JP2013147985A - インペラ、および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】グリップ部の剛性を十分に確保しつつ、グリップ部の温度制御を容易にして、焼き嵌め時にグリップ部の加熱作業にかかる時間を短縮することができる。
【解決手段】軸線Ｏ回りに回動される回転軸５に対して、軸線Ｏ方向一側が焼き嵌めにより外嵌される固定部３２と、該固定部３２の軸線Ｏ方向の他側部３２ａから径方向外側に向かって延びる本体部３５とを備えるディスク部３０と、該ディスク部３０の軸線Ｏ方向の他側面３１から突出して設けられるブレード部４０とを備え、グリップ部３３の外周を覆い、グリップ部３３が径方向外側へ変位するのを規制する規制部材６０を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、インペラ、および、インペラを備える回転機械に関するものである。

従来、遠心圧縮機等の回転機械にあっては、回転軸に対してインペラを焼き嵌めして固定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

インペラを回転軸に固定する方法としては、上述した焼き嵌めの他に、回転軸を熱収縮させてインペラを固定する冷やし嵌めや、回転軸とインペラ内周面とに対を成すキーおよびキー溝を形成して機械的に固定する方法が知られている。このようにインペラを回転軸に対して強固に固定することによって、回転軸の回転力をインペラに効率よく伝達することができると共に、回転時にインペラの背面側から作用するスラスト力や遠心力などによってインペラが移動して振動するのを防止することが可能となる。

図６（ａ），（ｂ）は、従来のインペラ４１０を示している。インペラ４１０は、ディスク部４３０と、ブレード部４４０とを備えている。ディスク部４３０は、回転軸５に外嵌される略円筒状の固定部４３２と、固定部４３２の他側部４３２ａからインペラの径方向外側に向かって延在する本体部４３５とを備えている。固定部４３２は、軸線Ｏ方向の一側部であるグリップ部４３３が回転軸５に対して焼き嵌めにより固定されている。

ブレード部４４０は、本体部４３５の軸線Ｏ方向の他側面４３１から、軸線Ｏ方向他側に向かって突出して形成されている。また、このブレード部４４０は、本体部４３５の周方向に所定の等間隔で複数形成されている。そして、このブレード部４４０の軸線Ｏ方向他側端には、円板状のカバー部４５０が設けられている。このカバー部４５０は、ブレード部４４０を軸線Ｏ方向他側から覆うようにして、ブレード部４４０に対して一体的に形成されている。

そして、軸線Ｏ方向における固定部４３２のグリップ部４３３が、回転軸５に焼き嵌めにより固定されることで、上記インペラ４１０が回転軸５に対して固定的に取り付けられている。

特開平９−４２１９３号公報

ところで、上記インペラ４１０にあっては、焼き嵌め時に加熱する必要があり、その際にグリップ部４３３の温度制御が難しく、組み付け作業の作業時間が長時間化してしまうという課題がある。
上記温度制御を簡単化するためには、グリップ部４３３の肉厚を薄肉化することが考えられるが、このようにグリップ部４３３を薄肉化すると、当該グリップ部４３３の剛性が十分に得られず、回転時にグリップ部４３３の面圧が低下してインペラ４１０が振動してしまう虞がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、グリップ部の温度制御を容易にして、回転軸への着脱作業にかかる時間を短縮することができるとともに、回転時におけるグリップ部と回転軸との間の面圧を十分に確保して振動発生を防止することができるインペラ、および回転機械を提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係るインペラは、軸線回りに回動される回転軸に対して、前記軸線方向の一側部が焼き嵌めにより外嵌される固定部と、該固定部の前記軸線方向の他側部から径方向外側に向かって延びる本体部とを備えるディスク部と、
該ディスク部の前記軸線方向の他側面から突出して設けられるブレード部と、
前記グリップ部の外周面を覆い、前記グリップ部が径方向外側へ変位するのを規制する規制部材を備えることを特徴としている。
このようにすることで、インペラに倒れが生じない程度の剛性を確保可能な最低限の厚さまで固定部の厚さを薄肉化することができるため、グリップ部の熱容量を減少させて、グリップ部を迅速に昇温させることが可能となる。
また、薄肉化されたグリップ部を覆うように規制部材を設けていることで、スラスト力や遠心力によりグリップ部と回転軸との間の面圧が低下して浮き上がり等が生じるのを防止することができる。
さらに、規制部材とグリップ部とが別体で形成されていることで、規制部材からグリップ部へ熱伝達がし難くなり熱抵抗が大きくなるため、メンテナンス等によりインペラを回転軸から外す際には、迅速に規制部材を昇温させて、規制部材をグリップ部から取り外すことができる。

