JP5620633B2 - ロータ用の固定システムおよび該システムを含む回転流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転流体機械のロータ用の固定システムに関し、より具体的には、遠心型圧縮機のロータと回転シャフトとの間の固定システムに関する。

圧縮機が機械的エネルギーを用いて圧縮性流体（ガス）の圧力を上昇させることができる機械であることは、知られている。産業用プロセスプラントで用いられる様々なタイプの圧縮機の中で、一般的にドライバ（電気モータ又は蒸気タービン）によって駆動されるロータ又はタービンホイールと呼ばれる機関の回転による遠心加速の形態でエネルギーがガスに供給されるいわゆる遠心圧縮機について言及することができる。

遠心圧縮機には、いわゆる単相構成としての単一のロータ、又は多相圧縮機と呼ばれる直列配置の幾つかのロータを設けることができる。より具体的には、遠心圧縮機の各相は通常、加圧対象ガスのための吸入ダクトと、ガスに運動エネルギーを与えることができるロータと、その機能はロータから出るガスの運動エネルギーを圧力エネルギーに変換することであるディフューザとから構成される。

遠心圧縮機のロータは一般的に、ディスクの形態であり、その中心部分には様々な数のベーンを支持することができるハブが配置される。ハブには、通常楔留めすることによって遠心圧縮機の回転シャフトに対してロータを拘束することを可能にする中心貫通孔が設けられる。

公知のタイプのロータにおいて、特に特定の流体で作動することができるように鋼鉄ではなく軽金属合金（例えば、アルミニウム）で該ロータを製造した場合に発生する問題の１つは、圧縮機の作動時にシャフトとの間の十分な締まり嵌めを維持することである。事実、機械の作動時に１つ又は複数のロータとシャフトとの間に適切な締まり嵌めを維持することは、ロータの平衡状態を維持しかつロータ自体の仕事エネルギーに必要なトルクをシャフトからロータに伝達するための必要条件である。この第２の態様は、シャフトの上に嵌合取付けしたロータにとって中でも特に重大である。事実、特にアルミニウム合金で製造した場合における熱膨張及びまた遠心力の影響によるロータハブの半径方向膨張は、鋼鉄で製造された同様の最終製品に対して極めて大きくなり、その結果、締まり嵌めの全体的又は部分的喪失を促進し、いずれにしてもトルクの伝達を不十分なものにする。

具体的には、軽量アルミニウム合金で製造したロータは、それらアルミニウム合金がロータハブ−シャフト間の低い特異的接触圧力を引き起こす低い弾性率とロータの作動時に大部分の締まり嵌めの喪失を引き起こす高い熱膨張率とを有するので、単純にはシャフト上に嵌合取付けすることができない。現時点では、アルミニウムで製造したロータの唯一の公知の用途は、シャフトのヘッド上への、すなわちセンタリングシステム及びトルク伝達が極めて容易である圧縮機シャフトの端部でのそれらの嵌合取付けを想定している。

従って、本発明の目的は、回転流体機械のロータ用の固定システム、より具体的には特にアルミニウム合金で製造したロータを用いる場合にシャフトとロータとの間の締まり嵌めによる力の伝達を保証するのに適した遠心型圧縮機のロータと回転シャフトとの間の固定システムを提供することによって、公知の技術によるロータに関する問題を解決することである。

本発明の別の目的は、アルミニウム合金で製造したロータの組立体が多相型圧縮機のシャフトの端部の１つに対応するだけでなくそのシャフトに沿っても適切なセンタリング及びトルク伝達を保証するのを可能にする、回転流体機械のロータ用の固定システムを提供することである。

本発明によるこれら目的は、請求項１に特定したような回転流体機械のロータ用の固定システムを提供することによって達成される。

本発明の更なる詳細は、後続の請求項に示いている。

本発明による回転流体機械のロータ用の固定システムの特徴及び利点は、添付の概略的な図面を参照しての以下の例示的なかつ非限定的な説明から一層明らかになるであろう。

特に図１を参照すると、この図は、その全体を参照符号１０で表した一般的多相型遠心圧縮機を示している。圧縮機１０は、その中にシャフト１４が回転可能に組立てられたケーシング又はステータ１２を含み、シャフト１４は、一連の支持軸受１６上に載置される。一連のロータ１８は、シャフト１４上に嵌合取付けされ、次にロータの各々には、ほぼ半径方向の展開部を有する一連の円周方向ベーン２０が設けられる。チャネル又はダイヤフラム２２がケーシング１２上に配置され、これらチャネル又はダイヤフラム２２は、圧縮性流体（ガス）を第１の相に向かってまたこの第１の相から後続の層に送って、次に圧縮機１０から圧力下で吐出するのを可能にする。

