JP2014163248A

JP2014163248A - ディフューザの製造方法

Info

Publication number: JP2014163248A
Application number: JP2013033114A
Authority: JP
Inventors: Getsupa Kawanishi; 月波川西; Makoto Aida; 真琴合田; Naoki Kanazawa; 直毅金澤
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-09-08
Also published as: WO2014129241A1

Abstract

【課題】溝の隅部に曲率半径が種々に異なる円弧状のアール部を容易、かつ高精度に形成して、ベーンの前縁に所要の湾曲形状を容易、かつ高精度に得ることができるディフューザの製造方法を提供する。
【解決手段】遠心圧縮機のディフューザ(8)の軸方向に対向する前壁部材(9)と後壁部材(10)とを用意する壁作成工程と、前壁部材の後面と後壁部材の前面とに、径方向の内周から外周に延びる複数の溝(13)を周方向に並べて形成する溝形成工程と、前壁部材と後壁部材とを溝間のベーン(18,19)で結合することにより、溝によってベーン間のディフューザ通路(20)を形成する結合工程とを備え、溝形成工程において、溝の隅部にボールエンドミル(29)によって円弧状のアール部(22,23)を形成することにより、鋭角をなすベーン(18,19)の前縁を、スパン方向の中央部が下流へ向かって凹入するように湾曲させる。
【選択図】図3

Description

本発明は、ディフューザ入口での流入角を最適化するためにスパン方向の中央部が両端部よりも下流側に凹入した湾曲形状の前縁を有するディフューザを製造するに際して、ティフューザの寸法を含む諸元に対応して異なる種々の湾曲形状の前縁を容易に形成することのできるディフューザの製造方法に関するものである。

一般に、遠心圧縮機には、羽根車により得られた動圧を静圧に変換させるために、羽根車の径方向外方を取り囲む形でディフューザが設けられている。このディフューザの一種として、ベーン部間の溝によりディフューザ通路を形成したものが知られており、このディフューザ通路の形状の如何によって動圧から静圧への変換率が左右される。すなわち、遠心圧縮機における回転する羽根車から流出する空気は、ディフューザ通路の壁面側での流体の粘性と摩擦の影響によって、遠心圧縮機のスパン方向（軸方向に合致）に不均一な流速分布となり、その結果、羽根車からの空気の流出角の分布がスパン方向に不均一となる。そこで、ディフューザ通路は、羽根車からの空気の流れの角度分布に対して空気の流れを効率よく減速して十分な静圧回復力が得られる最適な形状とする必要がある。

本件出願人は、ディフユーザ通路を、羽根車から流出する空気の流れの角度分布に対してディフューザ入口部での空気の流入角が適切となる形状とすることができる遠心圧縮機用ディフューザおよびその製造方法を既に提案している（特許文献1参照）。この技術は、一対の壁部材の各々の対向面に多数の溝を一体形成し、両壁部材を各々の溝が形成された面を相対向させた配置で接合することにより、相対向する溝からなるディフューザ通路を有するディフューザを得ている。また、ディフューザ通路となる溝の隅部に所定曲率半径のアールを形成することにより、隣接する２つの通路の間のベーンの前縁を、スパン方向の中央部が下流へ向かって凹入する湾曲形状に形成している。このベーンの湾曲形状の前縁は、羽根車から流出する空気の流れの角度分布に対してディフューザ入口での空気の流入角を最適化する形状になるよう設定される。

特開平8−93694号

しかしながら、特許文献１のディフューザは、前述のような顕著な効果を奏するものであるが、実用化するに際しては未だ解決すべき課題がある。すなわち、ベーンの前縁に所要の湾曲形状を得るためには、前記アール部を、適宜設定された半径に高精度に形成しなければならない。しかも、ベーンの前縁に形成する湾曲形状は、圧縮機の機種の相違などによる大きさを含む諸元によって個々に異なる。そこで、ベーンの前縁に種々の異なる湾曲形状を容易、かつ高精度に得られる方法が求められている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、溝の隅部に半径が種々に異なる円弧状のアール部を容易、かつ高精度に形成して、ベーン部の前縁に所要の湾曲形状を容易、かつ高精度に得ることができるディフューザの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るディフューザの製造方法は、遠心圧縮機の羽根車の径方向外方に設けられるディフューザの製造方法であって、前記遠心圧縮機の軸方向に対向する前壁部材と後壁部材とを用意する壁作成工程と、前記前壁部材の後面と前記後壁部材の前面とに、径方向の内周から外周に延びる複数の溝を周方向に並べて形成する溝形成工程と、前記前壁部材と前記後壁部材とを、それぞれの前記溝を対向させて溝間のベーンで結合することにより、前記溝によって前記ベーン間のディフューザ通路を形成する結合工程とを備え、前記溝形成工程において、前記溝の隅部にボールエンドミルによって円弧状のアール部を形成することにより、鋭角をなす前記ベーンの前縁を、スパン方向の中央部が下流へ向かって凹入するように湾曲させている。

