JP5873954B2 - ターボ機械のための受動動的慣性ロータバランスシステム - Google Patents

Description

分野
本発明は、全般的には、ターボ機械用のロータなどの、ロータのためのバランシングシステムに関する。より詳細には、本発明は、ロータの動作中に、不釣合いを受動的に自己修正し、結果として不釣合い及び振動の問題を低減又は排除する、ロータのための動的バランスシステムに関する。

背景
様々なバランシングシステムが、回転体の釣合いを保つために利用されている。トレーラートラックホイール用のバランシングシステムの１つのタイプとしては、運動に対する慣性抵抗によって釣合いを提供するための、大型トラックタイヤ内部への粒状粉の配置が挙げられる。

回転部材のためのバランシングシステムの別のタイプとしては、内燃機関クランクシャフトのための流体ダンパが挙げられる。このシステムは、粘性流体によって充填される閉じたリングに懸架された高密度ゴム引きリングからなるクランクシャフト振動ダンパを備える。ダンパは、燃焼及び回転不釣合いによるシャフト振動を極小化するために、クランクシャフトの端部に取着される。回転部材の受動動的バランシングのための様々なシステム及び方法が、例えば米国特許第１，７７６，１２５号（Linn）、米国特許第２，６５９，２４３号（Darrieus）、米国特許第２，７７１，２４０号（Nielsen）、米国特許第５，５９３，２８１号（Tai）、及び米国特許出願公開第２０１０／００２１３０３号（Nielsenら）に示される。

一般に、ターボ機械で使用されるバランシングロータなどの、バランシングロータのための現在の手法は、低速バランス、高速バランス、又はその両方を確認する試験を実行する工程、続いて、研削、掘削、機械加工によって、バランスリングへのバランスウエイトの追加、又はネジ付きウエイト、又はブレード及び回転翼などの、組立て構成部品の再順序付けによって、定位置の質量を追加又は除去する工程を含む。

これらの方法及びシステムは、時間及び費用がかかる場合があり、一貫性のない結果をもたらす場合がある。加えて、システムは、時間の経過と共に不釣合いに、又はファウリング、溶着、消耗、又は異物損傷のために不釣合いになる恐れがある。バランシング装置と機械の実際の動作条件との間での、限定的ではないが油膜剛性、台座剛性、及び基礎剛性などの、システム剛性の変化は、危険速度、振幅、及びモード形状の変動をもたらす恐れがある。これらの変動は、上で詳細に説明された質量の追加又は除去の従来の方法によって実行された釣合い補正とは一貫性のない、極位置での異なる量の質量補正を要求する可能性がある。釣合いを戻すための補正は、作業機械からのロータの除去、及び低速又は高速バンカでのリバランシングを典型的に要求する。したがって、ロータの運転中に不釣合いを受動的に自己補正する、ロータの釣合いを動的に保つための一貫性がありかつ安価なシステム及び方法が要望される。

概要
本発明は、ロータの動作中、不釣合いを受動的に自己修正する、ロータのための動的バランスシステムに関する。システムは、ロータシャフト上の予測された最大シャフト撓み位置へ取り付けられた、閉鎖中空チャンバを内部に有する複数のリングを備え、それぞれのリングは、粘性、非腐食性流体と共に重金属の玉を収容する。

