JPH0129248B2

JPH0129248B2 -

Info

Publication number: JPH0129248B2
Application number: JP57083216A
Authority: JP
Inventors: Motonari Haraguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-05-19
Filing date: 1982-05-19
Publication date: 1989-06-08
Also published as: JPS58201040A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は圧縮機、ガスタービン、発電機および
蒸気タービン等の機器を一軸上に配置した複合サ
イクルプラントの軸間に設けられた可撓継手に生
ずる応力を測定し、該応力値を正常運転時におけ
る許容応力値と比較、判断して上記可撓継手の異
常を診断し、上記各機器の運転条件を制御する複
合サイクルプラント軸系の異常診断装置に関す
る。

高効率でかつ、ピークロードに対して応答し得
る発電プラントとしては、圧縮機、ガスタービ
ン、発電機および蒸気タービン等の機器を一軸上
に配置した複合サイクルプラントが有効のものと
して従来より使用されている。複合サイクルプラ
ントの運転時において、上記機器のケーシングお
よびロータ軸が熱膨脹し、その伸び差により上記
機器間が詰り、機器間の軸部に大きな応力が生ず
る。従つて、この応力の発生を防止するため上記
機器間には可撓継手が設けられ、この撓みにより
上記応力を吸収している。一般に上記可撓継手と
してはダイヤフラムを有するダイヤフラムカツプ
リングが複合サイクルプラントには採用されてい
る。このダイヤフラムカツプリングの上記ダイヤ
フラムには運転中に種々の力が作用し、引張又は
圧縮応力、曲げ応力等が作用する。これ等の応力
によつてダイヤフラムが破損する場合が生じ、上
記ダイヤフラムカツプリングが飛散する結果をま
ねき、極めて危険のものとなる。このため、従来
より予防手段が採用されていた。その手段とし
て、上記ダイヤフラムに歪ゲージ等の応力測定手
段を直接装着するものや、ダイヤフラムカツプリ
ングの振動状態を監視するもの等が採用されてい
るが、いずれもダイヤフラムの破損を正確に判断
することが困難である欠点を有していた。

すなわち、第１図に示す如く、複合サイクルプ
ラント１００は圧縮機１、ガスタービン２、発電
機３および蒸気タービン４を一つの軸１０１上に
直列に配置したものから構成されている。この複
合サイクルプラントの利点としては使用側の負荷
変動にあわせて、ガスタービン２および蒸気ター
ビンの出力を調節し、単一の発電機３の出力を適
宜調節することが容易であり、並列に上記した機
器を配置したものに比べ、ピークロード時等にお
ける対応が円滑に行なわれると共に、保守管理面
にも優れる点にある。

軸１０１には軸受、可撓継手等が配置される。
すなわち、圧縮機１の一端側にはスラスト軸受Ａ
７とラジアル軸受９が設けられ、スラスト軸受Ａ
７は圧縮機１等のこの方向への熱膨脹を規制して
いる。圧縮機１の他端側にはラジアル軸受９を介
し、ガスタービン２の一端側ロータ軸が連結され
ている。ガスタービン２の他端側のロータ軸には
発電機３の一端側のロータ軸がリジツトカツプリ
ング５を介して連結される。又、これらのロータ
軸はラジアル軸受９により支持されている。発電
機３の他端側ロータ軸はラジアル軸受９により支
持されると共に、可撓継手６により蒸気タービン
４の一端側のロータ軸と接続している。なお、可
撓継手６と蒸気タービン４の一端側のロータ軸間
にはスラスト軸受Ｂ８が設けられている。又、蒸
気タービン４の一端側および他端側のロータ軸は
ラジアル軸受によつて支持されている。

