JP6016761B2 - 回転翼の振動計測装置及び振動計測方法 - Google Patents

Description

本開示は、回転翼の振動を計測するための回転体の振動計測装置及び振動計測方法に関し、例えば各種タービン、ポンプ又はファン等の回転体における回転振動試験に用いられる回転翼の振動計測装置及び振動計測方法に関する。

一般的に、回転翼を有する回転体に対しては、回転翼の振動特性を検証する目的から回転振動試験が推奨されている。例えば、各種タービン、ポンプ又はファン等の回転体は、製品として出荷される前に、性能試験の一つとして回転振動試験が実施される。具体的に回転振動試験では、回転翼の軸方向又は回転方向における波形信号を取得し、この波形信号に基づいて、回転翼の振動特性の検証、あるいは回転翼の共振や異常振動の判定を行うようになっている。

例えば、特許文献１には、回転翼の基部及び先端部にそれぞれ対向するように電磁ピックアップ装置を配置した振動計測装置の構成が記載されている。この装置は、基部側に設けられた電磁ピックアップ装置からの出力に基づいて回転翼の軸方向の振動情報を取得し、先端部側に設けられた電磁ピックアップ装置からの出力に基づいて回転翼の回転方向の振動情報を取得するようになっている。また、特許文献２には、回転体の全周にわたって回転信号検出器を配置し、回転信号検出器からの検出信号を振動に換算して回転翼の振動を計測するように構成された振動計測装置が記載されている。

特開平７−６３６０６号公報 特開平８−９４４３２号公報

ところで、回転翼の振動特性の検証においては、回転体の所望の角度範囲における回転翼の振動特性を得ることが要求される。特に、回転体の全周にわたる回転翼の振動特性は、製品としての信頼性確保の観点から重要視されている。
そのため、従来は、回転体の全周にわたる回転翼の振動特性を取得しようとした場合、特許文献２に記載されるように回転体の全周に多数の検出器を取り付けた装置が用いられていた。しかしながら、この振動計測装置は回転体の全周に多数の検出器を取り付ける必要があるため、機器の設置に膨大な手間及び時間を要するという問題があった。また、一般的に検出器は高価であることが知られており、多数の検出器を用いることにより装置コストが増大するという問題もあった。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑み、検出器の設置数低減を図った上で、所望の角度範囲における回転翼の振動特性を取得し得る回転翼の振動計測装置及び振動計測方法を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも一実施形態に係る回転翼の振動計測装置は、
回転軸に設けられた複数の回転翼の振動を計測するための装置であって、
前記回転翼に対向するように前記回転軸の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲の検出領域内に設けられ、前記回転翼の近接を示す検出信号を取得するように構成された複数の検出器と、
前記複数の検出器の前記検出信号を処理するための信号処理装置と、を備え、
前記信号処理装置は、
前記複数の検出器の前記検出信号に基づいて、前記検出領域における前記回転翼の振動を表す部分波形を取得するための部分波形取得部と、
前記部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって前記部分波形を補完し、前記検出領域よりも広い角度範囲における前記回転翼の振動を表す補完波形を取得するための波形補完部と、を含むことを特徴とする。

上記回転翼の振動計測装置によれば、回転翼の近接を示す検出信号を取得するための検出器が、回転軸の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲の検出領域内に複数設けられた構成となっている。すなわち、検出器は、回転軸の周方向における全角度範囲には設置されず一部の角度範囲にのみ設置されるので、検出器の設置数を低減することができ、よって回転翼の振動計測装置の小型化及び装置コストの低減が可能となる。
また、処理装置では、複数の検出器の検出信号に基づいて検出領域における回転翼の振動を表す部分波形を取得し、この部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって部分波形を補完した補完波形を取得するように構成されている。こうした波形処理の結果得られる補完波形は、検出領域よりも広い角度範囲における回転翼の振動を表す。よって、上記波形処理により、検出器の設置数が少ないにもかかわらず、所望の角度範囲における回転翼の振動特性を取得することが可能となる。

幾つかの実施形態において、前記波形補完部は、前記全角度範囲の全領域における前記回転翼の振動を表す全周波形を前記補完波形として取得するように構成される。
これにより、回転翼の振動に関する情報を回転体の全周にわたって取得することができ、回転翼の振動特性をより正確に把握することが可能となる。

一実施形態において、前記複数の検出器が配置される前記検出領域は、前記回転翼の検出対象の振動モードの次数をｎとしたとき、前記全角度範囲のうち（３６０／２ｎ）度以上（ただし、ｎは１以上の整数）且つ１８０度以下の角度範囲の領域である。
上記実施形態では、複数の検出器が配置される検出領域の角度範囲を、全角度範囲のうち（３６０／２ｎ）度以上（ただし、ｎは１以上の整数）としたので、検出領域における回転翼の振動を表す部分波形として、少なくとも半波長分の正弦波波形を検出器によって取得できる。こうして得られた部分波形（少なくとも半波長分の正弦波波形）を用いれば、その反転波形の鏡面対称形状を有する対称波形による補完により、少なくとも１個の完全な正弦波波形を補完波形として得ることができる。よって、回転翼の振動特性をより正確に把握することが可能となる。
また、複数の検出器が配置される検出領域の角度範囲を１８０度以下としたので、全周にわたって検出器を設置する場合に比べて、検出器の設置数を半分以下に削減できる。

