KR101974293B1 - 회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법 - Google Patents

회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법 Download PDF

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Abstract

상태 감시 장치(30)는, ADC(37)에 의하여 저속 샘플링 주기로 갭 센서(21)에 의한 검지 신호를 디지털화하고, 선별부(38)에 의하여, 디지털화된 검지 신호를, 압축기 날개차의 날개를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 날개를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별한다. 또한, 판정부(39)에 의하여, 날개 검지 신호를 다른 날개에 대응하는 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호와 비교함으로써, 날개 피크로 볼 수 있는 날개 피크 검지 신호를 추출하고, 추출한 날개 피크 검지 신호에 근거하여 압축기 날개차의 상태로서 축 진동과 팁 클리어런스를 판정한다. 따라서, 상태 감시 장치(30)는, 고속 샘플링을 행하지 않고 회전 기계의 상태를 감시할 수 있다.

Description

회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법{ROTARY MACHINE STATE OBSERVATION DEVICE, ROTARY MACHINE, AND ROTARY MACHINE STATE OBSERVATION METHOD}
본 발명은 회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법에 관한 것이다.
터보 기계 등의 회전 기계에는 로터와 일체로 회전하는 날개차가 마련되어 있다. 이 날개차는, 복수의 날개를 가짐과 함께, 케이싱에 수납되어 있다.
그리고, 날개차의 날개와 케이싱의 접촉을 확실히 방지하기 위하여, 소정량의 클리어런스가 날개와 케이싱의 사이에 필요시되고 있다.
그러나, 회전 기계의 운전 시에는, 로터의 회전 주파수에 기인하는 동기 진동, 로터를 지지하는 베어링부의 덜컹거림, 유통하는 유체(流體)의 흐트러짐 등에 기인하는 비동기 진동 등이 발생하는 경우가 있다. 이로 인하여, 상기 진동에 의하여 클리어런스를 넘어 날개가 요동하여, 날개가 케이싱에 접촉할 가능성이 있다.
따라서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 터보 기계의 상태를 감시하는 상태 감시 장치는, 회전체의 회전에 동기한 신호를 출력하는 1개의 센서에 의하여, 날개차인 회전체의 회전수, 축 진동, 및 회전체와 케이싱의 간극인 팁 클리어런스를 측정하고, 초기 운전 시의 진동 진폭, 증폭률, 및 팁 클리어런스를 회전수마다 기억하여, 진동 진폭, 증폭률, 및 팁 클리어런스에 가중값 부여를 하며, 이들 총합이 미리 설정한 임곗값을 초과한 경우에, 이상 상태에 있다고 평가하여, 경고를 발한다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2013-224847호
특허문헌 1에 기재된 상태 감시 장치는, 회전체가 고속으로 회전하고, 예를 들면 수 μ초와 같이 매우 단시간 간격으로 날개가 센서를 통과하기 때문에, 고속 샘플링에 의하여 센서의 출력 신호의 디지털화를 행할 필요가 있다.
이 고속 샘플링을 실현하기 위해서는, 주파수 특성이 높은 고속 샘플링을 가능하게 하는 아날로그·디지털 변환기가 필요하게 되어, 장치 전체의 비용의 증가를 초래하고 있다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 고속 샘플링을 행하지 않고 회전 기계의 상태를 감시할 수 있는, 회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 제1 양태에 관한 회전 기계의 상태 감시 장치는, 회전 기계의 날개차와의 사이에 반경 방향으로 간격을 두고 마련되며, 상기 날개차와의 거리를 검지하는 검지 수단과, 소정의 샘플링 주기로 상기 검지 수단에 의한 검지 신호를 디지털화하는 변환 수단과, 상기 변환 수단에 의하여 디지털화된 검지 신호를, 상기 날개차의 날개를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 상기 날개를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별하는 선별 수단과, 상기 날개 검지 신호를 다른 상기 날개에 대응하는 상기 날개 검지 신호 및 상기 비날개 검지 신호와 비교함으로써, 상기 날개의 정점으로 볼 수 있는 상기 날개 검지 신호를 추출하고, 추출한 상기 날개 검지 신호에 근거하여 상기 날개차의 상태를 판정하는 판정 수단을 구비한다.
본 구성에 의하면, 회전 기계의 날개차와의 사이에 반경 방향으로 간격을 두고 검지 수단이 마련되며, 검지 수단에 의한 검지 신호는, 변환 수단에 의하여 소정의 샘플링 주기로 디지털화된다.
여기에서, 예를 들면 터보 기계 등의 날개차는, 일례로서 3000rpm과 같은 고속으로 회전하고 있다. 이로 인하여, 양호한 정밀도로 날개차와의 거리를 검지하기 위해서는, 변환 수단이 고속 샘플링으로 검지 신호를 디지털화하는 것이 바람직하다. 여기에서 말하는 고속 샘플링이란, 1매의 날개에 대하여, 예를 들면 3회 이상 샘플링함으로써, 날개의 정점을 명확하게 판정 가능하게 하는 샘플링 주기이다. 그러나, 고속 샘플링을 행하기 위해서는, 고성능인 변환 수단을 필요로 하는 등의 비용 증가를 수반한다.
