(57)【要約】【課題】  軸受特性を考慮した軸受の不安定振動防止装置を提供する。【解決手段】  軸受によって支持される回転体の負荷変化により生ずる軸系不安定振動を防止する不安定振動防止装置１０であって、負荷変化に基づく軸受特性から軸振動の安定余裕を算出するとともに、この安定余裕を所定の基準値と比較する演算部１２と、算出された安定余裕と所定の基準値との比較結果に基づいて軸受の温度を制御する制御部１３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】
軸受によって支持される回転体の負荷変化により生ずる軸系不安定振動を防止する装置であって、
前記負荷変化に基づく軸受特性から軸振動の安定余裕を算出するとともに、この安定余裕を所定の基準値と比較する演算処理部と、
算出された前記安定余裕と前記所定の基準値との比較結果に基づいて前記軸受の温度を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする軸系不安定振動防止装置。
【請求項２】
前記負荷変化に基づく軸受特性は、前記負荷変化後の軸受荷重及び／又は軸受の潤滑油温度の予測に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載の軸系不安定振動防止装置。
【請求項３】
前記負荷変化に基づく軸受特性は、前記軸受の潤滑油の温度の実測値に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載の軸系不安定振動防止装置。
【請求項４】
前記負荷変化に基づく軸受特性は、前記軸受を構成する部材の温度の実測値に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載の軸系不安定振動防止装置。
【請求項５】
前記回転体は、ギヤを介して駆動されるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の軸系不安定振動防止装置。
【請求項６】
前記軸受の温度の制御は、前記軸受に供給される潤滑油の温度を制御するか、又は前記軸受に前記潤滑油以外の他の冷却媒体を供給することにより行なうことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の軸系不安定振動防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧蒸気タービンや、ギヤにより駆動される回転機械では軸受荷重が負荷などの運転条件の影響で変化した場合の軸系不安定振動を防止する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転機械の軸を支持する要素として軸受が用いられており、大型の回転機械では油などを潤滑流体とした滑り軸受が用いられている。滑り軸受の動特性（弾性係数、減衰係数）は軸受の各部寸法、軸受荷重、潤滑油温度に依存している。高圧蒸気タービンや、ギヤにより駆動される回転機械では軸受荷重が負荷などの運転条件の影響で変化するので、それに伴い、軸受動特性も変化し、軸振動に影響する。最悪の場合には、ある運転状態では軸振動は安定であるが、負荷が変化することにより運転状態が変化することにより不安定となり、運転の継続が不可能となることがある。
【０００３】
特許文献１には、タービン速度に見合った適正な軸受給油温度を実現する装置として、タービン軸受に供給される軸受油を冷却する油冷却器と、油冷却器の冷却媒体ラインに介挿された制御弁と、軸受油の温度を検出する温度検出器と、タービン速度に応じた油温設定値を出力する関数発生器と、油温設定値と実油温との偏差を演算する偏差演算器と、その偏差にＰＩＤ演算を施して制御弁の開度を制御する流量制御器とを備えたタービン軸受給油温度制御装置が開示されている。
また、特許文献２には、低速域，低負荷域から高速域，高負荷域までの低域から高域までを柔軟にカバーでき、加工状態をインプロセスに監視しながら最適な条件で加工が行われるように回転軸及び軸受まわりの振動，温度をコントロールすると共に、一機種の機械であらゆる加工条件の高精度，高効率の加工ができ、設備コスト，加工コストの低減ができる軸受の予圧と冷却の制御装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１２１１１３号公報
【特許文献２】特開平１１−３１５８２９号公報
【非特許文献１】日本機会学会編 「すべり軸受の静特性および動特性資料集」第２９４頁〜第２９６頁 日本工業出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１及び特許文献２は、軸受特性の視点からの制御を欠いている。そこで本発明は、軸受特性を考慮した軸受の不安定振動防止装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
