(57)【要約】  【課題】  発電機の回転軸における回転数偏差を検出するだけでタービンを含む回転軸系の各部に現われるねじりトルクが個別に算定できるようにしたタービン発電機の軸ねじり振動検出方法を提供すること。  【解決手段】  発電機１とタービン２〜５を回転軸６で結合したタービン発電機において、歯車７と電磁ピックアップ８からなる回転角センサを発電機１の回転軸６1 にだけ設け、このセンサから出力されるパルス信号Ｐを回転数偏差算出部９に入力して回転数偏差Δωを算出し、これを演算処理部１０に供給し、ここで上記したタービン発電機の回転軸系をシミュレーションした連立運動方程式に基づく演算モデルに従って回転数偏差Δωを処理し、回転軸６の各部のねじりトルクＴ(Ｔ12、Ｔ23、Ｔ34、Ｔ45)を算定するようにしたもの。【選択図】  図１
2005098258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機の回転軸とタービンの回転軸を相互に結合したタービン発電機において、
前記発電機の前記タービンの回転軸に結合された方とは反対側にある回転軸に現われる回転数偏差を計測し、
前記タービン発電機の回転軸系をシミュレーションした連立運動方程式に基づく演算モデルに従って前記計測した回転数偏差を処理することにより、
前記回転軸の各部に現われるねじりトルクを算定することを特徴とするタービン発電機の軸ねじり振動検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の軸ねじり振動検出方法において、
前記回転軸の各部に現われるねじりトルクの算出結果から、前記回転軸の各部における疲労寿命を推算することを特徴とするタービン発電機の軸ねじり振動検出方法。
【請求項３】
請求項２に記載の軸ねじり振動検出方法において、
前記回転軸の各部における疲労寿命が、前記回転軸の各部に現われるねじりトルクの最大値とＳ−Ｎ曲線を参照して推算されることを特徴とするタービン発電機の軸ねじり振動検出方法。
【請求項４】
請求項２に記載の軸ねじり振動検出方法において、
前記回転軸の各部における疲労寿命が、前記回転軸の各部に現われるねじりトルクに基づき、応力頻度係数法又はマイナーの累積損傷則を利用して推算されることを特徴とするタービン発電機の軸ねじり振動検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン発電機の発電機軸とタービン軸に現われるねじり振動を検出する方法に係り、特に、ねじり振動発生時のトルクの大きさと回数から軸寿命を算出するのに好適なタービン発電機の軸ねじり振動検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービン発電機は、発電機の軸にタービンの軸が直結されていて、夫々の軸が全体として連なった形の、いわゆる回転軸系を構成している。
【０００３】
そこで、このようなタービン発電機においては、突発短絡発生時や再閉路運用時などに際して発電機に大きなトルク変動が現われると、発電機を加振源(振動発生源)とするねじり(捩り)振動が回転軸系に引き起こされてしまう。
【０００４】
そして、このねじり振動が引き起こされると、発電機の軸とタービンの軸が繰返し応力を受け、回転軸系の中で強度の弱い部分に疲労が現われ、軸寿命が短縮されてしまう虞れがある。
【０００５】
そこで、タービン発電機の回転軸系に現われるねじり振動を検出し、当該回転軸系に生じるねじりトルクの大きさと回数及び軸部のＳ−Ｎ曲線から、回転軸系の疲労寿命を算出する方法が従来から提案されている(例えば、特許文献１参照。)。
【０００６】
ここで、この従来から提案されている方法では、ねじり振動を計測するため、回転軸系の任意の位置に歯車とピックアップからなる回転角検出器を設け、相対ねじれ角に関係のある回転数偏差を検出すると共に、電力計により発電機の出力を測定し、これらの測定結果からトルクの直流成分及び低周波ねじりトルクを測定するようになっている。
【特許文献１】特開昭５３−７３３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術は、発電機を加振源とするねじり振動について配慮がされておらず、回転軸系の各部におけるねじりトルクの検出に問題があった。
【０００８】
従来技術では、タービン発電機の軸系の任意の位置で回転数偏差を検出しているが、突発短絡時や再閉路運用時で発電機が加振源となったとき、任意の点での検出では自然減衰の影響などにより、正確なねじり振動情報を検出することができず、軸系各部のねじりトルクの正確な検出に問題が生じてしまうのである。
【０００９】
また、従来技術では、検出した回転数偏差に対するねじりトルク特性を予め別に求めて記憶させておく必要があった。
【００１０】
更に、従来技術では、発電機の出力を測定する必要があり、この場合、回転数や負荷の大きさによってトルクの直流成分が変動してしまうが、これに対する改善策については特に検討がなされていなかった。
