CN105765233A - 叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法 - Google Patents

叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法 Download PDF

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CN105765233A CN201480062613.6A CN201480062613A CN105765233A CN 105765233 A CN105765233 A CN 105765233A CN 201480062613 A CN201480062613 A CN 201480062613A CN 105765233 A CN105765233 A CN 105765233A
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八木信赖
吉田悟
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
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Abstract

本发明提供一种叶轮。该叶轮具备：基盘部(30)，其相对于绕轴线(O)旋转的旋转轴(5)而至少固定轴线(O)方向上的第一端部(33)侧，且从成为与第一端部(33)侧相反的一侧的轴线(O)方向上的第二端部(36)侧朝向径向外侧延伸；叶片部(40)，其设置为从基盘部(30)向第一端部(33)侧突出；以及罩部(50)，其与叶片部(40)一体设置，并且从第一端部(33)侧覆盖叶片部(40)。基盘部(30)具备在比叶片部(40)靠径向内侧被与轴线(O)正交的分割面(B)沿轴线(O)方向分割成两部分的第一构件(31)与第二构件(32)。第一构件(31)与第二构件(32)在分割面(B)处被接合。

Description

叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法
技术领域
本发明涉及叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法。
本申请基于在2013年11月21日向日本申请的特愿2013-240921号而要求优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
例如，作为在工业用压缩机、涡轮制冷机、小型气体涡轮等中使用的旋转机械，具备在固定于旋转轴的基盘上安装多个叶片的叶轮。该旋转机械通过使叶轮旋转而向气体给予压力能量以及速度能量。
作为上述叶轮，已知有在叶片上一体地安装有罩的所谓的闭式叶轮。在该闭式叶轮中，有时具有接合多个部件而组装的构造。在具有这样的接合构造的情况下，呈现流路形状的品质降低、叶轮的性能降低的倾向。因此，有时使叶轮一段化。但是，在使叶轮一段化的情况下，需要复杂的切削加工、焊接，叶轮的组装作业耗费时间。
在专利文献1中，提出了如下技术：通过分割形成使形成流路的基盘部、叶片部、罩部一段化而成的第一构件以及基盘部的轴线方向一方侧的第二构件，能够提高加工工具相对于第一构件的接驳性。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-47479号公报
发明要解决的课题
上述的叶轮有时利用热变形安装于旋转轴。在如此利用热变形向旋转轴安装叶轮的情况下，若将基盘部分割为第一构件与第二构件，则不得不分别独立地相对于旋转轴进行装卸。因此，存在相对于旋转轴的安装以及拆卸作业变得繁琐这样的问题。例如，在通过热变形将第一构件安装于旋转轴之后利用热变形向旋转轴安装第二构件的情况下，第二构件的热量向第一构件传递而有可能使第一构件的位置发生偏移。
发明内容
本发明提供能够提高流路形状的品质并且相对于旋转轴能够容易装卸的叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法。
解决方案
