JPH06504351A - 遠心羽根車用任意ハブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 遠心羽根車用任意ハブ 発　明　の　背　景 本発明は、一般的にいえば、遠心羽根車に関し、さらに具体的にいえば、遠心羽 根車用任意ハブ設計に関する。

従来の遠心羽根車においては、回転軸に垂直な同じ平面内にあるハブ上の各点が 回転軸からほぼ同じ距離にある。この構成は、共心もしくは非任意のハブ設計も しくはハブ輪郭といわれている。

非任意のハブ設計は、流体の圧縮率、羽根車の羽根の間の通路を横切る非一様流 、羽根車にかかる荷重に対する羽根車の抵抗、及び羽根車が一方向に回転すると いうことを考慮する最適設計ではないことが多い。これらの理由で、なかんずく 、非任意のハブ構成を持った羽根車は最も効率的なものではなかったり、または 羽根車が動作できる回転速度の範囲を制限することが多い。

前述のことは、現在の遠心羽根車設計にあると知られている限界を示している。

したがって上述の限界の一つ以上を克服することを目的とした代替品を提供する ことが有益であることは明らかである。したがって、後でさらに完全に開示する 特徴を備える適当な代替品が提供される。

発　明　の　概　要 本発明の一つの面において、これは、回転軸の回りに形成されたハブを備え、各 々が吸込み面を有する複数の事実上半径方向に伸びる羽根が前記ハブに固定され 、圧力面が前記吸込み面に面した隣接羽根に形成されている遠心羽根車を提供す ることによって達成される。羽根は、ハブから半径方向に測定される高さを持っ ている。あるハブ形状を有するハブの一部分が圧力面と吸込み面の間に伸びてい る。回転軸に垂直な方向に伸びる仮想平面が羽根車の断面図を画定するのに用い られる。第１及び第２の同心円が前記平面内に形成され、同心円の中心が回転軸 となっている。第１の円は回転軸に最も近くにあるハブ上の点を通過する。第２ の円は、前記羽根の高さの５％に等しい量だけ第１の円より大きい半径を持って おり、ハブの一部分が第２の円の外側に伸びている。

前述及びその他の面は、添付図面とあわせて考慮されるとき、発明の以下の詳細 な説明から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 図１は遠心羽根車の従来の実施例を示す斜視図であり、羽根車の横断面図を定め る羽根車の回転軸に垂直な平面を示している。

図２は図１にある平面によって定められた羽根車の一象限の断面図である。

図３は本発明の任意ハブの一実施例の図２と同様な断面図である。

図４は本発明の任意ハブの代替の実施例の図２と同様な断面図である。

図５は羽根車のフライス加工中の図４の断面線５−５に沿って取った断面図であ る。

図６はフライス加工後の図５と同様な断面図であり、適当な位置にある静止（す なわち非回転）シュラウドを示している。

図７は表面摩擦のない理想的遠心羽根車のための図２の線Ａ−Ａに沿った流体の 流速を示す線図である。

図８は表面摩擦が考慮されるとき、図１及び２の実際の従来の遠心羽根車のため の図７と同様な図である。

図９は図３に示された本発明の羽根車のための図７と同様な図である。

図１０は本発明の非反射性任意ハブの図２と同様な断面図である。

図１１は羽根を取り除いた本発明の遠心羽根車の立面図で、特定のハブ表面が任 意であるかどうかを決めるのに用いられる二つの仮想表面を示しており、第１の 仮想表面は仮想平面２０であり、第２の仮想表面は仮想截頭円錐面８６である。

詳　細　な　説　明 この明細書においては、異なる実施例における同−要素は同一参照文字を当てら れている。

本発明は遠心羽根車１２のためのハブ１０の輪郭に関する。ハブと羽根車は同心 に形成されて回転軸１４の回りに回転する。

°　複数の事実上半径方向に伸びる羽根２６が遠心羽根車１２のハブ１０に固着 されている。各羽根は、第１または吸込み側２８と第２または圧力側３０を有し 、ハブの明確に区分された部分が第１の側と第２の側の間にある。羽根車は回転 方向３１で回転軸の回りに回転する。遷移すみ肉３２がハブ１０と側２８．３０ の間にあってもよい。

回転軸１４の上の与えられた点については、回転軸に垂直な単一の平面２０だけ を生成できる。二つの同心円２２と２２′を回転軸のまわりに前記平面内に生成 できる。従来の遠心羽根車（図２参照）においては、ハブ輪郭２３は同心円２２ に厳密に対応する。

ハブ輪郭が任意であるかどうかを以下のように決めることができる。各平面に対 して、同心円２２（図２及び３）は回転軸１４に最も近いハブ１０上の点３３′ を横断するように引かれる。第２の同心円２２′は半径方向に取った羽根２６の 高さ２５の５％に等しい距離だけ第１の同心円より大きい半径で引かれる。

