JP6940486B2 - 高い剛性のターボ機械インペラ、前記インペラを含むターボ機械、および製造の方法 - Google Patents

Description

本開示は、概して、ターボ機械およびそのインペラに関する。本明細書に開示する実施形態は、いわゆるシュラウド付きインペラについて言及する。

ラジアル型または混合型のターボ機械は通常、ケーシング内で回転するように配置されたインペラを１つまたは複数含む。各インペラは、前部表面と、後部表面と、それらの間の側部表面と、を有するハブで構成される。インペラは、ハブの側部表面上のブレード根元からブレード先端に向かって延びている複数のブレードをさらに含む。

シュラウド付きインペラは、公知であり、ブレードは、ハブと、ハブを囲んでハブと共に回転する外側シュラウドとの間に配置される。ブレード先端は、シュラウドの内側表面に連結される。流れベーンは、このようにシュラウド、ハブ、および隣り合うブレードのペアの間に画定される。シュラウドは、インペラブレードの剛性を改善する。

インペラは、通常、シャフトに取り付けられて、ターボ機械の固定のケーシング内で回転するように配置されるターボ機械ロータを形成する。ターボ機械ロータは、共振周波数とも呼ばれる固有周波数を呈する。固有周波数がロータ速度などの強制周波数にあるかまたはその近くにあるとき、共振振動が発生する。回転する機械の危険速度は、回転する機械の固有周波数に一致する回転速度である。１次固有周波数が発生する最低速度は、１次危険速度と呼ばれる。回転速度が増加すると、さらなる危険速度が発生する。機械の振動の振幅は、固有周波数に達すると増加する。共振振動は、高サイクル疲労のせいで故障を引き起こす場合がある。

ターボ機械ロータを設計する際、クリティカルアスペクトのうちの１つは、動作速度がターボ機械ロータの固有速度未満にとどまるように、および／または、ロータが加速中または減速中に危険速度を安全に通過するように、危険速度に近づくときに振動振幅を減少させることによって、また、ロータの剛性を増加させること、したがって固有速度を増加させることによって、ターボ機械ロータのロータダイナミックを最適化することである。

このように、ターボ機械ロータの剛性を、そのロータダイナミック挙動を改善する目的で、改善することが望ましい。

米国特許第５１０５６１６号明細書

幾つかの態様によれば、本明細書に開示されているのは、ハブと、シュラウドと、ハブとシュラウドの間に配置される複数のブレードと、を含み、回転軸を有する、ターボ機械インペラである。ターボ機械インペラは、複数の流れベーンをさらに含み、各流れベーンは、ハブ、シュラウドおよび隣り合うブレードの間に画定される。各流れベーンは、２つの隣り合うブレードのそれぞれの第１の縁部相互間に位置する流れベーン入口と、２つの隣り合うブレードのそれぞれの第２の縁部相互間に位置する流れベーン出口と、を有する。入口表面は、第１の縁部相互間に画定され、出口表面は、第２の縁部相互間に画定される。入口表面および出口表面は、平面的な幾何学的な表面である場合がある。入口表面および出口表面は、それぞれの流れベーンを横切って前記２つの第１の縁部および第２の縁部の一方から他方にそれぞれまたがっている。入口表面に直交し且つ流れベーンの外方に面しているベクトルと、出口表面に直交し且つ流れベーンの外方に面しているベクトルと、がさらに画定される場合がある。各前記ベクトルは、インペラの回転軸に直交する外向きに配向されたベクトル成分を有する。

本明細書に開示されている主題は、回転軸を備えたターボ機械インペラにさらに関係し、ハブと、シュラウドと、ハブとシュラウドの間に配置される複数のブレードと、複数の流れベーンと、を含み、各流れベーンは、ハブ、シュラウドおよび隣り合うブレードの間に画定され、各流れベーンは、２つの隣り合うブレードのそれぞれの第１の縁部相互間に位置する流れベーン入口と、２つの隣り合うブレードのそれぞれの第２の縁部相互間に位置する流れベーン出口と、を有する。各流れベーンは、径方向内向きに流れベーン入口から径方向の最も内側の流れベーンセクションに向けて、また、径方向の最も内側の流れベーンセクションから径方向外向きに流れベーン出口まで延びる。

各流れベーンは、流れベーン入口の流体の流れが、径方向内向きに配向された流れ速度成分を有し、流れベーン出口の流体の流れが、径方向外向きに配向された流れ速度成分を有するように構成および配置される場合がある。

本開示に係るインペラの幾つかの実施形態の以下の説明から明らかになるであろうように、流れベーンの径方向の広がりは、より剛性のあるインペラの全体構造をもたらし、単一のインペラの、ならびに、複数の積み重ねたインペラで構成されるロータの、共振周波数にプラスの効果を及ぼす。

幾つかの実施形態によれば、ハブは、前部ディスク部分と、後部ディスク部分と、それらの間に延びる中間ハブ部分と、を含む。ブレードは、前部ディスク部分と後部ディスク部分との間に配置される。中間ハブ部分は、前部ディスク部分および後部ディスク部分の双方の径方向寸法より小さい最小の径方向寸法を有する。

シュラウドは、最小の径方向寸法の一部分を有する場合があり、その直径は、後部ディスク部分および前部ディスク部分の少なくとも一方の直径より小さくない。このように、シュラウドは、ハブユニットから別個に製造される場合があり、ハブユニットは、前部ディスク部分、後部ディスク部分、中間ハブ部分およびブレードで構成される。シュラウドは、ハブユニットの周りに取り付けられて、例えば、溶接、接着、半田付けによって、または任意の他の適切な手段によって、それに連結される場合がある。

幾つかの実施形態では、各ブレードは、流れベーンの入口から出口に延びる場合がある。他の実施形態では、ブレードは、インペラを横切る流れベーンより短い場合がある。各流れベーンは、異なったセットのブレードに属する連続して配置されたブレードによってその後に画定される場合がある。例えば、２セットの連続して配置されたブレードは、設けられる場合があり、第１のセットのブレードは、流れベーン入口から流れベーンの中間部分まで延び、第２のセットのブレードは、中間部分から流れベーン出口まで延びる。第１のセットのブレードおよび第２のセットのブレードは、同じ数のブレードまたは異なった数のブレードを含む場合がある。例えば、一方のセットは、他方のセットの２倍の数のブレードを含む場合がある。

