JPS5981532A - 軸系におけるダイヤフラムカツプリングの異常診断装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、軸糸におけるダイヤスラムカップリングの異
常診断装置に係り、特に、圧縮機、ガスタービン、発電
機および蒸気タービンからなる各種機器を一軸上に配置
した複合サイクルプラントの軸間に設けられたダイヤフ
ラムカラプリイブの異常を診断し、上記各機器の運転条
件を制御する側１系に２けるダイヤフラムカップリング
の異常診断装置に関する。

〔従来技術〕

高効率でかつ、ピークロードに対して応答し得る発電プ
ラントとしては、圧縮機、ガスタービン発電機および蒸
気タービンからなる各種（表器を−−１１１Ｉ＋上に配
置したし合サイクルプラントが有効のものとして従来よ
り採用されている。このり合′サイクルプラントの運転
時に、上記各機器のり°−シングおよびロータ軸等が熱
膨張し、その伸び差にょ９上記機器間が詰り、各機器間
の軸部に大きな応力が生ずる。この応力の発生を防止す
るために、上記機器間に可撓接手が設けられ１、この撓
みにより上記応力を吸収している。この可撓継手として
ダイヤフラムを有するダイヤフラムカップリングが似合
ザイクルプラント尋の軸系には採用されている。ダイヤ
フラムカップリングの上記ダイヤフラムにＱ、Ｊｌ、運
転中、引張、圧締および曲げ等の種種の応力が作用する
。又、ダイヤフラムが運転中共振し、激゛シ＜振動する
場合が生ずる。この作用力および共振により、ダイヤフ
ラムが破損する場合が生じ、上記ダイヤフラムカップリ
ングが飛散する結果をまねき、極めて危険のものと々る
。このだめ、従来よりこの予防のための異常診断装置が
採用されていた。その装置の１つとして、ダイヤフラム
に歪ゲージ等の応力測定手段を直接装着するもの、ダイ
ヤフラムカップリングのシャフト部に歪ゲージを装着す
るもの、ダイヤフラムカップリングが跨設されている軸
系のカップリング側の変位を計測するもの等によシダ・
１ヤフラムカツプリングの振動状態を監視するものが採
用されている。しかし、いずれもダイヤフラムの異常を
正確かつ直接に判断することが困難であり、特にダイヤ
フラムの共振状態を判断することが困難である欠点をイ
コしていた。

すなわち、第１図に示す如く、複合サイクルプラント１
００は圧縮機１、ガスタービン２、発電機３および蒸気
タービン４を１つの軸１０１上にラジアル軸受９に支承
され直列に配置したものから構成されている。圧熱機１
の一端１１１１１にはスラスト軸受Ａ７が設けられ、こ
の方向の熱膨張を規制している。圧縮機１の他端側には
ガスタービン２が一端側が連結され、ガスタービン２の
他端側にはスラスト軸受Ｂ５を介し、発電機３の一端側
が連結さｆ′シている。従って、圧縮機１、ガスタービ
ン２および発電機３は、スラスト軸受Ａ７を起点として
、発電機３の他端側、すなわち、蒸気タービン４の一端
側に向って熱膨張することになる。

この熱膨張による伸びは、ガスタービン２が高温のため
、冷機状態から定常運転址での間に３０ｍ／ｍないし４
５ｍ／ｍ；ｉ度に達する。従って、発電機３の他端側と
蒸気タービン４の一端側との間にこの伸びを吸収する吸
収手段および上記伸びの蒸気タービン４側への作用を規
制するスラスト軸受Ｃ８が々ければ上記伸びが直接蒸気
タービン４に作用し蒸気タービン４の性能保持の面に極
めて悪影響を力えることになる。この吸収手段として一
般にダイヤフラムカップリング６が従来よシ採用されて
いる。

