JP2018003670A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高い信頼性を有するターボ機械を提供する。
【解決手段】
本開示のターボ機械（１）は、回転軸（１３）と、翼車（１４）と、を備えている。翼車（１４）は、貫通穴（２０）及び外周端（３０）を有する。外周端（３０）は、貫通穴（２０）の軸線方向における一端（２１）から他端（２２）に向かって拡大する外径を有する。貫通穴（２０）は、接合部（２３）と、ガイド部（２４）と、を含む。ガイド部（２４）は、接合部（２３）よりも貫通穴の他端（２２）の近くに位置する。回転軸（１３）を前記貫通穴（２０）から取り外した状態において、Ｄ１＞Ｈ１、Ｄ２≧Ｈ２、及びＤ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本開示は、ターボ機械に関する。

電動過給機、ガスタービン、蒸気タービン、及び空気調和機用圧縮機等のターボ機械において、作動流体を圧縮する又は作動流体から動力を得るために、回転軸に固定された翼車が用いられている。多くの場合、ターボ機械は高速で回転するので、翼車に働く遠心力及び負荷トルクによって翼車が回転軸から外れないように、翼車の回転軸に対する固定方法として締結力が強い焼ばめが用いられている。焼ばめは、翼車を加熱して膨張させることにより翼車に形成された軸穴を拡大させ、次に翼車の軸穴に回転軸を挿入して冷却し、翼車と回転軸とを締まりばめの状態で固定する方法である。

ターボ機械の保守のために回転軸から翼車を取り外すことが必要な場合がある。この場合、翼車を再加熱して翼車の軸穴を膨張させて回転軸から翼車を取り外すが、翼車を加熱して膨張させるのに時間を要する。特許文献１には、翼車の熱膨張に要する時間を短縮するための技術が記載されている。

図８に示す通り、特許文献１には、遠心圧縮機３００が記載されている。遠心圧縮機３００は、回転軸３０３及びインペラ３０２を備えている。回転軸３０３は、軸線Ｐを中心に回転可能に設けられた円柱状の部材である。インペラ３０２は、軸線Ｐを中心として、軸線Ｐの一方側Ｐ１から他方側Ｐ２に向かって外径が漸次縮径する略傘形状をなすインペラ本体を備えている。インペラ本体は、ハブ３１１と、ブレード３１２と、シュラウド３１３と、円筒状の接続部３１４と、円筒状のグリップ部３１５とを有する。接続部３１４は、ハブ３１１の軸線Ｐ方向の他方側Ｐ２に接続されている。グリップ部３１５は、接続部３１４の軸線Ｐ方向の他方側Ｐ２に接続されている。インペラ３０２の径方向の中央には、回転軸３０３を挿入可能に、回転軸３０３の外周面３０３ｂの径よりもやや大径とされて軸線Ｐ方向に貫通する貫通孔３１７が形成されている。接続部３１４の内周面３１４ａの径はハブ３１１に形成された貫通孔３１７の内周面３１７ａと同径である。グリップ部３１５の内周面３１５ａの径は、回転軸３の外周面３ｂと略同径に形成されており、グリップ部３１５は、加熱膨張により回転軸３０３に対し焼ばめ可能である。

グリップ部３１５の外周面３１５ｂには、軸線Ｐ方向に沿って、周方向に間隔をあけて、径方向内側に向かって凹む複数の凹部３１８が形成されている。グリップ部３１５の外周面３１５ｂにおける凹部３１８によって、グリップ部３１５の外周面３１５ｂにおける伝熱面積を増大できる。このような凹部３１８によって、グリップ部３１５への単位時間当たりの入熱量を増大でき、熱膨張に要する時間を短縮できる。

特開２０１３−１７０５３８号公報

特許文献１に記載の圧縮機は、信頼性を向上させる観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は高い信頼性を有するターボ機械を提供する。

本開示は、
回転軸と、
前記回転軸に固定された翼車であって、前記回転軸が配置された貫通穴及び前記貫通穴の軸線方向における一端から他端に向かって拡大する外径を有する外周端を有する翼車と、を備え、
前記貫通穴は、
接合部と、
前記接合部よりも前記貫通穴の前記他端の近くに位置するガイド部と、を含み、
前記回転軸を前記貫通穴から取り外した状態において、
前記接合部に対応する前記回転軸の直径をＤ１と、
前記接合部における前記貫通穴の直径をＨ１と、
前記ガイド部に対応する前記回転軸の直径をＤ２と、
前記ガイド部における前記貫通穴の直径をＨ２と、定義するときに、
Ｄ１＞Ｈ１、
Ｄ２≧Ｈ２、及び
Ｄ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす、
ターボ機械を提供する。

