JP5072278B2

JP5072278B2 - 油圧着脱式カップリング

Info

Publication number: JP5072278B2
Application number: JP2006195204A
Authority: JP
Inventors: 匠生山下; 忠雄屋敷; 卓一柳
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: EP2264326B1; US20090324323A1; US20120001426A1; EP2264326A1; ZA200810314B; EP2042763A1; JP2008025596A; US8360677B2; EP2042763B1; WO2008010326A1; EP2042763A4

Description

本発明は、発電機，蒸気及びガスタービン，圧縮機等の回転機械のロータに用いる好適な油圧着脱式カップリングに関する。

一般に、発電機，蒸気及びガスタービン，圧縮機等のロータ間同士は、ロータカップリングにより同軸に連結されている（特許文献１参照）。

そして、蒸気及びガスタービンにおいては、図１５に示すように、ロータ１００の車室を貫通する部分にメカニカルシールと称するガスシール１０１を装備している場合がある。これは３６０°全円（エンドレス）の部品をロータ１００の軸端から嵌め込むようになっている。また、このガスシール１０１は保守点検のために定期的に着脱することを要する。

そこで、上記ガスシール１０１の着脱を可能にするため、ロータ１００の軸端に装備されるロータカップリング１０２Ａも容易に取外しと再組立が可能な設計となっている。例えば、図示例では、ロータカップリング１０２Ａのカップリングスリーブ１０２ａを、油圧（図中油圧通路１０３参照）をかけて拡径しその後油圧を抜くことで、ロータ１００の軸端に締り嵌め（油圧嵌め）している。一方、この状態から再度油圧をかけてカップリングスリーブ１０２ａを拡径することで、ロータカップリング１０２Ａはロータ１００の軸端から取り外すことが可能となる。

また、図１６に示すように、ロータ１００の軸端外周に切られたインボリュートのスプライン歯部１０４ａとロータカップリング１０２Ｂのカップリングスリーブ１０２ｂの内周に切られたインボリュートのスプライン溝部１０４ｂとをスプライン係合させて押えナット１０５で抜け止めを行うものもある。

特開２００３−６５００６号公報

しかしながら、図１５に示すようなロータカップリング１０２Ａにあっては、締り嵌めによる摩擦力で、発電機を駆動する軸系において、定格トルクを安定して伝達することができるが、発電機の電気回路の特殊な事故である短絡事故或いは非同期投入で起こる異常トルク（通常定格トルクの５〜１０倍）には耐えられないという問題点があった。即ち、異常トルクの発生時には、ロータ１００の軸端外周面とカップリングスリーブ１０２ａの内周面との圧着面に滑りが発生し、これにより過大振動や破損を招来するのである。

また、図１６に示すようなロータカップリング１０２Ｂにあっては、スプライン係合により異常トルクには耐えられ、着脱も容易であるが、例えば大型の蒸気及びガスタービンや圧縮機のように、ロータ１００の全長が著しく長い軸（例えば７ｍを超える）である場合、軸端にスプライン歯部１０４ａやスプライン溝部１０４ｂのようなスプライン加工（歯切機械による）を施すことは設備的に困難であるという問題点があった。

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたもので、定格トルクは振動に対して安定に伝達できる一方で、異常トルクにも十分耐えることができる油圧着脱式カップリングを提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係る油圧着脱式カップリングは、回転機械の回転軸に着脱可能に取り付けられる油圧着脱式カップリングにおいて、前記回転軸の軸端部に嵌合するカップリングスリーブに、前記軸端部の外周面に油圧により締り嵌めされる締り嵌め部と、前記軸端部の外周面に周方向の複数箇所に亙って噛み合う噛み合い部と、を隣接して備えてなることを特徴とする油圧着脱式カップリング。

前記締り嵌め部は、前記軸端部の先細りのテーパー軸部に対応したテーパー孔部であることを特徴とする。

前記噛み合い部は、前記軸端部のストレート軸部に形成した歯と噛み合う歯が形成されたストレート孔部であることを特徴とする。

前記噛み合い部の歯は、隙間無く高精度に噛み合う一歯を除いて、その他の歯の両側にテーパースペーサを介して前記軸端部の複数の歯に噛み合うことを特徴とする。

前記噛み合い部は、前記軸端部のストレート軸部に形成した複数のキー溝に対応するキー溝が形成されたストレート孔部であることを特徴とする。

前記互いに対応するキー溝の一つは角形キーが挿入される矩形断面溝であり、互いに対応するその他のキー溝は丸形テーパーキーが挿入される半円形断面のテーパー溝であることを特徴とする。

