JP5459595B2

JP5459595B2 - アンバランス測定方法

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Publication number: JP5459595B2
Application number: JP2009223001A
Authority: JP
Inventors: 真山口; 強寺内; 雄一高濱; 久之本井; 淑久山内
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2011069787A

Description

本発明は、回転体のアンバランスを測定するアンバランス測定方法に関する。

回転体は、回転機械に設けられ、その軸を中心として回転する。本発明の対象となる回転機械は、流体と力を及ぼし合う回転翼が回転体に設けられた流体機械である。この回転機械には、原動機と被動機がある。原動機は、流体が回転翼に作用させる圧力により回転体が回転駆動されることで、流体の持つエネルギーを回転運動エネルギーに変換する。原動機としては、例えば、ガスタービン（軸流タービン、ラジアルタービン）がある。被動機は、回転駆動されている回転翼が流体に圧力を作用させることで、回転運動エネルギーを流体に与える。被動機としては、例えば、圧縮機（遠心圧縮機、航空エンジンなどに設けられる軸流圧縮機、斜流圧縮機、横流圧縮機、ポンプ）がある。また、本発明の対象となる回転機械には、原動機と被動機の両方の機能を持つ過給機もある。

図１は、特許文献１に記載されている回転体のアンバランスデータの測定装置を示す。図１では、回転体４７は、過給機の回転体である。過給機の回転体４７は、タービン翼４７ａとコンプレッサ４７ｂ翼を有する。タービン翼４７ａは、エンジンの排ガスにより回転駆動され、コンプレッサ翼４７ｂは、タービン翼４７ａと一体的に回転してエンジンへ圧縮空気を送る。

図１に示すように、アンバランス測定装置は、振動センサ４１、角度センサ４３、およびデータ生成部４５を備える。振動センサ４１は、回転体４７を回転可能に支持する支持体４９の振動（加速度または速度または変位または荷重）を検出し、角度センサ４３は、所定の基準角度からの回転体４７の回転角を検出する。データ生成部４５は、検出回転角と検出振動からアンバランスデータを生成する。即ち、回転体４７が回転している状態で、角度センサ４３が回転角を検出しつつ、振動センサ４１が振動を検出し、データ生成部４５が、これら検出回転角と検出振動とに基づいてアンバランスデータを生成する。

また、図１では、アンバランス測定のために回転体４７を回転駆動するのに、圧縮ガスを使用する。圧縮ガス源からタービン翼４７ａへ圧縮ガス（エンジンの排ガスに相当）を供給することで、タービン翼４７ａを回転駆動させる。これにより、回転体４７の回転速度を所望の回転速度まで上昇させる。

上述のようなアンバランス測定装置は、例えば下記の特許文献１に記載されている。

特開２００２−３９９０４号公報

しかし、従来では、回転体の回転速度が上昇している時に、上述の振動と回転角を検出していたので、測定データにバラツキがあった。
例えば、圧縮ガス源が、工場内の各タービンに供給される工場エアが流れる工場ガス管である場合には、工場ガス管からの供給ガス圧は変動するので、この変動による外乱が振動検出に影響を及ぼす可能性がある。
また、回転体の回転速度を所望の回転速度に制御する場合、制御により、回転駆動力（例えば、タービン翼へ供給する圧縮ガスの流量）が変動するので、この変動による外乱が振動検出に影響を及ぼす可能性がある。
従って、検出振動にバラツキが生じ、その結果、再現性の良いアンバランスデータが得られない可能性があった。

そこで、本発明の目的は、外乱が振動検出に影響を及ぼすことを抑制して再現性の良いアンバランスデータを生成できるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、回転体のアンバランス測定方法であって、
回転可能に支持体に支持された回転体を回転駆動する駆動ステップと、
回転体の回転駆動を停止する停止ステップと、
回転体の回転駆動が停止され、かつ、回転体が惰性で回転している状態で、回転体の回転角を検出しつつ、支持体の振動を検出する検出ステップと、
検出ステップで得た検出回転角と検出振動に基づいて、回転体のアンバランスデータを生成するデータ生成ステップと、を有する、ことを特徴とするアンバランス測定方法が提供される。

