JP4671489B2 - 流体機械の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板で安価にしかも簡単に製造することのできる羽根車羽根を備えた流体機械の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体機械の一例である斜流ポンプにあっては、内ケーシングに軸受けを介して回転軸が軸周りに回転自在に支持され、この回転軸の先端に略円錐状のハブが設けられ、このハブの側周面に複数の羽根車羽根が突設される。そして、内ケーシングの外側で回転軸と同軸上に外ケーシングが配設され、外ケーシングの先端に羽根車羽根の突出先端側の回転軌跡の外周囲に吸込ケーシングが設けられる。さらに、ハブの下流側で内ケーシングと外ケーシングの間に複数の案内羽根が設けられて、内ケーシングと外ケーシングが一体化される。
【０００３】
そして、ハブの側周面と吸込ケーシングの間に、下流側ほど半径方向に広がりを有する流路が形成される。回転軸の回転駆動に伴い、羽根車羽根が流路内で回転し、流体に下流側へ移動させるエネルギーが伝達される。ここで、羽根車羽根の周速度は半径位置により相違し、また流体のケーシングに対する速度も半径方向および流路方向により相違し、羽根車羽根は３次元曲面で形成される。
【０００４】
従来にあっては、この羽根車羽根が３次元曲面の複雑な形状を有するために、これを鋳造で成形し、または３次元総金型によるプレス加工で成形していた。なお、鋳造またはプレス加工のいずれであっても、成形すべき羽根車羽根の形状自体は、必要とされるポンプ性能などから予め設定されることは勿論である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の鋳造による羽根車羽根の製造にあっては、鋳造するための木型の作成が必要であり、その木型の制作に長時間を要する。しかも、製造台数の少ないものにあっては、木型の作成に多くの費用がかかり、製造コストが高いものとなる。また、鋳造では、羽根車羽根の全体的な肉厚が厚くなる傾向にあり、総重量が大きく、その取り扱いならびに加工に多大の労力を必要としていた。
【０００６】
また、従来のプレス加工による鋼板型の羽根車羽根にあっては、鋳造のための木型作成以上に、３次元総金型の制作費用が高く、その費用が流体機械の製造コストに大きな割合を占め、流体機械を安価に製造するために、何らかの解決策が強く要望されていた。
【０００７】
本発明は、上述のごとき従来技術の不具合を改善すべくなされたもので、羽根車羽根を鋼板でしかも簡単な板金加工機械等によって形成し得るようにして、全体としてコストの低減を図った流体機械を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明の流体機械の製造方法は、略円錐状のハブ面に羽根車羽根を突設して羽根車を形成し、この羽根車の回転駆動により流体を送出する流体機械の製造方法において、まず前記羽根車羽根の突設方向と交叉する複数の平行な平面を設定し、これらの平面と前記羽根車羽根の交線を描き、そしてこれらの交線を同一半径の円の円弧でしかもその中心点が同一直線上にあるようにしてそれぞれに近似し、さらにこの直線方向から見てこれらの近似円弧を周面に含み前記直線と平行な中心軸を有する円筒を近似設定し、この円筒の周面の一部を切り取って前記羽根車羽根を形成して流体機械を製造する。
【０００９】
また、前記近似円弧を周面に含み前記直線上に中心軸を有する楕円筒を設定し、さらにこの楕円筒の前記近似円弧がある部分の周面を前記直線と平行な中心軸を有する前記円筒で近似して流体機械を製造することもできる。
【００１０】
そして、前記ハブ面に直交するとともに回転軸に交叉する基準線を想定し、この基準線に直交させて前記複数の平行な平面を仮想して流体機械を製造することも可能である。
【００１１】
さらに、前記平面と前記羽根車羽根の交線の入口点と出口点を周面に含み回転軸を中心軸とする円錐を設定し、前記入口点と出口点を入口点と出口点として前記円錐の周面と前記円筒の交線を描き、さらにこの交線の入口点と出口点で、これらの交線と前記円錐の周面上で前記回転軸を中心とする円の接線とのなす角度が所望の入口角および出口角となるように前記円筒の径と中心軸の方向を調整して流体機械を製造しても良い。
【００１２】
さらにまた、前記平面と前記羽根車羽根の交線を同一半径の円弧で近似する前記円の半径と中心位置を調整することによって、前記交線の入口点の入口角および出口点の出口角を調整して流体機械を製造しても良い。
【００１３】
そしてまた、前記円筒の内周面を前記羽根車羽根の羽根負圧面とし、前記内周面を基準として前記羽根車羽根の厚さ分布に応じて前記円筒の外周面を切削して流体機械を製造しても良い。
【００１４】
そしてさらに、前記円筒の周面の一部からなる前記羽根車羽根の展開図を作成し、この展開図に応じて平らな鋼板から前記羽根車羽根を切り取るとともに、前記円筒の一部となるように折り曲げ加工して流体機械を製造しても良い。
【００１５】
さらにまた、前記平らな鋼板の一側面を基準として前記羽根車羽根の厚さ分布に応じて前記鋼板の他側面を切削し、前記一側面が前記羽根車羽根の羽根負圧面となるように折り曲げ加工して流体機械を製造しても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図１８を参照して説明する。図１は、ハブ面に突設された羽根車羽根の外観斜視図である。図２は、羽根車羽根の子午断面図上に基準線０−０’とこれに直交する平面Ａ，Ｂ，Ｃを示した図である。図３は、羽根車羽根の外観図を子午断面図と重ねて描いた図である。図４は、図３で羽根車羽根のＰ方向矢視図である。図５は、図３で羽根車羽根のＱ方向矢視図である。図６は、羽根車羽根と円錐Ａの周面との交線を示す斜視図である。図７は、羽根車羽根と平面Ａの交線を示す斜視図である。図８は、円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上に描いた交線の展開図を基準線０−０’方向に重ねた図である。図９は、平面Ａ，Ｂ，Ｃ上に描いた交線を基準線０−０’方向に重ねた図である。図１０は、平面Ａ，Ｂ，Ｃに描いた交線を同一半径の円の円弧で近似することを示す図である。図１１は、同一半径の円上にある近似円弧をそれぞれの元の平面の位置に図示した斜視図である。図１２は、図１１をＺ軸方向から見た図である。図１３は、図１１を図１２のＥ方向から見た図である。図１４は、図１１を図１３のζ軸方向から見て円を楕円筒で近似し、さらに楕円筒上で羽根車羽根の交線の近似円弧のある部分を円筒で近似することを示す図である。図１５は、近似した円筒の周面の一部で羽根車羽根が形成されることを示す図である。図１６は、円筒の周面の一部からなる羽根車羽根の展開図である。図１７は、図１６の展開図で厚み分布を示す図である。図１８は、本発明の鋼板製の羽根車羽根を有する斜流ポンプと、これと同じ与仕様の鋳造型の羽根車羽根を有する斜流ポンプのポンプ特性を比較するグラフである。
【００１７】
流体機械の一例としての斜流ポンプの羽根車羽根の設計につき説明する。この斜流ポンプの所望のポンプ特性から、羽根車羽根の仕様は予め定められる。すなわち、流体が羽根車羽根に流入する入口角および流出する出口角や羽根車羽根の長さなどが予め定められる。
【００１８】
ところで、現在では３次元のＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）が普及し、画面上で立体表示が可能であり、またその断面図および画像を任意に回転させた図などを容易に描くことができる。そこで、本設計にあっても、かかるＣＡＤを活用して設計の手助けを行うこととする。そして、予め定められるハブ面やチップ壁および羽根車羽根などの仕様データがＣＡＤに入力され、従来の羽根車羽根が立体的に図示できるものとする。
【００１９】
