JP2023550720A - 軸方向に挟み込まれた摩擦リンクを用いてインペラに結合されたシャフトを備えるターボ機械 - Google Patents

Abstract

回転軸（１）の周りを回転するように一緒に配置された、第１の端部を有するシャフト（１０）と、シャフトの第１の端部に配置されて結合されたインペラ（２０）を備えるターボ機械であって、ターボ機械は、シャフト（１０）の第１の端部の軸方向表面（１３）とインペラ（２０）の対向する軸方向表面（２３）との間にクランプされた摩擦リング（３０）を備える。好ましくは、摩擦リング（３０）は、例えば、ダイヤモンド又はセラミックスの硬質粒子を有する表面を備え、クランプされた部品の間の摩擦を増大させてクランプされた部品を連結するようになっている。【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ機械に関する。

ターボ機械は、流体の流れと、シャフトに配置されて結合された１又は２以上のインペラとの間でエネルギーが交換される機械であり、シャフト及びインペラは、回転軸の周りで一緒に回転するように配置されている。

ターボ機械は、多くの場合、１つのインペラのみを備え、このインペラは、オーバーハング状態で配置され、ボルト結合によって機械のシャフトの軸平面（端面）に結合される。この結合には課題がある。例えば、限られた接合部で大きなトルクを伝達する必要がある。さらに、インペラの軸方向の片側にしか軸受が存在しないオーバーハング状態での取り付けは、毎分数万回転に達する可能性がある機械の非常に高い速度と相まって回転質量のアンバランスを最小にするために、インペラ及びシャフトの位置調整に非常に高い要求を課する。

特にターボ機械の始動時には、インペラの対向する端面は、シャフトの端面に対して移動する傾向があり、これにより回転質量のアンバランスが増大し、許容レベル以上の振動が生じる場合がある。この相対変位は、互いに対向する両端面の半径方向の相対変位、互いに対向する両端面の傾き、互いに対向する両端面のねじれ変位、又はこれらの変位の２又は３以上の形態の組み合わせを含む場合がある。このような相対変位の傾向は、シャフトに対してインペラが重くなる場合に、及びシャフト及び／又はインペラに作用するトルクが増加する及び／又はより早く変化する場合に増加する。

シャフトの端面とインペラの対向する端面が共に互いに噛み合う相補的なテーパ歯を備える、いわゆるハースカップリングは、インペラとシャフトとの間のこのような結合を実現するための較正された解決策であり、その自己調心性により、上記の相対的な半径方向変位又はねじれ変位を抑制する。しかしながら、インペラとシャフトの端面の所要の歯形の製造は、手間と時間がかかり、結果として高価でもある。

独国公開第１０２０１００４０２８８号は、ターボ機械のシャフトの端面とインペラの対向する端面との間に、シャフトとインペラを連結するボルトの周りに同心状に配置された、１又は２の中間要素を配置することによってこの問題を解決しようとするものである。中間要素の一方の端面は、シャフト又はインペラの端面にボルトで固定され、他方の端面には歯形が設けられている。従って、一方がシャフト端面に取り付けられ、他方が対向するインペラ面に取り付けられた２つの相補的なスペーサを使用することにより、シャフトとインペラの端面に歯車を設けるという困難なしに、シャフトとインペラ間のハースカップリングを実現することができる。

しかしながら、独国公開第１０２０１００４０２８８号のシステムでは、１又は２以上の中間要素とシャフト及び／又はインペラの間でボルト結合を行う必要がある。これは、製造工程における余分なステップを伴い、従って、原価がより高くなる。さらに、これらのボルト結合は、結果として、機械運転中も整列したままである必要があり、従って、軸方向に結合した２つの回転部材の間の半径方向の相対変位の問題は、インペラとシャフトとの間の接合から、１又は２以上のスペーサとシャフト及び／又はインペラとの間の接合に変わる。

独国公開第１０２０１００４０２８８号

従って、ターボ機械のシャフトとインペラとの間の半径方向の相対変位を防ぐための別の解決策が必要である。

本発明の目的は、上述の欠点の少なくとも１つに対する解決策を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、回転軸の周りを回転するように一緒に配置された、第１の端部を有するシャフトと、シャフトの第１の端部に配置されて結合されたインペラとを備えるターボ機械が開示され、ターボ機械は、シャフトの第１の端部の軸方向表面（端面）とインペラの対向する軸方向表面（端面）との間にクランプされた摩擦リングを備える。

