JPS6111406A - タ−ビン振動監視装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、蒸気タービン・発電機のような高速回転機械
の軸振動を測定監視する振動監視装置に係り、特に地震
発生時において不必要にタービントリップ等が起らない
ようにしたタービン振動監視装置に関する。

〔発明の技術的背景おＪ：び問題点〕

発電プラント等で使用される蒸気タービン等の高速回転
機械の運転において最も重要なことは、イの軸振動を全
ての運転状態において適正なレベルに抑えることである
。

ところで、軸振動過大の徴候は、タービン起動時や負荷
変化時に現われることが多く、撮動は一般的な数多くの
運転監視項目の中でも特に厳重な監視が要求されている
ものの一つである。

また、原子力発電プラントは大容量化の進展とともに、
日本国内のベースロードとしての重要な役割を担ってい
るため、その主要機器であるタービン・発電機等の回転
機械の信頼性向上が一段と強く要求されるに至っている
。したがって、回転機械の信頼性の指標である振動の計
測は極めて重要であり、そこで使用される振動唱も信頼
性の高いものでなくてはならない。同様に振動語をセン
サーとする振動監視装置も高信頼性を有するものでなく
てはならず、例えば振動計の誤動作等で蒸気タービンが
緊急停止するようなことがあれば、社会生活に困難を与
えることは必至であり、振動監視装置の構成には十分な
注意が必要である。

このような観点から、火力発電プラントおよび原子力発
電プラントで用いられている蒸気タービン発電機には、
タービンロータ、発電機ロータの軸振動を常時監視し、
その振動振幅値が或値以上になると警報を発して運転ｄ
にその異常を知らせる自動警報装置、或は振動振幅値が
さらに大きくなって設定値以上になると、蒸気タービン
の入口蒸気＋）め弁を急閉させることによって自動的に
トリップ（運転停止）させる自動トリップ装置が安全上
設置されている。

第１図は、タービン発電機の一般的な振動計測点を示す
図であって、高圧タービンロータ１、低圧タービンロー
タ２、および発電機ロータ３は、一本の軸系としてフラ
ンジ結合され、各ロータ胴−４一 部の前後のジャーナル部４において軸受５によって支承
されている。

ところで、上記軸受５に第２図に示すように通常振動計
６が装着されている。ずなわち、基礎台７−Ｌに設置さ
れた軸受台８に上記振動計６の外筒９が固着されている
。上記外筒９内にはバネ１０によって軸受５内に付勢さ
れた検出杆１１が同心状に設けられ、その検出杆１１の
先端がジャーナル部４に圧接され、さらに上記検出杆１
１の基端に検出器１２が装着されている。

しかして、ジャーナル部４が振動すると、それに接触し
ている検出杆１１によりその振動が検出器１２に伝達さ
れる。上述の如き接触型の振動計６では、検出器１２は
普通速度計或は加速度計で構成されているため、ジャー
ナル４の絶対振動を検出杆１１を介して速度或は加速度
として検出することができる。そこで、上記振動ｆｆｌ
　６からの出力は積分器１３により積分され変位信号に
変換される。なお、振動計１６の型式としては軸受台８
とジャーナル部４どの相対変位の変化を直接検出できる
変位計を使った非接触型のものらある。ところで、上記
変位信号は整流器１４により整流され、変位の絶対値で
ある振動振幅変化に変化された後比較判断装置１５に入
力される。

上記比較判断装置１５には振幅信号を予め定められた振
動制限値すなわら警報値或は停止り値と比較する演算回
路が組込まれており、ジャーナル部４の振動振幅が警報
値以上になると、警報装置１６に警報信号を出力し、さ
らに振幅が増大し停止り値以上になると、トリップ装置
１７に停止信号を出力する。そこで警報装Ｆｆ　１６或
はトリップ装＠１７は、それぞれ上記比較判断装Ｎ１５
の出力に応じて警報を発して運転員に異常を知らせ、或
はタービン発Ｎ機をトリップさせる。

上記比較判断装置１５は、各軸受５に装着された振動計
６に対応して設けられており、各比較判断装置１５の出
力信号が第３図に示すようにそれぞれ共通の警報装置１
６およびトリップ装＠１７に入力されるようにしてあり
、一つの振動監視装置が構成されている。

このようなタービンにおける振動監視装置は、ロータの
不釣合Ｓ仙、ラビング、オイルホイップ、スチームホワ
ール等のタービン発電機自身の内的要因に起因して発生
ずる振動に対して、タービン発電機を保護し、安全性を
向上させることが主目的となっている。ところが、振動
計６は第２図のように取付けられた絶対振動Ｒ１である
ために、ジャーナル部４が振動したときのみならず、軸
受台８を含めた全体が振動しても、その振動を感知する
ことになる。このような現象は相当に大きな外力が作用
しない限り発生しないけれども、無視し得ない場合とし
て地震時等がある。

