JPH1181902A - タービンロータのバランス取り方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 ディスク１０の各溝１１…に基準ブレー
ド２０Ａを嵌合する若しくは嵌合を想定して、回転中心
Ｓから基準ブレード重心までの距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎ
（ｎ＝溝の数）を実測するステップと、基準ブレードの
重量Ｗｓに前記距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎを掛けてベクトル
を求め、これらのベクトルを合成して溝のアンバランス
ベクトルＵ１とするステップと、ディスクのアンバラン
スを実測してディスクのアンバランスベクトルＵ２を求
めるステップと、タービンブレードの重量を各々実測す
るステップと、前記ベクトルＵ１とベクトルＵ２を合成
し、合成ベクトルＵ３を参照の上、タービンブレード２
０を配置するステップとからなるタービンロータのバラ
ンス取り方法。 【効果】 タービンロータのバランスを取るのに、ター
ビンロータを削ったり、ウエイトを付加する必要がない
ので、経済的であり、また、効率的である。。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はタービンロータのバ
ランス取り方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】軸に取付けた回転体を回転させると、そ
の構成部分の分布質量により遠心力が発生し、遠心力の
合力が軸に作用する。この合力が大きいと軸を振動させ
る原因となる。そこで、回転体においては、バランスを
取ることが必要になる。タービンロータのバランス取り
方法は、ディスクにブレードを取付けた一体の状態に
おいてバランス修正するのが一般的であるが、その他に
は、例えば、特開平６−２８０５０２号公報「バラン
スロータ」が提案されている。上記は、同公報図２及
び図３に示されるように、エーロフォイル翼２３のプラ
ットフォーム２６に設けた溝３２と、ディスク２２の環
状のフランジ３１に設けた溝３０とで構成した環状のア
レイに保持板２９を取付けるが、アンバランス部には薄
い保持板２９を配置することにより、バランス修正する
ものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記では、アンバラ
ンス量が大きくなり、大きくディスクを削るか、又は大
きなウエイトを付加したりしなければならない。高温高
応力がかかるディスクは、一般に、難加工材でありまた
高価であるから加工工数が嵩みコスト上課題が残る。上
記では、エーロフォイル翼２３を全てディスク２２取
付けた後は、薄い保持板２９は環状アレイに着脱するこ
とができるが、通常の多くの保持板２９は、着脱するこ
とができずエーロフォイル翼２３の一部を取外す必要が
あり、また、精密にバランスを取るためには、多くの種
類の厚さの保持板２９が必要で、効率的なバランス取り
の方法とはいえない。

【０００４】本発明者らは、ディスク単体のアンバラン
ス量を計測し、一方、タービンブレード単体のアンバラ
ンス量を計測し、前記ディスク単体のアンバランスを相
殺するようにタービンブレードを配列する手法でタービ
ンのバランス取りを実施したが、これでも良好なバラン
ス修正結果が得られず、ディスクにタービンブレードを
取付けた後にバランスを見てはタービンブレードを入れ
替えるという古典的な手法を取らざるを得ず、バランス
取り工数が下がらなかった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは上
記手法を詳細に検討した結果、ディスク溝に少なからず
ばらつきが存在し、このばらつきがバランス修正を妨げ
ていることに気付いた。そこで、ディスク溝のばらつき
を加味したバランス取り方法を立案したところ、少数ス
テップでバランスを良好に修正することができた。具体
的には、本発明の請求項１は、ディスクの各溝に基準ブ
レードを嵌合する若しくは嵌合を想定して、回転中心か
ら基準ブレード重心までの距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎ（ｎ＝
溝の数）を実測するステップと、基準ブレードの重量Ｗ
ｓに前記距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎを掛けてベクトルを求
め、これらのベクトルを合成して溝のアンバランスベク
トルＵ１とするステップと、ディスクのアンバランスを
実測してディスクのアンバランスベクトルＵ２を求める
ステップと、タービンブレードの重量を各々実測するス
テップと、前記ベクトルＵ１とベクトルＵ２を合成し、
合成ベクトルを参照の上、タービンブレードを配置する
ステップとからなる。ディスク溝を考慮して修正するた
め、バランスを良好に修正することができる。タービン
ロータのバランスを取るのに、タービンロータを削った
り、ウエイトを付加する必要がないので、経済的であ
り、また、効率的である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。

