubbing can be identified by obtaining the axial vibration vector at the location where the rubbing occurs. Such identification of the circumferential position can be suitably performed even when the rotating part cannot be regarded as a rigid body because it is accompanied by deformation such as torsion during operation of the rotating machine.
  • the shaft vibration sensor and the AE sensor include a bearing box (for example, the bearing box 7 in the above embodiment) in which a bearing (for example, the bearing 6 in the above embodiment) that rotatably supports the rotating part with respect to the stationary part is housed. ).
  • the shaft vibration sensor and the AE sensor are provided in the bearing housing that accommodates the bearing that rotatably supports the rotating shaft, the shaft vibration and the AE wave can be detected appropriately from the rubbing. .
  • Said rotating machine is a steam turbine.
  • the circumferential position of rubbing generated in the steam turbine can be preferably identified.
  • a rubbing position identification method for a rotary machine includes: A rubbing position identification method for a rotary machine (for example, the rotary machine 1 of the above embodiment) including a fixed part (for example, the fixed part 2 of the above embodiment) and a rotating part (for example, the rotary part 4 of the above embodiment), detecting an AE signal of the rotating machine; detecting a shaft vibration signal of the rotating part;
  • an AE phase for example, the AE phase ⁇ rub in the above embodiment
  • the shaft vibration signal Based on the difference from the shaft vibration phase corresponding to the high-spot position (for example, the high-spot position Ph in the above embodiment) of the rotating part specified based on the temporal change, the circumferential direction of the rubbing occurrence location in the rotating machine identifying the location; Prepare.
  • the circumferential position where rubbing occurs can be preferably identified based on the AE signals detected by the small number of AE sensors and the shaft vibration signal detected by the shaft vibration sensor. Such identification of the circumferential position does not require a complicated configuration or calculation, and is less susceptible to noise, so it is possible to identify the rubbing position with high reliability even under various conditions. .

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Abstract

本開示は、固定部及び回転部を備える回転機械のラビング位置同定装置に関する。この装置は、ＡＥセンサと、軸振動センサと、ラビング位置同定部とを備える。ラビング位置同定部では、回転機械にラビングが発生した場合に、ＡＥセンサで検出されたＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相と、軸振動センサで検出された軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置に対応する軸振動位相を求め、これらの位相差に基づいて、回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定する。

