JP2018162720A - インペラ、及び、回転機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】第一セグメントと第二セグメントに適用される材料の選択肢を広げることのできるインペラを提供すること。
【解決手段】本発明のインペラ1は、軸線Oの回りに回転する回転軸101に固定されるディスク部30と、ディスク部30に対向配置されるカバー部50と、ディスク部30とカバー部50との間に設けられる複数のブレード部40と、を備える。インペラ1は、ディスク部30の軸線Oの一方側の部位である第一ディスク部31からなる第一セグメントSG1と、ディスク部30の軸線Oの他方側の部位である第二ディスク部35と、カバー部50と、ブレード部40が一体的に構成される第二セグメントSG2と、第一セグメントSG1と第二セグメントSG2を接着剤により接合する接合層BLと、を備えることを特徴とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、回転機械に用いられるインペラに関するものである。
例えば、産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどの回転機械は、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えている。この回転機械は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与える。
インペラとしては、ブレードにカバーを一体的に取り付けたいわゆるクローズドインペラが知られている。このクローズドインペラにおいては、複数の部材を接合して組み立てたものがある。このような接合構造を有するインペラは、流路形状の品質が低いために、インペラの性能が低下する傾向にある。この課題に対して、インペラを1ピース化することが特許文献1に提案されている。
特許文献1は、ディスク部と、ブレード部と、カバー部と、を備えるインペラにおいて、ディスク部は、ブレード部の径方向の内側で、軸線に直交する分割面により二分割された第一部材(第一セグメント)と第二部材(第二セグメント)とを備え、第一セグメントと第二セグメントとを分割面で接合することを提案する。
特許文献1の提案によれば、流路形状の品質を向上することができるとともに、回転軸に対してインペラを容易に着脱できる、とされている。
特開2015−101967号公報
特許文献1は、分割面において第一セグメントと第二セグメントを、ろう付け、又は、摩擦撹拌接合(Friction Stir Welding)により接合することとしている。この接合方法は、特許文献1における第一セグメントと第二セグメントが金属材料で構成されることを前提とする。つまり、特許文献1は、第一セグメントと第二セグメントに適用される材料の選択肢が限られる。
以上より、本発明は、第一セグメントと第二セグメントに適用される材料の選択肢を広げることのできるインペラ及び回転機械を提供することを目的とする。
本発明のインペラは、軸線の回りに回転する回転軸に固定されるディスク部と、ディスク部に対向配置されるカバー部と、ディスク部とカバー部との間に設けられる複数のブレード部と、を備える。
本発明におけるインペラは、ディスク部の軸線の一方側の部位である第一ディスク部から構成される第一セグメントと、ディスク部の軸線の他方側の部位である第二ディスク部と、カバー部と、ブレード部が一体的に構成される第二セグメントと、第一セグメントの第一ディスク部と第二セグメントの第二ディスク部とを接着剤により接合する接合層と、を備えることを特徴とする。
本発明におけるインペラは、第一セグメントの第一ディスク部と第二セグメントの第二ディスク部との接合を接着剤により行うので、第一セグメントと第二セグメントの材料の選択肢が、金属材料に限らず、繊維強化樹脂に広がる。つまり、本発明のインペラは、第一セグメントを、金属材料又は繊維強化樹脂から構成し、第二セグメントを、金属材料又は繊維強化樹脂から構成できる。
具体的な材料の選択肢として、本発明のインペラは、第一セグメントを金属材料から構成し、第二セグメントを繊維強化樹脂から構成できる。
また、本発明のインペラは、第一セグメント、及び、第二セグメントの両方を繊維強化樹脂から構成できる。
