JP5891079B2 - ガイドベーンおよびガイドベーン製法 - Google Patents

Description

この発明は、水車において水を案内するガイドベーン（案内羽根）およびその製法に関する。

ガイドベーンは、羽根状のベーン本体と、このベーン本体に連結されるベーン軸とを備え、従来、鋳造や溶接などによって製造されていた。すなわち、鋳造を主とする製法では、ベーン本体とベーン軸とを一体にした木型を製作し、この木型から砂型を製作して溶融金属を鋳込む。次に、固化した鋳物を熱処理して、バリ取りなどの荒加工を行い、非破壊検査で内部不良、鋳造不良などの有無を検査した後に、研磨などの仕上げ加工を行う。

また、溶接を主とする製法では、ベーン本体とベーン軸とをそれぞれ機械加工で製作した後に、ベーン本体とベーン軸とを溶接で接合するものである。さらに、ベーン軸に角柱部を設け、この角柱部にベーン本体を溶接することで、接合部での強度を確保するという技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

実開平０７−０１０４６８号公報

ところで、鋳造を主とする製法では、木型製作、砂型製作、鋳込み、熱処理、荒加工、非破壊検査、仕上げ加工という多くの工程が必要で、長期の製作期間・納期や多額のコストを要する。しかも、鋳造は、専門の加工業者によって行われることが多く、加工業者の業務量や稼働状況などによって納期が左右されやすい。

また、溶接を主とする製法では、ベーン本体をすべて機械加工で製作しなければならないため、多額のコストを要する。しかも、ベーン本体とベーン軸との適正な溶接を確保するために、熱処理や非破壊検査などの溶接管理を行う必要があり、コストを抑えることが困難である。

そこでこの発明は、低コストで製作することが可能なガイドベーンおよびガイドベーン製法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水車において水を案内するガイドベーンであって、平面形状が羽根状で貫通孔が形成された羽根板が、複数積層され、前記複数の羽根板の貫通孔に第１のベーン軸の挿入部が挿入され、第２のベーン軸が前記挿入部の端部に着脱自在に装着されて、前記第１のベーン軸と第２のベーン軸とによって前記複数の羽根板が挟持されている、ことを特徴とする。

この発明によれば、ガイドベーンが複数の羽根板と第１のベーン軸と第２のベーン軸とから構成され、複数の羽根板を第１のベーン軸と第２のベーン軸とで挟持した状態で、全体が一体化されている。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガイドベーンにおいて、積層された前記複数の羽根板を位置決めする位置決め手段を備える、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、水車において水を案内するガイドベーンの製法であって、平面形状が羽根状で貫通孔を有する羽根板を複数製作し、前記複数の羽根板を積層して、前記貫通孔に第１のベーン軸の挿入部を挿入し、第２のベーン軸を前記挿入部の端部に着脱自在に装着して、前記第１のベーン軸と第２のベーン軸とによって前記複数の羽根板を挟持する、ことを特徴とする。

請求項１および３の発明によれば、複数の羽根板を第１のベーン軸と第２のベーン軸とで挟持することで、全体が一体化されたガイドベーンが形成されている。つまり、鋳造や溶接によらずにガイドベーンが形成されているため、低コストで、かつ安定した品質で製作することが可能となる。しかも、羽根板は板部材であるため、レーザ加工やウォータジェット加工などによって高精度かつ低コストで製作することができ、ガイドベーン全体を高品質、低コストで製作することが可能となる。

一方、従来では、ガイドベーンの一部に損傷が生じた場合でも、ガイドベーン全体を修理したり交換したりしなければならず、多大な時間と労力、コストを要し、その結果、長時間水車が使えない状態を招くおそれがあった。これに対してこの発明によれば、第２のベーン軸が第１のベーン軸に対して着脱自在であるため、第２のベーン軸を第１のベーン軸から切り離して、特定の羽根板のみを容易かつ迅速に第１のベーン軸から取り外すことができる。このため、損傷が生じた羽根板のみを取り外して修理、交換することで、迅速かつ低コストでの対応が可能となる。同様に、第１のベーン軸や第２のベーン軸が損傷した場合でも、ベーン軸のみを修理、交換することで、迅速かつ低コストでの対応が可能となる。

請求項２の発明によれば、位置決め手段を備えるため、複数の羽根板が所定の位置で積層され、所定形状のガイドベーン（ベーン本体）を精度高く製作することが可能となる。

この発明の実施の形態に係るガイドベーンを示す正面断面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 図１のガイドベーンの羽根板の正面（平面）図である。 図１のガイドベーンの第１のベーン軸の正面図である。 図１のガイドベーンの第２のベーン軸の正面断面図（ａ）と側面図（ｂ）である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るガイドベーン１を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。このガイドベーン１は、水車において水を案内する案内羽根であって、主として、複数の羽根板２と、第１のベーン軸３と、第２のベーン軸４とを備えている。

