JP5452025B2 - 羽根、羽根車、ターボ流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水等の液体を作動流体としたターボ形流体機械の羽根車及びそれに用いる羽根、羽根車の製造方法及び羽根車の製造装置に関し、特に、形式および流体の種類に関係なく、羽根車を製缶化することによる安価なターボ形流体機械の羽根車の製造方法に関する。

ターボ流体機械には、水などの液体を作動流体とした遠心ポンプのほかに、空気などの気体を作動流体とした遠心圧縮機が含まれる。これらのターボ流体機械のうち、代表例として、特許文献１（特開平７−１６７０９９号公報）に示すものがある。

主な構成要素について、水を作動流体とした遠心ポンプの場合について、例えば図１で説明する。遠心ポンプは、羽根車６、７、ケーシング１、回転軸２及び電動機（図示せず）などから構成される。このうち、羽根車６、７は、それぞれ複数枚の羽根５がボス３とシュラウド４の間に取り付けられた構造であり、これが回転軸２によって回転することで流体にエネルギーを付与する。すなわち、羽根車の回転により、吸い込み口８から吸入した水に遠心力を付与し、羽根車出口に取り付けられた案内羽根によって、流体の流れの方向が適正化される。

遠心ポンプのうち、軸流ポンプは、効率的にポンプ回転エネルギーを流体の運動エネルギーに変換するために、羽根車の羽根は流路方向に対して捩れを有した特長がある。

遠心圧縮機については、基本的な構成要素は遠心ポンプと同様であるが、例えば図２に示すようにボス３に複数の羽根５ａ、５ｂを取り付けた羽根車６、７を同軸２上に取り付けた多段型があるが、この多段型圧縮機においては、各羽根車の羽根形状が異なる。特に、圧縮機に用いる羽根は、羽根面が略直線の線素から設計される。

ターボ流体機械の製造方法としては、羽根車について、鋳造後に機械加工することにより製造される。また、高度な羽根形状精度が求められる場合、羽根車全体が切削加工によって製造される場合もある。さらに、羽根車の羽根が３次元的な捩れ形状である場合、各羽根に専用に対応した３次元総金型を用いたプレス加工が適用される。

ケーシングについては、鋼板をロール成形した内外筒に、プレス加工した鋼板性の羽根を溶接などによって接合する製缶手法が用いられる。

現状のターボ流体機械のうち、とくに圧縮機の羽根車は、鍛造後に機械により切削加工されているが、しかし、大径部品においては材料歩留まりが低下するため、この対策が製造上の技術課題であった。また、製缶構造の羽根車の製作には、各羽根に合わせた専用の３次元総金型を用いたプレス成形が用いられるが、製作コストに占める金型費の割合が大きく、羽根車の製缶化における課題であった。同様な課題は、斜流ポンプの羽根車及びケーシングの製作にもあり、対策が求められている。

またケーシングの製造方法については、案内羽根は３次元総金型の代わりに板金加工機によって製作されるため金型費用が抑えられるが、従来の板金加工機では３次元的な捩りを与えることが原理的に不可能であるため、羽根車の製作には不向きである。従って、低コストに羽根車を製缶化することは重要な技術課題であった。

また、羽根の３次元成形の課題として次のものがある。３次元的な捩りを有した羽根を上下型でプレス成形する場合、素材と金型が部分的に接触する成形初期において、素材は金型間に拘束されていないためずれやすい。このため従来の羽根の製作では、ずれを見込んで最終的な羽根より余裕を持たせた素材を用いてプレス成形し、成形後の素材から最終形状の羽根面に最も近い領域を切り出していた。しかし、海水ポンプなどの特殊環境下で使用する羽根車の素材は一般に高価であり、材料歩留まりを抑えることが課題であった。従って、プレス成形時の素材ずれの抑制も重要な技術課題であった。さらに、羽根１枚ごとの形状精度のばらつきによる、羽根車の振動の発生は、ターボ流体機械運転時の騒音の原因であり、羽根車の組み立て精度は極めて重要である。

本発明は上記の課題に対し、ターボ流体機械の低コスト化を念頭に、羽根車の製造方法及び製造装置と、これらの適用が可能な羽根及び羽根車を提供することを目的とする。
また、羽根車の高精度成形が可能な羽根を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、請求項１記載の羽根は、ターボ流体機械に回転可能な状態で取り付けて使用する羽根車のボスとシュラウド間に、またはボスに接合されて羽根車を構成する羽根において、前記羽根の羽根面は、部分的加工により構成された複数の鞍形のパッチからなり、前記羽根面の曲げ角は正負両方の値を有することを特徴とするものである。

この発明によれば、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根を備えたターボ流体機械が実現でき、性能が従来と同等でありながら、３次元総金型を用いる必要がないため、安価なターボ流体機械を提供できる。

請求項２記載の羽根は、羽根面が略直線の境界を有する複数の鞍形のパッチで形成されたことを特徴とするものである。

この発明によれば、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根を備えたターボ流体機械が実現でき、性能が従来と同等でありながら、３次元総金型を用いる必要がないため、安価なターボ流体機械を提供できる。しかも、鞍形のパッチの境界は略直線であるため、特にターボ圧縮機に用いられる直線線素で定義された羽根に対して、設計変更をする必要はなく、設計プロセスを含めた製造リードタイムの短縮が図れる。

請求項３記載の羽根は、羽根面が曲線の境界を有する複数の鞍形のパッチで形成されたことを特徴とするものである。

この発明によれば、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根を備えたターボ流体機械が実現でき、３次元総金型を用いる必要がないため、安価なターボ流体機械を提供できる。しかも、鞍形のパッチの境界が曲線であるため、羽根形状の設計の自由度が高められ、結果としてターボ流体機械の性能向上に繋がる。

請求項４記載の羽根は、鞍形パッチが少なくとも２つ以上から形成され、しかも前記鞍形パッチ同士が隣接しない状態で配置され、前記鞍形パッチの間には、略平面のパッチもしくは前記境界線を母線とする円錐面のパッチが配置されることを特徴とするものである。

この発明によれば、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根を備えたターボ流体機械が実現でき、しかも鞍形のパッチは性能に影響を及ぼす部分に配置し、性能と形状の相関がない部分には平面もしくは円錐面のパッチを適用することで成形が容易であるため、ターボ流体機械の性能向上を図りつつも製造コスト低減が可能である。

