JP2010053797A - 羽根車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
羽根車における側板と羽根の溶接法として、側板に溝を設け、その溝の底部裏側と羽根の上端を一致させて重ね、側板の溝側から加熱して溝の底部と羽根の上端を同時に溶融して溶接する方法において、上記の溝を埋め戻す工数を低減して低コスト化に寄与するとともに、熱変形を低減する。
【解決手段】
円環板状の芯板と、この芯板の一方の面上に略放射状に設けられた板状の複数枚の羽根と、この羽根の前記芯板とは反対側の端部と接合する円環状の側板とからなる羽根車の製造方法において、前記芯板の一方の面上に略放射状に前記複数の羽根を設け、この前記羽根の上端角部に沿って、１枚の前記羽根に対して複数設けられた溝を有する前記側板を、前記溝の底部の裏面を前記羽根の上端部に沿って配置し、前記溝の底面を加熱して前記側板と前記羽根とを溶接し、溶接後の前記溝に金属を供給して、この金属を加熱して溶かし、前記溝を埋める。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機やターボポンプ，水車、その他に使用される羽根車に関するものである。

遠心圧縮機やターボポンプ，水車等の羽根車のうち、特に図２に示すようなクローズドタイプと呼ばれる、円板状の芯板２と側板３の間に放射状に設けられた羽根４を有するタイプの羽根車を製作する際に、芯板２，羽根４、及び側板３の製作及び接合手段がしばしば問題になる。

遠心圧縮機を例にとると、羽根が比較的単純な２次元形状の場合、特許文献１に開示されているように、羽根を切削加工にて芯板の表面に形成しておき、羽根の端部と側板を隅肉溶接，開先溶接や拡散接合などの手段を用いて接合する方法がとられる場合が多い。接合部は羽根板の端部とは限らず、特許文献２に開示されているように、側板の上にも羽根を形成しておき、羽根の中央で接合する方法がとられる場合もある。

一方、図２に示すような、羽根車の羽根が複雑な３次元形状である場合は、上記の拡散接合法は適用困難であり、さらに流路が狭く流路内に溶接トーチを挿入できない場合などは通常の溶接法は適用困難である。

このような場合には、特許文献３に開示されているような、側板に溝を形成して溝底部を電子ビーム溶接する方法や、特許文献４に開示されている、いわゆるＴ継手裏波溶接なる溶接法を適用することで施工が可能となる。この溶接法の施工手順は、例えば以下の通りである。すなわち、図３に示すように溝を形成した部材Ａと被溶接部材Ｂを密着させて溝側から熱を付与し、溝の底面と被溶接部材Ｂを溶融することにより裏波を形成する。このように被溶接部材に溝を形成して、溝の底面と他の被溶接部材を溶接する手法を、スロット溶接法と呼ぶことにする。

上記の溝は裏波の形成後に図４に示すように埋め戻すことが望ましく、それには様々な方法が考えられるが、通常は部材Ａと同様の材質の金属を溶融させて溝に堆積させる方法を用いる。さらに具体的には、部材Ａと同質の金属粉を溝に供給しながら熱を付与し上記の金属粉を溶融させて堆積させる。

なお、この溝を形成せずに裏波を形成しようとすると、部材Ａを貫通するに十分な熱を供給する必要がある。特に厚板からなる構造物を製作する場合には非常に強い熱源が必要となり、現実的ではない。一方、最終製品に溝を残すことは製品の性能や信頼性を損ねる原因となり得る。例えば遠心圧縮機の羽根車の場合、溝を残存させると強度の低下を招くだけではなく、流体性能に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって何らかの手段で溝を埋め戻す必要が生じる。

特開昭５８−１６７０８５号公報 特開平０４−２００８８３号公報 特開昭６３−２６２８５号公報 特開平０４−２５３５８１号公報

上記のスロット溶接法は、羽根車の形状、特に流路幅の大小を問わずに３次元羽根車の羽根板と側板を接合することを可能とする画期的な発明であり、製品の性能向上，低コスト化，信頼性向上などに資するところは非常に大きい。

しかしながら、上記のように図３における部材Ａの溝を埋め戻す際に部材Ａと同様の材質の金属を溶融させて堆積させるには多大な工数が必要であり、コスト上昇の原因となり得る。金属の溶湯で溝を満たす場合には、溶湯の凝固収縮や溝周辺も含めた熱収縮によって、溶接後に熱ひずみが生じるおそれがある。この熱ひずみは、残留応力をもたらすことになり、羽根車の寸法精度や強度信頼性を低下させる原因となり得るため、極力抑制したい。