さらに、一実施形態において、前記検出領域は、前記全角度範囲のうち１８０度の角度範囲の領域である。
これにより、回転翼の振動モードに関わらず、少なくとも半波長分の正弦波波形からなる部分波形を得ることができ、回転翼の振動特性をより正確に把握することが可能となる。

幾つかの実施形態において、前記回転翼の振動計測装置は、
前記回転翼に対向して配置され、前記回転軸の半径方向に沿って延びる複数の長穴を有する円弧状の検出器取付け板と、
前記複数の長穴をそれぞれ貫通するように設けられ、前記複数の検出器をそれぞれ前記検出器取付け板に締結するための複数のボルトと、をさらに備える。
これにより、ボルトを長穴内でスライドさせて長穴の長手方向におけるボルト位置を適宜調節することによって、回転軸の半径方向における検出器の位置調整を容易に行うことが可能となる。よって、回転翼に対する検出器の相対的な位置関係を適切に設定することが可能となる。

幾つかの実施形態において、前記回転翼の振動計測装置は、
前記回転翼に対向して配置され、前記複数の検出器が取り付けられる円弧状の検出器取付け板をさらに備え、
前記検出器取付け板が、周方向において少なくとも２つのセクションに分割された構成を有する。
これにより、回転体を取り除くことなく検出器取付け板を着脱することが可能となる。例えば、回転体の振動試験後に、複数の検出器が取り付けられた検出器取付け板のみを取り除き、回転体の試運転を引き続き行うことも可能となる。

幾つかの実施形態において、前記回転翼の振動計測装置は、
前記複数の検出器の位置をそれぞれ変化させることによって前記回転翼と各々の前記検出器との間の距離を調整するための複数の調整機構と、
前記複数の検出器からの検出信号の大きさに基づいて、前記複数の検出器の位置をそれぞれ独立して変化させるための制御信号を前記複数の調整機構に出力するための調整機構制御部と、をさらに備える。
回転翼と検出器との間の距離が正確に規定されていなければ、回転翼の近接を示す検出信号を精度よく検出できないことがある。
そこで、上記実施形態によれば、検出器からの検出信号の大きさを検出器と回転翼との間の距離を表す指標として用い、この検出信号の大きさに基づいて調整機構を制御するようにしたので、検出器と回転翼との間の距離を適切に調節することが可能となる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る回転翼の振動測定方法は、
回転軸に設けられた複数の回転翼の振動を計測するための方法であって、
前記回転翼に対向するように前記回転軸の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲の検出領域内に設けられた複数の検出器を用いて、前記回転翼の近接を示す検出信号を取得する検出ステップと、
前記複数の検出器の前記検出信号を処理する信号処理ステップと、を備え、
前記信号処理ステップは、
前記複数の検出器の前記検出信号に基づいて、前記検出領域における前記回転翼の振動を表す部分波形を取得する部分波形取得ステップと、
前記部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって前記部分波形を補完し、前記検出領域よりも広い角度範囲における前記回転翼の振動を表す補完波形を取得する波形補完ステップと、を含むことを特徴とする。

上記回転翼の振動測定方法では、検出ステップにおいて、回転翼に対向するように設けられた複数の検出器を用いて回転翼の近接を示す検出信号を取得する。ここで、複数の検出器は、回転軸の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲の検出領域内に設けられた構成を有するので、検出器の設置数を低減することができ、よって回転翼の振動計測装置の小型化及び装置コストの低減が可能となる。
また、信号処理ステップでは、複数の検出器の検出信号に基づいて検出領域における回転翼の振動を表す部分波形を取得し、この部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって部分波形を補完した補完波形を取得する。こうした波形処理の結果得られる補完波形は、検出領域よりも広い角度範囲における回転翼の振動を表す。よって、上記波形処理により、検出器の設置数が少ないにもかかわらず、所望の角度範囲における回転翼の振動特性を取得することが可能となる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、検出器の設置数を低減することができ、よって回転翼の振動計測装置の小型化及び装置コストの低減が可能となる。さらに、検出器の設置数が少ないにもかかわらず、所望の角度範囲における回転翼の振動特性を取得することが可能となる。

