JP6936126B2 - インペラ、回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、インペラ、回転機械に関する。

例えば、産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンに用いられる回転機械は、回転体（ロータ）に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラと、インペラを外周側から覆うケーシングと、を備えている。ケーシング内でインペラが回転することで、ケーシングとインペラとの間に形成された流路を流れる作動流体に、圧力と速度とを付加することができる。このようなインペラの一種として、クローズドインペラと呼ばれる形態が知られている。クローズドインペラは、上記のディスク及びブレードと、ブレードを外周側から覆う漏斗状のカバーと、を備えている。

クローズドインペラを製造するに当たっては、加工前の素体に対して切削加工を施す方法がこれまで主に用いられてきた。しかしながら、この方法では、カバーとディスクとの間の狭隘な領域にインペラ流路を形成する必要があることから、工具の取り回しが難しく、加工精度の低下につながる場合があった。そこで近年、ディスクを軸方向に２分割した構成が提唱されている。この構成では、分割されたディスクの半体に、それぞれ凹部と、凹部に挿入される挿入部とが設けられる。挿入部は、凹部に対して焼き嵌め等によって固定される。

ここで、上記の挿入部と凹部との間の接触部（特に部材の角部）では、応力集中が生じやすいことに加えて、磨耗を原因とするフレッティング疲労が生じやすい。このため、インペラの信頼性が低下する可能性がある。部材同士の接触部における応力集中を回避するための措置として、例えば下記特許文献１に記載された構成が知られている。特許文献１には、回転機械の動翼におけるダブテール部に応力逃がし溝を形成する構成が記載されている。

特許５５３８３３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された応力逃がし溝は、回転機械の動翼への適用を意図したものであり、インペラに即時に適用することは難しい。特に、動翼では、ディスクに設けられた植え込み溝と翼根とが嵌合されているのに対して、インペラでは、複数のブレードがカバー及び半体ディスクと一体となった円筒部材が、もう一方の半体ディスクに嵌合されており、嵌合形態が全く異なる。
このため、上記特許文献１に記載された応力逃がし溝を単純にインペラに適用することは必ずしも最善とは言えない。即ち、応力集中やフレッティング疲労が抑制された信頼性の高いインペラが依然として望まれている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、さらに信頼性の高いインペラ、回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、インペラは、軸線を中心とする筒状をなす第一ディスク部材、及び前記軸線を中心とする筒状をなすとともに、前記第一ディスク部材の軸線方向一方側に設けられた第二ディスク部材を有するディスクと、前記第二ディスク部材に一体に設けられたブレードと、前記ブレードを外周側から覆うことで、前記第二ディスク部材との間に流路を形成するカバーと、を備え、前記第一ディスク部材には、前記軸線を中心として該軸線方向一方側から他方側に向かって凹む環状の凹部が形成され、前記第二ディスク部材は、前記軸線を中心とする円盤状の第二ディスク部材本体、及び前記軸線を中心として前記第二ディスク部材本体から前記軸線方向他方側に向かって突出し、前記凹部に挿入される挿入部を有し、前記挿入部における前記軸線方向他方側を向く挿入部端面には、該挿入部端面から前記軸線方向一方側に向かって凹む第三溝部が形成され、前記第一ディスク部材における前記軸線方向一方側を向く第一端面には、該第一端面から前記軸線方向他方側に向かって凹む第四溝部が形成されており、前記第三溝部、及び前記第四溝部は、前記軸線に対する周方向の全域にわたって形成されている。

この構成によれば、挿入部端面上に第三溝部が形成されていることから、当該挿入部端面に沿う方向から応力が作用した場合には、第三溝部が軸線に対する径方向両側からつぶれるように弾性変形する。即ち、挿入部端面の剛性が低減され、応力を逃がすことができる。さらに、第一端面上に第四溝部が形成されていることから、当該第一端面に沿う方向から応力が作用した場合には、第四溝部が軸線に対する径方向両側からつぶれるように弾性変形する。即ち、第一端面の剛性が低減され、応力を逃がすことができる。
また、この構成によれば、第三溝部、第四溝部が周方向の全域にわたって形成されていることから、周方向の全域にわたって均等に応力を逃がすことが可能となる。言い換えると、周方向における局所的な応力集中を回避することができる。

