JP5439112B2 - タービン動翼 - Google Patents
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Description
例えば、図8に示すような翼01の後縁03の高さを減少させるために、翼01の外周のシュラウドライン05を下げる方法、または図9に示すような翼01の厚さを、翼01'に薄肉化する方法、または翼01の前縁07までの全高を抑えて小径のタービンとする方法等が知られている。
また、特許文献2(実開昭63−83430号公報)には、図11に示すように、タービン動翼020のブレード022が設けられているハブ024の端面025に、軸方向環状凹部026が形成されている。この凹部026は、周方向に4箇所、軸方向に沿って設けられ、断面形状が略三角形に形成されている。
このため、ハブ部材の動翼背面の根元部分において、応力集中が生じやすく強度や耐久性の面で問題があった。
前記ハブ部は回転軸方向の一端側である背面に向かって徐々に大径となる形状を有し、該背面に回転軸中心を中心として環状の凹形状部が形成され、該凹形状部の前記回転軸方向の断面形状が、楕円形や卵形の長軸対称の曲線形状を該長軸で分割した曲線形状によって形成され、かつ前記長軸の位置が前記背面に一致するように形成されることを特徴とする。
その結果、動翼背面の根元部分における応力集中を回避でき強度や耐久性を向上できる。また、環状の凹形状部による肉抜きによって、タービン動翼の慣性モーメントも低減できる。
また、ハブ部と翼部とは一体に鋳造等によって製造されるとともに、高速で回転するため、バランスとりための肉抜き等のスペースが必要となるが、そのスペースとしてハブ部の背面の凹形状部の外周側に平面部を残すことができる。
すなわち、円弧形状または楕円形状等の長軸対称曲線形状だけによって形成されるため、直線部が介在すると直線部とこれら曲線形状との交差部における形状変化による応力集中の発生の可能性を極力回避でき、背面の根元部分における応力集中の発生を効果的に抑えることができる。
かかる3〜10%は、応力および慣性モーメントの数値解析結果に基づいて、3%より小さくなると凹形状としての肉抜きによる慣性モーメントの低減効果が得られず、また、10%を超えると深さが深くなり、翼部を保持するハブ部外周側の部分の肉厚に影響して、タービン動翼全体の強度に悪影響を及ぼすため、この範囲に設定するとよい。
また、第2発明によれば、前記第1発明と同様に応力集中係数を低減して、応力集中を低減することができる。
しかも、本第2発明においては、円弧の中心または長軸対称の曲線形状を形成する該長軸を背面よりハブ部の外側に位置させるので、前記第1発明における長軸対称の曲線形状の曲率半径よりも大きい半径に設定できるようになり、第1発明に比べて、応力集中係数をより小さくすることが可能となり、ハブ部背面の根元部分における応力集中を一層低減できる。
車両用、舶用等のターボチャージャのタービン動翼を例に説明する。図1はこのタービン動翼1の軸方向断面図を示し、タービン動翼(以下動翼という)1は、軸状に形成されるとともに、外周側面3、先端面5、後端面(背面)7を有したハブ部9と、該ハブ部9の外周側面3に複数形成された翼部11とが、射出成形、鋳造、焼結等によって一体に成形されている。
そして、翼部11の前縁13が径方向に向かって外周側に設けられ、翼部11の後縁15が軸方向に向かって内周側に形成され、流動ガスが径方向外側から前縁13に導入されて、軸方向に向かって後縁15から排出されることで、ハブ部9に回転力が発生するようになっている。
交点Aの位置を、翼部11の直径Dの略半分の位置に位置させたので、翼部11を保持するハブ部9の外周側の部分に十分な肉厚Nを確保でき、凹形状部21の形成によってタービン動翼1全体の強度低下がないようにできる。
また、ハブ部9と翼部11とは一体に鋳造等によって製造されるとともに、動翼1自体は高速で回転するため、回転時のバランスを取る必要があるため、その肉抜き等のスペースが必要となるが、そのスペースとして背面7の凹形状部21の外周側に平面Hが確保される。
その結果、翼部11の形状を変更することなく動翼1の慣性モーメントを低減させつつ、背面7の根元部分における応力集中の発生を抑えて、強度および耐久性を向上させることが可能になる。
図4の横軸における、比較例1は、図5(a)のように凹形状部が形成されていないタービン動翼30の場合であり、比較例2は、図5(b)のように凹形状部の断面形状が水滴形状32で従来技術として説明した図10、11の形状に近いものであり、凹形状の深さが深く先端部の曲率半径が小さく尖った形状のタービン動翼34の場合である。実施例1〜4は、本実施形態の図1に示す楕円の長円弧形状による場合であり、実施例1は翼部11の直径Dと楕円の短径aとの比(D/a)が10%の場合、実施例2はD/aが6%の場合、実施例3はD/aが5%の場合、実施例4はD/aが4%の場合をそれぞれ示す。
