JPS63229333A - 羽根の共振測定方法及び励振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般にターボ機械に関し、特に、ターボ機械の
１列又は２列以上の回転羽根における羽根振動の共振特
性を明らかにする改良方法に関するものである。

１肌食１遣 高速ターボ機械、例えば、蒸気タービン或はガスタービ
ンにおいては、多数のタービン段が回転可能な軸に沿っ
て軸方向に配設され、各タービン段がタービン羽根車を
形成するよう円周方向に配分された複数の羽根からなっ
ている。タービン羽根車は、ターボ機械内を軸方向に流
れてタービン羽根車の羽根に衝突する高圧流体の力に応
答して回転する６羽根の固有共振振動数は、成る回転速
度及びその整数高調波もしくは整数倍振動と一致し、ま
た、該回転速度及びその整数倍振動で励振し得る。軸の
回転数の整数倍で励振された羽根の共振は、１枚又は２
枚以上の羽根を破断すると共に大規模な損傷を発生し、
従ってターボ機械を停止して大規模な修理を必要とする
ような応力を生ザしぬ得る。

このような共振を回避するために、蒸気タービンの低圧
段における羽根は、運転速度の倍数での励振を回避する
ようにチューニング即ち調整されている。この調整は、
羽根の設計過程中における入念な解析により達成されて
いる。また、新しい羽根が通常の運転中に共振を起こさ
ないことを保証するために、ターボ機械の運転前に詳細
に亙る試験が行なわれている。タービン羽根列の回転試
験においては、流体ジェットで羽根を励振しながら、歪
み計を用いて幾枚かの羽根の振動応答を測定し、それに
より、共振振動数、即ち最大応答が生起する励振振動数
を求めている。しかし、このような定常的な流体ジェッ
トは、軸の回転速度の整数倍である振動数のみしか励振
しない、励振振動数を変えるためには軸の回転速度を変
えなければならない。続いて、羽根が設計通りに製造さ
れていることを確認するために厳密な品質管理が慣行的
に行われている。この種の品質管理は、製造公差を設定
したり羽根の調整を検証するために実験室試験に依存し
ている。しかし、製造された羽根の個々の評価にはかな
り時間を要するので、羽根の適切な調整を確認するため
に通常の回転条件下で総ての羽根を実験室ベースで試験
することは−ｍに行われていない、他方、別法としての
非運転環境内での羽根の試験は不完全である。その理由
は、回転条件下での振動応答を予測するためには試験デ
ータの補正が要求されるからである。このような調整が
必要とされるのは、共振振動数が、運転中の向心力によ
る羽根の応力変化に伴って変動するという理由からであ
る。

また、ターボ機械を使用状態に設置した後に生ずる振動
問題を確認するために、運転中、回転している羽根を監
視することが望ましい、このオンライン評価は、−面と
して次の理由から必要である。即ち、実際の使用前に行
われる評価は、たとえ回転試験であっても、羽根が、現
場での運転中に経験するのと同じ力、温度及び圧力条件
に曝されないという理由からである。

また、羽根の振動の連続監視は、構造上の変化を表す共
振振動数の偏移もしくはシフトを検出するために重要で
ある０例えば、成長している割れは羽根の共振振動数を
減少させる。このような変化を、羽根が、軸の回転速度
又はその倍振動で共振状態になる前に検出することが望
ましい、さもなければ、振動している羽根が危険な高応
力を受は得るからである０羽根の共振振動数を時間の経
過につれて変化させる因子として、他の因子も存在する
０例えば、羽根の翼状領域の腐食及び侵食でも共振振動
数が変わり、また、羽根集合体を相互に固定すると共に
タービン軸に固定しているリベット又は溶接継手におけ
る変化で共振振動数が変動し得る。

更に、回転している羽根のモード振動数は５羽根を所定
位置に固定するロータ溝内での羽根の嵌合状態に依存す
る。向心力はこの嵌合を強固にするから、通常、高速回
転の動的効果で羽根の固定状態は改善される。しかし、
運転速度におけるこの動的負荷をシミュレーションする
ことは困難である０羽根の振動数応答は、運転速度に大
きく依存する関数である。と言うのは向心力は羽根を剛
にするばかりではなく、ロータに対する羽根の嵌合を強
化するからである。従って、静止試験データを用いよう
とする場合には、速度の変化に伴う共振振動数の変動を
測定しなければならない。

