JP2009185733A

JP2009185733A - インペラ構造

Info

Publication number: JP2009185733A
Application number: JP2008027795A
Authority: JP
Inventors: Masanori Nishimura; 昌典西村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-07
Also published as: JP4946901B2

Abstract

【課題】本発明は、応力の集中を低減しつつ、流路を十分に確保可能なインペラ構造を提供する。
【解決手段】本発明に係るインペラ構造は、軸回りに回転可能な回転体を備え、前記回転体の回転方向に配列される翼３を有するインペラ構造であって、翼３の前端基部フィレット５ａの曲率は、翼の側面基部フィレット５ｂの曲率より大きくされている。このインペラ構造によれば、翼３の前端基部フィレット５ａの曲率が翼の側面基部フィレット５ｂの曲率より大きくされることで、応力の集中を低減する。また、このインペラ構造では、翼の側面基部フィレット５ｂの曲率を翼の前端基部フィレット５ａの曲率に合わせて大きくしないため、応力の集中を低減しつつ、翼３間の流路を十分に確保することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、インペラの構造に関するものである。

ガスタービンなどに使用されるインペラでは、高速回転時に強い遠心応力が発生する。この遠心応力は、インペラの翼の基部に集中的に作用する場合が多い。この応力集中を回避するために、様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載の遠心羽根車では、ディスク部の案内面と翼側面との間において、案内面と翼側面との境目に近づくにつれて曲率が小さくなるように形成されたフィレットが設けられている。特許文献１に記載の遠心羽根車では、このフィレットによって遠心応力の分散を図っている。
特開２００６−２２６１９９号公報

しかしながら、上述した遠心羽根車のようにフィレットを形成すると、翼側面と案内面との間における肉厚が増えることとなる。その結果、遠心羽根車の翼間を流れる流体の流路が狭まり、遠心羽根車の吐出性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題を解消するために成されたものであり、応力の集中を低減しつつ、流路を十分に確保可能なインペラ構造を提供することを目的とする。

本発明に係るインペラ構造は、軸回りに回転可能な回転体を備え、前記回転体の回転方向に配列される翼を有するインペラ構造であって、翼の前端基部フィレットの曲率は、翼の側面基部フィレットの曲率より大きくされていることを特徴とする。

本発明に係るインペラ構造によれば、翼の前端基部フィレットの曲率が翼の側面基部フィレットの曲率より大きくされることで、応力の集中を低減する。また、このインペラ構造では、翼の側面基部フィレットの曲率を翼の前端基部フィレットの曲率に合わせて大きくしないため、応力の集中を低減しつつ、翼側面間の流路を十分に確保することが可能となる。

また、前端基部フィレットの曲率は、前記回転軸体から離間するにつれて大きくされていることが好ましい。これにより、応力を前端基部フィレット内に適切に分散して、応力の集中を効果的に低減することが可能となる。

また、前端基部フィレットは、楕円形状を有していることが好ましい。フィレットが滑らかな楕円形状に形成されることで、応力の集中をより低減させることが可能となる。

また、前端基部フィレットは、テーパ形状を有することが好ましい。これにより、翼の前端基部フィレットにおいて、応力が適切に分散するため、応力の集中を効果的に低減することが可能となる。

本発明のインペラ構造によれば、応力の集中を低減しつつ、流路を十分に確保することが可能となる。

以下、本発明に係るインペラ構造の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図中、同一又は相当部分には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。図１は、本発明の第１実施形態に係るインペラを示す斜視図、図２は、図１中の翼の前端基部及び側面基部を示す正面図、図３は、図１中の翼の前端基部を側方から示す概略図、図４は、図１中の翼の側面基部を前方から示す概略図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るインペラ１は、例えば車両に搭載されるターボチャージャの圧縮機に用いられるものであり、回転軸方向Ｌから流入した内部流体（例えば空気）を半径方向に案内する案内面４ａを有するディスク本体（回転体）４を備えている。このディスク本体４の案内面４ａには、周方向（回転方向）に配列された複数の翼３が形成され、ディスク本体４の中心には、回転軸に装着されるボス部２が形成されている。

インペラ１では、図２〜図４に示すように、翼３とディスク本体４の案内面４ａとの接続部（基部）に、その表面が滑らかとなるように丸み付けされた曲面を形成するフィレット５が設けられ、翼３の前端３ａのフィレット（以下、「前端基部フィレット」という）５ａの曲率は、翼３の側面３ｂのフィレット（以下、「側面基部フィレット」という）５ｂの曲率より大きくされている。そして、前端基部フィレット５ａは、ボス部２の半径方向に長軸Ｙａを有する楕円Ａの弧に沿った凹形状（以下、「楕円形状」という）を成している。

