JP2012047085A - タービンインペラ - Google Patents

Abstract

【課題】応力が集中する部分の応力の増大を避けながら、かつ、ウェークの発生による損失の発生を避けるタービンインペラを提供する。
【解決手段】回転軸１１に直角な半径方向から流入する流体を回転軸１１の方向に放出するタービンに搭載されるタービンインペラ１０であって、回転軸１１回りに複数設置されるタービン翼１２を備え、タービン翼１２の羽根の厚さがハブ面１５からチップ面１６に向けて薄くなっており、タービン翼１２の後縁１４形状は断面が半楕円形状になっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸に垂直または垂直に近い方向に流入する流体を軸方向に流出させるタービンインペラに関する。

ラジアルタービンのインペラ（羽根車）は、マイクロガスタービン、エキスパンダタービン、過給機等に用いられる。かかるインペラは、例えば特許文献１に開示されている。

図１は、従来の過給機において、可変ノズルを有する場合の模式的断面図であり、図２は、従来のインペラの説明図であり、子午面投影図（半断面）である。

図１において、１は可変ノズル、２はインペラであり、可変ノズル１でインペラ２に流入する流体流量を可変制御するようになっている。

図２において、３はインペラを構成するタービン翼であり、タービン翼３の上流端を「前縁」、下流端を「後縁」、翼３の内方端を「ハブ」、外方端と「チップ」と呼ぶ。

従来のインペラ２の場合、後縁形状が円弧形状であるものが一般的である。
これに対して、例えば特許文献２では、後縁の先端部を薄くする方法が提案されている。
特許文献２においては、後縁の先端部をかかる形状にすることによって、後縁形状を円弧形状にした場合と比較して、ウェークの発生を抑制させて、損失の低減を図っている。

特開平０９−１００７０１号公報、「ラジアルタービンの動翼」 特第２５９９２５０号、「ラジアルタービン動翼」

ここで、インペラ２において、後縁の先端形状を薄くすることによって、ウェークの発生を低減させることは可能になるが、薄くされた先端部に応力が集中することによって、損傷する可能性が増すといった問題点が発生した。

そこで本発明は、上述した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、応力が集中する部分の応力の増大を避けながら、かつ、ウェークの発生による損失の発生を避けるタービンインペラを提供することにある。

本発明によれば、回転軸に直角な半径方向から流入する流体を回転軸の方向に放出するタービンに搭載されるタービンインペラであって、
前記回転軸回りに複数設置されるタービン翼を備え、
該タービン翼の羽根の厚さがハブ面からチップ面に向けて薄くなっており、
該タービン翼の後縁形状は断面が半楕円形状になっている、ことを特徴とするタービンインペラが提供される。

また、本発明によると、前記半楕円形状は、流れ方向の長軸の長さが厚さ方向の短軸の長さに対して２倍から４倍である。

この構成によって、後縁の先端部形状を円弧に比べて厚さが薄くすることにより、ウェークの発生を抑制されることによって発生する損失が低減され、また、半楕円の短軸位置を所定の条件を満たす場所に特定することによって応力集中を抑えることができる。

従来のインペラを備えた過給機の模式的断面図である。 従来のインペラの説明図である。 本発明によるインペラの説明図である。 本発明においてインペラの根元に応力が集中してしまう場合の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。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。

図３は、本発明によるインペラの説明図である。
図３（Ａ）は、子午面投影図であり、図３（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図、図３（Ｃ）は、Ｃ−Ｃ矢視図、図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）における後縁先端形状についての拡大図である。
本発明のインペラ１０は、流体が回転軸１１に対して流入し軸方向に流出するタービンインペラであり、回転軸１１周りに配置される複数のタービン翼１２を備える。
このタービン翼１２は、この図において、１３はタービン翼の前縁、１４はタービン翼の後縁、１５はタービン翼のハブ、１６はタービン翼のチップ、１７は短軸、１７ａは短軸の集合体、１８は長軸である。

