(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンロータの回転数に応じた偏心計と振動計の切り替え操作をせず、振動計で偏心量および振動量を検出できる偏心量評価装置、偏心監視システムおよび偏心監視方法を提供する。【解決手段】回転体のターニング時の第一の振動量を前記回転体の外周面との距離の変位として定義し、前記第一の振動量の最大値と最小値との差から前記回転体のターニング時の振れ回り量を算出する振れ回り量算出部１２と、前記回転体のターニング時における基準振れ回り量を記憶する記憶部１３と、前記ターニング時の振れ回り量および前記基準振れ回り量の差から偏心量を算出する偏心量算出部１４と、前記偏心量とあらかじめ設定された閾値とを比較し、前記偏心量が前記閾値を超えた場合に前記回転体の運転を停止するよう判断する評価部１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体のターニング時の第一の振動量を前記回転体の外周面との距離の変位として定義し、前記第一の振動量の最大値と最小値との差から前記回転体のターニング時の振れ回り量を算出する振れ回り量算出部と、
前記回転体のターニング時における基準振れ回り量を記憶する記憶部と、
前記ターニング時の振れ回り量および前記基準振れ回り量の差から偏心量を算出する偏心量算出部と、
前記偏心量とあらかじめ設定された閾値とを比較し、前記偏心量が前記閾値を超えた場合に前記回転体の運転を停止するよう判断する評価部と、
を備える偏心量評価装置。
【請求項２】
前記基準振れ回り量は、前記振れ回り量算出部であらかじめ算出された後に設定される請求項１に記載の偏心量評価装置。
【請求項３】
前記第一の振動量に回転行列を乗じて、重力方向および回転軸方向の双方に垂直な成分を少なくとも有する第二の振動量に変換する変換部をさらに備え、
前記振れ回り量算出部は、前記第二の振動量から前記ターニング時の振れ回り量を算出する請求項１または２に記載の偏心量評価装置。
【請求項４】
前記第一の振動量を重力方向および回転軸方向のいずれにも垂直な方向の成分と、重力方向の成分とを有する第三の振動量に分解する分解部をさらに備え、
前記振れ回り量算出部は、前記第三の振動量から前記ターニング時の振れ回り量を算出する請求項１から３のいずれか１つに記載の偏心量評価装置。
【請求項５】
低回転域では、前記偏心量と前記閾値とを比較して前記回転体の運転を停止するかを判断すると共に、
高回転域では、前記第一の振動量を用いて前記回転体の運転を停止するかを判断する請求項１から４のいずれか１つに記載の偏心量評価装置。
【請求項６】
前記回転体の半径方向外側に離間して設けられた少なくとも１つの振動計と、
請求項１から５のいずれか１つに記載の偏心量評価装置と、
を備えた偏心監視システム。
【請求項７】
振動計で回転体の外周面との距離の変位量を検出すると共に、この変位量の最大値と最小値との差で定義されるターニング時の振れ回り量を算出するステップと、
前記ターニング時の振れ回り量と基準振れ回り量との差によって定義された偏心量を算出するステップと、
あらかじめ設定された閾値と前記偏心量とを比較し、前記偏心量が前記閾値を超えた場合に前記回転体の継続運転を停止するよう判断するステップと、
からなる偏心監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、偏心量評価装置、偏心監視システム、および偏心監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンの起動直前において、タービンロータは、熱曲がりや重力の影響により軸方向にたわみを生じる。この状態のままタービンロータを昇速させると、タービンロータは偏心しながら回転し、タービンが損傷してしまう。そこで、タービンロータの偏心を防ぐため、起動直前にタービンロータを低速回転させ、タービンロータのたわみを抑制させる。この低速運転をターニングという。ターニング時は、不規則な回転運動をするために、タービンロータの外周面に偏心計が設置され、この偏心計により回転運動を監視する。偏心計は、非接触式のセンサであり、偏心計の先端とタービンロータ外周面との間隙を電気信号として検出し、電気信号の変化をタービンロータの偏心量として計測する。偏心計は、タービン初段側の軸受付近にのみ設置される。一方、振動計は、各軸受付近にも設置され、振動量を検出する。偏心量と振動量は、共にタービンロータの振れを示す量であり、同様の原理によって検出される。一般的に偏心量は低回転数領域の振れを、振動量は高回転数領域での振れをそれぞれ表す。
