JP2014088803A - インペラ及びこれを備えた回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】装置が設置される現地でのバランス調整を迅速且つ容易に行うことができるインペラ及び回転機械を提供する。
【解決手段】回転軸６に取り付けられる円板状のディスク部３０と、該ディスク部３０の軸方向一方側となる前側面３１に設けられたブレード部４０とを備え、ディスク部３０の軸方向他方側となる後側面５１には、径方向でブレード部４０が設けられる位置に、重量調整用のウェイト部材Ｗを取り付けるためのバランスホール３３が形成されていることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

この発明は、インペラ及びこのインペラが回転軸に固定されてなる回転機械に関するものである。

ターボ冷凍機や小型ガスタービン等にあっては、遠心圧縮機などの回転機械が用いられている。この回転機械は、回転軸に固定されたディスク部に複数のブレード部が設けられたインペラを有しており、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。

上記インペラは、ロータ軸に焼き嵌め等によって取り付けられるが、ロータ軸への組み込み位置ずれや、加工時の製作誤差等により、周方向に質量のアンバランスが生じる場合がある。例えば、ロータ軸の回転中心に対して回転体の質量の中心軸が傾斜している場合には、回転により遠心力が生じることで、モーメントのアンバランスないしは、動アンバランスが生じてしまう。そのため、軸振動が大きくなる虞があるため、製造時、試運転時、あるいは現地設置時などの運転前に、事前に調整することが行われる。

特に、増速機内蔵型のギアド圧縮機など、インペラが単段で構成され、且つ、オーバーハング軸構造となっている場合には、バランス調整を行うための錘はインペラに取り付ける必要がある。
そこで、回転体のアンバランスに起因する振動を防止するために、ファンやインペラのブレード部を支持し、且つ、ロータ軸に取り付けられるディスク部の筒部の軸方向端面に、深さの異なる複数のバランスホールを設けてバランス調整するものや、複数のバランスホールに適宜錘を装着することでバランス調整を行うものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特表２０１２−５０２２１３号公報 特開２０００−３５６１０７号公報 特開２００８−２９１６５７号公報

ところで、上記インペラにあっては、装置を納入する現地にてバランス調整を行ってその妥当性を検証することが要望されている。しかしながら、上述したようにディスク部の筒部の軸方向端面にバランスホールを設けている場合、吸込み配管などインペラの筒部に隣接する部品を取り外さないとバランスホールにアクセスできない。これら筒部に隣接する部品の取り外し作業には、熟練を要し手間が掛かるため、バランス調整に掛かるリードタイムが長くなってしまう。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置が設置される現地でのバランス調整を迅速且つ容易に行うことができるインペラ及びこれを備えた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、回転軸に取り付けられる円板状のディスク部と、該ディスク部の軸方向一方側となる表面に設けられたブレード部とを備え、前記ディスク部の軸方向他方側となる背面には、重量調整用の錘を取り付けるための取付用穴が形成されていることを特徴としている。なお、上記インペラの構成は、ブレード部を覆うカバー部付きのクローズ型インペラ、および、カバー部無しのオープン型インペラの両方を含んでいる。
このように構成することで、ディスク部の軸方向に隣接する部品を取り外すことなしに、取付用穴に錘を適宜装着することでインペラのバランス調整を行うことができる。

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、上記ディスク部は、前記背面における前記取付用穴の径方向の少なくとも一方側に設けられ、前記取付用穴に遠心力によって生じる応力集中を緩和させる応力緩和手段を有していても良い。
例えば、吸込み配管などを取り外すことなくバランス調整を可能とするために、ディスク部の背面側の位置に取付用穴を形成した場合、インペラの回転時に遠心力が生じると引張方向の応力がインペラに作用して、取付用穴に応力集中が生じて疲労が問題となるため、インペラの回転数が制限されてしまう場合がある。しかし、上述のように構成することで、回転時の遠心力によって生じる取付用穴への応力集中を応力緩和手段によって緩和させることができるため、応力集中による疲労を抑制できる。

