JP2020143977A - 加振システム、加振方法、及び、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の動翼に対して適切な加振力を付加しながら、加振器の回転翼への接触を未然防止する。【解決手段】回転機械の動翼に加振力を付加しながら、動翼と加振器との間のギャップを検出する。ギャップセンサで検出されたギャップが閾値以下になった場合、加振力を減少又は停止させるように加振器を制御することで、加振器の回転翼への接触を未然防止する。【選択図】図３Ｂ

Description

本開示は、回転機械の動翼に対して加振力を付加するための加振システム、当該加振システムを用いた加振方法、及び、当該加振方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。

蒸気タービン等の産業用タービンでは、性能試験の一つとして回転振動試験が実施されている。この回転振動試験では、試験に必要な回転数範囲でタービンを回転させつつ、振動モード励振装置により、回転中の動翼を励振（加振）している。このようにして、回転中に励振された動翼の振動を、検出器により検出することにより、動翼の振動特性を得ている（特許文献１参照）。

特開２０００−９７８０１号公報

上述した特許文献１では、回転翼（動翼）の周縁に対向する位置で全周にわたって配置した複数の加振器のうち、予め設定した振動モードに対応して選択された加振器を所定のタイミングでＯＮすることで、予め設定した振動モードで動翼が振動するようにしている。これらの加振器は、ヨーク（鉄心）に電磁コイルが巻回された電磁石を含んで構成されており、電磁石に電流を供給することで、電磁的な加振力を回転翼に対して非接触で付加する。

このような加振器によって付加される加振力は、加振器と回転翼との間におけるギャップの二乗に反比例する。そのため、回転翼に付加される加振力が増大すると、ギャップが小さくなり、加振器が回転翼に接触するリスクが大きくなる。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、回転機械の動翼に対して適切な加振力を付加しながら、加振器の回転翼への接触を未然防止可能な加振システム、加振方法、及び、プログラムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る加振システムは上記課題を解決するために、
回転機械の動翼に加振力を付加可能に構成される加振器と、
前記動翼と前記加振器との間のギャップを検出するためのギャップセンサと、
前記ギャップセンサで検出された前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止させるように前記加振器を制御するコントローラと、
を備える。

上記（１）の構成によれば、回転機械の動翼に加振力が付加されている際に、動翼と加振器との間におけるギャップが検出される。そしてギャップが閾値以下になった場合、加振力を減少させるように、又は、前記加振力を停止させるように加振器を制御することにより、動翼と加振器との接触が未然に防止される。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記ギャップセンサは、前記加振器から前記動翼に向けて突出する突出部を有するタッチセンサとして構成され、
前記コントローラは、前記タッチセンサの検出値に基づいて前記ギャップを推定する。

上記（２）の構成によれば、ギャップセンサは、動翼との接触によってギャップが閾値以下になったことを検知可能なタッチセンサとして構成される。タッチセンサは、加振器から動翼に向けて突出する突出部を有しており、コントローラは当該突出部の動翼に対する接触状態に基づいてギャップの推定を行う。

（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、
前記タッチセンサは、前記突出部の延在方向に交差する方向に沿って前記加振器に対して少なくとも部分的に固定される。

タッチセンサは動翼に接触した際に、動翼から突出部の延在方向に沿った反力を受けるが、この反力によってタッチセンサの位置がずれると検出感度が低下するおそれがある。上記（３）の構成によれば、タッチセンサが突出部の延在方向に交差する方向に沿って少なくとも部分的に固定されることで、このような位置ずれが防止され、良好な感度が得られる。

（４）幾つかの実施形態では上記（２）又は（３）の構成において、
前記タッチセンサは、前記突出部の先端における温度を検出可能な温度センサを含む。

上記（４）の構成によれば、タッチセンサは例えば熱電対のような温度センサを含むことで、動翼に接触した際に生じる摩擦熱による温度変化を検出する。コントローラは、このような温度センサで検出される温度変化を取得することで、動翼と加振器との間にあるギャップを推定できる。

（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、
前記コントローラは、前記温度センサで検出された温度の変化率が基準値を超えた場合、又は、前記温度センサが検出不能になった場合、前記ギャップが閾値以下になったと判定する。

上記（５）の構成によれば、温度センサで検出される温度の変化率が基準値を超えた場合、温度センサが動翼と接触することで摩擦熱が生じているとして、ギャップが閾値以下になったと判定する。また温度センサが検出不能になった場合（例えば検出信号がゼロになった場合）は、温度センサが動翼と接触することで損傷した可能性が示唆されているとして、ギャップが閾値以下になったと判定する。

（６）幾つかの実施形態では上記（２）から（５）のいずれか一構成において、
前記加振器には、前記突出部の突出量が互いに異なる複数の前記タッチセンサが設けられる。

上記（６）の構成によれば、突出部の突出量が互いに異なる複数のタッチセンサを用いることで、動翼と加振器との間のギャップの大きさを段階的に判定できる。

（７）幾つかの実施形態では上記（６）の構成において、
前記複数のタッチセンサは、前記突出量が短い順に回転方向上流側からそれぞれ設置される。

上記（７）の構成によれば、ギャップがより小さく接触可能性が大きい状況ほど、回転方向上流側のギャップセンサによって検知できるため、接触可能性が大きな状況をより早期に検知することが可能となる。

（８）幾つかの実施形態では上記（６）又は（７）の構成において、
前記複数のタッチセンサの検出値に基づいて前記ギャップを段階的に評価することにより、前記動翼と前記加振器との間における接触可能性を求める。

上記（８）の構成によれば、互いに異なる突出量を有する複数のタッチセンサの検出をモニタリングすることにより、動翼への接触が検知されたタッチセンサの突出量から、動翼と加振器との間におけるギャップを推定し、接触可能性を求めることができる。