請求項５記載の羽根は、前記鞍形のパッチは、凹部または凸部が１つ以上形成され、しかも前記凹部または凸部は前記羽根面の面内方向に形成されたたことを特徴とするものである。

この発明によれば、羽根車の羽根の鞍形をプレス金型で成形する際、羽根の凹部または凸部とは凹凸が反対で金型に形成した凹部または凸部と嵌合してプレス成形することで、素材のずれを抑制できる。従って、羽根面を高精度に所望の３次元捩れ形状に成形することができ、ターボ流体機械の性能向上に繋がる。また、羽根のプレス成形において、素材ずれが生じないため、最終形状の羽根の展開形状を素材として用いることができるので、従来の裁断工程が不要となり、材料歩留まりも向上する。

請求項６記載の羽根車は、ターボ流体機械に回転可能な状態で取り付けて使用する羽根車のボスとシュラウド間に、またはボスに羽根を接合して構成される羽根車において、前記羽根として請求項１〜５のいずれかに記載の羽根を備えることを特徴とするものである。

この発明によれば、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根車を備えたターボ流体機械が実現でき、性能が従来と同等でありながら、３次元総金型を用いる必要がないため、安価なターボ流体機械を提供できる。

請求項７記載の羽根車は、前記羽根には凹部または凸部が形成され、前記ボスには前記羽根の取付け位置に前記羽根の凹部または凸部に嵌合する凸部または凹部が形成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、請求項６記載の羽根車による効果に加え、羽根車の製造工程において、複数の羽根を羽根車に取り付ける際、高精度に位置決めできる。これにより羽根車の製造工程において、容易にハブとの位置決めが可能であり、極めて迅速に羽根車を組み立てることができる。また、羽根を高精度に羽根車に取り付けたことにより、羽根のバラツキによる振動及びそれにともなう騒音を低減することができる。

請求項８記載のターボ流体機械は、請求項６または７記載のいずれかの羽根車を備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、要求仕様に合わせた性能を有するターボ流体機械を安価に提供できる。

請求項９記載の製造方法は、ターボ流体機械に回転可能な状態で備えた羽根車の製造に際し、金属板の素材に部分的加工により複数の鞍形パッチを形成する羽根の製造方法であって、前記鞍形パッチの各境界を前記羽根の素材上面に直線線素で定義しておき、押し部が直線状でありかつ対向させたパンチを少なくとも１組備えたパンチサポートと、前記羽根の素材を一部で挟み込んで拘束するダイとを用い、前記線素のうち隣接する２つの線素について、第１線素に前記パンチのエッジを平行に合わせつつも第２線素に前記ダイのダイ肩部のエッジを平行に合わせて前記素材を拘束した状態にしておき、前記第１線素を含み、前記素材に垂直な平面内に前記パンチの組を所定量傾けながら、前記素材の垂直方向に所定のストロークを与えることで前記第１第２線素の間に鞍形を形成し、以降においては、すべてもしくは一部の隣接線素間に順次鞍形を形成して、前記素材を所望の羽根形状に成形することを特徴とする。

この発明によれば、単純なパンチとダイの組み合わせにより様々な羽根形状を成形できるため、安価なターボ流体機械の提供が図れる。

請求項１０記載の製造方法は、ターボ流体機械に回転可能な状態で備えた羽根車の製造に際し、金属板の素材に部分的加工により複数の鞍形パッチを形成する羽根の製造方法であって、前記鞍形パッチの各境界を前記羽根の素材上面に直線線素で定義しておき、２つのローラーを上下に備えた第１、第２、第３のローラーサポートを用い、連続する３つの線素について、第１、第２、第３の線素に、前記ローラーサポートのローラーの軸をそれぞれ平行に合わせた状態で、前記ローラーサポートのいずれかのローラーを駆動して素材を搬送する際、前記ローラーを通過する線素に常に平行に接しながらも、第１ローラーを通過する際の線と、第１ローラーを通過する以前の線素との位置関係が設計形状における線素の位置関係となるように、前記ローラーサポートの相対的な位置関係を調整することによって、連続的に鞍形を形成していき、前記素材を所望の羽根形状に成形することを特徴とする。

この発明によれば、安価にしかも大量に羽根を成形できるため、安価なターボ流体機械が提供可能である。

請求項１１記載の製造方法は、ターボ流体機械に回転可能な状態で備えた羽根車の製造に際し、金属板の素材に部分的加工により鞍形パッチを形成する羽根の製造方法であって、前記鞍形パッチの各境界を前記羽根の素材上面に曲線で定義しておき、複数の球頭状パンチを高さ方向に移動可能な状態で前記羽根の素材幅方向に複数本並べたパンチ列を上下に対向させて配置した多点プレス装置を用い、第１工程で前記素材を前記上下のパンチ列の対向頭部と接触させて保持し、第２工程で前記パンチ列の高さを変位して素材の一部に境界が曲線である鞍形パッチを形成し、第３工程で前記パンチ列の対向頭部の間隔を開いて前記素材を開放し、以降において、前記第１〜３工程を回繰り返して素材全体に順次鞍形パッチを形成し、前記素材を所望の羽根形状に成形することを特徴とする。

この発明によれば、単純なパンチとダイの組み合わせにより様々な羽根形状を成形できるため、安価なターボ流体機械の提供が図れる。

請求項１２記載の製造方法は、請求項７〜９のいずれかに記載の羽根の製造方法であって、前記羽根を成形する際に、羽根面の一部について３次元総金型を用いてプレス成形したことを特徴とする。

この発明によれば、羽根の表面精度を高めると共に、３次元総金型が小形のもので済むので、金型費用低減の効果が高い。

請求項１３記載の羽根の製造方法は、請求項１２記載の羽根の製造方法であって、前記金型は凹部または凸部を備えており、前記羽根素材にあらかじめ形成した凹部または凸部を、前記金型の凹部または凸部と嵌合させておいた状態で、プレス成形したことを特徴とするものである。

