JPH0356098A - 回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （允明の目的） （産業上の利用分野〉 本発明はタービン等の回転体の翼・軸連成捩り振ｖＪ監
視装置に係り、特にタービン最終段落の１ｌ！３よび関
車のｔｒｉｔｌ７Ｊ応力を求めてその寿命の評価・監視
を行なう回転体の翼・軸連成捩り振動監視装葡に関する
。

（従来の技術） 従来、軸捩り振動の監視の対象となっていたのは主とし
てタービン・発電機軸系の低次の固有捩り振動であり、
軸の低サイクル疲労損傷防止を目的としたものであった
。この＠捩り１Ｎ７勅問題は高速再開路等の電力系統外
乱梵生時にタービン・充電機軸系に生じる過大な変動ト
ルクの繰返しによって軸捩り疲労が索梢される現象であ
り、タービン・発電機軸系のジャーナル部やカップリン
グ部等の低サイクル疲労を扱うものであった。このため
、軸捩り振動を解析する場合、翼自体の固右振勤数は考
慮せず、軸翼は剛結合していると考えて比較的容易に扱
われていた。

ところが、近年・発電機逆相電流により発電機に発生す
る電力系統周波数２倍の周波数変動トルク（不平衡電気
トルク）によってタービン・発電機軸系に励振力が発生
し、この励振力により軸およびこの軸に結合された翼、
特にタービン最終段落側の長翼が相互に影響し合いなが
らＦｉ動ずる翼・軸連或捩り振動が注目されている。こ
のた・軸速成捩り振動は、軸と翼が連成した高次の捩り
固有＠勤数と電力系統周波数の２倍の周波数が一致した
とき生じる共振現象により翼およびそれを支持する翼車
が加振されるもので、翼および買車の高サイクル疲労１
員傷に大きな影響を及ぼすことが知られて来ており、近
年注目されている。

響・軸連成捩り振動によりタービン長貿のｒｐ命、。゛
Ｆ価および監視を行なう従来の贅・軸連成捩り振動監視
装置は、刀７図に示すように構成されている。この翼・
軸連成捩り振動監視装回は低圧タービン１と発電機２と
を連結する車軸３の帖捩り振動を軸捩り振動計測装慟４
で計測している。

軸捩り振動計測装置４１よ車軸３に貼布された歪ゲージ
（第８図参照）４ａを有し、この歪ゲージ４ａで計測さ
れた軸捩り振動の歪信号はＦＭテレメータシステム等の
送信器４ｂを用いて回転側から静止側に伝送され、受信
器４Ｃにより歪信号に復元される。受信器４Ｃからの歪
信弓は周波数分析器４ｄによって分析され、振８数ｒと
振動レベルεのデータに変換される。

周波数分析器４ｄからのデータ信ｇは翼・軸連成捩り振
動監視装誇５の軸捩り角度演０装慟６に入力される。こ
の演ｔＨ！買６は振動データ記憶装ｆｆｉ６ａ、振動モ
ード判別器６ｂおよび角度振幅演算器６Ｃにより構成さ
れる。軸捩り角度演０装ｊｄ６は計測された振動数ｒに
基づいて振動モードが判別され、振動レベルεのデータ
に基づいて軸捩り角度振幅θが演算され、このＷｉ動モ
ードと計測点での軸捩り角度振幅θからタービンロータ
の軸捩り角度振幅θの分布とその絶対値が演算される。

軸捩り角度演粋装置６の振動データ記憶装ｄ６ａに番よ
ｈ限要素法等の振動解析手法によって計算された翼・軸
連成捩り振動の振！ｌＩ数と振動モード《軸捩り振動角
度振幅の軸方向分布状況）との対象データを記憶してお
り、歪ゲージ４ａよって計測された振動数ｆと振動レベ
ルεのデータが、オンラインで振動モード籾別３６ｂに
入力されると、第９図に示すように軸捩り＠初の振動モ
ード情報（捩り角度振幅θと車軸３の軸方向位置〉が後
述する表示監視器９に出力表示され、問題となる捩り振
動を改善するための対策を流行すべき箇所が明確になる
ようになっている。

また、軸捩り角度演惇装慟６で演尊された実測の軸捩り
角度振幅θ　．および振動数ｆが響・翼重ａ１ 振動応力演算装置７に入力される。この翼・翼車振動応
力演詐装若７は振動応力記憶装置７ａと振初応力ｇｌ［
ｌｌ１７ｂとから構成され、車＠３の該当部位における
実測捩り角度振幅θａｉの入力からある振動数で軸捩り
振動しているタービンロータ１ａをＭＡｔＢ．する翼１
ｂおよび翼車１Ｃの振動応力を算出ずる演算装置である
。

