KR101314474B1

KR101314474B1 - 터빈 동익

Info

Publication number: KR101314474B1
Application number: KR1020117020199A
Authority: KR
Inventors: 도요타카 요시다; 가츠유키 오사코; 다카오 요코야마; 모토키 에비스
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2013-10-07
Also published as: KR20110122692A; EP2476861A1; EP2476861B1; EP2985415B1; JP2011080410A; CN102341567B; US20120183406A1; US9260971B2; WO2011043124A1; CN102341567A; EP2985415A1; EP2476861A4; JP5439112B2

Abstract

날개 형상을 변경하는 일없이 동익의 관성 모멘트를 저감시키면서, 동익 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 억제하여, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 동익 배면 형상을 구비한 터빈 동익을 제공하는 것을 과제로 한다. 회전축(19)이 연결되는 축형상의 허브부(9)와 상기 허브부(9)의 주위에 복수 형성되는 날개부(11)를 일체로 형성한 터빈 동익(1)에 있어서, 상기 허브부(9)는 회전축 방향의 일단부측인 배면(7)을 향해서 서서히 직경이 커지는 형상을 갖고, 상기 배면(7)에 회전축(19)의 중심선(L)을 중심으로 하여 환상의 오목 형상부(21)가 형성되고, 상기 오목 형상부(21)의 상기 회전축 방향의 단면 형상이, 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상을 상기 장축으로 분할한 타원의 긴 원호(C)에 의해 형성되고, 또한 상기 장축(b)의 위치가 상기 배면(7)에 일치하도록 형성된다.

Description

터빈 동익{TURBINE ROTOR BLADE}

본 발명은, 터보차저(turbocharger) 등의 레이디얼 터빈(radial turbine)이나, 사류(斜流) 터빈에 있어서의 동익(動翼)에 관한 발명으로서, 특히 동익의 배면 형상에 관한 것이다.

차량용, 선박용 등의 터보차저의 터빈 동익에 있어서, 터빈 동익의 관성 모멘트가 크면, 도 7에 도시하는 바와 같이 엔진 회전수의 상승, 급기(給氣) 압력의 상승의 응답성이 나빠져서, 결과적으로 터보차저 등을 포함하는 엔진 시스템 전체의 타임랙(time lag)을 발생시키는 문제가 있었다.

이 때문에, 터빈 동익의 관성 모멘트를 낮추는 방법으로서, 날개 형상 자체를 절제 등에 의해 조정하여 대응하는 것이 알려져 있다.

예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같은 날개(01)의 후연(03)의 높이를 감소시키기 위해서, 날개(01)의 외주의 슈라우드 라인(shroud line)(05)을 낮추는 방법, 또는 도 9에 도시하는 바와 같은 날개(01)의 두께를 날개(01')로 박육화(薄肉化)하는 방법, 또는 날개(01)의 전연(07)까지의 전체 높이를 억제하여 소경(小徑)의 터빈으로 하는 방법 등이 알려져 있다.

그러나, 이러한 날개(01)의 후연(03) 높이의 감소나, 날개(01)의 두께의 박육화에서는, 터빈 동익의 효율 저하의 요인이나 강도면에서의 요구를 충족시키지 못하게 될 가능성이 있어, 소경의 터빈을 적용할 경우에는, 특히 터보차저에서는, 최대 토크점과 최대 출력점의 유량차를 놓아줄 필요가 있어, 시스템 전체의 효율이 저하하는 문제가 있었다.

여기에서, 날개 형상을 변경하지 않고, 관성 모멘트를 저감시키는 방법으로서, 동익의 배면부에 살 제거의 오목 형상을 형성하는 제안이 이루어지고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1(일본 공개 특허 제 1998-54201 호 공보)에는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 터빈 동익(011)의 블레이드(013)가 마련되어 있는 허브(015)의 단부면(016)에 축방향 환상 오목부(017)가 형성되어 있다.

