(57)【要約】【課題】回転機械の軸系が不安定になる可能性を低減させる。【解決手段】軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置制御装置が、センサから入力される回転軸の状態量に基づいて回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定部と、軸心位置推定部が推定した軸心位置に基づいて、軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定部であって、軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように給油温度を設定する給油温度設定部と、を備える。【選択図】図１
2020073822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置制御装置であって、
センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定部と、
前記軸心位置推定部が推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定部であって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定部と、
を備える軸心位置制御装置。
【請求項２】
前記給油温度設定部は、前記軸心位置が、前記安定領域と前記不安定領域との中間の領域として設定されている中間領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が前記安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する、
請求項１に記載の軸心位置制御装置。
【請求項３】
前記軸心位置推定部は、互いに異なる方向について前記回転軸の変位を測定する２つの変位センサによる測定値に基づいて、鉛直方向、前記回転軸に直交する水平方向の両方について、前記軸心位置を推定する、
請求項１または２に記載の軸心位置制御装置。
【請求項４】
前記給油温度設定部は、給油温度の設定値により軸受における油膜温度が上限値を超えると判定すると、より低い給油温度に変更する、請求項１から３の何れか一項に記載の軸心位置制御装置。
【請求項５】
前記センサは、軸振動センサを含む、請求項１から４の何れか一項に記載の軸心位置制御装置。
【請求項６】
軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械と、前記回転機械の軸心位置を制御する軸心位置制御装置とを備える回転機械システムであって、
前記軸心位置制御装置は、
センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定部と、
前記軸心位置推定部が推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定部であって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定部と、
を備える回転機械システム。
【請求項７】
軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置制御方法であって、
センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定ステップと、
前記軸心位置推定ステップにて推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定ステップであって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定ステップと、
を有する軸心位置制御方法。
【請求項８】
軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置を制御するコンピュータに、
センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定ステップと、
前記軸心位置推定ステップにて推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定ステップであって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定ステップと、
を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸心位置制御装置、回転機械システム、軸心位置制御方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
