JP2013072688A - 固有振動数計測装置及び固有振動数計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の固定状態を効率的及び確実に調整することができる固有振動数計測装置及び固有振動数計測方法を提供する。
【解決手段】対象物の固有振動数を測定するための装置である固有振動数計測装置１は、固有振動数を測定する対象物１を任意の固定力で固定可能な固定手段２１と、前記対象物１を連続的に加振する加振手段３１と、前記加振手段３１による前記対象物１の振動状態を計測する振動計測手段４１とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固有振動数計測装置及び固有振動数計測方法に関するものである。

一般に、蒸気タービンやガスタービン等の回転機械の静翼においては、作動中の共振を回避するために、固有振動数を計測し調整する必要がある。ここで、固有振動数を計測する場合には、通常振動測定装置が用いられる。

従来、振動測定装置としては、例えば、静翼を、所定の状態に固定する装置と、振動付与装置と、振動計測装置とを備えているものが採用されている（下記特許文献１参照）。これによれば、静翼を固定して、インパルス加振法等で加振することにより、該静翼の固有振動数を測定することができる。

特開平２−２９７０３７号公報

ここで、上記特許文献１に記載の振動測定装置では、静翼を固定する場合には、根元にあたる内周側及び外周側のシュラウド部を確実に拘束する必要があり、ボルトやナットの締め付けにより固定力を調整する。しかしながら、適切な固定力となるように設定するためには、タッピングにより振動スペクトルを確認し、所定のスペクトルが得られなければ、再度固定力を調整し、タッピングにより振動スペクトルを確認するという作業を繰り返さなければならない。したがって、所定のスペクトルが得られるまで、上記作業を繰り返し行う必要があり、効率が悪いという問題点があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、対象物の固定状態を効率的及び確実に調整することができる固有振動数計測装置及び固有振動数計測方法を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る固有振動数計測装置は、固有振動数を測定する対象物を任意の固定力で固定可能な固定手段と、前記対象物を連続的に加振する加振手段と、前記加振手段による前記対象物の振動状態を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする。

このような固有振動数計測装置は、連続的に加振し、振動状態を計測することにより、固定力に対する振動状態を連続的に把握することができるため、対象物の固定状態を効率的かつ確実に調整することができる。

また、本発明に係る固有振動数計測装置は、前記固定手段による前記固定力を調整する固定力調整手段と、前記振動計測手段による前記振動状態の計測結果に基づいて、前記固定力調整手段を制御する制御装置とをさらに備えることを特徴とする。

これによって、最適な固定力となるように、制御装置により自動的に調整することができるため、対象物の固定状態をより効率的に調整することができる。

また、本発明に係る固有振動数計測装置は、前記固定手段は、基台の上に設けられ、前記対象物の一端を固定する第一固定機構と、前記基台の上に設けられ、前記対象物の他端を固定する第二固定部とを有し、前記加振手段は、電磁マグネット又は電圧素子で構成させ、前記振動計測手段は、前記対象物の振動状態を検出する検出部と、該検出部に基づく検出出力を表示する表示部とを備えることを特徴とする。

これによって、第一固定機構及び第二固定機構により、対象物を両端から固定することができるとともに、固定状態を確実に調整することができる。また、電磁マグネット又は圧電素子により、確実に連続的に加振することができる。また、表示部により連続的な振動状態を随時把握することができるため、対象物の固定状態をより効率的に調整することができる。

また、本発明に係る固有振動数計測装置において、前記対象物は、回転機械の静翼であることを特徴とする。

これによって、静翼の固定状態を効率的かつ確実に調整することができる。

また、本発明に係る固有振動数計測方法は、前記固定手段により前記対象物を固定する固定工程と、前記加振手段により前記対象物を連続的に加振する加振工程と、前記振動測定手段による振動状態の測定結果に基づいて、前記固定手段による固定力を調整する固定力調整工程とを備えることを特徴とする。

これによって、固定力調整工程により、対象物の固定状態を効率的かつ確実に調整することができる。

本発明に係る固有振動数計測装置及び固有振動数計測方法によれば、対象物の固定状態を効率的及び確実に調整することができる。

本発明の第一実施形態に係る固有振動数計測装置の測定対象となるタービン静翼の概略斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る固有振動数計測装置の一部断面を表した正面図である。 本発明の第一実施形態に係る固有振動数計測装置の平面図である。 本発明の第一実施形態に係る固有振動数計測方法のフローチャートである。 本発明の第二実施形態に係る固有振動数計測装置の一部断面を表した正面図である。 本発明の第二実施形態に係る固有振動数計測方法のフローチャートである。 本発明の第三実施形態に係る固有振動数計測装置の加振手段の加振信号を表した図である。 本発明の第三実施形態に係る固有振動数計測装置の加振手段の加振信号を表した図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る固有振動数計測装置について、図面を参照して説明する。
まず、固有振動数計測装置の測定対象となる回転機械の翼体について説明する。なお、本実施形態では、回転機械の翼体の一例として、ガスタービンのタービン静翼について説明する。

