JP2012026875A - 重心位置計測方法、重心位置計測装置及びタービンロータの製造方法 - Google Patents

重心位置計測方法、重心位置計測装置及びタービンロータの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】タービン翼車等の被計測物を回転させることなくその重心位置を計測できる重心位置計測方法、重心位置計測装置及びタービンロータの製造方法を提供すること。
【解決手段】3つの重量計測器3に各々支持される3つの支持部7と被計測物8が設置される設置台とを備える支持構造2における、設置台内の第1基準点Pと各支持部7との間の各距離を計測する距離計測工程と、被計測物8の第2基準点と第1基準点Pとを一致させて保持する保持工程と、被計測物8の重量を計測する重量計測工程と、一支持部7を通り第1方向と平行する第1軸L周りでの回転モーメントの釣り合い、及び一支持部7を通り第2方向と平行する第2軸L周りでの回転モーメントの釣り合いから、水平方向における被計測物8の第2基準点からその重心位置Gまでの距離を算出する重心位置算出工程とを有するという方法を採用する。
【選択図】図7

Description

本発明は、重心位置計測方法、重心位置計測装置及びタービンロータの製造方法に関するものである。
所定の軸周りで回転する回転部材において、上記軸と直交する方向での回転部材の重心位置と上記軸との間の位置ずれは、回転部材の回転に伴う振動を発生させる虞がある。
例えば、特許文献1に示すタービンロータは、回転する部材であるタービン翼車と、該タービン翼車と一体的に接続されるタービン軸とを有している。このようなタービンロータは過給器内で使用され、内燃機関から供給される排気ガスの流動により高速回転する。そのため、タービン翼車の重心位置とタービン軸との位置のずれが大きい場合、回転に伴い振動が発生する可能性があった。
このようなタービン翼車の重心位置とタービン軸との間の位置ずれを防止・抑制するために、予めタービン翼車の重心位置を計測しておき、タービン軸をタービン翼車の重心位置と合致するようにしてタービン翼車に接続する方法が挙げられる。そして、予めタービン翼車の重心位置を計測する方法としては、バランサを設けたタービン翼車を高速で回転させることで、タービン翼車の重心位置、すなわち回転方向と直交する方向での重心位置を計測する方法が知られている。
特開2008−106640号公報(第10頁、第1図)
しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような課題が存在する。
上述したように、バランサを設けたタービン翼車を安定して回転させるためには、タービン翼車に重心位置計測用の支持軸又は支持用孔部を設ける必要があった。この支持軸又は支持用孔部は、その径に対する長さ(L/D)を大きくとる必要があり、重心位置計測後に支持軸を切断することや、長い支持用孔部のタービンロータの性能への悪影響等が生じてしまうという課題があった。
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、タービン翼車等の被計測物を回転させることなくその重心位置を計測できる重心位置計測方法、重心位置計測装置及びタービンロータの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の重心位置計測方法は、水平面内で互いに離間して設けられる3つの重量計測器に下方から各々支持される3つの支持部と被計測物が設置される設置台とを備える支持構造における、設置台内の第1基準点と各支持部との間の、水平方向のうち所定の第1方向での各距離と、水平方向のうち第1方向と直交する第2方向での各距離とを、各々計測する距離計測工程と、被計測物を設置台に設置して、被計測物の第2基準点と上記第1基準点とを水平方向で一致させて保持する保持工程と、各重量計測器にかかる被計測物の重量を計測する重量計測工程と、3つの支持部のうち所定の一支持部を通り第1方向と平行する第1軸周りでの回転モーメントの釣り合い、及び3つの支持部のうち所定の一支持部を通り第2方向と平行する第2軸周りでの回転モーメントの釣り合いから、水平方向における被計測物の第2基準点からその重心位置までの距離を算出する重心位置算出工程とを有するという方法を採用する。
