JPH07318449A - 回転機アンバランス測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、流体中で供試インペラをテ
スト用ケーシング内で規定回転数で回転させ、歪ゲージ
を取付けたテスト用シャフトにかかる力を測定して、ア
ンバランス量を算出する回転機アンバランス測定装置を
得ることにある。 【構成】 本発明に係る回転機アンバランス測定装置
は、被駆動流体を包み込むテスト用ケーシング19と、こ
のテスト用ケーシング19内に収められた供試インペラ29
と、前記テスト用ケーシング19を貫通し前記供試インペ
ラ29を回転自在に支持するテスト用シャフト18と、この
テスト用シャフト18の表面の歪を測定する計測手段であ
る歪センサ17とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転機器のアンバラン
スを測定する回転機アンバランス測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５乃至図９を使用して従来の回転機の
アンバランスの測定について説明する。図５は、回転機
である渦巻ポンプの回転軸方向から見た縦断面図であ
り、図６は、回転機である両吸込渦巻ポンプの縦断面図
である。

【０００３】ここでいう回転機は水、油等の比重の大き
い高密度流体を扱うポンプ、水車羽根車等に限定され、
空気等の気体を扱う機器は含まれない。回転機器である
ポンプの基本構造は、処理する流体を包み込むケーシン
グ１と、このケーシング１内で回転するインペラ２と、
このインペラ２を回転自在に支持するシャフト３とから
なる。ケーシング１は静止体であり、内部にインペラ２
およびシャフト３を包み込んでおり、駆動あるいは被駆
動流体と外気とのバウンダリを構成している。インペラ
２は、ケーシング１の内にあり、駆動流体の運動エネル
ギーを回転機械エネルギーに変換したり、被駆動流体に
駆動機構の機械的回転エネルギを運動エネルギに変換す
る構成体である。シャフト３はケーシング１とインペラ
２の相対位置を一定にするためインペラ２の回転中心を
貫いた剛性のある軸である。回転機器は、その運転時に
様々な要因から音、振動、摩耗の発生を伴なう。これ等
の要因のうち回転体の質量のアンバランスおよび高密度
流体中のインペラ２の受けるあるいは発生する力のアン
バランスは重要で大きい要因である。本発明の核心もま
たここにあるのでこれにつき説明する。

【０００４】まず質量のアンバランスについて説明す
る。回転体は通常軸対称となる様に設計し製作される。
回転体はインペラ２とシャフト３が結合しているのが一
般的な姿である。これ等の質量を合わせた重心はシャフ
ト３の中心にあるのが理想的である。

【０００５】重心が回転軸にないと、回転体が回転する
と、次の様にシャフト３を曲げる力が働くことになる。
図７（Ｂ）に示すように、回転軸の中心６と重心７との
距離をｅ、回転の角速度をω、重心にかかる質量をｍ、
重心７に働く遠心力をＦとすると、

【０００６】

【数１】 Ｆ＝ｍｅω² …（１） となる。遠心力は偏心量に比例する。簡単な系では、こ
の時の振れ幅ｒは、シャフト３の放射方向の固有角振動
数をｐ、軸のバネ定数をｋとすると、

【０００７】

【数２】 で表わされる。ここで表わされるように、バランスが悪
く、ｒが大きいと、ケーシング１とインペラ２のギャッ
プを縮め、大きすぎれば接触してケーシング１、インペ
ラ２共に破損することになる。また振動も増大する。

【０００８】この様に質量のアンバランスは、程度によ
り回転機を破損させたり寿命を縮めることになり、製作
上避けねばならないことになる。しかし現実には、シャ
フト３は鍜造品の機械切削で作られ質量アンバランスは
少ないが、インペラ２は鋳物で作られることが多く、鋳
造欠陥がありバランスの崩れることが少なくない。

【０００９】実機の製造では、このアンバランスを無く
するために次の様な方法を採っている。まずダイナミッ
クバランスについて述べる。ダイナミックバランスすな
わち動的バランス測定装置に完成回転体をセットし、回
転体の使用回転数で回転させた時の振れ幅ｒと回転体重
心の基準に対する回転角を測定し、（質量ｍ）×（偏心
ｅ）の積を算出する。回転角も明らかになるため、回転
角および回転軸中心からの距離を考慮して回転体のどの
位置に重量を付加あるいは削減することにより重心を回
転軸の中心に近づけることを検討する。