また、縦軸は、比較例2の応力ピーク値を100%とした場合の比率と、比較例1の慣性モーメントを100%とした場合の比率とをそれぞれ示す。
本発明では、この比較例1と比較例2との両者の中間的な特性を得ることができ、慣性モーメントを低減させつつ、背面7の根元部分における応力集中の発生を抑えることが可能になる。
なぜならば、3%より小さくなると凹形状としての肉抜きによる慣性モーメントの低減効果が得られず、また、10%を超えると深さが深くなり過ぎて、翼部を保持するハブ部外周側の部分の肉厚に影響して、タービン動翼全体の強度に悪影響を及ぼすため、この範囲に設定するとよい。
次に、図2を参照して第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態で説明した構成部材と同一のものには同一符号を付して説明を省略する。
ハブ部40の背面42に、回転軸19の中心線Lを中心として形成された環状の凹形状部44の回転軸方向の断面形状が、図2に示すように、楕円形G'からなっていて、短径a'と長径b'からなる楕円の長円弧Eで形成されている。この楕円の長円弧Eは、長径b'を背面42とは一致せず。背面42の面位置から距離sだけハブ部40の外側方向に移動した位置に位置させ、楕円の長円弧形状の一部によって形成されている。つまり、凹形状部44を形成する曲線形状は直線部がなく単一の楕円の長円弧によって形成されている。
距離sの移動方向については、ハブ部40の内部方向へ移動し、長軸の長径b'がハブ部40内に位置される場合には、凹形状部44の断面形状の上下辺に直接部が存在し、長円弧Eとのつながり部に曲率の変化が生じ、応力集中が発生するおそれがあるため、距離sは背面42の位置からハブ部40の外側(図2の左側)に移動させる必要がある。
なお、長円弧Eと背面42との外周側の交点Aの位置と内周側の交点Bの位置は、第1実施形態と同一である。
次に、図3を参照して第3実施形態について説明する。なお、第1実施形態、第2実施形態で説明した構成部材と同一のものには同一符号を付して説明を省略する。
第3実施形態は、第2実施形態の楕円に対して円形の円弧によって、凹形状部50の形状を形成するものである。
9 ハブ部
5 先端面
7、42、54 背面
11 翼部
17 溶接棚部
19 回転軸
21、44、50 凹形状部
22 溶接部
A 凹形状部と背面との交点
B 背面と回転軸との交点
C、E 楕円の長円弧
D 翼部の直径
F 円弧
G、G' 楕円形
L 中心線
N 肉厚
H 平面
S 距離
P 円弧の中心
Claims (4)
- 回転軸が連結される軸状のハブ部と該ハブ部の周囲に複数形成される翼部とを一体に形成したタービン動翼において、
前記ハブ部は回転軸方向の一端側である背面に向かって徐々に大径となる形状を有し、該背面に回転軸中心を中心として環状の凹形状部が形成され、該凹形状部の前記回転軸方向の断面形状が、楕円形や卵形の長軸対称の曲線形状を該長軸で分割した曲線形状によって形成され、かつ前記長軸の位置が前記背面に一致するように形成されるとともに、
前記背面と前記円弧または前記長軸対称の曲線形状との交点のうち外周側の位置を前記翼部直径の略半分に位置させ、内周側の位置を前記背面と前記回転軸との交点近傍に位置させ、前記長軸対称の曲線形状が楕円からなり、該楕円の短径は前記動翼の直径の3〜10%であることを特徴とするタービン動翼。 - 前記凹形状部の断面形状には直線部が存在しないことを特徴とする請求項1記載のタービン動翼。
- 回転軸が連結される軸状のハブ部と該ハブ部の周囲に複数形成される翼部とを一体に形成したタービン動翼において、
前記ハブ部は回転軸方向の一端側である背面に向かって徐々に大径となる形状を有し、該背面に回転軸中心を中心として環状の凹形状部が形成され、該凹形状部の前記回転軸方向の断面形状が、楕円形や卵形の長軸対称の曲線形状を該長軸で分割した曲線形状によって形成され、かつ前記長軸の位置が前記背面に一致するように形成されるとともに、
前記長軸対称の曲線形状が楕円からなり、該楕円の短径は前記動翼の直径の3〜10%であることを特徴とするタービン動翼。 - 前記凹形状部の断面形状には直線部が存在しないことを特徴とする請求項3記載のタービン動翼。
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