JP2012102678A - インペラの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ろう材の無駄を省きながらも、必要な厚さのろう材層を確保するのが容易なインペラの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ディスク11及びカバー12を個別に作製する工程(a)を備えている。ディスク11及びカバー12のいずれか一方にはブレード13が一体的に形成されている。本発明は次の工程として、ブレード13における第1接合面と、ディスク11及びカバー12のいずれか一方における第2接合面との間にろう材を介在させた状態で、ディスク11とカバー12とをろう付けにより接合する工程(b)を備えている。本発明は、工程(b)において、第1接合面と第2接合面との間に、第1接合面と第2接合面の間隔を保持するスペーサ13cを設けて、ろう付けによる接合を行うことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、遠心圧縮機などの遠心回転機に使用されるインペラの製造方法に関する。
従来、遠心圧縮機などの遠心回転機に使用されるインペラは、回転軸に取り付けられるディスクと、そのディスクに対して間隔をおいて配置されるカバーと、これらディスクとカバーとを連結する複数のブレードとを備えたカバー付きインペラ(クローズドインペラ)が知られている。このインペラは、ブレードの側面と、カバーとディスクとの間に囲まれた部分が、空気を圧縮するための流路となる。
このインペラの製造方法として、別々に作製されたディスクとカバーを接合する方法が知られている。この場合、ブレードはディスク及びカバーのいずれかと一体的に形成されることが多い。ディスクとカバーの接合方法としては、溶接又はろう付けが選択される。ところが、溶接による接合では、溶接トーチを流路内に挿入する必要があるものの、流路が狭いと溶接トーチを流路内に挿入することが困難となり、溶接欠陥が生じやすくなることが指摘されている。これに対して、ろう付けによる接合では、例えばブレード付きのカバーとディスクとを接合する際に、その接合面にろう材を配置し、カバーとディスクを重ねて加熱炉に挿入し接合するものであるから、流路が狭い場合であっても容易に施工ができる。
特許文献1は、ろう付けによりディスクとカバーを接合する方法について、カバーをそのブレード取り付け面を上にして配置し、そのカバーの上にブレード及びディスクを配置した状態でろう付けする方法を提案している。特許文献1の方法よると、ブレードとカバー及びディスクとの接合部であってインペラ運転時の回転応力が集中するインペラの径方向内周側へのろう材の供給不足を解消する。
特開2010−174652号公報
特許文献1は、インペラの径方向内周側へのろう材の供給不足を解消することができるが、ろう付けによるインペラの製造方法について、次の問題点が見出された。つまり、カバーの上にブレード及びディスクを配置した状態でろう付けする際に、ディスク、さらにはブレードの重さが溶融されたろう材に加わる。そのために、ろう付けの最中に溶融したろう材が接合面から流出してしまい、ろう材が凝固(ろう付け完了)した後のろう接合層の厚さが想定したよりも薄くなる。そうすると、接合部分の靭性値(継手靭性値)が不足してしまう。例えば、厚さ100μmのろう材を接合面に配置してろう付けを行うと、ろう接合層の厚さが50μmになる。厚いろう材を用いても、接合面から流出するろう材の量が多くなるばかりで、ろう材は無駄に消費されてしまう。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、ろう材の無駄を省きながらも、必要な厚さのろう材層を確保するのが容易なインペラの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は新規なインペラの製造方法を提供する。
本発明が対象とするインペラは、ディスクと、ディスクに対向配置されるカバーと、ディスクとカバーとの間に設けられる複数のブレードと、を備える。このインペラには、ディスクとカバーの間に流路が形成される。
本発明は、ディスク及びカバーを個別に作製する工程(a)を備えている。ディスク及びカバーのいずれか一方にはブレードが一体的に形成されている。