まず、図１に示すごとく、羽根車羽根１０の略突設方向で基準線０−０’を、ハブ面１２に一例として直交させるとともに回転軸１４と交叉させて描く。そして、図２のごとく基準線０−０’に対して直交する複数の平面が、例えばハブ面１２側とチップ壁側およびその中間（適宜な比率で内分しても良い。）にそれぞれ設定される。ここで、チップ壁側を平面Ａ、中間を平面Ｂ、ハブ面１２側を平面Ｃとする。なお、ハブ面１２側の平面Ｃは、図２の子午断面図では、ハブ面１２と一致して図示される。そして、図２において、平面Ａと回転軸１４の交点をＡｏ、平面Ｂと回転軸１４の交点をＢｏ、平面Ｃと回転軸１４の交点をＣｏで示す。さらに、ハブ面１２の円錐の頂点は、平面Ｃと回転軸１４との交点Ｃｏに一致する。また、チップ壁の円錐の頂点は、Ａｔｏで示す。さらにまた、羽根車羽根１０の羽根負圧面と各平面Ａ，Ｂ，Ｃとの交線Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２をそれぞれの平面上に描く。ここで、Ａ１，Ｂ１，Ｃ１は交線の入口点であり、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は交線の出口点である。これらの作業はＣＡＤにより簡単に行うことができる。さらに、図３に示すごとく、点Ａ１とＡ２を通り、回転軸１４に垂直な直線をそれぞれに描き、この直線と子午断面図上の羽根車羽根１０の入口辺と出口辺との交点をそれぞれに求める。この２つの交点を結ぶ線を母線とし、回転軸１４を中心軸として頂点Ａｏ’とする円錐Ａを描く。これは点Ａ１とＡ２が回転軸１４周りに回転した軌跡の２つの円を周面に含む円錐を示す。同様にして、点Ｂ１，Ｂ２および点Ｃ１，Ｃ２に対してもそれぞれ円錐Ｂ，Ｃを描き、その頂点をＢｏ’，Ｃｏ’と示す。そしてまた、図３に示す羽根車羽根１０のＰ方向矢視図を図４に示し、Ｑ方向矢視図を図５に示す。図４および図５において、羽根車羽根１０に円錐Ａ，Ｂ，Ｃとの交線が図示されている。
【００２０】
ところで、羽根車羽根１０と円錐Ａの周面との交線Ａ１’−Ａ２’を、ＣＡＤにより斜視図で描くと、図６のごとくなる。なお、円錐Ａの周面上の点Ａ１’，Ａ２’は平面Ａ上の点Ａ１，Ａ２と同じ点であるが、交線の描かれる位置が円錐Ａの周面上か、平面Ａ上であるかを区別すべく、異なる符号で示してある。以後、円錐Ｂ，Ｃおよび平面Ｂ，Ｃにおける交線も同様に示す。
【００２１】
図６において、点Ａ２’があるとともに回転軸１４と直交する面にある円の半径をＲＡ２’とし、点Ａ１’がある円の半径をＲＡ１’とすると、円錐Ａと回転軸１４とのなす角（円錐Ａの頂角の１／２）がα’であるので、円錐Ａの頂点Ａｏ’から点Ａ２’がある円までの周面上での距離ＳＲＡ２’は
ＳＲＡ２’＝ＲＡ２’／ｓｉｎα’
であり、頂点Ａｏ’から点Ａ１’がある円までの距離ＳＲＡ１’は
ＳＲＡ１’＝ＲＡ１’／ｓｉｎα’
で示される。
【００２２】
そして、図６において、点Ａ２’を通過し円錐Ａの周面の接線と、交線Ａ１’−Ａ２’とのなす角βＡ２’が、円錐Ａ上における羽根車羽根１０の出口角となっている。また、点Ａ１’を通過し円錐Ａの周面の接線と交線Ａ１’−Ａ２’とのなす角βＡ１’が入口角（図６には図示せず）である。この図６と同様にして、円錐Ｂ，Ｃの周面上に、交線Ｂ１’−Ｂ２’、Ｃ１’−Ｃ２’をそれぞれに描くことができる。ここで、円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上における入口角および出口角の値についても同様である。
【００２３】
次に、羽根車羽根１０と平面Ａの交線Ａ１−Ａ２をＣＡＤにより斜視図で描くと、図７のごとくなる。点Ａ２は、回転軸１４を中心とし、半径ＲＡ２の円筒面と平面Ａとの交線上にある。この交線は、平面Ａと回転軸１４の交点Ａｏを中心とし、２・ＲＡ２の短軸と２・ＲＡ２／ｓｉｎαの長軸を有する楕円で示される。同様に、点Ａ１も、２・ＲＡ１の短軸と２・ＲＡ１／ｓｉｎαの長軸を有する楕円上にある。なお、αは、平面Ａと回転軸１４のなす角度である。また、図６と図７において、ＲＡ２＝ＲＡ２’，ＲＡ１＝ＲＡ１’である。平面上の羽根車羽根１０の交線も回転軸のまわりを回転するから、平面上における羽根車羽根１０の出口端は回転軸に垂直な平面内で回転中心からの半径に直角方向の周速ベクトルをもつ。このベクトルは平面Ａ上にないので、平面Ａ上の交線の出口角は直線Ａ２Ａｏの垂線と交線Ａ１−Ａ２が点Ａ２上で交わる角度で近似し、平面上における羽根車羽根１０の出口角とした。また、点Ａ１において直線Ａ１Ａｏの垂線と交線Ａ１−Ａ２のなす角が平面Ａ上の入口角βＡ１（図７に図示せず）である。これから、交線Ａ１−Ａ２とＡ１またはＡ２を通りＡｏを中心とする円の交角が平面上の羽根車羽根１０の入口角および出口角となることがわかる。この図７と同様にして、平面Ｂ，Ｃ上に交線Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２を描くことができる。
【００２４】
図６のごとくして円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上に描いた交線Ａ１’−Ａ２’、Ｂ１’−Ｂ２’、Ｃ１’−Ｃ２’の展開図を、基準線０−０’方向に重ねて図示したのが図８である。また、図７のごとくして平面Ａ，Ｂ，Ｃ上に描いた交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２を、基準線０−０’方向に重ねて図示したのが図９である。図８と図９を比較すると、図８に示される交線と円が交わる角度は、図９に示される交線と円が交わる角度と若干相違するものの、その差は３°以内であって小さい。そこで、図示等が簡便なことから、以後平面Ａ，Ｂ，Ｃ上の交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２に基づき作図設計等を行う。
【００２５】
ところで、図９に示される平面上の交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２は、いずれも円弧に近い曲線であって、同一半径の円で近似することができる。この近似する方法として、図１０に示すごとく、まず点Ａ１とＡ２を結ぶ直線の中央でこれに直交する線を描き、また交点ＡｏとＡ２を結ぶ直線に対して所定の平面上の羽根車羽根１０の出口角βＡ２の角度だけずれた直線と、交点ＡｏとＡ１を結ぶ直線に対して所定の入口角βＡ１の角度だけずれた直線との交点を求める。ここで、点Ａ１とＡ２を結ぶ直線の中央でこれに直交する線上に、これらの２直線の交点はかならずしも位置しないが、仮に円弧の中心点ｍＡを適宜に設定する。同様にして、点Ｃ１とＣ２を結ぶ直線の中央でこれに直交する線を描き、また交点ＣｏとＣ２を結ぶ直線に対して所定の出口角βＣ２の角度だけずれた直線と、交点ＣｏとＣ１を結ぶ直線に対して所定の入口角βＣ１の角度だけずれた直線との交点を求める。そして、この交点から仮の円弧の中心点ｍＣを設定する。さらに、点Ａ１とＡ２および点Ｃ１とＣ２からの距離がρで同じとなるようにして中心点ｍＡ，ｍＣを決定する。一方、交線Ｂ１−Ｂ２に対する円弧の中心点ｍＢは、直線ｍＡ−ｍＣ上で（ｍＡ−ｍＢ）／（ｍＢ−ｍＣ）の線分の比が、平面ＡとＢ、ＢとＣの間隔比と同じ値となる点をｍＢとする。このｍＢを中心とし半径ρの円を描く。ここで、直線ｍＡ−ｍＣは、基準線０−０’が紙面に直交するＸ−Ｙ座標で、Ｘ軸に対して角度μだけ傾いている。
【００２６】
なお、直線Ａｏ−Ａ２に対して、平面上の羽根車羽根１０の交線の出口角βＡ２の角度だけずれた直線と、直線Ａｏ−Ａ１に対して入口角βＡ１の角度だけずれた直線との交点からほぼ中心点ｍＡを設定することで、交線Ａ１−Ａ２の近似円弧Ａ１−Ａ２は、点Ａｏを中心として点Ａ１を通過する円また点Ａ２を通過する円に対して、それぞれにほぼ所定の入口角βＡ１と出口角βＡ２に設定されている。なお、この円弧Ａ１−Ａ２の点Ａ１，Ａ２は、ｍＡを中心とする半径ρの円と平面Ａ上の羽根入口端および出口端を通る楕円との交点であるが、図９に示される点Ａ１，Ａ２のごく近傍にある。
【００２７】
