JP2014094433A - 遠心回転機のインペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電加工により流路を形成した後、その放電加工面に生じた変質層を、腐食を懸念することなく、除去できるインペラの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】遠心回転機のインペラ１０の製造方法は、気体の入口１４１から出口１４２までの流路１４を放電加工により形成する流路形成工程と、流路１４を区画する内壁に粒子状の研磨材を吹き付ける研磨工程と、を備えている。研磨工程では、研磨材を流路１４の内壁へ向けて噴出させる噴出孔が複数形成されたノズルを流路内に挿入し、かつ、このノズルを流路１４内で往復移動させながら、内壁に研磨材を吹き付けることで流路１４の内壁を平滑化することができる。
【選択図】図３

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。

遠心圧縮機のインペラとして、回転軸に設けられるディスクと、ディスクに対向するカバーと、これらディスクとカバーとの間の空間を仕切る複数のブレードとを備えたものが知られている。
このインペラでは、ディスクおよびカバーの互いの対向面と、隣り合うブレードとで囲まれた部分が、気体を圧縮するための流路となっている。この流路は、インペラの内周側で軸方向に開口した入口から、外周側へと次第に湾曲し、外周端で出口が径方向に開口した複雑な形状を呈している。これまで、このような流路を有するインペラは、通常、ディスク、カバー、およびブレードを二体または三体の部材に分け、これらの部材を溶接することによって製造されている。ところが、溶接を健全に行うためには、技術的困難が伴う。

そこで、一体の素材からインペラを製造することがしばしば行なわれており、この場合に、流路の形成方法として放電加工が採用されている（例えば、特許文献１）。放電加工を行うと、被加工物が溶解、凝固を繰り返すため、非常に硬く、かつ多数の割れを伴った変質層が形成される。そこで、特許文献１では、この変質層を酸洗により除去している（化学研磨）。また、特許文献２では、電解研磨を適用し変質層を除去している。

特開２０１０−８９１９０号公報 特開平８−３００２２８号公報

しかし、化学研磨、電解研磨では、インペラを構成する素材に対して腐食性を有する研磨液を用いるため、インペラ自体の腐食が懸念される。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、放電加工により流路を形成した後、その放電加工面に生じた変質層を、腐食を懸念することなく、除去できるインペラの製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の遠心回転機のインペラ製造方法は、インペラに導入される気体の入口から出口までの流路を放電加工により形成する流路形成工程と、流路を区画する内壁に粒子状の研磨材を吹き付ける研磨工程と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、変質層の除去に腐食性の研磨液を用いることなく、放電加工により形成された変質層を除去することができる。また、粒子状の研磨材が吹き付けられるので、当該内壁の疲労強度を向上させることができる。

本発明における研磨工程において、研磨材を流路の内壁へ向けて噴出させる噴出孔が複数形成されたノズルを流路内に挿入し、かつ、このノズルを流路内で往復移動させながら、内壁に研磨材を吹き付けることが好ましい。
複数の噴出孔を介して流路の内壁にむらなく研磨材が吹き付けられるので、流路内壁を迅速に平滑化することができる。

本発明におけるノズルは、研磨材が導入される基端側より、前記基端側から遠ざかる先端側の方が、前記噴出孔の開口密度を大きくすることができる。
そうすることで、基端側の噴出孔と先端側の噴出孔から噴出される研磨材の噴出圧力を均等にすることができる。

本発明では、ノズル内部に、複数の噴出孔を選択的に開・閉するシャッタを配置することができる。
こうすることにより、流路内壁面を部分的に研磨することができ、精度よく平滑化するのに寄与する。

本発明のノズル表面に、測距センサを設けることができる。
この測距センサを利用することによって、研磨材により研磨された層の厚さを知見することができ、変質層が除去されたか否かを高い精度で推測できる。

本発明の遠心回転機のインペラの製造方法によれば、変質層の除去に腐食性の研磨液を用いることなく、放電加工により形成された変質層を除去することができる。また、粒子状の研磨材が吹き付けられるので、当該内壁の疲労強度を向上させることができる。

