JPH0223208A - タービン翼の振動をモニターする方法および装置 - Google Patents
タービン翼の振動をモニターする方法および装置Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
モニター方法および装置に関し、更に詳細にはタービン
翼の振動をモニターする方法および装置に関する。
翼の固有周波数に相当する周波数で振動することがある
。各モードは、例えばタービンの回転軸に沿う方向ある
いはタービンの回転軸に垂直な方向における振動のよう
にそれぞれ異なるタイプの振動に関連するものである。
ためには、杵通、これらのモードが蒸気タービンの動作
周波数の高調波の間に位置するようにタービンを設計す
る必要がある。しかしながら、製造公差ロータへの翼取
付は位置の変動、浸食による翼の外形変化およびタービ
ン動作周波数の変動等が主として作用してモードの周波
数が動作周波数の高調波に近づくことがある。また、破
壊的な非同期振動が生ずることもある。蒸気タービンに
おける非同期振動は、普通、低蒸気流と高背圧によりタ
ービン翼がランダムに励起されるバフエツトあるいはタ
ービンロータのねじり応力が発生する結果生じることが
ある。
タービンに物理的な損傷が生じることがある。振動の振
幅があるレベルを越えると、タービン翼に有害な応力が
生じる。この状態が感知されずそのまま放置されるとタ
ービン翼は最終的に破壊され、その結果該大な損害を生
ずる発電機の運転停止を余儀なくされる。したがって、
かかる損害の発生を防止するためにこの振動を検知する
方法が必要となる。
方法は、タービン翼に歪ゲージを固定する方法である。
定した小型送信機により発電機外部の分析装置へ送られ
る。第1図に示すように、従来技術のシュラウド付きタ
ービン翼列10は普通、ロータディスク11.タービン
翼12.シュラウド部材13.テノン14.シール15
.歪ゲージ21を含む、テノン14はタービン112の
一体的部分であり、シュラウド部材13をタービン翼1
2へ締付ける機能を持つ、シール15はタービン512
を通過せずそれを迂回する蒸気の量を減少する働きを持
つ、歪ゲージ22はタービンE12の振動を測定して振
動レベルを表わす信号をロータディスク11から静止電
子装置(図示せず)に送る。
第1に、歪ゲージ22はタービンi12を通過する蒸気
により浸食されるためその寿命が非常に短い。第2に、
タービン翼列lOの全てのE12の振動をモニターする
には各Q12に歪ゲージ22を取付ける必要があり、非
常に費用がかかる。またタービンの内部に収容出来る送
信機、従ってセンサーの数が限定される。第3に、歪ゲ
ージ22を継続重圧つ高信頼度で給電し、回転するロー
タディスク11から静止電子装置(図示せず)に検知信
号を送るため複雑な構成が必要となり、これは決して容
易なことではない。
センサーを用いるタービン翼振動感知装置が開発されて
いる。かかる!置を記載した米国特許第4,573,3
58号明細書には、タービン翼列の周囲に離隔して配置
した複数のセンサーによりオペレータが選択した翼の振
動を検知する構成が示されている。しかしながら、この
装置はシュラウド付きとシュラウド無しのタービン翼の
物理的構成の違いにより、シュラウド付きタービン翼に
応用するのは容易でない。
翼の振動を測定する長寿命モニター装置に対する要望が
ある0本発明かはかかるシュラウド付きタービン翼振動
モニターシステムに対する要申を充足するものである。
ンの存在を判別することにより蒸気タービンの各タービ
ン翼列の外形を捕える複数のセンサーを備えたシュラウ
ド付きタービン翼振動モニター装置に関する。タービン
翼列の予想される外形を記憶させ、しかる後感知した外
形を予想される外形と比較して、振動によるタービン完
の運動を検知する手段が設けられている。出力手段がこ
の比較の結果に応じて応答を発する。
れた複数のタービン翼の振動をモニターする装置であっ
て、タービン翼列の外形を動的条件下において感知する
手段と、予想されるタービン翼列の外形を記憶させる手
段と、感知したタービン翼列の外形を予想される外形と
比較して振動によるタービン翼の運動を検知する手段と
、比較手段に応答する出力手段とよりなることを特徴と
するモニター装置を提案する。
