JP2017173023A

JP2017173023A - 回転機械振動計測装置、回転機械振動計測方法及びプログラム

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Publication number: JP2017173023A
Application number: JP2016056810A
Authority: JP
Inventors: 隆一梅原; Ryuichi Umehara; 和浩田村; Kazuhiro Tamura; 丸山　隆; Takashi Maruyama; 隆丸山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: JP6590746B2

Abstract

【課題】高精度な回転機械振動計測装置、回転機械振動計測方法及びプログラムを提供すること。【解決手段】ケーシング１２０の振動モデルに基づいて、ケーシング１２０の振動を算出する振動算出部１１と、非接触センサ３でタービン翼１１１が検出された通過時刻と、基準状態におけるタービン翼１１１の通過時刻との時間差に基づいて、タービン翼１１１の振動を算出する第一回転体振動算出部１４と、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動波形から、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第一所定位置における振動による変位を除去して、タービン翼１１１の振動を算出する第二回転体振動算出部１５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械振動計測装置、回転機械振動計測方法及びプログラムに関する。

蒸気タービンやガスタービンを含む回転機械は、十分な振動強度が要求される。そのため、設計時に、タービン翼の振動を計測し、タービン翼の振動特性が設計計画通りであることを検証したり、運転条件の変化による振動特性の変化を確認したりする。タービン翼の振動を計測する技術の一つとして、非接触でタービン翼の振動を計測する非接触翼振動計測技術（ＢＴＴ：ＢｌａｄｅＴｉｐＴｉｍｉｎｇ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、タービン翼のケーシングにタービン翼の通過を非接触で検出するセンサを配置し、タービン翼の振動時と非振動時との通過時刻の差分からタービン翼の振動振幅を算出する。

特許第５２９３４０６号公報

ところが、非接触翼振動計測技術では、ケーシングにセンサを配置しているため、ケーシングが振動するとセンサが振動する。センサの振動は、タービン翼の振動計測において計測誤差として影響する場合がある。より詳しくは、タービン翼の振動振幅がセンサの振動振幅より十分大きい場合、センサの振動による影響は無視できるレベルであると評価できる。一方、タービン翼の振動振幅とセンサの振動振幅との差が小さい場合、センサの振動による影響を無視できなくなる。例えば、ガスタービンに用いられるタービン翼は剛性が高く振動振幅が小さいため、センサの振動による影響を無視できない。

また、ガスタービンに用いられるタービンのタービン軸は、ねじり振動で応答していることがある。この場合、タービン翼が振動していなくても、タービン軸のねじり振動によって、タービン翼の通過時刻にずれが生じる。このため、非接触翼振動計測技術では、タービン翼の振動振幅がタービンのねじり振動を含んで実際の振動振幅より大きく算出されてしまう。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、回転体の振動を高精度に計測する回転機械振動計測装置、回転機械振動計測方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の回転機械振動計測装置は、回転機械に配置された回転体の外周と向かい合う静止体の第一所定位置に配置され、前記回転体の通過を非接触で検出する第一センサと、前記静止体または前記回転体の回転軸の第二所定位置に配置され、前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動を検出する第二センサと、前記静止体または前記回転軸の振動モデルに基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出する振動算出部と、前記振動算出部で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動とを比較する比較部と、前記比較部で比較した、前記振動算出部で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出部で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定するゲイン設定部と、前記第一センサで前記回転体が検出された通過時刻と、記憶部に記憶された基準状態における前記回転体の通過時刻との時間差に基づいて、前記回転体の振動を算出する第一回転体振動算出部と、前記第一回転体振動算出部で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出部で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第一所定位置における振動による変位を除去して、前記回転体の振動を算出する第二回転体振動算出部とを備えることを特徴とすることを特徴とする。

この構成によれば、回転体の振動を高精度に計測することができる。

本発明の回転機械振動計測装置における、前記第二センサは、前記静止体に配置され、前記静止体の前記第二所定位置における振動を検出し、前記振動算出部は、前記静止体の振動モデルに基づいて、前記静止体の振動を算出し、前記比較部は、前記振動算出部で算出された前記静止体の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体の前記第二所定位置における振動とを比較し、前記ゲイン設定部は、前記比較部で比較した、前記振動算出部で算出された前記静止体の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出部で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定し、前記第二回転体振動算出部は、前記第一回転体振動算出部で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出部で算出された前記静止体の前記第一所定位置における振動による前記第一センサの変位を除去して、前記回転体の振動を算出することが好ましい。この構成によれば、回転体の振動を高精度に計測することができる。

