JP6178251B2 - Turbomachine dynamic characteristic calculation method and turbomachine dynamic characteristic calculation apparatus - Google Patents

Turbomachine dynamic characteristic calculation method and turbomachine dynamic characteristic calculation apparatus Download PDF

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Description

本発明は、ターボ機械のロータ系を構成する各機械要素の動特性を演算する技術に関する。   The present invention relates to a technique for calculating dynamic characteristics of each machine element constituting a rotor system of a turbomachine.

回転軸に連結された羽根車を回転させることで流体を圧縮または圧送するターボ機械において、高圧流体の流体不安定化力によりロータに自励振動が生じ、ターボ機械を停止させなければならない状況となることがある。ロータに自励振動が生じるか否かは、回転軸の剛性や質量、軸受の剛性や減衰係数、羽根車やシールで発生する不安定化力など、それぞれの機械要素の動特性を把握することによって適切に判断することができる。   In a turbomachine that compresses or pumps a fluid by rotating an impeller connected to a rotating shaft, a self-excited vibration occurs in the rotor due to the fluid destabilizing force of the high-pressure fluid, and the turbomachine must be stopped. May be. Whether or not self-excited vibration occurs in the rotor is determined by determining the dynamic characteristics of each machine element, such as the rigidity and mass of the rotating shaft, the rigidity and damping coefficient of the bearing, and the destabilizing force generated by the impeller and seal. Can be judged appropriately.

ここで、特許文献1では、回転軸を加振することができるように構成された回転機械において、回転数を一定としつつ負荷条件を変化させ、各負荷条件ごとの振動応答データから回転機械の減衰比または許容励振係数を求めることで、回転機械の動特性を演算している。また、特許文献2にも、特許文献1と同様に、回転機械の減衰比または許容励振係数を求めることで、回転機械の動特性を演算している。   Here, in Patent Document 1, in a rotating machine configured to be able to vibrate a rotating shaft, the load condition is changed while the rotation speed is constant, and the rotating machine's vibration response data for each load condition is used. The dynamic characteristics of the rotating machine are calculated by obtaining the damping ratio or the allowable excitation coefficient. In Patent Document 2, as in Patent Document 1, the dynamic characteristic of the rotating machine is calculated by obtaining the damping ratio or the allowable excitation coefficient of the rotating machine.

特公平3−65857号公報Japanese Patent Publication No. 3-65857 特公平3−65858号公報Japanese Examined Patent Publication No. 3-65858

しかしながら、特許文献1、2では、回転機械全体としての動特性を演算するに留まっており、回転機械のロータ系を構成する各機械要素(例えば回転軸、羽根車、軸受、シール部材など)の動特性を演算しているわけではない。したがって、特許文献1、2の技術を採用したところで、各機械要素の動特性は不明であり、ロータに自励振動が生じるか否かの判断、あるいはロータに自励振動が生じないようにするための設計の検討などが十分に行えないおそれがあった。   However, Patent Documents 1 and 2 merely calculate the dynamic characteristics of the rotating machine as a whole, and each machine element (for example, a rotating shaft, an impeller, a bearing, a seal member, etc.) constituting the rotor system of the rotating machine. The dynamic characteristics are not calculated. Therefore, when the techniques of Patent Documents 1 and 2 are adopted, the dynamic characteristics of each machine element are unknown, and it is determined whether or not self-excited vibration is generated in the rotor, or self-excited vibration is not generated in the rotor. Therefore, there is a possibility that the design for the purpose cannot be sufficiently examined.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ターボ機械のロータ系を構成する各機械要素の動特性を演算するための技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique for calculating the dynamic characteristics of each machine element constituting a rotor system of a turbomachine.

上記目的を達成するため、本発明におけるターボ機械の動特性演算方法は、回転軸に連結された羽根車を回転させることで流体を圧縮または圧送するターボ機械の動特性演算方法であって、前記ターボ機械のロータ系の振動方程式における特性行列を、事前に動特性が算出可能な機械要素に関する既知のパラメータと、事前に動特性が算出困難な機械要素に関する未知のパラメータとで表すことで、前記ロータ系を振動方程式によりモデル化するモデル化工程と、前記ロータ系に発生している振動を検出する振動検出工程と、前記振動検出工程で検出した振動の信号データに基づいて、前記ロータ系の固有値および振動モードを算出するモード解析工程と、前記モデル化工程で得た振動方程式と、前記モード解析工程で算出した固有値および振動モードとから、前記未知のパラメータを算出する動特性算出工程と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a turbo machine dynamic characteristic calculation method according to the present invention is a turbo machine dynamic characteristic calculation method for compressing or pumping fluid by rotating an impeller coupled to a rotating shaft, By expressing the characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system of the turbomachine by a known parameter related to a machine element whose dynamic characteristics can be calculated in advance and an unknown parameter related to a machine element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance, Based on the modeling process for modeling the rotor system with a vibration equation, the vibration detection process for detecting the vibration generated in the rotor system, and the signal data of the vibration detected in the vibration detection process, A mode analysis step for calculating an eigenvalue and a vibration mode, a vibration equation obtained in the modeling step, an eigenvalue calculated in the mode analysis step, and And a dynamic mode, characterized in that it comprises a dynamic characteristic calculation step of calculating the unknown parameter.

また、上記目的を達成するため、本発明におけるターボ機械の動特性演算装置は、回転軸に連結された羽根車を回転させることで流体を圧縮または圧送するターボ機械の動特性演算装置であって、前記ターボ機械のロータ系の振動方程式における特性行列を、事前に動特性が算出可能な機械要素に関する既知のパラメータと、事前に動特性が算出困難な機械要素に関する未知のパラメータとで表すことで、前記ロータ系を振動方程式によりモデル化するモデル化部と、前記ロータ系に発生している振動を検出する振動検出手段から出力された信号データに基づいて、前記ロータ系の固有値および振動モードを算出するモード解析部と、前記モデル化部で得た振動方程式と、前記モード解析部で算出した固有値および振動モードとから、前記未知のパラメータを算出する動特性算出部と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a turbo machine dynamic characteristic calculation apparatus according to the present invention is a turbo machine dynamic characteristic calculation apparatus that compresses or pumps fluid by rotating an impeller coupled to a rotary shaft. The characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system of the turbomachine is expressed by a known parameter related to a machine element whose dynamic characteristics can be calculated in advance and an unknown parameter related to a machine element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance. Based on signal data output from a modeling unit that models the rotor system by a vibration equation and vibration detection means that detects vibration generated in the rotor system, eigenvalues and vibration modes of the rotor system are determined. From the mode analysis unit to be calculated, the vibration equation obtained by the modeling unit, and the eigenvalue and vibration mode calculated by the mode analysis unit, Characterized in that and a dynamic characteristic calculation unit for calculating a parameter.

一般的に、ロータ系を構成する機械要素のうち、回転軸の剛性や質量は寸法や物性などから精度よく算出できるのに対し、羽根車、軸受、シール部材などの回転軸以外の機械要素の動特性を精度よく予測するのは難しい。そこで、本発明では、ターボ機械のロータ系の振動方程式における特性行列を、事前に動特性が算出可能な機械要素(例えば回転軸)に関する既知のパラメータと、事前に動特性が算出困難な機械要素(例えば羽根車、軸受、シール部材)に関する未知のパラメータとに分けて、ロータ系のモデル化を行っている。そして、このモデル化により得られた振動方程式と、ロータ系に発生している振動の信号データから算出されるロータ系の固有値および振動モードとから、上記未知のパラメータを算出している。すなわち、本発明によれば、上述のようにモデル化することで、動特性を予測しがたい機械要素に関する未知のパラメータも算出することができ、ターボ機械のロータ系を構成する各機械要素の動特性を演算可能となっている。   Generally, among the mechanical elements that make up the rotor system, the rigidity and mass of the rotating shaft can be calculated accurately from the dimensions and physical properties, while the mechanical elements other than the rotating shaft such as impellers, bearings, and seal members It is difficult to accurately predict dynamic characteristics. Therefore, in the present invention, the characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system of the turbomachine is set to a known parameter related to a mechanical element (for example, a rotating shaft) whose dynamic characteristics can be calculated in advance, and a mechanical element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance. The rotor system is modeled separately from unknown parameters (for example, impeller, bearing, seal member). Then, the unknown parameter is calculated from the vibration equation obtained by this modeling and the eigenvalue and vibration mode of the rotor system calculated from the signal data of the vibration generated in the rotor system. In other words, according to the present invention, by modeling as described above, it is possible to calculate unknown parameters relating to machine elements whose dynamic characteristics are difficult to predict, and for each machine element constituting the rotor system of the turbomachine Dynamic characteristics can be calculated.

本発明にかかるターボ機械の動特性演算方法では、前記ロータ系を支持する土台系の動特性に関するパラメータを前記未知のパラメータに含めて前記モデル化を行うようにしてもよい。同様に、本発明にかかるターボ機械の動特性演算装置では、前記ロータ系を支持する土台系の動特性に関するパラメータを前記未知のパラメータに含めて前記モデル化を行うようにしてもよい。   In the method for calculating the dynamic characteristics of the turbomachine according to the present invention, the modeling may be performed by including, in the unknown parameters, parameters relating to the dynamic characteristics of the base system that supports the rotor system. Similarly, in the turbo machine dynamic characteristic calculation apparatus according to the present invention, the unknown parameter may include the parameter related to the dynamic characteristic of the base system that supports the rotor system for the modeling.

