JP4699531B2 - インペラの製造方法およびインペラ - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機などの遠心回転機に使用されるインペラの製造方法およびインペラに関する。

従来、遠心圧縮機などの遠心回転機に使用されるインペラは、回転軸に取り付けられるディスクと、そのディスクに対して間隔をおいて配置されるカバーと、これらディスクとカバーとを連結する複数のブレードとを備えたカバー付きインペラ（クローズドインペラ）が知られており、これらブレードの側面と、カバー及びディスクの流面とで囲まれた部分が、空気を圧縮するための流路となっている。そして、このような遠心圧縮機に設けられるインペラは、例えば鋳造による一体加工成形、溶接接合、ろう付（或いは液相拡散接合、固相拡散接合）による接合などの方法により製造されている。
これらのうち一体加工成形は、カバー、ブレード、及びディスクを素材より一体化して削り出して成形するものである。ところが、一般的に遠心圧縮機に設けられるインペラは、流路が軸方向（回転軸方向）、及び径方向のそれぞれに湾曲する複雑な形状であるため、一体加工成形が困難となっている現状がある。

また、溶接接合では、ブレードをカバー及びディスクの一方と一体化して削り出した一体部材と、カバー及びディスクの他方との２つの部品を溶接により接合したり、各部材のそれぞれを溶接により接合するものである。この場合、溶接トーチを流路内に挿入する必要があり、流路形状が狭いと流路内に挿入することが困難となり、溶接欠陥が生じやすくなるといった不具合があった。
これに対して、ろう付による接合では、例えばブレード付きのカバーとディスクとを接合する際に、その接合箇所に例えば箔、パウダーやワイヤなどのろう材を配置し、カバーとディスクを重ねて炉に設置し、加熱して接合するものである（例えば、特許文献１参照）。ろう付による接合では、上述した溶接接合に比べて、流路形状が狭い場合であっても容易に施工ができる利点がある。

ところで、従来のインペラでは、ブレードとの接合部のディスクの回転軸（内周）寄りにおいて、空力性能を向上させるために湾曲面を形成させた形状のものがある。図７は、このような構造のインペラの形状を示す側断面図である。つまり、図７に示すインペラ１０は、ディスク１１とカバー１２とによって、外周側が径方向に沿って形成されるとともに、内周側に向かうに従いカバー１２側へと湾曲形成された流路Ｒを有しており、この流路Ｒの湾曲部Ｒａに沿うようにしてディスク１１とカバー１２とのそれぞれに湾曲面１１ａ、１２ａが形成されている。

特開２００３−３２８９８９号公報

しかしながら、従来のインペラの構造では、以下のような問題があった。
すなわち、上述したような遠心圧縮機に設けられるインペラは、回転に伴ってブレードとディスク及びカバーとの接合部には回転遠心力によりカバーとディスクとが離れる方向への引張力が生じると共に回転方向に相対的な曲げ応力が発生することから、ブレードとディスクとの付け根部分に相当する接合部には過大な集中応力が作用している。とくに、その接合部にのうち径方向で内周側の回転応力が大きくなっている。

つまり、その内周側においては、確実な接合が必要とされるが、上述した図７に示すようなブレード１３との接合部のディスク１１の回転軸（内周）寄りにおいて湾曲面１１ａを形成させた従来のインペラ１０の場合、ディスク１１を下にして接合されるが、ブレード１３とディスク１１との間に配置されるろう材１４が溶けて液相化したときに、ディスク１１の湾曲面１１ａの外周側が内周側より低い位置となり、接合材１４が湾曲面１１ａに沿って外周側向けて（矢印Ｇ方向）に流れるため、接合部の内周側にろう材１４が十分に供給されず、確実な接合が要求される内周側の接合部の接合強度が低下するという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、接合材の供給不足を防ぐことで、接合強度を確保することができるインペラの製造方法およびインペラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るインペラの製造方法では、略円盤状のディスクと、ディスクに対向配置されるカバーと、ディスクとカバーとの間に設けられ、互いに対向するそれぞれのブレード取付面に両ブレード縁部が固定されたブレードとを備え、ディスクとカバーとによって、外周側が径方向に沿って形成されるとともに、内周側に向かうに従いカバー側へと湾曲形成された流路を有するインペラの製造方法であって、ディスク又はカバーの一方とブレードとを一体的に形成する工程と、カバーをそのブレード取付面を上にして配置する工程と、ディスクと前記ブレードとが一体的に形成される場合には、前記ブレード取付面を上にして配置した前記カバーの上にブレードと一体的に形成されたディスクを配置した状態とし、また、カバーとブレードとが一体的に形成される場合には、ブレード取付面を上にして配置したカバーに一体的に形成されたブレードの上にディスクを配置した状態とし、ディスク又はカバーの他方とブレードとを接合材を介して接合する工程とを備えることを特徴としている。

