WO2014196214A1 - インペラ、回転機械、および、回転機械の組立方法 - Google Patents

インペラ、回転機械、および、回転機械の組立方法 Download PDF

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attaching
grip
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信頼 八木
大輔 平田
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三菱重工業株式会社
三菱重工コンプレッサ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an impeller, a rotating machine in which an impeller is fixed to a rotating shaft, and a method for assembling the rotating machine.
  • Some turbo refrigerators and small gas turbines are equipped with rotating machines such as a centrifugal compressor.
  • the centrifugal compressor has an impeller in which a plurality of blades are provided in a disk portion fixed to a rotating shaft.
  • the centrifugal compressor gives pressure energy and velocity energy to the gas by rotating these impellers.
  • FIG. 12 is a contour diagram showing a simulation result of stress acting at the time of high-speed rotation in the impeller 610 having the grip portion 33 in the front.
  • the impeller 610 is a so-called open type impeller composed of a disk portion 30 and a blade portion 40.
  • the disk portion 30 includes a cylindrical portion 32 to which a grip portion 33 (left side portion in FIG. 13) on the front side in the axis O direction of the rotary shaft 5 is fixed by shrink fitting or the like.
  • a disc main body portion 35 provided on the rear side in the axis O direction with respect to the grip portion 33 and extending outward in the radial direction of the rotating shaft 5.
  • a point where the stress acting when the rotating shaft 5 rotates at a high speed is on the opposite side of the grip portion 33 on the rear side in the axis O direction. Near the corner. This is because the corner portion of the disk portion 30 is radially outward as indicated by the broken line in FIG. 13 due to the centrifugal force during rotation or the thrust load (thrust force) generated by the gas pressure difference between the flow path side and the disk rear side surface. It is because it tries to displace to.
  • the stress concentration near the corner is mainly hoop stress, which is tensile stress acting in the circumferential direction of the impeller 610. In FIG. 13, a location where the hoop stress is concentrated is indicated by a symbol “f”.
  • the magnitude of the hoop stress in the vicinity of the corner of the disk portion 30 increases as the rotation speed increases. Therefore, for example, in the case of unintended high-speed rotation, there is a possibility that the disk unit 30 falls short of strength.
  • a method of fixing the cylindrical portion 32 to the outer peripheral surface of the rotating shaft 5 over the entire inner peripheral surface of the cylindrical portion 32 can be considered. Further, a method of fixing the cylindrical portion 32 to the outer peripheral surface of the rotating shaft 5 at a plurality of locations as in Patent Document 1 is also conceivable.
  • FIG. 15 is a contour diagram showing a simulation result when the thickness of the rear side surface of the disk portion 30 is increased.
  • the thickness of the rear side surface of the disk portion 30 is increased so as to have a shape close to an equal stress state, so that the magnitude of the hoop stress is generally smaller than that in the case of FIG. Become.
  • FIG. 15 shows that the thickness of the rear side surface of the disk portion 30 is increased so as to have a shape close to an equal stress state, so that the magnitude of the hoop stress is generally smaller than that in the case of FIG. Become.
  • the present invention is an impeller that can be easily attached to and detached from a rotating shaft and can sufficiently reduce stress during rotation, and can be rotated at a higher speed, a rotating machine including the impeller, and a method of assembling the rotating machine I will provide a.
  • the impeller has a cylindrical portion through which a rotating shaft that rotates about an axis is inserted, and a portion of the rotating shaft in the axial direction is fixed to the rotating shaft as a grip portion;
  • a disk main body portion extending from the cylindrical portion toward the radially outer side of the rotating shaft, a blade projecting from the disk main body portion toward the first direction in the axial direction, and the disk main body portion.
  • the impeller includes a mounting portion main body in which the reinforcing member mounting portion in the impeller of the first mode is formed integrally with the cylindrical portion, and a linear expansion coefficient equal to or higher than the linear expansion coefficient of the mounting portion main body.
  • a ring member formed of a material having a linear expansion coefficient and attached to the attachment portion main body, and the reinforcing member may be attached to the ring member.
  • the grip portion is disposed on the second direction side in the axial direction with respect to the reinforcing member, and the grip of the tubular portion is provided.
  • a grip reinforcing member that is attached to a position where the portion is disposed and reinforces the grip portion may be provided.
  • the ratio of the diameter of the reinforcing member to the diameter of the disk main body is 0.35 to 0.8. It may be.
  • the rotating machine includes the impeller according to any one of the first to fourth aspects.
  • a method for assembling a rotary machine is a method for assembling a rotary machine including the impeller according to the first aspect, wherein an attachment step of attaching a reinforcement member to the reinforcement member attachment portion, An impeller attaching step for attaching to the rotating shaft.
  • a rotating machine assembling method comprising the impeller of the second aspect, a reinforcing member attaching step for attaching the reinforcing member to the ring member, and the reinforcing
  • the present invention can be easily attached to and detached from the rotating shaft, and the hoop stress during rotation can be sufficiently reduced, and further high-speed rotation is possible.
  • FIG. 2 in 3rd embodiment of this invention. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which attached the reinforcement member 53 to the impeller of the said 3rd embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram corresponding to FIG. 6 in a general impeller. It is explanatory drawing of the hoop stress in a general impeller. It is the longitudinal cross-sectional view of the impeller which increased the thickness of the disk part rear side surface of an impeller. It is a figure equivalent to FIG. 12 in the impeller which increased the thickness of the disk part rear side surface of an impeller. It is explanatory drawing of the hoop stress and tensile stress in the impeller which increased the thickness of the disk part rear side surface side of an impeller.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a centrifugal compressor 100 which is a rotary machine of the first embodiment.
  • the rotary shaft 5 is rotatably supported by the casing 105 of the centrifugal compressor 100 via a journal bearing 105a and a thrust bearing 105b.
  • the rotating shaft 5 is rotatable around the axis O.
  • a plurality of impellers 10 are attached to the rotary shaft 5 side by side in the direction of the axis O.
  • Each impeller 10 compresses the gas G supplied from the upstream flow path 104 formed in the casing 105 to the downstream flow path 104 in a stepwise manner using centrifugal force generated by the rotation of the rotary shaft 5. Shed.
  • a suction port 105c for allowing the gas G to flow from the outside is formed on the front side (left side in FIG. 1) of the rotation shaft 5 in the axis O direction.
  • the casing 105 is formed with a discharge port 105d for allowing the gas G to flow out to the outside on the rear side in the axis O direction (right side in FIG. 1).
  • the left side of the drawing is referred to as “front side”
  • the right side of the drawing is referred to as “rear side”.
  • FIG. 1 shows an example in which six impellers 10 are provided in series on the rotary shaft 5, it is sufficient that at least one impeller 10 is provided on the rotary shaft 5.
  • the case where one impeller 10 is provided on the rotating shaft 5 will be described as an example for the sake of simplicity.
  • the impeller 10 includes a disk portion 30 that is fixed to the rotating shaft 5, and a plurality of blade portions 40 that protrude from the front side surface 31 in the axis O direction of the disk portion 30. It is equipped with.
  • the impeller 10 is a so-called open type impeller.
  • the disk portion 30 includes a cylindrical tube portion 32 that is fixed to the rotating shaft 5 by fitting.
  • the cylinder part 32 includes a grip part 33 and a non-grip part 34.
  • the grip portion 33 is provided on the front side which is the first direction side in the axis O direction.
  • the grip portion 33 is fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft 5.
  • the non-grip portion 34 is provided on the rear side which is the second direction side in the axis O direction with respect to the grip portion 33.
  • the non-grip portion 34 is formed to have a diameter slightly larger than the outer diameter of the rotating shaft 5 and has a gap with the outer peripheral surface of the rotating shaft 5. That is, a part of the disk portion 30 in the direction of the axis O is fixed to the rotating shaft as the grip portion 33.
