JP3950238B2

JP3950238B2 - 回転振動試験時の振動モード励振装置

Info

Publication number: JP3950238B2
Application number: JP26987998A
Authority: JP
Inventors: 正吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: JP2000097801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転振動試験時の振動モード励振装置に関し、特に、産業用タービンの回転翼のような回転体の回転振動を試験するための回転振動試験時の振動モード励振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用タービンは、その出荷前にその性能試験の１つである回転振動に関する試験が実施される。タービンの回転翼の回転振動試験は、図８に示すように、ロータ１０１を車室１０２である真空室の中で回転させ試験対象である回転翼１０３の振動特性を把握することを目的としている。このような回転試験では、ロータ１０１を回転駆動するモータ等の容量、車室内の温度制限等から車室１０２内又は回転室内全体を真空に保って運転している。そのため、回転翼１０３を振動させるための励振力がほとんどない条件下で実施することになり、試験に必要な回転数範囲で回転翼１０３を励振（加振）する励振装置が使用される。
【０００３】
そのような励振装置として、先端にノズルを備える空気配管１０５が車室内に導入され、そのノズルから回転中の回転翼１０３にエアを噴射する噴射手段が知られている。このように励振される回転翼１０３の振動は、振動計測装置（参考：特願平５−２２９４７７号）の電磁式回転パルス検出器１０６により検出される。
【０００４】
このような従来の振動検出方法は、様々な問題を抱えている。第１に、ロータの高速回転中に、真空室内でのエアの噴射が真空度を低下させ、車室内の温度を上昇させる。このように上昇する温度は、振動計測装置に使用している非接触の電磁式回転パルス検出器、検出器ケーブルの許容温度を越える。このような温度上昇は、これら機器を破損させる。第２に、従来の回転翼励振装置のエアの噴射箇所は１回転翼について１カ所であり、励振力がランダムになる。このため、回転翼の鮮明な振動特性を得ることが困難である。第３に、このようなランダムな励振力は、振動計測装置の検出機器取付治具をも励振するので、その鮮明な振動特性を得ることが更に困難である。
【０００５】
車室内の真空度を低下させず、鮮明な振動特性を得ることが求められている。更に、任意の振動モードが得られるように励振力の発生が制御されることが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、真空度を低下させず鮮明な振動特性を得ることができる回転振動試験時の振動モード励振装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、多様な振動モードで励振することにより高精度な振動特性を得ることができる回転振動試験時の振動モード励振装置を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、励振力がランダムでなく確定性があり高精度な振動特性を得ることができる回転振動試験時の振動モード励振装置を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、同じ機器を励振器としても受振器としても用いることができ任意の振動モードで加振することにより高精度な振動特性を得ることができる回転振動試験時の振動モード励振装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による回転振動試験時の振動モード励振装置は、回転試験を受ける回転試験体の周囲の複数位置に配置され前記複数位置で前記回転試験体にそれぞれの力を作用させる複数の励振器と、前記回転試験体の周囲の複数位置に配置され前記回転試験体の前記複数位置に対応する部分の振動を受ける受振器と、前記励振器を駆動するためのコントローラとからなる。
【０００８】
回転翼は、選択される位置又は任意の数の位置で励振力を受ける。その励振力は、電磁気力であるから、車室内の真空度を下げる原因をつくらない。コントローラにより任意の個数の励振器により励振力を作用させることができるので、振動モードを自在に変えることができる。このような励振モードの変更により、回転翼を含むロータの振動特性を多面的に検出して、より確定的な振動特性を得ることができる。励振力である電磁気力は、電気的に確定的に発生させることができるので、得られる振動特性は鮮明である。ここで、電磁気力は、電流制御により得られる磁気力であることが好ましいが、レーザーのような電磁力伝達媒体も含む。