このようにして、図１０のごとく、交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２が同一半径の円の円弧で近似され得る。この図１０は、基準線０−０’方向に重ねて図示されたものであり、図１１は、同一半径の円上にある近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２をそれぞれ元の平面位置の状態に戻して、基準線０−０’方向に離して図示した斜視図である。この図１１から明らかなごとく、中心点ＭＡ，ＭＢ，ＭＣがある直線ζは、基準線０−０’方向をＺ軸として、このＺ軸に対して角度νだけ傾き、しかもＸ軸に対して角度μだけ傾いたものとなる。そして、平面Ａ上の中心点ＭＡで半径ρなる円Ａの円周上に近似円弧Ａ１−Ａ２があり、平面Ｂ上の中心点ＭＢで半径ρなる円Ｂの円周上に近似円弧Ｂ１−Ｂ２があり、平面Ｃ上の中心点ＭＣで半径ρなる円Ｃの円周上に近似円弧Ｃ１−Ｃ２がある。ここで、基準線０−０’方向に重ねて平面Ｃ上にある中心点をｍＡ，ｍＢ、ｍＣで表示し、基準線０−０’方向に重ねずに元の状態に戻した各平面Ａ，Ｂ，Ｃ上にある中心点をＭＡ，ＭＢ，ＭＣで表示している。
【００２８】
さらに、図１１に示す円Ａ，Ｂ，ＣをＺ軸方向から見るならば、図１２のごとく見える。すなわち、中心点ＭＡ、ＭＢ、ＭＣがＸ軸に対して角度μだけ傾いた直線にある３つの円として示される。この図１２を、紙面と平行でＸ軸に対して角度μだけ傾くｘ軸と直交するＥ方向から見るならば、図１３のごとくに円Ａ，Ｂ，Ｃが見える。中心点ＭＡ、ＭＢ、ＭＣがある直線ζは、Ｚ軸に対して角度νだけ傾いている。
【００２９】
そしてさらに、図１３の円Ａ，Ｂ，Ｃを直線ζ軸方向に見ると、図１４のごとく、円Ａ，Ｂ，Ｃが楕円筒の周面に重なって見える。この楕円筒は長軸が２ρであり短軸が２ρ・ｃｏｓνとなる。そして、この楕円筒の周面上に近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２が存在する。なお、楕円筒上にある近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２は、その長さが違い、入口辺の点および出口辺の点は一致しないが、本実施例では、図１４に示した楕円上の２点Ｃ１とＡ２の間にある（一般的には、両端にある点の間にある）。また、これらの近似円弧は、楕円筒の周面の僅かな一部分である。そこで、近似円弧のある部分の周面を直径２ρｏの円筒で近似する。この近似円筒は、近似円弧の両端とほぼ中央から等距離に中心点がある円で設定し得る。そして、図１４で楕円筒の長軸方向をη軸とし、短軸方向をξ軸として、近似した円筒の中心点は（ξｏ，ηｏ）で示され、その軸はζ軸と平行である。そして、この円筒の中心点の座標（ξｏ，ηｏ）は、ＣＡＤによって、その座標を容易に算出できる。
【００３０】
この近似した円筒の軸方向および平面Ｃ上の中心点の座標は、上記設計手順から基準線０−０’および回転軸１４に対して、その位置関係が容易に定まる。そこで、ハブ面１２とチップ壁との間に、所定の位置関係で上記の近似した円筒を配置し、さらに円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面との交線をＣＡＤで求める。ここで近似した円筒の周面上における近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２の両端位置から、近似した円筒と円錐Ａ，Ｂ，Ｃの交線の両端部も一義的に定まる。また、ハブ面１２と側板上のチップ壁との交線も当然にＣＡＤで求める。なお、クローズド羽根であれば、チップ壁との交線のままで良いが、オープン羽根であればチップ側ケーシング壁との間に僅かな隙間を設けて羽根車羽根１０のチップ壁側の形状を設定する。
【００３１】
そして、ＣＡＤで求められた円筒の周面の一部からなる羽根車羽根１０に対して、ハブ面側とチップ壁側および円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上における入口角と出口角とを求め、これらと所望の入口角と出口角を比較する。一致すれば所望の形状の羽根車羽根１０が設計されていることとなる。しかし、入口角と出口角がずれている場合は、以下のごとくして設計の手直しを行う。入口角と出口角が大きい場合には、図１０において交線Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２を円弧で近似する円の半径ρを少し短くし、中心位置を調整して、再び設計をし直して入口角と出口角を所望の大きさと比較する。また、入口角と出口角が小さい場合には、近似する円の半径ρを少し長くし、中心位置を調整して、再び設計をし直して入口角と出口角を所望の大きさと比較する。これらの作業を入口角と出口角が所望の値にほぼ一致するまで繰り返す。
【００３２】
上述のごとき手順で設計することで、図１５に示すごとく、羽根車羽根１０は、近似した円筒の周面の一部で形成することができる。そこで、鋼板からなる円筒から図１５に示すごとき羽根車羽根１０を切り取って、これを所定の姿勢でハブ面１２等に溶接などで取り付ければ良い。また、この羽根車羽根１０の展開図をＣＡＤにより図１６のごとく求め、平らの鋼板からこれを切り取り適宜にロール加工などで円筒の周面の一部となるように折り曲げて、ハブ面１２等に取り付けても良い。この折り曲げ加工は簡単な金型によるプレス加工であっても良い。
【００３３】
ところで、遠心送風機のごとく、羽根車羽根１０が一定の厚さで足りる流体機械にあっては、上述のごとくして設計された鋼板製の羽根車羽根１０を必要な枚数だけ制作してハブ面１２に等間隔で取り付ければ良い。しかし、斜流ポンプのごとく羽根厚みが一定でなく変化させる必要がある場合には、以下のごとき手順で設計制作すれば良い。図１６のごとき羽根車羽根１０の展開図に対して、望ましい羽根厚さの分布がわかっており、前述のごとくして羽根車羽根１０が周面の一部として設計される円筒の内径を有するとともに羽根車羽根１０の最大厚さを有する鋼板製の円筒に対して、その内径を基準として軸方向の２次元ＮＣ加工により厚み分布を切削により形成し、かかる加工後に羽根車羽根１０を円筒から切り取れば良い。また、羽根車羽根１０の最大厚さを有する平らな鋼板に同様な厚み分布を切削により形成して、これから展開図状の羽根車羽根１０を切り取り、適宜に折り曲げ加工しても良い。さらに、より簡単に厚み加工をする方法として、円筒内面を基準として、例えば図１７に示すように、軸方向厚み分布をもつように円周方向に所定の一定厚さの加工をし、また軸方向には、図示の円周方向厚み分布を与えるように各円周方向の位置で決まる厚さ一定で軸方向に切削する。このような加工方法によると、軸方向加工では、すでに円周方向加工により肉厚が薄くなっていて加工できない部分をも生ずるが何ら差し支えなく、ＮＣ加工によることなしにも図１７の羽根車羽根の展開図に斜線を施した厚み分布が得られる。なお、鋼板からの切り取りおよび厚み分布の形成および曲げ加工の加工手順などはいかなる順序でなされても良いことは勿論である。なお、羽根車羽根１０の入口辺と出口辺の部分は、適宜に仕上げ加工を行う。
【００３４】
上述のごとくして、鋼板から形成された羽根車羽根１０を取り付けた斜流ポンプのポンプ性能と、同じ与仕様の従来の鋳造羽根車を有する斜流ポンプのポンプ性能を比較した。ポンプ性能は、仕様点での吐出し量、全揚程が同じであり、それらで無次元化した性能曲線も図１８に示すごとくほぼ同じであり、充分な性能が得られた。
【００３５】
なお、上記実施例にあっては、基準線０−０’をハブ面１２に直交するように設定したが、これに限られず、基準線０−０’をハブ面１２に直交しないが回転軸１４に交叉するように設定しても良い。また、上記実施例では、基準線０−０’と羽根車羽根１０の突設方向がほぼ一致しているので、図８ないし図１０で、平面上の交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２および円錐の周面上の交線Ａ１’−Ａ２’，Ｂ１’−Ｂ２’，Ｃ１’−Ｃ２’が、基準線０−０’に近接して重なって描かれている。しかし、羽根車羽根１０の突設方向によっては、基準線０−０’に近接せずまた重ならずに離れて描かれることもあるが、同様の手順で近似した円筒の周面の一部で羽根車羽根１０を形成することが可能である。
