JP6131085B2

JP6131085B2 - 回転機械、回転機械に用いられる羽根車、及び、羽根車の製造方法

Info

Publication number: JP6131085B2
Application number: JP2013075865A
Authority: JP
Inventors: 輝明藤岡
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: DE102014203475A1; US20140294582A1; DE102014203475B4; JP2014202074A; US9879685B2

Description

本発明は、回転機械、回転機械に用いられる羽根車、及び、羽根車の製造方法に関するものである。

従来、回転自在に構成された羽根車を備える回転機械が知られており、下記特許文献１には、そのような回転機械の一例としての遠心型圧縮機が開示されている。

特許文献１に開示された圧縮機は、ケーシングと、ケーシング内に回転自在に設けられた羽根車としてのインペラとを備える。

ケーシングは、インペラの軸方向の一端から他端側へ向かうにつれて拡径するテーパー状の内周面を有する。インペラは、ケーシングの内周面へ向かって延びる複数のブレードを備えており、各ブレードは、ケーシングの内周面に対向する外端縁を有する。

ケーシングの内周面のうち上流側（気流の吸込側）の部分は、軟質の樹脂でコーティングされており、インペラが径方向にぶれて回転した場合でも、インペラのブレードによって樹脂コーティングのみが削られ、ブレードとケーシングの内周面との接触が回避される。

特開２００１−３１７４９２号公報

上記従来の構成では、ブレードとケーシングとの接触に起因する損耗を軽減できるものの、樹脂コーティングを施すために大きなケーシングを取り扱う必要があり、製造上の手間及び時間がかかる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、羽根車のブレード及びケーシングの損耗を回避するとともに、製造上の手間及び時間を削減することである。

上記目的を達成するために、本発明による回転機械は、ケーシング内に回転自在に設けられた羽根車を備え、前記羽根車は、前記ケーシングの内周面へ向かって延びるブレードを有し、前記ケーシングの内周面に対向する前記ブレードの端縁には、少なくとも一部に、樹脂層からなるシュラウド部が形成され、前記シュラウド部の少なくとも一部は、前記羽根車の停止状態で前記ケーシングの内周面に接触している。

この回転機械では、羽根車の回転時にシュラウド部の樹脂層がケーシングの内周面に接触した場合でも、ケーシングの内周面へのブレードの接触は回避できる。その結果、ブレードの損耗を回避することができる。また、樹脂層は、金属に比べて軟質であるため、樹脂層が接触したケーシングの損耗も回避することができる。また、羽根車のブレード及びケーシングの損耗を回避するためには、従来技術のようにケーシングの内周面に樹脂層を形成することも考えられるが、この場合には、樹脂層の形成工程において大きなケーシングを取り扱う必要があり、製造上の手間及び時間がかかる。これに対して、本構成では、ケーシングよりも小さく、取り扱いが容易な羽根車のブレードに樹脂層を形成すればよいので、製造上の手間及び時間を削減できる。また、この回転機械では、ケーシングの内周面にシュラウド部が接触している箇所においてケーシングの内周面とブレードとの間の隙間をなくすことができる。このため、回転機械が例えば圧縮機であり、羽根車がガスを圧縮するインペラである場合には、ガスの圧縮効率を高めることができる。回転機械が例えばタービンであり、羽根車が蒸気圧により回転するタービンランナーである場合には、蒸気圧を動力に変換する効率を高めることができる。

上記回転機械において、前記ブレードの前記端縁の全体に、樹脂層からなるシュラウド部が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、羽根車のブレード及びケーシングの損耗をより確実に回避することができる。

上記回転機械において、前記ブレードの前記端縁は、前記羽根車の径方向において前記ケーシングの内周面と対向する部位を有し、当該部位に前記樹脂層からなるシュラウド部が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、羽根車が径方向に位置ずれして回転した場合でも、ブレードがケーシングの内周面に接触するのを樹脂層によって防ぐことができる。従って、本構成では、羽根車が径方向に位置ずれして回転した場合でも、羽根車のブレード及びケーシングの損耗を回避することができる。

上記回転機械において、前記ブレードの前記端縁は、前記羽根車の軸方向において前記ケーシングの内周面と対向する部位を有し、当該部位に前記樹脂層からなるシュラウド部が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、羽根車が軸方向に位置ずれして回転した場合でも、ブレードがケーシングの内周面に接触するのを樹脂層によって防ぐことができる。従って、本構成では、羽根車が軸方向に位置ずれして回転した場合でも、羽根車のブレード及びケーシングの損耗を回避することができる。

