JPH08226302A - 遠心形圧縮機または遠心形タ−ビンのインペラの固定機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転中においてもインペラと軸の各々の中心
のずれをなくし、軸振動を小さく抑えることのできる構
造を提供する。 【解決手段】 インペラと軸との軸方向接触面に環状係
合部を設け、この環状係合部を、軸と同心でインペラ側
に設けた環状突起部または環状溝部と、この環状突起部
または環状溝部と互いに嵌合するように軸側に設けた環
状溝部または環状突起部とで構成し、回転中にインペラ
の環状突起部の外周面が軸の環状溝部の外周面により、
あるいはまた、インペラの環状溝部の内周面が軸の環状
突起部の内周面により、半径方向に位置決めされること
を特徴とする。また、貫通軸とインペラの貫通軸孔との
間に隙間を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、遠心形圧縮機ま
たは遠心形タービンのインペラの固定機構に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】遠心形圧縮機或は遠心形タービンのイン
ペラは、風の流れが入口から出口に向って直角に曲げら
れるので、流れをスムーズにする必要から、通常軸を支
持する軸受の外側にオーバハングして取付けられる構造
が採用される。この代表的な構造が例えば文献石川島播
磨技報、昭和６１年７月発行、第２６巻第４号Ｐ２６５
「高効率ボールベアリングターボチャージャの開発」Ｆ
ｉｇ．２に示されている。これは、内燃機関の排ガスエ
ネルギーを回収して圧縮空気を供給するターボチャージ
ャの一例であり、タービンと圧縮機の各インペラが２個
の軸受で支持された軸の外側に配置され、インペラ中心
部を貫通する軸の端部でボルト締めでインペラが軸方向
に固定される構造である。

【０００３】その固定機構の詳細を図５によって示す。
図５において、１は圧縮機またはタービンのインペラ、
２は駆動源あるいは負荷とつながる軸、３は軸２を支持
する軸受でボールベアリング、油潤滑スリーブベアリン
グなどが適用される。４はインペラ１の中心に設けられ
た貫通軸孔を貫通する貫通軸で軸２と一体か或は機械的
につながっている。５は貫通軸４の端部に加工されたネ
ジ、６はネジ５に組み込まれたナットであり、これらは
インペラ１を軸２に締付け固定する目的で配置される。
７はインペラ１がナット６により締付けられたとき、軸
２とインペラ１が軸方向で接触する接触面である。

【０００４】次にこの様なインペラ固定機構の機能につ
いて説明する。遠心形圧縮機又は遠心形タービンは、軸
２に発生する伝達トルクをインペラ１に、或はインペラ
１に発生するトルクを軸２に伝えなければならないが、
これには軸２とインペラ１が回転方向に相対ずれを生じ
ない様、両者を機械的にしっかりと固定する必要があ
る。また組立・分解の都合から、インペラ１は軸２から
取外しできる構造でなければならない。このため、図５
に示す構造のものにおいては、インペラ１を貫通軸４に
対し挿入・引抜きできるようにインペラ１の貫通軸孔の
内径と貫通軸４の外径が仕上げられ、組立てるときはイ
ンペラ１を貫通軸４に挿入したあと、貫通軸４の端部の
ネジ５のナット６をかけ、このナット６を締付けること
によりインペラ１を軸２に固定する。このとき、ナット
６の締付力により、軸２とインペラ１の接触面７に面圧
が発生するが、この面圧に伴う摩擦力により、インペラ
１、軸２の間で相互にトルク伝達が可能になる。なお、
インペラ１と貫通軸４との間にキーを介在させてトルク
伝達を行わせる方法もあるが、ターボチャージャなど高
速で回転する機械に対しては、回転体バランスの問題或
はインペラ１の強度上の問題から、キー方式は採用せ
ず、図５に示す構造を採用するのが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示す
従来構造においては、回転中に遠心力または熱伸びの影
響でインペラ１の貫通軸孔の内面と貫通軸４の外径との
間のすき間が大きくなって、軸２の中心とインペラ１の
中心にずれを生じ、その結果バランスがくずれ、軸２の
振動が過大になる可能性がある。このため、組立て時の
インペラ１−貫通軸４間のすき間は、できるだけ小さく
設定するか、或はインペラ１を貫通軸４に対し焼バメ固
定する方法が採用されている。しかしながら、インペラ
１と貫通軸４が類似材質の場合正確には、両者の材料の
熱膨張係数が類似の場合焼バメ構造にすると、分解が困
難になること、また仮に焼バメ構造を採用できたとして
も、回転時の遠心力及び熱によるインペラ１の内径の拡
がり代が貫通軸４の外径の拡大代よりもはるかに大きい
ため、回転中にどうしても軸２とインペラ１の両者間の
すき間ができてインペラ１の位置が狂い、これが原因で
往々にして軸振動が増大することがあった。なお、イン
ペラ１の遠心力・熱による拡がりの力は、接触面７にお
ける面圧による摩擦力に比しはるかに大きいので、回転
中に生ずる上記すき間の範囲内でインペラ１の中心は、
軸２の中心に対し容易に相対ずれを起こす。

