(57)【要約】【課題】母型の形状を変更して羽根車の固有振動数をチューニングすることで、共振回避を図ることができる。【解決手段】製造システム１は、運転条件を入力するための入力部２と、複数種のインペラの母型データＤ２を記憶した第１記憶部３と、運転条件に基づいて第１記憶部３の母型データＤ２より最適な母型の組合せを選定する母型選定部４と、母型データＤ２毎の固有振動数を解析した固有値解析データＤ３を記憶した第２記憶部５と、母型選定部４によって選定された母型に対応する固有値解析データＤ３を第２記憶部５より抽出し、その固有値解析データＤ３に基づいて母型での共振の有無を判定するとともに、ブレード及びディスクのいずれかが共振しているかを判定する共振判定部６と、ブレード及びディスクのうち共振判定部６で判定された共振している一方の部材寸法を算出する部材寸法算定部７とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械に設けられるとともに少なくともブレードとディスクとの部材を有する羽根車を、運転条件に合った母型より製造するための羽根車の製造システムであって、
前記運転条件を入力するための入力手段と、
複数種の羽根車の母型データを記憶した第１記憶手段と、
前記運転条件に基づいて前記第１記憶手段の母型データより最適な母型の組合せを選定する母型選定手段と、
前記母型データ毎の固有振動数を解析した固有値解析データを記憶した第２記憶手段と、
前記母型選定手段によって選定された母型に対応する固有値解析データを前記第２記憶手段より抽出し、その固有値解析データに基づいて母型での共振の有無を判定するとともに、前記羽根車のどの部材が共振しているかを判定する共振判定手段と、
前記部材のうち前記共振判定手段で判定された共振している一つの部材寸法を算出する部材寸法算定手段と、
を備えていることを特徴とする羽根車の製造システム。
【請求項２】
前記母型選定手段には、選定された母型での回転機性能を演算し、前記運転条件を満たすか否かを判定する性能判定部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の羽根車の製造システム。
【請求項３】
前記母型選定手段には、選定された母型での回転機強度を演算し、所定の強度条件を満たすか否かを判定する強度判定部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の羽根車の製造システム。
【請求項４】
回転機械に設けられるとともに少なくともブレードとディスクとの部材を有する羽根車を、運転条件に合った母型より製造するための羽根車の製造方法であって、
回転機械の運転条件を入力手段により入力するステップと、
入力された前記運転条件に基づいて、予め第１記憶手段に記憶された羽根車の母型データから最適な母型の組合せを選定するステップと、
共振判定手段において、予め第２記憶手段に記憶された前記母型データ毎の固有振動数を解析した固有値解析データを、前記母型選定手段によって選定された母型に対応させて前記第２記憶手段より抽出し、その固有値解析データに基づいて母型での共振の有無を判定するとともに、前記羽根車のどの部材が共振しているかを判定するステップと、
前記部材のうち前記共振判定手段で判定された共振している一つの部材寸法を算出するステップと、
を有していることを特徴とする羽根車の製造方法。
【請求項５】
母型の組合せを選定する前記ステップでは、選定された母型での回転機性能を演算し、前記運転条件を満たすか否かが判定されることを特徴とする請求項４に記載の羽根車の製造方法。
【請求項６】
母型の組合せを選定する前記ステップでは、選定された母型での回転機強度を演算し、前記強度条件を満たすか否かが判定されることを特徴とする請求項４又は５に記載の羽根車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばインペラ等の輻流翼を有する回転機械に適用される羽根車の製造システムおよび製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、遠心圧縮機等の回転機械を製造する場合には、効率や昇圧といった性能を満足するようにして羽根車の選定が行なわれている。ところが、性能面では基準を満足するものの、共振強度においては設計基準に達しないおそれがあった。