JP6961513B2 - 軸受監視装置及びこの軸受監視装置を備えた回転機械 - Google Patents

Description

本開示は、軸受監視装置及びこの軸受監視装置を備えた回転機械に関する。

蒸気タービンや圧縮機等の大型の回転機械では、オイルホイップ等の軸受起因の不安定振動防止のため、ティルティングパッド軸受が使用されることが多い。従来のティルティングパッド軸受は例えば、パッド間の給油口から潤滑油を供給し油浴状態で使用されていたが、近年では軸受損失の低減による性能向上を図るため、ノズルを用いてパッド上流部からロータに直接潤滑油を噴射する直接潤滑方式のティルティングパッド軸受（以下、直潤軸受）が使用されるようになっている。

直潤軸受において、さらなる性能向上のために給油量低減が求められているが、給油量低減により、給油量が不足した場合における直潤軸受の不安定振動のリスクも顕在化している。給油量が不足した場合、パッド入口部の潤滑油が枯渇し潤滑油が不足している領域（スターブド領域）が発生し、見かけのパッド張り角（各パッドにおいてロータを支持する領域をロータの軸心を中心とする中心角で表したもの）が低減する。軸受の動特性がこのように変化することで、軸系の固有振動数で振動する不安定振動（ピーキー振動）が発生する可能性があると考えられる。

直潤軸受に関するものではないが、回転機械の回転数やプラントの負荷状態を判定し、これに基づいて軸振動異常検知用判定値、振動状態判定値、プロセス状態判定値を取り出して、プラントの振動やプロセス値を計測したデータと比較することにより異常軸振動を監視判断する装置が特許文献１に記載されている。

特開２００４−１６９６２４号公報

これまで、スターブド領域と軸系安定性（ロータの振動の減衰しやすさを表す減衰比）との関係は明確になっていなかったが、本発明者らの鋭意検討の結果、給油量が不足することでスターブド領域が増大し、同時に減衰比が低下することが明らかとなった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、ピーキー振動の発生リスクを推定できる軸受監視装置及びこの軸受監視装置を備えた回転機械を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る軸受監視装置は、
回転軸を支持するための軸受を監視する軸受監視装置であって、
前記軸受は、
前記回転軸の周方向に沿って設けられた少なくとも１つの軸受パッドと、
前記回転軸の外周面に面する前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の前記外周面との間に潤滑油を供給する少なくとも１つのノズルと
を備え、
前記軸受監視装置は、
前記軸受パッドの前記内周面と前記回転軸の前記外周面との間の前記潤滑油の油膜圧力を前記回転軸の周方向に沿って検出可能に構成された圧力検出部材と、
スターブド角計測部を含む制御部と
を備え、
前記スターブド角計測部は、前記圧力検出部材の検出結果に基づいて、前記軸受パッドの前記内周面と前記回転軸の前記外周面との間で前記潤滑油が不足している領域の前記周方向の範囲であって、前記回転軸の軸線を中心とする中心角で前記範囲を表したスターブド角を計測する。

上記（１）の構成によると、計測されたスターブド角から潤滑油が不足している領域（スターブド領域）が形成されているか否かを判定できるので、ピーキー振動の発生リスクを推定することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記圧力検出部材は複数の固定圧力センサを含み、該複数の固定圧力センサは、前記軸受パッドの前記内周面上に前記回転軸の周方向に沿って互いの間に間隔をあけて設けられている。

上記（２）の構成によると、回転軸に圧力センサを設ける場合と比べて圧力検出部材の構成が簡単になる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
前記圧力検出部材は少なくとも１つの回転圧力センサを含み、該少なくとも１つの回転圧力センサは前記回転軸の前記外周面上に設けられている。

上記（３）の構成によると、軸受パッドに圧力センサを設ける場合に比べてスターブド角を正確に計測することができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記制御部は潤滑油供給量調整部をさらに含み、
前記スターブド角に基づいて、前記潤滑油供給量調整部は、前記ノズルから前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の外周面との間に供給される前記潤滑油の供給量を調整する。

上記（４）の構成によると、スターブド領域が形成された場合に潤滑油の供給量を調整することでスターブド領域を縮小できるので、ピーキー振動の発生を抑制できる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記制御部は、
前記スターブド角に基づいて軸受定数を算出する軸受定数算出部と、
前記軸受定数に基づいて、前記回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する減衰比推定部と
をさらに含む。

回転軸及び軸受の特性によっては、スターブド領域が発生した場合にすぐにピーキー振動が発生するわけではない。上記（５）の構成によると、計測されたスターブド角から軸受特性を計算し、その軸受特性をインプットした軸系の力学モデルを用いて減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいてピーキー振動の発生リスクを推定することによって、軸受起因のピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記回転軸の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材をさらに備え、
前記制御部は、前記振動情報に基づいて、前記回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する減衰比推定部をさらに含む。

