JPH0919714A

JPH0919714A - 異形断面曲管の成形装置

Info

Publication number: JPH0919714A
Application number: JP7168511A
Authority: JP
Inventors: 雄二 ▲吉▼富; Yuji Yoshitomi; Mitsuaki Haneda; 光明羽田; Shinji Tanaka; 伸司田中; Takeshi Araya; 雄荒谷; Takeo Kurokawa; 武雄黒川; Norio Yokoba; 範夫横場; Toshimi Sato; 登志美佐藤; Yoshinori Ochiai; 由敬落合
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【構成】円形断面の素材に内圧を負荷した状態で曲げ成
形して異形断面曲管１５を成形する装置で、外面に傾斜
面を設けたパッキン９を素材円管１に押し付けて内圧を
シールする。また、パッキンを素材円管１をフレア加工
する硬質のパッキン９ｂと内圧をシールする軟質のパッ
キン９ａで形成し、これら二つの工程を同一装置で連続
して行う。【効果】異形断面を有する曲管を高精度に、かつ安価に
成形できると共に、異形断面を有する曲管をガスタービ
ンの流路として用いることによりガスタービンの信頼性
を著しく向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流路部材として用いられ
る異形断面を有する曲管の成形に好適な成形装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられている異形断面曲管の
成形法の一つとしてプレス成形法がある。これは、上下
に２分割した部材をそれぞれ板から冷間または熱間プレ
ス成形し、両部材を溶接することにより製作していた。

【０００３】また、異形断面曲管の成形法において、特
開昭55−77934 号公報に記載のように円形断面の素管に
降伏点以下の軸方向引張力と内圧を負荷しながら異形断
面に形成された上下金型を押圧し、金型を一体に保持し
た状態で内圧を上昇させて異形断面曲管を成形する方法
が用いられていた。この場合、素管に負荷する内圧をＯ
リングでシールしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のように
プレス成形した２部材を溶接により一体化する方法で
は、プレス成形した各部材に３次元曲面をした開先を加
工する必要があり、この作業に多大の時間を要してい
た。また、プレス成形した各部材の寸法精度が悪いの
で、溶接時に開先面を面外に矯正変形させて面合わせを
するのに多大の時間を要していた。さらに、２部材を突
合わせ溶接する際に熱変形が生じるので、一体化した異
形断面の曲管の寸法精度が悪いなどの問題があった。

【０００５】一方、円形断面の素管に内圧と金型による
プレス荷重を負荷して異形断面曲管を成形する方法で
は、素管として薄肉溶接管を用いるので、その真円度が
悪いためにシール部材の挿入性が悪い欠点があった。ま
た、油圧技術便覧の１０２頁に記載されているように、
素管の内径とシール部材の外径とのすき間が大きくなる
と、シールできる内圧が極端に低下し、異形断面曲管が
成形できなくなる問題があった。さらに、成形過程で素
管が軸方向に引き込まれるために座屈が助長され、成形
品にしわが発生しやすい欠点があった。

【０００６】本発明の目的は、異形断面を有する曲管を
高い寸法精度で、かつ少ない作業時間で成形でき、設備
費が安価な装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、円形断面の
素材に内圧を負荷した状態で前記円形断面の素材を曲げ
成形して異形断面曲管を成形する方法で、外面に傾斜面
を設けたパッキンで前記円形断面素材の端部をフレア加
工するとともに、前記パッキンを素材のフレア加工部に
押し付けて内圧をシールすることによって達成すること
ができる。

【０００８】また、前記したパッキンを、素材円管をフ
レア加工する硬質のパッキンと内圧をシールする軟質の
パッキンで構成し、素材円管のフレア加工工程と、前記
素材円管に内圧を負荷した状態で曲げ成形して異形断面
曲管を成形する工程を同一装置で連続して行うことによ
り上記目的を達成することができる。

【０００９】

【作用】フレア加工部にパッキンを押し付けて、この部
分の面圧をシールする内圧より高くすることにより、薄
肉溶接管の真円度が矯正され、かつ挿入性の自由度が大
きくなるので、異形断面曲管を成形するために必要な圧
力をシールすることができる。また、素材円管はシール
部で軸方向の変形が拘束されるので、成形時に懸念され
る座屈を防止することができる。

