JP2004308647A - 羽根車の製作方法、及び羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】 製作を自動化できる側板を備えた３次元羽根車を提供する。
【解決手段】 外形が切頭円錐状の芯板３と、芯板３の外周面と間隔をおいて位置し、芯板３の外周面に対応する形状に形成されて芯板の外周面を囲む側板５と、側板５と芯板３との間に形成された３次元形状を有する複数の羽根７と備えた羽根車１であり、側板５と芯板３とを通り回転軸に交わる方向の面で分割した形状の２以上の羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの少なくとも側板５と芯板３とに設けられた羽根車の回転軸に交わる方向の面を当接面１３、１５とし、この当接面１３、１５で各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを当接させている構成とする。このような構成とすれば、羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃは、共に流路に溶接や切削の工具が入り難い部分ができないため、自動溶接機や自動旋盤などによる製作が行えるため、側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、羽根車の製作方法及び羽根車に係り、特に、ターボ形流体機械に用いられる側板を備えた３次元羽根車の製作方法及び羽根車に関する。

ターボ形流体機械に用いられる側板を備えた遠心羽根車や斜流羽根車などの３次元羽根車と称される羽根車は、一般に、側板及び芯板のいずれか一方に羽根を形成して、羽根を形成しなかった方の板を羽根の側縁に溶接により接合するか、または、側板、芯板、及び羽根を別個に形成してそれぞれを溶接により接合することなどで製作されている。さらに、羽根車の別の製作方法として、芯板側に羽根を削り出し、側板の外側から電子ビーム溶接を行うことで芯板と一体に形成した羽根と側板とを接合することが提案されている（特許文献１）。また、この方法では、電子ビーム溶接では、羽根の厚さ方向に対して部分的な溶接となり未溶着部が残ることから、この未溶着部をロウ材で埋め、そのロウ材を溶かして羽根の付根にロウ材でフィレットを形成することが提案されている。

さらに、羽根車を回転軸に沿う方向で分割した形状の内輪部と外輪部とを鋳造と溶接により製作し、これら内輪部と外輪部とを溶接や、ボルトとナットにより接合して羽根車を製作することが提案されている（特許文献２）。また、羽根の一方の端縁から他方の端縁にかけて形成した羽根の接合面により羽根車を２分割した形状で、芯板と側板とに各々羽根の一部が形成された形状の部品を切削加工により形成し、この形成された各部品を、各々の羽根に設けられた接合面を当接させて拡散接合することにより羽根車を製作することが提案されている（特許文献３）。

国際公開番号ＷＯ９６／２２８５４号公報（第１３−２６頁、第４Ａ、９Ａ−９Ｃ図） 特開２００１−１１５９９０号公報（第３−４頁、第５図） 特開平６−２７２６９６号公報（第４頁、第２、６図）

ところで、側板を備えた３次元羽根車では、溶接により製作する場合、側板と芯板と隣り合う羽根とで画成された空間、つまり流体の流路が、羽根のねじれや湾曲などから、溶接の工具などが入り難い形状となっている。このため、自動溶接装置などを用いて羽根と側板や芯板などとを自動溶接により溶接することは難しく、溶接作業は、ほとんど手作業で行われているのが現状である。さらに、工具などが入り難い部分で行った溶接による接合の強度などに対する信頼性を確保するため、溶接作業後に、表面欠陥の検査などが必要となっている。このように、従来は、手作業による溶接を行うことで側板を備えた３次元羽根車を製作していることから、製作コストの低減や製作期間の短縮などが難しい状況にある。したがって、製作コストの低減や製作期間の短縮などを行うため、側板を備えた３次元羽根車の製作の自動化が課題となっている。

一方、特許文献１のような、羽根車の外側から溶接できる電子ビーム溶接を用いた方法により羽根車を製作する方法であれば、羽根車の内側に溶接の工具などを挿入する必要がないため、自動化することも可能である。しかし、３次元的に曲がっている３次元羽根車の羽根に、一様なフィレットを形成するのは難しく、さらに、フィレットを形成できたとしても、一様でないフィレットでは、疲労強度は向上し難い。したがって、このような製作方法は、強度などに対する信頼性を確保し難く、検査も容易でないことから、実際には、３次元羽根車の製作方法として適用するのは難しい場合がある。

また、特許文献２のように内輪部と外輪部とに分割して製作する方法では、外輪部を溶接などで組み立てる際、羽根の形状によって溶接の工具などが入り難い部分ができる場合があることには変わりがなく、手作業による溶接でしか製作を行えない場合がある。

さらに、特許文献３のように、羽根の一方の端縁から他方の端縁にかけて形成した羽根の接合面により羽根車を２分割した形状の部品を形成する方法では、溶接や切削の工具などが入り難い部分ができないため、自動溶接機や自動旋盤などを用いることにより羽根車の製作を自動化できる。しかし、３次元羽根車のように羽根がねじれた形状の場合、羽根の一方の端縁から他方の端縁にかけて羽根のみに接合面を設けると、側板側に形成された羽根の接合面と芯板側に形成された羽根の接合面は、平面にはならず、屈曲または湾曲した面となる。このため、接合面を当接したときに接合面間に隙間や段差などが生じないように加工する必要が生じるため、加工精度の向上が必要となってしまう。さらに、この羽根の接合面を拡散接合する場合、３次元羽根車では、加圧による羽根の変形が生じてしまう恐れがある。したがって、このような羽根に設けた接合面で２つの部品を接合する方法の３次元羽根車への適用は難しい。

本発明の課題は、側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化することにある。

本発明の羽根車の製作方法は、外形が切頭円錐状の芯板と、この芯板の外周面と間隔をおいて位置し、この芯板の外周面に対応する形状に形成されてこの芯板の外周面を囲む側板と、芯板と側板との間に形成された３次元形状を有する複数の羽根とを備えた羽根車の製作方法であり、芯板と側板とを通り、羽根車の回転軸に交わる方向の面で羽根車を分割した形状の２以上の羽根車部品を形成し、この形成した２以上の羽根車部品の少なくとも芯板と側板とに設けられた羽根車の回転軸に交わる方向の面を当接面とし、この各羽根車部品の少なくとも芯板と側板とに設けられた対応する当接面を当接して羽根車を組み立てることにより上記課題を解決する。

このような製作方法とすれば、側板を備えた３次元羽根車であっても、羽根車を構成する側板と芯板とを通り回転軸に交わる方向の面で分割した形状の２以上の羽根車部品は、共に流路に溶接や切削の工具が入り難い部分ができないため、自動溶接機や自動旋盤などによる製作が行える。さらに、各羽根車部品の羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁は、直線状となるため、加工精度の向上なども必要ない。したがって、側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化できる。

また、側板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより縮径した側に位置し、芯板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより拡径した側に位置し、各羽根車部品に形成された羽根のこの各羽根車部品を当接する側の端縁は、側板の当接面の羽根側周縁と、芯板の当接面の羽根側周縁とを結ぶテーパ状に形成する。

羽根の高さが高い高比速度３次元羽根車では、一平面で分割すると、羽根と芯板との連結部分が比較的短くなった羽根車部品や、芯板を含まない羽根車部品などを形成することになる場合がある。この場合、加工時にびびりが生じ易いため、機械加工が難しい場合がある。そこで、高比速度羽根車では、このような製作方法とすれば、羽根と芯板との連結部分が比較的短くなった羽根車部品や、芯板を含まない羽根車部品などにならずに済み、羽根の両端が側板と十分な長さの芯板とで支持された状態となり、加工時にびびりが生じ難いため、機械加工がし易くなる。さらに、各羽根車部品の羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁は、テーパ状の直線であるため、加工精度の向上なども必要ない。したがって、高比速度羽根車でも製作を自動化できる。

