JP6097532B2

JP6097532B2 - 回転体のバランス調整方法

Info

Publication number: JP6097532B2
Application number: JP2012255373A
Authority: JP
Inventors: 泰憲時政; 大輔木内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: JP2014101837A

Description

本発明は、回転機械等に使用され、回転軸と回転軸に組み付けられる被組立部材とで構成される回転体のバランス調整方法に関する。

従来から、回転体を高速回転させて所望の出力を発生させる回転機械においては、回転体にアンバランス（偏重量、不釣合い）が生じていると振動の発生などの原因となってしまうので、組付け時にバランス調整が行われている。具体的には、ターボファンエンジンにおいて、回転体を構成する回転軸であるインナーシャフトに組み付けられた被組付部材であるファンの前後にバランスウェイトを予め設置して、これらを切削することでバランス調整を行っている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、特許文献１のバンス調整方法によれば、回転体において、回転軸に設けられた一つの被組立部材でバランスを調整しているのみであり、複数の被組立部材が組み付けられて構成されている場合には、結局、その他の被組立部材のそれぞれ、また、回転体としてのバランスを調整することはできなかった。

これに対し、特許文献２に開示されているバランス調整方法は、一方の被組立部材を回転軸に組み付けた状態でバランス調整するとともに、一方の被組立部材と組みをなす他方の被組立部材についても回転軸に組み付けた状態でバランス調整を行う。これにより、複数の被組立部材が組み付けられて構成されている回転体のバランスの調整を可能としている。

特開２００１−３４２９９３号公報特許第４７３８４９０号明細書

しかしながら、特許文献２に記載のバランス調整においては、被組立部材の回転軸に直交する異なる二面において不釣合いを修正する構成であるため、修正箇所が多くなり、バランス調整に費やす修正時間が長くなってしまうという問題がある。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、調整に要される時間を短縮することができる回転体のバランス調整方法を提供するものである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の回転体のバランス調整方法は、回転軸に、略円盤状の被組立部材としてのインペラを組み立てて回転体を構成する際の回転体のバランス調整方法であって、前記インペラを前記回転軸に組み立てる部材組立工程と、前記回転軸に組み立てられた前記インペラの周方向に沿った軸方向の変位分布を計測する第一変位計測工程と、前記第一変位計測工程により計測した前記インペラの前記軸方向の変位分布に基づいて、前記インペラの前記回転軸に対する傾き量を算出する傾き量算出工程と、次式（１）で求められる距離Ｌ１によって定められる前記インペラの前記回転軸に直交する一面で、前記傾き量に基づいて算出された重量の調整を行う調整工程とを有することを特徴とする。

Ｌ_１：前記インペラにおける上流側端面と前記回転軸の中心軸との交点である傾きの基点から一面までの距離（ｍｍ）
Ｌ_Ｇ：前記傾きの基点から被組立部材の重心までの距離（ｍｍ）
Ｉ_Ｐ：極慣性モーメント（ｋｇ−ｍｍ^２）
Ｉ_Ｄ：直径慣性モーメント（ｋｇ−ｍｍ^２）
ｍ：被組立部材の質量（ｋｇ）

上記構成によれば、被組立部材の傾きに起因するアンバランスを修正することができる。また、修正面が一面のみでよいため、バランス調整にかかる作業時間を短縮することができる。

また、上記回転体のバランス調整方法において、前記回転軸に組み立てられた前記インペラの周方向に沿った径方向の変位分布を計測する第二変位計測工程と、前記第二変位計測工程により計測した前記インペラの径方向の変位分布に基づいて、前記インペラの前記回転軸に対する偏心量を算出する偏心量算出工程とを有し、前記調整工程において、前記偏心量に基づいた調整を行うことが好ましい。

上記構成によれば、被組立部材の傾きに起因するアンバランスと同時に、被組立部材の偏心によるアンバランスを修正することができる。

また、上記回転体のバランス調整方法において、前記部材組立工程の前に、前記回転軸及び前記インペラの重量の調整を行う単体調整工程を有することが好ましい。

本発明によれば、被組立部材の傾きに起因するアンバランスを修正することができる。また、修正面が一面のみでよいため、バランス調整にかかる作業時間を短縮することができる。