【００１０】さらに、前記パッキンを、素材円管をフレ
ア加工する硬質のパッキンと内圧をシールする軟質のパ
ッキンの２重構造にしているので、これらを装着してい
るシリンダを軸方向に移動することによって、前述の作
用を同一装置で連続的に行うことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１２】（実施例１）異形断面を有する曲管を、円
管を素材として一体で成形する装置の断面図を図１に示
す。図で、１は素材円管、２は上金型、３ａ，３ｂは下
金型、４ａ，４ｂは素材ホルダ、５ａ，５ｂはシールシ
リンダ、６はホルダ拘束用油圧シリンダ、７ａ，７ｂは
シールシリンダ移動用油圧シリンダ、８はプレス用油圧
シリンダ、９はシール部材、１０はシールナット、１１
は液圧導入孔、１２は空気抜き弁、１３はノックアウト
用油圧シリンダ、１４は台座である。

【００１３】図１に示した成形装置を用いて異形断面を
有する曲管を、次のようにして成形する。先ず、上金型
２，上素材ホルダ４ａを上側に移動させた状態で素材円
管１を下金型３ａ，３ｂ，下素材ホルダ４ｂに設置す
る。その後、上素材ホルダ４ａをホルダ拘束用油圧シリ
ンダ６で下降させて素材円管１を締め付ける。この状態
で図２に示すようにシールシリンダ５ａ，５ｂをシール
シリンダ移動用油圧シリンダ７ａ，７ｂで前進させ、素
材円管の端部をフレア加工すると共にシール部材９を荷
重Ｆで押し付けて円管内をシールする。さらに、シール
シリンダ５ａに設けた液圧導入孔１１から圧力媒体であ
る液体をポンプ（図示せず）で供給し、円管内の空気を
排出すると共に円管内に液体を充満させる。液体が充満
したら、シールシリンダ５ｂに設けた空気抜き弁１２を
閉め、さらに液体をポンプ（図示せず）で供給して所定
の内圧ｐ₁ を円管に負荷する。この状態で上金型２をプ
レス用油圧シリンダ８で下降させて荷重Ｗを負荷して、
素材円管１を曲げ成形しながら各断面を異形状に成形す
る。最後に、円管内の内圧を所定の値ｐ₂ まで増加さ
せ、上下金型に沿わせて成形が完了する。

【００１４】成形された異形断面曲管は、次のような手
順で取り出される。円管内の内圧を零になるまで下げ、
上金型２，上素材ホルダ４ａを各油圧シリンダで上昇さ
せる。その後、シールシリンダ５ａ，５ｂをシールシリ
ンダ移動用油圧シリンダ７ａ，７ｂで後退させ、金型を
開放する。最後に、ノックアウト用油圧シリンダ１３に
より下金型の一部３ｂを上昇させて成形された異形断面
曲管１５を下金型３ａ，３ｂから取り出す。なお、本実
施例では下金型の一部を上昇させるものとしてノックア
ウト用油圧シリンダ１３を例にして示したが、ノックア
ウト用バネでも同様な作用が得られる。

【００１５】図３は図１に示した装置で成形する異形断
面を有する曲管の斜視図である。曲管は、ガスなどの流
路として用いる配管部材であり、ガスの流入側は円形断
面，流出側は矩形断面でその間は断面が連続的に変化し
ている。本実施例ではこのような異形断面曲管を図４に
示すように長手方向に２個（１５ａ，１５ｂ）連結した
状態で同時に成形している。

【００１６】図１及び図２に示したシール部材の詳細構
造を図５に示す。図で、素材ホルダ４ａ，４ｂの内面の
一部には、傾斜角度αの傾斜面が形成されている。パッ
キン９はシールシリンダ５ａに装着され、シールナット
１０で締め付けられている。また、その外面には、素材
ホルダ４ａ，４ｂの傾斜面と角度が一致する傾斜面が形
成されている。さらに、シールシリンダに相対する面に
も角度βの傾斜面が形成されている。

【００１７】図５に示したようにシールシリンダ５ａを
シールシリンダ移動用油圧シリンダ７ａで前進させ、素
材円管１の端部をフレア加工すると共にパッキン９を荷
重Ｆで押し付けて、パッキンと素材円管との間に面圧ｐ
ｇを発生させることによって素材円管１に負荷される内
圧ｐｉをシールしている。この場合、数１で示すような
面圧ｐｇをパッキンと素材円管との間に負荷する必要が
ある。