翼・央車振動応力演算装置７では、予め有限要素法等の
振動応答解析手法を用いて、ある加振トルク（通常は単
位加振トルク）を発電機に与えて、計算された舅１ｂお
よび翼！Ｊ！ＩＣ各部の舅・軸連成捩り振動による振動
ら答応力σ　と、ある基準ｒ１ 部位（Ｉｆ軸３または翼重１Ｃの基準部位〉等での捩れ
角度振幅θ，１を、振動応力記慎装茸７ａに記憶してお
き、実際に角度振幅演粋器６Ｃにより検出演算された当
該基準部位の実測捩り角度振幅θａｉと前述単位加振ト
ルクでの値θ，ｌとの比率α　を演算して、前述振動応
答応力σ，ｉにαｉを１ 乗じることにより”Ａ　１　ｂ　Ｊ３よび判中１Ｇ各部
の首・軸連成捩り振動による振動応答晦力σ，を篩出す
る。

翼・翼車振動応力演Ｏ装冑７で演筒され、咋出された翼
１ｂおよび翼中１０各部位の振動応力σ′，ｉ（データ
出力）は寿命評（ｉｆｆｉ演算装置８に入力される。寿
命評価演算装置８は買・翼車振動応力演算装置７からの
データ〈σ′，ｉ）出力等から予め有限要素法等の応力
解析手法によって計算されたＭ１ｂおよび翼車ＩＣ各部
の遠心応力データ（回転場での静応力データ）や材料の
疲労強度データを基にして第１０図に示すような修正グ
ッドマン３９図上に？ｊ１ｂおよび翼車ＩＣ各部の応力
振幅や平均応力をプロットし、それらを表示監視器９に
出力表示する。

さらに、寿命評価演算装置８は翼１ｂおよび９２ｌｉ１
　Ｇ各部の疲労寿命をマイナー則あるいは修正マイナー
則等の方法により算出して消費寿命と残余スｔ命を求め
、第１１図に示すように、現時点までの疲労寿Ｑｉ（実
機ｌ５命）を、縦軸に応力振幅、横軸に繰返し数をとっ
たＳ−Ｎ曲線（ｒ￥命曲線）上にプロットし、その寿命
評価図を表示監視器９上に出力表示する。

表示監視器９に表示された寿命評価図に基づいて問題と
なるｌＪｌｂおよび黄車１Ｃの舅・軸連成捩り振動によ
る高サイクル疲労損ｆｆｌおよび余寿命等を監視評価す
るようになっていた。

しかして、央・軸連成捩り振動は発電機に発生する電気
的＠初トルク（不均衡電気トルク）によって生じる励振
力に起囚しており、この翼・軸速成捩り振動による振動
応力が問題となるのは主に低圧タービンの最終段落の長
翼である。問題となる周波数は電力系統周波数（５０Ｈ
Ｚあるいは６０　１−Ｉ　Ｚ　）の２倍周波数であり、
これは長兎の翼艮が長いために、長翼の機械的固有振動
数が電力系統周波数の２倍周波数近傍に存在するためで
ある。

電力系統周波数の２倍に相当する周波数トルクを昆生さ
せるのは、５ｔ′Ｍ電機２のいわゆる逆相雷流（周波数
が同じで回転方向が逆向き＞１２である。

（発明が解決しようとする課題） 従来の回転体の舅・軸連或捩り振８監視装置では、問題
となる発電機の不均衡電気トルクが電力系統周′？Ｉｌ
数の２＠の雷気的振動トルクのみであるのに対して、全
周波数領域の電気的振動トルクに対応できるように余剰
な演算およびデータ所持を行なっている。例えば、周波
数分析器４ｄや軸捩り角度演算装慟６はあらゆる周波数
成分のデータに対して演０処理できるｆ！Ｍ能を持たせ
ており、全体的なシステム構成が非常に複雑化しており
／、かつオンラインで処理するデータ量が多過ぎ、デー
タ処理が面倒で長時間を要していた。

