JP6789165B2

JP6789165B2 - インペラの製造方法

Info

Publication number: JP6789165B2
Application number: JP2017066755A
Authority: JP
Inventors: 勇哉紺野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: WO2018181085A1; US11143198B2; JP2018168760A; US20210123452A1

Description

本発明は、回転機械に用いられるインペラに関するものである。

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の回転機械は、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備えている。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及び速度エネルギを与える。

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、複数の部材を接合して組み立てたものがある。この接合構造を有するインペラは、流路形状の品質が低いために、インペラの性能が低下する傾向にある。この課題に対して、インペラを１ピース化することが特許文献１に提案されている。

特許文献１は、ディスク部と、ブレード部と、カバー部と、を備えるインペラにおいて、ディスク部は、ブレード部の径方向の内側で、軸線に直交する分割面により二分割された第一部材（第一セグメント）と第二部材（第二セグメント）とを備え、第一セグメントと第二セグメントとを分割面で接合することを提案する。
特許文献１の提案よれば、流路形状の品質を向上することができるとともに、回転軸に対してインペラを容易に着脱できる、とされている。

特開２０１５−１０１９６７号公報

特許文献１は、分割面において第一セグメントと第二セグメントを、ろう付け、又は、摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding）により接合することとしている。
しかし、ろう付けは、用いるろう材にもよるが、９００℃程度の高い温度まで第一セグメント及び第二セグメントの全体を加熱する必要があるので、第一セグメント及び第二セグメントを構成する材料の特性に変化を生じさせるおそれがある。また、摩擦撹拌接合は、現実的に適用できる材料が軟化温度の比較的低い軽金属、例えばアルミニウム合金に限られているので、インペラに要求される特性を満足する鉄系の金属材料に適用できないか、適用できたとしても接合強度に不安がある。

以上より、本発明は、第一セグメントと第二セグメントに適用される金属材料の制限がなく、かつ高い温度に部材の全体を加熱する必要のないインペラの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、軸線の回りに回転する回転軸に固定されるディスク部と、ディスク部に対向配置されるカバー部と、ディスク部とカバー部との間に設けられる複数のブレード部と、を備え、ディスク部の軸線の一方側の部位である第一ディスク部から構成される第一セグメントと、ディスク部の軸線の他方側の部位である第二ディスク部と、カバー部と、ブレード部と、が一体的に構成される第二セグメントと、第一セグメントの第一ディスク部と第二セグメントの第二ディスク部を接合する接合層と、を備えるインペラの製造方法である。
本発明のインペラの製造方法は、第一セグメントの第一ディスク部と第二セグメントの第二ディスク部を、接合層に対応する部位を突き合わせて摩擦圧接する、ことを特徴とする。

本発明のインペラの製造方法において、第一セグメント及び第二セグメントのいずれか一方に、回転力を与える駆動軸を固定し、駆動軸を回転するとともに、駆動軸を介して第一ディスクと第二ディスクの間に摩擦圧力を付与する、ことができる。
このインペラの製造方法において、駆動軸は、第一セグメントに固定される、ことが好ましい。
この場合、駆動軸は、第一セグメント及び第二セグメントの回転軸が挿通される挿通孔を通って、第二セグメントの外部に引き出される、ことが好ましい。

本発明によれば、軸線の回りに回転する回転軸に固定されるディスク部と、ディスク部に対向配置されるカバー部と、ディスク部とカバー部との間に設けられる複数のブレード部と、を備え、ディスク部の軸線の一方側の部位である第一ディスク部から構成される第一セグメントと、ディスク部の軸線の他方側の部位である第二ディスク部と、カバー部と、ブレード部が一体的に構成される第二セグメントと、第一セグメントの第一ディスク部と第二セグメントの第二ディスク部を摩擦圧接により接合する接合層と、を備えるインペラが提供される。
また、本発明によれば、以上のインペラを備える回転機械が提供される。

