特開 2024-140753 非接触加振システムおよび非接触加振方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140753

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】非接触加振システムおよび非接触加振方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 7/02 20060101AFI20241003BHJP

   B06B 1/04 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G01M7/02 B

B06B1/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023052070

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】馬場 丈雄

(72)【発明者】

【氏名】北原 大道

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 敏生

(72)【発明者】

【氏名】高田 潤一

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107AA07

5D107BB09

5D107CC09

5D107CD03

(57)【要約】

【課題】非磁性体の動翼列を備えた回転機械の回転振動試験において、動翼列を所望の節直径モードで精度よく加振する。
【解決手段】回転機械の非磁性体の動翼列に変動磁界を印加してローレンツ力を作用させる加振器と、動翼列の回転数を検出するための回転数センサと、加振器を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、回転数センサの検出結果から得られる動翼列の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎのローレンツ力を加振器に発生させる。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転機械の非磁性体の動翼列に変動磁界を印加してローレンツ力を作用させる加振器と、
前記動翼列の回転数を検出するための回転数センサと、
前記加振器を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記回転数センサの検出結果から得られる前記動翼列の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎの前記ローレンツ力を前記加振器に発生させる、
非接触加振システム。

【請求項2】

前記動翼列に作用させるローレンツ力を増強する増強部材をさらに備え、
前記加振器は、前記動翼列に取り付けられた前記増強部材に対して変動磁界を印加する、
請求項１に記載の非接触加振システム。

【請求項3】

前記増強部材は、前記動翼列に対して励起する振動モードに応じて、前記動翼列における取り付け位置が異なる、
請求項２に記載の非接触加振システム。

【請求項4】

前記加振器は、前記動翼の一方表面と対向する第１磁極と、前記動翼の他方表面と対向する第２磁極と、を有し、前記第１磁極と前記第２磁極との間に、前記動翼を貫通する変動磁界を形成する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の非接触加振システム。

【請求項5】

磁極と前記動翼との間のギャップの大きさ、および、磁極のサイズ、の少なくとも一方が、前記第１磁極と前記第２磁極とで異なっている、
請求項４に記載の非接触加振システム。

【請求項6】

前記加振器は、
永久磁石と、
前記永久磁石の磁極面を前記動翼の表面に対して接近および離隔させることにより、前記動翼に印加する変動磁界を形成する駆動部と、を含む、
請求項１～３のいずれか１項に記載の非接触加振システム。

【請求項7】

前記加振器は、電磁石を含み、
前記コントローラは、前記周波数ｆ_ｉｎと等しい電流周波数の加振電流を前記加振器に出力する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の非接触加振システム。

【請求項8】

非磁性体の動翼列を有する回転機械を回転させる工程と、
前記動翼列の回転数を検出する工程と、
回転中の前記動翼列に変動磁界を印加してローレンツ力を作用させる工程と、を備え、
前記ローレンツ力を作用させる工程において、前記動翼列の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎの前記ローレンツ力を発生させる、
非接触加振方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、非接触加振システムおよび非接触加振方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンなどの産業用タービンでは、性能試験の１つとして回転振動試験が実施されている。回転振動試験では、回転中のタービンの動翼を、加振器により非接触で励振（加振）する。回転中に励振された動翼の振動を、検出器により検出することにより、動翼の振動特性を得る（特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１は、加振器による加振の具体例として、タービンの動翼を、電磁石からなる加振器により吸引する技術を開示する。特許文献１では、この加振器へ出力する加振信号を、動翼列の回転周波数、励起する節直径モードのモード数、およびそのモードでの動翼の固有振動数に基づいて決定することで、動翼列をＮ節直径モードで加振できるようにする技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－５２９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１に例示された加振技術は、タービンの動翼を、電磁石からなる加振器により吸引するという構成上、動翼が磁性体に限定され、チタン翼などの非磁性体の動翼を備えた回転機械には適用しにくい。そこで、非磁性体の動翼列を備えた回転機械についても、動翼列を所望の節直径モードで精度よく加振できるようにすることが望まれる。

【0006】

本開示は、上述した課題を解決するものであり、非磁性体の動翼列を備えた回転機械の回転振動試験において、動翼列を所望の節直径モードで精度よく加振することが可能な非接触加振システムおよび非接触加振方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するための本開示の非接触加振システムは、回転機械の非磁性体の動翼列に変動磁界を印加してローレンツ力を作用させる加振器と、前記動翼列の回転数を検出するための回転数センサと、前記加振器を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記回転数センサの検出結果から得られる前記動翼列の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎの前記ローレンツ力を前記加振器に発生させる。

【0008】

また、本開示の非接触加振方法は、非磁性体の動翼列を有する回転機械を回転させる工程と、前記動翼列の回転数を検出する工程と、回転中の前記動翼列に変動磁界を印加してローレンツ力を作用させる工程と、を備え、前記ローレンツ力を作用させる工程において、前記動翼列の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎの前記ローレンツ力を発生させる。

【発明の効果】

【0009】

本開示の非接触加振システムおよび非接触加振方法によれば、非磁性体の動翼列を備えた回転機械の回転振動試験において、動翼列を所望の節直径モードで精度よく加振することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、非接触加振システムの全体構成を表す概略図である。