【００３６】
また、上記実施例では斜流ポンプを流体機械の一例として説明したが、これに限られず、立軸ポンプ等のターボポンプに適用できることは勿論である。そして、羽根車は、オープン羽根車に限られずクローズド羽根車であっても良い。そして、流体は液体に限られず、気体を送出する送風機に適用することもできる。この送風機への適用にあっては、羽根車羽根の厚さは一様であっても良い場合が多く、厚さ加工がない分、より製造が容易である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体機械の製造方法により流体機械は製造されるので、以下のごとき格別な効果を奏する。
【００３８】
請求項１記載の流体機械の製造方法にあっては、羽根車羽根とこれと交叉する複数の平行な平面との交線を同一半径の円の円弧で近似し、これらの近似円弧を周面に含む円筒を想定し、この円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根を形成するので、羽根車羽根を適正に近似し得る円筒を容易に想定でき、それだけ設計が容易である。そして、円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根を形成するので、従来の鋳造または３次元金型によるプレス加工などに比べて安価に製造できる。特に製造台数が少ない場合に、従来のごとき鋳造の木型およびプレスの金型を必要としないために、極めて安価にしかも迅速に製造が可能である。
【００３９】
請求項２記載の流体機械の製造方法にあっては、同一半径の円の近似円弧を周面に含む楕円筒を想定し、この楕円筒の近似円弧がある部分の周面をさらに円筒で近似し、この円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根を形成するので、適正な円筒をより正確に設定することができる。
【００４０】
請求項３記載の流体機械の製造方法にあっては、ハブ面に直交する基準線に直交させて複数の平行な平面を仮想するので、この平面と羽根車羽根の交線から想定する円筒と、ハブ面および回転軸などとの相対的な位置関係が決定し易く、また交線の位置関係が容易に求まり、それだけ設計が容易である。
【００４１】
請求項４記載の流体機械の製造方法にあっては、羽根車羽根の入口角および出口角を円錐の周面上の接線とのなす角で調整することで、入口角および出口角を所望の角度に正確に調整することができる。
【００４２】
請求項５記載の流体機械の製造方法にあっては、平行な平面と羽根車羽根の交線を円弧で近似する円の半径を調整することで、入口角および出口角を変更でき、近似する円の径と中心位置を調整しながら繰り返して設計することで、入口角および出口角を所望の大きさとすることができる。
【００４３】
請求項６記載の流体機械の製造方法にあっては、鋼板からなる円筒の内周面を基準として、その外周面を切削して羽根車羽根の所望の厚さ分布を形成するので、この厚さ分布を形成するのにＮＣ加工機などで簡単に行うことができる。
【００４４】
請求項７記載の流体機械の製造方法にあっては、展開図に応じて平らな鋼板を切り取り、これを折り曲げて羽根車羽根とするので、簡単な板金加工機械によって作成することができる。
【００４５】
請求項８記載の流体機械の製造方法にあっては、平らな鋼板を切削して厚さ分布を加工し、さらに折り曲げ加工して羽根車羽根とするので、厚さ分布を有する羽根車羽根を２次元ＮＣ加工機械や旋盤加工機および板金加工機械などで容易に作成することができる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハブ面に突設された羽根車羽根の外観斜視図である。
【図２】 羽根車羽根の子午断面図上に基準線０−０’とこれに直交する平面Ａ，Ｂ，Ｃを示した図である。
【図３】 羽根車羽根の外観図を子午断面図と重ねて描いた図である。
【図４】 図３で羽根車羽根のＰ方向矢視図である。
【図５】 図３で羽根車羽根のＱ方向矢視図である。
【図６】 羽根車羽根と円錐Ａの周面との交線を示す斜視図である。
【図７】 羽根車羽根と平面Ａの交線を示す斜視図である。
【図８】 円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上に描いた交線の展開図を基準線０−０’方向に重ねた図である。
【図９】 平面Ａ，Ｂ，Ｃ上に描いた交線を基準線０−０’方向に重ねた図である。
【図１０】 平面Ａ，Ｂ，Ｃに描いた交線を同一半径の円の円弧で近似することを示す図である。
【図１１】 同一半径の円上にある近似円弧をそれぞれの平面の位置に図示した斜視図である。
【図１２】 図１１をＺ軸方向から見た図である。
【図１３】 図１１を図１２のＥ方向から見た図である。
【図１４】 図１１を図１３のζ軸方向から見て、円を楕円筒で近似し、さらに楕円筒上で羽根車羽根の交線の近似円弧のある部分を円筒で近似することを示す図である。
【図１５】 近似した円筒の周面の一部で羽根車羽根が形成されることを示す図である。
【図１６】 円筒の周面の一部からなる羽根車羽根の展開図である。
【図１７】 図１６の展開図で厚み分布を示す図である。
【図１８】 本発明の鋼板製の羽根車羽根を有する斜流ポンプと、これと同じ与仕様の鋳造型の羽根車羽根を有する斜流ポンプのポンプ特性を比較するグラフである。
【符号の説明】
１０ 羽根車羽根
１２ ハブ面
１４ 回転軸
０−０’ 基準線
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ１’、Ｂ１’、Ｃ１’ 入口点
Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ａ２’、Ｂ２’、Ｃ２’ 出口点
Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２ 平面と羽根車羽根の交線
Ａｏ 平面Ａと回転軸との交点
Ｂｏ 平面Ｂと回転軸との交点
Ｃｏ 平面Ｃと回転軸との交点
Ａｏ’ 円錐Ａの頂点
Ｂｏ’ 円錐Ｂの頂点
Ｃｏ’ 円錐Ｃの頂点
Ａ１’−Ａ２’、Ｂ１’−Ｂ２’、Ｃ１’−Ｃ２’ 円錐の周面と羽根車羽根の交線
ρ 交線を円弧で近似する円の半径
βＡ１、βＢ１、βＣ１ 入口角
βＡ２、βＢ２、βＣ２ 出口角
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板で安価にしかも簡単に製造することのできる羽根車羽根を備えた流体機械の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体機械の一例である斜流ポンプにあっては、内ケーシングに軸受けを介して回転軸が軸周りに回転自在に支持され、この回転軸の先端に略円錐状のハブが設けられ、このハブの側周面に複数の羽根車羽根が突設される。そして、内ケーシングの外側で回転軸と同軸上に外ケーシングが配設され、外ケーシングの先端に羽根車羽根の突出先端側の回転軌跡の外周囲に吸込ケーシングが設けられる。さらに、ハブの下流側で内ケーシングと外ケーシングの間に複数の案内羽根が設けられて、内ケーシングと外ケーシングが一体化される。
【０００３】
そして、ハブの側周面と吸込ケーシングの間に、下流側ほど半径方向に広がりを有する流路が形成される。回転軸の回転駆動に伴い、羽根車羽根が流路内で回転し、流体に下流側へ移動させるエネルギーが伝達される。ここで、羽根車羽根の周速度は半径位置により相違し、また流体のケーシングに対する速度も半径方向および流路方向により相違し、羽根車羽根は３次元曲面で形成される。
【０００４】