さらに、この発明に係るインペラは、上記インペラにおいて、前記規制部材が、前記グリップ部に対して焼き嵌めされていてもよい。
このようにすることで、グリップ部を覆う規制部材を単体で加熱すればよいので、加熱時間が短くなり、容易に規制部材をグリップ部へ装着することが可能となる。また、規制部材によってグリップ部を外周側から締め付けることができるので、回転時におけるグリップ部と回転軸との間の面圧低下をより一層防止することができる。

さらに、この発明に係るインペラは、上記インペラにおいて、前記規制部材は、前記グリップ部に対して螺合されていてもよい。
このようにすることで、焼き嵌めの場合と比較して加熱工程を省略できるので、容易に規制部材をグリップ部に取り付けることが可能となる。

さらに、この発明に係るインペラは、上記インペラにおいて、前記規制部材は、周方向で複数に分割形成され、溶接により一体化されていてもよい。
このようにすることで、規制部材をグリップ部に溶接によって容易に装着することが可能となる。

さらに、この発明に係る回転機械は、上記インペラを備えることを特徴としている。
このようにすることで、インペラの組み付け作業等にかかる作業時間を短縮することができると共に、回転時にインペラが振動するのを防止して、回転軸の回転力を効率よくインペラに伝達させることができる。

この発明によれば、グリップ部の温度制御を容易にして、回転軸への着脱作業にかかる時間を短縮することができるとともに、回転時におけるグリップ部と回転軸との間の面圧を十分に確保して振動発生を防止することができる効果がある。

この発明の第一実施形態における遠心圧縮機の縦断面図である。 上記遠心圧縮機を構成するインペラの縦断面図である。 上記図２におけるインペラのグリップ部近傍の部分拡大図である。 この発明の第二実施形態における図２に相当する縦断面図である。 この発明の第三実施形態におけるグリップ部近傍の図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は斜視図である。 従来のインペラにおけるグリップ部近傍の図であり、（ａ）は図２に相当する縦断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。

次に、この発明の第一実施形態におけるインペラ、および回転機械について図面を参照して説明する。
図１は、この実施形態の回転機械である遠心圧縮機１００の概略構成を示す構成図である。
図１に示すように、遠心圧縮機１００のケーシング１０５には、ジャーナル軸受１０５ａおよびスラスト軸受１０５ｂを介して回転軸５が軸支されている。の回転軸５は、軸線Ｏ回りに回動される。回転軸５には、複数のインペラ１０が軸線Ｏ方向に並んで取り付けられている。各インペラ１０は、回転軸５の回転による遠心力を利用してケーシング１０５に形成された上流側の流路１０４から供給されるガスＧを下流側の流路１０４へと段階的に圧縮して流す。

ケーシング１０５には、回転軸５の軸線Ｏ方向の一側（図１における左側）に、外部からガスＧを流入させるための吸込口１０５ｃが形成されると共に、軸線Ｏ方向の他側（図１における右側）に、外部へガスＧを流出させるための排出口１０５ｄが形成されている。

上記遠心圧縮機１００の構成により、回転軸５が回転すると、吸込口１０５ｃからガスＧが流路１０４内に流入して、軸線Ｏ方向に並んで取り付けられた複数のインペラ１０によって段階的に圧縮される。そして、この圧縮されたガスＧが、排出口１０５ｄから排出される。なお、図１においては、回転軸５にインペラ１０が直列に６個設けられた一例を示しているが、インペラ１０は、回転軸５に対して少なくとも１個設けられていればよい。以下の説明では、説明を簡単化するために、回転軸５にインペラ１０が１個設けられている場合を例にして説明する。

