JP4848438B2

JP4848438B2 - 回転機械

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Publication number: JP4848438B2
Application number: JP2009030180A
Authority: JP
Inventors: 克記八木; 裕樹寺戸; 栄一柳沢; 仁志篠原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010185525A; US20100200354A1; SG164309A1; US8302754B2; EP2218930A3; EP2218930A2; EP2218930B1

Description

本発明は、外周がテーパ状の軸と、内周がテーパ状のハブとが互いに嵌合されたテーパカップリング構造体に関するものである。

原動機の出力を従動機に伝達する機械要素としてカップリングが知られている。その中で、軸端の外周がテーパ状に形成される原動機の出力軸（以下、テーパ軸）と、この軸端部分が挿入され、内周がテーパ状に形成される中空部を備えるハブとを互いに嵌合させるものが知られている。このカップリング構造体は、例えば、蒸気タービンの出力を圧縮機に伝達する、エンジンの動力をプロペラ軸に伝達する、といった、大出力の伝達に使用される。なお、原動機側にハブを設け、従動機側をテーパ軸とする場合もある。

テーパカップリング構造体（以下、単にカップリング構造体ということがある）は、テーパ軸とハブとを嵌合する際、又はハブからテーパ軸を抜去する際に、テーパ軸とハブとの嵌合面に油を供給して、ハブを拡径することにより、嵌合及び抜去を可能にしている。そのために、カップリング構造体は、テーパ軸（又はハブ）に油路を設け、かつテーパ軸の外周面（又はハブの内周面）に前記油路に連なる油溝を設け、油路、油溝を介して嵌合面に油を供給している。
カップリング構造体における嵌合及び抜去は、以上の油圧によるものの他に、ハブを加熱して熱膨張させることによってもできるが、ハブが大きい場合には加熱する作業が容易ではない。また、ハブに熱変形が生ずることがあり、そうすると、回転体としてそのまま再使用することは困難である。
したがって、カップリング構造体においては、専ら、油圧による嵌合及び抜去が行われている。

油圧による嵌合及び抜去するカップリング構造体における問題として、油溝から油の飛散が生じ、周囲を汚染することが特許文献１に述べられている。特許文献１は、ハブの内周面を微細溝加工（深さが１００分の５ｍｍ以下）することを提案している。特許文献１によれば、微細溝加工を施すことにより、完全な流体としての油がハブ内周面に存在するものではないので、この結果、テーパ軸が抜去されて油が空間に晒されても流動的に油が飛散するのではなく、表層部に粘着したままの状態を維持する。

登録実用新案第３０５４２６１号公報

油の飛散の問題については、以上の特許文献１の提案、さらには使用する油の種類によって解決できるが、カップリング構造体において、次の問題が提起された。
油圧による嵌合及び抜去を容易にするために、従来は、テーパ軸とハブとの間にＯリングを介在させることがよく行われている。すなわち、軸方向に所定の間隔を隔てて一対のＯリングを配設し、油溝をこの一対のＯリング間に設ける。そうすると、油路、油溝を介して供給される油はテーパ軸、ハブ及び一対のＯリングとの間に形成される閉空間に溜まり、ハブを拡径する油圧が得られやすい。

ところが、Ｏリングの使用を避けたいとの要求がでてきた。カップリング構造体を使用中にＯリングが破損すると、テーパ軸をハブから抜去することが困難になることが想定されるからである。

ところが、Ｏリングを使用しないカップリング構造体は、供給した油が構造体の端部から漏れやすいため、嵌合又は抜去に必要な油圧が得にくい。この状態で、強制的に嵌合又は抜去すると、テーパ軸の外周面、ハブの内周面に擦り傷が生じる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、Ｏリングを使用しなくても、テーパ軸とハブとの嵌合及び抜去ができるテーパカップリング構造体を提供することを目的とする。

カップリング構造体１００において、テーパ軸１１０をハブ１２０から抜去するための条件を、図１を参照して説明する。
カップリング構造体１００は、テーパ軸１１０とハブ１２０とが嵌合している状態で、図１（ａ）に示すように、テーパ軸１００はハブ１２０から圧力（面圧）Ｐを受ける。