ロータ系を支持する土台系の剛性がロータ系と比較して十分に大きければ、土台系の動特性の影響を無視しても特に支障はない。しかしながら、例えばターボ機械が大型でロータ系を支持する軸受などの剛性を大きくする必要がある場合には、相対的に土台系の剛性が小さくなる。このような場合には、上述のように、土台系の動特性に関するパラメータを未知のパラメータに含めて動特性の演算を行うことで、ロータ系を構成する各機械要素の動特性を精度よく演算することができる。   If the rigidity of the base system that supports the rotor system is sufficiently larger than that of the rotor system, there is no particular problem even if the influence of the dynamic characteristics of the base system is ignored. However, for example, when the turbomachine is large and it is necessary to increase the rigidity of a bearing that supports the rotor system, the rigidity of the base system is relatively decreased. In such a case, as described above, by calculating the dynamic characteristics by including the parameters related to the dynamic characteristics of the base system in the unknown parameters, the dynamic characteristics of each mechanical element constituting the rotor system can be accurately calculated. can do.

ここで、本発明にかかるターボ機械の動特性演算方法では、前記振動検出工程において、前記ターボ機械の外部に設けられた加振機で振動を加えてもよい。このように、加振機によりロータ系に加振できるように構成すれば、ロータ系の振動モードを励起させることができる。その結果、後のモード解析工程における固有値および振動モードの算出に適した振動データを測定することが可能となり、好適に各機械要素の動特性を演算することができる。   Here, in the turbo machine dynamic characteristic calculation method according to the present invention, in the vibration detection step, vibration may be applied by a vibrator provided outside the turbo machine. In this way, if the rotor system can be vibrated by the vibrator, the vibration mode of the rotor system can be excited. As a result, it is possible to measure vibration data suitable for calculation of eigenvalues and vibration modes in the subsequent mode analysis process, and it is possible to preferably calculate the dynamic characteristics of each machine element.

また、前記モード解析工程において、前記信号データを周波数分析して、前記ロータ系の固有値および振動モードを算出し、前記動特性算出工程において、最小二乗法により前記未知のパラメータを算出するとよい。このように、最小二乗法により未知のパラメータを算出することで、算出された値は常に最小二乗解であるため、安定して精度のよい値を算出することができる。その結果、各機械要素の動特性をより的確に把握することが可能となる。   In the mode analysis step, the signal data may be frequency-analyzed to calculate the eigenvalue and vibration mode of the rotor system, and in the dynamic characteristic calculation step, the unknown parameter may be calculated by a least square method. Thus, by calculating an unknown parameter by the least square method, the calculated value is always a least square solution, and thus a stable and accurate value can be calculated. As a result, the dynamic characteristics of each machine element can be grasped more accurately.

本発明の第1実施形態にかかる動特性演算装置および測定対象であるターボ圧縮機を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the dynamic characteristic arithmetic unit concerning a 1st embodiment of the present invention, and the turbo compressor which is a measuring object. 図1のA−A矢視図である。It is an AA arrow line view of FIG. 第1実施形態にかかる動特性演算方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the dynamic characteristic calculation method concerning 1st Embodiment. 第2実施形態にかかる動特性演算方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the dynamic characteristic calculation method concerning 2nd Embodiment. 本発明の第3実施形態にかかる動特性演算装置および測定対象であるターボ圧縮機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the dynamic characteristic calculating apparatus concerning 3rd Embodiment of this invention, and the turbo compressor which is a measuring object. 第3実施形態にかかる動特性演算方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the dynamic characteristic calculation method concerning 3rd Embodiment. 第4実施形態にかかる動特性演算方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the dynamic characteristic calculation method concerning 4th Embodiment.

以下、本発明にかかるターボ機械の動特性演算装置および動特性演算方法の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態では、遠心式のターボ圧縮機を測定対象としているが、羽根車を回転させることで流体を圧縮または圧送するターボ機械であれば測定対象を他のものとしてもよい。例えば、軸流式のターボ圧縮機、ターボポンプ、ブロワ、タービンなどを測定対象とすることも可能である。   Hereinafter, embodiments of a dynamic characteristic calculation apparatus and dynamic characteristic calculation method for a turbomachine according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a centrifugal turbo compressor is a measurement target. However, the measurement target may be other as long as it is a turbo machine that compresses or pumps fluid by rotating an impeller. For example, an axial flow type turbo compressor, a turbo pump, a blower, a turbine, and the like can be measured.

[第1実施形態]
図1、2を参照しつつ、本発明の第1実施形態にかかる動特性演算装置の構成について説明した後、図3を参照しつつ、本発明の第1実施形態にかかる動特性演算方法について説明する。
[First Embodiment]
After describing the configuration of the dynamic characteristic calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 and 2, the dynamic characteristic calculation method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. explain.

<ターボ圧縮機>
図1に示す遠心式のターボ圧縮機1は、動特性演算装置100による動特性の測定対象となるものである。ターボ圧縮機1は、ハウジング10の内部空間にロータ系20が収容されて構成されている。ロータ系20は、回転軸21と、回転軸21の両端部に設けられた一対の羽根車22と、回転軸21を回転自在に支持する2つの軸受23と、羽根車22と軸受23との間に設けられた2つのシール部材24とを有している。軸受23としては、例えばすべり軸受を採用することができる。なお、ロータ系20の具体的構成、すなわちどのような機械要素をいくつ、どこに配置するかは適宜変更が可能である。また、以下の説明においては、回転軸21と一対の羽根車22とで構成される回転体を、ロータ系20とは区別して単にロータ25と称する。
<Turbo compressor>
The centrifugal turbo compressor 1 shown in FIG. 1 is a measurement target of dynamic characteristics by the dynamic characteristic calculation apparatus 100. The turbo compressor 1 is configured by accommodating a rotor system 20 in an internal space of a housing 10. The rotor system 20 includes a rotating shaft 21, a pair of impellers 22 provided at both ends of the rotating shaft 21, two bearings 23 that rotatably support the rotating shaft 21, an impeller 22, and a bearing 23. And two seal members 24 provided therebetween. As the bearing 23, for example, a sliding bearing can be employed. It should be noted that the specific configuration of the rotor system 20, that is, what and how many mechanical elements are arranged can be changed as appropriate. Further, in the following description, a rotating body composed of the rotating shaft 21 and a pair of impellers 22 is simply referred to as a rotor 25 to be distinguished from the rotor system 20.

回転軸21の中央部には、ギア(ピニオンギア)30が設けられている。このギア30は、ギア30よりも大きな径の大径ギア(不図示)に噛み合わせられており、ロータ25はギア30を介して回転させられる。ギア30と上記大径ギアとで増速機構が構成されており、例えば20000〜30000rpmの回転速度でロータ25を回転させることができる。   A gear (pinion gear) 30 is provided at the center of the rotating shaft 21. The gear 30 is meshed with a large-diameter gear (not shown) having a larger diameter than the gear 30, and the rotor 25 is rotated via the gear 30. The gear 30 and the large-diameter gear constitute a speed increasing mechanism, and the rotor 25 can be rotated at a rotational speed of 20000 to 30000 rpm, for example.

ハウジング10のうち、各羽根車22の表面(回転軸21とは反対側の面)と対向する部位には吸込口11が形成されている。また、ハウジング10の内壁によって画定される内部空間のうち、羽根車22よりも径方向外側の部分は、羽根車22が遠心方向に気体を吐き出すことができる吐出室12として構成されている。このような構成により、ターボ圧縮機1は、図1の一点鎖線の矢印で示すように、羽根車22により吸込口11から気体を吸い込み、吸い込んだ気体を羽根車22の回転により圧縮し、さらに圧縮した気体を吐出室12に吐き出す。   A suction port 11 is formed in a portion of the housing 10 that faces the surface of each impeller 22 (the surface on the side opposite to the rotation shaft 21). Further, in the internal space defined by the inner wall of the housing 10, a portion radially outside the impeller 22 is configured as a discharge chamber 12 in which the impeller 22 can discharge gas in the centrifugal direction. With such a configuration, the turbo compressor 1 sucks the gas from the suction port 11 by the impeller 22 and compresses the sucked gas by the rotation of the impeller 22, as indicated by the one-dot chain line arrow in FIG. The compressed gas is discharged into the discharge chamber 12.

<動特性演算装置>
次に、動特性演算装置100について説明する。動特性演算装置100は、ターボ圧縮機1のロータ系20を構成する各機械要素(回転軸21、羽根車22、軸受23、シール部材24)の動特性を演算するための装置であり、モデル化部101、モード解析部102および動特性算出部103の各機能部を有して構成されている。これらの機能については、後述する。なお、ロータ系20が他の機械要素を含む場合には、当該機械要素の動特性を演算することももちろん可能である。
<Dynamic characteristic calculation device>
Next, the dynamic characteristic calculation apparatus 100 will be described. The dynamic characteristic calculation device 100 is a device for calculating the dynamic characteristics of each mechanical element (rotary shaft 21, impeller 22, bearing 23, seal member 24) constituting the rotor system 20 of the turbo compressor 1, and is a model. Each of the functional units of the conversion unit 101, the mode analysis unit 102, and the dynamic characteristic calculation unit 103 is configured. These functions will be described later. If the rotor system 20 includes other machine elements, it is of course possible to calculate the dynamic characteristics of the machine elements.