또한, 특허문헌 2(일본 공개 실용신안 제 1988-83430 호 공보)에는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 터빈 동익(020)의 블레이드(022)가 마련되어 있는 허브(024)의 단부면(025)에 축방향 환상 오목부(026)가 형성되어 있다. 이러한 오목부(026)는 원주방향으로 4개소, 축방향을 따라 마련되고, 단면 형상이 대략 삼각형으로 형성되어 있다.

일본 공개 특허 제 1998-54201 호 공보 일본 공개 실용신안 제 1988-83430 호 공보

그러나, 특허문헌 1, 특허문헌 2에 있어서는, 살 제거의 오목 형상에 의해 관성 모멘트를 저감시켜서 응답성의 향상을 도모하는 것이 가능하게 되지만, 특허문헌 1에서는, 도 10의 오목 형상의 선단부(019)는 곡률 반경이 작아 급한 곡률 변화에 의한 응력 집중이 발생하기 쉽고, 또한 특허문헌 2에 있어서도, 도 11의 오목 형상의 선단부(028)는 급한 곡률 변화에 의해 응력 집중이 발생하기 쉽다.

이 때문에, 허브 부재의 동익 배면의 근원 부분에 있어서, 응력 집중이 생기기 쉬워서 강도나 내구성의 면에서 문제가 있었다.

여기에서, 본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 날개 형상을 변경하는 일없이 동익의 관성 모멘트를 저감시키면서, 동익 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 억제하여, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 동익 배면 형상을 구비한 터빈 동익을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 출원의 제 1 발명은, 회전축이 연결되는 축형상의 허브부와 상기 허브부의 주위에 복수 형성되는 날개부를 일체로 형성한 터빈 동익으로서, 상기 허브부는 회전축 방향의 일단부측인 배면을 향해서 서서히 직경이 커지는 형상을 갖고, 상기 배면에 회전축 중심을 중심으로 하여 환상의 오목 형상부가 형성되고, 상기 오목 형상부의 상기 회전축 방향의 단면 형상이, 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상을 상기 장축으로 분할한 곡선 형상에 의해 형성되고, 또한 상기 장축의 위치가 상기 배면에 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 발명에 따르면, 허브부는 회전축 방향의 일단부측인 배면을 향해서 서서히 직경이 커지는 형상을 갖고, 상기 배면에 환상의 오목 형상부가 형성되고, 그 단면 형상이, 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상을 상기 장축으로 분할한 곡선 형상에 의해 형성되고, 또한 상기 장축의 위치가 상기 배면에 일치하도록 형성되기 때문에, 오목 형상부의 곡률이 매끄럽게 변화되고, 곡률 반경을 크게 취할 수 있어, 상기 오목 형상부에 발생하는 응력 집중을 도 10, 도 11에 도시하는 종래 기술과 같은 오목 형상의 선단부에 있어서의 급한 곡률 변화에 의해 생기는 응력 집중보다 저감할 수 있다.

그 결과, 동익 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중을 회피할 수 있어 강도나 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 환상의 오목 형상부에 의한 살 제거에 의해, 터빈 동익의 관성 모멘트도 저감할 수 있다.

일반적으로, 응력 집중 계수 α는 도 6에 도시하는 바와 같은 관계에 있고, 응력 집중 계수 α는, 횡축에 나타내는 ρ(절결부의 원호 반경)/t(절결부 깊이)가 커짐에 따라서 작아지는 관계에 있기 때문에, ρ(절결부의 원호 반경)를 크게 하거나, t(절결부 깊이)를 작게 하는 것에 의해, 응력 집중 계수 α를 작게 할 수 있다.

따라서, 본 발명과 같이, 오목 형상부의 단면 형상이 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상을 상기 장축으로 분할한 곡선 형상에 의해 형성하고, 또한 장축의 위치를 배면에 일치하도록 형성함으로써, 오목 형상부에 있어서의 응력 집중 계수를 종래 기술과 같은 오목 형상의 선단부에 있어서의 급한 곡률 변화보다 작게 할 수 있어, ρ(절결부의 원호 반경)를 크게 하는 동시에, t(절결부 깊이)를 작게 할 수 있어, 허브부 배면의 동익 근원 부분에 있어서의 응력 집중을 저감할 수 있다.