（９）幾つかの実施形態では上記（８）の構成において、
前記接触可能性に基づいて、前記動翼と前記加振器との接触を回避するための対策を実施する。

上記（９）の構成によれば、求められた接触可能性に応じた対策を実施することで、動翼と加振器との接触の未然防止を的確に行うことができる。

（１０）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、
前記コントローラは、前記ギャップセンサで検出された前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止する。

上記（１０）の構成によれば、ギャップが閾値以下になった場合に、加振力を減少又は停止することで（加振力をゼロに設定することで）、加振器が動翼に接触するリスクをより効果的に低減できる。

（１１）幾つかの実施形態では上記（１０）の構成において、
前記コントローラは、前記加振力を減少又は停止した後、前記ギャップセンサで検出された前記ギャップが前記閾値より大きくなった場合、前記加振力を再開する。

上記（１１）の構成によれば、加振力を減少又は停止した後に、ギャップが閾値より大きくなるように回復した場合には、加振力の付加を再開することで元の状態に復旧できる。

（１２）幾つかの実施形態では上記（１）から（１１）のいずれか一構成において、
前記動翼に関して前記加振力に対する応答データを測定する測定部を更に備え、
前記コントローラは、前記加振力が付加されている期間に前記測定部によって測定された測定結果に基づいて、前記加振力が減少又は停止されている期間における応答データを推定する。

上記（１２）の構成によれば、加振器が動翼に接触することを回避するために加振力を減少又は停止させた場合に、加振力が減少又は停止されている期間における応答データを、加振力が付加されている期間における測定結果にもとづいて推定する。これにより、加振力の減少又は停止中に測定ができなかった応答データを、測定のやり直しを伴うことなく、取得できる。その結果、加振器が動翼に接触することを回避しながらも、効率的な試験が可能となる。

（１３）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記ギャップセンサは、前記加振器と前記動翼との間における磁界を検出可能な磁気センサを含み、
前記コントローラは、前記磁気センサの検出値に基づいて前記ギャップを推定する。

上記（１３）の構成によれば、ギャップセンサは磁気センサ（例えばホール素子等）を含んで構成される。磁気センサは加振器側に設置され、加振器と動翼の間における磁界を検知することで、非接触式でギャップを検知できる。また上述のタッチセンサのような突出部が不要であるため、加振器と動翼の間におけるギャップが小さい場合にも好適に適用できる。

（１４）幾つかの実施形態では上記（１）から（１３）のいずれか一構成において、
前記ギャップセンサは、前記動翼の先端部に対向するように配置される。

上記（１４）の構成によれば、ギャップセンサによって動翼の先端部と加振器との間におけるギャップが検出される。例えば動翼の形状に応じて、回転機械の駆動時に遠心力による変形量が先端部において大きく場合に、当該先端部と加振器との間におけるギャップに基づく加振力の減少又は停止制御を実施することで、動翼と加振器との接触をより的確に防止できる。

（１５）幾つかの実施形態では上記（１）から（１３）のいずれか一構成において、
前記ギャップセンサは、前記動翼の先端部より内径側の本体部に対向するように配置される。

上記（１５）の構成によれば、ギャップセンサによって動翼の本体部と加振器との間におけるギャップが検出される。例えば動翼の形状に応じて、回転機械の駆動時に遠心力による変形量が先端部より内径側の本体部において大きく場合に、当該本体部と加振器との間におけるギャップに基づく加振力の減少又は停止制御を実施することで、動翼と加振器との接触をより的確に防止できる。

（１６）本発明の少なくとも一実施形態に係る加振方法は上記課題を解決するために、
回転機械の動翼に対向して配置された加振器によって、回転中の前記動翼に加振力を付加する方法であって、
前記動翼と前記加振器との間のギャップを検出する工程と、
前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止させる工程と、
を備える。

上記（１６）の方法によれば、回転機械の動翼に加振力が付加されている際に、動翼と加振器との間におけるギャップが検出される。そしてギャップが閾値以下になった場合、加振力を減少又は停止させるように加振器を制御することにより、動翼と加振器との接触が未然に防止される。

（１７）本発明の少なくとも一実施形態に係るプログラムは上記課題を解決するために、
回転機械の動翼に対向して配置された加振器による、回転中の前記動翼への加振力の付加に用いられるプログラムであって、
前記動翼と前記加振器との間のギャップを検出する処理と、
前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止させる処理と、
をコンピュータに実行させる。

上記（１７）のプログラムによれば、回転機械の動翼に加振力が付加されている際に、動翼と加振器との間におけるギャップが検出される。そしてギャップが閾値以下になった場合、加振力を減少又は停止させるように加振器を制御することにより、動翼と加振器との接触が未然に防止される。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、回転機械の動翼に対して適切な加振力を付加しながら、加振器の回転翼への接触を未然防止可能な加振システム、加振方法、及び、プログラムを提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る加振システムの全体構成を示す模式図である。 振動モード励振装置の構成を、動翼列側から回転軸の軸方向に沿って見た状態で示す模式図である。 加振器の一つを取付治具の径方向内側から示す側面図である（非接触時）。 加振器の一つを取付治具の径方向内側から示す側面図である（接触時）。 ギャップセンサの動翼列に対する接触前後において、温度検出部で検出される温度変化の一例を示している。 ギャップセンサの動翼列に対する接触前後において、温度検出部で検出される温度変化の他の例を示している。 ギャップセンサのケーシングに対する固定構造を簡略的に示す模式図である。 図５Ａの比較例である。 他の実施形態に係る加振器を示す模式図である。 動翼列が８節直径モードで面外方向に振動している状態を示す模式図である。 コントローラの各演算処理機能（演算処理プロセス）を示すブロック図である。 本発明の少なくとも一実施形態に係る加振方法を工程毎に示すフローチャートである。 図９の変形例を示すフローチャートである。 動翼列を加振中に、ギャップセンサで検知される温度変化を示す図である。 加振スイープ時に動翼列に生じる応力のレベル及び位相の理想的な周波数特性を示している。 加振スイープ時に動翼列に生じる応力のレベル及び位相の周波数分布の測定例である。 磁気センサを利用したギャップセンサを用いた加振システムの構成例である。 校正カーブを作成するための事前校正試験を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る加振システム１００の全体構成を示す模式図である。加振システム１００は、振動モード励振装置１１０（図１、図２参照）と、コントローラ２００（図８参照）を主要部材として構成されている。

