JP2024009621A - Method for balancing rotating body - Google Patents

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智美 田中
Tomomi Tanaka
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Abstract

To improve the correction effect while suppressing an increase in cost in a method for balancing a rotating body.SOLUTION: A method for balancing a rotating body including at least two bearings, a rotor, and a heavy object attached to the rotor, includes: a first step of performing balance processing on a rotor in a single state in a high rotation speed range until a mode is generated having a translational mode component, a conical mode component, a first bending mode component, and a second bending mode component; and performing low-speed balancing processing on the rotor in a rotational speed range lower than the rotational speed in the first step in an assembled state in which a heavy object is attached to the rotor.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、回転体のバランス方法に関し、特に、蒸気タービンなどの弾性または準弾性のロータに適用可能なバランス方法に関する。 The present invention relates to a method for balancing a rotating body, and in particular to a method for balancing a rotor that is applicable to an elastic or quasi-elastic rotor such as a steam turbine.

一般に蒸気タービンのロータは、ロータ軸に複数のディスクを備え、それぞれにタービン動翼の翼列が組み込まれている。翼列の仕様が性能面によって決定されることにより、ディスクの仕様もほぼ一様に決定される。この際、翼列数の増加やロータ軸長の増大、ディスク径の低下は、ロータの剛性を低下させる要因になり、定格回転数以下に曲げ成分を含む危険速度が存在する。このようなロータを弾性ロータという。ここで、危険速度とは、回転体と軸受系の質量、材料からくる剛性により決る共振周波数に対応する、回転体の回転速度をいう。なお、ロータの曲げ成分を含む危険速度が実運転回転数より大きい場合でも、危険速度が実運転回転数の近傍にあると、実運転回転数での振動変位が増大し、ロータの信頼性を低下させることがある。そこで、以上のようなロータにおいて、実運転回転数より十分低い低回転数域において実行される低速バランスと、実運転回転数と同等の高回転数域において実行される高速バランスとの、2つのバランスを実行することにより、振動変位を低減している。 Generally, the rotor of a steam turbine includes a plurality of disks on the rotor shaft, each of which has a row of turbine rotor blades incorporated therein. Since the specifications of the blade cascade are determined by performance aspects, the specifications of the disks are also determined almost uniformly. At this time, an increase in the number of blade rows, an increase in the rotor axis length, and a decrease in the disk diameter are factors that reduce the rigidity of the rotor, and a critical speed including a bending component exists below the rated rotation speed. Such a rotor is called an elastic rotor. Here, the critical speed refers to the rotational speed of the rotating body that corresponds to the resonance frequency determined by the mass of the rotating body and the bearing system and the rigidity of the material. Even if the critical speed including the bending component of the rotor is higher than the actual operating speed, if the critical speed is close to the actual operating speed, the vibration displacement at the actual operating speed will increase and the reliability of the rotor will be affected. It may reduce the Therefore, in the rotor as described above, there are two types of balance: low-speed balance, which is performed in a low rotational speed range that is sufficiently lower than the actual operating rotational speed, and high-speed balance, which is performed in a high rotational speed range that is equivalent to the actual operating rotational speed. By performing balance, vibration displacement is reduced.

回転体のバランス方法としては、特許文献1,2において提案されている。すなわち、特許文献1に記載されたバランス方法においては、軸端において便宜的に発見したバランスウエイトの情報に基づいて、ロータの端部以外のインペラ部において、(N+2)面バランスを達成できるバランスウエイトに等価変換して、インペラを削ることによってアンバランスを改善している。特許文献2に記載されたバランス方法においては、低回転数域のみのバランス作業によって、曲げ成分を多く含むモードの振動変位を低減している。バランスウエイト取付修正面は、ロータの両軸端部分と中央部分との合計3面であり、低回転数域における測定結果に、過去の実測や計算結果を反映させている。 A method for balancing a rotating body is proposed in Patent Documents 1 and 2. That is, in the balance method described in Patent Document 1, based on the information on the balance weight conveniently discovered at the shaft end, a balance weight that can achieve (N+2) plane balance in the impeller part other than the end of the rotor is determined. The unbalance is improved by equivalently converting it to , and cutting the impeller. In the balancing method described in Patent Document 2, vibration displacement in a mode that includes many bending components is reduced by performing balancing work only in a low rotation speed range. There are a total of three balance weight mounting and correction surfaces: the end portions of both shafts of the rotor and the center portion, and past actual measurements and calculation results are reflected in the measurement results in the low rotation speed range.

特開平6-273254号公報Japanese Patent Application Publication No. 6-273254 特開2007-327369号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-327369

ターボ機械協会第47巻第7号pp.393-403Turbomachinery Association Vol. 47 No. 7 pp. 393-403 W.Kellenberger, “Should a Flexible Rotor Be Balanced in N or (N+2) Planes?”, Trans.ASME, J of Eng. For Ind., Vol.94, No.2, pp548-559(1972)W.Kellenberger, “Should a Flexible Rotor Be Balanced in N or (N+2) Planes?”, Trans.ASME, J of Eng. For Ind., Vol.94, No.2, pp548-559(1972)

しかしながら、特許文献1に記載の技術においては、(N+2)面バランスによって振動変位を効果的に低減できる一方、タービンなどにおいては、バランスをとるための翼列やディスクの研削は行われない。研削する場合であっても、作業時間が増加し、かつ研削後のやり直しが困難になり、実際にはコストが増加する可能性がある。さらに、曲げ成分を多く含むモードに効果的な位置であるロータの中央部の近傍において、バランスウエイトを取り付けられない場合には修正効果が得られない可能性がある。 However, in the technique described in Patent Document 1, while vibration displacement can be effectively reduced by (N+2) plane balance, in a turbine or the like, blade rows or disks are not ground for balance. Even in the case of grinding, the working time increases and redoing after grinding becomes difficult, which may actually increase costs. Furthermore, if a balance weight cannot be attached near the center of the rotor, which is an effective position for modes that include many bending components, there is a possibility that no correction effect can be obtained.

また、特許文献2に記載の技術においては、回転機械の有するアンバランス量やその位置は回転体ごとに異なり、さらに低回転数域においては曲げ成分を多く含むモードは生じない。そのため、曲げ成分を多く含むモードを実際に生じさせるバランス方法に比して、バランス効果が得られる可能性が低く、修正効果が十分に得られないという問題が残る。また、バランスウエイト取付修正面が3面であることから、2次以降の曲げモードの振動変位を低減できないという問題も残存する。 Furthermore, in the technique described in Patent Document 2, the amount of unbalance that a rotating machine has and its position differ depending on the rotating body, and furthermore, a mode that includes many bending components does not occur in a low rotational speed range. Therefore, compared to a balance method that actually generates a mode that includes many bending components, the possibility of obtaining a balance effect is lower, and the problem remains that a sufficient correction effect cannot be obtained. Furthermore, since there are three balance weight attachment and correction surfaces, there remains the problem that vibration displacement in secondary and subsequent bending modes cannot be reduced.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転体のバランスを取る際の、コストの増加を抑制しつつ修正効果を向上させることができる回転体のバランス方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a method for balancing a rotating body that can improve the correction effect while suppressing an increase in cost when balancing a rotating body. It's about doing.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る回転体のバランス方法は、少なくとも二つの軸受部と、ロータと、前記ロータに取り付ける重量物とを有して構成される回転体のバランス方法であって、並進モード成分、コニカルモード成分、曲げ一次モード成分、および曲げ二次モード成分を有するモードが生じるまでの高回転数域によって単体状態の前記ロータに対してバランス処理を行う第1ステップと、前記ロータに対して前記重量物を取り付けた組立状態において、前記第1ステップの回転速度よりも低い回転数域で前記ロータに対して低速バランス処理を行う第2ステップと、を含む。 In order to solve the above problems and achieve the objects, a method for balancing a rotating body according to a first aspect of the present invention includes at least two bearings, a rotor, and a heavy object attached to the rotor. A method of balancing a rotating body comprising: a first step of performing a balance process on the rotor, and performing a low-speed balance process on the rotor in a rotation speed range lower than the rotation speed in the first step in an assembled state in which the heavy object is attached to the rotor; a second step.

本発明の第2の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第1の態様において、前記第2ステップの前記回転数域は、前記並進モード成分および前記コニカルモード成分を有する回転数域である。 In the method for balancing a rotating body according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the rotation speed range of the second step is a rotation speed range having the translational mode component and the conical mode component. be.