この発明によれば、羽根車の羽根の鞍形をプレス金型で成形する際、羽根の凹部または凸部とは凹凸が反対で金型に形成した凹部または凸部と嵌合してプレス成形することで、素材のずれを抑制できる。従って、羽根面を高精度に所望の３次元捩れ形状に成形することができ、ターボ流体機械の性能向上に繋がる。また、羽根のプレス成形において、素材ずれが生じないため、最終形状の羽根の展開形状を素材として用いることができるので、従来の裁断工程が不要となり、材料歩留まりも向上する。

請求項１４記載の羽根車の製造装置は、ターボ流体機械に回転可能に取り付けて使用する羽根車の羽根を金属板状の素材の塑性変形により作る製造装置において、独立に変位・加圧できる少なくとも第１と第２のラムと、前記第１ラムの加圧により素材を拘束するダイと、前記ダイから突き出た素材を掴んだ状態で前記第２ラムの変位によって変形を与えるパンチと、前記第２ラムに第１回転機構を介して取り付けられ前記パンチに縦向の傾きを与えるパンチサポートと、前記ダイとパンチを相対的に水平方向に傾ける第２回転機構と、前記第１回転機構と第２回転機構の回転角度を制御するアクチュエータを備え、前記の第１回転機構と第２回転機構の回転軸は互いに概ね直交するように配置され、前記第１と第２のラムおよび前記アクチュエータの制御に基く前記ダイとパンチの変位と傾きにより素材に所定の変形を加えることを特徴とする。

この発明によれば、ターボ流体機械の羽根車について、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根をプレス成形することができ、しかも専用の金型を用いる必要はない。従って、従来と同等の性能でありながら、安価なターボ流体機械を提供できる。

請求項１５記載の羽根車の製造装置は、ターボ流体機械に回転可能に取り付けて使用する羽根車の羽根を金属板の素材の塑性変形により作る製造装置において、素材を挟んで回転する一対のローラーを支える第１、第２、第３のローラーサポートと、第１のローラーサポートのローラーを駆動して素材を搬送する搬送部と、前記ローラーサポートと前記搬送部が取り付けられたフレームを備え、前記ローラーサポートの少なくとも１つのローラーサポートは、前記素材の板面に変形を与えるように残りのローラーサポートに対して変位する変位機構を介して前記フレームに取り付けられ、前記変位機構は縦の回転軸と横の回転軸からなることを特徴とする。

この発明によれば、ターボ流体機械の羽根車について、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根をロール成形することができ、比較的高速に羽根を製造することができる。従って、従来と同等の性能でありながら、安価なターボ流体機械を提供できる。

請求項１６記載の羽根車の製造装置は、ターボ流体機械に回転可能に取り付けて使用する羽根車の羽根を板状の金属素材の塑性変形により作る製造装置において、変位・加圧できるラムを少なくともひとつ有したプレス機構と、複数の球頭状パンチを上下移動可能に支持されたパンチ列と、加圧制御されて素材の一部を拘束するダイを備え、前記パンチ列は素材の幅方向に複数並んだ下パンチ列と、前記下パンチ列と本数が概ね等しい上パンチ列からなり、前記ラムの加圧力により素材を両面から加圧して塑性変形することを特徴とする。

この発明によれば、ターボ流体機械の羽根車について、流体性能が要求される３次元的な捩れを有した羽根を専用の金型を用いずに成形できる。従って、従来と同等の性能でありながら、安価なターボ流体機械を提供できる。

複数の鞍形のパッチからなる羽根面を構成し、これを捻りと曲げを組合せた成形方法により成形可能であるため、３次元的な捻りを有した羽根を備えた羽根車の製缶化が可能となる。また、総金型の代わりに一組のパンチとダイによって様々な羽根の成形が可能であるため、型費の低減が期待できる。さらに、金型製作期間が削減できるため、製作リードタイムの短縮が図れ、少量生産においても製缶手法を適用可能である。

また、羽根車を製缶化することにより、羽根の肉厚を従来の鋳造品よりも薄肉化することができ、羽根車の軽量化が可能である。その結果、ターボ流体機械の運転時の省エネルギー化できる。さらに、羽根車の製造工程では、従来の鋳造においては金属を融点以上に加熱する必要であったが、本発明によれば羽根素材サイズ程度のプレス装置により製作できるため、製造工程における省エネルギー化ができる。

ターボ流体機械の羽根車に用いる羽根の製造方法に関し、羽根先端を３次元金型により部分的にプレス成形する際、本発明における嵌合方式のガイドを用いることで、プレス金型と素材の位置関係を安定化することができ、再現性の高いプレス成形が可能である。その結果、高精度な羽根の成形が可能である。

以下に、本発明実施例について詳細に説明する。羽根車の羽根面を直線線素で構成しておき、直線状のパンチが対向して備えた装置において、本発明の製造技術を用いることで、前記目的を達成可能である。

図１は本発明の実施例１を適用するターボ流体機械の一部を切欠いて示す斜視図であり、空気を作動流体とする遠心圧縮機の構造を示している。図２は同じく羽根車部分を取出して示す斜視図であり、シュラウドは省略して示している。

図１で、多段形の遠心圧縮機は、羽根車６、７、ケーシング１、回転軸２及び電動機（図示せず）などから構成される。このうち、羽根車６、７は、それぞれ複数枚の羽根５がボス３とシュラウド４の間に取り付けられた構造であり、これが回転軸２によって回転することで流体にエネルギーを付与する。すなわち、羽根車の回転により、吸い込み口８から吸入した水に遠心力を付与し、羽根車出口に取り付けられた案内羽根によって、流体の流れの方向が適正化される。羽根車６、７は、図２に示すように回転軸２上に取り付けた多段形としているが、各段の羽根車の羽根形状が異なり、それぞれ異なる３次元的な捩れを有している。

図３は、本実施例における羽根の製造方法に関する第一の基本要素である曲げ変形を示した模式図である。板状の金属素材１０を板押さえにより上下ダイ１２ａ、ｂに拘束した状態で、素材１０に接触させた上パンチ１１ａ及び下パンチ１１ｂの組を上方向にストロークさせることで、上下ダイ１２ａ、ｂより突き出た素材１０に谷曲げ変形が付与される。同様に、上下パンチ１１ａ、ｂを下方向にストロークさせることで、上下ダイ１２ａ、ｂより突き出た素材１０に山曲げ変形が付与される。このとき、谷曲げ変形を正の曲げ角度とすると、山曲げ変形が負の曲げ角度となる。

