JP2016017831A - 翼列に作用する非定常流体力の計測方法及び翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は流体力の計測に圧力センサを使用せずに翼の高さ方向も含めて翼面全体にかかる流体力を精度よく計測する翼列に作用する非定常流体力の計測方法を提供する。【解決手段】翼列中の加振翼と静止翼に保持部が設けられ、加振翼の保持部に加振機が設けられ、加振翼の保持部に近接して加振翼の変位を検出するギャップセンサが設けられ、加振翼の保持部を支持するバネ部に加振翼の歪を検出する歪ゲージが設けられ、加振機を駆動して加振翼を加振すると共に加振する加振周波数を変化させて、歪ゲージで検出した加振翼の歪に基づいて加振翼の加振力を演算し、ギャップセンサで検出した加振翼の変位に基づいて加振翼が振動する振動数を演算し、検出した加振翼の変位と、演算した加振翼の加振力に基づいて変位／加振力の値を演算し、これらの演算値に基づいて加振翼および静止翼に作用する非定常流体力を演算するように構成した。【選択図】図９

Description

本発明は、発電プラントを構成するガスタービンや蒸気タービンなどに用いられる軸流圧縮機や軸流タービンの翼列に作用する非定常流体力を計測する、翼列に作用する非定常流体力の計測方法及び翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置に関する。

軸流圧縮機又は軸流タービンの内部の翼列において、これらの軸流圧縮機又は軸流タービンの運用中に翼列にフラッタ問題が発生することがある。

フラッタとは、流体と構造の相互作用からなる一種の自励振動現象である。何らかのきっかけで軸流圧縮機又は軸流タービンの翼に微小な振動が生じたときに、翼の周りの流れ場に変動が生じる。

そのとき、翼にかかる流体力が翼振動を一層助長するように変動すれば、翼列にフラッタが発生する。そして、最悪の場合、翼の破損につながる可能性があるために、フラッタの確実な回避が強く求められている。

軸流圧縮機又は軸流タービンの翼列のフラッタを検討するためには、隣接する翼間の相対的な振動位相関係が、任意の状態で振動する翼列における任意の振動翼に作用する非定常流体力を求める必要がある。

振動翼に作用する非定常流体力を求める簡便な方法として、翼列中のただ１つの翼のみを加振し、この加振した翼および静止している翼の非定常流体力を計測するものがある。

この翼の非定常流体力の計測方法によれば、翼列を構成する各翼に作用する非定常流体力から隣接する翼間の相対的な振動位相関係が任意の状態で振動する翼列に働く非定常流体力を算出できる。

この翼の非定常流体力の計測方法を用いた試験方法として、特開昭５９−１４１０３２号公報（特許文献１）に試験方法に関する技術が開示されている。

前記した特開昭５９−１４１０３２号公報に関する技術では、振動翼に曲げ、またはねじりの周期的な変動を強制的に与え、振動翼、静止翼を保持する軸には夫々歪ゲージを貼付して夫々の翼に作用する流体力を求めているが、振動翼を加振する加振方法に関してはモーターを使用すると述べているにとどまり、詳細は記述されていない。

また、非特許文献１には、振動翼の保持部にばねとしての役割を持たせ、共振を利用して翼を加振する。そして流体力は翼面上の圧力分布を積分して求めている。翼面上の圧力分布を計測するために、ある翼高さ位置に翼のコード方向に並べて非定常圧力センサを翼に埋め込んで設置している技術を開示している。

特開昭５９−１４１０３２号公報

H. Schoenenborn、V Chenaux、 P. Ott、"AEROELASTICITY AT REVERSED FLOW CONDITIONS -PART 1: NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF A COMPRESSOR CASCADE WITH CONTROLLED VIBRATION"、Proceeding of ASME Turbo Expo 2011、June. 2011、 Vancouver、GT2011-45034

例えば、前記特許文献の特開昭５９−１４１０３２号公報に開示されているように、振動翼を加振する加振方法として、高い振動数で翼を加振する共振法は有効な加振方法である。

一般的に、翼を加振する振動数が高まるほど大きな加振力を要するので、振動翼となる翼の加振に困難を伴う。そこで、翼を加振する加振機構の固有振動数の近くで翼を加振することで、少ない加振力で振動翼を加振することができる。

しかしながら、前記非特許文献に記載されているように、共振法で加振された振動翼の非定常流体力の計測は難しい。非定常圧力センサは、比較的高価で入手が困難なうえ、振動翼の翼前縁ないし後縁付近などの翼厚みの薄い部分への設置が難しい。

