JP2002372452A - 回転機械の振動診断システム - Google Patents
回転機械の振動診断システムInfo
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Abstract
触の有無及び接触位置を容易且つ確実に検出することが
できる回転機械の振動診断システムを提供する。 【解決手段】 回転機械2の各部の振動信号S1に基づ
き振動ベクトル分析部5で振動ベクトルS3を生成し、
この振動ベクトルS3の変化と、回転機械2の数値モデ
ルを用いて実機と同様の条件でその運転をシミュレート
して得る接触振動シミュレート部6で生成したシミュレ
ート振動ベクトルS4の変化との相関関係を比較部8で
比較し、このときの相関度が所定値以上である場合に接
触の発生を認定するとともに、相関度が最も高い位置を
検出することにより接触が発生している位置を特定する
ようにしたものである。
Description
システムに関し、特に各種タービン、圧縮機等の回転機
械の接触振動を検出する場合に適用して有用なものであ
る。
いては、その運転中に何らかの原因により回転軸が静止
側に接触することがあり、この接触により振動を発生す
ることがある。これは接触振動と呼ばれ、ラビリンスシ
ール、油切り等の静止側と回転軸との間隙が狭隘な部分
で発生することが多く、接触部の温度上昇により回転軸
が曲がり、不釣り合いが変化することによりさらに振動
が増幅されるという有害な現象の原因となる。
振動の発生及びその位置を知ることは極めて肝要であ
る。接触振動の有無及びその発生位置を知ることによ
り、可及的速やかにその対策を高じる必要があるからで
ある。
する装置が従来より種々提案されているが、基本的には
振動の大きさのみに着目して監視を行なうというものが
多かった。これに対し、振動をベクトルの変化として直
接把握することによりその発生を容易に検出するように
した振動監視装置も提案されている(特公昭62−52
813号公報参照)。これは、当該回転機械の振動を計
測する振動検出器の出力信号に基づき静的位置ベクト
ル、基本波成分ベクトル及び第2高調波ベクトルという
3種類の振動ベクトルを生成し、これらのうちの基本波
成分ベクトルの変化に基づき接触振動を検出するもので
ある。また、このときの接触振動の発生位置は、回転軸
の曲がり振動応答計算結果を実測振動ベクトル変化と比
較することにより実施している。
ルを利用する振動監視装置によれば、ある程度良好な接
触振動の発生の有無及びその発生位置の特定はできるも
のの、なお十分ではなかった。特に、近年ターボ機械を
始めとする各種回転機械では高性能化、高効率化の要求
が強く、従来の設計条件に比して、より厳しい設計条件
となりつつある。具体的には、次のような傾向にある。 1)性能改善のためのシール部を始めとする各部のクリ
アランスの削減。 2)性能向上及び高出力密度化による回転軸の高温化。 3)高速化及び高性能化のための軸受負荷の増大。 4)車室、ケーシングの大形化(熱変形の影響大)のた
めのアライメントの高精度化。
各種の動的問題が発生する。特にこれらの条件では熱的
振動が発生する可能性が高くなる。そこで、かかる熱的
振動の一種である接触振動の発生及びその位置をより精
度良く検出する振動診断システムの出現が待望されてい
る。
の原因となる回転側と静止側との接触の有無及び接触位
置を容易且つ確実に検出することができる回転機械の振
動診断システムを提供することを目的とする。
明の構成は次の点を特徴とする。
これを表す振動信号を送出する振動検出手段と、上記回
転機械の1回転を検出してこれを表す基準信号を送出す
る基準信号発生手段と、上記振動信号及び基準信号を処
理して振動信号の振幅及び振動信号の基準信号に対する
位相で特定される振動ベクトルを生成する振動ベクトル
分析手段と、上記回転機械の数値モデルを有するととも
に、この数値モデルを実機である上記回転機械と同様の
運転条件で駆動することにより実機の運転をシミュレー
トし、上記振動検出手段の配設部位で接触が発生した場
合の上記振動ベクトルに対応するシミュレート振動ベク
トルを生成する接触振動シミュレート手段と、上記振動
ベクトルの変化の態様と、上記シミュレート振動ベクト
ルの変化の態様とを比較して両者の相関関係を検出し、
このときの相関度が所定値以上である場合に接触振動が
発生していると判断する比較手段とを有すること。
断システムにおいて、振動検出手段は回転機械の軸方向
に分散して複数個配設するとともに、これに対応させて
振動ベクトルも複数個生成し、さらに接触振動シミュレ
ート手段でも実機に対応する複数のシミュレート振動ベ
クトルを生成し、比較手段では、上記各振動ベクトルの
変化の態様と、各振動ベクトルに対応する上記各シミュ