本発明の実施形態の回転体のバランス調整方法で調整された回転体を備えた圧縮機を示す断面図である。本発明の第一実施形態の回転体のバランス調整方法を示すフロー図である。本発明の第一実施形態の回転体のバランス調整方法において、部材組立工程、並びに、一方の第一変位計測工程及び第一調整工程を説明する説明図である。本発明の第一実施形態の第一調整工程において修正面及び修正ウェイト量を算出する数式の導出方法に関するインペラの断面図である。本発明の第一実施形態の回転体のバランス調整方法において、第二の調整工程を説明する説明図である。本発明の第二実施形態の回転体のバランス調整方法を示すフロー図である。本発明の第二実施形態の回転体のバランス調整方法において、部材組立工程、並びに、一方の第一変位計測工程・第二変位計測工程及び第一調整工程を説明する説明図である。本発明の第三実施形態に係るインペラの断面図である。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態のバランス調整方法によって調整される回転体を有する回転機械の一例として、圧縮機を示している。図１に示すように、圧縮機１は、外郭をなす筐体２と、筐体２に対して軸回りに回転可能に支持された回転軸１１及び回転軸１１に組み立てられた被組立部材である複数のインペラ１２で構成される回転体１０と、回転軸１１及びインペラ１２の周囲に各インペラ１２との間に連続した複数の作動室３を形成するように配置されたダイヤフラム４とを備える。

筐体２には、流体が流入する吸込口５と流出する吐出口６とが設けられ、また、流体が回転軸１１に沿って筐体２外部へ流出するのを防止するシール７が設けられている。インペラ１２は、それぞれ、略円盤状の本体１２ａと、本体１２ａの吸込口５側の一面に放射状に立設された複数の羽１２ｂと、羽１２ｂの先端に形成されたシュラウド１２ｃとで構成され、本体１２ａと羽１２ｂとシュラウド１２ｃとで形成される流路１２ｄによって軸方向に沿って流入する気体を径方向外側へ排出可能となっている。また、吸込口５と最も吸込口５に近接したインペラ１２Ｅ、１２Ｆとの間には入口案内羽根８が設けられている。

このような圧縮機１では、外部から回転力が回転軸１１に伝達され、インペラ１２が回転する。流体は吸込口５から流入し、入口案内羽根８によってインペラ１２への流入方向を整えられ、作動室３内で回転するインペラ１２により圧縮され、吐出口６より流出される。流入する流体流量が変化すると、吐出口６の流体圧力を一定に保つように、回転軸１１の回転数は変更される。ここで、回転軸１１及びインペラ１２で構成される回転体１０は高速で回転し、不釣合いが生じているとその不釣合い量により振動が発生しまうことから、組み立てる際にバランス調整が行われている。以下に、本実施形態のバランス調整方法を説明する。

図２は、本実施形態のバランス調整方法のフロー図を示している。ここで、本実施形態では、複数のインペラ１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ）を、軸方向中心から順に左右一対として、すなわちインペラ１２Ａ、１２Ｂを第一の組、インペラ１２Ｃ、１２Ｄを第二の組、インペラ１２Ｅ、１２Ｆを第三の組とするように二つずつで組をなすようにして、各組ごとに以下の工程を行っていく。

まず、回転軸１１に軸方向中心位置に最も近い第一の組であるインペラ１２Ａ、１２Ｂ
を組み付ける前に、単体調整工程Ｓ１として、回転軸１１、及びインペラ１２Ａ、１２Ｂのバランス調整を行う。即ち、回転軸１１、及びインペラ１２Ａ、１２Ｂのそれぞれを単体でバランス調整を行う。バランス調整は、例えば、調整対象をバランサーに取り付けて測定を行い、適切な箇所にウェイト（重り、修正重量）を取り付けたり、切削したりすることで行う。

次に、図２及び図３に示すように、部材組立工程Ｓ２として、インペラ１２Ａ、１２Ｂを回転軸１１に対して組み付ける。

次に、第一変位計測工程Ｓ３Ａとして、一方のインペラ１２Ａについて、軸方向の変位分布の計測を行う。すなわち、羽１２ｂが設けられておらず、平面を形成する本体１２ａの他面１２ｆにおいて、径方向外周側の所定の位置にダイヤルゲージＤを配置させる。そして、回転軸１１を軸回りに回転させることで、周方向に沿って軸方向の変位分布を計測する。

