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JP6524011B2 - Vibration diagnostic apparatus and vibration diagnostic method - Google Patents

Vibration diagnostic apparatus and vibration diagnostic method Download PDF

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JP6524011B2 JP2016061566A JP2016061566A JP6524011B2 JP 6524011 B2 JP6524011 B2 JP 6524011B2 JP 2016061566 A JP2016061566 A JP 2016061566A JP 2016061566 A JP2016061566 A JP 2016061566A JP 6524011 B2 JP6524011 B2 JP 6524011B2
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Description

本発明は、加振診断装置及び加振診断方法に関する。より具体的には、本発明は、横軸多段ポンプ等の回転機械の回転体の振動特性を測定する技術に関する。   The present invention relates to an excitation diagnostic apparatus and an excitation diagnostic method. More specifically, the present invention relates to a technique for measuring vibration characteristics of a rotating body of a rotary machine such as a horizontal axis multistage pump.

油田、火力発電所等には、横軸多段ポンプが配置されている。横軸多段ポンプは、複数段からなる遠心羽根車を回転軸とともに回転させて遠心力を発生させ、その遠心力によって流体の圧力を上昇させる回転機械である。このような回転機械においては、回転体が軸受に支持されて回転する。回転体は特有の振動特性を有する。そして、回転体又は軸受の経年劣化に伴い、その振動特性が変化していく。このような回転体の振動特性を把握する技術が多く存在する。   Horizontal axis multistage pumps are arranged in oil fields, thermal power plants and the like. The horizontal axis multi-stage pump is a rotary machine that rotates a centrifugal impeller composed of a plurality of stages with a rotary shaft to generate a centrifugal force, and raises the pressure of fluid by the centrifugal force. In such a rotating machine, a rotating body is supported by a bearing and rotates. The rotating body has unique vibration characteristics. And with the aged deterioration of a rotary body or a bearing, the vibration characteristic changes. There are many techniques for grasping such vibration characteristics of a rotating body.

特許文献1の加振機能付振動診断装置は、タービン、ポンプ等の大型の回転機械に対し加振力を加え、回転機械に取り付けたセンサから振動応答を取得する。そして、加振力と振動応答に基づいて回転機械の振動特性を取得する。大型の回転機械の運転回転速度は比較的低い。しかしながら特許文献1の加振機能付振動診断装置は、その運転回転速度よりも高い周波数を有する加振力を発生させることができる。したがって、運転状態(停止中、運転中)に関係なく、例えば運転回転速度よりも高い回転速度の領域に固有振動数が存在する場合でも、その固有振動数を特定することができる。   The vibration diagnostic apparatus with a vibrating function disclosed in Patent Document 1 applies a vibrating force to a large rotating machine such as a turbine or a pump, and acquires a vibrational response from a sensor attached to the rotating machine. Then, the vibration characteristic of the rotary machine is acquired based on the excitation force and the vibration response. The operating rotational speed of large rotating machines is relatively low. However, the vibration diagnostic apparatus with the excitation function of Patent Document 1 can generate an excitation force having a frequency higher than the operation rotational speed. Therefore, regardless of the operating state (during stop, during operation), for example, even when the natural frequency is present in the region of the rotational speed higher than the operating rotational speed, the natural frequency can be specified.

特許文献2の振動特性測定装置は、非接触軸受を介して回転体に対して加振力を加え、回転体の振幅をセンサから取得する。そして、加振力と振幅に基づいて回転体の振動特性を取得する。このとき回転体に加えられえる加振力は、回転体の不釣合い運動を打ち消す振動を含んでいる。すると、加振力による回転体の応答を検出するとき、振幅の許容値に対するマージンが大きくなる。したがって、例えば、回転体の周りに流体が流れている条件において振動特性を調べる場合、流体の逆流防止のためのシールを破損することがなくなる。   The vibration characteristic measuring device of Patent Document 2 applies an excitation force to a rotating body via a non-contact bearing, and acquires the amplitude of the rotating body from a sensor. Then, the vibration characteristic of the rotating body is acquired based on the excitation force and the amplitude. The excitation force that can be applied to the rotating body at this time includes vibration that cancels the unbalanced movement of the rotating body. Then, when detecting the response of the rotating body by the excitation force, the margin with respect to the allowable value of the amplitude becomes large. Therefore, for example, when the vibration characteristic is examined in the condition where the fluid flows around the rotating body, the seal for preventing the backflow of the fluid is not broken.

特開平8−15100号公報JP-A-8-15100 特許第5827492号公報Patent No. 5827492

例えば前記した横軸多段ポンプに備わるシール機構(詳細後記)では、高圧水の漏れ、異常な流れ等により不安定化力が発生すると、この不安定化力が回転軸及び遠心羽根車の回転の安定性に影響を及ぼす。もちろん横軸多段ポンプは、この不安定化力を上回る安定化力を発生するように設計されてはいる。しかしながら、不安定化力が安定化力を上回ると、シールホワールと呼ばれる自励振動が発生する。自励振動は、複数存在する固有モードのうち、固有振動数が最も小さい“一次曲げモード”(詳細後記)の固有振動数で発生する。すると、自励振動の発生を予測するには、回転体の一次曲げモードの振動特性を把握する必要がある。   For example, in the seal mechanism (details described later) included in the horizontal axis multistage pump described above, when the destabilizing force is generated due to leakage of high pressure water, abnormal flow, etc., this destabilizing force is Affects stability. Of course, the horizontal axis multistage pump is designed to generate a stabilizing force which exceeds this destabilizing force. However, when the destabilizing force exceeds the stabilizing force, self-oscillation called seal whirl occurs. The self-excited vibration occurs at the natural frequency of the “primary bending mode” (details described later) having the smallest natural frequency among a plurality of natural modes. Then, in order to predict the occurrence of self-excited vibration, it is necessary to grasp the vibration characteristic of the primary bending mode of the rotating body.

ところで、実際に測定される一次曲げモードの振動には、2つの振動が重なり合って含まれている。その一方は、純曲げモード(詳細後記)の振動であり、他方は剛体モード(詳細後記)の振動である。つまり、シールホワールに起因する自励振動が発生するのを予測するには、純曲げモード及び剛体モードの振動特性を正確に把握する必要がある。   By the way, in the vibration of the primary bending mode actually measured, two vibrations overlap and are included. One of them is the vibration of the pure bending mode (detailed later) and the other is the vibration of the rigid body mode (detailed later). That is, in order to predict the occurrence of self-excited vibration caused by the seal whirl, it is necessary to accurately grasp the vibration characteristics of the pure bending mode and the rigid body mode.

特許文献1の加振機能付振動診断装置及び特許文献2の振動特性測定装置が分析する振動特性には、純曲げモード及び剛体モードの振動特性が重なって反映されている場合もあるはずである。しかしながら、特許文献1にも、特許文献2にも、純曲げモード及び剛体モードを分析的に把握する観点はなく、シールホワールに起因する自励振動を正確に予測するには別途方策が必要であった。
そこで、本発明は、シールホワールに起因する回転体の自励振動の発生を正確に予測することを目的とする。
The vibration characteristics of the pure bending mode and the rigid body mode should be reflected in an overlapping manner in the vibration characteristics analyzed by the vibration diagnostic device with vibration function of Patent Document 1 and the vibration characteristic measuring device of Patent Document 2 . However, neither Patent Document 1 nor Patent Document 2 has a viewpoint of analytically grasping the pure bending mode and the rigid body mode, and a separate measure is necessary to accurately predict the self-excited vibration caused by the seal whirl. there were.
Then, an object of the present invention is to accurately predict the occurrence of self-oscillation of the rotating body due to the seal whirl.

