JP2003531367A - 回転体の振動の非接触測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 固定センサ（Ｃ１からＣ８）は、これらのセンサの前方で回転するブレードなどの回転体（３）の一部（２）の振動動作を周期的に測定するとともに、スペクトル解析によってそれらの固有周波数を測定するために使用される。本発明によれば、センサは、複数のネットワーク内に異なる数で一括して集められ、ラインの選択および排除という異なる演算によって、異なるネットワークのスペクトルを比較することにより、決定が成される。この処理は、明瞭な周波数検知の制限をかなり広げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明の主題は、タービンブレードなどの回転体の非同期振動を、周囲のケー
シングもしくは他の固定位置に配置されたセンサによって測定することである。
センサは、その前方を回転体が通過した時だけ測定を行なうことができるため、
これらの測定はサンプリングによって行なわれる。また、これらの測定は、測定
対象物と実体的な接触を行なうことなく所定の距離をもって行なわれるため、非
侵入（ｎｏｎ−ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ）と呼ばれている。使用されるセンサは、光
学的なもの、誘導的なもの、容量的なものであっても良い。回転体に歪みゲージ
を接着して、回転体の歪みを直接に測定し、複雑で高価な回転伝達手段あるいは
遠隔計測器を使用するよりは、固定センサを使用する方が簡単である。固定セン
サは、困難でノイズの多い状況に晒される等価な回転手段よりも良好なデータを
提供することができる。

【０００２】 しかしながら、固定センサを使用すると、振動体が通り過ぎた時だけしか、振
動の振幅を測定することができないという不都合が生じる。これは、固有周波数
の測定を切り捨ててしまう。実際に、周期的な振動現象は、明瞭に評価されるそ
の最も高い周期まで少なくとも２回測定されなければならず、これによって、正
確な測定が、振動周波数帯域に制限される。より高い周波数振動が測定される場
合には、必ず、規定数以上の周波数を形成する物理的な真実性をもたないエイリ
アジング（ａｌｉａｓｉｎｇ）が、測定結果に現われる。

【０００３】 したがって、本出願人は、エイリアジングに属する前述の固有周波数成分の数
を減らすために、明瞭に検出できる周波数帯域を広げることを目的とする。これ
は、回転体の回転を加速することによって、あるいは、測定に割り当てられるセ
ンサであって、振動体がその前方を連続的に通過するように同じ円周部にわたっ
て配置されるセンサの数を増やすことによって、測定間の時間の長さを低減させ
ることで達成することができる。前者の解決策は常に実行できるとは限らず、ま
た、後者の解決策は、取付けられるセンサの数に起因する制限を有している。こ
れは、回転体の振動の非侵入測定の原理の改良が、明瞭な検知の制限を超える固
有周波数成分のエイリアジングによって得られる架空の周波数から回転体の真の
振動周波数を容易に識別するようになっており、また、これらの架空の周波数を
結果から容易に除去するようになっているためである。改良の利点は、センサの
数を減らすことである。

【０００４】 本発明で提案された改良において、検出器は、複数のネットワークに配置され
、これらのネットワークは異なる数の検出器を有する。また、測定される周波数
のスペクトルは、各ネットワークにおいて得られ、ネットワークのスペクトルを
比較することによって、スペクトルのラインを選択するとともに、選択されたラ
インの周波数を、求められている振動周波数と見なす。検出器の新規な構成と、
検出結果を適切に処理する新たな構成とのこのような組み合わせにより、センサ
の数を実質的に増やすことを殆ど必要とすることなく、明瞭な周波数検知帯域の
上限をかなり広げることができる。

【０００５】 結果の処理は、扱われる実際の状況にしたがって、複数の段階を備えていても
良い。

【０００６】 以下の詳細な説明によって、本発明のこれらの主要な形態および他の形態を明
らかにする。

【０００７】 図１は、円形ハウジングの横断面を示している。この円形ハウジング上には、
Ｃ１からＣ８で示される８個のセンサが接合されている。これらのセンサは、ハ
ウジング１内で回転するロータ３に装着された複数のブレード２の振動を記録す
る。センサＣ１からＣ８は、３つのネットワークＡ、Ｂ、Ｃに分配される。これ
らのネットワークのうちの１つは、径方向で対向するセンサＣ１、Ｃ３を含んで
いる。また、他のネットワークは、互いに１２０°で離間するセンサＣ１、Ｃ２
、Ｃ４を含んでいる。そして、第３のネットワークは、互いに７２°で離間する
センサＣ１、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８を含んでいる。

