JP2002364588A - 羽根車及びその製造方法 - Google Patents

羽根車及びその製造方法

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JP2002364588A
JP2002364588A JP2001168941A JP2001168941A JP2002364588A JP 2002364588 A JP2002364588 A JP 2002364588A JP 2001168941 A JP2001168941 A JP 2001168941A JP 2001168941 A JP2001168941 A JP 2001168941A JP 2002364588 A JP2002364588 A JP 2002364588A
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宗利 善
Toshio Hattori
敏雄 服部
Hiromi Kobayashi
博美 小林
Kazuo Takeda
和夫 武田
Hiroshi Yamada
洋 山田
Kenji Yaegashi
賢司 八重樫
Hiroshi Yamazaki
浩志 山崎
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】応力集中を緩和する有効な手段であり、R部の
突起、すみ肉溶接とグラインダ仕上げによるR部形成と
比較して簡易に低コストで応力集中を緩和でき、未溶着
部を無くし、高信頼性の羽根車を提供する。 【解決手段】羽根部3と下シュラウド部4の一体化した
ものをろう材7を介し、R部を有する溝14を両側に設
けた上シュラウド部2に重ね合せ、上シュラウド部よ
り、羽根部との境界部を電子ビーム溶接することによ
り、羽根付け根部の応力集中が緩和され、疲労強度が向
上し、未溶着欠陥がなく、溶接変形の少ない低コストの
羽根車1の製造が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は空気圧縮機等に使用
される遠心羽根車、あるいはターボ羽根車に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】空気圧縮機等に使用される羽根車のよう
に、上シュラウドと下シュラウドとの間に狭間隙の空間
を有する構造物を製造する方法としては、精密鋳造法に
よる一体製作や、放電加工により狭間隙部分を除去する
方法、或いは拡散接合による方法等がある。しかし、こ
れらの製造方法では、表面粗さが粗い、コストが高い、
多大な時間を要するなど問題が多いことから、溶接によ
り組立が一般的である。
【0003】また、羽根車は、回転体であり、回転数が
高くなるに従い、遠心応力と振動応力が重畳された大き
な応力が応力集中部である羽根付け根部に集中するた
め、溶接止端形状を滑らかなR形状に形成して応力集中
を緩和している。さらに、羽根車の材質を、例えば、硫
化水素、炭酸ガス、高温多湿等の環境での使用に対応可
能な材料を選定して応力集中による亀裂等の発生を押さ
えている。
【0004】このように、従来の技術では、製造コスト
の低減と溶接技術の進歩と強度上の優位性などから、溶
接による製法が多用されているが、近年、羽根車の溶接
に電子ビーム溶接が採用されるようになってきている。
【0005】電子ビーム溶接は、高真空中で高速の電子
ビームを材料に照射し、その衝撃熱を利用して溶接する
方法であり、高真空中で行うため材料を選ばずに溶接が
可能である。また、電子ビーム溶接は、レンズによって
絞込みを行い、エネルギーを集中できるため、高融点材
料の溶接が可能である。従って、溶け込みが深く、短時
間で変形の少ない溶接できるうえに、ビーム出力を正確
に制御できるため、薄板から厚板まで広範囲な溶接が可
能な溶接方法である。
【0006】この種の電子ビームによる溶接技術の従来
技術として、例えば特開昭64−48682号公報、或
いは特開平4−123881号公報がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術である、
特開昭64−48682号公報による羽根車の製造方法
によれば、上シュラウド部と羽根部とは電子ビームによ
る溶接したままの状態であるため、羽根付け根部が応力
集中部分となり、羽根付け根部よりき裂が発生する恐れ