【０００７】図１は本発明に係るタービンロータの断面
図であり、タービンロータ１は、ディスク１０とタービ
ンブレード（以下「ブレード」という。）２０…（…は
複数個を示す。以下同様。）からなる。２は軸用孔であ
る。

【０００８】図２は本発明に係るタービンロータの分解
斜視図である。ディスク１０は、外周に等間隔に形成し
たディスク溝１１…を形成したものである。ブレード２
０は、翼２１と、この翼２１の先端のシュラウド２２
と、翼２１の根元のプラットフォーム２３と、このプラ
ットフォーム２３から下方に形成した段付きツリー状の
基部２４とからなる。この基部２４がディスク溝１１に
嵌合する部分である。また、２０Ａは、基準ブレードで
ある。基準ブレード２０Ａは、ブレード２０…の寸法及
び重量について平均的なブレードであり、現実に存在す
るものでもよいし、また、想定したものでもよく、後述
する溝のアンバランスベクトルＵ１を算出する場合の基
準になるブレードである。基準ブレード２０Ａの重心の
位置をＣとし、基部２４Ａの下端２５Ａと重心の位置Ｃ
までの距離をＧとする。以下の説明を容易にするため、
重心の位置Ｃは、基部２４Ａの前面２６Ａに垂直な対称
面と、基部２４Ａの前後面の中央の面との交わる線上に
あるとする。

【０００９】図３は本発明に係るディスクの中心からデ
ィスク溝に嵌合した基準ブレードの重心位置の測定方法
の説明図であり、ディスク溝１１の位置を基準ブレード
の重心位置に置き換えて測定するものである。ディスク
溝位置測定（実際はディスク溝に嵌合した基準ブレード
の重心位置の測定）治具３０は、ディスク１０の回転中
心の軸用孔２に嵌合する取付け軸３１と、この軸３１を
支え外周に延びる矩形のフレーム３２と、このフレーム
３２の上部に取付けたディスク溝位置測定部４０と、フ
レーム４２の下部に取付けたディスク溝方向測定部５０
とからなる。

【００１０】ディスク溝位置測定部４０はフレーム３２
の上部に水平に渡した上部支持部材３２ａと、この上部
支持部材３２ａに取付けた逆Ｌ字状の保持材４１，４１
と、この保持材４１，４１に取付けたガイド部材４２，
４２と、このガイド部材４２，４２にガイドされるＴ字
支持部４３を上部とし、ディスク溝１１に嵌合する基部
４４を下部とするブレードマスタ４５と、Ｔ字支持部４
３と上部支持部材３２ａの間に設けた圧縮ばね４６と、
Ｔ字支持部４３に測定端４７ａを当てフレーム３２の上
端中央に取付けたダイヤルゲージ４７とからなる。ブレ
ードマスタ４５は、ブレードマスタ４５の基部４４の下
端４４ａからＴ字支持部４３の水平部上面４３ａまでの
距離を、基準ブレード２０Ａの基部下端２５Ａから重心
位置Ｃまでの距離Ｇ（図２参照）としたものである。ま
た、逆Ｌ字状保持材４１，４１の上部水平部の下面を４
１ａとし、Ｔ字支持部４３の、水平部上面を４３ａ、下
面を４３ｂ、垂直部材を４３ｃとする。

