JPH02275322A - 回転体のねじり振動検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１回転体のねじり振動検出装置に係り、特に、
例えば蒸気タービン、発電機系の高次ねじり振動を高精
度に測定するのに好適な回転体のねじり振動検出装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

回転体のねじり振動を検出する従来の手段を第１０図お
よび第１１図を参照して説明する。

第１０図および第１１図は、従来の回転体のねじり振動
検出手段を説明する説明図である。

第１０図において、１は回転体、２は回転軸、４は軸受
、１１は歯車、１３Ａ、１３Ｂは電磁ピックアップであ
る。

第１０図に示す手段は、回転軸２の両端に２個の歯車１
１を取付け、それぞれ、その歯先を検出するための電磁
ピックアップ１３Ａ、１３Ｂを設ける。それぞれのピッ
クアップ１３Ａ、１３Ｂの出力の位相差ΔＴからねじり
振動を検出するものであった。

第１１図に示す手段は、回転軸２に歪ゲージ１４を取り
付け、スリップリング１５を介して出力を取り出し、こ
の出力を周波数分析することにより、ねじり振動を検出
するものであった。

また、前述した歯車１１と電磁ピックアップ１３とを利
用し、歯車１１の１山１山間の速度変動からねじり振動
を検出する方法がある。

ねじり振動を、凹凸を持つ被検出媒体と、光学的検出装
置とにより検出する類似の実施例としては、特願昭６２
−１３９７７６号がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の技術は、低次（２０土以下）のねじり振動に
ついては、十分な測定精度を有するものであった。しか
し、高次（Ｚｏｏ〜２ｏｏｈ以上）の振動を計測するに
は、そのねじれ角が小さい（１０″″Ｂ〜ｌ　Ｏ−’ｒ
ａｄ）ため、歯車のピッチ誤差。

変形等の影響がねじり振動のオーダーと同じかそれ以上
になり、真のねじり振動の解析ができなくなるというこ
とについて配慮されていなかった。

また、歪ゲージを接着する方法では、軸の剛性が大きい
ため、歪が非常に小さく、ｍ定が困難であるという問題
があった。

一方、蒸気タービンにより発電を行う際には。

電力需要の変動により１発電機に逆相電流が流れ、回転
子の２倍の周波数トルクが発生する。この周波数トルク
（１００Ｈｚあるいは１６０Ｈｚ）と、軸の高次ねじり
振動、およびタージン翼との速成振動とが共振を起すと
き翼の損傷を招く危険性があり、これを避けるには、軸
の高次ねじり振動を測定することが必要となっていた。

本発明は、上記従来沢術における課題を解決するために
なされたもので、回転体の高次のねじり振動を高精度に
検出することの可能な回転体のねじり振動検出装置を提
供することを、その目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る回転体のねじ
り振動検出装置の構成は、回転体の端面に取付けられ、
その回転中心から放射状に多数の凸部が形成された被検
出媒体円盤と、この被検出媒体円盤にレーザ光を照射し
、その反射光量の変化により前記凸部を検出する光学的
検出器と、この光学的検出器からの信号を増幅・および
波形整形するアンプ部と、その信号成分から振動成分を
取り出す復調器と、からなるものである。

より詳しく、上記目的を達成するための技術的手段につ
いて説明する。

第２図に示すような、微小で、かつ均一なピッチの凸部
を表面に形成した円盤を、同転体の端部に装着する。こ
こで凸部の高さはレーザ光の波長の約１７４とする。

次に、外部から、この円盤の凸部に焦点を結ぶようなレ
ーザ発振器および集光レンズを配置し、さらにこのレー
ザ光の反射光を測定する受光素子を設ける。この受光素
子の出力は、アンプで増幅され、コンパレータ等により
１とＯとの波形整形処理を受け、デジタル信号となる。

このデジタル信号を周波数変調（以下ＦＭという）の復
調器、すなわちＦＭ復調器を通し、速いフーリエ変換（
以下ＦＦＴという）で分析することにより、ねじり振動
成分を検出する。

回転体の熱変形あるいは軸方向振動により５円盤位置が
軸方向に移動し、かつ、この移動量が、レーザおよび集
光レンズで構成される光学系（光学的検出器）の焦点深
度より大きい場合、この光学系を軸方向へ移動させるた
めのサーボ系が上記構成に付は加えられる。

回転体のねじり振動と、曲げ振動の振動数が近く、周波
数の分離が難しい場合は、上記光学系（光学的検出器）
をもつ１組、回転軸中心をはさんで反対側に設け１両方
の出力を加算することにより、影響を小さくできる。