軸受の弾性係数、減衰係数は、潤滑油の粘度及び軸受荷重の関数として与えられるため、軸受が用いられている装置の負荷変化に伴って軸受荷重（面圧）が変化すると弾性係数、減衰係数も変化し、軸受が支持する軸系の安定性に影響を与える。そして、減衰が低下する場合には、安定余裕が少なくなり、振動が増加するのである。
ここで、潤滑油の粘度は潤滑油の温度の関数であるから、潤滑油温度を調整することにより、軸受の弾性係数、減衰係数を変化させ軸系の安定性を維持することができる。
そこで本発明は、軸受によって支持される回転体の負荷変化により生ずる軸系不安定振動を防止する装置であって、負荷変化に基づく軸受特性から軸振動の安定余裕を算出するとともに、この安定余裕を所定の基準値と比較する演算処理部と、算出された安定余裕と所定の基準値との比較結果に基づいて軸受の温度を制御する制御部と、を備える軸系不安
定振動防止装置により前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の軸系不安定振動防止装置において、負荷変化に基づく軸受特性は、負荷変化後の軸受荷重及び／又は軸受の潤滑油温度の予測に基づいて求めることができる。
また本発明の軸系不安定振動防止装置において、負荷変化に基づく軸受特性は、軸受の潤滑油の温度の実測値に基づいて求めることができる。
また本発明の軸系不安定振動防止装置において、負荷変化に基づく軸受特性は、軸受を構成する部材の温度の実測値に基づいて求めることができる。
また本発明の軸系不安定振動防止装置において、回転体は、ギヤを介して駆動されるものとすることができる。
さらにまた、軸受の温度の制御は、軸受に供給される潤滑油の温度を制御するか、又は軸受に潤滑油以外の他の冷却媒体を供給することにより行なうことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、軸受特性を考慮した軸受の不安定振動防止装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態における不安定振動防止装置１０の構成を示すブロック図、図２は不安定振動防止装置１０による振動制御手順を示すフローチャートである。
不安定振動防止装置１０は、蒸気タービン１と発電機２とを備える発電設備における軸受３，４，５及び６の潤滑油供給系Ｌに配設されている。潤滑油供給系Ｌには、冷却器７が配設されており、この冷却器７には冷却水供給路９を介して冷却水が循環される。冷却水供給路９には流量制御弁８が配設されており、この流量制御弁８の開度を調整することにより潤滑油供給系Ｌを流れる潤滑油の温度を調整する。
【００１０】
不安定振動防止装置１０は、負荷変化受信部１１と、演算部１２と、制御部１３とを備えている。なお、以下では図２をも参照しつつ不安定振動防止装置１０による処理手順を説明する。
負荷変化受信部１１は、蒸気タービン１の運転状況の変化、つまり負荷変化の指令を受けるとともに、演算部１２に向けて負荷変化指令を出力する（図２ Ｓ１０１）。負荷変
化の指令は、図示しない蒸気タービン１の運転制御装置から発信される。
【００１１】
演算部１２は、負荷変化指令を受けると、以下の処理を行なう。はじめに、負荷変化後の軸受荷重、軸受油（潤滑油）温度を予測する（図２ Ｓ１０３）。負荷に応じた軸受荷
重、軸受油温度は予め求めておき、演算部１２の有する記憶部（図示せず）に負荷と軸受荷重、軸受油温度を対応付けて記憶させておけばよい。演算部１２は、負荷変化受信部１１からの変化指令を受けると、当該負荷に応じた軸受荷重、軸受油温度を前記記憶部から取得する。これを、本実施の形態においては、軸受荷重、軸受油（潤滑油）温度の予測という。
【００１２】
次に演算部１２は、負荷に応じた軸受荷重、軸受油温度に基づいて、負荷が変化した後の軸受特性を算出する（図２ Ｓ１０５）。この軸受特性とは、軸受に供給される潤滑油
の弾性係数と減衰係数である。軸受特性の算出は、例えば、熱流体潤滑理論（Thermohydrodynamic Lubrication Theory,ＴＨＬ理論）に基づいて行なうことができる。ＴＨＬ理論に基づく軸受特性の算出については、非特許文献１の記載に基づいて行なうことができる。
【００１３】
非特許文献１の第２９５頁の図４・７・３にはＴＨＬ理論による軸受特性の計算例（ゾ
ンマーフェルト数Ｓと無次元油膜弾性係数の関係）が、また、同第２９６頁の図４・７・４にはＴＨＬ理論による軸受特性の計算例（ゾンマーフェルト数Ｓと無次元油膜減衰係数の関係）が開示されており、これら図を用いれば潤滑油の弾性係数と減衰係数を求めることができる。ゾンマーフェルト数Ｓは、下記式（１）で表されるように潤滑油の粘性係数に比例する。したがって、潤滑油の温度が上がるとゾンマーフェルト数Ｓは上がり、逆に概念的にいうならば潤滑油の温度が下がるとゾンマーフェルト数Ｓは下がる。
