JP2013169626A

JP2013169626A - 加工時振動抑制方法

Info

Publication number: JP2013169626A
Application number: JP2012035810A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Arikawa; 哲也有川; Shigeto Harada; 成人原田; Junji Inoue; 淳司井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】タービンディスクの翼溝切削加工時のびびり振動を抑制する。
【解決手段】内部にシリコンオイル８を封入し、一方の側面が第２のディスク３に定着されるケーシング７と、ケーシング７の一方の側面と向かい合う他方の側面を貫通し、端部が第１のディスク２に定着される支持軸１１と、支持軸１１に連結され、シリコンオイル８内を押動するマス部材９とを有するダンパ１を、第１のディスク２及び第２のディスク３に介装することで、タービンディスクの固有振動数に動吸振器の固有振動数を合わせるという作業を行うことなく、翼溝切削加工時のびびり振動を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、切削加工等における、加工時振動抑制方法に関する。

切削加工における重要な課題として、びびり振動の防止が挙げられるが、これには一般的に動吸振器が適用されている。動吸振器とは、固有振動数を対象物と合わせることでびびり振動を抑制する装置である（特許文献１参照）。

この動吸振器は、タービンディスクの翼溝の切削加工時のびびり振動を抑制する場合にも用いられる。翼溝とは、タービンに翼を取り付けるための溝のことであり、一般的にディスクの外周縁上に数十箇所程度設けられる。また、通常の翼溝切削加工は、対角線上にある２箇所の加工箇所に対して同時に施される。

タービンディスクの翼溝の切削加工時のびびり振動を抑制するための動吸振器を、図４を用いて説明する。第１の動吸振器２１はロータ６に設けられた第１のディスク２の外周縁に設置される（勿論、切削加工箇所は避けて設置される）。同様にして、第２のディスク３には第２の動吸振器２２が、第３のディスク４には第３の動吸振器２３が、第４のディスク５には第４の動吸振器２４が、それぞれ設けられている（図４中では各ディスクにつき１つの動吸振器が設けられているが、実際は複数個の動吸振器が設けられている場合も多い）。

図５は、第１のディスク２と第１の動吸振器２１の振動系の模式図である。ｍ₁，ｍ₃はそれぞれ第１のディスク２と第１の動吸振器２１の質量、ｋ₁，ｋ₃はそれぞれ第１のディスク２と第１の動吸振器２１のばね係数、ｃ₁，ｃ₃はそれぞれ第１のディスク２と第１の動吸振器２１の減衰係数を表している。

このとき、ｍ₁，ｋ₁，ｃ₁によって決定される第１のディスク２の固有振動数と、ｍ₃，ｋ₃，ｃ₃によって決定される第１の動吸振器２１の固有振動数とを一致させれば、第１のディスク２のびびり振動を抑制することができる。

また、第１のディスク２、第２のディスク３、第３のディスク４、第４のディスク５は、それぞれ固有振動数が異なる。そのため、第１の動吸振器２１、第２の動吸振器２２、第３の動吸振器２３、第４の動吸振器２４の固有振動数もそれぞれのディスクに合わせた固有振動数となるように設計しなければならない。

特許第４７４７２６６号公報

上述のように、動吸振器によるびびり振動の抑制においては、びびり振動を起こしている対象の固有振動数と動吸振器の固有振動数を一致させる必要があるため、対象の固有振動数が変われば、動吸振器の固有振動数を都度調整する手間が生じる。

特に、タービンディスク翼溝の切削加工におけるびびり振動を対象とした場合、タービンディスクは枚数が多く、その都度動吸振器の固有振動数を調整するのは非常に手間のかかる作業である。

