JPH08334117A - 複合シャフト - Google Patents

複合シャフト

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JPH08334117A
JPH08334117A JP8116513A JP11651396A JPH08334117A JP H08334117 A JPH08334117 A JP H08334117A JP 8116513 A JP8116513 A JP 8116513A JP 11651396 A JP11651396 A JP 11651396A JP H08334117 A JPH08334117 A JP H08334117A
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JP
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shaft
permanent magnet
rigid
flexible disk
composite
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JP8116513A
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Robert W Bosley
ダブリュー．ボスレイ ロバート
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KAPUSUTON TURBINE CORP
Capstone Green Energy Corp
Original Assignee
KAPUSUTON TURBINE CORP
Capstone Turbine Corp
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Publication date
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    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 剛体臨界およびたわみ臨界を動作速度範囲に
含まず、しかも広い動作範囲を確保できる複合シャフト
を提供する。 【解決手段】 ３つのジャーナル軸受を備えたターボ機
械のための複合シャフトは、２つのジャーナル軸受によ
り支持された第１の剛性シャフトと、１つのジャーナル
軸受と１つの双方向スラスト軸受により支持された第２
の剛性シャフトと、第１および第２の剛性シャフトを動
作可能に連結するフレキシブルディスクシャフトとを有
している。フレキシブルディスクシャフトは、非線形ト
ラニオンクロックスプリングに平行な低ヒステリシスジ
ョイントとして機能するフレキシブルディスクを用い、
フレキシブルディスクシャフトにより、第１の剛性シャ
フトから第２の剛性シャフトへ逆転サポートを伝達し、
第２の剛性シャフトから第１の剛性シャフトへスラスト
軸受サポートを伝達するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転機械に用いる
シャフトに関し、特に、１つのフレキシブルディスクシ
ャフトと２つの比較的剛性のシャフトとを組合せて形成
した複合シャフトの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】回転機械においては、コンプレッサホイ
ール、タービンホイール、ファン、ジェネレータ、モー
タなどの種々の回転要素がシャフトに取り付けられ、シ
ャフト上で回転する。このシャフトは、ほぼ一定の直径
をもつ単体一元構造であってもよいし、あるいは、２つ
以上の比較的剛性のシャフト要素を１つ以上の比較的フ
レキシブルなシャフト要素により連結してなる複合構造
であってもよい。単体シャフトの機械では、通常、２つ
のジャーナル軸受および１つの双方向スラスト軸受によ
って、単一のシャフトが支持されている。
【０００３】２つの剛性シャフト要素の複合シャフト機
械では、通常、各剛性シャフト要素が２つのジャーナル
軸受（合計で４つのジャーナル軸受）によって支持され
ており、１つまたは２つの双方向スラスト軸受が備えら
れていることもある。比較的フレキシブルなシャフト要
素が軸方向に負荷を伝達できない場合には、２つのスラ
スト軸受が必要となることもある。一般に、回転機械産
業においては、単体型または複合型の高速ターボ機械シ
ャフトを３つのジャーナル軸受によって支持することは
実用的ではないと考えられている。これは、３つの軸受
をまっすぐに揃えて保持することが困難であることと、
軸受の不揃いが生じたときにその結果としてシャフトお
よび軸受に大きな応力が発生することによる。
【０００４】ターボ機械が加速されるにつれ、シャフト
およびシャフトに取り付けられた回転要素は、剛体臨界
共振振動数およびたわみ臨界共振振動数（以下、単に剛
体臨界およびたわみ臨界とも呼ぶ）を越えて回転する。
本明細書において、剛体臨界は、単体シャフト、また
は、複合シャフトの剛性シャフトが、ジャーナル軸受の
コンプライアント・マウンティング内で偏向するけれど
も屈曲しないようなロータ共振として定義される。この
定義では、剛体臨界ロータ共振による複合シャフトのフ
レキシブルシャフトの屈曲は許容している。一方、たわ
み臨界は、ここでは、単体シャフト、または、複合シャ
フトの剛性シャフトが屈曲するようなロータ共振として
定義される。
【０００５】これらの臨界点を通過するにつれて、ロー
タ機構内における不均衡により、シャフトは、ロータ機
構の直線軸から偏向する。この偏向は、ロータ機構の擦
れや、設計限界を越えたシャフト応力および軸受応力を
誘起し、ハードウェアの破損を引き起こす。これらの問
題は、たわみ臨界を越える（すなわち通過する）必要が
ある場合に最も重大となる。これは、1)たわみ臨界は、
通常、剛体臨界よりも高速のロータ速度において生じる
こと、2)高速臨界では、低速臨界に比べ、ターボ機械の
軸受やサスペンションにより制動されるべき共振エネル
ギーがより多く保持されていること、3)ポテンシャルエ
ネルギーを制動に利用できる場合、剛体臨界は、軸受や
サスペンションにおけるスプリングの偏向変形によって
ポテンシャルエネルギーの大半を保持していること、4)
ポテンシャルエネルギーが軸受やサスペンションにより
制動に利用できない場合、たわみ臨界は、そのポテンシ
ャルエネルギーの大半を、スプリング状のシャフトの偏
向の形で保持していること、等のためである。このよう
に、ターボ機械に用いられる軸受やサスペンションで
は、通常、たわみ臨界を制動するのは困難である。これ
らの問題は、従来のコンプライアントフォイル流体力学
的流体膜軸受（たとえば空気軸受）をターボ機械に用い
る場合には、さらに深刻となる。これは、この種の従来
の軸受は、通常、軟弾性特性を持ち、制動特性に乏しい
からである。これらの理由のため、ターボ機械を設計す
る際には、ターボ機械の最大動作速度がたわみ臨界振動
数以下である（したがって、バランスをとって通過する
必要がない）ことを保証する一方で、通過する剛体臨界
振動数のいずれもがターボ機械の最小正常動作速度より
も十分低いことを保証することが非常に望ましい。
【０００６】ターボ機械の動作速度と、シャフト直径
と、シャフト長とを決定する際には、以下のファクター
および関係を考慮しなければならない。
【０００７】＊所定形式および所定の磁束密度のモータ
やジェネレータの電力発生能力が、磁気ロータの長さ×
磁気ロータの直径の平方値×ロータ速度に比例する。
【０００８】＊相対的寸法および材料を一定にしたター
ボ機械の各回転要素において誘起される遠心応力は、シ
ャフト速度の平方値×当該回転要素の直径の平方値に比
例する。
【０００９】＊単純シャフトのたわみ臨界の振動数は、
その直径の一乗に比例し、その長さの平方値に反比例す
る。
【００１０】これらのおよびその他の関係により、以下
のことが認識される。
【００１１】＊高出力ターボ機械は、低出力ターボ機械
よりも低速で動作しなければならない。
【００１２】＊多数の回転要素（コンプレッサ、タービ
ン、ファン、ジェネレータ、モータなど）を備えたター
