JP2012137335A - 動翼の振動計測方法および動翼の振動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動翼の振動を精度良く計測することができる動翼の振動計測方法および動翼の振動計測装置を提供する。
【解決手段】タービン動翼８が設けられたタービンロータ５を、回転軸Ｓを中心に回転させながら、タービン動翼８の振動を計測するタービン動翼８の振動計測方法において、タービン動翼８に対して軸方向に対向するように設置された第１非接触式検出センサ１５を通過するタービン動翼８を検出する第１動翼検出工程と、タービン動翼８に対して径方向に対向するように設置された第２非接触式検出センサ１６を通過するタービン動翼８を検出する第２動翼検出工程と、第１非接触式検出センサ１５から得られた検出信号に基づいて、タービン動翼８の振動を導出する第１動翼振動導出工程と、第２非接触式検出センサ１６から得られた検出信号に基づいて、タービン動翼８の振動を導出する第２動翼振動導出工程とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、動翼が設けられた回転機械を回転させて、動翼の振動を非接触で計測する動翼の振動計測方法および動翼の振動計測装置に関するものである。

従来、回転するタービン動翼の振動を非接触で計測する非接触振動計測方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この非接触振動計測方法では、レーザ変位計を用いて、シュラウドの側面にレーザ光を照射し、シュラウドの側面からの反射光を受光することで、タービン動翼の振動を計測している。

特開平７−２７６０１号公報

ここで、計測された動翼の振動は、例えば、動翼に加わる応力を解析するときの入力値として用いられる。しかしながら、従来の非接触振動計測方法では、レーザ変位計をシュラウドの側面にのみ照射するため、動翼の一方向における振動しか計測することができない。この場合、動翼の振動を一方向しか計測していないために、動翼の振動を十分に評価することができず、解析の入力値として用いる場合には、計測された動翼の振動の信頼性を確保することが困難である。

そこで、本発明は、動翼の振動を精度良く計測することができる動翼の振動計測方法および動翼の振動計測装置を提供することを課題とする。

本発明の動翼の振動数計測方法は、動翼が設けられた回転機械を、回転軸を中心に回転させながら、動翼の振動を計測する動翼の振動計測方法において、動翼に対して軸方向に対向するように設置された第１非接触式検出センサを通過する動翼を検出する第１動翼検出工程と、動翼に対して径方向に対向するように設置された第２非接触式検出センサを通過する動翼を検出する第２動翼検出工程と、第１非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、動翼の振動を導出する第１動翼振動導出工程と、第２非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、動翼の振動を導出する第２動翼振動導出工程と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、動翼の軸方向および径方向の二方向から、周方向における動翼の振動を導出することができる。このため、動翼の二方向から振動を計測することができ、動翼の二次元での評価が可能となる。これにより、導出された動翼の振動は、精度の高いものとすることができ、解析の入力値として用いられる場合にも、信頼性を確保したものとすることができる。

この場合、第１非接触式検出センサおよび第２非接触式検出センサは、それぞれ周方向に複数設けられ、隣接する第１非接触式検出センサ同士の間、および隣接する第２非接触式検出センサ同士の間の位相θは、「θ＝（３６０°／回転機械の回転数／動翼の固有振動数）／センサ個数」で求められる位相θとなっていることが好ましい。

この構成によれば、第１非接触式検出センサおよび第２非接触式検出センサの配置を、計測される動翼の固有振動数に適した配置とすることができる。これにより、第１非接触式検出センサおよび第２非接触式検出センサによる動翼の検出を好適に行うことが可能となり、ひいては、検出信号に基づく動翼の振動を好適に導出することができる。

この場合、回転検出センサによって回転機械の回転周期を検出する回転周期検出工程と、第１非接触式検出センサから得られた検出信号および第２非接触式検出センサから得られた検出信号を、検出した回転周期に対応付ける回転周期対応工程と、を備えたことが好ましい。

