JP2013513751A - ロータの釣合いのためのカップリング - Google Patents

Abstract

これらの例示的な実施形態によるシステム、デバイス、及び方法は、例えば、ロータの高速釣合い試験において使用可能なカップリング又は連結部分を提供する。カップリング（４０）は、釣合い試験機の軸（５５）に適合するように構成された拡張薄肉部分（５１）をその中に有し、さらにロータ（３０）の開口部（３２）に適合するように構成された拡張インサート部分（４２）を有する本体部分（４６）を含む。複数の接続部材（４８）が、カップリング（４０）の本体部分（４６）の穴の中に配置されており、リング（４４）が、拡張インサート（４２）の上且つ本体部分（４６）の穴の出口に近接して配置される。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般に、機器の間のカップリングに関し、より具体的には、ロータと釣合い試験機との間のカップリング又は連結部分に関する。

ターボ機械（「ターボ回転機械」と呼ばれることもある）は、圧縮機、タービン機関などを含み、作動時に、例えば１分間に数千又は数万回転（ＲＰＭ）という非常に高速で回転するロータを含む機械の種類である。典型的に、ロータは、回転できるように軸線方向及び半径方向に軸受で支持された軸を含む。そのようなロータの寸法及び重量を考えれば、ロータの中の小さな不釣合いでも、ターボ機械の作動時間を大きく低減させる可能性がある。例えば、重量５００ポンド及び不釣合い（例えば、重心の偏差）がわずか０．００１インチに過ぎないロータを考えると、不釣合いから生じる力は、ロータが１２，０００ＲＰＭで回転するとき約２０００ポンドに達し、その力は、軸受を急速に損傷させ得る振動として観測される。

この問題に対処する１つの方法は、ロータが組み立てられる諸段階で、又はロータが完全に組み立てられた後で、ロータを釣合い試験し、次いで、検出された不釣合いを補正するために調整することである。そのような釣合い試験は、ロータ又はロータ段を釣合い試験機器に接続することによって実施できる。釣合い試験機器は、ロータを真空下で高速で回転させ、回転中の不釣合い、例えば重心の偏差を検出するセンサを有する。

図１に、全体的な高速釣合い試験の構造が示されている。真空チャンバ２の内部において、軸受台４が、ロータ８を支持しており、釣合い試験機のモータ６が、カップリング又は連結部分９を介して、試験されるロータ８に接続されている。軸に加えて、ロータ８は、軸に結合される１つ又は複数の部材、例えば後述されるような１つ又は複数のインペラを有することも可能である。カップリング９は、モータ６からロータ８へトルクを伝達し、釣合い試験機によって釣合い試験されるロータ８には通常多くの異なる寸法及び構造のものがあるので、カップリング９は、試験システムの中の部材として備えられており、したがって、カップリング９は、試験される様々なロータ８と釣合い試験機との間のアダプタとして作動する。図２には、例示的なカップリング９が示されている。ここで、カップリング９は、ロータ８に取り付けられる端部に向けて徐々に細くなる、概して円錐形状であり、ロータ８に対して相対的に大きい直径を有することがわかる。実際、カップリング９は、釣合い試験の前にロータ８に焼きばめされ、そして次に、それぞれのターボ機械へ組み立てるために移される。

釣合い試験プロセスの一部として、そのようなカップリング９を使用することは、いくつかの欠点を伴う。第１に、カップリング９は、例えば２０〜３０ｋｇ程度であり比較的重いので、それが持つ任意の偏心が、試験システムに加えられて結果的に不釣合いが生じ、釣合い試験に悪影響を及ぼすように大きくなり、それによって、不釣合いなロータ８が生じる可能性がある。実際、カップリング９によって加えられた不釣合いの大きさが、ロータ８の受入れ可能な不釣合いの許容値の２００％に達する場合もある。第２に、カップリング９をロータに取り付ける方法、すなわち焼きばめは、時間がかかり、複雑で、ロータの表面自体を損傷させる可能性がある。

