JP4486652B2 - ガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機 - Google Patents
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Description
このようにガス中に固体粒子が混入していると、固体粒子によるインペラの損傷が無視できない。特許文献1では、固体粒子による損傷を防止するために、コンプレッサ部材にニッケル−リン系合金メッキ被膜を形成する技術が開示されている。
また、当該文献には、耐摩耗性被膜を形成する領域について開示されていないので、コンプレッサ部材の全体にメッキを形成することが前提とされている。しかし、特にガス圧縮機のインペラは3次元形状とされているので、電解メッキの場合には膜厚を所望量に調整して形成することが困難であり、十分な耐久性が得られない場合がある。
耐摩耗性皮膜をガス圧縮機のインペラに用いる場合、固体粒子は耐摩耗性被膜に対して種々の角度をもって衝突する。このとき、固体粒子が耐摩耗性被膜に対して略垂直(例えば衝突角度が60°以上)に衝突する場合には、衝突した際の衝撃力が大きくなる。この衝撃力が大きい場合には、耐摩耗性被膜が剥離してしまうおそれがある。すなわち、耐摩耗性被膜の耐摩耗性がいくら高くても、密着性が低ければ固体粒子が衝突した際の衝撃力に耐えられず、剥離してしまうおそれがある。したがって、ガス圧縮機用インペラの耐摩耗性被膜としては、耐摩耗性だけでなく密着性をも要求される。
また、特許文献2には、特許文献1と同様に、耐摩耗性被膜を設ける領域についての開示が一切なされていない。
また、本発明は、耐摩耗性だけでなく密着性をも有する耐摩耗性被膜を備えたガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機を提供することを目的とする。
すなわち、本発明にかかるガス圧縮機用インペラは、固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機に設けられ、ハブ部と、該ハブ部の外周面から略半径方向に立設された複数のブレードとを備え、これらハブ部および各ブレードを中心軸線回りに回転させることによってガスを圧縮するガス圧縮機用インペラであって、各前記ブレードには、ガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜が設けられていることを特徴とする。
また、ガス中に含まれる固体粒子による損傷は、ブレードの前縁から下流側に離れるほど小さくなる。そこで、耐摩耗性皮膜の形成領域のブレードの高さ方向における寸法は、ブレードの前縁から下流側にかけて漸次縮小されている。
炭化タングステン(WC)を主として含む複合材としては、例えば、WC-NiCr,WC-Co,WC-CoCrが挙げられる。
また、溶射法としては、大きな粒子飛行速度が得られて密着性が向上するため、超高速フレーム溶射法が好ましい。
なお、ガス圧縮機としては、遠心圧縮機が好適である。
また、耐摩耗性皮膜として、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材を用いることとしたので、耐摩耗性皮膜の耐摩耗性だけでなく密着性をも向上させることができる。
図1には、本実施形態にかかる遠心圧縮機(ガス圧縮機)1の要部の縦断面が示されている。
遠心圧縮機1は、例えば酸化鉄等の固体粒子Pを含む空気を圧縮するために用いられる。遠心圧縮機1は、インペラ3と、このインペラ3の上流側に設けられた吸気流路5と、インペラ3の下流側に設けられた吐出流路7とを備えている。
インペラ3は、図示しない駆動源によって中心軸線L回りに回転するようになっている。インペラ3は、ハブ部10と、このハブ部10の外周面から略半径方向に立設された複数のブレード12と、各ブレード12の上端に接続されてブレード12及びハブ部10との間に流路を形成するシュラウド14とを備えている。
インペラ3の材質としては、低合金鋼(例えばJIS SNCM431)やステンレス鋼(例えばSUS630)が用いられる。
なお、図1において示した符号12aはブレード12の前縁を示し、矢印Aは圧縮される空気の流線を示している。
図2(b)には、図2(a)の符号BL1にて示されたブレード12の前縁側の拡大斜視図が示されている。図2(b)で示されているブレードの面は、背側面とされている。同図にて斜線で示すように、ブレード12の前縁12aを含むガス入口部分には、耐摩耗性皮膜20が形成されている。この耐摩耗性皮膜20は、ガス入口部分にのみ形成されており、それ以外の部分には形成されていない。
