WO2024034162A1 - インペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械 - Google Patents

インペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械 Download PDF

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WO2024034162A1
WO2024034162A1 PCT/JP2023/006273 JP2023006273W WO2024034162A1 WO 2024034162 A1 WO2024034162 A1 WO 2024034162A1 JP 2023006273 W JP2023006273 W JP 2023006273W WO 2024034162 A1 WO2024034162 A1 WO 2024034162A1
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WO
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hub
impeller
shroud
layer
layers
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Application number
PCT/JP2023/006273
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English (en)
French (fr)
Inventor
昂平 吉田
一浩 三浦
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps

Definitions

  • the present disclosure relates to an impeller, a method for manufacturing the impeller, and a rotating machine.
  • centrifugal compressor As a rotating machine, there is a centrifugal compressor that houses an impeller inside. A centrifugal compressor imparts pressure and velocity energy to a fluid by rotating an impeller. As an impeller applied to a centrifugal compressor, there is a closed impeller in which a plurality of blades are arranged between a hub and a shroud. The rigidity of the closed impeller is improved by using a composite material made of fiber materials. Examples of impellers applied to centrifugal compressors and the like include those described in the following patent documents.
  • the fiber orientation direction of the reinforcing ring made of a fiber-reinforced composite material fixed to the hub surface of the impeller main body is the circumferential direction of the impeller main body. Therefore, although the impeller has high rigidity in the circumferential direction, the impeller has low rigidity in the radial direction orthogonal to the fiber orientation direction. Therefore, it is conceivable to increase the thickness of the impeller in the radial direction, but in this case, the impeller becomes heavier and the rigidity in the radial direction becomes severe due to centrifugal force.
  • the present disclosure solves the above-mentioned problems, and aims to provide an impeller, a method for manufacturing the impeller, and a rotating machine that suppress deformation in the radial direction.
  • the impeller of the present disclosure for achieving the above object includes a hub having a cylindrical shape, a shroud having a cylindrical shape and disposed outside the hub, and a space between the hub and the shroud in the circumferential direction. a plurality of blades arranged at intervals, at least one of the hub and the shroud has a plurality of layers laminated in the thickness direction, and each of the plurality of layers has a fiber member arranged in a circumferential direction.
  • the plurality of layers have higher rigidity toward the outside in the thickness direction.
  • the impeller manufacturing method of the present disclosure includes a step of forming a hub having a cylindrical shape, and a plurality of blades are arranged at intervals in the circumferential direction between the supporting inner cylinder and the supporting outer cylinder. forming a blade assembly; forming a shroud having a cylindrical shape; and assembling the hub, the blade assembly, and the shroud;
  • the member is formed of a composite material arranged along the circumferential direction, and forms a reinforcing layer composed of a plurality of layers whose rigidity is higher toward the outside.
  • the rotating machine of the present disclosure includes the impeller.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a centrifugal compressor to which the impeller of this embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a front view showing the impeller of this embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III--III in FIG. 2, showing a cross section of the impeller.
  • FIG. 4 is a table representing the materials applied to the hub and shroud.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the impeller manufacturing method.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing radial stress in a conventional impeller.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing radial stress in the impeller of this embodiment.
  • a centrifugal compressor is applied as the rotating machine.
  • the rotating machine is not limited to a centrifugal compressor, and may be, for example, a turbocharger, an uncooled supercharger (so-called MET supercharger), a turbo refrigerator, or the like.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a centrifugal compressor to which the impeller of this embodiment is applied.
  • the axis of the center of rotation in the centrifugal compressor is referred to as the axis O
  • the direction of the axis O is the axial direction A
  • the radial direction of the centrifugal compressor with respect to the axis O is the radial direction D
  • the axis The circumferential direction centered on O will be described as the circumferential direction R.
  • the centrifugal compressor 11 includes a turbine 12, a compressor 13, and a rotating shaft 14, which are housed inside a housing 15.
  • the housing 15 has a hollow shape.
  • Housing 15 includes a turbine housing 21, a compressor housing 22, and a bearing housing 23.
  • a bearing housing 23 is disposed between the turbine housing 21 and the compressor housing 22, and are fastened together with bolts, for example.
  • the turbine housing 21 accommodates the turbine 12 .
  • the compressor housing 22 accommodates the compressor 13.
  • the rotating shaft 14 is housed in the bearing housing 23 .
  • the rotating shaft 14 is arranged along the axis O.
  • the rotating shaft 14 is rotatably supported by the compressor housing 22 by a pair of journal bearings 24 and 25, and movement in the radial direction D is restricted. Further, the rotating shaft 14 is rotatably supported by the compressor housing 22 by a thrust bearing 26, and movement in the axial direction A is restricted.
  • the rotating shaft 14 is rotatably supported by the housing 15 by journal bearings 24 and 25 and a thrust bearing 26 about the axis O.
  • a turbine wheel 31 constituting the turbine 12 is fixed to one end of the rotating shaft 14 in the axial direction A.
  • Turbine wheel 31 is housed inside turbine housing 21 .
  • the turbine wheel 31 has a hub 32, a plurality of blades 33, and a shroud 34. That is, in the hub 32, a plurality of blades 33 are arranged on the outer circumference at equal intervals in the circumferential direction R, and a shroud 34 is arranged on the outer side of the plurality of blades 33.
  • the turbine wheel 31 has a hub 32 fixed to one end of the rotating shaft 14 .
  • a compressor wheel 36 constituting the compressor 13 is fixed to the other end of the rotating shaft 14 in the axial direction A.
  • Compressor wheel 36 is housed within compressor housing 22 .
  • Compressor wheel 36 has a hub 37, a plurality of blades 38, and a shroud 39. That is, in the hub 37, a plurality of blades 38 are arranged at equal intervals in the circumferential direction R on the outer periphery, and a shroud 39 is arranged on the outer side of the plurality of blades 38.
  • the compressor wheel 36 has a hub 37 fixed to the other end of the rotating shaft 14 .
  • the turbine housing 21 is provided with a first fluid inlet passage 41 and a first fluid outlet passage 42 with respect to the turbine wheel 31.
  • the turbine housing 21 is provided with a turbine nozzle 43 between the inlet passage 41 and the turbine wheel 31 .
  • the turbine 12 is driven to rotate by guiding the first fluid, which is statically expanded by the turbine nozzle 43 and flows in the axial direction A, to the plurality of turbine wheels 31 .
  • the compressor housing 22 is provided with an intake port 44 and a discharge port 45 relative to the compressor wheel 36.
  • a diffuser 46 is provided in the compressor housing 22 between the compressor wheel 36 and the discharge port 45 .
  • the compressor wheel 36 is driven to rotate by the rotational force of the turbine wheel 31 being transmitted via the rotating shaft 14 .
  • the compressor wheel 36 rotates, it draws in and compresses the second fluid, and the compressed second fluid is discharged to the outside through the diffuser 46 .