図４は、本発明実施例における羽根の製造方法に関する第二の基本要素である、捩り変形を示した模式図である。素材１０を板押さえによりダイ１２ａ、ｂに拘束した状態で、素材１０に接触させた上パンチ１１ａ及び下パンチ１１ｂの組をパンチ側面に垂直な軸周りに回転させることで、上下ダイ１２ａ、ｂより突き出た素材１０に捩り変形が付与される。

図５は、上記の第一と第二の基本要素の変形の複合により、素材１０に３次元的な捩れを与える様子を示した模式図である。すなわち、素材１０に接触させた上下パンチ１１ａ、ｂを上下方向に変位させながら、パンチ側面の垂直な軸周りに回転を与え、上下ダイ１２ａ、ｂより突き出た素材に捩り変形と曲げ変形が同時に付与される。

図６は、製品設計データから捩れ角θおよび曲げストロークＳを求める原理を示した図である。ここでは、境界となる線素５０と５１の間に鞍形のパッチ５０ａを形成する際に必要となる捩れ角θ、および曲げストロークＳの決定方法を説明するために、設計形状の羽根表面１０（素材）を模式的に示している。同図では素材の厚みを表現していないが、圧力面における設計データを用いて、捩れ角度及びストロークを求めると良い。

まず、捩れ角の計算式を以下の数式１に示す。但し、「・」（ドット）はベクトルの内積を意味する。
ｔａｎθ＝（Ｖ３・Ｖ５）/（Ｖ１・Ｖ５）…数式１
ここで、
θ：基準平面３０内で測った、ベクトルＶ５とＶ１の間の角度
Ｖ１：線素５１を表す単位ベクトル
Ｖ３：線分Ｐ２Ｐ３とＶ１に垂直な単位ベクトル
Ｖ５：基準平面３０上にその法線で投影したベクトル
である。

次に、ストロークの計算式を以下の数式２に示す。
Ｓ＝Ｖ３/|Ｖ３|・Ｖ６…数式２
ここで、
Ｖ６：線分Ｐ１Ｐ２に平行なベクトル
である。

計算例として、検証に用いた羽根形状から求めた具体的な捩れ角とストローク量を表１に示す。

素材１０の表面に直線線素５０、５１、５１、・・・を定義する方法として、ワンステップ有限要素解析（逆解析）を用いるのが良い。すなわち、設計形状のモデルに対して強制的に平面に展開し、初期の素材表面に羽根表面形状の線素を転写する。一般に設計形状において線素であっても、初期の素材表面では曲線であるが、羽根表面程度の変形度合いであれば、初期の素材表面に転写した線素は、概ね直線と近似できる。

図７（ａ）は、成形装置の構成を示す概略図である。６４ｂと６４ｃは、独立に変位・加圧できる複動式プレス手段（図示せず）を有する第１プレスラムプレート（第１ラム）と第２プレスラムプレート（第２ラム）である。第１ラム６４ｂには、第２回転機構６２ｂを介して上下のダイ１２ａ、１２ｂが取り付けられており、上下ダイ１２ａ、１２ｂの間に板状の素材１０を搬入した後、第１ラム６４ｂに加圧力を付与して素材１０を拘束する。このとき、上下のダイ１２ａ、１２ｂは、アクチュエータとしての油圧シリンダー６１ｃを制御することで、第２回転機構６２ｂの水平面内の回転（傾き）により、任意の角度に調整される。

また、第２ラム６４ｃには、ラムの移動方向の垂直面内に回転（傾き）可能な第１回転機構６２ａを介して、パンチサポート６４ｅが取り付けられている。パンチサポート６４ｅは、アクチュエータとしての油圧シリンダー６１ａ、６１ｂによって第１回転機構６２ａを中心に回動して傾斜する。さらに、パンチサポート６４ｅには、素材を押す直線状の押し部が素材１０の板厚程度の一定間隔で対向した状態で、上下にパンチ１１ａ、１１ｂを備えている。なお、このパンチ１１ａ、１１ｂの間隔は調整可能な状態で取り付けられても良く、この場合、種々の板厚の素材に対応できる。第１回転機構６２ａと第２回転機構６２ｂの回転軸は、前記ダイのダイ肩部のエッジと互いに概ね直交すると共に、ダイ肩部のエッジとパンチの間隔は、素材の板厚程度離れるように配置される。

素材１０の成形時には、上下のパンチ１１ａ、１１ｂの間に挟んで素材１０を配置し、第１回転機構６２ａの回転による第２ラム６４ｃの垂直方向の傾きと、第２回転機構６２ｂの回転による前記ダイ１２ａ、１２ｂの水平方向の傾きにより、曲げと捩りが付与される。この素材に曲げと捩りは、前記ダイ１２ａ、１２ｂと前記パンチ１１ａ、１１ｂの相対的な位置関係で付与されるので、前記ダイ１２ａ、１２ｂの第２回転機構６２ｂの水平面内の回転（傾き）に代えて、第１回転機構６２ａに水平方向の回転（傾き）機能を併合させても良い。

また、図７（ｂ）は制御システムを含めた構成を示す概略図である。加工条件を電子データとして蓄積する加工条件データベース６５より、各線素５０、５１、５２（後述の図９参照）、・・・における曲げストロークと捩り角度を、制御用パソコン６６へ随時読み出し、その指令に従いサーボコントロールシステム６７は、油圧シリンダー６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、ｄ及び第１ラム６４ｂと第２ラム６４ｃを制御する。

図８は、製造方法の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１において、工程番号ｎの初期化を行う。通常、第１線素より加工を行うため、ｎ＝１とすれば良い。ステップＳ２において、羽根面設計データにおける線素の数から、全工程数Ｎを決定し、システムに入力する。ステップＳ３において、素材を初期位置にセットする。

ステップＳ４において、加工条件データベースにアクセスし、ステップＳ１で入力した工程番号に対応する捩り角度（正、負の捻り曲げ角度を含む。）及び曲げストローク量（正、負の曲げ角度を含む。）のデータを読み込む。ステップＳ５において、最初に加工する素材線素１０とパンチ１１ａ、１１ｂのエッジが一致するように素材１０の位置を調整する。ステップＳ６において、成形装置のパンチ１１ａ、１１ｂとダイ１２ａ、１２ｂの開き角度を線素間の開き角度に合わせる。ステップＳ７において、板押さえを用いて素材１０をダイ１２ａ、１２ｂ上に拘束する。