まず図１を参照して、回転振動試験装置５０を説明する。この回転振動試験装置５０は、本実施形態の加振システム１００の振動モード励振装置１１０が組み込まれて、回転振動試験をするものである。

図１に示すように、タービン４０は回転軸４１と動翼列４２とを有する。動翼列４２は、回転軸４１に多数枚の動翼４２ａが放射状に配置されることで形成されている。このタービン４０の回転試験振動をする場合には、動翼列４２を試験室５１内に配置した状態で、回転軸４１を回転支持柱５２，５３により回転自在に支持する。試験室５１内には、動翼列４２に対面する状態で振動モード励振装置１１０を近接して配置している。また、タービン４０の回転数及び回転方向のゼロ位置を検出する回転検出器６０が、回転軸４１に近接して配置されている。

ここで図２は、振動モード励振装置１１０の構成を、動翼列４２側から回転軸４１の軸方向に沿って見た状態で示す模式図である。図２に示すように、ベッド１１１上に配置した脚台１１２により、円環状の支持環１１３が支持されている。この支持環１１３の内周側には、円環状の取付治具１１４が取り付けられている。この例では、８台の加振器１１５−１〜１１５−８と８台の受振器１１６−１〜１１６−８が取付治具１１４に取り付けられている。
尚、加振器１１５−１〜１１５−８及び受振器１１６−１〜１１６−８の設置台数は８台に限定されるものではなく、その設置台数は任意に設定することができる。

図３Ａ及び図３Ｂは加振器１１５−１〜１１５−８の一つを取付治具１１４の径方向内側から示す側面図である。加振器１１５−１〜１１５−８は、動翼列４２側に開口部１２０を有する中空状のケーシング１２６内に、電磁石１２８を収容して構成される。ケーシング１２６は、非磁性体から形成され、例えば、ＳＵＳや樹脂から形成される。電磁石１２８は、略Ｅ字型のヨーク（鉄心）１２８ａに対して磁気コイル１２８ｂが巻回されて構成される。外部の電源（不図示）から磁気コイル１２８ｂに対して電流が供給されると、電磁石１２８から動翼列４２に対して加振力（吸引力）が作用する。

加振器１１５−１〜１１５−８には、動翼列４２及び加振器１１５−１〜１１５−８間のギャップＧを検出するためのギャップセンサ１３０が設けられる。加振器１１５−１〜１１５−８によって動翼列４２に付加される加振力は、動翼列４２及び加振器１１５−１〜１１５−８間のギャップＧの二乗に反比例する。このようなギャップＧは、ギャップセンサ１３０によって検出されることで監視される。

尚、ギャップセンサ１３０の動翼列４２に対する位置関係は、動翼列４２を構成する動翼４２ａの形状に応じて設定される。例えば、ギャップセンサ１３０は、動翼４２ａのうち回転駆動時に作用する遠心力による変形量や、付加される加振力による変形量が最も大きくなる部分に対向するように配置してもよい。またギャップセンサ１３０は、動翼列４２を構成する動翼４２ａの先端部（チップ）に対向するように配置してもよいし、動翼４２ａの先端部より内径側の本体部に対向するように配置してもよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本実施形態では、ギャップセンサ１３０は加振器１１５−１〜１１５−８のケーシング１２６の外表面に対して、回転軸４１（図１を参照）の軸方向に沿って動翼列４２に向けて突出する突出部１３２を有するように取り付けられたタッチセンサとして構成される。ギャップＧが十分確保されている場合には、図３Ａに示すように、ギャップセンサ１３０の突出部１３２は動翼列４２に接触しないが、図３Ｂに示すように、ギャップＧが減少した場合には、突出部１３２が動翼列４２に接触する（図３Ｂの領域Ａを参照）。このようにギャップセンサ１３０では、突出部１３２の動翼列４２に対する接触状態に基づいて、ギャップＧを検知する。

本実施形態のギャップセンサ１３０は、突出部１３２の先端における温度を検出可能な温度検出部１３４を含む。温度検出部１３４は、例えば、熱電対等の温度センサによって構成される。温度検出部１３４は、図３Ｂに示すように動翼列４２に対して接触すると、回転する動翼列４２との間で摩擦熱による温度変化を検出する。

図４Ａ及び図４Ｂは、ギャップセンサ１３０の動翼列４２に対する接触前後において、温度検出部１３４で検出される温度変化の一例を示している。ここでは、時刻ｔ０〜ｔ１の間では、運転時間の経過に伴って雰囲気温度が緩やかに増加している（このとき、ギャップセンサ１３０は動翼列４２に接触していない）。そして図４Ａの例では、時刻ｔ１において急激な温度変化が現れている。これは、ギャップセンサ１３０が動翼列４２に接触することで摩擦熱が生じ、温度検出部１３４によって基準値を超える温度変化として検出されていることを示している。尚、図４Ａでは時刻ｔ１で急激な温度変化が検出された際に、後述するように、加振力を一時的に減少又は停止させるように制御しているため、温度検出値は一時的に降下し、ピークが生じている。