本発明の第二の態様によれば、前記挿入部における前記軸線に対する径方向外側を向く挿入部外周面と前記第三溝部との間の距離は、前記挿入部における前記軸線に対する径方向内側を向く挿入部内周面と前記第三溝部との間の距離よりも小さく、前記凹部における前記軸線に対する径方向内側を向く凹部内周面と前記第四溝部との間の距離は、前記第一ディスク部材における前記軸線に対する径方向外側を向く第一ディスク外周面と前記第四溝部との間の距離よりも小さくてもよい。

本発明の第三の態様によれば、前記凹部における前記軸線方向一方側を向く凹部底面と前記軸線に対する径方向内側を向く凹部内周面との接続部には、前記挿入部端面と前記軸線に対する径方向外側を向く挿入部外周面とが形成する第一角部を外側から囲むとともに、前記凹部底面よりも前記軸線方向他方側に向かって後退し、かつ前記凹部内周面よりも前記軸線に対する径方向外側に向かって後退する第一溝部が形成され、前記挿入部外周面と前記第二ディスク部材本体における前記軸線方向他方側を向く第二端面との接続部には、前記凹部内周面と前記第一端面とが形成する第二角部を外側から囲むとともに、前記挿入部外周面よりも前記軸線に対する径方向内側に向かって後退し、かつ前記第二端面よりも前記軸線方向一方側に向かって後退する第二溝部が形成されていてもよい。

この構成によれば、挿入部端面と挿入部外周面とが形成する角部が、第一溝部によって囲まれていることから、ディスクに対して遠心力や、軸線方向両側における差圧が加わった場合に、応力が当該第一溝部によって逃がされる。これにより、第一溝部を設けない構成に比べて挿入部端面に生じる応力を緩和することができる。さらに、挿入部端面と挿入部外周面とが形成する角部における応力集中を軽減することができる。同様にして、凹部内周面と第一端面とが形成する角部が、第二溝部によって囲まれていることから、ディスクに対して遠心力や差圧が加わった場合に、応力が当該第二溝部によって逃がされる。これにより、第二溝部を設けない構成に比べて第一端面に生じる応力を緩和することができる。さらに、凹部内周面と第一端面とが形成する角部における応力集中を軽減することができる。

本発明の第四の態様によれば、前記第一溝部、及び前記第二溝部は、前記軸線に対する周方向の全域にわたって形成されていてもよい。

この構成によれば、第一溝部、第二溝部が周方向の全域にわたって形成されていることから、周方向の全域にわたって均等に応力を逃がすことが可能となる。言い換えると、周方向における局所的な応力集中を回避することができる。

本発明の第五の態様によれば、前記挿入部端面と前記軸線に対する径方向外側を向く挿入部外周面との間には、前記軸線に交差する方向に広がる第一テーパ面が形成され、前記凹部における前記軸線方向一方側を向く凹部底面と前記軸線に対する径方向内側を向く凹部内周面との間には、前記凹部底面から前記凹部内周面に向かうに従って次第に湾曲する第一アール部が形成され、前記凹部内周面と前記第一端面との間には、前記軸線に交差する方向に広がる第二テーパ面が形成され、前記挿入部外周面と前記第二ディスク部材本体における前記軸線方向他方側を向く第二端面との間には、前記挿入部外周面から前記第二端面に向かうに従って次第に湾曲する第二アール部が形成されていてもよい。

この構成によれば、挿入部端面と挿入部外周面との間に第一テーパ面が形成されていることから、ディスクに対して遠心力や、軸線方向両側における差圧が加わった場合に、応力が当該第一テーパ面によって逃がされる。これにより、第一テーパ面を設けない構成に比べて挿入部端面に生じる応力を緩和することができる。さらに、凹部底面と凹部内周面との間には第一アール部が形成されている。これにより、例えば凹部底面と凹部内周面との間に角部が形成されている場合に比べて、当該部分における応力集中を緩和することができる。また、特に、第一テーパ面を設けることにより、第一アール部の曲率半径を大きく確保することができる。さらに、凹部内周面と第一端面との間に第二テーパ面が形成されていることから、遠心力や差圧が加わった場合に、応力が当該第二テーパ面によって逃がされる。これにより、第二テーパ面を設けない構成に比べて第一端面に生じる応力を緩和することができる。さらに、挿入部外周面と第二端面との間には第二アール部が形成されている。これにより、例えば挿入部外周面と第二端面との間に角部が形成されている場合に比べて、当該部分における応力集中を緩和することができる。また、特に、第二テーパ面を設けることにより、第二アール部の曲率半径を大きく確保することができる。