また、本発明に係るインペラでは、上述したインペラの製造方法によって製造されていることを特徴としている。

本発明では、カバーをブレード取付面を上にして配置することで、流路の湾曲部に位置するカバー又はカバーに一体的に形成させたブレードの内周側接合端部が前記湾曲部の下側に位置し、例えば加熱によって溶けて液相化する接合材の下流側の位置となる。そのため、接合時に溶けた接合材が内周側接合端部側に向けて流れつつ、両者が接合されることになる。つまり、ブレードとカバー及びディスクとの接合部であってインペラ運転時の回転応力が集中するインペラの径方向内周側の接合部において、接合材の供給不足がなくなるので、接合強度が低下するといった不具合をなくすことが可能となる。

また、本発明に係るインペラの製造方法では、ディスク又はカバーの他方には、ブレードとの接合部のうち流路の湾曲部に位置する内周側接合端部に、接合材の流出を防止する凸部を設ける工程を備えることが好ましい。
また、本発明に係るインペラの製造方法では、ディスク又はカバーの一方とブレードとを一体的に形成する工程では、ディスクとブレードとが一体的に形成され、カバーには、ブレードとの接合部のうち流路の湾曲部に位置する内周側接合端部に、接合材の流出を防止する溝部を設ける工程を備えることが好ましい。

本発明では、凸部を設ける場合において接合時の接合材の流れが凸部によって規制され、又は溝部を設ける場合において接合材が溝部内に流入することでその流れが規制されるので、接合材の流出をより確実に防止することが可能となり、接合部の接合強度を高めることができる。

また、本発明に係るインペラの製造方法では、カバーのブレード取付面と反対側の面を平坦として接合する工程が行われ、その後、平坦部を所定形状に仕上げる工程が行われることがより好ましい。

これにより、カバーの平坦面を下にして安定した状態で配置することができ、接合材がカバー又はカバーに一体成形させたブレードの湾曲面に沿って、流路の湾曲部に位置する内周側接合端部に向けて一様に流れることから、接合材が部分的に不足するといった不具合がなくなり、より確実な接合を行うことができる。

本発明のインペラの製造方法およびインペラによれば、接合時に溶けた接合材がブレードと、カバー又はディスクとの接合部における内周側に流れつつ接合されるので、その内周側接合端部における接合材の供給不足を防ぐことが可能となり、接合部における接合強度を確保することができ、その信頼性を高めることができる。

本発明の実施の形態によるインペラの製造方法によって製造されるインペラの概略構成を示す側断面図である。 図１のインペラの部分拡大図である。 インペラの製造状態を示す側断面図である。 実施の形態の第１変形例によるインペラの製造状態を示す側断面図である。 実施の形態の第２変形例によるインペラの製造状態を示す側断面図である。 第３変形例によるインペラの製造状態を示す側断面図である。 従来のインペラの製造状態を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態によるインペラの製造方法およびインペラについて、図１乃至図３に基づいて説明する。

図１の符号１は、本実施の形態によるインペラの製造方法により製造されるインペラであり、回転軸に組み付けられる回転体として、遠心圧縮機などの圧縮機に搭載されるものである。
図１及び図２に示すように、インペラ１は、図示しない回転軸に同軸に取り付けられる略円盤状のディスク２と、ディスク２上に一端が固定されるとともに前記回転軸の中心軸線Ｏから放射状に複数配設された羽根形状のブレード３、３、…と、ディスク２から離間して対向配置されるとともにブレード３の他端に固定されるカバー４とを備えて概略構成されている。そして、ブレード３の側面と、ディスク２及びカバー４の流面（互いに対向する面）との間に形成される空間は、本圧縮機で圧縮する気体の流路Ｒとして機能している。

なお、図２の紙面に向かって右側がインペラ１における内周側（図１に示す中心軸線Ｏ側）であり、左側が外周側である。また、図１及び図２において、流路Ｒ内の気体の流れる方向（矢印Ｅ方向）は、紙面上側が上流側であり、紙面下側が下流側である。また、インペラ１の回転軸方向をＹ方向とし、同じく径方向をＸ方向として、以下統一して用いる。