ボ機械は、少数の回転要素しか持たないターボ機械より
も長いシャフトを必要とする。
【００１３】＊２つの回転要素（たとえば、１つのコン
プレッサホイールと１つのタービンホイール）のみを有
するターボ機械には、２つの離間したジャーナル軸受に
より支持された、直径がほとんど一定の単体シャフトを
用い、その第１のたわみ臨界速度を動作速度よりも高く
させることができる。したがって、第１のたわみ臨界を
越える必要がない。あるいは、当該臨界におけるアセン
ブリバランス調整さえも必要としない。
【００１４】＊３つの回転要素（たとえば、１つのコン
プレッサホイールと１つのタービンホイールとモータ／
ジェネレータ）を有するターボ機械では、２つの離間し
たジャーナル軸受により支持され直径がほとんど一定の
単体一元シャフトを用いてその第１のたわみ臨界振動数
を動作速度よりも高くすることはできそうにない。この
ようなターボ機械では、第１のたわみ臨界振動数がター
ボ機械の最大動作速度より高くなることを保証するため
に、複合シャフトが要求されることが多い。
【００１５】高速ターボ機械において、２つの離間した
ジャーナル軸受により支持された単体シャフトが使用さ
れた場合、一般に、動作速度の比較的高いパーセント
（例えば３０％〜５０％）の領域で最高振動数剛体臨界
が生じ、第１のたわみ臨界は動作速度の近傍（例えば７
５％〜１２５％）において生じる。第１のたわみ臨界の
振動数と最後の剛体臨界の振動数の比は、通常低い（た
とえば２：１をわずかに越える程度）。実際、第１のた
わみ臨界が動作速度より低く、越えなければならない場
合には、制動は不十分でアセンブリとしてのターボ機械
のバランスを微妙に調整する必要がある。第１のたわみ
臨界が動作速度より上にあることが非常に望ましいが、
これは、種々の回転要素（コンプレッサホイール、ター
ビンホイール、ファン、ジェネレータ、モータなど）を
取り付けるために長くならざるを得ない単体シャフトの
場合には、必ずしも可能ではない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】高速ターボ機械が、４
つのジャーナル軸受および１つあるいは２つの双方向ス
ラスト軸受により支持された２部材複合シャフトを用
い、さらに、２つの剛性シャフトを連結するための２つ
の万能ジョイントを備えた軽量シャフトを用いている場
合には、機械の長さが長くなり過ぎるとともに、機械の
複雑さが増し、コストが高くなってしまう。
【００１７】３つの回転要素を備えたターボ機械につい
ては、２つのジャーナル軸受により支持される単体シャ
フトの問題と、４つのジャーナル軸受により支持される
複合シャフトの問題は、３つのジャーナル軸受により支
持される複合シャフトを用いることにより回避される。
【００１８】したがって、本発明の主な目的は、ターボ
機械のための改良された複合シャフト及び複合シャフト
組立体を提供することである。
【００１９】本発明の別の目的は、４つのジャーナル軸
受により径方向に支持されることなく機能することので
きる複合シャフトを提供することである。
【００２０】本発明の別の目的は、２つの双方向スラス
ト軸受により軸方向に支持されることなく機能すること
のできる複合シャフトを提供することである。
【００２１】本発明の別の目的は、複合シャフトの径方
向サポートに供される３つのジャーナル軸受が径方向に
かなり不揃いである（直線上にない）場合にも機能する
ことのできる複合シャフトを提供することである。
【００２２】本発明の別の目的は、第１の剛性シャフト
と第２の剛性シャフトとをフレキシブルに連結するため
のフレキシブルディスクシャフトを提供することであ
る。
【００２３】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クを用い、ターボジェネレータの起動時には第１の剛性
シャフト（モータ／ジェネレータのロータを含む）から
第２の剛性シャフト（コンプレッサホイールおよびター
ビンホイールを含む）にトルクを伝達するために、ま
た、ターボジェネレータが電力を発生しているときには
第２の剛性シャフトから第１の剛性シャフトにトルクを
伝達する複合シャフト組立体を提供することである。
【００２４】本発明のさらに別の形態では、回転接合や
摺動接合よりもむしろ金属たわみを利用して、ヒステリ
シスすなわちスリップ−スティクション力とトルク変動
を避けるとともに、２つの剛性シャフトの回転軸が同一
直線上にない（相対的に不揃いである）という条件下で
複合シャフトが回転する場合の摩耗を防ぐようにした、
フレキシブルディスクシャフトを備えた複合シャフトを
提供することである。
【００２５】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クを備え、フレキシブルディスクの可撓性の大部分を、
フレキシブルディスクシャフトの回転軸に沿った短い軸
方向長にわたるフレキシブルディスクシャフトのトラニ
オン偏向により達成した複合シャフトを提供することで
ある。
【００２６】また、本発明の別の目的は、フレキシブル
ディスクに加わるトラニオン偏向または逆転偏向のため
の軟弾性度（たとえばラジアンあたりポンド−インチの
単位における）をもつフレキシブルディスクを備えた複
合シャフトを提供することである。
【００２７】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クシャフトの回転軸に直交する平面においてフレキシブ
ルディスクを横切る偏向のための並進剛弾性度（たとえ
ばインチあたりポンドの単位における）をもつフレキシ
ブルディスクを備えた複合シャフトを提供することであ
る。
【００２８】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クを横切って軸方向負荷を伝達できるフレキシブルディ
スクシャフトを備えた複合シャフトを提供することであ
る。
【００２９】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クシャフトの回転軸に沿った、フレキシブルディスクシ
ャフトに加わる軸方向偏向に対して中レベルから高レベ
ルの軸方向弾性度をもつフレキシブルディスクシャフト
を備えた複合シャフトを提供することである。
【００３０】本発明の別の目的は、締まり嵌め組立て工
程により第１の剛性シャフトに取り付けることができる
とともに、ねじ取付けにより第２の剛性シャフトに取り
付けることのできる、フレキシブルディスクシャフトを
備えた複合シャフトを提供することである。
【００３１】本発明の別の目的は、このような複合シャ
フトの質量および弾性特性を調節することであり、特
に、ターボ機械の回転機構の剛体臨界およびたわみ臨界
振動数をシフトすなわち調節するために、フレキシブル
ディスク部材の軸方向位置をシフトすることである。
【００３２】本発明の別の目的は、複合シャフトのダイ
ナミック特性を利用し、２つのジャーナル軸受により支
持された同じ大きさの単体シャフトに固有の振動数に比
べて、すべての回転機構の剛体臨界振動数を低減させる
ことである。
【００３３】本発明の別の目的は、複合シャフトのダイ
ナミック特性を利用し、すべての回転機構の剛体臨界振
動数を、ターボ機械の最小動作速度よりも十分低くさせ
ることである。
【００３４】本発明の別の目的は、複合シャフトのダイ
ナミック特性を利用し、すべての回転機構の剛体臨界振
動数を低い値に抑えることにより、軸受／サスペンショ
ンによりこれらの臨界を十分制動し、これらの臨界を容
易にバランス調整するかバランス調整を要さないものと
なすことである。
【００３５】本発明の別の目的は、短寸のクイルシャフ
トを備えた複合シャフトのダイナミック特性を利用し、
２つのジャーナル軸受により支持された同じ大きさの単
体シャフトに固有の振動数に比べて、すべての回転機構
のたわみ臨界振動数を増加させることである。
【００３６】本発明の別の目的は、短寸のクイルシャフ
トを備えた複合シャフトのダイナミック特性を利用し、
回転機構の第１のたわみ臨界振動数を、ターボ機械の最
大動作速度よりもかなり上まで増加させることにより、
この第１のたわみ臨界を越える必要とバランス調整する