本発明の第六の態様によれば、前記第一テーパ面、前記第二テーパ面、前記第一アール部、及び前記第二アール部は、前記軸線に対する周方向の全域にわたって形成されていてもよい。

この構成によれば、第一テーパ面、第二テーパ面、第一アール部、及び第二アール部が周方向の全域にわたって形成されていることから、周方向の全域にわたって均等に応力を逃がすことが可能となる。言い換えると、周方向における局所的な応力集中を回避することができる。

本発明の第七の態様によれば、回転機械は、上記第一から第六のいずれか一態様に係るインペラと、前記インペラを外周側から覆うケーシングと、を備える。

この構成によれば、フレッティング疲労に強く、信頼性の高いインペラを備えた回転機械を提供することができる。

本発明によれば、さらに信頼性の高いインペラ、回転機械を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る回転機械の構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラの断面図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラの要部拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラにおける応力分布を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係るインペラの要部拡大断面図である。 本発明の第三実施形態に係るインペラの要部拡大断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１００（回転機械）は、ロータ１と、ジャーナル軸受２と、スラスト軸受３と、複数のインペラ４と、ケーシング５と、を備える。

ロータ１は、軸線Ａｃを中心とする円柱状をなしている。ロータ１は、電動機等の動力源（不図示）によって軸線Ａｃ回りに回転する。ロータ１には、後述する複数のインペラ４が、軸線Ａｃ方向に間隔をあけて外嵌されている。即ち、インペラ４は、ロータ１と一体となって軸線Ａｃ回りに回転する。

ロータ１の軸端は、ジャーナル軸受２、及びスラスト軸受３によって、ケーシング５に対して回転自在に支持されている。ジャーナル軸受２は、ロータ１に作用する軸線Ａｃに対する径方向からの荷重を支持する。ジャーナル軸受２は、軸線Ａｃ方向におけるロータ１の両端部に設けられている。スラスト軸受３は、ロータ１に作用する軸線Ａｃ方向の荷重を支持する。スラスト軸受３は、ロータ１における吸入口７（後述）側の端部のみに設けられている。

複数のインペラ４は、ロータ１に一体に固定されており、ロータ１の回転に伴って当該ロータ１と一体に回転する。複数のインペラ４は、ロータ１に固定された状態でケーシング５の内部に収容されている。ケーシング５は、軸線Ａｃを中心とする略筒状をなしている。ケーシング５の軸線Ａｃ方向一方側の端部には排気口６が形成され、軸線Ａｃ方向他方側の端部には吸入口７が形成されている。ケーシング５内部における吸入口７と排気口６との間には、軸線Ａｃに沿って拡径と縮径とを繰り返すケーシング流路Ｆｃが形成されている。吸入口７を通じてケーシング５内に取り入れられた作動流体は、ケーシング流路Ｆｃ及び後述するインペラ流路Ｆｉを通過する中途で圧縮され、高圧状態となって排気口６から外部に排出される。

次に、本実施形態に係るインペラ４の詳細な構成について説明する。図２は、図１における領域Ａを拡大して示している。図２に示すように、本実施形態に係るインペラ４は、ディスク８と、ブレード９と、カバー１０と、を有している。

ディスク８は、２つの部材から構成されている。より具体的には、ディスク８は、軸線Ａｃを中心とする筒状の第一ディスク部材１１と、第一ディスク部材１１の軸線Ａｃ方向一方側に設けられた円盤状の第二ディスク部材１２と、を有している。第一ディスク部材１１の外周面（第一ディスク外周面１３）は、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かうに従って次第に縮径している。軸線Ａｃを含む断面視で、第一ディスク外周面１３は、軸線Ａｃに対して緩やかな曲面状に傾斜している。この第一ディスク外周面１３は、後述するインペラ流路Ｆｉの一部をなしている。