とくに、入口ノズルや出口ディフューザ等を励振源とする励振周波数に対して羽根車（インペラ）の固有振動数を離調しておく必要があるが、確実な離調が行なわれていないと共振を起す可能性があった。この場合、共振を回避するために、羽根枚数やノズル枚数、ディフューザ枚数を変更することが行なわれている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、励振源となるインペラの羽根枚数を選択することで共振を回避するものであり、共振時の応答が最大となる節直径モードを共振回避する構成について開示したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１３６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の回転機械の製造方法では、共振回避を図るために最適な羽根車が選定されるまで、羽根枚数やノズル枚数を繰り返し変更する作業が行われるといった手間と時間がかかる手法であることから、より効率的な方法が求められており、その点で改良の余地があった。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、母型の形状を変更して羽根車の固有振動数をチューニングすることで、共振回避を図ることができる羽根車の製造システムおよび製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る羽根車の製造システムでは、回転機械に設けられるとともに少なくともブレードとディスクとの部材を有する羽根車を、運転条件に合った母型より製造するための羽根車の製造システムであって、運転条件を入力するための入力手段と、複数種の羽根車の母型データを記憶した第１記憶手段と、運転条件に基づいて第１記憶手段の母型データより最適な母型の組合せを選定する母型選定手段と、母型データ毎の固有振動数を解析した固有値解析データを記憶した第２記憶手段と、母型選定手段によって選定された母型に対応する固有値解析データを第２記憶手段より抽出し、その固有値解析データに基づいて母型での共振の有無を判定するとともに、羽根車のどの部材が共振しているかを判定する共振判定手段と、部材のうち共振判定手段で判定された共振している一つの部材寸法を算出する部材寸法算定手段とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係る羽根車の製造方法では、回転機械に設けられるとともに少なくともブレードとディスクとの部材を有する羽根車を、運転条件に合った母型より製造するための羽根車の製造方法であって、回転機械の運転条件を入力手段により入力するステップと、入力された運転条件に基づいて、予め第１記憶手段に記憶された羽根車の母型データから最適な母型の組合せを選定するステップと、共振判定手段において、予め第２記憶手段に記憶された母型データ毎の固有振動数を解析した固有値解析データを、母型選定手段によって選定された母型に対応させて第２記憶手段より抽出し、その固有値解析データに基づいて母型での共振の有無を判定するとともに、羽根車のどの部材が共振しているかを判定するステップと、部材のうち共振判定手段で判定された共振している一つの部材寸法を算出するステップとを有していることを特徴としている。
【０００８】
本発明では、母型選定手段により選定された母型（母型組合せデータ）に対応する固有値解析データと、例えば所定回転数で運転される回転機械の励振周波数を示した運転ラインとを振動特性線図において比較し、母型の固有振動数の運転ラインに対する近接度（離調率）が算出され、所定の離調率より小さい固有振動数については共振の可能性が有るものと判断され、その固有振動数が例えばディスク及びブレードのどちらの部材の影響によるものかが判定される。次いで、ブレード及びディスクの部材のうち判定された共振している一方の最適な羽根車の部材寸法が算出され、算出した部材寸法に合わせて羽根車の基本形状となる母型に加工を施して形状変更することができる。例えば、基本形状（母型）のブレード形状を流線に沿って形状変更することで、羽根車の周速（直径寸法）を変えることなく、固有振動数のチューニングが可能となる。
さらに、本発明では、羽根車の基本形状（母型）を複数種用意しておき、それらの中から適宜な母型を選定して形状変更する手法によるので、羽根車の母型の標準化が図れるという効果を奏する。
