JP6689978B2 - 付加製造によって作成された、ハブ及びシュラウドに空隙を含むシュラウド付きインペラ - Google Patents

Description

本発明は、クローズドインペラを製造する方法に関する。

遠心インペラは、ターボ圧縮機においてガスを圧縮するのに使用される。このようなターボ圧縮機は、一般に、複数の圧縮段を含み、各段が圧力を増分的に増大させる圧縮機要素を有し、最終段は最高圧力に達する。

「クローズドインペラ」は、ブレードを有するハブと、ブレードを覆うシュラウドとから成る。従来、このようなインペラは、材料が旋削及びフライス加工によって除去される金属の固体片から作成されるか、又は前処理されたハブ及び前処理されたシュラウドを溶接又はろう付けで接合することによって製作される。

ハブは、インペラを駆動シャフトに接続するための中心ボアを備える。出口圧力のガスがインペラの入口に過度に漏洩するのを防ぐために、通常はシュラウド上にフロントシールが設けられる。シュラウドは、シールのための座部を定める複数の段部を外面上に含む。例えばインペラ及び駆動シャフトの遠心収縮及び／又は熱膨張に起因してインペラの軸方向変位が可能となるので、座部は、円筒面を有するのが好ましい。

任意選択的に、インペラの後部、すなわち出口の軸方向の側部に別のシールを装着することができる。

作動中、ガスが入口圧力で入口を介してインペラのチャンネルに流入し、出口圧力で出口を介してチャンネルから流出する。そのため、出口圧力は、シュラウドを覆ってハブの後部に存在する。チャンネル内の圧力は出口圧力よりも低いので、これによりブレードの圧縮が確実になる。この圧縮はブレードのサイズに影響し、ブレードの断面がより小さいことが望ましいので、この作動上の圧縮を低減する方法を見出すことが好ましい。

インペラは、作動中に遠心力を受ける。シュラウドはブレードの頂部にあるので、シュラウドの変形は、ハブの変形よりも大きい。この結果、ブレードに追加の荷重がもたらされる。このことが、シュラウドの質量を低減するのが望ましい理由である。シュラウドの質量がより小さくなると、ブレードをより薄くすることが可能になり、ハブの質量を低減できるようになる。その結果、インペラの総重量を低減することができる。

付加製造技術は、従来の除去加工技術では達成できないはずのインペラ構造を可能にすることができる。

付加製造技術の適用は、オープンインペラの内部キャビティを実現するために、米国特許第７，２８１，９０１号において提示されている。ここでは、このようなインペラを選択的レーザー溶融技術すなわちＳＬＭを用いて作成することが提案され、ＳＬＭは、構成部品の所望の断面を得るために、微細な金属粉体の層の堆積及びこの粉体の局所溶融に基づいている。インペラが準備されると、余剰の粉体が、内部キャビティから、内部キャビティをオープンインペラの中心ボアに接続する通路を介して除去される。

米国特許第７，２８１，９０１号が関連している過給機において、このようなインペラのための入口圧力はほぼ大気圧であるので、このような構成で十分とすることができる。しかしながら、この解決策は、高圧の用途には好適ではない。このようなインペラは、一般に、大気圧下で組み付けられる。しかしながら、高い入口圧力での作動中、ガスは、中心ボアを通って内部キャビティへ徐々に漏洩する可能性がある。これにより、内部キャビティに不確実な圧力が生成されて、インペラが取り外されるときに潜在的危険が生じる。

米国特許第７，２８１，９０１号公報

本発明の目的は、上記の問題及び／又は他の問題のうちの１又は２以上の問題に対する解決策を提供することである。

この目的のために、本発明は、ハブ及びシュラウドを備えるクローズドインペラを付加製造により製造する方法であって、本方法は、ハブ及び／又はシュラウド内に１又は２以上の内部キャビティを付加製造によって設けるステップを含む。

本発明は更に、クローズドインペラであって、
ハブと、
ハブに設けられたブレードのセットと、
上記のブレード上に設けられたシュラウドと、
を備え、ハブは、第１の内部キャビティを有する部分を備え、該第１の内部キャビティは、インペラの後部と、又はインペラの入口と、又はブレード間に延びるインペラのチャンネルにおける任意の位置と流体連通している、クローズドインペラに関する。