本発明の加振診断装置は、回転機械の回転体の軸端を非接触支持するとともに所定の加振制御信号によって回転体に加振力を与える磁気軸受と、磁気軸受又は回転機械のカップリングのうちのいずれかの位置、及び、磁気軸受以外に回転体を支持する2つの軸受の位置の計3箇所における回転体の振動を測定する振動測定部と、磁気軸受に電流を供給する電流供給部と、回転体を加振するように磁気軸受を制御する加振制御信号を電流供給部に出力するとともに、回転体の加振制御信号に対する振動応答を測定する加振・応答処理部と、を備え、加振・応答処理部は、磁気軸受又は回転機械のカップリングのうちのいずれかの位置における振動応答から、2つの軸受の位置における振動応答を減算する信号処理を行うこと、を特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
The excitation diagnostic apparatus according to the present invention comprises a magnetic bearing for non-contacting supporting the shaft end of the rotating body of the rotary machine and applying an oscillating force to the rotating body according to a predetermined excitation control signal, and a coupling of the magnetic bearing or the rotary machine A vibration measurement unit for measuring the vibration of the rotating body at three positions in total of two positions supporting the rotating body other than the magnetic bearing and a current supply for supplying current to the magnetic bearing An excitation / response processing unit that outputs to the current supply unit an excitation control signal for controlling the magnetic bearing to excite the rotating body, and measures a vibration response to the excitation control signal of the rotating body; Bei example a vibration-response processor pressurized shall be performed from the vibration response at any position of the coupling of magnetic bearing or rotating machine, a signal is subtracted the vibration response at the position of the two bearings, the It features.
Other means will be described in the form for carrying out the invention.

本発明によれば、シールホワールに起因する回転体の自励振動の発生を正確に予測することができる。   According to the present invention, it is possible to accurately predict the occurrence of self-excited vibration of the rotating body due to the seal whirl.

横軸多段ポンプの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a horizontal axis multistage pump. 加振診断装置の構成を説明する図である。It is a figure explaining the composition of an excitation diagnostic device. 質量集中点による遠心力を説明する図である。It is a figure explaining the centrifugal force by a mass concentration point. 回転体が不釣合い回転をする場合の振動の時系列の波形である。It is a waveform of the time series of vibration in case a rotating body carries out unbalanced rotation. 固有振動数を説明する図である。It is a figure explaining natural frequency. クリアランスの流体力を説明する図である。It is a figure explaining fluid force of clearance. 一次曲げモードの振幅を示す図である。It is a figure which shows the amplitude of primary bending mode. 純曲げモードの振幅を示す図である。It is a figure which shows the amplitude of pure bending mode. 剛体モードの振幅を示す図である。It is a figure which shows the amplitude of rigid body mode. 本実施形態の振動測定部の位置及び個数を説明する図である。It is a figure explaining the position and number of objects of the vibration measurement part of this embodiment. 回転速度と加振周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between rotational speed and excitation frequency.

以降、本発明を実施するための形態(“本実施形態”という)を、図等を参照しながら、横軸多段ポンプに対して加振診断装置を取り付ける例を中心に説明する。なお、加振診断装置は、横軸多段ポンプに限らず、回転軸等の回転体を有する回転機械(タービン、電動機、圧縮機等)に対して取り付け可能である。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (referred to as “this embodiment”) will be described with reference to the drawings and the like, with an example of attaching a vibration diagnosis device to a horizontal axis multistage pump. The vibration diagnosis apparatus is not limited to the horizontal axis multistage pump, and can be attached to a rotary machine (turbine, motor, compressor, etc.) having a rotary body such as a rotary shaft.

(横軸多段ポンプ)
図1に沿って、横軸多段ポンプ50の構造を説明する。横軸多段ポンプ50は、回転軸51、遠心羽根車53、軸受52a、軸受52b、軸受52c、ハウジング54、入口54a、出口54b、シール機構55、及び、カップリング56を有する。回転軸51は、カップリング56を介して接続されるタービン、電動機等の駆動源(図示せず)によって回転駆動される。
(Horizontal axis multistage pump)
The structure of the horizontal axis multi-stage pump 50 will be described with reference to FIG. The horizontal axis multi-stage pump 50 has a rotating shaft 51, a centrifugal impeller 53, bearings 52a, bearings 52b, bearings 52c, a housing 54, an inlet 54a, an outlet 54b, a sealing mechanism 55, and a coupling 56. The rotating shaft 51 is rotationally driven by a driving source (not shown) such as a turbine or an electric motor connected via the coupling 56.

回転軸51には、多段の回転羽根車53が取り付けられている。水等の流体は、入口54aからハウジング54内に注入されると、(図1の左から)1段目の回転羽根車53の根元(回転軸51に近い部分)に接する。そして、流体は、1段目の回転羽根車53が発生する遠心力を受けて、1段目の回転羽根車53の先端(回転軸51から遠い部分)へ移動し、さらに、2段目の回転羽根車53の根元まで誘導される。   A multistage rotary impeller 53 is attached to the rotary shaft 51. When a fluid such as water is injected into the housing 54 from the inlet 54a, it contacts the root (portion close to the rotation shaft 51) of the first stage rotary impeller 53 (from the left in FIG. 1). Then, the fluid receives the centrifugal force generated by the first stage rotary impeller 53, and moves to the tip of the first stage rotary impeller 53 (a part far from the rotary shaft 51), and further, the second stage The base of the rotary impeller 53 is guided.

次いで、流体は、2段目の回転羽根車53が発生する遠心力を受けて、2段目の回転羽根車53の先端へ移動し、さらに、3段目の回転羽根車53の根元まで誘導される。流体は、このような移動を繰り返し、最終的には出口54bからハウジング54外に排出される。当然ながら、流体の排出時の圧力は、注入時の圧力よりも大きい。   Then, the fluid receives the centrifugal force generated by the second stage rotary impeller 53, moves to the tip of the second stage rotary impeller 53, and is guided to the root of the third stage rotary impeller 53. Be done. The fluid repeats such movement and is eventually discharged out of the housing 54 from the outlet 54 b. Naturally, the pressure at the discharge of the fluid is greater than the pressure at the time of injection.

軸受52a及び軸受52bは、回転軸51を周方向に支持する。軸受52cは、回転軸51から周方向に突出した回転板を図の左右方向から挟み、回転軸51を軸方向に支持する。軸受52a、軸受52b及び軸受52cは、回転軸51又は回転板に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。回転軸51等に接触することなく回転軸51を支持する軸受のタイプとして磁気軸受が存在する。   The bearing 52a and the bearing 52b support the rotating shaft 51 in the circumferential direction. The bearing 52c sandwiches the rotary plate projecting from the rotary shaft 51 in the circumferential direction from the left and right direction of the drawing, and supports the rotary shaft 51 in the axial direction. The bearing 52a, the bearing 52b, and the bearing 52c may or may not be in contact with the rotary shaft 51 or the rotary plate. A magnetic bearing exists as a type of bearing that supports the rotating shaft 51 without contacting the rotating shaft 51 or the like.

軸受52a及び軸受52bが磁気軸受である場合、軸受52a及び軸受52bは、自身のコイルに流れる電流が発生させる磁力によって、回転軸51を空中に浮遊させて支持する。軸受52cが磁気軸受である場合、軸受52cは、コイルに流れる電流が発生させる磁力によって、回転板をある位置に浮遊させて支持する。   When the bearing 52a and the bearing 52b are magnetic bearings, the bearing 52a and the bearing 52b float and support the rotating shaft 51 in the air by the magnetic force generated by the current flowing through its own coil. When the bearing 52c is a magnetic bearing, the bearing 52c suspends and supports the rotating plate at a certain position by the magnetic force generated by the current flowing through the coil.

