JP2010276438A - 回転翼の非接触翼振動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない非接触センサで同等の情報を得ることができ、かつセンサピッチを小さくでき、これにより小径ターボ機械の計測に適用できる回転翼の非接触翼振動計測方法を提供する。
【解決手段】ケーシング２に取り付けられた非接触センサ１２で回転翼１を非接触で検出し、非接触センサによる回転翼の検出信号の立ち上り（トリガイン）と立ち下り（トリガアウト）の時刻から回転翼の振動を計測し、回転翼の振動時と非振動時の通過時刻のずれと立ち上りと立ち下りの時刻の差から振動振幅及び周波数を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転翼を有するターボ機械の非接触翼振動計測方法に関する。

ガスタービン、航空エンジン、等の回転翼を有するターボ機械では、回転翼が振動して性能や寿命が低下することがある。そこで、回転翼の翼振動を非接触で計測する手段（以下、「非接触翼振動計測手段」と呼ぶ）が種々提案されている。

従来の非接触翼振動計測手段の基本原理は、回転翼を囲むケーシングに回転翼の通過を検出する非接触センサを取り付けて、回転翼の振動時と非振動時の通過時刻（ＴＯＡ：Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）のずれから振動振幅を算出するものである。

また、直接計測された時刻情報から、振幅と周波数へ分離・換算することが計測原理上必要であり、その従来技術として、非接触センサを１台又は２台用いる「１自由度フィット法」や非接触センサを４台用いる「波形フィット法」が、例えば特許文献１，２や非特許文献１に開示されている。

特開２００１−１６５０８９号公報、「非接触翼振動計測装置」 特開２００２−９８５８４号公報、「翼振動計測方法及びこれを用いた翼振動監視システム」

金子他、「改良少数点法を利用した可搬型非接触翼振動計測システムの開発」、日本機械学会、Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００１，ＯＳ−２０１

上述した従来の１自由度フィット法では、非接触センサの必要数は、１台又は２台で足りるが、得られる情報が振幅のみであり、周波数と位相は求められない。また、従来の波形フィット法では、振幅、周波数及び位相が得られるが、４台以上の非接触センサを必要とする。
さらに、従来の波形フィット法では、検出周波数上限がセンサ間角度で制限される。センサ間角度を小さくするにはセンサピッチを小さくする必要があるが、センサ径は有限であるため、同じセンサ角度でもセンサピッチが小さくなる小径ターボ機械の計測に不向きであるなどの問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、少ない非接触センサで同等の情報を得ることができ、かつセンサピッチを小さくでき、これにより小径ターボ機械の計測に適用できる回転翼の非接触翼振動計測方法を提供することにある。

本発明によれば、軸心を中心に回転し周方向に等間隔に配置された複数の回転翼と、該回転翼の半径方向外方端から間隔を隔てて回転翼を囲むケーシングとを有するターボ機械の非接触翼振動計測方法であって、
前記ケーシングに取り付けられた非接触センサで前記回転翼を非接触で検出し、
該非接触センサによる回転翼の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻から回転翼の振動を計測し、回転翼の振動時と非振動時の通過時刻のずれと前記立ち上りと立ち下りの時刻の差から振動振幅及び周波数を算出する、ことを特徴とするターボ機械の非接触翼振動計測方法が提供される。

本発明の好ましい第１実施例によれば、単一の非接触センサを用い、回転翼の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、２点法の原理を用いて、振動振幅及び周波数を算出する。

また本発明の好ましい第２実施例によれば、３台の非接触センサを用い、回転翼の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、波形フィット法の原理を用いて、振幅、周波数及び位相を算出する。

上記本発明の方法によれば、非接触センサによる回転翼の検出信号の立ち上り（トリガイン）と立ち下り（トリガアウト）の時刻の両方を有効に利用し、かつその時刻差から速度情報を求めるため、少ない非接触センサで同等の情報を得ることができる。

