JP2006226199A - 遠心羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストの上昇や性能の低下等を招くことなく翼付け根の応力集中を緩和した高強度の遠心羽根車を提供する。
【解決手段】 ディスク部２２の案内面２１と翼２３の側面２５との間には、フィレット２６が設けられている。フィレット２６は、中央部付近の曲率が比較的大きく、ディスク部２２の案内面２１との境目（図３，図４中のＣ部）や翼２３の側面２５との境目（図３，図４中のＤ部）に近づくに連れて曲率が殆ど０となる非円弧断面形状を呈している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、遠心羽根車に係り、強度や信頼性の向上を図る技術に関する。

ガスタービンエンジンやターボチャージャ等には、主要な構成要素として遠心式コンプレッサや遠心式タービン等の遠心式流体機械が用いられている。遠心式流体機械は、遠心羽根車やケーシング、シャフト等から構成されており、遠心羽根車により流体を駆動することで流体に圧力を与えたり、流体により遠心羽根車が駆動されることで流体から運動エネルギを取り出したりする。遠心羽根車は、流体の流れ方向を半径方向と軸方向との間で案内する案内面を有するディスク部と、ディスク部の案内面に放射状に立設された複数の翼（羽根）とを有している。遠心羽根車としては、繊維強化樹脂等を素材とする射出成型品のインペラ（特許文献１参照）や、アルミニウム合金やチタン合金等を素材とする鋳造成型品（あるいは、鍛造成型品）のインペラ（例えば、特許文献２参照）が一般に採用されている。

ガスタービンエンジンやターボチャージャ用の遠心式流体機械では、遠心羽根車（インペラやロータ）が高速（例えば、数万ｒｐｍ）で回転するため、ディスク部や翼の各部に大きな遠心応力が作用する。そのため、特許文献１のインペラでは、最大応力発生部位の繊維含有率等を他の部位と異ならせることにより、疲労強度やクリープ特性を改善して端面のへたりや翼付け根のクラックを防止している。また、特許文献２のインペラでは、ディスク部の肉厚を半径方向外向きに延出するに連れて漸減させるとともに、ディスク部の最外周に補強リング部を形成することにより、軽量化とインペラ出口部の高剛性化とを図っている。
特開平７−４９０９９号公報（段落００３８、図１） 特開２００１−３０４１８１号公報（段落００１０，００１１、図２）

特許文献１のインペラには、その製造が非常に困難で製造コストも高くなるだけでなく、金属を素材とする遠心羽根車に適用できない等の問題があった。また、特許文献２のインペラには、ディスク部の高剛性化は実現できるものの、遠心応力による翼付け根のクラックを防止できない等の問題があった。図５に示すように、遠心羽根車１１には、翼２３の付け根への応力の集中を防ぐべく、円弧断面形状のフィレット３１が一般に設けられているが、性能面を考慮するとフィレット３１の半径Ｒを徒に大きくできず、フィレット３１とディスク部２２の案内面２１との境目（図５中のＶ部）やフィレット３１と翼２３の側面２５との境目（図５中のＷ部）で曲率が急変し、該部に過大な応力集中（図５中に当応力線を示す）が起こる問題があった。

本発明はこのような状況に鑑みなされたもので、コストの上昇や性能の低下等を招くことなく翼付け根の応力集中を緩和した高強度の遠心羽根車を提供することを目的とする。

請求項１の発明に係る遠心羽根車は、ディスク部の案内面に複数の翼を放射状に立設してなる遠心羽根車であって、前記ディスク部の案内面と前記翼の側面とがフィレットを介して連続し、当該フィレットの曲率が前記ディスク部の案内面および前記翼の側面との境目に近づくに連れて小さくなることを特徴とする。

本発明によれば、遠心羽根車に大きな遠心応力が作用しても、フィレットとディスク部の案内面との境目やフィレットと翼の側面との境目で曲率が急変しないため、該部への応力の集中が起こらなくなると同時に、応力がフィレット全体に分散されて最大応力値も低下して強度や信頼性が向上する。

以下、図面を参照して、本発明を適用した遠心羽根車の一実施形態を詳細に説明する。
図１は実施形態に係るガスタービン発電機の概略構造図であり、図２は実施形態に係るタービンロータの半裁縦断面図であり、図３は図２中の拡大Ａ矢視図であり、図４は図３中のＢ部拡大図である。