【０００３】
従来、タービンロータの回転数領域に応じて偏心計と振動計を使い分けることが可能な検出器を備える偏心監視システムが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−９７２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、タービンロータの回転数に応じて偏心計と振動計を使い分ける偏心監視システムは、回転数域に応じた偏心計と振動計の切り替え操作が必要となり、この切り替え操作ができなくなった場合には、偏心量または振動量のいずれか一方を検出できなくなる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、タービンロータの回転数に応じた偏心計と振動計の切り替え操作をせず、振動計で偏心量および振動量を検出できる偏心量評価装置、偏心監視システムおよび偏心監視方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、実施形態の偏心量評価装置は、回転体のターニング時の第一の振動量を前記回転体の外周面との距離の変位として定義し、前記第一の振動量の最大値と最小値との差から前記回転体のターニング時の振れ回り量を算出する振れ回り量算出部と、前記回転体のターニング時における基準振れ回り量を記憶する記憶部と、前記ターニング時の振れ回り量および前記基準振れ回り量の差から偏心量を算出する偏心量算出部と、前記偏心量とあらかじめ設定された閾値とを比較し、前記偏心量が前記閾値を超えた場合に前記回転体の運転を停止するよう判断する評価部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
実施形態の偏心量評価装置、偏心監視システム、および偏心監視方法によれば、タービンロータの回転数に応じた切り替え操作をしないで、振動計で偏心量および振動量を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一の実施形態に係る偏心監視システムの概要図である。
【図２】図１をＰ−Ｐ断面から見た場合のｘ’、ｙ’方向とｘ、ｙ方向との関係を表す図である。
【図３】タービンロータのターニング振れ回り量の定義を表す図である。
【図４】第一の実施形態に係る偏心監視システムの偏心量の評価フローを示す。
【図５】第二の実施形態に係る偏心監視システムの概要図である。
【図６】第二の実施形態に係る第三の振動量の定義を表す図である。
【図７】第二の実施形態に係る偏心監視システムの偏心量の評価フローを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に係る偏心量評価装置、偏心監視システムおよび偏心監視方法について説明する。
【００１１】
（第一の実施形態）
第一の実施形態について、図１から図４を用いて説明する。図１は、第一の実施形態に係る偏心監視システムの概要図である。第一の実施形態に係る偏心監視システムは、振動計２ａ、２ｂと、偏心量評価装置１０から構成される。この偏心監視システムは、振動計２ａ、２ｂで検出される値を用いて、タービンロータ１のターニング時の振れ（偏心量）を監視する。
【００１２】
タービンロータ１は、回転軸を有する回転体であり、軸端部が軸受（図示していない）によって回転可能に支持される。
【００１３】
振動計２ａ、２ｂは、非接触式の変位センサであり、タービンロータ１の回転軸に対する半径方向外側に等距離に位置し、かつ同一周上に互いに離間して設けられる（以下、この配置関係を振動計２ａ、２ｂの対とする）。振動計２ａ、２ｂの対は、タービンロータの軸受付近に配置されると共に、一方が他方に対して回転軸周りに９０度回転させた位置となることが好ましい。さらに、振動計２ａ、２ｂの対は、タービンロータの回転軸方向に複数対設置される。
【００１４】
また、振動計２ａ、２ｂは、停止時のタービンロータ１の外周面と、振動計２ａ、２ｂの距離を基準とした、タービンロータ１の外周面の変位量（振動計２ａ、２ｂのそれぞれで計測された計２つの変位量をまとめて第一の振動量とする）を検出する。第一の振動量は、ターニング時のタービンロータ１と振動計２ａ、２ｂとの距離が、停止時の距離よりも大きい場合を正として検出される。振動計２ａは、振動計２ａの存在する半径方向（ｘ’方向）の成分を検出し、振動計２ｂは、振動計２ｂの存在する半径方向（ｙ’方向）の成分を検出する。以降の説明では、第一の振動量を（ｘ’，ｙ’）と表記することとする。
【００１５】
