JPS63238522A - 軸ねじり振動監視装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複数の回転体を有する回転軸の軸ねじり振動監
視装置に係り、特にタービン発電機に好適な軸ねじり振
動監視装置に関する。

〔従来例〕

タービン発電機等の回転軸系においては、送電系統に発
生した地絡事故やそれに付随する高速再閉路等による系
統撹乱によって回転軸にねじり振動が加わる。このねじ
り振動は、回転軸の疲労につながるため、これを監視す
ることが設計上非常に重要である。

このねじり振動を検出する従来の軸ねじり振動監視装置
は、例えば特開昭５８〜２２９２３号公報に記載のよう
に構成され、これを第１０図に示している。

発電機１とタービン２とを連結して構成される回転軸系
には、複数の回転パルス検出用歯車２４が設けられ、こ
の歯車に対応して歯車２４の溝の変化を検出する光セン
サやマグネットセンサ等のセンサ２５を設け、これらに
よって軸ねしり検出器が構成されている。センサ２５か
らの出力信号は演算装置１９へ入力され、また発電ａｌ
の出力線からはワットメーク等の電気トルク検出器１６
を介して演算装置１つへ入力されている。この演算装置
１９は、歯車２４とセンサ２５から検出したパルス信号
によって測定点の相対的なねじり角を求め、測定点、外
径、材料等の条件を考慮してねじり角に相当するねじり
応力を計算する。このとき歯車２４のない箇所の回転軸
部は、歯車２４のある所から推定するが、このとき電気
トルク検出器Ｉ６の出力等の外力と、質量、ばね定数、
ダンピング定数等を用いて計算を行なう。この演算装置
１９の出力は軸ねじり疲労寿命演算装置２０へ入力され
、ここでねじり応力を大きさ毎に分けてそれぞれに重み
をつけて評価し、それを積算したものを累計して軸寿命
消費量を推定している。

〔発明が解決しようとする問題点〕 従来のねじり振動監視装置は上述の如き構成であったた
め、回転軸系が数十メートルにも及ぶタービン発電機の
場合、ねじり振動の測定点は必然的に多くなり、これに
伴って回転パルス検出用ａ′ｉ車２４とセンサ２５から
成る軸ねじり検出器を多数設置しなければならず高価な
ものとなってしまう。

そこで、電力系統解析の一手法として、電気トルクおよ
び機械トルクを使用して回転軸系の運動方程式を逐次解
き、これによってねじり振動を計算することができる。

この方法によれば、従来の軸ねじり検出器を設けること
なくねしり振動を推定できるが、計算時間が膨大となっ
てしまうため実際の軸ねじり振動監視装置には採用され
ていない。

以下、この方法について更に詳しく説明する。

一般にタービン発電機の回転軸系の輪ねじり振動は、第
１１図（ａ）、　（ｂｌに示すスプリング・マス・モデ
ルで表わすと次の運動方程式で示すことができる。

Ｍ１＋１．７（δ１１１）　−Ｋ　ｉ＋　ｉ。１（δ、
−δ、。、）−に、。ｈ、。２（δ８゜１−６１゜２）
＋Ｄｉ＋ｉｏ＋　　　　　　（δ、−δ８．ｌ）ｔ −Ｄ・・・・・・２　□（δ８．１−δ８，２）ｔ −Ｄ、、ｉ　　−（δ、） ｔ ＋　Ｔ、　　　　　　　　　　　　　−−−−−−−−
一〜・−（１）ここで、δ８は回転軸ねじり角の変化分
（ｒａｄ）、Ｋｉ＋ｉ＋１　はねじりばね定数、Ｄ　Ｌ
　ｉ、１％　Ｄ　ｉ＋　ｉ　は減衰定数、Ｍ　ｉ　＋　
ｌ　は慣性定数、Ｔ８はトルクの変動分、つまりトルク
とは発電機の場合は電気トルクで、タービンの場合は機
械トルクである。

通常運転時におけるタービン発電機の回転軸系において
は、送電系統の撹乱による電気トルクの変動、およびタ
ービンの駆動蒸気あるいはガスによる機械トルクの変動
は小さく、それらは平衡しでおり回転軸系に作用するね
じり振動は小さい。