本発明の回転機械振動計測装置における、前記第二センサは、前記回転軸に配置され、前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動を検出し、前記振動算出部は、前記回転体と前記回転軸とを含むねじり振動の振動モデルに基づいて、前記回転体と前記回転軸とを含むねじり振動を算出し、前記比較部は、前記振動算出部で算出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動と、前記第二センサで検出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動とを比較し、前記ゲイン設定部は、前記比較部で比較した、前記振動算出部で算出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動と、前記第二センサで検出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動との差分が小さくなるように、前記振動算出部で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定し、前記第二回転体振動算出部は、前記第一回転体振動算出部で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出部で算出された前記回転体の前記第一所定位置におけるねじり振動による前記回転体の変位を除去して、前記回転体の振動を算出することが好ましい。この構成によれば、回転体の振動を高精度に計測することができる。

本発明の回転機械振動計測装置における、トルク変動を含む前記回転体に作用する外力を入力する外力入力部を備え、前記振動算出部は、さらに前記外力に基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出することが好ましい。この構成によれば、回転体の振動を高精度に計測することができる。

本発明の回転機械振動計測方法は、回転機械に配置された回転体の外周と向かい合う静止体の第一所定位置に配置された第一センサで、前記回転体の通過を非接触で検出する第一振動検出工程と、前記静止体または前記回転体の回転軸の第二所定位置に配置された第二センサで、前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動を検出する第二振動検出工程と、前記静止体または前記回転軸の振動モデルに基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出する振動算出工程と、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動とを比較する比較工程と、前記比較工程で比較した、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出工程で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定するゲイン設定工程と、前記第一振動検出工程で前記回転体が検出された通過時刻と、記憶部に記憶された基準状態における前記回転体の通過時刻との時間差に基づいて、前記回転体の振動を算出する第一回転体振動算出工程と、前記第一回転体振動算出工程で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第一所定位置における振動による変位を除去して、前記回転体の振動を算出する第二回転体振動算出工程とを含むことを特徴とする。この方法によれば、回転体の振動を高精度に計測することができる。

本発明のプログラムは、回転機械に配置された回転体の外周と向かい合う静止体の第一所定位置に配置された第一センサで、前記回転体の通過を非接触で検出する第一振動検出工程と、前記静止体または前記回転体の回転軸の第二所定位置に配置された第二センサで、前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動を検出する第二振動検出工程と、前記静止体または前記回転軸の振動モデルに基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出する振動算出工程と、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動とを比較する比較工程と、前記比較工程で比較した、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出工程で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定するゲイン設定工程と、前記第一振動検出工程で前記回転体が検出された通過時刻と、記憶部に記憶された基準状態における前記回転体の通過時刻との時間差に基づいて、前記回転体の振動を算出する第一回転体振動算出工程と、前記第一回転体振動算出工程で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第一所定位置における振動による変位を除去して、前記回転体の振動を算出する第二回転体振動算出工程とをコンピューターに実行させることを特徴とする。このプログラムによれば、回転体の振動を高精度に計測することができる。

本発明によれば、回転体の振動を高精度に計測する回転機械振動計測装置、回転機械振動計測方法及びプログラムを実現できる。

図１は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。図２は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置が配置されたタービン翼の構成の一例を示す断面図である。図３は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置が配置されたタービン翼の構成を模式的に示す正面図である。図４は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置の非接触センサで検出された検出信号を示す概略図である。図５は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。図６は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。図７は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。図８は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。図９は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。図１０は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。図１１は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。図１２は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。

［第一実施形態］
まず、図１ないし図３を参照して、例えば、回転機械としての蒸気タービンやガスタービンに配置された、回転体としてのタービン翼１１１の概要について説明する。図１は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。図２は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置が配置されたタービン翼の構成の一例を示す断面図である。図３は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置が配置されたタービン翼の構成を模式的に示す正面図である。図１ないし図３は、複数のタービン翼（回転体）１１１およびケーシング（静止体）１２０を模式的に図示している。

複数のタービン翼１１１は、タービン軸（回転軸）１１０から径方向の外側に配設されている。タービン翼１１１は、タービン軸１１０が回転することでタービン軸１１０回りに回転する。タービン翼１１１は、ケーシング１２０に収容されている。タービン翼１１１の外周は、ケーシング１２０の内周と向かい合っている。複数のタービン翼１１１は、タービン軸１１０の周方向に等間隔で配置されている。説明のため、本実施形態では、８枚のタービン翼１１１を有し、反時計回りにＢ１〜Ｂ８のタービン翼番号が付されている。

図１に戻って、回転機械振動計測装置１は、タービン翼１１１の振動を非接触で計測する。回転機械振動計測装置１は、回転数センサ２と、非接触センサ（第一センサ）３と、接触センサ（第二センサ）４と、演算部１０とを備える。ここで、タービン翼１１１の振動とは、タービン軸１１０の回転時に、タービン翼１１１のタービン軸１１０に対する相対位置が、タービン軸１１０の停止時におけるタービン翼１１１のタービン軸１１０に対する相対位置から変位することである。