ステップＳ８において、上下パンチ１１ａ、１１ｂと素材１０表面を一致させた状態を工程の初期位置とし、その状態から上下のパンチを所定の捩り角度と曲げストロークに達するまで、変位及び傾きを調整する。具体的には、図７におけるパンチ制御用の油圧シリンダー６１ａ、６１ｂを変位制御する。この変位制御により素材１０がステップＳ４で読み込まれた曲げ角度と捻り角度に成形される。

ステップＳ９において、上下パンチ１１ａ、１１ｂを原点に復帰させ、上下パンチを素材から離脱させる。ここで上下パンチの原点は、例えば図７の装置構成においては、パンチ制御用の油圧シリンダー６１ａ、６１ｂをそれぞれ最も縮めた位置とすれば良い。ステップＳ１０において、板押さえを開放し、素材を非拘束状態として、次の工程に向けて素材が移動可能な状態とする。

ステップＳ１１では、工程番号ｎを次に加工するパッチの工程番号に更新する。通常は隣接するパッチを次に加工することになるので、更新後のｎは、1を加えた値となる。ステップＳ１２では、全工程が終了したか否かを判定する。すべての工程が完了していれば終了となる。すべての工程が完了していない場合には、再びステップＳ４に戻り、残りの工程を順次進める。

このように上下パンチ１１ａ、１１ｂの直線状の押し部で素材１０に部分的加工を連続して行うことにより、略直線状の境界が形成され、この境界に挟まれた部分が鞍形のパッチとして複数個構成されていく。

図９は、羽根素材１０を成形部に位置合わせする際の、移動量の計算原理を示す図である。ここでは、略直線の境界となる線素５０と５１の間に鞍形パッチ５０ａを加工するために、素材１０を移動及び回転させる方法について説明する。まず線素５１の中点をＱとし、ダイのエッジ上に基準点Ｑｄを定義する。Ｑｄに、Ｑを一致させつつも、Ｑｄを始点とするベクトルＶ１ｄとＱを始点として素材表面に定義したベクトルＶ１が平行となるように移動および回転を与える。なお、５１ａ、５２ａは線素５１以降の線素間に加工された鞍形パッチである。

以上の移動及び回転の結果、素材は図１０に示す状態に位置決めされる。すなわち、パンチ１１ａ、１１ｂと線素５０が平行であり、かつダイ１２ａ、１２ｂのエッジと線素５１とが平行となる。

本実施例による製造方法を、有限要素解析によって確認した解析モデルを、図１１に示す。素材は弾塑性体としてモデル化（７０）し、上下のパンチ（７１ａ、７１ｂ）及び上下のダイは剛体としてモデル化（７２ａ、７２ｂ）した。さらに、素材と上下ダイ、素材と上下パンチの間には接触を定義している。そのためパンチに所定の捩り角度及び曲げストロークを境界条件として与えると、素材が変形する。

図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ設計形状及び解析結果の羽根形状を示す。羽根表面の設計データより求めた曲げストローク及び捩り角度を上記方法によってあたえることで、設計形状にほぼ一致した形状に素材を成形できることを示唆している。図１３は、図１２（ａ）、（ｂ）の断面１、２に関して、解析結果と設計形状の比較を示す。この解析結果から分かるように羽根面は、複数の鞍形のパッチで形成され、前記羽根面の曲げ角は正負両方の値を有している。なお、一部に設計形状との誤差が５ｍｍ程度の誤差が生じているが、本実施例の製造方法により、定性的な形状が再現できている。

本実施例では線素５０、５１は直線であり、鞍形パッチの間が略直線の境界となるが、線素を曲線形状とすれば、鞍形パッチの間は曲線の境界となる。

上記のようにして形成された羽根は、図２に５ａ、５ｂとして示される羽根として、ボス３に溶接等により接合固定されて羽根車が構成される。なお羽根５は、図２に示すようにボス３のみに接合固定される場合と、字１に示すようにボス３とシュラウド４間に接合固定される場合がある。

図１４は、ローラーを用いて、素材１０から羽根を成形する実施例２の製造装置の斜視図である。

枠で構成された搬送部９０内には、２対のローラー９１ｃ〜９１ｆ（９１ｆは図示せず）が構成され、素材１０を上下のローラーの間に拘束しつつ、このうちのローラー９１ｅの駆動により、素材１０をサポート９３ａに向かって搬送する過程で曲げ加工を与えるように構成される。搬送部９０を構成する前記２対のローラーは、ローラーサポート９３ｃ（第２ローラサポート）、９３ｄ（第３ローラサポート）に支持され、それぞれアクチュエータ兼変位機構としての油圧シリンダー６１ｈ、６１ｉを介してフレーム９５に取り付けられている。そして油圧シリンダー６１ｈ、６１ｉの駆動制御により上記サポートと共に矢印Ａの垂直方向（上下方向）に変位することができ、搬送部９０の前記２対のローラー９１ｃ〜９１ｆの、サポート９３ａのローラー９１ａ、９１ｂ（第１ローラ）との相対的な位置関係を変化させることができる。

また、サポート９３ａはフレーム（土台）６５に垂直の縦回転軸（サポート９３ａの裏面のため図示できず）の回りを９３ｆの矢印で示す水平方向に回転可能に取り付けられ、この水平方向の回転により、搬送部９０のローラー９１ｃ〜９１ｆの回転軸に対し、ローラー９１ａ、９１ｂの回転軸を水平面に沿って傾けることができる。また、ローラー９１ａ、９１ｂを備えるローラーサポート９３ｂ（第１ローラサポート）は、水平の横回転軸９３ｅとアクチュエータ兼変位機構としての油圧シリンダー６１ｅ、６１ｆを介してサポート９３ａに取り付けられ、サポート９３ａが垂直の縦回転軸（９３ｆ）を介してフレーム９５に取り付けられている。そして油圧シリンダー６１ｅ、６１ｆの駆動制御により搬送部９０から搬送された素材１０表面に対し（搬送部９０のローラー９１ｃ〜９１ｆの回転軸に対し）、ローラー９１ａ、９１ｂを垂直面に沿って傾けることで、素材に曲げ加工を与える。