Description

回転機械のラビング位置同定装置、及び、ラビング位置同定方法
　本開示は、回転機械のラビング位置同定装置、及び、ラビング位置同定方法に関する。
　本願は、２０２１年４月８日に日本国特許庁に出願された特願２０２１－０６５６０８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、回転機械におけるラビング検出は、回転軸の軸振動を検出することにより行われていた。回転軸における軸振動は、車室の熱変形によってシール等と回転軸とがラビングし（擦れ）、ラビングにより生じた熱によって回転軸に熱曲がりが生じることによって発生することがある。このようなラビングの発生は、回転機械の軸振動や、シール劣化による性能低下をもたらす。また回転軸の軸振動は、ロータに熱曲がりが生じる程度にラビングが進行した段階で検出可能な現象であるため、軸振動によってラビングを検出した場合には、回転機械を緊急停止させるなど、回転機械の運転に大きな影響を及ぼす対応が必要となるおそれがあった。そのため、ラビングの早期検出が望まれている。
　このような課題を解決するための一手法として、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）信号を検出可能なＡＥセンサを用いたラビング検出技術が知られている。ＡＥセンサは取付が容易であり、回転体の接触音に基づくＡＥ信号を検出することで、従来の軸振動に基づく場合に比べて早い段階でラビングを検知することができ、有望視されている。例えば特許文献１には、回転軸に対して周方向に沿って複数のＡＥセンサを設け、これらのＡＥセンサで検出されたＡＥ信号を処理することで、周方向におけるラビングの発生位置を同定する技術が開示されている。
特開２０１６－１４５７１２号公報
　上記特許文献１では、回転機械に対して複数のＡＥセンサを設置する必要があるため、ＡＥセンサの数が多くなり、コストが増大してしまう。また複数のＡＥセンサが配置された断面におけるラビングを検出対象としているため、当該断面とは異なる軸方向位置でラビングが発生した場合には、ラビング検出が難しい。またラビングによる複数のＡＥセンサ間における微小な位相差に基づいてラビング検知を行っているため、ＡＥ信号に含まれるノイズの影響によりラビングを検知することが難しい可能性がある。
　本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、ラビングの周方向位置を簡易な構成で同定可能な回転機械のラビング位置同定装置、及び、ラビング位置同定方法を提供することを目的とする。
　本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械のラビング位置同定装置は、上記課題を解決するために、
　固定部及び回転部を備える回転機械のラビング位置同定装置であって、
　前記回転機械のＡＥ信号を検出するための少なくとも１つのＡＥセンサと、
　前記回転部の軸振動信号を検出するための少なくとも１つの軸振動センサと、
　前記回転機械にラビングが発生した場合に、前記ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相と、前記軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置に対応する軸振動位相との差に基づいて、前記回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定するためのラビング位置同定部と、
を備える。
　本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械のラビング位置同定方法は、上記課題を解決するために、
　固定部及び回転部を備える回転機械のラビング位置同定方法であって、
　前記回転機械のＡＥ信号を検出する工程と、
　前記回転部の軸振動信号を検出する工程と、
　前記回転機械にラビングが発生した場合に、前記ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相と、前記軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置に対応する軸振動位相との差に基づいて、前記回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定する工程と、
を備える。
　本開示の少なくとも一実施形態によれば、ラビングの周方向位置を簡易な構成で同定可能な回転機械のラビング位置同定装置、及び、ラビング位置同定方法を提供できる。
一実施形態に係る回転機械の断面構造図である。 一実施形態に係るラビング位置同定方法を示すフローチャートである。 回転機械の内部の様子を示す模式図である。 回転機械の内部の様子を示す模式図である。 図２のステップＳ１０１で取得されるＡＥ信号及び軸振動信号の一例である。 他の実施形態に係るラビング位置同定装置における軸振動センサの取付位置を軸方向から示す模式図である。 他の実施形態に係るラビング位置同定方法を示すフローチャートである。 図６のステップＳ２０１で取得されたＡＥセンサで検出されたＡＥ信号、第１軸振動センサ及び第２軸振動センサで検出された軸振動信号の一例である。 図６のステップＳ２０２で作成されるオービット線図の一例である。 図８Ａのオービット線図から特定される法線方向に基づくラビング周方向位置の同定例である。 他の実施形態に係るラビング位置同定装置の構成を示す図である。 図９のラビング位置同定装置によって実施可能なラビング位置同定方法を示すフローチャートである。 第３軸振動センサで検出される軸振動信号に対応する軸振動ベクトルと、第４軸振動センサで検出される軸振動信号に対応する軸振動ベクトルとの線形補完の説明図である。 図９のラビング位置同定装置によって実施可能な他のラビング位置同定方法を示すフローチャートである。
