JP2011052580A - Turbo machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ボルトとナットとによってシャフトの一端側に固定されるインペラを備えるターボ機械に関するものである。 The present invention relates to a turbomachine including an impeller fixed to one end of a shaft by a bolt and a nut.
例えば、ターボブロワやターボチャージャ等のターボ機械においては、軸受によって軸支されたシャフトの少なくとも一端側にインペラが固定されている。そして、シャフトを介して回転動力がインペラに供給され、当該インペラが回転駆動される。 For example, in a turbo machine such as a turbo blower or a turbocharger, an impeller is fixed to at least one end side of a shaft pivotally supported by a bearing. Then, rotational power is supplied to the impeller through the shaft, and the impeller is rotationally driven.
このようなターボ機械においては、ボルトとナットとによって、シャフトとインペラとの締結が行われている。
具体的には、特許文献1〜3に示すように、シャフトの一端から当該シャフトの回転軸に重ねて突出されたボルトが設置されており、当該ボルトをインペラの中央を貫通させてその先端を露出させ、この露出されたボルトの先端にナットを嵌合することによってインペラを固定している。
In such a turbo machine, the shaft and the impeller are fastened by bolts and nuts.
Specifically, as shown in
ところで、インペラは、シャフトの軸受によって支持されている箇所から遠方に突出した先端に固定されている。つまり、インペラは片持ち(いわゆるオーバーハング)で支持されている。さらにインペラがシャフトの径に対して非常に大きなものである。
このような不安定な形状を有するため、シャフトやインペラ等の軸系の回転における危険速度が低下する。
By the way, the impeller is fixed to a tip protruding far away from a portion supported by the shaft bearing. That is, the impeller is supported by a cantilever (so-called overhang). Furthermore, the impeller is very large with respect to the diameter of the shaft.
Since it has such an unstable shape, the critical speed in rotation of a shaft system such as a shaft or an impeller is reduced.
安定的な駆動を実現するためには、理想的には、軸系の定格速度に至るまでの全速度域が、危険速度を跨がない設計が好ましい。しかしながら、現在のところ、充分に危険速度を上昇させる方法が提案されておらず、実際には、軸受のバネ剛性を下げて軸のたわみを抑える処置をした上で、1次及び2次危険速度を跨ぐ設計を行っている。 In order to realize stable driving, ideally, a design in which the entire speed range up to the rated speed of the shaft system does not straddle the dangerous speed is preferable. However, at present, no method has been proposed to sufficiently increase the critical speed. Actually, the primary and secondary critical speeds are reduced after the spring stiffness of the bearing is lowered to suppress the shaft deflection. Is designed to straddle.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって上記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械において、軸系の危険速度を上昇させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is fitted to a shaft that is pivotally supported by a bearing, a bolt that protrudes from one end of the shaft so as to overlap the rotating shaft of the shaft, and the bolt. An object of the present invention is to increase the critical speed of a shaft system in a turbo machine including an impeller fixed to one end of the shaft by a nut.
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。 The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.
第1の発明は、軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって上記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械であって、上記インペラの内部にナットの当接面が形成され、上記ナットが上記インペラの内部に配置されているという構成を採用する。 The first invention is fixed to one end of the shaft by a shaft supported by a bearing, a bolt protruding from one end of the shaft so as to overlap the rotating shaft of the shaft, and a nut fitted to the bolt. A configuration is adopted in which a contact surface of a nut is formed inside the impeller, and the nut is disposed inside the impeller.
第2の発明は、上記第1の発明において、上記回転軸方向において、上記ナットが、上記インペラの最大外径部位よりも上記軸受から離間する方向に配置されているという構成を採用する。 According to a second invention, in the first invention, a configuration is adopted in which the nut is disposed in a direction away from the bearing from a maximum outer diameter portion of the impeller in the rotation axis direction.