根据本发明的第一方案，叶轮具备：基盘部，其相对于绕轴线旋转的旋转轴而至少固定所述轴线方向上的第一端部侧，且从成为与所述第一端部侧相反的一侧的所述轴线方向上的第二端部侧朝向径向外侧延伸；叶片部，其从所述基盘部向所述轴线方向上的第一端部侧突出地设置；以及罩部，其与所述叶片部一体设置，并且从所述轴线方向上的第一端部侧覆盖所述叶片部。所述基盘部具备第一构件与第二构件，所述第一构件与第二构件是在所述叶片部的径向内侧通过与所述轴线正交的分割面将所述基盘部沿轴线方向分割成两部分而成的。所述第一构件与所述第二构件在所述分割面处被接合。
通过如此构成，能够在叶片部的径向内侧没有配置构件的状态下，加工第二构件。另外，由于第一构件与第二构件在分割面处被接合，因此无需相对于旋转轴单独地安装第一构件与第二构件。另外，在利用热变形安装于旋转轴的情况下，由于至少轴线方向上的第一端部侧固定于旋转轴，因此与固定朝向径向外侧延伸且截面面积较大的第二端部侧的情况相比，能够使温度迅速上升。另外，由于分割面与轴线正交，因此与倾斜的情况等相比，能够容易进行接合作业。
根据本发明的第二方案，在上述叶轮中，也可以是，所述分割面具有台阶部，该台阶部限制所述第二构件相对于所述第一构件向径向外周侧进行位移。
通过如此构成，能够相对于第一构件容易定位第二构件。另外，由于利用台阶部来限制第二构件的朝向径向外侧的位移，因此能够抑制向分割面作用的朝向剪切方向的力。因此，能够提高接合强度。另外，例如，能够抑制与第一构件相比质量较大的第二构件的朝向径向外侧的变形。
根据本发明的第三方案，也可以是，上述叶轮的所述分割面通过钎焊或者摩擦搅拌接合而被接合。
通过如此构成，能够使第一构件相对于第二构件容易接合。
根据本发明的第四方案，旋转机械具备上述叶轮。
通过如此构成，能够容易进行叶轮的维护，并且能够抑制品质的差异而实现商品性提高。
根据本发明的第五方案，叶轮的制造方法中，叶轮具备：基盘部，其相对于绕轴线旋转的旋转轴而至少固定所述轴线方向上的第一端部侧，且从成为与所述第一端部侧相反的一侧的所述轴线方向上的第二端部侧朝向径向外侧延伸；叶片部，其从所述基盘部向所述轴线方向上的第一端部侧突出地设置；以及罩部，其与所述叶片部一体设置，并且从所述轴线方向上的第一端部侧覆盖所述叶片部，所述基盘部具备在所述叶片部的径向内侧被与所述轴线正交的分割面沿轴线方向分割成两部分的第一构件与第二构件。所述叶轮的制造方法包括如下工序：形成所述第一构件的工序；形成第二构件的工序，其中，该第二构件是将所述叶片部、所述罩部与所述基盘部一体形成而成的；将所述第一构件与所述第二构件接合的工序；以及至少将所述第一构件固定于所述旋转轴的工序。
通过如此构成，能够提高由基盘部、叶片部以及罩部形成的流路的加工性。另外，能够在接合第一构件与第二构件之后，向旋转轴固定第一构件，因此能够容易进行相对于旋转轴的装卸。
发明效果
根据上述的叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法，能够提高流路形状的品质，并且能够相对于旋转轴容易装卸。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式中的离心式压缩机的剖视图。
图2是本发明的第一实施方式中的叶轮的立体图。
图3是本发明的第一实施方式中的叶轮的剖视图。
图4是表示本发明的第一实施方式中的叶轮的制造方法的流程图。
图5是本发明的第二实施方式中的与图3相当的剖视图。
图6是本发明的第二实施方式中的台阶部的放大图。
图7是本发明的第二实施方式的变形例中的与图6相当的放大图。
图8是本发明的第一实施方式的变形例中的与图6相当的放大图。
具体实施方式
(第一实施方式)
接下来，参照附图对本发明的第一实施方式中的旋转机械进行说明。
图1是表示具备本实施方式的旋转机械的离心式压缩机100的简要结构的剖视图。图2是本发明的第一实施方式中的叶轮的立体图。图3是本发明的第一实施方式中的叶轮的剖视图。
如图1所示，在离心式压缩机100的外壳105上经由径向轴承105a以及推力轴承105b枢轴支承有旋转轴5。旋转轴5能够绕轴线O转动。在该旋转轴5上，沿轴线O方向并排安装有多个叶轮10。
如图2所示，各叶轮10具有大致圆盘状的形状。叶轮10构成为，将从向其轴线O方向的一方侧开口的导入口2吸入的流体经由在叶轮10的内部形成的流路104而朝向径向外周侧释放。
各叶轮10利用旋转轴5的旋转所产生的离心力将从形成于外壳105的上游侧的流路104供给的气体G向下游侧的流路104分级压缩流动。