回転軸51の方向をZ軸とし、Z軸に直交する方向のうち水平な方向をX軸とし、垂直な方向をY軸とする。軸受52cは、回転軸51のZ軸方向の位置を固定し、軸受52a及び軸受52bは、回転軸51のX軸及びY軸方向の位置を固定していることになる。前記した構成のうち、回転軸51と一体になって回転する構成を“回転体”と呼ぶ。回転体は、回転軸51及び遠心羽根車53を含む。前記した構成のうち、回転軸51に対して静止している構成を“静止体”と呼ぶ。静止体は、ハウジング54及びシール機構55を含む。   The direction of the rotation axis 51 is taken as the Z axis, the horizontal direction among the directions orthogonal to the Z axis is taken as the X axis, and the vertical direction is taken as the Y axis. The bearing 52c fixes the position of the rotating shaft 51 in the Z-axis direction, and the bearing 52a and the bearing 52b fix the positions of the rotating shaft 51 in the X-axis and Y-axis directions. Among the above-described configurations, a configuration that rotates integrally with the rotation shaft 51 is referred to as a “rotating body”. The rotating body includes a rotating shaft 51 and a centrifugal impeller 53. Among the above-described configurations, a configuration that is stationary with respect to the rotation shaft 51 is referred to as a "stationary body". The stationary body includes a housing 54 and a sealing mechanism 55.

回転体が静止体と接触したまま回転すると、構成する各部品が摩耗する。そこで、回転体と静止体との間には接触防止用の隙間(クリアランス)が設けられる。回転体と静止体との間には、流体の本来の通路となるべき空間が当然設けられている。このような空間は隙間とは呼ばれない。高圧の流体は、本来の通路から接触防止用の隙間に漏出することがある。このような漏出が発生すると、横軸多段ポンプ50の体積効率は低下する。そこで、静止体と回転体との隙間を封止するように、適宜の位置にシール機構55が配置されている。   When the rotating body rotates while in contact with the stationary body, the constituent parts wear. Therefore, a clearance for preventing contact is provided between the rotating body and the stationary body. Of course, a space that is to be an original passage of fluid is provided between the rotating body and the stationary body. Such a space is not called a gap. High pressure fluid may leak from the original passage into the contact prevention gap. When such a leak occurs, the volumetric efficiency of the horizontal axis multistage pump 50 decreases. Therefore, the seal mechanism 55 is disposed at an appropriate position so as to seal the gap between the stationary body and the rotating body.

例えば、遠心羽根車53のそれぞれのZ軸方向の両端の位置に、ハウジング54と遠心羽根車53との間の隙間を封止するように、ハウジング54に対してシール機構55が取り付けられている。これらのシール機構55は、図1では上下計18個の長方形に見えるが、実際は、ハウジング54の内周に沿ってZ軸に垂直に配置された9個の輪である。   For example, the seal mechanism 55 is attached to the housing 54 so as to seal the gap between the housing 54 and the centrifugal impeller 53 at positions of both ends of the centrifugal impeller 53 in the Z-axis direction. . Although these sealing mechanisms 55 appear as a total of 18 rectangles in FIG. 1, they are actually nine rings arranged along the inner circumference of the housing 54 and perpendicular to the Z axis.

さらに、ハウジング54の出口54b側にも、ハウジング54と回転軸51との間の隙間を封止するように、ハウジング54に対してシール機構55が取り付けられている。このシール機構55は、図では上下計2個のL字形に見えるが、実際は、ハウジング54の内周に沿ってZ軸に垂直に配置された1個のつば付き紳士帽形の輪である。このように、シール機構55は、高圧の流体の漏出を防いでいる。   Further, on the outlet 54 b side of the housing 54, a sealing mechanism 55 is attached to the housing 54 so as to seal a gap between the housing 54 and the rotation shaft 51. Although this sealing mechanism 55 looks like an L-shape in total of two in the figure, it is actually a single collared men's hat-shaped ring disposed along the inner periphery of the housing 54 perpendicularly to the Z axis. Thus, the sealing mechanism 55 prevents the high pressure fluid from leaking.

(加振診断装置)
図2に沿って、加振診断装置1の構成を説明する。加振診断装置1は、横軸多段ポンプ50に対して、いわば外付けされる装置である。加振診断装置1は、磁気軸受11、振動測定部12、電流供給部13、加振・応答処理部14、及び、これらの間を接続するケーブルを備える。破線のケーブルには信号が通り、実線のケーブルには電力が通る。
(Excitation diagnostic device)
The configuration of the excitation diagnostic apparatus 1 will be described with reference to FIG. The excitation diagnostic apparatus 1 is an apparatus externally attached to the horizontal axis multi-stage pump 50 in a manner. The vibration diagnosis apparatus 1 includes a magnetic bearing 11, a vibration measurement unit 12, a current supply unit 13, a vibration / response processing unit 14, and a cable connecting these components. The dashed cable carries the signal and the solid cable carries the power.

振動測定部12は3つ存在し、これらは、振動測定部12a、振動測定部12b及び振動測定部12cである。振動測定部12aは、Z軸上の軸受52aの位置において、回転軸51の中心がXY平面上に描く軌跡を時系列で取得する。このように取得されたデータは、回転軸51の中心がXY平面上に描く時系列の波形そのものであり、当然のことながら、この波形の形状は、振幅、周期及び位相によって特定される。   There are three vibration measurement units 12, and these are a vibration measurement unit 12a, a vibration measurement unit 12b, and a vibration measurement unit 12c. The vibration measuring unit 12a acquires, in time series, a locus drawn by the center of the rotation shaft 51 on the XY plane at the position of the bearing 52a on the Z axis. The data acquired in this way is a time-series waveform itself in which the center of the rotation axis 51 is drawn on the XY plane, and it is natural that the shape of this waveform is specified by the amplitude, period and phase.

振動測定部12aは、Z軸上の軸受52aの位置に取り付けられるのが原則である。しかしながら、設備同士の取り合いでこれが不可能である場合は、振動測定部12aは、Z軸上の軸受52aの位置の近辺に取り付けられれば充分である。その場合であっても、軌跡を時系列で取得するセンサ部分だけは、Z軸上の軸受52aの位置に取り付けられることが好ましい(後記する振動測定部12b及び振動測定部12cについても同様)。   In principle, the vibration measurement unit 12a is mounted at the position of the bearing 52a on the Z-axis. However, if this is not possible due to the connection between facilities, it is sufficient that the vibration measurement unit 12a be mounted near the position of the bearing 52a on the Z axis. Even in that case, it is preferable that only the sensor part that acquires the locus in time series is attached to the position of the bearing 52a on the Z axis (the same applies to the vibration measuring unit 12b and the vibration measuring unit 12c described later).

振動測定部12bは、Z軸上の軸受52bの位置において、回転軸51の中心がXY平面上に描く軌跡を時系列で取得する。振動測定部12cは、Z軸上の磁気軸受11の位置において、回転軸51の中心がXY平面上に描く軌跡を時系列で取得する。振動測定部12a、振動測定部12b及び振動測定部12cは、それぞれのZ軸上の位置において回転軸51がXY平面に描く時系列の軌跡を加振・応答処理部14に送る。   The vibration measuring unit 12b acquires, in time series, a locus drawn by the center of the rotation shaft 51 on the XY plane at the position of the bearing 52b on the Z axis. The vibration measurement unit 12c acquires, in time series, a locus drawn by the center of the rotation shaft 51 on the XY plane at the position of the magnetic bearing 11 on the Z axis. The vibration measuring unit 12a, the vibration measuring unit 12b, and the vibration measuring unit 12c send time-series trajectories of the rotation axis 51 drawn on the XY plane to the excitation and response processing unit 14 at the respective positions on the Z axis.

