JP2017020940A - 遠心式回転機械の動特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁力発生器の大型化を抑制するとともに、ロータの動特性の測定精度を高めることのできる遠心式回転機械の動特性測定装置、及び、この動特性測定装置を備える遠心式回転機械を提供する。【解決手段】動特性測定装置２０は、羽根車１２，１３を磁力で加振する磁力発生器２１と、磁力発生器２１により加振されている羽根車１２，１３の軸方向の振動変位を測定する変位測定装置２３と、磁力発生器２１を回転軸１１の軸方向に移動させる移動装置２２と、移動装置２２を駆動する移動装置駆動部を含む制御装置とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心式回転機械の動特性測定装置に関する。

遠心圧縮機等の従来の遠心式回転機械は、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられて成るロータを備える。このような遠心式回転機械においては、羽根車に作用する流体の励振力に起因してロータが自励振動する場合があり、ロータが自励振動した場合には、遠心式回転機械を適切に駆動できないため運転を停止させる必要がある。このような事態を回避するため、従来から、遠心式回転機械の設計段階において動特性測定装置により減衰比等のロータの動特性が測定され、想定される運転条件においてロータが自励振動を起こしにくくなるようにロータが設計されている。

このような動特性測定装置として、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１の動特性測定装置は、羽根車の背面側に間隔をあけて配置されて、羽根車を磁力で加振する磁力発生器、磁力発生器を駆動する加振制御器、回転軸の振動を検出する振動センサ、及び、加振制御器からの加振信号と振動センサからの振動信号とに基づきロータの減衰比等の動特性を算出する演算装置を備える。

特開２０１４−１０２１１７号公報

ところで、遠心式回転機械が駆動しているときに、ロータにスラスト荷重が作用するため、ロータが回転軸の軸方向に変位する。このため、磁力発生器と羽根車との間隔が狭すぎた場合、磁力発生器と羽根車とが接触する虞がある。磁力発生器と羽根車とが接触した場合、ロータの動特性を測定することができない。

一方、磁力発生器を羽根車の背面から十分離れた位置に配置した場合、ロータが回転軸の軸方向に変位しても、磁力発生器と羽根車とが接触することを回避することができる。しかし、磁力発生器と羽根車の背面との間隔を広くすると、磁力発生器が羽根車に付与できる加振力が小さくなるため、羽根車に十分な加振力を付与できない。また、羽根車に十分な加振力を付与するために磁力発生器の出力を高めようとすると、磁力発生器の大型化を招きかねない。

本発明は、磁力発生器の大型化を抑制するとともに、ロータの動特性の測定精度を高めることを主たる目的としている。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置は、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられて成るロータを備えた遠心式回転機械の動特性測定装置であって、前記羽根車を磁力で加振する磁力発生器と、前記磁力発生器により加振されている前記羽根車の軸方向の振動変位を測定する変位測定装置と、前記磁力発生器を少なくとも前記回転軸の軸方向の移動成分をもって移動させる移動装置と、前記移動装置を駆動する移動装置駆動部を含む制御装置とを備える。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、変位測定装置により測定された羽根車の軸方向の振動変位に基づき、移動装置駆動部が移動装置を駆動することにより磁力発生器を回転軸の軸方向に移動させることができるため、磁力発生器と羽根車とのギャップを適切なギャップに変更することができる。したがって、磁力発生器の大型化を抑制するとともに、磁力発生器による羽根車に対する加振力を大きくすることができ、ロータの動特性の測定精度を高めることができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記制御装置は、前記変位測定装置により測定される前記磁力発生器により加振されている前記羽根車の軸方向の振動変位と、前記磁力発生器の磁力特性とから、動特性測定中に前記磁力発生器と前記羽根車とが接触すると予想されるギャップの時間平均値である最小必要平均ギャップを算出するとともに、この最小必要平均ギャップよりも大きいギャップの範囲である許容範囲を算出する演算部をさらに有し、前記移動装置駆動部は、動特性測定中の前記磁力発生器と前記羽根車とのギャップの時間平均値である平均ギャップが前記許容範囲に含まれるように前記移動装置を駆動する。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、移動装置駆動部は、動特性測定中の平均ギャップが許容範囲に含まれるように移動装置を駆動するため、平均ギャップが最小必要平均ギャップ以上のギャップに維持される。このため、動特性測定中に磁力発生器と羽根車とが接触する虞がより低減される。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記磁力発生器の磁力特性は、前記磁力発生器と前記羽根車または前記羽根車と同一の材質でできた試験部材とのギャップと、前記磁力発生器による前記羽根車に対する磁力との関係を表すものであり、前記演算部は、前記磁力発生器により前記羽根車を加振したときの前記磁力発生器と前記羽根車とのギャップの時間平均値を平均ギャップとし、この平均ギャップを複数点サンプリングし、このサンプリングされた複数の平均ギャップにおける加振中の前記羽根車の軸方向の振動変位を前記変位測定装置により測定し、測定された前記軸方向の振動変位と前記磁力発生器の磁力特性とから前記羽根車の前記平均ギャップに対する軸方向の振動変位曲線を求め、この軸方向の振動変位曲線から羽根車の軸方向の振動変位と前記平均ギャップとが等しくなる平均ギャップを求め、求められた平均ギャップを前記最小必要平均ギャップとし、前記最小必要平均ギャップに余裕値を見込んだギャップの範囲を前記許容範囲として算出する。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、複数の平均ギャップにおける加振中の羽根車の軸方向の振動変位についての測定値を基に許容範囲が算出されるため、許容範囲の算出精度が高められる。このため、動特性測定中に磁力発生器と羽根車とが接触する虞がより低減される。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記演算部は、前記最小必要平均ギャップに対し定数を乗算することにより前記許容範囲を算出する。
この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、許容範囲が最小必要平均ギャップに対し定数を乗算することにより算出された範囲に設定されるため、動特性測定中に磁力発生器と羽根車とが接触する虞がより低減される。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記演算部は、前記複数の平均ギャップにおける前記軸方向の振動変位と前記磁力発生器の磁力特性とから、前記羽根車の軸方向の振動変位が前記平均ギャップと等しくなる値を最小二乗法から求めるとともに、そのときの最大予測値及び最小予測値を算出し、前記最大予測値と前記最小予測値との差分、及び、前記最小二乗法から求められた平均ギャップに基づき前記許容範囲を算出する。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、最大予測値と最小予測値との差分、及び、最小二乗法から求められた平均ギャップを考慮して許容範囲を算出するため、許容範囲が過度に大きいギャップの範囲になりにくい。このため、ロータの動特性の測定精度をより高めることができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記移動装置駆動部は、前記磁力発生器により前記羽根車を加振しているときは、前記移動装置を駆動しないように構成されている。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、磁力発生器により羽根車を加振しているときは移動装置が駆動されないため、平均ギャップが許容範囲に維持されやすい。このため、ロータの動特性の測定精度を高精度に維持することができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記移動装置駆動部は、動特性測定の開始前又は動特性測定の終了時に、前記磁力発生器と前記羽根車とのギャップが前記磁力発生器と前記羽根車とが接触し得ないギャップである退避ギャップとなるように前記移動装置を駆動する。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、動特性測定の開始前又は動特性測定の終了時に、磁力発生器と羽根車とのギャップが退避ギャップとなるように移動装置が駆動されるため、起動したロータに対して想定される最大のスラスト荷重が作用する場合であっても、磁力発生器と羽根車との接触の虞を解消することができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記制御装置は、前記磁力発生器を駆動する磁力発生器駆動部を有し、前記磁力発生器駆動部は、前記磁力発生器による前記羽根車の加振中に前記羽根車が軸方向に移動した場合には、前記磁力発生器の加振動作を停止させるように構成されている。

