JPH01267436A - 振動部材の疲れ測定方法および装置 - 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】 本発明は振動による疲れの測定、更に詳細にはタービン
のロータの累積金属疲れの測定に関する。

タービン翼の応力測定は、他の装置のものと同様、従来
より、タービン翼に直接固定しスリップリングあるいは
テレメーターによりタービン外部のモニター装置と信号
の授受を行なうひずみゲージを用いて行われている。ニ
ーニス・エアフォース・システムズ・コマンドのアーノ
ルド・エンジニアリング・ディベロップメント・センタ
ーではこれに代るシステムが開発されている。アーノル
ドのシステムは、ジェットエンジンのタービンのロータ
ー翼のたわみを非干渉的に測定するため線状に集束する
フォト検知器を用いる。これらのセンサーは、エンジン
ケーシングの周面上にセンサーの一群がローター翼の先
端部の径路に放射状に間隔を密にして並ぶように配置さ
れている。非整数倍の振動、即ち回転速度の倍数以外の
振動数での振動を検知するために２個のセンサーが用い
られている。また整数倍の振動、即ち回転速度の倍数の
振動数における振動を検知するために４個のセンサーが
用いられている。これらのセンサーにより発生される信
号は、翼列の８翼の振動の振幅、振動数および位相を求
めるために一回転に１つ発生する信号と共に処理するこ
とが可能である。モニターする翼の列毎に別組のセンサ
ーが必要である。

これらのセンサーが供給するたわみデータを伝達関数を
用いて応力へ変換することにより、センサーを取付けた
各翼列の全ての翼の応力情報をオンラインで求めること
が可能である。これらの伝達関数は、動作テスト前に各
翼列に対し有限要素法による分析および台上試験を行う
ことにより求めることが出来る。アーノルドのシステム
により得られる情報は最近補修の済んだタービンのテス
トに特に有益なものであるが、タービンを動作時にモニ
ターするためのオンラインシステムには更に別の情報が
所望される。

本発明は、装置の累積疲れを指示するオンラインモニタ
ーを提供する。

本発明の一実施例では、振動応力だけでなく定常応力を
測定するオンライン疲れ年令モニターが提供される。

本明細書において説明する累積力により生じる損傷の測
定方法は、その力により生じた変位を検出し、検出した
変位からその力の振幅および瞬時振動数を計算し、計算
の結果求めた振幅および瞬時振動数に基づいて累積損傷
を求めることよりなる。本明細書に示した振動疲れ測定
装置は、物体の振動による変位を示す変位信号を発生す
るセンサー手段と、変位信号に基づき物体の疲れを計算
する疲れ積算手段とよりなる。複数の翼を有するタービ
ンに適用する場合、センサー手段はタービン翼の径路の
外側に配置した少なくとも２個のセンサーよりなること
が好ましい。Ｎ個のセンサーを用いる場合、Ｎ／２次調
波に対する振動および疲れ年令が計算出来る。２４個の
センサーを用いると１２次に対する全ての調波の影響を
求めることが出来、もしそれより少ない調波が生じてい
ることが確定出来れば２４個より少ないセンサーの使用
が必要である。タービン翼の振動数および振幅を求める
好ましい方法は変位信号のヒルベルト変換を利用する方
法である。

以下、添付図面を参照して本発明をその実施例につき詳
細に説明する。

各種の機械装置の多くは、疲れを徐々に累積させ最終的
には構成材料に欠陥を生ぜしめるような応力を受けてい
る。装置が耐えることの出来る疲れの大きさは”疲れ寿
命（ｆａｔｉｇｕｅ　１ｉｆｅ）“と呼ばれ、装置がこ
れまで耐えてきた疲れの量を”疲れ年令（ｆａｔｉｇｕ
ｅ　ｕｓａｇｅ）”と呼ぶ。疲れ年令を積算して、残り
の疲れ寿命を下記の式（１）から計算出来る。

