(57)【要約】【課題】回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える遠心式回転機械が、軸系の回転安定性評価のための動特性測定対象であっても、回転軸端部の流体流路をそのまま確保しつつ、そのロータの動特性を高精度で測定することができる遠心式回転機械の動特性測定装置を提供すること。【解決手段】この動特性測定装置は、羽根車４、５の背面側に配置されて羽根車４、５を磁力で加振する磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）と、これら磁力発生器を駆動する加振制御器１２と、回転軸３の振動を検出する振動センサー１３、１４と、加振制御器１２からの加振信号および振動センサー１３、１４からの振動信号に基づいて周波数分析とモード解析とを行ってロータ６の動特性を算出する演算装置１６と、を備えている。【選択図】図１
2014102117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える遠心式回転機械の動特性測定装置であって、
前記羽根車の背面側に配置されて前記羽根車を磁力で加振する磁力発生器と、
前記磁力発生器を駆動する加振制御器と、
前記回転軸の振動を検出する振動センサーと、
前記加振制御器からの加振信号および前記振動センサーからの振動信号に基づいて周波数分析とモード解析とを行って前記ロータの動特性を算出する演算装置と、
を備える、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記磁力発生器が、前記羽根車の径方向において、前記羽根車の最外周部に配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記羽根車の背面に取り付けられる磁性部材または良導電部材を備える、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記ロータの振動モードとして、剛体モードと曲げモードとを個別に励起できるように複数の前記磁力発生器が配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記羽根車は、前記回転軸の両端部にそれぞれ取り付けられるものであって、
それぞれの前記羽根車の背面側に、前記ロータの回転方向において１８０°間隔で前記磁力発生器が配置され、
前記回転軸の両側に配置される前記磁力発生器同士が、前記ロータの軸方向において対向配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記ロータの振動モードとして、後回りモードと前回りモードとを個別に励起できるように複数の前記磁力発生器が配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記羽根車の背面側に、前記ロータの回転方向において９０°間隔で前記磁力発生器が配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記ロータの振動モードとして、後回り剛体モードと前回り剛体モードと後回り曲げモードと前回り曲げモードとをそれぞれ個別に励起できるように複数の前記磁力発生器が配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の遠心式回転機械の動特性測定装置において、
前記羽根車は、前記回転軸の両端部にそれぞれ取り付けられるものであって、
それぞれの前記羽根車の背面側に、前記ロータの回転方向において９０°間隔で前記磁力発生器が４つ配置され、
前記回転軸の両側に配置される前記磁力発生器同士が、前記ロータの軸方向において対向配置される、遠心式回転機械の動特性測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の遠心式回転機械の動特性測定装置と、
回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータと、
を備える、遠心式回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽根車を回転させることでガスを圧縮する遠心圧縮機などの遠心式回転機械の動特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば遠心圧縮機では、そのロータに作用する高圧ガスの励振力により、ロータが自励振動を起こし圧縮機を停止させなければならなくなることがある。また、一般的に、回転機械において、そのロータの固有振動数とロータの回転数とが一致する危険速度では大きな振動が発生することが知られている。
【０００３】
