JP2019534794A - ターボ機械インペラーを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

半径方向内側ハブ本体（１４ａ）と、半径方向外側シュラウド本体（１４ｂ）と、ハブ本体（１４ａ）とシュラウド本体（１４ｂ）との間に延在する動翼（１４ｃ）とを備えるターボ機械インペラー（１４）を製造するための方法であって、動翼（１４ｃ）と、ハブ本体（１４ａ）と、シュラウド本体（１４ｂ）とは一体型モノリシックアセンブリとして具現化され、当該方法は、少なくとも、ブランク（１０）を提供するステップと、ハブ本体、シュラウド本体および動翼の基本輪郭（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を形成するためにブランク（１０）をフライス加工するステップと、形成された基本輪郭上で、少なくとも１回堆積溶着または付加造形を行い、続いて堆積溶着によって形成された部分（１５ｎ）に対して少なくとも１回フライス加工を行うステップとを備える。

Description

本発明は、半径方向内側ハブ本体と、半径方向外側シュラウド本体と、ハブ本体とシュラウド本体との間に延在する動翼とを備えるターボ機械インペラーを製造するための方法に関し、動翼、ハブ本体およびシュラウド本体は、一体型モノリシックアセンブリとして具現化される。シュラウド本体を有するターボ機械インペラーはまた、閉鎖型ターボ機械ローターとも呼ばれる。

一体型モノリシックアセンブリとして具現化された、そのような閉鎖型ターボ機械ローターを製造するために、ブランクを提供し、ターボ機械ローターをブランクからフライス盤でフライス加工することが知られている。典型的には、そのハブ本体、そのシュラウド本体およびその動翼の領域においてターボ機械インペラーの所望の三次元輪郭を形成するために、５軸フライス盤が採用される。しかしながら、そのようなフライス加工の間、機械加工されるブランクの接近可能性は制限され、その結果、ターボ機械インペラーに関して所望の三次元輪郭を得ることができない。この理由から、一体型モノリシックアセンブリとして具現化される、このような閉鎖型ターボ機械ローターに関して、これまで、かなりの設計上の制限があった。一体型モノリシックアセンブリとして具現化された、半径方向内側ハブ本体と半径方向外側シュラウド本体と動翼とを有する閉鎖型ターボ機械ローターを、その三次元輪郭に関して、より大きな設計の可能性を伴って、製造コストおよび製造時間を可能な限り小さく保つために短時間内に簡単に製造することが求められている。

上記に鑑みて、本発明は、ターボ機械インペラーを製造するための新規な方法を創出するという目的に基づく。

この目的は請求項１に記載の方法によって解決される。本発明に係る方法は、少なくとも以下のステップ、すなわち、ブランクを提供するステップと、ハブ本体、シュラウド本体および動翼の基本輪郭を形成するためにブランクをフライス加工するステップと、形成された基本輪郭上へ少なくとも１回の堆積溶着を行い、かつ、堆積溶着によって形成された部分に対して少なくとも１回のそれに続くフライス加工を行うステップとを備える。本発明による方法では、ブランクのフライス加工に続いて、少なくとも１回の堆積溶着およびそれに続く少なくとも１回の新たなフライス加工が行われる。堆積溶着は、例えば付加造形方法によって、例えば選択的レーザー焼結によって置き換えることもできる。このようにして、ブランクのフライス加工中には制限された接近可能性の結果として形成することができない三次元輪郭を提供することができる。この製造方法は簡単で費用対効果が高い。したがって、今日まで製造することができなかった三次元形状を有する一体型モノリシックアセンブリとしてターボ機械ローターを、低い製造コストおよび短い製造時間で提供することができる。

さらなる展開によれば、堆積溶着とそれに続くフライス加工とが、堆積溶着によって形成された部分に対して最初に交互に複数回行われる。好ましくは、ｎ回目の堆積溶着の間に、材料が基本輪郭上に堆積させられ、このｎ回目の堆積溶着に続いて、処理中に形成された部分がｎ回目のフライス加工を受け、このｎ回目のフライス加工に続いて、（ｎ＋１）回目の堆積溶着の間に、このフライス加工によって形成された部分で基本輪郭上に材料が堆積させられ、この（ｎ＋１）回目の堆積溶着に続いて、処理中に形成された部分が（ｎ＋１）回目のフライス加工を受け、ここでｎ＞１である。このようにして、特に有利な三次元輪郭を、低い製造コストにて短い製造時間内にターボ機械ローターに形成することができる。

