(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を駆動しまたは流体によって駆動される流体機械の羽根の羽根面を構成する曲面の形状を単数の円錐面または複数の円錐面の群、もしくはこれらに近似した曲面で構成した流体機械の羽根の設計方法において、
前記羽根面を構成する曲面の周囲に相対する任意の２辺を定義し、前記２辺のうちの１辺上の点の近傍から他の１辺に至る直線を、前記曲面からの距離が指定許容値以下となるように定義し、次に前記点から指定距離にある点を定義するとともに当該点から他の１辺に至る前記直線と交わる直線を、前記曲面からの距離が指定許容値以下となるように定義し、次に前記２つの定義された直線を母線とする円錐面を前記曲面との誤差が指定値以下となるように定義することを特徴とする流体機械の羽根の設計方法。
【請求項２】
前記誤差が指定値以上の場合、前記２直線の成す角を微小変化させて円錐面を再定義し、前記曲面との誤差が指定値以下となるまで前記２直線の成す角を微小変化させて円錐面の再定義を繰り返すことを特徴とする請求項１記載の流体機械の羽根の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を駆動しまたは流体によって駆動されるポンプ、水車、ポンプ水車等の流体機械のランナ、インペラ等を構成する羽根およびその設計方法および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体機械のランナ、インペラ等の回転羽根車を構成する羽根の正圧面や負圧面は幾何学的に平面に展開できない３次元的な曲率を持っている。このような羽根を板状部材から塑性加工等の成形加工により製造する場合、初めに板状部材を等肉厚のまま成形加工し、その後、羽根の両面又は片面を、計算機数値制御（ＣＮＣ）の機械加工等で所定の羽根形状に整形している。また、他の方法としては、鋳造により所定の羽根形状に近い素材を製作し、その後機械加工によって所定の羽根形状に整形する場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように幾何学的に平面に展開できない３次元的な曲率を持つ羽根を平板状の素材より製造するには、３次元的な曲率を持つ専用の成形型による成形加工が必要とされる。そのため、羽根を少量しか製造しない場合は羽根一枚当たりの成形型費が高くなり、羽根の製造能率が低い。
【０００４】
そこで本発明は、専用の成形型を使用することなく板状素材より成形することが可能になり、製造能率が向上する流体機械の羽根およびその設計方法および製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、流体を駆動しまたは流体によって駆動される流体機械の羽根の羽根面を構成する曲面の形状を単数の円錐面または複数の円錐面の群、もしくはこれらに近似した曲面で構成した流体機械の羽根の設計方法において、前記羽根面を構成する曲面の周囲に相対する任意の２辺を定義し、前記２辺のうちの１辺上の点の近傍から他の１辺に至る直線を、前記曲面からの距離が指定許容値以下となるように定義し、次に前記点から指定距離にある点を定義するとともに当該点から他の１辺に至る前記直線と交わる直線を、前記曲面からの距離が指定許容値以下となるように定義し、次に前記２つの定義された直線を母線とする円錐面を前記曲面との誤差が指定値以下となるように定義することを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、流体機械の羽根を平板状の素材から製造する際、汎用の成形治具による２次元曲げによる成形が可能になり、専用の成形型が不要になるために羽根の製造能率が向上する。
【０００８】
また、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有する羽根を単数の円錐面または複数の円錐面の群により定義する設計が可能になる。
【００１０】
また、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有する羽根を単数の円錐面または複数の円錐面の群により定義する設計が可能になるとともに滑らかな羽根面を実現することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、前記誤差が指定値以上の場合、前記２直線の成す角を微小変化させて円錐面を再定義し、前記曲面との誤差が指定値以下となるまで前記２直線の成す角を微小変化させて円錐面の再定義を繰り返すことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、複数の円錐面の群により構成され従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有する羽根を、指定値のとり方によってより滑らかな曲面により定義する設計が可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の流体機械の羽根およびその設計方法および製造方法を詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態を示し、流体機械の羽根１を構成する曲面のうち、羽根面２を、複数の円錐面ＣＡから成る円錐面群により定義したものである。これにより、図２に示す汎用の２次元曲げによって羽根１が成形可能となる。すなわち、図２に示す様に、流体機械の羽根１を、汎用の２次元曲げ用の押し治具３と、所定の角度をもって配置した２本の直線状の支え治具４によって、逐次部分的に円錐状に成形していく。こうすることによって、羽根１を整形することができる。
【００２２】
この第１の実施の形態によれば、羽根１を平板状の素材から製造する際、汎用の成形治具３，４による２次元曲げによる成形が可能になり，専用の成形型が不要であるために羽根１の製造能率が向上する。