その上、前記非定常圧力センサは、特定の翼高さにおける圧力分布しか計測できず、計測位置以外の翼の高さの圧力分布は考慮されていない。

一方、振動翼の保持部に貼付された歪ゲージで翼に作用する流体力を求めることも困難である。その理由は、振動翼の保持部は加振機構の固有振動モード形状にしたがった変形が主となり、流体力よって変形する量は小さいからである。

本発明の目的は、共振を利用して高い振動数での翼の加振を可能にして、流体力の計測に圧力センサを使用せずに翼の高さ方向も含めて翼面全体にかかる流体力を精度よく計測する翼列に作用する非定常流体力の計測方法、並びに、翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置を提供することにある。

本発明の翼列に作用する非定常流体力の計測方法は、翼列中の１つの翼を加振翼として加振し、この加振翼および該加振翼に隣接する翼である静止翼の非定常流体力を計測する翼の非定常流体力の計測方法において、翼列中の前記加振翼に該加振翼を保持する加振翼の保持部が設けられ、翼列中の前記静止翼に該静止翼を保持する静止翼の保持部が設けられ、前記加振翼の保持部に該加振翼の保持部を支持するバネ部が設けられ、前記加振翼の保持部に該加振翼を加振する加振機が設けられ、前記加振翼の保持部に近接して加振翼の変位を検出するギャップセンサが設けられ、前記加振機を駆動して加振翼を加振し、該加振翼の保持部を支持するバネ部に設けた歪ゲージによって加振翼の歪を検出するように構成されており、前記翼の非定常流体力の測定方法として、前記加振機を駆動して加振翼を加振すると共に、加振翼を加振する加振周波数を変化させ、前記加振翼の保持部に設けた前記歪ゲージで検出した加振翼の歪に基づいて、変化させた加振周波数における加振翼の加振力を演算し、前記ギャップセンサで検出した加振翼の変位に基づいて加振翼が振動する振動数を演算し、前記ギャップセンサで検出した加振翼の変位と、演算した前記加振翼の加振力に基づいて、変位／加振力の値を演算し、これらの演算した前記加振翼の振動数及び前記加振翼の加振力に基づいて加振翼および静止翼に作用する非定常流体力を演算することを特徴とする。

また、本発明の翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置は、上記した翼列に作用する非定常流体力の計測方法の発明に使用する加振装置であって、加振装置は、加振翼と、加振翼の保持部を支持する８枚の板バネと、加振翼を加振する加振機から加振翼の加振機構を構成し、加振翼を支持する加振翼の保持部は両持ち構造で構成し、加振翼の両端には８枚の板バネのうち、４枚の板バネをそれぞれ設置し、これら４枚の板バネのうち２枚の板バネは加振翼に対して加振翼の振動方向の一方側に設置し、残りの２枚の板バネは加振翼の振動方向の他方側に設置して構成した加振機構を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、共振を利用して高い振動数での翼の加振を可能にして、流体力の計測に圧力センサを使用せずに翼の高さ方向も含めて翼面全体にかかる流体力を精度よく計測できる翼列に作用する非定常流体力の計測方法、並びに、翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置が実現できる。

本発明が適用される風洞流路内に設置された翼列において、一翼のみが振動する振動翼を備えた翼列を模式的に示した概略図。 振動翼に働く並進振動する振動モードを模式的に示した説明図。 振動翼に働くピッチング振動する振動モードを模式的に示した説明図。 振動翼に作用する流体力の方向を模式的に示した説明図。 振動翼の変位と流体力の時間履歴を模式的に示した説明図。 本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する翼列試験装置を示す概略構成図。 本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法で計測した加振翼の振動応答を示した特性図。 流体力が小さい場合の加振翼の速度と流体力の関係を示した図。 流体力が大きい場合の加振翼の速度と流体力の関係を示した図。 本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法で使用する翼列試験装置において、加振翼と一体に振動する加振翼保持部を示す拡大図。 本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法で使用する翼列試験装置において、加振翼に作用する非定常流体力を算出する機器と演算器を示す演算フロー図。 本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法で使用する翼列試験装置において、加振翼の振動応答の特性を示す特性図。 本発明の第２実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を適用する静止翼とその保持部を保持部側から見た図。 図１１に示した本発明の第２実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を適用する静止翼の保持部の外面を周方向に展開した展開図。 本発明の第２実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を適用する別の静止翼とその保持部を保持部側から見た図。 図１３に示した本発明の第２実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を適用する別の静止翼の保持部の外面を周方向に展開した展開図。 本発明の第２実施例において、図８に示す方向９の力が静止翼１０に作用した場合の静止翼に働く流体力と歪ゲージ１２ａ、１２ｂ、１２ｃで計測される歪の関係を表した図。 本発明の第２実施例において、図１０に示す方向９の力が静止翼１０に作用した場合のである静止翼に働く流体力と歪ゲージ１２ｄ、１２ｅ、１２ｆで計測される歪の関係を表した図。 本発明の第２実施例において、図８に示す方向８の力が静止翼１０に作用した場合の静止翼に働く流体力と歪の関係を表した図。 本発明の第２実施例において、図１０に示す方向９の力が静止翼１０に作用した場合の静止翼に働く流体力と歪ゲージ１２ｄ、１２ｅ、１２ｆで計測される歪の関係を表した図。 本発明の第２実施例において、図８に示す方向７の力が静止翼１０に作用した場合の静止翼に働く流体力と歪の関係を表した図。 本発明の第２実施例において、図１０に示す方向７の力が静止翼１０に作用した場合の静止翼に働く流体力と歪ゲージ１２ｄ、１２ｅ、１２ｆで計測される歪の関係を表した図。 本発明の第３実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振試験装置の構造を表した構成図。