動特性演算装置100が有する上記各機能部は、マイクロコンピュータなどの論理演算ハードウェアを中核とし、当該ハードウェア上で実行されるプログラムなどのソフトウェアとの協働により実現される。すなわち、各機能部は、機能としての分担を示すものであり、必ずしも物理的に独立して構成される必要はない。なお、プログラムは不図示のメモリに記憶されており、動特性演算装置100が必要に応じてメモリからプログラムを読み出すことで、各機械要素の動特性の演算が行われる。   Each of the functional units included in the dynamic characteristic calculation device 100 is realized by cooperation with software such as a program executed on the hardware with logical calculation hardware such as a microcomputer as a core. In other words, each functional unit shows a share as a function, and does not necessarily need to be configured physically independently. The program is stored in a memory (not shown), and the dynamic characteristic calculation apparatus 100 reads the program from the memory as necessary, thereby calculating the dynamic characteristic of each machine element.

<入力手段および表示手段>
動特性演算装置100には、入力手段111および表示手段112が接続されている。入力手段111は、動特性演算装置100に対してデータの入力を行うための手段であり、キーボードなどにより構成されている。作業者は、入力手段111を介して、例えば後述する既知のパラメータを動特性演算装置100に入力することができる。
<Input means and display means>
An input unit 111 and a display unit 112 are connected to the dynamic characteristic calculation apparatus 100. The input unit 111 is a unit for inputting data to the dynamic characteristic calculation apparatus 100, and includes a keyboard or the like. An operator can input, for example, a known parameter, which will be described later, to the dynamic characteristic calculation device 100 via the input unit 111.

また、表示手段112は、動特性演算装置100から出力されたデータを作業者が認識できるように表示するための手段であり、モニタなどにより構成されている。例えば、後述する未知のパラメータを動特性演算装置100により算出した結果を、表示手段112に表示させることができる。   The display unit 112 is a unit for displaying the data output from the dynamic characteristic calculation device 100 so that the operator can recognize the data, and includes a monitor or the like. For example, it is possible to cause the display unit 112 to display a result of calculating an unknown parameter, which will be described later, by the dynamic characteristic calculation device 100.

<振動センサー>
ターボ圧縮機1の回転軸21の周面近傍には、回転軸21の振動を検出するための振動センサー(振動検出手段)31が複数配設されている。振動センサー31は、回転軸21の軸方向に関しては、図1に示すように4箇所に設けられており、回転軸21の周方向に関しては、図2に示すように2箇所に設けられている。なお、図2は図1のA−A矢視図である。
<Vibration sensor>
A plurality of vibration sensors (vibration detecting means) 31 for detecting vibration of the rotating shaft 21 are disposed in the vicinity of the peripheral surface of the rotating shaft 21 of the turbo compressor 1. The vibration sensor 31 is provided at four locations as shown in FIG. 1 with respect to the axial direction of the rotary shaft 21, and is provided at two locations with respect to the circumferential direction of the rotary shaft 21 as shown in FIG. . 2 is a view taken in the direction of arrows AA in FIG.

より具体的には、軸方向においては、羽根車22とシール部材24との間の位置、および軸受23とシール部材24との間の位置にそれぞれ振動センサー31が設けられている。さらに、軸方向の各位置においては、図2に示すように、回転軸21の上部の周面に沿うように、例えば90°の所定間隔を空けて、鉛直面に対して対称に2つずつ配置されている。ただし、このような振動センサー31の配置形態は一例にすぎず、その個数や位置は適宜変更が可能である。   More specifically, in the axial direction, vibration sensors 31 are provided at a position between the impeller 22 and the seal member 24 and at a position between the bearing 23 and the seal member 24, respectively. Furthermore, at each position in the axial direction, as shown in FIG. 2, two symmetrically with respect to the vertical plane with a predetermined interval of 90 °, for example, along the upper peripheral surface of the rotating shaft 21. Has been placed. However, such an arrangement form of the vibration sensor 31 is merely an example, and the number and position of the vibration sensor 31 can be appropriately changed.

振動センサー31は、例えば回転軸21の変位を検出することで、回転軸21の振動に関する信号データを生成し、これを動特性演算装置100に出力する。振動センサー31が出力する回転軸21の振動に関する信号データは、後述する機械要素の動特性の演算において、ロータ系20の振動に関するデータとして用いられる。   For example, the vibration sensor 31 detects the displacement of the rotating shaft 21 to generate signal data related to the vibration of the rotating shaft 21, and outputs the signal data to the dynamic characteristic calculation device 100. The signal data relating to the vibration of the rotating shaft 21 output from the vibration sensor 31 is used as data relating to the vibration of the rotor system 20 in the calculation of the dynamic characteristics of the mechanical elements described later.

<加振機>
本実施形態では、ターボ圧縮機1に振動を加えるための加振機32を設けている。加振機32は、例えば電磁式のものであり、ターボ圧縮機1のハウジング10上に載置されている。加振機32を作動させると、加振機32で発生した振動は、ハウジング10、軸受23を経由して、間接的に回転軸21に伝わる。なお、加振機32で加えることのできる振動の条件は、適宜変更することが可能である。
<Exciter>
In the present embodiment, a vibration exciter 32 for applying vibration to the turbo compressor 1 is provided. The vibration exciter 32 is, for example, an electromagnetic type, and is placed on the housing 10 of the turbo compressor 1. When the shaker 32 is operated, the vibration generated by the shaker 32 is indirectly transmitted to the rotary shaft 21 via the housing 10 and the bearing 23. The conditions of vibration that can be applied by the vibrator 32 can be changed as appropriate.

<動特性の演算>
動特性演算装置100によるロータ系20の各機械要素の動特性の演算方法を、図3を参照しつつ説明する。ここでは、例として、事前に動特性が算出可能な機械要素として回転軸21を取り上げ、事前に動特性が算出困難な機械要素として軸受23を取り上げる。そして、軸受23の動特性として、軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbrを求める場合について説明する。なお、以下の各数式では、行列を太字の大文字で示し、ベクトルを太字の小文字で示しているが、明細書の文中においては太字が使用できないため、通常の字体で記載している。
<Calculation of dynamic characteristics>
A method of calculating the dynamic characteristics of each mechanical element of the rotor system 20 by the dynamic characteristic calculation apparatus 100 will be described with reference to FIG. Here, as an example, the rotating shaft 21 is taken up as a mechanical element whose dynamic characteristics can be calculated in advance, and the bearing 23 is taken up as a mechanical element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance. The case where the stiffness matrix K br and the damping matrix C br of the bearing 23 are obtained as dynamic characteristics of the bearing 23 will be described. In the following equations, the matrix is shown in bold capital letters and the vector is shown in bold small letters. However, since bold letters cannot be used in the text of the specification, they are written in normal fonts.

(モデル化工程)
ここで、λiをロータ系20のi次の固有値、φiをi次の固有値に対応する振動モードとすると、軸受23を含むロータ系20の振動方程式は、ロータ系20の特性行列(質量行列M、減衰行列Cおよび剛性行列K)を用いて式(1)により表すことができる。

Figure 0006178251
(Modeling process)
Here, assuming that λ i is the i-th order eigenvalue of the rotor system 20 and φ i is the vibration mode corresponding to the i-th order eigenvalue, the vibration equation of the rotor system 20 including the bearing 23 is the characteristic matrix (mass of the rotor system 20 It can be expressed by equation (1) using a matrix M, a damping matrix C, and a stiffness matrix K).
Figure 0006178251

そして、本実施形態にかかる動特性の演算方法においては、まず最初にロータ系20のモデル化を行う(ステップS201)。ここで言うモデル化とは、ロータ系20の振動方程式(1)における特性行列M、C、Kを、回転軸21に関する既知のパラメータと、軸受23に関する未知のパラメータとで表すことを指す。   In the dynamic characteristic calculation method according to the present embodiment, first, the rotor system 20 is modeled (step S201). Modeling here refers to expressing the characteristic matrices M, C, and K in the vibration equation (1) of the rotor system 20 with known parameters for the rotating shaft 21 and unknown parameters for the bearing 23.

具体的には、設計図面などから得られる寸法や物性の情報に基づいて、事前に算出可能な既知のパラメータ、すなわち回転軸21の質量行列Mrt、減衰行列Crtおよび剛性行列Krtについては、あらかじめ作業者がこれらの値を算出し、その値を入力手段111を介して動特性演算装置100に入力する。一方、事前に算出することが困難な未知のパラメータ、すなわち軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbrについては、これらを未知数としておく。 Specifically, based on information on dimensions and physical properties obtained from a design drawing or the like, known parameters that can be calculated in advance, that is, the mass matrix M rt , the damping matrix C rt, and the stiffness matrix K rt of the rotating shaft 21 are described. The operator calculates these values in advance and inputs the values to the dynamic characteristic calculation device 100 via the input unit 111. On the other hand, unknown parameters that are difficult to calculate in advance, that is, the stiffness matrix K br and the damping matrix C br of the bearing 23 are set as unknowns.

