JP2016191597A - バランス検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト軸受を保護することができるバランス検査装置を提供する。【解決手段】回転軸１４には、軸受ハウジング１３内に取付けられて、回転軸１４を支持する少なくとも１つのスラスト軸受２１，２２が設けられている。バランス検査装置３０は、軸受ハウジング１３の回転軸線Ｈ方向の一方に配置されて、タービン翼車６を収納するタービン側治具３４と、軸受ハウジング１３の回転軸線Ｈ方向の他方に配置されて、コンプレッサ翼車７を収納するコンプレッサ側治具３５と、コンプレッサ側治具３５の吸入流路Ｐａに設けられて、吸入流路Ｐａの断面積を縮小する第１のオリフィス部４１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、タービンとコンプレッサとを備える過給機の回転体のバランスを検査するためのバランス検査装置に関する。

過給機の製造工程では、回転体の回転性能を確認するため、振動の計測およびアンバランスの修正が行われる。このような技術として、特許文献１に記載されたシステムが知られている。このシステムは、過給機のロータのアンバランスを修正するためのシステムであり、ロータと、ロータを支持するベアリングハウジングとが一体化された半組立状態の過給機が、架台および取付けハウジング等に取り付けられる。ロータのシャフトには、タービンロータ側とコンプレッサロータ側との２箇所に軸受が設けられており、これらの軸受には、ベアリングハウジングに形成されたオイル供給路を通じて、潤滑油が供給される。

このシステムには、ロータの振動を検出する振動検出器と、ロータの回転数を検出するパルス検出器とが設けられている。ロータのアンバランスを修正する際には、取付けハウジング内に空気が供給されることで、取付けハウジングに格納されたタービンロータが回転し、ロータが回転する。そして、上記の検出器から出力されたデータがコンピュータに取り込まれ、そのデータに基づいてアンバランスの修正内容が求められる。

特開２０００−３２９６３６号公報

従来の検査装置では、たとえば、過給機の最高回転数の７５％以下でロータ（回転体）を回転させて、振動の計測およびアンバランスの修正を行っていた。ところが近年、検査装置において、より高い回転数で検査を行うことが要望されている。過給機が実際に自動車等に搭載される際には、高温（たとえば８５０〜９５０℃）の排気ガスにより運転が行われるため、排気ガスの熱エネルギを利用することができる。しかしながら、検査装置では、常温域の空気を用いて運転が行われるため、排気ガスを用いる場合のような熱エネルギは得られない。よって、回転体の回転数を上げるためには、タービンに流入する空気の圧力を上げる必要がある。

タービンに流入する空気の圧力が上がると、過給機が実際に搭載されたときに比して、スラストバランスが変化する。回転軸にスラスト軸受が設けられている場合、このスラスト軸受に加わる荷重が変化することになり、運転条件によっては、スラスト軸受の摩耗などが生じる恐れがある。本発明は、スラスト軸受を保護することができるバランス検査装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、タービン翼車とコンプレッサ翼車とが回転軸の両端に設けられた過給機の回転体のバランスを検査するためのバランス検査装置であって、回転軸には、軸受ハウジング内に取付けられて、回転軸を支持する少なくとも１つのスラスト軸受が設けられており、バランス検査装置は、軸受ハウジングの軸線方向の一方に配置されて、タービン翼車を収納するタービン側治具と、軸受ハウジングの軸線方向の他方に配置されて、コンプレッサ翼車を収納するコンプレッサ側治具と、コンプレッサ側治具の吸入流路に設けられて、吸入流路の断面積を縮小する第１のオリフィス部と、を備える。

過給機においては、回転体の回転数は、タービンの出力とコンプレッサの動力の釣り合いによって決まる。このバランス検査装置によれば、コンプレッサ側治具の吸入流路には、その断面積を縮小する第１のオリフィス部が設けられるため、コンプレッサ側治具の吸入圧力を下げることができ、コンプレッサの動力が下がることによって回転体の回転数を上げることができる。よって、回転体のバランス検査を行う際に、常温域の空気を用いる場合でも、タービンの出力を上げるために、タービン翼車への流入圧力が高くなりすぎることを抑制でき、その結果としてスラスト力を低減できる。よって、スラスト軸受を保護することができる。

