JPWO2019073551A1 - 遠心式回転機械のインペラ及び遠心式回転機械 - Google Patents
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Abstract
幾つかの実施形態に係る遠心式回転機械のインペラは、軸方向における一端部に位置する小径部、および、前記軸方向における他端部に位置して前記小径部よりも大径である大径部を有するハブと、前記小径部の軸方向位置に位置する第１エッジ、および、前記大径部の軸方向位置に位置する第２エッジを有し、前記ハブの外周面に設けられるブレードと、を備え、前記インペラは、前記第１エッジのチップを通る軸方向位置における第１半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の下流側に傾斜している。
Description
本開示は、遠心式回転機械のインペラ及び該インペラを備える遠心式回転機械に関する。
ターボチャージャやタービンなどの遠心式回転機械のインペラは、回転数の増加に伴って翼面及び翼端部に生じる遠心応力は増加傾向にある。この応力増加に対して、翼厚の調整やフィレット径を増加することで、インペラの強度を高める方法は、スロート面積の減少や性能低下を招くおそれがある。
特許文献１には、動翼の翼端部（高い遠心応力が加わることで変形が大きい部分）に円環を取り付けて強度を高め、遠心応力による変形を低減する手段が記載されている。しかし、この手段は、構造が複雑になるため、製造や組立てに要するコストが増加するという問題がある。
特許文献１には、動翼の翼端部（高い遠心応力が加わることで変形が大きい部分）に円環を取り付けて強度を高め、遠心応力による変形を低減する手段が記載されている。しかし、この手段は、構造が複雑になるため、製造や組立てに要するコストが増加するという問題がある。
従来のインペラは、典型的には、ハブ小径部側のエッジ（圧縮機の場合には前縁、タービンの場合には後縁）のチップを通る軸方向位置におけるインペラの半径方向断面が径方向に沿って延在する直線翼であった。
近年、加工技術の発展に伴い、３次元翼設計の実現性が高まる中、本発明者らは、３次元翼の望ましい形状について鋭意検討を重ねてきた。かかる検討により、３次元翼の場合には、従来の直線翼には殆ど問題にならない応力が翼チップ側で発生し得るとの知見を得た。即ち、動翼チップ（翼端部）の中央部には、遠心応力によって前縁と後縁とが変形することの結果として、引張り応力と曲げモーメントとが発生する。
この対策として、翼厚を増加したり、フィレット径を拡大する方法があるが、インペラの構造が複雑になり、かつ製造・組立てのコストが増加する問題がある。
近年、加工技術の発展に伴い、３次元翼設計の実現性が高まる中、本発明者らは、３次元翼の望ましい形状について鋭意検討を重ねてきた。かかる検討により、３次元翼の場合には、従来の直線翼には殆ど問題にならない応力が翼チップ側で発生し得るとの知見を得た。即ち、動翼チップ（翼端部）の中央部には、遠心応力によって前縁と後縁とが変形することの結果として、引張り応力と曲げモーメントとが発生する。
この対策として、翼厚を増加したり、フィレット径を拡大する方法があるが、インペラの構造が複雑になり、かつ製造・組立てのコストが増加する問題がある。
幾つかの実施形態は、インペラのブレードの翼チップ側に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減することを目的とする。
（１）一実施形態に係る遠心式回転機械のインペラは、
遠心式回転機械のインペラであって、
軸方向における一端部に位置する小径部、および、前記軸方向における他端部に位置して前記小径部よりも大径である大径部を有するハブと、
前記小径部の軸方向位置に位置する第１エッジ、および、前記大径部の軸方向位置に位置する第２エッジを有し、前記ハブの外周面に設けられるブレードと、
を備え、
前記インペラは、前記第１エッジのチップを通る軸方向位置における第１半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の下流側に傾斜している。
遠心式回転機械のインペラであって、
軸方向における一端部に位置する小径部、および、前記軸方向における他端部に位置して前記小径部よりも大径である大径部を有するハブと、
前記小径部の軸方向位置に位置する第１エッジ、および、前記大径部の軸方向位置に位置する第２エッジを有し、前記ハブの外周面に設けられるブレードと、
を備え、
前記インペラは、前記第１エッジのチップを通る軸方向位置における第１半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の下流側に傾斜している。
本発明者らの鋭意検討の結果、インペラの回転に伴う遠心応力によってハブ小径部側の第１エッジとハブ大径部側の第２エッジとが互いに逆方向に変形しようとする結果、両エッジ間の中央部領域において引張り応力が発生することを見出した。特に、直線翼で実績のある設計手法（遠心応力が最大となる最大外径部分について半径方向に対する回転方向上流側への傾斜角を決定し、最大外径部分に合わせて滑らかな翼形状となるように小径部側エッジの形状を決定する手法）を踏襲して３次元翼を設計する場合、ハブ大径部側のエッジの傾斜方向に合わせて、ハブ小径部側の第１エッジを回転方向上流側に傾斜させることになり、上記引張り応力が大きくなってしまう。