レート振動ベクトルの変化の態様とをそれぞれ比較して
両者の変化態様の相関関係をそれぞれ検出し、このとき
の相関度が所定値以上である場合に接触振動が発生して
いると判断するとともに相関度が最も高いシミュレート
振動ベクトルが対応する位置に基づき接触振動が発生し
ている回転機械の場所も特定するようにしたこと。
の振動診断システムにおいて、数値モデルは、回転機械
の軸方向に関する特定位置での接触振動の発生をシミュ
レートするためのもの、当該特定位置における回転軸の
接触部位の周方向位置を特定すべくシミュレートするた
めのもの、接触の深さをシミュレートするためのもの
等、接触振動部位の絞り込み及び接触の態様の特定を順
次行い得るよう階層的な複数種類のものを用意したこ
と。
の振動診断システムにおいて、数値モデルは、別途検出
した接触を発生している可能性が高い部位及び回転機械
の軸方向に関して上記部位の両側の部位を表すモデルの
みを駆動するようにしたこと。
つの回転機械の振動診断システムにおいて、接触振動シ
ミュレート手段は、振動ベクトルの基本波成分の振幅の
大きさ、振動ベクトルの一定時間内における変化率、振
動ベクトルの変化形態等、振動ベクトルの態様を表す要
素の組み合わせ論理の結果に基づいて接触振動の発生の
可能性を検出する一次診断手段により接触振動の発生の
可能性が検出された場合に動作するように構成したこ
と。
基づき詳細に説明する。
線図である。同図に示すように、振動検出器1は、回転
機械2の運転に伴う振動を検出してこれを表す振動信号
S1を送出するもので、基本的に各軸受3に対応させて
配設してある。各軸受3部分には、隣接してラビリンス
シール、油切り等、静止側と回転軸2aとの間隙の狭隘
部分が形成されており、この部分で回転側と静止側との
接触を発生し易いからである。ここで、振動検出器1は
その複数個を回転機械2の回転軸2aの軸方向に分散さ
せて配設してあり、その振動信号S1は、通常、相互に
直交する方向であるXYの2方向に関する成分を含むも
のとなっている。基準信号発生部4は、回転機械2の1
回転を検出してこれを表す基準信号S2を送出する。
1及び基準信号S2を処理して振動信号S1の振幅及び
振動信号S1の基準信号S2に対する位相で特定される
振動ベクトルS3を生成する。この振動ベクトルS3
は、各振動検出器1にそれぞれ対応するものを個別に生
成する。
止側に接触した場合、次のような現象を生起することが
知られている。すなわち、回転軸2aの一部が静止側に
接触するとその部分の温度が接触摩擦熱により上昇す
る。このため、円周方向及び軸方向に不均一な温度分布
が発生し、回転軸2aに曲がりを生じる。通常、不釣り
合いがある周方向位置と振動が最大振幅となる周方向位
置(接触位置)とは一致しないので、この曲がりによる
不釣り合い変化により回転軸2aの振動ベクトルが変化
する。この振動ベクトルの変化により回転軸2aの静止
側との接触位置が変化し、接触摩擦熱による温度分布も
変化する。この結果、軸曲がりも変化し、振動ベクトル
がさらに変化することになる。このことは、振動ベクト
ルを観察し、それが変化しているという事実をもって回
転側と静止側との接触の発生を検知し得ることを意味し
ている。
械1の各部の数値モデルを有するとともに、各数値モデ
ルを実機である回転機械1と同様の運転条件で駆動する
ことにより実機の運転をシミュレートし、上記振動検出
器1の各配設部位で接触が発生した場合の各振動ベクト
ルS3に対応するシミュレート振動ベクトルS4をそれ
ぞれ生成する。ここで、シミュレート振動ベクトルS4
は、各モデルにおいて接触を発生した場合の振動ベクト
ルであって時間の経過とともに変化する各モデルに固有
の振動ベクトルとしてそれぞれ生成される。そして、か
かるシミュレート振動ベクトルS4の変化は、実機で同
様の接触を発生している場合に振動ベクトル分析部5で
生成される振動ベクトルS3の変化と高い相関がある。
そこで、振動ベクトルS3の変化とシミュレート振動ベ
クトルS4の変化との相関を調べれば実機の振動ベクト
ルS3の変化が接触によるものか否かを判定することが
できる。
方向における特定位置での接触振動の発生をシミュレー
トするためのもの、当該特定位置における接触部位の周
方向位置を特定すべくシミュレートするためのもの、接
触の深さ(接触の程度)をシミュレートするためのもの
等、接触振動部位の絞り込み及び接触の態様の特定を順
次行い得るよう階層的な複数種類のものを用意した。し
たがって、先ず最上位のモデルを駆動して接触が発生し
ている軸方向位置を特定し、その後その位置における下
位のモデルを駆動してその特定位置の周方向のどの部分
で接触しているかを特定し、最後に最下位のモデルを駆