好ましくは、駆動ステップでは、回転体の回転速度が測定対象回転速度を超えるまで、回転体を回転駆動し、
検出ステップでは、停止ステップにより、回転体の回転速度が測定対象回転速度に低下した時に、回転体の回転角と支持体の振動を検出する。

本発明の好ましい実施形態によると、駆動ステップでは、回転体に設けられたタービン翼を流体により回転駆動させ、
停止ステップでは、タービン翼に対する前記流体の供給を停止する。

好ましくは、前記タービン翼に対して流体を供給する配管が設けられ、該配管には、弁が設けられ、
停止ステップでは、前記弁を閉じることで、タービン翼の上流側を下流側よりも低圧にする。

上述した本発明によると、回転体の回転駆動力を停止した状態で、回転体の回転角を検出しつつ、支持体の振動を検出するので、回転駆動力の変動による外乱が振動検出に影響を及ぼすことが防止される。その結果、再現性の良いアンバランスデータを生成できる。なお、本発明の実施形態による他の効果については、以下の実施形態の説明で明らかにする。

特許文献１のアンバランス測定装置を示す。本発明の第１実施形態によるアンバランス測定方法が使用可能なアンバランス測定装置の構成例を示す。振動データを示すグラフである。振動データを複素平面上で表した場合を示す。本発明の第１実施形態によるアンバランス測定方法を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態によるアンバランス測定方法が使用可能なアンバランス測定装置の構成例を示す。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図２は、回転機械としての過給機と、過給機のアンバランスを測定するためのアンバランス測定装置１０の構成例を示す。

過給機２０の回転体１１は、図２に示すように、エンジンの排ガスにより回転駆動されるタービン翼１５と、タービン翼１５と一体的に回転することで圧縮空気をエンジンに供給するコンプレッサ翼１７と、一端部にタービン翼１５が結合され他端部にコンプレッサ翼１７が結合される回転軸１９と、を有する。また、過給機２０は、回転体１１を回転可能に支持する静止側部材２１を有する。図２の例では、静止側部材２１は、回転体１１（回転軸１９）を回転可能に支持する軸受２３ａ，２３ｂが内部に組み込まれる軸受ハウジングである。また、過給機２０は、タービン翼１５を内部に収容するタービンハウジング２５と、コンプレッサ翼１７を内部に収容するコンプレッサハウジング（図２では取り外されている）と、を備える。

図２において、タービンハウジング２５には、タービン翼１５を回転駆動する流体を流す流路２５ａ（スクロール）が形成されている。タービンハウジング２５は、支持体３の内部に取り付けられる。流路２５ａには、圧縮ガス源２７から配管２９を通して圧縮ガスが供給される。このような圧縮ガスの供給ができるように支持体３が形成されている。流路２５ａに供給された圧縮ガスは、タービン翼１５を回転駆動して、タービンハウジング２５に形成されている排気口２５ｂから外部へ排出される。配管２９には、弁２９ａが設けられており、弁２９ａを開くと圧縮ガスが、圧縮ガス源２７から配管２９へ流れ込む。圧縮ガス源２７は、例えば、工場内の各タービンに供給される工場エア（圧縮ガス）が流れる配管である。

なお、タービンハウジング２５は、図２の左側から支持体３の開口３ａを通して、支持体３の内部に取り付けることができ、支持体３の内部から取り外せる。例えば、タービンハウジング２５を支持体３に取り付ける場合には、タービンハウジング２５を支持体３の内部に取り付けた後、タービンハウジング２５に結合部材３３をボルト３１で結合し、支持体３に結合部材３３をボルト３１で結合することで、タービンハウジング２５が支持体３に結合される。タービンハウジング２５を支持体３から取り外す場合には、逆の手順を行う。

アンバランス測定装置１０は、図２に示すように、支持体３、振動センサ５、角度センサ７、およびデータ生成部９を備える。

支持体３は、回転機械の回転体１１を支持する。回転体１１は、支持体３に支持された状態で、回転体１１の軸Ｃを中心に回転可能である。なお、支持体３の一部は、回転機械の静止側部材２１により構成されてもよいし、支持体３は、タービンハウジング２５を介して静止側部材２１を支持してもよいし、静止側部材２１を直接支持してもよい。これにより、支持体３は、静止側部材２１の軸受２３ａ，２３ｂを介して回転体１１を支持する。