さらに、溶接で各羽根車部品の形成を行う場合、溶接作業自体を自動化できても、ビード仕上げ、溶接後応力の除去や材料強度確保などのための熱処理工程などの手作業で行なわなければならない作業が必要となる。しかし、２以上の羽根車部品を、切削加工により形成すれば、自動旋盤などを用いて切削加工を自動化できる上、自動溶接機などにより自動で各羽根車部品を形成した場合でも必要となる手作業をなくすことができ、より自動化を促進できる。

また、各羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁に当接面が設けられ、各羽根車部品に形成された羽根を、互いの羽根に設けた当接面を位置合わせして当接し、羽根車を組み立てる。

さらに、各羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁間に隙間を設け、各羽根車部品に形成された羽根を、互いの羽根の端縁を位置合わせし、芯板と側板とに設けられた対応する当接面を当接して羽根車を組み立てる。これにより、拡散接合などにより加圧しながら当接面を接合する場合、羽根の変形を確実に生じ難くできる。

また、２以上の羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁の位置を周方向にずらすことにより、２以上の羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁間に隙間が形成された状態で２以上の羽根車部品の対応する芯板と側板とに設けられた当接面を当接して羽根車を組み立てる。これにより、ターボ形流体機械の作動範囲を拡大できる。

さらに、２以上の羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁の位置を、羽根車内の流体の流れに対して下流側に位置する羽根車部品の羽根ほど、羽根車の回転方向にずらした状態で２以上の羽根車部品の対応する芯板と側板とに設けられた当接面を当接して羽根車を組み立てる。これにより、ターボ形流体機械の作動範囲でも、特にサージマージンを拡大でき、性能を向上できる。

また、各羽根車部品の対応する当接面の対応する位置に穴を形成し、この穴に棒体を挿入し、かつ、２以上の羽根車部品をシャフトに固定して羽根車を組み立てる。このようにすれば、各羽根車部品の対応する当接面間を溶接やろう付け、または拡散接合などにより接合しなくても各羽根車部品から羽根車を組み立てることができるため、組み立て作業を簡素化できる。

さらに、２以上の羽根車部品の対応する当接面を当接させた状態で、この対応する当接面間を拡散接合及びろう付けの少なくとも１方により接合して羽根車を組み立てる。これにより、羽根車の強度に対する信頼性を向上できる。

また、本発明の羽根車は、外形が切頭円錐状の芯板と、この芯板の外周面と間隔をおいて位置し、この芯板の外周面に対応する形状に形成されてこの芯板の外周面を囲む側板と、芯板と側板との間に形成された３次元形状を有する複数の羽根と備えた羽根車であり、芯板と側板とを通り回転軸に交わる方向の面で分割した形状の２以上の羽根車部品を、この各羽根車部品の少なくとも芯板と側板とに設けられた羽根車の回転軸に交わる方向の面を当接面とし、この当接面で各羽根車部品を当接させている構成とすることにより上記課題を解決する。

さらに、側板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより縮径した側に位置し、芯板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより拡径した側に位置し、各羽根車部品に形成された羽根のこの各羽根車部品を当接する側の端縁は、側板の当接面の羽根側周縁と、芯板の当接面の羽根側周縁とを結ぶテーパ状に形成されている構成とする。

また、各羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁が当接面となっており、各羽根車部品に形成された羽根を、互いの前記羽根に設けた当接面を位置合わせして当接している構成とする。

さらに、各羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁間に隙間を有し、各羽根車部品に形成された羽根を、互いの前記羽根の端縁を位置合わせした状態で芯板と側板とに設けられた対応する当接面が当接されている構成とする。

また、２以上の羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁の位置がずれていることにより、２以上の羽根車部品に形成された羽根の端縁間に隙間が形成されている構成とする。

さらに、２以上の羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁の位置が、羽根車内の流体の流れに対して下流側に位置する羽根車部品の羽根ほど、羽根車の回転方向にずれている構成とする。

また、上記いずれかの羽根車と、この羽根車が連結されたシャフトとを備えた構成のターボ形流体機械のロータとする。このような構成のターボ形流体機械のロータとすれば、ロータの製作コストを低減できる。

本発明によれば、側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる羽根車の第１の実施形態について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる羽根車の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。図２は、本発明を適用してなる羽根車の該略構成を示す分解斜視図である。図３は、本発明を適用してなる羽根車の製作方法を説明する図であり、各羽根車部品の形成作業を示す図である。図４は、ノックピンを用いて位置合わせを行う場合の羽根車の組み立て方法を説明する図である。図５は、拡散接合で羽根車を組み立てる方法を説明する図である。

本実施形態の羽根車１は、ターボ形流体機械に用いられる一般的なステンレス鋼やクロム・モリブデン鋼、その他の鉄鋼材料などで形成されたものであり、図１に示すように、芯板３、側板５、そして芯板３と側板５との間に円周方向に配列された複数の羽根７を有する３次元羽根車である。

芯板３は、羽根車１の側方に向いた開口側から回転軸１１に沿う方向に向いた開口側にかけて凹曲面を描きながら漸次縮径する切頭円錐状に形成されており、中央部には図１には図示していないシャフトが挿通される貫通穴９が形成されている。側板５は、芯板３の凹曲面に沿う形状に湾曲しながら羽根車１の側方に向いた開口側から回転軸１１に沿う方向に向いた開口側にかけて漸次縮径する筒状に形成されている。側板５と芯板３との間隔は、羽根車１の側方に向いた開口側で狭く、回転軸１１に沿う方向に向いた開口側で広くなっている。羽根７は、このような形状の芯板３と側板５との間に形成されており、図２に示すように、羽根車１の回転軸１１に沿う方向に向いた開口側から側方に向いた開口側にかけて湾曲し、ねじれた状態で形成されている。

このような形状の本実施形態の羽根車１は、図１及び図２に示すように、回転軸１１に垂直に交わる２箇所の面で分割された３つの羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃで構成されている。そして、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの対向する面が当接面１３、１５となっている。羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃは、図３に示すように、別個に、例えばＮＣ旋盤などを用いた切削加工により製作されている。なお、図１における当接面１３は、図３における羽根車部品１ａの芯板３、羽根７、そして側板５にかけて設けられた当接面１３ａと、羽根車部品１ａの当接面１３ａに対応する形状の羽根車部品１ｂの芯板３、羽根７、そして側板５にかけて設けられた当接面１３ｂとからなり、図１における当接面１５は、羽根車部品１ｂの当接面１３ｂと反対側の芯板３、羽根７、そして側板５にかけて設けられた当接面１５ａと、羽根車部品１ｂの当接面１５ａに対応するする形状の羽根車部品１ｃの芯板３、羽根７、そして側板５にかけて設けられた当接面１５ｂとからなる。

このとき、羽根車１の回転軸１１に沿う方向に向いた開口を有する羽根車部品１ａでは、芯板３、側板５、そして羽根７の間の空間つまり流路となる部分を中ぐりで形成すると共に、芯板３及び側板５の流路面と羽根７とを形成する際、流路幅も広く、羽根７も他の部分に比べてねじれが少ない部分であるため、一面側から、例えば図３に矢印で示す方向のように切削工具１７を羽根車部品１ａの回転軸１１に沿う方向に向いた開口側の羽根７の端縁１９側から挿入して切削加工を行う。