また、歪ゲージ４ａや送信器４ｂが回転体である車軸３
上に取り付けられているため、信頼性や保守性の上で問
題があり、さらに、周波数分析器４ｄｌにフィルタを用
いているが、このフィルタ等の使用による時間遅れが、
問題とする振動周波数検出精度に悪影響を及ぼすおそれ
があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シス
テム構成を簡素化するとともにオンライン処理データ吊
を少なくして回転体の寿命評価、監視を効率的に行なう
ことができる回転体の翼・軸速成捩り振動監？ｌ５２装
置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、回転体上に検出器を設茸す
る必要がなく、信頼性や保守性の向上を図ることができ
る回転体の翼・軸連成捩り振動監？Ｊ！装置を提供する
にある。

さらに、本発明の他の目的は、周波数分析器を不要にし
、フィルタ等による振動周波数検出精度に悪影響を与え
ない回転体の翼・軸連成捩り振動監視嘔慟を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本允明に係る回転体の翼・軸連成捩り振動監視装置は、
上述した課題を解決するために、発電機からの出力線に
逆相雷流を検出する電流検出器と、検出された逆相電流
から逆相電流値およびその継続時間を演算する逆相電流
演尊器と、この逆相電流？ｊｉｉ算器からの逆相電流信
居を入力し、製および翼ＩＪ等の回転体に生じる振動応
力を枠出する関・翼市振動応力演算装置と、上記回転体
の振動応力と逆相電流継続時間とから回転体の寿命を演
算・評価する寿命評価演ｃ７装置と、この寿命評価演算
装置で演算・評価ざれたデータを外部出力する表示監視
器とから構成したものである。

また、本発明の回転体の競・軸連戊捩り振動監視８置に
おいては、従来技術が有する課題をＷＥ決するために、
翼・翼車振動応力演惇装置は、逆相電流演鐸器からの逆
相Ｎ流信号が入力される振動応力演算器と、規定の逆相
電流による振動トルクを加えたとき、買および饗車各部
の振動応力対軸捩り周波数の関係データを予め収納した
データ収納部とを有し、前記振動応力演Ｑ器はデータ収
納部からの振動応力データ値と逆相電流信号とを入力し
て翼および兎車に生じる振動応力を０出するようにした
ものである。

（作用） この回転体の翼・軸連成捩り振動監視装首は、発電機に
発生する不均衡電気トルクが逆相電流によるｆｆｌ（′
Ｆｉ流値および継続時間）であると考えて検出するデー
タ堅を発電機出力線からの逆相゛市流に限定し、この逆
相電流のＰＵ値と経過時間とから問題とする凶および買
車該当部分の振動応力および寿命を咋出し、評価するよ
うにしたちのである。

この弯・軸連成捩り振動監視装愉は、検出はを逆相電流
に限定しているため、取込みデータはが少なく、システ
ム構成を簡素化して問題とする翼および買中等の回転体
部位の寿命評価、監視を効率よく正確に行なうことがで
きる。

また、この買・軸連成捩り振＠監視装置は、逆相電流を
検出するだけでよく、電流検出器を回転体上に設置する
必要がないから、信頼性や保守性の向上を図ることがで
き、また、周波数分析器を不要としたので、振動周波数
検出に時間遅れがなく、リアルタイムで正確な振動周波
数検出を行なうことができる。

（実施例） 本発明に係る回転体の翼・軸連成捩り振＃Ｊ監視装置の
一実施例ついて添付図面を参照して説明寸る。

第１図は本発明の回耘休の翼・軸連或捩り振動監視装置
をタービン発電機の車軸振動検出用に適用した代表例を
示し、図中符号１０は低圧タービン（ＬＰＩ）である。

低圧タービン１０は実際の商用発電所においては複数台
（ＬＰ１．ＬＰ２，ＬＰ３・・・）±２防されるが、″
；５１図は１台のみを概略的に例示する。低圧タービン
１０は車軸１１を介して発電機１２、代表的には三相交
流発電機に連結ざれ、この発電機１２を回転駆動さける
ようになっている。侭圧タービン１０のタービン口ータ
１３はタービン軸１３ａに固定された翼車（口−タホイ
ール）１３ｂに多数の翼１３Ｇを周方向に列状に植設し
て構成される。

一方、発電機１２から発電機出力線１４が延設されてお
り、この発電機出力線１４は電力系統線１５に各相毎に
接続される。発電機出力線１４の途中には各相毎に電流
検出器としての変ｉ器１６ａ，１６ｂ，１６ｃがＫＱ　
ｆｆｉされ、この変流器１６ａ，１６ｂ．１６ｃにより
逆相電流が検出される。