回転数センサ２は、タービン軸１１０の回転数を検出する。より詳しくは、回転数センサ２は、タービン軸１１０の基準位置Ｋを検出することで、タービン軸１１０の回転数を検出する。回転数センサ２は、基準位置Ｋを検出した際に、検出信号を基準信号として演算部１０に出力する。図４に示すように、回転数センサ２が出力した基準信号は、パルス状である。図４は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置の非接触センサで検出された検出信号を示す概略図である。この基準信号の間隔が、タービン軸１１０の１回転の周期である。

図２、図３に示すように、非接触センサ３は、ケーシング１２０の第一所定位置（ＢＴＴ計測位置）に配置されている。第一所定位置は、ケーシング１２０の内周面であり、タービン翼１１１と対面する位置である。非接触センサ３は、タービン翼１１１の通過を非接触で検出する。非接触センサ３は、タービン軸１１０の回転時、タービン翼１１１の通過を非接触で検出する。より詳しくは、非接触センサ３は、タービン翼１１１の通過を検出した際に、パルス状の検出信号を翼通過信号として演算部１０に出力する。非接触センサ３は、図４に示すように、タービン翼１１１が通過するごとに、翼通過信号を出力する。翼通過信号は、タービン翼１１１が振動していない基準状態においては、実線で示すように一定間隔で出力される。翼通過信号は、タービン翼１１１が振動している振動状態においては、破線で示すように間隔に変動が生じる。非接触センサ３は、例えば光学式センサ、静電容量式センサ、過電流式センサである。本実施形態では、１６個の非接触センサ３を有し、時計回りにＳ１〜Ｓ１６のセンサ番号が付されている。

接触センサ４は、ケーシング１２０の第二所定位置（振動計測位置）に配置され、ケーシング１２０の第二所定位置における振動を検出する。第二所定位置は、ケーシング１２０が振動する位置であればよく、好ましくは、ケーシング１２０において他の位置よりも大きく振動する位置が適している。接触センサ４は、例えば、ひずみゲージや加速度センサである。接触センサ４は、ケーシング１２０の代表点であって、配置可能な位置に配置すればよい。接触センサ４は、１つ以上配置されていればよい。接触センサ４は、数が多いほど振動算出部１１で高精度な結果が得られる。接触センサ４は、検出したひずみや加速度を演算部１０に出力する。

演算部１０は、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）により構成される。演算部１０は、専用のハードウェアにより実現されるものであっても、演算部１０の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。図５に示すように、演算部１０は、振動算出部１１と、比較部１２と、ゲイン設定部１３と、第一回転体振動算出部１４と、第二回転体振動算出部１５と、外力入力部１６とを有する。図５は、第一実施形態に係る回転機械振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。

振動算出部１１は、ケーシング１２０の振動モデルでケーシング１２０の振動を算出する。ケーシング１２０の振動モデルは、ケーシング１２０の設計データと、例えばケーシング１２０の計測データや、タービン１００に作用する外力を含む入力データとに基づいて、ケーシング１２０について運動方程式を解き、ケーシング１２０の振動を算出する。このように算出されたケーシング１２０の振動から、ケーシング１２０の所望の位置における振動が取得可能である。つまり、振動算出部１１は、例えばケーシング１２０の計測データや、タービン１００に作用する外力を含む入力データに基づいて、入力データでの運転時のケーシング１２０の第一所定位置や第二所定位置における振動を算出可能である。振動算出部１１は、算出されたケーシング１２０の第一所定位置における振動を第二回転体振動算出部１５に出力する。振動算出部１１は、算出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動を、比較部１２に出力する。

比較部１２は、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動と、接触センサ４で検出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動とを比較する。言い換えると、比較部１２は、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の接触センサ４の配置位置における振動と、接触センサ４で検出されたケーシング１２０の接触センサ４の配置位置における振動とを比較する。比較部１２は、比較結果をゲイン設定部１３に出力する。

ゲイン設定部１３は、比較部１２で比較した、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動（振動モデルによる振動の推測値）と、接触センサ４で検出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動（振動の実測値）との差分（誤差）が小さくなるように、振動算出部１１で用いる振動モデルの状態量のゲインを設定する。ゲイン設定部１３は、設定したゲインを振動算出部１１にフィードバックする。振動算出部１１と比較部１２とゲイン設定部１３との処理が繰り返されて、振動算出部１１で算出されるケーシング１２０の振動は、実測値に収束する。

