JP5556678B2

JP5556678B2 - 疲労試験装置

Info

Publication number: JP5556678B2
Application number: JP2011008508A
Authority: JP
Inventors: 維一江畑
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: JP2012149979A

Description

本発明は、ジェットエンジンを含むガスタービン等の圧縮機やタービンの翼部品等の供試物における疲労強度を確認するために、供試物を振動させる疲労試験装置に関する。

従来、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、共振現象を利用した非接触の疲労試験装置が提案されている。この疲労試験装置においては、図４に示すように、固定治具１０２により基端側を固定された供試物（翼部品等）１０１に対して、高周波モータ１０３により駆動されるパルス発生部１０４から発せられる高周波パルス状の圧力波を当てる。

パルス発生部１０４は、いわゆるサイレン式エアパルス発生器であり、多数の孔が設けられたステータ及びロータを備えている。このパルス発生部１０４は、流量調整弁１０５を経てエア配管１０６より空気が供給されるとともに、ロータが高周波モータ１０３により高速で回転されることにより、パルス状の圧力波を発生する。

流量調整弁１０５は、コントローラ１０７により流量の制御をされる。高周波モータ１０３は、インバータ１０８を介して、コントローラ１０７により回転数の制御をされる。

供試物１０１は、パルス状の圧力波により振動する。このとき、圧力波の圧力変化の周波数（加振周波数）が供試物１０１の共振周波数に一致するように調整され、供試物１０１の振動周波数は、共振周波数となる。また供試物１０１の加振レベルは、エアの流量を流量調整弁５により調整する。このような共振周波数及び加振レベルの調整は、手動調整により行なっている。

供試物１０１の振動は、レーザ変位計等の非接触変位計（またはレーザドップラ等の速度計）１０９及び歪みゲージ１１０により計測される。レーザ変位計１０９による振幅の計測結果は、ＦＦＴアナライザ１１１に送られる。一方、歪みゲージ１１０からの出力は、動歪み計１１２を経て、動歪みの信号出力としてＦＦＴアナライザ１１１に送られる。その後、ＦＦＴアナライザ１１１による解析結果は、コントローラ１０７に送られる。

供試物１０１の振幅を一定に保ち、高サイクル（１０^７サイクル程度）の振動をさせている間に、供試物１０１にクラック等の疲労破壊が生じているかを確認する。

特開２００４−０２８９７６号公報特開２００３−２７００８１号公報

ところで、前述のような疲労試験装置において、所定の振動サイクルに達する前に供試物１０１が共振しなくなった場合には、加振周波数を微調整して加振レベルの回復を確認したり、または、供試物１０１にクラックが発生しているか否かを非破壊検査（蛍光浸透探傷等）により確認しないと、試験続行ができなかった。

非破壊検査をするには、供試物１０１を固定治具１０２から取り外さなければならず、その後に再び供試物１０１を固定治具１０２に取り付けたときには、固定状態や振幅モニター位置が微妙に変化して振動状態も変化してしまう虞がある。

そこで、本発明は、前述した実情に鑑みて提案されるものであって、供試物における疲労強度をを確認するために、供試物を振動させる疲労試験装置であって、所定の振動サイクルに達する前に供試物が共振しなくなった場合に、供試物を取り外すことなく、供試物におけるクラック等の発生を検出することができる疲労試験装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る疲労試験装置は、供試物における疲労強度を確認するために該供試物の共振周波数において該供試物を振動させる疲労試験装置であって、一定周期の圧力波を供試物に当てて該供試物を振動させる非接触加振器と、非接触加振器により振動されている供試物の振動変位（または速度）を計測する変位センサ（または速度センサ）と、非接触加振器より発せられる圧力波を計測する圧力センサ（またはマイクロフォン等の音圧計）と、圧力センサからの出力から供試物の共振周波数に対応する周波数成分を抽出するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタを経た圧力センサからの出力を参照信号として変位センサからの出力を計測して供試物の振動振幅と位相を検出する計測回路とを備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る疲労試験装置においては、供試物を振動させる非接触加振器と、供試物の振動変位（または速度）を計測する変位センサ（または速度センサ）と、非接触加振器より発せられる圧力波を計測する圧力センサ（またはマイクロフォン）とを備え、計測回路が、バンドパスフィルタを経た圧力センサからの出力を参照信号として変位センサからの出力を計測して供試物の振動振幅と位相を検出するので、応答信号の振幅と位相を高精度で分析でき、クラック等の疲労破壊の発生の有無及び発生時点を判断できる。