　以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　図１は一実施形態に係る回転機械１の断面構造図である。回転機械１は、静止部２と、静止部２に対して回転可能な回転部４を備える。静止部２は回転機械１のケーシングであり、外部に対して静止している。回転部４は、静止部２に対して一対の軸受６ａ、６ｂを介して回転可能に支持される。
　静止部２及び回転部４の間には、クリアランスＤが設けられる。クリアランスＤには、静止部２に設けられた供給部３から作動流体Ｗが供給されることにより、回転部４が駆動される。回転部４を駆動した作動流体Ｗは、静止部２に設けられた排出部５から外部に排出される。回転機械１の運転時には、静止部２又は回転部４の少なくとも一方が熱等の影響によって変形することで、クリアランスＤが縮小し、ラビングが発生することがある。このようなラビングは、後述するＡＥセンサ１０で検出されるＡＥ信号に基づいて検知可能である。
　回転部４は、例えば、作動流体Ｗによる動力によって回転可能なロータ（回転軸）である。回転部４は、作動流体Ｗを受けるための動翼４ａを有し、動翼４ａで作動流体Ｗを受けることにより回転部４が回転駆動される。回転機械１は、例えば作動流体Ｗとして蒸気を用いる蒸気タービンである。
　回転部４は、一対の軸受６ａ、６ｂ（ラジアル軸受）によって回転可能に支持される。軸受６ａは回転部４の一端側に設けられ、軸受６ｂは回転部４の他端側に設けられている。軸受６ａ、６ｂは、それぞれ軸受箱７ａ、７ｂに収容されている。
　一実施形態に係るラビング位置同定装置１００は、上記構成を有する回転機械１において、ラビングが発生した場合に、ラビングの発生位置を同定するための装置である。回転機械１は、例えば、熱変形を生じた静止部２に取り付けられているシール等が回転部４に対してラビング（擦れ）を発生することがある。ラビング位置同定装置１００は、少なくとも１つのＡＥセンサ１０と、少なくとも１つの軸振動センサ２０と、少なくとも１つのＡＥセンサ１０及び少なくとも１つの軸振動センサ２０に基づいてラビング位置を同定するための演算を行う演算部３０と、を備える。
　ＡＥセンサ１０は、回転機械１のＡＥ信号を検出するためのセンサである。ラビングの発生個所で生じたＡＥ波は、弾性波として静止部２及び回転部４を伝播し、回転機械１に設置された各ＡＥセンサ１０でＡＥ信号として検出される。ＡＥ波は、一般的に数１０ｋＨｚ～数ＭＨｚの音波領域の周波数を有し、ＡＥセンサ１０によってＡＥ信号として検出される。本実施形態では、単一のＡＥセンサ１０が軸受６ａ（軸受箱７ａ）に設けられることで、ラビングの発生箇所からのＡＥ波を検出可能に構成されている。
　尚、図１では、単一のＡＥセンサ１０が軸受６ａ（軸受箱７ａ）に設けられた場合を例示しているが、軸受６ｂ（軸受箱７ｂ）に設けられていてもよい。
　軸振動センサ２０は、回転機械１の軸振動信号を検出するためのセンサである。軸振動センサ２０は、検出部が軸振動の検出対象である回転部４に対向するように配置され、当該検出部と回転部４との距離に基づいて軸振動を検出可能に構成される。本実施形態では、単一の軸振動センサ２０が軸受６ａ（軸受箱７ａ）に設けられることで、ラビングの発生箇所からの軸振動を検出可能に構成されている。
　尚、図１では、単一の軸振動センサ２０が軸受６ａ（軸受箱７ａ）に設けられた場合を例示しているが、軸受６ｂ（軸受箱７ｂ）に設けられていてもよい。
　尚、図１の例では、ＡＥセンサ１０と軸振動センサ２０は共通の軸受６ａ（軸受箱７ａ）のうち互いに異なる軸方向位置に設置されているが、異なる軸受（例えば一方が軸受６ａ（軸受箱７ａ）、他方が軸受６ｂ（軸受箱７ｂ））にそれぞれ設置されていてもよいし、互いに同じ軸方向位置に設置されていてもよい。
　演算部３０は、ＡＥセンサ１０及び軸振動センサ２０の検出結果に基づいてラビング位置を同定するために演算を行う構成であり、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
　演算部３０は、ラビングの有無を判定するためのラビング判定部３２と、ラビングが有ると判定された場合にラビングの発生位置を同定するためのラビング位置同定部３４とを備える。尚、ラビング判定部３２におけるラビングの有無に関する判定方法については公知の例に従うとし、詳細は省略するが、ＡＥセンサ１０によって検出されたＡＥ信号に基づいて判定を行うことで早期のラビング判定が可能である。
　続いて上記構成を有するラビング位置同定装置１００によって実施されるラビング位置同定方法について説明する。図２は一実施形態に係るラビング位置同定方法を示すフローチャートである。
　まずラビング判定部３２は、ラビングの有無を判定する（ステップＳ１００）。ステップＳ１００におけるラビング判定は、例えば、ＡＥセンサ１０において検出されるＡＥ信号に基づいて行われる。ラビング判定部３２においてラビングが有ると判定された場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ラビング位置同定部３４は、ＡＥセンサ１０で検出されたＡＥ信号、及び、軸振動センサ２０で検出された軸振動信号を取得する（ステップＳ１０１）。
　ここで図３Ａ及び図３Ｂは回転機械１の内部の様子を示す模式図であり、図４は図２のステップＳ１０１で取得されるＡＥ信号及び軸振動信号の一例である。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、回転部４は、静止部２の内側において回転駆動される。このとき回転部４のうち最も径方向外側に位置するハイスポット位置Ｐｈは、静止部２の中心Ｏに対して偏心した軌道Ｋ（例えば振れ回り中心Ｏ´を有する略円形状の軌道）で移動する。図３Ａでは、静止部２のうち所定の基準位置Ｐｒから取付角度φｖｉｂの位置に取り付けられた軸振動センサ２０にハイスポット位置Ｐｈが最接近している様子が示されており、図３Ｂではハイスポット位置Ｐｈが静止部２に接触することによりラビングが発生している様子が示されている。
