JP6162667B2 - 回転機ユニット - Google Patents

Description

本発明は、互いに対向配置された第１ケーシングおよび第２ケーシングのそれぞれの対向面を貫通するように回転軸が設けられた回転機ユニットに関する。

回転軸を有する回転機ユニットを正常に稼働させるためには、回転軸を適切に芯出しすることが重要である。例えば特許文献１、２に示すように、回転軸を芯出しするための技術が従来より知られている。特許文献１では、モータ／ジェネレータの組み立ての際に、ステータに設けた芯出しガイドによりロータを適切な位置に案内することで、ロータに連結された回転軸が適切に芯出しされる構成となっている。また、特許文献２のスクリュー圧縮機は、モータと圧縮部の間に配置された芯出しガイドにより、モータの回転軸を確実に芯出しした状態で組み立て可能となっている。

特開２００９−２０７２１２号公報 特開２００１−６５４８０号公報

ところで、互いに対向配置された第１ケーシングおよび第２ケーシングのそれぞれの対向面を貫通するように回転軸が設けられた回転機ユニットの稼働中に、例えば、第１ケーシングが第２ケーシングよりも大きな温度変化にさらされると、第１ケーシングの熱変形量（膨張量または収縮量）が第２ケーシングよりも大きくなる。このため、当初、第１ケーシングおよび第２ケーシングに対して回転軸が適切に芯出しされている場合であっても、回転機ユニットの稼働中に、変形量の大きい第１ケーシングに対して回転軸が芯ずれすることがある。この芯ずれ量が大きい場合には、回転軸が第１ケーシング（あるいは第１ケーシングに設けられたシール部材等）に接触して、エネルギー損失や回転軸の焼き付きといった問題が起こり得る。このような問題は、回転機ユニットの稼働中に第１ケーシングが第２ケーシングよりも大きく熱変形してしまうことが原因であるため、組み立て時の芯出しのみが考慮された特許文献１、２に記載の技術を採用したところで、上記問題を解決することはできなかった。

そこで、本発明は、互いに対向配置された第１ケーシングおよび第２ケーシングのそれぞれの対向面を貫通するように回転軸が設けられた回転機ユニットにおいて、第１ケーシングが第２ケーシングよりも大きな温度変化にさらされる場合であっても、第１ケーシングに対する回転軸の芯ずれを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる回転機ユニットは、互いに対向配置された第１ケーシングおよび第２ケーシングのそれぞれの対向面を貫通するように回転軸が設けられ、前記第１ケーシングが前記第２ケーシングよりも大きな温度変化にさらされる回転機ユニットにおいて、前記第１ケーシングの前記対向面には、前記回転軸が貫通している中心部から周縁部へと向かう方向に沿って直線状に第１係合部が延設され、前記第２ケーシングの前記対向面には、前記第１係合部が、前記第１係合部の延設方向に移動可能な状態で係合する第２係合部が設けられ、前記第１係合部と前記第２係合部とを係合させた係合機構が、少なくとも２つ、前記回転軸の軸方向から見て、互いに傾きをもって設けられていることを特徴とする。

本発明では、第１ケーシングの対向面に、回転軸が貫通している中心部から周縁部へと向かう方向に沿って直線状に第１係合部が延設されており、この第１係合部は、第２ケーシングの対向面に形成された第２係合部と係合した状態で、第１係合部の延設方向に移動可能となっている。そして、第１係合部と第２係合部からなる係合機構は、少なくとも２つ、回転軸の軸方向から見て、互いに傾きをもって設けられている。このため、第１ケーシングが熱変形する場合には、第１係合部が第２係合部にそれぞれ案内されて放射状に移動し、第１ケーシングの対向面はほぼ同心円状に膨張または収縮することになる。したがって、回転軸が貫通している第１ケーシングの対向面の中心部ではほとんど変位が生じず、第１ケーシングに対する回転軸の芯ずれを抑制することが可能となる。

回転機ユニットの実施形態の一例を示す縦断面図である。 タービンケーシングの対向面を示す図である。 ギアケーシングの対向面を示す図である。 図１におけるＡ−Ａから見た断面図である。 延設方向に直交する断面における係合機構の断面図である。 延設方向に直交する断面における係合機構の断面図である。 他の実施形態における係合機構の一例を示す断面図である。 他の実施形態における係合機構の一例を示す断面図である。 他の実施形態における係合機構の一例を示す断面図である。