한편, 고속이 아닌 샘플링 주기로서, 예를 들면 1매의 날개를 1회 또는 2회만 검지할 수 있을 정도의 샘플링 주기로 검지 신호를 디지털화함으로써, 고성능인 변환 수단을 불필요하게 한다.
이로 인하여, 본 구성은 변환 수단에 의하여 디지털화된 검지 신호를, 날개차의 날개를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 날개를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별 수단이 선별한다. 선별 방법의 일례로서, 소정의 임곗값을 이용하여 검지 신호를 선별하는 방법이 이용된다.
그러나, 1매의 날개에 대하여 1회 또는 2회 정도의 샘플링 주기로 검지 신호를 디지털화하면, 디지털화된 날개 검지 신호가 반드시 날개의 정점을 나타낸다고는 한정되지 않고, 정점으로부터 어긋난 날개 위치를 나타내는 검지 신호가 디지털화될 가능성이 있다. 이와 같이, 고속이 아닌 샘플링 주기로 디지털화된 날개 검지 신호는, 날개의 정점의 검지 결과나 정점으로부터 어긋난 날개 위치의 검지 결과가 혼재한다.
따라서, 판정 수단에 의하여, 날개 검지 신호가 다른 날개에 대응하는 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호와 비교되고, 날개의 정점으로 볼 수 있는 날개 검지 신호가 추출된다. 비교 방법으로서는, 예를 들면 각 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호의 차로부터 날개의 높이를 산출하고, 각 날개 검지 신호가 나타내는 날개의 높이에 근거하여, 날개의 정점으로 볼 수 있는 날개 검지 신호를 추출한다.
그리고, 추출한 날개의 정점으로 볼 수 있는 날개 검지 신호에 근거하여, 판정 수단에 의하여 날개차의 상태가 판정된다.
이와 같이, 본 구성은 복수의 날개의 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호를 상대적으로 비교함으로써, 날개의 정점으로 볼 수 있는 날개 검지 신호를 추출하여 날개차의 상태를 판정한다. 이로 인하여, 날개까지의 거리를 나타내는 검지 신호가, 날개마다 최저 1회여도 샘플링되면 되기 때문에, 본 구성은 고속 샘플링을 행하지 않고 회전 기계의 상태를 감시할 수 있다.
상기 제1 양태에서는, 상기 판정 수단이, 가장 높은 값을 나타내는 상기 날개 검지 신호로부터의 어긋남량이 클수록, 상기 날개 검지 신호에 대하여 보다 작은 가중값 부여를 행해도 된다.
본 구성은 날개차의 상태의 판정에 대하여, 정점으로부터의 어긋남량이 큰 날개 검지 신호의 영향을 작게 할 수 있다.
상기 제1 양태에서는, 상기 소정의 샘플링 주기가, 1매마다의 상기 날개가 상기 검지 수단에 대향하는 위치를 통과하는 시간 간격에 근거하여 결정되어도 된다.
본 구성은 고속이 아닌 샘플링 주기로 하여, 적절한 샘플링 주기를 결정할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 관한 회전 기계는, 날개차와, 날개차를 수납하는 케이싱과, 상기 기재된 상태 감시 장치를 구비한다.
본 발명의 제3 양태에 관한 회전 기계의 상태 감시 방법은, 회전 기계의 날개차와의 사이에 반경 방향으로 간격을 두고 마련된 검지 수단에 의하여, 상기 날개차와의 거리를 검지하는 제1 공정과, 소정의 샘플링 주기로 상기 검지 수단에 의한 검지 신호를 디지털화하는 제2 공정과, 디지털화된 검지 신호를, 상기 날개차의 날개를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 상기 날개를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별하는 제3 공정과, 상기 날개 검지 신호를 다른 상기 날개에 대응하는 상기 날개 검지 신호 및 상기 비날개 검지 신호와 비교함으로써, 상기 날개의 정점으로 볼 수 있는 상기 날개 검지 신호를 추출하며, 추출한 상기 날개 검지 신호에 근거하여 상기 날개차의 상태를 판정하는 제4 공정을 포함한다.
본 발명에 의하면, 고속 샘플링을 행하지 않고 회전 기계의 상태를 감시할 수 있다고 하는 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 과급기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 날개의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 관한 상태 감시 장치의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 갭 센서의 검지 신호를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 관한 저속 샘플링의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관한 저속 샘플링에 의한 날개 검지 위치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 관한 날개차 상태 판정 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 관한 축 진동 판정 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 관한 팁 클리어런스 판정 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다
이하에, 본 발명에 관한 회전 기계의 상태 감시 장치, 회전 기계, 및 회전 기계의 상태 감시 방법의 일 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 실시형태에 관한 과급기(1)의 구성도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 과급기(1)는, 이른바 터보차저로서, 엔진의 배기 가스(E)의 에너지를 회전으로 변환하는 터빈(2)과, 이 터빈(2)에 의하여 구동되는 압축기(11)를 구비한다.