しかし送電系統に発生した地絡事故や高速再閉路等によ
る系統の撹乱は、発電機の電気ｌ・ルクの変動となり、
タービン発電機の回転軸系にねしり振動を励起する。ま
たタービンの駆動蒸気あるいはガスの変動もタービンの
機械トルクの変動となり、回転軸系にねじり振動を励起
する。ただし、タービンの機械トルクの変動は、発電機
の電気Ｉ、ルクの変動に比較してその時間変動が極めて
小さく無視できる場合が多い。

このようにして、発電機端の電圧、電流から電気トルク
の変動を検出し、またタービンの駆動蒸気、ガスの圧力
、流量およびガバナ条件から機械トルクの変動を検出し
、これらを用いて（１１式の運動方程式を解くことによ
って、従来必要であったねじり振動検出器を用いずにね
じり振動を計算することができる。すなわち、系統撹乱
が生じてからそれが落着くまで数十秒の間、初期条件と
してねじり振動はないという条件で、上記（１）式をル
ンゲ・フッタ・ギル法あるいは台形法等の数値解析手法
を用いて計算することができる。例えば、発電機および
タービンの回転軸系に、第１１図に示すように５個の質
点が存在する場合、５個の２階微分方程式を解かなけれ
ばならない。これは以下の（２）〜θυ式で示す１０個
の１階微分方程式系を逐次解くことと等価である。

ｄ □δ、　＝　ｖ　、−−−−・−（６１ｔ ＤＩｌ＋ （ｖ　＋　　Ｖ　２　）　　　Ｍ　、　　・■１±−・
−−一−−−−−−−−−αＤ ここで、■１〜ｖ５はねじり角速度を示してし）る。

上記の（２）〜０υ式を解く場合の時間ステップΔｔは
、地絡事故時に発生する逆相電流によって生じる基本周
波数の２倍周波の電気トルク（周波数１００／１２０１
（ｚ、周期１０　／　８．３　ｍ５ｅｃ）による回転軸
系のねじり振動を正確に模擬する必要があり・約１　ｍ
５ｅｃの時間ステップが最小限必要となる。

ところで、軸ねじり監視装置に使用されるマイクロプロ
セッサから成る演算装置（ＣＰ　Ｕ）の計算速度では、
（２）〜０υ式に示される１０連の１階微分方程式をル
ンゲ・フッタ・ギル法等で解く場合、１ステツプ、すな
わちｌ　ｍ５ｅｃの現象をシミュレートするのに約３０
ｍ５ｅｃの演算時間を必要とするため、リアルタイム処
理は不可能である。これは、通常、餞十秒間続く系統撹
乱を正確にシミュレートするために、その数十倍の数分
間の計算時間が必要となることを意味している。

これに対してマイクロプロセッサの演算速度を１００倍
近く改善するのは困難であり、またマイクロプロセッサ
を複数個設置して並列処理することも考えられるが極め
て不経済である。そこで電気トルクおよび機械トルクの
外力の検出値を一時、記憶装置（メモリ）に保持してお
く方法が考えられ、これを第１２図に示している。トル
ク検出値に撹乱が生じた場合、それをデータ６．７とし
て記憶装置に記憶し、後に計算時間８を用いてデータ処
理して軸ねじり振動を計算する。

しかし、この方法では第１３図に示すように、記憶装置
の第１攪乱のデータ６を用いて演算装置が軸ねじり振動
を計算している期間８は、第２攪乱７が入ってきても記
憶装置には取り込まれず、軸ねしり振動が計算されない
ことになる。すなわち、一度、トルクの撹乱が発生しそ
のデータを記憶装置に取り込むと、数分間の不感帯が発
生するという問題があった。