上記（１）の構成によれば、上記第１半径方向断面において、５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が半径方向に対して回転方向の下流側に傾斜するようにしたので、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１半径方向断面の翼厚方向の中点を結んだ第１基準線上において、
前記ハブのハブ面における半径方向位置に位置する第１ハブ側基準点と、
前記チップにおける半径方向位置に位置する第１チップ側基準点と、
を定義したとき、
前記第１チップ側基準点は、前記第１ハブ側基準点に対して前記回転方向の下流側に位置する。
前記第１半径方向断面の翼厚方向の中点を結んだ第１基準線上において、
前記ハブのハブ面における半径方向位置に位置する第１ハブ側基準点と、
前記チップにおける半径方向位置に位置する第１チップ側基準点と、
を定義したとき、
前記第１チップ側基準点は、前記第１ハブ側基準点に対して前記回転方向の下流側に位置する。
上記（２）の構成によれば、第１チップ側基準点が前記第１ハブ側基準点に対して前記回転方向の下流側に位置するため、第１エッジ側と第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記第１基準線は、前記第１半径方向断面において前記回転方向の下流側に曲率中心を有する湾曲部を含む。
上記（３）の構成によれば、上記湾曲部の曲率中心が回転方向下流側にあるため、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
前記第１基準線は、前記第１半径方向断面において前記回転方向の下流側に曲率中心を有する湾曲部を含む。
上記（３）の構成によれば、上記湾曲部の曲率中心が回転方向下流側にあるため、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（４）一実施形態では、前記（２）又は（３）の構成において、
前記第１基準線は直線部を含む。
上記（４）の構成によれば、第１基準線が直線部を含むことで、ブレードの形状をシンプルな形状とすることができ、ブレードの製作が容易になる。
前記第１基準線は直線部を含む。
上記（４）の構成によれば、第１基準線が直線部を含むことで、ブレードの形状をシンプルな形状とすることができ、ブレードの製作が容易になる。
（５）一実施形態では、前記（２）〜（４）の何れかの構成において、
前記第１チップ側基準点と前記第１ハブ側基準点との間の位相角差Δθ１が２０度以上である。
３次元翼は、直線翼を基準として曲がりの程度が大きくなるにつれて、強度的に成立させることが難しくなる。
この点、上記（５）の構成によれば、第１半径方向断面の少なくともチップ側を上記（１）の構成で述べた方向に傾斜させた上で、上記位相角差Δθ１を確保することで、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
前記第１チップ側基準点と前記第１ハブ側基準点との間の位相角差Δθ１が２０度以上である。
３次元翼は、直線翼を基準として曲がりの程度が大きくなるにつれて、強度的に成立させることが難しくなる。
この点、上記（５）の構成によれば、第１半径方向断面の少なくともチップ側を上記（１）の構成で述べた方向に傾斜させた上で、上記位相角差Δθ１を確保することで、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
（６）一実施形態では、前記（２）〜（５）の何れかの構成において、
前記第１基準線は、該第１基準線上の各点の第１接線と、該各点を通る半径方向線との間の角度θ１について、前記各点から径方向外側に向かう前記第１接線が前記半径方向線に対して前記回転方向の下流側に位置するときに前記角度θ１の符号が正となるように定義したとき、
前記θ１の最大値が２０度以上である。
上記（６）の構成によれば、上記θ１の最大値が２０度以上であるため、インペラの回転時、第１エッジ側を確実に第２エッジ側に対して逆方向、即ち、引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントを確実に低減することができる。
前記第１基準線は、該第１基準線上の各点の第１接線と、該各点を通る半径方向線との間の角度θ１について、前記各点から径方向外側に向かう前記第１接線が前記半径方向線に対して前記回転方向の下流側に位置するときに前記角度θ１の符号が正となるように定義したとき、
前記θ１の最大値が２０度以上である。
上記（６）の構成によれば、上記θ１の最大値が２０度以上であるため、インペラの回転時、第１エッジ側を確実に第２エッジ側に対して逆方向、即ち、引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントを確実に低減することができる。
（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記インペラは、前記第２エッジのチップを通る軸方向位置における第２半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の上流側に傾斜している。
