JP2005146859A - インペラおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＧＴＬプラントやＰＴＡプラントなどに採用される遠心式圧縮機の大容量化および／または高圧縮比化を図ることのできるインペラおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 複数枚のブレード１１ａ，１１ｂと、これら複数枚のブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒに配置される本体１２と、前記複数枚のブレード１１ａ，１１ｂの先端部Ｔに配置されるシュラウド１３とを有するインペラ１０であって、前記複数枚のブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒから先端部Ｔにかけての板厚が、漸次薄くなるように形成されているとともに、前記本体１２と前記ブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒ、および前記シュラウド１３と前記ブレード１１ａ，１１ｂの先端部Ｔがそれぞれ溶接により接合されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はインペラ、たとえばＧＴＬ（Gas
To Liquid）プラントやＰＴＡ（高純度テレフタル酸）プラントなどの（大型）遠心式圧縮機に用いられるインペラおよびその製造方法に関するものである。

従来、遠心式圧縮機に用いられるインペラとしては、複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置されるブレードハブと、これら複数枚のブレードの先端部に配置される外側シュラウドとを有するものがある（たとえば、特許文献１参照）。
特開平７−１０２９０３号公報

さて、昨今の時流として、ＧＴＬプラントやＰＴＡプラントなどでは、遠心式圧縮機の大容量化および高圧縮比化の要望が高まってきている。
しかしながら、上述した特許文献１のようなインペラは、一般に、片持ち支持されたカッタで鍛造品材料を削り出すことにより作製される。そのため、作製しようとするインペラの直径が大きくなるにつれて製品のできあがり精度が悪くなるばかりか、製作に要する時間が膨大となり、さらには材料の歩留まりも悪く、遠心式圧縮機の大容量化に限界があった。

また、上述した特許文献１のようなインペラでは、ブレードハブと外側シュラウドとの周速の差により大きな遠心応力が生じるため、インペラの回転数を上げるのに限界があって、遠心式圧縮機の高圧縮比化に限界があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ＧＴＬプラントやＰＴＡプラントなどに採用される遠心式圧縮機の大容量化および／または高圧縮比化を図ることのできるインペラおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載のインペラは、複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置される本体と、前記複数枚のブレードの先端部に配置されるシュラウドとを有するインペラであって、前記各ブレードは、三次元翼とされるとともに、その根元部から先端部にかけての板厚が漸次薄くなるように形成され、前記本体と前記ブレードの根元部、および前記シュラウドと前記ブレードの先端部がそれぞれ溶接により接合されていることを特徴とする。
このようなインペラによれば、根元部から先端部にかけて板厚が減少するブレードの根元部と本体とが溶接により接合されているとともに、ブレードの先端部とシュラウドとが溶接により接合されている。
すなわち、予め三次元翼に成形（加工）されたブレード、本体、およびシュラウドが溶接により互いに接合されているとともに、ブレードの先端部（すなわち、本体の半径方向外方に位置する部分）の板厚が薄くなるように構成されている。
なお、ブレードの根元部から先端部にかけて板厚が減少する形状に加えて、ブレード前縁と後縁との略中央部から前縁および後縁にかけての板厚がそれぞれ漸次薄くなるように形成して、３平面が削り落とされた形状としても良い。

請求項２に記載のインペラは、前記複数枚のブレードは、インデューサ部を有するブレードを備え、このインデューサ部を有するブレードは、その前縁が当該インペラの回転軸中心から半径方向に延びる放射線上に位置するように設けられていることを特徴とする。
インデューサ部の前縁が半径方向に伸びているので、遠心力によってシュラウドに慣性力が加わっても、半径方向に伸びたインデューサ部は半径方向に沿った位置を保持しようとする。したがって、シュラウドに遠心力が加わっても、ブレードの周方向の変形は抑制され、これに伴いシュラウドの周方向の変形を抑制できる。

請求項３に記載の遠心式圧縮機は、請求項１または２に記載のインペラを具備してなることを特徴とする。
このような遠心式圧縮機によれば、ブレード、本体、およびシュラウドが溶接により互いに接合されるため、インペラ直径の大型化が図られることとなる。
また、ブレードの先端部の板厚を薄くしたり、インデューサ部の前縁を当該インペラの回転軸中心から半径方向に延びる放射線上に位置させることにより、最大応力を低減するとともに、シュラウドの周方向の変形を防止し、インペラの高速回転化が図られることとなる。

