翼振動計測装置
【課題】翼の通過タイミングを計測する替わりに翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減する。
【解決手段】タービン動翼の周方向に複数配置され回転軸方向の変位を計測し変位計測信号を出力する非接触型変位計３ａ〜３ｄ、変位計測信号に基づき先端位置を同定した翼先端位置同定信号を出力する翼先端位置同定装置４ａ〜４ｄ、翼先端位置同定信号に基づき振動振幅と振動周波数を算出する翼振動算出装置５ａ〜５ｄ、振動振幅と振動周波数に基づき振動モード次数を同定する振動モード同定装置６を備え、翼先端位置同定装置は複数の測定点の変位にカーブフィッティングを行って曲線を求めピーク位置から先端位置を同定する。
【解決手段】タービン動翼の周方向に複数配置され回転軸方向の変位を計測し変位計測信号を出力する非接触型変位計３ａ〜３ｄ、変位計測信号に基づき先端位置を同定した翼先端位置同定信号を出力する翼先端位置同定装置４ａ〜４ｄ、翼先端位置同定信号に基づき振動振幅と振動周波数を算出する翼振動算出装置５ａ〜５ｄ、振動振幅と振動周波数に基づき振動モード次数を同定する振動モード同定装置６を備え、翼先端位置同定装置は複数の測定点の変位にカーブフィッティングを行って曲線を求めピーク位置から先端位置を同定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種タービンの動翼等において発生する振動を計測するための翼振動計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンやガスタービン等の各種タービンの設計開発、製造においては、性能を向上させると共に事故を防止し信頼性を確保するためにタービンの動翼に発生する振動を計測する必要がある。
【０００３】
従来の翼の振動を計測する装置では、下記の特許文献１、２に記載された装置のように、近接センサを用いて翼の通過タイミングを計測し、通過タイミングの時間差に基づいて振動を求める手法を用いていた。
【０００４】
しかし、上述した従来の翼振動計測装置では、翼の通過タイミングを数百ＭＨｚ以上の高いサンプリング周波数により高精度で計測する必要があった。このため、高いサンプリング周波数と高い時間分解能を有するデータ集録装置を準備する必要があった。
【０００５】
また、高い時刻計測精度を得るために、集録装置の性能のみならず、測定信号の伝送時間にも注意を払う必要があり、さらに、測定した位相差（時間差）を変位に変換しなければならなかった。このため、測定の準備や測定データの解析に多くの時間やコストを要するという課題があった。
【０００６】
一方、近接センサの替わりに、非接触型変位計を用いて翼振動を直接計測する方法も下記の特許文献３において記載されている。
【０００７】
この方法は、数百ｋＨｚ程度のサンプリング周波数で測定を行うため、データ集録装置に要求される時間分解能も比較的低く、測定系の準備やデータ解析も比較的容易である。
【０００８】
しかし、蒸気タービン等の最終段翼のような大型の回転翼を測定する際には、翼の回転速度にサンプリングが追いつかず、一定位置の変位を捉えることができないため高精度で翼振動の計測を行うことが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３１２９４０６号公報
【特許文献２】特許第３５３０４７４号公報
【特許文献３】特開２００３−１７７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、非接触で翼振動を計測する装置は、近接センサを用いた場合には翼の通過タイミングを数百ＭＨｚ以上の高いサンプリング周波数で計測すると共に、測定した位相差を変位に変換する必要があった。このため、測定の準備や測定データの解析に多くの時間やコストを要するという課題があった。
【００１１】
変位を直接測定する場合は、用いる非接触型変位計の応答周波数が最高でも数百ｋＨｚ程度であり、高速で回転する翼の一定位置の変位を正確に測定することが困難となるため、高精度で翼振動の計測を行うことが困難であるという課題があった。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑み、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能な翼振動計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様による翼振動計測装置は、
タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼の先端位置との間のそれぞれの距離に基づいて前記先端位置を同定する翼先端位置同定信号を出力する翼先端位置同定装置と、
前記翼先端位置同定装置に対応して複数設けられ、前記翼先端位置同定装置から出力された前記翼先端位置同定信号を与えられ、前記非接触型変位計から前記タービン動翼の先端位置までの距離の時間的変化に基づき、前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とを算出する翼振動算出装置と、
前記翼振動算出装置のそれぞれから出力された前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とに基づいて、前記タービン動翼の振動モード次数を同定する振動モード同定装置と、
を備え、
前記翼先端位置同定装置のそれぞれは、与えられた前記変位計測信号に含まれる複数の測定点における変位にカーブフィッティングを行い相互間を補間して曲線を求め、この曲線のピーク位置から前記タービン動翼の先端位置を同定することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の一態様による翼振動計測装置は、
タービン動翼の回転数を変化させるための回転数調整装置と、
前記タービン動翼のそれぞれの翼が所定位置を通過する毎に回転同期パルスを出力する回転同期パルス生成装置と、
前記タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記回転同期パルスを与えられた時点における前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼における前記回転同期パルスに対応した同一点との間のそれぞれの距離を示す同一点変位信号を出力する翼同一点測定装置と、
前記翼同一点測定装置からそれぞれ出力された前記同一点測定信号を与えられ、前記タービン動翼のそれぞれの翼毎に対応して並び替えた時系列変位信号を出力する翼基準並び替え装置と、
前記翼基準並び替え装置から出力された前記時系列変位信号を与えられ、高速フーリエ変換を行って高速フーリエ変換結果信号を出力するＦＥＴ演算装置と、
前記ＦＥＴ演算装置から出力された前記高速フーリエ変換結果信号を与えられ、キャンベル線図を作成して前記タービン動翼の振動特性を評価するキャンベル線図作成装置と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の翼振動計測装置によれば、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で高精度で直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び正面図である。
【図２】同第１の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び側面図である。
【図３】同第１の実施の形態において翼先端位置を同定する手法を示す説明図である。
【図４】同第１の実施の形態において翼振動振幅及び振動周波数を算出する手法を示す説明図である。
【図５】同第１の実施形態において非接触型変位計の出力信号の複数の測定点に対してカーブフィットを行う手法を示した説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び正面図である。
【図７】同第２の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び側面図である。
