(57)【要約】  本発明は、回転軸（２５）の動的挙動、特に振動挙動を監視するための方法において、規定された、異なる空間位置で少なくとも２つのセンサ（１０、１２）によって振動を検出し、振動から少なくとも１つの優先方向の振動挙動を算定するものに関する。本発明は更に、回転可能な部品を備えた回転可能な機械（４０）内で振動挙動を監視するための装置であって、少なくとも２つのセンサ（１０、１２）と１つの軸（２５）と１つの計算ユニットとを有するものにおいて、前記少なくとも２つのセンサ（１０、１２）が軸（２５）の外側で規定された空間位置に位置決めされ、センサが振動を特徴付ける測定変量を検出し、かつデータ伝送のために計算ユニット（７０）と結合された装置に関する。本発明は更に、本発明の方法と装置を備えたガスおよび蒸気タービンに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（２５）の動的挙動を監視するための方法において、規定された、異なる空間位置で少なくとも２つのセンサ（１０、１２）によって振動を検出し、振動から少なくとも１つの優先方向の振動挙動を算定することを特徴とする方法。
【請求項２】
２つの異なる優先方向（Ｖ、Ｈ）を算定することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記２つの優先方向（Ｖ、Ｈ）が機械の主剛性軸線（Ｖ、Ｈ）と一致することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記一方の優先方向（Ｖ）に一致した主軸線（Ｖ）を基本架枠および軸受ケーシングに対して硬く支承することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
センサ（１０、１２）が反時計回りに９０度の角度を成すことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
【請求項６】
軸の振動挙動を振幅と位相とによって判定することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
【請求項７】
１方向での振動挙動を解析することによって振動の限界値範囲を警報通知用に引き下げることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
【請求項８】
振動を振動センサ（１０、１２）によって検出することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
【請求項９】
振動を楕円、楕円軸（１６）の態様に形成することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
振動を連続的に評価することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
センサ信号がアナログであることを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
アナログセンサ信号をディジタル時系列に変換することを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
ディジタル時系列の調和解析を行うことを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の方法。
【請求項１４】
調和解析によって算定された特徴的振動測定変量を主軸線（Ｖ、Ｈ）の方向に変換することを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の方法。
【請求項１５】
変換された特徴的振動測定変量に離散的フーリエ解析を施すことを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の方法。
【請求項１６】
蒸気タービンに使用することを特徴とする請求項１から１５の１つに記載の方法。
【請求項１７】
ガスタービンに使用することを特徴とする請求項１から１６の１つに記載の方法。
【請求項１８】
回転可能な部品を備えた回転可能な機械（４０）内で振動挙動を監視するための装置であって、少なくとも２つのセンサ（１０、１２）と１つの軸（２５）と１つの計算ユニットとを有するものにおいて、前記少なくとも２つのセンサ（１０、１２）が軸（２５）の外側で規定された空間位置に位置決めされており、センサが振動を特徴付ける測定変量を検出し、かつデータ伝送のために計算ユニット（７０）と結合されていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
センサが軸受ケーシングに固着されていることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
センサがアナログ信号をピックアップすることを特徴とする請求項１８又は１記載の装置。
【請求項２１】
計算ユニット（７０）がアナログ‐ディジタル変換器を含むことを特徴とする請求項１８から２０の１つに記載の装置。
【請求項２２】
センサ（１０、１２）が信号伝送のためアナログ‐ディジタル変換器（５１）と結合されていることを特徴とする請求項１８から２１の１つに記載の装置。
【請求項２３】
