JP5589039B2 - ターボ機械のためのロータ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械のためのロータ組立体に関する。

ターボ機械のロータ組立体は、ターボ機械に固定されたシュラウドに対して回転するインペラを備えることができる。作動時、ロータ組立体は不均衡力が原因で振動する。

その結果、インペラはシュラウドに対して振動して騒音が発生する。

第１の態様において、本発明はロータ組立体を提供し、ロータ組立体は、シャフト、ベアリング組立体、インペラ、及びシュラウドを備え、インペラ及びベアリング組立体はシャフトに取り付けられ、シュラウドはインペラを覆うようにベアリング組立体に取り付けられる。

シュラウドをベアリング組立体に取り付けると、インペラはシュラウドに対して自由に回転する。シュラウドはロータ組立体に一部を形成するので、ロータ組立体の振動に起因するインペラの変位はシュラウドの変位を伴う。従って、インペラとシュラウドとの間の隙間は、ロータ組立体の振動に関係なく維持される。その結果、作動時にロータ組立体からあまり騒音が発生しない。また、シュラウドをベアリング組立体に取り付けると、インペラとシュラウドとの間に明確に定義された隙間を定めることが可能になる。特に、ターボ機械内でロータ組立体の取り付け又は位置合わせに影響されない隙間を定めることができる。

ベアリング組立体は、スリーブで取り囲まれた一対の離間したベアリングを備えることができる。従って、シュラウドは、スリーブに取り付けられ、スリーブは、シュラウドを取り付けることができる比較的大きな表面部を備える。その結果、シュラウドとベアリング組立体との間に比較的しっかりした固定部を形成できる。更に、スリーブで取り囲まれた離間したベアリングを備えるとロータ組立体の剛性が高くなり、結果的に一次曲げ周波数が高くなる。結果的に、ロータ組立体は高い臨界前速度で運転できる。

ベアリング組立体はインペラ内に突出できる。その結果、よりコンパクトなロータ組立体を得ることができる。更に、インペラとベアリング組立体との間の片持ち長を短くできる。結果的に、インペラに作用する不平衡力は、結果的に小さな力のモーメントとなるのですので、ベアリング組立体のラジアル負荷が低減する。

シュラウドはベアリング組立体に接着することができる。これにより、シュラウドは、シュラウドの内径及び／又はベアリング組立体の外径に対する緊密な許容誤差を必要とすることなく、インペラに対して同心に位置合わせすることができる。

インペラ及びシュラウドはプラスチックで形成できる。このことは、ロータ組立体のコスト及び／又は重量が低減するという利点をもつ。一般にプラスチック構成部品に関連する寸法公差及び幾何公差は、プラスチックが特定の従来のターボ機械には不適切である場合もある。例えば、結果として生じる許容誤差の積み重ねは、許容できない大きさのインペラ−シュラウド隙間を必要とする場合がある。対照的に、シュラウドをベアリング組立体に取り付けると、明確に定義されたインペラ−シュラウド隙間を得ることができる。従って、許容できるインペラ−シュラウド隙間を維持しながら、プラスチックのインペラ及びシュラウドを用いることができる。

第２の態様において、本発明はターボ機械を提供し、ターボ機械は、フレームと、前記の段落のいずれかに記載のロータ組立体とを備える、ロータ組立体は、シュラウド又はベアリング組立体においてフレームに取り付けられる。従って、ロータ組立体が振動する場合、インペラのフレームに対する変位は、シュラウドの同等の変位を伴う。その結果、インペラ−シュラウド隙間は、ロータ組立体のフレームに対する動きにも関わらず維持される。

ロータ組立体は、シュラウド及びベアリング組立体においてフレームに取り付けることができる。ロータ組立体を軸方向に離間した２箇所で取り付けることで、ロータ組立体の剛性が高くなり、高い一次曲げ周波数が得られる。

ロータ組立体は、シュラウド又はベアリング組立体においてフレームに対して柔軟性をもって取付けてもよい。例えば、ロータ組立体は、シュラウド又はベアリング組立体の台座に配置されたＯ−リングによって取り付けることができる。結果的に、ロータ組立体の振動はフレームにそれほど伝達されない。更に、ベアリング組立体の負荷が低減するのでロータ組立体の一次曲げ周波数が高くなる。

本発明をより簡単に理解できるように、本発明の実施形態は例示的に図面を参照して以下に説明する。

本発明によるターボ機械の断面図である。 ターボ機械のロータ組立体の分解組み立て図である。 ロータ組立体の製造ステップを示す。 ターボ機械のベアリング組立体とシュラウドとの間の接着結合の断面図である。