上記（６）の構成によると、回転軸の振動に関する振動情報（回転軸の変位や変位の速度又は加速度等）から減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいてピーキー振動の発生リスクを推定することによって、軸受起因のピーキー振動の発生リスクの推定がより正確になる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記回転軸の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材をさらに備え、
前記制御部は、
前記スターブド角に基づいて軸受定数を算出する軸受定数算出部と、
前記軸受定数及び前記振動情報の両方に基づいて、前記回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する減衰比推定部と
をさらに含む。

上記（７）の構成によると、軸受定数をインプットした力学モデル及び実測した振動情報のそれぞれに基づいて推定された減衰比を比較して補正することにより、減衰比の推定がより正確になるので、ピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（６）または（７）の構成において、
前記回転軸に加振力を付与する加振機（軸受台等の静止側に設置する場合や、電磁加振機等を用いて回転側を直接加振可能とする場合のどちらでもよい）をさらに備え、
前記減衰比推定部は、前記加振機が前記回転軸に前記加振力を付与させたときの前記回転軸の振動から得られた前記振動情報に基づいて、前記減衰比を推定する。

上記（８）の構成によると、加振機が回転軸に加振力を付与させたときの回転軸の振動から得られた振動情報に基づいて、前記減衰比を推定することにより、より正確な減衰比を計測することができる。その結果、ピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

（９）いくつかの実施形態では、上記（５）〜（８）のいずれかの構成において、
前記制御部は潤滑油供給量調整部をさらに含み、
前記スターブド角及び前記減衰比に基づいて、前記潤滑油供給量調整部は、前記ノズルから前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の外周面との間に供給される前記潤滑油の供給量を調整する。

上記（９）の構成によると、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて軸受起因のピーキー振動の発生リスクを推定することにより、ピーキー振動が発生する可能性が高い場合にのみ潤滑油の供給量を調整することができるので、ピーキー振動が発生しないのに潤滑油の供給量を増加してしまって回転機械の性能が悪化してしまうことを抑制できる。

（１０）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転機械は、
回転軸と、
前記回転軸を支持するための軸受であって、前記回転軸の周方向に沿って設けられた少なくとも１つの軸受パッドと、前記回転軸の外周面に面する前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の前記外周面との間に潤滑油を供給する少なくとも１つのノズルとを備える軸受と、
上記（１）〜（９）のいずれかの軸受監視装置と
を備える。

上記（１０）の構成によると、回転機械において、軸受起因のピーキー振動の発生リスクを推定することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、計測されたスターブド角から潤滑油が不足している領域（スターブド領域）が形成されているか否かを判定できるので、ピーキー振動の発生リスクを推定することができる。

本開示の実施形態１に係る回転機械の構成模式図である。 本開示の実施形態１に係る軸受監視装置の構成模式図である。 本開示の実施形態１に係る軸受監視装置において、回転軸と軸受パッドとの間の隙間における潤滑油の充填状態を例示する模式図である。 本開示の実施形態１に係る軸受監視装置において、圧力検出部材による検出値の一例を示すグラフである。 本開示の実施形態２に係る軸受監視装置の構成模式図である。 本開示の実施形態２に係る軸受監視装置において、圧力検出部材による検出値の一例を示すグラフである。 本開示の実施形態３に係る軸受監視装置の構成模式図である。 本開示の実施形態４に係る軸受監視装置の構成模式図である。 本開示の実施形態５に係る軸受監視装置の構成模式図である。 本開示の実施形態６に係る軸受監視装置の構成模式図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１に示されるように、蒸気タービンや圧縮機等の回転機械１は、回転軸２と、回転軸２に固定されたロータ３と、回転軸２を支持する軸受４とを備えている。図２に示されるように、軸受４は、回転軸２の鉛直方向下側から回転軸２に面する２つの軸受パッド１１，１１と、回転軸２の外周面２ａに面する各軸受パッド１１の内周面１１ａと回転軸２の外周面２ａとの間に形成される各隙間５に潤滑油を供給するためのノズル１２とを備えている。各ノズル１２には、潤滑油が流通するための給油管１３が接続され、給油管１３には給油ポンプ１４が設けられている。

回転機械１は、軸受４を監視する軸受監視装置１０をさらに備えている。軸受監視装置１０は、制御部２０と、各隙間５内の潤滑油の油膜圧力を回転軸２の周方向に沿って検出可能に構成された圧力検出部材３０とを備えている。圧力検出部材３０は３つの固定圧力センサ３１，３２，３３を含んでいる。固定圧力センサ３１，３２，３３はそれぞれ、各軸受パッド１１の内周面１１ａ上に回転軸２の周方向に沿って互いの間に間隔をあけて設けられている。

