(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機用ロータ組立体であって、遠心インペラ及び軸受組立体が取り付けられたシャフトを含み、前記軸受組立体は、スリーブによって取り囲まれた一対の離間軸受を含み、該軸受組立体の第１の部分はインペラのプロファイル内に配置され、該軸受組立体の第２の部分は前記インペラのプロファイルの外部に配置されることを特徴とするロータ組立体。
【請求項２】
前記インペラは、複数のブレードを支持するハブを含み、前記ハブは、該ハブの底部に凹部を定める凹状の内面を有するドーム型の壁を含み、前記軸受組立体の前記第１の部分は前記凹部内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のロータ組立体。
【請求項３】
前記インペラは、複数のブレードを支持するハブを含み、前記軸受組立体の前記第１の部分は、前記ハブの頂部に形成された環状凹部内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のロータ組立体。
【請求項４】
前記ハブは、前記シャフトを中に受け入れるボアを含み、前記凹部の直径は、前記ボアの直径より大きいことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載のロータ組立体。
【請求項５】
前記軸受組立体は、前記インペラの重心の上を覆うことを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のロータ組立体。
【請求項６】
前記軸受組立体は、前記インペラのプロファイル内に全体が配置された軸受を含むことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のロータ組立体。
【請求項７】
圧縮機用ロータ組立体であって、インペラ及び軸受組立体が取り付けられたシャフトを含み、前記インペラは、複数のブレードを支持するハブと、前記ハブの上端部に形成された凹部とを含み、前記軸受組立体は、前記凹部内に配置された第１の部分と、前記凹部の外部に配置された第２の部分とを含むことを特徴とするロータ組立体。
【請求項８】
前記ハブは、前記シャフトを中に受け入れるボアを含み、前記凹部の直径は、前記ボアの直径よりも大きいことを特徴とする、請求項７に記載のロータ組立体。
【請求項９】
前記ハブは、前記軸受組立体から半径方向に離間配置されることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載のロータ組立体。
【請求項１０】
前記軸受組立体は、前記凹部内に全体が配置される軸受を含むことを特徴とする、請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載のロータ組立体。
【請求項１１】
前記軸受組立体は、スリーブによって取り囲まれた一対の離間軸受を含むことを特徴とする、請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載のロータ組立体。
【請求項１２】
前記インペラは、遠心インペラであることを特徴とする、請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載のロータ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機用のロータ組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機のロータ組立体は、典型的には、モータによって駆動されるシャフトに取り付けられたインペラを含む。ロータ組立体の不均衡は、圧縮機内にロータ組立体を取り付けるために用いられる軸受にかかる負荷を増大させ、これにより、軸受の寿命が縮まる。従って、圧縮機内に取り付ける前に、ロータ組立体のバランスをとることが理想的である。しかしながら、圧縮機内に取り付ける前に、完成ユニットとしてのロータ組立体のバランスをとることは常に可能とは限らない。むしろ、多くの場合は、ロータ組立体の種々の構成部品を圧縮機内で組み立てる必要がある。従って、個々の構成部品のバランスをとることはできても、完成したロータ組立体のバランスをとることができない場合がある。さらに、ロータ組立体のバランスを動的にとることが可能であると分かっているときでさえ、構成部品の摩耗及び熱変形の結果として、後で不均衡が生じることが多い。