上記（７）の構成によれば、上記第２半径方向断面において、第２エッジの５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対してインペラの回転方向の上流側に傾斜しているため、インペラの回転時、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
前記インペラは、前記第２エッジのチップを通る軸方向位置における第２半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の上流側に傾斜している。
上記（７）の構成によれば、上記第２半径方向断面において、第２エッジの５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対してインペラの回転方向の上流側に傾斜しているため、インペラの回転時、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（８）一実施形態では、前記（７）の構成において、
前記第２半径方向断面の翼厚方向の中点を結んだ第２基準線上において、
前記ハブのハブ面における半径方向位置にある第２ハブ側基準点と、
前記チップにおける半径方向位置にある第２チップ側基準点と、
を定義したとき、
前記第２チップ側基準点は、前記第２ハブ側基準点に対して前記回転方向の上流側に位置する。
上記（８）の構成によれば、第２エッジの第２チップ側基準点が第２ハブ側基準点に対して回転方向上流側に位置するため、インペラの回転時、第２エッジ側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間においてチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
前記第２半径方向断面の翼厚方向の中点を結んだ第２基準線上において、
前記ハブのハブ面における半径方向位置にある第２ハブ側基準点と、
前記チップにおける半径方向位置にある第２チップ側基準点と、
を定義したとき、
前記第２チップ側基準点は、前記第２ハブ側基準点に対して前記回転方向の上流側に位置する。
上記（８）の構成によれば、第２エッジの第２チップ側基準点が第２ハブ側基準点に対して回転方向上流側に位置するため、インペラの回転時、第２エッジ側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間においてチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（９）一実施形態では、前記（８）の構成において、
前記第２基準線は、前記第２半径方向断面に対して前記回転方向の上流側に曲率中心を有する湾曲部を含む。
上記（９）の構成によれば、上記湾曲部の曲率中心がインペラの回転方向上流側にあるため、インペラの回転時、第２エッジ側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間においてチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
前記第２基準線は、前記第２半径方向断面に対して前記回転方向の上流側に曲率中心を有する湾曲部を含む。
上記（９）の構成によれば、上記湾曲部の曲率中心がインペラの回転方向上流側にあるため、インペラの回転時、第２エッジ側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間においてチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（１０）一実施形態では、前記（８）又は（９）の構成において、
前記第２基準線は直線部を含む。
上記（１０）の構成によれば、第２基準線が直線部を含むことで、ブレードの形状をシンプルな形状とすることができ、製作が容易になる。
前記第２基準線は直線部を含む。
上記（１０）の構成によれば、第２基準線が直線部を含むことで、ブレードの形状をシンプルな形状とすることができ、製作が容易になる。
（１１）一実施形態では、前記（８）〜（１０）の何れかの構成において、
前記第２チップ側基準点と前記第２ハブ側基準点との間の位相角差Δθ２が２０度以上である。
上記（１１）の構成によれば、第２半径方向断面の少なくともチップ側を上記（７）の構成で述べた方向に傾斜させた上で、上記位相角差Δθ２を確保することで、インペラの回転時、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
前記第２チップ側基準点と前記第２ハブ側基準点との間の位相角差Δθ２が２０度以上である。
上記（１１）の構成によれば、第２半径方向断面の少なくともチップ側を上記（７）の構成で述べた方向に傾斜させた上で、上記位相角差Δθ２を確保することで、インペラの回転時、第１エッジ側とハブ大径部側の第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
（１２）一実施形態では、前記（８）〜（１１）の何れかの構成において、
