(57)【要約】【課題】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なインペラ、当該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。【解決手段】軸線回りに回動される回転軸５が挿通され、該回転軸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方向の一方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方向他方側の筒部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、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2014234786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線回りに回動される回転軸が挿通され、該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一方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他方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、を備えることを特徴とするインペラ。
【請求項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。
【請求項３】
前記補強部材よりも前記軸線方向他方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該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。
【請求項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。
【請求項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ことを特徴とする回転機械。
【請求項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、を備えることを特徴とする回転機械の組立方法。
【請求項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、を備えることを特徴とする回転機械の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、該回転機械の組立方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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おり、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。
【０００３】
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、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虞があった。
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べく、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−００２８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記インペラにあっては、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べく、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に対して当該回転軸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。
【０００６】
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。なお、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。
【０００７】
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が強度不足に陥る虞がある。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。
【０００８】
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虞がある。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虞がある。
【０００９】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、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、当該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ものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係るインペラは、軸線回りに回動される回転軸が挿通され、該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一方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他方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、を備えることを特徴としている。
【００１１】
このように、軸線方向の一部がグリップ部として回転軸に固定される場合において、軸線方向でディスク本体部よりも他方側の筒部の補強部材取付部に対して補強部材を、外側から覆うように取り付けることで、遠心力による筒部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、インペラが軸線方向他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、ディスク本体部の後側面側の肉厚を増加させる場合と比較して、ディスク部の軸線方向の長さを短縮できるとともに、この軸線方向の長さが短縮されることで軽量化を図ることができる。
【００１２】
更に、この発明に係るインペラは、上記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。
このようにリング部材を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することで、リング部材を温めて取付部本体から取り外す際に、取付部本体とリング部材との温度差がより小さい状態で、リング部材を取付部本体から取り外すことができる。
【００１３】
さらに、この発明に係るインペラは、上記インペラにおいて、前記補強部材よりも前記軸線方向他方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該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。
このように軸線方向他方側にグリップ部が配される場合に、グリップ補強部材によって、遠心力に起因するグリップ部の径方向外側への変形を規制することができる。その結果、グリップ部近傍の筒部にかかるフープ応力の低減を図ると同時に、回転軸に対してインペラをより強固に固定することができる。
【００１４】
さらに、この発明に係るインペラは、上記インペラにおいて、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。
ディスク本体部の直径に対する補強部材の直径の比率が０．８よりも大きい場合には、径方向における筒部の厚さが増加して筒部にかかる遠心力が大きくなり、補強部材が大型化する一方で、０．３５よりも小さい場合には、筒部の厚さが減少しすぎて筒部の強度不足により筒部の変形を抑えくれなくなる。つまり、ディスク本体部の直径に対する補強部材の直径の比率が、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。
【００１５】
さらに、この発明の回転機械は、上記インペラを備えることを特徴としている。
このように構成することで、インペラの軸線方向におけるスパンを短くすることが可能になるとともに、インペラを軽量化することができるため、軸振動を抑制することができる。
【００１６】
さらに、この発明の回転機械の組立方法は、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、を備えることを特徴としている。
このようにすることで、補強部材をインペラに取り付けた後に、インペラを回転軸に取り付けることができる。
【００１７】
また、この発明の回転機械の組立方法は、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、を備えることを特徴としている。
このようにすることで、補強部材をリング部材に取り付けた後に、リング部材を取付部本体に取り付けることで、補強部材を筒部に取り付けることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】上記補強部材の取付位置の説明図であって、（ａ）は、ｒ２／Ｄ＝１．０の場合、（ｂ）は、ｒ２／Ｄ＝０．６６の場合、（ｃ）は、ｒ２／Ｄ＝０．４９の場合、（ｄ）は、ｒ２／Ｄ＝０．３５の場合である。
【図５】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。
【図６】上記インペラのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】上記インペラの取付手順を示す図であって、（ａ）は、補強部材を未装着の状態、（ｂ）は、補強部材をインペラに装着した状態、（ｃ）は、インペラを回転軸に固定した状態を示している。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】一般的なインペラにおける図６に相当する図である。
【図１３】一般的なインペラにおけるフープ応力の説明図である。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、この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が軸支されている。回転軸５は、軸線Ｏ回りに回動可能とされており、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。
【００２１】
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。また、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。なお、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。
【００２２】
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。上記図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。なお、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。
【００２３】
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、を備える、いわゆるオープン型のインペラである。
【００２４】
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略円筒状の筒部３２を備えている。筒部３２は、軸線Ｏ方向一方側となる前方側に設けられ、回転軸５の外周面に固定されるグリップ部３３と、当該グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向他方側となる後方側において回転軸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が形成された非グリップ部３４とを備えている。つまり、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て、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。
【００２５】
ディスク部３０は、グリップ部３３よりも軸線Ｏ方向の後方側で、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略円板状のディスク本体部３５を備えている。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。また、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。
【００２６】
ブレード部４０は、上記ディスク部３０の前側面３１から軸線Ｏ方向前側に向かって突出して形成されている。ブレード部４０は、略一定の板厚を有し、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。なお、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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部材である。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略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、その一方の端面が、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。また、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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらに、インペラ１０の材料である合金のヤング率に対して、補強部材５３の材料は、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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となされる。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。
【００３３】
図４（ａ）〜（ｄ）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。なお、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。
【００３４】
図４（ａ）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の先端部と略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４（ａ）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。
【００３５】
図４（ｂ），（ｃ）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４（ｂ），（ｃ）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。
【００３６】
一方で、図４（ｄ）は、ｒ２／Ｄ＝０．３５の場合を示している。図５に示すように、図４（ｄ）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、当該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。
【００３７】
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く、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。
【００３８】
図６は、本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。
【００３９】
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１４参照）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方向他方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。
【００４０】
図７（ａ）〜（ｃ）は、上記遠心圧縮機１００の組立方法、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７（ａ），（ｂ）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。
【００４１】
次いで、図７（ｃ）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。
【００４２】
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、その結果、メンテナンス性を向上することができる。
【００４３】
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、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。
【００４４】
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。なお、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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略円板状に形成されている。また、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。さらに、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。そして、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。
【００４７】
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とは分割して形成され、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。
【００４８】
リング部材５５には、その外周面に補強部材５３が収容される収容溝部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。
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などにより略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。上記補強部材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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
そして、上記リング部材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（ステップＳ０３）。
【００５１】
なお、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が、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
また、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。また、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。
【００５６】
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、より具体的には、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。また、筒部３２は、軸線方向一方側となる前方側に、非グリップ部３４を備えている。
【００５７】
上述した筒部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を補強する部材である。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、筒部３２のグリップ部３３が配される位置、より具体的には、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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。なお、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。なお、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。
【００６０】
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。
【００６１】
なお、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、本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。
【００６２】
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本発明のインペラを適用可能である。
【符号の説明】
【００６３】
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
【図１】
2014234786.tif 000003
【図２】
2014234786.tif 000004
【図３】
2014234786.tif 000005
【図４】
2014234786.tif 000006
【図５】
2014234786.tif 000007
【図７】
2014234786.tif 000008
【図８】
2014234786.tif 000009
【図９】
2014234786.tif 000010
【図１０】
2014234786.tif 000011
【図１１】
2014234786.tif 000012
【図１３】
2014234786.tif 000013
【図１４】
2014234786.tif 000014
【図１６】
2014234786.tif 000015
【図６】
2014234786.tif 000016
【図１２】
2014234786.tif 000017
【図１５】
2014234786.tif 000018