(57)【要約】【課題】  ひも状の摩耗くずの形成を防止することができ、これにより、下流側で生じる詰まり等の不具合を防止し、圧縮機の効率低下を抑制することができる回転機械の回転部のラビリンス構造を提供する。【解決手段】  ケーシング２の内面に固定され内面にアブレイダブル膜３ａを有するラビリンスリング３と、アブレイダブル膜３ａに外縁が接触または食い込みながら高速回転し、回転体１の外面に固定されたフィン４とからなる。アブレイダブル膜３ａは、平均粒径４０〜１００μｍの比切削性のよい材料からなりかつ密着力が５ＭＰａを超える溶射皮膜であり、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が１０μｍ未満の摩耗くずを形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内面に固定され内面にアブレイダブル膜を有するラビリンスリングと、該アブレイダブル膜に外縁が接触または食い込みながら高速回転し、回転体の外面に固定されたフィンとからなり、
前記アブレイダブル膜は、平均粒径４０〜１００μｍの比切削性のよい材料からなりかつ密着力が５ＭＰａを超える溶射皮膜であり、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が１０μｍ未満の摩耗くずを形成する、ことを特徴とする回転機械の回転部のラビリンス構造。
【請求項２】
前記溶射皮膜の材料は、Ａｌ粒子、Ｓｉ粒子、およびポリエステル粒子からなるＡｌ／Ｓｉ−ポリエステル、またはホワイトメタルの粒子である、ことを特徴とする請求項１に記載の回転機械回転部のラビリンス構造。
【請求項３】
前記溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、各材料は蒸発することなく互いに緻密に溶着している、ことを特徴とする請求項１に記載の回転機械の回転部のラビリンス構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型多段ターボ圧縮機をはじめとするファン、ポンプ、タービンなどのような回転機械の回転部のラビリンス構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の溶射技術の動向が、非特許文献１に開示されている。
非特許文献１に記載されているように、溶射装置としてプラズマ溶射装置、アーク溶射装置、および高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）が知られている。このうち高速ガスフレーム溶射は、燃料ガスと酸素を用い２０００ｍ／ｓを超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速するものであり、緻密な皮膜が得られる特徴を有する。
【０００３】
また、溶射材料は、溶射皮膜の機能として機械的、熱的、電磁気的、光学的、生体的、化学的な特性を満たすために、金属、樹脂、その他の種々のものが用いられている。
さらに、溶射を適用した本発明に関連する事例として、ジェットエンジンシュラウド用アブレーダブルコーティングが開示されている。これは、金属・合金に樹脂を混入させて皮膜を形成し、その後熱処理で樹脂を焼却して気泡を形成させるものである。同時に自己潤滑性のあるＢＮを添加することにより切削抵抗を緩和させアブレーダブル性能の向上を図っている。
【０００４】
【非特許文献１】最近の溶射技術とその動向、溶射技術、１９９３年６月号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
流量が１０万Ｎｍ３／ｈ、吐出圧力が２００ｋＰａＧを超えるような大型圧縮機には、３段または４段以上の多段ターボ圧縮機が広く用いられている。このような大流量、高圧縮比の多段ターボ圧縮機では、高速回転する羽根車（ロータ）とケーシングとの隙間を流れるガス量を低減するために、シュラウドと呼ぶリング状部材で羽根車を構成する羽根の先端部を一体に連結し、高速回転する羽根車のシュラウドとケーシングとの間に食い込み型ラビリンスを設けている。
【０００６】
図６はかかる多段ターボ圧縮機の食い込み型ラビリンス構造を示す断面図である。この図において、５１はＺ-Ｚ軸を中心に高速回転する羽根車のシュラウド、５２はケーシング、５３はケーシングの内面に固定されたラビリンスリング、５４はシュラウドの外面に固定された薄い金属製のフィンである。
【０００７】