一実施形態に係る回転翼の振動計測装置の全体構成を示す図である。 図１に示す回転翼の振動計測装置のＡ方向矢視図（正面図）である。 信号処理装置の具体的な構成例を示す図である。 回転方向の振動成分を説明する図である。図４（ａ）は第２検出器の検出信号（各パルスのタイミング）を示す図であり、図４（ｂ）は第１検出器の検出信号（各パルスのタイミング）を示す図であり、図４（ｃ）は第１検出器の検出信号と第２検出器の検出信号の位相差を示す図であり、図４（ｄ）は回転翼の回転方向振動成分を示す波形図である。 軸方向の振動成分を説明する図である。図５（ａ）は第１検出器の検出信号の電圧を示す図であり、（ｂ）は第１検出器の検出信号の電圧を整流化した図であり、（ｃ）は回転翼の軸方向振動成分を示す波形図である。 一実施形態における信号処理を説明する図である。図６（ａ）は部分波形を示す図であり、（ｂ）は反転波形を示す図であり、（ｃ）は鏡面対称波形を示す図であり、（ｄ）は補完波形を示す図である。 一実施形態における検出器及び検出器取付け板を示す正面図である。 分割構造を有する検出器取付け板の具体的な構成例を示す正面図である。 調整機構の具体的な構成例を示す正面図である。 検出器の調整機構を説明するための図である。 一実施形態における検出器の位置調整方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、実施形態として以下に記載され、あるいは、実施形態として図面で示された構成部品の寸法、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。
なお、以下の説明では、本発明の実施形態に係る回転翼の振動計測装置及び振動計測方法の適用対象である回転体として、蒸気タービンのロータを例示しているが、本発明の実施形態は、ガスタービン等の各種タービン、ポンプ又はファン等の他の装置に組み込まれている回転体にも適用できる。

図１は一実施形態に係る回転翼の振動計測装置の全体構成を示す図である。図２は図１に示す回転翼の振動計測装置のＡ方向矢視図（正面図）である。
図１及び図２に示す一実施形態において、回転体であるロータ１は、回転軸（ディスク）２と、該回転軸２の外周面に植設された複数の回転翼（動翼）４とを含んでいる。複数の回転翼４は、それぞれ、回転軸２の外周面に位置する基部４ａから先端部４ｂが外方に向けて延びるように、回転軸２に対して放射状に設けられている。そして、回転軸２の周方向に配列された複数の回転翼４からなる翼列が、回転軸２の軸方向に沿って間隔を有して複数段設けられている。

本実施形態に係る回転翼の振動計測装置１０は、回転翼４の振動を計測するための装置である。この回転翼の振動計測装置１０は、例えば回転振動試験において用いられる。一般的に回転振動試験は、ロータ１を車室である真空室の中で回転させ、試験対象である回転翼４の振動特性を把握することを目的とするものである。

幾つかの実施形態において、回転翼の振動計測装置１０は、回転翼４に対向するように設けられた複数の検出器１２と、複数の検出器１２の検出信号を処理するための信号処理装置２０とを含んでいる。

複数の検出器１２は、少なくとも回転翼４の先端部４ｂに対向するように配置された複数の第１検出器１４を含む。
第１検出器１４は、主として回転翼４の振動を検出する目的で設けられるものである。複数の第１検出器１４は、回転翼４に対向するように回転軸２の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲αの検出領域内に設けられる。これらの複数の第１検出器１４は、角度範囲αの検出領域内に等間隔で配置されていてもよい。例えば、複数の第１検出器１４は、角度範囲１８０度の検出領域内に３２個設けられる。

また、第１検出器１４は、回転翼４の近接を示す検出信号を非接触で取得するように構成されている。すなわち、各第１検出器１４は、回転翼４の近接を示す検出信号として、回転翼４の通過タイミングに関する情報や第１検出器１４と回転翼４との距離に関する情報等を含んだ電気的信号を取得する。各第１検出器１４は、近接センサであってもよい。近接センサは、物体の接近や近傍の検出対象の有無を非接触で検出するものであって、誘導形、静電容量形、超音波形、光電形又は磁気形等の構成を有していてもよい。例えば、第１検出器１４として、電磁式検出器を用いることができる。電磁式検出器は、永久磁石、検出コイル及びヨークから構成され、永久磁石で形成された磁界を強磁性体である回転翼４が通過するとヨーク内の磁束密度が変化し、この磁束変化を検出コイルで誘導起電力として検出するようになっている。この電磁式検出器を第１検出器１４として用いる場合、その検出信号の波形をパルス状の波形に変換することによって、回転翼４の通過時間をカウントすることができる。この回転翼４の通過時間は、回転翼４の回転方向の振動を導出する際に用いることができる。一方、第１検出器１４の検出信号の電圧の大きさは、第１検出器１４と回転翼４との距離を表すものであり、その電圧変化は、回転翼４の軸方向の振動を導出する際に用いることができる。回転翼４の回転方向及び軸方向の具体的な振動計測方法については後述する。