本発明によるインペラの好ましい実施形態によれば、シュラウドは、第２の内部キャビティを備え、第２の内部キャビティは、インペラの入口と流体連通している。このため、第２の内部キャビティは、インペラの入口圧力に晒される。好ましくは、第２のキャビティは、シュラウドの低部に設けられる。

本発明の特徴をより良く示す目的で、本発明を実施するための幾つかの好ましい実施形態及び方法について、添付図面を参照して限定ではなく一例として以下に説明する。

従来技術によるクローズドインペラの従来の構成の概略図である。 本発明によるクローズドインペラの概略図である。

従来技術によるクローズドインペラの従来の構成が図１に示されている。

インペラ１は、中心ボア３を有するハブ２と、ハブ２上に設けられたブレード４のセットと、ブレードの頂部でブレード間のチャンネルを覆うシュラウド５と、を備える。

更に、インペラ１は、入口６及び出口７を示している。

シュラウド５の前部、すなわちハブ２から外方に面する入口側のシュラウド５の側面に円筒面８のセットが設けられる。

任意選択的に、インペラ１の後部に後部シール用のシール面９を設けることができる。インペラ１が使用状態にあるときには、シュラウド５の外面１０、並びにハブ２の外面１１は、インペラ１の出口圧力を受ける。

作動中、インペラが既知の方法で回転駆動されてガスを圧縮すると、ブレード４間のチャンネルの圧力は、入口６での入口圧力から出口７での出口圧力まで変化する。

インペラ１のチャンネルの圧力は、一般に、出口圧力よりも低いので、ブレード４は、表面１０及び１１に作用する圧縮を受ける。ブレード４の厚さは、過剰な機械的応力を防ぐのに十分であることが必要である。

円筒面８により、作動中の駆動トレインの遠心軸方向の収縮及び／又は熱膨張に起因して、対応する静止密封リング（図示しない）に対してインペラ１が軸方向に変位可能になるので、円筒面８によりシールが促進される。フロントシールを通過する過剰な漏洩を防ぐために、シールリングのセットが使用されることが多い。インペラ１の遠心変形に起因して、単一の円筒面を使用することは実用的ではない。これに代えて、直径が異なる短い円筒面８のセットが適用される。これにより、一般的には、入口６でのシュラウド５の厚みが過度になる。

インペラ生成のための付加製造技術の適用により、インペラの重量の低減、製造コストの削減、並びにインペラの作動の改善の目的で、インペラ構造を最適化することが可能になる。

付加製造技術はまた、設計自由度を大きくすることを可能にする。例えば、付加製造技術により、インペラに内部キャビティ及び内部チャンネルを作成できるようになる。

図２には、インペラ１２がこのような設計的特徴を組み込んだ、本発明によるインペラ１２の構成が示される。

従来技術によるインペラ１にて示された要素に加えて、本発明によるインペラ１２は、ハブ２に第１の内部キャビティ１３を含む。

キャビティ１３を覆う頂壁１４は、インペラ１の軸線Ｘ−Ｘ’に対してある角度を成して製造される。この角度は、選択された製造技術及びインペラ１２が組み立てられる方向によって決まる。ＳＬＭ技術が選択された場合、好ましい組み立て方向は、インペラ１２の入口６から後部への方向となる。このような場合、頂壁１４とインペラ１の軸線（Ｘ−Ｘ’）との間の角度の最大値は、非支持面に対してＳＬＭによって許容される最大角度を超えてはならず、現行では約４５°である。この制限に起因して、インペラチャンネルに支持格子を導入することはできるが、この格子は後段で除去することができる。

第１の内部キャビティ１３は、この場合は複数のチャンネル１５を介して、入口６と流体連通している。

本発明による好ましい特徴によれば、シュラウド５の前部において、追加の第２の内部キャビティ１６が設けられる。この第２の内部キャビティ１６は、この場合はチャンネル１７のセットを介して入口６と流体連通している。第２の内部キャビティ１６により、シュラウド５の幾らかの質量低減が確保され、加えて、シール面８の遠心変形がシュラウド５の残りの部分の変形から切り離される。これにより、シール面の半径方向の変形が増大し、結果としてシール品質をより良好にすることができる。