また、位相変化を監視することにより、共振点追従も自動化することができる。すなわち、位相一定制御（モータ回転数の調整）を行なうことで、共振点自動追従が可能であり、さらに、加振力（エア流量）調整により振幅一定制御も可能である。

したがって、この疲労試験装置においては、超々寿命域高サイクル疲労試験（例えば、ギガサイクルの疲労試験）を容易に短時間で実施することができる。

なお、この疲労試験装置においては、非接触加振の特徴を維持しつつ、従来、加振信号が単一正弦波でないために参照信号として使用できなかったという問題を解決し、加振信号の高調波成分等をバンドパスフィルタにより取り除いて単一の正弦波信号に加工して参照信号としているので、2位相式のロックインアンプ等を用いて応答信号を分析できるようにしたものである。

さらに、供試体には強制的にエアを吹き付けるので、常に空冷した状態での試験となり、供試体の温度上昇を抑えることができる。

すなわち、本発明は、供試物における疲労強度を確認するために供試物を振動させる疲労試験装置であって、所定の振動サイクルに達する前に供試物が共振しなくなった場合に、供試物を取り外すことなく、供試物におけるクラック等の発生を検出することができる疲労試験装置を提供することができるものである。

本発明に係る疲労試験装置の構成を示すブロック図である。本発明に係る疲労試験装置における２位相式ロックインアンプの構成を示すブロック図である。本発明に係る疲労試験装置において、経過時間に対する振幅及び位相の変化を示すグラフである。従来の疲労試験装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る疲労試験装置の構成を示すブロック図である。

この疲労試験装置においては、図１に示すように、固定治具１０２により基端側を固定された供試物（翼部品等）１０１に対して、高周波モータ３により駆動される非接触加振器となるパルス発生部４から発せられるパルス状の圧力波を当てる。

パルス発生部４は、いわゆるサイレン式エアパルス発生器であり、多数の孔が設けられたステータ及びロータを備えている。このパルス発生部４は、流量調整弁５を経てエア配管６より空気が供給されるとともに、ロータが高周波モータ３により高速で回転されることにより、圧力波を発生する。

流量調整弁５は、コントローラ７により流量の制御をされる。高周波モータ３は、インバータ８を介して、コントローラ７により回転数の制御をされる。高周波モータ３の回転数は、例えば、５５０００ｒｐｍ程度である。

供試物１０１は、パルス状の圧力波により振動する。このとき、圧力波の圧力変化の周波数（加振周波数）が供試物１０１の共振周波数に一致するように調整され、供試物１０１の振動周波数は、共振周波数となる。

供試物１０１の振動（変位）は、変位センサとなるレーザ変位計９及び歪みゲージ１０により計測される。レーザ変位計９による振幅の計測結果は、計測回路となる第１の２位相式ロックインアンプ１１に送られる。歪みゲージ１０からの出力は、動歪み計１２を経て、動歪み計の出力信号として、計測回路となる第２の２位相式ロックインアンプ１３に送られる。

そして、圧力波の圧力変化の周波数（加振周波数）は、圧力センサ（またはマイクロフォン等の音圧センサ）１４により検出される。加振周波数には、供試物１０１の共振周波数に等しい主成分の周波数の他に、高周波成分が含まれている。そのため、圧力センサ１４からの出力は、プログラマブルフィルタ（バンドパスフィルタ）１５を経て、主成分の周波数のみが抽出されて、参照信号として、第１及び第２の２位相式ロックインアンプ１１，１３に送られる。

プログラマブルフィルタ１５の特性は、供試物１０１の共振周波数を中心として、±５％程度の周波数帯域を通過させるものであることが望ましい。プログラマブルフィルタ１５の特性は、高周波モータ３の回転数に連動して、コントローラ７により制御され、調整される。

第１の２位相式ロックインアンプ１１は、プログラマブルフィルタ１５を経た圧力センサ１４からの出力を参照信号として、供試物１０１の振動変位の振幅及び位相を解析し、振幅及び位相の計測結果をコントローラ７に送る。第２の２位相ロックインアンプ１３は、プログラマブルフィルタ１５を経た圧力センサ１４からの出力を参照信号として、供試物１０１の動歪みの振幅及び位相を解析し、動歪みの振幅及び位相の計測結果をコントローラ７に送る。