この構成によれば、動翼の検出信号を回転機械の回転周期に対応させることができるため、回転機械の回転数が変わっても、動翼の振動を導出することが可能となる。

この場合、動翼に対向するように設置された温度センサによって、動翼の表面温度を検出する動翼温度検出工程と、検出した動翼の表面温度に基づいて、導出した動翼の振動を補正する動翼振動補正工程と、を備えたことが好ましい。

この構成によれば、動翼の表面温度に基づいて、動翼の振動を補正することができるため、導出される動翼の振動をさらに精度の良いものとすることができる。

本発明の動翼の振動計測装置は、動翼が設けられた回転機械を、回転軸を中心に回転させながら、動翼の振動を計測する動翼の振動計測装置において、動翼に対して軸方向に対向するように設置された第１非接触式検出センサと、動翼に対して径方向に対向するように設置された第２非接触式検出センサと、第１非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、動翼の振動を導出する第１動翼振動導出部と、第２非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、動翼の振動を導出する第２動翼振動導出部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、動翼の軸方向および径方向の二方向から、周方向における動翼の振動を導出することができる。このため、動翼の二方向から振動を計測することができ、動翼の二次元での評価が可能となる。これにより、導出された動翼の振動は、精度の高いものとすることができ、各種解析の入力値として用いられる場合にも、信頼性を確保したものとすることができる。

本発明の動翼の振動計測方法および動翼の振動計測装置によれば、軸方向および径方向の二方向から、動翼の振動を評価することができるため、動翼の振動を精度の良く計測することができる。

図１は、本実施例に係るタービン動翼の振動計測装置の概略構成図である。 図２は、タービン動翼の振動計測装置を軸方向から見た部分平面図である。 図３は、回転検出センサおよび非接触式検出センサによって得られた検出信号の説明図である。 図４は、検出パルスから導出されるタービン動翼の振動を表したグラフである。 図５は、タービン動翼の振動を計測する振動計測方法の手順を表すフローチャートである。

以下、添付した図面を参照して、本発明の動翼の振動計測方法および動翼の振動計測装置について説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本実施例に係る動翼の振動計測装置は、動翼を有する回転機械を回転させながら、動翼に発生する振動を計測するものである。先ず、図１および図２を参照して、計測対象となる回転機械について説明する。

図１は、本実施例に係る動翼の振動計測装置の概略構成図であり、図２は、動翼の振動計測装置を軸方向から見た部分平面図である。回転機械は、いわゆる、タービンロータ５であり、タービンロータ５は、回転軸Ｓを中心に回転するハブ７と、ハブ７の周面に設けられると共に軸心から放射状に配設された複数のタービン動翼８と、を有している。タービンロータ５は、流入した作動流体を複数のタービン動翼８に受けて回転可能に構成されている。各タービン動翼８は、ハブ７の周面（ハブ面７ａ）に接続された固定端側（基端側）がハブ側となっており、自由端側（先端側）がシュラウド側となっている。

続いて、上記のタービンロータ５におけるタービン動翼８の振動数を測定する振動計測装置１について説明する。図１に示すように、振動計測装置１は、第１非接触式検出センサ１５と、第２非接触式検出センサ１６と、回転検出センサ１７と、温度センサ１８と、を備え、これら各センサ１５，１６，１７，１８は、演算装置２０に接続されている。そして、演算装置２０は、接続された各センサ１５，１６，１７，１８から得られた検出結果に基づいて、タービン動翼８の振動を導出している。

第１非接触式検出センサ１５は、タービン動翼８に対して軸方向に対向するように配置されている。図２に示すように、この第１非接触式検出センサ１５は、周方向に等間隔に、所定の位相θの間隔を空けて、複数（本実施例では、例えば４つ）配設されている。つまり、複数の第１非接触式検出センサ１５は、周方向の正回転方向側（図示左側）から、第１非接触式検出センサ１５ａ、第１非接触式検出センサ１５ｂ、第１非接触式検出センサ１５ｃおよび第１非接触式検出センサ１５ｄを有している。そして、複数の第１非接触式検出センサ１５は、タービンロータ５の回転時において、通過する各タービン動翼８をそれぞれ検出している。

