JPH02199300A - カバー付きターボ式羽根車の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ターボ式圧縮機（遠心圧縮機）、ターボ式膨
張機（ラジアルタービン）等に用いるカバー付きターボ
式羽根車の製造方法に関するものである。

（従来の技術〉 従来、遠心圧縮機、ラジアルタービン等において、動力
効率を高めるために、第３図、第４図に示す羽根車２１
のように、回転軸１に一体回転可能に嵌合させたディス
ク２上に一定の角度ピッチで配設した翼３を輻流翼部４
の他に軸流翼部５を付加して形成することが多く、この
ディスク２と翼３とは鋳造、削り出しの他に組立溶接に
よっても一体的に形成される。

さらに、−層動力効率を高めるために、図示するように
容質３の外周側を覆うカバー６を設けたものが公知であ
る。すなわち、翼３の外周部にカバー６を接合して、各
翼間に管状の流体流路を形成することにより、翼３と流
体との間のエネルギの授受を完全にし、かつ高圧部２３
から低圧部２２に向かって翼通路をバイパスして流れる
内部漏れ流量損失を、ラビリンスシール部２４とカバー
６を共に用いることによって低減させである。

（発明が解決しようとする課題） 羽根車の翼が軸流翼部だけからなり、軸流翼部を有して
いない場合には、翼にカバーを接合して一体化すること
は、各種接合法により容易に行うことができる。

これに対して、上記装置のように翼３が軸流翼部５を有
している場合は、翼３とカバー６との接合には、両者の
接合部２５に溶接棒を挿入することが翼３の曲がりによ
って困難で、溶接による方法を採用できないため、中子
鋳造法、カバー外面からのスロット溶接法、あるいは拡
散接合法が採用されている。

前記中子鋳造法では、鋳肌粗度や寸法精度が悪くて動力
性能が劣るうえ、回転時の強度を十分確保できないとい
う問題がある。

また、カバー外面からのスロット溶接法では、翼の曲カ
りをカバー３の外面に罫書いてスロット溝加工をしたり
、真空中で電子ビーム溶接をする必要がある等、作業が
複雑で非現実的であるという問題がある。

一方、拡散接合法では、接合に先立ち加える予圧として
接合部２５の全域にわたって一様に、十分高い接触面圧
力を生じさせるために、第３図中矢印Ｘで示すように、
治具等を使ってディスク側とカバー側の両側から軸方向
の力を加えてｊＥ３に対してカバー６を緊締している。

しかし、軸流翼部５を有する場合は、カバー６の内面の
曲面形状を翼３に一致させることは困難で、極端な場合
は、第３図中破線Ａで示すような隙間が生じる。

また、羽根車２１を高周速で使用する場合、接合部２５
に生じる応力は軸流翼部５で最も大きくなり、この部分
における接合が不完全であれば、遠心力によりカバー６
が径方向外向きにまくれ上がり、この結果羽根車２１全
体の強度を著しく低下させることになる。

特に、上述のような治具による緊締は、カバー６とディ
スク２部分に矢印Ｘで示すように力を加えるので、矢印
Ｘの方向に対して平行か僅かにしか傾斜していない軸流
翼部５における接合部２５に垂直な方向の予圧は軸流翼
部４に比し、著しく小さくなり、常に上記のような強度
低下の危険を伴うという問題がある。

本発明は、前記従来の問題点を課題としてなされたもの
で、全数の翼について、軸流翼部と軸流翼部とで一様に
、大きな接合強度を得ることを可能としたカバー付きタ
ーボ式羽根車の製造方法を提供しようとするものである
。

