JPH02309212A - 軸の捩れ監視方法及び装置 - 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】 本発明は、一般に、蒸気タービン・発電機における運転
パラメータの監視に関し、特に、タービン・発電機軸の
捩れの監視に関するものである。

１敦皮術刺■ 多くの用途もしくは分野において、回転軸が受ける捩れ
の測定は望ましいことである。このことは、タービン・
発電機内で用いられている回転軸に対して特に当て嵌ま
る。この種の軸は極めて高価であり、保守を計画するた
めには綿密に監視する必要がある。また、軸の捩れがタ
ービン・発電機軸に対してどのような影響を与えたかを
決定することも望ましい。軸がその使用寿命の終期に近
すいているか否かを決定するためには、軸の捩れを綿密
に監視しなければならない。軸がその使用寿命の終期に
達する時点或は軸がサービスもしくは手入れを必要とす
る時点を適切に予測できない場合には、数百万ドルにも
達する損害や、タービン・発電機の近くに作業員が居合
わせた場合には、人命の損失をも招来する破局的な事故
に至ることがある。

慣用の捩れ監視装置においては、軸の選択された位置に
配設された歯付きホイールもしくは歯車の歯の通過を検
出する磁気センサが用いられている。１回転毎に１度発
生される信号（毎回転１信号と称する）に対する、歯車
により発生される信号の位相シフト、即ち移相で、歯車
を支持している箇所と毎回転１信号を発生する箇所との
間における軸の総合捩れの正確な尺度となる表示が与え
られる。

種々の軸捩れモードを識別もしくは同定するためには、
多数の歯車配設箇所が要求される。しかし、このことは
、軸が非常に高速度で回転する場合、軸の角位置を表す
信号の発生を可能にするように所要の標識を軸に設ける
のは困難であるという点で問題がある。また、軸の多く
の領域に対し簡単に接近することができないという理由
から付加的な問題も生ずる。従って、実質的な改変を必
要とすることなく慣用のタービン・発電機軸と関連して
用いることができるタービン・発電機軸の捩れ監視装置
に対する必要性が存在する。

１匪ｆｆ１ 本発明は、動的状態下で軸の各種部分の角位置を検知し
て、検知した角位置を表すデータセットを発生するため
の複数個のセンサから構成される軸の捩れ監視装置もし
くはシステムに関する。この記憶装置は、捩れが存在し
ない場合に軸の各種部分の角位置を表すデータセットの
１つを記憶するためのメモリもしくは記憶装置を有する
。更に、他のデータセットの各々のデータから、上記記
憶したデータセットのデータを減算してノイズの影響を
除去するための減算手段が設けられる６また、上記減算
手段に応答して、軸が受けた捩れを決定するために、結
果を分析するための分析回路、即ち分析手段が設けられ
る。

実施例の１つにおいては、タービン・発電機の軸が受け
る捩れを監視するのに本発明が用いられている。軸によ
り全てが支持されている２つの歯付きホイール（もしく
は歯車）、回転装置及び非シュラウド付き低圧タービン
羽根列に対し、複数個のセンサが応答する。１つのデー
タセットの残余のデータセットからの減算は、主として
、タービン羽根列に応答するセンサにより発生されるデ
ー夕と関連して実施される。

本発明の別の実施例においては、軸の捩れ監視装置は、
付加的に、捩れ事象の前後に発生されたデータセットを
記憶するために分析回路に応答する記録装置もしくはレ
コーダを含む。

また、本発明は、動的状態下で軸の各種部分の角位置を
検知し、検知された角位置を表すデータセットを発生し
、捩れの不在下で軸の各種部分の角位置を表すデータセ
ットの内の１つを周期的に記憶し、該記憶されたデータ
セットを他のデータセットの各々から減算してノイズの
影響を除去し、そして軸が受けた捩れを求めるために、
結果を分析する諸ステップを含む軸の捩れ監視方法にも
向けられている。