横軸型の回転機械において回転軸を支持する軸受の１つに、回転軸を摺動可能に支持するジャーナル軸受がある。特に、横軸型のタービン、発電機、電動機など大型の回転機械では、軸受に潤滑油を供給して回転軸を摺動可能に支持する方法が一般的に用いられている（特許文献１参照）。
例えば、大型の回転軸を支持する軸受には、調心性と振動安定性にすぐれたパッド型ジャーナル軸受装置が使用されることが多い。さらに例えば、下半２枚のパッドで回転軸の荷重を分担し、高面圧化を図ることを目的として、ロードビトゥイーン型のパッド型ジャーナル軸受装置（ＬＢＰ軸受）が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−２２７８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロードビトゥイーン型のパッド軸受では、軸心（軸の中心）の位置によって、振動の減衰を比較的得やすく軸系が安定する領域と、振動の減衰を比較的得にくく軸系が不安定になりやすい領域とが存在する。軸に作用する力などの要因により軸心が動くことで、軸系が不安定になり易い領域に位置することが考えられる。軸心が振動の減衰を比較的得にくい領域に位置して軸系が不安定になると、装置全体の信頼性に影響する可能性がある。
【０００５】
比較的高重量な軸では軸受面圧が比較的大きく、このような軸受動特性の変化がさほど問題にならないことが考えられるが、比較的軽量な軸では軸受面圧が比較的小さく、軸受の動特性の変化が軸の安定性に大きな影響を与える可能性がある。
また、比較的軽量な軸を有するギア駆動圧縮機などでも、歯車のかみ合わせの状態が原因で軸受に作用する軸受荷重の大きさと方向とが変化し、軸系の安定性に影響する可能性がある。
【０００６】
本発明は、軸系が不安定になる可能性を低減させることができる軸心位置制御装置、回転機械システム、軸心位置制御方法およびプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、軸心位置制御装置は、軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置制御装置であって、センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定部と、前記軸心位置推定部が推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定部であって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定部と、を備える。
【０００８】
前記給油温度設定部は、前記軸心位置が、前記安定領域と前記不安定領域との中間の領域として設定されている中間領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が前記安定領域に含まれるように前記給油温度を設定するようにしてもよい。
【０００９】
前記軸心位置推定部は、互いに異なる方向について前記回転軸の変位を測定する２つの変位センサによる測定値に基づいて、鉛直方向、前記回転軸に直交する水平方向の両方について、前記軸心位置を推定するようにしてもよい。
【００１０】
前記給油温度設定部は、給油温度の設定値により軸受における油膜温度が上限値を超えると判定すると、より低い給油温度に変更するようにしてもよい。
【００１１】
前記センサは、軸振動センサを含むようにしてもよい。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、回転機械システムは、軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械と、前記回転機械の軸心位置を制御する軸心位置制御装置とを備える回転機械システムであって、前記軸心位置制御装置は、センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定部と、前記軸心位置推定部が推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定部であって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定部と、を備える。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、軸心位置制御方法は、軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置制御方法であって、センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定ステップと、前記軸心位置推定ステップにて推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定ステップであって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定ステップと、を有する。