第２図に示す如く、ダイヤフラムカップリング１（）２
は、上記軸受１０１の発電機３のロータ軸１６に嵌挿さ
れるカップリングボス１１と、蒸気タービン４のロータ
軸１０に嵌挿されるカップリングボス１１間に跨設され
る。軸方向に弱いバネ常数を有するダイヤフラム１４は
スリーブ１５の両端側に設けられ、ダイヤフラム１４の
外周側は、ボルト１３を介し、カップリングボス１１の
イ則面とカンプリングカバ１２の側面によシ挾持されて
いる。又、ダイヤフラム１４とカップリングボス１１の
４１１１而との間には、微少空間である間隙部３２が形
成きれている。

第３図（ａ）に示す如く、間隔りに保持されていたダイ
ヤフラムカップリング１０２は、熱膨張等によって生ず
る伸び差Ｘを吸収し、第３図（ｂ）に示す如く、ダイヤ
フラム１４は変形し、その軸方向に圧紬芒れ間隔Ｉ、−
Ｘに保持される。又、軸心が変位δだけ狂った場合には
、第３図（Ｃ）に示す如く、間隔りをほぼ保持しながら
ダイヤフラム１４は捩れ変形し、変位δを吸収する（々
お、明瞭な図示のため、第３図各図にＶよ中心線を一点
鎖線で示すと共に、断面を示すハツチングは省略した）
。又、軸系１０１では、」二記の如く軸方向に大きな伸
びが生ずるが、軸心の変位は通常±０．５位の小さな値
である。従って、ダイヤフラム１４は軸方向剛性が極め
て小きいものに形成される。

以上の如く、ダイヤフラムカップリング１０２により、
軸系の伸びおよび変位が吸収さルるが、上記の如く、ダ
イヤフラム１４には、過大な伸び差Ｘによる変位、変位
δによる捩れおよび高回転に伴う遠心力等が付加され、
抜雑な応力が作用する。この応力の作用により、ダイヤ
フラム１４が運転中（ｌこ破損すると、ダイヤフラムカ
ップリング１０２が飛散するのみならず、発電機３のロ
ータ軸１６および蒸気タービン４のロータ軸１０まわり
の部品が破損し、これ等が飛散するような泪シ知れない
事故が発生する。このため、ダイヤフラム１４の異常を
診−断し、ΦＪＩｌ系の安全性を保持する必要がある。

このため、従来においても、各種の異常診断装置が採用
されていた。

その１つの装置として、第４図に示す如く、ダイヤフラ
ム１４の表面に歪ゲージ１７を直接取り付け、この歪量
をテレメータ方式等からなる発信器２０から発信し、図
示しない受信器、演算器等によりその応力を測定するも
のがある。しかし、ダイヤフラムカップリング１０２は
通常３０００ｒｐｍ以上の高回転で回転するため、ダイ
ヤフラム１４には極めて大きな遠心加速度が作用し、ダ
イヤフラム１４の表面にφゲージ１７を確実に接着保持
せしめることが困難である欠点を有していた。又、同じ
く第４図に示す如く、ダイヤフラムカップリング１０２
のスリーブ１５の外周に歪ゲージ１８を取り付け、発信
器１９から歪量の検出値を発信する装置も採用てれてい
る。又、第５図に示す如く、ダイヤフラムカップリング
１０２に接合する両側のカンブリングボス１１の７ラン
ジ部に軸心方向の変位量を検出する検出器Ａ４１および
Ｂ４２を設ける１と共に、カップリングボス１１の上記
ト反対側のフランジ部に軸方向の変位相を測定する検出
器Ｃ４０を設け、検出器Ａ４１およびＢ４２の検出信号
を加算器４３に入力し、偏心表示器で変位を明示すると
共に、検出器Ｃ４０の検出信号を伸縮表示器４５に入力
し、軸方向の変位を明示するものが採用されている。こ
の場合運転員は、偏心表示器４４および伸縮表示器４５
の表示と、軸系に設けられた回転速度表示器４６ネ・よ
び負荷表示器４７等の表示を読み取り、自己の判断で軸
系を調節する。

