ISO 21940-12: 機械的振動 – ロータバランス – パート12: 柔軟な挙動を示すロータの手順および許容範囲

まとめ

ISO 21940-12は、バランスをとるという複雑な課題に取り組んでいます。 フレキシブルローターフレキシブルローターとは、回転速度、特に曲げモーメントに近づいたり通過したりするにつれて、形状とアンバランス分布が著しく変化するローターのことである。 臨界速度剛性ローター（パート11で説明）とは異なり、フレキシブルローターは低速でバランス調整を行うことができず、高回転速度でもバランスを維持することは期待できません。本規格は、ガスタービン、コンプレッサー、長尺産業用ロールなどの高性能機械によく見られる複雑な回転システムを適切にバランス調整するために必要な、特殊な多速度・多平面の手順を規定しています。

目次（概念構造）

この規格は、柔軟なローターバランス調整に必要な高度な方法を理解し、実行するためのフレームワークを提供します。

1. 1. フレキシブルローターの適用範囲と分類：

   この最初の章では、規格の適用範囲を定義し、柔軟な挙動を示すローター、つまり速度に応じてアンバランス分布やたわみ形状が変化するローターに適用することを規定しています。本章では、適切なバランス調整戦略を選択するために不可欠な、動特性に基づいてこれらのローターを分類するための重要な分類システムを導入しています。分類は以下のとおりです。

   • クラス1: 剛性ローター （ISO 21940-11 でカバーされています）。
   • クラス2: 準剛性ローターは、低速ではバランスが取れますが、実用速度ではトリムバランス調整が必要になる場合があります。
   • クラス3: 複数の速度でバランス調整が必要なローターは、多くの場合、 影響係数 通常は 1 つ以上の臨界速度を通過する方法です。
   • クラス4と5: 大型タービン発電機などの非常に柔軟なローターでは、複数の曲げモードを修正するために高度なモードバランス技術が必要です。

   この分類は、バランス調整作業の複雑さと、動作速度範囲全体にわたって適切なバランス調整を達成するために必要な手順を体系的に決定する方法を提供します。

2. 2. バランス調整手順:

   この章は規格の技術的中核を成し、フレキシブルローターに必要な高度な多段階の手順を詳述しています。単純な低速バランス調整だけでは不十分であり、ローターの曲げを考慮するには高速技術を併用する必要があることを説明しています。規格では、主に以下の2つの方法論が概説されています。

   • について 影響係数 方法： これは汎用性が高く、広く使用されている手法です。これは、既知の試験用重りを一度に1つの補正面に配置し、複数の位置と速度で得られた振動応答（振幅と位相）を測定するという体系的なプロセスです。このプロセスは、各補正面に対して繰り返されます。収集されたデータを用いて「影響係数」のマトリックスが計算されます。このマトリックスは、任意の面における不均衡が、任意の測定点と速度における振動にどのように影響するかを数学的に定義します。その後、コンピューターはこのマトリックスを用いて、すべての面において必要な補正用重りのセットとその角度配置を解き、全速度範囲にわたって振動を同時に最小化します。
   • モーダルバランシング: これは、ローターの各曲げモードを個別のアンバランス問題として扱う、より物理的に直感的な手法です。この手順では、ローターを特定の臨界速度またはその付近で運転し、対応するモード形状を最大限励起します。振動測定を行い、そのモードの「重心位置」を特定します。そして、そのモード形状の最大たわみ点（腹）に補正用ウェイトを配置し、そのモード形状を相殺します。このプロセスは、ローターの運転速度範囲内で重要な曲げモードごとに順次繰り返され、ローターを一度に1つのモードずつ効果的にバランスさせます。
3. 3. バランス公差の仕様:

   この章では、剛性ローターに用いられる単純なGグレード公差が、フレキシブルローターには不十分な場合が多いことを説明します。その代わりに、以下の要素に基づく、より包括的な公差基準を紹介します。

   • 各主要曲げモードの残留モード不均衡の制限。
   • 特定の場所および速度（特にサービス速度）における絶対シャフト振動振幅の制限。
   • ベアリングに伝達される力の制限。
4. 4. 最終残高状態の確認:

   この最終セクションでは、フレキシブルローターのバランス調整が適切に行われた場合の受入基準について詳しく説明します。特定の速度での検証のみで済むリジッドローターとは異なり、フレキシブルローターは動作速度範囲全体にわたってバランスが取れていることを確認する必要があります。最終的な補正ウェイトを適用した後、ローターは最終的なランナップテストにかけられます。このランナップテスト中は、主要な箇所（ベアリングや最大たわみ点など）で振動が継続的に監視されます。規格では、測定された振動がすべての速度、特に臨界速度を通過しているとき、および最大連続動作速度で停止しているときにおいて、事前に定義された許容限度を下回っている場合にのみ、ローターのバランスが許容範囲内であるとみなされると規定されています。この包括的な検証により、ローターの複雑な動的挙動が効果的に制御されていることが保証されます。

重要な概念

• 柔軟な行動と硬直的な行動: 基本的な違い。ローターが柔軟であるとは、その運転速度が第一曲げ固有振動数（臨界速度）のかなりの部分（典型的には70%以上）である場合に判断されます。ローターの回転速度が上昇すると、遠心力によってローターが曲がり、アンバランスが変化します。
• 臨界速度とモード形状: ローターの臨界速度とそれに関連する「モード形状」（その速度でローターが曲がる形状）を理解することは、柔軟なローターバランス調整に不可欠です。各モードは、それぞれ独立したバランス調整問題として扱う必要があります。
• マルチプレーン、マルチスピードバランス調整: コアとなる方法論。低速域で2つの平面でバランス調整できるリジッドローターとは異なり、フレキシブルローターでは、全速度域でスムーズな動作を確保するために、複数の平面での補正と複数の速度での測定が必要です。
• モーダルバランシング: 各曲げモードに関連するアンバランスを特に打ち消すために重りを追加する強力な技術です。例えば、最初の曲げモードのバランスをとるには、そのモードで最大たわみが生じる点に重りを配置します。

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