JP2019152248A - 動吸振器および制振方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】調整可能な付加質量を動吸振器に取付けることにより、動吸振器による制振作用を最適化する動吸振器および制振方法を提供すること。【解決手段】水中に設置される動吸振器であって、制振対象に設けられる固定部2−1と、可動質量3と、前記可動質量と前記固定部とを連結する伸縮管4と、前記可動質量と前記固定部とを連結するばね要素5と、前記伸縮管に取付けられ、前記伸縮管の内部と外部とを接続する付加質量調整管6と、を備え、前記付加質量調整管を通じて前記伸縮管の内部と外部とを水が流通する動吸振器10および制振方法。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は動吸振器および制振方法に関する。
一般的に動吸振器は、構造物等の制振対象に弾性要素(ばね要素)および減衰要素(ダンパ)を介して可動質量を設置し、弾性要素と可動質量により構成される振動系(従系と呼ばれる)の固有振動数を制振対象(主系と呼ばれる)の固有振動数に同調させるものである。主系が共振した際、動吸振器の可動質量が振動し、減衰要素の作用によりエネルギが散逸され、振動が抑えられる。
従来、動吸振器として空気の流動減衰効果を利用し、可動質量をばねと空気ダンパを介して制振対象に連結したものが提案されている。この動吸振器は、可動質量と制振対象との相対変位により空気ダンパが伸縮し、空気ダンパの空室内の空気がオリフィスを通過することで減衰効果が得られる。空気ダンパを用いた場合、一般的なオイルダンパに比べ、経年劣化の影響を受け難く、安価である等の利点がある。
ところで、原子力プラントにおける配管やポンプ等の水中構造物については、内部および外部の流体力による流体励起振動が発生する。これに対する一般的な対策として、水中構造物を壁から支持する方法が考えられるが、支持が困難な場合も多く、この場合水中構造物に動吸振器を取付けて、壁からの支持を不要とする場合がある。
原子力プラントにおける水中構造物は、放射線量の多い環境下に設置されるものが多い。このような高線量下において、動吸振器の減衰要素として一般的なオイルダンパを使用した場合、作動流体である油が放射線の影響により劣化したり、ダンパのシール等が損傷した際に、周囲への油の流出が問題となる。
また、水中構造物に取付けられる動吸振器は、制振対象(水中構造物)に合わせて固有振動数をチューニングし、最適条件に近い状態で使用することが制振性能の上で重要である。動吸振器の固有振動数は動吸振器の可動質量とばね要素のばね定数により決定され、特別な調整機構を有しない限りは、固有振動数は一定である。一方、制振対象の振動特性(固有振動数)は経年により変化する場合が予想される。この場合、初期の状態で設計した動吸振器の固有振動数は最適な条件から僅かにずれ、チューニングエラーによる制振性能の低下が生じることがあり、動吸振器は制振対象の振動特性の変化に合わせて固有振動数を調整できることが望まれている。
本発明に係る実施形態は、上記課題を解決するためになされたものであり、調整可能な付加質量を動吸振器に取付けることにより、動吸振器による制振作用を最適化する動吸振器および制振方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の実施形態に係る動吸振器は、水中に設置される動吸振器であって、制振対象に設けられる固定部と、可動質量と、前記可動質量と前記固定部とを連結する伸縮管と、前記可動質量と前記固定部とを連結するばね要素と、前記伸縮管に取付けられ、前記伸縮管の内部と外部とを接続する付加質量調整管を備え、前記付加質量調整管を通じて前記伸縮管の内部と外部とを水が流通する構成を備えている。
本実施形態によれば、調整可能な付加質量を動吸振器に取付けることにより、動吸振器による制振作用を最適化する動吸振器および制振方法を提供することができる。
[第1の実施形態]
(構成)
以下、本発明の第1の実施形態に係る動吸振器について、図1、図2を参照して説明する。
図1は本実施形態に係る動吸振器10の構成図であり、図2は動吸振器10の断面図であり、伸縮管4の内部断面が示されている。
(構成)
以下、本発明の第1の実施形態に係る動吸振器について、図1、図2を参照して説明する。
図1は本実施形態に係る動吸振器10の構成図であり、図2は動吸振器10の断面図であり、伸縮管4の内部断面が示されている。
動吸振器10は、制振対象である水中構造物1(以下、「制振対象1」ともいう。)に設けられた固定部2−1、可動質量3に設けられた固定部2−2、可動質量3、両端が固定部2−1と固定部2−2とに取付けられ、内部が水で満たされた伸縮管4、伸縮管4内部に設置され、固定部2−1と固定部2−2とに取付けられるばね要素5、一端が外部に開放され、他端が伸縮管4に接続された付加質量調整管6、調整管固定部11からなる。
本実施形態では、ばね要素5はコイルばねとしているが、必要な剛性を確保できれば、コイルばねに限定されない。また、ばね要素5は伸縮管4の内部に設置されているが、伸縮管4の外部に設置しても良い。