第４図および第５図に示す異常Ωケノ［装置は、ダイヤ
フラム１４の異常を診断する装置としである程度有効で
ある。しかしながら、上記した如く、ダイヤフラム１４
の軸方向のバネ常数は極めて低く、軸方向の１次固有振
動数は１５００ｆｆＪｍないし２０００ｒｐｍのものと
なる。従って、軸系がその定格回転数３０００ｒμ又は
３６００１声の半分で運転すると軸系の回転数が上記ダ
イ・ヤフラムの固有振動数とほぼ一致する場合が生ずる
。一方、軸系幻：定格回転の半速附近で一時回転数を保
持するため、運転中にダイヤフラム１４の共振が生じ、
これによりダイヤフラム１４が破損する場合が発生する
。上記の各装置では、このダイヤフラム１４の共振状態
を適確に把握することが困難である欠点を有している。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の欠点を解決すべく創案されたものであ
一す、その目的は、ダイヤフラムの異常を適確に診断し
、この診断結果によって軸系各機器の運転条件を制御し
て軸系の安全性を向上し、その信頼性を高めると共に、
構造の簡便である軸系におけるダイヤフラムカップリン
グの異常診断装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、」＝記の目的を達成するために、ダイヤフラ
ムカップリングのダイヤフラムと、これに相対向して連
結するカップリングとの間に形成される間隙部に検出手
段を係合せしめ、該間隙部に生ずる相対軸方向変位、圧
力変動、音の変動および温度変化等の変化値を検出し、
この変化値を演算手段を介して、比較判断手段に入力せ
し、め、予め定めた設定値と比較、判断し、その結果に
より、軸糸の各独機器の運転条件を運転制御手段によっ
て制御し、上記ダイヤフラムの共振等の異常を適確に判
断し、軸系の安全性、信頼性を向上せしめる軸系におけ
るダイヤフラムカップリングの異常診断装ｆｌを特徴と
したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図に基づきｌｉｓ？、明する。

まず、本実施例の概要を説明する。

第６図、第８図および第９図に示すｖ、ｆｌ　＜、ダイ
ヤフラムカップリング１０２のダイヤフラム１４とこれ
に相対向して接合するカップリングボス１１との間に形
成される微少空間の間隙部３２に？二ｊ：　、ダイヤフ
ラム１４の変位によって間隙部３２に生ずる変化量を検
出する検出手段１０３が設けられている。例えば、第６
図における検出手段１０３は、ダイヤフラム１４とカッ
プリングボス１１との相対軸方向変位を測定する変位計
２１とその変位イ６郵を発信する発信器２２から構成さ
れる。第７図および第１０図に示す如く、検出手段１０
３からの変位信号１２演算手段１０４に入力され、ここ
で比較判断手段１０５に入力されている設定値と比較す
るための演算が行われる。この演算値が比較判断手段１
０５に入力され、予め定められた設定値と比較、判断さ
れる。この比較、判断の結果、その信号が運転制御手段
１０６に入力される。運転制御手段１０６は、圧縮機１
、ガスタービン２、発電機３および蒸気タービン４の運
転ηコ１ｊ御を行う運転制御器２８ａ、２８ｂ、２８Ｃ
および２８ｄ等から構成され、上記信号により、これ昏
の機器の負荷ダウン、回転数ダウン、タービントリップ
等の運転制御を行う。

以上の検出手段１０３は、ダイヤフラム１４に近接する
間隙部３２の変化量を直接検出するため、ダイヤフラム
１４の上記の共振状態を適確に、かつすばやく検知でき
、ダイヤフラム１４の異常ヲすばやく診断することがで
きる。

次に、本実施例を更に詳細に説明する。

第６図に示す如く、カップリングボス１１が嵌挿される
ロータ軸１６の上記間隙部３２側の端面には検出手段１
０３の構成要素の１つである変位計２１がダイヤフラノ
、１４に非接触に設けられている。この変位計２１はダ
イヤフラム１４に近接して設けられているため、ダイヤ
フラム１４の変位を直接に、かつ正確に把握することが
できる。

勿論、ロータ軸１６も軸方向に変位するため、変位計２
１はダイヤフラム１４の相対軸方向変位を測定すること
になる。ロータ軸１６の端面の変位計２１の近傍には、
テレメータ型の発信器２２が設けら７′１１、変位計２
１による変位信号を外部に発信する。