また図４Ｂの例では、時刻ｔ１において温度検出値がゼロを示している。これは、ギャップセンサ１３０が動翼列４２に接触した際に、温度検出部１３４が損傷等によって計測不能な状態に陥ったことを示している。このようにギャップセンサ１３０では、温度検出部１３４の検出値をモニタリングすることでギャップＧの大きさを推定することができる。

続いて図５Ａはギャップセンサ１３０のケーシング１２６に対する固定構造を簡略的に示す模式図であり、図５Ｂは図５Ａの比較例である。ギャップセンサ１３０は、加振器１１５−１〜１１５−８のケーシング１２６の外表面に対して、例えば金属箔からなる固定部材１３８，１４０，１４２によって固定される。本実施形態のギャップセンサ１３０は線状部材がケーシング１２６の外表面上で折り曲げられた形状を有しており、具体的には、突出部１３２と連続するように延在する第１部分１３５と、第１部分１３５から略直角に屈曲される第２部分１３６と、第２部分１３６から更に略直角に屈曲される第３部分１３７とを有する。第１部分１３５、第２部分１３６及び第３部分１３７は、ケーシング１２６の外表面に対して上方側からそれぞれ固定部材１３８、１４０、１４２によって覆われるように固定される。これにより、第１部分１３５及び第３部分１３７は突出部１３２の延在方向に沿って固定される一方で、第２部分１３６は突出部１３２の延在方向に交差する方向に沿って固定される。このように、ギャップセンサ１３０は、突出部１３２の延在方向に交差する方向に沿って少なくとも部分的に固定されることで、ギャップセンサ１３０が動翼列４２に接触した際に、動翼列４２から受ける反力（矢印Ｂを参照）によって突出部１３２の延在方向に位置がずれてしまうことを防止できる。

図５Ｂに示す比較例では、ギャップセンサ１３０は突出部１３２の延在方向に沿った直線形状を有しており、２つの固定部材１４４、１４６によって突出部１３２の延在方向のみに沿って固定されている。そのため、ギャップＧが減少してギャップセンサ１３０の先端が動翼列４２に接触した場合に、動翼列４２から受ける反力（矢印Ｂを参照）によってギャップセンサ１３０が回転軸方向に押し込まれてしまい、感度が低下するおそれがある。

これに対して本実施形態を示す図５Ａでは、少なくとも第２部分１３６が突出部１３２の延在方向に交差する方向に沿って固定されるため、上記反力を受けた場合であってもギャップセンサ１３０が押し込まれにくく、良好な感度が得られるように構成されている。

図６は他の実施形態に係る加振器１１５−１〜１１５−８を示す模式図である。この実施形態では、加振器１１５−１〜１１５−８に対して、複数のギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが設けられる。複数のギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃは、それぞれ突出部１３２の突出量Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３）が互いに異なる。これにより、動翼列４２と加振器１１５−１〜１１５−８とのギャップＧが次第に変化する場合に、各ギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが動翼列４２に接触するタイミングが異なるため、ギャップＧの大きさを段階的に判定できる。

また図６では、複数のギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃは、突出部１３２の突出量が短い順に動翼列４２の回転方向上流側からそれぞれ設置される。これにより、ギャップＧが閾値を大きく下回った場合（接触可能性が大きくなった場合）ほど、回転方向上流側のギャップセンサ１３０によって検知できる。そのため、接触可能性が大きな状況がより早期に検知することが可能となる。

尚、ギャップセンサ１３０として上述のようにタッチセンサを採用することに代えて、例えば、レーザ変異計、渦電流ギャップセンサ、光ファイバ等を採用してもよい。

図２に戻って、受振器１１６−１〜１１６−８は、磁性体である動翼４２ａが高速で通過すると、電磁誘導作用により電圧を発生し、この誘起電圧を検出信号として出力する。尚、本実施形態では加振器１１５−１〜１１５−８に対してギャップセンサ１３０を設けることで、加振器１１５−１〜１１５−８と動翼４２ａとの間におけるギャップＧを監視し、その監視結果に基づいた制御を実施する場合について述べるが、受振器１１６−１〜１１６−８についても同様のギャップセンサを設けることで、受振器１１６−１〜１１６−８と動翼４２ａとの間におけるギャップＧを監視し、その監視結果に基づいて同様の制御を実施するようにしてもよい。

上記構成を有する回転振動試験装置５０を用いて回転振動試験をする際には、図示しない回転駆動源により回転軸４１に回転力を入力して、タービン４０を試験に必要な回転数で回転させる。また予め設定した振動モード（例えば、８節直径モード）で動翼４２ａが面外方向、すなわち動翼列４２における各動翼４２ａが配列された面とは交差する方向に振動するように、加振器１１５−１〜１１５−８により動翼４２ａに吸引力を与えて加振する。

動翼列４２が振動すると、受振器１１６−１〜１１６−８からは、そのときの振動状態に応じた検出信号が出力され、コントローラ２００は検出信号を基に、動翼４２ａの振動状態（振動モード等）を検出することができる。尚、図７は、動翼列４２が８節直径モードで面外方向に振動している状態を示す模式図である。

このようにして、回転している動翼列４２が、予め設定した振動モードで振動しているときに、動翼４２ａに取り付けた各種センサ（図示省略）により動翼４２ａの状態を検出して、動翼４２ａの振動応答を計測し、振動特性（固有振動数、減衰など）を分析している。

次に図８を参照しつつ、コントローラ２００の構成及びコントローラ２００による制御について説明する。尚、コントローラ２００は、ソフトウエア（プログラム）とハードウエア（コンピュータ）とが協働して情報処理を行う情報処理装置であり、図８では、各演算処理機能（演算処理プロセス）をブロック図にして示している。