制御部２０は、スターブド角計測部２１と、潤滑油供給量調整部２２とを含んでいる。スターブド角計測部２１と潤滑油供給量調整部２２とは互いに電気的に接続されている。固定圧力センサ３１，３２，３３はそれぞれスターブド角計測部２１に電気的に接続されている。給油ポンプ１４は潤滑油供給量調整部２２に電気的に接続されている。スターブド角計測部２１は、圧力検出部材３０による検出値に基づいて、後述するスターブド角を計測するように構成されている。潤滑油供給量調整部２２は、スターブド角計測部２１によって計測されたスターブド角に基づいて、各隙間５に供給される潤滑油の供給量を調整するために給油ポンプ１４の運転条件を調整する指令を発するように構成されている。

次に、実施形態１に係る軸受監視装置１０の動作について説明する。
図１に示されるように、回転機械１において、軸受４に支持された回転軸２が回転することでロータ３が回転する。図２に示されるように、給油ポンプ１４によって給油管１３を流通した潤滑油が各ノズル１２から各隙間５に供給されて、隙間５に潤滑油が充填される。隙間５内の潤滑油の油膜圧力によって、軸受４は回転軸２を支持することができる。

図３に示されるように、回転軸２の周方向における隙間５の両端部のうちノズル１２に近い方の端部を隙間５の近位端５ａとし、回転軸２の周方向に近位端５ａと対向する隙間５の端部を隙間５の遠位端５ｂと定義する。回転軸２の周方向において隙間５内の潤滑油１５の油膜圧力で回転軸２を支持することのできる範囲を、回転軸２の軸線Ｌを中心とする中心角であるパッド張り角で表すと、回転軸２の周方向に近位端５ａから遠位端５ｂまで潤滑油１５が隙間５内に充填されている場合、パッド張り角は最大値θ_０となる。

一方、回転機械１の運転中、隙間５の近位端５ａ近傍に、潤滑油１５が不足している領域、すなわちスターブド領域ＳＲが形成される場合がある。スターブド領域ＳＲの回転軸２の周方向における範囲を、近位端５ａを始点として回転軸２の軸線Ｌを中心とする中心角であるスターブド角θ_Ｓで表す。この場合、パッド張り角はθ_１（＝θ_０−θ_Ｓ）となり、パッド張り角がθ_０の場合よりも小さくなるので、スターブド領域ＳＲが形成されると、軸受４の動特性が変化して、軸系の固有振動数で振動する不安定振動（ピーキー振動）が発生する可能性がある。

実施形態１において、スターブド角θ_Ｓは、圧力検出部材３０による検出値に基づいて計測される。例えば、図３に示されるように、隙間５の近位端５ａから遠位端５ｂに向かう方向に沿って３つの固定圧力センサ３１，３２，３３がこの順序で設けられており、２つの固定圧力センサ３１及び３２がスターブド領域ＳＲ内に位置し、１つの固定圧力センサ３３が、潤滑油１５で充填された領域内に位置している場合を想定する。この場合、各固定圧力センサの検出値の経時変化を図４に表すと、スターブド領域ＳＲ内に位置する固定圧力センサ３１及び３２それぞれの検出値はほぼゼロで推移するのに対し、潤滑油１５で充填された領域内に位置する固定圧力センサ３３は、ゼロより大きい潤滑油１５の油膜圧力を検出することになる。

このような各固定圧力センサによる検出値の経時変化からは、図３に示されるように、スターブド領域ＳＲが、回転軸２の周方向において近位端５ａから固定圧力センサ３２と固定圧力センサ３３との間の位置までの範囲であることが分かる。この場合、制御部２０のスターブド角計測部２１（図２参照）は例えば、近位端５ａから固定圧力センサ３２までの範囲をスターブド角とするか、近位端５ａから固定圧力センサ３３までの範囲をスターブド角とするか、近位端５ａから固定圧力センサ３２と固定圧力センサ３３との中間の位置までの範囲をスターブド角とするか、若しくはその他の方法でスターブド角を決定するようにすることができる。これらの例のいずれも、実際のスターブド角θ_Ｓとは多少のずれが存在することになる。固定圧力センサの数を増やして互いの間隔を小さくすることにより、このずれを小さくすることができる。

ところで、スターブド領域と軸系安定性との関係、特に、スターブド角と回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比との関係は、これまで明確ではなかった。この関係を明確にすべく、本発明者らは、Φ２００のモデルロータを用いた要素試験を行うことによって、潤滑油の供給量が低下するとスターブド領域が増大（スターブド角が増大）する傾向があることと、スターブド角が増大すると減衰比が低下する傾向があることとが明らかとなった。そうすると、スターブド角が増大するほどピーキー振動の発生リスクが高まるので、潤滑油の供給量を増大してスターブド角を低下させれば、ピーキー振動の発生リスクを低下できると考えられる。

