JP6758144B2 - 羽根車の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、羽根車の製造方法に関する。

溶接の技術を用いて構造物を製作することが古くから行われている。溶接で製造される構造物は、船舶、橋など大型のものから、自動車、電車の車体、回転機械の羽根車などの精密を要求される機械にまで及んでいる。ポンプ、コンプレッサ、タービンなどの回転機械は、近年その機械の小型化及び高性能化に伴い、主板と側板との間口（図７（Ｄ）の主板と側板との間口ｂ２参照）が狭くなると同時にその精度要求が厳しくなってきている。

主板と側板との間口が十数ｍｍ以下に狭くなると、羽根の奥（図７（Ｄ）の場合、紙面の奥行き方向）にまで溶接棒は入らないので通常の溶接を施工することは難しい。これに対し、従来、溶接棒が羽根の奥に入らない狭い間口の羽根の溶接をする場合には、スロット溶接が用いられている。

特公昭５５−２３７０５号公報

しかし、主板の外周側と側板の外周側が固定治具によって固定されており且つ主板の内周側と側板の内周側が固定治具によって固定されていない状態で羽根に主板を溶接した場合（例えば図９の工程６参照）、溶接後の主板に大きな変形が生じる。この大きな変形とは、具体的には図７（Ｄ）に示すように主板２の内周側が側板３側に垂れ下がるというものである。この変形の原因として以下の事項が考えられる。すなわち外周側は固定されているが内周側は固定されていない状態で溶接されるので、溶接後の自然冷却時の収縮力が固定部を支点として内周側になるに従って大きくなり、最も内周側であるボス部（図１１のボス部１８参照）で最も大きな変形が生じると考えられる。

また、このような主板２の変形は、外周側及び内周側がともに主板と側板が固定治具によって固定されていない状態で羽根に主板を溶接した場合には、外周側にも内周側にも生じる。同様に、羽根に側板を溶接した場合、溶接後の側板に大きな変形が生じる。従来、このような変形は加工して削除され許容される程度であれば製品となり得た。しかし、近年、羽根の寸法精度の要求が高いので、このような変形は加工で許容される程度ではない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、溶接による主板または側板の変形を低減することを可能とする羽根車の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、複数の羽根が設けられた側板を形成する工程と、前記羽根と前記羽根の間に中子が挟み込まれるように当該中子を前記側板の上に配置する工程と、前記羽根の形状に合わせた溝が形成された主板を前記羽根の上に配置する工程と、前記主板と前記羽根とを溶接する工程と、を有し、前記中子を配置したときに前記羽根が前記中子に収まるように、前記中子に前記羽根の形状に合わせた貫通孔が設けられていることを特徴とする。

これにより、溶接後の自然冷却時の収縮力による主板の変形を中子が物理的に抑制するので、主板の変形量の少ない羽根車を製造することができるので、歩留まりが向上し、生産効率を著しく向上するとともに製造コストを低減することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記の羽根車の製造方法であって、前記溶接する工程の後に前記主板が所定の温度より低くなった場合、前記中子を破壊して除去する工程を更に有する。

これにより、主板に収縮力が働くなったときに中子を破壊するので、主板が変形することなく主板と側板の間に空間が設けられた羽根車を製造することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記中子には、通気穴が設けられており、前記溶接する工程の前に、前記主板と前記中子の隙間にテープを貼り、前記通気穴から不活性ガスを前記主板と前記側板と前記中子の間の空間に充満させる工程を更に有する。

これにより、テープを貼ることにより、主板と側板と中子との隙間から不活性ガスがもれないようにすることができるので、溶接金属の酸化を確実に防止できる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記中子の貫通孔は、前記羽根の形状と類似した形状を有し、円周方向の幅が前記羽根よりも広い。

これにより、羽根と羽根の間に中子を挿入することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記中子の貫通孔は、前記羽根の枚数と同じ数だけ設けられており、前記中子を配置する工程において、複数の前記羽根の水平位置に、対応する前記貫通孔の水平位置が略一致するように前記中子を前記側板にかぶせることにより前記中子を配置する。

これにより、羽根と羽根それぞれの間に中子を挿入することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記側板及び前記中子は円板状であり、前記中子を前記側板の上に配置する工程において、前記中子は、当該中子の中心軸と前記側板の中心軸とが略一致するように配置される。

これにより、同軸上に側板と中子が配置される。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記の羽根車の製造方法であって、前記主板及び前記中子は円板状であり、前記主板を前記羽根の上に配置する工程において、前記主板は、当該主板の中心軸と前記側板の中心軸が略一致するように配置される。

これにより、同軸上に主板と側板が配置される。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記中子は、精密鋳造に用いられる素材を用いて形成されたものである。

これにより、中子の表面の凹凸を少なくすることができる。このため、溶接によって主板のうち中子が接する面に、中子の表面の形状に応じた凹凸ができたとしても、中子の表面の凹凸が少ないので、当該面の凹凸も少なくすることができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記側板は、機械加工によって前記羽根が一体となって削り出された側板である。