このような方法を採用する本発明では、被計測物を回転させることなく被計測物の第2基準点からその重心位置までの距離を計測することが可能となる。また、本発明では、被計測物に重心位置計測用の支持軸又は支持用孔部を設けたとしても、被計測物を回転させないことから、その径に対する長さを大きくとる必要がない。
また、本発明の重心位置計測装置は、水平面内で互いに離間して設けられる3つの重量計測器と、3つの重量計測器に下方から各々支持される3つの支持部と被計測物が設置される設置台とを備える支持構造と、請求項1に記載の重心位置計測方法を用いて被計測物の第2基準点とその重心位置との距離を算出する演算部と、演算装置の演算結果を出力する出力部とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、水平面内で互いに直交する2つの軸周りでの回転モーメントの釣り合いから、被計測物の第2基準点からその重心位置までの距離が計測され、計測結果は出力部より出力される。そして、この距離の出力値を用いて、被計測物に接続される支持軸等の中心軸と、被計測物の重心位置とを精度良く合致させることが可能となる。
また、本発明は、回転翼と支持軸とが一体的に接続されたタービンロータの製造方法であって、回転翼を被計測物とし請求項1に記載の重心位置計測方法を用いて支持軸の中心軸と直交する方向における回転翼の第2基準点からその重心位置までの距離を計測する重心位置計測工程と、中心軸と直交する方向で回転翼の重心位置と支持軸の中心軸とを一致させる位置決め工程と、回転翼と支持軸とを一体的に接続する接続工程とを有するという方法を採用する。
このような方法を採用する本発明では、回転翼の重心位置と、支持軸の中心軸とを精度良く合致させたタービンロータが製造される。
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、被計測物を回転させることなく被計測物の重心位置を計測することができ、径に対する長さを大きくとった重心位置計測用の支持軸又は支持用孔部を被計測物に設ける必要がないことから、被計測物の製造コストを抑制でき且つ被計測物の性能を高く維持できるという効果がある。
重心位置計測装置1の全体構成図である。 支持構造2及び重量計測器3の構成を示す概略図である。 タービンロータRの構成を示す概略図である。 タービンロータRの製造方法を示すフロー図である。 距離計測工程を示す概略図である。 保持工程を示す概略図である。 重心位置算出工程を示す概略図である。 位置決め工程及び接続工程を示す概略図である。
以下、本発明に係る実施の形態を、図1から図8を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能は大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図1は、重心位置計測装置1の全体構成図である。
重心位置計測装置1は、被計測物の重心位置を計測する装置であって、より詳細には、被計測物の所定の第2基準点(後述)からその重心位置までの水平方向における距離を計測する装置である。重心位置計測装置1は、支持構造2と、3つの重量計測器3と、インターフェース4と、演算部5と、出力部6とを有している。
支持構造2は、被計測物の重量を計測するときに被計測物を支持するものであって、水平面内で放射状に拡がるように設けられた3本の脚部を有している。
3つの重量計測器3は、支持構造2における3本の脚部の先端部にそれぞれ対応して設けられ、被計測物の重量を各々計測する機器である。
インターフェース4は、重量計測器3から出力された電気信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するA/D変換器である。なお、電気信号が当初よりデジタル信号ならばA/D変換器は不要である。