第一回転体振動算出部１４は、非接触センサ３でタービン翼１１１が検出された通過時刻と、あらかじめ記憶部に記憶された基準状態におけるタービン翼１１１の通過時刻との時間差ΔＴに基づいて、タービン翼１１１の振動を算出する。本実施形態では、第一回転体振動算出部１４は、タイムカウンタで、振動状態において非接触センサ３でタービン翼１１１が検出された通過時刻である翼通過信号の時刻を計測し、基準状態の通過時刻との時間差ΔＴに基づいて、タービン翼１１１の振動を算出する。振動状態と基準状態との時間差ΔＴに基づいて、タービン翼１１１の振動を算出する方法は、例えば、公知の一点法を含む少数点法や多点法などを用いればよい。一点法は、一つの非接触センサ３をケーシング１２０に配置し、タービン翼１１１が非接触センサ３を通過する時間差を計測してタービン翼１１１の振動振幅を再現する方法である。多点法は、多数の非接触センサ３をケーシング１２０に配置し、タービン翼１１１が個々の非接触センサ３を通過するときの時間を計測してタービン翼１１１の振動波形を再現する方法である。なお、タービン翼１１１が振動していない場合、時間差算出部６で算出される時間差ΔＴはゼロである。

第二回転体振動算出部１５は、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動波形から、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第一所定位置における振動による変位ΔＸを除去して、タービン翼１１１の振動を算出する。言い換えると、第二回転体振動算出部１５は、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動波形から、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０のＢＴＴ計測位置における振動によるタービン翼１１１の変位ΔＸを除去して、タービン翼１１１の振動を算出させる。

ここで、通過時刻の時間差ΔＴ、タービン翼先端部の周速Ｖ_Ｂを用いて、タービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂは、以下の式（１）で算出される。
Ｘ_Ｂ＝ΔＴ×Ｖ_Ｂ・・・（１）

第二回転体振動算出部１５は、振動振幅Ｘ_Ｂから変位ΔＸを減算することにより、実際のタービン翼１１１の振動を算出する。

外力入力部１６は、トルク変動を含むタービン１００に作用する外力が入力可能である。外力入力部１６は、外力が入力された場合、入力された外力を振動算出部１１に出力する。外力は入力されなくてもよい。

次に、上記構成を有する回転機械振動計測装置１を用いた回転機械振動計測方法について説明する。本実施形態に係る回転機械振動計測方法は、第一振動検出工程と、第二振動検出工程と、振動算出工程と、比較工程と、ゲイン設定工程と、第一回転体振動算出工程と、第二回転体振動算出工程とを含む。

まず、回転機械振動計測装置１は、第一振動検出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、非接触センサ３で、タービン翼１１１の通過を非接触で検出させる。回転機械振動計測装置１は、非接触センサ３で検出されたタービン翼１１１の翼通過信号を演算部１０に出力させる。

回転機械振動計測装置１は、第一振動検出工程とともに、第二振動検出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、ケーシング１２０の第二所定位置に配置された接触センサ４で、ケーシング１２０の第二所定位置の振動を検出させる。回転機械振動計測装置１は、接触センサ４で検出されたケーシング１２０の第二所定位置の振動を演算部１０に出力させる。

回転機械振動計測装置１は、振動算出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、振動算出部１１で、ケーシング１２０の振動モデルに基づいて、ケーシング１２０の振動を算出させる。

回転機械振動計測装置１は、比較工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、比較部１２で、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動と、接触センサ４で検出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動とを比較させる。

回転機械振動計測装置１は、ゲイン設定工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、ゲイン設定部１３で、比較工程で比較された、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動と、接触センサ４で検出されたケーシング１２０の第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、振動算出部１１で用いる振動モデルの状態量のゲインを設定させる。そして、回転機械振動計測装置１は、ゲイン設定部１３で、設定されたゲインを振動算出部１１にフィードバックさせる。振動算出工程と比較工程とゲイン設定工程との処理が繰り返されて、振動算出工程で算出されるケーシング１２０の振動は、実測値に収束する。

回転機械振動計測装置１は、第一回転体振動算出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、第一回転体振動算出部１４で、非接触センサ３でタービン翼１１１が検出された通過時刻と、基準状態におけるタービン翼１１１の通過時刻との時間差に基づいて、タービン翼１１１の振動を算出させる。

回転機械振動計測装置１は、第二回転体振動算出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１は、第二回転体振動算出部１５で、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動波形から、振動算出部１１で算出されたケーシング１２０の第一所定位置における振動によるタービン翼１１１の変位ΔＸを除去して、タービン翼１１１の振動を算出させる。

以上のように、本実施形態によれば、タービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出する際に、ケーシング１２０のＢＴＴ計測位置における振動によるタービン翼１１１の変位ΔＸを減算する。これにより、本実施形態は、非接触センサ３の振動に起因する計測誤差を除去し、タービン翼１１１の振動を高精度に計測することができる。このため、本実施形態は、タービン翼１１１の振動振幅と非接触センサ３の振動振幅との差が小さく、非接触センサ３の振動による影響を無視できないような場合であっても、タービン翼１１１の振動を高精度に計測することができる。このため、本実施形態は、例えば、剛性が高く振動振幅が小さいガスタービンのタービン翼１１１の振動計測にも適している。