さらに、本発明のインペラは、第一セグメント、及び、第二セグメントの両方を金属材料から構成できる。
本発明のインペラは、第一セグメントの第一ディスク部を介して回転軸に固定することができる。
第一セグメントが金属材料からなる場合には、第一セグメントを回転軸に締め代を有して嵌合できる。
第一セグメントが繊維強化樹脂からなる場合には、第一セグメントを回転軸に接着剤を介して嵌合できる。
本発明のインペラにおいて、第一セグメント及び第二セグメントが金属材料からなる場合には、接合層が設けられる面に金属塩からなる被膜を設けることが好ましい。
また、本発明のインペラにおいて、第一セグメントの第一ディスク部と第二セグメントの第二ディスク部の間に機械的な嵌合構造を設けることが好ましい。
本発明は、以上説明したインペラを備える回転機械をも提供する。
本発明のインペラによれば、第一セグメントと第二セグメントとを接着剤層を介して接合することにしたので、金属材料に限定されることなく第一セグメントと第二セグメントを構成する材料を選択できる。このように本発明によれば材料の選択肢が広がるので、第一セグメント又は第二セグメントに、例えば金属材料に比べて軽量な繊維強化樹脂をできるので、全体を金属材料で作製するのに比べてインペラを軽量化できる、といった効果をもたらす。
本発明の第1実施形態における遠心圧縮機の断面図である。 第1実施形態におけるインペラを示す斜視図である。 第1実施形態におけるインペラを示す半断面図である。 第1実施形態におけるインペラの製造手順を示す断面図である。 第1実施形態におけるインペラの製造手順を示すフローチャートである。 第2実施形態におけるインペラを示す断面図である。 第2実施形態におけるインペラの製造手順を示す断面図である。 第2実施形態におけるインペラの製造手順を示すフローチャートである。 第1実施形態及び第2実施形態の変形例に係るインペラを示す断面図である。
〔第1実施形態〕
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第1実施形態にかかる回転機械について、遠心圧縮機100を例にして説明する。
[遠心圧縮機100の構成]
図1に示すように、第1実施形態に係る遠心圧縮機100は、ケーシング102と、ケーシング102にジャーナル軸受103及びスラスト軸受104を介して軸支される回転軸101と、を備えている。回転軸101は、軸線O回りに回転可能に支持されており、回転軸101には、軸線Oの方向に複数のインペラ1が並んで取り付けられている。
図2に示すように、インペラ1は、その軸線Oの方向の一方側に開口された吸込口3より吸入されたガスGを、インペラ1の内部に形成された流路105を通る間に圧縮して、排出口4から径方向の外側に向かって排出するように構成されている。
各インペラ1は、回転軸101の回転による遠心力を利用してケーシング102に形成された上流側の流路105から供給されるガスGを下流側の流路105へと段階的に圧縮して流す。
図1に示すように、ケーシング102には、回転軸101の軸線Oの方向の前方側(F)に、外部からガスGを流入させるための吸込口106が形成されている。また、ケーシング102には、軸線Oの方向の後方側(R)に、外部へガスGを流出させるための排出口107が形成されている。
遠心圧縮機100によれば、回転軸101が回転すると、吸込口106からガスGが流路105に流入して、このガスGがインペラ1によって段階的に圧縮されて排出口107から排出される。図1においては、回転軸101にインペラ1が直列に6個設けられた一例を示しているが、回転軸101に対して少なくとも1個のインペラ1が設けられていればよい。なお、以下の説明では、説明を簡単化するため、回転軸101にインペラ1が1つだけ設けられている場合を一例にして説明する。
[インペラ1の構成]
図2、図3に示すように、インペラ1は、ディスク部30と、ブレード部40と、カバー部50と、を備えている。
ディスク部30は、径方向の外側から嵌合されることで回転軸101に取り付けられている。ディスク部30は、図3に示すように、軸線Oに直交する接合層BLにより軸線Oの方向に二分割された第一ディスク部31と第二ディスク部35とを備えている。第一ディスク部31と第二ディスク部35とは、接合層BLで接合されている。