또한, 본 출원의 제 2 발명은, 회전축이 연결되는 축형상의 허브부와 상기 허브부의 주위에 복수 형성되는 날개부를 일체로 형성한 터빈 동익으로서, 상기 허브부는 회전축 방향의 일단부측인 배면을 향해서 서서히 직경이 커지는 형상을 갖고, 상기 배면에 회전축 중심을 중심으로 하여 환상의 오목 형상부가 형성되고, 상기 오목 형상부의 상기 회전축 방향의 단면 형상이, 원호 또는 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상의 일부로 이루어지고, 또한 상기 원호의 중심 또는 상기 장축의 위치가 상기 배면보다 허브부의 외측에 위치하는 동시에 상기 장축이 상기 배면과 평행하게 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 제 2 발명에 따르면, 상기 제 1 발명과 마찬가지로 응력 집중 계수를 저감하여, 응력 집중을 저감할 수 있다. 게다가, 제 2 발명에 있어서는, 원호의 중심 또는 장축 대칭의 곡선 형상을 형성하는 상기 장축을 배면보다 허브부의 외측에 위치시키므로, 상기 제 1 발명에 있어서의 장축 대칭의 곡선 형상의 곡률 반경보다도 큰 반경으로 설정할 수 있게 되어, 제 1 발명에 비하여 응력 집중 계수를 보다 작게 하는 것이 가능해져서, 허브부 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중을 한층더 저감할 수 있다.

또, 제 1 발명 및 제 2 발명에 있어서, 바람직하게는, 상기 배면과 상기 원호 또는 상기 장축 대칭의 곡선 형상의 교점중 외주측의 위치를 상기 날개부 직경의 대략 절반에 위치시키고, 내주측의 위치를 상기 배면과 상기 회전축의 교점 근방에 위치시키면 좋다.

이러한 구성에 따르면, 허브부의 배면과 원호 또는 장축 대칭의 곡선 형상의 교점중 외주측의 위치를, 날개부 직경의 대략 절반의 위치에 위치시켰으므로, 날개부를 보지하는 허브부 외주측의 부분에 충분한 두께를 확보할 수 있다.

또한, 허브부와 날개부는 일체로 주조 등에 의해 제조되는 동시에, 고속으로 회전하기 때문에, 밸런스(balance)를 잡기 위한 살 제거 등의 스페이스가 필요하게 되지만, 이러한 스페이스로서 허브부의 배면의 오목 형상부의 외주측에 평면부를 남길 수 있다.

또, 제 1 발명 및 제 2 발명에 있어서, 바람직하게는, 상기 오목 형상부의 단면 형상에는 직선부가 존재하지 않으면 좋다.

즉, 원호 형상 또는 타원 형상 등의 장축 대칭의 곡선 형상에 의해서만 형성되기 때문에, 직선부가 개재되면 직선부와 이들 곡선 형상의 교차부에 있어서의 형상 변화에 의한 응력 집중의 발생의 가능성을 극력 회피할 수 있어, 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 제 1 발명 및 제 2 발명에 있어서, 바람직하게는, 상기 장축 대칭의 곡선 형상이 타원으로 이루어지고, 상기 타원의 짧은 직경은 상기 동익의 직경의 3% 내지 10%이면 좋다.

이러한 3% 내지 10%는, 응력 및 관성 모멘트의 수치 해석 결과에 근거하여, 3%보다 작아지면 오목 형상으로서의 살 제외에 의한 관성 모멘트의 저감 효과가 얻어지지 않고, 또한 10%를 초과하면 깊이가 깊어져, 날개부를 보지하는 허브부 외주측의 부분의 두께에 영향을 주어서, 터빈 동익 전체의 강도에 악영향을 미치므로, 이러한 범위로 설정하면 좋다.

제 1 발명에 따르면, 날개 형상을 변경하는 일없이 동익의 관성 모멘트를 저감시키면서, 동익 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 억제하여, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 동익 배면 형상을 구비한 터빈 동익을 제공할 수 있다.