図１及び２のターボ機械１は、一対のＯ−リング４、５によってフレーム３に取り付けられるロータ組立体２を備える。
ロータ組立体２は、シャフト６、ベアリング組立体７、インペラ８、及びシュラウド９を備える。ベアリング組立体７及びインペラ８はシャフト６に取り付けられ、シュラウド９はインペラ８を覆うようにベアリング組立体７に取り付けられる。

ベアリング組立体７は、一対のベアリング１０、１１、スプリング１２、及びスリーブ１３を備える。
各々のベアリング１０、１１は、インナーレース、複数のボールを支持するケージ、及びアウターレースを備える。ベアリング１０、１１は、段付き部の反対側でシャフト６に取り付けられる。各ベアリング１０、１１のインナーレースは、２つのベアリング１０、１１を所定距離だけ離間するように機能する段付き部に当接する。

スプリング１２は、シャフト６の段付き部を取り囲み、２つのベアリング１０、１１のアウターレースに軸方向の力を付与する。段付き部が所定の長さをもち、スプリング１２が所定のバネ定数をもつので、ベアリング１０、１１の各々は同一の所定の力の予荷重を受ける。

スリーブ１３は、ベアリング１０、１１及びスプリング１２を取り囲み、各ベアリング１０、１１のアウターレースに接着剤によって固定される。スリーブの端部は、ベアリングの一方を超えて軸方向に延び、Ｏ−リング４の一方の台座１４を形成する縮径部を有する。
インペラ８は、ベース１５及び複数のブレード１６を備える半開放遠心インペラである。ベース１５は、その周りでブレード１６を支持する空気力学的上面及びシャフト６を収容する中心ボア１７を有する。次に、シャフト６は、締まりばめ及び／又は接着結合によってインペラ８に固定される。

シュラウド９は、ハブ１８、フード１９、及びハブ１８とフード１９との間で半径方向に延びる複数のスポーク２０を備える。ハブ１８は円筒形であり中心ボア２１を含む。フード１９は軸方向でハブ１８よりも長く、スポーク２０はハブ１８とフード１９の上部との間を延びる。フード１９の内面は、インペラ８のブレード１６の端部に対応する空気力学的形状である。フード１９の外周は、Ｏ−リング５のための環状台座２２を形成するように形作られている。

シュラウド９はベアリング組立体７に固定され、シュラウド９がインペラ８を覆うようになっている。詳細には、ベアリング組立体７は、ハブ１８のボアを通って延び、接着剤によってハブ１８に固定される。

ロータ組立体２は、ベアリング組立体７及びシュラウド９の両方においてフレーム３に取り付けられている。詳細には、ロータ組立体３は、Ｏ−リング４、５の各々の箇所で柔軟性をもって取付けられる。第１のＯ−リング４は、ベアリング組立体７の台座１４に配置され、第２のＯ−リング５は、シュラウド９の台座２２に配置される。

ターボ機械１の作動時、ロータ組立体２は、不均衡力が原因でフレーム３に対して振動する。シュラウド９をベアリング組立体７に取り付けると、シュラウド９は、フレーム３に対するインペラ８の全ての変位に追従する。その結果、インペラ８とシュラウド９との間の隙間は、振動に関係なく維持される。従って、ロータ組立体２は騒音をあまり発生しない。対照的に、インペラ８がシュラウド９に対して振動するようになった場合、振動は周囲の空気を粗密にするので騒音が発生する。

また、シュラウド９をベアリング組立体７に取り付けると、インペラ８とシュラウド９との間に明確に定義された隙間を定めることができる。以下に説明するように、ロータ組立体２を製造する場合、インペラ８及びシュラウド９は、接触させた後に明確に定義された隙間を定めるように離すことができる。従って、インペラ８とシュラウド９との間の隙間は、ターボ機械１のフレーム３内のロータ組立体２のアライメントに影響されない。

また、シュラウド９をベアリング組立体７に取り付けると、比較的撓みやすい及び／又は臨界速度又はその近くで運転する必要があるロータ組立体に対して利点がある。従来のロータ組立体に関して、シュラウドに対するインペラの振動が非常に大きい場合があるので、振動に対応するためにインペラ−シュラウド隙間を広くする必要がある。しかしながら、隙間を広くすることはターボ機械の性能に悪影響を及ぼすことになる。シュラウド９をベアリング組立体７に取り付けることで、シュラウド９はインペラ８の全ての振動に追従する。従って、隙間が小さくなるのでターボ機械１の性能が向上する。

