JP2012519292A

JP2012519292A - 軸及び平衡スリーブを有する装置

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Publication number: JP2012519292A
Application number: JP2011552391A
Authority: JP
Inventors: ノウルズグレイアム
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2012-08-23
Also published as: BRPI1011480A2; WO2010100062A1; CN102341614A; CA2754131A1; US8556738B2; ES2384749T3; RU2011139962A; US20120094776A1; EP2226529B1; EP2226529A1

Abstract

回転するように取り付けられた軸（２１又は５１又は８１）と、回転中に軸を平衡させるための平衡スリーブ（２３又は５３又は８３）とを有する装置であって、前記平衡スリーブは、第１の端部（２５又は５５又は８５）と、第２の端部（２９又は５９又は８９）とを有しており、前記第１の端部は、平衡スリーブが実質的に軸と同心となりかつ該軸と一緒に回転するように軸に取り付けられており、前記第２の端部は、実質的に軸の撓みが生じないような軸の低速回転において軸を平衡させるための平衡おもりを有しており、前記平衡スリーブの長手方向剛性が、軸の撓みを生じるような軸の高速回転において軸の平衡状態を維持するために、軸の長手方向剛性に適合させられている。

Description

本発明は、軸及び平衡スリーブを有する装置に関する。

本発明は、軸の第１の端部に設けられた駆動ユニットを軸の第２の端部に設けられた被駆動ユニットに連結するための連結軸を有しており、装置の使用時に駆動ユニットは軸を回転させ、被駆動ユニットを駆動するようになっている、機械的な駆動装置に関する。

軸の可撓性により、低速回転及び高速回転において連結軸の平衡状態を保つことは困難である場合がある。

図１において、ディスク１が軸３に取り付けられており、平衡フランジ５，７が軸の端部に取り付けられている。軸は、軸線Ａを中心にして回転するように取り付けられている。ディスク１とフランジ５，７との間の距離はそれぞれａ及びｂである。ディスク１の重心cgdiskは、距離edisc（ディスク１の偏心量）だけディスク１の軸線Ａ１から鉛直方向上方へ変位させられている。平衡フランジ５の重心cgbalは、距離ebal（フランジ５の偏心量）だけフランジ５の軸線Ａ２から鉛直方向下方へ変位させられている。フランジ５の重心のずれは、平衡おもり９のフランジへの付加によって提供されている。

軸３の平衡のために、（偏心の結果として）フランジ５に作用する遠心力CFballにフランジ５からフランジ７までの距離ａ＋ｂを乗じたものが、（偏心の結果として）ディスク１に作用する遠心力CFdiscにディスク１からフランジ７までの距離ｂを乗じたものに等しくなければならない。つまり、CFball・（ａ＋ｂ）=CFdisc・ｂ（式１）であるか、又はMbal・ebal・ω²・（ａ＋ｂ）＝Mdisc・edisc・ω²・ｂ（式２）であり、この場合、Mbalはフランジ５の質量であり、Mdiscはディスク１の質量であり、ω²は回転の角速度の２乗である。これは、Mbal・ebal＝（ｂ／（ａ＋ｂ））・Mdisc・edisc（式３）を与え、すなわち、平衡状態を保つために、平衡フランジ５の質量にフランジ５の偏心量を乗じたものが、ｂ／（ａ＋ｂ）にディスク１の質量を乗じさらにディスク１の偏心量を乗じたものに等しくなければならない。

式３は低速回転においては平衡を維持するが、高速では（速度の増大による）CFdiscの増大が図２に示したような軸３の撓みを生ぜしめ、回転軸線Ａからのディスク１の変位ｄを生じる（軸３の軸線は図２にＡ３で示されている）。ディスク１の偏心は、従って、ｄだけ有効に増大させられ、Mdisc・ｄ・ω²に等しい、ディスクに作用する付加的な遠心力を生ぜしめ、式３はもはや平衡状態を維持しない（高速では平衡フランジ５，７の変位は無視できるので、高速においてフランジ５，７に作用する遠心力の増大は、角速度増大のみによるものである）。従って、高速では、平衡誤差が生じ、これは、ディスク１の変位ｄに比例する。軸の撓みにより、低速及び高速において軸３を完全に平衡させることは不可能である。