  • the grip portion 33 is formed to have a smaller diameter than that of the rotating shaft 5 when not fixed to the rotating shaft 5.
  • the grip portion 33 is fixed to the rotating shaft 5 by fitting by shrink fitting or the like.
  • the disk unit 30 includes a disk main body 35 on the rear side in the axis O direction with respect to the grip 33.
  • the disc main body portion 35 is formed in a disc shape extending from the non-grip portion 34 of the cylindrical portion 32 toward the radially outer side.
  • the disc body 35 is formed thicker toward the inner side in the radial direction.
  • the disk portion 30 includes a concave curved surface 31 a that smoothly connects the front side surface 31 and the outer peripheral surface 32 a of the cylindrical portion 32.
  • the blade part 40 protrudes from the front side surface 31 of the disk part 30 toward the front side in the axis O direction.
  • the blade part 40 has a certain plate thickness.
  • the blade part 40 is slightly tapered toward the radially outer side in a side view.
  • a plurality of blade portions 40 are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the disc main body portion 35.
  • the flow path 104 described above includes the front side surface 31 of the impeller 10, the curved surface 31 a, the outer peripheral surface 32 a, and the surface 40 a of the blade portion 40 that are opposed to each other in the circumferential direction at the location where the impeller 10 is disposed.
  • a front wall 31 and a wall surface 105e of the casing 105 facing the curved surface 31a are formed.
  • the disk portion 30 described above includes a cylindrical reinforcing member mounting portion 50 constituting a part of the cylindrical portion 32 on the rear side in the axis O direction from the disk main body portion 35.
  • the outer diameter of the reinforcing member mounting portion 50 is formed larger than the outer diameter of the cylindrical portion 32 in the grip portion 33 described above.
  • FIG. 2 the position of the rearmost side in the axis O direction on the base side of the disc main body 35 is indicated by a CC line.
  • a portion formed on the rear side in the axis O direction with respect to the CC line is a reinforcing member mounting portion 50.
  • a reinforcing member 53 is attached to the reinforcing member attaching portion 50 so as to cover from the outside. As shown in FIGS. 2 and 3, the reinforcing member 53 restricts the deformation of the reinforcing member mounting portion 50 toward the radially outer side.
  • the reinforcing member 53 is formed in a cylindrical shape having an inner diameter slightly smaller than the outer diameter of the reinforcing member mounting portion 50.
  • the reinforcing member 53 is made of a material having a specific strength higher than that of the disk portion 30. Further, the reinforcing member 53 is attached to the reinforcing member attaching portion 50 in a state where one end face thereof is in contact with the rear side face 51.
  • the above-mentioned specific strength is, in other words, yield stress / density.
  • the specific rigidity of the material forming the reinforcing member 53 is higher than the specific rigidity of the material forming the disk portion 30.
  • the impeller 10 described above is formed of an alloy such as stainless steel or titanium alloy, for example.
  • an alloy such as stainless steel or titanium alloy
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • ceramic, magnesium alloy, etc. having a higher specific strength than the material forming the impeller 10 such as stainless steel or titanium alloy.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • ceramic, magnesium alloy and the like it is preferable to use those having higher specific rigidity than alloys such as stainless steel and titanium alloy.
  • carbon fiber reinforced plastic is used as the reinforcing member 53, the carbon fiber used as the reinforcing material as shown by an arrow in FIG.
  • the carbon fiber 3 is at least a carbon fiber extending in the circumferential direction so as to be wound around the reinforcing member mounting portion 50. Is included. Thus, since the carbon fiber extends in the circumferential direction, it is difficult to deform in the radial direction.
  • the material of the reinforcing member 53 is preferably 1 to 2.5 times the Young's modulus of the alloy that is the material of the impeller 10.
  • the Young's modulus of the titanium alloy is about 113 GPa.
  • the reinforcing member 53 is set to the maximum value of the rotational speed of the rotating shaft 5 (the maximum value of the hoop stress acting on the impeller 10) and the minimum length B and thickness t. preferable.
  • the maximum value of the hoop stress acting on the impeller 10 is reduced as the value of the thickness t of the reinforcing member 53 is increased.
  • the diameter of the impeller 10 is “D”
  • the ratio of the diameter r2 of the reinforcing member 53 to the diameter D of the disc main body 35 is set to 0.35 to 0.8. More preferably, it is 0.42 to 0.66. As described above, the outer diameter r1 of the reinforcing member mounting portion 50 is only slightly larger than the inner diameter of the reinforcing member 53, and the diameter r2 of the reinforcing member 53 is equal to (r1 + 2t).
  • FIG. 5 shows local stress in the impeller 10 when the ratio of the inner diameter of the reinforcing member 53 to the diameter of the disk main body 35 (reinforcing member mounting position (diameter) r2 / disk diameter D) is changed. It is a graph which shows the change of a size (maximum stress of a disk). In the graph of FIG. 5, “a1” is an upper limit value of allowable stress in the impeller 10, and “a2” indicates a more preferable upper limit value of stress in the impeller 10.
  • the stress concerning the impeller 10 is suppressed to the stress which is less than the upper limit value a1 and the upper limit value a2.
  • the stress of the impeller 10 is higher than the upper limit value a2 and is equal to the upper limit value a1. This is because the strength of the reinforcing member mounting portion 50 is insufficient due to the outer diameter r1 of the reinforcing member mounting portion 50 becoming too small, and the connecting portion between the reinforcing member mounting portion 50 and the disc main body portion 35 is deformed. This is probably because the hoop stress at the deformed portion increases.
  • the ratio of the diameter of the reinforcing member 53 to the diameter of the disk main body 35 is preferably 0.42 to 0.66 in which the stress applied to the impeller 10 is lower than the upper limit value a1. Furthermore, it is more preferable that the stress applied to the impeller 10 is 0.35 to 0.8 below the upper limit value a2.
  • FIG. 6 is a contour diagram showing a simulation result of stress distribution during high-speed rotation in the impeller 10 of this embodiment.
  • the portion where high stress is applied is shown in darker color.
  • the centrifugal force when the impeller 10 not provided with the reinforcing member 53 is rotating has a maximum value on or near the CC line along the rear side surface 51 of the disk main body portion 35. Therefore, the hoop stress shows the maximum stress at the location where the CC line and the innermost diameter portion of the non-grip portion 34 intersect or in the vicinity thereof.
  • the range in which the stress applied during rotation increases is wider in the direction of the axis O than in the case of an impeller that does not include the reinforcing member 53 (see FIG. 12, for example). Is showing. However, the maximum value has been reduced. This is because the reinforcing member 53 increases the rigidity of the cylindrical portion 32 in the radial direction due to centrifugal force, so that the impeller 10 is prevented from being deformed so as to float radially outward on the second direction side in the axis O direction. Because. That is, in the impeller 10, the local increase in the hoop stress caused by the deformation in the radial direction is suppressed.
  • FIGS. 7A to 7C show an example of a procedure for attaching the impeller 10 to the rotary shaft 5 as an assembling method of the centrifugal compressor 100.
  • the reinforcing member 53 is attached to the reinforcing member attaching portion 50 of the impeller 10 (attachment process).
  • a method of attaching the reinforcing member 53 cold fitting, shrink fitting, or the like can be used.
  • the reinforcing member 53 is CFRP and the reinforcing member 53 is attached to the reinforcing member attaching portion 50 by shrink fitting, for example, a loose fastening allowance is used and shrink fitting is performed at 100 ° C. or less in order to reduce the thermal load on the CFRP. It is preferable to carry out.
  • the reinforcing member 53 is CFRP
  • the reinforcing member 53 may be attached to the reinforcing member attaching portion 50 with a predetermined tension applied.
  • the impeller 10 is attached to the rotating shaft 5 by cold fitting or shrink fitting (impeller mounting step).