一方、中間に位置する羽根車部品１ｂでは、羽根車部品１ａに比べて流路が徐々に狭くなり、また、羽根７のねじれも大きくなってくるため、両面側から、つまり図３に矢印で示す方向のように切削工具１７を羽根車部品１ｂの羽根車部品１ａ側に来る当接面１３ｂ側と、羽根車部品１ｂの羽根車部品１ｃ側に来る当接面１５ａ側との両側から挿入して切削加工を行う。また、側方に向いた開口を有する羽根車部品１ｃでも、羽根車部品１ｂに比べて流路がさらに狭くなり、また、羽根７のねじれや湾曲も大きくなってくるため、両面側から、つまり図３に矢印で示す方向のように切削工具１７を羽根車部品１ｃの羽根車部品１ｂ側に来る当接面１５ｂ側と、側方に向いた開口側の羽根７の端縁２１側との両側から挿入して切削加工を行う。

ところで、本実施形態の場合、１つの羽根車１は、３つの羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃで構成されるため、３種類の形状の羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを切削加工することになる。このため、ＮＣ旋盤などを用いて加工を行う場合、ＮＣ加工のソフトが３つ必要になり、また、加工のためのセッティング回数が増えるなどのデメリットが考えられる。しかし、コンピュータ技術などの進歩により、最近では、羽根形状の３次元データ化が容易になっているうえ、それらのデータを用いたＮＣ加工ソフトの作成の自動化も進んでいる。したがって、上記のようなデメリットは、溶接で加工する場合の溶接作業やビード仕上げが不要になること、自動溶接機などを用いた自動溶接に比べて機械加工の効率が高くなることなどに比べれば問題にはならない程度のものである。

このように切削加工で形成した羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃは、各々の対応する当接面１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｃで当接され、１つの羽根車１として組み立てられる。羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃから羽根車１を組み立てる方法の１つとして、羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃをシャフトに取り付けることによって行う方法がある。この場合、羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの周方向の位置、つまり、羽根７の位置を合わせるために有底穴を形成し、この有底穴に挿入可能なノックピンを用いる。すなわち、この方法では、図４に示すように、羽根車部品１ａの当接面１３ａの芯板３部分に有底穴２３を、羽根車部品１ｂの当接面１３ｂの芯板３部分の、羽根車部品１ａ側の有底穴２３に対応する部分に形成された穴に挿入され、羽根車部品１ｂの当接面１３ｂから突出した状態にされた円柱状のノックピン２５を設ける。

同様に、羽根車部品１ｂの当接面１５ａの芯板３部分に有底穴２７を、羽根車部品１ｃの当接面１５ｂの芯板３部分の、羽根車部品１ｂ側の有底穴２７に対応する部分に形成された穴に挿入され、羽根車部品１ｃの当接面１５ｂから突出した状態にされた円柱状のノックピン２９を設ける。なお、有底穴２３の内径とノックピン２５の外径、そして有底穴２７の内径とノックピン２９の外径は、各々同じ大きさに形成されており、ノックピン２５が有底穴２３に、そしてノックピン２９が有底穴２７に挿入されることで、がたが無い状態で羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃが各々周方向に位置合わせされた状態、つまり羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの各々に形成された羽根７同士が位置合わせされた状態となる。

このような羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃは、例えば羽根車部品１ｃ、羽根車部品１ｂ、そして羽根車部品１ａの順で、互いの対応する当接面、つまり当接面１５ｂと当接面１５ａ、当接面１３ｂと当接面１３ａが対向する状態で各々の貫通穴９にシャフト３１の羽根車固定部３１ａを挿通し、当接面１５ｂと当接面１５ａ、当接面１３ｂと当接面１３ａを当接させて行く。このとき、羽根車部品１ｃと羽根車部品１ｂは、ノックピン２９を貫通穴２７に挿入することで周方向の位置決めがされ、羽根車部品１ｂと羽根車部品１ａは、ノックピン２５を貫通穴２３に挿入することで周方向の位置決めがされる。羽根車部品１ｃ、羽根車部品１ｂ、そして羽根車部品１ａがシャフト３１の羽根車固定部３１ａに装着された後、シャフト３１の羽根車固定部３１ａの端面に形成されたねじ穴３１ｂに、ねじ穴３１ｂに対応するボルト３３を螺合させ、シャフト３１の羽根車固定部３１ａに羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを１体に羽根車１として組み立てて固定した状態とする。

このような組み立て方法では、遠心圧縮機や遠心送風機などといったターボ形流体機械のロータ３５の組み立てと共に各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃから羽根車１を組み立てることができ、羽根車の組み立て作業を簡素化できる。組み立てた羽根車に強度上の問題が生じない用途に用いる羽根車やロータは、このような簡素化された方法で組み立てることができる。

一方、羽根車に強度の向上が要求される場合や、隙間腐食が懸念される用途に用いる羽根車及びロータでは、羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃは、溶接やろう付け、または拡散接合などで互いの対応する当接面、つまり当接面１３ａと当接面１３ｂ、当接面１５ａと当接面１５ｂを接合することになる。特に、遠心圧縮機などにおいて要求される圧力が比較的高く、強度をできるだけ向上することが必要な場合には、拡散接合により組み立てを行うことが望ましい。

拡散接合により組み立てを行う場合、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃは、図５に示すように、側板５の外周面側の部分や芯板３の両端面側の部分などは成形を行わず、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを、仕上げ代３７を残した円盤状の部材として、側板５の外周側などを除き、芯板３、側板５、そして羽根７の加工を行う。そして、この円盤状の各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを、互いの対応する当接面、つまり当接面１３ａと当接面１３ｂ、当接面１５ａと当接面１５ｂが当接し、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃに形成された羽根７が連続するように位置を合わせた状態で、羽根車部品１ｃ、羽根車部品１ｂ、そして羽根車部品１ａの順に積み重ね、さらに羽根車部品１ａ上に両面が平坦な円盤状の加圧治具３９を載置し、真空炉の中に入れる。

これにより、図５において矢印で示すような方向の力で各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃが加温状態で加圧され、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの当接面１３ａと当接面１３ｂ、そして当接面１５ａと当接面１５ｂとが拡散接合により接合される。各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃを接合して一体とした後、拡散接合を行う前に加工を行っていなかった仕上げ代３７の部分を削り、側板５の外周面側、及び芯板３の両端部分を仕上げ、図１に示すような形状の羽根車１とする。

なお、加圧治具３９で加圧するとき、羽根車部品１ｃでは、羽根車部品１ａ、１ｂと異なり、加圧による力がかかる方向に側板５、羽根７、芯板３が順に位置した状態となっているため、羽根車部品１ａ、１ｂに比べて羽根７に相対的に大きな力がかかり、羽根７が変形する恐れがある。したがって、拡散接合を行う場合、羽根車部品１ｃの側板５の仕上げ代３７と、芯板３の仕上げ代３７との間の空間、つまり側板５と芯板３との間の羽根７の端縁２１よりも外側の空間に、側板５と芯板３との間の幅に応じた幅を有し、過剰な変形を防止するための環状部材４１が設けられている。また、必要以上の圧力がかかることにより、羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの各々の羽根７部分で回転軸１１方向に圧縮変形が生じるのを防止するための変形防止用の部材も使用される場合があるが、図５では省略している。