【発明の概要】
【０００３】
第１の態様において、本発明は、遠心インペラ及び軸受組立体が取り付けられたシャフトを含み、軸受組立体はスリーブによって取り囲まれた一対の離間軸受を含み、軸受組立体の第１の部分は、インペラのプロファイル内に配置され、軸受組立体の第２の部分は、インペラのプロファイルの外部に配置された、圧縮機用ロータ組立体を提供する。
【０００４】
インペラのプロファイル（輪郭形状）は、軸方向に最も遠くまで延びるインペラの端部又は先端部によって軸方向に境界付けられる。従って、インペラのプロファイルは、インペラのハブ、ブレード及び／又はシュラウドによって境界付けることができる。
【０００５】
インペラのプロファイル内に少なくとも部分的に配置された軸受組立体を有することによって、インペラの不均衡に起因する軸受組立体の負荷が、著しく低減される。結果として、軸受組立体の寿命は長くなる。さらに、軸受組立体をインペラのプロファイル内に配置することによって、ロータ組立体の片持ち梁の長さが短縮される。これにより、ロータ組立体の剛性が増し、その結果、第１の曲げ固有振動数がより高くなる。結果として、ロータ組立体は、ずっと高い臨界内速度で動作することができる。
【０００６】
共通スリーブによって取り囲まれた一対の離間軸受を含む軸受組立体を有する場合、軸受組立体の第１の部分をインペラのプロファイルの内側に配置し、第２の部分は、インペラのプロファイルの外側に配置することができる。従って、インペラの外側に配置された部分は、フレーム、ハウジング等に固定することができる。その結果、ロータ組立体は、比較的大きな表面積にわたってフレーム又はハウジングに固定することができ、これにより良好な固定を確保できる。さらに、一対の離間軸受を有する場合、軸受組立体は、ロータ組立体に対して良好で安定した支持を提供する。
軸受組立体は、インペラの凹部内に少なくとも部分的に配置されることが好ましい。インペラの凹部を定めるために、インペラの端部をシャフトから半径方向に離間配置することがより好ましい。
【０００７】
理想的には、インペラは複数のブレードを支持するハブを含み、凹部はハブの端部に形成される。これにより、ハブの端部は、シャフトから半径方向に離間配置される。次に、軸受組立体は、凹部内に少なくとも部分的に配置される。インペラの重心は、典型的には、ハブの２つの軸端の間に配置される。軸受組立体をハブの凹部内に配置することによって、インペラの重心のより近くに軸受組立体を配置することができる。その結果、ロータ組立体の片持ち梁の長さ、及びインペラの不均衡から生じる半径方向の負荷を低減することができる。
【０００８】
ハブは、シャフトを受け入れるボアを含み、ハブ端部の凹部の直径は、ボアの直径よりも大きいことが有利である。凹部の直径はボアの直径よりも大きいが、凹部が円形の断面を有する必要はない。むしろ、凹部は、ボアの直径を超えて延びる必要があるだけである。
【０００９】
ハブ端部の凹部は、異なる方法で形成することができる。例えば、ハブは、凹状の内面を有するドーム型の壁を含み、凹部をハブの底部に定めることができ、その場合、ハブの下端部がシャフトから離間配置される。さらに別の例として、ハブは、ハブの頂部に環状の凹部を含むことができ、その場合、ハブの上端部がシャフトから離間配置される。
【００１０】
軸受組立体がインペラの重心の上を覆うようにすることができる。このことは、後で生じるインペラの不均衡に起因する半径方向の負荷を最小に保つことができるという利点を有する。
【００１１】
軸受組立体は、インペラのプロファイル内に全体が配置される軸受を含むことができる。そうすることによって、軸受がインペラの重心の上を覆うようにするか、又は少なくともより重心近くに軸受を配置することができる。
【００１２】
第２の態様において、本発明は、インペラ及び軸受組立体が取り付けられたシャフトを含み、インペラは、複数のブレードを支持するハブと、ハブの上端部に形成された凹部とを含み、軸受組立体は、凹部内に配置された第１の部分と、凹部の外部に配置された第２の部分とを含む、ロータ組立体を提供する。