いくつかの実施形態において、ターボ機械は、インペラが、ドローボルト又はドローバー結合によってシャフトの第１の端部に結合されていることを特徴とする。

ドローボルト又はドローバー結合において、シャフト及びインペラは、ドローボルト又はドローバーを収容する機能を備える。ドローボルト又はドローバーは、例えば、ドローボルト又はドローバーの第１の端部を、２つの部品の一方に設けられたこの目的のためのねじ山にねじ込むことによって、２つの部品の一方に固定的に取り付けられる。次に、ボルト又はバーは、その両端間に引張力を加えることによって付勢（ｂｉａｓ）される。その後、ボルト又はバーを受け入れるが、まだ固定的に取り付けられていない第２の部品は、第１の部品と結合のための閉鎖要素との間にクランプされる。この閉鎖要素は、例えば、ボルト又はバーの第２の端部にねじ込まれるナットとすることができる。閉塞要素が所望の方法で、例えばナットを所望のトルクで締結することによって固定されるとすぐに、引張力が解放される。

ドローボルト又はドローバー結合が簡単で安価な結合技術であることは、これらの実施形態の利点である。

いくつかの実施形態において、インペラはドローボルト結合によってシャフトの第１の端部に結合され、ターボ機械は、摩擦リングが、ドローボルト結合によってシャフトの第１の端部の軸方向表面（端面）とインペラの対向する軸方向表面（端面）との間にクランプされることを特徴とする。

摩擦リングをクランプするために追加の部品を必要としないことは、これらの実施形態の利点である。

いくつかの実施形態において、ターボ機械は、インペラ及びシャフトが実質的に異なる材料からなり、インペラの材料がシャフトの材料よりも低い質量密度を有することを特徴とする。

インペラの低い質量密度によって良好なインペラ動特性が可能になることが、これらの実施形態の利点である。例えば、インペラは実質的にアルミニウムからなること、シャフトは実質的に鋼からなることができる。

いくつかの実施形態において、ターボ機械は、摩擦リングが、シャフトの第１の端部の軸方向表面（端面）とインペラの対向する軸方向表面（端面）との間の相対変位を打ち消すように適合されることを特徴とする。

一般に、ターボ機械の回転部品の質量中心は、すべてが機械の回転軸と正確に一致するわけではない。ターボ機械の運転中、回転部品の質量中心に作用する衝撃荷重は、シャフトの第１の端部の端面とインペラの対向する端面との間に剪断力をもたらす。このせん断力は、上記の端面間の静摩擦力及び動摩擦力によって打ち消される。せん断力が静止摩擦力を上回ると、上記の端面間に相対変位が生じる可能性がある。このような相対変位は、機械のアンバランスを許容できないレベルまで増大させる可能性がある。

ターボ機械が、インペラとシャフトとの間に、例えばハースカップリングのような、その幾何学的形状により自己調心性を有するカップリングを必要としないことは、これらの実施形態の利点である。インペラとシャフトの間のカップリングは、摩擦リングの存在により、より大きな自己調心傾向を取得する。好ましくは、摩擦リングは、インペラ及びシャフトに対して非常に薄く軽量であるため、摩擦リング自体が機械の回転軸に対して心出しされていなくても、ターボ機械の位置合わせ品質の程度に悪影響を及ぼさない。

ターボ機械が、ターボ機械の同程度の位置合わせ品質に関して、摩擦リングのないターボ機械に比べて、より高い速度、より高い出力、より高い質量流量、又は上記の２又は３以上の組み合わせで動作できることは、これらの実施形態のさらなる利点である。

ターボ機械が、同じ許容振動レベルに関して、摩擦リングのないターボ機械と比べて、より迅速に速度を変更できることは、これらの実施形態のさらなる利点である。

シャフト質量に対するインペラ質量の比が、同じ許容振動レベルに関して、摩擦リングのないターボ機械よりも大きくできることは、これらの実施形態のさらなる利点である。

ターボ機械シャフトが、同じ許容振動レベルに関して、摩擦リングのないターボ機械シャフトよりも小さい直径及び／又は小さい質量を有することができることは、これらの実施形態のさらなる利点である。

シャフトの直径が同じである場合、又はシャフトとインペラの端面の接触圧が同じである場合、摩擦リングがないターボ機械に比べてより大きなトルクをシャフトとインペラとの間で伝達できることは、ターボ機械のこれらの実施形態のさらなる利点である。