〔作用〕

上記技術的手段による働きを第４図ないし第６図を参照
して説明する。

第４図は、光学測定の原理説明図、第５図は、凸の有無
に対応する出力信号の線図、第６図は、ねじり振動の有
無に対応する出力信号の線図である。

前記光学系（光学的検出器）を通り被検出媒体円盤（以
下単に円盤という）に入射した光は１円盤面で反射し、
その売尽が計測される。この光電は、その反射面の凸部
の有無により変化する。第４図（ａ）に示すように、円
盤の平坦な面で反射された光は、はぼ入射光の１００％
が反射されると考えられる。一方、凸部を含む面で反射
される第４図（ｂ）の場合、凸部の高さは前記したよう
にほぼ入射光の波長の１／４になるよう作られているた
め、凸部頂上で反射される光は、まｂりの平坦面で反射
された光に比べて往復で１／２波長、位相で見ると１８
０’ずれた光となる。この１８０’位相のずれた光と平
坦面で反射されたノーマルな光とが干渉し合うと、互い
の位相が逆であるので打ち消し合う結果となり、反射光
の光電は平坦面にくらべて小さくなる。すなわち第５図
に示すように凸部６の有無に対応してフォトダイオード
の出力値が変化する。

第６図（ａ）に、ねじり振動が発生していない通常時、
第６図（ｂ）に、ねじり振動が発生したときのパルス出
力信号を示す。

ねじり振動が発生じていない場合のパルス振動数ｆは、
回転数をＷ、凸部の個数をＮとすると、ｆ＝Ｗ−Ｎ（Ｈ
ｚ） となる。

ねじり振動が発生すると、第６図Ｃａ）に示した波形は
、第６図（ｂ）に示すように周波数変調（ＦＭ）を受け
た状態になる。ねじり振動の振幅の大きさは、パルスの
疎密に、その周波数は疎密のくり返し周期に対応する。

したがって、この信号をＦＭ復調することにより、ねじ
り振動成分を検出することができる。

前記円盤上に非常に多数の凸部を形成する技術は、コン
パクトディスク（ＣＤ）において、すでに実用化されて
いる。ＣＤにおいては、直径１２Ｇのポリカーボネイト
製円盤に、高さ０．１１μｍの凸部が１トラック当り平
均３Ｘ１ｏａ個形成されている。

以上のように、ロータの回転にともない、非常に多数（
１０”　１０　’）　／ｒｅｖ、のパルスを出力するこ
とにより、各パルス間隔に対するねじり振動の影響も相
対的に大きなものになり、高次のねじり振動も十分計測
可能なものとなる。

一般のＦＭｕｉ調器の性能は、測定周波数範囲１〇七〜
３００に七、分解能Ｘは０．００１％である。

いま、高次ねじり振動のねじれ角θを最大１０−”（度
）、回転数Ｗを１５００ｒｐｍとすると、測定能として
最大ねじれ角の１００分の１必要として十分なパルス個
数Ｎは、 ３６０／Ｎ パルスの周波数ｆは 、、、９０Ｋ（七） となる、これは、ＦＭ復調器の測定範囲にある。

従来の技術によれば、１μｍピッチで凸部を形成できる
から、３６０００個の凸部を１μｍピッチで刻んだ円盤
の直径りは、 となる。

実用上を考えると、凸部ピッチを大きくし、Ｄを大きく
する必要があると考える。

〔実施例〕

以下、本発明の各実施例を、第１図ないし第３図、なら
びに第７図ないし第９図を参照して説明する。

第１図は５本発明の一実施例に係る回転体のねじり振動
検出装置の構成図、第２図は、第１図の被検出媒体円盤
の正面図、第３図は、第２図の２部の拡大図である。

第１図において、１は第１の回転体、２は回転軸、３は
第２の回転体、４は軸受、５は、第１の回転体１の端面
に取付けた被検出媒体円盤（以下単に円盤という）、６
は１円盤５の面に、その回転中心から放射状に多数形成
された凸部に係るピットである。

７はレーザ発振器、８は対物レンズ、９はフォトダイオ
ード、１０はハーフミラ−プリズムで、これらで光学的
検出器に係る光学式ピックアップ装置が構成されている
。

また、１１は、光学式ピックアップ装置からの信号を増
幅および波形整形するアンプ、１２は。

アンプ１１の信号成分から振動成分を取り出す復調器に
係るフラッタアナライザである。

より詳しく説明すると次のとおりである。

回転体ｌの端面に円盤５が取り付けられている。

この円盤１は、プラスチックあるいはアルミ材等により
作られており１回転体に影響を与えないよう軽く、かつ
、回転時飛散しないよう十分な剛性を持つ必要がある。

円盤５面には、第２図に示すように、ピット６が多数形
成されている６円盤５の平坦面およびピット６は、レー
ザ光を正確に反射できるよう滑らかに仕上げられ、その
表面は、アルミ蒸着等の表面処理により均一な反射率を
持つ。