上記構成に加えて、複数の検出器１２は、第１検出器１４とは異なる第２検出器１６又は第３検出器１８の少なくとも一方を含んでいてもよい。
その場合、第２検出器１６は、回転翼４の基部４ａに対向するように配置され、主として基準パルスを検出する目的で設けられる。例えば、第２検出器１６は、回転翼４の基部４ａに対向するように２個設けられ、１回転に翼枚数分の基準パルスを検出する。第２検出器１６を２個設ける場合、それぞれの第２検出器１６は翼ピッチの１／２だけずらして設置してもよい。また、第３検出器１８は、回転軸２に配置され、主として回転パルスを検出する目的で設けられる。例えば、第３検出器は回転軸２に１個設けられ、１回転１パルスの回転パルス信号を検出する。なお、第２検出器１６又は第３検出器１８のそれぞれの具体的な構成は上述した第１検出器１４と同一であってもよい。

上記構成によれば、回転翼４の近接を示す検出信号を取得するための検出器１２（少なくとも第１検出器１４を含む）が、回転軸２の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲αの検出領域内に複数設けられた構成となっている。すなわち、検出器１２（少なくとも第１検出器１４を含む）は、回転軸２の周方向における全角度範囲には設置されず一部の角度範囲αにのみ設置されるので、検出器１２の設置数を低減することができ、よって回転翼の振動計測装置１０の小型化及び装置コストの低減が可能となる。

また、回転翼の振動計測装置１０は、回転翼４に対向して配置され、第１検出器１４が取り付けられる検出器取付け板３０と、検出器取付け板３０を支持するための支持部３４とを含んでいてもよい。具体的に、検出器取付け板３０は、回転軸２の回転中心Ｏを中心として角度範囲αの検出領域に対応して円弧状に設けられている。そして、その端部が、一対の支持部３４によって支持された構成となっている。また、一対の支持部３４の間には、円弧状のレール３２が架け渡されており、この円弧状のレール３２に沿って検出器取付け板３０がスライド可能に取り付けられる構成であってもよい。その場合、検出器取付け板３０は取付け板支持部３４に対して着脱自在となっており、必要に応じて検出器取付け板３０が設置される。また、回転翼の振動計測装置１０は、ロータ１を軸支するためのロータ支持部（不図示）と、ロータ支持部に設置されたロータ１を回転させるための動力部（例えばモータ）と、ロータ１に対して振動を与えるための励振部（例えば空気ノズル）とを含んでいてもよい。

一実施形態に係る信号処理装置２０は、部分波形取得部２４と、波形補完部２５とを含む。
部分波形取得部２４は、少なくとも第１検出器１４を含む複数の検出器１２の検出信号に基づいて、検出領域における回転翼４の振動を表す部分波形を取得するように構成されている。
波形補完部２５は、部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって部分波形を補完し、検出領域よりも広い角度範囲における回転翼４の振動を表す補完波形を取得するように構成されている。例えば、波形補完部２５では、角度範囲α＝１８０度が検出領域である場合、１８０度を超える角度範囲における回転翼４の振動波形（補完波形）を取得する。この際、波形補完部２５は、全角度範囲（角度範囲３６０度）の全領域における回転翼４の振動を表す全周波形を補完波形として取得するように構成されてもよい。これにより、回転翼４の振動に関する情報をロータ１の全周にわたって取得することができ、回転翼４の振動特性をより正確に把握することが可能となる。

ここで、信号処理装置の構成例について図３乃至図５を用いて詳細に説明する。なお、図３は信号処理装置の具体的な構成例を示す図である。図４は回転方向の振動成分を説明する図である。詳細には、図４（ａ）は第２検出器の検出信号（パルス）を示す図であり、図４（ｂ）は第１検出器の検出信号（パルス）を示す図であり、図４（ｃ）は第１検出器の検出信号と第２検出器の検出信号の位相差を示す図であり、図４（ｄ）は回転翼の回転方向振動成分を示す波形図である。図５は軸方向の振動成分を説明する図である。詳細には、図５（ａ）は第１検出器の検出信号の電圧を示す図であり、（ｂ）は第１検出器の検出信号の電圧を整流化した図であり、（ｃ）は回転翼の軸方向振動成分を示す波形図である。

一構成例において、図２に示す信号処理装置２０は、１次処理装置２１と、２次処理装置２３とを含む。

例えば、１次処理装置２１は、位相差演算部２２を含み、主に、各検出器１２ごとの角変位を演算し、演算結果を２次処理装置２１に出力するように構成されている。すなわち、１次処理装置２１では、複数の検出器１２からの検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて位相差演算を行う。
回転方向の振動計測を行う場合、１次処理装置２１には、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すような検出信号が入力される。第１検出器１４及び第２検出器１６からの検出信号は、回転翼４の枚数とその回転数によって決まる周波数の信号である。ところで、第２検出器１６は回転翼４の基部４ａの振動に関する情報を検出するものであるが、基部４ａは振動が小さいので、図４（ａ）に示すように第２検出器１６からの検出信号からは安定した回転周期Ｔ_ｉの波形が得られる。一方、第１検出器１４は回転翼４の先端部４ｂの振動に関する情報を検出するものであり、先端部４ｂは基部４ａよりも振動が大きいので、図４（ｂ）に示すように第１検出器１４からの検出信号は周期が不安定な波形となっている。これは、回転軸２の回転による一定の周期が、回転方向における振動の影響を受けて乱れるためである。なお、厳密には、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す波形は、第１検出器１４又は第２検出器１６からの検出信号を矩形波に整形したものとなっている。そして、位相差演算部２２では、図４（ａ）に示す第２検出器１６の検出信号と、図４（ｂ）に示す第１検出器１４の検出信号との位相差Δｔ_ｉを算出する。図４（ｃ）に示す位相差Δｔ_ｉには、回転軸２の回転に基づく一定の回転成分と、振動による不安定な振動成分を含んでいる。そのため、位相差演算部２２では、この位相差Δｔ_ｉから回転成分を引去ることによって回転翼４の回転方向の振動成分のみを抽出する。こうして、各第１検出器１４における回転翼４の回転方向の振動成分が取得される。

