JP6455702B2

JP6455702B2 - 回転体の振動計測方法と装置

Info

Publication number: JP6455702B2
Application number: JP2014168986A
Authority: JP
Inventors: 祥太村江; 直人下原; 久之本井; 博明服部
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP2016045060A

Description

本発明は、回転駆動される回転体と、回転体の中心軸まわりの周方向（以下、単に周方向ともいう）に間隔をおいて回転体に配置された複数の翼とを備える回転機械における回転体の振動計測方法と装置に関する。より詳しくは、本発明は、回転体全体に生じる周方向の振動を計測する振動計測方法と装置に関する。なお、周方向の振動として、例えば、回転体のねじれ振動や、回転体の不釣り合い振動（振れ回り運動）などがある。

ターボ機械としてのジェットエンジンや過給機などの回転機械は、回転駆動される回転体と、複数の翼（例えば、タービン翼）とを備える。複数の翼は、回転体に設けられ、回転体の周方向に間隔をおいて配置されている。複数の翼は、例えば、オープンインペラを構成するものである。

回転機械の性能評価や他の目的で、回転機械の回転体が回転している時における回転体の振動を計測することが行われている（例えば、下記の特許文献１）。

特許文献１では、次のように回転体の振動を計測している。回転体の外周面において、周方向に等間隔に凹部と凸部を加工する。静止側において、周方向の定位置に光学式センサを配置する。光学式センサは、加工した凹部と凸部が通過する凹凸通過静止位置に光を照射し、この照射光と、これによる凹凸通過静止位置からの反射光とに基づいて、回転体の振動を求めている。

より詳しくは、特許文献１では、凹凸通過静止位置に凹部が位置する時には、照射光と反射光が強め合うことにより、高い強度の電気信号を生成し、凹凸通過静止位置に凸部が位置する時には、照射光と反射光が弱め合うことにより、低い強度の電気信号を生成する。このような電気信号の強度変化に基づいて、凹凸通過静止位置を通過した凹部と凸部の数を計測する。計測した凹部と凸部の数の変動に基づいて、回転体の振動を求めている。このように照射光と反射光の強め合いと弱め合いによる信号を利用することにより、的確な振動計測を行える。

また、上述の凹部と凸部の代わりに、回転体の外周面に、周方向に明部と暗部のパターンを形成することもできる。この場合、上述と同様に、光学式センサが、形成した明部と暗部が通過する明暗部通過静止位置に光を照射し、この照射光と、これによる明暗部通過静止位置からの反射光とに基づいて、明部と暗部の通過数を計測する。計測した明部と暗部の通過数の変動に基づいて、回転体の振動を求める。

なお、下記の特許文献２には、後述する本発明の変更例に関連する翼振動計測方法が記載されている。

特開平１−２８２４３２号公報特許第５２９３４０６号公報

しかし、小型のターボ機械（例えば、ターボチャージャ）では、凹部と凸部の加工または明部と暗部の形成が、不可能または困難である。また、回転機械の寸法にかかわらず、凹部と凸部の加工または明部と暗部の形成には手間がかかる。そのため、凹部と凸部の加工や明部と暗部の形成をしなくても、回転体の周方向の振動を計測できるようにすることが望まれる。

そこで、本発明の目的は、回転機械の回転体の外周面において凹部と凸部の加工や明部と暗部の形成をしなくても、回転体の周方向の振動を計測できる回転体の振動計測方法と装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明によると、回転駆動される回転体と、回転体の中心軸まわりの周方向に間隔をおいて回転体に配置された複数の翼と、を備える回転機械における回転体の振動計測方法であって、
（Ａ）回転体が回転している回転状態で、この回転により、翼が、前記周方向において予め定めた翼検出静止位置を繰り返し通過する場合に、翼検出部により、翼検出静止位置に来た翼を繰り返し検出するとともに、時間計測装置により経過時間を計測し、
（Ｂ）翼検出部が繰り返し行った翼の検出と、時間計測装置により計測された経過時間とに基づいて、翼検出部が翼を繰り返し検出した各時点を特定した翼検出時点データを、翼検出時点データ生成部により生成し、
（Ｃ）翼が翼検出静止位置を通過する周期に関する時間量であって、回転体が周方向に振動せずに一定速度で回転している場合には一定となり、周期的に取得可能な時間量を、計測時間量として、翼検出時点データに基づいて、計測時間量の変動を、経過時間または経過時間の代わりとなる時間指数に対して表した時間量変動データを、変動データ生成部により生成し、時間指数は、経過時間に従って値が増加する指数であり、
（Ｄ）スペクトル生成部により、時間量変動データを、経過時間または時間指数に関してフーリエ変換して、時間量変動データのスペクトルを求める、ことを特徴とする回転体の振動計測方法が提供される。

本発明の振動計測方法は、例えば以下のようにすることができる。

前記計測時間量は、
（ａ）前記複数の翼のうち１つの特定の翼が翼検出静止位置に来た時点から、該特定の翼が翼検出静止位置に再び来た次の時点までの時間、
（ｂ）該時間と一定の基準周期との差、または
（ｃ）一定数の翼が翼検出静止位置を通過するのに要する時間である。

