JP2001304182A - 高速回転インペラ - Google Patents
高速回転インペラInfo
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- JP2001304182A JP2001304182A JP2000126486A JP2000126486A JP2001304182A JP 2001304182 A JP2001304182 A JP 2001304182A JP 2000126486 A JP2000126486 A JP 2000126486A JP 2000126486 A JP2000126486 A JP 2000126486A JP 2001304182 A JP2001304182 A JP 2001304182A
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- stress
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ディスクに発生する最大応力を許容応力以下
に抑え、なおかつディスクを軽量化することができ、こ
れによりコストダウンと加速・減速時の応答性を高める
ことができる高速回転インペラを提供する。 【解決手段】 ディスク部２が、回転中心軸と同心の中
空貫通孔２ａと、羽根部と連結する羽根取付面２ｂと、
羽根取付面と軸方向反対側のディスク背面２ｃとを有す
る。ディスク背面２ｃの断面形状を最大相当応力を制約
し、体積を最小化するように決定し、ディスク自体の自
重による遠心力を小さくして最大円周応力と最大半径応
力が許容値以下になるように決定されている。このディ
スク背面２ｃの断面形状は、半径方向中間部が羽根取付
面２ｂ側に凹んだ窪み形状である。
に抑え、なおかつディスクを軽量化することができ、こ
れによりコストダウンと加速・減速時の応答性を高める
ことができる高速回転インペラを提供する。 【解決手段】 ディスク部２が、回転中心軸と同心の中
空貫通孔２ａと、羽根部と連結する羽根取付面２ｂと、
羽根取付面と軸方向反対側のディスク背面２ｃとを有す
る。ディスク背面２ｃの断面形状を最大相当応力を制約
し、体積を最小化するように決定し、ディスク自体の自
重による遠心力を小さくして最大円周応力と最大半径応
力が許容値以下になるように決定されている。このディ
スク背面２ｃの断面形状は、半径方向中間部が羽根取付
面２ｂ側に凹んだ窪み形状である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、最大応力を抑えか
つ軽量化できる高速回転インペラに関する。
つ軽量化できる高速回転インペラに関する。
【０００２】
【従来の技術】過給機、遠心圧縮機（コンプレッサ）、
タービン等の高速回転機械に使用される高速回転インペ
ラは、通常、図３に示すように、複数の羽根部１とこれ
と一体に構成され回転軸に固定される中実のディスク部
２とからなる。羽根部１は、高速回転によりその間を流
れるガスを圧縮又は膨張させる部分であり、ディスク部
２は、羽根部に作用する遠心力を支持して複数の羽根部
を所定の位置に保持する役割を有する。
タービン等の高速回転機械に使用される高速回転インペ
ラは、通常、図３に示すように、複数の羽根部１とこれ
と一体に構成され回転軸に固定される中実のディスク部
２とからなる。羽根部１は、高速回転によりその間を流
れるガスを圧縮又は膨張させる部分であり、ディスク部
２は、羽根部に作用する遠心力を支持して複数の羽根部
を所定の位置に保持する役割を有する。
【０００３】上述した高速回転インペラは、回転中心軸
Ｚ−Ｚを中心に高速回転（例えば１０万ｍｉｎ-1以上）
し、そのディスク部２に、羽根部の遠心力とディスク自
体の遠心力により高い内部応力が発生する。この内部応
力は、図３のようなディスク背面が平面の場合には、デ
ィスク背面の中間部に最大の半径応力σrが発生し、デ
ィスクの内周部分に最大の円周応力σθが発生する。
Ｚ−Ｚを中心に高速回転（例えば１０万ｍｉｎ-1以上）
し、そのディスク部２に、羽根部の遠心力とディスク自
体の遠心力により高い内部応力が発生する。この内部応
力は、図３のようなディスク背面が平面の場合には、デ
ィスク背面の中間部に最大の半径応力σrが発生し、デ
ィスクの内周部分に最大の円周応力σθが発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図３において、（Ａ）
は半径応力σr、（Ｂ）は円周応力σθの解析結果を示
している。また、図中の各数字は、応力レベルを示して