압축기(11)는, 흡입한 공기(W)를 압축하여 압축 공기(PW)로 하고, 압축 공기(PW)를 엔진에 강제적으로 보낸다.
터빈(2)은, 터빈 본체(3)와, 터빈 본체(3)를 외주측으로부터 덮음과 함께 배기 가스(E)의 입구 통로(5) 및 출구 통로(6)를 갖는 터빈 케이싱(4)에 의하여 구성되어 있다.
터빈 본체(3)는, 터빈 케이싱(4)에 장착된 정익(靜翼)(7)과, 축(P)을 중심으로 회전하는 디스크(9)에 장착된 동익(動翼)(8)을 갖고 있다.
정익(7)은, 입구 통로(5)와 출구 통로(6)의 접속 부분에, 터빈 케이싱(4)으로부터 축(P)의 반경 방향 내측으로 돌출되어 마련되고, 축(P)의 둘레 방향으로 복수가 간격을 두고 배치되어 있다.
동익(8)은, 디스크(9)의 외주면으로부터 반경 방향 외방으로 돌출되어 마련되고, 정익(7)의 하류측(도 1의 지면(紙面) 좌측)에서, 이 정익(7)과의 사이에 소정의 간격을 두고 배치되어 있다.
압축기(11)는, 축(P)을 중심으로 회전 가능하게 된 회전체인 압축기 날개차(12)와, 압축기 날개차(12)를 외주로부터 덮는 압축기 케이싱(14)을 갖고 있다.
압축기 날개차(12)는, 복수 매의 날개(13)를 갖는 원심형의 임펠러이다. 날개(13)는, 도 2에 나타나는 바와 같이, 축(P)의 둘레 방향으로 일정한 간격을 두고 일례로서 11매 마련되어 있다.
압축기 케이싱(14)은, 공기(W)를 도입하는 공기 유입구(15)와, 압축기 날개차(12)에 의하여 압축된 압축 공기(PW)를 토출하는 출구 스크롤(16)을 구비하고 있다.
그리고, 압축기 날개차(12)와 디스크(9)는 축(P)을 중심으로 회전하는 로터(17)에 끼워 넣어져 축(P)을 중심으로 일체가 되어 회전하도록 되어 있다. 또 로터(17)는, 2개의 레이디얼 베어링(18)과, 1개의 스러스트 베어링(19)에 의하여, 축(P)을 중심으로 회전 가능하게 지지되어 있다.
또, 도 2에도 나타내는 바와 같이, 압축기 케이싱(14)에는 갭 센서(21)가 구비된다. 갭 센서(21)는, 압축기 날개차(12)의 날개(13)에 대향하는 위치에서 압축기 케이싱(14)에 마련되고, 날개(13)의 슈라우드측 선단과의 거리를 측정한다.
본 실시형태에 관한 갭 센서(21)는, 예를 들면 와전류 효과를 이용한 비접촉식의 변위계로서, 압축기 케이싱(14)에 일례로서 1개만이 마련되어 있으며, 갭 센서(21)는, 압축기 케이싱(14)의 내주면과 동일한 위치에 배치되어 있다(도 6도 참조).
여기에서, 상기 와전류 효과를 이용한 변위계의 동작 원리에 대하여 설명한다. 이 변위계는, 고주파 자속을 발생시키는 코일에 의하여 구성되고, 이 코일로부터 발생한 고주파 자속에 의하여, 측정 대상인 날개(13)의 표면에 발생하는 와전류의 변화를 코일의 임피던스의 변화로서 검지한다. 즉, 날개(13)의 통과에 따른 상기 거리의 변화를 코일의 임피던스의 변화로서 검지하는 것으로, 날개(13)가 가장 접근할 때에 최대의 출력이 얻어지는 구성으로 되어 있다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 상태 감시 장치(30)의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.
상태 감시 장치(30)는, 상술한 갭 센서(21), 변환부(31), 아날로그 신호 처리부(32), 및 디지털 신호 처리부(33)를 구비한다. 그리고, 상태 감시 장치(30)는, 갭 센서(21)의 검지 신호에 근거하여, 압축기 날개차(12)의 회전수, 압축기 날개차(12)의 진동, 압축기 날개차(12)와 압축기 케이싱(14)의 사이의 클리어런스의 3개의 수치를 취득하여, 압축기 날개차(12)의 상태를 판정한다.