これに対して、従来は、非接触センサ３の振動による変位ΔＸをタービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂに含んで算出していた。このため、タービン翼１１１の振動振幅が実際よりも大きく算出され、算出されたタービン翼１１１の振動には計測誤差が含まれていた。

本実施形態によれば、接触センサ４は、ケーシング１２０の代表点に配置すればよいので、ケーシング１２０に配置する接触センサ４の数を抑えることができる。このため、本実施形態は、例えば、運転中の回転機械のタービン翼１１１の振動計測にも適している。

［第二実施形態］
次に、図６ないし図１２を参照して、本実施形態に係る回転機械振動計測装置の概要について説明する。図６は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。なお、本実施形態では、重複した記載を避けるべく、第一実施形態と異なる部分について説明し、第一実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号又は対応する符号を付して説明する。

図６に示すように、回転機械振動計測装置１Ａは、発電機１３０とタービン１５０と連結されたタービン１００のタービン翼１１１の振動を非接触で計測する。回転機械振動計測装置１Ａは、回転数センサ２と、非接触センサ３と、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３と、演算部１０Ａとを備える。

図７に示すように、回転機械振動計測装置１Ａは、タービン軸１１０に生じるねじり振動の影響を除去して、タービン翼１１１の振動を算出する。図７は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。タービン軸１１０には、例えば、固有振動数Ｆ１の振動モード（１）と、固有振動数Ｆ２の振動モード（２）のねじり振動を生じる。この場合、ケーシング１２０のＢＴＴ計測位置においては、タービン軸１１０のねじり振動を計測することはタービン１００の構造上困難である。図７に示す例では、発電機軸（回転軸）１４０の入口側のねじり振動計測位置（１）と、タービン軸（回転軸）１６０の出口側のねじり振動計測位置（２）とでねじり振動を計測する。振動モード（１）の場合、ねじり振動計測位置（１）のねじり変動角はθ１、ねじり振動計測位置（２）のねじり変動角はθ２である。振動モード（２）の場合、ねじり振動計測位置（１）のねじり変動角はθ３、ねじり振動計測位置（２）のねじり変動角はθ４である。回転機械振動計測装置１Ａは、例えば、ねじり振動計測位置（１）で計測されたねじり振動応答と、ねじり振動計測位置（２）で計測されたねじり振動応答とに基づいて、ＢＴＴ計測位置におけるねじり振動応答を推定する。そして、そのねじり振動応答を計測誤差として除去することで、タービン翼１１１の振動を正確に算出する。

図６に戻って、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３は、回転軸に配置され、回転軸の第二所定位置（ねじり振動計測位置）におけるねじり振動を検出する。ここで、回転軸とは、タービン軸１１０と、タービン軸１１０と連結された発電機軸１４０および他のタービン軸１６０を含む。本実施形態では、ねじり振動センサ４Ａ１は、発電機軸１４０の入口側において発電機軸１４０のねじり振動を計測する位置に配置されている。ねじり振動センサ４Ａ２は、非接触センサ３が配置されたタービン１００に後続するタービン１５０のタービン軸１６０の入口側においてタービン軸１６０のねじり振動を計測する位置に配置されている。ねじり振動センサ４Ａ３は、タービン軸１６０の出口側においてタービン軸１６０のねじり振動を計測する位置に配置されている。ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３は、例えば、ひずみゲージや加速度センサである。ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３は、検出したひずみや加速度を演算部１０Ａに出力する。より詳しくは、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３は、ねじり振動分析システム４Ｂ１〜ねじり振動分析システム４Ｂ３でねじり変動角θ_１〜ねじり変動角θ_３を算出し、演算部１０Ａに出力する。

演算部１０Ａは、振動算出部１１Ａと、比較部１２Ａ１〜比較部１２Ａ３と、ゲイン設定部１３Ａ１〜ゲイン設定部１３Ａ３と、第一回転体振動算出部１４と、第二回転体振動算出部１５Ａと、外力入力部１６とを有する。

振動算出部１１Ａは、タービン翼１１１とタービン軸１１０と発電機軸１４０とタービン軸１６０とを含むねじり振動の振動モデルに基づいて、タービン軸１１０と発電機軸１４０とタービン軸１６０とを含むねじり振動を算出する。振動算出部１１Ａは、算出されたタービン軸１１０と発電機軸１４０とタービン軸１６０とのねじり振動を、比較部１２Ａと第二回転体振動算出部１５Ａとに出力する。ねじり振動の振動モデルは、自由度が多い場合、演算に時間を要する。このため、ねじり振動の振動モデルは、非接触センサ３のＢＴＴ計測位置におけるねじり振動の推定に影響するねじり振動モードに関連したモード次元まで低次元化することが好ましい。