【０００９】
また、本発明に係る羽根車の製造システムでは、母型選定手段には、選定された母型での回転機性能を演算し、運転条件を満たすか否かを判定する性能判定部が設けられることが好ましい。
また、本発明に係る羽根車の製造方法では、母型の組合せを選定するステップでは、選定された母型での回転機性能を演算し、運転条件を満たすか否かが判定されることが好ましい。
【００１０】
本発明では、運転条件を満たすようにして母型を性能判定することで、最適な母型（母型の組合せ）を選定することができる。
【００１１】
また、本発明に係る羽根車の製造システムでは、母型選定手段には、選定された母型での回転機強度を演算し、所定の強度条件を満たすか否かを判定する強度判定部が設けられることが好ましい。
また、本発明に係る羽根車の製造方法では、母型の組合せを選定するステップでは、選定された母型での回転機強度を演算し、強度条件を満たすか否かが判定されることが好ましい。
【００１２】
本発明では、強度条件を満たすようにして母型を強度判定することで、より最適な母型（母型の組合せ）を選定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の羽根車の製造システムおよび製造方法によれば、共振を回避した最適な羽根車の部材寸法を算出し、その寸法に合わせて羽根車の基本形状となる母型に加工を施して変更することで、固有振動数をチューニングすることができる。そして、母型の基本設計を変更せずに済むことから、従来のように最適な羽根車を選定するまでに設計検討を繰り返す手間がなくなり、作業を簡略化することができ、製造に係る時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態によるインペラの構成を示す側面図である。
【図２】インペラの製造システムの概略構成を示す図である。
【図３】振動特性線図の一例を示す図である。
【図４】インペラの製造フローを示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は母型の形状変更方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態による羽根車の製造システムおよび製造方法について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１に示す符号１０は、遠心圧縮機などの回転機械に設けられるクローズドタイプのインペラ（羽根車）であって、本実施の形態による製造システム１および製造方法の適用対象となっている。そして、図１のインペラ１０おいて、符号１１がディスク、符号１２がブレード、符号１３がカバーを示している。
【００１６】
図１および図２に示すように、製造システム１は、運転条件（運転条件データＤ１）を入力するための入力部２（入力手段）と、複数種のインペラ１０の母型データＤ２を記憶した第１記憶部３（第１記憶手段）と、運転条件に基づいて第１記憶部３の母型データＤ２より最適な母型の組合せを選定する母型選定部４（母型選定手段）と、母型データＤ２毎の固有振動数を解析した固有値解析データＤ３を記憶した第２記憶部５（第２記憶手段）と、母型選定部４によって選定された母型に対応する固有値解析データＤ３を第２記憶部５より抽出し、その固有値解析データＤ３に基づいて母型での共振の有無を判定するとともに、ディスク１１、ブレード１２、及びカバー１３（本発明の羽根車の部材に相当）のいずれかが共振しているかを判定する共振判定部６（共振判定手段）と、ディスク１１、ブレード１２、及びカバー１３のうち共振判定部６で判定された共振している一つの部材寸法を算出する部材寸法算定部７（部材寸法算定手段）とを備えて概略構成されている。
ここで、「母型」とは、相似設計で基準とするインペラ形式のことをいう。また、上記、ディスク１１、ブレード１２、及びカバー１３は、本発明の羽根車の部材に相当する。
【００１７】
そして、本実施の形態では、部材寸法算定部７で算出されたインペラ１０の最適な部材寸法に基づいて、例えばブレード１２のカバー側端面１２ａ、或いはディスク側端面１２ｂを適宜な位置、形成変更量（例えば、削り量、肉盛量など）で加工を施して製造されるようになっている（図５参照）。母型の形状変更方法については、後述するのでここでは省略する。
【００１８】
