JP2012531554A - ターボ機械用羽根車 - Google Patents

Abstract

本発明の羽根車(２)はターボ機械、特にラジアルターボ機械用であって、羽根車端面(２.２)及び、前記ターボ機械のロータ(１)に締まり嵌めするための、前記羽根車端面(２.２)に隣接する締まり嵌め接合部(２.３)を有しており、前記羽根車端面と、前記羽根車端面に結合されている締まり嵌め接合部との間には円周溝(３)が設けられている。

Description

本発明は、ターボ機械、特にラジアルターボ機械用の羽根車であって、羽根車端面、及び、ターボ機械のロータに締まり嵌めするための、該羽根車端面に隣接する締まり嵌め接合部を有する羽根車、及び、ロータ及び該ロータ上に締まり嵌めされた羽根車を有するターボ機械、及び、そのような羽根車を製造する方法に関する。

ターボ機械内において羽根車により、ターボ機械を通って流れる流体のエネルギーと羽根車を有するロータの機械的エネルギーとが互いに変換される。そのためにラジアルターボ機械内において一つの又は複数の羽根車は、ロータの回転軸に対して横方向に貫流される。

このとき羽根車はしばしば締まり嵌めにより、つまり、羽根車内径に対してロータ外径の方が大きいことにより、軸方向において摩擦嵌めでロータに固定されている。このとき締まり嵌めの接触面を大きくするために、既知の羽根車は一方又は両方の端面に締まり嵌め接合部、つまり、実際の羽根車ディスクの軸方向の延長部を有しており、その直径はより小さなものとなっている。安全にとって重要な羽根車の軸方向の固定を確実にするために、締まり嵌め接合部はさらに、接合部及びロータの、位置合わせされたボアに、締まり嵌め接合部ピンを差し込んで固定することができる。

気体又は蒸気を通過させるコンプレッサ、圧縮機、又はタービンなどにおいて羽根車には、部分的には非常な高回転により遠心力が作用し、この遠心力により特に羽根車内径が拡大する可能性があり、またそれにより締まり嵌めによりかけられている通常応力及びこの通常応力で軸方向の固定を行う摩擦嵌めが低下する可能性がある。このとき締まり嵌め接合部ピンには、曲げ又はせん断にとって不利に負荷が働く可能性があり、また、半径方向の微小運動により負荷がかかる可能性がある。この両方ともターボ機械の運転の悪化、摩耗、又は故障につながる可能性がある。

本発明の課題は、より良いターボ機械を提供することである。

この課題を解決するために、請求項１のおいて書きに記載の羽根車を、その特徴により発展させる。請求項１２には、そのような羽根車を持つターボ機械が記載されている。請求項１３には、そのような羽根車の製造方法が記載されている。従属請求項には好適な発展形が記載されている。

本発明の羽根車は、ターボ機械、特にラジアルコンプレッサ又は遠心圧縮機などのラジアルターボ機械のロータに固定するためのものである。そのために少なくとも一つの羽根車端面に、望ましくは、ブレードが設けられている羽根車ディスクの下流側の背面又は後壁に、締まり嵌め接合部が設けられており、好適な実施形態においては該締まり嵌め接合部は羽根車ディスクと一体に形成されている。締まり嵌め接合部の中央ボアの内径が特に熱により拡大すること、及び／又は、割り当てられたロータ外径が圧縮されることにより、締まり嵌め接合部はロータに締まり嵌めされる。

本発明においては羽根車端面と、該羽根車端面に結合されている締まり嵌め接合部との間において、半径方向外側に円周溝が構成されている。円周溝と呼ぶのは特に、局所的に断面積が縮小しているところであり、この断面積縮小はたとえば、回転する締まり嵌め接合部に旋盤を用いて彫ることにより行える。

このように材料を薄くすることにより、通常は非常に外径が大きいためにより大きな遠心力がかかる羽根車ディスクが、締まり嵌めにより羽根車全体を軸方向に固定している締まり嵌め接合部から部分的に分離される。遠心力の影響で羽根車ディスクが拡張すると、特に、それに対応した、締まり嵌め接合部を拡張させる曲げモーメントが、この点においてはジョイントのように作用する円周溝内にはかからないか、又は、締まり嵌め接合部内に少しだけかかる。そのため、締まり嵌め接合部の拡張部分がより短くなるため、締まり嵌め接合部とロータとの間の軸方向の接触長さの運転中の縮小を、好適により小さくすることができる。それにより特に、締まり嵌め接合部ピンを、拡張が起こらない締まり嵌め接合部の領域に、又は、溝なしで羽根車ディスクに移行する従来の締まり嵌め接合部に比較して拡張がより小さい締まり嵌め接合部の領域に、配置できるようにすることが可能になる。その場合、そのような締まり嵌め接合部ピンにかかる負荷は好適に低くなる。

