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06 環境情報研究院・環境情報学府 = 06 Faculty of Environment and Information Sciences / Graduate School of Environment and Information Sciences >
6-3 博士論文 >

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タイトル: 舶用過給機評価試験における各種計測技術と不確かさ評価
その他のタイトル: Measurement technology and its uncertainty in evaluation test of marine turbocharger
著者: 小池, 利康
Koike, Toshiyasu
コイケ, トシヤス
発行日: 9月-2016
抄録: 近年,舶用ディーゼル機関の高出力化・低燃費化に伴い,過給機に対しても従来以上の高効率化,高圧力比化が求められるようになった.このことから過給機は,より高速回転化,高負荷化すると同時にメンテナンスインターバルの延長も求められている.また,C 重油など低質油使用によるタービンや潤滑油の汚れなどで過給機は年々過酷な条件下で使用される状況となっている.舶用過給機の新機種開発,従来機種の改良および品質保証において,評価試験は最も重要な工程のひとつである.評価試験には,熱力学的性能計測試験,軸振動計測試験,翼振動計測試験,耐久性評価試験などがあり,近年,高速回転体部分の温度・振動振幅・振動応力などの計測技術も向上している.筆者は,これまでに試験装置の自動計測・自動制御化を積極的に進めてきている.このことによって,評価試験は短時間に大量のデータを採取することが可能となった.大量のデータから必要な情報を抜き取り,演算処理して整理することも,パーソナルコンピュータなどの高速化によって,容易にできるようになってきた.これによって,従来,試験後に多大な時間をかけていた試験データの整理が,計測と同時に自動処理でき,試験中に試験結果を確認して評価することが可能となった.ところが自動計測・計算システムを開発したことによって,計測精度の良し悪しに関わらず同じように数値が出てくるため,計測の不備や計測精度の悪さ加減に気付かず試験を終えてしまうことが散見されるようになった.また,近年の加工技術の進歩により,過給機性能のばらつきは年々小さくなっている.工程能力を正しく評価するためにも,計測精度のばらつきは過給機性能のばらつきに合わせてより小さくしなければならない.そのためにも,計測精度の向上が必要とされている.そこで,本研究ではデータを統計的に処理することによって,計測精度の指標である測定の「不確かさ」を簡単に簡易的に確認できるよう自動化し,計測精度の指標を数値化した.この「不確かさ解析」を実施することにより,経験の浅いオペレータが不確かさ要因を定量的に理解し,従来以上の計測精度向上も実現することができた.本論文では,舶用過給機評価試験を例にとって各種計測技術のシステム的取扱いとその「不確かさ評価」について述べる.各章の内容は以下の通りである.第1 章では本研究の背景である舶用過給機に関わる環境規制と評価試験の信頼性の指標である不確かさに関わる国際的な動向と本研究の目的を述べている.第2 章では筆者が開発した評価試験装置の自動性能計測および制御システムの特徴と基本機能について述べている.第3 章では評価試験の中から熱力学的性能計測試験,軸振動計測試験,翼振動計測試験の一般例とデータ整理の自動化について抽出し,開発評価したジェットアシスト付き過給機の評価試験について詳述している.ジェットアシスト付き過給機の評価試験では,加速性とジェットアシスト圧力の関係が,一次遅れ系の伝達関数であらわせることを述べ,過給機タービンとジェットアシストの作用がコンプレッサの出力に与える影響(伝達関数)を求める手がかりとしている.第4 章ではコンプレッサ質量流量の不確かさの算出を例に不確かさ要因と不確かさの算出式および合成不確かさの算出式の具体例を示す.また,伝播則による不確かさ算出法について,特に,偏導関数として表される感度係数を前進差分または後退差分により数値的に算出することで簡易化・自動化し,計算時間の短縮と情報量の半減を可能とした.この「不確かさの伝播則による簡易的な算出法」について説明する.算出結果は,自動作成するバジェットシートとパレート図に表現した.第5 章では第4 章に示した「不確かさの伝播則による簡易的な算出法」をモンテカルロ法と比較し,相関や非線形の影響が無く,同等の結果がより少ない時間と容量で算出できることを確認した.モンテカルロ法では数十分から数時間かかる結果を簡易的な算出法では数秒で確認できる.一方,伝播則による不確かさ算出では,モデル式の線形性が無い場合に解析精度に問題が有る.そこで,伝播則による不確かさ解析の中央差分と前進・後退差分方式の結果を比べることにより,不確かさ算出と同時に線形性の簡易確認も実施することが可能となることを述べる.また,これらの「不確かさ解析」によって実現した不確かさの改善事例を示す.第6 章では各章の内容を総括し結論している.