ここで、特許文献１に記載の技術は、回転式流体機械のロータが４次危険速度の近傍でも運転できるようにすることを目的とする技術であり、一軸型の遠心圧縮機において４ 次の振動モードの振幅が大きくなるロータの軸端に磁気軸受を設置し、４次の危険速度を通過する際にロータの振動が小さくなるように発生磁力を制御するという技術が特許文献１に記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、一軸型の遠心圧縮機において回転軸両端に磁気軸受を設置した構成で、軸振動系の安定性の状態監視を行い、異常振動の兆候を事前に検出するための技術が記載されている。磁気軸受を介して運転時のロータを加振し、その時の軸振動応答をセンサーで検出する。加振指令とセンサーの検出値とから伝達関数を算出し、算出した伝達関数から前回りモードと後回りモードとを分離する。得られた感度関数から監視対象としているモードのピーク値を読み取り時間変化を表示することで軸系の安定性を監視している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１４５０５８号公報
【特許文献２】特開２０１２−８２８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に記載の技術では、いずれも、ロータの軸端に磁気軸受を設置している。一軸型の遠心圧縮機の場合、ロータの軸端に磁気軸受を設置できるが、ロータの軸端に磁気軸受を設置できない構造の回転機械もある。例えば、ギア内蔵型の遠心圧縮機の場合、軸受の外側に回転軸がオーバハングし、その回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられる。この場合、回転軸の端部は圧縮ガスの流路にあたるので、回転軸の軸端部に磁気軸受を設置することはできない。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える遠心式回転機械が、軸系の回転安定性評価のための動特性測定対象であっても、回転軸端部の流体流路をそのまま確保しつつ、そのロータの動特性を高精度で測定することができる遠心式回転機械の動特性測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える遠心式回転機械の動特性測定装置である。この動特性測定装置は、前記羽根車の背面側に配置されて前記羽根車を磁力で加振する磁力発生器と、前記磁力発生器を駆動する加振制御器と、前記回転軸の振動を検出する振動センサーと、前記加振制御器からの加振信号および前記振動センサーからの振動信号に基づいて周波数分析とモード解析とを行って前記ロータの動特性を算出する演算装置と、を備えている。
【０００９】
また、別の観点では、本発明は、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータと、上記した動特性測定装置と、を備える遠心式回転機械である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、羽根車の背面側に磁力発生器が配置されるので、回転軸端部の流体流路をそのまま確保することができる。また、羽根車は、ロータの振動振幅の大きい回転軸の軸端部に取り付けられるため、この羽根車を磁力発生器からの磁力で加振するということは、ロータの振動振幅の大きい位置を加振するということであり、ロータの振動振幅を、その動特性を測定するのに十分な大きさのものとすることができる。しかも、羽根車は回転軸からその径方向外側へ向かって延在する形状であるので、この羽根車を磁力発生器からの磁力で加振することで、磁力による曲げモーメントは大きくなる。これにより、軸振動応答が大きくなるという効果的な加振が可能となる。これらより、ロータの動特性を測定するためのロータの振動モードを効果的に励起することができる。その結果、ロータの動特性を高精度で測定することができる。
このように、本発明によれば、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える遠心式回転機械が、軸系の回転安定性評価のための動特性測定対象であっても、回転軸端部の流体流路をそのまま確保しつつ、そのロータの動特性を高精度で測定することができる。なお、これにより、遠心式回転機械の回転安定性を高精度で評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る動特性測定装置を構成する磁力発生器の配置図である。
【図２】図２（ａ）は、剛体モードを励起する場合の図１に示す磁力発生器への加振信号の波形を示すグラフであり、図２（ｂ）、（ｃ）は、剛体モードを励起したときのロータの振動の様子を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、曲げモードを励起する場合の図１に示す磁力発生器への加振信号の波形を示すグラフであり、図３（ｂ）、（ｃ）は、曲げモードを励起したときのロータの振動の様子を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る動特性測定装置を構成する磁力発生器の配置図である。
