(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブと、
前記ハブに設けられた複数のブレードと
を備える回転翼であって、
前記複数のブレードのそれぞれは、負圧面と、圧力面と、前縁と、後縁と、チップ側縁と、ハブ側縁とを含み、
前記前縁と前記後縁との間の任意のコード位置における前記ブレードの断面において、前記負圧面又は前記圧力面の少なくとも一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、
前記負圧面又は前記圧力面の前記少なくとも一方は、前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの領域である第１領域と、前記第１領域よりも前記後縁側の領域である第２領域とを含み、
前記第１領域の全域において、前記角度は前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かって連続的に増加する回転翼。
【請求項２】
前記第２領域は、前記チップ側縁と前記ハブ側縁との間で少なくとも２つの線分から構成されている、請求項１に記載の回転翼。
【請求項３】
前記第１領域は、前記前縁と、前記前縁から５％〜１５％のコード位置との間の範囲内の領域である、請求項１または２に記載の回転翼。
【請求項４】
前記負圧面又は前記圧力面のいずれか一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、いずれか他方は、前記ハブ側縁と前記チップ側縁とを結ぶ線分となるように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転翼。
【請求項５】
ハブと、
前記ハブに設けられた複数のブレードと
を備える回転翼であって、
前記複数のブレードのそれぞれは、負圧面と、圧力面と、前縁と、後縁と、チップ側縁と、ハブ側縁とを含み、
前記前縁と前記後縁との間の任意のコード位置における前記ブレードの断面において、前記負圧面又は前記圧力面の少なくとも一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、
前記負圧面又は前記圧力面のいずれか一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、いずれか他方は、前記ハブ側縁と前記チップ側縁とを結ぶ線分となるように構成されている回転翼。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転翼を備える遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回転翼及びこの回転翼を備える遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャの遠心圧縮機では、インペラの固有振動数と、遠心圧縮機を流れる流体によって作用する加振力の振動数が一致して共振が発生し、インペラの振動が増大してインペラが破損する場合がある。このような共振に対する安全性を高めるために、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くするとともに固有モードの節に相当する箇所の翼厚を厚くすることが考えられる。このような形状を実現するためには、ブレードの翼厚分布を立体的に定義する必要がある。【０００３】
特許文献１には、共振に対する安全性を高めるためではなく、遠心圧縮機の高流量側での作動領域を拡大させる目的ではあるが、インペラのブレードを翼高さ方向に、チップ側の先端部と、ハブ側の根元部と、先端部と根元部との間に位置する連結部とに分け、先端部の翼厚は根元部の翼厚よりも薄いとともに一定であり、連結部の翼厚は根元部から先端部に向かって徐々に減少するように構成され、根元部の翼厚は連結部に向かって徐々に減少するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１７４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らによるブレードの固有値解析の結果を示す図４から分かるように、ブレード１００の一次固有モードの腹の部分は、ブレード１００の前縁１０１側においてブレード１００のハブ側縁１０２からチップ側縁１０３に向かって翼高さの５０〜１００％の範囲に位置していることが明らかになった。そうすると、特許文献１に記載されたブレードの翼厚分布では、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くすることはできたとしても、固有モードの節に相当する箇所の翼厚を適切に厚くすることができず、共振に対する安全性を高めることができない可能性がある。また、ハブ側からチップ側にかけて翼厚分布が凹状となる箇所が形成されるため、翼面を成形する際の加工方法が限定される。【０００６】
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、共振に対する安全性を高めた回転翼及びこの回転翼を備える遠心圧縮機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】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転翼は、
ハブと、
前記ハブに設けられた複数のブレードと
を備える回転翼であって、
前記複数のブレードのそれぞれは、負圧面と、圧力面と、前縁と、後縁と、チップ側縁と、ハブ側縁とを含み、
前記前縁と前記後縁との間の任意のコード位置における前記ブレードの断面において、前記負圧面又は前記圧力面の少なくとも一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、
前記負圧面又は前記圧力面の前記少なくとも一方は、前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの領域である第１領域と、前記第１領域よりも前記後縁側の領域である第２領域とを含み、
