JP5577738B2 - Radial turbine impeller - Google Patents
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Description
本発明は、ラジアルタービンのインペラに関するものである。 The present invention relates to a radial turbine impeller.
ラジアルタービンでは、外部より供給される流体によってインペラが回転駆動されるが、インペラの回転数に応じて振動周波数が変化する。そして、この振動周波数がインペラ翼の固有振動数と合致する場合には、インペラ翼が共振することとなる。
特に、インペラの上流側にノズルベーンを備えるラジアルタービンにおいては、ノズルベーンの下流に発生するウェークが原因となってインペラ翼の固有振動数に近い周波数の振動が生じ、インペラ翼の共振が生じることとなる。
In the radial turbine, the impeller is rotationally driven by a fluid supplied from the outside, and the vibration frequency changes according to the rotational speed of the impeller. When the vibration frequency matches the natural frequency of the impeller blade, the impeller blade resonates.
In particular, in a radial turbine having a nozzle vane on the upstream side of the impeller, vibrations having a frequency close to the natural frequency of the impeller blade are generated due to the wake generated downstream of the nozzle vane, and the impeller blade is resonated. .
そして、従来、このようなインペラ翼の共振による損傷を抑制するために、インペラ翼の固有振動数(特に2次固有振動数)を低くし、インペラの低回転時(すなわちインペラ翼の低速時)にインペラ翼を振動させる対策を施している。 Conventionally, in order to suppress such damage due to resonance of the impeller blade, the natural frequency (especially the secondary natural frequency) of the impeller blade is lowered and the impeller is rotated at a low speed (that is, at a low speed of the impeller blade). Measures are taken to vibrate the impeller blades.
インペラが低回転でインペラ翼が低速の場合にインペラ翼を共振させることにより、破壊リスクが低減されるものの、インペラ翼が共振することに変わりはない。このため、従来においては、インペラ翼が共振した際であっても破損しないように十分な剛性を持たせている。 Although the risk of destruction is reduced by resonating the impeller blades when the impeller is low in rotation and the impeller blades are low speed, the impeller blades still resonate. For this reason, conventionally, sufficient rigidity is provided so that the impeller blades are not damaged even when they resonate.
しかしながら、一般的には、部材の剛性を高めることは、その部材の固有振動数が高められることとなる。このため、従来のインペラ翼では、剛性を高めつつ固有振動数の低減を図るために、インペラ翼の厚みを場所によって精密に変化させて管理する等の複雑な加工が求められることとなる。 However, generally, increasing the rigidity of a member increases the natural frequency of the member. For this reason, the conventional impeller blades require complicated processing such as controlling the thickness of the impeller blades precisely by changing the location in order to increase the rigidity and reduce the natural frequency.
一方、インペラ翼の固有振動数を上昇させ、インペラ翼の固有振動数がラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くすることができれば、ラジアルタービンの作動領域においてインペラ翼が共振することを防止することが可能となる。この結果、上述の複雑な加工を行う必要がなくなり、また必要とされる剛性レベルも低減させることができる。
このため、インペラ翼の固有振動数を上昇させる技術の提供が求められている。特に、インペラ翼においては2次固有振動数において共振した際の振幅が大きく破損に繋がり易いため、インペラ翼の2次固有振動数を上昇させる技術の提供が求められている。
On the other hand, if the natural frequency of the impeller blades can be raised and the natural frequency of the impeller blades can be made higher than the vibration frequency in the operating region of the radial turbine, the impeller blades are prevented from resonating in the operating region of the radial turbine. It becomes possible. As a result, it is not necessary to perform the complicated processing described above, and the required rigidity level can be reduced.
For this reason, provision of the technique which raises the natural frequency of an impeller blade is calculated | required. In particular, since the impeller blade has a large amplitude when resonating at the secondary natural frequency and easily leads to breakage, provision of a technique for increasing the secondary natural frequency of the impeller blade is required.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ラジアルタービンのインペラにおいて、インペラ翼の2次固有振動数を上昇させる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique for increasing the secondary natural frequency of an impeller blade in an impeller of a radial turbine.
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。 The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.
第1の発明は、ラジアルタービンのインペラであって、インペラ翼の子午面における前縁において、ハブよりもチップ側に設けられ、インペラ回転軸から当該ハブまでの半径方向距離よりも短い半径方向距離に位置する短半径距離領域を備えるという構成を採用する。 A first invention is an impeller of a radial turbine, and is provided at a tip side of a meridian surface of an impeller blade at a tip side with respect to a hub, and has a radial distance shorter than a radial distance from an impeller rotating shaft to the hub. A configuration is adopted in which a short radius distance region located at is provided.
