JP6736511B2

JP6736511B2 - 翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法

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Publication number: JP6736511B2
Application number: JP2017063267A
Authority: JP
Inventors: 誠司佐部利; 中庭　彰宏; 彰宏中庭; 佐藤　隆; 隆佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: CN110462364A; US20200096384A1; WO2018180764A1; JP2018165677A; CN110462364B; DE112018001755T5

Description

本発明は、翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法に関する。

例えば蒸気タービン、ガスタービン等の回転機械は、回転軸と、該回転軸の外周に設けられた複数の動翼列からなる動翼列群とを有している。回転機械の運転時には、回転する動翼列の振動を計測している。このような計測を行うことにより、動翼列の振動特性が設計計画通りであるか否かを検証することができる。また、運転条件の変化による動翼の振動特性の変化を確認し、タービン製品の信頼性の向上を図ることができる。

例えば特許文献１には、動翼に接触しない静止部に変位センサを設け、該変位センサによって動翼の振動を監視する技術が開示されている。
特に、動翼の翼高さが大きい低圧段では、静止側から各動翼の通過時間を計測し、その結果を演算して動翼の振動形態および振動量を算出する非接触モニタが適用されることが多い。

また特許文献２には、ロータに摺動接触する静止部に振動検出部を設ける技術が開示されている。例えば振動検出部としての加速度計を軸受箱に設置することで、該軸受箱に伝達される翼列群からの振動を該加速度計によって検出する。

特開２００３−１７７０５９号公報特開昭５３−２８８０６号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、特に動翼の翼高さが小さい高圧段では、変位センサの設置環境が悪く、さらに動翼の振動振幅が小さいため、適切に振動を監視することができない。また、蒸気や燃焼ガス等の作動流体の性状によっては、変位センサの検出値に誤差が生じ、適切に振動を検出できない場合がある。

また、上記特許文献２に記載の技術では、動翼列群から軸受箱まで振動が伝達するために、軸受油膜、軸受、軸受ハウジング等の振動減衰要素を経由する必要がある。そのため、信号自体の品質が悪化し、また、暗振動により信号がマスキングされる可能性が高い。
よって、いずれの技術であっても動翼列の異常を容易に検出することは困難である。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、動翼列の異常を容易に検出することができる翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の第一態様に係る回転機械の翼異常検出装置は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びて先端にシュラウドを有する複数の動翼からなる動翼列を有するロータを備えた回転機械の翼異常検出装置であって、前記ロータの回転数が変化する際の前記回転機械の振動を前記回転数とともに取得する振動取得部と、前記振動取得部の取得結果に基づいて周波数解析を行い、前記動翼列の各回転数における固有振動数を取得する周波数解析部と、前記周波数解析部の解析結果に基づいて、隣り合う前記動翼のシュラウド同士が互いに接触した状態と互いに離間した状態との境界となる接触回転数を取得する接触回転数取得部と、該接触回転数取得部で取得した接触回転数に基づいて、前記動翼列が異常か否かを判定する判定部と、を有する。

ロータの回転数が低い状態では互いに隣り合う動翼のシュラウド同士は隙間をあけて配置されている。ロータの回転数が上昇してある程度の回転数になると、互いに隣り合う動翼のシュラウド同士が互いに周方向に接触する。このように動翼のシュラウド同士が接触すると、動翼列全体として円環状に接続された状態となり、動翼列全体としての固有振動数は増加する。即ち、動翼列は、シュラウド同士が互いに接触する回転数である接触回転数に達することで固有振動数が急激に増加することになる。同様にロータの回転数が減少する際にも互いに接触していたシュラウド同士が、接触回転数に到達することで互いに離間し、動翼列全体としての固有振動数は急激に低下する。