第３図に示すように、ピット６の高さｈは、レーザの波
長をλとする、１／４λである必要がある。ピット６の
幅Ｂは、レーザのスポット半径より小さくなければなら
ない、ピット６の長さ悲は、スポット半径より長く、熱
変形等の変形が生じても、レーザのスポットがピット６
を捉えられるよう、十分な長さを持つ必要がある。

ピット６の個数Ｎは１回転体１の回転数をＷ（＆）、ね
じり振動数をω（七）、最大ねじれ角をθ　（度）、ピ
ットまでの半径をＲ（ｍ＋ａ）、フラッタアナライザ１
２の分解能をＸ（％）とすると。

分解能Ｘは最大ねじれ角θの１／Ｚｏｏまで必要である
と考え、 個以上必要となる。

このとき、ピット６の切削精度Ｙ（度）はｘｒｑ定に影
響を与えないため、 となる。

円盤５上のピット６を読み取るため、光学式ピックアッ
プ装置が設けられている。レーザ発振器７から出力され
たレーザは、ハーフミラ−プリズム１０を通り、対物レ
ンズ８により焦点を絞られ、円盤上でスポットを結ぶ０
円盤５面からの反射光は、対物レンズ８により絞られ、
ハーフミラ−プリズム１０で光路を変えられ、フォトダ
イオード９に達する。前述したように、この反射光の光
量は、ピット６の存在の有無により変動する。ピット６
が存在する場合、光量はピット６が存在しない平坦部で
反射した場合に比べて小さくなり、フォトダイオード９
からの出力電圧も小さい、フオトダイオード９からの出
力は、アンプ部１１において、増幅、波形整形処理が行
われ、ピット６に対応したデジタル信号になる。

アンプ部１１から出力されるデジタル信号は、ｆ＝Ｗ−
ＮＣ上）の基本波がねじり振動によりドＭ変調を受けた
ものと考えられる。したがって、これをフラッタアナラ
イザ１２により復調してやれば、ねじり振動成分が現わ
れ、これをＦ　Ｆ　’Ｉ’により分析し、ねじりの振動
周波数を知る。

本実施例によれば、回転体の高次ねじり成分を高精度に
検出することができる。

本装置は、例えば蒸気タービン・発電機系に取り付け、
軸振動をモニタすることにより、翼・軸連成振動が発生
した場合、これを検知することが容易にでき、翼の破損
等に到る前に、これに対応することが可能となり、信頼
性の向上に役立つ。

次に、第７図は、本発明の他の実施例に係る回転体のね
じり振動検出装置の要部を示す斜視図である。

第７図の実施例では、先の実施例のような円盤５を用い
ず、回転体１Ａの側面すなわち外周面に。

その回転中心から放射状に多数のピット６Ａを形成して
被検出媒体面を構成している。

ピット６Ａは、ロータＩＡ外周に直接凸部を刻み込むか
、あるいは、ピットを形成したシート状のものをロータ
外周に巻き付ける構成となる。

１６は、ピット６Ａを有する被検出媒体面のレーザ光を
照射し、その反射光量の変化により凸部を検出する光学
的検出器に係るピックアップである。

第７図の実施例によれば、先の第１図の実施例と同様の
効果が期待される。

なお、第７図の実施例では、回転体ＩＡの外周にピット
６Ａを形成した例を示したが、回転４２の外周にピット
を形成する構成も可能である。

次に、第８図は、本発明のさらに他の実施例に係る回転
体のねじり振動検出装置の構成図である。

図中、第１図、第７図と同一符号のものは同等部分であ
るから、その説明を省略する。

第８図の実施例が、第１図の実施例と相違するところは
、ピックアップ１６系に、円盤５の軸方向変位（矢印参
照）に対応した追従機構１７を付加したことである。

一般に、熱変形あるいは軸方向振動により、軸方向への
変位が起ると、光量が変化し、正確な測定が行えなくな
る。また５円盤５とピックアップ１６とが接触し、破損
することも考えられる。しかし、第８図の実施例によれ
ば円盤５の軸方向の変位に対しピックアップ１６が円滑
に追従し、適正な測定が可能である。