計算ユニット（７０）が解析計算用に複数の計算ユニットを含むことを特徴とする請求項１８から２２の１つに記載の装置。
【請求項２４】
計算ユニット（７０）がアナログ‐ディジタル変換器（５１）を含むことを特徴とする請求項１８から２３の１つに記載の装置。
【請求項２５】
計算ユニット（７０）が危険通報システムを含むことを特徴とする請求項１８から２４の１つに記載の装置。
【請求項２６】
請求項１８から２５の１つに記載の振動挙動を監視するための装置を備えたガスタービン。
【請求項２７】
請求項１８から２５の１つに記載の振動挙動を監視するための装置を備えた蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の動的挙動、特に振動挙動を監視するための方法に関する。本発明は更に、本方法の実施を保証する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械、例えば蒸気タービン設備又はガスタービン設備内の回転部品では、出力がますます大きくなる。これは例えば蒸気タービンの場合回転子の重量増加および中心からの距離増加と平行して現れる。それと結び付いた振動増加は運転メンテナンスにおいて益々重要となる。と言うのは、過度に大きな振動は機械に修理不能な損傷をもたらすからである。それ故に、その範囲内で振動値が変化可能な限界範囲が明示される。この限界値を上まわると設備全体の遮断を生じることがある。
【０００３】
更に、タービンの頻繁な始動と停止は、機械の破損を生じるような異常振動を生ずる。それ故に振動監視における高い精度が不可欠である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、回転軸の振動挙動を監視するための改良した方法を提供することである。他の課題は、特に本方法の実施を可能とする改良された装置を提供することである。本装置と方法は、ガスタービンでも蒸気タービンでも利用可能でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
方法に関係した課題は、本発明によれば、回転軸の動的挙動、特に振動挙動を監視するための方法において、規定された、異なる空間位置で少なくとも２つのセンサにより振動を検出し、振動から少なくとも１つの優先方向の振動挙動が算定することで解決される。
【０００６】
本発明は以下の知見に基づく。軸の振動が特定値を上まわると、機械の遮断を生じることがあり、又は機械の例示的動作低下を引き起こす。しかしこれは高い費用と停止時間を伴う。振動を適時に遮断しないと、機械に重大な破損が生ずる。振動はセンサにより測定できる。本発明は更に、軸中心から出発して各々異なる方向における様々な振動数範囲が機械に損傷を引き起こすことがあるとの認識から出発する。これは、異なる振動数範囲において様々な方向で振幅が増大することに起因する。そのため機械破損に関する振動数範囲は様々な方向で異なる。それ故、これは、特定振動数範囲内の振動が特に特定方向で機械を損傷することを意味する。と言うのは、この振動数の際、特にこの方向で大きな振幅が生じるからである。別の方向に関し、この振動数範囲は振動による損傷に関して低い潜在的危険性を意味する。本発明は、これら振動を少なくとも２つの振動センサで監視するとの考えから出発する。該センサは、軸の外側で異なる個所に位置決めされる。センサの位置は空間的に既知である。センサは振動の特徴的測定変量、例えば振動の振幅と位相を検出する。これらデータから次に少なくとも１つの優先方向における振動の振動挙動を算定する。少なくとも１つの優先方向における振動を算定することで、重大な損傷を生じ得る振動数範囲を良好に限定し、機械の早期遮断又は動作低下を回避できる。この結果一方で停止時間を短縮し、またその結果費用を節約できる。更に、振動異常性となって現れる機械の運転障害、或いは損耗現象を、一層容易かつ早期に検知できる。こうして一層迅速な対抗措置を講じ得る。これは例えば、機械の動作低下時に少なくとも１つの優先方向への共振振動数の移動が確認される場合である。
【０００７】
装置に関係した課題は、本発明によれば、回転可能な部品を備えた回転可能な機械内で振動挙動を監視するための装置であって、少なくとも２つのセンサと１つの軸と１つの計算ユニットとを有するものにおいて、前記少なくとも２つのセンサが軸の外側で規定された空間位置に位置決めされており、センサが振動を特徴付ける測定変量を検出し、かつデータ伝送のために計算ユニットと結合されていることで解決される。この装置は、特に上記方法の実施に適している。それ故、本方法の諸利点はこの装置でも生じる。
【０００８】
本発明のその他の特徴、特性および利点を、実施例の説明とその他の従属請求項とで明らかにする。
【０００９】
以下、図面に基づいて本発明を例示的に詳しく説明する。
【００１０】
図１に示す軸受ケーシング３０は基本架枠３０に固着されており、更にタービン軸２５を有する。軸受ケーシング３０に２つのセンサ１０、１２が、好ましくは９０度の角度で相互に離間して固着されている。
【００１１】
機械４０は２つの主剛性軸線Ｖ、Ｈ（直交座標系）を有し、この実施例では主剛性軸線を垂直方向Ｖおよび水平方向Ｈとして表している。主剛性軸線ＶとＨは、垂直方向Ｖと水平方向Ｈと各々一致している。センサは軸線Ｈに対し角度β（１４）で組込まれている。
【００１２】