第3の発明は、上記第1または第2の発明において、上記ボルトの上記ナット側の先端が上記インペラの内部に位置するという構成を採用する。 According to a third invention, in the first or second invention, a configuration is adopted in which a tip of the bolt on the nut side is positioned inside the impeller.
第4の発明は、上記第1〜第3いずれかの発明において、上記シャフトにおける上記ボルトの設置面は、上記インペラの最大外径部位よりも上記軸受寄りに配置されているという構成を採用する。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, a configuration is adopted in which an installation surface of the bolt in the shaft is disposed closer to the bearing than a maximum outer diameter portion of the impeller. .
第5の発明は、上記第1〜第4いずれかの発明において、上記ボルトが、テンションボルトであるという構成を採用する。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, a configuration is adopted in which the bolt is a tension bolt.
第6の発明は、上記第1〜第5いずれかの発明において、上記シャフトに対する上記インペラの位置決めを行うインロー構造を有するという構成を採用する。 In a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the present invention, a configuration in which an impeller structure that positions the impeller with respect to the shaft is employed.
本発明によれば、従来、インペラの外部に配置されていたナットがインペラの内部に配置されている。この結果、シャフトの一端側に固定される構造物の重心が軸受側に寄ることとなり、軸系の危険速度が上昇する。
したがって、本発明によれば、軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって上記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械において、軸系の危険速度を上昇させることが可能となる。
According to the present invention, a nut that has been conventionally arranged outside the impeller is arranged inside the impeller. As a result, the center of gravity of the structure fixed to the one end side of the shaft approaches the bearing side, and the critical speed of the shaft system increases.
Therefore, according to the present invention, the shaft is supported by one end of the shaft by the shaft supported by the bearing, the bolt projecting from the one end of the shaft over the rotation shaft of the shaft, and the nut fitted to the bolt. In a turbo machine including a fixed impeller, the critical speed of the shaft system can be increased.
以下、図面を参照して、本発明に係るターボ機械の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
なお、以下の説明においては、本発明のターボ機械の一例として、ターボブロワを挙げて説明する。
Hereinafter, an embodiment of a turbomachine according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
In the following description, a turbo blower will be described as an example of the turbo machine of the present invention.
図1は、本実施形態のターボブロワS1の概略構成を示す断面図である。本実施形態のターボブロワS1は、インペラ及びインペラを直接回転駆動するモータを備え、モータが駆動することによって気体(流体)を圧送するものである。
そして、図1に示すように、本実施形態のターボブロワS1は、ケーシング1と、インペラ2と、モータ3と、シャフト4と、軸受5と、ハーメチックコネクタ6と、水冷ジャケット7とを備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a turbo blower S1 of the present embodiment. The turbo blower S1 of this embodiment includes an impeller and a motor that directly drives the impeller to rotate, and pumps gas (fluid) by driving the motor.