また、各非接触センサで、トリガイン信号とトリガアウト信号の両方を有効に利用できるため、センサピッチを小さくでき、これにより小径ターボ機械の計測に適用できる。

従来の非接触翼振動計測装置の構成図である。 １点法において、共振点との回転数比βを１のまわりで変化させた際のＴ_１Ｎ３の挙動を示す図である。 本発明の第１実施例による非接触翼振動計測装置の構成図である。 本発明による非接触センサの検出信号の説明図である。 本発明において、共振点との回転数比βを１のまわりで変化させた際のＴ１Ｎ−Ｔ２Ｎの挙動を示す図である。 本発明の第２実施例による非接触翼振動計測装置の構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、従来の非接触翼振動計測装置の構成図である。この図において、１は回転翼、２はケーシング、３（３−１，３−２，３−３，３−４）は非接触センサ、４はキー溝、５はキー溝センサである。すなわち、回転翼１を囲むケーシング２に回転翼１の通過を検出する非接触センサ３を取り付けて、回転翼１の振動時と非振動時の通過時刻を計測するようになっている。
この図において、Ｓθ_１，Ｓθ_２，Ｓθ_３，Ｓθ_４は、この例では４台の非接触センサ３（３−１，３−２，３−３，３−４）のキー溝センサ５からのそれぞれの取付角度である。また、Ｂ_Ｎθは、キー溝４からＮ番目の回転翼１の取付角度、Ｒは、ケーシング２の半径である。
また、以下の説明において、Ｔ_１Ｎ，Ｔ_２Ｎ，Ｔ_３Ｎ，Ｔ_４Ｎは、Ｎ番目の回転翼１が４台の非接触センサ３（３−１，３−２，３−３，３−４）をそれぞれ通過する時刻である。

以下、非接触センサを１台用いる従来の「１自由度フィット法」を「１点法」と呼ぶ。
１点法は、図１の非接触センサ３のうち１つ（ここでは非接触センサ３−１のみ）を用いて、得られた時刻情報から翼振動振幅を得る方法である。１点法の原理によれば、非接触センサ３−１で計測されるＮ番目の回転翼１の翼通過時刻Ｔ１Ｎは、数１の式（１）のように得られる。

ここで、Ｔｒはロータ回転周期、ｒはロータ回転回数（サンプリング回数）、ｆｂ１〜ｆｂｘは翼振動数（回転次数比ｎとロータ回転数Ωとの積（ｎ・Ω））、ｕは回転翼１の周速、Ωはロータ回転数（（１／Ｔｒ ）、ａ_１（ｆｂ１）〜ａ_Ｘ（ｆｂｘ）は翼振動振幅（翼振動数ｆｂ１〜ｆｂｘの関数）、φ_１（ｆｂ１）〜φ_Ｘ（ｆｂｘ）は翼振動位相（翼振動数ｆｂ１〜ｆｂｘの関数）、ｎ_１〜ｎ_ｘは回転次数比（ｆｂ／Ω）である。

式（１）の第１項，第２項は振動変位が生じていないときの時刻，第３項以降が翼振動にともなって生じる時刻ずれの項である。
式（１）において、ロータ回転周期Ｔｒ、ロータ回転回数ｒ、キー溝４から１番目の回転翼１の取付角度Ｂ_１θ、および非接触センサ３−１のキー溝センサ５からの取付角度Ｓθ_１は、既知なので第１項，第２項は消去できる。

簡単のため、翼振動に含まれる周波数成分が１成分のみ、つまり翼は、式（２）で振動していると考えて３項のみを考え、それをＴ_１Ｎ３と置けば、式（３）となる。
さらに、翼振動ａ_１を固有振動数ω、減衰比ζの１自由度系と仮定すれば、ａ_１（ｆｂ１），φ_１（ｆｂ１）は固有振動数ωと励振のｆｂ１の比βを用いて、式（４）、式（５）のように表わされる。

図２は、共振点との回転数比βを１のまわりで変化させた際のＴ_１Ｎ３の挙動を示す図である。
この図において、センサ位置に関わらず、最大最小の巾ΔＴＯＡはａ_ｍａｘ／ｕとして現れることが知られている。ここでロータ回転周期Ｔｒと回転翼１の周速ｕは既知なので、この性質を用いれば、回転数を連続的に上下させて得られた図２のような曲線から、翼の最大振動振幅ａ_ｍａｘを得ることができる。
ただしこの過程で周波数は未定のままである。

次に、非接触センサを２台用いる従来の「１自由度フィット法」（以下「２点法」と呼ぶ）を説明する。
２点法は、図１の非接触センサ３のうち２つ（ここでは非接触センサ３−１，３−２）を用い、１点法の式（１）を２つの非接触センサ３（たとえば非接触センサ３−１，３−２）の間で引いて、数２の式（６）を得る。
さらにこれに三角関数の公式（７）を用いれば、式（８）が得られる。
その後、振動成分について、１点法と同様の方法で振動振幅を求める方法である。

しかし、２点法では実際の振動振幅に対して、２ｓｉｎ（ｎ_１（Ｓθ_１−Ｓθ_２）／２）倍された値が計測されるため，実振幅を求めるためには計測値の補正が必要である。言い換えれば，何らかの方法で翼振動数ｎ_１の推定ができなければ，正しい振幅を求めることはできない。