上記（ｃ）について、計測したい周方向の振動周波数の範囲に合わせて一定数を定めることにより、この範囲における振動周波数を特定できる。

周方向において複数の翼検出静止位置が予め設定されており、これらの翼検出静止位置に対応して、複数の前記翼検出部が配置されており、
前記（Ａ）において、回転する翼が、前記複数の翼検出静止位置を繰り返し通過する場合に、各翼検出静止位置に来た翼を、対応する翼検出部により繰り返し検出し、
前記（Ｂ）において、前記複数の翼検出部によって繰り返し行われた翼の検出に基づいて、計測時間量を繰り返し生成し、
計測時間量は、特定の翼が、複数の翼検出静止位置の間の周方向距離を移動するのに要する時間である。

このように、特定の翼が、複数の翼検出静止位置の間の周方向距離を移動するのに要する時間を計測時間量とした場合には、計測時間量を、回転体の回転周期よりも短い時間間隔で取得できる。したがって、このような計測時間量の変動を経過時間または時間指数に対して表した時間量変動データに、回転体の回転周期よりも短い周期の回転体の振動データを含ませることができる。よって、回転体の回転周期よりも短い周期の振動周波数を特定することが可能になる。

前記（Ａ）において、指数計測部により前記時間指数を計測し、
前記（Ｃ）において、翼検出時点データに基づいて、前記計測時間量の変動を、前記時間指数に対して表した時間量変動データを、変動データ生成部により生成し、
前記（Ｄ）において、スペクトル生成部により、時間量変動データを、前記時間指数に関してフーリエ変換して、時間量変動データのスペクトルを求める。

前記時間指数は、前記複数の翼のうち、１つの特定の翼が翼検出静止位置を通過した回数である。

また、上述の目的を達成するため、本発明によると、回転駆動される回転体と、回転体の中心軸まわりの周方向に間隔をおいて回転体に配置された複数の翼と、を備える回転機械における回転体の振動計測装置であって、
回転体が回転している回転状態で、この回転により翼が、前記周方向において予め定めた翼検出静止位置を繰り返し通過する場合に、翼検出静止位置に来た翼を繰り返し検出する翼検出部と、
翼検出部が繰り返し翼を検出している期間において、経過時間を計測する時間計測装置と、
翼検出部が繰り返し行った翼の検出と、時間計測装置により計測された経過時間とに基づいて、翼検出部が翼を繰り返し検出した各時点を特定した翼検出時点データを生成する翼検出時点データ生成部と、
翼が翼検出静止位置を通過する周期に関する時間量であって、回転体が周方向に振動せずに一定速度で回転している場合には一定となり、周期的に取得可能な時間量を、計測時間量として、翼検出時点データに基づいて、計測時間量の変動を、経過時間、または、経過時間に従って値が増加する時間指数に対して表した時間量変動データを生成する変動データ生成部と、
時間量変動データを、経過時間または時間指数に関してフーリエ変換することにより、時間量変動データのスペクトルを求めるスペクトル生成部と、を備えることを特徴とする回転体の振動計測装置が提供される。

翼が翼検出静止位置を通過する周期に関する時間量であって、回転体が周方向に振動せずに一定速度で回転している場合には一定となり、周期的に取得可能な時間量を、計測時間量として、この時間量を繰り返し求める。回転体全体が特定の周波数で周方向に振動している場合には、計測時間量は、この周波数で変動する。

そこで、本発明は、翼検出静止位置に繰り返し来た翼を検出し、翼の各検出時点に基づいて、計測時間量の変動を表す時間量変動データを生成し、この時間量変動データから、回転体の周方向の振動周波数を特定するようにした。

すなわち、計測時間量の変動を、経過時間または時間指数に対して表した時間量変動データを生成し、この時間量変動データをフーリエ変換して、時間量変動データのスペクトルを求める。このスペクトルにおいてピークとなる周波数は、回転体の周方向の振動周波数と一致する。このことは、後述の実施例でも確認された。したがって、時間量変動データのスペクトルにおいてピークとなる周波数を、回転体の周方向の振動周波数として特定できる。

また、翼の検出に基づいて、回転体の周方向の振動周波数を特定するので、回転体の外周面において凹部と凸部の加工や明部と暗部の形成をしなくても、回転体の周方向の振動を特定できる。

（Ａ）は、本発明の実施形態による振動計測装置および回転体を示し、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。（Ａ）は、翼検出信号と経過時間との関係を示し、（Ｂ）は、経過時間または時間指数に対する計測時間量の変動を表わす時間量変動データを示す。（Ａ）は、時間量変動データのスペクトルを示し、（Ｂ）は、別の方法で計測した回転体の振動振幅の各周波数成分を示す。本発明の実施形態による振動計測方法を示すフローチャートである。本発明の原理を説明するための図である。（Ａ）は、振動計測装置を有する振動データ取得装置および回転体を示し、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態による振動計測装置１０および回転体３を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。振動計測装置１０は、回転機械に設けられた回転体３の周方向の振動を計測する。