必要をなくすことである。
【００３７】本発明の別の目的は、複合シャフトのダイ
ナミック特性を利用し、最大動作速度よりも上での最低
の非通過臨界振動数を、最大動作速度よりも下での最高
の被通過臨界振動数の約８倍にすることである。
【００３８】本発明の別の目的は、複合シャフトのダイ
ナミック特性を利用し、ターボ機械が、剛体臨界または
たわみ臨界に遭遇することなく１対４の速度範囲にわた
って動作することを可能とすることである。
【００３９】本発明の別の目的は、短寸のクイルシャフ
トを備えた複合シャフトのダイナミック特性を利用し、
軸受／サスペンションにより被通過臨界（すべての剛体
臨界）を十分制動することを可能として、これらの被通
過臨界に対するディメンションレス制動定数（dimensio
nless damping constant）Ｑを２．５未満にすることで
ある。
【００４０】本発明の別の目的は、短寸のクイルシャフ
トを備えた複合シャフトのダイナミック特性を利用し、
軸受／サスペンションにより被通過臨界（すべての剛体
臨界）を十分制動することを可能として、回転機構を、
アセンブリとしてバランス調整する必要をなくすことで
ある。
【００４１】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クシャフトにより第１の剛性シャフトから第２の剛性シ
ャフトに伝達される結合弾性度が、フレキシブルディス
クシャフトにより第２の剛性シャフトから第１の剛性シ
ャフトに伝達される結合弾性度の１００倍を超えるよう
にすることである。これらの結合弾性度は、剛性シャフ
トの一方を全体の測定基準位置に取り付け、ついで力を
加え、ジャーナル軸受の、フレキシブルディスク部材に
最も近い軸方向位置において、他方の剛性シャフトの偏
向を測定することにより決定できる。いわば、第１の剛
性シャフトは、自身が２つのジャーナル軸受により支持
されていることを承知できる構成を有しているが、第２
の剛性シャフトの径方向運動についてはほどほどにしか
認識できない構成を有している。一方、第２の剛性シャ
フトは、自身が２つのジャーナル軸受により支持されて
いることを認識できる構成を備えているが、第１の剛性
シャフトの径方向運動については十分に認識できる構成
を有している。
【００４２】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クシャフトのたわみ特性を利用し、複合シャフトを支持
する３つのジャーナル軸受のかなりの不揃いを許容する
ことである。複合シャフトは、３つのジャーナル軸受に
より支持された剛体単体シャフトにより許容し得る不揃
いレベルの１００倍を、軸受負荷限界を越えることな
く、許容し得る。
【００４３】本発明の別の目的は、単体シャフトを支持
するために一般的に用いられる２つのジャーナル軸受
や、万能ジョイントにより剛性シャフトの各々に取り付
けられる軽量シャフトにより連結された複合シャフトを
支持するために一般的に用いられる４つのジャーナル軸
受でなく、３つのジャーナル軸受を用いて複合シャフト
を支持することである。
【００４４】本発明の別の目的は、フレキシブルディス
クシャフトの軸方向力伝達能力を利用し、１つの剛性シ
ャフトのみに搭載される１つの双方向スラスト軸受のみ
を用いて複合シャフトのすべてのシャフトの軸方向位置
を制御することを可能とすることである。
【００４５】本発明の別の目的は、第１のたわみ臨界の
ノードの軸方向近傍に配置された回転ディスク（例え
ば、タービン背面）上の比較的大きな半径範囲に搭載さ
れた１つ以上の慣性質量リングを利用して、当該臨界の
振動数を増加させることである。
【００４６】本発明の別の目的は、コンプライアントフ
ォイル流体力学的流体膜ジャーナル（ラジアル）軸受と
コンプライアントフォイル流体力学的流体膜スラスト軸
受により支持することのできる、特に、本発明の複合シ
ャフトに固有の、これらの軸受のための組み込み回転面
を備えた複合シャフトを提供することである。
【００４７】本発明の別の目的は、永久磁石モータおよ
び／またはジェネレータの回転要素である永久磁石を同
軸的に取り囲んで支持するスリーブから構成される第１
の剛性シャフトを備えた複合シャフトを提供することで
ある。
【００４８】本発明の別の目的は、２つのコンプライア
ントフォイル流体力学的流体膜ジャーナル（ラジアル）
軸受のための回転要素としてかつ永久磁石モータロータ
の外表面として機能できる外径面をもつ第１の剛性シャ
フトを備えた複合シャフトを提供することである。
【００４９】本発明の別の目的は、シャフトの曲げ剛性
と第１のたわみ臨界振動数を増加させるために補剛スリ
ーブを内部に設けた第１の剛性シャフトを備えた複合シ
ャフトを提供することである。
【００５０】本発明のさらなる目的および利点は図面を
参照した本発明の実施例の説明から明らかになる。
【００５１】
【課題を解決するための手段】本発明において、複合シ
ャフトは、一対のジャーナル軸受により回転可能に支持
された第１の剛性シャフトと、１つのジャーナル軸受お
よび双方向スラスト軸受により回転可能に支持されたパ
ワーヘッドシャフトすなわち第２の剛性シャフトと、フ
レキシブルディスクシャフトとを備えている。フレキシ
ブルディスクシャフトは連結ロッドを有し、この連結ロ
ッド上には、コンプレッサホイールと、軸受ロータと、
タービンホイールとを備えた第２の剛性シャフトが離脱
可能に搭載されている。フレキシブルディスクシャフト
は、フレキシブルディスクおよびクイルシャフトにより
第１の剛性シャフトに締まり嵌め結合され、これによ
り、第１および第２の剛性シャフト間の平行移動や回転
移動を防ぎ、しかも第１の剛性シャフトに対する第２の
剛性シャフトのたわみを許容している。
【００５２】一態様において、略カップ状のフレキシブ
ルディスク部材と短寸のクイルシャフトは、フレキシブ
ルディスクシャフトの一端にある。カップ状のフレキシ
ブルディスク部材は、第１の剛性シャフトの対応する端
部、たとえば、永久磁石を収容したスリーブ上に締まり
嵌めする。複合シャフトの弾性度を制御するため、複数
個の離間した穴すなわちスロットが、カップ状のフレキ
シブルディスク部材の基部すなわちディスクに設けられ
ている。あるいは、フレキシブルディスクがテーパ状の
厚みをもつようにしてもよい。別の態様において、フレ
キシブルディスクは、永久磁石を収容した第１のシャフ
トのスリーブ内に締まり嵌めされる。
【００５３】３つのジャーナル軸受を備えたターボ機械
のための複合シャフトは、２つのジャーナル軸受により
支持された第１の剛性シャフトと、１つのジャーナル軸
受および１つの双方向スラスト軸受により支持された第
２の剛性シャフトと、第１および第２の剛性シャフトを
連結するフレキシブルディスクシャフトを含む。フレキ
シブルディスクシャフトは、第１および第２の剛性シャ
フトを動作的に結合するものであり、非線形トラニオン
クロックスプリングに平行な低ヒステリシスジョイント
として機能する金属たわみディスクを利用している。フ
レキシブルディスクシャフトは、第１の剛性シャフトか
ら第２の剛性シャフトへ逆転サポートを伝達し、第２の
剛性シャフトから第１の剛性シャフトへスラスト軸受サ
ポートを伝達する。フレキシブルディスクシャフトによ
り、複合シャフトにおいて、３つのジャーナル軸受が直
線軸から大きくずれることが許容可能となる。複合シャ
フト（特にフレキシブルディスクの軸方向位置）のダイ
ナミック特性は、ターボ機械の剛体臨界およびたわみ臨
界の振動数を調整するのに用いられる。すべての剛体臨
界振動数は、機械の最大動作速度より２０パーセント下
に設定できる。すべてのたわみ臨界振動数は、機械の最
大動作速度より３５パーセント上に設定できる。複合シ
ャフトがコンプライアントフォイル流体力学的流体膜軸
受（ジャーナルおよびスラストの両方）により支持され
ている場合には、すべての被通過ロータ臨界は極めて良
好に制動され（２．５未満のディメンションレス制動係
数Ｑ）、すべての臨界（被通過剛体臨界および非通過た
わみ臨界の両方）をバランスさせる必要はない。
【００５４】第１の剛性シャフトとして、永久磁石モー
タ／ジェネレータのための磁石を内部に搭載した中空ス