一方、軸方向の振動計測を行う場合、１次処理装置２１には、図５（ａ）に示すような検出信号が入力される。第１検出器１４からの検出信号は、第１検出器１４と回転翼４の先端部４ｂとの相対距離により変化する起電力に比例した振幅を有するとともに、回転軸２に取り付けられた回転翼４の枚数とその回転数によって決まる周波数の波形となる。さらに１次処理装置２１では、この波形を整流化して図５（ｂ）に示す波形を得る。次いで、１次処理装置２１にて図５（ｂ）の各波の振幅のピーク値を求め、これにより図５（ｃ）に示す波形が得られる。こうして、各第１検出器１４における回転翼４の軸方向の振動成分が取得される。
なお、本実施形態では、１次処理装置２１における処理の少なくとも一部を、後述する部分波形取得部２４の処理に含めてもよい。

例えば、２次処理装置２３は、部分波形取得部２４と波形補完部２５とを含み、主に、１次処理装置２１から入力された検出器基準の時系列データを翼基準の時系列データに並べ変えてＦＦＴ演算を実施し、各種振動解析を実施するように構成されている。
２次処理装置２３は、以下に示す具体的構成を有していてもよい。

部分波形取得部２４は、位相差演算部２２で取得した各第１検出器１４における回転翼４の回転方向又は軸方向の振動成分を、回転翼４と各第１検出器１４の幾何学的関係に従って回転翼基準の時系列データに並び替える。これにより、例えば回転方向の振動については図４（ｄ）に示すように、各回転翼４ごとに、角度範囲αの検出領域における回転方向の振動成分を示す部分波形５０が得られる。

波形補完部２５は、反転処理部２６と鏡面対称処理部２７と補完処理部２８とを含み、図６に示すように部分波形５０から補完波形５３を導出するように構成されている。なお、図６は一実施形態における信号処理を説明する図である。図６（ａ）は部分波形を示す図であり、（ｂ）は反転波形を示す図であり、（ｃ）は鏡面対称波形を示す図であり、（ｄ）は補完波形を示す図である。
ここでは一例として、角度範囲α＝１８０度の検出領域に複数の第１検出器１４を配置した場合について説明する。図６（ａ）は、角度範囲１８０度の検出領域で検出された部分波形５０を示している。
図６（ｂ）に示すように、反転処理部２６では、部分波形５０を横軸に対して反転処理し、反転波形５１を取得するようになっている。
図６（ｃ）に示すように、鏡面対称処理部２７では、反転波形５１の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形５２を取得するようになっている。
図６（ｄ）に示すように、補完処理部２８では、対称波形５２を部分波形５０によって補完した補完波形５３を取得するようになっている。補完波形５３は、少なくとも部分波形５０の少なくとも２倍の位相を有する。すなわち、補完波形５３は、部分波形の検出領域（ここでは角度範囲α＝１８０度）よりも広い角度範囲（ここでは３６０度）における振動波形として得られるものである。
なお、ここで信号処理に用いられる部分波形５０は、半波長若しくは一波長、あるいは１／２λ×ｎ（ただし、ｎは整数）の範囲であってもよい。例えば、検出信号から得られる部分波形５０が、半波長より大きく且つ一波長より短い場合には、その波形のうち上記範囲を切り取って、反転処理や鏡面対称処理、補完処理を行うようにする。

このように、信号処理装置２０では、複数の検出器１２（少なくとも第１検出器１４を含む）の検出信号に基づいて検出領域における回転翼４の振動を表す部分波形５０を取得し、この部分波形５０の位相が反転された反転波形５１の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形５２によって部分波形５０を補完した補完波形５３を取得するように構成されている。こうした波形処理の結果得られる補完波形５３は、検出領域よりも広い角度範囲における回転翼４の振動を表す。よって、上記波形処理により、検出器１２の設置数が少ないにもかかわらず、所望の角度範囲における回転翼４の振動特性を取得することが可能となる。