図１を参照して、計測対象となるタービン静翼１０について説明すると、該タービン静翼１０は、図示しないタービンケーシング側の外側シュラウドＡ３と、該外側シュラウドＡ３から図示しないロータ側に延出するように設けられた翼本体Ａ１と、該翼本体Ａ１の先端に設けられた内側シュラウドＡ２とを備えている。

図２に示すように、本実施形態に係る固有振動数計測装置１は、上記タービン静翼１０を計測対象とするものであり、タービン静翼１０を任意の固定力で固定可能な固定手段２１と、タービン静翼１０を連続的に加振する加振手段３１と、該加振手段３１によるタービン静翼１０の振動状態を計測する振動計測手段４１とを備えている。

図２及び図３に示すように、固定手段２１は、床上又は机上等に載置可能な基台２２と、該基台２２の上に水平方向に間隔をおいて固定された支持ブロック２３Ａ，２３Ｂと、該支持ブロック２３Ａ，２３Ｂにそれぞれ設けられた第一固定機構２４、第二固定機構２５とを備えている。

支持ブロック２３Ａは、支持ブロック２３Ｂと対向する側に凹所１２０Ａを有し、下壁部１２７Ａ、中壁部１２８Ａ、上壁部１２９Ａとを備えている。上壁部１２９Ａには、その上面から凹所１２０Ａ方向に向けて、複数の雌螺子孔２２１Ａ，２２２Ａ…が列設されている。また、これら雌螺子孔２２１Ａ，２２２Ａ…の下方には、ガイド孔１３０Ａが連続して設けられている。
雌螺子孔２２１Ａ，２２２Ａ…内には、ボルト２３１Ａ，２３２Ａ…が螺着されており、ガイド孔１３０Ａ内には緊締部材１２３Ａが配置されている。緊締部材１２３Ａの下端面には上側挟持部１２１Ａが固定されている。ボルト２３１Ａ,２３２Ａ…の下端部は、緊締部材１２３Ａの上端部と離脱不能かつ相対的に回転可能に連結されている。
この構成の下に、ボルト２３１Ａ,２３２Ａ…の各頭部１５１Ａを回転させることにより、緊締部材１２３Ａを上下動させることができる。
また、支持ブロック２３Ａの下壁部１２７Ａには、前記上側挟持部１２１Ａと対向させて下側挟持部１２２Ａが固定されている。
上記のボルト２３１Ａ，２３２Ａ…、緊締部材１２３Ａ、上側挟持部１２１Ａ及び下側挟持部１２２Ａは、図２に示すようにタービン静翼１０の内側シュラウドＡ２を固定するものであり、前記第一固定機構２４を構成している。
また、支持ブロック２３Ｂは、支持ブロック２３Ａと同様の構成であるため、説明を省略する。また、第二固定機構２５は、タービン静翼１０の外側シュラウドＡ３を固定するものであり、第一固定機構２４と同様の構成とされている。

加振手段３１は、本実施形態では、圧電素子を備えた加振器であり、図２に示すように、加振器３１は、タービン静翼１０の翼本体Ａ１に貼着して使用する。
該加振器３１は、図示しない制御部から供給される加振信号により連続的に駆動され、タービン静翼１０に振動を付与する。

振動計測手段４１は、振動状態を検出する検出部４２と、該検出部４２に基づく検出出力を表示する表示部４３とを備える。
検出部４２としては、例えば、マイクロホン等が採用され、音波を電気信号として変換して検出する。
表示部４３は、検出部４２に接続して設けられ、例えば、ＦＦＴアナライザによる周波数解析の結果が表示される。

次に、上記の固有振動数計測装置１を用いた固有振動数計測方法について説明する。
図４に示すように、固有振動数の測定方法としては、固定工程Ｓ０１と、加振工程Ｓ０２と、固定力調整工程Ｓ０３とを備える。

まず、固定工程Ｓ０１では、タービン静翼１０の内側シュラウドＡ２、外側シュラウドＡ３をそれぞれ第一固定機構２４、第二固定機構２５に設置する。すなわち、内側シュラウドＡ２を第一固定機構２４の上側挟持部１２１Ａと下側挟持部１２２Ａとの間に配設し、外側シュラウドＡ３も同様にして第二固定機構２５に配設する。この状態で、ボルト２３１Ａ,２３２Ａ…をＰ方向に回すことにより、上側挟持部１２１Ａ及び下側挟持部１２２Ａが、内側シュラウドＡ２を上下方向から挟持する。同様にして、第二固定機構２５も、外側シュラウドＡ３を上下方向から挟持する。このようにして、第一固定機構２４及び第二固定機構２５により、タービン静翼１０が固定される。