【図８】同第２の実施の形態において、翼先端位置を翼毎に並べ替えてカーブフィッティングを行う手法を示した説明図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示す説明図である。
【図１０】同第３の実施の形態においてタービン動翼の同一点における変位を回転同期パルスを用いて計測する手法を示した説明図である。
【図１１】同第３の実施の形態においてタービン動翼２の同一点における変位信号に高速フーリエ変換を行って得られた周波数に対する振動振幅の関係を示すグラフである。
【図１２】同第３の実施の形態においてタービン動翼２の回転数毎に図１１の結果を取得し横軸を回転数、縦軸を振動周波数としてプロットしたキャンベル線図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示す説明図である。
【図１４】同第４の実施の形態による翼振動計測装置により計測が可能な２次の共振モード発生時の変位を示すグラフである。
【図１５】同第４の実施の形態による翼振動計測装置により計測が可能な４次の共振モード発生時の変位を示すグラフである。
【図１６】同第４の実施の形態による翼振動計測装置により計測が可能な８次の共振モード発生時の変位を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態による翼振動計測装置について、図面を参照して説明する。
【００１８】
（１）第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態の構成を示す図として、図１にタービン動翼２の正面図、図２に側面図を示す。
【００１９】
回転軸１に取り付けられたタービン動翼２の回転軸方向の変位を計測するため、タービン動翼２の周方向に沿って所定間隔を開けて、同一半径上に複数の非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが配置されている。
【００２０】
それぞれの非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから出力された変位計測信号が対応する翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに入力され、タービン翼２の先端位置の同定が行われてその結果を示す翼先端位置同定信号が出力される。
【００２１】
翼先端位置同定信号は、対応する翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに与えられ、タービン動翼２の振動振幅及び振動周波数が算出され振動モード同定装置６に出力される。
【００２２】
振動モード同定装置６において、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの設置位置におけるそれぞれの振動振幅及び振動周波数に基づいて、振動モード次数が求められる。
【００２３】
ここで、翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいて翼先端位置を同定する手法について図３を用いて説明する。
【００２４】
図３（ａ）に示されたように、タービン動翼２の翼列が回転し矢印で示された方向に移動する。非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうち、一例として非接触型変位計３ａの前をタービン動翼２の翼列が通過することで、非接触型変位計３ａからは図３（ｂ）に示されたような電圧波形を有する変位計測信号が出力される。ここで、図３（ａ）において四角で示された非接触型変位計３ａによるタービン動翼２の検出位置が、図３（ｂ）において出力電圧波形上で四角で示された位置に対応する。
【００２５】
また、図３（ａ）においてドット２ａ１、２ａ２、２ａ３で示されたタービン動翼２の先端位置が、図３（ｂ）においてドット１０１、１０２、１０３で示された出力電圧波形の最下端のピーク値に対応する。
【００２６】
図４を用いて、翼振動算出装置５によるタービン翼２の振動振幅及び振動周波数を算出する手法について説明する。
【００２７】
図４（ａ）に示されたように、タービン動翼２に振動が発生すると、ドット２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４、２ａ５、２ａ６、２ａ７で示されたタービン動翼２の先端位置と非接触型変位計３までの距離Ｘが変動する。この変動が、図４（ｂ）を用いて説明したドット１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７で示された出力電圧波形の最下端のピーク値の変動となる。そこで、翼先端位置同定装置４ａから出力された翼先端位置に対応した電圧が、翼振動算出装置５ａにおいて、図４（ｂ）に示されたように翼先端位置と非接触型変位計３ａとの間の相対的な距離に換算され、得られた相対的な距離が時系列に記録される。このように記録された時系列データから、タービン動翼２の振動振幅と振動周波数を算出することができる。
【００２８】
さらに第１の実施の形態では、翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいてそれぞれタービン動翼２の先端位置を同定する際に、カーブフィッティングを行う点に特徴がある。
【００２９】
図５（ａ）において、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆのうち、例えば非接触型変位計３ａによりタービン動翼２までの距離が計測される。タービン動翼２が非接触型変位計３ａの前を通過するときに、タービン動翼２におけるサンプリングのタイミングに対応した不連続な翼測定位置２ａ１１、２ａ１２、２ａ１３、２ａ１４、２ａ１５との距離が計測され変位計測信号が出力される。
【００３０】
このような変位計測信号が翼先端位置同定装置４ａに入力されると、不連続な翼計測位置２ａ１１、２ａ１２、２ａ１３、２ａ１４、２ａ１５における計測値がサンプリングされ記憶される。
【００３１】
そして、それぞれの翼測定位置２ａ１１、２ａ１２、２ａ１３、２ａ１４、２ａ１５における測定値に対して、相互間を補間するように例えば最小二乗法等が用いられカーブフィッティングが行われることにより、点線で示されたような曲線Ｓが求まる。この曲線Ｓにおけるピーク値から、翼先端推定位置２ａ１４が求められる。
【００３２】
タービン動翼２の回転速度が高速になると、非接触型変位計を用いて翼先端位置の同定を行うことが困難になる。そこで、翼先端付近の複数の計測位置における非接触型変位計からの変位計測信号の電圧値がサンプリングされて取得され、これらの値に対してカーブフィッティングが行われる。このようにして得られた曲線Ｓのピーク値を翼先端位置と同定することで、翼先端位置同定の精度を向上させることができる。サンプリング周波数は高いほど翼先端位置同定の精度は高くなるが、処理量が増大するため処理時間及びコストを勘案し、例えば数百ｋＨｚオーダ程度の周波数に設定してもよい。
【００３３】
第１の実施の形態によれば、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能である。
【００３４】
尚、測定値にカーブフィッティングを行う際に、予めタービン動翼２の形状を示すデータを図示されていない記憶装置等に記憶しておき、このデータを用いてカーブフィッティングを行うことで、タービン動翼２の曲線形状を精度良く求めることができる。さらに、タービン動翼２は運転状態により変化するが、それぞれの運転状態における形状データを記憶しておくことで、より高精度で曲線形状を求めて翼先端位置の同定を行うことができる。
【００３５】
（２）第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態の構成を示す図として、図６にタービン動翼２の正面図、図７に側面図を示す。
【００３６】