上記のターボ機械は、高い信頼性を有する。

図１は、第１実施形態に係るターボ機械を示す断面図（回転軸の軸線を通る断面図）である。 図２は、図１に記載のターボ機械の一部を拡大した断面図である。 図３は、変形例に係るターボ機械を示す断面図である。 図４は、別の変形例に係るターボ機械を示す断面図である。 図５は、第２実施形態に係るターボ機械を示す断面図である。 図６は、変形例に係るターボ機械を示す断面図である。 図７は、別の変形例に係るターボ機械を示す断面図である。 図８は、従来の遠心圧縮機を示す断面図である。

＜本発明者らの検討に基づく知見＞
本発明者らは、翼車の外周端の周速が高い条件で運転されるターボ機械の信頼性ついて検討した結果、以下の知見を得た。

ターボ機械の翼車は、通常、焼ばめにより回転軸に固定される。焼ばめは、翼車を加熱して膨張させることにより翼車に形成された軸穴を拡大させ、次に、翼車の軸穴に回転軸を挿入した状態で翼車を冷却し、翼車と回転軸とを「しまりばめ（interferance fit）」（日本工業規格（JIS） B 0401-01:1998）の状態で固定することにより行われる。翼車の軸穴の内部における冷却されやすさ及び膨張した軸穴の収縮が完了するまでの時間は、翼車の軸穴の場所によって異なる。例えば、翼車の軸穴のある部位においては収縮が完了しているが、その部位に隣接する部位においては収縮が完了していないという現象が生じる可能性がある。このため、翼車が固定される回転軸の部位においてひずみが生じる。

翼車の外周端の周速が高い条件でターボ機械が運転されるとき、翼車の外周端に作用する遠心力が大きいので、大きな遠心力に耐え得るために翼車と回転軸とを強固に焼ばめする必要がある。翼車と回転軸とを強固に焼ばめするために、翼車の軸穴と回転軸との間のしめしろが大きいと、回転軸には大きなひずみが生じやすい。回転軸の大きなひずみは、翼車及び回転軸を含む回転体に大きな重量アンバランスを生じさせる。回転体に生じた大きな重量アンバランスにより軸受が損傷しやすくなり、ターボ機械の信頼性を高めにくい。

このように、本発明者らは、翼車の外周端の周速が高い条件で運転されるターボ機械において、翼車と回転軸との強固な焼ばめに伴う回転軸の大きなひずみにより軸受が損傷しやすく、ターボ機械の信頼性を高めにくいという新規な課題を見出した。翼車の外周端の周速が高い条件で運転されるターボ機械は、例えば、常温（２０℃±１５℃：JIS Z 8703）における飽和蒸気圧が負圧（大気圧よりも低い圧力）である冷媒が使用される冷凍サイクルにおけるターボ圧縮機等のターボ機械である。このようなターボ機械は、高い圧力比を発揮する必要性が高く、翼車の外周端の周速が高い条件で運転される。なお、常温における飽和蒸気圧が正圧（大気圧以上の圧力）である流体が用いられるターボ機械も、場合によっては、翼車の外周端の周速が高い条件で運転される。

本発明者らは、上記の新たな課題を解決するために日夜検討を重ねた結果、本開示のターボ機械を案出した。なお、上記の知見は、本発明者らの検討に基いて得られたものであり、先行技術として自認するものではない。

本開示の第１態様は、
回転軸と、
前記回転軸に固定された翼車であって、前記回転軸が配置された貫通穴及び前記貫通穴の軸線方向における一端から他端に向かって拡大する外径を有する外周端を有する翼車と、を備え、
前記貫通穴は、
接合部と、
前記接合部よりも前記貫通穴の前記他端の近くに位置するガイド部と、を含み、
前記回転軸を前記貫通穴から取り外した状態において、
前記接合部に対応する前記回転軸の直径をＤ１と、
前記接合部における前記貫通穴の直径をＨ１と、
前記ガイド部に対応する前記回転軸の直径をＤ２と、
前記ガイド部における前記貫通穴の直径をＨ２と、定義するときに、
Ｄ１＞Ｈ１、
Ｄ２≧Ｈ２、及び
Ｄ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす、
ターボ機械を提供する。

第１態様によれば、翼車の貫通穴の回転軸を固定させるための２つの部位（接合部及びガイド部）が貫通穴の軸線方向の異なる位置に存在している。そのため、焼ばめによる組み立ての工程において翼車を冷却するときに、翼車のガイド部が回転軸を支持する。これにより、接合部においてひずみが生じることを抑制できる。また、ガイド部と回転軸との間に生じる応力は接合部と回転軸との間に生じる応力ほど大きくはなく、ガイド部によって回転軸にひずみはほとんど発生しない。さらに、ガイド部は回転軸を支持するので、翼車の軸線（貫通穴の軸線）が回転軸の軸線に対して傾くことを防止する。このため、翼車及び回転軸を含む回転体に重量アンバランスが生じにくい。加えて、ターボ機械の保守において回転軸から翼車を取り外したうえで翼車と回転軸とを再度組み立てるときにも、翼車及び回転軸を含む回転体の良好な重量バランスが再現されやすい。このため、翼車が回転するときにターボ機械が振動しにくい。その結果、回転体を支持する軸受に対する共振による負荷が低減されることにより軸受の損傷が防止され、第１態様のターボ機械は高い信頼性を有する。

