JP4080719B2 - 一体型の羽根付ホイールの音響検査 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、機械部品の機械加工を検査する分野に関する。より特定的には本発明は、振動音響特徴に基づく一体型の羽根付ホイールの周波数検査に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジン（以後の記載ではターボ機械と呼ぶ）のコンプレッサの回転部材即ちロータは最近まで、フィンとも呼ばれる羽根が、各々に連結された円板または円環の形態の複数のホイールを組立てることによって形成されていた。羽根を個別に組立てるこのような構造では、振動現象が減衰され、羽根を装着したホイールが、共振によって破壊されるという危険は事実上完全に排除される。
【０００３】
現在では、コンプレッサや工業用ベンチレータ（ファンとも呼ばれる）のホイールは、次第に一体型の部材として作製されるようになり、羽根は円板状または円環状の支持部材の一体部分として形成される。確かにこのタイプの構造は、ホイールの小型化及び軽量化、従ってまたコンプレッサ全体の小型化及び軽量化を実現し、コンプレッサを組込んだタービンエンジンの総重量に対しても極めて有利な効果を与える。
【０００４】
最新の自動機械加工手段は、実際に極めて高い精度及び極めて高い再現性で羽根を製造することが可能であるが、予想外にも、ほぼ完全な幾何学的形状が得られる結果として、極めて大きな共振振動現象が生じ易く、極端な場合にはホイールが完全に破壊されてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ホイールの破壊の可能性を防止するために、上記のような共振の危険性を判断し得る、一体型の羽根付ホイールの音響検査方法及び対応する装置を提供することである。本発明の他の目的は、リアルタイムで行うことが可能な、極めて高速の検査方法を提供することである。本発明の別の目的は、機械加工プロセスに一体的部分として組込むことが可能な検査方法を提供することである。本発明のまた別の目的は、機械加工品質を検査することも可能な方法を提供することである。本発明のまた別の目的は、欠陥が認識された羽根について欠陥のタイプを判定し得る方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、一体型の羽根付ホイールを回転駆動し、ホイールの羽根の各々を機械的に励起し、羽根の音響レスポンスを収集し、対応する電気信号を発生させ、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）計算によって羽根の周波数レスポンスを決定し、電気信号及び対応する周波数レスポンスを記憶し、ホイールの各羽根の固有周波数を識別し、得られた周波数の分布が、所定の一連の禁止周波数分布に一致するか否かに基づいて、ホイールを不合格または合格と判定する段階からなる、一体型の羽根付ホイールの音響検査方法によって達成される。
【０００７】
この特定の方法によって、規格に合わないホイールを極めて迅速に間違いなく排除し得る。更に、この方法は、従来の機械加工プロセスに容易に組込むことができる。
【０００８】
好ましくはこの方法は、羽根の周波数レスポンスを、欠陥のタイプに特有の所定の周波数レスポンスに比較することによって羽根の欠陥を判定する追加の段階をさらに含む。
【０００９】
本発明はまた、上記方法を実施する装置に関する。本発明の装置の機械的励起手段は、衝撃またはハンマー打撃による励起手段を含み、音響受信手段はマイクロホンを含む。
【００１０】