図２を参照すると、この図は、好ましくはアルミニウム合金で製造され、かつより一般には鋼鉄ロータで発生するものと同じようにシャフト１４上に締まり嵌めで組立てられた単一のロータ１８の断面図である。

ロータ１８は、ほぼ凹面形の第１の前面２４及び第１の前面２４に対向するほぼ凸面形の第２の後面２６を含む輪郭を有する。

一般に「ハブ」と呼ばれ、圧縮機１０のシャフト１４に対して締まり嵌めで拘束されるように構成されたロータ１８の中心部分２８には、適当な長さを有しかつロータ１８自体の後面２６に連結されたシャンク３０が設けられる。

本発明によると、異なる直径を備えた２つの別個の内周面３４及び３６を有するチェックリング３２が、ロータ１８のシャンク３０上に締まり嵌めによって組立てられる。より大きい直径を有する第１の周面３４は、シャンク３０の外径Ｄ_ｅ（図３）と締まり嵌めで結合され、一方、小さい直径を有する第２の周面３６は、シャフト１４上に締まり嵌めで直接結合される。このようにして、圧縮機１０の作動時にシャンク３０の外径とチェックリング３２との間に発生する締まり嵌めの増強を得ることができる。

部品間の締まり嵌めを増大させかつシャフト１４から各ロータ１８へのトルクの伝達率を高めるために、図２に示すように、シャフト１４の外面とチェックリング３２の第２の内面３６との間に、１つ又はそれ以上のキー３８を挿入するのが好ましい。

シャフト１４からロータ１８に伝達することができるトルクをさらに増大させるために、ロータ１８の前面側上にもすなわちロータ１８自体のアイ４０に対応させても、チェックリング３２を適用することができる。

圧縮機１０の効率に関するテスト及び制御に基づいて、シャンク３０の外径Ｄ_ｅとの間のシャフト１４の直径Ｄの比率は基本となるものであり、またチェックリング３２の外径Ｄ_ａとの間のシャフト１４の直径Ｄの比率並びにそれぞれシャンク３０の有効長さと第２の表面３６の長さすなわちチェックリング３２の有効長さとを表すシャフト１４の軸方向に沿って測定した長さＬ_ｃとＬ_ａ（図３参照）との間のシャフト１４の直径Ｄの比率もまた基本となるものであることが判った。

寸法、張力及び効率間の良好な妥協点は、シャフト１４の直径Ｄに関する以下の比率で得られた。
Ｄ_ｅ／Ｄ＝１．１０〜１．２５
Ｄ_ａ／Ｄ＝１．４０〜１．６０
Ｌ_ｃ／Ｄ＝０．２５〜０．３５
Ｌ_ａ／D＝０．４０〜０．７０
図２及び図３に示すように、チェックリング３２は、軸方向の障害すなわち言い換えると多相圧縮機１０のロータ１８のピッチに関係するように、その長さがロータ１８のシャンク３０に加えてシャフト１４の軸方向に延びているので、チェックリング３２自体には、ダイヤフラム２２に対応するような適当な形状になったその外面の一部分４２を設けて、相間ラビリンスシールの直径を増大させることができる。

従って、本発明による回転流体機械のロータ用の、特に遠心型圧縮機のロータと回転シャフトとの間の固定システムは、前に記載した目的を達成することを理解することができる。事実、本システムによると、たとえロータが軽金属合金（アルミニウム合金）で製造されている場合であっても、シャフトからロータに必要なトルクを伝達することが可能になり、また機械のシャフト上におけるロータのセンタリングを維持して、圧縮機の作動時にロータの不均衡を誘発する危険性を除去する。