リーブを用いることができる。この永久磁石シャフト
は、そのスリーブの外径を、モータ／ジェネレータのロ
ータ外径として、且つ、永久磁石シャフトの端部に搭載
された２つの離間したコンプライアントフォイル流体力
学的流体膜ジャーナル軸受のための回転面として、機能
させることができる。永久磁石シャフトに、軽量化のた
めの、および、冷却空気流を誘導するための中空端部を
もたせても良い。第１の剛性シャフトの、フレキシブル
ディスクシャフトに最も近い側の中空端部に、補剛スリ
ーブを挿入して、第１のたわみ臨界の振動数を増加させ
ることもできる。たわみ臨界についてのノードの軸方向
位置において（たとえば、タービンホイールの背面を通
って）、慣性質量リングを複合シャフトに取り付け、当
該臨界の振動数を増加させることもできる。
【００５５】
【発明の実施の形態】本発明の複合シャフトを用いたタ
ーボ機械の例として、永久磁石ターボジェネレータ１０
を図１に示す。永久磁石ターボジェネレータ１０は、永
久磁石ジェネレータ１２と、パワーヘッド１３と、燃焼
器１４とを備えている。
【００５６】永久磁石ジェネレータ１２は、永久磁石ロ
ータすなわちスリーブ１６を含み、その内部には永久磁
石１７が配置されている。永久磁石ロータすなわちスリ
ーブ１６は、一対の離間したジャーナル軸受１９および
２０により、永久磁石ステータ１８の内部に回転可能に
支持されている。永久磁石ステータ１８は、永久磁石ス
テータ端部２２および２３の間に設けられた永久磁石電
気巻線２１を有している。ラジアル永久磁石ステータ冷
却フィン２５が円筒スリーブ２７に収容され、環状空気
流通路を形成し、永久磁石ステータ１８を冷却すること
によりパワーヘッド１３に至る途中で通過する空気を予
熱している。
【００５７】永久磁石スリーブ１６および永久磁石１７
との組合せにより、回転可能な永久磁石シャフト２８が
構成され、これは第１の剛性シャフトとも呼ばれる。永
久磁石１７は、永久磁石スリーブ１６に径方向締まり嵌
め状態で挿入されるが、これは、永久磁石スリーブ１６
の加熱と永久磁石１７の超冷却、油圧圧縮、加圧潤滑
液、永久磁石スリーブ１６の内径および／または永久磁
石１７の外径のテーパ加工、その他類似の方法、あるい
はこれらの組合せなど、多くの従来の技術を用いて行な
われる。
【００５８】永久磁石ターボジェネレータ１０のパワー
ヘッド１３は、コンプレッサ３０とタービン３１を備え
ている。コンプレッサホイール３２を有するコンプレッ
サ３０は、永久磁石ステータ１８のまわりの円筒スリー
ブ２７内の環状空気流通路から予熱された空気を受けと
るものであり、タービン３１により駆動される。タービ
ン３１はタービンホイール３３を有し、タービンホイー
ル３３は、復熱器１５から空気を供給される燃焼器１４
からの加熱排気ガスを受けとる。コンプレッサホイール
３２およびタービンホイール３３は、軸受ロータディス
ク３７を備えた軸受ロータ３６上に設けられる。軸受ロ
ータ３６は、パワーヘッドハウジング３９内で１つのジ
ャーナル軸受３８により回転可能に支持される。軸受ロ
ータディスク３７は、スラスト軸受の１つの要素を軸受
ロータディスク３７のいずれかの側に配した双方向スラ
スト軸受によって回転可能に支持される。変換構造２９
が円筒スリーブ２７に溶接され、複数個の離間したボル
ト４２によりパワーヘッドハウジング３９にボルト止め
されている。
【００５９】ジャーナル軸受１９、２０、３８は、好ま
しくは、コンプライアントフォイル流体力学的流体膜型
の軸受であり、その一例はＲｏｂｅｒｔ Ｗ． Ｂｏｓ
ｌｅｙにより１９９４年４月１８日に出願された「コン
プライアントフォイル流体力学的流体膜ラジアル軸受」
と題する米国特許出願第０８／２２９，２０５号に詳し
く記載されている。スラスト軸受も、好ましくは、コン
プライアントフォイル流体力学的流体膜型の軸受であ
る。この種の軸受は、Ｒｏｂｅｒｔ Ｗ． Ｂｏｓｌｅ
ｙにより１９９４年１２月２３日に出願された「コンプ
ライアントフォイル流体力学的流体膜スラスト軸受」と
題する米国特許出願第０８／３６３，５４０号に示され
ている。
【００６０】永久磁石シャフト２８を図２に拡大して示
す。永久磁石スリーブ１６のパワーヘッド側端部２４の
外径は、永久磁石スリーブ１６の残りの部分の外径より
もやや小さくてもよい。永久磁石スリーブ１６には、そ
のパワーヘッド側端部に内部補剛スリーブ３４を設けて
もよく、これは、非磁性Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８スチール
などの材料から製造できる。永久磁石１７は、サマリウ
ムコバルト、ネオジミウム−鉄−ボロン、その他の永久
磁石材料から製造される。さらに、円筒真鍮プラグ（図
示せず）を永久磁石１７のいずれかの端部に設けてもよ
い。
【００６１】フレキシブルディスクシャフト４０を図３
〜図５に拡大図で示す。このフレキシブルディスクシャ
フト４０には、連結ロッド４３の一端に、フレキシブル
ディスク部材４７と、短寸のテーパ状クイルシャフト即
ち伝動シャフト５０と、フランジ４５とが設けられてい
る。連結ロッド４３の反対側の端部にはねじ山が設けら
れ、ナット４１を受け止める。クイルシャフト５０は、
フランジ４５からフレキシブルディスク部材４７に向か
ってテーパ形状に加工されている。
【００６２】フレキシブルディスク部材４７は、略カッ
プ状で、フレキシブルディスク４６および円筒形側面４
８とを有している。フレキシブルディスク４６には、フ
レキシブルディスク４６を貫通して延在する複数個の離
間した穴４９が設けられている。穴４９の大きさと、数
と、位置とを選択することにより、フレキシブルディス
ク４６の弾性度特性を制御し、トラニオン軟弾性度特性
および複合シャフトの回転軸に直交する方向におけるラ
ジアル並進剛弾性度特性とを保証する。フレキシブルデ
ィスク４６は、第１の剛性シャフト上に締まり嵌め状態
で組立てられる間は、径方向に一般的には広げられては
ならない。これは、フレキシブルディスク４６の弾性度
とロータ臨界の振動数を変えてしまうからである。
【００６３】図２の永久磁石シャフト２８と図３〜図５
のフレキシブルディスクシャフト４０とは、図６に示さ
れるように組立てられる。フレキシブルディスクシャフ
ト４０のカップ状のフレキシブルディスク部材４７の円
筒形側面４８は、永久磁石シャフト２８のパワーヘッド
端部２４に締まり嵌め状態で嵌着する。締まり嵌めと
は、０．０００２〜０．００５インチの締めしろを意味
する。
【００６４】図７に示されるように、コンプレッサホイ
ール３２のハブ６６と、軸受ロータディスク３７を含む
軸受ロータ３６と、タービンホイール３３のハブ６７と
は組合されてパワーヘッドシャフト３５を構成し、各々
が中心開口を有し、フレキシブルディスクシャフト４０
の連結ロッド４３上に装着される。パワーヘッドシャフ
ト３５は、ナット４１により、連結ロッド４３上に圧縮
状態で保持されている。
【００６５】図８〜図１０は、図３〜図５のフレキシブ
ルディスクシャフトに用いられる３つの別のフレキシブ
ルディスク部材をそれぞれ示す。これらの例では、ディ
スクを貫通する穴や螺旋スロットを設けることによりフ
レキシブルディスクの可撓性を得るかわりに、ディスク
の厚さを、フレキシブルディスク部材の円筒形側面から
ディスクの中心線に向かって増加させている。図８にお
いて、ディスク９１は、クイルシャフト５０側の平坦な
外表面９２と、テーパ状の内表面９３とを有している。
図９において、フレキシブルディスク９４は、テーパ状
の外表面９５と、平坦な内表面９６とを有している。図
１０のフレキシブルディスク９７では、外表面９８と内
表面９９の両方ともテーパ状をなしている。
【００６６】図１１〜図１３には、複合シャフトの別の
変形例が示されている。この例においては、図１１に示
すように、フレキシブルディスクシャフト５１は、永久
磁石５４を収容した永久磁石スリーブ５３の内部に締ま
り嵌めされたフレキシブルディスク部材５８を有してい
る。フレキシブルディスク部材５８は、フレキシブルデ
ィスク６４とリム５９とを有し、ディスク６４には複数
個（図では４個）の螺旋スロット６１が設けられてい
る。ディスク６４とフランジ６３の間のテーパ状のクイ
ルシャフト６２は、先に述べた実施例よりも長く延びて