本発明にかかる回転機ユニットの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、回転機ユニットの実施形態の一例を示す縦断面図である。本実施形態の回転機ユニット１は、例えば工場で排出された高温の圧縮蒸気を膨張タービン１０に導入し、これによって発生する回転動力を増速機２０を介して他の装置に供給するものである。

（膨張タービン）
膨張タービン１０の基本的な構造は、一般的な圧縮機と同様であるが、次のような違いがある。つまり、圧縮機においては、モータにより回転駆動されているインペラに流体が供給されることで、流体が圧縮される。これに対し、膨張タービン１０は、インペラに相当するタービンランナー１４に流体が供給され、当該流体がタービンランナー１４を回転させることで、流体の運動エネルギーを回転運動のエネルギーへ変換する流体機械として機能する。

膨張タービン１０は、円筒形の本体部１２と、本体部１２の端部を閉塞する円盤形のカバー部１３とからなるタービンケーシング１１の内部に、回転軸３０の端部に固定されたタービンランナー１４が配設された構成となっている。本体部１２には、径方向からタービンランナー１４に流体を供給するための吸気口１２ａ、およびタービンランナー１４から流体を軸方向に排出するための排気口１２ｂが形成されている。そして、吸気口１２ａからタービンランナー１４に供給された流体はタービンランナー１４を回転させ、その過程で膨張した流体が排気口１２ｂから排出される（図１の矢印参照）。

タービンケーシング１１のカバー部１３の中心部には貫通孔１３ａが形成されており、貫通孔１３ａの内側にシール部材１５が設けられ、さらにシール部材１５の内側を回転軸３０が通っている。回転軸３０の回転を妨げないようにするため、シール部材１５と回転軸３０との間には若干のクリアランスが設けられているが、流体が漏れることを極力防止するため、このクリアランスは最低限の寸法とされている。

（増速機）
増速機２０は、膨張タービン１０で得た回転動力を増速させるための装置である。具体的には、ギアケーシング２１の内部に、回転軸３０に連結された不図示の増速機構が配設された構成となっている。ギアケーシング２１のうち膨張タービン１０側の壁面には、回転軸３０を通すための貫通孔２１ａが形成されており、この貫通孔２１ａに、回転軸３０を回転自在に支持する軸受２２が設けられている。なお、本実施形態のギアケーシング２１は回転軸３０に沿った円筒形であり、内部の増速機構のメンテナンス等のため、ギアケーシング２１の上半分を開閉できる構成となっている。ただし、ギアケーシング２１の具体的構成はこれに限定されるものではない。

（芯ずれについて）
回転機ユニット１においては、タービンケーシング１１およびギアケーシング２１は互いに対向配置されており、タービンケーシング１１の対向面１３ｂおよびギアケーシング２１の対向面２１ｂのそれぞれを貫通するように回転軸３０が配設されている。回転機ユニット１の組み立て時には、回転軸３０は軸受２２に支持されるとともに、タービンケーシング１１（カバー部１３）に対して芯出しが適切になされている。

ここで、膨張タービン１０に高温の流体が供給されると、タービンケーシング１１は大きく温度上昇する。一方、ギアケーシング２１は、タービンケーシング１１から離間した状態で配置されているので、膨張タービン１０からの伝熱量は小さく、温度はそれほど上昇しない。このため、タービンケーシング１１の熱変形量（ここでは膨張量）がギアケーシング２１よりも大きくなる。なお、タービンケーシング１１とギアケーシング２１とを離間配置することは必須ではなく、対向面１３ｂ、２１ｂ同士を当接させた状態で配置してもよいし、両者の間に断熱材を設けて配置してもよい。