本発明のさらなる有利な展開によれば、ブランクのフライス加工、少なくとも１回の堆積溶着および少なくとも１回のそれに続くフライス加工は、同一の機械ツールにおいて行われ、これは、フライス加工のための少なくとも一つのツールおよび堆積溶着のための少なくとも一つのツールの両方を備える。これは短い製造時間を実現するために特に好ましい。機械ツール上でのツールまたはブランクの再締め付けは不要である。

本発明の有利なさらなる展開によれば、少なくとも１回の堆積溶着中に、ブランクの金属合金材料とは異なる金属合金材料がブランク上に堆積させられる。これにより、堆積溶着によって形成された部分に特に有利な材料特性を有するターボ機械インペラーを製造することができる。ブランクはまた、特定のコア／シェル構造を、例えば中実コアおよび耐食性シェルを有することができる。

本発明の有利なさらなる展開によれば、複数回の堆積溶着中にブランク上には金属合金材料が堆積させられるが、これはブランクの金属合金材料とは少なくとも一度異なり、複数回の堆積溶着の間、好ましくは、異なる合金材料がブランク上に堆積させられる。本発明のこのさらなる展開は、堆積溶着によって形成された部分に関して、規定された様式で調整された材料特性を有するターボ機械インペラーを提供するのに役立つ。

本発明の好ましいさらなる展開は従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的実施形態について、これに限定されることなく図面を用いて、より詳細に説明する。

本発明によるターボ機械インペラーを製造するための方法を説明するための概略フロー図である。

本発明は、半径方向内側ハブ本体と、半径方向外側シュラウド本体と、ハブ本体とシュラウド本体との間に延びる動翼とを備えるターボ機械インペラーを製造するための方法に関する。内側ハブ本体および外側シュラウド本体の両方を備えるターボ機械インペラーは、閉鎖型ターボ機械ローターと呼ばれる。本発明に従って製造される閉鎖型ターボ機械ローターの場合、動翼、ハブ本体およびシュラウド本体は一体型モノリシックアセンブリとして具現化される。ハブ本体はまたハブディスクとも呼ばれ、シュラウド本体はまたシュラウドディスクとも呼ばれる。

ターボ機械インペラーを製造する方法について図１を参照して以下で説明するが、状態I，IIおよびIIIを有する図１の概略フロー図は、本発明による方法の基本的な方法ステップを視覚化する。方法ステップIIIは、図１に従って、複数の方法ステップIII.１，III.２ｎ，III.３ｎならびにIII.４へと細分化される。ステップIVに従って完成したターボ機械ローターは、本発明による方法の最後に現れる。

図１は、ラジアルコンプレッサーインペラーの、すなわち軸方向の流入および半径方向の流出にさらされるコンプレッサーインペラーの製造を視覚化したものである。このようなラジアルコンプレッサーインペラーの製造が好ましいが、例えばタービンローターなどのその他のターボ機械ローターもまた本発明による方法で製造することができる。

方法ステップＩにおいて、ブランク１０が最初に提供される。図１のこのブランク１０は、金属材料、特に金属合金材料からなるリングまたはディスクである。理論的には、ディスクはプラスチックから構成されていてもよく、これは、続いて、フライス加工にかけられる。

これに続く方法ステップIIにおいて、ブランク１０はフライス加工され、すなわち、半径方向内側ハブ本体１１ａと、半径方向外側シュラウド本体１１ｂと、半径方向内側ハブ本体１１ａと半径方向外側シュラウド本体１１ｂとの間に延びる動翼１１ｃとの基本輪郭が形成される。こうして、これらの基本輪郭１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有するフライス加工されたブランク１１が形成される。

ブランク１０のこのフライス加工の後、フライス加工されたブランク１１が出現するが、これは、形成されるそのハブ本体１１ａと、形成されるそのシュラウド本体１１ｂと、形成されるその動翼１１ｃとの領域において、ブランク１０の限られた空間的接近容易性の存在下でブランク１０をフライス加工することによって、機械またはフライス盤において作り出すことができるそれぞれの基本輪郭を有する。

方法ステップIIの後に方法ステップIIIが続く。方法ステップIIIの間に、形成された基本輪郭１１ａ，１１ｂ，１１ｃに関してターボ機械インペラーの半径方向に少なくとも１回または１回の堆積溶着が行われ、そして堆積溶着によって形成された部分に関して少なくとも１回限りのまたは少なくとも１回のそれに続くフライス加工が行われる。