本明細書に開示されている実施形態では、少なくとも第１のブレード縁部または第２のブレード縁部は、インペラの子午面上へのその突出が、回転軸に実質上平行であるように配向される。前記第１のブレード縁部および第２のブレード縁部の他方は、子午面上へのその突出が、回転軸と共に、約０度から約６０度の間、好ましくは約０度から約４５度の間、またはより好ましくは約０度から約３０度の間の角度を形成するように配向される場合がある。他の実施形態では、第１のブレード縁部および第２のブレード縁部の双方は、子午面上へのその突出が、インペラの回転軸と共に、約０度の角度、または、約０度から約６０度の間、好ましくは約０度から約４５度の間、およびより好ましくは約０度から約３０度の間、で構成される角度を形成するように配向される。

別の態様によれば、本明細書に開示されているのは、ターボ機械であり、ケーシングと、本明細書に開示されているような少なくとも第１のインペラと、を含む。幾つかの実施形態では、ターボ機械は、多段ターボ機械であり、複数の連続して配置されるインペラを含み、例えば、互いに積み重ねられて、こうして固定ターボ機械ケーシング内で回転するように配置されたロータが形成される。ディフューザおよび戻りチャネルは、各ペアの連続して配置される第１のインペラおよび第２のインペラ間に配置される場合があり、第２のインペラの流れベーン入口は、戻りチャネルの出口に面する。

さらに別の態様によれば、上記技術のターボ機械インペラを製造するための方法は、開示され、ハブ、ブレードおよびシュラウドは、単一の付加製造工程でモノリシックに製造される。

異なって実施形態では、上記技術のターボ機械インペラを製造する方法は、ハブおよび複数のブレードを単一の部片として製造するステップであって、各ブレードが、ハブにおいて、ブレード根元からブレード先端まで延びる、ステップと、シュラウドをブレードの周りに、ハブと実質上同軸に配置するステップと、シュラウドをブレード先端に連結するステップと、を含む場合がある。

特徴および実施形態については、以下に開示し、さらに、本明細書の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲に規定する。上の簡潔な説明は、本発明の様々な実施形態の特徴を規定しているが、それは、次に続く詳細な説明がより良く理解できることが目的であり、また、現在の当技術に対する貢献がより良く認識できることが目的である。勿論、以下に説明すると共に添付の特許請求の範囲に規定するであろう本発明には、他の特徴が存在する。この点では、本発明の幾つかの実施形態を説明する前に、理解されることは、本発明の様々な実施形態が、それらの用途において、以下の説明に規定されまたは図面に例証された構成の詳細および部品の配置に限定されないということである。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々なやり方で実施と実行が可能である。また、理解すべきことは、本明細書で採用した言葉使いおよび用語が、説明の目的のためであって限定とみなすべきではないということである。

そういうことで、当業者なら理解するであろうことは、本開示の依拠する概念が本発明のそれぞれの目的を達成するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用できるということである。したがって、重要なのは、特許請求の範囲が、そういった等価の構造を、本発明の精神および範囲からそれが逸脱しない限り、含んでいるとみなされることである。

開示される本発明の実施形態およびその付随的な利点の多くに関するより完全な理解は、添付の図面に関連して考察するときに以下の詳細な説明の参照によってより良く理解するようになるにつれて、容易に得られるであろう。

本開示に係るインペラの例示的な実施形態の側面図である。 図１のインペラの不等角投影図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による前面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線による断面図である。 図４に類似する別の断面図である。 本開示に係るインペラの修正した実施形態の部分断面図である。 本開示に係るインペラの別の例示的な実施形態の側面図である。 図６のインペラの不等角投影図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による前面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線による断面図である。 図９に類似する別の断面図である。 本開示に係るインペラの別の実施形態の側面図である。 図１１のインペラの不等角投影図である。 図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線による前面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線による断面図である。 図１４に類似する断面図である。 本開示に係るインペラの別の例示的な実施形態の組立て済みの側面図である。 図１６のインペラの不等角投影図である。 図１６のインペラの不等角投影図である。 互いに組み立てられて単一の回転する部品を形成している図１６〜１８に係る３つのインペラによって形成されるターボ機械ロータを示す図である。 本開示に係るインペラによって形成されるロータを含む遠心圧縮機の一部分を示す図である。 本開示に係るインペラを含む多段ロータを組み立てる異なったやり方の断面図である。

以下の例示的な実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なった図面の同じ参照番号は、同じまたは類似の要素を指す。追加的に、図面は、必ずしもスケール通りに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定される。

本明細書全体にわたって「一実施形態」もしくは「実施形態」または「幾つかの実施形態」を参照する意味は、実施形態に関連して説明する特定の機能、構造または特徴が、開示する主題の少なくとも１つの実施形態に含められるということである。こうして、本明細書全体にわたって様々な箇所に登場する成句「一実施形態では」もしくは「実施形態では」または「幾つかの実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を参照するものではない。さらに、特定の機能、構造または特徴は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせることができる。

本明細書の下で説明されるであろうように、新規のインペラの設計は、インペラの剛性、したがって、１つまたは複数のインペラを含むターボ機械ロータの剛性全体の改善を目指して提案される。剛性は、ブレードの前縁および後縁の双方をインペラの回転軸から或る距離に配置するなど、インペラブレードを径方向および軸方向に延ばすことによって改善される。インペラのハブは、前部端部と後部端部の双方において径方向に延長され、ブレードにさらに優れたサポートを提供する。インペラの、そして、ロータの全体構造は、さらに優れた剛性に作製され、こうして、そのロータダイナミックが改善される。