【００１４】
本発明の第４の態様によれば、プログラムは、軸受パッドにより潤滑油を介して回転軸を摺動可能に支持する回転機械の軸心位置を制御するコンピュータに、センサから入力される前記回転軸の状態量に基づいて該回転軸の軸心位置を推定し、推定された軸心位置と、軸受メタルの温度を測定する熱電対の測定値から得られた軸心位置との差の大きさが所定値以上の場合、推定位置の出力を抑制する軸心位置推定ステップと、前記軸心位置推定ステップにて推定した軸心位置に基づいて、該軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、前記潤滑油の温度を調整可能な温度調整部に設定した給油温度を出力する給油温度設定ステップであって、前記軸心位置が、軸系が不安定になる領域として設定されている不安定領域に含まれると判定した場合、前記軸心位置が、軸系が安定する領域として設定されている安定領域に含まれるように前記給油温度を設定する給油温度設定ステップと、を実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
上記した軸心位置制御装置、回転機械システム、軸心位置制御方法およびプログラムによれば、軸系が不安定になる可能性を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における蒸気タービンシステムの機能構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同実施形態における蒸気タービンのロータの軸心が安定領域にある例を示す説明図である。
【図３】同実施形態における蒸気タービンのロータの軸心が不安定領域にある例を示す説明図である。
【図４】同実施形態における軸に作用する流体力に偏りが生じた状態の例を示す説明図である。
【図５】同実施形態における変位センサの設置位置を蒸気タービンの横側から見た場合の、各部の位置関係の例を示す概略図である。
【図６】同実施形態における変位センサの設置位置を蒸気タービンのロータの軸方向から見た場合の、各部の位置関係の例を示す概略図である。
【図７】同実施形態における熱電対が温度を測定する軸受メタルの配置例を示す説明図である。
【図８】同実施形態における蒸気タービンシステムが行う軸受への潤滑油供給の処理手順の例を示す説明図である。
【図９】同実施形態において、油膜温度の制限を行う場合に、蒸気タービンシステムが行う軸受への潤滑油供給の処理手順の例を示す説明図である。
【図１０】同実施形態における変位センサの設置位置を蒸気タービンのロータの軸方向から見た場合の各部の位置関係の、もう１つの例を示す概略図である。
【図１１】同実施形態における変位センサの設置位置を蒸気タービンのロータの軸方向から見た場合の各部の位置関係の、もう１つの例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態における蒸気タービンシステムの機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、蒸気タービンシステム１は、軸心位置制御装置１００と、潤滑油供給装置２００と、蒸気タービン３００とを備える。軸心位置制御装置１００は、軸心位置推定部１１０と、給油温度設定部１２０とを備える。潤滑油供給装置２００は、温度調整部２１０と、潤滑油供給部２２０とを備える。蒸気タービン３００は、変位センサ３１１と、熱電対３１２とを備える。
【００１８】
蒸気タービン３００は、ボイラから供給される蒸気にてロータを回転させて回転力を生成する。蒸気タービン３００は、回転機械の例に該当し、潤滑油供給装置２００が供給する潤滑油を介して、軸受メタルによりロータの回転軸を摺動可能に支持する。なお、蒸気タービン３００のロータの回転軸を、単に「軸」と称する。
【００１９】
ここで、図２〜図３を参照して、蒸気タービン３００における軸系の安定性について説明する。
図２は、蒸気タービン３００のロータの軸心が安定領域にある例を示す説明図である。同図において、蒸気タービン３００のうち、軸受メタル３２２−１〜３２２−４を備える軸受３２１と、ロータ３３０の軸３３１とが示されている。軸受メタル２１１−１〜３２２−４は、軸受パッドの例に該当する。
また、図２において、安定領域Ａ１１と、中間領域Ａ１２と、不安定領域Ａ１３とが示されており、また、点Ｐ１１は、軸３３１の軸心を示す。
【００２０】
安定領域Ａ１１は、ロータ３３０の軸系が安定する、軸心の位置を示す領域である。図２の例では、点Ｐ１１で示される軸心が安定領域Ａ１１内に位置している。この場合、軸３３１の振動の減衰を比較的得やすく、ロータ３３０の軸系が安定する。
一方、不安定領域Ａ１３は、ロータ３３０の軸系が不安定になる、軸心の位置を示す領域である。ロータ３３０の軸心が不安定領域Ａ１３内に位置している場合、軸３３１の振動の減衰を比較的得にくく、ロータ３３０の軸系が不安定になる。