【図５】図５（ａ）は、後回りモードを励起する場合の図４に示す磁力発生器への加振信号の波形を示すグラフであり、図５（ｂ）は、後回りモードを励起したときのロータの振動の様子を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、前回りモードを励起する場合の図４に示す磁力発生器への加振信号の波形を示すグラフであり、図６（ｂ）は、前回りモードを励起したときのロータの振動の様子を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る動特性測定装置を構成する磁力発生器の配置図である。
【図８】図８（ａ）は、前回り剛体モードを励起する場合の図７に示す磁力発生器への加振信号の波形を示すグラフであり、図８（ｂ）は、前回り剛体モードを励起したときのロータの振動の様子を示す図である。
【図９】図７に示す磁力発生器を含む動特性測定装置のシステム構成図である。
【図１０】動特性測定装置によりロータの動特性を測定するフローチャートである。
【図１１】回転安定性の評価方法を説明するためのグラフである。
【図１２】羽根車の背面に磁性体からなるプレートを取り付けた形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
以下では、本発明に係る遠心式回転機械の動特性測定装置を、ギア内蔵型遠心圧縮機に適用した例を示しているが、本発明に係る動特性測定装置は、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える、流体を圧縮または圧送する様々な遠心式回転機械に適用することができる。すなわち、回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータを備える、遠心圧縮機、遠心ポンプ、遠心送風機などの遠心式回転機械のロータ（軸系）の動特性を、本発明に係る動特性測定装置で測定することができる。
【００１４】
（第１実施形態）
図１〜３を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る動特性測定装置について説明する。なお、動特性測定装置のシステム構成、およびロータの動特性測定の流れについては、後述する第３実施形態の説明において詳述することとする。ここでは、動特性測定対象の一例であるギア内蔵型遠心圧縮機の構成、動特性測定装置を構成する磁力発生器の配置、および磁力発生器による加振形態について説明する。
【００１５】
<ギア内蔵型遠心圧縮機の構成>
図１に示したように、ギア内蔵型遠心圧縮機１００は、回転軸３と、回転軸３の両端部にそれぞれ取り付けられた羽根車４、５とを有するロータ６を具備してなる（回転軸３と羽根車４、５とでロータ６を構成する）。２つの羽根車４、５の間の回転軸３部には、ギア７（ピニオンギア）が設けられている。このギア７は、ギア７よりも大きな径の大ギア（不図示）に噛合わせられており、ロータ６はギア７を介して回転させられる。ギア７と前記大ギアとで増速機構を構成し、ロータ６の回転速度は、例えば２００００〜３００００ｒｐｍとなる。
【００１６】
また、２つの羽根車４、５の間であって、且つギア７の両側には、回転軸３を支持する軸受８が設置されている。この軸受８と羽根車４（５）との間には、圧縮ガスの漏れを防止するシール９が設置されている。なお、ロータ６などの部品は、図示を省略するケーシングに入れられている。また、１台のギア内蔵型遠心圧縮機は、ギア７・軸受８・シール９などが組み込まれた状態のロータ６を複数備えることが多い。なお、ギア７・軸受８・シール９などが組み込まれた状態のロータ６を１つだけ備えるギア内蔵型遠心圧縮機であってもよい。
【００１７】
<磁力発生器の配置>
動特性測定装置を構成する磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）の配置について説明する。本実施形態では、ロータ６の振動モードとして、剛体モードと曲げモードとを個別に励起できるように複数の磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）が、羽根車４、５の背面側に配置されている。磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）は、羽根車４（５）を磁力で加振するためのものである。なお、圧縮ガスの流れを図１に矢印で示している。羽根車４（５）の背面とは、羽根車４（５）のうち、圧縮ガスが流れる側とは反対側の面のことをいう。
【００１８】
