(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアルタービンのインペラであって、
インペラ翼の子午面における前縁において、ハブよりもチップ側に設けられ、インペラ回転軸から当該ハブまでの半径方向距離よりも短い半径方向距離に位置する短半径距離領域を備え、
前記ハブより前記チップ側の全領域が前記短半径距離領域とされ、前記前縁が前記インペラ回転軸に対して一定角度で傾斜しており、前記前縁の前記インペラ回転軸に対する傾斜角度が、前記インペラ翼の２次固有振動数が前記ラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くなるように設定されている
ことを特徴とするラジアルタービンのインペラ。
【請求項２】
前記前縁の前記インペラ回転軸に対する傾斜角度は、０°より大きく９°以下であることを特徴とする請求項１記載のラジアルタービンのインペラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアルタービンのインペラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ラジアルタービンでは、外部より供給される流体によってインペラが回転駆動されるが、インペラの回転数に応じて振動周波数が変化する。そして、この振動周波数がインペラ翼の固有振動数と合致する場合には、インペラ翼が共振することとなる。
特に、インペラの上流側にノズルベーンを備えるラジアルタービンにおいては、ノズルベーンの下流に発生するウェークが原因となってインペラ翼の固有振動数に近い周波数の振動が生じ、インペラ翼の共振が生じることとなる。
【０００３】
そして、従来、このようなインペラ翼の共振による損傷を抑制するために、インペラ翼の固有振動数（特に２次固有振動数）を低くし、インペラの低回転時（すなわちインペラ翼の低速時）にインペラ翼を振動させる対策を施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４６８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インペラが低回転でインペラ翼が低速の場合にインペラ翼を共振させることにより、破壊リスクが低減されるものの、インペラ翼が共振することに変わりはない。このため、従来においては、インペラ翼が共振した際であっても破損しないように十分な剛性を持たせている。
【０００６】
しかしながら、一般的には、部材の剛性を高めることは、その部材の固有振動数が高められることとなる。このため、従来のインペラ翼では、剛性を高めつつ固有振動数の低減を図るために、インペラ翼の厚みを場所によって精密に変化させて管理する等の複雑な加工が求められることとなる。
【０００７】
一方、インペラ翼の固有振動数を上昇させ、インペラ翼の固有振動数がラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くすることができれば、ラジアルタービンの作動領域においてインペラ翼が共振することを防止することが可能となる。この結果、上述の複雑な加工を行う必要がなくなり、また必要とされる剛性レベルも低減させることができる。
このため、インペラ翼の固有振動数を上昇させる技術の提供が求められている。特に、インペラ翼においては２次固有振動数において共振した際の振幅が大きく破損に繋がり易いため、インペラ翼の２次固有振動数を上昇させる技術の提供が求められている。
【０００８】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ラジアルタービンのインペラにおいて、インペラ翼の２次固有振動数を上昇させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【００１０】
第１の発明は、ラジアルタービンのインペラであって、インペラ翼の子午面における前縁において、ハブよりもチップ側に設けられ、インペラ回転軸から当該ハブまでの半径方向距離よりも短い半径方向距離に位置する短半径距離領域を備えるという構成を採用する。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記ハブより上記チップ側の全領域が上記短半径距離領域とされ、上記前縁が、インペラ回転軸に対して一定角度で傾斜しているという構成を採用する。
【００１２】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記前縁の上記インペラ回転軸に対する傾斜角度が、上記インペラ翼の２次固有振動数が上記ラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くなるように設定されているという構成を採用する。
【００１３】
