(57)【要約】【課題】回転軸に取り付けられた回転部材が回転軸とともに高速回転される回転機械において遠心力によって回転部材が遠心力により回転軸から浮き上がるのを抑制することが可能な回転部材の取付構造、この取付構造を適用した回転機械及び遠心圧縮機を提供すること。【解決手段】回転軸３が挿通されて複数のインペラが取り付けられる遠心圧縮機において前記インペラを回転軸３に取り付けるインペラの取付構造であって、前段インペラ４１の後端部４１Ａと、後段インペラ４２の前端部４２Ａとが、連結部材１１により接続され、前記連結部材１１は、後端部４１Ａと係合する第１の係合部１１Ａと、前端部４２Ａと係合する第２の係合部１１Ｂとを備え、前記後端部４１Ａに発生する径方向外方への力を、前端部４２Ａの径方向内方への力に変換可能に構成されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸が挿通されて該回転軸の軸線方向に複数の回転部材が同軸上に取り付けられる回転機械において前記回転部材を前記回転軸に取り付ける回転部材の取付構造であって、
第１の回転部材の前記軸線方向一方側の端部と、前記第１の回転部材に隣接する第２の回転部材の前記軸線方向他方側の端部とが、連結部材により接続され、
前記連結部材は、
前記一方側の端部と係合する第１の係合部と、前記他方側の端部と係合する第２の係合部とを備え、
前記一方側の端部と前記他方側の端部のいずれか一方に発生する径方向外方への力を、他方の径方向内方への力に変換可能に構成されていることを特徴とする回転部材の取付構造。
【請求項２】
請求項1に記載の回転部材の取付構造であって、
前記連結部材の前記軸線方向の長さＬは、
Ｌ＜Ａ／Ｋ
Ａ：２〜３
Ｋ＝（（３（１−（ν）２））／Ｒ２ｈ２）１／４
ν：連結部材を構成する材料のポアソン比
Ｒ：連結部材の半径（連結部材の内径＋（肉厚／２））（ｃｍ）
ｈ：連結部材の肉厚（ｃｍ）
であることを特徴とする回転部材の取付構造。
【請求項３】
請求項1又は請求項２に記載の回転部材の取付構造であって、
前記第１の係合部は、
前記一方側の端部を、外周面にて把持する壁部又は端面にて把持する凹凸形状部の少なくともいずれか一方からなり、
前記第２の係合部は、
前記他方側の端部を、外周面にて把持する壁部又は端面にて把持する凹凸形状部の少なくともいずれか一方からなることを特徴とする回転部材の取付構造。
【請求項４】
請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の回転部材の取付構造を備えることを特徴とする回転機械。
【請求項５】
前記回転部材がインペラとされ、請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の回転部材の取付構造を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に取り付けられた回転部材が回転軸とともに高速回転される回転機械において回転部材が遠心力によって回転軸から浮き上がるのを抑制可能な回転部材の取付構造、この取付構造を備えた回転機械及び遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、遠心圧縮により流体を圧縮する場合、効率的に圧縮するために回転軸の軸線方向に複数のインペラが配列された多段インペラを用いる場合があるが、例えば、水素等の分子量が小さい流体を圧縮する場合には多段にするだけでは十分な仕事（ヘッド）が確保されないために、回転軸を、例えばインペラの周速を外径で４００m/s以上と従来の遠心圧縮機よりも高周速で回転させる必要があり、かかる遠心圧縮機に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２９３９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記遠心圧縮機をはじめとする回転軸が挿通された回転部材を高速回転する回転機械では、高速回転された回転部材が回転軸から浮き上がり、この浮き上がりにより回転部材が回転軸に対してすべりを生じる場合や浮き上がった回転部材が変形し又は浮き上がった回転部材が回転機械の周囲に接触することにより回転部材が変形する場合がある。