第一ディスク部材１１の内周側の空間は、ロータ１が挿入される第一挿入穴１４とされている。第一挿入穴１４は、軸線Ａｃ方向から見て円形の断面を有し、軸線Ａｃに沿って一定の内径寸法を有している。第一挿入穴１４における軸線Ａｃ方向一方側の端部を含む部分には、第二ディスク部材１２の挿入部２２（後述）が挿入される環状の溝（凹部１５）が形成されている。凹部１５は、軸線Ａｃを中心として、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かって凹んでいる。凹部１５内における軸線Ａｃ方向一方側を向く面は、凹部底面１６とされている。凹部１５における軸線Ａｃに対する径方向内側を向く面は、凹部内周面１７とされている。凹部底面１６は、軸線Ａｃを中心とする円環状をなしている。凹部内周面１７は、軸線Ａｃを中心とする筒状をなしている。なお、第一挿入穴１４の内周面（挿入穴内周面１８）上における凹部１５を除く部分（嵌合部１９）は、ロータ１の外周面に対して焼き嵌めされている。第一ディスク部材１１における軸線Ａｃ方向一方側を向く面は、第一端面２０とされている。

第二ディスク部材１２は、軸線Ａｃを中心とする円盤状の第二ディスク部材本体２１と、当該第二ディスク部材本体２１から軸線Ａｃ方向に突出する挿入部２２と、を有している。第二ディスク部材本体２１の軸線Ａｃ位置には、ロータ１が挿入される第二挿入穴２３が形成されている。第二挿入穴２３は、軸線Ａｃ方向から見て円形の断面を有し、上述の第一挿入穴１４と同一の内径寸法を有している。第二挿入穴２３の内径寸法は、軸線Ａｃに沿って一定とされている。第二ディスク部材本体２１における軸線Ａｃ方向他方側を向く面は、相対的に内周側に位置する第二端面２４と、第二端面２４よりも相対的に外周側に位置する主面２５と、を有している。第二端面２４は、上述の第一端面２０と隙間（後述する第一隙間３１）を介して対向している。主面２５上にはブレード９が配置されており、インペラ流路Ｆｉの一部をなしている。なお、ここで主面２５とは、第二ディスク部材本体２１における軸線Ａｃ方向他方側を向く面のうち、上記の第二端面２４を除く部分である。第二ディスク部材本体２１における軸線Ａｃ方向一方側を向く面（即ち、主面２５の反対側の面）は、背面２６とされている。

挿入部２２は、軸線Ａｃを中心として、第二ディスク部材本体２１から軸線Ａｃ方向他方側に突出する円筒状をなしている。挿入部２２の内周面（挿入部内周面２７）は、上記の第二挿入穴２３と同一の内径寸法を有し、両者は互いに連続している。言い換えると、挿入部内周面２７と第二挿入穴２３との間には段差等が形成されていない。挿入部２２における軸線Ａｃ方向他方側を向く面は、挿入部端面２８とされている。挿入部２２における径方向外側を向く面は、挿入部外周面２９とされている。

次に、図３を参照して、第一ディスク部材１１と第二ディスク部材１２の接合部の詳細について説明する。図３に示すように、挿入部端面２８は、凹部底面１６と軸線Ａｃ方向に広がる隙間（第一隙間３０）をあけて対向している。挿入部外周面２９は、凹部内周面１７に対して当接している。第一端面２０は、第二端面２４と軸線Ａｃ方向に広がる隙間（第二隙間３１）をあけて対向している。

挿入部端面２８と挿入部外周面２９とが形成する角部は第一角部３２とされている。この第一角部３２は、凹部底面１６と凹部内周面１７との接続部に形成された第一溝部３３によって外側から囲まれている。具体的には、第一溝部３３は、凹部底面１６よりも軸線Ａｃ方向他方側に向かって後退し、かつ凹部内周面１７よりも径方向外側に向かって後退している。また、軸線Ａｃを含む断面視で、第一溝部３３は、略円弧状の断面を有している。このような第一溝部３３が形成されていることにより、第一角部３２は、いずれの面にも当接せず、第一溝部３３内に露出している。なお、第一溝部３３は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

凹部内周面１７と第一端面２０とが形成する角部は第二角部３４とされている。この第二角部３４は、挿入部外周面２９と第二端面２４との接続部に形成された第二溝部３５によって外側から囲まれている。具体的には、第二溝部３５は、挿入部外周面２９よりも径方向内側に向かって後退し、かつ第二端面２４よりも軸線Ａｃ方向一方側に向かって後退している。また、軸線Ａｃを含む断面視で、第二溝部３５は、略円弧状の断面を有している。このような第二溝部３５が形成されていることにより、第二角部３４は、いずれの面にも当接せず、第二溝部３５内に露出している。なお、第二溝部３５は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

