JPH0727601A - 非接触振動計測方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸気タービンロータ等の回転体の振動を、非
接触で高精度に計測すること。 【構成】 測定対象部に接触しない静止部にレーザ発光
体を置き、このレーザ発光体からのレーザ光を測定対象
部に照射し、その測定対象部からの反射光を受けて測定
対象部の振動を計測するようにしたもの。例えば、ター
ビン動翼４先端のシュラウド５へ向けて、タービン車室
６内のセンサヘッド２２からレーザ光を照射し、反射光
の入射位置の変位に基づき該動翼４の振動を計測する。
シュラウド５を有しない動翼３の場合には、該動翼の先
端へ向けてレーザ光を照射し、反射信号のドップラ変位
に基づき該動翼３の振動を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば蒸気タービンロ
ータ、軸流型コンプレッサの動翼、過給機の羽根車翼な
ど、各種回転機械の回転振動を、非接触で計測するため
の方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の蒸気タービンロータの回転振動の
計測方法を、図１７を参照して説明する。図１７は蒸気
タービンロータの終段部分を示したもので、回転軸１に
一体に形成されたディスク２の周縁に設けられた、最終
段のＬ−０動翼３と最終段から数えて１段目のＬ−１動
翼４とが示されている。Ｌ−１動翼４の先端にはシュラ
ウド５が設けられている。これら、回転軸１、ディスク
２、Ｌ−０動翼３、Ｌ−１動翼４と図示していないさら
に数段の動翼を含め、ロータと称している。このロータ
は車室６内に収納されている。

【０００３】そして、計測対象となる各Ｌ−１動翼４の
根元部にストレンゲージ１１を貼り付けるとともに、テ
レメータ発信装置１２を車室６に近いロータ部分に固定
してある。ストレンゲージ１１とテレメータ発信装置１
２との間を、リード線１３で接続しているが、リード線
１３は翼面からロータ表面を這わせて、回転中の遠心力
で飛散しないように、接着剤などでしっかり固定してあ
る。一方、静止側である車室６の内側には、受信アンテ
ナ１４が設けてあり、この受信アンテナ１４は高周波ケ
ーブル１５を介して受信機１６に接続されている。

【０００４】さて、上記のように構成されたものによ
り、次のようにして動翼の振動が計測される。すなわ
ち、Ｌ−１動翼４に貼り付けたストレンゲージ１１は、
ロータの回転により動的歪みを受け、その動的歪みに比
例して電気抵抗が変化する。この変化をテレメータ発信
装置１２で受けてＦＭ変調し、電波として放射する。こ
の電波を受信アンテナ１４でキャッチし、受信機１６で
復調することにより、Ｌ−１動翼４の振動に比例したア
ナログ信号を得、図示しないＦＦＴアナライザなどによ
って、所望の振動解析を行い、回転中の動翼の振動特性
を計測する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来
は、テレメータ方式により動翼の振動を計測するもので
あるが、この方式には次のような問題があった。すなわ
ち、電波法上使用可能な周波数は、８８ＭＨｚ〜１０８
ＭＨｚとなっているので、この範囲内では、各ストレン
ゲージ１１毎のテレメータ発信装置１２に配分する周波
数は、せいぜい６チャンネル分しか設定することができ
ず、従って、同時に６点の計測しかできなかった。その
ため、１回の測定では６本の動翼の振動特性しか計測す
ることができず、１段に１００〜１２０本も植込まれて
いる動翼の回転中の全体的な振動特性を把握することが
できなかった。

【０００６】また、ストレンゲージの動翼への貼り付け
や、ストレンゲージとテレメータ発信装置との間を接続
するリード線の取り付け作業には、多大な労力を必要と
し、全動翼の振動特性を計測することは極めて困難であ
った。

【０００７】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するためになされたもので、テレメータ方式によら
ず、非接触で動翼などの回転体の振動を高精度に計測す
ることができる方法及び装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、測定対象部に接触しない静止部にレー
ザ発光体を置き、このレーザ発光体からのレーザ光を測
定対象部に照射し、その測定対象部からの反射光を受け
て測定対象部の振動を計測するようにしたものである。