堆積溶着およびこの堆積溶着によって形成された部分に関する、それに続くフライス加工は、優先的に、方法ステップIIIにおいて交互に連続して複数回実施される。

ここで、ｎ回目の堆積溶着の間に、材料がフライス加工されたブランク１１の基本輪郭上に堆積させられ、このｎ回目の堆積溶着に続いて、処理中に形成された部分１５ｎがｎ回目のフライス加工を受け、このフライス加工によって形成される部分１６ｎに関するこのｎ回目のフライス加工に続いて、（ｎ＋１）回目の堆積溶着中に先にフライス加工された部分１６ｎ上に材料が再び堆積させられ、この（ｎ＋１）回目の堆積溶着に続いて、処理中に形成された部分１５ｎ＋１は、部分１６ｎ＋１の形成のために（ｎ＋１）回目のフライス加工を受ける（ここで、ｎは１より大きい整数である）。

図１において、方法ステップIIIは方法ステップIII.１，III.２ｎ，III.３ｎおよびIII.４へと細分化される。方法ステップIII.１において、ブランク１０のフライス加工によって形成された、方法ステップIIにおいて提供されるブランク１１は、その基本輪郭１１ａ，１１ｂ，１１ｃ内に存在する。方法ステップIII.２ｎにおいては、機械加工されたブランク１１の基本輪郭１１ｂ，１１ｃ上に材料を堆積させるために図１において半径方向内側から半径方向外側へと、すなわち図１によれば堆積溶着部分１５ｎを形成するために堆積溶着が行われる。ステップIII.２ｎに続いて、堆積溶着によって形成された部分１５ｎの下流フライス加工が、部分１６ｎの形成のために、ステップIII.３ｎにおいて行われる。図１には示されていない次のステップIII.２.ｎ＋１においては、この部分１６ｎの領域において堆積溶着が再び行われ、そして続くステップIII.３ｎ＋１においては、方法ステップIII.４に示す部分１６ｎ＋１を形成するために、堆積溶着によって形成されたこの部分１５ｎ＋１のフライス加工が行われる。既に説明したように、ｎは１より大きい整数である。図１の堆積溶着およびフライス加工部分１６ｎ，１６ｎ＋１は、シュラウド本体１４ｂおよび動翼１４ｃの両方まで半径方向外側に延びている。ステップIII.４において、ターボ機械インペラー１４は、ハブ本体１４ａ、シュラウド本体１４ｂおよび動翼１４ｃの領域において、その所望の三次元輪郭を伴って出現する。

図１において、半径方向の多重堆積溶着は、半径方向内側から半径方向外側へと行われる。この多重堆積溶着を半径方向外側から半径方向内側へと行うことも可能である。さらに、交互になされるフライス加工および堆積溶着を、半径方向外側から半径方向内側へと、そして半径方向内側から半径方向外側へと、両者を組み合わせて実施することができる。

方法ステップIIおよびIII、すなわち方法ステップIIでのブランクのフライス加工および方法ステップIIIでの少なくとも１回の堆積溶着および少なくとも１回のフライス加工後を、フライス加工用の少なくとも一つのツールおよび堆積溶着用の少なくとも一つのツールの両方を含む同一の機械ツールで実施することができる。機械ツールは、好ましくは、零点締め付けシステムを有する５軸機械ツールであり、その上でブランク１０は締め付けられ、そして締め付けられた相対位置において、続いて、ステップIIでフライス加工され、そして続いてステップIIIで、その三次元輪郭に関して最終的なターボ機械インペラー１４を形成するために、堆積溶着およびそれに続くフライス加工を受ける。堆積溶着は、好ましくはレーザー堆積溶着である。

少なくとも一回の堆積溶着中に、ブランク１０の金属合金材料とは異なる金属合金材料をフライス加工されたブランク１１上に堆積させることができる。特に堆積溶着が複数回実施される場合、ブランク１０の金属合金材料とは異なる金属合金材料は、フライス加工されたブランク１１上に少なくとも一度堆積させることができ、多重堆積溶着の間、異なる金属合金材料を、それぞれの場合において、フライス加工されたブランク１１上に堆積させることができる。これによって、堆積溶着によって形成された部分１６ｎ，１６ｎ＋１の領域において規定された様式で調整された材料特性を有するターボ機械インペラー１４を形成することができる。