いくつかの実施形態において、摩擦リングは、シャフトの第１の端部の軸方向表面（端面）とインペラの対向する軸方向表面（端面）との間の相対変位を打ち消すように適合されており、ターボ機械は、摩擦リングの軸方向表面が少なくとも部分的にコーティングによって覆われていることを特徴とし、コーティングは、金属又は金属合金の実質的に均一な層、並びに金属又は金属合金の層に少なくとも部分的に包囲される離散粒子を含み、粒子の中位径は、金属又は金属合金の層の厚さよりも大きい。

いくつかの実施形態において、摩擦リングの軸方向表面は、コーティングによって少なくとも部分的に覆われており、コーティングは、金属又は金属合金の実質的に均一な層、並びに金属又は金属合金の層に少なくとも部分的に包囲される離散粒子を含み、粒子の中位径が金属又は金属合金の層の厚さよりも大きい場合、ターボ機械は、粒子の硬度が、インペラの対向する軸方向表面（端面）の材料の硬度よりも大きいことを特徴とする。

これらの実施形態の利点は、摩擦リング上の粒子がインペラの軸面に入り込み、それによってインペラと摩擦リングとの間の摩擦係数を増加させることができることである。これにより、例えば、アルミニウム製インペラを、鋼製シャフトと組み合わせて使用することが可能になる。この組み合わせは、摩擦リングの存在なしには実現が困難であり、その理由は、アルミニウムの許容表面圧力又は鋼とアルミニウムの２つの表面間の摩擦係数のそれぞれは、ターボ機械の通常運転時に、インペラとシャフトの端面の間の許容できない変位をそれぞれ十分に打ち消すには低すぎるからである。

いくつかの実施形態において、摩擦リングのコーティング中の粒子の硬度は、インペラの対向する軸方向表面（端面）の材料の硬度よりも大きく、ターボ機械は、粒子が実質的にダイヤモンド又はセラミック材料からなることを特徴とする。

いくつかの実施形態では、ターボ機械は、インペラが遠心式インペラであることを特徴とする。

いくつかの実施形態では、ターボ機械は、圧縮機、送風機、又はタービンであることを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、ターボ機械のインペラとターボ機械のシャフトとの間の相対変位を打ち消すための方法が開示され、インペラはシャフトの第１の端部に結合され、両者は回転軸の周りで回転するように一緒に動くように配置されており、この方法は、シャフトの第１の端部の軸方向表面とインペラの対向する軸方向表面との間に摩擦リングをクランプするステップを含む。

本発明による方法の技術的効果及び利点は、本発明によるターボ機械の技術的効果及び利点に準じる。

本発明の第３の態様によれば、回転軸の周りを回転するように一緒に配置された、第１の端部を有するシャフトと、シャフトの第１の端部に配置されて結合されたインペラとを備えるターボ機械に摩擦リングを使用することが開示され、摩擦リングは、シャフトの第１の端部の軸方向表面と、インペラの対向する軸方向表面との間にクランプされ、シャフトの第１の端部の軸方向表面とインペラの対向する軸方向表面との間の相対変位を打ち消すようになっている。

本発明による摩擦リングを使用することによる技術的効果及び利点は、本発明によるターボ機械の技術的効果及び利点に準じる。

本発明によるターボ機械の一実施形態を示す概略組立分解図である。 図１の軸１に沿った概略断面を示す。 図２の断面による領域Ｘの概略拡大図である。

本発明は、特定の実施形態を参照して以下に説明される。これらの特定の実施形態は、本発明を代表するものであるが、限定するものとして見なすべきではない。本発明は、以下に示す及び／又は説明する特定の実施形態に限定されず、本明細書の精神の範囲内で代替的な実施形態を生じることができる。各図は単に概略的であり、必ずしも本発明の全ての部分を表しておらず、限定的ではなく、必ずしも縮尺通りでもない。

本明細書において「一実施形態」への言及がなされる場合、この言及は、この特定の実施形態を参照して説明される特定の特性、構造又は特徴が、本発明の１又は２以上の実施形態に含まれることを意味する。本明細書における「１つの実施形態」、「いくつかの実施形態」、「好ましい実施形態」等への言及は、同じ実施形態を指す場合があるが、必ずしもそうではない。さらに、特定の実施形態の特定の特性、構造又は特徴は、１又は２以上の実施形態において何らかの適切な方法で組み合わせることができる。