本発明は次の工程として、ブレードに設けられる第1接合面とディスク及びカバーのいずれか一方に設けられる第2接合面との間に第1ろう材を介在させた状態で、ディスクとカバーとをろう付けにより接合する工程(b)を備えている。
本発明は、工程(b)において、第1接合面と第2接合面の間隔を保持するスペーサをその外周側に設けて、ろう付けすることを特徴とする。このスペーサの厚さは、溶融前のろう材よりも薄いことが好ましい。
本発明において、スペーサを設ける形態として以下の二つのいずれかを選択できる。
第1形態は、ディスク及びカバーとは別体としてスペーサを作製するものである。この場合、スペーサは第1接合面と第2接合面で挟み込むことになる。
第2形態は、スペーサを、ブレードと一体的に形成するか、または、ディスク及びカバーのいずれか一方に一体的に形成するものである。例えば、ブレードがディスクと一体的に作製されている場合には、スペーサをブレードに一体的に形成するか、または、スペーサをカバーに一体的に形成する。
第2形態は、ディスク又はカバーを作製する際にスペーサを一体的に形成すれば、その後にスペーサを第1接合面と第2接合面の間に配置する作業を省くことができるので、第1形態に比べて製造工程を簡易にできる利点がある。
本発明において、ろう付けが完了した後に、インペラの外周側の所定の範囲を除去することができる。インペラには、ろう付けを含む熱処理が施されるが、この熱処理により歪が発生する。この歪はインペラの外周側ほど大きい。したがって、インペラの寸法精度を確保するためにも、インペラの外周側の所定の範囲を切削などにより除去することが好ましい。
ここで、スペーサと第1接合面または第2接合面との間にはろう材を設けないでろう付けが行われる。したがって、スペーサと第1接合面または第2接合面との間の接合は不十分である。そこで本発明において、ろう付けが完了した後に、インペラの外周側の所定の範囲を切削などによりスペーサを除去することが、インペラの強度の観点から好ましい。
本発明において、ろう付け前に、第1接合面と第2接合面との間に第1ろう材を介在させる。このろう材は、長手方向に複数に分割されたろう材片として第1接合面と第2接合面の間に介在させることが好ましい。第1接合面(又は第2接合面)は傾斜しているために、剛性を有する一体の第1ろう材を第1接合面(又は第2接合面)に沿って隙間なく配置することは容易ではない。そこで、第1ろう材を長手方向に分割する。分割された個々のろう材片は短いので、第1接合面(又は第2接合面)に沿って隙間なく配置することが容易である。この場合、隣接するろう材片の継ぎ目に対応する箇所には、補助の第2ろう材を設けることがより好ましい。継ぎ目の部分のろう付けをより確実にするためである。また、ろう付け後の継ぎ手部分にフィレットを形成するための第3ろう材を設けてろう付けすることも好ましい。
本発明の工程(b)において、ディスクとカバーに対して冶具により軸方向に圧力を付与した状態でろう付けを行うことで、ろう材の接合面への密着の程度を向上できる。この冶具として、ディスクの内径に接してディスクの径方向への移動を拘束する第1拘束部と、カバーの内径に接してカバーの径方向への移動を拘束する第2拘束部と、を同軸上に備えるものが好ましい。そうすることで、ろう付けの際に、ディスクとカバーが径方向に位置ずれするのを防止できる。また、ディスク、カバーは外径が変わったとしても、回転軸に嵌合される内径は同じ寸法でことがよくあるので、外径の異なるインペラ(ディスク、カバー)を製造するのに用意する冶具の種類を少なくできる利点がある。
本発明は、第1接合面と第2接合面の間隔を保持するスペーサをインペラの外周側に設けて、ろう付けによる接合を行う。したがって、ろう付けの最中にディスク又はカバーの自重によりろう材が接合面から過剰に流出するのを避けることができるので、凝固後に想定した厚さのろう接合層を得ることができる。
