JPH0365857B2

JPH0365857B2 -

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Publication number: JPH0365857B2
Application number: JP58230027A
Authority: JP
Priority date: 1983-12-06
Filing date: 1983-12-06
Publication date: 1991-10-15
Also published as: JPS60122327A

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
の負荷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等の回転機械に発
生する負荷依存の低周波振動は、非常に複雑な現
象であり、未だ十分解明されるに至つていない。
この現象は負荷に依存して回転軸系の低次固有振
動数成分が発生するもので、蒸気タービンやコン
プレツサの内部の流れに基因すると考えられてい
る。ところが、この種の振動は負荷運転中でない
とその特性が表われないため、現象の調査は発生
した振動を計測して分析するという方法のみしか
使えなかつた。従つて、この種の振動の発生した
場合しかデータが得られず、振動を発生しない機
械についてはどの程度余裕があるのか、どれ位、
厳しい状態にあるのかを知る方法がなかつた。

この種の振動に対する安定余裕を知るには回転
軸系の低次モードの減衰比がどの程度かを知るこ
とが必要かつ十分である。これには、運転中にデ
ータを取る必要があり、これには外部から何れか
の外乱を与えてその応答により減衰比を求める必
要がある。ところが、従来はこれに対する安全か
つ有効な方法がなかつた。

本発明は回転機械の負荷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
余裕を知ることができる回転機械の負荷依存振動
調査方法を提供することを目的とする。

以下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、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、上記回転機械の回転数
を一定として負荷条件を段階的に制御可能な負荷
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１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調整された信号である。１
２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１０、
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２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１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２１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。

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２７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２４の出力はパルスカウンタ３
０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、
上記回転機械の回転数を一定として負荷条件を段
階的に変化させ、この各負荷状態毎の振動応答デ
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。

以下本発明方法について説明する。回転機械を
第３図のように定常回転数（一定）にて運転し、
無負荷状態を所定時間保持し、この状態で無負荷
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。

次に回転機械の回転数を一定とし、かつ負荷を
例えば１／４，２／４，３／４，４／４へと上昇
させて、各負荷状態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４図のボード線図、第５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６図である。第６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負荷依存低周波振動
の特性を解明でき、運転中のこの種の振動に対す
る安定余裕を知ることができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する
が、第３図と同様に回転機械を負荷毎に定常回転
数で運転しておき、各負荷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１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８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８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９図である。第１０図は減衰比
と負荷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１１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１１
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゜に調
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れ
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状態を変えた場
合回転機械の固有振動数、減衰比安定性余裕を求
めることができる回転機械の負荷依存振動調査方
法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明方法を実施するための一
例を示す部分正面図および概略構成図、第２図は
第１図の振動解析装置の一例を示す概略構成図、
第３図は本発明の一実施例を説明するためのフロ
ーチヤート、第４図および第５図は減衰比を求め
るためのボード線図およびナイキスト線図、第６
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７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８図〜第１０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および負荷と減
衰比との関係を示す図、第１１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

【特許請求の範囲】

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
記回転機械の回転数を一定として負荷条件を段階
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負荷状態毎の振動応答デー
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負荷依存振動調査方法。