(57)【要約】      （修正有）【課題】疲労強度に優れるインペラを提供すること。【解決手段】本発明のインペラ１は、軸線Ｏの回りに回転する回転軸１０１に固定されるディスク部３０と、ディスク部３０に対向配置されるカバー部５０と、ディスク部３０とカバー部５０との間に設けられる複数のブレード部４０と、を備え、それぞれのブレード部４０の先端における、ディスク部３０との境界部の表層、及び、カバー部５０との境界部の表層に圧縮残留応力層ＣＲＳが設けられる、ことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
それぞれの前記ブレード部の先端における、前記ディスク部との境界部の表層、及び、前記カバー部との境界部の表層に圧縮残留応力層が設けられる、
ことを特徴とするインペラ。
【請求項２】
前記ディスク部との前記境界部は、前記ブレード部と前記ディスク部が一体に形成されているか、接合されており、
前記カバー部との前記境界部は、前記ブレード部と前記カバー部が一体に形成されているか、接合されている、
請求項１に記載のインペラ。
【請求項３】
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、を備えるインペラの製造方法であって、
前記ブレード部の先端における、前記ディスク部との境界部の表層、及び、前記カバー部との境界部の表層に、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与する、
ことを特徴とするインペラの製造方法。
【請求項４】
前記ショットピーニングによる圧縮残留応力の付与は、
第一の粒径を有する第一ショットを用いて前記ショットピーニングする第一ステップと、
前記第一の粒径より小さい第二の粒径を有する前記ショットを用いて前記ショットピーニングする第二ステップと、の少なくとも二段階で行われる、
請求項３に記載のインペラの製造方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載のインペラを備えることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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ている。
【０００３】
インペラは、回転時に生じる遠心力により引張応力が作用し、この引張応力が材料強度を超えるとインペラが破損することになる。そこで、この引張応力に対向するために、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されるように、インペラに圧縮応力を付与することが提案されている。
特許文献１及び特許文献２は、回転軸が嵌合される嵌合孔に差し込んだ冶具によって嵌合孔の内部からインペラを径方向の外側に向けて押圧することにより、インペラに圧縮残留応力を付与する。引用文献１及び引用文献２は、最大外径部分の根元が回転時に最も引張応力の影響を受けやすいことから、この根本に圧縮残留応力を付与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０１７７１３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０４３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インペラは、材料強度を超える引張応力が加わらなくても、疲労により破損することもある。
そこで本発明は、疲労強度に優れるインペラ及びその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】
本発明のインペラは、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、それぞれのブレード部の先端における、ディスク部との境界部の表層、及び、カバー部との境界部の表層に圧縮残留応力層が設けられている、ことを特徴とする。
【０００７】
本発明のインペラにおいて、ディスク部との境界部は、ブレード部とディスク部を一体に形成することもできるし、接合することもできる。接合するということは、ディスク部とブレード部を別体として作製することを前提とする。カバー部との境界部についても同様であり、ブレード部とカバー部を一体に形成することもできるし接合することもできる。接合するということは、ブレード部とカバー部を別体として作製することを前提とする。
【０００８】
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、を備えるインペラの製造方法であって、ブレード部のブレード先端における、ディスク部との境界部の表層、及び、カバー部との境界部の表層に、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与する、ことを特徴とする。
【０００９】
本発明におけるショットピーニングによる圧縮残留応力の付与は、第一の粒径を有する第一ショットを用いてショットピーニングする第一ステップと、第一の粒径より小さい第二の粒径を有するショットを用いてショットピーニングする第二ステップと、の少なくとも二段階で行われる、ことが好ましい。
【００１０】
また、本発明によれば、以上説明したインペラを備える回転機械が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のインペラによれば、疲労による破損が生じやすいブレードの先端に残留圧縮応力層を設けるので、インペラの継続的な運転に対する疲労強度を向上できる。