여기에서, 도 4를 참조하여, 갭 센서(21)로부터 출력되는 검지 신호(아날로그 신호)에 대하여 설명한다. 도 4의 가로 방향은 시간을 나타내고, 세로 방향은 진폭을 나타낸다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 갭 센서(21)는, 각 날개(13)와 대향할 때에, 갭 센서(21)와 압축기 날개차(12)의 사이의 거리가 작아질수록 큰 검지 신호를 출력한다. 즉, 갭 센서(21)로부터 주기적으로 출력되는 검지 신호는, 각 날개(13)와 갭 센서(21)가 대향할 때에 큰 진폭이 되고, 각 날개(13)와 갭 센서(21)가 떨어진 위치, 구체적으로는 인접하는 날개(13)끼리의 중간 지점에 있어서는 작은 진폭이 되는 파형(波形)(도 4의 실선)이다.
그리고, 압축기 날개차(12)가 1회전할 때마다, 갭 센서(21)로부터는 날개(13)의 매수에 따른 횟수(본 실시형태에서는 11회, N1~N11)의 피크가 출력된다.
도 4의 실선으로 나타나는 검지 신호는, 갭 센서(21)로부터 변환부(31)에 출력된다.
변환부(31)는, 예를 들면 트랜지스터 등을 이용한 증폭 회로를 구비하고, 갭 센서(21)로부터의 미약한 검지 신호를 증폭시켜, 아날로그 신호 처리부(32) 및 디지털 신호 처리부(33)에 출력한다.
아날로그 신호 처리부(32)는, 분주부(分周部)(35) 및 회전수 산출부(36)를 구비하고 있다.
분주부(35)는, 변환부(31)에서 증폭된 갭 센서(21)의 검지 신호(아날로그 신호)가 입력되고, 이 검지 신호를 소정 횟수(본 실시형태에서는, 날개(13)의 매수와 동일한 11회)로 분주하여, 압축기 날개차(12)의 회전수에 동기한 회전수 신호를 출력한다.
회전수 산출부(36)는, 분주부(35)로부터의 회전수 신호의 수를 카운트함으로써 압축기 날개차(12)의 회전수를 연산한다.
디지털 신호 처리부(33)는, 아날로그 · 디지털 변환부(이하 "ADC"라고 함)(37), 선별부(38), 및 판정부(39)를 구비한다.
ADC(37)는, 갭 센서(21)로부터 출력되는 검지 신호를 소정의 샘플링 주기에 의하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환한다. 예를 들면, 도 4에 있어서 파선(破線)이 샘플링 간격이며, 아날로그 파형 상의 검은 점이 ADC(37)에 의하여 샘플링된 검지 신호이다.
선별부(38)는, ADC(37)에 의하여 디지털화된 검지 신호를, 날개(13)를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 날개(13)를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별한다. 또한, 비날개 검지 신호는, 날개(13)가 아닌 로터(17) 또는 날개(13)의 연결부를 검지한 검지 신호이다.
도 4에 나타나는 임곗값(A)은, 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호를 선별하기 위한 것이며, 선별부(38)에 의하여, 임곗값(A) 이상의 검지 신호가 날개 검지 신호로서 선별되고, 임곗값(A) 미만의 검지 신호가 비날개 검지 신호로서 선별된다.
판정부(39)는, 날개 검지 신호를 다른 날개(13)에 대한 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호와 상대적으로 비교함으로써, 날개(13)의 정점(이하 "날개 피크"라고 함)으로 볼 수 있는 날개 검지 신호를 추출하고, 추출한 날개 검지 신호에 근거하여 압축기 날개차(12)의 상태를 판정한다.
판정부(39)는, 상기 추출을 행하는 추출부(40)와 함께, 축 진동 판정부(41) 및 팁 클리어런스 판정부(42)를 구비한다.
축 진동 판정부(41)는, 압축기 날개차(12)의 진동 상태를 판정한다.
팁 클리어런스 판정부(42)는, 압축기 날개차(12)의 날개 피크의 최댓값과 압축기 케이싱(14)의 내주면의 사이의 클리어런스(도 4도 참조)의 상태를 판정한다.
또한, 디지털 신호 처리부(33)가 구비하는 선별부(38) 및 판정부(39)는, 예를 들면 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 및 컴퓨터 독취 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고, 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있으며, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등에 독출하여, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은, ROM이나 그 외의 기억 매체에 미리 인스톨해 두는 형태나, 컴퓨터 독취 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 통하여 전송되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 독취 가능한 기억 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.
여기에서, 압축기 날개차(12)는, 예를 들면 3000rpm과 같은 고속으로 회전하고 있다. 이로 인하여, 양호한 정밀도로 압축기 날개차(12)와 압축기 케이싱(14)의 거리를 검지하기 위해서는, ADC가 고속 샘플링으로 검지 신호를 디지털화하는 것이 바람직하다. 여기에서 말하는 고속 샘플링이란, 1매의 날개(13)에 대하여, 예를 들면 3회 이상 샘플링함으로써, 날개 피크를 명확하게 판정 가능하게 하는 샘플링 주기이다. 그러나, 고속 샘플링을 행하기 위해서는, 고성능인 ADC를 필요로 하는 등의 비용 증가를 수반한다.