磁気軸受11は、回転軸51に対して加振力を与える。磁気軸受11は、前記した磁気軸受の構造を有し、電流供給部13から受け取った電流を自身のコイルに流し磁力を発生させ、その磁力によって回転軸51に対しXY平面上の加振力を非接触で与える。加振力は、どのような力であってもよいが、典型的には回転軸51の中心がXY平面上において円を描くように回転軸51を振り回す力である。   The magnetic bearing 11 applies an excitation force to the rotating shaft 51. The magnetic bearing 11 has the structure of the magnetic bearing described above, generates a magnetic force by causing the current received from the current supply unit 13 to flow to its own coil, and the magnetic force generates an excitation force on the XY plane with respect to the rotating shaft 51. Contactlessly give. The excitation force may be any force, but typically it is a force that swings the rotation shaft 51 so that the center of the rotation shaft 51 draws a circle on the XY plane.

磁気軸受11は、例えば、回転軸51を挟んでX方向に水平対向する2つのコイルを有しており、Y方向に垂直対向する2つのコイルを有している。加振・応答処理部14は、任意の周期及び振幅を有する位相が90度ずつずれた4つの余弦波信号を生成する。そのうえで、加振・応答処理部14は、余弦波信号を加振制御信号として電流供給装置13に送る。加振制御信号が示す余弦波の周波数は、“加振周波数”と呼ばれる。加振周波数は、回転軸51が加振力を受けたとき単位時間あたりに振れ回る回数である。   The magnetic bearing 11 has, for example, two coils horizontally opposed in the X direction with the rotary shaft 51 interposed therebetween, and has two coils vertically opposed in the Y direction. The excitation / response processing unit 14 generates four cosine wave signals having phases shifted by 90 degrees each having an arbitrary period and amplitude. Then, the vibration / response processing unit 14 sends a cosine wave signal to the current supply device 13 as a vibration control signal. The frequency of the cosine wave indicated by the excitation control signal is called "excitation frequency". The excitation frequency is the number of oscillations per unit time when the rotary shaft 51 receives an excitation force.

電流供給部13は、加振・応答処理部14から送られてきた余弦波信号の波形を有する電流を生成し、磁気軸受11に送る。磁気軸受11は、送られてきた電流を4つのコイルに流す。すると、磁気軸受11は、Z軸上の磁気軸受11の位置において、回転軸51の中心がXY平面上の円を描くように回転軸51を振り回す力を回転軸51に与える。   The current supply unit 13 generates a current having a waveform of the cosine wave signal sent from the vibration / response processing unit 14 and sends it to the magnetic bearing 11. The magnetic bearing 11 causes the sent current to flow through the four coils. Then, at the position of the magnetic bearing 11 on the Z axis, the magnetic bearing 11 applies a force to the rotating shaft 51 such that the center of the rotating shaft 51 draws a circle on the XY plane.

(回転体に及ぶ力)
加振力以外の回転体に加わる力として、質量集中点による遠心力(以降単に“遠心力”ともいう)及びクリアランスの流体力(以降単に“流体力”ともいう)が存在する。回転体は、当然のことながら、周方向の質量集中点がZ軸上に位置するように設計される。しかし施工上、このように回転体を作成することは非常に難しく、実際には質量集中点の位置がZ軸上から微小にずれていることもある。さらに、稼働開始時においては重心の位置がZ軸上にあったとしても、回転体の経年による変形又は一部の欠損等により、ある時点以降ずれが生じる場合もある。
(Force on the rotating body)
As forces applied to the rotating body other than the excitation force, there exist centrifugal force at a mass concentration point (hereinafter, also simply referred to as “centrifugal force”) and fluid force of clearance (hereinafter, simply referred to as “fluid force”). The rotating body is, of course, designed such that the circumferential mass concentration point is located on the Z axis. However, in terms of construction, it is very difficult to create a rotating body in this manner, and in fact, the position of the mass concentration point may be slightly deviated from the Z axis. Furthermore, even if the position of the center of gravity is on the Z-axis at the start of operation, deviation may occur after a certain point due to deformation due to aging of the rotating body or partial loss.

(質量集中点による遠心力)
図3に沿って、質量集中点による遠心力を説明する。前記した変形等に起因し、回転体の質量集中点がZ軸(軸心)からずれると、周方向の遠心力が発生する。すると、回転体は微小に振動することになる。このような振動は、“不釣合い振動”と呼ばれる。不釣合い振動は、図3の質量集中点Gの円運動としてモデル化することができる。
(Centrifugal force by mass concentration point)
The centrifugal force according to the mass concentration point will be described along FIG. When the mass concentration point of the rotating body deviates from the Z axis (axial center) due to the above-mentioned deformation or the like, a centrifugal force in the circumferential direction is generated. Then, the rotating body vibrates minutely. Such vibrations are called "unbalanced vibrations". The unbalanced vibration can be modeled as a circular motion of the mass concentration point G in FIG.

質量重心点Gを有する回転体が回転すると質量集中点Gに遠心力が作用し、回転体は質量集中点Gの方向に変位する。このような変位が回転体の回転に伴い連続的に発生し、不釣合い振動が発生する。単位時間あたりに質量集中点Gが周回する回数が、不釣合い回転振動数である。回転体の回転速度を駆動源により変化させて行くと、不釣合い回転振動数も変化していくが、不釣合い回転振動数は、常に回転体の回転速度に等しい。   When the rotating body having the mass gravity point G rotates, centrifugal force acts on the mass concentration point G, and the rotating body is displaced in the direction of the mass concentration point G. Such displacement occurs continuously with the rotation of the rotating body, causing unbalance vibration. The number of revolutions of the mass concentration point G per unit time is the unbalanced rotational frequency. As the rotational speed of the rotating body is changed by the drive source, the unbalanced rotational frequency also changes, but the unbalanced rotational frequency is always equal to the rotational speed of the rotating body.

図4は、ある回転速度(不釣合い回転振動数)における回転体の振動の時系列の波形である。不釣合い振動の大きさは、図4の振幅Amである。回転体の回転速度を変化させて行くと、振幅も変化して行く。このとき振幅は、特定の回転速度において、その前後の回転速度に比して際立って振幅が大きくなる。このような回転速度は、回転体の固有振動数と呼ばれる。   FIG. 4 is a time-series waveform of vibration of a rotating body at a certain rotational speed (unbalanced rotational frequency). The magnitude of the unbalance vibration is the amplitude Am in FIG. As the rotational speed of the rotating body changes, the amplitude also changes. At this time, the amplitude significantly increases at a specific rotational speed as compared to the rotational speeds before and after that. Such rotational speed is called the natural frequency of the rotating body.

図5に沿って、固有振動数を説明する。図5の横軸は、回転体の回転速度である。縦軸は、振幅である。縦軸のピークは、図5では2箇所存在する。それぞれのピークに対応する横軸の値が固有振動数である。   The natural frequency will be described with reference to FIG. The horizontal axis in FIG. 5 is the rotational speed of the rotating body. The vertical axis is the amplitude. There are two peaks in FIG. 5 on the vertical axis. The value on the horizontal axis corresponding to each peak is the natural frequency.