This paper describes systematic handling and its uncertainty evaluation of various measurement technologies taking the case of marine turbochargers evaluation test. In recent years, turbochargers for vessels have become an important technology because of the higher output of diesel engines, in order to prevent global warming and air pollution, and other problems. In addition, users of turbochargers have been making greater demands regarding performance and reliability over the years. For the evaluation test of marine turbochargers is one of the most important processes to improve the present model and to develop the new model. To perform these tests, automation of the data measurement and the control system should be improved. By means of these improvements and the speed-up of a personal computer, it becomes possible to extract necessary data from a lot of measurement data. In this research, new measurement technologies for marine turbochargers have been introduced. The macro function of the spreadsheet software enables us to process and calculate data necessary for evaluation and to display them graphically during the test. Statistical processing of such a big amount of data also enables instantaneous check of “uncertainty” of measurement during the test, an index of measurement accuracy. And the performance of a turbocharger bearing is evaluated in a rotor vibration measurement test. The form of a bearing not only affects thermodynamic performance of the turbocharger, but also gives big influence on its rotation stability. One of the important technologies to design the turbocharger is the accurate evaluation of the strength for turbine and compressor blades at the resonance operating condition. To evaluate the blade strength at resonance operation, the stimulus value is a very important design factor and it has been out of the accurate estimation. Then, the estimation of the stimulus value at the resonance condition from the resonance stress and the logarithmic decrement measured through the blade vibration tests has been conducted. The contents of each chapter are as follows. Chapter 1 describes the background, previous studies, and the purpose of the present study. In chapter 2, the feature and function of performance measurement of evaluation test equipment and a control system are described. In chapter 3, the general example of a thermodynamic performance measurement evaluation test, a shaft vibration measurement evaluation test, and a blade vibration measurement evaluation test and the design approach and evaluation test results of a turbocharger equipped with a jet assist system are described. In chapter 4, the example of compressor mass flow rate uncertainty factors, formulas for uncertainty, and the formula for combined uncertainty is shown. Moreover, it simplifies and automates about the uncertainty computing method by the law of propagation of uncertainty by computing a sensitivity coefficient (partial derivative) numerically by forward difference or backward difference especially, and explains having enabled shortening of computation time, and a reduction by half of the amount of data. The results are described to the budget sheet created automatically and the Pareto graph. In chapter 5, it is shown that there is neither correlation nor nonlinear influence and an equivalent result may be computed by the simple computing method through the law of propagation of uncertainty shown in Chapter 4, as compared with the Monte Carlo method. Though it may take several hours to get the results by the Monte Carlo method, it is computable in several seconds by the present simple computing method. On the other hand, it has problem in analysis accuracy that in the uncertainty calculation by the law of propagation of uncertainty, when there is no linearity of a formula model. Then, by comparing the results of the central, forward and backward difference of the uncertainty analysis describes that it becomes possible to also carry out the simple check of linearity simultaneously with uncertainty calculation. Moreover, the improvement example of uncertainty realized in these uncertainty analyses is shown. Chapter 6 summarizes the results described in all chapters.
URI: http://hdl.handle.net/10131/10541
出現コレクション:6-3 博士論文

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