【０００８】 一般的に、本発明のネットワークのセンサは互いに素数であるが、ネットワー
クは、１つの共通のセンサを都合よく含んでいる。ネットワークの数は任意であ
るが、ネットワークの数が多ければ多いほど、良好な結果が得られる。実際のと
ころ、複数のセンサに対してたった１つのネットワークが存在する場合に、ブレ
ード２の明瞭な周波数検知帯域の上限Ｆｘが、（Ｆｒ・Ｎ）／２に等しければ、
センサの数が互いに素である場合、上限Ｆｘは、ここでは、Ｆｒ・（ΠＮｉ）／
２に等しくなる。ここで、Ｆｒはロータ３の回転周波数、Ｎはネットワークのセ
ンサの総数、Πは積の演算、Ｎｉは各ネットワークＡ、Ｂ、Ｃのセンサの数を示
している。この場合、８個のセンサＣ１からＣ８が、１つのネットワークに属し
ていれば、４Ｆｒの代わりに、Ｆｘ＝１５Ｆｒとなり、また、１０個のセンサが
、３個のセンサ、４個のセンサ、５個のセンサをそれぞれ有する３つのネットワ
ーク間で使用される場合には、１０個のセンサが１つの共通のネットワークに属
する５Ｆｒの代わりに、Ｆｘ＝３０Ｆｒとなる。したがって、明瞭な周波数帯域
は、センサおよびネットワークの数に応じて急激に増大する。

【０００９】 図１に戻ると、この図から分かるように、センサＣ１からＣ８の出力ラインＬ
１からＬ８は、共に、各ネットワークＡ、Ｂ、Ｃにおいて束を成して集まって、
サンプリング装置４に繋がっている。サンプリング装置４は、各センサＣ１から
Ｃ８が、同じブレード２によって形成される振動を測定する時に、ロータ３の回
転速度Ｆｒにしたがってモーメントを評価する。また、スペクトル解析器５は、
各ブレード２および各センサネットワークに関して、フーリエ変換もしくは類似
の処理を使用することにより評価された周波数のスペクトルを形成する。最後に
、処理装置６は、ネットワークＡ、Ｂ、Ｃのスペクトルを検討することにより、
ブレード２の振動周波数を識別するために使用される。この処理装置６は、本発
明の重要な要素を形成するため、以下、詳細に説明する。

【００１０】 処理装置６は、４つの異なる処理ブロック７、８、９、１０を有している。こ
れらの処理ブロックは、スペクトルに関して特定の比較演算を実行する。まず、
これらを図２によって明確にする。ここで、ブレード２の固有周波数は、１．１
０Ｈｚ、１．５５Ｈｚ、３．７８Ｈｚ、４．６３Ｈｚ、９．１５Ｈｚであり、同
じ振幅を有していると仮定する。図２の上側のトラックは、（周波数のエイリア
ジングが存在しないで）取得されるスペクトルＳ０であり、その下側のトラック
はそれぞれ、２個のセンサ、３個のセンサ、５個のセンサをそれぞれ有する３つ
のネットワークＡ、Ｂ、Ｃを使用して取得される、スペクトルＳ２、Ｓ３、Ｓ５
である。

【００１１】 第１のブロック７は、スペクトルＳ２、Ｓ３、Ｓ５の交差（ｉｎｔｅｒｓｅｃ
ｔｉｏｎ）を実行する。すなわち、第１のブロック７は、スペクトルＳ２、Ｓ３
、Ｓ５に共通のラインを明らかにする。ここでは、固有周波数の５つのラインだ
けが問題となる。これにより、第１のブロックは、それ自身で、必要な処理を十
分に達成することができることが多い。しかし、幾つかのケースでは、更に複雑
な処理が必要であった。