前記カップリングスリーブは、前記軸端部に固着される抜け止め手段で前記回転軸に対し抜け止めされることを特徴とする。

本発明の構成によれば、油圧による締り嵌め部により良好な軸振動特性を保持しつつ定格トルクを安定して伝達することができる一方、噛み合い部により異常トルクにも充分対応することができる。この結果、低振動で耐久性の高い油圧着脱式カップリングを実現することができる。

以下、本発明に係る油圧着脱式カップリングを実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示すロータ及びカップリングの断面図、図２は図１におけるカップリング部の拡大断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。

図１に示すように、ロータ（回転軸）１の左，右両部の車室貫通軸２にはメカニカルシールと称する３６０°全円（エンドレス）のガスシール３が着脱（抜挿）可能に装備される。

そして、一方の車室貫通軸２の軸端にはロータカップリング４が取り付けられ、このロータカップリング４のカップリングフランジ４ａを介してロータ５（図２参照）の一端がスペーサ６（これは特に必要はない）を介して同軸にボルト７で連結される。尚、ロータカップリング４は車室貫通軸２の両方（即ち、ロータ１の両端部）に設ける場合もある。

前記ロータカップリング４は油圧着脱式カップリングで構成される。即ち、図２に示すように、車室貫通軸２の軸端は車室貫通軸２より若干小径で先細りのテーパー軸部２ａとこのテーパー軸部２ａの先端に連接されたストレート軸部２ｂとで形成され、前記テーパー軸部２ａの外周面にロータカップリング４のカップリングスリーブ４ｂの内周面に前記テーパー軸部２ａに対応して形成されたテーパー孔部（締り嵌め部）４ｂ−ａが油圧による締り嵌めで着脱可能に取り付けられているのである。

詳細には、テーパー軸部２ａの外周面にはスパイラル溝８が形成され、このスパイラル溝８へ油圧通路９ａ，９ｂを介してストレート軸部２ｂの端面側から、ロータカップリング４の着脱時に圧油が供給されるようになっている。図２中１０ａ，１０ｂはスパイラル溝８の両側に位置してテーパー軸部２ａの外周面とテーパー孔部４ｂ−ａの周面にそれぞれ設けられたＯリングで、１１はロータカップリング４の着脱後に圧油を回収するためにカップリングスリーブ４ｂに形成した残油ブロー用孔である。

そして、本実施例では、ストレート軸部２ｂとこれに対応して形成されたカップリングスリーブ４ｂのストレート孔部（噛み合い部）４ｂ−ｂとが、それぞれに形成した歯１２，１３の噛み合い構造となっている。

図３及び図４に示すように、ストレート軸部２ｂ側に形成した歯１２は扇形断面に形成されると共に、ストレート孔部４ｂ−ｂ側に形成した歯１３は矩形断面に形成されている。そして、各々の噛み合い部には、ロータカップリング４の装着時における位相合わせのために隙間無く高精度に噛み合う一箇所を除いて、その歯の両側に位置してテーパー角が摩擦角前後のテーパースペーサ１４が介装される。そのために、ストレート軸部２ｂ側に形成した歯１２の両側面はテーパースペーサ１４に対応したテーパー面に形成される。

尚、図２中１５はロータカップリング４の装着後、該ロータカップリング４の抜け止めを図るために車室貫通軸２のストレート軸部２ｂの端面に締付ボルト１６で固着される環状の押え板（抜け止め手段）で、１７はテーパースペーサ１４を押し込むために押え板１５にねじ込まれるスペーサ押えねじである。

このように構成されるため、車室貫通軸２のテーパー軸部２ａ及びストレート軸部２ｂにロータカップリング４のカップリングスリーブ４ｂの大半部が緩く嵌合した状態で、テーパー軸部２ａのスパイラル溝８に油圧通路９ａ，９ｂを介して図示しない油圧供給源から圧油を供給すると、油圧によりカップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）が拡径する。