図２に示すように、ブレード９は、上述の第二ディスク部材本体２１における主面２５上に、軸線Ａｃを中心として周方向に間隔をあけて複数配置されている。なお、詳しくは図示しないが、各ブレード９は、径方向内側から外側に向かうに従って、周方向一方側から他方側に向かって湾曲している。ブレード９の外周側の端縁には、軸線Ａｃを中心とする漏斗状のカバー１０が取り付けられている。主面２５と、周方向に隣り合う一対のブレード９と、カバー１０の内周面（カバー内周面３６）とによって囲まれた空間はインペラ流路Ｆｉとされている。即ち、インペラ４内では、複数のインペラ流路Ｆｉが軸線Ａｃを中心とする放射状に配列されている。

次に、本実施形態に係る回転機械の動作について説明する。回転機械を運転するに当たっては、まず上述の電動機（不図示）等によってロータ１の軸端に回転力が付与される。ロータ１の回転に伴って複数のインペラ４が回転する。インペラ４が回転すると、吸入口７から外部の作動流体（例えば空気等）がケーシング流路Ｆｃ内に取り込まれる。ケーシング流路Ｆｃ内に取り込まれた作動流体は、上述のインペラ流路Ｆｉとケーシング流路Ｆｃとを交互に通過する中途で圧縮され、高圧状態となる。高圧状態となった作動流体は、排気口６から外部に排出される。

ここで、運転中のインペラ４には、回転に伴う遠心力と、主面２５と背面２６との間の差圧に基づく圧力が付加される。このような遠心力と圧力に起因して、第一ディスク部材１１と第二ディスク部材１２との接合部に応力が生じる。特に、上述した第一角部３２、及び第二角部３４の近傍では、応力が集中しやすい上に、当該応力に基づくフレッティング疲労の可能性も生じる。

しかしながら、本実施形態に係るインペラ４では、上述のように、第一角部３２を囲むようにして第一溝部３３が形成され、第二角部３４を囲むようにして第二溝部３５が形成されている。具体的には、挿入部端面２８と挿入部外周面２９とが形成する第一角部３２が、第一溝部３３によって囲まれていることから、ディスク８に対して遠心力や、軸線Ａｃ方向両側における差圧が加わった場合に、応力が当該第一溝部３３によって逃がされる。これにより、第一溝部３３を設けない構成に比べて挿入部端面２８に生じる応力を緩和することができる。さらに、挿入部端面２８と挿入部外周面２９とが形成する角部における応力集中を軽減することができる。同様にして、凹部内周面１７と第一端面２０とが形成する第二角部３４が、第二溝部３５によって囲まれていることから、ディスク８に対して遠心力や差圧が加わった場合に、応力が当該第二溝部３５によって逃がされる。これにより、第二溝部３５を設けない構成に比べて第一端面２０に生じる応力を緩和することができる。さらに、凹部内周面１７と第一端面２０とが形成する角部における応力集中を軽減することができる。

さらに、上述の構成によれば、第一溝部３３、第二溝部３５が周方向の全域にわたって形成されていることから、周方向の全域にわたって均等に応力を逃がすことが可能となる。言い換えると、周方向における局所的な応力集中を回避することができる。

続いて、図４を参照して、第一ディスク部材１１と第二ディスク部材１２との接合部における応力分布について説明する。図４では、上述の第一角部３２、及び第二角部３４の近傍に生じる応力の大きさを矢印の長さで示し、第一溝部３３及び第二溝部３５が形成されている場合の応力分布を実線で示している。同図に示すように、第一角部３２の近傍では、径方向外側から内側に向かうに従って応力が大きくなっている。また、第二角部３４の近傍では、径方向内側から外側に向かうに従って応力が大きくなっている。なお、鎖線は、第一溝部３３及び第二溝部３５が形成されていない場合の応力分布を示している。同図に示すように、第一溝部３３及び第二溝部３５が形成されている場合、第一角部３２及び第二角部３４の近傍における軸線Ａｃ方向の応力は、第一溝部３３及び第二溝部３５が形成されていない場合に比べていずれも低減されている。このように、本実施形態に係るインペラ４、及び回転機械によれば、第一ディスク部材１１と第二ディスク部材１２の接合部における応力集中を緩和し、これに基づくフレッティング疲労の可能性を低減することができる。これにより、さらに信頼性の高いインペラ４、及びこれを備える遠心圧縮機１００を提供することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、第一溝部３３、及び第二溝部３５がそれぞれ周方向の全域にわたって形成されている例について説明した。しかしながら、第一溝部３３、第二溝部３５の態様は上記に限定されず、例えば周方向に等間隔をあけて不連続に形成されている構成を採ることも可能である。