次に、加振工程Ｓ０２では、翼本体Ａ１に貼着された加振手段３１により、タービン静翼１０に連続的に振動を付与する。

次に、固定力調整工程Ｓ０３では、表示部４３に表された加振手段３１による翼本体Ａ１の振動状態の測定結果に基づいて、ボルト２３１Ａ,２３２Ａ…による第一固定機構２４及び第二固定機構２５の固定力を調整する。
図２に示す表示部４３に表示されている状態において、表示されたスペクトルを基準スペクトルと比較して、第一固定機構２４、第二固定機構２５を操作し、タービン静翼１０の締め付け力を調整しつつ、表示されるスペクトルを基準スペクトルに近づけるようにして、最終的に所望の締め付け状態を得る。

このように構成された固有振動数計測装置１では、加振手段３１により翼本体Ａ１に連続的に振動を付与することができるとともに、振動計測手段４１により当該加えた振動に対する翼本体Ａ１の振動状態の測定結果を確認することができる。そして、測定結果に基づいて、翼本体Ａ１に対する固定力を連続的に調整することができる。よって、タービン静翼１０の固定状態を効率的かつ確実に調整することができる。
また、翼本体Ａ１に対してのボルト２３１Ａ,２３２Ａ…の締め付け力を調整することで、タービン静翼１０に対する固定力を調整することができるため、簡易な構造で固定状態の調整をすることができる。
また、ボルト２３１Ａ,２３２Ａ…は第一固定機構２４、第二固定機構２５にそれぞれ６個設けられているため、固定力の微調整が可能となり、最適な固定力の選択が可能となる。

（第一実施形態の変形例１）
第一実施形態では、加振手段３１として、圧電素子を備えた加振器を採用して連続的に加振していた。一方、本実施形態では、電磁マグネット（不図示）を採用することにより、連続的に加振可能としている。電磁マグネットでは、電気回路の開閉を利用して、加振の制御を行う。
このように構成された固有振動数計測装置では、連続的に加振することを確実に実施することができるため、対象物の固定状態を確実に調整することができる。

（第二実施形態）
図５に示すように、第二実施形態に係る固有振動数計測装置１Ｘでは、第一実施形態の構成要素に加えて、第一固定機構２４及び第二固定機構２５による固定力を調整する固定力調整手段５１と、振動計測手段４１の振動状態の計測結果に基づいて、固定力調整手段５１に対して調整指令を出力する制御装置６１とを備えている。
固定力調整手段５１は、本実施形態では例えば電動ボルト締め装置が採用され、制御装置６１からの調整指令に基づいて、第一固定機構２４及び第二固定機構２５の固定力を調整する。
制御装置６１は、振動計測手段４１の振動状態の計測結果に基づいて、固定力を調整する調整指令を出力する。

次に、本実施形態の固有振動数計測方法のフローを説明する。
図６に示すように、本実施形態は、連続加振Ｓ１１、固定力調整Ｓ１２、データ取得Ｓ１３、周波数分析Ｓ１４、固定力と固有振動数の感度評価Ｓ１５、連続加振Ｓ１６、固定力調整Ｓ１７、データ取得Ｓ１８、周波数分析Ｓ１９、対象モードのスペクトル確認Ｓ２０、必要固定力の推定Ｓ２１、対象物の固定完了Ｓ２２の各処理を構成要素とし、これらの各処理内容を以下に具体的に説明する。