これら磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）は、電気信号により発生磁力の大きさを変化させられるものが好ましく、例えば鉄心にコイルが巻かれてなる電磁石などが適している。磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）の向きは、例えば回転軸３と平行な向きとされる。鉄心にコイルが巻かれてなる電磁石を用いる場合、鉄心の軸方向（長手方向）と回転軸３の軸方向とを平行にする。なお、完全に平行にしなくてもよい。回転軸３の軸方向に、鉄心の軸方向（長手方向）を沿わせる。回転軸３と羽根車４、５とは直交する。
【００１９】
羽根車４、５の材質は、磁気吸引力が作用する磁性体、または渦電流が発生する良導電体であることが望ましい。磁性体としては、鉄、磁性を有するステンレスなどが挙げられる。良導電体としては、アルミ、アルミニウム合金、銅などが挙げられる。
【００２０】
羽根車４、５の材質が磁性体でも良導電体でもない場合は、羽根車４、５の背面に磁性体からなる磁性部材または良導電体からなる良導電部材を取り付けても良い。この形態の一例を図１２に示している。図１２に示した例では、羽根車４、５の背面に、磁性体からなるプレート１７を溶接接合などにより貼り付けている。なお、プレート１７の厚みは任意である。また、図１２では、羽根車４、５の背面全体にプレート１７を貼り付けているが、羽根車４、５の背面のうち、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）が対向する面のみにプレート１７を貼り付けてもよい。羽根車４、５は回転するので、この場合、プレート１７の形状は、リング形状（環形状）となる。
【００２１】
図１に戻る。磁力発生器（１ａ、１ｂ）は、ロータ６の回転方向において１８０°の間隔で羽根車４の背面側に配置されている。なお、磁力発生器（１ａ、１ｂ）は、ケーシングなどに固定される（回転させられるものではない）。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【００２２】
磁力発生器（２ａ、２ｂ）に関しても同様に、ロータ６の回転方向において１８０°の間隔で、羽根車４とは反対側の羽根車５の背面側に配置され、ケーシングなどに固定される（１８０°の間隔で配置されていることを図２（ｂ）に示した）。
【００２３】
また、回転軸３の両側に配置される磁力発生器（１ａ、２ａ）同士、および磁力発生器（１ｂ、２ｂ）同士は、ロータ６の軸方向において対向配置される。換言すれば、磁力発生器１ａと磁力発生器２ａとは、ロータ６の軸方向からみて、ほぼ同一直線上に配置される。磁力発生器（１ｂ、２ｂ）についても同様に、磁力発生器１ｂと磁力発生器２ｂとは、ロータ６の軸方向からみて、ほぼ同一直線上に配置される。
【００２４】
回転軸３（羽根車４、５）の径方向においては、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）は、回転軸３の軸中心から同一の距離の位置に配置されることが好ましい。さらには、回転軸３の軸中心からの距離はできるだけ大きいほうが好ましい。すなわち、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）は、回転軸３（羽根車４、５）の径方向において、羽根車４、５の最外周部（外周縁部）に配置されることが好ましい。
【００２５】
羽根車４、５は回転軸３からその径方向外側へ向かって延在する形状であるので、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）からの磁力で、羽根車４、５の最外周部を加振することで、回転軸３に近い部分を加振することに比べて、磁力による曲げモーメントをより大きくすることができる。結果として、軸振動応答がより大きくなるという効果的なロータ６の加振が可能となる。
【００２６】
<磁力発生器による加振形態>
次に、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）による加振形態（剛体モードと曲げモード）について図２、３を参照しつつ説明する。
【００２７】
まず、図２を参照しつつ、剛体モードを励起する場合について説明する。なお、剛体モードとは、一般的に、ロータ６が振動するときに最初に出てくる曲がりの少ない振動モードのことである。これに対して、曲げモードとは、例えば、ロータ６が振動するときに剛体モードの次に出てくる比較的曲がりの大きい振動モードのことである。
【００２８】
ここで、図２（ｂ）、（ｃ）は、剛体モードを励起したときのロータ６の振動の様子を示す図である。図２（ｂ）、（ｃ）に示したように、剛体モードでは、例えば、回転軸３の両端は、回転しながら反対向きに振動する（振れる）。このような振動モードを剛体モードという。
【００２９】