前記第１領域の全域において、前記角度は前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かって連続的に増加する。
【０００８】
上記（１）の構成によると、前縁と後縁との間の任意のコード位置におけるブレードの断面において、負圧面又は圧力面の少なくとも一方を、少なくとも前縁から後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、ブレードの翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁からチップ側縁に渡ってハブ側縁からチップ側縁に向かう方向に増加するように構成することにより、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くするとともに固有モードの節に相当する箇所の翼厚を厚くする構成にすることができるので、共振に対する安全性を高めることができる。また、上記（１）の構成によると、第１領域は点切削加工を行う必要があり、点切削加工はブレードの加工時間及び製作コストの増大につながるが、第１領域は前縁側の一部の領域であるので、翼面全体を点切削加工する場合に比べてブレードの加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。
【０００９】
（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第２領域は、前記チップ側縁と前記ハブ側縁との間で少なくとも２つの線分から構成されている。
【００１０】
上記（２）の構成によると、第２領域は線切削加工が可能であるので、ブレードの翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁からチップ側縁に渡ってハブ側縁からチップ側縁に向かう方向に増加するような構成を第１領域よりも後縁側に加工しても、ブレードの加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。
【００１１】
（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
前記第１領域は、前記前縁と、前記前縁から５％〜１５％のコード位置との間の範囲内の領域である。
【００１２】
通常、前縁から５％〜１５％のコード位置との間の範囲は、ブレードの前縁に丸み形状を形成するために点切削加工を要する。上記（３）の構成によると、ブレードの前縁に丸み形状を形成するための加工時に第１領域の翼面形状を加工することにより、第１領域の翼面形状を加工するためだけに点切削加工を行う場合に比べて、ブレードの加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。
【００１３】
（４）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記負圧面又は前記圧力面のいずれか一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、いずれか他方は、前記ハブ側縁と前記チップ側縁とを結ぶ線分となるように構成されている。
【００１４】
上記（４）の構成によると、負圧面又は圧力面のいずれか一方のみに、ブレードの翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁からチップ側縁に渡ってハブ側縁からチップ側縁に向かう方向に増加するような構成を加工することにより、負圧面及び圧力面の両面にそのような加工をする場合に比べて、ブレードの加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。また、負圧面又は圧力面のいずれか他方は、ハブ側縁とチップ側縁とを結ぶ平面であることから、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くするとともに固有モードの節に相当する箇所の翼厚を厚くする翼厚分布を確実に実現することができる。
【００１５】
（５）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転翼は、
ハブと、
前記ハブに設けられた複数のブレードと
を備える回転翼であって、
前記複数のブレードのそれぞれは、負圧面と、圧力面と、前縁と、後縁と、チップ側縁と、ハブ側縁とを含み、
前記前縁と前記後縁との間の任意のコード位置における前記ブレードの断面において、前記負圧面又は前記圧力面の少なくとも一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、
前記負圧面又は前記圧力面のいずれか一方は、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、前記ブレードの翼高さ方向に対してなす角度が前記ハブ側縁から前記チップ側縁に渡って前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に増加するように構成され、いずれか他方は、前記ハブ側縁と前記チップ側縁とを結ぶ線分となるように構成されている。
【００１６】
上記（５）の構成によると、負圧面又は圧力面のいずれか一方のみに、ブレードの翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁からチップ側縁に渡ってハブ側縁からチップ側縁に向かう方向に増加するような構成を加工することにより、負圧面及び圧力面の両面にそのような加工をする場合に比べて、ブレードの加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。また、負圧面又は圧力面のいずれか他方は、ハブ側縁とチップ側縁とを結ぶ平面であることから、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くするとともに固有モードの節に相当する箇所の翼厚を厚くする翼厚分布を確実に実現することができる。【００１７】
（６）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る遠心圧縮機は、
上記（１）〜（５）のいずれかの回転翼を備える。