【００２１】
また、中間領域Ａ１２は、安定領域Ａ１１と不安定領域Ａ１３との中間の領域である。ロータ３３０の軸心が中間領域Ａ１２内に位置している場合、ロータ３３０の軸心が不安定領域Ａ１３内に位置している場合よりも、軸３３１の振動の減衰を得やすい。一方、ロータ３３０の軸心が中間領域Ａ１２内に位置している状態は、当該軸心が不安定領域Ａ１３に比較的近い位置にある状態と言える。この点において、中間領域Ａ１２は、ロータ３３０の軸系が不安定にならないか注意を要する領域である。
【００２２】
蒸気タービンシステム１の製造者または管理者は、例えば、蒸気タービン３００の解析結果、あるいは、過去の計測結果（例えば、蒸気タービン３００の保守点検記録または試験データなど）から、不安定領域Ａ１３を予め設定し、給油温度設定部１２０に記憶させておく。そして、蒸気タービンシステム１の製造者または管理者は、不安定領域Ａ１３の近傍に中間領域Ａ１２を予め設定し、給油温度設定部１２０に記憶させておく。
【００２３】
図３は、蒸気タービン３００のロータの軸心が不安定領域にある例を示す説明図である。図２の場合と同様、図３において、蒸気タービン３００のうち、軸受メタル３２２−１〜３２２−４を備える軸受３２１と、軸３３１とが示されている。また、図３において、安定領域Ａ１１と、中間領域Ａ１２と、不安定領域Ａ１３とが示されており、また、点Ｐ１１は、軸３３１の軸心を示す。
図２の場合と異なり、図３の例では、点Ｐ１１で示される軸心が不安定領域Ａ１３内に位置している。この場合、上記のように、軸３３１の振動の減衰を比較的得にくく、ロータ３３０の軸系が不安定になる。
【００２４】
次に、図４を参照して、軸３３１の位置が変化する要因の例について説明する。
図４は、軸３３１に作用する流体力に偏りが生じた状態の例を示す説明図である。同図では、蒸気タービン３００の車室を軸方向から見た断面の概略が示されており、ステータ３４０の外周（ケーシング）と、ロータの軸３３１および動翼３３２とが示されている。また、点Ｐ１１は軸心を示す。
【００２５】
また、図４は、蒸気タービン３００が部分噴射を行う蒸気タービンである場合の例を示している。ここでいう部分噴射とは、タービンへの蒸気挿入時に、周方向に取り付けられたノズル毎に弁の開閉度によって蒸気流入量を調節する手法である。図４の例において、矢印Ｒ１１〜Ｒ１４は、それぞれ、ノズルからの蒸気の噴射方向の例を示しており、Ｒ１１〜Ｒ１３は、蒸気が噴射されている状態を示している。一方、Ｒ１４は、蒸気が噴射されていない状態を示している。Ｒ１１〜Ｒ１３の方向とＲ１４の方向との、蒸気の噴射の有無の違いにより、軸３３１に作用する流体力に偏りが生じ、この偏りによって軸心（点Ｐ１１）が動くことが考えられる。
【００２６】
このように、部分噴射を行う蒸気タービンでは、各方向からの蒸気流入量の違いにより軸に作用する流体力に偏りが生じ、それに伴い軸をある半径方向へ変化させる力が生じる場合がある。この力により、軸心が振動の減衰を得にくい不安定領域に位置することが考えられる。軸心が振動の減衰を比較的得にくい領域に位置して軸系が不安定になると、装置全体の信頼性に影響する可能性がある。
そこで、蒸気タービンシステム１では、後述するように軸心位置制御装置１００が、軸受３２１に供給される潤滑油の温度を制御することで、蒸気タービン３００のロータの軸心の位置を制御する。
【００２７】
変位センサ３１１は、軸の位置の変化（軸変位）を測定する。具体的には、変位センサ３１１は、変位センサ３１１自らと軸３３１との距離の変化を測定する。変位センサ３１１として、例えば、軸振動計を用いることができる。軸振動計による軸振動の測定値から必要な周波数成分を取り出すことで、軸３３１の軸心位置を推定することができる。具体的には、変位センサ３１１の測定値をローパスフィルタに通して高周波（回転数成分等）を除去して軸３３１の変位の測定値を得る。
【００２８】
ここで、図５および図６を参照して変位センサ３１１の設置位置の例について説明する。
図５は、変位センサ３１１の設置位置を蒸気タービン３００の横側から（軸３３１の長手方向に垂直な方向から）見た場合の、各部の位置関係の例を示す概略図である。同図の例において、軸受箱３２３と車室３４１とにわたって軸３３１が配置されている。また、軸受箱３２３には軸受３２１が配置されて軸３３１を支持している。また、軸受箱３２３と車室３４１との間にバッフルプレート３５１が設けられており、バッフルプレート３５１にＬ字型治具３５２を取り付けて変位センサ３１１が設置されている。変位センサ３１１は、軸３３１に向けて（例えば、軸３３１の直径方向について、変位センサ３１１自らと軸３３１との距離の変化を測定する向きに）設置されている。
【００２９】
図６は、変位センサ３１１の設置位置を蒸気タービン３００のロータの軸方向から見た場合の、各部の位置関係の例を示す概略図である。同図の例において、バッフルプレート３５１にＬ字型治具３５２を取り付けて変位センサ３１１が設置されている。変位センサ３１１は、軸３３１に向けて設置されている。