如图1所示，在外壳105上，在旋转轴5的轴线O方向的前方侧(图1中的左侧)形成有用于使气体G从外部流入的吸入口105c。另外，在外壳105上，在轴线O方向的后方侧(图1中的右侧)形成有用于使气体G向外部流出的排出口105d。需要说明的是，在以下的说明中，将纸面左侧称为“前方侧”，将纸面右侧称为“后方侧”。
根据上述离心式压缩机100，当旋转轴5旋转时，气体G从吸入口105c向流路104流入。该气体G被叶轮10分级压缩而从排出口105d排出。在上述图1中，示出了在旋转轴5上以串联的方式设置6个叶轮10的一个例子，但相对于旋转轴5设置至少一个叶轮10即可。需要说明的是，在以下的说明中，为了简化说明，将在旋转轴5上仅设有一个叶轮10的情况作为一例进行说明。
如图2、图3所示，叶轮10具备基盘部30、叶片部40以及罩部50。
基盘部30通过从径向外侧嵌合而安装于旋转轴5。基盘部30具备被与轴线O正交的分割面B沿轴线方向分割成两部分的第一构件31与第二构件32。上述第一构件31与第二构件32在分割面B处被接合。
第一构件31具有以轴线O为中心的大致圆筒状的形状。该第一构件31在轴线O方向前侧的第一端部33侧具备与旋转轴5嵌合的夹持部A。另外，第一构件31具备朝向轴线O方向后侧而逐渐扩径的扩径部34。该扩径部34的外周面在包含轴线O的剖面中成为朝向外侧为凹状的曲面。另外，第一构件31的轴线O方向后侧的端面35与第二构件32接合。在此，在上述夹持部A中将第一构件31嵌合于旋转轴5的方法为利用了热变形的方法，例如能够使用冷套配合、热装。本实施方式中的叶轮10仅通过夹持部A安装于旋转轴5。
第二构件32形成为从在轴线O方向上成为与第一端部33侧相反的一侧的第二端部36侧朝向径向外侧延伸的圆盘状。第二构件32的前侧面32a的基部侧区域32b与上述第一构件31的端面35接合。上述端面35与前侧面32a的基部侧区域32b构成与轴线O正交的分割面B。在此，与轴线O正交是指，沿基盘部30的径向延伸。
第一构件31与第二构件32在分割面B处通过钎焊或者摩擦搅拌接合(FSW)等被接合。
叶片部40沿基盘部30的周向隔开规定间隔地排列有多个。
叶片部40由大致恒定的板厚形成而从基盘部30的前侧面32a朝向轴线O方向的前方突出地形成。另外，如图3所示，叶片部40被设为在侧视观察下朝向径向外侧前端略微变细的形状。
如图2所示，各叶片部40在从轴线O方向观察时以随着朝向基盘部30的径向外侧而朝向叶轮10的旋转方向后侧的方式形成。另外，各叶片部40在从轴线O方向观察时形成为朝向轴线旋转方向后侧呈凹状弯曲。在此，对于叶片部40从轴线O方向观察弯曲形成的一例进行了说明，但叶片部40越是在径向的外侧越向旋转方向的后方侧延伸即可。例如也可以从轴线O方向观察将叶片部40形成为直线。
在图2中，利用箭头表示叶轮10的旋转方向。
罩部50从轴线O方向中的第一端部33侧覆盖叶片部40。罩部50的轴线O方向上的后侧面50a与叶片部40的前侧缘40a一体安装。罩部50的厚度尺寸与基盘部30的厚度尺寸相同，形成为径向外侧的厚度尺寸稍薄的板状。该罩部50在叶片部40的内侧端40b的位置处具有朝向轴线O方向上的前侧弯曲的弯曲部51。
如上述那样构成的叶轮10在叶片部40的径向内侧配置扩径部34以及分割面B。另外，第一构件31的第一端部33配置在比弯曲部51的前侧缘51a靠轴线O方向上的前侧的位置。利用第一构件31的外周面31a、第二构件32的前侧面32a、叶片部40的侧面40c以及罩部50的后侧面50a形成供气体G流动的流路104。
接下来，参照图4的流程图对上述的叶轮10的制造方法进行说明。
首先，将第一构件31通过铸造、切削等而形成(步骤S01)。
接下来，将第二构件32与叶片部40以及罩部50一体形成(步骤S02)。更具体来说，通过切削析出硬化型不锈钢等一个母材来一体形成第二构件32、叶片部40以及罩部50。
另外，将第一构件31与第二构件32在分割面B处被接合(步骤S03)。更具体来说，将第二构件32的前侧面32a的基部侧区域32b与第一构件31的端面35通过钎焊或者摩擦搅拌接合而进行接合。
之后，将第一构件31的夹持部A通过热装来嵌合于旋转轴5的外周面5a的规定位置(步骤S04)。
因而，根据上述的第一实施方式的叶轮10，能够在比叶片部40靠径向内侧没有配置构件的状态下，加工第二构件32。另外，由于第一构件31与第二构件32在分割面B被接合，因此无需相对于旋转轴5而单独安装第一构件31与第二构件32。另外，在利用热变形向旋转轴5进行安装时，由于轴线O方向上的第一端部33侧的夹持部A被固定于旋转轴5，因此与固定朝向径向外侧延伸且截面面积较大的第二端部36侧的情况相比，能够使温度迅速上升。此外，由于分割面B与轴线O正交，因此与分割面B倾斜的情况等相比，能够容易进行接合作业。