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、前記応力緩和手段は、子午面における径方向への応力を遮断する軸方向壁部を、前記取付用穴の径方向の少なくとも一方に備えていても良い。
このように構成することで、径方向の応力が、取付用穴の径方向の少なくとも一方で軸方向壁部によって迂回させられるため、とりわけ取付用穴の開口部における応力集中を抑制することができる。

また、この発明に係る回転機械は、上記何れかのインペラを有するロータを備えることを特徴としている。
このよう構成することで、例えば、インペラを径方向外側から覆う部材を取り外すだけで、ディスク部の背面に形成された取付用穴にアクセスすることが可能になる。

この発明に係るインペラ及びこれを備えた回転機械によれば、装置が設置される現地でのバランス調整を迅速且つ容易に行うことが可能になる。

この発明の実施形態における遠心圧縮機の部分断面斜視図である。 この発明の第一実施形態におけるインペラの子午線断面図である。 上記インペラの背面図である。 上記インペラのバランスホール周縁の拡大図である。 上記インペラのディスク部に作用する応力の説明図であって、（ａ）は応力緩和凹部を設けていない比較例、（ｂ）は応力緩和凹部を設けている場合である。 この発明の第二実施形態における図２に相当する子午線断面図である。 この発明の第三実施形態における図２に相当する子午線断面図である。 この発明の第三実施形態における図３に相当する背面図である。 この発明の第四実施形態における図２に相当する子午線断面図である。 この発明の第四実施形態における図３に相当する背面図である。 この発明の第一実施形態の変形例における図３に相当する背面図である。

次に、この発明の第一実施形態における回転機械およびインペラ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１を示す斜視図である。
図１に示すように、遠心圧縮機１は、増速機構２を内蔵したいわゆるギアド圧縮機である。増速機構２は、駆動源（図示せず）により回転駆動されカバー３によって覆われた歯車４を備えている。歯車４には、歯車４よりも十分に小さい歯車であるピニオン５が噛合されている。このピニオン５は、軸受７により回転可能に支持されたピニオンシャフト６の長手方向略中央部に固定されている。

この実施形態におけるピニオンシャフト６は、その両端部に、インペラ８，９がそれぞれ取り付けられている。これらインペラ８，９は、軸受７に対して片持ち構造となっている。インペラ８，９は、それぞれピニオンシャフト６の回転による遠心力を利用して上流側流路（図示せず）から供給されるガスＧを圧縮して流す。

ケーシング１０には、上流側流路からガスＧを流入させる吸込通路１２と、外部へガスＧを流出させるための排出通路１３とが形成されている。また、インペラ８，９の軸方向外側には、吸込通路１２の内部空間の中央部に蓋部１１が配置されている。ここで、インペラ８，９、ピニオンシャフト６、蓋部１１、および、ピニオン５によりこの実施形態のロータＲが構成されている。なお、図２中、軸方向を一点鎖線で示す。

上記遠心圧縮機１の構成により、増速機構２を介してピニオンシャフト６が回転すると、吸込通路１２に流入したガスＧがインペラ８，９によって圧縮され、その後に、インペラ８，９の径方向外側の排出通路１３を介してケーシング１０の外部に排出される。なお、インペラ８，９は同様な形状であるため、以下の説明では、インペラ８についてのみ詳述する。また、以下のインペラ８の説明において、ピニオンシャフト６の軸線に対して、ガスＧが流入する側を前側、その反対側を後側（又は背面側）と称する。

図２はインペラ８の子午面を示している。図２に示すように、上記遠心圧縮機１のインペラ８は、ピニオンシャフト６に対して焼き嵌め等により固定されるディスク部３０と、このディスク部３０の前側面（軸方向一方側となる表面）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の前端に形成された正面視で円環状をなすカバー部５０とを備えた、いわゆるクローズ型のインペラである。なお、インペラ８の子午面とは、正面視円形のインペラ８の子午線およびピニオンシャフト６の軸線を通る縦断面を意味する。

