JP2010256352A - 構造的完全性監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造的完全性監視システム及び方法を提供すること。
【解決手段】構造的完全性監視システム（６０）は、構造体（２）と、該構造体に装着された少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）とを含む。少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）の各々は、振動応答信号を出力する。構造的完全性監視システム（６０）はまた、少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）の各々に動作可能に接続されたコントローラ（６１）を含む。コントローラ（６１）は、振動モード形状及び振動応答信号に基づいて予測振動応答を計算するよう構成される。次に、コントローラ（６１）は、測定振動応答に対して予測振動応答を比較し、構造体（２）の変化を検出する。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、監視システムの技術に関し、より詳細には、構造的完全性監視システムに関する。

定期的検査を実施するため、又は構造的完全性の評価用に振動試験を行うため、ターボ機械、発電機、又は同様のものなどの１つの装備を供用から取り外すことは、多大なコストがかかる。収益減及び実際の分解の観点でコストが発生するだけでなく、検査及び試験自体が高コストである。しかしながら、検査、特に試験を実施できないと、重大な故障、従ってより費用のかかる故障につながる可能性がある。すなわち、一般には、ターボ機械、発電機、及び同様のものは、極めて大きな負荷、過酷な動作環境、及び特定の構成部品の経時的劣化につながる状態に曝される。この劣化を検出できないと、機械故障を生じる場合がある。機械の重大な故障は、検査及び試験に伴うコストを遙かに上回ることになる。

米国特許第６，７７９，４０４号公報

劣化を検出するのに利用される１つの方法は、システム構成部品の構造的完全性を試験することである。一般的には、構造的完全性の欠陥を検出するためには、オンライン振動監視が使用される。しかしながら、オンライン振動監視を用いると、振動の変化（増大又は減少）が、構造体にかかる負荷の変化の結果、構造体における予想される変化、又は構造劣化の結果であるか否かを判断することが困難な場合がある。構造的完全性試験の他のタイプは、モード振動試験を含む。

構造体のモード振動試験には通常、試験される構造体を供用から取り外すことが必要とされる。このような試験技術では、駆動デバイスは構造体に恒久的に装着される。駆動デバイスは、構造体を機械的に励振するよう動作する。励振されると振動測定が行われ、ベースライン測定値に対して比較して、構造的完全性をチェックする。振動試験の更に他の形式は、振動アラームレベル及びシャットダウンレベルを設定することを含む。しかしながら、このようなシステムは、負荷変化の結果として生じる振動と、構造体の変化の結果として生じる振動とを区別することができない。

本発明の１つの態様によれば、構造的完全性監視システムは、構造体と、該構造体に装着された少なくとも２つの振動監視デバイスとを含む。少なくとも２つの振動監視デバイスの各々は、振動応答信号を出力する。構造的完全性監視システムはまた、少なくとも２つの振動監視デバイスの各々に動作可能に接続されたコントローラを含む。コントローラは、振動モード形状及び振動応答信号に基づいて予測振動応答を計算するよう構成される。次に、コントローラは、測定振動応答に対して予測振動応答を比較し、構造体の変化を検出する。

本発明の別の態様によれば、構造体の構造的完全性を判断する方法は、構造体から少なくとも１つのモード形状を測定する段階と、構造体に装着された少なくとも２つの振動センサから振動データを収集する段階と、測定された少なくとも１つのモード形状及び収集された振動データに基づいて構造体の予測振動応答を計算する段階と、予測振動応答を構造体の測定振動応答に比較して、比較因数を設定する段階と、比較因数に基づいて構造体の変化を検出し、該構造体の完全性を判断する段階と、該構造体の完全性をディスプレイ上にグラフィカルに示す段階と、を含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

例示的な実施形態による構造的完全性監視システムを含む発電機の右上斜視図。 図１の発電機の正面拡大図。 例示的な実施形態による構造的完全性を監視する方法を示すフロー図。 別の例示的な実施形態による構造的完全性を監視する方法を示すフロー図。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