第一ディスク部31は、軸線Oを中心とした略円筒状をなしている。第一ディスク部31は、軸線Oの前方側(F)の前端部33の側に、回転軸101に締め代をもって嵌合されるグリップ部Aを備えている。ここで、グリップ部Aにおいて第一ディスク部31を回転軸101に締め代をもって嵌合させるには、冷やし嵌めや、焼き嵌めを適用できる。この実施形態におけるインペラ1は、グリップ部Aのみで回転軸101に固定されている。
第一ディスク部31は、軸線Oの後方側(R)に向かって漸次拡径する外周面34を備えている。この外周面34は、軸線Oを含む断面において、外側に向かって凹状の曲面となっている。
第一ディスク部31は、軸線Oの後方側(R)の後端面32が接着剤による接合層BLを介して第二ディスク部35に接合されている。
第二ディスク部35は、軸線Oの方向で前端部33の側とは反対側となる後端部36の側から径方向の外側に向かって延びる円盤状に形成されている。
第二ディスク部35は、その前端面37の内径側領域38が、第一ディスク部31の後端面32接合層BLを介して接合されている。これら後端面32と前端面37の内径側領域38とは、軸線Oに直交する接合層BLを構成している。
接合層BLには、エポキシ樹脂系接着剤、嫌気性強力封着剤などが適用される。なお、インペラ1は一例として200℃程度の温度にさらされるとすると、適用される接着剤は200℃における耐熱性を備えている必要がある。
ブレード部40は、図2に示すように、ディスク部30の周方向に所定間隔をあけて複数配列されている。
ブレード部40は、図3に示すように、略一定の板厚で形成されてディスク部30の前端面37から軸線Oの方向の前方側(F)に向かって突出して形成されている。また、ブレード部40は、側面視で径方向の外側に向かってやや先細り形状とされている。
図2に示すように、各ブレード部40は、軸線Oの方向から見て、ディスク部30の径方向の外側に向かうにつれてインペラ1の回転方向Rの後側に向かうように形成されている。また、各ブレード部40は、軸線Oの方向から見て回転方向Rの後側に向かって凹状に湾曲して形成されている。ここでは、ブレード部40が軸線Oの方向から見て湾曲して形成される一例について説明したが、ブレード部40は、径方向の外側ほど回転方向Rの後方側に延在されていればよく、例えばブレード部40を軸線Oの方向から見て直線的に形成してもよい。
カバー部50は、図3に示すように、ディスク部30と対向して配置され、軸線Oの方向における前端部33の側からブレード部40を覆っている。
カバー部50は、軸線Oの方向における後端面52がブレード部40の前側縁41に一体的に形成されている。カバー部50の厚さ寸法は、ディスク部30の厚さ寸法と同様に、径方向の外側の厚さ寸法がやや薄い板状に形成されている。このカバー部50は、ブレード部40の内側端42の位置において軸線Oの方向における前側に向かって屈曲された屈曲部51を有している。
以上のように構成されたインペラ1は、ブレード部40の径方向の内側に、接合層BLが配置されている。また、第一ディスク部31の前端部33は、屈曲部51の前端縁53よりも軸線Oの方向の前方側(F)に突出して配置されている。さらに、インペラ1は、第一ディスク部31の外周面34、第二ディスク部35の前端面37、ブレード部40の側面43、及び、カバー部50の後端面52によってガスGが流れる流路105が形成されている。
インペラ1は、第一セグメントSG1がディスク部30の軸線Oの一方側の部位である第一ディスク部31から構成される。また、インペラ1は、第二セグメントSG2は、ディスク部30の軸線Oの他方側の部位である第二ディスク部35と、ブレード部40と、カバー部50と、から構成される。
第1実施形態のインペラ1は、第一セグメントSG1が金属材料、例えば析出硬化型ステンレス鋼により構成されるが、第二セグメントSG2は繊維強化樹脂(Fiber Reinforced Plastics:FRP)から構成される。強化繊維としては、例えば炭素繊維やガラス繊維などが用いられ、特に炭素繊維を強化繊維とするCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)は、その他のFRPと比べて強度と弾性率が高く、かつ耐食性に優れる。
[インペラ1の製造方法]
次に、上述したインペラ1の製造方法について図4及び図5を参照しながら説明する。