本発明の実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法及び翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置について図面を用いて以下に説明する。

本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法について図１〜図１０を用いて説明する。

まず、本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法について、この翼列に作用する非定常流体力の計測方法を行う軸流圧縮機や軸流タービンの翼列試験装置の基本構成と、その全体動作を説明する。

図１〜図７に示したように、本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を行う軸流圧縮機や軸流タービンの翼列は、１枚以上の翼が一定の間隔で設置されたものである。

翼列を構成する各翼は幾何学的形状を同じくしており、図１に示した風洞流路３１の流路内に前記複数の翼が翼列方向に沿って同一の翼形状を保った状態で配列されている。

加振翼１と静止翼２とから構成される翼列は、図１に示したように、風洞流路３１を区画する上壁６と下壁５、及び図示を省略した側壁に囲まれた風洞流路３１内に設置されている。

図１に風洞流路３１内に１個の複数の加振翼１と、複数個の静止翼２を設置した翼列を示す。

風洞流路３１の上流には図示していない別の圧縮機が設置されており、この別の圧縮機の稼働によって風洞流路３１内を流れる流体を昇圧する。

この別の圧縮機の稼働によって昇圧された流体は、風洞流路３１内を図１に矢印で示した流入方向３に流れて加振翼１と複数の静止翼２を設置した翼列に流入し、これらの加振翼１と複数の静止翼２との間に形成された翼間流路を通過して、図１に矢印で示された流出方向４に流出する。

流出方向４に流出した流体は、そのまま大気中に排出されることもあれば、再度、前記した別の圧縮機に戻り、昇圧されて再度、風洞流路３１内を循環して流下することもある。

翼の加振状態としては、図１に示した加振翼１と静止翼２の内、加振翼１のみが加振され、その他の複数の静止翼２は静止している状態である。

前記加振翼１に働く振動モードは、図２Ａに示された振動モードのように並進振動することもあれば、図２Ｂに示された振動モードのようにピッチング振動することもある。

もしくは、前記加振翼１に働く振動モードは、図２Ａの並進振動と、図２Ｂのピッチング振動を組み合わせた状態で振動することもある。

前記加振翼１が図２Ａに示された振動モードである並進振動する場合の加振翼１の振動方向は、いずれの方向であってもよい。

前記加振翼１が図２Ｂに示された振動モードであるピッチング振動する場合は、ピッチング中心はいずれの位置であってもよい。

前記加振翼１は、図２Ａ、図２Ｂに示したような翼振動に伴い、加振翼１に作用する流体力は時系列的に変化する。

図３に加振翼１に作用する流体力を示す。図３に示すように、前記加振翼１に作用する流体力は、ピッチング方向のモーメント７と、並進方向の８、９の力との３成分に分離することができる。

図１に示したような（風洞流路３１内に配列された翼列の中の１枚の加振翼１が加振されると、この加振翼１の周りの流れ場に変動が生じ、静止翼２の各翼に働く流体力が変動する。

加振翼１の変位と、静止翼２のいずれかの翼に働くいずれかの方向の流体力の時間履歴を示すと、図４に示したような流体力の時間履歴となる。

即ち、図４において、実線で示した加振翼１の振動に対して、静止翼２に働く流体力は、破線で示したように位相差を伴った波形となる。

次に本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を実施する翼列試験装置の詳細構成とその動作について図５を用いて説明する。