おり、例えば８は１４０ＭＰａ、１７は３００ＭＰａに
相当する。
は半径応力σr、（Ｂ）は円周応力σθの解析結果を示
している。また、図中の各数字は、応力レベルを示して
おり、例えば８は１４０ＭＰａ、１７は３００ＭＰａに
相当する。
【０００５】図３から明らかなように、ディスク背面が
平面の従来の高速回転インペラでは、ディスク背面の中
間部の半径応力σrが高く（最大約１４０ＭＰａ）、デ
ィスク内周部の円周応力σθが高い（最大約３００ＭＰ
ａ）。また、この場合、ディスク背面の内周の端部に最
大の合成応力（ミーゼス等価応力）が発生する。従っ
て、ディスク背面が平面の高速回転インペラでは、この
部分の最大応力が材料の許容応力（例えば３００ＭＰ
ａ）を超える場合には、この部分から降伏が進み破損に
至るおそれがある。
平面の従来の高速回転インペラでは、ディスク背面の中
間部の半径応力σrが高く（最大約１４０ＭＰａ）、デ
ィスク内周部の円周応力σθが高い（最大約３００ＭＰ
ａ）。また、この場合、ディスク背面の内周の端部に最
大の合成応力（ミーゼス等価応力）が発生する。従っ
て、ディスク背面が平面の高速回転インペラでは、この
部分の最大応力が材料の許容応力（例えば３００ＭＰ
ａ）を超える場合には、この部分から降伏が進み破損に
至るおそれがある。
【０００６】これを避けるために、ディスク背面をなだ
らかに外方に延ばし、ディスク内周部を軸方向に厚くし
たディスク部も一部で採用されている。図４はこのよう
なディスク背面をもった高速回転インペラの解析例であ
り、（Ａ）は円周応力σθ、（Ｂ）はミーゼス等価応力
σmを示している。図４から明らかなように、内周部を
厚くした場合でも、内部応力の低下はわずかであり、高
速回転により内周部分の円周応力σθ及び等価応力σm
が高くなり（最大約２８５ＭＰａ）、この部分の最大応
力が材料の許容応力を超えて破損に至ることがある。
らかに外方に延ばし、ディスク内周部を軸方向に厚くし
たディスク部も一部で採用されている。図４はこのよう
なディスク背面をもった高速回転インペラの解析例であ
り、（Ａ）は円周応力σθ、（Ｂ）はミーゼス等価応力
σmを示している。図４から明らかなように、内周部を
厚くした場合でも、内部応力の低下はわずかであり、高
速回転により内周部分の円周応力σθ及び等価応力σm
が高くなり（最大約２８５ＭＰａ）、この部分の最大応
力が材料の許容応力を超えて破損に至ることがある。
【０００７】また、ディスク背面が平面の場合に比較し
て、ディスク背面が山状の場合には、その分ディスク重
量が増し、ディスクコストが上昇するばかりでなく、加
速・減速時の応答性が低下する問題点があった。
て、ディスク背面が山状の場合には、その分ディスク重
量が増し、ディスクコストが上昇するばかりでなく、加
速・減速時の応答性が低下する問題点があった。
【０００８】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、デ
ィスクに発生する最大応力を許容応力以下に抑え、なお
かつディスクを軽量化することができ、これによりコス
トダウンと加速・減速時の応答性を高めることができる
高速回転インペラを提供することにある。
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、デ
ィスクに発生する最大応力を許容応力以下に抑え、なお
かつディスクを軽量化することができ、これによりコス
トダウンと加速・減速時の応答性を高めることができる
高速回転インペラを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
羽根部（１）とこれと一体に構成され回転軸に固定され
る中実のディスク部（２）とからなる高速回転インペラ
であって、前記ディスク部（２）は、回転中心軸と同心
の中空貫通孔（２ａ）と、羽根部と連結する羽根取付面
（２ｂ）と、羽根取付面と軸方向反対側のディスク背面
（２ｃ）とを有し、前記ディスク背面（２ｃ）の断面形
状が、ディスク自体の自重による遠心力を小さくして最
大円周応力と最大半径応力が許容値以下になるように決
定されている、ことを特徴とする高速回転インペラが提
供される。
羽根部（１）とこれと一体に構成され回転軸に固定され
る中実のディスク部（２）とからなる高速回転インペラ
であって、前記ディスク部（２）は、回転中心軸と同心
の中空貫通孔（２ａ）と、羽根部と連結する羽根取付面
（２ｂ）と、羽根取付面と軸方向反対側のディスク背面
（２ｃ）とを有し、前記ディスク背面（２ｃ）の断面形
状が、ディスク自体の自重による遠心力を小さくして最
大円周応力と最大半径応力が許容値以下になるように決