其结果是，能够提高流路104中的形状的品质，并且能够相对于旋转轴5容易装卸。
另外，根据上述的第一实施方式的离心式压缩机100，能够容易进行叶轮10的维护，并且能够抑制品质的差异而实现商品性提高。
此外，叶轮10的分割面B通过钎焊、或者摩擦搅拌接合而被接合。因此，能够使第一构件31相对于第二构件32容易接合。
另外，根据上述的第一实施方式的叶轮10的制造方法，能够提高由基盘部30、叶片部40以及罩部50形成的流路104的加工性。另外，能够在将第一构件31与第二构件32接合之后，将第一构件31向旋转轴5固定，因此能够容易地进行相对于旋转轴5的装卸。
此外，在对第一构件31与第二构件32进行钎焊的情况下，将第一构件31以及第二构件32加热至900度左右。另外，在通过热装使第一构件31与旋转轴5接合的情况下，将第一构件31以及第二构件32加热至比钎焊低的500度左右。因此，通过在对第一构件31与第二构件32进行了钎焊之后实施热装，不会因热装所带来的加热对第一构件31与第二构件32的接合部分造成不良影响，能够顺利地进行组装。
(第二实施方式)
接下来，基于附图对本发明的第二实施方式中的叶轮进行说明。该第二实施方式的叶轮仅在分割面B上形成有台阶部这一点与上述的第一实施方式的叶轮10不同。因此，对与上述的第一实施方式相同的部分标注相同的附图标记进行说明，并且省略重复的说明。
图5是本发明的第二实施方式中的与图3相当的剖视图。
如图5所示，该第二实施方式中的叶轮110具备基盘部30、叶片部40以及罩部50。关于叶片部40以及罩部50，由于采用与上述的第一实施方式相同的结构，因此省略详细说明。
基盘部30具备第一构件131与第二构件132。
第一构件131具有以轴线O为中心的大致圆筒状的形状。该第一构件131在轴线O方向前侧的第一端部33侧具备与旋转轴5嵌合的夹持部A。夹持部A通过使用了热变形的方法从外侧嵌合于旋转轴5A。该嵌合方法与第一实施方式同样地能够例如使用冷套配合、热装。
第一构件131具备朝向轴线O方向后侧而逐渐扩径的扩径部34。
该扩径部34的外周面在包含轴线O的剖面中成为朝向外侧为凹状的曲面。另外，第一构件131的轴线O方向后侧的端面35与第二构件132接合。
第二构件132形成为从轴线O方向的第二端部36侧朝向径向外侧延伸的圆盘状。第二构件132的前侧面32a的基部侧区域32b与上述第一构件131的端面35接合。上述端面35与前侧面32a的基部侧区域32b构成与轴线O正交且将基盘部30分割成两部分的分割面B。
基盘部30在其分割面B上具有台阶部37。该台阶部37用于限制第二构件132相对于第一构件131朝径向外周侧位移的情况。台阶部37形成在分割面B的径向的中途，更具体来说，形成在分割面B的径向的中央部。
图6是本发明的第二实施方式中的台阶部37的放大图。
如图6所示，台阶部37具备支承面38与接合面39。
支承面38形成于第一构件131，且朝向径向内侧。
接合面39形成于第二构件132，且朝向径向外侧。
上述支承面38与接合面39绕旋转轴5形成为圆环状。
换言之，如图5所示，在基盘部30上，在供旋转轴5***的第一构件131的贯通孔11的端面35侧的开口部周缘形成有凹槽。另外，在基盘部30上，在供旋转轴5***的第二构件132的贯通孔12的基部侧区域32b侧的开口部周缘形成有能够嵌入上述凹槽的凸部。
如图6所示，在分割面B中，端面35与前侧面32a的基部侧区域32b被接合。换句话说，第一构件131与第二构件132仅以朝向径向延伸的面接合。图6中，附图标记“S”表示接合部分。在钎焊的情况下，在该接合部分S配置钎料。
因而，根据上述的第二实施方式的叶轮110，能够相对于第一构件131而容易定位第二构件132。另外，由于第二构件132朝向径向外侧的位移被台阶部37限制，因此能够抑制对分割面B作用的向剪切方向施加的力。因此，能够提高接合强度。另外，例如，能够抑制质量比第一构件131大的第二构件132的由离心力引起的向径向外侧的变形。
需要说明的是，本发明不限于上述的各实施方式的结构，能够在不脱离其主旨的范围内进行设计变更。