適切な補正データと組み合わせて静止試験を行うことに
より、新しい羽根に対し有意な情報を得ることができる
が、ロータ溝の腐食で羽根の固定状態が影響を受け、羽
根の剛性及びその減衰特性が変化することは知られてい
る。従って、工場内試験データは、古い機械に見られる
羽根の特性に必ずしも対応しない。更に、静止試験デー
タに対し同様の調整を行っても、改修もしくはレトロフ
ィツトされた羽根の正しい動特性が得られないことがあ
る。と言うのは、この場合にもロータ溝における元の公
差が経年的に変化してしまうからである。このような可
変の物理的変化は、直接測定を行わずには充分に考慮す
ることはできない。

従来の評価実施方法によっても幾つかの由々しい振動上
の問題は満足に解決されているが、更に、上述のような
問題を回避するためには、信頼性の高い総合的な監視を
行うのが望ましい。従来、オンラインで羽根の振動を監
視する能力は非常に制限されていたが、最近における羽
根振動監視技術に関する進歩で、現在では、応答が迅速
で使用寿命が長く原価効率の良好な監視装置を用いて、
ターボ機械における総ての羽根列に対し羽根振動情報を
得たり羽根振動情報を連続的に更新することが可能とな
っている。この目的に供されるシステムの一例が米国特
許第４，５７３，３５８号明細書に開示されている。

羽根振動監視のための改良されたシステムの出現で、構
造上の変化を検出するために、運転中の設備において羽
根の共振を周期的に測定することが望ましい。従来、こ
のことは可能ではなかった。

その理由は、羽根振動のオンライン監視は受動的な評価
に限定、即ち、軸回転振動数又はその倍振動に対応して
固有的に起こる共振の検出に限定されていたからである
。このような受動的評価の１つの欠点は、言うまでもな
く、構造上の欠陥を表す共振振動数のシフトを大規模な
損傷が結果的に生ずる前に発見できないことにある。羽
根の共振状態のシフトをオンラインで監視できない理由
は、通常の運転中に可変振動数でターボ機械の羽根を励
振する方法が利用可能ではなかったことにある。

このような方法を、適当な羽根振動監視システムと組み
合わせることにより、最も実際的な条件下で、信頼性が
高く且つ正確なデータが得られるであろうことは明らか
である。

九胛立１１ 本発明の幾つかの目的のうち、従来技術の上述した欠点
、限界或は望ましくない様相その他の問題点を克服する
ために、選択可能な振動数でターボ８！械の回転羽根を
励振する装置、選択可能な振動数でターボ機械の回転羽
根を励振する装置を作動する方法、及びターボ機械の複
数の回転羽根における共振振動数特性を明らかにするた
めの改良された方法を提供することが特筆すべき目的で
ある。回転羽根を励振するためのこのような装置及び方
法を、羽根振動監視装置のような他の設備と組み合わせ
て使用することにより、従来不可能であった羽根の振動
上の問題について総合的な測定、診断及び検出が実現さ
れる。更に、本発明によれば、ターボ機械が同期速度で
運転している間に、安全で制御可能な仕方で同期及び非
同期羽根振動数′５：遷択的に励振することができる装
置及び方法が提案され、この装置及び方法によれば、割
れ、熱勾配、材料の変化、付着物、腐食及びその他の因
子により生じ得る羽根の固有共振における振動数シフト
及び振幅変化の測定並びに評価が可能となる。更に、本
発明によれば、ターボ機械の羽根の共振応答特性を明ら
かにするための試験を簡略化すると共に、該試験の速度
及び精度を高める装置及び方法が提案される。更に、回
転羽根列を監視するのに必要な羽根振動センサの数を減
少することができる装置及び方法が提案される。本発明
のこれ等の目的及びその他の目的並びに有利な特徴は以
下の説明により自ら明らかとなるであろうし、また、指
摘されるであろう。

総括的に述べると、本発明の一つの形態としての装置に
おいては、ターボ機械内で羽根列又はタービン羽根車の
周囲に配置された複数個の制御可能な流体ジェット噴射
装置が設けられ、羽根の共振ｆ！：識別もしくは確認す
るために、これ等の流体ジェット噴射装置から、回転羽
根列に向けて流体が選択的に噴射されて選択可能な振動
数で羽根を励振する。

