JP2000146772A - タービン振動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、静止したタービン動翼に、周
方向のふれ回り振動を励起することにより、多くの測定
点数の回転体振動の計測が可能なタービン振動測定装置
を提供することにある。 【解決手段】本発明の回転体振動測定装置は、タービン
動翼の周方向に複数の振動子を備え、同一周波数で、各
タービン翼の位置に基づく値で定義した位相を持つ正弦
波を、複数の波形発生器から振動子に供給することによ
り、タービン動翼の周方向にふれ回り振動を励起するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービン，圧縮
機，水車及び磁気ディスクなどの円盤の回転体の振動測
定に関わる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、回転体の振動特性を測定する
場合は、実際の回転試験を行い、回転体に設けたひずみ
ゲージなどの電気信号を、軸受に設けるスリップリング
やＦＭテレメータを用いて、静止側のストレインメータ
に導き、振動測定を行った。あるいは、回転体の外周方
向に光ファイバースコープなどを備え、回転数と同期を
とりながら、回転体の外周側先端が振動している様子を
画像処理して振動測定を行っていた。また、インパルス
ハンマーなどを用いて、回転体を直接打撃加振し、その
応答を振動ピックアップなどで測定していた。

【０００３】また、特願公告昭46−10562 号公報では、
静止時のタービンに圧電素子を設け、フリップフロップ
回路により、運転回転数と加振源の個数に限定した振動
数を与えることにより、タービンの回転中の応答を模擬
して、振動測定を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような回転体の
振動測定装置には、次のような課題がある。

【０００５】回転体の計測は、振動計測の対象物が回転
場にあるので、テレメータ計測をするにあたり、振動応
答の測定点数が制限され、大掛かりになる。また、回転
場が高速である場合や、回転体が高温高圧の流体などの
周りを回転する場合は、計測上のノイズなどが多くな
り、安定した計測ができない問題がある。

【０００６】次に、光ファイバースコープなどを用いる
場合は、回転体の外周側が大きく振動しない場合は、測
定できない。また、装置全体が大掛かりになる。

【０００７】次に、回転体を直接打撃加振する場合は、
測定の対象となる回転体が大きな場合は、回転体全体を
うまく加振できず、振動ピックアップの取り付け位置
が、打撃する箇所に比べて遠く離れた箇所にある場合
は、振動応答しない欠点がある。次に、特願公告昭46−
10562 号公報では、圧電素子に結線するフリップフロッ
プ回路の個数が莫大になり、大掛かりな回路を組むこと
になる。また、フリップフロップ回路の入力は、パルス
で行うので、圧電素子の位相遅れを伴うことが多く、計
測の目的とする励振波形でタービンを励振できない問題
がある。また、タービン回転数を元に励振周波数を限定
しているので、励振力に対して、振動応答の小さな振動
モードの区別ができない問題がある。

【０００８】ところで、本発明の目的を述べる前に、タ
ービン回転時の振動現象について簡単に説明する。一般
にタービンでは、作動流体の流れが翼車の周方向に均一
に分布していない。そのため、タービン動翼は、作動流
体の流れと、その乱れ成分による応力を受け、広い範囲
で絶えず励振されている。すなわち、タービン動翼は、
作動流体の流れが周方向に均一に分布していない中を回
転し、よぎるため、作動流体から励振力を受けている。

【０００９】これをタービン動翼が静止している場合で
考えると、静止しているタービン動翼の上を、ある励振
力が周方向に回転すれば、同じタービン回転時の振動現
象について模擬できる。すなわち、タービン動翼に作用
する励振力を周方向にふれ回るように与えれば良い。

【００１０】本発明の目的は、静止したタービン動翼
に、周方向のふれ回り振動を励起することにより、多く
の測定点数の回転体振動の計測が可能なタービン振動測
定装置を提供することにある。

【００１１】また、本発明の目的は、簡単な設備で、タ
ービン設計上、問題となる節直径振動モードの共振状態
を模擬し、その際のタービンの振動応答を詳細に測定で
きるタービン振動測定装置を提供することにある。