第１態様のターボ機械は、特許文献１に記載の遠心圧縮機３００に比べて以下の利点を有する。特許文献１に記載の遠心圧縮機３００において、インペラ３０２の径方向の中央に形成されている貫通孔３１７は回転軸３０３の外周面３０３ｂの径よりもやや大径である。また、接続部３１４の内周面３１４ａの径はハブ３１１に形成された貫通孔３１７の内周面３１７ａと同径である。このため、貫通孔３１７の内周面３１７ａと回転軸３０３の外周面３０３ｂとの間には、グリップ部３１５以外の部分において隙間が生じている。

遠心圧縮機３００の組み立て又は保守のためにインペラ３０２を回転軸３０３に焼ばめするときに、貫通孔３１７の内周面３１７ａと回転軸３０３の外周面３０３ｂとの間に形成された隙間によりインペラ３０２が軸線Ｐに対して傾く可能性がある。この場合、インペラ３０２及び回転軸３０３を含む回転体に重量アンバランスが生じ、この回転体が回転するときの不釣合い力が大きくなる可能性がある。これにより、インペラ３０２及び回転軸３０３を含む回転体が回転するときにターボ機械３００の振動が増大し、ターボ機械３００の信頼性が低下する可能性がある。

これに対し、第１態様のターボ機械はガイド部を備え、当該ガイド部は、焼ばめによる組み立ての工程において翼車を冷却する際に、回転軸を支持する。そのため、翼車の軸線（貫通穴の軸線）が回転軸の軸線に対して傾くことを防止し、翼車及び回転軸を含む回転体に重量アンバランスが生じにくい。よって、第１態様のターボ機械は、特許文献１に記載の遠心圧縮機３００に比べて高い信頼性を有する。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記貫通穴は、前記貫通穴の軸線方向において前記接合部と前記ガイド部との間に位置し、かつ、前記回転軸との間に空間を規定する中間部をさらに含む、ターボ機械を提供する。翼車を回転軸に焼ばめするときに、接合部の周辺では翼車及び回転軸がひずみやすい。しかし、第２態様によれば、回転軸と中間部との間に形成された空間により、翼車を回転軸に焼ばめするときに発生する翼車及び回転軸のひずみがガイド部に影響を及ぼしにくい。これにより、ガイド部は、翼車を回転軸に焼ばめするときに、より確実に、翼車の軸線が回転軸の軸線に対して傾くことを防止できる。

本開示の第３態様は、第２態様に加えて、前記回転軸の軸線を通る断面において、前記中間部は、前記貫通穴の軸線方向において前記中間部と前記接合部との境界から前記ガイド部に向かって拡大する形状を有する、ターボ機械を提供する。翼車の回転により翼車にかかる遠心力は、翼車の外周端の径が大きくなるほど増加する。加えて、翼車は接合部によって回転軸に強固に固定されているので、接合部と中間部との境界において翼車が大きなモーメント負荷を受ける。しかし、第３態様によれば、中間部が貫通穴の軸線方向において中間部と接合部との境界からガイド部に向かって拡大する寸法を有することにより、回転軸に対する翼車の焼ばめにより発生する応力集中を緩和でき、翼車のひずみを低減できる。このため、翼車及び回転軸に重量アンバランスが生じにくく不釣合い力が低減されて、ターボ機械の振動が抑制される。これにより、共振時に加えて翼車の高速回転時にも回転軸を支持する軸受への負荷を低減でき、軸受の損傷が防止される。その結果、第３態様のターボ機械はより高い信頼性を有する。

本開示の第４態様は、第３態様に加えて、前記形状は、直線形状又は曲線形状である、ターボ機械を提供する。第４態様によれば、中間部がこのような形状を有することにより、貫通穴の中間部と接合部との境界付近で、有利に応力集中を緩和できる。

本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ガイド部は、前記貫通穴の前記他端に接している、ターボ機械を提供する。第５態様によれば、ガイド部が貫通穴の他端に接していることにより、翼車を回転軸に焼ばめするときに、翼車の軸線が回転軸の軸線に対して傾くことを有利に防止できる。