定されている、ことを特徴とする高速回転インペラが提
供される。
【００１０】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
ディスク背面（２ｃ）の断面形状は、半径方向中間部が
羽根取付面（２ｂ）側に凹んだ窪み形状である。また、
前記ディスク背面（２ｃ）の断面形状を、最大相当応力
を制約し、体積を最小化するように決定することが好ま
しい。
ディスク背面（２ｃ）の断面形状は、半径方向中間部が
羽根取付面（２ｂ）側に凹んだ窪み形状である。また、
前記ディスク背面（２ｃ）の断面形状を、最大相当応力
を制約し、体積を最小化するように決定することが好ま
しい。
【００１１】本発明の構成によれば、半径方向中間部を
羽根取付面（２ｂ）側に凹んだ窪み形状にすることによ
り、ディスク自体の自重による遠心力を小さくして、最
大円周応力と最大半径応力及び最大相当応力（例えばミ
ーゼス等価応力）を低減できると共に、軽量化によるコ
ストダウンが図れる。また、軽量化により加速・減速時
の応答性も高めることができる。
羽根取付面（２ｂ）側に凹んだ窪み形状にすることによ
り、ディスク自体の自重による遠心力を小さくして、最
大円周応力と最大半径応力及び最大相当応力（例えばミ
ーゼス等価応力）を低減できると共に、軽量化によるコ
ストダウンが図れる。また、軽量化により加速・減速時
の応答性も高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。
【００１３】図１は、本発明の高速回転インペラのオリ
ジナル形状と解析により得られた形状の比較図である。
この図において、（Ａ）は高速回転インペラ（この場合
はコンプレッサ回転体又はタービン回転体でもよい）の
オリジナルモデルであり、ディスク部の断面形状を示
し、羽根部は省略している。また横軸は半径方向、縦軸
（Ｚ軸）は軸方向、Ｚ軸は回転中心を示している。ま
た、図中のＡＢ，ＢＣ，ＣＤ，ＤＥ，ＥＦ，ＦＡはディ
スク部の境界線であり，内部の多角形は解析のための要
素を示している。
ジナル形状と解析により得られた形状の比較図である。
この図において、（Ａ）は高速回転インペラ（この場合
はコンプレッサ回転体又はタービン回転体でもよい）の
オリジナルモデルであり、ディスク部の断面形状を示
し、羽根部は省略している。また横軸は半径方向、縦軸
（Ｚ軸）は軸方向、Ｚ軸は回転中心を示している。ま
た、図中のＡＢ，ＢＣ，ＣＤ，ＤＥ，ＥＦ，ＦＡはディ
スク部の境界線であり，内部の多角形は解析のための要
素を示している。
【００１４】この高速回転インペラの材料定数（ヤング
率Ｅ，ポアッソン比ν，密度ρ）を一定にし、回転速度
を１２万ｍｉｎ-1として解析した結果、図１（Ａ）のオ
リジナルモデルでは、材料の許容応力３００ＭＰａに対
して最大相当応力は２７３ＭＰａであり、最大応力は中
心貫通孔付近（ＤＥ部）に発生している。
率Ｅ，ポアッソン比ν，密度ρ）を一定にし、回転速度
を１２万ｍｉｎ-1として解析した結果、図１（Ａ）のオ
リジナルモデルでは、材料の許容応力３００ＭＰａに対
して最大相当応力は２７３ＭＰａであり、最大応力は中
心貫通孔付近（ＤＥ部）に発生している。
【００１５】次に、最大応力を３００ＭＰａに制約し、
体積を最小化するように、ディスク背面２ｃの断面形状
を最適化した。図１（Ｂ）は、得られたディスク部の断
面形状である。この結果、体積は２９．３％減少し、最
適化後の最大応力は、２０３ＭＰａであった。
体積を最小化するように、ディスク背面２ｃの断面形状
を最適化した。図１（Ｂ）は、得られたディスク部の断
面形状である。この結果、体積は２９．３％減少し、最
適化後の最大応力は、２０３ＭＰａであった。
【００１６】図２は、本発明による高速回転インペラの
断面形状と内部応力を示す図である。この図は、図１
（Ｂ）のディスク部の断面形状に相当している。
断面形状と内部応力を示す図である。この図は、図１
（Ｂ）のディスク部の断面形状に相当している。
【００１７】この図に示すように、本発明の高速回転イ
ンペラは、複数の羽根部１とこれと一体に構成され回転
軸に固定される中実のディスク部２とからなる。また、
ディスク部２は、回転中心軸と同心の中空貫通孔２ａ
と、羽根部１と連結する羽根取付面２ｂと、羽根取付面
２ｂと軸方向反対側のディスク背面２ｃとを有する。ま
た、ディスク背面２ｃの断面形状が、ディスク自体の自
重による遠心力を小さくして最大円周応力と最大半径応
力が許容値以下になるように決定されており、具体的に
は、半径方向中間部が羽根取付面２ｂ側に凹んだ窪み形
状となっている。