したがって、既存のカップリングの上述の欠点を克服する、ロータを釣合い試験機へ結合させるカップリングを、設計して提供することが望まれている。

米国特許第４２１４４５７号明細書

これらの例示的な実施形態によるシステム、デバイス、及び方法は、例えば、ロータの釣合い試験において使用可能なカップリング又は連結部分を提供する。カップリングと試験されるロータとの間の摩擦取付けを提供することによって、ロータへのカップリングの焼きばめが避けられ、それによって、プロセスがより速くより安全になる。さらに、本設計によって、より軽量化でき、試験装置により少ない不釣合いをもたらすことが可能である。しかし、そのような利点は、１つ又は複数の添付の特許請求の範囲に明示的に記載されている場合を除き、本発明の限定として解釈されるべきではないということが、当業者であれば理解するであろう。

例示的な実施形態によれば、カップリングは、釣合い試験機の軸に適合するように構成された拡張薄肉部分をその中に有し、さらにロータの開口部に適合するように構成された拡張インサート部分を有する本体部分を含む。複数の接続部材が、カップリングの本体部分の穴の中に配置されており、リングが、拡張インサートの上且つ本体部分の穴の出口に近接して配置される。

例示的な別の実施形態によれば、ロータを釣合い試験装置に接続する方法は、ロータの開口部の中にカップリングデバイスの拡張インサート部分を挿入するステップと、複数の接続部材にトルクをかけるステップであって、複数の接続部材は、カップリングデバイスの本体部分の中に配置されており、拡張インサート部分の上に配置されたリングを、ロータの開口部の周りの合わせ面に押し付けるステップと、釣合い試験機の駆動軸をカップリングデバイスの本体部分の拡張薄肉部分に接続するステップとを含む。

さらに別の例示的な実施形態によれば、釣合い試験システムは、駆動軸を含む釣合い試験機と、駆動軸の一方の側に接続されたカップリングと、カップリングを介して駆動軸からのトルクを受けるために接続されたロータとを含む釣合い試験システムにおいて、カップリングは、釣合い試験機の駆動軸に適合するように構成された拡張薄肉部分をその中に有し、さらにロータの開口部に適合するように構成された拡張インサート部分を有する本体部分と、本体部分の穴の中に配置された複数の接続部材と、拡張インサートの上且つ本体部分の穴の出口に近接して配置されたリングとを含む。

添付の図面は、例示的な実施形態を示している。

全体的なロータ釣合い試験装置を示す図である。 図１の釣合い試験装置のための従来のカップリングを示す図である。 例示的な実施形態によって釣合い試験されるロータを有する圧縮機を示す図である。 例示的な実施形態によって釣合い試験されるロータの端部を示す図である。 例示的な実施形態によるカップリングデバイスを示す図である。 例示的な実施形態によるロータに取り付けられた図４のカップリングの断面図である。 例示的な実施形態によるロータに接続されたカップリングの外観斜視図である。 図２に示されたタイプのカップリングを使用して試験されたロータに関連する振動を、例示的な実施形態によるカップリングを使用して試験された同一のロータと比較して示すグラフである。 ロータを釣合い試験機に接続する方法を示すフローチャートである。

以下に続く例示的な実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同一の参照番号は、同一又は類似の部材を示す。また、以下に続く詳細な説明は、本発明を限定しない。その代わりとして、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

本明細書で検討される例示的な実施形態によるカップリングに関する次の検討についての状況を提供するために、図３は、ロータを含む多段の遠心圧縮機１０を概略的に示している。ロータは、最終製造の前に釣合い試験され（次いで釣合い調整され）、運転開始されることが好ましい。ここで、圧縮機１０は、箱体又はハウジング（静止部）１２を含み、その中に、複数の遠心インペラ１６を備えた圧縮機回転軸１４が取り付けられている。ロータ組立体１８は、軸１４及びインペラ１６を含み、ロータ組立体１８の両側に配置された軸受２０によって、半径方向及び軸線方向に支持されている。