既知のパラメータと未知のパラメータとを用いて式(1)を書き改めると、式(2)のようになる。そして、式(2)の未知のパラメータを含む項を左辺に移項し、既知のパラメータを右辺に移項して式を整理すると式(3)が得られる。

Figure 0006178251
Figure 0006178251
When formula (1) is rewritten using known parameters and unknown parameters, formula (2) is obtained. Then, when the term including the unknown parameter in Equation (2) is moved to the left side and the known parameter is moved to the right side to rearrange the equation, Equation (3) is obtained.
Figure 0006178251
Figure 0006178251

このように、ロータ系20の振動方程式における特性行列を、既知のパラメータと未知のパラメータとで表すモデル化の処理は、動特性演算装置100のモデル化部101にて実行される。   As described above, the modeling process in which the characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system 20 is expressed by the known parameter and the unknown parameter is executed by the modeling unit 101 of the dynamic characteristic calculation device 100.

(振動検出工程)
次に、ターボ圧縮機1の運転を開始し(ステップS202)、続いて加振機32を作動しターボ圧縮機1を加振する(ステップS203)。このとき、回転軸21は加振機32により間接的に加振される。そして、ロータ系20に発生している振動を、複数の振動センサー31により検出する(ステップS204)。なお、加振機32による加振形態としては種々の形態を採用し得るが、ここではスイープ加振を行うものとする。
(Vibration detection process)
Next, the operation of the turbo compressor 1 is started (step S202), and then the vibrator 32 is operated to vibrate the turbo compressor 1 (step S203). At this time, the rotating shaft 21 is indirectly excited by the shaker 32. Then, the vibration generated in the rotor system 20 is detected by the plurality of vibration sensors 31 (step S204). In addition, although various forms can be employ | adopted as a vibration form by the shaker 32, a sweep vibration shall be performed here.

(モード解析工程)
動特性演算装置100のモード解析部102は、振動センサー31から出力された信号データに基づいて、ロータ系20の固有振動数、減衰比および振動モードを算出するモード解析を実行する(ステップS205)。具体的には、スイープ加振が行われたロータ系20の周波数応答関数を測定し、例えばMDOF法を用いることで上述の各値を算出することができる。こうして、式(3)におけるロータ系20の固有値λi(固有振動数および減衰比から算出)および振動モードφiが求められる。
(Mode analysis process)
Based on the signal data output from the vibration sensor 31, the mode analysis unit 102 of the dynamic characteristic calculation device 100 executes mode analysis for calculating the natural frequency, the damping ratio, and the vibration mode of the rotor system 20 (step S205). . Specifically, the above-described values can be calculated by measuring the frequency response function of the rotor system 20 subjected to the sweep excitation and using, for example, the MDOF method. Thus, the natural value λ i (calculated from the natural frequency and damping ratio) and the vibration mode φ i of the rotor system 20 in the equation (3) are obtained.

(動特性算出工程)
モード解析工程において、ロータ系20の固有値λiおよび振動モードφiが求められると、式(3)の右辺は既知の値となる。そこで、式(3)の右辺を既知ベクトルbとし、左辺を各成分に展開すると、式(4)が得られる。

Figure 0006178251
ここで、行列成分C、Kおよび振動モードφの添え字のうち、「1」は1つ目の軸受23に関するものであること、「2」は2つ目の軸受23に関するものであることを示す。また、行列成分C、Kの添え字のうち、「xx」は水平方向に変位した場合に生じる水平方向の減衰力または弾性力に関するものであること、「xy」は水平方向に変位した場合に生じる垂直方向の減衰力または弾性力に関するものであること、「yx」は垂直方向に変位した場合に生じる水平方向の減衰力または弾性力に関するものであること、「yy」は垂直方向に変位した場合に生じる垂直方向の減衰力または弾性力に関するものであることを示す。また、振動モードφの添え字のうち、「x」は水平方向に関する振動モード、「y」は垂直方向に関する振動モードであることを示す。なお、軸受23に関する振動モードφは、振動センサー31から出力された信号データに基づいて求められる。 (Dynamic characteristics calculation process)
When the eigenvalue λ i and the vibration mode φ i of the rotor system 20 are obtained in the mode analysis step, the right side of Equation (3) is a known value. Therefore, when the right side of Equation (3) is a known vector b and the left side is expanded into each component, Equation (4) is obtained.
Figure 0006178251
Here, among the subscripts of the matrix components C and K and the vibration mode φ, “1” is related to the first bearing 23 and “2” is related to the second bearing 23. Show. Of the subscripts of the matrix components C and K, “xx” relates to the horizontal damping force or elastic force generated when the horizontal displacement occurs, and “xy” corresponds to the horizontal displacement. "Yx" relates to the vertical damping force or elastic force generated, "yx" relates to the horizontal damping force or elastic force generated when displaced in the vertical direction, "yy" is displaced vertically This indicates that the vertical damping force or elastic force is generated. Of the subscripts of the vibration mode φ, “x” indicates a vibration mode in the horizontal direction, and “y” indicates a vibration mode in the vertical direction. The vibration mode φ related to the bearing 23 is obtained based on the signal data output from the vibration sensor 31.

式(4)の左辺を既知の係数行列と未知のベクトルとに整理すると、式(5)が得られる。

Figure 0006178251
ただし、
Figure 0006178251
である。 When the left side of Expression (4) is arranged into a known coefficient matrix and an unknown vector, Expression (5) is obtained.
Figure 0006178251
However,
Figure 0006178251
It is.

さらに、式(5)の係数行列をAとし、実部と虚部とに分離すると、式(7)が得られる。

Figure 0006178251
式(7)は各モードに対してそれぞれ成り立つので、式(8)に示すように1次〜m次モードまで使用する。
Figure 0006178251
Furthermore, when the coefficient matrix of Expression (5) is A and separated into a real part and an imaginary part, Expression (7) is obtained.
Figure 0006178251
Since Equation (7) holds for each mode, the first to m-th order modes are used as shown in Equation (8).
Figure 0006178251

式(8)の係数行列の行数が列数より多い場合、すなわち未知のパラメータの数より式の数が多ければ、最小二乗法で解くことができる。このときの解を式(9)に示す。ただし、添え字の「T」は転置行列を、「−1」は逆行列を表す。

Figure 0006178251
If the number of rows in the coefficient matrix of equation (8) is greater than the number of columns, that is, if the number of equations is greater than the number of unknown parameters, the equation can be solved by the least square method. The solution at this time is shown in Formula (9). However, the subscript “T” represents a transposed matrix, and “−1” represents an inverse matrix.
Figure 0006178251

このように、モデル化工程で得た振動方程式(3)と、モード解析工程で算出した固有値λiおよび振動モードφiとから、未知のパラメータ、すなわち軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbrを算出する処理は、動特性演算装置100の動特性算出部103にて実行される(ステップS206)。 Thus, from the vibration equation (3) obtained in the modeling process, the eigenvalue λ i and the vibration mode φ i calculated in the mode analysis process, unknown parameters, that is, the stiffness matrix K br and the damping matrix C of the bearing 23 are obtained. The process of calculating br is executed by the dynamic characteristic calculation unit 103 of the dynamic characteristic calculation apparatus 100 (step S206).

最後に、動特性演算装置100は、測定を終了するかどうかを判断し(ステップS207)、測定を終了する場合には動作を終了し、測定を終了しない場合にはステップS203に戻って、以降のステップを繰り返し実行する。   Finally, the dynamic characteristic calculation apparatus 100 determines whether or not to end the measurement (step S207), ends the operation when the measurement is ended, and returns to step S203 when the measurement is not ended. Repeat the above steps.

動特性算出部103により算出された軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbrに関する情報は、測定終了時、または測定中の適宜のタイミングで、表示手段112に表示される。そして、表示手段112に表示された結果を参照することで、作業者はロータ25に自励振動が生じるか否かを判断したり、あるいはロータ25に自励振動が生じないようにロータ系20の各機械要素の設計の検討を適切に行うことが可能となる。 Information on the stiffness matrix K br and the damping matrix C br of the bearing 23 calculated by the dynamic characteristic calculation unit 103 is displayed on the display unit 112 at the end of the measurement or at an appropriate timing during the measurement. Then, by referring to the result displayed on the display unit 112, the operator determines whether or not self-excited vibration is generated in the rotor 25, or the rotor system 20 so that the self-excited vibration is not generated in the rotor 25. It is possible to appropriately examine the design of each machine element.