【００２３】
図３は本発明の第２の実施の形態による流体機械の羽根を示し、複数の円錐面ＣＢを、流体機械の羽根１の３次元的な曲率を持った羽根面２を構成する曲面５に近似して定義するものである。
【００２４】
この第２の実施の形態によれば、羽根１を平板状の素材から製造する際、汎用の成形治具による２次元曲げによる成形が可能になり、専用の成形型が不要であるために羽根の製造効率が向上する。
【００２５】
図３に示した本発明の第２の実施の形態による流体機械の羽根の具体的な設計方法を図４を参照して説明する。
すなわち、本実施の形態では、まず始めに流体機械の羽根１を構成する３次元的な曲率をもった羽根面を構成する曲面５の周囲に相対する任意の２辺、ＳＡ，ＳＢを定義し、辺ＳＡ上の点ＰＡの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＡを直線ＬＡ上の任意の点と羽根面を構成する曲面５との距離が指定の許容値以下となるように定義する。
【００２６】
次に直線ＬＡと辺ＳＡ，辺ＳＢとの交点において、直線ＬＡと垂直な平面における辺ＳＡ，辺ＳＢの曲率半径を求める。求められた曲率半径を直線ＬＡ上の位置に関する線形の関数として曲率半径が０となる直線ＬＡ上の点を求め、この点を頂点ＯＡとし、直線ＬＡを母線とする適当な半径の円錐面ＣＡを定義する。ここで円錐面ＣＡは、羽根面を構成する曲面５から円錐面ＣＡへの法線方向距離の最大値が指定値以下となるように決定すればよい。
このようにして定めた円錐面ＣＡにおける直線ＬＡと向かい合う母線をなす直線を直線ＬＢとする。
【００２７】
次に、直線ＬＢについても同様な手順で円錐面ＣＢを求める。ここで、直線ＬＢは曲面５上にあるとは限らないため、曲面５の曲率半径の値としては、直線ＬＢから直近の位置にある辺ＳＡおよび辺ＳＢ上の点での値を用いる。こうして頂点ＯＢを決定し、円錐面ＣＢを定義する。この作業を繰り返すことで円錐面群によって曲面５に近似した流体機械の羽根面を定義することができる。
【００２８】
この設計方法によれば、３次元的な曲率を持った羽根面を単数の円錐面または複数の円錐面からなる円錐面群に置き換えることにより、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有する流体機械の羽根を設計することができる。
【００２９】
図５は本発明の第２の実施の形態による流体機械の羽根の別の設計方法を示すものである。すなわち、始めに流体機械の羽根１を構成する３次元的な曲率を持った羽根面を構成する曲面５の周囲に相対する任意の２辺、ＳＡ、ＳＢを定義し、辺ＳＡ上の点ＰＢの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＢを直線ＬＢ上の任意の点と羽根面を構成する曲面５との距離が指定許容値以下となるように定義する。
【００３０】
次に、点ＰＢから指定の距離にある辺ＳＡ上の点ＰＣを定義し、点ＰＣの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＣを直線ＬＢと同様に直線ＬＣ上の任意の点と羽根面を構成する曲面５との距離が指定の許容値以下となり、且つ、直線ＬＢと直線ＬＣが互いに交わるように定義する。
【００３１】
その後、直線ＬＢと直線ＬＣを母線とする円錐面ＣＤを羽根面を構成する曲面５との面の法線方向距離が指定値以下となるように定義することによって羽根面を構成する曲面５に近似した円錐面群を定義する。
【００３２】
この設計方法によれば、円錐面群を、３次元的な曲率を持った流体機械の回転羽根車を構成する羽根１の羽根面との誤差が指定値以下となるように定義することにより、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有する流体機械の羽根を設計することができる。
【００３３】
ここで、この設計方法のフローチャートをさらに図６として示して説明する。すなわち、ステップ１において羽根面を構成する曲面５上に辺ＳＡと辺ＳＢを定義し、ステップ２において辺ＳＡ上に点ＰＢを定義し、ステップ３において点ＰＢの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＢを定義し、ステップ４において、直線ＬＢと羽根面を構成する曲面５との距離が指定値以下か否か判定する。指定値以下でないときはステップ３に戻る。
【００３４】
指定値以下であるときはステップ５に進み、点ＰＢから辺ＳＡ上に指定距離にある点ＰＣを定義し、ステップ６において、点ＰＣの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＢと交わる直線ＬＣを定義し、ステップ７において、直線ＬＣと羽根面を構成する曲面５との距離が指定値以下か否か判定する。指定値以下でないときはステップ６に戻る。
【００３５】
指定値以下であるときはステップ８に進み、直線ＬＢと直線ＬＣを母線とする円錐面ＣＤを定義し、ステップ９において、円錐面ＣＤと羽根面を構成する曲面５との距離が指定値以下か否か判定する。指定値以下でないときはステップ10において指定距離を狭めてステップ５に戻る。
【００３６】
指定値以下であるときはステップ11に進み、点ＰＣから辺ＳＡ上に指定距離にある点ＰＤを定義し、ステップ12において点ＰＤの近傍から辺ＳＢに至り辺ＳＢと交わる直線ＬＧを定義し、ステップ13においてステップ６〜８の要領で円錐面ＣＤに隣接する円錐面ＣＧを定義し、ステップ14においてステップ６〜13の要領で近似円錐面群を定義する。
【００３７】