上記（６）の構成によると、共振に対する安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、前縁と後縁との間の任意のコード位置におけるブレードの断面において、負圧面又は圧力面の少なくとも一方を、少なくとも前縁から後縁に向かって離れたコード位置までの範囲において、ブレードの翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁からチップ側縁に渡ってハブ側縁からチップ側縁に向かう方向に増加するように構成することにより、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くするとともに固有モードの節に相当する箇所の翼厚を厚くする構成にすることができるので、共振に対する安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示の一実施形態に係る回転翼を備えた遠心圧縮機の部分断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】本発明者らによるブレードの固有値解析の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２１】
以下に示す本開示のいくつかの実施形態の回転翼を、ターボチャージャの遠心圧縮機に設けられた回転翼（インペラ）を例に説明する。ただし、本開示における遠心圧縮機は、ターボチャージャの遠心圧縮機に限定するものではなく、単独で動作する任意の遠心圧縮機であってもよい。また、具体的には説明しないが、本開示の回転翼は、タービンや軸流ポンプに用いられる回転翼も含んでいる。
【００２２】
図１に示されるように、遠心圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２内において回転軸線Ｌを中心に回転可能に設けられたインペラ３とを備えている。インペラ３は、周方向に所定の間隔をあけてハブ５に設けられた流線形状の複数のブレード４（図１には１つのブレード４のみが描かれている）を有している。各ブレード４は、前縁４ａと、後縁４ｂと、ハウジング２に面するチップ側縁４ｃと、ハブ５に接続するハブ側縁４ｄとを含んでいる。
【００２３】
ブレード４の負圧面１０は、前縁４ａから後縁４ｂに向かって離れたコード位置までの領域である第１領域１１と、第１領域１１よりも後縁４ｂ側の領域である第２領域１２とに区画されている。図１には図示されていないが、ブレード４の圧力面も同様に、第１領域１１と第２領域１２とに区画されている。
【００２４】
図２には、ブレード４の負圧面１０及び圧力面２０それぞれの第１領域１１内における任意のコード位置でブレード４を切断した断面が示されている（ハッチングは省略する）。負圧面１０及び圧力面２０は両方とも、この断面においてチップ側縁４ｃとハブ側縁４ｄとを結ぶ線分Ｌ１０及びＬ２０に対して凸状に湾曲するような形状を有している。
【００２５】
図２に示される断面において、負圧面１０の第１領域１１における凸状の湾曲は、ブレード４の翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに渡ってハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向に増加するような形状を有している。すなわち、チップ側縁４ｃよりもハブ側縁４ｄに近い位置Ａにおいてブレード４の翼高さ方向に対してなす角度をθ１とし、位置Ａよりもチップ側縁４ｃに近い位置Ｂにおいてブレード４の翼高さ方向に対してなす角度をθ２とすると、θ１＜θ２となっている。
【００２６】
図２に示される断面において、圧力面２０の第１領域１１における凸状の湾曲も同様に、ブレード４の翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに渡ってハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向に増加するような形状を有している。すなわち、チップ側縁４ｃよりもハブ側縁４ｄに近い位置Ｃにおいてブレード４の翼高さ方向に対してなす角度をθ３とし、位置Ｃよりもチップ側縁４ｃに近い位置Ｄにおいてブレード４の翼高さ方向に対してなす角度をθ４とすると、θ３＜θ４となっている。
【００２７】
図３には、ブレード４の負圧面１０及び圧力面２０それぞれの第２領域１２内における任意のコード位置でブレード４を切断した断面が示されている（ハッチングは省略する）。負圧面１０は、この断面において３つの線分Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３が順次接続されて構成されるような形状を有している。圧力面２０も、この断面において３つの線分Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３が順次接続されて構成されるような形状を有している。その結果、負圧面１０及び圧力面２０のいずれも、線分Ｌ１０及びＬ２０よりも突出するように構成されている。
【００２８】
図３に示される断面において、負圧面１０の第２領域１２は、線分Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３のそれぞれとブレード４の翼高さ方向とのなす角度をθ１１，θ１２，θ１３とすると、θ１１＜θ１２＜θ１３となるような形状となっている。すなわち、負圧面１０の第２領域１２も、連続的ではなく段階的ではあるが、ブレード４の翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに渡ってハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向に増加するようになっている。
【００２９】
