WO2014034769A1

WO2014034769A1 - バランス修正用支承装置

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Publication number: WO2014034769A1
Application number: PCT/JP2013/073118
Authority: WO
Inventors: 健藤牧; 和昌宮原; 宜夫霜倉
Original assignee: 株式会社Ｉｈｉ回転機械; 株式会社長浜製作所
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2014-03-06
Also published as: CN104769404A; KR20150047566A; KR101988465B1; JP2014048091A; HK1212019A1; CN104769404B; EP2891873A1; EP2891873A4; EP2891873B1; JP5415601B1

Abstract

本発明のバランス修正用支承装置は、多角形の断面形状に形成された部分(26)を端側に有する被回転体(1)の支持孔(22)が装着されるマンドレル(11)の外周面のうち、支持孔の多角形の断面形状部分(26a)に臨む地点に、被回転体の回転にしたがい多角形の断面形状部分とマンドレルの外周面との間の空間内で変動する圧力を外部へ逃がす逃し孔(38)を設けた。

Description

バランス修正用支承装置

　本発明は、ターボ圧縮機のロータなど高速で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、静圧気体軸受を装備した縦形のマンドレルを用いて回転自在に支承させるバランス修正用支承装置に関する。

　高速で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、静圧気体軸受を装備したマンドレルを用いて、ロータを単体で回転自在に支承する支承装置（バランス修正用支承装置）が用いられる。多くは特許文献１の図５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断面円形の支持孔が嵌る円柱状のマンドレル部材を用い、このマンドレル部材の外周面に静圧気体ラジアル軸受（噴出孔をもつラジアル軸受面で構成）を設け、マンドレル部材の基端側に静圧気体スラスト軸受（噴出孔をもつスラスト軸受面で構成）を設けた構造が用いられる。

　同構造により、ロータの支持孔をマンドレルへ嵌めると、ロータ全体がマンドレルに装着される。その後、静圧気体ラジアル軸受の噴出孔から支持孔の内面へ圧縮性流体（空気；静圧気体軸受用）を噴出させ、静圧気体スラスト軸受の噴出孔から支持孔の下端の開口周囲（ロータの端面）へ圧縮性流体（空気；静圧気体軸受用）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承される。

　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、例えばロータ面へ向け駆動用の空気（駆動流体）を噴射させて、ロータを高速で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で行われる。

特開２００５－１７２５３８号公報（図５）

　通常、ロータの支持孔としては、引用文献１にも開示されているように断面円形な筒形形状、すなわち軸方向全体が円形の断面形状となった孔が用いられる。これは、同支持孔に、ロータと組み合うシャフトの端を嵌挿させて、ボルト止めなどで、ロータにシャフトを連結させるためである。
　ところで、ターボ圧縮機のロータには、ターボ圧縮機が利用される各種のシステム分野から、強固にシャフトと連結する、高精度にロータ軸心とシャフト軸心とを合わせるなど多くの要望が出てきている。

　そこで、近時、ターボ圧縮機のロータでは、これに応えるべく、断面円形の孔による連結だけではなく、多角形状部を混えて、ロータとシャフトとを嵌挿させて連結するという連結方式の構造が提案され始めている。その連結方式の実現のため、ロータの支持孔の端側に、シャフトに形成された多角形状部と嵌り合う多角形の断面形状の内腔部を形成することが検討され始めている。

　ところが、多角形状の内腔部をもつ支持孔を採用すると、ロータのアンバランス量の計測が満足に行えないおそれがある。
　すなわち、通常、ロータのアンバランス量を測定しているとき、ロータを静圧気体で支持している部分であるマンドレルの外周面と支持孔の内面との間には、静圧気体軸受の噴出孔から噴出する圧縮性流体が充満する。

　このとき、支持孔が、マンドレルの外周形状と同じ断面円形（真円）であると、ロータが回転しても、圧力変動を生じないので、高い計測精度が確保される。しかし、支持孔に多角形の内腔部があると、断面円形（真円）のときとは異なり、多角形状が有る部分で、ロータの回転（変位）にしたがい、マンドレルの外周面との間でスクイーズが生じる。このときのスクイーズ効果により、同間内では圧力上昇、下降を繰り返すようになる。

　マンドレルで支承されたロータは、この圧力変動により、ハンチング振動を生じる。このため、ロータのアンバランス量を計測する精度が損なわれやすい。また、ロータがマンドレルと接触しやすくなる問題もあり、所期のアンバランス量の計測が満足に行えないことがある。