いる。連結ロッド５５の反対側の端部５７は、パワーヘ
ッドシャフト３５（図７）を支持するものであり、ナッ
ト４１を受けとめるようにねじ山が形成されている。
【００６７】図１４〜図１７には、別のフレキシブルデ
ィスクシャフト７２が示されている。フレキシブルディ
スク部材７３は、リム７４と、５個の螺旋スロット７５
を有するフレキシブルディスク７７とを備えている。螺
旋スロット７５の各々は、リム７４側の拡幅端部７６以
外では、ほぼ一定の幅を有している。この構成により、
拡幅端部７６の領域における応力は緩和される。フレキ
シブルディスク７７とフランジ８１の間のクイルシャフ
ト８２は、この実施例のフレキシブルディスクシャフト
７２ではさらに長く延びており、且つ、ロッド７０がフ
ランジ８１から延在している。図１１〜図１３のフレキ
シブルディスク部材５８が永久磁石スリーブ５３内に短
い距離だけ締まり嵌めされているのに対し、図１４〜図
１６のフレキシブルディスク部材７３は、永久磁石スリ
ーブ５３内により深く、ほとんど永久磁石５４に接触す
るまで締まり嵌めされるように設計されている。フレキ
シブルディスク部材７３の軸方向位置は、複合シャフト
の臨界振動数を変化させ、フレキシブルディスク部材７
３が磁石５４にどのくらい接近しているかに応じて異な
るバランス調整技術が要求される。永久磁石スリーブ５
３の内径をわずかにテーパ状とし、フレキシブルディス
ク部材７３を永久磁石スリーブ５３内に深く挿入しやす
くしてもよい。
【００６８】フレキシブルディスク部材５８または７３
のどちらも、図１７および図１８に示すように、略ドラ
ム形状を有していてもよい。フレキシブルディスク部材
のこの変形例は参照番号８４で示され、ドラムヘッド８
６と側面８５とを有している。ドラムヘッド８６は、複
数個の（図では４個の）螺旋スロット８７を有し、各螺
旋スロット８７は、側面８５にフレア型開口８８を有
し、側面８５に沿ってかなりの距離延在している。側面
８５の外径は、図１８に示すように、開口端においてわ
ずかにフレア状をなし、永久磁石スリーブ５３内への挿
入を容易にしている。しかしながら、このドラム型は、
どちらの端部において開口していてもよい。すなわち、
開口端は、永久磁石５４側に面していても永久磁石５４
から離れた側に面していてもよい。ドラムヘッド８６の
中心のさら穴９０は、螺旋スロット８７の間のドラムヘ
ッド８６に設けられたウエブに対して応力が容易に加わ
るようにするものである。
【００６９】さらに、フレキシブルディスク部材５８お
よびは７３はそれぞれ、フレキシブルディスクを有し、
図１９〜図２１に示すように、フレキシブルディスク
は、リムからディスクの中心線方向に厚さを増す。図１
９に示されたフレキシブルディスク１１０はクイルシャ
フト５０側の平坦面１１１と、クイルシャフト５０から
離れた側のテーパ面１１２とを有している。図２０に示
されたフレキシブルディスク１１３では、クイルシャフ
ト５０側にテーパ面１１４が形成され、クイルシャフト
５０から離れた側に平坦面が形成されている。図２１の
フレキシブルディスク１６においては、表面１１７およ
び１１８の両面ともテーパ状に形成されている。
【００７０】図２２は、タービンロータ３３を示し、こ
のタービンロータ３３は、ロータ３３の背面上の径方向
外側位置において質量を増加させるような慣性リング６
０を有している。この慣性リング６０は、ロータ３３上
の適当な領域に成形することができ、この領域において
質量を増加させる。ロータ３３の背面は第１のたわみ臨
界のノードもしくはその近傍にあるのが一般的であるた
め、径方向に延在した位置における増加した質量は、ノ
ードにおけるジャイロスコープ的剛性を提供し、第１の
たわみ臨界の振動数を増加させる。
【００７１】以上、本発明の複合シャフトを備えたター
ボ機械の種々の構成要素について説明したが、次に、そ
の組立と、取り付けと、動作について説明する。まず、
円筒形を有しかつ円筒軸に直交する磁性軸を有する未磁
化サマリウムコバルト永久磁石の各端部に、薄い真鍮デ
ィスクを接着する。つぎに、真鍮端片を備えたこの永久
磁石アセンブリを研磨して正確な外径を得る。ついで、
この永久磁石アセンブリを、加熱組立法その他の従来の
方法により、永久磁石アセンブリの外径よりも僅かに小
さい内径をもつ中空永久磁石スリーブ内に設置する。そ
の結果としての径方向締まり嵌めにより、永久磁石アセ
ンブリと永久磁石スリーブがターボ機械に用いられて回
転により誘起される重力的なフィールド内で生じる引っ
張り応力によって永久磁石が割れることが防止される。
永久磁石スリーブは、永久磁石アセンブリよりも長いた
め、永久磁石アセンブリをその内部に設置したとき、永
久磁石スリーブは中空の端部をもつことになる。内部補
剛スリーブは、径方向締まり嵌め状態で一方の中空端部
内に押し込まれ、複合シャフトロータアセンブリの第１
のたわみ臨界モードにより生じる曲りに抗して永久磁石
スリーブを補剛する。つぎに、永久磁石アセンブリの外
表面を研磨により輪郭加工する。ついで、このアセンブ
リは１つのコンポーネントとしてバランス調整され、そ
の後永久磁石が磁化される。得られた永久磁石シャフト
は、本発明の第１の剛性シャフトの具体例である。つぎ
に、フレキシブルディスクシャフトが、内部補剛スリー
ブをもつ第１の剛性シャフトの端部に、締まり嵌め状態
で押圧される。
【００７２】コンプライアントフォイル流体力学的流体
膜ジャーナル軸受を、ターボ機械のパワーヘッドハウジ
ング内に設置する。双方向コンプライアントフォイル流
体力学的流体膜スラスト軸受の一方の部分をパワーヘッ
ドハウジングの表面に取り付ける。軸受ロータ（回転ス
ラストディスクを備えた）をジャーナル軸受内に設置
し、パワーヘッド内に搭載されたもしくは取り付けられ
たスラスト軸受の半分に当接させる。スラスト軸受の第
２の部分を、パワーヘッドアセンブリ内に設置し、軸受
ロータのスラストディスクを収容させる。つぎに、コン
プレッサホイールと軸受ロータとをパイロット直径を合
わせ締まり嵌めしてアーバープレスすることにより、コ
ンプレッサホイールを軸受ロータの一端に取り付ける。
ついで、タービンホイールと軸受ロータの締まり嵌め用
パイロット直径をアーバープレスすることにより、ター
ビンホイールを軸受ロータの他端に取り付ける。これに
より第２の剛性シャフトと、パワーヘッドの組立が、コ
ンプレッサシュラウドとタービンシュラウドを除いて、
完成する。
【００７３】永久磁石モータ／ジェネレータのステータ
は、加熱組立法により、ステータ冷却フィン構造内に径
方向締まり嵌め状態で設置される。フィン構造は、加熱
組立法により、モータ／ジェネレータハウジング円筒ス
リーブ内に径方向締まり嵌め状態で設置される。加熱組
立法あるいはアーバー／油圧プレス法のいずれかによ
り、軸受カートリッジリテーナ（２個）を、フィン構造
内に径方向締まり嵌め状態で設置する。すべり嵌め法に
より、コンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
ーナル軸受（２個）を、カートリッジリテーナ内に設置
し、ワッシャーおよびテーパ状スナップリングにより固
定する。つぎに、作りつけのコンプレッサシュラウドを
備えたモータ／ジェネレータハウジングを組立てたもの
を、パワーヘッドアセンブリにボルト止めする。第１の
剛性シャフトおよびフレキシブルディスクシャフトを組
立てたものを、モータ／ジェネレータハウジングに挿通
して第２の剛性シャフト（コンプレッサ、軸受ロータ、
タービン）とパワーヘッド内に挿入し、ナットを用いて
所定位置に固定し、コンプレッサ、軸受ロータ、タービ
ンを圧縮状態で配置する。つぎに、タービンシュラウド
を設置し、燃焼器と復熱器（熱交換器）を取付けてター
ボ機械（ターボジェネレータ）アセンブリが完成する。
【００７４】ターボジェネレータは、通常、アセンブリ
のバランス調整を必要としない。動作に入る前にロータ
のバランス状態を決定するためにチェックを行なう必要
すらない。通常、ターボ機械を運転する場合、機械が２
０，０００ｒｐｍを超えて加速される場合には、すべて
の剛体臨界を越えることになる。最後に越える臨界のた
めの制動率Ｑ（ディメンションレス）（臨界までに保存
