JP5405884B2 - ターボ機械のバレル型ケーシングとヘッドカバーの取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械等のケーシングや圧力容器として用いられるバレル型ケーシングとヘッドカバーの取付構造に関し、該取付構造を備えた容器や装置、及び該装置に収納された遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機のヘッドカバーを固定する構造としては、特許文献１の図１に記載されるボルト締め構造が最も多く使用されている。しかし、ボルト締め構造は、ケーシング内が高圧になると、それに応じてボルト本数を増加する必要があるので、組立や分解が面倒になる上、コストが増加するという問題がある。

そのため、高圧のケーシングでは、特許文献２の図５などに記載されるシアキー構造が用いられる。この構造では、ケーシングに設けられた溝に、溝よりも内径の小さいシアキーを取り付け、ヘッドカバーをケーシングに固定する構造となっている。このシアキー構造を改良したものとして、いくつかの構造が提案されている。

特許文献１の図３では、シアキーの内径側にシアキーの径方向を固定するリング状のストッパを設けて、シアキーの回転を拘束している。一方、特許文献１の図６では、リング状のストッパ構造に加えて、シアキーにつば部を設け、つば部の外径をケーシングの内径に接触させることで、シアキーにかかる力を低減している。

特許文献３の図１では、特許文献２の図５に示されるシアキー構造に対して、シアキーを軸方向に２つの部材に分割した構造となっている。特許文献２の図３では、特許文献３の図１の構造におけるヘッドカバーの段付き部をなくして、２つに分割したシアキーのうち軸方向内側の部材につば部を設けている。特許文献４の図１では、２つに分割したシアキーのうち軸方向外側の部材にもつば部を設けて、つば部の外径側とケーシングの内径を接するように配置し、２つのシアキーをボルトにより固定している。

特開昭５５−１２５３９８号 特公昭４９−３７９３２号 米国特許第３９３４７５２号 特開昭４８−２１８０４号

上記のとおり、遠心圧縮機等のターボ機械のバレル型ケーシングにおける蓋閉め構造として、従来、最も多く用いられているボルト締め構造は、高圧になるとボルト本数が増大し、組立や分解作業が面倒になり、コストアップするという問題がある。

そこで、高圧のケーシングでは、従来からシアキーが用いられている。特許文献２の図５に示されるようなシアキー構造では、内部の圧力による軸方向荷重と、それを支えるケーシングからの力がシアキーの断面重心に対して回転軸に垂直方向で距離を置いて作用するので、シアキーに対して回転モーメントを発生させる。このモーメントによりシアキーは回転して、ケーシングと２点で片当りして止まる。このような片当たりによる局所的な高い面圧は、ケーシング、シアキー、更にはヘッドカバーの塑性変形を生ずるという問題がある。

この点を解決するために、モーメントバランス方式のシアキー構造が知られている。モーメントバランス方式のシアキー構造として、特許文献１の図３や図６に示されるリング状のストッパを設ける構造がある。この構造では、ヘッドカバーの端面の面積が減少し、軸受や軸封等に必要とされる流体を導入するフランジが取り付けられるための十分な面積を確保できないという問題が発生する。

特許文献３の図１や特許文献２の図３、および特許文献４の図１に示されるシアキー構造は、ヘッドカバー端面の面積を広くとることが可能となる。一方で、特許文献３の図１は、シアキーの軸方向内側の部材に荷重が集中するため、この部材の寸法が増大してケーシングに設ける溝が長くなり、ケーシング全体が長くなるという問題がある。

特許文献２の図３と特許文献４の図１に示されるシアキー構造では、シアキーの軸方向内側の部材につば部を設けて、この部材の荷重を低減している。しかしながら、このシアキーの軸方向内側の部材の構造が複雑であるので、加工も複雑となり、より高い工作精度が要求されることに加えて、つば部には曲げ応力が発生し、変形や破壊の可能性があるので、つば部の設計に注意を要するという問題がある。