このように拡散接合で各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃから羽根車１を組み立てる場合、各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃの当接面１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂは全て平行な平面状であるため、加工は容易であり、各当接面１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂの面粗さをできるだけ小さくし、できるだけ滑らかな面に仕上げることができる。また、拡散接合では、面仕上げを滑らかにするほど、加圧力を小さくして接合できるので、接合における圧縮加圧による羽根７などの変形を低減できる。さらに、羽根７単独ではなく、羽根７は、芯板３、側板５と一体で削り出されているので、加熱下で加圧された状態でも羽根７に局所的に力がかかり難いことからも、羽根７の変形を低減できる。つまり、本実施形態のように各羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃで羽根車１を形成すれば、当接面１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂを滑らかに加工できるので、拡散接合で羽根車を組み立てる場合でも、比較的低圧による圧縮加圧で接合が行え、加圧による羽根の変形を低減できる。

ここで、芯板３と羽根７を一体で機械加工により削り出し、その後、溶接によって側板５を接合することで羽根車１を製作する場合、羽根７の側板５側の中間部分、つまり本実施形態の羽根車部品１ｂに形成される羽根７の部分に相当する部分では、溶接の工具が羽根７と干渉して溶接し難い状態となる。また、側板５に羽根７を一体で削り出した場合は、芯板３と羽根７とを溶接することになる。この場合は、側板５と羽根７とを溶接する場合に比べると溶接は容易になると思われるが、羽根７の形状によっては、やはり羽根７中間部分での溶接が難しい状態となることが懸念される。さらに、側板５側に羽根７を一体で削り出す場合、羽根７との干渉を避けるために長いアームをもつ工具が必要となること、また、羽根７は一つの縁部で固定された状態である上、比較的薄いものであるため、加工ではびびりが生じやすく、機械加工であっても加工効率に問題が生じることなども懸念される。

これに対して、本実施形態の羽根車の製造方法及び羽根車１では、芯板３や側板５を備えた３次元羽根車であっても、側板５と芯板３とを通り回転軸１１に交わる方向の当接面１３、１５で分割した形状の羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃによって羽根車１が構成されている。羽根車１を構成する羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃには、側板５、芯板３、そしてねじれた羽根７で画成された流路に溶接や切削のための工具などが入り難い部分がないため、自動溶接機や自動旋盤などによる製作が行える。さらに、羽根７の当接面は平面となるため、当接面の密着性を向上するための加工精度の向上なども必要ない。したがって、側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化できる。

特に、近年の機械的な技術やソフトウエアなどの進歩により、ＮＣ旋盤といった自動旋盤などにより３次元形状のものにたいする切削加工の自動化が可能になってきている。一方、溶接では、自動溶接機などを用いて溶接作業を自動化したとしても、ビード仕上げ、溶接後応力の除去や材料強度確保などのための熱処理工程などの手作業で行なわなければならない作業が必要となる。さらに、必要な強度を確保し、信頼性を確保するための溶接の表面欠陥の検査作業なども必要となる。したがって、切削加工で各羽根車部品を形成すれば、自動旋盤などを用いて切削加工を自動化できる上、溶接で製作した場合よりも手作業や検査作業などを減らしたり、簡素化することができ、より自動化を促進できる。加えて、自動化を促進できることにより、製作コストの低減や、製作期間の短縮などが可能となる。また、機械加工できることにより、羽根形成の精度を向上でき、さらに、羽根形成の精度の向上により性能のばらつきを少なくできる。

加えて、本実施形態のような切削工具１７の図示していないアームや、溶接に用いられる工具のアームなどを短くできること、また、羽根７が常に芯板３及び側板５に固定された状態となるため、薄い羽根を形成する場合でもびびりが生じ難いことなどから、加工効率を向上できる。

さらに、ＮＣ旋盤などの自動切削機械による機械加工では、溶接などの接合方法に比べて寸法精度を高めることができるため、羽根車の性能のばらつきを低減できる。加えて、このような機械加工で羽根７を削りだすため、羽根７の両縁の芯板３、側板５への連結部分、つまり溶接で形成する場合のフィレットに相当する部分の加工精度を溶接におけるフィレットに比べて向上できるため、羽根７と芯板３や側板５との連結部分の欠陥の低減や、羽根車の品質の向上などが可能となり、また、強度的限界設計にも寄与でき、強度信頼性を向上できる。さらに、溶接作業を行う場合に比べ、検査工程を簡素化できる。

さらに、本実施形態の羽根車部品１ａ、１ｂ、１ｃで構成された羽根車１をシャフト３１に組み付けたターボ形流体機械のロータとすることにより、ロータとしての製作コストの低減や製作期間の短縮、また、品質の向上などが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなる羽根車の第２の実施形態について図６乃至図８を参照して説明する。図６は、本発明を適用してなる羽根車の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。図７は、本発明を適用してなる羽根車の製作方法を説明する図であり、各羽根車部品の形成作業を示す図である。図８は、拡散接合で羽根車を組み立てる方法を説明する図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。

本実施形態の羽根車が第１の実施形態と相違する点は、第１の実施形態の羽根車に比べて羽根の高さが高い、つまり羽根の端縁の幅が広い高比速度羽根車であること、第１の実施形態の羽根車の当接面が平面的な形状であるのに対して、本実施形態の当接面は、段差を有した立体的な形状としたことなどにある。すなわち、本実施形態の高比速度羽根車である羽根車４３では、図６に示すように、芯板３、側板５、そして芯板３と側板５との間に円周方向に配列された複数の羽根７を有する３次元羽根車としての構成は、第１の実施形態と同じである。しかし、羽根車４３は、高比速度羽根車であるため、側板５と芯板３との間隔は、第１の実施形態よりも広く、羽根７の高さが高くなっている。

このような形状の本実施形態の羽根車４３は、図６及び図７に示すように、回転軸１１に垂直に交わる方向の１箇所の段差を有する当接面４５で分割された２つの羽根車部品４３ａ、４３ｂで構成されている。羽根車部品４３ａ、４３ｂは、図７に示すように、別個に、例えばＮＣ旋盤などを用いた切削加工により形成されている。図６における当接面４５は、図７における羽根車部品４３ａの当接面４５ａと、羽根車部品４３ａの当接面４５ａに対応する形状の羽根車部品４３ｂの当接面４５ｂとからなる。

羽根車部品４３ａの当接面４５ａと、羽根車部品４３ｂの当接面４５ｂとは、各々、側板５の部分では、羽根車４３の回転軸１１に垂直な方向の平面で、当接面４５ａの芯板３側の部分、及び当接面４５ｂの芯板３側の部分よりも、羽根車４３のより縮径した側に位置している。芯板３の部分では、羽根車４３の回転軸１１に垂直な方向の平面で、当接面４５ａの側板５側の部分、及び当接面４５ｂの側板５側の部分よりも、羽根車４３のより拡径した側に位置している。

さらに、羽根車部品４３ａの当接面４５ａの羽根７の部分では、当接面４５ａの側板５の部分の羽根７側周縁と芯板３の部分の羽根７側周縁とを結ぶテーパ状の面となっている。したがって、羽根車部品４３ａの当接面４５ａでは、羽根７の部分のテーパ状の面を介して、芯板３の部分の面が側板５の部分の面よりも突出した状態に形成されている。また、羽根車部品４３ｂの当接面４５ｂの羽根７の部分では、当接面４５ｂの側板５の部分の羽根７側周縁と芯板３の部分の羽根７側周縁とを結ぶテーパ状の平面となっている。したがって、羽根車部品４３ｂの当接面４５ｂでは、羽根７の部分のテーパ状の平面を介して、芯板３の部分の面が側板５の部分の面よりも凹んだ状態に形成されている。すなわち、羽根車部品４３ａの当接面４５ａと、羽根車部品４３ｂの当接面４５ｂとは、各々、互いに対応する形状の凸面と凹面とに形成されている。