第2の発明は、上記第1の発明において、上記ハブより上記チップ側の全領域が上記短半径距離領域とされ、上記前縁が、インペラ回転軸に対して一定角度で傾斜しているという構成を採用する。 According to a second invention, in the first invention, the entire area closer to the tip than the hub is the short radius distance area, and the leading edge is inclined at a constant angle with respect to the impeller rotation axis. Adopt the configuration.
第3の発明は、上記第2の発明において、上記前縁の上記インペラ回転軸に対する傾斜角度が、上記インペラ翼の2次固有振動数が上記ラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くなるように設定されているという構成を採用する。 According to a third aspect, in the second aspect, the inclination angle of the leading edge with respect to the impeller rotation shaft is such that the secondary natural frequency of the impeller blade is higher than the vibration frequency in the operating region of the radial turbine. The configuration that is set to is adopted.
第4の発明は、上記第2または第3の発明において、上記前縁の上記インペラ回転軸に対する傾斜角度が、0°より大きく9°以下であるという構成を採用する。 According to a fourth invention, in the second or third invention, a configuration is adopted in which an inclination angle of the leading edge with respect to the impeller rotating shaft is larger than 0 ° and not larger than 9 °.
本発明によれば、インペラ翼の子午面における前縁に短半径距離領域が設けられることによって、前縁の一部領域がインペラ回転軸に近づき、共振によって最も振動しやすい前縁の剛性が高まる。
つまり、本発明によれば、前縁の剛性を高めることができ、これによってインペラ翼の2次固有振動数を上昇させることが可能となる。
According to the present invention, by providing a short radius distance region at the leading edge of the meridian surface of the impeller blade, a partial region of the leading edge approaches the impeller rotation axis, and the rigidity of the leading edge that is most likely to vibrate by resonance is increased. .
That is, according to the present invention, the rigidity of the leading edge can be increased, and thereby the secondary natural frequency of the impeller blade can be increased.
以下、図面を参照して、本発明に係るラジアルタービンのインペラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。 Hereinafter, an embodiment of a radial turbine impeller according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
図1は、本実施形態のラジアルタービンのインペラ1の概略構成を示す模式図であり、インペラ翼3の子午面を示している。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the impeller 1 of the radial turbine of the present embodiment, and shows a meridian surface of the
インペラ1は、ラジアルタービンのハウジング内部に配置されており、ハウジング内を流れる流体によって回転されることによって回転動力を得るものであり、ベース部2とインペラ翼3とを備えている。
The impeller 1 is disposed inside the housing of the radial turbine, and obtains rotational power by being rotated by a fluid flowing in the housing, and includes a base portion 2 and
ベース部2は、インペラ1の回転中央部となるものであり、図1に示す回転軸L(インペラ回転軸)を回転中心とする回転体形状を有している。
このベース部2の側面2aは、回転軸Lに向かって凸となる湾曲形状を有している。そして、ベース部2は、先端2bに向けて窄む形状を有している。
The base portion 2 serves as a rotation center portion of the impeller 1 and has a rotating body shape having a rotation axis L (impeller rotation axis) shown in FIG. 1 as a rotation center.
The
インペラ翼3は、流体を受けることによってベース部2を回転させるものであり、インペラ1の回転方向に所定間隔で複数配列されてベース部2の側面2aに取り付けられている。
The
なお、本実施形態のインペラ1において、回転軸Lの延在する方向が軸方向であり、この軸方向と直交する方向が半径方向であり、軸方向においてベース部2の先端2bが向く方向を後方、その反対方向を前方とする。
In the impeller 1 of the present embodiment, the direction in which the rotation axis L extends is the axial direction, the direction orthogonal to the axial direction is the radial direction, and the direction in which the
そして、インペラ翼3は、図1に示すように、子午面において、前縁3aが軸方向の前方側に配置されると共に半径方向外側に向けて配置されており、後縁3bが軸方向の後方側に配置されると共に軸方向の後方に向けて配置されている。
つまり、インペラ翼3は、前縁3aから後縁3bに向けて、半径方向から軸方向に(すなわちベース部2の側面2aに沿って)湾曲した形状を有している。
As shown in FIG. 1, the
That is, the