本発明のインペラは、第一セグメントと第二セグメントとを摩擦圧接による接合層で接合するので、摩擦撹拌接合では十分な接合強度が得られないステンレス鋼を第一セグメント及び第二セグメントに用いても十分な接合強度が得られる。
また、摩擦圧接は摩擦熱により高温に加熱される部分があるものの、接合層及びその近傍に限られるので、ろう付けのように部材全体を炉内で加熱するのに比べて、熱的な影響を受ける範囲が狭い。したがって、本発明のインペラによれば、接合に伴う材料特性の変化を最小限に抑えることができるとともに、熱が加わることによる変形を抑えることができる。つまり、本発明によれば、形状及び寸法の精度が高いインペラを得ることができる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。本実施形態におけるインペラを示す斜視図である。本実施形態におけるインペラを示す断面図である。本実施形態におけるインペラの製造手順を示す断面図である。図４に続き、本実施形態におけるインペラの製造手順を示す断面図である。本実施形態におけるインペラの製造手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の本実施形態にかかる回転機械について、遠心圧縮機１００を例にして説明する。
［遠心圧縮機１００の構成］
図１に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１００は、ケーシング１０２と、ケーシング１０２にジャーナル軸受１０３及びスラスト軸受１０４を介して軸支される回転軸１０１と、を備えている。回転軸１０１は、軸線Ｏの回りに回転可能に支持されており、回転軸１０１には、軸線Ｏの方向に複数のインペラ１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１は、略円盤状をなしている。インペラ１は、その軸線Ｏの方向の一方側に開口された導入口３より吸入された流体を、インペラ１の内部に形成された流路１０５（図１参照）を介して径方向の外側の排出口４から放出するように構成されている。
各インペラ１は、回転軸１０１の回転による遠心力を利用してケーシング１０２に形成された上流側の流路１０５から供給されるガスＧを下流側の流路１０５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１０２には、回転軸１０１の軸線Ｏの方向の前方側（Ｆ）に、外部からガスＧを流入させるための吸込口１０６が形成されている。また、ケーシング１０２には、軸線Ｏの方向の後方側（Ｂ）に、外部へガスＧを流出させるための排出口１０７が形成されている。

遠心圧縮機１００は、回転軸１０１が回転すると、吸込口１０６からガスＧが流路１０５に流入して、このガスＧがインペラ１によって段階的に圧縮されて排出口１０７から排出される。図１においては、回転軸１０１にインペラ１が直列に６個設けられる例を示しているが、回転軸１０１に対して少なくとも１個のインペラ１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１０１にインペラ１が１つだけ設けられている場合を例にして説明する。

［インペラ１の構成］
図２、図３に示すように、インペラ１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、嵌合されることで回転軸１０１に取り付けられている。ディスク部３０は、図３に示すように、軸線Ｏに直交する接合層ＣＬにより軸線Ｏの方向に二分割された第一ディスク部３１と第二ディスク部３５とを備えている。軸線Ｏの方向の一方側の部位である第一ディスク部３１と軸線Ｏの方向の他方側の部位である第二ディスク部３５とは、接合層ＣＬで接合されている。

第一ディスク部３１は、軸線Ｏを中心とした略円筒状をなしている。第一ディスク部３１は、軸線Ｏの前方側（Ｆ）の前端部３３の側に、回転軸１０１に締め代をもって嵌合されるグリップ部Ａを備えている。ここで、グリップ部Ａにおいて第一ディスク部３１を回転軸１０１に締め代をもって嵌合させるには、冷やし嵌めや、焼き嵌めを適用できる。この実施形態におけるインペラ１は、グリップ部Ａのみで回転軸１０１に固定されている。
第一ディスク部３１は、軸線Ｏの後方側（Ｂ）に向かって漸次拡径する外周面３４を備えている。この外周面３４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。
第一ディスク部３１は、軸線Ｏの後方側（Ｂ）の後端面３２が摩擦圧接による接合層ＣＬを介して第二ディスク部３５に接合されている。