ディスク２は、インペラ１の外形を形成するものであり、炭素鋼、ステンレス鋼などの金属により形成されており、上述した図示しない回転軸を嵌挿させる円筒部２１と、円筒部２１の回転軸方向Ｙの一端（すなわち図１、図２で紙面下側）から径方向Ｘで外周側に向けて延びる本体部２２とを有して一体成形されている。ここで、ディスク２において、図１、図２に示す紙面でカバー４に対向する上側（気体の流路Ｒ側）の面を表面２ａとし、その反対の下側の面を裏面２ｂとして以下説明する。本体部２２の表面２ａは、外周側から内周側に向かって漸次回転軸方向Ｙで円筒部２１の先端２１ａ側へ突出するように湾曲した形状となっている。つまり、ディスク２の表面２ａの内周側には、流路Ｒの湾曲部Ｒａに沿う形状の湾曲面２ｄが形成されている。

ディスク２とカバー４との間に設けられる各ブレード３は、ディスク２の表面２ａに沿って径方向（矢印Ｘ方向）内周側に向かって回転軸方向（矢印Ｙ方向）で先端側に突出するようにして滑らかに湾曲するとともに、ディスク２の周方向一方側にも湾曲して形成されている。この湾曲部分（湾曲面３ｄ）は、流路Ｒの湾曲部Ｒａに沿う形状をなしている。

ここで、ブレード３において、ディスク２側に位置する縁部をディスク側ブレード縁部３ａとし、カバー４側に位置する縁部をカバー側ブレード縁部３ｂとして以下説明する。そして、本実施の形態では、ブレード３は、ディスク側ブレード縁部３ａとディスク２の表面２ａと一体的に形成されており、カバー側ブレード縁部３ｂがカバー４のブレード取付面４ａに対して箔やパウダーやワイヤ等のろう材５（接合材）を介してろう付により接合されている。なお、このような接合構造に限らず、カバー４のブレード取付面４ａとカバー側ブレード縁部３ｂとが一体的に形成されている場合においては、ディスク側ブレード縁部３ａがディスク２の表面２ａに対して箔やパウダーやワイヤ等のろう材５を介してろう付により接合される構造であってもかまわない。

カバー４は、下面（ブレード取付面４ａ）をブレード３のカバー側ブレード縁端３ｂに一体に固定されており、径方向（矢印Ｘ方向）で外周側から内周側に向かうに従って回転軸方向Ｙで先端側に突出するようにして湾曲した形状となっている。つまり、カバー４のブレード取付面４ａの内周側には、流路Ｒの湾曲部Ｒａに沿う形状の湾曲面４ｄが形成されている。
そして、上述したように互いに隣接するブレード３、３同士のそれぞれの間には、インペラ１の回転に伴って圧縮空気を生成するための流路Ｒが形成されることになり、その流路Ｒは、ディスク２、ブレード３、及びカバー４の形状に従って、回転軸方向Ｙ、及び周方向に湾曲した形状となっている。

そして、このように構成される圧縮機のインペラ１では、図示しない駆動部により中心軸線Ｏ周りに回転駆動する場合において、流路Ｒ内に径方向内周側から外周側へ向かう矢印Ｅで示される空気の流れが発生するとともに、その空気が回転で生じる遠心力により加速される。これによって、流路Ｒの入口Ｒ１から吸い込まれた空気が、流路Ｒ内で圧縮されて出口Ｒ２から排出され、その後、下流側の図示しない外部機器へ送られることになる。

次に、上述したインペラ１の製造方法について図３などを用いて説明する。
先ず、図３に示すようにディスク２を複数のブレード３、３、…とともに素材より削り出して一体的に形成する。そして、カバー４をブレード取付面４ａを上にするとともにその平坦面４ｂを床６上に配置し、そのカバー４のブレード取付面４ａのブレード３の取付領域にろう材５を配置する。次いで、そのカバー４の上にブレード３を備えたディスク２を配置した状態とし、カバー４のブレード取付面４ａとブレード３のカバー側ブレード縁端３ｂとをろう材５を介して接合する。その後、カバー４の平坦部４ｂを所定形状に仕上げる工程が行われる。