振動センサ５は、支持体３に取り付けられる。振動センサ５は、回転体１１が回転している状態で、支持体３の振動（加速度または速度または変位または荷重）を検出し、検出した振動をデータ生成部９に出力する。

角度センサ７は、所定の基準位置（基準姿勢）からの回転体１１の回転角を検出し、検出した回転角をデータ生成部９に出力する。この回転角は、回転体１１が１回転することでゼロ度〜３６０度まで変化する。角度センサ７は、例えば磁気センサであってよい。

データ生成部９は、振動センサ５が検出した前記振動と角度センサ７が検出した前記回転角との関係を表す振動データを生成し、さらに、この振動データから、影響係数を用いて、アンバランスデータ（後で詳しく述べる）を生成する。なお、影響係数は、予め取得しておく。影響係数は、後で詳しく述べるが、例えば、回転体１１に試し錘を取り付けること等により回転体１１にバランス変化を与え、このバランス変化による振動データ（前記と同様の振動データ）の変化に基づいて算出される。

（振動データ）
データ生成部９は、アンバランスデータまたは影響係数を生成するために、振動センサ５が検出した振動（加速度）と角度センサ７が検出した回転角に基づいて振動データを生成する。振動データは、振動の振幅と位相θからなる。図３は、振動の振幅と位相θを示す。図３において、横軸は、角度センサ７により検出した回転角を示し、縦軸は、振動センサ５により検出された振動のうち１次振動を示す。１次振動は、回転角の検出時における回転体１１の回転速度と同じ周波数成分の振動である。即ち、１次振動は、振動センサ５による振動検出時における回転体１１の回転速度（１秒間での回転数）と同じ周波数［Ｈｚ］の成分を、振動センサ５が検出した振動（即ち、振動センサ５の出力電圧）から抽出した振動（即ち、図３の縦軸に相当する振動電圧）である。図３において、位相θは、基準位相（図３の例では、ゼロ度）に対する１次振動のずれを示す。即ち、位相θは、基準位相に対する、１次振動の周期の始点となる位相のずれを示す。
振動データ（即ち、後述の振動データＸ_１、Ｘ_２、Ｘ）を、複素数で表す。図４は、複素数で表した振動データを示す。図４のように、１次振動の振幅を大きさ（絶対値）Ｒとし、上述の位相θを偏角として、振動データを複素数で表す（以下、同様）。データ生成部９は、このような振動データを生成する。

（影響係数）
影響係数Ｆは、次式（１）で表される。

Ｆ＝（Ｘ_２−Ｘ_１）／Ｍ（ｃｏｓθ_ｇ＋ｊｓｉｎθ_ｇ）・・・（１）

ここで、Ｘ_１は、回転体１１にバランス変化を与える前に検出した上述の振動と回転角から生成したものであり、Ｘ_２は、回転体１１にバランス変化を与えた状態で（例えば、回転体１１に試し錘を取り付けた状態で）検出した上述の振動と回転角から生成したものである。Ｍ（ｃｏｓθ_ｇ＋ｊｓｉｎθ_ｇ）は、回転体１１に与えた前記回転バランス変化を表す。具体的には、試し錘を使用した場合には、Ｍは、試し錘の質量と、回転体１１の回転中心から回転体１１に取り付けた試し錘の重心までの距離との積であり、θ_ｇは、回転体１１に取り付けた試し錘の回転方向位置（即ち、前記回転中心周りの位置）を示す。この回転方向位置は、所定の基準回転方向位置に対する位相であってよい。また、上式（１）において、ｊは虚数単位である。なお、影響係数は、後述のアンバランス測定方法の対象となる回転体１１について取得してもよいし、後述のアンバランス測定方法の対象となる回転体１１を持つ回転機械とは別であるが、該回転機械と同機種の回転機械の回転体について上述と同様の方法で取得しでもよい。

次に、上述のアンバランス測定装置１０を用いた、本発明の第１実施形態によるアンバランス測定方法を説明する。図５は、第１実施形態によるアンバランス測定方法のフローチャートである。このアンバランス測定方法は、駆動ステップＳ１、停止ステップＳ２、検出ステップＳ３、およびデータ生成ステップＳ４を有する。