ディスク部３０は、ピニオンシャフト６に対して外嵌される略円筒状の筒部３２を備えている。更に、ディスク部３０は、その軸線方向後側で、筒部３２から径方向外側に向かって延びる略円板状のディスク本体部３５を備えている。ディスク本体部３５は、径方向内側ほど厚肉に形成され、前側面３１と、筒部３２の外周面３２ａとを滑らかに繋ぐ凹状の曲面３１ａを備えている。なお、上述した蓋部１１（図１参照）は、上記筒部３２の端面３２ｂとピニオンシャフト６の端面６ａとを軸方向外側から覆うようにして取り付けられており、筒部３２の軸方向外側の端面３２ｂにアクセスするためには、上述したケーシング１０および蓋部１１を取り外す必要がある。

ブレード部４０は、ディスク本体部３５の周方向に等間隔で複数配列されている。これらブレード部４０は、略一定の板厚を有し、側面視で径方向外側に向かってやや先細りに形成されている。つまり、インペラ８のガス流路は、前側面３１と、曲面３１ａと、外周面３２ａと、周方向に互いに対向するブレード部４０の面４０ａと、前側面３１および曲面３１ａに対向するカバー部５０の壁面５０ａとにより画成される。

図２、図３に示すように、ディスク部３０は、後側面（軸方向他方側となる背面）５１に複数、より具体的にはブレード部４０と同数以上のバランスホール（取付用穴）３３を備えている。バランスホール３３は、径方向においてブレード部４０が設けられるディスク部３０の径方向の中間位置で、周方向に所定間隔で並んで配置されている。これらバランスホール３３は、軸方向に所定の深さで形成され、重量調整用の雄ネジ形状のウェイト部材（錘）Ｗを螺着可能とするように内周面に雌ネジが形成されている。ここで、上述したバランスホール３３の所定の深さとは、ディスク本体部３５の強度低下を考慮して、例えば、バランスホール３３が形成される径方向位置におけるディスク本体部３５の軸方向の厚さを「Ｔ」とすると、Ｔ／２からＴ／４程度の深さまでとするのが好ましい。また、バランスホールの内径は、インペラ８の外径に応じて設定され、例えば、インペラ８の外径を「Ｄ」とすると、０．００４Ｄから０．０６０Ｄ程度とされるのが好ましい。ウェイト部材Ｗは種々の重さのものが予め用意されている。

図４を併せて参照し、ディスク部３０の後側面５１には、バランスホール３３の径方向外側と、バランスホール３３の径方向内側とにそれぞれ応力緩和凹部（応力緩和手段）３６，３７が形成されている。応力緩和凹部３６，３７は、略円環状に形成されている。また、応力緩和凹部３６，３７の対向する内側面（軸方向壁部）３６ａ，３７ａと、これら内側面３６ａ，３７ａの軸方向前端部同士を接続する底面３６ｂ，３７ｂとの間には、凹状の曲面３６ｃ，３７ｃが形成され、内側面３６ａ，３７ａと後側面５１との間には凸状の曲面３６ｄ，３７ｄが形成されている。これら応力緩和凹部３６，３７は、後側面５１から最深部までの深さがＴ／２以下とされ、径方向の溝幅が０．００４Ｄ以上とされている。

図５（ａ）は、応力緩和凹部３６，３７を設けていない場合のインペラ８に作用する応力を説明するための図である。また、図５（ｂ）は、応力緩和凹部３６，３７を設けた場合に、インペラ８に作用する応力を説明するための図である。
図５（ａ）に示すように、応力緩和凹部３６，３７を設けていない場合は、インペラ８が回転することによって径方向外側（矢印で示す）に向かってディスク部３０に遠心力が作用する。この遠心力によってディスク本体部３５に引張応力が生じることとなる。この引張応力は、インペラ８における後側面５１の径方向内側の角部で最も高くなるとともに、応力集中によりバランスホール３３の角部３３ａで局部的に高くなっている。