回転機械は、回転駆動される回転体３と、回転体３に配置された複数の翼１ａ〜１ｈとを備える。複数の翼１ａ〜１ｈは、回転体３の中心軸Ｃまわりの周方向（以下、単に周方向という）に間隔（好ましくは等間隔）をおいて配置されている。また、複数の翼１ａ〜１ｈは、回転体３の中心軸Ｃと平行な方向（以下、単に軸方向という）においては同じ位置に配置されている。複数の翼１ａ〜１ｈは、１つのインペラ５（例えば、オープンインペラ）を構成する。

回転機械は、例えば、ジェットエンジンや過給機などである。回転機械がジェットエンジンである場合、翼１ａ〜１ｈは、タービン翼、ファン動翼、または、コンプレッサの動翼であり、回転機械が過給機である場合、翼１ａ〜１ｈは、タービン翼またはコンプレッサ翼である。
なお、本発明が適用可能な回転機械は、複数の翼１ａ〜１ｈが、同じ軸方向位置にて周方向に間隔をおいて配置されている回転機械であればよく、ジェットエンジンや過給機に限定されない。

振動計測装置１０は、翼検出部７と、時間計測装置９と、翼検出時点データ生成部１１と、変動データ生成部１３と、スペクトル生成部１５とを備える。

翼検出部７は、予め定めた翼検出静止位置Ｐ１に対応して配置される。翼検出静止位置Ｐ１は、回転する翼１ａ〜１ｈが繰り返し通過する周方向の固定位置である。翼検出部７は、翼検出静止位置Ｐ１に来た翼１ａ〜１ｈを検出する。すなわち、回転体３が回転している回転状態で、回転体３と一体的に回転する翼１ａ〜１ｈが翼検出静止位置Ｐ１を繰り返し通過する場合に、翼検出部７は、翼検出静止位置Ｐ１に来た翼１ａ〜１ｈを繰り返し検出する。

翼検出部７は、例えば、光学式センサ７ａと信号生成部７ｂを有する。光学式センサ７ａは、翼検出静止位置Ｐ１に光を照射する。この光は、翼検出静止位置Ｐ１にある回転体３の一部分（すなわち、翼１ａ〜１ｈまたは翼でない部分）に反射される。光学式センサ７ａは、翼検出静止位置Ｐ１からの反射光を受ける。この反射光の強度は、翼検出静止位置Ｐ１に翼１ａ〜１ｈがある時には大きくなり、翼検出静止位置Ｐ１に翼１ａ〜１ｈがない時には小さくなる。信号生成部７ｂは、光学式センサ７ａが受けた反射光の強度に応じて、翼１ａ〜１ｈが翼検出静止位置Ｐ１を通過する時に生じる反射光の強度変化を示す翼検出信号を生成して出力する。

翼検出部７（光学式センサ７ａ）は、例えば、インペラ５を囲むハウジング（図示せず）に取り付けられている。本実施形態では、光学式センサ７ａは、半径方向外側から半径方向内側へ、翼検出静止位置Ｐ１へ光を照射する。ただし、本発明によると、光学式センサ７ａは、回転体３の軸方向に、翼検出静止位置Ｐ１へ光を照射してもよい。なお、半径方向とは、周方向および軸方向に直交する方向である（以下、同様）。

時間計測装置９は、翼検出部７が繰り返し翼１ａ〜１ｈを検出している期間において、経過時間を計測する。

翼検出時点データ生成部１１は、翼検出部７が繰り返し行った翼１ａ〜１ｈの検出と、時間計測装置９により計測された経過時間とに基づいて、翼検出部７が翼１ａを検出した各時点を特定した翼検出時点データを生成する。

例えば、翼検出時点データ生成部１１は、図２（Ａ）に示すデータに基づいて翼検出時点データを生成する。
図２（Ａ）は、翼検出部７により出力された翼検出信号と、時間計測装置９により計測された経過時間との関係を示す。図２（Ａ）において、横軸は、経過時間を示し、縦軸は、信号生成部７ｂが出力した電気信号の強度を示す。翼検出信号は、図２（Ａ）の例では、電気信号（電圧値または電流値）のパルスである。反射光の強度が大きいほど、電気信号の大きさも大きくなる。図２（Ａ）において、各パルスには、図１（Ｂ）の対応する翼の符号を付している。すなわち、図２（Ａ）において、各パルスは、このパルスに付された符号と同じ符号の翼が翼検出静止位置Ｐ１に来たことにより生成されたものである。図２（Ａ）のデータにおいて、翼検出時点データ生成部１１は、パルスが生成された時点（例えば、パルスの立ち上がり時点またはパルスの立ち下がり時点）を、翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１を通過する時点として特定する。