本発明の第3の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第1または第2の態様において、前記回転体は、前記軸受部の剛性が低下された構造が付加されて危険速度が低減された構造を有する。 A third aspect of the present invention provides a method for balancing a rotating body according to the first or second aspect, in which the rotating body is provided with a structure in which the rigidity of the bearing portion is reduced so that the critical speed is reduced. It has a built-in structure.

本発明の第4の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第3の態様において、前記並進モード成分、前記コニカルモード成分、前記曲げ一次モード成分、および前記曲げ二次モード成分を有するモードを、実運転回転数以下において生じさせる。 A method for balancing a rotating body according to a fourth aspect of the present invention is a mode having the translational mode component, the conical mode component, the first-order bending mode component, and the second-order bending mode component in the above-mentioned third aspect. occurs below the actual operating speed.

本発明の第5の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第3または第4の態様において、前記軸受部に弾性体が設けられている。 In the method for balancing a rotating body according to a fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect described above, the bearing portion is provided with an elastic body.

本発明の第6の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第1~第5の態様のいずれか1つの態様において、前記軸受部に直列で取り付ける前記弾性体の剛性は、前記軸受部の剛性の50%以下とする。 In the method for balancing a rotating body according to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects described above, the rigidity of the elastic body attached in series to the bearing part is 50% or less of the rigidity of

本発明の第7の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第1~第6の態様のいずれか1つの態様において、前記並進モード成分と、前記コニカルモード成分と、前記曲げ一次モード成分および前記曲げ二次モード成分とに対応する、(N+2)個の修正面を用いる。 A method for balancing a rotating body according to a seventh aspect of the present invention is a method for balancing a rotating body according to any one of the first to sixth aspects described above, in which the translational mode component, the conical mode component, and the bending primary mode component are and (N+2) correction surfaces corresponding to the bending secondary mode components.

本発明の第8の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第1~第7の態様のいずれか1つの態様において、前記第2ステップにおいて、前記重量物の取り付けと前記低速バランス処理とを、複数回実行する。 A rotating body balancing method according to an eighth aspect of the present invention is, in any one of the first to seventh aspects described above, in the second step, the mounting of the heavy object and the low-speed balancing process are performed. Execute multiple times.

本発明の第9の態様に係る回転体のバランス方法は、上記の第1~第8の態様のいずれか1つの態様において、前記第1ステップにおいて、前記重量物の少なくとも一部を取り付けた状態で、前記高回転数域でのバランス処理を実行する。 A method for balancing a rotating body according to a ninth aspect of the present invention is a method for balancing a rotating body according to any one of the first to eighth aspects described above, in which, in the first step, at least a part of the heavy object is attached. Then, the balance processing in the high rotational speed range is executed.

本発明による回転体のバランス方法によれば、コストの増加を抑制しつつ修正効果を向上させることが可能となる。 According to the method for balancing a rotating body according to the present invention, it is possible to improve the correction effect while suppressing an increase in cost.

図1は、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法が適用されるタービンロータの概略を示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a turbine rotor to which a rotating body balancing method according to a first embodiment of the present invention is applied. 図2は、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for balancing a rotating body according to the first embodiment of the present invention. 図3Aは、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法を説明するための図である。FIG. 3A is a diagram for explaining a method for balancing a rotating body according to the first embodiment of the present invention. 図3Bは、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法を説明するための図である。FIG. 3B is a diagram for explaining a method for balancing a rotating body according to the first embodiment of the present invention. 図3Cは、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法を説明するための図である。FIG. 3C is a diagram for explaining a method for balancing a rotating body according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第2の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining a method for balancing a rotating body according to a second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第3の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart for explaining a method for balancing a rotating body according to a third embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施形態によるタービンロータのクリティカルマップを説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a critical map of a turbine rotor according to an embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第4の実施形態による回転体のバランス方法が適用されるタービンロータの概略を示す図である。FIG. 7 is a diagram schematically showing a turbine rotor to which a rotating body balancing method according to a fourth embodiment of the present invention is applied. 図8は、本発明の実施形態の具体的な実施例によるタービンロータのアンバランスの例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of turbine rotor imbalance according to a specific example of the embodiment of the present invention. 図9Aは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、単体状態のロータの低速バランス修正前後の第1計測点の振動変位の計算結果を示すグラフである。FIG. 9A is a graph showing the calculation results of the vibration displacement at the first measurement point before and after the low-speed balance correction of the single rotor in an example of unbalance of the turbine rotor according to the embodiment of the present invention. 図9Bは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、単体状態のロータの低速バランス修正前後の第2計測点の振動変位を示すグラフである。FIG. 9B is a graph showing the vibration displacement at the second measurement point before and after low-speed balance correction of the single rotor in an example of unbalance of the turbine rotor according to the embodiment of the present invention. 図10Aは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、単体状態のロータの高速バランス修正後、重量物の取り付け後、およびばねを取り外した後の第1計測点の振動変位を示すグラフである。FIG. 10A shows the vibration displacement at the first measurement point after high-speed balance correction of a single rotor, after attachment of a heavy object, and after removal of a spring in an example of unbalance of a turbine rotor according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing. 図10Bは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、単体状態のロータの高速バランス修正後、重量物の取り付け後、およびばねを取り外した後の第2計測点の振動変位を示すグラフである。FIG. 10B shows the vibration displacement at the second measurement point after high-speed balance correction of a single rotor, after attachment of a heavy object, and after removal of a spring in an example of unbalance of a turbine rotor according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing. 図11Aは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、低速バランス処理前の振動変位中のモード成分を示すグラフである。FIG. 11A is a graph illustrating modal components during vibrational displacement before low speed balancing in an example of turbine rotor imbalance according to an embodiment of the invention. 図11Bは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、低速バランス処理後の振動変位中のモード成分を示すグラフである。FIG. 11B is a graph illustrating the modal components in vibrational displacement after low speed balancing in an example of turbine rotor imbalance according to an embodiment of the present invention. 図11Cは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、高速バランス処理前の振動変位中のモード成分を示すグラフである。FIG. 11C is a graph illustrating modal components during vibrational displacement before high speed balancing in an example of turbine rotor imbalance according to an embodiment of the invention. 図11Dは、本発明の実施形態によるタービンロータのアンバランスの例における、重量物を取り付けた後において低速バランス処理後の振動変位中のモード成分を示すグラフである。FIG. 11D is a graph illustrating the modal components during vibrational displacement after a low-speed balancing process after installing a heavy object in an example of turbine rotor imbalance according to an embodiment of the present invention. 図11Eは、従来技術によるタービンロータのアンバランスの例における、低速バランス処理の実施後の振動変位中のモード成分を示すグラフである。FIG. 11E is a graph illustrating the modal components in the vibrational displacement after performing a low speed balancing process in an example of turbine rotor imbalance according to the prior art. 図12は、従来技術による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart for explaining a conventional method for balancing a rotating body.

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in all the figures of the following embodiment, the same code|symbol is attached to the same or corresponding part. Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described below.

まず、本発明の理解を容易にするために、従来技術が有する問題、および従来技術が有する問題に関して本発明者が行った鋭意検討について説明する。図12は、従来技術による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。図12に示すように、従来技術による回転体のバランス方法としては、ステップST101において、回転体としてのロータに重量物を取り付ける。次に、ステップST102に移行して、低速バランス処理を実行する。続けて、ステップST103に移行して、高速バランス処理を実行する。従来の回転体のバランス方法においては、ロータに重量物を取り付けた後に組立状態でバランスを行うステップST100のみから構成される。 First, in order to facilitate understanding of the present invention, problems with the prior art and intensive studies conducted by the present inventor regarding the problems with the prior art will be described. FIG. 12 is a flowchart for explaining a conventional method for balancing a rotating body. As shown in FIG. 12, in the conventional method for balancing a rotating body, in step ST101, a heavy object is attached to a rotor as a rotating body. Next, the process moves to step ST102 and low-speed balance processing is executed. Subsequently, the process moves to step ST103 and high-speed balance processing is executed. The conventional method for balancing a rotating body includes only step ST100, in which a heavy object is attached to the rotor and then balancing is performed in the assembled state.