第２非接触式検出センサ１６は、タービン動翼８に対して径方向に対向するように配置されている。図２に示すように、この第２非接触式検出センサ１６は、周方向に等間隔に、所定の位相θの間隔を空けて、複数（本実施例では、例えば４つ）配設されている。つまり、複数の第２非接触式検出センサ１６は、周方向の正回転方向側（図示左側）から、第２非接触式検出センサ１６ａ、第２非接触式検出センサ１６ｂ、第２非接触式検出センサ１６ｃおよび第２非接触式検出センサ１６ｄを有している。そして、複数の第２非接触式検出センサ１６は、タービンロータ５の回転時において、通過する各タービン動翼８をそれぞれ検出している。

ここで、第１非接触式検出センサ１５および第２非接触式検出センサ１６は、検出するタービン動翼８の固有振動数ｆｂに基づいて、下記する（１）式から、位相θを設定している。（１）式は、「θ＝（３６０°／ｆｎ／ｆｂ）／Ｎｓ」で表される。このとき、ｆｎは、タービンロータ５の回転数であり、ｆｂは、タービン動翼８の固有振動数であり、Ｎｓは、非接触式センサの個数である。なお、タービン動翼８の固有振動数ｆｂは、タービン動翼８を叩いて固有振動数ｆｂを計測するタッピング検査等により予め求めている。そして、複数の第１非接触式検出センサ１５および複数の第２非接触式検出センサ１６は、（１）式から導出された位相θ分だけ、間隔をそれぞれ空けて配置されている。

回転検出センサ１７は、タービン動翼８の１回転の周期を回転パルスＰ１として検出している。なお、詳細は後述するが、１周期毎に検出した回転パルスＰ１は、タービン動翼８の枚数分だけ逓倍している。つまり、タービン動翼８が、例えば、６枚設けられていれば、１周期における回転パルスＰ１を６倍することで、１周期に回転パルスＰ１を６つ生成することとなる。

温度センサ１８は、タービン動翼８の表面温度を検出している。温度センサ１８によって検出された検出温度は、タービン動翼８の振動を補正する際の入力値となる。

次に、図３を参照して、第１非接触式検出センサ１５、第２非接触式検出センサ１６および回転検出センサ１７によって検出される検出信号について説明する。図３は、回転検出センサおよび非接触式検出センサによって得られた検出信号の説明図である。なお、説明を簡単にすべく、第１非接触式検出センサ１５および第２非接触式検出センサ１６によって検出された検出信号は、非接触式検出センサの検出信号として統一して取り扱う。

図３に示すように、最も上側の信号は、回転検出センサ１７によって検出された回転パルスＰ１の信号であり、タービンロータ５の１回転の周期を検出している。回転パルスＰ１の下側の信号は、回転パルスＰ１に基づいて生成された、タービン動翼８の翼枚数分の回転パルスＰ２の信号である。つまり、翼枚数分の回転パルスＰ２では、第１のタービン動翼８である「翼＃１」の回転パルスＰ２、第２のタービン動翼８である「翼＃２」の回転パルスＰ２、第３のタービン動翼８である「翼＃３」の回転パルスＰ２が、順に生成され、１周期した後、再び、「翼＃１」の回転パルスＰ２に戻って順に生成される。

翼枚数分の回転パルスＰ２の下側の信号は、順に、非接触式検出センサ１５ａ，１６ａの検出パルスＹ１、非接触式検出センサ１５ｂ，１６ｂの検出パルスＹ２、非接触式検出センサ１５ｃ，１６ｃの検出パルスＹ３、非接触式検出センサ１５ｄ，１６ｄの検出パルスＹ４の信号となっている。つまり、複数の非接触式検出センサ１５，１６では、第１のタービン動翼８である「翼＃１」の検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４、第２のタービン動翼８である「翼＃２」の検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４、第３のタービン動翼８である「翼＃３」の検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４を、順に検出する。

