JP2018165653A - 翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動翼の異常を容易に検出することができる翼異常検出装置を提供する。
【解決手段】蒸気タービンの加速度情報を取得する加速度情報取得部５３と、回転軸の回転位置情報を取得する回転位置情報取得部５４と、複数の開閉弁の開閉状態を示す弁情報を取得する弁情報取得部５２と、弁情報に基づいて、複数の開閉弁のうち一の開閉弁のみが開状態とされた部分負荷状態であるか否かを判断する部分負荷判断部５５と、該部分負荷判断部が、部分負荷状態であると判断した場合に、加速度情報の時系列に基づいて一段目の動翼列の異常の有無を判断する判断する翼異常判断部５６と、一段目の動翼列が異常であると判断された場合に、回転位置情報に基づいて一段目の動翼列から異常が発生した動翼を特定する翼特定部５７と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法に関する。

例えば蒸気タービン、ガスタービン等の回転機械は、回転軸と、該回転軸の外周に設けられた複数の動翼列からなる動翼列群とを有している。回転機械の運転時には、回転する動翼列の振動を計測している。このような計測を行うことにより、動翼列の振動特性が設計計画通りであるか否かを検証することができる。また、運転条件の変化による動翼の振動特性の変化を確認し、タービン製品の信頼性の向上を図ることができる。

例えば特許文献１には、動翼に接触しない静止部に変位センサを設け、該変位センサによって動翼の振動を監視する技術が開示されている。
特に、動翼の翼高さが大きい低圧段では、静止側から各動翼の通過時間を計測し、その結果を演算して動翼の振動形態および振動量を算出する非接触モニタが適用されることが多い。

また特許文献２には、ロータに摺動接触する静止部に振動検出部を設ける技術が開示されている。例えば振動検出部としての加速度計を軸受箱に設置することで、該軸受箱に伝達される翼列群からの振動を該加速度計によって検出する。

特開２００３−１７７０５９号公報 特開昭５３−２８８０６号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、特に動翼の翼高さが小さい高圧段では、変位センサの設置環境が悪く、さらに動翼の振動振幅が小さいため、適切に振動を監視することができない。また、蒸気や燃焼ガス等の作動流体の性状によっては、変位センサの検出値に誤差が生じ、適切に振動を検出できない場合がある。

また、上記特許文献２に記載の技術では、動翼列群から軸受箱まで振動が伝達するために、軸受油膜、軸受、軸受ハウジング等の振動減衰要素を経由する必要がある。そのため、信号自体の品質が悪化し、また、暗振動により信号がマスキングされる可能性が高い。
よって、いずれの技術であっても動翼の異常を容易に検出することは困難である。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、動翼の異常を容易に把握することができる翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びる複数の動翼を有する動翼列が作動流体の流通方向である前記軸線方向に複数段設けられてなる動翼列群と、前記動翼列群を外周側から囲うとともに、一段目の前記動翼列に作動流体を導入する導入口が前記軸線の周方向に複数配列されたステータと、各前記導入口に対応して複数設けられて、それぞれ前記導入口に供給される前記作動流体の流路を開閉する開閉弁と、を備える回転機械の翼異常検出装置であって、前記回転機械の加速度情報を取得する加速度情報取得部と、前記回転軸の回転位置情報を取得する回転位置情報取得部と、複数の前記開閉弁の開閉状態を示す弁情報を取得する弁情報取得部と前記弁情報に基づいて、複数の前記開閉弁のうち一部の前記開閉弁のみが開状態とされた部分負荷状態であるか否かを判断する部分負荷判断部と、該部分負荷判断部が、前記部分負荷状態であると判断した場合に、前記加速度情報の時系列に基づいて一段目の前記動翼列の異常の有無を判断する判断する翼異常判断部と、一段目の前記動翼列が異常であると判断された場合に、前記回転位置情報に基づいて一段目の前記動翼列から異常が発生した前記動翼を特定する翼特定部と、を備える。

上記回転機械では、全負荷時には複数の導入口の開閉弁の全てが開状態とされることで、全ての導入口から作動流体が導入される。一方、部分負荷時には、一部の導入口の開閉弁のみが開状態とされ残りの開閉弁は閉状態とされることで、一部の導入口のみから作動流体が導入されることになる。
このような部分負荷時には、一段目の動翼列における回転する複数の動翼は、作動流体が導入される導入口の周方向位置付近を通過する際にのみ、該作動流体によって加振されることになる。

