JP2011007677A - タービン翼の振動解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】タービン翼の振動を複数の視点から解析できるタービン翼の振動解析システムの提供。
【解決手段】作動ガスを受けて回転するタービンインペラの端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した上記レーザー光を受光する光学プローブを備え、該光学プローブの受光結果に基づいてタービンインペラの振動を計測する翼振動用ＰＣ１０２と、タービンインペラの振動因子の状態量を計測する状態量計測用ＰＣ１０８とを有することを特徴とするタービン翼の振動解析システム１００を用いる。
【選択図】図３

Description

本発明は、運転中のタービン翼の振動を非接触で計測する光学プローブを備えるタービン翼の振動解析システムに関するものである。

従来から、タービンの性能評価において、運転中のタービン翼の振動を計測することがなされている。下記特許文献１には、歪みゲージをタービン翼に貼付することなく光学的にタービン翼の振動を計測することで、高温の作動ガスに曝されるタービン翼の振動を、特性変化を生じさせることなく計測する振動計測装置が開示されている。

この振動計測装置は、内部に配設された光ファイバーの先端にレンズ及び保護ガラスを備えた光学プローブをタービンのハウジングを貫通させて、その先端をタービン翼の端面に対向配置する。そして、投光用の光ファイバーからタービン翼に向けて投光したレーザー光の反射光を受光用の光ファイバーを介して検知してタービン翼の振動を計測する構成となっている。

特許第２８７４３１０号公報

しかしながら、この振動計測装置では、運転中のタービン翼がどの程度振動しているかという結果のみを計測するものであるため、このタービン翼が他の状態量との関係でどのような影響を受けて振動しているかの計測をすることができなかった。そのため、タービン翼の振動を評価する上での他の影響因子を調べる場合には不十分であった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、タービン翼の振動を複数の視点から解析できるタービン翼の振動解析システムの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した上記レーザー光を受光する光学プローブを備え、該光学プローブの受光結果に基づいて上記タービン翼の振動を計測する振動計測装置と、上記タービン翼の振動因子の状態量を計測する状態量計測装置とを有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、タービン翼の振動量を計測すると共に他の状態量も同時に計測することで、タービン翼の振動に影響する因子を調べることが可能となる。
なお、この構成では、翼の振動を計測する計測機系と状態量（圧力、温度など）を計測する計測機はそれぞれ独立した計測機系となっており、お互いの同期を取る必要がある。
通常考えられる方法として、翼振動計測機系の回転信号を状態量計測機系に接続して同期する方法が考えられるが、状態量計測機系のシステムでは、翼振動計測機系の回転計データが取り込めない場合がある。そこで、状態量計測機系で取りこむことができる回転計を新規に設置し、それぞれの計測機系の回転計データを照合することにより、両計測機系の同期をはかる方法を採用している。

また、本発明においては、上記状態量計測装置は、上記状態量として、上記作動ガスの圧力と、上記作動ガスの温度と、上記タービン翼に上記作動ガスを導入する導入口の開度とを計測するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、タービン翼を駆動させる作動ガスの圧力、温度、導入口の開度をパラメータとして、タービン翼の振動を解析することが可能となる。

また、本発明においては、上記状態量計測装置は、上記タービン翼を挟んで上記作動ガスの流入側の圧力及び上記作動ガスの流出側の圧力に基づいて、上記作動ガスの膨張比を計測するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、作動ガスの流出側の圧力を分母とし、作動ガスの流入側の圧力を分子とした作動ガスの膨張比を計測して、タービン翼を通過する際に生じる作動ガスの膨張現象によりタービン翼が受ける振動の影響を解析することが可能となる。

また、本発明においては、上記状態量計測装置は、上記導入口の開度を、上記導入口に設けられた可変ノズルベーンを傾動させるアクチュエータのストロークから計測するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、導入口の開度とノズルベーンを形動させるアクチュエータのストロークと一対一の関係を有するため、該ストロークを計測すれば、導入口の開度を計測することが可能となる。

