JP4058294B2 - 回転部材の耐摩耗表面処理方法、羽根車及びその羽根車を有する流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は耐摩耗表面処理方法、その処理方法を施した回転部材及びそのような回転部材を備えた流体機械に関し、更に詳細には、回転部材の周速、耐摩耗表面処理の施行難度を考慮して処理すべき領域を複数に分け、その領域に適した処理方法で回転部材の表面に耐摩耗材料を溶着させて摩耗特性の向上を図る表面処理方法、前記方法により表面処理を施した回転部材としての羽根車、そのような羽根車を備えた流体機械に関する。
【０００２】
【従来技術】
回転部材、例えば、水車又はポンプに使用される羽根車は、扱う流体によっては使用している間に表面が摩耗してしまう。クリーンなすなわち固体粒状物をほとんど含まない液体を扱う場合には、羽根車はキャビテーションに起因する場合を除いて表面の摩耗はそれほど問題にはならない。しかしながら、例えば土砂を多量に含んだ水を扱う水車或いはポンプ等の水力機械の羽根車では、羽根車の表面が水中の土砂の微粒子により削られ、早期に摩耗してしまう問題がある。
【０００３】
事実、このように土砂、特に石英成分を多量に含んだ河川に敷設される発電所で使用される水車のような水力機械に使用される羽根車では、摩耗が激しく早期に使用に耐えない状態になってしまう。このため、従来からこのような環境下で使用される羽根車等の回転部材には耐摩耗材料で表面処理することが行われているが、従来の方法では必ずしも十分な耐摩耗性を得ることができなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、羽根車は、使用する水車又はポンプの形式にもよるが、翼の形状が複雑で、耐摩耗材料の溶着により表面処理を行う場合に、処理する箇所によりその施行が極めて困難な場合がある。例えば、フランシス型水車の羽根車では翼が複雑に湾曲しており、しかも翼は二つの部材、すなわち主板（ハブ或いはクラウン）と側板（シュラウド或いはバンド）との間に挟まれているため、羽根車内部の表面処理は極めて困難である。
【０００５】
一方、耐摩耗材を表面に溶着させて表面処理を行う方法としては、従来から種々の方法が知られている。例えば、ガス溶粉方式、アーク溶射方式、ガスプラズマ方式、高速フレーム溶射方式、溶射溶融方式、等がある。本発明者は、これらの方式に関して羽根車の耐摩耗表面処理への適用の適否について研究を重ねた結果、その熱源の差等により溶射可能な材料が限られてしまい、したがって、処理済みの表面の耐摩耗特性にも差が生じ、更には、溶射方式によっては表面処理できる場所について制限があるという結論に達した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような問題に鑑みなされたものであって、解決しようとする課題は、例えば、流体機械の羽根車のような回転部材の表面処理方法を、施工難度、周速等を考慮して選択し、最適な施工方式で表面処理を行う処理方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、施工難度が低いか周速が速いかの少なくともいずれかの条件を満たす領域には高速フレーム溶射方式で表面処理を行い、施工難度が高い領域には溶射溶融方式或いはアーク溶射方式又はそれらの組合せで表面処理を行って耐摩耗性、耐亀裂性の優れた耐摩耗表面処理方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、前記高速フレーム溶射方式で表面処理を行う領域と、溶射溶融方式で表面処理を行う領域との間の領域に更に別の処理方法を適用することによって耐摩耗性、耐亀裂性の更なる向上を図れる耐摩耗表面処理方法を提供することである。
