JP6327505B2 - インペラ及び回転機械 - Google Patents

Description

この発明は、インペラ及び回転機械に関するものである。

例えば、産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどに用いられる回転機械にあっては、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを具備している。この回転機械は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。

上記インペラとしては、ブレードにカバーを一体的に取り付けたいわゆるクローズドインペラが知られている。このクローズドインペラにおいては、複数のパーツを接合して組み立てたものがある。このような接合構造を有している場合、流路形状の品質が低下し、インペラの性能が低下する傾向にある。そのため、インペラを１ピース化することがある。しかし、インペラを１ピース化する場合、複雑な削り出し加工や溶接が必要となり、インペラの組み立て作業に時間がかかってしまう。

特許文献１には、流路を形成するディスク部、ブレード部、カバー部を１ピース化した第一部材と、ディスク部の軸線方向一方側の第二部材とを分割形成することで、第一部材に対する加工工具のアクセス性を向上できる技術が提案されている。

特開２０１３−４７４７９号公報

ところで、上述したインペラは、熱変形を利用して回転軸に取り付けられることがある。このように熱変形を利用して回転軸にインペラを取り付ける場合、ディスク部が第一部材と第二部材とに分割されていると、それぞれ個別に回転軸に対して着脱しなけなければならないため、回転軸への取付および取り外し作業が煩雑になるという課題がある。例えば、第一部材を熱変形により回転軸に取り付けた後に、第二部材を熱変形により回転軸に取り付けようとした場合、第二部材の熱が第一部材に伝わり第一部材の位置がずれてしまう可能性がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、流路形状の品質を向上することができるとともに、回転軸に対して容易に着脱することが可能なインペラ及び回転機械を提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係るインペラは、軸線回りに回転する回転軸に対して、少なくとも前記軸線方向における第一端部側が固定され、前記第一端部側とは反対側となる前記軸線方向における第二端部側から径方向外側に向かって延びるディスク部と、前記ディスク部から前記軸線方向における第一端部側に突出して設けられるブレード部と、前記ブレード部に対して一体的に設けられるとともに、前記ブレード部を前記軸線方向における第一端部側から覆うカバー部と、を備えたインペラであって、前記ディスク部は、前記ブレード部の径方向内側で、前記軸線に直交する分割面により軸線方向に２分割された第一部材と第二部材とを備え、前記第一部材と前記第二部材とが前記分割面で接合され、前記第一部材は、前記軸線方向の前記第一端部側で回転軸に嵌め合わされ、前記分割面は、前記第一部材に対して前記第二部材が径方向外周側へ変位することを規制する複数の段差部を有し、前記複数の段差部は、それぞれ前記第一部材に形成される凹部と、前記第二部材に形成されて前記凹部に嵌め込み可能な凸部とを有し、前記第一部材と前記第二部材とは径方向に向かって延びる面でのみ接合されている。
このように構成することで、ブレード部の径方向内側に部材が配されていない状態で、第二部材を加工することができる。また、第一部材と第二部材とが分割面で接合されているため、回転軸に対して第一部材と第二部材とを個別に取り付ける必要がない。また、熱変形を利用して回転軸に取り付ける場合に、少なくとも軸線方向における第一端部側が回転軸に固定されるため、径方向外側に向かって延びて断面積の大きい第二端部側を固定する場合よりも素早く温度上昇させることができる。さらに、分割面が軸線と直交するため、傾斜している場合などと比較して、容易に接合作業を行うことができる。

さらに、第一部材に対して第二部材を容易に位置決めすることができる。また、第二部材の径方向外側への変位が段差部により規制されるため、分割面に作用するせん断方向への力を抑制することができる。そのため、接合強度を向上することができる。また、例えば、第一部材よりも質量が大きい第二部材の径方向外側への変形を抑制することができる。

さらに、この発明に係るインペラは、上記インペラの前記分割面が、ろう付け、または、摩擦撹拌接合により接合されていてもよい。
このように構成することで、第一部材を第二部材に対して容易に接合することができる。

この発明に係る回転機械は、上記インペラを備えることを特徴としている。
このように構成することで、インペラのメンテナンスを容易に行うことができると共に、品質のばらつきを抑制して商品性向上を図ることができる。