ここで、２つの変位センサ３１１が互いに異なる方向（図６の例では互いに直交する方向）について、軸３３１の変位を測定する。これら２つの変位センサ３１１による測定値を用いることで、鉛直方向、軸３３１に直交する水平方向の両方について、軸心の位置を推定することができる。これにより、図２の例のように安定領域Ａ１１等が比較的複雑な形状をしている場合でも、軸心がどの領域に含まれているかを判定することができる。
但し、変位センサ３１１が、鉛直方向についてのみ、軸３３１の変位を測定するようにしてもよい。この場合、軸心位置推定部１１０が、軸３３１の鉛直方向の位置と給油温度との対応関係を予め記憶しておき、軸３３１の鉛直方向の位置に応じた給油温度を設定する。
【００３０】
なお、変位センサ３１１の設置位置は、図５および図６を参照して説明した位置に限らない。変位センサ３１１は、軸３３１の変位を測定可能な位置を設置されていればよい。一方、変位センサ３１１をバッフルプレート３５１に設置することで、設置用ネジの増し締めや、変位センサ３１１の取り外しを容易に行うことができる。
【００３１】
熱電対３１２は、軸受メタル３２２の温度を測定する。
図７は、熱電対３１２が温度を測定する軸受メタル３２２の配置例を示す説明図である。同図において、蒸気タービン３００のうち、軸受メタル３２２−１〜３２２−４を備える軸受３２１と、軸３３１とが示されている。熱電対３１２は、これら４つの軸受メタル３２２−１〜３２２−４のうち、下側の軸受メタル３２２−３の温度および軸受メタル３２２−４の温度を測定する。
軸３３１が沈み込むと、軸３３１の下側に位置する軸受メタル３２２−３の温度や軸受メタル３２２−４の温度が高くなるというように、軸受メタルの温度と軸３３１の位置との間には相関関係がある。そこで、熱電対３１２による測定値に基づいて、軸心の位置を推定することができる。
【００３２】
変位センサ３１１、熱電対３１２は、いずれも、蒸気タービンシステム１におけるセンサの例に該当する。また、変位センサ３１１による測定値、熱電対３１２による測定値は、いずれも、軸３３１の状態量の例に該当する。
但し、蒸気タービン３００が備えるセンサは、変位センサ３１１と熱電対３１２との組み合わせに限らず、軸心の位置を推定可能な測定値を得られるセンサであればよい。
【００３３】
例えば、蒸気タービン３００が距離センサを備え、当該距離センサと軸３３１との距離を測定するようにしてもよい。図６の例と同様に、蒸気タービン３００が複数の距離センサを備えて複数の方向について距離センサと軸３３１との距離を測定することで、鉛直方向、軸３３１に直交する水平方向の両方について、軸心の位置を推定することができる。
あるいは、蒸気タービン３００が、熱電対３１２または変位センサ３１１のいずれか一方のみを備えるようにしてもよい。一方、蒸気タービン３００が熱電対３１２および変位センサ３１１を備えることで、いずれか一方のみを備える場合よりも高精度に軸心の位置を推定することができる。
【００３４】
軸心位置制御装置１００は、変位センサ３１１による軸３３１の変位の測定値、および、熱電対３１２による軸受メタル３２２−３および３２２−４の温度の測定値をに基づいて、潤滑油供給装置２００が軸受３２１に供給する潤滑油の温度を制御する。
軸心位置推定部１１０は、変位センサ３１１から入力される測定値、および、熱電対３１２から入力される測定値に基づいて、軸３３１の軸心位置を推定する。
【００３５】
例えば、軸心位置推定部１１０は、上記のように、変位センサ３１１が測定する軸振動から所定の周波数成分を取り出して軸３３１の軸心位置を推定する。また、軸心位置推定部１１０は、熱電対３１２が測定する軸受メタル３２２−３の温度および軸受メタル３２２−４の温度を軸３３１の軸心位置に換算する。例えば、熱電対３１２による温度測定値と軸３３１の位置との対応関係を示すテーブルを予め記憶しておき、熱電対３１２から取得した温度測定値に対応する値をテーブルから読み出すことで、軸３３１の軸心位置を求める。
【００３６】
軸心位置推定部１１０は、変位センサ３１１の測定値から得られた軸心位置と、熱電対３１２の測定値から得られた軸心位置とに基づいて、軸心の推定位置を決定する。例えば、軸心位置推定部１１０は、変位センサ３１１の測定値から得られた軸心位置の座標と、熱電対３１２の測定値から得られた軸心位置の座標とを、所定の重みで重み付け平均し、得られた座標を軸心の推定位置とする。
【００３７】
但し、軸心位置推定部１１０が軸心の推定位置を決定する方法は、重み付け平均による方法に限らず、いろいろな方法を用いることができる。例えば、軸心位置推定部１１０が、変位センサ３１１の測定値から得られた軸心位置を軸心の推定位置に決定し、熱電対３１２の測定値から得られた軸心位置を確認用データとして用いるようにしてもよい。例えば、軸心位置推定部１１０は、変位センサ３１１の測定値から得られた軸心位置と、熱電対３１２の測定値から得られた軸心位置との差を求め、差の大きさが所定値以上の場合に、軸心位置の推定に失敗したと判定して推定位置の出力を抑制するようにしてもよい。
