JPH06193545A

JPH06193545A - Impeller

Info

Publication number: JPH06193545A
Application number: JP4356558A
Authority: JP
Inventors: Isao Nemoto; 功根本
Original assignee: Nemoto Kikaku Kogyo KK
Current assignee: Nemoto Kikaku Kogyo KK
Priority date: 1992-12-22
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 1994-07-12

Abstract

PURPOSE:To provide an impeller for a Francis turbine and an impeller for a pump which are manufactured through automatic controllable machining. CONSTITUTION:An impeller 10 for a Fransic turbine having a ring located on an outer periphery 11 and eight or more vanes 13 is manufactured is by shaving it off a steel ingot or a forged steel ingot as an integral molded product, Similarly, an impeller for a pump having eight or more impeller is manufacture by shaving it of a steel ingot or a forget steel ingot as an integral molded product.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、フランシス型水車用及
びポンプ用羽根車に関し、更に詳細には製作方法に特長
を有するフランシス型水車用及びポンプ用羽根車に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an impeller for Francis type turbines and pumps, and more particularly to an impeller for Francis type turbines and pumps characterized by a manufacturing method.

【０００２】[0002]

【従来の技術】フランシス型水車用羽根車は、図１に示
すような形を有する通称ランナーと称する羽根車１０で
あって、フランシス型水車の羽根車として使用されてい
る。図１において、１１は外周に設けられたリングであ
り、１３は羽根である。フランシス型水車は、水の反動
力を利用する反動水車の１種であって、現在主に水力発
電機の駆動機として使用され、図２に模式的に示すよう
な構成になっている。水圧管１２を流れ落ちる高圧の水
は、バタフライバルブ１４を通って渦巻ケーシング１６
に入り、更にステーベーン１７及びガイドベーン１８を
通ってランナー１０を回転させる。2. Description of the Related Art A Francis turbine impeller is an impeller 10 having a shape as shown in FIG. 1, which is generally called a runner, and is used as an impeller of a Francis turbine. In FIG. 1, 11 is a ring provided on the outer circumference, and 13 is a blade. The Francis type turbine is a type of reaction turbine that utilizes the reaction force of water, and is currently mainly used as a drive unit for a hydroelectric power generator and has a configuration schematically shown in FIG. The high-pressure water flowing down the penstock 12 passes through the butterfly valve 14 and the spiral casing 16
Then, the runner 10 is rotated through the stay vanes 17 and the guide vanes 18.

【０００３】従来、かかるフランシス型水車用羽根車
（以下、簡単のため羽根車と略称する）、特に８枚以上
の羽根を備え、かつ外周にリングを有する羽根車は、主
に次のようにして鋳物から機械加工して所望のものを得
ていた。材料として４〜５％のＮi を添加した高Ｎi １
３Crステンレス鋳鋼、例えばＪＩＳ材で言えばＳＣＳ５
を使用し、先ず、第１段階として、概略の羽根車の形を
備えた鋳型に流し込み一体鋳造を行って鋳物を形成す
る。第２段階として、鋳造中に生じた鋳物の欠陥を肉盛
り等により補修し、その後、補修箇所に熱処理を施し、
更に第３段階としてゲージに合わせて手作業のグライン
ダー仕上げを行って、所定の羽根形状に加工している。
この間に、残留応力等のための熱処理も必要である。ま
た、大型の羽根車では、キャビテーションや摩耗による
損傷を受けやすい部分にステンレス鋼の肉盛りを行って
耐久性の向上を図ることも多い。Conventionally, such an impeller for a Francis type turbine (hereinafter simply referred to as an impeller for simplicity), particularly an impeller having eight or more blades and having a ring on the outer periphery, is mainly described as follows. Then, the desired product was obtained by machining the casting. High Ni with 4-5% Ni added as material
3Cr stainless cast steel, eg SCS5 for JIS
First, as a first step, a casting having a rough shape of an impeller is cast to form a casting. In the second stage, defects in the casting that occurred during casting are repaired by overlaying, etc., and then heat treatment is applied to the repaired parts,
Further, as a third step, a manual grinder finish is performed according to the gauge to process it into a predetermined blade shape.
During this time, heat treatment for residual stress is also necessary. In addition, in a large-sized impeller, a portion of the impeller that is easily damaged by cavitation or wear is often covered with stainless steel to improve durability.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の鋳造に
よる羽根車の製作には、次に説明するような問題があっ
た。第１には、羽根車を鋳造するに際して、鋳造欠陥の
発生が不可避的であり、生じた欠陥の補修、熱処理及び
再検査に時間と費用を要し、更に手作業によるグライン
ダー仕上げのため、羽根車の納期が長くなり、価格を高
くする要因になっていた。第２には、ゲージに合わせて
羽根を手作業でグラインダー仕上げする作業は、高度の
技量と熟練を要し、このような技量と熟練を有する作業
員は絶対数が少なく不足しており、必要な作業員を充足
するのが極めて困難であった。また、粉塵が充満し、異
臭が漂う望ましくない作業環境のため、作業能率が極め
て低かった。However, the conventional casting impeller manufacturing method has the following problems. First, when casting an impeller, it is inevitable that casting defects will occur, and it will take time and cost to repair the defects, heat treatment and re-inspection. Furthermore, because of the manual grinder finishing, the blades are The delivery time of the car became longer, which was a factor of raising the price. Secondly, the work of hand-grinding the blades according to the gauge requires a high level of skill and skill, and the number of workers with such skill and skill is small and in short supply. It was extremely difficult to satisfy the necessary workers. Further, the work efficiency was extremely low due to the undesired work environment in which dust was filled and an offensive odor drifted.