【０００６】この様に、従来の構造では、回転中の軸振
動を抑えるため、インペラ内径を焼バメにするのが望ま
しいが、焼バメ構造にすると、分解が困難になること、
或は焼バメ構造にしても回転中のすき間発生、軸振動増
大は避けられないなど、基本的に軸振動を抑えることが
できないという問題点があった。この発明は上記のよう
な問題点を解消する目的でなされたもので、回転中にお
いてもインペラと軸の各々の中心のずれをなくし、軸振
動を小さく抑えることのできる構造を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る圧縮機、
タービンのインペラの固定構造は、インペラと軸との軸
方向接触面に環状係合部を設け、この環状係合部を、軸
と同心でインペラ側に設けた環状突起部または環状溝部
と、この環状突起部または環状溝部と互いに体合するよ
うに軸側に設けた環状溝部または環状突起部とで構成
し、回転中にインペラの環状突起部の外周面が軸の環状
溝部の外周面により、あるいはまた、インペラの環状溝
部の内周面が軸の環状突起部の内周面により、半径方向
に位置決めされることを特徴とする。また、貫通軸とイ
ンペラの貫通軸孔との間に隙間を設けたものである。

【０００８】［作用］この発明における圧縮機・タービ
ンのインペラの固定構造は、回転中に軸側の環状溝部の
外周面または環状突起部の内周面がインペラ側の環状突
起部または環状溝部に対して半径方向の位置ぎめとな
り、回転中においてもインペラと軸の同心が確保され、
ひいては回転中の軸振動を小さく抑える効果が生みださ
れるものである。また、貫通軸とインペラの貫通軸孔と
の間の隙間はインペラの軸への組み付け及び分解を容易
にする。

【０００９】

【発明の実施の形態】

実施形態１．以下、この発明の第１の実施形態を図１、
図２について説明する。図１は静止時の状態を示す図、
図２は回転中の状態を示す図であり、図において１〜７
は図５に示すものと同一である。まず静止時の図１につ
いて説明する。図において、８はインペラ１の軸２に対
する面に設けられた環状突起部、また９は軸２のインペ
ラ１に対する面に設けられた環状溝部で、この環状突起
部８と環状溝部９の組合せで環状係合部１４を構成す
る。そしてこの環状係合部１４の外側の軸端面にトルク
伝達のための接触面７が構成される。環状係合部１４は
組立時、即ち静止時はインペラ１の環状突起部８の内周
面１０と軸２の環状溝部９の内周面１２が、両者の半径
方向位置ぎめの基準面となるように、即ち組立時静止時
に環状突起部８の内周面１０と環状溝部９の内周面１２
は、互いのすき間が殆ど０、例えばミクロンオーダ以下
か或は若干の締まりとなるように構成される。また、軸
２の環状溝部９の外周面１３は、回転中にインペラ１の
環状突起部８の外周面１１がフィットするように、即ち
回転時は、環状溝部９の外周面１３と環状突起部８の外
周面１１が、インペラ１と軸２の半径方向位置ぎめの基
準面となるよう構成される。このため、静止時における
環状溝部９の外周面１３と環状突起部８の外周面１１の
間のすき間は、回転中の遠心力或は熱伸びによるインペ
ラ１の環状突起部８の軸２に対する相対拡がり量以下と
なるよう設定される。

