JP5175363B2 - 閉鎖型インペラのためのカバーディスク - Google Patents

Description

本発明は遠心式流体機関または斜流式流体機関、例えば、特にターボコンプレッサの遠心式圧縮機または遠心式膨張機の閉鎖型インペラのためのカバーディスクと、このようなカバーディスクを有するインペラと、このようなインペラを有する流体機関と、に関する。

流路が動翼と、動翼を支えるインペラディスクと、動翼と連結されたカバーディスクとによって画定されている閉鎖型インペラは、例えば特許文献１から知られている。当該文献は図８から１３において、異なるメリディアン断面を有するカバーディスクを示している。特にこれらの図から分かる通り、このようなカバーディスクのメリディアン断面の断面中心線にわたって、壁厚は通常、吸い込み口から吐き出し口に向かって連続的に減少する。

特許文献２および特許文献３から、請求項１のおいて書き部に記載のカバーディスクを有する閉鎖型インペラが知られている。当該閉鎖型インペラにおいて、流路から見て外方を向いているカバーディスクの外部表面は、半径方向の段部を有し、当該段部に壁厚の変わらない円錐形状部分が接続し、それによって吸い込み口と吐き出し口の間の半径方向段部において、カバーディスクの壁厚の極大が生じる。しかしながら特許文献２および特許文献３はこの点に関して詳細に述べていない。

既知のカバーディスクにおいては不利なことに、不都合な構造箇所において高い応力が生じる。

独国特許出願公開第１９８３３０３３号明細書 独国特許第３７０９５１８号明細書 独国特許出願公開第４１１３８３１号明細書

従って本発明の課題は、改良されたカバーディスクを提供することである。

上記の課題を解決するために、請求項１のおいて書き部に記載のカバーディスクは当該請求項１の特徴部分に記載の特徴によって改良される。請求項８はこのようなカバーディスクを有する閉鎖型インペラに対して保護を求め、請求項９はこのようなインペラを有する流体機関に対して保護を求めている。従属請求項は好適なさらなる構成に関する。

本発明は、以下のような認識に基づく。すなわちカバーディスクの外部表面の局所的な隆起によって得られる、インペラの幾何学的形状は、カバーディスクの外部表面の相応の曲率と結びついて、運転中に遠心力が生じるとき、重要な構造領域における応力を減少させることができるというものである。

この点に関して本発明は以下の提案を行う。すなわち、カバーディスクの壁厚の極大領域において、当該カバーディスクの外部表面に凸状の湾曲であって、インペラの外径に対する比が０．０５と０．５との範囲にある半径を有する湾曲を設けるというものである。このようなカバーディスクを有する模範的なインペラにおいて、最大応力は２０％低減され、その上、最大応力は好適にカバーディスクのクリティカルな端部領域に生じることがなくなり、インペラディスクと動翼との間の中間連結部分において生じる。

本発明に係るカバーディスクは軸流式流体機関または斜流式流体機関、例えば、特にターボコンプレッサの遠心式圧縮機または遠心式膨張機の閉鎖型インペラのために設けられており、そのために翼列と一体的に形成、たとえば一次成形されているか、あるいは切削加工によって製造されていてよい。同様に本発明に係るカバーディスクは翼列と連結されていてもよく、たとえばリベット留め、はんだ付けおよび／または溶接が行われ得る。半径方向に分割された動翼を記載する特許文献３から知られているように、二つの構成方法を組み合わせることも有利であり得る。特許文献３ではインペラの一方の部分はカバーディスクと一体的に形成されており、インペラのもう一方の部分はカバーディスクと分離不能に連結されている。

カバーディスクは二次元翼列または三次元翼列およびインペラディスクとともに、搬送すべきであるか、圧縮すべきであるか、または膨張させるべき流体のための流路を画定する。メリディアン面においてカバーディスクは断面中心線または骨格線を有しており、当該断面中心線または骨格線は、カバーディスクの、流路から見て外方に向いた外部表面と、流路に対向する内部表面との間の中心に設けられる。

このような断面中心線に沿ってカバーディスクは、第一の端面と第二の端面の間に極大を有する。第一の端面は例えば流入側または吸い込み側であり、第二の端面は相応に流出側または圧力側であってよい。言い換えれば本発明に係るカバーディスクは、入口と出口との間で当該カバーディスクの外部表面上に隆起を有している。

このような極大の領域において、外部表面は凸状であるとともに外に向かってアーチ状になった湾曲であって、インペラの外径に対する比が０．０５と０．５との間の範囲にある半径を有する湾曲を有している。インペラの外径とは特に、インペラの最大直径または公称直径をいう。

