JP4112468B2

JP4112468B2 - 回転軸

Info

Publication number: JP4112468B2
Application number: JP2003343975A
Authority: JP
Inventors: 一郎石井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005106029A; US20050096141A1; US6998756B2

Description

本発明は、回転軸に関し、例えばガスタービンエンジンで駆動する発電機の主軸など、個別に形成された複数の部材を、中心部を貫通する１本のロッド部材の軸上で相互結合してなる回転軸に関するものである。

ガスタービンエンジンで駆動する発電機の主軸は、コンプレッサホイール、タービンホイール、永久磁石の支持部、複数のジャーナル部、スラストプレート等といった複数の部材からなり、これらを同一軸上で一体的に結合させた構造が採られることが一般的である。従来、複数の部材を一体化するために、適宜な軸方向長に渡る圧入嵌合部を各部材に設けると共に、単一のロッド部材を各部材の中心に貫通させ、ロッド部材の両端をねじ手段で締め付けることにより、各部材の当接面間にロッド部材の軸荷重を作用させるようにすることが一般的であった（例えば特許文献１のFig.7を参照されたい）。
米国特許第５，９６４，６６３号公報

しかるに、上記の特許文献１に示された従来のものは、回転軸を構成する各部材の比較的内周側に嵌合部が設けられていたり、嵌合部の軸方向寸法が長寸であったり、また嵌合部の径方向の肉厚が不均一であったりした。そのため、各結合部の当接面に作用する軸荷重並びに嵌合部の締め代が不均一になる上、運転時の熱膨張や遠心膨張の影響を受けて締め代が減少して嵌合強度が低下することがあった。そのため、固有振動数に個体差が生じたり、共振点での振幅が過大になったりするなど、運転時の振動低減が容易ではなかった。特に、高速回転に対応するために空気軸受けを用いる回転軸にあっては、ラジアル軸受けの拘束力が比較的小さいこともあり、各結合部の当接面に作用する軸荷重が不足すると、軸の一次曲げ共振点を加速中に通過する際に発散してしまい、共振点を安全に通過できないといった不都合がある。

このような問題を解決するには、回転中にも圧入嵌合部の締め代を確保することができ、且つ結合部の当接面に十分に大きな軸荷重が加わるようにする必要があるが、従来の構造では、このような要望を満足させることは困難であった。

このような課題を解決し、結合部の嵌合強度と軸荷重とを共に大きくすることができる回転軸の構造を提供するために本発明は、個別に形成された複数の部材（ガスタービン発電機用にあっては、コンプレッサホイール１０とタービンホイール１１と発電機のロータ１４とを含む）を、中心部に設けられた孔を貫通する１本のロッド部材２６の軸上で相互結合してなる回転軸において、前記複数の部材の互いの軸方向についての対向端面同士に、一方の外周面と他方の内周面とが互いに密接可能であり、且つ径方向寸法（肉厚）が互いに略等しい環状凸部２２・２３を形成し、前記環状凸部を、前記複数の部材の互いの軸方向についての対向端面同士の外周側に設け、前記外周面を有する環状凸部は、内周側直径を前記孔の直径に比して大きくするものとした。

特に、前記内周面を有する環状凸部２２の軸方向寸法Ａ２を、前記外周面を有する環状凸部２３の軸方向寸法Ａ１よりも大きくすると良い。

このような本発明によれば、嵌合部の肉厚を略等しくすることにより、運転時の熱膨張や遠心膨張による内外両環状凸部の拡径方向の伸び量が均等になるので、嵌合部の緊密度を維持する上に大きな効果が得られる。また、嵌合部を外周側に設けることによって嵌合部の直径が大きくなり、回転中の遠心力による内外両環状凸部の拡径方向の伸び量が均等になるので、これによっても嵌合部の緊密度を高く保つ上に効果的である。さらに、内外両環状凸部を薄肉にすれば、嵌合部の剛性低下によって圧入荷重が軽減されるので、各部材同士の結合部の当接面に作用する軸方向荷重が大きくなり、心ぶれの抑制に効果的である。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用されたガスタービン発電機の概略構造図である。このガスタービン発電機１は、駆動力を発生するエンジン部２と、エンジン部２から回転力を与えられる発電部３とからなっている。

