JP2009036208A

JP2009036208A - ロータ位置合せシステム及び方法

Info

Publication number: JP2009036208A
Application number: JP2008199111A
Authority: JP
Inventors: Kenneth Damon Black; ケネス・デイモン・ブラック; Bradley James Miller; ブラッドリー・ジェームズ・ミラー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2009-02-19
Also published as: CH697741A2; CN101358546A; US20090031802A1; DE102008002982A1

Abstract

【課題】本明細書に開示しているのは、ステータ（１８）に対するロータ（１４）の位置合せ方法である。
【解決手段】本位置合せ方法は、ロータ（１４）とステータ（１８）との間に複数の偏心リング（４６、４７、４８）を配置するステップと、複数の偏心リング（４６、４７、４８）の少なくとも１つをステータ（１８）に対して回転させ、それによって該ステータ（１８）に対するロータ（１４）の偏心度を減少させるステップとを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロータ位置合せシステム及び方法に関する。

例えばガスタービンエンジンのような回転機械は、一般にステータと呼ばれる固定部分に対して回転する一般にロータと呼ばれる部分を有する。ロータは回転しまたステータは静止しているので、ロータとステータとの間には間隙が存在し、この間隙は、ロータ及びステータ間の衝突を防止するために常に維持されなくてはならない。加えて、間隙は、例えば発電機の場合にそうであるように機械エネルギーから電気エネルギーにというようにエネルギーを１つの形態から他の形態に変換する機械によって使用される電磁場によってしばしば橋絡される。間隙の寸法は、そのような機械の効率にしばしば影響を与える。従って、間隙の寸法を特定の範囲内に維持することが望ましいことになる。

しかしながら、回転機械のロータ及びステータは、多くの場合幾つかの構成要素で構成され、これら構成要素は、幾つか例を挙げると溶接、ボルト止め及び接着剤結合のような様々な一般的方法によって組み立てられる。従って、それらの間に間隙を形成するロータ及びステータの最終的な寸法は、望ましいものよりも大きく変動する可能性がある。そのような間隙の変動はまた、ロータ及びステータ間の同心度の不足によるものである可能性がある。そのような間隙の変動は、一般に偏心度と呼ばれている。
米国特許第４，２２２，７０８号公報米国特許第４，３４３，５９２号公報米国特許第４，７８６，２３２号公報米国特許第４，５４８，５４６号公報米国特許第４，８１７，４１７号公報仏国特許第２４３４２６９号公報

従って、機械を組立てた後において偏心度を減少させるか又は排除する方法及びシステムは、回転機械を利用する産業分野において望ましいものとなる。

本明細書に開示しているのは、ステータに対するロータ位置合せ方法である。本位置合せ方法は、ロータとステータとの間に複数の偏心リングを配置するステップと、複数の偏心リングの少なくとも１つをステータに対して回転させ、それによって該ステータに対するロータの偏心度を減少させるステップとを含む。

本明細書にさらに開示しているのは、ステータに対するロータ位置合せシステムである。本システムは、ロータと、ロータを受けるステータと、ロータとステータとの間に配置された複数の偏心リングとを含み、複数の偏心リングの各々は、該偏心リングの外表面に対して偏心した内側ボアを有し、複数の偏心リングは、互いに入れ子式で回転可能である。