伸縮管4には調整管固定部11を介して付加質量調整管6がネジ等により接続されており、伸縮管4内部と伸縮管4外部の空間とは付加質量調整管6により連通している。
伸縮管4には調整管固定部11を介して付加質量調整管6がネジ等により接続されており、伸縮管4内部と伸縮管4外部の空間とは付加質量調整管6により連通している。
(作用)
上記のように構成された動吸振器10において、制振対象1が振動すると、制振対象1と可動質量3との間に相対運動が生じ、伸縮管4が伸縮する。伸縮管4が縮むと伸縮管4内部の水が付加質量調整管6を通って伸縮管4外部へ流出する。また、伸縮管4が伸びると伸縮管4の周囲の水が付加質量調整管6を通って伸縮管4の内部に流入する。このように、制振対象1と可動質量3との間に相対運動が生じることにより、付加質量調整管6内に水の流れが生じる。その際、水の慣性により、可動質量3には見かけ上、質量が付加された効果が生じる。これは付加質量または仮想質量と呼ばれ、本構成の場合、式(1)で表される。
上記のように構成された動吸振器10において、制振対象1が振動すると、制振対象1と可動質量3との間に相対運動が生じ、伸縮管4が伸縮する。伸縮管4が縮むと伸縮管4内部の水が付加質量調整管6を通って伸縮管4外部へ流出する。また、伸縮管4が伸びると伸縮管4の周囲の水が付加質量調整管6を通って伸縮管4の内部に流入する。このように、制振対象1と可動質量3との間に相対運動が生じることにより、付加質量調整管6内に水の流れが生じる。その際、水の慣性により、可動質量3には見かけ上、質量が付加された効果が生じる。これは付加質量または仮想質量と呼ばれ、本構成の場合、式(1)で表される。
式(1)において、ms:可動質量3に作用する付加質量、ρ:水の密度、A1:付加質量調整管6の断面積、A2:可動質量受圧面積、L:付加質量調整管6の長さ、である。
式(1)より、付加質量調整管6の断面積A1の大小、または付加質量調整管6の長さLの大小で、付加質量の大小が決まる。
式(1)より、付加質量調整管6の断面積A1の大小、または付加質量調整管6の長さLの大小で、付加質量の大小が決まる。
また、本実施形態においては、付加質量調整管6が調整管固定部11に接続される端部の急拡大部(または急縮小部)における損失による減衰効果が動吸振器の減衰性能として作用している。
(効果)
本実施形態によれば、制振対象1の固有振動数が低下することにより、動吸振器10の固有振動数が最適値よりも高い状態にある場合(高い振動数側へのチューニングエラー)、付加質量調整管6を設置することによって生じる付加質量の効果により動吸振器10の固有振動数が下がり、最適条件に近づけることができる。
本実施形態によれば、制振対象1の固有振動数が低下することにより、動吸振器10の固有振動数が最適値よりも高い状態にある場合(高い振動数側へのチューニングエラー)、付加質量調整管6を設置することによって生じる付加質量の効果により動吸振器10の固有振動数が下がり、最適条件に近づけることができる。
なお、動吸振器10の固有振動数を最適条件に近づけるために必要となる付加質量msの値は、計測された振動データおよびそれを用いた分析評価により得られるものとする。また、本実施形態において、センサー等で制振対象1の振動を計測することにより、制振対象1の振動特性の変化を把握できる場合を想定している。
一方、制振対象1の固有振動数が高くなることにより、低い振動数側へのチューニングエラーが生じている場合には、動吸振器10の固有振動数を高い側に補正する必要がある。しかし、付加質量は固有振動数を下げる方向にのみ作用するので、初期設置時、ある程度の付加質量が作用するように付加質量調整管6を設置し、その状態で動吸振器10の固有振動数が最適になるよう設計しておく。そして低い振動数側へチューニングエラーが生じた際に、付加質量調整管6を短いものに取り換えることにより、動吸振器の固有振動数を高い側に補正することができる。
また、本実施形態によれば、動吸振器10に付加質量調整管6を設けて、水中構造物の動吸振器10における減衰器の作動流体として動吸振器10の周囲の水を利用することにより、放射線による影響を受け難く、かつ周囲への作動流体の漏れによる問題を防ぐとともに、周囲の水の流入、流出による付加質量効果を利用することにより、動吸振器10の可動質量3やばね要素5を交換することなく、動吸振器10の固有振動数の調整が可能となる。その際、付加質量調整管6の取付け、交換が必要となるが、付加質量調整管6はネジ固定やクランプ固定など簡易な固定方法とすることにより、遠隔での取付け、交換も可能となり、動吸振器10を水中構造物1から取外すことなく、固有振動数の調整が可能となる。
なお、本実施形態に係る動吸振器10は制振対象として水中構造物に適用したが、水中構造物以外の構造物にも適用可能である。
なお、本実施形態に係る動吸振器10は制振対象として水中構造物に適用したが、水中構造物以外の構造物にも適用可能である。
(解析モデルによる制振効果の検証)
