(57)【要約】【課題】エア式非接触加振方法による疲労試験において、加振力を増幅して効率的な試験の実施を可能とし、また高強度部材の部品の疲労試験も比較的小型の装置によって実施可能とする。【解決手段】対象物にパルス状に連続して噴出する空気を吹き付けその疲労強度を求めるため、対象物に空気を吹き付ける加振ノズル（４）と、エア源（８）に接続され所定周波数（Ｎ）のパルス状の空気を発生するパルス波発生機（６）と、を備えたエア式非接触加振装置において、前記加振ノズルは、内部を通るパルス状の空気が気柱振動する長さに設定される。ここでパルス波の周波数を対象物の固有振動数と一致させ、また、加振ノズルにはその全長を伸縮するための伸縮機構が設けられることが好ましい。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状に連続して噴出する空気を吹き付けることによって対象物（２）を加振して、その疲労強度を求めるためのエア式非接触加振装置であって、
該エア式非接触加振装置（１０）は、前記対象物に空気を吹き付ける中空管からなる加振ノズル（４）と、エア源（８）に接続され加振ノズルに向けて所定周波数（Ｎ）のパルス状の空気を発生するパルス波発生機（６）と、を備え、
前記加振ノズルは、内部を通るパルス状の空気が気柱振動する長さに設定される、ことを特徴とするエア式非接触加振装置。
【請求項２】
前記所定周波数（Ｎ）は対象物（２）の固有振動数に設定される、ことを特徴とする請求項１に記載のエア式非接触加振装置。
【請求項３】
前記加振ノズル（４）には、その全長を調節するための伸縮機構（１４）が設けられている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエア式非接触加振装置。
【請求項４】
前記加振ノズル（４）は、一端が前記パルス発生機に接続され他端にネジ部（１２ａ）が形成された第１中空管（４ａ）と、一端に該ネジ部と螺合するネジ部（１２ｂ）が形成され他端から空気を噴出するた第２中空管（４ｂ）と、からなり、
前記伸縮機構（１４）は、螺合したネジ部を締め又は緩めることによって第１中空管と第２中空管をその中心軸を一致させた状態で軸方向に移動させて、加振ノズルを伸縮させる、ことを特徴とする請求項３に記載のエア式非接触加振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエア式非接触加振装置に係るものであり、より詳しくは、タービンブレード等に空気を連続して吹き付けることによりこれを加振して行われる高サイクル疲労試験に用いるエア式非接触加振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、流体の運動エネルギを回転運動に変え回転動力を得るガスタービンのタービンブレードには、ガスタービンの運転時に様々な方向の応力やモーメントが作用するため、実機製造前には運転時の安全性を確認するための種々の強度試験が行われる。
運動する金属部品の破壊は材料の疲れによるものが多く、そのため試験片となるタービンブレードを連続的に繰り返し加振して行われる疲労試験は、ガスタービンの信頼性を保証する上で最も重要な強度試験の一つである。
【０００３】
疲労試験を行うための方法として一般的なものには、上下の往復運動を行う疲労試験機に対象物を片持支持して取り付け、これをその対象物の固有振動数で上下振動させる往復式加振方法の他に、地上の保持具に固定した対象物にパルス状の空気（衝撃波）を連続的に吹き付けることによってこれを加振するエア式非接触加振方法がある。
【０００４】
図４に上記エア式非接触加振方法による対象物の疲労試験を行うためのエア式非接触加振装置の構成を簡略化して示した。
このエア式非接触加振装置４０は、保持部３に固定した対象物２に空気を吹き付ける加振ノズル４５と、図示しないモータからのびる第１シャフト４１からの回転を受けてこれを約１０倍程度に増速する増速機４３と、増速機からの回転力を受けて加振ノズル４５にパルス状の空気を送るパルス波発生機４７と、パルス波発生機４７に圧縮空気を供給する図示しないエア源と、から構成されている。
【０００５】
増速機４３からは第２シャフト４９がパルス波発生機内にのびており、パルス波発生機４７内には、径方向外側位置に周状に並ぶ多数（数十個）の貫通孔５１が形成された回転円盤５３が第２シャフト４９の先端にフランジ状に取り付けられている。またこれとは別に回転円盤と同一形状の固定円盤５５がパルス波発生機内に固定された状態で配置されている。