本発明の特徴及び利点は、本発明の非限定的代表例を示す添付図面に基づく以下の記載からより明らかであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一体型の羽根付ホイールの音響検査装置を、図１に極めて概略的に示す。装置は、検査すべきホイール１０が固定されたハブ１４を駆動するための例えば電動機１２からなる、ホイール１０の回転駆動手段（更に、ホイールの羽根の各々を正確に識別するために、図示しないインデックスシステムが設けられている）と、例えば衝撃装置またはハンマー打撃装置（例えば金属フィンガまたはストリップ）からなり、ホイールの羽根２０の上方に配置された機械的励起手段１６と、例えば励起された羽根の近傍に配置されたマイクロホンからなる音響受信手段と、一方で機械的励起手段１６を制御し、他方で音響受信手段１８の端子で収集した音響信号を処理するために接続された処理手段２２〜２８とを含む。従来同様に、ホイールの羽根の各々に関する音響信号の処理は、対応する励起信号に同期される。
【００１２】
処理手段は、収集した音響信号を電気信号に変換する手段２２を含む。従来同様に、音響信号の変換に伴って、検査すべきホイールに適合する所定の周波数帯域でフィルタリングが行われる。これらの信号を次にＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析し、対応する羽根の周波数レスポンスを得る。検査すべきホイールの羽根の各々について、解析した電気信号（サンプリング後）及び得られた周波数レスポンスの種々のサンプルを、記憶手段２４、例えばディジタルメモリに記憶する。各羽根の周波数レスポンスの決定及び対応する記憶手段への記憶は、各羽根毎に行われるのでなく、検査すべきホイールの全部の羽根の音響信号を収集した後で行われる。
【００１３】
図２は、ターボ機械のコンプレッサの一体型の羽根付ホイールの連続する４枚の羽根について得られた周波数レスポンス、従って羽根の音響特徴の一例を示す。図示の例では、試験される羽根の各々について、羽根の幾何学的形状に特有の３つの特定周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３が存在することに注目されたい。０〜７０００Ｈｚの周波数範囲にわたって８Ｈｚの周波数分解能で測定した。
【００１４】
検査すべきホイールの各羽根の周波数レスポンスを、識別手段２６で処理することによって、事前の周波数レスポンスによって供給された周波数から各羽根の固有周波数を決定し、以下の表を作成できる。
【表１】

【００１５】
所与の１つのホイールの羽根の固有周波数の分散が、この表から十分に理解されよう。次に、得られた表でこれらの固有周波数の分布と、所定の一連の禁止周波数分布とを比較する分類手段２８によって、ホイールが不合格であるか合格であるかを極めて容易に判定し得る。禁止周波数分布は、羽根車の設計時点で決定された振動レベルに適合しない形状に対応するので、検査されたホイールで、禁止周波数分布に一致する周波数分布をもつホイールは不合格である。
【００１６】
従って、本発明の一体型の羽根付ホイールの音響検査方法は以下の段階に要約できる。
（ａ）一体型の羽根付ホイールを回転駆動する、
（ｂ）第一の羽根を機械的に励起する、
（ｃ）音響レスポンスを収集し、対応する電気信号を発生させる、
（ｄ）ＦＦＴ計算によって、ホイールの第一の羽根の周波数レスポンスを決定する、
（ｅ）電気信号及び対応する周波数レスポンスを記憶する、
（ｆ）ホイールの羽根の各々について段階（ｂ）から（ｅ）を繰り返す、
（ｇ）ホイールの羽根の各々について記憶した周波数レスポンスから、それぞれの固有周波数を識別する、
（ｈ）このようにして得られた周波数分布が、所定の一連の禁止周波数分布に一致するか否かに従って、ホイールを不合格または合格と判定する。
【００１７】
この方法は極めて有効であり、製造プロセスを続行してよいか否かを、極めて迅速に（ホイールの１つの羽根に関する完全な解析は２秒以内に完了する）かつ実質的に間違いなく判断し得る。実際、１個の一体型の羽根付ホイールの製造は、一般に３つの連続作業、即ち、フライス削り、研磨及びショットピーニングからなり、フライス削り段階後に検査を行う（機械からホイールを取り出さずに、機械上で直接行うかまたは近傍の検査ステーションで行う）ことによって、ホイールが不適格であるという検査結果が得られた場合には、その後の２つの段階を避けることができる。また、同じ欠陥をもつ以後のホイールの機械加工プロセスの続行を避けること、または、現行のような最終幾何学検査を待つことを避けることが可能である。また、検査は迅速であり、直後のホイールの機械加工作業までの空き時間内に検査を行うことができる。この場合、回転駆動手段は、勿論機械加工を行う装置の駆動手段によって直接構成される。