【００１２】 一般に、スペクトルは、周波数ｆ＝±ｆ_ａ＋ｋ・Ｎ・Ｆｒ（式１）において複
数のエイリアジングをもっている。ここで、ｆ_ａは、見出される固有周波数であ
り、ｋは、正または負の整数であり、Ｎはネットワーク内のセンサの数であり、
Ｆｒは、前述したように、ロータ３の回転周波数である。第２のブロック８は、
周波数［ｐｐｃｍ（Ｎｉ）］Ｆｒ／２（式２）によって制限された帯域において
、交差スペクトルで得られたラインの数を計算する。ここで、ｐｐｃｍ（Ｎｉ）
は、ネットワークＡ、Ｂ、Ｃ内のセンサの数の最小公倍数である。すなわち、こ
こでは、Ｆｒ＝１Ｈｚであれば、（２×３×５）／２＝１５Ｈｚとなる。全ての
スペクトルに共通なこのラインの数が、前述したように計算され且つここでは１
Ｈｚ、１．５Ｈｚ、２．５Ｈｚにそれぞれ等しい周波数Ｆｘによって制限された
、ネットワークＡ、Ｂ、Ｃのうちの少なくとも１つの明瞭な検知帯域内に存在す
るラインの数と異なっている場合には、第２のブロック８は、全ての評価スペク
トル内のラインの存在それ自身によって解釈できる、交差スペクトルの周波数の
サブセットを演算し、第１のブロック７によって決定された交差スペクトルの他
の周波数は、不必要なものとして見なして除去することができる。

【００１３】 １つの例が図３に表わされている。ここで、スペクトルＳ０１、Ｓ２１、Ｓ３
１、Ｓ５１は、前述したスペクトルＳ０、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５と同じ形態を有して
いるが、検知される固有周波数は、ここでは、１．３Ｈｚおよび５．３Ｈｚであ
る。また、スペクトルＳ２１、Ｓ３１、Ｓ５１の交差は、１．３Ｈｚ、４．７Ｈ
ｚ、５．３Ｈｚ、１１．３Ｈｚの周波数から構成されている。この場合、スペク
トルＳ２１は、明瞭な検知領域内にたった１つのライン（０．７Ｈｚに）を有し
ている。また、第２のブロック８は、これら４つの交差スペクトルの周波数のそ
れぞれに関し、前記式１を当てはめることによって、スペクトルＳ２１、Ｓ３１
、Ｓ５１内に現われる周波数を演算した後、どの交差周波数が、実際に取得され
たスペクトルＳ２１、Ｓ３１、Ｓ５１の全てのラインの出現を明らかにしている
かを決定する。ここでは、１．３Ｈｚおよび５．３Ｈｚと、４．７Ｈｚおよび１
１．３Ｈｚという２対の周波数が、それ自身この条件を満たしていることが分か
る。他のソースからくる１つのデータにより、これらの周波数のうちの１つを十
分に認定することができ、あるいは、それを除去して、正しい振動周波数群を選
択することができる。

【００１４】 図２の場合、各スペクトルＳ２、Ｓ３、Ｓ５は、交差スペクトルＳ０において
、式（２）により制限される帯域内のラインと同じ数である５つのラインを、明
瞭な検知帯域内で計算するが、この場合、第２のブロック８は、前述した働きを
行なう必要がない。

【００１５】 他の２つのブロック９、１０は、ロータ３の回転速度を変えるテストのために
使用できる。第３のブロック９は、センサの各ネットワークＡ、Ｂ、Ｃに関し、
その周波数変化が、エンジン速度の周波数変化と適合しないラインを識別すると
ともに、これらのラインを排除するために使用される。また、他のラインは、式
１においてｋ＝０の場合に対応しているため、ブレード２の本当の振動周波数で
ある。したがって、第３のブロック９は、回転速度の変化に関して複数のスペク
トルがとられた後、非常に急激に変化する周波数に関連付けられたこれらのライ
ンを排除する。