従来、このような回転機ユニット１においては、ギアケーシング２１の対向面２１ｂの下端部からタービンケーシング１１側に突出した不図示の支持部を設け、この支持部によりタービンケーシング１１（カバー部１３）を支持した状態で、タービンケーシング１１とギアケーシング２１とをボルト等によって連結していた。このため、タービンケーシング１１に熱膨張が生じると、上記支持部から離れるほど、タービンケーシング１１のギアケーシング２１に対する変位が大きくなり、回転軸３０がタービンケーシング１１に対して芯ずれすることがあった。その芯ずれ量が、シール部材１５と回転軸３０との間のクリアランス量を超えると、回転軸３０がシール部材１５に接触し、エネルギー損失や回転軸の焼き付きといった問題が生じるおそれがあった。

（係合機構）
本実施形態の回転機ユニット１は、このような問題を回避するため、タービンケーシング１１とギアケーシング２１との連結方法に工夫を凝らしたものである。図２は、タービンケーシング１１の対向面１３ｂを示す図であり、図３は、ギアケーシング２１の対向面２１ｂを示す図である。なお、これらの図において、シール部材１５や軸受２２の図示は省略している。

図２に示すように、タービンケーシング１１の円形の対向面１３ｂには、径方向に沿って直線状に３つのキー溝１３ｃが延設されており、各キー溝１３ｃにはキー部材１３ｄが固定されている。キー部材１３ｄの高さはキー溝１３ｃの深さよりも大きく、キー部材１３ｄがキー溝１３ｃから突出することで、凸部４１が形成されている。こうして形成された３つの凸部４１は、いずれも対向面１３ｂの下半分の領域において、鉛直面に関して対称に設けられている。なお、凸部４１は、キー溝１３ｃとキー部材１３ｄとを組み合わせて構成されるものに限定されず、対向面１３ｂからギアケーシング２１の対向面２１ｂ側に突出するものであれば、どのような構成でも構わない。

図３に示すように、ギアケーシング２１の円形の対向面２１ｂには、タービンケーシング１１の対向面１３ｂに設けられた３つの凸部４１に対応する位置に、径方向に沿って直線状に３つの溝状の凹部４２が延設されている。凹部４２の幅は、凸部４１の幅よりも大きくなっており、凸部４１と凹部４２とが係合した状態で、凸部４１が径方向（凸部４１の延設方向）に移動可能となっている。なお、凸部４１および凹部４２の幅は、凸部４１が熱膨張した場合であっても、凸部４１が凹部４２内で移動可能な状態を維持できるように決定される。

図４は、図１におけるＡ−Ａから見た断面図である。図４に示すように、凸部４１と凹部４２とを係合させて構成される係合機構４０は、当然ながら凸部４１および凹部４２と同様の配置形態となる。すなわち、３つの係合機構４０は、いずれも回転軸３０の軸芯Ｏよりも下方の領域において、鉛直面に関して対称に設けられている。また、すべての係合機構４０が一直線上に配置されたり、平行に配置されたりすることがないよう、少なくとも２つの係合機構４０が、回転軸３０の軸方向から見て、互いに傾きをもって設けられている。

なお、タービンケーシング１１（カバー部１３）とギアケーシング２１とは、係合機構４０によって互いに係合した状態で、不図示のボルトによって連結されている。このボルトが挿入されるボルト穴は、タービンケーシング１１が熱変形した際に、その変形がボルトによって拘束されないように、ボルト径よりも大きな径を有している。なお、タービンケーシング１１とギアケーシング２１とをボルトで連結することは必須ではなく、他の手段により連結してもよい。

図５および図６は、延設方向に直交する断面における係合機構４０の断面図である。図５に示すように、延設方向に直交する断面において、凸部４１の先端部の角が面取り加工されて、先端に向かうほど幅狭となるテーパー部４１ａが形成されていると好適である。このようなテーパー部４１ａを設けることで、凸部４１を容易に凹部４２に係合させることができる。あるいは、図６に示すように、延設方向に直交する断面において、凹部４２の開口面の角が面取り加工されて、開口面に向かうほど幅広となるテーパー部４２ａが形成されていてもよい。このようなテーパー部４２ａを設けることでも、凸部４１を容易に凹部４２に係合させることができる。また、他の変形例としては、凸部４１の先端部の角および凹部４２の開口面の角の両方に面取り加工を施してもよい。さらに、面取り加工に代わって、凸部４１の先端部の角および凹部４２の開口面の角のうち、少なくともいずれか一方にＲ加工を施しても、同様の効果を得ることが可能である。