この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、磁力発生器により加振中の羽根車が軸方向に移動した場合に磁力発生器の加振動作を停止させるため、動特性測定精度を高精度に維持するとともに、磁力発生器と羽根車との接触の虞を解消することができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記移動装置は、電圧又は磁気により伸縮する伸縮素子を駆動源として前記磁力発生器を軸方向に移動可能とした。この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、簡易な構成の移動装置を形成することができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記移動装置は、モータで駆動される送りねじを駆動源として前記磁力発生器を軸方向に移動可能とした。この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、簡易な構成の移動装置を形成することができる。

上記課題を解決する遠心式回転機械の動特性測定装置において、前記移動装置は、流体圧力で駆動されるシリンダを駆動源として前記磁力発生器を軸方向に移動可能とした。この遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、簡易な構成の移動装置を形成することができる。

本発明にかかる遠心式回転機械の動特性測定装置によれば、磁力発生器の大型化を抑制するとともに、ロータの動特性の測定精度を高めることができる。

実施の形態１に係る遠心圧縮機及び動特性測定装置を模式的に示す模式図。 同遠心圧縮機の羽根車に対する磁力発生器及び変位測定装置の配置を示す模式図。 その他の実施の形態の遠心圧縮機の羽根車に対する磁力発生器及び変位測定装置の配置を示す模式図。 実施の形態１の動特性測定装置の電気的構成を示すブロック図。 ギャップと磁力との関係を示すグラフ。 同動特性測定装置により測定された平均ギャップと羽根車の軸方向の振動変位との関係を示すグラフ。 同遠心圧縮機のロータの動特性の処理手順の一例を示すフローチャート。 実施の形態２に係る動特性測定装置により測定された平均ギャップと羽根車の軸方向の振動変位との関係を示すグラフ。 実施の形態３に係る動特性測定装置の磁力発生器及び移動装置を模式的に示す模式図。 実施の形態４に係る動特性測定装置の磁力発生器及び移動装置を模式的に示す模式図。 磁力発生器の配置の変形例を示す模式図。 磁力発生器の配置の変形例を示す模式図。 磁力発生器の配置の変形例を示す模式図。 磁力発生器の配置の変形例を示す模式図。 磁力発生器の配置の変形例を示す模式図。

（実施の形態１）
図１に示される遠心式回転機械の一例である遠心圧縮機１は、ガスを圧縮するギヤ内蔵型の圧縮機であり、回転軸１１の軸端部に羽根車１２，１３が取り付けられて成るロータ１０を備える。

回転軸１１の軸方向の中央には、ピニオンギヤ２が取り付けられており、ピニオンギヤ２は、ピニオンギヤ２よりも大径のギヤ（図示略）と噛み合わせられている。この大径のギヤの回転がピニオンギヤ２を介して回転軸１１に伝達され、回転軸１１及び羽根車１２，１３が回転する。

回転軸１１の軸方向におけるピニオンギヤ２の両隣りには、回転軸１１を支持する一対の軸受３が取り付けられている。回転軸１１の軸方向における軸受３と羽根車１２，１３との間には、圧縮ガスの漏れを防止するシール４が取り付けられている。羽根車１２，１３の材質は、磁気吸引力が作用する磁性体、又は、渦電流が発生する良導電体であることが好ましい。磁性体の一例としては、鉄及び磁性を有するステンレス等が挙げられる。良導電体の一例としては、アルミニウム合金及び銅等が挙げられる。

