JP5353569B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ボルトとナットとによってシャフトの一端側に固定されるインペラを備えるターボ機械に関するものである。

例えば、ターボブロワやターボチャージャ等のターボ機械においては、軸受によって軸支されたシャフトの少なくとも一端側にインペラが固定されている。そして、シャフトを介して回転動力がインペラに供給され、当該インペラが回転駆動される。

このようなターボ機械においては、ボルトとナットとによって、シャフトとインペラとの締結が行われている。
具体的には、特許文献１〜３に示すように、シャフトの一端から当該シャフトの回転軸に重ねて突出されたボルトが設置されており、当該ボルトをインペラの中央を貫通させてその先端を露出させ、この露出されたボルトの先端にナットを嵌合することによってインペラを固定している。

特開平７−１５４０１０号公報 特開平９−２７５２３４号公報 特開２００６−２１４３４１号公報

ところで、インペラは、シャフトの軸受によって支持されている箇所から遠方に突出した先端に固定されている。つまり、インペラは片持ち（いわゆるオーバーハング）で支持されている。さらにインペラがシャフトの径に対して非常に大きなものである。
このような不安定な形状を有するため、シャフトやインペラ等の軸系の回転における危険速度が低下する。

安定的な駆動を実現するためには、理想的には、軸系の定格速度に至るまでの全速度域が、危険速度を跨がない設計が好ましい。しかしながら、現在のところ、充分に危険速度を上昇させる方法が提案されておらず、実際には、軸受のバネ剛性を下げて軸のたわみを抑える処置をした上で、１次及び２次危険速度を跨ぐ設計を行っている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって上記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械において、軸系の危険速度を上昇させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって上記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械であって、上記インペラの内部にナットの当接面が形成され、上記ナットが上記インペラの内部に配置されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記回転軸方向において、上記ナットが、上記インペラの最大外径部位よりも上記軸受から離間する方向に配置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ボルトの上記ナット側の先端が上記インペラの内部に位置するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記シャフトにおける上記ボルトの設置面は、上記インペラの最大外径部位よりも上記軸受寄りに配置されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記ボルトが、テンションボルトであるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記シャフトに対する上記インペラの位置決めを行うインロー構造を有するという構成を採用する。

本発明によれば、従来、インペラの外部に配置されていたナットがインペラの内部に配置されている。この結果、シャフトの一端側に固定される構造物の重心が軸受側に寄ることとなり、軸系の危険速度が上昇する。
したがって、本発明によれば、軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって上記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械において、軸系の危険速度を上昇させることが可能となる。

本発明の一実施形態におけるターボブロワの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるターボブロワの概略構成を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態におけるターボブロワで用いられるナットと当該ナットを締める冶具を示す斜視図である。 本発明の一実施形態におけるターボブロワの効果を示すための図面である。 構成を変化させた場合の離調率の変化を示す図面である。

以下、図面を参照して、本発明に係るターボ機械の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
なお、以下の説明においては、本発明のターボ機械の一例として、ターボブロワを挙げて説明する。

図１は、本実施形態のターボブロワＳ１の概略構成を示す断面図である。本実施形態のターボブロワＳ１は、インペラ及びインペラを直接回転駆動するモータを備え、モータが駆動することによって気体（流体）を圧送するものである。
そして、図１に示すように、本実施形態のターボブロワＳ１は、ケーシング１と、インペラ２と、モータ３と、シャフト４と、軸受５と、ハーメチックコネクタ６と、水冷ジャケット７とを備えている。

ケーシング１は、ターボブロワＳ１の外形を形作ると共に、内部に気体の流路や、インペラ２、モータ３、シャフト４及び軸受５等を収容するものである。
このケーシング１の内部には、図１に示すように、インペラ２を収容するインペラ収容空間Ｋ１やモータ３を収容するモータ収容空間Ｋ２が設けられている。また、ケーシング１は、気体を吸入するための吸入口１ａや、気体を排出するための吐出口までなだらかに拡張するスクロール流路１ｂを備えている。そして、インペラ収容空間Ｋ１は、吸入口１ａとスクロール流路１ｂとの間に配置されており、気体の流路の一部とされている。

インペラ２は、インペラ収容空間Ｋ１に収容されて配置され、回転することで吸入口１ａから供給される気体をスクロール流路１ｂに圧送するものである。

モータ３は、インペラ２を回転駆動するものであり、モータ収容空間Ｋ２に収容されている。そして、本実施形態においては、モータ３として誘導モータが用いられている。
このモータ３は、かご型の導電材料（コイル）が内蔵されたモータロータ３ａと、このモータロータ３ａを囲んで配置されるモータステータ３ｂとを備えている。そして、不図示の駆動装置からモータステータ３ｂに電力が供給されることによってモータロータ３ａが回転する。