羽根車部品４３ａと、羽根車部品４３ｂとを切削加工により形成するとき、回転軸１１に沿う方向に向いた開口を有する羽根車部品４３ａでは、芯板３、側板５、そして羽根７の間の空間つまり流路となる部分を中ぐりで形成すると共に、芯板３及び側板５の流路面と羽根７とを形成する際、流路幅も広く、羽根７も羽根車部品４３ｂに比べてねじれや湾曲が少ない部分であるため、一面側から、例えば図７に矢印で示す方向のように切削工具１７を羽根車部品４３ａの回転軸１１に沿う方向に向いた開口側の羽根７の端縁１９側から挿入して切削加工を行う。一方、側方に向いた開口を有する羽根車部品４３ｂでは、羽根車部品４３ａに比べて流路が狭くなり、また、羽根７のねじれや湾曲も大きくなってくるため、両面側から、つまり図７に矢印で示す方向のように切削工具１７を、羽根車部品４３ｂの羽根車部品４３ａ側に来る当接面４５ｂ側と、側方に向いた開口側の羽根７の端縁２１側との両側から挿入して切削加工を行う。

羽根車部品４３ａと羽根車部品４３ｂとを羽根車４３に組み立てる場合、第１の実施形態のように、有底穴とノックピンを用いた方法、溶接やろう付けなどにより接合する方法など必要な強度などに応じて様々な方法で組み立てることができるが、ここでは、拡散接合により組み立てる場合について説明する。拡散接合により組み立てを行う場合、各羽根車部品４３ａ、４３ｂは、図８に示すように、第１の実施形態と同様、側板５外周面側の部分芯板３の両端面側の部分などは成形を行わず、各羽根車部品４３ａ、４３ｂを、仕上げ代３７を残した部材として芯板３、側板５、そして羽根７の加工を行う。

そして、各羽根車部品４３ａ、４３ｂを、互いの対応する当接面、つまり当接面４３ａと当接面４３ｂが当接し、位置を合わせた状態で、羽根車部品４３ｂ、そして羽根車部品４３ａの順に積み重ね、さらに羽根車部品４３ａ上に加圧治具４７を載置し、炉の中に入れる。このとき、本実施形態の羽根車部品４３ａは、羽根７の端縁１９側の面のうち、芯板３の部分が凹んだ凹状になっている。このため、加圧治具４７は、側板５の部分と芯板３の部分に当接できるように、芯板３に対応する部分が円盤状に突出した全体に凸形状の断面を有するものを用いている。

これにより、図８において矢印で示すような方向の力で各羽根車部品４３ａ、４３ｂが加圧された状態で加熱され、各羽根車部品４３ａ、４３ｂの当接面４５ａと当接面４５ｂとが拡散接合により接合される。各羽根車部品４３ａ、４３ｂを接合して一体とした後、拡散接合を行う前に加工を行っていなかった仕上げ代３７の部分を削り、側板５の外周面側、及び芯板の両端部分を仕上げ、図６に示すような形状の羽根車４３とする。

このような本実施形態の高比速度羽根車である羽根車４３では、第１の実施形態のように、当接面が単一平面である場合には、羽根と芯板との連結部分が比較的短くなった羽根車部品や、芯板を含まない羽根車部品などを形成することになる場合がある。例えば、第１の実施形態のように単一平面の当接面を形成した場合、当接面が羽根車４３の回転軸１１に沿う方向に向いた開口側の羽根７の端縁１９に交わり、羽根７がこの端縁１９で分割されてしまう場合がある。この場合、加工時にびびりが生じ易いため、機械加工が難しくなる場合がある。また、羽根７がこの端縁１９で分割されてしまう場合、羽根７の位置合わせを行うための加工精度の問題や、拡散接合する場合に羽根が変形し易いなどの問題が生じる。

しかし、本実施形態の羽根車４３は、互いに対応する形状の凸面と凹面とに形成された当接面４５ａ、４５ｂを有する羽根車部品４３ａ、４３ｂで形成されていることから、羽根車部品４３ａ、４３ｂは、羽根と芯板との連結部分が比較的短くなった羽根車部品や、芯板を含まない羽根車部品、つまり、当接面が羽根７の端縁１９を通らず、羽根７が端縁１９で分割された状態の羽根車部品になってしまうことが無い。したがって、羽根７の両端が側板５と十分な長さの芯板３とで支持された状態となり、加工時にびびりが生じ難いため、機械加工がし易くなり、自動溶接機や自動旋盤などによる製作が行える。すなわち、高比速度羽根車であっても、本実施形態の当接面４５のような面形状とすれば、側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化できる。

さらに、羽根７の位置合わせを行うための加工精度の問題や、拡散接合する場合に羽根が変形し易いなどの問題が生じない。また、羽根車部品４３ａと羽根車部品４３ｂとを回転軸１１に沿う方向に加圧して拡散接合する場合、羽根車部品４３ａの当接面４５ａの側板５部分や芯板３部分は、回転軸１１に垂直な平面であるため、この部分で加圧変形の制御をすることにより、接合時に羽根７部分に過剰な変形が生じ難い。加えて、羽根車部品４３ａの当接面４５ａの羽根７の部分、そして羽根車部品４３ｂの当接面４５ｂの羽根７の部分は、共にテーパ状であるが平面であるため、当接面の密着性を向上するための加工精度の向上なども必要ない。

さらに、羽根車４３の当接面４５は、第１の実施形態のような単一平面ではないが、当接面４５のうち芯板３の部分、そして側板５の部分は、いずれも回転軸１１に垂直、つまり拡散接合するときの加圧方向に対して垂直な平面であるから、拡散接合は、加圧冶具４７のような加圧治具を用いることにより容易に行える。

加えて、羽根車４３のような高比速度羽根車では、強度的に最も厳しい部位は、通常、羽根７の両端縁１９、２１の付根、つまり芯板３や側板５への連結部分であり、羽根車４３の使用において羽根７の中間部分に作用する応力は相対的に低い。本実施形態のようにＮＣ旋盤などにより切削加工した、羽根車部品４３ａ、４３ｂで形成された羽根車４３では、この作用する応力が他の部分よりも大きい羽根７の端縁１９、２１の連結部分が、加工精度を向上でき、また、強度に対する信頼性を向上できる機械加工によって形成されるので、羽根車としての強度に対する信頼性を向上できる。

（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなる羽根車の第３の実施形態について図９乃至図１２を参照して説明する。図９は、本発明を適用してなる羽根車の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。図１０は、本発明を適用してなる羽根車の該略構成を示し、各羽根車部品を分割した状態で示す回転軸方向での断面図である。図１１は、拡散接合で羽根車を組み立てる方法を説明する図である。図１２は、本発明を適用してなる羽根車の各羽根車部品の羽根の対向する端縁間に設けた隙間の状態と流体の流れを説明する側板を省略した羽根車の一部分の模式図である。なお、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。

