JP6434706B2 - バランス修正用支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ圧縮機のロータなど回転する被回転体のバランス修正を行うため、当該被回転体を縦形のマンドレルを用いて回転自在に支持させるバランス修正用支持装置に関する。

回転するターボ圧縮機のロータ（本願の被回転体に相当）では、製作時の部品公差がもたらすアンバランス（動的不釣合い）の解消のため、通常、バランス修正装置を用いて、アンバランス量を計測してから、このアンバランスを修正することが行われる。

バランス修正装置では、アンバランス量の計測が高精度に行えるよう、縦形のマンドレルを用いて、ロータを単体で回転自在に支持する支持装置（バランス修正用支持装置）が用いられる。多くは特許文献１に開示されているように、マンドレルとしては、ロータの回転中心部にある円形の支持穴が嵌る円柱状のマンドレルを用い、このマンドレルの外周面に流体ラジアル軸受を設け、マンドレルの基端側に流体スラスト軸受を設けた構造が用いられる。

同構造により、ロータの支持穴をマンドレルに嵌め込むと、ロータ全体がマンドレルに挿入される。その後、流体ラジアル軸受の噴出孔から支持穴の内面へ流体（例えば空気）を噴出させ、流体スラスト軸受の噴出孔から支持穴の開口縁部へ流体（例えば空気）を噴出させることにより、ロータが、マンドレルの周りで、浮上しながら回転自在に支持される。

アンバランス量（動的不釣合い量）の計測は、この浮上状態のロータに、外部から回転力を付与、例えばブレードへ向け駆動流体（例えば空気）を噴射させて、ロータを回転させることにより、バランス修正装置に設けてある各種センサにて、回転するロータの挙動を計測することにより行われる。

特開２００５−１７２５３７号公報

ところが、流体ラジアル軸受で行われるロータのラジアル方向の支持は、ロータ下部のわずかな範囲であり、流体スラスト軸受で行われるロータのスラスト方向の支持も、ワークの外径と比較して狭い範囲で行われる。このため、ロータのアンバランス量が過大となる場合、ロータが傾き、アンバランス量の計測精度の悪化をきたし、正常なアンバランス量の計測が困難になる。特に過大なアンバランスが生じやすいロータ、すなわちロータの重心位置が、流体ラジアル軸受で支持される位置よりも上側に有るロータの場合、計測精度の悪化が生じやすい。

そこで、本発明の目的は、過大なアンバランス量を生じる場合でも、高い精度での被回転体のアンバランス量の計測を可能としたバランス修正用支持装置を提供することにある。

本発明に係るバランス修正用支持装置は、回転中心と交差する方向の端面を含む被回転体を回転自在に支持する流体スラスト軸受を有するバランス修正用支持装置であって、前記流体スラスト軸受は、前記被回転体の前記端面のうち、前記被回転体の前記回転中心と前記被回転体の外周端との中間部から前記外周端までの位置でのみ前記被回転体を支える（請求項１）。
好ましくは、前記被回転体を回転自在に支持する流体ラジアル軸受をさらに有するのがよい（請求項２）。
また好ましくは、前記被回転体は前記端面の中央部に支持穴が設けられており、前記流体ラジアル軸受は前記支持穴の内面を回転自在に受けるのがよい（請求項３）。
また好ましくは、前記流体ラジアル軸受はマンドレルを含んでおり、前記流体スラスト軸受は前記マンドレルを取り囲む壁部を有するのがよい（請求項４）。
また好ましくは、前記マンドレルは前記支持穴に嵌め込まれる嵌挿部を含んでおり、前記嵌挿部の外周面には流体の噴出孔が設けられ、前記嵌挿部の軸心部には前記流体の逃がし路が設けられているのがよい（請求項５）。
また好ましくは、前記被回転体は前記端面の中央部にボス部が設けられており、前記流体ラジアル軸受は前記ボス部の外周面を回転自在に受ける凹部を有するのがよい（請求項６）。
また好ましくは、前記凹部の内周面には流体の噴出孔が設けられているのがよい（請求項７）。
本発明に係るバランス修正用支持装置は、回転中心と交差する方向に端面を有し、さらに当該端面の中央部に支持穴を有した被回転体が、前記支持穴との嵌め込みにより鉛直方向から挿入される縦形のマンドレルと、前記マンドレルの外周面に設けられ、前記マンドレルの外周面から噴出される流体により前記被回転体の支持穴の内面を回転自在に受ける流体ラジアル軸受と、前記マンドレルの周りに配置され、前記被回転体の前記端面のうち、前記被回転体の前記回転中心と前記被回転体の外周端との中間部から前記外周端までの領域にのみ流体を噴出させ前記被回転体を浮上させる流体スラスト軸受とを有する（請求項８）。