以上のように、本実施形態では、ターボ圧縮機1のロータ系20の振動方程式(1)における特性行列M、C、Kを、事前に動特性が算出可能な機械要素である回転軸21に関する既知のパラメータ(回転軸21の質量行列Mrt、減衰行列Crtおよび剛性行列Krt)と、事前に動特性が算出困難な機械要素である軸受23に関する未知のパラメータ(軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbr)とに分けて、ロータ系20のモデル化を行っている。そして、このモデル化により得られた振動方程式(3)と、ロータ系20に発生している振動の信号データから算出されるロータ系20の固有値λiおよび振動モードφiとから、上記未知のパラメータを算出している。すなわち、本実施形態によれば、上述のようにモデル化することで、動特性を予測しがたい機械要素(軸受21など)に関するパラメータも算出することができ、ターボ圧縮機1のロータ系20を構成する各機械要素の動特性を演算可能となっている。 As described above, in the present embodiment, the characteristic matrices M, C, and K in the vibration equation (1) of the rotor system 20 of the turbo compressor 1 are related to the rotating shaft 21 that is a mechanical element that can calculate the dynamic characteristics in advance. Known parameters (mass matrix M rt , damping matrix C rt, and stiffness matrix K rt of the rotating shaft 21) and unknown parameters related to the bearing 23 that is a mechanical element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance (the stiffness matrix K of the bearing 23 br and damping matrix C br ), the rotor system 20 is modeled. Then, from the vibration equation (3) obtained by this modeling, the eigenvalue λ i of the rotor system 20 and the vibration mode φ i calculated from the signal data of the vibration generated in the rotor system 20, the unknown The parameter is calculated. In other words, according to the present embodiment, by modeling as described above, it is also possible to calculate parameters relating to mechanical elements (such as the bearing 21) whose dynamic characteristics are difficult to predict, and the rotor system 20 of the turbo compressor 1 can be calculated. It is possible to calculate the dynamic characteristics of each machine element constituting the.

また、本実施形態では、振動検出工程において、ターボ圧縮機1の外部に設けられた加振機32で振動を加えている。このように、加振機32によりロータ系20に加振できるように構成すれば、ロータ系20の振動モードを励起させることができる。その結果、後のモード解析工程における固有値および振動モードの算出に適した振動データを測定することが可能となり、好適に各機械要素の動特性を演算することができる。   In the present embodiment, in the vibration detection step, vibration is applied by the vibration exciter 32 provided outside the turbo compressor 1. In this way, if the rotor system 20 can be vibrated by the vibrator 32, the vibration mode of the rotor system 20 can be excited. As a result, it is possible to measure vibration data suitable for calculation of eigenvalues and vibration modes in the subsequent mode analysis process, and it is possible to preferably calculate the dynamic characteristics of each machine element.

また、本実施形態では、モード解析工程において、振動センサー31の出力した信号データを周波数分析して(周波数応答関数を測定して)、ロータ系20の固有値および振動モードを算出し、動特性算出工程において、最小二乗法により未知のパラメータを算出している。このように、最小二乗法により未知のパラメータを算出することで、算出された値は常に最小二乗解であるため、安定して精度のよい値を算出することができる。その結果、各機械要素の動特性をより的確に把握することが可能となる。   In the present embodiment, in the mode analysis step, the signal data output from the vibration sensor 31 is subjected to frequency analysis (measuring the frequency response function), the eigenvalue and vibration mode of the rotor system 20 are calculated, and dynamic characteristics are calculated. In the process, unknown parameters are calculated by the least square method. Thus, by calculating an unknown parameter by the least square method, the calculated value is always a least square solution, and thus a stable and accurate value can be calculated. As a result, the dynamic characteristics of each machine element can be grasped more accurately.

[第2実施形態]
次に、図4を参照しつつ、本発明の第2実施形態にかかる動特性演算方法について説明する。本実施形態における動特性演算方法が、第1実施形態の動特性演算方法と異なる点は、ターボ圧縮機1を加振機32で加振する工程が省略されている点である。その他の点については第1実施形態と同様であり、図4に示すステップS301〜S306は、図3に示すステップS201、S202、S204〜S207と同様の工程であるので、これらの工程についての説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a dynamic characteristic calculation method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The dynamic characteristic calculation method according to the present embodiment is different from the dynamic characteristic calculation method according to the first embodiment in that the step of exciting the turbo compressor 1 with the shaker 32 is omitted. The other points are the same as in the first embodiment, and steps S301 to S306 shown in FIG. 4 are the same steps as steps S201, S202, and S204 to S207 shown in FIG. Is omitted.

本実施形態のように、加振機32による加振を行わなくても、ロータ25にはターボ圧縮機1の運転に伴う振動が発生するため、動特性の測定は可能である。そこで、加振機32により加振する工程を省くことで、加振機32を設置するコストや手間が省けるため、より簡単にロータ系20の各機械要素の動特性の測定を行うことができる。   As in the present embodiment, even if vibration is not performed by the vibration generator 32, the rotor 25 is vibrated due to the operation of the turbo compressor 1, so that dynamic characteristics can be measured. Therefore, by omitting the step of vibrating by the vibrator 32, the cost and labor of installing the vibrator 32 can be saved, so that the dynamic characteristics of each mechanical element of the rotor system 20 can be measured more easily. .

[第3実施形態]
次に、図5および図6を参照しつつ、本発明の第3実施形態にかかる動特性演算方法について説明する。本実施形態における動特性演算方法が、第1実施形態の動特性演算方法と異なる点は、ロータ系20を支持する土台系40に関する動特性も考慮して、ロータ系20に関する運動方程式を解いていく点にある。なお、第1実施形態と同じ構成要素に対しては同じ符号を付し、説明を省略する。以下、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a dynamic characteristic calculation method according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6. The dynamic characteristic calculation method in the present embodiment is different from the dynamic characteristic calculation method in the first embodiment in that the equation of motion related to the rotor system 20 is solved in consideration of the dynamic characteristics related to the base system 40 that supports the rotor system 20. There is a point. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted. Hereinafter, a description will be given focusing on differences from the first embodiment.

図5に示すように、ターボ圧縮機1は、ロータ系20を収容するハウジング10が、支持部材41を介して固定面Gに対して固定支持されている。以下、ハウジング10と支持部材41とを合わせて土台系40と称する。ここで、土台系40の剛性がロータ系20に対して十分に大きい場合は、第1実施形態でそうしたように、土台系40の動特性の影響を無視してロータ系20の動特性を演算しても特に問題はない。   As shown in FIG. 5, in the turbo compressor 1, the housing 10 that houses the rotor system 20 is fixedly supported with respect to the fixed surface G via a support member 41. Hereinafter, the housing 10 and the support member 41 are collectively referred to as a base system 40. Here, when the rigidity of the base system 40 is sufficiently larger than that of the rotor system 20, the dynamic characteristics of the rotor system 20 are calculated ignoring the influence of the dynamic characteristics of the base system 40 as in the first embodiment. But there is no particular problem.

しかしながら、例えばターボ圧縮機1が大型となると、それに伴ってロータ系20を支持する軸受23の剛性を大きくする必要があり、その結果、相対的に土台系40の剛性が小さくなることがある。そうすると、土台系40の動特性の影響を無視することができず、ロータ系20の動特性を精度よく演算するためには、土台系40の動特性を考慮する必要が生じる。本実施形態は、このようなケースを想定して、土台系40の動特性も考慮して、ロータ系20の動特性を演算するものである。   However, for example, when the turbo compressor 1 is large, it is necessary to increase the rigidity of the bearing 23 that supports the rotor system 20, and as a result, the rigidity of the base system 40 may be relatively decreased. Then, the influence of the dynamic characteristics of the base system 40 cannot be ignored, and it is necessary to consider the dynamic characteristics of the base system 40 in order to accurately calculate the dynamic characteristics of the rotor system 20. In the present embodiment, assuming such a case, the dynamic characteristics of the rotor system 20 are calculated in consideration of the dynamic characteristics of the base system 40.

図5に示すターボ圧縮機1では、回転軸21の中央部に設けられたギア30に対して、ギア30よりも大きな径の大径ギア33が噛み合わせられて、増速機構が構成されている。そして、大径ギア33を収容する空間を確保するため、ハウジング10の中央部が一部外側に突出して、突出部10aが形成されている。上記支持部材41は、この突出部10aの左右両側に設けられている。すなわち、ハウジング10および支持部材41からなる土台系40は、突出部10aを中心として概ね左右対称に構成されている。なお、加振機32は突出部10a上に配設される。   In the turbo compressor 1 shown in FIG. 5, a speed increasing mechanism is configured by meshing a gear 30 provided at the center of the rotating shaft 21 with a large-diameter gear 33 having a larger diameter than the gear 30. Yes. And in order to ensure the space which accommodates the large diameter gear 33, the center part of the housing 10 protrudes partially outside, and the protrusion part 10a is formed. The support member 41 is provided on both the left and right sides of the protruding portion 10a. In other words, the base system 40 including the housing 10 and the support member 41 is configured to be approximately bilaterally symmetrical about the protruding portion 10a. In addition, the vibration exciter 32 is arrange | positioned on the protrusion part 10a.

後で説明する動特性の演算においては、土台系40を、突出部10aよりも左側のハウジング10の部分と左側の支持部材41からなる系と、突出部10aよりも右側のハウジング10の部分と右側の支持部材41からなる系との2つに分けてモデル化している。ただし、土台系40のモデル化方法はこれに限定されず、実際の構成に適合するように適宜変更が可能である。   In the calculation of dynamic characteristics to be described later, the base system 40 is divided into a system comprising a portion of the housing 10 on the left side of the protruding portion 10a and a support member 41 on the left side, and a portion of the housing 10 on the right side of the protruding portion 10a. The model is divided into two parts, a system composed of the right support member 41. However, the modeling method of the base system 40 is not limited to this, and can be appropriately changed so as to conform to the actual configuration.