  • the reinforcing member 53 is CFRP and the impeller 10 is shrink-fitted on the rotating shaft 5
  • the reinforcing member 53 is heated to 100 ° C. by locally heating the grip portion 33 in order to reduce the thermal load on the CFRP. It is preferable not to exceed.
  • the reinforcing member 53 made of a material having higher specific strength than the impeller 10 is provided on the reinforcing member mounting portion 50 formed on the cylindrical portion 32 on the rear side in the axis O direction. Is attached, the rigidity with respect to the deformation
  • the length of the disc portion 30 in the axis O direction can be shortened, and the length in the axis O direction is shortened.
  • the weight of the impeller 10 can be reduced.
  • the stress at the time of rotation can be sufficiently reduced while being configured to be easily detachable from the rotating shaft 5.
  • the span of the impeller 10 in the direction of the axis O can be shortened and the weight can be reduced, the impeller 10 can be rotated at a sufficiently high speed while suppressing the shaft vibration.
  • the grip part 33 is formed only in a part on the front side in the direction of the axis O, the impeller 10 can be easily attached to and detached from the rotating shaft 5. As a result, maintainability can be improved.
  • the ratio of the diameter r2 of the reinforcing member 53 to the diameter D of the disc main body 35 is larger than 0.8, the thickness of the cylindrical portion 32 in the radial direction increases and the centrifugal force applied to the cylindrical portion 32 is increased. As a result, the reinforcing member 53 becomes larger.
  • the ratio of the diameter r2 of the reinforcing member 53 to the diameter D of the disk main body 35 is smaller than 0.35, the thickness of the cylindrical portion 32 is excessively decreased, and the cylindrical portion 32 is insufficient due to insufficient strength of the cylindrical portion 32. It will not suppress the deformation of 32.
  • the ratio of the diameter r2 of the reinforcing member 53 to the diameter D of the disk main body portion 35 is 0.35 to 0.8, so that hoop stress due to centrifugal force is efficiently suppressed. be able to.
  • the impeller 210 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the impeller 210 according to the second embodiment is different from the impeller 10 according to the first embodiment described above only in the configuration of the reinforcing member mounting portion. Therefore, the same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the impeller 210 according to the second embodiment is an open type impeller having a disk portion 30 and a blade portion 40, similar to the impeller 10 according to the first embodiment described above.
  • the disk unit 30 includes a disk main body unit 35 and a cylinder unit 32.
  • the disc main body portion 35 is formed in a disc shape extending from the non-grip portion 34 toward the radially outer side.
  • the disc body 35 is formed thicker toward the inner side in the radial direction.
  • the disk portion 30 includes a concave curved surface 31 a that smoothly connects the front side surface 31 and the outer peripheral surface 32 a of the cylindrical portion 32.
  • the blade part 40 is formed so as to protrude from the front side surface 31 of the disk part 30.
  • the disk part 30 described above includes a cylindrical reinforcing member mounting part 250 constituting a part of the cylindrical part 32 on the rear side in the axis O direction from the disk main body part 35.
  • the reinforcing member attachment portion 250 includes an attachment portion main body 54 and a ring member 55.
  • the attachment portion main body 54 is formed integrally with the above-described cylinder portion 32.
  • the ring member 55 is formed separately from the cylindrical portion 32.
  • the ring member 55 is attached to the attachment portion main body 54.
  • the ring member 55 is formed of a material having a linear expansion coefficient equal to or higher than that of the material forming the attachment portion main body 54, that is, the material forming the cylindrical portion 32.
  • As a material for forming the ring member 55 for example, an alloy such as stainless steel or a titanium alloy, a magnesium alloy, or the like can be used.
  • the ring member 55 has an accommodation groove 55a formed on the outer peripheral surface thereof.
  • the housing groove 55 a is formed in an annular shape so as to extend over the entire circumference of the outer peripheral surface of the ring member 55.
  • the reinforcing member 53 is accommodated in the accommodation groove 55a.
  • the reinforcing member 53 is formed in the same manner as in the first embodiment described above, and is formed in a cylindrical shape by, for example, CFRP.
  • CFRP As a material for forming the reinforcing member 53, a material having a higher specific strength than the mounting portion main body 54 and the ring member 55, more specifically, a material having a higher specific strength and specific rigidity is used.
  • the reinforcing member 53 is attached to the ring member 55, and the ring member 55 is attached to the attachment portion main body 54.
  • step S01 which attaches the reinforcement member 53 to the ring member 55 first is performed.
  • the reinforcing member 53 is CFRP
  • the carbon fiber used as the reinforcing material is wound around the ring member 55 in a state where a predetermined tension is applied so that carbon fibers that face the circumferential direction are included.
  • a ring member attaching step for attaching the ring member 55 to which the reinforcing member 53 is attached to the attaching portion main body 54 is performed.
  • the ring member 55 is fixed to the attachment portion main body 54 by cold fitting, shrink fitting or the like.
  • the reinforcing member 53 is CFRP
  • the ring member 55 is heated and attached in a state where the CFRP is 100 ° C. or lower when shrink fitting is performed.
  • an impeller attachment step (step S03) is performed in which the impeller 210 to which the ring member 55 is attached is fixed to the rotary shaft 5 by fitting by cold fitting, shrink fitting, or the like.
  • the reinforcing member 53 may be attached to the ring member 55 by winding the reinforcing member 53 around the outer periphery of the ring member 55 with a predetermined tension without providing the receiving groove portion 55 a in the ring member 55.
  • the ring member 55 is formed of a material having a linear expansion coefficient equal to or higher than the linear expansion coefficient of the attachment main body 54, thereby heating the ring member 55 and attaching the attachment part.
  • the ring member 55 can be removed from the attachment part main body 54 in a state where the temperature difference between the attachment part main body 54 and the ring member 55 is smaller.
  • the reinforcing member 53 can be easily detached from the attachment portion main body 54 while suppressing a thermal load on the reinforcing member 53 due to a temperature rise.
  • the reinforcing member 53 can be attached to the attaching portion main body 54 by attaching the ring member 55 to the cylindrical portion 32. Therefore, the reinforcing member 53 can be easily attached to the attachment portion main body 54.
  • an impeller 310 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the impeller 310 of the third embodiment is different from the impeller 210 of the second embodiment described above only in the configuration of the grip portion 33. Therefore, the same parts as those in the second embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the impeller 310 of the third embodiment is an open type impeller having a disk portion 30 and a blade portion 40, similarly to the impeller 210 of the second embodiment described above.
  • the disk unit 30 includes a disk main body unit 35 and a cylinder unit 32.
  • the cylindrical portion 32 includes a cylindrical reinforcing member mounting portion 250 that constitutes a part of the cylindrical portion 32 on the rear side in the axis O direction from the disc main body portion 35.
  • the reinforcing member attaching portion 250 includes an attaching portion main body 54 and a ring member 55.
  • the reinforcing member 53 is attached to the reinforcing member attaching portion 250 so as to cover from the outside.
  • the cylinder portion 32 includes a grip portion 33 that is fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft 5.
  • the grip portion 33 is disposed on the rear side in the axis O direction with respect to the disc main body portion 35. More specifically, the grip portion 33 is disposed on the rear side in the axis O direction with respect to the reinforcing member mounting portion 50.
  • the cylinder portion 32 includes a non-grip portion 34 on the front side which is the first direction side in the axial direction.
  • a grip holding member 56 is attached to the cylinder portion 32.
  • the grip holding member 56 reinforces the cylindrical portion 32 in the grip portion 33 by pressing the grip portion 33 from the outside in the radial direction.
  • the grip holding member 56 is formed such that its length in the direction of the axis O is sufficiently shorter than the length of the grip portion 33.
  • the grip holding member 56 is attached at a position where the grip portion 33 of the cylindrical portion 32 is disposed. More specifically, the grip holding member 56 is attached to a position on the most front side of the grip portion 33.