また、本発明のインペラの製造方法によれば、圧縮残留応力をショットピーニングで付与するので、クローズドインペラであっても容易に当該先端に限定して圧縮残留応力を付与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における遠心圧縮機の断面図である。
【図２】本実施形態におけるインペラを示す斜視図である。
【図３】本実施形態におけるインペラを示す断面図である。
【図４】本実施形態におけるインペラの製造方法を示す図である。
【図５】本実施形態におけるインペラに付与された圧縮残留応力と表層からの深さの関係を示すグラフであり、（ａ）は一段階のショットピーニングを行う場合を示し、（ａ）は二段階のショットピーニングを行う場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の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、第１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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
遠心圧縮機１００によれば、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６個のインペラ１が直列に設けられた例を示しているが、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。
【００１７】
［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、径方向の外側から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。第一ディスク部３１と第二ディスク部３５とは、接合層ＣＬで接合されている。この接合層ＣＬは、接着剤、摩擦圧接により構成するのが好ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、図３に示すように、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。
【００２１】
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一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い。例えばブレード部４０は軸線Ｏの方向から見て直線的に形成されていてもよい。
【００２２】
カバー部５０は、図３に示すように、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は、互いに対向配置されるディスク部３０と同様に、径方向の外側の厚さ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。
【００２３】
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。
【００２４】
以上説明したインペラ１は、流路１０５の排出口１０７の側、つまりブレード部４０の先端Ｅにおけるディスク部３０（第二ディスク部３５）との境界部の表層、及び、ブレード部４０の先端におけるカバー部５０との境界部分の表層に、圧縮残留応力層が設けられている。圧縮残留応力層が設けられる領域には、図３及び図４にＣＲＳとして示されている。
【００２５】
［圧縮残留応力］
本発明者らの検討によると、インペラ１を継続的に運転すると、図２に示すように、この境界部にその先端Ｅから亀裂Ｃが生じる。図２は、ブレード部４０とディスク部３０との境界部に亀裂Ｃが生じた例を示している。亀裂Ｃが生じた部位の断面を観察したところ、亀裂Ｃはインペラ１の運転に伴って先端Ｅに引張応力が繰り返し作用することによる疲労が原因であることを知見した。そこで、この亀裂Ｃの発生を防止し又は低減するために、インペラ１の当該部分に圧縮残留応力ＣＲＳを付与する。
【００２６】
疲労による破壊は亀裂の発生過程と進展過程に大別される。残留応力は主として亀裂の進展過程に大きな影響を及ぼす。疲労による亀裂進展の機構は、亀裂端の塑性すべりに伴う亀裂の開口（鈍化）と逆方向の応力による亀裂端の再鋭化、次の繰返し応力による新たな塑性すべり、の繰返しによるものであり、亀裂端に新たな塑性すべりが起こらければ亀裂は進展しない。
圧縮残留応力は、亀裂を閉口させることで、亀裂の進展を抑制して疲労強度を向上させる。
【００２７】
圧縮残留応力は、図５（ａ）に示すように、表層からある深さにおいてピークを示すが、ピークを示す位置よりも深くなると圧縮残留応力の値は小さくなり、ある深さを超えると引張残留応力に転じる。このように、インペラ１は、ブレード部４０とディスク部３０の境界部、及び、ブレード部４０とカバー部５０の境界部部分に圧縮応力が残留するので、疲労による亀裂Ｃの発生を防止又は抑制される。
なお、図４（ａ）において、残留応力は正の値が引張りを示し、負の値が圧縮を示している。
【００２８】
［圧縮残留応力の付与方法］
本実施形態は、圧縮残留応力をショットピーニング（Shot Peening）により付与する。圧縮残留応力を付与するには、ショットピーニング以外の手段、例えば焼き入れ、窒化処理といった表面処理を採用できるが、ブレード部４０の先端近傍に限定して圧縮残留応力を付与するには、ショットピーニングが有効である。
【００２９】
ショットピーニングは、多数の微小な球状粒子、典型的には金属球を高速度で金属表面に衝突させる機械加工の一種であり、この金属球をショットという。一般的にはショットは被加工材よりも固いので、ショットが高速度で被加工材の表面に衝突すると、被加工材の表面がへこみ、丸いくぼみが残る。したがって、ショットピーニングを行った面は梨子地模様となるが、表面に圧縮残留応力が付与されるのに加えて、ショットピーニングする前よりも表面の硬さが増す。本実施形態は、圧縮残留応力層をブレード部４０の先端に設けることにより、当該部分における亀裂の発生または進展を防ぐことができる。