インペラ８及び／又はシュラウド９は、寸法公差及び幾何公差が、さもなければ既存のターボ機械の使用を不適切にするであろう材料又はプロセスで形成できる。例えば、インペラ８及びシュラウド９は、成形プロセスを使用したプラスチックで形成できる。シュラウド９をベアリング組立体７に取り付けることで、やはり明確に定義されたインペラ−シュラウド隙間を得ることができる。

スリーブ１３で取り囲まれ、離間したベアリング１０、１１を備えるベアリング組立体７を提供するとロータ組立体２の剛性が高くなる。その結果として、一次たわみモードの周波数が高くなるので、ロータ組立体２の臨界速度が高くなる。

ベアリング１０、１１は所定距離だけ離間し、スプリング１３は所定のバネ定数をもっているので、ベアリング１０、１１は、同一の明確に定義された力の予荷重を受ける。従って、予荷重の大きさは、さもなければベアリング性能の低下につながる予荷重を過大にすることなく、ベアリング１０の滑りを防止するように規定できる。

ベアリング組立体７をインペラ８の中に突出させることで、ロータ組立体２の軸長が短くなる。更に、インペラ８とベアリング組立体７との間の片持ち長が短くなるので、インペラ８に作用する何らかの不均衡は、小さな力のモーメントをもたらすことになる。結果的に、ベアリング１０、１１のラジアル負荷が低減してベアリング組立体７の耐用年数が延びる。

ロータ組立体２は、軸方向に離間した２箇所でフレーム３に取り付けられる。これにより、ロータ組立体２はフレーム３内でしっかり安定する。更に、ロータ組立体２の剛性が高くなるので高い一次曲げ周波数を得ることができる。ロータ組立体２をフレーム３に柔軟性をもって取付けると、フレーム３に伝達されるロータ組立体２の振動がより少なくなる。更に、ベアリング組立体７の負荷が小さくなりロータ組立体２の一次曲げ周波数が高くなる。それでも、柔軟性をもった取付けの利点にもかかわらず、ロータ組立体２は、１つ又はそれ以上の箇所でフレーム３に対してハードマウントされる場合もある。

インペラ８及びシュラウド９のアライメントの何らかの偏心は、結果的に大きなインペラ−シュラウド隙間をもたらすことになり、これによりターボ機械１の性能は悪影響を受ける場合がある。２つのＯ−リング４、５のアライメントにおける何らかの偏心は、ロータ組立体２がフレーム３内で位置合わせ不良であること、つまり、ロータ組立体２の回転軸が傾いていることを意味するであろう。この場合もターボ機械１の性能に悪影響を与える。シュラウド９をベアリング組立体７に接着することで、シュラウド９は、硬化する前にシャフト６に対して同心に整列させることができる。結果的に、インペラ８とシュラウド９との間、及び２つのＯ−リング４、５の間で同心アライメントを得ることができる。

ベアリング組立体７のスリーブ１３は、シュラウド９をアリング組立体７に対して固定できる比較的大きな表面部を備える。その結果、シュラウド９とベアリング組立体７との間に比較的しっかりした固定部を形成できる。接着結合を用いるよりはむしろ、シュラウド９は締まりばめによってベアリング組立体７に固定できる。しかしながら、このことは、シュラウド９がシャフト６に対して同心に整列することを保証するために、シュラウド９の内径とベアリング組立体７の外径との緊密な許容誤差を必要とする。緊密な許容誤差は、必然的にロータ組立体２のコスト増を招く。シュラウド９をベアリング組立体７に接着することで、コスト効率の良い方法で同心性を得ることができる。更に、さもなければ締まりばめを実現するには容認できない許容誤差をもたらす、製造プロセス及び材料を利用できる。例えば、シュラウド９は、成形後にシュラウド９のボア２１を機械加工する必要のない成形プロセスで形成できる。

ロータ組立体２の許容誤差の積み重ねは、シュラウド９を同心に取り付けることができるように、シュラウド９とベアリング組立体７との間に比較的大きな隙間を必要とすることを意味する。大きな隙間は、シュラウド９をベアリング組立体７に固定するために使用する接着剤が２つの構成部品の間から漏れて、硬化する前にインペラ８を汚すことを意味する。漏れを防止するために高粘度の接着剤を使用できる。しかしながら、シュラウド９とベアリング組立体７との間の空間に充填するのに要する時間が長くなる。従って、以下に比較的短期間の充填時間を維持しながらシュラウド９とベアリング組立体７との間から接着剤が漏れることを防止する方法を説明する。