次に、傾き量算出工程Ｓ４Ａとして、第一変位計測工程Ｓ３Ａにより計測したインペラ１２Ａの軸方向の変位分布に基づいて、インペラ１２Ａの回転軸１１に対する傾き量θ（図４参照）を算出する。軸方向の変位分布は即ち、回転軸１１に対する平面を形成する本体１２ａの他面１２ｆの角度であるから、この角度が計測されることによって、インペラ１２Ａの慣性主軸Ｃ２と回転軸１１の中心軸Ｃ１の傾き量θが算出される。なお、傾きの基点Ｂは、インペラ１２Ａの本体１２ａの一面１２ｅと回転軸１１の中心軸Ｃ１との交点とする。

次に、第一調整工程Ｓ５Ａとして、一方のインペラ１２Ａについてバランス調整を行う。バランス調整は、インペラ１２Ａに重りを設置、あるいは、インペラ１２Ａ自体の切削を行い、インペラ１２Ａにウェイト量を付加、あるいは、削除することによってなされる。
まず、インペラ１２Ａの偏重量（アンバランス）を修正するために、修正ウェイト量を付加する位置、即ち修正面の位置Ｌ_１（ｍｍ）、及び修正ウェイト量ｕ_１（ｋｇ−ｍｍ）を算出する（ステップＳ５Ａａ）。
まず、修正面の位置Ｌ_１は以下の数式（１）によって算出される。

ここで、ｍはインペラ１２Ａの質量、Ｌ_Ｇは、傾きの基点Ｂからインペラ１２Ａの重心までの距離である。また、Ｉ_Ｐは、インペラ１２Ａの極慣性モーメントであり、Ｉ_Ｄは、インペラ１２Ａの直径慣性モーメントである。

次に、修正ウェイト量ｕ_１は、傾き量算出工程Ｓ４Ａにて算出した傾き量θを用いて、以下の数式（２）によって算出される。
ｕ_１＝ｍ・Ｌ_Ｇ・θ ・・・（２）
即ち、数式（１）によって算出される、修正面の位置Ｌ_１において、修正ウェイト量ｕ_１に基づいてインペラ１２Ａのアンバランスが修正される。

ここで、上記数式（１）、及び数式（２）の導出方法について図４を参照して説明する。まず、数式（２）による修正ウェイト量ｕ_１の算出方法について説明する。
まず、インペラの傾きによるアンバランスをインペラの入口側及び出口側の二面で修正する方法について説明する。

［二面修正重量の算出］
図４に示すように、インペラの回転軸方向慣性主軸Ｃ２が、回転軸１１の中心軸受Ｃ１に対してθ（ｒａｄ）傾いて取り付けられた場合、回転軸１１に対するインペラ慣性主軸Ｃ２の傾き及び重心のずれにより、モーメントアンバランスＭ_θ、及び偏心アンバランスＵ_θの二つのアンバランスが生じる。
モーメントアンバランスＭ_θは、以下の数式（３）で表される。
Ｍ_θ＝（Ｉ_Ｐ−Ｉ_Ｄ）・θ ・・・（３）
上述したように、Ｉ_Ｐは、インペラ１２Ａの極慣性モーメントであり、Ｉ_Ｄは、インペラ１２Ａの直径慣性モーメントである。

偏心アンバランスＵ_θは、以下の数式（４）で表される。
Ｕ_θ＝ｍ・ε_θ
＝ｍ・Ｌ_Ｇ・θ ・・・（４）
上述したように、ｍはインペラ質量、Ｌ_Ｇは傾きの基点Ｂからインペラ１２Ａの重心までの距離である。また、ε_θ＝Ｌ_Ｇ・θであり、インペラ傾きによる偏心量である。

これらのインペラ傾き量θによるアンバランスに対する修正ウェイト量計算式を以下に示す。ここで、バランス修正は、インペラ入口側と出口側の二面で行うものとし、それぞれにおける修正ウェイト量ｕ_１（ｋｇ−ｍｍ）及びｕ_２（ｋｇ−ｍｍ）を求める。これは、力およびモーメントの釣合式を連立させることにより、インペラの傾きθ（ｒａｄ）の関数として一意に求めることができる。

ここで、Ｌ_１は、傾きの基点Ｂからインペラ入口側修正面までの距離（ｍｍ）であり、Ｌ_２は、傾きの基点Ｂからインペラ出口側修正面までの距離（ｍｍ）である。

［一面修正重量の算出］
次に、一面修正重量の算出方法について説明する。
ここで、数式（６）に着目し、θの係数に関して、以下の式が成り立つようにＬ_１を設定する。

このように設定すると、インペラの傾きθに関わらず、常にインペラ出口側の修正ウェイト量ｕ_２がｕ_２＝０となることがわかる。即ち、インペラ入口側の修正ウェイト量のみによって、インペラの傾きによる不釣合いが修正できることがわかる。
数式（７）を変形することにより、このときの入口側修正面の位置Ｌ_１（ｍｍ）が、次の数式（８）によって得られる。