【００１３】
軸受組立体をインペラ頂部の凹部内に少なくとも部分的に配置することによって、軸受組立体は、インペラの重心のより近くに配置される。その結果、インペラの不均衡に起因する軸受組立体の負荷は低減され、軸受組立体の寿命は延びる。さらに、ロータ組立体の片持ち梁の長さは短縮され、従って、ロータ組立体の剛性が増し、これにより、ロータ組立体がより高い亜臨界速度で動作することが可能になる。
【００１４】
軸受組立体は、インペラのプロファイル内に全体が配置された軸受を含むことができる。そうすることによって、軸受をインペラの重心のより近くに配置することができる。
ハブは、軸受組立体から半径方向に離間配置され、即ち、ハブと軸受組立体との間に隙が存在することが好ましい。それにより、インペラは、軸受組立体の外面に対して自由に回転する。
【００１５】
軸受組立体は、１つ又はそれ以上の軸受を含むことができる。軸受組立体は、共通スリーブによって取り囲まれた一対の離間軸受を含む軸受カートリッジの形態を取ることが有利である。既述の通り、これにより、軸受組立体の第１の部分をインペラのプロファイルの内側に配置し、第２の部分をインペラのプロファイルの外側に配置することができるという利点を有する。次に、インペラの外側に配置された部分は、フレーム、ハウジング等に固定することができる。さらに、一対の離間軸受を有する場合、軸受組立体は、ロータ組立体に対して良好で安定した支持を提供する。
インペラは、半開放型インペラ又は閉鎖型インペラとすることができる。特に、インペラはシュラウドを含むことができ、その場合、複数のブレードが、ハブとシュラウドとの間に延びる。
【００１６】
本発明をより容易に理解することができるように、ここで、添付の図面を参照ながら、一例として本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるロータ組立体の断面図である。
【図２】本発明による別のロータ組立体の断面図である。
【図３】本発明によるさらに別のロータ組立体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ロータ組立体１は、インペラ３及び軸受カートリッジ４が取り付けられたシャフト２を含む。
インペラ３は、複数のブレード６が周囲に支持されるハブ５を含む。ハブ５は、上端部７から下端部８まで軸方向に延びる。シャフト２を受け入れる中央ボア９が、ハブ５を貫通して延びる。ハブ５は、ハブ５の底部８に中央凹部１２を定める凹状の内面１１を有するドーム形状壁１０を含む。凹部１２の直径は、ハブ５の下端部８がシャフト２から半径方向に離間配置されるように、ボア９の直径よりも大きい。
【００１９】
軸受カートリッジ４は、ばね１５によって予め負荷をかけられ、スリーブ１６によって取り囲まれた一対の離間軸受１３、１４を含む。軸受カートリッジ４は、軸受カートリッジ４がハブ５の底部８に形成された凹部１２の中に突出するように、シャフト２に取り付けられる。従って、軸受カートリッジ４は、インペラ３のプロファイル、即ち、ハブ５の頂部７と底部８との間に境界付けられた領域内に部分的に配置される。
【００２０】
軸受カートリッジ４は、ロータ組立体１をフレーム、ハウジング等に取り付けることができる手段を提供する。ハブ５に形成された凹部１２は比較的大きいので、軸受カートリッジ４がその長さ全体に沿って固定されるように、フレームは、凹部１２の中に延びることができる。しかしながら、軸受カートリッジ４がその長さ全体に沿って固定されることは必須ではなく、軸受カートリッジ４は、例えば、インペラのプロファイル内に配置されない軸受カートリッジ４の部分等、一部のみでも同様に固定できる。軸受カートリッジ４の提供は、比較的大きな表面積、即ちスリーブ１６をもたらすという利点を有し、この上で、軸受カートリッジ４をフレームに固定することができる。その結果、ロータ組立体１とフレームとの間に良好な固定部を形成することができる。さらに、一対の離間軸受１３、１４を有する場合、軸受組立体４は、ロータ組立体１に対して良好で安定した支持を提供する。
【００２１】