される共振エネルギーを、ロータ１回転ごとに制動によ
り散逸する共振エネルギーにより除算したものとして定
義される）は通常わずか２．３である。その他の被通過
臨界は、通常、もっとよく制動される。たわみ臨界を通
過する必要はない。動作速度は９６，０００ｒｐｍであ
る。第１のたわみ臨界速度は１３０，０００ｒｐｍを超
える。
【００７５】図２３のグラフは、ｘ軸に偏向、ｙ軸に力
をとったグラフであり、直線Ｂは線形弾性度を示す。曲
線Ａは部分Ａ”を含み、この部分Ａ”においては、線形
小偏向プレートトラニオン弾性度メカニズムが支配的で
あり、部分Ａ´においては、弾性度は、非線形大偏向プ
レートトラニオンおよびドラムヘッドテンションメカニ
ズムにより支配される。曲線Ｃ、Ｄ、Ｅの各々は、座屈
依存性弾性度メカニズムを示す。曲線Ｃは、フレキシブ
ルディスクの外縁部に低レベルの径方向圧縮応力が加わ
る場合を示し、その結果、低偏向度においてトラニオン
弾性度が減少する。曲線Ｄは、中程度の圧縮応力の結果
として、わずかに正の弾性度が得られる場合を示す。曲
線Ｅは、高レベルの径方向圧縮応力の結果、低偏向度に
おいて負のトラニオン弾性度が得られる場合を示す。こ
れらの曲線のアルファベット順は、正の弾性度が減少す
る順序を示している。フレキシブルディスクリムの永久
磁石スリーブ内への径方向締まり嵌めの程度を増加させ
ることは、直接的には圧縮応力を増加させ、間接的には
不揃いに対する軸受の許容度とロータ臨界振動数を制御
する。負の弾性度を有するフレキシブルディスクシャフ
トのトラニオン弾性特性により支配されるロータ臨界
は、ゼロの振動数（臨界は現れない）を有することにな
る。これらの曲線のすべては図１１および図１４に示さ
れたフレキシブルディスクシャフトにあてはまるが、曲
線ＡおよびＢだけは図３〜図５に詳しく示したフレキシ
ブルディスクシャフトにも適用される。
【００７６】図２４（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、水
平方向にシャフト速度をとり、垂直方向にシャフトの
「ランアウト（逃げ）」をプロットした図である。図２
４ａは、２個のジャーナル軸受により支持された単体ユ
ニットターボ機械シャフトについての典型的な「ランア
ウト」パターンを示す。剛体臨界１００およびたわみ臨
界１０１は両方とも、この従来のターボ機械について設
定された動作速度範囲内にあり、シャフトがこれらの臨
界を、特にたわみ臨界１０１をうまく越えるためにはか
なりのバランス調整および制動が必要となる。
【００７７】これは、本発明の複合シャフトを用いた状
態（図２４（ｂ））とは対照的である。すなわち、本発
明の複合シャフトにおいては、第１の剛性シャフトが一
対の離間したジャーナル軸受により支持されており、第
２の剛性シャフトがフレキシブルディスクシャフトを介
して第１の剛性シャフトに連結され、且つ、１つのジャ
ーナル軸受により支持されている。３つの剛体臨界１０
４、１０５、１０６は全て十分に制動され動作速度範囲
よりも低いレベルにある。たわみ臨界１０７は、ターボ
機械の動作速度範囲を越えた速度において生じている。
たわみ臨界１０７と最高の剛体臨界１０６の速度比は
８：１である。
【００７８】図２５〜図２８は、図２４（ｂ）の臨界１
０４、１０５、１０６、１０７を概略的に説明するため
のコンピュータによる表示である。図２５に示す第１の
剛体臨界１０４は、約９，０００ｒｐｍの低振動数と、
中程度の不均衡およびランアウト欠陥レベルをもつ。図
２６に示した第２の剛体臨界１０５は、約１４，０００
ｒｐｍで発生する。図２７の第３の剛体臨界１０６は、
約２１，０００ｒｐｍで発生する。図２８は、１３０，
０００ｒｐｍ以上において発生する第１のたわみ臨界を
示す。これらの図はそれぞれ、静止した複合シャフト及
びその位置をＳで示し、臨界の速度において変位した複
合シャフト及びその位置をＴで示している。第１および
第２のシャフトは剛性として説明したが、これは相対的
な用語であり、第１のたわみ臨界より低いレベルにおい
てのみあてはまる。第１のたわみ臨界の高速度におい
て、これら２つのシャフトの曲りは、図２８に示すよう
に発生する。
【００７９】第１および第２の剛性シャフト間の連結部
におけるたわみ構造、すなわち、フレキシブルディスク
シャフトは、いずれかの剛性シャフトが他方の剛性シャ
フトにモーメントを伝えるのを防ぐ。第１の剛性シャフ
トは、第２の剛性シャフトの存在を実際には感知しな
い。第２の剛性シャフト自身は、第１の剛性シャフトの
パワーヘッド側端部のジャーナル軸受に一体的に連結さ
れているものと等価な状態となっている。パワーヘッド
シャフトのジャーナル軸受と、永久磁石シャフトすなわ
ち第１の剛性シャフトのパワーヘッド側ジャーナル軸受
は、本質的に、パワーヘッドシャフトを支持し、逆転運
動とロータの擦れを防ぐ。
【００８０】本発明の複合シャフトは、ロータの剛体臨
界およびたわみ臨界振動数の調整やシフトを可能とす
る。このことは、ターボ機械シャフトの動作速度範囲の
選択の際における自由度を与える。多くの場合、通常の
動作中に越える必要のある剛体臨界やたわみ臨界がない
ような広い動作範囲を確保することが望ましい。この広
がりは、剛体臨界振動数を低減し、第１のたわみ臨界振
動数を増大することにより達成される。剛体臨界振動数
および第１のたわみ臨界振動数に影響し得る要因は数多
くある。たとえば、フレキシブルディスク部材とフレキ
シブルディスクシャフトの間のクイルシャフトの長さ
は、第１のたわみ臨界振動数に大きく影響する。クイル
シャフトが短ければ短いほど、振動数は高くなる。第１
の剛体シャフトロータスリーブ内の内部補剛スリーブ
は、第１のたわみ臨界振動数を８，０００ｒｐｍ以上に
増加させることができる。フレキシブルディスクに設け
た穴やスロットの数、種類、大きさ、位置やフレキシブ
ルディスクの厚さの変化により、複合シャフトにおける
弾性度と、不揃いに対する軸受の許容度と、剛体臨界振
動数が制御される。
【００８１】以上、本発明を実施例を用いて説明した
が、これらの実施例は単なる例としてとりあげたものに
すぎない。複合シャフトを永久磁石ターボジェネレータ
に用いるものとして説明したが、本発明の複合シャフト
は、複合シャフトを用いるまたは必要とするいかなるタ
ーボ機械や回転機械にも適用可能であることは言うまで
もない。本発明は以上の実施例に限定されるものではな
く、その適正な範囲は請求の範囲により定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合シャフトを有するターボ機械の断
面図である。
【図２】図１のターボ機械の複合シャフトの永久磁石シ
ャフト即ち第１の剛性シャフトの拡大断面図である。
【図３】図１のターボ機械の複合シャフトのフレキシブ
ルディスクシャフトの平面図である。
【図４】図３のフレキシブルディスクシャフトの端面図
である。
【図５】図４のフレキシブルディスクシャフトの線５−
５に沿った断面図である。
【図６】図２の永久磁石シャフトと締まり嵌めされた図
３〜図５のフレキシブルディスクシャフトの一部切り欠
き平面図である。
【図７】図２の永久磁石シャフトと締まり嵌めされ、フ
レキシブルディスクシャフトの連結ロッドに離脱可能に
設けられたパワーヘッドシャフトすなわち第２の剛性シ
ャフトを有する図３〜図５のフレキシブルディスクシャ
フトの平面図である。
【図８】図３〜図５のフレキシブルディスクシャフトに
用いられる別のフレキシブルディスク部材の断面図であ
る。
【図９】図３〜図５のフレキシブルディスクシャフトに
用いられるさらに別のフレキシブルディスク部材の断面
図である。
【図１０】図３〜図５のフレキシブルディスクシャフト
に用いられるさらに別のフレキシブルディスク部材の断
面図である。
【図１１】本発明の複合シャフトの別の実施例を示す部
分断面平面図である。
【図１２】図１１のフレキシブルディスクシャフトの拡
大端面図である。
【図１３】図１２のフレキシブルディスクシャフトの線
１３−１３に沿った断面図である。
【図１４】図１１の別の複合シャフトに用いられる別の
フレキシブルディスクシャフトの平面図である。
【図１５】図１４のフレキシブルディスクシャフトの拡
大端面図である。