この発明に係るインペラの製造方法は、軸線回りに回転する回転軸に対して、少なくとも前記軸線方向における第一端部側が固定され、前記第一端部側とは反対側となる前記軸線方向における第二端部側から径方向外側に向かって延びるディスク部と、前記ディスク部から前記軸線方向における第一端部側に突出して設けられるブレード部と、前記ブレード部に対して一体的に設けられるとともに、前記ブレード部を前記軸線方向における第一端部側から覆うカバー部と、を備え、前記ディスク部が、前記ブレード部の径方向内側で、前記軸線に直交する分割面により軸線方向に２分割された第一部材と第二部材とを備えたインペラの製造方法であって、前記第一部材を形成する工程と、前記ブレード部と前記カバー部と前記ディスク部とが一体に形成された第二部材を形成する工程と、前記第一部材と前記第二部材とを接合する工程と、少なくとも前記第一部材を前記回転軸に固定する工程と、を備えることを特徴としている。
このように構成することで、ディスク部、ブレード部、および、カバー部により形成される流路の加工性を向上することができる。また、第一部材と第二部材とを接合した後に、第一部材を回転軸へ固定できるため、回転軸への着脱を容易に行うことができる。

この発明によれば、流路形状の品質を向上することができるとともに、回転軸に対して容易に着脱することができる。

この発明の第一実施形態における遠心圧縮機の断面図である。 この発明の第一実施形態におけるインペラの斜視図である。 この発明の第一実施形態におけるインペラの断面図である。 この発明の第一実施形態におけるインペラの製造方法を示すフローチャートである。 この発明の第二実施形態における図３に相当する断面図である。 この発明の第二実施形態における段差部の拡大図である。 この発明の第二実施形態の変形例における図６に相当する拡大図である。 この発明の第一実施形態の変形例における図６に相当する拡大図である。

（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態における回転機械について図面を参照して説明する。
図１は、この実施形態の回転機械を備える遠心圧縮機１００の概略構成を示す断面図である。図２は、この発明の第一実施形態におけるインペラの斜視図である。図３は、この発明の第一実施形態におけるインペラの断面図である。
図１に示すように、遠心圧縮機１００のケーシング１０５には、ジャーナル軸受１０５ａおよびスラスト軸受１０５ｂを介して回転軸５が軸支されている。回転軸５は、軸線Ｏ回りに回動可能とされており、この回転軸５には、軸線Ｏ方向に複数のインペラ１０が並んで取り付けられている。

図２に示すように、各インペラ１０は、略円盤状をなしている。インペラ１０は、その軸線Ｏ方向の一方側に開口された導入口２より吸入された流体を、インペラ１０の内部に形成された流路１０４を介して径方向外周側に向かって放出するように構成されている。各インペラ１０は、回転軸５の回転による遠心力を利用してケーシング１０５に形成された上流側の流路１０４から供給されるガスＧを下流側の流路１０４へと段階的に圧縮して流す。

図１に示すように、ケーシング１０５には、回転軸５の軸線Ｏ方向の前方側（図１における左側）に、外部からガスＧを流入させるための吸込口１０５ｃが形成されている。また、ケーシング１０５には、軸線Ｏ方向の後方側（図１における右側）に、外部へガスＧを流出させるための排出口１０５ｄが形成されている。なお、以下の説明においては、紙面左側を「前方側」、紙面右側を「後方側」と称する。

上記遠心圧縮機１００によれば、回転軸５が回転すると、吸込口１０５ｃからガスＧが流路１０４に流入して、このガスＧがインペラ１０によって段階的に圧縮されて排出口１０５ｄから排出される。上記図１においては、回転軸５にインペラ１０が直列に６個設けられた一例を示しているが、回転軸５に対して少なくとも１個のインペラ１０が設けられていればよい。なお、以下の説明では、説明を簡単化するため、回転軸５にインペラ１０が１つだけ設けられている場合を一例にして説明する。

図２、図３に示すように、インペラ１０は、ディスク部３０と、ブレード部４０と、カバー部５０と、を備えている。
ディスク部３０は、径方向外側から嵌め合わされることで回転軸５に取り付けられている。ディスク部３０は、軸線Ｏに直交する分割面Ｂにより軸線方向に２分割された第一部材３１と第二部材３２とを備えている。これら第一部材３１と第二部材３２とは、分割面Ｂで接合されている。

第一部材３１は、軸線Ｏを中心とした略円筒状をなしている。この第一部材３１は、軸線Ｏ方向前側の第一端部３３側に、回転軸５に嵌め合わされるグリップ部Ａを備えている。また第一部材３１は、軸線Ｏ方向後側に向かって漸次拡径する拡径部３４を備えている。この拡径部３４の外周面は、軸線Ｏを含む断面において、外側に向かって凹状の曲面となっている。また、第一部材３１は、軸線Ｏ方向後側の端面３５が第二部材３２に接合されている。ここで、上記グリップ部Ａにおいて第一部材３１を回転軸５に嵌め合わせる方法は、熱変形を利用した方法であり、例えば、冷やし嵌めや、焼き嵌めを用いることができる。この実施形態におけるインペラ１０は、グリップ部Ａのみで回転軸５に取り付けられている。

