JP2014040838A - 遠心圧縮機のロータの改良された製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対応する期待値と一致する最適の寸法精度を得ることを可能にする、遠心圧縮機のロータの改良された製造方法を提示する。
【解決手段】複数の制御された軸を有する数値制御機械の工具２０を使用し、一体構造ディスクの外径から開始して、該外径に対応する半径方向空洞１２の外側部分が一体構造ディスクの円形リングの半径方向の幅に対して中間に到達するまで加工して半径方向空洞１２の外側部分を形成し、工具２０を使用し、ディスクの内径から開始して、一体構造ディスクの円形リングの半径方向の幅に対して中間に到達するまで加工して、半径方向空洞１２の対応する内側部分を形成し、工具２０を、外側又は内側部分の一方から他方に到達するまで一体構造ディスクの円形リングの半径方向の幅に対する中間に向けて実質的に半径方向に前進させ、これにより半径方向空洞１２を完成させて、ロータ１０を製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機のロータの改良された製造方法に関する。

遠心圧縮機という用語は、通常、１つ又は複数のロータ或いはインペラを用いて流体に
圧力の変化に必要なエネルギーを与えることによって、圧縮性流体を該流体が受けられた
時の圧力よりも大きい圧力で戻す機械を定義するものである。

各ロータは、該ロータの中心に向かって集束する一定数の通路を形成するように半径方
向に配置された一定数のブレードを含む。

遠心圧縮機、特に高圧タイプの遠心圧縮機は、通常、公知の方法で三次元的に試験され
るロータを備える。

より具体的には、遠心圧縮機用のこれらロータの主要部品は、ハブ、シュラウド及びブ
レードである。

ガスが高濃度であるために、圧縮機、特に高圧タイプの圧縮機の技術分野における真に
重要な問題は、ロータの安定性を保証する問題である。

ガスの濃度に比例し、かつガスのラビリンスにより生じる合成力は、ロータに有害な影
響を与える容認できない分数調波振動を引き起こす可能性がある。

事実、これらの力に対するロータの感度は、ロータの可撓性と共に多かれ少なかれ比例
的に増大する。

その上に、ロータの全体的な動的性能は、このタイプの用途にとっては特に重要であり
、同一作動条件（つまり、同じ軸受、同じ温度、同じガス圧力等をもつ）にあるロータの
剛性を増大させるための最も簡単な方法は、大きい直径を有するシャフトを用いる方法で
ある。

従って、公知技術においては、シャフト及びハブの両方の直径を増大させて、外乱に対
する剛性及び非感受性を増大させるようにし、従って、遠心圧縮機の高圧における特有の
回転力学的性能を増強するようにされてきた。

従って、スペーサーが排除されたので、シャフト上に空気力学的通路が直接得られる。

より具体的には、２つのリングが軸方向位置を保つようにされ、前方のリングは二部品
からなり、後方のリングは単一部品からなる。さらに、高レベルの硬度を有する材料の被
覆がシャフトを保護する。

これらの特徴は、空気力学的通路が変更されないことを保証し、またこの構成がシャフ
トの剛性を増大させるのに特に有効であることを意味する。しかしながら、これらの変更
は、遠心圧縮機用のこれらロータの製造に対して異なる技術を考慮に入れなければならな
いことを意味する。

公知技術を具体的に参照すると、従来の方法ではブレードはハブをミル加工することに
よって得られ、続いて部品を結合するために溶接が開口の内部から行なわれることに注目
すべきである。

低流量係数を有するロータに対しては、別の技術が用いられるが、その場合、開口があ
まりにも狭いので内部から溶接を行なうことができない。この技術では、２つの部品はシ
ュラウド側から溶接される。

従って、溶接を行なった後に、形成された残留張力を減らすために用いられる熱処理を
更に行なうことが必要になることが分かるであろう。

従って、本発明の目的は、前述の技術を改良することであり、特に、対応する期待値と
一致する最適の寸法精度を得ることを可能にする、遠心圧縮機のロータの改良された製造
方法を提示することである。

本発明の別の目的は、高レベルの構造的強度を有するインペラを得ることを可能にする
、遠心圧縮機のロータの改良された製造方法を提示することである。

本発明の別の目的は、特に信頼性があり、簡単かつ機能的であり、しかも公知技術のコ
ストに比較して低コストである、遠心圧縮機のロータの改良された製造方法を提示するこ
とである。

