JP2010185838A - 回転機軸振動検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機器における軸振動検出原理を工夫して、検出構造を複雑化することなく、回転機器の振動を再現性良く検出できるようにする。
【解決手段】外周囲に複数の歯部５１を有して該当回転機器の回転軸９０に取り付けられ、当該回転軸９０と共に回転する円盤部材５０と、円盤部材５０の外周囲に近接して配置され、当該円盤部材５０の外周囲に光を照射すると共に、歯部５１からの反射光を受光する複数組みの反射型のＸ１センサ１０、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４０と、各々のセンサから得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２，Ｙ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２を信号処理する信号処理部６７とを備え、各組みのセンサは、円盤部材５０を間に挟んで相互に対向する位置に配設されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電所の水車発電機等の回転軸における軸振動の検出（測定）機構に適用可能な回転機軸振動検出装置に関するものである。

従来から、水力発電所には水車発電機が設置されている。水車発電機は回転軸を有している。水車発電機の回転軸には回転検出装置（ＳＳＧ：Signal Speed Generator)が取り付けられ、発電機の回転速度が一定以上に上昇しないようにガバナー制御が実行される。ＳＳＧでは、近接スイッチ（信号発生器）から回転体（歯付き円盤）へ光が照射され、その反射信号をカウントさせることで、回転数を測定するようになされる。

図７は、この種の従来例に係る回転検出装置１の構成例を示すブロック図であり、図８はその動作例を示すタイムチャートである。図７に示す回転検出装置１によれば、回転検出部７と、２個の近接スイッチ用のＸ１センサ１０及びＹ１センサ３０と、回転検出用歯付きの円盤部材５０とを備えて構成される。Ｘ１センサ１０及びＹ１センサ３０は反射型の光学センサから構成される。

円盤部材５０は外周囲に１２枚の歯部５１を有して水車発電機の回転軸９０（主軸）に取り付けられる。Ｘ１センサ１０は直交座標系において、Ｘ軸上に配置され、Ｙ１センサ３０はＹ軸上に配置される。この例の直交座標系には、水車発電機の回転軸９０を法線方向Ｚ（ｎ）とする平面に、当該回転軸９０の軸芯を原点としたＸ軸及びＹ軸が定義される。

Ｘ１センサ１０は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１に光を照射すると共に、歯部５１からの反射光を受光してオンし、Ｘ軸パルス信号ＳＸ１を発生する。Ｙ１センサ３０は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１に光を照射すると共に、歯部５１からの反射光を受光してオンし、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１を発生する。歯部５１と歯部５１との間に光が照射されると、図示しない受光素子がオフする。これにより、Ｘ１センサ１０及びＹ１センサ３０は、Ｘ軸パルス信号ＳＸ１や、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１を成すオン・オフ信号を出力する近接スイッチとして機能する。

Ｘ１センサ１０及びＹ１センサ３０には、回転検出部７が接続される。回転検出部７は、カウンタを有して、これらのＸ１センサ１０及びＹ１センサ３０から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１及びＹ軸パルス信号ＳＹ１を入力してそのパルス数を計測する。図８Ａに示すようなＸ軸パルス信号ＳＸ１のパルス数と、図８Ｂに示すようなＹ軸パルス信号ＳＹ１のパルス数とが加算され、その加算値を平均（１／２）され、その平均値は回転数を成す回転検出情報として上位の制御系へ出力される。回転検出情報は電圧に変換（Ｖ）される。図中、電圧変換波形を破線で示している。上位の制御系は配電盤等に設けられる。

上位の制御系では、水車発電機の回転速度を検出し、調速機の周波数制御（ガバナー制御）が実行され、水車発電機が高回転にならないように保護される。水車発電機が高回転になると軸振動を発生する原因となる。軸振動の状況によっては、水車発電機等の回転機器への重大な損傷を与えるおそれがある。

この種の回転機器の軸振動に関して、特許文献１には軸振動監視システムが開示されている。この軸振動監視システムによれば、軸振動検出手段、振動波形取込手段、振動特性データベース及び振動特性比較演算手段を備える。軸振動検出手段は回転機械の軸振動を検出する。振動波形取込手段は、軸振動検出手段によって検出された振動波形を取り込む。

振動特性計算手段は、振動波形取込手段で取り込まれた振動波形を基にして振動特性データを計算する。振動特性データベースには、異常時の軸振動現象に対応する振動特性基準データが保存される。ここに軸振動現象とは、主軸とつながる全ての回転体に、振動が発生した場合に、軸振動がスラストメタルを中心に発生する状態をいう。ここで発生する振動波形は、常に正弦波の強弱によってその判定結果を表示可能なものである。

振動特性比較演算手段は、振動特性計算手段によって計算された振動特性基準データと振動特性データベースから読み出された振動特性データとを比較演算する。これを前提にして、振動特性計算手段が、時間・周波数解析により振動振幅の時間・周波数特性を求め、その時間・周波数解析結果の各周波数における振動発生頻度を算出して振動特性データとするようになされる。

このようにシステムを構成すると、軸受給油不足時のように偶発的な非定常異常振動現象を異常発生初期の異常振動周波数における振動振幅が小さい状態であっても、確実に検知できるというものである。