後縁１４は、先端部の形状が図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示すように、短軸と長軸を有する半楕円形状になっている。
この半楕円形状は、長軸１８と短軸１７の長さの比が２：１〜４：１であることが望ましい。
この場合において、長軸１８が短軸１７の長さの２倍以下である場合は、後縁形状の先端を円弧形状などにした場合の問題点であったウェークの発生による損失を解消する効果が小さい。
また、長軸が短軸の長さの４倍以上である場合は、タービン翼１２において、長軸１８が前縁１３に近い部分から始まることになり、後縁１４の先端部を半楕円形状にすることによって、タービン翼１２の厚さが薄くなりすぎる部分が多くなり、翼の付け根部に遠心力による引っ張り応力が集中するからである。

上記問題点に対し、本実施例によって、後縁下流においてウェークの発生による損失を防止し、また、先端部を薄くすることによって生じる、応力集中による損傷の発生を抑制することができる。

また、後縁の先端部を極端に薄い形状にした場合には、鋳造が難しくなるため、製造性が悪化するという問題もあったが、この構造によって、かかる問題点も解消することが可能となる。

図３（Ａ）において、短軸の集合体１７ａは、後縁１４に向けて半楕円形状が始まる点を集合させたものである。
よって、定められた長軸１８と短軸１７の比を満たすように後縁１４の位置及び短軸の集合体１７ａの位置は設定される。

ここで、長軸１８の長さと短軸１７の長さの比に従って、短軸１７の位置及び後縁１４の位置を定めていった場合に、図４（Ａ）のように短軸の集合体１７ａが、ハブ１５側において、後縁１４とは反対方向に曲がる曲線形状となることが考えられる。
かかる場合、ハブ１５側の方が後縁１４に対して奥側の位置から半楕円形状が始まるため、図４（Ｂ）のようにＢ−Ｂ断面をとった場合に、図３（Ｂ）のようにチップ１６側からハブ１５側に向けて、タービン翼１２の厚みが厚くなっていく形状ではなく、チップ側１６とハブ側１５の中間部分よりもハブ１５側の方の厚みが薄くなってしまう場合がある。
この結果、タービン翼１２において、厚みが薄い根元部分であるハブ１５側に応力が集中し、破損する可能性が高くなると考えられる。

そのため、タービン翼１２を子午面から見た場合に、短軸の集合体１７ａの形状は、ハブ１５側において後縁１４方向に曲がる曲線形状となるように設定する必要がある。
よって、短軸の集合体１７ａの形状についてこの要件を満たし、かつ、定められた長軸１８と短軸１７の長さの比を満たすように短軸の集合体１７ａの位置と後縁１４の位置の調整を行う必要がある。

この結果、タービン翼１２の断面形状は、図３（Ｂ）で示すように、いずれの位置の断面形状についても、チップ１６側からハブ１５側に向けて広くなるように設定されることとなる。

なお、この例において、子午面投影図（図３（Ａ））における後縁１４の形状は曲線形状になっているが、直線になっていてもよい。
また、この例において、後縁１４の先端の半楕円形状は、楕円を短軸１７に沿って切断した半楕円形状であるが、短軸以外において切断した形状であってもよい。

また、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。例えば、本発明をノズル付のラジアルタービンのインペラを対象として説明したが、ノズルの有無を問わない。
さらに、斜流タービンにおいても同様に適用できる。

１０ インペラ、１１ 回転軸、１２ タービン翼、１３ 前縁、
１４ 後縁、１５ ハブ、１６ チップ、１７ 短軸、
１７ａ 短軸の集合体、１８ 長軸

Claims (2)

1. 回転軸に直角な半径方向から流入する流体を回転軸の方向に放出するタービンに搭載されるタービンインペラであって、
   前記回転軸回りに複数設置されるタービン翼を備え、
   該タービン翼の羽根の厚さがハブ面からチップ面に向けて薄くなっており、
   該タービン翼の後縁形状は断面が半楕円形状になっている、ことを特徴とするタービンインペラ。
2. 前記半楕円形状は、流れ方向の長軸の長さが厚さ方向の短軸の長さに対して２倍から４倍である、ことを特徴とするタービンインペラ。