図５は本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法を実施する複数枚の静止翼１０と、一枚の加振翼１３とから翼列を構成する翼列試験装置の一例を示している。

図５に示したように、前記翼列試験装置において、複数枚の静止翼１０の翼部は保持部１１によってそれぞれ支持されている。

保持部１１は円筒または円柱形状に形成されており、保持部１１の外面上には歪ゲージ１２が貼り付けされている。

静止翼１０の流体力の計測にはこの歪ゲージ１２を用いる。静止翼１０に流体力が作用した場合、静止翼１０の保持部１１はたわむ。

この保持部１１のたわみによる歪を前記保持部１１に貼り付けた歪ゲージ１２により計測することで、静止翼１０に働く流体力を求めることができる。

この歪ゲージ１２によって計測した歪の値から静止翼１０に作用する流体力を求める方法については、後述する図１５を用いて説明する。

加振翼１３の翼部は保持部１４に支持されており、この保持部１４はバネ系１５により支えられている。

加振翼１３の保持部１４は加振機２５と接続されており、この加振機２５を駆動することで加振翼１３を加振する。

加振機２５としては、電磁式加振機が考えられる。加振機２５に電磁式加振機を採用する場合、一般的に安価で装置も小さくて済む点で、油圧式加振機と比べて有利である。

加振翼１３の保持部１４に近接してギャップセンサ２６が設置されており、加振機２５によって加振された加振翼１３に働く振動を、このギャップセンサ２６によって計測できるように構成されている。

加振翼１３の保持部１４の振動は、保持部１４を支持する前記ばね部１５に歪ゲージ１６を貼付してこの歪ゲージ１６で歪量を計測することにより加振翼１３の保持部１４が振動する振動数を同定する。

ところで、加振翼１３は加振機２５を駆動して共振を利用することによって加振される。加振翼１３の翼部、加振翼１３を支持する保持部１４、この保持部１４を支えるバネ系１５、加振翼１３を加振させる加振機２５から構成される系は、固有振動数を持っている。

ある一定の加振力のもとでは、前述した系を、その固有振動数付近で加振することで非常に大きな振幅を得ることができる。

振幅は、固有振動数で加振したとき最も大きくなり、加振振動数が固有振動数から離れれば離れるほど小さくなる。加振振動数に応じて、前述した系の固有振動数を調整する。

固有振動数は、バネ系１５のばね定数を調整することにより任意に設定することが可能である。なお、バネ系１５をねじりばねに変更すれば、ピッチング振動を実現することもできる。

次に、加振翼１３に働く非定常流体力の評価方法について説明する。

振動数をω、時間をｔとすると、振動変位は、振幅をｈoとして、
ｈ＝ｈosinωtと表せる。

非定常流体力は、位相差φ、振幅Ｆoを用いて、Ｆ＝Ｆosin(ωt+φ)と表せる。

ただし、非定常流体力は、定数Ｆore，Ｆoimを用いて、Ｆ＝Ｆore sinωt＋Ｆoim cosωtと表すこともできる。

本実施例の翼列試験装置の試験においては、定数Ｆoｒｅ，Ｆoｉｍのうち、Ｆoｉｍを算出できればよい。

そして翼列試験装置において、加振機２５を駆動して加振翼１３を加振する振動数を徐々に変化させながら加振翼１３と、加振翼１３の保持部１４を加振する。この翼列試験装置によって加振翼１３を加振する翼列試験装置の試験は、通風時の試験と、無風時の試験についてそれぞれ実施する。

加振翼１３に働く非定常流体力を評価するものとして、図６に加振翼の振動応答を表した特性図として示したように、変位の振幅（ｈo）を加振力の振幅（Ｆo）で除した変位／加振力である（ｈo／Ｆo）の値を縦軸に、加振する振動数（ｆ）を横軸に示した。

図６に加振翼１３の振動応答の特性図に示したように、得られた実線の曲線１７を見ると、変位／加振力である（ｈo／Ｆo）の値は、加振翼の振動数（ｆ）を上げていくと徐々に大きくなり、系の固有振動数（ｆo）で最大となった後は、振動数を更に上げていっても、変位／加振力である（ｈo／Ｆo）の値は再び小さくなっていくといった特性を有している。

図６に示した加振翼１３の振動応答の特性図において、実線で示した曲線１７は真空中で加振翼１３を加振した場合に得られたものであり、短い破線で示した曲線１７’及び、長い破線で示した曲線１７”は、それぞれ通風中に加振翼１３を加振した場合に得られたものである。