演算装置２０は、第１非接触式検出センサ１５から得られた検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に基づいて、タービン動翼８の振動を導出する第１動翼振動導出部２２と、第２非接触式検出センサ１６から得られた検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に基づいて、タービン動翼８の振動を導出する第２動翼振動導出部２３と、を有している。また、演算装置２０は、温度センサ１８から得られた検出温度に基づいて、タービン動翼８の振動を補正する動翼温度補正部２４を有している。

第１動翼振動導出部２２は、図３に示す所定のタービン動翼８の回転パルスＰ２および検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４から、位相偏差ΔＴを導出し、導出した位相偏差ΔＴをタービン動翼８毎に並べることで、各タービン動翼８の振動を導出している。以下、図３および図４を参照して、第１動翼振動導出部２２が、「翼＃１」のタービン動翼８の振動を導出する手順について具体的に説明する。図４は、検出パルスから導出されるタービン動翼の振動を表したグラフである。

「翼＃１」の回転パルスＰ２から、基準となる「翼＃１」の検出パルスＹ１までの位相を、初期位相Ｔ１としている。「翼＃１」の回転パルスＰ２から、基準となる「翼＃１」の検出パルスＹ２までの位相を、初期位相Ｔ２としている。「翼＃１」の回転パルスＰ２から、基準となる「翼＃１」の検出パルスＹ３までの位相を、初期位相Ｔ３としている。「翼＃１」の回転パルスＰ２から、基準となる「翼＃１」の検出パルスＹ４までの位相を、初期位相Ｔ４としている。

そして、第１動翼振動導出部２２は、「翼＃１」の回転パルスＰ２から第１非接触式検出センサ１５ａによって検出された「翼＃１」の検出パルスＹ１までの位相から、初期位相Ｔ１を差し引くことで、「翼＃１」のタービン動翼８における第１非接触式検出センサ１５ａを用いた位相偏差ΔＴを導出する。同様に、第１動翼振動導出部２２は、「翼＃１」の回転パルスＰ２から第１非接触式検出センサ１５ｂによって検出された「翼＃１」の検出パルスＹ２までの位相から、初期位相Ｔ２を差し引くことで、「翼＃１」のタービン動翼８における第１非接触式検出センサ１５ｂを用いた位相偏差ΔＴを導出する。同様に、第１動翼振動導出部２２は、「翼＃１」の回転パルスＰ２から第１非接触式検出センサ１５ｃによって検出された「翼＃１」の検出パルスＹ３までの位相から、初期位相Ｔ３を差し引くことで、「翼＃１」のタービン動翼８における第１非接触式検出センサ１５ｃを用いた位相偏差ΔＴを導出する。同様に、第１動翼振動導出部２２は、「翼＃１」の回転パルスＰ２から第１非接触式検出センサ１５ｄによって検出された「翼＃１」の検出パルスＹ４までの位相から、初期位相Ｔ４を差し引くことで、「翼＃１」のタービン動翼８における第１非接触式検出センサ１５ｄを用いた位相偏差ΔＴを導出する（図３参照）。

そして、図４に示すように、第１動翼振動導出部２２は、第１非接触式検出センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを用いて導出された位相偏差ΔＴをそれぞれプロットすることで、「翼＃１」のタービン動翼８の振動を導出する。なお、他のタービン動翼８の振動を導出する場合も同様の手順で行われる。このとき、第１非接触式検出センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが、タービンロータ５の全周に設けられていない場合、タービンロータ５の全周に亘るタービン動翼８の振動を導出するには、タービン動翼８の一部の振動（図４の実線部分）から、タービン動翼８の全周の振動を補完するように生成すればよい。

第２動翼振動導出部２３は、図３に示す所定のタービン動翼８の回転パルスＰ２および検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４から、位相偏差ΔＴを導出し、導出したΔＴをタービン動翼８毎に並べることで、各タービン動翼８の振動を導出している。なお、第２動翼振動導出部２３は、第１動翼振動導出部２２と同様の構成であるため、説明を省略する。