本実施形態について、図3に示す動吸振器の簡易評価の解析モデルに基づいて、10%チューニングエラー時と最適条件時、および付加質量調整管適用時の周波数応答曲線(図4、図5)を用いて、本実施形態に係る動吸振器10の制振効果について説明する。
20は解析モデルとしての制振対象、21は解析モデルとしての動吸振器である。
本実施形態について、図3に示す動吸振器の簡易評価の解析モデルに基づいて、10%チューニングエラー時と最適条件時、および付加質量調整管適用時の周波数応答曲線(図4、図5)を用いて、本実施形態に係る動吸振器10の制振効果について説明する。
20は解析モデルとしての制振対象、21は解析モデルとしての動吸振器である。
なお、本説明は以下に述べる各実施形態にも共通する。
ここでは、例として制振対象20を1自由度系とした。図3の解析モデルに対応する運動方程式は次式(2)となる。
ここでは、例として制振対象20を1自由度系とした。図3の解析モデルに対応する運動方程式は次式(2)となる。
ここで、動吸振器21の固有振動数ω2と動吸振器減衰比ζ2の最適条件は下記の式(3)が一般に知られている。
式(3)において、ω1は制振対象20の固有振動数、ω2は動吸振器21の固有振動数である。
先ず、付加質量msが0の場合について、動吸振器21が式(3)の最適条件を満たす場合と、動吸振器21の固有振動数ω2が高い振動数側に10%のチューニングエラーしている場合の、制振対象20の周波数応答曲線の比較を図4に示す。
先ず、付加質量msが0の場合について、動吸振器21が式(3)の最適条件を満たす場合と、動吸振器21の固有振動数ω2が高い振動数側に10%のチューニングエラーしている場合の、制振対象20の周波数応答曲線の比較を図4に示す。
計算条件として、動吸振器21の質量m2は制振対象20の質量m1の2%、制振対象20の減衰比ζ1は5%とした。
周波数応答曲線グラフの縦軸は制振対象20の応答変位振幅X1を静たわみF/k1で正規化した値、横軸は加振振動数(ω)/制振対象固有振動数(ω1)である。
図4より、チューニングエラーが生じている場合、制振効果が著しく低下し、応答が大きくなっていることが分かる。
周波数応答曲線グラフの縦軸は制振対象20の応答変位振幅X1を静たわみF/k1で正規化した値、横軸は加振振動数(ω)/制振対象固有振動数(ω1)である。
図4より、チューニングエラーが生じている場合、制振効果が著しく低下し、応答が大きくなっていることが分かる。
次に、付加質量調整管6により付加質量msを作用させ、動吸振器21の固有振動数ω2を低い側に補正した場合と、動吸振器21の固有振動数ω2が高い振動数側に10%のチューニングエラーしている場合の、制振対象20の周波数応答曲線の比較を図5に示す。
計算条件として、付加質量msは制振対象20の質量m1の0.42%とした。
計算条件として、付加質量msは制振対象20の質量m1の0.42%とした。
図5より、付加質量msによりチューニングエラーが補正されることにより、最適条件に近い状態に改善できていることが分かる。
以上により、解析モデルに基づいて本実施形態に係る動吸振器21の有効性が確認できた。
以上により、解析モデルに基づいて本実施形態に係る動吸振器21の有効性が確認できた。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る動吸振器について、図6を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。(以下、第3〜第6の実施形態においても同様とする。)
本発明の第2の実施形態に係る動吸振器について、図6を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。(以下、第3〜第6の実施形態においても同様とする。)
第1の実施形態の構成では、付加質量調整管6が調整管固定部11に接続される端部の急拡大部(または急縮小部)における損失による減衰効果が動吸振器の減衰性能として作用しているが、本実施形態では、この減衰性能に加え、動吸振器10にさらに減衰性能(ダンパ性能)を確保するために、第1の実施形態の構成に、流動減衰を用いたオリフィス7を追加したものである。オリフィス7は図6に示すように伸縮管4内部または付加質量調整管6内部に設置する。
水が付加質量調整管6内部を流れる際、同時にオリフィス7を通過することにより、流動減衰が作用する。これにより、動吸振器10の減衰性能をさらに向上させることができる。
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態に係る動吸振器について、図7を参照して説明する。
第1の実施形態においては付加質量調整管6を直管としたが、本実施形態では、付加質量調整管6に屈曲部を設け、折り返し管路としている。
本発明の第3の実施形態に係る動吸振器について、図7を参照して説明する。
第1の実施形態においては付加質量調整管6を直管としたが、本実施形態では、付加質量調整管6に屈曲部を設け、折り返し管路としている。