（効果）
本実施形態の回転機ユニット１においては、少なくとも２つの係合機構４０が、回転軸３０の軸方向から見て、互いに傾きをもって設けられている。このため、タービンケーシング１１（第１ケーシング）が、ギアケーシング２１（第２ケーシング）よりも大きな温度変化にさらされて熱膨張する際、その膨張形態は次のようになる。タービンケーシング１１の対向面１３ｂは、各係合機構４０の延長線の交点（本実施形態では回転軸３０の軸芯Ｏに一致）を中心に、凸部４１（第１係合部）が凹部４２（第２係合部）にそれぞれ案内されて放射状に移動することで、ほぼ同心円状に膨張することになる。したがって、回転軸３０が貫通しているタービンケーシング１１の対向面１３ｂの中心部ではほとんど変位が生じず、タービンケーシング１１に対する回転軸３０の芯ずれを抑制することが可能となる。なお、本実施形態の回転機ユニット１によれば、タービンケーシング１１が熱膨張する場合のみならず、熱収縮する場合でも、同様に、タービンケーシング１１に対する回転軸３０の芯ずれを抑制することが可能である。

また、本実施形態では、タービンケーシング１１の対向面１３ｂは円形であり、凸部４１の延設方向は、円形の対向面１３ｂの径方向に一致している。このため、各係合機構４０の延長線の交点が回転軸３０の軸芯Ｏに一致し、タービンケーシング１１の対向面１３ｂをより正確な同心円状に変形させることができる。その結果、より確実にタービンケーシング１１に対する回転軸３０の芯ずれを抑制することができる。

また、本実施形態では、複数の係合機構４０が、鉛直面に関して対称に配置されているため、タービンケーシング１１を左右均等に変形させやすいものとなっている。そのため、タービンケーシング１１をより確実に同心円状に変形させやすくなる。

また、本実施形態では、すべての係合機構４０が、回転軸３０の軸芯Ｏよりも下方の領域に設けられている。このため、上述のように、ギアケーシング２１の上半分が開閉できるようになっている場合でも、係合機構４０によりギアケーシング２１の開閉が妨げられることがない。また、タービンケーシング１１（カバー部１３）の重量が大きい場合でも、タービンケーシング１１の下部を支えながら係合機構４０を係合させる作業が行いやすくなるので、組み立て効率が向上する。

また、本実施形態では、係合機構４０を凸部４１と凹部４２とによって構成しているため、係合機構４０の構成が簡易となり、係合機構４０を設けることによるコストの上昇や工数の増加を抑えることができる。

また、本実施形態では、延設方向に直交する断面において、凸部４１の先端部の角および凹部４２の開口面の角のうち、少なくともいずれか一方が面取り加工またはＲ加工されている。このため、凸部４１を容易に凹部４２に係合させることができる。

［その他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明の「第１ケーシング」が膨張タービン１０のタービンケーシング１１であり、本発明の「第２ケーシング」が増速機２０のギアケーシング２１である場合を例として説明した。しかしながら、本発明は、互いに対向配置された２つのケーシングのそれぞれの対向面を貫通するように回転軸が設けられた回転機ユニットに対して適用できるものであり、第１ケーシングおよび第２ケーシングが具体的にどのような装置のケーシングであるかは問わない。

また、上記実施形態では、本発明の「第１係合部」が凸部４１であり、本発明の「第２係合部」が凹部４２である場合を例として説明した。しかしながら、第１係合部、第２係合部はこれに限定されず、第１係合部が凹部で、第２係合部が凸部であってもよい。さらには、第１係合部が第２係合部によって延設方向に案内される構成であれば、例えばレール等の案内手段と、これに係合する部材を組み合わせたような構成でも構わない。

また、係合機構４０の具体的な個数や配置は適宜変更が可能である。図７〜図９は、他の実施形態における係合機構の一例を示す断面図であり、図１におけるＡ−Ａから見た断面図に相当する図である。例えば、上記実施形態における中央の係合機構４０をなくして、図７に示すように、係合機構４０を２つとしてもよいし、あるいは４つ以上の係合機構４０を設けてもよい。また、ギアケーシング２１の上半分が開閉できる構成となっていない場合には、係合機構４０を回転軸３０の軸芯Ｏよりも上方の領域に設けてもよいし、図８に示すように、回転軸３０の軸芯Ｏと同じ高さに係合機構４０を設けることも可能である。タービンケーシング１１の対向面１３ｂを同心円状に変形させるという観点からは、３つ以上の係合機構４０を、周方向に等間隔に設けることが好ましい。