従来技術による回転体のバランス方法においては、ステップST100のように、ロータに対してタービン動翼などの重量物を取り付けた後の組立状態においてバランス処理を実行している。そのため、回転時に回転機械を格納するチャンバの大きさは、重量物の径を考慮した大きさにする必要がある。 In the prior art method for balancing a rotating body, as in step ST100, the balancing process is performed in an assembled state after a heavy object such as a turbine rotor blade is attached to the rotor. Therefore, the size of the chamber in which the rotary machine is stored during rotation needs to be sized in consideration of the diameter of the heavy object.

ここで、ステップST102における低速バランス処理においては通常、ロータの回転速度は実運転回転数よりも小さく、例えば毎分数100回程度である。そのため、低速バランス処理に用いる駆動モータやチャンバなどの処理装置に関しては、高速バランス処理に用いる駆動モータやチャンバなどの処理装置に比して安価で簡単な構成のものを使用できる。低速バランス処理を実行する際の条件によっては、チャンバ内の真空引きなどを実行することが不要な場合もあり、さらに、チャンバ自体が不要な場合もある。 Here, in the low-speed balance process in step ST102, the rotational speed of the rotor is usually lower than the actual operating rotational speed, for example, about several hundred times per minute. Therefore, processing devices such as a drive motor and a chamber used for low-speed balance processing can be cheaper and simpler in structure than processing devices such as a drive motor and a chamber used for high-speed balance processing. Depending on the conditions when executing the low-speed balance process, it may not be necessary to evacuate the chamber, and furthermore, the chamber itself may not be necessary.

低速バランス処理においては、ロータの両端部の近傍に設けられたバランスウエイト取付修正面の2面が用いられる。ここで、低回転数域において抑制可能な振動モードは、並進モード(パラレルモード)および傾きモード(コニカルモード)の2つのモードである。いずれのモードもロータの両端部が振れるモードであることから、ロータの両端部の近傍に設けられたバランスウエイト取付修正面の2面を利用することにより、低速バランス処理が実行できる。 In the low-speed balance process, two balance weight mounting correction surfaces provided near both ends of the rotor are used. Here, the vibration modes that can be suppressed in the low rotation speed range are two modes: a translation mode (parallel mode) and a tilt mode (conical mode). Since both of the modes are modes in which both ends of the rotor swing, low-speed balance processing can be performed by using the two balance weight attachment correction surfaces provided near both ends of the rotor.

一方、ステップST103における高速バランス処理においては通常、ロータの回転速度は実運転回転数程度、または実運転回転数と同等程度まで上昇させる。そのため、高速バランス処理の実行に際しては、運転上、回転機械をチャンバに格納して、チャンバ内を真空引きする必要がある。さらに、ロータを高回転数域まで到達させるために、駆動モータとしても低速バランス処理に用いる駆動モータに比して高価なモータが必要になる。 On the other hand, in the high-speed balance process in step ST103, the rotational speed of the rotor is usually increased to about the actual operating rotational speed or to a level equivalent to the actual operating rotational speed. Therefore, when performing high-speed balance processing, it is necessary to store the rotating machine in a chamber and evacuate the inside of the chamber. Furthermore, in order to drive the rotor to a high rotational speed range, a motor that is more expensive than the drive motor used for low-speed balance processing is required as a drive motor.

高速バランスにおいては、曲げ成分を多く含むモード(N個)が振動抑制の対象に追加される。そのため、バランスウエイト取付修正面としては(N+2)面が用いられる。高速バランスのために追加されるN面のバランスウエイト取付修正面は、振動モードの腹となる部分、具体的な例としては、曲げ一次モードであればロータの中央に設置するとバランス効果が得やすくなる。 In high-speed balance, modes (N) including many bending components are added to vibration suppression targets. Therefore, the (N+2) plane is used as the balance weight attachment correction plane. The N-plane balance weight mounting correction surface added for high-speed balance is the part that becomes the antinode of the vibration mode.For example, if it is in the primary bending mode, it is easier to obtain a balance effect if it is installed in the center of the rotor. Become.

また、高速バランス処理においても、ロータに重量物を取り付けた状態で実行される。そのため、高速バランス処理において追加されるバランスウエイト取付修正面のN面の取り付けは、低速バランス処理で用いた2面に比して困難になる。例えば、翼列間が狭い場合、取り付け済の翼列に阻害されてバランスウエイトを取り付けられないため、ロータの中央部分の近傍は修正面として採用できない場合がある。 Furthermore, high-speed balance processing is also executed with a heavy object attached to the rotor. Therefore, attachment of the N side of the balance weight attachment correction surface added in the high-speed balance process is more difficult than the two sides used in the low-speed balance process. For example, if the spacing between the blade rows is narrow, the balance weight cannot be attached because it is obstructed by the already attached blade rows, so the area near the center of the rotor may not be able to be used as a correction surface.

さらに、高速バランス処理は、実運転回転数と同等の高回転数域で運転する必要がある。タービン動翼などの重量物が取り付けられた組立状態では、回転機械の最外径はタービン翼列の最終段先端径によって決定される場合が多い。そのため、組立ロータは、単体のロータに比して大きなチャンバが必要になる。タービン動翼を取り付けた組立状態においてバランスを取る場合は、大気中での回転であっても、タービン動翼による回転負荷が大きくなる。そのため、組立ロータを駆動させようとすると、駆動モータなどを有する処理装置も組立ロータの大きさに比例して大型化させる必要が生じる。 Furthermore, high-speed balance processing requires operation in a high rotational speed range equivalent to the actual operating rotational speed. In an assembled state where a heavy object such as a turbine rotor blade is attached, the outermost diameter of the rotating machine is often determined by the diameter of the tip of the final stage of the turbine blade row. Therefore, the assembled rotor requires a larger chamber than a single rotor. When maintaining balance in an assembled state with turbine rotor blades attached, the rotational load due to the turbine rotor blades becomes large even when rotating in the atmosphere. Therefore, in order to drive the assembled rotor, it is necessary to increase the size of the processing device including the drive motor etc. in proportion to the size of the assembled rotor.

このように、組立ロータの方がロータ単体よりも最終段階に近く、実物にほぼ近いためバランス効果はより得られやすいと考えられる反面、取扱いの負担が増加するとともに、処理装置も大型化するという問題がある。さらに、ロータにタービン動翼などの重量物が取り付けられた状態では、振動変位を計測可能な位置や、バランスウエイト取付可能な位置が限定されるという問題が生じる。 In this way, an assembled rotor is closer to the final stage than a single rotor, and is almost similar to the actual product, so it is thought that it is easier to achieve a balance effect, but on the other hand, the burden of handling increases and the processing equipment also becomes larger. There's a problem. Furthermore, when a heavy object such as a turbine rotor blade is attached to the rotor, a problem arises in that the positions where vibration displacement can be measured and the positions where the balance weight can be attached are limited.

そこで本発明者は、少なくとも二つの軸受部と、ロータと、前記ロータに取り付ける重量物とを有して構成される回転体のバランス方法に関して、種々の実験および検討を行った。そして、本発明者は、ロータに重量物が取り付けられていない単体状態のロータに対して並進モード成分、コニカルモード成分、曲げ一次モード成分、および曲げ二次モード成分を有するモードが生じるまでの回転速度によってバランス処理を行う第1ステップと、ロータに対して重量物を取り付けた組立状態において、第1ステップの回転速度よりも低い回転数域でロータに対して低速バランス処理を行う第2ステップと、を含むバランス方法を案出した。本発明者の検討によれば、このような第1ステップと第2ステップとを含むことにより、第1ステップにおいては単体状態のロータが有する剛体成分と曲げ成分とのアンバランスを低減し、第2ステップにおいては組立状態とされる取り付けられる重量物によって生じる剛体成分のアンバランスを低減することが可能となる。以下に説明する実施形態は、本発明者による以上の検討に基づいて案出されたものである。 Therefore, the present inventor conducted various experiments and studies regarding a method for balancing a rotating body that includes at least two bearings, a rotor, and a heavy object attached to the rotor. The present inventor then developed a method for rotating a rotor in a single state with no heavy object attached to it until a mode having a translational mode component, a conical mode component, a bending first mode component, and a bending second order mode component occurs. A first step in which a balance process is performed depending on the speed, and a second step in which a low-speed balance process is performed on the rotor in a rotation speed range lower than the rotation speed in the first step in an assembled state with a heavy object attached to the rotor. We devised a balance method that includes . According to the inventor's study, by including the first step and the second step, the unbalance between the rigid body component and the bending component of the single rotor is reduced in the first step, and the unbalance in the first step is reduced. In the second step, it is possible to reduce the unbalance of the rigid body component caused by the attached heavy object in the assembled state. The embodiment described below was devised based on the above study by the present inventor.