ンペラは、複数の羽根部１とこれと一体に構成され回転
軸に固定される中実のディスク部２とからなる。また、
ディスク部２は、回転中心軸と同心の中空貫通孔２ａ
と、羽根部１と連結する羽根取付面２ｂと、羽根取付面
２ｂと軸方向反対側のディスク背面２ｃとを有する。ま
た、ディスク背面２ｃの断面形状が、ディスク自体の自
重による遠心力を小さくして最大円周応力と最大半径応
力が許容値以下になるように決定されており、具体的に
は、半径方向中間部が羽根取付面２ｂ側に凹んだ窪み形
状となっている。
【００１８】図１において、図中の各線は等応力線であ
り、図中の各数字は、応力レベルの大小を示している。
この図から明らかなように、最大の等応力線は、中空貫
通孔２ａ付近（ＤＥ部）とディスク背面２ｃ（ＦＡ部）
の中間部に生じており、特に応力集中部はＤＥ部からＦ
Ａ部へ移動した。
り、図中の各数字は、応力レベルの大小を示している。
この図から明らかなように、最大の等応力線は、中空貫
通孔２ａ付近（ＤＥ部）とディスク背面２ｃ（ＦＡ部）
の中間部に生じており、特に応力集中部はＤＥ部からＦ
Ａ部へ移動した。
【００１９】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、半径
方向中間部を羽根取付面２ｂ側に凹んだ窪み形状にする
ことにより、ディスク自体の自重による遠心力を小さく
して、最大円周応力と最大半径応力及び最大相当応力
（例えばミーゼス等価応力）を低減できると共に、軽量
化によるコストダウンが図れる。また、軽量化により加
速・減速時の応答性も高めることができる。
方向中間部を羽根取付面２ｂ側に凹んだ窪み形状にする
ことにより、ディスク自体の自重による遠心力を小さく
して、最大円周応力と最大半径応力及び最大相当応力
（例えばミーゼス等価応力）を低減できると共に、軽量
化によるコストダウンが図れる。また、軽量化により加
速・減速時の応答性も高めることができる。
【００２０】従って、本発明の高速回転インペラは、デ
ィスクに発生する最大応力を許容応力以下に抑え、なお
かつディスクを軽量化することができ、これによりコス
トダウンと加速・減速時の応答性を高めることができる
等の優れた効果を有する。
ィスクに発生する最大応力を許容応力以下に抑え、なお
かつディスクを軽量化することができ、これによりコス
トダウンと加速・減速時の応答性を高めることができる
等の優れた効果を有する。
【００２１】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更するこ
とができることは勿論である。
ず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更するこ
とができることは勿論である。
【図１】本発明の高速回転インペラのオリジナル形状と
解析により得られた形状の比較図である。
解析により得られた形状の比較図である。
【図２】本発明による高速回転インペラの断面形状と内
部応力を示す図である。
部応力を示す図である。
【図３】ディスク背面が平面の従来の高速回転インペラ
の解析例である。
の解析例である。
【図４】ディスク背面を山状の従来の高速回転インペラ
の解析例である。
の解析例である。
１ 羽根部、２ ディスク部、２ａ 中空貫通孔、２ｂ
羽根取付面、２ｃ ディスク背面
羽根取付面、２ｃ ディスク背面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G002 AA01 AB00 AB08 3H033 AA02 AA17 BB03 BB06 CC01 DD12 EE00 EE11
Claims (3)
- 【請求項１】 複数の羽根部（１）とこれと一体に構成
され回転軸に固定される中実のディスク部（２）とから
なる高速回転インペラであって、 前記ディスク部（２）は、回転中心軸と同心の中空貫通
孔（２ａ）と、羽根部と連結する羽根取付面（２ｂ）
と、羽根取付面と軸方向反対側のディスク背面（２ｃ）
とを有し、 前記ディスク背面（２ｃ）の断面形状が、ディスク自体
の自重による遠心力を小さくして最大円周応力と最大半
径応力が許容値以下になるように決定されている、こと
を特徴とする高速回転インペラ。 - 【請求項２】 前記ディスク背面（２ｃ）の断面形状
は、半径方向中間部が羽根取付面（２ｂ）側に凹んだ窪
み形状である、ことを特徴とする請求項１に記載の高速
回転インペラ。 - 【請求項３】 前記ディスク背面（２ｃ）の断面形状
を、最大相当応力を制約し、体積を最小化するように決
定する、ことを特徴とする請求項１に記載の高速回転イ