또한, 제 2 발명에 따르면, 상기 제 1 발명과 마찬가지로 응력 집중 계수를 저감하여, 응력 집중을 저감할 수 있다.

게다가, 본 제 2 발명에 있어서는, 원호의 중심 또는 장축 대칭의 곡선 형상을 형성하는 상기 장축을 배면보다 허브부의 외측에 위치시키므로, 상기 제 1 발명에 있어서의 장축 대칭의 곡선 형상의 곡률 반경보다도 큰 반경으로 설정할 수 있게 되어, 제 1 발명에 비하여, 응력 집중 계수를 보다 작게 하는 것이 가능해져서, 허브부 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중을 한층더 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 터빈 동익의 단면도,
도 2는 제 2 실시형태에 있어서의 터빈 동익의 단면도,
도 3은 제 3 실시형태에 있어서의 터빈 동익의 단면도,
도 4는 응력 피크 비율 및 관성 모멘트의 비교 설명도,
도 5는 도 4에 도시하는 비교예 1, 2의 설명도,
도 6은 응력 집중 계수 α의 일반적인 특성도,
도 7은 터빈 동익의 응답 특성을 나타내는 설명도,
도 8은 날개 형상의 변경예의 설명도,
도 9는 날개 형상의 변경예의 설명도,
도 10은 종래 기술의 설명도,
도 11은 종래 기술의 설명도.

이하, 본 발명을 도면으로 도시한 실시형태를 이용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지가 아니다.

(제 1 실시형태)

차량용, 선박용 등의 터보차저의 터빈 동익을 예로 설명한다. 도 1은 이 터빈 동익(1)의 축방향 단면도를 도시하고, 터빈 동익(이하 동익이라고 함)(1)은, 축형상으로 형성되는 동시에, 외주측면(3), 선단면(5), 후단면(배면)(7)을 갖는 허브부(9)와, 상기 허브부(9)의 외주측면(3)에 복수 형성된 날개부(11)가 사출 성형, 주조, 소결 등에 의해 일체로 성형되어 있다.

외주측면(3)은, 허브부(9)의 선단면(5)으로부터 배면(7)을 향함에 따라서 서서히 직경이 커지도록 만곡한 형상으로 형성되고, 이 만곡한 면상에 날개부(11)가 축방향을 따라 복수매 입설되어 있다.

그리고, 날개부(11)의 전연(13)이 직경방향을 향해서 외주측에 마련되고, 날개부(11)의 후연(15)이 축방향을 향해서 내주측에 형성되고, 유동 가스가 직경방향 외측으로부터 전연(13)에 도입되어서, 축방향을 향해서 후연(15)으로부터 배출되는 것에 의해, 허브부(9)에 회전력이 발생하도록 되어 있다.

또, 배면(7)에는, 회전축(19)을 연결하는 용접 선반부(17)가 원주형상으로 돌출 마련되고, 상기 용접 선반부(17)에 회전축(19)의 선단이 용접부(22)에서 결합된다. 또한, 이 회전축(19)의 접속 구조는, 용접에 의하지 않고 허브부(9)의 중심부를 중공 형상으로 형성하여, 중공 형상내에 회전축을 끼워맞춰서 결합하는 구조이어도 좋다.

또한, 허브부(9)의 배면(7)에는 회전축(19) 주위에 중심선(L)을 중심으로 환상의 오목 형상부(21)가 형성되어 있다. 상기 오목 형상부(21)의 회전축 방향의 단면 형상은 도 1에 도시하는 바와 같이 타원형(장축 대칭의 곡선 형상)(G)으로 이루어져 있다. 즉, 타원의 짧은 직경(a)과 긴 직경(b)으로 이루어지는 타원의 긴 원호(C)로 형성되어 있다. 이 타원의 긴 원호(C)는 장축의 긴 직경(b)을 배면(7)의 면과 일치시켜서, 긴 직경(b)으로 분할된 형상으로 되어 있다. 즉, 오목 형상부(21)를 형성하는 곡선 형상은 직선부가 없는 단일의 타원의 긴 원호(C)에 의해 형성되어 있다.