【０００９】
励振器も受振器もともに電磁誘導器であることが好ましい。ここで電磁誘導器とは、電磁コイルとヨークとからなる磁力発生器（第１電磁誘導器）である。このような磁力発生器は、電磁誘導の原理により、同時に、磁力受容器（第２電磁誘導器）でもある。従って、コントローラの制御により、任意の電磁誘導器を使用し、且つ、その使用する電磁誘導器を加振用にも受振用にも用いることができる。第１電磁誘導器の個数は２のｎ（ｎは３より大きい整数）乗であることが好ましい。第１電磁誘導器の個数は、例えば、３２、６４である。更には、これらの数に３がかけられた数であることが好ましい。例えば、４８、９６である。このような数は、１つのロータにその周囲から均衡に加振力を作用させるのに適した数である。
【００１０】
このような第１電磁誘導器は回転試験体の回転軸心線を中心線とする１円周上に等角度間隔で配置されていることが好ましい。電磁誘導器としては、６２個が同一円周上に等角度間隔で配置されている。その内の半数は第１電磁誘導器であり、残りの半数は第２電磁誘導器であり、第１電磁誘導器と第２電磁誘導器は交互に配置されることが特に好ましい。
【００１１】
本発明による回転振動試験時の振動モード励振装置は、言い換えれば、回転試験を受ける回転試験体の周囲の複数位置に配置され前記複数位置で前記回転試験体にそれぞれの力を作用させる複数の励振器と、前記回転試験体の周囲の複数位置に配置され前記回転試験体の前記複数位置に対応する部分の振動を受ける受振器と、前記励振器を駆動するためのコントローラとからなり、前記励振器と前記受振器は、ともに、ヨークとコイルとを備え、更には、前記励振器と前記受振器は、ともに、前記ヨークを磁化するための永久磁石を備える。この永久磁石の追加は、励振機能と受振機能を同時に向上させる。このような励振と受振は、電磁誘導法則で表裏一体の関係にあり、励振力と受振力がシャープであり鮮明な振動特性を得るための好適な物理的特性を有し、且つ、車室内の環境を乱すことが全くない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による回転振動試験時の振動モード励振装置の実施の形態１を示し、正面図である。ベッド１の上面に脚台２が強固に支持されている。脚台２に２つ割支持環が支持されている。その２つ割支持環は、下側支持環３と上側支持環４とから形成されている。上側支持環４は、下側支持環３に支持されている。下側支持環３と上側支持環４とで、１つの円環が形成されている。下側支持環３には、これと同心に半円環状の下側取付治具５が取り付けられている。上側支持環４には、これと同心に半円環状の上側取付治具６が取り付けられている。このような治具は、特開平８−９４４３２号で公知である。
【００１３】
下側取付治具５と上側取付治具６は、共通の中心点を共有する１つの円環を形成している。この中心点は、下側支持環３と上側支持環４が形成する１つの円環の中心点に一致している。ロータとそのロータの周囲を囲むようにロータに取り付けられている回転翼は、下側支持環３と上側支持環４の裏側に位置して、図１には現れていない。回転翼は、回転中は、その外周縁部が１体に連続して閉じるリングに形成される。そのリングの外周縁の直径は、概ね、下側支持環３と上側支持環４の外周縁の直径に等しい。
【００１４】
下側取付治具５と上側取付治具６とで形成される１体の取付治具に、６４個の長孔７が開けられている。各長孔７の長軸方向は半径方向であり、全ての長孔は同一の径座標位置を有している。６４個の長孔７は、等角度間隔で配置されている。それぞれの長孔７に電磁誘導器である市販の電磁式回転パルス検出器が装着されている。各電磁誘導器は、それに対応する長孔７に案内されて半径方向にその位置調整が行われ、適正な半径方向位置で下側取付治具５又は上側取付治具６に固着される。
【００１５】
電磁誘導器は、３２個の第１電磁誘導器８−１〜３２と３２個の第２電磁誘導器９−１〜３２とから構成されている。後述するコントローラにより、６４個の電磁誘導器は、第１電磁誘導器又は第２電磁誘導器として選択的に用いられ得る。第１電磁誘導器８−１〜３２と第２電磁誘導器９−１〜３２は、同一円周上に交互に配置されている。第１電磁誘導器８−１〜３２と第２電磁誘導器９−１〜３２は、非動作中は全く同一のものである。