【００３０】
ショットピーニングには、ショットを投射する手段に基づいて、インペラ方式と圧縮エアノズル方式があるが、高い圧縮残留応力を得るには圧縮エアノズル方式が適している。
図４は、圧縮エアノズル方式によりインペラ１にショットピーニングを行う様子を示している。図４に示すように、エアノズル１１０をインペラ１に向けて配置し、エアノズル１１０からショットＳを投射する。具体的には、ショットピーニングは、エアノズル１１０をブレード部４０の先端Ｅにおけるディスク部３０の境界部に向けてショットＳを投射し、また、エアノズル１１０をブレード部４０の先端Ｅにおけるカバー部５０の境界部に向けてショットＳを投射する。
【００３１】
ショットピーニングに用いられるショットＳには、一般的には粒径（直径）が０．２ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲のものが用いられるが、より微細な粒径０．０４〜０．２ｍｍのショットを用いる微粒子ピーニング（Fine Particle Peening）も存在する。本実施形態には、一般的な粒径によるショットピーニング及び微粒子ピーニングの一方又は双方を適用できる。
【００３２】
一般的なショットピーニングと微粒子ピーニングの主たる相違は、圧縮残留応力のピークが生じる深さに現れる。つまり、微粒子ピーニングの方が一般的な粒径のショットピーニングに比べて圧縮残留応力のピークが生じる位置が表面に近い。具体的には、微粒子ピーニングの場合、ピークの深さが例えば０．０１ｍｍ程度であるのに対して、上述した一般的な粒径によるショットピーニングの場合、ピークの深さが例えば０．０５ｍｍ程度である。つまり、微粒子ピーニングによる圧縮残留応力は表層から相対的に浅い範囲に与えられ、一般的な粒径によるショットピーニングによる圧縮残留応力は表層から相対的に深い範囲に加えられる。
【００３３】
そこで、本実施形態においては、この粒径の異なるショットを二段階に分けて投射する二段階ショットピーニングを適用できる。二段階ショットピーニングを行うことにより、図５（ｂ）に二段階として示すように、一般的な粒径のショットによるショットピーニングによる圧縮残留応力と微粒子ショットピーニングによる圧縮残留応力が重畳された圧縮残留応力が付与される。つまり、圧縮残留応力によるピークが深さ方向の異なる二箇所に生じるので、より広い深さ方向の範囲に圧縮残留応力を付与できる。
【００３４】
二段階のショットピーニングを行う場合、第一ステップとして一般的な粒径（第一の粒径）によるショットピーニングを行い、次いで、第二ステップとして微粒子（第二の粒径）ショットピーニングを行うことが好ましい。
なお、それぞれ異なる粒径のショットを用いて三段階以上のショットピーニングを行うこともできる。
【００３５】
［効  果］
以上説明したインペラ１及びその製造方法により得られる効果について説明する。
本実施形態のインペラ１は、ブレード部４０の先端Ｅであって、第一ディスク部３１との境界部及びカバー部５０との境界部に圧縮残留応力層が設けられている。したがって、インペラ１によれば、疲労により亀裂が生じやすい当該境界部の疲労強度が向上し、亀裂の発生及び進展を防止できるので、インペラ１を長寿命化できる。また、当該境界部に圧縮残留応力が付与されているので、当該境界部の対応力腐食割れ性を向上できる。
特に、インペラ１は、亀裂が生じやすい当該先端部に限定して圧縮残留応力を付与するので、効率よく亀裂の発生及び進展を防止できる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、ショットピーニングを用いるので、エアノズル１１０からブレード部４０の先端Ｅに向けてショットＳを投射することで、クローズドインペラであっても容易に当該先端に限定して圧縮残留応力を付与できる。
【００３７】
上記以外にも、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、本実施形態におけるインペラ１は、ディスク部３０を第一ディスク部３１と第二ディスク部３５に区分し、かつ、第二ディスク部３５とブレード部４０、カバー部５０を一体に成形された構造を有するが、本発明のインペラはこれに限定されない。例えば、本発明は、一体に形成されたディスク部及びブレード部と、これらとは別体として形成されたカバー部と、を接合するインペラにも適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１      インペラ
３      導入口
４      排出口
３０    ディスク部
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
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
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
１１０  エアノズル
Ａ      グリップ部
Ｃ      亀裂
ＣＬ    接合層
ＣＲＳ  圧縮残留応力
Ｅ      先端
Ｇ      ガス
Ｓ      ショット
【図１】
2018168761.tif 000003
【図２】
2018168761.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018168761.tif 000006
【図５】
2018168761.tif 000007