各タービン翼テノンがセンサーへ到達する時間を該セン
サーへの予想される到達時間と比較する。このようにし
て、マイクロプロセッサ−はタービン翼列を含む平面内
における、またタービン翼列を含む該平面に垂直な平面
における、タービン翼シュラウド部材の運動を検知する
。タービン翼の遅動の振幅および周波数がこのようにし
て求められる。
タービン翼の振動をモニターする方法を提゛供する。こ
の複数のタービン翼の振動をモニターする方法は、ター
ビン翼列の外形を動的条件下で感知し、タービン翼列の
予想される外形を発生記憶し、感知したタービン翼の外
形を予想される外形と比較して振動によるタービン翼の
運動を検知し、前記検知ステップに応答して出力を行な
うステップよりなる。
は、シュラウド付きタービン翼を使用する任意の蒸気タ
ービンに利用可能である。高圧、中圧および低圧タービ
ンの翼列よりなる典型的な蒸気タービン発電機では、低
圧タービンの最後の列を除き全ての回転翼列の外周部分
にシュラウドが設けられている。かかるタービンではタ
ービン翼の振動レベルをモニターすることが重要外ため
、このようなモニター装置が必要となる。振動が過大な
ると蒸気タービンの構成要素が破壊される場合がある。
る臨界的な振動レベルが存在することをオペレーターに
警告するとともにタービンの保護動作を開始させる。
き詳細に説明する。
法および装置を利用するシュラウド付きタービン翼列l
Oを示す、添付図面において同一の参照符号は同一の構
成部分を示す、第1図に示したように、タービン翼12
はロータlBにロータディスク11により連結されてい
る。テノン14はタービンi12の一体的部分であり、
シュラウド部材13をタービン翼12へ締付ける働きが
ある。シール15はタービン翼12を迂回してその周り
を流れる蒸気のraを減少する働きがある。第2図はま
た。タービンi12の振動をモニターするセンサー21
を示す。センサー21としては可変リアクタンス型セン
サーあるいはマイクロウェーブ型もしくは光学式センサ
ーを含む(これらに限定されない)センサー21と、シ
ュラウド部材13の表面部分との間の相対的距離を感知
する任意の実用的センサーを用いることが出来る。蒸気
タービンの内部の過酷な条件に耐えるセンサーの一例が
米国特許第4,844,270号に記載されている。第
2図に示すように、基準センサー17が設けられている
。該基準センサー17は、ロータ16上の標識18と協
働してロータ16の一回転につき1個の出力信号を発生
する。かかる基準信号はタービンの技術分野でよく知ら
れている第2図のタービン翼列10の一部を断面図で示
したものが第3図である。センサー21は翼列10の平
面内でシュラウド部材13とテノン14の表面のすぐ上
方に配置される。センサー21をタービンyX12を介
する蒸気流が直接当る通路の外側に配置することで、セ
ンサーの著しい浸食を防止出来る。第9図に示す典型的
な蒸気タービン23は、高圧、中圧および低圧段に対応
する異なるサイズの質12を備えている。
30を第4図に示す、センサーの出力信号31はアナロ
グプリプロセッサー32への入力となる。アナログプリ
プロセッサー32のアナログ出力信号33はアナログ−
デジタル・コンバータ34によりデジタル信号35に変
換される。デジタル信号35はマイクロプロセッサ−3
8へ入力され、該マイクロプロセッサ−はオペレーター
−インターフェイス37を駆動して過大な振動の検知に
応答してタービン発電機(図示せず)をトリップさせる
制御信号38を発生させる。
表わすことが出来る。トレース40はセンサーの出力信
号31を時間の関数としての電圧で表わしたものであり
、破・線はセンサー出力信号31の大きさをセンサー2
0が検知するシュラウド部材13の特定の表面の特徴部
分との相関に用いる。センサー21は、隣接するシュラ
ウド部材13の間のギャップ19を検知するとシュラウ
ド部材13の表面とセンサー21の間の距離を表わす基
準電圧VRに関し正方向のセンサー出力信号31を発生
する。同様に、センサー21がテノン14を感知すると
、センサー信号31が基準側臼Rより負方向に変化する
。
ンサー出力信号31から求める時間の関数としての第4
図のアナログプリプロセッサー32のアナログ出力信号
33を示す、このアナログ出力信号33が動的条件下に
