JP2002501592A - 回転機械用のロータシャフトとこの種のロータシャフトを装備した回転機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転機械用のロータシャフト（１）であり、このロータシャフトは、機械中にはめ合わされるとオイル潤滑された滑動ベアリング（２）中に保持されるベアリング部分を有し、このロータシャフト（１）は、ロータシャフトの外側表面と外側ケーシングの内側に位置しているシャフト（７）のその部分との間で熱絶縁層（８）を形成する外側ケーシング（５）を、少なくとも１つのベアリング部分の領域において備えている。この外側ケーシング（５）は、外側ケーシング（５）の内側に位置しているシャフト部分上に配置され、構造的単位を形成する別体の単一円筒形スリーブ（５）からなる。スリーブ（５）のこの円筒形外側表面は、ベアリング部分の領域で、ロータシャフト（１）の外側表面を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 回転機械用のロータシャフトとこの種のロータシャフトを装備した回転機械 本発明は回転機械用のロータシャフトであり、このロータシャフトが、この機 械にはめ合わされた後はオイル潤滑された滑動接触ベアリング中に保持されるベ アリング部分を有するロータシャフトに関する。 この種のロータシャフトでは、蒸気タービン、ガスタービン、遠心ポンプ、ボ イラー送りポンプ、軸コンプレッサおよび遠心コンプレッサなどの回転機械で用 いられるものが周知である。この種の回転機械は頻繁に高回転速度で動作するが 、例えば遠心コンプレッサの場合では、この回転速度は毎分３０００回転から１ ８，０００回転の間にある。 ロータシャフトがこのような高速で回転する回転機械の問題はロータシャフト の同期不安定性であり、このため機械が振動することである。ロータシャフトの この同期不安定性の原因は、比較的高いロータシャフトの回転速度においては、 ベアリング の位置でシャフトの直径方向に温度差が生じるということにある。このような温 度差によって、ロータシャフトがベアリングの位置で少し屈曲し、その結果、ア ンバランスとなってついには振動する。このプロセスは自己増幅し、その結果ロ ータの同期不安定性が発生する。 この現象はヨング（Ｆ．Ｍ．ｄｅ Ｊｏｎｇｈ）とモートン（Ｐ．Ｇ．Ｍｏｒ ｔｏｎ）によって調査され、ＡＳＭＥ文献９４−ＧＴ−３５「ベアリングジャー ナルの加熱差によって引き起こされるコンプレッサロータの同期不安定性」（Ｔ ｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｃｏｍｐ ｒｅｓｓｏｒ ｒｏｔｏｒ ｄｕｅ ｔｏ ｂｅａｒｉｎｇ ｊｏｕｒｎａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｈｅａｔｉｎｇ）に述べられている。 出願人は現在の技術水準に従ってベアリングカップ中で直接的に支持されてい るロータシャフトを測定した。ベアリングの位置では、平均温度は約５０〜７０ ℃であり、シャフト上での直径方向の温度差は約１０〜１５℃であった。 本発明の目的は温度によって引き起こされた不安定性とそれに起因する回転機 械内のロータシャフトの振動を解消すること にある。 この目的は、ロータシャフトが少なくとも１つのベアリング部分の領域に、外 側ケーシングを装備し、該外側ケーシングがロータシャフトの外側表面と外側ケ ーシングの内側に位置しているシャフトのその部分との間に熱絶縁層を形成する 本発明によって実現されるが、この構成では、前記の外側ケーシングは、外側ケ ーシングの内側に位置し、それと一緒になって構造的な単位を形成しているシャ フト部分上に配置されている別体の単一円筒形スリーブからなり、前記スリーブ は、ベアリング部分の領域で、ロータシャフトの外側表面を形成する円筒形外側 表面を有している。 この対策は、ロータシャフトが温度によって屈曲するという問題を解消するべ く見出され、その結果、ロータシャフトが温度によって不安定になるという問題 はもはや生じない。 ベアリングの位置で、ロータシャフトに熱絶縁層（例えば、ＤＥ−Ｕ−８７０ ６９５４とＤＥ−Ａ−３７３４５２４）を装備することは既知である。しかしな がら、このような構造はしばしば複雑になり、さらに、本発明による構造とは全 く異なった目的を持つ。 本発明によるロータシャフトの好ましい実施形態が従属請求項に記載されてい る。 本発明はまた、本発明によるロータシャフトを装備した回転機械に関する。 唯一の図がベアリングの領域における本発明によるロータシャフトの好ましい 実施形態の部分を線図的に示す図面を参照して、以下の例示実施形態に関する記 述により説明される。 この図は回転機械のロータシャフト１の部分を示す。この場合、これは、アク スルジャーナルとも呼ばれるロータシャフト１の端部分である。ロータシャフト １のこの端部分は、また回転機械の部品として線図中で示されるベアリングハウ ジング３中で線図的に示されている滑動接触ベアリング２によって支持されてい る。ベアリング２は、ベアリング２の内側表面とシャフトの外側表面の間に薄膜 ４を形成するオイルで潤滑される。