本態様では、振動取得部が取得した回転機械の実際の振動及び回転数に基づいて周波数解析部が周波数解析を行うことで、各回転数における動翼列の固有振動数を取得する。接触回転数取得部では、例えば動翼の固有振動数がある閾値以上に変化する回転数を接触回転数として取得する。なお、回転数を変化させた際の固有振動数の変化率が閾値以上となった回転数を接触回転数としてもよい。
ここで、動翼の異常の１つの形態として，シュラウド間の微振動による摩擦によって接触面が削れて、結果的に隣り合うシュラウド間の隙間が広くなった場合、動翼の接触回転数は正常状態に比べて高くなる。従って、回転上昇時の固有振動数を観測すると、正常時と比較してシュラウド削れによる異常状態では、シュラウド同士が接触する接触回転数が上昇する。
当該知見の下、判定部では、取得した接触回転数の値に基づいて動翼列が異常であるか否か、即ち、当該動翼列が有する動翼に異常が生じているか否かを判定する。したがって、動翼列の異常を容易に検知することができる。

本発明の第二態様に係る翼異常検出システムは、上記の翼異常検出装置と、前記回転機械に設けられて、前記回転機械の振動を検出する振動センサと、を備える。

これによって、上記同様、動翼列の異常を容易に検知することができる。

上記の翼異常検出システムでは、前記回転機械は、前記回転軸を前記軸線回りに回転可能に支持する軸受と、該軸受を支持する軸受台とを有し、前記振動センサは、前記軸受台に設けられた加速度センサであってもよい。

これにより、回転機械の内部にセンサ等を設けずとも、容易に動翼列の異常を検知することができる。

本発明の第三態様に係る回転機械システムは、前記回転機械と、上記いずれかの翼異常検出システムと、を備える。

本発明の第四態様に係る翼異常検出方法は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びる複数の動翼を有する動翼列を有するロータを備えた回転機械の翼異常検出方法であって、前記ロータの回転数を変化させながら前記回転機械の振動を前記回転数とともに取得する振動取得工程と、該振動取得工程での取得結果に基づいて周波数解析を行い、前記回転数と振動数との関係を取得する解析工程と、前記周波数解析の結果に基づいて、前記動翼列の隣り合う前記動翼同士が互いに接触する接触回転数を取得する接触回転数取得工程と、該接触回転数取得工程で取得した接触回転数に基づいて、前記動翼列が異常か否かを判定する判定工程と、を含む。

本発明の翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法によれば、動翼の異常を容易に検出することができる。

第一実施形態に係る蒸気タービンシステム（回転機械システム）の模式的な縦断面図である。第一実施形態に係る翼異常検出装置における翼異常検出装置本体のハードウェア構成を示す図である。第一実施形態に係る翼異常検出装置における翼異常検出装置本体の機能ブロック図である。動翼列の動翼のシュラウド同士が非接触の状態を示す模式図である。動翼列の動翼のシュラウド同士が接触した状態を示す模式図である。第一実施形態に係る蒸気タービンシステム（回転機械システム）のキャンベル線図である。第一実施形態に係る翼異常検出方法の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る蒸気タービンシステム（回転機械システム）について図１〜図７を参照して説明する。
図１に示すように、蒸気タービンシステム１は、蒸気タービン２（回転機械）及び翼異常検出システム３０を備える。

蒸気タービン２は、蒸気のエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。蒸気タービン２は、ロータ３、スラスト軸受８、ジャーナル軸受９（軸受）、軸受台１５、ステータ２０を備えている。

ロータ３は、回転軸４と動翼列群５とを備えている。
回転軸４は、水平方向に沿う軸線Ｏを中心として延びる円柱形状をなしている。回転軸４の一部には、スラストカラー４ａが形成されている。スラストカラー４ａは、軸線Ｏを中心として円板形状をなしており、フランジ状をなすように回転軸４の本体から回転軸４の径方向外側に一体的に張り出している。

