JPS6189912A - 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（：おいて不必要にタービンの停止（トリップ）
が起らないよう（＝シたタービ発電プラント等で受用さ
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、そ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（＝現われることが多く、振動は一般的な数多く
の運転監視項目のなか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勢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計も
信頼性の高いものでンよくてはならない。同様に振動計
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、例えば振動針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１；
は十分な注意が必要である。

このような観点から、火力発′４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＠振動を常時監伐し
、その振動監視値が或１区以上；；なると警報を発して
運転員（−その異常を知らせる自動脅報装置、或は振動
監伐誕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止め弁を急閉させることによって自
動的ζニトリツブ（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２図は、タービン発゛１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８は、一本の軸系として７
ランジ結合され、各ロータ胴部の端部のジャーナル部４
において軸受５１：よって支承されている。

ところで、上記軸受５に第２図（；示すように通常振動
計６が装置されている。すなわち、恭礎台７上ζ；設置
された軸受台８（−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６内に付
勢された検出杆１１力１同心状Ｃ；設けられ、その検出
器１１の先端がジャーナル部４に圧接され、さらに上記
検出器１１の基端ζこ検出器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
ている検出器１１によりその振動が検出器１２に伝達さ
れる。上−述の如き接触減の振動計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
ーナル部４の絶対振励を検出器Ｕ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、上記振動計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６の減成としては軸受台８とジャ
ーナル部４との相対変位の変化を直接検出できる変位計
を使った非接触屋のものもある。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１直である
振動振幅変化に変化された後、比較判断装置１５に人力
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＋ｍすなわち警報値或は停止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（＝なると、警報装置１６ζ：警報信号を出力し
、さらに振動が増大し停止櫃以上鴫：なると、トリップ
装置１７Ｇ二停止信号を出力する。そこで警報装置１６
或はトリップ装置１７は、それぞれ上記比較判断装置１
５の出力（＝応じて警報を発して運転員に異常を知らせ
、或はタービン発電機をトリップさせる。

上記比較判断装置１５は、各軸受５１；装着された振動
計６３；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４図Ｃ二示すようｔ：それぞれ共通のｉ
Ｆ報装置１６およびトリップ装置１７に入力されるよう
Ｃ二してあり、一つの振動監視装置が構成されている。

ロータの不釣合振動、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
起因して発生する振動に対して、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８図のよう（；取付けられた絶対
振動計であるため（；、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ζ：
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Ｃ二軸受台８は、第５図１；示すようｉ
二、基礎台７Ｃ二固定されており、その基礎台７はマッ
ト１８上に据付けられ、さらに七のマット１８は地盤１
９上に装置されている。したがって、地震が発生すると
、その振動は地盤１９よりマン）１８Ｅ伝わり、さら６
二基礎台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第２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ｉｆロータ８の合計質量に相当する質量２０と
、タービン・発凍機基礎台７の剛性に相当するバネ２１
と、減衰項を代我するダンパー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＊Ｒ＋＝相当する質量なＭ１バネ２１のバネ定数なに
、ダンパー２２のダンピング係数なりとすると、マット
１８に付加される外力Ｘｌ　＝　Ａ６　ｓ　ｉ　ｎωｔ
に対するタービン・発電機の応答は、人力振幅Ａ０に対
する応答振幅Ａ、の比率で戎わすと、次に示すよう（＝
なる。

ω０ ここで、η＝□ ω ω。：タービン発１機を含む基礎台系の固１　　　　　
　有振動数 減設が小さい系であると、地′！ｓ波がゼする周波数成
分と基礎台系の固Ｍ振動数が一致した場合、すなわちη
＝１の場合、基礎台の上６二載っているタービン発’４
Ｍ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１８での加振力の２〜
５倍程度にまで達することがある。また、振動計６は軸
受台８全体が振動しても、その振動変位を感知するよう
Ｃ二なっているため、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値に達した時には、やはり
トリップ装置１７に停止信号を出し蒸気タービンがトリ
ップすること（；なる。

振動変位と加速度の関係は次式で表わされる。

δ＝αｘ　９８００／（２ｘｆ）　”＝・（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０．０５Ｇ、周波数が５Ｈｚとすると
その変位は０．５１１Ｊｌとなる。前述のように、基礎
台を伝わることによ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０．０２５Ｇの地振動で加振されるとキ、
軸受台７は０．０５Ｇで加振され、その変位が０．５鴎
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Ｃ二は多
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Ｃ二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％ｏ、ｏｚｓｏ機度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型る場合であるが
、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Ｃ：強制外部変位を与え
た結果として誘起される一時的な大振幅によりトリップ
ｍに型る場合がある。

一方、恢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
も依然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
っている大谷社タービン・発電機が不必要にトリップし
た場合には、電力系統（：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、例え地震時といえどもそれ（；よって発生
する＠振動現象Ｃ；的確Ｃ；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Ｃ；なった。

ところで、蒸気タービン・発電機にとって地震に対処す
る方法は、検出された振動信号の中で回転周波数成分近
傍は検出されたと同じ大きさで通過させるが、検出信号
の中の比較的低い周波数成分については減衰させる特性
ヲ持つフィルターを有する回路を、第４図４：示す振動
社風装置に追設することが考えられている。