第二ディスク部３５は、軸線Ｏの方向で前端部３３の側とは反対側となる後端部３６の側から径方向の外側に向かって延びる円盤状に形成されている。
第二ディスク部３５は、その前端面３７の内径側領域３８が、第一ディスク部３１の後端面３２と接合層ＣＬを介して接合されている。これら後端面３２と前端面３７の内径側領域３８とは、軸線Ｏに直交する接合層ＣＬを構成している。

接合層ＣＬは、摩擦圧接により形成されるものであるが、摩擦圧接による第一ディスク部３１と第二ディスク部３５の接合方法については、後述する。

ブレード部４０は、図２に示すように、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、図３に示すように、略一定の板厚で形成されてディスク部３０の前端面３７から軸線Ｏの方向の前方側（Ｆ）に向かって突出して形成されている。また、ブレード部４０は、側面視で径方向の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の方向から見て、ディスク部３０の径方向の外側に向かうにつれてインペラ１の回転方向Ｒの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の方向から見て回転方向Ｒの後側に向かって凹状に湾曲して形成されている。ここでは、ブレード部４０が軸線Ｏの方向から見て湾曲して形成される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Ｒの後方側に延在されていればよく、例えばブレード部４０を軸線Ｏの方向から見て直線的に形成してもよい。

カバー部５０は、図３に示すように、ディスク部３０と対向配置され、軸線Ｏの方向における前端部３３の側からブレード部４０を覆っている。
カバー部５０は、軸線Ｏの方向における後端面５２がブレード部４０の前側縁４１に一体的に形成されている。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、径方向の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４２の位置において軸線Ｏの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。

以上のように構成されたインペラ１は、ブレード部４０の径方向の内側に、接合層ＣＬが配置されている。また、第一ディスク部３１の前端部３３は、屈曲部５１の前端縁５３よりも軸線Ｏの方向の前方側（Ｆ）に突出して配置されている。さらに、インペラ１は、第一ディスク部３１の外周面３４、第二ディスク部３５の前端面３７、ブレード部４０の側面４３、及び、カバー部５０の後端面５２によってガスＧが流れる流路１０５が形成されている。

インペラ１は、第一ディスク部３１が第一セグメントＳＧ１を構成し、第二ディスク部３５と、ブレード部４０と、カバー部５０と、が第二セグメントＳＧ２を構成する。

本実施形態のインペラ１は、第一セグメントＳＧ１及び第二セグメントＳＧ２が金属材料、例えばＪＩＳＳＵＳ６３０のような析出硬化型ステンレス鋼により構成される。

［インペラ１の製造方法］
次に、上述したインペラ１の製造方法について図４〜図６を参照しながら説明する。
まず、第一ディスク部３１（第一セグメントＳＧ１）を、鋳造や切削等により作製する（図４（ａ），図６ステップＳ1０１）。
ここで、第一ディスク部３１と第二ディスク部３５の摩擦圧接の際に、第一ディスク部３１と第二ディスク部３５の少なくとも一方が回転運動する必要があり、この回転運動を実現するために、図４（ｂ）に示すように、第一ディスク部３１に回転力を与える駆動軸５５を取り付ける。第一ディスク部３１は、駆動軸５５を取り付けるための固定端３９を備える。固定端３９は、ボルト５６が挿通されるボルト孔３９Ｈが表裏を貫通して形成されている。この固定端３９は、第一ディスク部３１と第二ディスク部３５の摩擦圧接の作業が終わると除去される。

また、第二ディスク部３５、ブレード部４０及びカバー部５０が一体となった第二セグメントＳＧ２を作製する（図４（ａ），図６ステップＳ１０３）。第二セグメントＳＧ２は、鋳造された母材を切削することで一体的に形成される。
なお、ここでは便宜上、第一セグメントＳＧ１、第二セグメントＳＧ２の順で作製することにしているが、この作製の順は逆であってもよい。

