JP2011169266A - 回転流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードが隅肉溶接によってディスクに固定される回転流体機械において、ブレードに生じる振動を十分に吸収することにより、振動に起因したブレードの損傷を防止する手段を提供する。
【解決手段】本発明に係るインペラ１は、軸２と一体に回転するディスク３の表面４に、軸方向へ向かう流体を径方向外方へ案内する複数枚のブレード５を、周方向へ所定の相互間隔をおいて溶接によりそれぞれ固定したものであって、ディスク３の表面４とブレード５の基端部１０との間に、弾性部材からなる制振材７を圧縮状態で設けたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸と一体に回転するディスクに流体を案内するブレードが周方向に所定の相互間隔をおいて複数枚設けられた回転流体機械に関し、特に、振動に起因してブレードに損傷が生じるのを防止可能な回転流体機械に関する。

周知のように、遠心力によって流体を圧縮する遠心圧縮機やこれを用いたターボチャージャーは、回転流体機械としてのインペラを備えている。このインペラは、回転駆動される軸に取り付けられたディスクの表面に、羽根状のブレードが周方向に所定の相互間隔で複数枚設けられたものである。このように構成されるインペラは、軸方向に流れる流体が回転するディスクの表面側から流入すると、遠心力によってこの流体をブレードに沿って案内しながら圧縮し、径方向に向けて排出するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

ここで、図１２は、従来例に係るインペラ８０について、ブレード８１とディスク８２との接合部分を拡大した概略縦断面図である。ブレード８１は、その基端部８３がディスク８２の表面８４に固定されるが、その固定方法としては、図に示すように基端部８３の左右両側面をそれぞれ隅肉溶接によってディスク８２の表面８４に固定するのが一般的である。

特開２００９−２４３３９４号公報

しかし、従来の回転流体機械に係るインペラ８０では、振動に起因した損傷がブレード８１に生じやすいという問題があった。すなわち、風力プラントの大型化及び高圧化が進む近年、その構成部材であるインペラ８０に対しては、従来は問題とならなかった励振力が大きく作用し、図１２に示すブレード８１に大きな振動が生じるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ブレードが隅肉溶接によってディスクに固定されるインペラにおいて、ブレードに生じる振動を十分に吸収することにより、振動に起因したブレードの損傷を防止する回転流体機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る回転流体機械は、軸と一体に回転するディスクの表面に、軸方向へ向かう流体を径方向外方へ案内する複数枚のブレードを、周方向へ所定の相互間隔をおいて溶接によりそれぞれ固定した回転流体機械であって、前記ディスクの表面と前記ブレードの基端部との間に、弾性部材からなる制振材を圧縮状態で設けたことを特徴とする。このような構成によれば、回転流体機械に対して強い励振力が作用し、ブレードの基端部に振動が生じた場合でも、発生した振動は制振材によって減衰される。

また、本発明に係る回転流体機械は、前記ディスクの表面に、前記制振材を収容するための凹部を設けたことを特徴とする。このような構成によれば、制振材の取り付け時には、制振材を凹部に収容することにより、ディスクの表面に制振材を容易に位置決めすることができる。

また、本発明に係る回転流体機械は、前記凹部が、前記ブレードの基端部と嵌合する形状であることを特徴とする。このような構成によれば、ブレードの基端部をディスクの表面に固定する際には、ブレードの基端部を凹部に嵌合させることにより、ブレードをディスクに対して容易に位置決めすることができる。

また、本発明に係る回転流体機械は、前記ブレードの基端部に、前記制振材を収容するための凹部を設けたことを特徴とする。このような構成によれば、制振材の取り付け時には、制振材を凹部に収容することにより、ブレードの基端部に制振材を容易に位置決めすることができる。

また、本発明に係る回転流体機械は、前記ディスクの表面に、前記凹部と嵌合する形状の凸部を設けたことを特徴とする。このような構成によれば、ブレードの基端部をディスクの表面に固定する際には、凸部を凹部に嵌合させることにより、ブレードをディスクに対して容易に位置決めすることができる。

また、本発明に係る回転流体機械は、前記制振材を、前記ディスクの表面と前記ブレードの基端部との間における一部に設けたことを特徴とする。このような構成によれば、ブレードに特に強い振動が発生する箇所にだけ制振材を設ければ、十分な減衰効果を得ながら制振材の量を最小限に抑え、コストダウンを図ることができる。