また、回転体の診断に関して、特許文献２には回転体診断装置が開示されている。この回転体診断装置によれば、振動センサ、Ａ／Ｄ変換器、周波数変換部、回転数センサ、データベース、補正部及び判定部を備える。振動センサは、回転体の軸振動を測定して電気信号をＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器は、振動センサの電気信号をデジタル信号に変換する。周波数変換部は、Ａ／Ｄ変換器から出力される軸振動のデジタル信号を周波数変換して観測周波数スペクトルを出力する。回転数センサは、回転体の軸回転数を測定して回転数を出力する。

一方、データベースには、軸振動の周波数情報について回転体が正常及び異常状態にあるときの標準パターンが記憶される。補正部は回転数センサにより測定された回転体の回転数に応じて、データベースから読み出した標準パターンを補正する。これを前提にして、判定部が、補正部により補正した標準パターンと、周波数変換部が出力した観測周波数スペクトルとを比較する。これにより、回転体の診断を実施するようになされる。

このように回転体診断装置を構成すると、周波数スペクトルの軸回転数の整数倍成分のような特定の周波数領域のみならず、全ての周波数領域を考慮した回転体の診断が実施できるというものである。

更に、回転体の振動監視に関して、特許文献３には回転体の振動監視方法が開示されている。この方法によれば、回転体の振動を検出して振動信号を生成し、この振動信号をウエーブレット変換して回転体の状態を解析し、この解析結果による振動信号の周波数と振幅の大きさを時間軸に対応づけて出力するというものである。このような回転体の振動監視方法を採ると、振動周波数ごとの振動の時間変化を求めることができ、回転体の瞬時の振動を正確にとらえたり、回転体の振動の変化状態を連続的に解析できるというものである。

また、回転体の回転速度解析に関して、特許文献４には回転体の回転パルス信号解析装置が開示されている。この回転パルス信号解析装置によれば、非接触型変位計、サンプリング手段、軸変位信号処理手段、振幅値算出手段、周波数分析処理手段、回転数算出処理手段及び位相解析処理手段を備える。非接触型変位計は、回転体の回転軸のパルス検出部に対向して設けられ、回転軸との相対変位を計測し、回転パルス信号とポンプ軸振動信号が重畳された電気信号を得てサンプリング手段に出力する。

サンプリング手段は、非接触型変位計からの電気信号をサンプリングしてディジタル信号に変換する。軸変位信号処理手段は、サンプリング手段から出力されるサンプリングデータを軸変位信号に補正する。振幅値算出手段は、軸変位信号処理手段により補正された軸変位のデータから振幅値を算出する。

周波数分析処理手段は、軸変位信号処理手段により補正された軸変位のデータから周波数を分析する。回転数算出処理手段は、サンプリング手段のサンプリングデータから回転軸の回転数を算出する。これを前提にして、位相解析処理手段が、サンプリング手段からのサンプリングデータと、軸変位信号処理手段から出力される軸変位データとを同一タイミング、かつ、同一周期でサンプリングして、各データの周波数分析を行うと共に、回転数算出処理手段のデータを入力して位相算出を実行するようにした。

このように回転パルス信号解析装置を構成すると、回転体の軸変位、軸位相及び回転数を一つの検出器により得ることが可能となり、構成が簡易化されるというものである。

特開２００６−２２６６８７号公報（第４頁 図１） 特開平 １０−１１１７１３号公報（第３頁 図１） 特開２００１−２７５８５３号公報（第４頁 図１） 特許 第３４００２０９号 （第４頁 図１）

ところで、従来例に係る回転体の振動検出機能によれば、次のような問題がある。
ｉ．図７に示した回転検出装置１によれば、Ｘ軸及びＹ軸の２箇所に設置されたＸ１センサ１０及びＹ１センサ３０で反射時間を測定している。回転検出装置１は、Ｘ軸パルス信号ＳＸ１、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１のパルス数を計数するカウント法が採られる。このカウント法でも、Ｘ１センサ１０及びＹ１センサ３０によって回転体の軸振動値を測定することができるが、均一かつ安定した軸振動値が得られないため、軸振動値と振動基準値とを比較判定する場合に誤差が生じるという問題がある。

ii．因みに既存の水車発電機等の回転速度検出設備を利用して、回転軸振動機構を組み込もうとした場合、特許文献１乃至４に記載される、回転体の軸振動監視システム、回転体診断装置、振動監視方法、回転パルス信号解析装置をそのまま組み合わせのでは、検出構造が複雑化したり、回転速度検出設備が大規模化するおそれがある。

iii．回転検出用歯付きの円盤部材５０を用いずに、水車発電機の主軸などに光を照射して、その反射光から回転体の軸振動を測定する方法も考えられる。水車発電機の主軸の軸面は、粗い仕上げなので、軸振動値を測定することができるが、光検出信号の品質が劣化するため、真の軸振動値を判定することができないという問題がある。

iv．なお、円盤部材５０が回転体の軸受け部（スラストメタル）から離れた位置に取り付けられると、精度良い軸振動値が得られなくなり、検出された軸振動値に誤差が生じる。また、Ｘ１センサ１０及びＹ１センサ３０が設置される箇所に、固有の振動が発生した場合は、その測定値に誤差が生じるという問題がある。