긴 원호(C)와 배면(7)의 외주측의 교점(A)의 위치는 날개부(11)의 직경(D)의 대략 절반에 위치되고, 내주측의 교점(B)의 위치는 용접 선반부(17)의 상면과 배면(7)이 수직으로 교차하는 교점에 위치되어 있다.

교점(A)의 위치를, 날개부(11)의 직경(D)의 대략 절반의 위치에 위치시켰으므로, 날개부(11)를 보지하는 허브부(9)의 외주측의 부분에 충분한 두께(N)를 확보할 수 있어, 오목 형상부(21)의 형성에 의해 터빈 동익(1) 전체의 강도 저하가 없게 할 수 있다.

또한, 허브부(9)와 날개부(11)는 일체로 주조 등에 의해 제조되는 동시에, 동익(1) 자체는 고속으로 회전하기 때문에, 회전시의 밸런스를 잡을 필요가 있으므로, 이러한 살 제거 등의 스페이스가 필요하게 되지만, 그 스페이스로서 배면(7)의 오목 형상부(21)의 외주측에 평면(H)이 확보된다.

이러한 이유를 기초로 교점(A)의 위치가 설정되어 있다. 또한, 교점(B)에 대해서는, 용접 선반부(17)의 상면에 연속적이고 또한 매끄럽게 오목 형상부(21)의 내면이 연결되는 것에 의해, 응력 집중의 발생 개소를 극력 저감할 수 있기 때문이다. 즉, 만일 교점(B)의 위치가 용접 선반부(17)의 상면보다 단차 형상으로 외주측에 위치되었다고 하면, 그 교점(B)에는 코너부가 형성되고, 거기에 응력 집중이 생길 우려가 있다.

여기에서, 응력 집중 계수에 대해서 설명한다. 일반적으로, 응력 집중 계수 α는, 재료역학의 문헌(기계공학 편람)에는 도 6에 도시하는 바와 같은 관계가 나타나 있다. 이 예는 양측 절결부의 경우를 도시하는 것이지만, 응력 집중 계수 α는 횡축에 나타내는 ρ(절결부의 원호 반경)/t(절결부 깊이)가 커짐에 따라서 작아지는 관계에 있다. 이 때문에, ρ(절결부의 원호 반경)를 크게 하거나, t(절결부 깊이)를 작게 하는 것에 의해, 응력 집중 계수 α를 작게 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

따라서, ρ(절결부의 원호 반경)를 크게 하거나, t(절결부 깊이)를 작게 하기 위해서, 오목 형상부(21)의 단면 형상을 타원의 긴 원호 형상에 의해 형성함으로써, 응력 집중 계수를 종래 기술과 같은 오목 형상의 선단부에 있어서의 급한 곡률 변화보다 작게 할 수 있고, 더욱이 배면(7)의 살 제거도 가능하게 할 수 있다.

그 결과, 날개부(11)의 형상을 변경하는 일없이 동익(1)의 관성 모멘트를 저감시키면서, 배면(7)의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 억제하여, 강도 및 내구성을 향상시키는 것이 가능해진다.

다음에, 배면(7)의 근본 부분에 생기는 응력의 수치 해석 결과에 대해서 도 4, 도 5를 참조하여 설명한다.

도 4의 횡축에 있어서의, 비교예 1은 도 5의 (a)와 같이 오목 형상부가 형성되어 있지 않은 터빈 동익(30)의 경우이고, 비교예 2는 도 5의 (b)와 같이 오목 형상부의 단면 형상이 물방울 형상(32)이고 종래 기술로서 설명한 도 10, 도 11의 형상에 가까운 것이며, 오목 형상의 깊이가 깊고 선단부의 곡률 반경이 작게 뾰족한 형상의 터빈 동익(34)의 경우이다. 실시예 1 내지 4는 본 실시형태의 도 1에 도시하는 타원의 긴 원호 형상에 의한 경우이고, 실시예 1은 날개부(11)의 직경(D)과 타원의 짧은 직경(a)의 비(a/D)가 10%인 경우, 실시예 2는 a/D가 6%인 경우, 실시예 3은 a/D가 5%인 경우, 실시예 4는 a/D가 4%인 경우를 각각 나타낸다.