図5では、固有振動数は2つしか表示されていないが、一般に、回転体に限らず任意の物体の固有振動数は2つ又はそれ以上存在する。そして、それぞれの固有振動数で振動している物体は、その固有振動数に特有な形状を呈する。通常、複数存在する固有振動数は、振動数が小さい順に、一次固有振動数、二次固有振動数、三次固有振動数、・・・と呼ばれる。一般に、振動している物体が呈する形状は、振動数が小さい順に、一次モード、二次モード、三次モード、・・・と呼ばれる。一次、二次、三次、・・・等の次数が大きくなるほど、いわゆる“節(固定点)”の数が大きくなる。   Although only two natural frequencies are displayed in FIG. 5, generally, two or more natural frequencies of any object, not limited to the rotating body, are present. Then, an object vibrating at each natural frequency exhibits a shape unique to that natural frequency. Usually, a plurality of natural frequencies are called a first order natural frequency, a second order natural frequency, a third order natural frequency,... In ascending order of frequency. In general, the shapes exhibited by vibrating objects are referred to as a first order mode, a second order mode, a third order mode,... In ascending order of frequency. As the order of first order, second order, third order, etc. increases, the number of so-called "nodes (fixed points)" increases.

本実施形態の回転体は、軸方向の2箇所を軸受52a及び軸受52bによって支持されている。なお、回転機械によっては、回転体を支持する軸受が3箇所以上になることもあり得る。いずれにしても、一次モードの節の数は、回転体が支持される数と等しくなる。   The rotating body of the present embodiment is supported at two places in the axial direction by bearings 52a and 52b. Depending on the rotating machine, the number of bearings supporting the rotating body may be three or more. In any case, the number of nodes in the primary mode is equal to the number on which the rotating body is supported.

その意味で、図7(詳細後記)のように振動するモードが、本実施形態の回転体にとっての“一次モード”である。なお、回転機械以外の分野では、例えば1箇所で固定されている物体がその1箇所を支点に撓む場合の形状を“一次モード”と呼ぶ場合がある。それとの区別を明確にするために、本実施形態においては、図7の形状を、“一次曲げモード”とも呼ぶ。   In that sense, the mode oscillating as shown in FIG. 7 (details described later) is the “primary mode” for the rotating body of the present embodiment. In the field other than the rotary machine, for example, the shape in the case where an object fixed at one place is bent with the one place as a fulcrum may be called “primary mode”. In order to clarify the distinction from this, in the present embodiment, the shape of FIG. 7 is also referred to as “primary bending mode”.

(クリアランスの流体力)
図6に沿って、クリアランスの流体力を説明する。図6は、回転体をZ軸方向から見た図である。質量集中点による遠心力によって、回転体の中心は、Z軸の位置から外れている(偏心している)。静止体と回転体の間の隙間(クリアランス、図6の網掛け部分)には流体が流れている。回転体が静止体の内側を回転速度Nで自転すると、隙間にある流体が回転速度λNで回転する。
(Fluid force of clearance)
The fluid force of the clearance will be described along FIG. FIG. 6 is a view of the rotating body as viewed from the Z-axis direction. Due to the centrifugal force due to the mass concentration point, the center of the rotating body deviates from the position of the Z axis (is eccentric). Fluid flows in the gap (clearance, shaded portion in FIG. 6) between the stationary body and the rotating body. When the rotating body rotates inside the stationary body at the rotational speed N, the fluid in the gap rotates at the rotational speed λN.

さらに、回転速度λNで回転する流体から力を受けて、回転体もまた回転速度λNで公転する。このとき、流体が渦を巻くように動くことによって回転体に力(流体力)を及ぼす。このような流体の動きをシールホワールと呼ぶ。ある流体のλ(0<λ<1)は、その流体の密度、温度、粘性等によって決まる定数値である。なお、λNはλ×Nを意味する。   Furthermore, due to the force from the fluid rotating at the rotational speed λN, the rotating body also revolves at the rotational speed λN. At this time, force (fluid force) is applied to the rotating body by moving the fluid in a swirling manner. Such fluid movement is called seal whirl. Λ (0 <λ <1) of a fluid is a constant value determined by the density, temperature, viscosity, etc. of the fluid. Here, λN means λ × N.

流体が回転速度λNで回転(自転)することによって発生する振動の振動数λNが回転体の固有振動数に等しくなると、回転体の振幅は際立って大きくなる。このような状態における回転体の振動数Nを予測することが本実施形態の特徴である。図6の回転体の公転は、回転軸の変形を伴わない“剛体モード”で表される。図9は、剛体モードを示す図である。剛体モードの振動数λNが回転体の一次固有振動数に等しくなると、回転体の振動の振幅が大きくなる。これが、シールホワールに起因する自励振動である。   When the frequency λN of the vibration generated by rotation (rotation) of the fluid at the rotational speed λN becomes equal to the natural frequency of the rotating body, the amplitude of the rotating body becomes remarkably large. It is a feature of the present embodiment to predict the frequency N of the rotating body in such a state. The revolution of the rotating body of FIG. 6 is represented by the “rigid body mode” without deformation of the rotation axis. FIG. 9 is a diagram showing a rigid body mode. When the rigid body mode frequency λN becomes equal to the first-order natural frequency of the rotating body, the amplitude of the vibration of the rotating body increases. This is self-oscillation caused by the seal whirl.

クリアランスの流体力は、自励振動の要因になるだけでなく、回転体の振動特性にも影響を及ぼす。具体的には、流体力は、シール機構55、軸受52a及び軸受52bの剛性(バネ)及び減衰を変化させる。すると、回転体の固有振動数も変化する。シール機構55、軸受52a及び軸受52bの剛性(バネ)及び減衰は、回転体の回転速度に応じて変化する。結局、回転速度が変化すれば、回転体の固有振動数も変化することとなる。   The fluid force of the clearance not only causes the self-excited vibration but also affects the vibration characteristics of the rotating body. Specifically, the fluid force changes the stiffness (spring) and damping of the sealing mechanism 55, the bearing 52a and the bearing 52b. Then, the natural frequency of the rotating body also changes. The rigidity (spring) and damping of the sealing mechanism 55, the bearing 52a and the bearing 52b change according to the rotational speed of the rotating body. After all, when the rotational speed changes, the natural frequency of the rotating body also changes.

図7は、回転体が自励振動を起こしているときの回転体の振幅の大きさをZ軸の位置ごとに示している。図7の一次曲げモードにおいて、回転体は、Z軸上の軸受の位置からやや外側にずれた2点を節として変形(U字形)を伴って振動している。図7の一次曲げモードの振幅から、シールホワールに起因する剛体モード(図9)の振幅を減算すると、図8のような振幅が残る。図8のモードは、“純曲げモード”と呼ばれる。ここでの“純”は“正味”の意味である。   FIG. 7 shows the magnitude of the amplitude of the rotating body when self-excited vibration occurs at each position of the Z axis. In the primary bending mode of FIG. 7, the rotating body vibrates with deformation (U-shape) with two points shifted slightly outward from the position of the bearing on the Z-axis. If the amplitude of the rigid body mode (FIG. 9) resulting from the seal whirl is subtracted from the amplitude of the primary bending mode of FIG. 7, the amplitude as shown in FIG. 8 remains. The mode of FIG. 8 is called "pure bending mode". "Net" here means "net".

図9の剛体モードにおいて、回転体は、変形を伴わずに振動している。そして、節に該当する点が存在しない。つまり、剛体モードは、回転体の形状や支持箇所の影響を受けない。つまり、シールホワールに起因する振動のモードが図9の剛体モードであるともいえる。図8の純曲げモードにおいて、回転体は、Z軸上の軸受52a及び軸受52bの位置において固定され、変形(U字形)を伴って振動している。図7の一次曲げモードの振幅から、シールホワールに起因する剛体モードの振幅を減算したモードが純曲げモードである。   In the rigid body mode of FIG. 9, the rotating body vibrates without deformation. And there is no point corresponding to the clause. That is, the rigid body mode is not influenced by the shape of the rotating body or the support point. That is, it can be said that the mode of vibration caused by the seal whirl is the rigid body mode of FIG. In the pure bending mode of FIG. 8, the rotating body is fixed at the position of the bearing 52a and the bearing 52b on the Z-axis, and vibrates with deformation (U-shape). A mode obtained by subtracting the amplitude of the rigid body mode caused by the seal whirl from the amplitude of the primary bending mode in FIG. 7 is a pure bending mode.

