JP6594240B2 - 回転機械の振動計測装置、回転機械の振動計測方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、回転機械の振動計測装置、回転機械の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:Ｂｌａｄｅ Ｔｉｐ Ｔｉｍｉｎｇ）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時間差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。

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の振動計測装置、回転機械の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。

本発明の回転機械の振動計測装置は、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、前記第一センサに配置され、前記第一センサの振動を検出する第二センサと、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を算出する時間差算出部と、前記回転体の周速と、前記第二センサで検出した前記第一センサの振動速度と、前記時間差算出部で算出された前記時間差とに基づいて、前記回転体の振動振幅を算出する振動振幅算出部と、前記振動振幅算出部で算出された前記回転体の振動振幅に基づいて、前記回転体の振動を算出する振動算出部とを備え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。

本発明の回転機械の振動計測装置における、前記第二センサは、前記回転体の振動の、前記回転体の回転方向に対する接線方向成分を計測する、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。

本発明の回転機械の振動計測装置における、前記第二センサは、前記第一センサの周面において、前記回転体の回転方向に対する接線方向に配置されている、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。

本発明の回転機械の振動計測装置における、前記第二センサは、前記第一センサの周面において、前記回転体の回転方向に対する接線方向とそれぞれ異なる方向に二つ配置されている、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。

本発明の回転機械の振動計測方法は、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計測工程と、前記第一センサに配置された第二センサで、前記第一センサの振動を検出する第二振動計測工程と、前記第一振動計測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を算出する時間差算出工程と、前記回転体の周速と、前記第二振動計測工程で検出した前記第一センサの振動速度と、前記時間差算出工程で算出された前記時間差とに基づいて、前記回転体の振動振幅を算出する振動振幅算出工程と、前記振動振幅算出工程で算出された前記回転体の振動振幅に基づいて、前記回転体の振動を算出する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計測工程と、前記第一センサに配置された第二センサで、前記第一センサの振動を検出する第二振動計測工程と、前記第一振動計測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を算出する時間差算出工程と、前記回転体の周速と、前記第二振動計測工程で検出した前記第一センサの振動速度と、前記時間差算出工程で算出された前記時間差とに基づいて、前記回転体の振動振幅を算出する振動振幅算出工程と、前記振動振幅算出工程で算出された前記回転体の振動振幅に基づいて、前記回転体の振動を算出する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の振動計測装置、回転機械の振動計測方法及びプログラムを実現できる。

図１は、回転機械の振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。 図２は、回転機械の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、回転機械の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正面図である。 図４は、回転機械の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、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の一例の概略を示す側面図である。 図６は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の一例の概略を示す平面図である。 図７は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の他の例の概略を示す側面図である。 図８は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の他の例の概略を示す平面図である。 図９は、回転機械の振動計測装置の非接触センサのタービン翼接線方向の振動速度を示す概略図である。 図１０は、図２に示す検出信号から得られたタービン翼の振動波形を示す概略図である。 図１１は、回転機械の振動計測装置における処理の流れの一例を示すフローチャートである。

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。

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、回転機械の振動計測装置の構成の一例を示す概略図である。図２は、回転機械の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、回転機械の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正面図である。図１ないし図３は、複数のタービン翼１１１およびケーシング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。

図１に戻って、回転機械の振動計測装置１は、タービン翼１１１の振動を非接触で計測する。回転機械の振動計測装置１は、回転数センサ２と、非接触センサ（第一センサ）３と、小型センサ（第二センサ）４と、演算部５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５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、回転機械の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に配置されている。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、ケーシング１２０の内周面で、タービン翼１１１と対面する位置に配置されている。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、パルス信号である検出信号を翼通過信号として演算部５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。本実施形態において、非接触センサ３は、Ｎ個が等間隔で配置されている。

小型センサ４は、非接触センサ３に配置され、非接触センサ３の振動を検出する。より詳しくは、小型センサ４は、非接触センサ３のセンサプローブ先端（先端部）の振動を検出する。小型センサ４は、タービン翼１１１の振動の、タービン翼１１１の回転方向に対する接線方向成分を計測可能に配置されている。小型センサ４は、例えば、ひずみゲージや加速度センサである。小型センサ４は、非接触センサ３のケーシングに配置されている。小型センサ４は、検出したひずみや加速度を演算部５に出力する。より詳しくは、小型センサ４は、非接触センサ３の先端部の振動振幅（振動速度）Ｘ_Ｓ、振動数Ｆ_Ｓ、振動方向を含むデータを出力する。