このとき、インペラ入口側の修正ウェイト量ｕ_１（ｋｇ−ｍｍ）は，数式（５）に数式（８）を代入することにより、次のように得られる。

これは数式（４）で表されるインペラ傾きによって生じる偏心アンバランスＵ_θに等しいことが分かる。
以上により数式（１）及び数式（２）の導出方法が説明された。

さらに、ウェイト量ｕ１を調整する周方向の位置を算出する。なお、アンバランスの算出に必要な情報として、インペラ１２Ａの形状、寸法、重量などは予め取得している。
次に、算出された周方向の位置で、ウェイト量ｕ１の調整、すなわち重りの設置、あるいは、インペラ１２Ａ自体の切削を行う（ステップＳ５Ａｂ）。これにより、組み付けた一方のインペラ１２Ａの傾き量θによるアンバランスについて、バランスを調整することができる。

次に、同様の工程を第一の組の他方のインペラ１２Ｂについても実施する。即ち、まず、第一変位計測工程Ｓ３Ｂとして、他方のインペラ１２ＢについてダイヤルゲージＤを用いて同様に変位分布を計測する。次に、傾き量算出工程Ｓ４Ｂとして、インペラ１２Ｂの傾き量θを算出する。そして、第一調整工程Ｓ５Ｂとして、修正面の位置Ｌ_１（ｍｍ）、及び修正ウェイト量ｕ_１（ｋｇ−ｍｍ）を算出し（ステップＳ５Ｂａ）、これを解消するようなバランス調整を行う（ステップＳ５Ｂｂ）。これにより、組み付けた他方のインペラ１２Ｂの傾き量θによるアンバランスを修正することができる。

図２及び図５に示すように、第二の調整工程Ｓ６では、まず、回転軸１１に一対のインペラ１２Ａ、１２Ｂが組み付けられた状態で、これらを一体として回転させ、動不釣合い量の計測を行う（ステップＳ６ａ）。なお、動不釣合い量の計測は、公知のバランスマシンによって行われる。そして、各インペラ１２Ａ、１２Ｂの各重心ｍａ，ｍｂの位置を含んで回転軸１１に直交するように予め設定された二面Ｌｇａ、Ｌｇｂの位置で、求めた動不釣合いを解消するのに調整することが必要な重量Ｎａ、Ｎｂ、及び、当該重量を調整する周方向の位置を算出する。そして、実際に、二面Ｌｇａ、Ｌｇｂのそれぞれ算出した周方向の位置で、重量Ｎａ、Ｎｂの調整を行う（ステップＳ６ｂ）ことで、組み立てた回転軸１１及びインペラ１２Ａ、１２Ｂ全体のバランスを調整することができる。

ここで、上記二面Ｌｇａ、Ｌｇｂを各インペラ１２Ａ、１２Ｂの重心ｍａ，ｍｂの位置を含む回転軸１１に直交する面に設定していることで、各第一の調整工程Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂで行った各インペラ１２Ａ、１２Ｂの偶釣合いが崩れてしまうことなく、全体のバランス調整を行うことができる。

そして、第二調整工程Ｓ６を終えて、全てのインペラ１２が組み立てられている場合には、回転体１０の組立及びバランス調整が終了する（ステップＳ７）。上記においては、まだ、第一の組である二つのインペラ１２Ａ、１２Ｂのみが組み付けられただけであるので、次に、第二の組のインペラ１２Ｃ、１２Ｄについて、単体調整工程Ｓ１〜第二の調整工程Ｓ６までの一連の工程を同様に実施する。

このようにして、全ての組のインペラ１２において、単体調整工程Ｓ１〜第二の調整工程Ｓ６までの一連の工程を実施することで、全てのインペラ１２がそれぞれとしてバランスが調整された状態で回転軸１１に組み付けられるとともに、回転体１０全体としてもバランスを調整することができ、回転体１０の不釣合いを確実に解消し、圧縮機１として組み立てられて回転する時の振動発生を防止することができる。

上記実施形態によれば、インペラ１２の傾き量θに起因するアンバランスを修正することができる。また、修正面が一面のみでよいため、バランス調整にかかる作業時間を短縮することができる。