ベアリング２の領域では、ロータシャフト１ 、すなわちベアリング部分は、外側ケーシング５の外側表面６とこの外側ケーシ ング５の内側に位置しているシャフトの部分７の間で熱絶縁層を形成する外側ケ ーシング５を備えている。この外側ケーシングによって、ヨングとモートンによ る上記の論文に述べられて いる温度による不安定性という問題が防止される。 図示の実施形態では、ケーシング５はロータシャフト１上に配置された別体の 単一円筒形スリーブ５を備えている。このスリーブ５はシャフト部分７と一緒に なっていわゆる構造的単位を形成している。スリーブ５の外側表面６は、ベアリ ング部分の領域で、ロータシャフト１の外側表面を形成している。 スリーブ５は、端の領域でより軸方向中心領域においての方が内径が大きく、 これによって、チャンバ８がスリーブ５とシャフト部品７の間に形成されている 。このチャンバ８内の空気がスリーブ５とシャフト部品７の間で絶縁層を形成し ている。代わりの絶縁媒体としては、例えばオイルがある。その結果、ベアリン グ２の位置での直径上で生じるいかなる温度差もロータシャフト１の形状に対し て影響することはない。 スリーブ５は、それが支承力を受容するに十分な剛度と剛性を有し、これによ って不安定性をもたらすような半径方向の変形が発生しないように設計されてい る。 スリーブ５は端の領域においてロータシャフト１上に焼ばめされるのが望まし いが、この場合、温度による伸びに対する自由を与えるべく、一方の端における 焼ばめ接続部９が、他方の 端における焼ばめ接続部１０よりきつければ好都合である。 スリーブ５をロータシャフトと同じ材料（鉄鋼）で作成することは有利である 。そうすれば、ベアリング中のオイル領域におけるスリーブの材料の運転特性が 分かり予測可能となる。さらに、こうすれば、スリーブとその中にあるロータシ ャフト部分の双方が同じ熱膨張係数を有し、これによって望ましくない温度依存 応力がシャフトとスリーブ間で発生することが防止されるという利点がある。こ の利点もまた、もちろん、ほぼ同じ熱膨張係数を有する異なった材料を用いて達 成することが可能である。 また、スリーブの内側でのシャフトの直径をスリーブの軸方向中心領域の位置 において、スリーブの端の領域での直径より小さくすることによって、スリーブ とスリーブの内側に位置しているシャフトのその部分の間でチャンバを形成する ことが可能である。 さらに、絶縁材料からスリーブを製造することが可能であるが、この絶縁材料 はセラミック材料ではない方が望ましい。その理由はそれが壊れやすいからであ る。スリーブを絶縁材料製とすると、直径上の温度差がベアリングの位置でロー タシャフ ト１の形状に対して影響を及ぼさないようにすることが可能である。この場合、 このスリーブには、図面に示すスリーブ５のように凹部を与える必要はない。 さらなるオプションとして、例えば「Ｉｎｖａｒ」のように、温度が上昇して も膨張しない材料でスリーブを作成することがある。 上記の図の例証実施形態によるロータベアリングは遠心コンプレッサ中で用い られる。 この機械は最初にスリーブ無しで、すなわち熱絶縁層無しで従来型のロータシ ャフトで試験された。この機械では、毎分７０００回転の回転速度での温度によ って引き起こされた不安定性は、機械の回転速度を減少させてしまうほどであっ た。 次に、機械−ベアリングが、当該ロータシャフト部分の直径を減少させ、また 、それに本発明によるスリーブを装備することによって変更された。このように して、機械は毎分１０，４００回転というその指定された最大速度に達したが、 温度誘導不安定性は発生しなかった。これより高い回転速度は試験されなかった が、温度誘導振動と不安定性が本発明による回転機械でのあらゆる回転速度で完 全に排除されると結論しても妥当で あろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年７月５日（１９９９．７．５） 【補正内容】 ２． 前記スリーブ（５）が、前記端の領域においてより前記軸方向中心領域 においての方が内径が大きく、これによって前記スリーブ（５）と前記スリーブ （５）の内側に位置している前記シャフト部分（７）の間にチャンバ（８）が形 成されることを特徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ３． 前記スリーブの前記軸方向中心領域の位置で前記スリーブ（５）の内側 に位置している前記シャフト部分（７）が前記スリーブの前記端の領域において より小さい直径を有し、これによって、前記スリーブ（５）と前記スリーブ（５ ）の内側に座している前記シャフト部分（７）の間でチャンバ（８）が形成され ることを特徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ４． 前記スリーブがその前記端の領域において前記スリーブ（５）の内側に 位置している前記シャフト部分（７）上に焼ばめされることを特徴とする請求項 ２または３に記載のロータシャフト。 ５． 前記スリーブの一方の端のところにある焼ばめ接続部（９；１０）が他 方の端にある焼ばめ接続部（１０：９）よりきついことを特徴とする請求項４に 記載のロータシャフト。 ６． 