運転中、ガスタービン１および発電機３のロー
タ軸は熱膨脹によつて伸びるが、これ等の伸びは
スラスト軸受７を基点とし、蒸気タービン４側に
向つて発生する。勿論ガスタービン２および発電
機３の図示しないケーシングも熱膨脹するが、ガ
スタービン２と発電機３について上記ケーシング
とそのロータ軸の伸び差に対しては運転に支障が
ないように設計されている。上記によりガスター
ビン２と発電機３との加算されたケーシングとロ
ータ軸の伸び差は蒸気タービン４側に作用する
が、もしスラスト軸受Ｂ８がなければ、この加算
された伸び差が蒸気タービン４に作用するため、
蒸気タービン４のケーシングとロータ軸との軸方
向に大幅な間隙を設ける必要が生ずる。上記の伸
び差はガスタービン２が高温のため30m/mない
し45m/mにも達し、この伸び差に相当する間隙
を蒸気タービン４のケーシングとロータ軸間に設
けることは蒸気タービン４の性能保持の面から不
可能とされる。従つて、上記の如くスラスト軸受
Ｂ８を設けて上記伸び差による蒸気タービン４側
への影響を規制すると共に、可撓継手６を発電機
３の上記他端側のラジアル軸受９と上記スラスト
軸受Ｂ８間に設ける必要がある。

上記可撓継手６としては、第２図に示すギヤカ
ツプリング１０２と第３図に示すダイヤフラムカ
ツプリング１０６が採用されている。

ギヤカツプリング１０２は、両端側鍔部外周に
ギヤ１７ａを形成し、該ギヤ１７ａを上記鍔部の
厚み方向に弧状のクラウニングを形成せしめたス
リーブＡ１７と、スリーブＡ１７のギヤ１７ａに
噛合する内歯車を形成し、スリーブＡ１７の上記
ギヤ１７ａに噛合するカバＡ３０と、カバＡ３０
とボルトＡ３１で連結すると共に、ロータ軸に嵌
挿する孔部を形成するカツプリングボスＡ３２と
から形成されている。ギヤカツプリング１０２で
は、カバＡ３０がスリーブＡ１７のギヤ１７ａに
噛合しながら、その軸方向に移動すると共に、ギ
ヤ１７ａまわりに回動することにより上記伸び差
を吸収し、カツプリングとして作用するように構
成されている。しかしながら上記の如くギヤカツ
プリング１０２には可撓部材がなく、固形の各部
材の結合によつて構成されるものであるため、結
合時のアライメント誤差が生じ易く、ギヤ１７ａ
の摩耗により軸心の狂が生じ易い。又、起動時に
おいて振動が発生し易く、この防止のためのバラ
ンス取りに多くの時間を要する欠点があつた。

一方、ダイヤフラムカツプリング１０６は、第
３図に示す如く、両端にダイヤフラム１４を設け
たスリーブＢ１５と、このダイヤフラム１４の外
周側をボルトＢ１３を介して挾持するカツプリン
グボスＢ１１およびダイヤフラムカバＢ１２とか
ら形成され、カツプリングボスＢ１１には、発電
機３の他端側ロータ軸１６又は蒸気タービン４の
一端側のロータ軸１０が嵌挿されている。第４図
ａに示す如く間隔Ｌに保持されていたダイヤフラ
ムカツプリング１０６は上記の伸び差ｘを吸収し
第４図ｂに示す如くダイヤフラム１４は変形し、
その軸方向に圧縮され間隔Ｌ−ｘに保持される。
又、軸心が変位δだけ狂つた場合には第４図ｃに
示す如く、間隔Ｌをほぼ保持しながらダイヤフラ
ム１４は捩れ変形し、変位δを吸収する（なお明
瞭な図示のため、第４図各図には中心線を付すと
共に、断面を示すハツチングは省略した）。以上
の如く、可撓部材であるダイヤフラム１４により
上記伸び差ｘや変位δが無理なく吸収され、小さ
なスラスト反力が発生するに過ぎない。又、無給
油で使用され、かつ、バランス取りも一度行うだ
けでよい等の多くの利点を有するため、複合サイ
クルプラントの可撓継手６としてはダイヤフラム
カツプリング１０６が採用されるようになつてき
ている。