【０００６】
回転円盤５３は、固定円盤５５に対して軸を一致させた状態で摺動して回転し、回転円盤の貫通孔と固定円盤の貫通孔が重複した範囲においては圧縮空気を加振ノズルに送り、各々の貫通孔が重複しない範囲においては圧縮空気の流れを遮断することによってパルス状に空気を噴出している。換言すれば、回転円盤の貫通孔と固定円盤の貫通孔とが開閉弁として機能することによって空気のパルス波（衝撃波）を発生させている。
なお、貫通孔以外の部分から圧縮空気が漏れ出すことのないように、各部にはシールが施されている。また加振ノズル４５はその先端部において流路断面が漸減しており、内部を通る圧縮空気の流速が下流側に行くに従って速くなるようになっている。
【０００７】
かかる装置を用いて行われる高サイクル疲労試験は、対象物２を保持具３にしっかりと片持ち固定した上で、これを加振ノズル４５の近傍の地上に据え付けた後に、予め求めておいた対象物２の固有振動数と同じ周波数のパルス波を対象物の先端付近に吹き付けて、対象物を高サイクルで共振振動させることで行われていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した従来のエア式非接触加振装置では、十分な加振力で効率的に対象物を加振して疲労試験を行うことが困難であり、特に高強度部材で製作された部品の疲労強度を確認するためにはその加振を行うための非常に大掛かりな装置が必要となっていた。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、エア式非接触加振方法による疲労試験を行う場合に、加振力を増幅することによって効率的な疲労試験の実施を可能とし、また高強度部材の部品の疲労試験も比較的小型の装置によって実施することができるエア式非接触加振装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、パルス状に連続して噴出する空気を吹き付けることによって対象物（２）を加振して、その疲労強度を求めるためのエア式非接触加振装置であって、該エア式非接触加振装置（１０）は、前記対象物に空気を吹き付ける中空管からなる加振ノズル（４）と、エア源（８）に接続され加振ノズルに向けて所定周波数（Ｎ）のパルス状の空気を発生するパルス波発生機（６）と、を備え、前記加振ノズルは、内部を通るパルス状の空気が気柱振動する長さに設定される、ことを特徴とするエア式非接触加振装置を提供する。
【００１１】
本発明では、パルス状に噴出する空気を衝撃波（パルス波）として対象物に吹き付けるエア式非接触加振装置の加振ノズルの長さを、その内部を通る空気が気柱振動する長さに設定することによって、対象物への加振力を増幅させるものである。これにより、効率的な疲労試験の実施が可能となり、また高強度部材の部品を加振するための高圧圧縮空気を供給する大規模なエア源や高圧エアを取り扱う上での設備も不要となり装置の小型化が達成される。
【００１２】
ここで、前記所定周波数（Ｎ）は対象物（２）の固有振動数に設定される、ことが好ましい。
【００１３】
このようにパルス波の周波数を対象物の固有振動数に一致させて対象物に吹き付け、対象物を共振させてやることで、小さな衝撃波でも対象物を大きく振動させることができ、疲労試験のより一層の効率化が図られる。
【００１４】
また、前記加振ノズル（４）には、その全長を調節するための伸縮機構（１４）が設けられている、ことが好ましい。
【００１５】
試験の対象物の固有振動数と同じ周波数のパルス波を加振ノズル内で気柱振動させるため、その周波数にあった長さの加振ノズルに付け替えて疲労試験を行うこともできるが、加振ノズルにその全長を調整するための伸縮機構を設けてやればノズルの付け替えの手間をなくして試験実施の容易化を図ることができる。
また、同種の部品であってもその固有振動数は個々に若干異なるため、個々の部品にあわせてノズルの全長を微調整してやることでノズル長さを最適化し、容易にノズル内部に気柱振動を発生させることができる。
【００１６】
ここで前記加振ノズル（４）は、一端が前記パルス発生機に接続され他端にネジ部（１２ａ）が形成された第１中空管（４ａ）と、一端に該ネジ部と螺合するネジ部（１２ｂ）が形成され他端から空気を噴出するた第２中空管（４ｂ）と、からなり、前記伸縮機構（１４）は、該雄ネジおよび雌ネジを締め又は緩めることによって第１中空管と第２中空管をその中心軸を一致させた状態で軸方向に移動させて、加振ノズルを伸縮させる、ことが好ましい。