（第二実施形態）
第二実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。また、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材または工程と共通の部材又は工程には同一の符号と付して、その説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の回転体のバランス調整方法は、第一実施形態のバランス調整方法の第一調整工程Ｓ５において、インペラの傾き量θによるアンバランスに、インペラ自体の偏心量によるアンバランスを合成して、同時に修正することを特徴としている。即ち、インペラ１２の組付け時における径方向のアンバランスの修正を同時に行うことを特徴としている。

具体的には、図７に示すように、第一変位計測工程・第二変位計測工程Ｓ３において、軸方向の変位分布を計測するとともに、径方向の変位分布を計測する。即ち、インペラ１２Ａのシュラウド１２ｃの外周面において、軸方向の所定の位置にダイヤルゲージＤを配置させる。そして、回転軸１１を軸回りに回転させることで、周方向に沿って径方向の変位分布を計測する。
次いで、傾き量・偏心量算出工程Ｓ４において、傾き量θ及び偏心量を算出し、第一調整工程Ｓ５においては、この傾き量θ及び偏心量に基づいた調整を行う。

上記実施形態によれば、インペラの傾き量θによるアンバランスと同時に、インペラの偏心量によるアンバランスを修正することができる。

（第三実施形態）
第三実施形態を図８に基づいて説明する。本実施形態は、第一実施形態のバランス調整方法又は第二実施形態のバランス調整方法において、インペラ１２にウェイト取付穴１５を設けることを特徴としている。

ウェイト取付穴１５は、インペラの本体１２ａに他面１２ｆ側より、軸方向に沿って形成されたネジ穴である。ウェイト取付穴は、所定の深さを有しており、インペラ１２の周方向に複数設けられている。
ウェイと取付穴１５に取り付けられるウェイト１６は、円筒形をなし、その外周面には、ウェイト取付穴に対応する雄ネジが形成されている。また、ウェイト１６は、複数種用意されており、第一調整工程Ｓ５にて算出された修正面の位置、及び修正ウェイト量ｕ１に応じてウェイト取付穴１５に取り付けられるようになっている。
ウェイト１６を取り付ける際には、第一調整工程Ｓ１にて決定された位置に応じて、ウェイト１６を取り付けることができる。

上記実施形態によれば、作業者が修正箇所を間違うことなく作業を行うことができる。
また、バランス修正の再現性を向上させることができる。即ち、削り加工では、アンバランス修正量の制度に問題があったが、精度を向上させることができる。

１０回転体
１１回転軸
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆインペラ（被組立部材）
Ｓ１単体調整工程
Ｓ２部材組立工程
Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ第一変位計測工程・第二変位計測工程
Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂ傾き量算出工程・偏心量算出工程
Ｓ５Ａ，Ｓ５Ｂ第一調整工程
Ｓ６第二調整工程
θ 傾き量

Claims

回転軸に、略円盤状の被組立部材としてのインペラを組み立てて回転体を構成する際の回転体のバランス調整方法であって、
前記インペラを前記回転軸に組み立てる部材組立工程と、
前記回転軸に組み立てられた前記インペラの周方向に沿った軸方向の変位分布を計測する第一変位計測工程と、
前記第一変位計測工程により計測した前記インペラの前記軸方向の変位分布に基づいて、前記インペラの前記回転軸に対する傾き量を算出する傾き量算出工程と、
次式（１）で求められる距離Ｌ１によって定められる前記インペラの前記回転軸に直交する一面で、前記傾き量に基づいて算出された重量の調整を行う調整工程とを有することを特徴とする回転体のバランス調整方法。

Ｌ_１：前記インペラにおける上流側端面と前記回転軸の中心軸との交点である傾きの基点から一面までの距離（ｍｍ）
Ｌ_Ｇ：前記傾きの基点から被組立部材の重心までの距離（ｍｍ）
Ｉ_Ｐ：極慣性モーメント（ｋｇ−ｍｍ^２）
Ｉ_Ｄ：直径慣性モーメント（ｋｇ−ｍｍ^２）
ｍ：被組立部材の質量（ｋｇ）
前記回転軸に組み立てられた前記インペラの周方向に沿った径方向の変位分布を計測する第二変位計測工程と、
前記第二変位計測工程により計測した前記インペラの径方向の変位分布に基づいて、前記インペラの前記回転軸に対する偏心量を算出する偏心量算出工程とを有し、
前記調整工程において、前記偏心量に基づいた調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の回転体のバランス調整方法。
前記部材組立工程の前に、前記回転軸及び前記インペラの重量の調整を行う単体調整工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転体のバランス調整方法。