多段遠心圧縮機は、ダクト入口２２からの入力プロセスガスを取り入れ、ロータ組立体１８の作動によってプロセスガスの粒子を加速し、その後、プロセスガスを、その入力圧力よりも高い出力圧力で出口ダクトを通して放出するように作動する。プロセスガスが軸受２０へ流れるのを防ぐために、インペラ１６と軸受２０との間にはシール装置２６が備えられている。示された例示的な実施形態では、ハウジング１２は、軸受２０とシール装置２６の両方を覆って遠心圧縮機１０からガスが漏れることを防ぐように構成されている。また、図３には、インペラ１６が生じる軸線方向スラストを相殺するバランスドラム２７、バランスドラムのラビリンスシール２８、及び、バランスドラム２７の外部側の圧力を、ダクト２２を介して入るプロセスガスの圧力と同じレベルに維持するバランス管２９が示されている。図３に示された遠心圧縮機は、本明細書では単に、完全に組み立てられる前に一般的に釣合い試験されるタイプのロータを含むターボ機械の１つのタイプの例として提供されているということ、及び本発明がこれに限定されないということを当業者であれば理解するであろう。

図３に示されたロータ組立体１８の端部３０は、例えば、図４に示されているように構成され得る。ここで、ロータ端部３０は、断面が概して円形であり、開口部３２及び概して円筒形状の外側表面３４を備えていることがわかる。図５に示された例示的な一実施形態によれば、カップリング４０は、ロータ端部３０を釣合い試験機に連結するように設計されている。ここで、カップリング４０は、拡張インサート４２、リング４４、及び、複数の接続部材４８、例えばトルクねじを中に配置して有する本体部分４６を含む。本体部分４６は、その中に形成された開口部５０を有する。開口部５０は、釣合い試験機の駆動軸（この図には示されていない。下記に説明される図６を参照のこと。）と合うように構成されている。この例では、開口部５０は、六角形形状の開口部であるが、当業者であれば、開口部５０は、釣合い試験機の実施態様によって、任意の所望の形状をとることが可能であるということを理解するであろう。この例示的な実施形態による本体部分４６は、釣合い試験機の駆動軸５５（図６に示されている）と合うように構成された拡張薄肉部分５１をその中に有する。

ロータ端部３０に接続されたときのカップリング４０の側断面図が図６に提供されている。ここで、トルクねじ４８のうちの１つは、その対応するねじ切りされたねじ穴５２をより明らかに示すために取り除かれている。この例では、カップリング４０は、対応するねじ穴５２内において、本体部分４６の円周の周りに均等に（対称的に）離隔された６つのトルクねじ４８を有するが、当業者であれば、トルクねじ４８の数も位置も変更し得るということを理解するであろう。図６からわかるように、トルクねじ４８の端部は、カップリング４０の上にあるリング４４に当接する。リング４４は、この例示的な実施形態によれば、取り付けられずに本体部分４６の表面上にあり、トルクねじ４８によって圧力をかけられている。ロータ端部に摩擦が均等に伝達されて、ねじ４８によるロータ端部の損傷を避けるように、リング４４は均一な圧力を提供する。例示的な一実施形態によれば、トルクねじ４８は、引張強度７００ＭＰａの材料から形成され得るが、他の値及び材料を使用することも可能である。

カップリング４０をロータに取り付けるために、最初に、拡張インサート４２がロータ端部３０の開口部３２の中に挿入される。例えば、拡張インサート４２は、ねじ切りされており、開口部５０の六角形トルクキーを使用して、ロータ端部３０の開口部３２に備えられた対応するねじ山にねじ込まれることが可能である。次に、トルクねじ４８を、例えば、動力計キーを使用して、２〜５Ｎ−ｍのトルクをかけて締めつけ、その結果、ロータ端部３０の外側表面３４に対してリング４４を押し付けることが可能である。したがって、この例示的な実施形態によれば、カップリング４０は、ロータに摩擦取り付けされており、トルクが、摩擦接続を介して、釣合い試験機からカップリング４０を通ってロータに伝達される。この例示的な実施形態において、釣合い試験機の軸５５は、カップリングの拡張薄肉（環状）部分５１と合う開口部５４を介してカップリング４０に接続されている。この例示的な取付け機構は、（試験装置の不釣合いを低減／除去するために）カップリングの同心性を維持するというさらなる利点を有する。図７は、この例示的な実施形態により互いに取り付けられた後の組み合わされたロータ及びカップリング４０を示している。