第１の態様によれば、本発明は、ロータシャフト上の予測された最大シャフト撓み位置へ取り付けられた複数のバランシング部材を備える、受動動的慣性ロータバランスシステムに関する。バランシング部材のそれぞれは、少なくとも１つのチャンバを備える。チャンバは、内部に設けられた複数の可動ウエイト及び粘性流体を含み、シャフトが不釣合い点の方へ加速するときに、ウエイトは、不釣合いの方向へのシャフトの半径方向の加速度に抵抗する慣性力により、不釣合い点の正反対の位置へチャンバ内で移動をする。ウエイトは、非限定的ではあるがタングステン合金などの、重金属材料から形成された玉を含むことができる。粘性流体は、石油又はグリコール系物質などの、非腐食性流体材料を含むことができる。バランシング部材は、ロータシャフトの周囲への配置のために構成された中央の開放部分を画定するリングであり得、少なくとも１つのチャンバは、中央の開放部分の周囲に延在しリングの壁によって画定された、環状の中空部分を含むことができる。リングの中空部分の円周の２分の１までが、予測された不釣合い応答に応じて、玉で覆われ得、中空部分は、粘性流体によって完全に充填され得る。一設計によれば、複数のバランシング部材は少なくとも３つのバランシング部材であり得、１つのバランシング部材が、第１の屈曲したモードの中央部分の近くに設けられ、他の２つのバランシング部材が、第２の屈曲したモードに対して約４分の１のスパンで、第１のバランシング部材のどちら側にも設けられる。

別の態様によれば、本発明は、ロータの回転の間にターボ機械ロータの不釣合いを自己補正するシステムに関し、システムは、ロータのシャフトに沿って所定の位置に設置された少なくとも３つのリングを備え、リングのそれぞれは閉鎖チャンバを備える。複数の可動ウエイトが、リングのそれぞれのチャンバ内に設けられ、流体が、可動ウエイトを取り囲むために、リングのそれぞれのチャンバ内に設けられる。回転の間に不釣合いが存在するとき、チャンバ内に設けられたウエイトは、不釣合いの位置と正反対の方向へ移動する。一実施形態によれば、可動ウエイトは玉を含むことができ、流体は、可動ウエイトに減衰を提供することが可能な粘性材料を含み、可動ウエイトの過剰な移動を防ぎこれらの玉に減摩を提供することができる。リングは、ロータのシャフトに沿った予測された最大シャフト撓み位置に設けられる。一設計によれば、第１のリングが、第１の屈曲したモードの中央部分の近くに設けられ得、第２のリングが第１のリングの一方の側に設けられ得、第３のリングが第１のリングの反対側に設けられ得る。第２及び第３のリングは、第２の屈曲したモードに対して約４分の１のスパンで設けられ得る。

更に別の態様によれば、本発明は、ターボ機械のロータなどの、ロータの釣合いを保つ方法に関する。方法は複数のリングを準備する工程を含み、リングのそれぞれは中空チャンバを備え、中空チャンバは可動ウエイト及び粘性流体材料を収容する。リングが、予測された最大シャフト撓み位置であるシャフトの長手方向長さに沿った所定の位置に位置決めされるように、方法は、リングをロータのシャフトに沿って位置決めする工程を更に含む。シャフトが不釣合い点へ向かって半径方向に加速するときに、ウエイトは、不釣合い点から約１８０度離れた位置などの、不釣合い点と反対の方向に中空リング内を移動する。一実施形態によれば、少なくとも１つのリングが、第１の屈曲したモードの、シャフトの長手方向中央近くに位置決めされ、追加的なリングが、第２の屈曲したモードの位置に設けられる。ウエイトは、重金属材料から形成された玉などの、玉を含むことができ、流体材料は、玉に減衰を提供することが可能な、非腐食性、粘性材料などの、材料を含み、玉の過剰な移動を防ぎ玉に減摩を提供することができる。

本発明のこれらの及び他の特性及び特徴、並びに動作方法、構造の関連要素の機能、部品の組み合わせ、及び製造の経済性は、添付図面に関する下記の説明の考察から明らかとなるであろう。添付図面はすべて、本明細書の一部を構成し、類似の参照符号は様々な図面の対応する部品を表す。

本発明のバランス部材を備えたシャフトの側面斜視図である。 シャフトが不釣合いの間に経験するであろう第１の臨界屈曲モードの最大撓みの概略図である。 シャフトが不釣合いの間に経験するであろう第２の臨界屈曲モードの最大撓みの概略図である。 ロータシャフトの、及びロータ動力利用時の屈曲モードを予想した一例の、概略側面図である。 バランスウエイトが釣合った又は静止ポジションにある、本発明のバランスリングの概略断面図である。 バランスウエイトが不釣合い点に対抗するために移動している、本発明のバランスリングの概略断面図である。