動翼列群５は、回転軸４の外周に軸線Ｏ方向に間隔をあけて設けられた複数の動翼列６によって構成されている。各動翼列６は、回転軸４の外周面から径方向外側に向かって延びる動翼７が周方向に間隔をあけて複数配列されることで構成されている。即ち、各動翼列６は、回転軸４の同一の軸線Ｏ方向位置に放射状に設けられた複数の動翼７によって構成されている。

スラスト軸受８は、スラストカラー４ａを軸線Ｏ方向両側から摺動可能に支持している。これによって、回転軸４の軸線Ｏ方向の移動を規制している。
ジャーナル軸受９は、回転軸４の両端側で該回転軸４を軸線Ｏ回りに回転可能に下方から支持するように一対が設けられている。ジャーナル軸受９は、軸受本体１０及び軸受ハウジング１１を有する。軸受本体１０は、回転軸４の外周面を、油膜を介して摺動可能に支持する軸受パッドを有する。該軸受パッドを揺動可能に外周側から支持するピボット等を有する。軸受ハウジング１１は、回転軸４を外周側から囲うとともに、内周側に上記軸受本体１０を支持している。軸受ハウジング１１は、内周面にピボットが固定されており、該ピボットを介して軸受パッドを支持している。なお、軸受ハウジング１１の内側にガイドリング等の他の部材があってもよい。
軸受台１５は、一対のジャーナル軸受９を下方から支持するように一対が設けられている。これら軸受台１５は、それぞれ対応するジャーナル軸受９の下半部を支持している。

ステータ２０は、ケーシング２１及び静翼列群２２を備えている。
ケーシング２１は、ロータ３の一部と外周側から囲うように設けられている。ロータ３の回転軸４は、ケーシング２１を軸線Ｏ方向に貫通している。回転軸４の両端は、ケーシング２１外に位置しており、該ケーシング２１の外側でスラスト軸受８及びジャーナル軸受９に支持されている。ロータ３の動翼列群５は、ケーシング２１の内側に配置されている。

静翼列群２２は、ケーシング２１の内周に軸線Ｏ方向に間隔をあけて設けられた複数の静翼列２３によって構成されている。各静翼列２３は、ケーシング２１の内周面から径方向内側に向かって延びる静翼２４が周方向に間隔をあけて複数配列されることで構成されている。即ち、各静翼列２３は、回転軸４の同一の軸線Ｏ方向位置に放射状に設けられた複数の静翼２４によって構成されている。静翼列２３は、ロータ３の動翼列６と軸線Ｏ方向に交互に配置されている。

このような蒸気タービン２では、ケーシング２１内に導入される蒸気が静翼列２３及び動翼列６の間の流路を通過する。この際、蒸気が動翼７を回転させることで該動翼７に伴って回転軸４が回転し、該回転軸４に接続された発電機等の機械に動力（回転エネルギー）が伝達される。

次に翼異常検出システム３０について説明する。
翼異常検出システム３０は、図１に示すように、振動センサ４０及び翼異常検出装置５０を備えている。
振動センサ４０は、蒸気タービン２の軸受台１５に設けられている。蒸気タービン２のロータ３で発生する振動は、ジャーナル軸受９の軸受本体１０及び軸受ハウジング１１を介して軸受台１５に伝搬する。振動センサ４０は、このように伝搬された振動を検出する。振動センサ４０としては、本実施形態では加速度センサが採用されている。

加速度センサとしては、例えば圧電式センサが採用されている。当該圧電式センサは圧電効果を利用したものである。圧電式センサに加速度が作用すると、その際の応力に基づいて電荷が発生する。このように発生した電荷が加速度センサの出力となる。ロータ３の動翼列６の振動は軸受台１５に伝搬され、当該振動が加速度として加速度センサに検出されて翼異常検出装置５０に出力される。

翼異常検出装置５０は、図２に示すように、ＣＰＵ６１（Central Processing Unit）、ＲＯＭ６２（Read Only Memory）、ＲＡＭ６３（Random Access Memory）、ＨＤＤ６４（Hard Disk Drive）、信号受信モジュール６５を備えるコンピュータである。信号受信モジュール６５は、加速度センサからの信号を受信する。信号受信モジュール６５は、例えばチャージアンプ等を介して増幅された加速度センサの信号を受信してもよい。