【図2】図２は、励振装置を、回転軸に沿った方向に見た説明図である。

【図3】図３は、動翼列が８節直径モードで面外方向に振動している状態を示す模式図である。

【図4】図４は、コントローラの構成を示すブロック図である。

【図5】図５は、第１実施形態における加振器および動翼列を回転軸に沿った方向から見た模式図である。

【図6】図６は、図５のVI－VI線に沿った断面模式図である。

【図7】図７は、第１実施形態の非接触加振方法を示すフローチャートである。

【図8】図８は、第１実施形態の変形例による加振器の構成を示す模式図である。

【図9】図９は、第２実施形態の加振器の構成を示す模式図である。

【図10】図１０は、第２実施形態の第１変形例による加振器を示す模式図である。

【図11】図１１は、第２実施形態の第２変形例による加振器を示す模式図である。

【図12】図１２は、第３実施形態の加振器の構成を示す模式図である。

【図13】図１３は、第４実施形態における加振器、増強部材および動翼列を回転軸に沿った方向から見た模式図である。

【図14】図１４は、図１３のXIII－XIII線に沿った断面模式図である。

【図15】図１５は、第５実施形態の増強部材の第１の取付例を示す説明図である。

【図16】図１６は、第５実施形態の増強部材の第２の取付例を示す説明図である。

【図17】図１７は、第５実施形態の増強部材の第３の取付例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

【0012】

［第１実施形態］
＜非接触加振システム＞
図１は、非接触加振システムの全体構成を表す概略図である。非接触加振システム１０は、励振装置２０と、コントローラ３０とを備える。非接触加振システム１０は、蒸気タービンなどの産業用のタービン（回転機械）９０に対して、回転振動試験を行うシステムである。

【0013】

図１に示すように、タービン９０は回転軸９１と動翼列９２とを有する。動翼列９２は、回転軸９１に対して放射状に配置された多数枚の動翼９３を含む。動翼列９２は、少なくとも動翼９３の部分が非磁性体により形成されている。また、動翼列９２は、電気伝導体により形成されている。非磁性導体の材料は、例えばチタン材（チタンまたはチタン合金）である。

【0014】

タービン９０の回転試験振動をする場合、動翼列９２を試験室１１０内に配置した状態で、回転軸９１を回転支持柱１１１ａおよび１１１ｂにより回転自在に支持する。試験室１１０内には、動翼列９２に対面する状態で励振装置２０が配置される。励振装置２０は、動翼列９２から、回転軸９１の軸方向に間隔を隔てて、動翼列９２とは非接触の状態で配置されている。また、動翼列９２の回転数及び回転方向のゼロ位置を検出する回転数センサ４０が、回転軸９１の近傍に配置されている。回転数センサ４０は、回転軸９１の回転角度を検出することにより、回転軸９１と一体回転する動翼列９２の回転数及びゼロ位置を検出する。

【0015】

回転振動試験をする際には、図示しない回転駆動源により回転軸９１に回転力を入力して、タービン９０を試験に必要な回転数で回転させる。励振装置２０が、コントローラ３０による制御の下、回転中の動翼列９２に対して加振を行う。

【0016】

＜励振装置＞
図２は、励振装置２０を、回転軸９１に沿った方向に見た説明図である。

【0017】

図２に示すように、励振装置２０は、一対の脚台２１により両持ち支持された円環状の支持体２２を備える。支持体２２の内周側を、回転軸９１（図１参照）が通過している。支持体２２には、加振器２３と、受振器２４とが設けられている。加振器２３は、１つまたは複数設けることができる。受振器２４は、１つまたは複数設けることができる。図２では、加振器２３および受振器２４が、８個ずつ設けられた例を示す。

【0018】

加振器２３は、タービン９０の非磁性体の動翼列９２（図１参照）を、非接触で加振する。加振器２３は、タービン９０の非磁性体の動翼列９２に変動磁界を印加してローレンツ力を作用させるように構成されている。第１実施形態の加振器２３は、後述する電磁石６０を含み、電流供給により変動磁界を発生する。図２の例では、複数の加振器２３が、回転軸９１周りの周方向（動翼列９２の回転方向）に沿って間隔を隔てて配列されている。

【0019】

受振器２４は、動翼９３の振動状態を非接触で検出する。図２の例では、複数の受振器２４が、回転軸９１周りの周方向に沿って間隔を隔てて配列されている。受振器２４は、それぞれの動翼９３に取り付けられるひずみゲージなどにより接触方式で振動検出してもよい。

【0020】

回転振動試験をする際、各加振器２３は、回転中のタービン９０（動翼列９２）に対して、予め設定した振動モードで動翼９３が面外方向に振動するように、加振力（ローレンツ力）を作用させる。なお、面外方向とは、動翼列９２における各動翼９３が配列された面とは交差する方向である。動翼列９２が振動すると、各受振器２４からは、そのときの振動状態に応じた検出信号がコントローラ３０に出力される。コントローラ３０は、回転数センサ４０および受振器２４の検出信号に基づいて、動翼列９２の各動翼９３の振動状態（振動モード等）を検出することができる。

