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