図１は、本発明によるターボ機械の一実施形態を示す概略組立分解図である。図１では、ターボ機械の全ての部品が見えているわけではない。

図示される実施形態は、シャフト１０、インペラ２０、摩擦リング３０、ドローボルト４０及びナット５０を備える。好ましくは、これらの部品の各々は、実質的に軸対称であり、軸対称からの逸脱は、使用される製造プロセスの公差制限、摩耗、又は１又は２以上の構造体の追加から生じ、その合計質量は、これらの１又は２以上の構造体が追加される部品の質量に対して１０％未満、好ましくは１％未満、さらに好ましくは０．１％未満、さらにより好ましくは０．０１％未満、最も好ましくは０．００１％未満である。好ましくは、これらの部品の各々の位置合わせは、ＩＳＯ２１９４０規格にグレードＧ１、より好ましくはグレードＧ０．７で適合する。

好ましくは、これらの部品は、その個々の対称軸が実質的に一致するように、互いに対して位置合わせされる。これらの部品は、ターボ機械の回転軸１の周りで一緒に回転するように配置される。好ましくは、これらの部品は、その個々の対称軸が回転軸１に実質的に一致するように位置合わせされる。

図２及び図３は、これらの部品の詳細を示す。以下、図示の実施形態の部品及び組立を説明し、その後、図示の実施形態におけるそれらの協働を説明する。

シャフト１０は、シャフト１０の対称軸と実質的に同心である第１の軸方向ボア１１を備える。シャフト１０は、第２の軸方向ボア１２を備え、第２の軸方向ボアは、第１の軸方向ボア１１及びシャフト１０の対称軸と実質的に同心である。第１の軸方向ボア１１は、第２の軸方向ボア１２よりも深い。第１の軸方向ボア１１は、第２の軸方向ボア１２よりも小さい直径を有する。

好ましくは、第２の軸方向ボア１２は、１ｍｍより大きい深さを有し、より好ましくは３ｍｍより大きい深さを有し、さらに好ましくは５ｍｍより大きい深さを有し、最も好ましくは１０ｍｍより大きい深さを有する。好ましくは、第２の軸方向ボア１２は、５０ｍｍ未満の深さを有し、より好ましくは４０ｍｍ未満の深さを有し、さらに好ましくは３０ｍｍ未満の深さを有し、最も好ましくは２０ｍｍ未満の深さを有する。

好ましくは、第１の軸方向ボア１１は、第２の軸方向ボア１２の深さよりも少なくとも２０ｍｍ大きい深さを有し、より好ましくは少なくとも３０ｍｍ大きい深さ、さらに好ましくは少なくとも４０ｍｍ大きい深さ、最も好ましくは少なくとも５０ｍｍ大きい深さを有する。好ましくは、第１の軸方向ボア１１は、第２の軸方向ボア１２の深さよりも１００ｍｍより小さい深さ、より好ましくは９０ｍｍより小さい深さ、さらに好ましくは８０ｍｍより小さい深さ、最も好ましくは７０ｍｍより小さい深さを有する。

好ましくは、第２の軸方向ボア１２は、シャフト１０の直径の６０％より大きい直径、より好ましくはシャフトの直径の６５％より大きい直径、さらに好ましくはシャフトの直径の７０％より大きい直径、最も好ましくはシャフトの直径の７５％より大きい直径を有する。好ましくは、第２の軸方向ボア１２は、シャフト１０の直径の９５％未満の直径、より好ましくは、シャフトの直径の９０％未満の直径、さらに好ましくは、シャフトの直径の８５％未満の直径、最も好ましくはシャフトの直径の８０％未満の直径を有する。

好ましくは、第１の軸方向ボア１１は、シャフト１０の直径の１０％よりも大きい直径、より好ましくはシャフトの直径の１５％よりも大きい直径、さらに好ましくはシャフトの直径の２０％よりも大きい直径、最も好ましくはシャフトの直径の２５％よりも大きい直径を有する。好ましくは、第１の軸方向ボア１１は、シャフト１０の直径の５０％よりも小さい直径を有し、より好ましくは、シャフトの直径の４５％よりも小さい直径を有し、さらに好ましくは、シャフトの直径の４０％よりも小さい直径を有し、最も好ましくは、シャフトの直径の３５％よりも小さい直径を有する。

