(57)【要約】【課題】  羽根高さと羽根厚さの比が大きい遠心羽根車を、高精度で製作する。【解決手段】  遠心羽根車２０は、円周方向に間隔を置いて形成された複数枚の第１の羽根４を有する側板部材１１と、この第１の羽根に対応して形成された複数枚の第２の羽根２を有する心板部材１０とを、拡散接合で製作される。第１の羽根及び第２の羽根のそれぞれの内側端部をこの遠心羽根車が嵌挿される回転軸８にほぼ平行に形成する。第１の羽根の軸方向端部と第２の羽根の軸方向端部とを対向させて突合せ、この突合せた部分を加熱および加圧してろう材を用いることなく拡散接合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向に間隔を置いて形成された複数枚の第１の羽根を有する側板部材と、この第１の羽根に対応して形成された複数枚の第２の羽根を有する心板部材とから遠心羽根車を製造する遠心羽根車の製造方法において、前記第１の羽根及び第２の羽根のそれぞれの内側端部をこの遠心羽根車が嵌挿される回転軸にほぼ平行に形成し、前記第１の羽根の軸方向端部と前記第２の羽根の軸方向端部とを対向させて突合せ、この突合せた部分を加熱および加圧してろう材を用いることなく拡散接合することを特徴とする遠心羽根車の製造方法。
【請求項２】
前記側板部材の外周側を前記第１の羽根よりも外方に延在させ、前記心板部材の外周側を第２の羽根よりも外方に延在させ、この両延在部にピン穴を形成し、拡散接合時に、前記心板部材と側板部材の内周面に同心円状の治具を配置して心板部材と側板部材との半径方向位置決めをし、前記ピン穴にピンを挿入して心板部材と側板部材との周方向位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の遠心羽根車の製造方法。
【請求項３】
前記心板部材または側板部材の少なくとも一方の背面側を、テーパ状または段差状に形成して加圧治具との間に微小すきまを形成し、加圧治具により第１の羽根と第２の羽根との突合せ部へ負荷される半径方向の圧力を制御可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の羽根車の製造方法。
【請求項４】
円周方向に間隔を置いて形成された複数枚の第１の羽根を有する側板部材と、この第１の羽根に対応して形成された複数枚の第２の羽根を有する心板部材とを備えた遠心羽根車において、前記第１の羽根及び第２の羽根のそれぞれの内側端部は、この遠心羽根車が嵌挿される回転軸にほぼ平行に形成されており、前記第１の羽根及び第２の羽根の軸方向端部は前記回転軸にほぼ垂直に形成されており、前記第１の羽根の軸方向端部と前記第２の羽根の軸方向端部とを対向させて突合せ、この突合せた部分を加熱および加圧してろう材を用いることなく拡散接合して形成したことを特徴とする遠心羽根車。
【請求項５】
前記第１の羽根と第２の羽根を接合してできた羽根の軸方向高さが、前記羽根の厚さの４倍以上あることを特徴とする請求項４に記載の遠心羽根車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心ポンプや遠心圧縮機、送風機に用いる遠心羽根車およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心ポンプや遠心圧縮機の羽根車を拡散接合により形成するときは、接合部の機械的性質は母材と同等以上であることが必要であり、また所期の流体性能を得るには高い寸法精度が要求される。鋼などの金属の拡散接合では、高強度が求められるときは高温かつ高圧の雰囲気中で接合される。このような遠心羽根車の製造方法の例が、非特許文献１に記載されている。
【０００３】