そこで、実施形態１では、図２に示されるように、制御部２０の潤滑油供給量調整部２２に、スターブド角の上限値を予め設定しておく。本発明者らの要素試験から得られたスターブド角と減衰比との関係に基づいて、ピーキー振動が発生し得る減衰比の下限値に相当するスターブド角を求め、これをスターブド角の上限値とする。上述の動作でスターブド角計測部２１がスターブド角θ_Ｓを計測し、潤滑油供給量調整部２２が、計測されたスターブド角θ_Ｓと、予め設定されたスターブド角の上限値とを比較し、前者が後者よりも小さい場合にはピーキー振動が発生する可能性は低いと判断する。一方、前者が後者以上の場合、潤滑油供給量調整部２２は、ピーキー振動が発生する可能性が高いと判断し、隙間５に供給する潤滑油の供給量の増加を決定する。

潤滑油供給量調整部２２が隙間５への潤滑油の供給量の増加を決定したら、潤滑油供給量調整部２２は、給油ポンプ１４に供給量を増加する指令を送って給油ポンプ１４の運転条件を調整する。この場合、スターブド角θ_Ｓと潤滑油の供給量との関係を予め決めておき、その関係に基づく供給量に調整してもよいし、供給量を増加することによるスターブド角θ_Ｓの変化をスターブド角計測部２１からリアルタイムで取得して、スターブド角θ_Ｓに基づいて供給量をフィードバック制御してもよい。潤滑油の供給量の増加により、スターブド領域ＳＲ（図３参照）が縮小（スターブド角が低下）するので、ピーキー振動の発生リスクを低減することができる。

このように、計測されたスターブド角θ_Ｓからスターブド領域が形成されているか否かを判定できるので、ピーキー振動の発生リスクを推定することができる。スターブド領域が形成された場合に潤滑油の供給量を調整することでスターブド領域が縮小するので、ピーキー振動の発生を抑制することができる。

実施形態１では、圧力検出部材３０が３つの固定圧力センサ３１，３２，３３を含んでいたが、３つに限定するものではない。上述したように、固定圧力センサの個数を増やせばスターブド角の計測精度が高まるので、圧力検出部材３０は４つ以上の任意の個数の固定圧力センサを有してもよいが、軸受４のサイズ等によっては、２つの固定圧力センサから圧力検出部材３０が構成されてもよい。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る軸受監視装置について説明する。実施形態２に係る軸受監視装置は、実施形態１に対して、圧力検出部材の構成を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示されるように、実施形態２に係る軸受監視装置１０は、制御部２０と、各隙間５内の潤滑油の油膜圧力を検出可能に構成された１つの回転圧力センサ３５を含む圧力検出部材３０とを備えている。回転圧力センサ３５は、回転軸２の外周面２ａ上に設けられ、回転軸２と共に回転するようになっている。回転圧力センサ３５の検出値は、制御部２０のスターブド角計測部２１に伝送可能になっている。回転圧力センサ３５の検出値をスターブド角計測部２１に伝送可能にするためには例えば、テレメータを設置して無線で検出値をスターブド角計測部２１に伝送してもよいし、回転圧力センサ３５に接続された電線を回転軸２内でその長さ方向に沿って軸端まで延ばし、回転軸２の端部に設けられたスリップリングを介して、スターブド角計測部２１に接続された電線と電気的に接続する構成としてもよい。その他の構成は実施形態１と同じである。

実施形態２においても、計測されたスターブド角θ_Ｓに基づいて潤滑油の供給量を調整する動作は、実施形態１と同じである。このため、実施形態１と同様に、ピーキー振動の発生リスクを推定することができ、スターブド領域ＳＲが形成された場合に潤滑油の供給量を調整することでスターブド領域ＳＲを縮小できるので、ピーキー振動の発生を抑制することができる。

実施形態２では、回転軸２の外周面２ａ上に設けられた１つの回転圧力センサ３５によって圧力検出部材３０が構成されているので、隙間５内の潤滑油１５の油膜圧力の検出動作が実施形態１とは異なり、その結果、スターブド角θ_Ｓの計測動作が実施形態１と異なる。回転圧力センサ３５は、回転軸２と共に回転するので、近位端５ａから隙間５に侵入し、回転軸２の周方向に隙間５を移動して、遠位端５ｂから隙間５を出る。この間、回転圧力センサ３５は油膜圧力を検出する。例えば、回転軸２の回転パルスを取得するセンサを利用すれば、回転軸２と共に回転圧力センサ３５が回転する間、回転軸２の周方向における回転圧力センサ３５の位置を特定できる。