【００３８】
給油温度設定部１２０は、軸心位置推定部１１０が推定した軸心位置に基づいて、軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高く（大きく）なるように、潤滑油供給装置２００が軸受３２１に供給する潤滑油の給油温度を設定する。そして、給油温度設定部１２０は、設定した給油温度を示す情報を、潤滑油供給装置２００の温度調整部２１０へ出力（送信）する。
【００３９】
例えば、給油温度設定部１２０は、軸心位置と給油温度との対応関係を示すテーブルを予め記憶しておき、軸心位置推定部１１０が推定した軸心位置に対応する給油温度をテーブルから読み出すことで、給油温度を設定する。なお、当該テーブルは、例えば、蒸気タービンシステム１の製造者または管理者が、解析または試験等で求め、給油温度設定部１２０に予め記憶させておく。
【００４０】
ここで、潤滑油の温度と軸３３１の位置（特に高さ）との間には相関関係があり、潤滑油の温度が高いほど軸３３１の位置は低くなる（下方に位置するようになる）。軸受３２１の油膜温度が高くなると、油膜の粘性が低下して軸を支える力が弱くなり、軸が沈み込むためと考えられる。逆に、軸受３２１の油膜温度が低くなると、油膜の粘性が上昇して軸を支える力が強くなり、軸の沈み込みが抑制されると考えられる。
そこで、給油温度設定部１２０は、軸３３１の位置が高い（上方に位置する）場合、給油温度を高く設定することで、軸３３１の位置を下げる制御を行う。一方、軸３３１の位置が低い場合、給油温度設定部１２０は、給油温度を低く（小さく）設定することで、軸３３１の位置を上げる制御を行う。
【００４１】
潤滑油供給装置２００は、軸受３２１に潤滑油を供給する。その際、潤滑油供給装置２００は、給油温度設定部１２０が設定した給油温度の潤滑油を供給するよう、潤滑油の加熱または冷却を行う。
温度調整部２１０は、例えばヒータおよび冷却器を備えるなど加熱機能および冷却機能を有し、給油温度設定部１２０が設定した給油温度になるように、潤滑油の加熱または冷却を行う。あるいは、自然冷却にて潤滑油の冷却を行うようにし、温度調整部２１０は、潤滑油の加熱のみを行って、潤滑油の温度を給油温度設定部１２０による設定温度（給油温度）に合わせるようにしてもよい。
【００４２】
潤滑油供給部２２０は、温度調整部２１０が温度調整した潤滑油を軸受３２１へ供給する。例えば、潤滑油供給部２２０と軸受３２１とが給油パイプで接続されており、潤滑油供給部２２０は、ポンプを備えて潤滑油を給油パイプへ出力することで、潤滑油を軸受３２１へ供給する。
【００４３】
次に、図８を参照して蒸気タービンシステム１の動作について説明する。
図８は、蒸気タービンシステム１が行う軸受３２１への潤滑油供給の処理手順の例を示す説明図である。蒸気タービンシステム１は、蒸気タービン３００の動作時において同図の処理を繰り返し行う。
図８の処理において、軸心位置推定部１１０は、変位センサ３１１が測定した軸３３１の変位の測定値を取得する（ステップＳ１０１）。また、軸心位置推定部１１０は、熱電対３１２が測定した軸受メタル３２２−３、３２２−４それぞれの温度の測定値を取得する（ステップＳ１０２）。
そして、軸心位置推定部１１０は、ステップＳ１０１で得られた軸３３１の変位の測定値と、ステップＳ１０２で得られた軸受メタル３２２−３、３２２−４それぞれの温度の測定値とに基づいて、軸３３１の軸心位置を推定する（ステップＳ１０３）。
【００４４】
次に、給油温度設定部１２０は、ステップＳ１０３で軸心位置推定部１１０が推定した軸心位置に基づいて、軸心が不安定領域Ａ１３に近付いているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。具体的には、給油温度設定部１２０は、軸心位置が中間領域Ａ１２または不安定領域Ａ１３に含まれるか否かを判定する。
軸心が不安定領域Ａ１３に近付いていると判定した場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、給油温度設定部１２０は、軸心が安定領域Ａ１１に含まれるように、給油温度を設定する（ステップＳ１０５）。具体的には、上述したように、ステップＳ１０３で得られた軸心位置が高い位置にある場合、給油温度設定部１２０は、給油温度を高く設定する。一方、ステップＳ１０３で得られた軸心位置が低い位置にある場合、給油温度設定部１２０は、給油温度を低く設定する。
【００４５】
次に、温度調整部２１０は、軸受３２１への潤滑油の給油温度を調整する（ステップＳ１０７）。具体的には、温度調整部２１０は、軸受３２１への潤滑油の給油温度が、給油温度設定部１２０の設定した給油温度になるように、潤滑油を加熱または冷却する。