一実施形態において、複数の第１検出器１４が配置される検出領域は、回転翼の検出対象の振動モードの次数をｎとしたとき、全角度範囲のうち（３６０／２ｎ）度以上（ただし、ｎは１以上の整数）且つ１８０度以下の角度範囲αの領域であってもよい。
このように、複数の第１検出器１４が配置される検出領域の角度範囲αを、全角度範囲のうち（３６０／２ｎ）度以上（ただし、ｎは１以上の整数）とすることによって、検出領域における回転翼４の振動を表す部分波形５０として、少なくとも半波長分の正弦波波形を第１検出器１４によって取得できる。こうして得られた部分波形（少なくとも半波長分の正弦波波形）５０を用いれば、その反転波形５１の鏡面対称形状を有する対称波形５２による補完により、少なくとも１個の完全な正弦波波形を補完波形５３として得ることができる。よって、回転翼４の振動特性をより正確に把握することが可能となる。すなわち、ｎ次の場合には、ｎ個の正弦波で表される部分波形５０が得られる。そのため、（３６０／２ｎ）度以上の角度範囲αを検出領域とすれば、少なくとも半波長分の部分波形５０を取得できることとなる。例えば、半波長に足りない部分波形５０の場合、補完処理を行っても完全な正弦波を得ることができず、欠落部を補間によって推定するなどの処理が必要になり、精度低下の要因になる。少なくとも半波長分の部分波形５０が得られれば、データ欠落部を補間・補外等によって埋める場合に比べて高精度に波形を推定できる。
また、複数の第１検出器１４が配置される検出領域の角度範囲αを１８０度以下とすることによって、全周にわたって第１検出器１４を設置する場合に比べて、第１検出器１４の設置数を半分以下に削減できる。

一実施形態において、複数の第１検出器１４が配置される検出領域は、全角度範囲のうち１８０度の角度範囲αの領域（図２であってもよい。これにより、回転翼４の振動モードに関わらず、少なくとも半波長分の正弦波波形からなる部分波形５０を得ることができ、回転翼４の振動特性をより正確に把握することが可能となる。

以下、一実施形態に係る回転翼の振動計測方法について詳述する。なお、以下の説明において、各用語には上述の図１〜図４と同一の符号を付している。
最初に、検出ステップにおいて、回転翼４に対向するように回転軸２の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲αの検出領域内に設けられた複数の検出器１２（少なくとも第１検出器１４を含む）を用いて、回転翼４の近接を示す検出信号を取得する。このとき、回転翼の振動計測装置１０が、第１検出器１４の他に第２検出器１６及び第３検出器１８を含む場合には、第２検出器１６及び第３検出器１８からの検出信号も同時に取得する。
次いで、信号処理ステップにおいて、複数の検出器１２の検出信号を処理する。具体的に、信号処理ステップでは以下の処理を行う。
まず、部分波形取得ステップで、複数の検出器１２の検出信号に基づいて、角度範囲αの検出領域における回転翼４の振動を表す部分波形５０（図６（ａ）参照）を取得する。続いて、波形補完ステップで、部分波形５０の位相が反転された反転波形５１（図６（ｂ）参照）の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形５２（図６（ｃ）参照）によって部分波形５０を補完し、検出領域よりも広い角度範囲における回転翼の振動を表す補完波形５３（図６（ｄ）参照）を取得する。なお、これらの信号処理については、既に説明した構成と同一であるため詳細な説明は省略している。

上記回転翼の振動測定方法では、検出ステップにおいて、回転翼４に対向するように設けられた複数の検出器１２（少なくとも第１検出器１４を含む）を用いて回転翼４の近接を示す検出信号を取得する。ここで、複数の検出器１２は、回転軸２の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲αの検出領域内に設けられた構成を有するので、検出器１２の設置数を低減することができ、よって回転翼の振動計測装置１０の小型化及び装置コストの低減が可能となる。
また、信号処理ステップでは、複数の検出器１２（少なくとも第１検出器１４を含む）の検出信号に基づいて検出領域における回転翼４の振動を表す部分波形５０を取得し、この部分波形５０の位相が反転された反転波形５１の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形５２によって部分波形５０を補完した補完波形５３を取得する。こうした波形処理の結果得られる補完波形５３は、検出領域よりも広い角度範囲における回転翼４の振動を表す。よって、上記波形処理により、検出器１２の設置数が少ないにもかかわらず、所望の角度範囲における回転翼４の振動特性を取得することが可能となる。

また、上述した回転翼の振動計測装置は、以下の構成をさらに備えていてもよい。

図７は一実施形態における検出器及び検出器取付け板を示す正面図である。なお、上述の図２と同一の構成については、その詳細な説明を省略する。
図７に示すように、一実施形態において、回転翼の振動計測装置１０は、複数の長穴３６を有する検出器取付け板３０と、複数の長穴３６をそれぞれ貫通するように設けられる複数のボルト（不図示）とを含んでいる。検出器取付け板３０は、回転翼４に対向して配置され、少なくとも複数の第１検出器１４が取り付けられる。検出器取付け板３０に形成される複数の長穴３６は、回転軸２の半径方向（図７の矢印方向）に沿って延在している。そして、この長穴３６を貫通するボルトによって、複数の第１検出器１４がそれぞれ検出器取付け板３０に締結される。この構成により、ボルトを長穴３６内でスライドさせて長穴３６の長手方向におけるボルト位置を適宜調節することによって、回転軸２の半径方向における第１検出器１４の位置調整を容易に行うことが可能となる。よって、回転翼４に対する第１検出器１４の相対的な位置関係を適切に設定することが可能となる。また、第２検出器１６も、何れかの長穴３６に取り付けることもできる。