偏心量評価装置１０は、変換部１１と、振れ回り量算出部１２と、記憶部１３と、偏心量算出部１４と、評価部１５から構成される。
【００１６】
変換部１１について、図２を用いて説明する。図２は、図１をＰ−Ｐ断面から見た場合のｘ’、ｙ’方向とｘ、ｙ方向との関係を表す図である。
【００１７】
変換部１１は、振動計２ａ、２ｂで検出された第一の振動量を、重力方向（ｙ方向）の成分と、タービンロータ１の軸受を設置する基礎（図示していない）の設置面に水平であり、かつ回転軸に垂直な方向（ｘ方向）の成分を有する第二の振動量（ｘ，ｙ）に変換する。ここで登場する第二の振動量は、少なくともｘ方向の成分を含むことが好ましい。これはタービンロータが、一般的にｘ方向に大きく振れるからである。
【００１８】
振れ回り量算出部１２は、第二の振動量のｘ方向およびｙ方向それぞれに対する最大値と最小値との差として定義された振れ回り量を算出する。この振れ回り量は、ターニング時のタービンロータ１の振れ回り量の基準となり、あらかじめ設定されたものを基準振れ回り量（Ｄｘ０，Ｄｙ０）、ターニング時に振れ回り量算出部１２で算出されるものをターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）として区別する。Ｄｘ０およびＤｘは、ｘ方向の振れ回り量を、Ｄｙ０およびＤｙは、ｙ方向の振れ回り量をそれぞれ示す。
【００１９】
記憶部１３は、あらかじめ設定された基準振れ回り量（Ｄｘ０，Ｄｙ０）を記憶する。
【００２０】
偏心量算出部１４は、基準振れ回り量（Ｄｘ０，Ｄｙ０）およびターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）の差で定義された偏心量（ｄｘ，ｄｙ）を算出する。ｄｘは、ｘ方向の偏心量、ｄｙは、ｙ方向の偏心量をそれぞれ示す。
【００２１】
評価部１５は、あらかじめ設定された偏心量の閾値と偏心量（ｄｘ，ｄｙ）とを比較し、ターニング時の運転を継続できるか判断する。
【００２２】
ここで、偏心量評価装置１０による偏心量の評価フローについて、図３および図４を用いて説明する。図３は、タービンロータのターニング振れ回り量の定義を表す図であり、図４は、第一の実施形態に係る偏心監視システムの偏心量の評価フローである。図３の点線は、１周期分（タービンロータ１の１回転分）の第二の振動量（ｘ，ｙ）の集合であり、タービンロータ１の外周面の軌跡を表す。また、図３に示すように、ターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）は、ターニング時に振れ回り量算出部１２で算出される振れ回り量であって、第二の振動量（ｘ，ｙ）のｘ方向およびｙ方向それぞれに対する最大値と最小値との差によって算出される。
【００２３】
振動計２ａ、２ｂによって、ｘ’方向およびｙ’方向の第一の振動量（ｘ’，ｙ’）が検出される（Ｓ１）。
【００２４】
第一の振動量は、１周期（１回転）毎に変換部１１へ送信され、変換部１１にてｘ方向およびｙ方向の成分を有する第二の振動量（ｘ，ｙ）に変換される（Ｓ２）。ステップＳ２の換算は、式（１）に示すように、回転行列を第一の振動量（ｘ’，ｙ’）に掛け算して実施される。
【数１】
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【００２５】
式（１）の計算によって、図２に示すように、ｘ’方向およびｙ’方向（図２の一点鎖線の方向）の成分を有する第一の振動量（ｘ’，ｙ’）を時計回りに回転させ、第一の振動量をｘ方向およびｙ方向（図２の実線の方向）の成分を有する第二の振動量（ｘ，ｙ）に変換する。角度θは、ｘ軸とｘ’軸（ｙ軸とｙ’軸）とのなす角度であり、変換を行う際の回転角である。角度θは、反時計回りを正とする。
【００２６】
第二の振動量（ｘ，ｙ）は、１周期分だけ変換された後に、振れ回り量算出部１２へ送信される。図３に示すように、これら１周期分の第二の振動量（ｘ，ｙ）が、点線で示されたタービンロータ１の外周面の軌跡となる。振れ回り量算出部１２は、第二の振動量（ｘ，ｙ）の各成分に対して、最大値と最小値との差からターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）を算出する（Ｓ３）。ターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）は、偏心量算出部１４へ送信される。
【００２７】
偏心量算出部１４は、振れ回り量算出部１２からターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）を、記憶部１３から基準振れ回り量（Ｄｘ０，Ｄｙ０）を受信し、これらを用いて、式（２）で定義された偏心量（ｄｘ，ｄｙ）を算出する（Ｓ４）。