また本発明に係るバランス修正用支持装置は、回転中心と交差する方向に端面を有し、さらに当該端面の中央部にボス部を有した被回転体の前記ボス部と嵌挿可能な凹部を有し、前記被回転体が、前記ボス部と前記凹部との嵌め込みにより鉛直方向から挿入される縦形のマンドレルと、前記凹部の内周面に設けられ、前記凹部の内周面から噴出される流体により前記ボス部の外周面を回転自在に受ける流体ラジアル軸受と、前記マンドレルの周りに配置され、前記被回転体の前記端面のうち、前記被回転体の前記回転中心と前記被回転体の外周端との中間部から前記外周端までの領域にのみ流体を噴出させ前記被回転体を浮上させる流体スラスト軸受とを有する（請求項９）。

本発明によれば、被回転体のスラスト方向の支持剛性が増すため、被回転体は、過大なアンバランス量が生じるときでも、傾かず、安定した姿勢に保たれる。
それ故、過大なアンバランス量を生じる場合でも、高い精度で被回転体のアンバランス量の計測ができる。

本発明の第１の実施形態のバランス修正用支持装置を、同装置を適用したバランス修正装置と共に示す斜視図。 同バランス修正用支持装置の各部の構造を、マンドレルにロータ（被回転体）を装着した状態と共に示す断面図。 図２中のＡ線に沿うマンドレルの平断面図。 図２中のＢ線に沿うマンドレルの平断面図。 本発明の第２の実施形態のバランス修正用支持装置を示す断面図。 図５中のＣ−Ｃ線に沿う一部断面した平面図。

以下、本発明を図１から図４に示す第1の実施形態にもとづいて説明する。
図１の斜視図は、被回転体、例えばターボ圧縮機のロータ１（ここでは例えばコンプレッサロータ）のアンバランス量（動的不釣合い量）を計測するバランス修正装置の概略的な構成を示し、例えば図中３は同装置の基板、５は同基板３の上面に立設されたフレーム体、７はフレーム体５の前方に配置された振動ブリッジ体を示している。

振動ブリッジ体７は、フレーム体５の前面から突き出た複数の支持ばね部材９と基板３の上面から突き出た支持ばね部材（図示せず）とにそれぞれ接続されている。これにより、振動ブリッジ体７の全体を左右方向に変位可能に支持している。この振動ブリッジ体７の前部からは、支持アーム体１１が突き出ている。この支持アーム体１１の先端部は、平板状に形成されている。この支持アーム体１１の先端部の上面に、上記ターボ圧縮機のロータ１を支持するための支持装置１５（本願のバランス修正用支持装置に相当）が据え付けられている。

ちなみに、振動ブリッジ体７の側方には、振動ブリッジ体７に伝わる振動を検出する各種センサ１２が設置されている。支持装置１５の周りには、ロータ１を回転させるための流体、例えば圧縮空気を噴出させる一対の噴出ヘッド部１３が設置されている。なお、図１中１２ａは、各種センサ１２を基板３上に据付ける据付部材を示し、１３ａは噴出ヘッド部１３を基板３上に据付ける据付部材を示している。

上記支持装置１５には、縦形のマンドレル１７を用いて、ロータ１（単体）を回転自在に支持する構造が用いられている。図２〜図４の断面図には、同支持装置１５の各部の構造が示されている。

ここで、支持装置１５を説明する前に、計測対象部品となるロータ１を説明すると、ロータ１は、例えば図１および図２に示されるように多数枚のブレード２１（図１，２では簡略化して図示）を円板形のベース部２３上に一体に形成したロータ本体２５から構成される。ロータ１は、ベース部２３の中心を通る軸心が回転中心となる。ちなみにベース部２３の下面は、ロータ１の回転中心と交差する端面２３ａとなる。この端面２３ａの中央部（回転中心部）には、筒形のボス部２７が一体に形成されている。このボス部２７内には、図示しないシャフトと組み付くための支持穴２９が形成されている。ここでは、支持穴２９は、ボス部２７の先端から、ロータ１の中心部に有る重心位置Ｇより下側の位置まで直線状に延びた有底の円形な空間から形成される（図２）。これで、ロータ１は、内部空間の形成を抑えた、機械的剛性の高い構造となる。むろん、支持穴２９は、ボス部２７の下端からロータ本体２５の上端までを貫通したものでも構わない。