これにより、羽根と側板との間に継ぎ目がないので羽根が側板からとれるのを抑制することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記主板の溝には、溶接用の穴が設けられており、前記主板と前記羽根とを溶接する工程において、前記溶接用の穴を介して溶接材料を流しこみ前記主板と前記羽根とを溶接する。

これにより、溶接棒の入りにくい狭い空間を有する羽根車でも、主板と羽根とを溶接することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、上記いずれかの羽根車の製造方法であって、前記羽根車は、回転機械の羽根車である。

これにより、主板の変形量の少ない羽根車を製造することができる。

本発明の一態様に係る羽根車の製造方法は、複数の羽根が設けられた主板を形成する工程と、前記羽根と前記羽根の間に中子が挟み込まれるように前記中子を前記主板の上に配置する工程と、前記羽根の形状に合わせた溝が形成された側板を前記羽根の上に配置する工程と、前記側板と前記羽根とを溶接する工程と、を有し、前記中子を配置したときに前記羽根が前記中子に収まるように、前記中子に前記羽根の形状に合わせた貫通孔が設けられていることを特徴とする。

これにより、溶接後の自然冷却時の収縮力による側板の変形を中子が物理的に抑制するので、側板の変形量の少ない羽根車を製造することができるので、歩留まりが向上し、生産効率を著しく向上するとともに製造コストを低減することができる。

本発明の第１３の態様に係る羽根車の製造方法は、複数の羽根が設けられた主板を形成する工程と、隣り合う前記羽根の間それぞれに分割中子が配置されるように、前記主板上に複数の分割中子を配置する工程と、前記主板及び前記分割中子の上に側板を配置する工程と、前記側板と前記羽根とを溶接する工程と、を有する。

これにより、分割中子を採用したことにより、分割中子個々の重量は少なく済み、自重による崩壊を回避することができる。また、分割中子を持ち上げることで分割中子に生じる曲げモーメントが軽減され、分割中子の製作や溶接段取り（分割中子の組立）などの作業に耐え得る強度を確保することができる。分割中子は小さなサイズとなることから、硬化処理中の変形量も小さく済み、分割構造と相まって羽根車への装着（組立）作業性を向上させることができる。また、分割中子が変形や損傷で使用不可能となっても、分割構造であることから分割中子の一つを交換すれば済むので、製作原価への影響が軽減される。

本発明の第１４の態様に係る羽根車の製造方法は、第１３の態様に係る羽根車の製造方法であって、前記主板には中央に空洞が形成されており、前記分割中子は、前記主板よりも内周側に突出しており、前記分割中子を配置する工程の際に、内周側に、隣り合う分割中子の間に内周スペーサを設ける工程を有する。

これにより、分割中子の位置を決めることができる。

本発明の第１５の態様に係る羽根車の製造方法は、第１４の態様に係る羽根車の製造方法であって、前記内周スペーサが設けられたときの前記内周スペーサの高さは、前記分割中子の高さより低く、前記溶接する工程の際に、前記主板と前記側板との間に形成された流路を不活性ガスが流れるように、不活性ガスが内周側から供給される。

これにより、分割中子と分割中子との面に僅かな隙間を設けることができ、この隙間から不活性ガスを供給することができる。このため、中子を損傷する危険性の高い通気穴形成作業を回避することができる。

本発明の第１６の態様に係る羽根車の製造方法は、第１３から第１５のいずれかの態様に係る羽根車の製造方法であって、前記主板には中央に空洞が形成されており、前記主板を形成する工程後、前記分割中子を配置する前に、前記主板に形成された空洞にセンタリング治具を装着する工程を更に有し、前記分割中子を配置する工程において、前記分割中子の内周側の裏面は、前記センタリング治具の表面に接するように配置する。

これにより、分割中子が側板の内周側を支えるので、中子の上に設けた側板の内周側が、溶接によって下に落ちてこないようにすることができる。

本発明の第１７の態様に係る羽根車の製造方法は、第１３から第１６のいずれかの態様に係る羽根車の製造方法であって、前記分割中子を配置する工程の際に、前記分割中子の外周側で且つ隣り合う前記羽根の間それぞれに外周スペーサを配置する工程を更に有し、前記溶接する工程の際に、前記主板と前記側板との間に形成された流路を不活性ガスが流れるように、不活性ガスが内周側から供給される。

これにより、外周スペーサがあることによって、不活性ガスが外に漏れにくくすることができる。羽根の溶接時に生じる裏なみに不活性ガスが当たるようにすることができ、裏なみが酸化しないようにすることができる。

本発明の第１８の態様に係る羽根車の製造方法は、第１３から第１７のいずれかの態様に係る羽根車の製造方法であって、前記複数の羽根は、前記主板の中心から互いに等しい角度間隔で設けられており、且つ前記羽根の形状は互いに略同一であり、前記分割中子の形状は互いに略同一である。

これにより、分割中子を成形する木型は小型のもの一組で済み、同じ木型で形成できる。また分割中子を成形する木型が小型になり、木型の製作には小型で安価な樹脂造形用の３Ｄプリンターを用いることも可能となり、短期且つ低コストで比較的形状精度の高い木型（樹脂型）製作が可能となるため、分割中子を短期且つ低コストで作成することができる。あるいは、同じ３Ｄデータを基に、３Ｄプリンターで同じ分割中子を量産することもできる。