いくつかの態様において、スラスト軸受は、回転軸に設けられたカラーのタービン翼車側に配置されたタービン側のスラスト軸受と、カラーのコンプレッサ翼車側に配置されたコンプレッサ側のスラスト軸受と、を含み、バランス検査装置は、コンプレッサ側治具の吐出流路に設けられて、吐出流路の断面積を縮小する第２のオリフィス部を更に備える。この場合、第１のオリフィス部によって、タービン側治具への流入圧力の低減を図ることができ、タービン側のスラスト軸受を保護することができる。さらには、コンプレッサ側治具の吐出流路に第２のオリフィス部が設けられることにより、吐出流路の断面積を調整することができる。これによっても、作動点を調整することができる。たとえば、第２のオリフィス部の開口度を大きくすることによって吐出流路の断面積を大きくすれば、コンプレッサ側のスラスト軸受を保護することができる。

本発明のいくつかの態様によれば、スラスト軸受を保護することができる。

本発明の一実施形態に係るバランス検査装置の概略構成を示す図である。 検査対象の過給機を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１のバランス検査装置におけるオリフィス部の各種形態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

以下、過給機１の回転体１２のバランスを検査するためのバランス検査装置３０について説明する。図１に示されるように、本実施形態のバランス検査装置３０は、軸受ハウジング１３内に回転体１２が取り付けられた状態で、回転体１２のバランス検査を行う。バランス検査装置３０は、たとえば、常温域の空気を用いた運転を行う。バランス検査装置３０では、過給機１の最高回転数の９０％以上の高速回転域において、過給機１の回転バランス検査が可能になっている。すなわち、バランス検査装置３０は、常温エア駆動の高速バランサである。

まず、図２を参照して、バランス検査の対象となる過給機１について説明する。図２に示されるように、過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、内側の周縁部で周方向に延びるスクロール部４ａを有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、内側の周縁部で周方向に延びるスクロール部５ａを有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。コンプレッサ翼車７は、回転軸１４の他端に設けられたナット１６によって回転軸１４に固定されている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、ジャーナル軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６およびコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。

回転軸１４には、１つのつば状のカラー２０と、２つのスラスト軸受２１，２２が設けられている。カラー２０は、回転軸１４に固定されている。スラスト軸受２１は、軸受ハウジング１３の内壁に固定されており、カラー２０のタービン翼車６側（図示左側）に配置されている。スラスト軸受２２は、軸受ハウジング１３の内壁に固定されており、カラー２０のコンプレッサ翼車７側（図示右側）に配置されている。このように、過給機１は、タービン２側のスラスト軸受２１と、コンプレッサ３側のスラスト軸受２２とを備えている。

スラスト軸受２１は、タービン２側からカラー２０に当接する。スラスト軸受２１の側面に設けられたパッドがカラー２０に摺接することにより、スラスト軸受２１は、スラスト力を受ける。スラスト軸受２２は、コンプレッサ３側からカラー２０に当接する。スラスト軸受２２の側面に設けられたパッドがカラー２０に摺接することにより、スラスト軸受２２は、スラスト力を受ける。過給機１では、回転体１２が回転軸線Ｈ方向に僅かに移動可能な構造になっている。回転体１２が移動するとき、２つのスラスト軸受２１，２２は、カラー２０に摺接して、回転体１２に加わるスラスト力を支える。スラスト軸受２１およびスラスト軸受２２は、たとえばすべり軸受である。

軸受ハウジング１３には、潤滑油を供給するための潤滑油流路２３が形成されており、スラスト軸受２２の側面には、潤滑油流路２３から供給された潤滑油を流通させる溝部２２ａが設けられている。スラスト軸受２２に供給された潤滑油は、カラー２０を介してスラスト軸受２１へも供給されるようになっている。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）および排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガス（流体）が、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール部４ａを通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９および吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、圧縮して、スクロール部５ａを通じて吐出口から吐出する。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