テーパ軸１１０をハブ１２０から抜去するために、テーパ軸１１０とハブ１２０との間に油を供給すると、テーパ軸１１０には図中の矢印の向きに力Ｆｔが作用する。一方、テーパ軸１１０とハブ１２０との間には、Ｆｔとは逆の向きに摩擦抵抗μＮが作用する。ＦｔがμＮを超えると、テーパ軸１１０をハブ１２０から抜去することができる。なお、μは動摩擦係数、Ｎは面圧Ｐに基づく荷重である。

従来、テーパ軸１１０とハブ１２０との間に油を供給するために、テーパ軸１１０の外周面（又はハブ１２０の内周面）に設ける油溝１１２は、テーパ軸１１０のテーパ部１１１の軸方向の中央（又はその近傍）に配置されていた。これは、テーパ部１１１の軸方向の広い範囲に油を浸透させるためである。供給される油Ｏの圧力によって、図２に示すように、ハブ１２０の内周面は凹状に湾曲する。このようにして、ハブ１２０の内径が拡径すると、テーパ部１１１とハブ１２０との接触面積が減り、その分だけ摩擦抵抗μＮが低くなる。つまり、図２（ａ）に示すようにテーパ部１１１とハブ１２０との接触面積が小さいと抜去しやすく、図２（ｂ）に示すようにテーパ部１１１とハブ１２０との接触面積が大きいと抜去しにくい。

ここで、面圧Ｐは、図１（ａ）に示すように、ハブ１２０の径方向の厚さの厚い部分、つまり径方向の剛性が高いほど大きくなる。したがってテーパ軸１１０を抜去するためにはこの部分に作用する油圧を大きくすることが必要になるが、油溝１１２がテーパ軸１１０のテーパ部１１１の軸方向の中央（又はその近傍）に配置されていると、当該部分までの距離が長いために当該部分に作用する油圧は小さくなる。

以上のように、従来のカップリング構造体１００は、油溝１１２を設ける位置がハブ１２０の形状に適応していなかった。
そこでなされた本発明の回転機械は、回転力を出力する原動機と、原動機の出力により回転駆動される従動機と、原動機の出力を従動機に伝達するカップリング構造体と、を備える。本発明によるカップリング構造体は、テーパ軸とハブとが互いに嵌合されている。テーパ軸は、ハブと嵌合される側にテーパ部を備え、前端面から軸方向に沿う軸方向油路がテーパ部の内部に形成されている。ハブは、径方向の厚さが他の領域よりも厚く、径方向の剛性が高い高剛性部と、高剛性部と連なり高剛性部よりも前端側に位置するフランジ部を備える。
そして、テーパ部の外周面又はハブの内周面に形成され、かつテーパ部とハブとの嵌合面に軸方向油路に供給された油を供給する第１油溝が、軸方向において高剛性部に対応する第１領域に設けられるとともに、第１領域とは異なる第２領域に第２油溝が設けられる。
高剛性部は、テーパ部とハブとの嵌合部分の前端側に配置され、さらに第１油溝は、高剛性部の軸方向における幅の中心よりも後端側に配置される。
この回転機械において、油は、前端面から軸方向油路に供給される。

本発明の回転機械において、テーパ軸には、軸方向油路と第１油溝を繋ぐ径方向油路と、第１油溝と第２油溝を繋ぐ、テーパ軸の外表面において軸方向に延びる繋ぎ油溝と、を形成することができる。

本発明の回転機械において、テーパ軸をハブから抜去する際に、第１油溝及び２油溝の両方から油を供給し、次いで、２油溝からの油の供給を停止して、第１油溝のみから油を供給し、次いで、１油溝からの油の供給を停止して、第２油溝からの油の供給を再開することができる。

本発明のテーパカップリング構造体は、テーパ部とハブとの嵌合面に油を供給する第１油溝が、軸方向において高剛性部に対応する第１領域に設けるので、面圧の高い領域に油を優先的に供給できる。その結果、Ｏリングを使用しなくても、テーパ軸とハブとの嵌合及び抜去ができるテーパカップリング構造体が提供される。