従来にあっては、この羽根車羽根が３次元曲面の複雑な形状を有するために、これを鋳造で成形し、または３次元総金型によるプレス加工で成形していた。なお、鋳造またはプレス加工のいずれであっても、成形すべき羽根車羽根の形状自体は、必要とされるポンプ性能などから予め設定されることは勿論である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の鋳造による羽根車羽根の製造にあっては、鋳造するための木型の作成が必要であり、その木型の制作に長時間を要する。しかも、製造台数の少ないものにあっては、木型の作成に多くの費用がかかり、製造コストが高いものとなる。また、鋳造では、羽根車羽根の全体的な肉厚が厚くなる傾向にあり、総重量が大きく、その取り扱いならびに加工に多大の労力を必要としていた。
【０００６】
また、従来のプレス加工による鋼板型の羽根車羽根にあっては、鋳造のための木型作成以上に、３次元総金型の制作費用が高く、その費用が流体機械の製造コストに大きな割合を占め、流体機械を安価に製造するために、何らかの解決策が強く要望されていた。
【０００７】
本発明は、上述のごとき従来技術の不具合を改善すべくなされたもので、羽根車羽根を鋼板でしかも簡単な板金加工機械等によって形成し得るようにして、全体としてコストの低減を図った流体機械を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明の流体機械の製造方法は、略円錐状のハブ面に羽根車羽根を突設して羽根車を形成し、この羽根車の回転駆動により流体を送出する流体機械の製造方法において、まず前記羽根車羽根の突設方向と交叉する複数の平行な平面を設定し、これらの平面と前記羽根車羽根の交線を描き、そしてこれらの交線を同一半径の円の円弧でしかもその中心点が同一直線上にあるようにしてそれぞれに近似し、さらにこの直線方向から見てこれらの近似円弧を周面に含み前記直線と平行な中心軸を有する円筒を近似設定し、この円筒の周面の一部を切り取って前記羽根車羽根を形成して流体機械を製造する。
【０００９】
また、前記近似円弧を周面に含み前記直線上に中心軸を有する楕円筒を設定し、さらにこの楕円筒の前記近似円弧がある部分の周面を前記直線と平行な中心軸を有する前記円筒で近似して流体機械を製造することもできる。
【００１０】
そして、前記ハブ面に直交するとともに回転軸に交叉する基準線を想定し、この基準線に直交させて前記複数の平行な平面を仮想して流体機械を製造することも可能である。
【００１１】
さらに、前記平面と前記羽根車羽根の交線の入口点と出口点を周面に含み回転軸を中心軸とする円錐を設定し、前記入口点と出口点を入口点と出口点として前記円錐の周面と前記円筒の交線を描き、さらにこの交線の入口点と出口点で、これらの交線と前記円錐の周面上で前記回転軸を中心とする円の接線とのなす角度が所望の入口角および出口角となるように前記円筒の径と中心軸の方向を調整して流体機械を製造しても良い。
【００１２】
さらにまた、前記平面と前記羽根車羽根の交線を同一半径の円弧で近似する前記円の半径と中心位置を調整することによって、前記交線の入口点の入口角および出口点の出口角を調整して流体機械を製造しても良い。
【００１３】
そしてまた、前記円筒の内周面を前記羽根車羽根の羽根負圧面とし、前記内周面を基準として前記羽根車羽根の厚さ分布に応じて前記円筒の外周面を切削して流体機械を製造しても良い。
【００１４】
そしてさらに、前記円筒の周面の一部からなる前記羽根車羽根の展開図を作成し、この展開図に応じて平らな鋼板から前記羽根車羽根を切り取るとともに、前記円筒の一部となるように折り曲げ加工して流体機械を製造しても良い。
【００１５】
さらにまた、前記平らな鋼板の一側面を基準として前記羽根車羽根の厚さ分布に応じて前記鋼板の他側面を切削し、前記一側面が前記羽根車羽根の羽根負圧面となるように折り曲げ加工して流体機械を製造しても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図１８を参照して説明する。図１は、ハブ面に突設された羽根車羽根の外観斜視図である。図２は、羽根車羽根の子午断面図上に基準線０−０’とこれに直交する平面Ａ，Ｂ，Ｃを示した図である。図３は、羽根車羽根の外観図を子午断面図と重ねて描いた図である。図４は、図３で羽根車羽根のＰ方向矢視図である。図５は、図３で羽根車羽根のＱ方向矢視図である。図６は、羽根車羽根と円錐Ａの周面との交線を示す斜視図である。図７は、羽根車羽根と平面Ａの交線を示す斜視図である。図８は、円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上に描いた交線の展開図を基準線０−０’方向に重ねた図である。図９は、平面Ａ，Ｂ，Ｃ上に描いた交線を基準線０−０’方向に重ねた図である。図１０は、平面Ａ，Ｂ，Ｃに描いた交線を同一半径の円の円弧で近似することを示す図である。図１１は、同一半径の円上にある近似円弧をそれぞれの元の平面の位置に図示した斜視図である。図１２は、図１１をＺ軸方向から見た図である。図１３は、図１１を図１２のＥ方向から見た図である。図１４は、図１１を図１３のζ軸方向から見て円を楕円筒で近似し、さらに楕円筒上で羽根車羽根の交線の近似円弧のある部分を円筒で近似することを示す図である。図１５は、近似した円筒の周面の一部で羽根車羽根が形成されることを示す図である。図１６は、円筒の周面の一部からなる羽根車羽根の展開図である。図１７は、図１６の展開図で厚み分布を示す図である。図１８は、本発明の鋼板製の羽根車羽根を有する斜流ポンプと、これと同じ与仕様の鋳造型の羽根車羽根を有する斜流ポンプのポンプ特性を比較するグラフである。
【００１７】
流体機械の一例としての斜流ポンプの羽根車羽根の設計につき説明する。この斜流ポンプの所望のポンプ特性から、羽根車羽根の仕様は予め定められる。すなわち、流体が羽根車羽根に流入する入口角および流出する出口角や羽根車羽根の長さなどが予め定められる。
【００１８】
ところで、現在では３次元のＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）が普及し、画面上で立体表示が可能であり、またその断面図および画像を任意に回転させた図などを容易に描くことができる。そこで、本設計にあっても、かかるＣＡＤを活用して設計の手助けを行うこととする。そして、予め定められるハブ面やチップ壁および羽根車羽根などの仕様データがＣＡＤに入力され、従来の羽根車羽根が立体的に図示できるものとする。
【００１９】
まず、図１に示すごとく、羽根車羽根１０の略突設方向で基準線０−０’を、ハブ面１２に一例として直交させるとともに回転軸１４と交叉させて描く。そして、図２のごとく基準線０−０’に対して直交する複数の平面が、例えばハブ面１２側とチップ壁側およびその中間（適宜な比率で内分しても良い。）にそれぞれ設定される。ここで、チップ壁側を平面Ａ、中間を平面Ｂ、ハブ面１２側を平面Ｃとする。なお、ハブ面１２側の平面Ｃは、図２の子午断面図では、ハブ面１２と一致して図示される。そして、図２において、平面Ａと回転軸１４の交点をＡｏ、平面Ｂと回転軸１４の交点をＢｏ、平面Ｃと回転軸１４の交点をＣｏで示す。さらに、ハブ面１２の円錐の頂点は、平面Ｃと回転軸１４との交点Ｃｏに一致する。また、チップ壁の円錐の頂点は、Ａｔｏで示す。さらにまた、羽根車羽根１０の羽根負圧面と各平面Ａ，Ｂ，Ｃとの交線Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２をそれぞれの平面上に描く。ここで、Ａ１，Ｂ１，Ｃ１は交線の入口点であり、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は交線の出口点である。これらの作業はＣＡＤにより簡単に行うことができる。さらに、図３に示すごとく、点Ａ１とＡ２を通り、回転軸１４に垂直な直線をそれぞれに描き、この直線と子午断面図上の羽根車羽根１０の入口辺と出口辺との交点をそれぞれに求める。この２つの交点を結ぶ線を母線とし、回転軸１４を中心軸として頂点Ａｏ’とする円錐Ａを描く。これは点Ａ１とＡ２が回転軸１４周りに回転した軌跡の２つの円を周面に含む円錐を示す。同様にして、点Ｂ１，Ｂ２および点Ｃ１，Ｃ２に対してもそれぞれ円錐Ｂ，Ｃを描き、その頂点をＢｏ’，Ｃｏ’と示す。そしてまた、図３に示す羽根車羽根１０のＰ方向矢視図を図４に示し、Ｑ方向矢視図を図５に示す。図４および図５において、羽根車羽根１０に円錐Ａ，Ｂ，Ｃとの交線が図示されている。