本発明によれば、回転するように取り付けられた軸と、回転中に軸の平衡状態を保つための平衡スリーブとを有しており、平衡スリーブは第１の端部と第２の端部とを有しており、平衡スリーブが実質的に軸と同心でありかつこの軸と一緒に回転するように第１の端部は軸に取り付けられており、第２の端部は、軸の撓みが実質的に存在しない軸の低速回転において軸を平衡させるための平衡おもりを有しており、平衡スリーブの長手方向の剛性が、軸の撓みが生じる軸の高速回転において軸の平衡を維持するために、軸の長手方向の剛性に適合させられている、装置が提供される。

以下に添付の図面を参照して例として発明を説明する。

連結軸を示しており、この連結軸に、ディスクが部分的に軸に沿って取り付けられておりかつ平衡フランジが軸の端部に取り付けられている。軸の高速回転において撓んでいる図１の軸を示している。図１及び図２に示した態様を発展させた本発明の概念を示している。本発明による第１の機械的な駆動装置の部分的な縦断面図である。図４における矢印Ｖの方向でみた図である。本発明による第２の機械的な駆動装置の部分的な縦断面図である。図６における線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿ってみた断面図である。本発明による機械的な駆動装置の部分的な縦断面図である。図８における矢印ＩＸの方向でみた図である。

図３を参照すると、本発明は、平衡スリーブ１１の使用によって低速回転及び高速回転における軸３の平衡状態を達成しており、軸の一方の端部は平衡フランジ５に取り付けられている。平衡おもり９はもはやフランジ５に取り付けられているのではなく、スリーブ１１の自由端部に、やはりスリーブ１１の軸線Ａ４よりも鉛直方向下方で取り付けられている。やはり、平衡おもりは、軸の無視できる撓みが生じる低速回転において軸３を平衡させるように選択されている。

前述のように高速においてはディスク１の変位ｄが生じるが、今度の場合は、平衡スリーブ１１の撓みにより、変位ｄとは反対方向に、スリーブ１１の自由端部に設けられた平衡おもりの変位ｙも生じる。これは、以下で説明するように、変位ｄを相殺する。

高速での平衡状態を維持するために、CFball・（ａ＋ｂ）＝CFdisc・ｂ（式４）、又はMbal・（ebal＋ｙ）・ω²・（ａ＋ｂ）＝Mdisc・（edisc＋ｄ）・ω²・ｂ（式５）である。式５から式２を引くと、Mbal・ｙ・ω²（ａ＋ｂ）＝Mdisc・ｄ・ω²・ｂ（式６）、又はMbal・ｙ＝（ｂ／（ａ＋ｂ））・Mdisc・ｄ（式７）となる。ここで、CFball＝Sbal・ｙ（式８）であり、この場合、Sbalは平衡スリーブ１１の剛性であり、かつCFdisc＝Sshaft・ｄ（式９）であり、この場合、Sshaftはシャフト３の剛性である。式１におけるCFball及びCFdiscに代えて式８及び９を用いると、Sbal・ｙ・（ａ＋ｂ）＝Sshaft・ｄ・ｂ（式１０）又は（Sbal・ｙ）／（Sshaft）＝（ｂ／ａ＋ｂ））・ｄ（式１１）となる。式７における（ｂ／（ａ＋ｂ））・ｄに代えて式１１を用いると、Mbal・ｙ＝Mdisc・（Sbal・ｙ）／（Sshaft）（式１２）又はSbal＝Sshaft・（Mbal／Mdisc）（式１３）となる。従って、高速において平衡状態を維持するために、平衡スリーブ１１の剛性は、式１３に従って、軸３の剛性に適合させられなければならない。

式１３から分かるように、図１から図３の単純な場合には、SbalとSshaftとの関係は回転速度とは無関係であり、従って、式１３によるSshaftへのSbalの適合は、全ての回転速度において軸３の平衡状態を達成する。より複雑な場合には、SshaftへのSbalの適合はより困難である。回転軸線Ａは、これらの端部に結合された別の対応する軸の撓みにより、軸３の端部を通過しない。これは、ディスク１の変位ｄを増大する効果を有する。従って、剛性を適合させる場合、重心の半径方向変位の全体が考慮されなければならない。これは複雑となる恐れがある。剛性を適合させる場合の困難性を考慮して、それぞれ異なる剛性の試用平衡スリーブを利用すると有利である。