特許文献４の図１に示されるシアキー構造は、２つに分割したシアキーのうち軸方向外側のシアキー部材にもつば部を設けることで、軸方向内側のシアキー部材に加わる荷重を低減している。しかしながら、軸方向に分割されたシアキー部材同士を締結するボルトにせん断力が加わり、ボルトが破断するおそれがある上、分割されたシアキー部材の荷重分担が不明確であるため、安全側に設計してケーシングが大型化するという問題もある。

本発明は、従来技術の上述した問題を解決することを課題として、なされたものである。

上記課題を解決するため、本発明の圧力容器は、ケーシング、該ケーシングに取り付けられるヘッドカバー、前記ケーシングと前記ヘッドカバーの間に配置されるシアキーを有し、前記ケーシングの内面に円周方向に延びた溝が設けられ、前記溝内に複数のシアキー部材が軸方向及び周方向に配置されて、前記ヘッドカバーの軸方向外方への移動を阻止し、前記複数のシアキー部材は、前記ケーシングに対して個別に径方向のみで固定され、相互に径方向に変位することを許容されるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の圧力容器は、ケーシング、該ケーシングに取り付けられるヘッドカバー、前記ケーシングと前記ヘッドカバーの間に配置されるシアキーを有する容器において、前記ヘッドカバーの外周面の軸方向外側に段付き部が形成され、前記ケーシングの内面に円周方向に延びた溝が設けられ、前記段付き部及び前記溝内に配置される部材であって、その外周面の少なくとも一部が前記溝内の内周面に接するように配置された第１のシアキー部材と、前記溝内に前記第１のシアキー部材に隣接して配置された部材であって、その軸方向に突出したつば部の外周面が、前記ケーシングの内周面に接する第２のシアキー部材を有し、前記第１のシアキー部材及び前記第２のシアキー部材は、いずれも周方向において３つ以上に分割された部材から成り、前記各部材は、それぞれ前記ケーシングに径方向で固定されているが、軸方向では互いに締結されず、前記第１のシアキー部材及び前記第２のシアキー部材の間に作用するせん断力により径方向で若干の変位を許容することを特徴とするケーシング、ヘッドカバー及びシアキー部材から成ることを特徴とする。

本発明によれば、シアキー構造を小さく設計することが可能となり、特に高圧のケーシングのコンパクト化を実現することができる。

実施例１のシアキー構造を示す。 実施例１における第１のキー部材に作用する力を示す。 実施例１における第２のキー部材に作用する力を示す。 実施例１における第１及び第２のキー部材の間のすべり量を示す。 図１に示されたＡ線に沿った切断面を矢印の方向からみて示す。 実施例２のシアキー構造を示す。 実施例１のシアキー構造を用いた多段式の遠心圧縮機の全体構造のカットモデルを示す。 実施例１のシアキー構造を用いた多段式の遠心圧縮機の全体の断面図を示す。

以下、実施例について、図面を用いて説明する。

まず、図７と図８を用いて、遠心圧縮機について説明する。複数のインペラ21と軸22とから成る回転体と、吸入した気体が流れる流路を備えたインナーケーシング23とを円筒形状のバレル型ケーシング1に軸方向から入れ込み、ヘッドカバー2で蓋をする構造の多段式の遠心圧縮機を示している。ここでは、インペラ21と軸22とを有する回転体とインナーケーシング23を軸方向にケーシング1内に入れ込むことから、その軸方向の少なくとも一方は開放された状態にあり、ここをヘッドカバー2で封止する。遠心圧縮機は、吸入口59から気体を吸入し、インペラ21で気体を圧縮して、吐出口60から吐き出す。すなわち、遠心圧縮機は、気体を吸入する吸入口59と、複数のインペラ21と軸22から成る回転体と吸入口59から吸入した気体が流れる流路とを有するインナーケーシング23と、回転体の回転により圧縮された気体を吐出する吐出口60とを備える。