一方、溝を埋め戻さず羽根車の表面に凹凸を残すと、前述の通り羽根車を運転した際の気体の抵抗が大きくなり流体性能が低下する上に、機械的な強度信頼性が低下するという問題がある。

そこで本発明は、羽根車の製作にスロット溶接を適用する際に、溝を埋め戻す工数と加工時間を削減するという課題を解決するものである。

上記目的を達成するために本発明の羽根車の製造方法は、円環板状の芯板と、この芯板の一方の面上に略放射状に設けられた板状の複数枚の羽根と、この羽根の前記芯板とは反対側の端部と接合する円環状の側板とからなる羽根車の製造方法において、前記芯板の一方の面上に略放射状に前記複数の羽根を設け、この前記羽根の上端角部に沿って、１枚の羽根に対して複数設けられた溝を有する前記側板を、前記溝の底部の裏面を前記羽根の上端部に沿って配置し、前記溝の底面を加熱して前記側板と前記羽根とを溶接し、残った溝に供給された金属を溶かして前記溝を埋めたものである。

本発明によれば、スロット溶接を用いて羽根車を製造するにあたり、溝を埋め戻す工数と加工時間を削減することが可能となる。

本発明の第１の実施例を、図面を用いて詳しく説明する。図２は本発明の一実施例を示す遠心圧縮機用羽根車の外観を示した斜視図である。図５（ａ）は本発明の一実施例を示す遠心圧縮機用羽根車を、圧縮するべき気体の入口側から見た平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図である。羽根面は子午面で表現した。なお、図２と図４では羽根の枚数が異なる。

はじめに、本発明に係る遠心圧縮機の構造及び動作について説明する。図２及び図５において羽根車１００は、芯板２と側板３とに略放射状に接続された羽根４の回転により、入口１０より吸入した気体に径方向外向きの流速を付与し、出口１１から排出する。

芯板２，羽根４、及び側板３により形成された流路は径方向外向きに進むにつれて断面積が減少するため、通過する流体は圧縮される。本実施例で製造される羽根車は単体を示したが、図示したような羽根車を用いる遠心圧縮機の多くは複数段の羽根車を有し、１段目の出口から排出された気体はリターンチャネルと呼ばれる図示しない流路を通じて２段目の入口に導かれる。次に１段目と同様に、２段目の羽根車でも入口から出口に移動する間に気体は更に圧縮される。このようにして、多くの遠心圧縮機では多段で圧縮された気体は吐出口から取り出され、需要機器に送られるなど実用に供される。

次に、本発明の一実施例に係る羽根車の製造方法に関して説明する。本実施例ではスロット溶接を利用して羽根車を製造するものであるが、本実施例における羽根車の溶接は大きく分けて２つの工程、すなわち溶接の工程（溶接工程）及び溝を埋め戻す工程（肉盛工程）からなる。

まず、溶接工程を説明する。図１は本発明の一実施例を示す遠心圧縮機用羽根車の製造方法を示す斜視図である。同図において、羽根４は芯板２と側板３の間に設置されている。本実施例においてこの羽根４は芯板２上に機械加工等、例えば切削加工により形成され、羽根４は後述の溶接により側板３と接続される。

図１に示すとおり、溶接を実行する前の側板３の表面には、一つの羽根４に対して２本の溝１ａ及び溝１ｂを設けた。これらの２本の溝１ａ及び溝１ｂの底部に対する側板３の裏面は、側板３を芯板２と重ねたときに、羽根４の上端角部に合致するように設けた。ここで「合致」とは、後述するように、溝１ａ及び溝１ｂの底部を加熱して底部と羽根４の上端部のうち少なくとも角部が、熱せられた底部と融合する位置にあるという意味である。

この状態で図１に示すように溝１ａの上方から所定の方法で加熱を行う。本実施例では、加熱源として所定の強度及びスポット径を有するレーザー光５ａを用いた。このレーザー光５ａは、溝１ａの底面を溶融することが可能な強度を有している。これにより、レーザー光５ａが溝１ａの底部に当たると、溝１ａの底面と羽根４の上端角部に図６に示すような溶融部６ａを発生する。

溶融が開始したら、レーザー光５ａを溝１ａの長手方向、すなわち図６における紙面斜め右奥方向に移動させることにより、溶融部６ａを移動させる。初期の溶融部６ａは、レーザー光５ａが移動して熱の供給が停止すると冷却され、凝固する。これにより、溶融した羽根４の上端角部と側板３の溝１ａの底部とが接合される。このレーザー光５ａの移動を、溝１ａの全長に亘って行うことにより、羽根４の上端角部における片側の全長を側板３と接合する。溝１ａの長さは羽根４が全長に亘り側板３と接合できる長さである。