請求項４に記載のインペラの製造方法は、三次元翼とされるとともに根元部から先端部にかけての板厚が漸次薄くなるように形成された複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置される本体と、前記複数枚のブレードの先端部に配置されるシュラウドとを有するインペラの製造方法であって、前記本体と前記ブレードの根元部、および前記シュラウドと前記ブレードの先端部をそれぞれ溶接により接合することを特徴とする。
このようなインペラの製造方法によれば、予め三次元翼に成形（加工）されたブレードの根元部と本体とが溶接により接合されるとともに、当該ブレードの先端部とシュラウドとが溶接により接合される。

本発明のインペラおよびその製造方法によれば、以下の効果を奏する。
ブレードとシュラウドとを溶接により接合するとともに、ブレードとブレードハブ（本体）とを溶接により接合してインペラが作製されることとなり、従来のような片持ち支持されたカッタで鍛造品材料を削り出す工法を採用しないで済むので、たとえば、インペラ直径が２．０ｍ以上となるものも精度良く作製することができる。したがって、遠心式圧縮機においては大容量化（大流量化）を実現することができる。
また、ブレード、シュラウド、およびブレードハブが溶接により接合されることとなるので、鍛造品材料を少しずつ削り出していく工法に比べて作業時間を短縮させることができ、生産性の向上を図ることができる。さらに、材料の歩留まり悪化が解消される。

さらに、ブレードの根元部から先端部にかけて、ブレードの板厚が漸次小さくなるように形成されているので、ブレードの先端部の重量を減少させて遠心力による低減することができる。これにより、ブレードの根元部とブレードハブとの溶接部（接合部）に加わる曲げ応力を減少させることができる。
一方、ブレードハブの回転軸中心から外方に延びる線上（放射線上）に、ブレードの前縁がブレードハブに対して半径方向に立設されているので、遠心力がシュラウドに作用してもブレードが周方向に変形することを抑制できる。したがって、ブレードの変形に伴いシュラウドが周方向に変形することを抑制できるため、インペラ出口部の流路面積を確保するとともに、ブレード接合部に加わる曲げ応力を低減させることができる。
これにより、インペラの回転速度（回転数）を増加させることができて、遠心式圧縮機においては高圧縮比化を実現することができる。

以下、本発明による遠心式圧縮機のインペラの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るインペラ１０は、複数枚（たとえば、２２枚）のブレード１１ａ，１１ｂと、これらブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒに配置されるブレードハブ（本体）１２と、これらブレード１１ａ，１１ｂの先端部Ｔに配置されるシュラウド１３とを主たる要素として構成されたものである。

ブレード１１ａ，１１ｂは、ブレードハブ１２の小径側端部１２ａにその前縁ＬＥ１が位置するとともに、ブレードハブ１２の大径側端部１２ｂにその後縁ＴＥが位置する１１枚のフルブレード（長翼）１１ａと、ブレードハブ１２の小径側端部１２ａと大径側端部１２ｂとの略中央部にその前縁ＬＥ２が位置するとともに、ブレードハブ１２の大径側端部１２ｂにその後縁ＴＥが位置する１１枚のスプリッタブレード（短翼）１１ｂとから構成されたものである。なお、フルブレード１１ａのスプリッタブレード１１ｂよりも長い部分、すなわち、図１においてフルブレード１１ａの前縁ＬＥ１とスプリッタブレード１１ｂの前縁ＬＥ２との間に位置する部分は、一般にインデューサ部（入口部）Ｄと呼ばれる部分である。

これらブレード１１ａ，１１ｂはそれぞれ、図２に示すような形状に（削り）加工された後、プレス加工機により３次元形状に加工されるようになっている。これらブレード１１ａ，１１ｂは鋳造により作製することもできるが、高速回転機械におけるブレードでは数ｍｇの誤差が振動発生の原因となるため、条件に合わないブレードは廃棄されることとなって、歩留まりが悪くなるため、本実施形態ではそのような不具合を生じないプレス加工を採用した。

図２（ｂ）はブレード１１ａ，１１ｂを一平面上に展開した展開図（３次元形状にプレス加工する前の平面図）である。図２（ｂ）に示すように、ブレード１１ａ，１１ｂはその展開図において、前縁ＬＥ１，ＬＥ２から後縁ＴＥにかけてその幅が漸次狭まるように形成されているとともに、全体として湾曲させられた平面視形状を有する板状の部材である。

図２（ａ）は図２（ｂ）を矢印ａ方向から見た側面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）を矢印ｃ方向から見た側面図である。
図２（ａ）に示すように、ブレード１１ａ，１１ｂの先端部Ｔの板厚は、その中央部よりも若干後縁ＴＥよりの部分で最大となるとともに、この板厚が最大となる部分から前縁ＬＥ１，ＬＥ２および後縁ＴＥにかけてその板厚が漸次小さくなるように形成されている。
一方、図２（ｃ）に示すように、ブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒの板厚は、その中央部よりも若干前縁ＬＥ１，ＬＥ２よりの部分で最大となるとともに、この板厚が最大となる部分から前縁ＬＥ１，ＬＥ２および後縁ＴＥにかけてその板厚がそれぞれ漸次小さくなるように形成されている。