耐摩耗性被膜20の形成領域は、ブレード12のハブ部との接続位置(即ちブレード12の根本)からブレード12の高さ方向にかけて設けられている。また、耐摩耗性皮膜20の形成領域のブレード12の高さ方向における寸法は、ブレード前縁12aからガス流れの下流側にかけて漸次縮小されている。具体的には、ブレード前縁12aにおける耐摩耗性皮膜20の形成領域のブレード高さ方向の寸法hは、ブレード前縁12aの高さをHとした場合、3/4H程度とするのが好ましい。また、耐摩耗性皮膜20の形成領域は、ブレード前縁12aから下流側のLL=h/2程度の位置にかけて、その形成領域を漸次減少させるように形成されているのが好ましい。
なお、図2(a)にて斜線で示すように、ハブ10の入口部中央側10aにも、耐摩耗性皮膜が形成されている。
図3(b)には、図3(a)の符号BL2にて示されたブレード12の拡大斜視図が示されている。図3(b)で示されているブレードの面は、吸入ガスの動圧を受ける腹側面とされている。同図にて斜線で示すように、ブレード12の前縁12aを含むガス入口部分には、耐摩耗性皮膜20が形成されている。この耐摩耗性皮膜20は、ガス入口部分にのみ形成されており、それ以外の部分には形成されていない。
耐摩耗性被膜20の形成領域は、ブレード12のハブ部との接続位置(即ちブレード12の根本)からブレード12の高さ方向にかけて設けられている。また、耐摩耗性皮膜20の形成領域のブレード12の高さ方向における寸法は、ブレード前縁12aからガス流れの下流側にかけて漸次縮小されている。具体的には、ブレード前縁12aにおける耐摩耗性皮膜20の形成領域のブレード高さ方向の寸法hは、ブレード前縁12aの高さをHとした場合、3/4H程度とするのが好ましい。また、耐摩耗性皮膜20の形成領域は、ブレード前縁12aから下流側のLH=h程度の位置にかけて、その形成領域を漸次減少させるように形成されているのが好ましい。
[耐摩耗性(耐エロージョン特性)]
(1)試験片
試験片21は、図4に示すように、基材として、60mm×50mm×10mmの大きさのSNCM431材を用いた。試験片21の各辺にはC0.5の面取りが施されている。この試験片21の幅広面22に耐摩耗性皮膜をコーティングし、実験を行った。
耐摩耗性皮膜は、溶射によってコーティングした。溶射材としては、本実施形態に対応するものとして、炭化タングステン(WC)系サーメット材であるWC-27%NiCr,WC-10%Co-4%Cr
及びWC-12%Coを用いた。また、比較例として、Cr3C2-25%NiCr,Al2O3-3%TiO2,Cr2O3を用いた。なお、以上の組成比は重量%で表されている。
先ず、試験片をトリクレン蒸気脱脂により脱脂した。その後、#60のアルミナグリッドを用いてガス圧4kgf/cm2にてブラスト処理を行った。そして、以下の条件にて溶射を行い、耐摩耗性皮膜をコーティングした。
(i)本発明品;WC系サーメット材(WC-27%NiCr,WC-10%Co-4%Cr ,WC-12%Co)
・溶射ガン :JP-5000(日本ユテク株式会社)
・条件 :JP-5000の標準条件(超高速フレーム溶射)
・厚さ :0.5mm
(ii)比較例;Cr 3 C 2 系サーメット材(Cr 3 C 2 -25%NiCr)
・溶射ガン :JP-5000(日本ユテク株式会社)
・条件 :JP-5000の標準条件(超高速フレーム溶射)
・厚さ :0.5mm
(iii)比較例;アルミナ−チタニア(Al 2 O 3 -3%TiO 2 ),酸化クロムセラミックス(Cr 2 O 3 )
・溶射ガン :F4(スルザーメテコ株式会社)
・条件 :F4の標準条件(プラズマ溶射)
・厚さ :0.5mm
図5に示すように、ノズル24から硬質粒子としてコニカル珪砂を所定量試験片21に吹き付け、摩耗量を測定した。ノズル24から投射されるコニカル珪砂と試験片21とがなす角は60°とした。また、ノズル24から試験片21との距離は93mmとした。吹き付け量は4.7g/secにて350gとした。投射されるコニカル珪砂の衝突速度は、粒径3μmの酸化鉄(Fe3O4)が115m/sで吹き付けられる実機とほぼ同等のエネルギとなるように定められ、本試験では52m/sとした。本試験の条件をまとめると下表の通りである。
図6に示すように、試験片21に形成された摩耗部25の摩耗深さを、接触式表面粗さ計で3回測定し、平均値を求めた。同図における矢印は、接触式表面粗さ計の走査方向を示す。
図7には、摩耗量計測時のデータの一例が示されている。同図において、横軸が接触式表面粗さ計の走査距離、縦軸が摩耗深さ(摩耗量)を示している。
図8には、上記の試験結果が示されている。同図における縦軸の耐摩耗倍数は、耐摩耗性被膜を形成していない基材であるSNCM431材の摩耗量(摩耗深さ)を、耐摩耗性被膜を形成した各試験片の摩耗量(摩耗深さ)で除した値である。したがって、試験片の摩耗量が少ないほど、大きな耐摩耗倍数となる。
同図から明らかなように、本実施形態に対応するWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした場合には、比較例に比べて、大きな耐摩耗倍数を得ることができる。