演算部5は、後述する被計測物の重心位置計測方法に従って、被計測物の重心位置を算出する演算装置である。
出力部6は、演算部5によって算出された被計測物の重心位置、より詳細には、被計測物の所定の第2基準点からその重心位置までの水平方向における距離を出力するものである。出力部6の例としては、ディスプレイやプリンタ、LANポート等が挙げられる。
次に、支持構造2及び重量計測器3の構成を、図2を参照してさらに説明する。
図2は、支持構造2及び重量計測器3の構成を示す概略図であって、(a)は平面図、(b)は側面図である。
支持構造2は、支持構造本体21と、設置台22と、3つの支持部7とを有している。
支持構造本体21は、水平面内で放射状に拡がるように設けられた3本の脚部からなる。
設置台22は、被計測物の重量の測定時に、被計測物を設置するための台である。設置台22は、支持構造本体21の上面に設置され、支持構造本体21における3本の脚部が交わる部分に設けられている。設置台22は、上方に突出する嵌合凸部23を有している。嵌合凸部23は平面視円形の凸部であって、その中心位置は第1基準点Pとなっている。
支持部7は、支持構造本体21における3本の脚部の先端部下面にそれぞれ設けられ、支持構造本体21を下方から支持するものである。支持部7は下方に向かうに従い縮径する外径を有し、重量計測器3には尖った先端部で接触している。なお、以下、支持部7をそれぞれ、第1支持部71、第2支持部72及び第3支持部73と称する場合がある。第1支持部71は、図2(a)の紙面上方に位置するものであり、第2支持部72は、紙面左側に位置するものである。
3つの重量計測器3は、水平面内で互いに離間して設けられ、3つの支持部7を下方から各々支持すると共に、支持部7から加えられる重量を計測する計測器である。重量計測器3には、高精度の重量計測が可能な電子天秤等が使用される。重量計測器3の計測結果は図1に示すインターフェース4に出力される。なお、支持部7と同様に、重量計測器3をそれぞれ、第1重量計測器31、第2重量計測器32及び第3重量計測器33と称する場合がある。
次に、本実施形態で用いられる被計測物の構成を、図3を参照して説明する。
図3は、タービンロータRの構成を示す概略図であって、(a)はタービンロータRの全体図、(b)はタービン翼車8の断面図、(c)はタービン軸9の側面図である。
タービンロータRは、本実施形態に係るタービンロータの製造方法を用いて製造されるものである。タービンロータRは、過給機内に設けられ、内燃機関から供給される排気ガスの流動によって回転するものであり、タービン翼車(回転翼)8と、該タービン翼車8と一体的に接続されるタービン軸(支持軸)9とを有している。
タービン翼車8は、本実施形態に係る重心位置計測方法を用いて、その重心位置の計測が行われる被計測物である。タービン翼車8は、排気ガスの流動によって回転する部材であって、略円錐状のベース部材の斜面に複数の翼が周方向で配設された構成となっている。タービン翼車8における上記ベース部材の底面側には、嵌合凹部81が形成されている。嵌合凹部81の中心位置は第2基準点Pとなっている。また、嵌合凹部81は嵌合凸部23と隙間なく嵌合できる内径を有している。なお、タービン翼車8の真の重心位置を符号Gで表し(以下、重心Gと称する)、タービン軸9の中心軸P(後述)と直交する方向において、重心Gと第2基準点Pとはその位置がずれているものとする。
タービン軸9は、一方向で延在する軸部材であって、タービンロータRの回転中心となるものである。タービン軸9の一端部には、タービン翼車8の嵌合凹部81内に挿入される軸凸部91が設けられている。軸凸部91の径は、嵌合凹部81の内径よりも小さく形成されている。なお、タービン軸9の中心軸を、以下中心軸Pと称する。
続いて、タービンロータRの製造方法及びタービン翼車8の重心位置計測方法を、図4から図8を参照して説明する。
図4は、タービンロータRの製造方法を示すフロー図である。