【００１１】ディスク溝方向測定部５０は、フレーム３
２の下部に水平に渡した下部支持部材３２ｂと、片面を
下部支持部材３２ｂの中央と取付け軸３１の中心Ｔとを
通る面（測定面）５１ａとする角度測定部材５１と、デ
ィスク１０上の基準線Ｋに片面の基準面５２ａを合せる
ことのできる基準線部材５２とからなる。基準線部材５
２は、取付け軸３１の中心を通り外周に向って延びた線
上に指示ピン５３を備え、取付け軸３１の中心Ｔと指示
ピン５３とを通る面を基準面５２ａとする板状のもので
ある。

【００１２】なお、ディスク溝位置測定治具３０は、取
付け軸３１をディスク１０の軸用孔２（図１参照）に嵌
合することにより、取付け軸３１の中心Ｔはディスク１
０の回転中心Ｓになり、ブレードマスタ４５の基部４４
をディスク溝１１に嵌合することにより、ディスク１０
の回転中心Ｓからディスク溝１１に嵌合を想定した基準
ブレード２０Ａの重心Ｃ（図２参照）までの距離及び基
準線Ｋからの重心Ｃの方向を測定するものである。

【００１３】基準ブレードの重心位置の測定は、まず、
逆Ｌ字状保持材４１，４１の水平部下面４１ａにダイヤ
ルゲージ４７の測定端４７ａを合せ、その時のダイヤル
ゲージ４７の指針を０（ゼロ）に合せ、次に測定端４７
ａをＴ字支持部４３の水平部上面４３ａに当てその時の
ダイヤルゲージ４７の指針の読みＮを読むことにより行
なわれ、ブレードマスタ４５の基部４４の下端４４ａか
らＴ字支持部４３の水平部上面４３ａまでの距離をＧ
（図３参照）としたので、取付け軸３１の中心と逆Ｌ字
状保持材４１，４１の水平部下面４１ａまでの距離をＬ
とすると、Ｌ−Ｎにより、ディスク溝１１に嵌合を想定
した基準ブレード２０Ａの重心位置Ｃ（図２参照）から
ディスク１０の回転中心Ｓまでの距離Ｒが求まる。

【００１４】基準ブレード重心方向の測定は、基準線部
材５２に備えた指示ピン５３を基準線Ｋ上に合せ、基準
線部材５２の基準面５２ａと角度測定部材５１の測定面
５１ａとのなす角度θを測定することにより行なわれ、
ディスク１０の表面に定めた基準線Ｋを基準としたディ
スク溝１１の方向が求まる。

【００１５】図４は本発明に係るディスクのアンバラン
スベクトル（アンバランス量及び方向）の測定中の図で
ある。バランス測定機６０は、架台６１と、この架台６
１に載った変位軸受部６２、６３と、これら変位軸受部
６２、６３に回転可能に支持された回転軸６４と、この
回転軸６４を駆動させる電動機６５とからなる。なお、
バランス測定機６０は、バランス測定対象物（ディスク
１０）の回転軸６４に直角な任意の面（以下「修正面」
という。）Ｂ−Ｂのアンバランス量及び方向（アンバラ
ンスベクトル）を測定するものである。

【００１６】以上に述べたタービンロータのバランス取
り方法を次に説明する。回転体のバランス取りは各部の
遠心力をバランスさせることであり、遠心力をＦとする
と、Ｆは次式で表わされる。 Ｆ＝ｍｒω² ここで、ｍ：回転体の質量 ｒ：回転軸中心からの距離 ω：回転体の角速度 また、ｍ＝Ｗ／ｇ ここで、Ｗ：回転体の重量 ｇ：重力の加速度 であるので、遠心力Ｆは Ｆ＝（Ｗ／ｇ）ｒω² となる。 しかし、各部において、ω²／ｇは一定であるから、各
部のＷ・ｒをバランスさせれば各部の遠心力Ｆがバラン
スし、回転体のバランスが取れたことになる。従って、
アンバランスベクトルをＷ・ｒで表わす。なお、ベクト
ルは計算上不都合であるから、実際は、ｘ−ｙの直角座
標上でこのベクトルのｘ方向成分及びｙ方向成分を算出
し、加算又は減算する。