【０００４】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、回転軸に取り付けられた回転部材が回転軸とともに高速回転される回転機械において遠心力によって回転部材が遠心力により回転軸から浮き上がるのを抑制することが可能な回転部材の取付構造、この取付構造を適用した回転機械及び遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、回転軸が挿通されて該回転軸の軸線方向に複数の回転部材が同軸上に取り付けられる回転機械において前記回転部材を前記回転軸に取り付ける回転部材の取付構造であって、第１の回転部材の前記軸線方向一方側の端部と、前記第１の回転部材に隣接する第２の回転部材の前記軸線方向他方側の端部とが、連結部材により接続され、前記連結部材は、前記一方側の端部と係合する第１の係合部と、前記他方側の端部と係合する第２の係合部とを備え、前記一方側の端部と前記他方側の端部のいずれか一方に発生する径方向外方への力を、他方の径方向内方への力に変換可能に構成されていることを特徴とする。
【０００６】
この発明に係る回転部材の取付構造によれば、第１の回転部材の一方側の端部と、第２の回転部材の他方側の端部のいずれか一方に発生する径方向外方への力（遠心力）を他方の径方向内方への力（押圧力）に変換されるので、回転数が増加して連結部材の一方に生じる遠心力が大きくなると他方を大きな力で押圧され、遠心力と押圧力に対する反力が互いに回転部材の浮き上がりを抑制するように作用する。その結果、回転部材の浮き上がりが効率的に抑制される。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項1に記載の回転部材の取付構造であって、前記連結部材の前記軸線方向の長さＬは、
Ｌ＜Ａ／Ｋ
Ａ：２〜３
Ｋ＝（（３（１−（ν）２））／Ｒ２ｈ２）１／４
ν：連結部材を構成する材料のポアソン比
Ｒ：連結部材の半径（連結部材の内径＋（肉厚／２））（ｃｍ）
ｈ：連結部材の肉厚（ｃｍ）
であることを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る回転部材の取付構造によれば、連結部材の長さＬが、上記、Ｌ＜Ａ／Ｋを満足して、連結部材が厚肉円筒である場合の半無限長に該当しないので、連結部材の一方側の端部と他方側の端部のいずれか一方に発生する遠心力を他方の径方向内方への力に効率的に変換することができる。
また、上記式（１）により、連結部材の一方の端部に生じた曲げモーメントが他方の端部に曲げモーメントとして作用し回転部材の浮き上がりが効率的に抑制可能な連結部材を、寸法として定量的に求めることができるので、設計開発段階における開発コスト、製造における品質管理コスト等を低減することができる。
【０００９】
なお、この明細書における連結部材の前記軸線方向の長さＬとは、軸線方向における第１の回転部材の一方側の端部と連結部材、及び第２の回転部材の他方側の端部と連結部材のそれぞれにおける相互に力を伝達する作用点、（力学的な連結位置）同士間の距離を意味している。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項1又は請求項２に記載の回転部材の取付構造であって、前記第１の係合部は、前記一方側の端部を、外周面にて把持する壁部又は端面にて把持する凹凸形状部の少なくともいずれか一方からなり、前記第２の係合部は、前記他方側の端部を、外周面にて把持する壁部又は端面にて把持する凹凸形状部の少なくともいずれか一方からなることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係る回転部材の取付構造によれば、第１の係合部及び第２の係合部によって、一方側の端部と他方側の端部が力学的に確実に連結される。
その結果、第１の回転部材及び第２の回転部材の端部が浮き上がるのを抑制する力を確実に作用させることができる。
【００１２】
請求項４記載の発明は、回転機械であって、請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の回転部材の取付構造を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る回転機械によれば、回転部材が回転軸に取り付けられた回転機械において、回転軸が高速で回転された場合にも回転部材の浮き上がりが抑制される。
【００１４】
請求項５記載の発明は、遠心圧縮機であって、前記回転部材がインペラとされ、請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の回転部材の取付構造を備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明に係る遠心圧縮機によれば、例えば、水素等の圧縮が困難な気体についても、安定して圧縮することができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る回転部材の取付構造によれば、第１の回転部材の一方側の端部と、第２の回転部材の他方側の端部のいずれか一方に発生する遠心力を、もう一方の端部における径方向内方への押圧力に変換するので、回転部材の浮き上がりを効率的に抑制することができる。