連続加振Ｓ１１においては、タービン静翼１０を連続的に加振する。圧電素子を備えた加振器により、タービン静翼１０に連続的に振動を付与する。
固定力調整Ｓ１２においては、固定力調整手段５１により固定力を調整する。本実施形態では、図２に示す第一固定機構２４側のボルト２３１Ａ,２３２Ａ…のうち一のボルト２３１Ａを任意の固定力となるように締め付けて調整する。
データ取得Ｓ１３においては、検出部４２においてタービン静翼１０の振動状態を検出する。本実施形態では、マイクロホンにより音波を電気信号として変換して検出する。
周波数分析Ｓ１４においては、本実施形態では、ＦＦＴアナライザにより分析した固有振動数が表示部４３に表示される。
ここで、表示されたスペクトルが基準スペクトルであれば、一のボルト２３１Ａの調整を終了する。一方、基準スペクトルが表示されなければ、再び一のボルト２３１Ａについて固定力調整Ｓ１２、データ取得Ｓ１３、周波数分析Ｓ１４を基準スペクトルに近づけるまで繰り返す。
固定力と固有振動数の感度評価Ｓ１５においては、上記の作業で得られた一のボルト２３１Ａの固定力と固有振動数の関係を評価する。
次に、上記固定力調整Ｓ１２乃至固定力と固有振動数の感度評価Ｓ１５を、次のボルト２３２Ａについて行い、当該操作を第一固定機構２４側及び第二固定機構２５側の全てのボルト２３１Ａ,２３２Ａ…について行う。
連続加振Ｓ１６においては、ボルト２３１Ａ,２３２Ａ…を締め付けた状態で、タービン静翼１０に連続的に加振する。
固定力調整Ｓ１７においては、固定力調整手段５１により固定力を調整する。
データ取得Ｓ１８においては、検出部４２においてタービン静翼１０の振動状態を検出する。
周波数分析Ｓ１９においては、固有振動数を確認する。該固有振動数が、固定力と固有振動数の感度評価Ｓ１５で評価に基づいて、得られた固有振動数が適切な範囲内であるか否かを判断する。
対象モードのスペクトル確認Ｓ２０においては、対象モードごとにスペクトルを確認し、得られたスペクトルが適切な範囲内であるか否かを判断する。
ここで、得られたスペクトルが適切な範囲内であれば、対象物の固定完了Ｓ２２となる。
一方、得られたスペクトルが適切な範囲内でなければ、必要固定力を推定Ｓ２１において適切な固定力を推定し、固定力と固有振動数の感度評価Ｓ１５の評価結果に基づいて、再び固定力調整Ｓ１７において、調整が必要と推定されるボルト２３１Ａ,２３２Ａ…の固定力を調整する。そして、データ取得Ｓ１８、周波数分析Ｓ１９、対象モードのスペクトル確認Ｓ２０を、基準スペクトルに近づけるまで調整を繰り返す。

このように構成された固有振動数計測装置１Ｘでは、制御装置６１の調整指令に基づいて固定力調整手段５１が固定力を適宜調整することができる。よって、迅速な調整が可能となり、タービン静翼１０をより一層効率的に調整することができる。

（第三実施形態）
第一実施形態では、加振手段３１として、例えば、圧電素子を備えた加振器が用いられていた。一方、本実施形態では、図７に示すサインスイープ信号又は図８に示す擬似ランダム信号を採用する。
これにより、広範囲の周波数に及び加振が可能となり、連続的なスペクトルを得ることができ、固定力の調整が更に容易となる。

なお、本実施形態では、測定の対象物として、ガスタービンのタービン静翼１０を例に挙げて説明したが、上記に限られるものではなく、例えば蒸気タービンやインペラー等同様な構成を有する流体回転機械をはじめ、種々の対象物に適用され得るものである。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは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。

例えば、第一固定機構２４及び第二固定機構２５を図２における左右方向に進退可能として、任意の全長のタービン静翼１０を固定可能とする構成であってもよい。

また、第一実施形態では、検出部４２としてマイクロホンを採用しているが、加速度ピックアップ又はレーザードップラー振動計を採用してもよい。この場合、コンパクトな形状で、高精度での信号の取得が可能となる。

１，１Ｘ，…固有振動数計測装置
１０…タービン静翼（対象物）
２１…固定手段
２２…基台
２４…第一固定機構
２５…第二固定機構
３１…加振手段
４１…振動計測手段
４２…検出部
４３…表示部
５１…固定力調整手段
６１…制御装置
Ｓ０１…固定工程
Ｓ０２…加振工程
Ｓ０３…固定力調整工程

Claims (5)

1. 固有振動数を測定する対象物を任意の固定力で固定可能な固定手段と、
   前記対象物を連続的に加振する加振手段と、
   前記加振手段による前記対象物の振動状態を計測する振動計測手段とを備えることを特徴とする固有振動数計測装置。
2. 請求項１に記載の固有振動数計測装置において、
   前記固定手段による前記固定力を調整する固定力調整手段と、
   前記振動計測手段による前記振動状態の計測結果に基づいて、前記固定力調整手段を制御する制御装置とをさらに備えることを特徴とする固有振動数計測装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固有振動数計測装置において、
   前記固定手段は、基台の上に設けられ、前記対象物の一端を固定する第一固定機構と、前記基台の上に設けられ、前記対象物の他端を固定する第二固定部とを有し、
   前記加振手段は、電磁マグネット又は電圧素子で構成され、
   前記振動計測手段は、前記対象物の振動状態を検出する検出部と、該検出部に基づく検出出力を表示する表示部とを備えることを特徴とする固有振動数計測装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の固有振動数計測装置において、
   前記対象物は、回転機械の静翼であることを特徴とする固有振動数計測装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固有振動数計測装置を用いた固有振動数計測方法であって、
   前記固定手段により前記対象物を固定する固定工程と、
   前記加振手段により前記対象物を連続的に加振する加振工程と、
   前記振動測定手段による振動状態の測定結果に基づいて、前記固定手段による固定力を調整する固定力調整工程とを備えることを特徴とする固有振動数計測方法。

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