変流器１６ａ〜１６Ｇは翼軸連成捩り振初若視装直１８
の逆相電流演惇器２０に接続され、検出された電流信号
が逆相電流演算器２０に入力される。

逆相電流は翼・軸連成捩り振動に重大な彰費を及ぼして
いる翼・軸連成捩り振動は発電機の電気的振動トルクに
よって生じる励振力に起因することが知られている。こ
のτｑ−軸速成捩り振動による振動応力が問題となるの
は、回転体としての低圧タービンの最終段舅（長翼）で
あり、問題とする共振周波数は電力系統周波数の２倍周
波数である。低圧タービンの長買は翼良が長いために、
その機械的固有振動数が電力系統周波数の２倍周波数付
近に必然的に存在する。そして、電力系統周波数の２倍
周波数に相当する周波数トルクを発生させるのは、逆相
電流であることがわかってきた。

したがって、この逆相電流の雷流債や継続時間を検出す
れば、翼および男車の実ｉ寿命を予測し、評価すること
ができることがわかる。

逆相電流演算器２０は変流器１６ａ，１６ｂ，１６Ｃの
検出電流により逆相電流ｊｚの絶対電流｛直Ｊ３よび継
続時間を検出演算する。逆相電流ｒｚは三相交流発電機
１２の各相に流される周波教が同じで回転方向が逆向き
の電流である。逆相電流演算器２０からの逆相電流信８
は翼・翼市振動応力演算￥１置２１の振動応力演＄３３
２２に入力される。

翼・翼車振動応力演算装置２１は振動応力演淳器２２と
データ収納部２３とから構成されている。

データ収納部２３は、低圧タービン１０の翼１３Ｃおよ
び翼車１３ｂに単位逆相トルクを加えた場合の，７ｉ＠
捩り振動数に対する振動応力値の関連データを予め収納
しておく部分である。このデータ収納部２３には単位逆
相トルクを加えた場合に、低圧タービン１０の翼１３ｃ
および翼車１３ｂが問題とする共振周波数やこの周波数
での振動応力値を、有限要素法等の振ｖＪ解析手法によ
る解析または実トルク印加試験データに基づき予めイン
プットざれる。

データ収納部２３からの振動応力データ値σ２の信号お
よび逆相電流演痺器２０からの出力信号（逆桁雷流信号
）Ｊｚは振動応力演ｎ器２２にそれぞれ入力され、この
演桿器２０は問題とする逆相電流■ｚが流れたとき、１
１３ｃおよび翼車１３ｂの該当部位の振動応力値σを演
鐸により算出するようになっている。振動応力演緯器２
２は逆相電流のＰｕｐ　（定格出力値に幻する比率）を
求め、このＰｕ値を、データ収納部２３に予め記憶され
ているタービン長翼各部の単位Ｐｕベースでの振動応力
値に乗ずることにより、問題とする翼１３Ｇおよび翼車
１３ｂ部位の振動応力値を求めることができる。

閃・翼車振動応力演算装置２１で演樟された翼１３Ｃお
よび舅１ｉ１Ｉ１３ｂ各部位の振動応力値はスｔ命評価
演惇装置２５に入力される。この寿命評価演算装置２５
は例えば第２図に示すように振動応力値σ，を入力して
予め記憶されている遠心応力データを基にして修正グッ
ドマン線図を作成して現在の応力状態を示ず点（実機応
力Ｐ〉を図示にプロットし、この実機応力Ｐを表示監視
４２６で第３図に示すように図形出力する。この第３図
は修正グッドマン線図を用いた疲労限度表示を表わすも
ので、符号Ａは疲労限度線である。

また、寿命評価演算装置２５は問題とする翼１３Ｃおよ
び翼車１３ｂの振動応力値σ．と：逆相電流が流れてい
る時間とＥｉ１３ｃおよび翼車１３ｂ該当部位の共振周
波数ｆとから求めた応力繰返し回数とから、ｌＮ１３ｃ
および翼車１３ｂ各部の実機寿命Ｑを締出し、この実機
寿命Ｑを第４図に示すようにＳ−Ｎ曲線（寿命曲線〉Ｂ
上にプロットし、出力表示している。