そこで本発明では、固有振動数の調整を必要としないダンパを設けることで、上述の問題点を解決することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る加工時振動抑制方法は、
加工時にびびり振動が発生する２つの隣接構造物の振動を抑制する方法において、
内部に粘性流体を封入し、一方の側面が前記隣接構造物の一方に取り付けられるケーシングと、
前記ケーシングの前記一方の側面と向かい合う他方の側面を貫通し、端部が前記隣接構造物の他方に取り付けられる支持軸と、
前記支持軸に連結され、前記粘性流体内を押動するマス部材とを有するダンパを、
２つの前記隣接構造物に介装することで、前記隣接構造物のびびり振動を抑制することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る加工時振動抑制方法は、
上記第１の発明に係る加工時振動抑制方法において、
前記隣接構造物が蒸気タービン用ディスクであり、前記加工が翼溝加工であることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る加工時振動抑制方法は、
上記第２の発明に係る加工時振動抑制方法において、
前記ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の２倍の個数の前記ダンパを、隣接する２枚の前記ディスク間に同円心状に等間隔で介装することを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る加工時振動抑制方法は、
上記第２の発明に係る加工時振動抑制方法において、
前記ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の４倍の個数の前記ダンパを、隣接する２枚の前記ディスク間に同円心状に等間隔で介装することを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る加工時振動抑制方法は、
上記第３の発明に係る加工時振動抑制方法において、
隣接する２枚の前記ディスクの、最も剛性が低い前記振動モードが同一でない場合、２枚の前記ディスクそれぞれの、最も剛性が低い前記振動モードの内、前記節直径の数がより多い前記振動モードにおける節直径の数の２倍の個数の前記ダンパを同円心状に等間隔で設置することを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る加工時振動抑制方法は、
上記第４の発明に係る加工時振動抑制方法において、
隣接する２枚の前記ディスクの、最も剛性が低い前記振動モードが同一でない場合、２枚の前記ディスクそれぞれの、最も剛性が低い前記振動モードの内、前記節直径の数がより多い前記振動モードにおける節直径の数の４倍の個数の前記ダンパを同円心状に等間隔で設置することを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る加工時振動抑制方法は、
上記第２乃至６のいずれか１項の発明に係る加工時振動抑制方法において、
前記蒸気タービンのロータに設けられた全ての前記ディスク間に対して１つおきに前記ダンパが介装されることを特徴とする。

上記第１の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、対象の固有振動数に動吸振器の固有振動数を合わせるという作業を行うことなく、２つの隣接構造物にダンパを介装することにより、加工時のびびり振動を抑制することが可能である。

上記第２の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、蒸気タービン用ディスクの固有振動数に動吸振器の固有振動数を合わせるという作業を行うことなく、隣接する２枚のディスクにダンパを介装することにより、翼溝加工時のびびり振動を抑制することが可能である。

上記第３の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の２倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で配置することで、効率的にびびり振動を抑制することができる。

上記第４の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の４倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で配置することで、より効率的にびびり振動を抑制することができる。

上記第５の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、２枚のディスクそれぞれの、最も剛性が低い振動モードの内、節直径の数がより多い振動モードにおける節直径の数の２倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で設置することで、効率的にびびり振動を抑制することができる。

上記第６の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、２枚のディスクそれぞれの、最も剛性が低い振動モードの内、節直径の数がより多い振動モードにおける節直径の数の４倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で設置することで、より効率的にびびり振動を抑制することができる。

上記第７の発明に係る加工時振動抑制方法によれば、ロータに設けられた全てのディスク間に対して１つおきにダンパを介装させることで、ダンパの設置個数を半減できる。

本発明の実施例１，２に適用される蒸気タービン用ロータ及びディスクの概略図である。本発明の実施例１に適用される蒸気タービン用ディスク間にダンパを介装した際の振動系の模式図である。本発明の実施例１に適用されるダンパの断面図である。従来技術による蒸気タービン用ロータ及びディスクと動吸振器の概略図である。従来技術による蒸気タービン用ディスクに動吸振器を設置した際の振動系の模式図である。ディスクのモード剛性毎の、コンプライアンスと周波数の関係を示したグラフである。ディスクの振動モード毎の、モード質量とモード剛性の関係の一例を示したグラフである。本発明の実施例２に適用されるディスクの振動モードの解析データとダンパ設置位置を示した模式図である。（ａ）は一番低いモード剛性が１ＮＤの場合のダンパ設置位置、（ｂ）は一番低いモード剛性が２ＮＤの場合のダンパ設置位置をそれぞれ示している。