次に、図７に示すように、羽根４の別の上端角部に対応して設けられた溝１ｂの底部にもレーザー光５ｂを照射して、溝１ｂの底部と羽根４の上端角部を溶融し、前記と同様にレーザー光５ｂを溝１ｂの長手方向に移動させることにより、羽根４の片方の上端角部をその全長に亘り側板４と接合する。これで１枚の羽根４について溶接の工程が完了する。羽根車１００は複数枚の羽根を有するので、上記の工程をそれぞれの羽根に対して実施し、すべての羽根４を側板３と溶接する。

次に、溝を埋め戻す工程について説明する。図８に示すとおり、上記の溶接工程が完了した側板に対して、ノズル７ａを用いて溝１ａに金属粉８ａを供給しながら所定の強度及びスポット径を有するレーザー光５ａを照射して金属粉８ａを溶融する。溶融を開始したら、ノズル７ａ及びレーザー光５ａを溝１ａの長手方向、すなわち図８における紙面斜め右奥方向に移動させることにより、溶融部９ａを移動させる。初期の溶融部９ａは、ノズル７ａ及びレーザー光５ａが移動して熱の供給が停止すると冷却され、凝固する。このノズル７ａ及びレーザー光５ａの移動を溝１ａの全長にわたって行うことにより、溝１ａの一部（底に近い部分）が埋められる。この作業を側板３の表面に向かって繰り返すことにより、１本の溝１ａを、金属粉８ａを溶かすことによって埋める。この工程を、側板３上のすべての溝１ａに対して実施することにより、図９に示すように、すべての溝１ａ及び溝１ｂを埋め戻す。

上記の溶接及び埋め戻しの工程は、溶融雰囲気をアルゴンや窒素などの不活性雰囲気として実施することが好ましい。これにより、施工部の信頼性を低下させる酸化物等の介在物の発生を大幅に抑制することが可能となる。

本実施例では、溝１ａ及び１ｂを埋め戻すための金属粉８ａは側板３と同一の材質からなる粉末を用いた。これにより、側板３の材質が均一になり、異種材料間の線膨張係数差による熱応力の発生などがないため、高い信頼性を有する羽根車を得ることができる。

また、金属粉の溶融により構成元素の一部が蒸発し、凝固した後の合金成分が溶融前の粉末の成分から変化する可能性ある場合には、粉末の元素組成を調整することによって、凝固後の合金組成が側板３の合金組成と実質的に同一とすることが好ましい。

なお、羽根４の厚さによっては、羽根４の厚さ方向の中央部付近に図１０に示すような未溶着部１２が残存する場合がある。

このような未溶着部１２を放置すると、羽根車１００の運用中、特に起動停止などの際に未溶着部１２の端部からき裂が進展し、羽根車の破壊に至るなどの強度信頼性上の問題が生じる可能性があるが、未溶着部１２の端部を補修などで閉じることで対策は容易である。未溶着部１２の端部を閉じることで所謂“内部き裂”となり、き列が開口している所謂“表面き裂”に比べると進展を引き起こすために必要な応力が格段に大きいため、比較的安全であると言える。

よって、溶接部に負荷される応力が大きく、内部き裂が許容できないなどの場合には、未溶着部１２を閉口する必要がある。この場合、図示しないが例えば図１における２本の溝の間に１本の溝を追加して３本とし、その追加した溝を用いて上記の溶接を実施することにより、未溶着部１２を閉口することが可能である。

また、羽根４を芯板２とは別に成型し、芯板２との間を溶接してから側板３との間をレーザースロット溶接する施工法を採用しても同様の羽根車を製作することが可能である。

本実施例では、上記の通り熱源としてレーザー光を使用したが、熱源はこれに限ることはなく、例えば電子線などの、レーザー以外の高エネルギービームで同様の効果が得られる。また、熱源としてアークを用いることも可能である。但し、溝１が狭い場合はトーチのとり回しに課題が生じる場合がある。そのため、光路が確保できれば対象を加熱可能な高エネルギービームを用いた溶接は本実施例について有効である。特に、他のビームに比べて比較的入手し易いレーザー光は工業的に見て有効である。

本発明の他の実施例を、図面を用いて詳しく説明する。図１１は本発明の他の実施例を示す遠心圧縮機用羽根車の製造方法を示した図である。

本実施例に示す製造方法においては、図１１に示す通り２点同時にレーザー光５ａ及び５ｂを照射できる溶接装置を使用する。これを実現する手段としては、２系統のレーザー発振器を用いてもよいし、１系統のレーザー溶接機から発振するレーザー光を、ビームスプリッタなどを用いて分岐させるなどしてもよい。