【００１２】また、本発明の目的は、簡単な設備で、タ
ービン動翼の節直径振動モードの節直径数の区別を容易
に判定できるタービン振動測定装置を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の回転体振動測定装置は、タービン動翼の周方向に複数
の振動子を備え、同一周波数で、各タービン翼の位置に
基づく値で定義した位相を持つ正弦波を、複数の波形発
生器から振動子に供給することにより、タービン動翼の
周方向にふれ回り振動を励起するというアイデアに基づ
き考案したものである。

【００１４】第１の特徴は、静止したタービン動翼にお
いて、ｎ個の振動子と波形発生装置及び振動応答計測器
を備え、振動子は、タービン動翼の周方向にある翼毎に
取り付け、ある振動子を基準に周方向に１番からｎ番ま
で順次番号付け、全周の翼本数Ｍ、回転体の振動モード
の節直径数ｋと振動子の番号ｉに基づき、各振動子の位
相θ_iをθ_i＝２πｋ（ｉ−１）／Ｍ（ｉ＝１〜ｎ）で定
義した位相とし、同一周波数の正弦波の波形を波形発生
装置により振動子へ供給することにより、タービン動翼
を励振し、該タービン動翼に設けた振動応答計測器によ
り、タービンの振動を測定することを要点とする。

【００１５】第２の特徴は、第１の特徴において、該波
形発生装置から振動子に供給する正弦波の周波数は、低
周波数から高周波数にわたり徐々に変化していくことを
特徴としたことを要点とする。

【００１６】第３の特徴は、第１あるいは第２の特徴に
おいて、該加振器をｎ個、該振動子を２ｎ個備え、該振
動子はｉ番（ｉ＝１〜ｎの整数）とｉ＋ｎ番を１組にし
て該加振器に配線し、該振動子ｉ番と該振動子ｉ＋ｎ番
の極性を反転したことを要点とする。

【００１７】第４の特徴は、第１あるいは第２の特徴に
おいて、該加振器をｎ個、該振動子を４ｎ個備え、該振
動子はｉ番（ｉ＝１〜ｎの整数），ｉ＋ｎ番，ｉ＋２ｎ
番とｉ＋３ｎ番を１組にして該加振器に配線し、該振動
子ｉ番とｉ＋２ｎ番，ｉ＋ｎ番とｉ＋３ｎ番の極性はそ
れぞれ同じで、ｉ番とｉ＋２ｎ番の極性は、ｉ＋ｎ番と
ｉ＋３ｎ番の極性を反転したことを要点とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１か
ら図４を用いて詳細に説明する。

【００１９】図１はタービン動翼の構成図、図２はター
ビン動翼の振動モード図、図３は本発明の一実施例の構
成図、そして図４はタービン動翼を励振する振動波形の
模式図を示す。

【００２０】図１おいて、１はタービン動翼、２はシュ
ラウド、３はディスク、４はロータを示す。また図２に
おいて、５は静止時のタービン翼、６は振動モード、７
は節直径を示す。また、図３において、８は振動子、９
はファンクションジェネレータ、１０はひずみゲージ、
１１はストレインメータそして１２はＦＦＴを示す。こ
こで、１０，１１，１２は本発明の請求項で述べた振動
測定器を分けて示した一例である。また、図４におい
て、１３は振幅、１４は初期位相そして１５は周期を示
す。

【００２１】まず、図１及び図２を用いてタービン動翼
の振動現象を述べる。

【００２２】図１に示すシュラウドなどにより周方向に
ひとまとめに連結されたタービン動翼を考えた場合、振
動モードは、図２のような直径方向に節を生じる節直径
振動モードを形成する。この振動モードは円盤の振動モ
ードと同じであり、良く知られている。また、タービン
動翼は、一般に周方向に不均一な分布をしている流体中
を回転しながら、よぎるため、タービンの回転数の整数
倍の周波数を持つ多くの励振力により、励振される。

【００２３】タービン動翼が例えば全周の周方向にひと
まとめに連結した構造であるならば、励振力のひとつの
周波数とタービン動翼の固有振動数が一致し、かつ、励
振次数ｊとタービン動翼の節直径数ｋの間にｊ±ｋ＝λ
（λは０を含む任意の整数）という条件を満足すると
き、タービン動翼の振動は共振となる。