本実施形態においては、回転軸21の振動を検出するための振動センサー31に加えて、土台系40の振動を検出するための振動センサー34が複数配設されている。具体的には、振動センサー34は、ハウジング10の外側、且つ軸受23と対向する位置に設けられ、ハウジング10の変位を検出することで、土台系40の振動に関する信号データを生成して、動特性演算装置100に出力する。このように、軸受23の近傍に振動センサー34を設けることで、軸受23を介して土台系40からロータ系20へ伝播される振動を精度よく検出することができる。ただし、振動センサー34の位置や個数は適宜変更が可能である。   In this embodiment, in addition to the vibration sensor 31 for detecting the vibration of the rotating shaft 21, a plurality of vibration sensors 34 for detecting the vibration of the base system 40 are provided. Specifically, the vibration sensor 34 is provided on the outer side of the housing 10 and at a position facing the bearing 23, and detects the displacement of the housing 10 to generate signal data related to the vibration of the base system 40, It outputs to the characteristic calculation apparatus 100. As described above, by providing the vibration sensor 34 in the vicinity of the bearing 23, it is possible to accurately detect vibration propagated from the base system 40 to the rotor system 20 via the bearing 23. However, the position and number of the vibration sensors 34 can be changed as appropriate.

<動特性の演算>
次に、図6を参照しつつ、動特性演算装置100によるロータ系20の各機械要素の動特性の演算方法について説明する。ここでは、例として、事前に動特性が算出可能な機械要素として回転軸21を取り上げ、事前に動特性が算出困難な機械要素として軸受23を取り上げ、さらに事前に算出が困難な土台系40の動特性についても考慮する。そして、軸受23の動特性として、軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbrを求めるとともに、土台系40の動特性として、土台系40の質量行列Mbsおよび剛性行列Kbsを求める場合について説明する。なお、以下の各数式では、行列を太字の大文字で示し、ベクトルを太字の小文字で示しているが、明細書の文中においては太字が使用できないため、通常の字体で記載している。
<Calculation of dynamic characteristics>
Next, a method for calculating the dynamic characteristics of each mechanical element of the rotor system 20 by the dynamic characteristic calculation apparatus 100 will be described with reference to FIG. Here, as an example, the rotating shaft 21 is taken up as a mechanical element whose dynamic characteristics can be calculated in advance, the bearing 23 is taken up as a mechanical element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance, and the foundation system 40 that is difficult to calculate in advance is used. Consider dynamic characteristics. In addition, the stiffness matrix K br and the damping matrix C br of the bearing 23 are obtained as the dynamic characteristics of the bearing 23, and the mass matrix M bs and the stiffness matrix K bs of the foundation system 40 are obtained as the dynamic characteristics of the foundation system 40. explain. In the following equations, the matrix is shown in bold capital letters and the vector is shown in bold small letters. However, since bold letters cannot be used in the text of the specification, they are written in normal fonts.

(モデル化工程)
ここで、λiをロータ系20のi次の固有値、φiをi次の固有値に対応する振動モードとすると、軸受23と土台系40を含むロータ系20の振動方程式は、ロータ系20の特性行列(質量行列M、減衰行列Cおよび剛性行列K)を用いて式(10)により表すことができる。

Figure 0006178251
(Modeling process)
Here, when λ i is an i-th order eigenvalue of the rotor system 20 and φ i is a vibration mode corresponding to the i-th order eigenvalue, the vibration equation of the rotor system 20 including the bearing 23 and the base system 40 is Using the characteristic matrix (mass matrix M, damping matrix C, and stiffness matrix K), it can be expressed by equation (10).
Figure 0006178251

そして、本実施形態にかかる動特性の演算方法においては、まず最初に土台系40を含めたロータ系20のモデル化を行う(ステップS401)。ここで言うモデル化とは、ロータ系20の振動方程式(10)における特性行列M、C、Kを、回転軸21に関する既知のパラメータと、軸受23および土台系40に関する未知のパラメータとで表すことを指す。   In the dynamic characteristic calculation method according to this embodiment, first, the rotor system 20 including the base system 40 is modeled (step S401). Modeling here refers to expressing the characteristic matrices M, C, K in the vibration equation (10) of the rotor system 20 with known parameters relating to the rotating shaft 21 and unknown parameters relating to the bearing 23 and the base system 40. Point to.

具体的には、設計図面などから得られる寸法や物性の情報に基づいて、事前に算出可能な既知のパラメータ、すなわち回転軸21の質量行列Mrt、減衰行列Crtおよび剛性行列Krtについては、あらかじめ作業者がこれらの値を算出し、その値を入力手段111を介して動特性演算装置100に入力する。一方、事前に算出することが困難な未知のパラメータ、すなわち軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbr、ならびに土台系40の質量行列Mbsおよび剛性行列Kbsについては、これらを未知数としておく。なお、ここでは、土台系40の減衰は、ロータ系20と比較して十分に小さいものとして考慮していない。 Specifically, based on information on dimensions and physical properties obtained from a design drawing or the like, known parameters that can be calculated in advance, that is, the mass matrix M rt , the damping matrix C rt, and the stiffness matrix K rt of the rotating shaft 21 are described. The operator calculates these values in advance and inputs the values to the dynamic characteristic calculation device 100 via the input unit 111. On the other hand, unknown parameters that are difficult to calculate in advance, that is, the stiffness matrix K br and the damping matrix C br of the bearing 23 and the mass matrix M bs and the stiffness matrix K bs of the base system 40 are set as unknowns. . Here, the damping of the base system 40 is not considered as being sufficiently smaller than that of the rotor system 20.

既知のパラメータと未知のパラメータとを用いて式(10)を書き改めると、式(11)のようになる。そして、式(11)の未知のパラメータを含む項を左辺に移項し、既知のパラメータを右辺に移項して式を整理すると式(12)が得られる。

Figure 0006178251
Figure 0006178251
When equation (10) is rewritten using the known parameter and the unknown parameter, equation (11) is obtained. Then, when the term including the unknown parameter in Expression (11) is moved to the left side and the known parameter is transferred to the right side to rearrange the expression, Expression (12) is obtained.
Figure 0006178251
Figure 0006178251

このように、土台系40の動特性を考慮したロータ系20の振動方程式における特性行列を、既知のパラメータと未知のパラメータとで表すモデル化の処理は、動特性演算装置100のモデル化部101にて実行される。   As described above, the modeling process in which the characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system 20 in consideration of the dynamic characteristics of the base system 40 is expressed by the known parameters and the unknown parameters is performed by the modeling unit 101 of the dynamic characteristic calculation apparatus 100. Is executed.

(振動検出工程)
次に、ターボ圧縮機1の運転を開始し(ステップS402)、続いて加振機32を作動しターボ圧縮機1を加振する(ステップS403)。このとき、回転軸21は加振機32により間接的に加振される。そして、ロータ系20に発生している振動を複数の振動センサー31により検出するとともに、土台系40に発生している振動を複数の振動センサー34により検出する(ステップS404)。なお、加振機32による加振形態としては種々の形態を採用し得るが、ここではスイープ加振を行うものとする。
(Vibration detection process)
Next, the operation of the turbo compressor 1 is started (step S402), and then the vibrator 32 is operated to vibrate the turbo compressor 1 (step S403). At this time, the rotating shaft 21 is indirectly excited by the shaker 32. Then, the vibration generated in the rotor system 20 is detected by the plurality of vibration sensors 31, and the vibration generated in the base system 40 is detected by the plurality of vibration sensors 34 (step S404). In addition, although various forms can be employ | adopted as a vibration form by the shaker 32, a sweep vibration shall be performed here.

(モード解析工程)
動特性演算装置100のモード解析部102は、振動センサー31から出力された信号データに基づいて、ロータ系20の固有振動数、減衰比および振動モードを算出するモード解析を実行する(ステップS405)。具体的には、スイープ加振が行われたロータ系20の周波数応答関数を測定し、例えばMDOF法を用いることで上述の各値を算出することができる。こうして、式(12)におけるロータ系20の固有値λi(固有振動数および減衰比から算出)および振動モードφiが求められる。
(Mode analysis process)
Based on the signal data output from the vibration sensor 31, the mode analysis unit 102 of the dynamic characteristic calculation device 100 performs mode analysis for calculating the natural frequency, the damping ratio, and the vibration mode of the rotor system 20 (step S405). . Specifically, the above-described values can be calculated by measuring the frequency response function of the rotor system 20 subjected to the sweep excitation and using, for example, the MDOF method. Thus, the natural value λ i (calculated from the natural frequency and damping ratio) and the vibration mode φ i of the rotor system 20 in the equation (12) are obtained.