Ｓ＝μＮＬＤ（Ｒ／Ｃｐ）2／Ｗ…（１）
μ：潤滑油の粘性係数、Ｎ：軸回転速度（ｒｐｓ）、Ｌ：軸受幅、Ｄ：軸受直径
Ｒ：軸受半径、Ｃｐ：加工半径すきま、Ｗ：軸受荷重
【００１４】
軸受特性を算出すると、演算部１２は算出結果に基づいて負荷変化後の軸振動安定余裕の予測を行なう（図２ Ｓ１０７）。軸振動の安定余裕は、先に求めた弾性係数及び減衰
係数に基づいて求めることができる。具体的には、予め作成している回転機軸の振動解析モデルの軸受部に予測により得られた弾性係数および減衰係数を入力し、複素固有値解析を実施して減衰係数を直接求めることができる。
図１１には、軸受の負荷と減衰比との関係を示すグラフである。減衰比との関係で負荷が安定の領域にあることが振動を発生させないための要件である。
【００１５】
演算部１２により求められた安定余裕と予め定められた安定余裕管理値とを比較する（図２ Ｓ１０９）。求められた安定余裕が安定余裕管理値を超えている場合には、軸振動は安定状態にあるとみなし、以後の処理は行なわない。一方、求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、軸振動が増大して危険な状態になる可能性があるものとみなし、Ｓ１１１以降の処理を実行する。
【００１６】
求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、演算部１２は安定余裕が安定余裕管理値を超えるようにするための軸受油温度を算出する（図２ Ｓ１１１）。この軸受
油温度は、以下により求めることができる。
（１）軸受荷重が決まっているので、軸受油温度と弾性係数、減衰係数は一対一の関係にあることから、軸受油温度をパラメータとして各係数を算出する。
（２）得られた各係数を用いて、前述の振動解析モデルを用いた複素固有値解析を実施し、安定余裕を管理値より高くするための軸受油温度を算出する。
【００１７】
演算部１２は算出した軸受給油温度を制御部１３に転送する。制御部１３は受信した軸受給油温度に基づいて軸受３、４、５及び６へ供給する潤滑油の温度（軸受給油温度）を調節する（図２ Ｓ１１３）。軸受給油温度の調節は、冷却水供給路９に配設された流量
制御弁８の開度を調整することにより行なわれる。
【００１８】
以上のようにして、蒸気タービン１と発電機２とを備える発電設備における軸受３，４，５及び６の振動の増加を防止することができる（図２ Ｓ１１５）。
【００１９】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明による第２の実施形態について説明する。
図３は第２の実施形態における不安定振動防止装置２０の構成を示すブロック図である。
不安定振動防止装置２０は、第１の実施形態と同様に蒸気タービン１と発電機２とを備える発電設備における軸受３，４，５及び６の潤滑油供給系Ｌに配設されている。また、軸受３，４，５及び６には、各々廃油温度センサ２４，２５，２６及び２７が配設されている。廃油温度センサ２４，２５，２６及び２７は、軸受３，４，５及び６から排出される潤滑油の温度を計測する。
潤滑油供給系Ｌには、冷却器７が配設されており、この冷却器７には冷却水供給路９を
介して冷却水が循環される。冷却水供給路９には流量制御弁８が配設されており、この流量制御弁８の開度を調整することにより潤滑油供給系Ｌを流れる潤滑油の温度を調整する。
【００２０】
不安定振動防止装置２０は、廃油温度監視部２１と、演算部２２と、制御部２３とを備えている。なお、以下では図４をも参照しつつ不安定振動防止装置２０による処理手順を説明する。
廃油温度監視部２１は、軸受からの廃油温度の変化を廃油温度センサ２４，２５，２６及び２７からの情報に基づいて監視する。なお、負荷に変化があった場合には、その負荷変化に対応して廃油温度が変化する。したがって、廃油温度を監視することは、負荷変化を監視することと等価（図４ Ｓ２０１、Ｓ２０３）である。
【００２１】
廃油温度監視部２１は、廃油温度に変化があった場合には、変化のあった廃油温度を演算部２２に出力する。
演算部２２は、廃油温度監視部２１から受信した廃油温度に基づいて軸受特性を算出する（図４ Ｓ２０５）。この軸受特性は、第１の実施形態と同様にして求めることができ
る。
【００２２】
軸受特性を算出すると、演算部２２は算出結果に基づいて負荷変化後の軸振動安定余裕の予測を行なう（図４ Ｓ２０７）。軸振動の安定余裕は、第１の実施形態と同様にして
求めることができる。
【００２３】
演算部２２により求められた安定余裕と予め定められた安定余裕管理値とを比較する（図４ Ｓ２０９）。この比較は、第１の実施形態と同様であり、求められた安定余裕が安定余裕管理値を超えている場合には、軸振動は安定状態にあるとみなし、以後の処理は行なわない。一方、求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、軸振動が増大して危険な状態になる可能性があるものとみなし、Ｓ２１１以降の処理を実行する。