  • the grip holding member 56 includes a grip ring member 57 and a grip reinforcement member 58.
  • the grip ring member 57 is formed of the same material as that of the ring member 55 described above, and the inner diameter of the grip ring member 57 is slightly smaller than the outer diameter of the cylindrical portion 32 at the attachment location when the grip ring member 57 is not attached to the cylindrical portion 32.
  • the grip ring member 57 is formed with a ring-shaped accommodation groove 59 similarly to the accommodation groove 55a described above.
  • the accommodation groove 59 accommodates a cylindrical grip reinforcement member 58 formed of the same material as the reinforcement member 53 described above.
  • the grip holding member 56 is attached to the cylindrical portion 32 by cold fitting or shrink fitting after the above-described ring member 55 is attached to the attachment portion main body 54 as in the case of the above-described ring member 55. .
  • the grip holding member 56 includes the grip ring member 57
  • the grip ring member 57 may be omitted and the grip reinforcing member 58 may be directly attached to the cylindrical portion 32.
  • the inner diameter of the ring member 55 is equal to the outer diameter of the grip ring member 57, but the thickness of the grip ring member 57 in the radial direction is the same as that of FIGS. 10 and 11.
  • the thickness is not limited and is set to an optimum thickness according to the strength and rigidity of the cylindrical portion 32.
  • the ring member 55 may be attached to the attachment portion main body 54 after the grip ring member 57 is attached to the cylindrical portion 32. good.
  • the grip reinforcing member 58 can restrict the deformation of the grip portion 33 to the outside in the radial direction due to the centrifugal force. Therefore, it is possible to reduce the hoop stress applied to the cylindrical portion 32 in the vicinity of the grip portion 33 and at the same time more firmly fix the impeller 310 to the rotating shaft 5.
  • the present invention is not limited to the configuration of each of the embodiments described above, and the design can be changed without departing from the gist thereof.
  • the open type impeller having only the disk portion 30 and the blade portion 40 has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this case.
  • the present invention can be similarly applied to a closed impeller having a cover portion for the disk portion 30 and the blade portion 40.
  • centrifugal compressor 100 is described as the rotary machine.
  • the present invention is not limited to the centrifugal compressor 100, and may be applied to, for example, various industrial compressors, turbo refrigerators, and small gas turbines.
  • the impeller can be applied.
  • the present invention can be easily attached to and detached from the rotating shaft, and the hoop stress during rotation can be sufficiently reduced, and further high-speed rotation is possible.
  • Impeller 30 Disc part 31 Front side surface 31a Curved surface 32 Tube part 32a Outer peripheral surface 33 Grip part 34 Non-grip part 35 Disc main body part 40 Blade part 40a Surface 50 Reinforcement member attachment part 51 Rear side surface 53 Reinforcement member 54 Attachment part main body 55 Ring member 55a Housing groove portion 56 Grip holding member 57 Grip ring member 58 Grip reinforcement member 59 Housing groove portion 100 Centrifugal compressor 104 Channel 105 Casing 105a Journal bearing 105b Thrust bearing 105c Suction port 105d Discharge port 105e Wall surface 210 Impeller 250 Attaching the reinforcing member Part 310 impeller 610 impeller 710 impeller a1 upper limit value a2 upper limit value D diameter G gas O axis r1 outer diameter r2 diameter

Abstract