以下の記述は、決して限定と見なしてはならない。添付図面を参照すると、同様な要素には同じ参照符号を付している。

本明細書では開示した装置及び方法の１つ又はそれ以上の実施形態についての詳細な説明を、図を参照しながら例示によって提示しているが、それらに限定するものではない。

図１を参照すると、ここにはガスタービンエンジンとして表した回転機械１０を示している。そのような回転機械の別の実施形態には、例えば発電機、電動機及び交流発電機が含まれる。図１のエンジンは、ロータ１４を有し、このロータ１４は、エンジン１０内でのロータ１４の相対的配置を明らかにするためにエンジン１０上に重ねた状態で示している。ロータ１４及びその他のものに加えて、エンジン１０は、ステータ１８を有する。ロータ１４は、多くの場合に高回転速度にて固定ステータ１８内で回転する。ロータ１４の構成要素（図示せず）とステータ１８の構成要素（図示せず）との間に間隙を維持して、エンジン１０の損傷及び故障を招く可能性がある両者間の接触を可能な限り防止することが重要である。それと同時に、エンジン１０の高い効率を達成するために、これらの間隙を最小限に保つことが望ましい。しかしながら、ロータ１４がステータ１８に対して偏心して設置された場合には、第１の位置における間隙は、望ましいものよりも小さくなる可能性があり、同時にその機械の軸線の周りで第１の地点から１８０°の位置における間隙は、望ましいものよりも大きくなる可能性がある。本明細書に開示した実施形態は、そのようなロータ１４及びステータ１８間の偏心度を最小限の時間と努力とで減少させるか又は排除することを可能にする。

さらに図１を参照すると、ロータ１４は、該ロータ１４がその周りで回転するシャフト２２を含む。ロータ１４に沿って様々な位置に配置された複数の軸受２４（図３）が、ステータ１８に対してロータ１４を回転可能に支持しかつ位置させる。そのような軸受２４は、例えばシャフト２２の両端に配置することができ、また特定のエンジン１０の特殊なパラメータに応じて、シャフト２２の両端間の位置に配置することができる。軸受２４は、支持構造体３０によってステータ１８に対して構造的に支持された軸受ハウジング２６内に収納される。

図２及び図３を参照すると、支持構造体３０は、複数の支柱３４を含む。支柱３４は、内側構造体３８から外側構造体４２まで半径方向外向きに延びる。内側構造体３８は、その内部に軸受ハウジング２６が配置された管状形状を有する。軸受ハウジング２６の外表面５２と内側構造体３８の内表面５６との間には、複数の偏心リング４６、４７及び４８（３個を図示している）が配置される。この実施形態では３個の偏心リング４６、４７及び４８を開示しているが、２個のみの偏心リングが必要であることを理解されたい。偏心リング４６、４７、４８は、以下に図４〜図８を参照しながら一層詳しく説明するように、ステータ１８に対するロータ１４の位置合せを改善するために使用される。外側偏心リング４６は、内側構造体３８の内表面５６と係合する外表面６０を有する。外表面６０及び内表面５６は、それらの間の環状間隙を最小にするような寸法にすることができる。外表面６０及び内表面５６間の間隙は、ステータ１８に対するロータ１４の偏心度の一因となる可能性がある。同様に、内側偏心リング４８は、軸受ハウジング２６の外表面５２と密接に嵌合するような寸法にされた内表面６４を有する。内表面６４及び外表面５２はまた、それらの間の環状間隙を最小にするような寸法にすることができる。加えて、この実施形態は、ステータ１８に対するロータ１４の全偏心度に影響を与えることになるさらに２つのそのような外表面に対する内表面の接合面を含む。これらの接合面は、中間リング４７の外表面７２に対する外側リング４６の内表面６８と、内側リング４８の外表面８０に対する中間リング４７の内表面７６とである。