２１占（（ε、（１）／　ε１−ε１１１（１））−（
ε１／εｒ）１２Ｆ（ｔ）ｄｔ−１（１） 上式（１）はグツドマン（Ｇｏｏｄｍａｎ）の法則とマ
イナー（Ｍｉｎｅｒ）の仮説から導くことが出来る。上
式において、ε８（ｔ）は実際の振動応力、εｒは塑性
ひずみの形成を無視して単一の負荷を加えることにより
破壊を生ぜしめる応力であり、ε１（ｔ）はゆっくりと
変化するかあるいは木質的に定常な応力であり、ε１は
破壊を生ぜしめる限界応力、例えば１００万番目の振動
、Ｆ　（ｔ）は振動の撮動数である。値ε、およびε１
は特定の物体につき実験室による測定あるいは有限要素
法による分析を用いることにより従来通り求める。ター
ビンのローターの場合タービン翼は各列につき普通同一
形状であり、列が異なる毎にその形状も異なる。従って
、値ε、およびε１はタービン翼の各列につき別々に求
める。

同様に本発明によりモニターされる物体にかかる定常応
力ε、は測定可能な値の関数として前もって求める必要
がある。タービン翼の場合、タービンが発生するトルク
を直接測定するか、あるいは流入エンタルピーＨ１，流
出エンタルピーＨ２＋角速度ωおよび質量流量ｍおよび
質量流量ｍの測定値を求めてそれらを段効率ｎ、平均翼
直径ｒｂおよび列毎の翼数Ｍｂと下式（２）で示すよう
に組合せて定常応力ε１とトルクの間の関係を計算すれ
る６ｍ　〜ｍ　（Ｈｌ−Ｈ２）　　ｎ／　ωＭｂｒｂ（
２）かくして、限界応力ε１、単一負荷破壊応力εｒお
よびタービンにおけるトルク分布を知ることにより、直
接または間接に測定したトルクと個々のタービン翼の振
動振幅および振動数から疲れ年令を計算することが可能
である。翼先端部のたわみの振幅に対する実際の振動応
力ε１（ｔ）の関係は、分解したタービンローターに取
付ける応力／ひすみゲージを用いて測定可能である。

タービンの従来型ローター軸１０と列１４のいくつかの
タービン翼１２を第１図に示した。本発明に従って、タ
ービン翼の径路の外側の、翼と半径方向に整列する位置
にセンサー１６−２２を配置する。

第１図にはそのうちの７個のセンサーだけを完全に示し
たが、タービン翼のディスク１４の周りに棒印で示すよ
うに更に別のセンサーを配置することも可能である。

、第２図に示すように、数群のセンサー２３を設け、各
列に対応する１群のタービン翼をモニターさせる。しか
しながら、タービンの構成、保守の経験等により全ての
列につきこれを行なう必要はないであろう。例えば、経
験により数列の翼のうちで１あるいは２列に最初の破壊
が常に生じることが解れば、疲れによる影響が最も大き
い可能性のある列だけをモニターするだけで充分であろ
う。これらの群２３のセンサーは、タービン翼のような
物体が振動により受ける変位を示す変位信号を発生する
手段を構成する。センサー群２３が発生する変位信号を
信号調整回路２４へ送り、該回路でデジタイザ２６へ信
号を送る前に原因の明白なノイズを除いてそれらの信号
を増幅する。デジタイザ２６はセンサー群２３が出力す
る信号の変化を検知するためにアナログ／デジタル変換
を行ない、データ処理ユニット２８が処理出来るような
デジタルデータを発生する。データ処理ユニット２８は
データ蓄積ユニット３０に蓄積した公式およびデータを
用いて疲れを積算し、変位信号に基づき疲れ年令を計算
する。疲れ年令をデータ蓄積ユニット３０に記録してオ
ペレーターへメツセージ３２として出力するデータ処理
ユニット２８は疲れ年令を計算するため幾つかの機能を
実行する。第１に、ある特定のセンサーが検出する翼が
どの翼であるかを識別する必要がある。上述したように
、これはセンサー３４から得られる一回転につき１個発
生ずる信号により識別する。一回転につき１個発生する
信号が発生する時の多翼の位置は既知である。隣接する
、一回転につき１個発生する信号間の時間に基づき翼の
角速度を計算出来る。