本発明によるこれらの目的及び他の目的は、請求項１に記載したような、遠心圧縮機の
ロータの改良された製造方法を提示することにより達成される。

遠心圧縮機のロータの改良された製造方法の更なる特徴は、後続の請求項に記載されて
いる。

遠心圧縮機のロータの本発明による改良された製造方法により、構造的な切れ目がない
ロータが得られる利点がある。

更に、非常に優れた機械的特性を有するロータを製造することが可能になる。

空気力学的表面の加工は、自動加工により、従っていかなる手動による介入も回避して
行なわれる利点がある。

更に、遠心圧縮機のロータの本発明による改良された製造方法によると、溶接により生
じる歪みも無いために、設計要件に応じた最適の寸法精度が得られる。

得られた表面品質は、非常に良好であり、事実上欠陥が全く無く、しかも最適の空気力
学的効率を有する。

溶接作業を排除することによって、インペラを製造するために必要なサイクル時間の最
大７０％までの節減が得られる。

より規則正しい表面が得られる結果として、釣合わせ作業が容易になることに注目され
たい。

これらの利点のすべては、ガスの高圧かつ高濃度のために、有害な周期的な力が生じる
可能性がある高圧再噴射機械において特に顕著である。本発明による方法を用いることに
よって、ロータの内部にもはや冶金学的な途切れは無く、このことによりこれらの力の決
定的な減少をもたらす。

結局、公知技術で用いられる溶接は、特に低い流量率を有するインペラの場合において
ロータブレードの幅の５％又はそれ以上の変動をもたらす歪みを生じる。これに反して、
本発明による方法によると、１％又は２％の加工精度が保証される。

遠心圧縮機のロータの本発明による改良された製造方法の特徴及び利点は、添付の概略
図を参照して非限定的な実施例によってなされる以下の説明からより鮮明になりかつより
明らかになるであろう。

ここで本発明による方法を、関連する図を具体的に参照して説明する。

全体を符号１０で示すロータを本発明の方法により製造するためには、出発点は、通常
スチールで作られた一体構造ディスクである。

次に、数値制御機械を用いて処理が行なわれる。

近年、複数の制御された軸を有するこれらの機械に用いられる工具は、金属材料を除去
する能力を著しく増強することが可能になってきており、更にそれら機械は、様々な種類
の加工を行なうことができるという事実のために設定時間を減少させる。その上に、これ
らの最近の工具により、特に複雑な形態の加工が可能である。

例えば、最新の制御ソフトウェアの開発の結果として、過去には３つの異なる設定が必
要であったが、最近までは３つの別々の工具が必要であったという事実を考慮することな
く、一部の工具では、単一設定により被加工物をミル加工し、折り曲げ加工し、かつ穿孔
加工することができる。

図１は、一体構造ディスクが、外径から開始して空洞の外側部分が形成されるまで、工
具２０により半径方向に加工される方法を示す。

工具２０は、連続したテラス成形加工をしながら前進し、該工具が一体構造ディスクの
円形リングの全幅に対して中間深さに到達するまで、加工する。

図２は、一体構造ディスクが、内径から開始して、工具２０により半径方向に加工され
る方法を示す。

工具２０は、連続するテラス加工をしながら前進し、既に形成された外側空洞に到達し
、従って必要とする半径方向の空洞１２を形成するまで、加工する。

図３及び図４は、このタイプの半径方向空洞１２を形成している工具２０を示す。

本発明はまた、最初に内側から加工され、次に外側から加工される一体構造ディスクに
関するものであることは明らかである。１つ又はそれ以上の数値制御機械の２つの制御さ
れた軸に配置された２つの工具を用いて、２つの加工作業が同時に行なわれるようなケー
スも少なくない。

各半径方向空洞１２の成形は、２つの別個の段階で行なわれ、第１の段階は外径から開
始され、ディスクの内部で到達することができる最も遠い位置まで前進し、また第２の段
階は、内径から、すなわち、ロータ１０の取入口縁部近傍の区域から開始され、外側に向
かって進む加工により、形成しようとするダクトを完成させるのが好都合であることを強
調しておく。