本発明による羽根車は、上記回転機械に用いられる羽根車である。

この羽根車では、上記回転機械の場合と同様、ブレード及びケーシングの損耗を回避するとともに、製造上の手間及び時間を削減できる。

本発明による羽根車の製造方法は、テーパー状の外周面を有する素材の前記外周面上に樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、前記外周面上に形成された樹脂層が前記シュラウド部を成すように前記樹脂層形成工程後の前記素材から前記羽根車を削り出す削出工程とを備える。

この羽根車の製造方法では、素材の外周面上に形成された樹脂層の一部がシュラウド部を成すように羽根車のブレードを削り出すため、ブレードの形成後にブレードの外端縁上に樹脂層を形成する場合に比べて、容易にシュラウド部の樹脂層を形成することができる。

本発明によれば、羽根車のブレード及びケーシングの損耗を回避するとともに、製造上の手間及び時間を削減することができる。

本発明の一実施形態による圧縮機の部分的な断面図である。図１に示した圧縮機のインペラのブレード及び圧縮部ケーシングの近傍を部分的に示す拡大図である。本発明の一実施形態の圧縮機に用いるインペラの斜視図である。インペラの加工手順を示すフローチャートである。インペラの製造に用いる素材を示す斜視図である。荒加工後の素材を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態による圧縮機の部分的な断面図である。本実施形態による圧縮機は、本発明の回転機械の一例であり、駆動機構２と、圧縮部ケーシング４と、ケーシングカバー６と、インペラ８と、シール部材１０とを備える。

駆動機構２は、インペラ８を回転させるものであり、低速軸１２と、軸受１４ａ，１４ｂと、図略のモータと、ギアケーシング１６と、低速歯車１８と、高速軸２０と、軸受２２ａ，２２ｂと、高速歯車２３とを備える。

低速軸１２は、回転自在となるように軸受１４ａ，１４ｂを介してギアケーシング１６に支持される。低速軸１２の一端には、図略のモータの駆動軸が接続される。

低速歯車１８は、軸受１４ａ，１４ｂ間の位置で低速軸１２に外嵌され、ギアケーシング１６内に配置されている。

高速軸２０は、ギアケーシング１６内において低速軸１２と平行に配置されている。高速軸２０は、回転自在となるように軸受２２ａ，２２ｂによって支持される。高速軸２０の図１における左側の端部は、ギアケーシング１６から外側へ突出する。

高速歯車２３は、高速軸２０のうち軸受２２ａ，２２ｂ間に位置する部位に設けられ、低速歯車１８と噛み合う。

圧縮部ケーシング４は、ケーシングカバー６を介して、ギアケーシング１６の図１における左側の側部に取り付けられている。本実施形態では、圧縮部ケーシング４が本発明のケーシングに相当する。圧縮部ケーシング４は、インペラ８を収容する収容部２４と、収容部２４の外周に配置されて収容部２４と一体的に形成された周辺部２６とを有する。

収容部２４内には、インペラ８が配置される内部空間２４ａが設けられている。高速軸２０の軸方向における内部空間２４ａの両端は、開放されている。以下、単に「軸方向」というときは、高速軸２０の軸方向を意味する。また、高速軸２０を中心とする径方向を単に「径方向」という。ケーシングカバー６は、圧縮部ケーシング４のギアケーシング１６側の端部と締結され、内部空間２４ａのギアケーシング１６側の端部を覆う。ケーシングカバー６の中央には、貫通穴６ａが形成され、高速軸２０の端部２００は、貫通穴６ａ内に配置される。高速軸２０の端部２００の外周面と貫通穴６ａの内周面との間には、内部空間２４ａからのガスの漏洩を防止するためのシール部材１０が設けられる。内部空間２４ａのケーシングカバー６と反対側の端部によって、ガスの導入口２４ｂが構成される。

図２は、圧縮機のインペラ８のブレード３０及び圧縮部ケーシング４の近傍を部分的に示す拡大図である。内部空間２４ａを形成する収容部２４の内周面２４ｃは、図２に示すように、入口側テーパー面２４ｄ、中間面２４ｅ及び出口側テーパー面２４ｆを有する。

入口側テーパー面２４ｄ、中間面２４ｅ及び出口側テーパー面２４ｆは、導入口２４ｂからケーシングカバー６側へ順番に配置されている。入口側テーパー面２４ｄは、導入口２４ｂからケーシングカバー６側へ向かうにつれて縮径するテーパー状を成す。中間面２４ｅは、軸方向に沿って延びる円筒状を成す。出口側テーパー面２４ｆは、中間面２４ｅからケーシングカバー６側へ向かうにつれて軸方向に対して垂直に近づくように拡径するテーパー状を成す。