ここで図１〜５を参照すると、ラジアル型のターボ機械用のインペラ１は、回転軸Ａ−Ａを有するハブ３を一般的に含む。ハブ３は、前部端部３Ｆと、後部端部３Ｂと、前部端部３Ｆおよび後部端部３Ｂ間に延びる側部表面３Ｓと、を有する。ブレード５は、複数設けられて、個々が、ハブ３の側部表面３Ｓに位置するブレード根元から延びて、そこから突出する。

図１〜５の実施形態では、各ブレード５は、第１のブレード縁部７および第２のブレード縁部９で構成されている。各ブレード５は、第１のブレード縁部７および第２のブレード縁部９間に延びている対向する圧力側および吸引側を有する。隣接する、すなわち、連続したまたは隣り合ったブレード５の各ペアの間には、流れベーン１１が画定される。各流れベーン１１は、ハブ３の側部表面３Ｓの一部分とシュラウド１３の内側表面の一部分とによってさらに限界決めされ、ハブ３に同軸に配置され且つブレード５によってそれに連結され、各ブレードは、ハブ３の側部表面３Ｓに位置するそれぞれのブレード根元から、シュラウド１３に位置するそれぞれのブレード先端まで、延びている。

動作中、インペラを通って処理される作動流体は、流れベーン１１を通って流れベーン入口から流れベーン出口まで流れる。インペラ１が、遠心機械インペラ、例えば、遠心ポンプインペラまたは遠心圧縮機インペラである場合、第１のブレード縁部７は、ブレードの前縁であり、第２のブレード縁部９は、ブレードの後縁である。インペラ１を通って処理される流体は、各流れベーン１１に沿って、隣り合うブレード５の第１のすなわち前縁７間に位置する流れベーン入口から、前記隣り合うブレード５の第２のすなわち後縁９間に位置する流れベーン出口まで、流れる。

求心機械では、流体の流れは、第２の縁部９から第１の縁部７に逆転する。第２の縁部９は、このケースでは前縁であり、第１の縁部７は、ブレード５の後縁である。各流れベーン１１は、第２の前縁９の間に画定される流れベーン入口と、第１の後縁７の間に画定された流れベーン出口とを有する。

ここで図１〜５の例示的な実施形態に転じると、各ブレード５は、前縁７の位置する流れベーン入口から、後縁９の配置される流れベーン出口まで、延びる。しかしながら、別の例示的な実施形態に関して後で説明されるであろうように、インペラ１は、複数のブレードのセット、例えば、一方が流れベーン入口からインペラの中間セクションまで、他方がインペラの中間セクションから流れベーン出口まで延びる、２セットのブレードを具備する場合がある。

図４および５に最も良く示されているように、幾つかの実施形態によれば、ハブ３は、前部ディスク部分３Ｘおよび後部ディスク部分３Ｙ、ならびに、前部ディスク部分３Ｘおよび後部ディスク部分３Ｙ間に位置する中間ハブ部分を有する。ブレード５は、前部ディスク部分３Ｘおよび後部ディスク部分３Ｙ間に配置される。中間ハブ部分は、最小の径方向寸法Ｒｍｉｎを有する。流れベーン１１は、このようにインペラ１の回転軸Ａ−Ａから変えられる径方向寸法を有する。各流れベーン１１の最小の径方向距離は、中間ハブ部分に位置する。最小の径方向距離から始めて、各流れベーンは、流れベーン１１を限界決めするそれぞれのブレード５の第１の縁部７および第２の縁部９に向けて径方向外向きに延びる。

前部ディスク部分３Ｘおよび後部ディスク部分３Ｙの双方は、ハブ３の最小の径方向寸法Ｒｍｉｎより大きい径方向寸法を有する。図１〜５の例示的な実施形態では、後部ディスク部分３Ｙは、前部ディスク部分３Ｘの径方向寸法ＲＭＥＤより大きい径方向寸法ＲＭＡＸを有する。

したがって、各流れベーン１１は、径方向内向きに前縁７での流れベーン入口から、ハブ３の最小の径方向寸法Ｒｍｉｎの部分に位置する径方向の最も内側の流れベーンセクションに向けて、また、径方向の最も内側の流れベーンセクションから、後縁９での流れベーン出口まで、延びる。

径方向寸法ＲＭＥＤは、インペラ入口（特に図４参照）でのシュラウド１３の径方向寸法に実質上等しい場合がある。このように第１のブレード縁部７は、ハブ３に同軸、すなわち、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに同軸の実質上円筒状の表面上に横たわる場合がある。第１のブレード縁部７は、回転軸Ａ−Ａに実質上平行に延びる場合があり、そうでなければ、子午面上へのそれらの突出は、回転軸Ａ−Ａに平行になるであろうし、子午面とは、回転軸Ａ−Ａを包含する平面である。

同様に、第２のブレード縁部９すなわち後縁９は、ハブ３に、すなわち、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに同軸の実質上円筒状の表面上に配置される場合がある。第２のブレード縁部９は、回転軸Ａ−Ａに実質上平行に延びる場合があり、そうでなければ、子午面上へのそれらの突出は、図４および５に示されているように、回転軸Ａ−Ａに実質上平行になる場合がある。

本明細書に示されている例示的な実施形態では、第１のブレード縁部７および第２のブレード縁部９は、直線状である。しかしながら、このことは、必須ではない。第１のブレード縁部７もしくは第２のブレード縁部９のいずれか、または、第１のブレード縁部７および第２のブレード縁部９の双方は、湾曲した形状を有する場合がある。このケースでは、子午面上への第１または第２のブレード縁部の突出は、直線ではないであろう。ブレード縁部の突出の回転軸Ａ−Ａについての上記配向は、このケースでは、子午面上へのブレード縁部の湾曲した突出の終点相互を接続する直線であると呼ばれる場合があり、終点は、ブレードの根元と先端のそれぞれの縁部の点に対応する。