【００１０】即ちこの様な設定により、回転時にインペ
ラ１の環状突起部８の外周面１１が、軸２の環状溝部９
の外周面１３に対して、静止時の設定すき間値以上に拡
がるので、回転時にこの部分のすき間が詰まり、それに
よってインペラ１と軸２の位置ぎめがなされる。ここ
で、インペラ１の環状突起部８の内周面１０と外周面１
１、或は軸２の環状溝部９の内周面１２と外周面１３
は、それぞれ同心性を保って面の仕上げがなされること
が必要で、これにより、回転時にインペラ１と軸２の同
心性が、静止時と同等に確保される。

【００１１】図２は、以上のような意図のもとに構成さ
れた環状係合部１４の回転時の位置関係を概念的に示す
ものである。この様なインペラ固定構造の機能、作用に
ついてもう少し詳しく記述する。図１において、組立時
に、まずインペラ１を貫通軸４に通す。この発明では、
インペラ１の貫通軸孔の内径と貫通軸４外径は何ら位置
ぎめの役目を担わないので、焼バメ挿入する必要はな
く、両者間にすき間があって良い。このことは、従来構
成に比し、インペラ１の分解・組立がきわめて容易にな
るという利点を生み出す。インペラ１を貫通軸４に通し
たあと、ネジ部５にナット６をかけ、インペラ１を軸方
向に締め付ける。この締付力により、インペラ１と軸２
の軸方向接触面７に面圧が発生し、それに伴う摩擦力に
よって、インペラ１、軸２の間で相互にトルク伝達が行
われるようになる。

【００１２】図１はこうしてインペラ１を締め付けたと
きの状態を示し、このとき、インペラ１の環状突起部８
の内周面１０と軸２の環状溝部９の内周面１２がフィッ
トしており、この状態で回転体のバランス静つり合い及
び動つり合いの調整が行われる。次に回転がスタートす
れば、インペラ１が遠心力・熱の影響による半径方向伸
びが、軸２の同伸びに比し大きいため、環状突起部８の
外周面１１と環状溝部９の外周面１３のすき間が縮ま
り、やがて回転上昇の途中ですき間０となり、この面で
フィットするようになる。このときの状態を示すのが図
２である。環状突起部８の内周面１０と外周面１１、ま
た環状溝部９の内周面１２と外周面１３はそれぞれ同心
性が確保されているので、回転時においてもインペラ１
と軸２の同心性は失なわれることがなく、したがって、
回転時のバランスが確保され軸振動を小さく抑えること
ができる。

【００１３】このようにして、インペラ１と軸２の軸方
向接触面に環状係合部１４を設けることにより、組立・
分解が容易で且つ回転中の軸振動を小さく抑え得る構造
を実現することができる。なお、静止時の環状係合部１
４における外周側のすき間は０でも良いが、その場合回
転時の環状係合部１４まわりの応力が高くなるので、そ
うならない程度にすき間を設定するのが望ましい。ま
た、上記の実施形態では、環状突起部８をインペラ１側
に、また環状溝部９を軸２側に配置した例を示したが、
逆に環状突起部８を軸２側に、環状溝部９をインペラ１
側に配置しても良く、上記実施例と同様の効果を奏す
る。この場合、静止時は環状突起部８、環状溝部９の外
周面側でフィットを与え、回転時には環状突起部８、環
状溝部９の内周面側でフィットするように構成する必要
があり、このときの、静止時、回転時の環状係合部１４
の位置関係を図３、図４に示す。この場合の考え方作用
は図１、図２の例と同じである。