また、総括的に述べると、本発明の一つの形態として、
共振振動数を誘起するために種々の振動数で回転羽根を
励振するための方法が提案されている。

更に、総括的に述べると、複数の回転羽根における羽根
共振振動数の総合的特性化を行うための方法が提案され
る。この方法では、タービン同期速度の非整数倍及び整
数倍の速度で羽根を励振することにより共振が評価され
、そしてこの方法は、所望の分解能で共振振動数を評価
するのに用いることができる。この方法によれば、同期
速度で運転中のターボ機械の羽根列における総ての回転
羽根を試験することが可能となり、従って、通常の運転
条件下で新しい機械及び古い機械に設置されている羽根
を評価するための手段が提供されるのである。

１旦ｌ盈思 以下、本発明の方法及び装置を、単なる例として、特に
、蒸気タービンにおける羽根列の励振に対する適用と関
連して説明するが、本発明は、一般に羽根を備えている
ターボ機械の評価に適しているものであることを理解さ
れたい。

第１図を参照するに、この図には、ターボ機械即ち蒸気
タービン１２に結合された本発明によるプログラマブル
な（プログラミング可能な）流木ジェット羽根励振装置
が略示しである。この装置は、円筒状のタービンケーシ
ング３５の周囲に配置された複数個の制御可能な流体ジ
ェット噴射装置１６を備えている。各ジェット噴射装置
１６は、入口側供給管路２４と、該管路２４を選択的に
閉塞するための制御可能な弁（図示せず）を有する作動
装置もしくはアクチュエータ２６と、流体をタービンの
羽根に指向するための出口ノズル１８とを備えている。

各ジェット噴射装置１６には供給管路２４を介して高圧
蒸気供給源（図示せず）が結合されている。アクチュエ
ータ２６は、ノズル１８から加圧流体の流れを選択的に
噴射するためにジェット噴射装置内部に設けられている
弁を制御可能な仕方で開閉する。

各ジェット噴射装置は、タービン羽根車を形成する複数
個のタービン羽根が取り付けられているタービンロータ
円板２０の周囲に配置されている。尚、理解を容易にす
るために、図には１枚の羽根２２及び３つの等間隔で離
間して設けられたジェット噴射装置１６だけを示すに留
どめな６羽根の励振は、ノズル１８からの流体が回転中
の羽根に衝突することにより生ずる。

図示のジェット噴射装置の配列を用いて１つの列内の総
ての羽根を同時に励振することができるが、他のジェッ
ト噴射装置配列を用いて本発明の方法を成功裡のうちに
実施することも可能であることを理解されたい。例えば
、単一のジェット噴射装置を用いて回転している羽根を
共振振動数で励振することもできるが、この場合には、
羽根は、一回転中に一度を越える頻度で励振パルス（衝
撃）を受けることはないので、励振と励振との間で生ず
る羽根の振動振幅の減衰で共振振動数の検出が困難にな
るであろう。また、所定の振動数で励振を誘起するため
にジェット噴射装置１６を均等な間隔で離間して設ける
必要もない、実際、完全に円形のジェット噴射装置配列
の設置が困難であったり或は費用が掛かるような適用例
においては、ジェット噴射装置を不均等な間隔で配設す
る方が好ましい場合もある。

アクチュエータ２６は、例えばプログラマブルなコント
ローラ（プログラム可能な制御装置）のような当該技術
分野で周知の型のディジタル・コントローラ（制御手段
）２８により制御される。ジェット噴射装置１６の所定
の配列において、羽根とジェット噴射装置からの流体の
流れとの間の接触により羽根２２に所望の励振振動数を
誘起するために、適当に整相されたタイミング信号をデ
ィジタル・コントローラ２８内でプログラム下で発生す
ることができよう。ディジタル・コントローラ２８は、
所′望の励振振動数を発生するため流体流が各羽根に対
して“発射”されるようにジェット噴射装置内の弁を選
択的に開閉すべく、各アクチュエータ２６に対し制御線
３０を介し制御信号を選択的に供給する。

コントローラ２８は、当該技術分野で周知の型の軸速度
センサ（図示せず）によって与えられる同期信号により
羽根の回転速度と同期されている０羽根列に対する制御
可能なジェット噴射装置の配列は更に第２図にも示して
あり、この図においては、振動センサ４０も、ジェット
噴射装置により誘起される羽根の振動を検出すべく回転
羽根列に隣接して設けられている。