まず、第一セグメントSG1を、鋳造や切削等により作製する(図4(a),図5 ステップS101)。
また、第二ディスク部35、ブレード部40及びカバー部50が一体となった第二セグメントSG2を作製する(図4(a),図5 ステップS103)。繊維強化樹脂からなる第二セグメントSG2は、射出成形により一体的に作製される。
なお、ここでは便宜上第一セグメントSG1、第二セグメントSG2の順で作製することにしているが、この作製順は逆であってもよい。
次に、第一セグメントSG1(第一ディスク部31)を回転軸101に嵌合しかつ固定する(図4(b),図5 ステップS105)。この嵌合は、焼嵌めにより行うことができる。焼嵌めは、第一セグメントSG1を加熱することで径方向に熱膨張させてから回転軸101に嵌合する。第一セグメントSG1が室温まで冷却されると、第一セグメントSG1と回転軸101は締め代をもって嵌合される。
次に、回転軸101に嵌合された第一セグメントSG1(第一ディスク部31)の後端面32と、別途作製された第二セグメントSG2(第二ディスク部35)の前端面37(内径側領域38)と、に接着剤Bを塗布する(図4(b),図5 ステップS107)。なお、接着剤Bの塗布は、後端面32と前端面37の何れか一方であってもよい。
後端面32と前端面37に接着剤を塗布した後に、第二セグメントSG2を回転軸101に嵌合してから、第一セグメントSG1の後端面32と前端面37が突き当たるまで押し込む。接着剤が硬化するまで、後端面32と前端面37の間に荷重を加えて保持すれば、第一セグメントSG1と第二セグメントSG2の接合が完了する(図4(c),図5 ステップS109)。
[第1実施形態の効果]
以上説明したように、インペラ1によれば、第一セグメントSG1と第二セグメントSG2を接着剤で接合することにしたので第二セグメントSG2に適用される材料の選択の幅が広がり、第二セグメントSG2を金属材料に比べて軽量な繊維強化樹脂で作製できる。したがって、全体を金属材料で作製するのに比べてインペラ1の軽量化が実現されるので、本実施形態によれば高効率な遠心圧縮機100が得られる。
また、インペラ1は、第一セグメントSG1である第一ディスク部31が金属材料であるから、締め代をもって嵌合させる例えば焼き嵌めするだけで、必要な強度で回転軸101に嵌合できる。したがって、インペラ1によれば、例えばキー及びキー溝のような機械的な嵌合構造を設ける必要がないので、インペラ1の製造が容易である。
また、第一セグメントSG1と第二セグメントSG2の接着剤による接合層BLは、大気中において接着剤が塗布された後端面32と前端面37を貼り合わせてその状態を維持すればよい。したがって、第1実施形態によれば、ろう付けのように真空中で温度が制御された熱処理炉を用いるのに比べて、接合作業が容易である。
また、ろう付けの場合、インペラを熱処理炉に投入してからろう付けが完了するまでの作業が複数日を要するのに比べて、接着剤で接合するには塗布から硬化まで1日で足りる。したがって、本実施形態によれば、インペラ1を短時間で製造できる。
また、接着剤による接合は、加熱を伴うことなく常温で作業を行うことができるので、インペラ1は熱が加わることによる変形が生じない。したがって、本実施形態によれば、形状及び寸法の精度が高いインペラ1を得ることができる。
加えて、接着剤による接合は大気中で行うことができるので、硬化する前であれば接合状態の微修正を行うことができるので、本実施形態によるインペラ1は、より形状及び寸法の精度が高い。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態に係るインペラ2は、第二セグメントSG2に加えて第一セグメントSG1を構成する第一ディスク部31も繊維強化樹脂から構成される点で第1実施形態のインペラ1と異なる。以下、図6を参照して、インペラ2をインペラ1との相違点を中心にして説明する。なお、インペラ1と同様の構成・要素については、図6にインペラ1と同じ符号を付している。
インペラ2は、繊維強化樹脂からなる第一ディスク部31が回転軸101に接着剤により固定される。接着剤による固定強度を補完するために、インペラ2は、回転軸101と第一ディスク部31のそれぞれにキー溝S1,S2を設けるとともに、キー溝S1,S2にキーKを挿入する。キー溝S1,S2及びキーKは、例えばグリップ部Aに相当する部位に設けることができる。キー溝S1,S2及びキーKが設けられる以外の回転軸101と第一ディスク部31の間は、接着剤Bにより接合される。