本実施の形態により製造されるインペラのブレードに沿う断面図である。 本実施の形態におけるろう付け方法を示す断面図であり、(a)はディスクとカバーを分離した状態を示し、(b)はディスクとカバーを重ねた状態を示す。 ブレードの先端面(第1接合面)にろう材を設置する様子を示す図であり、(a)は部分断面図、(b)は(a)の3b−3b矢視断面図である。 (a)は本実施の形態における冶具でディスクとカバーを固定した状態を示す断面図であり、(b)は第1固定部材の平面図である。 本実施の形態におけるインペラの断面図であり、(a)は外周部を切削により除去する前を示し、(b)は外周部を切削により除去した後を示す。 ろう付け後のろう接合層の厚みと継ぎ手部分の吸収エネルギの関係を示すグラフである。
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施の形態に製造されるインペラ10は、回転軸に組み付けられる回転体として、遠心圧縮機などの回転機械に搭載されるものである。
インペラ10は、図1に示すように、ディスク11と、カバー12と、複数の羽根形状のブレード13とを主たる構成要素として備えている。
ディスク11は、図示しない回転軸に同軸に取り付けられる略円盤状の部材である。
ブレード13は、ディスク11に一端(図1では下側)が接するとともに前記回転軸の回転軸線Cを中心に放射状に複数配設されている。なお、この実施の形態において、ブレード13は、ディスク11の素材を削り出すことによりディスク11と一体的に形成されているものとするが、カバー12と一体的に形成することもできる。
カバー12は、ディスク11と対向配置される。また、カバー12は、ブレード13の他端(図1では上側)と接する。そして、ブレード13の側面と、ディスク11及びカバー12が互いに対向する面との間に形成される空間は、本圧縮機で圧縮する気体の流路Rとして機能する。
なお、本実施の形態において、回転軸線Cに近い側がインペラ10における内周側であり、遠い側が外周側である。また、図1において、圧縮される気体は流路R内を矢印Eの向きに流れる。さらに、インペラ10の回転軸線Cの方向をY方向とし、同じく径方向をX方向とする。
ディスク11は、ステンレス鋼などの高強度耐熱合金により構成されており、図示しない回転軸が嵌挿させる軸孔111と、軸孔111から外周側に向けて延びる本体部112と、を備えている。ディスク11は、カバー12に対向する上側(気体の流路R側)には表面11aを、その反対の下側には裏面11bを備えている。表面11aは、外周側から内周側に向けて本体部112の先端112a側へ突出するように湾曲した形状となっている。つまり、ディスク11の表面11aの内周側には、流路Rの湾曲部Raに沿う形状の湾曲面112dが形成されている。
ディスク11とカバー12との間に設けられる各ブレード13は、ディスク11の表面11aに沿って径方向Xの内周側に向かって回転軸方向Yの先端側に突出するように滑らかに湾曲するとともに、ディスク11の周方向にも湾曲して形成されている。この湾曲部分(湾曲面13d)は、流路Rの湾曲部Raに沿う形状をなしている。
ここで、ブレード13において、ディスク11側に位置する縁部をディスク側ブレード縁部13aとし、カバー12側に位置する縁部をカバー側ブレード縁部13bとする。そして、本実施の形態では、ブレード13は、ディスク側ブレード縁部13aとディスク11の表面11aとが一体的に形成されており、カバー側ブレード縁部13bがカバー12のブレード取付け面12aに対してろう材14を介して接合されている。なお、カバー12のブレード取付け面12aとカバー側ブレード縁部13bとが一体的に形成されている場合には、ディスク側ブレード縁部13aがディスク11の表面11aにろう材14を介して接合されることになる。
カバー12は、下面(ブレード取付け面12a)は、ブレード13のカバー側ブレード縁部13bにろう材14により接合されており、外周側から内周側に向かうに従って回転軸方向Yで先端側に突出するように湾曲している。つまり、カバー12のブレード取付け面12aの内周側には、流路Rの湾曲部Raに沿う形状の湾曲面12bが形成されている。
そして、上述したように互いに隣接するブレード13、13同士のそれぞれの間には、インペラ10の回転に伴って圧縮空気を生成するための流路Rが形成されており、その流路Rは、ディスク11、ブレード13、及びカバー12の形状に従って、径方向X及び回転軸方向Yに湾曲した形状となっている。