本発明の第１９の態様に係る羽根車の製造方法は、第１３から第１８のいずれかの態様に係る羽根車の製造方法であって、前記分割中子の厚みは、前記主板の表面を基準とする前記羽根の高さより所定の長さだけ薄い。

これにより、羽根の端面が溶接により溶けることにより羽根が収縮して分割中子の厚みと略同じ高さになるので、分割中子に余計な力がかかるのを防ぐことができる。

本発明の第２０の態様に係る羽根車の製造方法は、複数の羽根が設けられた側板を形成する工程と、隣り合う前記羽根の間それぞれに分割中子が配置されるように、前記側板上に複数の分割中子を配置する工程と、前記側板及び前記分割中子の上に主板を配置する工程と、前記主板と前記羽根とを溶接する工程と、を有する。

これにより、分割中子を採用したことにより、分割中子個々の重量は少なく済み、自重による崩壊を回避することができる。また、分割中子を持ち上げることで分割中子に生じる曲げモーメントが軽減され、分割中子の製作や溶接段取り（分割中子の組立）などの作業に耐え得る強度を確保することができる。分割中子は小さなサイズとなることから、硬化処理中の変形量も小さく済み、分割構造と相まって羽根車への装着（組立）作業性を向上させることができる。また、分割中子が変形や損傷で使用不可能となっても、分割構造であることから分割中子の一つを交換すれば済むので、製作原価への影響が軽減される。

本発明によれば、溶接後の自然冷却時の収縮力による主板または側板の変形を中子が物理的に抑制するので、主板または側板の変形量の少ない羽根車を製造することができるので、歩留まりが向上し、生産効率を著しく向上するとともに製造コストを低減することができる。

本実施形態に係る羽根車１の製造工程の概略を示す斜視図である。 本実施形態に係る羽根車１の製造工程の詳細を示す断面図である。 図２の製造工程の続きを示す断面図である。 図３の製造工程の続きを示す断面図である。 図５（Ａ）は、図１（Ｄ）のときの羽根車の上面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢＢ'線で切った場合の断面図である。 比較例に係る側板３の斜視図である。 図６のＣＣ'線で切った場合の断面図を用いて、比較例に係る羽根車２１の製造工程を示す概略図である。 図６のＤＤ'線で切った場合の断面図を用いて、比較例に係る羽根車２１の製造工程を示す詳細図である。 図８の続きの製造工程を示す詳細図である。 図９の続きの製造工程を示す詳細図である。 比較例にかかる羽根車２１の収縮量について説明するための図である。 センタリング治具の装着前後の主板の斜視図である。 分割中子の配置前後の主板の斜視図である。 一つの分割中子を裏面からみた場合の斜視図である。 内周スペーサと外周スペーサを説明するために分割中子を裏から見た場合の分解斜視図である。 内周スペーサ、外周スペーサ及び分割中子が配置されたときの主板の斜視図である。 図１６の折れ線Ｌ１と直線Ｌ２で切断した場合における主板の一部斜視図である。 側板の配置前後の主板の斜視図である。 第２の実施形態に係る羽根車の製造方法の一例を示すフローチャートである。

＜比較例＞
本発明の課題をより明確にするために、本発明の実施形態に係る回転機械の羽根車の製造方法について説明する前に、比較例に係る回転機械の羽根車２１の製造方法について図６〜図１０を用いて説明する。スロット溶接で主板と側板との間口が狭い羽根を溶接する手法について説明する。

図６は、比較例に係る側板３の斜視図である。図７は、図６のＣＣ'線で切った場合の断面図を用いて、比較例に係る羽根車２１の製造工程を示す概略図である。図８は、図６のＤＤ'線で切った場合の断面図を用いて、比較例に係る羽根車２１の製造工程を示す詳
細図である。図９は、図８の続きの製造工程を示す詳細図である。図１０は、図９の続きの製造工程を示す詳細図である。

鍛造材から羽根４が一体となった側板３を削りだすことにより、図６に示す側板３が得られる。図６に示すように、側板３には、複数の羽根４が設けられている。また、図６のＣＣ'断面図である図７（Ａ）に示すように、羽根４が側板３に対して略垂直に設けられ
ている。また、このときは図６のＤＤ'断面図である図８の工程１に示すように、側板３
の上に羽根４が設けられている。

続いて、図８の工程２に示すように、側板３の中心に鋼材製のセンタリング治具８を設置する。続いて、図８の工程３及び図９の工程４に示すように、主板２を側板３の上に設置する。主板２には、羽根４と主板２とをスロット溶接するための溝５が羽根４と接する面とは反対側の面に設けられている。図７（Ｂ）に示すように、溝５の形状は、羽根４の上面（接合面）と類似の形状で羽根４よりもやや大きめであり、羽根４と溝５の水平方向の位置が略一致するように主板２を設置する。また、図８の工程３で破線で示されているように、溝５には溶接用の穴９が複数設けられている。