発明の詳細な説明
以下、説明のために、用語「上方」、「下方」、「右側」、「左側」、「垂直方向」、「水平方向」、「頂部」、「底部」、「横方向」、「長手方向」及びその派生語は、図面で方向付けされるように、本発明に関連する。しかしながら、はっきりと反対に規定される場合を除き、本発明は、様々な代替的な変形例を想定してもよいことを理解すべきである。また、添付図面に示され、以下の明細書で説明される特定の装置は、単に本発明の例示的な実施形態にすぎないことも理解すべきである。したがって、本明細書で開示される実施形態に関連する特定の寸法及び他の物理的特徴は、限定的なものと考慮されない。

本発明のバランス部材１２を備えたロータシャフト１０の側面斜視図である図１を、ここで参照する。バランス部材１２は、ロータシャフト１０の周囲への配置のために構成された中央の開放部分１４を画定するリングの形態であり得る。これらのバランス部材１２が、ターボ機械などを包含する様々なタイプの機械用の、任意のタイプの回転シャフト上に設けられることが認識され得る。バランシング部材１２は、予測される最大シャフト撓み位置で、ロータシャフト１０上へ取り付けられる。

ここで図２Ａを参照すると、１６で一般に示されるような、シャフトが不釣合いの間に経験するであろう、第１の臨界屈曲モードの最大撓みの概略図が示される。図２Ｂは、１８で一般に示されるような、シャフトが不釣合いの間に経験するであろう、第２の臨界屈曲モードの最大撓みの概略図である。図２Ｃは、ロータシャフト１０の、並びにロータ動力利用時の図２Ａ及び２Ｂの第１の臨界屈曲モード１６及び第２の臨界屈曲モード１８を予想した一例の、それぞれの概略側面図である。バランシング部材１２は、予測される最大シャフト撓み位置に位置決めされる。例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、複数のバランシング部材１２は少なくとも３つのバランシング部材であり得、第１のバランシング部材２０は、中央部分２２近くの、第１の屈曲したモード１６の最大撓み位置に設けられ得る。第２の屈曲したモード１８は、第１の屈曲したモードの位置２２の両側に、第２の屈曲したモード１８に対して約４分の１のスパンで２つの最大撓み位置３０、３２をもたらす。第２のバランシング部材３４及び第３のバランシング部材３６は、第２の屈曲したモード１８のこれらの最大撓み点３０、３２の、第１のバランシング部材２０のどちら側にも設けられ得る。

図２Ｃは、シャフト１０及び４つの回転翼６０で構成された典型的な遠心圧縮機ロータのための、ロータ動力利用時の横方向分析を表す。横方向分析は、モード形状、危険速度、及びそれぞれのモード形状の最大撓み振幅点の位置を予測する。バランシング装置１２の場所は、第１の屈曲モード１６の予測された最大撓み点６４及び第２の屈曲モード１８の最大撓み点６２に設けられることになる。任意の数のバランシング部材が、ロータシャフト１０の長さ及び予測された屈曲モードの数に基づいて、ロータシャフト１０の長手方向長さに沿って位置決めされることが認識され得る。

ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、バランシング部材１２が示され、このバランシング部材１２は少なくとも１つのチャンバ４０を備える。バランシング部材１２は、ロータシャフト１０の周囲への配置のために構成された中央の開放部分１４を画定するリングであり得る。少なくとも１つのチャンバ４０は、中央の開放部分１４の周囲に延在しリングの内壁４１ａ及び外壁４１ｂによって画定された、環状の中空部分を含むことができる。チャンバ４０は、内部に複数の可動ウエイト４２及び粘性流体４４を備える。図３Ｂの矢印５５によって示されるような回転の間に、ロータシャフト１０が、図３Ｂの矢印４８によって描かれるような不釣合い点４６の方へ加速するとき、ウエイト４２は、矢印５０によって描かれるような方向の、不釣合い点４６の正反対の位置５２へチャンバ４０内を移動する。この位置は、不釣合い点４６から約１８０度離れた位置であり得る。ウエイト４２は、タングステン合金などの重金属材料から形成された玉を含むことができる。粘性流体４４は、石油又はグリコール系物質などの、非腐食性流体材料を含むことができる。リング１２のバランシング部材の、環状の中空部分又はチャンバ４０の円周５４の１／４までを、玉４２で覆うことができる。環状の中空部分又はチャンバ４０は、粘性流体によって完全に充填され得る。