したがって、図２に関して上述された円錐形状の焼きばめされたカップリング１４とは異なり、図５〜図７の例示的な実施形態によるカップリング４０は、簡単に機械的にロータに取り付けられて釣合い試験することが可能である。このプロセスは、カップリングをロータに焼きばめするために炉を使用することを必要としないので、時間もあまりかからず、より安全である。さらに、例示的なカップリング４０は、焼きばめよりもロータ表面を損傷させにくい。そのうえ、カップリング４０は、カップリング１４よりも少ない重量になるように製造され、より少ない不釣合いをシステムにもたらすことが可能である。

例えば、最初にカップリング１４を使用してロータを釣合い試験機に取り付けてロータを釣り合わせることによって、次いで、カップリング４０を使用して同じロータを釣合い試験機に取り付けてロータを釣り合わせることによって試験を行った。その結果を図８にグラフで示している。この試験は、Ｓｃｈｅｎｃｋ ＧＭＢＨ製の高速釣合い機器を使用して実施され、この装置は、概して図１に示されるように設置され、振動センサとして加速度計が使用された。図８に示された結果を生成するために、ロータの振動が、ロータの両方の駆動端、すなわちカップリングに接続されたロータ端部（結果は、長方形６０に囲まれている）及び反対側のロータ端部（結果は、長方形６０の下方に示されている）において、ＲＰＭの関数としてｍｍ／ｓ ｒｍｓの振動の単位で計測された。より具体的には、点線６２は、カップリング１４を介して釣合い試験機に接続されたロータの計測された振動を表し、一方、実線６４は、カップリング４０を介して釣合い試験機に接続されたロータの計測された振動を表す。２つの関数６２及び６４を比較すると、カップリング１４を使用したときよりも、上述の例示的な実施形態によるカップリング４０を使用したときの方が、振動は顕著に小さかったこと、例えば、ピークの振動レベルにおいて約２５％小さかったことがわかる。駆動端のもう一方の側の振動の差異は、予想したほど際立ってはいなかったが、それは、その駆動端が、釣合い試験システムとの連結部分からかなり離れているからである。

したがって、例示的な一実施形態によれば、ロータを釣合い試験機に接続する方法は、図９のフローチャートに示されたステップを含む。ここで、ステップ７０において、カップリングデバイスの拡張インサート部分が、ロータの開口部へ挿入される。ステップ７２において、複数の接続部材にトルクがかけられ、拡張インサート部分の上に配置されたリングを、ロータの開口部の周りに配置された合わせ面に押し付ける。ステップ７４において、釣合い試験機の駆動軸が、カップリングデバイスの本体部分の拡張薄肉部分に接続される。

上述の例示的な実施形態は、限定するというよりも、本発明の全ての点に関して例示することを意図したものである。したがって、本発明は、詳細な実施態様においては、本明細書に含まれた記述から当業者が派生させることができる多くの変形形態が可能である。そのような全ての変形形態及び修正形態は、次に続く特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲及び精神の内にあると考えられる。本出願の記述の中で使用された要素、動作、又は指示は、そのように明示されない限り、本発明にとって重大又は必須であると解釈されるべきではない。また、本明細書で使用されるように、冠詞「ａ」は、１つ又は複数のものを含むことを意図している。

２ 真空チャンバ
４ 軸受台
６ モータ
８ ロータ
９ カップリング
１０ 遠心圧縮機
１２ ハウジング
１４ 軸
１６ インペラ
１８ ロータ組立体
２０ 軸受
２２ ダクト入口
２６ シール装置
２７ バランスドラム
２８ ラビリンスシール
２９ バランス管
３０ ロータ端部
３２ 開口部
３４ 外側表面
４０ カップリング
４２ 拡張インサート部分
４４ リング
４６ 本体部分
４８ 接続部材、トルクねじ
５０ 開口部
５１ 拡張薄肉部分
５２ ねじ穴
５４ 開口部
５５ 駆動軸

Claims (15)