比較的大きな直径により、インペラ３のいずれかの不均衡は、ロータ組立体１が高速で回転する際に、比較的大きな力のモーメントをシャフト２に作用させてしまうことがある。軸受カートリッジ４、特にインペラ３に近い軸受１３は、次いでシャフト２の位置を維持するために、この力のモーメントに対抗する必要がある。
【００２２】
軸受カートリッジ４を、インペラ３のプロファイル内に少なくとも部分的に配置することによって、軸受１３とインペラ３の重心との間の距離は減少する。その結果、インペラ３の重心が回転軸からずれる原因となるインペラ３のいかなる不均衡も、非常に小さい力のモーメントになり、従って、軸受１３の半径方向の負荷は著しく低減される。
【００２３】
さらに、軸受カートリッジ４をインペラ３のプロファイル内に配置することにより、ロータ組立体１の片持ち梁の長さが短縮される。これにより、ロータ組立体１の剛性が増し、その結果、第１の曲げ固有振動数がより高くなる。従って、ロータ組立体１は、非常に高速で、亜臨界で（即ち、第１の固有振動数未満で）動作することができる。亜臨界速度で動作することによって、ロータ組立体１のバランスをとることは、過渡的動作条件の間（例えば、ロータ組立体１の加速及び減速の間）のロータ組立体１の管理であるため、非常に単純化される。
【００２４】
図１に示された実施形態において、インペラ３の重心は、ハブ５の底部８の凹部１２内に配置される。軸受１３がインペラ３の重心の上を覆うように、軸受カートリッジ４が凹部１２の中に突出する。その結果、後で生じるインペラの不均衡に起因する半径方向の負荷が最小に保たれる。図１に示されるインペラ３の特定の設計に関しては、インペラ３の重心は、ハブ５の底部８に近接する。軸受１３が、インペラのプロファイル内に部分的にのみ配置されるのはこのためである。インペラ３の重心がハブ５のさらに内側に配置されるときは、軸受カートリッジ４をインペラ３のさらに中に突出させることができる。実際に、インペラのプロファイル内に軸受１３が全体に配置されるように、軸受カートリッジ４は、ハブ５の凹部１２の中に突出させることができる。
【００２５】
図２は、インペラ２１及び軸受カートリッジ４が取り付けられたシャフト２を含む、別のロータ組立体２０を示す。シャフト２及び軸受カートリッジ４は、上述され、かつ、図１に示された実施形態と変わらない。
インペラ２１は、複数のブレード２３が周囲に支持されるハブ２２を含む。ハブ２２は、上端部２４から下端部２５まで軸方向に延びる。シャフト２を受け入れる中央ボア２６は、ハブ５を貫通して延びる。中央の環状凹部２７が、ハブ２２の上端部２４に形成される。凹部２７の直径は、ハブ２２の上端部２４がシャフト２から半径方向に離間配置されるように、ボア２６の直径よりも大きい。
【００２６】
軸受カートリッジ４は、ハブ２２の頂部２４の凹部２７の中に突出する。これにより軸受カートリッジ４は、インペラ２１のプロファイル、即ち、ハブ２２の頂部２４と底部２５によって境界付けられた領域内に部分的に配置される。インペラ３が、軸受カートリッジ４のスリーブ１６に対して自由に回転するように、軸受カートリッジ４とハブ２２との間に隙間が存在する。
【００２７】
ハブ２２の凹部２７の中に突出しない軸受カートリッジ４の部分は、フレーム、ハウジング等に固定するために利用可能である。スリーブ１６がフレームの延長として機能するので、軸受カートリッジ４の長さ全体に沿ってフレームを固定する必要はない。それでも、軸受カートリッジ４の長さ全部に沿ってフレームを固定したいと望む場合は、フレームも凹部２７の中に突出できるように、ハブ２２の頂部２４の凹部２７のサイズを大きくすることができる。
【００２８】
繰り返すが、軸受カートリッジ４がインペラ２１のプロファイル内に少なくとも部分的に配置されるので、ロータ組立体２０の片持ち梁の長さは短縮され、結果として、より高い臨界速度のより剛性の高いロータ組立体２０が得られ、インペラの不均衡に起因する軸受１３の半径方向の負荷は低減される。図２に示された実施形態においても、インペラ２１の重心は、ハブ２２の底部２５に近接している。しかしながら、設計要件により、軸受カートリッジ４は、ハブ２２の底部２５ではなく、頂部２４の中に突出する。従って、軸受１３がインペラ２１の重心に近接するために、軸受カートリッジ４は、図１に示された実施形態よりもインペラ２１のさらに中に突出する。実際に、軸受カートリッジ４の軸受１３は、インペラのプロファイル内に全体が配置される。