本発明によれば、作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した上記レーザー光を受光する光学プローブを備え、該光学プローブの受光結果に基づいて上記タービン翼の振動を計測する振動計測装置と、上記タービン翼の振動因子の状態量を計測する状態量計測装置とを有するという構成を採用し、タービン翼の振動量を計測すると共に他の状態量も同時に計測することで、タービン翼の振動に影響する因子を調べることが可能となる。
したがって、本発明では、タービン翼の振動を複数の視点から解析することができ、タービン翼が他の状態量との関係でどのような影響を受けて振動しているかを調べることができる。

本発明の実施形態における光学プローブが設けられた可変容量型ターボチャージャを示す全体構成図である。 図１における矢視Ｋ図である。 本発明の実施形態における振動解析システムを示す構成図である。 本発明の実施形態における振動解析システムの計測結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における光学プローブが設けられた可変容量型ターボチャージャを示す全体構成図である。図２は、図１における矢視Ｋ図である。図３は、本発明の実施形態における振動解析システムを示す構成図である。図４は、本発明の実施形態における振動解析システムの計測結果を示す図である。
図に示すように本実施形態の振動解析システム１００の対象となる供試体は、可変容量型ターボチャージャＴである。

可変容量型ターボチャージャＴは、ベアリングハウジング１ａ、タービンハウジング１ｂ及びコンプレッサハウジング１ｃからなるハウジング１を有している。
ベアリングハウジング１ａ内には、図１中水平方向に延びるタービン軸２が図示しないベアリングを介して回転自在に軸支されている。そして、このタービン軸２の一端側（図示の例では左端側）にはタービンインペラ（タービン翼）３が一体的に連結され、他端側（図示の例では右端側）にはコンプレッサインペラ４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ３はタービンハウジング１ｂ内に配置され、コンプレッサインペラ４はコンプレッサハウジング１ｃ内に配置されるように構成されている。

タービンハウジング１ｂは、タービンインペラ３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路５を有すると共に、タービン軸２の軸心方向で、且つ、そのタービン軸２と反対側に開口する、作動ガスの排気口であるタービンハウジング出口６を有している。また、タービンハウジング１ｂ内のタービンインペラ３の径方向外側には略環状を呈する、可変ノズルユニットＮが設置されている。

タービンスクロール流路５は、タービンインペラ３を囲んで略環状に形成されていると共に、このタービンスクロール流路５は、作動ガスを導入するためのガス流入口５Ａと連通されている。また、タービンスクロール流路５及びタービンハウジング出口６間に形成される空間（ノズル流路（導入口）Ｎ１）には、可変ノズルユニットＮの後述するノズルベーン１２が配置されるように構成されている。

コンプレッサハウジング１ｃには、タービン軸２の軸心方向で、且つ、そのタービン軸２と反対側に開口する吸気口７が形成されている。また、ベアリングハウジング１ａとコンプレッサハウジング１ｃとの間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路８がコンプレッサインペラ４の径方向外側で略環状に形成されている。このディフューザ流路８は、コンプレッサインペラ４の設置箇所を介して吸気口７と連通されている。
さらに、コンプレッサハウジング１ｃは、コンプレッサインペラ４の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路９が形成されていていると共に、このコンプレッサスクロール流路９は、ディフューザ流路８と連通されている。なお、コンプレッサスクロール流路９は、図示しない内燃機関の吸気口と連通されている。

可変ノズルユニットＮは、タービンスクロール流路５及びタービンハウジング出口６間に形成されるノズル流路Ｎ１に、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間の周囲に所定の等間隔を保って設けられた複数のノズルベーン１２が支軸１３を介して回動自在に設けられている。そして、各ノズルベーン１２の支軸１３は、それぞれ同期用伝達リンク１４に接続されていて、これら同期用伝達リンク１４は、回動自在に設けられている駆動リング１５に連結されている。

上記駆動リング１５は、駆動軸１６の一端側に連結された駆動用伝達リンク１７に連結されている。駆動軸１６は、ベアリングハウジング１ａに設けられた軸受１８に貫通して軸支されている。そして、この駆動軸１６の他端側には、ベアリングハウジング１ａの外側に位置するアクチュエータＡと駆動レバー１９を介して連結されている。

この可変容量型ターボチャージャＴおいて、図示しない内燃機関の排気口から排出された作動ガスはタービンスクロール流路５に導入される。そして、その導入された作動ガスは、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間のノズル流路Ｎ１を流通し、タービンインペラ３を回転駆動させ、タービンハウジング出口６から排出される。タービンインペラ３が回転駆動するとタービン軸２で連結されたコンプレッサインペラが回転駆動し、圧縮空気を生成する。