このようなフィルターｎを追設したタービン振動監視装
置を第７図Ｃ二示す。ところが、このような振動監視装
置艦＝おいては、以下に述べる如き間照点がある。回転
軸（＝おいて通常発生する振動の多くはアンバランス１
：よるものであり、これは回転数と同じ周波数成分が大
きい。第８丙にタービン発砥機の遁常の柵振劾を、＠波
数分析したものを示す。したがってアンバランスに起因
した＠退動の大小を監視する目的では回転周波数成分近
傍のみを検出すれば充分である。それに対して地震の際
に発生する振動周波数は第９図に示すように低周波成分
が主体となっているため前述のフィルター２３による低
周波成分のカットが地震による不必要なトリップの防止
ζ二有効なのである。一方、回転軸の振動の原因は上記
のアンバランスや地震の他に、静止部との接触（ラビン
グ）、オイルホイップ、スチームホワール等によるもの
があることは前にも述べた。ラビングではやはり回転周
波数成分が大きくなることが知られているか、オイルホ
イップやスチームホワールによる振動はその軸の固Ｍ振
動数成分が主体となる。最近のタービン発磁機軸の固有
振動数は常用回転数よりも低く設計されていることが多
い。これは、前述のフィルター２３による低周波数振動
成分のカットによって、オイルホイップやスチームホワ
ールの監視ができなくなる恐れがあることを意味してい
る。

〔発明の目的〕

本発明は、上記事情に照し、比較的大きな地震が発生し
たときＣニタービンを停止せしめるようにその振動波を
慌出し、それ以外のとき（＝は振動波をカットし、その
代りＣ二運転時発生するであろうオイルホイップ、スチ
ームホワール等に起因する比較的低周波の振動を検出し
、これら高い振動波と低い振動波とを自動的４二切替え
て地震によるものかあるいは他の要因ｆ二よるものかを
監視し得るタービン振動監視装置を提供することＣ二あ
る。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は、回転模の振動を
検出し、この検出信号が予じめ設定された信号よりも越
えたとき回転軸を停止せしめる信号を出す比較判断装置
と、回適報の振動のうち、比較的低周波数信号をカット
して上記比較判断装置（＝送るフィルター回路と、この
フィルター回路と、このフィルター回路に並設し、上記
回転軸の振動のうち、比較的低周波数信号のみを送り出
すバイパス回路とを有するタービン振動監視装置におい
て、バイパス回路とフィルター回路とは、互に自動的に
切替わるようζ；切替装置を設け、この切替装置はタイ
マー回路の出力によって動作することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

なお、図中、従来装置と同一部分（＝は同一符号を付し
その詳細な説明は省略する。

第１図は本発明）二よるタービン軸振動監視装置の一実
施例を示すものである。第４図の従来の監視装置に対し
て、さら（；低周波振動成分の信号を減衰あるいはカッ
トするフィルターｎを設けた回路と、その回路をバイパ
スする回路冴を並列に設け、それらの回路の分岐点（＝
切り替え装置四を設けるように構成している。

本発明（＝よる振動監視の方法弧ユついて第１図を用い
て以下（＝説明する。検出器１２で検出された振動速度
信号は積分器１３により積分され振動変位信号となり整
流器１４により整流されて振動変位の絶対値として比較
判断装置１５に入力される。比較判断装置１５マは該振
動変位信号とあらかじめ設定された振動制限値と比較し
て警報装置１６に対して振動速度信号あるいは自動トリ
ップ装置１７に対してトリップ信号を出力することは前
述の第４図の説明の通りである。

これ−二対して第１図（＝示す本発明の実施例ではフィ
ルター器を検出器１２と積分器１３の間（；設けて、第
９図に示した地震波の卓越周波数成分をカットするよう
にしている。さら（：フィルレター２３’＆設けた回路
と並列Ｃニバイパスする回路スを設けており、それらの
回路の分岐点に設けた切り替え装置２５（：よってフィ
ルター回路おとバイパス回路２４を選択し、どちらか一
方に軸振動信号が通り、積分器１３そして比較判断装置
１５に信号が送られる。切り替え装置怒はタイマー２９
と連系しており、一定時間毎にフィルター回路おからバ
イパス回路２４に切り替えて、ある時間だけバイパス回
路冴を通して礼振動を監視した後に、再びフィルター回
路脚にもどして軸振動を監視し、これを一定時間毎Ｃ二
線り返すよう（ニタイマー２６が設定されている。

本発明のよう（＝構成された軸振動監視装置（＝よれば
、フィルター回路品な使用中（＝おいて中４度以下の地
震が発生した場合（−地震波の主要振動成分をほとんど
カットできるため、比較判断装置１５は地震波の主要動
Ｃ；対してほとんど不感となり、したがって、タービン
発電機の地震応答大振動（；よるトリップを防止できる
ので、地震による直接的トリップの機会を減少すること
ができる。これは従来の第６図の軸振動監視装置と同じ
である。