次に図９の工程５に示すように、主板２の外周部と側板３の外周部とを固定治具７により固定する。固定治具７は帯状で板状であり、この固定治具７で主板２の外周側と側板３の外周側を全周に渡って固定する。また、それとともに、固定用溶接部１１で示すように、溝５に設けられた穴９から溶接材料を流し込み主板２と羽根４を溶接で仮止めし、固定治具７と主板２を溶接で仮止めし、固定治具７と側板３を溶接で仮止めする。

次に図９の工程６に示すように、溝５に沿って電気溶接する。具体的には例えば、溝５の内周側から外周側に向かって、６０Ａ〜１９０Ａの電流でスロット溶接を行う。この際、図７（Ｃ）に示す溶接用の穴９から溶接材料を流しこみ、主板２と羽根４とを溶接する。溶接することにより、図７（Ｃ）に示す構造物が得られる。図７（Ｃ）に示すように、図６のＣＣ'線で切った場合の断面において、羽根４と羽根４との間において主板２が側板３側に垂れ下がる変形がある。

次に図１０の工程７に示すように、５００〜６００℃で約３時間、歪み取りのために焼鈍を行う。次に図１０の工程８に示すように、固定治具７等で固定されていた箇所を削除し、設計寸法に合わせて表面加工する。これにより、比較例に係る羽根車２１が完成し、図７（Ｄ）に示す断面を有する羽根車が得られる。

図７（Ｄ）に示すように、図６のＣＣ'線で切った場合の断面において、羽根４と羽根
４との間において主板２が側板３側に垂れ下がる変形がある。図１１は、比較例に係る羽根車２１の収縮量について説明するための図である。外周側が固定され内周側は自由端の状態で溶接されるので、図１１に示すように外周側よりも内周側の方が収縮が大きくなるので、外周側よりも内周側の方が変形が大きくなる。

＜本発明の実施形態＞
それに対し、本発明の実施形態では、溶接の際に、主板２と側板３との間に中子が挟まる状態にして、主板２が羽根４と羽根４との間において側板３側に垂れ下がることを物理的に抑制する。以下、本実施形態に係る回転機械の羽根車１の製造方法について、図１〜図５を参照しながら説明する。ここで回転機械は、例えば、ポンプ、タービン、コンプレッサ、または送風機である。

図１は、本実施形態に係る羽根車１の製造工程の概略を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る羽根車１の製造工程の詳細を示す断面図である。図３は、図２の製造工程の続きを示す断面図である。図４は、図３の製造工程の続きを示す断面図である。図５（Ａ）は、図１（Ｄ）のときの羽根車の上面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢＢ'線で切った場合の断面図である。

まず、羽根４が設けられた側板３を形成する。具体的には側板３は、鍛造材から機械加工によって削り出されることにより、羽根４が一体となって削り出される。図１（Ａ）に示すように、側板３は円板状である。図２の工程１に示すように、この側板３を設置する。次に図１（Ｂ）及び図２の工程２に示すように、側板３の中心にセンタリング治具８を装着する。

次に図１（Ｃ）及び図２の工程３に示すように、羽根４と羽根４の間に中子１０が挟み込まれるように当該中子１０を側板３の上に配置する。ここで中子１０は円板状であり、中子１０を配置したときに羽根４が当該中子１０に収まるように、中子１０に羽根４の形状に合わせた貫通孔（スリット）１４が設けられている。また中子１０の貫通孔１４は、羽根４の枚数と同じ数だけ設けられている。
具体的な配置方法は、以下の通りである。複数の羽根４の水平位置に、対応する貫通孔１４の水平位置が略一致するように中子１０を側板３にかぶせることにより中子１０を配置する。この際、中子１０は当該中子１０の中心軸と側板３の中心軸とが略一致するように配置される。本実施形態では、中子１０の貫通孔１４は、羽根４の形状と類似した形状を有し、円周方向の幅が羽根４よりも広い。これにより、羽根４が当該中子１０に収まる。

また図１（Ｃ）及び図５（Ｂ）に示すように、中子１０には、通気穴１５が設けられている。通気穴１５は、バックシールドガス用であり、溶接金属の酸化防止を目的として窒素（Ｎ２）またはアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを流すための穴である。ここで溶接金属は、溶接を施した際に溶接中に溶融して凝固した金属である。

中子１０は、溶接時高温にさらされるので、耐高温材であることが好ましい。また、中子１０は、精密鋳造に用いられる素材を用いて形成されたものである。ここで精密鋳造では、鋳肌面等の凹凸が少ない。これにより、中子１０の表面の凹凸を少なくすることができる。このため、溶接によって主板２のうち中子１０が接する面に、中子１０の表面の形状に応じた凹凸ができたとしても、中子１０の表面の凹凸が少ないので、当該面の凹凸も少なくすることができる。
また、中子１０は溶接後除去しなくてはならないので、物理的に簡単に破壊できる素材であることが好ましい。本実施形態では一例として、中子１０は特許文献１に記載の材料を用いて形成されたものである。このような材料を用いることにより、中子１０の物理的除去が容易となる。

次に図１（Ｄ）及び図２の工程４に示すように、羽根４の上に主板２を配置する。図１（Ｄ）に示すように、主板２には、羽根の形状に合わせた溝５が形成されており、溝５には図２の工程４において破線で示された溶接用の穴９が複数設けられている。また、主板２は円板状であり、主板２を羽根４の上に配置する工程において、主板２は、当該主板２の中心軸と側板３の中心軸が略一致するように配置される。