図1は、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法が適用されるタービンロータを示す概略図である。なお、以下に説明する実施形態においては、回転体としてタービンロータを対象として説明するが、タービンロータに限定されるものではなく、本発明が適用可能なあらゆる回転機械を回転体とすることが可能である。また、以下の図においては、ロータの長手方向を軸方向とし、軸方向に垂直な方向を径方向とする。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a turbine rotor to which a rotating body balancing method according to a first embodiment of the present invention is applied. In the embodiments described below, a turbine rotor will be described as a rotating body, but the rotating body is not limited to a turbine rotor, and any rotating machine to which the present invention is applicable can be used as a rotating body. It is. Further, in the following figures, the longitudinal direction of the rotor is defined as the axial direction, and the direction perpendicular to the axial direction is defined as the radial direction.

図1に示すように、タービンロータ1におけるロータ軸であるロータ11には軸方向に沿って、例えばタービン動翼などの重量物を取り付けるためのディスク12が少なくとも1つ、好適には複数設けられている。ロータ11の両軸端の近傍にはそれぞれ、軸受13および軸受13を固定する架台14が設けられている。架台14は、径方向に対してロータ11を支持する。ロータ11のディスク12には選択的にバランスウエイト取付溝15が形成されている。図1に示す例では、ディスク12にバランスウエイト取付溝15を合計で3箇所に形成されている。 As shown in FIG. 1, a rotor 11, which is a rotor axis of a turbine rotor 1, is provided with at least one, preferably a plurality of disks 12 along the axial direction, for attaching a heavy object such as a turbine rotor blade. ing. A bearing 13 and a frame 14 for fixing the bearing 13 are provided near both shaft ends of the rotor 11, respectively. The pedestal 14 supports the rotor 11 in the radial direction. A balance weight mounting groove 15 is selectively formed in the disk 12 of the rotor 11. In the example shown in FIG. 1, balance weight mounting grooves 15 are formed in the disk 12 at three locations in total.

バランスウエイト取付に用いる修正面の最小面数は、本実施形態において、低速バランス処理では2面、高速バランス処理では3面である。バランスウエイト取付溝15は、取り付け作業が可能な部分に設けられる。この場合、従来のバランス処理においては、取り付けたタービン動翼などの重量物が作業の制約になる可能性がある。また、ディスク12の修正面と修正面との間の軸方向に沿った距離が近い場合、それぞれの面でのバランスの修正効果を十分に得ることが困難になる可能性もある。一方、バランス処理のためにディスク12間の距離を大きくすると、コストの増加を招く。本実施形態においては以上の点を考慮して、ディスク12のロータ11における最外端または最外端の近傍の合計2面と、ロータ11の軸方向に沿った中央部分の近傍であって、軸方向に対して空間を有する1面とをバランス面として選択することが好ましい。 In this embodiment, the minimum number of correction surfaces used for attaching the balance weight is two in the low-speed balance process and three in the high-speed balance process. The balance weight attachment groove 15 is provided in a portion where attachment work is possible. In this case, in conventional balance processing, heavy objects such as attached turbine rotor blades may become a constraint on the work. Further, if the distance between the correction surfaces of the disk 12 in the axial direction is short, it may be difficult to obtain a sufficient balance correction effect on each surface. On the other hand, increasing the distance between the disks 12 for balance processing results in an increase in cost. In this embodiment, in consideration of the above points, a total of two surfaces of the disk 12 at or near the outermost end of the rotor 11 and near the central portion of the rotor 11 along the axial direction, It is preferable to select one surface having a space in the axial direction as the balance surface.

図2は、本発明の第1の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。図3A、図3B、および図3Cはそれぞれ、第1の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのタービンロータの概略を示す図である。 FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for balancing a rotating body according to the first embodiment of the present invention. 3A, 3B, and 3C are diagrams each schematically showing a turbine rotor for explaining the method for balancing a rotating body according to the first embodiment.

図2に示すように、第1の実施形態においてはまず、ステップST1において、ロータ11を単体状態としてバランス処理を行う。その後、ステップST2において、ロータ11に重量物を取り付けた後の組立状態においてバランス処理を行う。 As shown in FIG. 2, in the first embodiment, first, in step ST1, a balance process is performed with the rotor 11 in a single state. Thereafter, in step ST2, a balance process is performed in the assembled state after the heavy object is attached to the rotor 11.

第1ステップとしてのステップST1は、図3Aに示すように、ロータ11の単体に対して低速バランス処理を行うステップST11と、図3Bに示すようにステップST11に続けて、高速バランス処理を行うステップST12とから構成される。なお、ステップST11による低速バランス処理においては、図3Aに示すように、軸受13に代えて低速バランス処理用の支柱17を用いることが可能である。 Step ST1 as the first step includes a step ST11 in which low-speed balance processing is performed on the single rotor 11 as shown in FIG. 3A, and a step in which high-speed balance processing is performed following step ST11 as shown in FIG. 3B. ST12. In addition, in the low-speed balance process in step ST11, as shown in FIG. 3A, it is possible to use a column 17 for low-speed balance process instead of the bearing 13.

第2ステップとしてのステップST2は、図2に示すように、ロータ11に重量物18を取り付けるステップST21と、低速バランス処理を行うステップST22とから構成される。なお、低速バランス処理においては、ステップST11と同様に、軸受13に代えて低速バランス処理用の支柱17を用いることが可能である。 As shown in FIG. 2, step ST2 as the second step includes step ST21 of attaching the heavy object 18 to the rotor 11, and step ST22 of performing low-speed balance processing. In addition, in the low-speed balance process, it is possible to use the support column 17 for low-speed balance process in place of the bearing 13, similarly to step ST11.

図2に示すように、第1の実施形態によるタービンロータ1のバランス方法としては、ロータ11を単体状態としてバランス処理を行うステップST1の工程から始める。ステップST1によるバランス処理は第1に、ステップST11において単体状態のロータ11に対して低速バランス処理を行うことによって、振動変位中の剛体モード成分を抑制できる。第2に、ステップST12において高速バランス処理を行うことによって、振動変位中の曲げモード成分を抑制できる。 As shown in FIG. 2, the method for balancing the turbine rotor 1 according to the first embodiment starts with a step ST1 in which a balancing process is performed with the rotor 11 in a single unit state. First, the balance process in step ST1 can suppress the rigid body mode component during vibration displacement by performing low-speed balance process on the single rotor 11 in step ST11. Second, by performing high-speed balance processing in step ST12, bending mode components during vibration displacement can be suppressed.

ステップST1の実行段階においては、ロータ11の単体として剛体モードの不釣り合いをほぼ0にできるとともに、弾性モードの不釣合いをほぼ0にすることができる。すなわち、実際のタービンロータ1を搭載した実機における実回転数の全域において高度なバランス状態(以下、高度バランス状態)にある。このように、単体状態のロータ11の高度バランス状態を、重量物の取り付け作業前に実現することが、本第1の実施形態によるバランス方法の特徴である。 In the execution stage of step ST1, the unbalance of the rigid body mode of the rotor 11 as a single unit can be made almost 0, and the unbalance of the elastic mode can be made almost 0. That is, an actual machine equipped with an actual turbine rotor 1 is in a highly balanced state (hereinafter referred to as a highly balanced state) over the entire range of actual rotational speeds. In this way, the feature of the balancing method according to the first embodiment is that the altitude balance state of the rotor 11 in a single unit state is achieved before the work of attaching a heavy object.