隆起によって質量分布はより好適になり、それによって運転中に生じる最大応力が低減される。これによってより大きなインペラ速度と、より長い寿命および／またはより剛性が小さく、従ってより好適な材料の使用が可能となる。さらに本発明に係る半径比を有する凸状の湾曲によって、構造的に不都合な箇所、例えばカバーディスクの外周面の、翼列との連結領域であって、溶接継ぎ目として実現されていることが多い連結領域などにおいて、最大応力が生じることを回避し得るか、このような応力を低減し得る。

外径に対する半径の比は好適に０．１と０．４との間の範囲にあり、特に好適に０．１５と０．３との間の範囲にある。その場合、特に応力の少ないインペラが得られる。

本発明の好適な実施の形態において、カバーディスクの外部表面の凸状の湾曲は、第一および／または第二の端面に向かって凹状の湾曲に移行する。それによってメリディアン断面の外縁は、極大の前および／または後に変曲点を有し、当該変曲点において湾曲は符号を変える。このように反対向きに湾曲した領域が一つまたは複数設けられている外部表面は特に応力が少なく、良好に製造され得る。

凹状の湾曲は第一の端面に向かって、極大の領域における凸状の湾曲の半径よりも小さな半径を有し得る。これによって本発明に係るカバーディスクは軸方向に短く構成される。その理由は、比較的小さな半径を有する凹状に湾曲した領域における、凸状のゆるやかに湾曲した領域は、軸方向に対して比較的大きく傾斜させることができるからである。

好適な実施の形態において、カバーディスクの壁厚は第二の端面に向かって連続的に減少する。特許文献２および特許文献３から知られているような、壁厚の変わらない円錐形状の外側部分を有するカバーディスクと異なり、本発明では外部にある質量およびそれとともに質量慣性モーメントと、重量と、製造コストとを減少させることができる。このとき前記のような連続的な減少、特に曲率半径を概ね等しく保持しながら減少させることによって、好適な応力配分に対する配慮がなされる。特に好適に、カバーディスクは当該カバーディスクの外周縁に向かって凹状に湾曲した領域に延伸し、当該凹状に湾曲した領域は、極大の領域における凸状に湾曲した部分に接続する。これには当然ながら以下の実施の形態も含まれる。すなわち外部表面の外周縁自体が中断されているか、あるいは別の方法で小さな凸面の半径を有して形成されているというものである。

さらなる有利点および特徴は従属請求項と、実施の形態に記載されている。図に部分的に概略化して示すのは以下の通りである。

本発明の実施の形態によるカバーディスクの半分のメリディアン断面を表す図である。 従来技術によるカバーディスクの半分のメリディアン断面を表す図である。

図２は従来技術による、例えば特許文献１の図１２から知られているような遠心式インペラ（図示せず）のカバーディスク１’のメリディアン断面を、半断面図において示している。

このようなカバーディスク１’において、壁厚は、メリディアン断面の断面中心線に沿って、カバーディスクの第一の端面２’（図２の左側）であって、遠心式流体機関（図示せず）の吸い込み口を画定している第一の端面と、当該第一の端面に対して軸方向に対向しているカバーディスクの第二の端面３’（図２の右側）であって、カバーディスク１’によって画定される流路からの吐き出し口を形成している第二の端面との間で、吸い込み口２’から吐き出し口３’に向かって連続的に減少する。

図１は、本発明の実施の形態による、遠心式インペラ（図示せず）のカバーディスク１のメリディアン断面を、図２に対応するように示している。当該カバーディスクは第一の端面２（図１の左側）であって、当該第一の端面を介して遠心式流体機関（図示せず）が流体を軸方向に吸引する第一の端面と、当該第一の端面に対して軸方向に対向しているカバーディスクの第二の端面３（図１の右側）であって、当該第二の端面から、カバーディスク１と、（図示されない）インペラと、当該インペラを支持するインペラディスクとによって画定される流路から、流体が半径方向に排出される第二の端面と、を有している。

流路に対向する内部表面１．１は、曲率半径Ｒ１．１，Ｒ１．２もしくはＲ１．３を有する３つの凸状に湾曲した領域を有しており、図１において半径はそれぞれ、湾曲中心から表面に向かう矢印によって暗示されている。