第２の実施の形態は、上記第１の実施の形態の構成において、回転軸１の回転数を変化させるための回転数調整装置８がさらに設けられた点が相違する。上記第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００３７】
回転軸１を所定回転数で回転させたときに、翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいてそれぞれタービン動翼２の翼先端位置の同定が行われ、翼先端位置同定信号が出力される。上記第１の実施の形態と同様に、翼先端位置同定信号が対応する翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに与えられ、タービン動翼２の振動振幅及び振動周波数が算出されて振動モード同定装置６に出力される。
【００３８】
振動モード同定装置６には、翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから振動振幅、振動周波数が与えられると共に、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから出力された変位計測信号が与えられる。
【００３９】
振動モード同定装置６において、この変位計測信号に含まれる翼先端位置を示すデータが、タービン動翼２における翼毎に並び替えられて共振モード次数の判定が行われる。具体的には、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのそれぞれの前を翼が順に通過して得られた変位計測値が、各翼毎に収集される。
【００４０】
回転数調整装置８により回転軸１の回転数が変化し共振現象が発生すると、図８に示されるようなある一つの翼が１回転する間に変位が規則的に変化するグラフが得られる。この変位が変化する曲線をサイン曲線に近似する。サンプリングにより得られた不連続の変位計測値に対し、振動モード同定装置６においてカーブフィッティングが行われ、共振モードが同定される。
【００４１】
このように、共振状態において不連続な変位計測値をサイン曲線にカーブフィッティングすることにより、非接触型変位計３の個数を減らすことができるため計測に要するコストを低減することができる。
【００４２】
第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することができると共に、共振発生時における不連続な変位計測値をサイン曲線にカーブフィッティングすることで非接触型変位計３の個数を減らしコスト低減に寄与することができる。
【００４３】
（３）第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態による翼振動計測装置について、図９を参照して説明する。
【００４４】
タービン動翼２の周方向に沿って、１６個の非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐが配置されている。
【００４５】
さらに、タービン動翼２の所定位置に、回転同期パルス生成装置１１が設置されており、タービン動翼２の任意の翼が所定位置を通過する毎に回転同期パルスが生成されて、各々の非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐに与えられる。
【００４６】
これにより、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐにおいて、回転同期パルスを与えられた時点における回転中のタービン動翼２までの距離（変位）を示す変位計測信号が生成され出力される。
【００４７】
出力された変位計測信号が、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐに対応する同数の翼同一点測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…、１２ｐにそれぞれ与えられる。翼同一点測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…、１２ｐにおいて、変位計測信号に基づいて、回転するタービン動翼２の同一点までの距離が計測され、同一点変位信号が出力される。このようにして、翼同一点測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…、１２ｐからそれぞれ同一点変位信号が出力され、翼基準並び替え装置１３に与えられる。
【００４８】
翼基準並び替え装置１３において、与えられた１６個の同一点変位信号が、タービン動翼２の各々の翼毎に対応して並び替えられ、時系列変位信号として出力され、ＦＥＴ演算装置１４に与えられる。
【００４９】
ＦＥＴ演算装置１４において、翼毎に対応して並び替えられた時系列変位信号に対して高速フーリエ変換が施され、得られた結果が高速フーリエ変換結果信号としてキャンベル線図作成装置１５に与えられる。
【００５０】
キャンベル線図作成装置１５において、高速フーリエ変換結果信号に基づいて図１２を用いて後述するようなキャンベル線図が作成され、タービン動翼２の振動特性が評価され、その結果が評価結果信号として外部に出力される。
【００５１】
図１０（ａ）に示されたように、タービン動翼２におけるそれぞれの翼の同一点２ａ１、２ａ２、２ａ３の変位を計測する必要がある。そこで、図１０（ｂ）に示されたような回転同期パルスを用いて、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐから出力される変位計測信号におけるそれぞれの翼の同一点２ａ１、２ａ２、２ａ３に対応した位置１０１、１０２、１０３の変位が特定される。これにより、各々の翼同一点測定装置１２ａ〜１２ｐにおいて、それぞれの翼の同一点の変位が計測される。
【００５２】
そして回転数調整装置８により、回転数を徐々に上昇させながら計測を行い、共振点および共振モードを求めていく。
【００５３】
一般に、Ｎ（Ｎは自然数）次の共振モードを計測したい場合、２＊Ｎ個のセンサが必要となる。この第３の実施の形態では、１６個の非接触型変位計３ａ〜３ｐを用いているので、８次の共振モードまで捉えることが可能である。
【００５４】
図１１に、所定の回転数において、翼基準並び替え装置１３により生成されたタービン動翼２の同一点における変位計測信号に対し、ＦＦＴ演算装置１４により高速フーリエ変換が施されて得られた周波数に対する振動振幅の関係を示す。共振点は振動振幅が最大となる時点であり、この時の周波数が共振周波数となる。
【００５５】
このような高速フーリエ変換を、タービン動翼２の回転数毎に行っていく。得られた結果を、横軸を回転数、縦軸を振動周波数としてグラフにプロットしたものを、図１２のキャンベル線図に示す。
【００５６】
このキャンベル線図において、それぞれの回転周波数の所定整数倍を繋いだ直線を示す。例えば、１Ｈ（Ｈは自然数）の直線は、回転周波数の１倍の周波数を繋いだ直線、２Ｈの直線は、回転周波数の２倍の周波数を繋いだ直線、…、８Ｈの直線は、回転周波数の８倍の周波数を繋いだ直線である。
【００５７】
また、このキャンベル線図に示した白丸印の大きさは、振動振幅の大きさに比例するものとする。このため、図１２における縦方向一列に配置された１組の白丸印の大きさが、所定回転数における１Ｈから８Ｈまでのそれぞれの振動振幅の大きさに対応し、この１組が図１１のグラフに示された所定回転数における振動振幅に対応する。
【００５８】
このようにしてキャンベル線図作成装置１５により作成されたキャンベル線図において、回転数に関係なく振動振幅が大きくなる振動周波数が、共振点における共振周波数として見積もられる。
【００５９】
第３の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能であると共に、キャンベル線図を作成することで共振周波数を求めることができる。
【００６０】
（４）第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態による翼振動計測装置について、図１３〜図１６を参照して説明する。
【００６１】