第２図は、本発明が適用された低圧蒸気タービン１２の
長平方向の一部分の部分横断面図である。

このタービン部分は、複数個の羽根の列２２が取り付け
られている回転可能な軸３２と囲繞し且つ支持している
ケーシング３５を備えている０回転羽根の各列は、対応
の固定羽根３４の列に隣接して配置されており、回転羽
根列と固定羽根列とがタービン段を形成している。加圧
された蒸気は、環状の室３６を介してタービン内に流入
し、タービン段を通るように指向される。この場合、固
定羽根３４は蒸気流を羽根２２の表面に指向させる作用
をする。本発明は、第２図の右側の部分に最後の２つの
タービン段と関連して示しである。ノズル１８は、固定
羽根３４のための支持部材３８を貫通して、羽根２２の
半径方向外側先端２３に隣接し終端している。ジェット
噴射装置１６のためのアクチュエータ２６及び入口側供
給管路２４はタービンゲージング３５の外側に配置する
のが好ましいが、このことは第２図には示していない。

タービン運転中、タービン段を貫流する蒸気は羽根２２
に作用して軸３２を回転せしめる。アクチュエータ２６
を付勢してノズル１８から高圧蒸気パルスを噴射すると
、回転羽根はこの蒸気パルスに衝突する。羽根２２にそ
の結果生ずる振動は振動センナ４０で検出することがで
きる。この振動センサ４０は、羽根２２の先端２３に隣
接するタービンの非回転構造部分に取り付けられている
。振動センサ４０からのタービン外部への接続は周知の
ことであり図示は省略した。振動センサ４０は、例えば
電磁プローブ（探子）のような多数の適当な振動センサ
のうちの任意のものとすることができる。

好適な実施例においては、制御可能なジェット噴射装置
１６は羽根列を取り巻く円になって等間隔に配設される
。この実施例においては、３つのジェット噴射装置１６
による逐次的及び周期的噴射が、所定の頻度もしくは振
動数で生起する。尚、この振動数は水明ｓ害においてジ
ェット噴射繰り遅し速度とも称する。尚、ジェットが“
発射”される場合、内部の弁は、流体の流れが羽根回転
軌跡内に指向されるように開かれることに留意すべきで
ある。連続流により連続する幾枚かの羽根を励起するこ
とも可能である。ノズル１８は、タービンの半径方向の
線に沿って配向することができる。と言うのは、羽根に
作用する主たる力は、羽根の回転速度によって生ぜしめ
られる蒸気流との衝撃であるからである。

以下の説明において、Ｊは、羽根の回転方向における速
度の分数値としてのジェットの見掛は上の回転速度を表
すものとする。即ち、ジェット噴射装置の流体発射時点
もしくはタイミングを制御することにより、ジェットは
見掛は上回転するように見える。ジェットの回転速度が
、羽根の回転速度と同じである場合には、Ｊ＝１であり
、ジェットの回転が羽根の回転と逆である場合には、Ｊ
はパ０”′より小さく、そしてジェットの回転が羽根の
回転方向である場合には１．Ｊは°゛０′′より大きい
。例えば、タービン回転速度Ｒ＝６０１１ｚでジェット
噴射繰り返し速度が３６１１ｚである場合には、Ｊ−０
，１である。本発明の方法の実施に当たっては、コン１
〜ローラ２８は、１つ又は２つ以上の選択された。Ｊ値
に基づいて所望のジェット噴射繰り返し速度を発生する
ようにプログラムすることができよう。

ジェットにより励振可能な振動数Ｆｎは次式で与えられ
る。

Ｆ、、＝ｎＲ（１−Ｊ） 上式中ｎは整数であり、Ｒはタービン回転振動数もしく
は速度である。Ｆｏは力の非振動性定常成分である。基
本振動数Ｆ１はｎ＝１に対応し、Ｆｌの倍振動は整数ｎ
の他の値において生ずる。

例えば、Ｊ−＋０１２５とすると、１回のジェット噴射
繰り返し周期の完了は、ロータの４回転分に対応し、Ｆ
、−０，７５１，Ｆ２＝１．５８．Ｆ、＝２．２５Ｒ，
Ｆ、＝３．０ＯＲ，Ｆ、＝３．７５Ｒ，Ｆ６＝４．５Ｏ
Ｒ等々となる。第３図、第４図及び第５図は、それぞれ
、Ｆ、、Ｆ、及びＦ６に対応するタイミング図表である
。第６図及び第７図は、ｎが整数でない場合、即ち、ｎ
＝２．７５及びｎ＝３．５０である場合のＦの値におけ
る羽根の応答を示す。一般に、第３図乃至第７図におい
て、ジェット１、ジェット２及びジエツ１へ３で示した
３つの波形は、コンＩ−ローラ２８からの指令信号によ
り関連の弁が開閉される際のジェット噴射装置１６のオ
ン・オフサイクルを示す。各図面において゛°羽根が通
過するジェット”で示した行の波形は。