本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記接合部は、前記貫通穴の前記一端から離れて位置し、前記貫通穴は、前記貫通穴の軸線方向において前記貫通穴の前記一端と前記接合部との間に位置し、かつ、前記回転軸との間に空間を規定する先端部をさらに含む、ターボ機械を提供する。第６態様によれば、貫通穴の先端部を治具で支持でき、ターボ機械の加工又は組み立てが容易である。

本開示の第７態様は、第１態様〜第４態様及び第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ガイド部は、前記貫通穴の前記他端から離れて位置し、前記貫通穴は、前記貫通穴の軸線方向において前記貫通穴の前記他端と前記ガイド部との間に位置し、かつ、前記回転軸との間に空間を規定する後端部をさらに含む、ターボ機械を提供する。第７態様によれば、貫通穴の後端部を治具で支持でき、ターボ機械の加工又は組み立てが容易である。

本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記回転軸は、前記貫通穴に配置されている小径部と、前記小径部の後端から前記回転軸の半径方向外側に延びているラジアル面及び前記ラジアル面の外周端から前記回転軸の軸線方向に沿って後方に延びている側面を有し、前記貫通穴の前記他端における寸法よりも大きい寸法を有する大径部と、を含む、ターボ機械を提供する。第８態様によれば、貫通穴の他端を形成する翼車の端面がラジアル面と接触することにより、貫通穴の軸線方向における翼車と回転軸との位置決めが容易になされる。これにより、翼車と回転軸とを精度良く組み立てることができ、翼車の軸線が回転軸の軸線に対して傾くことを有利に防止できる。

本開示の第９態様は、
貫通穴及び前記貫通穴の軸線方向における一端から他端に向かって拡大する外径を有する外周端を有する翼車であって、前記貫通穴が、接合部と、前記接合部よりも前記貫通穴の前記他端の近くに位置するガイド部と、を含む翼車を加熱して前記貫通穴を拡大させ、
拡大した前記貫通穴に回転軸を配置した後に前記翼車を冷却して前記翼車に前記回転軸を焼ばめすることにより、
前記回転軸を前記貫通穴から取り外した状態において、
前記接合部に対応する前記回転軸の直径をＤ１と、
前記接合部における前記貫通穴の直径をＨ１と、
前記ガイド部に対応する前記回転軸の直径をＤ２と、
前記ガイド部における前記貫通穴の直径をＨ２と、定義するときに、
Ｄ１＞Ｈ１、
Ｄ２≧Ｈ２、及び
Ｄ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす状態で、前記翼車を前記回転軸に固定する、
ターボ機械の製造方法を提供する。

第９態様によれば、高い信頼性を有するターボ機械を製造できる。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１に示す通り、第１実施形態に係るターボ機械１は、回転軸１３及び翼車１４を備えている。翼車１４は、回転軸１３に固定されている。回転軸１３及び翼車１４により、回転体２ａが形成されている。回転体２ａは、軸受１２によって支持されている。図２に示す通り、翼車１４は、貫通穴２０及び外周端３０を有する。翼車１４の貫通穴２０には、回転軸１３が配置されている。外周端３０は、貫通穴２０の軸線方向における一端２１から他端２２に向かって拡大する外径を有する。貫通穴２０は、接合部２３と、ガイド部２４とを含む。ガイド部２４は、接合部２３よりも貫通穴２０の他端２２の近くに位置する。回転軸１３を貫通穴２０から取り外した状態において、接合部２３に対応する回転軸１３の直径をＤ１と、接合部２３における貫通穴２０の直径をＨ１と、ガイド部２４に対応する回転軸１３の直径をＤ２と、ガイド部２４における貫通穴２０の直径をＨ２と、定義する。このときに、ターボ機械１は、Ｄ１＞Ｈ１、Ｄ２≧Ｈ２、及びＤ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす。Ｄ１は、接合部２３に対応する回転軸１３の直径の最大値を意味する。Ｈ１は、接合部２３における貫通穴２０の直径の最大値を意味する。Ｄ２は、ガイド部２４に対応する回転軸１３の直径の最大値を意味する。Ｈ２は、ガイド部２４における貫通穴２０の直径の最大値を意味する。Ｄ１、Ｈ１、Ｄ２、及びＨ２は、常温（２０℃±１５℃：JIS Z 8703）で測定される。

