JPH0365858B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は蒸気タービン、ガスタービン、発電
機、コンプレツサ、ブロア、ポンプ等の回転機械
の回転数依存振動調査方法に関する。

蒸気タービンやコンプレツサなどの高速回転機
械で、高速域で発生する不安定振動は、高速回転
機械を完成する上で解決すべき重要な問題であ
る。この様な振動の典型的な例としてすべり軸受
を使つた回転機械に発生するオイルウイツプと呼
ばれる振動がある。第１図に示すように回転数を
上げていくと突然大きな振動が発生することが多
く、運転に支障があるので対策を施して完治しな
ければならない。ところが、この種の振動は発生
直前までわからないので、振動を発生したものの
み、このような現象が問題となり、データが蓄積
されるが、ぎりぎりの状態で運転されている機械
でも、全く情報が得られていないので、突然この
ような振動が発生し、運転者を困らせることがあ
り得る。

従つて、実際に運転されている機械でどの程度
安定性に余裕があるかを知ることができれば、こ
のようなトラブルを防止でき、かつその余裕の少
ない場合にはあらかじめ対策を打つておくことが
出来るわけである。しかしながらこれまでこのよ
うな情報を安全に得ることのできる調査方法がな
かつた。計算による予測は可能ではあるが実測値
が少ないため、計算精度の実証が不十分であり、
この精度向上のためにも回転機械の運転中にデー
タを得る方法が必要である。

一方、ジヤイロモーメントが良く効く回転機
械、すなわち、大きな回転円板や片持円板を有す
る回転機械では危険速度が回転数の関数となる。
このような場合も実験により計数精度を確認する
ニーズがある。

本発明は回転機械の回転数依存低周波振動の特
性を解明でき、運転中のこの種の振動に対する安
定余裕および危険速度を求めることができる回転
機械の回転数依存振動調査方法を提供することを
目的とする。

以上本発明について図面を参照して説明する
が、はじめに本発明方法を実施するのに使用する
装置について説明する。

この装置は、概略回転機械の軸受部分より回転
軸の中心に向つて加振力を与えることが可能な加
振器と、この加振器の出力を制御する制御器と、
上記回転軸に設けられ上記加振器からの振動応答
信号を検出する振動検出器と、上記回転機械の負
荷条件を一定として回転数を段階的に制御可能な
回転数制御器と、上記制御器からの基準信号およ
び加振力信号、上記振動検出器から振動応答信号
を入力し、加振力に応答する成分を取出す機能
と、これらのデータから減衰比又は許容励振係数
を求める振動解析装置とからなつている。

第２図はこの具体例を示すもので、図中１は図
示しない負荷に直結された試験の対象となる供試
ロータ、２は供試ロータを支える軸受、３は例え
ば慣性型加振器４を軸受２に固定する治具、４は
反力支持装置不用の直付型の加振器で任意の振動
数の加振力を軸受台に与える慣性型加振器であ
る。５は加振器４によつていくらの大きさや振動
数の加振力が軸受２に加えられたかを測定する加
振力検出器、６は供試ロータ１の振動を測定する
ための振動検出器であり、非接触変位計、接触式
振動速度計、加速度計など種々の形式のものが使
われる。７は試験に必要な振動の波を発生させる
発振器で、通常は任意の振動数の正弦波を発生す
るものである。８は加振エネルギを供給するエネ
ルギ源で、加振器４が油圧式の場合は油圧源、加
振器が電磁式の場合は、電力増幅器である。９は
加振器から発生する力の大きさなどを制御する装
置、１０は加振している振動数を正確に与えるた
めの信号で正弦波、矩形波、パルス波などであ
る。１１は加振力を示す信号で加振力検出器５の
出力そのまま又は成度度調整された信号である。
１２は供試ロータ１や軸受２等の振動を示す振動
検出器６からの信号である。１３は基準信号１
０、加振力信号１１、振動応答信号１２を入力
し、加振力に対応する成分を取出す機能と、これ
らのデータから伝達関数、モーダル特性（固有振
動数、減衰比など）解析する振動解析装置例えば
機械インピーダンス測定装置である。

なお、上記加振器４は回転機械の軸受部分より
回転軸の中心に向つて加振力を与えることが可能
であつて、正弦波、パルス波で加振できるもので
あればなんでもよい。

上記加振器４の加振条件は、着目周波数範囲
で掃引加振する共振周波数で加振後中断する
パルス的に間欠加振するランダム加振するのい
ずれでもよい。

次に上記機械インピーダンス測定装置につい
て、第３図を参照して説明する。第３図におい
て、２１は被検体（第１図の供試ロータ１に相
当）、２２は加振器（第２図の４に相当）、２３は
電力増幅器、２４は発振器、２５は被検体２１に
付設され加振力Ｆを計測する力ゲージ、２６は被
検体１の各部の応答加速度を計測する複数の加速
度計、２７は多チヤンネルアンプ、２８は力信号
と加速度信号から加振周波数成分を抽出する多チ
ヤンネルベクトルフイルタ、２９はアナログ／デ
ジタル変換器、３０は加振周波数を計数するため
のパルスカウンタ、３１は集録されたデータから
機械インピーダンスを計算するデジタル計算機
で、データ集録プログラム３２、較正計算プログ
ラム３３、インピーダンス計算プログラム３４か
ら構成されている。３５は計算された機械インピ
ーダンスをグラフ出力するプロツタ、３６はプリ
ンタ、３７はデータ保存用の外部記憶装置、３８
はレンジ信号である。