本発明が解決しようとする別の課題は、上記のような処理方法により表面処理を行った回転部材としての羽根車及びそのような羽根車を備えた流体機械を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の一つの発明による回転部材の表面に耐摩耗表面処理を施す方法は、
前記回転部材の周速、表面処理の施工難度に応じて前記回転部材の表面を複数の領域に分け、
前記周速が最も速いか前記施工難度が低いかの少なくともいずれかである第１の領域の表面には高速フレーム溶射方式により耐摩耗材料を溶射し、
施工難度が高い前記第２の領域の表面にはアーク溶射方式又は溶射溶融方式により耐摩耗材料を溶射する、
ことを有して構成されている。
前記耐摩耗表面処理方法において、更に、前記回転部材の前記第１の領域と前記第２の領域との間に施工難度の中位の第３の領域を設け、前記第２の領域には溶射溶融方式により、前記第３の領域にはアーク溶射方式により耐摩耗材料を溶射することを含んでいてもよい。
また、前記耐摩耗表面処理方法において、前記回転部材が、主板、前記主板から前記回転部材の軸方向に隔てられた側板及び前記主板と側板との間で円周方向に隔てて配置された複数の翼を有していて前記主板、側板及び翼により前記流路を画定する羽根車であり、前記第１の領域が前記羽根車の外径から半径方向内側に所望の距離の範囲内にある前記主板、側板及び翼の前記流路を画定する面であってもよく、この場合、更に、前記側板の外側表面を高速フレーム溶射方式により耐摩耗材料を溶着させるようにしても、また、それに代えて或いはそれに加えて、前記側板が前記羽根車の軸線を中心とする所望の半径の円で画定される内周側開口を画定し、前記溶射溶融方式或いはアーク溶射方式で表面処理される領域が前記内周側開口に面している前記翼面としてもよい。
【０００８】
本願の他の発明は、軸方向に互いに隔てられかつ半径方向に伸びる主板及び側板と、前記主板と側板との間で円周方向に隔てて配置されそれらと一体的に接合された複数の翼とを備え、前記主板、側板及び翼によって流体の流路を画定する羽根車において、
前記羽根車の外周から半径方向内側に所望の距離の第１の領域において、前記流路を画定する前記主板、側板及び翼の表面には高速フレーム溶射により耐摩耗材が溶着され、
内周部と前記第１の領域との間の第２の領域において前記流路を画定する前記主板、側板及び翼の表面がアーク溶射方式又は溶射溶融方式により耐摩耗材料が溶着されて構成されている。
前記羽根車において、前記羽根車の流路の前記第１の領域と前記第２の領域との間の第３の領域において前記主板、側板及び翼の表面が、アーク溶射方式により耐摩耗材料を溶着され、前記第２の領域が溶射溶融方式により耐摩耗材料を溶着され、前記側板の外側表面が高速フレーム溶射方式により耐摩耗材料が溶着されていてもよい。
また、前記羽根車において、前記側板が前記羽根車の軸線を中心とする所望の半径の円で画定される内周側開口を画定し、前記内周側開口に面している前記翼面が溶射溶融方式により耐摩耗材料が溶着されていてもよい。
本願の別の発明は、前記羽根車を有する流体機械である。
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の耐摩耗表面処理方法を、ポンプの羽根車の表面処理を例として説明する。
図１及び図２において、本耐摩耗表面処理方法を実施するポンプの羽根車１が示されている。羽根車１は、回転軸を受ける軸穴３が形成されたハブ２と、そのハブ２から半径方向外側に放射上に広がる円板状の主板４と、主板４から軸方向（図２において上下方向）に隔てられた環状の側板５と、主板４と側板５との間において円周方向（軸穴の軸線Ｏ−Ｏ回りの円周方向）に等間隔に隔てて配置され所望の曲面に沿って湾曲して側板及び主板と一体的に形成された複数の翼６とで構成されていて、主板４、側板５及び翼６により流体の流れる流路７を画定している。流路７の半径方向内側の部分８が入口部となり、半径方向外側の部分９が出口部となる。