ハブの一部分が第２の同心円２２′の外側に伸びていない場合は、ハブは、同心 であるかまたは非任意である（図２に示されているように）。ハブ２４の一部分 が第２の同心円２２′の外側に伸びている場合（図３におけるように）、ハブは 任意であるかまたは非同心である。

与えられた平面２０に対する任意のハブ輪郭を決める代わりの方法が次の通りで ある（図４参照）。

第１の射線３３が回転軸１４から第１の点３３′まで伸び、第１の点は回転軸に 最も近いハブ上の点である。第２の射線３５が回転軸１４から第２の点３５′ま で伸び、第２の点は回転軸から最も遠いハブ上の点である。

ハブ輪郭を任意であると考えるためには、第１の射線３３と第２の射線３５の間 の長さの差は羽根２６の全高３６（半径方向に測った）の５％を超えていなけれ ばならない。遷移すみ肉３２または羽根の側面２８．３０の中にある点はどれも ある表面が任意であるかどうかを決めるときに考慮されない。

任意のハブ設計を持ったある羽根車が任意のハブ輪郭を有する一連の平面を持っ ていてもよいが、同じ羽根車内の別の一連の平面は任意輪郭を持っていない。代 わりに、任意性の特定の輪郭または任意性のための目的を羽根車１２の中で平面 ごとに変えてもよい。

ハブ面の任意性は、それが回転軸に垂直な仮想平面によって上に定められたよう に、−次流れ方向に垂直な仮想平面によって同様に定められてもよい。

たとえ側面２８．３０が曲面であっても、それらの側面を形成する曲線を一連の 直線で形成できる（１９９１年５月１４日）に発行された米国特許第５．０１４ ，４２１号に記載されているように）ので、それらの側面をフライス盤３４のフ ランク４２で生成できることが多い。

フライス盤３４のフランク４２が側面２８．３０を成形するとき、フライス盤３ ４の先端４４が図５に示されたハブ１０の一部分を形成している。ハブ１０全体 は先端フライス加工で形成されることが多い。従来技術では、ハブは加工後に波 形表面２３を持っている。一つの任意表面が波形表面の凹凸よりずっと大きい凹 凸に属する。

曲面を先端フライス加工によって加工するために平面とほぼ同じ時間がかかるの で、図３および図４に示されている任意ハブ表面（羽根車設計者によって望まれ るように曲げられている）を同心円とほとんど同等に効率的にフライス盤で加工 できる。

任意ハブ輪郭についての上記検討が羽根車をフライス加工技術によって加工する ことに関連しているが、任意ハブ表面を有する鋳造羽根車に等しくかなりの利点 があることも分かる。さらに任意ハブ表面を持った羽根車を従来の羽根車と同様 に鋳造できる。

任意ハブ輪郭が遠心羽根車における流れ特性を以下のように改良した。特定任意 ハブ表面が羽根車の毎分回転数に基づいた羽根車効率、ポンプされたり王縮され た流体の特定特性及び羽根車の特定羽根幾何形状の及ぼす影響が異なることがあ る。

作動流体と直接接触しており、したがって流体の流れ特性に影響を与えることの ある遠心羽根車１２には四つの表面しかない。これらの表面は羽根の吸込み側面 ２８、羽根の圧力側面３０、ハブ１０及びシュラウド４５である。これらの四つ の表面２８．３０．１０、及び４５は、流体が羽根車を横切るとき流体が通過す る通路５２を形成する。

シュラウド４５は、通路の中の流体の流れを２枚の羽根とハブ１０とともに制限 する通路の４番目の側面を形成する。シュラウドは静止していて羽根から離れて いてもよいし、または羽根車に取り付けられてそれと一緒に回転してもよい。シ ュラウド４５は、それが取り付けられた場合、ハブのものと同様な結果を生むよ うに任意の設計で形成されてもよい。

任意のハブ輪郭を同心ハブ輪郭以上に望むことのできる理由がいくつかある。遠 心羽根車のための理想的流れ特性（図２の線Ａ−Ａに沿って取った（紙面の中に 入る））は、壁２８に隣接した流れ特性が通路５２の中心における流れ特性と同 一である場合である。

同心ハブ表面を有する遠心羽根車１２によって作られる実際の流れ特性は、図８ に示されているように通路５２の中心近くの速度が周面摩擦と乱流のために羽根 近くの流体の速度より大きい。これらの流れの不整は羽根車の効率を小さくし、 羽根車が安定な流れ特性を示す動作範囲を制限する。

通路の巾を横切る流速を均一化するために、図３に示した任意ハブ輪郭２４がつ けられ、その場合に通路５２の中心に入る流体がどちらの壁もそらされる傾向が ある。この通路を通過する流体の結果として生ずる速度輪郭は、図９に示され、 従来の遠心羽根車より理想速度近い。