本実施形態では、翼検出時点データ生成部１１は、複数の翼１ａ〜１ｈのうち１つの特定の翼が、翼検出静止位置Ｐ１を通過する時点（以下、単に特定翼通過時点という）を特定する。例えば、特定の翼が翼１ａである場合には、翼１ａに対応する各パルスの生成時点を特定翼通過時点として特定する。インペラ５を構成する翼の数がｎ（図１（Ｂ）では、８）であるとして、翼検出時点データ生成部１１は、特定の翼１ａに対応するパルスを適宜の手段で識別して、このパルスが最初に生成された時点を特定翼通過時点として特定した後、ｎ個のパルスが生成される度に、これらｎ個のパルスのうち最後に生成されたパルスの生成時点を特定翼通過時点として特定する。

変動データ生成部１３は、翼検出時点データと、時間計測装置９が計測した経過時間とに基づいて、計測時間量の変動を経過時間に対して表した時間量変動データを生成する。計測時間量は、翼１ａ〜１ｈが翼検出静止位置Ｐ１を通過する周期に関する時間量であって、回転体３が周方向に振動せずに一定速度で回転している場合には一定となり、周期的に取得可能な時間量である。

本実施形態では、計測時間量は、図２（Ａ）に示すように、複数の翼１ａ〜１ｈのうち１つの特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１に来た時点から、特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１に再び来る次の時点までの時間Ｔ_ｍである。Ｔ_ｍの添え字ｍは、何回目に生成された計測時間量であるかを示す。すなわち、ｍは、１から連続する正の整数の値をとる（以下、同様）。図２（Ａ）には、１つの計測時間量Ｔ_ｍのみを示している。ｎ枚の翼によりインペラ５を構成しているとし、計測において最初に生成された翼検出信号が特定の翼１ａの１回目の翼検出信号であるとして、ｍ回目に計測される計測時間量Ｔ_ｍは、（１＋ｎ×（ｍ−１））回目の翼検出信号が生成された時点から、（１＋ｎ×ｍ）回目の翼検出信号が生成された時点までの時間である。

図２（Ｂ）は、変動データ生成部１３により生成された時間量変動データを示す。図２（Ｂ）において、横軸は、時間計測装置９により計測された経過時間を示し、縦軸は、計測時間量Ｔ_ｍを示す。

時間量変動データは、計測時間量の変動を経過時間に対して表したデータに限定されない。すなわち、時間量変動データは、計測時間量の変動を、経過時間の代わりとなる時間指数に対して表したデータであってもよい。時間指数は、経過時間の指標となる数であって経過時間に従って値が増加する。時間指数は、例えば、複数の翼のうち、１つの特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１を通過した回数（すなわち、後述する計測回数ｍ）であるが、他のものであってもよい。計測時間量が上述の時間Ｔ_ｍである場合には、計測回数ｍは、Ｔ_ｍの添え字ｍであり、時間量変動データは、Ｔ_ｍと計測回数ｍとを互いに対応づけたデータである。計測時間量の変動を時間指数に対して表した時間量変動データが生成される場合には、振動計測装置１０は、図１（Ａ）に示すように、指数計測部１７をさらに備える。指数計測部１７は、翼検出部７が繰り返し翼を検出している期間において時間指数を計測する。また、この場合、変動データ生成部１３は、翼検出時点データと、指数計測部１７が計測した時間指数とに基づいて、計測時間量の変動を時間指数に対して表した時間量変動データを生成する。

なお、時間量変動データが、計測時間量の変動を経過時間に対して表したものである場合には、以下において、「計測時間または時間指数」は「計測時間」に読み替えられ、「各計測時間または各時間指数」は「各計測時間」に読み替えられる。また、時間量変動データが、計測時間量の変動を時間指数に対して表したものである場合には、以下において、「計測時間または時間指数」は「時間指数」に読み替えられ、「各計測時間または各時間指数」は「各時間指数」に読み替えられる。

時間量変動データは、より具体的には、例えば、以下の第１〜第４の例のいずれかであってよいが、以下の例に限定されない。

第１の例では、時間量変動データは、多数の計測時間量Ｔ_ｍと、各計測時間量Ｔ_ｍに対応する計測回数ｍとからなる離散データである。この離散データは、計測時間量の変動を、時間指数としての計測回数ｍに対して表したものである。

第２の例では、時間量変動データは、多数の計測時間量Ｔ_ｍと、各計測時間量Ｔ_ｍに対応づけられる経過時間（すなわち、計測時間量の記録時点）とからなる離散データである。この離散データは、計測時間量の変動を、経過時間に対して表したものである。この場合、計測時間量Ｔ_ｍに対応づけられる経過時間（すなわち、計測時間量の記録時点）は、この計測時間量Ｔ_ｍを求めるのに用いた２つのパルスのうち時間に関して後のパルスの生成時点であってよい。代わりに、計測時間量Ｔ_ｍに対応づけられる経過時間（記録時点）は、この計測時間量Ｔ_ｍを求めるのに用いた２つのパルスのうち時間に関して前のパルスの生成時点であってもよいし、他の一定基準により特定されてもよい。