ｄｘ＝Ｄｘ−Ｄｘ０、ｄｙ＝Ｄｙ−Ｄｙ０…（２）
【００２８】
偏心量（ｄｘ，ｄｙ）は、評価部１５へ送信される。評価部１５は、あらかじめ設定された偏心量の閾値（ｈｘ，ｈｙ）と偏心量（ｄｘ，ｄｙ）とを比較し、式（３）で表される不等式を共に満たす場合は、運転を継続できると判断する（Ｓ５）。
ｄｘ≦ｈｘ、ｄｙ≦ｈｙ…（３）
【００２９】
一方で、式（３）で表される不等式の少なくとも一方を満たさない場合は、運転が不可であると判断する（Ｓ６）。
【００３０】
上記のステップＳ１〜Ｓ６は、タービンロータ１の回転軸方向に設置された複数の振動計２ａ、２ｂの対に関して順次実施される。そして、回転軸方向のいずれかの箇所の偏心量が閾値を超えた場合（（３）を満たさない場合）は、運転が不可であると判断し、評価部１５から蒸気タービンの制御装置（図示していない）に対して、ターニング時の運転を停止させるよう信号を送信する。
【００３１】
上述した第一の実施形態によれば、タービンロータ１の回転数に応じた切り替え操作をせずに振動計２ａ、２ｂを用いて偏心量を算出し、タービンロータ１の複数箇所の偏心量を監視できる。また、タービンロータ１の軸方向に設置された複数対の振動計を用いることで、ターニング中に軸方向の複数箇所の偏心を監視できる。
【００３２】
なお、第一の実施形態に係る偏心監視システムにおいて、変換部１１による変換を行わず（ステップＳ２を行わず）、第一の振動量を用いてステップＳ３以降の工程を行ってもよい。その場合は、基準振れ回り量（Ｄｘ０，Ｄｙ０）、ターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）、偏心量（ｄｘ，ｄｙ）および偏心量の閾値（ｈｘ，ｈｙ）は、ｘ’方向とｙ’方向の成分を有する。
【００３３】
また、基準振れ回り量（Ｄｘ０，Ｄｙ０）は、ステップＳ１からＳ３と同様の方法を用いて振れ回り量算出部１２で算出した後に設定してもよいし、既知の値を設定してもよい。
【００３４】
さらに、第一の実施形態では、ターニング振れ回り量を算出するにあたり第二の振動量（ｘ，ｙ）の各成分の最大値と最小値を用いて説明したが、これらの近傍の値、例えば最大値および最小値からの誤差が１０％程度の値を用いてもよい。
【００３５】
（第二の実施形態）
次に、第二の実施形態について、図５から図７を用いて説明する。図５は、第二の実施形態に係る偏心監視システムの概要図である。第一の実施形態に係る偏心監視システムとの違いは、後述する第三の振動量と振れ回り量の算出方法にある。なお、第一の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。また、第一の実施形態に対応するステップや文字は、記号「”」を用いて表記する。
【００３６】
第二の実施形態に係る偏心監視システムは、振動計２ａと、偏心量評価装置２０から構成される。この偏心量評価装置２０は、分解部２１と、振れ回り量算出部２２と、記憶部２３と、偏心量算出部２４と、評価部２５を有する。
【００３７】
分解部２１について、図６を用いて説明する。図６は、第二の実施形態に係る第三の振動量の定義を表す図である。分解部２１は、図６に示すように、振動計２ａの第一の振動量（ｘｉ”）を極座標と捉え、ｘ方向とｙ方向の成分に分解する。分解後の振動量を第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）とする。ここで、ｘｉ”は、１周期分の第一の振動量のうち、任意の地点での値を示す。また、第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）は、第一の実施形態における第二の振動量（ｘ，ｙ）に対応する。さらに、角度φは、ｘ軸とｘ’軸とのなす角度であり、反時計回りを正として０≦φ≦２πの範囲に含まれる値とする。
【００３８】
振れ回り量算出部２２は、第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）のｘ方向およびｙ方向に対するそれぞれの平均値によって定義された振れ回り量を算出する。この振れ回り量は、あらかじめ設定されたものを基準振れ回り量（Ｄｘ０”，Ｄｙ０”）、ターニング中に振れ回り量算出部２２で算出されたものであって、第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）のｘ方向およびｙ方向に対するそれぞれの平均値として定義されたものを分解振れ回り量（Ｄｘ”，Ｄｙ”）として区別する。この分解振れ回り量（Ｄｘ”，Ｄｙ”）は、第一の実施形態におけるターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）に対応する。