【０００５】第３には、手作業によるグラインダー仕上
げでは、羽根車を流体力学的設計形状に完全に合致させ
ることが難しく、製作誤差がどうしても生じ、そのため
水車のエネルギー変換効率にマイナス効果を与えること
が多かった。更に、エネルギー変換効率を向上させるに
は、ランナーの羽根の厚さを薄くする必要があるが、羽
根に作用する水の運動エネルギーを受けて大きな応力が
発生し、鋳物のランナーでは鋳物の機械的強度の点から
羽根の厚さを薄くすることに制約があり、また流体力学
的形状の鋳造による形成には種々の制約があった。Thirdly, in the manual grinder finishing, it is difficult to perfectly match the impeller with the hydrodynamically designed shape, and a manufacturing error is inevitably caused, which has a negative effect on the energy conversion efficiency of the water turbine. There were many Furthermore, in order to improve the energy conversion efficiency, it is necessary to reduce the thickness of the blades of the runner. There is a restriction in reducing the thickness of the blade in terms of strength, and there are various restrictions in forming the hydrodynamic shape by casting.

【０００６】鋳造による羽根車の製作は、上述のような
問題を有するので、鋳物の羽根車に代わるものとして、
先ず、羽根車の部品を鍛造部品で製作し、その鍛造部品
を機械加工し、次いで部品同士を溶接等により接合して
組み立て、羽根車の完成品とする方法も行われている。
しかし、この方法も、溶接作業に多数の人手を要し、納
期が長く、かつコストも嵩み、技術的には、溶接による
歪みが生じ、その歪みを除去する作業が大変であった。Since the production of the impeller by casting has the above-mentioned problems, as an alternative to the cast impeller,
First, there is also a method in which a part of an impeller is manufactured as a forged part, the forged part is machined, and then the parts are joined together by welding or the like to assemble them to obtain a complete impeller.
However, this method also requires a lot of manpower for the welding work, the delivery time is long, the cost is high, and technically, the distortion due to welding occurs, and the work of removing the distortion is difficult.