ところで、一般に軸受台８は、第４図に示すように、基
礎台７に固定されており、その基礎台７はマット１８上
に据付りられ、さらにそのマット１８は地盤１９上に載
置されている。したがって、地震が発生すると、その振
動は地盤１９よりマット１８に伝わり、さらに基礎台７
を介して軸受台８およびジャーナル部４が加振される。

このタービン・発電機とタービン基礎台からなる振動系
をモデル化すると、第５図に示すように、第１図におけ
る高圧タービンロータ１、低圧タービンロータ２、およ
び発電機ロータ３の合計質ｍに相当する質量２０と、タ
ービン・発電機基礎台７の剛性に相当するバネ２１と、
減衰項を代表するダンパー２２とからなる一般的なバネ
質量系に置きかえることができる。上記ロータの合計質
量に相当する質量をＭ１バネ２１のバネ定数をに１ダン
パー２２のダンピング係数をＤとすると、マット１８に
付加される外力Ｘ　　＝Ａ□Ｓ！ｎ（１）ｊに対するタ
ービン・発電機の応答は、入力振幅Ａ。

に対する応答振幅Ａ２の比率で表わすど、次に示すよう
になる。

ここで、 η−−〇 θ）ｏ：タービン発電機を含む基礎台系の固有振動数 減衰が小さい系であると、Ｉ！Ｉ震波が右する周波数成
分と基礎台系の固有振動数が一゛致した場合、＝　　８
　− すなわちη−１の場合、基礎台の上に載っているタービ
ン発電機の振動は大きくなる。その加振力は、基礎台７
の振動特性に依っても異なるが、マット１Ｂでの加振力
の２〜５倍程邸にまで達することがある。また、振動翳
］６は軸受台８全体が振動しても、その振動変位を感知
Ｊ−るようになっているため、地震のような外力が基礎
台に働いても、その振動変位量が停止（１ｈに達した時
には、やはりトリップ装置１７に停止信号を出し」−記
タービンがトリップすることになる。

振動変位と加速度め関係は次式で表わされる。

δ−αＸ９８００／（２πｆ）　　・・・・・・（２）
ここで、　δ：振動変位 α：加速度 ｆ：周波数 この式かられかるように小さい加速度であっても周波数
が低い場合には大きな変位が生じる。例えば、加速度が
０．０りＧ、周波数が５Ｈｚとするとその変位は０．５
ｍとなる。前述のｊ；うに、基礎台を伝わることにＪ：
って地震波は増幅されて軸受台７に入力されるが、例え
ばその振動応答倍率が２であると、マット１８が０．０
２５Ｇの地震動で加振されるとき、軸受台７は０．０５
Ｇで加振され、その変位が０．５１１１ｎまで増幅され
ることになる。したがって、これが停止値を越えていれ
ば、比較判断装置１５は停止信号を出力し、蒸気タービ
ンはトリップしてしまう。地震波には多くの周波数が含
まれ、（１）式かられかるようにそれぞれの周波数によ
って振幅応答倍率も異なるため、このような単純な計算
では十分ではないが、この検討結果は少なくとも０．０
２５ＧＰｉ［の小さな地震が生じても蒸気タービンがト
リップし、プラントからの送電が停止上するという可能
性を示すものである。

以上は、振動計６が地震波或は増幅された地震波を軸受
台８を介して直接感知してトリップに至る場合であるが
、このほかこの地震波が軸受台８への加振力となり軸受
５とロータジャーナル４との間に強制外部変位を与えた
結果どして誘起される一時的な大振幅によりトリップ値
に至る場合がある。

後者の現象は最近の事例解析により明らかになったもの
であり、前者に対する処置が完全であったとしても以前
として地震による不用意なタービントリップの可能性が
残っていることになる。一方、ベースロードを担ってい
る大容量タービン・発電機が不必要にトリップした場合
には、電力系統に及ぼす影響が極めて大きく、広域全停
電事故に発展して、社会的混乱を招く。

したがって、例え地謂時といえどもイれによって発生す
る軸振動現象に的確に対処できるようなタービン振動監
視装置が要望されるようになった。

（発明の目的〕 本発明はこのような点に鑑み、地震の発生によって不必
要にタービントリップが生ずることがなく、タービント
リップの機会を必要最小限にとどめることができるＪ：
うにしたタービン振動監視装置を得ることを目的どする
。