図３に示すように、翼異常検出装置５０のＣＰＵ６１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部５１、振動取得部５２、周波数解析部５３、接触回転数取得部５４、判定部５５及び警報部５６を有する。
制御部５１は解析装置に備わる他の機能部を制御する。

振動取得部５２は、ロータ３の回転数が変化する際の蒸気タービン２の振動（加速度）情報を回転数とともに取得する。
より具体的には、振動取得部５２は、蒸気タービン２の起動時の回転数の上昇時、又は、蒸気タービン２の停止動作時の回転数の下降時における加速度センサから得られる振動を、ロータ３の回転数とともに取得する。また、蒸気タービン２の運転時に、回転数が変化する際の振動及び回転数の情報を取得してもよい。
回転数は、例えば別途設けられたロータ３の回転数を検出するセンサから情報を取得してもよい。また、蒸気タービン２の運転情報からロータ３の回転数を取得してもよい。

周波数解析部５３は、振動取得部５２の取得結果に基づいて周波数解析を行い、動翼列群５全体としての各回転数における固有振動数を取得する。
即ち、周波数解析部５３は、各回転数における加速度センサから得られる振動（加速度）情報に対して周波数解析を施す。これによって、動翼列群５全体の固有モード及びその際の振動数である固有振動数を回転数毎に求める。これにより、動翼列群５の各振動モードにおける固有振動数と回転数との関係を取得することができる。

接触回転数取得部５４は、周波数解析部５３の解析結果に基づいて動翼列６の接触回転数を取得する。ここで、接触回転数とは、隣り合う動翼７のシュラウド７ａ同士が互いに接触した状態と互いに離間した状態との境界となる回転数を示す。

即ち、ロータ３の回転数が低い状態では、例えば図４に示すように、互いに周方向に隣り合う動翼７のシュラウド７ａ同士は、離間した状態にある。このような状態では、各動翼７は単独で振動するため、動翼列６及び動翼列群５全体としては、剛性が小さい。そのため、動翼列群５の各振動モードでの固有振動数は比較的小さい値を示す。

一方、ロータ３の回転数が高い状態では、例えば図５に示すように互いに周方向に隣り合う動翼７のシュラウド７ａ同士が、コンタクト面で接触する。このように動翼列６が環状の一体構造をなすと、動翼列６全体として一体的に振動する。そのため、このような動翼列６からなる動翼列群５全体としての剛性が大きくなり、動翼列群５の各振動モードでの固有振動数は比較的大きな値を示す。

接触回転数とは、動翼７のシュラウド７ａ同士が離間した状態と接触した状態との境界となる回転数である。接触回転数を境界として動翼列６の各振動モードの固有振動数が大きく変化する。そのため、接触回転数取得部５４では、例えば回転数の変化に対する固有振動数の変化率が予め定めた閾値以上となる際の回転数を、接触回転数として取得してもよい。また、動翼列群５の固有振動数と回転数との関係を示すキャンベル線図を作成し、固有振動数が一段大きく成る回転数を目視や画像処理によって見出し、当該回転数を接触回転数としてもよい。

判定部５５は、接触回転数取得部５４で取得した接触回転数に基づいて動翼列群５におけるいずれかの動翼列６が異常か否かを判定する。
ここで、動翼列群５全体のキャンベル線図を図６に示す。図６の横軸は蒸気タービン２の回転数（ｒｐｍ）、縦軸は振動数（Ｈｚ）を示している。また、斜軸は回転次数を示しており、傾きの大きい斜軸ほど回転次数が大きい。