比較部１２Ａ１〜比較部１２Ａ３は、振動算出部１１Ａで算出された発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３で検出された発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置におけるねじり振動とを比較する。比較部１２Ａは、比較結果をゲイン設定部１３Ａに出力する。より詳しくは、比較部１２Ａ１は、振動算出部１１Ａで算出された発電機軸１４０のねじり振動センサ４Ａ１の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ１で検出された発電機軸１４０のねじり振動センサ４Ａ１の配置位置におけるねじり振動とを比較する。比較部１２Ａ１は、比較結果をゲイン設定部１３Ａ１に出力する。比較部１２Ａ２は、振動算出部１１Ａで算出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ２の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ２で検出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ２の配置位置におけるねじり振動とを比較する。比較部１２Ａ２は、比較結果をゲイン設定部１３Ａ２に出力する。比較部１２Ａ３は、振動算出部１１Ａで算出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ３で検出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動とを比較する。比較部１２Ａ３は、比較結果をゲイン設定部１３Ａ３に出力する。

ゲイン設定部１３Ａ１〜ゲイン設定部１３Ａ３は、比較部１２Ａ１〜比較部１２Ａ３で比較した、振動算出部１１Ａで算出された発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置におけるねじり振動（振動モデルによるねじり振動の推測値）と、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３で検出された発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置におけるねじり振動（振動の実測値）との差分（誤差）が小さくなるように、振動算出部１１Ａで用いる振動モデルの状態量のゲインを設定する。ゲイン設定部１３Ａ１〜ゲイン設定部１３Ａ３は、設定したゲインを振動算出部１１Ａにフィードバックする。より詳しくは、ゲイン設定部１３Ａ１は、比較部１２Ａ１で比較した、振動算出部１１Ａで算出された発電機軸１４０のねじり振動センサ４Ａ１の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ１で検出された発電機軸１４０のねじり振動センサ４Ａ１の配置位置におけるねじり振動との差分が小さくなるように、振動算出部１１Ａで用いる振動モデルの状態量のゲインを設定する。ゲイン設定部１３Ａ２は、比較部１２Ａ２で比較した、振動算出部１１Ａで算出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ２の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ２で検出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ２の配置位置におけるねじり振動との差分が小さくなるように、振動算出部１１Ａで用いる振動モデルの状態量のゲインを設定する。ゲイン設定部１３Ａ３は、比較部１２Ａ３で比較した、振動算出部１１Ａで算出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ３で検出されたタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動との差分が小さくなるように、振動算出部１１Ａで用いる振動モデルの状態量のゲインを設定する。

第一回転体振動算出部１４は、タービン翼１１１の振動を算出する。ここで、図８ないし図１２を用いて、第一回転体振動算出部１４で算出される、タービン翼１１１の振動について説明する。

タービン翼１１１の振動波形の基本形状の一例を、図８に示す。図８は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。多点法で計測した、タービン軸１１０にねじり振動が生じていない状態のタービン翼１１１の振動波形の一例を、図９に示す。図９は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。多点法で計測した、タービン軸１１０にねじり振動が生じた状態のタービン翼１１１の振動波形の一例を図１０に示す。図１０は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。一点法で計測した、タービン軸１１０にねじり振動が生じていない状態のタービン翼１１１の振動波形の一例を図１１に示す。図１１は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。一点法で計測した、タービン軸１１０にねじり振動が生じた状態のタービン翼１１１の振動波形の一例を図１２に示す。図１２は、第二実施形態に係る回転機械振動計測装置で得られた振動波形を示す概略図である。このように、いずれの方法であっても、タービン軸１１０にねじり振動が生じていない状態では、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動振幅と、実際のタービン翼１１１の振動振幅とが一致する。また、タービン軸１１０にねじり振動が生じた状態では、タービン翼１１１の振動波形がタービン軸１１０にねじり振動によって変位する。

第二回転体振動算出部１５Ａは、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動波形から、振動算出部１１Ａで算出されたタービン軸１１０のＢＴＴ計測位置におけるねじり振動によるタービン翼１１１の変位ΔＸを除去して、タービン翼１１１の振動を算出する。

ここで、通過時刻の時間差ΔＴ、タービン翼先端部の周速Ｖ_Ｂを用いて、タービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂは、上述した式（１）で算出される。

また、タービン軸１１０のＢＴＴ計測位置におけるねじり振動によるタービン翼１１１の変位ΔＸは、タービン翼先端のタービン軸１１０の中心からの半径距離Ｒと、非接触センサ３の計測位置におけるタービン軸１１０のねじり振動角変位θとを用いて、式（２）で算出される。
ΔＸ＝Ｒ×θ・・・（２）