〔発明の概要〕

本発明は、回転軸の振動を連続的に検出する振初検出装
置と、その振動検出装置より検出された振動信号を予め
定められた振動制限値ど比較し、上記振動信号が振動制
限値を超えた場合に、ユニットを自動的に停止させるた
めのトリップ信号を出力する比較判断装置と、そのトリ
ップ信号を入力してユニットを自動的に停止させる自動
トリップ装置を有するタービン振動監視装置において、
前記振動検出回路が、タービン・発電機の主として起動
時のような回転上昇時に使用される起動用回路と、主と
して系統併入以降に使用される負荷運転用回路の２系統
で構成され、少なくとも負荷運転用回路には上記振動検
出装置で検出された振動信号の特定の周波数域をカット
するフィルターを有し、比較判断装置と自動トリップ装
置との間には、前記起動用回路と負荷運転用回路の各々
の特性から定まり、かつそれらの回路に対応して一定時
間トリップ信号を停止させるタイマーがそれぞれ介装さ
れ、これらの２組の回路とタイマーの組合せがタービン
・発電機の運転条件に応じて切替えられるようにしたこ
とを特徴とするものであって、地震動ににる軸振動増加
に対して不用意なトリップ作動が防止され、ちょっとし
た地震でタービン・発電機がトリップするようなことが
ないようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、第６図乃至第２０図を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。なお、図中前記従来装置と同一部分に
は同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第６図は本発明のタービン振動監視装置の一実施例を示
す概略系統図であって、検出器１２と積分器１３との間
に、地震波の卓越周波数成分以下をカットするフィルタ
ー（地震フィルター）２３とタービン・発電機軸系の最
低次固有信号数以上の周波数成分を通すフィルター（低
周波カットフィルター）２４との並列回路が介装されて
おり、さらに比較判断装置１５とトリップ装置１７との
間に、上記２つのフィルター２３．２４の特性に対応し
た一定時間だけトリップ信号のトリップ装置への入力を
停止するように設定された２つのり、　イマ−２５，２
６の並列回路が設【ノられ、これら’）（７）２□１．
フイい−お、イＶ−ｏ１１６ｉｑ＠１．−′二□ビン・
発電機の運転条件から定まる外部信号２７を検出する外
部信号検出器２８からの切替信号によって切替器２９、
および３ｏを作動させて、切替使用するように構成され
ている。ぞして、タービンの起動時においては上記地震
フィルター２３とタイマー２５が振動検出回路に挿入さ
れ、定格回転数運転時においては、低周波カットフィル
ター２４とタイマー２６が振動検出回路に挿入され、そ
れによって地震波域はそれにょるロータの応答振動を除
去するようにしである。

すなわち、一般に振動監視装置に要求される特性は、で
きるだけ実際の振動波形に近いすべての周波数領域の振
動信号を正確に検出して監視することである。したがっ
て、この特性をそのま）振動監視装置に実現させると、
前述の如く地震時においては検出器そのものが地震波を
直接検出するか、或はこの地震波に応答して発生するロ
ータ軸系の一時的な大振幅を検出することによって振動
大ｌ−リップに至ることになる。

そこで、本発明においては、地震フィルター２３どタイ
マー２５、或は低周波カットフィルター２４どタイマー
２６を振動検出回路に選択的に挿入し、地震波或はそれ
によるロータの応答振動を除去して、トリップ装置が不
用意に作動することがないようにしである。

しかしながら、振動監視装置としては、このような付加
要素を設【づたことによって機械自身からの異常を知ら
せる異常振動のものの監視を妨げてはならず、これらの
付加要素の特性すなわちどの周波数以下をどれ位の時間
だけ除去するかが問題となってくる。これらを決定する
ためには、地震波の特性のみならず一般的な或は地震波
に応答して回転機械に現われる振動の性質、特にそれら
の周波数成分を知る必要がある。

このうち地震波は、タービン・発電機が設置されている
地盤の構造や地震波の発生位置（深さ、距ｌ１ｌＩｔ）
等の種々の要因に影響を受Ｇｊるが、現在まで経験され
た地震波は第７図に示すようにだいたいＯ〜２０Ｈ２の
周波数範囲にあり、この中で３〜８Ｈ２程度の低周波成
分０）。が申越していることが一般的に認識されている
。

一方、タービン・発電機に発生する機械自身に起因する
振動の大部分は何らかの原因によってロータに発生した
アンバランスｍに起因する振動と自励振動である。前者
は機械の運転回転数と同一の周波数をもった回転同期成
分が主体となっており、火力タービンでは５０Ｈｚ、６
０ｆ−１ｚであり、原子力タービンでは通常４極機を採
用することから２５）−１ｚ　、３０１−（ｚである。

この振動はパネルの飛散、或はロータの曲り、アライメ
ントの変化、静止部との接触等機械の異常が敏感に現わ
れるもので、振動監視上重要な因子である。また、自励
振動で代表的な例は軸受の油膜特性に起因するオイルホ
イップ現象で、一度発生すると持続する特性があり、ま
た振幅の烈しい振動で時には軸受の損傷や軸自身の破壊
に至る恐れがある。第８図はこの現像が発生したどきの
振動の周波数分析を示す図であり、この軸系の最低次危
険速度（Ｃ）、で振動する性質をもっている。号なわら
、現在使用されているタービン・発電機の最低次危険速
度は原子力タービンでは１０　Ｈｌ近傍、火力タービン
で２０　＋−Ｉ　２以十であることから、それぞれ上記
周波数で振れ回ることになる。