演算手段１０４は軸系の外部側に設けられ、第７図に示
す如く受信器２３、演算器Ａ２４および演算器８２５等
とより構成される。上記変位信号に受信器２３に受信を
れ、演算器Ａ２４により変位量に変換され、演算器Ｂ２
５によりカップリング１４の相対振動振幅値が演算され
る。

比較、判断手段１０５は、第７図に示す如く、軸系の外
部ｌ￥ｉｌに設ｊ−ｆら；１１．た比較器２６および判
断器２７とから構成されている。

比較器２６と判断器２７には、予め定めた設定値が入力
さノ１−でいる。この設定値は上記の演算器８２５力・
ら出力される相対振動振幅値と同種の振動振幅値から成
立する。又、設定値は上記軸系の異常を警告するための
訃報値又は軸系の安全を許容する許容値のいずれかが採
用される。

演算器Ｂ２５からの相対振動振幅値は比較器２６により
設定値の飯幅値と比較され、その結果６５判断器２７に
入力される。判断器２７は、相対振動振幅値が上記の惜
報値又は許容値を越える場合に、運転制御手段１０６に
信号を送る。

運転副側ｊ手段１０６の運転制御器２８ａは、第１０図
に示す如く、圧縮１２８ａに係合している。

又運転制御器２８ｂはガスタービン２に、運転制御器２
８Ｃは発電機３に、運転制御器２８ｄは蒸気タービン４
にそえしそれ保合１．２でいる。これ等の運転制御器２
８ａ等（Ｉｊ−１Ｊ：記比較、判断手段１０５のイ、弓
号により、出力負荷をダウンしたり、入力側を絞って回
転数をダウンしたシ、タービントリップ、又機器の停止
等を行ない、ダイヤフラム１４の異常を回避せしめるべ
く作用する。

なお、上記の振動振幅値の許容値については、ダイヤフ
ラム１４の疲労限応力に安全率を加味し、更に、他の軸
心の変位、遠心力による応ツバ伸び差による応力等を考
慮して決められる。

第８図は別の灰施例で、検出手段１０３として間隙部３
２の圧力変動を検出する手段を採用したものである。す
なわち、第６図の変位計２１が設けられたほぼ同一位置
に圧力センサ２９が設けられ、その近傍には発信器３０
が設けられている。

又、タンヤフラム１４が取付けられるスリーブ１５の間
隙部３２側の端部は蓋４８により閉止されると共１て、
蓋４８にはスリーブ１５の内部と間隙部３２に連通する
オリフィス３１が形成される。

ダイヤフラム１４が振動すると間隙部３２の圧力が変動
する。従って、この圧力変動値を圧カセンザ２９により
測定することにより、上記と同様にダイヤフラム１４の
相対振動振幅を求めることがでさる。すなわち圧力）＆
動画の信号が発信器３０から発信され、第７図およびＭ
２Ｏ図に示す如く、演ｑ［手段１０４により相対振動振
幅に変換さｆ＋、、以下、同様に比較、判断手段１０５
、運転制御手段１０６に作用する。

オリフィス３］は、間隙部３２内の空気を絞りながらス
リーブ３１内に逃がし、上記圧力変動値をより正碓に測
定し得るようにするだめのものである。

又、第８図に示す如く、圧力変動値は間隙部Ａ３３の圧
力変動からも同様に求められる。すなわち、外周側合ダ
イヤフラム１４の外周側に接合してなるダイヤフラムカ
バ１２の内周側を、スリーブ１５の外周部に微少の空気
通路３４を介して近接せし、めると、ダイヤフラムカバ
１２とダイヤフラム１４との間にも間隙部Ａ３３が形成
される。