前記第２基準線は、該第２基準線上の各点の第２接線と、該各点を通る半径方向線との間の角度θ２について、前記各点から径方向外側に向かう前記第２接線が前記半径方向線に対して前記回転方向の上流側に位置するときに前記角度θ２の符号が正となるように定義したとき、
前記θ２の最大値が３０度以上である。
上記（１２）の構成によれば、上記θ２の最大値が３０度以上であるため、インペラの回転時、第２エッジ側を確実に第１エッジ側に対して逆方向、即ち、引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントを確実に低減することができる。
前記第２基準線は、該第２基準線上の各点の第２接線と、該各点を通る半径方向線との間の角度θ２について、前記各点から径方向外側に向かう前記第２接線が前記半径方向線に対して前記回転方向の上流側に位置するときに前記角度θ２の符号が正となるように定義したとき、
前記θ２の最大値が３０度以上である。
上記（１２）の構成によれば、上記θ２の最大値が３０度以上であるため、インペラの回転時、第２エッジ側を確実に第１エッジ側に対して逆方向、即ち、引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントを確実に低減することができる。
（１３）一実施形態に係る遠心式回転機械は、
前記（１）〜（１２）の何れかの構成を有するインペラと、
前記インペラを覆うように設けられるケーシングと、
を備える。
上記（１３）の構成によれば、インペラの回転時に加わる遠心応力によって、第１エッジ側と第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
前記（１）〜（１２）の何れかの構成を有するインペラと、
前記インペラを覆うように設けられるケーシングと、
を備える。
上記（１３）の構成によれば、インペラの回転時に加わる遠心応力によって、第１エッジ側と第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジと第２エッジ間でチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
（１４）一実施形態では、前記（１３）の構成において、
前記インペラが、
前記第１エッジとしての前縁と、
前記第２エッジとしての後縁と、
を含み、
前記遠心式回転機械は遠心式圧縮機である。
上記（１４）の構成によれば、遠心式回転機械が遠心式圧縮機であるとき、インペラの回転時、ブレードの中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減することができる。
前記インペラが、
前記第１エッジとしての前縁と、
前記第２エッジとしての後縁と、
を含み、
前記遠心式回転機械は遠心式圧縮機である。
上記（１４）の構成によれば、遠心式回転機械が遠心式圧縮機であるとき、インペラの回転時、ブレードの中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減することができる。
幾つかの実施形態によれば、インペラの回転時にブレードのチップ側の中央部領域に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１０及び図１１は、従来の遠心式圧縮機のインペラを示す。
図１０及び図１１において、従来の遠心式圧縮機のインペラ１００は、ハブ部１０２と、ハブ部１０２の外周面に設けられる複数のブレード１０４とを備える。ハブ部１０２は、軸方向ａにおける一端部に位置する小径部１０６及び軸方向ａにおける他端部に位置して小径部１０６よりも大径である大径部１０８を有する。ブレード１０４は、小径部１０６の軸方向位置に位置する前縁１１０、及び大径部１０８の軸方向位置に位置する後縁１１２を有する。図中、ｂはインペラ１００の回転方向を示す。
図１１に示すように、前縁１１０と後縁１１２とは径方向で回転方向下流側に傾斜している。
図１０及び図１１において、従来の遠心式圧縮機のインペラ１００は、ハブ部１０２と、ハブ部１０２の外周面に設けられる複数のブレード１０４とを備える。ハブ部１０２は、軸方向ａにおける一端部に位置する小径部１０６及び軸方向ａにおける他端部に位置して小径部１０６よりも大径である大径部１０８を有する。ブレード１０４は、小径部１０６の軸方向位置に位置する前縁１１０、及び大径部１０８の軸方向位置に位置する後縁１１２を有する。図中、ｂはインペラ１００の回転方向を示す。
図１１に示すように、前縁１１０と後縁１１２とは径方向で回転方向下流側に傾斜している。
図１０に示すように、インペラ１００が回転すると、ブレード１０４のミーン高さ位置周辺Ａ１で大きな遠心応力が発生することは一般的に知られている。
本発明者等が分析した結果、遠心力に起因したブレード１０４の変形は、前縁側及び後縁側において大きくなり、前縁側は、ブレード１０４の周方向傾斜を緩和する方向（回転方向ｂの下流側に向かう矢印Ｘ方向）に変形し、後縁側は、どちらかと言えば、上方から下方（前縁側から後縁側に向かう矢印Ｙ方向）に変形することがわかった。その結果、ブレード１０４の翼弦１１４のチップ側領域中央部Ａ２に引張り応力と曲げモーメントＭとが発生する。