第二部材３２は、軸線Ｏ方向で第一端部３３側とは反対側となる第二端部３６側から径方向外側に向かって延びる円盤状に形成されている。第二部材３２は、その前側面３２ａの基部側領域３２ｂが、上記第一部材３１の端面３５と接合されている。これら端面３５と前側面３２ａの基部側領域３２ｂとは、軸線Ｏに直交する分割面Ｂを構成している。ここで、軸線Ｏに直交とは、ディスク部３０の径方向に延びることを意味している。

第一部材３１と第二部材３２とは、分割面Ｂにおいて、ろう付け、または、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）等により接合されている。

ブレード部４０は、ディスク部３０の周方向に所定間隔をあけて複数配列されている。ブレード部４０は、略一定の板厚で形成されてディスク部３０の前側面３２ａから軸線Ｏ方向の前方に向かって突出して形成されている。また、図３に示すように、ブレード部４０は、側面視で径方向外側に向かってやや先細り形状とされている。

図２に示すように、各ブレード部４０は、軸線Ｏ方向から見て、ディスク部３０の径方向外側に向かうにつれてインペラ１０の回転方向後側に向かうように形成されている。また、各ブレード部４０は、軸線Ｏ方向から見て軸線回転方向後側に向かって凹状に湾曲して形成されている。ここで、ブレード部４０が軸線Ｏ方向から見て湾曲して形成される一例について説明したが、ブレード部４０は、径方向の外側ほど回転方向の後方側に延在されていればよい。例えばブレード部４０を軸線Ｏ方向から見て直線的に形成してもよい。図２において、インペラ１０の回転方向を矢印で示している。

カバー部５０は、ブレード部４０を軸線Ｏ方向における第一端部３３側から覆っている。カバー部５０は、軸線Ｏ方向における後側面５０ａがブレード部４０の前側縁４０ａに一体的に取り付けられている。カバー部５０の厚さ寸法は、ディスク部３０の厚さ寸法と同様に、径方向外側の厚さ寸法がやや薄い板状に形成されている。このカバー部５０は、ブレード部４０の内側端４０ｂの位置において軸線Ｏ方向における前側に向かって屈曲された屈曲部５１を有している。

上記のように構成されたインペラ１０は、ブレード部４０の径方向内側に、拡径部３４、および、分割面Ｂが配されている。また、第一部材３１の第一端部３３は、屈曲部５１の前側縁５１ａよりも軸線Ｏ方向における前側に配置されている。第一部材３１の外周面３１ａ、第二部材３２の前側面３２ａ、ブレード部４０の側面４０ｃ、および、カバー部５０の後側面５０ａによってガスＧが流れる流路１０４が形成されている。

次に、上述したインペラ１０の製造方法について図４のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、第一部材３１を、鋳造や切削等により形成する（ステップＳ０１）。
次に、第二部材３２を、ブレード部４０およびカバー部５０と一体形成する（ステップＳ０２）。より具体的には、析出硬化型ステンレス鋼などの一つの母材を切削することで第二部材３２、ブレード部４０、および、カバー部５０を一体形成する。

また、第一部材３１と第二部材３２とを分割面Ｂで接合する（ステップＳ０３）。より具体的には、第二部材３２の前側面３２ａの基部側領域３２ｂと第一部材３１の端面３５とを、ろう付け、または、摩擦撹拌接合により接合する。
その後、第一部材３１のグリップ部Ａを、回転軸５の外周面５ａの所定位置に焼き嵌めにより嵌め合わせる（ステップＳ０４）。

したがって、上述した第一実施形態のインペラ１０によれば、ブレード部４０よりも径方向内側に部材が配されていない状態で、第二部材３２を加工することができる。また、第一部材３１と第二部材３２とが分割面Ｂで接合されているため、回転軸５に対して第一部材３１と第二部材３２とを個別に取り付ける必要がない。また、熱変形を利用して回転軸５に取り付ける際に、軸線Ｏ方向における第一端部３３側のグリップ部Ａが回転軸５に固定されるため、径方向外側に向かって延びて断面積の大きい第二端部３６側を固定する場合よりも素早く温度上昇させることができる。さらに、分割面Ｂが軸線Ｏと直交するため、分割面Ｂが傾斜している場合などと比較して、容易に接合作業を行うことができる。その結果、流路１０４における形状の品質を向上することができるとともに、回転軸５に対して容易に着脱することができる。

