旋转机械单元的制作方法

本发明涉及一种旋转机械单元。更详细来说，本发明涉及一种以贯穿相互对置配置的第一外壳以及第二外壳各自的对置面的方式设置有旋转轴的旋转机械单元。

背景技术：

为了使具有旋转轴的旋转机械单元正常运转，使旋转轴恰当地定心是重要的。以往，已知有例如专利文献1、2所示那样用于使旋转轴定心的技术。在专利文献1中，在进行电动发电机的组装时，通过利用设置于定子的定心引导件将转子引导至恰当的位置，由此使与转子连结的旋转轴恰当地定心。另外，专利文献2的螺旋压缩机中，能够在利用配置于马达与压缩部之间的定心引导件对马达的旋转轴可靠地定心的状态下进行组装。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-207212号公报

专利文献2：日本特开2001-65480号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

然而，在以贯穿相互对置配置的第一外壳以及第二外壳各自的对置面的方式设置有旋转轴的旋转机械单元的运转中，例如，若第一外壳与第二外壳相比受到更大的温度变化，则第一外壳的热变形量(膨胀量或者收缩量)比第二外壳大。因此，即便在最初使旋转轴相对于第一外壳以及第二外壳恰当地定心后的情况下，也可能在旋转机械单元的运转中，旋转轴相对于变形量大的第一外壳偏心。在该偏心量大的情况下，旋转轴与第一外壳(或者设置于第一外壳的密封构件等)接触，可能引起能量损失或旋转轴的烧结之类的问题。这样的问题的原因在于，在旋转机械单元的运转中，第一外壳与第二外壳相比而较大地发生热变形，因此，若采用仅考虑组装时的定心的专利文献1、2记载的技术，则无法解决上述问题。

为此，本发明的目的在于，提供一种以贯穿相互对置配置的第一外壳以及第二外壳各自的对置面的方式设置有旋转轴的旋转机械单元，即便在第一外壳受到比第二外壳大的温度变化的情况下，也可以抑制旋转轴相对于第一外壳的偏心。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明所涉及的旋转机械单元具备旋转轴，该旋转轴被设为贯穿相互对置配置的第一外壳以及第二外壳各自的对置面，所述旋转机械单元具备至少两个卡合机构，该卡合机构具备：第一卡合部，其在所述第一外壳的所述对置面上沿着从供所述旋转轴贯穿的中心部朝向周缘部的方向呈直线状延伸配置；以及第二卡合部，其设置在所述第二外壳的所述对置面上，并供所述第一卡合部在能够沿所述第一卡合部的延伸配置方向移动的状态下卡合，所述卡合机构被设为在从所述旋转轴的轴向观察时彼此具有倾斜度。

发明效果

在本发明中，第一卡合部在第一外壳的对置面上沿着从供旋转轴贯穿的中心部朝向周缘部的方向呈直线状延伸配置，该第一卡合部能够在与形成于第二外壳的对置面的第二卡合部卡合的状态下沿着第一卡合部的延伸配置方向移动。而且，由第一卡合部与第二卡合部构成的卡合机构至少设置两个，在从旋转轴的轴向观察时彼此具有倾斜度。因此，在第一外壳受到比第二外壳大的温度变化的环境下第一外壳发生热变形的情况下，第一卡合部分别被第二卡合部引导而呈放射状移动，第一外壳的对置面几乎呈同心圆状膨胀或者收缩。因此，在供旋转轴贯穿的第一外壳的对置面的中心部几乎不产生位移，能够抑制旋转轴相对于第一外壳的偏心。

附图说明

图1是示出旋转机械单元的实施方式的一个例子的纵剖视图。

图2是示出涡轮外壳的对置面的图。

图3是示出齿轮外壳的对置面的图。

图4是从图1中的从A-A方向观察时的剖视图。

图5是与延伸配置方向正交的剖面中的卡合机构的剖视图。

图6是与延伸配置方向正交的剖面中的卡合机构的剖视图。

图7是示出其他实施方式的卡合机构的一个例子的剖视图。

图8是示出其他实施方式的卡合机构的一个例子的剖视图。

图9是示出其他实施方式的卡合机构的一个例子的剖视图。

具体实施方式

参照附图来说明本发明的旋转机械单元的实施方式。图1是示出旋转机械单元的实施方式的一个例子的纵剖视图。本实施方式的旋转机械单元1将例如在工厂排出的高温的压缩蒸汽导入至膨胀涡轮10，将由此产生的旋转动力经由增速机20向其他装置供给。