そこで、この発明はこのような従来の課題を解決したものであって、回転機器における軸振動検出原理を工夫して、検出構造を複雑化することなく、回転機器の振動を再現性良く検出できるようにした回転機軸振動検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する本発明の回転機軸振動検出装置は、外周囲に複数の歯部を有して該当回転機器の回転軸に取り付けられ、当該回転軸と共に回転する円盤部材と、前記円盤部材の外周囲に近接して配置され、当該円盤部材の外周囲に光を照射すると共に、前記歯部からの反射光を受光する複数組みの反射型の光学センサと、各々の前記光学センサから得られる光検出信号を信号処理する信号処理部とを備え、各組みの前記光学センサは、
前記円盤部材を間に挟んで相互に対向する位置に配設されることを特徴とするものである。

本発明に係る回転機軸振動検出装置によれば、円盤部材は、外周囲に複数の歯部を有して該当回転機器の回転軸に取り付けられ、当該回転軸と共に回転する。複数組みの反射型の光学センサは、円盤部材の外周囲に近接して配置され、かつ、円盤部材を間に挟んで相互に対向する位置に配設される。各組みの光学センサは、当該円盤部材の外周囲に光を照射すると共に、歯部からの反射光を受光する。信号処理部は、各々の光学センサから得られる光検出信号を信号処理するようになる。

従って、光学センサから得られる光検出信号を信号処理すると、回転機器の回転軸に関する振動検出情報を出力できるようになる。例えば、信号処理部には振動検出部が設けられる。振動検出部は、回転機器の回転軸に定義される直交座標系のＸ軸上に配置された第１組み目の１対の光学センサから得られる２つの光検出信号を演算してＸ方向の振動検出情報を出力する。また、振動検出部は、直交座標系のＹ軸上に配置された第２組み目の１対の光学センサから得られる２つの光検出信号を演算してＹ方向の振動検出情報を出力するようになる。

本発明に係る回転機軸振動検出装置によれば、複数の歯部を有して該当回転機器の回転軸に取り付けられた円盤部材の外周囲に近接して配置された複数組みの反射型の光学センサを備え、当該光学センサは、円盤部材を間に挟んで相互に対向する位置に配設され、円盤部材の外周囲に光を照射すると共に、歯部からの反射光を受光するものである。

この構成によって、光学センサから得られる光検出信号を信号処理すると、回転機器の軸振動に起因する振動検出情報を出力できるようになる。従って、当該回転機軸振動検出装置から得られる振動検出情報に基づいて発電機や電動機等の回転機器の回転軸を診断したり、回転軸の振動状態を監視できるようになる。

しかも、これらの回転機器の回転速度をリアルタイムに発生する振動検出情報に基づいて調速機等をフィードバック制御できるようになる。当該回転機軸振動検出装置から得られる振動検出情報を蓄積しておくと、後日、振動検出情報は、軸振動動向の解析等に利用できるばかりか、回転機器の分解・改修計画時の検討資料に利用できるようになる。

本発明に係る実施例としての回転機軸振動検出装置１００の構成例を示す斜視図である。 回転機軸振動検出装置１００の構成例を示すブロック図である。 その振動検出部６０の内部構成例を示すブロック図である。 その回転検出部７０の内部構成例を示すブロック図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、信号処理部６７における動作例（その１）を示すタイムチャートである。 （Ａ）〜（Ｆ）は、信号処理部６７における動作例（その２）を示すタイムチャートである。 従来例に係る回転検出装置１の構成例を示すブロック図である。 回転検出装置１の動作例を示すタイムチャートである。

続いて、この発明に係る回転機軸振動検出装置について、図１〜図６を参照しながら説明をする。この実施例では、複数の歯部を有して該当回転機器の回転軸に取り付けられる円盤部材の外周囲に近接した位置であって、円盤部材を間に挟んで相互に対向する位置に、複数組みの反射型の光学センサを配設し、円盤部材の外周囲に光を照射すると共に、歯部からの反射光を受光して得られる光検出信号から、回転機器の軸振動に起因する振動検出情報を出力できるようにした。

図１に示す回転機軸振動検出装置１００は、水力発電所の水車発電機やその揚水電動機等の回転軸における軸振動の検出（測定）機構に適用して好適なものである。回転機軸振動検出装置１００は、複数組み、この例では２組の光学センサ（以下Ｘ１センサ１０、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０、Ｙ２センサ４０という）、円盤部材５０及び信号処理部６７を備えて構成される。

円盤部材５０は、外周囲に複数、この例では１２枚の歯部５１を有している。円盤部材５０は、水車発電機等の該当回転機器の回転軸９０に取り付けられ、当該回転軸９０と共に回転する。円盤部材５０には、従来方式の回転検出装置に実装される真円精度が高い歯付き円盤を使用できる。円盤部材５０は、回転機器の軸支え箇所となる軸受け部（スラストメタル）８０に接近した回転軸９０に取り付けられる。このように回転機器の軸支え箇所となる軸受け部８０に接近した位置における軸振動を検出（測定）することができ、振動検出部６０から出力される回転機器の軸振動情報の信頼性を向上できるようになる。

この例で、円盤部材５０の外周囲にＸ１センサ１０及びＸ２センサ２０と、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４０の２組が設けられる場合であって、回転機器の回転軸９０を法線方向Ｚ（ｎ）とする平面に、当該回転軸９０の軸芯を原点としたＸ軸及びＹ軸を有する直交座標系を定義したとき、１組み目のＸ１センサ１０，Ｘ２センサ２０は、直交座標系のＸ軸上に配置され、２組み目のＹ１センサ３０，Ｙ２センサ４０は、直交座標系のＹ軸上に配置される。