第１実施形態に係る遠心回転機のインペラの平面図である。 インペラの流路に沿った断面図（図１のII−II線矢視図）である。 流路内壁のサンドブラスト研磨に用いられる装置の概略構成を示し、（ａ）は第１ノズルを使用する場合の装置構成図、（ｂ）第２ノズルを使用する場合の装置構成図である。 サンドブラスト研磨に用いられる第１ノズルおよび第２ノズルをインペラの流路と共に示す平面図である。 第２ノズルを示す斜視図である。 第１実施形態の変形例におけるノズルの平面図である。 第１実施形態の別の変形例におけるノズルの平面図である。 第２実施形態における第２ノズルの断面図である。 第３実施形態におけるノズルの平面図である。

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。
〔第１実施形態〕
図１および図２に示すインペラ１０は、遠心回転機の回転軸に組み付けられる回転体として、遠心圧縮機などの遠心回転機に搭載されるものである。インペラ１０は、遠心回転機の回転軸に同軸に設けられる略円盤状のディスク１１と、ディスク１１に間隔をおいて対向するカバー１２と、ディスク１１とカバー１２との間を仕切り、気体の流路１４を形成する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。これらディスク１１、カバー１２およびブレード１３を備えたインペラ１０は、ステンレス鋼などの高強度合金からなる一体の素材から放電加工により形成されている。

なお、回転軸に沿った回転軸線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、以下では、インペラ１０を示す図２における上・下に基づいて上・下が定義されるものとする。さらに、図１および図２において、気体は流路１４内を矢印Ｆの向きに流れる。

ディスク１１は、回転軸を嵌挿させる軸孔１１０を有している。ディスク１１の表面１１ａは、外周側から内周側に向かうにつれて次第に上向きに突出するように湾曲している。
ディスク１１と同心の円環状とされるカバー１２もまた、ディスク１１の表面１１ａの形状に倣って、外周側から内周側に向かうにつれて次第に上向きに突出するように湾曲している。

ブレード１３は、互いに対向するディスク１１の表面１１ａとカバー１２の裏面１２ａとの間に、回転軸線Ｃを中心に放射状に設けられている。このブレード１３は、ディスク１１の表面１１ａの形状に倣って湾曲するとともにディスク１１の周方向に向けても湾曲している。
隣り合うブレード１３の対向する側面１３ａおよび側面１３ｂ、ディスク１１の表面１１ａ、およびカバー１２の裏面１２ａによって区画された空間がそれぞれ、遠心回転機に導入される気体の流路１４とされている。
この流路１４は、径方向および回転軸方向のいずれに対しても湾曲した形状となっており、放電加工（形彫り放電加工）により形成されている。

以上のように構成される回転圧縮機のインペラ１０が、図示しない駆動部により回転軸線Ｃ周りに回転駆動されると、流路１４内に径方向の内周側から外周側へ向かう矢印Ｆで示される気体の流れが発生するとともに、その気体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１４の入口１４１から吸い込まれた空気が、流路１４内で圧縮されて出口１４２から排出され、図示しない外部機器へと送られる。

上記インペラ１０を製造する際には、形彫り放電加工により流路１４が形成された後、放電加工されることで流路１４の内壁（表面１１ａ、裏面１２ａ、側面１３ａ、側面１３ｂ）に生じた変質層を除去するブラスト研磨が行われる。
ブラスト研磨は、図３および図４に示すように、インペラ１０を入口１４１が鉛直方向の上向きとなるように設置した状態で行われる。
本実施形態は、流路１４の内壁をブラスト研磨するにあたり、流路１４内に第１ノズル２０（図３（ａ））または第２ノズル３０（図３（ｂ））を挿入するとともに、これらの第１ノズル２０または第２ノズル３０から流路１４に研磨材を噴出することを最も大きな特徴としている。
なお、第１ノズル２０および第２ノズル３０を構成する素材は任意であるが、内部に研磨材が衝突することから、耐摩耗性の高い工具鋼を用いるのがよい。