図６に示した加振翼の振動応答の特性図において、加振翼１３に作用する非定常流体力は、通風中に加振翼１３を加振して得られた短い破線で示した曲線１７’乃至、長い破線で示した曲線１７”と、真空中で加振翼１３を加振して得られた実線で示した曲線１７との差として現れる。

加振翼１３に作用する非定常流体力は、流体力が翼振動に対して減衰力として作用すると、図６に示したように、短い破線で示した曲線１７’の形状のように、実線で示した曲線１７の形状に対して緩慢な形状となる。

一方、流体力が励振力として作用すると、図６に長い破線で示した曲線１７”のように、実線で示した曲線１７よりも急峻な形状となる。

次に、加振翼１３に作用する非定常流体力による減衰力について図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。

加振翼１３に作用する非定常流体力は、流体力が減衰力として作用する場合、加振翼１３の速度が最大のときに、図７Ａ及び図７Ｂにそれぞれ破線で示すように、振動方向と反対向きの流体力が働く。

その非定常流体力は、図７Ａに示したような状態の場合では流体力が大きく、図７Ｂに示したような状態の場合では流体力が小さい。

つまり、図７Ａに示したような状態の場合の流体力は、図７Ｂに示したような状態の場合の流体力よりも、流体力による減衰力が大きいと言える。

このように、図６に示した加振翼の振動応答の特性図において、加振翼１３に作用する非定常流体力を表わした曲線１７、曲線１７’、及び曲線１７”の形状の相違に基づいて、加振翼１３に作用する非定常流体力を求めることができる。

次に、図８〜図１０を用いて本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法で使用する翼列試験装置において、加振翼１３に作用する非定常流体力を算出する演算フローを示す。

本実施例では、図８に示すように、本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法で使用する翼列試験装置において、加振翼１３を支持する保持部１４に近接して設置したギャップセンサ２６によって前記保持部１４とギャップセンサ２６との間隙（ギャップ）である加振翼１３の変位３５を計測する。

そして、本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法で使用する翼列試験装置において、加振翼に作用する非定常流体力を算出する図９の演算フローで示したように、ギャップセンサ２６によって保持部１４とギャップセンサ２６との間隙（ギャップ）である加振翼１３の変位３５を計測する。

そして、前記ギャップセンサ２６によって計測した加振翼１３の変位３５の時間履歴を基に、振動数演算器３７によって加振翼１３が振動する振動数を演算によって算出する。

また、加振機２５の稼働によって加振翼１３を加振し、加振翼保持部１４を支持するバネ部１５に設けた歪ゲージ１６で検出した加振翼の歪に基づいて加振力演算器３２によって前記加振翼１３を加振する加振力３３を演算する。

そして、この加振力演算器３２で演算した加振翼１３を加振する加振力３３と、ギャップセンサ２６で検出した加振翼１３の変位３５とから、変位／加振力演算器３６によって、（変位振幅／加振力振幅）の値を求めると、図１０に示すような加振翼の振動応答の特性図のグラフを描くことができる。

この図１０に示すような加振翼１３の振動応答の特性図において、前記（変位振幅／加振力振幅）の値が最大となる振動数が固有振動数ｆoである。

また、前記（変位振幅／加振力振幅）の値が最大値の１/√２となる振動数が固有振動数ｆoの前後に存在し、その幅を半値幅Δｆとする。

ここで、通風時の半値幅をΔｆwindと、無風時の半値幅をΔｆrefとすると、加振翼１３に作用する非定常流体力は定数Ａを用いてＦoim＝Ａ（Δｆwind−Δｆref）／ｆoと表わすことができる。

そこで、加振翼に作用する非定常流体力を算出する図９に示した演算フローにおいて、加振翼１３の変位３５の時間履歴を基に、振動数演算器３７で演算した加振翼１３が振動する振動数の値から固有振動数演算器４１によって系の固有振動数ｆoを演算する。

また、加振翼１３を保持する加振翼保持部１４を支持するバネ部１５に設けた歪ゲージ１６で検出した加振翼の歪に基づいて、加振力演算器３２によって前記加振翼１３を加振する加振力３３を演算する。

加振力演算器３２で演算した加振翼１３を加振する加振力３３と、ギャップセンサ２６で検出した加振翼１３の変位３５とに基づいて、変位／加振力演算器３６で演算した変位振幅／加振力振幅の値から、半値幅演算器４２によって半値幅Δｆを演算する。

そして、図１０に表わしたように、前記固有振動数演算器４１で演算した系の固有振動数ｆoと、前記半値幅演算器４２で演算した半値幅Δｆとの双方の値に基づいて、図９の演算フローに示した非定常流体力演算器４５によって、翼に作用する非定常流体力４７を演算することができる。