全ての動翼に変形・損傷等が生じていない正常時には、作用流体が導入される導入口付近を通過する動翼は、作動流体による加振力によってほぼ同様に振動する。一方、いずれかの動翼に変形・損傷が生じた異常時には、当該動翼の剛性のみが他の動翼に比べて低下するため、異常が生じた動翼のみが他の動翼に比べて大きく振動することになる。したがって、回転機械全体としては、作用流体が導入される導入口付近を異常が生じた動翼が通過する際にのみ、振動による加速度が大きな値を示す。

本態様では、上記知見に基づいて、第一段目の動翼列における異常が生じた動翼を特定する。即ち、部分負荷判断部によって、いずれかの導入口からのみ作用流体が導入されている部分負荷時と判断された際には、回転機械の加速度にもとづいて、一段目の動翼列に異常が生じたか否かを判断する。次いで、異常が生じたと判断された場合には、回転軸の回転位置に基づいて複数の動翼から異常が生じた動翼を特定する。これによって、動翼の異常を容易に特定することができる。

上記の翼異常検出装置では、前記翼異常判断部は、一段目の前記動翼列に異常が生じていない正常時における前記回転機械の加速度情報の時系列と、前記加速度情報取得部が取得した前記加速度情報の時系列とを比較して、一段目の前記動翼列が異常か否かを判断することが好ましい。

予め取得した正常時の加速度情報と加速度情報取得部が取得した実際の加速度情報とを比較することで、正常時の加速度情報から実際の加速度情報が大きく異なる場合には異常と判断することができる。

本発明の第二態様に係る翼異常検出システムは、上記の翼異常検出装置と、前記回転機械の加速度を検出して前記翼異常検出装置に出力する加速度センサと、前記回転軸の回転位置を検出して前記翼異常検出装置に出力する回転センサと、を備える。

加速度センサによる加速度情報及び回転センサによる回転位置情報を用いることで、上記の通り、動翼の異常を容易に検出することができる。

本発明の第三態様に係る回転機械システムは、前記回転機械と、上記の翼異常検出システムと、を備え、前記回転機械は、各前記開閉弁を制御するとともに前記翼異常検出装置に弁情報を出力する開閉弁制御部を有する。
これによって、動翼の異常を容易に検出することができる。

上記回転機械システムでは、前記回転機械は、前記回転軸を前記軸線回りに回転可能に支持する軸受と、該軸受を下方から支持する軸受台と、を備え、前記加速度センサは、前記軸受台に設けられていることが好ましい。

回転機械の振動を検出する加速度センサが回転機械の外面に設けられているため、作動流体の性状等の影響を受けずに加速度情報を取得することができる。

本発明の第四態様の翼異常検出方法は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びる複数の動翼を有する動翼列が作動流体の流通方向である前記軸線方向に複数段設けられてなる動翼列群と、前記動翼列群を外周側から囲うとともに、一段目の前記動翼列に作動流体を導入する導入口が前記軸線の周方向に複数配列されたステータと、各前記導入口に対応して複数設けられて、それぞれ前記導入口に供給される前記作動流体の流路を開閉する開閉弁と、を備える回転機械の翼異常検出方法であって、前記回転機械の加速度情報を取得する加速度情報取得工程と、前記回転軸の回転位置情報を取得する回転位置情報取得工程と、複数の前記開閉弁の開閉状態を示す弁情報を取得する弁情報取得工程と前記弁情報に基づいて、複数の前記開閉弁のうち一部の前記開閉弁のみが開状態とされた部分負荷状態であるか否かを判断する部分負荷判断工程と、該部分負荷判断部が、前記部分負荷状態であると判断した場合に、前記加速度情報の時系列に基づいて一段目の前記動翼列の異常の有無を判断する判断する翼異常判断工程と、一段目の前記動翼列が異常であると判断された場合に、前記回転位置情報に基づいて一段目の前記動翼列から異常が発生した前記動翼を特定する翼特定工程と、を含む。