【００１１】
本発明の目的は、発電機の回転軸における回転数偏差を検出するだけでタービンを含む回転軸系の各部に現われるねじりトルクが個別に算定できるようにしたタービン発電機の軸ねじり振動検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、発電機の回転軸とタービンの回転軸を相互に結合したタービン発電機において、前記発電機の前記タービンの回転軸に結合された方とは反対側にある回転軸に現われる回転数偏差を計測し、前記タービン発電機の回転軸系をシミュレーションした連立運動方程式に基づく演算モデルに従って前記計測した回転数偏差を処理することにより、前記回転軸の各部に現われるねじりトルクを算定することにより達成される。
【００１３】
ここで、更に、前記回転軸の各部に現われるねじりトルクの算出結果から、前記回転軸の各部における疲労寿命を推算するようにしてもよい。
【００１４】
このとき、前記回転軸の各部における疲労寿命が、前記回転軸の各部に現われるねじりトルクの最大値とＳ−Ｎ曲線を参照して推算されるようにしてもよく、前記回転軸の各部に現われるねじりトルクに基づき、応力頻度係数法又はマイナーの累積損傷則を利用して推算されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、タービン発電機の発電機側の端部において、回転軸に現われる回転数偏差を計測するだけで、突発短絡発生時や再閉路運用時などに際して、回転軸系の各部に現われる軸ねじりトルクを正確に算定することができる。
【００１６】
この結果、本発明によれば、より正確に軸寿命が算出でき、的確なメンテナンスに基づく高い信頼性を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明によるタービン発電機の軸ねじり振動検出方法について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、まず、図１は、本発明の一実施形態が適用されたタービン発電設備の一例を模式的に示した図である。
【００１８】
ここで、この図１に示したタービン発電設備は、１基の発電機１を４基のタービン２、３、４、５で駆動するようにした複式のタービン発電機で、このとき、発電機１と各タービン２、３、４、５の回転軸は相互に結合され、全体として連なった形の回転軸６を構成している。
【００１９】
従って、この回転軸６が上記した回転軸系に相当している。そこで、以下、回転軸６の発電機１とタービン２の間にある部分を回転軸６12 とし、同じくタービン２、３の間は回転軸６23、タービン３、４の間は回転軸６34、タービン４、５の間は回転軸６45 とする。
【００２０】
このとき発電機１のタービン２の回転軸に結合された方とは反対側にある回転軸については、図示のように回転軸６17 とし、ここに、例えば鋼などの磁性材料で作られた歯車７が取付けてある。
【００２１】
そして、この歯車７の周辺に電磁ピックアップ８を設け、これにより、これら歯車７と電磁ピックアップ８の組合わせで回転角センサが形成されることになる。
【００２２】
そして、この電磁ピックアップ８の出力信号が回転数偏差算出部９に入力されて回転数偏差が算出され、この回転数偏差が演算処理部１０に供給され、後述するように、ねじり振動が算出されるようになっている。
【００２３】
次に、この実施形態の動作について説明する。まず、発電機１が回転すると、歯車７の歯による磁気抵抗変化により電磁ピックアップ８からパルス信号Ｐが出力されてくる。
【００２４】
このとき、パルス信号Ｐの各パルスは、歯車７の周辺に刻まれている歯が１枚、電磁ピックアップ８の近傍を通過する毎に１個発生される。従って、このパルス信号Ｐの個数は発電機１の回転角を表わすことになる。
【００２５】
例えば、歯車７として３６０枚の歯を持ったものを用いた場合には、発電機１の回転角が１度、変化する毎に１パルスとなる。そして、このパルス信号Ｐのパルス周期から回転数(回転速度)が検出できることになる。
【００２６】
そこで、まず、回転数偏差算出部９は、電磁ピックアップ８から入力されるパルス信号Ｐの周期から回転速度Ｎを計算し、これから回転数偏差Δωを算出して演算処理部１０に入力する。
【００２７】
このとき、発電機１は通常、同期発電機として使用されるので、定回転速度(例えば５０Ｈｚで発電機１が２極の場合なら３０００ｒｐｍ)で運転されており、従って、パルス信号Ｐの周期から計算した回転速度Ｎを定回転速度と比較することにより回転数偏差Δωが算出できる。
【００２８】
次に、演算処理部１０は、回転数偏差算出部９から回転数偏差Δωを入力し、これから図２に示す演算モデルに従って演算を行ない、回転軸系の各部におけるねじりトルクＴとねじり角θを計算する。
【００２９】
ここで、この図２の演算モデルは、次の(数式１)に記載されている連立運動方程式に基づいて構築されたものであり、そして、この(数式１)に示した連立運動方程式は、図１に示したタービン発電機の回転軸系をシミュレーションして導き出されたものである。