図4に示すように、タービンロータRの製造方法は3つの工程からなり、重心位置計測工程(ステップS1)と、位置決め工程(ステップS2)と、接続工程(ステップS3)とを有している。また、重心位置計測工程は、重心位置計測方法を用いてタービン翼車8の重心位置を計測する工程であって、重心位置計測方法は4つの工程からなり、距離計測工程(ステップS11)と、保持工程(ステップS12)と、重量計測工程(ステップS13)と、重心位置算出工程(ステップS14)とを有している。
以下、これらの工程を説明する。
まず、重心位置計測工程における距離計測工程を、図5を参照して説明する。
図5は、距離計測工程を示す概略図である。なお、図5の紙面右方向を第1方向Xとし、紙面上方向を第2方向Yとする。
距離計測工程では、支持構造2における第1基準点Pと各支持部7との間の、水平方向のうちの第1方向Xでの各距離と、水平方向のうち第1方向Xと直交する第2方向Yでの各距離とを各々計測する。
最初に、支持構造2に対する、第1方向X及び第2方向Yの向きを規定する。
第1支持部71が設けられている脚部における紙面左側の端面の、所定の位置を第1端面A1及び第2端面A2とする。そして、これら第1端面A1及び第2端面A2によって形成される面に平行する方向を第2方向Yと規定する。なお、支持構造2の姿勢の調整は他の基準に基づいてもよく、例えば第1基準点Pと第1支持部71とを結ぶ線と平行する方向を第2方向Yと規定してもよい。
次に、支持構造2における第1基準点Pと各支持部7との間の、第1方向Xでの各距離と、第2方向Yでの各距離とを各々計測する。この計測には、例えば三次元計測器が用いられる。計測の結果、第1基準点Pと第1支持部71との間の、第1方向Xでの距離X、第2方向Yでの距離Y、以下同様に、第1基準点Pと第2支持部72との間の距離X及び距離Y、第1基準点Pと第3支持部73との間の距離X及び距離Yが得られる。なお、計測される支持部7の位置は、重量計測器3と接する先端部の位置とする。得られた各距離の情報は、演算部5に入力される。
以上で距離計測工程が完了する。
次に、重心位置計測工程における保持工程を、図6を参照して説明する。
図6は、保持工程を示す概略図である。
最初に、3つの重量計測器3を0リセットし、重量の出力値を0としておく。すなわち、各重量計測器3から支持構造2の重量が出力されないようにする。
支持構造2における設置台22にタービン翼車8を設置する。このとき、タービン翼車8の嵌合凹部81の内径は、嵌合凸部23と隙間なく嵌合できる大きさとなっているため、嵌合凹部81に嵌合凸部23を嵌合させて設置台22上にタービン翼車8を設置すると、第1基準点Pと第2基準点Pとが水平方向で一致して保持される。
以上で保持工程が完了する。
次に、重心位置計測工程における重量計測工程を説明する。
3つの重量計測器3によって、タービン翼車8の重量を計測する。上述したように、タービン翼車8の設置前に重量計測器3は0リセットされているので、各重量計測器3からはタービン翼車8の重量のみが出力される。この出力値は、インターフェース4を介して演算部5に入力される。なお、第1重量計測器31、第2重量計測器32及び第3重量計測器33での計測値を、それぞれω、ω及びωとする。
以上で重量計測工程が完了する。
次に、重心位置計測工程における重心位置算出工程を、図7を参照して説明する。
図7は、重心位置算出工程を示す概略図である。なお、図7では、支持構造2は省略され、第1基準点Pと各支持部7との間の位置関係のみが概略的に示されている。また、タービン翼車8の重心Gは、第1基準点Pから第1方向XでX、第2方向YでYだけずれた位置に存在しているものとする。
上述した工程で、第1基準点Pと各支持部7との間の距離計測値、及び各重量計測器3におけるタービン翼車8の重量計測値は、いずれも演算部5に入力され保持されている。演算部5は、以下の計算方法に従って、タービン翼車8における第2基準点Pと真の重心Gとの間の、X第2方向Yでの距離X及びYを算出する。
まず、3つの支持部7のうち、所定の一支持部を決定する。本実施形態では、一支持部を第2支持部72とした。