また、本発明に係る回転流体機械は、軸と一体に回転するディスクの表面に、軸方向へ向かう流体を径方向外方へ案内する複数枚のブレードを周方向へ所定の相互間隔をおいて設け、該各ブレードの先端部を前記ディスクから所定距離だけ離間してその上方を覆うカバーの裏面に溶接によりそれぞれ固定した回転流体機械であって、前記ディスクと前記各ブレードとが一体形成され、前記ブレードの先端部と前記カバーの裏面との間に、弾性部材からなる制振材を圧縮状態で設けたことを特徴とする。このような構成によれば、回転流体機械に対して強い励振力が作用し、ブレードの先端部に振動が生じた場合でも、発生した振動は制振材によって減衰される。従って、ブレードには振動の影響による損傷が生じにくい。

また、本発明に係る回転流体機械は、前記制振材が、運転時における前記ブレードの温度に耐え得る部材からなることを特徴とする。このような構成によれば、回転流体機械の運転時にブレードが高温になっても、制振材には変質や変形等が生じることがなく、十分な減衰効果を得ることができる。

本発明に係る回転流体機械によれば、ブレードの基端部に生じた振動が制振材によって減衰されるので、ブレードには振動の影響による損傷が生じにくい。

本発明の第１実施形態に係るインペラ１の構成を示す概略平面図。 図１におけるＡ−Ａ´断面を示す概略縦断面図。 図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図。 図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第２実施形態に係るインペラ２０の構成を示す図であって、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第３実施形態に係るインペラ３０の構成を示す図であって、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第４実施形態に係るインペラ４０の構成を示す図であって、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第５実施形態に係るインペラ５０の構成を示す図であって、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第６実施形態に係るインペラ６０の構成を示す図であって、図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第６実施形態に係るインペラ６０の変形例を示す図であって、図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図。 本発明の第７実施形態に係るインペラ７０の構成を示す図であって、図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図。 従来例に係るインペラ８０について、ブレード８１とディスク８２との接合部分を拡大した概略縦断面図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明に係る回転流体機械としてのインペラの構成について説明する。図１〜図３は、第１実施形態に係るインペラ１の構成を示す図であり、図１は概略平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ´断面を示す概略縦断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図である。インペラ１は、各図に示すように、回転駆動される軸２に固定されたディスク３と、このディスク３の表面４から突出して設けられた複数枚のブレード５と、ディスク３から所定距離だけ離間してその上方を覆うカバー６と、ディスク３とブレード５との間に介在された制振材７と、を備えるものである。尚、本明細書では回転流体機械としてインペラ１を例に説明するが、回転流体機械とは、インペラ１を備えた遠心圧縮機やターボチャージャーであってもよいし、或いはラジアルタービン等の輻流翼を有する他の機器であってもよい。

ディスク３は、図１及び図２に示すように、平面視で略円形の外形を有する円盤状の部材であって、その中心部には軸方向一方に突出してハブ部８が形成されるとともに、このハブ部８を貫通して軸挿通孔９が形成されている。このように構成されるディスク３は、その軸挿通孔９に挿通された軸２が不図示のモータ等によって駆動されると、この軸２と一体的回転するようになっている。

ブレード５は、薄板状の部材であって、図１に示すように平面視で湾曲した形状を有するとともに、図２に示すように側面視でもディスク３の表面４に沿うように湾曲した形状を有している。このように構成されるブレード５が、図１に示すようにディスク３の表面４に周方向へ所定の相互間隔をおいて複数枚配置され、各ブレード５の基端部１０がディスク３の表面４にそれぞれ固定されている。

カバー６は、平板状の部材であって、図１に示すように平面視でディスク３と略同径の円形の形状を有するとともに、図２に示すように縦断面でブレード５の側面視形状に合致するように軸方向一方に突出した形状を有している。そして、このカバー６の中心部には、ハブ挿通孔１１が形成されている。このように構成されるカバー６は、各ブレード５と一体形成される。そして、各ブレード５をディスク３に固定した状態において、カバー６がディスク３の上方を覆うとともに、そのハブ挿通孔１１にディスク３のハブ部８が挿通される。尚、カバー６を各ブレード５とは別部材とし、その裏面に各ブレード５の先端部を固定してもよい。但し、カバー６と各ブレード５との固定強度が不足することによって各ブレード５に振動が生じないよう、十分な強度でカバー６に各ブレード５を固定する必要がある。