(膨胀涡轮)

膨胀涡轮10的基本构造与普通压缩机相同，但存在以下的不同之处。换句话说，在压缩机中，通过向由马达驱动进行旋转的叶轮供给流体而压缩流体。与之相对，膨胀涡轮10作为流体机械而发挥功能，通过向与叶轮相当的涡轮转子(turbine runner)14供给流体，且该流体使涡轮转子14旋转，从而将流体的运动能量向旋转运动的能量转换。

膨胀涡轮10构成为在涡轮外壳11的内部配设有固定于旋转轴30的端部的涡轮转子14，该涡轮外壳11包括圆筒形的主体部12以及封闭主体部12的端部的圆盘形的外罩部13。在主体部12上形成有用于从径向朝涡轮转子14供给流体的吸气口12a、以及用于从涡轮转子14沿轴向排出流体的排气口12b。然后，从吸气口12a供给至涡轮转子14的流体使涡轮转子14旋转，在该过程中膨胀的流体从排气口12b被排出(参照图1的箭头)。

在涡轮外壳11的外罩部13的中心部形成有贯通孔13a，在贯通孔13a的内侧设置有密封构件15，此外，旋转轴30穿过密封构件15的内侧。为了不妨碍旋转轴30的旋转，在密封构件15与旋转轴30之间设置些许的间隙，但为了尽可能地防止流体泄漏，将该间隙设为最低限度的尺寸。

(增速机)

增速机20是用于使通过膨胀涡轮10获得的旋转动力增速的装置。具体来说，在齿轮外壳21的内部配设有与旋转轴30连结的未图示的增速机构。在齿轮外壳21中的膨胀涡轮10侧的壁面形成有用于供旋转轴30穿过的贯通孔21a，在该贯通孔21a中设置有将旋转轴30支承为旋转自如的轴承22。需要说明的是，本实施方式的齿轮外壳21呈沿着旋转轴30的圆筒形，为了进行内部的增速机构的维护等，构成为能够开闭齿轮外壳21的上半部分。但是，齿轮外壳21的具体结构不限于此。

(关于偏心)

在旋转机械单元1中，涡轮外壳11以及齿轮外壳21相互对置配置，以分别贯穿涡轮外壳11的对置面13b以及齿轮外壳21的对置面21b的方式配设有旋转轴30。在进行旋转机械单元1的组装时，旋转轴30被轴承22支承，并且相对于涡轮外壳11(外罩部13)恰当地定心。

在此，当向膨胀涡轮10供给高温的流体时，涡轮外壳11的温度大幅上升。另一方面，由于齿轮外壳21配置为与涡轮外壳11分离的状态，因此来自膨胀涡轮10的传热量小，温度不会较大上升。因此，涡轮外壳11的热变形量(在此为膨胀量)比齿轮外壳21大。需要说明的是，并非必须将涡轮外壳11与齿轮外壳21分离配置，既可以在使对置面13b、21b彼此抵接的状态下配置，也可以配置为在两者间设置隔热件。

以往，在这样的旋转机械单元1中，设置从齿轮外壳21的对置面21b的下端部向涡轮外壳11侧突出的未图示的支承部，在利用该支承部支承涡轮外壳11(外罩部13)的状态下，利用螺栓等将涡轮外壳11与齿轮外壳21连结起来。因此，若涡轮外壳11产生热膨胀，则越远离所述支承部，涡轮外壳11相对于齿轮外壳21的位移越大，存在旋转轴30相对于涡轮外壳11偏心的情况。若该偏心量超过密封构件15与旋转轴30之间的间隙量，则旋转轴30与密封构件15接触，有可能产生能量损失、旋转轴的烧结之类的问题。

(卡合机构)

本实施方式的旋转机械单元1为了避免这样的问题而对涡轮外壳11与齿轮外壳21的连结方法进行了改进。图2是示出涡轮外壳11的对置面13b的图，图3是示出齿轮外壳21的对置面21b的图。需要说明的是，在这些图中，省略了密封构件15、轴承22的图示。

如图2所示，在涡轮外壳11的圆形的对置面13b上，沿着径向呈直线状延伸配置有三个键槽13c，在各键槽13c中固定有键构件13d。键构件13d的高度比键槽13c的深度大，键构件13d从键槽13c突出，由此形成有凸部41。这样形成的三个凸部41均在对置面13b的下半部分的区域中相对于铅垂面对称设置。需要说明的是，凸部41不限于组合键槽13c与键构件13d来构成的情况，只要从对置面13b向齿轮外壳21的对置面21b侧突出，也可以采用任意结构。