遠心羽根車を拡散溶接または拡散接合により製造する他の例が、特許文献１、２に記載されている。特許文献１には、遠心羽根車の軸方向の羽根高さが高い羽根をも高精度で拡散溶接するために、羽根車の外周上にリング状のストッパを設け、このストッパの高さを所定高さとすることにより、拡散溶接に際しての羽根の変形が所定値となるようにしている。また、特許文献２には、高精度の遠心羽根車やディフューザを拡散接合で製作するために、それぞれ羽根を有する側板と心板とを羽根端面で付き合わせ、その接合面間にろう材を配置して加熱、加圧して拡散接合することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５５−１２５３９４号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平６−２７２６９６号公報
【非特許文献１】Klaus Bouddenberg、“ON THE MANUFACTURE OF IMPELLERS FOR TURBOCOMPRESSORS”、PROCEEDINGS OF THE 15TH TURBOMACHINERY SYMPOSIUM、1986、pp9-24（特に第１５、１６頁、図２１、２２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記非特許文献１に記載の遠心羽根車の製造方法においては、遠心羽根車を高温高圧下で接合するので、羽根の軸方向高さが小さい遠心羽根車を除いて、羽根高さに起因するクリープ変形により座屈する。その結果、高い寸法精度を得ることが困難である。また、羽根の変形を抑えようとして加圧力を低減させると、接合部の機械的性質が不足する。
【０００７】
また、特許文献１に記載の遠心羽根車の製造方法においては、ストッパにより羽根の軸方向高さ寸法精度を維持できるが、材質や羽根の軸方向高さが変わるたびにストッパを変える必要がある。さらに、羽根の軸方向高さが羽根厚さの４倍以上になると、ストッパだけでは羽根の座屈変形を抑制することが困難である。特許文献２に記載の遠心羽根車は、拡散接合面にろう材を介在させているので、ろう材の厚さや接合面の表面粗さ、さらに接合温度や接合時間など接合強度に影響する因子が多く、品質を安定させるには多大な経験を要し、未熟練者が高精度に遠心羽根車を製造することが困難である。その結果、ろう材を介在させない遠心羽根車の製造方法が望まれている。
【０００８】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ろう材などを用いずに寸法精度と接合強度を両立させることにある。本発明の他の目的は、軸方向高さが高い羽根車を拡散接合で高精度に製作することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の特徴は、円周方向に間隔を置いて形成された複数枚の第１の羽根を有する側板部材と、この第１の羽根に対応して形成された複数枚の第２の羽根を有する心板部材とから遠心羽根車を製造する遠心羽根車の製造方法において、第１の羽根及び第２の羽根のそれぞれの内側端部をこの遠心羽根車が嵌挿される回転軸にほぼ平行に形成し、第１の羽根の軸方向端部と第２の羽根の軸方向端部とを対向させて突合せ、この突合せた部分を加熱および加圧してろう材を用いることなく拡散接合することにある。
【００１０】
そしてこの特徴において、側板部材の外周側を第１の羽根よりも外方に延在させ、心板部材の外周側を第２の羽根よりも外方に延在させ、この両延在部にピン穴を形成し、拡散接合時に、心板部材と部材の内周面に同心円状の治具を配置して心板部材と側板部材との半径方向位置決めをし、ピン穴にピンを挿入して心板部材と側板部材との周方向位置決めするのが好ましい。また、心板部材または側板部材の少なくとも一方の背面側を、テーパ状または段差状に形成して加圧治具との間に微小すきまを形成し、加圧治具により第１の羽根と第２の羽根との突合せ部へ負荷される半径方向の圧力を制御可能にするのがよい。