例示的伸び継目の故に軸受ケーシング３０へのセンサの位置決めがどこでも可能であるのではない。センサ１０、１２は、例えば機械４０の主剛性軸線Ｖ、Ｈの方向に取付けることができない。タービン軸２５の回転に伴い振動が引き起こされる。この振動が特定限界値を上まわると、機械の損傷する虞がある。運動学的軸軌道（軌道）の基本振動成分は楕円の形状を有する。振動は楕円軸１６において生じ、センサ１０、１２によってピックアップされ（図２の５０）、アナログ信号を提供する。楕円軸１６は両方のセンサ１０、１２によって測定される振幅と位相とによって明確に確定される。
【００１３】
楕円軸１６は測定された４つの変量によってセンサの直角座標系において以下の如く記述できる。
【００１４】
【数１】
2009506261.tif 000003
【００１５】
次にアナログ信号はアナログ‐ディジタル変換器（図２の５１）によってディジタル信号（図２の５２）に変換される。次にこのディジタル信号から、楕円軸１６にとって重要な変量、つまり実質的に位相と振幅が取り出される（図２の計算ユニット５３）。これは測定ハードウェアで実行できる。これら変量はセンサの座標系内にある（図２の５４）。計算ユニットにより、これら変量は機械主軸線の座標系に変換される（図２の５５）。
【００１６】
これは、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）とからなる上記ベクトルが−β°だけ回転したことに相当する。
【００１７】
角度−β°の回転に関する回転行列は以下の形である。
【００１８】
【数２】
2009506261.tif 000004
【００１９】
回転後、水平方向（ｈ（ｔ））および垂直方向（ｖ（ｔ））における信号は以下の如く記述できる（図２の５６）。
【００２０】
【数３】
2009506261.tif 000005
【００２１】
これらの信号は解析的に離散的フーリエ変換ＤＦＴを施され、こうして調和ベクトルの成分が計算される（図２の計算ユニット５７）。例示的にこれは水平成分に関して以下の如くである。正弦成分はＡsinで、余弦成分はＡcosで表している。
Ｔ＝（２π／ω）として、
【００２２】
【数４】
2009506261.tif 000006
【００２３】
【数５】
2009506261.tif 000007
ここで、Ｔ＝２π／ω。
【００２４】
評価のため、以下の積分を計算すると有益である。
【００２５】
【数６】
2009506261.tif 000008
【００２６】
同様に
【００２７】
【数７】
2009506261.tif 000009
【００２８】
これらの結果を利用すると、個々の成分が算定できる（図２の計算ユニット５８）。
【００２９】
【数８】
2009506261.tif 000010
【００３０】
【数９】
2009506261.tif 000011
【００３１】
【数１０】
2009506261.tif 000012
【００３２】
【数１１】
2009506261.tif 000013
【００３３】
機械の主軸線Ｖ、Ｈ方向における楕円軸１６のパラメータはＤＦＴにより計算できる。パラメータは、ほぼ主軸線Ｖ、Ｈ方向における振幅と位相である。楕円軸１６の特徴的変量を機械４０の主剛性軸線Ｈ、Ｖに分割することで、主軸線Ｖ、Ｈ方向における共振範囲を算定できる。この改良した解析により、機械を損傷する臨界振動数範囲を一層正確に算定し、制限できる。
【００３４】
更に、高い費用と結び付いた機械４０の過度に早い遮断を回避できる。それに加えて、連続的監視は機械破損の虞がある場合に、まさに機械４０の投入および遮断時に重要な迅速な介入を可能とする。更に、機械の損耗又は機械損傷自体によって生じる損傷はこうして一層容易に検知できる。
【００３５】
主剛性軸線Ｖ、Ｈ方向における機械４０の様々な振動数を図３に１振動数範囲の内部に概略示している。振動数ｆを振幅Ａに依存してプロットしている。両方の軸線Ｈ、Ｖは異なる振動数において極大を有し、６２は軸線Ｈ方向において振幅Ａに依存した振動数Ｆを形成し、６０は軸線Ｖ方向において振幅Ａに依存した振動数Ｆを形成する。こうして振動数に関係した臨界範囲、即ち共振振動数を一層良好に判定できる。機械４０が運転中であると、臨界範囲の移動が現れることがある。２つの主剛性軸線Ｖ、Ｈの方向で振動を判定することで、臨界範囲がどの程度移動したのかが判定される。垂直方向における臨界範囲の移動６４を図３に示す。その際、共振振動数はｆV0からｆV1へ移動する。こうして機械損傷又は機械での損耗現象は一層容易に検知でき、好適な対抗措置を迅速に講じ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】軸受ケーシングを備える軸とセンサと振動とを示す略図である。
【図２】本方法の１実施例の流れ図である。
【図３】水平軸線および垂直軸線における振動の振動数範囲の一部を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１０、１２  センサ、１６  楕円軸、２５  軸、４０  機械、７０  計算ユニット、Ｈ、Ｖ  優先方向、主剛性軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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