［第二実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では、挿入部端面２８と挿入部外周面２９との間に、第一テーパ面３７が形成されている。第一テーパ面３７は、軸線Ａｃに交差する方向に広がっている。本実施形態では、第一テーパ面３７は、軸線Ａｃを含む断面視で、軸線Ａｃに対して４５°をなしている。第一テーパ面３７は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

凹部底面１６と凹部内周面１７との間には、第一アール部３８が形成されている。第一アール部３８は、軸線Ａｃを含む断面視で略円弧状をなしている。具体的には、第一アール部３８は、凹部底面１６から凹部内周面１７に向かうに従って次第に湾曲している。第一アール部３８は、上記の第一テーパ面３７と軸線Ａｃ方向から対向している。また、第一アール部３８と第一テーパ面３７との間には隙間が形成されており、両者は当接していない。第二アール部４０は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

凹部内周面１７と第一端面２０には、第二テーパ面３９が形成されている。第二テーパ面３９は、軸線Ａｃに交差する方向に広がっている。本実施形態では、第二テーパ面３９は、軸線Ａｃを含む断面視で、軸線Ａｃに対して４５°をなしている。第二テーパ面３９は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

挿入部外周面２９と第二端面２４との間には、第二アール部４０が形成されている。第二アール部４０は、軸線Ａｃを含む断面視で略円弧状をなしている。具体的には、第二アール部４０は、挿入部外周面２９から第二端面２４に向かうに従って次第に湾曲している。第二アール部４０は、上記の第二テーパ部と軸線Ａｃ方向から対向している。また、第二アール部４０と第二テーパ面３９との間には隙間が形成されており、両者は当接していない。第二アール部４０は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

上述の構成によれば、挿入部端面２８と挿入部外周面２９との間に第一テーパ面３７が形成されていることから、ディスク８に対して遠心力や、軸線Ａｃ方向両側における差圧が加わった場合に、応力が当該第一テーパ面３７によって逃がされる。これにより、第一テーパ面３７を設けない構成に比べて挿入部端面２８に生じる応力を緩和することができる。さらに、凹部底面１６と凹部内周面１７との間には第一アール部３８が形成されている。これにより、例えば凹部底面１６と凹部内周面１７との間に角部が形成されている場合に比べて、当該部分における応力集中を緩和することができる。また、特に、第一テーパ面３７を設けることにより、第一アール部３８の曲率半径を大きく確保することができる。さらに、凹部内周面１７と第一端面２０との間に第二テーパ面３９が形成されていることから、遠心力や差圧が加わった場合に、応力が当該第二テーパ面３９によって逃がされる。これにより、第二テーパ面３９を設けない構成に比べて第一端面２０に生じる応力を緩和することができる。さらに、挿入部外周面２９と第二端面２４との間には第二アール部４０が形成されている。これにより、例えば挿入部外周面２９と第二端面２４との間に角部が形成されている場合に比べて、当該部分における応力集中を緩和することができる。また、特に、第二テーパ面３９を設けることにより、第二アール部４０の曲率半径を大きく確保することができる。

さらに、上述の構成によれば、第一テーパ面３７、第二テーパ面３９、第一アール部３８、及び第二アール部４０が周方向の全域にわたって形成されていることから、周方向の全域にわたって均等に応力を逃がすことが可能となる。言い換えると、周方向における局所的な応力集中を回避することができる。このように、本実施形態に係るインペラ４、及び回転機械によれば、第一ディスク部材１１と第二ディスク部材１２の接合部における応力集中を緩和し、これに基づくフレッティング疲労の可能性を低減することができる。これにより、さらに信頼性の高いインペラ４、及びこれを備える遠心圧縮機１００を提供することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、第一テーパ面３７、第二テーパ面３９、第一アール部３８及び第二アール部４０がそれぞれ周方向の全域にわたって形成されている例について説明した。しかしながら、第一テーパ面３７、第二テーパ面３９、第一アール部３８及び第二アール部４０の態様は上記に限定されず、例えば周方向に等間隔をあけて不連続に形成されている構成を採ることも可能である。