第二回転体振動算出部１５Ａは、振動振幅Ｘ_ＢからΔＸを減算することにより、実際のタービン翼１１１の振動を算出する。

次に、上記構成を有する回転機械振動計測装置１Ａを用いた回転機械振動計測方法について説明する。本実施形態に係る回転機械振動計測方法は、第一振動検出工程と、第二振動検出工程と、振動算出工程と、比較工程と、ゲイン設定工程と、第一回転体振動算出工程と、第二回転体振動算出工程とを含む。第一振動検出工程と第一回転体振動算出工程とは、第一実施形態と同様の処理である。

回転機械振動計測装置１Ａは、第一振動検出工程とともに、第二振動検出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１Ａは、発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置に配置されたねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３で、発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置のねじり振動を検出させる。回転機械振動計測装置１Ａは、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３で検出された発電機軸１４０またはタービン軸１６０の第二所定位置のねじり振動を演算部１０Ａに出力させる。

回転機械振動計測装置１Ａは、振動算出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１Ａは、振動算出部１１Ａで、タービン翼１１１とタービン軸１１０と発電機軸１４０とタービン軸１６０とを含むねじり振動の振動モデルに基づいて、タービン軸１１０と発電機軸１４０とタービン軸１６０とを含むねじり振動を算出させる。

回転機械振動計測装置１Ａは、比較工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１Ａは、比較部１２Ａ１〜比較部１２Ａ３で、振動算出部１１Ａで算出された発電機軸１４０とタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３で検出された発電機軸１４０とタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動とを比較させる。

回転機械振動計測装置１Ａは、ゲイン設定工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１Ａは、ゲイン設定部１３Ａ１〜ゲイン設定部１３Ａ３で、比較部１２Ａ１〜比較部１２Ａ３で比較した、振動算出部１１Ａで算出された発電機軸１４０とタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動と、ねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３で検出された発電機軸１４０とタービン軸１６０のねじり振動センサ４Ａ１〜ねじり振動センサ４Ａ３の配置位置におけるねじり振動との差分が小さくなるように、振動算出部１１Ａで用いる振動モデルの状態量のゲインを設定させる。

回転機械振動計測装置１Ａは、第二回転体振動算出工程を実行させる。より詳しくは、回転機械振動計測装置１Ａは、第二回転体振動算出部１５Ａで、第一回転体振動算出部１４で算出された振動状態と基準状態との通過時刻の時間差に基づいて算出されたタービン翼１１１の振動波形から、振動算出部１１Ａで算出されたタービン軸１１０のＢＴＴ計測位置におけるねじり振動によるタービン翼１１１の変位ΔＸを除去して、タービン翼１１１の振動を算出させる。

以上のように、本実施形態によれば、タービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出する際に、タービン軸１１０のＢＴＴ計測位置におけるねじり振動による変位ΔＸを減算する。これにより、本実施形態は、タービン軸１１０のねじり振動に起因する計測誤差を除去し、タービン翼１１１の振動を高精度に計測することができる。

上記実施形態では、ケーシング１２０の振動モデルとねじり振動の振動モデルを用いるものとして説明したが、同様の考え方で、鉛直方向および水平方向の軸の曲げ振動モデル（振れまわりモデル）を用いてもよい。より詳しくは、第一回転体振動算出部１４で算出されたタービン翼１１１の振動波形から、軸の曲げ振動モデルに基づいて算出した、タービン軸１１０のＢＴＴ計測位置における軸の曲げ振動によって生じるタービン翼１１１の変位ΔＸを除去して、タービン翼１１１の振動を算出することも可能である。

さらに、振動算出部は、上記に示した、ケーシング１２０の振動モデルとねじり振動の振動モデルと軸の曲げ振動モデルとを任意に組み合わせ、タービン翼１１１の振動を算出してもよい。

さて、これまで本実施形態に係る回転機械振動計測装置、回転機械振動計測方法及びプログラムについて説明したが、上述した実施形態以外にも種々の異なる形態にて実施されてよいものである。

図示した回転機械振動計測装置１の演算部１０の各構成要素は、機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていなくてもよい。すなわち、各構成要素の具体的形態は、図示のものに限られず、各構成要素の処理負担や使用状況などに応じて、その全部または一部を任意の単位で機能的または物理的に分散または統合してもよい。

回転機械振動計測装置１の演算部１０の構成は、例えば、ソフトウェアとして、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。上記実施形態では、これらのハードウェアまたはソフトウェアの連携によって実現される機能ブロックとして説明した。すなわち、これらの機能ブロックについては、ハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、または、それらの組み合わせによって種々の形で実現できる。

１回転機械振動計測装置
２回転数センサ
３非接触センサ（第一センサ）
４接触センサ（第二センサ）
１０演算部
１１振動算出部
１２比較部
１３ゲイン設定部
１４第一回転体振動算出部
１５第二回転体振動算出部
１６外力入力部
１１０タービン軸（回転軸）
１１１タービン翼（回転体）
１２０ケーシング（静止体）