【００１８】

【数１】ｐｇ≧mpi …（数１）ここで、ｍはガスケット係数で、パッキンの材質，接触
面の粗度によって決まる値である。そこで、パッキンの
面圧をできるだけ小さくする、つまりパッキンに負荷す
る軸圧縮荷重を低減する目的で、パッキンの材質をガス
ケット係数が３である銅合金（ＪＩＳ，Ｃ３６０２）と
した。

【００１９】内圧をシールするために必要な面圧ｐｇを
パッキンに負荷する軸圧縮荷重Ｆは、図５に示したよう
なシール構造では数２で表される。

【００２０】

【数２】Ｆ＝Ｆｓ＋Ｆｐ …（数２）ここで、Ｆｐは内圧ｐｉによる反力で、数３で表され
る。

【００２１】

【数３】

【００２２】また、パッキンに負荷される荷重Ｆｓは図
６に示すように水平方向の力の釣合いから面圧ｐｇの関
数として数４で表され、数１との関係から数５のように
なる。

【００２３】

【数４】

【００２４】

【数５】

【００２５】ｄ：素材円管の内径（mm）ｄｍ：パッキ
ンの平均径（mm）ｈ：パッキンの長さ（mm） α：素材ホルダの傾斜角度
（°）一方、上下の素材ホルダに作用する垂直方向の荷重Ｆｔ
は、同様に図６に示したような垂直方向の力の釣合いか
ら面圧ｐｉの関数として数６で表される。

【００２６】

【数６】

【００２７】ここで、シール長さｌ（＝ｈ／cosα)を一
定であると仮定して、ｄｍ・ｌ・ｍ・ｐｉを係数Ｋに置
き換え、水平及び垂直方向の荷重を無次元化した値Ｆｓ
／Ｋ，Ｆｔ／Ｋと素材ホルダの傾斜角度αとの関係を示
すと図７のようになる。図からわかるように内圧ｐｉを
シールするために必要な水平方向荷重Ｆｓは、傾斜角度
αが大きくなるに伴って急激に増加する。つまり、この
荷重を負荷するシールシリンダ移動用油圧シリンダ７ａ
の容量が大きくなる。これに対して、垂直方向荷重Ｆｔ
は傾斜角度αが大きくなると徐々に低下する。したがっ
て、シールシリンダ移動用油圧シリンダ及びホルダ拘束
用油圧シリンダの容量をできるだけ小さくするために
は、素材ホルダの傾斜角度αを２０°以下にすることが
有効である。また、フレア加工する素材円管の伸びによ
る成形限界の観点からも傾斜角度は小さい方が望まし
い。

【００２８】（実施例２）パッキン９で素材円管１の端
部のフレア加工と内圧のシールを行う方法で、パッキン
より素材円管が硬い場合、フレア加工中に素材円管の端
面でパッキンに傷が付き、シールできなくなる場合があ
る。この場合、パッキン９を図８（ａ）に示すような構
造にする。図で、パッキンは、材質が銅合金(ＪＩＳ，
Ｃ３６０２)のパッキン９ａと、クロムモリブデン鋼
（ＪＩＳ，SCM440）のパッキン９ｂで構成されている。
また、パッキン９ａの外面には、素材ホルダ４ａの傾斜
面と角度が一致する傾斜面が形成されている。さらに、
パッキン９ｂの外面には、パッキン９ａの外面に形成さ
れている傾斜面より傾斜角度がごくわずか大きい傾斜面
が形成されている。

【００２９】図８（ｂ）に示したようにシールシリンダ
５ａをシールシリンダ移動用油圧シリンダ７ａで前進さ
せ、まず、素材円管１の端部を硬質のパッキン９ｂでフ
レア加工する。その後、さらにシールシリンダ５ａを前
進させ、パッキン９ａを素材円管に押し付けて面圧ｐｇ
を発生させて内圧ｐｉをシールする。一般にパッキンの
硬さが低いほど、ガスケット係数が小さい、つまり内圧
ｐｉをシールするために必要な面圧が小さくなるといわ
れている。本発明の場合、硬質のパッキン９ｂの傾斜面
を軟質のパッキン９ａより大きくしているので、必ず軟
質のパッキン９ａだけが素材円管１の内面に接触するよ
うになっている。また、素材円管の端部で軟質のパッキ
ンの表面が傷付くことがないので、シール漏れすること
がない。