なお、インペラ翼3において、ベース部2側の端(ベース部2と接続される部位)がハブ3cであり、ベース部2から遠い側の端がチップ3dである。
ここで、インペラ翼3が上述のように湾曲されていることから、ハブ3c及びチップ3dは、ベース部2の側面2aに沿って湾曲している。
In the
Here, since the
そして、本実施形態のラジアルタービンのインペラ翼3では、図1に示すように、インペラ翼3の子午面における前縁3aは、チップ3d側が回転軸Lに向かうように回転軸Lに対して傾斜されている。
In the
より詳細には、本実施形態のラジアルタービンのインペラ1では、図1に示すように、インペラ翼3の上記前縁3aにおいて、回転軸Lからハブ3cまでの半径方向距離L1よりも回転軸Lからチップ3dまでの半径方向距離L2が短く設定されている。そして、ハブ3cとチップ3dとを直線で結ぶように前縁3aが回転軸Lに対して傾斜されている。
More specifically, in the impeller 1 of the radial turbine of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the rotational axis L is greater than the radial distance L1 from the rotational axis L to the
つまり、本実施形態のラジアルタービンのインペラ1では、子午面での前縁3aにおいて、ハブ3cよりもチップ3d側の全領域が、回転軸Lからハブ3cまでの半径方向距離L1よりも短い半径方向距離に位置している。
That is, in the impeller 1 of the radial turbine according to the present embodiment, the entire region on the
そして、子午面での前縁3aにおいて回転軸Lからハブ3cまでの半径方向距離L1よりも短い半径方向距離に位置している領域は、本発明における短半径距離領域に相当する。
And the area | region located in radial direction distance shorter than radial direction distance L1 from the rotating shaft L to the
すなわち、本実施形態のラジアルタービンのインペラ1は、インペラ翼3の子午面における前縁3aにおいて、ハブ3cよりもチップ3d側に設けられ、回転軸Lからハブ3cまでの半径方向距離L1よりも短い半径方向距離に位置する短半径距離領域を備えている。
このような短半径距離領域を設けることによって、特に2次固有振動数において共振した場合に大きく振れる前縁3aの一部が回転軸Lに近づいてインペラ翼3の半径方向の長さが短くなり、前縁3aの剛性を高めることができる。
In other words, the impeller 1 of the radial turbine of the present embodiment is provided on the
By providing such a short radius distance region, a part of the leading
そして、本実施形態のラジアルタービンのインペラ1においては、上記短半径距離領域αは、図1に示すように、前縁3aのハブ3cを除き、ハブ3cよりもチップ3d側の全領域とされている。
In the radial turbine impeller 1 of the present embodiment, the short radius distance region α is the entire region on the
このような構成を有する本実施形態のラジアルタービンのインペラ1によれば、インペラ翼3の前縁3aから後縁3bに向かって流体が流れ、この流体を受けることによってインペラ翼3が仕事をしてベース部2が回転駆動される。
According to the impeller 1 of the radial turbine of the present embodiment having such a configuration, a fluid flows from the
そして、以上のような本実施形態のラジアルタービンのインペラ1によれば、上記短半径距離領域αによって、共振によって最も振動しやすい前縁3aの剛性が高まる。この結果、インペラ翼3全体の2次固有振動数を上昇させることが可能となる。
And according to the impeller 1 of the radial turbine of this embodiment as described above, the rigidity of the leading
なお、上述のように、インペラ翼3の子午面における前縁3aは、回転軸Lに対して一定角度で傾斜している。そして、前縁3aの回転軸Lに対する傾斜角度が大きくなる程、インペラ翼3の2次固有振動数が上昇する。このため、この前縁3aの回転軸Lに対する傾斜角度は、ラジアルタービンの効率を考慮した上で、インペラ翼3の2次固有振動数がラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くなるように設定されることが好ましい。
これによって、ラジアルタービンが作動している際に、その振動周波数がインペラ翼3の2次固有振動数と合致することがなく、インペラ翼3の共振を抑制することが可能となる。
As described above, the leading
As a result, when the radial turbine is operating, the vibration frequency does not match the secondary natural frequency of the
次に、インペラ翼3の前縁3aの回転軸Lに対する傾斜角度による、固有振動数の変化について、シミュレーション結果に基づいて説明する。
なお、図2に示すように、本シミュレーションにおいては、前縁3aの回転軸Lに対する傾斜角度を変化させ、その際のインペラ翼3の固有振動数を求めた。
より具体的には、本シミュレーションにおいては、図2に示す回転軸Lに対して前縁3aが平行なインペラ翼をbase(θ=0°)とし、前縁3aが回転軸Lに対して3°傾斜しているインペラ翼をケースA(θ=3°)とし、前縁3aが回転軸Lに対して5°傾斜しているインペラ翼をケースB(θ=5°)とし、前縁3aが回転軸Lに対して7°傾斜しているインペラ翼をケースC(θ=7°)とし、前縁3aが回転軸Lに対して9°傾斜しているインペラ翼をケースD(θ=9°)として固有振動数を求めた。
Next, the change in the natural frequency due to the inclination angle of the
As shown in FIG. 2, in this simulation, the inclination angle of the
More specifically, in this simulation, an impeller blade whose
また、本シミュレーションを行うにあたり、インペラ翼の枚数が10枚、節直径を1とした。なお、節直径とは、インペラ翼のディスクを2分する線(直径)として現れる振動の節で示されるものである。 In this simulation, the number of impeller blades was 10 and the node diameter was 1. The node diameter is indicated by a vibration node that appears as a line (diameter) that bisects the impeller blade disk.