図５（Ｂ）に示すように、中子１０は、主板２と側板３の間に挿入されている。これにより、溶接による溶融金属の凝固収縮による主板２の変形を物理的に抑制することができる。また、主板２の内周部１７は、センタリング治具８と中子１０によって支えられている。これにより、溶接による溶融金属の凝固収縮による内周部１７の変形を物理的に抑制することができる。

図３の工程５に示すように、主板２と中子１０の隙間にテープ１６を貼り、通気穴１５（図５（Ｂ）参照）から不活性ガスを主板２と側板３と中子１０の間の空間に充満させる。ここでテープ１６は耐熱性を有する。テープ１６を貼ることにより、主板２と側板３と中子１０との隙間から不活性ガスがもれないようにすることができるので、溶接金属の酸化を確実に防止できる。その後に、羽根４の端部と主板２の溝５を溶接で固定することにより仮止めする（図３の工程５参照）。これにより、固定用溶接部１１が形成される。
その後に、図３の工程６に示すように、複数の溶接用の穴９を介して溶接材料を流しこみ主板２と羽根４とを溶接する。これにより、溶接棒の入りにくい狭い空間を有する羽根車でも、主板と羽根とを溶接することができる。この溶接はいわゆるスロット溶接である。このときの溶接電流は、例えば６０Ａ〜１９０Ａである。この溶接により、溶接部１２が形成される。その後、図３の工程７に示すように、図３の溶接する工程６の後に、テープ１６を剥がす。

次に、図３の工程７に示すように、溶接された羽根車を焼鈍する。焼鈍の条件は、板厚等に応じて様々であるが、本実施形態では一例として５００〜６００℃で約３時間、焼鈍する。焼鈍後、図４の工程８に示すように、位置決めの役目を果たしていたセンタリング治具８を取り除く。次に、図４の工程９に示すように、主板２が所定の温度より低くなった場合、中子１０を物理的に破壊し除去する。これにより、主板に収縮力が働くなったときに中子を破壊するので、主板が変形することなく主板と側板の間に空間が設けられた構造物を製造することができる。次に、図４の工程１０に示すように、図４の工程９に示す外周部１９を削除する加工などを行うことによって、設計寸法に加工する。これにより、本実施形態に係る羽根車１が完成する。

精密測定器によって測定を行った結果、比較例では、内周側の最も変形の激しい箇所で０．５〜１ｍｍ程度の凹状の変形が観測された。それに対し、本実施形態では、対応する内周側の箇所で殆ど変形は見られないか、変形があっても０．１ｍｍ程度の極めて小さな変形であった。

図１１に示すように比較例では、主板２は、外周側から内周側のボス部１８の方向に、収縮量が大きくなり、変形量が大きくなっていた。特に主板２のボス部１８は、自由端になるので大きな収縮が生じ、変形が大きかった。それに対し、本実施形態では、中子１０が羽根車１の主板２と側板３の間に挿入されることにより、溶接後の自然冷却時の収縮力による変形を中子１０が物理的に抑制することができるので、主板２の変形量の少ない羽根車を製造することができる。これにより、歩留まりが向上し、生産効率を著しく向上するとともに製造コストを低減することができる。

なお、本実施形態では、回転機械の羽根車１の製造方法について説明したが、これに限ったものではなく、中子を用いることは他の構造物の製造方法にも適用可能である。特に、溶接棒の入りにくい狭い空間を有する構造物に適応することが好ましい。

なお、本実施形態では、側板に羽根を設けたが、これに限らず、主板に羽根を設けてもよい。いずれの場合でも、二つの素材から一つの羽根車を製造することができる。また、機械加工によって羽根を削り出すことができるため、鋳物よりも正確に流路を形成できる。具体的には、羽根車の製造方法は、複数の羽根が設けられた主板を形成する工程と、羽根と羽根の間に中子が挟み込まれるように中子を主板の上に配置する工程と、羽根の形状に合わせた溝が形成された側板を羽根の上に配置する工程と、側板と羽根とを溶接する工程と、を有する。そして、中子を配置したときに羽根が中子に収まるように、中子に羽根の形状に合わせた貫通孔が設けられている。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、円板状の大きな一枚の中子であり、羽根車の主板とほほ同程度の大きさであった。この中子は圧縮に強い一方で脆い性質があり、角部が欠けることや自重によって薄い外周部が崩壊しやすい。中子は成形後に硬化処理をする必要があるが、この際に反り等の変形が生じやすく、特に円板状の大きな一枚の中子では、この変形も大きくなるため、結果として羽根車への装着が困難となり、無理に装着することで中子を損傷しやすい。

また、第１の実施形態のように、大きな円板中子を用いて羽根車を製造する場合、円板中子に部分的な欠損があると、その円板中子は使用不可能となる。中子の原材料は比較的安価であるが、中子の製作人件費は高価であるため、円板中子が使用不可能になれば、原価への影響は多大である。また第１の実施形態に係る中子では、バックシールガスの通気性確保のため、小さな通気穴を設ける作業をするが、この時にも中子を損傷する危険性が高いことから、慎重で手間のかかる作業となっていた。