　そこで、本発明の目的は、高い精度で、支持孔の一部を多角形状にした被回転体のアンバランス量の計測が行えるバランス修正用支承装置を提供することにある。

　本発明では、多角形の断面形状に形成された部分を端側に有する被回転体の支持孔が装着される縦形のマンドレルの外周面のうち、支持孔の多角形の断面形状部分に臨む外周面部分に、被回転体の回転にしたがい多角形の断面形状部分とマンドレルの外周面間の空間内で変動する圧力を外部へ逃がす逃し孔を設けた（請求項１）。
　同構成により、支持孔の一部を多角形の断面形状としても、アンバランス量（動的不釣合い量）を計測する際、支持孔の多角形の断面部分とマンドレルの外周面との間の空間内で生ずる圧力の変動は、逃し孔を通じて、外部へ逃げる。このため、スクイーズを要因とした、支持孔の多角形状の断面部分とマンドレルの外周面間における圧力変動は抑えられ、高い精度で、被回転体のアンバランス量の計測が行われる。

　好ましくは、上記目的に加え、さらに変動した圧力がむらなく逃げるよう、逃し孔は、マンドレルの外周面に周方向に沿って多数、等間隔に設けられることとした（請求項２）。
　好ましくは、上記目的に加え、さらに変動した圧力が逃げやすいよう、逃し孔は、マンドレルのうちの多角形の断面形状部分とマンドレルの外周面との間の空間の最下位近傍に入口を有し、静圧気体スラスト軸受面の近傍の外部に臨む地点に出口を有した、最短の経路で形成される通路を用いることとした（請求項３）。

　発明によれば、被回転体のアンバランス量を計測する際、支持孔の多角形の断面部分とマンドレルの外周面との間の空間内で生ずる圧力の変動は、逃し孔を通じて、外部へ逃げる。これにより、スクイーズを要因とした、支持孔の多角形状の断面部分とマンドレルの外周面との間の空間内における圧力変動を抑えることができる。
　したがって、支持孔の一部を多角形状にした被回転体は、高い精度でアンバランス量の計測が行える。しかも、マンドレルに被回転体が接触するおそれも回避できる。そのうえ、簡単な構造ですむ（請求項１）。

　上記効果に加え、さらに多数の逃し孔を通じて、多角形状の断面部分とマンドレルの外周面との間の空間内から、変動した圧力をむらなく逃がすことができ、より一層、高い効果をもたらす（請求項２）。
　上記効果に加え、さらに逃し孔は最短の経路で形成してあるので、一層、圧力は外部へ逃げやすくなり、より一層、高い効果をもたらす（請求項３）。

本発明の一実施形態のバランス修正用支承装置を、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承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－Ａ線に沿う断面図。図２中のＢ－Ｂ線に沿う断面図。ロータが回転したときの、支持孔の多角形の断面部分とマンドレルの外周面間の空間内の挙動を説明するために断面図。アンバランス量の計測を行うターボ圧縮機のロータ（被回転体）を説明する斜視図。同ロータの多角形状部を用いた連結構造を説明する斜視図。

　以下、本発明を図１～図７に示す一実施形態にもとづいて説明する。
　図１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構成を示していて、例えば図中符号２は同装置の基板、符号３は同基板２の上面に立設されたフレーム体、符号４はフレーム体３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４の各部は、フレーム体３の前面から突き出た複数の支持ばね部材５ａおよび基板２の上面から突き出た支持ばね部材５ｂ（一部しか図示せず）に連結され、振動ブリッジ体４の全体を左右方向へ変位可能に支持している。この振動ブリッジ体４の前部からは、支持アーム体６が帯形に延びている。この帯形の支持アーム体６の先端部には、上記ターボ圧縮機のロータ１を支承するための支承装置１０（本願のバランス修正用支承装置に相当）が据え付けられている。

　ちなみに、振動ブリッジ体４の側方には、振動ブリッジ体４に伝わる振動を検出する各種センサ８が設置され、支承装置１０の周りには、ロータ１を回転させる圧縮空気を噴出させる一対の噴出ヘッド部９（回転力付与部）が設置されている。図１中符号８ａは、各種センサ８を基板２上に据付ける据付部材を示し、符号９ａは噴出ヘッド部９を基板２上に据付ける据付部材を示している。

　上記支承装置１０には、縦形のマンドレル１１を用いて、静圧気体軸受により、ロータ１（単体）を回転自在に支承する構造が用いられている。同支承装置１０の構造が図２に示されている。