(振動測定部の位置及び個数)
図10に沿って、本実施形態の振動測定部12の位置及び個数を説明する。これは、加振振動装置1が行う処理手順(詳細後記)の前提となる。本実施形態においては、振動測定部12が、磁気軸受11の位置だけではなく、Z軸の軸受52a及び軸受52bの位置にも配置される。その理由は以下の通りである。
(Position and number of vibration measurement units)
The position and number of the vibration measurement units 12 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This is a premise of the processing procedure (details described later) performed by the vibrating vibration device 1. In the present embodiment, the vibration measurement unit 12 is disposed not only at the position of the magnetic bearing 11, but also at the positions of the bearing 52a and the bearing 52b of the Z axis. The reason is as follows.

・仮に振動測定部12をZ軸の磁気軸受11の位置(図10の右端)だけに配置しても、加振力に対する振動応答を測定することはできる。しかしながら、磁気軸受11における振動応答の値はもともと小さく有意な値を測定することが困難である。たとえ測定できたとしても、この位置は剛体モードの影響が大きく、純曲げモードの振動応答を抽出することは困難である。
・磁気軸受11の位置においては、剛体モードのみの振動応答を測定することが困難である。詳細は後記するが、軸受52a及び軸受52bの位置においては、剛体モードのみの振動応答を明確に測定することができる。すると、減算結果として、純曲げモードの振動応答を明確に測定できる。
Even if the vibration measurement unit 12 is disposed only at the position of the Z-axis magnetic bearing 11 (right end in FIG. 10), the vibration response to the excitation force can be measured. However, the value of the vibration response in the magnetic bearing 11 is originally small and it is difficult to measure a significant value. Even if it can be measured, this position is largely influenced by the rigid body mode, and it is difficult to extract the vibration response of the pure bending mode.
-At the position of the magnetic bearing 11, it is difficult to measure the vibration response of the rigid body mode only. Although details will be described later, the vibration response of only the rigid body mode can be clearly measured at the positions of the bearings 52a and 52b. Then, as a result of subtraction, it is possible to clearly measure the vibration response of the pure bending mode.

本実施形態の加振振動装置1の加振・応答処理部14が行う処理手順は以下の通りである。なお、シールホワールに起因する流体力が回転軸51に与えられていることが以下の処理手順の前提になっている。
(ステップ1)
加振・応答処理部14には、回転体の回転速度Nの計測信号が入力される。この状態で加振・応答処理部14は、磁気軸受11において加振周波数νの加振力を、磁気軸受11を介して回転軸51に与える。加振・応答処理部14は、νの値を徐々に大きくして行く。すると、回転軸51は、加振周波数νと同じ振動数で振動する。加振・応答処理部14は、加振周波数νを固定して、ステップ2に進む。
The processing procedure performed by the vibration / response processing unit 14 of the vibration / vibration device 1 of the present embodiment is as follows. In addition, it is a premise of the following processing procedure that the fluid force resulting from the seal whirl is given to the rotating shaft 51.
(Step 1)
The vibration / response processing unit 14 receives a measurement signal of the rotational speed N of the rotating body. In this state, the vibration / response processing unit 14 applies the vibration force of the vibration frequency に お い て in the magnetic bearing 11 to the rotating shaft 51 via the magnetic bearing 11. The excitation / response processing unit 14 gradually increases the value of ν. Then, the rotation shaft 51 vibrates at the same frequency as the vibration frequency ν. The excitation / response processing unit 14 fixes the excitation frequency 、 and proceeds to step 2.

(ステップ2)
加振・応答処理部14は、振動測定部12cから振動のデータ(例えば振幅の値)を受け取り、自身が発した加振制御信号及び受け取った振動のデータに基づいて、振動応答S11(ν)を算出する。同様に加振・応答処理部14は、S52a(ν)及びS52b(ν)を算出する。S11(ν)は、磁気軸受11の位置における振動応答であり、S52a(ν)は、軸受52aの位置における振動応答であり、S52b(ν)は、軸受52bの位置における振動応答である。
(Step 2)
The vibration / response processing unit 14 receives vibration data (for example, the value of amplitude) from the vibration measurement unit 12 c, and based on the vibration control signal generated by itself and the received vibration data, the vibration response S 11 (ν Calculate). Similarly, the excitation / response processing unit 14 calculates S 52 a (ν) and S 52 b (ν). S 11 (ν) is a vibration response at the position of the magnetic bearing 11, S 52a (ν) is a vibration response at the position of the bearing 52a, and S 52b (ν) is a vibration response at the position of the bearing 52b is there.

(ステップ3)
加振・応答処理部14は、式1を使用して純曲げモードの振動応答Z(ν)を求める。
(Step 3)
The excitation / response processing unit 14 obtains the vibration response Z (v) of the pure bending mode using Equation 1.

Z(ν)=S11(ν)−(S52a(ν)+(S52b(ν)−S52a(ν))d/d
(式1)
Z (v) = S 11 (v)-(S 52a (v) + (S 52b (v) -S 52a (v)) d 2 / d 1 )
(Formula 1)

図10に示すように、dは、軸受52aと軸受52bとの間の距離であり、dは、軸受52aと磁気軸受11との間の距離である。式1の右辺の第1項S11(ν)には、純曲げモードの振動応答及び剛体モードの振動応答が重なって反映されている。一方、式1の右辺の第2項“S52a(ν)+(S52b(ν)−S52a(ν))d/d”は、剛体モードの振動応答であるといえる。したがって、第1項から第2項を減算した結果である左辺のZ(ν)は、純曲げモードの振動応答である。 As shown in FIG. 10, d 1 is the distance between the bearing 52a and the bearing 52 b, d 2 is the distance between the bearing 52a and the magnetic bearings 11. In the first term S 11 (ν) on the right side of Equation 1, the vibration response of the pure bending mode and the vibration response of the rigid body mode are reflected in an overlapping manner. On the other hand, the second term of the right side of the expression 1 "S 52a (ν) + (S 52b (ν) -S 52a (ν)) d 2 / d 1" can be said to be vibration response of the rigid body modes. Therefore, Z (v) on the left side, which is the result of subtracting the second term from the first term, is the vibrational response of the pure bending mode.

(ステップ4)
加振・応答処理部14は、純曲げモードの振動応答Z(ν)を、式2のように複素数の実数部及び虚数部で表す。式2は、いわゆるコクアド関数であり、式2の右辺は、式1の右辺を信号処理し、複素数で表現したものである。jは虚数単位であり、Z(ν)は実数部であり、Z(ν)は虚数部である。そして、加振・応答処理部14は、加振周波数νを変動させ、実数部Z(ν)=0となるような加振周波数νを一次曲げモードの固有振動数ωとして求める。さらに、加振・応答処理部14は、虚数部Z(ν)=0となるような加振周波数νを剛体モードの振動数λNとして求める。
(Step 4)
The excitation / response processing unit 14 represents the vibration response Z (v) of the pure bending mode by the real part and the imaginary part of the complex number as shown in Equation 2. The equation 2 is a so-called coquad function, and the right side of the equation 2 is obtained by processing the right side of the equation 1 and expressing it as a complex number. j is an imaginary unit, Z R (ν) is a real part, and Z I (ν) is an imaginary part. Then, the vibration / response processing unit 14 fluctuates the vibration frequency 、 to obtain a vibration frequency よ う such that the real part Z R (ν) = 0 as the natural frequency ω 1 of the primary bending mode. Furthermore, the excitation / response processing unit 14 obtains an excitation frequency よ う that makes the imaginary part Z I (ν) = 0 as the frequency λ N of the rigid body mode.

