JP2006249943A

JP2006249943A - 遠心羽根車

Info

Publication number: JP2006249943A
Application number: JP2005063916A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sawamura; 浩澤村; Hidehiko Nakada; 秀彦中田; Tatsu Kikuchi; 達菊池; Kenji Mitsui; 賢治三井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】ボア周囲の強度向上やディスク部の共振の抑制を実現した遠心羽根車を提供する。
【解決手段】コンプレッサインペラ１０は、軸方向から流入した燃焼ガスを半径方向に案内する案内面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の背面にはボス部２４が突設されており、ボス部２４の軸心にはロータシャフト１４が内嵌する比較的大径のボア２５が穿設されている。ボス部２４は、基端側の大径部分２６と先端側の小径部分２７とからなる段付き形状を呈している。また、ディスク部２２の背面外周側には、多数条のリブ２８が放射状に突設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心羽根車に係り、ボア周囲の強度の向上やディスク部の共振の抑制を実現する技術に関する。

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。遠心式コンプレッサに用いられるインペラは、軸方向から流入した流体を半径方向に案内する案内面を有したディスク部と、ディスク部の案内面に放射状に立設されて流体を駆動する多数の翼（羽根）とを有している（例えば、特許文献１，２参照）。

遠心式コンプレッサの運転時には、高速回転するインペラの各部（ディスク部や翼）に遠心力が作用する。そのため、特許文献１の遠心羽根車では、ディスク部の背面において、軸心のボス部と外周側の平面部とを比較的大きな凹円弧で接続し、ボア（軸孔）の周囲への応力集中を抑制する方法が採られていた。また、特許文献２の遠心羽根車では、ディスク部の背面外周側部分に外周側に向かって肉厚を減少させる傾斜面を形成し、該部の最大応力を低下させる方法が採られていた。
特開２００２−４７９４４号公報（段落００１９〜００２１、図１）特開平１１−２７０４９１号公報（段落００２３、図１）

遠心式コンプレッサの定格回転速度が高い場合、遠心羽根車のボア周囲には極めて大きな遠心力が作用し、特許文献１の方法だけではボア応力（ボア周囲の応力）を十分に低下させることが難しかった。そのため、ボアの径を小さくしてボス部の肉厚を確保することが多いが、その場合にはボアに嵌挿されるシャフトやその支持軸受の径が当然に小さくなり、これらの強度や寿命が低下することが避けられなかった。なお、ボアの径を小さくせず、ボス部の径を大きくしてボス部の肉厚を確保することもできるが、その場合にはインペラの慣性質量が大きくなり、起動時の加速特性が悪化する等の問題が発生する。

一方、特許文献２の方法では、ディスク部の外周側部分の最大応力を減少させることはできるが、該部の固有振動数を最適な値に設定することが難しく、共振による寿命低下が起こる虞があった。そのため、従来は、インペラの共振は励振源となるディフューザの形状や枚数等を変更することにより回避されていたが、このような変更は他の部材の形状変更等も必要とする大掛かりなものとなることが多いため、インペラの固有振動数を簡単に調整する方法が望まれていた。

本発明はこのような状況に鑑みなされたもので、ボア周囲の強度向上やディスク部の共振の抑制を実現した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が放射状に立設されると共に、前記ディスク部の背面に突設されたボス部と、前記ボス部の軸心に穿設されて動力伝達用のシャフトが嵌挿される軸孔とを有する遠心羽根車であって、前記ボス部を基端側の大径部分と先端側の小径部分とからなる段付き形状とし、前記ディスク部の背面外周側に複数条のリブを放射状に突設したことを特徴とする。

本発明によれば、軸孔周囲の応力が減少して耐久性が向上する一方、リブの高さや本数を変更するだけでディスク部の外周側部分における共振を抑制することができる。

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は実施形態に係るコンプレッサインペラの斜視図であり、図３は同コンプレッサインペラの要部半裁縦断面図であり、図４は図３中のＡ矢視図である。

≪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等が設けられている。

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。

＜コンプレッサインペラ＞
本実施形態のコンプレッサインペラ１０は、チタン合金等を素材とする鋳造成型品であり、図２，図３に示すように、軸方向（図中の左方）から流入した燃焼ガスを半径方向に案内する案内面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の背面にはボス部２４が突設されており、ボス部２４の軸心にはロータシャフト１４が内嵌する比較的大径のボア（軸孔）２５が穿設されている。

図２，図３に示すように、ボス部２４は、基端側の大径部分２６と先端側の小径部分２７とからなる段付き形状を呈している。また、ディスク部２２の背面外周側には、多数条のリブ２８が放射状に突設されている。本実施形態の場合、図４に示すように、翼２３の基部（案内面２１との接続部）２３ａは背面から視て捩れており、リブ２８は翼２３の基部２３ａと交差するように傾斜している。

≪実施形態の作用≫
ガスタービン発電機１が起動されると、コンプレッサインペラ１０により吸引・圧縮された空気が燃焼室５内で燃料と伴に燃焼され、これにより生じた高温高圧の燃焼ガスに駆動されてタービンロータ１１が回転を始める。なお、本実施形態では、コンプレッサインペラ１０は、そのボス部２４が小径部分２７を有する段付き形状となっているために比較的軽量であり、ガスタービン発電機１の加速性能を阻害しない。また、コンプレッサインペラ１０のボア２５が比較的大きく設定されているため、ロータシャフト１４やその支持軸受の寿命が比較的長くすることができた。

ガスタービン発電機１が定格運転を開始すると、コンプレッサインペラ１０はタービンロータ１１と一体に高速度（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力が作用する。この際、本実施形態のコンプレッサインペラ１０では、背面側にボス部２４の大径部分２６が形成されているため、ボア２５の周囲において遠心力が分散され、耐久性を阻害するボア応力を十分に低くすることができた。

一方、コンプレッサインペラ１０は、背面外周側に放射状に突設された多数条のリブ２８を有しているため、その剛性が比較的大きくなって耐久性を損なう共振を起こし難くなった。そして、リブ２８は、翼２３の基部２３ａと交差するように傾斜しているため、コンプレッサインペラ１０のディスク部２２に脆弱部ができ難くなった。なお、ディスク部２２の剛性は、リブ２８の高さ（軸方向寸法）を変化させることにより調整できるため、運転条件等の変化にも容易に対応可能である。

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コンプレッサインペラに本発明を適用したものであるが、タービンロータ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、上記実施形態ではディスク部の背面に放射状のリブを形成するようにしたが、環状のリブを同心状に複数形成するようにしてもよい。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、ボス部やリブの具体的形状を始め、遠心羽根車の具体的構成等についても、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。実施形態に係るコンプレッサインペラの斜視図である。実施形態に係るコンプレッサインペラの要部半裁縦断面図である。図３中のＡ矢視図である。

符号の説明

１ガスタービン発電機
１０コンプレッサインペラ（遠心羽根車）
２１案内面
２２ディスク部
２３翼
２４ボス部
２５ボア（軸孔）
２６大径部分
２７小径部分
２８リブ

Claims

ディスク部の案内面に複数の翼が放射状に立設されると共に、前記ディスク部の背面に突設されたボス部と、前記ボス部の軸心に穿設されて動力伝達用のシャフトが嵌挿される軸孔とを有する遠心羽根車であって、
前記ボス部を基端側の大径部分と先端側の小径部分とからなる段付き形状とし、前記ディスク部の背面外周側に複数条のリブを放射状に突設したことを特徴とする遠心羽根車。