第１ノズル２０は、流路１４の入口１４１側の形状に倣って湾曲した形状とされている。この第１ノズル２０は、サンドブラスト装置１８が接続され、研磨材が導入される基端２１と、流路１４の奥側に挿入される閉塞された先端２２と、サンドブラスト装置１８から供給される研磨材が通過する内部空間２３と、流路１４を区画する内壁へ研磨材を噴出するための複数の噴出孔２５とを有している。
一方、第２ノズル３０は、流路１４の出口１４２側の形状に倣って湾曲した形状とされている。この第２ノズル３０は、サンドブラスト装置１８が接続される基端３１と、流路１４の奥側に挿入される先端３２と、サンドブラスト装置１８から噴射される研磨材が通過する内部空間３３と、流路１４を区画する内壁へ研磨材を噴出するための複数の噴出孔３５と、を有している。

図５に示す第２ノズル３０を例にとり、噴出孔３５の配置について説明する。第２ノズル３０においてカバー１２に対向する上面３０ａには、複数の噴出孔３５が流路１４に沿って並んでいる。噴出孔３５は、本実施形態では第２ノズル３０の幅方向の一端側と他端側とに一列ずつ、合計二列で並んでいるが、列数等、具体的な配列形態は任意である。また、噴出孔３５は、上面３０ａにおいて幅方向および長手方向のいずれにもほぼ等間隔で配置されているが、必ずしも等間隔で配置されていなくてもよい。
ディスク１１に対向する下面３０ｂにも、上面３０ａと同様に噴出孔３５が配置されている。また、隣り合うブレード１３にそれぞれ対向する側面３０ｃおよび側面３０ｄにも、流路１４に沿って複数の噴出孔３５が配置されている。
第２ノズル３０の上面３０ａ、下面３０ｂ、側面３０ｃ、および側面３０ｄと、流路１４の内壁との間には、第２ノズル３０を流路１４の長手方向および幅方向（インペラ１０の周方向）に移動させることができる程度のクリアランス（例えば、約５ｍｍ）が存在する。そうすることで、第２ノズル３０を無理なく移動させながらブラスト処理を行うことができる。なお、噴出孔３５は各面に対して垂直に設けても、傾斜をつけて設けてもよい。

第１ノズル２０の噴出孔２５も、第２ノズル３０の上面３０ａ、下面３０ｂ、側面３０ｃ、および側面３０ｄに相当する各面に、噴出孔３５と同様に配置されている。流路１４内壁とのクリアランスおよび孔径についても噴出孔３５と同様に決められている。噴出孔２５および噴出孔３５は、互いに等しい孔径とされているが、これらは相違していてもよい。

また、第１ノズル２０および第２ノズル３０にはそれぞれ、図示しない駆動手段が接続されている。これらの駆動手段により、第１ノズル２０および第２ノズル３０が流路１４内に挿入されるとともに、流路１４内で流れの前後方向に繰り返し移動される。また、第１ノズル２０および第２ノズル３０は、必要に応じて流路１４の幅方向にも繰り返し移動される。本実施形態では、前後方向、幅方向のいずれにも移動させている。
なお、第1ノズル２０および第２ノズル３０を、手動で移動させてもよい。

本実施形態で使用される研磨材としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子を使用することができる。使用する研磨材の粒径は、５０〜１００μｍの範囲で選択することができる。粒径の大きい研磨材を使用すると、研磨を短時間で行うことができるが、研磨した面の粗さが大きくなる傾向がある。逆に、粒径の小さい研磨材を使用すると、研磨時間が長く係るが、研磨した面の粗さが小さくなる傾向にある。この傾向を念頭において、適切な粒径の研磨材を選択すればよい。なお、流路１４の内壁の粗さが大きくなると、流路１４内を流れる気体の圧力損失の原因となるので、この点を考慮することも必要である。
研磨材はサンドブラスト装置１８に蓄えられており、研磨工程時にサンドブラスト装置１８から第１ノズル２０または第２ノズル３０に向けて供給される。