Z(ν)=Z(ν)+jZ(ν) (式2) Z (ν) = Z R (ν) + jZ I (ν) (Expression 2)

“Z(ν)=0”は、回転軸51に対する運動方程式が解を持つ条件式である。“Z(ν)=0”は、クリアランスの流体力が不安定力となる条件式である。Z(ν)=0となるとき、加振周波数νは、一次曲げモードの固有振動数ωに等しい。さらに、Z(ν)は、式3のようにも表せる。式3の右辺のDは、シール機構55、軸受52a及び軸受52bの減衰を含む係数である。 “Z R (ν) = 0” is a conditional expression in which the motion equation with respect to the rotation axis 51 has a solution. “Z I (ν) = 0” is a conditional expression in which the fluid force of the clearance becomes an unstable force. When Z R (ν) = 0, the excitation frequency は is equal to the natural frequency ω 1 of the primary bending mode. Furthermore, Z I (ν) can also be expressed as Equation 3. D on the right side of Equation 3 is a coefficient including damping of the seal mechanism 55, the bearing 52a, and the bearing 52b.

(ν)=D(ν−λN) (式3) Z I (ν) = D (ν−λN) (Equation 3)

式3の左辺が0となるとき、式3の右辺も0となる。すると、式3の右辺において、D=0、又は、ν−λN=0のいずれかが成り立つはずである。このうちDについては、通常、D≠0となる。したがって、ν−λN=0が成り立つことになり、結局、Z(ν)=0となるとき、ν=λNとなる。 When the left side of Equation 3 is 0, the right side of Equation 3 is also 0. Then, on the right side of Equation 3, either D = 0 or ν−λN = 0 should hold. Of these, D is usually D ≠ 0. Therefore, −−λN = 0 holds, and eventually, when Z I (ν) = 0, ν = λN.

加振・応答処理部14は、回転速度Nを任意の刻み幅で上げて行き、前記ステップ1〜ステップ4の処理を、所定の数だけ(例えばm回)繰り返す。すると、“回転速度N”と“一次曲げモードの固有振動数ω”の組合せ(第1の組合せ)がm個だけ取得される。そして、“回転速度N”と“剛体モードの振動数λN”との組合せ(第2の組合せ)もまたm個だけ取得される。 The excitation / response processing unit 14 increases the rotational speed N with an arbitrary step width, and repeats the processing of steps 1 to 4 by a predetermined number (for example, m times). Then, m combinations (first combination) of “rotational speed N” and “natural frequency ω 1 of primary bending mode” are obtained. Then, m combinations of “rotational speed N” and “rigid body mode frequency λN” (second combination) are also obtained.

(ステップ5)
加振・応答処理部14は、横軸に回転速度Nを有し、縦軸に加振周波数νを有する座標平面(図11)に、第1の組合せを示すm個の点をドットし、第2の組合せを示すm個の点をドットする。通常は、第1の組合せの軌跡(図11の●)は、横軸に平行な直線になり、その直線の縦軸との交点の目盛はωである。第2の組合せの軌跡(図11の○)は、原点を通る直線になり、その傾きはλである。
(Step 5)
The excitation / response processing unit 14 dots m points indicating the first combination on a coordinate plane (FIG. 11) having a rotational speed N on the horizontal axis and an excitation frequency ν on the vertical axis, Dot m points to indicate the second combination. Usually, the locus of the first combination (● in FIG. 11) is a straight line parallel to the horizontal axis, and the scale of the point of intersection with the vertical axis of the straight line is ω 1 . The locus of the second combination (o in FIG. 11) is a straight line passing through the origin, and its inclination is λ.

(ステップ6)
加振・応答処理部14は、2つの直線の交点の横軸座標を求める。この値は、ω=λNとなるような(一次曲げモードの固有振動数が剛体モードの振動数に等しくなるような)Nの値である。当該Nの値(図11の▲)において、回転軸51は、シールホワールに起因する自励振動を開始する。
(Step 6)
The excitation / response processing unit 14 obtains horizontal axis coordinates of an intersection point of the two straight lines. This value is a value of N such that ω 1 = λ N (the natural frequency of the primary bending mode is equal to the frequency of the rigid body mode). At the value of N (▲ in FIG. 11), the rotating shaft 51 starts self-oscillation due to the seal whirl.

(原理)
前記した処理手順の背後にある原理は、剛体モードの振動数λNが一次曲げモードの固有振動数ωより大きくなると、シールホワールに起因する自励振動が発生する、ということである。
(principle)
The principle behind the above procedure is that when the rigid body mode frequency λ N becomes larger than the natural bending frequency ω 1 of the primary bending mode, self-excited vibration caused by the seal whirl occurs.

式1及び図10のS52a(ν)の値は、S52b(ν)の値と等しくなることが多い。そこで、式1を以下の式4のように簡略化することができる。 The value of S 52a (ν) in Equation 1 and FIG. 10 is often equal to the value of S 52b (ν). Therefore, Equation 1 can be simplified as Equation 4 below.

Z(ν)=S11(ν)−S52a(ν)
又は、Z(ν)=S11(ν)−S52b(ν) (式4)
Z (ν) = S 11 ( ν) -S 52a (ν)
Or Z (ν) = S 11 (ν) −S 52 b (ν) (Equation 4)

(振動測定部の位置及び個数につき再確認)
前記したように、振動測定部12の数を増やすのは、純曲げモードの振動応答の測定を容易にするためである。そのためには、Z軸の任意の複数(2、3、・・・)の位置に振動測定部12を配置することが望ましい。通常、横軸多段ポンプの2つの軸受52a及び52bの位置において、振動測定部12を配置することは容易である。問題は、3つ目の振動測定部12をどの位置に配置するかである。
(Reconfirmation of the position and number of vibration measurement units)
As described above, the reason for increasing the number of vibration measurement units 12 is to facilitate measurement of the vibration response of the pure bending mode. For that purpose, it is desirable to arrange the vibration measurement unit 12 at a plurality of (2, 3,...) Positions of the Z axis. Usually, it is easy to arrange the vibration measurement unit 12 at the position of the two bearings 52a and 52b of the horizontal axis multistage pump. The problem is where to place the third vibration measurement unit 12.

前記では、磁気軸受11の位置に3つ目の振動測定部12を配置する例を説明した。しかしながら、3つ目の位置は、これに限定されない。通常横軸多段ポンプの2つの軸受間には振動測定部12を配置することはできないので、2つの軸受52a及び52bの外側における適当な位置が、3つ目の位置として選択されることになる。例えば、Z軸のカップリング56の位置は3つ目の位置として好ましい。   In the above, the example which arrange | positions the 3rd vibration measurement part 12 in the position of the magnetic bearing 11 was demonstrated. However, the third position is not limited to this. Since it is not possible to place the vibration measurement unit 12 between two bearings of a horizontal axis multistage pump in general, a suitable position outside the two bearings 52a and 52b will be selected as the third position . For example, the position of the Z-axis coupling 56 is preferable as the third position.

横軸多段ポンプ等の回転機械は、もともと軸受の位置に振動測定部を有している場合も多い。この場合、加振診断装置1の振動測定部12は、回転機械の振動測定部が測定した振動のデータを受け取ってもよい。   A rotary machine such as a horizontal axis multi-stage pump often has a vibration measurement unit at the position of the bearing originally. In this case, the vibration measurement unit 12 of the vibration diagnosis apparatus 1 may receive the data of the vibration measured by the vibration measurement unit of the rotary machine.