第４の実施の形態は、図１３に示された構成を備えている。タービン動翼２の周方向に沿って、１番目の非接触型変位計３ａが配置され、この非接触型変位計３ａから、２２．５度の角度の間隔を開けて２番目の非接触型変位計３ｂが配置され、１番目の非接触型変位計３ａから４５度の間隔を開けて３番目の非接触型変位計３ｃが配置され、さらに１番目の非接触型変位計３ａから９０度の間隔を開けて４番目の非接触型変位計３ｄが配置されている。
【００６２】
非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから出力された変位計測信号が、それぞれに対応して設けられた翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに与えられてそれぞれにおいて翼の先端位置の同定が行われ、その結果が翼先端位置同定信号として出力され翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに与えられる。
【００６３】
翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにおいて、翼先端位置同定信号に基づいてタービン動翼２の振動振幅及び振動周波数が算出され、その結果が翼振動信号として振動モード同定装置６に与えられる。
【００６４】
振動モード同定装置６において、非接触型変位計３ａ〜３ｄが配置された位置における振動振幅及び振動周波数に基づいて、振動モードが同定される。
【００６５】
図１４に、２次の共振モードが発生した場合に、タービン動翼２の周方向に沿って上述の角度の間隔を開けて順に配置された非接触型変位計３ａ〜３ｄにより、それぞれ計測された変位を黒丸印で示す。同様に、図１５に４次の共振モードが発生した場合、図１６に８次の共振モードが発生した場合に、非接触型変位計３ａ〜３ｄによりそれぞれ計測された変位を示す。
【００６６】
図１４に示された２次の共振モードでは、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置位置に対応する測定点２０１、２０２、２０３の変位がプラス側、測定点２０４の変位がマイナス側に位置する。
【００６７】
図１５に示された４次の共振モードでは、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置位置に対応する測定点２０１、２０２の変位がプラス側、測定点２０３の変位がマイナス側、さらに測定点２０４の変位がプラス側に位置する。
【００６８】
図１６に示された８次の共振モードでは、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置位置に対応する測定点２０１の変位がプラス側、測定点２０２の変位がマイナス側、測定点２０３の変位がプラス側、さらに測定点２０４の変位がプラス側に位置する。
【００６９】
このようにして、いずれの共振モードが発生したか容易に判別することができる。
【００７０】
尚、ここでは８次の共振モードまで捉えるために、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置の最小間隔が２２．５度、即ち８次の振動モードの半周期分となっている。このような間隔で配置することにより、８次の振動モードにおける節を必ず捉えることができる。
【００７１】
さらに、この最小間隔２２．５度の偶数倍の間隔で非接触型変位計を配置することにより、より低次の振動モードの節を捉えることができる。
【００７２】
従って、第４の実施の形態によれば、等間隔で周方向に非接触型変位計を配置していた場合と比較し、非接触型変位計の個数を低減させて共振モードの次数を効率よくとらえることができるので、コスト低減に寄与することが可能である。
【００７３】
本発明の幾つかの実施の形態について説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の技術的範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の技術的範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 回転軸
２ タービン動翼
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ 非接触型変位計
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 翼先端位置同定装置
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ 翼振動算出装置
６ 振動モード同定装置
７ 回転冶具
８ 回転数調整装置
９ 渦電流変位計
１０ 回転基準
１１ 回転同期パルス生成装置
１２ 翼同一点測定装置
１３ 翼基準並び替え装置
１４ ＦＦＴ演算装置
１５ キャンベル線図作成装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種タービンの動翼等において発生する振動を計測するための翼振動計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンやガスタービン等の各種タービンの設計開発、製造においては、性能を向上させると共に事故を防止し信頼性を確保するためにタービンの動翼に発生する振動を計測する必要がある。
【０００３】
従来の翼の振動を計測する装置では、下記の特許文献１、２に記載された装置のように、近接センサを用いて翼の通過タイミングを計測し、通過タイミングの時間差に基づいて振動を求める手法を用いていた。
【０００４】
しかし、上述した従来の翼振動計測装置では、翼の通過タイミングを数百ＭＨｚ以上の高いサンプリング周波数により高精度で計測する必要があった。このため、高いサンプリング周波数と高い時間分解能を有するデータ集録装置を準備する必要があった。
【０００５】
また、高い時刻計測精度を得るために、集録装置の性能のみならず、測定信号の伝送時間にも注意を払う必要があり、さらに、測定した位相差（時間差）を変位に変換しなければならなかった。このため、測定の準備や測定データの解析に多くの時間やコストを要するという課題があった。
【０００６】
一方、近接センサの替わりに、非接触型変位計を用いて翼振動を直接計測する方法も下記の特許文献３において記載されている。
【０００７】
この方法は、数百ｋＨｚ程度のサンプリング周波数で測定を行うため、データ集録装置に要求される時間分解能も比較的低く、測定系の準備やデータ解析も比較的容易である。
【０００８】
しかし、蒸気タービン等の最終段翼のような大型の回転翼を測定する際には、翼の回転速度にサンプリングが追いつかず、一定位置の変位を捉えることができないため高精度で翼振動の計測を行うことが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３１２９４０６号公報
【特許文献２】特許第３５３０４７４号公報
【特許文献３】特開２００３−１７７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、非接触で翼振動を計測する装置は、近接センサを用いた場合には翼の通過タイミングを数百ＭＨｚ以上の高いサンプリング周波数で計測すると共に、測定した位相差を変位に変換する必要があった。このため、測定の準備や測定データの解析に多くの時間やコストを要するという課題があった。
【００１１】
変位を直接測定する場合は、用いる非接触型変位計の応答周波数が最高でも数百ｋＨｚ程度であり、高速で回転する翼の一定位置の変位を正確に測定することが困難となるため、高精度で翼振動の計測を行うことが困難であるという課題があった。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑み、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能な翼振動計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様による翼振動計測装置は、
タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼の先端位置との間のそれぞれの距離に基づいて前記先端位置を同定する翼先端位置同定信号を出力する翼先端位置同定装置と、
前記翼先端位置同定装置に対応して複数設けられ、前記翼先端位置同定装置から出力された前記翼先端位置同定信号を与えられ、前記非接触型変位計から前記タービン動翼の先端位置までの距離の時間的変化に基づき、前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とを算出する翼振動算出装置と、
前記翼振動算出装置のそれぞれから出力された前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とに基づいて、前記タービン動翼の振動モード次数を同定する振動モード同定装置と、
を備え、
前記翼先端位置同定装置のそれぞれは、与えられた前記変位計測信号に含まれる複数の測定点における変位にカーブフィッティングを行い相互間を補間して曲線を求め、この曲線のピーク位置から前記タービン動翼の先端位置を同定することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の一態様による翼振動計測装置は、
タービン動翼の回転数を変化させるための回転数調整装置と、
前記タービン動翼のそれぞれの翼が所定位置を通過する毎に回転同期パルスを出力する回転同期パルス生成装置と、
前記タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記回転同期パルスを与えられた時点における前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼における前記回転同期パルスに対応した同一点との間のそれぞれの距離を示す同一点変位信号を出力する翼同一点測定装置と、
前記翼同一点測定装置からそれぞれ出力された前記同一点測定信号を与えられ、前記タービン動翼のそれぞれの翼毎に対応して並び替えた時系列変位信号を出力する翼基準並び替え装置と、
前記翼基準並び替え装置から出力された前記時系列変位信号を与えられ、高速フーリエ変換を行って高速フーリエ変換結果信号を出力するＦＥＴ演算装置と、
前記ＦＥＴ演算装置から出力された前記高速フーリエ変換結果信号を与えられ、キャンベル線図を作成して前記タービン動翼の振動特性を評価するキャンベル線図作成装置と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の翼振動計測装置によれば、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で高精度で直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び正面図である。
【図２】同第１の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び側面図である。
【図３】同第１の実施の形態において翼先端位置を同定する手法を示す説明図である。
【図４】同第１の実施の形態において翼振動振幅及び振動周波数を算出する手法を示す説明図である。
【図５】同第１の実施形態において非接触型変位計の出力信号の複数の測定点に対してカーブフィットを行う手法を示した説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び正面図である。
【図７】同第２の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示すブロック図及び側面図である。
【図８】同第２の実施の形態において、翼先端位置を翼毎に並べ替えてカーブフィッティングを行う手法を示した説明図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示す説明図である。
【図１０】同第３の実施の形態においてタービン動翼の同一点における変位を回転同期パルスを用いて計測する手法を示した説明図である。
【図１１】同第３の実施の形態においてタービン動翼２の同一点における変位信号に高速フーリエ変換を行って得られた周波数に対する振動振幅の関係を示すグラフである。
【図１２】同第３の実施の形態においてタービン動翼２の回転数毎に図１１の結果を取得し横軸を回転数、縦軸を振動周波数としてプロットしたキャンベル線図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態による翼振動計測装置の構成を示す説明図である。
【図１４】同第４の実施の形態による翼振動計測装置により計測が可能な２次の共振モード発生時の変位を示すグラフである。
【図１５】同第４の実施の形態による翼振動計測装置により計測が可能な４次の共振モード発生時の変位を示すグラフである。
【図１６】同第４の実施の形態による翼振動計測装置により計測が可能な８次の共振モード発生時の変位を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態による翼振動計測装置について、図面を参照して説明する。
【００１８】
（１）第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態の構成を示す図として、図１にタービン動翼２の正面図、図２に側面図を示す。
【００１９】
回転軸１に取り付けられたタービン動翼２の回転軸方向の変位を計測するため、タービン動翼２の周方向に沿って所定間隔を開けて、同一半径上に複数の非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが配置されている。
【００２０】
それぞれの非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから出力された変位計測信号が対応する翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに入力され、タービン翼２の先端位置の同定が行われてその結果を示す翼先端位置同定信号が出力される。
【００２１】
翼先端位置同定信号は、対応する翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに与えられ、タービン動翼２の振動振幅及び振動周波数が算出され振動モード同定装置６に出力される。
【００２２】
振動モード同定装置６において、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの設置位置におけるそれぞれの振動振幅及び振動周波数に基づいて、振動モード次数が求められる。
【００２３】
ここで、翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいて翼先端位置を同定する手法について図３を用いて説明する。
【００２４】
図３（ａ）に示されたように、タービン動翼２の翼列が回転し矢印で示された方向に移動する。非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうち、一例として非接触型変位計３ａの前をタービン動翼２の翼列が通過することで、非接触型変位計３ａからは図３（ｂ）に示されたような電圧波形を有する変位計測信号が出力される。ここで、図３（ａ）において四角で示された非接触型変位計３ａによるタービン動翼２の検出位置が、図３（ｂ）において出力電圧波形上で四角で示された位置に対応する。
【００２５】
また、図３（ａ）においてドット２ａ１、２ａ２、２ａ３で示されたタービン動翼２の先端位置が、図３（ｂ）においてドット１０１、１０２、１０３で示された出力電圧波形の最下端のピーク値に対応する。
【００２６】
図４を用いて、翼振動算出装置５によるタービン翼２の振動振幅及び振動周波数を算出する手法について説明する。
【００２７】