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、円周方向に間隔を置いて形成された複数枚の第１の羽根を有する側板部材と、この第１の羽根に対応して形成された複数枚の第２の羽根を有する心板部材とを備えた遠心羽根車において、第１の羽根及び第２の羽根のそれぞれの内側端部は、この遠心羽根車が嵌挿される回転軸にほぼ平行に形成されており、第１の羽根及び第２の羽根の軸方向端部は回転軸にほぼ垂直に形成されており、第１の羽根の軸方向端部と第２の羽根の軸方向端部とを対向させて突合せ、この突合せた部分を加熱および加圧してろう材を用いることなく拡散接合して形成することにある。そしてこの特徴において、第１の羽根と第２の羽根を接合してできた羽根の軸方向高さが、羽根の厚さの４倍以上あってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の羽根を有する側板部材と第２の羽根を有する心板部材とを羽根の軸方向端部で接合するときに、羽根接合部の加圧力を均一にしたので、強度信頼性を低下させずに高精度な遠心羽根車を製作できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る遠心羽根車の製造方法の一実施例を、図1から図５を用いて説明する。図1に、心板と側板とを備えるフルシュラウド形の羽根車２０を示す。同図（ａ）は、羽根車の平面図であり、同図（ｂ）はその縦断面図である。また、図２は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。羽根車２０は、心板部材１０と側板部材１１と羽根１２とで構成されている。第２の羽根２は、母材からエンドミル等を用いて削り出され、心板１と一体で形成される。同様に第１の羽根４は、母材からエンドミル等を用いて削り出され、側板３と一体で形成される。第１の羽根４及び第２の羽根２は複数枚づつ同数形成されており、それぞれ周方向にほぼ等間隔に配置される。
【００１４】
心板１の中心部には、回転軸８が嵌挿される貫通穴が形成されている。第１の羽根４の軸方向端部と第２の羽根２の軸方向端部は、回転軸８にほぼ直交している。また、各羽根２、４の内側端部は、回転軸８に平行になっている。羽根車２０は、本実施例では２次元羽根車であり、高さｈと厚さｔｈとの比が４を超えている。第１の羽根４の軸方向端部における形状は、第２の羽根２の軸方向端部の形状に対応している。したがって、第２の羽根２の軸方向端部と第１の羽根４の軸方向端部とを突き合わせて、拡散溶接により羽根車２０を製作することが可能になる。この両羽根２、４の突合せ面である接合面５は、回転軸８の軸方向にほぼ直交する。
【００１５】
図３および図４を用いて、図１に示した遠心羽根車２０を製作する方法を説明する。図３は、拡散接合装置の縦断面図である。図４は、図３のＢ部詳細図である。ＮＣ加工機を用いて、側板３上に第１の羽根４を円周方向ほぼ等間隔に加工して、側板部材１１の基になる側板母材１０ｂを製作する。同様に、心板１上に第２の羽根２を第１の羽根４に対応させて円周方向ほぼ等間隔に加工し、心板部材１０の基になる心板母材１１ｂを製作する。
【００１６】
製作された心板母材１０ｂと側板母材１１ｂとを、互いに羽根２、４部を内側に向けて対向させる。この状態で、心板母材１０ｂと側板母材１１ｂとを真空ホットプレス炉３８の加圧受台３６に載置する。真空ホットプレス炉３８は、円筒状または角型の容器３０と、この容器３０内の空気を吸引する真空排気系３１とを有する。
【００１７】
容器３０を貫通し、容器３０に気密に加圧受台３６と加圧機構３３とが取り付けられている。加圧受台３６と加圧機構３３とは対向しており、加圧受台３６５が下側に、加圧機構３３が上側に配置される。加圧受台３６の上部には、接合前の心板母材１０ｂと側板母材１１ｂを所定位置に据え付けるための保持台３５が取り付けられている。加圧機構３３の下部であって保持台３５に対応する位置に、加圧ロッド３４が設けられている。
【００１８】