また、環状の側板５は、円周方向内側の軸方向に伸びる部分５ａと、半径方向外側に伸びる部分５ｂとを有し、軸方向伸長部分５ａによって羽根車１の入口１０を画定している。このような羽根車１を流体によって回転させた場合或いは回転させて流体を送り出す場合、当然ながら、軸線Ｏ−Ｏに近い入口部よりも出口部の方が、軸線からの距離に比例して周速が早くなる。このため、例えば、羽根車を土砂を含む水中で回転させると半径方向外側の出口部９では周速が速いため、水中の土砂の粒子が羽根車１の表面、特に羽根車１内の流路７を画成する主板４の内面１１、側板５の内面１２及び翼６の両面、すなわち圧力面１３、負圧面１４に高速で当たってこれを擦り、それらの表面が摩擦により極端に摩耗することになる。
【００１０】
また、耐摩耗表面処理の施行の観点から見た場合、流路を画成する前記内面１１及び１２、圧力面１３及び負圧面１４の処理は、羽根車の入口部８又は出口部９側から施行しなければならない。しかしながら、翼６は、図１からも明らかなように、主板４と側板５との間で、半径方向内側の入口部８から半径方向外側の出口部９に移行するにしたがって複雑に湾曲しているため、流路の中央部は施行が非常に難しい。このため、従来においては流路、特に、施行困難な流路中央部では殆ど耐摩耗処理が行われていなかった。
【００１１】
一方、耐摩耗表面処理方法として適用可能な方法について考察すると、耐摩耗材を処理すべき表面に溶着させる方法として現在知られている方式は、溶着に使用する熱源の相違、溶着させるべき溶射材料の種類及びその形態の相違等から、図３の表１に示されるものがある。本発明においては、これらの方式について、羽根車に対する処理方式として、適用の可能性（処理し難い箇所への施工可能性）、溶着された処理層の特性、経済性等を考慮していくつかの方式を選び、その処理方式に適した材料をいくつか選んで使用して耐摩耗表面処理を行い、その処理された表面について耐摩耗性及び耐キャビテーション性を評価した。その結果について比較して示すと、図４のグラフに示されるようになる。この結果に基づいて溶射材料を選択できる。図４のグラフ中（１）のＡＤＡＭＡＮ方式の場合、並びに（５）及び（６）の溶射溶融の場合には溶着させた耐摩耗層に実験中にひび割れが確認され、本発明の表面処理方法には不適切であることがわかった。このような結果を考慮し、流路の中央の施工の難しい箇所には、まずその施工の可能性に重点を置いてアーク溶射方式を選び、流路の入口部や出口部のように施工し易い箇所には溶着された処理層及び経済性に重点をおいて高速フレーム溶射方式及び溶射溶融方式を採用することに決めた。
【００１２】
そこで、まず、図１及び図２に示される羽根車について、羽根車の表面処理すべき領域、すなわち流路面及び側板の外面１３を耐摩耗表面処理の施行難度、周速を考慮に入れて複数の領域に分け、その領域に前記選択された処理方式を適用する。すなわち、この実施形態においては、羽根車１の耐摩耗表面処理領域を、軸線Ｏ−Ｏから半径Ｒ₁の円Ｃ₁より半径方向外側で羽根車１の外周（半径Ｒ）の間にある流路面の領域をＡ₁（この領域は羽根車の外周側から容易に接近できるので施行難度は低いが、周速は速い）とし、半径Ｒ₁の円Ｃ₁とそれより小さい半径Ｒ₂の円Ｃ₂との間にある流路面の領域をＡ₂とし、入口部の翼の入口側縁部近傍の領域であって内周側から見える領域（図１でハッチングを施した領域）及び側板５の軸方向伸長部５ａの内面の領域をＡ₃とし、流路面のうち前記領域Ａ₁ないしＡ₃を除いた領域（この領域は流路が湾曲して狭隘になっているため施行難度は最も高い）をＡ₄とし、側板５の外面１３を領域（この領域は外部から容易に接近できるので施行難度は最も低い）Ａ₅とする。
【００１３】