本発明者等が分析した結果、遠心力に起因したブレード１０４の変形は、前縁側及び後縁側において大きくなり、前縁側は、ブレード１０４の周方向傾斜を緩和する方向（回転方向ｂの下流側に向かう矢印Ｘ方向）に変形し、後縁側は、どちらかと言えば、上方から下方（前縁側から後縁側に向かう矢印Ｙ方向）に変形することがわかった。その結果、ブレード１０４の翼弦１１４のチップ側領域中央部Ａ２に引張り応力と曲げモーメントＭとが発生する。
遠心式の回転機械では、従来、直線翼（径方向に沿って前縁が直線的に延在する翼）が主流であったが、近年、３次元加工が可能となってきた。そこで、本発明者等は、３次元翼の検討過程において、前縁を半径方向に対して回転方向上流側に反らせた３次元形状を考案したが、上述のように、動翼チップのチップ側領域中央部Ａ２に引っ張り応力が作用してしまうことが明らかになった。
図１〜図３は、一実施形態に係る遠心式回転機械のインペラ１０を示す。図１はインペラ１０の側面図、図２はインペラ１０の正面図、図３は、後述する第１半径方向断面Ｓ１におけるインペラ１０のブレード１４の形状を示す正面図である。
図１及び図２において、インペラ１０は、ハブ部１２と、ハブ部１２の外周面に設けられる複数のブレード１４とを備える。ハブ部１２は、軸方向ａにおける一端部に位置する小径部１６及び軸方向ａにおける他端部に位置して小径部１６よりも大径である大径部１８を有する。ブレード１４は、小径部１６の軸方向位置に位置する第１エッジ２０、及び大径部１８の軸方向位置に位置する第２エッジ２２を有する。
図３に示すように、インペラ１０は、第１エッジ２０のチップ２６を通る軸方向位置における第１半径方向断面Ｓ１のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向ｃに対してインペラ１０の回転方向ｂの下流側に傾斜している。
図３に示すように、インペラ１０は、第１エッジ２０のチップ２６を通る軸方向位置における第１半径方向断面Ｓ１のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向ｃに対してインペラ１０の回転方向ｂの下流側に傾斜している。
上記構成によれば、図２に示すように、第１半径方向断面Ｓ１を、５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が半径方向ｃに対して回転方向ｂの下流側に傾斜するようにしたので、ハブ大径部側の第２エッジ２２を半径方向ｃに対して回転方向上流側に傾斜させる場合であっても、第１エッジ側と第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。具体的には、第１エッジ側と第２エッジ側とが相対的に接近する方向、又はチップ側領域中央部Ａ２に圧縮応力を発生させる方向へ変位させる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２との間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図１及び図２において、ハブ部１２の中心に回転軸２８を備え、回転軸２８は回転中心Ｏを中心として矢印ｂ方向へ回転する。
一実施形態に係る遠心式回転機械５０は、図４に示すように、上記構成を有するインペラ１０と、インペラ１０を覆うように設けられるケーシング５２と、を備える。
上記構成によれば、インペラ１０の回転時にブレード１４に加わる遠心力によって、ブレード１４は、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形することができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
上記構成によれば、インペラ１０の回転時にブレード１４に加わる遠心力によって、ブレード１４は、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形することができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、遠心式回転機械５０は遠心式圧縮機であり、インペラ１０が、第１エッジ２０としての前縁と、第２エッジ２２としての後縁と、を有するブレード１４を備える。インペラ１０の回転によって、被圧縮気体Ｇは吸入通路５４からブレード間に形成された流路５６を通って圧縮され、吐出通路５８に吐出される。
この実施形態によれば、インペラ１０の回転時、前縁と後縁との間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減することができる。
この実施形態によれば、インペラ１０の回転時、前縁と後縁との間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減することができる。
一実施形態では、図３に示すように、第１半径方向断面Ｓ１の翼厚方向の中点を結んだ第１基準線Ｌ１上において、ハブ部１２のハブ面における半径方向位置に位置する点を第１ハブ側基準点Ｐｈ１とし、チップ２６における半径方向位置に位置する点を第１チップ側基準点Ｐｔ１としたとき、第１チップ側基準点Ｐｔ１は、第１ハブ側基準点Ｐｈ１に対してインペラ１０の回転方向ｂの下流側に位置する。