【０００７】上述のことから明らかなように、従来の羽
根車は、鋳造によるもの或いは溶接によるものにかかわ
らず、要約すれば、第１には、人手に頼っているため、
製作精度にバラツキがあり、納期が長く、かつコストが
高いことが問題であり、第２には、鋳造による羽根車に
はその製作上で羽根の厚さ及び形状の点で種々の制約が
あることであった。そこで本発明の目的は、第１には自
動制御の可能な機械加工により最小限の人手で製作した
フランシス型水車用羽根車を提供することであり、第２
には同じ考えを適用したポンプ用羽根車を提供すること
である。As is clear from the above description, the conventional impeller, whether cast or welded, is summarized in the first place because it relies on manpower.
The problems are that the manufacturing accuracy varies, the delivery time is long, and the cost is high. Secondly, the impeller made by casting has various restrictions in terms of the thickness and shape of the blades in manufacturing. Was that. Therefore, firstly, an object of the present invention is to provide an impeller for a Francis-type water turbine, which is manufactured with a minimum of manpower by machining capable of automatic control.
Is to provide a pump impeller applying the same idea.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、鋳造又は溶
接による羽根車の製作に代わる方法として鋼塊からの切
削加工に着目した。この方法は、従来実用化が極めて困
難であるとして放置されていたものであって、それは、
外周がリングによって囲まれた８枚以上の羽根を有する
図１に示す羽根車のような複雑な形状の大型のワークを
機械加工するには従来の５軸ないし６軸の多面加工機で
は工作精度が不足し、加工方向による刃物の位置ずれが
大きく、ゲージに合致した仕上げ形状を得ることはどう
しても出来なかったからである。本発明者は、工作精度
を向上させるべく改良した多面加工機を使用して鋼塊か
らの機械加工を試み、実験と研究の末、本発明を発明す
るに到った。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventor has focused on cutting work from a steel ingot as an alternative method to manufacturing an impeller by casting or welding. This method has been neglected as being extremely difficult to put into practical use in the past.
For machining large workpieces with complicated shapes such as the impeller shown in FIG. 1 having eight or more blades whose outer circumference is surrounded by rings, the conventional 5-axis or 6-axis multi-face machining machine has a high machining accuracy. Is insufficient, and the positional deviation of the blade due to the machining direction is large, and it was impossible to obtain a finished shape that matches the gauge. The present inventor has attempted machining from a steel ingot by using an improved multi-face processing machine in order to improve the working accuracy, and has invented the present invention after experiments and research.

【０００９】上記第１の目的を達成するために、本発明
に係る、外周にリングを有し、かつ８枚以上の羽根を備
えたフランシス型水車用羽根車は、鋼塊又は鍛造鋼塊か
ら一体形成品として削り出してなることを特徴としてい
る。In order to achieve the above-mentioned first object, a Francis turbine impeller having a ring on the outer periphery and having eight or more blades according to the present invention is a steel ingot or a forged steel ingot. It is characterized by being carved out as an integrally formed product.

【００１０】本発明に係るフランシス型水車用羽根車
（以下、簡単のため羽根車と略称する）の形状及び寸法
は、用途、仕様、運転条件に応じて既知の算出式とデー
タに基づいて設定されるもので、特に本発明と直接関係
するものではない。本明細書で、鋼塊とは、鋼のインゴ
ットを意味し、鍛造鋼塊とは、鍛造された鋼塊を意味
し、例えば、成分組成がステンレス鋳鋼のＪＩＳＳＣ
Ｓ５に近似するＳＵＳＦ６ＮＭを例として挙げるこ
とができる。本発明に係る羽根車は、鋼塊又は鍛造鋼塊
から直接削り出して一体形成することにより、従来の鋳
造法、溶接接合法により形成した羽根車に付随した上述
の問題を排除することができる。The shape and dimensions of the Francis turbine impeller (hereinafter simply referred to as an impeller for simplicity) according to the present invention are based on known calculation formulas and data according to applications, specifications and operating conditions. It is set and is not directly related to the present invention. In the present specification, a steel ingot means an ingot of steel, and a forged steel ingot means a forged steel ingot, for example, JIS SC of cast stainless steel having a chemical composition.
An example is SUS F 6NM, which is close to S5. INDUSTRIAL APPLICABILITY The impeller according to the present invention can eliminate the above-mentioned problems associated with the impeller formed by the conventional casting method and the welding joining method by directly cutting the steel ingot or the forged steel ingot and integrally forming the impeller. .