第３の例では、時間量変動データは、第１の例における離散データから生成した連続データである。すなわち、図２（Ｂ）のように、横軸を計測回数ｍとし縦軸を計測時間量Ｔ_ｍとした２次元座標空間において、各計測時間量Ｔ_ｍと、この計測時間量Ｔ_ｍに対応する計測回数ｍとを特定する座標同士を結んだ曲線、折れ線、または、これらの座標に対する近似曲線を表わす関数を連続データとする。この連続データは、計測時間量の変動を、時間指数としての計測回数ｍを無限に細かく分割した計測回数に対して表したものである。

第４の例では、時間量変動データは、第２の例における離散データから生成した連続データである。すなわち、図２（Ｂ）のように、横軸を経過時間とし縦軸を計測時間量Ｔ_ｍとした２次元座標空間において、各計測時間量Ｔ_ｍと、この計測時間量Ｔ_ｍの記録時点とを特定する座標同士を結んだ曲線、折れ線、または、これらの座標に対する近似曲線を表わす関数を連続データとする。

スペクトル生成部１５は、時間量変動データを、経過時間または時間指数に関してフーリエ変換することにより、時間量変動データのスペクトルを求める。スペクトル生成部１５は、コンピュータとプログラムとにより構成されてよい。このプログラムは、フーリエ変換をこのコンピュータに実行させる。図３（Ａ）は、時間量変動データのスペクトルを示す。図３（Ａ）において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、各周波数における時間量変動データの成分強度を示す。スペクトル生成部１５による上述のフーリエ変換は、本実施形態では、離散フーリエ変換または高速フーリエ変換である（以下、同様）。

時間量変動データが、互いに間隔をおいた経過時間または時間指数に対する各計測時間量の離散データである場合に、本実施形態では、スペクトル生成部１５は、時間量変動データをフーリエ変換する。時間量変動データが、無限に細かく分割された経過時間または時間指数に対する各計測時間量の連続データである場合にも、本実施形態では、スペクトル生成部１５は、時間量変動データをフーリエ変換する。

スペクトル生成部１５は、例えば、次のようにフーリエ変換を行う。
時間量変動データが、上述した第１の例の離散データである場合には、スペクトル生成部１５は、時間量変動データを、計測回数ｍに関してフーリエ変換する。
時間量変動データが、上述した第２の例の離散データである場合には、スペクトル生成部１５は、時間量変動データを、経過時間に関してフーリエ変換する。
時間量変動データが、上述した第３の例の連続データである場合には、スペクトル生成部１５は、時間量変動データを、計測回数に関してフーリエ変換する。
時間量変動データが、上述した第４の例の連続データである場合には、スペクトル生成部１５は、時間量変動データを、経過時間に関してフーリエ変換する。

次に、本発明の実施形態による振動計測方法を説明する。図４は、この振動計測方法を示すフローチャートである。この振動計測方法は、上述した振動計測装置１０を用いて行われる。

ステップＳ１において、回転体３が回転している回転状態で、この回転により翼１ａが、周方向において予め定めた翼検出静止位置Ｐ１を繰り返し通過する場合に、翼検出部７により、翼検出静止位置Ｐ１に来た翼１ａを繰り返し検出する。ここで、回転状態とは、回転体３が一定の回転速度で回転している定常状態、または、定常状態とみなせる状態を意味する。定常状態とみなせる状態とは、回転体３の回転速度が、外乱や他の要因により変動したとしても、この変動が特定の周波数成分を持たないことにより、この変動が時間量変動データのスペクトルに影響を及ぼさない状態を意味する。例えば、回転体３が過給機の回転体であり、翼１ａ〜１ｈがコンプレッサ翼であり、ステップＳ１においてタービン翼を駆動ガスで回転させている場合に、この駆動ガスの流量が変動して回転体３の回転速度が変動したとしても、回転速度の該変動が特定の周波数成分を持たないことにより、回転速度の該変動が時間量変動データのスペクトルに影響を及ぼさない状態は、定常状態とみなせる状態に該当する。

また、ステップＳ１において、翼検出部７が翼検出静止位置Ｐ１に来た翼１ａ〜１ｈを繰り返し検出している期間に、時間計測装置９により経過時間を計測する。
指数計測部１７が設けられている場合には。さらに、ステップＳ１において、翼検出部７が翼検出静止位置Ｐ１に来た翼１ａ〜１ｈを繰り返し検出している期間に、指数計測部１７により時間指数を計測する。

ステップＳ２において、翼検出部７が繰り返し行った翼１ａ〜１ｈの検出と、時間計測装置９により計測された経過時間とに基づいて、翼検出部７が翼１ａを繰り返し検出した各時点を特定した翼検出時点データを、翼検出時点データ生成部１１により生成する。本実施形態では、翼検出時点データは、複数の翼１ａ〜１ｈのうち、１つの特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１を繰り返し通過する各時点である。

ステップＳ３において、翼検出時点データに基づいて、計測時間量の変動を、経過時間または時間指数に対して表した時間量変動データを、変動データ生成部１３により生成する。時間量変動データは、例えば、上述した図２（Ｂ）に示されている。