以下、本発明に係る加工時振動抑制方法を実施例にて図面を用いて説明する。

本発明の実施例１について図１を用いて説明する。本実施例は、各ディスクに翼溝の切削加工が施される蒸気タービン用ロータ及びディスクに適用されるものであり、図１に示すように、ロータ６、第１のディスク２、第２のディスク３、第３のディスク４及び第４のディスク５を備える。

各ディスク２〜５はロータ６に設けられており、第１のディスク２と第２のディスク３、第３のディスク４と第４のディスク５にはそれぞれダンパ１が介装されている。

上述のダンパ１について、図３を用いて説明する。図３のダンパの断面図を見ればわかるように、ダンパ１は、ケーシング７、シリコンオイル８、マス部材９、マグネット１０及び支持軸１１を備える。

上述のケーシング７は、内部にシリコンオイル８を封入し、一方の側面が第２のディスク３に定着されている。

上述の支持軸１１は、ケーシング７の一方の側面と向かい合う他方の側面を貫通し、端部が第１のディスク２に定着されている。

上述のマス部材９は、シリコンオイル８内を押動するように支持軸１１に連結される。

上述のマグネット１０は、支持軸１１の端部と第１のディスク２、ケーシング７の側面と第２のディスク３をそれぞれ定着させるもので、支持軸１１の端部及びケーシング７の側面に取り付けられている。

図２は、本実施例におけるダンパとディスクの振動系の模式図である。ｍ₁，ｍ₂はそれぞれ第１のディスク２と第２のディスク３の質量、ｋ₁，ｋ₂はそれぞれ第１のディスク２と第２のディスク３のばね係数、ｃ₁，ｃ₂はそれぞれ第１のディスク２と第２のディスク３の減衰係数を表しており、ｃ_dはダンパ１の減衰係数を表している。

このとき、ダンパ１の固有振動数が、ｍ₁，ｋ₁，ｃ₁によって決定される第１のディスク２の固有振動数、及びｍ₂，ｋ₂，ｃ₂によって決定される第２のディスク３の固有振動数と一致しなくとも、ｃ_dをある一定量とするだけで、第１のディスク２及び第２のディスク３のびびり振動を同時に抑制することができる。なお、ｃ_dは、一般的に第１のディスク２及び第２のディスク３の減衰比を基に設定する。

このようにすれば、翼溝の切削加工によるディスクのびびり振動を抑制する際、ディスクとダンパの固有振動数が一致していなくても相対的にダンパが振動するため、ディスクに直接減衰を与えることができる。これにより、従来の動吸振器のように、対象の固有振動数に合わせてダンパの固有振動数を設計する必要が無くなるため、ダンパは一定量の減衰係数を持つように設計するだけで良い。

よって本実施例は、ディスクの固有振動数に動吸振器の固有振動数を合わせるという作業を行うことなく、隣接する２枚のディスクに介装されたダンパにより、びびり振動を抑制することが可能である。

また、支持軸１１は長さを調節可能としても良い。ディスク間毎の距離は必ずしも同一ではないが、支持軸１１の長さを調節可能とすることで、ディスク間毎の距離が著しく異なる場合においても、その都度ダンパの寸法を設計し直す必要は無くなり、支持軸１１の長さを変えることで対応可能となる。

さらに、１つのダンパで両サイドにあるディスク２枚のびびり振動を抑制することができるため、ロータ６に設けられた全てのディスク間にダンパ１を介装させるのではなく、図１を見ればわかるように、第１のディスク２と第２のディスク３の間、第３のディスク４と第４のディスク５の間というように、ロータ６に設けられた全てのディスク間に対して１つおきにダンパ１を介装させることで、ダンパの設置個数を半減できる。