第１の軸方向ボア１１及び第２の軸方向ボア１２は、シャフト１０上の２つの実質的に同心の環状の端面を規定する。第１の端面１３は、シャフトの端部に位置し、シャフトの直径と第２の軸方向ボア１２の直径とによって規定される。第２の端面１４は、第２の軸方向ボア１２に陥凹しており、第１及び第２の軸方向ボアの直径によって規定される。好ましくは、両方の端面は、その縁に丸み又は面取りがあることを除いて、実質的に平面であり、シャフト１０の対称軸に実質的に垂直な平面内に位置する。

シャフト１０は、好ましくは、鋼で作られている。この鋼は、非合金、低合金、又は高合金とすることができる。また、シャフト１０は、当業者に知られている他の適切な材料で作ることができる。

図示の実施形態は、遠心式インペラ２０を備える。このようなインペラは、例えば、遠心圧縮機、送風機、又はタービンに使用することができる。シャフト１０に向かい合う軸方向端部において、インペラ２０は、実質的に円筒形であり、インペラ２０の対称軸と実質的に同心である軸方向突出部２２を備える。インペラ２０及び軸方向突出部２２は、インペラ２０及び軸方向突出部２２の対称軸と実質的に同心であり、インペラ２０及び軸方向突出部２２の全軸方向深さにわたって延びる軸方向ボア２１を備える。

軸方向突出部２２は、インペラ２０の軸方向端部において、２つの端面を規定する。第１の端面２３の内径は、軸方向突出部２２の外径によって規定される。第１の端面２３の外径は、軸方向端部がもはや実質的に平らではなく、インペラ２０の対称軸に実質的に垂直な平面内に位置する直径によって規定される。第２の端面２４は、軸方向突出部２２の軸方向端部に位置する。第２の端面２４の内径は、軸方向ボア２１の直径によって規定される。第２の端面２４の外径は、軸方向突出部２２の外径によって規定される。

好ましくは、インペラ２０の第１の端面２３は、シャフト１０の第１の端面１３の外径よりも大きい外径を有する。

軸方向突出部２２は、シャフト１０の第２の軸方向ボア１２の内径よりも小さい外径を有する。これは、ターボ機械の組み立て時に、軸方向突出部２２を第２の軸方向ボア１２に挿入できるという利点を有する。好ましくは、軸方向突出部２２の外径は、シャフト１０の第２の軸方向ボア１２の内径よりも最大で１０％小さく、より好ましくは最大で１％小さく、最も好ましくは最大で０．１％小さい。この直径の小さな差分は、ターボ機械の組み立て時に軸方向突出部２２の外壁が第２の軸方向ボア１２の内壁と接触し、それによってシャフト１０に対するインペラ２０の相対的な位置合わせに寄与するという利点を有する。好ましくは、軸方向突出部２２の外径は、第２の軸方向ボア１２の内径よりも少なくとも０．０１％小さい。

好ましくは、軸方向突出部２２の長さは、シャフト１０の第２の軸方向ボア１２の深さよりも短い。これは、シャフト１０及びインペラ２０にそれぞれ設けられた第２の端面１４及び２４が、ターボ機械の組み立て時に接触することができないという利点を有する。好ましくは、軸方向突出部２２の長さは、シャフト１０の第２の軸方向ボア１２の深さよりも少なくとも５％短い。しかしながら、いくつかの図示されていない、好ましくない実施形態では、軸方向突出部２２の長さは、第２の軸方向ボア１２の深さと等しいか又はそれよりも長くすることができ、ターボ機械の組み立て時に端面１４及び２４は接触することができる。

いくつかの実施形態では、インペラ２０は、実質的に鋼で作ることができる。この鋼は、非合金、低合金、又は高合金とすることができる。いくつかの実施形態では、インペラ２０は、実質的にアルミニウム又はアルミニウム合金で作ることができる。いくつかの実施形態では、インペラ２０は、鋼又はアルミニウム以外の金属であり、好ましくは鋼よりも低い質量密度を有する金属又はこの金属の合金から実質的になることができる。

いくつかの実施形態では、インペラ２０は、シャフト１０とは異なる材料で実質的に構成することができ、両材料の硬度は必ずしも同じでなくてもよい。好ましい実施形態は、実質的にアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるインペラ２０と、実質的に鋼で構成されるシャフト１０とを備える。