　図４では、ＡＥセンサ１０及び軸振動センサ２０で同時に検出されたＡＥ信号と軸振動信号の時間的変化が示されている。このようなＡＥセンサ１０によるＡＥ信号の検出、及び、軸振動センサ２０による軸振動信号の検出は継続的に行われており、ステップＳ１０１では、ラビング有り判定をトリガ―として、ＡＥ信号及び軸振動信号が所定時間にわたって行われる。当該所定時間は、後述するＡＥ位相θｒｕｂ及び軸振動位相θｖｉｂを特定するために十分なＡＥ信号及び軸振動信号が取得されるように適宜設定される。
　ＡＥ信号は、一般的に、所定の周波数で振幅が変動する波形を有しており、回転機械１にラビングが発生した場合、図４に示すように、ＡＥ信号に含まれる波形のピークに基づいて特定される包絡線Ｌｈに、回転機械１の回転数に同期する成分（回転数同期成分）が現れる。このような回転数同期成分は、周期的に最大ピークを示すように変動する振る舞いを有する。
　また軸振動信号は、静止部２に取り付けられた軸振動センサ２０と回転部４との間の距離に対応して、図４に示すように、周期的に振幅が変化する波形を有する。このような軸振動信号は、軸振動センサ２０の近傍をハイスポット位置Ｐｈが通過するタイミングで最大ピークを有する正弦波として得られる。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ１０１で取得したＡＥ信号に基づいて、ＡＥ位相θｒｕｂを求める（ステップＳ１０２）。ＡＥ位相θｒｕｂは、図４に示すように、ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線Ｌｈのピークに対応する位相（ＡＥ信号の包絡線Ｌｈの回転数同期成分が最大となったときの回転角θ）として特定される。
　またラビング位置同定部３４は、ステップＳ１０１で取得した軸振動信号に基づいて、軸振動位相θｖｉｂを求める（ステップＳ１０３）。軸振動位相θｖｉｂは、図４に示すように、軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される回転部４のハイスポット位置Ｐｈに対応する位相（軸振動信号の振幅が最大となる回転角θ）として特定される。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ１０２で求められたＡＥ位相θｒｕｂとステップＳ１０３で求められた軸振動位相θｖｉｂとの差Δθに基づいて、回転機械１におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定する（ステップＳ１０４）。具体的には、静止部２における軸振動センサ２０の取付角度をφｖｉｂを用いて、ラビングが発生している周方向位置φｒｕｂは、次式
φｒｕｂ＝φｖｉｂ＋Δθ＝φｖｉｂ＋（θｒｕｂ－θｖｉｂ）　　　（１）
により同定される。
　尚、φｖｉｂ及びφｒｕｂは静止部２に規定された基準位置Ｐｒに対する角度である。基準位置Ｐｒは、例えば回転部４の回転数をカウントするためのワンパルス計（不図示）が設置された位置等を用いることができる。またθｖｉｂ及びθｒｕｂは、回転部４の基準角に対する回転角θであり、例えば、回転部４に設けられたワンパルスマーカが、静止部２に設けられたワンパルス計の位置を通過する角度を基準角として用いることができる。
　尚、ワンパルス計を備えない回転機械１では、例えば、軸振動変位が最大となったときの回転角θを基準角とすることでラビングの発生箇所の周方向位置を同様に同定することができる。この場合、θｖｉｂ＝０であり、θｒｕｂは軸振動変位が最大となった回転角からの相対回転角となる。
　以上説明したように本実施形態によれば、単一のＡＥセンサ１０で検出したＡＥ信号と、軸振動センサ２０で検出した軸振動信号とに基づいて、ラビングの発生箇所の周方向位置を好適に同定できる。このような周方向位置の同定には、複雑な構成や演算が不要であり、且つ、ノイズによる影響を受けにくいため、様々な条件下においても、信頼性の高いラビング位置の同定が可能となる。
　そして、このようにラビングの発生箇所の周方向位置を同定することで、その同定結果に基づいて回転機械１対する有効な対策の判断が可能となる。例えば、静止部２が上下に分割された２つのケーシングから構成されている場合、ラビングの発生箇所の周方向位置が上方側である場合には上方側のケーシングのみを開放して対策を実施することで、対策範囲を効果的に絞り込むことができる。またラビングの発生箇所の周方向位置が下方側である場合には、下方側のケーシングの手直しのために回転部４の吊上げ作業が必要であるかを事前に把握でき、効率的に作業計画を立案できる。また静止部２を加熱又は冷却することでクリアランスＤを調整可能な機構を備える場合には、ラビングの発生箇所の周方向位置に基づいて、どの方向にクリアランスＤを調整すべきかを判断し、その判断結果に基づいて当該機構を操作又は制御することができる。
　前述の実施形態では、ｉ）軸方向に垂直な断面上におけるハイスポット位置Ｐｈの軌道Ｋが略円形状であり、ｉｉ）ラビングの発生箇所の軸方向位置が軸振動センサ２０の付近であること、又は、ｉｉｉ）軸振動位相θｖｉｂが軸方向において一様であることなどが満たされる条件下では好適に周方向位置を同定することができるが、これらの条件のいずれかが満たされない場合、同定精度が低下するおそれがある。このような課題は、以下の実施形態によって好適に解決可能である。
　図５は他の実施形態に係るラビング位置同定装置１００における軸振動センサ２０の取付位置を軸方向から示す模式図である。本実施形態では、軌道Ｋが振れ回り中心Ｏ´に対して略楕円形状を有しており、軸方向に垂直な同一断面上において、軸振動センサ２０として、互いに異なる取付角度を有する第１軸振動センサ２０ａ及び第２軸振動センサ２０ｂが設けられる。すなわち、第１軸振動センサ２０ａの取付角度φｖｉｂ１、及び、第２軸振動センサ２０ｂの取付角度φｖｉｂ２が異なる。本変形例では特に、第１軸振動センサ２０ａの取付角度φｖｉｂ１、及び、第２軸振動センサ２０ｂの取付角度φｖｉｂ２が、互いに９０度異なる場合が例示されている。