따라서, 본 실시형태에 관한 상태 감시 장치(30)는, 고속이 아닌 샘플링 주기로서, 예를 들면 1매의 날개(13)를 1회 또는 2회만 샘플링할 수 있을 정도의 샘플링 주기(이하 "저속 샘플링"이라고도 함)로 검지 신호를 디지털화함으로써, 고성능인 ADC를 불필요하게 한다.
본 실시형태에 관한 ADC(37)에 의한 샘플링 주기는, 1매마다의 날개(13)가 갭 센서(21)에 대향하는 위치를 통과하는 시간 간격에 근거하여 결정된다.
하기 식 (1)~(4)는, 본 실시형태에 관한 ADC(37)에 의한 저속 샘플링 주기를 결정하는 산출식의 일례이다.
[수학식 1]
Figure 112017047854628-pct00001
[수학식 2]
Figure 112017047854628-pct00002
[수학식 3]
Figure 112017047854628-pct00003
[수학식 4]
Figure 112017047854628-pct00004
식 (1), (2)는, 날개(13)의 팁부의 주속(V)(m/s)의 산출식이며, D는 갭 센서(21)의 설치 위치에 대응하는 압축기 날개차(12)의 바깥 둘레 직경(m), ω 각속도(rad/s), N은 압축기 날개차(12)의 회전수(rpm)이다. 그리고, ω 는 압축기 날개차(12)의 회전수(N)(rpm)를 이용하여 식 (2)와 같이 변환된다.
또, 식 (3)은, 1매마다의 날개(13)가 갭 센서(21)를 통과하는 주파수(F)(Hz, 이하 "날개 간 통과 주파수"라고 함)의 산출식이며, n은 날개(13)의 매수이다.
그리고, Fs는 샘플링 주파수(Hz)이며, 본 실시형태에서는, 일례로서 식 (4)에 나타내는 바와 같이 날개 간 통과 주파수(F)의 10배로 한다.
여기에서, 예를 들면 직경(D)이 35mm, 날개(13)의 매수(n)가 11매, 회전수(ω)가 28000rpm인 경우, 팁부의 주속(V)은 51.3m/s, 날개 간 통과 주파수(F)가 5100Hz가 되고, 샘플링 주파수(Fs)는 51kHz가 되므로, ADC(37)의 샘플링 주파수를 50kHz로 함으로써, 날개 피크가 샘플링 가능해진다.
도 5에 저속 샘플링의 일례를 나타낸다. 도 5에 나타내는 파형 상의 검은 점은, 본 실시형태에 관한 ADC(37)에 의하여 샘플링된 검지 신호의 일례이다. 도 5에 나타나는 바와 같이, 각 날개(13) 및 그 주위를 나타내는 파형에 대하여, 저속 샘플링에 의하여 10개의 검지 신호(v1~v10)를 샘플링할 수 있다. 이 중, 2개(v2, 3)가 임곗값(A)을 넘고, 날개(13)를 나타내는 날개 검지 신호이다. 또한, 검지 신호(v1, 4~9)는, 임곗값(A) 미만이기 때문에 비날개 검지 신호이다.
그러나, 저속 샘플링으로 검지 신호를 디지털화하면, 디지털화된 날개 검지 신호가 반드시 날개 피크를 나타낸다고는 한정되지 않고, 날개 피크로부터 어긋난 날개 위치를 나타내는 검지 신호가 디지털화될 가능성이 있다.
즉, 날개 피크를 나타내는 검지 신호가 샘플링되는 것이 바람직하지만, 저속 샘플링에서는, 도 6의 파선으로 나타나는 날개(13)에 대한 검지와 같이, 날개(13)의 중앙(배라고도 함)을 검지한 검지 신호가 샘플링될 가능성이 있다.
이와 같이, 날개 피크로 볼 수 없는 날개 검지 신호를 포함하고, 압축기 날개차(12)의 상태가 판정되면, 잘못된 판정이 행해질 가능성이 있다.
따라서, 판정부(39)가 구비하는 추출부(40)에 의하여, 각 날개 검지 신호가 다른 날개(13)에 대응하는 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호와 비교되고, 날개 피크로 볼 수 있는 날개 검지 신호(이하 "날개 피크 검지 신호"라고 함)가 추출된다.
추출부(40)에 의한 비교 방법으로서는, 예를 들면 날개 검지 신호마다 비날개 검지 신호와의 차를 날개(13)의 높이(이하 "날개 높이"라고 함)로서 산출하고, 각 날개 검지 신호가 나타내는 날개 높이에 근거하여, 날개 피크 검지 신호를 추출한다. 또한, 비날개 검지 신호는 검출 빈도가 증가하기 때문에, 비날개 검지 신호는 횟수를 카운트하지 않는다. 비날개 검지 신호를 카운트하지 않음으로써 잘못된 판정은 행해지지 않는다.