【００２０】
ところで、羽根車羽根１０と円錐Ａの周面との交線Ａ１’−Ａ２’を、ＣＡＤにより斜視図で描くと、図６のごとくなる。なお、円錐Ａの周面上の点Ａ１’，Ａ２’は平面Ａ上の点Ａ１，Ａ２と同じ点であるが、交線の描かれる位置が円錐Ａの周面上か、平面Ａ上であるかを区別すべく、異なる符号で示してある。以後、円錐Ｂ，Ｃおよび平面Ｂ，Ｃにおける交線も同様に示す。
【００２１】
図６において、点Ａ２’があるとともに回転軸１４と直交する面にある円の半径をＲＡ２’とし、点Ａ１’がある円の半径をＲＡ１’とすると、円錐Ａと回転軸１４とのなす角（円錐Ａの頂角の１／２）がα’であるので、円錐Ａの頂点Ａｏ’から点Ａ２’がある円までの周面上での距離ＳＲＡ２’は
ＳＲＡ２’＝ＲＡ２’／ｓｉｎα’
であり、頂点Ａｏ’から点Ａ１’がある円までの距離ＳＲＡ１’は
ＳＲＡ１’＝ＲＡ１’／ｓｉｎα’
で示される。
【００２２】
そして、図６において、点Ａ２’を通過し円錐Ａの周面の接線と、交線Ａ１’−Ａ２’とのなす角βＡ２’が、円錐Ａ上における羽根車羽根１０の出口角となっている。また、点Ａ１’を通過し円錐Ａの周面の接線と交線Ａ１’−Ａ２’とのなす角βＡ１’が入口角（図６には図示せず）である。この図６と同様にして、円錐Ｂ，Ｃの周面上に、交線Ｂ１’−Ｂ２’、Ｃ１’−Ｃ２’をそれぞれに描くことができる。ここで、円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上における入口角および出口角の値についても同様である。
【００２３】
次に、羽根車羽根１０と平面Ａの交線Ａ１−Ａ２をＣＡＤにより斜視図で描くと、図７のごとくなる。点Ａ２は、回転軸１４を中心とし、半径ＲＡ２の円筒面と平面Ａとの交線上にある。この交線は、平面Ａと回転軸１４の交点Ａｏを中心とし、２・ＲＡ２の短軸と２・ＲＡ２／ｓｉｎαの長軸を有する楕円で示される。同様に、点Ａ１も、２・ＲＡ１の短軸と２・ＲＡ１／ｓｉｎαの長軸を有する楕円上にある。なお、αは、平面Ａと回転軸１４のなす角度である。また、図６と図７において、ＲＡ２＝ＲＡ２’，ＲＡ１＝ＲＡ１’である。平面上の羽根車羽根１０の交線も回転軸のまわりを回転するから、平面上における羽根車羽根１０の出口端は回転軸に垂直な平面内で回転中心からの半径に直角方向の周速ベクトルをもつ。このベクトルは平面Ａ上にないので、平面Ａ上の交線の出口角は直線Ａ２Ａｏの垂線と交線Ａ１−Ａ２が点Ａ２上で交わる角度で近似し、平面上における羽根車羽根１０の出口角とした。また、点Ａ１において直線Ａ１Ａｏの垂線と交線Ａ１−Ａ２のなす角が平面Ａ上の入口角βＡ１（図７に図示せず）である。これから、交線Ａ１−Ａ２とＡ１またはＡ２を通りＡｏを中心とする円の交角が平面上の羽根車羽根１０の入口角および出口角となることがわかる。この図７と同様にして、平面Ｂ，Ｃ上に交線Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２を描くことができる。
【００２４】
図６のごとくして円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上に描いた交線Ａ１’−Ａ２’、Ｂ１’−Ｂ２’、Ｃ１’−Ｃ２’の展開図を、基準線０−０’方向に重ねて図示したのが図８である。また、図７のごとくして平面Ａ，Ｂ，Ｃ上に描いた交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２を、基準線０−０’方向に重ねて図示したのが図９である。図８と図９を比較すると、図８に示される交線と円が交わる角度は、図９に示される交線と円が交わる角度と若干相違するものの、その差は３°以内であって小さい。そこで、図示等が簡便なことから、以後平面Ａ，Ｂ，Ｃ上の交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２に基づき作図設計等を行う。
【００２５】
ところで、図９に示される平面上の交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２は、いずれも円弧に近い曲線であって、同一半径の円で近似することができる。この近似する方法として、図１０に示すごとく、まず点Ａ１とＡ２を結ぶ直線の中央でこれに直交する線を描き、また交点ＡｏとＡ２を結ぶ直線に対して所定の平面上の羽根車羽根１０の出口角βＡ２の角度だけずれた直線と、交点ＡｏとＡ１を結ぶ直線に対して所定の入口角βＡ１の角度だけずれた直線との交点を求める。ここで、点Ａ１とＡ２を結ぶ直線の中央でこれに直交する線上に、これらの２直線の交点はかならずしも位置しないが、仮に円弧の中心点ｍＡを適宜に設定する。同様にして、点Ｃ１とＣ２を結ぶ直線の中央でこれに直交する線を描き、また交点ＣｏとＣ２を結ぶ直線に対して所定の出口角βＣ２の角度だけずれた直線と、交点ＣｏとＣ１を結ぶ直線に対して所定の入口角βＣ１の角度だけずれた直線との交点を求める。そして、この交点から仮の円弧の中心点ｍＣを設定する。さらに、点Ａ１とＡ２および点Ｃ１とＣ２からの距離がρで同じとなるようにして中心点ｍＡ，ｍＣを決定する。一方、交線Ｂ１−Ｂ２に対する円弧の中心点ｍＢは、直線ｍＡ−ｍＣ上で（ｍＡ−ｍＢ）／（ｍＢ−ｍＣ）の線分の比が、平面ＡとＢ、ＢとＣの間隔比と同じ値となる点をｍＢとする。このｍＢを中心とし半径ρの円を描く。ここで、直線ｍＡ−ｍＣは、基準線０−０’が紙面に直交するＸ−Ｙ座標で、Ｘ軸に対して角度μだけ傾いている。
【００２６】
なお、直線Ａｏ−Ａ２に対して、平面上の羽根車羽根１０の交線の出口角βＡ２の角度だけずれた直線と、直線Ａｏ−Ａ１に対して入口角βＡ１の角度だけずれた直線との交点からほぼ中心点ｍＡを設定することで、交線Ａ１−Ａ２の近似円弧Ａ１−Ａ２は、点Ａｏを中心として点Ａ１を通過する円また点Ａ２を通過する円に対して、それぞれにほぼ所定の入口角βＡ１と出口角βＡ２に設定されている。なお、この円弧Ａ１−Ａ２の点Ａ１，Ａ２は、ｍＡを中心とする半径ρの円と平面Ａ上の羽根入口端および出口端を通る楕円との交点であるが、図９に示される点Ａ１，Ａ２のごく近傍にある。
【００２７】
このようにして、図１０のごとく、交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２が同一半径の円の円弧で近似され得る。この図１０は、基準線０−０’方向に重ねて図示されたものであり、図１１は、同一半径の円上にある近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２をそれぞれ元の平面位置の状態に戻して、基準線０−０’方向に離して図示した斜視図である。この図１１から明らかなごとく、中心点ＭＡ，ＭＢ，ＭＣがある直線ζは、基準線０−０’方向をＺ軸として、このＺ軸に対して角度νだけ傾き、しかもＸ軸に対して角度μだけ傾いたものとなる。そして、平面Ａ上の中心点ＭＡで半径ρなる円Ａの円周上に近似円弧Ａ１−Ａ２があり、平面Ｂ上の中心点ＭＢで半径ρなる円Ｂの円周上に近似円弧Ｂ１−Ｂ２があり、平面Ｃ上の中心点ＭＣで半径ρなる円Ｃの円周上に近似円弧Ｃ１−Ｃ２がある。ここで、基準線０−０’方向に重ねて平面Ｃ上にある中心点をｍＡ，ｍＢ、ｍＣで表示し、基準線０−０’方向に重ねずに元の状態に戻した各平面Ａ，Ｂ，Ｃ上にある中心点をＭＡ，ＭＢ，ＭＣで表示している。
【００２８】
さらに、図１１に示す円Ａ，Ｂ，ＣをＺ軸方向から見るならば、図１２のごとく見える。すなわち、中心点ＭＡ、ＭＢ、ＭＣがＸ軸に対して角度μだけ傾いた直線にある３つの円として示される。この図１２を、紙面と平行でＸ軸に対して角度μだけ傾くｘ軸と直交するＥ方向から見るならば、図１３のごとくに円Ａ，Ｂ，Ｃが見える。中心点ＭＡ、ＭＢ、ＭＣがある直線ζは、Ｚ軸に対して角度νだけ傾いている。
【００２９】
