JP5605686B2 - 圧力調整機構と圧力調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、過給機のアンバランスを計測する際に、圧力損失を調整するための圧力調整機構と方法に関する。

回転体は、回転機械に設けられ、その軸を中心として回転する。本発明の対象となる回転機械は、流体と力を及ぼし合う回転翼が回転体に設けられた流体機械である。この回転機械には、原動機と被動機がある。原動機は、流体が回転翼に作用させる圧力により回転体が回転駆動されることで、流体の持つエネルギーを回転運動エネルギーに変換する。原動機としては、例えば、ガスタービン（軸流タービン、ラジアルタービン）がある。被動機は、回転駆動されている回転翼が流体に圧力を作用させることで、回転運動エネルギーを流体に与える。被動機としては、例えば、圧縮機（遠心圧縮機、航空エンジンなどに設けられる軸流圧縮機、斜流圧縮機、横流圧縮機、ポンプ）がある。また、本発明の対象となる回転機械には、原動機と被動機の両方の機能を持つ過給機もある。

回転機械の回転体のバランス修正において、回転体のアンバランスを測定し、除去対象部を切削する方法として、例えば特許文献１が既に知られている。

特許文献１は、過給機やターボ圧縮機やガスタービンなどの回転機械に対し高精度なバランス修正加工を行えるバランス修正装置を提供することにある。
そのために、回転機械の回転軸の一端側にて回転軸をその回転方向に回転しないように固定可能な固定装置と、回転軸の他端部を保持して他端部が回転軸の半径方向へずれることを防止するずれ防止装置と、固定装置が回転軸の一端側にて回転軸をその回転方向に固定し、ずれ防止装置が回転軸の他端部を保持している状態で、除去対象部に対し除去加工を行う加工装置と、を備えることを特徴としている。

特開２００９−２０４５００号公報、過給機の高速バランス修正装置とその方法

ここで、特許文献１では、タービンハウジングは有しているが、コンプレッサハウジングを取り付けないままに回転軸を回転させていた。そのため、タービン方向にのみスラスト力が働くことによって、タービン側のベアリングのみに過大な負荷がかかってしまい、該ベアリングが摩耗や破損することがあった。
この問題を解決するために、コンプレッサハウジングを取り付けることで、コンプレッサ方向へのスラスト力を発生させる方法が考えられる。
しかし、この方法においては、タービン方向へのスラスト力と、コンプレッサ方向へのスラスト力の均衡をとるために、コンプレッサハウジング側における圧力損失の調整を精巧に行う必要がある。

この点において、例えば、オリフィス穴を加工したオリフィスプレートをコンプレッサハウジング側の流路に設置することによって、圧力損失の調整を行っていたが、該オリフィスプレートの穴の径サイズを変えることで、圧力損失を調整するため、数種類のオリフィス径のプレートを用意する必要があった。

そこで、本発明の目的は、数種類のオリフィスプレートを用意することなく、圧力損失を調整することが可能な圧力コントロール手段を提供することにある。

本発明によると、回転体とコンプレッサハウジングを有する過給機において、コンプレッサハウジング側の圧力を調整する圧力調整機構であって、
前記回転体の回転数又は回転角を計測する回転検出センサと、
前記コンプレッサハウジングの排出流路に直接設置された圧力制御バルブと、
前記回転検出センサの計測結果に従って、前記圧力制御バルブに指示を与える制御装置と、を有し、
過給機を稼動する際に、予め求めた回転数と圧力損失の相関に基づき、回転数の上昇に合わせて圧力制御バルブによって発生する圧力損失を高め、
稼動している過給機を停止する際に、圧力制御バルブを閉じて、圧力損失を大きくすることによって、惰性回転が行われる時間を短縮する、ことを特徴とする圧力調整機構が提供される。

また、本発明によると、回転体とコンプレッサハウジングを有する過給機において、コンプレッサハウジング側の圧力を調整する圧力調整方法であって、
前記回転体の回転数又は回転角を計測する回転検出センサと、
前記コンプレッサハウジングの排出流路に直接設置された圧力制御バルブと、
前記回転検出センサの計測結果に従って、前記圧力制御バルブに指示を与える制御装置と、を有し、
過給機を稼動する際に、予め求めた回転数と圧力損失の相関に基づき、回転数の上昇に合わせて圧力制御バルブによって発生する圧力損失を高め、
稼動している過給機を停止する際に、圧力制御バルブを閉じて、圧力損失を大きくすることによって、惰性回転が行われる時間を短縮する、ことを特徴とする圧力調整方法が提供される。

本発明によると、オリフィスプレートを多数製作する必要がなくなるという効果が得られる。
また、予め過給機の回転数と圧力損失の相関を求めておくことで、過給機の回転数の上昇に合わせて圧力損失を変化させることが可能になる。