さらに具体的には、カバー４をブレード取付面４ａを上にして配置することで、流路Ｒの湾曲部Ｒａに位置するカバー４の内周側接合端部４ｃが湾曲部Ｒａの下側に位置し、例えば加熱によって溶けて液相化するろう材５の下流側の位置となる。そのため、接合時に溶けたろう材５が内周側接合端部４ｃ側（矢印Ｆ方向）に向けて流れつつ、カバー４とブレード３とが接合されることになる。つまり、ブレード３とカバー４との接合部であって、インペラ運転時の回転応力が集中するインペラ１（図１参照）の径方向内周側の接合部において、ろう材５の供給不足がなくなるので、接合強度が低下するといった不具合をなくすことが可能となる。
また、本実施の形態では、カバー４のブレード取付面４ａと反対側を平坦面４ｂとしているので、接合時において平坦面４ｂを下にして安定した状態で配置することができ、ろう材５がカバー４の湾曲面４ｄに沿って、内周側接合端部４ｃに向けて一様に流れるという利点がある。
なお、本実施の形態では、ブレード３とカバー４との接合時において、ろう材５をカバー４のブレード取付面４ａに配置させているが、これに限らず、ブレード３のカバー側ブレード縁部３ｂにろう材５を貼り付けてもよい。

上述した本第１の実施の形態によるインペラの製造方法およびインペラでは、接合時に溶けたろう材５がブレード３とカバー４との接合部における内周側に流れつつ接合されるので、その内周側接合端部４ｃにおけるろう材５の供給不足を防ぐことが可能となり、接合部における接合強度を確保することができ、その信頼性を高めることができる。

次に、本実施の形態の変形例について、添付図面に基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。

図４に示す第１変形例では、上述した実施の形態の製造方法において、カバー４におけるブレード３との接合部のうち流路Ｒの湾曲部Ｒａに位置する内周側接合端部４ｃに、ろう材５の流出を防止する凸部７を設けるようにしたものである。この凸部７は、カバー４の内周側接合端部４ｃからディスク２の表面２ａ側に向けて突出させた状態で設けられ、その長さ寸法（紙面に対して直交する方向）がブレード３の幅寸法に対して同等、或いは大きい寸法となっている。そして、凸部７は、接合時に設けられるものであって、接合後にはろう材５の余肉とともに取り除かれる。このように凸部７を備えた本第１変形例では、接合時におけるろう材５の流れが凸部７によって規制されるので、ろう材５の流出をより確実に防止することが可能となり、カバー４とブレード３との接合部の接合強度を高めることが可能となる効果を奏する。

次に、図５に示す第２変形例は、上述した第１変形例の凸部７（図４参照）に代えて溝部８を設けたものである。すなわち、溝部８は、カバー４におけるブレード３との接合部のうち流路Ｒの湾曲部Ｒａに位置する内周側接合端部４ｃに開口部８ａをディスク２の表面２ａ側に向けた状態で設けられており、製造時のろう材５の流出を防止する機能を有している。
その溝部８の長さ寸法（紙面に対して直交する方向）がブレード３（或いはカバー４上に設けられたろう材５）の幅寸法に対して同等、或いは大きい寸法となっている。そして、溝部８は、接合時に設けられるものであって、接合後にはろう材５の余肉とともに溝部８より溢れ出た余分なろう材５が取り除かれたり、適宜埋め戻されるといった処理が行われる。このように溝部８を備えた本第２変形例では、接合時において溝部８にろう材５が流入することでその流れが規制されるので、上述した第１変形例と同様に、ろう材５の流出をより確実に防止することが可能となり、カバー４とブレード３との接合部の接合強度を高めることが可能となる。

また、図６に示す第３変形例は、上述した実施の形態の製造方法を代えたものである。すなわち、実施の形態のインペラの製造方法ではカバー４に対して予めディスク２に一体的に形成させたブレード３を接合する方法としているが、本第３変形例では予めブレード３を一体形成させたカバー４を平坦面４ｂを床６上に配置し、その状態でブレード３のディスク２側ブレード縁端３ａにろう材５を配置した後に、そのブレード３（ろう材５）の上にディスク２を配置してろう材５を介して接合するものである。なお、ディスク２側ブレード縁端３ａにろう材５を配置することに限らず、ディスク２の表面２ａにろう材５を貼り付けて、ブレード３とディスク２とを接合させてもよい。