［第三実施形態］
続いて、図６を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６に示すように、本実施形態では、挿入部端面２８に第三溝部４１が形成され、第一端面２０に第四溝部４２が形成されている。第三溝部４１は、挿入部端面２８から軸線Ａｃ方向一方側に向かって凹んでいる。第三溝部４１は、挿入部端面２８における径方向外側の端縁に近接する部分に形成されている。言い換えると、挿入部外周面２９と第三溝部４１との間の距離は、挿入部内周面２７と第三溝部４１との間の距離よりも小さい。これにより、径方向外側から力が加わった場合、第三溝部４１よりも径方向外側の部分は、ばねのように弾性変形する。言い換えると、第三溝部４１よりも径方向外側の部分では、他の部分に比べて剛性が低くなっている。なお、第三溝部４１は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

第四溝部４２は、第一端面２０から軸線Ａｃ方向他方側に向かって凹んでいる。第四溝部４２は、第一端面２０における径方向内側の端縁に近接する部分に形成されている。言い換えると、凹部内周面１７と第四溝部４２との間の距離は、第一ディスク外周面１３と第四溝部４２との間の距離よりも小さい。これにより、径方向外側から力が加わった場合、第四溝部４２よりも径方向内側の部分は、ばねのように弾性変形する。言い換えると、第四溝部４２よりも径方向内側の部分では、他の部分に比べて剛性が低くなっている。なお、第四溝部４２は、軸線Ａｃに対する周方向の全域にわたって連続して形成されている。

上述の構成によれば、挿入部端面２８上に第三溝部４１が形成されていることから、当該挿入部端面２８に沿う方向から応力が作用した場合には、第三溝部４１が軸線Ａｃに対する径方向両側からつぶれるように弾性変形する。即ち、挿入部端面２８の剛性が低減され、応力を逃がすことができる。さらに、第一端面２０上に第四溝部４２が形成されていることから、当該第一端面２０に沿う方向から応力が作用した場合には、第四溝部４２が軸線Ａｃに対する径方向両側からつぶれるように弾性変形する。即ち、第一端面２０の剛性が低減され、応力を逃がすことができる。

さらに、上述の構成によれば、第三溝部４１、第四溝部４２が周方向の全域にわたって形成されていることから、周方向の全域にわたって均等に応力を逃がすことが可能となる。言い換えると、周方向における局所的な応力集中を回避することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、第三溝部４１、及び第四溝部４２がそれぞれ周方向の全域にわたって形成されている例について説明した。しかしながら、第三溝部４１、及び第四溝部４２の態様は上記に限定されず、例えば周方向に等間隔をあけて不連続に形成されている構成を採ることも可能である。

さらに、上記第三実施形態で説明した第三溝部４１、及び第四溝部４２を、上述の第一実施形態における第一溝部３３、第二溝部３５と組み合わせて適用することも可能である。同様に、第三溝部４１、及び第四溝部４２を、上述の第二実施形態における第一テーパ面３７、第二テーパ面３９、第一アール部３８及び第二アール部４０と組み合わせて適用することも可能である。いずれの構成であっても、第一ディスク部材１１と第二ディスク部材１２との接合部で生じる応力をさらに緩和するとともに、フレッティング疲労の可能性を低減することができる。

１…ロータ
２…ジャーナル軸受
３…スラスト軸受
４…インペラ
５…ケーシング
６…排気口
７…吸入口
８…ディスク
９…ブレード
１０…カバー
１１…第一ディスク部材
１２…第二ディスク部材
１３…第一ディスク外周面
１４…第一挿入穴
１５…凹部
１６…凹部底面
１７…凹部内周面
１８…挿入穴内周面
１９…嵌合部
２０…第一端面
２１…第二ディスク部材本体
２２…挿入部
２３…第二挿入穴
２４…第二端面
２５…主面
２６…背面
２７…挿入部内周面
２８…挿入部端面
２９…挿入部外周面
３０…第一隙間
３１…第二隙間
３２…第一角部
３３…第一溝部
３４…第二角部
３５…第二溝部
３６…カバー内周面
３７…第一テーパ面
３８…第一アール部
３９…第二テーパ面
４０…第二アール部
４１…第三溝部
４２…第四溝部
１００…遠心圧縮機
Ａｃ…軸線
Ｆｃ…ケーシング流路
Ｆｉ…インペラ流路