また、これら図２（ａ）および図２（ｃ）からわかるように、ブレード１１ａ，１１ｂは、３平面で削り落とされた形状となっている。
すなわち、ブレード１１ａ，１１ｂは、根元部Ｒから先端部Ｔにかけての板厚が漸次薄くなるように形成されているとともに、前縁ＬＥ１，ＬＥ２と後縁ＴＥとの略中央部から前縁ＬＥ１，ＬＥ２および後縁ＴＥにかけての板厚がそれぞれ漸次薄くなるように形成されている。
このように各ブレード１１ａ，１１ｂの重量を減少させて、ブレード重量に起因する遠心力を低減することができる。これにより、ブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒとブレードハブ１２との接合部に加わる曲げ応力を減少させることができる。ＦＥＭ解析の結果、ブレード形状を本実施形態の形状とすることにより、ブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒとブレードハブ１２との接合部における最大発生応力（曲げ応力）を約３０％低減できるということがわかった。
したがって、本実施形態のインペラ１０によれば、インペラ１０の回転速度（回転数）を増加させることができて、遠心式圧縮機においては高圧縮比化を実現することができる。
なお、前縁ＬＥ１，ＬＥ２には、流体損失低減のためにＲ（アール）がつけられている。

図１に示すように、ブレードハブ１２は、小径側端部１２ａ（図１において左側に位置する端部）と、大径側端部１２ｂ（図１において右側に位置する端部）とを有する略円錐状の部材であり、その傾斜したスカート状の外壁面１２ｃ上には、前述したフルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂが溶接により交互に接合されるようになっている。
シュラウド１３は、ブレードハブ１２上に接合された２２枚のブレード１１ａ，１１ｂの先端部Ｔをすべて覆うように形成された概略円錐状の部材であり、図１に示すように、ブレードハブ１２の小径側端部１２ａから大径側端部１２ｂにかけてその板厚が漸次薄くなるように形成されているとともに、その両周縁にはそれぞれＲ（アール）がつけられている。また、シュラウド１３の内壁面１３ａ上には、フルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂの先端部Ｔが溶接により接合されるようになっている。

つぎに、本発明によるインペラ１０の製造方法について説明する。
まずはじめに、プレス加工機により３次元形状に加工されたフルブレード１１ａとスプリッタブレード１１ｂとを、シュラウド１３の内壁面１３ａ上に溶接により交互に接合する。すなわち、フルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂの先端部Ｔを、シュラウド１３の内側表面に溶接により固定する。
すべてのブレード（本実施形態では２２枚のブレード）１１ａ，１１ｂをブレードハブ１２の内壁面１３ａ上に溶接し終えたら、つぎにフルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂの根元部Ｒとブレードハブ１２の外壁面１２ｃとが隙間無く接するように、ブレードハブ１２を配置する。
そして、最後にこれらブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒを、ブレードハブ１２の外壁面１２ｃに溶接する。すなわち、フルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂの根元部Ｒをブレードハブ１２の外壁面１２ｃ上に溶接により固定し、インペラ１０の作製を終了する。

このように、ブレード１１ａ，１１ｂとシュラウド１３とを溶接により接合するとともに、ブレード１１ａ，１１ｂとブレードハブ１２とを溶接により接合してインペラ１０が作製されることとなり、従来のような片持ち支持されたカッタで鍛造品材料を削り出す工法を採用しないで済むので、たとえば、インペラ直径が２．０ｍ以上となるものも精度良く作製することができる。したがって、遠心式圧縮機においては大容量化（大流量化）を実現することができる。
また、予め成形されたブレード１１ａ，１１ｂ、シュラウド１３、およびブレードハブ１２が溶接により接合されることとなるので、鍛造品材料を少しずつ削り出していく工法に比べて作業時間を短縮させることができ、生産性の向上を図ることができる。

次に、本実施形態のようにブレード１１ａ，１１ｂの前縁ＬＥ１，ＬＥ２を半径方向に立設したことによる作用効果について説明する。
従来のブレードは、半径方向に対して傾かせた状態でハブに固定されている。このようなブレードを有する従来のインペラを回転軸中心Ｃまわりに回転させると、遠心力によってブレードは半径方向に沿うように変形しようとする。このブレードの変形に伴い、ブレードの先端部に取付けら得たシュラウドも変形する。このようなインペラ上流側での変形がインペラ下流側に影響を及ぼし、インペラ下流側では図３に二点鎖線で示すような変形が生じる（実線はインペラ静止時、すなわち変形前の状態を示す）。すなわち、ブレード前縁部においてシュラウド１３がブレードハブ１２に対して周方向に変形しようとするため、ブレードの後縁部はさらに半径方向から傾いた状態（寝た状態）に変形する。これでは、ブレードに大きな曲げ応力が加わるだけでなく、インペラの出口流路面積が小さくなってしまう。なお、図中において符号Ｆはフィレット（肉厚部）を示す。
しかしながら、本実施形態によるインペラ１０では、図４に示すように、各ブレード（図４にはフルブレード１１ａのみを示す）の前縁ＬＥ１が放射状に配置されているので、遠心力が加わってもシュラウド１３が周方向に変形することを抑制できる。