(動特性算出工程)
モード解析工程において、ロータ系20の固有値λiおよび振動モードφiが求められると、式(12)の右辺は既知の値となる。そこで、式(12)の右辺を既知ベクトルbとし、左辺を各成分に展開すると、式(13)が得られる。

Figure 0006178251
(Dynamic characteristics calculation process)
When the eigenvalue λ i and the vibration mode φ i of the rotor system 20 are obtained in the mode analysis step, the right side of the equation (12) is a known value. Therefore, when the right side of equation (12) is a known vector b and the left side is expanded into each component, equation (13) is obtained.
Figure 0006178251

ここで、行列成分M、C、Kおよび振動モードφの添え字のうち、「br1」は図5の左側の軸受23に関するものであること、「br2」は図5の右側の軸受23に関するものであること、「bs1」は図5の左側半分の土台系40に関するものであること、「bs2」は図5の右側半分の土台系40に関するものであることを示す。また、行列成分M、C、Kの添え字のうち、「xx」は水平方向に変位した場合に生じる水平方向の慣性力、減衰力または弾性力に関するものであること、「xy」は水平方向に変位した場合に生じる垂直方向の慣性力、減衰力または弾性力に関するものであること、「yx」は垂直方向に変位した場合に生じる水平方向の慣性力、減衰力または弾性力に関するものであること、「yy」は垂直方向に変位した場合に生じる垂直方向の慣性力、減衰力または弾性力に関するものであることを示す。また、振動モードφの添え字のうち、「x」は水平方向に関する振動モード、「y」は垂直方向に関する振動モードであることを示す。なお、軸受23に関する振動モードφは、振動センサー31から出力された信号データに基づいて求められ、土台系40に関する振動モードφは、振動センサー34から出力された信号データに基づいて求められる。   Here, of the subscripts of the matrix components M, C, K and the vibration mode φ, “br1” relates to the left bearing 23 in FIG. 5, and “br2” relates to the right bearing 23 in FIG. That is, “bs1” relates to the left half base system 40 in FIG. 5, and “bs2” relates to the right half base system 40 in FIG. 5. Of the subscripts of the matrix components M, C, and K, “xx” relates to the horizontal inertial force, damping force, or elastic force that occurs when displaced in the horizontal direction, and “xy” denotes the horizontal direction. "Yx" relates to the horizontal inertial force, damping force or elastic force generated when displaced in the vertical direction. In other words, “yy” indicates that it relates to the inertial force, damping force or elastic force in the vertical direction that occurs when displaced in the vertical direction. Of the subscripts of the vibration mode φ, “x” indicates a vibration mode in the horizontal direction, and “y” indicates a vibration mode in the vertical direction. The vibration mode φ related to the bearing 23 is obtained based on the signal data output from the vibration sensor 31, and the vibration mode φ related to the base system 40 is obtained based on the signal data output from the vibration sensor 34.

式(13)の左辺を既知の係数行列と未知のベクトルとに整理すると、式(14)が得られる。

Figure 0006178251
ここで、Φi,M、Φi,C、Φi,Kは、式(13)の左辺から未知数であるM、C、Kをベクトルとしてまとめ、かつ、スカラー量であるλをくくり出して残った成分を示す。また、
Figure 0006178251
である。なお、式(15)において軸受23と土台系40とは同じ式であるので、添え字の「br」と「bs」は省略している。 When the left side of Expression (13) is arranged into a known coefficient matrix and an unknown vector, Expression (14) is obtained.
Figure 0006178251
Here, Φ i, M , Φ i, C , and Φ i, K are obtained by collecting unknown numbers M, C, and K as vectors from the left side of the equation (13) and extracting λ that is a scalar quantity. The remaining ingredients are indicated. Also,
Figure 0006178251
It is. Since the bearing 23 and the base system 40 are the same in the formula (15), the subscripts “br” and “bs” are omitted.

さらに、式(14)の係数行列をAとし、実部と虚部とに分離すると、式(16)が得られる。

Figure 0006178251
式(16)は各モードに対してそれぞれ成り立つので、式(17)に示すように1次〜m次モードまで使用する。
Figure 0006178251
Furthermore, when the coefficient matrix of Expression (14) is A and separated into a real part and an imaginary part, Expression (16) is obtained.
Figure 0006178251
Since equation (16) holds for each mode, the first to m-th order modes are used as shown in equation (17).
Figure 0006178251

式(17)の係数行列の行数が列数より多い場合、すなわち未知のパラメータの数より式の数が多ければ、最小二乗法で解くことができる。このときの解を式(18)に示す。ただし、添え字の「T」は転置行列を、「−1」は逆行列を表す。

Figure 0006178251
If the number of rows in the coefficient matrix of equation (17) is greater than the number of columns, that is, if the number of equations is greater than the number of unknown parameters, the equation can be solved by the least square method. The solution at this time is shown in Formula (18). However, the subscript “T” represents a transposed matrix, and “−1” represents an inverse matrix.
Figure 0006178251

このように、モデル化工程で得た振動方程式(12)と、モード解析工程で算出した固有値λiおよび振動モードφiとから、未知のパラメータ、すなわち軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbr、ならびに土台系40の質量行列Mbsおよび剛性行列Kbsを算出する処理は、動特性演算装置100の動特性算出部103にて実行される(ステップS406)。 Thus, from the vibration equation (12) obtained in the modeling process, the eigenvalue λ i and the vibration mode φ i calculated in the mode analysis process, unknown parameters, that is, the stiffness matrix K br and the damping matrix C of the bearing 23 are obtained. br and the process of calculating the mass matrix M bs and the stiffness matrix K bs of the base system 40 are executed by the dynamic characteristic calculator 103 of the dynamic characteristic calculator 100 (step S406).

最後に、動特性演算装置100は、測定を終了するかどうかを判断し(ステップS407)、測定を終了する場合には動作を終了し、測定を終了しない場合にはステップS403に戻って、以降のステップを繰り返し実行する。   Finally, the dynamic characteristic calculation apparatus 100 determines whether or not to end the measurement (step S407). If the measurement is to be ended, the operation is ended, and if the measurement is not to be ended, the process returns to step S403. Repeat the above steps.

動特性算出部103により算出された軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbr、ならびに土台系40の質量行列Mbsおよび剛性行列Kbsに関する情報は、測定終了時、または測定中の適宜のタイミングで、表示手段112に表示される。そして、表示手段112に表示された結果を参照することで、作業者はロータ25に自励振動が生じるか否かを判断したり、あるいはロータ25に自励振動が生じないようにロータ系20の各機械要素や土台系40の設計の検討を適切に行うことが可能となる。 Information on the stiffness matrix K br and the damping matrix C br of the bearing 23 calculated by the dynamic characteristic calculation unit 103 and the mass matrix M bs and the stiffness matrix K bs of the base system 40 are obtained at the end of the measurement or during the measurement. It is displayed on the display means 112 at the timing. Then, by referring to the result displayed on the display unit 112, the operator determines whether or not self-excited vibration is generated in the rotor 25, or the rotor system 20 so that the self-excited vibration is not generated in the rotor 25. It is possible to appropriately study the design of each machine element and the base system 40.

以上のように、本実施形態では、ターボ圧縮機1のロータ系20の振動方程式(10)における特性行列M、C、Kを、事前に動特性が算出可能な機械要素である回転軸21に関する既知のパラメータ(回転軸21の質量行列Mrt、減衰行列Crtおよび剛性行列Krt)と、事前に動特性が算出困難な機械要素である軸受23および土台系40に関する未知のパラメータ(軸受23の剛性行列Kbrおよび減衰行列Cbr、ならびに土台系40の質量行列Mbsおよび剛性行列Kbs)とに分けて、土台系40を含めたロータ系20のモデル化を行っている。そして、このモデル化により得られた振動方程式(12)と、ロータ系20に発生している振動の信号データから算出されるロータ系20の固有値λiおよび振動モードφiとから、上記未知のパラメータを算出している。すなわち、本実施形態によれば、上述のようにモデル化することで、動特性を予測しがたい機械要素(軸受21など)に関するパラメータも算出することができ、ターボ圧縮機1のロータ系20を構成する各機械要素の動特性を演算可能となっている。しかも、土台系40の動特性に関するパラメータを未知のパラメータに含めて動特性の演算を行うことで、土台系40の動特性を無視できない場合においても、ロータ系20を構成する各機械要素の動特性を精度よく演算することができる。 As described above, in the present embodiment, the characteristic matrices M, C, and K in the vibration equation (10) of the rotor system 20 of the turbo compressor 1 are related to the rotating shaft 21 that is a mechanical element that can calculate the dynamic characteristics in advance. Known parameters (mass matrix M rt , damping matrix C rt and stiffness matrix K rt of rotating shaft 21) and unknown parameters (bearing 23) related to bearing 23 and base system 40 that are mechanical elements whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance. The rotor system 20 including the base system 40 is modeled by dividing the stiffness matrix K br and the damping matrix C br , and the mass matrix M bs and the stiffness matrix K bs ) of the base system 40. Then, from the vibration equation (12) obtained by this modeling, the eigenvalue λ i of the rotor system 20 and the vibration mode φ i calculated from the signal data of the vibration generated in the rotor system 20, the unknown The parameter is calculated. In other words, according to the present embodiment, by modeling as described above, it is also possible to calculate parameters relating to mechanical elements (such as the bearing 21) whose dynamic characteristics are difficult to predict, and the rotor system 20 of the turbo compressor 1 can be calculated. It is possible to calculate the dynamic characteristics of each machine element constituting the. In addition, by calculating the dynamic characteristics by including the parameters related to the dynamic characteristics of the base system 40 in the unknown parameters, even if the dynamic characteristics of the base system 40 cannot be ignored, the dynamics of the machine elements constituting the rotor system 20 are not affected. The characteristics can be calculated with high accuracy.

