JP2017207119A - 成形ベローズ、ベローズ成形方法およびベローズ成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベローズ全体の剛性の変化を抑制しながら軽量化でき、サージング振動を回避可能な成形ベローズを実現する。
【解決手段】応力の作用が小であり、歪が生じにくいベローズ平行部１２の板厚を、ベローズ山部１０の板厚及びベローズ谷部１１の板厚より小として薄肉化し、剛性の変化を抑制しながら、軽量化するとともに固有振動数を流動する流体による振動数より高くする。これにより、流動する流体によるサージング振動を回避し、疲労寿命を長期化可能な成形ベローズが形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は金属製の成形ベローズに関する。

ベローズは、例えば、ガスタービンの排気管などで配管の変位差を吸収する目的で設置される。

配管を排気ガスが高速で流動する場合に、ベローズにはサージング振動が励起されることがある。サージング振動はベローズ単体での固有振動数、特に軸方向に振動する振動モードの固有振動数に流体による加振力の周波数が近い時に発生する。

そして、この加振力は流速に応じた加振周波数を持ち、流速を変更出来ない時はベローズの固有振動数が変わるように構造変更し、共振を回避する必要がある。これは、例えば、特許文献１に示されている。

すなわち、ベローズの谷部部に錘（振動調整手段）を付加することで固有振動数を下げ、共振を回避している。この調整錘付き成形ベローズでは、ガスの流動によるサージングを防止しつつ、配管の変位差を効率的に吸収している。

また、特許文献１に記載の技術では、調整用の錘は容易に脱着が可能であり、ベローズの変形を妨げない構造となっている。

特開２０１４-１１１９９１号公報

ベローズには、接続される配管に相対変位が生じた場合に、過大な反力を配管に加えずに相対変位を吸収することが求められている。また、ベローズには、長期間にわたって損傷しないことが求められている。

ベローズに歪が発生する荷重のうち、サージング振動に起因する変形を受けるケースでは、ベローズの全ての山部、谷部に高い応力が発生する。

サージング振動を回避のため、原管板厚を厚くして、固有振動数を調整することが考えられる。しかしながら、原管板厚を厚くすると、相対変位を吸収する際に山部谷部に生じる応力も高くなり、疲労寿命が短くなるという欠点がある。

特許文献１に記載された調整錘付きベローズでは、固有振動数を下げることしかできないため、運転範囲がベローズの固有振動数より低い周波数をも含んでいる場合には、その低い振動数よりさらに低い振動数となるように、錘を調整する必要があり、疲労寿命が短くなる場合もあり得るため、適用には注意が必要である。

本発明の目的は、ベローズ全体の剛性の変化を抑制しながら軽量化でき、サージング振動を回避可能な成形ベローズ、ベローズ成形方法およびベローズ成形装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

（１）金属製の成形ベローズにおいて、略半円状の山部と、略半円状の谷部と、上記山部の一方端と上記谷部の一方端とに接続された平行部と、を備え、上記山部、上記谷部及び上記平行部のそれぞれを複数有する配管形状であり、上記平行部の厚み寸法は、上記山部の厚み寸法及び上記谷部の厚み寸法より未満である。

（２）金属製のベローズの成形方法において、略半円状の山部と、略半円状の谷部と、上記山部の一方端と上記谷部の一方端とに接続された平行部とのそれぞれを複数有する配管形状のベローズの上記平行部を研削し、上記平行部の厚み寸法を、上記山部の厚み寸法及び上記谷部の厚み寸法より未満とする。

（３）金属製のベローズの成形方法において、略半円状の山部と、略半円状の谷部と、上記山部の一方端と上記谷部の一方端とに接続された平行部とのそれぞれを複数有する配管形状のベローズを固定する工作物保持機器と、研磨部を有する研磨治具と、上記工作物保持機器を回転する回転装置と、を備え、上記回転装置により上記工作物保持機器は回転されることにより、上記ベローズが回転され、上記平行部が上記研磨部により研磨されて研削される。

本発明によれば、ベローズ全体の剛性の変化を抑制しながら軽量化でき、サージング振動を回避可能な成形ベローズ、ベローズ成形方法およびベローズ成形装置を実現することができる。

本発明の第１実施例におけるベローズ１の概略縦断面図である。 本発明の第１実施例におけるベローズの平行部を目標板厚とする加工装置である板厚成形装置の概略説明図である。 本発明の第１実施例による板状研磨治具の詳細を説明する図である。 本発明の第２実施例である成形ベローズの加工方法の説明図である。 本発明の第２実施例において、ベローズの外側に研磨冶具裏あてを充填する例を示す図である。 本発明の第２実施例において、ベローズの半径方向断面に棒状中央部材から放射状に延びる複数の棒状部材を形成する例を示す図である。 図６のＡ−Ａに沿った断面図である。