シャフト４は、モータ３とインペラ２とを接続するものであり、モータ３の動力をインペラ２に伝達する。より詳細には、シャフト４は、図１に示すように、一端側がインペラ２と固定された状態でモータロータ３ａに挿通されており、モータロータ３ａの回転と共に回転することによってモータ３の動力をインペラ２に伝達する。

軸受５は、シャフト４を直立状態で軸支するものであり、内輪がシャフト４に固定されると共に外輪がケーシング１に固定されている。
なお、図１に示すように、軸受５として、シャフト４のインペラ２寄りを軸支するインペラ側軸受５ａと、シャフト４の地面寄りを軸支する地面側軸受５ｂとが設けられている。そして、地面側軸受５ｂは、ケーシング１に対して摺動可能とされており、予圧バネ８によって上方に付勢されている。このように地面側軸受５ｂが予圧バネ８によって付勢されることによって、軸受が最適に予圧され、回転時に軸受５（５ａ、５ｂ）内部の玉の挙動を適正な状態に保つことが出来る。

ハーメチックコネクタ６は、インペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２を封じきった状態を維持しながらモータ３に対して電力供給を可能とするコネクタであり、外部に露出した状態でケーシング１に固定されている。
なお、本実施形態のターボブロワＳ１は、レーザ発振装置に搭載され、外気の流入が許されない環境において気体を圧送することを想定している。このため、ハーメチックコネクタ６を用いている。ただし、インペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２を封じきる必要がない場合には、ハーメチックコネクタ６に替えて通常のコネクタを用いることができる。

水冷ジャケット７は、モータ３周りのケーシング１内に設けられており、冷却水によりモータの冷却を行う。

ここで、本実施形態のターボブロワＳ１においては、図２の拡大図に示すように、シャフト４の一端からシャフト４の回転軸Ｌに重ねて突出されるボルト１０と、該ボルト１０に嵌合されるナット１１と、によってインペラ２がシャフト４の一端側に固定されている。

そして、図２に示すように、本実施形態のターボブロワＳ１においては、インペラ２に形成されたナット１１の当接面２ａがインペラ２の内部に配置されている。より詳細には、インペラ２の頂部２ｄからインペラ２の内部に向けて、ナット１１の外形よりも僅かに大きい円筒形状の開口部１２が形成され、この底面が当接面２ａとされている。
ナット１１は、上記当接面２ａに当接された状態でボルト１０に嵌合される。このため、本実施形態のターボブロワＳ１においては、ナット１１がインペラ２の内部に配置されている。

また、上記当接面２ａは、インペラ２の最大外径部位２ｂよりも軸受５から離間する方向に配置されている。
この結果、本実施形態のターボブロワＳ１においては、ナット１１がインペラ２の最大外径部位２ｂよりも軸受５から離間する方向に配置されている。
なお、インペラ２の最大外径部位２ｂとは、羽根を除いてインペラ２を回転軸方向から見た場合の最外周を含む回転軸方向の部位である。

なお、開口部１２の底面には、当該開口部１２よりも小径の貫通孔１３がインペラ２の底部に抜けて形成されており、当該貫通孔１３を介してボルト１０がシャフト４の一端からインペラ２の内部に挿通されている。このボルト１０のナット１１側の先端１０ａは、インペラ２の内部に配置されている。
そして、本実施形態のターボブロワＳ１においては、ボルト１０として、テンションボルトを用いている。

また、本実施形態のターボブロワＳ１においては、シャフト４におけるボルト１０の設置面４ａが上記インペラ２の最大外径部位２ｂよりも軸受５寄りに配置されている。
さらに、本実施形態のターボブロワＳ１においては、上記設置面４ａを含むシャフト４の一端部４ｂがシャフト４の他の部位と比較して小径とされており、さらにインペラ２の底部には、当該一端部４ｂが嵌合可能な穴２ｃが形成されている。この穴２ｃは、インペラ２の裏面（モータ３側の面）に開口し、貫通孔１３に連通している。また、穴２ｃの内径は、貫通孔１３の内径よりも大きく設定されている。
また、設置面４ａは、シャフト４（一端部４ｂ）の端面であり、シャフト４の中心軸（回転軸Ｌ）に対して略垂直であると共に、中心軸方向から見て略円形である。