この詳細な説明は、例証として図面を参照し、利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。

図１から２を参照すると、発電機の形態で示された構造体が、全体的に参照符号２で示されている。勿論、構造体は様々な形態を取ることができる点は理解されたい。発電機２は、巻線終端部８を有するステータ６とロータ（図示せず）とが配列されたハウジング４を含む。ステータ６は、発電機２の作動中に生じる振動を検出するために巻線終端部に装着される複数の振動監視デバイス２０〜２５を含む。追加の振動監視デバイス（図示せず）は、ステータ６の一部並びに発電機２の他の区域に装着される。

各振動監視デバイス２０〜２５は、少なくとも１つの振動センサを含む。図示の例示的な実施形態では、振動監視デバイス２０は、第１の又は半径方向の振動センサ３０と、第２の又は軸方向の振動センサ３１とを含む。同様に、振動監視デバイス２１は、半径方向振動センサ３４及び軸方向振動センサ３５を含み、振動監視デバイス２２は、半径方向振動センサ３８及び軸方向振動センサ３９を含み、振動監視デバイス２３は、半径方向振動センサ４２及び軸方向振動センサ４３を含み、振動監視デバイス２４は、半径方向振動センサ４６及び軸方向振動センサ４７を含み、振動監視デバイス２５は、半径方向振動センサ５０及び軸方向振動センサ５１を含む。振動監視デバイス２０〜２５は、変位センサ、加速度計、歪みゲージ、速度センサ、及び同様のものの形態をとることができる。

図示の例示的な実施形態において、発電機２は、ステータ６の構造的完全性をリアルタイムで監視する構造的完全性監視システム６０を含む。勿論、構造的完全性監視システム６０を利用して、他の区域すなわち発電機２の構成部品を監視することができる。構造的完全性監視システム６０は、複数の振動監視デバイス２０〜２５の各々に動作可能にリンクされたコントローラ６１を含む。以下でより詳細に検討するように、コントローラ６１は、ベースラインモード形状データ６４及びリアルタイム振動監視データ６６を受け取る。コントローラ６１は、モード形状データ６４及びリアルタイム振動監視データ６６を利用して、巻線終端部８におけるステータ６の構造的完全性の表示７４を決定することができる。構造的完全性の指標７４は、構造的完全性監視システム６０に動作可能に接続されたディスプレイ７８に選択的に出力される。構造的完全性の表示７４に基づいて、構造的完全性監視システム６０は、アラーム８１及び／又はシャットダウンシステム８４を作動させる。

次に図３を参照するが、ここではステータ６の構造的完全性を判断するために構造的完全性監視システム６０により利用される方法２００を説明している。最初に、ブロック２０４において示すように、ステータ６についてのベースラインモード形状データ６４が決定される。より具体的には、モード解析試験がステータ６に対して実施される。モード解析試験は、ステータ６を励振し、振動監視デバイス２０〜２５で振動応答信号を測定することを含む。ステータ６は、計装用ハンマー又は既知の励振入力信号としての機能を果たす電磁もしくは油圧シェーカで衝撃が加えられる。既知の励振入力信号（ハンマー又はシェーカからの力）及び振動監視デバイス２０〜２５にて測定される振動応答信号の両方は、時間領域で測定される。信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて周波数領域に変換されて分割され（応答／入力）、各振動監視デバイス２０〜２５についての伝達関数を生成する。標準モード解析法を用いると、固有周波数及びモード形状が伝達関数から抽出される。固有周波数及びモード形状は、構造的完全性監視システム６０にモード形状データ６４として入力される。