（発明の構成） 上記課題を解決するために、本発明は、ディスク面上に
この同心円に沿って多数設けた、軸流翼部と軸流翼部と
からなる翼に、これらの翼の外周を覆って、各ａｆｆに
管状の流体流路を形成するカバーを外嵌させてディスク
とカバーとの組立体を形成して、上記カバーの外周にリ
ングを止まり嵌め、又は締まり嵌めて嵌合させるととも
に、上記組立体の両側からフランジを当てて、この両者
にステーボルトを通して、これに螺合させたナツトによ
り軸方向に、あそびゼロ又は適宜締め付け圧を与えては
さみ込み、この状態で加熱炉に入れて上記輻流翼部、軸
流翼部とカバーの内面とを拡散接合するようにする一方
、 ■　上記ステーボルトとリングの材質を、拡散接合の温
度における線膨張係数と耐力の物性値が何れも上記カバ
ーとディスクの物性値に較べて線膨張係数においては小
さく、耐力においては大きい値を有するものとし、 ■　部材間の熱膨張変形量の差のために生じる熱歪みと
初期締め付け歪みの和が、接合関与部材の接合温度に於
ける“耐力／弾性係数”比の総和より大となるようにし
、 ■　上記ステーボルトの断面積Ａ、と上記軸流翼部の軸
方向投影面積Ａ１との面積比（Ａｔ／Ａ、）ならびに上
記リングの厚みｔ、と上記カバーの厚みｔｌとの比（ｔ
！／ｌｌ）のいずれもが被接合部材の耐力σ□と治具部
材（ステーボルトとリング）の耐力σ０２との比（σ、
１／σ０２）よりも大とした。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第１図、第２図は、カバー付きターボ式羽根車に本発明
に係る方法を適用した状態を示し、回転軸１に一体回転
可能に嵌合させたディスク２上に一定の角度ピッチで翼
３が設けである。この翼３は輻流翼部４と軸流翼部５を
有しており、その外周部には環状のカバー６が外嵌させ
て羽根車の部材による組立体７を形成しである。又、カ
バー６の外周には、径方向からカバー６と翼３とを一体
化させるためのリング８を止まり嵌め、又は締まり嵌め
で外嵌させるとともに、組立体７の両側から軸方向に締
め付けるためにディスク２の裏面とカバー６の反デイス
ク側にフランジ９を当てて、この２枚のフランジ９にス
テーボルト１０を通し、これに螺合させたナツト１１に
よりフランジ９を押し付けるように形成して、組立体７
を軸方向にあそびゼロか又は締め付け圧を与えてはさみ
込ませである。

そして、斯る状態において上記締め付け治具とともに組
立体７を加熱炉に入れて輻流翼部４と軸流翼部５とを同
時に拡散接合してカバー付きターボ式羽根車を形成する
。

なお、ここで第１要件としてリング８とステーボルト１
０の材質は、拡散接合の温度における線膨張係数と耐力
の物性値が、カバー６とディスク２の物性値と比較して
線膨張係数においては小さく、耐力においては大きい値
を有するようにする。

又、第２要件として部材間の熱膨張変形量の差のために
生じる熱歪みと初期締め付け歪みとの和が、接合関与部
材、即ち軸方向ではカバー６とディスク２と７ランジ９
とステーボルト１０、径方向ではカバー６とディスク２
とリング８、の接合温度における“耐力／弾性係数”比
の総和より大であるようにする。

この第２要件を数式で表示すると次のようになる。

（δ／ｒ）ＤＢ０２＝（δ／ｒ）＋ｎ＋ｔ＋（δ／ｒ）
ｔｈｅｒｅ≧（δ／ｒ）ｃ、　　　　・・・（１）およ
び （δ／Ｈ）ＤＢ、ｘ−（δ／Ｈ）ｔｎ＋ｔ＋（δ／Ｈ）
ｔｈ、ｒ。

≧（δ／Ｈ）ｃ、　　　　・・・　く２）但し、各記号
の意味は以下の通りである。

δ：締め代、「：組合せ円筒の半径、Ｈ二組合せ柱の長
さ、添字ｔｈｅｒｅ　：熱、添字１ｎｉｔ　：常温時の
初期値、添字ｃｒ：限界値、添字ＤＢ：拡散接合時の値
、添字「：半径方向、添字Ｘ：軸方向。