本発明の装置及び方法においては、費用面で効果的な仕
方で最大数のデータ点を発生するために慣用のタービン
・発電機軸の構造が利用されるという利点が得られる。

軸の各種部分の角位置に関する情報は、羽根の先端を検
知することにより導出される。羽根先端の不正確な位置
付け、羽根先端の可変磁性、羽根先端と磁気センナとの
間の可変間隔、羽根先端の逸失並びに平衡位置を中心と
する羽根先端の振動のような検知羽根先端と関連する問
題もしくは変量が、本発明よれば補償される。従って、
本発明は、変更を最小限度に留どめて、慣用のタービン
・発電機軸と関連して使用することができ、コスト効率
に優れ、信頼性のある捩れ監視装置を提供するものであ
る。本発明の上に述べた利点や利益及び他の利点や特徴
は、以下に述べる好適な実施例に関する説明から明らか
となろう。

本発明の明瞭な理解を得るため且つ容易に実施可能とす
るために、添付図面を参照し、単なる例として、本発明
の好適な実施例に関し以下に説明する。

皿’ＩＷ　ｎＪＬＪｌ 第１図には、捩れ監視装置８が、高圧タービン１２と、
３つの低圧タービン１４．１６．１８と、発電機２０と
、励磁機２Ｚとを周知のように支持するタービン・発電
機軸１０に関連して示されている。軸１０は、センサ（
第１の検知・発生手段）２６と協働して周知のように１
回転毎に１つの信号（毎回転１信号と称する）を発生す
る標識２４を有している。

軸１０は高速で回転するため、しかも軸１０への接近も
しくはアクセスが制限されているために、測定を行いデ
ータを取ることができる点もしくは箇所の数は制限され
る。実際問題として、必要とされるデータ点の数は、軸
１０の数学的モデルの精度によって決定される。このモ
デルの精度が増すほど、軸に沿う任意の点で軸が受ける
捩れを正確に予測するのに要求されるデータ点の数が減
少する。

従って、軸１０の正確な数学的モデルの展開に要する時
間及び費用と、該モデルと関連して使用するために適宜
アクセスすることができる合理的な数のデータ点との間
に妥協を取る必要がある。

本発明の適切な動作に必要な信号を与えるために、軸１
０の第１の自由端に複数個の歯＜Ｓ識）２８を形成する
ことができる。これ等の複数個の歯は、１対のセンサ３
０及び３１（第１の検知・発生手段）と協働して、軸１
０の当該部分の角位置を表す信号を発生する。軸１０の
他の自由端には、センサ３５及び３６（第１の検知・発
生手段）と協働して該軸端部の角位置を表す信号を発生
するための歯車（標識）３３を取り付けることができる
。タービン・発電機軸には、過熱状態において軸１０を
緩速回転するために、発電機２０と低圧タービン１８と
の間に回転装置（標識）３８が設けられている。回転装
置３８は、センサ４０及び４１（第１の検知・発生手段
）と協働して軸１０の当該部分の角位置を表す信号を発
生する。

上に述べたデータ点に加えて、本発明の実施例において
は６つの他のデータ点が設けられる。これ等のデータ点
は、低圧タービン１４の非シュラウド付き（即ち、シュ
ラウドで囲まれていない）低圧タービン羽根列（図示せ
ず）の内の２つの羽根列と関連して用いられる２つのセ
ンサ４３及び４４（第２の検知・発生手段）、低圧ター
ビン１６の非シュラウド付き低圧タービン羽根列（図示
せず）のうちの２つの羽根列と関連して用いられる２つ
のセンサ４５及び４６（第２の検知・発生手段）及び低
圧タービン１８の非シュラウド付き低圧タービン羽根列
（図示せず）のうちの２つの羽根列と関連して用いられ
る２つのセンサ４７及び４８（第２の検知・発生手段）
により発生される。従って、ここに開示した実施例にお
いては、軸の９つの部分もしくは箇所の角位置を表す９
個のデータ点が与えられる。尚、当業者には明らかなよ
うに、他のデータ点を選択し得ることは言うまでもない
。更に、上述のデータ点よりも多いデータ点或は少ない
データ点を設けても差し支えない。ここに開示した実施
例において選択されたデータ点は、便宜上選択されたデ
ータ点であると理解されたい。このように、接近可能な
軸１０の自由゛端部に設けられるのは複数個の歯２日及
び歯車３３であり、既に軸に設けられている回転装置３
８は他のデータ点を得るために利用される。監視される
６つのタービン羽根列は、本願と同一の出願人に譲渡さ
れている１９８８年６月３日付けの米国特許願第２０２
，７４２号明細書くその内容を参考のために本明細書に
おいて援用する）に開示されている形式のタービン羽根
振動監視装置が設置されている場合には、この既に設置
されている監視装置を用いて監視することができる。従
って、本発明で用いられる信号を発生するのに必要とさ
れるセンサの配置は、現存の設備の最小限度の変更で達
成することが可能である。