動してそのときの接触深さを特定するというように順次
モデルを切り換えて接触位置及び接触態様の特定を行う
ことができるようなモデルとなっている。ただ、このよ
うに3層構造とすることは必須ではない。
ート部6のモデルで実機の運転をシミュレートする場合
に、この実機と同様の運転条件となるように各種のパラ
メータを設定してその情報を接触振動シミュレート部6
に供給する。この場合のパラメータとしては、実機(回
転機械2)の回転速度、回転軸2aの温度、回転軸2a
の材質、シールの材質、周囲温度等、実機の状態を表す
全ての物理量が含まれる。
態様と、各シミュレート振動ベクトルS4の変化の態様
とをそれぞれ比較して両者の相関度を最小二乗法等を用
いて演算し、その結果相関度が所定値以上である場合に
接触が発生していると判断する。これは接触振動シミュ
レート部6の駆動されている各モデルに関して行う。
を参照して接触が発生している可能性が高い実機の軸方
向部位を検出し、当該部位とその両側のモデルのみを駆
動するよう、モデル駆動信号S5で接触振動シミュレー
ト部6を制御するとともに、このモデル駆動信号S5
で、接触部位の軸方向位置の特定用、接触部位の周方向
位置の特定用及び接触深さの特定用の各モデルを切り換
えて順次駆動するように制御する。このように、モデル
駆動信号S5で駆動するモデルを選択することで、必要
最小限度の情報処理で所望の接触情報を得ることがで
き、その分比較動作の迅速化を図ることができる。
理結果を受けて、その診断結果、すなわち接触の有無、
接触の位置、接触の深さ等を表示・出力する。
成分の振幅の大きさ、振動ベクトルの一定時間内におけ
る変化率、振動ベクトルの変化形態等、振動ベクトルの
態様を表す要素の組み合わせ論理の結果に基づいて接触
振動の発生の可能性を検出するもので、この一次診断部
10で接触の発生の可能性が検出された場合に接触振動
シミュレート部6を動作させるとともに接触の発生を表
示部11に表示する。このように、接触振動の発生の可
能性が検出された場合に限って、接触振動シミュレート
部6が動作するように構成することで、接触振動シミュ
レート部6の無駄な動作を回避することができる。
法に用いる論理回路で形成した場合の実施例を示すブロ
ック線図である。同図に示すように、本実施例では、実
機の回転数Nと同期した振動成分に基づく振動ベクトル
の振幅であるN成分の値、所定の長時間(本例では20
分)に検出される振動の変化率の値、所定の短時間に検
出される振動の変化率の値及び振動ベクトルの変化形態
(変化形態が円形であるか否か)を確信度で数値化した
値を各入力信号として用いており、その論理素子として
はイベントトリガ付のものを用いている。勿論、これに
限るものではない。
変化率大の何れかであることをトリガ条件として、N成
分大及び長時間変化率大のアンド論理の成立を検出す
る。アンドゲート13は、アンドゲート12におけるア
ンド論理の成立をトリガ条件として、このアンドゲート
12のアンド条件の成立を表す出力信号とインバータ1
4で反転した短時間変化率大、すなわち短時間変化率小
のアンド論理の成立を検出する。アンドゲート15は、
アンドゲート13におけるアンド論理の成立をトリガ条
件として、このアンドゲート13のアンド条件の成立を
表す出力信号とベクトル変化形態のデータとのアンド論
理の成立を検出する。ここで、各アンドゲート12,1
3,15は単に「1」状態又は「0」状態の何れかを出
力するものではなく、「0」状態から「1」状態へ任意
の評価関数で連続的に変化するようにしたもので、出力
としては、入力の両方が正の値を採る場合に、各値を掛
け合わせたものとする。この結果、各出力値は、各アン
ド論理が成立する確信度を数値化したものとなる。
の一例を示す。同図に示すように、この場合にはベクト
ル変化形態を円近似した場合の円の半径により接触の有
無を判断するものである。すなわち、接触が発生してい
る場合、振動ベクトルS3の変化の形態は円形となるこ
とが知られているが、当該形態を円近似、具体的には、
例えば15秒毎に60点のデータを採り、これを最小二
乗法により円近似することにより、このときの円の半径
を求めている。同図の例では、半径が100μm以下の
とき「1」、すなわち100%の確信度で接触を発生し
ていると判断し、半径が300μm以上のとき「0」、
すなわち100%の確信度で接触を発生していないと判
断するとともに、半径が100μmと300μmとの間
では、確信度が直線的に低減していくとしてその程度を
数値化している。したがって、表示部10には、この確
信度が「1」に至る迄の少数値として表示される。ま
た、本実施例では、アンドゲート15の出力である確信
度が0.3以上のとき接触振動シミュレート部6を駆動
する。