如图3所示，在齿轮外壳21的圆形的对置面21b上的、与在涡轮外壳11的对置面13b上设置的三个凸部41对应的位置，沿着径向呈直线状延伸配置有三个槽状的凹部42。凹部42的宽度比凸部41的宽度大，在凸部41与凹部42卡合的状态下，凸部41能够在径向(凸部41的延伸配置方向)上移动。需要说明的是，凸部41以及凹部42的宽度被确定为，即便在凸部41发生了热膨胀的情况下，也能够维持凸部41可以在凹部42内移动的状态。在从旋转轴30的轴向观察时，本实施方式的凹部42延伸配置于对置面21b的中心部(轴承22)与对置面21b的周缘部之间的整体。但是，凹部42也可以在比对置面21b的中心部靠周缘部侧的位置终止。另外，凹部42也可以在比对置面21b的周缘部靠中心部侧的位置终止。

图4是从图1中的A-A方向观察时的剖视图。如图4所示，使凸部41与凹部42卡合来构成的卡合机构40当然成为与凸部41以及凹部42相同的配置方式。即，三个卡合机构40均在比旋转轴30的轴心O靠下方的区域中相对于铅垂面对称设置。另外，为了不使全部的卡合机构40配置在一条直线上或者平行配置，将至少两个卡合机构40设置为在从旋转轴30的轴向观察时彼此具有倾斜度。

需要说明的是，涡轮外壳11(外罩部13)与齿轮外壳21在通过卡合机构40相互卡合的状态下利用未图示的螺栓进行连结。供该螺栓插入的螺栓孔具有比螺栓直径大的直径，以便在涡轮外壳11发生热变形时，该变形不会被螺栓限制。需要说明的是，并非必须利用螺栓连结涡轮外壳11与齿轮外壳21，也可以利用其他机构进行连结。

图5以及图6是与延伸配置方向正交的剖面中的卡合机构40的剖视图。如图5所示，优选在与延伸配置方向正交的剖面中，使凸部41的前端部的角被倒角加工，形成有越朝向前端而宽度越窄的锥形部41a。通过设置这样的锥形部41a，能够使凸部41与凹部42容易地卡合。或者，如图6所示，也可以在与延伸配置方向正交的剖面中，使凹部42的开口面的角被倒角加工，形成越朝向开口面而宽度越宽的锥形部42a。通过设置这样的锥形部42a，也能够使凸部41与凹部42容易地卡合。另外，作为其他变形例，也可以对凸部41的前端部的角以及凹部42的开口面的角这两者实施倒角加工。此外，即便代替倒角加工，对凸部41的前端部的角以及凹部42的开口面的角中的至少任一方实施圆角加工，也能够获得同样的效果。

(效果)

在本实施方式的旋转机械单元1中，至少两个卡合机构40设置为在从旋转轴30的轴向观察时彼此具有倾斜度。因此，在涡轮外壳11(第一外壳)受到比齿轮外壳21(第二外壳)大的温度变化而发生热膨胀时，其膨胀方式如下所述。以各卡合机构40的延长线的交点(在本实施方式中与旋转轴30的轴心O一致)为中心，凸部41(第一卡合部)分别被凹部42(第二卡合部)引导而呈放射状移动，由此涡轮外壳11的对置面13b几乎呈同心圆状膨胀。因此，在供旋转轴30贯穿的涡轮外壳11的对置面13b的中心部几乎不产生位移，能够抑制旋转轴30相对于涡轮外壳11的偏心。需要说明的是，根据本实施方式的旋转机械单元1，不仅在涡轮外壳11发生热膨胀的情况下，在发生热收缩的情况下也能够同样地抑制旋转轴30相对于涡轮外壳11的偏心。

另外，在本实施方式中，涡轮外壳11的对置面13b呈圆形，凸部41的延伸配置方向与圆形的对置面13b的径向一致。因此，各卡合机构40的延长线的交点与旋转轴30的轴心O一致，能够使涡轮外壳11的对置面13b变形为更精确的同心圆状。其结果是，能够更可靠地抑制旋转轴30相对于涡轮外壳11的偏心。