図２に示すように、インペラ１０は、いわゆるクローズドインペラである。インペラ１０は、回転軸５に対して外嵌されるディスク部３０と、このディスク部３０の軸線Ｏ方向の他側面３１から突出して設けられた複数のブレード部４０と、ブレード部４０に対して一体的に形成されるとともに、ブレード部４０を軸線Ｏ方向の一側から覆うように形成されたカバー部５０とを備えている。そして、これらディスク部３０とブレード部４０とカバー部５０とによって上述した流路１０４の一部が構成されている。

ブレード部４０は、略一定の板厚で形成されてディスク部３０の他側面３１から軸線Ｏ方向の他側に向かって突出して形成されている。このブレード部４０は、ディスク部３０の他側面３１において周方向に等間隔で複数配列されている。また、ブレード部４０は、側面視で径方向外側に向かってやや先細り形状とされている。

カバー部５０は、軸線Ｏ方向の一側面５０ａがブレード部４０の他側縁４０ａに取付られている。このカバー部５０は、径方向外側の厚さ寸法がやや薄い板状に形成されている。カバー部５０は、径方向における内側部が、軸線Ｏ方向他側に向かって湾曲して形成されている。

ディスク部３０は、回転軸５に対して外嵌される略円筒状の固定部３２と、固定部３２の軸線Ｏ方向における他側部３２ａから、径方向外側に向かって延在する略円板状の本体部３５とを備えている。本体部３５は、上記カバー部５０と同様に、径方向の内側部が軸線Ｏ方向他側に向かって湾曲して形成されている。

図３を併せて参照し、固定部３２は、その軸線Ｏ方向の一側部であり、回転軸５に対して固定されるグリップ部３３を備えている。このグリップ部３３は、その内径が、回転軸５の外径よりも僅かに小径に形成され、回転軸５に対して焼き嵌めにより固定されている。また、固定部３２は、グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向他側に、非グリップ部３４を備えている。非グリップ部３４は、その内径が、回転軸５の外径よりも僅かに大径に形成されて回転軸５に隙間嵌めされている。

グリップ部３３と非グリップ部３４とは、互いの外周面３３ｂ，３４ｂが面一に形成されている。そして、グリップ部３３の厚さｔ１と非グリップ部３４との厚さｔ２は、インペラの高速回転時などに、インペラに作用するスラスト力および遠心力によって変形して上記本体部３５が軸線Ｏ方向他側に倒れ込むことがない十分な剛性が確保されるように設定されている。

グリップ部３３には、その外周面３３ｂを覆うように略円筒状の規制部材６０が取り付けられている。規制部材６０は、その内径がグリップ部３３の外径よりも僅かに小さく形成されてグリップ部３３の外周に焼き嵌めにより固定されている。この規制部材６０は、グリップ部３３と同等の厚さｔ３を有している。そして、規制部材６０は、グリップ部３３の外周面３３ｂ全域を覆うように、その軸線Ｏ方向における長さ寸法が、少なくとも軸線Ｏ方向におけるグリップ部３３の長さ寸法Ｌ１以上に設定されている。

この実施形態におけるインペラ１０および、インペラ１０を備えた遠心圧縮機１００は上記構成を備えており、次に、インペラ１０を回転軸５へ取り付ける手順について説明する。
まず、ディスク部３０と、ブレード部４０と、カバー部５０とを溶接や切削等により一体的に形成する。
次いで、固定部３２のグリップ部３３をバーナー等により加熱して、グリップ部３３の内径が回転軸５の外径よりも大径となるまで熱膨張させる。

この際、固定部３２においては、グリップ部３３の厚さｔ１を従来のグリップ部４３３の厚さｔ４１（図６（ｂ）参照）よりも薄肉に形成されているため、この薄肉に形成されている分だけ、グリップ部３３の熱容量が減少して、グリップ部３３の迅速な昇温が可能となっている。