本発明はこの問題点を解消するもので、その目的とする
ところはトルク検出値のために記憶装置を用いると共に
回転軸系の運動方程式を逐次解いて軸ねじり振動を得る
方式における不感帯の発生を防止した軸ねじり振動監視
装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上記目的を達成するために、トルク検出装置と
軸ねじり振動演算装置との間に、トルク検出値を一時記
憶する記憶手段を複数設け、順次記憶手段からデータを
得るようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は上述の如き構成であるから、第１の記憶手段に
記憶されたデータを用いて軸ねじり振動を計算している
ときに、第２の撹乱が入ってきたとすると、そのデータ
は今度は第２の記憶手段に記憶され、その後データを用
いて第２の撹乱に対する軸ねじり振動を計算することが
できるので、不感帯の発生はなくなる。トルク撹乱が数
分の間に連続して生ずる場合、記ｔα手段の数は多くな
るが、送電系統の事故が数分間に連続して生じる可能性
は非常に少なく、数個の記憶手段によって実用上不感帯
のない軸ねじり振動監視装置が得られる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は本発明の一実施例による軸ねじり振動監視装置
のブロック図である。回転軸系は発電機１とタービン２
によって構成され、発電機ｌの電気トルクは電気トルク
検出器１６によって測定され、トルク撹乱をトルク信号
記憶装置１８へ人力する。このトルク信号記憶装置１８
へ入力されたトルク撹乱データは、詳細を前述したよう
に軸ねじり演算装置１９へ人力され、ここで回転軸系の
運動方程式を逐次解くことにより軸ねじり振動の計算が
行なわれる。この計算結果は、軸ねしり疲労寿命演算装
置２０で回転軸の疲労寿命の評価に用いられる。軸ねじ
り演算装置１９の計算速度は、電気トルク検出器１６に
よるデータサンプリング速度に比べて極めて遅く、リア
ルタイム処理が不可能であるため、トルク信号記憶装置
１８が、電気トルク検出器１６と軸ねじり演算装置１９
との間に設けられている。このトルク信号記憶装置１８
は、複数の記憶手段によって構成されているが、２メモ
リ一方式を採用した例について第２図〜第４図で説明す
る。

トルク信号記憶装置１８は記憶手段１０．１１と、記憶
手段の接続を切換える電気的スイッチ１３゜１４とから
構成されている。通常、電気的スイッチ１３．１４は第
２図の如くであり、電気トルク検出器１６と軸ねじり演
算装置１９間に記憶手段１０が接続されている。従って
、図の左方に位置する電気トルク検出器１６からトルク
撹乱デークロが入力されると、第１の記ｊＱ手段ｌＯに
記ｔａされ、軸ねじり演算装置１９ヘデータを転送する
。

その後、電気的スイッチ１３は第３図の如く切替えられ
て第２の記憶手段１１が接続される。従って、次の撹乱
データ７が入力されると、今度は第２の記憶手段１１に
それが記憶される。第１の記憶手段１０のデータ計算が
終了すると、第４図の如く電気的スイッチ１４が切替え
られ、第２の記憶手段１１のデータが軸ねじり演算装置
１９へ転送されて計算が行なわれる。その後、電気的ス
イッチ１３は第４図の如く切替えられるため、第３の撹
乱データ９が人力されると、このデータ９は第１の２１
０手段１０で記憶され、第２の記憶手段１１のデータ計
算が終了されると、再び電気的スイッチ１４は第２図の
状態に切替えられ、記憶手段１０のデータに基く計算が
行なわれる。軸ねじり演算装置１９からのデータは軸ね
じり寿命演算装置２０へ入力され、ここで同じ大きさ毎
に分けてそれぞれに重みをつけて評価し、それぞれ積算
したものを累計して寿命を推定する。

上記した撹乱データ６．７．９に基づく軸ねじり演算装
置１９の計算処理を第５図に示している。

第１の撹乱６は第１の記憶手段１０から与えられて所定
の計算時間８で処理が行なわれる。第２の撹乱７は第２
の記憶手段１１のデータに基づいて先の計算終了後に所
定の計算時間８で処理が行なわれる。この処理の後、第
１の記憶手段１０に記憶された第３の撹乱９が入力され
て計算時間８で処理が行なわれる。