これに対し、地震時にお（）る軸の挙動を解明すること
は、実機４測が極めて困難であるから精度の高いシコミ
レーション試験が必要となる。第９図はこのような解析
結果の一例であり、地震波が軸の直角方向から入力して
きたときのロータの振動応答を理論的に求めた応答波形
ｄを示したらのであって、縦軸がジャーナル部４と軸受
５との相対変位、すなわちロータの振動値を表わし、横
軸は時間を示している。また、第１０図はこの応答波形
（１０周波数分析値を示し／ｊものである。

この図から地震時には、定常時のアンバランス振動であ
る回転同期成分０）　に、この０）。にり遥かに振動が
大きくかつ地震が持っている中越周波数ω　に近い低周
波成分ω１と、これに軸の固有振動数ω　と応答してい
る成分θ）２が現われることがわかる。そして、一般的
に０１１ωｏ、（ｉ）２一〇）。の関係が成り立つ。

以上の解析結束から、タービン・発電機として常時監視
すべき周波数は対象とするロータ系のｔｆｉ低次固有振
動数以上であるということができる。

すなわら、第８図において自励撮動周波数であるω　と
回転周期成分でＡｊるω。、さらには第１０図にお１−
する地震応答振動周波数０）２）θ）、が監視できれば
、定常運転中の振動監視は１−分であることになる。

これを第１１図で説明すると、斜線部Ｘは領域が軸振動
計として常時監視する必要がある領域で、実線ｆが地震
波に一般的に含まれている周波数ごとの強さを描いたも
ので、この図から明らかなように、機械地震に起因する
振動のＲ：：祝を妨げないで、かつ地震にｊ；つで発生
する低周波数成分の軸振動０）１を除去４る方策どして
は、λ１象と＜７るロータ系の最低次固有振動数ω。に
できるだけ近い周波数以下を除去するフィルター（低周
波カットフィルター）２４が一番良いということにシＴ
る。

しかしながら、フィルターの特性をこのように設定Ｊる
と、起動時の如くタービン発電機の回転上背の際に運転
回転数がフィルターで除去した周波数域にある場合に、
ロータの振動が検出できないいわゆる寵運転におちいる
ことに／ｉる。特に火力ブラン１−の蒸気タービンのよ
うにロータ系の最低次固有振動数が高い１幾械では、こ
の状態が高回転数まで続くことになり好ま［）いことで
はない。

この矛盾１ノだ要求をｆＭ　＞Ｎさ１！るための−ひと
っの手段は、第１１図にお（）る斜線部Ｙだ１１をカッ
トするフィルターすなわち第１２図に示すＪ：うな感度
を持つフィルター（，１１１１震フイルター）２３を使
用することである。

本発明の上記実施例はこのよう２を考慮のもどに構成さ
れｌこし）のであり、このＪζうにすることによって地
震波そのｂのおＪ：びその影響をできるだり少なくし、
かつ振動エネルギが大きくなる６０旧）ｍ（１０Ｈ７）
付近以上の回転数では軸振φ）ｊ値をほぼ完全にに；視
することが可能と４Ｔる。

この場合、６００　ｒｐｍ以下では軸振動の監視が不完
全になることは第１２図から明らかであるが、これは地
震フィルター２３を入れたことにＪ：る周波数特性が、
タービン・発電機の回転上昇時の軸振動監視に対する最
小限の要求を満たすｂのであることによる。すなわち、
６００ｒｐｍ　　（１０ｌ−ｌｚ　）未満の極低回転数
域においては、振動エネルギが極めて小さいことと、例
え振動が直接的に監視できなくとし、起動操作のチェッ
ク等にｊ；って十分カバーできるということがその理由
である。

すなわち、タービン・発電機の全運転状態に対して地震
対策を施こすという前提に立った場合、タービン・発電
機の回転上シｌにあたって（よｉｌ！Ｉ震フィシフイル
ター２３１図〕Ｙ　ｆｒｌｌｉｌ　ヲカツｌ−テ＠　ル
フィルター）を使用し、併入後の０荷運転中においては
、低周波カッｌ−フィルター２４（第１１図のＸ領域以
外をカットするフィルター）を使用り−ることによって
、一応その「１的を達成することができる。

ところが、地震フィルター２３にあっては、地震動の主
要成分はカットできるものの、それ以上の周波数成分は
そのまま通すために、軸系がその成分によって共振を起
して振動大となることがあり得るし、低周波カットフィ
ルター２４を使用して′ｌつ地震動力に励起される軸系
の最低次固有振動数成分０）。は除去しされ４′ｒい。