そしてさらに、図１３の円Ａ，Ｂ，Ｃを直線ζ軸方向に見ると、図１４のごとく、円Ａ，Ｂ，Ｃが楕円筒の周面に重なって見える。この楕円筒は長軸が２ρであり短軸が２ρ・ｃｏｓνとなる。そして、この楕円筒の周面上に近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２が存在する。なお、楕円筒上にある近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２は、その長さが違い、入口辺の点および出口辺の点は一致しないが、本実施例では、図１４に示した楕円上の２点Ｃ１とＡ２の間にある（一般的には、両端にある点の間にある）。また、これらの近似円弧は、楕円筒の周面の僅かな一部分である。そこで、近似円弧のある部分の周面を直径２ρｏの円筒で近似する。この近似円筒は、近似円弧の両端とほぼ中央から等距離に中心点がある円で設定し得る。そして、図１４で楕円筒の長軸方向をη軸とし、短軸方向をξ軸として、近似した円筒の中心点は（ξｏ，ηｏ）で示され、その軸はζ軸と平行である。そして、この円筒の中心点の座標（ξｏ，ηｏ）は、ＣＡＤによって、その座標を容易に算出できる。
【００３０】
この近似した円筒の軸方向および平面Ｃ上の中心点の座標は、上記設計手順から基準線０−０’および回転軸１４に対して、その位置関係が容易に定まる。そこで、ハブ面１２とチップ壁との間に、所定の位置関係で上記の近似した円筒を配置し、さらに円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面との交線をＣＡＤで求める。ここで近似した円筒の周面上における近似円弧Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２の両端位置から、近似した円筒と円錐Ａ，Ｂ，Ｃの交線の両端部も一義的に定まる。また、ハブ面１２と側板上のチップ壁との交線も当然にＣＡＤで求める。なお、クローズド羽根であれば、チップ壁との交線のままで良いが、オープン羽根であればチップ側ケーシング壁との間に僅かな隙間を設けて羽根車羽根１０のチップ壁側の形状を設定する。
【００３１】
そして、ＣＡＤで求められた円筒の周面の一部からなる羽根車羽根１０に対して、ハブ面側とチップ壁側および円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上における入口角と出口角とを求め、これらと所望の入口角と出口角を比較する。一致すれば所望の形状の羽根車羽根１０が設計されていることとなる。しかし、入口角と出口角がずれている場合は、以下のごとくして設計の手直しを行う。入口角と出口角が大きい場合には、図１０において交線Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２を円弧で近似する円の半径ρを少し短くし、中心位置を調整して、再び設計をし直して入口角と出口角を所望の大きさと比較する。また、入口角と出口角が小さい場合には、近似する円の半径ρを少し長くし、中心位置を調整して、再び設計をし直して入口角と出口角を所望の大きさと比較する。これらの作業を入口角と出口角が所望の値にほぼ一致するまで繰り返す。
【００３２】
上述のごとき手順で設計することで、図１５に示すごとく、羽根車羽根１０は、近似した円筒の周面の一部で形成することができる。そこで、鋼板からなる円筒から図１５に示すごとき羽根車羽根１０を切り取って、これを所定の姿勢でハブ面１２等に溶接などで取り付ければ良い。また、この羽根車羽根１０の展開図をＣＡＤにより図１６のごとく求め、平らの鋼板からこれを切り取り適宜にロール加工などで円筒の周面の一部となるように折り曲げて、ハブ面１２等に取り付けても良い。この折り曲げ加工は簡単な金型によるプレス加工であっても良い。
【００３３】
ところで、遠心送風機のごとく、羽根車羽根１０が一定の厚さで足りる流体機械にあっては、上述のごとくして設計された鋼板製の羽根車羽根１０を必要な枚数だけ制作してハブ面１２に等間隔で取り付ければ良い。しかし、斜流ポンプのごとく羽根厚みが一定でなく変化させる必要がある場合には、以下のごとき手順で設計制作すれば良い。図１６のごとき羽根車羽根１０の展開図に対して、望ましい羽根厚さの分布がわかっており、前述のごとくして羽根車羽根１０が周面の一部として設計される円筒の内径を有するとともに羽根車羽根１０の最大厚さを有する鋼板製の円筒に対して、その内径を基準として軸方向の２次元ＮＣ加工により厚み分布を切削により形成し、かかる加工後に羽根車羽根１０を円筒から切り取れば良い。また、羽根車羽根１０の最大厚さを有する平らな鋼板に同様な厚み分布を切削により形成して、これから展開図状の羽根車羽根１０を切り取り、適宜に折り曲げ加工しても良い。さらに、より簡単に厚み加工をする方法として、円筒内面を基準として、例えば図１７に示すように、軸方向厚み分布をもつように円周方向に所定の一定厚さの加工をし、また軸方向には、図示の円周方向厚み分布を与えるように各円周方向の位置で決まる厚さ一定で軸方向に切削する。このような加工方法によると、軸方向加工では、すでに円周方向加工により肉厚が薄くなっていて加工できない部分をも生ずるが何ら差し支えなく、ＮＣ加工によることなしにも図１７の羽根車羽根の展開図に斜線を施した厚み分布が得られる。なお、鋼板からの切り取りおよび厚み分布の形成および曲げ加工の加工手順などはいかなる順序でなされても良いことは勿論である。なお、羽根車羽根１０の入口辺と出口辺の部分は、適宜に仕上げ加工を行う。
【００３４】
上述のごとくして、鋼板から形成された羽根車羽根１０を取り付けた斜流ポンプのポンプ性能と、同じ与仕様の従来の鋳造羽根車を有する斜流ポンプのポンプ性能を比較した。ポンプ性能は、仕様点での吐出し量、全揚程が同じであり、それらで無次元化した性能曲線も図１８に示すごとくほぼ同じであり、充分な性能が得られた。
【００３５】
なお、上記実施例にあっては、基準線０−０’をハブ面１２に直交するように設定したが、これに限られず、基準線０−０’をハブ面１２に直交しないが回転軸１４に交叉するように設定しても良い。また、上記実施例では、基準線０−０’と羽根車羽根１０の突設方向がほぼ一致しているので、図８ないし図１０で、平面上の交線Ａ１−Ａ２，Ｂ１−Ｂ２，Ｃ１−Ｃ２および円錐の周面上の交線Ａ１’−Ａ２’，Ｂ１’−Ｂ２’，Ｃ１’−Ｃ２’が、基準線０−０’に近接して重なって描かれている。しかし、羽根車羽根１０の突設方向によっては、基準線０−０’に近接せずまた重ならずに離れて描かれることもあるが、同様の手順で近似した円筒の周面の一部で羽根車羽根１０を形成することが可能である。
【００３６】
また、上記実施例では斜流ポンプを流体機械の一例として説明したが、これに限られず、立軸ポンプ等のターボポンプに適用できることは勿論である。そして、羽根車は、オープン羽根車に限られずクローズド羽根車であっても良い。そして、流体は液体に限られず、気体を送出する送風機に適用することもできる。この送風機への適用にあっては、羽根車羽根の厚さは一様であっても良い場合が多く、厚さ加工がない分、より製造が容易である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体機械の製造方法により流体機械は製造されるので、以下のごとき格別な効果を奏する。
【００３８】
請求項１記載の流体機械の製造方法にあっては、羽根車羽根とこれと交叉する複数の平行な平面との交線を同一半径の円の円弧で近似し、これらの近似円弧を周面に含む円筒を想定し、この円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根を形成するので、羽根車羽根を適正に近似し得る円筒を容易に想定でき、それだけ設計が容易である。そして、円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根を形成するので、従来の鋳造または３次元金型によるプレス加工などに比べて安価に製造できる。特に製造台数が少ない場合に、従来のごとき鋳造の木型およびプレスの金型を必要としないために、極めて安価にしかも迅速に製造が可能である。