Ｘ１センサ１０，Ｘ２センサ２０は、円盤部材５０を間に挟んで相互に対向する位置（角度１８０°）に配設される。Ｘ１センサ１０は、直交座標系のＸ軸（正側）上であって、円盤部材５０の外周囲に近接して配置され、図示しない環状のベース部材等に固定される。Ｘ１センサ１０は発光素子１１及び受光素子１２を有している。発光素子１１は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１に光を照射すると共に、受光素子１２が歯部５１からの反射光を受光してオンし、光検出信号の一例となるＸ軸パルス信号ＳＸ１を発生する。

Ｘ２センサ２０は、直交座標系のＸ軸（負側）上であって、円盤部材５０の外周囲に近接して配置され、図示しない同ベース部材に固定される。Ｘ２センサ２０は、発光素子２１及び受光素子２２を有している。発光素子２１は円盤部材５０の外周囲の歯部５１に光を照射すると共に、受光素子２２が歯部５１からの反射光を受光してオンし、光検出信号の一例となるＸ軸パルス信号ＳＸ２を発生する。

Ｙ１センサ３０，Ｙ２センサ４０は、円盤部材５０を間に挟んで相互に対向する位置（角度１８０°）に配設される。Ｙ１センサ３０は、直交座標系のＹ軸（正側）上であって、円盤部材５０の外周囲に近接して配置され、図示しない同ベース部材に固定される。Ｙ１センサ３０は発光素子３１及び受光素子３２を有している。発光素子３１は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１に光を照射すると共に、受光素子３２が歯部５１からの反射光を受光してオンし、光検出信号の一例となるＹ軸パルス信号ＳＹ１を発生する。

Ｙ２センサ４０は、直交座標系のＹ軸（負側）上であって、円盤部材５０の外周囲に近接して配置され、図示しないベース部材に固定される。Ｙ２センサ４０は発光素子４１及び受光素子４２を有している。発光素子４１は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１に光を照射すると共に、受光素子４２が歯部５１からの反射光を受光してオンし、光検出信号の一例となるＹ軸パルス信号ＳＹ２を発生する。

これらのＸ１センサ１０，Ｘ２センサ２０，Ｙ１センサ３０，Ｙ２センサ４０には、円盤部材５０の外周囲の歯部５１が各々の受光素子１２，２２，３２，４２に近づき、離間長さ（距離）が短くなると、受光量が増加し出力電圧が上昇する。反対に、その歯部５１が各々の受光素子１２，２２，３２，４２から遠ざかり、離間長さ（距離）が長くなると、受光量が減少し出力電圧が下がるタイプの反射型の光学センサが使用される。

２組のＸ１センサ１０，Ｘ２センサ２０及びＹ１センサ３０，Ｙ２センサ４０には、図２に示すような信号処理部６７が接続され、これらのＸ１センサ１０，Ｘ２センサ２０及びＹ１センサ３０，Ｙ２センサ４０から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２を入力して信号処理を実行する。このようにセンサ出力系を構成すると、信号処理部６７は、直交座標系のＸ軸上に配置された１組み目のＸ１センサ１０及びＸ２センサ２０から、位相が１８０°だけ異なるＸ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２を得ることができる。

同様にして、直交座標系のＹ軸上に配置された２組み目のＹ１センサ３０及びＹ２センサ４０からも、位相が１８０°だけ異なるＹ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２を得ることができる。これにより、信号処理部６７で、少なくとも、回転軸９０のＸ軸及びＹ軸方向への振動状態を検出できるようになる。

また、Ｘ１センサ１０や、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０、Ｙ２センサ４０等は、ベース部材が設けられた従来方式の回転検出装置の筐体内に収納できる大きさを有しているので、既存のベース部材に各センサを取り付けることができ、新たな取り付けスペースを必要としない。

続いて、図２及び図３を参照して、回転機軸振動検出装置１００の構成例、その振動検出部６０及び回転検出部７０の内部構成例について説明する。図２に示す信号処理部６７は、振動検出部６０及び回転検出部７０を有して構成される。２組のＸ１センサ１０、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４０は振動検出部６０及び回転検出部７０に接続される。

振動検出部６０は、回転機器の回転軸９０に定義される直交座標系のＸ軸上に配置された１対のＸ１センサ１０，Ｘ２センサ２０から得られる２つのＸ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２を演算してＸ方向の振動検出情報を出力する。また、振動検出部６０は、直交座標系のＹ軸上に配置された１対のＹ１センサ３０，Ｙ２センサ４０から得られる２つのＹ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２を演算してＹ方向の振動検出情報を出力する。

振動検出部６０は、例えば、図３に示すようにＸ波形合成＆平均値出力部６１、Ｙ波形合成＆平均値出力部６２及び信号合成演算部６３を有して構成される。Ｘ１センサ１０，Ｘ２センサ２０にはＸ波形合成＆平均値出力部６１が接続される。Ｘ波形合成＆平均値出力部６１は、Ｘ１センサ１０から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１と、Ｘ２センサ２０から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ２とを加算し、当該Ｘ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２の加算値Ｖ（Ｘ１＋Ｘ２）を平均（１／２）したＸ方向の振動検出情報Ｖ（Ｘ）を出力する。