また、供試物１０１の先端部は、ＣＣＤカメラ１６により撮像され、モニタ１７により先端振幅が確認できるようになっている。

図２は、本発明に係る疲労試験装置における２位相ロックインアンプの構成を示すブロック図である。

第１及び第２の２位相ロックインアンプ１１，１３においては、図２に示すように、圧力センサ１４からの圧力変動を示す信号（sin（ωt））がプログラマブルフィルタ１５を介することで余分な成分が取り除かれ、この信号が参照信号（sin（ωt））として第１のミキサ１８に入力されるとともに、９０°の位相シフタ２０を介して、位相シフトされた信号（cos（ωt））として第２のミキサ１９に入力される。

一方、レーザ変位計等の変位計（または速度計）９及び歪みゲージ１０からの変位振幅及び動歪みを示す信号（主成分としてはＡsin（ωt＋α））が、第１及び第２のミキサ１８，１９に入力される。第１及び第２のミキサ１８，１９からの出力は、それぞれローパスフィルタ２１，２２を経て、それぞれの信号（Ｘ＝（Ａ／２）cos（α）、Ｙ＝（Ａ／２）sin（α））が演算回路２３に送られる。

演算回路２３は、各信号（Ｘ＝（Ａ／２）cos（α）、Ｙ＝（Ａ／２）sin（α））に基づいて、振幅（Ｒ）及び位相（α）を演算する。

この疲労試験装置においては、供試物１０１の振幅を一定に保ち、試験サイクル数（１０^７サイクル等）を負荷し、変化なくサイクル数に達するか、供試物１０１にクラック等の疲労破壊が生じているかを確認する。そして、この疲労試験装置においては、所定の振動サイクルに達する前に供試物１０１が共振しなくなった場合には、供試物１０１を固定治具１０２から取り外すことなく、供試物１０１におけるクラック等の発生を検出することができる。

図３は、本発明に係る疲労試験装置において、経過時間に対する振動変位の振幅及び位相の変化を示すグラフである。

すなわち、図３に示すように、加振開始からの経過時間に対する振動変位の振幅及び位相の変化を監視していると、供試物１０１にクラック等の疲労破壊が生じたときに、振動変位の振幅及び位相が急激に変化する。このときの経過時間を加振周期で除すれば、疲労破壊が生じたときの振動サイクル、すなわち、何回振動したときにクラックが発生したかを特定することができる。

なお、本発明に係る疲労試験装置においては、位相変化を監視することにより、共振点追従も自動化することができる。すなわち、位相一定制御（モータ回転数の調整）を行なうことで、共振点自動追従が可能であり、さらに、加振力（エア流量）調整により振幅一定制御も可能である。

また、本発明の実施の形態においては、振動変位と動歪みの関係を正確に求めるため、これらを同時に計測する構成を記載したが、レーザ変位計等を用いて、振動変位のみを計測する構成としてもよい。

本発明において、計測回路は、圧力センサ１４からの出力を参照信号として、各変位センサ９，１０からの出力を計測して、供試物１０１の振動の位相を検出することでできる回路であれば、２位相式ロックインアンプに限定されない。

本発明は、ジェットエンジンを含むガスタービン等の圧縮機やタービンの翼部品等の供試物における疲労強度を確認するために、供試物を振動させる疲労試験装置に適用される。

４パルス発生部
９レーザ変位計
１０歪み計
１４圧力センサ
１５プログラマブルフィルタ
１１第１の２位相式ロックインアンプ
１３第２の２位相式ロックインアンプ
１０１供試物

Claims

供試物における疲労強度を確認するために該供試物の共振周波数において該供試物を振動させる疲労試験装置であって、
一定周期の圧力波を前記供試物に当てて、該供試物を振動させる非接触加振器と、
前記非接触加振器により振動されている前記供試物の振動変位を計測する変位センサと、
前記非接触加振器より発せられる圧力波を計測する圧力センサと、
前記圧力センサからの出力から前記供試物の共振周波数に対応する周波数成分を抽出するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを経た前記圧力センサからの出力を参照信号として、前記変位センサからの出力を計測して、前記供試物の振動振幅と位相を検出する計測回路と
を備えたことを特徴とする疲労試験装置。