WO2012095908A1 - インペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

インペラを作業員が溶接により接合する際の温度低下を避けるとともに、作業負担を軽減することができるインペラの溶接方法を提供することを目的とする。 本発明は、いずれか一方にブレード１３が一体的に形成されたハブ１１とシュラウド１２を溶接により接合する方法に関する。この溶接の最中には、ハブ１１が設置面に置かれる正立の状態でハブ１１とシュラウド１２が重ね合わされて組付け体１０とされている。この組付け体１０を、断熱ジャケット３０（ａ～ｇ）で覆いながら溶接を行う。断熱ジャケット３０は、溶接を行うのに必要な開放領域ＯＰ及び流入口１４_ＩＮを除いて、組付け体１０を覆行う。一つの開放領域ＯＰの溶接を終えたら、組付け体に対して断熱ジャケット３０を移動させることにより、新たな開放領域ＯＰを形成してから次の溶接を行う。

Description

インペラの製造方法

　本発明は、遠心圧縮機、その他の回転機械に用いられるインペラ（回転翼）の製造方法に関し、より詳しくはインペラを構成する複数の部材を溶接により接合する方法に関する。

　例えば遠心圧縮機のインペラ１０は、図５に示すように、遠心圧縮機の回転主軸に固着し回転される片面が先薄に湾曲するハブ１１と、ハブ１１の湾曲面と対峙する形状のシュラウド１２と、ハブ１１とシュラウド１２の湾曲面間を渦形に仕切るように設けられる複数のブレード１３とにより構成されている。ハブ１１、シュラウド１２及びブレード１３の相互の間に圧縮される気体の流路１４が形成される。
　このインペラ１０は、ハブ１１と、シュラウド１２と、ブレード１３とを、個別に製作し相互に接合する３ピース型と呼ばれるもの、シュラウド１２とブレード１３（または、ハブ１１とブレード１３）とを一体に作製し、これとは別個に作製されたハブ１１（または、シュラウド１２）とを接合する２ピース型と呼ばれるものがある。３ピース型及び２ピース型のいずれのインペラ１０も、接合は溶接又はろう付けにより行われる。接合を溶接又はろう付けのいずれかで行うかは、インペラ１０のサイズ、強度等によって定められる。

特開２００８－２７９４６１号公報

　インペラ１０を溶接により接合する場合には以下の問題が指摘されている。
　溶接の最中に、各構成部材（インペラ材）の水素脆化に伴う低温割れを防止するために、インペラ材を所定の温度以上に保持する必要がある。そのために、溶接を始める前にインペラを加熱する予熱を実施している。しかし、予熱により昇温したとしても、溶接中に温度が低下し、低温割れが発生することがある。
　インペラを溶接する場合、溶接トーチが必要な箇所にアクセスするのを助けるために、インペラの向きを変更できるポジショナを用いる。溶接はこのポジショナにインペラを載せて行われる。そこで、加熱機能を備えたポジショナの上にインペラ材を載せて溶接作業を行うことで、インペラ材の溶接中の温度を保持することが行われている。
　ところが、この加熱機能を備えたポジショナを用いる方法においても、溶接中にインペラ材の表面が直接大気に触れる部分があるため、局部的な温度低下が生じるので、インペラ全体の温度を均一に保持することは容易でない。
　また、予熱後に温度が保持されるインペラ材からの放射熱に耐えるために、作業者が重厚な耐熱具を着用する必要があるために、作業性が悪い。作業者の作業負担を軽減するためには、例えば特許文献１にも示されるように、ロボットにより溶接すればよい。しかし、溶接線の軌跡が複雑な場合、又は、溶接トーチが挿入される部分が狭隘な場合には、ロボットによる溶接は困難であり、人手による作業に頼ることが必要である。
　本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、インペラを作業員が溶接により接合する際の温度低下を避けるとともに、作業負担を軽減することができるインペラの溶接方法を提供することを目的とする。