【００３０】（実施例３）実施例２の他の実施例を図９
に示す。図で、パッキンは、軟質のフッ素樹脂のパッキ
ン９ａと、硬質のクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ，SCM44
0）のパッキン９ｂで構成されている。さらに、軟質の
フッ素樹脂パッキン９ａのコールドフロー防止のために
銅合金（ＪＩＳ，Ｃ３６０２）のバックアップリング１
６を設けている。本発明の場合、内圧ｐｉのシール部材
にガスケット係数が２である軟質のフッ素樹脂パッキン
９ａを用いているので、実施例２に比べてさらにシール
に必要な面圧が小さくなる。しかし、フッ素樹脂などの
場合、高圧になるとシールシリンダ５ａとの接触角部か
らコールドフローが発生することがある。これを防止す
るために本発明では、バックアップリング１６を設けて
いる。しかも、フッ素樹脂パッキン９ａとバックアップ
リング１６との接触面の位置が素材円管との接触傾斜面
内になるようにしているので、その効果が増大する。

【００３１】（実施例４）図１に示した成形装置で成形
する異形断面曲管の斜視図を図１０に示す。図の異形断
面曲管はガスタービンの部品の一つで、燃焼器で燃焼し
た高温ガスをタービン翼へ導く流路の役割をする部品で
ある。ガスの流入側は外径３００mmの円形断面，流出側
は幅３９０mm，高さ１２０mmの矩形断面，長さ４００mm
で、その間は断面が連続的に変化している。異形断面曲
管の周長は、ガスの流入側から流出側に向かって大きく
なっており、ガス流出側の矩形断面部では流入側の円形
断面の周長の約１.１倍になる。なお、肉厚は５mmであ
る。異形断面曲管を成形する場合、その各断面の周長が
異形断面曲管の各断面の周長に実質的に等しくなるよう
に、図１１に示す外径３００mmのステンレス鋼の直管の
中央部を外径３３０mmに張出し成形した素材円管を用い
ている。

【００３２】先ず、図１に示したように上金型２及び下
金型３ａ，３ｂを上下に開放した状態で中央部を張出し
成形した素材円管１を下ホルダ４ｂに設置する。その
後、上ホルダ４ａをホルダ拘束用油圧シリンダ６で下降
させて素材円管１を締め付ける。この状態でシールシリ
ンダ５ａ，５ｂをシールシリンダ移動用油圧シリンダ７
ａ，７ｂで前進させ、素材円管の端部をフレア加工する
と共に図８に示したシール部材９を押し付けて円管内を
シールした。この場合、上下ホルダ及び軟質パッキン９
ａの傾斜角度は１０°，硬質パッキンの傾斜角度は１１
°とした。

【００３３】異形断面曲管の成形は実施例１で示した方
法と同じであるが、具体的には図１２に示すようなプロ
セスに従って行った。先ず、素材円管のプレス曲げ成形
過程における座屈を防止する目的で、素材円管に約７.
５ＭＰａの内圧を負荷する。この状態で上金型２を下
降させ、約3,200kN の曲げ荷重Ｗを負荷して素材円管１
を曲げ成形しながら各断面を異形状に成形した。その
後、円管内の内圧を約２５ＭＰａまで増加して、円管を
上下金型２，３の形状に沿わせて成形を完了した。この
時、シールシリンダ移動用油圧シリンダでパッキンに約
2,250kN の軸方向荷重を負荷して、成形内圧２５ＭＰａ
をシールし、異形断面曲管を良好な形状に成形すること
ができた。

【００３４】上記のような方法で成形したガスタービン
部品は、成形前後における各断面の周長を実質的に等し
くなるようにしているので、成形過程で局部的に伸ばさ
れることがなく、成形後の肉厚は各断面で実質的に等し
くなっている。そのため、使用中に局部的な熱応力が発
生することがないので、信頼性も著しく向上する。ま
た、高温酸化による肉厚減少を考慮して設計する素材円
管の肉厚も均一にすることができ、局部的な薄肉部を基
準にして設計する素材円管の肉厚より薄肉化が図れる。