　続いて上記構成のラビング位置同定装置１００によって実施可能なラビング位置同定方法について説明する。図６は他の実施形態に係るラビング位置同定方法を示すフローチャートである。
　まずラビング判定部３２は、前述のステップＳ１００と同様に、ラビングの有無を判定する（ステップＳ２００）。ラビング判定部３２においてラビングが有ると判定された場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、ラビング位置同定部３４は、ＡＥセンサ１０で検出されたＡＥ信号、第１軸振動センサ２０ａ及び第２軸振動センサ２０ｂで検出された軸振動信号をそれぞれ取得する（ステップＳ２０１）。
　ここで図７は図６のステップＳ２０１で取得されたＡＥセンサ１０で検出されたＡＥ信号、第１軸振動センサ２０ａ及び第２軸振動センサ２０ｂで検出された軸振動信号の一例である。第１軸振動センサ２０ａで検出された軸振動信号は、第２軸振動センサ２０ｂで検出された軸振動信号と所定の位相差を有する。当該位相差は、第１軸振動センサ２０ａの取付角度φｖｉｂ１、及び、第２軸振動センサ２０ｂの取付角度φｖｉｂ２に対応する。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ２０１で取得した軸振動信号に基づいて、回転部４の軸振動軌道を求める（ステップＳ２０２）。軸振動軌道は、第１軸振動センサ２０ａで検出された軸振動信号と、第２軸振動センサ２０ｂで検出された軸振動信号とに基づいて、オービット線図Ｆｏを作成することにより求められる。ここで図８Ａは図６のステップＳ２０２で作成されるオービット線図Ｆｏの一例であり、図８Ｂは図８Ａのオービット線図Ｆｏから特定される法線方向Ｄｈに基づくラビング周方向位置の同定例である。図８Ａのオービット線図Ｆｏでは、第１軸振動センサ２０ａの取付方向に対応する第１方向、及び、第２軸振動センサ２０ｂの取付方向に対応する第２方向で規定される平面上において、振れ回り中心Ｏ´に対するハイスポット位置Ｐｈの軌道Ｋが、略楕円形状を有することが示されている。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ２０１で取得したＡＥ信号に基づいて、ＡＥ位相θｒｕｂを求める（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０３では、前述のステップＳ１０２と同様に、図７に示すように、ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応する位相（ＡＥ信号の包絡線Ｌｈの回転数同期成分が最大となったときの回転角θ）として特定される。
　続いてラビング位置同定部３４は、図８Ａに示すように、ステップＳ２０２で求めた軌道ＫのうちステップＳ２０３で求めたＡＥ位相θｒｕｂに対応する位置を通る接線Ｌｓを特定し、更に当該接線Ｌｓの法線方向Ｄｈを求める（ステップＳ２０４）。そしてラビング位置同定部３４は、図８Ｂに示すように、静止部２の中心を通り、法線方向Ｄｈと平行な直線と静止部２との交点Ｐｃとして、ラビングの周方向位置を同定する（ステップＳ２０５）。
　このように本実施形態では、互いに異なる位置に取り付けられた第１軸振動センサ２０ａ及び第２軸振動センサ２０ｂで検出された軸振動信号から作成した軌道Ｋ（オービット線図Ｆｏ）に基づいて、ラビングの発生箇所の周方向位置を同定できる。このような同定手法は、例えば、軸方向に垂直な断面上におけるハイスポット位置Ｐｈの軌道Ｋが楕円形状のように略円形状ではない場合においても、好適に周方向位置を同定することができる。
　続いて図９は他の実施形態に係るラビング位置同定装置１００の構成を示す図である。本実施形態では、ラビング位置同定装置１００は軸振動センサ２０として、互いに異なる軸方向位置にそれぞれ設置された第３軸振動センサ２０ｃ、及び、第４軸振動センサ２０ｄを備える。第３軸振動センサ２０ｃ、及び、第４軸振動センサ２０ｄは、それぞれ軸受６ａ及び６ｂの軸受箱７ａ及び７ｂに設けられる。
　尚、図９の例においても図１と同様に、ＡＥセンサ１０と第３軸振動センサ２０ｃとは共通の軸受６ａ（軸受箱７ａ）のうち互いに異なる軸方向位置に設置されているが、異なる軸受（例えば一方が軸受６ａ（軸受箱７ａ）、他方が軸受６ｂ（軸受箱７ｂ））にそれぞれ設置されていてもよいし、互いに同じ軸方向位置に設置されていてもよい。
　図１０は図９のラビング位置同定装置１００によって実施可能なラビング位置同定方法を示すフローチャートである。尚、本実施形態では、回転機械１の運転時に回転部４に生じる変形が十分に小さく剛体とみなせると仮定する。
　まずラビング判定部３２は、前述のステップＳ１００、Ｓ２００と同様に、ラビングの有無を判定する（ステップＳ３００）。ラビング判定部３２においてラビングが有ると判定された場合（ステップＳ３００：ＹＥＳ）、ラビング位置同定部３４は、当該ラビングの回転部４における軸方向位置を推定する（ステップＳ３０１）。軸方向位置の推定は、例えば、回転機械１の静止部２及び回転部４の設計仕様に基づいて行ってもよいし（例えば軸方向に沿ったクリアランスＤの分布に基づいてラビングが発生しやすい位置を推定）、数値解析により行ってもよいし、又は、クリアランスＤを計測可能なセンサ（不図示）の計測結果に基づいて推定してもよい。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ３０１で取得したＡＥ信号に基づいて、前述のステップＳ１０２と同様に、ＡＥ位相θｒｕｂを求める（ステップＳ３０２）。ＡＥ位相θｒｕｂは、ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線Ｌｈのピークに対応する位相（ＡＥ信号の包絡線Ｌｈの回転数同期成分が最大となったときの回転角θ）として特定される。