出器1を配設し、これに対応させて後の信号処理系統も
構成したが、原理的には、振動検出器1を一個のみと
し、これに対応させて後の信号処理系統を構成すること
もできる。
た通り、[請求項1]に記載する発明は、回転機械の運
転に伴う振動を検出してこれを表す振動信号を送出する
振動検出手段と、上記回転機械の1回転を検出してこれ
を表す基準信号を送出する基準信号発生手段と、上記振
動信号及び基準信号を処理して振動信号の振幅及び振動
信号の基準信号に対する位相で特定される振動ベクトル
を生成する振動ベクトル分析手段と、上記回転機械の数
値モデルを有するとともに、この数値モデルを実機であ
る上記回転機械と同様の運転条件で駆動することにより
実機の運転をシミュレートし、上記振動検出手段の配設
部位で接触が発生した場合の上記振動ベクトルに対応す
るシミュレート振動ベクトルを生成する接触振動シミュ
レート手段と、上記振動ベクトルの変化の態様と、上記
シミュレート振動ベクトルの変化の態様とを比較して両
者の相関関係を検出し、このときの相関度が所定値以上
である場合に接触振動が発生していると判断する比較手
段とを有するので、振動ベクトルとシミュレート振動ベ
クトルとの相関関数を利用して回転側と静止側との接触
を検出し得る。この場合、実機における上記接触は接触
振動シミュレート手段のシミュレート振動ベクトルの変
化で良好にシミュレートできる。この結果、実機におけ
る上記接触を確実に検出することができる。
1]に記載する回転機械の振動診断システムにおいて、
振動検出手段は回転機械の軸方向に分散して複数個配設
するとともに、これに対応させて振動ベクトルも複数個
生成し、さらに接触振動シミュレート手段でも実機に対
応する複数のシミュレート振動ベクトルを生成し、比較
手段では、上記各振動ベクトルの変化の態様と、各振動
ベクトルに対応する上記各シミュレート振動ベクトルの
変化の態様とをそれぞれ比較して両者の変化態様の相関
関係をそれぞれ検出し、このときの相関度が所定値以上
である場合に接触振動が発生していると判断するととも
に相関度が最も高いシミュレート振動ベクトルが対応す
る位置に基づき接触振動が発生している回転機械の場所
も特定するようにしたので、接触の発生とともにその軸
方向の位置も確実に検出することができる。この結果、
接触を発生している部位の補修等、事後の作業を迅速且
つ合理的に行うことができる。ちなみに、例えば高圧、
中圧、低圧のタービンとともに発電機を有する発電シス
テムにおける振動診断システムとした場合、軸受は少な
くとも8個必要であり、これに各ラビリンスシール部に
おけるラビリンスの段数(例えば4段)を掛け合わせる
と32個の部位の接触を判定する必要があるが、この様
な場合、接触の発生のみが検出されてもその位置が特定
できないとすると、全ての部位のケーシングを開いて補
修を行わなければならない等、非常に手間のかかる作業
となる。
1]又は[請求項2]に記載する回転機械の振動診断シ
ステムにおいて、数値モデルは、回転機械の軸方向に関
する特定位置での接触振動の発生をシミュレートするた
めのもの、当該特定位置における回転軸の接触部位の周
方向位置を特定すべくシミュレートするためのもの、接
触の深さをシミュレートするためのもの等、接触振動部
位の絞り込み及び接触の態様の特定を順次行い得るよう
階層的な複数種類のものを用意したので、接触発生部位
の絞り込み及びその接触の態様までも特定し得る。この
結果、[請求項2]に記載する発明よりもさらに合理的
に事後の補修作業を行うことができる。
2]又は[請求項3]に記載する回転機械の振動診断シ
ステムにおいて、数値モデルは、別途検出した接触を発
生している可能性が高い部位及び回転機械の軸方向に関
して上記部位の両側の部位を表すモデルのみを駆動する
ようにしたので、他のモデルは駆動されずその分、処理
する情報が少なくて済む。この結果、接触に関する所定
の判定を迅速且つ合理的に行うことができる。
1]乃至[請求項4]に記載する何れか一つの回転機械
の振動診断システムにおいて、接触振動シミュレート手
段は、振動ベクトルの基本波成分の振幅の大きさ、振動
ベクトルの一定時間内における変化率、振動ベクトルの
変化形態等、振動ベクトルの態様を表す要素の組み合わ
せ論理の結果に基づいて接触振動の発生の可能性を検出
する一次診断手段により接触振動の発生の可能性が検出
された場合に動作するように構成したので、接触の発生
の可能性が高い場合のみ、接触に関するシミュレート動
作を行う。この結果、常時シミュレートを行う場合に比
べ、当該振動診断システムを合理的に動作させ、ランニ
ングコストの低減等に寄与し得る。
システムを示すブロック線図である。
回路で形成した場合の実施例を示すブロック線図であ
る。