次のステップST2においてロータ11に種々の重量物を取り付ける、重量物取り付け作業が実行される。ステップST2においては、個々の重量物の取り付けごとに低速バランス処理を実行することによって、付加物の不釣り合いがほぼ0であることを確認する。これによって、組立後において上述した高度バランス状態を維持する。すなわち、ステップST1においてロータ11に対してバランス処理が実行された後、ステップST2に移行する。ステップST2によって、振動変位中の剛体モード成分を抑制できる。 In the next step ST2, a heavy object attachment operation is performed in which various heavy objects are attached to the rotor 11. In step ST2, it is confirmed that the unbalance of the additional object is approximately 0 by executing a low-speed balance process for each attachment of the heavy object. This maintains the above-mentioned altitude balance state after assembly. That is, after the balance process is performed on the rotor 11 in step ST1, the process moves to step ST2. By step ST2, the rigid body mode component during vibration displacement can be suppressed.

第1の実施形態によるタービンロータ1のバランス方法によれば、特に、振動変位の純曲げ成分となるアンバランスが単体状態のロータ11に多く含まれている場合に有効である。この場合、ステップST1において振動変位中の曲げモード成分を抑制できれば、次のステップST2において曲げモード成分を抑制する必要がなくなるため、高回転数域におけるバランス処理が不要になる。 The method for balancing the turbine rotor 1 according to the first embodiment is particularly effective when the single rotor 11 contains a large amount of unbalance that is a pure bending component of vibration displacement. In this case, if the bending mode component during vibration displacement can be suppressed in step ST1, there is no need to suppress the bending mode component in the next step ST2, and therefore balance processing in the high rotational speed range becomes unnecessary.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態による回転体のバランス方法について説明する。図4は、第2の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。
(Second embodiment)
Next, a method for balancing a rotating body according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a flowchart for explaining a method for balancing a rotating body according to the second embodiment.

図4に示すフローチャートは、上述した第1の実施形態による回転体のバランス方法における低速バランス処理および高速バランス処理に関して、より詳細に規定したフローチャートである。第2の実施形態による回転体のバランス方法においては、第1の実施形態と同様に、単体状態のロータ11によってバランス処理を行うステップST1と、ロータ11に重量物を取り付けた後にバランス処理を行うステップST2とから構成される。 The flowchart shown in FIG. 4 is a flowchart specifying in more detail the low-speed balance process and the high-speed balance process in the rotating body balance method according to the first embodiment described above. In the method for balancing a rotating body according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, there are steps ST1 in which a balance process is performed using the rotor 11 in a single state, and a balance process is performed after a heavy object is attached to the rotor 11. It consists of step ST2.

ステップST1においては、ステップST11による低速バランス処理を実行した後に、ステップST12による高速バランス処理が実行される。また、ステップST1における低速バランス処理を実行するステップST11は、低回転数域において振動計測を行うステップST111と、ステップST111の後にバランスウエイトを取り付けるステップST112とから構成される。また、ステップST12による高速バランス処理においては、高回転数域において振動計測を行うステップST121と、ステップST121の後にバランスウエイトを取り付けるステップST122とから構成される。 In step ST1, after executing the low-speed balance process in step ST11, the high-speed balance process in step ST12 is executed. Furthermore, step ST11 in which the low-speed balance process is executed in step ST1 is comprised of step ST111 in which vibration is measured in a low rotation speed range, and step ST112 in which a balance weight is attached after step ST111. Further, the high-speed balance processing in step ST12 includes step ST121 in which vibration is measured in a high rotation speed range, and step ST122 in which a balance weight is attached after step ST121.

第2の実施形態によるバランス方法においては第1の実施形態と同様に、ステップST1の実行後にステップST2に移行する。ステップST2においては、第1の実施形態と同様に、まずステップST21においてロータ11に重量物を取り付ける作業を実行する。次に、ステップST22に移行する。ステップST22においては低速バランス処理が実行され、具体的には低回転数域において振動計測を行うステップST221と、ステップST221の後にバランスウエイトを取り付けるステップST222とから構成される。 In the balance method according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the process moves to step ST2 after execution of step ST1. In step ST2, similarly to the first embodiment, first, in step ST21, a task of attaching a heavy object to the rotor 11 is performed. Next, the process moves to step ST22. In step ST22, low-speed balance processing is executed, and specifically includes step ST221 in which vibration is measured in a low rotation speed range, and step ST222 in which a balance weight is attached after step ST221.

なお、上述した低速バランス処理および高速バランス処理において計測された振動変位が十分小さい場合、すなわち、ロータ11が高度バランス状態にある場合、バランスウエイトを取り付ける処理(ステップST122,ST222)を省略することができる。なお、以下の説明においても同様であるが、都度の説明は省略する。 Note that if the vibration displacement measured in the low-speed balance process and the high-speed balance process described above is sufficiently small, that is, if the rotor 11 is in the high balance state, the process of attaching the balance weights (steps ST122 and ST222) may be omitted. can. Note that the same applies to the following explanation, but the explanation each time will be omitted.

以上説明した第2の実施形態にいても、低速バランス処理および高速バランス処理を順次実行した後、ロータ11に重量物を取り付けて低速バランス処理を実行していることにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Even in the second embodiment described above, after sequentially executing the low-speed balance process and the high-speed balance process, a heavy object is attached to the rotor 11 and the low-speed balance process is executed, which makes it different from the first embodiment. A similar effect can be obtained.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態による回転体のバランス方法について説明する。図5は、第3の実施形態による回転体のバランス方法を説明するためのフローチャートである。
(Third embodiment)
Next, a method for balancing a rotating body according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a flowchart for explaining a method for balancing a rotating body according to the third embodiment.

図5に示すように、第3の実施形態による回転体のバランス方法においては、単体状態のロータ11によってバランス処理を行うステップST1と、ロータ11に重量物を取り付けた後にバランスを行うステップST3とから構成される。なお、ステップST1は、第1または第2の実施形態と同様である。 As shown in FIG. 5, the method for balancing a rotating body according to the third embodiment includes a step ST1 in which a balancing process is performed using the rotor 11 as a single unit, and a step ST3 in which balancing is performed after a heavy object is attached to the rotor 11. It consists of Note that step ST1 is the same as in the first or second embodiment.

第3の実施形態によるタービンロータ1のバランス方法においては、ステップST1によるバランス処理の実行後に、ステップST3に移行する。ステップST3は、ロータ11に重量物を取り付けるステップST31と、低速バランス処理を行うステップST32と、ステップST31,ST32を所定回数(X回)だけ繰り返すための判断処理であるステップST33とから構成される。すなわち、ステップST3によるステップST31,ST32は、重量物の取り付け処理および低速バランス処理をX回繰り返す構成である。なお、X回は好適には、2回以上、重量物の総数の半分以下(2≦X≦重量物総数/2)である。 In the method for balancing the turbine rotor 1 according to the third embodiment, after performing the balancing process in step ST1, the process moves to step ST3. Step ST3 consists of step ST31 of attaching a heavy object to rotor 11, step ST32 of performing low-speed balance processing, and step ST33 of judgment processing for repeating steps ST31 and ST32 a predetermined number of times (X times). . That is, steps ST31 and ST32 in step ST3 are configured to repeat the heavy object attachment process and the low-speed balance process X times. Note that X times is preferably 2 times or more and less than half of the total number of heavy objects (2≦X≦total number of heavy objects/2).

これにより、ロータ11に重量物を取り付けることによるアンバランスの発生の可能性に対して、ステップST3によって、重量物に起因するアンバランスをより丁寧に抑制できる。特に、X回を重量物の総数の半分(X=重量物総数/2)とすると、振動変位中の曲げモード成分を理論的にほぼ0にできる。そのため、第1および第2の実施形態によるステップST2に比して、ステップST3を実行した後の振動変位は、剛体モード成分を低減するのみならず、曲げモード成分の増加も抑制可能となる。 Thereby, with respect to the possibility of occurrence of unbalance due to attaching a heavy object to the rotor 11, the unbalance caused by the heavy object can be suppressed more carefully in step ST3. In particular, if X times is set to half the total number of heavy objects (X=total number of heavy objects/2), the bending mode component during vibration displacement can be theoretically reduced to approximately 0. Therefore, compared to step ST2 according to the first and second embodiments, the vibration displacement after performing step ST3 not only reduces the rigid body mode component but also suppresses an increase in the bending mode component.