各流れベーン入口において、入口表面が画定される場合がある。図１〜５に示されている例示的な実施形態では、各流れベーン入口が、ブレード５の隣り合う第１の縁部７のそれぞれのペアによって画定されるので、各入口表面は、隣り合う第１の縁部７の前記ペア相互間をまたがる幾何学的な表面である。第１の縁部７が直線状である場合、入口表面は、平面である。図２では、Ｖｉは、入口表面に直交し且つ流れベーン１１の外向きに配向された幾何ベクトルを指す。この実施形態では、ベクトルＶｉは、径方向に配向され、すなわち、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交し且つ径方向外向きに配向された径方向の成分だけを有する。ベクトルＶｉは、入口表面ベクトルと呼ばれるであろう。

同様に、流れベーン１１の対向する端部において、出口表面は、それぞれの流れベーン出口を画定する２つの隣り合う第２の縁部９間をまたがる幾何学的な表面として画定される場合がある。第２の縁部９が直線状である場合、出口表面は、平面である場合がある。出口表面に直行し且つ流れベーン１１に対して外向きに配向されたベクトルは、画定される場合がある。そういったベクトルは、図２に概略示され、Ｖｏと名付けられている。ベクトルＶｏは、径方向に配向され、すなわち、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交し且つ径方向外向きに配向された径方向の成分だけを有する。ベクトルＶｏは、出口表面ベクトルと呼ばれるであろう。

第１の縁部７および／または第２の縁部９が直線状でない場合、入口表面および／または出口表面は、平面というよりむしろ湾曲している。そういった湾曲している入口表面または出口表面の各点では、接平面が画定される場合がある。流れベーン１１の外向きに配向され且つ接平面に直交する幾何ベクトルは、湾曲している入口表面または出口表面の各点のために画定される場合がある。入口表面ベクトルＶｉおよび出口表面ベクトルＶｏは、このケースでは、それぞれ入口表面と出口表面の中間点に接する平面に直交する外向きに配向されたベクトル（すなわち、それぞれの流れベーン１１に対して外向きに配向されたベクトル）である。これらの入口表面ベクトルおよび出口表面ベクトルは、再言するに、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交する外向きに配向された径方向ベクトル成分を有する。

図４および５の断面図から理解できるように、本開示に係るインペラ１では、ハブ３は、その前部ディスク部分３Ｘおよび後部ディスク部分３Ｙの双方において径方向に延びて、より強い支持をブレード５に提供する。より剛性のあるインペラ１の構造は、こうして得られる。現行技術の遠心圧縮機とは異なって、前縁７は、ハブ３の最小の径方向寸法の位置に対して径方向外向きにずれている位置に配置される。ブレード５は、このように最小の径方向ハブ寸法からインペラ入口に向けて延びているインペラ部分に沿って延びる。ブレード根元は、ハブ３の最小の径方向寸法（Ｒｍｉｎ）のセクションから前部ディスク部分３Ｘに沿って径方向外向きに延びる。

図１〜５の例示的な実施形態では、ブレード５は、インペラ入口に向けて径方向に延びて、したがって、第１の縁部７は、ハブ３と同軸の円筒状の表面上に位置する。

複数のインペラ１が、ロータを形成するために組み立てられると、ロータ構造の剛性の改善のおかげで、より優れたロータダイナミックが得られる。計算が示したことは、第１および第２の固有周波数の約１４０〜１５０％の増加が、現行のロータの固有周波数に関して、達成される場合があるということである。約１７０〜１８０％の高めの増加ですら、現行技術のインペラに対する第３の固有周波数として得られる場合がある。

他の実施形態によれば、ハブ３の前部ディスク部分３Ｘの径方向寸法と、前部ディスク部分３Ｘに沿ったブレード５の広がりとは、図１〜５に示すものより小さい場合があり、第１の縁部７は、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに同軸な円筒状の表面上に上に横たわるようになる。例えば、図５Ａは、本開示に係るインペラ１の修正した実施形態を例証しており、同じ参照番号は、図１〜５に関連して既に開示されているものと同じかまたは等価な部分および部品を指す。図５Ａのインペラ１のハブ３の前部ディスク部分３Ｘは、シュラウド１３の最小の内側径方向寸法ＲＳより大きくない径方向寸法ＲＭＥＤを有する。

この実施形態では、第１のブレード縁部７または子午面上のそれらの突出は、軸方向に関して、すなわち、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに関して傾斜する。第１のブレード縁部７は、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに同軸の円錐表面上に横たわる。軸方向に関する子午面上へのブレード縁部７の突出によって形成される角度は、図５Ａでは表示αで示されている。角度αは、第１のブレード縁部７がその上に位置する円錐表面の頂点での角度の半分に対応する。幾つかの実施形態では、角度αは、０度より大きく、約６０度より小さく、例えば、約０度から約５０度の間、好ましくは、約０度から約４５度の間、またはより好ましくは、約０度から約３０度の間である場合がある。図５Ａの実施形態では、角度αは、約３０度である。

インペラの固有周波数や複数のそういった一方を他方に積み重ねたインペラによって形成されるロータの固有周波数についての、より小さい効果の改善がこのケースでは予期される場合があるけれども、追ってより詳細に説明されるであろうように、より簡単な製造が得られる場合がある。

図５Ａに示されているように、この例示的な実施形態では、外向きに配向された入口表面ベクトルＶｉは、第１の径方向成分Ｖｉ１および第２の軸方向成分Ｖｉ２を有する。径方向成分Ｖｉ１は、流れベーン１１に対して外向きに配向され、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交する。出口表面ベクトルＶｏは、この実施形態では径方向成分だけを有する。

他の実施形態では、第２のブレード縁部９は、第１のブレード縁部７と同様に、円錐表面上に位置する場合があり、インペラ１の回転軸Ａ−Ａと共に角度を形成し、それは、角度αに関連して上で説明したのと同じ大きさである場合がある。このケースでは、出口表面ベクトルＶｏは、径方向の外向きに配向されたベクトル成分と、軸方向成分と、を有するであろう。

