JP2907086B2 - 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 - Google Patents

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３によって示す。
図３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３
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３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３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３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は軸２のインペラ１に対する面に設
けられた環状突起部、また９はインペラ１の軸２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
静止時は軸２の環状突起部８の外周面１１とインペラ１
の環状溝部９の外周面１３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の外周面１１と環状溝部９の外周面１３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、インペラ１の環
状溝部９の内周面１２は、回転中に軸２の環状突起部８
の内周面１０がフィットするように、即ち回転時は、環
状溝部９の内周面１２と環状突起部８の内周面１０が、
軸２とインペラ１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
内周面１２と環状突起部８の内周面１０の間のすき間
は、回転中の遠心力或は熱伸びによる軸２の環状突起部
８のインペラ１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、回転時に軸２の
環状突起部８の内周面１０が、インペラ１の環状溝部９
の内周面１２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
よって軸２とインペラ１の位置ぎめがなされる。ここ
で、軸２の環状突起部８の内周面１０と外周面１１、或
はインペラ１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、回転時に軸２とインペラ１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、軸２の環状突起部８の外周
面１１とインペラ１の環状溝部９の外周面１３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
内周面１０と環状溝部９の内周面１２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
とインペラ１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。 【００１４】また、図１、図２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、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】 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01D 5/04 F01D 5/30 F02B 39/00 F04D 29/28

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 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内周面と前記インペラの環状溝
   部の内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．静止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特許請求の範囲
   第１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。 ３．インペラと軸端面との接触は、環状溝部または環状
   突起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．貫通軸の外周面と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。