　続いてラビング位置同定部３４は、図１１に示すように、第３軸振動センサ２０ｃで検出される軸振動信号に対応する軸振動ベクトルＶ１（振幅Ａ、位相α）と、第４軸振動センサ２０ｄで検出される軸振動信号に対応する軸振動ベクトルＶ２（振幅Ｂ、位相β）とを線形補完することにより、軸方向位置における軸振動位相θｖｉｂを求める（ステップＳ３０３）。具体的には、図９に示すように、第３軸振動センサ２０ｃからラビング発生位置までの軸方向距離をＬ１、第４軸振動センサ２０ｄからラビング発生位置までの軸方向距離をＬ２とすると、ラビング発生位置における軸振動位相θｖｉｂは次式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 で求められる。ここでαは第３軸振動センサ２０ｃの位置における軸振動の位相遅れであり、βは第４軸振動センサ２０ｄの位置における軸振動の位相遅れであり、ｋ＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）である。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ３０２で求めたＡＥ位相θｒｕｂ、及び、ステップＳ３０３で求めた軸振動位相θｖｉｂの差に基づいて、前述のステップＳ１０４と同様に、ラビング発生箇所の周方向位置を同定する（ステップＳ３０４）。
　本実施形態によれば、ラビングが発生している軸方向位置が軸振動センサ２０から離れている場合においても、軸方向に沿って異なる位置に設けられた第３軸振動センサ２０ｃ及び第４軸振動センサ２０ｄで検出された軸振動信号に基づく軸振動ベクトルの線形補間によって、任意の軸方向位置において、ラビングの周方向位置を好適に同定できる。
　図１２は図９のラビング位置同定装置１００によって実施可能な他のラビング位置同定方法を示すフローチャートである。本実施形態は、回転部４の変形が無視できず剛体モードとして近似できない場合にも適用可能である。
　まずラビング判定部３２は、前述のステップＳ１００、Ｓ２００、Ｓ３００と同様に、ラビングの有無を判定する（ステップＳ４００）。ラビング判定部３２においてラビングが有ると判定された場合（ステップＳ４００：ＹＥＳ）、ラビング位置同定部３４は、ラビング発生時の回転数において励起されうる振動モードを特定する（ステップＳ４０１）。例えば、本方法を実施する前に、予めモード解析を実施することにより、回転部４の回転数と、各回転数で励起される振動モードの種類との関係を取得しておき、ステップＳ４０１では、ラビング発生時の回転数を当該関係に適用することにより、どの振動モードが励起されうるかが特定される。
　続いてラビング位置同定部３４は、ステップＳ４０１で特定された振動モードの数が、互いに異なる軸方向位置に配置された軸振動センサ２０の数以下であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。本実施形態では、ステップＳ４０１で２つの振動モードが特定されることで、ステップＳ４０２の条件が満足された場合（振動モードの数と軸振動センサ２０の数とが等しい場合）について説明する。
　尚、振動モードの数が、互いに異なる軸方向位置に配置された軸振動センサ２０の数未満である場合（ステップＳ４０２：ＮＯ）、以下の同定方法は成立しないため、処理を終了する。
　振動モードの数が、互いに異なる軸方向位置に配置された軸振動センサ２０の数以下である場合（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、ラビング位置同定部３４は、ステップＳ４０１で特定された振動モードごとに、軸振動センサ２０の軸方向位置とラビング発生箇所の軸方向位置の振幅比をモード解析より算出する（ステップＳ４０３）。ここでステップＳ４０３の具体例として、第１振動モードについて、第３軸振動センサ２０ｃにおける振動振幅、第４軸振動センサ２０ｄにおける振動振幅、ラビングの発生箇所における振動振幅の比が１：β１：γ１と算出されるとともに、第２振動モードについて、第３軸振動センサ２０ｃにおける振動振幅、第４軸振動センサ２０ｄにおける振動振幅、ラビング発生箇所における振動振幅の比が１：β２：γ２と算出された場合について説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　以上説明したように本実施形態によれば、回転部４の変形が無視できず剛体モードとして近似できない場合においても、モード解析を用いて、任意の軸方向位置で周方向の接触位置が同定可能である。
　その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）一態様に係る回転機械のラビング位置同定装置は、
　固定部（例えば上記実施形態の固定部２）及び回転部（例えば上記実施形態の回転部４）を備える回転機械（例えば上記実施形態の回転機械１）のラビング位置同定装置（例えば上記実施形態のラビング位置同定装置３０）であって、
　前記回転機械のＡＥ信号を検出するための少なくとも１つのＡＥセンサ（例えば上記実施形態のＡＥセンサ１０）と、
　前記回転部の軸振動信号を検出するための少なくとも１つの軸振動センサ（例えば上記実施形態の軸振動センサ２０）と、
　前記回転機械にラビングが発生した場合に、前記ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相（例えば上記実施形態のＡＥ位相Ｒｒｕｂ）と、前記軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置（例えば上記実施形態のハイスポット位置Ｐｈ）に対応する軸振動位相（例えば上記実施形態の軸振動位相θｖｉｂ）との差に基づいて、前記回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定するためのラビング位置同定部（例えば上記実施形態のラビング位置同定部３４）と、
を備える。