As shown in FIG. 1, the turbo blower S1 of this embodiment includes a
ケーシング1は、ターボブロワS1の外形を形作ると共に、内部に気体の流路や、インペラ2、モータ3、シャフト4及び軸受5等を収容するものである。
このケーシング1の内部には、図1に示すように、インペラ2を収容するインペラ収容空間K1やモータ3を収容するモータ収容空間K2が設けられている。また、ケーシング1は、気体を吸入するための吸入口1aや、気体を排出するための吐出口までなだらかに拡張するスクロール流路1bを備えている。そして、インペラ収容空間K1は、吸入口1aとスクロール流路1bとの間に配置されており、気体の流路の一部とされている。
The
As shown in FIG. 1, an impeller housing space K <b> 1 for housing the
インペラ2は、インペラ収容空間K1に収容されて配置され、回転することで吸入口1aから供給される気体をスクロール流路1bに圧送するものである。
The
モータ3は、インペラ2を回転駆動するものであり、モータ収容空間K2に収容されている。そして、本実施形態においては、モータ3として誘導モータが用いられている。
このモータ3は、かご型の導電材料(コイル)が内蔵されたモータロータ3aと、このモータロータ3aを囲んで配置されるモータステータ3bとを備えている。そして、不図示の駆動装置からモータステータ3bに電力が供給されることによってモータロータ3aが回転する。
The
The
シャフト4は、モータ3とインペラ2とを接続するものであり、モータ3の動力をインペラ2に伝達する。より詳細には、シャフト4は、図1に示すように、一端側がインペラ2と固定された状態でモータロータ3aに挿通されており、モータロータ3aの回転と共に回転することによってモータ3の動力をインペラ2に伝達する。
The
軸受5は、シャフト4を直立状態で軸支するものであり、内輪がシャフト4に固定されると共に外輪がケーシング1に固定されている。
なお、図1に示すように、軸受5として、シャフト4のインペラ2寄りを軸支するインペラ側軸受5aと、シャフト4の地面寄りを軸支する地面側軸受5bとが設けられている。そして、地面側軸受5bは、ケーシング1に対して摺動可能とされており、予圧バネ8によって上方に付勢されている。このように地面側軸受5bが予圧バネ8によって付勢されることによって、軸受が最適に予圧され、回転時に軸受5(5a、5b)内部の玉の挙動を適正な状態に保つことが出来る。
The
As shown in FIG. 1, as the
ハーメチックコネクタ6は、インペラ収容空間K1及びモータ収容空間K2を封じきった状態を維持しながらモータ3に対して電力供給を可能とするコネクタであり、外部に露出した状態でケーシング1に固定されている。
なお、本実施形態のターボブロワS1は、レーザ発振装置に搭載され、外気の流入が許されない環境において気体を圧送することを想定している。このため、ハーメチックコネクタ6を用いている。ただし、インペラ収容空間K1及びモータ収容空間K2を封じきる必要がない場合には、ハーメチックコネクタ6に替えて通常のコネクタを用いることができる。
The hermetic connector 6 is a connector that enables power supply to the
Note that the turbo blower S1 of the present embodiment is mounted on a laser oscillation device and is assumed to pump gas in an environment where inflow of outside air is not permitted. For this reason, the hermetic connector 6 is used. However, when it is not necessary to completely seal the impeller accommodating space K1 and the motor accommodating space K2, a normal connector can be used instead of the hermetic connector 6.
水冷ジャケット7は、モータ3周りのケーシング1内に設けられており、冷却水によりモータの冷却を行う。
The
ここで、本実施形態のターボブロワS1においては、図2の拡大図に示すように、シャフト4の一端からシャフト4の回転軸Lに重ねて突出されるボルト10と、該ボルト10に嵌合されるナット11と、によってインペラ2がシャフト4の一端側に固定されている。
Here, in the turbo blower S1 of the present embodiment, as shown in the enlarged view of FIG. 2, a