また、上述した第一実施形態の遠心圧縮機１００によれば、インペラ１０のメンテナンスを容易に行うことができると共に、品質のばらつきを抑制して商品性向上を図ることができる。

さらに、インペラ１０の分割面Ｂが、ろう付け、または、摩擦撹拌接合により接合されるため、第一部材３１を第二部材３２に対して容易に接合することができる。

また、上述した第一実施形態のインペラ１０の製造方法によれば、ディスク部３０、ブレード部４０、および、カバー部５０により形成される流路１０４の加工性を向上することができる。また、第一部材３１と第二部材３２とを接合した後に、第一部材３１を回転軸５へ固定できるため、回転軸５への着脱を容易に行うことができる。

さらに、第一部材３１と第二部材３２とをろう付けする場合には、第一部材３１および第二部材３２は９００度程度まで加熱される。また、第一部材３１を焼嵌めにより回転軸５に接合する場合、第一部材３１および第二部材３２はろう付けよりも低い５００度程度まで加熱される。そのため、第一部材３１と第二部材３２とをろう付けした後に焼嵌めすることで、焼嵌めによる加熱によって、第一部材３１と第二部材３２との接合部分に悪影響を及ぼさず、円滑に組立を行うことができる。

（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態におけるインペラを図面に基づいて説明する。この第二実施形態のインペラは、上述した第一実施形態のインペラ１０に対して、分割面Ｂに段差部が形成されている点でのみ異なる。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。

図５は、この発明の第二実施形態における図３に相当する断面図である。
図５に示すように、この第二実施形態におけるインペラ１１０は、ディスク部３０と、ブレード部４０と、カバー部５０とを備えている。ブレード部４０、および、カバー部５０については、上述した第一実施形態と同様の構成であるため、詳細説明を省略する。

ディスク部３０は、第一部材１３１と、第二部材１３２とを備えている。
第一部材１３１は、軸線Ｏを中心とした略円筒状をなしている。この第一部材１３１は、軸線Ｏ方向前側の第一端部３３側に、回転軸５に嵌め合わされるグリップ部Ａを備えている。グリップ部Ａは、熱変形を用いた方法で回転軸５Ａに外側から嵌め合わされている。この嵌め合わせる方法は、第一実施形態と同様に、例えば、冷やし嵌めや、焼き嵌めを用いることができる。

第一部材１３１は、軸線Ｏ方向後側に向かって漸次拡径する拡径部３４を備えている。この拡径部３４の外周面は、軸線Ｏを含む断面において、外側に向かって凹状の曲面となっている。また、第一部材１３１は、軸線Ｏ方向後側の端面３５が第二部材３２に接合されている。

第二部材１３２は、軸線Ｏ方向の第二端部３６側から径方向外側に向かって延びる円盤状に形成されている。第二部材１３２は、その前側面３２ａの基部側領域３２ｂが、上記第一部材３１の端面３５と接合されている。これら端面３５と前側面３２ａの基部側領域３２ｂとは、軸線Ｏに直交しディスク部３０を２分割する分割面Ｂを構成している。

ディスク部３０は、その分割面Ｂに段差部３７を有している。この段差部３７は、第一部材１３１に対して第二部材１３２が径方向外周側へ変位することを規制する。段差部３７は、分割面Ｂの径方向の途中、より具体的には、分割面Ｂの径方向の中央部に形成されている。

図６は、この発明の第二実施形態における段差部３７の拡大図である。
図６に示すように、段差部３７は、支持面３８と合わせ面３９とを備えている。
支持面３８は、第一部材１３１に形成され、径方向内側を向いている。
合わせ面３９は、第二部材１３２に形成され、径方向外側を向いている。
これら支持面３８と合わせ面３９とは、回転軸５周りに円環状に形成されている。

言い換えれば、図５に示すように、ディスク部３０には、回転軸５が挿入される第一部材１３１の貫通孔１１の端面３５側の開口部周縁に凹溝が形成されている。またディスク部３０には、回転軸５が挿入される第二部材１３２の貫通孔１２の基部側領域３２ｂ側の開口部周縁に、上記凹溝に嵌め込み可能な凸部が形成されている。

図６に示すように、分割面Ｂにおいては、端面３５と前側面３２ａの基部側領域３２ｂとが接合されている。つまり、第一部材１３１と第二部材１３２とは、径方向に向かって延びる面でのみ接合されている。図６中、符号「Ｓ」は、接合部分を示しており、ろう付けの場合には、この接合部分Ｓにろう材が配される。