本発明の翼異常検出装置、翼異常検出システム、回転機械システム及び翼異常検出方法
によれば、動翼の異常を容易に検出することができる。

実施形態に係る蒸気タービンシステム（回転機械システム）の模式的な縦断面図である。 実施形態に係る蒸気タービンシステム（回転機械システム）の軸線に直交する模式的な断面図である。 実施形態に翼監視装置における翼監視装置本体のハードウェア構成を示す図である。 実施形態に係る翼監視装置における翼監視装置本体の機能ブロック図である。 (ａ)は正常時における回転位置情報と加速度情報との時系列を示すグラフであって、（ｂ）は異常時における回転位置情報と加速度情報との時系列を示すグラフである。 実施形態に係る翼異常検出方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る蒸気タービンシステム（回転機械システム）について図１〜図６を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、蒸気タービンシステム１は、蒸気タービン２（回転機械）及び翼異常検出システム３０を備える。

蒸気タービン２は、蒸気のエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。蒸気タービン２は、ロータ３、スラスト軸受８、ジャーナル軸受９（軸受）、軸受台１５、ステータ２０、開閉弁及び開閉弁制御部を備えている。

ロータ３は、回転軸４と動翼列群５とを備えている。
回転軸４は、水平方向に沿う軸線Ｏを中心として延びる円柱形状をなしている。回転軸４の一部には、スラストカラー４ａが形成されている。スラストカラー４ａは、軸線Ｏを中心として円板形状をなしており、フランジ状をなすように回転軸４の本体から回転軸４の径方向外側に一体的に張り出している。

動翼列群５は、回転軸４の外周に軸線Ｏ方向に間隔をあけて設けられた複数の動翼列６によって構成されている。各動翼列６は、回転軸４の外周面から径方向外側に向かって延びる動翼７が周方向に間隔をあけて複数配列されることで構成されている。即ち、各動翼列６は、回転軸４の同一の軸線Ｏ方向位置に放射状に設けられた複数の動翼７によって構成されている。

スラスト軸受８は、スラストカラー４ａを軸線Ｏ方向両側から摺動可能に支持している。これによって、回転軸４の軸線Ｏ方向の移動を規制している。
ジャーナル軸受９は、回転軸４の両端側で該回転軸４を軸線Ｏ回りに回転可能に下方から支持するように一対が設けられている。ジャーナル軸受９は、軸受本体１０及び軸受ハウジング１１を有する。軸受本体１０は、回転軸４の外周面を、油膜を介して摺動可能に支持する軸受パッドを有する。該軸受パッドを揺動可能に外周側から支持するピボット等を有する。軸受ハウジング１１は、回転軸４を外周側から囲うとともに、内周側に上記軸受本体１０を支持している。軸受ハウジング１１は、内周面にピボットが固定されており、該ピボットを介して軸受パッドを支持している。なお、軸受ハウジング１１の内側にガイドリング等の他の部材があってもよい。

軸受台１５は、一対のジャーナル軸受９を下方から支持するように一対が設けられている。これら軸受台１５は、それぞれ対応するジャーナル軸受９の下半部を支持している。
一対の軸受台１５のうちの一方の軸受台１５（図１における右側の軸受台１５）は、詳しくは図２に示すように、蒸気タービン２の側方に延びる上面１６を有している。

ステータ２０は、図１に示すように、ケーシング２１及び静翼列群２２を備えている。
ケーシング２１は、ロータ３の一部と外周側から囲うように設けられている。ロータ３の回転軸４は、ケーシング２１を軸線Ｏ方向に貫通している。回転軸４の両端は、ケーシング２１外に位置しており、該ケーシング２１の外側でスラスト軸受８及びジャーナル軸受９に支持されている。ロータ３の動翼列群５は、ケーシング２１の内側に配置されている。

静翼列群２２は、ケーシング２１の内周に軸線Ｏ方向に間隔をあけて設けられた複数の静翼列２３によって構成されている。各静翼列２３は、ケーシング２１の内周面から径方向内側に向かって延びる静翼２４が周方向に間隔をあけて複数配列されることで構成されている。即ち、各静翼列２３は、回転軸４の同一の軸線Ｏ方向位置に放射状に設けられた複数の静翼２４によって構成されている。静翼列２３は、ロータ３の動翼列６と軸線Ｏ方向に交互に配置されている。