  • the turbine 12 is driven by the first fluid, the rotational force of the turbine 12 is transmitted to the rotating shaft 14 to drive the compressor 13, and the compressor 13 compresses the second fluid.
  • the first fluid passes through the inlet passage 41 and is statically expanded by the turbine nozzle 43, and the first fluid flowing in the axial direction A is guided to the plurality of blades 33, thereby driving the turbine wheel 31 to rotate.
  • the first fluid that has driven the turbine wheel 31 is discharged from the outlet passage 42 to the outside.
  • the compressor wheel 36 which is integrated with the rotating shaft 14, is driven to rotate.
  • the second fluid is sucked in through the suction port 44, and is pressurized and compressed by the compressor wheel 36.
  • the compressed second fluid passes through the diffuser 46 and is discharged from the discharge port 45 to the outside.
  • FIG. 2 is a front view showing the impeller of this embodiment
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III--III in FIG. 2 showing a cross section of the impeller.
  • the impeller 50 of this embodiment is applied to the compressor wheel 36 of the centrifugal compressor 11 described above.
  • the impeller 50 is a closed impeller including a hub 51, a shroud 52, and a plurality of blades 53.
  • the impeller 50 may be an open impeller.
  • the impeller 50 includes a plurality of blades 53 arranged between a hub 51 and a shroud 52 at intervals (preferably at equal intervals) in the circumferential direction R.
  • the plurality of blades 53 are fixed to the hub 51 on one side in the axial direction A and the radial direction D, and fixed to the shroud 52 on the other side.
  • the impeller 50 is provided with a plurality of impeller passages 54 surrounded by a hub 51, a shroud 52, and a plurality of blades 53.
  • the impeller flow path 54 is bent approximately 90 degrees from one side in the axial direction A to the outer side in the radial direction D, and is arranged in a spiral shape centered on the axis O.
  • the hub 51 has a cylindrical shape and a disk shape centered on the axis O. That is, the hub 51 gradually expands in diameter outward in the radial direction D from one side in the axial direction A (upper side in FIG. 3) to the other side (lower side in FIG. 3).
  • the hub 51 includes a cylindrical portion 61, a disk portion 62, and a reinforcing layer (hub reinforcing layer) 63.
  • the cylindrical portion 61 is formed with a circular through hole 61a extending along the axial direction A at the position of the axis O.
  • the hub 51 is integrally fixed to the rotating shaft with the inner circumferential surface of the through hole 61a of the cylindrical portion 61 fitting into the outer circumferential surface of the rotating shaft (the rotating shaft 14 shown in FIG. 1). Note that the hub 51 may be rotatably supported with respect to the rotating shaft with the inner circumferential surface of the through hole 61a of the cylindrical portion 61 fitting into the outer circumferential surface of the rotating shaft.
  • the inner circumferential portion of the disc portion 62 is integrally fixed to the cylindrical portion 61 at an intermediate position in the axial direction A.
  • the disc portion 62 has a hollow truncated conical shape extending outward in the radial direction D and in the other direction in the axial direction A (downward in FIG. 3) from the inner circumference toward the outer circumference.
  • the disk portion 62 has a mounting surface 62a having a concavely curved outer peripheral surface.
  • the cylindrical portion 61 and the disk portion 62 are formed, for example, by injection molding of resin.
  • the reinforcing layer 63 is arranged between the cylindrical portion 61 and the disk portion 62.
  • the reinforcing layer 63 includes a first layer 63a, a second layer 63b, and a third layer 63c.
  • the first layer 63a, second layer 63b, and third layer 63c that constitute the reinforcing layer 63 are laminated in the thickness direction of the hub 51.
  • the first layer 63a, the second layer 63b, and the third layer 63c are each made of a composite material in which fiber members are continuously arranged along the circumferential direction.
  • the first layer 63a, the second layer 63b, and the third layer 63c have higher rigidity toward the outer side in the thickness direction. That is, the second layer 63b has a higher rigidity than the first layer 63a, and the third layer 63c has a higher rigidity than the second layer 63b.
  • the reinforcing layer 63 is disposed between the cylindrical portion 61 and the disc portion 62, but the structure is not limited to this.
  • the disk portion 62 may be omitted and the reinforcing layer 63 may be placed on the outer periphery of the cylindrical portion 61.
  • the first layer 63a, the second layer 63b, and the third layer 63c are laminated in the thickness direction of the hub 51, here, along the radial direction D, but they are also laminated at a predetermined inclination in the axial direction A with respect to the radial direction D. They may be laminated along a direction that is inclined by an angle.
  • the thicknesses of the first layer 63a, the second layer 63b, and the third layer 63c may be the same or different, and may be set as appropriate.
  • the reinforcing layer 63 is composed of three layers, the first layer 63a, the second layer 63b, and the third layer 63c, it may be composed of two layers or four or more layers.
  • the shroud 52 has a cylindrical shape centered on the axis O.
  • the shroud 52 has a reinforcement layer (shroud reinforcement layer) 64.
  • the shroud 52 is composed of a reinforcing layer 64.
  • the reinforcing layer 64 has a first layer 64a, a second layer 64b, and a third layer 64c.
  • a first layer 64a, a second layer 64b, and a third layer 64c constituting the reinforcing layer 64 are laminated in the thickness direction of the shroud 52.
  • the first layer 64a, the second layer 64b, and the third layer 64c are each made of a composite material in which fiber members are continuously arranged along the circumferential direction.
  • the first layer 64a, the second layer 64b, and the third layer 64c have higher rigidity toward the outer side in the thickness direction.
  • the second layer 64b has a higher rigidity than the first layer 64a
  • the third layer 64c has a higher rigidity than the second layer 64b.
  • the reinforcing layer 64 is composed of three layers, a first layer 64a, a second layer 64b, and a third layer 64c, it may have two layers or four or more layers.
  • the shroud 52 is composed of the reinforcing layer 64, but the structure is not limited to this.
  • a cylindrical portion made of resin may be provided, and the reinforcing layer 64 may be placed on the outer periphery of the cylindrical portion.
  • the first layer 64a, the second layer 64b, and the third layer 64c are laminated in the thickness direction of the shroud 52, here, along the radial direction D. They may be laminated along a direction that is inclined by an angle. Further, the thicknesses of the first layer 64a, the second layer 64b, and the third layer 64c may be the same or different, and may be set as appropriate.
  • the reinforcing layer 64 is composed of three layers, the first layer 64a, the second layer 64b, and the third layer 64c, it may be composed of two layers or four or more layers.
  • the shroud 52 is disposed outwardly in the radial direction D from the hub 51 by a predetermined distance.
  • the reinforcing layer 64 has a mounting surface 64d having a convexly curved inner peripheral surface.
  • the mounting surface 62a of the disk portion 62 on the hub 51 and the mounting surface 64d of the reinforcing layer 64 on the shroud 52 face each other.
  • a plurality of blades 53 connect the hub 51 and the shroud 52.