図6は、図1に示すタービンロータのクリティカルマップの例を説明するための図である。図6において、横軸は、ばね定数[kN/mm]であり、縦軸は、回転数[rpm]または周波数[Hz]である。図6に示すクリティカルマップには、一次モードM1、二次モードM2、および三次モードM3の固有振動数が示される。これらの一次モードM1、二次モードM2、および三次モードM3の固有振動数の値はいずれも、ばね定数によって変化する。図6に示す例では、特に二次モードM2がばね定数によって大きく変化している。このような特性に関しては、タービンロータ1の製品の仕様によって異なる。例えば非特許文献1に記載された駆動タービンロータのクリティカルマップなどは、二次モードM2がばね定数によって大きく変化するものである。 FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the critical map of the turbine rotor shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis is the spring constant [kN/mm], and the vertical axis is the rotation speed [rpm] or frequency [Hz]. The critical map shown in FIG. 6 shows the natural frequencies of the first-order mode M1, the second-order mode M2, and the third-order mode M3. The values of the natural frequencies of these primary mode M1, secondary mode M2, and tertiary mode M3 all change depending on the spring constant. In the example shown in FIG. 6, the secondary mode M2 in particular changes greatly depending on the spring constant. Such characteristics vary depending on the product specifications of the turbine rotor 1. For example, in the critical map of the drive turbine rotor described in Non-Patent Document 1, the secondary mode M2 changes greatly depending on the spring constant.

図7に示すように、実機運転時におけるばね定数がB1の場合に、一次モードM1の固有振動数R11と二次モードの固有振動数R12を導出できる。図6の例では、定格回転数FRを想定すると、一次モードM1の固有振動数R11は十分に低く、二次モードM2の固有振動数R12はやや高いことが分かる。なお、一次モードM1の振動変位成分は、ばね定数が0kN/mmの場合には並進モード成分のみを有し、ばね定数が無限大の場合には曲げ一次モード成分のみを有することになる。ばね定数がこれらの範囲以外(0<ばね定数:有限値)の場合には、ばね定数の増加に伴い、振動変位中の曲げ一次モード成分の割合が増加する。同様に、二次モードM2の振動変位成分は、ばね定数が0kN/mmの場合には傾きモード成分のみを有し、ばね定数が無限大の場合には曲げ二次モード成分のみを有することになる。ばね定数がこれらの範囲以外(0<ばね定数:有限値)の場合には、ばね定数の増加に伴い、振動変位中の曲げ二次モード成分の割合が増加する。 As shown in FIG. 7, when the spring constant during actual machine operation is B1, the natural frequency R11 of the primary mode M1 and the natural frequency R12 of the secondary mode can be derived. In the example of FIG. 6, assuming the rated rotational speed FR, it can be seen that the natural frequency R11 of the primary mode M1 is sufficiently low, and the natural frequency R12 of the secondary mode M2 is somewhat high. Note that the vibration displacement component of the first-order mode M1 has only a translational mode component when the spring constant is 0 kN/mm, and only has a first-order bending mode component when the spring constant is infinite. When the spring constant is outside these ranges (0<spring constant: finite value), the proportion of the first-order bending mode component during vibration displacement increases as the spring constant increases. Similarly, the vibration displacement component of the secondary mode M2 has only the tilt mode component when the spring constant is 0 kN/mm, and has only the bending secondary mode component when the spring constant is infinite. Become. When the spring constant is outside these ranges (0<spring constant: finite value), the proportion of the second-order bending mode component during vibration displacement increases as the spring constant increases.

これらのことから、図6に示すようなクリティカルマップとなるタービンロータの場合、剛体モード成分(並進モード、傾きモード)と、曲げモード成分(曲げ一次モード、曲げ二次モード)を抑制すれば、ばね定数に依存することなく、定格回転数と同等の高回転数域で振動変位を抑制できる。この場合、修正面の数(N+2)としては、N+2(=2+2=)4面を用いれば、効果的に振動変位を抑制できる(非特許文献2参照)。 From these facts, in the case of a turbine rotor with a critical map as shown in Fig. 6, if the rigid body mode components (translational mode, tilt mode) and bending mode components (first-order bending mode, second-order bending mode) are suppressed, Vibration displacement can be suppressed in the high rotation speed range equivalent to the rated rotation speed without depending on the spring constant. In this case, if N+2 (=2+2=) four surfaces are used as the number of correction surfaces (N+2), vibration displacement can be effectively suppressed (see Non-Patent Document 2).

ここで、二次モードM2の固有振動数R12が定格回転数FRに近い場合、タービンロータ1においては、定格回転数において二次モードM2に起因する振動が生じる。この場合、二次モードM2の固有振動数R12のピーク回転数やピーク回転数の近傍の回転数で運転できないと、二次モードM2に起因する振動を抑制できない可能性がある。そこで、本発明者は、この問題についても鋭意検討を行い、以下のように解決する方法を案出した。このバランス方法について、以下の第4の実施形態において説明する。 Here, when the natural frequency R12 of the secondary mode M2 is close to the rated rotational speed FR, vibrations due to the secondary mode M2 occur in the turbine rotor 1 at the rated rotational speed. In this case, if the engine cannot be operated at the peak rotational speed of the natural frequency R12 of the secondary mode M2 or at a rotational speed near the peak rotational speed, there is a possibility that vibrations caused by the secondary mode M2 cannot be suppressed. Therefore, the inventors of the present invention have conducted extensive studies on this problem and have devised a method to solve the problem as follows. This balancing method will be explained in the fourth embodiment below.

(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図7は、本発明の第4の実施形態による回転体のバランス方法が適用されるタービンロータの概略を示す図である。図7に示すように、第4の実施形態によるタービンロータ1Aにおいては、軸受13がばね16を介して架台14に連結されている。軸受13には、ばね16が直列で取り付けられている。ここで、ばね16の剛性は、軸受13の剛性の50%以下にするのが好ましい。このとき、図6に示すクリティカルマップにおいて、ばね定数は低下する。具体的に例えば、図6に示すばね定数がばね定数B2まで低下する場合、一次モードM1の危険速度(回転数)は固有振動数R21まで低下し、二次モードM2の危険速度は固有振動数R22にまで低下する。このように、ばね16を適切に選択することによって、実運転回転数よりも低い回転数において、一次モードM1および二次モードM2のバランスをとることが可能になる。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a diagram schematically showing a turbine rotor to which a rotating body balancing method according to a fourth embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 7, in a turbine rotor 1A according to the fourth embodiment, a bearing 13 is connected to a pedestal 14 via a spring 16. A spring 16 is attached to the bearing 13 in series. Here, the rigidity of the spring 16 is preferably 50% or less of the rigidity of the bearing 13. At this time, in the critical map shown in FIG. 6, the spring constant decreases. Specifically, for example, when the spring constant shown in FIG. 6 decreases to spring constant B2, the critical speed (rotation speed) of the primary mode M1 decreases to the natural frequency R21, and the critical speed of the secondary mode M2 decreases to the natural frequency R21. It drops to R22. In this manner, by appropriately selecting the spring 16, it is possible to balance the primary mode M1 and the secondary mode M2 at a rotation speed lower than the actual operating rotation speed.

ここで、タービンロータ1Aのバランスを適切にするためには、計算や類似機の実測などに基づいて、事前に定量的なクリティカルマップを作成しておくことが望ましい。なお、ばね16は高回転数域におけるバランス時に用いる弾性体であるが、低回転数域においてもばね16を用いることも可能である。例えば、バランス方法を実行する設備において、単体状態のロータ11に対する低速バランス処理、単体状態のロータ11に対する高速バランス処理、および重量物を取り付けた後の低速バランス処理までを同じ設備で実行する場合などでは、ばね16を用いてこれらのバランス処理を実行することも可能である。 Here, in order to properly balance the turbine rotor 1A, it is desirable to create a quantitative critical map in advance based on calculations and actual measurements of similar machines. Although the spring 16 is an elastic body used for balance in a high rotation speed range, it is also possible to use the spring 16 in a low rotation speed range. For example, in a facility that performs a balancing method, low-speed balance processing for the single rotor 11, high-speed balance processing for the single rotor 11, and low-speed balance processing after attaching a heavy object are performed in the same equipment. Now, it is also possible to perform these balancing processes using the spring 16.