この実施例では、チャンネル１５及び１７は両方とも、未溶融金属粉体を除去するための排気チャンネルとして、並びに第１及び第２の内部キャビティ１３及び１６において対応する圧力を提供する均圧チャンネルとして使用される。当然のことながら、別の実施形態（図示しない）によれば、排出用又は均圧用の何れかの目的の別個のチャンネルを設けることができる。

チャンネル１５の位置により、第１の内部キャビティ１３の内圧を操作することが可能になる。例えば、チャンネル１５は、より大きな半径で、すなわち出口７に近接して配置されて、第１の内部キャビティ１３により高いガス圧力をもたらすことができる。これにより、頂壁１４全体の圧力が低下することになる。

また、チャンネル１５は、後壁１８に形成することができる。この場合、第１の内部キャビティ１３の圧力は、後部シールの後方で利用可能な背圧に等しくなる。

更に、金属粉体が第１のキャビティ１３から除去された後、チャンネル１５を完全にシールすることができる。外側圧力が頂壁１４の表面に加わると、ハブ２に作用する遠心力の影響を少なくとも部分的に相殺することができる。

出口圧力は、外面１０及び１１に加わる。しかしながら、本発明によるインペラ１２におけるブレード４の圧縮は、従来技術によるインペラ１と比べて実質的に小さくなる。

壁１４は、インペラ１２の軸線Ｘ−Ｘ’に対して傾斜しているので、これにより外面１１の面積が減少する。実際に、第１の内部キャビティ１３の圧力は、ブレード４間のチャンネルの圧力と比べて低いので、これによりブレード４の圧縮が更に低減される。ブレード４の厚さは、一般には、遠心荷重と、入口から出口までの圧力蓄積に起因する作動中の圧縮とによって決定付けられる。作動圧縮が減少すると、これによりブレードの厚さを低減する可能性が提供される。ブレード４の厚さがより薄いと、ブレード４間のチャンネルの断面が増大し、従って、ハブ２の質量低減が可能になるので、インペラ１２の性能にプラスの効果を与える。

シュラウド５及びブレード４の質量の低減は、必ずしも対応するハブ２の脆弱化をもたらすものではない。むしろ、同様のインペラ構成を用いてより高い先端速度を達成することができる。

頂壁１４が傾斜していることに起因して、出口圧力に晒される本発明によるインペラ１２の後面はまた、従来技術によるインペラ１と比較して縮小される。これにより、摩擦損失が減少することになる。ガスが第１の内部キャビティ１３及び／又は第２の内部キャビティ１６において循環するのを防ぐために、キャビティ１３及び／又はキャビティ１６を異なるチャンバに分離する膜のセットを導入することができる。このような場合、全てのチャンバに別個のチャンネル１５及び１７を設ける必要がある。

滑らかな表面を得るために、インペラ１２の外面を処理することができる。

提案の構造はまた、高圧で作動し且つブレードの周りにシュラウドを備えていないオープンタイプのインペラに拡張することができる。

付加製造は、除去加工技術とは対照的に、通常は、層ごとに材料が接合されて三次元モデルデータから物体を形成するプロセスである（ＡＳＴＭ Ｆ２７９２−１２ａ）。

付加製造は、例えば、粉体床溶融（熱エネルギーが粉体床の特定の領域を選択的に溶融する付加製造プロセス）及び直接エネルギー堆積（堆積中に材料を溶融するのに集束熱エネルギーが使用される付加製造プロセス）など、製造方法のカテゴリーを指す。粉体床溶融法には、電子ビーム溶解（電子ビームを用いて粉体材料が溶融される）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ、レーザーを用いて粉体材料が溶融される生成プロセス）、選択的レーザー焼結（レーザーを用いて粉体材料が焼結される）などの幾つかの技術がある。直接エネルギー堆積はまた、レーザークラッド技術を含む。

提案の構成のインペラを製造するために、金属、セラミック、ポリマー又は繊維強化ポリマー、或いはこれらの材料の何れかの組み合わせを利用することができる。

本発明は、上述の実施形態及び方法に限定されず、本発明によるインペラは、異なる形状及びサイズで実現することができ、同様に、本発明によるインペラを製造する方法は、本発明の範囲から逸脱することなく、あらゆる種類の変形形態で達成することができる。