ブロック２０４においてベースラインデータが得られると、ブロック２０６において示すように、発電機２は供用状態にされ、振動信号が振動監視デバイス２０〜２５を通じてリアルタイムで取り込まれる。検知される振動は、ブロック２０８で示されるような負荷状態、及びブロック２１０で示されるような、ロータ不均衡又は他の隣接構成部品から伝達される振動に起因する力などの他の外的影響に基づいている。ブロック２２０で示すように振動信号が測定され、ブロック２３０で示すように、振動信号に対して１つずつ予測が実施される。１つずつの予測は、下記の式１．１に概説する行列の列［ｕ］と行［ｖ］を１つずつ消去することにより、複数の振動監視デバイス２０〜２５の各々について予測振動レベルを計算する。係数［Ｃ］の新しい集合は、行列の残りの成分に基づいて計算される。新しい係数［Ｃ］は、行列［ｕ］における各モードによる寄与の予測である。係数［Ｃ］の新しい集合は、特定の振動監視デバイス２０〜２５、すなわち消去された特定の成分［ｖ］についての振動レベルを予測するのに使用される。次いで、予測値は、ブロック２２０における振動レベルに対する対応する測定モード形状データと比較し、比較因数を求める。消去される各成文［ｖ］の振動レベルを予測するためにモード形状データを使用することは、構造体のモード形状が変化していない限り、外部状態から加えられるあらゆる負荷又はあらゆる励振について有効である。何れかのセンサでの振動レベルと、当該センサでの測定振動レベルとの間の有意な差違は、構造体のモード形状が変化し、構造体に変化が生じたことを示す場合にだけ起こることができる。この方法は、構造的完全性のリアルタイムの連続した監視を可能にする。リアルタイムで構造的完全性を監視することによりあらゆる変化が早期に検出され、必要とされる何れかのメンテナンス問題への迅速な対応が可能になる。

すなわち、

式１．１
比較因子は、評価するためにディスプレイ７８にグラフィカルに出力される。比較因子が、予測値と対応する測定振動データとの不一致を示す場合には、測定モード形状はもはや、ステータ６の構造的完全性が変化したことを示す実際の振動応答を表していない。構造的完全性の変化を検出すると、構造的完全性監視システム６０がアラーム８１に信号を送信する。構造的完全性の変化が所定値を上回る場合、構造的完全性監視システム６０は、発電機２の作動を停止するようシャットダウンシステム８４に信号を送信する。アラーム又はシャットダウンの何れかを示す所定値は、監視している特定の構造体、作動状態、経験内容、正常な変化、及び測定振動信号におけるノイズに基づいている。

次に図４を参照するが、ここでは、別の例示的な実施形態に従ってステータ６の構造的完全性を判断するために構造的完全性監視システム６０により利用される方法３００を説明している。上述と同様にして、ブロック３０４で示すように、ステータ６についてのベースラインモード形状データ６４が決定される。より具体的には、モード解析試験がステータ６に対して実施される。しかしながら、上記で行ったモード解析試験とは異なり、例示的な実施形態によるモード解析試験は、発電機２の作動上の振動を利用した。より具体的には、外部励振力の代わりに、発電機２が始動されると、ブロック３０６に示す負荷力及びブロック３０８に示す他の外的影響が、ブロック３１０で示すように振動監視デバイス２０〜２５により検出される。振動監視デバイスは、ブロック３２０で示すように、時間領域で測定された振動応答信号を出力する。この信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて周波数領域に変換される。標準出力単独モード解析法を用いると、固有周波数及びモード形状が測定された振動レベルから抽出される。固有周波数及びモード形状は、構造的完全性監視システム６０にモード形状データ６４として入力される。

ブロック３０４においてベースラインデータが得られると、発電機２は供用状態にされ、３１０において示すように、振動信号が振動監視デバイス２０〜２５を通じてリアルタイムで取り込まれる。上述と同様の様態で、検出される振動は、ブロック３０６で示されるような負荷状態、及びブロック３０８で示されるような他の外的影響に基づいている。ブロック３２０で示すように振動信号が測定され、ブロック３３０で示すように、振動信号に対して１つずつ予測が実施される。上述と同様の様態で、１つずつの予測は、式１に概説する行列の列［ｕ］と行［ｖ］を１つずつ消去することにより、複数の振動監視デバイス２０〜２５の各々について予測振動レベルを計算する。係数［Ｃ］の新しい集合は、行列の残りの成分に基づいて計算される。新しい係数［Ｃ］は、行列［ｕ］における各モードによる寄与の予測である。この係数の新しい集合は、特定の振動監視デバイス２０〜２５、すなわち消去された特定の成分［ｖ］についての振動レベルを予測するのに使用される。次いで、予測値は、ブロック３２０における対応する測定振動レベルと比較し、比較因数を求める。