次に、第2支持部72を通り第1方向Xと平行する第1軸L周りでの回転モーメントを考えると、第1支持部71及び第3支持部73は、第1重量計測器31及び第3重量計測器33からそれぞれ紙面手前側に向かう反力を受け、その反力の大きさはω及びωである。一方、タービン翼車8の重心Gでは、紙面奥側に向かう力が発生していると考えることができ、その大きさはωないしωを全て足し合わせたものである。そして、第1軸L周りでの回転モーメントの釣り合いを考えると、第1基準点Pと各支持部7との間の距離計測値、及び各重量計測器3での重量計測値を用いて、下記式(1)に示す関係式が得られる。
(Y−Y)ω+(Y+Y)ω=(Y+Y)g … (1)
次に、同様に第2支持部72を通り第2方向Yと平行する第2軸L周りでの回転モーメントの釣り合いを考えると、第1基準点Pと各支持部7との間の距離計測値、及び各重量計測器3での重量計測値を用いて、下記式(2)に示す関係式が得られる。
(X+X)ω+(X+X)ω=(X+X)g … (2)
なお、
g=ω+ω+ω … (3)
とする。
以上の式(1)ないし式(3)を用いて、演算部5は、タービン翼車8の第2基準点Pから重心Gまでの、第1方向X及び第2方向Yでのそれぞれの距離X及びYを算出する。
演算部5によって算出された距離X及びYは、出力部6によって出力される。なお、タービン翼車8には、重心位置を計測したときの第1方向X及び第2方向Yを確認するための印などを付けておく。
以上で重心位置算出工程が完了する。よって、以上で重心位置計測工程が完了する。
次に、位置決め工程を、図8を参照して説明する。
図8は、位置決め工程及び接続工程を示す概略図である。
最初に、嵌合凹部81に、軸凸部91を挿入させておく。次に、上述した重心位置計測工程にて計測した、タービン翼車8の第2基準点Pから重心Gまでの第1方向X及び第2方向Yでのそれぞれの距離X及びYを用いて、タービン軸9の中心軸Pと直交する方向での、タービン翼車8とタービン軸9との位置関係を調整する。すなわち、重心Gと中心軸Pとの位置を一致させるようにタービン翼車8とタービン軸9との位置関係を調整する。このとき、前工程でタービン翼車8に付けられた、重心位置を計測したときの第1方向X及び第2方向Yを確認するための印を用いて、正しい方向で調整する。
以上で、位置決め工程が完了する。
最後に、接続工程を、図8を参照して説明する。
図8に示すように、タービン翼車8とタービン軸9との接触部Wを、電子ビーム溶接等により溶接し、タービン翼車8とタービン軸9とを一体的に接続する。
以上で、タービンロータRの製造が完了する。以上の工程によって製造されたタービンロータRは、そのタービン翼車8の重心Gとタービン軸9の中心軸Pとが一致して設けられており、高速で回転させたときにも高い回転安定性を維持することができる。
また、上記実施形態では、重心位置計測方法を用いることで、タービン翼車8を回転させることなくタービン翼車8の第2基準点とその重心Gとの間の距離を計測している。そして、タービン翼車8に対して支持構造2へ設置するための支持軸や支持用孔部は形成しておらず、タービン軸9との接続に使用される嵌合凹部81を利用している。なお、タービン翼車8を回転させないことから、例えタービン翼車8に支持構造2へ設置するための支持軸又は支持用孔部を設けたとしても、その径に対する長さを大きくとる必要はない。すなわち、タービン翼車8の製造コストを抑制でき且つタービン翼車8の性能を高く維持できる。
また、上記実施形態では、重心位置計測装置1を用いて、水平面内で互いに直交する2つの軸周りでの回転モーメントの釣り合いから、タービン翼車8の第2基準点からその重心Gまでの距離が計測され、計測結果は出力部6より出力される。そして、この距離の出力値を用いて、タービン翼車8に接続されるタービン軸9の中心軸Pと、タービン翼車8の重心Gとを精度良く合致させることができる。
本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、タービン翼車8を回転させることなくタービン翼車8の重心Gの位置を計測することができ、径に対する長さを大きくとった重心位置計測用の支持軸又は支持用孔部をタービン翼車8に設ける必要がないことから、タービン翼車8の製造コストを抑制でき且つタービン翼車8の性能を高く維持できるという効果がある。