この状態下で、ロータカップリング４を適宜の手段で押し込むと、カップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）がテーパー軸部２ａに深く（最大限まで）嵌合し、この後圧油の供給を停止すると同時に油圧通路９ａ，９ｂをドレーン側に切り換えて圧油を排出すると、テーパー軸部２ａにカップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）が締り嵌めされる。この圧油の排出時に、残油ブロー用孔１１から加圧エアーが吹き込まれて残油が排出される。

また、この際、車室貫通軸２のストレート軸部２ｂとカップリングスリーブ４ｂのストレート孔部４ｂ−ｂとにおいては、互いの歯１２，１３が、各々の間にテーパースペーサ１４を介在させて周方向に噛み合っている。この噛み合いにあたっては、一箇所の隙間無く高精度に噛み合う噛み合い部Ｆにおいて位相合わせが行われる。

そして、上記ロータカップリング４が締り嵌めされた後、当該ロータカップリング４に対し抜け止め方向に係合する押え板１５を車室貫通軸２のストレート軸部２ｂの端面にボルト１６で締め付けることで、上記ロータカップリング４の締り嵌め状態が保持される。また、テーパースペーサ１４は押え板１５にねじ込まれるスペーサ押えねじ１６で深く押し込まれる。この後、ロータカップリング４のカップリングフランジ４ａにスペーサ６を介してロータ５の一端がボルト７で連結される。

一方、上記押え板１５をスペーサ押えねじ１６と共に取り外した状態で、再度テーパー軸部２ａのスパイラル溝８に油圧通路９ａ，９ｂを介して図示しない油圧供給源から圧油を供給すると、油圧によりカップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）が拡径し、カップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）の締り嵌め状態が解除される。

この後、油圧を供給するだけで、ロータカップリング４を引っ張るなどすることで、当該ロータカップリング４はテーパースペーサ１４と共に車室貫通軸２から容易に離脱され、車室貫通軸２からガスシール３を交換・保守のために離脱可能となる。

そして、本実施例では、ロータ１の回転下にあって、ロータカップリング４は、定格（通常）トルクに対しては車室貫通軸２のテーパー軸部２ａとカップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）との油圧による締り嵌め部の摩擦トルクで対応し、発電機短絡時等の異常トルクに対しては車室貫通軸２のストレート軸部２ｂとカップリングスリーブ４ｂのストレート孔部４ｂ−ｂとにおける互いの歯１２，１３の噛み合い部で対応するようになっている。

従って、ロータカップリング４は、油圧による締り嵌め部が軸の横振動に対しては、ロータ１とロータカップリング４とが１本の弾性体として動くに充分な締代を持ち、安定した軸振動特性が得られる。また、蒸気及びガスタービンは一般に高速回転で、振動を少なく保持するためには隣接するロータ間のカップリング部で互いに軸心が正しく保持され且つ安定してそれが維持されなければならないが、本実施例では、締り嵌め部がテーパー面の嵌め合いであるので有効に機能する。

一方、蒸気及びガスタービンの全寿命の内、数度程度又はそれ以下の頻度と考えられる発電機短絡事故のような異常トルクに対しては、歯１２，１３の噛み合い部がロータカップリング４の大滑りに対して抵抗し、ロータ１の継続使用を困難にするような損傷を未然に防ぐことができる。この際、歯１２，１３の噛み合い部がテーパースペーサ１４により遊びなく噛み合わされているので、異常トルク時に全歯が同時に抵抗することができる。

また、上記歯１２，１３の噛み合い部において、隙間無く高精度に噛み合う噛み合い部Ｆが一箇所のみであるので、歯切機械とは異なり割出機構が不要となり、ロータ１が著しく長い軸であっても、一般的な加工機で容易に加工することができる。言い換えれば、高価でありながら使用頻度が少ない設備の導入を避けることができ、製造コスト上非常に有利となるのである。

また、上記歯１２，１３の噛み合い部において、歯の両側に位置してテーパースペーサ１４を配置した理由は、発電機短絡事故時の異常トルクは正負の交番荷重として現れるのでそれに対応させるためであり、同時に異常大荷重に対して脱落しないようにするとともに、取付に際して遊びなく厚さ調整がし易いこと及び取外し時に抜取り易いことのためである。この点の両立を図るため、スペーサの勾配は摩擦角前後の角度を採用するのが好ましい。