翼車１４は、回転軸１３に対して、典型的には焼ばめによって組み立てられている。例えば、翼車１４を加熱して貫通穴２０を拡大させる。次に、拡大した貫通穴２０に回転軸１３を配置した後に翼車１４を冷却して翼車１４に回転軸１３を焼ばめする。これにより、回転軸１３を貫通穴２０から取り外した状態において、Ｄ１＞Ｈ１、Ｄ２≧Ｈ２、及びＤ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たすように翼車１４を回転軸１３に固定する。翼車１４を加熱するときには、貫通穴２０の接合部２３の寸法が回転軸１３の寸法よりも大きくなるように翼車１４を加熱して膨張させる。これにより、貫通穴２０が縮小して接合部２３がしまりばめの状態で回転軸１３に強固に固定される。一方、ガイド部２４は、ガイド部２４と回転軸１３とのしめしろが接合部２３と回転軸１３とのしめしろよりも小さい状態で、回転軸１３を支持している。このため、ガイド部２４と回転軸１３との間に生じる応力は接合部２３と回転軸１３との間に生じる応力ほど大きくはなく、ガイド部２４によって回転軸１３にひずみはほとんど発生しない。また、翼車１４と回転軸１３との焼ばめによる組み立ての工程において翼車１４を冷却するときに、ガイド部２４は、翼車１４の軸線（貫通穴２０の軸線）が回転軸１３の軸線に対して傾くことを防止する。このため、翼車１４及び回転軸１３を含む回転体２ａに重量アンバランスが生じにくい。加えて、ターボ機械１の保守において回転軸１３から翼車１４を取り外したうえで翼車１４と回転軸１３とを再度組み立てるときにも、回転体２ａの良好な重量バランスが再現されやすい。このため、回転体２ａが回転するときにターボ機械１が振動しにくい。その結果、共振による軸受１２への負荷が低減されることにより軸受１２の損傷が防止され、ターボ機械１は高い信頼性を有する。

（Ｄ１−Ｈ１）−（Ｄ２−Ｈ２）は、例えば、（Ｄ１−Ｈ１）−（Ｄ２−Ｈ２）＞Ｄ１×Δα×ΔＴの関係を満たす。Δαは、翼車１４の材料の熱膨張係数と回転軸１３の材料の熱膨張係数との差であり、ΔＴは、ターボ機械１の通常運転において接合部２３と回転軸との境界の温度が定常状態にあるときの接合部２３と回転軸１３との境界の温度から常温を差し引いた差である。例えば、翼車１４の材料が２３×１０^-6［Ｋ^-1］の熱膨張係数を有するアルミ系材料であり、回転軸１３の材料が１２×１０^-6［Ｋ^-1］の熱膨張係数を有する鉄系材料であり、ΔＴが１００Ｋである場合を考える。この場合、（Ｄ１−Ｈ１）−（Ｄ２−Ｈ２）は、例えば、（Ｄ１−Ｈ１）−（Ｄ２−Ｈ２）＞Ｄ１×（２３×１０^-6−１２×１０^-6）×１００＝１１×Ｄ１×１０^-4の関係を満たす。

図２に示す通り、貫通穴２０は、中間部２５をさらに含む。中間部２５は、貫通穴２０の軸線方向において接合部２３とガイド部２４との間に位置し、かつ、回転軸１３との間に空間を規定する。換言すると、中間部２５における貫通穴２０の直径Ｈ３は、中間部２５に対応する回転軸１３の直径Ｄ３よりも大きい。Ｈ３は、中間部２５における貫通穴２０の直径の最大値を意味し、Ｄ３は、中間部２５に対応する回転軸１３の直径の最大値を意味する。Ｈ３及びＤ３は、常温で測定される。翼車１４は、接合部２３がしまりばめの状態で回転軸１３に組み立てられるので、接合部２３の周辺で回転軸１３及び翼車１４にひずみが生じる。このようなひずみは、接合部２３とガイド部２４との間に中間部２５が形成されていることにより、中間部２５と回転軸１３との間に形成された空間に収まりやすい。このため、翼車１４を回転軸１３に焼ばめするときに発生する回転軸１３及び翼車１４のひずみがガイド部２４に影響を及ぼしにくい。これにより、ガイド部２４は、翼車１４を回転軸１３に焼ばめするときに、より確実に、翼車１４の軸線が回転軸１３の軸線に対して傾くことを防止できる。また、中間部２５の存在により、回転軸１３に対してしまりばめの状態で組み立てられている翼車１４の部分の貫通穴２０の軸線方向の長さが短い。このため、ターボ機械１の保守等の所望の目的のために翼車１４を回転軸１３から取り外すときに翼車１４の加熱膨張に必要な時間が短い。その結果、翼車１４を容易に回転軸１３から取り外すことができる。

図２に示す通り、中間部２５は、例えば、貫通穴２０の軸線方向において接合部２３に接する中間部２５の一端からガイド部２４に接する中間部２５の他端まで一定の寸法（直径）を有する。

図２に示す通り、ガイド部２４は、例えば、貫通穴２０の他端２２に接している。ガイド部２４が貫通穴２０の他端２２に接していることにより、翼車１４を回転軸１３に焼ばめするときに、翼車１４の軸線が回転軸１３の軸線に対して傾くことを有利に防止できる。なぜなら、接合部２３とガイド部２４との距離が大きいほど、翼車１４の姿勢が安定しやすく、翼車１４の軸線が回転軸１３の軸線に対して傾きにくいからである。