おけるタービン翼シュラウド部材13の外形を与える。
る方法を用いてアナログプリプロセッサー32の電圧比
較回路(図示せず)により発生可能である。センサー出
力信号31の電圧が基準電圧VRからある小さな値Vc
rit以上正方向に変化すると正のパルスが発生する。
に低下すると正のパルスが発生する。同様に、センサー
出力信号31が負方向に変化すると負のパルスが発生す
る。
1の外形信号は第4図のアナログ−デジタル・コンバー
タ34に入力される。その結果書られるデジタル出力信
号35はマイクロプロセッサ−38に入力される。前述
した一回転につき1個のパルスに対する各パルスの正確
な時間関係がマイクロプロセッサ−38のメモリーに記
憶される。常態の、即ち予想される外形を表わすパルス
時間もまたマイクロプロセッサ−36のメモリーに記憶
される。
任意の振動を検知出来る。第6A図は、シュラウド部材
13の回転中心20に関するシュラウド部材13の常態
あるいは非振動位置を示す。一方、第6Bおよび60図
は各シュラウド部材13の回転中心22に関するシュラ
ウド部材13の振動極限位置を示す、第GA、8Bおよ
び80図は種々のシュラウド表面特徴部分(シュラウド
部材のギャップ19およびテノン14)がセンサー21
へ到達する時間がシュラウド部材13が振動によりその
回転中心20の周りで振動するにつれ変化する様子を示
す、破線は常態での到達時間、実線は実際の到達時間を
示す、センサー21は、シュラウド部材13の上方に位
置している時シュラウド部材13の回転中心20の周り
の振動位置により、常態の到達時間よりも早くあるいは
遅く種々のシュラウド部材13の表面特徴部分を検知す
る。
ローチャートに示すように実行される。
ではマイクロプロセッサ−36が第4図のデジタル出力
信号35をサンプルする。ステップ51において、マイ
クロプロセッサ−36のメモリーに記憶された各パルス
の実際の時間と、同じくマイクロプロセッサ−38のメ
モリーに記憶された各パルスの常態、即ち非振動状態に
おける時間との偏差を計算する。ステップ52において
、そのシュラウド部材13の各個別のパルスの時間偏差
に対応するシュラウド部材13の実際の変位を計算する
。タービン翼列lOを含む平面に平行な平面におけるシ
ュラウド部材13の変位は以下の式により計算可能であ
る。
シュラウド部材の変位。
ュラウド部材13の変位は以下の式により計算出来る。
るシュラウド部材の変位 X = タービン翼列を含む平面に平行なモ面における
シュラウド部材の変位、 φ = 第6A図に示すようにタービン翼テノンに正接
するラインとシュラウド部 材の端縁との間の角度。
3の複数の変位測定値が時間関数として得られるが、こ
れら測定値の数はセンサー21が検知するシュラウド部
材13の表面特徴部分(シュラウド部材のギャップ19
およびテノン10の数の関数である。
ーチャートのステップ53へ進み、そこでシュラウド部
材13の任意の同期振動の振幅および周波数がステップ
52で計算した時間関数である変位測定値から求められ
る。これは曲線あてはめ法およびパターン認識システム
(ロボットの分野で特によく知られている)を含む(こ
れらに限定されない)当該技術分野でよく知られた種々
の方法の1つにより求めることが出来る。
いて任意の非同期信号の周波数スペクトルを求める。マ
イクロプロセッサ−3Bは入力信号をフーリエ分析する
信号処理手段を備えたリアルタイム・アナライザとし働
くようにプログラム可能であり、この場合入力信号はス
テップ52で計算した時間関数であるシュラウド部材1
3の変位であるこの結果得られた非同期信号のスペクト
ルは、同期信号のスペクトルとともにステップ55にお
いて振動の振幅および周波数を関数としてオペレーター
に表示される。かかる表示の一例を第8図に示す。
56へ進むが、そこでマイクロプロセッサ−36がステ
ップ53および54における振動測定の結果タービン翼
12に問題のある応力が存在するか否かを判断する。こ
の判断は、第4図の装置30によりモニターされるシュ
ラウド部材13の変位あるいは振動の振幅に等価のター
ビン翼12の先端の変位とその結果任意の所与の周波数
でタービン翼12全体に生じる応力との間の関係から可
能である。
発生が指示されると、ステップ57においてマイクロプ