それに対して、第２の実施形態では、円板状の中子の代わりに、円板状の中子を羽根の形状に沿って分割した分割中子を用いる。ここで分割中子は、複数であり、一例として羽根車中心軸を中心とする分割角度を略同じにする。このように中子が分割された分割中子を用いることにより、分割中子単体の重量が抑制され、自重による分割中子の崩壊を回避することができる。

分割中子は、小さなサイズとなることから、硬化処理中の変形量も小さく済み、分割構造と相まって羽根車への装着（組立）作業性が極めて高い。分割中子が変形や損傷で使用不可能となっても、分割構造であることから分割中子の一つを交換すれば済むので、製作原価への影響が軽減される。また後述する図１４に示すように、分割中子と分割中子の間に内周スペーサを設けて分割中子と分割中子の間に隙間を設けることで、バックシールガスの通気性を確保でき、中子を損傷する危険性の高い通気穴作成作業を回避することができる。

続いて、図１２〜図１８を参照しつつ、図１９のフローチャートに沿って羽根車の製造方法について説明する。図１２は、センタリング治具の装着前後の主板の斜視図である。図１３は、分割中子の配置前後の主板の斜視図である。図１４は、一つの分割中子を裏面からみた場合の斜視図である。図１５は、内周スペーサと外周スペーサを説明するために分割中子を裏から見た場合の分解斜視図である。図１６は、内周スペーサ、外周スペーサ及び分割中子が配置されたときの主板の斜視図である。図１７は、図１６の折れ線Ｌ１と直線Ｌ２で切断した場合における主板の一部斜視図である。但し、図１７では、内周スペーサ３４−１〜３４−１３と外周スペーサ３５−１〜３５−１３とが省略されている。図１８は、側板の配置前後の主板の斜視図である。図１９は、第２の実施形態に係る羽根車の製造方法の一例を示すフローチャートである。

以下、図１９のフローチャートに沿って説明する。
（ステップＳ１０１）まず、複数の羽根４１−１〜４１−１３が設けられた主板３１を形成する。具体的には主板３１は、鍛造材から機械加工によって削り出されることにより、羽根４１−１〜４１−１３が一体となって削り出される。図１２に示すように、主板３１は円板状であり、主板３１には中央に空洞が形成されている。複数の羽根４１−１〜４１−１３は、主板３１の中心から互いに等しい角度間隔で設けられており、且つ羽根４１−１〜４１−１３の形状は互いに略同一である。

（ステップＳ１０２）次に、図１２に示すように、主板３１に形成された空洞にセンタリング治具３２を装着する。

（ステップＳ１０３）次に、分割中子３３−１〜３３−１３、内周スペーサ３４−１〜３４−１３、外周スペーサ３５−１〜３５−１３を配置する。具体的には、図１３に示すように、隣り合う羽根の間それぞれに分割中子３３−１〜３３−１３が配置されるように、主板３１上に複数の分割中子３３−１〜３３−１３を配置する。図１３及び図１７に示すように、分割中子３３−１〜３３−１３は、主板３１よりも内周側に突出している。

分割中子３３−１は、分割中子の形状は互いに略同一であり、一つ一つの分割中子の形状は図１４に示すような形状を有する。この構成により、分割中子３３−１〜３３−１３を成形する木型は小型のもの一組で済み、同じ木型で形成できる。また分割中子３３−１〜３３−１３を成形する木型が小型になり、木型の製作には小型で安価な樹脂造形用の３Ｄプリンターを用いることも可能となり、短期且つ低コストで比較的形状精度の高い木型（樹脂型）製作が可能となるため、分割中子３３−１〜３３−１３を短期且つ低コストで作成することができる。あるいは、同じ３Ｄデータを基に、３Ｄプリンターで同じ分割中子を量産することもできる。

図１５及び図１６に示すように、分割中子３３−１〜３３−１３を配置する工程の際に、内周側に、隣り合う分割中子３３−１〜３３−１３の間に内周スペーサ３４−１〜３４−１３を設ける。この構成により、分割中子３３−１〜３３−１３の位置を決めることができる。

図１６に示すように、内周スペーサ３４−１〜３４−１３が設けられたときの内周スペーサ３４−１〜３４−１３の高さは、分割中子３３−１〜３３−１３の高さより低い。そして、後述する溶接する工程の際に、主板３１と側板３６との間に形成された流路を不活性ガスが流れるように、不活性ガスが内周側から供給される。この構成により、分割中子と分割中子との面に僅かな隙間を設けることができ、この隙間から不活性ガスを供給することができる。このため、中子を損傷する危険性の高い通気穴形成作業を回避することができる。

また、図１５及び図１６に示すように、分割中子３３−１〜３３−１３を配置する工程の際に、分割中子３３−１〜３３−１３の外周側で且つ隣り合う羽根４１−１〜４１−１３の間それぞれに外周スペーサ３５−１〜３５−１３を配置する。

図１７に示すように、分割中子を配置する工程において、分割中子の内周側の裏面は、センタリング治具３２の表面に接するように配置する。この構成により、分割中子が側板の内周側を支えるので、中子の上に設けた側板の内周側が、溶接によって下に落ちてこないようにすることができる。