【０００９】

【作 用】上記の手段によれば、測定対象部に対して非
接触の状態で対象部の振動特性を測定することができる
とともに、多数の測定対象部の振動特性を、センサを交
換することなく測定することができる。また、レーザ光
を利用することにより、対象部の変位やレーザ光の干渉
として微少な振動を計測することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る非接触振動計測方法およ
びその装置の実施例について、図１ないし図１６を参照
して詳細に説明する。なお、これらの図において、図１
７と同一部分には同一符号を付してあるのでその部分の
説明は省略する。

【００１１】先ず、第１の実施例について、図１ないし
図９を参照して説明する。

【００１２】図１は、図１７と同様の蒸気タービンロー
タの終段部分を示したものであり、回転振動試験を行う
場合には、ロータ部分を特別の真空車室の中に設置して
回転させ、回転変化に対する動翼の振動状態を試験する
ことになる。ここでは、Ｌ−１動翼４の振動を測定する
ものとして、動翼４の先端に設けてあるシュラウド５の
側面に向けて、回転軸１の軸方向からレーザ光を照射す
るように、車室６の内側に取付けた取付台２１にセンサ
ヘッド２２を固定してある。このセンサヘッド２２は、
ロータの回転によって振動しないように強固に固定され
ている。なお、真空室内といっても、ロータは残留空気
との回転摩擦によって発熱し、軸方向へ数ｍｍ伸びるの
で、センサヘッド２２はこの熱伸びによるロータとの接
触を避けるため、１０ｍｍ程度は離して設置しておく必
要がある。また、回転軸１の一部に光反射テープ２３を
貼付し、この光反射テープ２３に対向する位置に光検出
器２４を設けて、回転軸１の回転数が検出できるように
なっている。この回転数の検出には、その他既知の手段
が適宜使用できる。

【００１３】図２はＬ−１動翼４の一部を拡大した図で
ある。シュラウド５は各翼の先端にそれぞれ一体に取付
けられており、ディスク２の全円周上に動翼４を植込む
と、各シュラウド５間はわずかな隙間しか形成されず、
ロータが回転するとその遠心力による動翼４の捩じり戻
りによって、隣接するシュラウド５どうしが接触し、ロ
ータの回転中はシュラウド５が一つの輪を形成するよう
になる。このようなシュラウド５の側面に向けて、図１
に示したセンサヘッド２２からレーザ光を照射する。

【００１４】次に、センサヘッド２２の詳細について、
図３を参照して説明する。センサヘッド２２はレーザ式
変位計を構成しており、内部には、半導体レーザ駆動部
３１で励起される半導体レーザ素子３２が設けられてい
て、ここから放射されたレーザ光は、投光レンズ３３に
より集束され、シュラウド５の側面に照射される。ま
た、センサヘッド２２の内部には受光レンズ３４および
受光素子３５も設けられており、シュラウド５の側面で
反射したレーザ光を集束させて受光し、受光素子３５か
らは、受光位置に対応した電気信号を送出する。この受
光素子３５からの電気信号や半導体レーザ駆動部３１へ
供給する電力などは、ケーブル３６を通して送受され
る。

【００１５】なお、センサヘッド２２内部のほとんどが
半導体回路素子で構成されているため、熱に対する対策
が必要となり、そのためセンサヘッド２２は、水冷容器
３７にすっぽり入れ込まれて、試験中に内部温度が４０
℃を越えないように、連続的に冷却している。この水冷
容器３７はその下方に冷却水入口３８がまた上方に冷却
水出口３９が設けられており、またケーブル３６の貫通
部には防水用のパッキン４０が詰め込まれている。

【００１６】さて、このようなセンサヘッド２２を用い
た、Ｌ−１動翼４の振動の計測法について、図４に示し
たレーザ式変位計による非接触振動計測装置の一実施例
の系統図を参照して説明する。ロータの回転中に、動翼
４が振動するとその振動はシュラウド５に伝達され、シ
ュラウド５が振動によって蛇行すると回転軸方向へ変位
することになる。そのため、図３において、振動のない
状態ではシュラウド５がＢ位置にあるものとすれば、振
動している状態では、シュラウド５はＡ位置とＣ位置と
の間を変位することになる。従って、シュラウド５の位
置によって、シュラウド５の側面で反射したレーザ光の
受光素子３５に達するまでの距離や角度が微妙に変化
し、受光素子３５から出力される電気信号もそれに応じ
て変位することになる。