本発明によるアンバランス測定時の過給機の断面図である。 本発明によるアンバランス測定時の過給機の側面図である。 本発明による圧力調整機構の全体図である。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるアンバランス測定時の過給機の断面図である。
この図において、１は過給機、２は回転体、３はタービンハウジング、４はタービンインペラ、５はコンプレッサハウジング、６はコンプレッサインペラ、７は軸受ハウジング、８は軸受、９は剛性部材、１１はマウント、１２はマウント支持部材、１３は支持体、１４はシールプレート、１５は弾性材である。

過給機１は、この例では、マウント１１によって支えられており、エンジンの排ガスにより回転駆動されるタービンインペラ４と、タービンインペラ４と一体的に回転することで圧縮空気をエンジンに供給するコンプレッサインペラ６と、一端部にタービンインペラ４が結合され他端部にコンプレッサインペラ６が結合される回転体２と、からなっている。
また、過給機１は、タービンインペラ４を回転駆動する流体を流す流路（スクロール）が形成されているタービンハウジング３と、コンプレッサインペラ６を内部に収容するコンプレッサハウジング５を有している。

回転体２は、マウント１１内の回転機構（図示しない）によって一端を把持されており、これによって回転体２の回転方向位置は調整されている。
回転機構（図示しない）は、例えば、コレットチャックのように回転体２の一端部を把持する把持機構（図示しない）と、把持機構を回転体２の回転軸周りに回転させる回転駆動機構（図示しない）と、回転駆動機構を制御して回転体２の回転方向位置を調節する制御機構（図示しない）と、を備えている。

過給機１の軸受ハウジング７は、シールプレート１４を介したコンプレッサハウジング５の押付によって押さえつけられている。これに伴って、剛性部材９を介してマウント１１に押さえつけられている。
さらに、タービンハウジング３はマウント１１に固定されている。
この構成によって、過給機１とマウント１１が安定して密着しているため、緻密な測定を行うことが可能になる。

また、過給機１には、回転体２を半径方向に支持する軸受８が設けられている。
軸受８は、軸受ハウジング７に固定されており、アンバランス修正の際に行う除去作業等を行う場合には、回転体２はマウント１１内の把持機構（図示しない）によって支えられ、これにより、回転体２は、軸受８から浮いた状態になる。

この例において、マウント１１は、マウント支持部材１２によって支えられ、また、マウント支持部材１２は、支持体１３と接続されている。

マウント１１は、過給機１の回転体２の一端側にて、回転体２を支持するとともに回転体２をその方向に回転しないように固定できる。
これによって、除去作業等を行う場合には、回転体２にぶれが生じることがなくなる。

マウント１１は、所定の形状の金属であり、予め材料特性（ヤング率、比重など）が知られている素材であるのがよい。また、この例において、マウント１１は、断面が正方向または長方形である四角柱の形状をしているが、本発明によると、マウント１１の形状は、他の角柱形状や円柱形状を含む柱状など、他の適切な形状であってもよい。

弾性材１５は、コンプレッサハウジング５とシールプレート１４の間に設置させている。
この構成によって、回転体２を駆動させることによる過給機１のアンバランス測定時において、コンプレッサハウジング５自身の振動が過給機１本体に伝導するのを防ぐことができる。
よって、マウント１１自身に振動を与えることを防ぐため、アンバランスの方位や量を正確に測定することができる。

弾性材１５は、Ｏリング、ゴムシールやリップシールの他、バリシールのようなプラスチック材を用いてもよい。

図２は、本発明によるアンバランス測定時の過給機の側面図である。
この図において、１６は加速度ピックアップである。

加速度ピックアップ１６は、回転体２が回転している状態で、回転体２の加速度（即ち、振動）を検出し、検出した加速度を後述する制御装置３４に出力する。
加速度ピックアップ１６は、例えば磁気センサであってよい。
なお、加速度ピックアップ１６は、好ましくは、張出部１１ａに取り付けられており、さらに好ましくは、回転軸２と同じ高さに位置する。

図３は、本発明による圧力調整機構の全体図である。
この例において、３１は圧力制御バルブ、３２は排出流路、３３は回転検出センサ、３４は制御装置である。

圧力制御バルブ３１は、コンプレッサハウジング５から接続している排出流路３２に設けられており、制御装置３４からの指示を受けて、バルブの開閉についての調整を行う機構である。
圧力制御バルブ３１は、制御装置３４からの指示のみではなく、人手によって開閉を行うことも可能である。
この構成によって、予め過給機１の回転数と圧力損失の相関を求めておくことで、回転数に応じた弁制御が可能になる。
そのため、従来は過給機１の稼動を行う際に、予定している過給機１の最大回転数に即したオリフィスを最初から適用させていたが、この構成によって、回転数の上昇に合わせて圧力制御バルブ３１によって発生する圧力損失を高めていくことが可能になる。
これによって、例えば、回転数が低い領域において、コンプレッサ側における圧力損失を小さくすることができるため、タービンの回転エネルギーを抑えることができるという効果がある。
また、稼動している過給機１の停止は、タービン側における供給用エアーを停止させることで行うが、エアーの供給を停止した後も惰性回転が一定時間発生してしまう。
かかる場合に、圧力制御バルブ３１を完全に閉じて、圧力損失を大きくすることによって、惰性回転が行われる時間を短縮することができる。