がある。上述したように、上シュラウドと羽根との付根
部分は、高応力がかかる部分であるため、応力集中を緩
和するための大きな曲率(R部)が必要である。ところ
が、この大きな曲率部(R部)を形成するためには、大
幅な切削加工が必要となり、コストを招いてしまう。同
様に、現行の上シュラウドと羽根との付根部分をMIG
またはTIG溶接を用いてすみ、肉溶接を行った場合
も、止端部のみのグラインダ仕上げは必要となり、加工
工数の増加となってしまう。
【0008】本発明の目的は、付根部分の応力集中を緩
和して信頼性の高い羽根車を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は、中心部に開
口部を有する円形状の第1のシュラウドと、中心部に開
口部を有する円形状の第2のシュラウドと、前記第1シ
ュラウドと一体に羽根を設け、この羽根の一端を前記第
2のシュラウド部に接合した羽根車において、第2のシ
ュラウドの前記羽根接合部外周に半円状の溝を設け、こ
の溝の底部が前記第2のシュラウドの内面より下方にあ
ることにより達成される。
【0010】また、上記目的は、中心部に開口部を有す
る円形状の第1のシュラウドと、中心部に開口部を有す
る円形状の第2のシュラウド部と、前記第1シュラウド
と一体に羽根を設け、この羽根の一端を前記第2のシュ
ラウド部に接合した羽根車の製造方法において、前記第
2のシュラウドと羽根部との接合部をXYZθの4次元
制御台に設置し、自動電子ビーム溶接によって接合溶接
することにより達成される。
【0011】まt、上記目的は、中心部に開口部を有す
る円形状の第1のシュラウドと、中心部に開口部を有す
る円形状の第2のシュラウド部と、前記第1シュラウド
と一体に羽根を設け、この羽根の一端を前記第2のシュ
ラウド部に接合した羽根車の製造方法において、前記羽
根と第2のシュラウドとの間にろう材を介在させて突き
合わせた後、前記第2のシュラウドの背面側より前記羽
根方向を電子ビーム溶接することにより達成される。
【0012】また、上記目的は、中心部に開口部を有す
る円形状の第1のシュラウドと、中心部に開口部を有す
る円形状の第2のシュラウド部と、前記第1シュラウド
と一体に羽根を設け、この羽根の一端を前記第2のシュ
ラウド部に接合した羽根車の製造方法において、傾斜あ
せた前記羽根と第2のシュラウドとの間にろう材を介在
させて突き合わせた後、前記第2のシュラウドの背面側
より前記羽根方向を電子ビーム溶接することにより達成
される。
【0013】
【発明の実施の形態】ところで、従来の電子ビーム溶接
による羽根車の製造工程を、図6と図7により説明す
る。図6は、羽根車の部分断面図である。図6におい
て、羽根車1は、下シュラウド4と一体に削り出された
羽根3を、上シュラウド2の面に押付け、上シュラウド
2の背面より電子ビーム溶接8で羽根3の曲率に沿って
移動しながら溶接するものである。
【0014】更に、この従来技術には、電子ビーム溶接
による羽根3と上シュラウド2との付根部分に発生する
両側隙間部10の間隙を介して腐食性成分が含有するガ
スが浸入することを防止するために、この両側隙間部1
0を銀ろうで封止することが記載されている。しかし、
応力集中が問題となる上シュラウド2の羽根付け根部に
は、図6に示すようにR部が形成されておらず、高速回
転で高応力が発生する羽根車には不向きである。
【0015】この改良案として、図7に示すような構造
がある。尚、図7は、羽根車1は、図6の羽根車1とは
上下が逆転している。図7において、上シュラウド部2
にR部5を有する突起6を設け、図6と同様に上シュラ
ウド部2の背面より、電子ビーム溶接8で羽根3の曲率
に沿って移動しながら溶接する。ところが、この応力集
中を緩和するR部を有する突起6を加工する場合、突起
6以外をすべて切削するため、材料費、加工費増による
低コスト化のネックとなっていた。
【0016】本発明は、低いコストで応力集中による亀
裂の発生を防止するために成されたものである。
【0017】図1、図2に羽根車の構造及び製造方法を
説明する。図1は、羽根車の上面図および側面断面図で
ある。図1において、羽根車1は、中心部に開口部を有
する円形状の下シュラウド部4および、一定の曲線を描
きつつ前記下シュラウド部4の中心部から外周部へ放射
状に複数枚取付けられた羽根部3と、中心部に開口部を
有する円形状の上シュラウド部2とを有する。図2は、