以下、本発明の成形ベローズの実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例における金属製の成形ベローズ１の概略縦断面図である。

通常の成形ベローズでは、原管をロール成形または内側から液圧成形することでベローズ形状とする。

このため、通常のベローズの板厚は塑性加工の都合で決まり、ベローズ谷部１１が最も厚く、ベローズ山部１０へ向かって薄くなっている。

ここで、ベローズ１について定義する。ベローズ１は、半円形状の山部１０と、半円形状の谷部１１と、上記山部部の一方端と上記谷部部の一方端とを接続する平行部１２により形成され、山部１０、谷部１１、平行部１２は複数形成されて配管形状となっている。

そして、ベローズの山部１０の高さ（ベローズの山部１０の頂点から谷部１１の底部までの距離）をｗとし、ピッチ（山部の頂点と頂点との距離）をｑとすると、平行部１２の長さは（ｗ−ｑ／２）である。

本発明の第１実施例によるベローズ１では、図１に示すように、ベローズ平行部１２の板厚が薄く、ベローズ谷部１１およびベローズ山部１０の板厚未満の寸法となっている。例えば、ベローズ平行部１２の板厚が、ベローズ山部１０の板厚の８割程度となっている。

次に、簡易の計算に基づいて固有振動数の向上率を予測する。

ベローズ１の山部１０の高さをｗとし、ピッチをｑ、ベローズ平行部１２の板厚をｔｐ、ベローズ１の谷部１１およびベローズ１の山部１０の板厚をｔｒとすると、ベローズ１の一山部の断面積Ａは、以下の式（１）で表わされる。
Ａ＝（２・ｗ−ｑ）・ｔｐ＋（π・ｑ／２）・ｔｒ ・・・（１）

この断面を一周分積分し、材料の密度を乗じたものがベローズ１の一山部分の質量となる。

一般的なベローズの形状としてＵ型のものを仮定し、ピッチ:山部の高さ＝７：１０と仮定し、ｔｐ＝ｔｒのベローズに対して、ｔｐを０．８倍としたベローズは、断面積Ａが低減し、ベローズ平行部１２を薄肉化しない従来のベローズと比較して、約１１％の軽量化となる。

また、固有振動数は質量の平方根の逆数に比例するので固有振動数は約５．５％高くすることがきる。なお、これはｔｐを８割とした場合の例であり、ｔｐをその他の割合、例えば、９割、７割等とすることも可能である。

金属製成形ベローズ１の軸方向振動の減衰比が１％程度であれば、数ヘルツだけ固有振動数が変化することで、十分に避共振の効果が期待できる。

平行部１２の厚さは、次のようにして決定することができる。

ベローズ１が使用される配管に流体が流れる場合の運転範囲の振動数範囲を考慮して目標固有振動数を決定し、加工前のベローズ１の原固有振動数と、加工前のベローズ１の原質量（一山部分の質量）とを用いて、加工後のベローズ１の目標質量（一山部分の質量）を算出する。

上述のように、固有振動数は質量の平方根の逆数に比例することから、加工前のベローズ１の原固有振動数を目標固有振動数で除算し、それを二乗した値と、加工前のベローズ１の原質量とを乗算することにより、加工後のベローズ１の目標質量（一山部分の質量）を算出することができる。算出した目標質量を材料の密度で除算すると、ベローズ１の一山部の断面積Ａを一周分積分した値となることから、一山部分の断面積Ａを求めることができる。

そして、上記式（１）に既知の値である断面積Ａ、山部の高さｗ、ピッチｑ、板厚ｔｒを代入すれば、平行部１２の目標板厚ｔｐを算出することができる。

本発明の第１実施例では、ベローズ１の平行部１２を外側から研削加工によって削って薄くし、目標板厚（目標厚み寸法）ｔｐとする。

次に、この時の加工方法（成形方法）及び成形装置について説明する。図２は、ベローズ１の平行部１２を目標板厚ｔｐとするベローズ成形装置である板厚成形装置２０の概略説明図である。

図２において、ベローズ１の両端には、ベローズ端部口金２が形成されており、ベローズ端部口金２が板厚成形装置２０の工作物保持機器３により把握され、固定される。工作物保持機器３は回転装置（回転部）４によりベローズ１を捩じることがないようにベローズ１の長手軸まわりに回転する。