前記２つの段階の前に、加工の実現可能性を判断するために予備段階が行なわれること
に注目することも有用である。換言すれば、２つの段階が重ね合わされることになるかど
うかと必要な工具２０が利用できるかどうかとを確認する（工具の寸法を評価することに
よって判断される）ことができなければならない。

これらの状態の１つ又は両方が存在しない場合には、異常が示されて、これによって加
工計画が中断される。

こういうわけで、最も短いものから開始して加工時に１つより多い工具２０の組立体を
使用することを可能にしなければならないが、この最も短いものもまた、利用できる工具
２０の組の範囲内に入れられる第１の工具となることになる。

用いられることになる工具２０の直径は、ブレード基部の接合部における半径に応じて
選定されなければならない。

削り屑を除去する技術は、ポケット（中心から開始して外径に向かって連続し、行なわ
れる加工に基づいた）という名称で知られている種類の技術であり、連続したテラス成形
加工によって得られる深さを有し、その深さの程度は選択される工具２０に対応しかつ得
られる仕上げのレベルに対応するものでなければならない。こういう理由で、準備の段階
の間に、これらのデータが変数として入力されることが行なわれる。

最大深さが得られるまで工具２０の軸の単一傾斜を用いて、また工具２０の設計による
アンダカットにより加工する可能性も用いて、行なわれなければならない第１の段階のい
わゆるポケット形成の後に、工具２０に異なる傾斜を取らせるコマンドが軸に伝達されな
ければならない。

この方法により、より大きい深さを得ることが可能になる。

この傾斜の増大は、５つの制御された軸を有する数値制御機械によって実施されるのが
有利である。

空洞を完成させるために幾つかの再配置加工が必要である場合には、加工は、可能な最
大深さに到達するまで連続して実行される。

仕上げ面と外部輪郭により構成される寸法との干渉を防止するために、工具２０の全体
寸法を考慮に入れなければならない。工具ホルダの全体寸法もまた、該工具ホルダがいか
なる表面とも衝突しないことを保証するために、点検されなければならない。

この目的のために、加工が外部から行なわれている段階においては、ほとんどの場合、
工具２０の軸の振動が負の方向に常に起こることになるので、考慮すべき寸法のうちでも
マンドレル支持体及び回転テーブルの寸法を考慮に入れなければなない。

この方法には、全て公知のタイプである工具２０が用いられることに注目されたい。

削り屑を除去する加工が行なわれた後に、インペラは熱処理を施されることができ、次
いで、ロータの寸法検査、釣合い検査、及び動的検査の段階が行なわれることになること
が分かるであろう。

以上に述べた説明により、遠心圧縮機のロータの本発明による改良された製造方法の特
徴を明らかにし、また対応する利点を明らかにした。

それらの利点をより正確かつ明確に記載するために、ここで以下の結びの考慮事項及び
コメントを行なう。

第一に、本発明による方法においては、ロータ上に構造的切れ目が全くないということ
が分かる。

その上に、次ぎのことを思い出されたい。

・ロータの機械的特性が非常に優れている。

・自動加工により、従っていかなる手動による介入をも回避して、空気力学的表面を加
工することができる。

・溶接により生じる歪みがないためにもより、設計要件に応じた最適の寸法精度となる
。

・表面品質は極めて良好であり、事実上欠陥が全く無く、しかも最適の空気力学的効率
を有する。

・溶接作業を排除することにより、インペラの製造のためのサイクル時間を最大７０％
まで削減する。

・より規則正しい表面が得られるので釣合わせ作業が容易になる。

これらの利点の全ては、高圧再噴射機械において特に重要である。

実際に、これらの機械内で生じるガスの高い圧力及び高い濃度は、空気力学的領域、特
に排出流路内の不釣合いに関連する圧力パルスを発生させる可能性があり、これらのパル
スにより、有害な周期的な力が発生する。

本発明による方法を用いることにより、ロータの内部にもはや冶金学的途切れはなく、
これは、明らかにこの種の問題を排除するのに大きな進歩である。

その上に、公知技術で用いられる溶接は、特に低い流量率を有するインペラの場合にお
いてロータブレードの幅の５％又はそれ以上の変動をもたらす可能性がある歪みを生じる
。
これに反して、本発明による方法によると、１％又は２％の加工精度が保証され、このこ
とが、計画された性能レベルと達成された性能レベルとの最適な一致を可能にする。