羽根車の製造方法を説明するものであり、羽根車の側面
断面図及び下面図である。尚、図2以降の図面で図1と
同一番号のものは、同一物を示すので、その説明は省略
する。図2において、市販の析出硬化型ステンレス鋼で
あるSUS630あるいはSCM430の材料を使用し、中心部に開
口部を有する円形状の下シュラウド部4は、複数枚の羽
根部3を有しており、後述する図4に示したR部を有す
る溝14を両側に設けた上シュラウド部2と放射状の複
数枚の羽根3とを電子ビーム溶接8により、外側の上シ
ュラウド部2より溶接するようにしている。7は、羽根
3の形状に合わせて取付けられたろう材である。
【0018】図3は、本発明を備えた4次元位置制御装
置の概略構成図である。図3において、下シュラウド部
4と羽根部3の接合部である羽根付け根部およびR部を
有する溝14を両側に設けた上シュラウド部2は、複数
分割した上シュラウド部2をXYZθの4次元位置制御
装置13に設置し、自動電子ビーム溶接による接合溶接
の自動化が図られている。11は、電子ビーム溶接装
置。12は、真空室である。
【0019】図4は、羽根車の製造工程を説明する図で
ある。図4において、羽根部3と下シュラウド部4の一
体化したものをろう材7を介し、R部を有する溝14を
両側に設けた上シュラウド部2を重ね合せ、上シュラウ
ド部2より、羽根部3との境界部に電子ビーム溶接8を
施したものである。
【0020】さて、羽根車1は、回転体であり、回転数
が高くなるに従い、遠心応力と振動応力の重畳された大
きな応力を受けるため、応力集中部である羽根付け根部
には、溶接止端形状を滑らかなR形状に形成することが
不可欠である。上述した従来の図7は、この応力集中を
緩和するためにR部を有する突起6を設けたものであ
る。このR部を有する突起6を加工するには、突起6以
外をすべて機械加工で切削するため、材料費の無駄、加
工費の増加によるコストアップがネックとなっていた。
【0021】本発明は、この点に鑑み、下シュラウド4
と羽根3とがR部5をもつ一体形状の下シュラウド4を
ろう材7を介し、R部を有する溝14を両側に設けたも
のえある。この溝14は、羽根3の当接面両側に設けら
れ、上シュラウド部2の面から掘り下げて形成したもの
である。この溝14のR形状深さは、上シュラウド部2
の板厚によって決定され、上シュラウド部2の板厚の1
/3から1/4程度である。羽根車1は、上下シュラウ
ド部2の間に羽根部3が放射状に複数枚設置されている
剛性体であるため、上シュラウド2の板厚1/3から1
/4程度の溝14を設けても強度が低下することはな
い。この溝14を上シュラウド部2の両側に設けた場
合、例えば、上シュラウド2の板厚が10mmの時、両
側に設けられた溝14はR3程度で十分であり、その加
工による材料費、加工費のコスト低減は、図7のR部以
外を全面に機械加工により切削することと比較すると低
コスト化は歴然である。
【0022】図5は、傾斜9を有する羽根部3を一体に
設けた下シュラウド4と上シュラウド2を接続する工程
を説明する図である。図5において、R部を有する溝1
4を羽根3の当接面両側に設けた上シュラウド2と、下
シュラウド4を重ね合せ、上シュラウド部2より、羽根
部3との境界部を電子ビーム溶接8するようにしたもの
である。
【0023】本実施例は、下シュラウド4と傾斜9を持
つ羽根3とがR部5をもつ一体形状の下シュラウド4を
ろう材7を介し、R部を有する溝14を両側に設けた上
シュラウド部2を重ね合せ、上シュラウド部2より、傾
斜9を持つ羽根3との境界部を電子ビーム溶接8するよ
うにしたものである。傾斜を持つ羽根3と上シュラウド
部2の両側に設けられた応力集中を緩和する溝14のR
径、深さは、上シュラウド部2の板厚によって決定さ
れ、板厚が薄くなることによる弊害はない。ちなみに、
上シュラウド部2の板厚が10mmの場合、両側に設け
られた溝15はR3程度で十分であり、その加工による
材料費、加工費のコスト低減は、図7のR部以外を全面
に機械加工で切削することと比較すると低コスト化は歴
然である。ステンレス鋼の熱処理は、酸化膜の付着等の
弊害から、通常、10-4Torr以上の真空熱処理を行うた
め、工程の増加とは成らず、Ni系のろう材のぬれ性のた
めにも800℃以上の温度で施される。
【0024】本発明の羽根車の製造方法によれば、未溶
着部がなくなり、R部を有する溝15の効果による応力
集中の緩和、疲労強度の向上により、高信頼性の羽根車