本実施形態の羽根車が第１及び第２の実施形態と相違する点は、第１及び第２の実施形態の羽根車のように各羽根車部品の羽根の端縁に当接面を設けておらず、各羽根車部品の羽根の当接面側の端縁間に隙間を設けたことにある。すなわち、本実施形態の羽根車４９では、図９に示すように、芯板３、側板５、そして芯板３と側板５との間に円周方向に配列された複数の羽根７を有する３次元羽根車としての構成は、第１の実施形態と同じである。しかし、羽根車４９では、羽根車４９の回転軸１１に沿う方向に向いた開口を有する羽根車部品４９ａに形成された羽根７の当接面１３側の端縁７ａと中間に位置する羽根車部品４９ｂに形成された羽根７の当接面１３側の端縁７ｂとの間、そして、羽根車部品４９ｂに形成された羽根７の当接面１５側の端縁７ｃと側方に向いた開口を有する羽根車部品４９ｃに形成された羽根７の当接面１５側の端縁７ｄとの間に、各々、隙間５１、５３が形成されている。

羽根車４９を構成する３つの羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃは、図１０に示すように、第１の実施形態と同様、別個に、例えばＮＣ旋盤などを用いた切削加工により形成されている。このとき、本実施形態では、拡散接合により各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃを接合して羽根車４９を組み立てるため、各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃは、仕上げ代３７を残した円盤状の部材として、側板５の外周側などを除き、芯板３、側板５、そして羽根７の加工が行われる。

各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃの羽根７の加工において、羽根車部品４９ａに形成された羽根７の当接面１３側の端縁７ａ、羽根車部品４９ｂに形成された羽根７の当接面１３側の端縁７ｂと当接面１５側の端縁７ｃ、そして、羽根車部品４９ｃに形成された羽根７の当接面１５側の端縁７ｄは、各羽根車部品４９ａ、４９ｂの当接面１３となる芯板３及び側板５に形成された当接面１３ａ、１３ｂ、各羽根車部品４９ｂ、４９ｃの当接面１５となる芯板３及び側板５に形成された当接面１５ａ、１５ｂよりも凹んだ状態で形成されている。また、これらの各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃの羽根７の端縁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと芯板３及び側板５との間は、凹状の曲面でつながった状態に加工され、強度が向上されている。

このように本実施形態では、第１の実施形態とは異なり、羽根車部品４９ａと羽根車部品４９ｂ間の当接面１３は、羽根車部品４９ａの羽根車部品４９ｂ側の芯板３及び側板５の面からなる当接面１３ａと、羽根車部品４９ｂの羽根車部品４９ａ側の芯板３及び側板５の面からなる当接面１３ｂとからなる。同様に、羽根車部品４９ｂと羽根車部品４９ｃ間の当接面１５は、羽根車部品４９ｂの羽根車部品４９ｃ側の芯板３及び側板５の面からなる当接面１５ａと、羽根車部品４９ｃの羽根車部品４９ｂ側の芯板３及び側板５の面からなる当接面１５ｂとからなる。

各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃを各々拡散接合により接合して羽根車４９に組み立てる場合、図１１に示すように、第１の実施形態と同様、仕上げ代３７を残した円盤状の各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃを、互いの対応する当接面、つまり当接面１３ａと当接面１３ｂ、当接面１５ａと当接面１５ｂが各々当接し、羽根７の端縁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが対向する位置になるように位置を合わせた状態で、羽根車部品４９ｃ、羽根車部品４９ｂ、そして羽根車部品４９ａの順に積み重ね、さらに羽根車部品４９ａ上に円盤状の加圧治具３９を載置し、真空炉の中に入れる。

そして、図１１において矢印で示すような方向の力を加圧治具３９に加えることで、各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃが加温状態で、矢印で示すような方向に加圧され、各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃの当接面１３ａと当接面１３ｂ、そして当接面１５ａと当接面１５ｂとが拡散接合により接合される。このとき、羽根車部品４９ａの羽根７の端縁７ａと羽根車部品４９ｂの羽根７の端縁７ｂ、そして、羽根車部品４９ｂの羽根７の端縁７ｃと羽根車部品４９ｃの羽根７の端縁７ｄは、図９及び図１２に示すように、当接せず、隙間５１、５３が形成された状態となる。これにより、各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃの羽根７は、直接加圧されないため、変形が生じ難くなり、３次元羽根車の形状の精度を向上できる。

なお、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、羽根車部品４９ｃの側板５の仕上げ代３７と、芯板３の仕上げ代３７との間の空間、つまり側板５と芯板３との間の羽根７の端縁２１よりも外側の空間に、側板５と芯板３との間の幅に応じた幅を有し、過剰な変形を防止するための環状部材４１が設けられており、羽根車部品４９ｃの羽根７に過度の圧力がかかるのを防止している。

各羽根車部品４９ａ、４９ｂ、４９ｃを接合して一体とした後、第１に実施形態と同様に、拡散接合を行う前に加工を行っていなかった仕上げ代３７の部分を削り、側板５の外周面側、及び芯板３の両端部分を仕上げ、図９に示すような形状の羽根車４９とする。

このように本実施形態の羽根車の製造方法及び羽根車４９では、第１の実施形態と同様に側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化できるなどの効果が得られるのに加え、拡散接合のように各羽根車部品を羽根車に組み立てる際に加圧される場合などにおいて、羽根の変形を確実に生じ難くできる。

また、本実施形態で示した羽根の端縁間に隙間を設ける方法や構成は、本実施形態の形状の３次元羽根車に限らず、図１３及び図１４に示すように、第２の実施形態で示したような本実施形態の羽根車４９よりも側板５と芯板３との間隔が広く、羽根７の高さが高くなっている羽根車５５、つまり、高比速度羽根車にも適用できる。

なお、図１４に示した羽根車５５を形成する羽根車部品５５ａでは、第２の実施形態の羽根車の相当する羽根車部品と異なり、羽根車部品５５ａの羽根の開口側の面、つまり端縁１９側の面の芯板３の部分が凹んだ凹状にならないように、芯板３に連続する仕上げ代３７を残している。したがって、羽根車５５では、拡散接合などを行うとき、第２の実施形態のように芯板に対応する部分が突出した全体に凸形状の断面を有する加圧治具を用いずに、第１の実施形態や本実施形態で用いたような円盤状の加圧治具で加圧を行うことができる。

（第４の実施形態）
以下、本発明を適用してなる羽根車の第４の実施形態について図１５乃至図１８を参照して説明する。図１５は、本発明を適用してなる羽根車の各羽根車部品の羽根を流体の流れの方向に対して下流側の羽根車部品ほど羽根を羽根車の回転方向に順次ずらした場合の構成と、そのときの流体の流れを説明する羽根車の一部分の模式図である。図１６は、作動範囲とサージマージンについて説明する図である。図１７は、本発明を適用してなる羽根車の羽根近傍の流体の流れを説明する模式図である。図１８は、本発明を適用してなる羽根車の各羽根車部品の羽根を流体の流れの方向に対して下流側の羽根車部品ほど羽根を羽根車の回転方向と逆方法に順次ずらした場合の構成と、そのときの流体の流れを説明する羽根車の一部分の模式図である。なお、本実施形態では、第１乃至第３の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１乃至第３の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。