回転軸２の周方向における位置を、回転軸２の軸線Ｌを中心とした角度位置で表すと、この角度位置に対する回転圧力センサ３５による検出値のグラフは図６のようになる。隙間５の近位端５ａ及び遠位端５ｂそれぞれの角度位置をα_５ａ及びα_５ｂとし、隙間５にスターブド角θ_Ｓのスターブド領域ＳＲが形成されているとすると、回転圧力センサ３５による検出値は、α_５ａからα_Ｓ（＝α_５ａ＋θ_Ｓ）までの角度範囲はほぼゼロであり、角度位置α_Ｓを過ぎてから増加し、やがて最大値をとった後、減少に転じて、角度位置α_５ｂにおいてゼロとなる。すなわち、角度位置α_５ａから回転圧力センサ３５による検出値がゼロの範囲がスターブド領域となり、θ_Ｓ＝α_Ｓ−α_５ａの計算によってスターブド角θ_Ｓを決定することができる。

実施形態２では、回転圧力センサ３５が隙間５内の潤滑油１５の油膜圧力を連続的に測定することができるので、実施形態１のように複数の固定圧力センサが間隔をあけて設けられる構成に比べて、スターブド角θ_Ｓを正確に計測することができる。ただし、回転圧力センサ３５による検出値をスターブド角計測部２１に伝送するための構成が上述のように複雑になるので、実施形態１に比べて圧力検出部材３０の構成が複雑になる。言い換えると、実施形態１は、実施形態２に比べて、圧力検出部材３０の構成が簡単になるという効果がある。

実施形態２では、圧力検出部材３０が１つの回転圧力センサ３５を有していたが、２つ以上の回転圧力センサ３５を有していてもよい。この場合、図６のようなグラフが２つ以上得られるので、各グラフから得られたスターブド角θ_Ｓの平均を計算する等によって、より正確なスターブド角θ_Ｓを計測することができる。

尚、圧力検出部材３０は、実施形態１の固定圧力センサ３１，３２，３３（ただし、個数は３つに限定せず、２つ以上であればよい）と、実施形態２の回転圧力センサ３５との両方を含んでもよい。

（実施形態３）
次に、実施形態３に係る軸受監視装置について説明する。実施形態３に係る軸受監視装置は、実施形態１及び２のそれぞれに対して、計測したスターブド角から減衰比を推測し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて潤滑油の供給量を調整するように変更したものである。以下では、実施形態１の構成を上述のように変更した構成で実施形態３を説明するが、実施形態２の構成を上述のように変更することによって実施形態３を構成してもよい。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７に示されるように、実施形態３に係る軸受監視装置１０は、制御部２０及び圧力検出部材３０を備えている。制御部２０は、スターブド角計測部２１及び潤滑油供給量調整部２２と、スターブド角計測部２１に電気的に接続された軸受定数算出部２３と、軸受定数算出部２３及び潤滑油供給量調整部２２のそれぞれに電気的に接続された減衰比推定部２４とを含んでいる。その他の構成は実施形態１と同じである。

実施形態３においても、隙間５内の潤滑油の油膜圧力を圧力検出部材３０が検出し、この検出値に基づいてスターブド角計測部２１がスターブド角を計測する動作は、実施形態１と同じである。実施形態３では、計測されたスターブド角に基づいて軸受定数算出部２３が軸受定数を算出し、算出された軸受定数に基づいて減衰比推定部２４が、回転軸２の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて、潤滑油供給量調整部２２が潤滑油の供給量を調整する点で、実施形態１と異なる。この実施形態１と異なる動作を以下に説明する。

軸受定数算出部２３は、計測されたスターブド角を用いて、熱流体潤滑（ＴｈｅｒｍｏＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ＴＨＬ）解析等の軸受解析モデルの解析条件を設定し、軸受定数を計算する。減衰比推定部２４は、計算された軸受定数を、例えば梁要素による有限モデルである軸系の力学モデルに入力し、この力学モデル上で軸系安定性計算を実施することによって、減衰比を推定する。尚、力学モデルには、回転機械１の設計時の力学モデルを使用することができる。

潤滑油供給量調整部２２には、スターブド角の上限値及び減衰比の下限値をそれぞれ予め設定しておく。潤滑油供給量調整部２２は、スターブド角計測部２１によって計測されたスターブド角と、予め設定されたスターブド角の上限値とを比較し、かつ、減衰比推定部２４によって推定された減衰比と、予め設定された減衰比の下限値とを比較する。スターブド角計測部２１によって計測されたスターブド角がスターブド角の上限値以上であり、かつ、減衰比推定部２４によって推定された減衰比が減衰比の下限値以下である場合に、潤滑油供給量調整部２２は、ピーキー振動が発生する可能性が高いと判断し、隙間５に供給する潤滑油の供給量の増加を決定する。潤滑油の供給量を増加する動作は実施形態１と同じである。