ロセッサ−36はオペレーターにアラームを発し、モし
て/あるいは蒸気タービンをトリップさせてタービン翼
12の破壊によるタービンへの物理的損傷の発生を防止
する。ステップ58において有害な応力の発生が検知さ
れない場合には、プログラムはステップ50に戻る。こ
のプロセス全体は各タービン翼列10の各シュラウド部
材13につき繰返される。
30のこの好ましい実施例は各タービン翼列10に1個
のセンサー21を用いるが、2個以上のセンサー21の
使用が必要な場合がある。各タービン翼列10に設ける
センサー21の数は任意特定の用途において問題となる
タービン翼12の振動の最低周波数の関数である。必要
とされるセンサー21の数と問題とされる振動周波数と
の関係は以下の説明から明らかである。
間がシュラウド部材13がセンサー21の下方を通過す
る時間に比べて長い(低周波数振動)場合、シュラウド
部材13はセンサー21の下方を通過する際その常態位
置からごく僅か変位するだけであろう。このため、シュ
ラウド部材13のかかる低周波運動を検知するにはシュ
ラウド部材13の任意の表面特徴部分がセンサー21に
到達する時間を非常に精密に測定する必要がある。従っ
て、シュラウド部材13の常態位置からの必要な変位位
nを全て検知出来るようにするためにタービン翼列10
の周りに複数のセンサー21を配置する。典型的な蒸気
タービンの場合、問題となる振動周波数は動作周波数(
60ヘルツ)からその第8高調波(480ヘルツ)の範
囲にある。かくして、低周波振動(60乃至180ヘル
ツ)を検知するためには少なくとも2つのセンサー21
をタービン翼列1oの周囲に配置する必要がある。叙上
より解るように、本発明の従来技術に対する利点は各タ
ービン翼列1oに必要なセンサー21の数を最少限に抑
えることである。
る際考慮しなければならないもうiつのファクターは、
テノン14の幾何学的形状である1円形のテノン14を
用いる場合、センサー21をジュラウド部材13の縦方
向の中心線からテノン14の半径のほぼ半分の所に配置
して回転面に垂直な平面における振動だけでなく回転面
内における振動をも検知出来るようにする必要がある。
線から離れた所に配置すると、タービンロータ18の差
動的膨張によりシュラウド部材13がセンサー21の下
方位置から外れる可能性が増大する。従って、テノン1
4の幾何学的形状によりそうせざるを得ない時は、各タ
ービン翼列!0の周りの各センサー21に隣接してもう
1つのセンサー21を設けるとよい。
者にはそれらの多くの変形例あるいは設計変更が容易に
想到されるであろう0本明細書および頭書の特許請求の
範囲はかかる変形例および設計変更を全て包含するよう
意図されたものである。
装置を示す。 第2図は本発明の方法および装置を利用出来るシュラウ
ド付きタービン翼列を示す。 第3図は第2図のタービン翼列の断面図である。 第4図は本発明によるシュラウド付きタービン翼振動モ
ニター装置を示す。 第5図はセンサー出力信号およびプリプロセッサm−ア
ナログ出力信号のトレースの一例を示す。 第6A、8Bおよび80図はシュラウド部材の非振動位
置および振動極限位置を示す。 第7図は第4図のシュラウド付きタービン翼振動モニタ
ー装置のマイクロプロセッサ−により実行されるステッ
プを示すフローチャートである第8図は振動の振幅の周
波数スペクトルの一例を示す。 第9図は本発明の方法および装置を利用出来る蒸気ター
ビンの横断面図である。 lO・ 12拳 13・ 14・ 15拳 21・ 30・ 32争 34拳 38Φ 拳タービン翼列 拳タービン翼 拳シュラウド部材 Φテノン ・シール 拳センサー φタービン翼振動モニター装置 ・アナログφプリプロセッサー 番アナログーデジタル会コンバータ ーマイクロプロセッサー 一オペレータ・インターフェイス FIG、3 出願人:ウェスチングハウスψエレクトリック・コーポ
レーション 代理人:加藤紘一部(はが1名) FIG、 4 マ 7−ビ瀧へ FIG。 FIG。 FIG。
Claims (19)
- (1)円周列を形成するように取付けられた複数のター
ビン翼の振動をモニターする装置であって、タービン翼
列の外形を動的条件下において感知する手段と、予想さ
れるタービン翼列の外形を記憶させる手段と、感知した