テーパカップリング構造体に作用する力を説明する図である。テーパカップリング構造体のテーパ軸とハブとの嵌合面に油を供給した状態を示す断面図である。第１実施形態に係るテーパカップリング構造体を示す断面図である。第２実施形態に係るテーパカップリング構造体を示す断面図である。第３実施形態に係るテーパカップリング構造体を示す断面図である。第２実施形態に係るテーパカップリング構造体の抜去手順を示す断面図である。テーパカップリング構造体が使用される回転機械の概略構成を示す。

＜第１実施形態＞
以下、添付図面に示す第１実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図３は、第１実施形態におけるカップリング構造体１０を示す断面図であり、（ａ）は（ｂ）の３ａ−３ａ矢視断面図、（ｂ）は（ａ）の３ｂ−３ｂ矢視断面図である。
カップリング構造体１０は、テーパ軸２０と、テーパ軸２０と嵌合されるハブ３０とから構成される。テーパ軸２０は、例えば図示しない蒸気タービンの出力軸を構成する。また、ハブ３０は、例えば図示しない圧縮機の入力軸に接続され、蒸気タービンの出力を圧縮機に伝達する要素として機能する。

テーパ軸２０は、先端に行くにつれて径が小さくなるテーパ部２１を備えている。なお、本発明において、テーパ軸２０の先端側を前とし、その逆側を後と定義する。
テーパ部２１の前端面Ｆからテーパ軸２０の軸方向に沿って軸方向油路２２が形成されている。また、テーパ部２１の径方向には径方向油路２３が形成されている。径方向油路２３は、軸方向油路２２と連通し、また、両端がテーパ部２１の外周面に開口している。したがって、図示しない油圧源から供給される油は、矢印で示すように、テーパ部２１の前端面Ｆに開口する軸方向油路２２内を軸方向に沿って流れ、次いで径方向油路２３に沿って径方向外周側に流れる。その後、テーパ部２１とハブ３０との嵌合面に流出される。
テーパ部２１の外周面であって、径方向油路２３が開口される位置には、テーパ部２１の周方向に沿って油溝２４が形成されている。径方向油路２３の開口から流出される油は、油溝２４を流れることにより、テーパ部２１外周面の周方向に浸透される。油溝２４に油が満たされたのちも油を供給すると、油はテーパ部２１とハブ３０の嵌合面を軸方向に向って浸透される。

ハブ３０は、テーパ軸２０のテーパ部２１が貫通する中空部を有する基部３１と、基部３１よりも外径の大きい高剛性部３２と、高剛性部３２よりも前端側に位置するフランジ部３３とから構成される。フランジ部３３は、力の伝達を受ける構造部材とボルト、その他の締結手段により接続される。高剛性部３２は、フランジ部３３に連なり、大きな捩り応力を受ける部分であることから、径方向の肉厚を大きく設定されている。そのために、高剛性部３２は、前端側に配置される。高剛性部３２は基部３１よりも径方向の肉厚が大きいので、高剛性部３２から受けるテーパ部２１の面圧Ｐは、図１（ａ）に示すように、基部３１から受けるテーパ部２１の面圧Ｐよりも大きい。
ハブ３０の中空部は軸方向に貫通しており、その後端から前端に向けて径が連続的に小さくなるテーパ部受容部３４が形成されている。

図１（ａ）に示すように、テーパ軸２０とハブ３０とが正規の位置で互いに嵌合されたテーパカップリング構造体１０は、油溝２４がハブ３０の高剛性部３２に対応する領域（第１領域）に設けられている。より具体的には、テーパ軸２０とハブ３０とが嵌合されている軸方向の範囲であって、高剛性部３２が存在する範囲（図中、Ｚの範囲）に、油溝２４が形成されている。

テーパカップリング構造体１０は、油溝２４がハブ３０の高剛性部３２に対応する位置に設けられている。前述したように、高剛性部３２から受けるテーパ部２１の面圧Ｐは大きいが、高剛性部３２に対応する位置に油溝２４を設けているので、面圧に抗してハブ３０に作用する油圧が周囲よりも大きい。したがって、Ｏリングを設けていなくても、テーパ軸２０とハブ３０とを嵌合し又は抜去することができる。