回転軸２及び軸受４の特性によっては、スターブド領域が発生した場合にすぐにピーキー振動が発生するわけではない。すなわち、回転軸２及び軸受４の特性によって、潤滑油が不足している状態（スターブド状態）の軸系安定性への感度が異なる。このため、スターブド角のみに応じて潤滑油の供給量を増加してしまうと、ピーキー振動が発生する可能性が低いのにもかかわらず潤滑油の供給量が増加してしまい、回転機械１の性能が悪化してしまうおそれがある。しかし、実施形態３では、計測されたスターブド角から減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方から軸受起因のピーキー振動の発生リスクを推定することによって、ピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

（実施形態４）
次に、実施形態４に係る軸受監視装置について説明する。実施形態４に係る軸受監視装置は、実施形態１及び２のそれぞれに対して、回転軸２の実際の振動から減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて潤滑油の供給量を調整するように変更したものである。以下では、実施形態１の構成を上述のように変更した構成で実施形態４を説明するが、実施形態２の構成を上述のように変更することによって実施形態４を構成してもよい。尚、実施形態４において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８に示されるように、実施形態４に係る軸受監視装置１０は、制御部２０と、圧力検出部材３０と、回転軸２の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材４０とを備えている。以下の説明では、振動情報を回転軸２の変位として説明する。このため、振動情報検出部材４０は変位センサ４０ａである。しかし、振動情報は回転軸２の変位に限定するものではなく、回転軸２の軸線Ｌに直交する方向の速度や加速度等を振動情報としてもよい。この場合、振動情報検出部材は速度センサや加速度センサ等である。

制御部２０は、スターブド角計測部２１及び潤滑油供給量調整部２２と、変位センサ４０ａ及び潤滑油供給量調整部２２のそれぞれに電気的に接続された減衰比推定部２４とを含んでいる。その他の構成は実施形態１と同じである。

実施形態４においても、隙間５内の潤滑油の油膜圧力を圧力検出部材３０が検出し、この検出値に基づいてスターブド角計測部２１がスターブド角を計測する動作は、実施形態１と同じである。実施形態４では、変位センサ４０ａによって計測された回転軸２の振動の変位に基づいて、減衰比推定部２４が、回転軸２の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて、潤滑油供給量調整部２２が潤滑油の供給量を調整する点で、実施形態１と異なる。この実施形態１と異なる動作を以下に説明する。

回転機械１の稼働中、変位センサ４０ａは回転軸２の振動の変位を検出し、その検出結果を減衰比推定部２４に伝送する。減衰比推定部２４は、変位センサ４０ａによる検出値の時刻歴波形を周波数分析して周波数スペクトルを計算する。周波数スペクトルの計算には、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用することができる。減衰比推定部２４は、得られた周波数スペクトルの固有振動数におけるピークの鋭さから、ハーフパワー法やカーブフィッティング等によって減衰比を推定する。

潤滑油供給量調整部２２がスターブド角及び減衰比の両方に基づいて潤滑油の供給量を調整する動作は、実施形態３の動作と同じである。このため、実施形態４でも、スターブド角及び減衰比の両方から軸受起因のピーキー振動の発生リスクを推定することによって、ピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

（実施形態５）
次に、実施形態５に係る軸受監視装置について説明する。実施形態５に係る軸受監視装置は、実施形態１及び２のそれぞれに対して、計測したスターブド角から減衰比を推測すると共に回転軸２の実際の振動からも減衰比を推定して両方の減衰比を比較することで、より正確な減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて潤滑油の供給量を調整するように変更したものである。以下では、実施形態１の構成を上述のように変更した構成で実施形態５を説明するが、実施形態２の構成を上述のように変更することによって実施形態５を構成してもよい。尚、実施形態５において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図９に示されるように、実施形態５に係る軸受監視装置１０は、制御部２０と、圧力検出部材３０と、回転軸２の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材４０とを備えている。実施形態５においても、実施形態４と同様に、振動情報検出部材４０が変位センサ４０ａであるとして以下の説明を行うが、変位センサ４０ａに限定されないことは実施形態４と同じである。

制御部２０は、スターブド角計測部２１及び潤滑油供給量調整部２２と、スターブド角計測部２１に電気的に接続された軸受定数算出部２３と、変位センサ４０ａ及び潤滑油供給量調整部２２並びに軸受定数算出部２３のそれぞれに電気的に接続された減衰比推定部２４とを含んでいる。その他の構成は実施形態１と同じである。