【0021】

動翼列９２の面外方向の振動は、振動の節が径方向に沿った直線状に形成される節直径振動モードと、振動の節が円周方向に沿った同心円状に形成される節円振動モードと、の組み合わせで把握できる。図３は、動翼列９２が８節直径モード（節直径数８、曲げ一次モード）で面外方向に振動している状態を示す模式図である。図３では、振動がない状態の動翼列９２に対して、振動状態の動翼列９２の形状ＦＬを重畳して示している。

【0022】

＜コントローラの構成＞
図４は、コントローラ３０の構成を示すブロック図である。図４を参照して、コントローラ３０の構成について説明する。コントローラ３０は、ソフトウエア（プログラム）とハードウエア（コンピュータ）とが協働して情報処理を行う情報処理装置である。

【0023】

コントローラ３０は、加振器２３を制御する。コントローラ３０は、回転数センサ４０および受振器２４の検出信号に基づいて加振器２３の制御を行う。図４では、非接触加振システム１０は、Ｍ個の加振器２３と、Ｍ個の受振器２４とを備える。Ｍは、２以上の自然数である。つまり、図２はＭ＝８の例を示したものである。以下、Ｍ個の加振器２３、受振器２４を個別に特定する場合、加振器２３－１～２３－Ｍといった形態で枝番号を付して説明し、個別に特定する必要がない場合には単に加振器２３と総称する。

【0024】

コントローラ３０は、通電指令部３１、振動モード検出部３２、表示部３３、統合演算・指令部３４、周波数・位相演算部３５、加振タイミング演算部３６、加振波形選択部３７、調整位相演算部３８を備える。通電指令部３１は、加振器２３－１～２３－Ｍに個別に設けられており、これらを通電指令部３１－１～３１－Ｍとする。

【0025】

コントローラ３０は、入力部５０から、今回試験する振動モード（節直径モード）を示す節直径数Ｎ（但し、Ｎは整数）を予め取得する。コントローラ３０は、節直径数Ｎで示す振動モード（Ｎ節直径モード）で動翼列９２が振動するように、通電指令部３１－１～３１－Ｍから加振指令信号ａ１～ａＭを出力する。

【0026】

加振指令信号ａ１～ａＭは、アンプ５１－１～５１－Ｍにより増幅される。アンプ５１－１～５１－Ｍは、加振指令信号ａ１～ａＭを増幅した加振電流Ａ１～ＡＭを加振器２３－１～２３－Ｍに供給する。電流センサ５２－１～５２－Ｍは、加振電流Ａ１～ＡＭを検出してフィードバック信号を通電指令部３１－１～３１－Ｍにフィードバックする。通電指令部３１－１～３１－Ｍは、フィードバック信号を受けてフィードバック制御をすることにより、加振指令信号ａ１～ａＭの波形、出力タイミング、周波数、位相を調整する。

【0027】

受振器２４－１～２４－Ｍから出力された検出信号ｂ１～ｂＭは、アンプ５３－１～５３－Ｍにより増幅され、振動モード検出部３２に供給される。振動モード検出部３２は、検出信号ｂ１～ｂ８に基づき、動翼列９２の振動モードを検出する。検出した振動モード波形は、表示部３３に表示される。

【0028】

回転数センサ４０は、タービン９０の回転数信号Ｒ及びゼロ位置信号Ｚを出力する。回転数信号Ｒ及びゼロ位置信号Ｚはコントローラ３０に送られる。

【0029】

周波数・位相演算部３５は、入力部５０から取得された節直径数Ｎに基づき、加振指令信号ａ１～ａＭの周波数ｆ_ｉｎを決定する。周波数・位相演算部３５は回転数センサ４０の検出結果から得られる動翼列９２の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼９３の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、下式（１）により周波数ｆ_ｉｎを決定する。
ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉ ・・・（１）

【0030】

加振タイミング演算部３６は、回転数センサ４０から出力された回転数信号Ｒおよびゼロ位置信号Ｚに基づいて、回転する動翼列９２の同じ位置に加振力を加えるように、回転毎の加振指令信号ａ１～ａＭの出力タイミングを決定する。

【0031】

加振波形選択部３７は、加振指令信号ａ１～ａＭの信号波形を、予め設定された複数波形の中から選択する。信号波形は、例えば正弦波形、矩形波系、正弦半波などである。加振波形選択部３７は、受振器２４の検出信号ｂ１～ｂＭに基づいて、振動モード波形の振幅を最も大きくすることが可能な信号波形を選択する。

【0032】

調整位相演算部３８は、加振器２３が発生させる加振力の応答遅れ、電流センサ５２－１～５２－Ｍの検出応答遅れ、回転数センサ４０の検出応答遅れ、などの各種の応答遅れを補正するための調整位相を算出する。

【0033】

統合演算・指令部３４は、各演算部の算出結果に基づいて、統合演算・指令部３４は、通電指令部３１－１～３１－Ｍの信号出力を制御する。統合演算・指令部３４は、周波数・位相演算部３５により決定された加振周波数ｆ_ｉｎ、加振波形選択部３７により選択された信号波形、調整位相演算部３８により算出された調整位相、加振タイミング演算部３６により決定された出力タイミングで、通電指令部３１－１～３１－Ｍから加振指令信号ａ１～ａＭを出力させる。