図２に示す通り、接合部２３は、例えば、貫通穴２０の他端２１に接して形成されている。

ターボ機械１は、例えば、ターボ圧縮機である。図１に示す通り、ターボ圧縮機であるターボ機械１は、例えば、回転体２ａに加えて、軸受ハウジング１０と、ハウジング１１と、軸受１２と、を備えている。

回転軸１３は、例えば、水平方向に延びている円柱状の部材である。図２に示す通り、回転軸１３は、例えば、小径部１３ａと、大径部１３ｂとを含む。小径部１３ａは、貫通穴２０に配置されている。大径部１３ｂは、ラジアル面ｒｆ及び側面ｓｆを有し、貫通穴２０の他端２２における寸法よりも大きい寸法を有する。ラジアル面ｒｆは、小径部１３ａの後端から回転軸１３の半径方向外側に延びている平面である。側面ｓｆは、ラジアル面ｒｆの外周端から回転軸１３の軸線方向に沿って後方に延びている円柱面である。回転軸１３がこのように形成されていると、貫通穴２０の他端２２を形成する翼車１４の端面がラジアル面ｒｆと接触することにより、貫通穴２０の軸線方向における翼車１４と回転軸１３との位置決めが容易になされる。これにより、翼車１４と回転軸１３とを精度良く組み立てることができ、翼車１４の軸線が回転軸１３の軸線に対して傾くことを有利に防止できる。

翼車１４は、例えば傘状の部材であり、ハブ１５及びブレード１６を含む。ハブ１５は、例えば円錐台状の部材であり、貫通穴２０の軸線方向における一端２１から他端２２に向かって拡大する外径を有する外周面を含む。ブレード１６は、ハブ１５の外周面から半径方向外側に延びつつ周方向の特定の方向に湾曲した形状を有する。また、複数のブレード１６がハブ１５の周方向において所定の間隔で配置されている。

図１に示す通り、軸受ハウジング１０は、回転軸１３及び翼車１４を取り囲むとともに、軸受１２を固定している。軸受ハウジング１０の内部には、翼車１４の前面に向かって延びている吸入経路１７が形成されている。

軸受１２は、例えば、翼車１４よりも回転軸１３の端（先端）の近くを支持している。軸受１２は、回転体２ａの少なくともラジアル方向の荷重を支持する。例えば、軸受１２はすべり軸受であり、ターボ機械１が運転されているときに軸受１２の内周面と回転軸１３の外周面との間には潤滑液が存在している。

ハウジング１１は、翼車１４の後方で回転軸１３を取り囲んでいる。軸受ハウジング１０及びハウジング１１との間に翼車１４の外周端３０から半径方向外側に延びている吐出経路１８が形成されている。

回転軸１３は、例えば、電動機（図示省略）に接続されている。電動機が作動することにより、回転軸１３及び翼車１４を含む回転体２ａが回転する。これにより、ターボ圧縮機であるターボ機械１の作動流体が吸入経路１７を通って翼車１４に導かれる。作動流体が翼車１４を通過するときに作動流体には翼車１４によって運動エネルギーが付与され、その後作動流体は吐出経路１８に導かれる。その後、作動流体の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換され作動流体が圧縮される。このようにして、ターボ圧縮機であるターボ機械１は作動流体を圧縮する。ターボ機械１が定常運転しているときの翼車１４の外周端の最大直径を有する部分の周速は、例えば、４００ｍ／ｓ以上である。ターボ機械１によって圧縮される作動流体は、例えば、常温における飽和蒸気圧が負圧である流体である。

（変形例）
ターボ機械１は様々な観点から変更可能である。例えば、ターボ機械１は、タービンなどの流体のエネルギーを翼車の回転運動に変換して動力を得る流体機械であってもよい。

図１及び図２では、１つの翼車１４が回転軸１３に固定されているが、複数段の翼車１４が回転軸１３に固定されていてもよい。

図１及び図２では、１つの軸受１２のみが示されているが、ターボ機械１は、２つ以上の軸受１２を備えていてもよい。

ターボ機械１の回転体２ａは様々な観点から変更可能である。例えば、回転体２ａは、図３に示す回転体２ｂ又は図４に示す回転体２ｃのように変更されてもよい。回転体２ｂ及び回転体２ｃは、特に説明する場合を除き、回転体２ａと同様に構成されている。回転体２ａの構成要素と同一又は対応する回転体２ｂ及び回転体２ｃの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。回転体２ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、回転体２ｂ及び回転体２ｃにもあてはまる。