【００１７】そして、受光素子３５からの電気的な変位
信号は、ケーブル３６を通して処理装置４１へ供給さ
れ、ここでデータ処理が施されてシュラウド５の振動に
応じたアナログ電気信号に変換される。この信号はブラ
ウン管オシロスコープのような表示装置４２へ供給さ
れ、振動波形として表示される。一方、光検出器２４で
検出した回転軸１の回転信号は、増幅器４３で増幅され
て波形整形され、１回転当り１つのパルス信号を発生す
る。このパルス信号はデジタル回転計４４に供給され、
回転軸１の回転数を計数して表示するとともに、表示装
置４２へも供給されて、回転周期を示す信号として振動
波形とともに表示される。なお、図４には示していない
が、ＦＦＴアナライザ、データレコーダ、データ作図装
置などを備えて、時々刻々の振動データの変化を解析
し、記録することもできる。

【００１８】表示装置４２に表示される振動波形は、図
５および図６に示すようなものとなる。すなわち、シュ
ラウド５が振動していない状態では、その端面は図３の
Ｂ位置にあって変位しないので、表示装置４２に表示さ
れる振動波形は、図５に示すように振幅がＢの直流波形
４５となり、回転周期を示すパルス４６とともに表示さ
れる。この振幅Ｂは、シュラウド５とセンサヘッド２２
との間の設定距離に相当する直流電圧分である。他方、
シュラウド５が振動して、その端面が図３のＡ位置とＣ
位置との間を変位している場合には、図６に示すよう
に、レベルＢを基準としてＡとＣの間を変位する振動波
形４７が表示される。この例では、回転軸１の１回転周
期Ｔの間に、丁度４周期分の振動波形４７が表示されて
おり、このことは、回転数の４倍の周波数で動翼４が共
振していることを示している。

【００１９】ところで、Ｌ−１動翼４の全てのシュラウ
ド５が、図２に示すように相互に接続し合って全周が一
体になっている場合には、これを無限翼群と称してい
る。この無限翼群となっている動翼の振動特性は、１本
１本の動翼が個別に振動するのではなく、全周の動翼が
関連しあって、あたかも１枚の円板のように振動するこ
とが知られている。

【００２０】図７は、Ｌ−１動翼４の全てが円板状にな
って振動している振動モードを説明するために示した説
明図である。この振動モードは、ロータの静止中に、ハ
ンマリングによる静的加振試験を行い、任意の１枚の動
翼を基準として、全周の各動翼の振動を実測して描いた
もので、基準の動翼に対して振動の変位が同相であれば
＋（プラス）符号を、逆相のときは−（マイナス）符号
をつけて描いている。この図７の例では、振動モードの
花弁が４個あり、軸対称に振幅の節点（振幅が０の点）
同志を直線で結んだとき、４本の直線を引くことができ
る。このような振動モードを４ＮＤ（Nodal Dia …節
径）と呼んでいる。また、このＮＤ数は順次増加し、２
０位までが観察対象となる。

【００２１】さて、横軸をＮＤ数とし縦軸を共振振動数
として、ＮＤ数と共振振動数との関係をグラフにプロッ
トすると図８のようになる。これはロータの静止中に測
定したものであり、ロータの回転中には遠心力が付加さ
れるため、各ＮＤ振動数は上昇する傾向となる。この関
係を図示したものをキャンベル線図と称し、各ＮＤ振動
数の回転数に対する変化曲線であるが、図９に示すよう
に、横軸をロータの回転数、縦軸を翼の振動数として、
各ＮＤ数についてプロットしたものとなる。また、図９
に１Ｈ，２Ｈ，３Ｈ…で示した直線はハーモニクス線と
称し、回転数の整数倍の振動数を順次表したものであ
り、図中４ＮＤ線と４Ｈ線との交点、５ＮＤ線と５Ｈ線
との交点…のように係数の同じ両方の線の交点に描いた
丸印は、これらの交点で共振が特に大きくなることを示
している。そして、丸の大きさで共振振幅の大きさを表
している。このような、図９に示されているＮＤ振動数
の変化曲線、ＮＤ線とハーモニクス線との交点での共振
振幅の大きさと、その周波数などを実測するのが回転振
動試験の主目的となる。