制振材７は、ブレード５に生じた振動を減衰するためのものであって、弾性部材例えばゴム系やプラスチック系の材質からなるものである。ここで、図４は、制振材７の取り付け構造を説明するための図であって、図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図である。尚、図４については説明の便宜上、ディスク３とブレード５とを分解した状態で示している。図３及び図４に示すように、制振材７は、図１のＢ−Ｂ´断面で略Ｏ形の形状を有する紐状の部材である。このように構成される制振材７は、平面視で図１に示すブレード５の形状に合致するよう湾曲した状態で、図４に示すようにディスク３の表面４に配置され、その上から制振材７を押し潰すようにしてブレード５が配置される。そして、図３に示すように、ブレード５はその基端部１０における左右両側が隅肉溶接され、溶着部１２を介してディスク３の表面４に固定される。これにより、制振材７は、ブレード５の基端部１０とディスク３の表面４との間に圧縮された状態で挟まれている。そして、ブレード５の振動によって制振材７に変位が生じると、制振材７は減衰効果を発揮する。ここで、制振材７の縮み代を管理する上では、例えばＪＩＳ Ｂ２４０６に基づいて各部の寸法を決定すればよい。

尚、制振材７は、インペラ１の運転温度に耐え得る程度の耐熱性、すなわちインペラ１の回転時にブレード５の基端部１０が高温になっても変質または変形等が生じない特性を有していることが好適である。また、制振材７としてはいわゆるガスケットやパッキンを広く用いることができ、その材質や形状は本実施形態に限られず適宜設計変更が可能である。更に、制振材７としてはガスケットやパッキンに代えてスプリング等を用いてもよい。

以上のように構成されるインペラ１では、図１及び図２に示すように、相隣接する２枚のブレード５とディスク３とカバー６とによって包囲される空間である流路１３が、周方向へ所定の相互間隔をおいて複数形成されている。この流路１３は、図１に示すように平面視で湾曲した形状を有するとともに、図２に示すように側面視でも湾曲した形状を有している。そして、この流路１３は、流体流通方向に沿って上流端に設けられた流入口１４が軸方向に向けて開口する一方、下流端に設けられた排出口１５が径方向に向けて開口している。

次に、第１実施形態に係るインペラ１の作用効果について説明する。不図示のモータによって軸２が駆動されると、インペラ１も軸２と一体的に回転を開始する。そして、回転するインペラ１に対し、図２に示すように軸方向に流れる流体（不図示）が流入口１４から流路１３に流れ込むと、この流体は流路１３に沿って流れる間にその進行方向が徐々に変化し、排出口１５から径方向に向けて流体が排出される。そして、流体は流路１３を流れる間に遠心力によって圧縮される。

ここで、前述のように風力プラントの大型化及び高圧化が進む近年、その構成部材であるインペラ１に対しては、従来は問題とならなかった励振力が大きく作用し、ブレード５に大きな振動が生じる場合がある。しかし、このブレード５に生じた振動は、ブレード５とディスク３との間にこれらと接触して圧縮された制振材７に伝達されることによって減衰される。これにより、ブレード５には振動の影響による損傷が生じにくい。

次に、第２実施形態に係るインペラの構成について説明する。図５は、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図である。本実施形態のインペラ２０は、第１実施形態のインペラ１と比較すると、制振材２１の取り付け構造のみが異なっている。尚、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。本実施形態では、インペラ２０を構成するディスク２２の表面２３に凹部２４が設けられ、この凹部２４の内部に制振材２１が収容されている。ここで、凹部２４は、その平面視形状が制振材２１の平面視形状と同程度の大きさに形成される一方、その深さ寸法が制振材２１の厚みより若干小さく形成されている。従って、凹部２４は、その内部に制振材２１を収容可能であって、且つ、制振材２１を収容した時に制振材２１の上部が外部へ突出した状態となる。これにより、ブレード２５の基端部２６をディスク２２の表面２３に隅肉溶接により固定すると、ブレード２５の基端部２６とディスク２２の表面２３との間で制振材２１が圧縮された状態となる。このように、ディスク２２の表面２３に平面視で制振材２１と略同程度の大きさの凹部２４を形成したことにより、制振材２１の取り付け時に、ディスク２２の表面２３に制振材２１を容易に位置決めできるという利点がある。