ここで図３を参照すると、最初に、ベアリング組立体７及びインペラ８をシャフト６に固定して部分組立体２３を作る。ベアリング組立体７及びインペラ８をシャフト６に固定する方法は本説明の核心ではない。部分組立体２３を治具２４の一方に取り付け、シュラウド９を治具の他方に取り付ける。治具２４は、シュラウド９のＯ−リング台座２２をシャフト６に対して同心に整列させるよう機能する。

シュラウド９及び部分組立体２３は、最初は離れており、高粘度の接着剤２５のリングをベアリング組立体７に塗布する（図３（ａ））。次に、ベアリング組立体７がシュラウド９のボア２１に挿入されるように、シュラウド９及び部分組立体２３を一体にする（図３（ｂ））。高粘度の接着剤２５は、シュラウド９とベアリング組立体７との間で環状シールを形成する。高粘度の接着剤２５をベアリング組立体７に塗布する位置により、接着剤２５はシュラウド９のボア２１の第１の端部にシールを形成する。シュラウド９及び部分組立体２３は、シュラウド９がインペラ８に接触した後にシュラウド９及び部分組立体２３が所定距離だけ離れるように一体化される。これはインペラ８とシュラウド９との間に隙間を規定する働きをする。高粘度の接着剤２５が硬化した後、ロータ組立体２を治具２４から取り外す。

次に、ロータ組立体２を反転して、ボア２１の第２の端部からシュラウド９とベアリング組立体７との間の空間に低粘度の接着剤２６を導入する（図３（ｃ））。高粘度の接着剤２５は、低粘度の接着剤２６のストッパー又はプラグとして機能し、低粘度の接着剤２６はシュラウド９とベアリング組立体７との間の残りの空間内で上昇してこの空間を満たす。

シュラウド９のボア２１は、１つ又はそれ以上の軸方向の溝２７を備える（図２を参照）。低粘度の接着剤２６は、該低粘度接着剤２６を高粘度の接着剤２５に至るまで送る溝２７を介して導入される。低粘度の接着剤２６が溝２７を介して連続的に導入されるので、接着剤２６はシュラウド９とベアリング組立体７との間の空間内で上昇して空気を追い出す。これにより接着結合を弱くする可能性がある空気封入のリスクが低減する。更に、シュラウド９のボア２１にはテーパーが付いている。詳細には、ボア２１には、第１の端部から第２の端部にテーパーが付いており、第２の端部の直径が大きくなっている。結果的に、低粘度の接着剤２６が上昇すると、空気は拡大容積部に追い出されるので、空気封入のリスクが更に低減する。

溝２７は、ボア２１の第２の端部から始まり第１の端部の前で終端する。溝はシュラウド９を製造するために用いる成形プロセスで作り出したものである。溝２７は第１の端部の前で終端するがこれには利点がある。溝２７がボア２１の全長にわたって延びる場合、勿論、溝２７の深さ並びにベアリング組立体７に塗布される高粘度の接着剤２５の量にもよるが、高粘度の接着剤２５が１つ又はそれ以上の溝２７に完全に進入できない可能性がある。その結果、高粘度の接着剤２５は、シュラウド９とベアリング組立体７との間の完全なシールを形成できない場合がある。溝２７がボア２１の第１の端部より前で終端することで、過量の高粘度の接着剤２５を必要とすることなく完全なシールを形成できる。更に、低粘度の接着剤２６を短時間で供給するために、比較的深い溝２７を用いることができる。

ボア２１の第２の端部は面取りされている（図４参照）。面取り部１５は上昇する低粘度の接着剤２６のリザーバとして機能する。結果的に、シュラウド９とベアリング組立体７との間の空間に導入される接着剤２６の量の厳格な管理が不要になる。

低粘度の接着剤２６の導入後、接着剤２６は硬化する。図４に示すように、最終結果は、高粘度の接着剤２５がシュラウド９のボア２１の第１の端部に配置される。次に、低粘度の接着剤２６が高粘度の接着剤２５からボア２１の第２の端部まで広がる。粘度の異なる２つの接着剤を用いることで、シュラウド９は、接着剤が２つの構成部品の間から漏れることなく、ベアリング組立体７に対して比較的短時間で固定できる。更に、低粘度の接着剤２６を用いてシュラウド９とベアリング組立体７との間の空間を満たすことで、接着剤２６の導入時に捕捉される場合があるすべての空気は、上手く最上部に上昇して逃げることになる。結果的に、低粘度の接着剤２６により、シュラウド９とベアリング組立体７との間の接着剤の層がより均一になる。

低粘度の接着剤２６は、高粘度の接着剤２５よりもボア２１の長手方向に長く軸方向に広がる。従って、低粘度の接着剤２６は、シュラウド９とベアリング組立体７との間の高い接着結合強度をもたらすことが意図されている。対照的に、高粘度の接着剤２５は、主として低粘度の接着剤２６のストッパーとして機能することが意図されている。結果的に、接着強度が比較的弱い比較的安価な高粘度の接着剤２５を使用することができる。