入力部２１０から、コントローラ２００に、予め設定した振動モード（節直径モード）を示す節直径数Ｎ（但し、Ｎは整数）が入力される。コントローラ２００は、節直径数Ｎで示す振動モード（Ｎ節直径モード）で動翼列４２が振動するように、通電指令部２０１−１〜２０１−８から加振指令信号ａ１〜ａ８を出力する。加振指令信号ａ１〜ａ８は、波形、出力タイミング、周波数、位相が調整されたものである。

アンプ２２０−１〜２２０−８は、加振指令信号ａ１〜ａ８に対応した波形、出力タイミング、周波数、位相となっている加振電流Ａ１〜Ａ８を発生して加振器１１５−１〜１１５−８に供給する。電流検出センサ２２１−１〜２２１−８は、加振電流Ａ１〜Ａ８の波形、出力タイミング、周波数、位相をセンシングしてフィードバック信号ｆ１〜ｆ８を通電指令部２０１−１〜２０１−８にフィードバックする。通電指令部２０１−１〜２０１−８は、フィードバック信号ｆ１〜ｆ８を受けてフィードバック制御をすることにより、加振指令信号ａ１〜ａ８の波形、出力タイミング、周波数、位相をより適切に調整する。

このようにして、波形、出力タイミング、周波数、位相が適切に調整された加振電流Ａ１〜Ａ８が加振器１１５−１〜１１５−８に供給されると、加振器１１５−１〜１１５−８は、加振電流Ａ１〜Ａ８の波形、出力タイミング、周波数、位相に応じた吸引力を発生して、回転している動翼列４２を加振する。

また複数の加振器１１５−１〜１１５−８には、ギャップセンサ１３０−１〜１３０−８がそれぞれ設けられる。ギャップセンサ１３０−１〜１３０−８は、動翼列４２との接触状態に応じた検出信号ｂ１〜ｂ８を出力する。検出信号ｂ１〜ｂ８はコントローラ２００のうちギャップ判定部２０４に送られ、動翼列４２及び加振器１１５−１〜１１５−８の間におけるギャップが判定される。ギャップ判定部２０４の判定結果は、加振器１１５−１〜１１５−８による加振力を制御するための加振力制御部２０６に送られる。加振力制御部２０６は、ギャップ判定部２０４の判定結果に基づいて、加振器１１５−１〜１１５−８による加振力を制御する。

受振器１１６−１〜１１６−８は、回転している動翼列４２の振動に応じた検出信号ｃ１〜ｃ８を出力する。検出信号ｃ１〜ｃ８は、アンプ２２２−１〜２２２−８で増幅されてから、コントローラ２００の振動モード検出部２０２に送られる。振動モード検出部２０２は、検出信号ｃ１〜ｃ８を基に、動翼列４２の振動モードを検出する。検出した振動モード波形は、表示部２０３に表示される。

尚、回転検出器６０で検出されたタービン４０の回転数及び回転方向のゼロ位置もまた、コントローラ２００にフィードバックされることにより、タービン４０の回転状態の制御が実施されている。

また測定部２０８では、予め設定した振動モードに対応する加振力が付加された動翼列４２に関して、応答データの測定を行う。このような応答データは、動翼４２ａに取り付けた各種センサ（図示省略）により動翼４２ａの状態を検出することにより測定される。測定部２０８の測定結果は、分析部２０９で分析されることで、動翼列４２の振動特性（固有振動数、減衰など）が求められる。

尚、図８では図３〜図５で示したように、加振器１１５−１〜１１５−８の各々にそれぞれギャップセンサ１３０が一つずつ設けられた場合を示しているが、図６に示すように加振器１１５−１〜１１５−８の各々にそれぞれ複数のギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが設けられた場合には、各ギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃに対応する検出信号が同様に処理される。

続いて上記構成を有する回転振動試験装置５０を用いて実施される加振方法について説明する。図９は本発明の少なくとも一実施形態に係る加振方法を工程毎に示すフローチャートである。尚、ここでは加振方法の適用例の一つとして、加振力を付加しながら応答データを測定する加振試験を実施する場合について例示するが、本加振方法は、例えば、タービンの定常運転中に加振力を付加する場合等、他のケースにも適用可能である。

加振方法では、まず駆動源（不図示）により回転軸４１に回転力を入力し、試験に必要な回転数で動翼列４２を回転させる（ステップＳ１００）。続いて、所定の回転数で回転状態にある動翼列４２に対して、加振器１１５−１〜１１５−８により加振力を付加する（ステップＳ１０１）。加振器１１５−１〜１１５−８による加振力は、上述したようにコントローラ２００に節直径数Ｎ（但し、Ｎは整数）を入力することで、予め設定した振動モード（節直径モード）が実現するように制御される。これにより、予め設定した振動モード（例えば、８節直径モード）で動翼４２ａが面外方向、すなわち動翼列４２における各動翼４２ａが配列された面とは交差する方向に振動するように加振される。

本実施形態では、例えば、加振器１１５−１〜１１５−８の電磁コイル１２８ｂに対する供給電流量を変化させることで、加振力が時間的に可変するように制御される。このようにギャップＧは加振力に伴って時間的に変化するが、後述するようにギャップセンサ１３０によってギャップＧが監視されることで、加振器１１５−１〜１１５−８が動翼列４２に接触することが未然防止可能に構成されている。
尚、本実施形態では動翼列４２を一定回転数で回転させた際に、加振力を変化させた場合のギャップＧを監視する場合を例示しているが、加振力を一定に付加しながら、動翼列４２の回転数を可変制御した場合のギャップＧを監視する場合も同様である。