上記したように本実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法では、翼列を構成する静止翼１０及び振動翼１３の非定常流体力の計測に使用する歪ゲージ１２、１６、及びギャップセンサ２６は安価なために、翼列に作用する非定常流体力の試験を低コストで実施できる。

その上、振動翼１３に作用する非定常流体力を直接計測するため、静止翼１０及び振動翼１３の翼の高さ方向の圧力分布の影響も考慮できる。

上記した本実施例によれば、共振を利用して高い振動数での翼の加振を可能にして、流体力の計測に圧力センサを使用せずに翼の高さ方向も含めて翼面全体にかかる流体力を精度よく計測できる翼列に作用する非定常流体力の計測方法が実現できる。

次に本発明の第２実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法について図１１〜図１４及び図１５Ａ〜図１５Ｆを用いて説明する。

本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法は、図１〜図１０に示した第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。

図１１〜図１４及び図１５Ａ〜図１５Ｆに示した本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法を行う軸流圧縮機や軸流タービンの翼列試験装置の基本構成およびその全体動作を説明する。

静止翼１０の保持部１１に設置する歪ゲージ１２の貼付位置や貼付方向の組み合わせは無数にある。

本発明の第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、流体力の方向を模式的に示した図３に示したように、翼列を構成する翼に作用する３成分の力であるピッチング方向のモーメント７と、並進方向の８、９の力の大きさを得るためには、最低３ヶ所の歪を計測する必要がある。

ここで、３成分の力は、ピッチング方向の歪と、並進方向の８、９の各歪をそれぞれε１、ε２、ε３とすると次式のように表せる。
ｆ７＝ａε１＋ｂε２＋ｃε３
ｆ８＝ｄε１＋ｅε２＋ｆε３
ｆ９＝ｇε１＋ｈε２＋ｉε３
ただしａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉは定数である。

静止翼１０の保持部１１は円筒または円柱形状となっており、外面を周方向に展開した図を図１２及び図１４にそれぞれ示し、静止翼１０の保持部１１側から並進方向の力８、９を見た図を図１１及び図１３にそれぞれ示す。

次に、実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法として翼列の非定常流体力を計測する代表的な歪ゲージの貼付例を以下に２例示す。

静止翼１０の保持部１１に歪ゲージを設置する１つ目の貼付例では、歪ゲージ１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、図１１に示すように、静止翼１０の保持部１１に周方向９０度おきに三ヶ所貼付されている。

そして、図１２に示したように、歪ゲージ１２ａは静止翼１０の保持部１１の軸方向の歪を計測し、歪ゲージ１２ｂ及び歪ゲージ１２ｃは静止翼１０の保持部１１の軸方向から４５度となる方向の歪をそれぞれ計測する。

図１１に示すピッチング方向７の力と、並進方向の８、９の各力が静止翼１０に作用したときの流体力の大きさと各歪ゲージ１２ａ、１２ｂ、１２ｃで計測される歪量を図１５Ａ、図１５Ｃ、及び図１５Ｅにそれぞれ示す。

図１５Ａに示したように、図１１に示すピッチング７の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ａに力の大きさに比例した歪が発生する。

そして図１１に示すピッチング方向７の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｂと歪ゲージ１２ｃには同符号の歪が発生する。

また、図１５Ｃに示したように、図１１に示す並進方向８の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｂと歪ゲージ１２ｃの歪は異符号で、且つ、力の大きさに比例した歪が発生する。

また、図１５Ｅに示したように、逆に図１１に示す並進方向８の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｂと歪ゲージ１２ｃには同符号で、且つ、力の大きさに比例した歪が発生する。

静止翼１０の保持部１１に歪ゲージを設置する２つ目の貼付例では、歪ゲージ１２ｄ、１２ｅ、１２ｆは図１１に示したように周方向９０度おきに貼付されているものの、図１３に示したように歪ゲージ１２ｄ、１２ｅがそれぞれ軸方向に、歪ゲージ１２ｆが軸方向から４５度となる方向の歪を計測するように歪ゲージを貼付する。

図１３に示すピッチング方向７の力、並進方向の力８、９の各力が静止翼１０に作用したときの流体力の大きさと各歪ゲージで計測される歪量を図１５Ｂ、図１５Ｄ、及び図１５Ｆに示す。

図１５Ｂに示したように、図１３に示すピッチング方向７の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｆに力の大きさに比例した歪が発生する。そして図１３に示すピッチング方向７の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｄと歪ゲージ１２ｅには同符号の歪が発生する。