インペラ2は、第一ディスク部31がグリップ部Aの部分で回転軸101と接着剤により接合される。接着剤により回転軸101に固定された第一ディスク部31からなる第一セグメントSG1に、接合層BLを介して第二セグメントSG2を接合する。この接合は、第1実施形態のインペラ1と同様である。
[インペラ2の製造方法]
次に、インペラ2の製造方法について図7及び図8を参照しながら説明する。
まず、第一セグメントSG1をなす第一ディスク部31を、繊維強化樹脂を用いて射出成形により作製する(図8 ステップS201)。ただし、第一ディスク部31の内周にキー溝S2を形成しておく。
また、第二ディスク部35、ブレード部40及びカバー部50が一体となった第二セグメントSG2を、繊維強化樹脂を用いて射出成形により一体的に作製する(図8 ステップS203)。
次に、第一セグメントSG1(第一ディスク部31)を回転軸101に嵌合する(図7(a),図8 ステップS205)。
回転軸101には予めキー溝S1が形成され、かつ、このキー溝S1にはキーKが挿入されている。また、グリップ部Aに対応する第一ディスク部31の外周面には接着剤Bが塗布されている。
第一セグメントSG1は、キーKにキー溝S2が挿入されるように回転軸101に嵌合され、キーKがキー溝S2の奥(図中の右側)に突き当たるまで押し込まれると、第一ディスク部31と回転軸101の嵌合作業が終わる。
なお、キーKは回転軸101のキー溝S1に接着剤で予め固定することができる。
また、第一ディスク部31と回転軸101の接着剤による固定は、接合強度が許されるのであれば、キー溝S1,S2とキーKの部分だけで行うこともできる。
以降の第一セグメントSG1(第一ディスク部31)と第二セグメントSG2(第二ディスク部35)の接着剤による接合は、第1実施形態と同様である(図7(c),図8 ステップS207,ステップS209)。
[第2実施形態の効果]
第2実施形態によるインペラ2は、繊維強化樹脂からなる第一セグメントSG1(第一ディスク部31)を用いる。したがって、第2実施形態によれば、よりインペラ2の軽量化が実現されるので、高効率な遠心圧縮機100が得られる。
また、第2実施形態は、第一セグメントSG1及び第二セグメントSG2を回転軸101に接合するのに加熱する必要がないので、第1実施形態に比べて接合作業が容易である。
また、第一ディスク部31を回転軸101に例えば焼き嵌めするのに比べて、接着剤を介して第一ディスク部31と回転軸101を接合するのに要する時間が短くて済む。したがって、第2実施形態によれば、インペラ2を第1実施形態よりも短時間で製造できる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上記以外にも、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したりすることが可能である。
第1実施形態及び第2実施形態は、第一セグメントSG1及び第二セグメントSG2の少なくとも一方を繊維強化樹脂で作製したが、本発明はこれに限定されず、第一セグメントSG1及び第二セグメントSG2の両方を金属材料で作製することもできる。つまり、本発明は、第一セグメントSG1を金属材料又は繊維強化樹脂から構成し、第二セグメントSG2を金属材料又は繊維強化樹脂から構成する選択肢を有する。
本発明は、第一セグメントSG1と第二セグメントSG2の接合層BLを介する接合の強度を高めるための手段を適用できる。
例えば、第一セグメントSG1、第二セグメントSG2が鉄系の金属材料の場合には、接着剤が塗布される後端面32、前端面37にリン酸塩処理を施すことができる。リン酸塩処理により金属表面にリン酸亜鉛などの金属塩のミクロンオーダーの薄い皮膜が形成されるが、この被膜が柱状の形態を有するために表面が粗化し、これにより接着剤の接合強度が増す。
リン酸塩処理としては、リン酸亜鉛処理、リン酸カルシウム処理及びリン酸鉄処理が知られているが、常温でも処理できるリン酸亜鉛処理が好ましい。