本発明は、ニュートンの法則及び基本的な慣性の法則に基づく。ロータシャフトの不釣合いは、不釣合いの方向、半径方向外側へ加速する力を引き起こす。玉の慣性は玉を静止状態に保たせるため、シャフトが不釣合いへと加速するときに、玉は、不釣合い点（及び加速度ベクトル）から１８０度離れて移動し、回転軸線と一致する質量中心を移動させる。粘性流体は、玉の過剰な移動を防ぐ機能と、玉がバランス部材のチャンバ内で移動するときに玉に減摩を提供する機能の、２つの減衰機能を玉に提供する。理論によれば、玉は、シャフトの半径方向への正味の加速度をもたらさない位置、したがって振動をもたらさない位置へと集まることになる。ロータ動力利用時の屈曲、ファウリングなどによってロータシャフトの釣合いが変化する場合に、玉は受動動的に調節をし、零加速度、したがって不釣合いのない状態へとシステムを回復させる。

再び図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、ターボ機械のロータなどの、ロータの釣合いを保つための方法は、第１の臨界屈曲モード１６及び第２の臨界屈曲モード１８に従って、予測される最大シャフト撓み位置を決定する工程を含む。方法は、リングの形態などで、複数のバランス部材１２を準備する工程を更に含む。図３Ａ及び図３Ｂに関連して上記したように、リング１２のそれぞれは中空チャンバ４０を備え、中空チャンバ４０は可動ウエイト４２及び粘性流体４４材料を収容する。方法は、リング１２をロータのシャフト１０に沿って位置決めする工程を更に含み、結果として、シャフトが不釣合い点４６の方へ加速するときに、ウエイトが、矢印５０によって描かれるような不釣合い点４６から約１８０度離れた位置５２などの、不釣合い点４６と反対の方向に中空リング１２内を移動するように、リング１２は、予測された最大シャフト撓み位置であるシャフトの長手方向長さに沿った所定の位置に位置決めされる。上記したように、一実施形態によれば、少なくとも第１のバランシング部材又はリング２２が、第１の屈曲したモードの、シャフト１０の長手方向中央２２近くに位置決めされ、第２のバランシング部材又はリング３４及び第３のバランシング部材又はリング３６などの、追加的なバランシング部材又はリングが、第２の屈曲したモードの位置３０、３２に設けられる。

再び図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、可動ウエイト４２は、重金属材料から形成された玉などの、玉を含むことができ、流体材料４４は、石油又はグリコール系物質などの、非腐食性、粘性材料を含むことができる。この粘性材料は、玉の過剰な移動を防ぐために及び玉に減摩を提供するために玉に減衰を提供することが可能な、任意の既知のタイプの非腐食性材料であり得る。

現在最も実用的で好ましいと考慮される実施形態に基づいて例示の目的で本発明を詳細に説明したが、このような詳細さは例示の目的のためのみに過ぎず、本発明は、開示された実施形態に限定されず、それどころか本説明の趣旨及び範囲内の修正及び等価の構成の網羅を意図することを理解すべきである。例えば、可能な限り、任意の実施形態の１つ以上の特徴が他の実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせられ得ることを、本発明が想定していることを理解すべきである。

Claims (14)