即ち、搬送部９０から搬送された素材１０が線素５０、５１、５２、・・・（図１０参照）がローラー９１ａ、９１ｂを通過する際、通過する線素にローラー９１ａ、９１ｂ（図１０ではパンチ）が平行となるように、搬送部９０のローラーの高さ、サポート９３ａ、及びサポート９３ｂの傾き角度を制御することで素材に曲げ加工を与え、素材１０に連続的に鞍形パッチを形成することができる。この場合、各鞍形パッチの間は曲線の境界となる。

本実施例では、前記鞍形パッチの各境界を前記羽根の素材上面に直線線素で定義しておき、２つのローラーを上下に備えた第１、第２、第３のローラーサポートを用い、連続する３つの線素について、第１、第２、第３の線素に、前記ローラーサポートのローラーの軸をそれぞれ平行に合わせた状態で、前記ローラーサポートのいずれかのローラーを駆動して素材を搬送する際、前記ローラーを通過する線素に常に平行に接しながらも、第１ローラーを通過する際の線と、第１ローラーを通過する以前の線素との位置関係が設計形状における線素の位置関係となるように、前記ローラーサポートの相対的な位置関係を調整することによって、連続的に鞍形を形成していき、前記素材を所望の羽根形状に成形することができる。

また、本実施例では、サポート９３ｂを水平、垂直の両方向の互いに直交する回転軸を介してフレーム９５に取り付けているが、これに代えて、搬送部９０のローラーのサポート９３ｃ、９３ｄを水平、垂直の両方向の互いに直交する回転軸を介してフレーム９５に取り付け、サポート９３ｂをフレーム９５に直接に取り付けても良い。要するに素材に曲げ加工を与えるための、サポート９３ｃとサポート９３ｂのローラー間の相対的な位置関係が変化できれば良い。

他の変形例としては、少なくともひとつのローラーサポートは垂直の回転軸と水平の回転軸でサポートを介してフレーム９５に取り付けられ、残りのローラーサポートはそのまま前記フレーム９５に取り付けられる。または、前記アクチュエータ兼変位機構に取り付けられたローラーサポートは、そのまま前記フレーム９５に取り付けられ、残りのローラーサポートは垂直の回転軸と水平の回転軸でサポートを介して前記フレーム９５に取り付けられる。または、前記アクチュエータ兼変位機構に取り付けられたローラーサポートは、例えば垂直の回転軸を介して前記フレーム９５に取り付けられ、残りのローラーサポートは水平の回転軸を介して前記フレームに取り付けられる。さらには、前記垂直の回転軸と水平の回転軸は、概ね互いに直交する回転軸を有しており、前記垂直の回転軸と水平の回転軸の回転角度を制御するためのアクチュエータを備える。

本実施例においては、素材が素材表面内に滑ることが考えられるが、これについては素材側面にガイドローラー等を用いることで抑止することができる。

図１５は、多点プレス設備を用いて、羽根の一部に順次鞍形パッチを成形する羽根車製造装置の実施例である。球頭状のパンチ１００を少なくとも素材１０の幅と同幅程度（パンチ１０本程度）にならべた列を、素材の上下に素材幅方向にならべたパンチ列（１００ａ〜１００ｅ）で、上下から素材１０を加工する場合について示している。

変位・加圧できるラム（図示せず）を少なくともひとつ有したプレス機構（図示せず）を有し、球頭状のパンチ列がパンチ枠１０１ａおよびフレーム１０１ａに摺動可能に支持された状態で、高さ方向に移動可能に対向状態で配置され、前記パンチ列は前記羽根の素材１０の幅方向に１０本程度並んだ下パンチ列と、前記下パンチ列と本数が概ね等しい上パンチ列からなる。また、前記ラムの加圧力によって前記素材１０の一部を拘束する上下の板押さえ１０２ａ、１０２ｂからなるダイ１０２を備え、しかも、前記ダイ１０２は、ダイ肩部のエッジ１０２ｃとパンチ列との間隔１０２ｄが、少なくともパンチ直径１００ｇ程度離れた位置に配置される。

成形に際しては、パンチ１００の先端を素材１０の加工部位に接触させておき、ラムにより各パンチの変位を制御する（第１工程）。また、素材の未加工部分には板押さえ１０２ａ、１０２ｂが配置されており、これにより加工中に素材１０を拘束する。このとき、各パンチの最終位置は、仮に目標形状の素材を配置したときに、パンチが素材表面と接触する位置とする。このようにして求めた変位指令をもとに、パンチを変位制御することで、パンチが押圧接触した部位に微小な鞍形状のパッチが成形される（第２工程）。

次いで、各パンチを初期位置に移動し、素材の拘束を開放し、つぎに、矢印の方向に素材１０を搬送し（第３工程）、再びパンチを変位制御し、新たな微小な鞍形のパッチを隣接して成形する。以上の動作を順次羽根面全体について行うことで、微小な鞍形のパッチを小ピッチで成形され、所定の羽根形状が形成される。この実施例では、鞍形のパッチの境界は曲線となる。

即ち、ターボ流体機械に回転可能な状態で備えた羽根車の羽根を、金属板の素材に部分的加工により鞍形パッチを形成するに際し、前記鞍形パッチの各境界を前記羽根の素材上面に曲線で定義しておき、複数の球頭状パンチを高さ方向に移動可能な状態で前記羽根の素材幅方向に複数本並べたパンチ列を上下に対向させて配置した多点プレス装置を用い、第１工程で前記素材を前記上下のパンチ列の対向頭部と接触させて保持し、第２工程で前記パンチ列を高さを変位して素材の一部に境界が曲線である鞍形パッチを形成し、第３工程で前記パンチ列の対向頭部の間隔を開いて前記素材を開放し、以降において、前記第１〜３工程を回繰り返して素材全体に順次鞍形パッチを形成し、前記素材を所望の羽根形状に成形する。