駆動ステップＳ１では、回転可能に支持体３に支持された回転体１１を回転駆動する。好ましくは、駆動ステップＳ１では、回転体１１の回転速度が、測定対象回転速度（例えば、８万ｒｐｍ〜１２万ｒｐｍの間の値）を超える回転速度（例えば、１３万ｒｐｍ）になるまで、回転体１１を回転駆動する。
第１実施形態では、駆動ステップＳ１において、回転体１１に設けられたタービン翼１５を流体により回転駆動させる。図２の例では、弁２９ａを全閉状態から開くことで、圧縮ガス源２７から圧縮ガスが配管２９へ流れ込み、さらに、この圧縮ガスが、流路２５ａを通ってタービン翼１５を通過する。これにより、タービン翼１５が回転駆動されて、回転体１１も回転駆動される。

停止ステップＳ２では、回転体１１の回転駆動を停止する。第１実施形態では、停止ステップＳ２において、タービン翼１５に対する前記流体の供給を停止する。図２の例では、前記弁２９ａを閉じることで、タービン翼１５への流体供給が停止されることで、回転体１１の回転駆動が停止する。停止ステップＳ２において、前記弁２９ａを全閉してよい。図２の例では、弁２９ａを閉じることで、タービン翼１５の上流側（即ち、流路２５ａ）が下流側（即ち、排気口２５ｂ）よりも低圧になる。この下流側の負圧により、タービン翼１５の回転にブレーキがかかるので、回転体１１の回転速度を測定対象回転速度まで速やかに低下させることができる。

検出ステップＳ３では、回転体１１の回転駆動が停止されている状態であり、かつ、回転体１１が惰性で回転している状態で、角度センサ７により回転体１１の回転角を検出しつつ、振動センサ５により支持体３の振動を検出する。好ましくは、検出ステップＳ３では、停止ステップＳ２により、回転体１１の回転速度が測定対象回転速度に低下した時に、回転体１１の回転角と支持体３の振動を検出する。このように回転体１１の速度低下中に、振動を検出する。

データ生成ステップＳ４では、検出ステップＳ３で検出した回転角と振動に基づいて、次のように回転体１１のアンバランスデータを生成する。
まず、データ生成部９は、検出ステップＳ３で振動センサ５が検出した振動と、検出ステップＳ３で角度センサ７が検出した回転角とに基づいて、振動データを生成する。この振動データＸを次式（２）で表す。

Ｘ＝Ａ＋ｊＢ・・・（２）

ここで、Ａは実部であり、Ｂは虚部であり、ｊは虚数単位である。
さらに、データ生成ステップＳ４では、データ生成部９は、この振動データＸと影響係数ＦからアンバランスデータＵを算出する。アンバランスデータＵは、データ生成部９により次式（３）で算出される。

Ｕ＝Ｘ／Ｆ・・・（３）

Ｕを次式（４）の複素数で表す。

Ｕ＝ｍ（ｃｏｓθ＋ｊｓｉｎθ）・・・（４）

ここで、ｍは絶対値であり、θは偏角であり、ｊは虚数単位である。

なお、上述のように求めたアンバランスデータＵに基づいて、図２に示す切削装置１３により、回転体１１のバランスを修正する。切削装置１３は、アンバランス測定装置１０に備えられてよく、回転体１１の切削対象部１１ａを切削する切削工具１３ａ（例えば、エンドミル）と、該切削工具１３ａを３次元的（例えば、図２の互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）に移動させる駆動機構１３ｂと、該駆動機構１３ｂの動作を制御することで切削工具１３ａの位置を制御する位置制御部１３ｃとを有する。例えば、位置制御部１３ｃにより、回転している切削工具１３ａが、アンバランスデータが示す回転方向位置θにおいてＸ軸方向に移動することで、アンバランスデータが示すアンバランス量ｍに相当する体積だけ切削対象部１１ａを切削する。

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態によるアンバランス方法で使用するアンバランス測定装置１０を示す。第２実施形態において第１実施形態と異なる点を以下で説明するが、他の点は上述の第１実施形態と同じであってよい。