次に、インペラ１０の製造方法を説明する。
なお、遠心回転機に組み付けられたインペラ１０は任意の姿勢に設置されるが、以下に示す流路形成工程およびブラスト研磨工程では、インペラ１０の回転軸線Ｃが鉛直方向に沿い、入口１４１が鉛直方向の上向きとなるようにインペラ１０が設置される。
先ず、別途外形が形成された一体の素材を第１ノズル２０および第２ノズル３０を用いて形彫り放電加工することにより、各流路１４を形成する流路形成工程を行う。これにより、ディスク１１、カバー１２、ブレード１３、および流路１４を備えたインペラ１０が成形される。
本実施形態では、まず入口１４１から、形成される流路１４の奥へと第１ノズル２０を送りながら、流路１４の入口１４１側を彫り進め、次いで出口１４２から、形成される流路１４の奥へと第２ノズル３０を送りながら、流路１４の出口１４２側を彫り進める。第１ノズル２０および第２ノズル３０と被加工物の間に電圧を印加して放電させ、放電時の熱で被加工物を溶解させながら電極形状を被加工物に転写すると、入口１４１から出口１４２まで連通した流路１４が形成される。
なお、第１ノズル２０および第２ノズル３０は、放電加工用の溶液を加工対象部位に供給するのに用いることもできる。

放電加工面には、前述したように、変質層が形成される。この変質層は、カーボン含有割合が高く、母材よりも硬いために割れ易いので、多くの微小な割れを含む。このような割れが、金属疲労特性を低下させたり、流路１４を流れる気体の抵抗となって圧力損失を増大させるおそれがある。
このため、インペラ１０の内壁に研磨材を吹き付けることで、放電加工による変質層を除去する研磨工程を実施する。

本実施形態では、変質層を除去する研磨工程に、ブラスト研磨の一種であるサンドブラスト研磨を適用する。サンドブラストとは、よく知られているように、圧縮空気をキャリアとして、加工表面に研磨材（粒子）を吹き付けることによって、表面を研磨する方法である。
ブラスト研磨工程において、研磨材を流路１４の内壁に吹き付けることにより、流路１４内壁が研磨材により削られる。そうすると、流路１４の内壁（放電加工面）の表層から、変質層を含む所定の深さまで研磨して除去される。

研磨工程は、以下のようにして行う。
初めに図３（ａ）を参照して、第１ノズル２０を使用した研磨工程を説明する。
まず、サンドブラスト装置１８が接続された第１ノズル２０を入口１４１から流路１４内に挿入する。次いで、サンドブラスト装置１８を作動させることにより、研磨材を第１ノズル２０にキャリアとともに供給し、噴出孔２５から流路１４の内壁に向けて研磨材を噴出させて変質層を除去する。このとき、第１ノズル２０を流路１４内で繰り返し前後方向および幅方向に移動させる。そうすることで、流路１４内壁の位置によらず、研磨量を均一にできる。なお、第１ノズル２０の移動距離（ストローク）は任意である。
ここで、第１ノズル２０から噴出された研磨材、および、変質層を含め研磨された削りくずは、流路１４内部に蓄積し、第１ノズル２０に詰まりを生じさせるおそれがある。そこで、吸引装置Ｖ１を用いて出口１４２から蓄積された研磨材および削りくずを吸引、除去することが好ましい。なお、吸引装置Ｖ１による吸引は、研磨を行ないながら行なってもよいが、サンドブラスト装置１８を停止させた状態で行うことが好ましい。吸引装置Ｖ１の吸引作用により噴出孔２５からの噴出される研磨材の噴出方向に影響を与えないためである。

次に、図３（ｂ）を参照して、第２ノズル３０を使用した研磨工程を説明する。
まず、サンドブラスト装置１８が接続された第２ノズル３０を出口１４２から流路１４内に挿入する。
次いで、サンドブラスト装置１８を作動させ、流路１４内壁を研磨する。第２ノズル３０を流路１４内で繰り返し前後方向および幅方向に移動させることは、第１ノズル２０の場合と同様である。また、吸引装置Ｖ２による吸引は、第１ノズル２０の場合と同様である。この際、第２ノズル３０を流路１４から取り除いてもよい。