【００１６】
図２は、そのような全く同一の第１電磁誘導器８−１〜３２と第２電磁誘導器９−１〜３２の１つを示し、断面図である。第１電磁誘導器８−１は、いわゆる電磁式回転パルス検出器と呼ばれて市販されている慣用の検出器であり、円筒状の本体１１を備えている。本体１１の中に、電磁コイル１２が同軸に固定されている。電磁コイル１２の中心領域に同軸にヨーク（鉄心）１３が装着され固定されている。永久磁石１４が、ヨーク１３に接触して固着されている。電磁コイル１２は、電気導線１５中に介設されている。電気導線１５の両端は後述するコントローラに電気的に接続されている。
【００１７】
電気導線１５の両端に電圧を積極的にかけて電磁コイル１２に電流を通す場合は、この電磁誘導器は磁力を発生させる第１電磁誘導器８−１として用いられ、この第１電磁誘導器８−１は励振器としての電磁式マグネットである。電気導線１５の両端に電圧を積極的にかけず電磁コイル１２に電流を通さない場合は、ヨーク１３の先端の近傍を磁性体が高速で通過したりそこに急速に接近し遠ざかる際にこの電磁誘導器の電磁コイル１２に電磁誘導により電圧を誘起する第２電磁誘導器９−１として用いられ、この第２電磁誘導器９−１は受振器である。
【００１８】
図３は、第１電磁誘導器８−１〜３２と第２電磁誘導器９−１〜３２を個々に選択して動作させるコントローラ２１を示す回路ブロック図である。図２に示した電気導線１５は、コントローラ２１と各第１電磁誘導器８−１〜３２又は各第２電磁誘導器９−１〜３２を個々に接続している。各第１電磁誘導器８−１〜３２とコントローラ２１を接続する電気導線１５は、コントローラ２１から電力として電流を各第１電磁誘導器８−１〜３２に供給する。各第２電磁誘導器９−１〜３２とコントローラ２１を接続する電気導線１５は、各第２電磁誘導器９−１〜３２から検出電圧を検出電流としてコントローラ２１に供給する。
【００１９】
コントローラ２１は、各第１電磁誘導器８−１〜３２に供給する電力の大きさを個々に制御することができる。コントローラ２１は、各第２電磁誘導器９−１〜３２から受ける電気信号である電圧の大きさを測定してその電圧に対応する受振力又は受振振幅に換算する計算機能を有している。
【００２０】
図４〜図６は、異なるノーダルＮＤで１体の回転翼に振動力を負荷する励振モードを示している。図４（ａ），（ｂ）は、９ＮＤの励振モードを示している。３２個の電磁マグネットである３２個の第１電磁誘導器８−１〜３２の内の１６個が、１円周上の９カ所の定点領域でＯＮになる。図４（ｂ）に示されるように、コントローラ２１により電磁マグネットが選択され、９カ所の内の７カ所の定点領域では隣り合う２個であり、その２カ所の定点領域では１個である第１電磁誘導器８−１，４−５，８，１１−１２，１５−１６，１８−１９，２２−２３，２５−２６，２９−３０がＯＮであり、同一円周方向に順次に点灯（ＯＮ）する。
【００２１】
点灯持続時間は、直流を流す通電時間である。通電時間及び通電時間帯（タイミング）は、個々に、コントローラ２１により制御される。このように、全第１電磁誘導器８−１〜３２のうちの上述のものを選択的にＯＮにすることにより、９ＮＤの励振モードを形成することができる。
【００２２】
図４（ａ）に示されるような点灯により、１体の回転翼の周縁の斜線で示す部分が順次に概ねサインカーブに近似して変動する吸着力を受ける。このような吸着力を受ける回転体には、その回転数に関係する共鳴振動が発生する。このような共鳴振動の回転翼は、３２個の第２電磁誘導器９−１〜３２のヨーク１３に対してその共鳴振動数で接近し遠ざかる。このような振動変位の１回について、概ね１波長のサインカーブに近似する起電力が第２電磁誘導器９−１〜３２の電磁コイル１２に誘起され、その誘起電圧の信号がコントローラ２１に伝達されその記録部（図示せず）に記録される。
【００２３】
図５（ａ），（ｂ）は、１０ＮＤの励振モードを示している。３２個の電磁マグネットである３２個の第１電磁誘導器８−１〜３２の内の１７個が、１円周上の１０カ所の定点領域でＯＮになる。１０カ所の内の７カ所の定点領域では隣り合う２個であり、その３カ所の定点領域では１個である第１電磁誘導器８−１，４，７−８，１０−１１，１３−１４，１６−１７，２０，２３−２４，２６−２７，２９−３０がＯＮであり、同一円周方向に順次に点灯する。
【００２４】
図６（ａ），（ｂ）は、１１ＮＤの励振モードを示している。３２個の電磁マグネットである３２個の第１電磁誘導器８−１〜３２の内の１６個が、１円周上の１１カ所の定点領域でＯＮになる。１１カ所の内の５カ所の定点領域では隣り合う２個であり、その６カ所の定点領域では１個である第１電磁誘導器８−１，３−４，６−７，９−１０，１２−１３，１５−１６，１８，２１，２４，２７，３０がＯＮであり、同一円周方向に順次に点灯する。