　軸線（Ｏ）回りに回動される回転軸（５）が挿通され、回転軸（５）の軸線（Ｏ）方向の一部がグリップ部（３３）として回転軸（５）に固定される筒部（３２）と、筒部（３２）から回転軸（５）の径方向外側に向かって延びるディスク本体部（３５）と、を備えたディスク部（３０）と、ディスク本体部（３５）から軸線（Ｏ）方向の第一方向側に突出するブレード部（４０）と、ディスク本体部（３５）よりも軸線（Ｏ）方向の第二方向側の筒部（３２）に形成される補強部材取付部（５０）と、ディスク部（３０）よりも比強度の高い材料により形成され、補強部材取付部（５０）に外側から覆うように取り付けられる補強部材（５３）と、を備える。

Description

インペラ、回転機械、および、回転機械の組立方法
　この発明は、インペラ、インペラが回転軸に固定されてなる回転機械、および、回転機械の組立方法に関する。
　本願は、２０１３年６月４日に、日本に出願された特願２０１３－１１７５９６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ターボ冷凍機や小型ガスタービン等にあっては、遠心圧縮機などの回転機械を備えているものがある。遠心圧縮機は、回転軸に固定されたディスク部に複数のブレードが設けられたインペラを有している。遠心圧縮機は、これらインペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。
　例えば、水素などの軽い流体を圧縮する場合や、より高い過給圧を得る場合などには、上記遠心圧縮機のインペラを高速回転させる必要がある。より具体的には、水素を圧縮する場合には、例えば、インペラの回転数を数千ｒｐｍから数万ｒｐｍまで上昇させるなど、インペラを高速回転させる必要がある。特に、インペラの径方向中央部に形成された取付孔に回転軸が挿入されて、取付孔の内周面全体が回転軸にグリップされるものにおいては、インペラを高速回転させた場合、取付孔の内周面近傍の引っ張り応力が高くなり破損する可能性があった。
　そこで、上記内周面近傍の引っ張り応力が高くなることを防止するために、取付孔の内周面に、応力低減窪みを形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５－００２８４９号公報
　上記インペラには、回転軸への着脱を容易にしてメンテナンス性等を向上するために、筒部の前方に、回転軸に固定されるグリップ部を有したものがある。
　図１２は、前方にグリップ部３３を有したインペラ６１０において高速回転時に作用する応力のシミュレーション結果を示すコンタ図である。このインペラ６１０は、ディスク部３０とブレード部４０とからなる、いわゆるオープン型のインペラである。図１３に示すように、ディスク部３０は、回転軸５に対してこの回転軸５の軸線Ｏ方向前側のグリップ部（図１３中、左側部）３３が焼き嵌め等により固定される筒部３２と、グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向後側に設けられて回転軸５の径方向外側に向かって延びるディスク本体部３５とを備えている。
　このように形成されたインペラ６１０において、回転軸５の高速回転時に作用する応力が最大となる箇所（応力が集中する箇所）は、上記グリップ部３３とは反対側の、軸線Ｏ方向後方側の角部近傍となる。これは、回転時の遠心力や流路側とディスク後側面側とのガス圧差により生じるスラスト方向荷重（スラスト力）などによって、ディスク部３０の角部が、図１３中の破線に示す径方向外側に変位しようとするからである。この角部近傍における応力集中は、インペラ６１０の周方向に作用する引っ張り応力であるフープ応力が主体となる。図１３において、フープ応力が集中する箇所を符号「ｆ」で示している。
　上記ディスク部３０の角部近傍におけるフープ応力の大きさは、高速回転になるほど増大する。そのため、例えば、意図しない高速回転となった場合には、ディスク部３０が強度不足に陥る可能性がある。この強度不足を防止するためには、例えば、筒部３２の内周全面で筒部３２を回転軸５の外周面に固定させる方法が考えられる。更に、特許文献１のように複数個所で、筒部３２を回転軸５の外周面に固定させる方法も考えられる。しかし、回転軸５からインペラ６１０を取り外す際などに、ディスク部３０の広範囲に亘り温度上昇させる必要があり、組立性及びメンテナンス性が悪くなってしまう。また、上述したように引張応力が大きくなってしまう。
　一方で、組立性及びメンテナンス性を悪化させずにディスク部３０の角部近傍におけるフープ応力を低減させるためには、例えば、図１４に示すインペラ７１０のように、ディスク部３０の後側面側の肉厚を増加させることが考えられる。図１５は、ディスク部３０の後側面側の肉厚を増加させた場合のシミュレーション結果を示すコンタ図である。この図１５に示すようにディスク部３０の後側面側の肉厚を増加させて等応力状態に近い形状とすることで、上述した図１２の場合よりもフープ応力の大きさが全体的に小さくなる。
　しかしながら、図１６に示すように、軸線Ｏ方向前側にグリップ部３３を有する場合、軸線Ｏ方向の中央部に、図１６中破線で示すように、曲げ戻しが発生して十分な応力低減を図ることができない可能性がある。また、インペラ６１０の重量が増加するとともに、インペラ６１０の軸線Ｏ方向のスパンが長くなることで、軸振動が増大してインペラ６１０を高速回転できない可能性がある。
　この発明は、回転軸に対して容易に着脱可能であると共に回転時の応力を十分に低減可能であり、更なる高速回転が可能なインペラ、インペラを備える回転機械、および、回転機械の組立方法を提供する。
　本発明の第一態様によれば、インペラは、軸線回りに回動される回転軸が挿通され、前記回転軸の軸線方向の一部がグリップ部として前記回転軸に固定される筒部と、前記筒部から前記回転軸の径方向外側に向かって延びるディスク本体部と、を備えたディスク部と、前記ディスク本体部から軸線方向の第一方向側に突出するブレードと、前記ディスク本体部よりも前記軸線方向の第二方向側の前記筒部に形成される補強部材取付部と、前記ディスク部よりも比強度の高い材料により形成され、前記補強部材取付部に外側から覆うように取り付けられる補強部材と、を備えている。
　本発明の第二態様によれば、インペラは、第一態様のインペラにおける前記補強部材取付部が、前記筒部と一体に形成される取付部本体と、前記取付部本体の線膨張率以上の線膨張率を有する材料により形成され、前記取付部本体に取り付けられるリング部材と、を備え、前記補強部材が、前記リング部材に取り付けられていてもよい。
　本発明の第三態様によれば、インペラは、第一又は第二態様のインペラにおいて、前記補強部材よりも前記軸線方向の第二方向側に前記グリップ部が配され、前記筒部の前記グリップ部が配される位置に取り付けられて前記グリップ部を補強するグリップ補強部材を備えていてもよい。
　本発明の第四態様によれば、インペラは、第一から第三態様の何れか一つのインペラにおいて、前記ディスク本体部の直径に対する前記補強部材の直径の比率が、０．３５から０．８であってもよい。
　本発明の第五態様によれば、回転機械は、第一から第四態様の何れか一つのインペラを備えている。
　本発明の第六態様によれば、回転機械の組立方法は、第一態様のインペラを備える回転機械の組立方法であって、補強部材を前記補強部材取付部に取り付ける取付工程と、前記インペラを前記回転軸に取り付けるインペラ取付工程と、を備えている。
　本発明の第七態様によれば、回転機械の組立方法は、第二態様のインペラを備える回転機械の組立方法であって、前記補強部材を前記リング部材に取り付ける補強部材取付工程と、前記補強部材が取り付けられた前記リング部材を前記取付部本体に取り付けるリング部材取付工程と、前記インペラを前記回転軸に取り付けるインペラ取付工程と、を備えている。
　この発明によれば、回転軸に対して容易に着脱可能であると共に回転時のフープ応力を十分に低減可能であり、更なる高速回転が可能となる。
この発明の実施形態における遠心圧縮機の縦断面図である。 この発明の第一実施形態におけるインペラの縦断面図である。 この発明の第一実施形態における補強部材の斜視図である。 上記補強部材の取付位置がｒ２／Ｄ＝１．０の場合の説明図である。 上記補強部材の取付位置がｒ２／Ｄ＝０．６６の場合の説明図である。 上記補強部材の取付位置がｒ２／Ｄ＝０．４９の場合の説明図である。 上記補強部材の取付位置がｒ２／Ｄ＝０．３５の場合の説明図である。 上記ｒ２／Ｄに対するディスク部の最大応力を示すグラフである。 上記インペラのシミュレーション結果を示す図である。 上記インペラの取付手順において補強部材が未装着の状態を示す図である。 上記インペラの取付手順において補強部材をインペラに装着した状態を示す図である。 上記インペラの取付手順においてインペラを回転軸に固定した状態を示す図である。 この発明の第二実施形態における図２に相当する縦断面図である。 上記第二実施形態のインペラの取付手順を示すフローチャートである。 この発明の第三実施形態における図２に相当する縦断面図である。 上記第三実施形態のインペラに補強部材５３を取り付けた状態を示す縦断面図である。 一般的なインペラにおける図６に相当する図である。 一般的なインペラにおけるフープ応力の説明図である。 インペラのディスク部後側面側の肉厚を増加させたインペラの縦断面図である。 インペラのディスク部後側面側の肉厚を増加させたインペラにおける図１２に相当する図である。 インペラのディスク部後側面側の肉厚を増加させたインペラにおけるフープ応力および引張応力の説明図である。