　本発明が対象とするインペラは、ハブと、ハブに対向配置されるシュラウドと、ハブとシュラウドとの間に設けられる複数のブレードと、を備える。このインペラには、ハブとシュラウドの間に、流入口から吐出口に繋がる流路が形成される。流体は、流入口から吐出口に向けて流路を流れる。このインペラは、ハブとシュラウドが溶接により接合される。
　本発明において、この溶接の最中に、ハブとシュラウドが重ね合わされた組付け体は、流入口が上向きにされ、ハブが設置面に対向して置かれる正立の状態となっている。そして本発明は、溶接を行うのに必要な開放領域及び流入口を除いて、断熱ジャケットで組付け体を覆いながら溶接を行う。
　本発明では、一つの開放領域の溶接を終えたら、組付け体に対して断熱ジャケットを移動させることにより、新たな開放領域を形成してから次の溶接を行う。

　本発明のインペラの溶接方法において、断熱ジャケットは一体的に形成されていてもよい（以下、一体ジャケット）が、複数に分割されたセグメントジャケットから構成することが好ましい。
　一つの開放領域について溶接を終えた後に、面積、重量ともに大きい一体ジャケットを移動するのは容易でない。これに比べて、複数に分割されたセグメントジャケットであれば、分割された一つのセグメントジャケットのみを移動させれば新たな開放領域を形成することができるので、作業が容易である。

　本発明のインペラの溶接方法において、開放領域を形成する形態はいくつか存在する。例えば、断熱ジャケットを複数のセグメントジャケットで構成する場合、開放領域を形成すべきところにセグメントジャケットを置かないことで、開放領域を形成することができる。また、一体ジャケット及びセグメントジャケット両者において、開放領域に対応すべき箇所に表裏を貫通する窓を設けることで、開放領域を形成することもできる。この窓を形成する形態は、開放領域を形成すべき箇所を溶接に必要な特定の領域に絞ることができるので、溶接中の温度低下防止にとって有利である。

　本発明のインペラの溶接方法において、一つの開放領域について溶接を終えた後に行う断熱ジャケットの移動作業負担を軽減するために、ポジショナを利用することが効果的である。そのためのポジショナは、ポジショナ本体と、ポジショナ本体に対して相対的に回転可能に配置される搭載テーブルと、から構成する。そして、組付け体を搭載テーブルに載せる一方、ポジショナ本体に固定される断熱ジャケットで組付け体を覆う。開放領域について溶接を終えた後に、搭載テーブルを回転させると、組付け体は搭載テーブルの回転に伴って回転（移動）するが、断熱ジャケットはポジショナ本体に固定されているために、組付け体と断熱ジャケットは相対的に移動する。こうして、人手による作業を最小限に抑えながら、新たな開放領域を形成することができる。
　断熱ジャケットをポジショナ本体に固定する方法は任意であるが、断熱ジャケットの脱着が容易なボルトなどの締結具を用いるのが好ましい。

　以上のポジショナを用いる形態において、組付け体を覆う断熱ジャケットがセグメントジャケットの場合、連結材で隣接するセグメントジャケットを連結することが好ましい。搭載テーブルが回転するのに伴って、セグメントジャケットが捲れあがって、組付け体の必要な箇所を覆えなくなるのを避けるためである。連結材は針金など任意である。

　本発明によれば、断熱ジャケットで組付け体を覆いながらインペラを作業員が溶接するので、組付け体の温度低下を避けることができる。また、作業員は重厚な断熱具を着用する必要がなくなるので、作業員の作業負担を軽減することができる。

ポジショナに載せられたインペラを示す斜視図である。 本実施形態において、断熱ジャケットが被せられたインペラを示す図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２ｂ－２ｂ矢視断面図である。 本実施形態において、断熱ジャケットがインペラに対して円周方向に移動する様子を示す図である。 本実施形態において、溶接用の窓が形成された断熱ジャケットが被せられたインペラを示す平面図である。 インペラを示す斜視図である。 インペラの溶接中の温度測定結果を示すグラフである。