従来の食い込み型ラビリンス構造では、ラビリンスリング５３の内面にアブレイダブル膜５３ａが遠心鋳造等で一定の厚さに形成され、複数のリング状のフィン５４の先端が、このアブレイダブル膜５３ａにわずかに食い込みながら回転することで、その間の隙間をなくし、ガスの漏れを最小に抑えるようになっていた。
【０００８】
アブレイダブル膜５３ａとしては、従来、柔らかいホワイトメタル（Ｐｂ-Ｓｎ合金）が一般的に用いられる。大型ターボ圧縮機の場合、ラビリンスリング５３の内径は１０００ｍｍを超え、ラビリンスリング５３とシュラウド５１の相対速度は５０ｍ／ｓｅｃに達する。また、アブレイダブル膜５３ａの膜厚は２〜１０ｍｍ程度、アブレイダブル膜５３ａとフィン５４の食い込み代は、５０〜１００μｍ程度である。
【０００９】
上述したように、従来の多段ターボ圧縮機のラビリンス部のラビリンスリング３にはホワイトメタルの鋳込みが使用されているが、フィン５４がわずかに食い込みながら回転するため、ひも状の摩耗くずが形成され、摩耗くずが多段ターボ圧縮機の下流側にガスと共に同伴され、下流側で詰まり等の不具合を引き起こし、圧縮機の効率が低下することがある問題点があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ひも状の摩耗くずの形成を防止することができ、これにより、下流側で生じる詰まり等の不具合を防止し、圧縮機の効率低下を抑制することができる回転機械の回転部のラビリンス構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、ケーシングの内面に固定され内面にアブレイダブル膜を有するラビリンスリングと、該アブレイダブル膜に外縁が接触または食い込みながら高速回転し、回転体の外面に固定されたフィンとからなり、
前記アブレイダブル膜は、平均粒径４０〜１００μｍの比切削性のよい材料からなりかつ密着力が５ＭＰａを超える溶射皮膜であり、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が１０μｍ未満の摩耗くずを形成する、ことを特徴とする回転機械の回転部のラビリンス構造が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記溶射皮膜の材料は、Ａｌ粒子、Ｓｉ粒子、およびポリエステル粒子からなるＡｌ／Ｓｉ−ポリエステル、またはホワイトメタルの粒子である。
【００１３】
また、前記溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、各材料は蒸発することなく互いに緻密に溶着している。
【発明の効果】
【００１４】
上記本発明の構成によれば、前記アブレイダブル膜が、平均粒径４０〜１００μｍの比切削性のよい材料からなる溶射皮膜であるため、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が１０μｍ未満の摩耗くずを形成することが実験により確認された。従って、ひも状の摩耗くずの形成を防止することができ、これにより、下流側で生じる詰まり等の不具合を防止し、圧縮機の効率低下を抑制することができる。
【００１５】
また、溶射皮膜の密着力が５Ｍｐａを超え、特に高速ガスフレーム溶射による場合には、１１Ｍｐａを超えることが実験により確認されたので、フィンと接触した場合に全体が剥がれ落ちるおそれがないことが確認された。
【００１６】
さらに、高速ガスフレーム溶射により、各材料が蒸発することなく互いに緻密に溶着している溶射皮膜を形成することができる。
【００１７】
特にＡｌ／Ｓｉ−ポリエステルの場合、ポリエステルの存在により、高速回転での被切削試験でも、摩耗くずが微細な粒子となり、被切削性は非常に優れていることが確認された。
【００１８】
またホワイトメタルを用いる場合でも、ホワイトメタルを平均粒径４０〜１００μｍの粉末に造粒し、高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）を用いて溶射してラビリンスリングに積層皮膜を形成することにより、摩耗くずが微細な粒子となり、被切削性は非常に優れていることが確認された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
上述したように、大型多段ターボ圧縮機のような圧縮機の食い込み型ラビリンスには、従来、アブレーダブル材としてホワイトメタル（Ｐｂ−Ｓｎ合金）の鋳込みが適用されていた。しかし、稼働中に鋳込みのホワイトメタルがひも状の切削くずとなり、下流部で詰まり等の不具合が生じ、圧縮機の効率が低下する場合があった。