図３に示す通り、回転体２ｂにおいて、翼車１４の中間部２５は突起Ｐを有する。突起Ｐは、貫通穴２０の軸線に向かって突出している。この場合、中間部２５は、例えば、貫通穴２０の軸線方向における突起Ｐの両端側に底部を有し、この底部から突起Ｐが突出している。回転体２ｂによれば、突起Ｐにより、翼車１４を回転軸１３に焼ばめするときに翼車１４の貫通穴２０の周辺で発生する応力を分散でき、応力集中の発生を抑制できる。その結果、翼車１４のひずみが小さく、回転体２ｂに発生する重量アンバランスが低い。

図４に示す通り、回転体２ｃにおいて、接合部２３は、貫通穴２０の一端２１から離れて位置している。加えて、貫通穴２０は、先端部２７をさらに含む。先端部２７は、貫通穴２０の軸線方向において貫通穴２０の一端２１と接合部２３との間に位置し、かつ、回転軸１３との間に空間を規定する。回転体２ｃによれば、先端部２７を治具で支持できるので、ターボ機械１の加工又は組み立てが容易である。

図４に示す通り、回転体２ｃにおいて、ガイド部２４は、貫通穴２０の他端２２から離れて位置している。加えて、貫通穴２０は、後端部２８をさらに含む。後端部２８は、貫通穴２０の軸線方向において貫通穴２０の他端２２とガイド部２４との間に位置し、かつ、回転軸１３との間に空間を規定する、回転体２ｃによれば、後端部２８を治具で支持できるので、ターボ機械１の加工又は組み立てが容易である。

回転体２ｃにおけるガイド部１４の貫通穴２０は、先端部２７及び後端部２８を含んでいるが、先端部２７及び後端部２８のいずれか一方を含むように回転体２ｃはさらに変更されてもよい。換言すると、ガイド部２４が貫通穴２０の他端２２に接して形成されているとともに、貫通穴２０が先端部２７を含んでいるように回転体２ｃはさらに変更可能である。また、接合部２３が貫通穴２０の一端２１に接して形成されているとともに、貫通穴２０が後端部２８を含んでいるように回転体２ｃはさらに変更可能である。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るターボ機械について説明する。第２実施形態に係るターボ機械は、回転体２ａに代えて、図５に示す回転体２ｄを備えている以外は、第１実施形態と同様に構成されている。回転体２ｄは、特に説明する場合を除き、回転体２ａと同様に構成されている。回転体２ａの構成要素と同一又は対応する回転体２ｄの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態における回転体２ａ及び回転体２ａの変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、回転体２ｄにもあてはまる。

図５に示す通り、回転体２ｄの翼車１４において、貫通穴２０の中間部２５は、回転軸１３の軸線を通る断面において、貫通穴２０の軸線方向において中間部２５と接合部２３との境界からガイド部２４に向かって拡大する形状を有する。翼車１４の回転により翼車１４にかかる遠心力は、翼車１４の外周端の径が大きくなるほど増加する。加えて、翼車１４は接合部２３によって回転軸１３に強固に固定されているので、接合部２３と中間部２５との境界において翼車１４が大きなモーメント負荷を受ける。しかし、中間部２５が貫通穴２０の軸線方向において中間部２５と接合部２３との境界からガイド部２４に向かって拡大する寸法を有すると、回転軸１３に対する翼車１４の焼ばめにより発生する応力集中を緩和でき、翼車１４のひずみが小さい。その結果、回転体２ｄに重量アンバランスが生じにくく不釣合い力が低減されて、ターボ機械の振動が抑制される。これにより、共振時に加えて翼車１４の高速回転時にも軸受１２への負荷が低く、軸受１２の損傷が防止される。その結果、第２実施形態に係るターボ機械はより高い信頼性を有する。

回転軸１３の軸線を通る断面における中間部２５の形状は、直線形状又は曲線形状である。図５に示す通り、中間部２５は、例えば、接合部２３に接する曲面であるフィレット面２６を有する。フィレット面２６は、例えば、貫通穴２０の軸線方向における接合部２３との距離が近いほどより大きな接線の傾きを有する曲面として形成されている。これにより、中間部２５と接合部２３との境界付近で、有利に応力集中を緩和できる。

（変形例）
回転体２ｄは様々な観点から変更可能である。例えば、回転体２ｄは、図６に示す回転体２ｅ又は図７に示す回転体２ｆのように変更されてもよい。回転体２ｅ及び回転体２ｆは、特に説明する場合を除き、回転体２ｄと同様に構成されている。回転体２ｄの構成要素と同一又は対応する回転体２ｅ及び回転体２ｆの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。回転体２ｄに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、回転体２ｅ及び回転体２ｆにもあてはまる。