第４の発明は、上記第２または第３の発明において、上記前縁の上記インペラ回転軸に対する傾斜角度が、０°より大きく９°以下であるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、インペラ翼の子午面における前縁に短半径距離領域が設けられることによって、前縁の一部領域がインペラ回転軸に近づき、共振によって最も振動しやすい前縁の剛性が高まる。
つまり、本発明によれば、前縁の剛性を高めることができ、これによってインペラ翼の２次固有振動数を上昇させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態のラジアルタービンのインペラの概略構成を示す模式図であり、インペラ翼の子午面を示している。
【図２】シミュレーションを行ったインペラ翼の前縁形状を重ねて示す模式図である。
【図３】シミュレーション結果を纏めた表及びグラフである。
【図４】空力性能解析によって得られた流量パラメータとタービン効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明に係るラジアルタービンのインペラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本実施形態のラジアルタービンのインペラ１の概略構成を示す模式図であり、インペラ翼３の子午面を示している。
【００１８】
インペラ１は、ラジアルタービンのハウジング内部に配置されており、ハウジング内を流れる流体によって回転されることによって回転動力を得るものであり、ベース部２とインペラ翼３とを備えている。
【００１９】
ベース部２は、インペラ１の回転中央部となるものであり、図１に示す回転軸Ｌ（インペラ回転軸）を回転中心とする回転体形状を有している。
このベース部２の側面２ａは、回転軸Ｌに向かって凸となる湾曲形状を有している。そして、ベース部２は、先端２ｂに向けて窄む形状を有している。
【００２０】
インペラ翼３は、流体を受けることによってベース部２を回転させるものであり、インペラ１の回転方向に所定間隔で複数配列されてベース部２の側面２ａに取り付けられている。
【００２１】
なお、本実施形態のインペラ１において、回転軸Ｌの延在する方向が軸方向であり、この軸方向と直交する方向が半径方向であり、軸方向においてベース部２の先端２ｂが向く方向を後方、その反対方向を前方とする。
【００２２】
そして、インペラ翼３は、図１に示すように、子午面において、前縁３ａが軸方向の前方側に配置されると共に半径方向外側に向けて配置されており、後縁３ｂが軸方向の後方側に配置されると共に軸方向の後方に向けて配置されている。
つまり、インペラ翼３は、前縁３ａから後縁３ｂに向けて、半径方向から軸方向に（すなわちベース部２の側面２ａに沿って）湾曲した形状を有している。
【００２３】
なお、インペラ翼３において、ベース部２側の端（ベース部２と接続される部位）がハブ３ｃであり、ベース部２から遠い側の端がチップ３ｄである。
ここで、インペラ翼３が上述のように湾曲されていることから、ハブ３ｃ及びチップ３ｄは、ベース部２の側面２ａに沿って湾曲している。
【００２４】
そして、本実施形態のラジアルタービンのインペラ翼３では、図１に示すように、インペラ翼３の子午面における前縁３ａは、チップ３ｄ側が回転軸Ｌに向かうように回転軸Ｌに対して傾斜されている。
【００２５】
より詳細には、本実施形態のラジアルタービンのインペラ１では、図１に示すように、インペラ翼３の上記前縁３ａにおいて、回転軸Ｌからハブ３ｃまでの半径方向距離Ｌ１よりも回転軸Ｌからチップ３ｄまでの半径方向距離Ｌ２が短く設定されている。そして、ハブ３ｃとチップ３ｄとを直線で結ぶように前縁３ａが回転軸Ｌに対して傾斜されている。
【００２６】
つまり、本実施形態のラジアルタービンのインペラ１では、子午面での前縁３ａにおいて、ハブ３ｃよりもチップ３ｄ側の全領域が、回転軸Ｌからハブ３ｃまでの半径方向距離Ｌ１よりも短い半径方向距離に位置している。
【００２７】
そして、子午面での前縁３ａにおいて回転軸Ｌからハブ３ｃまでの半径方向距離Ｌ１よりも短い半径方向距離に位置している領域は、本発明における短半径距離領域に相当する。
【００２８】
すなわち、本実施形態のラジアルタービンのインペラ１は、インペラ翼３の子午面における前縁３ａにおいて、ハブ３ｃよりもチップ３ｄ側に設けられ、回転軸Ｌからハブ３ｃまでの半径方向距離Ｌ１よりも短い半径方向距離に位置する短半径距離領域を備えている。
このような短半径距離領域を設けることによって、特に２次固有振動数において共振した場合に大きく振れる前縁３ａの一部が回転軸Ｌに近づいてインペラ翼３の半径方向の長さが短くなり、前縁３ａの剛性を高めることができる。
【００２９】
そして、本実施形態のラジアルタービンのインペラ１においては、上記短半径距離領域αは、図１に示すように、前縁３ａのハブ３ｃを除き、ハブ３ｃよりもチップ３ｄ側の全領域とされている。
【００３０】