【００２４】このタービン動翼の共振を、静止場で再現
することを考えた。すなわち、タービン動翼は、回転場
である励振源をよぎるとき、その励振周波数とタービン
動翼の固有振動数が一致し、かつ周方向に分布する励振
波の波の数とタービン振動モードの節直径数が一致した
とき共振するのであれば、タービン動翼は静止したまま
で、タービン動翼を励振する正弦波を周方向にふれ回る
ようにすれば、回転場と同じ共振条件で、タービン動翼
は共振となる。

【００２５】図３に本発明の一実施例を示す。図３で示
すように、複数個の振動子を周方向に、すなわちタービ
ン動翼の１本１本の翼に貼り付ける。話を簡単にするた
め、全周のタービン動翼はｎ本あり、その全てに振動子
を貼り付けることにする。また、貼り付けた振動子は、
タービン動翼の翼番号と同様、周方向に順次１，２，
…，ｎと番号を付ける。さらに、それらの振動子８は、
それぞれ異なるファンクションジェネレータ９と配線す
る。

【００２６】そして、各振動子８の位相θ_iをθ_i＝２π
ｋ（ｉ−１）／ｎ（ただし、この例ではｎ＝Ｍ）で定義
した位相とし、同一周波数の正弦波形がファンクション
ジェネレータ９から振動子８へ供給され励振を開始す
る。これらファンクションジェネレータ９の制御には、
パーソナルコンピュータなどを用いると便利である。

【００２７】また、本振動測定装置は、タービンを回転
させず静止時で行うため、タービン動翼の振動を測定す
るもの、例えばここにあげた一例であるひずみゲージ１
０は、タービン動翼の複数箇所何点でも貼り付けること
が可能である。これらひずみゲージ１０による振動の応
答信号は、ストレインメータ１１を介し、タービン動翼
の振動をモニタするＦＦＴ１２へ送信され、タービン動
翼の振動状態が測定される。

【００２８】また具体的な一例として、節直径数ｋ＝１
の振動モードを励振し、その現象をモニタすることを考
える。各ファンクションジェネレータには、振動子の番
号ｉ毎に、θ_i＝２π(ｉ−１）／ｎ（ただし、この例で
はｎ＝Ｍ）の初期位相を設定し、同一励振周波数の正弦
波をストアする。ここで、あらかじめタービン動翼の節
直径数ｋ＝１の固有振動数が分かっているのなら、励振
周波数はその値をファンクションジェネレータ９に入力
すれば良い。また、その固有振動数が不明な場合は、励
振する周波数の範囲を低次の振動数から高次の振動数に
徐々にスイープする制御をすれば良い。これらのファン
クションジェネレータの制御は、パーソナルコンピュー
タなどを使えば便利である。

【００２９】例えば、ファンクションジェネレータを制
御できるコマンドを備えたＣ言語などがインストールさ
れているパーソナルコンピュータを使い、位相の定義
式、１波長分の正弦波形などを励振する入力個数分アウ
トプットできるように計算しておき、入力データとし
て、スイープ励振する周波数範囲，振動子の数，励振す
る節直径数などを入力した後、送信キーを入力すれば、
それがトリガーとなって、励振を始める。また、スイー
プする励振周波数に至ったら、自動的に励振は終了す
る。などといったアルゴリズムを組めば良い。

【００３０】この方法で、タービン動翼の励振を開始す
れば、図４に示すように、各翼番号毎に同一周波数で、
初期位相の違う正弦波形が振動子に入力されるので、た
とえば振幅の最大値がタービン動翼の周方向にふれ回る
励振波が入力できる。そして、タービン動翼の節直径数
ｋ＝１の固有振動数と励振周波数が一致したとき、はじ
めてタービン動翼は共振状態となり、モニタしていた振
動の応答が大きくなる。

【００３１】また、この励振周波数がある固有振動数を
過ぎれば、タービン動翼は共振しなくなる。さらに、続
けて励振周波数をスイープ上昇すれば、やはり同じ節直
径数ｋ＝１で、はじめとは違う高周波数の振動モードで
タービン動翼は共振となる。すなわち、励振周波数の許
容範囲内にある節直径数ｋ＝１のモードは、励振周波数
が一致さえすれば、必ずタービン動翼は共振する。