【００１８】
更に、発明者らが実施した種々の試験から、基準の理論的な羽根に比べて各羽根の周波数スペクトルに生じた種々の偏差は、羽根の幾何学的または構造的な欠陥に起因することが判明した。従って、肉眼で検出できない幾何学的欠陥（例えば僅か１０ミクロンの余分な厚み）が、周波数スペクトル上に理論的な羽根からずれたモードとして現れる。従って、同じ周波数レスポンス（従って同じ周波数スペクトル）をもつ欠陥のタイプ（羽根の先端の欠損、羽根の根元の余分な厚み、局部的変形、亀裂、など）を、幾つかのクラスに分類することが可能である。
【００１９】
上記のように本発明の方法は、危険な共振特性をもつ可能性があるホイールを間違いなく排除できるだけでなく、排除されたこれらの羽根車に関しては、その周波数レスポンスを欠陥のタイプに特有の所定の周波数レスポンスに比較することによって、ホイールのもつ重大な欠陥の種類を判定し、ときにはこの欠陥を解消することができ（例えば余分な厚みは、新しい局部的切削によって除去できる）、規格に合う部品の製作を達成し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一体型の羽根付ホイールの音響検査装置を示す概略説明図である。
【図２】図１の装置から得られた周波数レスポンス曲線の一例を示すグラフである。

Claims (7)

1. （ａ）一体型の羽根付ホイールを回転駆動する段階と、
   （ｂ）第一の羽根を機械的に励起する段階と、
   （ｃ）音響レスポンスを収集し、対応する電気信号を発生させる段階と、
   （ｄ）ＦＦＴ計算によって、ホイールの前記第一羽根の周波数レスポンスを決定する段階と、
   （ｅ）電気信号及び対応する周波数レスポンスを記憶する段階と、
   （ｆ）ホイールの羽根の各々について段階（ｂ）から（ｅ）を繰り返す段階と、
   （ｇ）ホイールの羽根の各々についてそれぞれの記憶された周波数レスポンスから、それぞれの固有周波数を識別する段階と、
   （ｈ）得られた周波数の分布が、所定の一連の禁止周波数分布に一致するか否かに基づいて、ホイールを不合格または合格と判定する段階と、
   からなることを特徴とする一体型の羽根付ホイールの音響検査方法。
2. ホイールの全部の電気信号を収集した後で、前記周波数レスポンスを決定する段階及び記憶する段階を行うことを特徴とする、請求項１に記載の音響検査方法。
3. 前記機械的に励起する段階が、衝撃またはハンマー打撃による励起からなることを特徴とする、請求項１に記載の音響検査方法。
4. 羽根の周波数レスポンスを、欠陥のタイプに特有の所定周波数レスポンスに比較することによって、羽根の欠陥を判定する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の音響検査方法。
5. （ａ）一体型の羽根付ホイール（１０）を回転駆動する駆動手段（１２）と、
   （ｂ）ホイールの羽根（２０）の各々を機械的に励起する機械的励起手段（１６）と、
   （ｃ）音響レスポンスを収集し、対応する電気信号を発生する音響受信手段（１８）と、
   （ｄ）ＦＦＴによって羽根車の各羽根の周波数レスポンスを計算する計算手段（２２）と、
   （ｅ）電気信号及び対応する周波数レスポンスを記憶する記憶手段（２４）と、
   （ｆ）記憶された周波数レスポンスから、ホイールの各羽根の固有周波数を識別する識別手段（２６）と、
   （ｇ）得られた周波数の分布が、所定の一連の禁止周波数分布に一致するか否かに従って、ホイールを不合格または合格に分類する分類手段（２８）と、
   からなることを特徴とする一体型の羽根付ホイールの音響検査装置。
6. 前記機械的励起手段が、衝撃またはハンマー打撃による励起手段を含むことを特徴とする、請求項５に記載の音響検査装置。
7. 前記音響受信手段が、マイクロホンを含むことを特徴とする、請求項５に記載の音響検査装置。

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