しかしながら、このダイヤフラムカツプリング
１０６を採用する際にダイヤフラム１４の信頼性
が問題となる。上記の如く、ダイヤフラム１４に
は、遠心力に起因する遠心応力、トルク伝達のた
めの捩れ応力をはじめ、上記伸び差による軸方向
の変位やアライメント不備によつて生ずる変位に
基づく引張又は圧縮応力および曲げ応力が作用す
る。このような各種の応力の作用によりダイヤフ
ラム１４が運転中破損すると、ダイヤフラムカツ
プリング１０６が飛散するのみならず、発電機３
のロータ軸１６および蒸気タービン４のロータ軸
１０まわりの部品が破損し、これが飛散するよう
な計り知れない事故が発生する。このためダイヤ
フラム１４の異常を診断することが必要となり、
従来においてもその異常診断手段が採用されてい
た。その１つの手段としては、ダイヤフラム１４
の表面に歪ゲージを直接取り付け、その応力を測
定して異常を診断する手段が採用されている。し
かし、ダイヤフラム１４には通常3000r.p.m又は
3600r.p.mの高回転で回転するため、5000G以上
の遠心加速度が作用するため、歪ゲージをダイヤ
フラム１４の表面に確実に接着保持せしめること
が困難である欠点を有していた。更に、歪ゲージ
の測定値を検出するテレメータ等と歪ゲージとの
距離が長くなり検出精度が低下する欠点も有して
いた。又、ダイヤフラム１４は必ずしも表面から
のみ破損するものでなく、異常の発見が遅れる欠
点も有していた。

又、他の手段として、ダイヤフラムカツプリン
グ各部の振動を監視し、ダイヤフラム１４の異常
を診断するものがある。しかし、ダイヤフラム１
４の破損が直接振動につながらない場合もあり、
正確にダイヤフラム１４の異常を診断し得ない欠
点を有していた。

又、上記２つの手段とも、ダイヤフラムカツプ
リング１０６の異常診断のみに着目し過ぎてお
り、スラスト軸受Ｂ８に加わる反力を診断対象に
していないため複合サイクルプラント軸系の全体
的の異常診断に対しては不充分である欠点を有し
ていた。

本発明は以上の欠点を解決すべく創案されたも
のであり、その目的は機器間に設けられた可撓継
手の異常を適確に診断すると共に、この診断結果
によつて上記機器の運転条件を調節し、軸系の異
常発生を防止する複合サイクルプラント軸系の異
常診断装置を提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するために、可撓継
手を有する発電器、蒸気タービン等の機器間の軸
上に応力測定手段を設け、検出手段によつてこの
応力信号を検知し、これを上記機器の固定側に設
けられた演算手段に入力し、上記可撓継手に生ず
る応力値を換算すると共に、正常定格運転時に上
記可撓継手に生ずる許容応力値を求め、この許容
応力値と上記応力値とを比較手段および判断手段
により比較判断し、その結果によつて上記機器の
運転条件を制御するようにした複合サイクルプラ
ント軸系の異常診断装置を特徴としたものであ
る。

以下、本発明の一実施例を図に基づき説明す
る。

まず、本実施例の概要を説明する。

第１図に示すごとく、発電機３と蒸気タービン
４との間には可撓継手６が設けられ、この可撓継
手は第３図および第５図に示す如きダイヤフラム
カツプリング１０６が採用されている。第５図に
おいて、スリーブＢ１５の外周面上には応力測定
手段である歪ゲージ１８が取り付けられている。
歪ゲージ１８には、この歪量を検出し、その検出
信号を発信するテレメータ方式からなる検出手段
１９が係合している。検出手段１９により検知さ
れた歪量は第６図に示す如く受信器２０に入力さ
れた後、上記蒸気タービン４等の固定側に設けら
れた演算手段である演算器Ａ２１および演算器Ｂ
２２に入力される。演算器Ａ２１は上記歪量を応
力値に換算する。演算器Ｂ２２には予めスリーブ
Ｂ１５に生じた応力値に対応するダイヤフラム１
４に作用する軸方向反力および曲げモーメント値
等の換算係数が記憶されているため、スリーブＢ
１５に生じた応力値からダイヤフラム１４に作用
する軸方向反力および曲げモーメントの値を求め
ることができる。一方、比較手段２３には予め、
正常定格運転時におけるダイヤフラム１４の上記
軸方向反力および曲げモーメント値等の許容値が
記憶され、これ等の許容値と上記実測値とが比較
される。次に、この比較信号が判断手段２４に入
力され、上記実測値が許容値をこえる場合には運
転制御手段２５に信号が発信される。運転制御手
段２５に信号が発信される。運転制御手段２５に
はガスタービン２、蒸気タービン４等に係合する
運転制御装置２５ａ，２５ｂ等が接続され、運転
制御手段２５による制御信号はこれ等の運転制御
装置２５ａ等に伝達され、ガスタービン２、蒸気
タービン４等の出力等を調節し、発電機３の負荷
調整を行う。以上により、ダイヤフラム１４に加
わる応力が低減され、ダイヤフラムカツプリング
１０６の破損や、複合サイクルプラント軸系の異
常発生を回避することができる。