本第３変形例においても、カバー４をブレード取付面４ａを上にして配置することで、流路Ｒの湾曲部Ｒａに位置するブレード３の内周側接合端部３ｃが湾曲部Ｒａの下側に位置し、例えば加熱によって溶けて液相化するろう材５の下流側の位置となる。そのため、接合時に溶けたろう材５が内周側接合端部３ｃ側（矢印Ｆ方向）に向けて流れつつ、両者（カバー４とブレード３）が接合されることになる。つまり、ブレード３とディスク２との接合部であって、インペラ運転時の回転応力が集中するインペラ１（図１参照）の径方向内周側の接合部において、上述した実施の形態と同様に、ろう材５を不足させることなく、接合強度が低下するといった不具合をなくすことができる効果を奏する。

以上、本発明によるインペラの製造方法およびインペラの実施の形態及び変形例について説明したが、本発明は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態及び変形例ではろう付による接合を対象としているが、これに限定されることはなく、例えば液相拡散接合であってもかまわない。
また、本実施の形態及び変形例では接合時におけるカバー４において、ブレード取付面４ａと反対側の面を平坦面４ｂとした形状としているが、このような平坦面４ｂを有する形状であることに制限されることはない。要は、インペラにおける各部材同士の接合時においてカバー４を下にして安定した状態で配置することができればよいのである。そのため、接合時において、カバー４の形状を任意の仕上形状とし、これを安定させた状態で接合するようにしてもかまわない。

さらに、ディスク２、ブレード３、及びカバー４の形状、大きさ等は適宜に設定したものを採用することができる。
さらにまた、本第２変形例ではカバー４の内周側接合端部４ｃに凸部７を設けているが、これに限定されることはなく、例えば上述した第２変形例（図６参照）のようにブレード３を一体的に形成したカバー４とする場合には、ディスク２の表面２ａにおけるブレード３の取付位置の内周接合端部に、カバー４のブレード取付面４ａ側に突出する凸部を設けるようにしてもかまわない。

１ インペラ
２ ディスク
２ａ 表面
２ｂ 裏面
２１ 円筒部
２１a 先端
３ ブレード
３ａ ディスク側ブレード縁端
３ｂ カバー側ブレード縁端
３ｃ 内周側接合端部
３ｄ 湾曲面
４ カバー
４ａ ブレード取付面
４ｃ 内周側接合端部
４ｄ 湾曲面
５ ろう材（接合材）
７ 凸部
８ 溝部
Ｒ 流路
Ｒａ 湾曲部

Claims (5)

1. 略円盤状のディスクと、該ディスクに対向配置されるカバーと、前記ディスクと前記カバーとの間に設けられ、互いに対向するそれぞれのブレード取付面に両ブレード縁部が固定されたブレードとを備え、
   前記ディスクと前記カバーとによって、外周側が径方向に沿って形成されるとともに、内周側に向かうに従い前記カバー側へと湾曲形成された流路を有するインペラの製造方法であって、
   前記ディスク又は前記カバーの一方と前記ブレードとを一体的に形成する工程と、
   前記カバーをそのブレード取付面を上にして配置する工程と、
   前記ディスクと前記ブレードとが一体的に形成される場合には、前記ブレード取付面を上にして配置した前記カバーの上に前記ブレードと一体的に形成された前記ディスクを配置した状態とし、また、前記カバーと前記ブレードとが一体的に形成される場合には、前記ブレード取付面を上にして配置した前記カバーに一体的に形成された前記ブレードの上に前記ディスクを配置した状態とし、前記ディスク又は前記カバーの他方と前記ブレードとを接合材を介して接合する工程と、
   を備えることを特徴とするインペラの製造方法。
2. 前記ディスク又は前記カバーの他方には、前記ブレードとの接合部のうち前記流路の湾曲部に位置する内周側接合端部に、前記接合材の流出を防止する凸部を設ける工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のインペラの製造方法。
3. 前記ディスク又は前記カバーの一方と前記ブレードとを一体的に形成する工程では、前記ディスクと前記ブレードとが一体的に形成され、
   前記カバーには、前記ブレードとの接合部のうち前記流路の湾曲部に位置する内周側接合端部に、前記接合材の流出を防止する溝部を設ける工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のインペラの製造方法。
4. 前記カバーの前記ブレード取付面と反対側の面を平坦として接合する工程が行われ、その後、前記平坦部を所定形状に仕上げる工程が行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインペラの製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のインペラの製造方法によって製造されたことを特徴とするインペラ。

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