図６における横軸方向に延びる実線のラインは、いずれの動翼７にも異常・損傷が発生していない正常時における動翼列群５の固有振動数（一次モード）である。図４における横軸方向に延びる破線のラインは、いずれかの動翼７に異常・損傷が発生した異常時における動翼列群５の固有振動数（一次モード）である。なお、図６では、一次モードのみの固有振動数を図示しているが、二次、三次モード、さらに高次のモードであっても、一次モードのラインと同様の挙動を示す。

ここで、動翼７の異常の１つの形態として、シュラウド７ａ間の微振動による摩擦によって接触面が削れる場合がある。その結果、隣り合うシュラウド７ａ間の隙間が広くなった場合、動翼７の接触回転数は正常状態に比べて高くなる。従って、回転上昇時の固有振動数を観測すると、正常時と比較してシュラウド７ａが削れたことによる異常状態では，シュラウド７ａ同士の接触回転数が上昇する。
そのため、図６に示すように、正常時の接触回転数Ｎ_１に比べて、異常時の接触回転数Ｎ_２は大きな値を示す。なお、複数の動翼列群５のうち、一部の動翼列６の動翼７で異常が発生したとしても、動翼列群５全体として接触回転数は低下する。

判定部５５では、当該知見に基づいて、接触回転数取得部５４が取得した接触回転数（振動実測値に基づく接触回転数）が、正常時の接触回転数Ｎ_１と比較することで異常か否かを判断する。具体的には、例えば接触回転数取得部５４が取得した接触回転数が、接触回転数Ｎ_１から所定の閾値以上に異なった場合には、異常であると判定してもよい。また、当該接触回転数が、予め定めた閾値（正常時の接触回転数Ｎ１よりも大きな値）以上となった場合には、異常であると判定してもよい。

警報部５６は、判定部５５の判定結果に基づいて警報を出力する。即ち、警報部５６は、判定部５５が異常であると判定した場合には、警報を出力する処理を行う。警報部５６は、警報情報をモニタに表示する処理を行ってもよいし、警報としてのアラームを鳴らす処理を行ってもよい。

次に、図７に示すフローチャートを参照して、実施形態に係る翼異常検出方法について説明する。翼異常検出方法は、振動取得工程Ｓ１、周波数解析工程Ｓ２、接触回転数取得工程Ｓ３、判定工程Ｓ４を含む。

振動取得工程Ｓ１では、上記振動取得部５２で行う処理の通り、ロータ３の回転数が変化する際の蒸気タービン２の振動を回転数とともに取得する。
振動取得工程Ｓ１の後に、周波数解析工程Ｓ２が行われる。周波数解析工程Ｓ２では、上記周波数解析部５３で行う処理の通り、振動取得部５２の取得結果に基づいて周波数解析を行い、動翼列群５全体としての各回転数における固有振動数を取得する。これにより、動翼列群５全体としての固有振動数と回転数との関係を取得することができる。

周波数解析工程Ｓ２の後に接触回転数取得工程Ｓ３が行われる。接触回転数取得工程Ｓ３では、上記接触回転数取得部５４での処理の通り、周波数解析部５３の解析結果に基づいて動翼列６の接触回転数を取得する。
周波数解析工程Ｓ２の後に判定工程Ｓ４が行われる。判定工程Ｓ４は、上記判定部５５での処理の通り、接触回転数取得部５４で取得した接触回転数に基づいて動翼列群５におけるいずれかの動翼列６が異常か否かを判定する。

以上のように本実施形態に係る蒸気タービンシステム１によれば、振動実測値に基づいて取得した接触回転数を指標として、動翼列群に異常か否かを判定することで、動翼列群５におけるいずれかの動翼列６の動翼７で異常が発生したか否かを容易に把握することができる。
本態様では、振動取得部５２が取得した回転機械の実際の振動及び回転数に基づいて周波数解析部５３が周波数解析を行うことで、各回転数における動翼列６の固有振動数を取得する。接触回転数取得部５４では、動翼７の固有振動数が例えばある閾値以上に変化する回転数を接触回転数として取得する。