従って３個の偏心リング４６、４７及び４８によって、外表面に対する内表面の４つの接合面が生じ、それら４つの接合面の各々が、ステータ１８に対するロータ１４の全偏心度の一因となる環状間隙を有することになる。これらの環状間隙を最小にするか又は排除する本明細書に開示した１つの実施形態は、接合面の幾つか又は全て上にテーパを組み入れている。例えば、図示するように、内表面６８は、軸方向右方に移動するにつれて測定した位置においてその半径方向寸法が増大するテーパを有する（図３に示すように）。同様に、外表面７２は、内表面６８のテーパと相補的なテーパを有する。これらの相補テーパは、リング４６及び４７を互いに向かって押す軸方向力に応じて、外側リング４６を中間リング４７に対して楔噛合させることを可能にする。一体に楔噛合すると、リング４６、４７は、効果的にそれらの間に何らの環状間隙も持たないことになり、従って表面６８及び７２の付加的接合は、ステータ１８に対するロータ１４の偏心度を付加するような環状間隙を全く含まない。ここでは内表面及び外表面の４つの接合面のうちの２つのみがそのようなテーパを有するものとして示しているが、それら接合面の４つ全てにこのテーパ構成を採用することができる。ここでは内側構造体３８にボルト止めされたプレートとして示したクランプ装置８２を使用して、プレートと内側構造体３８の軸方向部分との間でリング４６、４７、４８を軸方向に押圧し、それによってそれらを一体に回転するように固定しかつそれらをステータ１８に対して回転するように固定することができる。クランプ装置８２はまた、位置合せ作業の間にリング４６、４７、４８の回転を可能にするために、緩めることもできる。クランプ装置８２はさらに、軸受ハウジング２６に対してリング４６、４７、４８を回転するように固定するために使用することができる。

図示したクランプ装置８２の実施形態に対する別の実施形態は、リング４６、４７、４８が一旦位置合せされると、それらの相対的回転を防止するように使用することができる。それらの実施形態には、リング接合面においてドリル加工しかつ軸方向ドエルを取付けること、リング４６、４７、４８上の事前ドリル加工孔にボルト及び固定プレートを取り付けること、並びに相補表面を有する保持部材をリング４６、４７、４８の両側にボルト止めすることを可能にするスカラップを該リング４６、４７、４８の軸方向面上に機械加工することを含むことができる。リング４６、４７、４８の回転を防止するために使用する方法は、特定の用途の特殊な設計基準に応じて決めることができる。そのような設計基準には、例えば、回転防止機構に打ち勝つのに必要なトルク、或いは互いに対する及びハウジング２６又は内側構造体３８に対するリング４６、４７、４８の可能な配向の数のようなものを含むことができる。リング４６、４７、４８の回転の非常に精密な分解能が望ましいような用途では、係合截頭円錐形表面６８、７２、７６、及び８０間の摩擦係合が可能であるような無数の可能な配向をもたらす機構を、クランプ装置８２と共に使用することができる。

図４を参照すると、たとえ偏心リング４６、４７、４８間の接合面における環状間隙を排除したとしても、上述したように、その他の要因が、ステータ１８に対するロータ１４の偏心度の原因となりかつその偏心度を引き起こす可能性がある。例えば、ロータ１４及びステータ１８を構成する構成要素の公差及び組立変動により、そのような望ましくない偏心度が生じる可能性がある。従って、そのような偏心度を最小にするか又は排除するために、偏心リング４６、４７、４８が使用される。本明細書では３個のリング４６、４７、４８を開示しているが、別の実施形態では、２個のリング又は３個よりも多いリングを使用することができる。内表面６４、６８、７６は、各それぞれのリング４８、４６、４７の外表面８０、６０、７２に対して偏心するように作られる。具体的には、外側リング４６は、外表面６０及び内表面６８によって形成された壁８４が、その特定の円周方向位置において最小半径方向寸法８８を有するように偏心している。同様に、中間リング４７は、外表面７２及び内表面７６によって形成された壁９４が、その特定の円周方向位置において最小半径方向寸法９８を有するように偏心している。また最後に、内側リング４８は、外表面８０及び内表面６４によって形成された壁１０４が、その特定の円周方向位置において最小半径方向寸法１０８を有するように偏心している。