(実施形態の効果)
本実施形態の加振診断装置は、以下の効果を奏する。
(1)加振診断装置は、既存の横軸多段ポンプ等に対して容易に外付けされ得る。
(2)加振診断装置は、回転体の振動応答のうち、純曲げモードに対応する部分を容易に抽出し得る。
(3)加振診断装置は、純曲げモードの振動応答を実数部及び虚数部に分けることによって、シールホワールに起因する回転体の自励振動の発生を正確に予測し得る。
(Effect of the embodiment)
The excitation diagnostic apparatus of the present embodiment has the following effects.
(1) The vibration diagnosis apparatus can be easily externally attached to an existing horizontal axis multistage pump or the like.
(2) The excitation diagnostic apparatus can easily extract the portion corresponding to the pure bending mode in the vibration response of the rotating body.
(3) The vibration diagnostic apparatus can accurately predict the occurrence of self-oscillation of the rotating body due to the seal whirl by dividing the vibration response of the pure bending mode into the real part and the imaginary part.

1 加振診断装置
11 磁気軸受
12a、12b、12c 振動測定部
13 電流供給部
14 加振・応答処理部
51 回転軸
52a、52b、52c 軸受
53 遠心羽根車
54 ハウジング
54a 入口
54b 出口
55 シール機構
56 カップリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibration diagnostic apparatus 11 Magnetic bearing 12a, 12b, 12c Vibration measurement part 13 Current supply part 14 Vibration / response processing part 51 Rotating shaft 52a, 52b, 52c Bearing 53 Centrifugal impeller 54 Housing 54a Inlet 54b Outlet 55 Sealing mechanism 56 Coupling

Claims (6)

回転機械の回転体の軸端を非接触支持するとともに所定の加振制御信号によって前記回転体に加振力を与える磁気軸受と、
前記磁気軸受又は前記回転機械のカップリングのうちのいずれかの位置、及び、前記磁気軸受以外に前記回転体を支持する2つの軸受の位置の計3箇所における前記回転体の振動を測定する振動測定部と、
前記磁気軸受に電流を供給する電流供給部と、
前記回転体を加振するように前記磁気軸受を制御する前記加振制御信号を前記電流供給部に出力するとともに、前記回転体の前記加振制御信号に対する振動応答を測定する加振・応答処理部と、
を備え、
前記加振・応答処理部は、
前記磁気軸受又は前記回転機械のカップリングのうちのいずれかの位置における振動応答から、前記2つの軸受の位置における振動応答を減算する信号処理を行うこと、
特徴とする加振診断装置。
A magnetic bearing that supports the shaft end of the rotating body of the rotating machine in a non-contact manner and applies an oscillating force to the rotating body by a predetermined excitation control signal;
Vibration to measure the vibration of the rotor at a total of three locations of the magnetic bearing or the coupling of the rotary machine and the position of two bearings supporting the rotor other than the magnetic bearing Measurement unit,
A current supply unit for supplying current to the magnetic bearing;
An excitation / response process that outputs the excitation control signal that controls the magnetic bearing to excite the rotating body to the current supply unit, and measures the vibration response of the rotating body to the excitation control signal. Department,
Bei to give a,
The excitation / response processing unit
Performing signal processing to subtract the vibration response at the positions of the two bearings from the vibration response at any position of the magnetic bearing or the coupling of the rotary machine;
An excitation diagnostic apparatus characterized by
前記電流供給部は、
前記加振・応答処理部から前記加振制御信号を受け取り、前記受け取った加振制御信号に基づいて電流を発生させ、前記発生させた電流を前記磁気軸受に供給し、
前記磁気軸受は、
前記電流供給部から前記電流を受け取り、前記受け取った電流によって前記加振制御信号に基づく所定の加振周波数の加振力を前記回転体に与えること、
を特徴とする請求項1に記載の加振診断装置。
The current supply unit
The vibration control signal is received from the vibration / response processing unit, a current is generated based on the received vibration control signal, and the generated current is supplied to the magnetic bearing.
The magnetic bearing is
Receiving the current from the current supply unit, and applying an excitation force of a predetermined excitation frequency to the rotating body based on the excitation control signal by the received current;
The excitation diagnostic apparatus according to claim 1, characterized in that
前記加振・応答処理部は、
前記加振周波数に等しい振動数の前記回転体の振動応答を測定すること、
を特徴とする請求項2に記載の加振診断装置。
The excitation / response processing unit
Measuring a vibration response of the rotating body having a frequency equal to the vibration frequency;
The excitation diagnostic apparatus according to claim 2, characterized in that
前記加振・応答処理部は、
前記加振周波数を変化させ、
前記信号処理を行った振動応答を実数部及び虚数部に分け、
実数部がゼロになる加振周波数を一次曲げモードの固有振動数として求め、
虚数部がゼロになる加振周波数を剛体モードの振動数として求めること、
を特徴とする請求項に記載の加振診断装置。
The excitation / response processing unit
Change the excitation frequency,
Dividing the vibration response subjected to the signal processing into a real part and an imaginary part;
The excitation frequency at which the real part becomes zero is determined as the natural frequency of the primary bending mode,
Determining the excitation frequency at which the imaginary part becomes zero as the frequency of the rigid body mode,
The excitation diagnostic apparatus according to claim 3 , characterized in that
前記加振・応答処理部は、
前記求めた一次曲げモードの固有振動数が前記求めた剛体モードの振動数に等しくなる回転速度を、前記回転体の自励振動が発生する回転速度として決定すること、
を特徴とする請求項に記載の加振診断装置。
The excitation / response processing unit
Determining the rotation speed at which the natural frequency of the primary bending mode obtained is equal to the frequency of the rigid body mode obtained as the rotation speed at which the self-excited vibration of the rotating body is generated;
The excitation diagnostic apparatus according to claim 4 , characterized in that
加振・応答処理部が、
回転機械の回転体を加振するように磁気軸受を制御する所定の加振制御信号を電流供給部に出力するステップと、
前記電流供給部が、
前記回転体の軸端を非接触支持する前記磁気軸受に電流を供給するステップと、
前記磁気軸受が、
前記加振制御信号によって前記回転体に加振力を与えるステップと、
振動測定部が、
前記磁気軸受又は前記回転機械のカップリングのうちのいずれかの位置、及び、前記磁気軸受以外に前記回転体を支持する2つの軸受の位置の計3箇所における前記回転体の振動を測定するステップと、
前記加振・応答処理部が、
前記磁気軸受又は前記回転機械のカップリングのうちのいずれかの位置における振動応答から、前記2つの軸受の位置における振動応答を減算することによって、前記回転体の前記加振制御信号に対する振動応答を測定するステップと、
を備えることを特徴とする、前記加振・応答処理部、前記電流供給部、前記磁気軸受及び前記振動測定部を備える加振診断装置の加振診断方法。
The excitation and response processing unit
Outputting a predetermined excitation control signal for controlling the magnetic bearing so as to excite the rotating body of the rotary machine to the current supply unit;
The current supply unit
Supplying an electric current to the magnetic bearing that supports the shaft end of the rotating body in a non-contact manner;
The magnetic bearing is
Applying an excitation force to the rotating body by the excitation control signal;
The vibration measurement unit
Measuring the vibration of the rotor at a total of three locations of the magnetic bearing or the coupling of the rotary machine and the position of two bearings supporting the rotor other than the magnetic bearing When,
The vibration / response processing unit
By subtracting the vibration response at the two bearing positions from the vibration response at any position of the magnetic bearing or the coupling of the rotary machine, the vibration response of the rotating body to the excitation control signal is obtained Measuring, and
A vibration diagnosis method of a vibration diagnosis apparatus comprising the vibration / response processing unit, the current supply unit, the magnetic bearing, and the vibration measurement unit.
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