つまり、羽根車ディスクと締まり嵌め接合部との間において半径方向に狭窄させるという形で材料を局所的に減らすことにより羽根車が薄くされても、驚くべきことに、運転中の締まり嵌め接合部の締まり嵌めは改善される。羽根車ディスクの締まり嵌め接合部への結合がより弾性的になるため、特にシール領域における羽根車ディスクの半径方向の拡張がより大きくなり、また、伝達可能な出力はより小さくなるが、前記長所の方がこれらのことより重要である。

円周溝は、製造技術、取付技術、強度技術、熱力学、及び／又は力学の観点において最適化することができる。そのためたとえば、側壁が羽根車の回転軸にほぼ垂直である円周溝は特に簡単に、たとえば切削加工により製造可能である。溝側壁と溝底及び／又は締まり嵌め接合部の半径方向外側の外面との間の移行又はエッジがなめらかであることにより、取付時の損傷の危険及びノッチ効果が同程度に低下し、強度、特に疲労強度及び振動に対するぜい弱性に相応に影響する。溝幅及び／又は溝深さの相応の寸法は、運転中及び締まり嵌め時の羽根車ディスクと締まり嵌め接合部との間の熱伝達、及び、羽根車ディスクの締まり嵌め接合部への結合の剛性に影響し、それにより、遠心力及び作動流体の軸スラストによる羽根車ディスクの振動挙動及び拡張に影響する。

好適な実施形態においては、円周溝は半径方向に一回又は複数回の段階付けをすること、つまり、羽根車の回転軸の方向において領域ごとに異なる外径を有することができる。追加的に、又は、代替的に、円周溝は、回転軸に向かって傾斜した外面及び／又は湾曲した外面を有することも可能である。

製造技術、取付技術、強度技術、熱力学、力学における特に好適な特性が得られるのは、半径方向の溝深さが、締まり嵌め接合部の半径方向高さ、つまり、締まり嵌め接合部の内径と外径との間の最大の半径方向距離の０.１倍から０.９９倍、特に０.３倍から０.７倍、好適には０.５倍から０.６５倍の範囲、望ましくはおよそ０.５５倍であるときである。

好適には円周溝は羽根車端面又は羽根車ディスクにほぼ直接的に隣接して配置されており、それにより、残りの締まり嵌め接合部が軸方向により大きくまとまって嵌められるようになる。

さらなる長所と特徴は従属請求項及び実施例からみてとれる。以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。

本発明の一つの実施例の締まり嵌めされた羽根車を持つロータの一部の、停止中における子午線断面又は縦断面を示した図である。 図１に図示した羽根車の運転中の図である。

図１には、ラジアルコンプレッサのロータ１の子午線断面図が図示されており、このロータには羽根車２が取り付けられている。該羽根車２は羽根車ディスク２.１及びそこに組み込まれて形成されている締まり嵌め接合部２.３を有しており、締まり嵌め接合部２.３は、羽根車ディスク２.１の、ブレードとは反対側の、下流側の背面２.２に配置されている。

羽根車２を貫通する円筒状の中央ボアは、運転温度においても羽根車２を軸方向Ｘにおいて摩擦嵌めによりロータ１に固定する十分な締まり嵌めが得られるように、その領域におけるロータ外径の公称寸法及び許容寸法より小さくなるよう内径の公称寸法及び許容寸法が選択されている。追加的に、複数の、たとえば３〜５本の締まり嵌め接合部ピン４が、円周上にほぼ均等に配分された締まり嵌め接合部２.３の貫通ボア内に、及び、それによりこれらボアに位置を合わせたロータ１の止まり穴内に差し込まれており、それによりロータ１上で羽根車２の軸方向の位置が保持されている。

点線で示されているのは従来の羽根車の外輪郭であり、従来の羽根車では羽根車ディスクの後壁は半径２.４'で締まり嵌め接合部に移行している。このような羽根車に運転回転数Ω(図２参照)がかけられると、遠心力によりこの羽根車は半径方向に拡大する。外径がより大きいためにより強い遠心力がかかる羽根車ディスクはこのとき、締まり嵌め接合部に対して傾斜又は曲げモーメントを及ぼし、それが、締まり嵌め接合部にかかる遠心力及び、締まり嵌め接合部に固く固定された羽根車ディスクが締まり嵌め接合部に及ぼす半径方向の牽引力に加えて、締まり嵌め接合部の拡大につながり、また、それに応じてロータと締まり嵌め接合部との間の接触面積、又は通常応力、及び通常応力により保証された摩擦嵌めの低下につながる。