続いて、図１を参照して、バランス検査装置３０について説明する。バランス検査装置３０は、過給機１の軸受ハウジング１３を支持する振動台３１と、振動台３１上に固定されて、軸受ハウジング１３を保持する下側保持部３２および上側保持部３３とを備えている。下側保持部３２と上側保持部３３とによって軸受ハウジング１３が挟持されており、締結部３６によって、軸受ハウジング１３が振動台３１上で固定されている。なお、過給機１が設置される台の形態は、本実施形態に限定されない。過給機１の軸受ハウジング１３が設置・固定できる種々の形態を採用可能である。

軸受ハウジング１３の回転軸線Ｈ方向の一方（図示左側）には、タービン側治具３４が取り付けられている。軸受ハウジング１３の回転軸線Ｈ方向の他方（図示右側）には、コンプレッサ側治具３５が取り付けられている。タービン側治具３４は、過給機１のタービンハウジング４と略同様の形状を有しており、タービン翼車６を収納する。タービン側治具３４は、常温の空気が高圧で供給される流入流路（図示せず）と、空気が排出される流出流路Ｐｃとを備えている。コンプレッサ側治具３５は、過給機１のコンプレッサハウジング５と略同様の形状を有しており、コンプレッサ翼車７を収納する。コンプレッサ側治具３５は、空気が吸込まれる吸入流路Ｐａと、圧縮空気が吐出される吐出管３７および吐出流路Ｐｂとを備えている。このように、回転体１２のバランス検査時には、過給機１のタービンハウジング４とコンプレッサハウジング５とが取り外され、回転体１２を有する軸受ハウジング１３に、タービン側治具３４およびコンプレッサ側治具３５が取り付けられる。

バランス検査装置３０は、さらに、加速度ピックアップ３８と、回転検出器３９と、演算部４０とを備えている。加速度ピックアップ３８は、たとえば磁石によって軸受ハウジング１３に取り付けられている。加速度ピックアップ３８は、回転体１２の高速回転時に、その加速度（振動）を検出する。回転検出器３９は、コンプレッサ翼車７の近傍に設置されている。回転検出器３９は、回転体１２の高速回転時に、コンプレッサ翼車７のアンバランス量を検出する。

演算部４０は、加速度ピックアップ３８および回転検出器３９にそれぞれ電気的に接続されている。演算部４０は、加速度ピックアップ３８および回転検出器３９で検出されたデータに基づき、ナット１６の削り量等を演算する。バランス検査装置３０は、振動台３１の側方に研削機（図示せず）を備えており、研削機によってナット１６を研削することにより、回転体１２のアンバランスが修正される。このように、バランス検査装置３０は、回転体１２の修正装置としての機能も有している。なお、演算部４０は、コンプレッサ翼車７の削り量等を演算してもよく、研削機によってコンプレッサ翼車７の一部が研削されてもよい。

本実施形態のバランス検査装置３０では、コンプレッサ側治具３５の吸入流路Ｐａに、第１のオリフィス板（第１のオリフィス部）４１が取り付けられている。円形の第１のオリフィス板４１には、中央に１つの円形の孔部４１ａが設けられている（図３（ａ）参照）。この孔部４１ａにより、第１のオリフィス板４１は、吸入流路Ｐａの断面積を縮小する。孔部４１ａが設けられる範囲すなわち第１のオリフィス板４１の開口度は、適宜、設定可能である。

さらに、コンプレッサ側治具３５の吐出流路Ｐｂには、第２のオリフィス板（第２のオリフィス部）４２が取り付けられている。円形の第２のオリフィス板４２には、中央に１つの円形の孔部４２ａが設けられている。この孔部４２ａにより、第２のオリフィス板４２は、吐出流路Ｐｂの断面積を縮小する。孔部４２ａが設けられる範囲すなわち第２のオリフィス板４２の開口度は、適宜、設定可能である。