これに対して、図５（ｂ）に示すように、応力緩和凹部３６，３７を設けている場合には、遠心力によってディスク本体部３５に引張応力が作用したとしても、応力緩和凹部３６，３７の子午面における径方向への引張応力が応力緩和凹部３６，３７の対向する内側面３６ａ，３７ａ、および、バランスホール３３を迂回するように作用するため、バランスホール３３の角部３３ａにおける引張応力の応力集中が抑制されている。

したがって、上述した第一実施形態のインペラ８、および、遠心圧縮機１によれば、ディスク部３０の軸方向に隣接する蓋部１１や吸込通路１２などの構成部品を取り外すことなしに、インペラ８を径方向外側から覆っているケーシング１０を取り外して、バランスホール３３にウェイト部材を適宜装着することでインペラ８のバランス調整を行うことができるため、遠心圧縮機１を設置する現地でのバランス調整を迅速且つ容易に行うことが可能になる。

また、回転時の遠心力によって生じるバランスホール３３への応力集中を応力緩和凹部３６，３７によって緩和させることができるため、応力集中による疲労を抑制でき、その結果、応力集中が緩和された分だけインペラ８が高速回転に対応可能となる。
さらに、応力緩和凹部３６，３７に、それぞれ曲面３６ｃ，３７ｃ，３６ｄ，３７ｄが形成されることで、更なる応力集中の軽減を図ることが可能となっている。

次に、この発明の第二実施形態におけるインペラ１０８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１０８は、上述した第一実施形態のインペラ８に対して、応力緩和手段の形状が異なるだけであるため、図１を援用すると共に、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する（以下、第二から第四実施形態も同様）。

図５に示すように、この第二実施形態のインペラ１０８は、第一実施形態と同様に、ディスク部１３０の後側面５１にバランスホール３３が形成されている。さらに、インペラ１０８のバランスホール３３の径方向内側および径方向外側には、それぞれ応力緩和肉抜き部（応力緩和手段）１３６，１３７が形成されている。より具体的には、バランスホール３３から径方向に所定距離離間した径方向内側および径方向外側には、軸方向の前側に延びる壁部（軸方向壁部）１３６ａ，１３７ａが形成されている。さらに、これら壁部１３６ａ，１３７ａよりも径方向内側および径方向外側には、何らディスク部１３０の後側面５１が配置されず空間となっている。

ここで、応力緩和肉抜き部１３６，１３７は、切削により形成しても良く、また鍛造により形成するようにしてもよい。切削の場合には切削量が多くなってしまうため、鍛造により形成する方が歩留まりの点で有利となる。

したがって、上述した第二実施形態のインペラ１０８によれば、バランスホール３３の径方向内側および径方向外側に空間が形成されていることで、第一実施形態のインペラ８と同様に、回転時の遠心力による引張応力がバランスホール３３へ作用することを防止することができる。その結果、インペラ１０８をより高速で回転させることが可能となる。

次に、この発明の第三実施形態のインペラ２０８について図面を参照して説明する。
図７に示すように、この実施形態におけるインペラ２０８は、上述した第一実施形態のインペラ８と同様に、ディスク部３０にバランスホール３３を備えている。さらに、ディスク部３０には、バランスホール３３の径方向内側および径方向外側に、応力緩和穴（応力緩和手段）２３６，２３７が形成されている。

図８に示すように、軸方向の後側から見て、応力緩和穴２３６，２３７は、バランスホール３３に対して擬似的な楕円（図中破線で示す）Ｄを形成するような位置および形状で形成されている。より具体的には、この擬似的な楕円Ｄは、その長軸ａ１がインペラ８の径方向を向き、短軸ａ２がバランスホール３３の直径とされている。また、応力緩和穴２３６，２３７は、それぞれ楕円Ｄの２つの焦点ｓ１，ｓ２を中心として、長軸ａ１側の端部と、各直近の焦点ｓ１，ｓ２との間の距離を半径とした円形とされている。

