回転機械の種類と振動分類：総合ガイド

I.一般的な回転機械の種類

大半の機械には回転部品が組み込まれている。

回転機械とは、回転運動によって主要な機能を果たす機械、特に主要部品が高速で回転する機械を指す。

回転機械の種類は多様で、蒸気タービン、ガスタービン、遠心コンプレッサー、発電機、ポンプ、水車、ファン、電気モーターなどがある。

これらの機械の主要部品は、ローター、ベアリング・システム、ステーター、ユニット・ケーシング、およびカップリングで構成されている。

これらの機械の回転速度は、毎分数十回転から数十万回転に及ぶ。以下に代表的な回転機械の例をいくつか挙げる。

1.蒸気タービン

蒸気タービンは、蒸気のエネルギーを機械的な仕事に変換する回転動力機械で、蒸気ローターとも呼ばれる。

主に発電用の原動機として使用されるが、各種ポンプ、ファン、コンプレッサー、船舶のプロペラなどを直接駆動することもできる。

さらに、蒸気タービンの排気や中間抽気は、製造業と家庭の両方で暖房需要を満たすために利用することができる。

2.遠心圧縮機

遠心式コンプレッサーは、ローターを介して気体にエネルギーを伝達し、その圧力を高めることで機能する。

単段または多段で構成される。このタイプのコンプレッサーは、ターボコンプレッサーとしても知られる回転翼コンプレッサーに分類される。

遠心圧縮機内では、ローターの高速回転がガスに遠心力を及ぼし、ディフューザー・チャンネル内での膨張がさらにガス圧力を上昇させる。

3.発電機

発電機は、さまざまなエネルギーを電気エネルギーに変換する機械装置である。

第二次産業革命の時代に生まれ、1866年にドイツ人技師シーメンスによって初めて開発された。

水車、蒸気タービン、ディーゼルエンジン、その他の機械装置を動力源とする発電機は、水流、空気流、燃料燃焼、核分裂から発生するエネルギーを機械的エネルギーに変換する。

この機械エネルギーは、発電機によって電気エネルギーに変換される。発電機は、工業生産、農業生産、防衛、技術、日常生活など幅広い用途に使用されている。

4.水ポンプ

ウォーターポンプは、液体を輸送または加圧するために設計された機械装置である。

原動機やその他の外部エネルギー源の機械エネルギーを液体に伝達し、そのエネルギーを高める。

主に水、油、酸塩基性溶液、エマルジョン、懸濁液、液体金属など、さまざまな液体の搬送に使用される。

このポンプは、液体と気体の混合物や浮遊物を含む液体も扱うことができる。

5.ファン

ファンは、機械的エネルギーの入力によってガス圧を高め、ガスを排出する機械装置である。

駆動式流体機械の一種で、排気圧力は1.5×10以下である。⁵パファンは、工場、鉱山、トンネル、冷却塔、車両、船舶、建物などの換気、除塵、冷却に広く使用されている。

また、ボイラーの換気や通風にも使用される。 工業炉空調機器や家庭用電化製品の冷却や換気、穀物の乾燥や選別、風洞の気流、ホバークラフトの膨張や推進などである。

6.電動モーター

電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置である。電気を帯びたコイルが磁場の中で力を受けて回転する現象に基づいて設計されている。

使用される電源によって、モーターは直流モーターと交流モーターに分類される。

電力系統のモータのほとんどは交流モータで、同期式と非同期式がある。電気モーターは主に固定子と回転子から構成されている。

磁場の中で電化されたワイヤーにかかる力の方向は、電流の方向と磁力線に関係している。

電気モーターの動作原理は、磁界が電流に及ぼす力によってモーターが回転することである。

II.回転機械の振動分類

回転機械の主な機能は回転部品によって実行され、中でもローターは最も重要な要素である。

異常振動と異常騒音は、回転機械における故障の主要な指標である。振動信号は振幅、周波数、時間領域で表され、機械の重要な故障情報を明らかにします。

したがって、さまざまな故障条件下における回転機械の振動メカニズムを包括的に理解することは、効果的な運転監視と故障診断の精度向上に不可欠である。

機械振動の性質から、回転機械の振動は3つに分類される：

1. 強制振動

強制振動は同期振動とも呼ばれ、連続的で周期的な外部加振力によって生じる。

このタイプの振動は、減衰によるエネルギー損失を相殺するために外部環境からエネルギーを継続的に取り込み、システム内の振動振幅を一定に保つ。

注目すべきは、振動そのものは外乱力に影響を与えないということである。強制振動の一般的な原因としては、ローター質量のアンバランス、カップリングのミスアライメント、ローターの静止摩擦、機械部品の緩み、ローターエレメントやベアリングの損傷などがある。

強制振動の特性周波数は、必ず妨害力の周波数に等しくなります。例えば、ローター質量のアンバランスによって誘発される強制振動は、一貫して回転速度周波数と一致する振動周波数を示す。

2. 自励振動

自励振動は、運転中に機械の内部運動によって発生する交番力から生じる。振動が停止すると、これらの交番力は自然に停止します。

自励振動の周波数は、機械の固有振動数（または臨界振動数）に相当し、外部からの加振周波数とは無関係である。

回転機械における自励振動の一般的な現れには、オイルホワールや油膜振動があり、主にローターの内部抵抗や静的・動的部品間の摩擦によって引き起こされる。

強制振動に比べて、自励振動はより急激に、より高い振動強度で発生するため、短時間のうちに機械に深刻な損傷を与える可能性がある。

3. 非定常強制振動

非定常強制振動は、外乱によって引き起こされる強制振動の変形である。

振動は外乱の周波数を共有するが、振動自体が外乱の大きさと位相に相互に影響を与えるというユニークなものだ。その結果、振動の振幅と位相の両方が変動する。

例えば、ローターシャフトの局所的な不均一な熱変形は、ローターにアンバランスな質量を効果的に加え、振動の振幅と位相の変動を引き起こす。

これらの振幅と位相の変化は、不均一な熱変形の大きさと位置に影響し、その結果、強制振動が絶えず変化する。

これらの振動タイプを理解することは、効果的な状態監視戦略を実施し、回転機械の高度な故障診断アルゴリズムを開発する上で極めて重要です。