ステップＳ４において、スペクトル生成部１５により、時間量変動データを、経過時間または時間指数に関してフーリエ変換して、時間量変動データのスペクトルを求める。図３（Ａ）は、時間量変動データを、経過時間に関してフーリエ変換したことにより得られた時間量変動データのスペクトルの一例である。

図３（Ａ）において、時間量変動データのスペクトルにおいてピークとなっている周波数ｆ_ａは、回転体３（インペラ５）の周方向の振動（以下、単に振動ともいう）の周波数となる。なお、時間量変動データのスペクトルにおいてピークとなっている周波数ｆ_ａは、スペクトル生成部１５により特定されて、スペクトル生成部１５から出力されてもよい。代わりに、時間量変動データのスペクトル（図３（Ａ）のデータ）がディスプレイに表示され、この表示を見た人が、スペクトルにおいてピークとなっている周波数ｆ_ａを特定してもよい。

このことを、次の実施例において確認した。この実施例では、図４の振動計測方法を行う時に、別の方法でも回転体３の周方向の振動を計測した。すなわち、回転体３を回転可能に支持する軸受が取り付けられたハウジングにピックアップ（加速度センサ）を取り付け、図４の振動計測時に、このピックアップでハウジングの振動を計測した。回転体３の振動は軸受を介してハウジングに伝達するので、ハウジングの振動特性は回転体３の振動の特性を示している。この振動の計測結果を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、各周波数での振動による振幅を示す。図３（Ｂ）において振幅がピークとなっている周波数ｆ_ａは、図４の振動計測方法により得た図３（Ａ）において強度がピークとなっている周波数ｆ_ａに一致していた。このように、本発明の振動計測方法により、回転体３に生じる周方向の振動の周波数を特定できることを確認した。なお、周波数ｆ_ａは、１秒間における回転体３の回転数（ｒｐｓ）と同期しない回転非同期振動の周波数である。一方、図３（Ｂ）において、振幅がピークとなっている別の周波数ｆ_ｂは、回転体３の回転数（ｒｐｓ）と同期する（この例では一致する）回転同期振動の周波数である。

さらに、本発明の原理を、図５に基づいて説明する。図５は、回転体３の軸方向から見たインペラ５を示す。図５において、実線は、回転体３が、その不釣り合いにより振れ回り運動している（すなわち、振れ回り振動している）場合のインペラ５を示し、細い一点鎖線は、回転体３に、振れ回り振動や他の周方向の振動が生じていない場合のインペラ５を示す。

図５において、Ｃ０は、振れ回り振動や他の周方向の振動が生じていない場合の回転体３の中心軸を示し、Ｃ１は、振れ回り運動により変位している回転体３の中心軸を示す。図５において、θは、振れ回り振動や他の周方向の振動が生じていない場合の回転体３の中心軸Ｃ０に対する、振れ回り運動によるインペラ５（中心軸Ｃ１）の変位の半径方向を示す。具体的には、θは、インペラ５の軸方向位置で回転体３（インペラ５）の中心軸Ｃ０と直交する平面において、振れ回り振動や他の周方向の振動が生じていない回転体３（インペラ５）の中心軸Ｃ０と翼検出静止位置Ｐ１とを結ぶ線分と、振れ回り振動や他の周方向の振動が生じていない回転体３（インペラ５）の中心軸Ｃ０と振れ回り振動が生じている回転体３（インペラ５）の中心軸Ｃ１とを結ぶ線分とがなす角度である。この角度θは、図５において、反時計回りの方向を正とする。また、図５において、φは、回転体３の回転角を示す。すなわち、特定の翼１ａが、特定の周方向位置から回転した角度を示す。この角度は、図５において、反時計回りの方向を正とする。

図５の例では、回転体３の回転の周期をＴ_０とし、回転体３の振れ回り振動（振れ回り運動）の周期を１．８Ｔ_０としている。振れ回り運動している回転体３のインペラ５は、図５に示すように、振れ回り運動により半径方向に変位している。この変位の方向が、１．８Ｔ_０の周期で変化している。具体的には、図５（Ａ）は、経過時間ｔはゼロであり、回転角φと変位方向θもゼロである。図５（Ｂ）は、経過時間ｔはＴ_０／４であり、回転角φは９０度であり、変位方向θは５０度である。図５（Ｃ）は、経過時間ｔはＴ_０／２であり、回転角φは１８０度であり、変位方向θは１００度である。図５（Ｄ）は、経過時間ｔは３Ｔ_０／４であり、回転角φは２７０度であり、変位方向θは１５０度である。図５（Ｅ）は、経過時間ｔはＴ_０であり、回転角φは３６０度であり、変位方向θは２００度である。

回転体３の振れ回り振動（振れ回り運動）が、回転体３の回転と非同期であるので、図５（Ｅ）から理解できるように、振れ回り振動が生じている場合に特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１を通過する時点は、振れ回り振動や他の周方向の振動が生じていない場合に特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１を通過する時点に対してずれる。このずれ（遅れ）は、計測時間量に相当し、特定の翼１ａが一回転する度に（すなわち、経過時間または時間指数に対して）変動する。また、このずれは、振れ回り振動の周波数で変動する。したがって、このずれの変動周波数は、このずれを経過時間または時間指数に対して表した時間量変動データのスペクトルにおいてピークとなっている周波数に等しい。