平衡スリーブの剛性の選択は、軸の撓みによる高速での軸の潜在的な非平衡が、平衡スリーブの撓みによる高速での軸の潜在的な反対方向の非平衡によって相殺されるように行われる（潜在的な反対方向の非平衡とは、軸自体が高速において全く撓まない場合に平衡スリーブの撓みにより高速において生じるような軸の非平衡である）。言い換えれば、軸の撓みによる高速における軸の非平衡は、これらの高速における平衡スリーブの撓みによって対抗される。

図４及び図５を参照すると、第１の機械的な駆動装置は、中空の管２１の形態の連結軸と、この管２１を包囲しかつ管２１と同心の平衡スリーブ２３とを有している。スリーブ２３の第１の端部２５は、管２１の第１の端部２７に取り付けられており、スリーブ２３は管２１と一緒に回転するようになっている。その第１の端部２５から、スリーブ２３は部分的に管２１に沿ってスリーブ２３の第２の端部２９まで延びている。

管２１の第１の端部２７は、半径方向外方へ延びた周方向フランジ３１を有している。スリーブ２３の第１の端部２５は、半径方向内方へ延びた周方向フランジ３３を有している。スリーブ２３の周方向フランジ３３は、管２１の周方向フランジ３１と駆動ユニット３５との間に取り付けられている。

スリーブ２３の第２の端部２９は、半径方向外方へ延びた周方向フランジ３７を有しており、第２の端部２９は、周方向フランジ３７にトリム平衡穴３９を設けることによって平衡おもりを有している。トリム平衡穴３９は、必要に応じておもりを螺合させるためにねじ切りされている。

スリーブ２３は、長手方向剛性を減じるために軸方向に延びたスロット４１を有している。

図１から図３、特に図３に関する上記説明によれば、平衡スリーブ２３の第２の端部２９の平衡おもりは、管２１の無視できる撓みが生じるような管２１の低速回転において中空の管２１を平衡させるように選択されており、スリーブ２３の剛性は、管２１の撓みが生じるような管２１の高速回転において管２１の平衡状態を維持するために管２１の剛性に適合するように選択されている。

図４及び図５の平衡スリーブ２３は、新たに設計された連結軸と共に使用するのにより適している。なぜならば、既存の連結軸と共に使用されると、連結長さを増大させるからである。平衡スリーブ２３は、この平衡スリーブ２３が提供する改良された平衡により、より長い連結軸の設計を可能にする。

図６及び図７を参照すると、第２の機械的な駆動装置は、中空の管５１の形態の連結軸と、管５１を包囲しておりかつ管５１と同心の平衡スリーブ５３とを有している。スリーブ５３の第１の端部５５は管５１の第１の端部５７に取り付けられており、スリーブ５３は管５１と一緒に回転するようになっている。その第１の端部５５から、スリーブ５３は、部分的に管５１に沿ってスリーブ５３の第２の端部５９まで延びている。

管５１の第１の端部５７は、半径方向外方へ延びた周方向フランジ６１を有している。スリーブ５３の第１の端部５５は、周方向フランジ６３を有している。管５１の周方向フランジ６１は、スリーブ５３の周方向フランジ６３と駆動ユニット６５との間に取り付けられている。スリーブ５３は、長手方向で、半円形の横断面を有する一対の半スリーブ５３ａ，５３ｂに分割されている。

クランプボルト６７は、（ｉ）半スリーブ５３ａ，５３ｂが管５１に対して同心になるように半スリーブの位置を調節するために、及び（ｉｉ）Ｘ＝Ｙとなるように分割部の周方向での寸法Ｘ，Ｙを調節するために、それぞれの長手方向分割部において一対の半スリーブ５３ａ，５３ｂの間に延びている。

一対の半スリーブ５３ａ，５３ｂを有するスリーブ５３は、第２の端部５９において、一対の半スリーブ５３ａ，５３ｂを互いにロックする一体のロッキングリング６９を有している。スリーブ５３の第２の端部５９は、ロッキングリング６９にトリム平衡穴７１を設けることによって、平衡おもりを有している。トリム平衡穴７１は、必要に応じておもりを螺合させるためにねじ切りされている。