本実施形態の羽根車が第１乃至第３の実施形態と相違する点は、各羽根車部品の羽根の位置を、羽根車の周方向に所定の角度ずらして組み立てていることにある。すなわち、本実施形態の羽根車５７では、回転軸１１方向での断面でみたときは、第３の実施形態の図９に示したように、芯板３、側板５、そして芯板３と側板５との間に円周方向に配列された複数の羽根７を有する３次元羽根車としての構成は、第１の実施形態と同じであり、第３の実施形態と同様に、羽根７の端縁７ａと端縁７ｂ間、そして、端縁７ｃと端縁７ｄ間に隙間が設けられている。しかし、羽根車５７では、図１５に示すように、羽根車５７の回転軸１１に沿う方向に向いた開口を有する羽根車部品５７ａに形成された羽根７の位置、中間に位置する羽根車部品５７ｂに形成された羽根７の位置、そして、側方に向いた開口を有する羽根車部品５７ｃに形成された羽根７の位置が羽根車５７の周方向に所定の角度を有して順次ずれた状態になっている。

このような羽根車５７は、第１及び第３の実施例と同様に、３つに分割した状態の羽根車部品５７ａ、５７ｂ、５７ｃを個別に加工し、これら３つの羽根車部品５７ａ、５７ｂ、５７ｃを拡散接合などにより接合して製作する。この３つの羽根車部品５７ａ、５７ｂ、５７ｃの接合の際、羽根車５７では、羽根車部品５７ａに形成された羽根７、羽根車部品５７ｂに形成された羽根７、そして、羽根車部品５７ｃに形成された羽根７の順に、順次、各羽根車部品５７ａ、５７ｂ、５７ｃに形成された羽根７位置が、図１５において矢印で示した羽根車５７の回転方向Ｒの方向にずらした状態で接合をおこなっている。

ところで、本実施形態の羽根車５７では、流体は、図１５において矢印で示した流体の流れＦのように、羽根車部品５７ａの羽根７の端縁１９側から流入し、羽根車部品５７ｃの羽根７の端縁２１側から流出するように流れる。したがって、このように組み立てられた羽根車５７では、各羽根車部品５７ａ、５７ｂ、５７ｃに形成された羽根７の当接する側の端縁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの位置が、羽根車５７内の流体の流れＦに対して下流側に位置する羽根車部品５７ｂ、５７ｃの羽根７ほど、羽根車５７の回転方向Ｒの方向にずれた状態となっている。

これにより、図１５及び図１６に示すように、例えば羽根車５７内の流体の流れＦに対して上流側に位置する羽根車部品羽根５７ａの羽根７の端縁７ａ側から、この羽根車部品羽根５７ａの羽根７の端縁７ａと下流側に位置する羽根車部品羽根５７ｂの羽根７の端縁７ｂとの間の隙間５１を通って、羽根車部品羽根５７ｂの羽根７の負圧面５９側に流れる吹き出し流れｆ１が生じる。

そして、この吹き出し流れｆ１が、羽根７の負圧面５９によって、羽根７の負圧面５９で生じる流体の流れＦの剥離を抑制する。このように、吹き出し流れｆ１によって羽根７の負圧面５９での流体の流れＦの剥離や失速を抑制すると、図１７に示すように、この羽根車５７を用いたロータを備えたターボ形流体機械、例えば圧縮機などにおいて、作動範囲のうち、小流量側の作動範囲、つまり、設計点と最小流量となるサージ点との間の範囲であるサージマージンを拡大できる。したがって、３次元羽根車の性能、さらに、この３次元羽根車を用いたロータや、このロータを備えたターボ形流体機械の性能を向上できる。

一方、作動範囲のうち、大流量側の作動範囲、つまり、設計点以上の流量側の作動範囲を拡大する必要がある場合には、図１８に示す羽根車６１のように、図１５に示した羽根車５７とは逆に、３つの羽根車部品６１ａ、６１ｂ、６１ｃの接合の際、羽根車部品６１ａに形成された羽根７、羽根車部品６１ｂに形成された羽根７、そして、羽根車部品６１ｃに形成された羽根７の順に、順次、各羽根車部品６１ａ、６１ｂ、６１ｃに形成された羽根７位置が、図１８において矢印で示した羽根車６１の回転方向Ｒの方向と逆方向にずらした状態で接合をおこなう。このように組み立てられた羽根車６１では、各羽根車部品６１ａ、６１ｂ、６１ｃに形成された羽根７の当接する側の端縁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの位置が、羽根車６１内の流体の流れＦに対して下流側に位置する羽根車部品６１ｂ、６１ｃの羽根７ほど、羽根車６１の回転方向Ｒの方向と逆方向にずれた状態となる。

これにより、図１５に示した羽根車５７とは逆に、例えば羽根車５７内の流体の流れＦに対して上流側に位置する羽根車部品羽根５７ａの羽根７の端縁７ａ側から、この羽根車部品羽根５７ａの羽根７の端縁７ａと下流側に位置する羽根車部品羽根５７ｂの羽根７の端縁７ｂとの間の隙間５１を通って、羽根車部品羽根５７ｂの羽根７の負圧面５９とは反対側の面である圧力面側に流れる吹き出し流れｆ２が生じる。そして、この吹き出し流れｆ２によって、大流量側の作動範囲を拡大できる。

このように本実施形態の羽根車の製造方法及び羽根車５７、６１では、第３の実施形態と同様に側板を備えた３次元羽根車の製作を自動化でき、また、拡散接合のように各羽根車部品を羽根車に組み立てる際に加圧される場合などにおいて、羽根の変形を確実に生じ難くできるという効果が得られるのに加え、ターボ形流体機械の作動範囲を拡大できる。

さらに、本実施形態の羽根車５７では、各羽根車部品５７ａ、５７ｂ、５７ｃに形成された羽根７の当接する側の端縁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの位置が、羽根車５７内の流体の流れＦに対して下流側に位置する羽根車部品５７ｂ、５７ｃの羽根７ほど、羽根車５７の回転方向Ｒの方向にずれた状態となっている。このため、作動範囲のうちでも、特に問題となるサージマージンを拡大できる。

ところで、羽根が分割され、そして分割された羽根が順次羽根車の回転方向にずれた構成の羽根車は、例えば羽根を側板や芯板と一体にして削り出す製造方法の場合、加工工具の干渉のため製造が難しい。もし、できたとしても製造に多くの時間を要するうえ、また、その後の溶接作業も困難である。これに対して、本実施形態の羽根車の製造方法では、羽根が分割され、そして分割された羽根が順次羽根車の回転方向にずれた構成により作動範囲を拡大できる羽根車を容易に作成することができる。

また、本実施形態で示した２以上の羽根車部品に形成された羽根の各羽根車部品を当接する側の端縁の位置がずれていることにより、２以上の羽根車部品に形成された羽根の端縁間に隙間が形成されている構成は、第２の実施形態で示したような高比速度羽根車にも適用できる。

また、本実施形態では、回転軸方向の断面で見たとき、各羽根車部品の羽根の対応する端縁間に隙間が形成された状態の羽根車を示した。しかし、各羽根車部品を当接する側の端縁の位置がずれていることにより、２以上の羽根車部品に形成された羽根の端縁間に隙間が形成されていれば、回転軸方向の断面で見たときに、各羽根車部品の羽根の対応する端縁間が空いている状態になっている必要はない。