図５の例について、回転体３の振れ回り振動が回転体３の回転と非同期であって、この振れ回り振動の周波数が回転体３の回転数（ｒｐｓ）より低ければ、振れ回り振動の周期が１．８Ｔ_０以外の場合でも、計測時間量が振れ回り振動の周波数で変動する。振れ回り振動の周期が、Ｔ_０／Ｎ（ここで、Ｎは自然数。以下同様）でなければ、振れ回り振動は、回転体３の回転と非同期である。一方、振れ回り振動の周期が、Ｔ_０／Ｎであれば、振れ回り振動は、回転体３の回転と同期しており、計測時間量は変動しない。

図５の例では、回転体３に生じる周方向の振動は、振れ回り振動であったが、回転体３に他の周方向の振動が生じる場合であっても、図５の場合と同様に、本発明の振動計測方法により、回転体３に生じる周方向の振動の周波数を特定できる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の変更例１〜４のいずれかを採用してもよいし、変更例１〜４の複数を任意に組み合わせて採用してもよい。この場合、以下で説明しない点は、上述と同じであってよい。

（変更例１）
翼検出部７は、光学式センサ７ａにより構成されたが、他の種類（例えば、容量型または渦電流型）のセンサで構成されたものであってもよい。

（変更例２）
上述の実施形態では、計測時間量は、複数の翼１ａ〜１ｈのうち１つの特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１に来た時点から、特定の翼１ａが翼検出静止位置Ｐ１に来る次の時点までの時間Ｔ_ｍであったが、本発明は、これに限定されない。
例えば、計測時間量は、特定の翼１ａについての時間Ｔ_ｍと一定の基準周期との差であってもよい。ここで、一定の基準周期は、上述のステップＳ１における回転体３の回転周期であってよい。すなわち、一定の基準周期は、上述のステップＳ１での一定の回転速度で回転体３が回転している時に、回転体３が一回転するのに要する時間である。
代わりに、計測時間量は、一定数の翼が翼検出静止位置Ｐ１を通過するのに要する時間であってもよい。ここで、一定数は、好ましくは、インペラ５を構成する全ての翼の数以下であるが、インペラ５を構成する全ての翼の数以上であってもよい。

（変更例３）
上述した振動計測装置１０は、インペラ５の翼１ａ〜１ｈの振動を計測することにも併用できる。この場合、回転体３の周方向の振動を計測可能であり、かつ、インペラ５の翼１ａ〜１ｈの振動を計測可能な振動データ取得装置２０を、図６に示す。図６（Ａ）は、振動データ取得装置２０および回転体３を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。振動データ取得装置２０は、上述の振動計測装置１０と、回転基準検出センサ２１と、翼振動データ生成部２３と、を備える。また、好ましくは、振動データ取得装置２０は、上述の翼検出部７と同じ構成を有する追加の１つまたは複数の翼検出部２５をさらに備える。なお、上述の翼検出部７と追加の１つまたは複数の翼検出部２５とからなる複数の翼検出部７，２５は、それぞれ、周方向において予め設定された複数の翼検出静止位置Ｐ１〜Ｐ４に来た翼１ａ〜１ｈを検出する。すなわち、これらの複数の翼検出部７，２５は、それぞれ、これらの翼検出静止位置Ｐ１〜Ｐ４に対応して配置される。

回転基準検出センサ２１は、回転体３の回転により、回転体３において周方向の設定位置に設けた基準２７（例えばキー溝）が、基準検出静止位置を通過する場合に、基準検出静止位置に来た基準を検出する。この検出により、回転基準検出センサ２１は、基準検出信号を出力する。

翼振動データ生成部２３は、回転体３が回転している回転状態において、回転基準検出センサ２１から出力された基準検出信号と、翼検出部７、または、翼検出部７を含む複数の翼検出部７，２５から出力された翼検出信号とに基づいて、周方向における翼の振動を表わす振動データを求める。なお、このような振動データを求める方法は、例えば、特許文献２に記載されている。

例えば、振動データ取得装置２０により、周方向における翼の振動を表わす振動データを取得し、この振動データが、翼に振動が生じていないことを確認できた場合に、振動計測装置１０により得た時間量変動データのスペクトルに基づいて、回転体３全体に生じる周方向の振動周波数を特定する。

（変更例４）
上述では、振動計測装置１０は、１つの翼検出部７を有していたが、複数の翼検出部７を有していてもよい。この場合、周方向において複数の翼検出静止位置が予め設定されており、これらの翼検出静止位置に対応して、複数の翼検出部７が配置されている。