図１は、実施例１のシアキー構造を示す。バレル型ケーシング1の内面におけるヘッドカバー2の取り付け位置には溝4が形成され、他方、ヘッドカバー2の軸方向外側の外周面には、段付き部6が形成される。その段付き部6には、周方向に３つ以上に分割された第１のキー部材5aが組み合わされて配置される。この第１のキー部材5aの外径面は、ケーシング溝の周面と接し、その内径面は、ヘッドカバー段付き部の外径面と接し、その軸方向の端面は、ヘッドカバー段付き部に形成された軸方向端面（径方向に延びた面）と接するように構成されている。すなわち、第１のキー部材5aは、ヘッドカバー2の段付き部6に対して、径方向及び軸方向の両方向において固定される。なお、第１のキー部材5aの外径面の軸方向外側の部分に、凸部31を設けるようにしてもよい。

また、バレル型ケーシング1の内面に形成された溝4には、第1のキー部材5aに接するように第２のキー部材5bが配置される。第２のキー部材5bの外径は、溝4の周面の径より小さく、かつケーシング1の内径より大きく、その内径は、ヘッドカバー2の段付き部6の径と同等である。第２のキー部材5bは、周方向に３つ以上に分割されており、その軸に沿った断面でＬ字形になるつば部13を有し、そのつば部13の外径は、ケーシング1の内径と同等である。

バレル型ケーシング1の内面に形成された溝4内に、第１のキー部材5aの軸方向外側に隣接して第２のキー部材5bが配置される。この際に、第１及び第２のキー部材5a,5bは、軸方向に互いに締結されず、ボルト41,42を用いてケーシング1に固定される。こうして、つば部13の外径は、ケーシング1の内周面に接した状態となる。

図１に示された実施例では、第１及び第２のキー部材5a,5bにメネジを設けて、ケーシング1に設けられた孔にボルト41,42を通して第１及び第２のキー部材5a,5bを遠心方向に引っ張る構造としているが、第１及び第２のキー部材5a,5bに孔を開け、ケーシング1の溝4にメネジを設けて、第１及び第２のキー部材5a,5bに内径側からボルトを配置して固定するようにしてもよい。

また、ケーシング1の溝は、Ｌ字形断面を有する第２のキー部材5bが設置される位置の部分の径を、ヘッドカバーに接して取り付けられる第１のキー部材5aを収納する溝4の部分より深くした段付き溝40としている。

図１に示されたシアキー構造は、シアキーを軸方向に第１及び第２のキー部材5a,5bに分割することにより、特許文献１の図３や特許文献１の図６に示される従来のシアキー構造に比べて、ヘッドカバー2の端面32を広くとることができる。また、特許文献３の図１に示される従来のシアキー構造では、実施例1の部材5aに相当する部材に荷重が集中し、部材5aの寸法が増大するのに対して、図１に示したシアキー構造では第２のキー部材5bにつば部13を設けて荷重を分担させることにより、第１のキー部材5aの小型化を実現することができる。

また、特許文献２の図３と特許文献４の図１に示されるシアキー構造では、図１に示す実施例1の部材5aに相当する部材につば部が設けられている。図１に示されたシアキー構造はつば部を設けていないため、特許文献２の図３と特許文献４の図１に示されるシアキー構造について前述した問題、すなわち、つば部の変形や破壊を回避するための設計上と工作上の高い精度を要求されるという問題を回避することができる。

また、図１に示されたシアキー構造は、第１及び第２のキー部材5a,5bを軸方向に締結しないで、ケーシング1に径方向に固定する構造としている。また、ケーシング1の溝4内で、第２のキー部材5bを収納する部分40を深くして、第２のキー部材5bと溝の底部分40が接触しないようにしている。

図２は、図１に示されたシアキー構造において、第１のキー部材5aに作用する力を示し、図３は、同じく、第２のキー部材5bに作用する力を示す。また、図３は、第１及び第２のキー部材5a,5bの間のすべり量の分布を示す。