第３要件を数式で表示すると次のようになる。

（１ｇ・１，１）／（１＋・Ｌ、）≧（σ□／σ０２）
・・・（３） および、 （Ａ＊／Ａ１）≧（σ□／σ０２）　　　・・・（４）
但し、各記号の意味は以下の通りである。

ｔ：円筒の厚さ、Ｌ：円筒の高さ、Ａ：円柱の断面積、
σ、：拡散温度における耐力、Ａ、ニスチーボルト１０
の全断面積、Ａ１：翼３の接合部分のうちの輻流翼部４
の軸方向投影断面積。

添字１：被接合部材、即ちカバー６とディスク２、添字
２：治具部材、即ちステーポル）１０とリング８゜ 次に、上記要件を満足させる例について説明する。

まず径方向の締め付けについて、半径に比して厚みが小
さい二つの薄肉円筒を締め代を与えて同心円状に組み合
わせ、かつその最内周面に静圧力Ｐ、が作用する場合を
考える。

上記締め代による各部材の歪みは熱歪みと初期締め付け
歪みの和で与えられ、内側円筒であるカバー６、外側円
筒であるリング８の双方の軸並行断面に生じるフープ応
力を共に耐力限度に到らせる限界の締め代は公知の公式
を用いて次のように表すことができる。

（δ／ｒ）ｃ、＝（σ−ｔ／ＥＪ　＋　（σ□／Ｅυ・
・・（５） 但し、Ｅは拡散接合温度における弾性係数である。

また、熱歪みは次式で与えられる。

（δ／　ｒ　）　ｔｈ＊ｒｍ＝　　αオーα１　・Δθ
・・・（６）但し、αは拡散接合温度における線膨張係
数、Δθは拡散接合温度までの昇温度量である。

次に、カバー６と翼３の接合部分のうちの軸流翼部５に
おける半径方向の面圧Ｐ、は上記公式から、 （Ｐ１／σ、υ＝［（Ｅｔ／σ□）・（δ／　ｒ　）Ｄ
ＢＩ　ｒ−（Ｅｔ／Ｅ　υコ　・　（ｔ＊／ｒ）　　　
（ｔ＋／ｒ）　　　・”　　（７）である。

一方、第３要件の不等式（３）は次のように書き直せる
。

（１＊／　１υ＝β・（σ０２／σ０２）　　　・・・
（８）但し、βは治具８の寸法割り増し率（β〉１）で
ある。

また、接合部のうちの軸流翼部５の面圧は次式％式％ 但し０２は翼３の枚数、Ｓ、は翼３の接合部肉厚である
。

そこで、上式に第２要件である（１）、　　（５）式と
（７）式を適用すると、接合部のうちの軸流翼部５にお
ける面圧が次式により得られる。

（Ｐｏａ＋ｒ／（７ｓ＋）≧（２πｒ／ＺＳυ・（β−
１）・・・（１０） 次に、軸方向の締め付けについては、長さ又は高さに比
して、これと直角な断面寸法が小さく、長さが等しい二
本の柱の両端に初期歪みを加えて相互に組み合わせる場
合を考える。

（２）式に示されるように加熱時の締め代による各部材
の歪みは熱歪みと初期歪みの和で与えられる。さらに引
張側柱であるステーボルト１０゜圧縮側柱である翼３の
輻流翼部４の双方の軸直角断面に生じる一軸応力を共に
耐力限度に到らせる限界の締め代は、上記（５）式と同
じ関係式で与えられる。

（δ／Ｈ）Ｃ，−σ０２／Ｅ　、＋σ−ｔ／Ｅｔ　　・
・・（１１）又、熱歪みは（６）式と同様に次式で与え
られる。

（δ／Ｈ）０２０２、＝　Ｉα、−αオ１・Δθ　・・
・（１２）次に、カバー６と翼３との接合部のうちの輻
流翼部４における軸方向の面圧Ｐ　ＤＢ＋　Ｘと締め代
の間には次の関係がある。