センサ２６．３０．３１．３５．３６．４０及び４１は
、例えば、エア・パックス・コーポレーション（＾ｉｒ
　ＰａｘＣｏｒｐ、）社から入手可能な磁気抵抗プロー
ブとして知られている形式のものとすることができる。

ベントリー・ネバダ（１３ｅｎｔｌｙ　Ｎｅｖａｄａ）
プローブのような他の形式のプローブも使用することが
できよう、センサ４３〜４８は、可撓性のプローブに取
り付けられた磁気抵抗型又はベントリー・ネバダ型セン
サとすることができる。

センサ２６．３０及び３１によって発生された信号は、
ケーブル６０により分岐接続箱６２を介して捩れ監視回
路６４に供給される。センサ４３及び４４によって発生
された信号は、１２０ボルトの交流電源に接続されてい
る前置増幅器５０に入力される。センサ４５．４６．４
７及び４８も同様に、それぞれ前置増幅器５２及び５４
に接続される。これ等の前置増幅器５０．５２及び５４
は適当なケーブル５８を介して捩れ監視回路６４に接続
される。また、センサ４０及び４１によって発生される
信号は、ケーブル５８を介して捩れ監視回路６４に入力
される。最後に、センサ３５及び３６もケーブル５８を
介して捩れ監視回路６４に接続される。

参照数字２８及び３３で示したような歯付きホイールも
しくは歯車を用いる捩れ測定は、当業者には良く理解さ
れているところであり、従って、本明細書で更に説明す
る必要はないであろう。しかし、低圧タービン羽根列を
監視することにより発生されるデータに基づく軸の捩れ
測定には、歯車を使用する捩れ測定では生じない問題が
生ずる。即ち、（ｉ）羽根先端の不正確な位置付け、（
ｉｉ＞羽根先端の可変磁性、（ｉｉｉ）羽根先端と磁気
センサとの間の可変間隔、（ｉｖ）羽根先端の逸失、及
び（ｖ）平衡位置を中心とする羽根先端の振動によって
生ぜしめられる問題である。

追って詳細に説明するように、本発明は、上述の問題を
解決し、検知される羽根列及び歯車の既述の組み合わせ
から軸に沿う複数の点もしくは箇所における軸の捩れ振
幅の同時的な実時間監視を可能にするものである。また
、本発明によれば、軸の捩れの検出に際してこれ等の複
数の軸の箇所から捩れデータを自動的に記録することも
含まれる。捩れ事象の約８秒前のデータ及び捩れ事象後
の約１６秒後のデータが記録される６本発明が満たそう
とする重要な要件は、軸に沿うあらゆる箇所から同時に
データを収集して、該データを後から時間をかけて分析
し、軸の捩れモード、最大軸応力及び軸寿命の経過の決
定を可能にすることである。また、本発明は、現存の回
路を用いて実現することが可能である。