　以下、図１～４を参照しながら、本発明を実施形態に基づいて説明する。
　本実施形態は、図１に示すとおり、インペラ１０をポジショナ２０に載せた状態で溶接を行う。
＜インペラ１０＞
　インペラ１０は、図５を用いて先に説明したように、ハブ１１と、ハブ１１に対向配置されるシュラウド１２と、ハブ１１とシュラウド１２との間に設けられる複数のブレード１３とを備えている。このインペラ１０には、ハブ１１とシュラウド１２の間に、流入口１４_ＩＮから吐出口１４_ＯＵＴに繋がる流路１４が形成される。例えば遠心圧縮機において、圧縮対象の流体は流入口１４_ＩＮから流路１４に流入し、吐出口１４_ｏｕｔから吐出される。
　ブレード１３は、ハブ１１又はシュラウド１２と一体的に形成される。ブレード１３がハブ１１と一体的に形成される場合には、ブレード１３とシュラウド１２を溶接により接合し、ブレード１３がシュラウド１２と一体的に形成される場合には、ブレード１３とハブ１１を溶接により接合する。溶接の最中には、ポジショナ２０の搭載テーブル２２（設置面）にハブ１１が対向するように置かれる正立の状態で、ハブ１１とシュラウド１２が重ね合わされてインペラ１０とされている。インペラ１０は、正立状態においては流入口１４_ＩＮが上を向いている。なお、溶接が終わってインペラ１０が完成するまでは前駆体であることから、以下ではこの前駆体を組付け体と称し、インペラ１０と同じ符号を付けることにする。また、組付け体を構成する際に、ハブ１１とシュラウド１２の相互の位置連れを防ぐために、仮溶接を行ってもよい。

＜ポジショナ２０＞
　溶接対象物である組付け体１０を載せるポジショナ２０は、溶接の最中に組付け体１０の姿勢を変えることができる。
　ポジショナ２０は、ポジショナ本体２１と搭載テーブル２２を備えている。ポジショナ本体２１は、図示を省略する機構により三次元方向に揺動可能とされており、溶接作業がやり易くなるように作業者がポジショナ本体２１の姿勢を調整する。
　搭載テーブル２２はポジショナ本体２１に対して回転可能に保持されている。したがって、搭載テーブル２２を介して組付け体１０をポジショナ本体２１とは独立して回転させることができる。
　ポジショナ２０は、溶接中に組付け体１０の温度低下を避けるために、ポジショナ本体２１又は搭載テーブル２２にヒータなどの加熱手段を備えている（図示省略）。

＜セグメントジャケット３０ａ～３０ｇの配置＞
　さて、本実施形態では断熱ジャケットで組付け体１０を覆いながら溶接を行う。以下、図２を参照して説明する。
　組付け体１０は、平面視した形状がリング状をなしているので、断熱ジャケットを一体として作製するとすればリング状となるが、本実施形態ではリング形状を円周方向に複数に分割したセグメントジャケット（断熱ジャケット）３０ａ～３０ｇを用いる。本実施形態はリング形状を８つに分割しているので、各セグメントジャケット３０ａ～３０ｇは中心角が２２．５度の扇型をなしている。８という分割の数はあくまで一例であり、他の分割数を採用できるのはいうまでもなく、また、本発明は断熱ジャケットを一体で形成することをも包含する。

＜開放領域ＯＰ＞
　さて、本実施形態では、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇを組付け体１０上に周方向に隙間なく敷き詰めることで、組付け体１０をセグメントジャケット３０ａ～３０ｇで覆う。
　セグメントジャケット３０ａ～３０ｇはその中心角が２２．５°であるから、一つのセグメントジャケットに相当する領域をセグメントジャケットで覆うことができない。この断熱ジャケット（セグメントジャケット３０ａ～３０ｇ）で覆われない開放領域ＯＰに対応して溶接が行われる。開放領域ＯＰには組付け体１０の吐出口１４_ＯＵＴ（流路１４）が露出するので、ここに溶接トーチ（図示省略）を差し込んで、ブレード１３とハブ１１（又はシュラウド１２）の溶接を行うことができる。開放領域ＯＰは、一度に連続して溶接できる範囲を規定する。