この実施形態によれば、第１チップ側基準点Ｐｔ１が第１ハブ側基準点Ｐｈ１に対してインペラ回転方向の下流側に位置するため、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない上述した方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図３に示すように、第１基準線Ｌ１は、第１半径方向断面Ｓ１において第１基準線Ｌ１よりインペラ回転方向ｂの下流側に曲率中心Ｃ１を有する湾曲部３０を含む。
この実施形態によれば、湾曲部３０の曲率中心Ｃ１がインペラ回転方向下流側にあるため、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
この実施形態によれば、湾曲部３０の曲率中心Ｃ１がインペラ回転方向下流側にあるため、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図３に示すように、第１基準線Ｌ１は直線部３２を含む。
この実施形態によれば、第１基準線Ｌ１が直線部３２を含むことで、ブレード１４の局面形状をシンプルな形状とすることができ、ブレード１４の製作が容易になる。
この実施形態によれば、第１基準線Ｌ１が直線部３２を含むことで、ブレード１４の局面形状をシンプルな形状とすることができ、ブレード１４の製作が容易になる。
図５及び図６は、第１半径方向断面Ｓ１における各実施形態に係るブレード１４の形状を示す。
一実施形態では、図５に示すように、第１チップ側基準点Ｐｔ１と第１ハブ側基準点Ｐｈ１との間の位相角差Δθ１が２０度以上である。
この実施形態によれば、第１半径方向断面Ｓ１の少なくともチップ側をインペラ回転方向下流側に傾斜させた上で、上記位相角差Δθ１を確保することで、第１エッジ側と第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
一実施形態では、図５に示すように、第１チップ側基準点Ｐｔ１と第１ハブ側基準点Ｐｈ１との間の位相角差Δθ１が２０度以上である。
この実施形態によれば、第１半径方向断面Ｓ１の少なくともチップ側をインペラ回転方向下流側に傾斜させた上で、上記位相角差Δθ１を確保することで、第１エッジ側と第２エッジ側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
一実施形態では、図６に示すように、第１基準線Ｌ１は、この第１基準線上の各点の第１接線３４と、第１基準線上の各点を通る半径方向線３６との間の角度θ１について、上記各点から径方向外側に向かう第１接線３４が半径方向線３６に対してインペラ回転方向ｂの下流側に位置するときに角度θ１の符号が正となるように定義したとき、θ１の最大値が２０度以上となるように構成する。
この実施形態によれば、θ１の最大値が２０度以上であるため、インペラ１０の回転時、第１エッジ２０側を確実に第２エッジ２２側に対して引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントＭを確実に低減できる。
この実施形態によれば、θ１の最大値が２０度以上であるため、インペラ１０の回転時、第１エッジ２０側を確実に第２エッジ２２側に対して引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントＭを確実に低減できる。
図７〜図９は、後述する第２半径方向断面Ｓ２における各実施形態に係るブレード１４の形状を示す。
一実施形態では、図７に示すように、インペラ１０は、第２エッジ２２のチップ３８を通る軸方向位置における第２半径方向断面Ｓ２（図１参照）のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対してインペラ回転方向ｂの上流側に傾斜している。
この実施形態によれば、インペラ１０の回転時、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。即ち、第１エッジ側と第２エッジ側とが相対的に接近する方向、又はチップ側領域中央部Ａ２に圧縮応力を発生させる方向へ変位させる。
これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図７に示すように、インペラ１０は、第２エッジ２２のチップ３８を通る軸方向位置における第２半径方向断面Ｓ２（図１参照）のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対してインペラ回転方向ｂの上流側に傾斜している。
この実施形態によれば、インペラ１０の回転時、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。即ち、第１エッジ側と第２エッジ側とが相対的に接近する方向、又はチップ側領域中央部Ａ２に圧縮応力を発生させる方向へ変位させる。
これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図７に示すように、第２半径方向断面Ｓ２の翼厚方向の中点を結んだ第２基準線Ｌ２上において、ハブ部１２のハブ面における半径方向位置にある点を第２ハブ側基準点Ｐｈ２とし、チップ３８における半径方向位置にある点を第２チップ側基準点Ｐｔ２としたとき、第２チップ側基準点Ｐｔ２は、第２ハブ側基準点Ｐｈ２に対してインペラ回転方向ｂの上流側に位置する。