次に、熱膨張させたグリップ部３３内に回転軸５を挿通させてインペラ１０を所定の取付位置に配置させる。そして、固定部３２のとりわけグリップ部３３を、自然冷却等により温度低下させて熱収縮させる。すると、グリップ部３３の内周面３３ａと回転軸５の外周面５ａとの面圧が上昇して、グリップ部３３が回転軸５を外周側から締め付ける状態となる。その結果、グリップ部３３が回転軸５に固定される。

その後、規制部材６０をバーナー等により加熱して、その内径がグリップ部３３の外径よりも大きくなるまで熱膨張させる。規制部材６０の内孔にグリップ部３３を挿通して、グリップ部３３の外周面３３ｂが規制部材６０によって外側から覆われた状態とする。次いで、自然冷却等により規制部材６０の温度を低下させて熱収縮させる。すると、規制部材６０の内周面６０ａとグリップ部３３の外周面３３ｂとの面圧が上昇して、規制部材６０がグリップ部３３を外側から締め付ける状態となる。その結果、規制部材６０がグリップ部３３に固定される。

したがって、上述した第一実施形態のインペラ１０によれば、固定部３２の厚さを、回動時にインペラ１０の倒れが生じない十分な剛性を確保できる最低限の厚さまで薄肉化することができるため、グリップ部３３の熱容量を減少させて、グリップ部３３を迅速に昇温させることが可能となる。
また、薄肉化されたグリップ部３３を覆うように規制部材６０を設けていることで、図３に示すように、グリップ部３３の遠心力（図３中、上向き矢印で示す）に抗する保持力（図３中、下向き矢印で示す）を規制部材６０によって付与することができる。その結果、スラスト力や遠心力によりグリップ部３３と回転軸５との間の面圧が低下して回転軸５からの浮き上がり等が生じるのを防止することができる。

また、グリップ部３３に規制部材６０を取り付ける際に、規制部材６０を単体で加熱すればよいので、加熱時間が短くなり、容易に規制部材６０をグリップ部３３へ装着することが可能となる。また、規制部材６０によってグリップ部３３を外周側から締め付けることができるので、回転時におけるグリップ部３３と回転軸５との間の面圧低下をより一層防止することができる。

さらに、メンテナンス等によりインペラ１０を回転軸５から外す際には、規制部材６０とグリップ部３３とが別体で形成されているので、規制部材６０とグリップ部３３との間の熱抵抗が大きくなるため、迅速に規制部材６０を昇温させて、規制部材６０をグリップ部３３から取り外すことができる。

そして、上述した第一実施形態の遠心圧縮機１００によれば、グリップ部３３の温度制御が容易になり、インペラ１０の組み付け作業等にかかる作業時間を短縮することができると共に、回転時にインペラ１０が振動するのを防止して、回転軸５の回転力を効率よくインペラ１０に伝達させることができる。

次に、この発明の第二実施形態におけるインペラ２１０について図面を参照して説明する。なお、この第二実施形態のインペラ２１０は、上述した第一実施形態のインペラ１０とは、規制部材６０のグリップ部３３への取付構造が異なるだけであるため、同一部分に同一符号を付して説明する。

図４に示すように、この実施形態におけるインペラ２１０は、上述した第一実施形態のインペラ１０と同様に、ディスク部３０と、ブレード部４０と、カバー部５０とを備えている。なお、ブレード部４０と、カバー部５０との構成は、上述した第一実施形態と同様であるため詳細説明を省略する。

ディスク部３０は、第一実施形態のディスク部３０と同様に、回転軸５に対して外嵌される略円筒状の固定部３２と、固定部３２の軸線Ｏ方向における他側部３２ａから、径方向外側に向かって延在する略円板状の本体部３５とを備えている。

固定部３２は、その軸線Ｏ方向一側に、回転軸５に対して外嵌されるグリップ部３３を備えている。このグリップ部３３は、その内径が、回転軸５の外径よりも僅かに小径に形成され、回転軸５に対して焼き嵌めにより外嵌されている。また、固定部３２は、グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向他側に非グリップ部３４を備えている。非グリップ部３４は、その内径が、回転軸５の外径よりも僅かに大径に形成され、回転軸５に隙間嵌めされている。