また、バランスホール３３と応力緩和穴２３６，２３７とは、インペラ８の径方向で重ならないように配置されている。さらに、バランスホール３３と応力緩和穴２３６，２３７とは、互いに平行となるように軸方向に延びて形成されている。ここで、バランスホール３３と応力緩和穴２３６，２３７とは、可能な限り接近させて配置されることが好ましい。このようにすることで、バランスホール３３への径方向の引張応力をより少なくすることが可能となる。

したがって、上述した第三実施形態のインペラ２０８によれば、楕円形状の穴を形成することなしに、応力緩和穴２３６，２３７によって軸方向から見た径方向の引張応力を、図８中の矢印で示すように楕円形状の穴を形成する場合と同様に迂回させることができるので、バランスホール３３に作用する応力を効率よく低下させることができるため、その分、インペラ３１０をより高速回転に対応させることが可能になる。

次に、この発明の第四実施形態におけるインペラ３０８について図面を参照しながら説明する。
図９、図１０に示すように、この第四実施形態のインペラ３０８は、ディスク部３０の後側面５１にピニオンシャフト６を中心とした円環状の溝６０が形成されている。この溝６０は、軸方向後側ほど離間する一対の内側面６１とこれら内側面６１を軸方向前側で接続する底面６２とを備えており、内側面６１とディスク部３０の後側面５１とは、緩やかな凸状の曲面６３で接続されている。この溝６０の底面６２には、複数のビス穴６４が、周方向に所定間隔で配置されると共に軸方向に延びるように形成されている。

上記溝６０には、この底面６２の径方向の幅寸法よりも僅かに小さい幅寸法を有したウェイト部（錘）Ｗ２が着脱可能となっている。ウェイト部Ｗ２は、略直方体状をなしており、その略中央部には、ビス６５を貫通するための貫通孔（取付用穴）６６が形成されている。この貫通孔６６の軸線を、上記ビス穴６４の軸線の延長線上に配置させてビス６５をビス穴６４に螺入することで、ウェイト部Ｗ２がディスク本体部３５に固定可能となっている。

また、ウェイト部Ｗ２は、ディスク本体部３５に取り付けられた状態で、ディスク部３０の後側面５１よりも軸方向後側に突出する。この突出している部分と曲面６３が形成されている部分の径方向内側および径方向外側には、空間が形成されている。換言すれば、ウェイト部Ｗ２の径方向内側面６８と径方向外側面６９との径方向内側および径方向外側には、ディスク本体部３５の後側面５１が配置されない応力緩和部３３６，３３７が形成されている。応力緩和部３３６，３３７を構成する溝６０の内側面６１が、それぞれ子午面における径方向への応力を迂回させる軸方向壁部として機能している。

したがって、上述した第四実施形態のインペラ３０８によれば、ウェイト部Ｗ２をディスク部３０に対して簡単に着脱することができる。また、径方向内側面６８と径方向外側面６９とが形成されることで、子午面における径方向への引張応力が貫通孔６６を迂回するため、貫通孔６６への応力集中を抑制できる。また、ウェイト部Ｗ２を略直方体状とすることでウェイト部Ｗ２の大型化が容易となるため、ウェイト部が雄ネジ形状の場合よりもウェイト部Ｗ２の質量を増加したい場合に有利となる。

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。
例えば、上述した各実施形態においては、バランスホール３３の個数とブレード部４０の個数とを同数以上にする場合について説明したが、バランスホール３３の個数はブレード部４０と同数以下であってもよい。

さらに、上記各実施形態においては、バランスホール３３が軸線方向に向かって延びる場合を一例にして説明したが、軸線に対して斜めに形成されていても良い。とりわけ、バランスホール３３の開口部が径方向内側を向くように斜めに形成した場合には、インペラ８の回転時に生じる遠心力によってウェイト部材Ｗが離脱することを防止可能となる。
また、ウェイト部材Ｗをバランスホール３３に対して固定する方法として、ネジ止めする場合について説明したが、ウェイト部材Ｗがバランスホール３３内部に固定可能な方式であれば、ネジ止めに限られるものではなく、例えば、締まり嵌め等を用いてもよい。