他方、アクチュエータＡの動作は、駆動レバー１９を介して駆動軸１６を回転させ、その駆動軸１６の端部に設けられた駆動用伝達リンク１７を介して駆動リング１５を回転駆動させる。この駆動リング１５が回転駆動することにより、各同期用伝達リンク１４を介して各ノズルベーン１２の角度を同期して傾動（可変）させ、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間のノズル流路Ｎ１の開口面積（開度）が変化させられる。そして、この開口面積の変化により、タービンインペラ３に供給される作動ガスの流量が調節される。

次に、上記構成の可変容量型ターボチャージャＴのタービンインペラ３の振動を解析する振動解析システム１００について説明する。
光学プローブ５０は、作動ガスを受けて回転駆動するタービンインペラ３に向けて投光したレーザー光の反射光を検知してタービンインペラ３の振動を計測するものであり、レーザー光を導く光ファイバーケーブル５１を備える。光ファイバーケーブル５１は、レーザー光を投光する投光用の光ファイバー（投光部）と、反射光を受光する受光用の光ファイバー（受光部）とを備える。投光用の光ファイバー及び受光用の光ファイバーは、タービンインペラ３の端面３ａに対向する先端部５１ａにおいて露出している。この光学プローブ５０は、タービンインペラ３のラジアル方向（半径方向）に直線的に延び、タービンハウジング１ｂを貫通して、タービンスクロール流路５を横切り、タービンインペラ３の端面３ａ近傍まで延在している。

投光用の光ファイバーは、レーザー発振機１０１（図３参照）に接続されており、レーザー発振機１０１から伝送されたレーザー光は、タービンインペラ３の端面３ａに向けて投光される。そして、タービンインペラ３の端面３ａで反射したレーザー光は、受光用の光ファイバーで受光され伝送される。受光用の光ファイバーで伝送された反射光は、光電変換器で電気信号に変換されて、翼振動用ＰＣ（ＰＣ：Personal Computer）１０２（振動計測装置）によって解析される。
タービンインペラ３が振動していると、タービンインペラ３の端面３ａの変形によって反射したパルス状のレーザー光の受光タイミングに微小なズレが生じるので、その変化量を計測することによって、タービンインペラ３の振動レベル（振幅）計測が可能となる。また、振動レベルをＦＥＭ（Finite Element Method）を用いて数値解析することで、タービンインペラ３に作用する応力を計測することが可能となる。

翼振動用ＰＣ１０２に接続されたSystem本体１０３は、光学プローブ５０で計測した信号を受けると共に、光センサ６０で計測したタービン軸２の回転信号（回転数）を受信する。これらの信号は、モニタ用のオシロスコープ１０４に出力され、また、ＤＡＴ（Digital Audio Tape）１０５で記録される。
また、可変容量型ターボチャージャＴには、騒音を計測する不図示のマイクロフォンや、外部振動を計測する不図示の加速度センサが設けられており、それらの計測信号は、光センサ６０の回転信号と共にＤＡＴ１０６で記録され、フーリエ変換処理を実行するＦＦＴ（Fast Fourier Transform）用ＰＣ１０７において各周波数成分に分解されて解析される。

状態量計測用ＰＣ（状態量計測装置）１０８は、図１に示すガス流入口５Ａに設けられ流入側の作動ガスの圧力を計測する圧力センサ６１、タービンハウジング出口６に設けられ流出側の作動ガスの圧力を計測する圧力センサ６２、ガス流入口５Ａに設けられ流入側の作動ガスの温度を計測する温度センサ６３、また、図２に示すアクチュエータＡのストロークを計測するストローク計測センサ６４からの計測信号を、サーモダック１０９においてＡ／Ｄ変換等の処理を施して並列で記録し、タービンインペラ３の振動因子の状態量を計測する。