また、図５Ａの実施形態では、図１〜５の実施形態と同様に、現行技術のインペラとは異なって、インペラ１は、ハブ３の前部ディスク部分３Ｘと後部ディスク部分３Ｙとの間の中間位置のハブ３の最小の径方向寸法Ｒｍｉｎより大きい径方向寸法ＲＭＥＤを有する前部ディスク部分３Ｘを有する。そのうえ、第１のブレード縁部７は、ハブ３の前部ディスク部分３Ｘとシュラウド１３との間に、回転軸Ａ−Ａから或る径方向距離に位置し、したがって、各流れベーン１１の第１の部分は、関連のある第１のブレード縁部７から回転軸Ａ−Ａに向けて径方向内向きに延びる。第２のブレード縁部９は、現行技術のインペラに類似のやり方で、シュラウド１３とハブ３の後部ディスク部分３Ｙとの間に配置され、したがって、各流れベーン１１の径方向に延びる第２の部分は、ハブ３の最小の径方向寸法の中間位置から第２の縁部９の間に設けられる。

このように、各流れベーン１１は、その入口ならびに出口の双方において、対向する端部部分を有し、それらは、径方向に回転軸Ａ−Ａからそれぞれ第１のブレード縁部７と第２のブレード縁部９に向けて延びている。

遠心インペラのケースでは、流体は、各流れベーン１１を通って、第１のブレード縁部７におけるその入口から、第２のブレード縁部９における出口に向けて流れて、径方向内向きに方向付けた速度成分を有する流れ方向で流れベーン１１に入ると共に流れベーン１１から径方向に出て行く。

他の実施形態によれば、後縁９は、いわゆる混合型のラジアル−アキシャル圧縮機において公知であるように、回転軸Ａ−Ａによって画定される軸方向にわたって傾斜している場合がある。

求心エキスパンダまたは求心タービンなどの求心機械のケースでは、流体の流れは、逆にされて、第２のブレード縁部９（このケースでは前縁）で流れベーン１１に入り、第１のブレード縁部７（このケースでは後縁）で流れベーン１１から出る。流体は、こうして流れベーン１１の最下流部分に、径方向の外向きに配向された速度成分を有する速度で流れる。各流れベーン１１の入口表面は、このケースでは、対応する隣り合う第２のブレード縁部９間に画定され、入口表面ベクトルは、ベクトルＶｏであり、その一方、出口表面は、それぞれの第１の縁部７相互間に画定され、出口表面ベクトルは、ベクトルＶｉである。

図１〜５Ａの実施形態では、インペラ１は、インペラ１を横切る流れ経路全体に沿って第１の縁部７から第２の縁部９まで延びる単一のセットのブレードを具備する。中間ブレード（図示せず）が設けられる場合があり、その一部分は、流れベーン１１の幾つかまたは全ての中に延びる。

他の実施形態では、様々のセットのブレードが設けられる場合があり、個々が、インペラ１を横切る流れ経路の一部分だけについて延びている。図６〜１０は、遠心または求心ターボ機械用のインペラ１を例証しており、第１のセットのブレード５Ａおよび第２のセットのブレード５Ｂは、ハブ３の側部表面３Ｓとシュラウド１３との間に配置される。図６〜１０の例示的な実施形態では、第１のセットのブレード５Ａおよび第２のセットのブレード５Ｂは、同じ数のブレードを含む。

前部ディスク部分３Ｘの直径ＲＭＥＤは、シュラウド１３の最小の内側直径より小さいが、ハブ３の最小の直径Ｒｍｉｎより大きい。他の実施形態では、直径ＲＭＥＤは、図１〜５に例証されているように、シュラウド１３の最小の内側直径より大きい場合がある。

第１のセットのブレードの各ブレード５Ａは、それぞれの流れベーン１１の入口（遠心ターボ機械のケース）の第１の縁部７から、流れベーン１１に沿った中間位置に位置する中間の第２の縁部９Ａまで延びる。同様に、第２のセットのブレードの各ブレード５Ｂは、流れベーン１１に沿った中間位置の中間の縁部７Ａから、流れベーン１１の出口の第２の縁部９まで延びる。

図１〜５Ａの実施形態と同様に、各流れベーン１１は、インペラ１の入口と出口とに端部部分を有し、流体の流れは、径方向の速度成分を有する。求心ターボ機械のケースでは、各流れベーン１１の入口は、ブレード５Ａのそれぞれの第１の縁部７に位置し、流れベーン１１は、隣り合うブレード５Ａ間に画定される第１の部分を有し、作動流体の流れは、求心速度成分を有する。ブレード５Ｂの第２の縁部９に位置する出口において、流れベーン１１は、隣り合うブレード５Ｂ間に画定される最終の部分を有し、作動流体の流れは、遠心速度成分を有する。

逆に、求心ターボ機械のケースでは、流れベーン１１の入口は、ブレード５Ｂの第２の縁部９に位置し、流れベーン１１は、ブレード５Ｂによって画定される第１の部分を有し、作動流体の流れは、求心速度成分を有する。ブレード５Ａの第１の縁部７に位置する出口において、流れベーン１１は、ブレード５Ａによって画定される最終の部分を有し、作動流体の流れは、遠心速度成分を有する。

図６〜１０の実施形態では、入口表面および出口表面ならびに関連のある入口表面ベクトルＶｉおよびそれに直交する出口表面ベクトルＶｏは、上の図２に関連して説明したのと全く同じやり方で識別される場合がある。より具体的には、図６および７を参照すると、２つの隣り合う第１の縁部７間をまたがる平面的な入口表面が画定される場合がある。入口表面に直交し且つ流れベーン１１に対して外向きに配向される幾何学的な入口表面ベクトルＶｉは、各流れベーン入口のために識別される場合もある。図６〜１０の実施形態では、第１の縁部７は、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに同軸の円錐表面上に位置するので、入口表面ベクトルＶｉは、径方向成分Ｖｉ１および軸方向成分Ｖｉ２を有する。径方向成分Ｖｉ１は、流れベーン１１の径方向外向きに配向され、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交する。