1. ロータを釣合い試験機に接続するカップリング（４０）において、
   前記釣合い試験機の軸に適合するように構成された拡張薄肉部分（５１）をその中に有し、さらに前記ロータの開口部に適合するように構成された拡張インサート部分（４２）を有する本体部分（４６）と、
   前記本体部分（４６）の穴の中に配置された複数の接続部材（４８）と、
   前記拡張インサート（４２）の上且つ前記本体部分（４６）の前記穴の出口に近接して配置されたリング（４４）と
   を含む、カップリング（４０）。
2. 前記接続部材は、前記リングを前記拡張インサートの端部に向かって外側に押すように作動可能である、請求項１記載のカップリング。
3. 前記複数の接続部材のそれぞれは、前記本体部分の凹んだ穴の中に配置される、請求項１又は２記載のカップリング。
4. 前記接続部材はねじである、請求項１乃至３のいずれか１項記載のカップリング。
5. 前記ねじのための前記穴は、前記本体部分の円周の周りに対称的に配置される、請求項４記載のカップリング。
6. 前記本体部分及び前記リングは、実質的に同一の直径を有する円筒として形成されており、前記拡張インサートは、前記本体部分及び前記リングの直径よりも小さい直径を有する円筒である、請求項１乃至５のいずれか１項記載のカップリング。
7. ロータを釣合い試験機に接続する方法において、
   前記ロータ（３０）の開口部（３２）の中にカップリングデバイス（４０）の拡張インサート部分（４２）を挿入するステップと、
   複数の接続部材（４８）にトルクをかけるステップであって、前記複数の接続部材（４８）は、前記カップリングデバイス（４０）の本体部分（４６）の中に配置されており、前記拡張インサート部分（４２）の上に配置されたリング（４４）を、前記ロータ（３０）の前記開口部（３２）の周りの合わせ面に押し付けるステップと、
   前記釣合い試験機の駆動軸を前記カップリングデバイス（４０）の前記本体部分（４６）の拡張薄肉部分（５１）に接続するステップと
   を含む方法。
8. 前記複数の接続部材のそれぞれは、前記本体部分の凹んだ穴の中に配置される、請求項７記載の方法。
9. 前記本体部分及び前記リングは、実質的に同一の直径を有する円筒として形成されており、前記拡張インサートは、前記本体部分及び前記リングの直径よりも小さい直径を有する円筒である、請求項７又は８記載の方法。
10. 駆動軸（５５）を含む釣合い試験機と、
    前記駆動軸（５５）の一方の側に接続されたカップリング（４０）と、
    前記カップリング（４０）を介して前記駆動軸（５５）からのトルクを受けるために接続されたロータ（３０）とを含む釣合い試験システムにおいて、
    前記カップリング（４０）が、
    前記釣合い試験機の前記駆動軸（５５）に適合するように構成された拡張薄肉部分（５１）をその中に有し、さらに前記ロータ（３０）の開口部（３２）に適合するように構成された拡張インサート部分（４２）を有する本体部分（４６）と、
    前記本体部分（４６）の穴の中に配置された複数の接続部材（４８）と、
    前記拡張インサート（４２）の上且つ前記本体部分（４６）の前記穴の出口に近接して配置されたリング（４４）とを含む、
    釣合い試験システム。
11. 前記接続部材は、前記リングを前記拡張インサートの端部に向かって外側に押すように作動可能である、請求項１０記載の釣合い試験システム。
12. 前記複数の接続部材のそれぞれは、前記本体部分の凹んだ穴の中に配置される、請求項１０又は１１記載の釣合い試験システム。
13. 前記接続部材はねじである、請求項１０乃至１２のいずれか１項記載の釣合い試験システム。
14. 前記ねじのための前記穴は、前記本体部分の円周の周りに対称的に配置される、請求項１３記載の釣合い試験システム。
15. 前記本体部分及び前記リングは、実質的に同一の直径を有する円筒として形成されており、前記拡張インサートは、前記本体部分及び前記リングの直径よりも小さい直径を有する円筒である、請求項１０乃至１４のいずれか１項記載の釣合い試験システム。