　上記（１）の態様によれば、少数のＡＥセンサで検出したＡＥ信号と、軸振動センサで検出した軸振動信号とに基づいて、ラビングが発生した周方向位置を好適に同定できる。このような周方向位置の同定には、複雑な構成や演算が不要であり、且つ、ノイズによる影響を受けにくいため、様々な条件下においても、信頼性の高いラビング位置の同定が可能となる。
（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
　前記周方向位置φｒｕｂは、基準位置に対する前記軸振動センサの取付位置φｖｉｂ、前記ＡＥ位相θｒｕｂ及び前記軸振動位相θｖｉｂを用いて次式
φｒｕｂ＝φｖｉｂ＋（θｒｕｂ－θｖｉｂ）
で表される。
　上記（２）の態様によれば、ＡＥ位相及び軸振動位相との差に基づいて、ラビング発生箇所の周方向位置を好適に同定できる。
（３）他の態様では、上記（１）又は（２）の態様において、
　前記少なくとも１つの軸振動センサは、前記固定部に設置された前記軸振動センサと前記回転部との間にあるクリアランス（例えば上記実施形態のクリアランスＤ）の大きさに対応する振幅を有する前記軸振動信号を検出するように構成され、
　前記ラビング位置同定部は、前記振幅の時間的変化に含まれる最大ピークに基づいて前記ハイスポット位置を特定する。
　上記（３）の態様によれば、軸振動センサによって検出される軸振動振動の振幅の時間的変化に基づいて、軸振動位相を求めるために必要なハイスポット位置を好適に特定できる。
（４）他の態様では、上記（１）の態様において、
　前記少なくとも１つの軸振動センサは、互いに異なる取付角度を有する第１軸振動センサ（例えば上記実施形態の第１軸振動センサ２０ａ）及び第２軸振動センサ（例えば上記実施形態の第２軸振動センサ２０ｂ）を含み、
　前記ラビング位置同定部は、前記第１軸振動センサ及び第２軸振動センサでそれぞれ検出された前記軸振動信号に基づいて前記ハイスポット位置の軌道を求め、前記軌道及び前記ＡＥ位相に基づいて前記周方向位置を同定する。
　上記（４）の態様によれば、複数の軸振動センサで検出された軸振動信号に基づいて求められるハイスポット位置の起動と、ＡＥセンサで検出されたＡＥ信号に基づくＡＥ位相とに基づいて、ハイスポット位置の軌道が例えば楕円のような非円形状を有する場合においても、ラビング発生箇所の周方向位置を好適に同定できる。
（５）他の態様では、上記（４）の態様において、
　前記周方向位置同定部は、前記軌道上にプロットされた前記ＡＥ位相に対応する点を通る接線の法線方向により前記周方向位置を同定する。
　上記（５）の態様によれば、軌道上にＡＥ位相に対応する点をプロットし、当該点を通る接線の法線方向を求めることにより、周方向位置を同定できる。
（６）他の態様では、上記（１）から（５）のいずれか一態様において、
　前記少なくとも１つの軸振動センサは、互いに異なる軸方向位置にそれぞれ設置された第３軸振動センサ（例えば上記実施形態の第３軸振動センサ２０ｃ）及び第４軸振動センサ（例えば上記実施形態の第４軸振動センサ２０ｄ）を含み、
　前記周方向位置同定部は、前記第３軸振動センサ及び前記第４軸振動センサでそれぞれ検出された前記軸振動信号に基づく軸振動ベクトルの線形補間により、前記軸方向位相を算出する。
　上記（６）の態様によれば、異なる軸方向位置にある２つの軸振動センサで検出された軸振動信号に基づく軸振動ベクトルを線形補間することにより、２つの軸振動センサの間にある軸方向位置にラビング発生箇所がある場合にも、周方向位置を適切に同定できる。
（７）他の態様では、上記（１）から（６）のいずれか一態様において、
　前記少なくとも１つの軸振動センサは、互いに異なる軸方向位置にそれぞれ設置された第５軸振動センサ（例えば上記実施形態の第５軸振動センサ２０ｅ）及び第６軸振動センサ（例えば上記実施形態の第６軸振動センサ２０ｆ）を含み、
　前記ラビング位置同定部は、モード解析で求められた振動モードごとに、前記第５軸振動センサ、前記第６軸振動センサ及び前記ラビングの発生箇所における振動振幅比を規定する係数を用いて、前記第５軸振動センサ及び前記第６軸振動センサにそれぞれ対応する軸振動ベクトルの線形和として前記ラビングの発生箇所に対応する軸振動ベクトルを求めることにより前記周方向位置を同定する。
　上記（７）の態様によれば、振動モードごとに各軸振動センサとラビング発生箇所における振動振幅比に対応する係数を用いて、各軸振動センサに対応する軸振動ベクトルの線形和として、ラビング発生箇所における軸振動ベクトルを求めることで、ラビングの周方向位置を同定できる。このような周方向位置の同定は、回転機械の運転時に回転部が例えばねじり等の変形を伴うことで剛体とみなせない場合においても好適に行うことができる。
（８）他の態様では、上記（１）から（７）のいずれか一態様において、
　前記軸振動センサ及び前記ＡＥセンサは、前記回転部を前記静止部に対して回転可能に支持する軸受（例えば上記実施形態の軸受６）が収容される軸受箱（例えば上記実施形態の軸受箱７）に設けられる。
　上記（８）の態様によれば、軸振動センサ及びＡＥセンサが回転軸を回転可能に支持する軸受が収容される軸受箱に設けられることで、ラビングから軸振動やＡＥ波を適切に検出できる。
（９）他の態様では、上記（１）から（８）のいずれか一態様において、
　前記回転機械は蒸気タービンである。
　上記（９）の態様によれば、蒸気タービンで発生したラビングの周方向位置を好適に同定できる。
（１０）一態様に係る回転機械のラビング位置同定方法は、
　固定部（例えば上記実施形態の固定部２）及び回転部（例えば上記実施形態の回転部４）を備える回転機械（例えば上記実施形態の回転機械１）のラビング位置同定方法であって、
　前記回転機械のＡＥ信号を検出する工程と、
　前記回転部の軸振動信号を検出する工程と、
　前記回転機械にラビングが発生した場合に、前記ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相（例えば上記実施形態のＡＥ位相θｒｕｂ）と、前記軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置（例えば上記実施形態のハイスポット位置Ｐｈ）に対応する軸振動位相との差に基づいて、前記回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定する工程と、