ケーシング1及びヘッドカバー2に内圧が与えられたとき、ヘッドカバー1からの力Ｆ_１と、それにつり合うケーシング1からの力Ｆ_２により、第１及び第２のキー部材5a,5bの接触面には圧縮面圧が加わる。一方、力Ｆ_１及びＦ_２により、図２に示されたように第１のキー部材5aには時計回り方向のモーメントが発生する。このモーメントは、ヘッドカバー2の内周面の抗力Ｆ_３と、ケーシング1の溝4の周面（径方向接触面）の抗力Ｆ_４と、更に第１及び第２のキー部材5a,5bの間に生じる摩擦力Ｆ_５による反対方向のモーメントとつり合う。すなわち，次式が成り立つ。

Ｆ_１ ＝ Ｆ_２ （１）
Ｆ_３ ＝ Ｆ_４＋Ｆ_５ （２）
Ｆ_１Ｒ_１＋Ｆ_２Ｒ_２＝Ｆ_３L_３＋Ｆ_４L_４＋Ｆ_５L_５（３）

一方、第２のキー部材5bには、図３に示す力が加わる。すなわち、次式が成り立つ。

Ｆ_２Ｒ_ａ−Ｆ_２Ｒ_ｂ−Ｆ_５L_ａ−Ｆ_５L_ｂ＝０ （４）

このとき、第２のキー部材5bのつば13に加わる力Ｆ_５は、第１及び第２のキー部材5a,5bの間に働く静摩擦力以下となる。第１及び第２のキー部材5a,5bの間の摩擦係数をμとすると、両部材の間に働く静摩擦力はμＦ_１となる。静摩擦力μＦ_１が大きく、第１及び第２のキー部材5a,5bの間ですべりが生じないとき、ケーシング1の溝4の周面（径方向接触面）に生じる力Ｆ_４は0となる。

特許文献４の図１に示される従来のシアキー構造では、図１に示した実施例１における第１及び第２のキー部材5a,5bに相当する部材を、軸方向にボルトで固定している。このボルトによる締付け力は、ボルトを周方向に多数配置しても、ヘッドカバーからの力Ｆ_１に比べると非常に小さい。そして、第１及び第２のキー部材5a,5bの間には、次に述べるように、すべりが生じており、それゆえ、軸方向に締結するボルトの破断や疲労破壊という問題が発生する可能性があることがわかる。

図４は、図１に示された実施例１のシアキー構造における第１及び第２のキー部材5a,5bのすべり量を、有限要素解析によって求めた分布を示す。ここでは、一般的な金属材料間の摩擦係数とされるμ=0.3を想定している。図４には、第１及び第２のキー部材5a,5bの間に広い範囲で、1.0mmを超えるすべりが発生することが示されている。

実施例１では、第１及び第２のキー部材5a,5bを軸方向に固定することなく、ボルト41,42を用いてケーシング1に径方向に固定する構造をとることにより、両部材間に発生する上記のすべりを許容している。さらに、第１及び第２のキー部材5a,5bの間の摩擦係数μから第２のキー部材5bのつば13に加わる力Ｆ_５を、次式で求める。

Ｆ_５ ＝ μＦ_１ （５）

上記の式（１）〜（５）を用いて、各部の寸法から各部の荷重を求めることが可能となる。これにより、第１及び第２のキー部材5a,5bの形状を荷重に対して適切に設計することが可能となり、第１及び第２のキー部材5a,5bの小型化、それに伴う溝4の小型化、さらにケーシング1の小型化を図ることができる。

図５は、図１に示されたケーシング1のＡ線に沿った切断面を矢印の方向から際の図を示す。ここでは、実線で示されたものが手前側にある第２のキー部材5bを示し、破線で示されたものが奥にある第１のキー部材5aを示しており、両部材の周方向分割位置が重ならないようにすることが好ましい。