【００１７】図５は本発明に係るタービンロータのバラ
ンス取り方法のフローチャートであり、以下フローチャ
ートに沿って説明する。なお、アンバランス量Ｕ１〜Ｕ
５及び距離Ｒ１，Ｒ２…はベクトルとするが、その大き
さ（スカラ）も同様にＵ１〜Ｕ５及びＲ１，Ｒ２…とす
る。

【００１８】ステップ１：ディスク１０の各溝１１…に
基準ブレード２０Ａの嵌合を想定して回転中心Ｓから基
準ブレード重心までの距離Ｒ…を計測する（図３参
照）。実測した距離をＲ１，Ｒ２…Ｒ５９とし、ディス
ク基準位置からの方向をθ１，θ２…θ５９とする。溝
数ｎは、５９とする。

【００１９】ステップ２：基準ブレードの重量Ｗｓに、
ステップ１で実測したディスク基準位置からの方向θ
１，θ２…θ５９に向う距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒ５９を掛け
て、夫々のベクトルを求め、これらのベクトルを合成し
て、溝のアンバランスベクトルＵ１を求める。 Ｕ１＝Ｗｓ（Ｒ１＋Ｒ２＋…＋Ｒ５９） 実際の計算では、溝のアンバランスベクトルのｘ方向成
分Ｕ１ｘ及びｙ方向成分Ｕ１ｙを算出する。 Ｕ１ｘ＝Ｗｓ（Ｒ１ｃｏｓθ１＋Ｒ２ｃｏｓθ２＋…＋
Ｒ５９ｃｏｓθ５９） Ｕ１ｙ＝Ｗｓ（Ｒ１ｓｉｎθ１＋Ｒ２ｓｉｎθ２＋…＋
Ｒ５９ｓｉｎθ５９）

【００２０】ステップ３：バランス測定機でディスク１
０のアンバランスベクトルＵ2を実測する。修正面は、
図２におけるディスクの前面と後面の真ん中の面のＳ−
Ｓ面とする。ディスク１０のアンバランス量をＵ２と
し、アンバランスの方向を基準位置からの角度Θ２とす
ると、ディスクのアンバランスベクトルのｘ方向成分Ｕ
２ｘ及びｙ方向成分Ｕ２ｙは、 Ｕ２ｘ＝Ｕ２ｃｏｓΘ２ Ｕ２ｙ＝Ｕ２ｓｉｎΘ２ となる。

【００２１】ステップ４：各々のブレード２０の重量を
測定する。測定したブレードの重量を軽い方からＷ１，
Ｗ２…Ｗ５９とする。

【００２２】ステップ５：上記ステップ２，ステップ３
で求めたベクトルＵ１とベクトルＵ２を合成し、合成ベ
クトルＵ３を算出する。Ｕ３＝Ｕ１＋Ｕ２実際の計算上
では、ｘ方向成分Ｕ３ｘとｙ方向成分をＵ３ｙそれぞれ
算出する。 Ｕ３ｘ＝Ｕ１ｘ＋Ｕ２ｘ Ｕ３ｙ＝Ｕ１ｙ＋Ｕ２ｙ