図１に示すように、ケーシング２１における第一段目の動翼列６及び静翼列２３の上流側には、ケーシング２１内部に作動流体としての蒸気を導入するための蒸気導入部２５が形成されている。
蒸気導入部２５は、複数(本実施形態では４つ)の導入口２６を有している。各導入口２６は、ケーシング２１の外周側から内部に向かって蒸気を導入可能なように、ケーシング２１の内外を貫通している。各導入口２６は、ケーシング２１の外周面から突出する筒状をなしており、該筒状の外周側の先端はフランジ状に形成されている。複数の導入口２６は、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて形成されている。本実施形態では、４つの導入口２６のうちの２つがケーシング２１の上部に形成されており、残りの２つがケーシング２１の下部に形成されている。また、ケーシング２１内における各導入口２６の内側の部分は、互いに周方向に隔てられた室に区画されている。

各導入口２６には、例えばボイラ等の蒸気供給源２７ａから供給される蒸気が流通する蒸気ライン２７ｂ（流路）が接続されている。蒸気供給源２７ａで生成された蒸気は蒸気ライン２７ｂ及び複数の導入口２６を介してケーシング２１内に導入される。

開閉弁２８は、それぞれ各導入口２６に対応するように設けられて、該導入口２６に蒸気を導入する蒸気ライン２７ｂを開閉する。開閉弁２８が開状態の際には、当該開閉弁２８に対応する導入口２６を介してケーシング２１内に蒸気が導入される。開閉弁２８が閉状態の際には、当該開閉弁２８に対応する導入口２６は蒸気が流通せず、当該導入口２６を介してケーシング２１内に蒸気が導入されることはない。導入口２６に流入する上記は、一段目の静翼列２３を介して一段目の動翼列６に導入される。

開閉弁制御部２９は、複数の開閉弁２８の開閉状態を制御している。開閉弁制御部２９は、複数の開閉弁２８の開閉状態を、複数の開閉弁２８毎に独立して制御可能とされている。
開閉弁制御部２９は、負荷の程度に応じて各開閉弁２８の開閉状態を制御する。例えば全負荷時には、全ての開閉弁２８を開状態とすることで全ての導入口２６を介してケーシング２１内に蒸気を導入させる。一方、部分負荷時には、複数の開閉弁２８のうちの少なくとも一つの開閉弁２８を閉状態とし、ケーシング２１内に導入される蒸気の流量を減少させる。この際、閉状態とする開閉弁２８の数は、部分負荷の程度に応じて決定される。全負荷時には、ケーシング２１内に周方向の広範囲の領域から蒸気が導入される。一方、部分負荷時には、ケーシング２１内に周方向の一部のみから蒸気が導入される。

このような蒸気タービン２では、ケーシング２１内に導入される蒸気が静翼列２３及び動翼列６の間の流路を通過する。この際、蒸気が動翼７を回転させることで該動翼７に伴って回転軸４が回転し、該回転軸４に接続された発電機等の機械に動力（回転エネルギー）が伝達される。

次に翼異常検出システム３０について説明する。
翼異常検出システム３０は、図２に示すように、加速度センサ４０、回転センサ４１及び翼異常検出装置５０を備えている。

加速度センサ４０は、蒸気タービン２の軸受台１５に設けられている。蒸気タービン２の動翼列６で発生する振動は、回転軸４、ジャーナル軸受９の軸受本体１０及び軸受ハウジング１１を介して軸受台１５に伝搬する。加速度センサ４０は、このように伝搬された振動を加速度として検出する。

加速度センサ４０としては、例えば圧電式センサが採用されている。当該圧電式センサは圧電効果を利用したものである。圧電式センサに加速度が作用すると、その際の応力に基づいて電荷が発生する。このように発生した電荷が加速度センサ４０の出力となる。ロータの動翼列６の振動は軸受台１５に伝搬され、当該振動が加速度として加速度センサ４０に検出されて加速度信号として翼異常検出装置５０に出力される。加速度信号は、回転機械の振動(加速度)に応じた波形を示す。
なお、加速度センサ４０としては、圧電式センサ以外のものを用いてもよい。

回転センサ４１は、回転軸４の回転位置を検出する。即ち、回転センサ４１は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸４の回転角度(回転位相)を検出する。本実施形態では、回転センサ４１は、光学式回転センサを用いている。該光学式回転センサは、回転軸４の外周面に向かって光を照射し、該外周面から反射する反射光を受光する。回転軸４の外周面の周方向の一部には、反射材が設けられている。これにより、回転軸４の反射材が、光学式回転センサの光照射位置に到達した際にのみ、反射光の強度が大きくなる。これにより、反射光の強度は、回転軸４が一回転毎にピークを示すことになる。回転センサ４１の出力である回転位置信号は、同様に、回転軸４一回転毎にピークを示す波形を示す。なお、回転センサ４１は、ケーシング２１の内部で回転軸４の回転位置を検出してもよいし、ケーシング２１の外部で回転軸４の回転位置を検出してもよい。
なお、回転センサ４１としては、上記態様以外のものを用いてもよい。