図１６は、３次元総金型の部分金型であるプレス金型２００ａ、２００ｂを用いて部分的に金型成形し、それ以外の部分ＳＥＣ１について先の実施例の製造方法を適用した実施例である。この実施例によれば、羽根表面において、動作効率を高めるために高度な形状精度が要求される羽根の先端部位については、部分的金型２００ａ、２００ｂを用いたプレス加工が行われるため、高精度化できる。さらに、他の部位については、先の実施例による製造法が適用されるため、金型費用を低減でき、安価なターボ流体機械の提供が可能となる。とくにこの実施例では、大型のポンプにおいて、羽根の巻き長さが大きい場合に、金型費用低減の効果が高まる。

図１７および図１８は、ターボ流体機械に取り付ける羽根車を構成する羽根のうち、さらに別の実施形態の羽根に関する製造方法を示す図であり、羽根入口近傍を部分金型で成形する例である。本実施例の製造方法で製作される羽根は、羽根入口と出口のみがそれぞれ鞍形のパッチ（ＳＥＣ３、ＳＥＣ１）で形成され、しかも一部の鞍形のパッチ（ＳＥＣ１）は部分金型でプレス成形されたものである。さらに、金型の境界となる部分を略平面もしくは境界線を線素（５０、５１）に含む略円錐形状とした羽根である。なお図１７は、中間領域（５１と図１８の５２の間）が略平面の羽根の成形の様子を示す図である。また、図１９に中間領域が略円錐（ＳＥＣ２ｂ）の羽根を示す。以下、中間領域が略平面の場合についての実施例を詳細に説明する。

この羽根を成形するための部分金型は、羽根面の入口形状を形成する鞍形パッチのうち最も出口寄りのパッチの境界と同一の境界を有する金型を用いることができる。これによって、羽根の素材の先端に鞍形パッチを形成して３次元的に捩れた形状を形成する際、部分金型の境界部を通して、羽根出口側の素材に鞍形の捩れ変形が伝わることを防止している。

この実施例によれば、金型でプレス成形するエリアと出口側の鞍形パッチとの中間領域ＳＥＣ２の羽根面形状を、略平面もしくは略円錐形状とすることで、成形が簡単で羽根全体の形状精度を高めることができる。羽根表面において、動作効率を高めるために高度な形状精度が要求される羽根の先端部位については、部分的金型２００ａ、２００ｂを用いたプレス加工が行われるため、高精度化できる。さらに、他の部位については、先の実施例による製造法が適用されるため、金型費用を低減でき、安価なターボ流体機械の提供が可能となる。とくにこの実施例では、大型のポンプにおいて、羽根の巻き長さが長い場合に、金型費用低減の効果が高まる。

鞍形のパッチを形成する領域は、羽根の流線方向に、羽根の入口に羽根車外形の２５％程度の長さとすれば、鞍形の金型サイズを小型化して金型費用を抑えつつも、所望の流体性能を十分に維持できる。また、金型の境界のうち、羽根出口側の境界位置は、素材板厚Ｔの２〜３倍程度、羽根面の鞍形パッチと中間領域の境界より出口側にオフセットすることで、羽根入口の捩れ変形が出口側に伝わる影響をさらに小さくすることができる。さらに中間域と両端の鞍形のパッチとの境界近傍は、羽根面を滑らかに繋げるように鞍形パッチの捩れ度合いを調整するとよい。

図２０は、ターボ流体機械に取り付ける羽根車を構成する羽根のうち、さらに別の実施形態の羽根に関する製造方法を示す図であり、とくにプレス成形前の様子を示す図である。なお、図２０は、羽根の羽根面の鞍形パッチに凹部を設けた羽根について示したものであり、羽根車の入口部の鞍形を成形する場合である。具体的には羽根素材１０の線素５０と５１の間の略平面となる部分に凹部２０５ａ、２０５ｂが予め形成される。他方、鞍形金型の下型２００ｂには、対応する位置に下型凸部２０４ａ、２０４ｂが予め形成されている。

図２１は、プレス成形完了時の様子を示す図であり、羽根面の一部の鞍形パッチを、プレス金型を用いて成形する際、素材１０の凹部とプレス金型の所定の位置に設けた凸部を嵌合させた状態（嵌合部２０６ａ、２０６ｂで示す。）で、プレス成形する。この実施例によれば、羽根表面において、動作効率を高めるために高度な形状精度が要求される羽根の先端部位については、部分的金型２００ａ、２００ｂを用いてプレス加工する際、羽根と金型の一部を嵌合させることにより、プレス成形中に素材が所定の位置よりずれることを防げるため、安定して高精度な羽根形状を成形できる。さらに、他の部位については、先の実施例による製造法が適用されるため、金型費用を低減でき、安価なターボ流体機械の提供が可能となる。

成形順序は、部分パッチを連続成形してから凹部を設け、最後に素材の凹部と鞍形金型の凸部を嵌合した状態で成形する。この成形順序によれば、成形時に素材のずれにくい略平面部分を先に成形し、最後に鞍形部分を成形するので、鞍形部分の成形が精度良く保たれる。

凹凸部の形状については、嵌合接触部を略半球状とすることで、成形中の素材の変形を過度に抑制することなく、素材のすべりによるずれを防げる。すなわち、球面ジョイントを形成する。

凹部を形成する位置については、図２０に示すように、成形後の羽根の４隅の点のうち、羽根出口側の２点の近傍にそれぞれ配置するのが良いが、羽根出口側の２点のうち１点に凸部を形成してもよい。この場合には、金型にガイドを取り付けて成形することで、同様な効果が得られる。また、羽根に凸部を形成し、金型に凹を形成した場合においても、同様の効果が得られる。

図２２および図２３は、上記の製造方法における羽根と金型の凹凸を利用した嵌合の効果を検証するために実施した成形シミュレーションの結果であり、プレス成形工程の開始から終了までの３段階の素材の変形の様子を、重ねあわせて示した図である。なお、金型内部の素材の変形に着目するために、上型２００ａは表示していない。図２２は、嵌合を利用しない素材の拘束のない条件での成形解析結果である。図２３は、羽根中央部に設けた凹部またと凸部を、金型と嵌合させたガイド２０５ａ、 ２０５ｂで拘束した条件のもとでの成形シミュレーションの結果である。

嵌合ガイドを用いない場合、素材は型との接触反力によりすべりが生じ、羽根５ｃ−５ｄ−５ｅのように次第にずれて回転していることが分かる。一方、嵌合ガイドを用いた場合、素材にはすべりが生ずることなく、羽根５ｆ―５ｇ−５ｈのように金型の所定の位置で３次元捩れ形状に成形されている。