図４（ａ）に示されたように、タービン動翼２に振動が発生すると、ドット２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４、２ａ５、２ａ６、２ａ７で示されたタービン動翼２の先端位置と非接触型変位計３までの距離Ｘが変動する。この変動が、図４（ｂ）を用いて説明したドット１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７で示された出力電圧波形の最下端のピーク値の変動となる。そこで、翼先端位置同定装置４ａから出力された翼先端位置に対応した電圧が、翼振動算出装置５ａにおいて、図４（ｂ）に示されたように翼先端位置と非接触型変位計３ａとの間の相対的な距離に換算され、得られた相対的な距離が時系列に記録される。このように記録された時系列データから、タービン動翼２の振動振幅と振動周波数を算出することができる。
【００２８】
さらに第１の実施の形態では、翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいてそれぞれタービン動翼２の先端位置を同定する際に、カーブフィッティングを行う点に特徴がある。
【００２９】
図５（ａ）において、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆのうち、例えば非接触型変位計３ａによりタービン動翼２までの距離が計測される。タービン動翼２が非接触型変位計３ａの前を通過するときに、タービン動翼２におけるサンプリングのタイミングに対応した不連続な翼測定位置２ａ１１、２ａ１２、２ａ１３、２ａ１４、２ａ１５との距離が計測され変位計測信号が出力される。
【００３０】
このような変位計測信号が翼先端位置同定装置４ａに入力されると、不連続な翼計測位置２ａ１１、２ａ１２、２ａ１３、２ａ１４、２ａ１５における計測値がサンプリングされ記憶される。
【００３１】
そして、それぞれの翼測定位置２ａ１１、２ａ１２、２ａ１３、２ａ１４、２ａ１５における測定値に対して、相互間を補間するように例えば最小二乗法等が用いられカーブフィッティングが行われることにより、点線で示されたような曲線Ｓが求まる。この曲線Ｓにおけるピーク値から、翼先端推定位置２ａ１４が求められる。
【００３２】
タービン動翼２の回転速度が高速になると、非接触型変位計を用いて翼先端位置の同定を行うことが困難になる。そこで、翼先端付近の複数の計測位置における非接触型変位計からの変位計測信号の電圧値がサンプリングされて取得され、これらの値に対してカーブフィッティングが行われる。このようにして得られた曲線Ｓのピーク値を翼先端位置と同定することで、翼先端位置同定の精度を向上させることができる。サンプリング周波数は高いほど翼先端位置同定の精度は高くなるが、処理量が増大するため処理時間及びコストを勘案し、例えば数百ｋＨｚオーダ程度の周波数に設定してもよい。
【００３３】
第１の実施の形態によれば、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能である。
【００３４】
尚、測定値にカーブフィッティングを行う際に、予めタービン動翼２の形状を示すデータを図示されていない記憶装置等に記憶しておき、このデータを用いてカーブフィッティングを行うことで、タービン動翼２の曲線形状を精度良く求めることができる。さらに、タービン動翼２は運転状態により変化するが、それぞれの運転状態における形状データを記憶しておくことで、より高精度で曲線形状を求めて翼先端位置の同定を行うことができる。
【００３５】
（２）第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態の構成を示す図として、図６にタービン動翼２の正面図、図７に側面図を示す。
【００３６】
第２の実施の形態は、上記第１の実施の形態の構成において、回転軸１の回転数を変化させるための回転数調整装置８がさらに設けられた点が相違する。上記第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００３７】
回転軸１を所定回転数で回転させたときに、翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいてそれぞれタービン動翼２の翼先端位置の同定が行われ、翼先端位置同定信号が出力される。上記第１の実施の形態と同様に、翼先端位置同定信号が対応する翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに与えられ、タービン動翼２の振動振幅及び振動周波数が算出されて振動モード同定装置６に出力される。
【００３８】
振動モード同定装置６には、翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから振動振幅、振動周波数が与えられると共に、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから出力された変位計測信号が与えられる。
【００３９】
振動モード同定装置６において、この変位計測信号に含まれる翼先端位置を示すデータが、タービン動翼２における翼毎に並び替えられて共振モード次数の判定が行われる。具体的には、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのそれぞれの前を翼が順に通過して得られた変位計測値が、各翼毎に収集される。
【００４０】
回転数調整装置８により回転軸１の回転数が変化し共振現象が発生すると、図８に示されるようなある一つの翼が１回転する間に変位が規則的に変化するグラフが得られる。この変位が変化する曲線をサイン曲線に近似する。サンプリングにより得られた不連続の変位計測値に対し、振動モード同定装置６においてカーブフィッティングが行われ、共振モードが同定される。
【００４１】
このように、共振状態において不連続な変位計測値をサイン曲線にカーブフィッティングすることにより、非接触型変位計３の個数を減らすことができるため計測に要するコストを低減することができる。
【００４２】
第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することができると共に、共振発生時における不連続な変位計測値をサイン曲線にカーブフィッティングすることで非接触型変位計３の個数を減らしコスト低減に寄与することができる。
【００４３】
（３）第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態による翼振動計測装置について、図９を参照して説明する。
【００４４】
タービン動翼２の周方向に沿って、１６個の非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐが配置されている。
【００４５】
さらに、タービン動翼２の所定位置に、回転同期パルス生成装置１１が設置されており、タービン動翼２の任意の翼が所定位置を通過する毎に回転同期パルスが生成されて、各々の非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐに与えられる。
【００４６】
これにより、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐにおいて、回転同期パルスを与えられた時点における回転中のタービン動翼２までの距離（変位）を示す変位計測信号が生成され出力される。
【００４７】
出力された変位計測信号が、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐに対応する同数の翼同一点測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…、１２ｐにそれぞれ与えられる。翼同一点測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…、１２ｐにおいて、変位計測信号に基づいて、回転するタービン動翼２の同一点までの距離が計測され、同一点変位信号が出力される。このようにして、翼同一点測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…、１２ｐからそれぞれ同一点変位信号が出力され、翼基準並び替え装置１３に与えられる。
【００４８】