Claims (7)

1. 軸線を中心とする筒状をなす第一ディスク部材、及び前記軸線を中心とする筒状をなすとともに、前記第一ディスク部材の軸線方向一方側に設けられた第二ディスク部材を有するディスクと、
   前記第二ディスク部材に一体に設けられたブレードと、
   前記ブレードを外周側から覆うことで、前記第二ディスク部材との間に流路を形成するカバーと、
   を備え、
   前記第一ディスク部材には、前記軸線を中心として該軸線方向一方側から他方側に向かって凹む環状の凹部が形成され、
   前記第二ディスク部材は、前記軸線を中心とする円盤状の第二ディスク部材本体、及び前記軸線を中心として前記第二ディスク部材本体から前記軸線方向他方側に向かって突出し、前記凹部に挿入される挿入部を有し、
   前記挿入部における前記軸線方向他方側を向く挿入部端面には、該挿入部端面から前記軸線方向一方側に向かって凹む第三溝部が形成され、
   前記第一ディスク部材における前記軸線方向一方側を向く第一端面には、該第一端面から前記軸線方向他方側に向かって凹む第四溝部が形成されており、
   前記第三溝部、及び前記第四溝部は、前記軸線に対する周方向の全域にわたって形成されているインペラ。
2. 前記挿入部における前記軸線に対する径方向外側を向く挿入部外周面と前記第三溝部との間の距離は、前記挿入部における前記軸線に対する径方向内側を向く挿入部内周面と前記第三溝部との間の距離よりも小さく、
   前記凹部における前記軸線に対する径方向内側を向く凹部内周面と前記第四溝部との間の距離は、前記第一ディスク部材における前記軸線に対する径方向外側を向く第一ディスク外周面と前記第四溝部との間の距離よりも小さい請求項１に記載のインペラ。
3. 前記凹部における前記軸線方向一方側を向く凹部底面と前記軸線に対する径方向内側を向く凹部内周面との接続部には、前記挿入部端面と前記軸線に対する径方向外側を向く挿入部外周面とが形成する第一角部を外側から囲むとともに、前記凹部底面よりも前記軸線方向他方側に向かって後退し、かつ前記凹部内周面よりも前記軸線に対する径方向外側に向かって後退する第一溝部が形成され、
   前記挿入部外周面と前記第二ディスク部材本体における前記軸線方向他方側を向く第二端面との接続部には、前記凹部内周面と前記第一端面とが形成する第二角部を外側から囲むとともに、前記挿入部外周面よりも前記軸線に対する径方向内側に向かって後退し、かつ前記第二端面よりも前記軸線方向一方側に向かって後退する第二溝部が形成されている請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記第一溝部、及び前記第二溝部は、前記軸線に対する周方向の全域にわたって形成されている請求項３に記載のインペラ。
5. 前記挿入部端面と前記軸線に対する径方向外側を向く挿入部外周面との間には、前記軸線に交差する方向に広がる第一テーパ面が形成され、
   前記凹部における前記軸線方向一方側を向く凹部底面と前記軸線に対する径方向内側を向く凹部内周面との間には、前記凹部底面から前記凹部内周面に向かうに従って次第に湾曲する第一アール部が形成され、
   前記凹部内周面と前記第一端面との間には、前記軸線に交差する方向に広がる第二テーパ面が形成され、
   前記挿入部外周面と前記第二ディスク部材本体における前記軸線方向他方側を向く第二端面との間には、前記挿入部外周面から前記第二端面に向かうに従って次第に湾曲する第二アール部が形成されている請求項１又は２に記載のインペラ。
6. 前記第一テーパ面、前記第二テーパ面、前記第一アール部、及び前記第二アール部は、前記軸線に対する周方向の全域にわたって形成されている請求項５に記載のインペラ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のインペラと、
   前記インペラを外周側から覆うケーシングと、
   を備える回転機械。

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