スリーブ５３を構成する半スリーブ５３ａ，５３ｂは、有利には、図５に示したスロット４１のような、軸方向に延びたスロット（図示せず）を有している。半スリーブ５３ａ，５３ｂの間の長手方向分割部に対するスロットの位置は、スリーブ５３の長手方向剛性が全ての半径方向で同じになるように選択することができる。

図１から図３、特に図３に関する上記説明によれば、平衡スリーブ５３の第２の端部５９の平衡おもりは、管５１の無視できる撓みが生じるような管５１の低速回転において中空の管５１を平衡させるように選択されており、スリーブ５３の剛性は、管５１の撓みが生じるような管５１の高速回転において管５１の平衡を維持するために管５１の剛性に適合するように選択されている。

図６及び図７の平衡スリーブ５３は、新たに設計された軸又は既存の連結軸と共に使用することができる。既存の連結軸と共に使用する場合、どれが最も優れた平衡状態を達成するかを調べるために、それぞれ異なる剛性を有するスリーブ５３を容易に試すことができる（別のものと交換することができる）。

図６及び図７の平衡スリーブ５３は、２つの半スリーブ５３ａ，５３ｂから形成されている。スリーブ５３は、別の割合の部分スリーブから形成されていてもよく、例えば、スリーブ５３は、４つの４分の１スリーブから形成されていてもよい。

図８及び図９を参照すると、第３の機械的な駆動装置は、中空の管８１の形態の連結軸と、管８１を包囲しかつこの管８１と同心の平衡スリーブ８３とを有している。スリーブ８３の第１の端部８５は、スリーブ８３が管８１と一緒に回転するように管８１の第１の端部８７に取り付けられている。その第１の端部８５から、スリーブ８３は部分的に管８１に沿ってスリーブ８３の第２の端部８９まで延びている。

管８１の第１の端部８７は、半径方向外方へ延びた周方向フランジ９１を有している。スリーブ８３は、周方向フランジ９１と駆動ユニット１１５との間に取り付けられる剛性の環状アダプタプレート９３と、アダプタプレート９３にボルトによって締結された弾性の環状ディスク９５と、剛性の平衡管９７とを有しており、この平衡管９７の一方の端部９９は、環状ディスク９５にボルトによって締結されている。平衡管９７の他方の端部１０１は、スリーブ８３の第２の端部８９を有している。スリーブ８３の長手方向剛性は、環状ディスク９５の弾性によって決定される。

環状のアダプタプレート９３の一方の側１０３は、第１の数の、軸方向に延びた、周方向に間隔を置かれた突出部１０５を有している。弾性の環状ディスク９５の一方の側１０７は、第１の突出部１０５の端部にボルトによって締結されている。平衡管９７の一方の端部９９は、第２の数の、軸方向に延びた、周方向に間隔を置かれた突出部１０９を有している。弾性の環状ディスク９５の他方の側１１１は、第２の突出部１０９の端部にボルトによって締結されている。環状ディスク９５への第１の突出部１０５の取付けの位置は、周方向でみて、環状ディスク９５への第２の突出部の取付け位置の間に位置している。

スリーブ８３の第２の端部８９は、平衡管９７の他方の端部１０１にトリム平衡穴１１３を設けることによって平衡おもりを有している。トリム平衡穴１１３は、必要に応じておもりが螺合させられるようにねじ切りされている。

環状のアダプタプレート９３は、一体（図４及び図５参照）であっても、一対の半円形の半分のアダプタプレートに半分に分割されていてもよい（図６及び図７参照）。

それぞれ異なる剛性の平衡スリーブ８３を、弾性の環状ディスク９５の弾性を変更することによって提供することができる。それぞれ異なる剛性の平衡スリーブ８３の試しは、それぞれ異なる弾性の環状ディスク９５に取り付けることによって行うことができ、環状のアダプタプレート９３が管８１の周方向フランジ９１と駆動ユニット１１５との間に取り付けられたまま１つの環状ディスク９５を別の環状ディスクと交換することが行われる。それぞれ異なる剛性の試用平衡スリーブ８３に代わる別の方法は、複数の比較的薄い環状ディスクから形成された環状ディスク９５を提供し、構成要素としての比較的薄い環状ディスクの数を変更することによって剛性を変化させることである。