另外，在本实施方式中，由于多个卡合机构40相对于铅垂面对称配置，因此容易使涡轮外壳11左右均等地变形。因此，能够使涡轮外壳11更可靠地容易变形为同心圆状。

另外，在本实施方式中，全部的卡合机构40设置在比旋转轴30的轴心O靠下方的区域中。因此，如上所述，即便在齿轮外壳21的上半部分能够开闭的情况下，也不会因卡合机构40而妨碍齿轮外壳21的开闭。另外，即便在涡轮外壳11(外罩部13)的重量大的情况下，也容易一边支承涡轮外壳11的下部一边进行使卡合机构40卡合的作业，因此组装效率提高。

另外，在本实施方式中，由于卡合机构40由凸部41与凹部42构成，因此卡合机构40的结构简单，能够抑制因设置卡合机构40而引起的成本上升或工时增加。

另外，在本实施方式中，在与延伸配置方向正交的剖面中，凸部41的前端部的角以及凹部42的开口面的角中的至少任一方被实施倒角加工或者圆角加工。因此，能够使凸部41与凹部42容易地卡合。

[其他实施方式]

本发明不限于上述实施方式，只要不脱离其主旨，能够将上述实施方式的要素适当组合或者添加各种变更。

例如，在上述实施方式中，以本发明的“第一外壳”是膨胀涡轮10的涡轮外壳11、本发明的“第二外壳”是增速机20的齿轮外壳21的情况为例进行了说明。然而，本发明也能够应用于以贯穿相互对置配置的两个外壳各自的对置面的方式设置有旋转轴的旋转机械单元，与第一外壳以及第二外壳具体为何种装置的外壳无关。

另外，在上述实施方式中，以本发明的“第一卡合部”是凸部41、本发明的“第二卡合部”是凹部42的情况为例进行了说明。然而，第一卡合部、第二卡合部不限于此，也可以是第一卡合部为凹部、第二卡合部为凸部。此外，只要是第一卡合部被第二卡合部在延伸配置方向上引导的结构，例如也可以采用组合导轨等引导机构与同其卡合的构件而成的结构。

另外，卡合机构40的具体个数或配置能够适当地变更。图7～图9是示出其他实施方式的卡合机构的一个例子的剖视图，且是与从图1中的A-A方向观察时的剖视图相当的图。例如，也可以去掉上述实施方式的中央的卡合机构40而如图7所示设置两个卡合机构40，或者也可以设置四个以上的卡合机构40。另外，在不采用齿轮外壳21的上半部分能够开闭的结构的情况下，既可以将卡合机构40设置在比旋转轴30的轴心O靠上方的区域，也可以如图8所示，在与旋转轴30的轴心O相同的高度设置卡合机构40。从使涡轮外壳11的对置面13b呈同心圆状变形的观点出发，优选将三个以上的卡合机构40在周向上以等间隔设置。

此外，并非必须使卡合机构40的延伸配置方向与径向一致，也可以配置为卡合机构40的延长线从旋转轴30的轴心O略微偏移。作为具体例，也可以如图9所示使沿水平方向延伸配置的两个卡合机构40配置为从旋转轴30的轴心O偏移L[mm]。此时允许的偏移量L如以下那样求出。

在设置图9所示的卡合机构40的情况下，涡轮外壳11的对置面13b以各卡合机构40的延长线(由单点划线图示)的交点P为中心进行变形。因此，从交点P偏移L[mm]的轴心O的位置处的对置面13b的位移量ΔL[mm]通过下式来求出。

[数1]

ΔL＝αLΔT

在此，

α：涡轮外壳11的线膨胀系数[1/K]

ΔT：涡轮外壳11的温度变化[K]。

在将密封构件15与旋转轴30之间的间隙量设为G[mm]时，若下式的关系成立，即便涡轮外壳11的对置面13b发生热变形，旋转轴30相对于涡轮外壳11偏心，也能够避免旋转轴30与密封构件15接触。

[数2]

ΔL＜G

在此，涡轮外壳11是铁制(α＝1.2×10^-5)，若设为ΔT＝300℃，G＝0.5mm，则如下所示。

[数3]

L＜0.5/(1.2×10^-5×300)＝139

换句话说，允许与轴心O相距大约139mm以内的偏移。这样，并非必须使卡合机构40的延伸配置方向与径向一致，只要卡合机构40从中心部朝向周缘部延伸配置，在卡合机构40的延长线从旋转轴30的轴心O略微偏移的情况下也能够应用本发明。

附图标记说明：

1：旋转机械单元

11：涡轮外壳(第一外壳)

13b：对置面

21：齿轮外壳(第二外壳)

21b：对置面

30：旋转轴

40：卡合机构

41：凸部(第一卡合部)

42：凹部(第二卡合部)