以上のように構成される圧縮機のインペラ10は、図示しない駆動部により回転軸線C周りに回転駆動すると、流路R内に径方向内周側から外周側へ向かう矢印Eで示される空気の流れが発生するとともに、その空気が回転で生じる遠心力により加速される。これによって、流路Rの入口R1から吸い込まれた空気が、流路R内で圧縮されて出口R2から排出され、その後、下流側の図示しない外部機器へ送られる。
次に、上述したインペラ10の製造方法について図2〜図5を参照して説明する。
先ず、図2(a)に示すように、ディスク11を複数のブレード13、13、…とともに素材より削り出して一体的に形成する。この一体成形の際に、カバー側ブレード縁部13bにスペーサ13cを形成する。スペーサ13cは、カバー側ブレード縁部13bからカバー12に向けて突出する。また、スペーサ13cは、ブレード13の外周側に設けられている。スペーサ13cの突出高さは、後述するように、ろう材の厚みに応じて定められる。
スペーサ13cは、全てのブレード13に設けてもよいが、ディスク11を平面視した場合に、三角形の頂点に対応するように少なくとも3つのブレード13に設ける、あるいは、1つおきに設ける、ことがスペーサ13cの形成工数を減らす上で好ましい。なお、図2は、図1とはディスク11及びカバー12を上下反転して示しているが、特許文献1と同様に、ろう付けはこの上下の向きで行う。
ろう付けに先だって、ろう材をカバー側ブレード縁部13bに配置する。ここで、カバー側ブレード縁部13bは湾曲しているので、100μm以上の厚みのシート状のろう材をカバー側ブレード縁部13bに隙間なく配置するのは容易でない。そこで、本実施の形態では、図3に示すように、長手方向に複数に分割されたろう材片14a〜14cを用いる。このように分割されたろう材片14a〜14cであれば、カバー側ブレード縁部13bが湾曲していたとしても、カバー側ブレード縁部13bに隙間なく配置することができる。ろう材片14a〜14cの厚みは、スペーサ13cの突出高さ(厚さ)よりもわずかに大きいことが好ましい。そうすることにより、ろう付けの際にろう材片14a〜14cに圧力が加わり、接合部分にろう材を漏れなく行き渡らせることができる。
本実施の形態では、カバー側ブレード縁部(第1接合面)13bとブレード取付け面(第2接合面)12aの間に配置するろう材片14a〜14cの他に、隣接するろう材片14aとろう材片14bの継ぎ目、ろう材片14bとろう材片14cの継ぎ目に対応する箇所には、補助のろう材(第2ろう材)15を設ける。継ぎ目の部分にろう材が不足したときに、不足を補いろう付けをより確実にするためである。また本実施形態は、ろう付け後の継ぎ手部分にフィレットを形成するために、ろう材(第3ろう材)16を設けてろう付けする。ろう材16は、カバー側ブレード縁部13bの近傍であって、ブレード13の両側面に配置される。ろう材片14a〜14c、ろう材15、16は、スポット溶接等の手段により、ブレード13の所定位置に固定される。なお、フィレットとは、ろう付継手接合面からはみ出したろう付部をいう。
以上のように、ろう材片14a等が配置されたディスク11を、図2(b)に示すように、別途作製したカバー12と重ね合わせる。ディスク11はカバー側ブレード縁部(第1接合面)13bを下向きにされ、また、カバー12はブレード取付け面(第2接合面)12aを上向きにされている。こうして重ね合わされたディスク11とカバー12を加熱炉内に移送した後に、ろう材の溶融温度に応じた温度で必要な時間だけ加熱し、さらに冷却するろう付けを行って、ディスク11とカバー12を接合する。
ろう付けを行うときに、接合面(カバー側ブレード縁部13b、ブレード取付け面12a)に対してろう材片14a〜14cを密着させるとともに、ディスク11とカバー12の相対的な位置ずれを防ぐことを目的として、図4に示す固定治具20を用いることが好ましい。
固定治具20は、ディスク11とカバー12の位置決め担う第1固定部材21と、第1固定部材21と対向してディスク11の裏面11b側に配置される第2固定部材26と、第1固定部材21と第2固定部材26を締結するための締結軸28と、を備えている。
第1固定部材21は、円盤状の本体22と、第1拘束部23と、第2拘束部24とを備えている。