次に、非接触センサを４台用いる従来の「波形フィット法」（以下「４点法」と呼ぶ）を説明する。
４点法は、図１の４台の非接触センサ３（３−１，３−２，３−３，３−４）をすべて用いる。２点法の式（８）を４台の非接触センサに用いることにより、数３の式（９）〜式（１１）が得られる。

回転同期振動の場合には、各センサで計測される振動データは収録回数ｒに無関係な一定値となるので、３つの未知数（振幅ａ_１、周波数ｆｂ１または次数ｎ_１、および位相φ_１）に対して３本の連立方程式が成立する。
振動項のみを残してこの関数形を満たすように振幅ａ_１、翼振動数ｎ_１、位相φ_１を求める。
１点法で得られるのは共振ピーク位置での振幅最大値のみであるが、この方法によれば、周波数、振幅、位相をピーク位置に限定されず、その周辺の任意の位置で連続的に知ることができる。

図３は、本発明の第１実施例による非接触翼振動計測装置の構成図である。
この図において、１は回転翼、２はケーシング、１２は非接触センサ、４はキー溝、５はキー溝センサである。すなわち、回転翼１を囲むケーシング２に回転翼１の通過を検出する非接触センサ１２を１台取り付けて、回転翼１の振動時と非振動時の通過時刻を計測するようになっている。
この図において、Ｓθ_１ｉ，Ｓθ_１ｏは、この例では１台の非接触センサ１２のキー溝センサ５からの立ち上りと立ち下りに対応する取付角度である。また、Ｂ_Ｎθは、キー溝４からＮ番目の回転翼１の取付角度、Ｒはケーシング２の半径である。

接触翼振動計測装置１０は、軸心を中心に回転し周方向に等間隔に配置された複数の回転翼１と、回転翼１の半径方向外方端から間隔を隔てて回転翼１を囲むケーシング２とを有するターボ機械の非接触翼振動計測装置である。

図３において、接触翼振動計測装置１０は、非接触センサ１２と振動計測装置１４とを備える。
非接触センサ１２は、ケーシング２に取り付けられ回転翼１を非接触で検出する。
振動計測装置１４は、非接触センサ１２による回転翼１の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻から回転翼１の振動を計測し、回転翼１の振動時と非振動時の通過時刻のずれと検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から振動振幅及び周波数を算出する。

上述した装置を用い、本発明の非接触翼振動計測方法では、
（Ａ）ケーシング２に取り付けられた非接触センサ１２で回転翼１を非接触で検出し、
（Ｂ）非接触センサ１２による回転翼１の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻から回転翼１の振動を計測し、回転翼１の振動時と非振動時の通過時刻のずれと検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から振動振幅及び周波数を算出する。
また、この例では、単一の非接触センサ１２を用い、回転翼１の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、２点法の原理を用いて、振動振幅及び周波数を算出する。

以下、本発明の方法を詳述する。
図４は、本発明による非接触センサの検出信号の説明図である。この図において、横軸は経過時間、縦軸はセンサ信号である。
この図において、Ｔ_１ｉN，Ｔ_１ｏNは、Ｎ番目の回転翼１が１台の非接触センサ１２を通過する際の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻である。すなわち、たとえば、同一の非接触センサ１２で、トリガイン時刻Ｔ_１ｉNとトリガアウト時刻Ｔ_１ｏNが得られたとする。
この場合、トリガアウト時刻−トリガイン時刻は、２点法の原理を用いて、数４の式（１２）となる。

図５は、本発明において、共振点との回転数比βを１のまわりで変化させた際のＴ_１Ｎ−Ｔ_２Ｎの挙動を示す図である。
１点法と同様に、翼を固有振動数ω、減衰比ζの１自由度系と仮定して振幅ａ１と位相φ１を有振動数ωと励振のｆｂ１の比βの関数としたうえでβ＝１のまわりで変化させた際のＴ_１Ｎ−Ｔ_２Ｎの振動成分（右辺第２項）の挙動は図５のようになる。

１点法と同様に、センサ位置に関わらず、最大最小の巾は式（１３）の一定値として現れることが分かる。
ここでＲ，Ｓθ_１，Ｓθ_２は既知で、ａ_１は１点法により得られるから、周波数ｎ_１も得られる。この性質を用いれば、回転数を連続的に上下させて得られた図５のような曲線から、１本のセンサで翼の最大振動振幅ａ_ｍａｘと周波数ｎ_１を同時に得ることができる。