動翼列４２が予め設定した振動モードで加振されると、測定部２０８は、動翼４２ａに取り付けた各種センサ（図示省略）により動翼４２ａの状態を検出して、動翼４２ａの振動応答を測定する（ステップＳ１０２）。それと同時に、ギャップ判定部２０４は、ギャップセンサ１３０−１〜１３０−８の検知信号ｂ１〜ｂ８を取得し（ステップＳ１０３）、動翼列４２と加振器１１５−１〜１１５−８との間におけるギャップＧが閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定基準となる閾値は、どの程度、ギャップＧが減少した際に、動翼列４２に対する加振器１１５−１〜１１５−８の接触を回避する必要になるかに基づいて設定される。例えば、実際に動翼列４２に損傷が生じるリスクが高くなるギャップ値よりも大きくなるように閾値を設定することで、接触の未然回避が可能となる。

加振中にギャップＧが閾値以下になったことが判定された場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、加振力制御部２０６は、動翼列４２に付加される加振力を減少又は停止させるように、加振器１１５−１〜１１５−８を制御する（ステップＳ１０５）。加振力の減少又は停止制御は、例えば、加振器１１５−１〜１１５−８の電磁コイル１２８ｂに対する供給電流量を減少又は停止させること、或いは、動翼列４２の回転数を減少又は停止させることにより行われる。これにより、動翼列４２と加振器１１５−１〜１１５−８との接触が未然防止される。またステップＳ１０５で加振力を減少又は停止させると、試験に必要な加振力が動翼列４２に付加されなくなるため、測定部２０８による測定もまた停止される（ステップＳ１０６）。

続いてギャップ判定部２０４は、ギャップセンサ１３０−１〜１３０−８の検知信号ｂ１〜ｂ８を再び取得することで（ステップＳ１０７）、ギャップＧが閾値より大きくなったか否かを判定する（ステップＳ１０８）。つまり、ステップＳ１０５で加振力を減少又は停止させた結果、ギャップＧが閾値まで回復したか否かが判定される。

そしてギャップＧが閾値より大きくなった場合（ステップＳ１０８）、加振力の付加を再開し（ステップＳ１０９）、測定部２０８による測定を再開する（ステップＳ１１０）。つまり、ギャップＧが閾値以下になった場合には、接触を未然防止するために一旦加振力を減少させるが、その後、ギャップＧが十分回復した場合には、加振力の付加及び測定が再開され、元の状態に復旧する。

その後、コントローラ２００は試験内容が完了したか否かを判定し（ステップＳ１１１）、全ての試験内容が完了した場合には（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）、一連の試験を終了する。一方、試験内容が完了していない場合には（ステップＳ１１１：ＮＯ）、処理をステップＳ１０３に戻すことで、試験内容が完了するまで上記処理が繰り返される。

尚、図９のフローチャートでは１種類の閾値に基づいてギャップＧを評価したが、複数の閾値を用いてギャップＧを段階的に評価し、各段階に対応する制御を実施してもよい。図１０は図９の変形例を示すフローチャートである。この変形例では、図６に示すように、各加振器１１５−１〜１１５−８には、互いに異なる突出量Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を有する３つのギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが設けられており、時間が経過するに従って、次第に加振力が増加するように制御される状況を前提として説明する。

図１０では、まずギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃの各検出値をモニタリングし（ステップＳ２００）、いずれかのギャップセンサで動翼列４２との接触が検知されたか否かが判定される（ステップＳ２０１）。尚、動翼列４２との接触は、図４Ａ及び図４Ｂを参照して前述したように、各ギャップセンサの温度検出部１３４で検出された温度変化に基づいて判定される。

いずれかのギャップセンサで動翼列４２との接触が検知された場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、どのギャップセンサで接触が検知されたかが特定される（ステップＳ２０２）。そして、ステップＳ２０２で特定されたギャップセンサがギャップセンサ１３０ａである場合（ステップＳ２０３）、ギャップセンサ１３０ａが有する突出量Ｌ１は、他のギャップセンサ１３０ｂ、１３０ｃに比べて小さいため、ギャップＧが小さく、接触可能性が「大」であると判断される（ステップＳ２０４）。この場合、接触可能性が大きいため迅速な対策が必要であり、例えば、加振力を減少又は停止することに加えて、動翼列４２の回転を停止することなどの措置が講じられる（ステップＳ２０５）。

続いてステップＳ２０２で特定されたギャップセンサがギャップセンサ１３０ｂである場合（ステップＳ２０６）、ギャップセンサ１３０ｂが有する突出量Ｌ２は、ギャップセンサ１３０ａより大きく、且つ、ギャップセンサ１３０ｂより小さいため、接触可能性が「中」であると判断される（ステップＳ２０７）。この場合、例えば、動翼列４２に対する加振力を減少又は停止するとともに、実機の確認作業を促される（ステップＳ２０８）。

続いてステップＳ２０２で特定されたギャップセンサがギャップセンサ１３０ｃである場合（ステップＳ２０８）、ギャップセンサ１３０ｃが有する突出量Ｌ３は、他のギャップセンサ１３０ａ、１３０ｂより大きいため、接触可能性が「小」であると判断される（ステップＳ２０９）。この場合、接触可能性が小さいため緊急対応は不要ではあるが、将来的に、より程度が大きい接触が生じる可能性があることが、インジケータやアラームによってユーザに注意喚起される（ステップＳ２１０）。

このように図１０に示す変形例では、ギャップＧの程度を段階的に判定することで、接触可能性を精度よく評価できる。そして、評価された接触可能性に応じた対策や制御を実施することで、動翼列４２との接触をより的確に未然防止できる。