次に、第３実施形態に係るインペラの構成について説明する。図６は、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図である。本実施形態のインペラ３０も、第１実施形態のインペラ１と比較すると、制振材３１の取り付け構造のみが異なっている。尚、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。本実施形態も、第２実施形態と同様に、インペラ３０を構成するディスク３２の表面３３に凹部３４が設けられ、この凹部３４の内部に制振材３１が収容されている。但し、本実施形態の凹部３４は、インペラ３０を構成するブレード３５の基端部３６と嵌合する形状に形成されている。そして、この凹部３４に対してブレード３５の基端部３６が嵌合され、ブレード３５の基端部３６は制振材３１を圧縮する位置まで凹部３４に差し込まれた状態で左右両側面が隅肉溶接によりディスク３２の表面３３に固定されている。このように、ディスク３２の表面３３にブレード３５の基端部３６と嵌合する形状の凹部３４を形成したことにより、ブレード３５の基端部３６をディスク３２の表面３３に固定する際に、ブレード３５をディスク３２に対して容易に位置決めできるという利点がある。

次に、第４実施形態に係るインペラの構成について説明する。図７は、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図である。本実施形態のインペラ４０も、第１実施形態のインペラ１と比較すると、制振材４１の取り付け構造のみが異なっている。尚、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。本実施形態では、インペラ４０を構成するブレード４２の基端部４３に凹部４４が設けられ、この凹部４４の内部に制振材４１が収容されている。ここで、凹部４４は、第２実施形態と同様に、その平面視形状が制振材４１の平面視形状と同程度の大きさに形成される一方、その深さ寸法が制振材４１の厚みより若干小さく形成されている。従って、凹部４４は、その内部に制振材４１を収容可能であって、且つ、制振材４１を収容した時に制振材４１の下部が外部へ突出した状態となる。これにより、ブレード４２の基端部４３をディスク４５の表面４６に隅肉溶接により固定すると、ブレード４２の基端部４３とディスク４５の表面４６との間で制振材４１が圧縮された状態となる。このように、ブレード４２の基端部４３に平面視で制振材４１と略同程度の大きさの凹部４４を形成したことにより、制振材４１の取り付け時に、ブレード４２の基端部４３に制振材４１を容易に位置決めできるという利点がある。

次に、第５実施形態に係るインペラの構成について説明する。図８は、図１におけるＢ−Ｂ´断面を示す概略縦断面図である。本実施形態のインペラ５０も、第１実施形態のインペラ１と比較すると、制振材５１の取り付け構造のみが異なっている。尚、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。本実施形態も、第４実施形態と同様に、インペラ５０を構成するブレード５２の基端部５３に凹部５４が設けられ、この凹部５４の内部に制振材５１が収容されている。但し、本実施形態では第４実施形態と異なり、インペラ５０を構成するディスク５５の表面５６に凸部５７が突出して設けられ、凹部５４はこの凸部５７と嵌合する形状に形成されている。そして、ブレード５２の基端部５３をディスク５５の表面５６に固定する際には、凹部５４を凸部５７に嵌合させるようにしてブレード５２をディスク５５の表面５６に配置し、制振材５１を圧縮する位置まで凸部５７を凹部５４に差し込んだ状態で、ブレード５２の基端部５３の左右両側面を隅肉溶接してディスク５５の表面５６に固定する。このように、ディスク５５の表面５６に凸部５７を形成する一方、ブレード５２の基端部５３に凸部５７と嵌合する形状の凹部５４を形成したことにより、ブレード５２の基端部５３をディスク５５の表面５６に固定する際に、ブレード５２をディスク５５に対して容易に位置決めできるという利点がある。

次に、第６実施形態に係るインペラの構成について説明する。図９は、図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図である。尚、図９については説明の便宜上、ディスク６２とブレード６４とを分解した状態で示している。本実施形態のインペラ６０は、第１実施形態のインペラ１と比較すると、制振材６１の取り付け位置が異なっている。尚、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。本実施形態では、制振材６１が図４に示す制振材７と比較して短く、ディスク６２の表面６３とブレード６４の基端部６５との間における一部にのみ制振材６１を設けている。このような構成によれば、十分な減衰効果を得ながら制振材６１の量を最小限に抑え、コストダウンを図ることができるという利点がある。より詳細に説明すると、ブレード６４は、その材質や形状に応じて各部における振動の強度分布が固有に定まる。従って、ブレード６４に特に強い振動が発生する箇所にだけ制振材６１を設ければ、十分な減衰効果を得られる。本実施形態では、図９に示す流体流通方向に沿って最下流部においてブレード６４に強い振動が発生するため、この最下流部にのみ制振材６１を設けている。一方、流体流通方向に沿って最上流部においてブレード６４に強い振動が発生する場合には、図１０に示すように、この最上流部にのみ制振材６１を設ければよい。もちろん、制振材６１を設ける位置は、ブレード６４に生じる振動の強度分布に応じて任意に変更することができる。