図８は分割構造を有する検出器取付け板の具体的な構成例を示す正面図である。なお、上述の図２及び図７と同一の構成については、その詳細な説明を省略する。
図８に示すように、一実施形態において、検出器取付け板３０は、回転軸２の周方向において、分割線３８を境界として少なくとも２つのセクション３０ａ，３０ｂに分割された構成を有する。図８（ａ）に示すように、振動試験時には２つのセクション３０ａ，３０ｂは互いに締結された状態で固定される。そして、図８（ｂ）に示すように、回転試験終了後には２つのセクション３０ａ，３０ｂは、互いに異なる方向へそれぞれレール３２に沿ってスライド移動され、支持部３４から取り除かれる。
これにより、ロータ１を取り除くことなく検出器取付け板３０を着脱することが可能となる。例えば、ロータ１の振動試験後に、複数の第１検出器１４が取り付けられた検出器取付け板３０のみを取り除き、ロータ１の試運転を引き続き行うことも可能となる。なお、検出器取付け板３０は、２つのセクション３０ａ，３０ｂが連結された状態で、角度範囲αが１８０度以下となるように構成してもよい。これにより、各セクション３０ａ，３０ｂのレール３２への着脱が容易となる。

図９は調整機構の具体的な構成例を示す正面図である。図１０は検出器の調整機構を説明するための図である。図１１は一実施形態における検出器の位置調整方法を示すフローチャートである。
図９及び図１０に示すように、一実施形態において、回転翼の振動計測装置１０は、複数の検出器（少なくとも第１検出器１４を含む）１２の位置をそれぞれ調整するための複数の調整機構４０と、複数の調整機構４０を制御するための調整機構制御部４５とを含む。

複数の調整機構４０は、第１検出器１４の位置をそれぞれ変化させることによって回転翼４と各々の第１検出器１４との間の距離を調整するように構成されている。図９には、ラックアンドピニオンにより構成される調整機構４０を例示している。すなわち、各調整機構４０は、検出器取付け板３０に形成された調整機構設置用開口３１に配置され、該検出器取付け板３０に軸支されたピニオンギア４１と、ピニオンギア４１を回転駆動するための駆動部（不図示）とを含んでいる。また、第１検出器１４は、ピニオンギア４１と噛合するように形成された直線状の歯車部を有している。そして、後述する調整機構制御部４５からの制御信号に基づいて駆動部によりピニオンギア４１が回転され、これに伴い第１検出部１４が移動することによって、第１検出部１４と回転翼４との相対距離が調整されるようになっている。

調整機構制御部４５は、複数の第１検出器１４からの検出信号の大きさに基づいて、複数の第１検出器１４の位置をそれぞれ独立して変化させるための制御信号を複数の調整機構４０に出力するように構成されている。

次に、図１１を参照して、一実施形態における第１検出器１４の調整手順について説明する。
まず、ロータ１を定速回転数で回転する。調整機構制御部４５には、各第１検出器１４で回転翼４をセンシングした検出信号が入力される。そして、調整機構制御部４５は、入力された検出信号から各第１検出器１４ごとの時系列的な電圧データＶ_１，Ｖ_２，…，Ｖ_ｉ，…Ｖ_ｎ（ただし、ｉ，ｎは整数、且つｉ≦ｎ）を検出する（Ｓ１）。そして、平均化処理において、下記式（１）により第１検出器１４における平均電圧Ｖ_ＡＶＥを算出する（Ｓ２）。
（Ｖ_１+Ｖ_２+…+Ｖ_ｎ）／ｎ＝Ｖ_ＡＶＥ …（１）
続いて、下記式（２）により平均電圧Ｖ_ＡＶＥに対する任意の電圧Ｖ_ｉの出力差を検出する（Ｓ３）。
Ｖ_ｉ−Ｖ_ＡＶＥ＝Ｖ_ｉ’ …（２）

そして、出力差Ｖ_ｉ’が０であるか否かを判定し（Ｓ４）、出力差Ｖ_ｉ’が０である場合には、第１検出器１４と回転翼４との距離ｄが適切であると判断し、第１検出器１４は移動しない（Ｓ５）。一方、出力差Ｖ_ｉ’が０ではない場合には、第１検出器１４と回転翼４との距離ｄが適切ではないと判断し、次いで出力差Ｖ_ｉ’が０よりも大きいか又は小さいかを判定する（Ｓ６）。出力差Ｖ_ｉ’が０よりも大きい場合、第１検出器１４が回転翼４に近づきすぎていると判断し、調整機構４０を制御して第１検出器１４を回転翼４から遠ざける（Ｓ７）。一方、出力差Ｖ_ｉ’が０よりも小さい場合、第１検出器１４が回転翼４から遠すぎると判断し、調整機構４０を制御して第１検出器１４を回転翼４に近づける（Ｓ８）。