次に、本実施例を更に詳しく説明する。

第５図および第６図に示す如く、ダイヤフラム
カツプリング１０６のスリーブＢ１５の外周面上
には応力測定手段である歪ゲージ１８が取付けら
れている。歪ゲージ１８は第５図等には簡略に表
示してあるが、スリーブＢ１５の軸方向および曲
げ方向の歪量を検知し得るように複数個配列され
る。歪ゲージ１８の歪量を検出し、これを上記機
器の固定側に取り出す検出手段としては衆知のテ
レメータ方式によるものや、スリツプリング方式
によるもの等があるが、本実施例では図に示す如
く、テレメータ方式による検出手段１９を歪ゲー
ジ１８に係合せしめて配置している。

次に、第６図に示す如く、固定側には受信器２
０、演算手段である演算器Ａ２１、演算器Ｂ２
２、比較手段２３、判断手段２４がそれぞれ設け
られている。検出手段１９によつて検知された歪
量の信号は受信器２０に入力される。そして、そ
の歪量の信号は演算器Ａ２１に入力される。一般
に弾性限界内においては歪量は応力に比例するた
め、一定の換算係数を予め記憶せしめることによ
り上記歪量は応力値に換算される。又、ダイヤフ
ラムカツプリング１０６のスリーブＢ１５の軸方
向応力に対応するダイヤフラム１４の軸方向応力
との関数を予め求めておけば、演算器Ａ２１によ
りダイヤフラム１４の軸方向に作用する力を求め
ることができる。しかし、第４図Ｃに示した如
く、ダイヤフラムカツプリング１０６は変位δが
生ずる場合が多く、スリーブＢ１５には軸方向の
みならず曲げ方向の応力が作用し、当然ながらダ
イヤフラム１４にも軸方向反力と曲げモーメント
とが作用する。

第７図において、横軸は時間Ｔを表わし、縦軸
はスリーブＢ１５に加わる応力（引張応力σ_T、圧
縮応力σ_C）を表示する。スリーブＢ１５が単純な
引張を受ける場合には直線Ａで示す如く、時間Ｔ
に無関係に一定の引張り応力が作用する。従つ
て、上記した如く、演算器Ａ２１により、ダイヤ
フラム１４の軸方向反力を求めることができる。

しかし、一方、第４図ｃに示す場合には第７図
の曲線Ｂの如き応力が作用する。演算器Ｂ２２は
このような場合にダイヤフラム１４に加わる軸方
向反力と曲げモーメントの値を換算するものであ
る。図に示す如く、曲線Ｂは時間Ｔにより波状に
変化しながら進む。平均応力σ_Mは設定された単
位時間内の曲線Ｂの応力を積分し、これを上記単
位時間で除算することによつて求められる。又、
単位時間内における最大応力と最小応力との差を
求めることにより応力振幅σ_Fを求めることができ
る。平均応力σ_Mによりダイヤフラム１４の軸方
向反力が換算され、応力振幅σ_Fによりダイヤフラ
ム１４に加わる曲げモーメントの値が求められ
る。なお、同様の手段により、第７図のＢ曲線と
異なる回転数に同期しない非線形のものも求めら
れる。