또한, 종축은, 비교예 2의 응력 피크값을 100%라고 했을 경우의 비율과, 비교예 1의 관성 모멘트를 100%라고 했을 경우의 비율을 각각 나타낸다.

이러한 도 4를 기초로 각 케이스를 비교하면, 응력 피크값에 대해서는, 비교예 2의 물방울형상의 오목 형상부의 경우가 가장 응력 피크값이 크고 그 값을 100%로 하여, 다른 케이스를 보면, 비교예 1은 오목 형상부가 형성되어 있지 않기 때문에 가장 작고, 그리고 실시예 1로부터 실시예 4에 걸쳐서 순차 작아지는 것을 알 수 있었다. 즉, 타원의 짧은 직경(a)이 작아져서 오목 형상부의 깊이가 얕아짐에 따라서 베이스의 비교예 1에 근접하는 것을 확인할 수 있었다.

또, 관성 모멘트에 대해서는, 오목 형상부가 없는 비교예 1이 가장 크고 그 값을 100%로 하여, 다른 케이스를 보면, 물방울형상의 비교예 2가 가장 작고, 실시예 1로부터 실시예 4에 걸쳐서 순차 커지는 것을 알 수 있었다. 즉, 타원의 짧은 직경(a)이 작아져서 오목 형상부의 깊이가 얕아짐에 따라서 베이스의 비교예 1에 근접하는 것을 확인할 수 있었다.

이상의 비교로부터, 비교예 1과 같이 오목 형상부가 형성되어 있지 않은 것은, 발생하는 집중 응력은 작지만 관성 모멘트가 크고, 또 비교예 2와 같은 물방울형상과 같은 형상에서는, 관성 모멘트는 작지만 큰 집중 응력의 발생이 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에서는, 이러한 비교예 1과 비교예 2의 양자의 중간적인 특성을 얻을 수 있어, 관성 모멘트를 저감시키면서, 배면(7)의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, a/D의 비율의 설정에 대해서는, 실시예 1 내지 4에 나타내는 바와 같은 관성 모멘트와 피크 응력의 관계를 갖기 때문에, 터빈 동익의 사용 조건에 따라서 미리 설정하면 좋다. 또한, a/D의 비율의 범위에 대해서는, 응력 및 관성 모멘트의 수치 해석 결과로부터 도 4에 나타내는 4% 내지 10%를 포함하여 3% 내지 10%가 적절하다.

왜냐하면, 3%보다 작아지면 오목 형상으로서의 살 제거에 의한 관성 모멘트의 저감 효과가 얻어지지 않고, 또한 10%을 초과하면 깊이가 지나치게 깊어져, 날개부를 보지하는 허브부 외주측의 부분의 두께에 영향을 주어서, 터빈 동익 전체의 강도에 악영향을 미치기 때문에, 이러한 범위로 설정하면 좋다.

제 1 실시형태에 있어서는, 오목 형상부(21)의 단면 형상으로서 타원형(G)에 대해서 설명했지만, 장축 대칭 곡선으로서 타원형에 근사한 계란형에 대해서도 동일하다고 말할 수 있다. 즉, 계란형의 곡선 형상은 타원형과 반원호가 연결된 형상으로 되고, 타원형뿐만 아니라 원호와 연결된 형상을 하고 있어도, 오목 형상부의 곡률이 매끄럽게 변화되어, 곡률 반경을 크게 취할 수 있는 형상이면 좋다. 단, 직선부가 존재해서는 안 되고, 즉 원호 형상 또는 타원 형상 등의 장축 대칭의 곡선 형상에 의해서만 형성되므로, 오목 형상부의 곡률이 매끄럽게 변화되게 된다. 직선부가 개재하면 직선부와 이들 곡선 형상의 교차부에 있어서, 형상 변화가 생기기 쉬워서, 응력 집중이 발생하기 쉬워지기 때문이다.