同様に、依然として図６および７を参照すると、流れベーン１１の対向する端部において、出口表面は、それぞれの流れベーン出口を画定する２つの隣り合う第２の縁部９間をまたがる幾何学的な表面として画定される場合がある。第２の縁部９が直線状である場合、出口表面は、平面である場合がある。出口表面に直交し且つ流れベーン１１に対して外向きに配向された出口表面ベクトルＶｏが画定される場合があり、この実施形態では、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交する径方向の外向きに配向された成分だけを有する。

既に先に言及したように、入口表面および／または出口表面が平面でない場合、入口表面ベクトルおよび出口表面ベクトルは、その中心点において、それぞれ入口平面および出口平面に接する平面に対して画定される場合がある。

図１１〜１５は、本開示に係るインペラ１の第１の実施形態を例証している。同じ参照番号は、図１〜１０に既に開示されているように、同じかまたは等価な部品および部分を指す。この実施形態では、前部ディスク部分３Ｘの径方向寸法ＲＭＥＤは、その前部端部におけるシュラウド１３の外側の径方向寸法と同じであり、ブレード縁部７は、円筒状の表面上に位置する。他の実施形態（図示せず）によれば、半径ＲＭＥＤは、より小さい場合があり、ブレード縁部７は、図５Ａおよび６〜１０に示されているように、円錐表面上に位置する場合がある。

図６〜１０の実施形態と同様に、図１１〜１５のインペラ１は、２セットのブレード５Ａ、５Ｂを有する。しかしながら、先に説明した実施形態とは異なって、２セットのブレードは、異なった数のブレードを有する。より具体的には、図１１〜１５のインペラでは、第１のセットのブレード５Ａは、第２のセットのブレード５Ｂより少ない数のブレードを有する。

また、図１１〜１５の実施形態では、入口表面および出口表面は、各流れベーン入口および出口においてそれぞれ識別される場合があり、入口表面および出口表面は、入口表面ベクトルとそれに直交する出口表面ベクトルとをそれぞれ有し、図１〜１０に関連して説明されているベクトルＶｉおよびＶｏと全く同じやり方で流れベーン１１に関して外方に面している。これらのベクトルは、個々がベクトル成分を有し、それは、径方向に配向され、すなわち、インペラ１の回転軸Ａ−Ａに直交し、また、流れベーン１１に対して外向きに配向されている。

ターボ機械は、単一のインペラ１を含む場合がある。しかしながら、上で説明したインペラ構造は、ロータを形成するために複数のインペラ１が組み立てられる多段ターボ機械において使用される場合に特に有利である。

幾つかの実施形態によれば、インペラ１は、回転シャフトにキー結合されてそれによって回転を支持される場合がある。

他の実施形態では、インペラは、積み重ねを形成するために互いに直接結合される場合がある。幾つかの実施形態では、シャフトは、設けられず、インペラは、それ自体が軸方向支持構造を形成する。

インペラは、互いに積み重ねられて、例えば、半田付け、溶接、またはろう付けによって捩れて結合される場合がある。他の実施形態では、インペラは、ハースカップリングを用いるなどの機械式カップリングによって捩れて結合される場合がある。

各インペラ１は、例えば、付加製造方法を用いて製造される場合がある。このように、ハブ３、ブレード５、５Ａ、５Ｂおよびシュラウド１３は、金属粉末の連続層を堆積することによってモノリシック部品として製造される場合がある。各金属粉末層は、インペラの対応断面に対応するパターンに従って、電子ビーム源またはレーザビーム源などのエネルギ源を用いて溶かされる。部分的に溶けている金属粉末の連続層は、単一のモノリシックな最終インペラに凝固する。

他の実施形態によれば、インペラ１の製造は、フライス加工または他の機械加工工程によって可能である。

幾つかの実施形態では、一方側のハブ３およびブレード５、５Ａ、５Ｂと他方側のシュラウド１３とは、別個に製造されて、その後に組み立てられる場合がある。シュラウド１３は、このケースでは、ハブ３およびブレード５、５Ａ、５Ｂで構成されるユニットに同軸に取り付けられなければならない。これは、図５Ａ、６〜１０に一例として例証されているように、ハブ３の前部ディスク部分３Ｘが、シュラウド１３の最小の内側直径寸法より小さい直径寸法を有することを必要とする。シュラウド１３は、その後に、例えば、半田付けまたは溶接によって、ブレード先端に沿ってブレード５に接続される。シュラウド１３と、ハブおよびブレードユニット３、５、５Ａ、５Ｂとは、任意の適切な工程を用いて、例えば、付加製造によって、またはフライス加工もしくは任意の他の原料除去方法によって、個々が製造される場合がある。

図１６〜１８は、本開示に係るインペラ１の第１の実施形態を例証している。インペラ１は、２つのインペラセクション１Ａ、１Ｂによって形成される。図１６〜１８では、２つのインペラセクション１Ａ、１Ｂが、分解された状態で示されている。インペラセクション１Ａ、１Ｂは、例えば、溶接、半田付けもしくはろう付けまたは任意の他の適切なやり方で組み立てられる場合がある。幾つかの実施形態では、複数のインペラ１のインペラセクション１Ａ、１Ｂは、積み重ねられて、中心シャフトおよび前方噛み合い、例えば、積み重ねたインペラセクション１Ａ、１Ｂ間の相互接触の表面に設けられるハースカップリングを用いて、捩って軸方向に互いに結合される。

一度組み立てられると、２つのインペラセクション１Ａ、１Ｂによって形成されるインペラ１は、図１１〜１５のインペラ１と実質上同じであり、また、前部ディスク部分３Ｘおよび後部ディスク部分３Ｙを備えたハブ３で構成される。ブレード５Ａ、５Ｂは、２セット設けられる。セットのブレード５Ａは、第１のインペラセクション１Ａ上に形成され、その一方、セットのブレード５Ｂは、第２のインペラセクション１Ｂ上に形成される。図１６〜１８に例証されている実施形態では、第１のセットのブレード５Ａは、第２のセットのブレード５Ｂのブレードの数の半分を含む。他の実施形態では、同じ数のブレードは、２セットのブレード５Ａ、５Ｂに設けられる場合がある。

