JP2017522496A - 流動案内コンポーネント - Google Patents

Abstract

本発明は流動案内コンポーネントを記載するものであり、該コンポーネントでは個々の領域の間の移行部が切欠きを施され、該切欠きの負荷スペクトルを計算により判定可能であり、外部からアクセスが困難である、および／または直接にはまったくアクセスできない切欠きが、その機械的な負荷に応じて幾何学的に成形されている。

Description

本発明は、機械的な負荷を特別に考慮した流動案内コンポーネントの幾何学構成に関するものであり、該コンポーネントでは個々の領域の間の移行部が切欠きを施され、切欠きの負荷スペクトルを計算により判定可能であり、ならびに、本発明はこのようなコンポーネントの製造に関する。

流動案内コンポーネントはさまざまな実施形態のものが知られている。使用条件に応じて、すなわち作業圧力、送出媒体、媒体温度などに応じて、専用の材料からコンポーネントが製作される。ハウジングの静的構造も同じく利用分野に強く依存する。

特別に負荷のかかる領域、および特に異なる領域間の移行部では、耐用期間の短縮につながる特別な機械的応力が生成されることがある。切欠きの好ましい構成によって応力を大幅に低減することができるが、このことは、工具による移行領域の加工を必要とする。

特許文献１は、ポンプまたはタービンの羽根車の構成と製造を示していて、切欠きの構成に特別に注意が払われている。この羽根車は複数の層で溶接されて、応力が直接的に抑制される。この方式は製造時に、相応の工具によって切欠きにアクセスすることを必要とする。

鋳造技術も接合技術も、流動案内コンポーネントについてはただちに限界に達する。部分的に切欠きが外部からアクセスするのが困難であり、および／または直接にはまったくアクセスできないからである。このことは、コンポーネントのジオメトリーの構成にあたって著しい制約につながる。

欧州特許出願公開第１７８５５９０Ａ１号明細書

本発明の課題は、特に切欠きの領域での、流動案内コンポーネントの移行個所における機械的な負荷について、簡単かつ低コストに製作可能である幾何学的な構成を見出して適用することにある。

その解決法は、切欠きの負荷スペクトルを計算により判定し、切欠きをその機械的な負荷に応じて、特に外部からアクセスが困難なところで、および／または直接にはまったくアクセスできないところで、幾何学的に成形することを意図する。

このとき、たとえば遠心ポンプの羽根車であってよい流動案内部品を、従来の設定事項から解放して構成することができる利点がある。鋳造技術および／または接合技術による制約を、コンポーネントの構成にあたって考慮しなくてよい。機械的および液圧的な特性だけに意義があるからである。このような従来の構成原理からの解放は、全面的に新規の羽根車の構成を可能にする。

別の実施形態では、流動案内コンポーネントにおいて切欠きは、第１の領域Ａから第２の領域Ｂへのコンポーネントにおける移行部が角度αをなし、角度αの角の二等分線が判定され、この角の二等分線に沿って点Ｐが決定され、角度αを形成する辺（Ａ，Ｂ）のうち一方から点Ｐを通って垂線がそれぞれ下ろされ、点Ｐを通ってそれぞれの垂線に直線が４５°の角度で引かれ、この直線とそれぞれの辺（Ａ，Ｂ）との交点によってそれぞれ線分（Ｓ，Ｓ’）が規定され、該線分のそれぞれの中心が点Ｑ，Ｑ’を規定し、点Ｑ，Ｑ’にそれぞれ直線が２２．５°の角度で線分Ｓ，Ｓ’に引かれ、該直線が辺（Ａ，Ｂ）と点Ｒ，Ｒ’で交わり、この構成の包絡線Ｅ，Ｅ’が切欠きの幾何学構成を設定するように製作される。

このように簡素な構成手法は、コンポーネントでの機械的負荷を方向依存的に細分化して考慮したジオメトリーを求めることを非常に容易に可能にする。作用する力が、送出される媒体の作用のもとで、および意図される作業条件のもとで分析され、最小値と最大値が判定される。これらの値に応じて、機械的な安定性に関わる羽根車の必要性が判定される。この計算方法が幾何学的な構成を設定し、それに伴って材料使用量や工作物加工をも設定する。

１つの好ましい実施形態では、流動案内コンポーネントはジェネレーティブ方式によって製造され、特に金属粉末がたとえばレーザビーム溶融や電子ビーム溶融のようなビーム溶融法によりコンポーネントをなすように結合される。このことは、羽根車を非常に容易に、かつそれにもかかわらず非常に安定的に製造可能であるという利点がある。上述した方法は、流体密閉式のコンポーネントの製造について、高水準の詳細度を実現することを可能にする。このコンポーネントに、このような方法でさらに追加的に特別な表面構造を刻印することができ、たとえば、機械的および液圧的な特性を追加的に改善するサメ肌を刻印することができる。