羽根板２は、所定の金属板で構成され、図２に示すように、平面形状が所定の羽根状（流線形）に形成され、その厚みは、後述するようなレーザ加工が可能で、かつ必要な強度、剛性などの機械的特性を確保できるように設定されている。また、略中央部には、後述する第１のベーン軸３の挿入部３２を挿入するための、円形の貫通孔２ａが形成されおり、この貫通孔２ａに接するように、キー５を装着するキー溝２ｂが形成されている。なお、図１（ａ）では、キー５を明記するために９０°回転して図示している。さらに、図２中の上下両端部には、位置決めピン（位置決め手段）６を挿入するためのピン孔２ｃが形成されている。

このような羽根板２が複数積層されて、ベーン本体２０が構成されている。すなわち、各ピン孔２ｃに位置決めピン６が挿入された状態で複数の羽根板２が積層され、位置決めピン６の両端部がカシメられて、ベーン本体２０が構成されている。このように、各ピン孔２ｃに位置決めピン６が挿入されることで、複数の羽根板２が同位置に位置決めされるとともに、複数の羽根板２がベーン本体２０として仮一体化される。また、このようなベーン本体２０の状態で、ガイドベーン１の羽根として必要な厚み（軸方向の長さ）が得られるように、羽根板２の厚みと積層枚数が設定されている。

第１のベーン軸３は、同心上に第１の主軸部３１と挿入部３２とが形成され、第１の主軸部３１は挿入部３２よりも大径で、第１の主軸部３１の外径は、水車本体に軸受けされる所定の大きさに設定されている。また、第１の主軸部３１と挿入部３２との間には、第１の主軸部３１よりも大径で円板状の第１のツバ部３３が形成されている。挿入部３２の外径は、上記の羽根板２の貫通孔２ａとほぼ同径に設定され、挿入部３２には、キー５を装着するキー溝３２ａが軸方向に沿って形成されている。

また、挿入部３２の長さは、上記のベーン本体２０の軸方向の長さ（厚み）とほぼ同寸法に設定され、挿入部３２の自由端部には、角柱状の装着部（挿入部の端部）３４が形成されている。この装着部３４は、断面が挿入部３２の断面よりも小さく正方形で、軸方向に直交して貫通する第１の固定用孔３４ａが形成されている。そして、後述するようにして第２のベーン軸４を装着部３４に装着した際に、第１のツバ部３３と第２のベーン軸４とによってベーン本体２０を強固に挟持できるように、挿入部３２の長さや第１の固定用孔３４ａの位置などが設定されている。

第２のベーン軸４は、同心上に第２の主軸部４１と円板状の第２のツバ部４２とを備え、第２の主軸部４１の外径は、第１のベーン軸３の第１の主軸部３１と同径に設定され、第２のツバ部４２の外径は、第１のベーン軸３の第１のツバ部３３と同径に設定されている。そして、第１の主軸部３１と第２の主軸部４１とが水車本体に軸受けされて、ガイドベーン１が主軸部３１、４１を軸心にして回動自在に支持されるようになっている。

また、第２のツバ部４２の自由端面から第２の主軸部４１に向かって、断面が正方形の角穴４ａが軸心上に形成され、この角穴４ａに第１のベーン軸３の装着部３４が挿入されるようになっている。さらに、この角穴４ａと直交して第２の主軸部４１を貫通する第２の固定用孔４ｂが形成されている。この第２の固定用孔４ｂは、角穴４ａに装着部３４が挿入された際に、第１の固定用孔３４ａと同心上に位置するように設定され、固定ピン７（図１参考）が両固定用孔３４ａ、４ｂに挿入できるようになっている。このようなベーン軸３、４は、羽根板２と同じ金属で構成されている。

次に、このような構成のガイドベーン１の製法について説明する。

まず、上記のような羽根板２を必要な枚数製作する。すなわち、素材である金属板をレーザ加工やウォータジェット加工などによって切断して、輪郭を形成するとともに、貫通孔２ａ、キー溝２ｂおよびピン孔２ｃを形成する。また、製作する枚数は、上記のようなベーン本体２０の厚みに応じた枚数だけにしてもよいし、交換などを考慮した枚数を含めてもよい。このようにして製作した羽根板２を、ピン孔２ｃに位置決めピン６を挿入しながら所定枚数積層し、位置決めピン６の両端部をカシメて、ベーン本体２０を構成する。この状態では、すべての羽根板２の貫通孔２ａおよびキー溝２ｂが一致している。