【００３９】
請求項２記載の流体機械の製造方法にあっては、同一半径の円の近似円弧を周面に含む楕円筒を想定し、この楕円筒の近似円弧がある部分の周面をさらに円筒で近似し、この円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根を形成するので、適正な円筒をより正確に設定することができる。
【００４０】
請求項３記載の流体機械の製造方法にあっては、ハブ面に直交する基準線に直交させて複数の平行な平面を仮想するので、この平面と羽根車羽根の交線から想定する円筒と、ハブ面および回転軸などとの相対的な位置関係が決定し易く、また交線の位置関係が容易に求まり、それだけ設計が容易である。
【００４１】
請求項４記載の流体機械の製造方法にあっては、羽根車羽根の入口角および出口角を円錐の周面上の接線とのなす角で調整することで、入口角および出口角を所望の角度に正確に調整することができる。
【００４２】
請求項５記載の流体機械の製造方法にあっては、平行な平面と羽根車羽根の交線を円弧で近似する円の半径を調整することで、入口角および出口角を変更でき、近似する円の径と中心位置を調整しながら繰り返して設計することで、入口角および出口角を所望の大きさとすることができる。
【００４３】
請求項６記載の流体機械の製造方法にあっては、鋼板からなる円筒の内周面を基準として、その外周面を切削して羽根車羽根の所望の厚さ分布を形成するので、この厚さ分布を形成するのにＮＣ加工機などで簡単に行うことができる。
【００４４】
請求項７記載の流体機械の製造方法にあっては、展開図に応じて平らな鋼板を切り取り、これを折り曲げて羽根車羽根とするので、簡単な板金加工機械によって作成することができる。
【００４５】
請求項８記載の流体機械の製造方法にあっては、平らな鋼板を切削して厚さ分布を加工し、さらに折り曲げ加工して羽根車羽根とするので、厚さ分布を有する羽根車羽根を２次元ＮＣ加工機械や旋盤加工機および板金加工機械などで容易に作成することができる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハブ面に突設された羽根車羽根の外観斜視図である。
【図２】 羽根車羽根の子午断面図上に基準線０−０’とこれに直交する平面Ａ，Ｂ，Ｃを示した図である。
【図３】 羽根車羽根の外観図を子午断面図と重ねて描いた図である。
【図４】 図３で羽根車羽根のＰ方向矢視図である。
【図５】 図３で羽根車羽根のＱ方向矢視図である。
【図６】 羽根車羽根と円錐Ａの周面との交線を示す斜視図である。
【図７】 羽根車羽根と平面Ａの交線を示す斜視図である。
【図８】 円錐Ａ，Ｂ，Ｃの周面上に描いた交線の展開図を基準線０−０’方向に重ねた図である。
【図９】 平面Ａ，Ｂ，Ｃ上に描いた交線を基準線０−０’方向に重ねた図である。
【図１０】 平面Ａ，Ｂ，Ｃに描いた交線を同一半径の円の円弧で近似することを示す図である。
【図１１】 同一半径の円上にある近似円弧をそれぞれの平面の位置に図示した斜視図である。
【図１２】 図１１をＺ軸方向から見た図である。
【図１３】 図１１を図１２のＥ方向から見た図である。
【図１４】 図１１を図１３のζ軸方向から見て、円を楕円筒で近似し、さらに楕円筒上で羽根車羽根の交線の近似円弧のある部分を円筒で近似することを示す図である。
【図１５】 近似した円筒の周面の一部で羽根車羽根が形成されることを示す図である。
【図１６】 円筒の周面の一部からなる羽根車羽根の展開図である。
【図１７】 図１６の展開図で厚み分布を示す図である。
【図１８】 本発明の鋼板製の羽根車羽根を有する斜流ポンプと、これと同じ与仕様の鋳造型の羽根車羽根を有する斜流ポンプのポンプ特性を比較するグラフである。
【符号の説明】
１０ 羽根車羽根
１２ ハブ面
１４ 回転軸
０−０’ 基準線
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ１’、Ｂ１’、Ｃ１’ 入口点
Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ａ２’、Ｂ２’、Ｃ２’ 出口点
Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２ 平面と羽根車羽根の交線
Ａｏ 平面Ａと回転軸との交点
Ｂｏ 平面Ｂと回転軸との交点
Ｃｏ 平面Ｃと回転軸との交点
Ａｏ’ 円錐Ａの頂点
Ｂｏ’ 円錐Ｂの頂点
Ｃｏ’ 円錐Ｃの頂点
Ａ１’−Ａ２’、Ｂ１’−Ｂ２’、Ｃ１’−Ｃ２’ 円錐の周面と羽根車羽根の交線
ρ 交線を円弧で近似する円の半径
βＡ１、βＢ１、βＣ１ 入口角
βＡ２、βＢ２、βＣ２ 出口角
Claims (8)
- 略円錐状のハブ面に羽根車羽根を突設して羽根車を形成し、この羽根車の回転駆動により流体を送出する流体機械の製造方法において、まず前記羽根車羽根の突設方向と交叉する複数の平行な平面を設定し、これらの平面と前記羽根車羽根の交線を描き、そしてこれらの交線を同一半径の円の円弧でしかもその中心点が同一直線上にあるようにしてそれぞれに近似し、さらにこの直線方向から見てこれらの近似円弧を周面に含み前記直線と平行な中心軸を有する円筒を近似設定し、この円筒の周面の一部を切り取って前記羽根車羽根を形成することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項１記載の流体機械の製造方法において、前記近似円弧を周面に含み前記直線上に中心軸を有する楕円筒を設定し、さらにこの楕円筒の前記近似円弧がある部分の周面を前記直線と平行な中心軸を有する前記円筒で近似することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項１または２記載の流体機械の製造方法において、前記ハブ面に直交するとともに回転軸に交叉する基準線を想定し、この基準線に直交させて前記複数の平行な平面を仮想することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項１ないし３記載のいずれかの流体機械の製造方法において、前記平面と前記羽根車羽根の交線の入口点と出口点を周面に含み回転軸を中心軸とする円錐を設定し、前記入口点と出口点を入口点と出口点として前記円錐の周面と前記円筒の交線を描き、さらにこの交線の入口点と出口点で、これらの交線と前記円錐の周面上で前記回転軸を中心とする円の接線とのなす角度が所望の入口角および出口角となるように前記円筒の径と中心軸の方向を調整することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項１ないし４記載のいずれかの流体機械の製造方法において、前記平面と前記羽根車羽根の交線を同一半径の円弧で近似する前記円の半径と中心位置を調整することによって、前記交線の入口点の入口角および出口点の出口角を調整することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項１ないし５記載のいずれかの流体機械の製造方法において、前記円筒の内周面を前記羽根車羽根の羽根負圧面とし、前記内周面を基準として前記羽根車羽根の厚さ分布に応じて前記円筒の外周面を切削することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項１ないし６記載のいずれかの流体機械の製造方法において、前記円筒の周面の一部からなる前記羽根車羽根の展開図を作成し、この展開図に応じて平らな鋼板から前記羽根車羽根を切り取るとともに、前記円筒の一部となるように折り曲げ加工することを特徴とした流体機械の製造方法。
- 請求項７記載の流体機械の製造方法において、前記平らな鋼板の一側面を基準として前記羽根車羽根の厚さ分布に応じて前記鋼板の他側面を切削し、前記一側面が前記羽根車羽根の羽根負圧面となるように折り曲げ加工することを特徴とした流体機械の製造方法。
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