JP4946901B2 - Impeller structure - Google Patents
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Description
本発明は、インペラの構造に関するものである。 The present invention relates to the structure of an impeller.
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。
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。 However, when the fillet is formed as in the centrifugal impeller described above, the thickness between the blade side surface and the guide surface increases. As a result, there is a problem that the flow path of the fluid flowing between the blades of the centrifugal impeller is narrowed and the discharge performance of the centrifugal impeller is lowered.
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。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an impeller structure that can sufficiently secure a flow path while reducing stress concentration.
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。 An impeller structure according to the present invention is an impeller structure that includes a rotating body that is rotatable about an axis, and has blades arranged in a rotation direction of the rotating body, wherein the curvature of a front end base fillet of the blade is determined by a side surface of the blade. It is characterized by being larger than the curvature of the base fillet.
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。 According to the impeller structure of the present invention, the curvature of the front end base fillet of the blade is made larger than the curvature of the side base fillet of the blade, thereby reducing stress concentration. In addition, in this impeller structure, the curvature of the side base fillet of the wing is not increased in accordance with the curvature of the front end base fillet of the wing, so that a sufficient flow path between the wing side faces can be secured while reducing stress concentration. It becomes possible.
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。 Moreover, it is preferable that the curvature of the front end base fillet is increased as the distance from the rotary shaft body increases. Thereby, the stress can be appropriately dispersed in the front end base fillet, and the stress concentration can be effectively reduced.
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。 The front end base fillet preferably has an elliptical shape. By forming the fillet into a smooth elliptical shape, the stress concentration can be further reduced.
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。 The front end base fillet preferably has a tapered shape. As a result, stress is appropriately dispersed in the front end base fillet of the wing, so that concentration of stress can be effectively reduced.
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。 According to the impeller structure of the present invention, it is possible to secure a sufficient flow path while reducing the concentration of stress.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of an impeller structure according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. 1 is a perspective view showing an impeller according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a front view showing a front end base portion and a side base portion of the blade in FIG. 1, and FIG. 3 is a front end of the blade in FIG. FIG. 4 is a schematic view showing the base from the side, and FIG. 4 is a schematic view showing the side base of the wing in FIG. 1 from the front.
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。
As shown in FIG. 1, an
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。
In the
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。
FIG. 5 is a graph showing the result of verifying the effect of the front end base fillet having an elliptical shape by FEM analysis, and is a graph showing the relationship between the front end base fillet length Y and the stress S. Here, FEM analysis is performed for the case where the front end base fillet length X is set to a constant value of 5 mm and the front end base fillet length Y is changed. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the front end base fillet length Y. The vertical axis indicates the stress S generated at the connecting portion P (see FIG. 2) between the side surface (blade surface) 3b of the
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。
As shown in FIG. 5, in the
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。
Thus, in the
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。
In addition, in the conventional impeller, the stress concentration in the front end base fillet and the side base fillet is increased with the same shape to reduce the stress concentration on the blade base, but the inertia is increased by increasing the thickness of the side base fillet. There was a problem that the moment increased and the acceleration performance decreased. In the
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。
In the
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。
Next, an impeller according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a side view showing the front end base portion of the impeller according to the second embodiment of the present invention. The difference between the
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。
The front
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。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment. For example, the front end base fillet may be circular with a constant curvature, or may be combined with an elliptical shape or a tapered shape. Moreover, you may employ | adopt an elliptical shape and a taper shape in a side surface base fillet.
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。 In addition, the magnitude of the curvature at the front end base fillet and the side base fillet may be compared by an average curvature that is an average value of the curvature of the entire fillet, or by a minimum curvature that is the minimum curvature of the curvature of the entire fillet. May be.
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。 In the above embodiment, the turbocharger having the impeller structure of the present invention is described. However, for example, the impeller structure of the present invention may be applied to a gas turbine engine, and the impeller of the present invention may be applied to other fluid machines. A structure may be applied.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。 An impeller structure including a rotating body rotatable around an axis and having blades arranged in a rotating direction of the rotating body,
An impeller structure characterized in that a curvature of a front end base fillet of the wing is larger than a curvature of a side base fillet of the wing.
The impeller structure according to claim 1, wherein the front end base fillet has a tapered shape.
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