摩擦リング３０は、同心の内径及び外径を有する実質的に円形で実質的に平面のディスクで構成される。好ましくは、摩擦リング３０は、軸方向突出部２２の外径よりも大きい内径を有する。これは、ターボ機械の組み立て時に、摩擦リング３０を軸方向突出部２２の周りに配置することができるという利点を有する。好ましくは、摩擦リング３０の内径は、軸方向突出部２２の外径よりも最大１０％大きく、より好ましくは最大１％大きく、最も好ましくは最大０．０５％大きい。この直径の小さな差分は、ターボ機械の組み立て時に軸方向突出部２２の外壁が摩擦リング３０の内壁と接触し、それによってインペラ２０に対する摩擦リング３０の相対的な位置合わせに寄与するという利点を有する。好ましくは、摩擦リング３０の内径は、軸方向突出部２２の外径よりも少なくとも０．０１％大きい。図示しないいくつかの実施形態では、摩擦リング３０は、その外径に軸方向突出部を含むことができる。この突出部は、例えば、摩擦リングの存在を視覚的に確認するのに役立つことができる。図示しないいくつかの実施形態では、摩擦リング３０は、同心の内径及び外径を有する実質的に円形で実質的に平面のディスク以外の形状を取ることができる。

摩擦リング３０の両端面３３ａ、３３ｂは、実質的にコーティングで覆うことができる。好ましくは、両端面の少なくとも５０％がコーティングで覆われ、より好ましくは少なくとも６０％、さらに好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは両端面が実質的に完全に覆われている。コーティングは、金属又は金属合金の実質的に均一な層、並びに金属又は金属合金の層に部分的に包囲されている離散粒子を含む。離散粒子の中位径は均一な層の厚さの中位径より大きく、離散粒子の平均直径は均一な層の平均厚さより大きい。離散粒子は、実質的にダイヤモンド又はセラミック材料からなる。離散粒子の硬度は、鋼の硬度よりも大きい。好ましくは、離散粒子は、１０ミクロンより大きい平均直径を有し、より好ましくは２０ミクロンより大きく、さらに好ましくは３０ミクロンより大きく、最も好ましくは４０ミクロンより大きい。好ましくは、均一層の平均厚さは、離散粒子の平均厚さの６０％より大きい。好ましくは、均一層の平均厚さは、離散粒子の平均厚さの９０％未満である。好ましくは、離散粒子の表面密度は、５０粒子／ｍｍ²より大きく、より好ましくは１００粒子／ｍｍ²より大きく、さらに好ましくは２００粒子／ｍｍ²より大きく、最も好ましくは５００粒子／ｍｍ²より大きい。好ましくは、離散粒子は、摩擦リングの位置合わせ品質を低下させないように、端面３３ａ及び３３ｂ上に実質的に均一に分散配置される。

図示の実施形態では、インペラ２０は、シャフト１０及びインペラ２０の軸方向ボア１１及び２１にそれぞれドローボルト４０を挿入することによって、シャフト１０の一端にオーバーハング状態で結合される。それにより、インペラ２０は、軸方向突出部２２が軸１０の方向を向くように、軸１０に対して配向される。好ましくは、摩擦リング３０は、端面１３と２３との間に位置するように、軸方向突出部２２の周りに配置される。しかしながら、いくつかの図示されていない実施形態では、摩擦リング３０は、端面１４と２４との間に位置するように第２の軸方向ボア１２に配置することができる。

ドローボルトは、両端部４１ａ及び４１ｂにねじが切られている。好ましくは、ドローボルトは、軸方向ボア２１の直径よりも小さい直径を有するネック部４３を備える。好ましくは、ドローボルトは、肩部４２を備える。好ましくは、肩部４２の直径は、軸方向ボア２１の直径と実質的に同じである。好ましくは、挿入前に、ドローボルト４０は、肩部４２が軸方向ボア２１内に挿入して配置することができるように、例えば、液体窒素による冷却のような処理を受ける。

ねじ付き端部４１ｂは、適合するねじ山を備えるシャフト１０の第１の軸方向ボア１１にねじ込まれる。適合するねじ山を有するナット５０は、端部４１ａにねじ込まれる。ナット５０を締結することにより、インペラ２０及びシャフト１０は、互いに向かって移動する。軸方向突出部２２は、第２の軸方向ボア１２に挿入される。