図１から図３、特に図３に関する上記説明によれば、平衡スリーブ８３の第２の端部８９の平衡おもりは、管８１の無視できる撓みが生じるような管８１の低速回転において中空の管８１を平衡させるように選択されており、スリーブ８３の剛性は、管８１の撓みが生じるような管８１の高速回転において管８１の平衡状態を維持するために、管８１の剛性に適合するように選択されている。

図８及び図９の平衡スリーブ８３の撓みは、図４及び図５の平衡スリーブ２３及び図６及び図７の平衡スリーブ８３と異なる機構によって提供される。平衡スリーブ２３，５３は、基本的に管状構造の片持ち梁であり、スリーブ２３，５３の撓みは、梁の曲げによって提供される。平衡スリーブ８３の撓みは、弾性の環状ディスク９５の撓みによって、特に、環状のアダプタプレート９３の互いに隣接する第１の突出部１０５の間及び平衡管９７の一方の端部９９の互いに隣接する第２の突出部１０９の間の環状ディスク９５の円弧状部分の撓みによって、提供される。スリーブ２３，５３の剛性は、撓みが増大しても増大しない。スリーブ８３の剛性は、撓みが増大するにつれて増大する。スリーブ８３の初期の比較的低い剛性は、極めて不安定な連結軸に、高められた安定性を提供する。

図４から図９の第１、第２及び第３の機械的な駆動装置において、平衡スリーブは、連結軸の一方の端部から部分的に軸に沿って延びている。平衡スリーブは、反対方向、すなわち軸の一方の端部から、軸から離れる方向に駆動ユニット上へ延びていることもできる。

本発明は、駆動ユニットを被駆動ユニットに連結する連結軸を平衡させることに適用できるだけでなく、あらゆる回転軸、例えばタービン、圧縮機、モータ、又は歯車装置の回転軸を平衡させるために試用することができる。