さらに、係合機構４０の延設方向を径方向に一致させることは必須ではなく、係合機構４０の延長線が回転軸３０の軸芯Ｏから多少ずれるように配置されていてもよい。具体例としては、図９に示すように、水平方向に沿って延設された２つの係合機構４０を、回転軸３０の軸芯ＯからＬ［ｍｍ］だけずらして配置してもよい。このとき許容されるずれ量Ｌは、以下のようにして求められる。

図９に示す係合機構４０を設けた場合、タービンケーシング１１の対向面１３ｂは、各係合機構４０の延長線（一点鎖線で図示）の交点Ｐを中心に変形する。したがって、交点ＰからＬ［ｍｍ］だけ離れた軸芯Ｏの位置における対向面１３ｂの変位量ΔＬ［ｍｍ］は、次式によって求められる。
ΔＬ＝αＬΔＴ
ここで、
α：タービンケーシング１１の線膨張係数［１／Ｋ］
ΔＴ：タービンケーシング１１の温度変化［Ｋ］
である。

シール部材１５と回転軸３０との間のクリアランス量をＧ［ｍｍ］とするとき、
ΔＬ＜Ｇ
であれば、タービンケーシング１１の対向面１３ｂが熱変形し、回転軸３０がタービンケーシング１１に対して芯ずれしたとしても、回転軸３０がシール部材１５に接触することは回避できる。ここで、タービンケーシング１１が鉄製であり（α＝１．２×１０^-5）、ΔＴ＝３００℃、Ｇ＝０．５ｍｍとすると、
Ｌ＜０．５／（１．２×１０^-5×３００）＝１３９
となり、軸芯Ｏから１３９ｍｍ程度までのずれは許容される。このように、係合機構４０の延設方向が径方向と一致することは必須ではなく、係合機構４０が中心部から周縁部へ向かって延設されていれば、係合機構４０の延長線が回転軸３０の軸芯Ｏから多少ずれる場合においても本発明は適用可能である。

１：回転機ユニット
１１：タービンケーシング（第１ケーシング）
１３ｂ：対向面
２１：ギアケーシング（第２ケーシング）
２１ｂ：対向面
３０：回転軸
４０：係合機構
４１：凸部（第１係合部）
４２：凹部（第２係合部）

Claims (6)

1. 互いに対向配置された第１ケーシングおよび第２ケーシングのそれぞれの対向面を貫通するように回転軸が設けられ、前記第１ケーシングが前記第２ケーシングよりも大きな温度変化にさらされる回転機ユニットにおいて、
   前記第１ケーシングの前記対向面には、前記回転軸が貫通している中心部から周縁部へと向かう方向に沿って直線状に第１係合部が延設され、
   前記第２ケーシングの前記対向面には、前記第１係合部が、前記第１係合部の延設方向に移動可能な状態で係合する第２係合部が設けられ、
   前記第１係合部と前記第２係合部とを係合させた係合機構が、少なくとも２つ、前記回転軸の軸方向から見て、互いに傾きをもって設けられていることを特徴とする回転機ユニット。
2. 前記第１ケーシングの前記対向面は円形であり、前記延設方向は、前記円形の対向面の径方向に一致する請求項１に記載の回転機ユニット。
3. 複数の前記係合機構が、鉛直面に関して対称に配置されている請求項１または２に記載の回転機ユニット。
4. すべての前記係合機構が、前記回転軸の軸芯よりも下方の領域に設けられている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転機ユニット。
5. 前記第１係合部および前記第２係合部のうち、一方が凹部であり、他方が凸部である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転機ユニット。
6. 前記延設方向に直交する断面において、前記凸部の先端部の角および前記凹部の開口面の角のうち、少なくともいずれか一方が面取り加工またはＲ加工されている請求項５に記載の回転機ユニット。

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