翼異常検出装置５０は、図３に示すように、ＣＰＵ６１（Central Processing Unit）、ＲＯＭ６２（Read Only Memory）、ＲＡＭ６３（Random Access Memory）、ＨＤＤ６４（Hard Disk Drive）、信号受信モジュール６５（受信機）を備えるコンピュータである。信号受信モジュール６５は、加速度センサ４０から出力される加速度信号（加速度情報）、回転センサ４１から出力される回転位置信号(回転位置情報)を受信する。また、信号受信モジュール６５は、開閉弁制御部２９から複数の開閉弁２８の開閉状態を示す弁情報を受信する。即ち、開閉弁制御部２９は、各開閉弁２８の開閉を制御するとともに翼異常検出装置５０に蒸気弁情報を出力する。
なお、加速度センサ４０から出力される加速度信号及び回転センサ４１から出力される回転位置信号を増幅器で増幅して、信号受信モジュール６５に入力される構成であってもよい。

図４に示すように、翼異常検出装置５０のＣＰＵ６１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部５１、弁情報取得部５２、加速度情報取得部５３、回転位置情報取得部５４、部分負荷判断部５５、翼異常判断部５６、翼特定部５７及び警報部５８の各構成を備える。
制御部５１は解析装置に備わる他の機能部を制御する。

弁情報取得部５２は、信号受信モジュール６５で受信した弁情報を取得する。即ち、弁情報取得部５２は、複数の開閉弁２８がそれぞれ開状態か閉状態化の情報を取得する。
加速度情報取得部５３は、信号受信モジュール６５で受信した加速度情報を時刻とともに取得する。即ち、加速度情報取得部５３は、加速度情報の時系列を取得する。
回転位置情報取得部５４は、信号受信モジュール６５で受信した回転位置情報を時刻とともに取得する。即ち、回転位置情報取得部５４は、回転位置情報の時系列を取得する。

部分負荷判断部５５は、弁情報取得部５２が取得した弁情報に基づいて、部分負荷状態であるか否かを判断する。
具体的には、部分負荷判断部５５は、複数の開閉弁２８の全てが開状態である弁情報を取得した場合には、蒸気タービン２が全負荷状態であると判断する。一方、部分負荷判断部５５は、複数の開閉弁２８の一部（少なくとも一つ）が閉状態である場合には、蒸気タービン２が部分負荷状態であると判断する。なお、部分負荷判断部５５は、複数の開閉弁２８のうち、一の開閉弁２８のみが開状態で残りの開閉弁２８が閉状態である場合のみを、翼の異常を判定可能な部分負荷状態と判断することが好ましい。一の開閉弁２８のみ（例えば図２の右上の開閉弁２８）が開状態の場合、ケーシング２１の内部の周方向の一部室に図２に示す蒸気流入領域Ｓが形成される。

翼異常判断部５６は、蒸気タービン２が部分負荷状態にあると部分負荷判断部５５が判断した際に、加速度情報取得部５３が取得した加速度情報の時系列に基づいて、一段目の動翼列６の異常の有無を判断する。

即ち、異常判断部は、一段目の動翼列６に異常が生じていない正常時における蒸気タービン２の加速度情報の時系列と、加速度情報取得部５３が取得した加速度情報の時系列とを比較して、一段目の前記動翼列６が異常か否かを判断する。正常時の加速度情報は、正常時に予め検出した蒸気タービン２の加速度情報である。異常判断部では、取得した加速度情報が正常時の加速度情報と比較して大きく逸脱する場合には、一段目の動翼列６で異常が生じていると判断する。異常判断部は、例えば正常時の加速度情報を基準として予め閾値を決めておき、取得した加速度情報が当該閾値を超えた場合に、一段目の動翼列６で異常が生じていると判断してもよい。