また、図１５Ｄに示したように、図１３に示す並進方向８の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｄと歪ゲージ１２ｆには同符号の歪が発生する。そして、歪ゲージ１２ｅには力の大きさに比例した歪が発生する。

また、図１５Ｆに示したように、逆に図１３に示す並進方向９の力が静止翼１０に作用したとき、歪ゲージ１２ｅと歪ゲージ１２ｆには同符号の歪が発生する。そして、歪ゲージ１２ｄには力の大きさに比例した歪が発生する。

上記した説明から理解できるように、試験の要求に応じて歪ゲージ最も適切な貼付方法を選定する。前者の方法では、歪ゲージ１２ｂ、１２ｃがピッチング方向７の力が作用したときに最も歪が大きくなる方向の歪を計測するために、ピッチング方向７の力に対して精度よく計測することができる。

また後者の方法では、並進方向８、９の力に対して歪ゲージ１２ｄ、１２ｅがそれぞれ最も歪が大きくなる周方向位置で、最も歪が大きい方向の歪を計測しているため、並進方向８、９の力を精度よく計測することができる。

また、いずれも場合も歪ゲージの貼付は３枚分しか必要としないため、歪ゲージで計測した歪の計測値を伝送する配線等も少なくて済む。

上記した本実施例によれば、共振を利用して高い振動数での翼の加振を可能にして、流体力の計測に圧力センサを使用せずに翼の高さ方向も含めて翼面全体にかかる流体力を精度よく計測できる翼列に作用する非定常流体力の計測方法が実現できる。

次に本発明の第３実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振試験装置ついて図１６を用いて説明する。

本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法は、図１〜図１０に示した第１実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法、並びに、図１１〜図１５に示した第２実施例である翼列に作用する非定常流体力の計測方法と基本的な構成は類似しているので、前記実施例と共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。

図１６に示した本実施例の翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振試験装置である並進加振装置において、加振翼１３は２つの加振翼支持部１４によって支持される両持ち構造となっており、この加振翼１３及び加振翼支持部１４は８枚の板バネ１５ａにより支持されている。

図１６に示した方向４７は加振機２５で加振翼１３を加振する加振方向を表している。加振翼１３は、これらの加振機２５により、方向４７の方向に振動する。

２つの加振翼支持部１４を支持する８枚の板バネ１５ａのうち、４枚の板バネ１５ａは、加振翼１３に対して方向４７側に設置され、残りの４枚の板バネ１５ａは方向４７と反対側に置かれている。

次に、系の固有振動数の調整方法を説明する。固有振動数を変更するためには、加振翼１３を支持する加振翼支持部１４を支持するばね部１５を構成する板バネ１５ａのばね定数を調整すればよい。

図１６に示した本実施例の並進加振装置の場合、ばね定数は板ばね１５ａを交換することで容易に調整可能である。最も調整が容易なのは板ばね１５ａの厚みである。

板ばね１５ａの厚みを増せば固有振動数は高まる。更に固有振動数を高めたければ、板ばね１５ａの長さを短くすればよい。

もちろん、板ばね１５ａの幅も固有振動数を変化させることができる。ただし、あまりにも幅が狭めると板ばね１５ａにねじりが生じ問題となるため、そうならない範囲で調整することが必要である。

次に図１６に示した並進加振装置の効果を説明する。図１６に示したように、本実施例の並進加振装置においては、前記した様に板バネ１５ａを配置することで、加振翼１３に対して加振方向以外の方向、即ち、ねじり方向４６や加振方向４７と直交する方向４８の振動の発生を抑制できる。

その上、加振翼１３に対して振動方向４７に流体力以外で作用する主な力を、必要最低限とすることができるため、流体力を精度よく計測できる。加振機２５による加振力と板バネ１５ａによる力である。

上記した本実施例によれば、共振を利用して高い振動数での翼の加振を可能にして、流体力の計測に圧力センサを使用せずに翼の高さ方向も含めて翼面全体にかかる流体力を精度よく計測できる翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置が実現できる。

１、１３：加振翼、２：静止翼、３：流入方向、４：流出方向、５：上壁、６：下壁、１０：静止翼、１１：静止翼保持部、１２：歪ゲージ、１３：加振翼、１４：加振翼保持部、１５：ばね部、１５ａ：板バネ、１６：歪ゲージ、１２ａ〜１２ｃ：歪ゲージ、１２ｄ〜１２ｆ：歪ゲージ、２２：加振翼支持構造、２５：加振機、２６：ギャップセンサ、３１：風洞流路、３２：加振力演算器、３３：加振力、３５：変位、３６：変位／加振力演算器、３７：振動数演算器、４１：固有振動数演算器、４２：半値幅演算器、４５：非定常流体力演算器、４７：非定常流体力。