周辺部２６は、出口側テーパー面２４ｆの外縁部（ケーシングカバー６側の端縁部）から径方向外側に延びる端面部２６ａを有する。端面部２６ａは、軸方向に対して垂直であり、ケーシングカバー６との間に隙間をあけて配置される。端面部２６ａとケーシングカバー６との間の隙間により、連通路２６ｂが形成される。また、周辺部２６には、連通路２６ｂと繋がり、圧縮後のガスが排出される排出口２６ｃが設けられている。

図１に示すように、インペラ８は、収容部２４の内部空間２４ａに収容されて、軸回りに回転自在に設けられている。インペラ８は、本発明の羽根車の一例である。図３は、インペラ８の斜視図である。インペラ８は、ハブ２８と、複数のブレード３０とを有する。

ハブ２８は、図１に示すように、高速軸２０と同軸に配置された状態で高速軸２０の端部２００に結合する。ハブ２８は、頂部２８０からケーシングカバー６へ向かうに従って径方向外方に広がる外周面２８ａ（図２参照）を有する。

複数のブレード３０は、ハブ２８の外周面２８ａから収容部２４の内周面２４ｃへ向かって突出し、図３に示すようにハブ２８の周方向（インペラ８の周方向）において間隔をあけて配置される。複数のブレード３０とハブ２８とは、金属材料により一体的に形成されている。ブレード３０は、図２に示すように、出口側テーパー面２４ｆ、および、中間面２４ｅの出口側テーパー面２４ｆ近傍の部位に対向する領域に設けられている。各ブレード３０は、導入口２４ｂ側に位置し、軸方向に対して垂直に延びるリーディングエッジ３０ａと、排出口２６ｃ側に位置し、軸方向に対して平行に延びるトレイリングエッジ３０ｂと、収容部２４の内周面２４ｃに対向し、当該内周面２４ｃに沿う形状に形成された外端縁３０ｃとを有する。外端縁３０ｃのうちリーディングエッジ３０ａ近傍の部位は、径方向において収容部２４の中間面２４ｅと対向する。以下、リーディングエッジ３０ａ近傍の部位を径方向対向部３０ｄという。外端縁３０ｃのうちトレイリングエッジ３０ｂ近傍の部位は、軸方向において収容部２４の出口側テーパー面２４ｆと対向する。以下、トレイリングエッジ３０ｂ近傍の部位を軸方向対向部３０ｅという。

外端縁３０ｃの全体に亘って、樹脂層３１ａからなるシュラウド部３１ｂが形成されている。樹脂層３１ａは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の厚みを有する。樹脂層３１ａの材料としては、耐摩耗性を有し、且つ、ブレード３０及び圧縮部ケーシング４を形成する金属材料よりも軟質である、例えばＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｌｅｔｈｅｌｋｅｔｏｎ）剤等の樹脂が用いられる。インペラ８の停止状態では、樹脂層３１ａ（シュラウド部３１ｂ）全体が収容部２４の内周面２４ｃに接触する。

以上のように構成された圧縮機において、ガスの圧縮が行われるときには、図略のモータからの動力により低速軸１２（図１参照）が回転し、低速軸１２の回転運動は、低速歯車１８と高速歯車２３とを介して高速軸２０に伝達される。高速軸２０とインペラ８は一体的に回転し、導入口２４ｂから収容部２４の内部空間２４ａに吸い込まれたガスがインペラ８によって圧縮される。圧縮後のガスは、連通路２６ｂ及び排出口２６ｃを通じて排出される。

次に、本実施形態によるインペラ８の製造工程を、図４に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、金属製の円柱状の素材５０（図５参照）を荒加工（切削加工）することにより、図６に示す略円錐台状の素材５０ａを形成する（ステップＳ１）。

次に、素材５０ａを清浄にするための物理的及び化学的な前処理を行う（ステップＳ２）。

その後、下地剤を用いて素材５０ａの表面の下地処理を行い、素材５０ａの表面を樹脂が付きやすい状態にする（ステップＳ３）。

次に、素材５０ａのテーパー状の外周面５０ｂ（図６参照）上に樹脂を吹付塗装する（ステップＳ４）。その後、素材５０ａを焼成炉にて焼成し、樹脂層の焼付けを行う（ステップＳ５）。焼成後、素材５０ａを冷却する（ステップＳ６）。ステップＳ４〜Ｓ６の工程は、本発明の樹脂層形成工程の一例である。