図２（ａ）は、剛体モードを励起する場合の図１に示す磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）への加振信号の波形を示すグラフである。なお、この加振信号は、図９に示す後述する加振信号発生器１０より出力される。
【００３０】
図２（ｂ）の状態および図２（ｃ）の状態を、それぞれ、位相状態Ａおよび位相状態Ｂとして、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）それぞれへの加振信号がどのときの振動状態が、図２（ｂ）の状態に当たるのか、図２（ｃ）の状態に当たるのかを、図２（ａ）の波形グラフに矢印で指して示している。
【００３１】
図２に示したように、ロータ６の回転方向において１８０°の間隔で配置された磁力発生器の組、すなわち、磁力発生器１ａ・１ｂ、および磁力発生器２ａ・２ｂ、とをそれぞれ交互に動作させるとともに、ロータ６の軸方向において対向配置された磁力発生器の組、すなわち、磁力発生器１ａ・２ａ、および磁力発生器１ｂ・２ｂ、への加振信号の位相差を逆相とする（１８０°ずらす）ことで、剛体モードを効果的に励起することができる。
【００３２】
次に、図３を参照しつつ、曲げモードを励起する場合について説明する。図３（ｂ）、（ｃ）は、曲げモードを励起したときのロータ６の振動の様子を示す図である。図３（ｂ）、（ｃ）に示したように、曲げモードでは、例えば、回転軸３の両端は、回転しながら同じ向きに振動する（振れる）。このような振動モードを曲げモードという。
【００３３】
図３（ａ）は、曲げモードを励起する場合の図１に示す磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）への加振信号の波形を示すグラフである。なお、この加振信号は、図９に示す後述する加振信号発生器１０より出力される。
【００３４】
図３（ｂ）の状態および図３（ｃ）の状態を、それぞれ、位相状態Ｃおよび位相状態Ｄとして、磁力発生器（１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ）それぞれへの加振信号がどのときの振動状態が、図３（ｂ）の状態に当たるのか、図３（ｃ）の状態に当たるのかを、図３（ａ）の波形グラフに矢印で指して示している。
【００３５】
図３に示したように、ロータ６の回転方向において１８０°の間隔で配置された磁力発生器の組、すなわち、磁力発生器１ａ・１ｂ、および磁力発生器２ａ・２ｂ、とをそれぞれ交互に動作させるとともに、ロータ６の軸方向において対向配置された磁力発生器の組、すなわち、磁力発生器１ａ・２ａ、および磁力発生器１ｂ・２ｂ、への加振信号の位相差を同相とすることで、曲げモードを効果的に励起することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図４〜６を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る動特性測定装置について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、その説明を省略する（第３実施形態においても同様）。
【００３７】
<磁力発生器の配置>
本実施形態では、ロータ６の振動モードとして、後回りモードと前回りモードとを個別に励起できるように２つの磁力発生器（１ａ、１ｂ）が、羽根車５の背面側に配置されている。
【００３８】
磁力発生器（１ａ、１ｂ）は、ロータ６の回転方向において９０°の間隔で羽根車５の背面側に配置されている。これにより、回転軸３に対して垂直な直交２軸で羽根車５に加振力を作用させることができる。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【００３９】
なお、羽根車４の背面側にも、ロータ６の回転方向において９０°の間隔で磁力発生器が配置されていてもよい。
【００４０】
<磁力発生器による加振形態>
次に、磁力発生器（１ａ、１ｂ）による加振形態（後回りモードと前回りモード）について図５、６を参照しつつ説明する。
【００４１】
図５に示す後回りモードとは、回転軸３（ロータ６）の振れ回りが、回転軸３（ロータ６）の回転方向とは反対方向となる振動モードのことである。これに対して、図６に示す前回りモードとは、回転軸３（ロータ６）の振れ回りが、回転軸３（ロータ６）の回転方向と同方向となる振動モードのことである。
【００４２】
図５（ｂ）は、後回りモードを励起したときのロータ６の振動の様子を示す図である。図５（ｂ）に示したように、後回りモードでは、回転軸３（ロータ６）は、回転軸３（ロータ６）の回転方向とは反対方向に振れ回る。図６（ｂ）は、前回りモードを励起したときのロータ６の振動の様子を示す図である。図６（ｂ）に示したように、前回りモードでは、回転軸３（ロータ６）は、回転軸３（ロータ６）の回転方向と同方向に振れ回る。