【００１０】次に流体中でのアンバランスについて述べ
る。前述したようにダイナミックバランスが調整されれ
ば空気中で回した時は充分バランスがとれる。しかしこ
の回転体をケーシング１に組み込み水あるいは油の様な
高密度流体中で運転した時に、インペラ２で発生する力
がバランスしているという保証はない。

【００１１】回転方向８に回転するとインペラ２の羽根
９は流体を外に向け遠心力で振り飛ばし運動エネルギー
を与える。流体はケーシング１内で流路に沿って集合
し、図５に示す様に吐出口５に向って圧力流として流れ
る。

【００１２】このときインペラ２の羽根９の１枚ずつは
設計上は同じ力で流体に遠心力を与えるようにしている
が、実際の製作では必ず同一になるとは限らない。各羽
根９は面積、角度、幅が微妙に違っている。羽根９が流
体に遠心力を与えるということは羽根９自体はその反力
を夫々内向きに受けることになる。

【００１３】図８（Ａ）に示すように各羽根９は回転方
向８の回転をすると、遠心力10と正反対方向の反力11を
受ける。図８（Ｂ）は、力の中心点12に各反力ベクトル
基点を取った場合の合成力ベクトル13を表わしている。
５枚の羽根９の反力ベクトルが違うと合成力ベクトル13
はゼロでなく大きさと方向を持つ。

【００１４】図９に合成ベクトル13を受けた場合の曲げ
られたシャフト14を示す。シャフト３は合成ベクトル13
の方向に曲げられる。このシャフト14には力のかかった
方向には引張り力15、反対側には圧縮力16が働くことに
なる。またインペラ２はシャフト３に載っているから、
合成ベクトル13の働く方向のケーシング１とインペラ２
の間隙が減り、変位量が大きければインペラ２とケーシ
ング１が触れポンプを破損することになる。

【００１５】合成ベクトル13はシャフト３の回転に合せ
回転する。従ってシャフト３には常に同じ方向に力が加
わり、シャフト３を曲げようとする。この力が高温流体
中で働くとシャフト３の素材に依るが、長時間の間に塑
性変形を生ずることにもなる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】一般に質量アンバラン
スは前述のようにダイナミックバランスによりアンバラ
ンス量を測定し、質量バランス調整を行なうことは、比
較的容易に行なうことができ、実際に行なわれている。

【００１７】一方、流体中のダイナミックバランスは、
その回転体を当該流体中で使用目的の回転数で回転させ
て測る必要があり、その測定に複雑な設備を必要とする
と共に、夫々インペラ２、シャフト３、ケーシング１の
組合が必要であり実際に行なわれていないのが通例であ
る。

【００１８】しかし原子力発電の様に高い信頼性を要求
される回転機では流体中のダイナミックバランスを厳密
にとることが、劣化、故障等の確率を減らすことにつな
がり重要である。

【００１９】本発明の目的は、流体中で実機用インペラ
をテスト用ケーシング内で規定回転数で回転させ、歪ゲ
ージを取付けたテスト用シャフトにかかる力を測定し
て、アンバランス量を算定する回転機アンバランス測定
装置を得ることにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明においては、被駆動流体を包み込む
テスト用ケーシングと、このテスト用ケーシング内に収
められた供試インペラと、前記テスト用ケーシングを貫
通し前記供試インペラを回転自在に支持するテスト用シ
ャフトと、このテスト用シャフトの表面の歪を測定する
計測手段とを有することを特徴とする回転機アンバラン
ス測定装置を提供する。

【００２１】また、請求項２記載の発明においては、前
記計測手段が複数の歪センサから構成されることを特徴
とする請求項１記載の回転機アンバランス測定装置を提
供する。

【００２２】また、請求項３記載の発明においては、前
記歪センサから信号を前記テスト用シャフトに取付けた
信号取出用円環電極を介して取出すことを特徴とする請
求項１または２記載の回転機アンバランス測定装置を提
供する。

【００２３】また、請求項４記載の発明においては、前
記信号取出用円環電極より取出した信号を信号処理装置
に入力してアンバランス量を演算することを特徴とする
請求項１から３のいずれか１項記載の回転機アンバラン
ス測定装置を提供する。

【００２４】

【作用】請求項１のように構成された装置においては、
テスト用シャフトの表面の歪を計測して求めたアンバラ
ンス量に従ってインペラの羽根を加工するので、高密度
流体用回転機の信頼性を向上させることができる。

【００２５】請求項２のように構成された装置において
は、歪センサから求めたアンバランス量に従ってインペ
ラの羽根を加工するので、高密度流体用回転機の信頼性
を向上させることができる。