【００３２】また同様に、順次節直径数をｋ＝２，３，
…と変えて測定を行えば、それら節直径数に従ったター
ビン動翼の節直径振動モードが静止場でモニタできる。

【００３３】この測定方法の利点は、静止場での励振に
よる振動の測定を行っているので、簡単にタービン動翼
の多点の振動応答が測定できることにある。

【００３４】また、タービン動翼の周方向に複数個の振
動子を取り付けているので、振動子ひとつひとつの励振
力が小さくても、それらの総和でタービン動翼全体を加
振するため、タービン動翼という構造体全体がまんべん
なく励振され、偏りのない共振の応答が測定できる。

【００３５】また、特にフリップフロップ回路など組む
必要はなく、複雑な回路を組む必要はない。

【００３６】さらに、スイープ励振する周波数範囲で、
入力した節直径数ｋに限定した振動モードが共振するの
で、振動モードの特性を整理する上で、節直径数の区別
が容易に判断できる。

【００３７】なお、タービン動翼の固有振動数を節直径
数で割れば、その振動モードが共振する回転数が算出で
きる。また、本説明では、タービン動翼全周にわたって
振動子を貼り付けた構成について述べたが、振動子はタ
ービン動翼の全周に備える必要はない。少ない振動子で
も、軸対象にうまく配置すれば、タービン動翼を励振で
きる。ただし、その際の加振器の位相θ_i は、全周の翼
本数をＭとして、振動子を取り付けるタービン動翼の翼
番号をｉとすると、θ_i＝２πｋ(ｉ−１）／Ｍで定義し
た値を入力すれば良い。

【００３８】次に、図５，図６を用いて本発明の他の実
施例について述べる。

【００３９】図５は本発明の一実施例の構成図、そして
図６はタービン動翼を励振する振動波形の模式図を示
す。

【００４０】図５に示すように、振動子を８個用意し、
タービン動翼に環状に配列する。そして、振動子の番
と番，番と番，番と番，番と番はそれぞ
れ同じ加振器に接続する。その際、２つの振動子のう
ち、１つの電極の極性をもう片方の電極の極性と逆にす
る。この構成で、節直径数ｋ＝１の振動モードを励起す
ることを考える。

【００４１】この場合、番から番まで番号付けられ
た振動子に入力する振動波形は、θ_i＝２π(ｉ−１）／
８（ｉ＝１〜８）の初期位相を持つので、図６のように
表すことができる。この振動波形を良く見ると、番と
番，番と番，番と番，番と番は、それぞ
れ波形のプラスとマイナスの分布が逆転していることが
分かる。よって、それぞれ組になる振動子の極性が異な
れば、同じ加振器で励振波形を供給することができる。

【００４２】この考え方は、他の節直径数ｋが奇数の場
合（ｋ＝１，３，５，…）にすべて適用することができ
る。よって、振動子の半分の数の加振器で、たとえば振
幅の最大値がタービン動翼の周方向にふれ回る励振波が
入力できる。そのため、先に述べた本発明に加えて、タ
ービン動翼を励振する回路が簡単になる。

【００４３】次に、図７，図８を用いて本発明の他の実
施例について述べる。

【００４４】図７は本発明の一実施例の構成図、そして
図８はタービン動翼を励振する振動波形の模式図を示
す。

【００４５】図７に示すように、振動子を８個用意し、
タービン動翼に環状に配列する。そして、振動子の番
番番と番，番番番と番はそれぞれ同じ加
振器に接続する。また、番と番，番と番の電極
の極性は同じで、番と番の電極，番と番の電極
では、それぞれ電極の極性を逆にする。また同様に、
番と番，番と番の電極の極性は同じで、番と
番の電極と番と番の電極では、それぞれ電極の極性
を逆にする。この構成で、節直径数ｋ＝２の振動モード
を励起することを考える。

【００４６】この場合、番から番まで番号付けられ
た振動子に入力する振動波形は、θ_i＝２π(ｉ−１）／
４（ｉ＝１〜８）の初期位相を持つので、図８のように
表すことができる。この振動波形を良く見ると、番と
番，番と番，番と番，番と番は、それぞ
れの波形が全く同じであることが分かる。また、番
番の波形と番番の波形，番番の波形と番番
の波形は、それぞれプラスとマイナスの分布が逆転して
いることが分かる。よって、それぞれ組になる振動子の
極性が異なれば、同じ加振器で励振波形を供給すること
ができる。