一回転につき１個発生する信号はまた、翼の位置を求め
るために利用される。これは第３図に示すように行なわ
れる。一回転につき１個発生する信号を受信した時翼１
２のひとつが位置３６にあると仮定すると、その翼は角
度αだけ回転した後位置３８においてセンサー１８に接
近するであろう。タービン翼が位置３６から位置３８へ
回転するに必要な時間は角速度から求めることが可能で
ある。このようにして、データ処理ユニット２８は多翼
１２の各センサー、例えば１８−２２への予測到達時間
を一回転に１つ発生する信号に基すいて計算することが
出来る。

予測到達時間と実際の到達時間の間の差を一列に２４個
のセンサーを配置したシステムにつき第４Ａ図で示した
。予測到達時間は点線で、またこの時点におけるロータ
ー翼１２の実際の位置を実線で示した。第１図に示した
センサーに対応するセンサー位置を第４Ａ図において同
一の参照番号で示した。第４Ａ図のローター翼はタービ
ン翼の一回転につきほぼ２倍の振動数で振動しているこ
とがわかる。第４Ａ図に示すように、モニター中の翼は
予測される時間においてセンサー１６に到達する。しか
しながら、センサー１７−１９へは予測到達時間前にま
たセンサー２０へは予測到達時間後に到達する。

第４八図から明らかなように、センサーエ８および２０
はそれぞれ、センサーにより測定した正の最大変位と負
の最大変位を示す。翼はタービン回転速度のほぼ２倍の
振動数で振動しているため、センサー１８および２０と
は反対側のセンサーではほぼ同じ大ぎざの測定値が得ら
れる。回転速度の３倍の速さで振動しておれば、それぞ
れ３つの正の最大および負の最大変位が得られる。

各センサーにより測定される変位の大ぎさを第４Ｂ図に
示した。センサー１８により得られる測定値をｙ軸に沿
って示し、センサー１６および２０の測定値をｙ軸に沿
う参照番号により示した。振動の性質は第４Ｂ図のグラ
フから明らかである。

第５図に示すように、翼位置のデータ４０と定常状態の
データ４２に基づきステップ４４において振動および定
常状態応力を計算する。タービンの翼列の周りに２４個
のセンサーを等間隔で配置することにより、変位信号に
よるロータ軸１０の速度の最大１２倍の振動数（１２次
調波）における振動の振幅変調および振動数変調を求め
ることが出来る。必要なら、データ処理ユニット２８は
検出点間の内挿を行なうことが出来る。タービンロータ
ーの翼に生じる撮動のうちでの問題となるような振動は
全て１２次調波以下であることが予想されている。少数
、のセンサーを用いる場合、高振動数の振動については
検知振動数範囲内でエイリアシングが生じる。その結果
、少数のセンサーを用いる場合にはステップ４４におい
て別の信号処理が必要となる。

発電に用いるタービンは普通はぼ１３５°離れた所に２
つの点検ボートを設けている。これにより、磁気式ある
いは容量性近接プローブのような受動近接プローブを２
個かまたはオブシミンとしてのセンサーを取付けてター
ビン動作時のモニターに用いることが可能となる。セン
サー１６および２０は第１図に示したようにほぼ１３５
　！　離れている、これは、プローブへのタービン翼の
接近を示す４３号を発生するため各翼列につき２つのセ
ンサーを用いるシステムを代表するものである。