このように着想した本発明の回転流体機械のロータ用の固定システムは、とにかく全て同じ発明概念に含まれる多数の修正及び変更を行うことができ、さらに細部全ては、技術的に均等な要素によって置き換えることができる。実際には、使用する材料、また同様に形状及び寸法は、技術的要求により変更することができる。

従って、本発明の保護範囲は、提出した特許請求の範囲によって定まる。

２つの支持軸受間でシャフトの上に嵌合取付けした一連のロータを備えた一般的な多相遠心圧縮機の部分断面図。 本発明による回転流体機械のロータ用の固定システムの概略断面図。 幾つかの基本的大きさを示す、本発明による回転流体機械のロータ用の固定システムの別の概略断面図。

符号の説明

１０ 圧縮機
１２ ケーシング又はステータ
１４ シャフト
１６ 支持軸受
１８ ロータ
２０ 円周方向ベーン
２２ チャネル又はダイヤフラム
２４ 第１の前面
２６ 第２の後面
２８ 中心部分
３０ シャンク
３２ チェックリング
３４ 第１の内周面
３６ 第２の内周面
３８ キー
４０ アイ
４２ 外面の一部分
Ｄ シャフトの直径
Ｄ_ａ チェックリングの外径
Ｄ_ｅ 外径
Ｌ_ａ チェックリングの有効長さ
Ｌ_ｃ シャンクの有効長さ

Claims (6)

1. 軽金属合金で構成された複数のロータ（１８）を含む圧縮機（１０）であって、
   前記複数のロータ（１８）のそれぞれが、
   ほぼ凹面形の第１の前面（２４）及び前記第１の前面（２４）の反対側に位置するほぼ凸面形の第２の後面（２６）を含む輪郭と、
   圧縮機（１０）の回転シャフト（１４）上に第１の締まり嵌めで拘束されかつ該ロータ（１８）の第２の後面（２６）と連結されたシャンク（３０）を備えるように構成された該ロータ（１８）の中心部分（２８）と、
   を有し、
   前記圧縮機（１０）はさらに、前記ロータ（１８）のシャンク（３０）に締まり嵌めによって組立てられた複数のチェックリング（３２）を含み、
   前記複数のチェックリング（３２）のぞれぞれが、
   前記シャンク（３０）に第２の締まり嵌めで結合された第１の内周面（３４）と、
   前記シャフト（１４）に第３の締まり嵌めで結合された第２の内周面（３６）と、
   を有し、
   前記シャフト（１４）から前記複数のロータ（１８）に伝達することができるトルクを増大させ、
   前記シャフト（１４）の外面と前記チェックリング（３２）の第２の内周面（３６）との間に、１つ又は複数のキー（３８）が挿入されて、部品間の締まり嵌めを増大させかつ前記シャフト（１４）から前記複数のロータ（１８）へのトルクの伝達率を高め、
   前記シャンク（３０）の位置における前記シャフト（１４）の径が、前記第２の内周面（３６）の位置における前記シャフト（１４）の径と等しく、
   前記ロータ（１８）は、前記第１、第２および第３の締まり嵌めのみによって、前記シャフト（１４）上に取り付けられた、
   圧縮機（１０）。
2. 前記第１の内周面（３４）が、前記第２の内周面（３６）に対して、より大きい直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機（１０）。
3. 前記シャンク（３０）の外径（Ｄ_e）と前記シャフト（１４）の直径（Ｄ）との間の比率が、１．１０〜１．２５の範囲内にあることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の圧縮機（１０）。
4. 前記チェックリング（３２）の外径（Ｄ_a）と前記シャフト（１４）の直径（Ｄ）との間の比率が、１．４０〜１．６０の範囲内にあることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の圧縮機（１０）。
5. 前記シャフト（１４）の軸方向に沿って測定した前記シャンク（３０）の長さ（Ｌ_c）と該シャフト（１４）の直径（Ｄ）との間の比率が、０．２５〜０．３５の範囲内にあることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の圧縮機（１０）。
6. 前記シャフト（１４）の軸方向に沿って測定した前記第２の内周面（３６）の長さ（Ｌ_a）と該シャフト（１４）の直径（Ｄ）との間の比率が、０．４０〜０．７０の範囲内にあることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の圧縮機（１０）。
   

Images