以上のように構成された遠心圧縮機１においては、羽根車１２，１３に作用する圧縮ガスの励振力に起因してロータ１０が自励振動する場合がある。ロータ１０が自励振動した場合には、遠心圧縮機１を適切に駆動できないため、遠心圧縮機１の運転を停止させる必要がある。このような事態を回避するため、遠心圧縮機１の設計段階において、動特性測定装置２０によりロータ１０の減衰比等の遠心圧縮機１の動特性が測定され、想定される運転条件範囲において、ロータ１０が自励振動を起こしにくくなるようにロータ１０が設計される。

図１及び図２に示されるように、動特性測定装置２０は、左右の羽根車１２，１３を磁力で加振する８個の磁力発生器２１、磁力発生器２１を回転軸１１の軸方向に移動させる８個の移動装置２２、及び、磁力発生器２１により加振されている羽根車１２，１３の軸方向の振動変位を測定する８個の変位測定装置２３を有する。なお、羽根車１３の背面１３Ａ側の磁力発生器２１、移動装置２２、及び、変位測定装置２３の配置は、羽根車１２の背面１２Ａ側の配置と同様であるため、これらの説明及び図示を省略する。

磁力発生器２１は、例えば、鉄心にコイルが巻かれて成る電磁石であり、羽根車１２の外周部の背面１２Ａと面する位置に４個配置されている。４個の磁力発生器２１は、鉄心の軸方向と回転軸１１の軸方向とが平行となるように、回転軸１１の回転方向ＲＡに９０°ずつの間隔をあけて配置されている。なお、磁力発生器２１は、羽根車１３の外周部の背面１３Ａと面する位置にも羽根車１２側と同様に４個配置されており、羽根車１２の背面１２Ａ側に配置されている４個の磁力発生器２１と羽根車１３の背面１３Ａ側に配置されている４個の磁力発生器２１とは、回転軸１１の軸方向において対向している。

移動装置２２は、例えば、伸縮性の圧電素子であり、各磁力発生器２１にそれぞれ取り付けられている。移動装置２２は、羽根車１２，１３側の端部がそれぞれ対応する磁力発生器２１に接続されている一方、反対側の端部がロータ１０を覆うケーシング（図示略）に固定されている。移動装置２２は、制御装置３０（図４参照）から供給される電圧に応じて回転軸１１の軸方向に伸縮することにより、接続されている磁力発生器２１の先端と羽根車１２，１３の背面１２Ａ，１３Ａとのギャップを変更する。なお、移動装置２２は、伸縮性の圧電素子と接続された磁力発生器２１をガイドレールに沿って移動させる構成のいわゆるインチワーム式のアクチュエータとして構成することもできる。

変位測定装置２３は、例えば、渦電流式変位センサであり、ロータ１０を覆うケーシング（図示略）に固定されている。変位測定装置２３は、回転軸１１の回転方向ＲＡに９０°ずつの間隔をあけて配置されている。また、変位測定装置２３は、対応する磁力発生器２１に対して回転軸１１の回転方向ＲＡに２０°ずれた位置に配置されている。変位測定装置２３の磁力発生器２１に対する配置は、例えば図３に示されるように、変位測定装置２３を対応する磁力発生器２１に対して羽根車１２の径方向の内方に配置するようにしてもよい。

図４に示されるように、動特性測定装置２０は、さらに、磁力発生器２１、及び、移動装置２２の動作を制御する制御装置３０と、磁力発生器２１による加振中の回転軸１１の振動を検出する一対の振動センサ５１，５２とを備える。なお、図４においては、図面簡略化のため、８個の磁力発生器２１、８個の移動装置２２、及び、８個の変位測定装置２３のうち、それぞれ２個ずつを図示している。

制御装置３０は、磁力発生器駆動部３１、演算部３２、移動装置駆動部３３、及び、記憶部３４を有する。
磁力発生器駆動部３１は、作業者が操作部４１を操作することにより選択した加振モードに応じた加振信号を８個の磁力発生器２１に増幅して出力して磁力発生器２１を駆動する。磁力発生器駆動部３１による磁力発生器２１の駆動方法は、例えば、加振周波数を変化させていくスイープ加振、又は、衝撃的な入力を羽根車１２，１３に加えるインパルス加振等が挙げられる。また、加振モードとしては、例えば、特許文献１に記載の剛体モード、曲げモード、後ろ回りモード、前回りモード、後ろ回り剛体モード、前回り剛体モード、後ろ回り曲げモード、及び、前回り曲げモードを選択することができる。

剛体モードは、回転軸１１の曲がりが比較的小さい振動を再現するモードであり、剛体モードにおいては、回転軸１１の両端は回転しながら反対向きに振動する。
曲げモードは、回転軸１１の曲がりが比較的大きい振動を再現するモードであり、曲げモードにおいて回転軸１１の両端は、回転しながら同じ向きに振動する。

後ろ回りモードは、回転軸１１の振れ回りが回転軸１１の回転方向とは反対方向となる振動を再現するモードである。
前回りモードは、回転軸１１の振れ回りが回転軸１１の回転方向と同方向となる振動を再現するモードである。

後ろ回り剛体モードは、後ろ回りモードによる回転軸１１の振動と剛体モードによる回転軸１１の振動とを合わせたモードである。前回り剛体モードは、前回りモードによる回転軸１１の振動と剛体モードによる回転軸１１の振動とを合わせたモードである。後ろ回り曲げモードは、後ろ回りモードによる回転軸１１の振動と曲げモードによる回転軸１１の振動とを合わせたモードである。前回り曲げモードは、前回りモードによる回転軸１１の振動と曲げモードによる回転軸１１の振動とを合わせたモードである。