【００１６】 第４のブロックは、固有周波数が、全ての評価スペクトルに共通の別個のライ
ンを突然に出現させる、回転周波数Ｆｒの特定の倍数に対応するオフセットを有
しているような特定の状況において、有用である。しかし、回転周波数が変化す
ると直ぐに、これらの共通のラインが消えてしまう時には、それらを検知するこ
とが容易であり、第４のブロック１０は、連続するスペクトルが、同じ数のライ
ンを有しているか否かを確認することによって、また、同じネットワークの他の
スペクトルに対応するものを有さない、規定数以上のラインを排除することによ
って、それらを認識するようになっている。

【００１７】 したがって、処理は、その最良の実施形態において、評価スペクトルの交差周
波数を与える、第１のブロック７の先の使用を含んでいる。そして、その後、第
２のブロック８は、先に与えられた基準を適用することによって、全ての交差周
波数が本当に固有周波数であるかどうかを決定し、それが否定的である場合には
、第２のブロック８は解決法を決定し、テストが可変速度回転である場合には、
第３のブロック９は、それ自身で或いは第１のブロック７の後に使用され、第４
のブロック１０は第１のブロック７の後に使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実質的な実施形態を示す図である。

【図２】 振動システムの固有周波数を測定するために使用される周波数スペクトル群
を示す図である。

【図３】 振動システムの固有周波数を測定するために使用される周波数スペクトル群を
示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランジエル，レジス・レオ・マリー・ジヤ ン フランス国、エフ−10440・トルビリエ、 リユ・ドユ・11・ノーバンブル・10 Ｆターム(参考） 2G024 AD05 BA15 CA13 CA27 FA04

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体（３）の周囲に配置された複数の検出器（Ｃ１からＣ
   ８）を使用するとともに、検出器の測定値を周波数スペクトルに変換することに
   よって、検出器の前方を通過する回転体（３）の一部（２）の振動周波数を測定
   する方法であって、検出器は、複数のネットワーク（Ａ、Ｂ、Ｃ）に配分され、
   該ネットワークは、検出器の数が異なり、特に検出器の数が互いに素であり、各
   ネットワークにおいてスペクトルが得られ、ネットワークのスペクトルを比較し
   て、スペクトルのラインを選択するとともに、選択されたラインの周波数を振動
   周波数とみなすことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 全てのスペクトルに共通のラインを選択する（７）ことを特
   徴とする、請求項１に記載の振動周波数の測定方法。
3. 【請求項３】 回転体の回転周波数をＦｒとし、全てのネットワークのセン
   サの数Ｎｉの最小公倍数をｐｐｃｍ（Ｎｉ）とした場合、最大で［ｐｐｃｍ（Ｎ
   ｉ）］・Ｆｒ／２と等しい周波数になる全てのスペクトルに共通のラインの数と
   、それぞれが最大でＮｉ・Ｆｒ／２と等しい周波数になる各ネットワーク内に存
   在するラインの数とを比較する（８）ことを含むことを特徴とする、請求項２に
   記載の振動周波数の測定方法。
4. 【請求項４】 最大で［ｐｐｃｍ（Ｎｉ）］・Ｆｒ／２と等しい周波数にな
   る全てのスペクトルに共通の前記ラインの数が、それぞれが最大でＮｉ・Ｆｒ／
   ２と等しい周波数になる少なくとも１つのネットワークのラインの数と一致しな
   い場合には、各スペクトルに存在するラインの出現を明らかにできる前記共通の
   周波数群を検索することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の振動周波数
   の測定方法。
5. 【請求項５】 回転体の回転周波数を変化させて、回転体の回転速度の変化
   に適合せずに変化する周波数のラインを除去することによって、ラインを選択す
   る（９）ことを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の
   振動周波数の測定方法。
6. 【請求項６】 回転体の回転周波数を変化させて、回転体の特定の回転周波
   数でのみ出現するラインを除去する（１０）ことを含むことを特徴とする、請求
   項１から５のいずれか一項に記載の振動周波数の測定方法。
7. 【請求項７】 検知器の複数のネットワークが１つの共通の検知器（Ｃ１）
   を有していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の振動周
   波数の測定方法。