図５は、楕円形状を有する前端基部フィレットによる効果をＦＥＭ解析で検証した結果を示すグラフであり、前端基部フィレット長さＹと応力Ｓとの関係を示すグラフである。ここでは、前端基部フィレット長さＸを一定の値５ｍｍとし、前端基部フィレット長さＹを変化させた場合について、ＦＥＭ解析を行い、図５では、横軸に前端基部フィレット長さＹを示し、縦軸に翼３の側面(翼面)３ｂとフィレット５との接続部Ｐ（図２参照）に発生する応力Ｓを前端基部フィレット長さＹが５ｍｍの応力を１００％として示している。なお、「前端基部フィレット長さＹ」とは、図３に示すように、ボス部２の半径方向における前端基部フィレット５ａの長さＹであり、楕円Ａの長軸Ｙａを二等分した長さに相当するものである。また、「前端基部フィレット長さＸ」とは、回転軸方向Ｌにおける前端基部フィレット５ａの長さＸであり、楕円Ａの短軸Ｘａを二等分した長さに相当するものである。

図５に示すように、インペラ１では、前端基部フィレット長さＹが長くなるほど、フィレット５の接続部Ｐに集中する応力Ｓは低減している。具体的には、前端基部フィレット長さＹが５ｍｍの場合と１７ｍｍの場合とを比較すると、フィレット５の接続部Ｐにかかる応力Ｓが２２％低減している。

このように、本実施形態に係るインペラ１では、前端基部フィレット５ａの曲率が側面基部フィレット５ｂの曲率より大きくされたフィレット５を有し、側面基部フィレット５ｂの曲率を増加させないことで翼３間の流路を十分に確保することができ、側面基部フィレット５ｂより曲率が大きくされた前端基部フィレット５ａによって、翼３の基部に作用する応力集中を緩和することができる。

また、従来のインペラでは、前端基部フィレット及び側面基部フィレットにおいて、同一の形状で曲率を増加させることで、翼基部の応力集中の緩和を図っているが、側面基部フィレットの厚みの増加によって、慣性モーメントが大きくなり、加速性能が低下するという問題があった。本実施形態に係るインペラ１では、側面基部フィレット５ｂの曲率を増加することなく、前端基部フィレット５ａの曲率を増加させているので、翼３間の流路を確保すると共に、応力集中を緩和させることができる。また、側面基部フィレット５ｂの厚みの増加を抑えることで、インペラの重量増加を防止して、十分な加速性能を確保することができる。

また、インペラ１では、前端基部フィレット５ａが楕円形状を有しているため、前端基部フィレット長さＹを長くして前端基部フィレット５ａの厚みを増やすことで、より好適にフィレット５に集中する応力を低減することができる。その結果、前端基部フィレット５ａを起点とするクラックの発生を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係るインペラについて、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係るインペラの前端基部を示す側面図である。図６に示す第２実施形態のインペラ１１が、第１実施形態のインペラ１と違う点は、フィレット１５の形状が異なる点であり、具体的には、楕円形状を有する前端基部フィレット５ａに代えて、テーパ形状を有する前端基部フィレット１５ａを備える点である。

前端基部フィレット１５ａは、ボス部２から離間するにつれて後方に傾斜するテーパ形状を有している。また、テーパ形状の両端（半径方向の両端）は、ディスク本体４の案内面４ａ及び翼３の前端３ａと滑らかに接合するように形成されている。第２の実施形態のインペラ１１では、前端基部フィレット１５ａの厚みが側面基部フィレット１５ｂの厚みより大きくされているので、翼３間の流路を確保して、翼３の基部にかかる集中応力を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前端基部フィレットは、曲率が一定の円形状であってもよく、楕円形状やテーパ形状と組み合わせたものであってもよい。また、側面基部フィレットにおいて、楕円形状やテーパ形状を採用してもよい。

また、前端基部フィレット及び側面基部フィレットにおける曲率の大きさは、フィレット全体の曲率の平均値である平均曲率によって比較してもよく、フィレット全体の曲率のうち最小の曲率である最小曲率によって比較してもよい。

また、上記実施形態では、本発明のインペラ構造を有するターボチャージャについて説明しているが、例えば、ガスタービンエンジンに本発明のインペラ構造を適用してもよく、その他の流体機械に本発明のインペラ構造を適用してもよい。

本発明の第１実施形態に係るインペラを示す斜視図である。図１中の翼の前端基部及び側面基部を示す正面図である図１中の翼の前端基部を側方から示す概略図である。図１中の翼の側面基部を前方から示す概略図である。楕円形状を有する前端基部フィレットによる効果をＦＥＭ解析で検証した結果を示すグラフであり、前端基部フィレット長さＹと応力Ｓとの関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るインペラの前端基部を示す側面図である。

符号の説明

１、１１…インペラ、２…ボス部、３…翼、３ａ…翼前端、３ｂ…翼面、４…ディスク本体（回転体）、４ａ…案内面、５、１５…フィレット、５ａ、１５ａ…前端基部フィレット、５ｂ、１５ｂ…側面基部フィレット、Ａ…楕円、Ｐ…接続部。

Claims

軸回りに回転可能な回転体を備え、前記回転体の回転方向に配列される翼を有するインペラ構造であって、
前記翼の前端基部フィレットの曲率は、前記翼の側面基部フィレットの曲率より大きくされていることを特徴とするインペラ構造。
前記前端基部フィレットの曲率は、前記回転軸体から離間するにつれて大きくされていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ構造。
前記前端基部フィレットは、楕円形状を有していることを特徴とする請求項２に記載のインペラ構造。
前記前端基部フィレットは、テーパ形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のインペラ構造。