本発明は、ラビリンス部に溶射法によって粉末のアブレーダブル材を積層する技術を確立することにより、上記の問題を解決し圧縮機の品質安定化及び長寿命化を目指したものである。
【００２１】
図１は、本発明の食い込み型ラビリンス構造の断面図である。この図に示すように、本発明の食い込み型ラビリンス構造は、ケーシング２の内面に固定され内面にアブレイダブル膜３ａを有するラビリンスリング３と、回転体１の外面に固定された薄い金属製のフィン４とからなる。回転体１は、例えばＺ-Ｚ軸を中心に高速回転する多段ターボ圧縮機の羽根車のシュラウドであり、フィン４はＺ-Ｚ軸に直交するように半径方向に延び、その外縁がアブレイダブル膜３ａに接触または食い込みながら高速回転するようになっている。
なお、フィンは埋め込んでも、シャフトと一体成形したものでもよい。
【００２２】
アブレイダブル膜３ａは、平均粒径４０〜１００μｍの比切削性のよい材料からなる溶射皮膜である。比切削性のよい材料として、Ａｌ粒子、Ｓｉ粒子、およびポリエステル粒子からなるＡｌ／Ｓｉ−ポリエステル、またはホワイトメタルの粒子であるのがよい。
また、アブレイダブル膜３ａは密着力が５Ｍｐａを超える溶射皮膜であり、プラズマ溶射及び／または高速ガスフレーム溶射による溶射皮膜であるのがよい。
【００２３】
さらに、このアブレイダブル膜３ａは、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が１０μｍ未満の摩耗くずを形成するように溶射条件が設定されている。
この条件を満たすために、本発明における溶射皮膜（アブレイダブル膜３ａ）は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、各材料は蒸発することなく互いに緻密に溶着している。
【００２４】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２５】
比切削性のよい材料からなる溶射皮膜３種（Ａｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜、ホワイトメタル溶射皮膜、Ｎｉ−グラファイト溶射皮膜）と比較材としてホワイトメタル鋳込み皮膜を作成し、顕微鏡組織観察を行った。
【００２６】
この試験において、Ａｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜は、平均粒径４０〜１００μｍのＡｌ粒子、Ｓｉ粒子、およびポリエステル粒子からなるＡｌ／Ｓｉ−ポリエステルを用い、高速ガスフレーム溶射により各材料が蒸発することなく互いに緻密に溶着している溶射皮膜（膜厚２ｍｍ）を形成した。
また、ホワイトメタル溶射皮膜は、ホワイトメタル（ＷＪ２）を平均粒径４０〜１００μｍの粉末に造粒し、高速ガスフレーム溶射を用いて溶射することにより積層皮膜を形成した。
【００２７】
高速ガスフレーム溶射の溶射条件は、以下の通りであった。
酸素流量：３００〜４００ＮＬ／ｍｉｎ
プロパン流量：３０〜４０ＮＬ／ｍｉｎ
溶射距離：１５０〜２００ｍｍ
平均粒径：４０〜１００μｍ
【００２８】
図２は、得られた各アブレイダブル膜表面の顕微鏡組織図である。
図２（Ａ）のＡｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜は、Ａｌ／Ｓｉのマトリックスにポリエステルが均一に分散する組織であり、健全な積層組織であった。また図２（Ｂ）のホワイトメタル溶射皮膜も緻密な組織であった。さらに図２（Ｃ）のＮｉ−グラファイト溶射皮膜も、Ｎｉのマトリックスにグラファイトが均一に分散する組織で、健全な積層組織であった。
これらに対して、図２（Ｄ）のホワイトメタル鋳込み皮膜には多数の空孔が認められた。この結果、従来の鋳込みに比較して各溶射皮膜は、緻密で健全な積層組織が得られることが確認された。
【実施例２】
【００２９】
大気プラズマ溶射、高速ガスフレーム溶射及び鋳込みによりアブレイダブル膜を作成し、その平均密着力をＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｚ  ７７２１）に準じて計測した。図３は、  各アブレイダブル膜の平均密着力の比較図である。
【００３０】
図３から、鋳込みの密着力は、平均３３．７ＭＰａと最も高かった。鋳込みのホワイトメタルがひも状の切削くずとなる要因の１つは、この高い密着力によるものと思われる。