実施形態５においても、隙間５内の潤滑油の油膜圧力を圧力検出部材３０が検出し、この検出値に基づいてスターブド角計測部２１がスターブド角を計測する動作は、実施形態１と同じである。実施形態５では、変位センサ４０ａによって計測された回転軸２の振動の変位と、計測されたスターブド角に基づいて軸受定数算出部２３が算出した軸受定数との両方に基づいて減衰比推定部２４が、回転軸２の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定し、スターブド角及び減衰比の両方に基づいて、潤滑油供給量調整部２２が潤滑油の供給量を調整する点で、実施形態１と異なる。この実施形態１と異なる動作を以下に説明する。

計測されたスターブド角に基づいて軸受定数算出部２３が軸受定数を算出し、算出された軸受定数に基づいて減衰比推定部２４が減衰比を推定する動作は実施形態３と同じであり、変位センサ４０ａによって計測された回転軸２の振動の変位に基づいて減衰比推定部２４が減衰比を推定する動作は実施形態４と同じである。実施形態５では、減衰比推定部２４は、このようにして推定された２つの減衰比を比較して補正することにより、より正確な減衰比を推定することができる。この補正方法の一例として、力学モデルに基づいた減衰比の解析値（ζｃａｌ）には、実機における未知な構造減衰（ζｓｔｒ）等の影響を反映することが難しいため、実測の減衰比（ζｅｘｐ）を用いて以下のように解析値を補正することが考えられる。
ζｃａｌ（補正後）＝ζｃａｌ＋ζｓｔｒ
ζｓｔｒ＝ζｅｘｐ０−ζｃａｌ０
ここで、添え字０は、潤滑油の供給量が大きい条件等の任意の基準条件における値を意味する。

潤滑油供給量調整部２２がスターブド角及び減衰比の両方に基づいて潤滑油の供給量を調整する動作は、実施形態３及び４の動作と同じである。このため、実施形態５でも、スターブド角及び減衰比の両方から軸受起因のピーキー振動の発生リスクを推定することによって、ピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

（実施形態６）
次に、実施形態６に係る軸受監視装置について説明する。実施形態６に係る軸受監視装置は、実施形態４及び５のそれぞれに対して、加振機が回転軸に加振力を付与することによる回転軸の振動の変位に基づいて減衰比を推定するように変更したものである。以下では、実施形態４の構成を上述のように変更した構成で実施形態６を説明するが、実施形態５の構成を上述のように変更することによって実施形態６を構成してもよい。尚、実施形態６において、実施形態４の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１０に示されるように、実施形態６に係る軸受監視装置１０は、制御部２０と、圧力検出部材３０と、回転軸２の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材４０と、回転軸２に加振力を付与する加振機５０とを備えている。加振機５０は、例えば軸受４の軸受台に設けられ、制御部２０の減衰比推定部２４に電気的に接続されている。その他の構成は実施形態４と同じである。尚、実施形態６においても、実施形態４と同様に、振動情報検出部材４０が変位センサ４０ａであるとして以下の説明を行うが、変位センサ４０ａに限定されないことは実施形態４と同じである。

実施形態６においても、隙間５内の潤滑油の油膜圧力を圧力検出部材３０が検出し、この検出値に基づいてスターブド角計測部２１がスターブド角を計測する動作は、実施形態４と同じである。実施形態６では、加振機５０が回転軸２に加振力を付与することにより回転軸２を振動させて、変位センサ４０ａによって計測された回転軸２の振動の変位に基づいて、減衰比推定部２４が、回転軸２の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する点で、実施形態４と異なる。この実施形態４と異なる動作を以下に説明する。

加振機５０が回転軸２に加振力を付与することによって回転軸２を振動させる。この加振力の値は、減衰比推定部２４に伝送される。この状態で、変位センサ４０ａは回転軸２の振動の変位を検出し、その検出結果を減衰比推定部２４に伝送する。減衰比推定部２４は、実施形態４と同様に、変位センサ４０ａによる検出値の時刻歴波形を周波数分析して周波数スペクトルを計算し、得られた周波数スペクトルの固有振動数におけるピークの鋭さから、ハーフパワー法やカーブフィッティング等によって減衰比を推定する。減衰比推定部２４が減衰比を推定する動作は実施形態４と同じであるが、実施形態６では、回転軸２に付与される加振力は加振機５０によるものなので、加振力の入力値が明確になっている点で、実施形態４の場合に比べて減衰比をより正確に推定することができる。

潤滑油供給量調整部２２がスターブド角及び減衰比の両方に基づいて潤滑油の供給量を調整する動作は、実施形態４の動作と同じである。このため、実施形態６でも、スターブド角及び減衰比の両方から軸受起因のピーキー振動の発生リスクを推定することによって、ピーキー振動の発生リスクをより正確に推定することができる。

実施形態６では、加振機５０は一例として、軸受４の軸受台の静止側に設けていたが、この形態に限定するものではない。加振機５０として電磁加振機等を用いて、回転側を直接加振可能としてもよい。