図５は本発明の実施例２を示すカップリング部の断面図、図６は図５のＣ−Ｃ線断面図、図７は図６のＤ−Ｄ線断面図である。

これは、実施例１における歯１２Ａ，１３Ａの噛み合い部において、ストレート軸部２ｂ側に形成した歯１２Ａを扇形断面から矩形断面に変更・形成した例である。その他の構成は実施例１と同様なので、図２〜図４と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

この実施例によれば、実施例１と同様の作用・効果に加えてストレート軸部２ｂ側に形成した歯１２Ａの強度アップが図れるという利点が得られる。

図８は本発明の実施例３を示すカップリング部の断面図、図９は図８のＥ−Ｅ線断面図である。

これは、実施例１における歯１２Ｂ，１３Ｂの噛み合い部において、ストレート軸部２ｂ側に形成した歯１２Ｂとストレート孔部４ｂ−ｂ側に形成した歯１３Ｂとを、テーパースペーサ１４を用いずに旋盤等の一般的な加工機で加工した後研磨等を行って噛み合わせた例である。この場合、異常トルク時に全歯が同時に抵抗することは期待できないが、合金鋼からなるロータ１とロータカップリング４の延性により遊びの小さい歯から順次荷重を負担して最後には全歯が荷重を分担することになるので問題はない。

また、この実施例では、押え板１５に代えてストレート軸部２ｂの軸端に螺合する押えナット（抜け止め手段）１８でロータカップリング４の抜け止めを図っている。図８中１９はロータカップリング４に係合して押えナット１８の廻り止めを行う廻り止め座金で押えナット１８にボルト２０で固設される。２１は皿ばね、２２はライナーである。

この実施例においても、実施例１と同様の作用・効果が得られる。

図１０は本発明の実施例４を示すカップリング部の断面図、図１１は図１０のＧ矢視図、図１２は図１１のＨ−Ｈ線断面図、図１３は図１２のＩ−Ｉ線断面図、図１４は図１３のＪ−Ｊ線断面図である。

これは、実施例１のストレート軸部２ｂとストレート孔部４ｂ−ｂにおける歯１２と歯１３による噛み合い構造を角形キー２３と丸形テーパーキー２４による噛み合い構造に変更した例である。

即ち、ストレート軸部２ｂとストレート孔部４ｂ−ｂにおいて、互いに対応するキー溝の一つは角形キー２３が挿入される矩形断面溝２６，２５に形成され、互いに対応するその他の七つのキー溝は丸形テーパーキー２４が挿入される半円形断面のテーパー溝２８ａ，２８ｂに形成されるのである（図１０及び図１３参照）。

また、この際、矩形断面溝２６，２５は、油圧による締り嵌めでロータカップリング４（厳密にはカップリングスリーブ４ｂのテーパー孔部４ｂ−ａ）を車室貫通軸２（厳密にはテーパー軸部２ａ）に装着する前にそれぞれ加工され、そのうちの車室貫通軸２（厳密にはストレート軸部２ｂ）側の矩形断面溝２６に角形キー２３をボルト２７で装着した後、これを位相合せ用のガイドとしてロータカップリング４が軸方向に押し付け圧入される。一方、半円形断面のテーパー溝２８ａ，２８ｂは、油圧による締り嵌めでロータカップリング４を車室貫通軸２に装着後、ロータカップリング４と車室貫通軸２の共加工により穿たれ、この後、それぞれの半円形断面のテーパー溝２８ａ，２８ｂで形成される円形断面のテーパー溝内に丸形テーパーキー２４が挿入される。

尚、図１０中２９は丸形テーパーキー２４を押えつけるために押え板１５にねじ込まれる丸形テーパーキー押えねじで、９ａは圧油供給管接続用のねじ穴である。また、図１４中２４ａは丸形テーパーキー２４を挿入する際の空気抜き通路である。また、ねじ穴３０は、丸形テーパーキー２４を離脱させる際、別途ボルトをねじ込んで引き抜く場合にも使われる。その他の構成は実施例１と同様なので、図２と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