そして、図2に示すように、本実施形態のターボブロワS1においては、インペラ2に形成されたナット11の当接面2aがインペラ2の内部に配置されている。より詳細には、インペラ2の頂部2dからインペラ2の内部に向けて、ナット11の外形よりも僅かに大きい円筒形状の開口部12が形成され、この底面が当接面2aとされている。
ナット11は、上記当接面2aに当接された状態でボルト10に嵌合される。このため、本実施形態のターボブロワS1においては、ナット11がインペラ2の内部に配置されている。
As shown in FIG. 2, in the turbo blower S <b> 1 of the present embodiment, the
The
また、上記当接面2aは、インペラ2の最大外径部位2bよりも軸受5から離間する方向に配置されている。
この結果、本実施形態のターボブロワS1においては、ナット11がインペラ2の最大外径部位2bよりも軸受5から離間する方向に配置されている。
なお、インペラ2の最大外径部位2bとは、羽根を除いてインペラ2を回転軸方向から見た場合の最外周を含む回転軸方向の部位である。
Further, the
As a result, in the turbo blower S1 of the present embodiment, the
The maximum
なお、開口部12の底面には、当該開口部12よりも小径の貫通孔13がインペラ2の底部に抜けて形成されており、当該貫通孔13を介してボルト10がシャフト4の一端からインペラ2の内部に挿通されている。このボルト10のナット11側の先端10aは、インペラ2の内部に配置されている。
そして、本実施形態のターボブロワS1においては、ボルト10として、テンションボルトを用いている。
A through
In the turbo blower S <b> 1 of the present embodiment, tension bolts are used as the
また、本実施形態のターボブロワS1においては、シャフト4におけるボルト10の設置面4aが上記インペラ2の最大外径部位2bよりも軸受5寄りに配置されている。
さらに、本実施形態のターボブロワS1においては、上記設置面4aを含むシャフト4の一端部4bがシャフト4の他の部位と比較して小径とされており、さらにインペラ2の底部には、当該一端部4bが嵌合可能な穴2cが形成されている。この穴2cは、インペラ2の裏面(モータ3側の面)に開口し、貫通孔13に連通している。また、穴2cの内径は、貫通孔13の内径よりも大きく設定されている。
また、設置面4aは、シャフト4(一端部4b)の端面であり、シャフト4の中心軸(回転軸L)に対して略垂直であると共に、中心軸方向から見て略円形である。
Further, in the turbo blower S <b> 1 of the present embodiment, the
Furthermore, in the turbo blower S1 of the present embodiment, one
The
そして、シャフト4の一端部4bが穴2cに嵌合されることによってシャフト4に対してインペラ2が位置決めされる。すなわち、本実施形態のターボブロワS1は、シャフト4の一端部4bとインペラ2の底部に形成された穴2cとによって構成され、シャフト4に対するインペラ2の位置決めを行うインロー構造14を有している。
Then, the
なお、設置面4aの周縁部は、穴2cの底面(ボルト10側の内面)に当接される。インペラ2は、貫通孔13が形成されている部分を設置面4aとナット11とによって両側から挟まれることによって、シャフト4に対して軸方向に固定されている。
The peripheral edge of the
また、上述のようにナット11は、ナット11の外形よりも僅かに大きい円筒形状の開口部12の底部においてボルト10に嵌合されるため、通常の六角レンチ等で締めることが難しい。このため、本実施形態のターボブロワS1では、図3に示すように、ナット11の上部に上方に向けて開口された複数の孔11aが形成されており、当該孔11aに挿入可能な突出部20aを備える専用の冶具20を用いることによってナット11を締める。
Further, as described above, the
このように構成された本実施形態のターボブロワS1は、不図示の駆動装置から、ハーメチックコネクタ6を介して電力が供給されることによって駆動される。
より詳細には、上記駆動信号によってモータ3が回転され、この回転動力がシャフト4を介してインペラ2に伝達されることによってインペラ2が回転駆動される。
この結果、吸入口1aからインペラ収容空間K1に気体が吸入され、当該気体が回転駆動されるインペラ2によってスクロール流路1b側に圧送される。
The turbo blower S1 of the present embodiment configured as described above is driven by supplying electric power from a driving device (not shown) via the hermetic connector 6.