入力部２によって入力される回転機械の運転条件データＤ１としては、例えば流量、吸込圧力、吸込温度、吐出圧力、ガス仕様等が挙げられる。
そして、第１記憶部３に蓄積されるインペラ１０の母型データＤ２は、羽根枚数、流量係数、効率、限界周速等を変えた複数種の母型パターンからなるデータとなっている。
【００１９】
母型選定部４は、母型段数を設定し、母型を運転条件に応じて選定（ここでは「仮選定」という）するとともに、この仮選定された母型での回転機性能を演算し、運転条件を満たすか否かを判定する性能判定部８と、仮選定された母型での回転機強度を演算し、所定の強度条件を満たすか否かを判定する強度判定部９とを備え、これら性能判定部８および強度判定部９での判定により、最適な母型の組合せ（母型組合せデータＤ４）を選定できるようになっている。
【００２０】
さらに具体的に母型選定部４では、性能判定部８において、運転条件データＤ１に基づいて必要な揚程が算出され、さらにインペラの外径寸法、圧力係数、周速等を仮定し、前記算出した揚程を満足する段数が選定されるとともに、機械マッハ数を確認しつつ各段の母型候補が仮選定されるようになっている。さらに、性能判定部８では、運転条件から計算される流量係数が選定された母型に対してマッチングするどうかの確認が行われる。
【００２１】
また、母型選定部４によって選定された母型組合せデータＤ４としては、段数、母型名、インペラの外径、運転範囲となる回転数、ノズル枚数などである。つまり、多段の場合には、段毎に好適な母型が選定されることになる。
【００２２】
第２記憶部５には、上述したように母型データＤ２の各母型の固有振動数や、振動モード、すなわち、ディスク１１の影響によるもの（ディスク主体モード）か、ブレード１２の影響によるもの（ブレード主体モード）か、カバー１３の影響によるもの（カバー主体モード）のいずれかであることを解析した固有値解析データＤ３が記憶されている。
【００２３】
共振判定部６では、回転機械の運転範囲内における母型の共振の有無などを判定するものであって、母型選定部４で選定された母型に対応する固有値解析データＤ３を第２記憶部５から抽出し、図３に示す振動特性線図のように、所定回転数で運転される回転機械の励振周波数を示した運転ラインＬに対するその固有値解析データＤ３による固有振動数の離調率を自動で算出し、その離調率が設定された値（例えば６％）より大きいかどうかで共振の有無が判定される。つまり、運転ラインＬに対して、固有振動値が離れている割合（離調率）で共振回避を評価する構成となっている。ここで、離調率は、（固有振動数−励振周波数）／励振周波数×１００により算出される。さらに、共振の可能性のある固有振動値の特性から振動モード、すなわちブレード主体モードかディスク主体モードか、カバー主体モードかが判定されることになる。
【００２４】
部材寸法算定部７は、上述した共振判定部６の共振判定の結果、離調が必要な場合、すなわち共振の可能性がある固有振動値が存在する場合には、上述した図３に示した振動特性線図からもわかるように離調が必要な振動モード（ディスク１１か、ブレード１２か、カバー１３か）がわかるので、この振動モードに応じて形状変更に必要な位置とその変更する必要量が自動的に算出されるようになっている。
【００２５】
次に、実施の形態によるインペラの製造方法について、図４の製造フローなどを用いて具体的に説明する。なお、以下の説明では、共振判定部６において判定される振動モードに関して、カバー主体モードの判定を省略し、ブレード主体モードかディスク主体モードのみの判定とする。
【００２６】
図２及び図４に示すように、先ず、入力部２により例えば流量、吸込圧力、吸込温度、吐出圧力、ガス仕様等の運転条件（運転条件データＤ１）を入力する（ステップＳ１）。
次に、ステップＳ２では、母型選定部４の性能判定部８において、入力された運転条件データＤ１に基づいて、予め第１記憶部に記憶されたインペラ１０（図１参照）の母型データＤ２から母型の段数と、各段の母型候補が仮選定される。
【００２７】