【0034】

このような構成により、コントローラ３０は、回転数センサ４０の検出結果から得られる動翼列９２の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼９３の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎのローレンツ力を加振器２３に発生させるように、加振器２３を制御する。コントローラ３０は、周波数ｆ_ｉｎと等しい電流周波数の加振電流Ａ１～ＡＭを加振器２３に出力する。

【0035】

＜加振器の具体的な構成および配置＞
図５は、第１実施形態における加振器２３および動翼列９２を回転軸に沿った方向から見た模式図である。図６は、図５のVI－VI線に沿った断面模式図である。図５および図６を参照して、加振器２３の具体的な構成を説明する。なお、ここでは説明のため便宜的に、複数の加振器２３－１～２３－Ｍのうち、１つのみを示して説明する。

【0036】

図５に示すように、加振器２３は、動翼列９２と対向するように配置されている。加振器２３は、動翼列９２の径方向において、動翼列９２の外径側に設けられている。より具体的には、図６に示すように、加振器２３は、動翼列９２の外周端部近傍の部分と対向する。

【0037】

加振器２３は、電磁石６０を含む。電磁石６０は、磁心６１とコイル６２とを有する。図６の例では、電磁石６０は、Ｃ字状（またはＵ字状）の磁心６１の２つの端面により、第１磁極６３と第２磁極６４と有する。第１磁極６３と第２磁極６４とは、互いに異なる極性の磁極である。図６の例では、磁心６１に対して２つのコイル６２が巻回されているが、コイル６２は１つでもよい。Ｃ字状の電磁石６０の第１磁極６３と第２磁極６４とは、動翼列９２の表面に沿って並び、動翼列９２に対してそれぞれ対向している。

【0038】

これにより、加振器２３は、第１磁極６３および第２磁極６４の一方（Ｎ極）から出て、動翼列９２の動翼９３内を通過して、第１磁極６３および第２磁極６４の他方（Ｓ極）に向かい、磁心６１を通過して一方の磁極に戻る経路の磁界７０のループ（磁気回路）を形成する。動翼９３が非磁性体であるので、磁界７０による磁気吸引力は、動翼９３には作用しない。

【0039】

加振器２３は、例えば、コントローラ３０からの交流の加振電流Ａ１～ＡＭに応じて、磁界７０の向きを交互に逆転させる変動磁界を動翼列９２に印加する。磁界７０の変化により、磁界７０が印加された動翼９３には、ローレンツ力７１が発生する。このローレンツ力７１により、動翼９３が加振され、その結果厚み方向の振動が励起される。なお、ここでは、動翼９３の厚み方向は、動翼列９２の回転軸９１の軸方向と同義として説明する。

【0040】

磁界７０が変化することにより、動翼９３は、加振器２３（電磁石６０）から離れる方向と加振器２３（電磁石６０）に近づく方向とに交互に加振される。ローレンツ力７１の周波数（加振周波数）は、電磁石６０に供給される電流周波数（加振電流Ａ１～ＡＭの周波数）と一致する。

【0041】

動翼列９２は回転しているので、静止している加振器２３は、複数の動翼９３の各々が加振器２３と対向する位置に到達するタイミングで、対向する動翼９３に加振力（ローレンツ力７１）を作用させる。そのため、動翼列９２の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、加振周波数（電流周波数）ｆ_ｉｎと、加振したい節直径モードの節直径数Ｎとそのモードにおける動翼９３の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉとなる加振力を作用させることで、動翼列９２に所望の節直径数Ｎの節直径モードによる固有振動数ｆｉの共振振動を励起させることができる。

【0042】

なお、図２においては、複数の加振器２３が周方向に間隔を隔てて配置されている。そのため、各加振器２３は、いずれか１つの加振器２３の角度位置を基準（位相差０）として、基準角度位置からの角度位置の差分に相応した位相差で加振することにより、動翼列９２に所望の節直径数Ｎの節直径モードで振動させるための加振力を同期して印加できる。そのため、図４に示したコントローラ３０（周波数・位相演算部３５）は、節直径数Ｎと、その加振器２３の基準角度からの角度ずれγとに基づく位相ずれ（Ｎ×γ）を付加した加振指令信号ａ１～ａＭ（加振電流Ａ１～ＡＭ）を、各加振器２３－１～２３－Ｍに供給する。

【0043】

以上により、たとえば節直径数Ｎ＝８を入力した場合、複数の加振器２３の各々による加振力（ローレンツ力７１）によって、図３に示したような８節直径モードの振動を動翼列９２に生じさせることができる。

【0044】

＜非接触加振方法＞
図７は、第１実施形態の非接触加振方法を示すフローチャートである。非接触加振方法は、上述した非接触加振システム１０により実行される。

【0045】

次に、非接触加振システム１０は、図示しない回転駆動源により、非磁性体の動翼列９２を有するタービン９０を回転させる（工程Ｓ１）。そして、回転数センサ４０が、回転中の動翼列９２の回転数を検出する（工程Ｓ２）。