この実施形態によれば、第２エッジ２２の第２チップ側基準点Ｐｔ２が第２ハブ側基準点Ｐｈ２に対して回転方向上流側に位置するため、インペラ回転時、第２エッジ２２側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間においてチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
この実施形態によれば、第２エッジ２２の第２チップ側基準点Ｐｔ２が第２ハブ側基準点Ｐｈ２に対して回転方向上流側に位置するため、インペラ回転時、第２エッジ２２側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間においてチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図７に示すように、第２基準線Ｌ２は、第２半径方向断面Ｓ２に対してインペラ回転方向ｂの上流側に曲率中心Ｃ２を有する湾曲部４０を含む。
この実施形態によれば、湾曲部４０の曲率中心Ｃ２がインペラ回転方向上流側にあるため、インペラ回転時、第２エッジ２２側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間においてチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
この実施形態によれば、湾曲部４０の曲率中心Ｃ２がインペラ回転方向上流側にあるため、インペラ回転時、第２エッジ２２側を回転方向上流側へ変位させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間においてチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。
一実施形態では、図７に示すように、第２基準線Ｌ２は直線部４２を含む。
この実施形態によれば、第２基準線Ｌ２が直線部４２を含むことで、ブレード１４の局面形状をシンプルな形状とすることができ、製作が容易になる。
この実施形態によれば、第２基準線Ｌ２が直線部４２を含むことで、ブレード１４の局面形状をシンプルな形状とすることができ、製作が容易になる。
一実施形態では、図８に示すように、第２チップ側基準点Ｐｔ２と第２ハブ側基準点Ｐｈ２との間の位相角差Δθ２が２０度以上である。
この実施形態によれば、第２半径方向断面Ｓ２の少なくともチップ側をインペラ回転方向上流側に傾斜させた上で、位相角差Δθ２を２０度以上確保することで、インペラ回転時、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
この実施形態によれば、第２半径方向断面Ｓ２の少なくともチップ側をインペラ回転方向上流側に傾斜させた上で、位相角差Δθ２を２０度以上確保することで、インペラ回転時、第１エッジ２０側と第２エッジ２２側とを相対的に引張り応力を増加させない方向へ変形させることができる。これによって、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭを低減できる。また、３次元翼の曲がりの程度が大きい場合においても強度的な成立性を高めることができる。
一実施形態では、図９に示すように、第２基準線Ｌ２は、この第２基準線上の各点Ｐの第２接線４４と、各点Ｐを通る半径方向線３６との間の角度θ２について、各点Ｐから径方向外側に向かう第２接線４４が半径方向線３６に対してインペラ回転方向の上流側に位置するときに角度θ２の符号が正となるように定義したとき、θ２の最大値が３０度以上である。
この実施形態によれば、角度θ２の最大値が３０度以上であるため、インペラ回転時、第２エッジ２２側を確実に第１エッジ２０側に対して引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントＭを確実に低減することができる。
この実施形態によれば、角度θ２の最大値が３０度以上であるため、インペラ回転時、第２エッジ２２側を確実に第１エッジ２０側に対して引張り応力を増加させない方向へ変形できる。これによって、引張り応力及び曲げモーメントＭを確実に低減することができる。
一実施形態では、Δθ１とΔθ２とが同程度となったとき、第１エッジ２０と第２エッジ２２間でチップ側領域中央部Ａ２に発生する引張り応力及び曲げモーメントＭの低減効果を最も高めることができる。
幾つかの実施形態によれば、遠心式回転機械、例えば、自動車用、舶用のターボチャージャ、ガスタービン、蒸気タービン等におけるインペラのブレードの翼チップ側に発生する引張り応力及び曲げモーメントを低減できる。
１０、１００ インペラ
１２、１０２ ハブ部
１４、１０４ ブレード
１６、１０６ 小径部
１８、１０８ 大径部
２０ 第１エッジ
２２ 第２エッジ
２４、１１４ 翼弦
２６、３８ チップ
２８ 回転軸
３０、４０ 湾曲部
３２、４２ 直線部
３４ 第１接線
３６ 半径方向線
４４ 第２接線
５０ 遠心式回転機械
５２ ケーシング
５４ 吸入通路
５６ 流路
５８ 吐出通路
１１０ 前縁
１１２ 後縁
Ａ２ チップ側領域中央部
Ｌ１ 第１基準線
Ｌ２ 第２基準線
Ｍ 曲げモーメント
Ｐｈ１ 第１ハブ側基準点
Ｐｈ２ 第２ハブ側基準点
Ｐｔ１ 第１チップ側基準点
Ｐｔ２ 第２チップ側基準点
Ｓ１ 第１半径方向断面
Ｓ２ 第２半径方向断面
ａ 軸方向
ｂ 回転方向
ｃ 径方向
Δθ１、Δθ２ 位相角差
１２、１０２ ハブ部