第６図、第７図および第８図はトルク信号記憶装置１８
のそれぞれ異なる他の実施例を示している。第６図では
少なくとも３個の記憶手段１０゜１１．１２を用いてお
り、第７図では１つの記憶手段３０を複数個のメモリ領
域３０ａ、３０ｂ。

３０ｃに分り、これらメモリ領域を順次用いるようにし
ている。更に第８図では同一の記憶手段３１に、各トル
ク撹乱を順次記憶し、各トルク撹乱のデータ間にデータ
が区別できるメモリ境界３１ａ。

３１ｂ、３１Ｃをも記憶させ、順次データを取出すよう
にしている。

第９図は本発明による軸ねじり振動監視装置の他の例を
示すブロック図であり、第１図の実施例との同等物には
同一符号をつけて説明を省略する。

この実施例では、機械トルク検出器１７を新たに付設し
、この機械トルク検出器１７は、タービンの蒸気、ガス
圧力、流量あるいはガバナ条件から機械トルクを検出し
、これを電気１−ルク検出器１６の出力と共にトルク信
号記憶装置１８へ入力している。このようにして得られ
た電気トルクと機械トルクを用いて［１１式の運動方程
式を逐次解くことによって軸ねじり振動を計算すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、トルク検出器と軸ねじり
演算装置との間に、複数個のトルク検出データを記憶す
る複数の記４１手段を設け、この記憶したデータを順次
用いて回転軸系の運動方程式を解いて軸ねじり振動を計
算するようにしたため、第１の記憶手段のデータに基づ
いて軸ねじり振動を計算している間に第２の撹乱が入っ
てぎても第２の記憶手段に記憶させ、後に引出して計算
することができ、従って不惑帯の発生を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による軸ねじり振動監視装置
のブロック図、第２図、第３図および第４図は第１図の
トルク信号記憶装置の動作説明図、第５図はトルク信号
記憶装置を用いた軸ねしり振動の計算を説明する特性図
、第６図、第７図および第８図はトルク信号記憶装置の
それぞれ異なる他の構成例を示すブロック図、第９図は
本発明の他の実施例による軸ねじり振動監視装置のブロ
ック図、第１０図は従来の軸ねじり振動監視装置のブロ
ック図、第１１図（ａ）、　（ｂ）は回転軸系とそのス
プリング・マス・モデルの構成図、第１２図は記憶装置
を用いた軸ねじり振動の計算を示す特性図、第１３図は
不惑帯の発生を示す特性図である。 １−−−−−−一発電機、２−−−−−一タービン、１
０　、　１１−−記ｔ１２手段、１６・−−一−−電気
トルク検出器、１７−・・−機械トルク検出器、１８−
・−・トルク信号記憶装置、１９−・・・−・軸ねじり
演算装置、２０−・・−・−軸ねじり疲労寿命演算装置
。 第１図 １：発　＠　槽 ２：タービン １６：＠大トルク検出器 １８：トルク信号記壕装！ １９：　　軸ねじり演算躾！ ２０：　軸わじり疲労寿命演算装置 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第　７　図 第８図 工 ３１ａ　　　３１ｂ　　　　３１ｃ 第９図 第１０図 １９　　　　　　　　　　２（Ｊ 第１２図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の回転体を有する回転軸に作用するトルクを検
   出するトルク検出器と、このトルク検出器による検出値
   により回転軸系の軸ねじり振動を計算する軸ねじり演算
   装置と、この軸ねじり演算装置の計算結果から上記回転
   軸のねじり疲労を評価する軸ねじり疲労寿命演算装置と
   を有する軸ねじり振動監視装置において、上記トルク検
   出器と上記軸ねじり演算装置の間に、上記トルク検出器
   による検出値を一時記憶する複数の記憶手段を設け、上
   記軸ねじり演算装置は、上記記憶手段のデータを順次用
   いて上記回転軸系の運動方程式を逐次解いて軸ねじり振
   動を計算するようにしたことを特徴とする軸ねじり振動
   監視装置。 ２、上記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、上
   記トルク検出器は電気トルク検出器であることを特徴と
   する軸ねじり振動監視装置。