【００１７】
加振ノズルに設けたネジ構造の伸縮機構により加振ノズルの全長を一定の範囲で無段階に調整可能とるすることにより、ノズルの付け替えの手間をなくすとともに、様々なパルス波の周波数に迅速に対応し、気柱振動を発生させるための最適な長さにノズルを調整することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本願発明のエア式非接触加振装置について説明する。なお、各図において共通する部位については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また従来例と基本的に共通する部位については従来例で用いた符号を使用する。
【００１９】
図１はガスタービンのタービンブレードの高サイクル疲労試験を目的としたエア式非接触加振装置の内部構造を表した側面図である。このエア式非接触加振装置１０は従来の技術で述べたと同様に、地上の保持具３に固定した対象物２（ブレード）にパルス状の空気（衝撃波）を連続的に吹き付けることによってこれを加振するための装置である。なお、ブレードのたわみ量は図示しない光学式変位計により常時検出される。
【００２０】
このエア式非接触加振装置１０は、対象物に空気を吹き付ける加振ノズル４と、加振ノズル４にパルス状の空気を送るパルス波発生機６と、から構成され、パルス波発生機６には図示しないエア源から圧縮空気が供給されている。なお装置の各部には、圧縮空気が漏れ出すことのないように、図示しないシール構造が採用されている。
【００２１】
パルス波発生機６は、その内部に組み込まれた回転数２，０００〜４０，０００ｒｐｍの使用領域の高速スピンドル用のモータ５と、モータ５のシャフト７の先端にフランジ状に取り付けられた径方向外側位置に周状に並ぶ多数（本実施例では８個（図２参照））の貫通孔５１が形成された回転円盤５５と、回転円盤５５と同一形状の固定された固定円盤５３とが含まれている。なお、この加振装置１０では高速スピンドル用のモータを使用しているため、従来例のように増速機は取り付けられていない。またモータは図示しない制御装置によってその回転数が制御されている。
【００２２】
図２に示したように回転円盤５５（破線）は固定円盤５３（実線）に対して軸を一致させた状態で摺動して回転し、回転円盤５５の貫通孔５１ａと固定円盤の貫通孔５１ｂが重複した範囲においては圧縮空気を加振ノズル４に送り、各々の貫通孔が重複しない範囲においては圧縮空気の流れを遮断することによってパルス状の空気を発生させている。ここで回転円盤５５の貫通孔５１ａと固定円盤５３の貫通孔５１ｂとは図２の（ａ）から（ｄ）の順に、徐々に重複面積を増加させて完全に重なった後に、徐々に重複面積を減少させて重複しなくなるというサイクルを繰り返すことによって略サインカーブ状のパルス波を発生させる。
【００２３】
図１に示したように加振ノズル４は、固定円盤５５の下流側に配置され、固定円盤５５の貫通孔５１ｂから噴出されるパルス波のすべてをその内部を通す中空円管により形成されている。なお１１は圧力センサである。
【００２４】
また加振ノズル４は、一端がパルス発生機６に接続されその内部の流路断面がパルス波発生機６との取り付け部位から一定の範囲で漸減し、かつ、他端の外周にネジ部（ネジ山）が形成された第１中空管４ａと、一端の内周に第１中空管４ａと螺合するネジ部（ネジ溝）が形成され、かつ、他端から空気を噴射する第２中空管４ｂの２つの部品とをその中心軸を一致させた状態で螺合して構成されている。すなわち加振ノズル４は螺合したネジ山とネジ溝を締め又は緩めることによって伸縮できる伸縮機構１４を有している。
【００２５】
上記の構成のエア式非接触加振装置１０によれば、まず▲１▼高速スピンドル用のモータを採用することにより増速機が不要となり装置の小型化を図ることができ、▲２▼増速機により回転数を増速することなく、また、回転円盤および固定円盤の貫通孔を従来の数十個から十個程度にまで減少させたことにより、モータの回転数を制御してパルス波の周波数を対象物（タービンブレード）の固有振動数（Ｎ）に合わせる際に、モータの回転数の誤差が数十倍にも拡張されてしまうこともなく、▲３▼加振ノズルを伸縮自在とすることで、その内部に空気の気柱振動を容易に発生させることができ、その結果、対象物への加振力を増幅させ効率的な疲労試験の実施が可能となり、▲４▼加振ノズルの内径をテーパー状にすぼめることによって圧縮空気の流速を速めてより効率的に加振を行うことができ、▲５▼比較的低圧の圧縮空気により効率的な試験を可能とするため高圧圧縮空気を供給するための大規模なエア源や高圧エアを取り扱う上での対策も不要とすることができる。