【００２２】上述のように、この実施例では、回転する
動翼へ向けて静止側の１点にセンサヘッドを設置してお
くことにより、図７に示す振動モードを示す場合の振
幅、振動数などを測定することができる。

【００２３】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。この実施例は、図７に示した振動モードが、例え
ばロータ固定ではなく空間に固定する振動特性であると
き、この共振時に限ってシュラウド５とセンサヘッド２
２との間は時間的に一定値となって変動分が検出できな
くなるので、それを補うためのものである。

【００２４】すなわち、図１０に概略を示すように、第
１の実施例で説明したセンサヘッド２２を、動翼４のシ
ュラウド５へ向けて、円周上に複数個設置したものであ
り、この場合の計測装置の系統図を図１１に示してあ
る。すなわち、複数のセンサヘッド２２ａ，２２ｂ，２
２ｃ…に対応する数の処理装置４１ａ，４１ｂ，４１ｃ
…を備え、各処理装置４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…の出力
をマルチプレクサ５１へ供給し、マルチプレクサ５１で
多チャンネル同時サンプリングした数値データを、デー
タ処理装置５２へ入力する。例えば、円周上に１６個の
センサヘッドが配置されているものとすると、各センサ
ヘッドから、図１２に黒丸印で示すような振幅信号がデ
ータ処理装置５２へ入力される。そこで、データ処理装
置５２では、内部演算処理機能によって正弦波の周期、
振幅、位相の内挿処理が実行され、演算誤差の最も少な
い波形を推算して、点線波形を表示し、そのときの振
幅、周波数、位相も合わせて出力する。

【００２５】この実施例の場合、円周上に配置するセン
サヘッドの数は、サンプリングの定理から、測定したい
最大ＮＤ数の２倍かそれ以上とする必要がある。このよ
うにすると、特殊なケースでまれにしか起こらない現象
の、振動モードの空間固定の場合でも測定が可能とな
る。なお、振動モードが通常のロータ固定の場合には、
センサヘッドと処理装置の１つの組み合わせを使用すれ
ば、第１の実施例と同様の測定法となることは言うまで
もない。

【００２６】次に、本発明の第３の実施例について、図
１３ないし図１６を参照して説明する。この実施例は、
レーザのドップラ変位を利用することにより、Ｌ−０動
翼３の振動を計測する場合に好適なものである。

【００２７】図１３は、タービンのＬ−０動翼３の先端
部へ、回転軸の方向からレーザ光を照射できるように、
レーザヘッド６１を設けた様子を示した部分的な拡大図
であり、レーザヘッド６１はレーザガイド６２とともに
支持台６３によって、車室６の内側に強固に支持されて
いる。

【００２８】図１４は、図１３に示したＬ−０動翼３の
先端側から見た図であり、動翼３には動翼４のようにシ
ュラウド５がなく、動翼３の上側と下側についているス
タブ６４を介して、５枚の動翼３が１組となるように溶
接されて連結されている。

【００２９】この実施例の場合の計測装置の系統図を図
１５に示してある。すなわち、レーザヘッド６１から動
翼３の先端部へレーザ光が照射され、その反射光はレー
ザヘッド６１で受けてレーザガイド６２を介してレーザ
ドップラ振動計６５に導入される。この場合、Ｌ−０動
翼３にはシュラウドがなく、レーザ照射面が翼毎に大き
く切れ込むことになるので、レーザドップラ振動計６５
内に設けられているデータ処理装置からは、図１６に示
すようなパルス列６６が出力される。このパルス列６６
の上側先端が、各翼毎の振動変位を示すことになる。従
って、パルス列６６の上側先端を結んだ包絡線６７が、
Ｌ−０動翼３全体の振動波形となり、これは包絡線処理
器６８によって演算処理されて、振幅、振動数、回転パ
ルスに対する位相が求められる。なお、回転軸１の回転
数の計測方法は、第１、第２の実施例と同様である。