図６に示す通り、回転体２ｅにおいて、中間部２５は、例えば、接合部２３及びガイド部２４に接する一対のフィレット面２６を有する。これにより、翼車１４の内部に生じる応力集中をさらに緩和でき、翼車１４のひずみがより小さく、回転体２ｅに重量アンバランスがより生じにくい。

図７に示す通り、回転体２ｆにおいて、中間部２５は、接合部２３に接するテーパー面２９を有する。テーパー面２９は、接合部２３に向かって減少する内径を有する。また、典型的には、貫通穴２０の軸線方向においてテーパー面２９の接線の傾きは一定である。この場合でも、回転軸１３に対する翼車１４の焼ばめにより発生する応力集中を緩和でき、翼車１４のひずみを低減できる。

回転体２ａ〜２ｆのそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。

本開示のターボ機械は、電動過給機、ガスタービン、蒸気タービン、ヒートポンプ、冷凍機、及び空気調和機等の用途に有用である。

１ ターボ機械
１３ 回転軸
１３ａ 小径部
１３ｂ 大径部
１４ 翼車
２０ 貫通穴
２１ 貫通穴の一端
２２ 貫通穴の他端
２３ 接合部
２４ ガイド部
２５ 中間部
２６ フィレット面
２７ 先端部
２８ 後端部
ｒｆ ラジアル面
ｓｆ 側面

Claims (9)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定された翼車であって、前記回転軸が配置された貫通穴及び前記貫通穴の軸線方向における一端から他端に向かって拡大する外径を有する外周端を有する翼車と、を備え、
   前記貫通穴は、
   接合部と、
   前記接合部よりも前記貫通穴の前記他端の近くに位置するガイド部と、を含み、
   前記回転軸を前記貫通穴から取り外した状態において、
   前記接合部に対応する前記回転軸の直径をＤ１と、
   前記接合部における前記貫通穴の直径をＨ１と、
   前記ガイド部に対応する前記回転軸の直径をＤ２と、
   前記ガイド部における前記貫通穴の直径をＨ２と、定義するときに、
   Ｄ１＞Ｈ１、
   Ｄ２≧Ｈ２、及び
   Ｄ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす、
   ターボ機械。
2. 前記貫通穴は、前記貫通穴の軸線方向において前記接合部と前記ガイド部との間に位置し、かつ、前記回転軸との間に空間を規定する中間部をさらに含む、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記中間部は、前記回転軸の軸線を通る断面において、前記貫通穴の軸線方向において前記中間部と前記接合部との境界から前記ガイド部に向かって拡大する形状を有する、請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記形状は、直線形状又は曲線形状である、請求項３に記載のターボ機械。
5. 前記ガイド部は、前記貫通穴の前記他端に接している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。
6. 前記接合部は、前記貫通穴の前記一端から離れて位置し、
   前記貫通穴は、前記貫通穴の軸線方向において前記貫通穴の前記一端と前記接合部との間に位置し、かつ、前記回転軸との間に空間を規定する先端部をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
7. 前記ガイド部は、前記貫通穴の前記他端から離れて位置し、
   前記貫通穴は、前記貫通穴の軸線方向において前記貫通穴の前記他端と前記ガイド部との間に位置し、かつ、前記回転軸との間に空間を規定する後端部をさらに含む、請求項１〜４及び６のいずれか１項に記載のターボ機械。
8. 前記回転軸は、前記貫通穴に配置されている小径部と、前記小径部の後端から前記回転軸の半径方向外側に延びているラジアル面及び前記ラジアル面の外周端から前記回転軸の軸線方向に沿って後方に延びている側面を有し、前記貫通穴の前記他端における寸法よりも大きい寸法を有する大径部と、を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボ機械。
9. 貫通穴及び前記貫通穴の軸線方向における一端から他端に向かって拡大する外径を有する外周端を有する翼車であって、前記貫通穴が、接合部と、前記接合部よりも前記貫通穴の前記他端の近くに位置するガイド部と、を含む翼車を加熱して前記貫通穴を拡大させ、
   拡大した前記貫通穴に回転軸を配置した後に前記翼車を冷却して前記翼車に前記回転軸を焼ばめすることにより、
   前記回転軸を前記貫通穴から取り外した状態において、
   前記接合部に対応する前記回転軸の直径をＤ１と、
   前記接合部における前記貫通穴の直径をＨ１と、
   前記ガイド部に対応する前記回転軸の直径をＤ２、
   前記ガイド部における前記貫通穴の直径をＨ２と、定義するときに、
   Ｄ１＞Ｈ１、
   Ｄ２≧Ｈ２、及び
   Ｄ１−Ｈ１＞Ｄ２−Ｈ２の関係を満たす状態で、前記翼車を前記回転軸に固定する、
   ターボ機械の製造方法。

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