そして、シャフト４の一端部４ｂが穴２ｃに嵌合されることによってシャフト４に対してインペラ２が位置決めされる。すなわち、本実施形態のターボブロワＳ１は、シャフト４の一端部４ｂとインペラ２の底部に形成された穴２ｃとによって構成され、シャフト４に対するインペラ２の位置決めを行うインロー構造１４を有している。

なお、設置面４ａの周縁部は、穴２ｃの底面（ボルト１０側の内面）に当接される。インペラ２は、貫通孔１３が形成されている部分を設置面４ａとナット１１とによって両側から挟まれることによって、シャフト４に対して軸方向に固定されている。

また、上述のようにナット１１は、ナット１１の外形よりも僅かに大きい円筒形状の開口部１２の底部においてボルト１０に嵌合されるため、通常の六角レンチ等で締めることが難しい。このため、本実施形態のターボブロワＳ１では、図３に示すように、ナット１１の上部に上方に向けて開口された複数の孔１１ａが形成されており、当該孔１１ａに挿入可能な突出部２０ａを備える専用の冶具２０を用いることによってナット１１を締める。

このように構成された本実施形態のターボブロワＳ１は、不図示の駆動装置から、ハーメチックコネクタ６を介して電力が供給されることによって駆動される。
より詳細には、上記駆動信号によってモータ３が回転され、この回転動力がシャフト４を介してインペラ２に伝達されることによってインペラ２が回転駆動される。
この結果、吸入口１ａからインペラ収容空間Ｋ１に気体が吸入され、当該気体が回転駆動されるインペラ２によってスクロール流路１ｂ側に圧送される。

ここで、本実施形態のターボブロワＳ１においては、従来インペラ２の外部に配置されていたナットがインペラ２の内部に配置されている。この結果、シャフト４の一端側に固定される構造物の重心が軸受５側に寄ることとなり、軸系（シャフト４及びインペラ２を含む回転される系）の危険速度が上昇させることができる。

図４は、ナットがインペラ２の外部に配置された従来のターボブロワにおける軸系の危険速度と、本実施形態のターボブロワＳ１における軸系の危険速度とを比較するための図である。なお、図４では、横軸が軸受５のバネ定数（剛性）を示し、縦軸が危険速度を示している。
なお、図４において、実線で示すＭｏｄｅ１が本実施形態のターボブロワＳ１における１次危険速度を示し、実線で示すＭｏｄｅ２が本実施形態のターボブロワＳ１における２次危険速度を示し、実線で示すＭｏｄｅ３が本実施形態のターボブロワＳ１における３次危険速度を示し、実線で示すＭｏｄｅ４が本実施形態のターボブロワＳ１における４次危険速度を示し、破線で示すＭｏｄｅ１が従来のターボブロワにおける１次危険速度を示し、破線で示すＭｏｄｅ２が従来のターボブロワにおける２次危険速度を示し、破線で示すＭｏｄｅ３が従来のターボブロワにおける３次危険速度を示し、破線で示すＭｏｄｅ４が従来のターボブロワにおける４次危険速度を示している。

そして、図４に示すように、本実施形態のターボブロワＳ１は、従来のターボブロワと比較して、１次〜４次の全ての危険速度が上昇していることが分かる。
なお、本実施形態のターボブロワＳ１における軸受５のバネ定数は、２．Ｅ＋０５である。このバネ定数で見ると、本実施形態のターボブロワＳ１では、定格速度、さらには定格速度の２５％増に至るまでの全速度域が、危険速度を跨がない。したがって、本実施形態のターボブロワＳ１は、安定的に駆動することが可能となる。
また、図４に示すように、仮に軸受５のバネ定数が１．Ｅ＋０５である場合であっても、定格速度に至るまでの全速度域で危険速度を跨ぐことがない。このため、本実施形態のターボブロワＳ１によれば、軸受５のバネ定数が小さい場合でも採用が可能である。

なお、インペラ２の最大外径部位２ｂの内部は最も遠心力に起因する応力が作用する領域である。一方で、本実施形態のターボブロワＳ１では、開口部１２がナット１１の外形よりも大きいため、内部の中空領域が広くなり、局所的な応力集中が大きくなる虞がある。
これに対して、本実施形態のターボブロワＳ１においては、ナット１１がインペラ２の最大外径部位２ｂよりも軸受５から離間する方向に配置されている。このため、インペラ２の最大外径部位２ｂの内部の肉厚を従来のターボブロワと同様に確保することができ、インペラ２の耐えうる応力を従来のターボブロワと同程度に確保することができる。