寿命評価演算装置２５で翼および翼車該当部分の実機応
力Ｐや実機寿命Ｑが演算により算出され、算出された実
機寿命Ｑは表示監視器２６に第５図に示す形で表示する
こともできる。表示監視器２６はタービンロータ１３の
加振試験により振動応力に対応する逆相Ｎ流ＩＺのＰｕ
値を換算しておき、縦軸に逆相電流Ｐｕｆｉｌｌが、横
軸に応力繰返し回数の代りに等価な逆相雷流Ｗ続時間が
採用される。一方、表示監視器２６の表示画面には寿命
曲線（Ｓ−Ｎ曲線〉Ｂから所要の裕度を持たせた寿命警
報曲線Ｃが表示される。

そして、実機寿命Ｌが寿命警報曲線Ｃを超過した時点で
警報表示が行なわれ、場合によっては、表示監視器２６
からタービントリップを行なう１言弓が出力されるよう
になっている。実機寿命しは表示監視器２６に必要に応
じて記録され、再生可能となる。

また、第５図に表示されるｉｉＩｊ面において、発電機
１２に逆相電流が流れた度毎に、逆相電流Ｐｕ値と逆相
電流継続時間の梢ロをもって寿命と評価する場合には、
寿命腎報曲線Ｃはある程度余裕をもって設定するのが望
ましい。

なお、翼・軸捩り振動の振動モード図は第８図に示す従
来の振動モード図と実質的に異なることがないので省略
する。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る回転体の買・憎連成捩
り振動若視装置は検出ａを電流検出器からの逆相電流に
限定しているため、取込みデータ噛が少なくシステム構
或を簡素化することができ、問題とする翼およびた市等
の回転体部位の寿命評価、監視を効率よく簡単かつ正確
に行なうことができる。

また、この翼・軸連成捩り振動監視装置は電流検出器を
発電機出力線に設悌し、回転側に検出器を設置する必要
がないから、信頼性や保守性の向上を図ることができ、
さらに、周波数分析器を不要としたので振動周波数検出
に時間遅れがなく、リアルタイムで正確な振動周波数検
出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る回転休の翼・軸連成捩り振ＩＪ監
視装置の一実施例を示す図、第２図は上記誓・軸連成捩
り振動監視装置の演０部の具体例を例示的に示す図、第
３図は修正グツドマン線図を用いた疲労強度表示を示す
図、第４図は低圧タービン等の実ｍ寿命をＳ−Ｎ曲線上
へ表示して示す図、第５図は逆相電流による寿命評価図
、第６図は従来の翼・軸速成捩り振動監視装置を示す図
、第７図は車軸への歪ゲージの取付状態を示す図、第８
図は低圧タービン等の翼・軸捩り振動の振動モード図、
第９図は隆正グッドマン線図を用いた疲労強度表示を示
す図、第１０図は低圧タービン等の実機寿命をＳ−Ｎ曲
線上へ表示して示す図である。 １０・・・低圧タービン、１・・・車軸、１２・・・発
電機、１３・・・タービン口ータ、１３ａ・・・タービ
ン軸、１３ｂ・・・翼車、１３ｃ・・・翼、１４・・・
発電機出力線、１５・・・電力系統線、１６ａ〜１６ｃ
・・・変流器（電流検出器）、１８・・・買・軸連成捩
り振動監視装置、２０・・・逆相電流演算器、２１・・
・関・翼車振動応力演算装若、２２・・・振動応力演算
器、２３・・・データ収納部、２５・・・寿命評価ｖ４
算装置、２６・・・表示監視器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発電機からの出力線に逆相電流を検出する電流検出
   器と、検出された逆相電流から逆相電流値およびその継
   続時間を演算する逆相電流演算器と、この逆相電流演算
   器からの逆相電流信号を入力し、翼および翼車等の回転
   体に生じる振動応力を算出する翼・翼車振動応力演算装
   置と、上記回転体の振動応力と逆相電流継続時間とから
   回転体の寿命を演算・評価する寿命評価演算装置と、こ
   の寿命評価演算装置で演算・評価されたデータを外部出
   力する表示監視器とから構成したことを特徴とする回転
   体の翼・軸連成捩り振動監視装置。 ２、翼・翼車振動応力演算装置は、逆相電流演算器から
   の逆相電流信号が入力される振動応力演算器と、規定の
   逆相電流による振動トルクを加えたとき、翼および翼車
   各部の振動応力対軸捩り周波数の関係データを予め収納
   したデータ収納部とを有し、前記振動応力演算器はデー
   タ収納部からの振動応力データ値と逆相電流信号とを入
   力して翼および翼車に生じる振動応力を算出するように
   した請求項１記載の回転体の翼・軸連成捩り振動監視装
   置。