【００４３】
図５（ａ）は、後回りモードを励起する場合の図４に示す磁力発生器（１ａ、１ｂ）への加振信号の波形を示すグラフであり、図６（ａ）は、前回りモードを励起する場合の図４に示す磁力発生器（１ａ、１ｂ）への加振信号の波形を示すグラフである。
【００４４】
図５、６に示したように、ロータ６の回転方向において９０°の間隔で配置された磁力発生器（１ａ、１ｂ）のうちの一方（例えば、磁力発生器１ａ）への加振信号を基準として、他方（例えば、磁力発生器１ｂ）への加振信号の位相を９０°、前または後ろにずらすことで、前回りモードと後回りモードとを効果的に励起することができる。
【００４５】
（第３実施形態）
図７、８を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る動特性測定装置について説明する。
【００４６】
<磁力発生器の配置>
本実施形態では、ロータ６の振動モードとして、さらに、後回り剛体モードと前回り剛体モードと後回り曲げモードと前回り曲げモードとをそれぞれ個別に励起できるように、複数の磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）が、羽根車４、５の背面側に配置されている。
【００４７】
４つの磁力発生器（１ａ〜１ｄ）は、ロータ６の回転方向において９０°の間隔で羽根車４の背面側に配置されている。もう１組の４つの磁力発生器（２ａ〜２ｄ）は、ロータ６の回転方向において９０°の間隔で羽根車５の背面側に配置されている。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【００４８】
また、前記した第１実施形態の場合と同様に、回転軸３の両側に配置される磁力発生器（１ａ、２ａ）同士、磁力発生器（１ｂ、２ｂ）同士、磁力発生器（１ｃ、２ｃ）同士、および磁力発生器（１ｄ、２ｄ）同士は、ロータ６の軸方向において対向配置される。
【００４９】
なお、本実施形態の磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）の配置は、剛体モードと曲げモードとを個別に励起できる第１実施形態の磁力発生器の配置と、後回りモードと前回りモードとを個別に励起できる第２実施形態の磁力発生器の配置と、を包含したものである。
【００５０】
<磁力発生器による加振形態>
次に、磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）による加振形態の一例（前回り剛体モード）について図８を参照しつつ説明する。
【００５１】
図８に示す前回り剛体モードとは、前回り方向に回転する剛体モードである。なお、後回り剛体モードとは、後回り方向に回転する剛体モードであり、後回り曲げモードとは、後回り方向に回転する曲げモードであり、前回り曲げモードとは、前回り方向に回転する曲げモードである。
【００５２】
図８（ｂ）は、前回り剛体モードを励起したときのロータの振動の様子を示す図である。図８（ｂ）に示したように、前回り剛体モードでは、回転軸３（ロータ６）は、剛体モードで振動しつつ、回転軸３（ロータ６）の回転方向と同方向に振れ回る。
【００５３】
図８（ａ）は、前回り剛体モードを励起する場合の図７に示す磁力発生器への加振信号の波形を示すグラフである。
【００５４】
図８に示したように、ロータ６の回転方向において９０°の間隔で配置された磁力発生器の組、すなわち、磁力発生器（１ａ〜１ｄ）、および磁力発生器（２ａ〜２ｄ）、への加振信号をそれぞれ、加振させたい（振れ回しさせたい）回転方向に９０°ずつ位相をずらすことで前回りモード（または後回りモード）を効果的に励起することができる。また、ロータ６の軸方向において対向配置された磁力発生器の組、すなわち、磁力発生器１ａ・２ａ、磁力発生器１ｂ・２ｂ、磁力発生器１ｃ・２ｃ、および磁力発生器１ｄ・２ｄ、への加振信号の位相差を逆相（または同相）とすることで、剛体モード（または曲げモード）を効果的に励起することができる。これらを組み合わせることで、後回り剛体モード、前回り剛体モード、後回り曲げモード、および前回り曲げモードを励起することができる。
【００５５】
<動特性測定装置のシステム構成>
図９は、図７に示す磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）を含む動特性測定装置のシステム構成図である。なお、磁力発生器（１ａ〜１ｄ）に関しては、その構成（加振信号発生器１０（加振制御器１２）からの信号で駆動されることなど）は磁力発生器（２ａ〜２ｄ）と同様であるため、図示を省略している。また、図１０は、動特性測定装置によりロータ６の動特性を測定するフローチャートである。
【００５６】