More specifically, the
As a result, gas is sucked into the impeller accommodating space K1 from the
ここで、本実施形態のターボブロワS1においては、従来インペラ2の外部に配置されていたナットがインペラ2の内部に配置されている。この結果、シャフト4の一端側に固定される構造物の重心が軸受5側に寄ることとなり、軸系(シャフト4及びインペラ2を含む回転される系)の危険速度が上昇させることができる。
Here, in the turbo blower S <b> 1 of the present embodiment, a nut that is conventionally arranged outside the
図4は、ナットがインペラ2の外部に配置された従来のターボブロワにおける軸系の危険速度と、本実施形態のターボブロワS1における軸系の危険速度とを比較するための図である。なお、図4では、横軸が軸受5のバネ定数(剛性)を示し、縦軸が危険速度を示している。
なお、図4において、実線で示すMode1が本実施形態のターボブロワS1における1次危険速度を示し、実線で示すMode2が本実施形態のターボブロワS1における2次危険速度を示し、実線で示すMode3が本実施形態のターボブロワS1における3次危険速度を示し、実線で示すMode4が本実施形態のターボブロワS1における4次危険速度を示し、破線で示すMode1が従来のターボブロワにおける1次危険速度を示し、破線で示すMode2が従来のターボブロワにおける2次危険速度を示し、破線で示すMode3が従来のターボブロワにおける3次危険速度を示し、破線で示すMode4が従来のターボブロワにおける4次危険速度を示している。
FIG. 4 is a diagram for comparing the critical speed of the shaft system in the conventional turbo blower in which the nut is arranged outside the
In FIG. 4,
そして、図4に示すように、本実施形態のターボブロワS1は、従来のターボブロワと比較して、1次〜4次の全ての危険速度が上昇していることが分かる。
なお、本実施形態のターボブロワS1における軸受5のバネ定数は、2.E+05である。このバネ定数で見ると、本実施形態のターボブロワS1では、定格速度、さらには定格速度の25%増に至るまでの全速度域が、危険速度を跨がない。したがって、本実施形態のターボブロワS1は、安定的に駆動することが可能となる。
また、図4に示すように、仮に軸受5のバネ定数が1.E+05である場合であっても、定格速度に至るまでの全速度域で危険速度を跨ぐことがない。このため、本実施形態のターボブロワS1によれば、軸受5のバネ定数が小さい場合でも採用が可能である。
And as shown in FIG. 4, it turns out that the turbo blower S1 of this embodiment has raised all the 1st-4th critical speeds compared with the conventional turbo blower.
The spring constant of the
Further, as shown in FIG. 4, if the spring constant of the
なお、インペラ2の最大外径部位2bの内部は最も遠心力に起因する応力が作用する領域である。一方で、本実施形態のターボブロワS1では、開口部12がナット11の外形よりも大きいため、内部の中空領域が広くなり、局所的な応力集中が大きくなる虞がある。
これに対して、本実施形態のターボブロワS1においては、ナット11がインペラ2の最大外径部位2bよりも軸受5から離間する方向に配置されている。このため、インペラ2の最大外径部位2bの内部の肉厚を従来のターボブロワと同様に確保することができ、インペラ2の耐えうる応力を従来のターボブロワと同程度に確保することができる。
Note that the inside of the maximum
In contrast, in the turbo blower S1 of the present embodiment, the
また、本実施形態のターボブロワS1においては、ボルト10として、テンションボルトを用いている。このため、インペラ2が遠心力によって回転軸方向の長さが短くなった場合であっても、インペラ2を確実にシャフト4に対して固定させておくことができる。
In the turbo blower S <b> 1 of the present embodiment, a tension bolt is used as the
また、本実施形態のターボブロワS1においては、シャフト4の一端部4bとインペラ2の底部に形成された穴2cとによって構成され、シャフト4に対するインペラ2の位置決めを行うインロー構造14を有している。このため、シャフト4とインペラ2との位置決めを容易にかつ確実に行うことができる。
Further, the turbo blower S1 of the present embodiment has an
図5は、軸受のバネ定数を一定(2.E+05)とした上で、構成を変化させることによって、定格運転と1次危険速度との離調率とがどのように変化するかを示した図である。
なお、図5において、横軸が軸受側の締結位置(すなわちボルト10の設置面4aの位置)を示し、縦軸が定格運転と1次危険速度との離調率を示している。
FIG. 5 shows how the detuning rate between the rated operation and the primary critical speed changes by changing the configuration while keeping the spring constant of the bearing constant (2.E + 05). FIG.