このような装置において、発振器２４からの正
弦波電圧は電力増幅器２３を経て加振器２２に入
り、加振器２２は被検体２１を励振するが、発振
器２４は時間とともに周波数が変化する自動掃引
正弦波発振器であるので、任意の周波数範囲で掃
引加振される。

力ゲージ２５は加振器２２により被検体２１に
加えられる力を計測し、加速度計２６は被検体２
１の各部の応答加速度を計測し、力ゲージ２５と
加速度計２６はそれぞれ計測された力と加速度に
比例した電圧を発生し、この電圧信号は多チヤン
ネルアンプ７により増幅される。

力ゲージ２５と加速度計２６により計測された
信号には、被検体２１の非線型特性や雑音のた
め、加振周波数以外の成分も含まれているので、
本装置では、多チヤンネルベクトルフイルタ２８
により計測した電圧信号から加振周波数成分を抽
出するようになされている。

多チヤンネルベクトルフイルタ２８から出力さ
れた力信号と加速度信号の加振周波数成分はアナ
ログ／デジタル変換器２９によりデジタル化さ
れ、デジタル計算機３１に入力する。

その際、発振器４の出力はパルスカウンタ３０
に入力して加振周波数が計測され、この加振周波
数の計測値がデジタル計算機３１に入力する。

デジタル計算機３１では、まず、データ集録プ
ログラム３２によりアナログ／デジタル変換器２
９からの力および加速度デジタル信号とパルスカ
ウンタ３０からの加振周波数の計測値を集録し、
次に、較正計算プログラム３３により電圧値を物
理量に変換し、さらに、インピーダンス計算プロ
グラム３４により加速度Ａを積分して速度Ｖに変
換し、力Ｆを速度Ｖで割算することにより機械イ
ンピーダンスＺを求めるようになされている。こ
こで、機械インピーダンスＺは、ハーフパワー法
で減衰比を求める際の処理途中データである。す
なわち、 Ｖ＝Ａ／jω （積分） Ｚ＝Ｆ／Ｖ （割算） ただし、Ａ：加速度 （複素数） Ｖ：速度 （複素数） ω：加振周波数 （実数） Ｚ：機械インピーダンス (複素数) なる計算を行なつて機械インピーダンスを求める
ものである。

次に本発明方法について説明するが、本発明方
法は、回転機械の軸受部分より回転軸の中心に向
つて加振力を与えることが可能なものにおいて、
上記回転機械の負荷条件を一定として回転数を段
階的に変化させ、この各回転数毎の振動応答デー
タから上記回転機械の減衰比又は許容励振係数を
求めることに特徴を有する。

以下、本発明方法の実施例について説明する。

回転機械を第４図のように定常回転数（負荷条
件一定）にて運転し、低速回転状態を所定時間保
持し、この状態で低速回転時加振テストを行う。
この加振テストは振動数を着目範囲で徐々に変化
させ、振動応答を計測する。このデータを集録す
るとともにデータを解析し、後述するように減衰
比ξ又は許容励振係数Ｋを算出する。

次に回転機械の負荷条件を一定とし、回転数を
1000，2000，3000，4000r.p.mに上昇させて、各
回転数毎に所定時間定常運転をしておき、振動数
を着目範囲で徐々に変化させ、振動応答を計測す
る。このデータを集録するとともに、このデータ
を解析し、後述するように減衰比ξ又は許容励振
係数Ｋを算出する。

上記減衰比の求め方として例えば周波数応答曲
線（ボード線図やナイキスト線図）から求める方
法（ハーフパワー法）又は後述する自由減衰法が
ある。前者の方法は振動応答曲線の共振部分に着
目し、そのモード成分の最大振幅を示す固有振動
数ωと最大振幅の約70％を示す振動数ω₁，ω₂を
読取る。これを第５図のボード線図、第６図のナ
イキスト線図から求める。そして次の式から減衰
比ξを求める。