また、本実施形態によれば、タービンロータRのタービン翼車8の重心Gとタービン軸9の中心軸Pとが一致して設けられており、高速で回転させたときにも高い回転安定性を維持できるタービンロータRを製造できるという効果がある。
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態では、位置決め工程にてタービン翼車8の重心Gとタービン軸9の中心軸Pとの位置決めが行われているが、位置決め工程の代わりに、タービン翼車8に対してタービン軸9の軸凸部91が嵌合できる嵌合部を形成する工程を行ってもよい。すなわち、この場合では、タービン翼車8には予め嵌合凹部81は形成されておらず、重心位置を計測した後に、その重心Gに対応する位置に嵌合部を形成することになる。なお、タービン翼車8を支持構造2に設置するための手段は別に設ける必要がある。
また、上記実施形態では、被計測物としてタービン翼車8が記載されているが、これに限定されるものではなく、例えば圧縮機で用いられるコンプレッサ翼車であってもよい。さらに、重心位置を計測する必要があり支持構造2に設置できる被計測物であれば、どのような被計測物であってもよい。
また、上記実施形態では、第1軸L及び第2軸Lはいずれも第2支持部72を通っているが、これに限定されるものではなく、他の支持部7を通ってもよい。また、第1軸Lと第2軸Lとがそれぞれ異なる支持部7を通ってもよい。
2…支持構造、22…設置台、3…重量計測器、31…第1重量計測器、32…第2重量計測器、33…第3重量計測器、5…演算部、6…出力部、7…支持部、71…第1支持部、72…第2支持部、73…第3支持部、8…タービン翼車(回転翼)、9…タービン軸(支持軸)、P…第1基準点、P…第2基準点、P…中心軸、L…第1軸、L…第2軸、G…重心位置、R…タービンロータ、X…第1方向、Y…第2方向

Claims (3)

  1. 水平面内で互いに離間して設けられる3つの重量計測器に下方から各々支持される3つの支持部と被計測物が設置される設置台とを備える支持構造における、前記設置台内の第1基準点と前記各支持部との間の、水平方向のうち所定の第1方向での各距離と、水平方向のうち前記第1方向と直交する第2方向での各距離とを、各々計測する距離計測工程と、
    前記被計測物を前記設置台に設置して、前記被計測物の第2基準点と、前記第1基準点とを水平方向で一致させて保持する保持工程と、
    前記各重量計測器にかかる前記被計測物の重量を計測する重量計測工程と、
    前記3つの支持部のうち所定の一支持部を通り前記第1方向と平行する第1軸周りでの回転モーメントの釣り合い、及び前記3つの支持部のうち所定の一支持部を通り前記第2方向と平行する第2軸周りでの回転モーメントの釣り合いから、水平方向における前記被計測物の前記第2基準点からその重心位置までの距離を算出する重心位置算出工程とを有することを特徴とする重心位置計測方法。
  2. 水平面内で互いに離間して設けられる3つの重量計測器と、
    前記3つの重量計測器に下方から各々支持される3つの支持部と被計測物が設置される設置台とを備える支持構造と、
    請求項1に記載の重心位置計測方法を用いて前記被計測物の第2基準点とその重心位置との距離を算出する演算部と、
    前記演算装置の演算結果を出力する出力部とを有することを特徴とする重心位置計測装置。
  3. 回転翼と支持軸とが一体的に接続されたタービンロータの製造方法であって、
    前記回転翼を被計測物とし請求項1に記載の重心位置計測方法を用いて、前記支持軸の中心軸と直交する方向における、前記回転翼の第2基準点からその重心位置までの距離を計測する重心位置計測工程と、
    前記中心軸と直交する方向で、前記回転翼の重心位置と、前記支持軸の前記中心軸とを一致させる位置決め工程と、
    前記回転翼と前記支持軸とを一体的に接続する接続工程とを有することを特徴とするタービンロータの製造方法。
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