別の好ましい実施形態では、流動案内コンポーネントにおいて少なくとも１つの切欠きがコンポーネントの内部に配置され、特に中空スペースまたはアンダーカットに配置される。このことは、機械的な後加工にとってアクセス可能ではない個所が、コンポーネントの幾何学な構成にあたって好ましく成形され得るという利点がある。このようなディテールのある構成は、機械的に耐久性の高いコンポーネントの製造を少ない材料使用量で可能にする。

別の実施形態では、流動案内コンポーネントは特に遠心ポンプのポンプコンポーネントである。特に、遠心ポンプの羽根車および／または案内車の幾何学的な構成が好ましい。このような部品は特別に強く機械的負荷を受ける。案内車ブレード／羽根車ブレードとカバーディスクとの間の移行部は、部分的にアクセスが非常に困難である。遠心ポンプ羽根車では、純粋に幾何学的な全体構造に加えて、当然ながら、個々の羽根車ブレードの表面も自由に構成することができ、それにより、羽根車と流体との間の境界層に影響を及ぼすことができる。特にインデューサの場合にも、コンポーネントを中空に製作するのが好適であり、著しい材料節減が可能となる。その場合にコンポーネントは、中空スペース内部の支柱の相応の構成によって、ならびに、上述した構成規則に従って機械的に安定化をする各領域の間の移行部よって、機械的な安定性を維持しなければならない。

別の好ましい実施形態では、コンポーネントは鉄基材料で製作される。このことは、すでに量産体制の整っている工具での簡単かつ低コストの製造を可能にする。鉄基材料は、オーステナイト素材またはマルテンサイト素材またはフェライト素材または二相素材であるのが好ましい。このことは、耐食性のコンポーネントの製造を可能にする。上述した高エネルギービーム法のために必要な粉末の製造も、同じく低コストかつ容易である。このことは、鉄ベース素材が好ましくはねずみ鋳鉄素材または球状黒鉛鋳鉄素材である場合にいっそう明らかとなる。

実施例を参照しながら本発明を詳しく説明する。

流動案内コンポーネントの２つの領域の間に切欠きを構成する本発明の方法を示す図である。 遠心ポンプ羽根車での本発明の構成方法の適用、ならびにジェネレーティブ製造の利点を説明する図である。 遠心ポンプ羽根車での本発明の構成方法の適用、ならびにジェネレーティブ製造の利点を説明する図である。

図１は、コンポーネントの輪郭が第１の領域１から第２の領域２へと不連続的に移行する任意の個所を示していて、これら両方の領域が角度３をなしている。このような不連続個所では著しい応力が発生するが、適切な設計上の幾何学形状により、このような応力に影響を強く明瞭に及ぼすことができる。予定破断個所の場合であれば、閾値負荷が生じたときにコンポーネントを不連続個所で的確に破断させるために、応力を利用することが望まれる。しかしながら多くの場合にはその逆が希望され、不連続個所は印加される力に抗して十分に耐久性があるのがよい。その際には従来、選択された半径を有する面取りによって鋭角を構成する、いわば工学的切欠きが設けられる。

自然界でのさまざまな観察をもとに、簡素に設計されているにもかかわらず不連続個所での力状況を受け止めて、最低限の設計コストと製造コストでコンポーネントの負荷をきわめて大幅に低減することができる切欠きを構成するための手法が開発されている。そのために、角度３によって角の二等分線４が構成される。点５がこの角の二等分線４の上で選択される。この点５を通って、領域１および２に対して垂直に直線６および７を引く。これらの直線６および７に対し、点５で、４５°の角度８のもとで領域１および２と交わる直線を引き、領域２で交点１１が決定される。点５と点１１の間の線分を二等分し、それによって点９を得て、この点で２２．５°の角度１０のもとで直線を引くと、この直線が領域２と点１３で交わる。点９と点１３の間の線分を再び二等分し、それによって点１２が得られ、この点で１２．２°の角度１４のもとで直線を引くと、この直線が領域２と点１５で交わる。このような構成の包絡線は、さまざまな不連続個所を有する輪郭をもたらす。このことは、切削加工にとってはむしろ不都合である。並置された個々の容積部材または材料層によって工作物が作成される、すなわち離散的な単位で作業が行われるジェネレーティブ製造法では、このような種類の構成を工作物で理想的に具体化することができる。

提案される構成は、コンポーネントの対称ではない負荷を前提とする。たとえば交互の左回転／右回転によってコンポーネントが対称に負荷されるときは、同様の仕方により、第１の領域１の方向でこの構成を対称に補足することができる。