【００１１】羽根車を鋼塊又は鍛造鋼塊から削り出して
一体形成する切削加工には、２軸以上のノーバックラッ
シュ式多面加工機を使用する。好適には、直交系回転軸
にNEMOTO DRIVE SYSTEM （商標登録 NEMODRIVE)（以
下、簡単のためにＮＤＳと略称する）を組み込んだ２軸
以上のノーバックラッシュ式多面加工機を使用する。回
転軸にバックラッシュが存在しないので、高精度な位置
決め及び回転伝達が可能となり、所定寸法の所定形状に
切削加工することができるからである。本発明の技術的
思想は、フランシス型水車用羽根車とほぼ同じ形状を備
えるポンプ用の羽根車にも適用できる。A non-backlash type multi-face machining machine having two or more axes is used for the cutting work in which the impeller is machined from a steel ingot or a forged steel ingot and integrally formed. It is preferable to use a non-backlash type multi-face machining machine having two or more axes in which a NEMOTO DRIVE SYSTEM (registered trademark NEMODRIVE) (hereinafter, abbreviated as NDS for simplicity) is incorporated in the orthogonal system rotary shaft. Since there is no backlash on the rotary shaft, highly accurate positioning and rotation transmission can be performed, and cutting can be performed into a predetermined shape having a predetermined size. The technical idea of the present invention can be applied to an impeller for a pump, which has substantially the same shape as the Francis type impeller for a water turbine.

【００１２】ここでＮＤＳとは、根本企画工業（株）
（千葉県八千代市）からNEMODRIVE の登録商標で製作販
売されている直交系回転力伝達機構であって、特定形状
の鼓形スクリューと放射線上に配置された多数の特定形
状のローラーユニットとから構成されており、歯車の構
造上生じるバックラッシュと歯面磨耗時に生じるバック
ラッシュとをほぼ除去し、それによって回転精度と、低
速から高速迄の広範囲な速度域における伝達効率と、加
減速運転時における追従性を向上させて、高精度な位置
決め及び回転伝達を可能としている（特公昭第６０−１
２５８１５４号参照）。Here, NDS means Nemoto Planning Industry Co., Ltd.
An orthogonal rotational force transmission mechanism manufactured and sold under the registered trademark of NEMODRIVE from (Yachiyo City, Chiba Prefecture), which is composed of a specific shape of hourglass screw and a large number of specific shape roller units arranged on the radiation. The backlash that occurs due to the structure of the gear and the backlash that occurs when the tooth surface is abraded are almost eliminated, and thereby rotation accuracy, transmission efficiency in a wide speed range from low speed to high speed, and acceleration / deceleration operation The followability is improved to enable highly accurate positioning and rotation transmission (Japanese Patent Publication No. 60-1).
258154).

【００１３】[0013]

【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。最外径１，２５０mm、厚
さ７００mmのＪＩＳＳＵＳＦ６ＮＭの鍛造鋼塊か
ら最外径１，２００、高さ６５０の図１に模式的に示す
ような羽根車を次のようにして製作した。尚、実施例の
羽根車の形状、寸法は、既知のデータと算出式に基づい
て設定されたものである。切削加工用の多面加工機とし
て、市販の門形多面マシニングセンタを使用し、その直
交系回転力伝達機構にＮＤＳを組み込んで工具の位置決
め精度を向上させた。多面加工機は、Ｘ軸、Ｙ軸、及び
Ｚ軸方向の移動、Ｂ軸（Ｘ軸回り）の回動、Ｃ軸（Ｚ軸
回り）の回転、並びにＸ−Ｙ面の斜動が可能な６軸の数
値制御方式の多面加工機であって、基本的には無人で自
動操作できる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in more detail based on embodiments with reference to the accompanying drawings. An impeller having an outermost diameter of 1,200 and a height of 650 as schematically shown in FIG. 1 was manufactured from a JIS SUS F 6NM forged steel ingot having an outermost diameter of 1,250 mm and a thickness of 700 mm as follows. . The shape and dimensions of the impeller of the embodiment are set based on known data and calculation formulas. As a multi-face machining machine for cutting, a commercially available portal multi-face machining center was used, and NDS was incorporated in the orthogonal system torque transmission mechanism to improve the positioning accuracy of the tool. The multi-face processing machine is capable of moving in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, rotating about the B-axis (around the X-axis), rotating around the C-axis (around the Z-axis), and tilting the XY plane. It is a 6-axis numerical control type multi-face processing machine, which is basically unmanned and can be automatically operated.