＜流入口１４_ＩＮの開放＞
　本実施形態は、また、組付け体１０のハブ１１よりも内径側をも円形の断熱ジャケット３１で覆う。断熱ジャケット３１は、支持具２３で支持されている。しかし、流入口１４_ＩＮは断熱ジャケットを被せずに開放されている。つまり、平面視すると、開放領域ＯＰと流入口１４_ＩＮを除いて、組付け体１０は断熱ジャケット（セグメントジャケット３０ａ～３０ｇ）および断熱ジャケット３１で覆われている。
　流入口１４_ＩＮを断熱ジャケットで覆う対象から外すのは以下の理由による。溶接トーチを吐出口１４_ＯＵＴから差し込んで溶接が行われるが、適切に溶接を行うためには溶接箇所を視認できる明るさが必要である。そこで、流入口１４_ＩＮから光を取り込むことによって、溶接箇所に必要な明るさを確保するために、流入口１４_ＩＮには断熱ジャケットを被せていない。また、ブレード１３とハブ１１（又はシュラウド１２）の溶接は、溶接トーチを吐出口１４_ＯＵＴから差し込むことで、大部分を行うことができるが、流入口１４_ＩＮから溶接トーチを差し込むことが適切な場合もあり、そのことをも考慮して流入口１４_ＩＮを開放する。

＜セグメントジャケット３０ａ～３０ｇの固定形態＞
　セグメントジャケット３０ａ～３０ｇは、ボルト等の締結具３３により、ポジショナ本体２１の外周部に固定されているが、組付け体１０を覆っている部分は組付け体１０に対して固定されることはない。つまり、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇは、下端が固定されているが、それ以外の部分は組付け体１０に載せられているだけである。ポジショナ本体２１への固定手段としてのボルトはあくまで一例であり、他の固定手段を用いることができる。例えば、クランプ部材をポジショナ本体２１に設け、このクランプ部材でセグメントジャケット３０ａ～３０ｇをクランプすることもできる。
　また、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇは、連結具３２により隣接するもの同士が連結されており、全体として剛性が高められている。連結具３２の形態も任意であり、一方にフックを設け、他方にこのフックに対する係止孔を設ける、という形態など、種々の形態を適用できる。

＜開放領域の移動＞
　一つの開放領域ＯＰについて溶接が終えると、作業者はポジショナ２０に載せられた組付け体１０から離れ、ポジショナ２０の搭載テーブル２２を回転させる。搭載テーブル２２は、一つのセグメントジャケット３０ａ（～３０ｇ）の中心角（２２．５°）に相当する角度だけ回転される。その様子を図３に示してある。ただし、図３は開放領域ＯＰが移動することを明らかにするために、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇを移動させている。また、図３（ａ）～（ｄ）はセグメントジャケット３０ａ～３０ｇが一周する様子を示しており、図３（ａ）～（ｂ）、図３（ｂ）～（ｃ）、図３（ｃ）～（ｄ）の間に、各々、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇが回転移動を２度行っている。
　セグメントジャケット３０ａ～３０ｇはその下端がポジショナ本体２１に固定される一方、組付け体１０に対しては載せられているだけなので、搭載テーブル２２を回転させても、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇは固定されたままで、組付け体１０（搭載テーブル２２）だけが回転される。したがって、セグメントジャケット３０ａとセグメントジャケット３０ｇの間の開放領域には、未だ溶接の対象とされていない部分の吐出口１４_ＯＵＴが回ってくる。このようにして新たな開放領域ＯＰ（吐出口１４_ＯＵＴ）を形成することで、次の溶接を行う。そして、以上の手順を、組付け体１０が一回転するまで繰り返す。