そこで、本発明においては、−１一連のような不都合を
解消づ−るために、比較判断装置１５と１〜リツプ装Ｎ
　１７どの間に、それぞれ地震フィルター２３および低
周波カットフィルター２４の特性に対応した一定時間だ
ｔ−Ｊ　ｔ−リップ信号の［・リップ装置１７への入力
を停止トするように設定され、互いに選択的に作動する
ライマー２５．２６が並列状態に介装されている。

’ｌ　４７わら、上記実施例は、タービン・発電機の安
定運転間１ｌｉｔ　Ｎ料にお（Ｊる１ｌｌｉ　ｆｆによ
る不必要な停止は完全に防１［するが、それ以前であれ
ばある稈、大きな地震或はぞれにＪ：る軸系の応答振動
が大さい場合には、タービンの自動停止を許容するとい
う考え方に基づくものであり、地震フィルター２３に対
応するタイマー２５は、トリップ回路に一般的に使用さ
れる誤信８防１１−用タイマーどして、たかだか２秒以
下の時限に設定されており、一方低周波カットフィルタ
ー２４に対応りるタイマー２６は、地震波に対り−る応
答軸振動の継続時間寸なわち地震自体の継続時間を基準
として、約３０秒程度に設定されている。

しかして、フィルターを通過した振動信号が振動大トリ
ップ（ＩＣ１を越えてし、ぞの■、１間が短時間であれ
ば、タービン・発電機はトリップしないことになり、タ
ービン発電機の不必要イヱ運転停止が防＋Ｌされる。

すなわち、タービン起ｖ１時において（ま１ｌｊ１震フ
イルター２３を通過１〕／ｊ振動信号がタイマー２５の
設定時間以上継続した場合のみ、１へリップ信号がトリ
ップ装置１７に入力され、タービンが停止される。一方
、タービンの起動が完了して負荷運転状態になると切開
器２９．３０によって低周波カットフィルター２７１お
よびタイマー２６が振動検出回路に挿入され、それ以後
は低周波カットフイルター２４を通過した大振動信号が
上記タイマー２６の設定時間以上継続したときはじめて
、トリップ信号がトリップ装置１７に入力されタービン
が停止にされる。

第１３図は本発明の伯の実施例を示？ｌ概略系統図であ
って、前記第１実施例にお（）る地震フィルター２３が
削除されている。

しかして、この場合振動検出回路は、タービンの起動時
から負荷運転に移行（）ｊ、：とき、フィルターなしの
回路から低周波カットフイルター２４の回路に切８器２
９，３（１の作動によって切替えられる。これをフィル
ターの効果からみると、第１４図に示１Ｊように、フィ
ルターなしの状態ａから低周波カットの状態［）へ切替
えられ、一方策６図に示り゛第一・実施例の場合は地震
波ｈツ１への状態Ｃから低周波カットの状Ｑｊｔ　ｂへ
切替えられることになる。Ｌ　ｉこがって、こｌ′１．
らの場合に１，１０−タ系の固有振動成分Ｑ）２以−１
−のみを監視し、地震波応答成分０〉１おＪ：びその高
周波Ｊ：りすその部分をカットできるために、地震の影
響を除去することができる。しかｂこれらの場合、検出
器６が第１０図のような撮動スペクトルを検出するのに
対し、比較判断装置１５に入る振動スベク１−ルは第１
５図のようになり、極めて効果的であることがわかる。

第１６図は本発明のさらに他の実施例であって、第６図
における低周波カットフィルター２４の代りに軸系の定
格回転数成分のみを通すフィルター（バンドパスフィル
ター）３１が設けられており、そのバンドパスフィルタ
ー３１に対応するタイマー３２は、定格周波数成分とし
て現われた責常振動に対するトリップ遅延指令と１ノて
作用Ｊ−ることから、長時間の設定は好ましくなく、４
〜６秒に設定される。その（１１！の点は第６図の実施
例ど同一である。

しかして、この揚含比較判断装買１５への入力は第１７
図のようになって、地震対策どしてはよ＝　　２４　− り効果的と４Ｔる。ところで、この場合の欠点は、通常
運用時に発生するかも知れない第８図のような自励振動
に対して固有振動成分０）。が検出できず無防備になる
ことがあるが、機械の破壊につながるような大振動は、
いずれ定格回転数成分０）。

の増加を伴なうという事実から、若干危険予知に対する
感度がぞこなわれる程度にずぎず問題は４にい。

また、−ｔ−記タイマー３２の設定時間は、地震波が地
盤１９、マット１８、基礎台７、軸受台８、軸受５へと
順次増幅され、最終的にタービン・発雷ＶｓＩ４１１１
に軸振幅大現象どして坦ねれることを考慮し１１この現
象の持続時間を勘案して定められる。