を提供できる。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、付根部分の応力集中を
緩和して信頼性の高い羽根車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明を適用した羽根車の製造方法の
概略図である。
【図2】図2は、本発明を適用した3次元羽根部の電子
ビーム溶接の概略図である。
【図3】図3は、本発明を適用した4次元自動電子ビー
ム溶接羽根車製造装置の概略図である。
【図4】図4は、本発明を適用した羽根車の製造方法の
概略図である。
【図5】図5は、本発明を適用した羽根車の製造方法の
概略図である。
【図6】図6は、従来技術の羽根車の製造方法説明図で
ある。
【図7】図7は、従来技術の羽根車の製造方法説明図で
ある。
【符号の説明】
1…羽根車、2…上シュラウド部 、3…羽根部 、 4
…下シュラウド部、 5…R部、 6…突起部、 7…ろ
う材、 8…電子ビーム溶接 、9…羽根傾斜角、10
…未溶着部、11…電子ビーム溶接装置、12…真空室
、13…XYZθ4次元位置制御装置、14…R部を
有する溝 。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 博美 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 武田 和夫 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 山田 洋 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 八重樫 賢司 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 山崎 浩志 茨城県土浦市神立東二丁目28番4号 日立 テクノエンジニアリング株式会社土浦事業 所内 Fターム(参考) 3H033 AA02 BB03 BB06 CC01 DD12 DD17 DD25 EE11

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】中心部に開口部を有する円形状の第1のシ
    ュラウドと、中心部に開口部を有する円形状の第2のシ
    ュラウドと、前記第1シュラウドと一体に羽根を設け、
    この羽根の一端を前記第2のシュラウド部に接合した羽
    根車において、第2のシュラウドの前記羽根接合部外周
    に半円状の溝を設け、この溝の底部が前記第2のシュラ
    ウドの内面より下方にあることを特徴とする羽根車。
  2. 【請求項2】中心部に開口部を有する円形状の第1のシ
    ュラウドと、中心部に開口部を有する円形状の第2のシ
    ュラウド部と、前記第1シュラウドと一体に羽根を設
    け、この羽根の一端を前記第2のシュラウド部に接合し
    た羽根車の製造方法において、前記第2のシュラウドと
    羽根部との接合部をXYZθの4次元制御台に設置し、
    自動電子ビーム溶接によって接合溶接することを特徴と
    する羽根車の製造方法。
  3. 【請求項3】中心部に開口部を有する円形状の第1のシ
    ュラウドと、中心部に開口部を有する円形状の第2のシ
    ュラウド部と、前記第1シュラウドと一体に羽根を設
    け、この羽根の一端を前記第2のシュラウド部に接合し
    た羽根車の製造方法において、前記羽根と第2のシュラ
    ウドとの間にろう材を介在させて突き合わせた後、前記
    第2のシュラウドの背面側より前記羽根方向を電子ビー
    ム溶接することを特徴とする羽根車の製造方法。
  4. 【請求項4】中心部に開口部を有する円形状の第1のシ
    ュラウドと、中心部に開口部を有する円形状の第2のシ
    ュラウド部と、前記第1シュラウドと一体に羽根を設
    け、この羽根の一端を前記第2のシュラウド部に接合し
    た羽根車の製造方法において、傾斜あせた前記羽根と第
    2のシュラウドとの間にろう材を介在させて突き合わせ
    た後、前記第2のシュラウドの背面側より前記羽根方向
    を電子ビーム溶接することを特徴とする羽根車の製造方
    法。
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