(1)試験片
試験片27には、図4に示すように、基材として、100mm×30mm×5mmの大きさのSNCM431材を用いた。試験片27の各辺には糸面取りが施されている。この試験片27の幅広面28に耐摩耗性皮膜をコーティングし、実験を行った。
耐摩耗性被膜および試験片の作成手順は、上述した耐摩耗性試験と同様である。ただし、密着性試験については、耐摩耗性試験のように耐摩耗性被膜を形成した後に研削する工程は行っていない。
図10に示した曲げ試験装置によって、耐摩耗性被膜の曲げ限界半径を求めた。
曲げ試験装置は、試験片27を下方から2点で支持する曲げ治具用台座30と、試験片27に対して一点で下方へと押圧する曲げ治具32とを備えている。曲げ治具用台座30上に、耐摩耗性被膜を形成したコーティング面29を下にした状態で試験片27を設置し、上方から曲げ治具32によって押圧する。これにより、3点曲げが行われる。
曲げ治具30の押圧部となる先端部の半径は、5mm,10mm,25mmの3種類を用いた。曲げ速度、すなわち曲げ治具30の下降速度は、1mm/s以下とした。サンプル数は、各条件につき1個用い、合計15サンプル(3種類の曲げ半径×5種類の耐摩耗性被膜)を用いた。
剥離の有無は、顕微鏡により20倍に拡大して観察し、判定した。
図11には、密着性試験の試験結果が示されている。同図における縦軸は、剥離限界曲げ半径(mm)を示している。剥離曲げ限界半径が小さいほど、大きな曲率であっても剥離せずに耐えうることを意味するので、密着性が大きいといえる。
同図から明らかなように、本実施形態に対応するWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした場合には、すべて5mmの剥離限界曲げ半径を示している。したがって、本実施形態の耐摩耗性被膜は、剥離限界曲げ半径が10mmまたは25mmとなった比較例に対して、大きな密着性を有しているといえる。
本実施形態のWC系サーメット材の耐摩耗性被膜は、燃焼ガス炎を熱源とした“超高速フレーム溶射法”により成膜した。一方、比較例であるアルミナ−チタニア、酸化クロムセラミックスの耐摩耗性被膜は、プラズマを熱源とした“プラズマ溶射法”で成膜した。超高速フレーム溶射法では、500m/s以上の粒子飛行速度が得られ、プラズマ溶射法のそれの100〜200m/sと比較し格段に速い。したがって、超高速フレーム溶射法では、溶射粒子の基材への衝突エネルギが大きく、密着性がプラズマ溶射法に比較し大きくなる。
また、本実施形態のWC系粉末は、本実施形態と同様に超高速フレーム溶射法を用いた比較例のCr3C2系粉末に比較し比重が大きい。したがって、本実施形態のWC系粉末は、溶射粒子の基材への衝突エネルギが比較例のCr3C2系粉末よりも大きくなり、密着性が大きくなる。
以上から、超高速フレーム溶射法によるWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした本実施形態が最も密着性が良好となる。
ブレード12のガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜20を設け、局所的に耐摩耗性皮膜20を設けることとしたので、簡便にかつ廉価にインペラ3の耐久性を向上させることができる。
3 インペラ
10 ハブ部
12 ブレード
14 シュラウド
20 耐摩耗性被膜
Claims (4)
- 固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機に設けられ、
ハブ部と、該ハブ部の外周面から略半径方向に立設された複数のブレードとを備え、これらハブ部および各ブレードを中心軸線回りに回転させることによってガスを圧縮するガス圧縮機用インペラであって、
各前記ブレードには、ガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜が設けられ、
前記ガス入口部分にのみ設けられた前記耐摩耗性被膜の形成領域は、前記ブレードの前記ハブ部との接続位置から該ブレードの高さ方向にかけて設けられ、
前記形成領域の前記ブレードの高さ方向における寸法は、前記ブレードの前縁から下流側にかけて漸次縮小されていることを特徴とするガス圧縮機用インペラ。 - 吸入されたガスの動圧を受ける前記ブレードの腹側に設けられた前記耐摩耗性皮膜の前記形成領域は、前記ブレードの背側に設けられた前記耐摩耗性皮膜の前記形成領域よりも大きくされていることを特徴とする請求項1記載のガス圧縮機用インペラ。
- 前記耐摩耗性皮膜は、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス圧縮機用インペラ。
- 請求項1から3のいずれかに記載されたガス圧縮機用インペラを備えていることを特徴とするガス圧縮機。
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