また、この発明に係る回転部材の取付構造を備えた回転機械によれば、回転軸を安定して高速回転することができる。
また、この発明に係る遠心圧縮機によれば、例えば、水素等の圧縮が困難な気体についても、安定して圧縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１から図３を参照し、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、インペラ（回転部材）を有する遠心圧縮機（回転機械）１の全体構成の概略を示す断面図である。遠心圧縮機１は、回転するインペラ４により、例えば水素等の流体（気体あるいは蒸気）をインペラ４の半径方向に通過させ、流体に発生する遠心力により流体を圧縮するものである。
遠心圧縮機１は、ケーシング２と、多段ロータ１０とを備え、多段ロータ１０は回転軸３が複数のインペラ４に回転軸３の軸線Ｏに同軸に挿通されて取り付けられている。 
【００１８】
ケーシング２は、遠心圧縮機の外観形状をなすとともに、この内部に、回転軸３と、この回転軸３の軸線方向に沿って所定の間隔を有して取り付けられた複数のインペラ４と、各インペラ４間を連通して段階的に圧縮された流体を流通させる流路２ｃと、回転軸３の両端部を回転可能に支持する各軸受５とを備え、ケーシング２の壁面には、圧縮する気体を導き入れる吸入口２ａと、圧縮された気体を送出する吐出口２ｂとが設けられている。また、回転軸３は、図示しない駆動源に連結されて回転駆動するようになっている。
【００１９】
各インペラ４は、図２に示すように、円盤上に複数の羽根（図示せず）が立設され、該羽根の先端にシュラウドが取り付けられて構成されている。上記円盤とシュラウドとの間に形成される空間は、圧縮する気体の通り道として機能する流路とされ、先に説明したケーシング２内の流路２ｃと繋げられている。
【００２０】
また、インペラ４は、軸線方向後方側（一方側）４Ａには一方側が小径とされた多段円筒状の後方側壁部４Ｂが形成されるとともに、軸線方向後方側（他方側）４Ｃには他方側が小径とされた多段円筒状の前方側壁部４Ｄが形成され、重量が大きいインペラ本体が形成される後方側４Ａのほうが遠心力の影響を大きく受けて浮き上がりやすい構成とされており、インペラ４は前方側４Ｂが焼きばめ又はクリアランスゼロにて回転軸３に取り付けられ、後方側４Ａがすき間ばめにより取り付けられている。符号Ｔで示した部分は焼ばめを、符号Ｓで示した部分はすき間ばめを示している。
なお、最も前段側のインペラ４では前方側壁部４Ｄが、最も後段側のインペラ４では後方側壁部４Ｂは必要とされていない。
【００２１】
図３は、第１の実施形態における多段ロータ１０の概略構成を説明する図である。
前段インペラ４１と、前段インペラ４１と隣接して軸線方向後方側に配置される後段インペラ４２は、前段インペラ４１、後段インペラ４２の中央に形成された取付孔に回転軸３が挿通され、各インペラ４１、４２は回転軸３の軸線Ｏと同軸に配置されている。
前段インペラ４１は、後端部（一方側の端部）４１Ａに円筒形状の後方側壁部４１Ｂを備え、後段インペラ４２は、前端部（他方側の端部）４２Ａに円筒形状の前方側壁部４２Ｂを備えている。
また、軸線方向に隣接する前段インペラ４１と後段インペラ４２は、連結部材１１により接続されている。
【００２２】
連結部材１１は、図３に示すように、円筒形状に形成されており、前段インペラ４１の後方側円筒壁部（一方側の端部）４１Ｂの外周面４１Ｃを把持可能とされた第１の係合部１１Ａと、後段インペラ４２の前方側円筒壁部（他方側の端部）４２Ｂの外周面４２Ｃを把持可能とされた第２の係合部１１Ｂとを備えている。
【００２３】
また、連結部材１１は、インペラ４１、４２と同一の材質又は線膨張係数が小さい材料により形成され、連結部材１１によるインペラ４１，４２への締め付けが効率的に行なわれるようになっている。また、連結部材１１の第１の係合部１１Ａ及び第２の係合部１１Ｂは、後方側円筒壁部４１Ｂの外周面４１Ｃ及び前方側円筒壁部４２Ｂの外周面４２Ｃに焼きばめ又はクリアランスゼロで取り付けられている。
【００２４】
また、連結部材１１の軸線方向の長さＬは、以下の式（１）
Ｌ＜Ａ／Ｋ    ・・・式（１）
Ａ：２〜３
Ｋ＝（（３（１−（ν）２））／Ｒ２ｈ２）１／４
ν：連結部材を構成する材料のポアソン比
Ｒ：連結部材の半径（連結部材の内径＋（肉厚／２））（ｃｍ）
ｈ：連結部材の肉厚（ｃｍ）
の条件を満足するようになっており、連結部材１１が厚肉円筒である場合に、上記後端部４１Ａにおいて遠心力により生じた曲げモーメントが前端部４２Ａ作用する長さＬとされている。
【００２５】