【００２９】
図３は、インペラ３１及び軸受カートリッジ４が取り付けられたシャフト２を含む、さらに別のロータ組立体３０を示す。ここでも、シャフト２及び軸受カートリッジ４は、上述され、かつ、図１及び図２に示された実施形態と変わらない。
インペラ３１は、２つの部分からなるハブ３２と、複数のブレード３３と、シュラウド３４とを含む。ブレード３３は、ハブ３２の第１の部分３５とシュラウド３４とに取り付けられ、それらの間に延びる。ハブ３２の各部分３５、３６は、シャフト２を受け入れる中央ボア３７、３８を含む。ハブ３２が上端部３９から下端部４０まで軸方向に延び、ブレード３３がハブ３２の上端部３９と下端部４０との間に延びるように、ハブ３２の２つの部分３５、３６は、シャフト２に取り付けられる。
【００３０】
中央の環状凹部４１が、ハブ３２の上端部３９、即ち、ハブ３２の第１の部分３５の頂部３９に形成される。凹部４１の直径は、ハブ３２の上端部３９がシャフト２から半径方向に離間配置されるように、ボア３７の直径よりも大きい。
図２を参照して上述された実施形態と同様に、軸受カートリッジ４が、インペラ３１のプロファイル、即ち、ハブ３２の頂部３９と底部４０との間に境界付けられた領域内に部分的に配置されるように、軸受カートリッジ４は、ハブ３２の頂部３９の凹部４１の中に突出する。インペラ３１が軸受カートリッジ４のスリーブ１６に対して自由に回転するように、軸受カートリッジ４とハブ３２との間に隙が存在する。
【００３１】
上述の実施形態の各々において、インペラのプロファイルは、ハブの頂部及び底部によって軸方向に境界付けられる。しかしながら、インペラのプロファイルは、同様に、インペラのシュラウド及び／又はブレードによって境界付けられてもよい。例えば、図３に示された実施形態のハブ３２の下部３６が省略されるか、又はインペラ３１の残りの部分に対して静止する場合は、インペラ３１のプロファイルは、頂部３９においてはハブ３２によって、かつ、底部においてはブレード３３によって軸方向に境界付けられる。このように、インペラのプロファイルは、軸方向に最も遠くまで延びるインペラの端部又は先端部によって軸方向に境界付けられる。
【００３２】
上述の実施形態の各々のロータ組立体は、共通スリーブ１６によって取り囲まれた一対の離間軸受１３、１４を有する軸受カートリッジ４を含む。しかしながら、ロータ組立体は、同じく、別のタイプの軸受組立体を含んでもよい。例えば、ロータ組立体は、複列軸受、針状ころ又は実際に単式玉軸受を含んでもよい。必要であれば、軸受組立体をフレーム又はハウジングに固定することができるように、インペラの凹部をフレーム又はハウジングも凹部の中に突出することが可能なサイズにすることができる。
【００３３】
上述の実施形態は、軸受組立体を半開放型インペラ（図１及び図２）又は閉鎖型インペラ（図３）内に部分的に配置できることを実証する。さらに、ロータ組立体をインペラの上先端部又は下先端部においてフレーム又はハウジングに固定できるように、軸受組立体は、インペラの頂部（図２及び図３）又は底部（図１）の中に突出させることができる。
【００３４】
本発明のロータ組立体によると、軸受組立体は、インペラのプロファイル内に少なくとも部分的に配置される。従って、インペラのいかなる不均衡も、シャフトにかかる非常に小さな力のモーメントとなる。これにより、インペラの不均衡に起因する軸受組立体の半径方向の負荷は低減され、軸受組立体の寿命は長くなる。さらに、ロータ組立体の片持ち梁の長さは短縮され、これにより、より高い臨界速度を有するより剛性の高いロータ組立体が実現される。
【符号の説明】
【００３５】
１、２０、３０：ロータ組立体
２：シャフト
３、２１、３１：インペラ
４：軸受カートリッジ
５、２２、３２：ハブ
６、２３、３３：ブレード
７、２４、３９：ハブの上端部（頂部）
８、２５、４０：ハブの下端部（底部）
９、２６、３７、３８：中央ボア
１０：ドーム形状の壁
１１：凹状の内面
１２、２７、４１：凹部
１３、１４：軸受
１５：ばね
１６：スリーブ
３４：シュラウド
３５、３６：ハブの部分
【図１】
0005511852.tif 000002
【図２】
0005511852.tif 000003
【図３】
0005511852.tif 000004