本発明によれば、一体構造ディスクから製造された、遠心圧縮機のロータ（１０）の改
良された製造方法であって、前記ディスクを、数値制御機械の少なくとも１つの工具（２
０）により、切り屑を除去するように半径方向に加工して、前記ロータ（１０）内に半径
方向空洞（１２）を形成することを特徴とすることができる。また、第１の工具（２０）
が、前記ディスクの外径から開始して、前記半径方向空洞（１２）の外側部分が形成され
るまで加工することができる。また、前記第１の工具（２０）が、連続したテラス成形加
工をしながら前進し、前記一体構造ディスクの円形リングの全幅に対して中間深さに到達
するまで加工することができる。また、第２の工具（２０）が、前記ディスクの内径から
開始して、該第２の工具が前記外側空洞に到達し、従って前記半径方向空洞（１２）を完
成するまで、加工することができる。また、前記第１の工具（２０）及び前記第２の工具
（２０）が、前記数値制御機械の同一工具（２０）とすることができる。また、前記第１
の工具（２０）及び前記第２の工具（２０）は、それら工具（２０）が少なくとも１つの
数値制御機械により制御される２つの軸に配置された状態で、同時に加工することができ
る。また、第２の工具（２０）が、前記ディスクの内径から、前記半径方向空洞（１２）
の内側部分が形成されるまで加工することができる。また、前記第２の工具（２０）が、
連続したテラス成形加工をしながら前進し、前記一体構造ディスクの円形リングの全幅に
対して中間深さに到達するまで加工することができる。また、第１の工具（２０）が、前
記ディスクの外径から開始して、該第１の工具が前記内側空洞に到達し、従って前記半径
方向空洞（１２）を完成するまで、加工することができる。また、前記第１の工具（２０
）及び前記第２の工具（２０）が、前記数値制御機械の同一工具（２０）であるすること
ができる。また、前記工具（２０）を用いて加工する前に、該加工の実現可能性を判断す
るために、すなわち、該加工中に前記工具（２０）の重畳があるかどうかを確認するため
に、予備段階が行なわれることができる。また、前記重畳がある場合には、異常があるこ
とが示されて、これによって加工計画が中断されることができる。また、前記工具（２０
）が、利用可能な工具のなかから最も短いものを用いて開始され、連続して用いられるこ
とができる。また、前記工具（２０）の直径が、ブレード基部における接合部の半径に応
じて選定されることができる。また、削り屑を除去する前記加工が、ポケットの名称で知
られている種類の加工であることができる。また、最大深さに到達するまで前記工具（２
０）の軸の単一傾斜を用いて、また前記工具（２０）の設計によるアンダカットにより加
工する可能性も用いて行なわれる第１の段階のいわゆるポケット形成の後に、前記工具（
２０）に異なる傾斜を取らせるコマンドが、前記軸に伝達されることができる。また、前
記異なる傾斜は、５つの制御された軸を有する数値制御機械により実施されることができ
る。また、削り屑を除去する前記加工の後に、前記ロータ（１０）は、熱処理を施される
ことができる。また、前記熱処理に続いて、前記ロータ（１０）の寸法検査、釣合い検査
及び動的検査の段階が行なわれることができる。また、前記ロータ（１０）がスチールで
作られていることができる。

最後に、本発明思想に固有である新規性の原則から逸脱することなく、遠心圧縮機のロ
ータの、本発明の主題である改良された製造方法に対して多くの他の変更を行なうことが
できることは明らかである。

本発明の実用的な実施においては、必要に応じて、任意の材料、寸法及び形態を用いる
ことができ、また技術的に等価である他のもので置き換えることができることも明らかで
ある。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術
的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の方法によりロータ自体の外径から開始して加工をしている工具を示す、遠心圧縮機のロータの斜視図。 本発明の方法によりロータ自体の内径から開始して加工をしている工具を示す、遠心圧縮機のロータの斜視図。 本発明の方法によりロータ自体の内径及び外径から開始して加工をしている工具を示す、ロータの一部の平面断面図。 本発明の方法によりロータ自体の上部平面及び外径から開始して加工をしている工具を示す、ロータの一部の側面断面図。