レーザー堆積溶着はまた、追加的にまたは代替的に、軸方向にも実施できることが指摘される。

本発明による方法では、モノリシックアセンブリとして具現化された（この場合、シュラウド本体、ハブ本体および動翼は一体部品としてあるいは一体的に具現化される）閉鎖型ターボ機械ローターを、これまで得られなかった三次元輪郭を伴って、低い製造コストおよび短い製造時間を条件として製造することができる。

任意選択で、本発明による方法によって製造されたターボ機械インペラー１４は、続いて、例えばコーティング等のような表面処理を受ける。熱処理工程またはその他の下流工程もまたこのために適している。

１０ ブランク
１１ フライス加工されたブランク
１１ａ 基本輪郭ハブ本体
１１ｂ 基本輪郭シュラウド本体
１１ｃ 基本輪郭動翼
１２ｎ フライス加工および堆積溶着がなされたブランク
１３ｎ 複数回フライス加工および堆積溶着がなされたブランク
１４ ターボ機械インペラー
１４ａ ハブ本体
１４ｂ シュラウド本体
１４ｃ 動翼
１５ｎ 堆積溶着された部分
１６ｎ 堆積溶着およびフライス加工がなされた部分
１６ｎ＋１ 堆積溶着およびフライス加工がなされた部分

Claims (9)

1. 半径方向内側ハブ本体（１４ａ）と、半径方向外側シュラウド本体（１４ｂ）と、前記ハブ本体（１４ａ）と前記シュラウド本体（１４ｂ）との間に延在する動翼（１４ｃ）と、を備えるターボ機械インペラー（１４）を製造するための方法であって、前記動翼（１４ｃ）と、前記ハブ本体（１４ａ）と、前記シュラウド本体（１４ｂ）とは一体型モノリシックアセンブリとして具現化され、前記方法は、少なくとも、
   ブランク（１０）を提供するステップと、
   前記ハブ本体、前記シュラウド本体および前記動翼の基本輪郭（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を形成するために、前記ブランク（１０）をフライス加工するステップと、
   形成された基本輪郭上で、少なくとも１回の堆積溶着または付加造形を行い、かつ、堆積溶着によって形成された部分（１５ｎ）に対して少なくとも１回のそれに続くフライス加工を行うステップと
   を備える方法。
2. 堆積溶着によって形成された部分（１５ｎ）に対して、交互に複数回、堆積溶着または付加造形およびそれに続くフライス加工を最初に実施することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ｎ回目の堆積溶着または付加造形の間に、材料が前記基本輪郭上に堆積させられ、このｎ回目の堆積溶着または積層造形に続いて、処理中に形成された前記部分（１５ｎ）がｎ回目のフライス加工を受け、このフライス加工によって形成された部分（１６ｎ）に対するこのｎ回目のフライス加工に続いて、（ｎ＋１）回目の堆積溶着または付加造形の間に前記基本輪郭上に材料が再び堆積させられ、この（ｎ＋１）回目の堆積溶着または付加造形に続いて、処理中に形成された部分（１５ｎ＋１）が（ｎ＋１）回目のフライス加工を受け、ここでｎ＞１であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ターボ機械インペラーの半径方向における複数回の交互の堆積溶着または付加造形およびそれに続くフライス加工は、半径方向内側から半径方向外側へと、かつ／または半径方向外側から半径方向内側へと実施されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記ブランク（１０）のフライス加工と、前記少なくとも１回の堆積溶着または付加造形と、前記少なくとも１回のそれに続くフライス加工とは、フライス加工のための少なくとも一つのツールおよび堆積溶着のための少なくとも一つのツールの両方を含む同一の機械ツールにおいて実施され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１項に記載の方法。
6. 堆積溶着はレーザー堆積溶着またはレーザー焼結として実施され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１項に記載の方法。
7. 前記少なくとも１回の堆積溶着または付加造形中、金属合金材料がフライス加工されたブランク（１１，１２ｎ）上に堆積させられ、これは前記ブランク（１０）の金属合金材料とは異な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１項に記載の方法。
8. 複数回の堆積溶着または付加造形中に、金属合金材料がフライス加工されたブランク（１１，１２ｎ）上に堆積させられ、これは前記ブランク（１０）の金属合金材料とは少なくとも一度異なることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 複数回の堆積溶着または付加造形中に、異なる金属合金材料がフライス加工されたブランク（１１，１２ｎ）上に堆積させられることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法。

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