この間隙部Ａ３３の圧力変動値を上記と同様に検出する
ことにより同一の効果を上げることができる。

第９内は、更に別の実施例を示すもので、検出手段１０
３として音の変動を検出するものである。

スリーブ１５の端部を閉ＩＬする蓋４８Ａ内にＣ１、音
波発生器３５が設けられている。この音波発生器３５は
間隙部３２およびスリーブ１５内に連通するオリフィス
状の通路４９および５０とこれ等の通路４９．５０に連
通する空気室５１から形成され、間隙部３２の圧力変動
に対応して音を発生する笛の役目を有するものである。

外部マイク３６はダイヤフラムカップリング１０２の外
方側に設灯られ、音波発生器３５の音をキャッチする。

以上の音波発生器３５と外部マイク３６とから構成され
る検出手段１０３により、ダイヤフラム１４の変位を知
ることができ、上記の実施例と同様にダイヤフラム１４
の異常診断ができる。本実施例はテレメータ等による発
信器を使用する必要がないため安価に、かつ容易に製作
することができる。

以上の他、図に明示してないが検出手段１０３として上
記の間隙部３２、間隙部Ａ３３等の温度変化を検出し、
ダイヤフラム１４の異常を診断する手段も挙げられる。

すなわち、ダイヤフラム１４の変位により１．その周辺
の空気温度が上昇する。この温度変化を温度センサ等に
よって検出することにより行われる。この場合、演算手
段１０４に％に必要とせず、上昇温度値により運転制御
手段１０６をただちに制御するものであってもよい。

次に、第１１図に示す如く、横軸に軸系の回転数Ｎをと
り、縦軸に振動振幅りをとると、振動振幅りのヒｔスト
グラムが求められ、ダイヤフラム１４の固有振動数に相
当する回転数Ｎの点Ｐで最大振動振幅り、、１、が生じ
、こ′！′１−を中心として回転数Ｎの大小側に向って
振動振幅は減少して行く。

この関係を用い、第１２図に示す如く、比較、判断手段
１０５の比較器２６に回転数Ｎごとの計画上の振動振幅
ｆｌＥＤを入力する。すなわち、軸系の回転数Ｎを回転
計３７により計１ｆ（ＩＩＬ、この計測信号を言１画振
動振幅演算器３８と比較器２６に入力させる。計画振動
振幅演算器３８は第１１図に基づく如き回転数Ｎに相当
する振動振幅値りを比較器２６に入力する。比較器２６
で（は、演算器Ｂ２５から入力した振動振幅値と、その
紬糸回転数における計画上の振動振幅値とを比較し、そ
の結果を判断器に入力する。