一方、比較手段２３には、正常定格運転時にお
けるダイヤフラム１４に加わる軸方向反力および
曲げモーメント値を実測又は計算によつて求め、
これをダイヤフラム１４の許容値とし、予め記憶
させておく。そして該許容値と上記の実測値とを
比較し、その比較信号を判断手段２４に入力す
る。判断手段２４は実測値が許容値を越えると、
運転制御手段２５に信号を発するように構成され
ている。第８図は上記の係路をブロツク線図によ
り説明したものである。

又、第６図に示す如く、圧縮機１、ガスタービ
ン２および蒸気タービン４にはそれぞれ運転制御
装置２５ｃ，２５ａ，２５ｂが係合している。上
記の運転制御手段２５に判断手段２４から入力さ
れた信号はここで分析される。この分析結果によ
り、運転制御手段２５から各運転制御装置２５ａ
等に対し制御指令が送られる。この指令により、
ガスタービン２等は入力ダウン、停止、回転数ダ
ウン等の運転条件が制御される。

スリーブＢ１５への歪ゲージ１８の取付けはダ
イヤフラム１４に直接歪ゲージを取付けた従来技
術に比べてはるかに確実のものであり、歪変化は
正確に把握することができる。又、演算器Ａ２
１、演算器Ｂ２２により、ダイヤフラム１４の軸
方向反力および曲げモーメント値も正確に把握す
ることができる。従つて、ダイヤフラム１４の実
測値と許容値との差が適確に把握され、実測値が
許容値を越えた場合には各機器の運転条件が直ち
に調節されるため、ダイヤフラム１４の異常が即
時解消されることになる。以上により、複合サイ
クルプラント軸系の異常発生が解消される。

又、ダイヤフラム１４に加わる軸方向反力は、
スラスト軸受Ｂ８に作用する軸方向力に相当する
ものであるから、上記制御は単にダイヤフラム１
４の破損防止のみならず、スラスト軸受Ｂ８の焼
付を防止し、複合サイクルプラント軸系の異常発
生を防止することになる。

次に、別の実施例を説明する。

上記の実施例では、ダイヤフラムカツプリング
１０６のスリーブＢ１５の外周面上の１箇所にの
み歪ゲージ１８を取付けたが、本実施例では、第
５図に示す如く歪ゲージ１８の反対側のスリーブ
Ｂ１５の外周面上に歪ゲージ１８ａを取付けたも
のである。この場合には、第９図に示す如く、時
間Ｔの変化に対し、曲線Ｃおよび曲線Ｄの応力モ
ードが得られる。曲線Ｃと曲線Ｄとの応力の平均
値を求めれば、平均応力σ_Tが求まり、時間Ｔの変
化に無関係に軸方向反力を求めることができ、か
つ、平均応力σ_Tの値の精度も向上する。

勿論、歪ゲージ１８は上記の２箇所に限定する
ものではなく、複数個のものを使用し、より精度
を向上せしめることができる。

次に、上記の実施例はすべて、歪ゲージ１８は
ダイヤフラムカツプリング１０６のスリーブＢ１
５に取付けたものであるが、第５図および第６図
に示すごとく、スラスト軸受Ｂ１８とラジアル軸
受９との間のいずれの箇所でもよく、例えば、発
電機３の他端側ロータ軸１６上に歪ゲージ１８ｂ
を取付けたもの、蒸気タービン４の一端側のロー
タ軸１０上に歪ゲージ１８ｃを取付けたものであ
つてもよい。上記と同様にこれ等の歪ゲージ１８
ｂ，１８ｃの検出値により上記と同様の手段によ
りダイヤフラム１４の異常を診断することができ
る。