ここで、屈曲部を設けたとしても、直管の付加質量調整管6の管路長と等しければ、同様の付加質量効果が得ることができる。
本実施形態によれば、直管で構成した場合に付加質量調整管6の長さが問題となる場合において、付加質量調整管6に屈曲部を設けることにより、少ないスペースで付加質量を確保できる。
本実施形態によれば、直管で構成した場合に付加質量調整管6の長さが問題となる場合において、付加質量調整管6に屈曲部を設けることにより、少ないスペースで付加質量を確保できる。
[第4の実施形態]
本発明の第4の実施形態に係る動吸振器について、図8を参照して説明する。
本実施形態では付加質量調整管6を分岐管13とするとともに、各分岐管13に開閉弁12を設けている。
本発明の第4の実施形態に係る動吸振器について、図8を参照して説明する。
本実施形態では付加質量調整管6を分岐管13とするとともに、各分岐管13に開閉弁12を設けている。
開閉弁12が開いている分岐管13については付加質量に寄与し、閉じている分岐管13については付加質量に寄与しないので、各開閉弁12の開閉を調整することにより、付加質量に寄与する分岐管13の数を調整し、全体的な付加質量を調整する。
本実施形態によれば、開閉弁12の開閉により付加質量を調整することができ、付加質量調整管6の追加設置や、交換を省略することができる。
本実施形態によれば、開閉弁12の開閉により付加質量を調整することができ、付加質量調整管6の追加設置や、交換を省略することができる。
[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態に係る動吸振器について、図9を参照して説明する。
第1〜第4の実施形態では、伸縮管4およびばね要素5の振動直交方向の剛性で可動質量3を支持しているが、この剛性が不足している場合、可動質量3の重さによって伸縮管4とばね要素5が撓み、動吸振器10が正しく動作しない、または強度的に健全性を維持できない等の問題が生じる。
本発明の第5の実施形態に係る動吸振器について、図9を参照して説明する。
第1〜第4の実施形態では、伸縮管4およびばね要素5の振動直交方向の剛性で可動質量3を支持しているが、この剛性が不足している場合、可動質量3の重さによって伸縮管4とばね要素5が撓み、動吸振器10が正しく動作しない、または強度的に健全性を維持できない等の問題が生じる。
本実施形態では、可動質量3を軸直交方向に拘束できる十分な剛性を有する支持部材8を設置している。可動質量3の振動方向の動きを拘束しないよう、可動質量3と支持部材8とはゴムなどの弾性体9で連結する。支持部材8は可動質量3を一定の間隔で囲うような形状で、可動質量3の外形にあわせて円筒形状や角筒形状をとることが望ましい。または、可動質量3の鉛直下方向のみ支持すればよい場合は、制振対象1から可動質量3の下方に伸びる板状等であってもよい。また、弾性体9の代わりにころ等を用いても良い。
本実施形態によれば、支持部材8により可動質量3の振動に直交する動きが拘束されるため、可動質量3が振動直交方向に撓んだり、振れたりすることを防止でき、振動方向のみに正しく動作させることができる。
以上本発明を説明したが、上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、当業者の技術常識を加味して種々の省略、置き換え、変更、組合せを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…水中構造物(制振対象)、2−1,2−2…固定部、3…可動質量、4…伸縮管、5…ばね要素、6…付加質量調整管、7…オリフィス、8…支持部材、9…弾性体、10…動吸振器、11…調整管固定部、12…開閉弁、13…分岐管、20…制振対象(解析モデル)、21…動吸振器(解析モデル)
Claims (6)
- 水中に設置される動吸振器であって、
制振対象に設けられる固定部と、
可動質量と、
前記可動質量と前記固定部とを連結する伸縮管と、
前記可動質量と前記固定部とを連結するばね要素と、
前記伸縮管に取付けられ、前記伸縮管の内部と外部とを接続する付加質量調整管と、
を備え、
前記付加質量調整管を通じて前記伸縮管の内部と外部とを水が流通する動吸振器。 - 前記伸縮管の内部及び/又は前記付加質量調整管の内部にオリフィスを設けた請求項1に記載された動吸振器。
- 前記付加質量調整管に屈曲部を設けた請求項1または請求項2に記載された動吸振器。
- 前記付加質量調整管を分岐管とし、該分岐管にそれぞれ開閉弁を設けた請求項1乃至請求項3のいずれかに記載された動吸振器。
- 前記可動質量の振動に直交する方向の動きを拘束する支持部材を設けた請求項1乃至請求項4のいずれかに記載された動吸振器。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載された動吸振器を用いた制振方法であって、
前記付加質量調整管の長さ及び/又は断面積を変えることにより、付加質量を調整可能とする制振方法。
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