【図１６】図１５のフレキシブルディスクシャフトの線
１６−１６に沿った断面図である。
【図１７】図１４の別のフレキシブルディスクシャフト
のさらなる拡大端面図である。
【図１８】図１７の別のフレキシブルディスクシャフト
の線１８−１８に沿った断面図である。
【図１９】図１１および図１４のフレキシブルディスク
シャフトに用いられる別のフレキシブルディスク部材の
断面図である。
【図２０】図１１および図１４のフレキシブルディスク
シャフトに用いられるさらに別のフレキシブルディスク
部材の断面図である。
【図２１】図１１および図１４のフレキシブルディスク
シャフトに用いられるさらに別のフレキシブルディスク
部材の断面図である。
【図２２】図１のタービンロータの拡大断面図である。
【図２３】本発明の複合シャフトのフレキシブルディス
クシャフトについての、力対偏向を示すグラフである。
【図２４】（ａ）は先行技術の典型的な単体シャフトに
ついて「ランアウト」対速度を示すグラフ、（ｂ）は本
発明の複合シャフトについて「ランアウト」対速度を示
すグラフである。
【図２５】第１の剛体臨界を通過した本発明の複合シャ
フトを示すコンピュータによる表示である。
【図２６】第２の剛体臨界を通過した本発明の複合シャ
フトを示すコンピュータによる表示である。
【図２７】第３の剛体臨界を通過した本発明の複合シャ
フトを示すコンピュータによる表示である。
【図２８】第１のたわみ臨界を通過した本発明の複合シ
ャフトを示すコンピュータによる表示である。
【符号の説明】
１０ 永久磁石ターボジェネレータ １２ 永久磁石ジェネレータ １３ パワーヘッド １４ 燃焼器 １６ 永久磁石ロータまたはスリーブ １７ 永久磁石 １８ 永久磁石ステータ １９、２０ ジャーナル軸受 ２１ 永久磁石電気巻線 ２２、２３ 永久磁石ステータ端部 ２４ パワーヘッド側端部（永久磁石スリーブ１６
の） ２５ ラジアル永久磁石ステータ冷却フィン ２７ 円筒スリーブ ２８ 永久磁石シャフト ２９ 変換構造 ３０ コンプレッサ ３１ タービン ３２ コンプレッサホイール ３３ タービンホイールすなわちタービンロータ ３４ 内部補剛スリーブ ３５ パワーヘッドシャフト ３６ 軸受ロータ ３７ 軸受ロータディスク ３８ ジャーナル軸受 ３９ パワーヘッドハウジング ４０ フレキシブルディスクシャフト ４１ ナット ４２ ボルト ４３ 連結ロッド ４５ フランジ ４６ フレキシブルディスク ４７ フレキシブルディスク部材 ４８ 円筒側面 ４９ 穴 ５０ クイルシャフト ５１ フレキシブルディスクシャフト ５３ 永久磁石スリーブ ５４ 永久磁石 ５７ タイロッド５５の端部 ５８ フレキシブルディスク部材 ５９ リム ６０ 慣性リング ６１ 螺旋スロット ６２ クイルシャフト ６３ フランジ ６４ フレキシブルディスク ６６ ハブ ６７ ハブ ７０ 連結ロッド ７２ フレキシブルディスクシャフト ７３ フレキシブルディスク部材 ７４ リム ７５ 螺旋スロット ７６ 拡幅端部 ７７ フレキシブルディスク ８１ フランジ ８２ クイルシャフト ８４ フレキシブルディスク ８５ 側面（フレキシブルディスク８４の） ８６ ドラムヘッド ８７ 螺旋スロット ８８ フレア状開口 ９０ さら穴 ９１ ディスク ９２ 平坦な外表面 ９３ テーパ状の内表面 ９４ フレキシブルディスク ９５ テーパ状の外表面 ９６ 平坦な内表面 ９７ ディスク ９８ テーパ状の外表面 ９９ テーパ状の内表面 １１０ フレキシブルディスク １１１ 平坦な表面 １１２ テーパ状の表面 １１３ フレキシブルディスク １１４ テーパ状の表面 １１６ フレキシブルディスク １１７ テーパ状の表面 １１８ テーパ状の表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596065186 6025 Ｙｏｌａｎｄａ Ａｖｅｎｕｅ，Ｔ ａｒｚａｎａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ 91356 Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１及び第２の剛性シャフト間に、機械
    的に結合されるべきフレキシブルディスクシャフトにお
    いて、 前記第１の剛性シャフトに機械的に結合されるべきフレ
    キシブルディスクと、 前記第２の剛性シャフトに機械的に結合されるべき連結
    ロッドと、 前記フレキシブルディスクと前記連結ロッドとの間に設
    けられたクイルシャフトとを備えていることを特徴とす
    るフレキシブルディスクシャフト。
  2. 【請求項２】 複数の軸受と結合して使用される複合シ
    ャフトにおいて、一対の離間して設けられた前記軸受の
    ２つにより回転可能に支持される第１の剛性シャフト
    と、 前記第１の剛性シャフトに対して動作可能に連結された
    フレキシブルディスク、クイルシャフト、及び、連結ロ
    ッドとを備えたフレキシブルディスクシャフトと、 前記軸受の一つによって回転可能に支持されると共に、
    前記フレキシブルディスクの連結ロッド上に着脱自在に
    連結された第２の剛性シャフトとを備えていることを特
    徴とする複合シャフト。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記第１及び第２の
    剛性シャフトを支持するための軸受は、ジャーナル軸受
    であることを特徴とする複合シャフト。
  4. 【請求項４】 請求項３において、前記ジャーナル軸受
    は、コンプライアントフォイル流体力学的流体膜軸受で
    あることを特徴とする複合シャフト。
  5. 【請求項５】 請求項２又は３において、前記第１及び
    第２の剛性シャフトの一つが、更に、双方向スラスト軸
    受によって支持されることを特徴とする複合シャフト。
  6. 【請求項６】 請求項５において、前記双方向スラスト
    軸受は、コンプライアントフォイル流体力学的流体膜軸
    受であることを特徴とする複合シャフト。
  7. 【請求項７】 請求項２乃至６のいずれかにおいて、上
    記フレキシブルディスクシャフトの上記フレキシブルデ
    ィスクは、複合シャフト軸に直交するトラニオン軟弾性
    特性および径方向並進剛弾性特性を有することを特徴と
    する複合シャフト。
  8. 【請求項８】 請求項２乃至７のいずれかにおいて、上
    記フレキシブルディスクシャフトの上記フレキシブルデ
    ィスクは、上記第１の剛性シャフトに締まり嵌めされる
    ことを特徴とする複合シャフト。
  9. 【請求項９】 請求項２乃至８のいずれかにおいて、前
    記第１の剛性シャフトは、永久磁石を内部に収容した円
    筒スリーブを備え、上記第２の剛性シャフトは、タービ
    ンホイールと、軸受ロータと、コンプレッサホイールと
    を上記フレキシブルディスクシャフトの上記連結ロッド
    上に圧縮搭載してなるパワーヘッドシャフトであること
    を特徴とする複合シャフト。
  10. 【請求項１０】 一対の離間したコンプライアントフォ
    イル流体力学的流体膜ジャーナル軸受により回転可能に
    支持される構成を備えた第１の剛性シャフトと、 １つのコンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
    ーナル軸受と、双方向コンプライアントフォイル流体力
    学的流体膜スラスト軸受とにより回転可能に支持された
    第２の剛性シャフトと、 上記第１の剛性シャフトの一端上に締まり嵌めされた略
    カップ状のフレキシブルディスクと、テーパ状のクイル
    シャフトと、上記第２の剛性シャフトを離脱可能に搭載
    した連結ロッドとを備えたフレキシブルディスクシャフ
    トとを有することを特徴とする複合シャフト。
  11. 【請求項１１】 一対の離間したコンプライアントフォ
    イル流体力学的流体膜ジャーナル軸受により回転可能に
    支持される構成を備え、その一端に中空スリーブを有す