図５、図６に示すように、小型センサ４は、非接触センサ３の周面において、タービン翼１１１の回転方向に対する接線方向（以下、「タービン翼接線方向」という）とそれぞれ異なる方向に二つ配置されている。図５は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の一例の概略を示す側面図である。図６は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の一例の概略を示す平面図である。本実施形態において、二つの小型センサ４が、タービン翼接線方向を挟んで、非接触センサ３のケーシングの周方向に９０°間隔で配置されている。一方の小型センサ４と非接触センサ３の中心とを結んだ方向をＸ方向とし、他方の小型センサ４と非接触センサ３の中心とを結んだ方向をＹ方向とする。

または、事前の解析などで非接触センサ３の振動方向がタービン翼接線方向であることが明らかである場合、図７、図８に示すように、小型センサ４を配置してもよい。図７は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の他の例の概略を示す側面図である。図８は、回転機械の振動計測装置の非接触センサと小型センサの配置の他の例の概略を示す平面図である。小型センサ４は、非接触センサ３の周面において、タービン翼接線方向に配置されていてもよい。本実施形態において、小型センサ４は、タービン翼接線方向に一つ配置されている。

演算部５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５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５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。演算部５は、時間差算出部６と、振動振幅算出部７と、振動算出部８とを有する。

時間差算出部６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を算出する。本実施形態では、時間差算出部６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通過時刻を計測し、基準状態の通過時刻との時間差ΔＴを算出する。時間差ΔＴは、図４において、基準状態である非振動状態と振動状態との差分である。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。

振動振幅算出部７は、タービン翼１１１の周速Ｖ_Ｂと、小型センサ４で検出した非接触センサ３のタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓと、時間差算出部６で算出した時間差ΔＴとに基づいて、タービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出する。より詳しくは、振動振幅算出部７は、タービン翼１１１の周速Ｖ_Ｂと、非接触センサ３のタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓと、時間差ΔＴとを用いて、数式１でタービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出する。

数式１に含まれるタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓは、小型センサ４から出力された、非接触センサ３の先端部の振動振幅（振動速度）Ｘ_Ｓ、振動数Ｆ_Ｓ及び振動方向に基づいて数式２で算出される。

本実施形態では、図９に示すように、数式１に含まれるタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓは、非接触センサ３のＸ方向の振動速度Ｖ_Ｓ−Ｘと、非接触センサ３のＹ方向の振動速度Ｖ_Ｓ−Ｙと、角度θと、を用いて、数式２で算出される。図９は、回転機械の振動計測装置の非接触センサのタービン翼接線方向の振動速度を示す概略図である。

振動算出部８は、振動振幅算出部７で算出したタービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂに基づいて、タービン翼１１１の振動を算出する。より詳しくは、振動算出部８は、図１０に示すように、振動振幅算出部７で算出したタービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを縦軸に、各非接触センサ３を通過するときの時刻を横軸にして、タービン翼１１１の時刻歴振動波形を再現する。図１０は、図４に示す検出信号から得られたタービン翼の振動波形を示す概略図である。

次に、図１１を用いて、上記構成を有する回転機械の振動計測装置１を用いた回転機械の振動計測方法について説明する。図１１は、回転機械の振動計測装置における処理の流れの一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る回転機械の振動計測方法は、第一振動計測工程Ｓ１と、第二振動計測工程Ｓ２と、時間差算出工程Ｓ３と、振動振幅算出工程Ｓ４と、振動算出工程Ｓ５とを含む。

まず、回転機械の振動計測装置１は、第一振動計測工程Ｓ１を実行させる。より詳しくは、回転機械の振動計測装置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（ステップＳ１）。回転機械の振動計測装置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５に出力させる。

回転機械の振動計測装置１は、第一振動計測工程Ｓ１とともに、第二振動計測工程Ｓ２を実行させる。より詳しくは、回転機械の振動計測装置１は、非接触センサ３に配置された小型センサ４で、非接触センサ３の振動を検出させる（ステップＳ２）。回転機械の振動計測装置１は、小型センサ４で検出された非接触センサ３の振動を出力する。

回転機械の振動計測装置１は、時間差算出工程Ｓ３を実行させる。より詳しくは、回転機械の振動計測装置１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通過時刻との時間差ΔＴを算出させる（ステップＳ３）。