実施形態１〜６それぞれの軸受４は、回転軸２の鉛直方向下側から回転軸２に面する２つの軸受パッド１１，１１を有していたが、この形態に限定するものではない。軸受４は例えば、回転軸２の周りにリング状に配置された５つの軸受パッドを有する構成であってもよい。軸受パッドの数も２又は５に限定するものではなく、少なくとも１つの軸受パッドを有する軸受に対しても、本開示の実施形態１〜６それぞれの技術を適用することができる。

１ 回転機械
２ 回転軸
２ａ （回転軸の）外周面
３ ロータ
４ 軸受
５ 隙間
５ａ （隙間の）近位端
５ｂ （隙間の）遠位端
１０ 軸受監視装置
１１ 軸受パッド
１１ａ （軸受パッドの）内周面
１２ ノズル
１３ 給油管１３
１４ 給油ポンプ
１５ 潤滑油
２０ 制御部
２１ スターブド角計測部
２２ 潤滑油供給量調整部
２３ 軸受定数算出部
２４ 減衰比推定部
３０ 圧力検出部材
３１ 固定圧力センサ
３２ 固定圧力センサ
３３ 固定圧力センサ
３５ 回転圧力センサ
４０ 振動情報検出部材
４０ａ 変位センサ
５０ 加振機
ＳＲ スターブド領域
θ_Ｓ スターブド角

Claims (10)

1. 回転軸を支持するための軸受を監視する軸受監視装置であって、
   前記軸受は、
   前記回転軸の周方向に沿って設けられた少なくとも１つの軸受パッドと、
   前記回転軸の外周面に面する前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の前記外周面との間に潤滑油を供給する少なくとも１つのノズルと
   を備え、
   前記軸受監視装置は、
   前記軸受パッドの前記内周面と前記回転軸の前記外周面との間の前記潤滑油の油膜圧力を前記回転軸の周方向に沿って検出可能に構成された圧力検出部材と、
   スターブド角計測部を含む制御部と
   を備え、
   前記スターブド角計測部は、前記圧力検出部材の検出結果に基づいて、前記軸受パッドの前記内周面と前記回転軸の前記外周面との間で前記潤滑油が不足している領域の前記周方向の範囲であって、前記回転軸の軸線を中心とする中心角で前記範囲を表したスターブド角を計測する軸受監視装置。
2. 前記圧力検出部材は複数の固定圧力センサを含み、該複数の固定圧力センサは、前記軸受パッドの前記内周面上に前記回転軸の周方向に沿って互いの間に間隔をあけて設けられている、請求項１に記載の軸受監視装置。
3. 前記圧力検出部材は少なくとも１つの回転圧力センサを含み、該少なくとも１つの回転圧力センサは前記回転軸の前記外周面上に設けられている、請求項１または２に記載の軸受監視装置。
4. 前記制御部は潤滑油供給量調整部をさらに含み、
   前記スターブド角に基づいて、前記潤滑油供給量調整部は、前記ノズルから前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の外周面との間に供給される前記潤滑油の供給量を調整する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受監視装置。
5. 前記制御部は、
   前記スターブド角に基づいて軸受定数を算出する軸受定数算出部と、
   前記軸受定数に基づいて、前記回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する減衰比推定部と
   をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受監視装置。
6. 前記回転軸の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材をさらに備え、
   前記制御部は、前記振動情報に基づいて、前記回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する減衰比推定部をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受監視装置。
7. 前記回転軸の振動に関する振動情報を検出する振動情報検出部材をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記スターブド角に基づいて軸受定数を算出する軸受定数算出部と、
   前記軸受定数及び前記振動情報の両方に基づいて、前記回転軸の振動の減衰しやすさを表す減衰比を推定する減衰比推定部と
   をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受監視装置。
8. 前記回転軸に加振力を付与する加振機をさらに備え、
   前記減衰比推定部は、前記加振機が前記回転軸に前記加振力を付与させたときの前記回転軸の振動から得られた前記振動情報に基づいて、前記減衰比を推定する、請求項６または７に記載の軸受監視装置。
9. 前記制御部は潤滑油供給量調整部をさらに含み、
   前記スターブド角及び前記減衰比に基づいて、前記潤滑油供給量調整部は、前記ノズルから前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の外周面との間に供給される前記潤滑油の供給量を調整する、請求項５〜８のいずれか一項に記載の軸受監視装置。
10. 回転軸と、
    前記回転軸を支持するための軸受であって、前記回転軸の周方向に沿って設けられた少なくとも１つの軸受パッドと、前記回転軸の外周面に面する前記軸受パッドの内周面と前記回転軸の前記外周面との間に潤滑油を供給する少なくとも１つのノズルとを備える軸受と、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の軸受監視装置と
    を備える回転機械。

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