図９に示したように、動特性測定装置は、磁力発生器（２ａ〜２ｄ）（磁力発生器（１ａ〜１ｄ）も備えている）と、これら磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）を駆動する加振制御器１２と、回転軸３の振動を検出する振動センサー（１３、１４）と、加振信号発生器１０（加振制御器１２）からの加振信号および振動センサー（１３、１４）からの振動信号（検出信号）に基づいて周波数分析およびモード解析を行ってロータ６の動特性を算出する演算装置１６とを備えている。本実施形態において、加振制御器１２は、加振信号発生器１０と増幅器１１とで構成される。
【００５７】
<ロータの動特性測定の流れ>
加振信号発生器１０より加振信号が出力され（Ｓ１（ステップ１）、図１０参照）、増幅器１１に入力される。増幅器１１は磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）に接続されており、磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）に入力される加振信号は、この増幅器１１にて増幅される。なお、磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）の駆動方法としては、例えば加振周波数を変化させていくスイープ加振、衝撃的な入力を羽根車４、５（ロータ６）に加えるインパルス加振などが挙げられる。
【００５８】
磁力発生器（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）により発生した磁力（磁気吸引力）によりロータ６が加振される。この加振力に対するロータ６（回転軸３）の振動応答は、互いに直角に設置された振動センサー（１３、１４）で検出される（Ｓ２）。
【００５９】
加振信号発生器１０からの加振信号は信号計測器１５にも入力される。振動センサー（１３、１４）で検出された振動信号（振動応答信号）は信号計測器１５に取り込まれる。これら信号は演算装置１６に送られる。
【００６０】
演算装置１６は、加振信号発生器１０からの加振信号データおよび振動センサー（１３、１４）からの振動応答信号データに対して周波数分析を行い、加振信号から振動応答までの伝達関数を算出する（Ｓ３）。
【００６１】
周波数分析では、時刻歴データである加振信号ｘ（ｔ）と振動応答信号ｙ（ｔ）とを、例えば一般的に知られるＤＦＴ処理（Discrete Fourier Transform）やＦＦＴ処理（Fast Fourier Transform）などにより、入力スペクトルデータＸ（ｆ）と応答スペクトルデータＹ（ｆ）とに変換する。ここで、ｔは時刻、ｆは周波数Ｈｚを表す。
【００６２】
ＤＦＴ処理による時刻歴デーｘ（ｔ）のスペクトルデータＸ（ｆ）への変換例を次式に示す。
【数１】
2014102117.tif 000003
【００６３】
ここで、Ｎは分析対象となるデータの点数、ｍは時刻歴データ列のｍ番目のデータであることを表す番号、ｎはスペクトルデータ列のｎ番目のデータであることを表す番号、πは円周率、ｊは虚数単位である。
【００６４】
時刻歴データの時刻ｔとデータ番号ｍとの関係は、データの時間刻みをΔｔとするとｔ＝ｍΔｔで表される。スペクトルデータの周波数ｆとデータ番号ｎとの関係は、データの周波数刻みをΔｆ＝１／（ＮΔｔ）とするとｆ＝Δｆｎで表される。
【００６５】
周波数分析により得られた入力スペクトルデータＸ（ｆ）と応答スペクトルデータＹ（ｆ）とを用いて伝達関数Ｇ（ｆ）は次式で算出される。
【数２】
2014102117.tif 000004
【００６６】
演算装置１６により、算出された伝達関数Ｇ（ｆ）に対し、モード解析法として知られる例えば偏分反復法やＥＲＡ法（Eigensystem Realization Algorism）などを適用することで固有振動数、減衰比、振動モードが求まる（Ｓ４）。減衰比は、ロータ６の動特性の一例である。
【００６７】
算出された各振動モードの減衰比をグラフにプロットする（Ｓ５）。その後、算出された各振動モードの減衰比からロータ６（軸系）の回転安定性を評価する。回転安定性の評価方法としては、例えば横軸をガス動力、縦軸を減衰比としたグラフで圧縮機負荷に対する減衰比の変化を評価できる（図１１（ａ））。
【００６８】
または、横軸を時間、縦軸を減衰比としたグラフで圧縮機の実運転時における状態監視が可能である（図１１（ｂ））。
【００６９】
図１１において減衰比がゼロに近づくとロータ６の回転が不安定化する危険性が増すため、そのような運転状態を避けるか、またはロータ６の減衰を増す対策を行うなどの判断が本技術により可能となる。
【００７０】
（作用・効果）