以上により、回転数に応じてカップリングの異常診断が
可能となり、異常診断の精度をより向上せしめることが
できる。更に又、演算器Ｂ２６に周波数分析機能を付加
せしめ、回転数ごとに実測された振動振幅値と計画振動
振幅演算器−器３８による計画上の振動振幅値を比較器
２６によシ比較し異常診断すると共に、異常振幅の発生
している回転数があれば警報を発し、運転制御手段１０
６により軸系の運転制御を行う。これにより、異常診断
の精度を更に向上することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明によって明らかの如く、本発明によれば、ダ
イヤフラムの異常を適確に診断し、この診断結果によっ
て軸糸の運転を制御し、軸系の安全件と信頼上を向上し
得ると共に、構造が簡便で安価である効果が上げられる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は包容サイクルプラントの構成図、第２図（′ｉ
ダイヤフラムカップリングの構成を示す断面９図、第３
図（ａ）ないしくＣ）はダイヤフラムカップリングの動
作を示す説明図、第４図は従来技術を示す斜視図、第５
図は同じ〈従来技術を示す断面図と横・成１図、第６図
は本発明一実施例を示す断面図、第７図は一実施例の動
作を説明するブロック線図、第８図および第９図は本発
明の他の実施例を示す断面図、第１０図は実施例の軸系
制御を説明する構成図、第１１図は軸系の回転数と振動
振幅との関係を示す線図、第１２図は実施例の動作を説
明するブロック線図である。 １・・・圧縮機、２・・・ガスタービン、３・・・発電
機、４・・・蒸気タービン、６，１０２・・・ダイヤフ
ラムカップリング、１０．１６・・・ロータ軸、１２・
・・カップリングカバ、１３・・・ボルト、１４・・・
ダイヤフラム、１５・・・スリーブ、２１・・・変位計
、２２・・・発信器、２３・・・受信器、２４・・・演
算器Ａ１２５・・・演算器Ｂ。 ２６　・・・比較器、２７　・・・判断器、２８ａ、２
８ｂ。 ２８Ｃ，２８ｄ・・・運転制御器、２９・・・圧力セン
サ、３０−１１発信器、３１・・・オリフィス、３２・
・・間ｑ　ｓ、３３００１間隙部Ａ１３４・・・空気通
路、３５・・・音波発生器、３６・・、外部マイク、３
７・・・回ｋｇｌ−ｓ　　３８・・・計画振動振幅演算
器、４８，４８Ａ・・・凶、４９゜５００１９通路、５
１　用空気室、」、０３−、検出手段、１０４・・・演
算千六　１０５・・・比較、判断手段、１０６・・・運
転ル叫手段。 代理人　弁理士　秋本正実 第　Ｓ　図 １ｚ　　乙　　　長町 １２ 第　７　図 ｏ５ 扁 第　９　図 皐　１０　　図 宅　１１７ 第　１２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １゜各柚機器を有するＩＩＩＩｌｌ糸のカップリング間
   に跨設され、上記カンプリング用１１１面と微少空間を
   形成する間隙部を距てて相対向するダイヤフラムを有す
   る１ｌｊｉｌｌ系におけるダイヤフラムカップリングの
   異常診断装置において、上記ダイヤフラムの変位により
   、上記間隙部に生ずる変化値を検出する検出手段と、上
   記変化匝と予め設定された設定値とを比較、判断する比
   較および判断手段と、上記変化値を上記比較および判断
   手段に係合するだめの演被手段と、上記比較および判断
   手段Ｖこよる結果に基づき上６己軸系の各８！機器の運
   転条件を制御する運転側側ｊ手段を備えだことを特徴と
   する軸系におけるダイヤフラムカップリングの異常診断
   装置。 ２、上記変化値が、上記カップリング側面とダイヤフラ
   ムとの間の相対軸方向変位であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の軸１におけるダイヤフラムカッ
   プリングの異常診断装置。 ３、上記変化値が、上記間隙部内の圧力変動値であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の軸糸におけ
   るダイヤフラムカップリングの異常診断装置。 ４、上記変化値が、上記間隙部に生ずる圧力変動値を音
   の変動値に変換させたものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の軸系におけるダイヤフラムカッ
   プリングの異常診断装置。 ５、上記変化値が、上記間隙部に生ずる湯度変化値であ
   ることを特徴とするｔＦ、Ｙ許５］−求の範囲第１項記
   載の軸系におけるダイヤフラムカップリングの異常診断
   装置。 ６、上記演算手段が、上記検出手段によ゛る相対軸方向
   変位、圧力変動値および音の変動値等の変化値を上記カ
   ップリングとダイヤフラムとの間の相対振動振幅に変換
   すべく演算するものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項、第３項および第４項の内いずれか一つの項
   に記載の軸系におけるダイヤフラムカップリングの異常
   診断装置。 ７、」−記検出手段による相対軸方向変位、圧力変動ｊ
   ！なおよび音の変動値等の変化量が、上記軸系のダイヤ
   スラムカップリングの回転数と対応せしめて検出された
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第２項、第
   ３項および第４項の内いずれか一つの項に記載の軸系に
   おけるダイヤフラムカップリングの異常診断装置。 ８、上記設定値が、上記軸系の異常を警告する警報値又
   は軸系の安全を保持する許容値であることを特徴とする
   喘ｒＦ稍求の範囲第１項記載の軸系におけるダイヤフラ
   ムカップリングの異名診断装置。 ９６上記運転制御手段が、上記軸系の各種機器の負荷ダ
   ウン、回転数ダウンおよびタービントリップ等の運転条
   注制御を行うものであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の軸系におけるダイヤフラムカップリング
   の異常診断装置。