また、状態量計測用ＰＣ１０８は、図１に示す磁化ナット６５及び検知コイル６６を備える回転検知機構６７で計測したタービン軸２の回転信号をＦＶコンバータ１１０及びサーモダック１０９を介して受信する。回転検知機構６７については、本出願人が先に特願平９−２６１９３で提案しているので、詳しい説明はその先願に譲るが、周方向にＮ極Ｓ極が分極された磁化ナット６５がタービン軸２と一体となって回転すると、その周面に対向して配置された検知コイル６６に電磁誘導によって電流が生じる。磁化ナット６５は、その周方向に分極されているために検知コイル６６に流れる電流は正弦波交流となり、この周波数をＦＶコンバータ１１０で計測することでタービン軸２の回転数を検知する。

上記構成の振動解析システム１００によれば、光学プローブ５０からタービンインペラ３の振動データが得られ、同時に他の状態量を計測するセンサからタービンインペラ３の振動に影響する振動因子のデータが得られる。振動解析システム１００は、計測時間、あるいは回転数データに基づいて、翼振動用ＰＣ１０２の計測結果と状態量計測用ＰＣ１０８の計測結果を比較することにより、ある条件下のタービンインペラ３の振動状態を解析することができる。
続いて、上記構成の振動解析システム１００を用いて得られたタービンインペラ３の振動の解析結果について、図４を参照して説明する。

図４において、縦軸は翼振動振幅を、横軸はタービン膨張比を示す。なお、翼振動振幅は翼振動用ＰＣ１０２が光学プローブ５０を用いて計測したタービンインペラ３の振動データであり、タービン膨張比は状態量計測用ＰＣ１０８が圧力センサ６１及び圧力センサ６２を用いて計測した作動ガスの圧力であって、流出側の圧力を分母とし流入側の圧力を分子とした作動ガスの膨張比のデータである。

また、図４中のプロットは、ストローク計測センサ６４で計測したアクチュエータＡのストローク（ｓｔ）及び温度センサ６３で計測した作動ガスの温度（Ｔｖｔ）をパラメータとして、これら条件を変化させたときのタービン膨張比と翼振動振幅の関係を示している。なお、ノズルベーン１２を傾動させるアクチュエータＡのストロークは、ノズル流路Ｎ１の開度と一対一の関係を有するため、ストローク（ｓｔ）はノズル流路Ｎ１の開度を示すこととなる。

図４に示すように、条件を変化させて計測したデータを解析した結果、タービン膨張比に対して翼振動振幅は２次的に変化するという傾向が確認された。これは、タービンインペラ３を通過する際に生じる作動ガスの膨張現象が大きいほど、タービンインペラ３の振動に与える影響が大きくなることを示している。また、ノズル流路Ｎ１の開度及び作動ガスの温度によっても、翼振動振幅にバラツキが生じており、これらの条件がタービンインペラ３の振動に影響することが分かる。

したがって、本実施形態の振動解析システム１００によれば、タービンインペラ３の振動を複数の視点から解析することができ、タービンインペラ３が他の状態量との関係でどのような影響を受けて振動しているかを調べることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

３…タービンインペラ（タービン翼）、３ａ…端面、１２…ノズルベーン、５０…光学プローブ、１００…振動解析システム、１０２…翼振動用ＰＣ（振動計測装置）、１０８…状態量計測用ＰＣ（状態量計測装置）、Ａ…アクチュエータ、Ｎ１…ノズル流路（導入口）

Claims (4)

1. 作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した前記レーザー光を受光する光学プローブを備え、該光学プローブの受光結果に基づいて前記タービン翼の振動を計測する振動計測装置と、
   前記タービン翼の振動因子の状態量を計測する状態量計測装置とを有することを特徴とするタービン翼の振動解析システム。
2. 前記状態量計測装置は、
   前記状態量として、前記作動ガスの圧力と、前記作動ガスの温度と、前記タービン翼に前記作動ガスを導入する導入口の開度とを計測することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼の振動解析システム。
3. 前記状態量計測装置は、前記タービン翼を挟んで前記作動ガスの流入側の圧力及び前記作動ガスの流出側の圧力に基づいて、前記作動ガスの膨張比を計測することを特徴とする請求項２に記載のタービン翼の振動解析システム。
4. 前記状態量計測装置は、前記導入口の開度を、前記導入口に設けられたノズルベーンを傾動させるアクチュエータのストロークから計測することを特徴とする請求項２または３に記載のタービン翼の振動解析システム。

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