しかしこれではタービン発電機の軸系Ｉニオイルホイッ
プ等の低周波異常振動が発生した場合にもフィルター葛
によってカットされてしまいその発生を恢出できない恐
れがあることは前述した通りでｉ　　ある。

オイルホイップ等の低周波の異常振動は軸受の状態、と
くに軸受に加わる荷重や潤滑油温度等の影響で発生する
ことが知られている。潤滑油温度ζ二関してはタービン
発゛＠機では通常監視項目として常時監視しており、そ
の異常はすぐに発見できる。一方、軸受荷重は直接的な
監視が鎌かしく、現在の所Ｍ効な監視装置は提案されて
いない。軸受何重の変化自体は急＆に生ずることはほと
んど考えられず、基礎台の経年的寂化やコンデンサ真壁
変化、ケーシングの熱変形等を原因とする軸受レベル変
化に基づくもので通常はゆっくりとした変化であること
が知られている。したがって軸受荷重の変化等で低周波
異常振動の発生条件が成立した場合に、その条件はある
程度の時間持続されること口なる。

以上述べたよう≦二低周彼異常振動は、もし発生した場
合にはかなりの時間（少なくとも１時間以上）は継続す
るものである。したがって本発明による軸振動監視装置
において、回路切り賛え装置５のタイマー２６を例えば
１時間毎（ニセットすれば、バイパス回路冴を＠振動信
号を通している時蚤二、低周波異常振動を発見できるこ
とになる。低周波異常振動が発生している場合口は、フ
ィルター回路２３からバイパス回路冴に切り替えた時（
＝振動状感値が六示装置の上で変化することからすぐに
発見できる。

バイパス回路Ｕを使用している時間は短時間で充分であ
るため、バイパス回路冴を１吏用中（；地震が生ずる確
率は極めて小さいと考えられることから、本発明（；よ
る軸振動監視装置を用いれば地震Ｃ二よるタービン発電
機のトリップを最小限に少なくできると共に、低周波異
常振動の監視も可能となる。

本発明の詳細な説明かられかるように、短時間ではある
がフィルター回路おを除外してバイパス回路２４を使用
している。しかし、極めてまれではあるが、そのバイパ
ス回路賞使用中に地震が生じた場合に、タービン発電機
がトリップする可能性が皆無とは言えない。

地震（＝よるタービン発電機のトリップが問題となるの
は、トリップによって′電力系統の発電量と覗力消費址
４；限界以上のアンバランスが生じて大停電事故に継が
る恐れがあるからである。バイパス回路２４使用中の極
めてまれな地震に対するトリップ防止は、本発明による
軸振動監視装置のタイマー２６のセット方法を以下とす
ること（＝よって簡単に対処できる。

今日の日本のよう（ニ一つの電力系統に何台もの発１！
機が継がっている場合（＝は、一台の発電機のみのトリ
ップであれば電力屓＊筐とのアンバランスが限界を越え
ることはないと言える。したがってバイパス回路２４を
使用している時間が隣接タービン発電機と同時Ｃ′−な
らないよう（；タイマー２６をセットしてやることＣ二
よって、同時多数の発電機トリップを防止できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によるタービン振動監視装
置によれば、中程度の地震によって励起される地震応答
大振動によって必要以上にトリップすることを防止する
ことができることはもとより、地震卓越周波数をカット
するフィルターによって軸の低周波異常振動が監視でき
なくなるという欠点を取り除くことができ、その結果蒸
気タービン発電機の高信頼度運転に必要な高精度軸振動
監視を行い得、さらに安全性を高めることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるタービン振動監視装置の概略系統
図、第２図はタービン軸系の説明図、第３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４図は従来
のタービン発電機の振動監視装置の概略系統図、第５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６図は第５図の装置の振動系をモデル化した図
、第７図は従来の地震対策用フィルターを追設した振動
監視装置の概略系統図、第８図はタービン発電機の通常
の軸振動の周波数分析結果を示す図、第９図は地震波の
周波数分析結果を示す図である。 １・・・高圧タービン ２・・・低圧タービン ８−Ｑ’４ａｌ　１２−９ ５・・・軸受 ６・・・振動計 ７・・・基礎台 ８・・・軸受台 １２・・・恢出器 １３・・・積分器 １４・・・整流器 １５・・・比較判断装置 １６・・・警報装置 １７・・・自動トリップ装置 田・・・地震フィルター 冴・・・バイパス回路 ６・・・切り替え装置 ２６・・・タイマー 代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか１名）第１図 第３図 第４図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転軸の振動を検出し、この検出信号が予じめ設定され
   た信号よりも越えたとき回転軸を停止せしめる信号を出
   す比較判断装置と、回転軸の振動のうち、比較的低周波
   数信号をカットして上記比較判断装置に送るフィルター
   回路と、このフィルター回路に並設し、上記回転軸の振
   動のうち、比較的低周波数信号のみを送り出すバイパス
   回路とを有するタービン振動監視装置において、バイパ
   ス回路とフィルター回路とは、互に自動的に切替わるよ
   うに切替装置を設け、この切替装置はタイマー回路の出
   力によって動作することを特徴とするタービン振動監視
   装置。