날개 높이의 산출 방법으로서는, 예를 들면 비날개 검지 신호의 최젓값과 각 날개 검지 신호의 차를 각 날개 검지 신호의 날개 높이로 하는 방법, 또는 비날개 검지 신호의 평균값과 각 날개 검지 신호의 차를 각 날개 검지 신호의 날개 높이로 하는 방법이 이용된다.
또한, 본 실시형태에 관한 추출부(40)는, 날개 피크 검지 신호의 추출 시에, 날개 검지 신호에 대하여 가중값 부여를 행한다. 구체적으로는, 가장 높은 날개 높이를 나타내는 날개 검지 신호로부터의 어긋남량이 클수록, 날개 검지 신호에 대하여 보다 작은 가중값 부여를 행한다.
가중값 부여에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4의 지면 우측에 나타나는 바와 같이, 추출부(40)는, 복수 회의 샘플링에 의한 날개 검지 신호가 나타낸 값(날개 높이) 및 비날개 검지 신호가 나타낸 값별 횟수를 얻는다. 추출부(40)는, 이 횟수에 근거하여, 날개 검지 신호의 최곳값이 가장 큰 가중값이 되고, 날개 검지 신호의 최젓값이 가장 작은 가중값이 되도록 가중값 계수를 결정한다.
즉, 압축기 날개차(12)는, 미소한 진동을 하면서 회전하고 있으므로, 날개 검지 신호가 날개 피크를 검지해도, 그 크기에는 편차가 발생한다(도 4의 파선으로 나타나는 날개 피크의 진폭). 따라서, 날개 높이의 값이 작은 날개 검지 신호가, 날개 피크의 검지 결과인지, 또는 날개(13)의 배의 검지 결과인지가 판연하지 않은 경우가 있다. 따라서, 날개 높이의 값의 횟수(빈도)를 구하고, 이 횟수에 근거하여 날개 검지 신호의 값별 가중값 계수를 결정하며, 결정한 가중값 계수를 각 날개 검지 신호의 값에 곱한다.
즉, 최다 횟수의 값 및 그것보다 큰 값에 대응하는 날개 검지 신호는, 날개 피크를 나타내고 있다고 생각되는 한편, 최다 횟수의 값보다 작은 값의 날개 검지 신호일수록, 날개 피크를 나타내고 있지 않을 가능성이 높다. 이 관계성을 보다 명확하게 하기 위하여, 날개 검지 신호에 가중값 부여를 행하여, 날개 피크 검지 신호의 추출을 용이하게 한다.
또한, 가중값 계수는, 상술한 바와 같이 날개 검지 신호의 최곳값이 최대가 되고, 날개 검지 신호의 최젓값이 최소가 되도록 결정되지만, 최다 횟수의 값에 대응하는 가중값과 최곳값에 대응하는 가중값의 차는 작고, 최다 횟수의 값에 대응하는 가중값과 최젓값에 대응하는 가중값의 차는 커지도록 결정된다.
그리고, 추출부(40)는, 예를 들면 가중값 계수가 곱해진 값이 소정의 임곗값 이하의 날개 검지 신호를 날개 피크 검지 신호라고는 보지않고, 상기 임곗값을 넘은 날개 검지 신호를 날개 피크 검지 신호로서 추출한다.
도 4의 예에서는, N1의 날개(13)에 대한 날개 검지 신호가 날개 피크를 검지하고 있지 않다고 보여지는 검지 신호이다.
도 7은, 디지털 신호 처리부(33)에서 실행되는 본 실시형태에 관한 날개차 상태 판정 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
먼저, 스텝 100에서는, 갭 센서(21)가 출력한 검지 신호를, ADC(37)가 저속 샘플링으로 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환한다.
다음의 스텝 102에서는, 압축기 날개차(12)의 상태 판정을 행하기 위하여 필요로 하는 소정 수의 검지 신호를 저속 샘플링하여, 기억 수단에 기억한다. 여기에서 말하는 소정 수란, 일례로서 압축기 날개차(12)의 1회전에 상당하는 수이며, 본 실시형태에서는 11이다.
다음의 스텝 104에서는, 소정 수의 검지 신호를 샘플링했는지 여부를 판정하고, 긍정 판정의 경우는 스텝 106으로 이행한다. 한편, 부정 판정의 경우는 스텝 100으로 되돌아가, 소정 수의 검지 신호를 샘플링할 때까지 스텝 100, 102를 반복한다.
스텝 106에서는, 저속 샘플링한 검지 신호로부터 날개 검지 신호(vn)를 선별부(38)가 선별한다.
다음의 스텝 108에서는, 날개 검지 신호(vn)가 나타내는 값(날개 높이) 및 날개 검지 신호(vn)가 나타내는 날개 높이별 횟수에 근거하여, 날개 검지 신호(vn)별 가중값 계수(wn)를 결정한다.
다음의 스텝 110에서는, 날개 검지 신호(vn)에 대응하는 가중값 계수(wn)를 곱한다.