ナット５０は、少なくともシャフト１０及びインペラ２０のそれぞれの第１の端面１３及び２３が、摩擦リング３０の両方の端面３３ａ及び３３ｂにそれぞれ接触するまで、又は、いくつかの図示されていない好ましくない実施形態では、シャフト１０及びインペラ２０のそれぞれの第２の端面１４及び２４が、摩擦リング３０のそれぞれの第２の端面３３ａ及び３３ｂに接触するまで締結される。好ましくは、最終位置のナット５０は、インペラ２０の第３の端面２５に接触する。好ましくは、ドローボルト４０には、ナット５０が締結される前に予張力が加えられる。好ましくは、ドローボルトの張力は、２００ｋＮ以上の引張力で発生する。好ましくは、ドローボルトの張力は、３５０ｋＮ以下の引張力で発生する。好ましくは、ナット５０は、第１の軸方向端面１３及び２３が、５００ＭＰａ以上の接触圧でそれぞれの端面３３ａ及び３３ｂに押し付けられるまで締結される。好ましくは、ナット５０は、第１の軸方向端面１３及び２３が、８００ＭＰａ以下の接触圧力でそれぞれの端面３３ａ及び３３ｂに押し付けられるまで締結される。ドローボルト４０を付勢して、ナット５０を締結することにより、摩擦リングの端面３３ａ及び３３ｂ上の離散粒子は、シャフト１０及びインペラ２０のそれぞれの端面１３及び２３に押し込まれる。好ましくは、離散粒子は、２ミクロンを超えて、より好ましくは５ミクロンを超えて、最も好ましくは１０ミクロンを超えて、端面１３及び２３に入り込む。

インペラ２０はシャフト１０にオーバーハング状態で結合されるので、インペラ２０の軸方向片側に沿ってのみ軸受（図示せず）が存在する。好ましくは、ターボ機械のインペラ２０は、機械の通常の動作点において、回転軸１の周りで毎分５０００回転を超える、より好ましくは毎分１００００回転を超える、最も好ましくは毎分２００００回転を超える回転数で回転する。好ましくは、インペラ２０の質量は、シャフト１０の質量の５０％以上である。好ましくは、インペラ２０の質量は、シャフト１０の質量の４００％以下である。

片側軸受は、達成される速度及びインペラとシャフトとの間の質量比と共に、ターボ機械の位置合わせに非常に高い要求を突き付ける。好ましくは、組み立て後の回転軸１の周りの回転のためのターボ機械の位置合わせは、ＩＳＯ２１９４０規格のグレードＧ６．３、より好ましくはグレードＧ２．５、最も好ましくはグレードＧ１に従う。

ターボ機械の運転中、一般的にすべてが回転軸１に正確に一致しない回転部品の質量中心に作用する遠心力は、摩擦リング３０の端面３３ａとシャフト１０の端面１３との間、及び摩擦リング３０の端面３３ｂとインペラ２０の端面２３との間のせん断力をもたらす。これらのせん断力は、この端面間の静的摩擦力及び動的摩擦力によって打ち消される。せん断力が静止摩擦力を上回ると、この端面間に半径方向変位が生じる可能性がある。このような半径方向変位は、機械のアンバランスを許容できないレベルまで増大させる可能性がある。

摩擦リング３０の存在により、端面３３ａ及び３３ｂのコーティングに含まれる離散粒子は、上述のようにターボ機械の組み立て時に端面１３及び２３に押し込まれる。この押し込みの結果、摩擦リング３０の端面３３ａとシャフト１０の端面１３との間、及び摩擦リング３０の端面３３ｂとインペラ２０の端面２３との間で、摩擦係数、結果として摩擦力が増加する。好ましくは、この端面間の静止摩擦係数は、０．４より大きく、より好ましくは０．５より大きく、さらに好ましくは０．６より大きく、最も好ましくは０．７より大きい。

より大きな摩擦係数と、その結果生じる対向する端面の間のより大きな摩擦力のために、端面間の半径方向変位は打ち消され、振幅が減少するか又は回避される。

本発明によるターボ機械の実施形態の利点は、インペラをアルミニウムで作ることができることである。アルミニウム製インペラは軽量であり、より動的なロータ挙動が可能になり、より精密な位置合わせを必要としないが、摩擦リングがなければ、アルミニウム製インペラと鋼製シャフトとの間の摩擦力は、ターボ機械の通常の動作条件下でインペラとシャフトとの間の半径方向変位を打ち消すには小さすぎる。当業者は、言及された実施形態の他の利点が、例えば、鋼製インペラと鋼製シャフトとの組み合わせのような、シャフトとインペラの材料の何らかの組み合わせにも当てはまることを理解することができであろう。

