WO2015076217A1 - インペラ、回転機械、および、インペラの製造方法 - Google Patents

インペラ、回転機械、および、インペラの製造方法 Download PDF

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Abstract

 このインペラは、軸線(O)回りに回転する回転軸(5)に対して、少なくとも軸線(O)方向における第一端部(33)側が固定され、第一端部(33)側とは反対側となる軸線(O)方向における第二端部(36)側から径方向外側に向かって延びるディスク部(30)と、ディスク部(30)から第一端部(33)側に突出して設けられるブレード部(40)と、ブレード部(40)に対して一体的に設けられるとともに、ブレード部(40)を第一端部(33)側から覆うカバー部(50)と、を備える。ディスク部(30)は、ブレード部(40)よりも径方向内側で、軸線(O)に直交する分割面(B)により軸線(O)方向に2分割された第一部材(31)と第二部材(32)とを備える。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。

Description

インペラ、回転機械、および、インペラの製造方法
 本発明は、インペラ、回転機械、および、インペラの製造方法に関する。
 本願は、2013年11月21日に、日本に出願された特願2013-240921号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 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構造を有している場合がある。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
 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。このため、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、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、回転機械、および、インペラの製造方法を提供する。
 本発明の第1の態様によれば、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、を備える。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る。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。
 本発明の第2の態様によれば、上記インペラにおいて、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段差部を有していてもよい。
 このように構成することで、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。
 本発明の第3の態様によれば、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。
 本発明の第4の態様によれば、回転機械は、上記インペラを備える。
 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。
 本発明の第5の態様によれば、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る。このインペラの製造方法は、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。
 上述したインペラ、回転機械、および、インペラの製造方法によれば、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いる。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、略円盤状の形状を有する。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に流入する。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の形状を有する。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。このため、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の形状を有する。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、接合部分を示している。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。
 上述したインペラ、回転機械、および、インペラの製造方法によれば、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。
 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 (5)

  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ている
     インペラ。
  2.  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段差部を有している請求項1に記載のインペラ。
  3.  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又は2に記載のインペラ。
  4.  請求項1から請求項3の何れか一項に記載のインペラを備えることを特徴とする回転機械。
  5.  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、を備えるインペラの製造方法。
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