本発明の羽根車においては、これとは異なり、羽根車背面２.２に直接的に隣接して、半径２.４'ではなく円周溝３が形成されており、該円周溝３は羽根車２がたとえば鍛造又は鋳造により一次成形された後に、たとえば旋盤を用いて彫るなど切削により加工される。そのため円周溝３は、羽根車２の回転軸Ｘに対してほぼ垂直の側壁(図１においては左及び右)、及び、丸みを帯びた溝底(図１において下)を有している。溝３から、締まり嵌め接合部２.３の半径方向外側の外面への移行部は、ノッチ効果及び損傷の危険を低下させるために半径を有している(図示せず)。

図２は、運転中、つまり回転軸Ｘを中心に回転Ωで回転する本発明の羽根車を強調して図示したものである。特に、ブレードがあるためにより大きな外径を持つ羽根車ディスク２.１が遠心力により拡大し、それは羽根車の左又は前方領域が上に持ち上がっていることにより図示されている。締まり嵌め接合部２.３に作用する遠心力及びそこに羽根車ディスク２.１から伝達される半径方向の牽引力も、締まり嵌め接合部２.３を拡張させる。しかし、円周溝３の溝幅(図１において左から右へ)は、締まり嵌め接合部の右端面から後壁２.２までの軸方向の全長のほぼ０.２５倍であり、また、溝深さ(図１においては上から下へ)は締まり嵌め接合部の内径から外径までの半径方向の高さのほぼ０.６５倍であり、円周溝３はジョイントのように機能するため、羽根車ディスク２.１が締まり嵌め接合部２.３に及ぼす傾斜又は曲げモーメントはわずかであり、締まり嵌め接合部を支える締まり嵌め長さの減少は、従来の羽根車に比較して小さくなる。

つまり、狭窄部３により運転中の締まり嵌めが改善される。特に後部領域に配置された締まり嵌め接合部ピン４にかかる負荷はより小さくなるため安全性が高まる。これに鑑みると、従来の羽根車に比較して羽根車前領域(図１において左側)の半径方向の拡大がより大きくなることは無視可能であるか、又は、シーリング直径(図示されず)の寸法を適切にすることで補償できる。

１ ロータ
２ 羽根車
２.１ 羽根車ディスク
２.２ 羽根車背面(羽根車端面)
２.３ 締まり嵌め接合部
２.４' 半径(従来技術)
３ 円周溝
４ 締まり嵌め接合部ピン

Claims (12)

1. ターボ機械、特にラジアルターボ機械用の羽根車(２)であって、羽根車端面(２.２)及び、前記ターボ機械のロータ(１)に締まり嵌めさせるための、前記羽根車端面(２.２)に隣接する締まり嵌め接合部(２.３)を有する羽根車(２)において、前記羽根車端面と、前記羽根車端面に結合されている締まり嵌め接合部との間の円周溝(３)を特徴とする羽根車。
2. 前記締まり嵌め接合部(２)が、前記羽根車(２)の下流側の後壁(２.２)に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
3. 前記締まり嵌め接合部が、前記羽根車の羽根車ディスク(２.１)と一体で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の羽根車。
4. 前記円周溝(３)が前記羽根車端面(２.２)に直接的に隣接して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の羽根車。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の羽根車であって、半径方向における溝深さが、前記締まり嵌め接合部の半径方向高さの少なくとも０.１倍、特に少なくとも０.３倍、好適には少なくとも０.５倍であること、及び／又は、半径方向における溝深さが、前記締まり嵌め接合部の半径方向高さの最高でも０.９９倍、特に最高でも０.７倍、好適には最高でも０.６５倍であることを特徴とする羽根車。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の羽根車であって、前記円周溝(３)と前記締まり嵌め接合部(２.３)の端面との間に配置された、締まり嵌め接合部ピン(４)を収容するための少なくとも一つのボアを特徴とする羽根車。
7. 前記円周溝(３)の半径方向内側及び／又は外側は丸みがつけられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の羽根車。
8. 前記円周溝(３)が、一次成形、変形、及び／又は、特に旋盤を用いて彫ることによる切削加工により作成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の羽根車。
9. 前記円周溝(３)が半径方向において一回又は複数回の段階づけをされていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の羽根車。
10. 前記円周溝(３)が湾曲した、及び／又は前記ロータ(１)の回転軸に対して傾斜した外面を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の羽根車。
11. ターボ機械、特にラジアルターボ機械であって、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の羽根車(２)を有することを特徴とするターボ機械。
12. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の羽根車を製造する方法であって、円周溝(３)が切削、特に旋盤を用いて彫ることにより形成されることを特徴とする方法。

Images