振動検出情報Ｖ（Ｘ）を電圧値に変換するとＸ方向の軸振動値Ｖ（ｘ）が得られる。軸振動値Ｖ（ｘ）はアナログ量である。例えば、変換定数をｃ１とすると、軸振動値Ｖ（ｘ）は、Ｖ（ｘ）＝ｃ１・Ｖ（Ｘ）から得られる。具体的には、振動検出情報Ｖ（Ｘ）に基づくパルス電圧で抵抗Ｒ及び静電容量Ｃから成るＲＣ回路を充電した際に、その抵抗Ｒの両端に現れる電圧変化等である。

Ｙ１センサ３０，Ｙ２センサ４０にはＹ波形合成＆平均値出力部６２が接続される。Ｙ波形合成＆平均値出力部６２は、Ｙ１センサ３０から得られるＹ軸パルス信号ＳＹ１と、
Ｙ２センサ４０から得られるＹ軸パルス信号ＳＹ２とを加算し、当該Ｙ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２の加算値Ｖ（Ｙ１＋Ｙ２）を平均（１／２）したＹ方向の振動検出情報Ｖ（Ｙ）を出力する。

振動検出情報Ｖ（Ｙ）を電圧値に変換するとＹ方向の軸振動値Ｖ（ｙ）が得られる。軸振動値Ｖ（ｙ）はアナログ量である。例えば、変換定数をｃ２とすると、軸振動値Ｖ（ｙ）は、Ｖ（ｙ）＝ｃ２・Ｖ（Ｙ）から得られる。具体的には、振動検出情報Ｖ（Ｙ）に基づくパルス電圧で抵抗Ｒ及び静電容量Ｃから成るＲＣ回路を充電した際に、その抵抗Ｒの両端に現れる電圧変化等である。

Ｘ波形合成＆平均値出力部６１及びＹ波形合成＆平均値出力部６２には、信号合成演算部６３が接続される。信号合成演算部６３は、振動検出情報Ｖ（Ｘ）と振動検出情報Ｖ（Ｙ）とに基づく軸振動値Ｖ（ｘ）及びＶ（ｙ）を信号合成演算した軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）を出力する。

このように振動検出部６０を構成すると、Ｘ方向の振動検出情報Ｖ（Ｘ）から、水車発電機や揚水電動機等の回転機器のＸ方向における軸振動値Ｖ（ｘ）を検出することができ、Ｙ方向の振動検出情報Ｖ（Ｙ）から、同回転機器のＹ方向における軸振動値Ｖ（ｙ）を検出することができる。これらを信号合成した軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）と、図示しない閾値とを比較することで、回転機器の軸振動の許容又は異常を判定できるようになる。

上述の２組のＸ１センサ１０，Ｘ２センサ２０及びＹ１センサ３０，Ｙ２センサ４０には振動検出部６０の他に回転検出部７０が接続され、回転機器の回転軸９０に取り付けられた円盤部材５０の歯部５１からの反射光の受光回数を計数して当該回転機器の回転検出情報を出力するように動作する。回転検出部７０は４個のカウンタ回路（以下Ｘ１カウンタ７１、Ｘ２カウンタ７２、Ｙ１カウンタ７３、Ｙ２カウンタ７４という）及び加算＆平均値演算部７５を有して構成される。

上述のＸ１センサ１０にはＸ１カウンタ７１が接続される。Ｘ１カウンタ７１は、Ｘ１センサ１０から出力されるＸ軸パルス信号ＳＸ１のパルス数を計数して回転検出情報ＲＸ１となるカウンタ値を出力する。Ｘ２センサ２０にはＸ２カウンタ７２が接続される。Ｘ２カウンタ７２は、Ｘ２センサ２０から出力されるＸ軸パルス信号ＳＸ２のパルス数を計数して回転検出情報ＲＸ２となるカウンタ値を出力する。

Ｙ１センサ３０にはＹ１カウンタ７３が接続される。Ｙ１カウンタ７３は、Ｙ１センサ３０から出力される光検出信号ＹＸ１のパルス数を計数して回転検出情報ＲＹ１となるカウンタ値を出力する。Ｙ２センサ４０にはＹ２カウンタ７４が接続される。Ｙ２カウンタ７４は、Ｙ２センサ４０から出力される光検出信号ＹＸ２のパルス数を計数して回転検出情報ＲＹ２となるカウンタ値を出力する。

Ｘ１カウンタ７１、Ｘ２カウンタ７２、Ｙ１カウンタ７３及び、Ｙ２カウンタ７４には加算＆平均値演算部７５が接続される。加算＆平均値演算部７５は、各々のカウンタ値を成す回転検出情報ＲＸ１，ＲＸ２，ＲＹ１及びＲＹ２を入力し、Ｘ１カウンタ７１、Ｘ２カウンタ７２、Ｙ１カウンタ７３及びＹ２カウンタ７４から出力される４つのカウンタ値を加算し、その平均値（１／４：以下回転速度情報Ｖｖという）を演算するようになされる。

このように信号処理部６７を構成すると、振動検出部６０から回転機器の軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）を出力できると共に、従来方式と同様にして回転検出部７０から当該回転機器の回転速度情報Ｖｖを出力できるので、多機能型の回転機軸振動検出装置１００を提供できるようになる。