本体22の中心部には、締結軸28が貫通する孔22aが形成されている。第1拘束部23は、本体22の円周方向に連なるリング状の突起であり、本体22の一方の面側に設けられる。第2拘束部24は、第1拘束部23よりも内側に設けられる。第2拘束部24は、本体22の孔22aが連通する部分を空間とする中空円筒状の突起である。第1拘束部23と第2拘束部24は、同軸上に配置されている。
第2固定部材26は、円盤状の部材であり、締結軸28が貫通する孔26aが形成されている。
第1固定部材21は、ディスク11の先端112aの表面に接するように配置される。この状態で、
第1拘束部23がカバー12の内周に嵌入される。そのために、第1拘束部23の外周面23Oの径は、カバー12の内周面12Iの径を考慮して設定される。また、第1固定部材21は、第2拘束部24がディスク11の軸孔111に嵌入される。そのために、第2拘束部24の外周面24Oの径は、軸孔111の径を考慮して設定される。
一方、第2固定部材26は、ディスク11の裏面11bに接するように配置される。そして、第1固定部材21の孔22aと第2固定部材26の孔26aを貫通するように締結軸28を配置させる。締結軸28は、第1固定部材21から突出する部分及び第2固定部材26から突出する部分はねじ山が切られており(図示を省略)、このねじ山にボルトBをねじ込む。ねじ込み量を調整することで、第1固定部材21と第2固定部材26の間に挟まれるディスク11とカバー12を相互に必要な力で押し付ける。このとき、本体22に設けられる第1拘束部23がカバー12の内周に嵌入され、また、本体22に設けられる第2拘束部24がディスク11の軸孔111に嵌入されることで、ディスク11とカバー12の径方向の位置決めがなされる。
ろう付けが終了してディスク11とカバー12の接合が完了したならば、固定治具20を取り外して、仕上げ加工を施す。
仕上げ加工としては、図5(a)に示すろう付け終了後のインペラ10に対して、図5(b)に示すようにカバー12の平坦な外表面を湾曲な面にすることが掲げられる。また、他の仕上げ加工としては、図5(b)に示すようにインペラ10(ディスク11、カバー12)の外周から所定範囲を除去することが掲げられる。この加工は、前述したように、寸法精度確保及び歪除去のために行われる。そしてこの加工により、スペーサ13cを除去することが好ましい。スペーサ13cとカバー12のブレード取付け面12aの間にはろう材が介在していないので、当該部分の接合は不十分になる。また、スペーサ13c自体はインペラ10として必要な部分ではない。そこで、ろう付けが終了した後に、インペラ10の外周を切削する仕上げ加工に伴って、スペーサ13cを除去することが、インペラ10の強度確保の観点から好ましい。
<実験例>
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例を説明する。
SUS630からなる2つの鋼片を突き合わせて金ろう材でろう付けしてシャルピ衝撃試験用の試験片(JIS Z2242準拠)を作製した。用いた鋼片の化学組成、ろう材の組成を下記する。なお、ろう材は下記厚さのシート状のものを用い、当初の厚さが保持されるように2つの鋼片の間にスペーサを設けてろう付けの熱処理を行った。ただし、ろう材厚さが100μmのものは、スペーサを設けることなくろう付けを行った。
鋼片の化学組成(JIS SUS630準拠):
Cr;15.5%、Ni;4.3%、Cu;3.5%、Nb+Ta;0.35%
C;0.05% Si;0.25%、 Mn;0.8%、P;0.0035%、S;0.007%
残部;Feおよび不可避不純物
ろう材の組成:18%Ni−82%Au
ろう材厚さ:100μm,200μm,300μm
以上の条件でろう付けを行って得られた試料の継手部のシャルピによる吸収エネルギを求めた。その結果を図6に示す。
図6は横軸にろう接合層、縦軸に吸収エネルギを示している。ろう接合層が50μmの例は、ろう材の厚さが100μmのものである。ろう付けの過程でろう材が接合面から流出したために、ろう接合層の厚さはろう材の半分まで減少した。
ろう接合層とシャルピ吸収エネルギの関係について観ると、厚さが50μmでは5J以下のシャルピ吸収エネルギしか得られないのに対して、厚さが200μmになると15J程度となり、厚さが300μmになると20J以上のシャルピ吸収エネルギが得られる。