また、図7に示すタービンロータ1Aにおいては、バランスウエイト取付溝15が4面に形成されている。これらの4面は、(N+2)面バランスをするために必要な4面である。具体的に例えば、低速バランス処理においては、ロータ11の軸方向に沿った最外端のディスク12の2面を、高速バランス処理においては、これらの最外端のディスク12の2面に加えて、中央部分、具体的には中央のディスク12の両隣のディスク12の2面を用いる。第4の実施形態においては、タービン動翼などの重量物を取り付ける前に、単体状態のロータ11に(N+2)面バランスを実行するため、従来に比して高速バランス処理を実行する際のバランスの修正面の選択肢が大きくなる。これは計測についても同様であり、従来技術のように、軸端部や軸受部やそれらの近傍に限定される必要がなくなる。 Further, in the turbine rotor 1A shown in FIG. 7, balance weight mounting grooves 15 are formed on four sides. These four planes are necessary for (N+2) plane balance. Specifically, for example, in low-speed balance processing, the two surfaces of the outermost disk 12 along the axial direction of the rotor 11 are , the central portion, specifically the two surfaces of the disks 12 on both sides of the central disk 12, are used. In the fourth embodiment, the (N+2) plane balance is performed on the single rotor 11 before attaching heavy objects such as turbine rotor blades. The options for correction will be larger. The same applies to measurement, and there is no need to limit measurement to shaft ends, bearings, and their vicinity, as in the prior art.

(実施例)
次に、上述した本発明の実施形態の効果を説明するための具体的な実施例によるタービンロータのアンバランスの例について説明する。図8は、本発明の実施形態の実施例によるタービンロータのアンバランスの例を示す図である。また、軸振動の規定例としては、JIS B 8101の蒸気タービンの一般仕様である。
(Example)
Next, an example of unbalance of a turbine rotor according to a specific example for explaining the effects of the embodiment of the present invention described above will be described. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of turbine rotor imbalance according to an example of an embodiment of the present invention. Furthermore, an example of regulations regarding shaft vibration is JIS B 8101 general specifications for steam turbines.

図8に示すように、軸方向に対して計4か所のアンバランスP1,P2,P3,P4が配置されている。アンバランス量を以下の表1に示す。 As shown in FIG. 8, a total of four unbalances P 1 , P 2 , P 3 , and P 4 are arranged in the axial direction. The amount of imbalance is shown in Table 1 below.

Figure 2024009621000002
Figure 2024009621000002

本実施例については、計算によって実施形態による効果について説明する。なお、本実施例においては、軸受13のばね定数は回転数によらず一定であり、かつ等方性とする。バランスの修正位置は、低速バランス処理においては、2面(修正面25,26)、高速バランス処理においては、4面(修正面21,22,23,24)である。振動変位計側点は第1計測点31および第2計測点32において計測される。なお、本実施例によるタービンロータ1Bにおけるそれぞれのモードのピーク回転数(危険速度)は、一次モードM1においては定格回転数の約50%、二次モードM2においては、定格回転数の約130%近傍に存在している。 Regarding this example, the effects of the embodiment will be explained through calculations. In this embodiment, the spring constant of the bearing 13 is constant regardless of the rotational speed and is isotropic. The balance correction positions are two planes (correction planes 25 and 26) in the low-speed balance process, and four planes (the correction planes 21, 22, 23, and 24) in the high-speed balance process. The vibration displacement meter side points are measured at the first measurement point 31 and the second measurement point 32. The peak rotational speed (critical speed) of each mode in the turbine rotor 1B according to this embodiment is approximately 50% of the rated rotational speed in the primary mode M1, and approximately 130% of the rated rotational speed in the secondary mode M2. It exists nearby.

図9Aおよび図9Bはそれぞれ、実施例によるタービンロータ1Bによるアンバランスの例の第1計測点31および第2計測点32における、単体状態のロータ11の低速バランス処理(ステップST11)の実行前後の振動変位の結果である。図9Aおよび図9Bにおいて、横軸の回転数は定格回転数によって正規化されており、縦軸の振動変位は低速バランス処理前の最大振動変位によって正規化されている。本実施例においては、ばね16として、一次モードM1および二次モードM2のピーク回転数が、定格回転数よりも十分低くなるように設定したばねが用いられる。図9Aおよび図9Bから、低速バランス処理を実行することによって、振動変位が1/20以上1/6以下程度にまで低減されていることが分かる。 9A and 9B show, respectively, before and after execution of the low-speed balancing process (step ST11) of the rotor 11 in a single state at the first measurement point 31 and the second measurement point 32 of an example of unbalance caused by the turbine rotor 1B according to the embodiment. This is the result of vibrational displacement. In FIGS. 9A and 9B, the rotation speed on the horizontal axis is normalized by the rated rotation speed, and the vibration displacement on the vertical axis is normalized by the maximum vibration displacement before low-speed balance processing. In this embodiment, a spring is used as the spring 16, which is set so that the peak rotational speeds of the primary mode M1 and the secondary mode M2 are sufficiently lower than the rated rotational speed. It can be seen from FIGS. 9A and 9B that by executing the low-speed balance process, the vibration displacement is reduced to about 1/20 or more and 1/6 or less.

図10Aおよび図10Bはそれぞれ、実施例によるタービンロータ1Bによるアンバランスの例の第1計測点31および第2計測点32における、単体状態のロータ11の高速バランス処理(ステップST12)の実行後と最終状態である重量物18を取り付けた後の低速バランス処理(ステップST22)との振動変位の結果である。 FIGS. 10A and 10B show the state after execution of the high-speed balancing process (step ST12) of the single rotor 11 at the first measurement point 31 and the second measurement point 32 in an example of unbalance caused by the turbine rotor 1B according to the embodiment, respectively. This is the result of vibration displacement during the low-speed balance process (step ST22) after the heavy object 18 is attached, which is the final state.

図10Aおよび図10Bから、高速バランス処理によって、振動変位が1/100近くまで低減されていることが分かる。その後、ロータ11のディスク12に重量物18を取り付けると、一次モードM1および二次モードM2におけるピーク回転数が上昇し、計算範囲内においては一次モードM1のピークだけとなる。この場合、一次モードM1のピークはさらに小さくなり、単体状態のロータ11においてバランスをとった際の効果が維持されていることが分かる。また、高回転数域においては、二次モードM2の影響によって、振動変位の上昇傾向が伺えるが、この場合においても振動変位は十分に小さいことが確認された。 It can be seen from FIGS. 10A and 10B that the vibration displacement is reduced to nearly 1/100 by the high-speed balance process. After that, when the heavy object 18 is attached to the disk 12 of the rotor 11, the peak rotation speeds in the primary mode M1 and the secondary mode M2 increase, and only the peak of the primary mode M1 is within the calculation range. In this case, the peak of the primary mode M1 becomes even smaller, and it can be seen that the effect of achieving balance in the single rotor 11 is maintained. In addition, in the high rotational speed range, it seems that the vibration displacement tends to increase due to the influence of the secondary mode M2, but it was confirmed that the vibration displacement is sufficiently small even in this case.

図11A、図11B、図11C、および図11Dは、本実施形態によるタービンロータ1のアンバランスの例における振動変位中のモード成分の変化である。図11Aおよび図11Bはそれぞれ、ステップST11による低速バランス処理の実行前後である。図11Cは、ステップST12による高速バランス処理の実行前である。図11Dは、ステップST22による低速バランス処理の実行後である。図11Eは、従来技術によるタービンロータのアンバランスの例におけるステップST102の実行後の振動変位中のモード成分の変化である。図11A~図11Eにおいて、横軸は、並進モードδp、コニカルモードδΘ、曲げ一次モードΦ1、曲げ二次モードΦ2、および曲げ三次モードΦ3の成分であり、縦軸の無次元振幅は、図11Aに示す曲げ一次モードΦ1の値を1として正規化した振幅である。 11A, FIG. 11B, FIG. 11C, and FIG. 11D show changes in mode components during vibrational displacement in an example of unbalance of the turbine rotor 1 according to the present embodiment. FIGS. 11A and 11B are before and after execution of the low-speed balance process in step ST11, respectively. FIG. 11C shows the state before execution of the high-speed balance process in step ST12. FIG. 11D shows the state after execution of the low-speed balance process in step ST22. FIG. 11E shows changes in mode components during vibrational displacement after execution of step ST102 in an example of unbalanced turbine rotor according to the prior art. In FIGS. 11A to 11E, the horizontal axis represents the components of translation mode δp, conical mode δΘ, first-order bending mode Φ1, second-order bending mode Φ2, and third-order bending mode Φ3, and the dimensionless amplitude on the vertical axis is shown in FIG. 11A. This is the amplitude normalized by setting the value of the first-order bending mode Φ1 shown in 1 to 1.