  • One side of the plurality of blades 53 in the radial direction D is fixed to the mounting surface 62a of the disk portion 62 on the hub 51, and the other side of the plurality of blades 53 in the radial direction D is fixed to the mounting surface 64d of the reinforcing layer 64 on the shroud 52.
  • the plurality of blades 53 extend curvedly from one side in the axial direction A toward the outer side in the radial direction D.
  • the plurality of blades 53 are arranged at intervals in the circumferential direction R.
  • the plurality of blades 53 are arranged radially outward in the radial direction D with the axis O as the center.
  • the blade 53 is formed by injection molding, cutting, or the like.
  • the impeller flow path 54 is formed between the hub 51 and the shroud 52 by being divided into a plurality of sections in the circumferential direction R by a plurality of blades 53.
  • the impeller flow path 54 extends while curving from the inner side to the outer side in the radial direction D as it goes from one side to the other side in the axial direction A.
  • the impeller flow path 54 has an inlet 54a that opens on the inner side in the radial direction D and on one side in the axial direction A. Further, the impeller flow path 54 has an outlet 54b that opens on the outer side in the radial direction D and on the other side in the axial direction A.
  • FIG. 4 is a table representing the materials applied to the hub and shroud.
  • E elastic modulus
  • G shear modulus G
  • Poisson's ratio v Poisson's ratio
  • tensile strength F the subscript 1 is for the fiber direction
  • 2 is for the direction perpendicular to the fibers
  • 3 is for the lamination direction
  • t represents tension.
  • the first layers 63a, 64a, the second layers 63b, 64b, and the third layers 63c, 64c are made of different materials, respectively. configured.
  • the first layer 63a is formed of T300/EP#3631 (fiber/resin)
  • the second layer 63b is formed of T800H/EP#3631 (fiber/resin)
  • the third layer 63c is formed of M40J/EP#3631 (fiber/resin).
  • the first layer 64a is formed of T300/EP#3631 (fiber/resin)
  • the second layer 64b is formed of T800H/EP#3631 (fiber/resin)
  • the third layer 64c is made of M40J/EP#3631 (fiber/resin).
  • the first layer 63a, 64a (T300/EP#3631), the second layer 63b, 64b (T800H/EP#3631), and the third layer 63c, 64c (M40J/EP#3631) have a longitudinal elastic modulus corresponding to the stiffness.
  • E1 is 130000Mpa, 165000Mpa, and 212000Mpa. Therefore, the stiffness of the reinforcing layers 63 and 64 increases toward the outer side of the hub 51 and the shroud 52 in the thickness direction (radial direction D).
  • the combinations of materials for the first layers 63a, 64a, the second layers 63b, 64b, and the third layers 63c, 64c are not limited to those described above, and may be appropriately selected based on the table in FIG. 4, for example. It is something.
  • T300, T800H, M40J, etc. are high-performance carbon fibers made from polyacrylonitrile manufactured by Toray Industries, Inc.'s Torayca (registered trademark).
  • the first layers 63a, 64a, the second layers 63b, 64b, and the third layers 63c, 64c are not limited to these materials, and other composite materials may be used.
  • the reinforcing layers 63 and 64 were provided on both the hub 51 and the shroud 52, but the reinforcing layers 63 and 64 may be provided on at least one of the hub 51 and the shroud 52.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the impeller manufacturing method.
  • the impeller manufacturing method of this embodiment includes a step of forming a cylindrical hub 51, and forming a support inner cylinder 71 and a support outer cylinder 72 that are spaced apart in the circumferential direction.
  • the method includes a step of forming a blade assembly 53A in which a plurality of blades 53 are arranged, a step of forming a shroud 52 having a cylindrical shape, and a step of assembling the hub 51, the blade assembly 53A, and the shroud 52.
  • reinforcing layers 63 and 64 are formed on at least one of the hub 51 and the shroud 52, and are made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction, and are composed of a plurality of layers whose rigidity is higher toward the outside. .
  • the hub 51, the shroud 52, and the plurality of blades 53 are formed separately, and the hub 51, the shroud 52, and the plurality of blades 53 are integrally formed by bonding.
  • a cylindrical part 61 and a disc part 62 are formed by injection molding of resin, and a reinforcing layer 63 is disposed between the cylindrical part 61 and the disc part 62, and the reinforcing layer 63 is formed by, for example, adhesion. Fixed.
  • the reinforcing layer 63 is composed of a first layer 63a, a second layer 63b, and a third layer 63c, which have higher rigidity toward the outer side in the thickness direction.
  • the shroud 52 is configured as a reinforcement layer 64.
  • the reinforcing layer 64 is composed of a first layer 64a, a second layer 64b, and a third layer 64c, which have higher rigidity toward the outer side in the thickness direction.
  • the plurality of blades 53 are arranged at intervals in the circumferential direction.
  • the plurality of blades 53 arranged at intervals in the circumferential direction are supported on one side in the radial direction D by the support inner cylinder 71 and on the other side in the radial direction D by the support outer cylinder 72.
  • a blade assembly 53A is formed by supporting the plurality of blades 53 by the support inner cylinder 71 and the support outer cylinder 72.
  • the support inner cylinder 71 is formed of the same material as the mounting surface 62a of the disk portion 62 of the hub 51.
  • the support outer cylinder 72 is preferably formed of the same material as the mounting surface 64d of the reinforcing layer 64 in the shroud 52. That is, it is preferable that the support inner cylinder 71 is formed of the same material as the disk portion 62 of the hub 51, and the support outer cylinder 72 is formed of the same material as the first layer 64a of the reinforcing layer 64 in the shroud 52.
  • the hub 51 and the shroud 52 are preferably formed by a combination of filament winding using a thermosetting resin and resin impregnation, a combination of pipe molding and machining, or the like. Since the blade 53 has a complex structure including a curved surface, injection molding of a composite material reinforced with short fibers using thermoplastic resin or molding using SMC (sheet mold compound) using thermosetting resin and short fiber mat can be applied. It is.
  • a hub 51 is placed inside the blade assembly 53A, and a shroud 52 is placed outside the blade assembly 53A.
  • the hub 51, blade assembly 53A, and shroud 52 are fixed to each other by adhesive.
  • the composite material has high tensile strength in the fiber direction (circumferential direction R of the impeller 50), but low tensile strength in the direction perpendicular to the fibers (radial direction D of the impeller 50).
  • radial direction D tensile strength in the direction perpendicular to the fibers
  • the shroud is made of one layer of composite material in the thickness direction, as in a conventional impeller, the tensile stress in the radial direction D will be maximum near the center of the thickness of the composite material in the radial direction D. As a result, the composite material breaks as if torn from this point.
  • the reinforcing layer 64 of the shroud 52 is composed of a first layer 64a, a second layer 64b, and a third layer 64c, which have higher rigidity toward the outside in the thickness direction. That is, the impeller 50 divides the composite material in the radial direction D, and makes the inner side have low rigidity and the outer side has high rigidity.