Claims

回転するように取り付けられた軸（２１又は５１又は８１）と、回転中に軸を平衡させるための平衡スリーブ（２３又は５３又は８３）とを有する装置であって、前記平衡スリーブは、第１の端部（２５又は５５又は８５）と、第２の端部（２９又は５９又は８９）とを有しており、前記第１の端部は、平衡スリーブが実質的に軸と同心となりかつ該軸と一緒に回転するように軸に取り付けられており、前記第２の端部は、実質的に軸の撓みが生じないような軸の低速回転において軸を平衡させるための平衡おもりを有しており、前記平衡スリーブの長手方向剛性が、軸の撓みを生じるような軸の高速回転において軸の平衡状態を維持するために、軸の長手方向剛性に適合させられていることを特徴とする、装置。
前記装置は、機械的な駆動装置であり、前記軸は、軸の第１の端部（２７又は５７又は８７）に設けられた駆動ユニット（３５又は６５又は１１５）を軸の第２の端部に設けられた被駆動ユニットに連結するための連結軸（２１又は５１又は８１）であり、前記装置の使用時に、駆動ユニットは、被駆動ユニットを駆動するために軸を回転させ、前記平衡スリーブ（２３又は５３又は８３）が軸を包囲しており、平衡スリーブの第１の端部（２５又は５５又は８５）は、軸の第１の端部又は第２の端部に取り付けられており、前記平衡スリーブは、部分的に軸に沿って、平衡スリーブの第２の端部（２９又は５９又は８９）まで延びている、請求項１記載の装置。
平衡スリーブ（２３）の第１の端部（２５）が取り付けられた軸（２１）の第１の端部（２７）又は第２の端部は、半径方向外方へ延びた周方向フランジ（３１）を有しており、平衡スリーブの第１の端部は、半径方向内方へ延びた周方向フランジ（３３）を有しており、平衡スリーブの周方向フランジは、軸の周方向フランジと、駆動ユニット（３５）又は被駆動ユニットとの間に取り付けられている、請求項２記載の装置。
平衡スリーブの第２の端部（２９）が、半径方向外方へ延びた周方向フランジ（３７）を有しており、平衡スリーブの第２の端部が、平衡スリーブの第２の端部の周方向フランジに平衡おもりを取り付けることによって該平衡おもりを有している、請求項３記載の装置。
前記平衡スリーブが、該平衡スリーブの長手方向剛性を減じるために、軸方向に延びたスロット（４１）を有する、請求項３又は４記載の装置。
平衡スリーブ（５３）の第１の端部（５５）が取り付けられた軸（５１）の第１の端部（５７）又は第２の端部が、半径方向外方へ延びた周方向フランジ（６１）を有しており、平衡スリーブの第１の端部が周方向フランジ（６３）を有しており、軸の周方向フランジが、平衡スリーブの周方向フランジと、駆動ユニット（６５）又は被駆動ユニットとの間に取り付けられており、平衡スリーブが、半円形の横断面を有する一対の半スリーブ（５３ａ，５３ｂ）に長手方向で分割されている、請求項２記載の装置。
クランプボルト（６７）が、（ｉ）軸に対する半スリーブの同心性と、（ｉｉ）分割部の周方向の寸法とを調節するために、それぞれの長手方向分割部において一対の半スリーブの間に延びている、請求項６記載の装置。
一対の半スリーブを有する平衡スリーブが、その第２の端部（５９）において、一対の半スリーブを互いにロックする一体のロッキングリング（６９）を有しており、平衡スリーブの第２の端部が、ロッキングリングに平衡おもりを取り付けることによって該平衡おもりを有している、請求項６又は７記載の装置。
前記平衡スリーブを構成する前記半スリーブが、軸方向に延びたスロットを有しており、半スリーブの間の長手方向分割部に対するスロットの位置が、平衡スリーブの長手方向剛性が全ての半径方向で同じになるようになっている、請求項６又は７記載の装置。
平衡スリーブ（８３）の第１の端部（８５）が取り付けられた軸（８１）の第１の端部（８７）又は第２の端部が、半径方向外方へ延びた周方向フランジ（９１）を有しており、前記平衡スリーブは、軸の周方向フランジと、駆動ユニット（１１５）又は被駆動ユニットとの間に取り付けられる剛性の環状のアダプタプレート（９３）と、該アダプタプレートに取り付けられた環状ディスク（９５）と、剛性の平衡管（９７）とを有しており、該平衡管（９７）の一方の端部（９９）が環状ディスクに取り付けられており、前記平衡管の他方の端部（１０１）が、平衡スリーブの第２の端部（８９）を構成しており、平衡スリーブの長手方向剛性が環状ディスクの弾性によって決定されている、請求項２記載の装置。
環状アダプタプレートの一方の側（１０３）が、第１の数の、軸方向に延びておりかつ周方向に間隔を置かれた突出部（１０５）を有しており、弾性の環状ディスクの一方の側（１０７）が、第１の突出部の端部に取り付けられており、平衡管の一方の端部が、第２の数の、軸方向に延びておりかつ周方向に間隔を置かれた突出部（１０９）を有しており、弾性の環状ディスクの他方の側が、第２の突出部の端部に取り付けられており、環状ディスクへの第１の突出部の取付け位置が、周方向で、環状ディスクへの第２の突出部の取付け位置の間に位置している、請求項１０記載の装置。
前記平衡スリーブの第２の端部が、平衡管の他方の端部に平衡おもりを取り付けることによって該平衡おもりを有している、請求項１０又は１１記載の装置。
前記環状アダプタプレートが、一対の半円形の半アダプタプレートに半分に分割されている、請求項１０又は１１記載の装置。
前記軸が、中空の管（２１又は５１又は８１）を含む、請求項２から１３までのいずれか１項記載の装置。
軸の重心が、軸の軸線から第１の半径方向にずらされており、平衡おもりによって、平衡スリーブの第２の端部の重心が、実質的に軸の撓みが生じないような軸の低速回転において軸を平衡させるように平衡スリーブの軸線から第１の半径方向とは反対の第２の半径方向へずらされており、軸の長手方向剛性に対する平衡スリーブの長手方向剛性の適合は、軸の高速回転における軸の撓みによる軸の潜在的な不平衡が平衡スリーブの撓みによって相殺されるようになっている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置。