さらに、性能判定部８において、仮選定された母型での回転機性能を演算し、運転条件を満たすか否かが判定される（ステップＳ３）。つまり、運転条件データＤ１に基づいて必要な揚程が算出され、さらにインペラの外径寸法、圧力係数、周速等を仮定し、前記算出した揚程を満足する段数が選定されるとともに、機械マッハ数（例えば１．０未満）を確認しつつ各段の母型候補が選定され、さらに、運転条件データＤ１から計算される流量係数が仮選定された母型に対してマッチングするどうかの確認が行われる。また、限界周速を遠心応力により制限するように設定したり、さらに車室の大きさを考慮してインペラ外径と軸方向の長さを設定することができる。これらの評価によって良い判定の場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）にはステップＳ４へ進み、不良と判定された場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、ステップＳ２に戻って再度、仮選定が行なわれることになる。
【００２８】
次に、ステップＳ４では、強度判定部９において、上述した仮選定された母型での回転機強度を演算し、所定の強度条件を満たすか否かが判定される。この判定により良い判定の場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）にはステップＳ６へ進み、最適な母型の組み合せ（母型組合せデータＤ４）が選定されることになる（ステップＳ５）。一方、強度判定部９で不良と判定された場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ステップＳ２に戻って再度、仮選定が行なわれる。
【００２９】
次に、ステップＳ６では、共振判定部６において、母型選定部４によって選定された母型に対応する固有値解析データＤ３（予め第２記憶部５に記憶された母型データＤ２毎の固有振動数を解析したデータ）を第２記憶部５より抽出し、この固有値解析データＤ３に基づいて母型での共振の有無を判定する（ステップＳ７）。
【００３０】
具体的な共振判定方法については、図３に示す振動特性線図を用いて説明する。すなわち、母型選定部４により選定された母型（母型組合せデータＤ４）に対応する固有値解析データＤ３と、所定の回転数で運転される回転機械の励振周波数により算出された運転ラインＮとを振動特性線図において比較する。ここで、図３に示す振動特性線図において、横軸が節直径数、縦軸が振動数であり、符号Ｆ１、Ｆ２の線グラフはそれぞれの母型による固有振動数（図中の白抜きのプロット）を結んだグラフである。
【００３１】
つまり、共振判定部６では、母型の固有振動数の運転ラインＮに対する近接度（離調率）が算出され、所定の離調率より小さい固有振動数については共振の可能性が有るものと判断される。比較判定するための離調率としては例えば離調での１％と、製作誤差による振動のばらつきでの２％、計算誤差による振動のばらつきでの３％とで合計６％と設定することで、離調率６％以上の場合には共振なしと判定し、６％より小さい場合（振動特性線図で符号ｆ１、ｆ２の固有振動数）には共振の可能性有りと判定することができる。
【００３２】
ここで、符号ｆ１を第１固有振動数とし、符号ｆ２を第２固有振動数とする。図３において、ノズル枚数が２０枚のときには、第１固有振動数ｆ１が運転ラインＮ上の符号２０Ｈに対して離調されていない状態となっている。また、ノズル枚数が１４枚のときには、第２固有振動数ｆ２が運転ラインＮ上の符号１４Ｈに対して離調されていない状態となっている。つまり、ノズル枚数が１４枚の場合には、第２固有振動数ｆ２と符号１４Ｈとが共振条件を満足するため離調が必須となるが、第１固有振動数ｆ１と符号２０Ｈとは共振条件を満足しないため離調は不要となる。また、ノズルが２０枚の場合には、第１固有振動数ｆ１と符号２０Ｈが共振条件を満足するため離調が必須となるが、第１固有振動数ｆ２と符号１４Ｈとは共振条件を満足しないため離調は不要となる。
【００３３】
そして、この共振判定において、共振なしと判定された場合には、母型の形状に変更を加えることなく、インペラの製造フローは終了となる。一方、共振の可能性ありと判定された場合には、ステップＳ８へ進む。
【００３４】
ステップＳ８では、共振判定部６において、図１に示すブレード１２及びディスク１１のいずれかが共振しているかが判定される。つまり、固有値解析データＤ３の固有振動数がインペラ１０のディスク１１及びブレード１２のどちらの影響が大きいかが判定されることになる。
【００３５】
次いで、部材寸法算定部７において、ブレード１２及びディスク１１のうちステップＳ８で判定された共振している一方の部材寸法が算出される（ステップＳ９）。このインペラの部材寸法は、選定した母型における形状変更すべき位置が固有振動数の位置から算定され、離調率から形状変更に必要な量（削る量、肉盛溶接量など）が算出されることになる。