  • the outer third layer 64c has high rigidity, so deformation of the impeller 50 as a whole is suppressed, and the inner first layer 64a has low rigidity, so it is pressed against the outer third layer 64c. Then, a compressive stress field in the radial direction D is generated at each boundary of the divided first layer 64a, second layer 64b, and third layer 64c, and the tensile stress in the radial direction D is reduced.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing radial stress in a conventional impeller
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing radial stress in the impeller of this embodiment.
  • the conventional impeller 100 has a plurality of blades 103 arranged between a hub 101 reinforced with a fiber-reinforced composite material and a shroud 102 reinforced with a fiber-reinforced composite material.
  • the impeller 50 of this embodiment has a plurality of blades between a hub 51 having a reinforcing layer 63 whose rigidity is higher toward the outer side in the thickness direction and a shroud 52 having a reinforcing layer 64 whose rigidity is higher toward the outer side in the thickness direction. 53 are arranged.
  • the impeller 50 of this embodiment has a leading edge sweep in order to reduce the radial D stress at the joint between the hub 51 and the blade 53. Eliminates sweep.
  • the radial stress is 1413 MPa at the joint P between the hub 101 and the blade 103 on the inner side of the leading edge, where the strength is most severe.
  • the radial stress is 451 MPa at the joint P between the hub 51 and the blade 53 on the inner side of the leading edge, which is the most severe in terms of strength, and the radial stress is approximately 1/ Reduced to 3.1.
  • the circumferential speed of the impeller 50 of this embodiment is proportional to the square root of the centrifugal force, the circumferential speed is approximately 1.8 times higher than that of the conventional impeller 100.
  • the impeller according to the first aspect includes a hub 51 having a cylindrical shape, a shroud 52 having a cylindrical shape and disposed outside the hub 51, and a space between the hub 51 and the shroud 52 in the circumferential direction.
  • At least one of the hub 51 and the shroud 52 has a plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, 64b, 64c laminated in the thickness direction, and the plurality of layers 63a , 63b, 63c, 64a, 64b, and 64c are each made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction.
  • the outer side is more rigid.
  • the impeller 50 when the impeller 50 rotates, centrifugal force acts, but at least one of the hub 51 and the shroud 52 has a plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, which are more rigid toward the outside. 64b and 64c.
  • the impeller according to the second aspect is the impeller according to the first aspect, and further, the shroud 52 has a reinforcement layer (shroud reinforcement layer) 64 consisting of a plurality of layers 64a, 64b, 64c, and the reinforcement layer 64 is made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction, and the outer side in the thickness direction has higher rigidity.
  • a reinforcement layer shroud reinforcement layer
  • the reinforcement layer 64 is made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction, and the outer side in the thickness direction has higher rigidity.
  • the impeller according to the third aspect is the impeller according to the second aspect, and further, the hub 51 has a reinforcing layer (hub reinforcing layer) 63 consisting of a plurality of layers 63a, 63b, 63c, and the reinforcing layer 63 is made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction, and the outer side in the thickness direction has higher rigidity.
  • a reinforcing layer hub reinforcing layer
  • the reinforcing layer 63 is made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction, and the outer side in the thickness direction has higher rigidity.
  • the impeller according to the fourth aspect is the impeller according to any one of the first to third aspects, and further, the plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, 64b, 64c are three layers. The above is provided. Thereby, the tensile stress exerted by the centrifugal force of the impeller 50 can be effectively reduced.
  • the impeller according to the fifth aspect is the impeller according to any one of the first to fourth aspects, and further, the plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, 64b, and 64c are made of different materials. Consisted of. Thereby, it is possible to easily form a plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, 64b, 64c whose rigidity is higher toward the outer side.
  • the impeller according to the sixth aspect is the impeller according to any one of the first to fifth aspects, and further, the hub 51, the shroud 52, and the plurality of blades 53 are formed individually and bonded together. It is integrally formed by Thereby, the impeller 50 having a plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, 64b, and 64c whose rigidity is higher toward the outer side can be easily formed.
  • the impeller manufacturing method includes a step of forming a hub 51 having a cylindrical shape, and a plurality of blades arranged at intervals in the circumferential direction between an inner supporting cylinder 71 and an outer supporting cylinder 72. 53, a step of forming a cylindrical shroud 52, and a step of assembling the hub 51, the blade assembly 53A, and the shroud 52.
  • Reinforcement layers 63 and 64 are formed on at least one of the layers 52 and are made of a composite material in which fiber members are arranged along the circumferential direction, and are composed of a plurality of layers whose rigidity is higher toward the outside.
  • the impeller 50 having a plurality of layers 63a, 63b, 63c, 64a, 64b, 64c, which are more rigid toward the outer side on at least one of the hub 51 and the shroud 52, can be easily manufactured. can be manufactured.
  • the rotating machine according to the eighth aspect has an impeller 50. Thereby, for example, deformation of the compressor wheel 36 in the centrifugal compressor 11 as a rotating machine can be suppressed and efficiency can be improved.