すなわち、ブレードハブ１２を平面視したとき（ブレードハブ１２の小径側端部１２ａからブレードハブ１２を見たとき）、ブレードハブ１２の回転軸中心Ｃから外方に延びる線上（放射線上）に、ブレード１１ａ，１１ｂの前縁ＬＥ１，ＬＥ２が位置するように溶接されている（言い換えれば、ブレード１１ａ，１１ｂの前縁ＬＥ１，ＬＥ２がブレードハブ１２に対して半径方向に立設されている）ので、遠心力によってブレード１１ａ，１１ｂが周方向に変形することを抑制できる。したがって、シュラウド１３の周方向の変形が防止され、ブレード１１ａ，１１ｂに過大な応力が加わることがなく、また、インペラ１０出口の流路面積を確保できる。
ＦＥＭ解析の結果、ブレードハブ１２の回転軸中心Ｃから外方に延びる線上に、ブレード１１ａ，１１ｂの前縁ＬＥ１，ＬＥ２をさせることにより、ブレード１１ａ，１１ｂの先端部Ｔとシュラウド１３の内壁面１３ａとの接合部における最大発生応力（曲げ応力）を約３０％低減できるとともに、出口部（ブレード後縁部）の流路の変形を約２０％低減できるということがわかった。
これにより、インペラ１０の回転速度（回転数）をさらに増加させることができて、遠心式圧縮機においてはさらなる高圧縮比化を実現することができる。

なお、上述した実施形態では、フルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂがそれぞれ１１枚ずつ設けられたものを一例として挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば２２枚すべてのブレードがフルブレード１１ａあるいはスプリッタブレード１１ｂであってもよい。
また、フルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂは必ずしも交互に配置されている必要はなく、必要に応じて適宜その配置順を変更することができる。
さらに、インペラを製造する際、ブレード１１ａ，１１ｂの根元部Ｒを、ブレードハブ１２の外壁面１２ｃに溶接し、その後、フルブレード１１ａおよびスプリッタブレード１１ｂの先端部Ｔをシュラウド１３の内壁面１３ａに溶接してインペラ１０を製造するようにしてもよい。

本発明によるインペラの一実施形態を示す縦断面図である。 本発明によるインペラを構成するブレードの図であって、（ａ）は（ｂ）を矢印ａ方向から見た側面図、（ｂ）はブレードを一平面上に展開した展開図、（ｃ）は（ｂ）を矢印ｃ方向から見た側面図である。 インペラの出口部を示す要部拡大図であって、インペラが回転したときのシュラウドの変形を説明するための図である。 ブレードの前縁とブレードハブとの位置関係を示す平面図である。

符号の説明

１０ インペラ
１１ａ フルブレード
１１ｂ スプリッタブレード
１２ ブレードハブ（本体）
１３ シュラウド
Ｃ 回転軸中心
Ｄ ディフーザ部
Ｒ 根元部
Ｔ 先端部
ＬＥ１ 前縁

Claims (4)

1. 複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置される本体と、前記複数枚のブレードの先端部に配置されるシュラウドとを有するインペラであって、
   前記各ブレードは、三次元翼とされるとともに、その根元部から先端部にかけての板厚が漸次薄くなるように形成され、
   前記本体と前記ブレードの根元部、および前記シュラウドと前記ブレードの先端部がそれぞれ溶接により接合されていることを特徴とするインペラ。
2. 前記複数枚のブレードは、インデューサ部を有するブレードを備え、
   このインデューサ部を有するブレードは、その前縁が当該インペラの回転軸中心から半径方向に延びる放射線上に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
3. 請求項１または２に記載のインペラを具備してなることを特徴とする遠心式圧縮機。
4. 三次元翼とされるとともに根元部から先端部にかけての板厚が漸次薄くなるように形成された複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置される本体と、前記複数枚のブレードの先端部に配置されるシュラウドとを有するインペラの製造方法であって、
   前記本体と前記ブレードの根元部、および前記シュラウドと前記ブレードの先端部をそれぞれ溶接により接合することを特徴とするインペラの製造方法。

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