【００３０】このレーザドップラ振動計６５は、レーザ
波長のドップラ干渉の原理を応用して、高感度で高速の
振動速度の測定を行うものである。これを変位振幅に換
算すると、１ｎｍ〜５ｍｍ、１Ｈｚ〜１ＭＨｚの振動感
度と周波数応答を有することになる。従って、Ｌ−０動
翼３の先端が、６００ｍ／ｓの周速で回転しているとき
でも、６００×１０３ｍｍ／１ＭＨｚ＝０．６ｍｍのピ
ッチ毎の精度で振動振幅を検出できる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
静止側にレーザヘッドなどの測定部材を配置して、非接
触で回転側である測定対象の振動を測定することができ
るので、多数の測定対象部の振動特性を、センサを交換
することなく測定することができる。また、レーザ光を
利用することにより、対象部の変位やレーザ光の干渉と
して微少な振動を、極めて高感度に測定することができ
る。さらに、測定準備に要する労力も軽減され、作業効
率を大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非接触振動計測方法を説明するた
めに示した、蒸気タービンロータの終段部分の構成図で
ある。

【図２】図１におけるＬ−１動翼の一部を拡大して示し
た斜視図である。

【図３】本発明に係る非接触振動計測装置のセンサヘッ
ド部の一実施例を示した構成説明図である。

【図４】本発明に係る非接触振動計測装置の一実施例の
系統図である。

【図５】本発明の作用を説明するために、表示装置に表
示される振動波形の一例を示した図である。

【図６】本発明の作用を説明するために、表示装置に表
示される振動波形の他の例を示した図である。

【図７】Ｌ−１動翼の全てが円板状になって振動してい
る振動モードを説明するために示した説明図である。

【図８】ＮＤ数と共振振動数との関係を示した特性図で
ある。

【図９】ＮＤ振動数の回転数に対する変化曲線を示すキ
ャンベル線図である。

【図１０】本発明の第２の実施例を説明するために、セ
ンサヘッドの配置状態を示した図である。

【図１１】本発明に係る非接触振動計測装置の他の実施
例の系統図である。

【図１２】本発明の第２の実施例における各センサヘッ
ドで検出される振動振幅を説明するために示した説明図
である。

【図１３】本発明の第３の実施例を説明するために、セ
ンサヘッドの配置状態を示した図である。

【図１４】図１３に示されているＬ−０動翼を先端側か
ら見た平面図である。

【図１５】本発明に係る非接触振動計測装置の他の実施
例の系統図である。

【図１６】本発明の第３の実施例において、表示装置に
表示される振動波形の一例を示した図である。

【図１７】従来の振動計測装置を説明するために示し
た、蒸気タービンロータの終段部分の構成図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ ディスク ３ Ｌ−０動翼（最終段の動翼） ４ Ｌ−１動翼（最終段から数えて１段目の動翼） ５ シュラウド ６ 車室 ２２ センサヘッド ２３ 光反射テープ ２４ 光検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象部に接触しない静止部にレーザ発
   光体を置き、このレーザ発光体からのレーザ光を測定対
   象部に照射し、その測定対象部からの反射光を受けて測
   定対象部の振動を計測することを特徴とする非接触振動
   計測方法。
2. 【請求項２】タービン動翼の先端に設けられているシュ
   ラウドへ向けて、タービン車室の内側の固定部からレー
   ザ光を照射し、反射光の入射位置の変位に基づきタービ
   ン動翼の振動を計測することを特徴とする非接触振動計
   測方法。
3. 【請求項３】タービン動翼の先端へ向けて、タービン車
   室の内側の固定部からレーザ光を照射し、反射信号のド
   ップラ変位に基づきタービン動翼の振動を計測すること
   を特徴とする非接触振動計測方法。
4. 【請求項４】タービン動翼の先端に設けられているシュ
   ラウドへ向けてレーザ光を照射するとともにその反射光
   を受光するように、タービン車室の内側に固定したセン
   サヘッド部と、このセンサヘッド部からの信号を受けて
   タービン動翼の振動の状態を解析する処理装置とから成
   ることを特徴とする非接触振動計測装置。