図４に示されているように、別の任意のハブ形状が子午線方向に（紙面の中へ） 伸びる流路６５を含んでいる。これらの流路は通路５２を通過する流体が通路を 横切って流れる傾向をなくす。横流が羽根車の効率を下げるとともに羽根車が安 定に動作する範囲を制限す乱流を生ずる傾向がある。

任意のハブを形成する第３の理由が図１０に示されているように構造的考慮を含 んでいる。羽根車が回転軸１４の回りの高回転速度にさらされるとき、許容でき ない応力が羽根またはハブにかかることがある。この応力はシュラウド４５が羽 根車とともに回転する設計において大きくなる可能性がある。この応力を小さく するためには、ハブは流れ特性が臨界的でない場所で任意の輪郭によって構成さ れてもよい。

どんな理由でハブ表面が任意の方法で形成されていても、ハブが通路は先端フラ イス加工または鋳造のいずれかを用いて作られるので、部品を作るに必要な時間 を相当に大きくする必要はない。

上記記載の各々において、仮想平面２０がある表面が任意であるかどうかを決め るために用いられる。

ある表面が任意であるかどうかを決めるために用いることのできる代わりの方策 が回転軸１４から伸びる一連の射線８８として生成され、各ハブ点９２に隣接す る一般的流体流れ方向９０に垂直な仮想截頭円錐面８６である。

任意ハブ１０の形状がハブが反射性でない可能性をもたらし、それは以下のよう に決定できる（図１０参照）。吸込み交点７０が面２０内にあって吸込み平面２ ８がハブ１０に交差する点である。圧力交点７２は隣接する羽根の圧力面３０が ノ１ブに交差する点である。これらの交点を決めるのにすみ肉が考慮されない。

第１の射線７４が回転軸１４から吸込み交点７０へ構成される。第２の射線７６ が回転軸から圧力交点７２へ構成される。第３の射線が第１の射線と第２の射線 の間の角度を二等分するように構成される。

第３の射線と第１の射線の間のノ）ブの鏡像８０が第３の射線と第２の射線の間 に作られる。ノ１ブが反射性または同心であれば、鏡像は第３の射線と第２の射 線の間のハブに似る。

しかし、ハブが図１０に示されたように非反射性で任意であれば、第３の射線と 第２の射線の間のノ１ブ１０は鏡像一致しない。この形状は、設計者が代わりの 任意のハブ形状においてもつ自由度を実証している。