【００２６】
図３にノズルの内部に気柱振動が発生した場合にその加振力が増幅されることを証明するために行った実験の結果を示した。
この実験では便宜上、加振ノズルの長さを一定に固定（１１８ｍｍ）して、モータの回転数を様々に変更し、すなわちパルス波の周波数を種々変更し、その場合に対象物に吹き付ける空気（衝撃波）の圧力変動を計測した。
ここで、横軸にはパルス波の周波数（Ｈｚ）を、縦軸にはエア源から供給した圧縮空気の圧力を１とした場合に対象物に吹き付ける空気の圧力を比で表している。
【００２７】
この実験ではパルス波発生機の内部に組み込まれた高速スピンドル用のモータを、回転数２，０００〜４０，０００ｒｐｍの範囲で回転させ、２６６．６Ｈｚ（２，０００（ｒｐｍ）×８（貫通孔数）／６０（秒））〜５，３３３．３Ｈｚ（４０，０００（ｒｐｍ）×８（貫通孔数）／６０（秒））の周波数のパルス波を発生させて、対象物に吹き付ける空気の圧力（ｐｓｉ）を計測した。
この結果からも明らかなように、通常、対象物に吹き付けるパルス波（衝撃波）の圧力比は約０．４〜０．９程度となっているが、パルス波の周波数が、１，８１２Ｈｚおよび３，５００Ｈｚの時には圧力比が１．５〜１．６程度と急激に上昇している。このとき加振ノズル内部には２次モードおよび３次モードの気柱振動が発生していると考えられる。
【００２８】
このように、ノズル内に気柱振動を発生させることで、その加振力を増幅することができ、エア源から供給される比較的定圧の圧縮空気によっても対象物を効率的に加振することが可能となることがわかる。
【００２９】
なおパルス波の周波数を固定して加振ノズル内で気柱振動を発生させる場合には、加振ノズルと対象物とが若干の隙間を空けて配置されることに起因する開口端補正や、加振ノズルに形成された流路断面が下流に行くに従い漸減する部分の影響等も考慮してその長さを決定する必要があるが、伸縮機構によりその調整を容易に行うことができる。
【００３０】
以上に本発明のエア式非接触加振装置の構成および実験結果を述べたが、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。また、加振ノズルの内径を種々変更することによって、対象物をより効率的に加振することも望ましい。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように本発明のエア式非接触加振装置によれば、エア式非接触加振方法により疲労試験を行う場合に、加振ノズル内に気柱振動を発生させ、ノズルの加振力を増幅することによって効率的な疲労試験の実施を可能とし、また高強度部材の部品の疲労強度試験も小型の装置により実施を可能とすることができる。また、好ましくは加振ノズルに伸縮機構を設けることによって、個々の対象物の固有振動数に対応してノズルの全長を伸縮させ、その内部に容易に気柱振動を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエア式非接触加振装置の内部構造を表した側面図である。
【図２】固定円盤に対して摺動回転する回転円盤の様子を示した図である。
【図３】パルス波の周波数と圧力変動（圧力比）との関係を示した表である。
【図４】従来のエア式非接触加振装置の構成図である。
【符号の説明】
２　対象物
３　保持具
４　加振ノズル
４ａ　第１中空管
４ｂ　第２中空管
５　モータ
６　パルス波発生機
７　シャフト
８　エア源
１０　エア式非接触加振装置
１１　圧力センサ
１２ａ，１２ｂ　ネジ部
１４　伸縮機構
４０　エア式非接触加振装置
４１　第１シャフト
４３　増速機
４５　加振ノズル
４７　パルス波発生機
４９　第２シャフト
５１，５１ａ，５１ｂ　貫通孔
５３　固定円盤
５５　回転円盤
Ｎ　周波数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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