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Abstract

インペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械において、円筒形状をなすハブと、円筒形状をなしてハブの外側に配置されるシュラウドと、ハブとシュラウドとの間で周方向に間隔をあけて配置される複数のブレードと、を備え、ハブとシュラウドの少なくとも一方は、厚さ方向に積層される複数の層を有し、複数の層は、それぞれ繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、複数の層は、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。

Description

インペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械
　本開示は、インペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械に関するものである。
　回転機械として、内部にインペラを収容した遠心圧縮機がある。遠心圧縮機は、インペラを回転させることで、流体に圧力エネルギーおよび速度エネルギーを与える。遠心圧縮機に適用されるインペラとして、ハブとシュラウドとの間に複数のブレードを配置したクローズドインペラがある。クローズドインペラは、繊維材料から構成された複合材料を用いることで剛性の向上が図られる。遠心圧縮機などに適用されるインペラとしては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。
国際公開第２０１６／０８８４５１号 特表２０１２－５２６２３０号公報
　上述した従来のインペラにて、インペラ本体のハブ面に固定された繊維強化複合材からなる補強リングは、繊維の配向方向がインペラ本体の周方向である。そのため、インペラは、周方向に高い剛性を有するが、繊維の配向方向に直交するインペラの半径方向の剛性が低くなってしまう。そのため、インペラを径方向に増厚することが考えられるが、この場合、インペラが重量化して遠心力により径方向の剛性が厳しくなってしまう。
　本開示は、上述した課題を解決するものであり、径方向への変形を抑制するインペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するための本開示のインペラは、円筒形状をなすハブと、円筒形状をなして前記ハブの外側に配置されるシュラウドと、前記ハブと前記シュラウドとの間で周方向に間隔をあけて配置される複数のブレードと、を備え、前記ハブと前記シュラウドの少なくとも一方は、厚さ方向に積層される複数の層を有し、前記複数の層は、それぞれ繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、前記複数の層は、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。
　また、本開示のインペラの製造方法は、円筒形状をなすハブを形成する工程と、周方向に間隔をあけて配置されて支持内筒と支持外筒との間に複数のブレードが配置されるブレード組立体を形成する工程と、円筒形状をなすシュラウドを形成する工程と、前記ハブとブレード組立体と前記シュラウドとを組み付ける工程と、を有し、前記ハブと前記シュラウドの少なくとも一方に、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって形成されると共に、外側ほど剛性が高い複数の層から構成される強化層を形成する。
　また、本開示の回転機械は、前記インペラを有する。
　本開示のインペラおよびインペラの製造方法並びに回転機械によれば、径方向への変形を抑制することができる。
図１は、本実施形態のインペラが適用された遠心圧縮機を表す断面図である。 図２は、本実施形態のインペラを表す正面図である。 図３は、インペラの断面を表す図２のIII－III断面図である。 図４は、ハブおよびシュラウドに適用される材料を表す表である。 図５は、インペラの製造方法を説明するための説明図である。 図６は、従来のインペラにおける径方向応力を表す概略図である。 図７は、本実施形態のインペラにおける径方向応力を表す概略図である。
　以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
＜遠心圧縮機＞
　本実施形態では、回転機械として遠心圧縮機を適用して説明する。但し、回転機械は、遠心圧縮機に限らず、例えば、ターボチャージャ、無冷却過給機（いわゆる、ＭＥＴ過給機）、ターボ冷凍機などであってもよい。
　図１は、本実施形態のインペラが適用された遠心圧縮機を表す断面図である。なお、以下の説明にて、遠心圧縮機における回転中心の軸心を軸心Ｏとし、軸心Ｏの方向を軸方向Ａ、軸心Ｏに対する遠心圧縮機の半径方向を径方向Ｄ、軸心Ｏを中心とする周方向を周方向Ｒとして説明する。
　図１に示すように、遠心圧縮機１１は、タービン１２と、コンプレッサ１３と、回転軸１４とを備え、これらがハウジング１５の内部に収容されて構成される。
　ハウジング１５は、中空形状をなす。ハウジング１５は、タービンハウジング２１と、コンプレッサハウジング２２と、ベアリングハウジング２３とを有する。タービンハウジング２１とコンプレッサハウジング２２との間にベアリングハウジング２３が配置され、例えば、ボルトにより一体に締結される。タービンハウジング２１は、タービン１２が収容される。コンプレッサハウジング２２は、コンプレッサ１３が収容される。ベアリングハウジング２３は、回転軸１４が収容される。
　回転軸１４は、軸心Ｏに沿って配置される。回転軸１４は、一対のジャーナル軸受２４，２５によりコンプレッサハウジング２２に回転自在に支持され、径方向Ｄの移動が規制される。また、回転軸１４は、スラスト軸受２６によりコンプレッサハウジング２２に回転自在に支持され、軸方向Ａへの移動が規制される。回転軸１４は、ジャーナル軸受２４，２５およびスラスト軸受２６によりハウジング１５に対して軸心Ｏを中心として回転自在に支持される。
　回転軸１４は、軸方向Ａにおける一端部にタービン１２を構成するタービンホイール３１が固定される。タービンホイール３１は、タービンハウジング２１の内部に収容される。タービンホイール３１は、ハブ３２と、複数のブレード３３と、シュラウド３４とを有する。すなわち、ハブ３２は、外周部に複数のブレード３３が周方向Ｒに等間隔で配置され、複数のブレード３３は、外側にシュラウド３４が配置される。タービンホイール３１は、ハブ３２が回転軸１４の一端部に固定される。
　回転軸１４は、軸方向Ａにおける他端部にコンプレッサ１３を構成するコンプレッサホイール３６が固定される。コンプレッサホイール３６は、コンプレッサハウジング２２の内部に収容される。コンプレッサホイール３６は、ハブ３７と、複数のブレード３８と、シュラウド３９とを有する。すなわち、ハブ３７は、外周部に複数のブレード３８が周方向Ｒに等間隔で配置され、複数のブレード３８は、外側にシュラウド３９が配置される。コンプレッサホイール３６は、ハブ３７が回転軸１４の他端部に固定される。
　タービンハウジング２１は、タービンホイール３１に対して第１流体の入口通路４１と第１流体の出口通路４２が設けられる。タービンハウジング２１は、入口通路４１とタービンホイール３１との間にタービンノズル４３が設けられる。タービン１２は、タービンノズル４３により静圧膨張されて軸方向Ａに流れる第１流体が複数のタービンホイール３１に導かれることで、駆動回転する。
　コンプレッサハウジング２２は、コンプレッサホイール３６に対して吸入口４４と吐出口４５が設けられる。コンプレッサハウジング２２は、コンプレッサホイール３６と吐出口４５との間にディフューザ４６が設けられる。コンプレッサホイール３６は、タービンホイール３１の回転力が回転軸１４を介して伝達されることで駆動回転する。コンプレッサホイール３６が回転すると、第２流体を吸入して圧縮し、圧縮された第２流体がディフューザ４６を通って外部に排出される。
　そのため、遠心圧縮機１１は、第１流体によりタービン１２が駆動し、タービン１２の回転力が回転軸１４に伝達されてコンプレッサ１３が駆動し、コンプレッサ１３が第２流体を圧縮する。
