JP4326313B2 - ロータ締付ボルト構造 - Google Patents

Description

本発明は、タービン或いは圧縮機の複数枚のディスクを、通しボルトで締め付けて１本のロータとするロータ締付ボルト構造に関するものである。

従来より、このようなロータ締付ボルト構造には、通しボルトをディスクの比較的外周付近に複数本配設するものと、中心に１本配置するものとがある。これらのうち、多くは前者の構成が採られるが、例えば特にディスク周りの冷却空気の流れをスムーズにするため、その通路を確保したい場合等には、後者の構成、即ち通しボルトをディスクの中心に１本配置する構成が採られる。

また、通しボルトを複数本配設するロータ締付ボルト構造の一例としては、圧縮機のスタックド構造ロータの軸系振動における曲げ剛性を向上させるとともに、可変静翼先端とロータ外周面の間を効果的にシールする構成のものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

具体的には、スタッキングボルトが、複数段の組み合わせ体のロータのすべてを貫通してこれを締結する第１の組と、複数段の組み合わせ体のロータから選ばれた区間の複数のロータについて、その複数のロータを貫通してこれを締結する第２の組の、少なくとも２組からなる構成としている。
特開平９−８８５０４号公報

このような通しボルトは、１本の弾性体で作られた棒として、横振動に対する固有振動数を持つ。通しボルトはこの固有振動数がロータの運転速度より低い場合には、回転の上昇や下降途中の共振点通過時に、大きく振動する恐れがある。

そこで、通常殆どの通しボルトに見られるように、直径と比較して全長が長く、１次固有振動数が低い場合には、以下の対策を講じなくてはならない。即ち、通しボルトを両端のみならず中間でも何点かで支えて各スパンの短い多点支持の梁としてその固有振動数をロータの常用回転速度より高くするか、或いは振動を抑制するためのダンパーを設ける必要がある。

ところが、通しボルトを中間で支える場合、支える側である中間段のディスク或いはディスク内周付近から軸方向に突出した支持板部は、回転体として遠心力を受け、その内径が膨らむ。一方、通しボルトは締付張力によるポアソン効果で直径が縮小する。これらの結果、支持板部と通しボルトとの間に隙間ができる。このような隙間があると、通しボルトの振動は避けられず、長期運転により接触部が摩耗する恐れがある。

また、振動を抑制するためのダンパーを設けた場合は、摩耗の進行のような経年変化による劣化の影響が避けられない。その他、通しボルトの代わりに中空のパイプを用いて固有振動数を高くする方法もあるが、これは使用する材料が難削材であるので、中空に削り出すのが困難であり、製作コストが高くつく。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、タービン或いは圧縮機の複数枚のディスクを締め付ける通しボルトをディスクの中心側に設けても、その振動や摩耗を防止することが可能なロータ締付ボルト構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るロータ締付ボルト構造では、ロータの軸方向に連結された複数枚のディスクの各中心穴、及び、前記ディスクよりも前記ロータの径方向内方側に前記ディスクと同軸に設けられると共に所定の前記ディスクの中心穴内周付近から軸方向に延びる円板状の支持板部に挿通される通しボルトにより、前記ディスクが軸方向に締め付けられて成るロータ締付ボルト構造であって、前記通しボルトは前記ロータの軸周りに複数本配置され、該ロータ回転時に該各通しボルトが遠心力により、前記ロータの径方向において前記支持板部に押し付けられるようにして成ることを特徴とする。

また、前記支持板部は、中空に形成されて成ることを特徴とする。
また、前記支持板部の内周に前記通しボルトの外周に沿う形状にて該通しボルトを支持する支持部を設けたことを特徴とする。

また、前記支持板部は、中実に形成されて成り、厚さ方向に前記通しボルトが嵌通する複数の貫通穴を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、タービン或いは圧縮機の複数枚のディスクを締め付ける通しボルトをディスクの中心側に設けても、その振動や摩耗を防止することが可能なロータ締付ボルト構造を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

〔実施例〕
図１は、本発明の実施例１に係るロータ締付ボルト構造を示す縦断面図であり、圧縮機を回転軸に沿って切断した面が示されている。同図において、圧縮機ロータ１は、軸方向に並んで一体的に連結されたディスク２を有し、各ディスク２には、各段の複数の動翼３がそれぞれ円周方向に並んで取り付けられている。

また、所定のディスク２の中心穴ｈ内周付近より、回転軸Ｘ方向に支持板部２ａが延びており、回転軸Ｘ周りに例えば等角度間隔で複数本配置された通しボルト４が、中心穴ｈ及び支持板部２ａに挿通されている。そして、この通しボルト４及びナット５により、各ディスク２が軸方向に締め付けられている。なお、各段の複数の動翼３に隣接して、静翼６がそれぞれ円周方向に並んで取り付けられている。また以上のような構成は、タービンにおいても同様とすることができる。

図２は、通しボルトが挿通された支持板部の横断面図であり、軸に直角に切断した断面を模式的に示す図である。同図（ａ）は支持板部が中空の場合、同図（ｂ）は支持板部が中実の場合を示している。通しボルト４は、上記従来技術で述べたような、中心に配置された１本の通しボルトと、その締め付け力が等価となるように複数本設けることができる。即ち、複数本設けた通しボルト４の合計の断面積が、従来技術で述べたような１本の通しボルトの断面積と、概ね等しくなるようにすれば良い。但し、ナット５同士の干渉を避けなくてはならないため、各通しボルト４の配置スペースは自ずと限られてくる。