Claims (8)

1. 翼列中の１つの翼を加振翼として加振し、この加振翼および該加振翼に隣接する翼である静止翼の非定常流体力を計測する翼の非定常流体力の計測方法において、
   翼列中の前記加振翼に該加振翼を保持する加振翼の保持部が設けられ、
   翼列中の前記静止翼に該静止翼を保持する静止翼の保持部が設けられ、
   前記加振翼の保持部に該加振翼の保持部を支持するバネ部が設けられ、
   前記加振翼の保持部に該加振翼を加振する加振機が設けられ、
   前記加振翼の保持部に近接して加振翼の変位を検出するギャップセンサが設けられ、
   前記加振機を駆動して加振翼を加振し、該加振翼の保持部を支持するバネ部に設けた歪ゲージによって加振翼の歪を検出するように構成されており、
   前記翼の非定常流体力の測定方法として、前記加振機を駆動して加振翼を加振すると共に、加振翼を加振する加振周波数を変化させ、
   前記加振翼の保持部に設けた前記歪ゲージで検出した加振翼の歪に基づいて、変化させた加振周波数における加振翼の加振力を演算し、
   前記ギャップセンサで検出した加振翼の変位に基づいて加振翼が振動する振動数を演算し、
   前記ギャップセンサで検出した加振翼の変位と、演算した前記加振翼の加振力に基づいて、変位／加振力の値を演算し、
   これらの演算した前記加振翼の振動数及び前記加振翼の加振力に基づいて加振翼および静止翼に作用する非定常流体力を演算することを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
2. 請求項１に記載した翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、
   前記加振翼の非定常流体力の測定方法として、演算によって求めた前記加振翼が振動する振動数に基づいて固有振動数を演算し、
   演算によって求めた前記変位／加振力に基づいて変位振幅／加振力振幅の値が最大値の１/√２となる半値幅を演算し、
   これらの演算した前記固有振動数と前記半値幅に基づいて、加振翼および静止翼に作用する非定常流体力を求めるようにしたことを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
3. 請求項１又は２に記載した翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、
   静止翼と、静止翼を保持する保持部からなる静止翼の非定常流体力を計測する非定常流体力の計測系であって、前記静止翼の保持部を円筒または円柱形状に形成し、この静止翼の保持部の外面上の任意の周方向位置の３ヶ所に、３枚の歪ゲージをそれぞれ設け、これらの歪ゲージの出力の組合せから静止翼に作用する曲げ２方向の流体力と、ねじり方向の流体力を算出することを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
4. 請求項３に記載した翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、
   歪ゲージは静止翼の保持部の外面上の周方向位置に約９０度おきに３ヶ所設けられていることを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
5. 請求項４に記載した翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、
   静止翼の保持部の外面上の周方向位置に約９０度おきに３ヶ所に設けられた歪ゲージは、静止翼の保持部の軸方向ないし軸方向と４５度をなす方向の歪を計測するように設けられていることを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
6. 請求項５に記載した翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、
   静止翼の保持部の３ヶ所に設けられた歪ゲージのうち、中央の１ヵ所の歪ゲージは静止翼を保持する前記保持部の軸方向の歪を計測し、この前記保持部と両隣の残り２枚の歪ゲージは、前記保持部の軸方向と４５度をなす方向の歪を計測するように設けられていることを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
7. 請求項５に記載した翼列に作用する非定常流体力の計測方法において、
   静止翼の保持部の３ヶ所に設けられた歪ゲージのうち、隣り合う２ヵ所の歪ゲージは前記保持部の軸方向の歪を計測し、残り１枚の歪ゲージは前記保持部の軸方向と４５度なす方向の歪を計測するように設けられていることを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置であって、
   加振装置は、加振翼と、加振翼の保持部を支持する８枚の板バネと、加振翼を加振する加振機から加振翼の加振機構を構成し、
   加振翼を支持する加振翼の保持部は両持ち構造で構成し、
   加振翼の両端には８枚の板バネのうち、４枚の板バネをそれぞれ設置し、これら４枚の板バネのうち２枚の板バネは加振翼に対して加振翼の振動方向の一方側に設置し、残りの２枚の板バネは加振翼の振動方向の他方側に設置して構成した加振機構を備えていることを特徴とする翼列に作用する非定常流体力の計測方法に使用する加振装置。

Images