　次に、この発明の第一実施形態における回転機械およびインペラについて図面を参照して説明する。
　図１は、第一実施形態の回転機械である遠心圧縮機１００の概略構成を示す構成図である。
　図１に示すように、遠心圧縮機１００のケーシング１０５には、ジャーナル軸受１０５ａおよびスラスト軸受１０５ｂを介して回転軸５が回転可能に支持されている。回転軸５は、軸線Ｏ回りに回動可能とされている。この回転軸５には、軸線Ｏ方向に複数のインペラ１０が並んで取り付けられている。各インペラ１０は、回転軸５の回転による遠心力を利用してケーシング１０５に形成された上流側の流路１０４から供給されるガスＧを下流側の流路１０４へと段階的に圧縮して流す。
　ケーシング１０５には、回転軸５の軸線Ｏ方向の前方側（図１における左側）に、外部からガスＧを流入させるための吸込口１０５ｃが形成されている。ケーシング１０５には、軸線Ｏ方向の後方側（図１における右側）に、外部へガスＧを流出させるための排出口１０５ｄが形成されている。以下の説明においては、紙面左側を「前方側」、紙面右側を「後方側」と称する。
　上記遠心圧縮機１００によれば、回転軸５が回転すると、吸込口１０５ｃからガスＧが流路１０４に流入して、このガスＧがインペラ１０によって段階的に圧縮されて排出口１０５ｄから排出される。ここで、図１においては、回転軸５にインペラ１０が直列に６個設けられた一例を示しているが、回転軸５に対して少なくとも１個のインペラ１０が設けられていればよい。以下の説明では、説明を簡単化するため、回転軸５にインペラ１０が１個設けられている場合を一例にして説明する。
　図２に示すように、上記インペラ１０は、回転軸５に対して固定されるディスク部３０と、このディスク部３０の軸線Ｏ方向の前側面３１から突出して設けられた複数のブレード部４０と、を備えている。インペラ１０は、いわゆるオープン型のインペラである。
　ディスク部３０は、回転軸５に対して嵌め合いにより固定される円筒状の筒部３２を備えている。筒部３２は、グリップ部３３と非グリップ部３４とを備えている。
　グリップ部３３は、軸線Ｏ方向の第一方向側となる前方側に設けられている。グリップ部３３は、回転軸５の外周面に固定される。
　非グリップ部３４は、グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向の第二方向側となる後方側に設けられている。非グリップ部３４は、回転軸５の外径よりも僅かに大径に形成されて回転軸５の外周面との間に隙間を有している。つまり、ディスク部３０は、軸線Ｏ方向の一部がグリップ部３３として回転軸に固定されている。このグリップ部３３は、回転軸５に固定されていない状態では回転軸５よりも小径となるように形成されている。グリップ部３３は、回転軸５に対して焼き嵌め等による嵌め合いにより固定されている。
　ディスク部３０は、グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向の後方側にディスク本体部３５を備えている。ディスク本体部３５は、筒部３２の非グリップ部３４から径方向外側に向かって延びる円板状に形成されている。ディスク本体部３５は、径方向内側に向かうほど厚肉に形成されている。
　ディスク部３０は、前側面３１と、筒部３２の外周面３２ａとを滑らかに繋ぐ凹状の曲面３１ａを備えている。
　ブレード部４０は、ディスク部３０の前側面３１から軸線Ｏ方向前側に向かって突出している。ブレード部４０は、一定の板厚を有している。ブレード部４０は、側面視で径方向外側に向かってやや先細り形状とされている。また、ブレード部４０は、ディスク本体部３５の周方向に所定の間隔をあけて複数配列されている。ここで、上述した流路１０４は、インペラ１０が配置される箇所において、インペラ１０の前側面３１と、曲面３１ａと、外周面３２ａと、周方向に互いに対向するブレード部４０の面４０ａと、前側面３１および曲面３１ａに対向するケーシング１０５の壁面１０５ｅとにより形成されている。
　上述したディスク部３０は、ディスク本体部３５よりも軸線Ｏ方向の後方側に、筒部３２の一部を構成する円筒状の補強部材取付部５０を備えている。この補強部材取付部５０の外径は、上述したグリップ部３３における筒部３２の外径よりも大径に形成されている。図２中、ディスク本体部３５の基部側における最も軸線Ｏ方向後側の位置をＣ－Ｃ線で示している。このＣ－Ｃ線よりも軸線Ｏ方向後側に形成されている部分が補強部材取付部５０となっている。
　補強部材取付部５０には、補強部材５３が外側から覆うようにして取り付けられている。
　図２、図３に示すように、補強部材５３は、補強部材取付部５０の径方向外側への変形を規制する。補強部材５３は、補強部材取付部５０の外径よりも僅かに小さい内径を有した円筒状に形成されている。この補強部材５３は、ディスク部３０よりも比強度が高い材料により構成されている。また、補強部材５３は、その片方の端面が、後側面５１に当接した状態で補強部材取付部５０に取り付けられる。ここで、上述した比強度とは、言い換えれば、降伏応力／密度である。補強部材５３を形成する材料の比剛性は、ディスク部３０を形成する材料の比剛性よりも高くなっている。
　上述したインペラ１０は、例えば、ステンレスやチタン合金などの合金により形成されている。一方で、補強部材５３を構成する材料としては、上記ステンレスやチタン合金などのインペラ１０を形成する材料よりも比強度が高い炭素繊維強化プラスチック（以下、単にＣＦＲＰと称する）、セラミック、マグネシウム合金などを用いることができる。これら、ＣＦＲＰ、セラミック、マグネシウム合金などは、さらにステンレスやチタン合金などの合金よりも比剛性が高いものを用いることが好ましい。例えば、炭素繊維強化プラスチックを補強部材５３として用いる場合、図３に矢印で示すように強化材として用いられる炭素繊維は、少なくとも補強部材取付部５０に巻回されるように周方向に延びる炭素繊維を含んでいる。このように炭素繊維が周方向に延びることで、径方向への変形がし難くなっている。
　補強部材５３の材料は、インペラ１０の材料である合金のヤング率に対して、１～２．５倍のヤング率とすることが好ましい。例えば、チタン合金のヤング率は１１３ＧＰａ程度である。上記補強部材５３のヤング率を上記のように設定することで、回転時の遠心力によるフープ応力によって補強部材取付部５０が径方向外側に変形することを、補強部材取付部５０よりもヤング率が高い補強部材５３によって抑えることが可能となる。
　補強部材５３は、軽量化の観点から、回転軸５における回転数の最大値（インペラ１０に作用するフープ応力の最大値）と、最小限の長さＢや厚さｔに設定されるのが好ましい。インペラ１０に作用するフープ応力の最大値は、補強部材５３の厚さｔの値が大きいほど低減される。ここで、上記補強部材５３の厚さ「ｔ」は、インペラ１０の直径を「Ｄ」とすると、補強部材５３の重量増大を可能な限り抑制する上で、ｔ／Ｄ＝０．０１５～０．０６とすることが好ましい。また、補強部材５３の幅「Ｂ」は、インペラ１０の軸線Ｏ方向のスパンを抑制する上で、Ｂ／Ｄ＝０．０１～０．０３とすることが好ましいが、Ｂ／Ｄ＞０．０３としてもよい。
　ディスク本体部３５の直径Ｄに対する補強部材５３の直径ｒ２の比率は、０．３５から０．８とされる。より好ましくは、０．４２から０．６６とされる。上述したように、補強部材取付部５０の外径ｒ１は、補強部材５３の内径に対して僅かに大きいだけであり、補強部材５３の直径ｒ２は、（ｒ１＋２ｔ）と同等の値となる。
　図４Ａ～図４Ｄは、補強部材５３の直径ｒ２を、ディスク本体部３５の直径Ｄの範囲内でそれぞれ変化させた一例を示している。また、図５は、ディスク本体部３５の直径に対する補強部材５３の内径の比率（補強部材の取り付け位置（直径）ｒ２／ディスク直径Ｄ）を変化させた場合の、インペラ１０における局所的な応力の大きさ（ディスクの最大応力）の変化を示すグラフである。図５のグラフ中、「ａ１」は、インペラ１０における許容応力の上限値であって、「ａ２」は、インペラ１０におけるより好適な応力の上限値を示している。