これらの第１のオリフィス板４１および第２のオリフィス板４２は、上述したスラスト軸受２１およびスラスト軸受２２に加わるスラスト力のバランスを取るために設けられている。最高回転数の９０％以上の高速回転運転を行うバランス検査装置３０では、スラスト軸受２１およびスラスト軸受２２を保護するために、第１のオリフィス板４１および第２のオリフィス板４２は重要な役割を担っている。

次に、バランス検査装置３０を用いた過給機１の回転バランス検査方法および修正方法を説明する。まず、回転体１２および軸受ハウジング１３をバランス検査装置３０にセットする。タービン側治具３４の流入流路に、常温の高圧空気を供給する。高圧空気の供給により、回転体１２（タービン翼車６、コンプレッサ翼車７および回転軸１４）が高速回転する。タービン側治具３４に供給された空気は、流出流路Ｐｃを介してタービン側治具３４外に流出する。一方、タービン翼車６が回転すると、第１のオリフィス板４１の孔部４１ａおよび吸入流路Ｐａを通じて空気が吸入し、圧縮される。圧縮空気は、吐出流路Ｐｂおよび第２のオリフィス板４２の孔部４２ａを通じて排出される。

回転体１２がアンバランス量の計測を行う所定の回転速度まで到達したら、加速度ピックアップ３８により加速度（振動）および位相を検出する。これとともに、回転検出器３９により回転検出器３９により回転体１２の回転角度を検出し、コンプレッサ翼車７のアンバランス量を検出する。演算部４０は、これらの検出データに基づいて、ナット１６の削り量等を演算する。この演算結果は、図示しないディスプレイまたはプリンター等に出力される。

バランス検査装置３０は、この演算結果に基づいて、回転バランスの修正を行う。具体的には、バランス検査装置３０は、ナット１６またはコンプレッサ翼車７の一部を研削する。以上の工程を繰り返し、加速度が許容値以下であることを確認したら、検査および修正工程を終了し、回転体１２および軸受ハウジング１３をバランス検査装置３０から取り外す。

バランス検査装置３０によれば、コンプレッサ側治具３５の吸入流路Ｐａには、その断面積を縮小する第１のオリフィス板４１が設けられるため、コンプレッサ側治具３５の吸入圧力を下げることができ、コンプレッサの動力が下がることによって回転体１２の回転数を上げることができる。このように、作動点を調整することができるため、タービン側治具３４においても、流入圧力を下げることができる。よって、回転体１２のバランス検査を行う際に、常温域の空気を用いる場合でも、タービンの出力を上げるためにタービン翼車６への流入圧力が高くなりすぎることを抑制でき、その結果としてスラスト力を低減できる。その結果として、特にタービン２側のスラスト軸受２１を保護することができる。また、第１のオリフィス板４１の孔部４１ａの直径を適宜設定することで、吸入流路Ｐａの断面積を調整できるので、作動点を任意に調整可能である。

上記したように、第１のオリフィス板４１によって、タービン側治具３４への流入圧力の低下を図ることができ、タービン２側のスラスト軸受２１を保護することができる。さらには、コンプレッサ側治具３５の吐出流路Ｐｂに第２のオリフィス板４２が設けられることにより、吐出流路Ｐｂの断面積を調整することができる。これによっても、作動点を調整することができる。たとえば、第２のオリフィス板４２の開口度を大きくすることによって吐出流路Ｐｂの断面積を大きくすれば、吐出圧力を低下させることができ、コンプレッサ３側のスラスト軸受を保護することができる。