図１１において２本のレーザー光５ａ及び５ｂは、それぞれ２本の溝１ａ及び１ｂの底部を溶融し、溶接を開始する。その後、レーザー光５ａ及び５ｂの位置関係を保持したまま溝底部の長手方向、図１１における右斜め奥の方向に掃引することにより、溝の全長にわたって溶接を完成させる。

次に、図１２に示すように、２本の溝１ａ及び１ｂそれぞれに金属の粉体８ａ及び８ｂを供給しながら粉体を溶融し、堆積させることで溝の埋め戻しを行う。

この実施例では２本のノズル７ａ及び７ｂと２系統のレーザー発振器から発振されたレーザー光５ａ及び５ｂを用いた。これにより、溶接装置は複雑になるが、羽根車１個あたりの製作時間を大幅に短縮することが可能となる。

以上、本発明の実施例によれば、羽根車の流体性能を低下させることなく、熱変形を低減させることができる。また、溝を埋め戻すための工数を低減することにより加工コストを削減することが可能である。これは、図１に示すように、溝を従来の１本から複数本とすることにより、溝幅の合計が減少し、従って埋め戻すべき溝内部の体積が減少するからである。

溝の本数が増加することで側板に溝を加工する工数と、裏波を形成するための工数は従来に比べて増加するが、溝を埋め戻すための工程は格段に削減可能である。溝を埋め戻す工程は他の工程と比較して圧倒的に時間を要する上に、高価な金属粉を消費するため、溝を埋め戻す工程を削減することがコスト低減に対して非常に有効である。

本発明の第１の実施例を説明する部分断面図。 本発明が適用される羽根車の一例を示す斜視図。 本発明に係る従来技術を示す部分断面図。 本発明に係る従来技術を示す部分断面図。 本発明が適用される羽根車の一例を示す図。 本発明に係る第１の実施例の一手順を示す部分断面図。 本発明に係る第１の実施例の一手順を示す部分断面図。 本発明に係る第１の実施例の一手順を示す部分断面図。 本発明に係る第１の実施例の一手順を示す部分断面図。 本発明に係る施工後の形態一例を示す部分断面図。 本発明に係る第２の実施例の一手順を示す部分断面図。 本発明に係る第２の実施例の一手順を示す部分断面図。

符号の説明

１ 溝
２ 芯板
３ 側板
４ 羽根
５ａ，５ｂ レーザー光
６ａ，６ｂ 溶融部
７ａ，７ｂ ノズル
８ａ，８ｂ 金属粉
９ａ，９ｂ 溶融部
１０ 入口
１１ 出口
１２ 未溶着部
１００ 羽根車

Claims (10)

1. 円環板状の芯板と、この芯板の一方の面上に略放射状に設けられた板状の複数枚の羽根と、この羽根の前記芯板とは反対側の端部と接合する円環状の側板とからなる羽根車の製造方法において、前記芯板の一方の面上に略放射状に前記複数の羽根を設け、この前記羽根の上端角部に沿って、１つの前記羽根に対して複数設けられた溝を有する前記側板を、前記溝の底部の裏面を前記羽根の上端部に沿って配置し、前記溝の底面を加熱して前記側板と前記羽根とを溶接し、溶接後の前記溝に金属を供給して、この金属を加熱して溶かし、前記溝を埋めることを特徴とする羽根車の製造方法。
2. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝は前記羽根の上端角部に沿って２本ずつ設けられたことを特徴とする羽根車の製造方法。
3. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝の底面を加熱する熱源は、高エネルギービームであることを特徴とする羽根車の製造方法。
4. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝の底面を加熱する熱源は、レーザー光であることを特徴とする羽根車の製造方法。
5. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝に供給された金属を加熱する熱源は、高エネルギービームであることを特徴とする羽根車の製造方法。
6. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝に供給された金属を加熱する熱源は、レーザー光であることを特徴とする羽根車の製造方法。
7. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝は前記羽根の上端角部に沿った溝とそれらの溝の間に設けた３本の溝であることを特徴とする羽根車。
8. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記溝に供給されて溶かした金属は前記側板と略同一組成の金属であることを特徴とする羽根車の製造方法。
9. 請求項１記載の羽根車の製造方法において、前記羽根に対応した前記複数の溝のそれぞれにレーザー光を照射して、前記溝の全長に亘って前記レーザー光を照射することを特徴とする羽根車の製造方法。
10. 請求項９記載の羽根車の製造方法において、前記羽根に対応した前記複数の溝に同時に複数のレーザー光を照射して、前記溝の全長に亘って前記レーザー光を照射することを特徴とする羽根車の製造方法。

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