【００１４】組み込んだＮＤＳ１９は、図３に模式的に
示す直交系回転力伝達機構であって、鼓形スクリュー２
０と放射線上に配置された多数のローラーユニット２２
から構成されている。鼓形スクリュー２０は、基準点”
０”を中心として連続リード加工されたテーパ溝２４を
有し、鼓形スクリュー２０の外径が変化するに従ってリ
ード角が変化する特長を持っている。ホイール（図示せ
ず）に等間隔に配置された精密自動追従ローラーユニッ
ト２２は、特殊バネ２６によって、鼓形スクリュー２０
のテーパ溝２４との接触時に適正な予圧が掛けられバッ
クラッシュが自動的に除去されると共に、極圧状態を避
ける構造となっている。The incorporated NDS 19 is an orthogonal system rotational force transmission mechanism schematically shown in FIG.
0 and a large number of roller units 22 arranged on the radiation
It consists of The hourglass screw 20 is the reference point "
It has a taper groove 24 that is continuously lead processed around 0 ", and has a feature that the lead angle changes as the outer diameter of the hourglass screw 20 changes. It is arranged at equal intervals on a wheel (not shown). The precision automatic follow-up roller unit 22 that has been formed is provided with a special spring 26 so that the hourglass screw 20
An appropriate preload is applied at the time of contact with the taper groove 24 to automatically eliminate the backlash, and the structure avoids the extreme pressure state.

【００１５】上述の多面加工機による切削加工は、第１
工程と第２工程とからなる。第１工程では、使用工具と
してエンドミルを使い、工具の送り量を大きくして鍛造
鋼塊の粗削りを行い概略の形状を備えた羽根車を形成し
た。第２工程では、同じく使用工具としてエンドミル、
更に必要に応じて他の切削工具を使い、工具の送り量を
小さくして粗削りされた羽根車の仕上げ削りを行って設
計図に示された形状と寸法の羽根車に仕上げた。また、
羽根の精密仕上げに当たり、羽根車の羽根の形状は、水
力効率を高める目的から、羽根入口、羽根出口及び入口
から出口に到る羽根付け根部は、水流抵抗が最低となる
ように２次曲線的な曲面面取りを行うようになってお
り、特殊球形エンドミルを使用することにより、これら
精密加工を行った。The cutting work by the above-mentioned multi-face machining machine is the first
It consists of a process and a second process. In the first step, an end mill was used as a tool to be used, the feed amount of the tool was increased, and the forged steel ingot was roughly cut to form an impeller having a rough shape. In the second step, the end mill is also used as a tool.
Further, if necessary, another cutting tool was used to reduce the feed amount of the tool and finish the rough-cut impeller to finish the impeller with the shape and dimensions shown in the design drawing. Also,
In the precision finishing of the blades, the blade shape of the impeller is a quadratic curve so that the water flow resistance is minimized so that the blade inlet, the blade outlet, and the blade root portion from the inlet to the outlet have the purpose of improving hydraulic efficiency. It is designed to perform chamfering on various curved surfaces, and these precision processings were performed by using a special spherical end mill.

【００１６】本実施例に係る羽根車は、数値制御方式の
切削加工により鍛造鋼塊から一体形成されているので、
製作に当たり、熟練した作業員は不要であり、かつ所要
作業員の数も、零乃至最小限に抑えられる。また、従来
の製作誤差が、外径１ｍの羽根車を例に取った場合、お
およそ±１．５mmであるのに対して、本実施例の製作誤
差は、最大±０．５mmであった。従来の方法では５か月
以上の製作期間を必要する本実施例の羽根車は、以上説
明した多面加工機による切削加工により約２か月で製作
することができた。Since the impeller according to this embodiment is integrally formed from a forged steel ingot by a numerical control type cutting process,
No skilled workers are required for production, and the number of required workers is zero or minimal. Further, in the case of a conventional impeller having an outer diameter of 1 m, the production error is about ± 1.5 mm, whereas the production error of this embodiment is ± 0.5 mm at the maximum. The impeller of the present embodiment, which requires a manufacturing period of 5 months or more in the conventional method, could be manufactured in about 2 months by the cutting work by the above-described multi-face processing machine.