この設計方法によれば、３次元的な曲率を持つ流体機械の回転羽根車となる羽根１を構成する曲面５の周囲に任意に定義された２辺である辺ＳＡおよび辺ＳＢの近傍を通り、且つ、各々の延長上で互いに交わる２直線ＬＢ，ＬＣを定義し、これら互いに交わる２直線ＬＢ，ＬＣを母線として定義された円錐面ＣＤ，ＣＧと前記３次元的な曲率をもった羽根１の曲面５との誤差が指定値以上の場合、前記２直線のうちの一方を微小変化させて円錐面を再定義し、３次元的な曲率を持った羽根１の曲面５との誤差が指定値以下となるまで円錐面の再定義を繰り返すことにより、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有し複数の円錐面からなる円錐面群により構成される流体機械の羽根を設計することができる。
【００３８】
ここで、定義された円錐面と曲面５との誤差が指定値以上であった場合の円錐面の再定義にあたっては、定義された２直線ＬＢ，ＬＣのなす角を微小変化させて行うこともできる。
【００３９】
図７は本発明の第２の実施の形態による流体機械の羽根のさらに別の設計方法を示すものである。すなわち、直線ＬＤと直線ＬＥを母線とする円錐面ＣＥと直線ＬＥと直線ＬＦを母線とする円錐面ＣＦが直線ＬＥ上で交わる角と１８０度との差の絶対値が指定の角度以下となるように円錐面ＣＥと円錐面ＣＦを定義することによって、羽根面を構成する曲面５に近似した円錐面群を定義する。
【００４０】
ここで、この設計方法についてもそのフローチャートをさらに図８として示して説明する。すなわち、ステップ１において羽根面を構成する曲面５上に辺ＳＡと辺ＳＢを定義し、ステップ２において辺ＳＡ上に点ＰＥを定義し、ステップ３において点ＰＥの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＤを定義し、ステップ４において、直線ＬＤと羽根面を構成する曲面５との距離が指定値以下か否かを判定する。指定値以下でないときはステップ３に戻る。
【００４１】
指定値以下であるときはステップ５に進み、点ＰＥから辺ＳＡ上に指定距離にある点ＰＦを定義し、ステップ６において点ＰＦの近傍から辺ＳＢに至る直線ＬＤと交わる直線ＬＥを定義し、ステップ７において、直線ＬＥと羽根面を構成する曲面５との距離が指定値以下か否か判定する。指定値以下でないときはステップ６に戻る。
【００４２】
指定値以下であるときはステップ８に進み、直線ＬＤと直線ＬＥを母線とする円錐面ＣＥを定義し、ステップ９において、円錐面ＣＥと羽根面を構成する曲面５との距離が指定値以下か否か判定する。指定値以下でないときは、ステップ10において指定距離を狭めてステップ５に戻る。
【００４３】
指定値以下であるときはステップ11に進み、点ＰＦから辺ＳＡ上に指定距離にある点ＰＧを定義し、ステップ12において点ＰＧの近傍から辺ＳＢに至り直線ＬＥと交わる直線ＬＦを定義し、ステップ13においてステップ６〜８の要領で円錐面ＣＦを定義し、ステップ14において円錐面ＣＥと円錐面ＣＦとが交わる角度を判定を判定する。角度が判定基準に合っていないときは、ステップ15において指定距離を狭めてステップ11に戻る。
角度が判定基準に合っているときはステップ16に進み、ステップ11〜14の要領で近似円錐面群を定義する。
【００４４】
この設計方法によれば、３次元的な曲率を持つ流体機械の回転羽根車となる羽根１を構成する曲面５に近似した円錐面群を隣接する円錐面ＣＥ，ＣＦの境界部での各々の接平面同士がなす角と180度との差の絶対値が指定値以上であった場合、この２つの円錐面の境界をなす直線を再定義するとともに円錐面ＣＥ，ＣＦを再定義し、隣接する円錐面の境界部での各々の接平面同士がなす角と１８０度との差が指定値以下になるまでこの作業を繰り返すことによって、従来の３次元的な曲率を持った羽根と同程度の流体力学的性能を有し複数の円錐面からなる円錐面群により構成される羽根をより滑らかな曲面により定義することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、流体機械の羽根を板状素材より専用の成形型を使用することなく整形することが可能になり、羽根の製造能率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の流体機械の羽根を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の流体機械の羽根を平板状の素材からの２次元曲げ成形によって製造する状況を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の流体機械の羽根を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の流体機械の羽根の設計方法を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の流体機械の羽根の別の設計方法を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の流体機械の羽根の別の設計方法を示す流れ図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の流体機械の羽根の別の設計方法を示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の流体機械の羽根の別の設計方法を示す流れ図。
【符号の説明】
１…羽根、２…羽根面、３…押し治具、４…支え治具、５…羽根面を構成する曲面、ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ，ＣＥ，ＣＦ，ＣＧ…円錐面、ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，ＬＥ，ＬＦ，ＬＧ…直線、ＯＡ，ＯＢ…円錐の頂点、ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ，ＰＥ，ＰＦ，ＰＧ…点、ＳＡ，ＳＢ…辺。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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