図２は、本発明による構成方法および製造方法の一例としての適用例を示している。図２ａには、たとえば遠心ポンプなどで使用される羽根車１６が示されている。羽根車１６は、ハブ領域１７とカバーディスク２０とを有している。その他の詳細は図２ｂに見て取ることができる。ここでは羽根車ブレード１８と別のカバーディスクを見ることができる。両方のカバーディスク２０，１９を有するこのような種類の羽根車は閉鎖型の羽根車と呼ばれる。羽根車ブレード１８は、羽根車ハブ１７の領域にもカバーディスク１９および２０の領域にも、図１で説明したものに相当する移行部２１，２２をそれぞれ有している。カバーディスク１９の領域では、カバーディスク１９の面が第１の領域１をなすとともに羽根車１６が第２の領域２をなすというように、移行部２１を表現することができる。両方の領域１および２の間の不連続個所で生じる力は、羽根車のパラメータ、ポンプの液体、および用途から判定することができる。この力を参照した上で、構成されるべき切欠きの点５が決定される。この点を用いて切欠きが構成される。たとえば羽根車１６が３ｄプリント法で製作される場合、羽根車の各々の個所における移行部２１および２２の輪郭をプリント法の解像度の精度で製作することができ、何らかの後加工が必要とされることがない。従来式の切削法ではそのような形状忠実性で製作可能ではないこの特別に好ましい輪郭を、図２からさしあたり直接に見て取ることは可能でないが、後加工用の工具では到達可能でない個所にさえ構成することができる。

提案される構成原理および製造原理は、原理上、離散した要素を用いて作業が行われ、個々のボクセルまたは層が工作物に接合されていくジェネレーティブ３ｄプリント製造法の効果を、非連続的な表面ジオメトリーの最適化の手法と組み合わせたものである。その帰結として、製作物の個々の層を１つの連続する物体をなすように「平滑化」しなければならない、工作物の以後の後加工を省略することができる。

図示した閉鎖型の羽根車での適用は、製造にあたっての利点、および繊細な構成にあたっての材料節減の潜在的可能性をすでに示している。本発明の方法は、部品材料の製造後に外部からまったくアクセス可能でなくなる内部空間で適用できるという特別な利点がある。

１ 第１の領域
２ 第２の領域
３ 角度
４ 角の二等分線
５ 点
６ 直角
７ 直角
８ ４５°の角度
９ 点
１０ ２２．５°の角度
１１ 交点
１２ 点
１３ 点
１４ １２．２５°の角度
１５ 点
１６ 羽根車
１７ 羽根車ハブ
１８ 羽根車ブレード
１９ カバーディスク
２０ カバーディスク
２１ 移行部
２２ 移行部

Claims (10)

1. 個々の領域の間の移行部には、切欠きが設けられ、該切欠きの負荷スペクトルを計算により判定可能である、そのような流動案内コンポーネントにおいて、
   外部からアクセスが困難である、および／または、直接にはまったくアクセスできない切欠きが、その機械的な負荷に応じて幾何学的に成形されていることを特徴とする流動案内コンポーネント。
2. 前記切欠きは、第１の領域（１）から第２の領域（２）への前記コンポーネントにおける移行部が角度（３）をなし、
   角度（３）の角の二等分線が判定され、
   この角の二等分線に沿って点（５）が決定され、
   角度（３）を形成する前記第１及び第２の領域（１，２）のうち一方から点（５）を通って垂線がそれぞれ下ろされ、
   点５を通って該垂線に直線が、４５°の角度（８）で引かれ、
   この直線と前記領域（２）との交点によって線分が規定され、該線分の中心として点（９）が規定され、
   点（９）に直線が２２．５°の角度（１０）で前記線分に引かれ、該直線が前記領域（２）と点（１１）で交わり、
   この構成の包絡線によって、前記切欠きの幾何学構成が設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の流動案内コンポーネント。
3. 特に、金属粉末が、例えばレーザビーム溶融や電子ビーム溶融のようなビーム溶融法によりコンポーネントをなすように結合されるジェネレーティブ方式によって、前記コンポーネントが製造されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の流動案内コンポーネント。
4. 少なくとも１つの切欠きが前記コンポーネントの内部に配置され、特に中空スペースまたはアンダーカットに配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の流動案内コンポーネント。
5. 前記コンポーネントは、特に遠心ポンプのポンプコンポーネントであることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の流動案内コンポーネント。
6. 前記コンポーネントは、遠心ポンプ羽根車であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項項に記載の流動案内コンポーネント。
7. 前記コンポーネントは、インデューサであることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の流動案内コンポーネント。
8. 前記コンポーネントは、鉄基材料により形成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の流動案内コンポーネント。
9. 前記鉄基材料は、オーステナイト素材またはマルテンサイト素材またはフェライト素材または二相素材であることを特徴とする、請求項８に記載の流動案内コンポーネント。
10. 前記鉄基材料は、ねずみ鋳鉄素材または球状黒鉛鋳鉄素材であることを特徴とする、請求項８に記載の流動案内コンポーネント。

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