このような構成を有する本実施形態のラジアルタービンのインペラ１によれば、インペラ翼３の前縁３ａから後縁３ｂに向かって流体が流れ、この流体を受けることによってインペラ翼３が仕事をしてベース部２が回転駆動される。
【００３１】
そして、以上のような本実施形態のラジアルタービンのインペラ１によれば、上記短半径距離領域αによって、共振によって最も振動しやすい前縁３ａの剛性が高まる。この結果、インペラ翼３全体の２次固有振動数を上昇させることが可能となる。
【００３２】
なお、上述のように、インペラ翼３の子午面における前縁３ａは、回転軸Ｌに対して一定角度で傾斜している。そして、前縁３ａの回転軸Ｌに対する傾斜角度が大きくなる程、インペラ翼３の２次固有振動数が上昇する。このため、この前縁３ａの回転軸Ｌに対する傾斜角度は、ラジアルタービンの効率を考慮した上で、インペラ翼３の２次固有振動数がラジアルタービンの作動領域における振動周波数よりも高くなるように設定されることが好ましい。
これによって、ラジアルタービンが作動している際に、その振動周波数がインペラ翼３の２次固有振動数と合致することがなく、インペラ翼３の共振を抑制することが可能となる。
【００３３】
次に、インペラ翼３の前縁３ａの回転軸Ｌに対する傾斜角度による、固有振動数の変化について、シミュレーション結果に基づいて説明する。
なお、図２に示すように、本シミュレーションにおいては、前縁３ａの回転軸Ｌに対する傾斜角度を変化させ、その際のインペラ翼３の固有振動数を求めた。
より具体的には、本シミュレーションにおいては、図２に示す回転軸Ｌに対して前縁３ａが平行なインペラ翼をｂａｓｅ（θ＝０°）とし、前縁３ａが回転軸Ｌに対して３°傾斜しているインペラ翼をケースＡ（θ＝３°）とし、前縁３ａが回転軸Ｌに対して５°傾斜しているインペラ翼をケースＢ（θ＝５°）とし、前縁３ａが回転軸Ｌに対して７°傾斜しているインペラ翼をケースＣ（θ＝７°）とし、前縁３ａが回転軸Ｌに対して９°傾斜しているインペラ翼をケースＤ（θ＝９°）として固有振動数を求めた。
【００３４】
また、本シミュレーションを行うにあたり、インペラ翼の枚数が１０枚、節直径を１とした。なお、節直径とは、インペラ翼のディスクを２分する線（直径）として現れる振動の節で示されるものである。
【００３５】
図３は、本シミュレーション結果を纏めた表及びグラフである。この図に示すように、ケースＡでの２次固有振動数（ｆ２）比はｂａｓｅでの２次固有振動数（ｆ２）比の１０１．０３％、ケースＢでの２次固有振動数（ｆ２）比はｂａｓｅでの２次固有振動数（ｆ２）比の１０１．７４％、ケースＣでの２次固有振動数（ｆ２）比はｂａｓｅでの２次固有振動数（ｆ２）の１０２．４５％、ケースＤでの２次固有振動数（ｆ２）比はｂａｓｅでの２次固有振動数（ｆ２）比の１０３．２３％であった。
つまり、前縁３ａの回転軸Ｌに対する傾斜角度が大きくなるに連れて、インペラ翼３の２次固有振動数（ｆ２）比が大きくなることが確認された。
【００３６】
次に、上記ｂａｓｅ及びケースＡ〜ケースＤにおいて空力性能解析を行うことにより、タービン効率を求めて比較を行った。なお、本空力性能解析においては、タービン圧力比がπｔ＝２とした。
【００３７】
図４は、上記空力性能解析によって得られた流量パラメータとタービン効率との関係を示すグラフである。
そして、この図から分かるように、上記実施形態のラジアルタービンのインペラ１を用いることによって、小流量側では従来のラジアルタービンと同様の効率で、大流量側では従来のラジアルタービンよりも高い効率が得られることが分かった。
したがって、上記実施形態のラジアルタービンのインペラ１において、前縁３ａを回転軸Ｌに対して一定角度で傾斜させ、この傾斜角度を９°以下とすることによって、ラジアルタービンの効率を低下させることなく、インペラ翼３の２次固有振動数を上昇させることが可能となる。
【００３８】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態においては、前縁３ａが一定角度で傾斜し、ハブ３ｃを除いたチップ３ｄ側の全領域が短半径距離領域である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、前縁３ａの途中部位のみが短半径距離領域である構成や、前縁３ａの中央からチップ側のみが短半径距離領域である構成を採用することも可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１……ラジアルタービンのインペラ、２……ベース部、３……インペラ翼、３ａ……前縁、３ｂ……後縁、３ｃ……ハブ、３ｄ……チップ、Ｌ……回転軸、α……短半径距離領域
【図１】
0005577738.tif 000002
【図２】
0005577738.tif 000003
【図３】
0005577738.tif 000004
【図４】
0005577738.tif 000005