各加振モードにおける磁力発生器２１の駆動態様は特許文献１と同様であるため説明を省略する。また、加振モードとしては、上述した８つのモードの他に磁力発生器２１の個数及び駆動態様を変更することにより、様々なモードを設定することができる。

磁力発生器駆動部３１は、これら各加振モードに応じて出力した加振信号の情報である加振情報を演算部３２に出力する。また、これら各加振モードに応じて振動している回転軸１１の振動は、回転軸１１の周囲に互いに直角に設置された一対の振動センサ５１，５２により検出される。振動センサ５１，５２は、例えば、渦電流式変位センサであり、検出した振動情報を演算部３２に出力する。

演算部３２は、磁力発生器駆動部３１からの加振情報、及び、振動センサ５１，５２からの振動情報に基づき、例えば特許文献１に記載されている周波数解析及びモード解析を行い、ロータ１０の動特性を算出するとともに、その算出結果をディスプレイ４２に表示させる。ロータ１０の動特性の一例は、ガス動力等の遠心圧縮機１の負荷に対する減衰比の変化である。また、ロータ１０の動特性の別の一例は、遠心圧縮機１の駆動時間に対する減衰比の変化である。

また、演算部３２は、変位測定装置２３により測定される、磁力発生器２１により加振されている羽根車１２，１３の軸方向の振動変位、及び、磁力発生器２１の磁力特性から最小必要平均ギャップｄｌｉｍを算出する。最小必要平均ギャップｄｌｉｍは、動特性測定中に磁力発生器２１と羽根車１２，１３とが接触すると予想されるギャップの時間平均値である。演算部３２は、動特性測定中の磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップの時間平均値である平均ギャップｄが最小必要平均ギャップｄｌｉｍよりも大きいギャップの範囲である許容範囲に含まれるように移動装置２２を駆動する移動信号を移動装置駆動部３３に出力する。

移動装置駆動部３３は、演算部３２からの移動信号に基づき、移動装置２２に供給する電圧を制御して磁力発生器２１を軸方向に移動させる。記憶部３４は、演算部３２の演算に必要な情報、及び、演算部３２の様々な演算結果を記憶する。

図５及び図６を参照して、最小必要平均ギャップｄｌｉｍ、及び、許容範囲の算出方法について説明する。
最小必要平均ギャップｄｌｉｍの算出に際して、まず、磁力発生器２１の磁力特性の測定試験が実施される。磁力特性の測定試験は、磁力発生器２１と羽根車１２，１３と同一の材質の部材（以下では「試験部材」）とのギャップｄと、ギャップｄに対する磁力発生器２１の磁力Ｆｍとの関係を測定する試験である。

磁力特性の測定試験においては、試験部材と磁力発生器２１とのギャップｄを変化させ、各ギャップｄのときに試験部材に作用している磁力を、例えば、試験部材に取り付けられたロードセルで測定する。

以上のような磁力特性の測定試験が実施されることにより、以下の式（１）が算出され、例えば、図５に示される磁力特性を示すグラフが得られる。

Ｆｍ＝ｆ（ｄ）…式（１）
次に、演算部３２は、所定の運転条件にて回転し、かつ任意の加振モードで加振されている羽根車１２，１３と磁力発生器２１との平均ギャップｄを複数点サンプリングする。変位測定装置２３は、このサンプリングされた複数の平均ギャップｄにおける羽根車１２，１３の軸方向の振動変位Ｖを測定する。

図６に示されるように、複数点サンプリングする平均ギャップｄは、例えば、平均ギャップｄｘ、平均ギャップｄｘよりも小さい平均ギャップｄｙ、及び、平均ギャップｄｙよりも小さい平均ギャップｄｚである。平均ギャップｄｘ〜ｄｚは、所定の運転条件にて回転し、かつ加振されている羽根車１２，１３が軸方向に変位しても羽根車１２，１３と接触しないと想定される比較的大きいギャップである。記憶部３４は、平均ギャップｄｘ〜ｄｚに対応する羽根車１２，１３の軸方向の振動変位Ｖを対応付けて記憶する。

演算部３２は、羽根車１２が加振されず、かつ、所定の運転条件で回転している羽根車１２の軸方向の振動変位Ｖ₀、及び、定数ａを用いて、加振されている羽根車１２の軸方向の振動変位Ｖを表す以下の式（２）を算出する。

Ｖ＝ａ・ｆ（ｄ）＋Ｖ₀…式（２）
次に、演算部３２は、式（１）及び式（２）に基づく以下の式（３）、又は、最小二乗法に基づき、定数ａを算出する。

ａ＝（Ｖ−Ｖ₀）／Ｆｍ…式（３）
演算部３２は、算出した定数ａに基づき、図６に示される軸方向の振動変位曲線を算出する。

演算部３２は、図６に示される軸方向の振動変位曲線から羽根車１２，１３の軸方向の振動変位Ｖと平均ギャップｄとが等しくなる平均ギャップを最小必要平均ギャップｄｌｉｍとして算出する。さらに、演算部３２は、この最小必要平均ギャップｄｌｉｍに余裕値を見込んだギャップの範囲を動特性測定中の平均ギャップｄの許容範囲として設定する。演算部３２は、例えば、最小必要平均ギャップｄｌｉｍに定数を乗算して、最小必要平均ギャップｄｌｉｍ×１．１〜最小必要平均ギャップｄｌｉｍ×１．２を許容範囲として算出する。なお、許容範囲の算出に際して最小必要平均ギャップｄｌｉｍに乗算する定数は、任意の値を選択できる。