なお、ここでは第１ノズル２０および第２ノズル３０を別々に流路１４に挿入する例を示したが、第１ノズル２０および第２ノズル３０を同時に流路１４に挿入して、研磨することを本発明は許容する。

本実施形態では、第１ノズル２０および第２ノズル３０が複数の噴出孔２５を備えているとともに、流路１４内で第１ノズル２０および第２ノズル３０を繰り返し移動させる。したがって、流路１４の内壁にむらなく研磨材を吹き付けることができるので、内壁を平滑に研磨することができる。これにより、インペラ１０を用いた遠心回転機は、流路１４を流れる気体に対する内壁の抵抗が小さくなるので、圧力損失を低減できる。
また、研磨材が吹き付けられるので、当該内壁にはピーニング効果が生じ、インペラ１０として使用される際の疲労強度を向上させる。
なお、上記の研磨工程の後、必要に応じて、例えば機械加工によって外形の仕上げを行う。以上により、インペラ１０が完成する。

なお、上述の第１ノズル２０および第２ノズル３０に形成される噴出孔は、次に示すように、ノズルの各部における噴出圧力を考慮の上、その孔径や、単位面積当たりの個数（孔密度）が決められることが好ましい。
ノズルに複数の噴出孔を設けた場合、サンドブラスト装置１８が接続された基端２１，３１に近い側の噴出孔２５から噴出される研磨材の噴出圧力が、先端２２，３２に近い側の噴出孔２５から噴出される研磨材の噴出圧力より大きくなる。
そこで、この噴出圧力のばらつきを解消するために、図６に示すように先端２２，３２に近い側に位置する噴出孔２５，噴出孔３５の孔径（直径）を大きく設定することができる。そうすることで、基端２１，３１に近い側と先端２２，３２に近い側の研磨量を均等にすることができる。なお、孔径を大きくする代わりに、図７に示すように、先端２２，３２に近い側に設ける噴出孔２５の単位面積当たりの数（孔密度）を大きくすることもできる。このように、孔径や孔密度を変動させることによって、先端２２，３２に近い側の開口密度を大きくすることが有効である。

〔第２実施形態〕
第１の実施形態では、ノズルを用いて流路１４の面全体の変質層を除去する方法を述べた。流路１４面全体を研磨した後、部分的に研磨し、微調整を行いたい場合が生じる。このような場合に対応するのが、第２実施形態である。その一例を図８に基づいて説明する。
本実施形態における第２ノズル３０は、第２ノズル３０の内部空間３３に隙間なくシャッタ３７を設ける。このシャッタ３７は、内部空間３３を、前後方向に進退可能とされる。
シャッタ３７は、内部空間３３と噴出孔３５ａとを連通するための連通孔３８が、所定位置に形成されている。この連通孔３８は噴出孔３５と同じ孔径を有している。
連通孔３８と噴出孔３５ａとの位置が一致するようにシャッタ３７を移動させると、内部空間３３と流路１４内部とが連通される。そうすると、連通孔３８と噴出孔３５ａを介して、内部空間３３から流路１４内壁に研磨材を噴出させることができる。
また、シャッタ３７を後方に移動させ、連通孔３８と噴出孔３５ｂとの位置を一致させると、噴出孔３５ａに加え、連通孔３８と噴出孔３５ｂとを介して内部空間３３と流路１４内部とが連通される。そうすると、２つの孔から研磨材が噴出し、噴出孔３５ａのみから噴出させたときよりも、広い範囲でブラスト研磨をすることができる。
したがって、本実施形態では、ノズル内部に設けたシャッタ３７を進退させることにより、選択的に研磨材を噴出させる位置を変更することができるため、部分的な研磨を行うことができるようになる。これにより、研磨面をより精度よく平滑化できる。
なお、連通孔３８の孔径は、噴出孔３５と相違してもよく、また、連通孔３８の数は任意に決定することができる。