内部表面１．１に対向するカバーディスク１の外部表面１．２は、第一の端面２を起点として、まずインペラの長手軸（図１において一点鎖線で示されている）に対して平行であるとともに湾曲していない領域を有する。当該領域は、比較的小さい曲率半径Ｒ２．１を有する凹状の領域に移行し、当該凹状の領域の垂直二等分線上で、カバーディスク１の壁厚は細くなって極小に至る。

このような凹状の領域に、曲率半径Ｒ２．１よりも大きい半径Ｒ２．２を有する凸状の湾曲を有するとともに、流路から見て外方にアーチ状になっている部分が接続している。図１において異なる矢印の方向によって暗示されているように、凹状の湾曲から凸状の湾曲への変化ゆえに、曲率中心は外部表面１．２の互いに向かい合う側にある。

凸状の湾曲はまた、第二の端面３に向かって再び曲率半径Ｒ２．３を有する凹状の領域に移行する。当該領域においてカバーディスク１の壁厚は第二の端面に向かって連続的に減少する。

凹状−凸状−凹状と変化するカバーディスク１の外部表面１．２の湾曲と、それに対して外部表面に対向する内部表面１．１の、一貫して凹状の湾曲のために、壁厚は、カバーディスク１のメリディアン断面の断面中心線に沿って、第一の端面２と第二の端面３との間で極大を有する。当該極大の領域において外部表面１．２は、半径Ｒ２．２を有する凸状の湾曲を有し、インペラの外径Ｄ２に対する当該半径の比は、以下の式に示すとおりである。

これによってカバーディスクに作用する遠心力に基づく最大応力は、動翼とインペラディスクとの移行部（図示せず）に生じ、カバーディスク１の第二の端面３の領域には生じなくなる。さらに所定の回転速度負荷において最大応力の絶対値は２０％減少する。

１，１' カバーディスク
１．１，１．１' 内部表面
１．２，１．２' 外部表面
２，２' 第一の端面（吸い込み側）
３，３' 第二の端面（吐き出し側）
Ｄ２ インペラの外径
Ｒ１．１−Ｒ１．３ 内部表面の曲率半径
Ｒ２．１−Ｒ２．３ 外部表面の曲率半径

Claims (9)

1. 遠心式流体機関または斜流式流体機関の閉鎖型インペラのための、流路を画定するためのカバーディスク（１）であって、当該カバーディスクの壁厚は当該カバーディスクのメリディアン断面の断面中心線に沿って、前記カバーディスクの第一の端面と第二の端面（２，３）との間に壁厚が極大となる位置を有するカバーディスクにおいて、
   前記カバーディスクの、前記流路から見て外方に向いた外部表面（１．２）は、前記極大の領域内に、半径（Ｒ２．２）を有する凸状の湾曲を有しており、前記インペラの外径（Ｄ２）に対する前記半径の比（Ｒ２．２／Ｄ２）が０．０５と０．５との間の範囲にある（０．０５≦Ｒ２．２／Ｄ２≦０．５）ことを特徴とするカバーディスク。
2. 前記外径（Ｄ２）に対する前記半径（Ｒ２．２）の比（Ｒ２．２／Ｄ２）が０．１と０．４との間の範囲にある（０．１≦Ｒ２．２／Ｄ２≦０．４）ことを特徴とする請求項１に記載のカバーディスク。
3. 前記外径（Ｄ２）に対する前記半径（Ｒ２．２）の比（Ｒ２．２／Ｄ２）が０．１５と０．３との間の範囲にある（０．１５≦Ｒ２．２／Ｄ２≦０．３）ことを特徴とする請求項２に記載のカバーディスク。
4. 前記カバーディスクの前記外部表面の前記凸状の湾曲は、前記第一の端面および／または前記第二の端面に向かって凹状の湾曲に移行していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のカバーディスク。
5. 前記凹状の湾曲は前記第一の端面に向かって、前記極大の領域内の前記凸状の湾曲の前記半径（Ｒ２．２）よりも小さい半径（Ｒ２．１）を有していることを特徴とする請求項４に記載のカバーディスク。
6. 前記カバーディスクの前記壁厚は、前記壁厚が極大となる位置から前記第二の端面に向かって連続的に減少していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のカバーディスク。
7. 前記第一の端面は吸い込み側であり、前記第二の端面は吐き出し側であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のカバーディスク。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のカバーディスクを有して成る、遠心式流体機関または斜流式流体機関のための閉鎖型インペラであって、前記カバーディスクが翼列と一体的に形成されている、および／または前記翼列と連結されていることを特徴とする閉鎖型インペラ。
9. 請求項８に記載の閉鎖型インペラを有して成る、遠心式流体機関または斜流式流体機関。

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