テーパカップリング構造体１０の場合、高剛性部３２が前端側に配置される。この場合、油溝２４を設ける位置が、ハブ３０の高剛性部３２に対応する位置（図３（ａ）のＺの範囲）であってもテーパ軸２０の前端面Ｆに近すぎると、供給された油が作用することなく外部に漏れるおそれがある。したがって、この場合には、高剛性部３２に対応する位置であって、その軸方向の中心よりも後端側に油溝２４を設けることが好ましい。なお、高剛性部３２が前端近傍以外の位置に配置される場合には、このような配慮が不要であることは言うまでもない。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態におけるカップリング構造体５０を示す断面図である。
カップリング構造体５０は、テーパ軸４０と、テーパ軸４０と嵌合されるハブ３０とから構成される。ハブ３０は、第１実施形態と同じものであるから、その説明は省略する。

テーパ軸４０は、テーパ部４１を備えており、テーパ部４１の前端面からテーパ軸４０の軸方向に沿って軸方向油路４２が形成されている。また、テーパ部４１の径方向には、第１径方向油路４３と、第１径方向油路４３と所定の間隔をおいて第２径方向油路４５が形成されている。第１径方向油路４３は、軸方向油路４２と連通し、両端がテーパ部４１の外周面に開口している。第２径方向油路４５は、軸方向油路４２の終端に連通し、両端がテーパ部４１の外周面に開口している。したがって、図示しない油圧源から供給される油は、軸方向油路４２及び第１径方向油路４３を順に通って、テーパ部４１の外周面に流出される。また、油は、軸方向油路４２及び第２径方向油路４５を順に通って、テーパ部４１の外周面に流出される。
テーパ部４１の外周面であって、第１径方向油路４３が開口される位置には、テーパ部４１の周方向に沿って第１油溝４４が形成されている。第１径方向油路４３の開口から流出される油は、第１油溝４４を流れることにより、テーパ部４１外周面の周方向に浸透される。また、テーパ部４１の外周面であって、第２径方向油路４５が開口される位置には、テーパ部４１の周方向に沿って第２油溝４６が形成されている。第２径方向油路４５の開口から流出される油は、第２油溝４６を流れることにより、テーパ部４１の外周面の周方向に浸透される。第１油溝４４、第２油溝４６に油が満たされると、油はテーパ部４１とハブ３０の嵌合面を軸方向に沿って浸透される。

図４に示すように、テーパ軸４０とハブ３０とが正規の位置で互いに嵌合されたテーパカップリング構造体５０は、第１油溝４４がハブ３０の高剛性部３２に対応する領域（第１領域）に設けられている。また、第２油溝４６は、ハブ３０の基部３１に対応する領域（第２領域）に設けられている。

テーパカップリング構造体５０は、第１油溝４４がハブ３０の高剛性部３２に対応する領域に設けられているので、高剛性部３２から受けるテーパ部４１の面圧に抗してハブ３０に作用する油圧が大きい。
さらに、テーパカップリング構造体５０は、第２油溝４６がハブ３０の基部３１に対応する領域にも設けられている。したがって、テーパ軸４０とハブ３０との軸方向における嵌合面の広い領域に油を容易に浸透させることができる。したがって、テーパ軸４０とハブ３０とを嵌合し又は抜去するのが第１実施形態に比べて容易である。

＜第３実施形態＞
図５は第３実施形態におけるカップリング構造体７０を示す断面図であり、（ａ）は（ｂ）の５ａ−５ａ矢視断面図、（ｂ）は（ａ）の５ｂ−５ｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）の５ｃ−５ｃ矢視断面図である。
カップリング構造体７０は、テーパ軸６０と、テーパ軸６０と嵌合されるハブ３０とから構成される。ハブ３０は、第１実施形態と同じものであるから、その説明は省略する。