図７を参照して、本実施の形態に係る動特性測定装置２０の作用とともにロータ１０の動特性の測定手順の一例について説明する。
動特性の測定は、上述した各加振モードに対応する最小必要平均ギャップｄｌｉｍ及び許容範囲が予め算出された状態で行われる。

まず、作業者が、操作部４１を操作することにより任意の加振モードが選択されると、演算部３２は、ステップＳ１０において、移動装置駆動部３３に出力した移動信号の履歴から軸方向における変位測定装置２３と対応する磁力発生器２１との相対位置を算出する。また、演算部３２は、動特性測定の開始前に、算出した相対位置、及び、変位測定装置２３により測定された羽根車１２，１３とのギャップから、全ての磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップが退避ギャップ以上か否かを判定する。退避ギャップは、遠心圧縮機１が起動したときにロータ１０に対して想定される最大のスラスト荷重が作用しても羽根車１２，１３と磁力発生器２１とが接触しないギャップである。演算部３２は、少なくとも１つの磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップが退避ギャップ未満であると判定したとき、移動信号を移動装置駆動部３３に出力する。

ステップＳ１１において、移動装置駆動部３３は、移動信号に基づき、退避ギャップ未満である磁力発生器２１に供給する電圧を制御することにより移動装置２２を駆動して、全ての磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップが退避ギャップ以上となるように磁力発生器２１の軸方向の位置を変更する。

一方、演算部３２は、ステップＳ１０において、全ての磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップが退避ギャップ以上であると判定したとき、例えばディスプレイ４２に「測定可能」と表示させる。そして、ステップＳ１２において作業者は遠心圧縮機１を起動させる。遠心圧縮機１が起動することにより、羽根車１２，１３が振動して回転軸１１の軸方向に変位する。

ステップＳ１３において、演算部３２は、磁力発生器２１と羽根車１２，１３との平均ギャップｄを算出する。
ステップＳ１４において、演算部３２は、算出した平均ギャップｄが許容範囲に含まれるか否かを判定する。演算部３２は、ステップＳ１４において、磁力発生器２１と羽根車１２，１３との全ての平均ギャップｄの少なくとも１つが許容範囲に含まれていないと判定したとき、移動信号を移動装置駆動部３３に出力する。

ステップＳ１５において、移動装置駆動部３３は、移動信号に基づき、平均ギャップｄが許容範囲に含まれていない磁力発生器２１に供給する電圧を制御して平均ギャップｄが許容範囲に含まれるように磁力発生器２１を軸方向に移動させる。

ステップＳ１６において、演算部３２は、全ての移動装置２２に供給する電圧を一定に維持する固定信号を移動装置駆動部３３に出力する。移動装置駆動部３３は、固定信号が入力されたことに基づき、全ての移動装置２２に供給する電圧を一定に維持して全ての磁力発生器２１の軸方向の位置を固定する。

ステップＳ１７において、磁力発生器駆動部３１は、選択されている加振モードに応じた加振信号を磁力発生器２１に出力する。これにより、ロータ１０の動特性の測定が開始される。すなわち、動特性測定の開始時とは、磁力発生器駆動部３１が加振信号を磁力発生器２１に出力したときを示す。

ところで、遠心圧縮機１は、動特性測定中のロータ１０に作用するスラスト荷重が、起動時に作用したスラスト荷重からさらに変化する場合がある。この場合、動特性測定中、すなわち、磁力発生器２１による加振中にロータ１０が軸方向に移動する場合がある。このため、演算部３２は、ステップＳ１８において、変位測定装置２３の測定結果より、加振中の磁力発生器２１と羽根車１２，１３との最も小さいギャップである最小ギャップが許容範囲に含まれるか否かを判定する。

最小ギャップが許容範囲に含まれないとき、ロータ１０が軸方向に移動して羽根車１２，１３の位置が動特性測定の開始時よりも磁力発生器２１に接近している可能性が高い。このため、演算部３２は、ステップＳ１８において、少なくとも１つの磁力発生器２１に対応する最小ギャップが許容範囲に含まれないと判定したとき、ステップＳ１９において、磁力発生器駆動部３１に加振停止信号を出力する。これにより、磁力発生器２１による羽根車１２，１３の加振動作が停止され、ロータ１０の動特性の測定が中断される。

一方、演算部３２は、ステップＳ１８において、全ての磁力発生器２１に対応する最小ギャップが許容範囲に含まれていると判定したとき、ステップＳ２０において、動特性の測定が終了したか否かを判定する。

演算部３２は、例えば、選択されている加振モードごとに設定されている加振時間が経過し、かつ、作業者からロータ１０の回転速度等の遠心圧縮機１の運転条件を変更する旨の要求がなされていないことに基づき動特性の測定が終了したと判定する。演算部３２は、動特性の測定が終了したと判定したとき、ステップＳ２１において、磁力発生器駆動部３１に加振停止信号を出力する一方、ディスプレイ４２に「測定終了」と表示させる。これにより、磁力発生器２１による羽根車１２，１３の加振動作が中止され、ロータ１０の動特性の測定が終了する。そして、ステップＳ２２において、作業者は、遠心圧縮機１を停止させる。

一方、演算部３２は、ステップＳ２０において、例えば、作業者からロータ１０の回転速度等の遠心圧縮機１の運転条件を変更する旨の要求がなされていることに基づき、動特性の測定が終了していないと判定する。