    る第１の剛性シャフトと、 １つのコンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
    ーナル軸受と、双方向コンプライアントフォイル流体力
    学的流体膜スラスト軸受とにより回転可能に支持された
    第２の剛性シャフトと、 上記第１の剛性シャフトの中空スリーブ側端部内に締ま
    り嵌めされたフレキシブルディスクと、テーパ状のクイ
    ルシャフトと、上記第２の剛性シャフトを離脱可能に搭
    載した連結ロッドとを備えたフレキシブルディスクシャ
    フトとを有することを特徴とする複合シャフト。
  12. 【請求項１２】 一対の離間したコンプライアントフォ
    イル流体力学的流体膜ジャーナル軸受により回転可能に
    支持されることができる構成を備え、永久磁石スリーブ
    内に設けられた永久磁石を有する永久磁石シャフトと、 上記永久磁石スリーブの一端上に締まり嵌めされた略カ
    ップ状のフレキシブルディスク部材と、テーパ状のクイ
    ルシャフトと、フランジと、連結ロッドと、ねじナット
    とを備えたフレキシブルディスクシャフトと、 １つのコンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
    ーナル軸受と双方向コンプライアントフォイル流体力学
    的流体膜スラスト軸受とにより回転可能に支持され、上
    記フレキシブルディスクシャフトの上記連結ロッド上に
    離脱可能に設けられ、上記フレキシブルディスクシャフ
    トフランジと上記ねじナットの間に圧縮保持された、コ
    ンプレッサホイールと、軸受ロータと、タービンホイー
    ルとを有するパワーヘッドシャフトとを備えたことを特
    徴とする永久磁石ターボジェネレータ用の複合シャフ
    ト。
  13. 【請求項１３】 一対の離間したコンプライアントフォ
    イル流体力学的流体膜ジャーナル軸受により回転可能に
    支持されることができ、永久磁石スリーブ内に設けられ
    た永久磁石を有する永久磁石シャフトと、 上記永久磁石スリーブの一端内に締まり嵌めされたフレ
    キシブルディスク部材と、テーパ状のクイルシャフト
    と、フランジと、連結ロッドと、ねじナットとを有する
    フレキシブルディスクシャフトと、 １つのコンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
    ーナル軸受と双方向コンプライアントフォイル流体力学
    的流体膜スラスト軸受により回転可能に支持され、上記
    フレキシブルディスクシャフトの上記連結ロッド上に離
    脱可能に設けられ、上記フレキシブルディスクシャフト
    フランジと上記ねじナットの間に圧縮保持された、コン
    プレッサホイールと、軸受ロータと、タービンホイール
    とを有するパワーヘッドシャフトとを備えたことを特徴
    とする永久磁石ターボジェネレータ用の複合シャフト。
  14. 【請求項１４】 一対の離間したコンプライアントフォ
    イル流体力学的流体膜ジャーナル軸受により回転可能に
    支持されることができ、永久磁石スリーブ内に設けられ
    た永久磁石を有する永久磁石シャフトであって、その一
    端内に内部補剛スリーブを有する第１のシャフトと、 上記永久磁石スリーブの上記一端上に締まり嵌めされた
    略カップ状のフレキシブルディスク部材と、テーパ状短
    寸クイルシャフトと、フランジと、連結ロッドと、ねじ
    ナットとを備え、上記フレキシブルディスク部材の厚さ
    が、上記フレキシブルディスク部材の中心線から径方向
    外側に向かって減少するように構成されたフレキシブル
    ディスクシャフトと、 １つのコンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
    ーナル軸受と双方向コンプライアントフォイル流体力学
    的流体膜スラスト軸受により回転可能に支持され、上記
    フレキシブルディスクシャフトの上記連結ロッド上に離
    脱可能に設けられ、上記フレキシブルディスクシャフト
    フランジと上記ねじナットの間に圧縮保持された、コン
    プレッサホイールと、軸受ロータと、タービンホイール
    とを有するパワーヘッドシャフトであって、上記タービ
    ンホイールはその背面上に質量を増加させるような慣性
    リングを有するように構成されたパワーヘッドシャフト
    とを有することを特徴とする、永久磁石ターボジェネレ
    ータ用の複合シャフト。
  15. 【請求項１５】 一対の離間したコンプライアントフォ
    イル流体力学的流体膜ジャーナル軸受により回転可能に
    支持された永久磁石ロータであって、上記永久磁石ロー
    タは、永久磁石スリーブ内に設けられた永久磁石を有
    し、上記永久磁石スリーブの外表面が上記永久磁石ロー
    タの外表面として且つコンプライアントフォイル流体力
    学的流体膜ジャーナル軸受の回転要素として機能するよ
    うに構成された永久磁石ロータと、 上記永久磁石スリーブの一端に締まり嵌めされた略カッ
    プ状のフレキシブルディスク部材と、テーパ状のクイル
    シャフトと、フランジと、連結ロッドと、ねじナットと
    を備えたフレキシブルディスクシャフトと、 １つのコンプライアントフォイル流体力学的流体膜ジャ
    ーナル軸受と双方向コンプライアントフォイル流体力学
    的流体膜スラスト軸受により回転可能に支持され、上記
    フレキシブルディスクシャフトの上記連結ロッド上に離
    脱可能に設けられ、上記フレキシブルディスクシャフト
    フランジと上記ねじナットの間に圧縮保持された、コン
    プレッサホイールと、軸受ロータと、タービンホイール
    とを有するパワーヘッドシャフトとを備えたことを特徴
    とする永久磁石ターボジェネレータ用の複合シャフト。
  16. 【請求項１６】 シャフト軸を有する複合シャフトを備
    えた複合シャフト組立体において、前記複合シャフト
    は、前記シャフト軸に沿って配置された第１の剛性シャ
    フトと、前記シャフト軸方向に互いに間隔をおいて設け
    られ、前記第１の剛性シャフトを回転可能に支持した第
    １組の軸受と、前記第１の剛性シャフトに機械的に動作
    可能に連結されたフレキシブルディスクシャフトを有
    し、前記フレキシブルディスクシャフトは、前記第１の
    剛性シャフトに連結されたフレキシブルディスクと、連
    結ロッドと、前記フレキシブルディスクと前記連結ロッ
    ドとの間に設けられたクイルシャフトとを備えているこ
    とを特徴とする複合シャフト組立体。
  17. 【請求項１７】 請求項１６において、前記複合シャフ
    トは、更に、前記軸受として、前記フレキシブルディス
    クシャフトの連結ロッド上に、着脱可能に設けられた第
    ２の剛性シャフトとを有していることを特徴とする複合
    シャフト組立体。
  18. 【請求項１８】 請求項１７において、前記第２の剛性
    シャフトは、更に、回転可能に支持された第２組の軸受
    を備えていることを特徴とする複合シャフト組立体。
  19. 【請求項１９】 請求項１８において、前記第１組の軸
    受は、前記シャフト軸方向に間隔をおいて配置された２
    つのジャーナル軸受を備えると共に、前記第２組の剛性
    シャフトにおける第２の軸受は、ジャーナル軸受とスラ
    スト軸受とを有していることを特徴とする複合シャフト
    組立体。
  20. 【請求項２０】 請求項１６乃至１９のいずれかにおい
    て、前記第１及び第２組の軸受は、コンプライアントフ
    ォイル流体力学的流体膜軸受を含むことを特徴とする複
    合シャフト組立体。
JP8116513A 1995-05-12 1996-05-10 複合シャフト Withdrawn JPH08334117A (ja)

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