　ここで、支承装置１０の構造を説明する前に、計測対象の部品となるロータ１を説明すると、ロータ１は、例えば図６に示されるように多数枚のブレード１ａを円板状のベース面部２０ａ上に形成したロータ本体２０を有する。ロータ本体２０は、ベース面部２０ａの中心部に形成されている筒形のボス部２１を含む。このロータ本体２０の回転軸心部およびベース面部２０ａのボス部２１は、これらの部分を直線状に貫通した断面円形な支持孔２２を有している。この支持孔２２内に、ロータ１と組み合う断面円形なシャフト２３が組み付く。具体的には、同シャフト２３の端部が支持孔２２内に挿入され、挿入端を、固定部材、例えばナット部材（図示しない）により固定することで、ロータ１は、ボス部２１の端を受ける受部２３ａとの間で締結され、これにより、ロータ１が組み付いたモジュール、つまりロータモジュールが形成される。

　ここで、このロータ１とシャフト２３の連結には、シャフト２３および支持孔２２に、一部、多角形状を採用した構造が用いられている（例えば強固なる連結、高精度な軸心合わせのなどのため）。
　すなわち、通常は、ロータ１の一端から他端までの全体を断面円形の内腔部とした支持孔２２および同支持孔２２に応じた断面円形なシャフト２３を用いているが、ここでは、図６および図７に示されるように例えば支持孔２２の一部となる端、具体的には支持孔２２の基端となるボス部２１内の内面に、他の断面円形の内腔より大きい多角形の断面形状、ここでは例えば三角形状の内面２６ａを有し、内面２６ａの内側を三角形の内腔部２６としている。シャフト２３は、同三角形状の内腔部２６と嵌合する例えば三角形状のフランジ部２７を有している。つまり、三角形状の内腔部２６とフランジ部２７とが嵌り合う構造を併用して、ロータ１とシャフト２３とを連結させている。

　図１および図２の支承装置１０には、この支持孔２２の一部を多角形にしたロータ１を安定して支承させる構造が用いられている。
　図１および図２を参照して、この支承装置１０の各部を説明すると、符号１１は上述のマンドレルである。マンドレル１１は、円柱状のマンドレル部材から構成される。同マンドレル部材が支持アーム体６の先端部の上面に立設され、ロータ１が、マンドレル１１の上方から装着されるようにしている。

　すなわち、マンドレル１１は、下端から順に、支持アーム体６上に固定された設置座３０、ロータ１の下端（ボス部２１端）を受ける円盤状部３１、ロータ１と嵌挿可能な円柱状部３２を有して、所定量、支持アーム体６から鉛直方向へ延びている。具体的には、円柱状部３２のうち、先端側のロータ本体２０が配置される部分（ボス部２１を除く）は、当該ロータ本体２０の支持孔２２の大部分を占める小径な孔部分２２ｄの形状に合わせた断面円形の柱部分３２ａで形成してある。基端側のボス部２１が配置される部分は、図３に示されるように支持孔２２の段付部２２ａの形状に合わせて、柱部分３２ａよりも大径の柱部分３２ｂにしている。特に三角形状の内腔部２６（内面２６ａ）と対応する部分は、図４に示されるように柱部分３２ｂより小径の柱部分３２ｃ（内面２６ａより小径）としてあり、図２に示されるようにロータ１を、支持孔２２の端（基端）からマンドレル１１へ挿入するだけで、三角形の内腔部２６の有無に影響されずに、マンドレル１１の周りに装着可能である。

　またマンドレル１１の柱部分３２ａ，３２ｂの外周面には、それぞれ多数の噴出孔３４ａを有した静圧気体ラジアル軸受面３４ｂが設けられ、支持孔２２の内面を受ける静圧気体ラジアル軸受３４を形成している。円盤状部３１の上面には、ボス部２１端の位置に合わせて、軸心周りに、多数の噴出孔３５ａを有した静圧気体スラスト軸受面３５ｂが設けられ、同部分に、ロータ１の下端となるボス部２１の端面（支持孔２２の開口周囲）を受ける静圧気体スラスト軸受３５を形成している。

　このうち噴出孔３４ａは、図２に示されるようにマンドレル１１の軸心部に沿って形成された各種孔径の通路３６ａ、支持アーム体６の内部に形成された中継通路３６ｂを介して、外部の静圧軸受用気体供給装置３７に接続される。また噴出孔３５ａは、円盤状部３１に形成された通路３８ａ、支持アーム体６の内部に形成された中継通路３８ｂを介して、上記静圧軸受用気体供給装置３７に接続される。これにより、静圧軸受用気体供給装置３７から供給される圧縮性流体、例えば空気を、各噴出孔３４ａ、３５ａから噴出させることにより、静圧気体軸受３４，３５で、ロータ１をラジアル方向、スラスト方向から受けて（支持）、ロータ１全体を、マンドレル１１の周りで、所定量だけ浮上させながら回転自在に支承させることが可能である。