板厚成形装置２０は、さらに、板状研磨治具５０を駆動する駆動部６０と、駆動部６０の位置を調整する駆動位置調整部６１と、ベローズ１における平行部１２の板厚を測定する板厚測定装置６２とを備える。板厚測定装置６２は超音波を用いて、非接触で板厚を測定する装置である。

駆動部６０は、工作物保持機器３に固定されたベローズ１の山部と山部との間に挿しこむように板状研磨冶具５０を挿入し、回転装置４によりベローズ１を回転させることでベローズ１の平行部１２を研削する。平行部１２の研削量は、駆動位置調整部６１により駆動部６０の位置が調整されることにより調整することができる。

図３は、板状研磨治具５０の詳細を説明する図である。図３の（Ｂ）に示すように、研削加工で用いる板状研磨冶具５０は二枚の板部材５０１と５０２を有しており、二枚の板部材５０１と５０２との位置を互いにオフセットすることで、加工部位に板状研磨冶具５０が接する力を調整することができる。

板部材５０１は、棒状支持部材５６ａの長手方向に対して垂直に伸び、複数個形成されている。同様に、板部材５０２は、棒状支持部材５６ｂの長手方向に対して垂直に伸び、複数個形成されている。

また、板状研磨冶具５０の板部材５０１、５０２の先端部の表面にはフェルトおよび短い毛、あるいは積層した布などで構成された研磨バフ５１ａ、５１ｂが貼り付けられており、研削加工中は研磨の段階に応じて研磨剤をベローズ１に塗布する。

また、図３の（Ｂ）のＡ−Ａに沿った断面を示す図３の（Ａ）のように、板部材５０１、５０２をベローズ１の山部１０と山部１０との間に挿入するときは、板部材５０１と５０２とのオフセット値を小とし、研磨中は、板部材５０１と５０２とのオフセット値を大とする。板部材５０１と５０２とのオフセット値の調整は、駆動位置調整部６１が駆動部６０の動作を制御することにより行われる。

ベローズ１の平行部１２が目標板厚となったか否かは、一定時間研磨後、研磨動作を停止し、板厚測定装置６２によりベローズ１の平行部１２の板厚を測定することにより確認される。目標板厚となっていない場合は、さらに、研磨動作が行われる。その後、さらに、板厚測定装置６２によりベローズ１の平行部１２の板厚が測定される。ベローズ１の平行部１２の板厚が目標板厚となるまで、上記動作が繰り返される。

ベローズ１の平行部１２の板厚が目標板厚となったことが確認されると、ベローズ１は、工作物保持機器３から取り外される。

以上のように、本発明の第１実施例によれば、応力の作用が小であり、歪が生じにくい平行部１２の板厚を山部部１０及び谷部部１１の板厚より小として薄肉化し、剛性の変化を抑制しながら軽量化するとともに固有振動数を高くしたので、流動する流体によるサージング振動を回避し、疲労寿命を長期化可能な成形ベローズ、ベローズ成形方法およびベローズ成形装置を実現することができる。

なお、成形ベローズ１の材質は、一例としてステンレスがある。

また、ベローズ１の平行部１２の板厚は、使用環境における内圧、外圧を考慮した最小限界値を考慮して算出するものとする。

（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例について説明する。

図４は、本発明の第２実施例である成形ベローズ１の加工方法の説明図である。この加工方法に使用される板厚成形装置２０は、図２に示した例と同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。ただし、後述するように、本発明の第２実施例においては、棒状研磨治具５３がベローズ１の内部に挿入され、ベローズ１の内面側を研磨する構成であることから、ベローズ１の両端のいずれか一方側が開放され、棒状研磨治具５３がベローズ１の内部に挿入される構成であり、かつ、ベローズ１が工作物保持機器３により、保持され回転されるものである。

板厚成形装置２０は、ベローズ１を回転でき、かつ、棒状研磨治具５３をベローズ１の内部に挿入可能であれば、他の構成であってもよい。

第２実施例におけるベローズ１の形状は第１実施例と同じである。

第１実施例では、ベローズ１の平行部１２が、ベローズ１の外側から削られているのに対して、第２実施例では、ベローズ１の内面側から削る構成となっている。

ベローズ１の内面を研磨すると、流体が流れる面の性状を整えられる効果も発揮することができる。図４の（Ｂ）に示すように、棒状研磨治具５３は、棒状の中央部材５５と、この中央部材５５の長手方向に対して垂直方向に延び、先端部に研磨バフ５１ｃを有する複数の棒状部材５４とを備えている。棒状部材５４の一端部は、固定装置５７により固定される。