Ｊなわら、一般に地震動の主要動の継続時間は、次式で
示される。

＋（１（＋　　（丁０　）−〇、３ＸＭ−１，２・・・
（３）ここで、−ｒ−ｏ：　Ｉｆ！＋　震動の主要動継
続ｎ、ｖ間Ｍ　：地震の大ぎざ（マグニヂ］−ド）この
式を図式化しＩごものが第１８図であり、例えばマグニ
チュード７では約１０秒間強い地震動が続くことを示し
ている。

ところで、タービン・発電機基礎台７に地震波が入ると
、その地震波が有している周波数とタービン・発電機基
礎台の有している固有値で共振し、この周波数近傍での
地震波成分が増幅される。この増幅の程度は地震波の周
波数成分とタービン・発電機基礎台の特性により責なる
が、一般的に３倍程度である。さらに、タービン・発電
ＩＩ　Ｍ　ｌｉ！ｉ！台で増幅された地震波は、軸受台
、ｌ１ｌｌｔ受、おＪ：び軸受油膜を通り、さらに１．
５〜２イ８増幅され、尼終的にはタービン・発電機基礎
台７に入力される地震の大きさに対し４．５−６倍の大
きさに＜ｉつてタービン・発電機ロータに入る。

ところが、タービン・発電機１］−タに人ってくる強い
地震波は、タービン・発電機基礎台、軸受台等と共振し
た周波数成分であり、この周波数成分を有する強い地震
の継続時間は５〜６秒と短かくなっている。さらに、こ
の増幅された地震波によってタービン・発電機ロータが
軸振勤人現象を生ずるのは、その地震波がタービン・発
電機ロータのクリデカルスピードに近い周波数成分を有
する場合である。通常、地震で問題になり易いのは原子
力タービンのにうに４極機ロータを有するプラントであ
り、１５１−１２近傍にクリデカルスピードを有してい
る。この周波数成分は地震波の主要成分ではない番づれ
ども、構成成分であり、タービン・発電機基礎台の固有
値としてｂ存在する範囲にあるので増幅されるが、増幅
されて持続する時間はたかだか１〜５秒である。すなわ
ち、ｌＩ！！震が介／１−シそれにｊ：ってタービン・
発電機ロータが影響を受ｔノて軸振勤人現象が持続する
時間は、一般的に４〜５秒ということがいえる。

しかして、１述の如ぎ９シ定時間を有する時限タイマー
３２をトリップ信号回路に設【ノることにより、地震発
４ｌ−ｎＹに例えそれが軸振勤人現象時間の間だけ定格
周波数成分を有Ｊ−るとしても機械的にトリップＪるこ
とが回避される。しかｂ　ＩＩ！Ｉ　ｆｆが終るど、タ
ービン・発電１１本体やその他の機器に異常が発生して
いない限り、軸振勤人現象は極めて短時間に収束してし
まうため、その後は正常に運−２７＝ 転されることとなる。一方、もし地震により機器内部に
異常が発生していれば、地震収束後も軸振勤人現象は継
続するため、自動トリップ装置１７にユニットトリップ
信号が出され、タービン・発電機は停止に至り、時限タ
イマー３２の設置により保護機能が損なわれることはな
い。

一方、第６図或は第１３図の低周波カットフィルター２
４に対応するタイマー２６の設定時間は前述の如く地震
の継続時間を基準に決められるが、その値ｔよ第５図に
示されるような第４図の構造物の振動特性以下による。

具体的には第１４図に示す低周波カットフィルター２４
の特性によって、地震動が上記振動特性に基づき増幅さ
れた結果である第１０図のパワースペクトルのうちの地
震応答成分ω２がどのくらいカットされ、かつどの程度
持続されるかを検討して決定すべきであるが、一般的な
基礎台構造に対して、火カニニットでは５〜１５秒程度
、ｍ（子カユニットでは１０〜３０秒程度を考えておく
必要がある。

ここで、注意しなければなら４【いことは、このように
して設定された時間は地震時には良くても通常運転時に
おいてはこの時間だけトリップを遅らせることとなり、
決つして好ましいことではない。

第１９図はこのような欠点をおぎなうための運用方法の
一例を示したもので、通常運転時における比較判断装置
１５からの振勤人トリップ値到達信号は、警報装置１６
から第２０図に示すような通常の振勤人警報値（ＡＮＮ
−１）よりも上位のトリップ警報（ＡＮＮ−２＞として
運転員に伝えられ、運転員の判断でトリップ装置１７を
手動でトリップさせるという考え方をとっている。地震
時においては地震継続中の地震あるいはそれに励起され
る大振動はまず低周波カットフィルター２４によって減
衰されかつタイマー２６によって阻止されるが地震通過
後も振勤人が継続するようであればトリップ装置１７に
よる自動トリップが作動することとなる。