（Ｐ　ｏｅ、−／σ。１）＝（δ／Ｈ）ＤＢ、−・（Ｅ
、／σ。１）・・・（１３） 第２要件の不等式（２）と（１１）式を上式に適用する
と接合部のうちの輻流翼部４における面圧を次のように
表すことができる。

（Ｐ　ｏａ、−／σ□）≧［ｔ　＋（Ｅ　、／Ｅ　ｔ）
・（σ０２／σ、υ」・・・（１４） ところで、拡散接合における面圧力は、接合部分が塑性
変形を生じる程度に十分に大きくする必要がある。これ
は接合前の母材表面に存在して、金属分子の相互拡散を
阻害している酸化皮膜等の表皮を塑性変形によって破壊
して、内部の母材同志の分子拡散を活発にするものであ
る。

なお、第２要件として挙げたように、治具部材と被接合
部材を共に耐力限度以上にしても、治具部材が全塑性に
到ることはない。これは第３要件に従って寸法割り増し
を行えるようにするためである。

以上のように検討した耐力限度の他に、カバー６のリン
グ状座屈や翼３の折れ曲がり座屈が考えられる。しかし
、本発明が対象となる羽根車の形状にあっては、翼３の
ピッチ間隔とカバー厚さの比率ならびに翼高さと翼内圧
の比率について求めた座屈応力は極めて高く、拡散接合
に際して座屈応力への考慮は全く必要がないといえる。

さて実際に尚早法を適用した２゜ ３の羽根車材 料と締め付け治具の組合せを表１に示す。

（以下余白） 表中の各実施例において、第２列耐力限度および第３列
線膨張係数を被接合材料と締め付け治具の間で比較する
とそれらが第１要件を満足するように選ばれていること
が分かる。

第４列限界歪みと第５列熱歪みを比較すると第２要件も
満足するように選ばれていることが分かる。又、第３要
件を満たすように治具の寸法割り増し率を選べば、半径
方向接合部８の面圧倍率が第６列のように得られること
が分かる。さらに軸方向接合部７の面圧倍率は第７列に
示されている。

これらの面圧倍率はいずれも十分に１より大きく、接合
面に塑性変形を与えうることか示されている。

なお、上記実施例ではディスク２は回転軸ｌに一体回転
可能に嵌合させた場合の図面を示したが、本発明はこれ
に限るものでなく、この他例えば上記回転軸１に代えて
この部分に棒状の治具を嵌入させてもよい。即ち、この
治具はディスク２よりも大きな線膨張係数と耐力を有す
るもので、ディスク２の中央孔に常温時に止まり嵌め又
はそれ以外の隙間を有するように嵌装してカバー付きタ
ーボ式羽根車を製造するようにしてもよい。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明によれば、ディ
スク面上にこの同心円に沿って多数設けた、輻流翼部と
軸流翼部とからなる翼に、これらの翼の外周を覆って、
各翼間に管状の流体流路を形成するカバーを外嵌させて
ディスクとカバーとの組立体を形成して、上記カバーの
外周にリングを止まり嵌め、又は締まり嵌めて嵌合させ
るとともに、上記組立体の両側からフランジを当てて、
この両者にステーボルトを通して、これに螺合させたナ
ツトにより軸方向に、あそびゼロ又は適宜締め付け圧を
与えてはさみ込み、この状態で加熱炉に入れて上記輻流
翼部、軸流翼部とカバーの内面とを拡散接合するように
する一方、 ■　上記ステーボルトとリングの材質を、拡散接合の温
度における線膨張係数と耐力の物性値が何れも上記カバ
ーとディスクの物性値に較べて線膨張係数においては小
さく、耐力においては大きい値を有するものとし、 ■　部材間の熱膨張変形量の差のために生じる熱歪みと
初期締め付け歪みの和が、接合関与部材の接合温度に於
ける“耐力／弾性係数“比の総和より大となるようにし
、 ■　上記ステーボルトの断面積Ａ、と上記輻流翼部の軸
方向投影面積Ａ１との面積比（Ａ、／Ａυならびに上記
リングの厚みｔ、と上記カバーの厚み１．との比（ｔｆ
ｆｉ／ｌ、）のいずれもが被接合部材の耐力δ、ｌと治
具部材（ステーボルトとリング）の耐力δ。、との比く
δ。１／δ。、）よりも大とするようにしである。