翼特定部５７は、翼異常判断部５６によって一段目の動翼列６が異常であると判断された場合に、回転位置情報取得部５４が取得する回転位置情報に基づいて一段目の動翼列６から異常が発生した動翼７を特定する。即ち、翼特定部５７は、加速度情報の時系列と回転位置情報の時系列とをマッチングさせる。これにより、加速度情報の加速度の値が大きく逸脱した時点で、導入口２６に最も近接する状態にあった動翼７（図２に示す蒸気流入領域Ｓに位置する動翼７）を特定する演算を行う。当該演算の際には、開閉弁制御部２９から出力された弁情報に基づいて、いずれの開閉弁２８が開状態であったかの情報を用いてもよい。また、部分負荷時にいずれの開閉弁２８が開状態であるかが定まっていれば、部分負荷時に特定の導入口２６から蒸気が導入されるとして、上記動翼７を特定する演算を行ってもよい。

警報部５８は、翼特定部５７の演算結果に基づいて警報を出力する。即ち、警報部５８は、翼特定部５７が異常である動翼７を特定した場合には、異常が発生した旨及び異常が発生した動翼７を特定する警報を出力する処理を行う。警報部５８は、警報情報をモニタに表示する処理を行ってもよいし、警報としてのアラームを鳴らす処理を行ってもよい。

次に、図６に示すフローチャートを用いて本実施形態の蒸気タービンシステム１における翼異常検出方法について説明する。翼異常検出方法は、弁情報取得工程Ｓ１、加速度情報取得工程Ｓ２、回転位置情報取得工程Ｓ３、部分負荷判断工程Ｓ４、翼異常判断工程Ｓ５、翼特定工程Ｓ６及び警報工程Ｓ７の各工程を実行する。

弁情報取得工程Ｓ１では、弁情報を取得する。加速度情報取得工程Ｓ２では、加速度情報を時刻とともに取得する。回転位置情報取得工程Ｓ３は、回転位置情報を時刻とともに取得する。これら３つの工程は同時に行われてもよい。

部分負荷判断工程Ｓ４は、弁情報取得工程Ｓ１の後に行われる。
部分負荷判断工程Ｓ４では、上記部分負荷判断部５５での処理の通り、前記開閉弁２８のうち一の前記開閉弁２８のみが開状態とされた部分負荷状態であるか否かを判断する。

翼異常判断工程Ｓ５は、部分負荷判断工程Ｓ４及び加速度取得工程Ｓ２の後に行われる。
翼異常判断工程Ｓ５では、上記翼異常判断部５６での処理の通り、蒸気タービン２が部分負荷状態にあると部分負荷判断部５５が判断した際に、加速度情報取得部５３が取得した加速度情報の時系列に基づいて、一段目の動翼列６の異常の有無を判断する。

翼特定工程Ｓ６では、翼異常判断工程Ｓ５及び回転位置情報取得工程Ｓ３の後に行われる。
翼特定工程Ｓ６では、上記翼特定部５７の処理の通り、一段目の動翼列６が異常であると判断された場合に、回転位置情報取得部５４が取得する回転位置情報に基づいて一段目の動翼列６から異常が発生した動翼７を特定する。

ここで、図５に正常時及び異常時の加速度信号及び回転位置信号の波形の時系列を示す。正常時、異常時のいずれであっても、加速度信号は、蒸気が導入される導入口２６を動翼７が通過する毎に振動する波形を示している。正常時には、図５（ａ）に示すように、波形の振幅の変化は少ないが、異常時には、図５（ｂ）に示すように、波形の一部の振幅のみが他の振幅に比べて大きく逸脱する。これは、蒸気が導入される導入口２６付近を異常が生じた動翼７が通過したことに起因する。翼異常判断工程Ｓ５では、図５（ａ）の正常時の加速度の波形を基準として、図５（ｂ）のように波形の一部の振幅が大きく変化した場合には、一段目の動翼列６のいずれかに異常が生じたと判断する。なお、例えば正常時の加速度の波形を基準として閾値を超えた振幅が生じた場合に異常と判断してもよい。また、振幅毎の標準偏差を求め、当該標準偏差が閾値を超えた場合に異常と判断してもよい。