【００４７】この考え方は、他の節直径数ｋが偶数の場
合（ｋ＝２，４，６，…）にすべて適用することができ
る。よって、振動子の１／４の数の加振器で、タービン
動翼の周方向にふれ回る励振波が入力できる。

【００４８】そのため、先に述べた本発明に加えて、タ
ービン動翼を励振する回路が簡単になる。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、静止
時でタービン動翼の周方向のふれ回り振動を励起するこ
とができ、簡単に多くの測定点数のタービン動翼の振動
計測が可能なタービン振動測定装置を提供できる。

【００５０】また、本発明によれば、簡単な設備で、タ
ービン設計上、問題となる節直径振動モードの共振状態
を模擬し、その際のタービンの振動応答を詳細に測定で
きるタービン振動測定装置を提供できる。

【００５１】また、本発明によれば、簡単な設備で、タ
ービン動翼の節直径振動モードの節直径数の区別を容易
に判定できるタービン振動測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例であるタービン動翼の構成図。

【図２】図１のタービン動翼の振動モード図。

【図３】本発明の実施例であるタービン動翼を示す全体
図。

【図４】各振動子の励振波形の模式図。

【図５】本発明の実施例であるタービン動翼を示す全体
図。

【図６】各振動子の励振波形の模式図。

【図７】本発明の実施例であるタービン動翼を示す全体
図。

【図８】各振動子の励振波形の模式図。

【符号の説明】

１…タービン翼部、２…シュラウド、３…ディスク、４
…ロータ、５…タービン翼、６…振動モード、７…節直
径、８…振動子、９…ファンクションジェネレータ、１
０…ひずみゲージ、１１…ストレインメータ、１２…Ｆ
ＦＴ、１３…振幅、１４…初期位相、１５…周期。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 穣 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 高住 正和 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 Ｆターム(参考） 2G024 AD03 AD04 AD05 AD26 CA13 DA12 2G064 AA01 AB03 AB06 BA28

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静止したタービン動翼において、ｎ個の振
   動子と波形発生装置及び振動応答計測器を備え、振動子
   は、タービン動翼の周方向にある翼毎に取り付け、ある
   振動子を基準に周方向に１番からｎ番まで順次番号付
   け、全周の翼本数Ｍ、回転体の振動モードの節直径数ｋ
   と振動子の番号ｉに基づき、各振動子の位相θ_iをθ_i＝
   ２πｋ（ｉ−１）／Ｍ（ｉ＝１〜ｎ）で定義した位相と
   し、同一周波数の正弦波の波形を波形発生装置から振動
   子へ供給することにより、タービン動翼を励振し、該タ
   ービン動翼に設けた振動応答計測器により、タービン動
   翼の振動を測定することを特徴としたタービン振動測定
   装置。
2. 【請求項２】請求項１において、該波形発生装置から振
   動子に供給する正弦波の周波数は、低周波数から高周波
   数にわたり徐々に変化していくことを特徴としたタービ
   ン振動測定装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、該加振器をｎ
   個、該振動子を２ｎ個備え、該振動子はｉ番（ｉ＝１〜
   ｎの整数）とｉ＋ｎ番を１組にして該加振器に配線し、
   該振動子ｉ番と該振動子ｉ＋ｎ番の極性を反転したこと
   を特徴としたタービン振動測定装置。
4. 【請求項４】請求項１又は２において、該加振器をｎ
   個、該振動子を４ｎ個備え、該振動子はｉ番（ｉ＝１〜
   ｎの整数），ｉ＋ｎ番，ｉ＋２ｎ番とｉ＋３ｎ番を１組
   にして該加振器に配線し、該振動子ｉ番とｉ＋２ｎ番，
   ｉ＋ｎ番とｉ＋３ｎ番の極性はそれぞれ同じで、ｉ番と
   ｉ＋２ｎ番の極性は、ｉ＋ｎ番とｉ＋３ｎ番の極性を反
   転したことを特徴としたタービン振動測定装置。