【００３５】（実施例５）これまでの実施例では素材円
管の端部のフレア加工部は、素材円管に負荷する内圧を
シールするためだけに利用していた。しかし、ガスの流
路特性を向上する目的で、図１３に示すようにガスの流
入側を約１５°にフレア状に形成したガスタービンの部
品が用いられることがある。そこで、本発明では内圧の
シールのためのフレア加工部をガスタービン部品のフレ
ア形成部と一致させた。したがって、図８に示したシー
ル構造で、上下ホルダ及び軟質パッキン９ａの傾斜角度
は１５°，硬質パッキンの傾斜角度は１６°とし、実施
例４と同様な方法で成形した。この時、シールシリンダ
移動用油圧シリンダでパッキンに約2,600kN の軸方向荷
重を負荷して、成形内圧２５ＭＰａをシールし、異形断
面曲管を良好な形状に成形することができた。

【００３６】上記のような方法でガスタービン部品を成
形することにより、フレア形成部を別工程で成形する工
数が省略できる。また、同一の金型並びに装置で異形断
面曲管とフレア部が成形できるので、別工程で成形する
場合に比べて著しく精度が向上する。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、異形断面を有する曲管
の成形装置で、異形断面曲管に負荷する内圧を傾斜面を
有するパッキンでシールしているので、真円度が悪い薄
肉溶接管でも成形に必要な内圧を負荷して高精度に成形
することができる。また、素材円管の軸方向変形をシー
ル部で拘束しているので、成形過程でしわが発生しない
異形断面曲管を成形することができる。

【００３８】さらに、異形断面曲管を高精度に、かつ最
終形状通りに成形することができるので、ガスタービン
の流路部材を安価に製作することができ、信頼性も著し
く向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す異形断面曲管の成形装
置の断面図。

【図２】異形断面曲管の成形過程を示す成形装置の断面
図。

【図３】本発明の成形装置で成形する異形断面曲管の斜
視図。

【図４】成形過程で２個連結した異形断面曲管の斜視
図。

【図５】本発明の一実施例を示すシール構造の断面図。

【図６】シール部における力の釣合いを示す説明図。

【図７】シール部における傾斜角度と荷重との関係を示
す説明図。

【図８】本発明の第二の実施例を示すシール構造の断面
図。

【図９】本発明の第三の実施例を示すシール構造の断面
図。

【図１０】異形断面を有するガスタービン部品の斜視
図。

【図１１】中央部を張出し成形した素材円管の斜視図。

【図１２】異形断面を有するガスタービン部品の成形プ
ロセスを示した説明図。

【図１３】本発明の他の実施例を示す異形断面を有する
ガスタービン部品の斜視図。

【符号の説明】

１…素材円管、９ａ…軟質パッキン、９ｂ…硬質パッキ
ン、１５…異形断面曲管。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 ＤＦ２３Ｒ 3/42 Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｚ (72)発明者荒谷雄茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者黒川武雄茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者横場範夫茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者佐藤登志美茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者落合由敬茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形断面の素材に内圧を負荷した状態で前
記円形断面の素材を曲げ成形して異形断面曲管を成形す
る装置において、前記円形断面素材の端部をフレア加工
し、前記フレア加工部に外面に傾斜面を有するパッキン
を押し付けて前記円形断面素材に負荷する内圧をシール
したことを特徴とする異形断面曲管の成形装置。
【請求項２】請求項１において、前記パッキンの傾斜面
の角度を２０°以下にした異形断面曲管の成形装置。
【請求項３】請求項１において、前記パッキンを前記円
形断面素材より硬い材質のパッキンと前記パッキンより
硬さが低い材質のパッキンで形成し、前記硬質パッキン
を前記円形断面素材に当接する側に配置した異形断面曲
管の成形装置。
【請求項４】異形断面曲管の円形断面側のフレア形成部
を外面に傾斜面を有するパッキンを押し付けて成形した
ことを特徴とするガスタービン部品。
【請求項５】請求項４に記載した前記ガスタービン部品
を燃焼器で燃焼したガスをタービンへ導く流路として用
いたガスタービン。