耐摩耗処理表面を上記のような領域に分けた後、まず、領域Ａ₂に属する表面１３及び領域Ａ₃に属する表面１１、１２、１３、１４に、所望の溶射材料を（この実施形態では４５ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ−Ｂ）を選び、溶射溶融方式で溶射材を溶着させる。溶射材料の溶着層の厚さは０．５ｍｍないし３ｍｍにするのが好ましい。この溶射溶融方式は従来の方式と同じでよいので、その詳細な説明は省略する。
【００１４】
次に、領域Ａ₄内の内面１１、１２、圧力面１３及び負圧面１４にアーク溶射方式で耐摩耗材を溶着させる。このアーク溶射方式では前述のように施行すべき領域が羽根車の外部から接近しにくいため、例えば、可撓性溶射材の溶射を行うトーチヘッドが長いステムの先端に取り付けられていて羽根車の外周部から奥まった内部でのアーク溶射が可能な特殊なトーチ（図示せず）を用いて行う。この特殊な溶射トーチに使用する可撓性の溶射材として所望の溶射材（この実施形態では図４に示される５７ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ）を選び、溶射材料の溶着層の厚さが０．５ｍｍないし２ｍｍになるように領域Ａ₄内にある流路７の表面１１、１２、１３、１４の全てについて耐摩耗材の溶射を行う。最後に、領域Ａ₁に属する表面１１、１２、１３、１４並びに領域Ａ₅に属する表面１５に、所望の溶射材料（この実施形態では７３ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ）を選び、高速フレーム溶射方式（ＨＶＯＦ等）で溶射材を溶着させる。溶射材料の溶着層の厚さは０．５ｍｍないし２ｍｍにするのが好ましい。この高速フレーム溶射も従来の方式と同じでよいので、その詳細な説明は省略する。これで羽根車の耐摩耗表面処理が完了する。なお、上記実施例では羽根車の主板４の裏側の面１６、１７に耐摩耗表面処理を施すようにはなっていないが、必要によりそれらの面に耐摩耗表面処理を施してよいことはもちろんである。
【００１５】
上記のように耐摩耗表面処理が行われた本発明の羽根車１は、水車或いはポンプのような流体機械に使用される。図５において、このような流体機械の一例として縦型ポンプ３０が断面で示されている。同図において、ポンプ３０は、本発明による羽根車（ランナとも呼ぶ）１を収容するポンプ室３２を画成するケーシング３１と、軸線を鉛直にして配置されていて下端に羽根車１が固定された主軸３７と、ケーシングの上方に取り付けられていて主軸３７をケーシングに関して回転自在に支持する主軸受け３８と、ケーシング３１と主軸３７との間からの流体の漏れを防止するシール装置３９と、を備えている。ケーシング３１は管状の支持台４０の上に公知の方法で固定されている。ケーシング３１は、上側の円盤状の端板３３と、渦巻き状の出口室３５を画成するケーシング本体３４と、管状のカバー３６とを備えている。カバー３６の下端には筒状の吸出し管４１が接続されている。
上記ポンプにおいて、主軸３７を回転させることによってその下端に固定された羽根車１を回転させると、流体が吸出し管４１内で矢印Ｘで示されるように羽根車の入口１０に吸い込まれ、羽根車１の流路７を通って出口９側から半径方向に押し出され、出口室３５内に流入する。出口室内の流体は、図示しない出口から吐き出される。
本発明による耐摩耗材表面処理方法で表面処理を施した羽根車は摩耗が発生する表面全体に耐摩耗表面処理が施されているので優れた耐摩耗特性を有する。したがって、砂等の細かな粒状体を含んだ液体をくみ出す場合でも優れた摩耗特性を提示する。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば次のような効果を奏することが可能である。
（イ）本発明の耐摩耗表面処理方法によれば回転部材を周速或いは表面処理の施工難度を考慮して複数の領域に分けて各領域の表面を最適の表面処理方式で処理できるので複雑な形状を有していて施工の困難な回転部材の全体に表面処理を施すことが可能である。