一方、プラズマ溶射による溶射皮膜の平均密着力は５．０ＭＰａと５．５６ＭＰａ、高速ガスフレーム溶射による溶射皮膜の平均密着力は１１．４８ＭＰａであった。なお溶射皮膜に必要とされる密着力は、フィンと接触した場合に全体が剥がれ落ちるおそれがない強度であり、この観点から、プラズマ溶射及び／または高速ガスフレーム溶射による溶射皮膜の方が鋳込みよりも適していることが確認された。
【実施例３】
【００３１】
大型回転体を圧縮機に近い高速回転（周速５０ｍ／ｓ）で回転させ、圧縮機を模擬したＳＵＳ３０４フィンに対する被切削性を、各アブレイダブル膜で比較した。また、切削面近傍（表面から６ｍｍ程度内側の位置）の温度を測定した。
なお、Ｎｉ−グラファイト溶射皮膜は、後述する曲げ試験結果から実用可能性が低いことが明らかとなったため、この試験は省略している。
【００３２】
図４は、各アブレイダブル膜の摩耗くずの拡大写真である。各図の下部に示す縦線の間隔は１ｍｍである。
【００３３】
Ａｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜の切削面にはフィンによる円周方向の溝が生じ、摩耗粉は図４（Ａ）に示すように、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が数μｍ程度の非常に細かい粒となることが明らかとなった。切削面近傍の温度もほとんど上昇しなかった。これらのことからＡｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜の被切削性は非常に優れていることが確認された。
【００３４】
ホワイトメタル溶射皮膜の切削面にもフィンの切削による溝が認められた。緻密な組織であり脆さは全く認められない。図４Ｂ）に示すように、摩耗粉は平均粒径が１０μｍ未満であるが、細長いものと細かい粉が混在していた。また、切削中に温度が１００℃程度まで上昇していた。従って、ホワイトメタル溶射皮膜の被切削性もＡｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜に次いで優れていることが確認された。
【００３５】
ホワイトメタル鋳込み皮膜の場合、切削面にはフィンの切削による溝が生じていた。緻密な組織で脆さは認められなかった。図４（Ｃ）に示すように、摩耗粉は、１０ｍｍ以上に達するひも状の摩耗くずが多数認められた。また、切削中に温度が１５０℃程度まで上昇することが明らかとなった。これらのことは、実機と同様の悪い被切削性を示す現象であった。
【００３６】
この結果から、本発明のアブレイダブル膜が、平均粒径４０〜１００μｍの比切削性のよい材料からなる溶射皮膜であるため、５０ｍ／ｓｅｃの相対速度でフィンと接触した場合に、平均粒径が１０μｍ未満の摩耗くずを形成することが実験により確認された。
【実施例４】
【００３７】
大型ターボ圧縮機の組立中にラビリンスリングに作用するひずみを想定し、３点曲げ試験を行って曲げ延性を比較評価した。評価は表面に割れが発生する時点を割れ発生限界ひずみとした。
【００３８】
図５は、各アブレイダブル膜の割れ発生限界歪みの比較図である。
図５から、鋳込みの割れ発生限界ひずみは３．４％以上と最も高かった。しかし、大型ターボ圧縮機の組立中にラビリンスリングに作用する最大ひずみは、実測の結果約０．２％程度と想定されたため、約０．２％以上であれば実用上はなんら問題がないといえる。
Ａｌ／Ｓｉ−ポリエステル溶射皮膜の割れ発生限界ひずみはＯ．４４％、ホワイトメタル溶射皮膜のそれは０．６１％であり、曲げ延性は実用上良好であることが確認された。
【００３９】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の食い込み型ラビリンス構造の断面図である。
【図２】各アブレイダブル膜の表面の顕微鏡組織図である。
【図３】各アブレイダブル膜の平均密着力の比較図である。
【図４】各アブレイダブル膜の摩耗くずの拡大写真である。
【図５】各アブレイダブル膜の割れ発生限界歪みの比較図である。
【図６】従来の食い込み型ラビリンス構造の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  回転体（シュラウド）、２  ケーシング、
３  ラビリンスリング、３ａ  アブレイダブル膜、
４  フィン
【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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【図６】
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