動翼温度補正部２４は、導出した各タービン動翼８の振動を、各タービン動翼８の表面温度に基づいて補正している。

次に、図５を参照して、本実施例の振動計測装置１により、タービン動翼８の振動を計測する振動計測方法について説明する。図５は、タービン動翼の振動を計測する振動計測方法の手順を表すフローチャートである。先ず、振動計測装置１はタービン動翼８の回転周期の逓倍となるように、第１非接触式検出センサ１５、第２非接触式検出センサ１６および回転検出センサ１７のサンプリング周波数を設定する（ステップＳ１）。この後、振動計測装置１は、回転検出センサ１７の回転パルスＰ１を、翼枚数分だけ逓倍する（ステップＳ２：回転周期検出工程）。続いて、振動計測装置１は、回転パルスＰ１をトリガとして、第１非接触式検出センサ１５および第２非接触式検出センサ１６による検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の検出を開始する（ステップＳ３：回転周期対応工程）。これにより、振動計測装置１は、検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４を回転パルスＰ１の回転周期に対応付けることができる。

第１非接触式検出センサ１５および第２非接触式検出センサ１６によって、検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４が検出される（ステップＳ４：第１動翼検出工程および第２動翼検出工程）と、振動計測装置１は、第１動翼振動導出部２２および第２動翼振動導出部２３によって、位相偏差ΔＴを導出する（ステップＳ５）。そして、振動計測装置１は、導出された位相偏差ΔＴを、複数の第１非接触式検出センサ１５毎、および複数の第２非接触式検出センサ１６毎にそれぞれ保存する（ステップＳ６）。

続いて、振動計測装置１は、第１動翼振動導出部２２および第２動翼振動導出部２３によって、保存した位相偏差ΔＴを、タービン動翼８毎に整理する（ステップＳ７）。これにより、振動計測装置１は、図４の実線部分に示すような、タービン動翼８の一部の振動が得られる。そして、振動計測装置１は、タービン動翼８の一部の振動に基づいて、タービン動翼８の全周の振動を補完することで、タービンロータ５の全周に亘るタービン動翼８毎の振動を生成する（ステップＳ８：第１動翼振動導出工程および第２動翼振動導出工程）。

この後、振動計測装置１は、回転検出センサ１７の検出結果から、タービンロータ５が所定の回転数（本実施例では、例えば８回転）分、回転を行ったか否かを判断する（ステップＳ９）。つまり、振動計測装置１は、所定の回転数分だけ回転を行うことで、タービン動翼８の振動を所定の周期分だけ取得することができるため、タービン動翼８の振動を信頼性の高いものとする。振動計測装置１は、所定の回転数分、回転を行ったと判断する（Ｙｅｓ）と、次のステップに移行する一方で、所定の回転数分、回転を行っていないと判断する（Ｎｏ）と、ステップＳ３に進む。

ステップＳ９において、所定の回転数分、回転を行ったと判断すると、振動計測装置１は、所定の回転数分のタービン動翼８の振動を結合し（ステップＳ１０）、タービン動翼８毎に結合した振動をＦＦＴ分析する（ステップＳ１１）。そして、振動計測装置１は、ＦＦＴ分析により得られた、タービンロータ５の回転数に応じたＦＦＴデータを保存する（ステップＳ１２）。この後、振動計測装置１は、保存したＦＦＴデータに基づいて、タービンロータ５の回転数と、タービン動翼８の振動数からキャンベル線図を描画する（ステップＳ１３）。そして、振動計測装置１は、分析を終了する（Ｙｅｓ：ステップＳ１４）。一方で、振動計測装置１は、分析を終了しない場合（Ｎｏ：ステップＳ１４）は、再度、ステップＳ１に進む。

以上のように、本実施例の振動計測装置１および本実施例の振動計測方法によれば、タービン動翼８の軸方向および径方向の二方向から、タービン動翼８の振動を導出することができる。このため、タービン動翼８の二方向から振動を計測することができ、タービン動翼８の二次元での評価が可能となる。これにより、導出されたタービン動翼８の振動は、精度の高いものとすることができ、解析の入力値として用いられる場合にも、信頼性を確保したものとすることができる。