コンプレッサ側治具３５にオリフィスが設けられない従来の構成では、特に、近年の高速化に対応しようとすると、常温エアを用いた運転では、タービン側治具３４への流入圧力が増大して実車搭載時とスラストバランスが変わってしまう。上記実施形態のバランス検査装置３０によれば、好適なスラストバランスを保つことができ、スラスト軸受２１の摩耗を抑制することができる。バランス検査装置３０は、常温エア駆動の高速バランサにおいて、特に有利な効果を発揮する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、第１のオリフィス部は、上記した第１のオリフィス板４１に限られない。図３（ｂ）に示されるように、中央の１つの孔部４３ａと、孔部４３ａの周囲で１８０度の位置に設けられた２つの孔部４３ｂとを備えた第１のオリフィス板４３であってもよい。図３（ｃ）に示されるように、中央の１つの孔部４４ａと、孔部４４ａの周囲で周方向に等間隔に設けられた複数の孔部４４ｂ（図示された例では４５度間隔で８つ）とを備えた第１のオリフィス板４４であってもよい。図３（ｄ）に示されるように、中央の１つの孔部４５ａと、孔部４５ａの周囲で１８０度の位置に設けられた２つの孔部４５ｂとを備えた第１のオリフィス板４５を用い、１つの孔部４５ａ内に２つの孔部４４ｂが含まれるように構成してもよい。この場合、第１のオリフィス板４４と第１のオリフィス板４５を重ね合わせることにより、開口度を調整することができる。さらに、第１のオリフィス部は、流路の断面積を調整することができる機構であれば、たとえば、バタフライ弁など公知のバルブ機構を用いてもよい。

検査対象の過給機は、電動過給機であってもよい。スラスト軸受２１およびスラスト軸受２２は、すべり軸受である場合に限られず、玉軸受等の転がり軸受であってもよい。バランス検査装置３０が常温エア駆動である場合について説明したが、本発明のバランス検査装置は、加熱された空気を用いる型式であってもよい。演算部４０は、振動台３１から離れた場所に設けられてもよい。この場合、加速度ピックアップ３８および回転検出器３９からの検出信号が無線で送信される構成のバランス検査システムの態様を採ってもよい。さらに、特開２０１４−２１８９０３公報に示すように、パルセーションを検査するパルセーション検査部（図示せず）を設けて、パルセーション検査を、回転体のバランス検査と同時に行ってもよい。

１ 過給機
２ タービン
３ コンプレッサ
４ タービンハウジング
５ コンプレッサハウジング
６ タービン翼車
７ コンプレッサ翼車
１２ 回転体
１３ 軸受ハウジング
１４ 回転軸
１６ ナット
２０ カラー
２１ スラスト軸受（タービン２側のスラスト軸受）
２２ スラスト軸受（コンプレッサ３側のスラスト軸受）
３０ バランス検査装置
３４ タービン側治具
３５ コンプレッサ側治具
４１、４３、４４、４５ 第１のオリフィス板（第１のオリフィス部）
４２ 第２のオリフィス板（第２のオリフィス部）
Ｈ 回転軸線
Ｐａ 吸入流路
Ｐｂ 吐出流路

Claims (2)

1. タービン翼車とコンプレッサ翼車とが回転軸の両端に設けられた過給機の回転体のバランスを検査するためのバランス検査装置であって、
   前記回転軸には、軸受ハウジング内に取付けられて、前記回転軸を支持する少なくとも１つのスラスト軸受が設けられており、
   前記軸受ハウジングの軸線方向の一方に配置されて、前記タービン翼車を収納するタービン側治具と、
   前記軸受ハウジングの軸線方向の他方に配置されて、前記コンプレッサ翼車を収納するコンプレッサ側治具と、
   前記コンプレッサ側治具の吸入流路に設けられて、前記吸入流路の断面積を縮小する第１のオリフィス部と、を備える、バランス検査装置。
2. 前記スラスト軸受は、前記回転軸に設けられたカラーの前記タービン翼車側に配置されたタービン側のスラスト軸受と、前記カラーの前記コンプレッサ翼車側に配置されたコンプレッサ側のスラスト軸受と、を含み、
   前記コンプレッサ側治具の吐出流路に設けられて、前記吐出流路の断面積を縮小する第２のオリフィス部を更に備える、請求項１に記載のバランス検査装置。

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