(제 2 실시형태)

다음에, 도 2를 참조하여 제 2 실시형태에 대해서 설명한다. 또한, 제 1 실시형태에서 설명한 구성 부재와 동일한 것에는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

허브부(40)의 배면(42)에, 회전축(19)의 중심선(L)을 중심으로 하여 형성된 환상의 오목 형상부(44)의 회전축 방향의 단면 형상이, 도 2에 도시하는 바와 같이 타원형(G')으로 이루어져 있어, 짧은 직경(a')과 긴 직경(b')으로 이루어지는 타원의 긴 원호(E)로 형성되어 있다. 이러한 타원의 긴 원호(E)는 긴 직경(b')을 배면(42)과는 일치시키지 않고, 배면(42)의 면 위치로부터 거리(s)만큼 허브부(40)의 외측 방향으로 이동한 위치에 위치시켜, 타원의 긴 원호 형상의 일부에 의해 형성되어 있다. 즉, 오목 형상부(44)를 형성하는 곡선 형상은 직선부가 없고 단일의 타원의 긴 원호에 의해 형성되어 있다.

또, 거리(s)는 크게 이동함에 따라서, 긴 직경(b')을 크게 취할 수 있게 되기 때문에, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 도 4의 비교예 1의 베이스 형상에 가깝게 할 수 있게 된다.

거리(s)의 이동 방향에 대해서는, 허브부(40)의 내부 방향으로 이동하여, 장축의 긴 직경(b')이 허브부(40)내에 위치되는 경우에는, 오목 형상부(44)의 단면 형상의 상하 변에 직접부(直接部)가 존재하여, 긴 원호(E)와의 연결부에 곡률의 변화가 생겨서, 응력 집중이 발생할 우려가 있기 때문에, 거리(s)는 배면(42)의 위치로부터 허브부(40)의 외측(도 2의 좌측)으로 이동시킬 필요가 있다.

또한, 긴 원호(E)와 배면(42)의 외주측의 교점(A)의 위치와 내주측의 교점(B)의 위치는 제 1 실시형태와 동일하다.

이러한 제 2 실시형태에 따르면, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 응력 집중 계수를 저감하여, 응력 집중을 저감할 수 있다. 게다가, 제 2 실시형태에 있어서는, 타원의 긴 직경(b')의 위치가 배면(42)보다 허브부(40)로부터 외측에 위치되므로, 제 1 실시형태에 있어서의 타원의 긴 원호(C)의 곡률 반경보다 크게 설정할 수 있게 되기 때문에, 제 1 실시형태에 비하여, 응력 집중 계수를 보다 작게 하는 것이 가능하게 되어, 배면(42)의 근원 부분에 있어서의 응력 집중을 한층더 저감할 수 있다.

(제 3 실시형태)

다음에, 도 3을 참조하여 제 3 실시형태에 대해서 설명한다. 또한, 제 1 실시형태, 제 2 실시형태에서 설명한 구성 부재와 동일한 것에는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

제 3 실시형태는 제 2 실시형태의 타원에 대하여 원형의 원호에 의해 오목 형상부(50)의 형상을 형성하는 것이다.

동익(1)의 허브부(52)의 배면(54)에, 회전축(19)의 중심선(L)을 중심으로 하여 형성된 환상의 오목 형상부(50)의 회전축 방향의 단면 형상이 도 3에 도시하는 바와 같이 반경(R)의 원호 형상으로 이루어져 있고, 원주의 일부의 원호(F)로 형성되어 있다. 이 원호(F)의 중심(P)은 제 2 실시형태와 마찬가지로 배면(54)의 면 위치로부터 거리(s)만큼 허브부(52)의 외측으로 이동한 위치에 위치되어 있다. 즉, 오목 형상부(50)를 형성하는 곡선 형상은 직선부가 없고 단일의 원호에 의해 형성되고, 게다가 반원호보다 작은 원호 형상에 의해 형성되어 있다.