上記実施形態によれば、検出器１２（少なくとも第１検出器１４）からの検出信号の大きさを検出器１２と回転翼４との間の距離ｄを表す指標として用い、この検出信号の大きさに基づいて調整機構４０を制御するようにしたので、検出器１２と回転翼４との間の距離を適切に調節することが可能となる

以上説明したように、上述の実施形態によれば、検出器１２の設置数を低減することができ、よって回転翼の振動計測装置１０の小型化及び装置コストの低減が可能となる。さらに、検出器１２の設置数が少ないにもかかわらず、所望の角度範囲における回転翼の振動特性を取得することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

１ ロータ（回転体）
２ 回転軸（ディスク）
４ 回転翼（動翼）
４ａ 基部
４ｂ 先端
１０ 回転翼の振動計測装置
１２ 検出器
１４ 第１検出器
１６ 第２検出器
１８ 第３検出器
２０ 信号処理装置
２１ １次処理装置
２２ 位相差演算部
２３ ２次処理装置
２４ 部分波形取得部
２５ 波形補完部
２６ 反転処理部
２７ 鏡面対称処理部
２８ 補完処理部
３０ 検出器取付け板
３１ 調整機構設置用開口
３２ レール
３４ 取付け板支持部
３６ 長穴
３８ 分割線
４０ 調整機構
４１ ギア
４５ 調整機構制御部

Claims (8)

1. 回転軸に設けられた複数の回転翼の振動を計測するための装置であって、
   前記回転翼に対向するように前記回転軸の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲の検出領域内に設けられ、前記回転翼の近接を示す検出信号を取得するように構成された複数の検出器と、
   前記複数の検出器の前記検出信号を処理するための信号処理装置と、を備え、
   前記信号処理装置は、
   前記複数の検出器の前記検出信号に基づいて、前記検出領域における前記回転翼の振動を表す部分波形を取得するための部分波形取得部と、
   前記部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって前記部分波形を補完し、前記検出領域よりも広い角度範囲における前記回転翼の振動を表す補完波形を取得するための波形補完部と、を含むことを特徴とする回転翼の振動計測装置。
2. 前記波形補完部は、前記全角度範囲の全領域における前記回転翼の振動を表す全周波形を前記補完波形として取得するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転翼の振動計測装置。
3. 前記複数の検出器が配置される前記検出領域は、前記回転翼の検出対象の振動モードの次数をｎとしたとき、前記全角度範囲のうち（３６０／２ｎ）度以上（ただし、ｎは１以上の整数）且つ１８０度以下の角度範囲の領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転翼の振動計測装置。
4. 前記検出領域は、前記全角度範囲のうち１８０度の角度範囲の領域であることを特徴とする請求項３に記載の回転翼の振動計測装置。
5. 前記回転翼に対向して配置され、前記回転軸の半径方向に沿って延びる複数の長穴を有する円弧状の検出器取付け板と、
   前記複数の長穴をそれぞれ貫通するように設けられ、前記複数の検出器をそれぞれ前記検出器取付け板に締結するための複数のボルトと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の回転翼の振動計測装置。
6. 前記回転翼に対向して配置され、前記複数の検出器が取り付けられる円弧状の検出器取付け板をさらに備え、
   前記検出器取付け板が、周方向において少なくとも２つのセクションに分割された構成を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転翼の振動計測装置。
7. 前記複数の検出器の位置をそれぞれ変化させることによって前記回転翼と各々の前記検出器との間の距離を調整するための複数の調整機構と、
   前記複数の検出器からの検出信号の大きさに基づいて、前記複数の検出器の位置をそれぞれ独立して変化させるための制御信号を前記複数の調整機構に出力するための調整機構制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の回転翼の振動計測装置。
8. 回転軸に設けられた複数の回転翼の振動を計測するための方法であって、
   前記回転翼に対向するように前記回転軸の周方向における全角度範囲のうちの一部の角度範囲の検出領域内に設けられた複数の検出器を用いて、前記回転翼の近接を示す検出信号を取得する検出ステップと、
   前記複数の検出器の前記検出信号を処理する信号処理ステップと、を備え、
   前記信号処理ステップは、
   前記複数の検出器の前記検出信号に基づいて、前記検出領域における前記回転翼の振動を表す部分波形を取得する部分波形取得ステップと、
   前記部分波形の位相が反転された反転波形の振幅方向に対する鏡面対称形状を有する対称波形によって前記部分波形を補完し、前記検出領域よりも広い角度範囲における前記回転翼の振動を表す補完波形を取得する波形補完ステップと、を含むことを特徴とする回転翼の振動計測方法。
   

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