を示すグラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 回転機械の運転に伴う振動を検出してこ
れを表す振動信号を送出する振動検出手段と、 上記回転機械の1回転を検出してこれを表す基準信号を
送出する基準信号発生手段と、 上記振動信号及び基準信号を処理して振動信号の振幅及
び振動信号の基準信号に対する位相で特定される振動ベ
クトルを生成する振動ベクトル分析手段と、 上記回転機械の数値モデルを有するとともに、この数値
モデルを実機である上記回転機械と同様の運転条件で駆
動することにより実機の運転をシミュレートし、上記振
動検出手段の配設部位で接触が発生した場合の上記振動
ベクトルに対応するシミュレート振動ベクトルを生成す
る接触振動シミュレート手段と、 上記振動ベクトルの変化の態様と、上記シミュレート振
動ベクトルの変化の態様とを比較して両者の相関関係を
検出し、このときの相関度が所定値以上である場合に接
触振動が発生していると判断する比較手段とを有するこ
とを特徴とする回転機械の振動診断システム。 - 【請求項2】 [請求項1]に記載する回転機械の振動
診断システムにおいて、 振動検出手段は回転機械の軸方向に分散して複数個配設
するとともに、これに対応させて振動ベクトルも複数個
生成し、さらに接触振動シミュレート手段でも実機に対
応する複数のシミュレート振動ベクトルを生成し、比較
手段では、上記各振動ベクトルの変化の態様と、各振動
ベクトルに対応する上記各シミュレート振動ベクトルの
変化の態様とをそれぞれ比較して両者の変化態様の相関
関係をそれぞれ検出し、このときの相関度が所定値以上
である場合に接触振動が発生していると判断するととも
に相関度が最も高いシミュレート振動ベクトルが対応す
る位置に基づき接触振動が発生している回転機械の場所
も特定するようにしたことを特徴とする回転機械の振動
診断システム。 - 【請求項3】 [請求項1]又は[請求項2]に記載す
る回転機械の振動診断システムにおいて、 数値モデルは、回転機械の軸方向に関する特定位置での
接触振動の発生をシミュレートするためのもの、当該特
定位置における回転軸の接触部位の周方向位置を特定す
べくシミュレートするためのもの、接触の深さをシミュ
レートするためのもの等、接触振動部位の絞り込み及び
接触の態様の特定を順次行い得るよう階層的な複数種類
のものを用意したことを特徴とする回転機械の振動診断
システム。 - 【請求項4】 [請求項2]又は[請求項3]に記載す
る回転機械の振動診断システムにおいて、 数値モデルは、別途検出した接触を発生している可能性
が高い部位及び回転機械の軸方向に関して上記部位の両
側の部位を表すモデルのみを駆動するようにしたことを
特徴とする回転機械の振動診断システム。 - 【請求項5】 [請求項1]乃至[請求項4]に記載す
る何れか一つの回転機械の振動診断システムにおいて、 接触振動シミュレート手段は、振動ベクトルの基本波成
分の振幅の大きさ、振動ベクトルの一定時間内における
変化率、振動ベクトルの変化形態等、振動ベクトルの態
様を表す要素の組み合わせ論理の結果に基づいて接触振
動の発生の可能性を検出する一次診断手段により接触振
動の発生の可能性が検出された場合に動作するように構
成したことを特徴とする回転機械の振動診断システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001179541A JP4533560B2 (ja) | 2001-06-14 | 2001-06-14 | 回転機械の振動診断システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001179541A JP4533560B2 (ja) | 2001-06-14 | 2001-06-14 | 回転機械の振動診断システム |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002372452A true JP2002372452A (ja) | 2002-12-26 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2001179541A Expired - Lifetime JP4533560B2 (ja) | 2001-06-14 | 2001-06-14 | 回転機械の振動診断システム |
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JP (1) | JP4533560B2 (ja) |
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