棒状研磨治具５３は、ベローズ１の内部に挿入され、ベローズ１の山部１０内に内側から、バフ５１ｃを挿しこみ、ベローズ１を回転させることでベローズ平行部１２を研磨する。

図４の（Ｂ）のＡ−Ａに沿った断面を示す図４の（Ａ）のように、棒状部材５４の先端部のバフ５１ｃは楕円形状となっており、棒状部材５４をこの棒状部材５４の軸周りに回転させることで研磨バフ５１ｃの研磨部位に接触する力を変化させることができる。

なお、研磨バフ５１ｃの形状については偏心円、マユ型など、別の形状でも良い。

また、ベローズ１を回転させるのではなく、棒状研磨冶具５３の中央部材５５を回転させることで、バフ５１ｃを回転させてベローズ平行部１２を研磨するように構成することも可能である。この場合、固定装置５７により棒状部材５４が回転される。

ここで、研削するベローズ１が厚板の場合には、研削加工は容易であるが、薄板の場合では押しつけ力が不足して上手く研磨できないことが想定される。

そこで、図５の（Ｂ）に示すように、ベローズ１の外側にベローズ１を構成する金属よりも低融点で融解する樹脂、例えばパラフィンで構成される研磨冶具裏あて５２を充填する。そして、研磨治具裏あて５２を充填した状態で研削加工を行う。図５の（Ａ）は、図５のＡ−Ａに沿った断面を示す。

研磨治具裏あて５２を充填すれば、ベローズ１が薄板の場合であっても、容易にベローズ平行部１２を所定の板厚に加工することができる。ベローズ１の研削加工終了後に、ベローズ１は、工作物保持機器３から取り外される。そして、研磨冶具裏あて５２はベローズ１からを除去される。研磨治具裏あて５２は、研磨治具裏あて５２をヒートガンにより溶融して除去することが可能である。

また、通常、ベローズは、完成品の出荷前に、残留歪を除去するため、熱処理が施される。そこで、出荷前の熱処理により、同時に研磨治具裏あて５２を除去することも可能である。

なお、充填する研磨冶具裏あて５２は融点の低い金属でも良い。

また、図５に示すような研削方法の場合、バフ５１ｃが、ベローズ１の半径方向の一方向に力が加えられるため、力が加えられた方向にベローズ１が変位することが考えられる。

そこで、図６、図７に示すように、ベローズ１の半径方向断面において、棒状中央部材５５から、ベローズ１の半径方向に放射状に延びる複数の棒状部材５４を形成する。複数の棒状部材５４は、ベローズ１の周方向にほぼ等間隔に配置すると良い。

これにより、互いに対向する位置に存在するバフ５１ｃは、研磨の反力を打ち消しあう。これにより、ベローズ１が変位することが抑制されるため、大きな力で研磨可能となる。なお、図７は、図６のＡ−Ａに沿った断面図である。

以上のように、本発明の第２実施例によれば、第１実施例と同様な効果が得られる他、研磨治具裏あて５２を充填した状態で研削加工を行う場合は、ベローズ１が薄板のときであっても、容易にベローズ平行部１２を所定の板厚に加工することができる。

さらに、棒状中央部材５５から、ベローズ１の半径方向に放射状に延びる複数の棒状部材５４を形成すれば、ベローズ１が変位することが抑制されるため、大きな力で研磨可能となる。

なお、第１実施例においても、研磨治具裏あて５２を適用することができる。ただし、第１実施例においては、ベローズ１の内部側に研磨治具裏あて５２を充填することとなる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１・・・ベローズ、２・・・ベローズ端部口金、３・・・工作物保持機器、４・・・回転装置、１０・・・ベローズ山部、１１・・・ベローズ谷部、１２・・・ベローズ平行部、２０・・・板厚成形装置（ベローズ成形装置）、５０・・・板状研磨冶具、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ・・・研磨バフ、５２・・・研磨冶具裏あて、５３・・・棒状研磨冶具、５４・・・棒状部材、５５・・・中央部材、５６ａ、５６ｂ・・・棒状支持部材、５７・・・固定装置、５０１、５０２・・・板部材

Claims (13)