尚、本実施例では、第１〜第４のディスク２〜５がロータ６に設けられているとし、第１のディスク２と第２のディスク３、第３のディスク４と第４のディスク５の間にそれぞれダンパ１が介装されているとしたが、当然ディスク及びダンパの個数はこれに限定されるものではない。また、ケーシング７の側面を第１のディスク２に定着させ、支持軸１１の端部を第２のディスク３に定着させる手段においても、隣接する２枚のディスク間にダンパを介装できれば良く、これはマグネット１０に限定されるものでは無い。同様に、ケーシング７内に封入される粘性流体は、目標とする減衰定数に応じて選択するものであり、シリコンオイル８に限定されるものでは無い。更に、本実施例では隣接するディスクが同一形状の場合を例に示したが、ディスク形状はこれに限定されるものではない。隣接するディスク同士で直径や厚さが異なる場合でも同様に成立する。

本発明の実施例２に係る加工時振動抑制方法は、実施例１に係る加工時振動抑制方法に加えて、ダンパの設置位置を考慮したものである。

図１では各ディスク間に１つのダンパしか設けられていないが、実際は複数個設けた方がよりびびり振動を抑制できる場合が多い。

そこで、効率良くびびり振動を抑制するダンパ設置位置を決定するため、まずディスクについて固有値解析を実施し、振動モード、モード質量及びモード剛性（等価剛性）を求める。図７は、振動モード毎の、モード質量とモード剛性の関係の一例である。図７中の０ＮＤ，１ＮＤ，２ＮＤ，３ＮＤ，４ＮＤ（ＮｏｄａｌＤｉａｍｅｔｅｒ：節直径）は、各振動モードにおいて、振動が起こらない節直径の数を表している。

また、図６は、ディスクのモード剛性毎の、周波数とコンプライアンスの関係を示している。これを見ればわかるように、モード剛性ｋが低下すると、共振点（各曲線の極大点）でのコンプライアンスが上昇し、びびり振動が励起されやすくなる。

つまり、びびり振動はモード剛性が低い固有振動数において主に発生する。よって、効率よくびびり振動を抑制するダンパの設置位置を決定する際は、モード剛性が最も低い振動モードを考慮する必要がある。図７の例においては一点鎖線Ａで囲まれた１ＮＤがそれに該当する。

図８（ａ）は、図７中のＡ（１ＮＤ）についての振動モードの解析データである。解析データのディスク３１における、振動の山付近を白色、谷付近を黒色、振動しない節直径３４（点線部分）付近を中間の灰色で表している。翼溝の切削加工箇所は振動の山の中心及び谷の中心付近（最も振動の大きい）に相当する。

ディスクの翼溝の切削加工は、先に述べた如く、通常は外周縁上に沿って数十箇所に施されるため、ダンパ設置位置３３の近傍を切削加工する際には当該ダンパは取り外す必要を生じることがある。しかし、前述の解析データに基づき、振動の山の中心付近と谷の中心付近にダンパ設置位置３３を設けると、いずれかの位置のダンパを取り外しても、確実にびびり振動を抑制することができる。よって、考慮すべき振動モードが１ＮＤの場合、ダンパ設置位置３３は、ある設置位置及び当該設置位置１８０°回転した位置の少なくとも２箇所に設けることが望ましい。

但し、本対応では、ダンパ設置位置３３が振動の節に相当する箇所に至った際にはびびり振動を効果的に抑制できない可能性がある。このため、ダンパ設置位置３３は、前記設置位置から９０°回転した位置にもさらに設置することがより望ましい。つまり、考慮すべき振動モードが１ＮＤの場合、ダンパ設置位置３３は回転方向に９０°ずれた計４箇所の、ディスクの周端部近傍に設けることが望ましい。

図８（ｂ）は、２ＮＤについての振動モードの解析データである。これを見ればわかるように、２ＮＤの場合はディスク３２上に節直径３４が２つあるため、１ＮＤの場合と同様に考察すると、ダンパ設置位置３３は同円心状に等間隔に８箇所設けられることとなる。