　すなわち、第１流体は、入口通路４１を通り、タービンノズル４３により静圧膨張され、軸方向Ａに流れる第１流体が複数のブレード３３に導かれることで、タービンホイール３１が駆動回転する。タービンホイール３１を駆動した第１流体は、出口通路４２から外部に排出される。一方、タービンホイール３１により回転軸１４が回転すると、回転軸１４と一体のコンプレッサホイール３６が駆動回転する。すると、第２流体が吸入口４４から吸入され、コンプレッサホイール３６で加圧されて圧縮される。圧縮された第２流体は、ディフューザ４６を通り、吐出口４５から外部に排出される。
＜インペラ＞
　図２は、本実施形態のインペラを表す正面図、図３は、インペラの断面を表す図２のIII－III断面図である。
　図２および図３に示すように、本実施形態のインペラ５０は、上述した遠心圧縮機１１のコンプレッサホイール３６に適用される。
　インペラ５０は、ハブ５１と、シュラウド５２と、複数のブレード５３とを備えるクローズドインペラである。但し、インペラ５０は、オープンインペラであってもよい。
　インペラ５０は、ハブ５１とシュラウド５２との間に、複数のブレード５３が周方向Ｒに間隔（好ましくは、等間隔）を空けて配置されて構成される。複数のブレード５３は、軸方向Ａおよび径方向Ｄの一方側がハブ５１に固定され、他方側がシュラウド５２に固定される。インペラ５０は、ハブ５１とシュラウド５２と複数のブレード５３とに囲まれる複数のインペラ流路５４が設けられる。インペラ流路５４は、軸方向Ａの一方側から径方向Ｄの外方側にかけて、略９０度屈曲すると共に、軸心Ｏを中心とする螺旋形状をなすように配置される。
　ハブ５１は、軸心Ｏを中心とした円筒形状および円板形状をなす。すなわち、ハブ５１は、軸方向Ａの一方（図３の上方）から他方（図３の下方）に向けて、径方向Ｄの外方に徐々に拡径する。ハブ５１は、円筒部６１と、円板部６２と、強化層（ハブ強化層）６３とを有する。
　円筒部６１は、軸心Ｏの位置に軸方向Ａに沿って貫通する円形の貫通孔６１ａが形成される。ハブ５１は、円筒部６１の貫通孔６１ａの内周面が回転軸（図１に示す回転軸１４）の外周面に嵌まり込んだ状態で、回転軸に対して一体に固定される。なお、ハブ５１は、円筒部６１の貫通孔６１ａの内周面が回転軸の外周面に嵌まり込んだ状態で、回転軸に対して回転自在に支持されていてもよい。円板部６２は、内周部が円筒部６１における軸方向Ａの中間位置に一体に固定される。円板部６２は、内周部から外周部に向けて、径方向Ｄの外方で、且つ、軸方向Ａの他方（図３の下方）に延出する中空円錐台形状をなす。円板部６２は、外周面が凹状に湾曲した取付面６２ａとなる。円筒部６１と円板部６２は、例えば、樹脂の射出成形により形成される。
　強化層６３は、円筒部６１と円板部６２との間に配置される。強化層６３は、第１層６３ａと、第２層６３ｂと、第３層６３ｃとを有する。強化層６３を構成する第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃは、ハブ５１の厚さ方向に積層される。第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃは、それぞれ繊維部材が周方向に沿って連続して配置された複合材によって構成される。第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃは、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。すなわち、第１層６３ａの剛性より第２層６３ｂの剛性が高く、第２層６３ｂの剛性より第３層６３ｃの剛性が高い。
　本実施形態では、円筒部６１と円板部６２との間に強化層６３を配置したが、この構成に限定されるものではない。例えば、円板部６２をなくし、円筒部６１の外周部に強化層６３を配置してもよい。また、第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃをハブ５１の厚さ方向、ここでは、径方向Ｄに沿って積層したが、径方向Ｄに対して軸方向Ａに所定の傾斜角度だけ傾斜する方向に沿って積層してもよい。また、第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃの厚さは、同じであっても、異なってもよく、適宜設定すればよい。さらに、強化層６３を、３つの層である第１層６３ａ、第２層６３ｂ、第３層６３ｃから構成したが、２つの層でもよく、４つ以上の層であってもよい。
　シュラウド５２は、軸心Ｏを中心とした円筒形状をなす。シュラウド５２は、強化層（シュラウド強化層）６４を有する。
　シュラウド５２は、強化層６４により構成される。強化層６４は、第１層６４ａと、第２層６４ｂと、第３層６４ｃとを有する。強化層６４を構成する第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃは、シュラウド５２の厚さ方向に積層される。第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃは、それぞれ繊維部材が周方向に沿って連続して配置された複合材によって構成される。第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃは、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。すなわち、第１層６４ａの剛性より第２層６４ｂの剛性が高く、第２層６４ｂの剛性より第３層６４ｃの剛性が高い。強化層６４は、３つの層である第１層６４ａ、第２層６４ｂ、第３層６４ｃから構成したが、２つの層でもよく、４つ以上の層であってもよい。
　本実施形態では、シュラウド５２を強化層６４により構成したが、この構成に限定されるものではない。例えば、樹脂製の円筒部を設け、円筒部の外周部に強化層６４を配置してもよい。また、第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃをシュラウド５２の厚さ方向、ここでは、径方向Ｄに沿って積層したが、径方向Ｄに対して軸方向Ａに所定の傾斜角度だけ傾斜する方向に沿って積層してもよい。また、第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃの厚さは、同じであっても、異なってもよく、適宜設定すればよい。さらに、強化層６４を、３つの層である第１層６４ａ、第２層６４ｂ、第３層６４ｃから構成したが、２つの層でもよく、４つ以上の層であってもよい。
　シュラウド５２は、ハブ５１に対して、径方向Ｄの外方側に所定距離だけ離間して配置される。強化層６４は、内周面が凸状に湾曲した取付面６４ｄとなる。ハブ５１における円板部６２の取付面６２ａと、シュラウド５２における強化層６４の取付面６４ｄとは、対向する。
　複数のブレード５３は、ハブ５１とシュラウド５２とを接続する。複数のブレード５３は、径方向Ｄの一方がハブ５１における円板部６２の取付面６２ａに固定され、径方向Ｄの他方がシュラウド５２における強化層６４の取付面６４ｄに固定される。複数のブレード５３は、軸方向Ａの一方側から径方向Ｄの外方側に向かって湾曲するように延びる。複数のブレード５３は、周方向Ｒに間隔をあけて配置される。複数のブレード５３は、軸心Ｏを中心として径方向Ｄの外方に向かって放射状に配列される。ブレード５３は、射出成形、切削加工などにより形成される。
　インペラ流路５４は、ハブ５１とシュラウド５２との間で、複数のブレード５３により周方向Ｒに複数区画されて形成される。インペラ流路５４は、軸方向Ａの一方側から他方側に向かうに伴って、径方向Ｄの内方側から外方側に向かうように湾曲しながら延びる。インペラ流路５４は、径方向Ｄの内方側で、且つ、軸方向Ａの一方側に開口する流入口５４ａを有する。また、インペラ流路５４は、径方向Ｄの外方側で、且つ、軸方向Ａの他方側に開口する流出口５４ｂを有する。
　そのため、インペラ５０は、回転時、流体Ｆ１が流入口５４ａからインペラ流路５４に吸入されると、複数のブレード５３により加圧されて圧縮される。圧縮された圧縮流体Ｆ２は、流出口５４ｂから排出される。
＜強化層の具体例＞
　図４は、ハブおよびシュラウドに適用される材料を表す表である。ここで、弾性率Ｅ、せん断弾性係数Ｇ、ポアソン比ｖ、引張強度Ｆにて、添字の１は、繊維方向、２は、繊維に直交する方向、３は、積層方向に対するものであり、ｔは、引張を表すものである。