【0046】

次に、加振器２３（電磁石６０）が、コントローラ３０の制御の下、回転する動翼列９２に変動磁界（磁界７０）を印加してローレンツ力７１を作用させる（工程Ｓ３）。この工程Ｓ３において、コントローラ３０は、回転数センサ４０の検出結果から得られる動翼列９２の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼９３の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎのローレンツ力７１を加振器２３に発生させるように、加振器２３を制御する。なお、節直径数Ｎは入力部５０から予め取得され、固有振動数ｆ_ｉはタービン９０の構造から既知である。これにより、動翼列９２に、予め設定したＮ節直径モードの面外振動が励起される。

【0047】

回転振動試験では、コントローラ３０は、動翼９３に取り付けた各種センサ（図示省略）により、回転している動翼列９２がＮ節直径モードで振動しているときの動翼９３の振動応答を取得し、動翼列９２の振動特性（固有振動数、減衰など）を分析する。

【0048】

＜第１実施形態の変形例＞
図８は、第１実施形態の変形例による加振器２３の構成を示す模式図である。加振器２３が有する電磁石は、Ｃ字状以外の形状でもよい。図８では、Ｉ字状の電磁石６０Ａの例を示す。電磁石６０Ａは、直線棒状の磁心６１Ａと、磁心６１Ａの中心軸周りに巻回されたコイル６２とを含む。加振器２３は、磁心６１Ａの一端で動翼９３に対向する第１磁極６３と、磁心６１Ａの他端で動翼９３とは反対側を向く第２磁極６４とを有する。図８の他、加振器２３が有する電磁石は、例えば、Ｅ字状の電磁石（図示せず）であってもよい。

【0049】

［第２実施形態］
図９は、第２実施形態の加振器２３の構成を示す模式図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0050】

第２実施形態では、加振器２３の構成のみが上記第１実施形態と異なり、その他の点は上記第１実施形態と同じである。

【0051】

図９に示すように、加振器２３は、動翼９３の一方表面９３ａと対向する第１磁極６３と、動翼９３の他方表面９３ｂと対向する第２磁極６４と、を有し、第１磁極６３と第２磁極６４との間に、動翼９３を貫通する変動磁界（磁界７０）を形成する。なお、動翼９３の一方表面９３ａと他方表面９３ｂとは、動翼列９２の回転軸９１に沿った方向に互いに反対側を向く各表面である。

【0052】

具体的には、加振器２３は、Ｃ字状の磁心６１とコイル６２とを有する電磁石６０Ｂを含む。第１磁極６３は、磁心６１の２つの端面のうち動翼９３の一方表面９３ａと対向する端面である。第２磁極６４は、磁心６１の２つの端面のうち動翼９３の他方表面９３ｂと対向する端面である。第１磁極６３は一方表面９３ａとの間にギャップＧ１を隔てて配置され、第２磁極６４は他方表面９３ｂとの間にギャップＧ２を隔てて配置されている。ギャップＧ１の大きさとギャップＧ２の大きさとは、磁界７０を印加していない状態で、ほぼ等しい。第１磁極６３と第２磁極６４とは、動翼９３を介して、回転軸９１に沿った方向に互いに対向している。

【0053】

磁心６１は、回転軸９１の径方向において、動翼９３の先端部の外側を回り込んで、第１磁極６３と第２磁極６４とに接続している。つまり、電磁石６０Ｂは、動翼９３の先端部を非接触で囲むようにＣ字状に形成されている。

【0054】

これにより、加振器２３は、第１磁極６３および第２磁極６４の一方（Ｎ極）から出て、動翼列９２の動翼９３内を厚み方向に貫通して、第１磁極６３および第２磁極６４の他方（Ｓ極）に向かい、磁心６１を通過して一方の磁極に戻る経路の磁界７０のループ（磁気回路）を形成する。加振器２３は、例えばコントローラ３０からの交流の加振電流Ａ１～ＡＭに応じて、磁界７０の向きを交互に逆転させる変動磁界を動翼列９２に印加する。磁界７０の変化により、磁界７０が印加された動翼９３には、ローレンツ力７１が発生する。磁界７０の変化に応じてローレンツ力７１の向きが変化することにより、動翼９３が加振される。

【0055】

＜第２実施形態の変形例＞
図１０は、第２実施形態の第１変形例による加振器２３を示す模式図である。図１１は、第２実施形態の第１変形例による加振器２３を示す模式図である。

【0056】

図１０に示す第１変形例では、磁極と動翼９３との間のギャップの大きさが、第１磁極６３と第２磁極６４とで異なっている。すなわち、第１変形例では、第１磁極６３と一方表面９３ａとの間のギャップＧ１の大きさと、第２磁極６４と他方表面９３ｂとの間のギャップＧ２の大きさとが、異なっている。図１０ではギャップＧ１がギャップＧ２よりも大きい例を示しているが、ギャップＧ１がギャップＧ２よりも小さくてもよい。ギャップの大きさを一方表面９３ａ側と他方表面９３ｂ側とで異ならせることにより、ギャップの大きさが等しい場合と比べて磁界７０の変化を大きくできる。