を備える。
　上記（１０）の態様によれば、少数のＡＥセンサで検出したＡＥ信号と、軸振動センサで検出した軸振動信号とに基づいて、ラビングが発生した周方向位置を好適に同定できる。このような周方向位置の同定には、複雑な構成や演算が不要であり、且つ、ノイズによる影響を受けにくいため、様々な条件下においても、信頼性の高いラビング位置の同定が可能となる。
１　回転機械
２　静止部
３　供給部
４　回転部
４ａ　動翼
５　排出部
６ａ，６ｂ　軸受
７ａ，７ｂ　軸受箱
１０　ＡＥセンサ
２０　軸振動センサ
３０　演算部
３２　ラビング判定部
３４　ラビング位置同定部
１００　ラビング位置同定装置
Ｄ　クリアランス
Ｄｈ　法線方向
Ｆｏ　オービット線図
Ｋ　軌道
Ｌｈ　包絡線
Ｌｓ　接線
Ｐｈ　ハイスポット位置

Claims (10)

  1. 　固定部及び回転部を備える回転機械のラビング位置同定装置であって、
    　前記回転機械のＡＥ信号を検出するための少なくとも１つのＡＥセンサと、
    　前記回転部の軸振動信号を検出するための少なくとも１つの軸振動センサと、
    　前記回転機械にラビングが発生した場合に、前記ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相と、前記軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置に対応する軸振動位相との差に基づいて、前記回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定するためのラビング位置同定部と、
    を備える、回転機械のラビング位置同定装置。
  2. 　前記周方向位置φｒｕｂは、基準位置に対する前記軸振動センサの取付位置φｖｉｂ、前記ＡＥ位相θｒｕｂ及び前記軸振動位相θｖｉｂを用いて次式
    φｒｕｂ＝φｖｉｂ＋（θｒｕｂ－θｖｉｂ）
    で表される、請求項１に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  3. 　前記少なくとも１つの軸振動センサは、前記固定部に設置された前記軸振動センサと前記回転部との間にあるクリアランスの大きさに対応する振幅を有する前記軸振動信号を検出するように構成され、
    　前記ラビング位置同定部は、前記振幅の時間的変化に含まれる最大ピークに基づいて前記ハイスポット位置を特定する、請求項１又は２に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  4. 　前記少なくとも１つの軸振動センサは、互いに異なる取付角度を有する第１軸振動センサ及び第２軸振動センサを含み、
    　前記ラビング位置同定部は、前記第１軸振動センサ及び第２軸振動センサでそれぞれ検出された前記軸振動信号に基づいて前記ハイスポット位置の軌道を求め、前記軌道及び前記ＡＥ位相に基づいて前記周方向位置を同定する、請求項１に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  5. 　前記周方向位置同定部は、前記軌道上にプロットされた前記ＡＥ位相に対応する点を通る接線の法線方向により前記周方向位置を同定する、請求項４に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  6. 　前記少なくとも１つの軸振動センサは、互いに異なる軸方向位置にそれぞれ設置された第３軸振動センサ及び第４軸振動センサを含み、
    　前記周方向位置同定部は、前記第３軸振動センサ及び前記第４軸振動センサでそれぞれ検出された前記軸振動信号に基づく軸振動ベクトルの線形補間により、前記軸方向位相を算出する、請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  7. 　前記少なくとも１つの軸振動センサは、互いに異なる軸方向位置にそれぞれ設置された第５軸振動センサ（例えば上記実施形態の第５軸振動センサ２０ｅ）及び第６軸振動センサ（例えば上記実施形態の第６軸振動センサ２０ｆ）を含み、
    　前記ラビング位置同定部は、モード解析で求められた振動モードごとに、前記第５軸振動センサ、前記第６軸振動センサ及び前記ラビングの発生箇所における振動振幅比を規定する係数を用いて、前記第５軸振動センサ及び前記第６軸振動センサにそれぞれ対応する軸振動ベクトルの線形和として前記ラビングの発生箇所に対応する軸振動ベクトルを求めることにより前記周方向位置を同定する、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  8. 　前記軸振動センサ及び前記ＡＥセンサは、前記回転部を前記静止部に対して回転可能に支持する軸受が収容される軸受箱に設けられる、請求項１から７のいずれか一項に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  9. 　前記回転機械は蒸気タービンである、請求項１から８のいずれか一項に記載の回転機械のラビング位置同定装置。
  10. 　固定部及び回転部を備える回転機械のラビング位置同定方法であって、
    　前記回転機械のＡＥ信号を検出する工程と、
    　前記回転部の軸振動信号を検出する工程と、
    　前記回転機械にラビングが発生した場合に、前記ＡＥ信号の時間的変化に基づいて特定される包絡線のピークに対応するＡＥ位相と、前記軸振動信号の時間的変化に基づいて特定される前記回転部のハイスポット位置に対応する軸振動位相との差に基づいて、前記回転機械におけるラビング発生箇所の周方向位置を同定する工程と、
    を備える、回転機械のラビング位置同定方法。
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