図２４は、嵌合ガイドの有無によるプレス成形終了時の素材の位置ずれ（５ｅ、５ｈ）を比較した図である。捩れ度合いの大きい羽根の場合、成形中に素材は金型面上を移動しやすく、羽根の素材が金型の所定の位置よりずれたことにより、形状精度が悪化する。

図２５は、上記の製造方法で成形した羽根５ａを、略円錐状のボス（ハブ部）６ａに複数枚の接合して構成した羽根車を示す。羽根を取り付ける際、羽根５ａに形成した凹部２０５ａと、ボスの羽根の取付け位置に形成した凸部２０７ａとを嵌合させることで、迅速かつ高精度に羽根車を組み立てることができる。このように、凹部と凸部の嵌合構造は、前述した羽根の成形時の精度向上以外に、組立時の精度向上にも役立つものである。

本発明の適用対象のターボ型圧縮機の一部切欠いて示す斜視図。 同じく羽根車の斜視図。 本発明における羽根製造の第一の基本要素である、曲げ変形を示した模式図。 本発明における羽根製造の第二の基本要素である、捩り変形を示した模式図。 図３、図４の基本要素を組合せた変形を示した模式図。 製品設計データから捩れ角及び曲げストロークを求める原理図。 本発明の実施例１の成形装置のシステム構成を示す概略図。 同じく製造方法の流れを示すフローチャート。 同じく羽根素材を成形部に位置合せする際の、移動量の計算原理を示す説明図。 同じく羽根素材の移動及び回転後の位置関係を示す説明図。 同じく製造方法の検証に用いた有限要素解析モデルの説明図。 同じく製造方法の検証に用いた有限要素解析結果の説明図。 同じく断面形状について、解析結果と設計形状の比較を示す説明図。 本発明の実施例２に係るロール成形方式の製造装置の概略図。 本発明の実施例３に係る多点プレス方式の製造装置の概略図。 本発明の実施例４に係る製造方法の概略図。 本発明の実施例５に係る製造方法に用いる素材と金型の概略図。 本発明の実施例５に係る製造方法の概略図。 本発明の実施例５の別の形態の羽根を示す図。 本発明の実施例６に係る製造方法に用いる素材と金型の概略図。 本発明の実施例６に係る製造方法の概略図。 本発明の実施例６の製造方法の比較対象の有限要素解析結果の図。 本発明の実施例６の製造方法に関する有限要素解析結果の図。 本発明の実施例６の製造方法の有限要素解析結果の図。 本発明の実施例６により製造された羽根を用いた羽根車の図。

１ケ−シング、２…回転軸、３…ボス、羽根車、４…ディフュ−ザ、５…羽根、６、７…羽根車、１０…素材、１１ａ…上パンチ、１１ｂ…下パンチ、１２ａ…上ダイ、１２ｂ…下ダイ、３０…捩り角度を定義する基準平面、５０、５１、５２…線素、ＤＥ１〜４、Ｏ１、Ｏ２、Ｐ１、Ｐ２、Ｑｄ…点、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６…単位ベクトル、ｄ…ベクトル、θ、φ…角度、６０…ジョイント、６１ａ、ｂ…油圧シリンダー、６２ａ、ｂ…回転機構、６３…ガイド、６４ａ…フレーム、６４ｂ…ラムプレート、６４ｃ…ラムプレート、６４ｄ…ボルスタプレート、６４ｅ…パンチサポート、６５…加工条件データベース、６６…制御用パソコン、６７…サーボコントロールシステム、７０…素材モデル、７１ａ…上パンチ、７１ｂ…下パンチ、７２ａ…上ダイ、７２ｂ…下ダイ、８０…解析形状、８１…設計形状、９０…搬送部、９１ａ、ｂ…ローラー、９２…油圧シリンダー、９３…ローラーサポート、９４…サポート、９５…土台、１００ａ〜ｆ…球頭状パンチ列、１０１ａ…パンチ枠、１０１ｂ…フレーム、１０２ａ…上板押さえ、１０２ｂ…下板押さえ、２００ａ、２００ｂ…部分金型、２０４ａ、２０４ｂ…金型の凸部、２０５ａ、２０５ｂ…羽根面の凹部、２０６ａ、２０６ｂ…嵌合部、ＳＥＣ１…線押し部分、ＳＥＣ２ａ、ＳＥＣ２ｂ…中間領域、ＳＥＣ３…金型プレス成形領域、Ｓ１〜Ｓ１２…製造工程ステップ。

Claims (5)

1. ターボ流体機械に回転可能な状態で取り付けて使用する羽根車のボスとシュラウド間に、またはボスに接合されて羽根車を構成する羽根において、
   前記羽根の羽根面は、部分的にプレス加工することより構成されたねじれ角およびストロークを有する複数の鞍形のパッチからなり、前記羽根面の流線方向の曲げ角は前記鞍形のパッチにより正負両方の値を有することを特徴とする鋼鉄製の羽根であって、
   前記羽根の羽根面は、略直線の境界を有する複数の鞍形のパッチで形成され、
   前記羽根面は、前記鞍形パッチが少なくとも２つ以上から形成され、しかも前記鞍形パッチ同士が隣接しない状態で配置され、前記鞍形パッチの間には、略平面のパッチが配置されることを特徴とする羽根。
2. 前記鞍形のパッチは、凹部または凸部が羽根取り付け面に１つのみ形成され、しかも前記凹部または凸部は前記羽根面の面内方向に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の羽根。
3. ターボ流体機械に回転可能な状態で取り付けて使用する羽根車のボスとシュラウド間に、またはボスに羽根を接合して構成される羽根車において、前記羽根として請求項２に記載の羽根を備えることを特徴とする羽根車。
4. 前記羽根には凹部または凸部が形成され、前記ボスには前記羽根の取付け位置に前記羽根の凹部または凸部に嵌合する凸部または凹部が形成されていることを特徴とする請求項３記載の羽根車。
5. 回転可能な状態で取り付けて使用する羽根車のボスとシュラウド間に、またはボスに羽根を接合して構成される羽根車を用いたターボ流体機械において、前記羽根車として請求項３または４に記載の羽根車を備えたことを特徴とするターボ流体機械。

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