第２実施形態では、流体により回転体１１を回転駆動するのに代えて、電動機３５により回転体１１を回転駆動する。図６の例では、電動機３５は、支持体３に固定される固定子３５ａと、回転体１１に固定される回転子３５ｂとを有する。固定子３５ａは、例えば鉄心３６と鉄心３６に巻かれたコイル３７とからなり、回転体１１の回転方向に複数設けられる。複数のコイル３７に電源３８から電力が供給されることで、複数のコイル３７により、回転磁界を発生する。この回転磁界の磁力が回転子３５ｂに作用することで、回転体１１が回転駆動される。第２実施形態で使用するアンバランス測定装置１０の他の構成は、第１実施形態の場合と同じであってよい。なお、図６の構成において、図２の構成から変更を要する点は、適宜変更してもよい。

第２実施形態によるアンバランス測定方法は、次のように行う。
駆動ステップＳ１では、電源３８から電動機３５（この例では、複数のコイル３７）に電力を供給することで、電動機３５が回転体１１を回転駆動する。
停止ステップＳ２では、電源３８から電動機３５（この例では、複数のコイル３７）への電力供給を停止することで、回転体１１の回転駆動を停止する。この電力供給の停止は、スイッチなど適宜の手段を用いて行ってよい。
第２実施形態によるアンバランス測定方法の他の点は、第１実施形態の場合と同じであってよい。

［実施形態による効果］
上述した第１実施形態と第２実施形態では、回転体１１の回転駆動を停止した状態で、回転体１１の回転角を検出しつつ、支持体３の振動を検出するので、回転駆動力の変動による外乱が振動検出に影響を及ぼすことが防止される。その結果、再現性の良いアンバランスデータを生成できる。

また、第１実施形態では、停止ステップＳ２において、タービン翼１５の下流側を負圧にすることにより、タービン翼１５の回転にブレーキを掛けるので、回転体１１の回転速度を測定対象回転速度まで速やかに低下させることができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

３支持体、３ａ開口，５振動センサ、
７角度センサ、９データ生成部、１０アンバランス測定装置、
１１回転体、１３切削装置、１３ａ切削工具、
１３ｂ駆動機構、１３ｃ位置制御部、１５タービン翼、
１７コンプレッサ翼、１９回転軸、２０過給機、
２１静止側部材、２５タービンハウジング、２５ａ流路（スクロール）、
２５ｂ排気口、２７圧縮ガス源、２９配管、
２９ａ弁、３１ボルト，３３結合部材、３５電動機

Claims

回転体のアンバランス測定方法であって、
前記回転体を回転可能に支持体で支持した状態で、前記回転体に設けられたタービン翼を圧縮ガスで回転駆動することにより、前記回転体を回転駆動する駆動ステップと、
前記駆動ステップの後、前記タービン翼に対する圧縮ガスの供給を停止することにより、前記回転体の回転駆動を停止する停止ステップと、
前記停止ステップにより、前記回転体の回転駆動が停止され、かつ、前記回転体が惰性で回転している状態で、前記回転体の回転角を検出しつつ、支持体の振動を検出する検出ステップと、
検出ステップで得た検出回転角と検出振動に基づいて、前記回転体のアンバランスデータを生成するデータ生成ステップと、を有し、
前記タービン翼に対して圧縮ガスを供給する配管が設けられ、該配管には、弁が設けられ、
前記駆動ステップでは、前記弁を開くことで、ガス圧が変動する圧縮ガスが圧縮ガス源から前記配管へ流れ込み、該圧縮ガスが前記タービン翼を通過することにより、前記回転体を回転駆動し、
前記停止ステップでは、前記弁を閉じることで、前記回転体の回転駆動を停止し、
前記圧縮ガス源は、工場内の各タービンに供給される圧縮ガスが流れる配管である、ことを特徴とするアンバランス測定方法。
駆動ステップでは、前記回転体の回転速度が測定対象回転速度を超えるまで、前記回転体を回転駆動し、
検出ステップでは、停止ステップにより、前記回転体の回転速度が測定対象回転速度に低下した時に、前記回転体の回転角と支持体の振動を検出する、ことを特徴とする請求項１に記載のアンバランス測定方法。
前記停止ステップでは、前記弁を閉じることで、タービン翼の上流側を下流側よりも低圧にする、ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンバランス測定方法。