　図４Ａは、ｒ２／Ｄ＝１の場合を示している。すなわち、ディスク本体部３５の先端部とほぼ同じ位置に補強部材５３が取り付けられている。図５に示すように、図４Ａの場合、上限値ａ１よりも高い応力が発生してしまう。これは、補強部材５３の内側のインペラ１０のマスが増大し、補強部材５３により補強部材取付部５０の遠心力による変形を十分に抑えられなくなったためと考えられる。
　図４Ｂ、図４Ｃは、それぞれｒ２／Ｄ＝０．６６と、ｒ２／Ｄ＝０．４９の場合を示している。これら図４Ｂ、図４Ｃの場合、インペラ１０にかかる応力が、上限値ａ１、および、上限値ａ２を下回る応力に抑えられている。
　一方で、図４Ｄは、ｒ２／Ｄ＝０．３５の場合を示している。図５に示すように、図４Ｄの場合、インペラ１０の応力は、上限値ａ２よりも高く、上限値ａ１と同等の値となる。これは、補強部材取付部５０の外径ｒ１が小さくなり過ぎたことにより、補強部材取付部５０の強度が不足して、補強部材取付部５０とディスク本体部３５との接続部分が変形して、変形箇所におけるフープ応力が増大してしまうためと考えられる。
　すなわち、ディスク本体部３５の直径に対する補強部材５３の直径の比率は、インペラ１０にかかる応力が上限値ａ１を下回る０．４２から０．６６とされることが好ましい。さらに、インペラ１０にかかる応力が上限値ａ２を下回る０．３５から０．８とされることがより好ましい。
　図６は、この実施形態のインペラ１０における、高速回転時の応力分布のシミュレーション結果を示すコンタ図である。なお、図６においては、高い応力が作用している箇所ほど濃色で示している。ここで、一般に、補強部材５３を備えていないインペラ１０が回転している時の遠心力は、ディスク本体部３５の後側面５１に沿うＣ－Ｃ線上またはその近傍で最大値となる。そのため、フープ応力はＣ－Ｃ線と非グリップ部３４の最内径部が交差する箇所またはその近傍で最大応力を示す。
　図６に示すように、この実施形態におけるインペラ１０の場合、回転時にかかる応力が高くなる範囲は、補強部材５３を備えていないインペラ（例えば図１２参照）の場合よりも、軸線Ｏ方向に広がりを見せている。しかし、その最大値は低減されている。これは、補強部材５３によって遠心力による径方向への筒部３２の剛性を高めることで、インペラ１０が軸線Ｏ方向の第二方向側において径方向外側に浮き上がるように変形することが抑制されるためである。つまり、インペラ１０において、径方向に変形することにより生じるフープ応力の局所的な増大が抑制されている。
　図７Ａ～図７Ｃは、上記遠心圧縮機１００の組立方法として、特にインペラ１０を回転軸５へ取り付ける手順の一例を示している。
　まず、図７Ａ、図７Ｂに示すように、インペラ１０の補強部材取付部５０に補強部材５３を取り付ける（取付工程）。この補強部材５３を取り付ける方法としては、冷し嵌めや、焼嵌め等を用いることができる。補強部材５３がＣＦＲＰで、焼嵌めにより補強部材５３を補強部材取付部５０に取り付ける場合には、ＣＦＲＰへの熱的負荷を軽減するために、例えば緩い締め代とするとともに１００℃以下で焼嵌めを行うことが好ましい。また、補強部材５３がＣＦＲＰの場合には、所定張力をかけた状態で補強部材５３を補強部材取付部５０に取り付けるようにしても良い。
　次いで、図７Ｃに示すように、回転軸５に対してインペラ１０を冷し嵌めや、焼嵌めにより取り付ける（インペラ取付工程）。補強部材５３がＣＦＲＰであってインペラ１０を回転軸５に焼嵌めする場合、ＣＦＲＰへの熱的負荷を軽減するために、グリップ部３３を局部的に加熱することで、補強部材５３が１００℃を超えないようにすることが好ましい。
　したがって、上述した第一実施形態のインペラ１０によれば、軸線Ｏ方向の後方側の筒部３２に形成された補強部材取付部５０に、インペラ１０よりも比強度の高い材料からなる補強部材５３が取り付けられていることで、遠心力による筒部３２の径方向外側への変形に対する剛性を高めることができる。そのため、インペラ１０が軸線Ｏ方向の後方側において径方向に浮き上がるように変形することを抑制して、フープ応力の増大を抑制することができる。また、図１４に示すディスク本体部３５の後側面５１の肉厚を増加させる場合と比較して、ディスク部３０の軸線Ｏ方向の長さを短縮できるとともに、この軸線Ｏ方向の長さが短縮されることでインペラ１０の軽量化を図ることができる。
　その結果、回転軸５に対して容易に着脱可能な構成としつつ、回転時の応力を十分に低減可能である。さらに、軸線Ｏ方向のインペラ１０のスパンを短縮できるとともに、軽量化を図ることができるため、軸振動を抑制してインペラ１０を十分に高速回転させることが可能となる。さらに、グリップ部３３が、軸線Ｏ方向の前方側の一部にのみ形成されるので、回転軸５に対してインペラ１０を容易に着脱することができる。その結果、メンテナンス性を向上することができる。
　また、ディスク本体部３５の直径Ｄに対する補強部材５３の直径ｒ２の比率が０．８よりも大きい場合には、径方向における筒部３２の厚さが増加して筒部３２にかかる遠心力が大きくなり、補強部材５３が大型化する。一方で、ディスク本体部３５の直径Ｄに対する補強部材５３の直径ｒ２の比率が０．３５よりも小さい場合には、筒部３２の厚さが減少しすぎて筒部３２の強度不足により筒部３２の変形を抑えくれなくなる。しかし、上述した実施形態のように、ディスク本体部３５の直径Ｄに対する補強部材５３の直径ｒ２の比率が、０．３５から０．８であることで、遠心力によるフープ応力を効率よく抑制することができる。
　次に、この発明の第二実施形態におけるインペラ２１０を図面に基づき説明する。この第二実施形態のインペラ２１０は、上述した第一実施形態のインペラ１０に対して、補強部材取付部の構成が異なるだけである。そのため、上述した第一実施形態と同一部分には同一符号を付して説明し、詳細説明を省略する。
　図８に示すように、この第二実施形態のインペラ２１０は、上述した第一実施形態のインペラ１０と同様に、ディスク部３０とブレード部４０とを有するオープン型のインペラである。ディスク部３０は、ディスク本体部３５と、筒部３２とを備えている。
　ディスク本体部３５は、非グリップ部３４から径方向外側に向かって延びる円板状に形成されている。ディスク本体部３５は、径方向内側ほど厚肉に形成されている。
　ディスク部３０は、前側面３１と、筒部３２の外周面３２ａとを滑らかに繋ぐ凹状の曲面３１ａを備えている。ブレード部４０は、ディスク部３０の前側面３１から突出するように形成されている。
　上述したディスク部３０は、ディスク本体部３５よりも軸線Ｏ方向の後方側に、筒部３２の一部を構成する円筒状の補強部材取付部２５０を備えている。
　補強部材取付部２５０は、取付部本体５４と、リング部材５５とを備えている。取付部本体５４は、上述した筒部３２と一体に形成されている。
　リング部材５５は、筒部３２と分割して形成されている。リング部材５５は、取付部本体５４に取り付けられている。リング部材５５は、取付部本体５４を形成する材料、すなわち筒部３２を形成する材料の線膨張率以上の線膨張率を有した材料により形成されている。リング部材５５を形成する材料としては、例えば、ステンレスやチタン合金などの合金や、マグネシウム合金などを用いることができる。
　リング部材５５には、その外周面に収容溝部５５ａが形成されている。この収容溝部５５ａは、リング部材５５の外周面の全周に渡るように環状に形成されている。収容溝部５５ａには、補強部材５３が収容される。
　補強部材５３は、上述した第一実施形態と同様に形成され、例えば、ＣＦＲＰなどにより円筒状に形成されている。この補強部材５３を形成する材料としては、取付部本体５４やリング部材５５よりも比強度の高い材料、より具体的には比強度および比剛性の高い材料が用いられている。補強部材５３は、リング部材５５に取り付けられ、このリング部材５５が、取付部本体５４に取り付けられている。
　次に、上記インペラ２１０を備える遠心圧縮機１００の組立方法として、特にインペラ２１０を回転軸５へ取り付ける手順について説明する。
　図９に示すように、まず、補強部材５３をリング部材５５に取り付ける補強部材取付工程（ステップＳ０１）を行う。ここで、補強部材５３がＣＦＲＰである場合は、強化材として用いられる炭素繊維が周方向を向くものが含まれるようにして、所定張力をかけた状態でリング部材５５に巻き付ける。
　次いで、補強部材５３が取り付けられたリング部材５５を取付部本体５４に取り付けるリング部材取付工程（ステップＳ０２）を行う。この際、リング部材５５は、冷し嵌め、焼嵌め等により取付部本体５４に固定される。第一実施形態と同様に、補強部材５３がＣＦＲＰである場合には、焼嵌めを行う際に、リング部材５５を加熱してＣＦＲＰが１００℃以下の状態で取り付ける。
　さらに、リング部材５５が取り付けられたインペラ２１０を回転軸５に対して、冷し嵌め、焼嵌め等による嵌め合いにより固定するインペラ取付工程（ステップＳ０３）を行う。