支持装置１５に戻り、図１および図２を参照して支持装置１５の各部を説明すると、マンドレル１７は、支持アーム体１１の上面に配置される円形の設置座３１と、同設置座３１の中央部から鉛直方向に突き出た嵌挿部３３とを有して構成される。嵌挿部３３は、支持穴２９と嵌挿可能な円柱形をなしている。つまり、マンドレル１７は、支持穴２９との嵌め込みにより、ロータ１が鉛直方向から挿入される構造となっている。ちなみに嵌挿部３３は、例えば中段部分が他の上・下段部分よりも細くしてある。

嵌挿部３３のうち、上・下段部分３３ａ，３３ｂの外周面には、図３にも示されるようにそれぞれ複数の噴出孔、例えば４個の噴出孔３５が周方向に等間隔に設けられている。これにより、上・下段部分３３ａ，３３ｂのそれぞれの外周面に流体ラジアル軸受面３６を形成している。これにて、支持穴２９の内面を受ける流体ラジアル軸受３７を構成している。

マンドレル１７の周りには、マンドレル１７を円形に取り囲むように、複数の壁部、例えば４つの円弧形の壁部４０が配置されている。いずれも壁部４０は、マンドレル１７の軸心を中心とした同一円周上に配置されている。ちなみに壁部４０は、支持アーム体１１と設置座３１との間に配置された支持座４０ａから上方へ突き出ている。壁部４０は、いずれもロータ１の外周端側に配置されている。壁部４０は、ロータ１の端面２３ａのうち、ロータ１の回転中心と外周端との中間部から端面２３ａの外周端までの領域内に配置される。その壁部４０の位置は、例えば予めロータ１の形状やロータ１の重量やロータ１の重心位置Ｇやロータ回転時における過大なアンバランス量の発生具合などを考慮して定められる。ここでは壁部４０は、例えばロータ１の回転中心から３／４程度となる位置に配置されている。壁部４０の先端部（上端部）は、いずれもロータ１をマンドレル１７に装着したとき、ロータ１の端面２３ａと近接対向する位置に位置決められている。これら壁部４０の先端部には、複数の噴出孔４３が周方向に等間隔に設けられている。これにより、それぞれ壁部４０の先端面に流体スラスト軸受面４５を形成している。これにて、端面２３ａの外周端側の端面部分を支える流体スラスト軸受４７を構成している。

図２〜図４に示されるようにマンドレル１７内の外周側には、複数本、例えば４本の供給通路５０が軸方向に沿って形成されている。供給通路５０は、マンドレル１７の噴出孔３５と対応した地点に等間隔で配置されている。いずれも供給通路５０は、嵌挿部３３の先端部付近から設置座３１まで延びていて、先端側を底部とし、設置座３１側を入口部としている。そして、各供給通路５０と各噴出孔３５とが連通している。供給通路５０の入口部は、いずれも図２に示されるように支持座４０ａから支持アーム体１１内に渡り形成された中継通路５１を介して、外部に設置された静圧軸受用流体供給装置５３に接続される。つまり、静圧軸受用流体供給装置５３から流体、例えば圧縮空気が各噴出孔３５へ導かれるようにしている。これにより、ロータ１が、各噴出孔３５から噴出される流体（空気）にてラジアル方向から支えられるようにしている。

また図３および図４に示されるように嵌挿部３３の軸心部には、ラジアル方向の支持を終えた流体（空気）を外部へ逃がすための逃がし路５５が設けられている。逃がし路５５は、例えば嵌挿部３３の軸心に沿って形成された排出通路５６と、中段部分３３ｃの外周面の上下部に設けられた複数、例えば周方向に等間隔に配置された４個の逃し孔５７と、設置座３１に設けられた排出孔部５９との組み合わせから構成される。このうち逃がし孔５７は、排出通路５６と連通している。排出通路５６は、排出孔部５９と連通している。排出孔部５９は、外部に開口している。また排出通路５６の上端部は、嵌挿部３３の先端面に開口している。これにより、噴出孔３５から噴出された流体（空気）が、排出通路５６および排出孔部５９を通じて、外部へ導出されるようにしている。