タービン翼列の外形を予想される外形と比較して振動に
よるタービン翼の運動を検知する手段と、比較手段に応
答する出力手段とよりなることを特徴とするモニター装
置。 - (2)タービン翼列はタービン翼の端部に支持された複
数のタービン翼シュラウド部材とタービン翼シュラウド
部材をタービン翼に固定する複数のテノンとを含み、タ
ービン翼列の外形感知手段はタービン翼シュラウド部材
およびタービン翼テノンの存在を感知する手段を含むこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記憶の装置。 - (3)タービン翼の外形感知手段はタービン翼を通る蒸
気流通路の実質的に外側に配置された複数の静止センサ
ーを含み、センサーの数は感知するタービン翼の運動の
最低周波数の関数であることを特徴とする特許請求の範
囲第2項に記載の装置。 - (4)センサーはタービン翼列の周りに円周方向に対を
形成するように互いに隣接して配置されていることを特
徴とする特許請求の範囲第3項に記憶の装置。 - (5)比較手段はマイクロプロセッサーとアナログプリ
プロセッサー回路を含むことを特徴とする特許請求の範
囲第2項に記載の装置。 - (6)比較手段はタービン翼列を含む平面内におけるタ
ービン翼シュラウド部材の運動を検知することを特徴と
する特許請求の範囲第5項に記載の装置。 - (7)タービン翼シュラウド部材の運動は各タービン翼
テノンが感知手段に到達する時間と該感知手段への予想
到達時間とを比較することにより検知されることを特徴
とする特許請求の範囲第6項に記載の装置。 - (8)比較手段はタービン翼列を含む前記平面に垂直な
タービン翼シュラウド部材の運動を検知することを特徴
とする特許請求の範囲第7項に記載の装置。 - (9)タービン翼列を含む前記平面に垂直なタービン翼
シュラウド部材の運動はタービン翼列を含む前記平面内
におけるタービン翼シュラウド部材の運動から三角法に
より求められることを特徴とする特許請求の範囲第8項
に記載の装置。 - (10)比較手段はタービン翼の運動の振幅および周波
数を求めることを特徴とする特許請求の範囲第9項に記
載の装置。 - (11)振動によるタービン翼の運動を感知してオペレ
ーターにアラームを発する手段を含んでなることを特徴
とする特許請求の範囲第1項に記載の装置。 - (12)振動によるタービン翼の運動を感知してタービ
ンをトリップする手段を含んでなることを特徴とする特
許請求の範囲第1項に記載の装置。 - (13)円周列を形成するように取付けられた複数のタ
ービン翼の振動をモニターする方法であって、タービン
翼列の外形を動的条件下で感知し、タービン翼列の予想
される外形を発生記憶し、感知したタービン翼の外形を
予想される外形と比較して振動によるタービン翼の運動
を検知し、前記検知ステップに応答して出力を行なうス
テップよりなるモニター方法。 - (14)タービン翼列はタービン翼の端部に支持された
複数のタービン翼シュラウド部材とタービン翼シュラウ
ド部材をタービン翼に固定する複数のテノンとを含み、
タービン翼列の外形を感知するステップはタービン翼シ
ュラウド部材とタービン翼テノンの存在を感知するステ
ップを含むことを特徴とする特許請求の範囲第13項に
記載の方法 - (15)比較ステップはタービン翼列を含む平面内にお
けるタービン翼シュラウド部材の運動を検知するステッ
プを含むことを特徴とする特許請求の範囲第14項に記
載の方法。 - (16)比較ステップはタービン翼列を含む前記平面に
垂直なタービン翼シュラウド部材の運動を検知するステ
ップを含むことを特徴とする特許請求の範囲第15項に
記載の方法。 - (17)比較手段はタービン翼の運動の振幅および周波
数を求めるステップを含むことを特徴とする特許請求の
範囲第16項に記載の方法。 - (18)振動によるタービン翼の運動を検知してオペレ
ーターにアラームを発するステップを更に含むことを特
徴とする特許請求の範囲第13項に記載の方法。 - (19)振動によりタービン翼の運動を検知してタービ
ンをトリップするステップを更に含むことを特徴とする
特許請求の範囲第13項に記載の方法。
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