このよう４Ｔ運用方法をとれば通常運用時の自動トリッ
プ機能は運転０による手動トリップの遅れに対するバッ
クアップの意味を持たせることができ極めて合理的なも
のとなる。

第６図、第１３図および第１６図における起動用回路と
負荷運転用回路の切替えはタービン・発電機の運転条件
に応じた外部信号２７を外部信号検出器２８で検出し、
切替器２９および３０を同時に作動させることによって
行なわれるが、そのタイミングは使用するフィルターと
それに対応するタイマーの特性に応じて適切に選択すれ
ば極めて合理的な監視装置とすることができる。

たとえば第１３図の構成では低周波カットフィルター２
４を使用しているので、タービン・発電機の回転数が軸
系の最低次固有振動数を通過すれば、いつでも切替可能
である。従って外部信号２７としては、タービン・発電
機の安定運転到達言い換えると、地震が来てもトリップ
させたくない運転状態に対する考え方に応じて同転数計
（図示せず）からの最低次固有振動数負荷信号あるいは
定格回転数到達信号、または系統しゃ断器（図示せず）
からの系統併入信号等が使える。

ところで、比較判断装置における通常運転用振動制限値
は、前述の如くロータ系の不均合振動、ラビング、オイ
ルホイップ、スチームホワール等の内的要因に起因する
振動増加に対して、蒸気タービン・発電機を保護するこ
とを目的とし、通常振動レベルからの一ト胃傾向をでき
る限り早期に発見するために、ロータ系を支承する軸受
の強度限界よりもずっと低目に設定されるのが酋通であ
る。

すなわち、一般的に大振動の危険性は回転部と静止部の
接触にあり、ロータの局部加熱の結果として生じるロー
タの熱面り現象によってその傾向が発散性を帯びてくる
ため、通常運転用振動制限値はできるだｔ−Ｊ低く設定
されている。

これに対し、地震時におけるロータ系の応答は、第５図
のような振動系が安定位置から強制外部変位を与えられ
た場合に相当するが、通常の設計によるタービン・発電
機軸系の振動特性は剛性が極めて高く、ロータ系と軸受
および軸受台は一体となって動くことが解明されている
。このような場合には、振動計が地震動を検出しないよ
うに振動ｎ１側で処置すればよいが、地震動がそのまま
ロータと軸受との相対撮動として現われる場合は、第５
図で示される振動１１の固有振動数が８〜１０Ｈ７とい
われる地震の卓越周波数に比較的近い場合であり、この
ときロータは一時的ではあるが、地震波と固有振動数に
相当する周波数の重畳された波形を有し、通常運転用制
限値トリップ値を超えるような大振動を惹き起すことに
なる。このような例は４極機の大容量蒸気タービン・発
電機で見られ、定格回転数が１５００或は１８００ｒｐ
ｍのユニットであることから、１２〜１５１−１ｚ近辺
に固有振動数をもつことが多く、したがって地震の影響
を大きく受は易いことになる。

ところが、地震時の大振動は、振幅値としては軸受間隙
に匹敵するほどの大きさになることもあるけれども、そ
の周波数は地震波動の周波数あるいは系の固有振動数で
あることから、定格回転周波数よりも十分低いという特
徴を有する。したがって、この振動によってラビングを
生じたとしても、回転同期成分を有しないためにロータ
の局部加熱には結びつかず、曲りには至らない。このよ
うに地震波ににって励起される大振動は、地震動が収束
すれば収束することとなり、発散性の撮動現象に発展す
る恐れはほとんどなく、極めて安定な性質を有するとい
うことができる。

そのため、この場合の安全運転の限界を与えるものはロ
ータ系を支承する軸受側の強度であり、通常運転用制限
値に対して十分余裕を有していることから、地震波によ
って起こされる大振動に対してこのような通常運転用振
動制限値を適用する必要はなく、したがって、この大振
動を検出しないようにしたり、検出したとしても自動ト
リップに至らないようにしても何ら安全性は損なわれな
いことになる。前者の手段が低周波カットフィルター或
はバンドパスフィルターに相当し、後者の手段がタイマ
ーに相当する。

また、起動用回路から負荷運転用回路への切替えに際し
ては、第６図に示す第一実施例では起動用回路にも地震
フィルター２３が設けられているので、中稈庶以下の地
震ではトリップするおそれはなく、第二実施例はど急ぐ
必要番、１ない。一方、第三実施例においては、負荷運
転用回路にバンドパスフィルターを使用しているので、
切替えは当然定格回転数到達以降のタイミングで行なう
必要がある。

