JP2012017665A - インペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの製造方法において、加工時間を短縮し、製造コストを削減する。
【解決手段】圧縮応力の発生による原材料部品の形状変化を予測する形状変化予測工程と、形状変化予測工程の予測に基づいて原材料部品を加工する前加工工程と、前加工工程が施された原材料部品に対して圧縮応力を発生させる圧縮応力発生工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インペラの製造方法に関するものである。

従来から、コンプレッサやタービンに設置されるインペラは、ブロック材等の原材料部品から削りだすことによって製造されている。
ところで、このようなインペラでは、回転駆動の際の遠心力による引張応力に対する見かけ上の強度を向上させるために、予め圧縮応力を発生させておく場合がある。圧縮応力の発生は、インペラの圧縮応力を発生させる領域を局所的に塑性変形させることによって行われる。

このように圧縮応力の発生させる場合には、当然ながら圧縮応力の発生の前後において原材料部品の形状が変化する。
このため、圧縮応力が生じているインペラを製造する場合には、まず原材料部品を大まかにインペラ形状に加工する前加工を行い、その後、例えば特許文献１に示すように圧縮応力を発生させ、当該圧縮応力の発生による変形を整えるために、最後に例えば特許文献２に示すように最終製品形状に仕上るための後加工を行っている。

特開２００３−１９３９９６号公報 特開２００８−２４０５９４号公報

しかしながら、上述の全ての加工を行うためには、多くの作業工程を必要とするため、圧縮応力が生じているインペラを製造するには、製造時間が長期化し、これによって製造コストが増加するという問題が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、インペラの製造方法において、加工時間を短縮し、製造コストを削減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の手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、回転軸となるシャフトが嵌合される嵌合孔周りに圧縮応力が生じているインペラを原材料部品から製造するインペラの製造方法であって、上記圧縮応力の発生による原材料部品の形状変化を予測する形状変化予測工程と、上記形状変化予測工程の上記予測に基づいて上記原材料部品を加工する前加工工程と、上記前加工工程が施された原材料部品に対して上記圧縮応力を発生させる圧縮応力発生工程とを有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記前加工工程が、上記圧縮応力発生工程後の上記原材料部品の形状が、最終製品形状の許容公差内に収まるように上記原材料部品を加工する工程であるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記形状変化予測工程が、有限要素法を用いたシミュレーション解析にて上記予測を行う工程であるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記インペラが、コンプレッサインペラであるという構成を採用する。

本発明によれば、前加工工程において、圧縮応力の発生による原材料部品の形状変化の予測に基づいた加工が施される。このため、圧縮応力の発生後における原材料部品の形状は、最終製品形状そのものあるいはそれに近いものとなる。
このため、本発明によれば、従来、行われていた圧縮応力の発生後の後加工を省略あるいは簡略化することができる。
したがって、本発明によれば、加工工程を簡素化し、加工時間を短縮し、製造コストを削減することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるインペラの製造方法によって製造されるラジアルインペラの斜視図である。 本発明の一実施形態におけるインペラの製造方法のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係るインペラの製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のインペラの製造方法によって製造されるラジアルインペラ１（インペラ）の斜視図である。

本実施形態においてラジアルインペラ１は、コンプレッサに搭載されるコンプレッサインペラであって、例えばアルミニウムによって形成されている。
このラジアルインペラ１は、図１に示す回転軸Ｌを中心として回転駆動されることによって、回転軸Ｌ方向から取込まれた流体を圧縮して半径方向に吐出するものである。

そして、図１に示すように、ラジアルインペラ１は、ベース部２と、コンプレッサ翼３と、嵌合孔４とを備えている。

ベース部２は、コンプレッサ翼３が設置される土台となる部分であり、回転軸Ｌを中心とする回転対称体形状を有している。
より詳細には、ベース部２は、先端が回転軸Ｌに向けて窄まり、周面が回転軸Ｌに向けて凹む湾曲形状を有している。
そして、ベース部２は、嵌合孔４に嵌合される不図示のシャフトの回転によって回転軸Ｌを中心として回転する。