また、上述した各実施形態においては、遠心圧縮機１がギアド圧縮機の場合について説明したが、ギアド圧縮機に限られるものではなく、他の形式の圧縮機のインペラに対しても適用可能である。さらに、圧縮機に限られず、インペラを用いる回転機械であればよい。更に、カバー部５０を備えるクローズ型のインペラ８，９を一例にして説明したが、カバー部５０を備えないオープン型のインペラにも適用可能である。

また、上述した第一実施形態においては、バランスホール３３の径方向内側と、径方向外側とにそれぞれ応力緩和凹部３６，３７を設ける場合について説明したが、径方向外側の応力緩和凹部３６だけを設けるようにしても良い。このように応力緩和凹部３６をバランスホール３３の径方向外側に設けた場合、インペラ８の径方向外側の質量が減少するため、遠心力に伴う引張応力を抑制できる。また、引張応力が高くなる位置をバランスホール３３の前側に移動させることができる。したがって、応力緩和凹部３６だけを設けた場合も十分にバランスホール３３への応力集中を軽減することが可能となる。

さらに、上述した第一実施形態においては、応力緩和凹部３６，３７を円環状に形成する場合について説明したが、バランスホール３３への径方向の引張応力を迂回可能であれば良く、この限られるものではない。例えば、図１１に示す変形例のように、応力緩和凹部３６，３７をバランスホール３３の配置箇所の径方向にだけ設けて、周方向に断続的となるように形成しても良い。また、内側面３６ａ，３７ａが軸方向に向かって延びる場合について説明したが、応力緩和凹部３６，３７が形成できればよく、軸方向に対して傾斜してもよい。

さらに、上述した第二実施形態では、バランスホール３３の径方向内側および径方向外側に切削や鍛造により空間を形成する場合について説明したが、バランスホール３３およびその周囲を後側面５１から後側に突出させるように形成しても良い。

また、上述した第四実施形態においては、ウェイト部Ｗ２を締結部材としてビス６５を用いてディスク本体部３５に取り付ける場合について説明したが、この構成に限られず、例えば、ウェイト部Ｗ２を締まり嵌めにより溝６０に固定するようにしても良い。この場合、溝６０に沿ってウェイト部Ｗ２を切削してスリット状の切り込みを形成することでウェイト部Ｗ２を取り外すことが可能となる。

８，９ インペラ
３０ ディスク部
３３ バランスホール（取付用穴）
３６，３７ 応力緩和凹部（応力緩和手段）
４０ ブレード部
３６ａ，３７ａ，６１ 内側面（軸方向壁部）
６６ 貫通孔（取付用穴）
６８ 径方向内側面（軸方向壁部）
６９ 径方向外側面（軸方向壁部）
１３６，１３７ 応力緩和肉抜き部（応力緩和手段）
１３６ａ 壁部（軸方向壁部）
１３７ａ 壁部（軸方向壁部）
２３６，２３７ 応力緩和穴（応力緩和手段）
３３６，３３７ 応力緩和部（応力緩和手段）
Ｗ，Ｗ２ ウェイト部（錘）
Ｒ ロータ

Claims (4)

1. 回転軸に取り付けられる円板状のディスク部と、
   該ディスク部の軸方向一方側となる表面に設けられたブレード部とを備え、
   前記ディスク部の軸方向他方側となる背面には、重量調整用の錘を取り付けるための取付用穴が形成されていることを特徴とするインペラ。
2. 上記ディスク部は、
   前記背面における前記取付用穴の径方向の少なくとも一方側に設けられ、前記取付用穴に遠心力によって生じる応力集中を緩和させる応力緩和手段を有する請求項１に記載のインペラ。
3. 前記応力緩和手段は、子午面における径方向への応力を迂回させる軸方向壁部を、前記取付用穴の径方向の少なくとも一方に備える請求項２に記載のインペラ。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載のインペラを有するロータを備えることを特徴とする回転機械。

Images