比較因子は、評価するためにディスプレイ７８にグラフィカルに出力される。比較因子が、予測値と対応する測定振動レベルデータポイントとの不一致を示す場合には、測定モード形状はもはや、ステータ６の構造的完全性が変化したことを示す実際の振動応答を表していない。構造的完全性の変化を検出すると、構造的完全性監視システム６０がアラーム８１に信号を送信する。構造的完全性の変化が所定値を上回る場合、構造的完全性監視システム６０は、発電機２の作動を停止するようシャットダウンシステム８４に信号を送信する。

この時点で、例示的な実施形態は、定常状態の動的力又は過渡的な動的力の何れかに曝される構造体に関するリアルタイムの構造的完全性監視を可能にするシステム及び方法を提供する点に留意されたい。モード形状を構造モデルとして利用することによって、負荷状態及び同様のものに起因する外部振動が除去され、構造的完全性監視システム６０が、作動中の構造体の構造的完全性の変化を監視できるようになり、運用コスト及びメンテナンスコスト両方の節減をもたらす。また、発電機構成部品の構造的完全性の試験に関して図示し説明したが、構造的完全性監視システム６０は、広範囲の構造体に関して利用できる点を理解されたい。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１ 構造体
２ 発電機
４ ハウジング
６ ステータ
８ 巻線終端部
２０ 振動監視デバイス
２１ 振動監視デバイス
２２ 振動監視デバイス
２３ 振動監視デバイス
２４ 振動監視デバイス
２５ 振動監視デバイス
３０ 第１の又は半径方向の振動センサ
３１ 第２の又は軸方向の振動センサ
３４ 第１の又は半径方向の振動センサ
３５ 第２の又は軸方向の振動センサ
３８ 第１の又は半径方向の振動センサ
３９ 第２の又は軸方向の振動センサ
４２ 第１の又は半径方向の振動センサ
４３ 第２の又は軸方向の振動センサ
４６ 第１の半径方向振動センサ
４７ 第２の軸方向振動センサ
５０ 第１の半径方向振動センサ
５１ 第２の軸方向振動センサ
６０ 構造的完全性監視システム
６１ コントローラ
６４ モード形状データ
６６ 振動監視データ
７４ 構造的完全性表示
７８ ディスプレイ
８１ アラーム
８４ シャットダウンシステム

Claims (9)

1. 構造的完全性監視システム（６０）において、
   構造体（２）と、
   前記構造体（２）に装着され、各々が振動応答信号を出力する少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）と、
   前記少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）の各々に動作可能に接続され、振動モード形状及び前記振動応答信号に基づいて予測振動応答を計算するよう適合されたコントローラ（６１）と、
   を備え、前記コントローラ（６１）が、測定振動応答に対して前記予測振動応答を比較し、前記構造体（２）の変化を検出する、
   構造的完全性監視システム（６０）。
2. 前記少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）が、変位センサ、加速度計、歪みゲージ、速度センサのいずれかを含む、請求項１に記載の構造的完全性監視システム（６０）。
3. 前記少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）が少なくとも１つの変位センサを含む、請求項１に記載の構造的完全性監視システム（６０）。
4. 前記少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）が少なくとも１つの加速度計（３０）を含む、請求項１に記載の構造的完全性監視システム（６０）。
5. 前記少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）が少なくとも１つの歪みゲージ（３０）を含む、請求項１に記載の構造的完全性監視システム（６０）。
6. 前記少なくとも２つの振動監視デバイス（２０〜２５）が少なくとも１つの速度センサ（３０）を含む、請求項１に記載の構造的完全性監視システム（６０）。
7. 前記複数の振動監視デバイス（２０〜２５）が、変位近接プローブ、加速度計、及び歪みゲージ（３０、３１）の少なくとも２つを含む、請求項１に記載の構造的完全性監視システム（６０）。
8. 前記コントローラ（６１）に動作可能に接続され、前記構造体（２）の構造的完全性の表示をグラフィカル形式で提示するディスプレイ（７８）を更に備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の構至のいずれか１項ステム（６０）。
9. 前記構造体が発電機（２）である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の構造的完全性監視システム（６０）。

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