　以上説明した本実施形態は、組付け体１０の大部分をセグメントジャケット３０ａ～３０ｇにより覆った状態で溶接を行う。したがって、本実施形態によると、溶接中に組付け体１０からの熱の放射を抑制できるので、溶接中の組付け体１０の温度低下を防ぐことができるとともに、作業者が受ける輻射熱も低減されるので重厚な耐熱具を着用する必要がなくなる。特に、本実施形態は、組付け体１０に対してセグメントジャケット３０ａ～３０ｇを移動させるのに、ポジショナ２０の搭載テーブル２２を回転させればよいので、作業者の負担が極めて軽くて済む。
　本実施形態にしたがってセグメントジャケット３０ａ～３０ｇを用いて溶接を行った場合（断熱材有－ディスク温度）、及び、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇを用いないで溶接を行った場合（断熱材無－ディスク温度）の溶接中の温度を測定した結果を図６に示す。図６に示されるように、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇを用いて溶接を行うことにより、溶接中の温度を破線で示す所定温度以上に保持することができる。

　以上の本実施形態では、一枚分のセグメントジャケット（３０ａ～３０ｇ）を配置しないことで開放領域ＯＰを形成したが、本発明はこれに限定されず、例えば、図４に示すように、セグメントジャケット３０ｈに表裏を貫通する窓Ｗを形成することで、開放領域ＯＰを形成することができる。
　また、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇは、連結具３２により隣接するもの同士が連結されており、全体として剛性が高められている。したがって、組付け体１０が回転するのに伴って、セグメントジャケット３０ａ～３０ｇが相互に位置ずれを起して捲くれあがるのを防止することができる。

　本実施形態において、断熱ジャケットを構成する材質は限定されず、公知の種々の材質を用いることができるが、例えばセラミックス繊維、ガラス繊維などの耐火性繊維で構成される耐火シートを断熱ジャケットに用いることができる。

　また、本実施形態においては円周方向に分割されたセグメントジャケットの例を示したが、本発明はこれに限定されず、径方向に分割されたセグメントジャケットを用いることもできる。もちろん、開放領域ＯＰ及び流入口１４_ＩＮを除いて組付け体１０を覆う一体ジャケットを本発明が用いることもできる。
　さらに、本実施形態ではポジショナ２０を用いて、断熱ジャケット（セグメントジャケット３０ａ～３０ｇ）を組付け体１０に対して回転移動させているが、本発明はこれに限定されず、作業員が手作業で断熱ジャケットを移動させることで、開放領域ＯＰを移動させることができる。

　さらにまた、本実施形態では、ブレード１３がハブ１１又はシュラウド１２と一体的に形成される２ピース型のインペラ１０の例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ハブ１１と、シュラウド１２と、ブレード１３とを、個別に製作し相互に接合する３ピース型のインペラ１０にも同様に適用することができる。
　３ピース型のインペラ１０を接合する際には、本実施形態の溶接を以下に説明するとおり二段階で適用することができる。
　第一段階として、ブレード１３、ハブ１１およびシュラウド１２を相互に溶接により接合する際に、接合対象であるブレード１３とハブ１１、およびブレード１３とシュラウド１２を、溶接に必要な開放領域ＯＰを除いて、断熱ジャケットで覆いながら本実施形態と同様に溶接を行うことができる。具体的には、ブレード１３とハブ１１とを溶接により接合する場合は、予め仮溶接により相互の位置が固定されたブレード１３とハブ１１を、ポジショナ２０の搭載テーブル２２（設置面）にハブ１１が対向するように設置し、ブレード１３とハブ１１を断熱ジャケットで覆いながら溶接することができる。また、ブレード１３とシュラウド１２とを溶接により接合する場合も同様に、ブレード１３とシュラウド１２を断熱ジャケットで覆いながら溶接することができる。
　第二段階として、上述の第一段階を経たハブ１１およびシュラウド１２がブレード１３を介して重ね合わされた組付け体１０を、溶接に必要な開放領域ＯＰ及び流入口１４_ＩＮを除いて、断熱ジャケットで覆いながら本実施形態と同様に溶接を行うことができる。
　これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の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することが可能である。