ξ＝ω₂−ω₁／ω₂＋ω₁ この減衰比ξと許容励振係数Ｋの間には次のよ
うな関係がある。

Ｋ＝2mω₂ξ ここでｍ：モーダルマスである。

以上の式から各負荷状態毎に許容励振係数Ｋを
求め、これを作図したのが第７図である。第７図
から例えば次のようなことがいえる。

減衰比 ξ＜０―完全に不安定 ０＜ξ＜0.01―不安定に近い 0.01＜ξ＜0.02―安定であるが余裕 が小さい 0.02＜ξ＜0.04―普通程度安定 ξ＞0.04―十分安定 このようにして外部より制御可能な加振力によ
り必要最小限のレベルの振動を起こさせ、これに
よつて実機の安定性に関する貴重なデータが得ら
れる。なお、上記加振力は実運転に何ら害を与え
るものではない。

以上述べた実施例によれば回転数依存低周波振
動の特性を解明でき、運転中のこの種の振動に対
する安定余裕および安定限界回転数を知ることが
できる。

次に本発明方法の第２の実施例について説明す
るが、第４図と同様に回転機械を負荷条件を一定
とし回転数を任意に運転段階的に変化させ、各回
転数状態で加振テストを行う。このテストを行う
装置としては第２図と同一のものを使うが振動調
査方法は異なる。すなわち、加振振動数を着目す
る点に合わせて第９図のように一定加振振動数で
共振させた状態にしておき、加振力を急に切る。
この状態の振動応答データを記録しておき、この
データに着目振動数のフイルターをかけて自由減
衰を測定し、第１０図の応答波形より振幅A₁，
A₂，A₃，…A_oを順次読取り、次式から対数減衰
率δを求める。

δ＝lnA₂／A₁ 又は δ＝１／ｎlnA_o／A₁ ただしlnは自然対数、ｎは山数である。

このようにして求めた対数減衰率δと山数の関
係を示したのが第１０図である。第１１図は減衰
比と回転数の関係を示したものであり、第１２図
は実測加振応答データつまり振動数と加振応答振
幅の関係を示したものであり、減衰比ξと対数減
衰率δとの間に次の式が成立する。

ξ＝δ／2π この実施例の場合も前述の実施例と同様な効果
が得られる。

なお、上記実施例では加振器として慣性型のも
のを使用したが、これに限らず回転機械の軸受部
分より回転軸の中心方向に向つて加振力を与える
ことが可能で、正弦波、パルス波等で加振できる
ものであれば、反力型（供試体に直接加振器を取
付け、この加振器の反対側に力計を介して反力支
持装置に支持したもの）、第１３図ａ，ｂに示す
非接触電磁加振器のいずれでもよい。この電磁加
振器は電磁石４０により回転軸４１を直接加振で
きるようになつている。従つて、供試体例えばロ
ータにより有効に加振力を伝えることができ、こ
の加振力を電磁石４０の付根に取付けられた加振
力検出器４２によつて測定できる。また第１３図
ｂに示すように２個の電磁石４０を直角に取付
け、両電磁石に働く加振力の位相角を±90゜調整
することにより、この種の振動が出やすい前まわ
り方向（回転方向と同じ方向にふれまわさせる）
とかその逆方向に加振することができ、より的確
な試験結果を得ることができる。

以上述べた本発明によれば負荷条件を一定と
し、回転数を変えた場合回転機械の固有振動数、
減衰比、安定性余裕および危険速度を求めること
ができる回転機械の回転数依存振動調査方法を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転機械のオイルウイツプ振動におけ
る回転数と振幅の関係を示す特性図、第２図ａ，
ｂは本発明方法を実施するための装置の一例を示
す部分正面図および概略構成図、第３図は第１図
の振動解析装置の一例を示す概略構成図、第４図
は本発明方法の一実施例を説明するためのフロー
チヤート、第５図および第６図は同実施例の方法
を説明するためのボード線図およびナイキスト線
図、第７図は同実施例を説明するための負荷と減
衰比、許容励振係数の関係を示す図、第８図は本
発明方法の他の実施例を説明するためのフローチ
ヤート、第９図〜第１２図はそれぞれ同実施例の
方法を説明するための時間と振動波形の関係を示
す図、山数と対数減衰率との関係を示す図、負荷
と減衰比との関係を示す図および実測加振応答デ
ータを示す図、第１３図ａ，ｂは非接触電磁加振
器の一例を示す断面図および概略構成図である。 １…供試ロータ、２…軸受、４…加振器、５…
加振力検出器、６…振動検出器、７…発振器、９
…制御装置、１３…振動解析装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転機械の軸受部分より回転軸の中心に向つ
   て加振力を与えることが可能なものにおいて、上
   記回転機械の負荷条件を一定として回転数を段階
   的に変化させ、前記軸受の箱に取付けられた慣性
   型加振器と軸、又は、軸受の振動を検出する振動
   検出器により求めた各回転数毎の振動応答データ
   から上記回転機械の減衰比、又は、許容励振係数
   を求める回転機械の回転数依存振動調査方法。