固定部３２には、グリップ部３３の外周面３３ｂを少なくとも覆うように、円筒状の規制部材２６０が螺合されている。より具体的には、グリップ部３３の外周面３３ｂおよび非グリップ部３４の外周面３４ｂに亘って雄ネジ部Ｍが形成され、規制部材２６０の内周面２６０ａに雌ネジ部Ｎが形成されている。そして、回転軸５の回転方向とは逆方向に規制部材２６０を相対回転させることで、雌ネジ部Ｎが雄ネジ部Ｍに対して締めこまれる一方、回転方向に規制部材２６０を相対回転させることで、雌ネジ部Ｎが雄ネジ部Ｍに対して緩まるようにねじ方向が設定されている。なお、規制部材２６０および固定部３２の径方向の厚さや軸線Ｏ方向の長さ等は、第一実施形態の規制部材２６０および固定部３２と同等に設定されている。

したがって、上述した第二実施形態のインペラ２１０によれば、螺合により規制部材２６０をグリップ部３３に固定することができるため、第一実施形態のように焼き嵌めする場合と比較して、加熱工程を省略できるので、規制部材２６０をグリップ部３３に容易に取り付けることが可能となる。

次に、この発明の第三実施形態におけるインペラ３１０について図面を参照して説明する。
なお、この第三実施形態のインペラ３１０も、上述した第二実施形態と同様に、第一実施形態の規制部材６０と、グリップ部３３への取付構造が異なるだけであるため、同一部分に同一符号を付して、規制部材３６０及びグリップ部３３についてのみ詳細説明する。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、第三実施形態における規制部材３６０は、その周方向で複数、より具体的には、２つに分割されている。換言すれば、この規制部材３６０は、軸線を通る平面に沿って分割された２つの半筒部３６０ａよりなる。

そして、上記規制部材３６０をグリップ部３３へ取り付ける際には、規制部材３６０の軸中心とグリップ部３３の軸中心とを一致させるように、グリップ部３３を、その径方向外側から挟み込むようにして半筒部３６０ａの端面３６０ｂ同士を接近させる。そして、半筒部３６０ａの周方向の端面３６０ｂ同士を当接させて、端面３６０ｂの周縁を溶接して半筒部３６０ｂ同士を接合させる。なお、図５（ｂ）中、溶接箇所を符号「Ｙ」で示している。

したがって、上述した第三実施形態のインペラ３１０によれば、規制部材３６０をグリップ部３３に溶接によって装着することで、第一実施形態のように焼き嵌めする場合と比較して、加熱工程を省略することができるため、規制部材３６０を容易に装着可能になる。

なお、この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
上述した第三実施形態では、規制部材３６０を２分割した一例について説明したが、３つ以上に分割するようにしても良い。

また、上述した各実施形態では、本発明を、カバー部５０を一体的に備えるいわゆるクローズドインペラに適用する場合について説明したが、カバー部５０を一体的に備えていないオープン型のインペラに適用するようにしても良い。

５ 回転軸
３０ ディスク部
３１ 他側面
３２ 固定部
３２ａ 他側部
３３ グリップ部（一側部）
３５ 本体部
４０ ブレード部
６０，２６０，３６０ 規制部材

Claims (5)

1. 軸線回りに回動される回転軸に対して、前記軸線方向の一側部が焼き嵌めにより外嵌される固定部と、該固定部の前記軸線方向の他側部から径方向外側に向かって延びる本体部とを備えるディスク部と、
   該ディスク部の前記軸線方向の他側面から突出して設けられるブレード部と、
   前記グリップ部の外周面を覆い、前記グリップ部が径方向外側へ変位するのを規制する規制部材を備えることを特徴とするインペラ。
2. 前記規制部材は、前記グリップ部に対して焼き嵌めされている請求項１に記載のインペラ。
3. 前記規制部材は、前記グリップ部に対して螺合されている請求項１に記載のインペラ。
4. 前記規制部材は、周方向で複数に分割形成され、溶接により一体化されている請求項１に記載のインペラ。
5. 請求項１から４に記載のインペラを備えることを特徴とする回転機械。

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