【００２６】請求項３のように構成された発明において
は、信号取出用円環電極を介して取出した信号から求め
たアンバランス量に従ってインペラの羽根を加工するの
で、高密度流体用回転機の信頼性を向上させることがで
きる。

【００２７】請求項４のように構成された発明において
は、信号処理装置より求めたアンバランス量に従ってイ
ンペラの羽根を加工するので、高密度流体用回転機の信
頼性を向上させることができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明に係る回転機のアンバランス測
定装置を図１から図４を参照して説明する。図１は、第
１実施例の縦断面図である。

【００２９】この実施例の回転機のアンバランス測定装
置は、図６に示す両吸込渦巻ポンプの場合の例である。
なお、図において、図６と同一部分には同一符号を付
し、その部分の構成の説明は省略する。

【００３０】実機用インペラである供試ケーシング29は
テスト用シャフト18に取付けられテスト用ケーシング19
に収められている。テスト用シャフト18の右端は、図示
しない駆動装置である電動機に結ばれる。テスト用シャ
フト18はテスト用ケーシング19の貫通部でシールあるい
はメカニカルシールなどのシール20と接している。また
テスト用シャフト18は、テスト用ケーシング19の外側で
軸受21により支えられている。テスト用シャフト18の供
試インペラ29両脇には、歪センサ17が合計６個取付けら
れる。また、テスト用シャフト18の左側には、歪センサ
17からの信号を取出す信号取出用円環電極22が12個取付
けられる。供試インペラ29はこの試験装置にかけられる
前に、既存技術である質量バランスを測定するための図
示しないダイナミックバランスでバランス調整を済ませ
ておく。その後、図１の試験装置に組み込み図示しない
駆動装置により定格回転数で流体の中で回転させ、その
時発生する歪センサ17の出力を信号取出用円環電極22に
より測定系へ取出す。

【００３１】図２（Ａ）、図２（Ｂ）は歪センサ17の取
付図である。歪センサ17は、供試インペラ29を貫通した
テスト用シャフト18に取付ける。テスト用シャフト18の
軸方向から見て、互いに 120°ずつ角度をずらし片側３
個、計６個の歪センサ17をとるつける。

【００３２】回転している供試インペラ29にアンバラン
スがあると図８に示すようにインペラ３に合成ベクトル
13が働きテスト用シャフト18を曲げようとする力がテス
ト用シャフト18にかかる。図９に示すように合成ベクト
ル13が上向きであると、シャフト18は上方向の山形に曲
ろうとする。この時上側についている歪センサ17は引張
り方向の力を受け、下側に付いている歪センサ17は圧縮
方向の力を受ける。

【００３３】図２に示すように歪センサ17を 120°ずつ
ずらすと、合成ベクトルの方向が確定する。また、テス
ト用シャフト18の両側に歪センサ17を取付けることによ
り、夫々の合成ベクトル13が計算できる。更に夫々のベ
クトルを加えることにより最終的なインペラ２の合成ベ
クトル13を求めることができる。

【００３４】力のアンバランスを無くするには、この合
成ベクトル13がゼロとなるように、羽根９の反力を調整
する。羽根９の反力の調整は、合成ベクトル13の方向の
羽根９をベクトルに合せ削る。削った後に、再度バラン
スの測定を行ない効果を確認する。

【００３５】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、
テスト用シャフトの詳細図である。テスト用シャフト18
に歪センサ17を固定する。歪センサ17は抵抗線歪計ある
いは半導体歪計のような引張りあるいは圧縮力に比例し
た電気信号を出すものを用いる。歪センサ17は、テスト
用シャフト18の上に薄くかつ強固に張りつける。歪セン
サ17と信号取出用円環電極22は信号ケーブル23で結ぶ。
信号ケーブル23には、機械的に強いＭＩケーブルすなわ
ちメタルオキサイドインシュレーションケーブル等を用
いる。テスト用シャフト18に信号ケーブル用溝24を作
り、この溝24に信号ケーブル23を這わせる。シール20お
よび軸受21では信号ケーブル23を傷つけたり漏洩を起さ
ない様にシースをかぶせる。信号取出用円環電極22はテ
スト用シャフト18との間に図４に示す絶縁物26をはさみ
電気的に分離する。電極自体は、交流電動機や交流発電
機の電機子の取出し電極と同様に銅合金の金属環であ
る。信号取出用円環電極22から信号電気を取出す集電極
25は、カーボンブラシを用いる。