次に、第一セグメントＳＧ１と第二セグメントＳＧ２を摩擦圧接で接合する（図６ステップＳ１０５）。摩擦圧接による接合は以下の手順を経る。
はじめに、第一ディスク部３１に駆動軸５５を取り付ける（図４（ｂ））。駆動軸５５の取付けは、駆動軸５５を第一ディスク部３１の開口から駆動軸５５を第一ディスク部３１の内部に、駆動軸５５の先端が固定端３９に突き当たるまで挿入する。次いで、固定用のボルト５６を固定端３９に形成されたボルト孔３９Ｈを差し入れて、駆動軸５５に形成されているねじ孔５５Ｈにねじ込む（図４（ｂ））。
次に、駆動軸５５が固定された第一ディスク部３１を、後端面３２と前端面３７の内径側領域３８とが接するように、第二ディスク部３５に組み付ける。駆動軸５５は第二ディスク部３５の回転軸１０１が挿通される挿通孔３０Ｈに挿入される。駆動軸５５は第一セグメントＳＧ１及び第二セグメントＳＧ２の挿通孔３０Ｈを通って外部に引き出されるので、駆動軸５５の大部分は第一セグメントＳＧ１及び第二セグメントＳＧ２の内部に隠れる。

次に、接合層ＣＬに対応する後端面３２と前端面３７の内径側領域３８との間（以下、接合面）に摩擦圧力を付与しながら、電動モータなどの回転駆動源を用いて駆動軸５５を高速回転させる（図５（ａ））。駆動軸５５に固定されている第一ディスク部３１は駆動軸５５の回転に伴って高速で回転する（図６Ｓ１０５）。なお、第二セグメントＳＧ２は回転が拘束されている。

駆動軸５５の回転を継続すると、接合面は摩擦熱により温度が上昇し、高温層が形成される。この後に、駆動軸５５の回転を急停止し、それまでの摩擦圧力よりも高い圧力を接合面に加え、所定時間だけ保持することで、接合面は高温・高圧のもとで固相接合が行われる。第一ディスク部３１と第二ディスク部３５は、接合面を介して原子間引力により強固に接合される。

以上のようにして、第一ディスク部３１と第二ディスク部３５の摩擦圧接の作業を終えると、第一ディスク部３１から駆動軸５５を取り外し、さらに、第一ディスク部３１から固定端３９の部分を切削により取り除く（図５（ｂ））。
また、第一セグメントＳＧ１の外周面及び内周面を機械加工して表面精度を仕上げる。特に、図示を省略しているが、摩擦圧接により接合層ＣＬには外径側及び内径側にばりが生ずるので、このばりを取り除く必要がある。この機械加工のために、摩擦圧接に供される第一セグメントＳＧ１の内径を最終寸法よりも小さく、かつ、外径を最終寸法よりも大きく作製し、加工代を設けておくことが好ましい。
以上の機械加工を経て、第一セグメントＳＧ１と第二セグメントＳＧ２が摩擦圧接で接合された組付体が得られる。

次いで、この組付体を回転軸１０１に嵌合する（図６ステップＳ１０７）。この嵌合は、焼嵌めにより行うことができる。焼嵌めは、第一セグメントＳＧ１を加熱することで径方向に熱膨張させてから回転軸１０１に嵌合する。第一セグメントＳＧ１が室温まで冷却されると、第一セグメントＳＧ１と回転軸１０１は締め代をもって嵌合される。

［本実施形態の効果］
以上説明したように、インペラ１は、第一セグメントＳＧ１と第二セグメントＳＧ２を摩擦圧接による接合層ＣＬで接合する。摩擦圧接は、摩擦撹拌接合では十分な接合強度が得られないステンレス鋼を第一セグメントＳＧ１及び第二セグメントＳＧ２に用いても十分な接合強度が得られる。
また、摩擦圧接は摩擦熱により高温に加熱される部分があるものの、接合層ＣＬ及びその近傍に限られるので、ろう付けのように部材全体を炉内で加熱するのに比べて、熱的な影響を受ける範囲が狭い。したがって、インペラ１によれば、接合に伴う材料特性の変化を最小限に抑えることができるとともに、熱が加わることによる変形を抑えることができる。したがって、本実施形態によれば、形状及び寸法の精度が高いインペラ１を得ることができる。