　上述した第二実施形態においては、補強部材５３を、リング部材５５の収容溝部５５ａに収容する場合を一例に説明した。しかし、リング部材５５に収容溝部５５ａを設けずにリング部材５５の外周に補強部材５３を所定張力で巻き付けることで、補強部材５３をリング部材５５に取り付けるようにしても良い。
　したがって、上述した第二実施形態のインペラ２１０によれば、リング部材５５を取付部本体５４の線膨張率以上の線膨張率を有する材料により形成することで、リング部材５５を加熱して取付部本体５４から取り外す際に、取付部本体５４とリング部材５５との温度差がより小さい状態で、リング部材５５を取付部本体５４から取り外すことができる。
　その結果、温度上昇による補強部材５３の熱的負荷を抑制しつつ補強部材５３を取付部本体５４から容易に取り外すことができる。
　また、補強部材５３をリング部材５５に取り付けた後に、リング部材５５を筒部３２に取り付けることで、補強部材５３を取付部本体５４に取り付けることができる。そのため、補強部材５３を取付部本体５４に対して容易に装着することができる。
　次に、この発明の第三実施形態におけるインペラ３１０を図面に基づき説明する。なお、この第三実施形態のインペラ３１０は、上述した第二実施形態のインペラ２１０に対して、グリップ部３３の構成が異なるだけである。そのため、上述した第二実施形態と同一部分には同一符号を付して説明し、詳細説明を省略する。
　図１０に示すように、この第三実施形態のインペラ３１０は、上述した第二実施形態のインペラ２１０と同様に、ディスク部３０とブレード部４０とを有するオープン型のインペラである。ディスク部３０は、ディスク本体部３５と、筒部３２と、を備えている。
　上述した第二実施形態と同様に、筒部３２は、ディスク本体部３５よりも軸線Ｏ方向の後方側に、筒部３２の一部を構成する円筒状の補強部材取付部２５０を備えている。
　補強部材取付部２５０は、取付部本体５４とリング部材５５とを備えている。補強部材取付部２５０には、補強部材５３が外側から覆うように取り付けられている。
　筒部３２は、回転軸５の外周面に固定されるグリップ部３３を備えている。このグリップ部３３は、ディスク本体部３５よりも軸線Ｏ方向の後方側に配されている。より具体的には、グリップ部３３は、補強部材取付部５０よりも軸線Ｏ方向で後方側に配されている。筒部３２は、軸線方向の第一方向側となる前方側に、非グリップ部３４を備えている。
　筒部３２には、グリップ押え部材５６が取り付けられている。このグリップ押え部材５６は、グリップ部３３を径方向外側から押さえることでグリップ部３３における筒部３２を補強する。グリップ押え部材５６は、その軸線Ｏ方向における長さが、グリップ部３３の長さよりも十分に短く形成されている。グリップ押え部材５６は、筒部３２のグリップ部３３が配される位置に取り付けられている。より具体的には、グリップ押え部材５６は、グリップ部３３の最も前方側の位置に取り付けられている。
　グリップ押え部材５６は、グリップリング部材５７とグリップ補強部材５８とを備えている。グリップリング部材５７は、上述したリング部材５５と同様の材料により形成され、筒部３２に取り付けられていない状態で、その内径が、被取り付け箇所の筒部３２の外径よりも僅かに小さく形成されている。さらに、グリップリング部材５７には、上述した収容溝部５５ａと同様に、リング状の収容溝部５９が形成されている。収容溝部５９には、上述した補強部材５３と同様の材料により形成された円筒状のグリップ補強部材５８が収容されている。
　図１１に示すように、グリップ押え部材５６は、上述したリング部材５５を取付部本体５４に取り付けた後に、上述したリング部材５５と同様に、冷し嵌めや焼嵌めで筒部３２に取り付けられる。この実施形態においては、上記グリップ押え部材５６がグリップリング部材５７を備える場合について説明したが、グリップリング部材５７を省略してグリップ補強部材５８を筒部３２に直接取り付けるようにしても良い。図１０、図１１中、リング部材５５の内径と、グリップリング部材５７の外径とが同等となっているが、グリップリング部材５７の径方向の厚さは図１０、図１１の厚さに限られず、筒部３２の強度や剛性に応じて最適な厚さに設定される。例えば、リング部材５５の内径よりも、グリップリング部材５７の外径が小さい場合には、グリップリング部材５７を筒部３２に装着した後に、リング部材５５を取付部本体５４に取り付けるようにしても良い。
　したがって、上述した第三実施形態のインペラ３１０によれば、グリップ補強部材５８によって、遠心力に起因するグリップ部３３の径方向外側への変形を規制することができる。そのため、グリップ部３３近傍の筒部３２にかかるフープ応力の低減を図ると同時に、回転軸５に対してインペラ３１０をより強固に固定することができる。
　この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
　例えば、上述した各実施形態では、ディスク部３０とブレード部４０のみを有するオープン型インペラを例に説明したが、この発明はこの場合に限定されない。ディスク部３０とブレード部４０に対して更にカバー部を有するクローズ型インペラにおいても同様に適用できる。
　更に、上述した各実施形態では、回転機械として遠心圧縮機１００の一例を説明したが、遠心圧縮機１００に限られず、例えば、各種産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンにもこの発明のインペラを適用可能である。
　この発明によれば、回転軸に対して容易に着脱可能であると共に回転時のフープ応力を十分に低減可能であり、更なる高速回転が可能となる。
　５　回転軸
　１０　インペラ
　３０　ディスク部
　３１　前側面
　３１ａ　曲面
　３２　筒部
　３２ａ　外周面
　３３　グリップ部
　３４　非グリップ部
　３５　ディスク本体部
　４０　ブレード部
　４０ａ　面
　５０　補強部材取付部
　５１　後側面
　５３　補強部材
　５４　取付部本体
　５５　リング部材
　５５ａ　収容溝部
　５６　グリップ押え部材
　５７　グリップリング部材
　５８　グリップ補強部材
　５９　収容溝部
　１００　遠心圧縮機
　１０４　流路
　１０５　ケーシング
　１０５ａ　ジャーナル軸受
　１０５ｂ　スラスト軸受
　１０５ｃ　吸込口
　１０５ｄ　排出口
　１０５ｅ　壁面
　２１０　インペラ
　２５０　補強部材取付部
　３１０　インペラ
　６１０　インペラ
　７１０　インペラ
　ａ１　上限値
　ａ２　上限値
　Ｄ　直径
　Ｇ　ガス
　Ｏ　軸線
　ｒ１　外径
　ｒ２　直径

Claims (7)

  1. 　軸線回りに回動される回転軸が挿通され、前記回転軸の軸線方向の一部がグリップ部として前記回転軸に固定される筒部と、前記筒部から前記回転軸の径方向外側に向かって延びるディスク本体部と、を備えたディスク部と、
    　前記ディスク本体部から軸線方向の第一方向側に突出するブレードと、
    　前記ディスク本体部よりも前記軸線方向の第二方向側の前記筒部に形成される補強部材取付部と、
    　前記ディスク部よりも比強度の高い材料により形成され、前記補強部材取付部を外側から覆うように取付られる補強部材と、を備えるインペラ。
  2. 　前記補強部材取付部は、
    　前記筒部と一体に形成される取付部本体と、
    　前記取付部本体の線膨張率以上の線膨張率を有する材料により形成され、前記取付部本体に取り付けられるリング部材と、を備え、
    　前記補強部材は、前記リング部材に取り付けられている請求項１に記載のインペラ。
  3. 　前記補強部材よりも前記軸線方向の第二方向側に前記グリップ部が配され、前記筒部の前記グリップ部が配される位置に取付られて前記グリップ部を補強するグリップ補強部材を備える請求項１又は２に記載のインペラ。
  4. 　前記ディスク本体部の直径に対する前記補強部材の直径の比率が、０．３５から０．８である請求項１から３の何れか一項に記載のインペラ。
  5. 　請求項１から請求項４の何れか一項に記載のインペラを備える回転機械。
  6. 　請求項１に記載のインペラを備える回転機械の組立方法であって、
    　前記補強部材を前記補強部材取付部に取り付ける取付工程と、
    　前記インペラを前記回転軸に取り付けるインペラ取付工程と、を備える回転機械の組立方法。
  7. 　請求項２に記載のインペラを備える回転機械の組立方法であって、
    　前記補強部材を前記リング部材に取り付ける補強部材取付工程と、
    　前記補強部材が取り付けられた前記リング部材を前記取付部本体に取り付けるリング部材取付工程と、
    　前記インペラを前記回転軸に取り付けるインペラ取付工程と、を備える回転機械の組立方法。
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