次に、第９図は、本発明のさらに他の実施例に係る回転
体のねじり振動検出装置の説明図で。

（ａ）図は要部斜視図、（ｂ）図は出力信号の線図であ
る。

第９図の実施例では、回転体ＩＢの端面に直接ピット６
Ｂを形成して被検出媒体面を構成している。ピット６Ｂ
は、回転中心から放射状に多数形成されている。

また、ピックアップ１６Ａ、１６Ｂを、第９図／　ａ　
）に示すように、回転中心に対して相対した位置に取り
付けたものである。このように２個のピックアップ１６
Ａ、１６Ｂを対置すると、曲げ振動が発生した場合、第
９図（ｂ）に示すように、ピックアップ１６Ａと１６Ｂ
とでは、その出力（Ｆｔ号の位相が逆になる。したがっ
て、両者を加算することにより、曲げ振動の影響を打消
すことができる。

第９図の実施例によれば、先の各実施例と同様の効果が
期待されるほか、曲げ振動の影響を小さくして、回転の
ねじり振動をより高精度に検出できるという効果がある
。

なお、図示して説明しないが、上記各実施例の回転体の
ねじり振動検出装置において、アンプ出力信号をスピー
カ等の音響発生装置に入力し、ねじり振動による変調を
音の変化に置き換え、観１１１ｆｆｆ者の聴覚により簡
易的にモニタリングを行うことも可能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、回転体の
高次のねじり振動を高精度に検出するととの可能な回転
体のねじり振動検出装置を提供することができる。

また５本発明の回転体のねじり振動検出装置を、例えば
蒸気タービン・発電機系に取り付け、軸振動をモニタす
ることにより、翼・軸連成振動が発生した場合、これを
検知することが容易にでき、翼の破損等に到る前に、こ
れに対応することが可能となり、信頼性の向上に役立つ
。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例に係る回転体のねじり振動
検出装置の構成図、第２図は、第１図の被検出媒体円盤
の正面図、第３図は、第２図のＰ部の拡大図、第４図は
、光学測定の原理説明図。 第５図は、凸の有無に対応する出力信号の線図。 第６ｗＩは、ねじり振動の有無に対応する出力信号の線
図、第７図は、本発明の他の実施例に係る回転体のねじ
り振動検出装置の要部を示す斜視図。 第８図は、本発明のさらに他の実施例に係る回転体のね
じり振動検出装置の構成図、第９図は、本発明のさらに
他の実施例に係る回転体のねじり振動検出装置の説明図
、第１０図および第１１図は、従来の回転体のねじり振
動検出手段を説明する説明図である。 １、ＬＡ、ＩＢ・・・回転体、５・・・円盤、６，６Ａ
。 ６Ｂ・・・ピット、７・・・レーザ発振器、８・・・対
物レンズ、９・・・フォトダイオード、１０・・・ハー
フミラ−プリズム、１１・・・アンプ、１２・・・フラ
ッタアナライザ、１６，１６Ａ、１６Ｂ・・・ピックア
ップ、η　ｊ　図 巣　４　の （す 第 第 回 時間（１） 時間（１） 第 （（Ｌ） （ｂ） ｍ　＋　（８）ニガ 猶 ′７−追従機構 半 ／θ ロ カ 図 ／７−−−律多中カベ構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転体の端面に取付けられ、その回転中心から放射
   状に多数の凸部が形成された被検出媒体円盤と、 この被検出媒体円盤にレーザ光を照射し、その反射光量
   の変化により前記凸部を検出する光学的検出器と、 この光学的検出器からの信号を増幅および波形整形する
   アンプ部と、 その信号成分から振動成分を取り出す復調器と、 からなることを特徴とする回転体のねじり振動検出装置
   。 ２、回転体の端面に、その回転中心から放射状に多数の
   凸部が形成された被検出媒体面と、 この被検出媒体面にレーザ光を照射し、その反射光量の
   変化により前記凸部を検出する光学的検出器と、 この光学的検出器からの信号を増幅および波形整形する
   アンプ部と、 その信号成分から振動成分を取り出す復調器と、 からなることを特徴とする回転体のねじり振動検出装置
   。 ３、回転体の側面に、その回転中心から放射状に多数の
   凸部が形成された被検出媒体面と、 この被検出媒体面にレーザ光を照射し、その反射光量の
   変化により前記凸部を検出する光学的検出器と、 この光学的検出器からの信号を増幅および波形整形する
   アンプ部と、 その信号成分から振動成分を取り出す復調器と、 からなることを特徴とする回転体のねじり振動検出装置
   。 ４、請求項１または請求項２記載のもののいずれかにお
   いて、光学的検出器を、回転中心に対して相対する位置
   に配置した複数の光学的検出器としたことを特徴とする
   回転体のねじり振動検出装置。 ５、請求項１または請求項２記載のもののいずれかにお
   いて、光学的検出器は、被検出媒体面の軸方向変位に対
   応した追従機構を有することを特徴とする回転体のねじ
   り振動検出装置。