第２図には、捩れ監視回路６４が詳細に示しである。実
施例において、センサは、羽根もしくは歯の通過を検出
して、この通過に応答し正弦波状の信号を発生する。こ
れ等の信号間の位相関係には、軸に沿い伝達されるトル
クによって誘起される軸の角変位に関する情報が含まれ
ている。説明を簡略にするために、例えば、羽根先端用
のセンサ４３からのこのような正弦波信号の零点交差だ
けについて考察する。と言うのは、この零点交差に位置
情報が含まれているからである。上述の変量（ｉ）〜（
ｉｖ）の何れをも有さず然も上述の振動（ｖ）を有しな
い完璧に位置付けられた羽根からなる羽根列についての
対時間正弦波状信号の零点交差のグラフが、無負荷状態
及び負荷状態それぞれの場合について第３八図及び第３
Ｂ図に示しである。軸によって伝達されるトルクにより
誘起される移相（位相シフト）が、センサ２６によって
発生される毎回転１信号と対比することができる第３八
図及び第３Ｂ図に示した信号間の位相シフＩ・から明瞭
に読み取ることができる。

変量（ｉ）〜（ｉｖ）の影響もしくは効果は、第４＾図
及び第４Ｂ図に誇張して示しである信号パターンに一定
の摂動を惹起すること（こ見られる。このパターンでト
ルク測定に誤差が生ずる。この種の誤差は、トルク測定
を歯付きホイール又は歯車で行う場合には生じない。と
言うのは、この場合には歯は正確に位置付けられている
からである。従って、本発明の利点の１つは、タービン
羽根列を監視することによりデータを発生する際にトル
ク測定に導入される誤差を除去し、それにより、タービ
ン羽根列がデータ収集点として機能することを可能にす
ることにある。

センサ対３０及び３１．４０及び４１並びに３５及び３
６は、歯装置誤差を減少するためにそれぞれ並列に接続
されている。しかし、本発明は、各位置に単一のセンサ
を用いても実施可能であることを述べておく。これ等の
センサ対の各々及びセンサ４３〜４８の各々からの出力
は、本出願人であるウェスチングハウス・エレクトリッ
ク・コーポレーション製の位相復調回路６６に供給され
る。第１、第２検知・発生手段の一部を構成するこの位
相復調器！￥８６６は、入力信号の周波数に比例する電
圧を発生する周波数／電圧変換器（図示せず）と、それ
に続いて、軸の当該部分の角変位を表す出力信号を発生
する積分回路（図示せず）とを備えている。全ての位相
復調回路６６によって発生される出力信号は、ディジタ
ル化回路６８に入力される。このディジタル化回路６８
は、メトラバイト（Ｍｅｔｒａｂｙｔｅ）社製の’１）
ＡＳ−２０ボード”とすることができよう。このディジ
タル化回路は、単一のディジタル化回路が、全ての位相
復調器６６から、隣接の位相復調器６６からのデータサ
ンプルが互いに１０マイクロ秒離れるようにしてデータ
サンプルを読み取ることを可能にする逐次的手法を用い
、位相復調器６６から出力される信号を毎秒１００，０
００サンプルの速度でディジタル化することができる。

ディジタル化されたデータは、直接的メモリ・アクセス
（ＤＭＡ）を用いて、減算手段及び分析手段を構成する
中央処理袋ｆｆ１（ＣＰ（１）７４内の拡張メモリ（図
示せず）に転送することができる。このメモリ内には、
２４秒分のデータが、最も旧いデータを破壊して格納す
るオーバーライドの形で保存される。

また、各位相復調器６６は、積分回路の出力に応答して
警報出力信号を発生する比較器（図示せず）も備えてい
る。該警報出力信号はＯＲゲート（論理和ゲーｌ〜）７
０に入力される。位相復調器６６のうちの１つが警報出
力信号を発生するか又は伝送線７２に外部トリガ信号が
発生されると、中央処理装置（ＣＩ’Ｕ）７４には信号
が入力される。この信号は、軸の捩れを表すか、或は外
部トリガ信号の場合、使用者の付加データ記録指令を表
す。何れの場合にも、１６秒分のデータが、通常の８秒
分のデータに加えて記憶装置又はメモリ（記録装置）７
６に記録される。陰極線管（ＣＲＴ）７８のような成る
種の表示装置及びキーボード８０のようなユーザインタ
ーフェースで、第２図に示した捩れ監視回路６４の記述
を終えることにする。尚、当業者には理解されるように
、センサによって発生されるデータを処理するために、
全ディジタル方式のような多くの他の方式を採用するこ
とが可能であろう。