第１０図は更に別の実施例のブロツク線図を示
したものである。図において同一符号のものは上
記実施例と同一の手段を示す。

上記の如く、ダイヤフラムカツプリング１０６
には伸び差に相当する伸縮が与えられる。この伸
び差値２７は発電機３等の出力値２８に比例す
る。そこで、正常定格運転時における出力値２８
に相当する伸び差値２７を実測又は計算によつて
求め、これによつて演算器Ｃ２６によりダイヤフ
ラム１４の軸方向反力の許容値を換算し、この値
を比較手段２３に伝達する。比較手段２３では上
記実施例と同様にこの許容値と実測値とを比較
し、ダイヤフラムカツプリング１０６の異常を診
断することができる。

以上の実施例において、ダイヤフラムカツプリ
ング１０６を発電機３と蒸気タービン４との間に
のみ設けたがこれに限定するものでない。又、応
力測定手段も勿論歪ゲージに限定するものでな
い。

以上の説明によつて明らかの如く、本発明によ
れば、発電機、蒸気タービン等の機器間に設けら
れた可撓継手の異常を適確に診断すると共に、こ
の結果によつて上記機器の運転条件を制御し、可
撓継手の破損を防止し、かつ、複合サイクルプラ
ント軸系の異常発生を防止し得る効果を上げるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合サイクルプラントの構成図、第２
図はギヤカツプリングの構成を示す断面図、第３
図はダイヤフラムカツプリングの構成を示す断面
図、第４図ａないしｃはダイヤフラムカツプリン
グの動作を示す説明図、第５図は本発明一実施例
のダイヤフラムカツプリングに応力測定手段を取
付けた状態を示す斜視図、第６図は該一実施例の
構成図、第７図は一実施例における応力分布状態
を示す線図、第８図は該実施例の動作を説明する
ブロツク線図、第９図は別の実施例における応力
分布を示す線図、第１０図は更に別の実施例の動
作を説明するブロツク線図である。１…圧縮機、２…ガスタービン、３…発電機、
４…蒸気タービン、６…可撓継手、７…スラスト
軸受Ａ、８…スラスト軸受Ｂ、９…ラジアル軸
受、１０…蒸気タービン側のロータ軸、１１…カ
ツプリングボスＢ、１２…ダイヤフラムカバＢ、
１３…ボルトＢ、１４…ダイヤフラム、１５…ス
リーブＢ、１６…発電機側のロータ軸、１８，１
８ａ，１８ｂ，１８ｃ…歪ゲージ、１９…検出手
段、２０…受信器、２１…演算器Ａ、２２…演算
器Ｂ、２３…比較手段、２４…判断手段、２５…
運転制御手段、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…運転制
御装置、２６…演算器Ｃ、２７…伸び差値、２８
…出力値、１０６…ダイヤフラムカツプリング。

Claims

【特許請求の範囲】１ガスタービン、発電機および蒸気タービンを
一軸上に配置し、各機器間に可撓継手を設け、上
記軸上の応力を測定し、上記可撓継手の異常を診
断する複合サイクルプラント軸系の異常診断装置
において、上記軸上に応力測定手段を設け、検出
手段によつて上記応力信号を上記機器の固定側に
設けられた演算手段に入力し、該演算手段により
上記可撓継手に作用する応力値を演算すると共
に、正常定格運転時における上記可撓継手の許容
応力値を求め、該許容応力値と上記応力値とを比
較手段および判断手段により比較、判断し、上記
各機器に係合する運転制御手段に上記判断信号を
入力し、上記各機器の運転条件を制御するように
構成したことを特徴とする複合サイクルプラント
軸系の異常診断装置。２ダイヤフラムカツプリングからなる上記可撓
継手を上記発電機と蒸気タービンとの間に設け、
該ダイヤフラムカツプリングのダイヤフラム支持
部に上記応力測定手段を装着せしめ、上記ダイヤ
フラムカツプリングのダイヤフラムに生ずる応力
値を換算するようにしたことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の複合サイクルプラント軸系
の異常診断装置。３上記正常運転時における上記各機器間の上記
軸間の伸び差を求め、該伸び差から上記可撓継手
内に生ずる上記許容応力値を演算するように構成
したことを特徴とする複合サイクルプラント軸系
の異常診断装置。