원호(F)와 배면(54)의 외주측의 교점(A)의 위치와 내주측의 교점(B)의 위치는 제 1 실시형태와 동일하다.

이러한 제 3 실시형태에 따르면, 제 2 실시형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있는 동시에, 원형상의 원호의 일부의 곡선을 이용하여 오목 형상부(50)를 형성하기 때문에, 타원형이나 계란형 등의 장축 대칭의 곡선 형상의 단면 형상에 비해서 제조, 가공이 용이해진다. 또한, A점, B점간의 거리가 일정한 경우에, 용접 선반부(17)의 돌출량이 한정되어 있는 경우에, 용접부(22)에 걸리지 않도록 하여 타원형이나 계란형 등의 장축 대칭의 곡선 형상의 곡률 반경에 비하여, 보다 작은 곡률 반경의 설정이 가능해지는 등, 오목 형상부(50)의 형상 설정의 자유도가 향상한다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명은, 날개 형상을 변경하는 일없이 동익의 관성 모멘트를 저감시키면서, 동익 배면의 근원 부분에 있어서의 응력 집중의 발생을 억제하여, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 동익 배면 형상을 구비하므로, 터빈 동익에 이용하기에 적합하다.

Claims

회전축(19)이 연결되는 축형상의 허브부(9)와 상기 허브부(9)의 주위에 복수 형성되는 날개부(11)를 일체로 형성한 터빈 동익(1)에 있어서,
상기 허브부(9)는 회전축 방향의 일단부측인 배면(7)을 향해서 서서히 직경이 커지는 형상을 갖고, 상기 배면(7)에 회전축 중심을 중심으로 하여 환상의 오목 형상부(21)가 형성되고, 상기 오목 형상부(21)의 상기 회전축 방향의 단면 형상이, 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상을 상기 장축으로 분할한 곡선 형상에 의해 형성되고, 또한 상기 장축의 위치가 상기 배면(7)에 일치하도록 형성되는 동시에,
상기 장축 대칭의 곡선 형상이 타원(G)으로 이루어지고, 상기 타원(G)의 짧은 직경(a)은 상기 동익(1)의 직경(D)의 3% 내지 10%인 것을 특징으로 하는
터빈 동익.
회전축(19)이 연결되는 축형상의 허브부(40)와 상기 허브부(40)의 주위에 복수 형성되는 날개부(11)를 일체로 형성한 터빈 동익(1)에 있어서,
상기 허브부(40)는 회전축 방향의 일단부측인 배면(42)을 향해서 서서히 직경이 커지는 형상을 갖고, 상기 배면(42)에 회전축 중심을 중심으로 하여 환상의 오목 형상부(44)가 형성되고, 상기 오목 형상부(44)의 상기 회전축 방향의 단면 형상이, 원호 또는 타원형이나 계란형의 장축 대칭의 곡선 형상의 일부로 이루어지고, 또한 상기 원호의 중심 또는 상기 장축의 위치가 상기 배면(42)보다 허브부(40)의 외측에 위치하는 동시에 상기 장축이 상기 배면(42)과 평행하게 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는
터빈 동익.
제 2 항에 있어서,
상기 배면(42)과 상기 원호 또는 상기 장축 대칭의 곡선 형상의 교점중 외주측의 위치(A)를 상기 날개부의 직경(D)의 절반에 위치시키고, 내주측의 위치(B)를 상기 배면(42)과 상기 회전축(19)의 교점 근방에 위치시킨 것을 특징으로 하는
터빈 동익.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 오목 형상부(21, 44)의 단면 형상에는 직선부가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는
터빈 동익.
제 2 항에 있어서,
상기 장축 대칭의 곡선 형상이 타원(G)으로 이루어지고, 상기 타원(G)의 짧은 직경(a)은 상기 동익(1)의 직경(D)의 3% 내지 10%인 것을 특징으로 하는
터빈 동익.