データがディジタル化回路６８によりディジタル化され
た後には、該データは、ＣＰＩＩ　７４により記憶され
る。このようにして、それぞれが、所定の時点において
センサにより検知される軸の各種部分の角位置を表す離
散的データセラＩ・が発生される。

交流成分が存在しない場合、即ち、第４Ｂ図のものに開
銀するセンサ発生信号における変動が存在しない場合に
は、捩れは生起していないと想定することができる。こ
のような状態もしくは条件下でセンサ４３〜４８により
発生される信号で、各羽根列に対する基線が確定もしく
は確立され、この基線情報はＣＰｔ１７４により記憶す
ることができる。各羽根列に対する基線を表し各羽根列
毎に記憶されたデータを、当該羽根列に対する全ての後
続の信号から減算することができる。この減算で、実効
的に、先に列挙した変量（ｉ）〜（ｉｖ）に由来する全
ての寄与分、即ちノイズが除去される。このようにノイ
ズを除去することにより、その結果得られる信号は、（
ＣＰ［Ｊ　７４によって行うことができる）フーリエ変
換或は富速゛フーリエ変換（ＦＴＴ）後に、より有意味
な最終スペクトルを発生し、そしてこの最終スペクトル
から軸の捩れを正確に計算することができる。タービン
・発電機軸に生ずる熱的変動及び池の動的変動もしくは
変化を考慮して、基線データを周期的に更新するのが望
ましい。例えば、上記データを、１０分毎に更新するこ
とができよう。

羽根は、同期して振動しないように整調されている。し
かし、このような同期振動も上述の減算手法により除去
されるであろう。

本発明の他の利点は、先に述べた羽根の非同期振動（ｖ
）により生ずる問題の解決に見られる。羽根列の上方に
位置するセンサは、毎秒約５４００パルスを発生する。

軸捩れ分析において関心のある周波数範囲を埋めるには
、１回転毎１０個のサンプリング点く毎秒１７０のサン
プリング点）しか要求されない。このことは、先に述べ
た減算により補正される信号をＣＰυ７４によりろ波及
び（又は）平均化して、関心のある情報を劣化すること
なしに、羽根の振動に起因する高周波数の非同期信号変
動を除去することが可能であることを意味する。このよ
うな信号に対し最終的に行われるフーリエ変換で、関心
のある特定周波数におけるノイズが更に減少される。と
言うのは、残留ノイズは、全周波数帯域に亙る広がりを
有しているからである。

先に述べた利点に加えて、各センサ毎に位相復調器６６
を使用することにより、位相復調器６６内の比較器によ
って警報出力信号が発生されるので、任意のセンサによ
り検知された軸捩れに応答してデータを測定することが
可能になると言う利点が達成される。逐次ディジタル化
回路と共に現存の位相復調器もしくは回路を使用するこ
とにより、全ての監視軸位置情報を単一のＣＰ［Ｉによ
り同時に読み取ったり記録することが可能なる。これに
より、開発及び製造費用が極めて大きく軽減される。

位相復調器６６の出力信号は、毎回転最小１０サンプル
の速度でサンプリングすることができるが、慣用のディ
ジタル・ウィンドウィング（ｕ＋ｉｎｄｏｗｉｎｇ：デ
ータ部分採取）手法では毎回転１００回の零点交差を処
理しなければならない。これから明らかなように、本発
明の技術によれば、データ処理及び記憶要件が非常に軽
減されるのである。捩れ監視装置８は、最小のハードウ
ェア変更、即ち付加される場所毎に１つの付加センサ及
び位相復調器６６で、より多くの軸の箇所を監視するよ
うに拡張することができる。

また５本発明は、動的条件下で軸の種々の部分の角位置
を検知し、検知された角位置を表すデータセットを発生
し、捩れが不存在の場合において軸の各種部分の角位置
を表すデータセットのうちの１つを記憶し、他のデータ
セットの各々から記憶されたデータセットを減算するこ
とによりノイズの影響を除去し、その結果を分析して軸
が受けた捩れを決定する段階を含む軸捩れ監視方法も開
示した。