コンプレッサ翼３は、ベース部２の周面に対して複数設置されており、回転軸Ｌを中心として配列されている。
これらのコンプレッサ翼３は、ベース部２の回転によって回転軸Ｌを中心として回転され、回転軸Ｌ方向のリーディングエッジ側から流れ込んだ流体を叩いて圧縮した後、トレーリングエッジ(trailing edge)側から圧縮した流体を吐出する。

嵌合孔４は、ラジアルインペラ１を不図示のシャフトに対して嵌合するための孔であり、図１に示すようにベース部２に対して設けられている。
この嵌合孔４は、回転軸Ｌに重ねて設けられており、回転軸Ｌに沿ってベース部２を貫通して設けられている。

このようなラジアルインペラ１が回転駆動されると、ラジアルインペラ１は遠心力によって外側に膨らみ、回転軸となるシャフト（すなわち嵌合孔４）に最も近い根元領域に対して強い引張応力が作用する。

ここで、何も対策を施していない場合には、ラジアルインペラ１を回転駆動させると、ベース部２の最も張り出した部分である最大外形の根元領域に最も大きな引張応力が作用する。

これに対して、ラジアルインペラ１の上記最大外形の根元領域に対して、圧縮応力が発生された強化領域が形成されている。
強化領域は、ラジアルインペラ１に対して遠心力が作用していない場合（すなわちラジアルインペラ１が停止している場合）に圧縮応力が作用している領域である。

このような強化領域を有するラジアルインペラ１を回転駆動した場合には、遠心力によって発生する引張応力の一部が、強化領域の圧縮応力と相殺されて、実際に強化領域に作用する引張応力が低減する。
つまり、ラジアルインペラ１が回転駆動した際の強化領域の強度が実質的に増加することとなる。

このため、ラジアルインペラ１の許容最大回転数を増加させ、ラジアルインペラ１が搭載される装置の性能が向上することとなる。

図２は、上述のラジアルインペラ１の製造方法（本実施形態のインペラの製造方法）を示すフローチャートである。
そして、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法は、形状変化予測工程Ｓ１と、前加工工程Ｓ２と、圧縮応力発生工程Ｓ３とを有している。

形状変化予測工程Ｓ１は、圧縮応力発生工程Ｓ３で原材料部品に対して圧縮応力を発生させた際における原材料部品の形状変化を予測する工程である。
圧縮応力発生工程Ｓ３は、後に詳説するが、冶具やスピン試験装置を用いて原材料部品に対して圧縮応力を発生させる工程であり、原材料部品の形状変化が伴う工程である。
そして、形状変化予測工程Ｓ１では、圧縮応力発生工程Ｓ３における原材料部品の形状変化を実験あるいはシミュレーションによって予め予測する。

例えば、形状変化予測工程Ｓ１では、有限要素法を用いたシミュレーション解析にて原材料部品の形状変化を予測する。

具体的には、有限要素法によるシミュレーション解析を行うためのソフトウェアが入力された電子計算機（例えば、パーソナルコンピュータやワークステーション）に対して、要素サイズ、境界条件、荷重条件、原材料部品の密度や弾性定数等をパラメータとして入力し、当該電子計算機に計算を実行させることによる形状変化を予測する。

また、形状変化予測工程Ｓ１では、原材料部品を模した実験モデルを用いて実験を行い、この結果から原材料部品の形状変化を予測しても良い。

なお、複数のラジアルインペラ１を製造する場合において、同一の原材料部品を用いる場合には、形状変化予測工程Ｓ１において同一の予測が求められる可能性が高いため、２つ目以降のラジアルインペラ１を製造する場合には、本形状変化予測工程Ｓ１を省略することもできる。

前加工工程Ｓ２は、上述の形状変化予測工程Ｓ１の予測に基づいて原材料部品を加工する工程である。具体的には、前加工工程Ｓ２では、例えば、形状変化予測工程Ｓ１の予測に基づき、ラジアルインペラ１の外形、背面等に合わせて原材料部品を加工し、さらにはコンプレッサ翼３を仕上る。
なお、前加工工程Ｓ２では、圧縮応力発生工程Ｓ３後の原材料部品の形状が、最終製品（ラジアルインペラ１）形状の許容公差内に収まるように原材料部品を加工することが好ましい。