【００１４】また、図１〜図４の実施形態は、いずれも
環状係合部１４の外周側において、インペラ１と軸２の
軸方向接触面７を構成する例を示したが、必ずしもその
位置で接触面を構成する必要はなく、環状係合部１４内
において、或は環状係合部１４の内周側で軸方向接触面
を構成しても良い。ただし、大きいトルク伝達力を得る
上からは、上記実施形態のように環状係合部１４の外周
側で軸方向接触面を構成した方が良い。

【００１５】

【発明の効果】以上のように、この発明によればインペ
ラ側に設けた環状突起部または環状溝部と、軸側に設け
た環状溝部または環状突起部とからなる環状係合部を配
置し、軸側の環状溝部の外周面または環状突起部の内周
面がインペラ側の環状突起部または環状溝部に対して、
半径方向の位置決めとなるようにしたことにより相互の
同心性を得る構造としたので、貫通軸と貫通軸孔の間に
は隙間を設けることができ、組立・分解が容易で且つ回
転中の軸振動を小さく抑え得るとともに、インペラの軸
方向嵌めあい位置を正確に決定できるインペラの固定機
構を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施形態によるインペラの
固定機構の静止時の状態を示す断面図である。

【図２】 この発明の第１の実施形態によるインペラの
固定機構の回転時の状態を示す断面図である。

【図３】 この発明の他の実施形態を示すインペラの固
定機構の静止時の状態を示す断面図である。

【図４】 この発明の他の実施形態を示すインペラの固
定機構の回転時の状態を示す断面図である。

【図５】 従来のインペラの固定機構を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ インペラ ２ 軸 ４ 貫通軸 ７
接触面 ８ 環状突起部 ９ 環状溝部 １４ 環状係合部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 貫通軸孔を有するインペラと、このイン
   ペラと接する端面を有する軸と、前記軸と一体か或いは
   機械的につながって前記インペラの貫通軸孔を貫通しそ
   の端部に前記インペラの締付機構を有する貫通軸とで構
   成される遠心形圧縮機または遠心形タービンのインペラ
   の固定機構であって、前記インペラと前記軸端面とが接
   する部分に環状係合部を設けたものであり、この環状係
   合部は前記軸の端面にこの軸と同心に設けた環状突起部
   と、この軸端面に接する前記インペラの接触面に設けら
   れて前記環状突起部に係合する環状溝部から構成され、
   静止中は前記軸端面の環状突起部の外周面と前記インペ
   ラの環状溝部の外周面との間に隙間が形成され、回転中
   は前記インペラの環状溝部の外周面が前記軸端面の環状
   突起部の外周面によって半径方向の位置決めがなされる
   ようにしたことを特徴とする遠心形圧縮機または遠心形
   タービンのインペラの固定機構。
2. 【請求項２】 静止中は前記インペラの環状溝部の内周
   面が前記軸端面の環状突起部の内周面によって半径方向
   の位置決めがなされるようにしたことを特徴とする請求
   項１記載の遠心形圧縮機または遠心形タービンのインペ
   ラの固定機構。
3. 【請求項３】 前記インペラと前記軸端面との接触は、
   前記環状突起部または前記環状溝部の外側の前記軸端面
   で行われるように構成されたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の遠心形圧縮機または遠
   心形タービンのインペラの固定機構。
4. 【請求項４】 前記貫通軸の外周面と前記インペラの貫
   通軸孔の内周面との間に隙間を設けたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の遠心形圧縮機
   または遠心形タービンのインペラの固定機構。