これによれば、ロータの回転下にあって、ロータカップリング４は、定格（通常）トルクに対しては車室貫通軸２のテーパー軸部２ａとカップリングスリーブ４ｂ（テーパー孔部４ｂ−ａ）との油圧による締り嵌め部の摩擦トルクで対応し、発電機短絡時等の異常トルクに対しては車室貫通軸２のストレート軸部２ｂとカップリングスリーブ４ｂのストレート孔部４ｂ−ｂとにおける角形キー２３と丸形テーパーキー２４による噛み合い構造により対応することができ、実施例１と同様の作用・効果が得られる。

本発明の実施例１を示すロータ及びカップリングの側面図である。図１におけるカップリング部の拡大断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。図３のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の実施例２を示すカップリング部の断面図である。図５のＣ−Ｃ線断面図である。図６のＤ−Ｄ線断面図である。本発明の実施例３を示すカップリング部の断面図である。図８のＥ−Ｅ線断面図である。本発明の実施例４を示すカップリング部の断面図である。図１０のＧ矢視図である。図１１のＨ−Ｈ線断面図である。図１２のＩ−Ｉ線断面図である。図１３のＪ−Ｊ線断面図である。従来例のロータ及びカップリングの側面図である。従来例の別のカップリングの断面図である。

符号の説明

１ロータ
２車室貫通軸
２ａテーパー軸部
２ｂストレート軸部
３ガスシール
４ロータカップリング
４ａカップリングフランジ
４ｂカップリングスリーブ
４ｂ−ａテーパー孔部
４ｂ−ｂストレート孔部
５ロータ
６スペーサ
７ボルト
８スパイラル溝
９ａ，９ｂ油圧通路
１０ａ，１０ｂＯリング
１１残油ブロー用孔
１２，１２Ａ，１２Ｂ歯
１３，１３Ａ，１３Ｂ歯
１４テーパースペーサ
１５押え板
１６締付ボルト
１７スペーサ押えねじ
１８押えナット
１９廻り止め座金
２０ボルト
２１皿ばね
２２ライナー
２３角形キー
２４丸形テーパーキー
２５，２６矩形断面溝
２８ａ，２８ｂ半円形断面のテーパー溝
２９キー押えねじ
３０ねじ穴

Claims

回転機械の回転軸に着脱可能に取り付けられる油圧着脱式カップリングにおいて、
前記回転軸の軸端部に嵌合するカップリングスリーブに、
前記軸端部の外周面に油圧により締り嵌めされる締り嵌め部と、
前記軸端部の外周面に周方向の複数箇所に亙って噛み合う噛み合い部と、
を隣接して備えてなると共に、
前記噛み合い部の歯は、隙間無く高精度に噛み合う一歯を除いて、その他の歯の両側にテーパースペーサを介して前記軸端部の複数の歯に噛み合う、
ことを特徴とする油圧着脱式カップリング。
前記締り嵌め部は、前記軸端部の先細りのテーパー軸部に対応したテーパー孔部であることを特徴とする請求項１に記載の油圧着脱式カップリング。
前記噛み合い部は、前記軸端部のストレート軸部に形成した歯と噛み合う歯が形成されたストレート孔部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の油圧着脱式カップリング。
前記カップリングスリーブは、前記軸端部に固着される抜け止め手段で前記回転軸に対し抜け止めされることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の油圧着脱式カップリング。
回転機械の回転軸に着脱可能に取り付けられる油圧着脱式カップリングにおいて、
前記回転軸の軸端部に嵌合するカップリングスリーブに、
前記軸端部の外周面に油圧により締り嵌めされる締り嵌め部と、
前記軸端部の外周面に周方向の複数箇所に亙って噛み合う噛み合い部と、
を隣接して備えてなり、
前記噛み合い部は、前記軸端部のストレート軸部に形成した複数のキー溝に対応するキー溝が形成されたストレート孔部であると共に、
前記互いに対応するキー溝の一つは角形キーが挿入される矩形断面溝であり、互いに対応するその他のキー溝は丸形テーパーキーが挿入される半円形断面のテーパー溝である、
ことを特徴とする油圧着脱式カップリング。
前記締り嵌め部は、前記軸端部の先細りのテーパー軸部に対応したテーパー孔部であることを特徴とする請求項５に記載の油圧着脱式カップリング。
前記カップリングスリーブは、前記軸端部に固着される抜け止め手段で前記回転軸に対し抜け止めされることを特徴とする請求項５又は６に記載の油圧着脱式カップリング。