【００１７】[0017]

【発明の効果】外周にリングを有し、かつ８枚以上の羽
根を備えた本発明に係るフランシス型水車用羽根車は、
鋼塊又は鍛造鋼塊から一体形成品として削り出してなる
ものであって、自動制御された切削加工により最小限の
人手で製作された羽根車である。本羽根車は、熟練した
職人的作業員を必要とすることなく、ほぼ無人操作で製
作可能であり、また従来のものに比べて、高い製作精度
でかつ短い納期で製作可能である。更に、鋳造による羽
根車に比べて、形状に対する制約が少なく、流体力学的
に理想の形状の羽根車を実現できる。The Francis type impeller for a turbine according to the present invention, which has a ring on the outer periphery and has eight or more blades,
An impeller, which is machined from a steel ingot or a forged steel ingot as an integrally formed product, and which is manufactured by a minimum amount of manpower by an automatically controlled cutting process. The impeller can be manufactured by an almost unmanned operation without requiring a skilled craftsman, and can be manufactured with higher manufacturing accuracy and shorter delivery time than the conventional one. Further, compared to a cast impeller, there are less restrictions on the shape, and an impeller having a hydrodynamically ideal shape can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】フランシス型水車用羽根車の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a Francis turbine impeller.

【図２】フランシス型水車の模式的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of a Francis turbine.

【図３】ＮＤＳの説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of NDS.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０フランシス型水車用羽根車１２水圧管１４入口弁１６渦巻ケーシング１８ステーベーン 10 Impeller for Francis Turbine 12 Hydraulic Tube 14 Inlet Valve 16 Swirl Casing 18 Stay Vane

Claims

【特許請求の範囲】[Claims]

【請求項１】外周にリングを有し、かつ８枚以上の羽
根を備えたフランシス型水車用羽根車において、鋼塊又
は鍛造鋼塊から一体形成品として削り出してなることを
特徴とするフランシス型水車用羽根車。1. A Francis turbine impeller having a ring on its outer periphery and having eight or more blades, characterized by being cut out from a steel ingot or a forged steel ingot as an integrally formed product. Francis type impeller for water turbine.

【請求項２】外周にリングを有し、かつ８枚以上の羽
根を備えたポンプ用羽根車において、鋼塊又は鍛造鋼塊
から一体形成品として削り出してなることを特徴とする
ポンプ用羽根車。2. A pump impeller having a ring on the outer periphery and having eight or more blades, which is carved out from a steel ingot or a forged steel ingot as an integrally formed product. car.

【請求項３】直交系回転軸にNEMOTO DRIVE SYSTEM
（商標登録 NEMODRIVE)を組み込んだ２軸以上のノーバ
ックラッシュ式多面加工機により削り出したことを特徴
とする請求項１に記載のフランシス型水車用羽根車。3. A NEMOTO DRIVE SYSTEM for the orthogonal system rotation axis.
The impeller for a Francis type turbine according to claim 1, wherein the impeller for a Francis turbine is machined by a non-backlash type multi-face machining machine having two or more axes incorporating (trademark registration NEMODRIVE).

【請求項４】直交系回転軸にNEMOTO DRIVE SYSTEM
（商標登録 NEMODRIVE)を組み込んだ２軸以上のノーバ
ックラッシュ式多面加工機により削り出したことを特徴
とする請求項２に記載のポンプ用羽根車。4. A NEMOTO DRIVE SYSTEM for the orthogonal system rotation axis.
The impeller for a pump according to claim 2, wherein the impeller for a pump is machined by a non-backlash type multi-face machining machine having two or more axes incorporating (trademark registration NEMODRIVE).