図１７では、入口表面ベクトルＶｉおよび出口表面ベクトルＶｏは、回転軸Ａ−Ａに直交する径方向を有し且つ流れベーン１１の外方に面するように示されている。

図１９は、互いに連結され且つ回転軸Ａ−Ａに同軸である１セットの３つのインペラによって形成されるロータ３１の例示的な実施形態を例証している。各インペラ１は、図１１〜１８のインペラとして構成される。理解することになるのは、図１〜１０の実施形態に係るインペラ１が、ロータ３１を全く同じやり方で形成するために組み立てられる場合があるということである。

隣り合うインペラ１は、一方のインペラの後部ディスク部分３Ｙと、他方のインペラの前部ディスク部分３Ｘと、を相互に対面させることによって、境界面で結合される。隣り合うインペラの境界面でのロータの大型断面は、ロータ３１を現行技術のロータよりも高剛性にする。

ロータ３１は、図２０に概略示すように、ターボ機械４１の固定ケーシング４３内で回転するように取り付けられる場合がある。固定ケーシング４３は、ターボ機械４１の固定部品を形成しているダイアフラム４５を含む。ディフューザ４７および戻りチャネル４９は、ターボ機械４１のダイアフラム４５によって形成される。ディフューザおよび戻りチャネル、ならびに、ターボ機械４１の入口マニホールドおよび出口マニホールド、ならびに、それらの他の部品は、現行技術の機械におけるのと全く同じやり方で設計される場合がある。戻りチャネル４９は、その中に配置された固定戻りチャネルブレードを具備する。図２０に示すように、各戻りチャネルブレードは、前縁４９Ｌおよび後縁４９Ｔを有する。戻りチャネルブレードの後縁４９Ｔは、それに続くインペラ１の第１のブレード縁部７に面し、したがって、戻りチャネル４９の下流に配置されたインペラ１の流れベーン入口は、戻りチャネルブレードの後縁４９Ｔに面している。

上で説明した実施形態では、ロータ３１の各インペラ１が、単一の要素によってかまたは互いに組み立てられた２つ以上の要素によってかのいずれかで形成されるが、他の実施形態では、ロータ３１は、ロータセクションで構成される場合があり、その個々は、一部が第１のインペラに、一部が第２のインペラに帰属する場合があり、第１および第２のインペラは、ロータによって処理される流体の流れの方向に交互に配置される。図２１は、この種の構成を例証し、ロータセクションは、互いから分離されて、すなわち、ロータ３１を組み立てる前に示されている。

図２１の例示的な実施形態では、３つのインペラ１を含むロータ３１が例証されている。しかしながら、異なった数のインペラ１が設けられ得るということを理解されたい。ロータ３１は、５１、５３、５５、５７とラベル付けされた４つのロータセクションによって形成される。２つの中間ロータセクション５３、５５は、互いに実質上同様である。

第１のロータセクション５１は、図１６〜１８のインペラセクション１Ａとして実質上構成される。最後のロータセクション５７は、図１６〜１８のインペラセクション１Ｂとして実質上構成される。２つの中間セクション５３、５５の各１つは、インペラセクション１Ｂおよびインペラセクション１Ａによってそれぞれ形成される。ロータセクション５１、５３、５５、５７は、互いに結合され、こうしてロータ３１が形成される。結合は、例えば、溶接することによって得られる場合がある。他の実施形態では、ロータセクション５１、５３、５５、５７は、互いに積み重ねられて、図示しない中心シャフトを用いて軸方向に固定される場合がある。ロータセクション間の捩れ連結は、ハースカップリングのハース噛み合いなどの前方噛み合いによって得られる場合がある。

本明細書で説明する主題の開示する実施形態は、図面に示して、幾つかの例示的な実施形態に関連して精密かつ詳細に、十分に上述してきたが、当業者に明らかであろうことは、本明細書に記載した新規な教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載した主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略をすることができるということである。そういうことで、開示した技術革新の適切な範囲は、そういった修正、変更、および省略の全てを網羅するように、添付の特許請求の範囲を最広義に解釈することによってのみ決定されるべきである。加えて、任意の工程または方法のステップの順序すなわちシーケンスは、代替的な実施形態に応じて変更または再順序決めしてもよい。

１ ターボ機械インペラ
１Ａ インペラセクション
１Ｂ インペラセクション
３ ハブ
３Ｂ 後部端部
３Ｆ 前部端部
３Ｓ 側部表面
３Ｘ 前部ディスク部分
３Ｙ 後部ディスク部分
５ ブレード
５Ａ ブレード
５Ｂ ブレード
７ 前縁
７Ａ 縁部
９ 後縁
９Ａ 縁部
１１ 流れベーン
１３ シュラウド
３１ ロータ
４１ ターボ機械
４３ 固定ケーシング
４５ ダイアフラム
４７ ディフューザ
４９ 戻りチャネル
４９Ｌ 前縁
４９Ｔ 後縁
５１ ロータセクション
５３ ロータセクション
５５ ロータセクション
５７ ロータセクション

Claims (16)