また、本発明は、第１乃至第４の実施形態の形状の羽根車に限らず、様々な用途の、側板を備えた様々な形状の３次元羽根車に適用することができる。

本発明を適用してなる羽根車の第１の実施形態の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。 本発明を適用してなる羽根車の第１の実施形態の該略構成を示す分解斜視図である。 本発明を適用してなる羽根車の第１の実施形態の製作方法を説明する図であり、各羽根車部品の形成作業を示す図である。 第１の実施形態において、ノックピンを用いて位置合わせを行う場合の羽根車の組み立て方法を説明する図である。 第１の実施形態において、拡散接合で羽根車を組み立てる方法を説明する図である。 本発明を適用してなる羽根車の第２の実施形態の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。 本発明を適用してなる羽根車の第２の実施形態の製作方法を説明する図であり、各羽根車部品の形成作業を示す図である。 第２の実施形態において、拡散接合で羽根車を組み立てる方法を説明する図である。 本発明を適用してなる羽根車の第３の実施形態の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。 本発明を適用してなる羽根車の第３の実施形態の該略構成を示し、各羽根車部品を分割した状態で示す回転軸方向での断面図である。 拡散接合で羽根車を組み立てる方法を説明する図である。 本発明を適用してなる羽根車の第３の実施形態における各羽根車部品二形成された羽根の対向する端縁間に設けた隙間の状態と流体の流れを説明する側板を省略した羽根車の一部分の模式図である。 本発明を適用してなる羽根車の第３の実施形態における変形例の該略構成を示す回転軸方向での断面図である。 本発明を適用してなる羽根車の第３の実施形態における変形例の該略構成を示し、各羽根車部品を分割した状態で示す回転軸方向での断面図である。 本発明を適用してなる羽根車の第４の実施形態における各羽根車部品の羽根を流体の流れの方向に対して下流側の羽根車部品ほど羽根を羽根車の回転方向に順次ずらした場合の構成と、そのときの流体の流れを説明する羽根車の一部分の模式図である。 本発明を適用してなる羽根車の第４の実施形態における羽根近傍の流体の流れを説明する模式図である。 作動範囲とサージマージンについて説明する図である。 本発明を適用してなる羽根車の第４の実施形態における各羽根車部品の羽根を流体の流れの方向に対して下流側の羽根車部品ほど羽根を羽根車の回転方向と逆方法に順次ずらした場合の構成と、そのときの流体の流れを説明する羽根車の一部分の模式図である。

符号の説明

１ 羽根車
１ａ、１ｂ、１ｃ 羽根車部品
３ 芯板
５ 側板
７ 羽根
１１ 回転軸
１３、１５ 当接面

Claims (16)

1. 外形が切頭円錐状の芯板と、該芯板の外周面と間隔をおいて位置し、該芯板の外周面に対応する形状に形成されて該芯板の外周面を囲む側板と、前記芯板と前記側板との間に形成された３次元形状を有する複数の羽根とを備えた羽根車の製作方法であり、
   前記側板と前記芯板とを通り、羽根車の回転軸に交わる方向の面で羽根車を分割した形状の２以上の羽根車部品を形成し、該形成した２以上の羽根車部品の少なくとも前記側板と前記芯板とに設けられた羽根車の回転軸に交わる方向の前記面を当接面とし、該各羽根車部品の少なくとも前記芯板と前記側板とに設けられた対応する前記当接面を当接して羽根車を組み立てることを特徴とする羽根車の製作方法。
2. 前記側板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより縮径した側に位置し、前記芯板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより拡径した側に位置し、前記各羽根車部品に形成された前記羽根の該各羽根車部品を当接する側の端縁は、前記側板の当接面の前記羽根側周縁と、前記芯板の当接面の前記羽根側周縁とを結ぶテーパ状に形成することを特徴とする請求項１に記載の羽根車の製作方法。
3. 前記２以上の羽根車部品は、切削加工により形成することを特徴とする請求項１または２に記載の羽根車の製作方法。
4. 前記各羽根車部品に形成された羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁に当接面が設けられ、前記各羽根車部品に形成された羽根を、互いの前記羽根に設けた当接面を位置合わせして当接して羽根車を組み立てることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の羽根車の製作方法。
5. 前記各羽根車部品に形成された羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁間に隙間を設け、前記各羽根車部品に形成された羽根を、互いの前記羽根の端縁を位置合わせし、前記芯板と前記側板とに設けられた対応する前記当接面を当接して羽根車を組み立てることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の羽根車の製作方法。
6. 前記２以上の羽根車部品に形成された前記羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁の位置を周方向にずらすことにより、前記２以上の羽根車部品に形成された前記羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁間に隙間が形成された状態で前記２以上の羽根車部品の対応する前記芯板と前記側板とに設けられた当接面を当接して羽根車を組み立てることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の羽根車の製作方法。
7. 前記２以上の羽根車部品に形成された前記羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁の位置を、羽根車内の流体の流れに対して下流側に位置する前記羽根車部品の羽根ほど、羽根車の回転方向にずらした状態で前記２以上の羽根車部品の対応する前記芯板と前記側板とに設けられた当接面を当接して羽根車を組み立てることを特徴とする請求項６に記載の羽根車の製作方法。
8. 前記各羽根車部品の対応する当接面の対応する位置に穴を形成し、該穴に棒体を挿入し、かつ、前記２以上の羽根車部品をシャフトに固定して羽根車を組み立てることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の羽根車の製作方法。
9. 前記２以上の羽根車部品の対応する当接面を当接させた状態で、該対応する当接面間を拡散接合及びろう付けの少なくとも１方により接合して羽根車を組み立てることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の羽根車の製作方法。
10. 外形が切頭円錐状の芯板と、該芯板の外周面と間隔をおいて位置し、該芯板の外周面に対応する形状に形成されて該芯板の外周面を囲む側板と、前記芯板と前記側板との間に形成された３次元形状を有する複数の羽根と備えた羽根車であり、
    前記芯板と前記側板とを通り回転軸に交わる方向の面で分割した形状の２以上の羽根車部品を、該各羽根車部品の少なくとも前記芯板と前記側板とに設けられた羽根車の回転軸に交わる方向の前記面を当接面とし、該当接面で前記各羽根車部品を当接させていることを特徴とする羽根車。
11. 前記側板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより縮径した側に位置し、前記芯板の当接面は、羽根車の回転軸に垂直な方向の平面で、羽根車のより拡径した側に位置し、前記各羽根車部品に形成された前記羽根の該各羽根車部品を当接する側の端縁は、前記側板の当接面の前記羽根側周縁と、前記芯板の当接面の前記羽根側周縁とを結ぶテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の羽根車。
12. 前記各羽根車部品に形成された羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁が当接面となっており、前記各羽根車部品に形成された羽根を、互いの前記羽根に設けた当接面を位置合わせして当接していることを特徴とする請求項１０または１１に記載の羽根車。
13. 前記各羽根車部品に形成された羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁間に隙間を有し、前記各羽根車部品に形成された羽根を、互いの前記羽根の端縁を位置合わせした状態で前記芯板と前記側板とに設けられた対応する前記当接面が当接されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の羽根車の製作方法。
14. 前記２以上の羽根車部品に形成された前記羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁の位置がずれていることにより、前記２以上の羽根車部品に形成された前記羽根の端縁間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の羽根車。
15. 前記２以上の羽根車部品に形成された前記羽根の前記各羽根車部品を当接する側の端縁の位置が、羽根車内の流体の流れに対して下流側に位置する前記羽根車部品の羽根ほど、羽根車の回転方向にずれていることを特徴とする請求項１４に記載の羽根車。
16. 請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の羽根車と、該羽根車が連結されたシャフトとを備えたターボ形流体機械のロータ。

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