前記スリーブ（５）が前記ロータシャフト（１）と同 じ材料で製造されることを特徴とする請求の範囲第２項から第５項の内のどれか に記載のロータシャフト。 ７． 請求項１から６に記載のロータシャフト（１）を備えることを特徴とす る回転機械。 【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年９月９日（１９９９．９．９） 【補正内容】 請求の範囲 １． 高速回転機械用のロータシャフト（１）であり、前記ロータシャフトが 、前記機械中にはめ合わされた後はオイル潤滑された滑動接触ベアリング（２） 中に保持されるベアリング部分を有し、前記ロータシャフト（１）が、前記ベア リング部分の領域において前記ロータシャフト（１）の外側表面を形成する円筒 形外側表面（６ａ）を有する外側ケーシングを少なくとも１つのベアリング部品 のところで装備するロータシャフトにおいて、前記外側ケーシングが、スリーブ （５）の内側に位置しているシャフト部分（７）上に直接に配置され、該シャフ ト部分と構造的単位を形成する別体の一体円筒形構造のスリーブ（５）からなり 、前記スリーブ（５）と前記スリーブ（５）の内側に位置している前記シャフト 部分（７）間の接触表面が実質的に円筒形の形状を有し、前記円筒形スリーブ（ ５）が前記スリーブ（５）の前記外側表面（６）と前記スリーブ（５）の内側に 位置している前記シャフト（７）の間で熱絶縁層を形成することを特徴とするロ ータシャフト。 ２． 前記スリーブ（５）が、前記端の領域においてより前 記軸方向中心領域においての方が内径が大きく、これによって前記スリーブ（５ ）と前記スリーブ（５）の内側に位置している前記シャフト部分（７）の間にチ ャンバ（８）が形成されることを特徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ３． 前記スリーブの前記軸方向中心領域の位置で前記スリーブ（５）の内側 に位置している前記シャフト部分（７）が前記スリーブの前記端の領域において より小さい直径を有し、これによって、前記スリーブ（５）と前記スリーブ（５ ）の内側に座している前記シャフト部分（７）の間でチャンバ（８）が形成され ることを特徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ４． 前記スリーブがその前記端の領域において前記スリーブ（５）の内側に 位置している前記シャフト部分（７）上に焼ばめされることを特徴とする請求項 ２または３に記載のロータシャフト。 ５． 前記スリーブの一方の端のところにある焼ばめ接続部（９；１０）が他 方の端にある焼ばめ接続部（１０；９）よりきついことを特徴とする請求項４に 記載のロータシャフト。 ６． 前記スリーブ（５）が前記ロータシャフト（１）と同じ材料で製造され ることを特徴とする請求の範囲第２項から第 ５項の内のどれかに記載のロータシャフト。 ７． 請求項１から６に記載のロータシャフト（１）を備えることを特徴とす る回転機械。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 回転機械用のロータシャフトであり、前記ロータシャフトが、前記機械 中にはめ合わされた後はオイル潤滑された滑動接触ベアリング中に保持されるベ アリング部分を有するロータシャフトにおいて、前記ロータシャフトは少なくと も１つのベアリング部分の領域に外側ケーシングを備えており、該外側ケーシン グは前記ロータシャフトの外側表面と外側ケーシングの内側に位置している前記 シャフトのその部分との間で熱絶縁層を形成し、前記外側ケーシングは、前記外 側ケーシングの内側に位置している前記シャフト部分上に配置されそれと構造的 単位を形成する別体の単一円筒形スリーブからなり、前記スリーブは、前記ロー タシャフトの前記外側表面を前記ベアリング部分の領域で形成する円筒形外側表 面を有することを特徴とするロータシャフト。 ２． 前記スリーブが、端の領域においてより軸方向中心領域においての方が 内径が大きいことを特徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ３． 前記スリーブの前記軸方向中心領域における前記スリ ーブの内側の前記シャフトが、前記スリーブの前記端の領域においてより小さい 直径を有することを特徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ４． 前記スリーブが前記端の領域において前記ロータシャフト上に焼ばめさ れることを特徴とする請求項２または３に記載のロータシャフト。 ５． 前記スリーブの一方の端での焼ばめ接続部が他方の端における焼ばめ接 続部よりきついことを特徴とする請求項４に記載のロータシャフト。 ６． 前記スリーブが前記ロータシャフトと同じ材料から作られていることを 特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のロータシャフト。 ７． 前記スリーブが絶縁材料から作られることを特徴とする請求項１に記載 のロータシャフト。 ８． 前記スリーブが温度が上昇しても膨張しない材料から作られることを特 徴とする請求項１に記載のロータシャフト。 ９． 請求項１から８のいずれか一項に記載のロータシャフトを備えた回転機 械。