このため、全数の翼の軸流翼部で同じ接合強度が得られ
る。即ちカバーが回転中の遠心力によって半径方向外向
きに膨らむことを防止できる高強度の羽根車が得られる
。これは一体リングの熱膨張差による熱応力がカバーの
外周面に一様に作用するので、全ての翼の部分８を半径
方向に一様（軸対象）に接合部分８を締め付けるためで
ある。

また、羽根車の輻流翼部と軸流翼部で同じ接合強度が得
られる。その理由は、常温状態で各治具は拡散接合部分
に応力を生じないかまたはわずかの応力で組み立てられ
、加熱の途中から熱応力によって接合面圧力が徐々に増
大する。このため軸方向と半径方向の接合面圧力は互い
に他と釣合うよう自動的に膨張が調節されることによる
。

なお、輻流翼部の接合面ではカバーの内面から外面に向
かってカバーを軸方向に推す力が作用するので充分な接
合強度を確保する必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法を適用したカバー付きターボ
式羽根車の製造状態を示す断面図、第２図は第１図の■
−■線断面図、第３図、第４図は従来のカバー付きター
ボ式羽根車の部分断面図、部分正面図である。 ２・・・ディスク、３・・・翼、４・・・輻流翼部、５
・・・軸流翼部、６・・・カバー、７・・・組立体、８
・・・リング、９・・・フランジ、ｌＯ・・・ステーボ
ルト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ディスク面上にこの同心円に沿って多数設けた、
   輻流翼部と軸流翼部とからなる翼に、これらの翼の外周
   を覆って、各翼間に管状の流体流路を形成するカバーを
   外嵌させてディスクとカバーとの組立体を形成して、上
   記カバーの外周にリングを止まり嵌め、又は締まり嵌め
   で嵌合させるとともに、上記組立体の両側からフランジ
   を当てて、この両者にステーボルトを通して、これに螺
   合させたナットにより軸方向に、あそびゼロ又は適宜締
   め付け圧を与えてはさみ込み、この状態で加熱炉に入れ
   て上記輻流翼部、軸流翼部とカバーの内面とを拡散接合
   するようにする一方、 ［１］上記ステーボルトとリングの材質を、拡散接合の
   温度における線膨張係数と耐力の物性値が何れも上記カ
   バーとディスクの物性値に較べて線膨張係数においては
   小さく、耐力においては大きい値を有するものとし、 ［２］部材間の熱膨張変形量の差のために生じる熱歪み
   と初期締め付け歪みの和が、接合関与部材の接合温度に
   於ける“耐力／弾性係数”比の総和より大となるように
   し、 ［３］上記ステーボルトの断面積Ａ＿２と上記輻流翼部
   の軸方向投影面積Ａ＿１との面積比（Ａ＿２／Ａ＿１）
   ならびに上記リングの厚みｔ＿２と上記カバーの厚みｔ
   ＿１との比（ｔ＿２／ｔ＿１）のいずれもが被接合部材
   の耐力σ＿０＿１と治具部材（ステーボルトとリング）
   の耐力σ＿０＿２との比（σ＿０＿１／σ＿０＿２）よ
   りも大としたことを特徴とするカバー付きターボ式羽根
   車の製造方法。