以　　下　　余　　白 ２つのセンサー１６および２０だけを用いる場合、ター
ビンの回転数より低い振動数を持つ全ての振動を検出出
来る。かくして、タービンの回転速度が３６００ｒｐｍ
である場合、６０ヘルツ以下の振動数を有する振動を検
出出来る。それより高い振動数に・ついてはエイリアシ
ングされた信号として検知出来る。本発明の好ましい実
施例によれば、翼の位置データ４０を与える変位信号の
ヒルベルト変換を用いてタービン翼の振動数および振幅
を求めることが好ましい。振動イ３号ｖ（ｔ）のヒルベ
ルト変換は下式（３）で以下のように定義される。

）１（ｖ（ｔ））−（１／　ｑ）　　ｌ−［ｖ（ｕ）／
（ｔ−ｕ）ｌｄｕ　　　（３）信号ｖ　（ｔ）の大きさ
あるいは振幅の包絡線は下式（４）で定義される。

Ａ（ｔ）−ＩＶ（ｔ）ｌ−ｖ　ｔ　　□Ｈｖ　ｔ　　　
　（４）これは第６図において点線で示した振幅の包絡
線へ（ｔ）に相当する。瞬時振動数δは下式（５）で定
義され、θ（１）は下式（６）で定義される。

δ（ｔ）　−（１／２π）（ｄθ（ｔ）／ｄｔ）　　　
　　　　　（５）θ（ｔ）　＝ａｒｃｔａｎ　（Ｈ（ｖ
　（ｔ）　）／ｖ　（ｔ）　）　　　　　　　Ｃ６）振
幅の包絡線Ａ（ｔ）および瞬時振動数θ（１）を求める
ために他の方法も用いることが可能である。これらの値
は定常状態の応力Ｓ−５とともにステップ４６へ送られ
るが、そこでタービン翼１２の振動に基づき疲れ年令を
積算することが出来る。瞬時振動数；ｙ　（ｔ）はＦ　
（ｔ）の値を与え、振幅＾（１）はデータ蓄積ユニット
３０に蓄積され先端部のたわみと応力とを相関する実験
室でのテストで発生したデータを用いて実際の振動応力
ａ、（ｔ）へ変換することが出来る。かくして、疲れ年
令を積算するために必要な式（１）の全ての項がステッ
プ４６において得られ、ステップ４８において疲れ年令
を求めることが出来る。

ここで注意すべきは、累積疲れの控えめな予測を行なう
ために定常状態の応力ａ、（ｔ）および振動応力ε、（
ｔ）を代数的に加算する必要があると仮定していること
である。モニターされる物体の疲れ寿命を更に実際の値
に近いように予測することが望まれる場合には、振動お
よび定常状態の応力を加算する適当な方法を決定するた
めに有限要素法による分析を用いることが可能である。

以上において本発明をタービンローターにおける疲労の
測定に用いるものとして説明した。本発明の方法を利用
出来る同じような物体には翼壁、プロペラ翼およびジェ
ットエンジンのコンプレッサー・セクションがある。ま
た蒸気発生器のチュ７ブのフレッティングは疲れと同じ
ような態様で振動により累積する。かくして、適当なセ
ンサーを用いることにより蒸気発生器のチューブのフレ
ッティングの積算に本発明を利用出来る。−数的に、第
６図に示した波形のように短期間に振幅が突然増加しそ
れによる損傷が累積するような爆発性の力は如何なるも
のでも、本発明によりその力による損傷の積算値を評価
することによりモニター可能である。