다음의 스텝 112에서는, 가중값 계수(wn)가 곱해진 날개 검지 신호(vn)로부터 날개 피크 검지 신호를 추출한다.
또한, 스텝 108~112의 처리는, 추출부(40)에 의하여 실행된다.
다음의 스텝 114에서는, 추출한 날개 피크 검지 신호에 근거하여, 축 진동 판정부(41)가 축 진동 판정 처리를 실행하고, 팁 클리어런스 판정부(42)가 팁 클리어런스 판정 처리를 실행함으로써, 압축기 날개차(12)의 상태를 판정한다.
그리고, 이 판정 종료 후에 처리는 스텝 100으로 되돌아가, 새로 저속 샘플링한 검지 신호에 근거하여, 날개차 상태 판정 처리가 행해진다.
도 8은, 축 진동 판정부(41)에서 실행되는 본 실시형태에 관한 축 진동 판정 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
먼저, 스텝 200에서는, 날개 피크 검지 신호의 최댓값(vmax) 및 최솟값(vmin)을 도출한다.
다음의 스텝 202에서는, 날개 피크 검지 신호의 최댓값(vmax)과 최솟값(vmin)의 차분을 진동 성분(An)으로서 산출한다.
다음의 스텝 204에서는, 진동 성분(An)과 미리 정해진 기준 진동 성분(AA)을 비교하여, 진동 성분(An)이 기준 진동 성분(AA)을 넘었는지 여부를 판정하고, 긍정 판정의 경우는 스텝 206으로 이행한다. 한편, 진동 성분(An)이 기준 진동 성분(AA)을 넘지 않은 경우는, 축 진동 판정 처리를 종료하고, 스텝 100으로 되돌아간다.
기준 진동 성분(AA)은, 회전 기계의 이상 진동을 검지하기 위한 임곗값이며, 진동 성분(An)이 기준 진동 성분(AA)에 도달하면, 예를 들면 경보의 알림이나 회전 기계의 자동 정지가 행해진다. 즉, 기준 진동 성분(AA)은, 경보 설정값 혹은 회전 기계의 자동 정지 설정값이다. 또한, 기준 진동 성분(AA)은, 다른 값이 복수 설정되고, 진동 성분(An)이 커져 복수의 기준 진동 성분(AA)에 도달할 때마다, 경보의 알림이나 회전 기계의 자동 정지가 단계적으로 행해져도 된다.
스텝 206에서는, 축 진동이 과대하다고 하여, 경고를 알린다. 이로써, 작업원은, 과급기(1)를 구비하는 장치의 정지, 또는 다음 번 점검 시에 있어서의 과급기(1)의 수리 등을 행한다.
도 9는, 팁 클리어런스 판정부(42)에서 실행되는 본 실시형태에 관한 팁 클리어런스 판정 처리의 흐름을 나타내는 플로차트이다.
먼저, 스텝 300에서는, 날개 피크 검지 신호의 최댓값(vmax)을 도출한다. 이 최댓값(vmax)은, 팁 클리어런스에 대응하는 클리어런스(Bn)가 된다.
다음의 스텝 302에서는, 클리어런스(Bn)와 미리 정해진 기준 클리어런스(BB)를 비교하여, 클리어런스(Bn)가 기준 클리어런스(BB)를 넘었는지 여부를 판정하고, 긍정 판정의 경우는 스텝 304로 이행한다. 한편, 클리어런스(Bn)가 기준 클리어런스(BB)를 넘지 않은 경우는, 팁 클리어런스 판정 처리를 종료하고, 스텝 100으로 되돌아간다.
기준 클리어런스(BB)는, 날개(13)가 압축기 케이싱(14)에 접근한 것을 검지하기 위한 임곗값이며, 클리어런스(Bn)가 기준 클리어런스(BB)에 도달하면, 예를 들면 경보의 알림이나 회전 기계의 자동 정지가 행해진다. 즉, 기준 클리어런스(BB)는, 경보 설정값 혹은 회전 기계의 자동 정지 설정값이다. 또한, 기준 클리어런스(BB)는, 다른 값이 복수 설정되고, 클리어런스(Bn)가 커져 복수의 기준 클리어런스(BB)에 도달할 때마다, 경보의 알림이나 회전 기계의 자동 정지가 단계적으로 행해져도 된다.
스텝 304에서는, 날개(13)가 압축기 케이싱(14)에 접촉할 가능성이 있다고 하여, 경고를 알린다. 이로써, 작업원은, 과급기(1)를 구비하는 장치의 정지, 또는 다음 번 점검 시에 있어서의 과급기(1)의 수리 등을 행한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 상태 감시 장치(30)는, 압축기 날개차(12)와의 거리를 검지하는 갭 센서(21)를 이용하여, 압축기 날개차(12)의 회전수를 감시한다.