前述の方法において、シュラウド９は、既にインペラ８がシャフト６に取り付いている部分組立体２３に取り付けられる。従って、ベアリング組立体７を第１の端部からシュラウド９のボア２１に挿入することだけが可能である。しかしながら、ことによるとシュラウド９を部分組立体２３に取り付けた後でインペラ８をシャフト６に取り付けることができる。この場合、ベアリング組立体７は、第１の端部又は第２の端部からシュラウド９のボア２１に挿入できる。従って、高粘度の接着剤２５は、ベアリング組立体７及び／又はシュラウド９のボア２１に塗布できる。

前述の方法は、特に各構成部品の間の隙間寸法が特定の接着剤の使用を不可能にする場合、同様に又は別の方法でロータ組立体２の他の構成部品を固定するために使用できる。例えば、インペラ８に関連する寸法許容誤差は、インペラ８の外径をシャフト６と同心に位置合わせできるように、インペラ８のボア１７を比較的大きくせざる得ないことを意味する。従って、本方法は、インペラ８をシャフト６に接着するために利用できる。この場合、最初に、高粘度の接着剤のリングがシャフト６及び／又はインペラ８のボア１７に塗布される。次に、シャフト６をインペラ８のボア１７に挿入する。ロータ組立体２を製造する順番に依存して、インペラ８をシュラウド９と接触させた後に、インペラ−シュラウド隙間を形成するように離す。その後、高粘度の接着剤が硬化し、低粘度の接着剤がインペラ８とシャフト６との間の空間に導入される。最後に、低粘度の接着剤が硬化する。

従って、本方法は、比較的大きな隙間を有するロータ組立体の構成部品を時間効率の良い方法で固定するのに適している。更に、隙間を大きくきるので、本方法は、比較的許容誤差の大きな構成部品を固定するために使用できる。許容誤差が大きいにも関わらず、構成部品はそれでもなお同心に位置合わせして固定することができる。従って、本方法は、高価で及び／又は特定の材料及びプロセスの使用を妨げる場合がある高精度な製造法を必要とすることなく、同心のロータ組立体を製造するために利用できる。

高粘度の接着剤及び低粘度の接着剤に言及したが、これらの表記は単に２つの接着剤の粘度が異なることを示すために用いられる。この表記は接着剤の絶対的な粘度を示すものとして理解すべきではない。

２ ロータ組立体
６ シャフト
７ ベアリング組立体
８ インペラ
９ シュラウド

Claims (9)

1. シャフト、ベアリング組立体、インペラ、及びシュラウドを備えるロータ組立体であって、
   前記インペラ及び前記ベアリング組立体は前記シャフトに取り付けられ、
   前記シュラウドは、前記インペラを覆うように前記ベアリング組立体に取り付けられていて、
   前記シュラウドは、ハブと、フードと、前記ハブと前記フードとの間に延びる複数のスポークとを備え、
   前記ハブはボアを有していて、
   前記ベアリング組立体は、前記ボアを通って延び、かつ、前記ハブに固定される、
   ことを特徴とするロータ組立体。
2. 前記ベアリング組立体は、スリーブで取り囲まれた一対のベアリングを備える、請求項１に記載のロータ組立体。
3. 前記ベアリング組立体は、前記インペラ内に突出する、請求項１又は２に記載のロータ組立体。
4. 前記シュラウドは、前記ベアリング組立体に接着される、請求項１から３のいずれかに記載のロータ組立体。
5. 前記インペラ及び前記シュラウドは、プラスチックで形成される、請求項１から４のいずれかに記載のロータ組立体。
6. フレームと、請求項１から５のいずれかに記載のロータ組立体とを備えるターボ機械であって、前記ロータ組立体は、前記シュラウド又は前記ベアリング組立体において前記フレームに取り付けられることを特徴とする、ターボ機械。
7. 前記ロータ組立体は、前記シュラウド及び前記ベアリング組立体において前記フレームに取り付けられる、請求項６に記載のターボ機械。
8. 前記ロータ組立体は、前記シュラウド又は前記ベアリング組立体において、前記フレームに柔軟性をもって取付けられる、請求項６又は７のいずれかに記載のターボ機械。
9. 前記ロータ組立体は、前記シュラウド又は前記ベアリング組立体の台座に配置されるＯ−リングによって柔軟性をもって前記フレームに取付けられる、請求項８に記載のターボ機械。

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