ここで、上述の通り、シュラウド７ａが削れた異常時には、正常時に比べて接触回転数が上昇する。当該知見に基づいて、接触回転数取得部５４では上記接触回転数に基づいて、動翼列６が異常であるか否か、即ち、当該動翼列６が有する動翼７に異常が生じているか否かを判定する。これによって、動翼列６の異常を容易に検知することができる。

また、本実施形態では蒸気タービン２の振動を検出する振動センサ４０として、軸受台１５に設けられた加速度センサを採用している。したがって、蒸気タービン２の作動流体である蒸気の性状によらず、安定して動翼７の異常を検出することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態では振動センサ４０として軸受台１５に設けた加速度センサを採用した例について説明したが、振動センサ４０としては他の構成を採用してもよい。例えば、蒸気タービン２の外部から回転軸４の変位を検出する変位センサを設け、当該変位センサによって検出した回転軸４の変位情報を振動情報として翼異常検出装置５０に出力してもよい。これによっても実施形態同様に動翼列６の異常を容易に検出することができる。

実施形態では本発明を蒸気タービン２に適用した例について説明したが、例えばガスタービン等の他の回転機械に適用してもよい。

１蒸気タービンシステム
２蒸気タービン
３ロータ
４回転軸
５動翼列群
６動翼列
７動翼
７ａシュラウド
８スラスト軸受
９ジャーナル軸受
１０軸受本体
１１軸受ハウジング
１５軸受台
２０ステータ
２１ケーシング
２２静翼列群
２３静翼列
２４静翼
３０翼異常検出システム
４０振動センサ
５０翼異常検出装置
５１制御部
５２振動取得部
５３周波数解析部
５４接触回転数取得部
５５判定部
５６警報部
６１ＣＰＵ
６２ＲＯＭ
６３ＲＡＭ
６４ＨＤＤ
６５信号受信モジュール
Ｓ１振動取得工程
Ｓ２周波数解析工程
Ｓ３接触回転数取得工程
Ｓ４判定工程
Ｏ軸線

Claims

軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びて先端にシュラウドを有する複数の動翼からなる動翼列を有するロータを備えた回転機械の翼異常検出装置であって、
前記ロータの回転数が変化する際の前記回転機械の振動を前記回転数とともに取得する振動取得部と、
前記振動取得部の取得結果に基づいて周波数解析を行い、前記動翼列の各回転数における固有振動数を取得する周波数解析部と、
周波数解析部の解析結果に基づいて、隣り合う前記動翼のシュラウド同士が互いに接触した状態と互いに離間した状態との境界となる接触回転数を取得する接触回転数取得部と、
該接触回転数取得部で取得した接触回転数に基づいて、前記動翼列が異常か否かを判定する判定部と、
を有する翼異常検出装置。
請求項１に記載の翼異常検出装置と、
前記回転機械に設けられて、前記回転機械の振動を検出する振動センサと、を備える翼異常検出システム。
前記回転機械は、前記回転軸を前記軸線回りに回転可能に支持する軸受と、該軸受を支持する軸受台とを有し、
前記振動センサは、前記軸受台に設けられた加速度センサである請求項２に記載の翼異常検出システム。
前記回転機械と、
請求項２又は３に記載の翼異常検出システムと、を備える回転機械システム。
軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びる複数の動翼を有する動翼列
を有するロータを備えた回転機械の翼異常検出方法であって、
前記ロータの回転数を変化させながら前記回転機械の振動を前記回転数とともに取得する振動取得工程と、
該振動取得工程での取得結果に基づいて周波数解析を行い、前記回転数と振動数との関係を取得する解析工程と、
前記周波数解析工程の解析結果に基づいて、隣り合う前記動翼のシュラウド同士が互いに接触した状態と互いに離間した状態との境界となる接触回転数を取得する接触回転数取得工程と、
該接触回転数取得部で取得した接触回転数に基づいて、前記動翼列が異常か否かを判定する判定工程と、
を含む翼異常検出方法。