　この浮上状態のロータ１に対して、一対の噴出ヘッド部９から空気を吹き付けると、ロータ１が高速で回転され、このときの挙動（振動具合）が、支持アーム体６、振動ブリッジ体４を経て、各種センサ８で検出され、ロータ１のアンバランス量が計測される。

　さらに図１、図２および図４（図２中のＢ－Ｂ断面）に示されるようにマンドレル１１の外周面のうち、ロータ１の三角形状の内腔部２６（本願の多角形の断面形状部分に相当）に臨む柱部分３２ｃの外周面には、逃し孔３８が設けられている。逃し孔３８は、マンドレル１１の周方向に沿って等間隔で、多数、ここでは９個、設けられている。

　いずれの逃し孔３８も、図２に示されるように入口３９ａが、柱部分３２ｃと内面２６ａとの間に形成される空間に開口し、出口３９ｂが、同空間外に開口する小径なＪ形の通路３９で形成されている。例えば通路３９の入口３９ａは、柱部分３２ｃと内面２６ａとの間の空間の最下位近傍となる柱部分３２ｃの外周面部分に開口され、出口３９ｂは、静圧気体スラスト軸受面３５ｂの近傍で外部に臨む地点、例えば円盤状部３１の端面の軸受面３５ｂ寄りの地点に開口され、通路３９を最短の経路で形成している。この最短経路で形成された通路３９にて、ロータ１が回転したとき、三角形状の内面２６ａと断面円形の柱部分３２ｃの外周面との間の空間に生ずる圧力変動、特に上昇する圧力を外部へ逃がせる構造にしている。

　つぎに、この圧力変動を逃がす点について説明する。
　まず、ロータ１のアンバランス量を計測するときは、図２に示されるようにロータ１の支持孔２２を、鉛直方向に起立するマンドレル１１に嵌めて、ロータ１をマンドレル１１に装着する。これで、マンドレル１１の断面円形の柱部分３２ａ（含；上段の静圧気体ラジアル軸受け３４）にはロータ１の孔部分２２ｄが配置され、柱部分３２ｂ（含；下段の静圧気体ラジアル軸受け３４）にはロータ１の段付部２２ａが配置され、柱部分３２ｃにはロータ１の三角形状の内腔部２６が配置される。また静圧式気体スラスト軸受面３５ｂ上には、ロータ１のボス部２１端が配置される。

　この後、静圧軸受用気体供給装置３７からの圧縮空気（圧縮性流体）を、各噴出孔３４ａ、３５ａから所定量噴出させる。すると、図２中の矢印にも示されるように噴出孔３４ａから噴出された空気は、静圧気体ラジアル軸受面３４ｂと孔部分２２ｄの内面や段付部２２ａの内面との間へ流れ込み、同間に流れ込む空気流で、ロータ１を、マンドレル１１の周りに回転自在に支持する。と共に図２中の矢印にも示されるように噴出孔３５ａから噴出された空気は、ボス部２１を押し上げながら、静圧気体スラスト軸受面３５ｂとボス部２１の端面との間へ流れ込み、ロータ１の全体を所定量だけ浮上させる。つまり、ロータ１は、マンドレル１１により、所定量だけ浮上させながら回転自在に支承される。

　この後、一対の噴出ヘッド部９の噴出孔９ｂ（図１に一部だけ図示）から、浮上しているロータ１のブレード１ａへ、空気を吹き付けると、ロータ１がマンドレル１１の周りを高速で回転する。このときのロータ１の挙動（振動具合）が、支持アーム体６、振動ブリッジ体４を経て各種センサ８へ伝わり、同センサ８での検出にて、ロータ１のアンバランス量が計測される。
　このとき、ロータ１における三角形状の内面２６ａとマンドレル１１の柱部分３２ｃ間の空間（内腔部２６）は、静圧気体軸受３４，３５の噴出孔３４ａ，３５ａから噴出する空気で充満している。