したがって、上述した第二実施形態のインペラ１１０によれば、第一部材１３１に対して第二部材１３２を容易に位置決めすることができる。また、第二部材１３２の径方向外側への変位が段差部３７により規制されるため、分割面Ｂに作用するせん断方向への力を抑制することができる。そのため、接合強度を向上することができる。また、例えば、第一部材１３１よりも質量が大きい第二部材１３２の遠心力による径方向外側への変形を抑制することができる。

なお、この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
上述した各実施形態においては、ろう付け、摩擦撹拌接合により第一部材３１，１３１と、第二部材３２，１３２とを接合する場合について説明したが、ろう付け、摩擦撹拌接合以外の接合方法を用いても良い。

また、第一端部３３側にのみグリップ部Ａを設ける場合について説明したが、グリップ部Ａは少なくとも第一端部３３側に設けられていればよく、例えば、第二端部３６側など他の位置での嵌め合わせを併用しても良い。

さらに、上述した第二実施形態においては、段差部３７が一つだけ形成されている一例を説明した。しかし、段差部３７は、一つだけに限られない。例えば、図７に示すように複数の段差部３７ａ、３７ｂを設けるようにしても良い。なお、段差部の数は２つに限られるものではない。また、第二実施形態においては、段差部３７にろう材を配さない場合について説明したが、段差部３７にもろう材を配してろう付けするようにしても良い。

上述した各実施形態においては、ブレード部４０が取り付けられる第二部材３２の前側面３２ａの延長面上に分割面Ｂを配する場合について説明したがこれに限られるものではない。分割面Ｂは、ブレード部４０、より具体的にはブレード部４０の内側端４０ｂの径方向内側に配され、且つ、軸線Ｏに直交する方向に延びていればよい。
図８は、上述した第一実施形態の変形例におけるインペラ２１０を示している。このインペラ２１０は、上述した第一実施形態のインペラ１０と形状が異なるだけであるため、同一部分に同一符号を付している。この図８に示すように、例えば、前側面３２ａのうちブレード部４０が取り付けられている前側面３２ａの位置よりも軸線Ｏ方向で第一端部３３側に分割面Ｂが配されていてもよい。

さらに、上述した各実施形態では、インペラ１０、１１０を遠心圧縮機１００に適用する場合について説明した。しかし、インペラ１０，１１０を適用できる回転機械は遠心圧縮機１００に限られない。インペラ１０，１１０は、例えば、各種産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンにも適用可能である。

５ 回転軸
５ａ 外周面
１０ インペラ
１１ 貫通孔
３０ ディスク部
３１ 第一部材
３１ａ 外周面
３２ 第二部材
３２ａ 前側面
３２ｂ 基部側領域
３３ 第一端部
３４ 拡径部
３５ 端面
３６ 第二端部
３７ 段差部
３８ 支持面
３９ 合わせ面
４０ ブレード部
４０ａ 前側縁
４０ｂ 内側端
４０ｃ 側面
５０ カバー部
５０ａ 後側面
５１ 屈曲部
５１ａ 前側縁
１００ 遠心圧縮機
１０４ 流路
１０５ ケーシング
１０５ａ ジャーナル軸受
１０５ｂ スラスト軸受
１０５ｃ 吸込口
１０５ｄ 排出口
Ａ グリップ部
Ｂ 分割面
Ｇ ガス
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 軸線回りに回転する回転軸に対して、少なくとも前記軸線方向における第一端部側が固定され、前記第一端部側とは反対側となる前記軸線方向における第二端部側から径方向外側に向かって延びるディスク部と、
   前記ディスク部から前記軸線方向における第一端部側に突出して設けられるブレード部と、
   前記ブレード部に対して一体的に設けられるとともに、前記ブレード部を前記軸線方向における第一端部側から覆うカバー部と、
   を備えたインペラであって、
   前記ディスク部は、
   前記ブレード部の径方向内側で、前記軸線に直交する分割面により軸線方向に２分割された第一部材と第二部材とを備え、
   前記第一部材と前記第二部材とが前記分割面で接合され、
   前記第一部材は、前記軸線方向の前記第一端部側で回転軸に嵌め合わされ、
   前記分割面は、前記第一部材に対して前記第二部材が径方向外周側へ変位することを規制する複数の段差部を有し、
   前記複数の段差部は、それぞれ前記第一部材に形成される凹部と、前記第二部材に形成されて前記凹部に嵌め込み可能な凸部とを有し、
   前記第一部材と前記第二部材とは径方向に向かって延びる面でのみ接合されているインペラ。
2. 前記分割面は、ろう付け、または、摩擦撹拌接合により接合されている請求項１に記載のインペラ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインペラを備えることを特徴とする回転機械。

Images