【００３６】
その後、ステップＳ１０で、部材寸法算定部７で算出した部材寸法に合わせてインペラの基本形状となる母型を削ったり肉盛りする等の加工を施して形状変更し、製造フローが終了となる。ここで、部材寸法算定部７で算出された部材寸法に合わせた具体的な形状変更として、図５（ａ）に示すようにブレード１２のカバー側端面１２ａをブレード１２の流線に沿って図中符号１４の斜線部を削る形状変更や、図５（ｂ）に示すようにブレード１２のディスク側端面１２ｂをブレード１２の流線に沿って図中符号１５の斜線部を削る形状変更や、さらには図５（ｃ）に示すようにブレード１２の両端面（カバー側端面１２ａおよびディスク側端面１２ｂ）を肉盛溶接部１６Ａ、１６Ｂを形成することによる形状変更などが行われる。
【００３７】
このように、本実施の形態では、例えば基本形状（母型）のブレード形状を流線に沿って形状変更することで、インペラ１０の周速（直径寸法）を変えることなく、固有振動数のチューニングが可能となる。
さらに、インペラ１０の基本形状（母型）を複数種用意しておき、それらの中から適宜な母型を選定して形状変更する手法によるので、インペラ１０の母型の標準化が図れるという効果を奏する。
【００３８】
上述した本実施の形態による羽根車の製造システムおよび製造方法では、共振を回避した最適なインペラ１０の部材寸法を算出し、その寸法に合わせてインペラの基本形状となる母型に加工を施して形状変更することで、固有振動数をチューニングすることができる。そして、母型の基本設計を変更せずに済むことから、従来のように最適なインペラを選定するまでに設計検討を繰り返す手間がなくなり、作業を簡略化することができ、製造に係る時間を短縮することができる。
【００３９】
以上、本発明による羽根車の製造システムおよび製造方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態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、本実施の形態では固有振動数をチューニングする方法として、ブレードを削ったり、肉盛溶接を行っているが、このような形状変更に限定されることはなく、例えばディスク１１とブレード１２との接続隅部の溶接によるフィレットの大きさを変更したり、或いはディスク１１の背面側（ブレードとは反対側）を削ることでインペラの軸方向の長さ寸法を短縮するような形状変更であってもかまわない。
【００４０】
また、本実施の形態では母型選定部４に性能判定部８や強度判定部９を備えた構成となっているが、これら性能判定部８や強度判定部９は任意であり、その判定項目も任意に設定することができる。
【００４１】
さらに、本実施の形態ではカバー１３を備えたクローズドタイプのインペラ１０を適用対象としているが、これに限定されることはなく、例えばカバー１３を備えないオープンタイプのインペラを本発明の羽根車の製造システムおよび製造方法による適用対象とすることも可能である。この場合、共振判定部６（共振判定手段）においてディスク１１及びブレード１２のいずれかが共振しているかを判断し、部材寸法算定部７（部材寸法算定手段）においてディスク１１、及びブレード１２のうち共振判定部６で判定された共振している部材寸法が算出されることになる。このオープンタイプのインペラにおける製造方法は、カバー１３の判定に関して省略して説明している上述の実施の形態の製造方法と同様である。
【符号の説明】
【００４２】
１  製造システム
２  入力部（入力手段）
３  第１記憶部（第１記憶手段）
４  母型選定部（母型選定手段）
５  第２記憶部（第２記憶手段）
６  共振判定部（共振判定手段）
７  部材寸法算定部（部材寸法算定手段）
８  性能判定部
９  強度判定部
１０  インペラ（羽根車）
１１  ディスク（部材）
１２  ブレード（部材）
１３  カバー（部材）
Ｄ１  運転条件データ
Ｄ２  母型データ
Ｄ３  固有値解析データ
Ｄ４  母型組合せデータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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