　ここで、今までのロータは、マンドレルと円形同士で組み合わさるため問題はないものの、上記ロータ１の支持孔２２の端は多角形、ここでは三角形状に定めてあるので、ロータ１の回転に伴い、三角形状の内腔部２６の有るボス部２１と、断面円形の柱部分３２ｃとの間ではスクイーズが生じる。このため、三角形状の内面２６ａと断面円形の柱部分３２ｃ間の空間では、図５に示されように変位する三角形状の内面２６ａの回転方向前側で圧力が上昇、回転方向後ろ側で圧力が下降するという、スクイーズ効果による圧力上昇、下降が空間内で繰り返される。

　ロータ１には、この圧力変動により、ハンチング振動が生じる。このままではロータ１は、ハンチング振動の影響を受けて、ロータ１のアンバランス量の計測の精度が損なわれてしまう。しかしながら、マンドレル１１には、この三角形状の内面２６ａと断面円形の柱部分３２ｃ間の空間で変動する圧力を外部へ逃がす逃し孔３８を設けているから、図２および図５の矢印に示されるように同空間内で生ずる圧力変動、すなわち上昇する圧力は、逃し孔３８を通じて、空間外（外部）へ逃げる。下降する圧力は、静圧式気体軸受３４，３５の空気によって補われる。

　これにより、精度を損なう要因となる、支持孔２２の多角形状の断面部分（三角形の内腔部２６）とマンドレル１１の断面円形な外周面間における圧力変動は抑えられる。
　それ故、高い精度で、ロータ１（被回転体）のアンバランス量の計測を行うことができる。しかも、マンドレル１１の外周面のうち、支持孔２２の多角形の断面形状部分に臨む地点に逃し孔３８を形成するだけで計測精度が改善されるので、簡単な構造ですむ。そのうえ、マンドレル１１にロータ１が接触するおそれも心配も回避できる。

　特に逃し孔３８は、マンドレル１１の周方向に沿って多数、等間隔に配置してあるため、変動した圧力をむらなく外部へ逃がすことができ、一層、効果的に圧力変動を抑えることができる。
　しかも、逃し孔３８が最短経路で形成してあると、変動した圧力が外部へ逃げやすくなるので、より効果的に圧力変動を抑えることができる。

　なお、本発明は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述した一実施形態では、支持孔の多角形部分を三角形状の内腔部とした例を挙げたが、これに限らず、他の多角形状の内腔部としてもよい。また上述した一実施形態では、９個の逃し孔を設けた例を挙げたが、これに限らず、９個以上でも９個以下でも圧力変動の抑制効果を十分に確保できればよく、数量にこだわるものではない。むろん、上述した一実施形態では、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、アンバランス量の計測を必要とする被回転体であれば本発明を適用可能である。

　　１　ロータ（被回転体）
　１０　支承装置（バランス修正用支承装置）
　１１　マンドレル
　２２　支持孔
　２６　三角形状の内腔部（多角形の断面形状の部位）
　２６ａ　三角形状の内面（多角形の内面）
　３４　静圧気体ラジアル軸受
　３５　静圧気体スラスト軸受
　３８　逃し孔
　３９ａ　入口
　３９ｂ　出口

Claims

　回転中心部に断面円形の支持孔を有し、かつ当該支持孔の端側が多角形の断面形状で形成された被回転体と、前記支持孔との挿入により前記被回転体が鉛直方向から装着される縦形のマンドレルとを備え、前記マンドレルの外周面には前記支持孔の断面円形の内面を回転自在に受ける静圧気体ラジアル軸受を有し、基端側には前記支持孔の下端の開口周囲を回転自在に受ける静圧気体スラスト軸受を有し、前記静圧気体ラジアル軸受、前記静圧気体スラスト軸受から静圧気体軸受用の圧縮性流体を噴出させて、前記被回転体を前記マンドレルの周りで浮上させながら回転自在に支承させる構造で構成され、浮上状態の被回転体に回転力を加えることによりアンバランス量の計測を可能としたバランス修正用支承装置であって、
　前記マンドレルの外周面のうち、前記支持孔の多角形の断面形状部分に臨む外周面部分には、前記被回転体の回転にしたがい前記多角形の断面形状部分と前記マンドレルの外周面との間の空間内で変動する圧力を外部へ逃がす逃し孔が設けられる
　ことを特徴とするバランス修正用支承装置。
　前記逃し孔は、前記マンドレルの外周面に周方向に沿って多数、等間隔に設けられることを特徴とする請求項１に記載のバランス修正用支承装置。
　前記逃し孔は、前記マンドレルのうちの前記多角形の断面形状部分と前記マンドレルの外周面との間の空間の最下位近傍に入口を有し、前記静圧気体スラスト軸受面の近傍の外部に臨む地点に出口を有した最短の経路で形成される通孔でなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバランス修正用支承装置。