１４、１０４ ブレード
１６、１０６ 小径部
１８、１０８ 大径部
２０ 第１エッジ
２２ 第２エッジ
２４、１１４ 翼弦
２６、３８ チップ
２８ 回転軸
３０、４０ 湾曲部
３２、４２ 直線部
３４ 第１接線
３６ 半径方向線
４４ 第２接線
５０ 遠心式回転機械
５２ ケーシング
５４ 吸入通路
５６ 流路
５８ 吐出通路
１１０ 前縁
１１２ 後縁
Ａ２ チップ側領域中央部
Ｌ１ 第１基準線
Ｌ２ 第２基準線
Ｍ 曲げモーメント
Ｐｈ１ 第１ハブ側基準点
Ｐｈ２ 第２ハブ側基準点
Ｐｔ１ 第１チップ側基準点
Ｐｔ２ 第２チップ側基準点
Ｓ１ 第１半径方向断面
Ｓ２ 第２半径方向断面
ａ 軸方向
ｂ 回転方向
ｃ 径方向
Δθ１、Δθ２ 位相角差
Claims (14)
- 遠心式回転機械のインペラであって、
軸方向における一端部に位置する小径部、および、前記軸方向における他端部に位置して前記小径部よりも大径である大径部を有するハブと、
前記小径部の軸方向位置に位置する第１エッジ、および、前記大径部の軸方向位置に位置する第２エッジを有し、前記ハブの外周面に設けられるブレードと、
を備え、
前記インペラは、前記第１エッジのチップを通る軸方向位置における第１半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の下流側に傾斜していることを特徴とする遠心式回転機械のインペラ。 - 前記第１半径方向断面の翼厚方向の中点を結んだ第１基準線上において、
前記ハブのハブ面における半径方向位置に位置する第１ハブ側基準点と、
前記チップにおける半径方向位置に位置する第１チップ側基準点と、
を定義したとき、
前記第１チップ側基準点は、前記第１ハブ側基準点に対して前記回転方向の下流側に位置する
ことを特徴とする請求項１に記載の遠心式回転機械のインペラ。 - 前記第１基準線は、前記第１半径方向断面において前記回転方向の下流側に曲率中心を有する湾曲部を含むことを特徴とする請求項２に記載の遠心式回転機械のインペラ。
- 前記第１基準線は直線部を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の遠心式回転機械のインペラ。
- 前記第１チップ側基準点と前記第１ハブ側基準点との間の位相角差Δθ１が２０度以上であることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載の遠心式回転機械のインペラ。
- 前記第１基準線は、該第１基準線上の各点の第１接線と、該各点を通る半径方向線との間の角度θ１について、前記各点から径方向外側に向かう前記第１接線が前記半径方向線に対して前記回転方向の下流側に位置するときに前記角度θ１の符号が正となるように定義したとき、
前記θ１の最大値が２０度以上である
ことを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項に記載の遠心式回転機械のインペラ。 - 前記インペラは、前記第２エッジのチップを通る軸方向位置における第２半径方向断面のうち５０％以上の翼高さ範囲の少なくとも一部が、半径方向に対して前記インペラの回転方向の上流側に傾斜している
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の遠心式回転機械のインペラ。 - 前記第２半径方向断面の翼厚方向の中点を結んだ第２基準線上において、
前記ハブのハブ面における半径方向位置にある第２ハブ側基準点と、
前記チップにおける半径方向位置にある第２チップ側基準点と、
を定義したとき、
前記第２チップ側基準点は、前記第２ハブ側基準点に対して前記回転方向の上流側に位置する
ことを特徴とする請求項７に記載の遠心式回転機械のインペラ。 - 前記第２基準線は、前記第２半径方向断面に対して前記回転方向の上流側に曲率中心を有する湾曲部を含むことを特徴とする請求項８に記載の遠心式回転機械のインペラ。
- 前記第２基準線は直線部を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の遠心式回転機械のインペラ。
- 前記第２チップ側基準点と前記第２ハブ側基準点との間の位相角差Δθ２が２０度以上であることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一項に記載の遠心式回転機械のインペラ。
- 前記第２基準線は、該第２基準線上の各点の第２接線と、該各点を通る半径方向線との間の角度θ２について、前記各点から径方向外側に向かう前記第２接線が前記半径方向線に対して前記回転方向の上流側に位置するときに前記角度θ２の符号が正となるように定義したとき、
前記θ２の最大値が３０度以上である
ことを特徴とする請求項８乃至１１の何れか一項に記載の遠心式回転機械のインペラ。 - 請求項１乃至１２の何れか一項に記載のインペラと、
前記インペラを覆うように設けられるケーシングと、
を備えることを特徴とする遠心式回転機械。 - 前記インペラが、
前記第１エッジとしての前縁と、
前記第２エッジとしての後縁と、
を含み、
前記遠心式回転機械は遠心式圧縮機であることを特徴とする請求項１３に記載の遠心式回転機械。
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