回転検出センサ３３は、回転体２の回転数又は回転角を検出し、検出した回転数又は回転角を制御装置３４に出力する。この回転角は、回転体２が１回転することでゼロ度〜３６０度まで変化する。即ち、回転角は、所定の始点となる回転体２の回転位相（始点回転角）から回転体２が回転した角度を示す。
回転検出センサ３３は、例えば、磁気センサや画像センサであり、複数組み合わせて機能するものであってもよい。
なお、回転検出センサ３３は、この例では独立した機構であるが、コンプレッサハウジング５に接続した形でもよい。

制御装置３４は、回転検出センサ３３からの出力を受けて、圧力制御バルブ３１にバルブの開閉について指示を与える。
また、上記指示は人手で行うことも可能である。

なお、アンバランス方位及び量の測定は、図２の状態で行われる。
タービンインペラ４に流体を供給して回転体２を回転駆動し、回転体２の回転速度が所定値に達したら、加速度ピックアップ１６で回転体２の加速度（即ち、振動）を検出する。
これにより、制御装置３４が、どの回転角でどの程度の加速度（振動）が生じているかを検出する。この検出データを回転アンバランス量のデータとする。
回転アンバランス量の計測が終了したら、過給機１をマウント１１から取り外すことなく、回転バランス修正を行う。
なお、この際に、コンプレッサハウジング５は、加工の際の障害にならないように退避させておく。

回転バランス修正は、具体的には、回転アンバランス量の計測データに基づいて過給機１のコンプレッサ側に設置させているナット（図示しない）の一部をエンドミルなどの加工装置（図示しない）により除去することで、回転バランス修正を行うことができる。
この時、回転体２が回転してしまわないように、コレットチャックなどのマウント１１内に備え付けられた把持機構（図示しない）によりタービンインペラ４側の回転体２の先端部を把持しておく。

上記実施形態では、圧力制御バルブ３１はコンプレッサハウジング５の排出側である排出流路３２に設置されているものとしたが、圧力制御バルブ３１の配置は上記形態には限定されず、例えば、コンプレッサハウジング５の吸入側（コンプレッサインペラよりも上流側）に設置し、吸入側において流路の開閉を行うようにしてもよい。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 過給機、２ 回転体、３ タービンハウジング、４ タービンインペラ、
５ コンプレッサハウジング、６ コンプレッサインペラ、
７ 軸受ハウジング、８ 軸受、９ 剛性部材、１１ マウント、
１１ａ 張出部、１２ マウント支持部材、１３ 支持体、
１４ シールプレート、１５ 弾性材、１６ 加速度ピックアップ、
３１ 圧力制御バルブ、３２ 排出流路、３３ 回転検出センサ、
３４ 制御装置

Claims (2)

1. 回転体とコンプレッサハウジングを有する過給機において、コンプレッサハウジング側の圧力を調整する圧力調整機構であって、
   前記回転体の回転数又は回転角を計測する回転検出センサと、
   前記コンプレッサハウジングの排出流路に直接設置された圧力制御バルブと、
   前記回転検出センサの計測結果に従って、前記圧力制御バルブに指示を与える制御装置と、を有し、
   過給機を稼動する際に、予め求めた回転数と圧力損失の相関に基づき、回転数の上昇に合わせて圧力制御バルブによって発生する圧力損失を高め、
   稼動している過給機を停止する際に、圧力制御バルブを閉じて、圧力損失を大きくすることによって、惰性回転が行われる時間を短縮する、ことを特徴とする圧力調整機構。
2. 回転体とコンプレッサハウジングを有する過給機において、コンプレッサハウジング側の圧力を調整する圧力調整方法であって、
   前記回転体の回転数又は回転角を計測する回転検出センサと、
   前記コンプレッサハウジングの排出流路に直接設置された圧力制御バルブと、
   前記回転検出センサの計測結果に従って、前記圧力制御バルブに指示を与える制御装置と、を有し、
   過給機を稼動する際に、予め求めた回転数と圧力損失の相関に基づき、回転数の上昇に合わせて圧力制御バルブによって発生する圧力損失を高め、
   稼動している過給機を停止する際に、圧力制御バルブを閉じて、圧力損失を大きくすることによって、惰性回転が行われる時間を短縮する、ことを特徴とする圧力調整方法。