（ロ）施工し易い箇所には施工が容易でありかつ耐摩耗性の優れた材料を溶着できる溶射方法を施工できるので、摩耗のはげしい箇所により耐摩耗性に優れた表面処理を行うことができる。
（ハ）本発明の回転部材では耐摩耗性が優れているので寿命を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐摩耗表面処理の施工対象である流体機械の羽根車の平面図である。
【図２】図１の羽根車の断面図である。
【図３】種々の溶射方法を説明する表である。
【図４】図３の特定の溶射方法による表面処理層の性能を示すグラフである。
【図５】本発明による羽根車を備えた流体機械としてのポンプの一例の断面図である。

Claims (9)

1. 回転部材の表面に耐摩耗表面処理を施す方法において、
   前記回転部材の周速、表面処理の施工難度に応じて前記回転部材の表面を複数の領域に分け、
   前記周速が最も速いか前記施工難度が低いかの少なくともいずれかである第１の領域の表面には高速フレーム溶射方式により耐摩耗材料を溶射し、
   施工難度が高い前記第２の領域の表面にはアーク溶射方式又は溶射溶融方式により耐摩耗材料を溶射する、
   ことを特徴とする回転部材の耐摩耗表面処理方法。
2. 請求項1に記載の耐摩耗表面処理方法において、更に、前記回転部材の前記第１の領域と前記第２の領域との間に施工難度の中位の第３の領域を設け、前記第３の領域にはアーク溶射方式により、前記第２の領域には溶射溶融方式により耐摩耗材料を溶射することを含む耐摩耗表面処理方法。
3. 請求項２に記載の耐摩耗表面処理方法において、前記回転部材が、主板、前記主板から前記回転部材の軸方向に隔てられた側板及び前記主板と側板との間で円周方向に隔てて配置された複数の翼を有していて前記主板、側板及び翼により前記流路を画定する羽根車であり、前記第１の領域が前記羽根車の外径から半径方向内側に所望の距離の範囲内にある前記主板、側板及び翼の前記流路を画定する面である耐摩耗表面処理方法。
4. 請求項３に記載の耐摩耗表面処理方法において、更に、前記側板の外側表面を高速フレーム溶射方式により耐摩耗材料を溶着させる耐摩耗表面処理方法。
5. 請求項３又は４に記載の耐摩耗表面処理方法において、前記側板が前記羽根車の軸線を中心とする所望の半径の円で画定される内周側開口を画定し、前記溶射溶融方式或いはアーク溶射方式で表面処理される領域が前記内周側開口に面している前記翼面である耐摩耗表面処理方法。
6. 軸方向に互いに隔てられかつ半径方向に伸びる主板及び側板と、前記主板と側板との間で円周方向に隔てて配置されそれらと一体的に接合された複数の翼とを備え、前記主板、側板及び翼によって流体の流路を画定する羽根車において、
   前記羽根車の外周から半径方向内側に所望の距離の第１の領域において、前記流路を画定する前記主板、側板及び翼の表面には高速フレーム溶射により耐摩耗材が溶着され、
   内周部と前記第１の領域との間の第２の領域において前記流路を画定する前記主板、側板及び翼の表面がアーク溶射方式又は溶射溶融方式により耐摩耗材料が溶着されていることを特徴とする羽根車。
7. 請求項６に記載の羽根車において、
   前記羽根車の流路の前記第１の領域と前記第２の領域との間の第３の領域において前記主板、側板及び翼の表面が、アーク溶射方式により耐摩耗材料を溶着され、前記第２の領域が溶射溶融方式により耐摩耗材料を溶着され、前記側板の外側表面が高速フレーム溶射方式により耐摩耗材料が溶着されている羽根車。
8. 請求項６又は７に記載の羽根車において、
   前記側板が前記羽根車の軸線を中心とする所望の半径の円で画定される内周側開口を画定し、前記内周側開口に面している前記翼面が溶射溶融方式により耐摩耗材料が溶着されている羽根車。
9. 請求項６ないし８のいずれかに記載の羽根車を有する流体機械。

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