　図３および図４に示すように、ハブ５１およびシュラウド５２における強化層６３，６４にて、第１層６３ａ，６４ａと第２層６３ｂ，６４ｂと第３層６３ｃ，６４ｃは、それぞれ異なる材料により構成される。ハブ５１の強化層６３にて、例えば、第１層６３ａは、Ｔ３００／ＥＰ＃３６３１（繊維／樹脂）により形成され、第２層６３ｂは、Ｔ８００Ｈ／ＥＰ＃３６３１（繊維／樹脂）により形成され、第３層６３ｃは、Ｍ４０Ｊ／ＥＰ＃３６３１（繊維／樹脂）により形成される。また、シュラウド５２の強化層６４にて、例えば、第１層６４ａは、Ｔ３００／ＥＰ＃３６３１（繊維／樹脂）により形成され、第２層６４ｂは、Ｔ８００Ｈ／ＥＰ＃３６３１（繊維／樹脂）により形成され、第３層６４ｃは、Ｍ４０Ｊ／ＥＰ＃３６３１（繊維／樹脂）により形成される。
　第１層６３ａ，６４ａ（Ｔ３００／ＥＰ＃３６３１）と第２層６３ｂ，６４ｂ（Ｔ８００Ｈ／ＥＰ＃３６３１）と第３層６３ｃ，６４ｃ（Ｍ４０Ｊ／ＥＰ＃３６３１）は、剛性に対応する縦弾性係数Ｅ１が、１３００００Ｍｐａ、１６５０００Ｍｐａ、２１２０００Ｍｐａである。そのため、強化層６３，６４は、ハブ５１およびシュラウド５２の厚さ方向（径方向Ｄ）の外方ほど剛性が高くなる。なお、第１層６３ａ，６４ａと第２層６３ｂ，６４ｂと第３層６３ｃ，６４ｃにおける材料の組合せは、上述したものに限定されず、例えば、図４の表に基づいて適宜選択すればよいものである。
　また、Ｔ３００とＴ８００ＨとＭ４０Ｊなどは、東レ株式会社のトレカ（登録商標）のポリアクリロニトリルを原料とする高性能炭素繊維である。但し、第１層６３ａ，６４ａと第２層６３ｂ，６４ｂと第３層６３ｃ，６４ｃは、このような材料に限定されるものではなく、他の複合材を用いてもよい。
　なお、上述した実施形態では、ハブ５１とシュラウド５２の両方に強化層６３，６４を設けたが、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方に強化層６３，６４を設ければよい。
＜インペラの製造方法＞
　図５は、インペラの製造方法を説明するための説明図である。
　本実施形態のインペラの製造方法は、図５に示すように、円筒形状をなすハブ５１を形成する工程と、周方向に間隔をあけて配置されて支持内筒７１と支持外筒７２との間に複数のブレード５３が配置されるブレード組立体５３Ａを形成する工程と、円筒形状をなすシュラウド５２を形成する工程と、ハブ５１とブレード組立体５３Ａとシュラウド５２とを組み付ける工程とを有し、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方に、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって形成されると共に、外側ほど剛性が高い複数の層から構成される強化層６３，６４を形成する。
　すなわち、ハブ５１とシュラウド５２と複数のブレード５３とを個別に形成し、ハブ５１とシュラウド５２と複数のブレード５３とを接着により一体に形成する。
　ハブ５１は、例えば、円筒部６１および円板部６２が樹脂の射出成形により形成され、ハブ５１は、円筒部６１と円板部６２との間に強化層６３が配置され、例えば、接着により固定される。この場合、強化層６３は、厚さ方向における外側ほど剛性が高い第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃとから構成される。
　シュラウド５２は、強化層６４として構成される。この場合、強化層６４は、厚さ方向における外側ほど剛性が高い第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃとから構成される。
　複数のブレード５３は、周方向に間隔をあけて配置される。周方向に間隔をあけて配置された複数のブレード５３は、径方向Ｄの一方側が支持内筒７１により支持され、径方向Ｄの他方側が支持外筒７２により支持される。複数のブレード５３が支持内筒７１と支持外筒７２により支持されることで、ブレード組立体５３Ａが形成される。
　支持内筒７１は、ハブ５１における円板部６２の取付面６２ａと同材料で形成されることが好ましい。支持外筒７２は、シュラウド５２における強化層６４の取付面６４ｄと同材料で形成されることが好ましい。すなわち、支持内筒７１は、ハブ５１の円板部６２と同材料で形成され、支持外筒７２は、シュラウド５２における強化層６４の第１層６４ａと同材料で形成されることが好ましい。
　なお、ハブ５１およびシュラウド５２は、熱硬化樹脂を用いたフィラメントワイディングと樹脂含浸の併用や、パイプ成形と機械加工の併用などにより形成することが好ましい。ブレード５３は、曲面を含む複雑構造のため、熱可塑性樹脂を用いた短繊維強化複合材の射出成形や、熱硬化性樹脂と短繊維マットを用いたＳＭＣ（シートモールドコンパウンド）による成形が適用可能である。
　ブレード組立体５３Ａの内側にハブ５１が配置され、ブレード組立体５３Ａの外側にシュラウド５２が配置される。ハブ５１とブレード組立体５３Ａとシュラウド５２とは、接着により互いに固定される。
　複合材は、繊維方向（インペラ５０の周方向Ｒ）の引張強度は高いが、繊維と直交方向（インペラ５０の径方向Ｄ）の引張強度が低い。図３に示すように、インペラ５０が回転すると、遠心力（径方向応力）が作用する。インペラ５０に遠心力が作用すると、複合材には周方向Ｒの引張応力と径方向Ｄの引張応力が生じる。
　例えば、従来のインペラのように、シュラウドが厚さ方向に１つの層の複合材からなるものであれば、径方向Ｄの引張応力は、複合材の径方向Ｄの厚さの中心付近で最大となるため、ここを起点として複合材が引き裂かれるように壊れてしまう。
　一方、本実施形態のインペラ５０は、シュラウド５２の強化層６４が厚さ方向の外側ほど剛性が高い第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃとから構成される。すなわち、インペラ５０は、複合材を径方向Ｄに分割し、且つ、内側を低剛性、外側を高剛性にする。外側の第３層６４ｃは、高剛性であるため、インペラ５０全体としての変形が抑制され、内側の第１層６４ａは、低剛性であるため、外側の第３層６４ｃに押し付けられる。すると、分割した第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃの各境界で径方向Ｄの圧縮応力場が生じることとなり、径方向Ｄの引張応力が低減される。
＜インペラの径方向応力＞
　図６は、従来のインペラにおける径方向応力を表す概略図、図７は、本実施形態のインペラにおける径方向応力を表す概略図である。
　図６および図７は、従来のインペラ１００と本実施形態のインペラ５０について、ＦＥＭ（有限要素法）解析を実施した結果である。ここで、従来のインペラ１００は、繊維強化複合材で補強したハブ１０１と繊維強化複合材で補強したシュラウド１０２との間に複数のブレード１０３を配置したものである。一方、本実施形態のインペラ５０は、厚さ方向における外側ほど剛性が高い強化層６３を有するハブ５１と厚さ方向における外側ほど剛性が高い強化層６４を有するシュラウド５２との間に複数のブレード５３を配置したものである。
　なお、従来のインペラ１００は、ブレード１０３に前縁スイープを設けているが、本実施形態のインペラ５０は、ハブ５１とブレード５３との接合部での径方向Ｄ応力を低減するため、前縁スイープをなくしている。
　図６に示すように、従来のインペラ１００は、強度的に最も厳しくなる前縁内側のハブ１０１とブレード１０３との接合部Ｐにて、径方向応力は、１４１３ＭＰａである。一方、本実施形態のインペラ５０は、強度的に最も厳しくなる前縁内側のハブ５１とブレード５３との接合部Ｐにて、径方向応力は、４５１ＭＰａであり、径方向応力は、約１／３.１に低減された。また、本実施形態のインペラ５０は、周速が遠心力の平方根に比例するため、周速は、従来のインペラ１００の約１.８倍に向上する。
［本実施形態の作用効果］
　第１の態様に係るインペラは、円筒形状をなすハブ５１と、円筒形状をなしてハブ５１の外側に配置されるシュラウド５２と、ハブ５１とシュラウド５２との間で周方向に間隔をあけて配置される複数のブレード５３とを備え、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方は、厚さ方向に積層される複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃを有し、複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、それぞれ繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。