図２に示されるように流体スラスト軸受４７の噴出孔４３は、例えば壁部４０内〜支持座４０ａ内に渡り形成された供給通路６０、支持アーム体１１内に形成された中継通路６１を介して、上記静圧軸受用流体供給装置５３に接続されている。これにより、静圧軸受用流体供給装置５３から供給される流体（例えば圧縮空気）が各噴出孔４３から噴出されるようにしている。つまり、静圧軸受用流体供給装置５３から供給される流体（例えば圧縮空気）により、ロータ１をスラスト方向から支え、ロータ１全体が所定量だけ浮上されるようにしている。これにて、ロータ１は、マンドレル１７を中心に、浮上しながら回転自在に支持される。

このように構成された支持装置１５を用いて、ロータ１のアンバランス量を計測する。
このときには、まず、図１および図２に示されるようにロータ1の支持穴２９を、鉛直方向に起立しているマンドレル１７に嵌めて、ロータ１をマンドレル１７に装着する。すると、マンドレル１７の嵌挿部３３は支持穴２９内に収まり、各壁部４０の先端部はロータ１の外周端側の端面部分と向き合う。

この後、静圧軸受用流体供給装置５３から、流体（例えば圧縮空気）を、マンドレル１７の噴出孔３５、壁部４０の噴出孔４３から噴出させる。すると、マンドレル１７の噴出孔３５から噴出された流体（例えば圧縮空気）は、図２中の矢印に示されるように流体ラジアル軸受面３６と支持穴２９の内面との間へ流れ込む。この流れ込む流体により、ロータ１は、マンドレル１７の周りに回転自在に支持される。

また壁部４０の噴出孔４３から噴出された流体（例えば圧縮空気）は、図２中の矢印に示されるようにロータ１の端面２３ａを押し上げながら、流体スラスト軸受面４５と端面２３ａとの間へ流れ込み、ロータ１の全体を所定量だけ浮上させる。これにより、ロータ１は、マンドレル１７を中心に回転自在に支持される。

この後、一対の噴出ヘッド部１３から、浮上しているロータ１のブレード２１へ、駆動流体を吹き付けると、ロータ１がマンドレル１７の周りを回転する。このときのロータ１の挙動（振動具合）が、支持アーム体１１、振動ブリッジ体７を経て各種センサ１２へ伝わり、ロータ１のアンバランス量が計測される。

ここで、ロータ１のアンバランス量が過大な場合、ロータ１が傾き、アンバランス量の計測は困難となる。
しかし、流体スラスト軸受４７で行われるロータ１のスラスト方向の支持は、支持穴２９の開口縁部といったロータ１の外径と比較して狭い領域でなく、ロータ１の端面といったロータ１の外径と比較して広い領域で行われているから、ロータ１は、過大なアンバランス量に耐え得る高い支持剛性が確保される。これにより、過大なアンバランス量を受けて、傾こうとするロータ１の挙動は抑えられる。つまり、ロータ１は、傾かず、安定した直立姿勢に保たれ続ける。

それ故、常に高い精度で、ロータ１のアンバランス量の計測が行え、たとえロータ１のアンバランス量が過大な場合でも、正確にアンバランス量の計測ができる。特に過大なアンバランス量が生じやすい（傾きが生じやすい）ロータ、例えば図２に示されるような重心位置Ｇよりも下側に支持穴２９が配置される構造のロータ１には有効である。

しかも、流体スラスト軸受４７の噴出孔４３の位置（流体の噴出位置）を、ロータ１の回転中心と外周端との中間部から端面２３ａの外周端までの領域から選んで、端面２３ａの外周端側に設定することにより、どのようなロータ１についても安定した直立姿勢を保つことができる。もちろん、ロータ１の外径が大きくなるにしたがい、図２中のＸ位置のように噴出孔４３の位置を外周端側へ変更することにより、過大なアンバランス量の生じやすいロータ１でも、高精度なアンバランス量の計測が約束できる。

図５および図６は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、ロータ１のラジアル支持を、ボス部２７の内側、すなわち支持穴２９にて行うのではなく、ボス部２７の外側、すなわち外周面にて行うようにしたものである。
すなわち、マンドレルとして、先端部にロータ１のボス部２７の外周面に嵌め合い自在な円形の凹部６７ａを有するマンドレル６７を用いる。この凹部６７ａの内周面には、図６に示されるように複数、例えば噴出孔６８が周方向に等間隔に設けられている。噴出孔６８は、マンドレル６７の周壁部に設けた供給通路６９および支持アーム体１１に設けた中継通路７１を介して、第1の実施形態と同様、静圧軸受用流体供給装置（図示せず）に接続されている。これにて、凹部６７ａの内周面をラジアル軸受面、すなわち凹部６７ａの内周面から噴出される流体（例えば圧縮空気）によりボス部２７の外周面を回転自在に受ける流体ラジアル軸受７７を構成している。なお、流体スラスト軸受４７は、第1の実施形態に記載した構造と同じである。