そして、潤滑油供給部２２０は、温度調整部２１０が温度調整した潤滑油を、軸受３２１へ供給する（ステップＳ１０８）。潤滑油は、例えば、軸３３１の荷重を支持する軸受メタル３２２−３および３２２−４に供給される。なお、軸３３１の上下の位置制御に加えて、潤滑油供給部２２０が、軸受メタル３２２−３への潤滑油の供給量と、軸受メタル３２２−４への潤滑油の供給量とをそれぞれ制御することで、軸３３１の水平方向の位置（図８において左右方向の位置）を制御するようにしてもよい。
ステップＳ１０８の後、図８の処理を終了する。
【００４６】
一方、ステップＳ１０４において、軸心が不安定領域Ａ１３に近付いていないと判定した場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、給油温度設定部１２０は、現在の給油温度設定値を保持する（ステップＳ１０６）。これにより、給油温度設定部１２０は、軸３３１が現在の位置を維持するよう、軸３３１の位置を制御する。
ステップＳ１０６の後、ステップＳ１０７へ進む。
【００４７】
以上のように、軸心位置推定部１１０は、変位センサ３１１、熱電対３１２のそれぞれから入力されるセンサ測定値に基づいて軸３３１の軸心位置を推定する。そして、給油温度設定部１２０は、軸心位置推定部１１０が推定した軸心位置に基づいて、軸心位置が上方に位置するほど給油温度が高くなるように給油温度を設定し、設定した給油温度を温度調整部２１０へ出力する。
これにより、給油温度設定部１２０は、軸心位置が高い場合には軸心位置を下げ、軸心位置が低い場合には軸心位置を上げるように、軸３３１の軸心位置を制御することができる。この点において、給油温度設定部１２０は、軸３３１の軸心が安定領域Ａ１１に位置するように軸心位置を制御することができ、軸系が不安定になる可能性を低減させることができる。
【００４８】
なお、軸心位置制御装置１００が軸心位置を制御する回転機械は、上述した蒸気タービンに限らず、軸心位置を推定可能であり、潤滑油の温度により軸心の位置が変化する様々な回転機械であってよい。例えば、軸心位置制御装置１００が、ガスタービン、発電機または電動機など、蒸気タービン以外の回転機械の軸心位置を制御するようにしてもよい。
【００４９】
なお、蒸気タービンシステム１が、軸３３１の位置に基づく給油温度の調整に加えて、油膜温度が上限値を超えないように制限を行うようにしてもよい。油膜温度の上限値は、例えば、軸受メタル３２２−３〜３２２−４の上限温度に基づいて、例えば１００度（℃）に予め設定される。
図９は、油膜温度の制限を行う場合に、蒸気タービンシステム１が行う軸受３２１への潤滑油供給の処理手順の例を示す説明図である。蒸気タービンシステム１は、蒸気タービン３００の動作時において、図８の処理に代えて図９の処理を繰り返し行う。
【００５０】
図９のステップＳ２０１〜Ｓ２０６は、図８のステップＳ１０１〜Ｓ１０６と同様である。
ステップＳ２０５の後、および、ステップＳ２０６の後、給油温度設定部１２０は、設定した給油温度にて軸受３２１における油膜温度の上限値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２１１）。
【００５１】
油膜温度の上限値を超えると判定した場合（ステップＳ２１１：ＹＥＳ）、給油温度設定部１２０は、給油温度を再設定する（ステップＳ２１２）。具体的には、油膜温度が上限値以下となるように、給油温度の設定値を下げる。ステップＳ２１２の後、ステップＳ２１３へ進む。
ステップＳ２１３〜Ｓ２１４は、図８のステップＳ１０７〜Ｓ１０８と同様である。
ステップＳ２１４の後、図９の処理を終了する。
一方、ステップＳ２１１で油膜温度の上限値を超えないと判定した場合（ステップＳ２１１：ＮＯ）、ステップＳ２１３へ進む。
【００５２】
以上のように、給油温度設定部１２０は、給油温度の設定値により軸受３２１における油膜温度が上限値を超えると判定すると、より低い給油温度に変更する。
これにより、蒸気タービンシステム１は、軸３３１の位置制御を行い、かつ、油膜温度が上限値以下になるよう制御することができる。軸３３１の位置制御を行うことで、軸系が不安定になる可能性を低減させることができる。また、油膜温度が上限値以下になるようにすることで、軸受３２１や軸等の損傷や劣化の進行を抑制することができる。
なお、給油温度設定部１２０に代えて温度調整部２１０が、油膜温度の上限値を超えないよう潤滑油の温度を調整する処理を行うようにしてもよい。あるいは、蒸気タービンシステム１が、油膜温度の上限値を超えないよう潤滑油の温度を調整する装置をさらに備えるようにしてもよい。
【００５３】
なお、変位センサ３１１の１つとして、軸３３１の振動監視用に設置されている軸振動計を用いるようにしてもよい。
図１０は、変位センサ３１１の設置位置を蒸気タービン３００のロータの軸方向から見た場合の各部の位置関係の、もう１つの例を示す概略図である。