以上、本発明に係る動特性測定装置の実施形態を説明したように、本発明では、羽根車４（５）の背面側に磁力発生器が配置されるので、回転軸３端部の流体流路をそのまま確保することができる。また、羽根車４（５）は、ロータ６の振動振幅の大きい回転軸３の軸端部に取り付けられるため、羽根車４（５）を磁力発生器からの磁力で加振するということは、ロータ６の振動振幅の大きい位置を加振するということであり、ロータ６の振動振幅を、その動特性を測定するのに十分な大きさのものとすることができる。しかも、羽根車４（５）は回転軸からその径方向外側へ向かって延在する形状であるので、この羽根車４（５）を磁力発生器からの磁力で加振することで、磁力による曲げモーメントは大きくなる。これにより、軸振動応答が大きくなるという効果的な加振が可能となる。これらより、ロータ６の動特性を測定するためのロータ６の振動モードを効果的に励起することができる。その結果、ロータ６の動特性を高精度で測定することができる。
このように、本発明によれば、回転軸３の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータ６を備える遠心式回転機械が、軸系の回転安定性評価のための動特性測定対象であっても、回転軸３端部の流体流路をそのまま確保しつつ、そのロータ６の動特性を高精度で測定することができる。なお、これにより、遠心式回転機械の回転安定性を高精度で評価することが可能となる。
【００７１】
また、図１２に示したように、羽根車４（５）の背面に磁性部材または良導電部材を取り付けることで、羽根車４（５）がどのような材質であっても十分な加振力を得ることができる。すなわち、羽根車４（５）の材質によらずロータ６の動特性を測定することができる。
【００７２】
また、ロータ６の振動モードとして、後回り剛体モード・前回り剛体モード・後回り曲げモード・前回り曲げモードを、それぞれ個別に励起できるように複数の磁力発生器を配置することで、様々な振動モードにおけるロータ６の動特性を測定することができる。
【００７３】
ここで、図１に例示したように、ロータ６の振動モードとして、剛体モードと曲げモードとを個別に励起する場合に、羽根車４（５）それぞれの背面側に、ロータ６の回転方向において１８０°間隔で磁力発生器１ａ、１ｂ（２ａ、２ｂ）を配置するとともに、回転軸３の両側に配置される磁力発生器同士（１ａ・２ａ、１ｂ・２ｂ）を、ロータ６の軸方向において対向配置することで、剛体モード、曲げモードを効果的に励起することができる。
【００７４】
また、図４に例示したように、ロータ６の振動モードとして、後回りモードと前回りモードとを個別に励起する場合に、例えば一方の羽根車５の背面側に、ロータ６の回転方向において９０°間隔で磁力発生器１ａ、１ｂを配置することで、後回りモード、前回りモードを効果的に励起することができる。なお、ロータ６の回転方向において、例えば２つの磁力発生器１ａ、１ｂを１８０°の間隔以外の間隔（位相差）でずらして羽根車の背面側に配置しても、後回りモードと前回りモードとを個別に励起することができる。
【００７５】
さらには、図７に例示したように、それぞれの羽根車４、５の背面側に、ロータ６の回転方向において９０°間隔で磁力発生器を４つずつ（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ）配置するとともに、回転軸３の両側に配置される磁力発生器同士（１ａ・２ａ、１ｂ・２ｂ、１ｃ・２ｃ、１ｄ・２ｄ）を、ロータ６の軸方向において全て対向配置することで、後回り剛体モード、前回り剛体モード、後回り曲げモード、および前回り曲げモード、という計4つの振動モードを、それぞれ個別に励起することができる。
【００７６】
なお、本発明は、前記したような動特性測定装置、および回転軸の軸端部に羽根車が取り付けられてなるロータなどを備える遠心式回転機械と把握することもできる。
【符号の説明】
【００７７】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：磁力発生器
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：磁力発生器
３：回転軸
４、５：羽根車
６：ロータ
７：ギア
８：軸受
９：シール
１２：加振制御器
１３、１４：振動センサー
１６：演算装置
１００：ギア内蔵型遠心圧縮機（遠心回転機械）
【図１】
2014102117.tif 000005
【図２】
2014102117.tif 000006
【図３】
2014102117.tif 000007
【図４】
2014102117.tif 000008
【図５】
2014102117.tif 000009
【図６】
2014102117.tif 000010
【図７】
2014102117.tif 000011
【図８】
2014102117.tif 000012
【図９】
2014102117.tif 000013
【図１０】
2014102117.tif 000014
【図１１】
2014102117.tif 000015
【図１２】
2014102117.tif 000016