１０ ロータ
１２ 半径方向空洞
２０ 工具

Claims (15)

1. 一体構造ディスクから製造される遠心圧縮機のロータ（１０）であって前記ディスクが複
   数の制御された軸を有する数値制御機械の工具（２０）により切り屑を除去するように半
   径方向に加工され前記ロータ（１０）内に半径方向空洞（１２）が形成されるロータ（１
   ０）の製造方法において、
   前記工具（２０）を使用し、前記ディスクの外径から開始して、該外径に対応する前記半
   径方向空洞（１２）の外側部分が前記一体構造ディスクの円形リングの半径方向の幅に対
   して中間に到達するまで加工して前記半径方向空洞の外側部分を形成し、
   前記工具を使用し、前記ディスクの内径から開始して、前記一体構造ディスクの円形リン
   グの半径方向の幅に対して中間に到達するまで加工して、前記半径方向空洞の対応する内
   側部分を形成し、
   前記工具を、前記外側又は内側部分の一方から他方に到達するまで前記一体構造ディスク
   の円形リングの半径方向の幅に対する中間に向けて実質的に半径方向に前進させ、これに
   より前記半径方向空洞（１２）を完成させる、
   ロータ（１０）の製造方法。
2. 前記数値制御機械として、３以上の制御された軸を有する数値制御機械を用いることを特
   徴とする、請求項１に記載のロータ（１０）の製造方法。
3. 前記数値制御機械として、５以上の制御された軸を有する数値制御機械を用いることを特
   徴とする、請求項１に記載のロータ（１０）の製造方法。
4. 前記数値制御機械として、５つの制御された軸を有する数値制御機械を用いることを特徴
   とする、請求項１に記載のロータ（１０）の製造方法。
5. 前記工具は複数であり、該複数の工具のうち第１の工具（２０）を連続したテラス状に成
   形加工をしながら前進させると共に該テラス状に成形する加工により生成した切り屑を除
   去することを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータ（１０）の製造方法。
6. 複数の工具は、前記半径方向空洞の前記一方の第１の部分又は前記他方の第２の部分を形
   成するための第２の工具を含む、請求項５に記載のロータ（１０）の製造方法。
7. 前記第１の工具（２０）が、前記ディスクの半径方向外側から開始され前記半径方向空洞
   （１２）の外側部分が形成されるまで加工する、請求項５に記載のロータ（１０）の製造
   方法。
8. 前記第１の工具（２０）が、テラス状にする連続した成形加工をしながら前進し、前記一
   体構造ディスクの円形リングの半径方向の幅に対して中間に到達するまで加工することを
   特徴とする、請求項７に記載のロータ（１０）の製造方法。
9. 前記第２の工具（２０）が、テラス状にする連続した成形加工をしながら前進し、前記一
   体構造ディスクの円形リングの半径方向の幅に対して中間に到達するまで加工することを
   特徴とする、請求項８に記載のロータ（１０）の製造方法。
10. 前記第１の工具（２０）及び前記第２の工具（２０）が、前記数値制御機械の同一工具（
    ２０）であることを特徴とする、請求項９に記載のロータ（１０）の製造方法。
11. 前記複数の工具（２０）は、前記ディスクを同時に加工することを特徴とする、請求項５
    乃至１０のいずれか１項に記載のロータ（１０）の製造方法。
12. 第２の工具（２０）が、前記ディスクの内径から、前記半径方向空洞（１２）の内側部分
    が形成されるまで加工することを特徴とする、請求項６に記載のロータ（１０）の製造方
    法。
13. 前記工具（２０）が、利用可能な工具のなかから最も短いものを用いて開始され、連続し
    て用いられることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のロータ（１０
    ）の製造方法。
14. 前記工具（２０）の直径が、ブレード基部における接合部の半径に応じて選定されること
    を特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のロータ（１０）の製造方法。
15. 削り屑を除去する前記加工の後に、前記ロータ（１０）は、熱処理を施されることを特徴
    とする、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のロータ（１０）の製造方法。