回転機械の振動計測装置１は、振動振幅算出工程Ｓ４を実行させる。より詳しくは、回転機械の振動計測装置１は、タービン翼１１１の周速と、小型センサ４で検出した非接触センサ３の振動速度と、時間差算出工程Ｓ３で算出した時間差ΔＴとに基づいて、数式１でタービン翼１１１の振動振幅を算出させる（ステップＳ４）。

回転機械の振動計測装置１は、振動算出工程Ｓ５を実行させる。より詳しくは、回転機械の振動計測装置１は、振動振幅算出工程Ｓ４で算出されたタービン翼１１１の振動振幅に基づいて、タービン翼１１１の振動を算出する（ステップＳ５）。

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、非接触センサ３の振動に起因するタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓを算出する。そして、本実施形態は、振動振幅算出部７は、タービン翼１１１の周速Ｖ_Ｂと、非接触センサ３のタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓと、時間差ΔＴとを用いて、数式１でタービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出する。言い換えると、本実施形態は、非接触センサ３の振動に起因する振動速度Ｖ_Ｓによって生じた時間差ΔＴを除去し、タービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出する。このように、本実施形態は、タービン翼１１１の振動を高精度に計測することができる。

これに対して、従来は、数式３でタービン翼１１１の振動振幅Ｘ_Ｂを算出していた。

このように、従来は、非接触センサ３の振動に起因するタービン翼接線方向の振動速度Ｖ_Ｓをタービン翼１１１の周速Ｖ_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、非接触センサ３の振動に起因する計測誤差が含まれていた。

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、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。

本実施形態は、蒸気タービンやガスタービンを含む回転機械の設計時に実施するタービン翼の振動特性が設計計画通りであることの検証や、運転条件の変化による振動特性の変化の確認を高精度に実施することができる。

さて、これまで本実施形態に係る回転機械の振動計測装置、回転機械の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。

図示した回転機械の振動計測装置１の演算部５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。

回転機械の振動計測装置１の演算部５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 回転機械の振動計測装置
２ 回転数センサ
３ 非接触センサ（第一センサ）
４ 小型センサ（第二センサ）
５ 演算部
６ 時間差算出部
７ 振動振幅算出部
８ 振動算出部
１１０ 回転軸
１１１ タービン翼（回転体）
１２０ ケーシング（静止体）

Claims (6)

1. 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、
   前記第一センサに配置され、前記第一センサの振動を検出する第二センサと、
   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を算出する時間差算出部と、
   前記回転体の周速と、前記第二センサで検出した前記第一センサの振動速度と、前記時間差算出部で算出された前記時間差とに基づいて、前記回転体の振動振幅を算出する振動振幅算出部と、
   前記振動振幅算出部で算出された前記回転体の振動振幅に基づいて、前記回転体の振動を算出する振動算出部と
   を備えることを特徴とする回転機械の振動計測装置。
2. 前記第二センサは、前記回転体の振動の、前記回転体の回転方向に対する接線方向成分を計測することを特徴とする請求項１に記載の回転機械の振動計測装置。
3. 前記第二センサは、前記第一センサの周面において、前記回転体の回転方向に対する接線方向に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械の振動計測装置。
4. 前記第二センサは、前記第一センサの周面において、前記回転体の回転方向に対する接線方向とそれぞれ異なる方向に二つ配置されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械の振動計測装置。
5. 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計測工程と、
   前記第一センサに配置された第二センサで、前記第一センサの振動を検出する第二振動計測工程と、
   前記第一振動計測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を算出する時間差算出工程と、
   前記回転体の周速と、前記第二振動計測工程で検出した前記第一センサの振動速度と、前記時間差算出工程で算出された前記時間差とに基づいて、前記回転体の振動振幅を算出する振動振幅算出工程と、
   前記振動振幅算出工程で算出された前記回転体の振動振幅に基づいて、前記回転体の振動を算出する振動算出工程と
   を含むことを特徴とする回転機械の振動計測方法。
6. 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計測工程と、
   前記第一センサに配置された第二センサで、前記第一センサの振動を検出する第二振動計測工程と、
   前記第一振動計測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を算出する時間差算出工程と、
   前記回転体の周速と、前記第二振動計測工程で検出した前記第一センサの振動速度と、前記時間差算出工程で算出された前記時間差とに基づいて、前記回転体の振動振幅を算出する振動振幅算出工程と、
   前記振動振幅算出工程で算出された前記回転体の振動振幅に基づいて、前記回転体の振動を算出する振動算出工程と
   をコンピューターに実行させることを特徴とするプログラム。

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