ここで上述の加振試験方法を用いた幾つかの試験例について説明する。図１１は、動翼列４２を加振中に、ギャップセンサ１３０で検知される温度変化を示す図である。この試験例では、時刻ｔ０〜ｔ１では、運転時間の経過に伴う雰囲気温度の緩やかな上昇によって、ギャップセンサ１３０の温度検出値が緩やかに変化する様子が示されている。一方で、時刻ｔ１になると時刻ｔ１になるとギャップセンサ１３０で検知される温度が急激な変化を示している。これは、ギャップセンサ１３０が動翼列４２に接触したことを示唆している。そのため時刻ｔ１では、ギャップセンサ１３０で検出された温度の変化率が基準値を超えることによってギャップＧが閾値以下となったと判定され、動翼列４２に付加される加振力を減少又は停止させる。このように加振力が減少又は停止させられると、ギャップセンサ１３０で検知される温度は減少に転じ、時刻ｔ１〜ｔ２にかけて温度ピークが現れる。そして時刻ｔ２では、ギャップＧが閾値より大きく回復したと判定され、動翼列４２に対する加振力の付加が再開されるとともに、応答データの測定も再開される。

尚、時刻ｔ３〜ｔ４、及び、時刻ｔ５〜ｔ６では、時刻ｔ１〜ｔ２と同様に、ギャップＧが閾値以下になったと判定されることで、動翼列４２に対する加振力が減少又は停止制御されており、動翼列４２に対する接触の未然回避が行われている。

次の試験例では、動翼列４２に付加する加振力の波形周波数を時間とともに変化させる加振スイープを実施した際の測定結果について説明する。図１２は、加振スイープ時に動翼列４２に生じる応力のレベル及び位相の理想的な周波数特性を示している。応力レベルの周波数特性は、共振周波数ｆｃに対応するピークを有する。加振周波数が共振周波数ｆｃに近づくと、応力レベルが大きくなり、動翼列４２の振幅が大きくなる。このとき、動翼列４２の振幅が大きくなることにより、加振器１１５−１〜１１５−８と動翼列４２との間におけるギャップＧが狭まることから、ギャップセンサ１３０で検出されるギャップＧが閾値以下になると、上述の加振力の減少又は停止制御が実施され、接触の未然回避が行われる。

図１３は、加振スイープ時に動翼列４２に生じる応力のレベル及び位相の周波数分布の測定例である。上述したように、加振スイープ時にギャップＧが閾値以下になった場合には、加振力が減少又は停止制御されるとともに、応答データの測定も中断される。図１３では実測値が黒塗りのシンボルで示されているが、このような測定中断によって一部の周波数領域ｆ１〜ｆ２において実測値が取得されていない。このような場合、図１３において白抜きのシンボルで示すように、残りの周波数領域（ｆ１より低周波数側、及び、ｆ２より高周波数側）で取得された実測値に基づいて推定値を算出してもよい。このような応答データの推定は、例えば最小二乗法等のような補間処理によって行うことができる。これにより、加振器１１５−１〜１１５−８が動翼列４２に接触することを回避するために加振力の付加を中断した場合であっても、測定のやり直し回数を抑えつつ、応答データの効率的な取得が可能となる。

前述の実施形態では、ギャップセンサ１３０を温度センサを含むタッチセンサとして構成した場合について説明したが、ギャップセンサ１３０は、加振器１１５−１〜１１５−８と動翼列４２との間における磁界を検出可能な磁気センサを含んで構成されてもよい。図１４は磁気センサを利用したギャップセンサ１３０を用いた加振システム１００の構成例である。

この実施例では、ギャップセンサ１３０は、例えば磁束密度を検出可能なホール素子のような磁気センサを含んで構成される。ギャップセンサ１３０は、加振器１１５−１〜１１５−８のうち電磁石１２８と動翼列４２との間に設置されることで、電磁石１２８と動翼列４２との間に形成される磁界の磁束密度を検出可能に構成される。図１４では、ギャップセンサ１３０は電磁石１２８を構成する略Ｅ字型のヨーク１２８ａ上に設置される。このようなギャップセンサ１３０は、前述のタッチセンサのようにギャップＧの閾値に対応する長さを有する突出部１３２を設ける必要がないため、加振器１１５−１〜１１５−８と動翼列４２との間におけるギャップＧが小さい場合にも好適に適用できる。

ギャップセンサ１３０で検出された磁束密度は、事前に作成される校正カーブに基づいて、ギャップＧや動翼列４２に作用する荷重の推定に利用される。ここで図１５は校正カーブを作成するための事前校正試験を示す模式図である。事前校正試験では、実機（図１４を参照）に対応する構成として、動翼列４２に代えて十分に剛なターゲット１５０が用いられ、加振器１１５−１〜１１５−８とは反対側に荷重計１６０が設置される。そしてギャップＧ毎に、電磁石１２８に供給される電流値Ａ、荷重計で測定される荷重Ｆ、ギャップセンサ１３０で検出される磁束密度Ｂをそれぞれ取得する。そして当該結果に基づいて、ギャップＧと磁束密度Ｂに関する校正カーブ（Ｂ∝１／Ｇ）、及び、ギャップＧと荷重Ｆとの校正カーブ（Ｆ∝（Ａ／Ｇ）^２）が作成される。このように事前校正試験で作成された校正カーブに基づいて、ギャップセンサ１３０で検出された磁束密度からギャップＧや荷重の推定が可能となる。