こうしたロータ１のボス部２７の外周面をラジアル支持する支持装置１５でも、ロータ１の端面をスラスト支持する流体スラスト軸受４７の採用により、第1の実施形態と同様の効果を奏する。但し、図５および図６において、第1の実施形態と同一部分は、同一符号を付してその説明を省略した。

なお、上述した実施形態における各構成およびそれの組合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であることはいうまでもない。また本発明は、実施形態によって限定されることはなく、「特許請求の範囲」によってのみ限定されることはいうまでもない。例えば上述した実施形態では、円弧形の壁部を用いて、流体をロータ端面の外周端側へ噴出させる構造を挙げたが、これに限らず、他の構造を用いて、流体をロータ端面の外周端側へ噴出させても構わない。また上述の実施形態では、ターボ圧縮機のロータを用いた例を挙げたが、これに限らず、アンバランスの計測を必要とする被回転体であれば構わない。また用いる流体は、空気などの圧縮性流体でも、潤滑油などの非圧縮性流体でもよい。

１ ロータ（被回転体）
１５ 支持装置（バランス修正用支持装置）
１７、６７ マンドレル
２７ ボス部
２９ 支持穴
２３ａ 端面
３７，７７ 流体ラジアル軸受
４７ 流体スラスト軸受
６７ａ 凹部

Claims (9)

1. 回転中心と交差する方向の端面を含む被回転体を回転自在に支持する流体スラスト軸受を有するバランス修正用支持装置であって、
   前記流体スラスト軸受は、前記被回転体の前記端面のうち、前記被回転体の前記回転中心と前記被回転体の外周端との中間部から前記外周端までの位置でのみ前記被回転体を支える、バランス修正用支持装置。
2. 前記被回転体を回転自在に支持する流体ラジアル軸受をさらに有する、請求項１に記載のバランス修正用支持装置。
3. 前記被回転体は前記端面の中央部に支持穴が設けられており、
   前記流体ラジアル軸受は前記支持穴の内面を回転自在に受ける、請求項２に記載のバランス修正用支持装置。
4. 前記流体ラジアル軸受はマンドレルを含んでおり、
   前記流体スラスト軸受は前記マンドレルを取り囲む壁部を有する、請求項３に記載のバランス修正用支持装置。
5. 前記マンドレルは前記支持穴に嵌め込まれる嵌挿部を含んでおり、
   前記嵌挿部の外周面には流体の噴出孔が設けられ、前記嵌挿部の軸心部には前記流体の逃がし路が設けられている、請求項４に記載のバランス修正用支持装置。
6. 前記被回転体は前記端面の中央部にボス部が設けられており、
   前記流体ラジアル軸受は前記ボス部の外周面を回転自在に受ける凹部を有する、請求項２に記載のバランス修正用支持装置。
7. 前記凹部の内周面には流体の噴出孔が設けられている、請求項６に記載のバランス修正用支持装置。
8. 回転中心と交差する方向に端面を有し、さらに当該端面の中央部に支持穴を有した被回転体が、前記支持穴との嵌め込みにより鉛直方向から挿入される縦形のマンドレルと、
   前記マンドレルの外周面に設けられ、前記マンドレルの外周面から噴出される流体により前記被回転体の支持穴の内面を回転自在に受ける流体ラジアル軸受と、
   前記マンドレルの周りに配置され、前記被回転体の前記端面のうち、前記被回転体の前記回転中心と前記被回転体の外周端との中間部から前記外周端までの領域にのみ流体を噴出させ前記被回転体を浮上させる流体スラスト軸受と
   を有する、バランス修正用支持装置。
9. 回転中心と交差する方向に端面を有し、さらに当該端面の中央部にボス部を有した被回転体の前記ボス部と嵌挿可能な凹部を有し、前記被回転体が、前記ボス部と前記凹部との嵌め込みにより鉛直方向から挿入される縦形のマンドレルと、
   前記凹部の内周面に設けられ、前記凹部の内周面から噴出される流体により前記ボス部の外周面を回転自在に受ける流体ラジアル軸受と、
   前記マンドレルの周りに配置され、前記被回転体の前記端面のうち、前記被回転体の前記回転中心と前記被回転体の外周端との中間部から前記外周端までの領域にのみ流体を噴出させ前記被回転体を浮上させる流体スラスト軸受と
   を有する、バランス修正用支持装置。

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