ところで、心板母材１０ｂおよび側板母材１１を組み合わせたものは、仕上げ後の羽根車２０とは次の２点で異なっている。第１は、心板母材１０ｂの将来心板１となる心板部１ｂの軸方向厚さを厚くし、軸直角方向にほぼ平面にしたたこと、同様に側板母材１１ｂの将来側板３となる側板部３ｂの軸方向厚さを厚くし、軸直角方向にほぼ平面または僅かな傾斜を有する円錐状にしたことである。第２は、心板母材１０ｂの心板部１ｂおよび側板母材１２ｂの側板部３ｂを、仕上げ後の羽根車２０よりも半径方向外方まで延在して製作したことである。そしてそれぞれの延在部には、周方向に間隔をおいて複数の位置決め用の貫通穴１ｃ、３ｃが形成されている。なお、心板母材１０ｂの心板部１ｂ及び側板母材１１ｂの側板部３ｂの内周１ｄ、３ｄは、軸方向に平行な円筒面に形成されている。
【００１９】
保持台３５に心板母材１０ｂおよび側板母材１１ｂをセッテングするときは、段付き円柱状に形成された治具４１の外周面を、心板母材１０ｂの心板部１ｂ及び側板母材１１ｂの側板部３ｂの内周１ｄ、３ｄにそれぞれ嵌合させて、側板母材１１ｂと心板母材１０ｂの半径方向位置を位置決めする。また、心板部１ｂおよび側板部３ｂの貫通穴１ｃ、３ｃに、ピン４２を挿入して側板母材１１ｂと心板母材１０ｂの周方向位置を位置決めする。このようにして心板母材１０ｂと側板母材１１ｂとを高精度に位置決めし、真空排気系３１を用いて、容器３０内を真空排気する。
【００２０】
容器３０内には、保持台３５及び加圧ロッド３４、側板母材１１ｂ、心板母材１０ｂを囲むように、ヒータ３２が配設されている。容器３０内圧力が所定圧力まで低下して真空引きが終了したら、ヒータ３２を用いて側板母材１１ｂと心板母材１０ｂを加熱する。図示しない温度計測装置が測定した側板母材１１ｂと心板母材１０ｂの少なくともいずれかの温度が所定の温度に達したら、加圧機構３３を用いて第１の羽根４と第２の羽根２との対向面である接合面５の面圧が所定の圧力となるまで加圧する。数時間加熱および加圧状態を保持する。その際、接合面５にはろう材等を一切使用しない。第１の羽根４及び第２の羽根２の半径方向外方には、各羽根２、４が変形し過ぎないように、円環状のストッパ４３が設けられている。
【００２１】
上記拡散接合においては、拡散接合部である接合面５の面圧を所定圧力に制御することが重要である。そこで本実施例では、側板部３ｃの背面側、すなわち第１の羽根４の反対側の形状を、図４（ａ）図に示すように僅かにテーパーを有する円錐状（または切頭円錐状）にするか、同図（ｂ）に示すように側板部３ｃの背面側にリング状のシム４４を配設している。本実施例では側板部３ｃが加圧機構３３の加圧ロッド３４に接する側であるから、加圧ロッド３４側の形状を平面から変えるか、加圧ロッド３４が直接当たる面積を変化させている。
【００２２】
図５に、拡散接合時の接合部の面圧分布を模式的に示す。横軸は面圧の大きさを、縦軸は羽根２、４の接合位置を表している。従来の羽根車では、羽根２、４の前縁２ｆ、４ｆ部が加圧方向Ｐに対して斜めになっていたので、拡散接合時には前縁２ｆ、４ｆ付近に加圧力が負荷されにくく、接合部５の面圧が著しく不均等になっている。すなわち、前縁２ｆ、４ｆ部や後縁２ｇ、４ｇ部では、いわゆる力の抜けが生じている。
【００２３】
圧縮機や送風機などの羽根高さｈは、流体性能を満たすために前縁２ｆ、４ｆから後縁２ｇ、４ｇにかけて単調に低くなっている。拡散接合による羽根車２０の製作においては、高温状態で加圧するので、羽根高さｈが高いほど羽根２、４のクリ−プ変形量が相対的に大きくなり接合面５に圧力が負荷されにくくなる。したがって、接合面５における圧力の低下は、羽根高さｈに相関する。
【００２４】
以上の理由から、接合面５の圧力は、後縁２ｇ、４ｇから前縁２ｆ、４ｆに向けて小さくなり、後縁部２ｇ、４ｇ及び前縁部２ｆ、４ｆ近傍において急に低下する。前縁部２ｆ、４ｆでは、端部の影響と羽根高さの影響を受け、面圧がもっとも低い。所定強度以上で長期の使用に耐える信頼性を備えた羽根車とするためには、所定圧力Ｐmin以上で接合しなければならない。そこで、面圧の最も低くなる羽根前縁２ｆ、４ｆ部の圧力が所定圧力Ｐmin以上の圧力になるように加圧する。しなければならない。
【００２５】