このように磁束密度Ｂに基づいて推定されたギャップＧは、前述の実施形態と同様に閾値と比較されることで、加振力の減少又は停止制御の実施トリガーとして用いられ、加振器１１５−１〜１１５−８と動翼列４２との接触が未然防止される。また動翼列４２に付加される加振力による荷重を推定することで、実機の動翼列４２に対して荷重計を設置することなく動翼列４２に印加される荷重を把握できるため、例えば動翼４２ａの形状や回転による振動によって動翼列４２と加振器１１５−１〜１１５−８との間におけるギャップＧが一定でない場合においても、ギャップＧに応じた加振力の設定が可能となる。

尚、ギャップセンサ１３０としてホール素子の代わりに、サーチコイルで鎖交磁束を計測して、ギャップＧを推定するようにしてもよい。

以上説明したように上述の実施形態によれば、回転機械の動翼列４２に加振力が付加されている際に、動翼列４２と加振器１１５−１〜１１５−８との間におけるギャップＧが検出される。そしてギャップＧが閾値以下になった場合、加振力を減少又は停止させるように加振器１１５−１〜１１５−８を制御することにより、動翼列４２と加振器１１５−１〜１１５−８との接触が未然に防止される。

本発明の少なくとも一実施形態は、回転機械の動翼に対して加振力を付加するための加振システム、当該加振システムを用いた加振方法、及び、当該加振方法をコンピュータに実行させるプログラムに利用可能である。

４０ タービン
４１ 回転軸
４２ 動翼列
４２ａ 動翼
５０ 回転振動試験装置
５２，５３ 回転支持柱
６０ 回転検出器
１００ 加振システム
１１０ 振動モード励振装置
１１１ ベッド
１１２ 脚台
１１３ 支持環
１１４ 取付治具
１１５ 加振器
１１６ 受振器
１２０ 開口部
１２６ ケーシング
１２８ 電磁石
１２８ａ ヨーク
１２８ｂ 磁気コイル
１３０ ギャップセンサ
１３２ 突出部
１３４ 温度検出部
１３５ 第１部分
１３６ 第２部分
１３７ 第３部分
１３８，１４０，１４２ 固定部材
１５０ ターゲット
１６０ 荷重計
２００ コントローラ
２０１ 通電指令部
２０２ 振動モード検出部
２０３ 表示部
２０４ ギャップ判定部
２０６ 加振力制御部
２０８ 測定部
２０９ 分析部
２１０ 入力部
２２０，２２２ アンプ
２２１ 電流検出センサ

Claims (17)

1. 回転機械の動翼に加振力を付加可能に構成される加振器と、
   前記動翼と前記加振器との間のギャップを検出するためのギャップセンサと、
   前記ギャップセンサで検出された前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止させるように前記加振器を制御するコントローラと、
   を備える、加振システム。
2. 前記ギャップセンサは、前記加振器から前記動翼に向けて突出する突出部を有するタッチセンサとして構成され、
   前記コントローラは、前記タッチセンサの検出値に基づいて前記ギャップを推定する、請求項１に記載の加振システム。
3. 前記タッチセンサは、前記突出部の延在方向に交差する方向に沿って前記加振器に対して少なくとも部分的に固定される、請求項２に記載の加振システム。
4. 前記タッチセンサは、前記突出部の先端における温度を検出可能な温度センサを含む、請求項２又は３に記載の加振システム。
5. 前記コントローラは、前記温度センサで検出された温度の変化率が基準値を超えた場合、又は、前記温度センサが検出不能になった場合、前記ギャップが閾値以下になったと判定する、請求項４に記載の加振システム。
6. 前記加振器には、前記突出部の突出量が互いに異なる複数の前記タッチセンサが設けられる、請求項２から５のいずれか一項に記載の加振システム。
7. 前記複数のタッチセンサは、前記突出量が短い順に回転方向上流側からそれぞれ設置される、請求項６に記載の加振システム。
8. 前記複数のタッチセンサの検出値に基づいて前記ギャップを段階的に評価することにより、前記動翼と前記加振器との間における接触可能性を求める、請求項６又は７に記載の加振システム。
9. 前記接触可能性に基づいて、前記動翼と前記加振器との接触を回避するための対策を実施する、請求項８に記載の加振システム。
10. 前記コントローラは、前記ギャップセンサで検出された前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止する、請求項１から５のいずれか一項に記載の加振システム。
11. 前記コントローラは、前記加振力を減少又は停止した後、前記ギャップセンサで検出された前記ギャップが前記閾値より大きくなった場合、前記加振力の付加を再開する、請求項１０に記載の加振システム。
12. 前記動翼に関して前記加振力に対する応答データを測定する測定部を更に備え、
    前記コントローラは、前記加振力が付加されている期間に前記測定部によって測定された測定結果に基づいて、前記加振力が減少又は停止されている期間における応答データを推定する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の加振システム。
13. 前記ギャップセンサは、前記加振器と前記動翼との間における磁界を検出可能な磁気センサを含み、
    前記コントローラは、前記磁気センサの検出値に基づいて前記ギャップを推定する、請求項１に記載の加振システム。
14. 前記ギャップセンサは、前記動翼の先端部に対向するように配置される、請求項１から１３のいずれか一項の加振システム。
15. 前記ギャップセンサは、前記動翼の先端部より内径側の本体部に対向するように配置される、請求項１から１３のいずれか一項の加振システム。
16. 回転機械の動翼に対向して配置された加振器によって、回転中の前記動翼に加振力を付加する方法であって、
    前記動翼と前記加振器との間のギャップを検出する工程と、
    前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止させる工程と、
    を備える、加振方法。
17. 回転機械の動翼に対向して配置された加振器による、回転中の前記動翼への加振力の付加に用いられるプログラムであって、
    前記動翼と前記加振器との間のギャップを検出する処理と、
    前記ギャップが閾値以下になった場合、前記加振力を減少又は停止させる処理と、
    をコンピュータに実行させる、プログラム。

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