なお、起動用回路から負荷運転用回路への逆切替えは、
上述の正切替えのタイミングの逆のタイミングをとれば
より、それぞれ正切替えのタイミングに応じて発？Ｉ［
の系統からの１ｌｌｌ説、定格回転数からの回転時下開
始、回転降下にあたりロータ系の最低次固有振動数通過
時等を採用し、次回の起動に対処するようにする。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては地震波およびそ
れによってタービン・発電機軸系に励起される大振動の
振動信号を周波数帯域フィルターによって、比較判断装
置に入力される前にカットするとともに、残存の大振動
成分による比較判断装置からのトリップ信号を上記フィ
ルターと対としてその特性に応じて設定された時限タイ
マーで阻止するようにしたので、地震動による軸振動増
加に対して、不用意なトリップ作動を防ぎ、機器の強度
上の設語限界近くまで運転を継続することができる。し
たがって、はんのちょっとした地震でタービン発電機が
トリップすることがなくなり、運転耐用性を著るしく向
上させることができ、より一層安定した電力供給を行な
うことができ、大電力ストツブによる混乱を未然に防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービンの軸系説明図、第２図は振動監視装置
の振動計の軸受への取付構造説明図、第３図は従来のタ
ービン振動監視装置の概略系統図、第４図は基礎台を含
めたタービン発電機の軸受部における縦断面図、第５図
は第４図の装置の振動系をモデル化した図、第６図は本
発明のタービン振動監視装置の概略系統図、第７図は地
震波の周波数成分を示す図、第８図はタービン・発電機
のロータ系の振動特性線図、第９図は地震波形を示す図
、第１０図は地震波の影響を受けたタービン・発電機の
ロータ系の振動特性を示す図、第１１図は本発明による
振動監視の考え方の説明図、第１２図は本発明の一実施
例におけるフィルターの特性線図、第１３図、第１６図
はそれぞれ本発明の他の実施例の概略系統図、第１４図
は本発明におけるフィルターの特性線図、第１５図およ
び第１７図はそれぞれフィルターを通過後の振動特性を
示す図、第１８図は地震の大きさと地震の主要動の持続
時間の関係を示す図、第１９図は手動トリップ作動説明
図、第２０図は警報装置の作動説明図である。 ６・・・振動計、１３・・・積分器、１５・・・比較判
断装置、１７・・・トリップ装置、２３・・・地震フィ
ルター、２４・・・低周波カットフィルター、２５．２
６゜３２・・・タイマー、３１・・・バンドパスフィル
ター。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 第　６　回 １６　目 周界１文（Ｈｚ） 第９　図 −十憂 手　！４　　圀 第　１５　　關

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸の振動を連続的に検出する振動検出装置と、
   その振動検出装置より検出された振動信号を予め定めら
   れた振動制限値と比較し上記振動信号が振動制御値を超
   えた場合に、ユニットを自動的に停止させるためのトリ
   ップ信号を出力する比較判断装置と、そのトリップ信号
   を入力してユニットを自動停止させる自動トリップ装置
   を有するタービン振動監視装置において、前記振動検出
   回路が、タービン・発電機の主として起動時のような回
   転上昇時に使用される起動用回路と、主として系統併入
   以降に使用される負荷運転用回路の２系統で構成され、
   少なくとも負荷運転用回路には上記振動検出装置で検出
   された振動信号の特定の周波数域をカットするフィルタ
   ーを有し、比較判断装置と自動トリップ装置との間には
   、前記起動用回路に対応して一定時間トリップ信号を停
   止させるタイマーがそれぞれ介装され、これらの２組の
   回路とタイマーの組合せがタービン・発電機の運転条件
   に応じて切替えられるようにしたことを特徴とする、タ
   ービン振動監視装置。 ２、特定の周波数域をカットするフィルターは、タービ
   ン・発電機軸系の最低次固有振動数以上の周波数の振動
   信号のみを通すフィルターであることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項記載のタービン振動監視装置。 ３、特定の周波数域をカットするフィルターは、タービ
   ン・発電機軸系の定格回転数成分の周波数の振動信号の
   みを通すフィルターであることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項記載のタービン振動監視装置。 ４、起動用回路には、地震の卓越周波数を越える周波数
   の振動信号のみを通すフィルターを有することを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項記載のタービン振動監視装
   置。 ５、起動用回路に対応するタイマーの設定時間が誤信号
   によるミストリップ防止を主目的として２秒以下に設定
   されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項記
   載のタービン振動監視装置。 ６、負荷運転用回路のフィルターをタービン・発電機軸
   系の最低次固有信号数以上の周波数の振動信号のみを通
   すフィルターとするとともに、そのフィルターに対応す
   るタイマーが５秒〜３０秒に設定されていることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項記載のタービン振動監視
   装置。 ７、負荷運転用回路のフィルターをタービン・発電機軸
   系の定格回転数成分の周波数の振動信号のみを通すフィ
   ルターにするとともに、そのフィルターに対応するタイ
   マーが４〜６秒に設定されていることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項記載のタービン・振動監視装置。