続いて、図５及び図６を参照して、回転機軸振動検出装置１００の動作例について説明する。この例では、回転機軸振動検出装置１００の動作例について、振動無し時と振動有り時の２つに分けて説明する。例えば、図１に示したような１対のＸ１センサ１０及びＸ２センサ２０と、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４０との２組を採用して、Ｘ軸及びＹ軸の２箇所で反射光量（反射時間でもよい）の測定を行う。

これらのＸ１センサ１０、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１とＸ軸パルス信号ＳＸ２との比較、及び、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１とＹ軸パルス信号ＳＹ２との比較による軸振れ測定原理を導入する。Ｘ軸及びＹ軸での測定結果を平均することで、今までは回転検出機能のみを有していた回転検出装置を改良して、軸振動が測定可能な回転機軸振動検出装置１００を提供できるようにした。図中、Ｘ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２や、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２等を実線で示し、軸振動値Ｖ（ｘ），Ｖ（ｙ），Ｖ（ｘ，ｙ）等の電圧変換値を破線で示している。

［振動無し時］
図５Ａ〜図５Ｆに示す信号処理部６７における振動無し時の動作例によれば、図５Ａに示すＸ軸パルス信号ＳＸ１がＸ１センサ１０からＸ波形合成＆平均値出力部６１へ、また、図５Ｂに示すＸ軸パルス信号ＳＸ２がＸ２センサ２０からＸ波形合成＆平均値出力部６１へ出力される。

振動無し時には、Ｘ１センサ１０と円盤部材５０の外周囲の歯部５１との離間長さ（距離）が一定を保った状態であり、Ｘ２センサ２０と円盤部材５０の外周囲の歯部５１との離間長さ（距離）も一定を保った状態である。このような状態であると、各々の受光素子１２，２２が受光する反射光の受光量も一定となり、Ｘ１センサ１０及びＸ２センサ２０の出力電圧も一定となる。

この結果、Ｘ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２の振幅が同等で、位相差が１８０°であるから、図５Ｃに示す振動検出情報Ｖ（Ｘ）がＶ（Ｘ）＝０となり、Ｘ波形合成＆平均値出力部６１から信号合成演算部６３には振動検出情報Ｖ（Ｘ）＝０（ロー・レベル）が出力される。Ｖ（Ｘ）＝０はＸ波形合成＆平均値出力部６１から信号合成演算部６３へ何も出力されない状態に等しい。これにより、回転軸９０のＸ方向での振動無しを識別できるようになる。

同様にして、図５Ｄに示すＹ軸パルス信号ＳＹ１がＹ１センサ３０からＹ波形合成＆平均値出力部６２へ、また、図５Ｅに示すＹ軸パルス信号ＳＹ２がＹ２センサ４０からＹ波形合成＆平均値出力部６２へ出力される。

振動無し時には、Ｙ１センサ３０と円盤部材５０の外周囲の歯部５１との離間長さ（距離）が一定を保った状態であり、Ｙ２センサ４０と円盤部材５０の外周囲の歯部５１との離間長さ（距離）も一定を保った状態である。このような状態であると、各々の受光素子３２，４２が受光する反射光の受光量も一定となり、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４０の出力電圧も一定となる。

この結果、図５Ｆに示すように振動検出情報Ｖ（Ｙ）がＶ（Ｙ）＝０となり、Ｙ波形合成＆平均値出力部６２から信号合成演算部６３には振動検出情報Ｖ（Ｙ）＝０（ロー・レベル）が出力される。Ｖ（Ｙ）＝０はＹ波形合成＆平均値出力部６２から信号合成演算部６３へ何も出力されない状態に等しい。これにより、回転軸９０のＹ方向での振動無しを識別できるようになる。

［振動有り時］
一方、図６Ａ〜図６Ｆに示す信号処理部６７における振動有り時の動作例によれば、図６Ａに示すＸ軸パルス信号ＳＸ１がＸ１センサ１０からＸ波形合成＆平均値出力部６１へ、また、図６Ｂに示すＸ軸パルス信号ＳＸ２がＸ２センサ２０からＸ波形合成＆平均値出力部６１へ出力される。

この例の振動有り時の動作例によれば、回転軸９０が振動して円盤部材５０の外周囲の歯部５１がＸ１センサ１０の受光素子１２に近づいた場合である。この場合、歯部５１と、Ｘ１センサ１０との離間長さ（距離）が短くなり、受光素子１２への受光量が増加し、Ｘ１センサ１０の出力電圧が上昇する（図６Ａ参照）。

反対側は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１がＸ２センサ２０の受光素子２２から遠ざかった場合である。この場合、歯部５１と、Ｘ２センサ２０との離間長さ（距離）が長くなり、受光素子２２への受光量が減少し、Ｘ２センサ２０の出力電圧が降下する（図６Ｂ参照）。この結果、図６Ｃに示すように振動検出情報Ｖ（Ｘ）がＶ（Ｘ）≠０となり、Ｘ波形合成＆平均値出力部６１から信号合成演算部６３にはＸ方向の振動検出情報Ｖ（Ｘ）が出力される。振動検出情報Ｖ（Ｘ）を電圧変換したものがＸ方向の軸振動値Ｖ（ｘ）である。同様にして、図６Ｄに示すＹ軸パルス信号ＳＹ１がＹ１センサ３０からＹ波形合成＆平均値出力部６２へ、また、図６Ｅに示すＹ軸パルス信号ＳＹ２がＹ２センサ４０からＹ波形合成＆平均値出力部６２へ出力される。