テーパ軸６０は、テーパ部６１を備えており、テーパ部６１の前端面からテーパ軸６０の軸方向に沿って軸方向油路６２が形成されている。また、テーパ部６１の径方向には、径方向油路６３が形成されている。径方向油路６３は、軸方向油路６２の終端に連通し、両端がテーパ部６１の外周面に開口している。したがって、図示しない油圧源から供給される油は、軸方向油路６２及び径方向油路６３を順に通って、テーパ部６１の外周面に流出される。
テーパ部６１の外周面であって、径方向油路６３が開口される位置には、テーパ部６１の周方向に沿って第２油溝６５が形成されている。径方向油路６３の開口から流出される油は、第２油溝６５を流れることにより、テーパ部６１の外周面の周方向に浸透される。

テーパ部６１の外周面には、第２油溝６５に一端が連なり、テーパ軸６０の前端に向けて軸方向に延びる繋ぎ油溝６６が設けられている。繋ぎ油溝６６の他端は、第１油溝６４に連なっている。この第１油溝６４は、テーパ部６１の外周面に周方向に沿って形成されている。第２油溝６５を流れる油の一部は、繋ぎ油溝６６を通って第１油溝６４に至る。この油は、第１油溝６４を流れることにより、テーパ部６１の外周面の周方向に浸透される。
テーパ軸６０とハブ３０とが正規の位置で互いに嵌合されたテーパカップリング構造体７０において、第１油溝６４がハブ３０の高剛性部３２に対応する領域に設けられている。また、第２油溝６５は、ハブ３０の基部３１に対応する領域に設けられている。

テーパカップリング構造体７０は、第１油溝６４がハブ３０の高剛性部３２に対応する領域に設けられているので、高剛性部３２から受けるテーパ部６１の面圧に抗してハブ３０に作用する油圧が大きい。
さらに、テーパカップリング構造体７０は、第２油溝６５がハブ３０の基部３１に対応する領域にも設けられている。したがって、テーパ軸６０とハブ３０との軸方向における嵌合面の広い領域に油を容易に浸透させることができるので、テーパ軸６０をハブ３０から抜去するのが第１実施形態に比べて容易である。
また、第２油溝６５から第１油溝６４への油の供給は、繋ぎ油溝６６を介して行なわれるが、この繋ぎ油溝６６は、第２実施形態の第１径方向油路４３に比べて加工が容易である。

＜第４実施形態＞
第２実施形態として示したカップリング構造体５０において、テーパ軸４０をハブ３０から抜去するのに好適な手順について図６を参照しつつ説明する。
カップリング構造体５０は、第１油溝４４と第２油溝４６を備えている。テーパ軸４０をハブ３０から抜去する際に、抜去開始から終了まで、第１油溝４４と第２油溝４６の両方からから油を供給することもできるが、抜去の段階に応じて、第１油溝４４又は第２油溝４６からの油の供給を止めることができる。

図６（ａ）に示すように、抜去開始時点ではテーパ軸４０がハブ３０から受けている面圧Ｐが最も大きいので、第１油溝４４及び第２油溝４６の両方から油を供給する。そうすることにより、テーパ軸４０とハブ３０とは、抜去方向に相対的に移動させる。なお、図６において、油の供給がなされている領域を黒く塗りつぶしている。
次に、図６（ｂ）に示すように、第２油溝４６からの油の供給を停止して、第１油溝４４のみから油を供給する。第１油溝４４及び第２油溝４６の両方から油を供給した後は、比較的抜去しやすくなっているが、高剛性部３２に対応する領域に対しては、面圧Ｐが大きいので、第１油溝４４からは油を供給する。
次に、図６（ｃ）に示すように、第１油溝４４からの油の供給を停止して、第２油溝４６からの油の供給を再開する。テーパ軸４０とハブ３０とが、抜去方向への相対的な移動が進むと、高剛性部３２からの面圧Ｐも低減するので、できるだけ軸方向への油の浸透を優先させるために、第２油溝４６から油を供給するのである。