ンペラ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000126486A JP2001304182A (ja) | 2000-04-26 | 2000-04-26 | 高速回転インペラ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000126486A JP2001304182A (ja) | 2000-04-26 | 2000-04-26 | 高速回転インペラ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001304182A true JP2001304182A (ja) | 2001-10-31 |
Family
ID=18636262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000126486A Pending JP2001304182A (ja) | 2000-04-26 | 2000-04-26 | 高速回転インペラ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001304182A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008519933A (ja) * | 2004-11-13 | 2008-06-12 | カミンズ・ターボ・テクノロジーズ・リミテッド | コンプレッサホイール |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56142295U (ja) * | 1980-03-27 | 1981-10-27 | ||
| JPS6134398A (ja) * | 1984-07-27 | 1986-02-18 | Hitachi Ltd | ハ−フシラウド羽根車 |
| JPH0693871A (ja) * | 1992-09-09 | 1994-04-05 | Toyota Motor Corp | ターボチャージャ用インペラ |
| JPH1054201A (ja) * | 1996-05-23 | 1998-02-24 | Alcatel Alsthom Co General Electricite | 半径流タービンホイール |
| JPH11270491A (ja) * | 1998-03-20 | 1999-10-05 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 遠心圧縮機におけるインペラのディスク構造 |
-
2000
- 2000-04-26 JP JP2000126486A patent/JP2001304182A/ja active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56142295U (ja) * | 1980-03-27 | 1981-10-27 | ||
| JPS6134398A (ja) * | 1984-07-27 | 1986-02-18 | Hitachi Ltd | ハ−フシラウド羽根車 |
| JPH0693871A (ja) * | 1992-09-09 | 1994-04-05 | Toyota Motor Corp | ターボチャージャ用インペラ |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008519933A (ja) * | 2004-11-13 | 2008-06-12 | カミンズ・ターボ・テクノロジーズ・リミテッド | コンプレッサホイール |
| US8641380B2 (en) | 2004-11-13 | 2014-02-04 | Cummins Turbo Technologies Limited | Compressor wheel |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070307 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100301 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100514 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100713 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100805 |