演算部３２は、ステップＳ２０において、動特性の測定が終了していないと判定したとき、ステップＳ２３において、移動装置駆動部３３への固定信号の出力を停止する。これにより、磁力発生器２１の固定が解除され、磁力発生器２１が軸方向に移動可能となる。また、作業者は、ロータ１０の回転速度等の遠心圧縮機１の運転条件を変更するとともに動特性の測定を継続する。

本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）移動装置駆動部３３により移動装置２２が磁力発生器２１を回転軸１１の軸方向に移動させることができるため、磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップを適切に変更することができる。したがって、磁力発生器２１の大型化を抑制するとともに、磁力発生器２１による羽根車１２，１３に対する加振力を大きくすることができ、ロータ１０の動特性の測定精度を高めることができる。

（２）移動装置駆動部３３は、動特性測定中の平均ギャップｄが許容範囲に含まれるように移動装置２２を駆動するため、動特性測定中の平均ギャップｄが最小必要平均ギャップｄｌｉｍ以上のギャップに維持される。このため、動特性測定中に磁力発生器２１と羽根車１２，１３とが接触する虞がより低減される。

（３）複数の平均ギャップｄｘ〜ｄｚにおける加振中の羽根車１２，１３の軸方向の振動変位についての測定値を基に許容範囲が算出されるため、許容範囲の算出精度が高められる。このため、動特性測定中に磁力発生器２１と羽根車１２，１３とが接触する虞がより低減される。

（４）許容範囲が最小必要平均ギャップｄｌｉｍに対し定数を乗算することにより算出された範囲に設定されるため、動特性測定中に磁力発生器２１と羽根車１２，１３とが接触する虞がより低減される。

（５）磁力発生器２１により羽根車１２，１３を加振しているときは、演算部３２が移動装置駆動部３３に固定信号を出力するため、移動装置２２が駆動されない。これにより、許容範囲が一定の範囲に維持されるため、ロータ１０の動特性の測定精度を高精度に維持することができる。

（６）動特性測定の開始前に、磁力発生器２１と羽根車１２，１３とのギャップが退避ギャップとなるように移動装置２２が駆動されるため、起動したロータ１０に対して想定される最大のスラスト荷重が作用する場合であっても、磁力発生器２１と羽根車１２，１３との接触の虞を解消することができる。

（７）最小ギャップが許容範囲に含まれないと判定したとき、すなわち、ロータ１０が軸方向に移動して羽根車１２，１３の位置が磁力発生器２１に接近している可能性が高いときに磁力発生器２１の加振動作を停止させるため、動特性の測定精度を高精度に維持するとともに、磁力発生器２１と羽根車１２，１３との接触の虞を解消することができる。

（８）移動装置２２は、電圧により伸縮する伸縮素子を駆動源として磁力発生器２１を軸方向に移動可能としたため、移動装置２２の構成を簡易な構成とすることができる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。
実施の形態２の動特性測定装置２０は、実施の形態１の演算部３２の許容範囲の算出方法を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明し実施の形態１と同一の構成要素には、実施の形態１と同一の符号を付してその説明を省略する。

図８に示されるように、本実施の形態の演算部３２は、図８の実線で示される第１振動変位曲線、図８の破線で示される第２振動変位曲線、及び、図８の一点鎖線で示される第３振動変位曲線を算出する。

第１振動変位曲線は、平均ギャップｄを複数サンプリングした場合における、最小二乗法により算出された定数ａを用いたものである。
第２振動変位曲線は、上記式（３）に基づき算出した定数ａのうちの最も大きい定数ａを用いたものである。

第３振動変位曲線は、上記式（３）に基づき算出した定数ａのうちの最も小さい定数ａを用いたものである。
演算部３２は、第１振動変位曲線から羽根車１２，１３の軸方向の振動変位Ｖと平均ギャップｄとが等しくなる最小必要平均ギャップｄｌｉｍを算出する。

また、演算部３２は、第２振動変位曲線から羽根車１２の軸方向の振動変位Ｖと平均ギャップｄとが等しくなる最大予測値としての必要平均ギャップｄｍａｘを算出する。
また、演算部３２は、第３振動変位曲線から羽根車１２の軸方向の振動変位Ｖと平均ギャップｄとが等しくなる最小予測値としての必要平均ギャップｄｍｉｎを算出する。

演算部３２は、必要平均ギャップｄｍａｘと必要平均ギャップｄｍｉｎとの差分Δｄを算出し、許容範囲を、最小必要平均ギャップｄｌｉｍ＋差分Δｄ〜最小必要平均ギャップｄｌｉｍ＋定数Ａ×差分Δｄの範囲として算出する。なお、定数Ａは、１よりも大きい数である。

実施の形態２に係る動特性測定装置２０は以上のように構成されているので、実施の形態１に係る効果（１）〜（３）、及び、（５）〜（８）に準じた効果を奏するとともに、さらに次の効果を奏することができる。

（９）差分Δｄ、及び、最小二乗法から求められた最小必要平均ギャップｄｌｉｍを考慮して許容範囲を算出するため、許容範囲が過度に大きいギャップの範囲になりにくい。このため、ロータ１０の動特性の測定精度をより高めることができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。
実施の形態３に係る動特性測定装置２０は、実施の形態１の移動装置２２を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成要素には、実施の形態１と同一の符号を付してその説明を省略する。

図９に示されるように、本実施の形態に係る移動装置３００は、ロータ１０のケーシング（図示略）に固定されているモータ３１０、モータ３１０の出力軸に接続されている送りねじ３２０、及び、送りねじ３２０に螺合されるとともに、磁力発生器２１が取り付けられているナット３３０を有する。さらに、移動装置３００は、ナット３３０の下面に取り付けられたガイド３４０、及び、回転軸１１（図１参照）の軸方向に沿って延び、ガイド３４０の移動経路を形成するレール３５０を有する。