翼基準並び替え装置１３において、与えられた１６個の同一点変位信号が、タービン動翼２の各々の翼毎に対応して並び替えられ、時系列変位信号として出力され、ＦＥＴ演算装置１４に与えられる。
【００４９】
ＦＥＴ演算装置１４において、翼毎に対応して並び替えられた時系列変位信号に対して高速フーリエ変換が施され、得られた結果が高速フーリエ変換結果信号としてキャンベル線図作成装置１５に与えられる。
【００５０】
キャンベル線図作成装置１５において、高速フーリエ変換結果信号に基づいて図１２を用いて後述するようなキャンベル線図が作成され、タービン動翼２の振動特性が評価され、その結果が評価結果信号として外部に出力される。
【００５１】
図１０（ａ）に示されたように、タービン動翼２におけるそれぞれの翼の同一点２ａ１、２ａ２、２ａ３の変位を計測する必要がある。そこで、図１０（ｂ）に示されたような回転同期パルスを用いて、非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、…、３ｐから出力される変位計測信号におけるそれぞれの翼の同一点２ａ１、２ａ２、２ａ３に対応した位置１０１、１０２、１０３の変位が特定される。これにより、各々の翼同一点測定装置１２ａ〜１２ｐにおいて、それぞれの翼の同一点の変位が計測される。
【００５２】
そして回転数調整装置８により、回転数を徐々に上昇させながら計測を行い、共振点および共振モードを求めていく。
【００５３】
一般に、Ｎ（Ｎは自然数）次の共振モードを計測したい場合、２＊Ｎ個のセンサが必要となる。この第３の実施の形態では、１６個の非接触型変位計３ａ〜３ｐを用いているので、８次の共振モードまで捉えることが可能である。
【００５４】
図１１に、所定の回転数において、翼基準並び替え装置１３により生成されたタービン動翼２の同一点における変位計測信号に対し、ＦＦＴ演算装置１４により高速フーリエ変換が施されて得られた周波数に対する振動振幅の関係を示す。共振点は振動振幅が最大となる時点であり、この時の周波数が共振周波数となる。
【００５５】
このような高速フーリエ変換を、タービン動翼２の回転数毎に行っていく。得られた結果を、横軸を回転数、縦軸を振動周波数としてグラフにプロットしたものを、図１２のキャンベル線図に示す。
【００５６】
このキャンベル線図において、それぞれの回転周波数の所定整数倍を繋いだ直線を示す。例えば、１Ｈ（Ｈは自然数）の直線は、回転周波数の１倍の周波数を繋いだ直線、２Ｈの直線は、回転周波数の２倍の周波数を繋いだ直線、…、８Ｈの直線は、回転周波数の８倍の周波数を繋いだ直線である。
【００５７】
また、このキャンベル線図に示した白丸印の大きさは、振動振幅の大きさに比例するものとする。このため、図１２における縦方向一列に配置された１組の白丸印の大きさが、所定回転数における１Ｈから８Ｈまでのそれぞれの振動振幅の大きさに対応し、この１組が図１１のグラフに示された所定回転数における振動振幅に対応する。
【００５８】
このようにしてキャンベル線図作成装置１５により作成されたキャンベル線図において、回転数に関係なく振動振幅が大きくなる振動周波数が、共振点における共振周波数として見積もられる。
【００５９】
第３の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、翼の通過タイミングを計測する替わりに、翼の回転軸方向の変位を数百ｋＨｚオーダの応答周波数で精度良く直接測定することにより、計測に要する時間及びコストを低減することが可能であると共に、キャンベル線図を作成することで共振周波数を求めることができる。
【００６０】
（４）第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態による翼振動計測装置について、図１３〜図１６を参照して説明する。
【００６１】
第４の実施の形態は、図１３に示された構成を備えている。タービン動翼２の周方向に沿って、１番目の非接触型変位計３ａが配置され、この非接触型変位計３ａから、２２．５度の角度の間隔を開けて２番目の非接触型変位計３ｂが配置され、１番目の非接触型変位計３ａから４５度の間隔を開けて３番目の非接触型変位計３ｃが配置され、さらに１番目の非接触型変位計３ａから９０度の間隔を開けて４番目の非接触型変位計３ｄが配置されている。
【００６２】
非接触型変位計３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから出力された変位計測信号が、それぞれに対応して設けられた翼先端位置同定装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに与えられてそれぞれにおいて翼の先端位置の同定が行われ、その結果が翼先端位置同定信号として出力され翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに与えられる。
【００６３】
翼振動算出装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにおいて、翼先端位置同定信号に基づいてタービン動翼２の振動振幅及び振動周波数が算出され、その結果が翼振動信号として振動モード同定装置６に与えられる。
【００６４】
振動モード同定装置６において、非接触型変位計３ａ〜３ｄが配置された位置における振動振幅及び振動周波数に基づいて、振動モードが同定される。
【００６５】
図１４に、２次の共振モードが発生した場合に、タービン動翼２の周方向に沿って上述の角度の間隔を開けて順に配置された非接触型変位計３ａ〜３ｄにより、それぞれ計測された変位を黒丸印で示す。同様に、図１５に４次の共振モードが発生した場合、図１６に８次の共振モードが発生した場合に、非接触型変位計３ａ〜３ｄによりそれぞれ計測された変位を示す。
【００６６】
図１４に示された２次の共振モードでは、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置位置に対応する測定点２０１、２０２、２０３の変位がプラス側、測定点２０４の変位がマイナス側に位置する。
【００６７】
図１５に示された４次の共振モードでは、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置位置に対応する測定点２０１、２０２の変位がプラス側、測定点２０３の変位がマイナス側、さらに測定点２０４の変位がプラス側に位置する。
【００６８】
図１６に示された８次の共振モードでは、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置位置に対応する測定点２０１の変位がプラス側、測定点２０２の変位がマイナス側、測定点２０３の変位がプラス側、さらに測定点２０４の変位がプラス側に位置する。
【００６９】
このようにして、いずれの共振モードが発生したか容易に判別することができる。
【００７０】
尚、ここでは８次の共振モードまで捉えるために、非接触型変位計３ａ〜３ｄの配置の最小間隔が２２．５度、即ち８次の振動モードの半周期分となっている。このような間隔で配置することにより、８次の振動モードにおける節を必ず捉えることができる。
【００７１】
さらに、この最小間隔２２．５度の偶数倍の間隔で非接触型変位計を配置することにより、より低次の振動モードの節を捉えることができる。
【００７２】
従って、第４の実施の形態によれば、等間隔で周方向に非接触型変位計を配置していた場合と比較し、非接触型変位計の個数を低減させて共振モードの次数を効率よくとらえることができるので、コスト低減に寄与することが可能である。
【００７３】
本発明の幾つかの実施の形態について説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の技術的範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の技術的範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 回転軸
２ タービン動翼
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ 非接触型変位計