上述のステップＳ１において、回転する翼１ａ〜１ｈが、複数の翼検出静止位置を繰り返し通過する場合に、各翼検出静止位置に来た翼１ａ〜１ｈを、対応する翼検出部７により繰り返し検出する。
上述のステップＳ２において、複数の翼検出部７によって繰り返し行われた翼１ａ〜１ｈの検出に基づいて、計測時間量を繰り返し生成する。この場合、計測時間量は、特定の翼１ａが、複数の翼検出静止位置の間の周方向距離を移動するのに要する時間である。例えば、２つの翼検出部７が設けられている場合には、計測時間量は、特定の翼１ａが第１の翼検出静止位置に来た時点から、この後、特定の翼１ａが第２の翼検出静止位置に来た時点までの時間量である。

１ａ〜１ｈ翼、３回転体、５インペラ、７翼検出部、７ａ光学式センサ、７ｂ信号生成部、９時間計測装置、１０振動計測装置、１１翼検出時点データ生成部、１３変動データ生成部、１５スペクトル生成部、１７指数計測部、２０振動データ取得装置、２１回転基準検出センサ、２３翼振動データ生成部、２５翼検出部、２７基準、Ｃ，Ｃ０，Ｃ１回転体の中心軸、ｍ計測回数（時間指数）、ｎ翼の数、Ｐ１〜Ｐ４翼検出静止位置

Claims

回転駆動される回転体と、回転体の中心軸まわりの周方向に間隔をおいて回転体に配置された複数の翼と、を備える回転機械における回転体の振動計測方法であって、
（Ａ）回転体が回転している回転状態で、この回転により、翼が、前記周方向において予め定めた翼検出静止位置を繰り返し通過する場合に、翼検出部により、翼検出静止位置に来た翼を繰り返し検出するとともに、時間計測装置により経過時間を計測し、
（Ｂ）翼検出部が繰り返し行った翼の検出と、時間計測装置により計測された経過時間とに基づいて、翼検出部が翼を繰り返し検出した各時点を特定した翼検出時点データを、翼検出時点データ生成部により生成し、
（Ｃ）翼が翼検出静止位置を通過する周期に関する時間量であって、回転体が周方向に振動せずに一定速度で回転している場合には一定となり、周期的に取得可能な時間量を、計測時間量として、翼検出時点データに基づいて、計測時間量の変動を、経過時間または経過時間の代わりとなる時間指数に対して表した時間量変動データを、変動データ生成部により生成し、時間指数は、経過時間に従って値が増加する指数であり、
（Ｄ）スペクトル生成部により、時間量変動データを、経過時間または時間指数に関してフーリエ変換して、時間量変動データのスペクトルを求め、
前記計測時間量は、
（ａ）前記複数の翼のうち１つの特定の翼が翼検出静止位置に来た時点から、該特定の翼が翼検出静止位置に再び来た次の時点までの時間、
（ｂ）該時間と一定の基準周期との差、または
（ｃ）一定数の翼が翼検出静止位置を通過するのに要する時間である、回転体の振動計測方法。
前記（Ａ）において、指数計測部により前記時間指数を計測し、
前記（Ｃ）において、翼検出時点データに基づいて、前記計測時間量の変動を、前記時間指数に対して表した時間量変動データを、変動データ生成部により生成し、
前記（Ｄ）において、スペクトル生成部により、時間量変動データを、前記時間指数に関してフーリエ変換して、時間量変動データのスペクトルを求める、請求項１に記載の回転体の振動計測方法。
前記時間指数は、前記複数の翼のうち、１つの特定の翼が翼検出静止位置を通過した回数である、請求項２に記載の回転体の振動計測方法。
回転駆動される回転体と、回転体の中心軸まわりの周方向に間隔をおいて回転体に配置された複数の翼と、を備える回転機械における回転体の振動計測装置であって、
回転体が回転している回転状態で、この回転により翼が、前記周方向において予め定めた翼検出静止位置を繰り返し通過する場合に、翼検出静止位置に来た翼を繰り返し検出する翼検出部と、
翼検出部が繰り返し翼を検出している期間において、経過時間を計測する時間計測装置と、
翼検出部が繰り返し行った翼の検出と、時間計測装置により計測された経過時間とに基づいて、翼検出部が翼を繰り返し検出した各時点を特定した翼検出時点データを生成する翼検出時点データ生成部と、
翼が翼検出静止位置を通過する周期に関する時間量であって、回転体が周方向に振動せずに一定速度で回転している場合には一定となり、周期的に取得可能な時間量を、計測時間量として、翼検出時点データに基づいて、前記計測時間量の変動を、経過時間、または、経過時間に従って値が増加する時間指数に対して表した時間量変動データを生成する変動データ生成部と、
時間量変動データを、経過時間または時間指数に関してフーリエ変換することにより、時間量変動データのスペクトルを求めるスペクトル生成部と、を備え、
前記計測時間量は、
（ａ）前記複数の翼のうち１つの特定の翼が翼検出静止位置に来た時点から、該特定の翼が翼検出静止位置に再び来た次の時点までの時間、
（ｂ）該時間と一定の基準周期との差、または
（ｃ）一定数の翼が翼検出静止位置を通過するのに要する時間である、回転体の振動計測装置。