以上、本発明の好適な実施例と関連して本発明を説明し
たが、当業者には理解されるように、多くの変形及び変
更が可能である。従って、本発明は、このような全ての
変形及び変更を含むことを意図するものと理解されたい
６

【図面の簡単な説明】

第１図は、タービン・発電機軸及び該軸によって支持さ
れる種々の設備と関連して本発明の捩れ監視装置の構成
を例示するブロック図、第２図は、第１図に示したセン
サの内の成るセンサにより発生される信号を処理するた
めの回路を例示するブロック図、第３八図及び第３Ｂ図
は、それぞれ無負荷状態及び負荷状態下で第１図のセン
サの内の１つにより発生される信号を示すタイミングチ
ャー１−図、第４Ａ図及び第４Ｂ図は、それぞれ無負荷
状態及び負荷状態下で羽根の変量から生ずる第１図のセ
ンサの内の１つにより発生される信号を示すタイミング
チャート図である。 ８・・・捩れ監視装置 １０・・・タービン・発電機軸（軸） １４．１６．１８・・・低圧タービン ２４・・・標識 ２６．３０．３１．３５．３６．３８．４１・・・セン
サ（第１の検知・発生手段） ２８・・・歯（標識） ３３・・・歯車（標識） ３８・・・回転装置（標識） ４３．４４．４５．４６．４７．４８・・・センサく第
２の検知・発生手段） ６４・・・捩れ監視回路 ６６・・・第１、第２の検知・発生手段の一部を構成す
る位相復調器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）軸の捩れを監視する方法であって、 動的状態下で前記軸の種々の部分の角位置を検知し、 検知された前記角位置を表すデータからなる複数のデー
   タセットを発生し、 捩れが存在しない場合における前記軸の前記種々の部分
   の角位置を表す前記データセットの内の１つを周期的に
   記憶し、 前記記憶されたデータセットのデータを、他のデータセ
   ットの各々のデータから減算してノイズの影響を除去し
   、 その結果を分析して前記軸が受けた捩れを決定する、 諸ステップを含む軸の捩れ監視方法。 ２）軸が受ける捩れを監視するための装置であつ動的状
   態下で前記軸の種々の部分の角位置を検知し、検知され
   た該角位置を表すデータからなるデータセットを発生す
   るための検知・発生手段と、捩れが存在しない場合にお
   ける前記軸の種々の部分の角位置を表す前記データセッ
   トの内の１つを周期的に記憶するための記憶手段と、 記憶された前記データセットのデータを他のデータセッ
   トの各々のデータから減算してノイズの影響を除去する
   ための減算手段と、 前記減算手段に応答して分析を行い、前記軸が受けた捩
   れを決定するための分析手段とを含む、軸の捩れ監視装
   置。 ３）シュラウドで囲まれていない低圧タービン羽根列を
   支持する形式のタービン・発電機軸が受ける捩れを監視
   するための軸の捩れ監視装置であって、 前記軸の種々の部分により支持される標識と、前記標識
   に応答し、動的状態下で前記標識を支持する軸の種々の
   部分の角位置を検知し、前記検知された位置を表すデー
   タを発生するための第１の検知・発生手段と、 前記低圧タービン羽根列に応答し、動的状態下で、羽根
   を支持する軸の部分の角位置を検知し、該検知された角
   位置を表すデータを発生するための第２の検知・発生手
   段と、 前記第２の検知・発生手段に応答し、捩れが存在しない
   場合における前記軸の種々の部分の角位置を表すデータ
   を記憶するための記憶手段と、記憶された前記データを
   前記第２の検知・発生手段により発生される他のデータ
   から減算してノイズの影響を除去するための減算手段と
   、 前記減算手段及び前記第１の検知・発生手段に応答して
   分析を行い前記軸が受ける捩れを決定するための分析手
   段と、 軸の捩れ監視装置。