【００２４】
求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、演算部２２は安定余裕が安定余裕管理値を超えるようにするための軸受油温度を算出する（図４ Ｓ２１１）。この軸受
油温度の算出は第１の実施形態と同様に行なうことができる。
【００２５】
演算部２２は算出した軸受給油温度を制御部２３に転送する。制御部２３は受信した軸受給油温度に基づいて軸受３、４、５及び６へ供給する潤滑油の温度（軸受給油温度）を調節する（図４ Ｓ２１３）。軸受給油温度の調節は、冷却水供給路９に配設された流量
制御弁８の開度を調整することにより行なわれる（図４ Ｓ２１５）。
【００２６】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明による第３の実施形態について説明する。
図５は第３の実施形態における不安定振動防止装置３０の構成を示すブロック図である。
不安定振動防止装置３０は、第１の実施形態と同様に蒸気タービン１と発電機２とを備える発電設備における軸受３，４，５及び６の潤滑油供給系Ｌに配設されている。また、軸受３，４，５及び６には、各々軸受温度センサ３４，３５，３６及び３７が配設されている。軸受温度センサ３４，３５，３６及び３７は、軸受３，４，５及び６の構成部材である軸受メタルの温度を計測する。
潤滑油供給系Ｌには、冷却器７が配設されており、この冷却器７には冷却水供給路９を介して冷却水が循環される。冷却水供給路９には流量制御弁８が配設されており、この流量制御弁８の開度を調整することにより潤滑油供給系Ｌを流れる潤滑油の温度を調整する。
【００２７】
不安定振動防止装置３０は、軸受温度監視部３１と、演算部３２と、制御部３３とを備えている。なお、以下では図６をも参照しつつ不安定振動防止装置３０による処理手順を説明する。
軸受温度監視部３１は、軸受メタル温度の変化を軸受温度センサ３４，３５，３６及び３７からの情報に基づいて監視する。なお、負荷に変化があった場合には、その負荷変化に対応して軸受メタル温度が変化する。したがって、軸受メタル温度を監視することは、負荷変化を監視することと等価（図６ Ｓ３０１、Ｓ３０３）である。
【００２８】
軸受温度監視部３１は、軸受メタル温度に変化があった場合には、変化のあった軸受温度を演算部３２に出力する。
演算部３２は、軸受温度監視部３１から受信した軸受メタル温度に基づいて軸受特性を算出する（図６ Ｓ３０５）。この軸受特性は、第１の実施形態と同様にして求めること
ができる。
【００２９】
軸受特性を算出すると、演算部３２は算出結果に基づいて負荷変化後の軸振動安定余裕の予測を行なう（図６ Ｓ３０７）。軸振動の安定余裕は、第１の実施形態と同様にして
求めることができる。
【００３０】
演算部３２により求められた安定余裕と予め定められた安定余裕管理値とを比較する（図６ Ｓ３０９）。この比較は、第１の実施形態と同様であり、求められた安定余裕が安
定余裕管理値を超えている場合には、軸振動は安定状態にあるとみなし、以後の処理は行なわない。一方、求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、軸振動が増大して危険な状態になる可能性があるものとみなし、Ｓ３１１以降の処理を実行する。
【００３１】
求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、演算部３２は安定余裕が安定余裕管理値を超えるようにするための軸受油温度を算出する（図６ Ｓ３１１）。この軸受
油温度の算出は第１の実施形態と同様に行なうことができる。
【００３２】
演算部３２は算出した軸受給油温度を制御部３３に転送する。制御部３３は受信した軸受給油温度に基づいて軸受３、４、５及び６へ供給する潤滑油の温度（軸受給油温度）を調節する（図６ Ｓ３１３）。軸受給油温度の調節は、冷却水供給路９に配設された流量
制御弁８の開度を調整することにより行なわれる（図６ Ｓ３１５）。
【００３３】
以上の他に、軸受３、４、５及び６がティルティングパッド軸受の場合には、軸受温度センサ３４，３５，３６及び３７は、軸受パッドの温度を計測する。その場合の処理手順を図７に示している。また、軸受３、４、５及び６がスリーブ軸受の場合には、軸受温度センサ３４，３５，３６及び３７は、軸受スリーブの温度を計測する。その場合の処理手順を図８に示している。図７及び図８における処理手順は、図６に示したものと同様である。
【００３４】
＜第４の実施形態＞