また、正常時、異常時のいずれであっても、回転位置信号は、同様の波形を示す。即ち、回転位置信号は、一回転毎に強度のピークが出現する。動翼７は周方向に均等に設けられているため、上記ピークに基づいて任意の時点での各動翼７の回転位置を導出することができる。翼特定工程Ｓ６では、異常時における加速度信号と回転位置信号をマッチングすることで、異常が生じた動翼７を特定する。即ち、加速度にピークが現れた時点で、蒸気の導入口２６付近に近接する状態にあった動翼７を特定する。
警報工程Ｓ７では、上記警報部５８での処理と同様に、翼特定部５７の演算結果に基づいて警報を出力する。

次に本実施形態の蒸気タービンシステム１の作用効果について説明する。
蒸気タービン２の全負荷時には、複数の導入口２６に対応する開閉弁２８の全てが開状態とされることで、全ての導入口２６から作動流体が導入される。一方、蒸気タービン２の部分負荷時には、複数の導入口２６のうちの一部の導入口２６に対応する開閉弁２８のみが開状態とされ、残りの開閉弁２８は閉状態とされる。これによって部分負荷時には、一部の導入口２６のみから作動流体が導入されることになる。

このような部分負荷時には、一段目の動翼列６の複数の動翼７は、周方向の領域のうち蒸気が導入される導入口２６付近を通過する際にのみ、該蒸気による加振力を受けることになる。即ち、一段目の動翼７は、蒸気が導入される導入口２６に対応する周方向に到達した際に振動する。

ここで、一段目の動翼列６の全ての動翼７に変形・損傷等が生じていない正常時には、蒸気が導入される導入口２６付近を通過する動翼７は、蒸気による加振力によってほぼ同様に振動する。即ち、全ての動翼７の剛性がほぼ等しいため、これら動翼７はそれぞれ同様の振動態様を示す。
一方、一段目の動翼列６のうちいずれかの動翼７に変形・損傷が生じた異常時には、当該動翼７の剛性のみが他の動翼７に比べて低下することになる。この剛性の低下により、異常が生じた動翼７のみが他の動翼７に比べて大きく振動することになる。したがって、蒸気タービン２全体としては、蒸気が導入される導入口２６付近を異常が生じた動翼７が通過する際にのみ、大きく振動することになる。その結果、加速度センサ４０では、一回転前にピークを示す加速度情報が検出される。

本実施形態では、上記知見に基づいて第一段目の動翼列６における異常が生じた動翼７を特定する。即ち、部分負荷判断部５５によって、いずれかの導入口２６からのみ蒸気が導入されている部分負荷時と判断された際には、蒸気タービン２の加速度にもとづいて、一段目の動翼列６に異常が生じたか否かを判断する。次いで、異常が生じたと判断された場合には、回転軸４の回転位置に基づいて複数の動翼７から異常が生じた動翼７を特定する。これによって、動翼７の異常を容易に特定することができる。

また、加速度センサ４０は蒸気タービン２の軸受台１５に設けられており、即ち、蒸気タービン２の外面に設けられているため、作動流体の性状等の影響を受けずに加速度情報を取得することができる。また、上記のように一回転毎に示される加速度のピークに基づいて異常の有無が判断されるため、当該ピークが他の暗振動等によってマスキングされにくい。そのため、精度高く動翼７の異常を検出することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態では加速度センサ４０を軸受台１５に設けたが、他の蒸気タービン２の外面、例えばジャーナル軸受９やケーシング２１、ケーシング２１の外部に露出する回転軸４に設けてもよい。またケーシング２１の内部で回転軸４等に設けてもよい。

また、例えば実施形態では本発明を蒸気タービン２に適用した例について説明したが、例えばガスタービン等の他の回転機械に適用してもよい。

１ 蒸気タービンシステム
２ 蒸気タービン
３ ロータ
４ 回転軸
５ 動翼列群
６ 動翼列
７ 動翼
７ａ シュラウド
８ スラスト軸受
９ ジャーナル軸受
１０ 軸受本体
１１ 軸受ハウジング
１５ 軸受台
１６ 上面
２０ ステータ
２１ ケーシング
２２ 静翼列群
２３ 静翼列
２４ 静翼
２５ 蒸気導入部
２６ 導入口
２７ａ 蒸気供給源
２７ｂ 蒸気ライン
２８ 開閉弁
２９ 開閉弁制御部
３０ 翼異常検出システム
４０ 加速度センサ
４１ 回転センサ
５０ 翼異常検出装置
５１ 制御部
５２ 弁情報取得部
５３ 加速度情報取得部
５４ 回転位置情報取得部
５５ 部分負荷判断部
５６ 翼異常判断部
５７ 翼特定部
５８ 警報部
６１ ＣＰＵ
６２ ＲＯＭ
６３ ＲＡＭ
６４ ＨＤＤ
６５ 信号受信モジュール
Ｓ１ 弁情報取得工程
Ｓ２ 加速度情報取得工程
Ｓ３ 回転位置情報取得工程
Ｓ４ 部分負荷判断工程
Ｓ５ 翼異常判断工程
Ｓ６ 翼特定工程
Ｓ７ 警報工程
Ｏ 軸線
Ｓ 蒸気流入領域