1. 受動動的慣性ロータバランスシステムであって、
   ロータシャフト上の、前記ロータシャフトの第１の屈曲モード及び第２の屈曲モードの予測された最大シャフト撓み位置へ取り付けられた少なくとも３つのバランシング部材を備えるシステムであり、前記バランシング部材のそれぞれが少なくとも１つのチャンバを備え、前記バランシング部材のそれぞれの前記少なくとも１つのチャンバが、
   複数の可動ウエイトと、
   内部に設けられた粘性流体と、
   を含み、
   前記ロータシャフトが不釣合い点の方へ加速するときに、前記可動ウエイトが、不釣合い点の正反対の位置へ前記少なくも１つのチャンバ内で移動し、
   １つのバランシング部材が、前記第１の屈曲モードの中央部分の近くに設けられ、
   ２つのバランシング部材が、前記第２の屈曲モードに対して約４分の１のスパンで設けられる、システム。
2. 前記可動ウエイトが重金属材料から形成された玉を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記重金属材料がタングステン合金を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記粘性流体が非腐食性流体材料を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記粘性流体が、石油又はグリコール系物質を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記バランシング部材が、前記ロータシャフトの周囲への配置のために構成された中央の開放部分を画定するリングであり、前記少なくとも１つのチャンバが、中央の開放部分の周囲に延在し前記リングの壁によって画定された、環状の中空部分を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記リングの中空部分の円周の２分の１までが玉で覆われ、前記中空部分が前記粘性流体によって完全に充填される、請求項６に記載のシステム。
8. ターボ機械ロータの回転の間に前記ターボ機械ロータの不釣合いを自己補正するシステムであって、
   前記ターボ機械ロータのシャフトに沿って所定の位置に設置された少なくとも３つのリングであり、前記リングのそれぞれが閉鎖チャンバを備えるリングと、
   前記リングのそれぞれの前記閉鎖チャンバ内に設けられた複数の可動ウエイトと、
   前記リングのそれぞれの前記閉鎖チャンバ内に設けられ、前記可動ウエイトを取り囲む流体と、を含むシステムであり、
   回転の間に不釣合いが存在するときに、閉鎖チャンバ内に設けられた前記可動ウエイトが、不釣合いの位置と正反対の方向へ移動し、
   第１のリングが、前記シャフトの第１の屈曲モードの中央部分の近くに設けられ、
   第２のリングが前記第１のリングの一方の側に設けられ、
   第３のリングが前記第１のリングの他方の側に設けられ、
   前記第２及び第３のリングが、前記シャフトの第２の屈曲モードに対して約４分の１のスパンで設けられる、システム。
9. 前記可動ウエイトが玉を含み、前記流体が、前記可動ウエイトに減衰を提供して、移動を防ぎ及び減摩を提供することが可能な粘性材料を含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１、第２及び第３のリングが、前記ロータのシャフトに沿った、前記シャフトの前記第１の屈曲モード及び前記第２の屈曲モードの予測された最大シャフト撓み位置に設けられる、請求項８に記載のシステム。
11. ターボ機械のロータの釣合いを保つ方法であって、
    複数のリングを準備する工程であり、前記リングのそれぞれが中空チャンバを備え、前記中空チャンバが可動ウエイト及び粘性流体材料を収容する、工程と、
    前記リングを前記ロータのシャフトに沿って位置決めする工程であり、シャフトが不釣合い点の方へ加速するときに、前記可動ウエイトが、不釣合い点と反対の方向に中空リング内を移動するように、前記リングが、前記シャフトの第１の屈曲モード及び第２の屈曲モードの予測された最大シャフト撓み位置である前記シャフトの長手方向長さに沿った所定の位置に位置決めされ、
    少なくとも１つのリングが、前記第１の屈曲モードの、前記シャフトの長手方向中央近くに位置決めされ、
    追加的なリングが、前記第２の屈曲モードの位置に設けられる、工程とを含む方法。
12. 前記可動ウエイトが玉を含み、前記粘性流体材料が、前記玉に減衰を提供して、前記玉の移動を防ぎ及び前記玉に減摩を提供することが可能な材料を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記玉が重金属材料から形成され、前記粘性流体材料が非腐食性、粘性材料を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記可動ウエイトが、不釣合い点から約１８０度離れた位置に移動する、請求項１１に記載の方法。

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