≪実施形態の構成≫
＜ガスタービン発電機の概略構成＞
ガスタービン発電機１は、駆動力を発生するエンジン部２と、エンジン部２から回転力を与えられる発電部３とからなっている。エンジン部２は、反発電部側の端面が概ね閉じたアウタハウジング４と、アウタハウジング４内に同軸的に受容されて燃焼室５を画成するインナハウジング６とを有している。これらアウタハウジング４とインナハウジング６との間には、吸気通路７、燃焼ガス通路８、および熱交換器９などが設けられている。

エンジン部２には、外気を吸入・圧縮するコンプレッサインペラ１０と、燃焼ガス流で回転駆動されるタービンロータ１１とが、互いに同軸的に設けられている。なお、コンプレッサインペラ１０並びにタービンロータ１１の各出口には、ディフューザやステータベーン等が設けられているが、これらの図示は省略している。

発電部３は、略円筒形をなすハウジング１２と、ハウジング１２内にコンプレッサインペラ１０並びにタービンロータ１１と同軸的に受容されたステータコイル１３とを有している。ステータコイル１３の空芯部には、コンプレッサインペラ１０並びにタービンロータ１１と同軸且つ一体をなすロータシャフト１４が挿通されている。このロータシャフト１４は、ステータコイル１３の空芯部に対応する位置に設けられた永久磁石片装着部１５と、永久磁石片装着部１５の軸方向両側に設けられた２つのジャーナル部１６・１７との３つの部分に大別され、コンプレッサインペラ１０側のジャーナル部１７には、スラストプレート１８が一体的に設けられている。

２つのジャーナル部１６・１７とスラストプレート１８とは、ハウジング１２に一体的に設けられた空気浮揚式のラジアル軸受１９とスラスト軸受２０とにより回転自在に支持されている。

＜タービンロータの構成＞
本実施形態のタービンロータ１１は、チタン合金等を素材とする鋳造成型品であり、図２に示すように、外周側から流入した燃焼ガスを軸方向（図１，図２中の左方）に案内する案内面２１を有するディスク部２２と、ディスク部２２の案内面２１に放射状に立設された複数の翼２３とを備えている。ディスク部２２には、その軸心にロータシャフト１４が内嵌する軸孔２４が形成されている。

図３に示すように、ディスク部２２の案内面２１と翼２３の側面２５との間には、フィレット２６が設けられている。図４に示すように、フィレット２６は、中央部付近の曲率が比較的大きく、ディスク部２２の案内面２１との境目（図３，図４中のＣ部）や翼２３の側面２５との境目（図３，図４中のＤ部）に近づくに連れて曲率が殆ど０となる非円弧断面形状を呈している。

≪実施形態の作用≫
ガスタービン発電機１が起動されると、燃焼室５から流入した高温高圧の燃焼ガスに駆動され、タービンロータ１１が回転を始める。ガスタービン発電機１が定格運転を開始すると、タービンロータ１１は高速度（例えば、数万ｒｐｍ）で回転するようになり、その各部に大きな遠心応力が作用する。しかしながら、本実施形態では、フィレット２６とディスク部２２の案内面２１との境目やフィレット２６と翼２３の側面２５との境目における曲率がごく小さいため、該部（図３，図４中のＣ部およびＤ部）に曲率の急変による応力集中が起こらなくなり、応力がフィレット２６の全体に分散されて最大応力値も低下すし（図４中に等応力線を示す）、タービンロータ１１の強度や信頼性を高めることができた。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態はガスタービン発電機のタービンロータに本発明を適用したものであるが、コンプレッサインペラに本発明を適用してもよいし、ターボチャージャのタービンロータやコンプレッサインペラ等に本発明を適用してもよい。また、遠心羽根車は、アルミニウム合金や樹脂を素材として採用できるし、鍛造や射出成形、切削等を成形方法として採用できる。
その他、遠心羽根車の具体的形状等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態に係るガスタービン発電機の概略構造図である。 実施形態に係るタービンロータの半裁縦断面図である。 図２中の拡大Ａ矢視図である。 図４は図３中のＢ部拡大図である。 従来のタービンロータの要部を拡大して示す図である。

符号の説明

１ ガスタービン発電機
１１ タービンロータ（遠心羽根車）
２１ 案内面
２２ ディスク部
２３ 翼
２５ 側面
２６ フィレット

Claims (1)

1. ディスク部の案内面に複数の翼を放射状に立設してなる遠心羽根車であって、前記ディスク部の案内面と前記翼の側面とがフィレットを介して連続し、当該フィレットの曲率が前記ディスク部の案内面および前記翼の側面との境目に近づくに連れて小さくなることを特徴とする遠心羽根車。

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