一方、上記のような形状の第１のベーン軸３と第２のベーン軸４とを機械加工によって製作するとともに、キー５や位置決めピン６などを準備する。

次に、キー５をキー溝３２ａに装着した状態で、第１のベーン軸３の挿入部３２をベーン本体２０の貫通孔２ａに挿入する。これにより、ベーン本体２０のキー溝２ｂにキー５が嵌合する。

続いて、第１のベーン軸３の装着部３４を第２のベーン軸４の角穴４ａに挿入して、固定ピン７を両固定用孔３４ａ、４ｂに挿入・圧入することで、第２のベーン軸４を装着する。これにより、第１のベーン軸３の第１のツバ部３３と第２のベーン軸４の第２のツバ部４２とによって、ベーン本体２０が挟持された状態となり、一体化したガイドベーン１が製作される（組み付けられる）。

一方、一部の羽根板２やベーン軸３、４などの修理、交換が必要な場合などには、次のようにしてガイドベーン１を解体する（ばらす）。すなわち、固定ピン７を抜いて第２のベーン軸４を装着部３４から取り外し、ベーン本体２０を挿入部３２から抜き取る。さらに、ベーン本体２０から位置決めピン６を抜き取って、各羽根板２を分離するものである。

以上のように、このガイドベーン１およびその製法によれば、複数の羽根板２を積層したベーン本体２０を第１のベーン軸３と第２のベーン軸４とで挟持することで、全体が一体化されたガイドベーン１が形成されている。つまり、鋳造や溶接によらずにガイドベーン１が形成されているため、少ない工程で済むとともに、機械的な組み付けであるため非破壊検査などが不要で、低コストで、かつ安定した品質で製作することが可能となる。

また、羽根板２は板部材であるため、レーザ加工やウォータジェット加工などによって高精度かつ低コストで製作することができ、ガイドベーン１全体を高品質、低コストで製作することが可能となる。つまり、ベーン本体２０全体を一体で製作すると、多くの機械加工工程を要するとともに、大きいため取扱いが困難であるが、これに比べて、板状の羽根板２は、容易、低コストかつ高精度に製作することができる。しかも、位置決めピン６によって複数の羽根板２が所定の位置で積層されるため、所定形状のガイドベーン１（ベーン本体２０）を精度高く製作することが可能となる。

また、ベーン本体２０全体を一体で機械加工すると、大きなブロック状の素材を要し、歩留まりが悪いのに対して、このガイドベーン１では、羽根板２やベーン軸３、４などを個別に製作するため、歩留まりがよく経済的である。さらに、角柱状の装着部３４によって第１のベーン軸３と第２のベーン軸４とが連結されているため、連結強度が高く（トルクを受ける面が多く）、トルクを適正・高効率に伝達することが可能となる。

一方、ガイドベーン１が解体可能なため、一部の羽根板２やベーン軸３、４などに損傷が生じた場合に、ガイドベーン１を解体して必要な部材のみを修理したり交換したりすることができる。しかも、固定ピン７を抜いたりするだけで、容易かつ迅速にガイドベーン１を解体することができる。このため、ガイドベーン１の一部が損傷などした場合でも、迅速かつ底コストで対応することができ、その結果、長時間水車が使えない状態を防止することができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、固定ピン７によって第２のベーン軸４を固定しているが、ネジによって第２のベーン軸４を固定してもよい。また、装着部３４が角柱状となっているが、必要な強度などに応じて、キー構造やスプライン構造などにしてもよい。

１ ガイドベーン
２ 羽根板
２ａ 貫通孔
２０ ベーン本体
３ 第１のベーン軸
３２ 挿入部
３４ 装着部（挿入部の端部）
４ 第２のベーン軸
４ａ 角穴
５ キー
６ 位置決めピン（位置決め手段）
７ 固定ピン

Claims (3)

1. 水車において水を案内するガイドベーンであって、
   平面形状が羽根状で貫通孔が形成された羽根板が、複数積層され、
   前記複数の羽根板の貫通孔に第１のベーン軸の挿入部が挿入され、
   第２のベーン軸が前記挿入部の端部に着脱自在に装着されて、前記第１のベーン軸と第２のベーン軸とによって前記複数の羽根板が挟持されている、
   ことを特徴とするガイドベーン。
2. 積層された前記複数の羽根板を位置決めする位置決め手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガイドベーン。
3. 水車において水を案内するガイドベーンの製法であって、
   平面形状が羽根状で貫通孔を有する羽根板を複数製作し、
   前記複数の羽根板を積層して、前記貫通孔に第１のベーン軸の挿入部を挿入し、
   第２のベーン軸を前記挿入部の端部に着脱自在に装着して、前記第１のベーン軸と第２のベーン軸とによって前記複数の羽根板を挟持する、
   ことを特徴とするガイドベーン製法。
   

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