単一の選択された羽根が各ジェットを通過する時点な示
す。また、“速度”と表記した波形は、ジェット噴射装
置からの流体流又は流体パルスにより誘起される振動に
対する羽根先端部の速度応答３表す。また、“エネルギ
ー°゛と表記した行の波形は入力エネルギー、即ち、時
間の関数として羽根と各流体パルスとの衝突で羽根に伝
達されるエネルギーを表す。第３図乃至第５図において
、各入力エネルギーは、羽根の励振振動数の増大を表す
正の羽根先端部速度ピークと一致する。他方、第６図及
び第７図の例においては、エネルギー波形における反転
パルスで示すように１羽根の励振振動数を増加せず、羽
根の振動エネルギーが減少するような時点で加えられる
入力エネルギーの例が示しである。

第８図は、振動数と、種々の見掛は上のジエツ１一回転
速度に基づいて発生し得る振動数の倍振動との表が示し
である６Ｊの逐次値に対し羽根の振動を監視することに
より、共振応答の羽根振動監視装置を用いてＦ。の幾つ
かの重なり系列を検査することができよう。尚、第８図
には、Ｊの少数の値について生じ得るＦ。の重なり値が
示しである。

各羽根の共振中心振動数を確実に求めるためには、Ｊを
小さい増分ステップで変化しなければならない。例えば
、Ｊを０．１％の速度増分ステップでロータ速度の−０
，１から＋０．１に変えた場合、第５倍振動を越える各
共振の中心振動数を同定するために充分な分解能が得ら
れることが判明した。

このように、所望の振動数範囲に亙る羽根共振の総合的
特性化は、種々の振動数Ｆ。で羽根を増分的に励振して
共振応答に関し羽根を監視することにより達成すること
ができる。

本発明により、選択可能な振動数でターボ機械の回転羽
根を励振するための新規な装置及び方法が提供された。

また、通常の運転条件下でターボ機械における羽根の共
振振動数の総合的特性化を行うための方法をも例示した
。尚、本発明の新規な装置の構成要素及びその配列の変
更並びに本発明の方法のスッテブ並びにこのようなステ
ップの順序変更は、本発明の精神又は本発明の範囲から
逸脱することなく当該技術分野の専門家には可能であろ
うことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるプログラマブルで制御可能な流
体ジェット羽根励振装置の一実施例の相対的配列を示す
タービン横断面の概要図、第２図は、羽根列に対するプ
ログラマブルな流体ジエツＩ・噴射装置の配列を示す蒸
気タービンの部分横断面図、第３（７１、第４図、第５
図、第６図及び第７図は、種々の励振振動数を発生する
ための羽根に対する流体ジェットの作用を図解するタイ
ミングダイヤグラムを示す図、第８図は、本発明の装置
及び方法の一実施例によって誘起することができる選択
された羽根振動数及びその倍振動を表で示す図である。 １２・・蒸気タービン（ターボ機械） １６・・・流体ジェット噴射装置 ２２・・羽根

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）回転羽根列を備えている型式のターボ機械における
   羽根の共振測定方法であって、 （ａ）前記回転羽根列に隣接して配置することができる
   少なくとも１つの制御可能な流体ジェット噴射装置を用
   意し、 （ｂ）少なくとも１つの選択可能な振動数で該流体ジェ
   ット噴射装置からの流体パルスにより個々の羽根を制御
   可能な仕方で励振し、 （ｃ）励振された羽根の振動を測定して共振振動が生ず
   る励振振動数を求める、 諸ステップを含む羽根の共振測定方法。 ２）ターボ機械における回転羽根列の個々の羽根に振動
   を誘起するための励振装置であって、（ａ）前記回転羽
   根列の回転軌跡に流体パルスを指向するように配置され
   た少なくとも１つの制御可能な流体ジェット噴射装置と
   、 （ｂ）該流体ジェット噴射装置に結合され、該流体ジェ
   ット噴射装置を選択的に開いて流体パルスを前記回転羽
   根列の回転軌跡内に噴射し、該流体パルスと羽根との衝
   突により羽根の振動を誘起する制御手段と、 を備える羽根の励振装置。