第１の実施形態に係るインペラの取付構造によれば、前段インペラ４１の後端部４１Ａと、後段インペラ４２の前端部４２Ａが連結部材１１で連結され、前段インペラ４１の後端部４１Ａに発生する遠心力を押圧力に変換して後段インペラ４２の前端部４２Ａを押圧するので、前段インペラ４１の後端部４１Ａ及び後段インペラ４２の前端部４２Ａの浮き上がりを効率的に抑制することができる。
【００２６】
その結果、インペラ４が回転軸３の回転に対してすべることがなくなり、多段ロータ１０の回転速度を高めることにより各段のインペラ４による気体の圧縮率を高めることができる。また、回転停止を繰り返してもインペラ４に起因する振動を抑制することができる。
また、遠心圧縮機１によれば、例えば、水素等の圧縮が困難な気体についても、効率的かつ安定して圧縮することができる。
また、多段ロータ１０が高速で回転可能とされることにより、圧縮するために必要とされるインペラ４の段数を少なくし、又はインペラ４の外径を小さくすることができるので、遠心圧縮機及び水素圧縮機の小型化を図ることも可能となる。 
【００２７】
次に、図４を参照してこの発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なるのは、多段ロータ１０における前段インペラ（第１のインペラ）４３及び後段インペラ（第２のインペラ）４４の回転軸３への取付構造が異なる点であり、他は同様であるため同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２８】
第２の実施形態において、図４に示すように、前段インペラ４３は後端部４３Ａの後端面４３Ｂに回転軸３の軸線Ｏを中心とし同心状に形成された複数の環状凹凸形状からなる環状凹凸係合部４３Ｃが径方向に間隔をあけて形成されている。
また、後段インペラ４４の前端部４４Ａの前端面４４Ｂには、回転軸３の軸線Ｏを中心し同心状に形成された複数の環状凹凸形状からなる環状凹凸係合部４４Ｃが径方向に間隔をあけて形成されている。
【００２９】
連結部材１２は、長さＬの円筒形状に形成され、前段インペラ４３の環状凹凸係合部４３Ｃと相補的に形成された環状の凹凸形状部からなる第１の係合部１２Ａと、後段インペラ４４の環状凹凸係合部４４Ｃと相補的に形成された環状の凹凸形状部からなる第２の係合部１２Ｂとを備えている。
【００３０】
第２の実施形態に係る連結部材１２を適用したインペラの取付構造によれば、前段インペラ４３及び後段インペラ４４に対する連結部材１２の取付構造が二重円筒によらず単円筒であるため、加工性、組み立て性が向上する。
また、連結部材１２が回転軸３の外径と同一の内径とされるので遠心力の影響を小さくすることができ、また、連結部材１２の肉厚が大きく確保されるので剛性を高めて効率的にインペラの浮き上がりを抑制することができる。
【００３１】
次に、図５を参照してこの発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態が第１の実施形態と異なるのは、多段ロータ１０に関して回転軸３への前段インペラ（第１のインペラ）４５及び後段インペラ（第２のインペラ）４６の取付構造が異なる点であり、他は同様であるため同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
第３の実施形態において、前段インペラ４５は後端部４５Ａには軸線方向後方側が漸次縮径されるテーパ状の後方側壁部４５Ｂが形成され、後段インペラ４６の前端部４６Ａには軸線方向前方側が漸次縮径されるテーパ状の前方側壁部４６Ｂが形成されている。
連結部材１３は、図５に示すように、上記式（１）を満足する一定の長さＬとされ、後方側壁部４５Ｂの外周面４５Ｃ及び前方側壁部４６Ｂの外周面４６Ｃと相補的に形成された連結部材１３の両端側に拡径する第１のテーパ形状部（第１の係合部）１３Ａと、第２のテーパ形状部（第２の係合部）１３Ｂとを備えている。
第３の実施形態に係る連結部材１３を適用したインペラ４の取付構造によれば、内周径が回転軸３の外周径と同一とされるとともに、クサビ効果により後端部４５Ａの変位が小さな段階で、前端部４６Ａを押圧して、前段インペラ４５の後端部４５Ａ及び後段インペラ４６の前端部４６Ａの浮き上がりを抑制することができる。
【００３３】
次に、図６を参照してこの発明の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態が第１の実施形態と異なるのは、図６で示した連結部材１４が、前段インペラの後方側壁部の外周面と係合する第１の係合部１４Ａと、後段インペラの前方側壁部の外周面と係合する第２の係合部１４Ｂとを備え、連結部材１４の両端から長さ方向の中央側に伸びる凹形状部１４Ｃ、１４Ｄが周方向に間隔をあけて形成されている点である。
また、連結部材１４の長さについての式（１）の適用に関しては、例えば、実験又はシミュレーションで求めることが好適である。
【００３４】