【００３６】次に、このような構成からなる本実施例の
作用について説明する。図４は、信号の流れを示す構成
図である。歪センサ17から信号ケーブル23を通り信号取
出用円環電極22に到った信号は、回転している円環電極
22から静止している集電極25に移り、歪計測アンプ27に
入る。歪計測アンプ27は、テスト用シャフト18の歪セン
サ17を貼ってある部分の機械的な圧縮あるいは引張力を
変換した微弱信号を充分大きな信号電流にして信号処理
装置28に送る。

【００３７】信号処理装置28では、歪センサ17から送ら
れてきた信号の大きさと歪センサ１７の位置からアンバ
ランスの大きさおよび合成ベクトルを計算し、インペラ
２がどの方向にどれだけの大きさの反力を受けているか
を内蔵コンピュータで計算し表示する。

【００３８】このように本実施例によれば、高密度流体
用回転機の流体中でのアンバランスによる機器の異音、
異動等のトラブルや破損あるいは寿命短縮につながるト
ラブルを未然に防止することができ、機器の使われてい
るシステムの信頼性が向上する。特に原子力発電の様に
その信頼性が強く求められている産業分野ではこの必要
性が高い。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、テスト用シャ
フトの表面の歪を計測して求めたアンバランス量に従っ
てインペラの羽根を加工するので、高密度流体用回転機
の信頼性を向上させることができる。

【００４０】請求項２の発明によれば、歪センサから求
めたアンバランス量に従ってインペラの羽根を加工する
ので、高密度流体用回転機の信頼性を向上させることが
できる。

【００４１】請求項３の発明によれば、信号取出用円環
電極を介して取出した信号から求めたアンバランス量に
従ってインペラの羽根を加工するので、高密度流体用回
転機の信頼性を向上させることができる。

【００４２】請求項４の発明によれば、信号処理装置よ
り求めたアンバランス量に従ってインペラの羽根を加工
するので、高密度流体用回転機の信頼性を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回転機アンバランス測定装置の第
１実施例を示す縦断面図。

【図２】（Ａ）は、第１実施例の歪センサを取付けたテ
スト用シャフトの正面図、（Ｂ）は、第１実施例の歪セ
ンサを取付けたテスト用シャフトの軸方向から見た側面
図。

【図３】（Ａ）は、第１実施例の信号ケーブルを這わせ
たテスト用シャフトの正面図、（Ｂ）は、第１実施例の
テスト用シャフトを軸方向から見た拡大図、（Ｃ）は、
第１実施例の信号取出用円環電極を取付けたテスト用シ
ャフトを軸方向から見た拡大図。

【図４】第１実施例の信号の流れを示す構成図。

【図５】従来の渦巻ポンプの回転軸方向から見た縦断面
図。

【図６】従来の両吸込渦巻ポンプを示す縦断面図。

【図７】（Ａ）は、従来のインペラを示す正面図、
（Ｂ）は、従来のインペラを示す側面図。

【図８】（Ａ）は、従来のインペラの羽根に作用する遠
心力を示す特性図、（Ｂ）は、従来のインペラの羽根に
作用する合成ベクトルを示す特性図。

【図９】従来の合成ベクトルを受けて曲げられたシャフ
トを示す正面図。

【符号の説明】

１７…歪センサ 18…テスト用シャフト 19…テスト用ケーシング 22…信号取出用円環電極 23…信号ケーブル 24…信号ケーブル溝 25…集電極 28…信号処理装置 29…供試インペラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被駆動流体を包み込むテスト用ケーシン
   グと、このテスト用ケーシング内に収められた供試イン
   ペラと、前記テスト用ケーシングを貫通し前記供試イン
   ペラを回転自在に支持するテスト用シャフトと、このテ
   スト用シャフトの表面の歪を測定する計測手段とを有す
   ることを特徴とする回転機アンバランス測定装置。
2. 【請求項２】 前記計測手段が複数の歪センサから構成
   されることを特徴とする請求項１記載の回転機アンバラ
   ンス測定装置。
3. 【請求項３】 前記歪センサから信号を前記テスト用シ
   ャフトに取付けた信号取出用円環電極を介して取出すこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の回転機アンバラ
   ンス測定装置。
4. 【請求項４】 前記信号取出用円環電極より取出した信
   号を信号処理装置に入力してアンバランス量を演算する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の
   回転機アンバランス測定装置。