尚、図に詳細は示さないが、第２実施形態や第４実施形態のように制振材を収容するための凹部をブレード６４の基端部６５やディスク６２の表面６３に設けてもよいし、第３実施形態や第５実施形態のように凹部に対してブレード６４の基端部６５やディスク６２表面６３に設けた凸部を嵌合させてもよい。

次に、第７実施形態に係るインペラの構成について説明する。図１１は、図１におけるＣ−Ｃ´断面を示す概略縦断面図である。尚、図１１については説明の便宜上、カバーとブレードとを分解した状態で示している。本実施形態のインペラ７０は、第１実施形態のインペラ１と比較すると、制振材７１の取り付け位置が異なっている。より詳細に説明すると、第１実施形態ではブレード５とカバー６とが一体形成され、ブレード５の基端部１０をディスク３の表面４に隅肉溶接により固定した構成であるため、ブレード５の基端部１０で振動が生じやすかった。これに対し、本実施形態では、図１１に示すように、ブレード７２とディスク７３とが一体形成され、ブレード７２の先端部７４をカバー７５の裏面７６に隅肉溶接により固定するため、ブレード７２の先端部７４で固定強度が不足して振動が生じやすい。従って、本実施形態では、ブレード７２の先端部７４とカバー７５の裏面７６との間に、制振材７１を圧縮状態で設けている。これにより、ブレード７２に生じた振動が制振材７１によって減衰されるので、ブレード７２には振動の影響による損傷が生じにくい。

尚、図に詳細は示さないが、本実施形態のようにブレード７２の先端部７４とカバー７５の裏面７６との間に制振材７１が設けられる構成においても、第２実施形態や第４実施形態のように制振材７１を収容するための凹部をブレード７２の先端部７４やカバー７５の裏面７６に設けてもよいし、第３実施形態や第５実施形態のように凹部に対してブレード７２の先端部７４やカバー７５の裏面７６に設けた凸部を嵌合させてもよい。また、第６実施形態のように、ブレード７２の先端部７４とカバー７５の裏面７６との間における一部にのみ制振材７１を設けてもよい。

１…インペラ（回転流体機械）
２…軸
３…ディスク
４…表面（ディスク）
５…ブレード
７…制振材
１０…基端部（ブレード）

Claims (8)

1. 軸と一体に回転するディスクの表面に、軸方向へ向かう流体を径方向外方へ案内する複数枚のブレードを、周方向へ所定の相互間隔をおいて溶接によりそれぞれ固定した回転流体機械であって、
   前記ディスクの表面と前記ブレードの基端部との間に、弾性部材からなる制振材を圧縮状態で設けたことを特徴とする回転流体機械。
2. 前記ディスクの表面に、前記制振材を収容するための凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の回転流体機械。
3. 前記凹部が、前記ブレードの基端部と嵌合する形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転流体機械。
4. 前記ブレードの基端部に、前記制振材を収容するための凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の回転流体機械。
5. 前記ディスクの表面に、前記凹部と嵌合する形状の凸部を設けたことを特徴とする請求項４に記載の回転流体機械。
6. 前記制振材を、前記ディスクの表面と前記ブレードの基端部との間における一部に設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転流体機械。
7. 軸と一体に回転するディスクの表面に、軸方向へ向かう流体を径方向外方へ案内する複数枚のブレードを周方向へ所定の相互間隔をおいて設け、該各ブレードの先端部を前記ディスクから所定距離だけ離間してその上方を覆うカバーの裏面に溶接によりそれぞれ固定した回転流体機械であって、
   前記ディスクと前記各ブレードとが一体形成され、前記ブレードの先端部と前記カバーの裏面との間に、弾性部材からなる制振材を圧縮状態で設けたことを特徴とする回転流体機械。
8. 前記制振材が、運転時の温度における耐熱性を有する材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転流体機械。

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