エンジン部２は、反発電部側の端面が概ね閉じたアウタハウジング４と、アウタハウジング４内に同軸的に受容されて燃焼室５を画成するインナハウジング６とを有している。これらアウタハウジング４とインナハウジング６との間には、吸気通路７、燃焼ガス通路８、および熱交換器９などが設けられている。

更に、エンジン部２には、外気を吸入・圧縮するコンプレッサホイール１０と、燃焼ガス流で回転駆動されるタービンホイール１１とが、互いに同軸的に設けられている。なお、コンプレッサホイール１０並びにタービンホイール１１の各出口には、ディフューザやステータベーン等が設けられているが、これらは図示省略している。

発電部３は、略円筒形をなすハウジング１２と、ハウジング１２内にコンプレッサホイール１０並びにタービンホイール１１と同軸的に受容されたステータコイル１３とを有している。ステータコイル１３の空芯部には、コンプレッサホイール１０並びにタービンホイール１１と同軸且つ一体をなすロータシャフト１４が挿通されている。このロータシャフト１４は、ステータコイル１３の空芯部に対応する位置に設けられた永久磁石片装着部１５と、永久磁石片装着部１５の軸方向両側に設けられた２つのジャーナル部１６・１７との３つの部分に大別され、コンプレッサホイール１０側のジャーナル部１７には、スラストプレート１８が一体的に設けられている。

２つのジャーナル部１６・１７とスラストプレート１８とは、ハウジング１２に一体的に設けられた空気浮揚式のラジアル軸受け１９とスラスト軸受け２０とで回転可能に支持されている。

図２は、本発明に基づき構成されたコンプレッサホイール１０並びにタービンホイール１１と一体をなすロータシャフト１４の軸方向に沿う断面図である。このロータシャフト１４は、前述の通り、軸端側ジャーナル部１６、永久磁石片装着部１５、軸方向中央側ジャーナル部１７およびスラストプレート１８からなっている。これらの各部分は、その部分に適合した材料にて適宜な工程を経て個別に製造されている。そしてこれらのコンプレッサホイール１０並びにタービンホイール１１を含む各部分は、各部分の中心部を貫通する１本のロッド部材２６の軸上にてそれぞれの軸方向端に形成された嵌合部２１を結合させることで一体化されている。

各嵌合部２１は、図３に詳しく示したように、一方は外周面に沿う短寸な環状凸部２２からなり、他方は、この環状凸部２２の内周側直径と実質的に等しい外周側直径の短寸な環状凸部２３からなっている。これらの両環状凸部２２・２３は、それ自体の断面形状が概ね矩形をなし、その径方向寸法Ｄが互いに略等しくされ、且つ互いに締まり嵌めとなるようにその寸法公差が定められると共に、内周側環状凸部２３の軸方向寸法Ａ１よりも、外周側環状凸部２２の軸方向寸法Ａ２の方が、僅かに大きく（Ａ１＜Ａ２）されている。これにより、両者を突き合わせて軸方向荷重を加えることで印籠嵌合した際に、必ず外周側の環状突部２２の軸方向端面が相手側部材の段部２４に当接するようになっている。

これらの個別に形成された複数の部材からなるロータシャフト１４とコンプレッサホイール１０並びにタービンホイール１１とを組み立てるに際しては、先ず、タービンホイール１１の小径側の中心に形成された雌ねじ孔２５にロッド部材２６の一端に形成された雄ねじ２７を一杯にねじ込む。そしてタービンホイール１１に突き出した態様のロッド部材２６に、コンプレッサホイール部１０、スラストプレート１８を一体に有する軸方向中央側ジャーナル部１７、永久磁石片装着部１５、並びに軸端側ジャーナル部１６を、この順に装着し、且つ各環状凸部２２・２３同士を圧入にて嵌合させる。そして最後にロッド部材２６の軸端の雄ねじ２８にロックナット２９を締め付けるが、この際にロッド部材２６に牽引力を加えながらロックナット２９を締め付ける。