また、複数の第１非接触式検出センサ１５同士、および複数の第２非接触式検出センサ１６同士の間隔を、（１）式によって求められる位相θとしたため、第１非接触式検出センサ１５および第２非接触式検出センサ１６の配置を、計測されるタービン動翼８の振動数に適した配置とすることができる。これにより、第１非接触式検出センサ１５および第２非接触式検出センサ１６によるタービン動翼８の検出を好適に行うことが可能となり、ひいては、検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に基づくタービン動翼８の振動を好適に導出することができる。

また、回転検出センサ１７により回転パルスＰ１を検出することで、タービン動翼８の検出パルスＹ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４をタービンロータ５の回転周期に対応させることができるため、タービンロータ５の回転数が変わっても、タービン動翼８の振動を導出することが可能となる。

なお、上記したタービン動翼８の振動計測方法において、温度センサ１８によって検出されたタービン動翼８の表面温度に基づいて、動翼温度補正部２４によりタービン動翼８の振動を補正する動翼振動補正工程を、さらに行ってもよい。この場合、タービン動翼８の表面温度に基づいて、タービン動翼８の振動を補正することができるため、導出されるタービン動翼８の振動をさらに精度の良いものとすることができる。

１ 振動計測装置
５ タービンロータ
７ ハブ
８ タービン動翼
１５ 第１非接触式検出センサ
１６ 第２非接触式検出センサ
１７ 回転検出センサ
１８ 温度センサ
２０ 演算装置
２２ 第１動翼振動導出部
２３ 第２動翼振動導出部
２４ 動翼温度補正部

Claims (5)

1. 動翼が設けられた回転機械を、回転軸を中心に回転させながら、前記動翼の振動を計測する動翼の振動計測方法において、
   前記動翼に対して軸方向に対向するように設置された第１非接触式検出センサを通過する前記動翼を検出する第１動翼検出工程と、
   前記動翼に対して径方向に対向するように設置された第２非接触式検出センサを通過する前記動翼を検出する第２動翼検出工程と、
   前記第１非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、前記動翼の振動を導出する第１動翼振動導出工程と、
   前記第２非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、前記動翼の振動を導出する第２動翼振動導出工程と、を備えたことを特徴とする動翼の振動計測方法。
2. 前記第１非接触式検出センサおよび前記第２非接触式検出センサは、それぞれ周方向に複数設けられ、隣接する前記第１非接触式検出センサ同士の間、および隣接する前記第２非接触式検出センサ同士の間の位相θは、「θ＝（３６０°／回転機械の回転数／動翼の固有振動数）／センサ個数」で求められる位相θとなっていることを特徴とする請求項１に記載の動翼の振動計測方法。
3. 回転検出センサによって前記回転機械の回転周期を検出する回転周期検出工程と、
   前記第１非接触式検出センサから得られた検出信号および前記第２非接触式検出センサから得られた検出信号を、検出した前記回転周期に対応付ける回転周期対応工程と、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の動翼の振動計測方法。
4. 前記動翼に対向するように設置された温度センサによって、前記動翼の表面温度を検出する動翼温度検出工程と、
   検出した前記動翼の表面温度に基づいて、導出した前記動翼の振動を補正する動翼振動補正工程と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の動翼の振動計測方法。
5. 動翼が設けられた回転機械を、回転軸を中心に回転させながら、前記動翼の振動を計測する動翼の振動計測装置において、
   前記動翼に対して軸方向に対向するように設置された第１非接触式検出センサと、
   前記動翼に対して径方向に対向するように設置された第２非接触式検出センサと、
   前記第１非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、前記動翼の振動を導出する第１動翼振動導出部と、
   前記第２非接触式検出センサから得られた検出信号に基づいて、前記動翼の振動を導出する第２動翼振動導出部と、を備えたことを特徴とする動翼の振動計測装置。

Images