以上説明したように、本実施の形態は、スペーサ13cを設けることにより、カバー側ブレード縁部13b(第1接合面)とブレード取付け面12a(第2接合面)との間隔をろう付けの最中に保持することができる。したがって、ろう材がカバー側ブレード縁部13bとブレード取付け面12aとの間から過剰に流出するのを避けることができるので、ろう材の無駄を省きながらも、必要な厚さのろう接合層の厚さを確保することができる。
特に本実施の形態は、もともとろう付けした後に除去する外周側にスペーサ13cを設けているので、スペーサ13cを除去するための工程を新たに加える必要がない。
以上、本発明によるインペラの製造方法の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
特に、スペーサ13cについては、ディスク11に一体的に形成されたブレード13に一体的に設ける例を示したが、本発明はこの形態に限定されない。スペーサをディスク11、カバー12などのインペラ10の構成部材とは別体として作製することができる。また、ディスク11にブレード13を一体的に形成した場合に、カバー12側にスペーサを一体的に設けることもできる。さらに、カバー12にブレード13を一体的に形成した場合に、ブレード13にスペーサを一体的に形成できるし、ディスク11側にスペーサを一体的に形成することもできる。
また、ディスク11、カバー12及びブレード13の形状、大きさ等は一例であり、他の形状等を採用することができる。
10…インペラ
11…ディスク
12…カバー、12a…ブレード取付け面(第2接合面)
13…ブレード、13a…ディスク側ブレード縁部(第1接合面)、13c…スペーサ
14、15、16…ろう材、14a,14b,14c…ろう材片
20…固定治具、21…第1固定部材、23…第1拘束部、24…第2拘束部
R…流路

Claims (7)

  1. ディスクと、前記ディスクに対向配置されるカバーと、前記ディスクと前記カバーとの間に設けられる複数のブレードと、を備え、前記ディスクと前記カバーの間に流路が形成されるインペラの製造方法であって、
    いずれか一方に前記ブレードが一体的に形成された前記ディスク又は前記カバーを個別に作製する工程(a)と、
    前記ブレードに設けられる第1接合面と前記ディスク及び前記カバーのいずれか一方に設けられる第2接合面との間に第1ろう材を介在させた状態で、前記ディスクと前記カバーとをろう付けにより接合する工程(b)と、
    を備え、
    前記工程(b)において、
    前記第1接合面と前記第2接合面の間隔を保持するスペーサを前記インペラの外周側に設けて、ろう付けすることを特徴とするインペラの製造方法。
  2. 前記スペーサは、前記ブレードと一体的に形成するか、または、前記ディスク及び前記カバーのいずれか一方に一体的に形成する、
    請求項1に記載のインペラの製造方法。
  3. ろう付けが完了した後に、前記インペラの外周側の所定の範囲を除去する、
    請求項1又は2に記載のインペラの製造方法。
  4. 前記スペーサを除去するように前記インペラの外周側の所定の範囲を除去する、
    請求項3に記載のインペラの製造方法。
  5. 前記工程(b)において、
    ろう付け前に、前記第1ろう材を、長手方向に複数に分割されたろう材片として前記第1接合面と前記第2接合面の間に介在させる、
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。
  6. 前記工程(b)において、
    隣接する前記ろう材片の継ぎ目に対応する箇所に第2ろう材を設ける、
    請求項5に記載のインペラの製造方法。
  7. 前記工程(b)において、
    前記ディスクと前記カバーを冶具により軸方向に圧力を付与した状態でろう付けを行い、
    前記冶具は、
    前記ディスクの内径に接して前記ディスクの径方向への移動を拘束する第1拘束部と、前記カバーの内径に接して前記カバーの径方向への移動を拘束する第2拘束部と、を同軸上に備える、
    請求項1〜6のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。
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