接合面５の最低面圧を所定圧力Ｐmin以上としたのにともない、一般的には平均面圧Ｐaveも大きくなる。羽根厚さｔｈに比べて羽根高さｈが大きい場合には、羽根２、４が座屈変形して、製作が困難になる。本実施例では羽根前縁２ｆ、４ｆ部を、加圧方向Ｐとほぼ同じ方向にして、接合面５の前縁２ｆ、４ｆ側から後縁２ｇ、４ｇ側までできるだけ均一に加圧力が負荷されるようにしている。その結果、図５（ｂ）図に示すように、前縁２ｆ、４ｆ部の接合面５の面圧の低下を、端部による圧力抜けΔＰ１、ΔＰ２だけに抑制できる。つまり、同図のＣ部に示すように、前縁２ｆ、４ｆ形状に起因する圧力低下を改善できる。
【００２６】
図５（ｂ）は、加圧面である側板部３ｄの背面を平面とし、その平面部を直接加圧ピストン３４で加圧した場合の圧力分布を示している。本実施例では、加圧部の形状を平面から変化させているので、さらに接合面５における加圧面圧を均一化できる。図４（ａ）に示すように、側板部３ｄの背面を断面テーパ状にする。側板部３ｄの断面がテーパ状なので、加圧ピストン３４を降下させると初めに羽根高さｈが大きくて加圧力が負荷されにくい前縁２ｆ、４ｆ部で、加圧ピストン３４が側板部３ｄに接触し、接合面５を加圧する。加圧により羽根２、４が塑性変形し、羽根２、４同士の接合が開始される。接合により羽根高さｈが変化し、接合点が前縁２ｆ、４ｆ部から順次後縁２ｄ、４ｄ部に、移動していく。
【００２７】
このように接合領域を時間の経過とともに変化させているので、前縁２ｆ、４ｆ部に適切な面圧が負荷されるとともに、羽根高さｈの影響が抑制され、接合面５の面圧がΔθに相当する分だけ減少する。なお、図４（ｂ）に示すように、テーパ形状に変えて薄いドーナツ状のシム４４を側板部３ｂの背面であって前縁４ｆ側に配置しても、図５（ｂ）同様の効果が得られる。シム４４を用いると、側板部３ｂの背面をテーパ形状に加工する必要がなくなり、工程が簡素化される。
【００２８】
拡散接合された羽根車素材は、側板部３ｂの内径側形状及び外径側形状、背面形状、心板部１ｂ内径側形状及び外径側形状、背面形状を旋盤等で加工されて、羽根車２０の製作が完了する。なお、本実施例では側板部３ｂの背面を加圧しているが、図３とは上下逆にして、心板部１ｂの背面を加圧するようにしてもよい。その場合でも、心板部１ｂの背面を断面テーパ状にしたりシムを配置すると、加圧力が前縁側から後縁側に時間の経過とともに移動するので、接合面の加圧面圧をより均一化できる。また、接合面の接合点が時間とともに移動するので、接合面の加圧面圧の制御が容易になる。
【００２９】
本実施例によれば、歪が少なく高精度な羽根車を比較的容易に製作できるので、羽根車の流体性能が向上するとともに、性能予測が容易になる。さらに実施例によれば、従来ろー材等を一切使用しない拡散溶接が困難だった羽根厚さに比べて羽根高さが大きい羽根車を高精度で製作できる。また、羽根厚さに比べて羽根高さが大きい羽根車を、溶接の代わりに拡散接合で製作できるので、羽根車の製造コストが低下するとともに生産リードタイムを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る遠心羽根車の一実施例の平面図及び縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明に係る遠心羽根車の製作装置の縦断面図である。
【図４】図３のＢ部詳細図である。
【図５】本発明に係る遠心羽根車の面圧分布を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…心板、２…第２の羽根、３…側板、４…第１の羽根、５…羽根接合面、１０…心板部材、１１…側板部材、１２…羽根、２０…フルシュラウド羽根車、３０…真空ホットプレス、３１…真空排気系、３２…ヒータ、３３…加圧機構、３４…加圧ロッド、３５…加圧受台、４１…径方向固定ジグ、４２…周方向固定ピン、４３…ストッパ、４４…シム。
【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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