在上述的各实施方式中，虽然对通过钎焊、摩擦搅拌接合来接合第一构件31、131与第二构件32、132的情况进行了说明，但也可以使用钎焊、摩擦搅拌接合以外的接合方法。
另外，虽然对仅在第一端部33侧设置夹持部A的情况进行了说明，但夹持部A只要至少设置于第一端部33侧即可，例如也可以同时采用第二端部36侧等其它位置处的嵌合。
此外，在上述的第二实施方式中，说明了仅形成一个台阶部37的一例。但是，台阶部37并不局限于一个。例如，如图7所示，也可以设置多个台阶部37a、37b。需要说明的是，台阶部的数量并不局限于两个。另外，在第二实施方式中，对于在台阶部37上没有配置钎料的情况进行了说明，但也可以在台阶部37上也配置钎料而进行钎焊。
在上述的各实施方式中，虽然对在供叶片部40安装的第二构件32的前侧面32a的延长面上配置分割面B的情况进行了说明，但并不局限于此。分割面B只要配置于叶片部40、更具体来说配置于叶片部40的内侧端40b的径向内侧并且向与轴线O正交的方向延伸即可。
图8表示上述的第一实施方式的变形例中的叶轮210。该叶轮210仅是形状与上述的第一实施方式的叶轮10不同，因此对相同的部分标注相同的附图标记。如该图8所示，例如，也可以在前侧面32a中的比供叶片部40安装的前侧面32a的位置靠轴线O方向且靠第一端部33侧的位置配置分割面B。
此外，在上述的各实施方式中，虽然对将叶轮10、110应用于离心式压缩机100的情况进行了说明。但是，能够应用叶轮10、110的旋转机械并不局限于离心式压缩机100。叶轮10、110例如也能够应用于各种工业用压缩机、涡轮制冷机、小型气体涡轮。
工业实用性
根据上述的叶轮、旋转机械以及叶轮的制造方法，能够提高流路形状的品质，并且能够相对于旋转轴容易装卸。
附图标记说明：
5旋转轴
5a外周面
10叶轮
11贯通孔
30基盘部
31第一构件
31a外周面
32第二构件
32a前侧面
32b基部侧区域
33第一端部
34扩径部
35端面
36第二端部
37台阶部
38支承面
39接合面
40叶片部
40a前侧缘
40b内侧端
40c侧面
50罩部
50a后侧面
51弯曲部
51a前侧缘
100离心式压缩机
104流路
105外壳
105a径向轴承
105b推力轴承
105c吸入口
105d排出口
A夹持部
B分割面
G气体
O轴线

Claims (5)

1.一种叶轮，其具备：
基盘部，其相对于绕轴线旋转的旋转轴而至少固定所述轴线方向上的第一端部侧，且从成为与所述第一端部侧相反的一侧的所述轴线方向上的第二端部侧朝向径向外侧延伸；
叶片部，其从所述基盘部向所述轴线方向上的第一端部侧突出地设置；以及
罩部，其与所述叶片部一体设置，并且从所述轴线方向上的第一端部侧覆盖所述叶片部，
其中，
所述基盘部具备第一构件与第二构件，所述第一构件与第二构件是在所述叶片部的径向内侧通过与所述轴线正交的分割面将所述基盘部沿轴线方向分割成两部分而成的，
所述第一构件与所述第二构件在所述分割面处被接合。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其中，
所述分割面具有台阶部，该台阶部限制所述第二构件相对于所述第一构件向径向外周侧进行位移。
3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其中，
所述分割面通过钎焊或者摩擦搅拌接合而被接合。
4.一种旋转机械，其中，
所述旋转机械具备权利要求1至3中任一项所述的叶轮。
5.一种叶轮的制造方法，是如下所述的叶轮的制造方法：
所述叶轮具备：
基盘部，其相对于绕轴线旋转的旋转轴而至少固定所述轴线方向上的第一端部侧，且从成为与所述第一端部侧相反的一侧的所述轴线方向上的第二端部侧朝向径向外侧延伸；
叶片部，其从所述基盘部向所述轴线方向上的第一端部侧突出地设置；以及
罩部，其与所述叶片部一体设置，并且从所述轴线方向上的第一端部侧覆盖所述叶片部，
所述基盘部具备在所述叶片部的径向内侧被与所述轴线正交的分割面沿轴线方向分割成两部分的第一构件与第二构件，
其中，
所述叶轮的制造方法包括如下工序：
形成所述第一构件的工序；
形成第二构件的工序，其中，该第二构件是将所述叶片部、所述罩部以及所述基盘部一体形成而成的；
将所述第一构件与所述第二构件接合的工序；以及
至少将所述第一构件固定于所述旋转轴的工序。
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