この例の振動有り時の動作例によれば、回転軸９０が振動して円盤部材５０の外周囲の歯部５１がＹ１センサ３０の受光素子３２に近づいた場合である。この場合、歯部５１と、Ｙ１センサ３０との離間長さ（距離）が短くなり、受光素子３２への受光量が増加し、Ｙ１センサ３０の出力電圧が上昇する（図６Ｄ参照）。

反対側は、円盤部材５０の外周囲の歯部５１がＹ２センサ４０の受光素子４２から遠ざかった場合である。この場合、歯部５１と、Ｙ２センサ４０との離間長さ（距離）が長くなり、受光素子４２への受光量が減少し、Ｙ２センサ４０の出力電圧が降下する（図６Ｅ参照）。この結果、図６Ｆに示すように振動検出情報Ｖ（Ｙ）がＶ（Ｙ）≠０となり、Ｙ波形合成＆平均値出力部６２から信号合成演算部６３にはＹ方向の振動検出情報Ｖ（Ｙ）が出力される。振動検出情報Ｖ（Ｙ）を電圧変換したものがＹ方向の軸振動値Ｖ（ｙ）である。

このように、Ｘ軸上で対向するＸ１センサ１０及びＸ２センサ２０から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１及びＸ軸パルス信号ＳＸ２の加算値の平均値（１／２）がＸ方向での軸振動値Ｖ（ｘ）となる。Ｙ軸上で対向するＹ１センサ３０及びＹ２センサ４０から得られるＹ軸パルス信号ＳＹ１及びＹ軸パルス信号ＳＹ２の加算値の平均値（１／２）がＹ方向での軸振動値Ｖ（ｘ）となる。その２軸の軸振動値Ｖ（ｘ），Ｖ（ｙ）を演算（ベクトル合成や、平均化処理等）することで、正確な軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）を計測できるようになる（軸振れ測定原理）。

この例では、図示せずも、振動検出情報Ｖ（Ｘ）と振動検出情報Ｖ（Ｙ）とに基づく軸振動値Ｖ（ｘ）及びＶ（ｙ）は、信号合成演算部６３で信号合成され、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）が演算されて出力される。軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）は、軸振動値Ｖ（ｘ）及びＶ（ｙ）が、例えば、ベクトル合成されて求められる。軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）は、上位の制御系に出力される。上位の制御系では、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）と、図示しない閾値電圧とを比較することで、回転機器の軸振動の許容又は異常を判定するようになされる。

また、図示せずも、回転検出部７０では、Ｘ１カウンタ７１がＸ１センサ１０から出力されるＸ軸パルス信号ＳＸ１のパルス数を計数して回転検出情報ＲＸ１を加算＆平均値演算部７５に出力する。Ｘ２カウンタ７２では、Ｘ２センサ２０から出力されるＸ軸パルス信号ＳＸ２のパルス数を計数して回転検出情報ＲＸ２を加算＆平均値演算部７５に出力する。

Ｙ１カウンタ７３では、Ｙ１センサ３０から出力される光検出信号ＹＸ１のパルス数を計数して回転検出情報ＲＹ１を加算＆平均値演算部７５に出力する。Ｙ２カウンタ７４では、Ｙ２センサ４０から出力される光検出信号ＹＸ２のパルス数を計数して回転検出情報ＲＹ２を加算＆平均値演算部７５に出力する。加算＆平均値演算部７５では、４つのカウンタ値を成す回転検出情報ＲＸ１，ＲＸ２，ＲＹ１及びＲＹ２を入力し、これらの４つのカウンタ値を加算し、その平均値を演算して回転速度情報を出力する。

このように、実施例としての回転機軸振動検出装置１００によれば、円盤部材５０は、外周囲に複数の歯部５１を有して該当回転機器の回転軸９０に取り付けられ、当該回転軸９０と共に回転する。２組みの反射型のＸ１センサ１０、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０及びＹ２センサ４０は、円盤部材５０の外周囲に近接して配置され、かつ、円盤部材５０を間に挟んで相互に対向する位置に配設される。従って、Ｘ１センサ１０、Ｘ２センサ２０、Ｙ１センサ３０、Ｙ２センサ４０から得られるＸ軸パルス信号ＳＸ１，ＳＸ２、Ｙ軸パルス信号ＳＹ１，ＳＹ２を信号処理すると、回転機器の軸振動に起因する振動検出情報Ｖ（Ｘ），Ｖ（Ｙ）を出力できるようになる。

これにより、Ｘ方向の振動検出情報Ｖ（Ｘ）から、水車発電機や揚水電動機等の回転機器のＸ方向における軸振動値Ｖ（ｘ）を検出することができ、Ｙ方向の振動検出情報Ｖ（Ｙ）から、当該回転機器のＹ方向における軸振動値Ｖ（ｙ）を検出することができる。これらを信号合成演算部６３で信号合成した軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）と、図示しない閾値電圧とを比較することで、回転機器の軸振動の許容又は異常を判定できるようになる。

水車発電機等の軸振動技術や軸診断技術等の開発分野において、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）を判定できるようになると、回転機軸振動検出装置１００を発電機の保護や、診断等に効果的に発揮できるようになる。