移動装置駆動部３３（図４参照）は、モータ３１０と電気的に接続され、演算部３２からの移動信号に基づき、モータ３１０に供給する電力を制御する。
本実施の形態の動特性測定装置２０の作用について、移動装置３００を羽根車１２側に配置される移動装置として適用した例について説明する。

演算部３２からの移動信号に基づき移動装置駆動部３３は、モータ３１０に電力を供給することによりモータ３１０の出力軸が一方に回転し、ナット３３０、及び、ガイド３４０が羽根車１２に接近する方向にレール３５０上を移動する。これにより、ナット３３０に取り付けられた磁力発生器２１も羽根車１２に接近する方向に移動するため、磁力発生器２１と羽根車１２とのギャップが小さくなる。

一方、演算部３２からの移動信号に基づき移動装置駆動部３３は、モータ３１０に電力を供給することによりモータ３１０の出力軸が他方に回転し、ナット３３０、及び、ガイド３４０が羽根車１２から離間する方向にレール３５０上を移動する。これにより、ナット３３０に取り付けられた磁力発生器２１も羽根車１２から離間する方向に移動するため、磁力発生器２１と羽根車１２とのギャップが大きくなる。

なお、本実施の形態の移動装置３００を羽根車１３側に配置される移動装置として適用することもできる。
実施の形態３に係る動特性測定装置２０は以上のように構成されているので、実施の形態１に係る効果（１）〜（７）に準じた効果を奏する。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。
実施の形態４に係る動特性測定装置２０は、実施の形態１の移動装置２２を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成要素には、実施の形態１と同一の符号を付してその説明を省略する。

図１０に示されるように、本実施の形態に係る移動装置４００は、ロータ１０のケーシング（図示略）に固定されているシリンダ４１０、シリンダ４１０の内部を往復動するピストン４２０、及び、ピストン４２０と磁力発生器２１とを連結するピストンロッド４３０を有する。また、シリンダ４１０の壁部には、ピストン４２０により区画されたシリンダ４１０の内部の空間に空気を供給する一対のチューブ４４１，４４２を有する。

移動装置駆動部３３（図４参照）は、演算部３２からの移動信号に基づき、シリンダ４１０に供給する空気の流量を調節する。
本実施の形態の動特性測定装置２０の作用について、移動装置４００を羽根車１２側に配置される移動装置として適用した例について説明する。

移動装置駆動部３３は、演算部３２からの移動信号に基づきチューブ４４１を介してシリンダ４１０に空気を供給する一方、チューブ４４２を介してシリンダ４１０の内部から空気を排出する。これにより、ピストン４２０が羽根車１２に接近する方向に移動するため、磁力発生器２１と羽根車１２とのギャップが小さくなる。一方、移動装置駆動部３３は、演算部３２からの移動信号に基づきチューブ４４１を介してシリンダ４１０から空気を排出する一方、チューブ４４２を介してシリンダ４１０の内部に空気を供給する。これにより、ピストン４２０が羽根車１２から離間する方向に移動するため、磁力発生器２１と羽根車１２とのギャップが大きくなる。なお、本実施の形態の移動装置４００を羽根車１３側に配置される移動装置として適用することもできる。

実施の形態４に係る動特性測定装置２０は以上のように構成されているので、実施の形態１に係る効果（１）〜（７）に準じた効果を奏する。
（変形例）
上記の各実施の形態に関する説明は、本発明に従う遠心式回転機械の動特性測定装置、及び、この動特性測定装置を備える遠心式回転機械が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に従う遠心式回転機械の動特性測定装置、及び、この動特性測定装置を備える遠心式回転機械は、例えば以下に示される上記の各実施の形態の変形例、及び、相互に矛盾しない少なくとも２つの変形例が組み合わせられた形態を取り得る。

・実施の形態１において、最小必要平均ギャップｄｌｉｍの算出においてサンプリングする平均ギャップｄの数は、１つ、２つ、又は、４つ以上とすることもできる。サンプリングする平均ギャップｄの数が１つの場合、演算部３２は、式（３）に基づき、定数ａを算出する。

・実施の形態２において、最小必要平均ギャップｄｌｉｍの算出においてサンプリングする平均ギャップｄの数は、２つ、又は、４つ以上とすることもできる。
・実施の形態１において、移動装置２２は、磁気により伸縮する伸縮素子を用いることもできる。

・実施の形態１において、変位測定装置２３は、静電容量式変位計又はファイバセンサを用いることもできる。
・各実施の形態において、羽根車１２，１３を加振するための磁力発生器２１の個数は、発生させたい振動の態様に応じて任意の個数とすることができる。

・各実施の形態において、移動装置駆動部３３は動特性測定の終了時に、磁力発生器２１が退避ギャップとなるように移動装置２２を駆動するようにしてもよい。
・各実施の形態において、動特性測定装置２０は、遠心ポンプ又は遠心送風機等の遠心式回転機械のロータの動特性を測定してもよい。