【００２５】
図７は、回転試験の計測結果を示すキャンベル線図である。タービン回転試験は、任意の回転数域において特有の振動モードが計算により予め解析されて予想されている。図７は、回転数域が２８００〜３０００ＲＰＭの１１，１０，９ノーダルモードの振動モードの実測値を示している。３０００ＲＰＭの回転体は、３０００を６０で割ると、その基底振動数は５０である。この振動体の回転数と振動数は、１Ｈで示す直線で表される。
【００２６】
１０倍振動数の直線１０Ｈ上では、２８００ＲＰＭの付近の回転数の回転翼は、各ノーダルＮＤについて、約５００の振動数で共鳴する。１１Ｈ、１２Ｈ、１３Ｈで示される直線上では、１０Ｈ上の点よりも僅かにシフトした位置で共鳴が起きている。共鳴時の振幅は、丸の大きさで示されている。グラフ中の左上の大きい丸は、０．０１５０（ある単位）の基準振幅の大きさを示している。
【００２７】
このように実測された振動特性は、極めてシャープ（鮮明）であり、且つ、計算により予め求められているものに完全に一致している。このように計算値に一致する結果を得た後に、その性能表が添付されて当該タービンの出荷が行われる。
【００２８】
様々な回転数域において様々なＮＤで行われる複数の計測は、それぞれに正確な値を与えるので、より精緻な性能テストの信頼性が極めて高く、且つ、励振モードを簡単に正確に変更することができるので、計測時間が大幅に短縮される。なお、コントローラ２１は、第１電磁誘導器（励振器）に関して、その通電時間、その通電タイミング、電流量（電圧）、全体の通電タイミング（順序）を自在にコントロールすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による回転振動試験時の振動モード励振装置は、試験対象翼の励振したい箇所に擾乱なく任意の励振力を作用させるので、任意の回転数域において予想される振動モード（例えば、翼・ディスク練成モード）を容易に発生させることができる。
【００３０】
本発明による回転振動試験時の振動モード励振装置は、一方で、励振器と受振器が電磁誘導器として兼用され、それらの配置構成が自由自在になり、任意の振動モードの作成を極端に容易にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による回転振動試験時の振動モード励振装置の実施の形態を示す正面図である。
【図２】図２は、電磁誘導器の断面図である。
【図３】図３は、回路ブロック図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、励振モード、そのモード作成の回路構成をそれぞれに示す幾何学図、回路図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、他の励振モード、そのモード作成の回路構成をそれぞれに示す幾何学図、回路図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、更に他の励振モード、そのモード作成の回路構成をそれぞれに示す幾何学図、回路図である。
【図７】図７は、キャンベル線図である。
【図８】図８は、公知の回転振動試験機を示す正面断面図である。
【符号の説明】
８−１〜３２…第１電磁誘導器（励振器）
９−１〜３２…第２電磁誘導器（受振器）
１２…電磁コイル
１３…ヨーク
１４…永久磁石
２１…コントローラ

Claims

回転試験を受ける回転試験体の周囲の複数位置に配置され前記複数位置で前記回転試験体にそれぞれの電磁気力を作用させる複数の励振器と、
前記回転試験体の周囲の複数位置に配置され前記回転試験体の前記複数位置に対応する部分の振動を受ける受振器と、
前記励振器を駆動するためのコントローラとを備え、
前記励振器は第１電磁誘導器であり、
前記受振器は第２電磁誘導器であり、
前記第１電磁誘導器と前記第２電磁誘導器は前記回転試験体の回転軸心線を中心線とする１円周上に等角度間隔で配置されており、
前記第１電磁誘導器と前記第２電磁誘導器は、同一円周上で交互に配置されている回転振動試験時の振動モード励振装置。
請求項１において、
前記コントローラは前記複数の励振器のうちの任意の個数の励振器を選択的に駆動する回転振動試験時の振動モード励振装置。
請求項１において、
前記第１電磁誘導器の個数は２のｎ（ｎは３より大きい整数）乗を因数とする数である回転振動試験時の振動モード励振装置。