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the fastening position on the bearing side (that is, the position of the
点A〜点Hは、(a)に示すように、ナット11をインペラ2の外側に配置した状態で設置面4aを移動させた結果を示す図である。
これらの点A〜点Hから分かるように、設置面4aを軸受5側に近づけるに連れて離調率が上昇、すなわち危険速度が上昇していることが分かる。また、設置面4aが最大外径部位2bよりも軸受5寄りに位置する場合(点G及び点H)には、確実に離調率を上昇させることができる。
そして、本実施形態のターボブロワS1においては、設置面4aが最大外径部位2bよりも軸受5寄りに位置する構成を採用しているため、確実に危険速度の上昇を図ることができる。
Points A to H are views showing the result of moving the
As can be seen from these points A to H, it can be seen that the detuning rate increases, that is, the critical speed increases as the
And in turbo blower S1 of this embodiment, since the structure where the
さらに、点Iから分かるように、(b)に示すように、ナット11をインペラ2の内部に配置することによって、離調率が大幅に上昇、すなわち危険速度が大幅に上昇することが分かる。
また、点Jから分かるように、(c)に示すように、ボルト10の先端10aをインペラ2の内部に配置することによって、さらに離調率が上昇、すなわちさらに危険速度が上昇することが分かる。なお、点Jは、本実施形態のターボブロワS1の結果である。
また、点Kは、ナット11及びボルト10の先端10aをインペラ2の内部に配置した状態で設置面4aをさらに軸受5に近づけた結果を示す。そして、点Jと点Kとの関係、及び点Gと点Hとの関係から分かるように、ナット11及びボルト10の先端10aをインペラ2の内部に配置した状態であっても、ナット11を外部に配置した(a)の構成と同様に離調率が変化することが分かる。
点L及び点Mは、(d)に示すように、インペラ2の底部の突出量dを変化させた場合の結果を示し、点Lが本来10mmの突出量が8mmの場合、点Mが本来10mmの突出量が6mmの場合の結果である。なお、本結果を得る際に、突出量の変化に応じて軸受5の位置も(c)に示すように変化させた。そして、点L及び点Mから分かるように、突出量dを小さくすることによって離調率が上昇、すなわち危険速度が上昇することが分かる。ただし、インペラ2の底部の突出は、本来インペラの耐えうる応力を高めるために形成されているものである。このため、インペラ2の底部の突出量dは、インペラの剛性と危険速度とのバランスを考慮して設定する必要がある。
Further, as can be seen from the point I, it can be seen that by arranging the
Further, as can be seen from the point J, as shown in (c), it can be seen that by arranging the
Point K shows the result of placing the
Point L and point M show the result when the protrusion amount d of the bottom of the
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、本発明のターボ機械がターボブロワである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明のターボ機械として、例えばターボポンプ等を用いることも可能である。
For example, in the above embodiment, the configuration in which the turbo machine of the present invention is a turbo blower has been described.
However, the present invention is not limited to this, and for example, a turbo pump or the like can be used as the turbo machine of the present invention.
S1……ターボブロワ(ターボ機械)、2……インペラ、2a……当接面、2b……最大外径部位、4……シャフト、4a……設置面、5……軸受、10……ボルト、10a……先端、11……ナット、14……インロー構造 S1 ... Turbo blower (turbo machine), 2 ... impeller, 2a ... contact surface, 2b ... maximum outer diameter part, 4 ... shaft, 4a ... installation surface, 5 ... bearing, 10 ... bolt, 10a …… Tip, 11 …… Nut, 14 …… Inlay structure
Claims (6)
前記インペラの内部にナットの当接面が形成され、前記ナットが前記インペラの内部に配置されていることを特徴とするターボ機械。 A turbo comprising: a shaft supported by a bearing; a bolt protruding from one end of the shaft so as to overlap the rotating shaft of the shaft; and an impeller fixed to one end of the shaft by a nut fitted to the bolt A machine,
A turbomachine characterized in that a contact surface of a nut is formed inside the impeller, and the nut is arranged inside the impeller.
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