次に、樹脂層の厚みが仕様の厚みになっているかを確認する（ステップＳ７）。樹脂層の厚みが仕様の厚みになっていれば、次に、素材５０ａからインペラ８（図３参照）を削り出す削出加工を行い（ステップＳ８）、仕様の厚みに満たなければ、前記吹付塗装（ステップＳ４）以降の工程を再度行う。削出加工では、素材５０ａの外周面５０ｂ上に形成された樹脂層がシュラウド部３１ｂの樹脂層３１ａを成すように、素材５０ａのうち各ブレード３０間に相当する部分を切削して複数のブレード３０及びハブ２８を削り出す。以上のようにしてインペラ８が形成される。

本実施形態では、インペラ８の回転時にシュラウド部３１ｂの樹脂層３１ａが収容部２４の内周面２４ｃに接触しても、収容部２４の内周面２４ｃへのブレード３０の接触は回避できる。その結果、ブレード３０の損耗を回避することができる。また、樹脂層３１ａは、圧縮部ケーシング４の金属材料に比べて軟質であるため、樹脂層３１ａが接触した収容部２４の損耗も回避することができる。また、圧縮部ケーシング４よりも小さく、取り扱いが容易なインペラ８のブレード３０に樹脂層３１ａを形成すればよいので、製造上の手間及び時間を削減できる。

また、本実施形態では、収容部２４の内周面２４ｃにシュラウド部３１ｂが接触しているため、圧縮機におけるガスの圧縮効率を高めることができる。

ブレード３０の外端縁３０ｃの径方向対向部３０ｄ及び軸方向対向部３０ｅに樹脂層３１ａが形成されているため、インペラ８が径方向及び軸方向のいずれに位置ずれして回転した場合でも、ブレード３０及び収容部２４の損耗を回避することができる。

素材５０ａの外周面５０ｂ全体に厚肉の樹脂層を形成する、いわゆる、樹脂ライニングが行われることにより、ブレードの形成後にブレードの外端縁上に樹脂層を形成する場合に比べて、容易にシュラウド部３１ｂの樹脂層３１ａを形成することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。

上記実施形態では、本発明の回転機械の一例としての圧縮機について示したが、本発明は、圧縮機以外の回転機械に適用されてもよい。例えば、タービンに適用されてもよい。この場合には、蒸気圧により回転するタービンランナーが本発明の羽根車に相当する。

シュラウド部の樹脂層は、必ずしもブレードの外端縁全体に形成されている必要はない。例えば、外端縁の径方向対向部のみ、又は、軸方向対向部のみ、もしくは、径方向対向部及び軸方向対向部のみに樹脂層が形成されてもよい。

シュラウド部の樹脂層は、少なくとも一部が収容部の内周面に接触すればよく、必ずしも全体が収容部の内周面に接触する必要はない。また、インペラの回転時には、シュラウド部は、収容部の内周面から離反してもよい。ブレード３０はハブ２８とは別部材にて形成されてもよい。

４圧縮部ケーシング（ケーシング）
８インペラ（羽根車）
２４ｃ内周面
３０ブレード
３０ｃ外端縁
３１ａ樹脂層
３１ｂシュラウド部

Claims

ケーシング内に回転自在に設けられた羽根車を備え、
前記羽根車は、前記ケーシングの内周面へ向かって延びるブレードを有し、
前記ケーシングの内周面に対向する前記ブレードの端縁には、少なくとも一部に、樹脂層からなるシュラウド部が形成され、
前記シュラウド部の少なくとも一部は、前記羽根車の停止状態で前記ケーシングの内周面に接触している、回転機械。
前記ブレードの前記端縁の全体に、樹脂層からなるシュラウド部が形成されている、請求項１に記載の回転機械。
前記ブレードの前記端縁は、前記羽根車の径方向において前記ケーシングの内周面と対向する部位を有し、当該部位に前記樹脂層からなるシュラウド部が形成されている、請求項１又は２に記載の回転機械。
前記ブレードの前記端縁は、前記羽根車の軸方向において前記ケーシングの内周面と対向する部位を有し、当該部位に前記樹脂層からなるシュラウド部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機械。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機械に用いられる、羽根車。
請求項５に記載の羽根車を製造するための方法であって、
テーパー状の外周面を有する素材の前記外周面上に樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、
前記外周面上に形成された樹脂層が前記シュラウド部を成すように前記樹脂層形成工程後の前記素材から前記羽根車を削り出す削出工程とを備えた、羽根車の製造方法。