２ ハブ
３ 中心ボア
４ ブレード
５ シュラウド
６ 入口
７ 出口
８ 円筒面
９ シール面
１０ 外面
１１ 外面
１２ インペラ
１３ 第１の内部キャビティ
１４ 頂壁
１５ チャンネル
１６ 第２の内部空間
１７ チャンネル
１８ 後壁

Claims (10)

1. ターボ圧縮機クローズドインペラ（１２）であって、
   ハブ（２）と、
   前記ハブ（２）に設けられたブレード（４）のセットと、
   前記ブレード（４）の頂部に設けられたシュラウド（５）と、
   前記ハブ（２）と前記シュラウド（５）との間に形成されたチャンネルと、
   を備え、
   前記チャンネルは軸方向の前方に開口する入口（６）から、半径方向外方に開口する出口（７）まで流体連通しており、
   前記ハブ（２）は、第１の内部キャビティ（１３）を有する部分を備え、該第１の内部キャビティ（１３）は、前記出口（７）より軸方向後方の前記インペラ（１）の部分である前記インペラ（１）の後部と、又は前記インペラ（１）の入口（６）と、又は前記ブレード（４）間に延びる前記インペラのチャンネルにおける任意の位置と流体連通しており、前記シュラウド（５）は、第２の内部キャビティ（１６）を備え、前記第２の内部キャビティ（１６）は、前記インペラ（１２）の入口（６）と流体連通している、ことを特徴とする、ターボ圧縮機クローズドインペラ（１２）。
2. 前記第２の内部キャビティは、前記入口（６）で前記シュラウド（５）の前部に設けられている、ことを特徴とする、請求項１に記載のターボ圧縮機クローズドインペラ。
3. 前記インペラ（１２）は、金属粉体が焼結されて形成されており、
   前記インペラ（１２）は、未溶融の金属粉体が除去されるのを可能にするように設計されたチャンネル（１５，１７）を更に備える、ことを特徴とする、請求項１に記載のターボ圧縮機クローズドインペラ。
4. 前記インペラ（１２）は、前記第１の内部キャビティ及び第２の内部キャビティ（１３，１６）を均圧化するように設計された均圧チャンネル（１５，１７）を更に備える、ことを特徴とする、請求項１に記載のターボ圧縮機クローズドインペラ。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の構造を備えるクローズドインペラの製造方法であって、前記インペラ（１２）は、１又は２以上の付加製造技術によって形成される、ことを特徴とする、方法。
6. 前記インペラ（１２）は金属製である、ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記インペラ（１２）は単一の構成部品として作成される、ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. ハブ（２）、シュラウド（５）及び、前記ハブ（２）と前記シュラウド（５）との間に形成されたチャンネルを備えるクローズドインペラを付加製造により製造する方法であって、前記チャンネルは軸方向の前方に開口する入口（６）から、半径方向外方に開口する出口（７）まで流体連通しており、前記方法が、前記ハブ（２）及び／又は前記シュラウド（５）内に１又は２以上の内部キャビティ（１３，１６）を付加製造によって設けるステップを含み、第１の内部キャビティ（１３）は、前記出口（７）より軸方向後方の前記インペラ（１）の部分である前記インペラ（１）の後部と、又は前記インペラ（１）の入口（６）と、又は前記ブレード（４）間に延びる前記インペラのチャンネルにおける任意の位置と流体連通しており、第２の内部キャビティ（１６）は、前記インペラ（１２）の入口（６）と流体連通している、ことを特徴とする、方法。
9. 前記インペラ（１２）が層状に構成され、
   前記方法は、
   前記シュラウド（５）と前記ハブ（２）との間に中間支持格子が組み込まれるように前記インペラを製造するステップと、
   過剰な金属粉体を除去するステップと、
   前記中間格子支持構造を除去するステップと、
   を更に含む、ことを特徴とする、請求項５又は８に記載の方法。
10. 前記方法は、前記インペラ（１２）の外面（１０，１１）を処理するステップを更に含む、ことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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