第４の実施形態に係る連結部材１４を用いたインペラの取付構造によれば、前段インペラの後端部及び後段インペラの前端部に径方向外方に突出する凸形状部等が形成されている場合においても、連結部材１４を用いて上記インペラの取付構造を構成することができる。
【００３５】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、回転部材がインペラ４とされ、このインペラ４が遠心圧縮機１に適用される場合について説明したが、インペラ以外の回転部材に適用してもよいし、インペラ４に適用する場合においても、ジェットエンジン、タービン、液化水素を生成する生成プラントに用いる冷却用の冷凍機等、他の回転機械に適用可能であることはいうまでもない。
【００３６】
また、上記実施の形態においては、前段インペラ４１、４３、４５の後端部４１Ａ、４３Ａ、４５Ａが、後段インペラ４２、４４、４６の前端部４２Ａ、４４Ａ、４６Ａよりも遠心力による影響を大きく受ける場合について説明したが、後段インペラ４２、４４、４６の前端部４２Ａ、４４Ａ、４６Ａが、前段インペラ４１、４３、４５の後端部４１Ａ、４３Ａ、４５Ａがより大きな遠心力を受ける場合にも適用可能である。
【００３７】
また、隣接する回転部材のうち相対的に遠心力の影響を大きく受ける端部は、軸線方向における一方向（一方側又は他方側のいずれか）に限定されることなく、隣接する回転部材のうち遠心力の影響をより大きく受ける端部が軸線方向の一方側又は他方側であるかは自在に設定可能であり、また、ひとつの回転機械に中に軸線方向の一方側及び他方側の双方の組み合わせがあり、又はそれらがランダムに配置されてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態においては、連結部材１１、１２、１３、１４の一端部と他端部とが同一形状である場合について説明したが、インペラ４の前端部と後端部、及び連結部材１１、１２、１３、１４の第１の係合部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａと第２の係合部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂの係合形状については任意に組み合わせることが可能である。
また、式（１）の条件を満足するかどうかは遠心力の大きさとの関わりにより任意に設定可能な事項であるし、上記実施形態でしました形状以外の係合部を用いてもよいことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】。本発明の一実施形態における遠心圧縮機または遠心圧縮機の概略構成を説明する縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るインペラの概略説明する断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る多段ロータの概略構成を説明する断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る多段ロータの概略構成を説明する断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る多段ロータの概略構成を説明する断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る連結部材を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｏ  軸線
１  遠心圧縮機（回転機械）
３  回転軸
４  インペラ（回転部材）
４Ｂ  後方側壁部（一方側の壁部）
４Ｄ  前方側壁部（他方側の壁部）
１１、１２、１３、１４  連結部材
１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａ  第１の係合部
１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂ  第２の係合部
４１、４３、４５  前段インペラ（第１の回転部材）
４２、４４、４６  後段インペラ（第２の回転部材）
４１Ａ、４３Ａ、４５Ａ  後端部（一方側の端部）
４２Ａ、４４Ａ、４６Ａ  前端部（他方側の端部）
４１Ｂ、４５Ｂ  後方側壁部（一方側の壁部）
４２Ｂ，４６Ｂ  前方側壁部（他方側の壁部）
４１Ｃ、４５Ｃ  外周面（一方側の外周面）
４２Ｃ，４６Ｃ  外周面（他方側の外周面）
４３Ｂ  後端面（一方側の端面）
４４Ｂ  前端面（他方側の端面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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