図１７に示すように、分割中子３３−１〜３３−１３の厚みは、主板３１の表面を基準とする羽根の高さより所定の長さだけ薄い。所定の長さは、羽根の端面が溶接により溶けることにより羽根が収縮して羽根の高さが下がる分に応じた長さである。これにより、羽根の端面が溶接により溶けることにより羽根が収縮して分割中子３３−１〜３３−１３の厚みと略同じ高さになるので、分割中子３３−１〜３３−１３に余計な力がかかるのを防ぐことができる。

また、分割中子３３−１〜３３−１３は溶接後除去しなくてはならないので、物理的に簡単に破壊できる素材であることが好ましい。本実施形態では一例として、分割中子３３−１〜３３−１３は特許文献１に記載の材料を用いて形成されたものである。このような材料を用いることにより、分割中子３３−１〜３３−１３の物理的除去が容易となる。

（ステップＳ１０４）次に、図１８に示すように、主板３１及び分割中子３３−１〜３３−１３の上に、羽根４１−１〜４１−１３の形状に合わせた溝３７−１〜３７−１３が形成された側板３６を配置する。

（ステップＳ１０５）次に、不活性ガスを内周側から供給しながら、側板３６と羽根４１−１〜４１−１３を溶接する。このように溶接する工程の際に、主板３１と側板３６との間に形成された流路を不活性ガスが流れるように、不活性ガスが内周側から供給される。これにより、外周スペーサ３５−１〜３５−１３があることによって、不活性ガスが外に漏れにくくすることができる。羽根の溶接時に生じる裏なみに不活性ガスが当たるようにすることができ、裏なみが酸化しないようにすることができる。

（ステップＳ１０６）次に、熱処理を行う。例えば、ゆっくりと温度を上げたのちに、ゆっくりと冷ます。これにより、残留応力を逃がすことができる。

（ステップＳ１０７）次に、外周部分を削り出す。これにより、外周スペーサ３５−１〜３５−１３が除去される。

（ステップＳ１０８）次に、針金等で分割中子３３−１〜３３−１３を物理的に破壊する。

（ステップＳ１０９）次に、機械加工によって所望の形状に仕上げる。これにより、羽根車が完成する。

以上、第２の実施形態に係る羽根車の製造方法は、複数の羽根４１−１〜４１−１３が設けられた主板３１を形成する工程と、隣り合う羽根の間それぞれに分割中子が配置されるように、主板３１上に複数の分割中子３３−１〜３３−１３を配置する工程と、主板３１及び分割中子３３−１〜３３−１３の上に側板３６を配置する工程と、側板３６と羽根４１−１〜４１−１３とを溶接する工程と、を有する。

この構成により、分割中子３３−１〜３３−１３を採用したことにより、分割中子３３−１〜３３−１３個々の重量は少なく済み、自重による崩壊を回避することができる。また、分割中子３３−１〜３３−１３を持ち上げることで分割中子３３−１〜３３−１３に生じる曲げモーメントが軽減され、分割中子３３−１〜３３−１３の製作や溶接段取り（分割中子の組立）などの作業に耐え得る強度を確保することができる。分割中子３３−１〜３３−１３は小さなサイズとなることから、硬化処理中の変形量も小さく済み、分割構造と相まって羽根車への装着（組立）作業性を向上させることができる。また、分割中子３３−１〜３３−１３が変形や損傷で使用不可能となっても、分割構造であることから分割中子３３−１〜３３−１３の一つを交換すれば済むので、製作原価への影響が軽減される。

なお、本実施形態では、主板３１に羽根４１−１〜４１−１３が形成されているが、これに限らず、側板３６に羽根４１−１〜４１−１３が形成されていてもよい。その場合、羽根車の製造方法は、複数の羽根が設けられた側板を形成する工程と、隣り合う羽根の間それぞれに分割中子が配置されるように、側板上に複数の分割中子を配置する工程と、側板及び分割中子の上に主板を配置する工程と、主板と羽根とを溶接する工程と、を有するようにすればよい。

以上、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１、２１：羽根車、２、３１：主板、３、３６：側板、４、４１−１〜４１−１３：羽根、５、３７−１〜３７−１３：溝、７：固定治具、８、３２：センタリング治具、９：穴、１０：中子、１１：固定用溶接部、１２：溶接部、１４：貫通孔、１５：通気穴、１６：テープ、１７：内周部、１８：ボス部、１９：外周部、３３−１〜３３−１３：分割中子、３４−１〜３４−１３：内周スペーサ、３５−１〜３５−１３：外周スペーサ

Claims (18)