本発明の種々の特徴および利点は以上の詳細な説明から
明らかであろう。そして頭書の特許請求の範囲は本発明
の真の精神および範囲に属する装置のかかる特徴および
利点を全て包含するものである。更に、当業者にとりで
は多数の変形例および設計変更が容易に想到されるであ
ろうから、それらは本発明を本明細書で説明し図示した
特定の構成および動作態様だけに限定するものではない
。従って、適当な変形例および等両側は全て本発明の範
囲に入るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、センサーを本発明に従って配置した、タービ
ン軸および一列の翼を示す斜視図である。 第２図は、本発明の好ましい実施例のブロック図である
。 第３図は、本発明の装置により翼を識別する要素を示す
概略図である。 第４Ａおよび４Ｂ図は、タービン翼が振動により予測位
置から変位する様子を示すグラフである。 第５図は、累積疲れを評価するため本発明によって利用
される方法のフローチャートである。 第６図は、タービン翼の振動のグラフ表示である。 ｌＯ・・・ローター軸 １２・・・タービン翼 １６−２２　　・・・センサー ２３・・・タービン翼の群 ２４・・・信号調整回路 ２６・・・デジタイザ ２８・・・データー処理ユニット ３０・・・データー蓄積ユニット 出願人：ウェスチングハウス・エレクトリック・コーポ
レーション 代理人：加藤紘一部（ほか１名） 禰← ＦＩＧ、４Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）疲れにより破壊するまでの振動部材の残余寿命を
   知るため累積疲れを表わす指標として“疲れ年令”を計
   算すべく振動部材の機械的累積疲れを測定する連続測定
   装置において、振動による振動部材の変位を示す変位信
   号を発生させるため振動部材の近傍に設けたセンサー手
   段と、変位信号に基づき振動部材の疲れ年令を計算する
   ための疲れ積算手段とよりなることを特徴とする測定装
   置。 （２）センサー手段は、振動部材の接近を示す信号を発
   生する受動接近プローブと、受動接近プローブが発生す
   る信号の変化を検知する手段とよりなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。 （３）センサー手段は振動部材の変位を光学的に検出す
   る手段よりなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の装置。 （４）振動部材が複数のタービン翼であり、センサー手
   段がタービン翼の径路の外側に配置した少なくとも２つ
   センサーよりなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。 （５）センサー手段が一列のタービン翼の周りに離隔配
   置したほぼ２４個のセンサーよりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載の装置（６）２４個のセン
   サーがタービン翼列の周りに等間隔で配置されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の装置。 （７）センサー手段が２４個未満のセンサーよりなり、
   疲れ積算手段が、変位信号に基づきタービン翼振動の振
   動数変調および振幅変調を決定する振動数−振幅手段と
   、タービン翼の振動に基づき疲れ年令を積算する疲れ年
   令手段とよりなることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項に記載の装置。 （８）振動数−振幅手段が変位信号のヒルベルト変換を
   用いてタービン翼の振動数および振幅を求めることと、
   疲れ年令手段がグッドマンの法則を用いて疲れ年令を計
   算することを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の
   装置。 （９）センサー手段がタービンが発生するトルクを測定
   するためのトルク測定手段を含み、疲れ年令手段が疲れ
   の計算においてタービン翼への定常応力を考慮し、定常
   応力がトルク測定手段により測定されるトルクに基づい
   て決ることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の
   装置。 （１０）センサー手段として２個のセンサーだけが用い
   られることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の
   装置。 （１１）タービン翼の疲れを測定するオンライン疲れ測
   定方法であって、一列のタービン翼の外側に少なくとも
   ２個のセンサーを配置してタービン翼の通過を非接触的
   に検知することによりセンサー信号を発生し、トルク測
   定手段によりタービンが発生するトルクを測定し、ヒル
   ベルト変換を用いて２個のセンサーが発生するセンサー
   信号に基づきタービン翼振動の振動数および振幅を検出
   し、タービン翼振動の振動数および振幅とタービンのト
   ルクに基づき決定されるタービン翼にかかる定常応力に
   グッドマンの法則を適用することによりタービン翼の疲
   れを積算して疲れ年令を計算することを特徴とする測定
   方法。 （１２）２個のセンサーを円周方向に１３５゜離して配
   置することを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載
   の方法。