[第4実施形態]
次に、図7を参照しつつ、本発明の第4実施形態にかかる動特性演算方法について説明する。本実施形態における動特性演算方法が、第3実施形態の動特性演算方法と異なる点は、ターボ圧縮機1を加振機32で加振する工程が省略されている点である。その他の点については第3実施形態と同様であり、図7に示すステップS501〜S506は、図6に示すステップS401、S402、S404〜S407と同様の工程であるので、これらの工程についての説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a dynamic characteristic calculation method according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The dynamic characteristic calculation method according to the present embodiment is different from the dynamic characteristic calculation method according to the third embodiment in that the step of exciting the turbo compressor 1 with the shaker 32 is omitted. The other points are the same as in the third embodiment, and steps S501 to S506 shown in FIG. 7 are the same steps as steps S401, S402, and S404 to S407 shown in FIG. Is omitted.

本実施形態のように、加振機32による加振を行わなくても、ロータ25にはターボ圧縮機1の運転に伴う振動が発生するため、動特性の測定は可能である。そこで、加振機32により加振する工程を省くことで、加振機32を設置するコストや手間が省けるため、より簡単にロータ系20の各機械要素の動特性の測定を行うことができる。   As in the present embodiment, even if vibration is not performed by the vibration generator 32, the rotor 25 is vibrated due to the operation of the turbo compressor 1, so that dynamic characteristics can be measured. Therefore, by omitting the step of vibrating by the vibrator 32, the cost and labor of installing the vibrator 32 can be saved, so that the dynamic characteristics of each mechanical element of the rotor system 20 can be measured more easily. .

[その他]
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
[Others]
The present invention is not limited to the above embodiment, and the elements of the above embodiment can be appropriately combined or variously modified without departing from the spirit of the present invention.

上記実施形態では、事前に動特性が算出可能な機械要素として回転軸21を取り上げ、事前に動特性が算出困難な機械要素として軸受23を取り上げたが、どの機械要素の動特性を既知のパラメータあるいは未知のパラメータとして扱うかは、適宜変更が可能である。例えば、羽根車22やシール部材24などの回転軸21以外の機械要素に関する動特性のパラメータを未知数とすることで、羽根車22やシール部材24に関する動特性を演算することも可能である。   In the above embodiment, the rotary shaft 21 is taken up as a mechanical element whose dynamic characteristics can be calculated in advance, and the bearing 23 is taken up as a mechanical element whose dynamic characteristics are difficult to calculate in advance. Or it can change suitably whether it treats as an unknown parameter. For example, it is also possible to calculate the dynamic characteristics related to the impeller 22 and the seal member 24 by setting the parameters of the dynamic characteristics related to the mechanical elements other than the rotating shaft 21 such as the impeller 22 and the seal member 24 as unknown numbers.

また、上記実施形態では、ロータ系20のモデル化(ステップS201、S301)を、ターボ圧縮機1の運転を開始(ステップS202、S302)する前に実行するものとしたが、ターボ圧縮機1の運転を開始した後にモデル化を実行するようにしてもよい。   In the above embodiment, the modeling of the rotor system 20 (steps S201 and S301) is performed before the operation of the turbo compressor 1 is started (steps S202 and S302). Modeling may be executed after the operation is started.

1 ターボ圧縮機(ターボ機械)
10 ハウジング
20 ロータ系
21 回転軸
22 羽根車
23 軸受
24 シール部材
31 振動センサー(振動検出手段)
32 加振機
34 振動センサー
40 土台系
41 支持部材
100 動特性演算装置
101 モデル化部
102 モード解析部
103 動特性算出部
1 Turbo compressor (turbo machine)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Housing 20 Rotor system 21 Rotating shaft 22 Impeller 23 Bearing 24 Seal member 31 Vibration sensor (vibration detection means)
32 Exciter 34 Vibration sensor 40 Base system 41 Support member 100 Dynamic characteristic calculation device 101 Modeling unit 102 Mode analysis unit 103 Dynamic characteristic calculation unit

Claims (6)

回転軸に連結された羽根車を回転させることで流体を圧縮または圧送するターボ機械の動特性演算方法であって、
前記ターボ機械のロータ系の振動方程式における特性行列を、事前に動特性が算出可能な機械要素に関する既知のパラメータと、事前に動特性が算出困難な機械要素に関する未知のパラメータとで表すことで、前記ロータ系を振動方程式によりモデル化するモデル化工程と、
前記ロータ系に発生している振動を検出する振動検出工程と、
前記振動検出工程で検出した振動の信号データに基づいて、前記ロータ系の固有値および振動モードを算出するモード解析工程と、
前記モデル化工程で得た振動方程式と、前記モード解析工程で算出した固有値および振動モードとから、前記未知のパラメータを算出する動特性算出工程と、
を備えることを特徴とするターボ機械の動特性演算方法。
A turbomachine dynamic characteristic calculation method for compressing or pumping fluid by rotating an impeller connected to a rotating shaft,
By expressing the characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system of the turbomachine by a known parameter relating to a machine element whose dynamic characteristic can be calculated in advance and an unknown parameter relating to a machine element whose dynamic characteristic is difficult to calculate in advance, A modeling step of modeling the rotor system by a vibration equation;
A vibration detecting step for detecting vibration generated in the rotor system;
Based on the vibration signal data detected in the vibration detection step, a mode analysis step for calculating the eigenvalue and vibration mode of the rotor system;
A dynamic characteristic calculation step for calculating the unknown parameter from the vibration equation obtained in the modeling step and the eigenvalue and vibration mode calculated in the mode analysis step;
A dynamic characteristic calculation method for a turbomachine, comprising:
前記ロータ系を支持する土台系の動特性に関するパラメータを前記未知のパラメータに含めて前記モデル化を行う請求項1に記載のターボ機械の動特性演算方法。   The turbo machine dynamic characteristic calculation method according to claim 1, wherein the modeling is performed by including in the unknown parameter a parameter related to a dynamic characteristic of a base system that supports the rotor system. 前記振動検出工程において、前記ターボ機械の外部に設けられた加振機で振動を加える請求項1または2に記載のターボ機械の動特性演算方法。   The turbo machine dynamic characteristic calculation method according to claim 1, wherein in the vibration detection step, vibration is applied by a vibration exciter provided outside the turbo machine. 前記モード解析工程において、前記信号データを周波数分析して、前記ロータ系の固有値および振動モードを算出し、
前記動特性算出工程において、最小二乗法により前記未知のパラメータを算出する請求項1ないし3のいずれか1項に記載のターボ機械の動特性演算方法。
In the mode analysis step, the signal data is frequency-analyzed to calculate the eigenvalue and vibration mode of the rotor system,
4. The dynamic characteristic calculation method for a turbomachine according to claim 1, wherein the unknown parameter is calculated by a least square method in the dynamic characteristic calculation step. 5.
回転軸に連結された羽根車を回転させることで流体を圧縮または圧送するターボ機械の動特性演算装置であって、
前記ターボ機械のロータ系の振動方程式における特性行列を、事前に動特性が算出可能な機械要素に関する既知のパラメータと、事前に動特性が算出困難な機械要素に関する未知のパラメータとで表すことで、前記ロータ系を振動方程式によりモデル化するモデル化部と、
前記ロータ系に発生している振動を検出する振動検出手段から出力された信号データに基づいて、前記ロータ系の固有値および振動モードを算出するモード解析部と、
前記モデル化部で得た振動方程式と、前記モード解析部で算出した固有値および振動モードとから、前記未知のパラメータを算出する動特性算出部と、
を備えることを特徴とするターボ機械の動特性演算装置。
A turbomachine dynamic characteristic calculation device that compresses or pumps fluid by rotating an impeller coupled to a rotating shaft,
By expressing the characteristic matrix in the vibration equation of the rotor system of the turbomachine by a known parameter relating to a machine element whose dynamic characteristic can be calculated in advance and an unknown parameter relating to a machine element whose dynamic characteristic is difficult to calculate in advance, A modeling unit for modeling the rotor system by a vibration equation;
A mode analysis unit for calculating the eigenvalue and vibration mode of the rotor system based on signal data output from vibration detection means for detecting vibration generated in the rotor system;
A dynamic characteristic calculation unit that calculates the unknown parameter from the vibration equation obtained by the modeling unit and the eigenvalue and vibration mode calculated by the mode analysis unit;
A dynamic characteristic calculation apparatus for a turbomachine, comprising:
前記ロータ系を支持する土台系の動特性に関するパラメータを前記未知のパラメータに含めて前記モデル化を行う請求項5に記載のターボ機械の動特性演算装置。   6. The dynamic characteristic calculation apparatus for a turbomachine according to claim 5, wherein the modeling is performed by including a parameter related to a dynamic characteristic of a base system supporting the rotor system in the unknown parameter.
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