３個のリング４６、４７、４８は、互いに入れ子式になっており、外側リング４６が中間リング４７の半径方向外側に配置され、中間リング４７が内側リング４８の半径方向外側に配置される。リング４６、４７、４８の各々は、各リング４６、４７、４８の最小半径方向寸法８８、９８、１０８を残りの２個のリング４６、４７、４８のその他の最小半径方向寸法８８、９８、１０８の相対的配向とは独立して配置することができるように、回転可能である。従って、オペレータは、最初に、３個のリング４６、４７、４８の各々によって個別に形成することができる偏心度が全て等しくなるようにリング４６、４７、４８を組立てることによって、また次に、最小半径方向寸法８８、９８、１０８の各々を、互いに可能な限り角度的に遠くに離れるように分散させることによって、リング４６、４７、４８自体によって形成された偏心度オフセットを打ち消すことができる。偏心リングの数が３個であるエンジン１０の場合のそのような角度分散は、１２０°離れている。従って、３個の偏心リング４６、４７、４８を有するエンジン１０の実施形態では、３個のリング４６、４７、４８自体の偏心度を直ぐ上で説明した図４に示すような１２０°の角度分散によって打ち消すことができる。そのような構成は、組立てたエンジン１０が同心である場合には望ましいものとなり、従ってステータ１８に対するロータ１４の偏心度を改善するためのいかなる調整も必要でない。

図５を参照すると、エンジン１０のステータ１８に対するロータ１４の偏心度の量を測定した後に、オペレータは、測定した偏心度を減少させるか又は排除するために、３つの最小半径方向寸法８８、９８、１０８を位置させる角度配向を決定することができる。例えば、図５の最小半径方向寸法８８、９８、１０８の角度配向は、ロータ１４を左方に（図において）シフトさせるが、ロータを垂直方向には全くシフトさせないことになる。これは、最小半径方向寸法８８及び１０８を互いから１８０°にして配向し、それによって相手に対する各々のオフセットを打ち消すことによって達成される。この場合、第３のリングつまり中間リング４７のオフセットは、ロータ１４の全オフセットつまり上述したような左向き方向であるオフセットを単独で決定する。

図６を参照すると、３個のリング４６、４７、４８が組合さってロータ１４を垂直上向き方向にシフトさせている別のオフセット構成を示している。３個のリング４６、４７、４８全ては、それらの最小半径方向寸法８８、９８、１０８が最上部に配向されている。従って、リング４６、４７、４８は、それらのオフセットした偏心度の全ての原因となり、ステータ１８に対してロータ１４を上向きに移動させている。

図７を参照すると、３個のリング４６、４７、４８が組合さってロータ１４を水平方向右方にのみオフセットさせている別のオフセット構成を示している。図５に示す構成と同様に、リング４７及び４８のオフセットは、互いに反対方向であり、従って互いのオフセット効果を打ち消して、リング４６、４７、４８の組に帰すことになる全オフセットの決定を第３のリング４６に任せる。この場合、第３のリング４６は、その最小半径方向寸法８８が右方に配向されているので、システムは、図示するようにロータ１４を右方にオフセットさせる。

図８を参照すると、３個のリング４６、４７、４８が組合さってロータ１４を垂直方向にのみオフセットさせている別のオフセット構成を示している。この実施形態では、２個のリング４６又は４７の１つのオフセット効果は、その最小半径方向寸法１０８が該２個のリング４６及び４７の最小半径方向寸法８８、９８のそれとは１８０°反対側に配置された第３のリング４８のオフセット効果によって打ち消される。２個のリングのうちの１つのみのリング４６又は４７のオフセット効果は、リング４８によって打ち消されるので、２個のリングの他方４６又は４７の効果は依然として有効であり、従ってロータ１４を垂直下向き方向にオフセットさせる。

本明細書に開示した実施形態は、ロータ１４とステータ１８との間の現場での位置合わせを、例えば付加的機械加工、交換、又はシムのようなハードウエアの追加なしで、調整することができる手段を提供することができる。開示した実施形態はまた、内側支持構造体へのアクセスが制限されている場合での位置合せ能力も提供する。そのような能力は、位置合せ作業を単純化することによって、調整の間及び初期組立の間における運転停止時間を短縮することができる。さらに、開示した実施形態は、単一の機構を利用して水平方向及び垂直方向における独立した調整を可能にする。