【0057】

図１１に示す第２変形例では、磁極のサイズが、第１磁極６３と第２磁極６４とで異なっている。すなわち、第２変形例では、第１磁極６３の磁極面に沿った断面積（磁極面の面積）と、第２磁極６４の磁極面に沿った断面積（磁極面の面積）とが、異なっている。図１１では磁心６１のうち、第１磁極６３側の部分６５のサイズを、第２磁極６４側の部分６６のサイズよりも大きくした例を示している。第１磁極６３側の部分６５のサイズを、第２磁極６４側の部分６６のサイズよりも小さくしてもよい。磁極のサイズを一方表面９３ａ側と他方表面９３ｂ側とで異ならせることにより、磁極のサイズが等しい場合と比べて磁界７０の変化を大きくできる。

【0058】

［第３実施形態］
図１２は、第３実施形態の加振器２３Ａの構成を示す模式図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0059】

第３実施形態では、加振器２３Ａの構成のみが上記第１実施形態と異なり、その他の点は上記第１実施形態と同じである。

【0060】

図１２に示すように、加振器２３Ａは、永久磁石１６１と、永久磁石１６１を移動させる駆動部１６２と、を含む。

【0061】

永久磁石１６１は、磁極面１６１ａが動翼９３の表面に所定のギャップを隔てて対向するように配置されている。永久磁石１６１は、一方の磁極面１６１ａ（Ｎ極）から出て、動翼列９２の動翼９３内を通過して、他方の磁極面１６１ｂ（Ｓ極）に向かう経路の磁界７０を形成する。図１２の例では、永久磁石１６１は、磁極面１６１ａ、１６１ｂが両端に形成された棒状磁石であるが、永久磁石１６１の形状は特に限定されず、Ｃ字（Ｕ字）状などでもよい。

【0062】

駆動部１６２は、永久磁石１６１の磁極面１６１ａを動翼９３の表面に対して接近および離隔させることにより、動翼９３に印加する変動磁界を形成するように構成されている。すなわち、図１２の例では、駆動部１６２は、永久磁石１６１を回転軸９１に沿った方向に、往復変位させる。それにより、磁極面１６１ａと動翼９３の表面とのギャップが変化する。ギャップの変化により、動翼９３に変動磁界が印加される。駆動部１６２は、直動アクチュエータにより構成されうる。直動アクチュエータは、電動モーター、圧電素子、ソレノイドなどを駆動源として採用できる。なお、第３実施形態では、コントローラ３０からの加振指令信号ａ１～ａＭ（加振電流Ａ１～ＡＭ）は、駆動部１６２の駆動信号（駆動電流）である。駆動部１６２は、加振指令信号ａ１～ａＭ（加振電流Ａ１～ＡＭ）と同じ周波数で永久磁石１６１を往復変位させる。

【0063】

加振器２３Ａは、例えばコントローラ３０からの交流の加振指令信号ａ１～ａＭに応じて、動翼９３に印加する磁界７０の強さを変化させる変動磁界を動翼列９２に印加する。磁界７０の変化により、磁界７０が印加された動翼９３には、ローレンツ力７１が発生する。磁界７０の変化に応じてローレンツ力７１の向きが変化することにより、動翼９３が加振される。

【0064】

［第４実施形態］
図１３は、第４実施形態における加振器２３、増強部材８０および動翼列９２を回転軸９１に沿った方向から見た模式図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0065】

第４実施形態に係る非接触加振システム１０は、図１３に示すように、動翼列９２に作用させるローレンツ力７１を増強する増強部材８０をさらに備える。増強部材８０は、非磁性導体からなる。増強部材８０の材料組成は、動翼９３の材料組成とは異なる。増強部材８０は、同じ磁界変化が印加された場合に、動翼９３に発生するローレンツ力よりも大きなローレンツ力が生じる材料（磁気抵抗が大きい材料）により構成されている。動翼９３がチタン材料で構成されている場合、増強部材８０は、例えば銅材料（銅又は銅合金）で構成される。

【0066】

増強部材８０は、板状形状を有し、動翼９３の表面に取り付けられる。増強部材８０は、動翼列９２を構成する複数の動翼９３の各々に、個別に取り付けられている。動翼列９２における増強部材８０の径方向の位置は、加振器２３と対向する位置となるように設定される。つまり、各増強部材８０の回転軸９１からの径方向距離が、加振器２３の回転軸９１からの径方向距離と略一致している。

【0067】

増強部材８０の大きさは、特に限定されないが、増強部材８０は、例えば動翼９３の表面のうち、加振器２３からの磁界７０が通過する領域を包含する範囲で、なるべく小さくする。増強部材８０の厚みについても同様である。増強部材８０を取り付けた試験時と、増強部材８０を取り外した実運用時との間の、タービン９０の振動特性の誤差を小さくするためである。

【0068】

図１４は、図１３のXIII－XIII線に沿った断面模式図である。

【0069】

加振器２３は、電磁石６０を含み、図６に示した第１実施形態と同様に、コントローラ３０からの加振電流Ａ１～ＡＭに応じて変動磁界を発生する。第４実施形態では、加振器２３により形成される磁界７０が、増強部材８０内を通過する。図６では、磁界７０は、増強部材８０と動翼９３との両方を通過する。磁界７０の変化により、磁界７０が印加された増強部材８０および動翼９３に、ローレンツ力７１が発生する。増強部材８０は、動翼９３よりもローレンツ力７１を発生させやすいため、増強部材８０を設けない場合と比べて、動翼９３に作用させるローレンツ力７１（加振力）が大きくなる。