インペラ２０とシャフト１０との間に、例えばハースカップリングのような自己調心カップリングを必要としないことは、本発明によるターボ機械の一実施形態の利点である。

同じ許容振動レベルに関して、摩擦リングを有しないターボ機械よりも高速で動作できることは、本発明によるターボ機械の一実施形態の利点である。

同じ許容振動レベルに関して、摩擦リングを有しないターボ機械よりもより迅速に速度を変更することができることは、本発明によるターボ機械の一実施形態の利点である。

同じ許容振動レベルに関して、インペラの質量とシャフトの質量との間の比を、摩擦リングを有していないターボ機械よりも大きくすることができることは、本発明によるターボ機械の一実施形態の利点である。

１ 回転軸
１０ シャフト
１３ 軸方向表面
２０ インペラ
２３ 軸方向表面
３０ 摩擦リング

Claims (12)

1. 回転軸（１）の周りを回転するように一緒に配置された、第１の端部を有するシャフト（１０）と、前記シャフトの前記第１の端部に配置されて結合されたインペラ（２０）とを備えるターボ機械であって、
   前記ターボ機械は、前記シャフト（１０）の前記第１の端部の軸方向表面（１３）と前記インペラ（２０）の対向する軸方向表面（２３）との間にクランプされた摩擦リング（３０）を備えることを特徴とする、ターボ機械。
2. 前記インペラ（２０）は、ドローボルト結合によって前記シャフト（１０）の前記第１の端部に結合されている、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記摩擦リング（３０）は、前記シャフト（１０）の前記第１の端部の前記軸方向表面（１３）と前記インペラ（２０）の前記対向する軸方向表面（２３）との間で、前記ドローボルト結合によってクランプされている、請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記インペラ（２０）及び前記シャフト（１０）は、実質的に異なる材料からなり、前記インペラ（２０）の材料は、前記シャフト（１０）の材料よりも低い質量密度を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械。
5. 前記摩擦リング（３０）は、前記シャフト（１０）の前記第１の端部の前記軸方向表面（１３）と前記インペラ（２０）の前記対向する軸方向表面（２３）との間の相対変位を打ち消すようになっている、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械。
6. 前記摩擦リング（３０）の前記軸方向表面（３３ａ、３３ｂ）は、少なくとも部分的にコーティングによって覆われており、前記コーティングは、金属又は金属合金の実質的に均一な層、並びに前記金属又は金属合金の層に少なくとも部分的に包囲されている離散粒子を含み、前記離散粒子の中位径は、前記金属又は金属合金の層の厚さより大きい、請求項５に記載のターボ機械。
7. 前記粒子の硬度は、前記インペラ（２０）の前記対向する軸方向表面（２３）の材料の硬度よりも高い、請求項６に記載のターボ機械。
8. 前記粒子は、実質的にダイヤモンド又はセラミック材料からなる、請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記インペラ（２０）は、遠心インペラである、請求項１から８のいずれか一項に記載のターボ機械。
10. 前記ターボ機械は、圧縮機、送風機、又はタービンである、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボ機械。
11. ターボ機械のインペラ（２０）とターボ機械のシャフト（１０）との間の相対変位を打ち消すための方法であって、前記インペラ（２０）は、前記シャフトの第１の端部に結合され、前記インペラ（２０）及び前記シャフトは回転軸（１）の周りを回転するように一緒に動くように配置されており、前記方法は、
    前記シャフト（１０）の前記第１の端部の軸方向表面（１３）と、前記インペラ（２０）の対向する軸方向表面（２３）との間に摩擦リング（３０）をクランプするステップ、
    を含む方法。
12. 回転軸（１）の周りを回転するように一緒に配置された、第１の端部を有するシャフト（１０）と、シャフトの第１の端部に配置されて結合されたインペラ（２０）とを備えるターボ機械に摩擦リング（３０）を使用することであって、
    前記摩擦リング（３０）は、前記シャフト（１０）の第１の端部の軸方向表面（１３）と、前記インペラ（２０）の対向する軸方向表面（２３）との間にクランプされ、前記シャフト（１０）の前記第１の端部の前記軸方向表面（１３）と前記インペラ（２０）の前記対向する軸方向表面（２３）との間の相対変位を打ち消すようになっている、摩擦リング（３０）の使用。

Images