図１０の例では、変位センサ３１１−１が示されている点が、図５の例と異なっている。変位センサ３１１−１は、軸３３１の振動監視用に設置されている。変位センサ３１１−１として、例えば軸３３１の鉛直方向の軸振動を測定する軸振動計を用いることができる。
また、軸３３１の変位の測定値を軸心位置制御装置１００へ出力するため専用のセンサを、変位センサ３１１−２と表記している。変位センサ３１１−２は、変位センサ３１１−１とは異なる方向について軸３３１の変位を測定する位置および向きに設置される。
【００５４】
以上のように、軸３３１の変位の測定値を軸心位置制御装置１００へ出力するセンサに、軸３３１の振動監視用に設置されている変位センサ３１１−１を用いる。これにより、軸３３１の変位の測定値を軸心位置制御装置１００へ出力するセンサが全て専用のセンサである場合よりも、蒸気タービンシステム１の製造コストを低減させることができる。
【００５５】
なお、変位センサ３１１の１つとして、軸３３１の振動監視用に設置されている軸振動計を用いる場合、軸３３１の変位の測定値を軸心位置制御装置１００へ出力する専用のセンサ（変位センサ３１１−２）の数は、１つでもよいし複数あってもよい。
図１１は、変位センサ３１１の設置位置を蒸気タービン３００のロータの軸方向から見た場合の各部の位置関係の、もう１つの例を示す概略図である。
【００５６】
図１１の例では、変位センサ３１１−２の向きが図６の例と異なっている。図１１では、２つの変位センサ３１１−２が、それぞれ、軸３３１の水平方向の変位を測定するように、軸３３１の直径方向に対向して設置されている。軸心位置推定部１１０は、図１０の変位センサ３１１−１、および、図１１の２つの変位センサ３１１−２の、全部で３つの変位センサ３１１から、軸３３１の変位の測定値を取得する。
これにより、軸心位置推定部１１０は、異なる方向について軸３３１の変位の測定値を得ることができ、図６の場合と同様、鉛直方向、軸３３１に直交する水平方向の両方について、軸心の位置を推定することができる。これにより、図２の例のように安定領域Ａ１１等が比較的複雑な形状をしている場合でも、軸心がどの領域に含まれているかを判定することができる。
【００５７】
また、軸心位置推定部１１０は、軸３３１の直径方向に対向して設置された２つの変位センサ３１１−２からの測定値を用いて、軸３３１の熱膨張等を検出することができる。  具体的には、２つの変位センサ３１１−２からの測定値が、いずれも、軸３３１が変位センサ３１１−２に近付いていることを示している場合、軸心位置推定部１１０は、軸３３１が膨張したと判定することができる。そして、軸心位置推定部１１０は、軸３３１が変位センサ３１１−２に近付いた距離を、２つの変位センサ３１１について合計することで、軸３３１が膨張した大きさを求めることができる。
一方、２つの変位センサ３１１−２からの測定値が、いずれも、軸３３１が変位センサ３１１−２から遠ざかっていることを示している場合、軸心位置推定部１１０は、軸３３１が収縮したと判定することができる。そして、軸心位置推定部１１０は、軸３３１が変位センサ３１１−２から遠ざかった距離を、２つの変位センサ３１１について合計することで、軸３３１が収縮した大きさを求めることができる。
軸心位置推定部１１０は、軸３３１の膨張や収縮を検出し、変位センサ３１１の測定値から膨張分または収縮分を差し引く補正を行うことで、軸３３１の軸心の位置をより正確に推定することができる。
【００５８】
なお、軸心位置制御装置１００の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００６０】
１  蒸気タービンシステム
１００  軸心位置制御装置
１１０  軸心位置推定部
１２０  給油温度設定部
２００  潤滑油供給装置
２１０  温度調整部
２２０  潤滑油供給部
３００  蒸気タービン
３１１  変位センサ
３１２  熱電対
３２１  軸受
３２２  軸受メタル
３２３  軸受箱
３３０  ロータ
３３１  軸
３３２  動翼
３４０  ステータ
３４１  車室
３５１  バッフルプレート
３５２  Ｌ字型治具
【図１】
2020073822.tif 000003
【図２】
2020073822.tif 000004
【図３】
2020073822.tif 000005
【図４】
2020073822.tif 000006
【図５】
2020073822.tif 000007
【図６】
2020073822.tif 000008
【図７】
2020073822.tif 000009
【図８】
2020073822.tif 000010
【図９】
2020073822.tif 000011
【図１０】
2020073822.tif 000012
【図１１】
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