尚、図８（ａ）（ｂ）は、切削加工が施される（最も振動の大きい）箇所とダンパ設置位置３３が重複しているようにも見えるが、実際は、ディスクの最外周縁上に切削加工が施され、ダンパ設置位置３３はその周方向内側に設けられる。

また、固有解析の結果モード剛性が最も低い振動モードが３ＮＤ，４ＮＤの場合も同様である。つまり本実施例では、ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の２倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で配置することで、効率的にびびり振動を抑制することができる。さらに、ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の４倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で配置することで、より効率的にびびり振動を抑制することができる。

また、隣接する２枚のディスクの、最も剛性が低い振動モードが同一でない場合についてのダンパの設置位置は、２枚のディスクそれぞれの、最も剛性が低い振動モードの内、節直径の数がより多い振動モード（例えば、片方が１ＮＤでもう片方が２ＮＤであれば２ＮＤ）における節直径の数の２倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で設置することで、効率的にびびり振動を抑制することができる。さらに、２枚のディスクそれぞれの、最も剛性が低い振動モードの内、節直径の数がより多い振動モードにおける節直径の数の４倍の個数のダンパを同円心状に等間隔で設置することで、効率的にびびり振動を抑制することができる。

なお、上記各実施例において、蒸気タービン用のロータ翼溝を切削加工する場合を例にとり、びびり振動を抑制する対象について説明したが、本願発明はこの場合に限定されるものではない。びびり振動を問題とする加工を、隣接構造物に対して行う場合に同様に適用可能である。

本発明は、例えば蒸気タービンにおけるディスクの翼溝の切削加工、として好適である。

１ダンパ
２第１のディスク
３第２のディスク
４第３のディスク
５第４のディスク
６ロータ
７ケーシング
８シリコンオイル
９マス部材
１０マグネット
１１支持軸
２１第１の動吸振器
２２第２の動吸振器
２３第３の動吸振器
２４第４の動吸振器
３１，３２（解析データ上の）ディスク
３３ダンパ設置位置
３４節直径

Claims

加工時にびびり振動が発生する２つの隣接構造物の振動を抑制する方法において、
内部に粘性流体を封入し、一方の側面が前記隣接構造物の一方に定着されるケーシングと、
前記ケーシングの前記一方の側面と向かい合う他方の側面を貫通し、端部が前記隣接構造物の他方に定着される支持軸と、
前記支持軸に連結され、前記粘性流体内を押動するマス部材とを有するダンパを、
２つの前記隣接構造物に介装することで、前記隣接構造物のびびり振動を抑制することを特徴とする加工時振動抑制方法。
前記隣接構造物が蒸気タービン用ディスクであり、前記加工が翼溝加工であることを特徴とする請求項１に記載の加工時振動抑制方法。
前記ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の２倍の個数の前記ダンパを、隣接する２枚の前記ディスク間に同円心状に等間隔で介装することを特徴とする請求項２に記載の加工時振動抑制方法。
前記ディスクの最も剛性が低い振動モードにおける節直径の数の４倍の個数の前記ダンパを、隣接する２枚の前記ディスク間に同円心状に等間隔で介装することを特徴とする請求項２に記載の加工時振動抑制方法。
隣接する２枚の前記ディスクの、最も剛性が低い前記振動モードが同一でない場合、２枚の前記ディスクそれぞれの、最も剛性が低い前記振動モードの内、前記節直径の数がより多い前記振動モードにおける節直径の数の２倍の個数の前記ダンパを同円心状に等間隔で設置することを特徴とする請求項３に記載の加工時振動抑制方法。
隣接する２枚の前記ディスクの、最も剛性が低い前記振動モードが同一でない場合、２枚の前記ディスクそれぞれの、最も剛性が低い前記振動モードの内、前記節直径の数がより多い前記振動モードにおける節直径の数の４倍の個数の前記ダンパを同円心状に等間隔で設置することを特徴とする請求項４に記載の加工時振動抑制方法。
前記蒸気タービンのロータに設けられた全ての前記ディスク間に対して１つおきに前記ダンパが介装されることを特徴とする請求項２乃至６いずれか１項に記載の加工時振動抑制方法。