1. 回転軸（Ａ−Ａ）を備えたターボ機械インペラ（１）であって、
   ハブ（３）と、
   シュラウド（１３）と、
   前記ハブ（３）と前記シュラウド（１３）との間に配置される複数のブレード（５、５Ａ、５Ｂ）と、
   複数の流れベーン（１１）であって、各々の前記流れベーンが前記ハブ（３）、前記シュラウド（１３）、および隣り合う前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）の間に画定される、複数の流れベーン（１１）と、を含み、
   各々の前記流れベーン（１１）は、２つの隣り合う前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）のそれぞれの第１のブレード縁部（７）の間に位置する流れベーン入口と、２つの隣り合う前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）のそれぞれの第２のブレード縁部（９）の間に位置する流れベーン出口と、を有し、
   入口表面は、前記第１のブレード縁部（７）の間に画定され、出口表面は、前記第２のブレード縁部（９）の間に画定され、
   前記入口表面に直交し且つ前記流れベーン（１１）に対して外向きに配向された入口表面ベクトル（Ｖｉ）は、前記回転軸（Ａ−Ａ）に直交する外向きに配向されたベクトル成分（Ｖｉ、Ｖｉ１）を有し、
   前記出口表面に直交し且つ前記流れベーン（１１）に対して外向きに配向された出口表面ベクトル（Ｖｏ）は、前記回転軸（Ａ−Ａ）に直交する外向きに配向されたベクトル成分（Ｖｏ、Ｖｏ１）を有し、
   前記ハブ（３）は、前部ディスク部分（３Ｘ）と、後部ディスク部分（３Ｙ）と、それらの間に延びる中間ハブ部分と、を含み、
   前記中間ハブ部分は、前記前部ディスク部分（３Ｘ）のおよび前記後部ディスク部分（３Ｙ）の径方向寸法より小さい最小の径方向寸法（Ｒｍｉｎ）を有し、
   前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）は、前記前部ディスク部分（３Ｘ）と前記後部ディスク部分（３Ｙ）との間に配置される、ターボ機械インペラ（１）。
2. 各々の前記流れベーン（１１）は、前記流れベーン入口の流体の流れが、径方向内向きに配向された流れ速度成分を有し、前記流れベーン出口の流体の流れが、径方向外向きに配向された流れ速度成分を有するように構成および配置される、請求項１記載のターボ機械インペラ（１）。
3. 各々の前記流れベーン（１１）は、前記前部ディスク部分（３Ｘ）から前記シュラウド（１３）の間の前記中間ハブ部分を越えて延びる、請求項１または２記載のターボ機械インペラ（１）。
4. 各々の前記流れベーン（１１）は、前記後部ディスク部分（３Ｙ）から前記シュラウド（１３）の間の前記中間ハブ部分を越えて延びる、請求項１から３のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）。
5. 前記シュラウド（１３）は、最小の径方向寸法（ＲＳ）の部分を有し、前記後部ディスク部分（３Ｙ）および前記前部ディスク部分（３Ｘ）の少なくとも一方の径方向寸法（ＲＭＥＤ）は、前記シュラウド（１３）の前記最小の径方向寸法（ＲＳ）より大きくない、請求項１から４のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）。
6. 前記流れベーン入口の前記第１のブレード縁部（７）は、前記ターボ機械インペラの子午面上へのその突出が、前記回転軸（Ａ−Ａ）の方向と０度から６０度の間の角度を形成するように配向され、前記流れベーン出口の前記第２のブレード縁部（９）は、子午面上へのその突出が、前記回転軸（Ａ−Ａ）の方向と０度から６０度の間の角度を形成するように配向される、請求項１から５のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）。
7. 前記ブレード（５）は、前記流れベーン入口から前記流れベーン出口まで延びる、請求項１から６のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）。
8. 第１のセットの前記ブレード（５Ａ）は、個々が前記流れベーン入口のそれぞれの第１の縁部（７）から、前記流れベーン（１１）に沿って、中間位置に位置するそれぞれの中間の第２の縁部（９Ａ）まで延び、
   第２のセットの前記ブレード（５Ｂ）は、個々がそれぞれの中間の第１の縁部（７Ａ）から、前記流れベーンに沿って、前記流れベーン出口の第２の縁部（９）まで延びる、請求項１から６のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）。
9. 捩って軸方向に互いに結合される第１のインペラセクション（１Ａ）および第２のインペラセクション（１Ｂ）で構成され、前記第１のインペラセクション（１Ａ）および前記第２のインペラセクション（１Ｂ）の一方が前記流れベーン入口を含み、前記第１のインペラセクション（１Ａ）および前記第２のインペラセクション（１Ｂ）の他方が前記流れベーン出口を含む、請求項１から６および８のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）。
10. ケーシング（４３）と、前記ケーシング（４３）内で回転するように支持された請求項１から９のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）である第１のインペラ（１）と、を含む、ターボ機械（４１）。
11. ケーシング（４３）と、前記ケーシング（４３）内で回転するように支持された第１のインペラと、前記ケーシング（４３）内で回転するように支持され且つ前記第１のインペラ（１）と直列に配置された第２のインペラとを含み、前記第１のインペラと前記第２のインペラが請求項１から９のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）である、ターボ機械（４１）。
12. ディフューザ（４７）および戻りチャネル（４９）は、前記第１のインペラ（１）と前記第２のインペラ（１）との間に配置され、前記戻りチャネル（４９）は、固定戻りチャネルブレードを具備し、前記固定戻りチャネルブレードの個々が前縁（４９Ｌ）および後縁（４９Ｔ）を有し、前記第２のインペラ（１）の前記流れベーン入口は、前記戻りチャネルブレードの前記後縁（４９Ｔ）に面している、請求項１１記載のターボ機械（４１）。
13. 前記第１のインペラおよび前記第２のインペラは、連続して配置されたインペラセクション（５１、５３、５５、５７）によって形成され、前記インペラセクションのうちの少なくとも１つは、前記第１のインペラの部分と、前記第２のインペラの部分と、を形成する、請求項１１または１２記載のターボ機械（４１）。
14. 前記ハブ（３）、前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）および前記シュラウド（１３）は、付加製造工程でモノリシックに製造される、請求項１から９のいずれか１項記載のターボ機械インペラ（１）を製造するための方法。
15. ハブ（３）および複数のブレード（５、５Ａ、５Ｂ）を単一の部片として製造するステップであって、各々の前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）が、前記ハブ（３）において、ブレード根元からブレード先端まで延びる、ステップと、
    別個に製造されたシュラウド（１３）を前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）の周りに、前記ハブ（３）と実質上同軸に配置するステップと、
    前記シュラウド（１３）を前記ブレード先端に連結するステップと
    を含む、請求項１から９のいずれか１項記載のターボ機械インペラを製造する方法。
16. 前記ハブ（３）および前記ブレード（５、５Ａ、５Ｂ）は、単一の部片からの材料フライス加工によって製造される、請求項１５記載の方法。

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