１つ又は複数の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置換えることができることは、当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように、多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

それらにおける相対的配置を示すためにロータをエンジン上に重ねた状態にしたガスタービンエンジンの側面図。本明細書に開示した偏心リングを示す、明瞭にするために保持プレートを省略した状態での図１のガスタービンエンジンの端部の部分斜視図。本明細書に開示した偏心リングの断面を示す、図１のガスタービンエンジンの部分断面図。中立偏位構成における、本明細書に開示した偏心リングの部分端面図。ロータ左向きシフト構成における、本明細書に開示した偏心リングの部分端面図。ロータ上向きシフト構成における、本明細書に開示した偏心リングの部分端面図。ロータ右向きシフト構成における、本明細書に開示した偏心リングの部分端面図。ロータ下向きシフト構成における、本明細書に開示した偏心リングの部分端面図。

符号の説明

１０回転機械
１４ロータ
１８ステータ
２２シャフト
２４軸受
２６軸受ハウジング
３０支持構造体
３４支柱
３８内側構造体
４２外側構造体
４６、４７、４８偏心リング
５２外表面
５６内表面
６０外表面
６４内表面
６８内表面
７２外表面
７６内表面
８０外表面
８２クランプ装置
８４壁
８８最小半径方向寸法
９４壁
９８最小半径方向寸法
１０４壁
１０８最小半径方向寸法

Claims

ステータ（１８）に対するロータ（１４）の位置合せ方法であって、
前記ロータ（１４）と前記ステータ（１８）との間に複数の偏心リング（４６、４７、４８）を配置するステップと、
前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）の少なくとも１つを前記ステータ（１８）に対して回転させ、それによって該ステータ（１８）に対する前記ロータ（１４）の偏心度を減少させるステップと、
を含む方法。
前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）を互いに回転するように固定するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）を一体に楔噛合可能に係合させることによって、前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）間の環状間隙を減少させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）の少なくとも１つを回転させるステップが、前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）の少なくとも２つを回転させ、それによって前記ステータ（１８）に対する前記ロータ（１４）の水平方向偏心度を減少させるのとは独立して前記ステータ（１８）に対する前記ロータ（１４）の垂直方向偏心度を減少させるステップを含む、請求項１記載の方法。
前記ロータ（１４）と前記ステータ（１８）との間に少なくとも第２の複数の偏心リング（４６、４７、４８）を配置するステップと、前記第２の複数の偏心リング（４６、４７、４８）の少なくとも１つを前記ステータ（１８）に対して回転させ、それによって該ステータ（１８）に対する前記ロータ（１４）の偏心度を減少させるステップと、をさらに含む、請求項１記載の方法。
ステータ（１８）に対するロータ（１４）の位置合せシステムであって、
ロータ（１４）と、
前記ロータ（１４）を受けるステータ（１８）と、
前記ロータ（１４）と前記ステータ（１８）との間に配置された複数の偏心リング（４６、４７、４８）であって、各々その外表面（６０、７２、８０）に対して偏心した内側ボア（６４、６８、７６）を有しており、互いに入れ子式で回転可能である複数の偏心リング（４６、４７、４８）と
を備えるシステム。
前記ロータ（１４）と前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）との間に配置された少なくとも１つの軸受（２４）をさらに含む、請求項６記載のシステム。
前記内側ボア（６４、６８、７６）及び外表面（６０、７２、８０）の少なくとも１つが、軸方向にテーパしている、請求項６記載のシステム。
少なくとも１つの前記内側ボア（６４、６８、７６）が、少なくとも１つの前記外表面（６０、７２、８０）に対して軸方向に楔噛合可能であり、それによって両者間の環状間隙を排除する、請求項６記載のシステム。
前記複数の偏心リング（４６、４７、４８）が、少なくとも２つの直交平面内における独立した調整を可能にする、
請求項６記載のシステム。