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びる複数の動翼を有する動翼列が作動流体の流通方向である前記軸線方向に複数段設けられてなる動翼列群と、前記動翼列群を外周側から囲うとともに、一段目の前記動翼列に作動流体を導入する導入口が前記軸線の周方向に複数配列されたステータと、各前記導入口に対応して複数設けられて、それぞれ前記導入口に供給される前記作動流体の流路を開閉する開閉弁と、
   を備える回転機械の翼異常検出装置であって、
   前記回転機械の加速度情報を取得する加速度情報取得部と、
   前記回転軸の回転位置情報を取得する回転位置情報取得部と、
   複数の前記開閉弁の開閉状態を示す弁情報を取得する弁情報取得部と、
   前記弁情報に基づいて、複数の前記開閉弁のうち一部の前記開閉弁のみが開状態とされた部分負荷状態であるか否かを判断する部分負荷判断部と、
   該部分負荷判断部が、前記部分負荷状態であると判断した場合に、前記加速度情報の時系列に基づいて一段目の前記動翼列の異常の有無を判断する判断する翼異常判断部と、
   一段目の前記動翼列が異常であると判断された場合に、前記回転位置情報に基づいて一段目の前記動翼列から異常が発生した前記動翼を特定する翼特定部と、
   を備える翼異常検出装置。
2. 前記翼異常判断部は、
   一段目の前記動翼列に異常が生じていない正常時における前記回転機械の加速度情報の時系列と、前記加速度情報取得部が取得した前記加速度情報の時系列とを比較して、一段目の前記動翼列が異常か否かを判断する請求項１に記載の翼異常検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の翼異常検出装置と、
   前記回転機械の加速度を検出して前記翼異常検出装置に出力する加速度センサと、
   前記回転軸の回転位置を検出して前記翼異常検出装置に出力する回転センサと、
   を備える翼異常検出システム。
4. 前記回転機械と、
   請求項３に記載の翼異常検出システムと、を備え、
   前記回転機械は、各前記開閉弁を制御するとともに前記翼異常検出装置に弁情報を出力する開閉弁制御部を有する回転機械システム。
5. 前記回転機械は、前記回転軸を前記軸線回りに回転可能に支持する軸受と、
   該軸受を下方から支持する軸受台と、
   を備え、
   前記加速度センサは、前記軸受台に設けられている請求項４に記載の回転機械システム。
6. 軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から放射状に延びる複数の動翼を有する動翼列が作動流体の流通方向である前記軸線方向に複数段設けられてなる動翼列群と、前記動翼列群を外周側から囲うとともに、一段目の前記動翼列に作動流体を導入する導入口が前記軸線の周方向に複数配列されたステータと、各前記導入口に対応して複数設けられて、それぞれ前記導入口に供給される前記作動流体の流路を開閉する開閉弁と、
   を備える回転機械の翼異常検出方法であって、
   前記回転機械の加速度情報を取得する加速度情報取得工程と、
   前記回転軸の回転位置情報を取得する回転位置情報取得工程と、
   複数の前記開閉弁の開閉状態を示す弁情報を取得する弁情報取得工程と
   前記弁情報に基づいて、複数の前記開閉弁のうち一部の前記開閉弁のみが開状態とされた部分負荷状態であるか否かを判断する部分負荷判断工程と、
   該部分負荷判断工程が、前記部分負荷状態であると判断した場合に、前記加速度情報の時系列に基づいて一段目の前記動翼列の異常の有無を判断する判断する翼異常判断工程と、
   一段目の前記動翼列が異常であると判断された場合に、前記回転位置情報に基づいて一段目の前記動翼列から異常が発生した前記動翼を特定する翼特定工程と、
   を含む翼異常検出方法。

Images