그리고, 상태 감시 장치(30)는, ADC(37)에 의하여 저속 샘플링 주기로 갭 센서(21)에 의한 검지 신호를 디지털화하고, 선별부(38)에 의하여, 디지털화된 검지 신호를, 압축기 날개차(12)의 날개(13)를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 날개(13)를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별한다. 또한, 판정부(39)에 의하여, 날개 검지 신호를 다른 날개(13)에 대응하는 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호와 비교함으로써, 날개 피크로 볼 수 있는 날개 피크 검지 신호를 추출하고, 추출한 날개 피크 검지 신호에 근거하여 압축기 날개차(12)의 상태로서 축 진동과 팁 클리어런스를 판정한다.
이와 같이, 본 실시형태에 관한 상태 감시 장치(30)는, 복수의 날개(13)의 날개 검지 신호 및 비날개 검지 신호를 상대적으로 비교함으로써, 날개 피크로 볼 수 있는 날개 피크 검지 신호를 추출하여 압축기 날개차(12)의 상태를 판정한다. 이로 인하여, 날개(13)까지의 거리를 나타내는 검지 신호가, 날개(13)마다 최저 1회여도 샘플링되면 되기 때문에, 상태 감시 장치(30)는, 고속 샘플링을 행하지 않고 과급기(1)의 상태를 감시할 수 있다.
이상, 본 발명을, 상기 실시형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 실시형태에 다양한 변경 또는 개량을 가할 수 있고, 그 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또, 상기 실시형태를 적절히 조합해도 된다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 압축기 케이싱(14)에 1개의 갭 센서(21)를 구비하는 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 위상(位相)을 어긋나게 한 위치에 복수의 갭 센서(21)를 구비하는 형태로 해도 된다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 본 발명에 관한 회전 기계를 과급기(1)로 하는 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 날개차를 갖는 회전 기계이면, 다른 회전 기계로 하는 형태로 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서 설명한 각 처리의 흐름도 일례이며, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 불필요한 스텝을 삭제하거나, 새로운 스텝을 추가하거나, 처리 순서를 변경해도 된다.
1 과급기
12 압축기 날개차
21 갭 센서
30 상태 감시 장치
37 아날로그·디지털 변환부(ADC)
38 선별부
39 판정부
40 추출부

Claims (5)

  1. 회전 기계의 날개차와의 사이에 반경 방향으로 간격을 두고 마련되며, 상기 날개차와의 거리를 검지하는 검지 수단과,
    소정의 샘플링 주기로 상기 검지 수단에 의한 검지 신호를 디지털화하는 변환 수단과,
    상기 변환 수단에 의하여 디지털화된 검지 신호를, 상기 날개차의 날개를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 상기 날개를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별하는 선별 수단과,
    상기 날개 검지 신호를 다른 상기 날개에 대응하는 상기 날개 검지 신호 및 상기 비날개 검지 신호와 비교함으로써, 상기 날개의 정점으로 볼 수 있는 상기 날개 검지 신호를 추출하고, 추출한 상기 날개 검지 신호에 근거하여 상기 날개차의 상태를 판정하는 판정 수단을 구비하고,
    상기 판정 수단은, 가장 높은 값을 나타내는 상기 날개 검지 신호로부터의 어긋남량이 클수록, 상기 날개 검지 신호에 대하여 보다 작은 가중값 부여를 행하는 회전 기계의 상태 감시 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 소정의 샘플링 주기는, 1매마다의 상기 날개가 상기 검지 수단에 대향하는 위치를 통과하는 시간 간격에 근거하여 결정되는 회전 기계의 상태 감시 장치.
  4. 날개차와,
    날개차를 수납하는 케이싱과,
    청구항 1 또는 청구항 3 에 기재된 상태 감시 장치를 구비하는 회전 기계.
  5. 회전 기계의 날개차와의 사이에 반경 방향으로 간격을 두고 마련된 검지 수단에 의하여, 상기 날개차와의 거리를 검지하는 제1 공정과,
    소정의 샘플링 주기로 상기 검지 수단에 의한 검지 신호를 디지털화하는 제2 공정과,
    디지털화된 검지 신호를, 상기 날개차의 날개를 검지했다고 볼 수 있는 날개 검지 신호 및 상기 날개를 검지했다고 볼 수 없는 비날개 검지 신호로 선별하는 제3 공정과,
    상기 날개 검지 신호를 다른 상기 날개에 대응하는 상기 날개 검지 신호 및 상기 비날개 검지 신호와 비교함으로써, 상기 날개의 정점으로 볼 수 있는 상기 날개 검지 신호를 추출하며, 추출한 상기 날개 검지 신호에 근거하여 상기 날개차의 상태를 판정하는 제4 공정을 포함하고,
    상기 제 4 공정에 있어서, 가장 높은 값을 나타내는 상기 날개 검지 신호로부터의 어긋남량이 클수록, 상기 날개 검지 신호에 대하여 보다 작은 가중값 부여를 행하는 회전 기계의 상태 감시 방법.
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