上述のことが任意のハブの形状のための理由を説明しているが、どんな理由でも 任意表面を与えることは本発明の意図した範囲内にある。

補正書の写しく翻訳文）提出書 日９．９ 請求の範囲（第１９条による補正） （特許法第１８４条の７第１項） 平成５年６月３０日

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．回転軸の回りに形成されたハブと、前記ハブに固着された複数の事実上半径 方向に伸びる羽根を備え、各羽根が吸込み面を有し、圧力面が前記吸込み面に面 する隣接羽根に形成され、前記羽根は半径方向にハブから測定される高さを有し 、前記ハブの一部分が前記吸込み面と前記圧力面の間に伸びるハブ形状を有して おり、 前記回転軸に垂直な方向に伸びる仮想平面と、前記平面内に前記回転軸を中心と して形成された第１及び第２の同心円を備え、 前記第１の円が前記回転軸に最も近くにあるハブ上の点を通過し、 前記第２の円が前記高さの５％に等しい量だけ第１の円より大きい半径を有し、 前記ハブの一部分が前記第２の円の外側に伸びていることを特徴とする遠心羽根 車。
2. ２．羽根吸込み面と前記ハブの間及び羽根圧力面と前記ハブの間にある遷移すみ 肉をさらに備える請求項１に記載の遠心羽根車。
3. ３．前記ハブ形状が前記吸込み面と前記圧力面の間に形成された通路の巾に沿っ た点における流速を均一化する請求項１に記載の遠心羽根車。
4. ４．前記ハブ形状が前記吸込み面と前記圧力面の間に形成された通路を横切る流 れを小さくする請求項１に記載の遠心羽根車。
5. ５．前記ハブの形状が羽根車の強度を大きくする請求項１に記載の遠心羽根車。
6. ６．回転軸の回りに形成されたハブ形状を有するハブと、 前記ハブに固着され、半径方向にハブから測定される高さを有する複数の事実上 半径方向に伸びる羽根と、 前記回転軸に垂直な方向に伸びる仮想平面と、前記平面と一致し、回転軸から前 記ハブ内の回転軸に最も近い点である第１の点まで伸びる第１の射線と、 前記平面と一致し、回転軸から前記ハブ内の回転軸から最も遠い点である第２の 点まで伸びる第２の射線とを備え、前記第１の射線と前記第２の射線の間の長さ の差が羽根の高さの５％より大きいことを特徴とする遠心羽根車。
7. ７．羽根吸込み面と前記ハブの間及び羽根圧力面と前記ハブの間にある遷移すみ 肉をさらに備える請求項６に記載の遠心羽根車。
8. ８．前記ハブ形状が任意の二つの羽根の間に形成された通路の巾に沿った点にお ける流速を均一化する請求項６に記載の遠心羽根車。
9. ９．前記ハブ形状が任意の二つの羽根の間に形成された通路を横切る流れを小さ くする請求項６に記載の遠心羽根車。
10. １０．前記ハブの形状が羽根車の強度を大きくする請求項６に記載の遠心羽根車 。
11. １１．回転軸の回りに形成されたハブと、前記ハブに固着された複数の事実上半 径方向に伸びる羽根を備え、各羽根が吸込み面を有し、圧力面が前記吸込み面に 面する隣接羽根に形成され、前記羽根は半径方向にハブから測定される高さを有 し、前記ハブの一部分が前記吸込み面と前記圧力面の間に伸びるハブ形状を有し ており、 前記ハブと前記吸込み面の交点及び前記ハブと前記圧力面の交点にそれぞれ形成 された吸込み交点および圧力交点と、 前記回転軸に垂直な方向に伸びる仮想平面と、前記回転軸から前記平面内をそれ ぞれ吸込み交点および前記圧力交点まで伸びる第１の射線および第２の射線と、 前記回転軸から伸びて前記第１の射線と第２の射線の間の角度を二等分する第３ の射線と、前記第３の射線と第２の射線の間に作られる前記第３の射線と第１の 射線の間にあるハブの鏡像とを備え、 前記鏡像と第３の射線と第２の射線の間にあるハブの間にある半径方向に取った 任意の２点間の距離が前記高さの５％を超えていることを特徴とする遠心羽根車 。
12. １２．羽根吸込み面と前記ハブの間及び羽根圧力面と前記ハブの間にある遷移す み肉をさらに備える請求項１１に記載の遠心羽根車。
13. １３．前記ハブ形状が前記吸込み面と前記圧力面の間に形成された通路の巾に沿 った点における流速を均一化する請求項１１記載の遠心羽根車。
14. １４．前記ハブ形状が前記吸込み面と前記圧力面の間に形成された通路を横切る 流れを小さくする請求項１１に記載の遠心羽根車。
15. １５．前記ハブの形状が羽根車の強度を大きくする請求項１１に記載の遠心羽根 車。
16. １６．対向両端と、外周面と前記対向両端を通って伸びる回転軸を有するハブと 、 前記ハブの表面に接続され、前記回転軸から事実上半径方向に外方に伸びている 羽根を備え、前記羽根が前記羽根の隣接したものの間の巾を有する流体の流れを 定めるように間隔をあけており、前記表面に形成され前記通路の巾に沿ったある 点における流体の流れの速度を前記通路中に沿った任意の他の点における流体の 流れの速度と事実上等しく保つ手段とを備える遠心羽根車。
17. １７．回転軸の回りに形成されたハブと、前記回転軸に原点をおく一連の射線に よって生成され、前記ハブに隣接する流体の全体の流れ方向に垂直な方向に伸び る仮想截頭円錐面と、 前記ハブに固着された複数の事実上半径方向に伸びる羽根を備え、各羽根が吸込 み面を有し、前記吸込み面に面する隣接羽根に圧力面が形成され、前記羽根は前 記截頭円錐面内でハブから測定される高さを有し、前記ハブの一部分が前記吸込 み面と前記圧力面の間に伸びるハブ形状を有しており、前記截頭円錐面内にあっ て前記第１の円が前記回転軸に最も近くにあるハブ上の点を通過し、前記第２の 円が前記高さの５％に等しい量だけ第１の円より大きい半径を有し、前記ハブの 一部分が前記第２の円の外側に伸びていることを特徴とする遠心羽根車。
18. １８．回転軸の回りに形成されたハブと、前記回転軸に原点をおく一連の射線に よって生成され、前記ハブに隣接する流体の全体の流れ方向に垂直な方向に伸び る仮想截頭円錐面と、 前記ハブに固着された複数の事実上半径方向に伸びる羽根を備え、前記羽根は前 記截頭円錐面内でハブから測定される高さを有し、 前記截頭円錐面と一致し、回転軸から前記ハブ内の回転軸に最も近い点である第 １の点まで伸びる第１の射線と、 前記截頭円錐面と一致し、回転軸から前記ハブ内の回転軸から最も遠い点である 第２の点まで伸びる第２の射線とを備え、前記第１の射線と前記第２の射線の間 の長さの差が羽根の高さの５％より大きいことを特徴とする遠心羽根車。