１０　　インペラ（組付け体）
１１　　ハブ
１２　　シュラウド
１３　　ブレード
１４　　流路
１４_ＩＮ流入口
１４_ＯＵＴ　吐出口
２０　　ポジショナ
２１　　ポジショナ本体
２２　　搭載テーブル
３０，３１　　断熱ジャケット
３０ａ～３０ｈ　　セグメントジャケット
３２　　連結具
３３　　締結具
　Ｗ　　窓

Claims (9)

1. 　ハブと、前記ハブに対向配置されるシュラウドと、前記ハブと前記シュラウドとの間に設けられる複数のブレードと、を備え、前記ハブと前記シュラウドの間に、流入口から吐出口に繋がる流路が形成され、流体が前記流入口から前記吐出口に向けて流れ、溶接により接合されるインペラの製造方法であって、
   　前記溶接の最中には、前記ハブと前記シュラウドが重ね合わされた組付け体は、前記流入口が上向きにされ、前記ハブが設置面に対向して置かれる正立の状態であり、
   　溶接を行うのに必要な開放領域及び前記流入口を除いて、断熱ジャケットで前記組付け体を覆いながら溶接を行い、
   　前記開放領域の溶接を終えたら、前記組付け体に対して前記断熱ジャケットを移動させることにより、新たな開放領域を形成してから次の溶接を行う、
   ことを特徴とするインペラの製造方法。
2. 　前記断熱ジャケットは、複数に分割されたセグメントジャケットからなる、
   請求項１に記載のインペラの製造方法。
3. 　前記開放領域に対応すべき箇所に表裏両面を貫通する窓を前記断熱ジャケットに設ける、
   請求項１に記載のインペラの製造方法。
4. 　前記開放領域に対応すべき箇所に表裏両面を貫通する窓を前記断熱ジャケットに設ける、
   請求項２に記載のインペラの製造方法。
5. 　ポジショナ本体と、前記ポジショナ本体に対して相対的に回転可能に配置される搭載テーブルと、を備えるポジショナを用い、
   　前記搭載テーブルに前記組付け体を載せ、前記ポジショナ本体に固定される前記断熱ジャケットで前記組付け体を覆いながら前記溶接を行い、
   　前記開放領域について前記溶接を終えた後に前記搭載テーブルを回転させて、前記組付け体と前記断熱ジャケットを相対的に移動させることで、前記新たな開放領域を形成する、
   請求項１に記載のインペラの製造方法。
6. 　ポジショナ本体と、前記ポジショナ本体に対して相対的に回転可能に配置される搭載テーブルと、を備えるポジショナを用い、
   　前記搭載テーブルに前記組付け体を載せ、前記ポジショナ本体に固定される前記断熱ジャケットで前記組付け体を覆いながら前記溶接を行い、
   　前記開放領域について前記溶接を終えた後に前記搭載テーブルを回転させて、前記組付け体と前記断熱ジャケットを相対的に移動させることで、前記新たな開放領域を形成する、
   請求項２に記載のインペラの製造方法。
7. 　ポジショナ本体と、前記ポジショナ本体に対して相対的に回転可能に配置される搭載テーブルと、を備えるポジショナを用い、
   　前記搭載テーブルに前記組付け体を載せ、前記ポジショナ本体に固定される前記断熱ジャケットで前記組付け体を覆いながら前記溶接を行い、
   　前記開放領域について前記溶接を終えた後に前記搭載テーブルを回転させて、前記組付け体と前記断熱ジャケットを相対的に移動させることで、前記新たな開放領域を形成する、
   請求項３に記載のインペラの製造方法。
8. 　前記組付け体を覆う前記断熱ジャケットが前記セグメントジャケットの場合、
   　連結材で隣接する前記セグメントジャケットを連結する、
   　請求項２に記載のインペラの製造方法。
9. 　前記組付け体を覆う前記断熱ジャケットが前記セグメントジャケットの場合、
   　連結材で隣接する前記セグメントジャケットを連結する、
   　請求項４に記載のインペラの製造方法。

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