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 翼先端位置同定装置
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ 翼振動算出装置
６ 振動モード同定装置
７ 回転冶具
８ 回転数調整装置
９ 渦電流変位計
１０ 回転基準
１１ 回転同期パルス生成装置
１２ 翼同一点測定装置
１３ 翼基準並び替え装置
１４ ＦＦＴ演算装置
１５ キャンベル線図作成装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼の先端位置との間のそれぞれの距離に基づいて前記先端位置を同定する翼先端位置同定信号を出力する翼先端位置同定装置と、
前記翼先端位置同定装置に対応して複数設けられ、前記翼先端位置同定装置から出力された前記翼先端位置同定信号を与えられ、前記非接触型変位計から前記タービン動翼の先端位置までの距離の時間的変化に基づき、前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とを算出する翼振動算出装置と、
前記翼振動算出装置のそれぞれから出力された前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とに基づいて、前記タービン動翼の振動モード次数を同定する振動モード同定装置と、
を備え、
前記翼先端位置同定装置のそれぞれは、与えられた前記変位計測信号に含まれる複数の測定点における変位にカーブフィッティングを行い相互間を補間して曲線を求め、この曲線のピーク位置から前記タービン動翼の先端位置を同定することを特徴とする翼振動計測装置。
【請求項２】
前記タービン動翼の回転数を変化させるための回転数調整装置をさらに備え、
前記回転数調整装置により前記タービン動翼の回転数が変化して前記タービン動翼に共振現象が発生した時に、前記翼先端位置同定装置により同定された翼先端位置同定信号を、前記振動モード同定装置が前記タービン動翼の翼毎に並び替えて収集し、共振モード次数を同定することを特徴とする請求項１に記載の翼振動計測装置。
【請求項３】
前記タービン動翼の周方向に沿って複数配置された前記非接触型変位計は、第１、第２、第３、第４の非接触型変位計を少なくとも含み、
前記第２の非接触型変位計は前記第１の非接触型変位計に対して所定次数の共振モードの半周期分の間隔を開けた位置に配置され、前記第３の非接触型変位計は前記第１の非接触型変位計に対して前記間隔の２倍の間隔を開けた位置に配置され、前記第４の非接触型変位計は前記第１の非接触型変位計に対して前記間隔の４倍の間隔を開けた位置に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の翼振動計測装置。
【請求項４】
タービン動翼の回転数を変化させるための回転数調整装置と、
前記タービン動翼のそれぞれの翼が所定位置を通過する毎に回転同期パルスを出力する回転同期パルス生成装置と、
前記タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記回転同期パルスを与えられた時点における前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼における前記回転同期パルスに対応した同一点との間のそれぞれの距離を示す同一点変位信号を出力する翼同一点測定装置と、
前記翼同一点測定装置からそれぞれ出力された前記同一点測定信号を与えられ、前記タービン動翼のそれぞれの翼毎に対応して並び替えた時系列変位信号を出力する翼基準並び替え装置と、
前記翼基準並び替え装置から出力された前記時系列変位信号を与えられ、高速フーリエ変換を行って高速フーリエ変換結果信号を出力するＦＥＴ演算装置と、
前記ＦＥＴ演算装置から出力された前記高速フーリエ変換結果信号を与えられ、キャンベル線図を作成して前記タービン動翼の振動特性を評価するキャンベル線図作成装置と、
を備えることを特徴とする翼振動計測装置。
【請求項１】
タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼の先端位置との間のそれぞれの距離に基づいて前記先端位置を同定する翼先端位置同定信号を出力する翼先端位置同定装置と、
前記翼先端位置同定装置に対応して複数設けられ、前記翼先端位置同定装置から出力された前記翼先端位置同定信号を与えられ、前記非接触型変位計から前記タービン動翼の先端位置までの距離の時間的変化に基づき、前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とを算出する翼振動算出装置と、
前記翼振動算出装置のそれぞれから出力された前記タービン動翼の振動振幅と振動周波数とに基づいて、前記タービン動翼の振動モード次数を同定する振動モード同定装置と、
を備え、
前記翼先端位置同定装置のそれぞれは、与えられた前記変位計測信号に含まれる複数の測定点における変位にカーブフィッティングを行い相互間を補間して曲線を求め、この曲線のピーク位置から前記タービン動翼の先端位置を同定することを特徴とする翼振動計測装置。
【請求項２】
前記タービン動翼の回転数を変化させるための回転数調整装置をさらに備え、
前記回転数調整装置により前記タービン動翼の回転数が変化して前記タービン動翼に共振現象が発生した時に、前記翼先端位置同定装置により同定された翼先端位置同定信号を、前記振動モード同定装置が前記タービン動翼の翼毎に並び替えて収集し、共振モード次数を同定することを特徴とする請求項１に記載の翼振動計測装置。
【請求項３】
前記タービン動翼の周方向に沿って複数配置された前記非接触型変位計は、第１、第２、第３、第４の非接触型変位計を少なくとも含み、
前記第２の非接触型変位計は前記第１の非接触型変位計に対して所定次数の共振モードの半周期分の間隔を開けた位置に配置され、前記第３の非接触型変位計は前記第１の非接触型変位計に対して前記間隔の２倍の間隔を開けた位置に配置され、前記第４の非接触型変位計は前記第１の非接触型変位計に対して前記間隔の４倍の間隔を開けた位置に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の翼振動計測装置。
【請求項４】
タービン動翼の回転数を変化させるための回転数調整装置と、
前記タービン動翼のそれぞれの翼が所定位置を通過する毎に回転同期パルスを出力する回転同期パルス生成装置と、
前記タービン動翼の周方向に沿って複数配置され、前記回転同期パルスを与えられた時点における前記タービン動翼の回転軸方向の変位をそれぞれ計測して変位計測信号を出力する非接触型変位計と、
前記非接触型変位計に対応して複数設けられ、前記非接触型変位計から出力された対応する前記変位計測信号を与えられ、前記非接触型変位計と前記タービン動翼における前記回転同期パルスに対応した同一点との間のそれぞれの距離を示す同一点変位信号を出力する翼同一点測定装置と、
前記翼同一点測定装置からそれぞれ出力された前記同一点測定信号を与えられ、前記タービン動翼のそれぞれの翼毎に対応して並び替えた時系列変位信号を出力する翼基準並び替え装置と、
前記翼基準並び替え装置から出力された前記時系列変位信号を与えられ、高速フーリエ変換を行って高速フーリエ変換結果信号を出力するＦＥＴ演算装置と、
前記ＦＥＴ演算装置から出力された前記高速フーリエ変換結果信号を与えられ、キャンベル線図を作成して前記タービン動翼の振動特性を評価するキャンベル線図作成装置と、
を備えることを特徴とする翼振動計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−８３５６８（Ｐ２０１３−８３５６８Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４０５０（Ｐ２０１１−２２４０５０）
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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