【0070】

第４実施形態のその他の点は上記第１実施形態と同じである。

【0071】

［第５実施形態］
図１５は、第５実施形態の増強部材の第１の取付例を示す説明図である。図１６は、第５実施形態の増強部材の第２の取付例を示す説明図である。図１７は、第５実施形態の増強部材の第３の取付例を示す説明図である。なお、上述した第４実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0072】

第５実施形態では、増強部材８０は、動翼列９２に対して励起する振動モードに応じて、動翼列９２における取り付け位置が異なる。そして、加振器２３が、増強部材８０の取り付け位置に応じて、増強部材８０と対向する位置に配置される。

【0073】

具体的には、図１５に示すように、動翼列９２に対して、１次曲げモードの振動を励起したい場合、増強部材８０が、動翼９３の表面のうち、回転軸９１の径方向における先端部に取り付けられる。図１５では、増強部材８０が、動翼９３の表面であって、径方向の先端縁ＴＥを含む範囲に取り付けられている。

【0074】

加振器２３が、回転軸９１の軸方向に沿って増強部材８０と対向する位置に配置される。すなわち、増強部材８０の回転軸９１からの径方向距離が、加振器２３の回転軸９１からの径方向距離と略一致している。これにより、加振器２３が、増強部材８０を介して、動翼９３の径方向の先端部を加振する。その結果、動翼列９２の個々の動翼９３に１次曲げ振動モード（点線部参照）が励起される。

【0075】

図１６に示すように、動翼列９２に対して、２次曲げモードの振動を励起したい場合、増強部材８０が、動翼９３の表面のうち、先端部よりも回転軸９１側（径方向内側）にずれた位置に取り付けられる。より具体的には、動翼９３の表面のうち、動翼９３の２次曲げ振動モードの腹（振幅ピークＰｋ）の位置を含む範囲に、増強部材８０が取り付けられる。

【0076】

加振器２３が、回転軸９１の軸方向に沿って増強部材８０と対向する位置に配置される。これにより、加振器２３が、増強部材８０を介して、動翼９３の２次曲げ振動モードのピーク位置を加振する。その結果、動翼列９２の個々の動翼９３に２次曲げ振動モード（点線部参照）が励起される。

【0077】

３次以降の曲げ振動モードについても、同様に、その振動モードの振幅ピークとなる位置に増強部材８０を取り付けて加振することによって、その振動モードを励起できる。振幅ピークとなる位置が複数ある場合、最も径方向外側の位置を選択してよい。複数の位置それぞれに増強部材８０を取り付けて、それぞれ加振器２３によって加振してもよい。

【0078】

図１７は、１つの動翼９３を、動翼９３の延びる方向（つまり、動翼列９２の径方向）から見た場合の、増強部材８０の取り付け位置を示している。動翼９３のねじり振動モードを励起したい場合、図１７に示すように、増強部材８０が、動翼９３の表面のうち、周方向（回転方向）における端部に取り付けられる。図１７では、増強部材８０が、動翼９３の表面であって、周方向の一端縁ＳＥを含む範囲に取り付けられている。増強部材８０の形成範囲は、動翼９３の周方向の中央から一端縁ＳＥ側の範囲に収まる。

【0079】

加振器２３が、回転軸９１の軸方向に沿って増強部材８０と対向する位置に配置される。動翼列９２の回転中、加振器２３から動翼９３に対して変動磁界を印加すると、動翼９３が加振器２３の正面を通過するタイミングで加振力（ローレンツ力７１）が動翼９３に作用する。動翼９３の周方向における一端縁ＳＥ側のみに増強部材８０が設けられることにより、周方向において、増強部材８０の配置箇所では、増強部材８０の非配置箇所と比べて相対的に大きな加振力が作用する。つまり、動翼９３の周方向に沿った加振力の分布に、偏りが生じる。その結果、動翼９３のねじり振動モードが励起される。

【0080】

なお、上記第４実施形態や図１５、図１６の曲げ振動モードの固有振動数と、図１７のねじり振動モードの固有振動数とは、一般に異なる。そのため、加振力（ローレンツ力７１）の周波数ｆ_ｉｎを、励起したい振動モードの固有振動数に応じて設定することによって、曲げ振動モードやねじり振動モードなどの所望の振動モードのみを励起することが可能である。

【0081】

第５実施形態のその他の点は上記第４実施形態と同じである。

【0082】

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る非接触加振システムは、タービン（回転機械）９０の非磁性体の動翼列９２に変動磁界を印加してローレンツ力７１を作用させる加振器２３と、動翼列９２の回転数を検出するための回転数センサ４０と、加振器２３を制御するコントローラ３０と、を備え、コントローラ３０は、回転数センサ４０の検出結果から得られる動翼列９２の回転周波数ｆ_ｒｐｍと、Ｎ節直径モードでの動翼９３の固有振動数ｆ_ｉとを用いて、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎのローレンツ力７１を加振器２３に発生させる。