図11Aから、バランス処理前(ステップST11の実行前)のロータ11における振動変位には、曲げ三次モードΦ3以外のすべてのモードの成分が含まれていることが分かる。その後、低速バランス処理を実行すると(ステップST11の実行後)、図11Bから、不釣合い剛体成分である並進モードδpおよびコニカルモードδΘがほぼ抑制されていることが分かる。続けて高速バランス処理を実行すると(ステップST12の実行後)、図11Cから、不釣合いの曲げ一次モードΦ1および曲げ二次モードΦ2の成分についても抑制されていることが分かる。さらに、この状態のロータ11に重量物18を取り付けても、図11Dから、それぞれのモード成分の値は大きく変化しないことが分かる。 From FIG. 11A, it can be seen that the vibration displacement in the rotor 11 before the balance processing (before step ST11 is executed) includes components of all modes other than the tertiary bending mode Φ3. After that, when the low-speed balance process is executed (after execution of step ST11), it can be seen from FIG. 11B that the translational mode δp and conical mode δΘ, which are unbalanced rigid body components, are almost suppressed. When the high-speed balance process is subsequently executed (after execution of step ST12), it can be seen from FIG. 11C that the components of the unbalanced first-order bending mode Φ1 and second-order bending mode Φ2 are also suppressed. Furthermore, even if the heavy object 18 is attached to the rotor 11 in this state, it can be seen from FIG. 11D that the values of each mode component do not change significantly.

これに対し、図11Eから、従来技術による低速バランス処理の実行後(ステップST102の実行後)においては、図11Bとほぼ同等のモード成分を有していることが分かる。これらのことから、曲げモード成分を低下させるためには、曲げモードを有するモードが生じる回転数でバランス作業を実行すべきことがわかる。 On the other hand, it can be seen from FIG. 11E that after execution of the low-speed balance process according to the prior art (after execution of step ST102), the mode components are almost the same as those in FIG. 11B. From these facts, it can be seen that in order to reduce the bending mode component, the balancing work should be performed at a rotation speed at which a mode having a bending mode occurs.

以上説明した実施形態によれば、第1ステップにおいてロータ単体状態を高回転数域で運転するが、タービン動翼などの重量物が取り付けられていない状態であることから、運転設備は通常の高速バランスに比べて小さく安価なもので対応でき、コストの増大を防止できる。また、バランスウエイト取付修正面や振動変位計測点に選択できる位置の自由度が高いため、精度的により高いバランス効果を期待できる。 According to the embodiment described above, in the first step, the rotor alone is operated in a high rotation speed range, but since heavy objects such as turbine rotor blades are not attached, the operating equipment is operated at normal high speeds. This can be done with something smaller and cheaper than a balance, which prevents an increase in costs. In addition, since there is a high degree of freedom in selecting positions for the balance weight mounting correction surface and vibration displacement measurement points, higher balance effects can be expected in terms of accuracy.

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention. For example, the numerical values given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values may be used as necessary.

すなわち、本発明が意図する構成であれば、本発明が意図する効果を得られるすべての回転体や回転機械に対して本発明を適用できる。例えば、タービンロータの形状は、図1に示すディスク型のみならず、凹型の溝をロータに加工することによってタービン動翼を取り付ける構造などであっても良い。また、装置や計測など、バランス処理に影響がないことを条件として、単体状態のロータに対して行う高回転域での高速バランス処理において、あらかじめ複数の重量物を取り付けてあっても良い。例えば、バランスウエイト取付に影響することなく、翼長が短く、かつ回転時に大きな負荷がかからない、タービン前側段落などにおいても、同様に適用できる。 That is, the present invention can be applied to all rotating bodies and rotating machines that can obtain the effects intended by the present invention, as long as they have the configuration intended by the present invention. For example, the shape of the turbine rotor is not limited to the disk shape shown in FIG. 1, but may also have a structure in which the turbine rotor blades are attached by machining concave grooves in the rotor. Further, a plurality of heavy objects may be attached in advance in high-speed balance processing in a high rotation range performed on a single rotor on the condition that the balance processing is not affected by equipment, measurement, etc. For example, the present invention can be similarly applied to a turbine front stage where the blade length is short and a large load is not applied during rotation without affecting the installation of the balance weight.

上述した各実施形態および各変形例の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。 The present invention also includes configurations in which the constituent elements of each embodiment and each modification example described above are combined as appropriate. Moreover, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. The broader aspects of the invention are not limited to the specific details and representative embodiments shown and described above. Accordingly, various changes may be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.

1,1A,1B タービンロータ
11 ロータ
12 ディスク
13 軸受
14 架台
15 バランスウエイト取付溝
16 ばね
17 支柱
18 重量物
21,22,23,24,25,26 修正面
31 第1計測点
32 第2計測点
1, 1A, 1B Turbine rotor 11 Rotor 12 Disk 13 Bearing 14 Frame 15 Balance weight mounting groove 16 Spring 17 Support column 18 Heavy object 21, 22, 23, 24, 25, 26 Correction surface 31 First measurement point 32 Second measurement point

Claims (9)

少なくとも二つの軸受部と、ロータと、前記ロータに取り付ける重量物とを有して構成される回転体のバランス方法であって、
並進モード成分、コニカルモード成分、曲げ一次モード成分、および曲げ二次モード成分を有するモードが生じるまでの高回転数域によって単体状態の前記ロータに対してバランス処理を行う第1ステップと、
前記ロータに対して前記重量物を取り付けた組立状態において、前記第1ステップの回転速度よりも低い回転数域で前記ロータに対して低速バランス処理を行う第2ステップと、を含む
回転体のバランス方法。
A method for balancing a rotating body comprising at least two bearings, a rotor, and a heavy object attached to the rotor, the method comprising:
A first step of performing a balancing process on the single rotor in a high rotational speed range until a mode having a translational mode component, a conical mode component, a first-order bending mode component, and a second-order bending mode component is generated;
a second step of performing low-speed balance processing on the rotor in a rotational speed range lower than the rotational speed of the first step in an assembled state in which the heavy object is attached to the rotor; Balancing a rotating body; Method.
前記第2ステップの前記回転数域は、前記並進モード成分および前記コニカルモード成分を有する回転数域である
請求項1に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 1, wherein the rotational speed range in the second step is a rotational speed range having the translational mode component and the conical mode component.
前記回転体は、前記軸受部の剛性が低下された構造が付加されて危険速度が低減された構造を有する
請求項1に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 1, wherein the rotating body has a structure in which a structure in which the rigidity of the bearing portion is reduced and a critical speed is reduced.
前記並進モード成分、前記コニカルモード成分、前記曲げ一次モード成分、および前記曲げ二次モード成分を有するモードを、実運転回転数以下において生じさせる
請求項3に記載の回転体のバランス方法。
4. The method for balancing a rotating body according to claim 3, wherein a mode having the translational mode component, the conical mode component, the first-order bending mode component, and the second-order bending mode component is generated at an actual operating rotation speed or lower.
前記軸受部に弾性体が設けられている
請求項3に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 3, wherein the bearing portion is provided with an elastic body.
前記軸受部に直列で取り付ける前記弾性体の剛性は、前記軸受部の剛性の50%以下とする
請求項5に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 5, wherein the elastic body attached in series to the bearing section has a rigidity of 50% or less of the rigidity of the bearing section.
前記並進モード成分と、前記コニカルモード成分と、前記曲げ一次モード成分および前記曲げ二次モード成分とに対応する、(N+2)個の修正面を用いる
請求項1に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 1, wherein (N+2) correction surfaces are used, each corresponding to the translational mode component, the conical mode component, the first-order bending mode component, and the second-order bending mode component.
前記第2ステップにおいて、前記重量物の取り付けと前記低速バランス処理とを、複数回実行する
請求項1に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 1, wherein in the second step, the attachment of the heavy object and the low-speed balancing process are executed multiple times.
前記第1ステップにおいて、前記重量物の少なくとも一部を取り付けた状態で、前記高回転数域でのバランス処理を実行する
請求項1に記載の回転体のバランス方法。
The method for balancing a rotating body according to claim 1, wherein in the first step, the balancing process in the high rotational speed range is executed with at least a part of the heavy object attached.
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