実施例１のシアキー構造によれば、第１のキー部材5aの外径は、ケーシング1の溝4と接する必要があるが、第２のキー部材5bの外径は、ケーシング1の溝と接触しないように構成する必要がある。そのために、第２のキー部材5bが配置される位置では、溝を深くして段付き溝40とするようにしてもよい。シアキー構造における荷重Ｆ_２は非常に大きくなるので、第２のキー部材5bと溝4の軸方向端面の接触面積を広く取ることが求められる。また、第１及び第２のキー部材5a,5bの接触面も広く取ることが望ましいので、両部材の外径を一致させることが好ましい。そのため、ケーシング1の溝を、段付き溝40とすることが好ましいのである。

図６は、実施例２を示す。実施例２は、実施例１と同じように第１及び第２のキー部材5a,5bを備えたシアキー構造であることに変わりがないが、第２のキー部材5bの外径が溝4の内周面と接しないようにするために、第２のキー部材5bの外径をケーシング1の溝4の内周面よりも若干小さくしている。

以上、実施例１及び実施例２では、いずれも第１及び第２のキー部材5a,5bをケーシング1に固定するために、ボルトを使用しているが、ボルトの限定されるものではなく、その他の固着手段を適宜用いるようにしてもよい。

本発明は、遠心圧縮機のようなターボ機械だけでなく、各種の圧力容器やケーシングのカバー取付構造に広く利用可能である。

1…ケーシング、2…ヘッドカバー、4…溝、5a…第1のシアキー部材、5b…第２のシアキー部材、6…段付き部、7・・・ストッパ、13…つば部、21…インペラ、22…シャフト、23…インナーケーシング、31…凸部、32…端面、33…フランジ、40…段付き溝、41…ボルト、42…ボルト、57…分割面、58…分割面、59…吸込口、60…吐出口。

Claims (7)

1. ケーシング、該ケーシングに取り付けられるヘッドカバー、前記ケーシングと前記ヘッドカバーの間に配置されるシアキーを有し、
   前記ケーシングの内面に円周方向に延びた溝が設けられ、
   前記溝内に複数のシアキー部材が軸方向及び周方向に配置されて、前記ヘッドカバーの軸方向外方への移動を阻止し、
   前記複数のシアキー部材は、前記ケーシングに対して個別に径方向のみで固定され、相互に径方向に変位することを許容されるように構成されていることを特徴とする圧力容器又はケーシング装置。
2. ケーシング、該ケーシングに取り付けられるヘッドカバー、前記ケーシングと前記ヘッドカバーの間に配置されるシアキーを有する容器において、
   前記ヘッドカバーの外周面の軸方向外側に段付き部が形成され、
   前記ケーシングの内面に円周方向に延びた溝が設けられ、
   前記段付き部及び前記溝内に配置される部材であって、その外周面の少なくとも一部が前記溝内の内周面に接するように配置された第１のシアキー部材と、
   前記溝内に前記第１のシアキー部材に隣接して配置された部材であって、その軸方向に突出したつば部の外周面が、前記ケーシングの内周面に接する第２のシアキー部材を有し、
   前記第１のシアキー部材及び前記第２のシアキー部材は、いずれも周方向において３つ以上に分割された部材から成り、
   前記各部材は、それぞれ前記ケーシングに径方向で固定されているが、軸方向では互いに締結されず、前記第１のシアキー部材及び前記第２のシアキー部材の間に作用するせん断力により径方向で若干の変位を許容することを特徴とする圧力容器又はケーシング装置。
3. 請求項２に記載された圧力容器において、
   前記ケーシングの前記溝内に、前記第２のシアキー部材が配置される前記溝の部分の内径が前記第２のシアキー部材の外周面の径よりも大きくなるように段を付けられていることを特徴とする圧力容器又はケーシング装置。
4. 請求項２に記載された圧力容器において、
   前記第２のシアキー部材の外周面の径が、前記第１のシアキー部材の外周面の径よりも小さいことを特徴とする圧力容器又はケーシング装置。
5. 請求項２から４のいずれかの請求項に記載されたケーシング装置が、ターボ機械を収納するものであることを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載された装置において、前記ターボ機械が遠心圧縮機であることを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載された装置に収納された遠心圧縮機。

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