Claims

回転機械に配置された回転体の外周と向かい合う静止体の第一所定位置に配置され、前記回転体の通過を非接触で検出する第一センサと、
前記静止体または前記回転体の回転軸の第二所定位置に配置され、前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動を検出する第二センサと、
前記静止体または前記回転軸の振動モデルに基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出する振動算出部と、
前記振動算出部で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動とを比較する比較部と、
前記比較部で比較した、前記振動算出部で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出部で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定するゲイン設定部と、
前記第一センサで前記回転体が検出された通過時刻と、記憶部に記憶された基準状態における前記回転体の通過時刻との時間差に基づいて、前記回転体の振動を算出する第一回転体振動算出部と、
前記第一回転体振動算出部で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出部で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第一所定位置における振動による変位を除去して、前記回転体の振動を算出する第二回転体振動算出部と
を備えることを特徴とする回転機械振動計測装置。
前記第二センサは、前記静止体に配置され、前記静止体の前記第二所定位置における振動を検出し、
前記振動算出部は、前記静止体の振動モデルに基づいて、前記静止体の振動を算出し、
前記比較部は、前記振動算出部で算出された前記静止体の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体の前記第二所定位置における振動とを比較し、
前記ゲイン設定部は、前記比較部で比較した、前記振動算出部で算出された前記静止体の前記第二所定位置における振動と、前記第二センサで検出された前記静止体の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出部で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定し、
前記第二回転体振動算出部は、前記第一回転体振動算出部で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出部で算出された前記静止体の前記第一所定位置における振動による前記第一センサの変位を除去して、前記回転体の振動を算出することを特徴とする請求項１に記載の回転機械振動計測装置。
前記第二センサは、前記回転軸に配置され、前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動を検出し、
前記振動算出部は、前記回転体と前記回転軸とを含むねじり振動の振動モデルに基づいて、前記回転体と前記回転軸とを含むねじり振動を算出し、
前記比較部は、前記振動算出部で算出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動と、前記第二センサで検出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動とを比較し、
前記ゲイン設定部は、前記比較部で比較した、前記振動算出部で算出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動と、前記第二センサで検出された前記回転軸の前記第二所定位置におけるねじり振動との差分が小さくなるように、前記振動算出部で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定し、
前記第二回転体振動算出部は、前記第一回転体振動算出部で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出部で算出された前記回転体の前記第一所定位置におけるねじり振動による前記回転体の変位を除去して、前記回転体の振動を算出することを特徴とする請求項１に記載の回転機械振動計測装置。
トルク変動を含む前記回転体に作用する外力を入力する外力入力部
を備え、
前記振動算出部は、さらに前記外力に基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械振動計測装置。
回転機械に配置された回転体の外周と向かい合う静止体の第一所定位置に配置された第一センサで、前記回転体の通過を非接触で検出する第一振動検出工程と、
前記静止体または前記回転体の回転軸の第二所定位置に配置された第二センサで、前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動を検出する第二振動検出工程と、
前記静止体または前記回転軸の振動モデルに基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出する振動算出工程と、
前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動とを比較する比較工程と、
前記比較工程で比較した、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出工程で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定するゲイン設定工程と、
前記第一振動検出工程で前記回転体が検出された通過時刻と、記憶部に記憶された基準状態における前記回転体の通過時刻との時間差に基づいて、前記回転体の振動を算出する第一回転体振動算出工程と、
前記第一回転体振動算出工程で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第一所定位置における振動による変位を除去して、前記回転体の振動を算出する第二回転体振動算出工程と
を含むことを特徴とする回転機械振動計測方法。
回転機械に配置された回転体の外周と向かい合う静止体の第一所定位置に配置された第一センサで、前記回転体の通過を非接触で検出する第一振動検出工程と、
前記静止体または前記回転体の回転軸の第二所定位置に配置された第二センサで、前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動を検出する第二振動検出工程と、
前記静止体または前記回転軸の振動モデルに基づいて、前記静止体または前記回転軸の振動を算出する振動算出工程と、
前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動とを比較する比較工程と、
前記比較工程で比較した、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動と、前記第二振動検出工程で検出された前記静止体または前記回転軸の前記第二所定位置における振動との差分が小さくなるように、前記振動算出工程で用いる前記振動モデルの状態量のゲインを設定するゲイン設定工程と、
前記第一振動検出工程で前記回転体が検出された通過時刻と、記憶部に記憶された基準状態における前記回転体の通過時刻との時間差に基づいて、前記回転体の振動を算出する第一回転体振動算出工程と、
前記第一回転体振動算出工程で算出された前記回転体の振動波形から、前記振動算出工程で算出された前記静止体または前記回転軸の前記第一所定位置における振動による変位を除去して、前記回転体の振動を算出する第二回転体振動算出工程と
をコンピューターに実行させるプログラム。