【数１】
2005098258.tif 000003
【００３０】
このとき、これら図２の演算モデルと(数式１)の連立運動方程式における記号の意味は次の通りである。
【００３１】
θ17：回転軸６17 に現われるねじれ角
θ12：回転軸６12 に現われるねじれ角
θ23：回転軸６23 に現われるねじれ角
θ34：回転軸６34 に現われるねじれ角
θ45：回転軸６45 に現われるねじれ角
Ｔ12：回転軸６12 に現われるねじりトルク
Ｔ23：回転軸６23 に現われるねじりトルク
Ｔ34：回転軸６34 に現われるねじりトルク
Ｔ45：回転軸６45 に現われるねじりトルク
Ｋ12：回転軸６12 のばね定数
Ｋ23：回転軸６23 のばね定数
Ｋ34：回転軸６34 のばね定数
Ｋ45：回転軸６45 のばね定数
Ｍ2 ：タービン２の慣性モーメント(定数)
Ｍ3 ：タービン３の慣性モーメント(定数)
Ｍ4 ：タービン４の慣性モーメント(定数)
Ｍ5 ：タービン５の慣性モーメント(定数)
ここで、Ｋ12〜Ｋ45 は文字通り定数で、Ｍ2〜Ｍ5 も上記の通り定数で、何れもタービン発電設備の発電機やタービンに固有の値であり、従って、予め実測して、図２の演算モデルに設定しておくことができる。
【００３２】
そこで演算処理部１０は、これら定数が設定された図２の演算モデルを用い、まず回転数偏差算出部９から入力した回転数偏差Δωに演算処理を施し、回転軸６12 に現われるねじりトルクＴ12と回転軸６23 に現われるねじりトルクＴ23、回転軸６34 に現われるねじりトルクＴ34、それに回転軸６45 に現われるねじりトルクＴ45 の夫々を算出する。
【００３３】
ここで、この実施形態の場合、ねじり振動を計測する回転軸系において、ねじり振動の加振源となる発電機１の回転軸６17 にだけ歯車７と電磁ピックアップ８を設け、これにより回転数偏差を計測するようになっている。
【００３４】
従って、上記実施形態によれば、発電機１の回転軸６17 に歯車７を設け、回転数偏差を検出するだけでタービンを含む回転軸系の各部に現われるねじりトルクを個別に算定することができる。
【００３５】
また、この実施形態によれば、回転数偏差を発電機１の回転軸６17 で計測しているので、ねじり振動が軸ダンピングの影響により減衰されてしまうのを防ぐことができ、従って、加振源である発電機１からタービン２〜５の回転軸系に入力される加振情報が正確に検出できる。
【００３６】
そして、この結果、ねじりトルクを算出する際に回転数や負荷の大きさに影響される虞れがなく、従って、この実施形態によれば、ねじり振動が正確に把握され、ねじりトルクが正確に算定できることになる。
【００３７】
そこで、演算処理部１０は、図２の演算モデルにより算出した回転軸系の各部のねじりトルクＴ23〜Ｔ45 の最大値とＳ−Ｎ曲線(Stress-Numbdr of cycles curve)を参照して、今度は回転軸６で形成されている回転軸系の各部における寿命を推算する。
【００３８】
このとき、回転軸系の各部のねじりトルクＴ23〜Ｔ45 を周知のレインフロー法やレンジペア法などの応力頻度係数法を利用して寿命を推算するようにしてもよく、マイナーの累積損傷則を利用して寿命を推算するようにしてもよい。
【００３９】
従って、この実施形態によれば、正確なねじりトルクの検出値に基づく確度の高い寿命推算が得られることになり、この結果、こうして推算した回転軸系の各部における確度の高い寿命を勘案し、それをメンテナンスに反映させることにより、タービン発電設備の安全運転に万全を期すことができ、高い信頼性を容易に確保することができる。
【００４０】
ところで、以上の実施形態では、発電機１の回転軸６1 に取付けられ、回転数偏差の検出に使用する回転角センサとして、歯車７と電磁ピックアップ８の組合わせからなる回転角センサを用いているが、本発明の実施形態は、これに限られるものではなく、例えば光学式の回転角センサなどでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるタービン発電機の軸ねじり振動検出方法の一実施形態が適用されたタービン発電設備の一例を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における軸ねじりトルク算出用の運動方程式を表す演算モデルのブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  発電機
２〜５  タービンロータ
６  回転軸
７  歯車
８  ピックアップ
９  回転数偏差算出部
１０  演算処理部
【図１】
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【図２】
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