【００２３】ステップ６：上記ステップ５で求めた合成
ベクトルＵ３を参照の上、タービンブレード２０…を各
溝１１…に配置する。実際の計算上では、ステップ５で
求めたｘ方向成分Ｕ３ｘとｙ方向成分Ｕ３ｙを合成し、
合成アンバランスベクトルＵ３を求め、この合成アンバ
ランスベクトルＵ３に基づいて、即ち、この合成アンバ
ランスベクトルＵ３が存在する方向に軽いブレードを、
また、反対方向に重いブレードを、各溝に配置する。具
体的には、Ｕ３方向の溝を中心にして、軽いブレードＷ
１…を各溝に配置し、Ｕ３と反対の方向の溝を中心に重
いブレードＷ５９…を各溝に配置して、上記ステップ２
と同様にステップ１で実測した方向θ１，θ２…θ５９
を有する距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒ５９とを掛合わせ溝位置と
ブレード重量とによるアンバランスベクトルＵ４を求め
る。 Ｕ４ｘ＝Ｗ１Ｒ１＋Ｗ２Ｒ２＋…＋Ｗ５９Ｒ５９ 実際の計算上では、アンバランスベクトルＵ４のｘ方向
成分Ｕ４ｘとｙ方向成分Ｕ４ｙをそれぞれ算出する。 Ｕ４ｘ＝Ｗ１Ｒ１ｃｏｓθ１＋Ｗ２Ｒ２ｃｏｓθ２＋…
＋Ｗ５９Ｒ５９ｃｏｓθ５９ Ｕ４ｙ＝Ｗ１Ｒ１ｓｉｎθ１＋Ｗ２Ｒ２ｓｉｎθ２＋…
＋Ｗ５９Ｒ５９ｓｉｎθ５９ このブレードの配置がディスクによるアンバランスと、
ディスク溝によるアンバランスの合成に対するブレード
による最大のバランス付加である。

【００２４】ステップ７：上記ステップ３，テップ６で
求めたベクトルＵ２，Ｕ４を合成し、タービンロータ全
体のアンバランスベクトルＵ５を計算する。 Ｕ５＝Ｕ２＋Ｕ４ 実際の計算上では、ｘ方向成分とｙ方向成分をそれぞれ
加算する。 Ｕ５ｘ＝Ｕ１ｘ＋Ｕ４ｘ Ｕ５ｙ＝Ｕ１ｙ＋Ｕ４ｙ

【００２５】ステップ８：上記ステップ７で求めたター
ビンロータ全体のアンバランスベクトルＵ５が許容値Ｕ
０以内になっているか確認する。 Ｕ５≦Ｕ０ 際の計算上では、ｘ方向成分Ｕ５ｘとｙ方向成分Ｕ５ｙ
とを合成し、Ｕ５が許容値Ｕ０以内になっているか確認
する。

【００２６】

【数１】

【００２７】この場合は、巧くバランスが取れたことに
なる。

【００２８】ステップ９ Ｕ５＞Ｕ０の場合は、再度各ブレード重量Ｗ１…Ｗ５９
と溝位置寸法Ｍ１…Ｍ５９の組合せを再検討し、例え
ば、Ｗ１とＷ５９を入れ替えて、上記ステップ６〜ステ
ップ９を再計算してＵ５が許容値内に入るか、確認す
る。この結果により、更にＷ１及びＷ２とＷ５９及びＷ
５８とを入れ替えるか、又はＷ２とＷ５８とのみを入れ
替えるか再度検討して許容値に入るか、または、アンバ
ランス量Ｕ５が最小値になるまで繰り返す。図６は上述
した本発明に係る各部のアンバランスベクトルを示す図
である。

【００２９】図７は本発明に係るディスクの中心から溝
に嵌合した基準ブレードの重心位置の算出方法の別実施
例の説明図である。この算出方法は、ディスク１０の溝
の最底部１１ａと軸心Ｓとの距離Ｐを実測し、ディスク
溝１１に基準ブレード２０Ａ（図２参照）の嵌合を想定
して、Ｐ寸法にＧ寸法（図２参照）を加えて、ディスク
の中心Ｓから基準ブレード重心Ｃまでの距離Ｑを算出
し、また、基準線Ｓ−Ｋ線とＳ−１１ａ線とのなす角θ
を実測する方法である。算出したＱ寸法を図３に示すＲ
寸法として上記ステップ２を計算する。ディスク溝１１
の位置を溝の最底部１１ａが、代表できる場合に使用す
るものであり、従って、図３に示すＲ寸法とＰ寸法とが
相関がある場合に使用するものである。Ｐ寸法の測定
は、単純な長さの測定であり、具体的な測定方法の説明
は、割愛する。