図3は、本シミュレーション結果を纏めた表及びグラフである。この図に示すように、ケースAでの2次固有振動数(f2)比はbaseでの2次固有振動数(f2)比の101.03%、ケースBでの2次固有振動数(f2)比はbaseでの2次固有振動数(f2)比の101.74%、ケースCでの2次固有振動数(f2)比はbaseでの2次固有振動数(f2)の102.45%、ケースDでの2次固有振動数(f2)比はbaseでの2次固有振動数(f2)比の103.23%であった。
つまり、前縁3aの回転軸Lに対する傾斜角度が大きくなるに連れて、インペラ翼3の2次固有振動数(f2)比が大きくなることが確認された。
FIG. 3 is a table and a graph summarizing the simulation results. As shown in this figure, the secondary natural frequency (f2) ratio in case A is 101.03% of the secondary natural frequency (f2) ratio in base, and the secondary natural frequency (f2) in case B. ) Ratio is 101.74% of the secondary natural frequency (f2) ratio in base, and the secondary natural frequency (f2) ratio in case C is 102.45 of the secondary natural frequency (f2) in base. %, The secondary natural frequency (f2) ratio in Case D was 103.23% of the secondary natural frequency (f2) ratio in base.
That is, it was confirmed that the secondary natural frequency (f2) ratio of the
次に、上記base及びケースA〜ケースDにおいて空力性能解析を行うことにより、タービン効率を求めて比較を行った。なお、本空力性能解析においては、タービン圧力比がπt=2とした。 Next, aerodynamic performance analysis was performed on the base and cases A to D, and the turbine efficiency was determined and compared. In this aerodynamic performance analysis, the turbine pressure ratio is πt = 2.
図4は、上記空力性能解析によって得られた流量パラメータとタービン効率との関係を示すグラフである。
そして、この図から分かるように、上記実施形態のラジアルタービンのインペラ1を用いることによって、小流量側では従来のラジアルタービンと同様の効率で、大流量側では従来のラジアルタービンよりも高い効率が得られることが分かった。
したがって、上記実施形態のラジアルタービンのインペラ1において、前縁3aを回転軸Lに対して一定角度で傾斜させ、この傾斜角度を9°以下とすることによって、ラジアルタービンの効率を低下させることなく、インペラ翼3の2次固有振動数を上昇させることが可能となる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the flow rate parameter obtained by the aerodynamic performance analysis and the turbine efficiency.
As can be seen from this figure, by using the impeller 1 of the radial turbine of the above embodiment, the efficiency is the same as that of the conventional radial turbine on the small flow rate side and the efficiency higher than that of the conventional radial turbine on the large flow rate side. It turns out that it is obtained.
Therefore, in the impeller 1 of the radial turbine of the above embodiment, the
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、前縁3aが一定角度で傾斜し、ハブ3cを除いたチップ3d側の全領域が短半径距離領域である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、前縁3aの途中部位のみが短半径距離領域である構成や、前縁3aの中央からチップ側のみが短半径距離領域である構成を採用することも可能である。
For example, in the above embodiment, the configuration has been described in which the
However, the present invention is not limited to this, and a configuration in which only the middle portion of the
1……ラジアルタービンのインペラ、2……ベース部、3……インペラ翼、3a……前縁、3b……後縁、3c……ハブ、3d……チップ、L……回転軸、α……短半径距離領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Radial turbine impeller, 2 ... Base part, 3 ... Impeller blade, 3a ... Front edge, 3b ... Rear edge, 3c ... Hub, 3d ... Tip, L ... Rotating shaft, α ... ... Short radius distance region
Claims (2)
インペラ翼の子午面における前縁において、ハブよりもチップ側に設けられ、インペラ回転軸から当該ハブまでの半径方向距離よりも短い半径方向距離に位置する短半径距離領域を備え、
前記ハブより前記チップ側の全領域が前記短半径距離領域とされ、前記前縁が前記インペラ回転軸に対して一定角度で傾斜しており、前記前縁の前記インペラ回転軸に対する傾斜角度が、前記インペラ翼の2次固有振動数が前記ラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くなるように設定されている
ことを特徴とするラジアルタービンのインペラ。 A radial turbine impeller,
Provided at the leading edge of the meridian surface of the impeller blade on the tip side of the hub, and having a short radius distance region located at a radial distance shorter than the radial distance from the impeller rotation shaft to the hub ,
The entire region on the tip side from the hub is the short radius distance region, the front edge is inclined at a constant angle with respect to the impeller rotation axis, and the inclination angle of the front edge with respect to the impeller rotation axis is An impeller for a radial turbine, wherein a secondary natural frequency of the impeller blade is set to be higher than a vibration frequency in an operating region of the radial turbine.
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