図３に示される断面において、圧力面２０の第２領域１２は、線分Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３のそれぞれとブレード４の翼高さ方向とのなす角度をθ２１，θ２２，θ２３とすると、θ２１＜θ２２＜θ２３となるような形状となっている。すなわち圧力面２０の第２領域１２も、連続的ではなく段階的ではあるが、ブレード４の翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに渡ってハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向に増加するようになっている。
【００３０】
図２及び３に関して上述したように、負圧面１０及び圧力面２０は両方とも、ブレード４の翼高さ方向に対してなす角度がハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに渡ってハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かう方向に増加するように構成されていることにより、固有モードの腹に相当する部分であるチップ側縁４ｃ付近の翼厚を薄くして、固有値を確保するとともに、ハブ側縁４ｄからチップ側縁４ｃに向かって翼高さの約５０％の位置付近の翼厚を厚くして、固有モードの節に相当する部分の強度を高めることができるので、遠心圧縮機１（図１参照）の稼働時に生じ得る共振に対する安全性を高めることができる。
【００３１】
図３に示されるように、任意のコード位置でブレード４を切断した断面が複数の線分から構成された第２領域１２の翼面形状は線切削加工が可能であるが、図２に示されるように、任意のコード位置でブレード４を切断した断面が連続的に湾曲した構成の第１領域１１の翼面形状は線切削加工では形成できず、点切削加工が必要となる。点切削加工は線切削加工に比べて加工時間及びコストが大きくなるが、第１領域１１は、前縁４ａ近傍の一部の領域に限定されている。このため、翼面全体を第１領域１１の翼面形状にする場合に比べて、ブレード４の加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。
【００３２】
尚、第１領域１１は、前縁４ａと、前縁４ａから５％〜１５％のコード位置との間の範囲内の領域であることが好ましい。通常、前縁４ａから５％〜１５％のコード位置との間の範囲は、ブレード４の前縁４ａに丸み形状を形成するために点切削加工を要する。ブレード４の前縁４ａに丸み形状を形成するための加工時に第１領域１１の翼面形状を加工することにより、第１領域１１の翼面形状を加工するためだけに点切削加工を行う場合に比べて、ブレード４の加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。
【００３３】
上記実施形態では、第２領域１２は、任意のコード位置でブレード４を切断した断面において、３つの線分が順次接続されて構成されるような形状を有していたが、この形態に限定するものではない。第２領域１２は、２つの線分又は４つ以上の線分が順次接続されて構成されるような形状を有していてもよい。
【００３４】
上記実施形態では、負圧面１０及び圧力面２０の両方に同じ態様で第１領域１１及び第２領域１２の翼面形状を形成しているが、この形態に限定するものではない。負圧面１０及び圧力面２０それぞれにおける第１領域１１の範囲を異ならせてもよい。この場合、負圧面１０の第１領域１１の範囲を圧力面２０の第１領域１１の範囲に比べて大きくする形態が好ましい。これは、圧力面２０は負圧面１０よりも境界層が薄く、壁面の曲率変化に対して剥離を生じづらいことから性能向上が見込めるからである。
【００３５】
上記実施形態では、負圧面１０及び圧力面２０の両方に第１領域１１及び第２領域１２の翼面形状を形成しているが、この形態に限定するものではない。負圧面１０又は圧力面２０のいずれか一方に第１領域１１及び第２領域１２の翼面形状を形成し、他方は、ハブ側縁４ｄとチップ側縁４ｃとを結ぶ平面（図２及び３における線分Ｌ１０又はＬ２０の形状に相当）であってもよい。この場合、圧力面２０に第２領域１２の翼面形状を形成するとともに負圧面１０をハブ側縁４ｄとチップ側縁４ｃとを結ぶ平面とする形態が好ましい。これは、圧力面２０は負圧面１０よりも境界層が薄く、壁面の曲率変化に対して剥離を生じづらいからである。
【００３６】
負圧面１０又は圧力面２０の一方のみに第１領域１１及び第２領域１２の翼面形状を形成することにより、負圧面１０及び圧力面２０の両面にそのような翼面形状を形成する場合に比べて、ブレード４の加工時間及び製作コストの増大を抑制することができる。また、負圧面１０又は圧力面２０のいずれか他方は、ハブ側縁４ｄとチップ側縁４ｃとを結ぶ平面であることから、固有モードの腹に相当する箇所の翼厚を部分的に薄くするとともに固有モードの節に相当する箇所の翼厚を厚くする翼厚分布を確実に実現することができる。
【００３７】
上記実施形態では、負圧面１０及び圧力面２０はそれぞれ、第１領域１１及び第２領域１２の両方を含んでいたが、少なくとも第１領域１１を含んでいれば十分である。第２領域１２が含まれる場合であっても、第２領域１２は、第１領域１１から後縁４ｂまでの全領域に含まれていなくてもよく、第１領域１１から後縁４ｂに向かって離れたコード位置までの範囲に含まれる形態であってもよい。
【００３８】
上記実施形態では、ブレード４はフルブレードとして説明したが、この形態に限定するものではない。ブレード４は、２つのフルブレード間に設けられたスプリッタブレードであってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  遠心圧縮機
２  ハウジング
３  インペラ（回転翼）
４  ブレード
４ａ  前縁
４ｂ  後縁
４ｃ  チップ側縁
４ｄ  ハブ側縁
５  ハブ
１０  負圧面
１１  第１領域
１２  第２領域
２０  圧力面
Ｌ  回転軸線
Ｌ１０  線分
Ｌ１１  線分
Ｌ１２  線分
Ｌ１３  線分
Ｌ２０  線分
Ｌ２１  線分
Ｌ２２  線分
Ｌ２３  線分
θ１  角度
θ２  角度
θ３  角度
θ４  角度
θ１１  角度
θ１２  角度
θ１３  角度
θ２１  角度
θ２２  角度
θ２３  角度
【図１】
0006949218.tif 000002
【図２】
0006949218.tif 000003
【図３】
0006949218.tif 000004
【図４】
0006949218.tif 000005