また、本実施形態のターボブロワＳ１においては、ボルト１０として、テンションボルトを用いている。このため、インペラ２が遠心力によって回転軸方向の長さが短くなった場合であっても、インペラ２を確実にシャフト４に対して固定させておくことができる。

また、本実施形態のターボブロワＳ１においては、シャフト４の一端部４ｂとインペラ２の底部に形成された穴２ｃとによって構成され、シャフト４に対するインペラ２の位置決めを行うインロー構造１４を有している。このため、シャフト４とインペラ２との位置決めを容易にかつ確実に行うことができる。

図５は、軸受のバネ定数を一定（２．Ｅ＋０５）とした上で、構成を変化させることによって、定格運転と１次危険速度との離調率とがどのように変化するかを示した図である。
なお、図５において、横軸が軸受側の締結位置（すなわちボルト１０の設置面４ａの位置）を示し、縦軸が定格運転と１次危険速度との離調率を示している。

点Ａ〜点Ｈは、（ａ）に示すように、ナット１１をインペラ２の外側に配置した状態で設置面４ａを移動させた結果を示す図である。
これらの点Ａ〜点Ｈから分かるように、設置面４ａを軸受５側に近づけるに連れて離調率が上昇、すなわち危険速度が上昇していることが分かる。また、設置面４ａが最大外径部位２ｂよりも軸受５寄りに位置する場合（点Ｇ及び点Ｈ）には、確実に離調率を上昇させることができる。
そして、本実施形態のターボブロワＳ１においては、設置面４ａが最大外径部位２ｂよりも軸受５寄りに位置する構成を採用しているため、確実に危険速度の上昇を図ることができる。

さらに、点Ｉから分かるように、（ｂ）に示すように、ナット１１をインペラ２の内部に配置することによって、離調率が大幅に上昇、すなわち危険速度が大幅に上昇することが分かる。
また、点Ｊから分かるように、（ｃ）に示すように、ボルト１０の先端１０ａをインペラ２の内部に配置することによって、さらに離調率が上昇、すなわちさらに危険速度が上昇することが分かる。なお、点Ｊは、本実施形態のターボブロワＳ１の結果である。
また、点Ｋは、ナット１１及びボルト１０の先端１０ａをインペラ２の内部に配置した状態で設置面４ａをさらに軸受５に近づけた結果を示す。そして、点Ｊと点Ｋとの関係、及び点Ｇと点Ｈとの関係から分かるように、ナット１１及びボルト１０の先端１０ａをインペラ２の内部に配置した状態であっても、ナット１１を外部に配置した（ａ）の構成と同様に離調率が変化することが分かる。
点Ｌ及び点Ｍは、（ｄ）に示すように、インペラ２の底部の突出量ｄを変化させた場合の結果を示し、点Ｌが本来１０ｍｍの突出量が８ｍｍの場合、点Ｍが本来１０ｍｍの突出量が６ｍｍの場合の結果である。なお、本結果を得る際に、突出量の変化に応じて軸受５の位置も（ｃ）に示すように変化させた。そして、点Ｌ及び点Ｍから分かるように、突出量ｄを小さくすることによって離調率が上昇、すなわち危険速度が上昇することが分かる。ただし、インペラ２の底部の突出は、本来インペラの耐えうる応力を高めるために形成されているものである。このため、インペラ２の底部の突出量ｄは、インペラの剛性と危険速度とのバランスを考慮して設定する必要がある。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明のターボ機械がターボブロワである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明のターボ機械として、例えばターボポンプ等を用いることも可能である。

Ｓ１……ターボブロワ（ターボ機械）、２……インペラ、２ａ……当接面、２ｂ……最大外径部位、４……シャフト、４ａ……設置面、５……軸受、１０……ボルト、１０ａ……先端、１１……ナット、１４……インロー構造

Claims (1)

1. 軸受によって軸支されるシャフトと、該シャフトの一端から該シャフトの回転軸に重ねて突出されるボルト及び該ボルトに嵌合されるナットによって前記シャフトの一端側に固定されるインペラとを備えるターボ機械であって、
   前記インペラの内部にナットの当接面が形成され、前記ナットの全体が前記インペラの内部に配置されており、
   前記回転軸方向において、前記ナットが、前記インペラの最大外径部位よりも前記軸受から離間する方向に配置されており、
   前記ボルトの前記ナット側の先端が前記インペラの内部に位置し、
   前記シャフトにおける前記ボルトの設置面が、前記インペラの最大外径部位よりも前記軸受寄りに配置されており、
   前記ボルトが、テンションボルトであり、
   前記シャフトに対する前記インペラの位置決めを行うインロー構造を有する
   ことを特徴とするターボ機械。

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