圧縮応力発生工程Ｓ３は、原材料部品に対して圧縮応力を発生させる工程であり、上述の強化領域を形成するための工程である。
具体的には、上述のように冶具やスピン試験装置を用いて圧縮応力を発生させる。

冶具を用いて圧縮応力を発生させる場合には、前加工工程Ｓ２で形成された嵌合孔４に対して冶具を挿入して嵌合孔４の内部から原材料部品を局所的に押圧することによって圧縮応力の発生を行う。

スピン試験装置を用いて圧縮応力を発生させる場合には、前加工工程Ｓ２後の原材料部品をラジアルインペラ１の実用最大回転数の１２０％程度で回転し、遠心力を用いて圧縮応力を発生させる。

ここで、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法では、形状変化予測工程Ｓ１での予測に基づいて、前加工工程Ｓ２において圧縮応力発生工程Ｓ３後の原材料部品の形状が、最終製品形状の許容公差内に収まるように原材料部品が加工されている。
このため、圧縮応力の発生後における原材料部品の形状は、最終製品形状（すなわちラジアルインペラ１）そのものとなる。
よって、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法によれば、従来、行われていた圧縮応力の発生後の後加工を省略あるいは簡略化することができる。
したがって、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法によれば、加工工程を簡素化し、加工時間を短縮し、製造コストを削減することが可能となる。

なお、図２に示すように、必要に応じて圧縮応力発生工程Ｓ３後に、後加工工程Ｓ４を行っても良い。具体的には、嵌合孔４の内壁面を整える加工を行うことが考えられる。ただし、後加工工程Ｓ４を行う場合であっても、圧縮応力発生工程Ｓ３後の原材料部品の形状は、ラジアルインペラ１に近いものとなっている。
このため、従来と比較すれば、後加工工程Ｓ４の作業工程を大幅に削減することが可能となる。

また、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法では、前加工工程Ｓ２が、圧縮応力発生工程Ｓ３後の原材料部品の形状が、最終製品形状（ラジアルインペラ１）の許容公差内に収まるように原材料部品を加工する工程であるとした。
このため、理想的には、後加工工程Ｓ４を行うことなく、ラジアルインペラ１を製造することができる。

また、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法では、形状変化予測工程Ｓ１において、有限要素法を用いたシミュレーション解析にて予測を行う例について説明した。
このように、有限要素法を用いたシミュレーション解析にて予測を行うことにより、パラメータを変化させての予測を短時間で行うことが可能となり、より最適な予測を行うことが可能となる。

また、本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法においては、製造されるラジアルインペラ１がコンプレッサインペラであるとした。
このような本実施形態のラジアルインペラ１の製造方法によれば、加工工程を簡素化し、加工時間を短縮し、製造コストを削減してコンプレッサインペラを製造することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明におけるインペラがラジアルインペラである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、軸流インペラの製造方法に適用することもできる。

また、上記実施形態においては、本発明におけるインペラがコンプレッサインペラである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、タービンインペラ等の他のインペラの製造方法に適用することもできる。

１……ラジアルインペラ（インペラ）、２……ベース部、３……コンプレッサ翼、４……嵌合孔、Ｌ……回転軸

Claims (4)

1. 回転軸となるシャフトが嵌合される嵌合孔周りに圧縮応力が生じているインペラを原材料部品から製造するインペラの製造方法であって、
   前記圧縮応力の発生による原材料部品の形状変化を予測する形状変化予測工程と、
   前記形状変化予測工程の前記予測に基づいて前記原材料部品を加工する前加工工程と、
   前記前加工工程が施された原材料部品に対して前記圧縮応力を発生させる圧縮応力発生工程と
   を有することを特徴とするインペラの製造方法。
2. 前記前加工工程は、前記圧縮応力発生工程後の前記原材料部品の形状が、最終製品形状の許容公差内に収まるように前記原材料部品を加工する工程であることを特徴とする請求項１記載のインペラの製造方法。
3. 前記形状変化予測工程は、有限要素法を用いたシミュレーション解析にて前記予測を行う工程であることを特徴とする請求項１または２記載のインペラの製造方法。
4. 前記インペラは、コンプレッサインペラであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のインペラの製造方法。

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