また、ろう付けの場合、インペラを熱処理炉に投入してからろう付けが完了するまでの作業が複数日を要するのに比べて、摩擦圧接で接合すること自体は数分のレベルで終了するので、本実施形態によれば、インペラ１を短時間で製造できる。

また、本実施形態によるインペラの製造方法は、第一セグメントＳＧ１を構成する第一ディスク部３１に駆動軸５５を固定して、駆動軸５５を介して第一ディスク部３１を回転させる。通常、摩擦圧接において回転させる部材は駆動軸の先端に設けられるチャックで支持されるが、本実施形態によれば、そのようなチャックを備えることなく摩擦圧接を実現できる。

また、本実施形態によるインペラの製造方法は、第一ディスク部３１に一体的に形成した固定端３９に駆動軸５５を固定するが、固定端３９が設けられる部分は最終的に第一ディスク部３１にとって不必要な部分であり、除去すればインペラ１にとって何ら障害とならない。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

例えば、本実施形態では第一セグメントＳＧ１に駆動軸５５を取り付けて第一セグメントＳＧ１を回転させるが、第二セグメントＳＧ２を回転させてもよい。ただし、第二セグメントＳＧ２に比べて第一セグメントＳＧ１の方が軽量であるから、本実施形態のように第一セグメントＳＧ１を回転させる方が回転に要するエネルギが少なくて済む。

また、実施形態では、駆動軸５５を第一セグメントＳＧ１及び第二セグメントＳＧ２の回転軸１０１が挿通される挿通孔３０Ｈを通って、第二セグメントＳＧ２の外部に引き出されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、固定端３９の外表面に駆動軸５５を固定して、駆動軸５５を第一セグメントＳＧ１及び第二セグメントＳＧ２の外部に配置されるようにしてもよい。

１インペラ
３導入口
３０ディスク部
３０Ｈ挿通孔
３１第一ディスク部
３２後端面
３３前端部
３４外周面
３５第二ディスク部
３６後端部
３７前端面
３８内径側領域
３９固定端
３９Ｈボルト孔
４０ブレード部
４１前側縁
４２内側端
４３側面
５０カバー部
５１屈曲部
５２後端面
５３前端縁
５５駆動軸
５５Ｈねじ孔
５６ボルト
１００遠心圧縮機
１０１回転軸
１０２ケーシング
１０３ジャーナル軸受
１０４スラスト軸受
１０５流路
１０６吸込口
１０７排出口
Ａグリップ部
ＣＬ接合層
Ｇガス
ＳＧ１第一セグメント
ＳＧ２第二セグメント

Claims

軸線の回りに回転する回転軸に固定されるディスク部と、
前記ディスク部に対向配置されるカバー部と、
前記ディスク部と前記カバー部との間に設けられる複数のブレード部と、を備え、
前記ディスク部の前記軸線の一方側の部位である第一ディスク部から構成される第一セグメントと、
前記ディスク部の前記軸線の他方側の部位である第二ディスク部と、前記カバー部と、
前記ブレード部と、が一体的に構成される第二セグメントと、
前記第一セグメントの前記第一ディスク部と前記第二セグメントの第二ディスク部を接合する接合層と、を備えるインペラの製造方法であって、
前記第一セグメントに回転力を与える駆動軸を固定し、
前記駆動軸は、前記第一セグメント及び前記第二セグメントの前記回転軸が挿通される挿通孔を通って、前記第二セグメントの外部に引き出され、
前記駆動軸を回転するとともに、前記駆動軸を介して前記第一ディスク部と前記第二ディスク部の間に摩擦圧力を付与し、
前記第一セグメントの前記第一ディスク部と前記第二セグメントの前記第二ディスク部を、前記接合層に対応する部位を突き合わせて摩擦圧接し、
前記摩擦圧接がなされた後に、前記駆動軸は取り除かれる、
ことを特徴とするインペラの製造方法。
前記駆動軸は、前記第一セグメントに設けられ、ボルト孔を備える固定端にボルトを介して固定され、
前記摩擦圧接を終えると、前記駆動軸は前記固定端とともに前記第一セグメントから取り除かれる、
請求項１に記載のインペラの製造方法。