〔第３実施形態〕
次に示す第３実施形態では、ノズル表面に測距センサを設け、研磨された層の厚さを検知する。
本実施形態では、図９に示すように、第２ノズル３０の上面３０ａおよび下面３０ｂに測距センサ３４を等間隔に設ける。第１ノズル２０についても同様に測距センサ２４を設ける。
ノズルを流路１４内に挿入した際、測距センサ３４により流路１４内壁面と、測距センサ３４が設置されている上面３０ａと、の距離Ｌ１を測定する。次いで、研磨を実施しながら、あるいは、断続的に流路１４内壁面と上面３０ａとの距離Ｌ２を継続的に測定する。放電加工によって生成する変質層の厚みは放電加工した材質によって知見できることができるため、距離Ｌ２から距離Ｌ１を引いた値（ΔＬ）が変質層の厚みＴを越えていれば、変質層が除去されているものと推定できる。したがって、例えば、測距センサ３４による測定結果（ΔＬ）と変質層の厚みＴをモニタに表示させれば、研磨工程を行なう作業者が研磨を終了してもよいことを認識できる。
測距センサ３４としては、非接触式の過電流式、超音波式、レーザー式、光学式のもの、および接触式のデジタルダイヤルゲージを使用することができる。また、測距センサ３４に代えて小型カメラを設けることもできる。この場合、流路１４内壁に形成された変質層が除去されているか否かをモニタで直接観察することができるので、小型カメラも測距センサ３４の一種と捕らえることができる。
なお、測距センサ３４は、本実施形態ではノズル上面の長手方向に等間隔に設けているが、列数等、具体的な配列形態は任意である。
したがって、本実施形態では、ノズル表面に測距センサを設けることにより、削り残しがないかを逐次確認でき、研磨面をより精度よく平滑化できる。

上記各実施形態では、流路１４の入口１４１が鉛直方向の上向きとなるようにインペラ１０を設置した状態で、流路形成工程および研磨工程を実施したが、それらの工程におけるインペラ１０の姿勢は任意である。例えば、各実施形態とは逆に、入口１４１側が鉛直方向の下向きとなるようにインペラ１０を設置してもよい。

上記で述べた以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０ インペラ
１１ ディスク
１２ カバー
１３ ブレード
１３ａ，１３ｂ 側面
１４ 流路
１８ サンドブラスト装置
２０ 第１ノズル
２０ａ 上面
２１ 基端
２２ 先端
２４ 測距センサ
２５ 噴出孔
３０ 第２ノズル
３０ａ 上面
３０ｂ 下面
３０ｃ，３０ｄ 側面
３１ 基端
３２ 先端
３３ 内部空間
３４ 測距センサ
３５，３５ａ，３５ｂ 噴出孔
３７ シャッタ
３８ 連通孔
１１０ 軸孔
１４１ 入口
１４２ 出口
Ｖ１，Ｖ２ 吸引装置

Claims (5)

1. 入口から出口までの流路が形成された遠心回転機のインペラの製造方法であって、
   前記流路を放電加工により形成する流路形成工程と、
   前記流路を区画する内壁に粒子状の研磨材を吹き付ける研磨工程と、
   を備えることを特徴とする遠心回転機のインペラの製造方法。
2. 前記研磨工程において、
   前記研磨材を前記内壁へ向けて噴出させる複数の噴出孔が形成されたノズルを、前記流路内に挿入するとともに、前記ノズルを前記流路内で往復移動させる、
   請求項１に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
3. 前記ノズルは、前記研磨材が導入される基端側より、前記端端側から遠ざかる先端側の方が、前記噴出孔の開口密度が大きい、
   請求項１または２に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
4. 前記ノズル内部に、複数の前記噴出孔を選択的に開・閉するシャッタを配置する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
5. 前記ノズルの表面に、測距センサを設ける、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。

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