【００３０】尚、ブレード２０の基部２４の下端２５か
ら重心位置Ｃまでの寸法を一定としたのは、ディスク１
０の回転中心Ｓからディスク溝１１の位置までの寸法に
比べはるかに小さいので影響が小さいからであるが、更
に精密にバランスを取る場合は、夫々のブレード２０の
基部２４から重心位置Ｃまでの寸法を測定して、上記溝
位置寸法Ｍを修正してステップ６の計算を行なえばよ
い。また、ブレード２０の重心位置Ｃが、基部２４の前
面２４ｂに垂直な対称面にない場合は、溝方向角度θを
補正してステップ６の計算をする。また、ブレード２０
の重心位置Ｃが、基部２４の前後面の真ん中の面との交
わる線上にない場合は、重心位置Ｃを通り軸心に直角な
面を修正面として、ステップ１〜ステップ９までの手順
を行なえばよい。また、２段のタービンロータが一体に
なったものは、各段のタービンロータのブレード２０の
重心位置Ｃを通り、軸用孔２に直角な２面を修正面とし
て、２面夫々について上記ステップ１〜ステップ９まで
の手順を行なうことによりバランスを取ればよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１のタービンロータのバランス取り方法
は、ディスクの各溝に基準ブレードを嵌合する若しくは
嵌合を想定して、回転中心から基準ブレード重心までの
距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎ（ｎ＝溝の数）を実測するステッ
プと、基準ブレードの重量Ｗｓに前記距離Ｒ１，Ｒ２…
Ｒｎを掛けてベクトルを求め、これらのベクトルを合成
して溝のアンバランスベクトルＵ１とするステップと、
ディスクのアンバランスを実測してディスクのアンバラ
ンスベクトルＵ２を求めるステップと、タービンブレー
ドの重量を各々実測するステップと、前記ベクトルＵ１
とベクトルＵ２を合成し、合成ベクトルを参照の上、タ
ービンブレードを配置するステップとからなり、ディス
ク溝を考慮して修正するため、バランスを良好に修正す
ることができる。また、タービンロータのバランスを取
るのに、タービンロータを削ったり、ウエイトを付加す
る必要がなく、経済的及び効率的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタービンロータの断面図

【図２】本発明に係るタービンロータの分解斜視図

【図３】本発明に係るディスクの中心からディスク溝に
嵌合した基準ブレードの重心位置の測定方法の説明図

【図４】本発明に係るディスクのアンバランスベクトル
の測定中の図

【図５】本発明に係るタービンロータのバランス取り方
法のフローチャート

【図６】本発明に係る各部のアンバランスベクトルを示
す図

【図７】本発明に係るディスクの中心から溝に嵌合した
基準ブレードの重心位置の算出方法の別実施例の説明図

【符号の説明】

１…タービンロータ、１０…ディスク、１１…溝（ディ
スク溝）、２０…タービンブレード、２０Ａ…基準ブレ
ード、３０…溝位置測定治具。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスクの各溝に基準ブレードを嵌合す
   る若しくは嵌合を想定して、回転中心から基準ブレード
   重心までの距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎ（ｎ＝溝の数）を実測
   するステップと、 基準ブレードの重量Ｗｓに前記距離Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎを
   掛けてベクトルを求め、これらのベクトルを合成して溝
   のアンバランスベクトルＵ１とするステップと、 ディスクのアンバランスを実測してディスクのアンバラ
   ンスベクトルＵ２を求めるステップと、 タービンブレードの重量を各々実測するステップと、 前記ベクトルＵ１とベクトルＵ２を合成し、合成ベクト
   ルを参照の上、タービンブレードを配置するステップと
   からなるタービンロータのバランス取り方法。