例えば、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）は、発電機の負荷制限機能のフィードバック制御に利用できるようになる。軸振動技術及び軸診断技術分野では、当該回転機軸振動検出装置１００から得られる軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）に基づいて水力発電所の水車発電機や揚水電動機等の回転機器の回転軸９０を診断したり、回転軸９０の振動状態を監視できるようになる。しかも、これらの回転機器の回転速度をリアルタイムに発生する軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）に基づいて調速機等のフィードバック制御できるようになる。

また、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）をデータ保存技術分野に適用すると、当該回転機軸振動検出装置１００から得られる振動検出情報Ｖ（Ｘ），Ｖ（Ｙ）や、軸振動値Ｖ（ｘ），Ｖ（ｙ）等を記録計に蓄積しておくと、後日、振動検出情報Ｖ（Ｘ），Ｖ（Ｙ）等を軸振動動向の解析等に利用できる。こればかりか、回転機器の主要部品となる軸受け部８０や回転軸９０等の交換時や細密点検時等において、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）に基づく軸振動データを解析することで、分解・改修計画時の検討資料に利用できるようになる。

例えば、既設の記録計による水力発電所の運転条件と、記録計に保存されている軸振動データとを照合することで、軸受け部８０や、回転軸９０等の監視機能として回転機軸振動検出装置１００を利用できるようになる。これにより、軸振動電圧Ｖ（ｘ，ｙ）に基づく軸振動データを発電機の診断技術として利用できるようになる。

上述の実施例では、２組の光学センサを９０°置きに配置する場合について説明したが、これに限られることはなく、４組の光学センサを４５°置きに配置し、直交座標系のＸ軸及びＹ軸上の軸振動の検出に加えて、直交座標系の第１〜第４象限における軸振動を検出してもよい。より一層高精度に回転軸の軸振動を検出できるようになる。

また、当該回転機軸振動検出装置１００は、回転検出装置を採用している水力発電所に限らず、回転検出装置を採用している火力発電所においても活用できるようになる。従来方式の回転検出装置は、発電機等の回転（検出）機能のみに発揮させているが、回転機軸振動検出装置１００は発電機等の回転（検出）機能や、軸振動検出等のみならず、この装置をタービンエンジンや、電動機等の主軸とつながる全ての回転体に活用して軸振動検出させる機能を発揮させることができる。

本発明は、水力発電所の水車発電機等の回転軸における軸振動の検出（測定）機構に適用して極めて好適である。

１０・・・Ｘ１センサ、１１，２１，３１，４１・・・発光素子、２０・・・Ｘ２センサ、１２，２２，３２，４２・・・受光素子、３０・・・Ｙ１センサ、４０・・・Ｙ２センサ、５０・・・円盤部材、６０・・・振動検出部、６１・・・Ｘ波形合成＆平均値出力部、６２・・・Ｙ波形合成＆平均値出力部、６３・・・信号合成演算部、６７・・・信号処理部、７０・・・回転検出部、７１・・・Ｘ１カウンタ、７２・・・Ｘ２カウンタ、７３・・・Ｙ１カウンタ、７４・・・Ｙ２カウンタ、７５・・・加算＆平均値演算部、８０・・・軸受け部、９０・・・回転軸、１００・・・回転軸振動検出装置

Claims (5)

1. 外周囲に複数の歯部を有して該当回転機器の回転軸に取り付けられ、当該回転軸と共に回転する円盤部材と、
   前記円盤部材の外周囲に近接して配置され、当該円盤部材の外周囲に光を照射すると共に、前記歯部からの反射光を受光する複数組みの反射型の光学センサと、
   各々の前記光学センサから得られる光検出信号を信号処理する信号処理部とを備え、
   各組みの前記光学センサは、
   前記円盤部材を間に挟んで相互に対向する位置に配設されることを特徴とする回転機軸振動検出装置。
2. 前記円盤部材の外周囲に前記光学センサが２組設けられる場合であって、
   前記回転機器の回転軸を法線方向とする平面に、当該回転軸の軸芯を原点としたＸ軸及びＹ軸を有する直交座標系を定義したとき、
   第１組み目の前記光学センサは、前記直交座標系のＸ軸上に配置され、
   第２組み目の前記光学センサは、前記直交座標系のＹ軸上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転機軸振動検出装置。
3. 各々の前記光学センサから得られる検出信号を信号処理する信号処理部は、
   前記回転機器の回転軸に定義される前記直交座標系のＸ軸上に配置された前記第１組み目の１対の光学センサから得られる２つの光検出信号を演算してＸ方向の振動検出情報を出力し、
   前記直交座標系のＹ軸上に配置された前記第２組み目の１対の光学センサから得られる２つの光検出信号を演算してＹ方向の振動検出情報を出力する振動検出部を有することを特徴とする請求項２に記載の回転機軸振動検出装置。
4. 前記振動検出部は、
   前記第１組み目の１対の光学センサから得られる２つの光検出信号を加算し、当該検出信号の加算値を平均したＸ方向の振動検出情報を出力し、
   前記第２組み目の１対の光学センサから得られる２つの光検出信号を加算し、当該検出信号の加算値を平均したＹ方向の振動検出情報を出力することを特徴とする請求項３に記載の回転機軸振動検出装置。
5. 前記光学センサから得られる検出信号を信号処理する信号処理部は、
   前記回転機器の回転軸に取り付けられた前記円盤部材の歯部からの反射光の受光回数を計数して当該回転機器の回転検出情報を出力する回転検出部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機軸振動検出装置。

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