また、第一セグメントSG1の第一ディスク部31と第二セグメントSG2の第二ディスク部35の接合強度を高めるために、第一ディスク部31と第二ディスク部35の間に、機械的な嵌合の構造を設けることもできる。
この嵌合構造39は、例えば、図9(a),(b)に示すように、第一ディスク部31の後端面32に設けられる凹部39Aと第二ディスク部35の前端面37に設けられる凸部39Bとから構成される。凸部39Bは凹部39Aに挿入されることで、嵌合構造39を構成する。
嵌合構造39は、第一ディスク部31及び第二ディスク部35の周方向に90°の間隔を隔てて四カ所に設けられる。
また、本実施形態のインペラ1,2は、第一ディスク部31と第二ディスク部35の境界面が軸線Oに直交する方向に沿っているが、本発明はこれに限らず、当該境界面が軸線Oに対して傾いていてもよい。
1,2 インペラ
3 吸込口
4 排出口
30 ディスク部
31 第一ディスク部
32 後端面
33 前端部
34 外周面
35 第二ディスク部
36 後端部
37 前端面
38 内径側領域
39 嵌合構造
39A 凹部
39B 凸部
40 ブレード部
41 前側縁
42 内側端
43 側面
50 カバー部
51 屈曲部
52 後端面
53 前端縁
100 遠心圧縮機
101 回転軸
102 ケーシング
103 ジャーナル軸受
104 スラスト軸受
105 流路
106 吸込口
107 排出口
A グリップ部
B 接着剤
BL 接合層
K キー
S1,S2 キー溝
SG1 第一セグメント
SG2 第二セグメント
O 軸線
R 回転方向
G ガス

Claims (11)

  1. 軸線の回りに回転する回転軸に固定されるディスク部と、
    前記ディスク部に対向配置されるカバー部と、
    前記ディスク部と前記カバー部との間に設けられる複数のブレード部と、を備えるインペラであって、
    前記ディスク部の前記軸線の一方側の部位である第一ディスク部から構成される第一セグメントと、
    前記ディスク部の前記軸線の他方側の部位である第二ディスク部と、前記カバー部と、前記ブレード部が一体的に構成される第二セグメントと、
    前記第一セグメントの前記第一ディスク部と前記第二セグメントの第二ディスク部を接着剤により接合する接合層と、
    を備えることを特徴とするインペラ。
  2. 前記第一セグメントが、金属材料又は繊維強化樹脂からなり、
    前記第二セグメントが、金属材料又は繊維強化樹脂からなる、
    請求項1に記載のインペラ。
  3. 前記第一セグメントが金属材料からなり、前記第二セグメントが繊維強化樹脂からなる、
    請求項1に記載のインペラ。
  4. 前記第一セグメント、及び、前記第二セグメントの両方が繊維強化樹脂からなる、
    請求項1に記載のインペラ。
  5. 前記第一セグメント、及び、前記第二セグメントの両方が金属材料からなる、
    請求項1に記載のインペラ。
  6. 前記第一セグメントの前記第一ディスク部を介して前記回転軸に固定される、
    請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のインペラ。
  7. 前記第一セグメントは、金属材料からなり、前記回転軸に締め代を有して嵌合される、
    請求項6に記載のインペラ。
  8. 前記第一セグメントは、繊維強化樹脂からなり、接着剤を介して前記回転軸に嵌合される、
    請求項6に記載のインペラ。
  9. 金属材料からなる前記第一セグメント及び前記第二セグメントの、前記接合層が設けられる面に金属塩からなる被膜が設けられる、
    請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載のインペラ。
  10. 前記第一セグメントの前記第一ディスク部と前記第二セグメントの前記第二ディスク部の間に機械的な嵌合構造が設けられる、
    請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のインペラ。
  11. 請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載のインペラを備えることを特徴とする回転機械。
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