【0083】

第１の態様に係る非接触加振システムによれば、非磁性体の動翼列９２であっても、変動磁界によるローレンツ力７１を加振力として作用させることができる。そして、ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｒｐｍ×Ｎ±ｆ_ｉにより表される周波数ｆ_ｉｎのローレンツ力７１を加振器２３に発生させることによって、所望の節直径数Ｎの節直径モードにおける共振振動を励起するのに適した加振力（ローレンツ力７１）を動翼列９２に対して印加できるので、非磁性体の動翼列９２を備えた回転機械の回転振動試験において、動翼列９２を所望の節直径モードで精度よく加振することができる。

【0084】

第２の態様に係る非接触加振システムは、動翼列９２に作用させるローレンツ力７１を増強する増強部材８０をさらに備え、加振器２３は、動翼列９２に取り付けられた増強部材８０に対して変動磁界を印加する。これにより、増強部材８０を介して動翼列９２に大きな加振力（ローレンツ力７１）を作用させることができる。そのため、動翼列９２に所望の大きさの振幅を発生させるのに要する投入エネルギーを低減できる。

【0085】

第３の態様に係る非接触加振システムでは、増強部材８０は、動翼列９２に対して励起する振動モードに応じて、動翼列９２における取り付け位置が異なる。これにより、増強部材８０の取り付け位置を適切に決めて、その位置の増強部材８０を介して動翼列９２を加振することにより、動翼列９２に所望の振動モード（１次曲げ振動モード、２次曲げ振動モード、ねじり振動モードなど）の振動を発生させることができる。

【0086】

第４の態様に係る非接触加振システムでは、加振器２３は、動翼９３の一方表面９３ａと対向する第１磁極６３と、動翼９３の他方表面９３ｂと対向する第２磁極６４と、を有し、第１磁極６３と第２磁極６４との間に、動翼９３を貫通する変動磁界を形成する。第１磁極６３と第２磁極６４との間の磁束の略全部が動翼９３を通過するので、動翼９３に印加する磁界の変動（磁束の変化）を大きくすることができる。

【0087】

第５の態様に係る非接触加振システムでは、磁極と動翼９３との間のギャップ（Ｇ１、Ｇ２）の大きさ、および、磁極のサイズ、の少なくとも一方が、第１磁極６３と第２磁極６４とで異なっている。これにより、磁束の変化を、効果的に大きくすることができる。

【0088】

第６の態様に係る非接触加振システムでは、加振器２３Ａは、永久磁石１６１と、永久磁石１６１の磁極面を動翼９３の表面に対して接近および離隔させることにより、動翼９３に印加する変動磁界を形成する駆動部１６２と、を含む。電磁石を用いなくても、永久磁石１６１を機械的に加振することによって、動翼列９２にローレンツ力７１を作用させることができる。

【0089】

第７の態様に係る非接触加振システムでは、加振器２３は、電磁石６０を含み、コントローラ３０は、周波数ｆ_ｉｎと等しい電流周波数の加振信号を加振器２３に出力する。ここで、磁性体の動翼９３を電磁石６０により磁気吸引する加振方法の場合、電磁石６０に入力する交流電流の正負どちらでも動翼９３に対して吸引力が作用し、加振力の周波数が電磁石６０に入力する加振電流Ａ１～ＡＭの周波数の２倍になるのに対して、ローレンツ力７１を発生させる本態様では、交流電流の正負で逆方向の磁気変動（ローレンツ力７１）が生じることになり、電流周波数と加振力（ローレンツ力７１）の周波数とが等しくなる。そこで、周波数ｆ_ｉｎと等しい電流周波数の加振電流Ａ１～ＡＭを加振器２３に出力することで、所望の周波数ｆ_ｉｎの加振力を動翼列９２に印加することができる。

【0090】

［変形例］
なお、上述した第４、第５実施形態において、動翼列９２に増強部材８０を取り付ける例を示したが、第１実施形態～第３実施形態およびこれらの変形例の各構成に対して、動翼列９２に増強部材８０を取り付ける構成を適用してもよい。特に第２実施形態では、増強部材８０を動翼９３の一方表面９３ａと他方表面９３ｂとのそれぞれに取り付けてもよい。

【0091】

また、上述した実施形態では、回転機械を蒸気タービンなどの産業用のタービンとして説明したが、回転機械は、例えば、圧縮機のタービンや、軸流式ポンプのインペラであってもよく、他の回転機械であってもよい。

【符号の説明】

【0092】

１０ 非接触加振システム
２３ 加振器
３０ コントローラ
４０ 回転数センサ
６０、６０Ａ、６０Ｂ 電磁石
６３ 第１磁極
６４ 第２磁極
７１ ローレンツ力
８０ 増強部材
９０ タービン(回転機械)
９２ 動翼列
９３ 動翼
９３ａ 一方表面
９３ｂ 他方表面
１６１ 永久磁石
１６１ａ 磁極面
１６２ 駆動部
Ｇ１、Ｇ２ ギャップ
Ａ１～ＡＭ 加振電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】