図６（ａ）から図６（ｂ）への切替えのタイミング、図６（ｂ）から図６（ｃ）への切替えのタイミングは、テーパ軸４０及びハブ３０の形状、寸法等に基づいて、適宜設定することができるものである。
また、以上では、第１油溝４４及び第２油溝４６の両方から供給、第１油溝４４のみから供給、第２油溝４６のみから供給、という手順を採用したが、テーパ軸４０及びハブ３０の形状、寸法、さらには第１油溝４４及び第２油溝４６の使用によっては、異なる手順を採用することもある。要は、第１油溝４４及び第２油溝４６と２つの油溝を備えている場合に、最も効率的にテーパ軸４０をハブ３０から抜去するのに好適な手順を採用すればよい。
第１油溝４４及び第２油溝４６から選択的に油を供給する手段は限定されないが、例えば第１油溝４４と第２油溝４６に対応する位置に吐出孔が形成されたノズル部材を軸方向油路４２に挿入し、進退させればよい。

以上本発明の実施形態を説明したが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、特許文献１に記載のように、油溝をハブに設けることができるし、油路をハブに設けることもできる。また、以上では、抜去について説明したが、嵌合時にも本発明が有効に機能することは言うまでもない。

また、以上説明したテーパカップリング構造体１０（５０，７０）は、図７に示すように、回転力を出力する原動機２１０と、原動機の出力により回転駆動される従動機２２０とを備える回転機械２００において、原動機２１０の出力を従動機２２０に伝達するカップリング構造体２３０に適用される。この場合、原動機２１０側の回転軸および従動機２２０側の回転軸のいずれか一方がテーパ状の軸端を有し、他方にハブを設けることによりテーパカップリング構造体を構成する。原動機２１０としては、例えば蒸気タービン、ガスタービン、内燃機関及び電動モータ等が適用される。また、従動機２２０としては、圧縮機、車輪、プロペラ等が適用される。原動機２１０と従動機２２０側の間に増速・可変速装置を設けることもできる。この場合、増速・可変速装置の回転軸の軸端をテーパ状にする場合もあるし、ハブを設ける場合もある。

１０，５０，７０…テーパカップリング構造体
２０，４０，６０…テーパ軸、２１，４１，６１…テーパ部、２４…油溝、４４，６４…第１油溝、４６，６５…第２油溝
３０…ハブ、３２…高剛性部

Claims

回転力を出力する原動機と、
前記原動機の出力により回転駆動される従動機と、
前記原動機の出力を前記従動機に伝達するカップリング構造体と、を備え、
前記カップリング構造体は、
テーパ軸とハブとが互いに嵌合されており、
前記テーパ軸は、前記ハブと嵌合される側にテーパ部を備え、前端面から軸方向に沿う軸方向油路が前記テーパ部の内部に形成され、
前記ハブは、径方向の厚さが他の領域よりも厚く、径方向の剛性が高い高剛性部と、前記高剛性部と連なり前記高剛性部よりも前端側に位置するフランジ部を備え、
前記テーパ部の外周面又は前記ハブの内周面に形成され、かつ前記テーパ部と前記ハブとの嵌合面に前記軸方向油路に供給された油を供給する第１油溝が、軸方向において前記高剛性部に対応する第１領域に設けられるとともに、前記第１領域とは異なる第２領域に第２油溝が設けられ、
前記高剛性部は、前記テーパ部と前記ハブとの嵌合部分の前端側に配置され、さらに
前記第１油溝は、前記高剛性部の軸方向における幅の中心よりも後端側に配置され、
前記油は、前記前端面から前記軸方向油路に供給される、
ことを特徴とする回転機械。
前記テーパ軸には、
前記軸方向油路と前記第１油溝を繋ぐ径方向油路と、
前記第１油溝と前記第２油溝を繋ぐ、前記テーパ軸の外表面において軸方向に延びる繋ぎ油溝と、
が形成されている、
請求項１に記載の回転機械。
前記テーパ軸を前記ハブから抜去する際に、
前記第１油溝及び前記２油溝の両方から油を供給し、
次いで、前記２油溝からの油の供給を停止して、前記第１油溝のみから油を供給し、
次いで、前記１油溝からの油の供給を停止して、前記第２油溝からの油の供給を再開する、
請求項１又は２に記載の回転機械。