以上説明した第１の実施形態〜第３の実施形態では、不安定振動防止装置１０（２０、３０）は、蒸気タービン１を備える発電設備における不安定軸振動を防止する装置について説明した。本発明は、蒸気タービン１を備える発電設備以外の機械、設備にも適用することができる。例えば、ギヤを介して駆動される回転機械、具体的には蒸気タービン駆動あるいは電動機駆動の圧縮機、送風機、ポンプなどである。この回転機械における不安定振動防止の処理手順を図９に示す。この処理手順は、以下説明するように、図１に示した第１の実施形態の処理手順と基本的には同様のものであり、その処理を実施するための装置も第１の実施形態と同様のもので足りる。
【００３５】
図９に示すように、負荷変化の指令（図９ Ｓ６０１）を受けると負荷変化後のギヤ軸
受荷重、軸受油（潤滑油）温度を予測する（図９ Ｓ６０３）。ギヤ軸受とは、ギヤによ
り駆動される回転機械を支持する軸受を意味している。
負荷に応じたギヤ軸受荷重、軸受油温度は予め求めておくことは第１の実施形態と同様である。
次に、負荷に応じた軸受荷重、軸受油温度に基づいて、負荷が変化した後の軸受特性を算出する（図９ Ｓ６０５）。
軸受特性を算出すると、算出結果に基づいて負荷変化後の軸振動安定余裕の予測を行なう（図９ Ｓ６０７）。軸振動の安定余裕は、先に求めた弾性係数及び減衰係数に基づい
て求めることができることは前述の通りである。
【００３６】
次に、求められた安定余裕と予め定められた安定余裕管理値とを比較する（図９ Ｓ６
０９）。求められた安定余裕が安定余裕管理値を超えている場合には、軸振動は安定状態にあるとみなし、以後の処理は行なわない。一方、求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、軸振動が増大して危険な状態になる可能性があるものとみなし、Ｓ６１１以降の処理を実行する。
求められた安定余裕が安定余裕管理値以下の場合には、安定余裕が安定余裕管理値を超えるようにするための軸受油温度を算出する（図９ Ｓ６１１）。
【００３７】
当該軸受がスリーブ軸受の場合には、算出した軸受給油温度に基づいて当該スリーブの温度を当該軸受へ供給する潤滑油の温度（軸受給油温度）を調節する（図９ Ｓ６１３）
。または、スリーブを他の冷却媒体、例えば水の供給を調節することにより、振動の増加を防止することができる。また、当該軸受がティルティングパッド軸受の場合には、図１０に示すように、当該軸受パッドの温度を当該軸受へ供給する潤滑油の温度（軸受給油温度）を調節する。または、スリーブを他の冷却媒体、例えば水の供給を調節することにより、振動の増加を防止することができる（図９ Ｓ６１５）。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態における不安定振動防止装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態における不安定振動防止装置の振動制御手順を示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態における不安定振動防止装置の構成を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態における不安定振動防止装置の振動制御手順を示すフローチャートである。
【図５】第３の実施形態における不安定振動防止装置の構成を示すブロック図である。
【図６】第３の実施形態における不安定振動防止装置の振動制御手順を示すフローチャートである。
【図７】第３の実施形態における不安定振動防止装置の変形例による振動制御手順を示すフローチャートである。
【図８】第３の実施形態における不安定振動防止装置の他の変形例による振動制御手順を示すフローチャートである。
【図９】第４の実施形態における振動制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】第４の実施形態における振動制御手順の変形例を示すフローチャートである。
【図１１】軸受の負荷と減衰比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…蒸気タービン、２…発電機、３，４，５，６…軸受、７…冷却器、８…流量制御弁、９…冷却水供給路、１０，２０，３０…不安定振動防止装置、１１…負荷変化受信部、１２，２２，３２…演算部、１３，２３，３３…制御部、２１…廃油温度監視部、３１…軸受温度監視部
【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】
2005113805.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005113805.tif 000011
【図１０】
2005113805.tif 000012
【図１１】
2005113805.tif 000013