すなわち、本発明の第１実施例では、回転翼１が共振周波数を通過するときに１台の非接触センサ１２で検出されるトリガインとトリガアウトの時刻差を描くと、最小最大の差は、時刻ずれの場合と同様にセンサ位置に関わらず一定値となることを利用する。
さらに、従来の１点法で得られた振幅情報を用いることで周波数を得ることができる。従って、本発明により、１台の非接触センサ１２で最大応答点の振幅、周波数を同時に得ることができる。また周波数は波形フィット法ではなく２つの波の振幅比から算出されるため、波形フィット法に見られるようなエリアジングによる周波数検出上限の制限も緩和される。

図６は、本発明の第２実施例による非接触翼振動計測装置の構成図である。
この図において、回転翼１を囲むケーシング２に回転翼１の通過を検出する非接触センサ１２を３台取り付けて、回転翼１の振動時と非振動時の通過時刻を計測するようになっている。
この図において、Ｓθ_１ｉ，Ｓθ_１ｏ、Ｓθ_２ｉ，Ｓθ_２ｏ、Ｓθ_３ｉ，Ｓθ_３ｏは、この例では３台の非接触センサ１２のキー溝センサ５からのそれぞれ立ち上りと立ち下りに対応する取付角度である。
その他の構成は、図３と同一である。

上述した装置を用い、本発明の第２実施例では、３台の非接触センサ１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を用い、回転翼１の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、波形フィット法の原理を用いて、振幅、周波数及び位相を算出する。

以下、本発明の第２実施例を詳述する。

３台の非接触センサ１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を通過する際の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻を、Ｔ_１ｉＮ，Ｔ_１ｏＮ、Ｔ_２ｉＮ，Ｔ_２ｏＮ、Ｔ_３ｉＮ，Ｔ_３ｏＮとすると、３台の非接触センサ１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、数５の式（１４）〜式（１６）が得られる。

ここで、各非接触センサ１２で計測される上記値は回転同期振動の場合には、従来の４点法と同様、収録回数ｒに無関係な一定値となる。
式（１４）〜式（１６）において、３つの未知数（振幅ａ_１、周波数ｆｂ１または次数ｎ_１、および位相φ_１）に対して３本の連立方程式が成立する。振動項のみを残してこの関数形を満たすように、振幅ａ_１、周波数ｎ_１、位相φ_１を求める。
この方法によれば周波数、振幅、位相を４点法と同様、ピーク位置に限定されず任意の位置で４点法より少数のセンサで連続的に知ることができる。

すなわち、本発明の第２実施例では、３台の非接触センサ１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）から得られるトリガインとトリガアウトの時刻差について、波形フィット法の原理を用いることで、同様の情報を従来の４点法より少ないセンサ数で得ることができる。

上述した本発明の方法によれば、非接触センサによる回転翼の検出信号の立ち上り（トリガイン）と立ち下り（トリガアウト）の時刻の両方を有効に利用し、かつその時刻差から速度情報を求めるため、少ない非接触センサで同等の情報を得ることができる。
また、各非接触センサで、トリガイン信号とトリガアウト信号の両方を有効に利用できるため、センサピッチを小さくでき、これにより小径ターボ機械の計測に適用できる。

すなわち、本発明の原理では、従来法と同様の翼の振動時と非振動時の翼通過時刻（ＴＯＡ）のずれから振動振幅を算出する方法に加えて、対象翼の厚さを知ったうえで、トリガ信号の立ち上り（トリガイン）と立ち下り（トリガアウト）の時刻差から速度情報を求めて、これを併用することで仮定なしに周波数情報を得る。なお、センサとして速度が検出できるもの（例えば、レーザレーダ）を用いてもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 回転翼、２ ケーシング、
３（３−１，３−２，３−３，３−４） 非接触センサ、
４ キー溝、５ キー溝センサ、
１０ 接触翼振動計測装置、
１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ） 非接触センサ、
１４ 振動計測装置、

Claims (3)

1. 軸心を中心に回転し周方向に等間隔に配置された複数の回転翼と、該回転翼の半径方向外方端から間隔を隔てて回転翼を囲むケーシングとを有するターボ機械の非接触翼振動計測方法であって、
   前記ケーシングに取り付けられた非接触センサで前記回転翼を非接触で検出し、
   該非接触センサによる回転翼の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻から回転翼の振動を計測し、回転翼の振動時と非振動時の通過時刻のずれと前記立ち上りと立ち下りの時刻の差から振動振幅及び周波数を算出する、ことを特徴とするターボ機械の非接触翼振動計測方法。
2. 単一の非接触センサを用い、回転翼の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、２点法の原理を用いて、振動振幅及び周波数を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ機械の非接触翼振動計測方法。
3. ３台の非接触センサを用い、回転翼の検出信号の立ち上りと立ち下りの時刻の差から、波形フィット法の原理を用いて、振幅、周波数及び位相を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ機械の非接触翼振動計測方法。

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