1. 複数の羽根が設けられた側板を形成する工程と、
   前記羽根と前記羽根の間に中子が挟み込まれるように前記中子を前記側板の上に配置する工程と、
   前記羽根の形状に合わせた溝が形成された主板を前記羽根の上に配置する工程と、
   前記主板と前記羽根とを溶接する工程と、
   を有し、
   前記中子を配置したときに前記羽根が前記中子に収まるように、前記中子に前記羽根の形状に合わせた貫通孔が設けられており、
   前記中子には、通気穴が設けられており、
   前記溶接する工程の前に、前記主板と前記中子の隙間にテープを貼り、前記通気穴から不活性ガスを前記主板と前記側板と前記中子の間の空間に充満させる工程を更に有する
   羽根車の製造方法。
2. 前記溶接する工程の後に前記主板が所定の温度より低くなった場合、前記中子を破壊して除去する工程を更に有する
   請求項１に記載の羽根車の製造方法。
3. 前記中子の貫通孔は、前記羽根の形状と類似した形状を有し、円周方向の幅が前記羽根よりも広い
   請求項１または２に記載の羽根車の製造方法。
4. 前記中子の貫通孔は、前記羽根の枚数と同じ数だけ設けられており、
   前記中子を配置する工程において、複数の前記羽根の水平位置に、対応する前記貫通孔の水平位置が略一致するように前記中子を前記側板にかぶせることにより前記中子を配置する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
5. 前記側板及び前記中子は円板状であり、
   前記中子を前記側板の上に配置する工程において、前記中子は、当該中子の中心軸と前記側板の中心軸とが略一致するように配置される
   請求項１から４のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
6. 前記主板及び前記中子は円板状であり、
   前記主板を前記羽根の上に配置する工程において、前記主板は、当該主板の中心軸と前記側板の中心軸が略一致するように配置される
   請求項１から５のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
7. 前記中子は、精密鋳造に用いられる素材を用いて形成されたものである
   請求項１から６のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
8. 前記側板は、機械加工によって前記羽根が一体となって削り出された側板である
   請求項１から７のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
9. 前記主板の溝には、溶接用の穴が設けられており、
   前記主板と前記羽根とを溶接する工程において、前記溶接用の穴を介して溶接材料を流しこみ前記主板と前記羽根とを溶接する
   請求項１から８のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
10. 前記羽根車は、回転機械の羽根車である
    請求項１から９のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
11. 複数の羽根が設けられた主板を形成する工程と、
    前記羽根と前記羽根の間に中子が挟み込まれるように前記中子を前記主板の上に配置する工程と、
    前記羽根の形状に合わせた溝が形成された側板を前記羽根の上に配置する工程と、
    前記側板と前記羽根とを溶接する工程と、
    を有し、
    前記中子を配置したときに前記羽根が前記中子に収まるように、前記中子に前記羽根の形状に合わせた貫通孔が設けられており、
    前記中子には、通気穴が設けられており、
    前記溶接する工程の前に、前記主板と前記中子の隙間にテープを貼り、前記通気穴から不活性ガスを前記主板と前記側板と前記中子の間の空間に充満させる工程を更に有する
    羽根車の製造方法。
12. 複数の羽根が設けられた主板を形成する工程と、
    隣り合う前記羽根の間それぞれに分割中子が配置されるように、前記主板上に複数の分割中子を配置する工程と、
    前記主板及び前記分割中子の上に側板を配置する工程と、
    前記側板と前記羽根とを溶接する工程と、
    を有し、
    前記分割中子は、前記主板よりも内周側に突出しており、
    前記分割中子を配置する工程の際に、内周側に、隣り合う分割中子の間に内周スペーサを設ける工程を有する
    羽根車の製造方法。
13. 前記内周スペーサが設けられたときの前記内周スペーサの高さは、前記分割中子の高さより低く、
    前記溶接する工程の際に、前記主板と前記側板との間に形成された流路を不活性ガスが流れるように、不活性ガスが内周側から供給される
    請求項１２に記載の羽根車の製造方法。
14. 前記主板には中央に空洞が形成されており、
    前記主板を形成する工程後、前記分割中子を配置する前に、前記主板に形成された空洞にセンタリング治具を装着する工程を更に有し、
    前記分割中子を配置する工程において、前記分割中子の内周側の裏面は、前記センタリング治具の表面に接するように配置する
    請求項１２または１３に記載の羽根車の製造方法。
15. 前記分割中子を配置する工程の際に、前記分割中子の外周側で且つ隣り合う前記羽根の間それぞれに外周スペーサを配置する工程を更に有し、
    前記溶接する工程の際に、前記主板と前記側板との間に形成された流路を不活性ガスが流れるように、不活性ガスが内周側から供給される
    請求項１２から１４のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
16. 前記複数の羽根は、前記主板の中心から互いに等しい角度間隔で設けられており、且つ前記羽根の形状は互いに略同一であり、
    前記分割中子の形状は互いに略同一である
    請求項１２から１５のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
17. 前記分割中子の厚みは、前記主板の表面を基準とする前記羽根の高さより所定の長さだけ薄い
    請求項１２から１６のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。
18. 複数の羽根が設けられた側板を形成する工程と、
    隣り合う前記羽根の間それぞれに分割中子が配置されるように、前記側板上に複数の分割中子を配置する工程と、
    前記側板及び前記分割中子の上に主板を配置する工程と、
    前記主板と前記羽根とを溶接する工程と、
    を有し、
    前記分割中子は、前記主板よりも内周側に突出しており、
    前記分割中子を配置する工程の際に、内周側に、隣り合う分割中子の間に内周スペーサを設ける工程を有する
    羽根車の製造方法。