1. 略半円状の山部と、
   略半円状の谷部と、
   上記山部の一方端と上記谷部の一方端とに接続された平行部と、
   を備え、上記山部、上記谷部及び上記平行部のそれぞれを複数有する配管形状であり、上記平行部の厚み寸法は、上記山部の厚み寸法及び上記谷部の厚み寸法より未満であることを特徴とする金属製の成形ベローズ。
2. 請求項１に記載の成形ベローズにおいて、
   上記成形ベローズの上記平行部は、加工により研削されて、上記山部の厚み寸法及び上記谷部の厚み寸法より未満とされることを特徴とする金属製の成形ベローズ。
3. 請求項２に記載の成形ベローズにおいて、
   加工により研削される上記平行部の目標厚み寸法は、加工前のベローズの原質量、加工前のベローズの原固有振動数、上記ベローズの材質密度、上記ベローズの山部の高さ寸法、上記山部と上記山部との距離であるピッチ、上記山部及び上記谷部の厚み寸法、加工後の上記ベローズの目標質量、及び上記ベローズの目標固有振動数に基づいて算出されることを特徴とする金属製の成形ベローズ。
4. 略半円状の山部と、略半円状の谷部と、上記山部の一方端と上記谷部の一方端とに接続された平行部とのそれぞれを複数有する配管形状のベローズの上記平行部を研削し、上記平行部の厚み寸法を、上記山部の厚み寸法及び上記谷部の厚み寸法より未満とすることを特徴とする金属製のベローズの成形方法。
5. 請求項４に記載の成形ベローズにおいて、
   加工前のベローズの原質量、加工前のベローズの原固有振動数、上記ベローズの材質密度、上記ベローズの山部の高さ寸法、上記山部と上記山部との距離であるピッチ、上記山部及び上記谷部の厚み寸法、加工後の上記ベローズの目標質量、及び上記ベローズの目標固有振動数に基づいて、加工により研削される上記平行部の目標厚み寸法を算出し、
   算出した上記目標厚み寸法となるように、上記平行部を研削することを特徴とする金属製のベローズの成形方法。
6. 請求項５に記載の成形ベローズにおいて、
   上記ベローズを工作物保持機器に固定し、
   上記工作物保持機器に固定した上記ベローズの外側から、上記谷部に研磨治具を挿入し、
   上記工作物保持機器を回転装置により回転させることにより、上記ベローズを回転し、
   上記研磨治具により上記ベローズの平行部を研削することを特徴とする金属製のベローズの成形方法。
7. 請求項５に記載の成形ベローズにおいて、
   上記ベローズを工作物保持機器に固定し、
   上記工作物保持機器に固定した上記ベローズの上記山部の内側に研磨治具を挿入し、
   上記工作物保持機器を回転装置により回転させることにより、上記ベローズを回転し、
   上記研磨治具により上記ベローズの平行部を研削することを特徴とする金属製のベローズの成形方法。
8. 請求項５に記載の成形ベローズにおいて、
   上記ベローズを工作物保持機器に固定し、
   上記工作物保持機器に固定されたベローズの内側に樹脂を充填し、
   上記工作物保持機器に固定した上記ベローズの外側から、上記谷部に研磨治具を挿入し、
   上記工作物保持機器を回転装置により回転させることにより、上記ベローズを回転し、
   上記研磨治具により上記ベローズの平行部を研削し、
   上記ベローズに充填された上記樹脂を上記ベローズから除去することを特徴とする金属製のベローズの成形方法。
9. 請求項５に記載の成形ベローズにおいて、
   上記ベローズを工作物保持機器に固定し、
   上記工作物保持機器に固定されたベローズの外側から、上記谷部に樹脂を充填し、
   上記工作物保持機器に固定した上記ベローズの上記山部の内側に研磨治具を挿入し、
   上記工作物保持機器を回転装置により回転させることにより、上記ベローズを回転し、
   上記研磨治具により上記ベローズの平行部を研削し、
   上記ベローズに充填された上記樹脂を上記ベローズから除去することを特徴とする金属製のベローズの成形方法。
10. 略半円状の山部と、略半円状の谷部と、上記山部の一方端と上記谷部の一方端とに接続された平行部とのそれぞれを複数有する配管形状のベローズを固定する工作物保持機器と、
    研磨部を有する研磨治具と、
    上記工作物保持機器を回転する回転装置と、
    を備え、上記回転装置により上記工作物保持機器は回転されることにより、上記ベローズが回転され、上記平行部が上記研磨部により研磨されて研削されることを特徴とする金属製のベローズ成形装置。
11. 請求項１０に記載のベローズ成形装置において、
    上記研磨部は、上記ベローズの外側から上記谷部に挿入され、上記平行部が研削されることを特徴とする金属製のベローズ成形装置。
12. 請求項１０に記載のベローズ成形装置において、
    上記研磨部は、上記ベローズの上記山部の内側に挿入されて、上記平行部が研削されることを特徴とする金属製のベローズ成形装置。
13. 請求項１１または１２に記載のベローズ成形装置において、
    上記平行部の厚さ寸法を測定する板厚測定装置を、さらに備えることを特徴とする金属製のベローズ成形装置。

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