・各実施の形態において、磁力発生器２１は、羽根車１２（または羽根車１３）の外周部の背面１２Ａと面する位置に限定されず、外周部以外の背面１２Ａと面する位置に配置してもよい。さらには、例えば、磁力発生器２１を図１１Ａ〜図１１Ｅに示す各位置に配置することも可能である。なお、以下では、羽根車１２に対応する磁力発生器２１の配置について説明しているが、羽根車１３に対応する磁力発生器２１の配置についても同様である。
・例えば、図１１Ａ、Ｂに示すように、磁力発生器２１を、羽根車１２の背面１２Ａとは反対側の面、すなわち、圧縮対象のガスの流入側の面（以降、「表面１２Ｂ」と称する）に面するように、軸方向と略平行に配置してもよい。なお、表面１２Ｂには、軸方向に直交する平面部分（図１１Ｂで符号を付した部分）だけではなく、外周部の傾斜面または湾曲面（図１１Ａで符号を付した部分）も含まれる。
・例えば、図１１Ｃ〜Ｅに示すように、磁力発生器２１を、羽根車１２の径方向外側に配置してもよい。このとき、図１１Ｃ、Ｄのように、磁力発生器２１を径方向と略平行に配置してもよいし、図１１Ｅのように、磁力発生器２１を軸方向に対して斜めに配置してもよい。

・各実施の形態においては、移動装置２２は、磁力発生器２１を軸方向に移動させるもの、すなわち、軸方向の移動成分のみをもって移動させるものとした。しかしながら、移動装置２２は、少なくとも軸方向の移動成分をもって移動させるものであれば、例えば、磁力発生器２１を軸方向に対して斜めに移動させるもの、すなわち、軸方向の移動成分と径方向の移動成分とをもって移動させるものとしてもよい。

１…遠心圧縮機（遠心式回転機械）
１０…ロータ
１１…回転軸
１２…羽根車
１２Ａ…背面
１３…羽根車
１３Ａ…背面
２０…動特性測定装置
２１…磁力発生器
２２…移動装置
２３…変位測定装置
３０…制御装置
３１…磁力発生器駆動部
３２…演算部
３３…移動装置駆動部
３００…移動装置
４００…移動装置

Claims (11)

1. 回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられて成るロータを備えた遠心式回転機械の動特性測定装置であって、
   前記羽根車を磁力で加振する磁力発生器と、
   前記磁力発生器により加振されている前記羽根車の軸方向の振動変位を測定する変位測定装置と、
   前記磁力発生器を少なくとも前記回転軸の軸方向の移動成分をもって移動させる移動装置と、
   前記移動装置を駆動する移動装置駆動部を含む制御装置とを備える
   遠心式回転機械の動特性測定装置。
2. 前記制御装置は、前記変位測定装置により測定される前記磁力発生器により加振されている前記羽根車の軸方向の振動変位と、前記磁力発生器の磁力特性とから、動特性測定中に前記磁力発生器と前記羽根車とが接触すると予想されるギャップの時間平均値である最小必要平均ギャップを算出するとともに、この最小必要平均ギャップよりも大きいギャップの範囲である許容範囲を算出する演算部をさらに有し、
   前記移動装置駆動部は、動特性測定中の前記磁力発生器と前記羽根車とのギャップの時間平均値である平均ギャップが前記許容範囲に含まれるように前記移動装置を駆動する
   請求項１に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
3. 前記磁力発生器の磁力特性は、前記磁力発生器と前記羽根車または前記羽根車と同一の材質でできた試験部材とのギャップと、前記磁力発生器による前記羽根車に対する磁力との関係を表すものであり、
   前記演算部は、前記磁力発生器により前記羽根車を加振したときの前記磁力発生器と前記羽根車とのギャップの時間平均値を平均ギャップとし、この平均ギャップを複数点サンプリングし、このサンプリングされた複数の平均ギャップにおける加振中の前記羽根車の軸方向の振動変位を前記変位測定装置により測定し、測定された前記軸方向の振動変位と前記磁力発生器の磁力特性とから前記羽根車の前記平均ギャップに対する軸方向の振動変位曲線を求め、この軸方向の振動変位曲線から羽根車の軸方向の振動変位と前記平均ギャップとが等しくなる平均ギャップを求め、求められた平均ギャップを前記最小必要平均ギャップとし、前記最小必要平均ギャップに余裕値を見込んだギャップの範囲を前記許容範囲として算出する
   請求項２に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
4. 前記演算部は、前記最小必要平均ギャップに対し定数を乗算することにより前記許容範囲を算出する
   請求項３に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
5. 前記演算部は、前記複数の平均ギャップにおける前記軸方向の振動変位と前記磁力発生器の磁力特性とから、前記羽根車の軸方向の振動変位が前記平均ギャップと等しくなる値を最小二乗法から求めるとともに、そのときの最大予測値及び最小予測値を算出し、前記最大予測値と前記最小予測値との差分、及び、前記最小二乗法から求められた平均ギャップに基づき前記許容範囲を算出する
   請求項３に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
6. 前記移動装置駆動部は、前記磁力発生器により前記羽根車を加振しているときは、前記移動装置を駆動しないように構成されている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
7. 前記移動装置駆動部は、動特性測定の開始前又は動特性測定の終了時に、前記磁力発生器と前記羽根車とのギャップが前記磁力発生器と前記羽根車とが接触し得ないギャップである退避ギャップとなるように前記移動装置を駆動する
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
8. 前記制御装置は、前記磁力発生器を駆動する磁力発生器駆動部を有し、
   前記磁力発生器駆動部は、前記磁力発生器による前記羽根車の加振中に前記羽根車が軸方向に移動した場合には、前記磁力発生器の加振動作を停止させるように構成されている
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
9. 前記移動装置は、電圧又は磁気により伸縮する伸縮素子を駆動源として前記磁力発生器を軸方向に移動可能とした
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
10. 前記移動装置は、モータで駆動される送りねじを駆動源として前記磁力発生器を軸方向に移動可能とした
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。
11. 前記移動装置は、流体圧力で駆動されるシリンダを駆動源として前記磁力発生器を軸方向に移動可能とした
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置。

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