　第１の態様に係るインペラによれば、インペラ５０が回転すると、遠心力が作用するが、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方は、外側ほど剛性が高い複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃにより構成されている。すると、外側の第３層６３ｃ，６４ｃは、高剛性であるため、インペラ５０全体としての変形が抑制され、内側の第１層６３ａ，６４ａは、低剛性であるため、外側の第３層６４ｃに押し付けられ、分割した第１層６３ａ，６４ａと第２層６３ｂ，６４ｂと第３層６３ｃ，６４ｃの各境界で径方向Ｄの圧縮応力場が生じることとなり、径方向Ｄの引張応力が低減される。そのため、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方は、遠心力による径方向応力が低減され、径方向Ｄへの変形を抑制することができる。
　第２の態様に係るインペラは、第１の態様に係るインペラであって、さらに、シュラウド５２は、複数の層６４ａ，６４ｂ，６４ｃからなる強化層（シュラウド強化層）６４を有し、強化層６４は、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。これにより、インペラ５０の回転により遠心力が発生するとき、分割した第１層６４ａと第２層６４ｂと第３層６４ｃの各境界で径方向Ｄの圧縮応力場が生じることとなり、径方向Ｄの引張応力が低減され、径方向Ｄへの変形を効果的に抑制することができる。
　第３の態様に係るインペラは、第２の態様に係るインペラであって、さらに、ハブ５１は、複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃからなる強化層（ハブ強化層）６３を有し、強化層６３は、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、厚さ方向における外側ほど剛性が高い。これにより、インペラ５０の回転により遠心力が発生するとき、分割した第１層６３ａと第２層６３ｂと第３層６３ｃの各境界で径方向Ｄの圧縮応力場が生じることとなり、径方向Ｄの引張応力が低減され、径方向Ｄへの変形を効果的に抑制することができる。
　第４の態様に係るインペラは、第１の態様から第３の態様のいずれか一つに係るインペラであって、さらに、複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、３層以上設けられる。これにより、インペラ５０の遠心力により作用する引張応力を効果的に低減することができる。
　第５の態様に係るインペラは、第１の態様から第４の態様のいずれか一つに係るインペラであって、さらに、複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、異なる材料により構成される。これにより、外側ほど剛性が高い複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃを容易に形成することができる。
　第６の態様に係るインペラは、第１の態様から第５の態様のいずれか一つに係るインペラであって、さらに、ハブ５１とシュラウド５２と複数のブレード５３は、個別に形成され、接着により一体に形成される。これにより、外側ほど剛性が高い複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃを有するインペラ５０を容易に形成することができる。
　第７の態様に係るインペラの製造方法は、円筒形状をなすハブ５１を形成する工程と、周方向に間隔をあけて配置されて支持内筒７１と支持外筒７２との間に複数のブレード５３が配置されるブレード組立体５３Ａを形成する工程と、円筒形状をなすシュラウド５２を形成する工程と、ハブ５１とブレード組立体５３Ａとシュラウド５２とを組み付ける工程とを有し、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方に、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって形成されると共に、外側ほど剛性が高い複数の層から構成される強化層６３，６４を形成する。
　第７の態様に係るインペラの製造方法によれば、ハブ５１とシュラウド５２の少なくとも一方に、外側ほど剛性が高い複数の層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃを有するインペラ５０を容易に製造することができる。
　第８の態様に係る回転機械は、インペラ５０を有する。これにより、例えば、回転機械としての遠心圧縮機１１におけるコンプレッサホイール３６の変形を抑制して効率の向上を図ることができる。
　１１　遠心圧縮機
　１２　タービン
　１３　コンプレッサ
　１４　回転軸
　１５　ハウジング
　２１　タービンハウジング
　３１　タービンホイール（インペラ）
　３２　ハブ
　３３　ブレード
　３４　シュラウド
　３６　コンプレッサホイール（インペラ）
　３７　ハブ
　３８　ブレード
　３９　シュラウド
　５０　インペラ
　５１　ハブ
　５２　シュラウド
　５３　ブレード
　５４　インペラ流路
　６１　円筒部
　６２　円板部
　６３　強化層（ハブ強化層）
　６３ａ　第１層
　６３ｂ　第２層
　６３ｃ　第３層
　６４　強化層（シュラウド強化層）
　６４ａ　第１層
　６４ｂ　第２層
　６４ｃ　第３層
　Ａ　軸方向
　Ｄ　径方向
　Ｒ　周方向

Claims (8)

  1. 　円筒形状をなすハブと、
    　円筒形状をなして前記ハブの外側に配置されるシュラウドと、
    　前記ハブと前記シュラウドとの間で周方向に間隔をあけて配置される複数のブレードと、
    　を備え、
    　前記ハブと前記シュラウドの少なくとも一方は、厚さ方向に積層される複数の層を有し、前記複数の層は、それぞれ繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、前記複数の層は、厚さ方向における外側ほど剛性が高い、
    　インペラ。
  2. 　前記シュラウドは、前記複数の層からなるシュラウド強化層を有し、前記シュラウド強化層は、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、厚さ方向における外側ほど剛性が高い、
    　請求項１に記載のインペラ。
  3. 　前記ハブは、前記複数の層からなるハブ強化層を有し、前記ハブ強化層は、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって構成され、厚さ方向における外側ほど剛性が高い、
    　請求項２に記載のインペラ。
  4. 　前記複数の層は、３層以上設けられる、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインペラ。
  5. 　前記複数の層は、異なる材料により構成される、
    　請求項１に記載のインペラ。
  6. 　前記ハブと前記シュラウドと前記複数のブレードは、個別に形成され、接着により一体に形成される、
    　請求項１に記載のインペラ。
  7. 　円筒形状をなすハブを形成する工程と、
    　周方向に間隔をあけて配置されて支持内筒と支持外筒との間に複数のブレードが配置されるブレード組立体を形成する工程と、
    　円筒形状をなすシュラウドを形成する工程と、
    　前記ハブとブレード組立体と前記シュラウドとを組み付ける工程と、
    　を有し、
    　前記ハブと前記シュラウドの少なくとも一方に、繊維部材が周方向に沿って配置された複合材によって形成されると共に、外側ほど剛性が高い複数の層から構成される強化層を形成する、
    　インペラの製造方法。
  8. 　請求項１に記載のインペラを有する回転機械。
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