このようにして、各部材が同一軸上で一体結合するが、本発明の構成によると、環状凸部２２・２３同士による嵌合部２１の軸方向寸法Ａ１、Ａ２が比較的小さく設定されているので、嵌合部２１の摩擦抵抗による軸方向荷重のロスが減少し、各当接面に作用する軸方向荷重が略均等に高まると共に、各部の圧入荷重が均一化される。また、嵌合部２１を構成する環状凸部２２・２３が各部材の外周側に設けられ、しかも径方向寸法Ｄ、つまり肉厚が小さく且つ均等なので、熱膨張差や遠心膨張差に起因する嵌合部における締め代の変化が小さくなる。その結果、各嵌合部２１の相互結合力が運転時に低下しないので、心ぶれが起こり難くなり、共振周波数での振幅が小さくなり、加速中に共振点を安全に通過することができるようになる。

なお、環状凸部２２・２３の径方向寸法Ｄは、圧入荷重を過大にせず、且つ運転中の締め代を確保し得るように設定する必要があるが、本実施例においては、ロータシャフト１４の外径寸法が４８mmなのに対してＤ寸法は４mmに設定されている。適度な圧入荷重と締め代とを両立し得るＤ寸法としては、ロータシャフト直径の１／１０〜１／１５程度とすることが好ましい。

さらに本発明の構成によると、従来構造に比して嵌合部２１に塑性変形が起き難いので、反復して分解・組立を行った際の組立時の結合強度の再現性が高まるため、反復繰り返し回数が格段に増えるなど、総合的な耐久性の向上にも寄与し得る。

本発明にかかる回転軸は、複数の部材同士の結合強度を高める上に効果的であり、上記実施の形態に例示した発電機付きのタービンエンジンに限らず、コンプレッサホイールとタービンホイールとを同軸上に設けた過給機などにも適用できる。

本発明が適用されるガスタービン発電機の概略構造図である。本発明によるロータシャフトの軸方向に沿う断面図である。本発明によるロータシャフトの嵌合部の斜視図である。

符号の説明

１ガスタービン発電機
２エンジン部
３発電部
１４ロータシャフト
１５永久磁石片装着部
１６・１７ジャーナル部
２１嵌合部
２２・２３環状凸部
２６ロッド部材

Claims

個別に形成された複数の部材を、中心部に設けられた孔を貫通する１本のロッド部材の軸上で相互結合してなる回転軸であって、
前記複数の部材の互いの軸方向についての対向端面同士には、一方の外周面と他方の内周面とが互いに密接可能であり、且つ径方向寸法（肉厚）が互いに略等しい環状凸部が形成され、
前記環状凸部は、前記複数の部材の互いの軸方向についての対向端面同士の外周側に設けられ、
前記外周面を有する環状凸部は、内周側直径が前記孔の直径に比して大きいことを特徴とする回転軸。
コンプレッサホイールとタービンホイールと発電機のロータとを含む個別に形成された複数の部材を、中心部に設けられた孔を貫通する１本のロッド部材の軸上で相互結合してなり、ガスタービン発電機に用いられる回転軸であって、
前記複数の部材の互いの軸方向についての対向端面同士には、一方の外周面と他方の内周面とが互いに密接可能であり、且つ径方向寸法（肉厚）が互いに略等しい環状凸部が形成され、
前記環状凸部は、前記複数の部材の互いの軸方向についての対向端面同士の外周側に設けられ、
前記外周面を有する環状凸部は、内周側直径が前記孔の直径に比して大きいことを特徴とする回転軸。
前記内周面を有する環状凸部は、軸方向寸法が、前記外周面を有する環状凸部に比して大きいことを特徴とする請求項１若しくは２に記載の回転軸。