【００３９】
次に、偏心量評価装置２０による偏心量の評価フローについて、図６および図７を用いて説明する。図７は、第二の実施形態に係る偏心監視システムの偏心量の評価フローである。ここでは、例として振動計２ａで検出された第一の振動量（ｘｉ”）を用いて説明する。
【００４０】
図６に示すように、分解部２１が、振動計２の第一の振動量（ｘｉ”）をそれぞれｘ方向とｙ方向の成分に分解して第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）を算出する（Ｓ２”）。第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）は、振れ回り量算出部２２に送信される。振れ回り量算出部２２では、式（４）で表される分解振れ回り量（Ｄｘ”，Ｄｙ”）が算出される（Ｓ３”）。
【数２】
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【００４１】
この分解振れ回り量（Ｄｘ”，Ｄｙ”）は、第一の実施形態におけるターニング振れ回り量（Ｄｘ，Ｄｙ）に対応し、ターニング中の振れ回り量であって、第三の振動量（ｘｉ”ｃｏｓφ，ｘｉ”ｓｉｎφ）のｘ方向およびｙ方向に対するそれぞれの平均値として定義される。分解振れ回り量（Ｄｘ”，Ｄｙ”）は、偏心量算出部２４へ送信される。ステップＳ３”の後の評価フローは、第一の実施形態のステップＳ４以降と同様の手順で実行される。すなわち、偏心量算出部２４は、分解振れ回り量（Ｄｘ”，Ｄｙ”）と、基準振れ回り量（Ｄｘ０”，Ｄｙ０”）とを用いて、偏心量（ｄｘ”，ｄｙ”）を算出する（Ｓ４”）。その後、評価部２５は、あらかじめ設定された偏心量の閾値（ｈｘ”，ｈｙ”）と偏心量（ｄｘ”，ｄｙ”）とを比較し、運転を継続できるか否かを判断する（Ｓ５”、Ｓ６”）。
【００４２】
上述した第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様の効果を有する。また、少なくとも１つの振動計から偏心量を算出できる。なお、第二の実施形態では、振動計２ａを用いて説明したが、振動計２ｂを用いてもよい。
【００４３】
なお、上述した第一および第二の実施形態に係る偏心監視システムは、偏心量評価装置に振動量のノイズを遮断するためのノイズ遮断部を搭載してもよい。その場合、例えばノイズ遮断部は、タービンロータ１の初期位置からの位相に対する振動量の波形から近似曲線を導出した後に、同一の位相に対する近似曲線上の理論値と振動量との偏差を算出する。この偏差があらかじめ設定された閾値を超える場合、その振動量はノイズであると判断し、変換部または分解部に送信される振動量から遮断される。ノイズ遮断部を搭載することで、偏心量評価装置は、より高い信頼性を保ちタービンロータの運転継続可否を判断できる。
【００４４】
さらに、上述した第一および第二の実施形態に係る偏心監視システムではターニング時を含む低回転数域でのタービンロータ１の監視方法を説明したが、高回転数域でのタービンロータ１の監視については、従来用いられている方法に切り替えて監視を行えばよい。つまり、振動計２ａ、２ｂを用いて第一の振動量を検出し、この第一の振動量があらかじめ設定された閾値以上の場合には、タービンロータ１の運転を停止するよう判断すればよい。このようにタービンロータ１を監視する方法を切り換える場合であっても、振動計２ａ、２ｂをそのまま用いてタービンロータ１を監視できるため、既設の設備にも適用できる。なお、ここでいう低回転数域とは、停止状態からターニング時の回転数付近までを含むタービンロータ１の回転数が低い範囲を表し、高回転数域とは、低回転数域を除く範囲、すなわち定格回転を含むタービンロータ１の回転数が高い範囲を表す。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１．タービンロータ、２ａ、２ｂ．振動計、１０、２０．偏心量評価装置、１１．変換部、１２、２２．振れ回り量算出部、１３、２３．記憶部、１４、２４．偏心量算出部、１５、２５．評価部、２１．分解部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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