同図は通しボルト４を回転軸Ｘ周りに９０゜間隔で４本設けた場合を示している。各ボルト中心はロータ中心即ち回転軸Ｘより離れているので、通しボルト４はロータの回転に伴って遠心力を受け、支持板部２ａの内周面に押し付けられる。これにより、通しボルト４の振動や摩耗を防止することができる。支持板部２ａは、遠心力により通しボルト４に加わる曲げ応力と剪断応力が許容応力範囲内に収まるように、軸方向に適当な間隔で設けられている。

一般に、ディスク２のような回転円板は、その内周で周方向応力が最も高くなるので、その部分に更に通しボルト４を支持するための圧縮応力を加えることは望ましくないとの観点から、支持板部２ａを設けている。但し、応力が低い場合には支持板部２ａを設けず、直接にディスク２の中心穴ｈ内周面で通しボルト４を支えることもできる。

さらに、同図（ａ）に示すように、支持板部２ａ（若しくはディスク２中心穴ｈ）の内周面で通しボルト４が当接する部分のみ、ボルト外周に沿うように円弧状とした支持部２ｂを設けている。これにより、通しボルト４外周面と支持板部２ａ内周面との接触面積が広がるので、接触応力を下げることができる。また、支持板部２ａは中空となっているので、この部分を経て各ディスク２間に冷却空気を供給することができる。逆に、ディスク２で車室を仕切りたいときは、同図（ｂ）に示すように、支持板部２ａを中実とすれば良い。

ところで、タービン或いは圧縮機の休止中は、車室内の熱の偏在等によりロータが湾曲することを防ぐため、数ｒｐｍの低速で常時回転させておくのが一般的である。ところがこの状態では、通しボルト４に遠心力が働かないので、同図（ａ）のような支え方の場合には、内側に向かって通しボルト４は撓むこととなる。このときの曲げ応力が高く、撓みが甚だしい場合には、同図（ｂ）に示すように、支持板部２ａを中実としたものを適宜設けると良い。ここでは支持板部２ａの中実部分に開けられた貫通穴２ｃに通しボルト４が嵌通するので、これにより通しボルト４が全周で支えられ、撓みを防止することができる。

〔参考例〕
図３は、本発明の実施例２に係るロータ締付ボルト構造を示す図であり、同図（ａ）は通しボルトの正面図、同図（ｂ）はＡＡ断面図である。本実施例では、通しボルトをディスクの中心に１本配置するロータ締付ボルト構造としている。即ち、ロータの回転軸を中心として通しボルトを１本配置している。そして、同図（ａ）に示すように、両端に雄ネジ部７ａを有するこの通しボルト７の中間部には、所定の範囲Ｂに渡って軸方向にスリット７ｂが設けられている。

このスリット７ｂは、同図（ｂ）に示すように、一側面から回転軸Ｘを経て反対側面まで貫通するものが２つ設けられており、これらが回転軸Ｘ上で互いに直角に交わり、断面が十字状を成している。これにより、通しボルト７が範囲Ｂ内で回転軸Ｘ周りに均等に４分割される。なお、この分割数は軸周りに均等であれば２分割以上何分割でも良いが、加工上及び機能上に鑑みると、実用的には本実施例のような４分割が望ましい。

断面が扇状に分割された各分割片７ｃにおいては、ロータ回転時にそれぞれの重心Ｇに矢印Ｃで示すように遠心力が働く。これにより、各分割片７ｃは外側へ曲がろうとするので、これを図示しない支持板部若しくはディスク中心穴の内周面で受けることにより、上記実施例１と同様にして、通しボルト７を支えることができる。そしてこれにより、振動や摩耗を防止することが可能となる。

本発明の実施例１に係るロータ締付ボルト構造を示す縦断面図。 通しボルトが挿通された支持板部の横断面図。 本発明の実施例２に係るロータ締付ボルト構造を示す図。

１ 圧縮機ロータ
２ ディスク
２ａ 支持板部
２ｂ 支持部
２ｃ 貫通穴
３ 動翼
４ 通しボルト
５ ナット
６ 静翼
７ 通しボルト
７ａ 雄ネジ部
７ｂ スリット
７ｃ 分割片
Ｇ 重心
Ｘ 回転軸

Claims (4)

1. ロータの軸方向に連結された複数枚のディスクの各中心穴、及び、前記ディスクよりも前記ロータの径方向内方側に前記ディスクと同軸に設けられると共に所定の前記ディスクの中心穴内周付近から軸方向に延びる円板状の支持板部に挿通される通しボルトにより、前記ディスクが軸方向に締め付けられて成るロータ締付ボルト構造であって、
   前記通しボルトは前記ロータの軸周りに複数本配置され、該ロータ回転時に該各通しボルトが遠心力により、前記ロータの径方向において前記支持板部に押し付けられるようにして成ることを特徴とするロータ締付ボルト構造。
2. 前記支持板部は、中空に形成されて成ることを特徴とする請求項１に記載のロータ締付ボルト構造。
3. 前記支持板部の内周に前記通しボルトの外周に沿う形状にて該通しボルトを支持する支持部を設けたことを特徴とする請求項２に記載のロータ締付ボルト構造。
4. 前記支持板部は、中実に形成されて成り、厚さ方向に前記通しボルトが嵌通する複数の貫通穴を設けたことを特徴とする請求項１に記載のロータ締付ボルト構造。

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