このディフューザの製造方法によれば、形成すべきアール部の半径に対応する曲率半径の底刃を有するボールエンドミルを選択して、そのボールエンドミルの底刃により溝の隅部を切削加工することにより、半径が異なる種々のアール部を容易、かつ高精度に形成することができる。このように溝の隅部に所定曲率半径を有するアール部を正確に形成できれば、隣接する２つの溝の間に存在するベーンの前縁には、このベーンの両側の溝の隅部に形成された両アール部によって、スパン方向の中央部が下流へ向かって凹入する湾曲形状が得られる。なお、本発明でいうスパン方向とは、両壁部材間を結ぶ方向であって、遠心圧縮機の場合には軸方向に合致する方向である。

本発明において、前記ディフューザ通路への空気の流入角に応じた曲率半径を有するボールエンドミルによって前記アール部を切削することにより、前記前縁を形成することが好ましい。これにより、溝の隅部に、ディフューザ通路への空気の流入角に対応した半径を有するアール部が形成されるから、このアール部によってベーン部の前縁に形成される湾曲形状は、羽根車から流出する空気の流れの角度分布に対して最適なものとなる。したがって、遠心圧縮機の機種に応じて空気の流入角が相違しても、その流入角に対応する半径を有するボールエンドミルをその都度選択して使用することにより、種々の流入角に対応した半径を有するアール部を容易に形成することができる。

本発明において、前記前壁部材と前記後壁部材の相対向する前記溝により横断面矩形の四隅にアール部を持つ形状の前記ディフューザ通路を形成することが好ましい。このように形成されたディフューザ通路は、溝の四隅のアール部に沿った空気の流れが円滑になって効率よく減速させることができ、動圧から静圧への変換効率である静圧回復率が向上する。

横断面矩形の四隅にアール部を持つ形状のディフューザ通路を形成する溝形成工程において、前記溝における前記アール部を除いた直線部をエンドミルで加工することが好ましい。エンドミルは、外周面および端面に切れ刃を持った円柱状のものであるから、このエンドミルにより溝に直線部を容易に切削加工することができる。また、溝の隅部を加工するボールエンドミルとともに、フライス盤によって加工できるので、加工効率が向上する。

本発明によれば、形成すべきアール部に対応する半径の底刃を有するボールエンドミルを選択して、そのボールエンドミルの底刃により溝の隅部を前切削加工することにより、半径が異なる種々のアール部を容易、かつ高精度に形成することができる。その結果、ベーンの前縁には、ベーンの両側の溝に形成された両アール部によって、スパン方向の中央部が下流へ向かって凹入する湾曲形状が得られる。

本発明の一実施形態に係る製造方法を適用したディフューザを後段側に備えた２段式遠心圧縮機を示す縦断面図である。同上の後段側ディフューザの要部を示す拡大図である。図1のIII―III線断面図である。同上のディフューザにおける実験結果に基づくスパン方向距離に対する空気の流入角の関係を示す特性図である。図3のＶ―Ｖ腺断面図である。図3のVI―VI線断面図である。同上のディフューザにおける実験結果に基づく流量係数に対するディフューザの静圧回復率の関係を示す特性図である。同上のディフューザにおける実験結果に基づく流量係数に対する圧縮機の断熱効率の関係を示す特性図である。同上のディフューザの溝の隅部にアール部を形成するのに用いられるボールエンドミルを示す側面図である。同上のディフューザの溝に直線部を形成するのに用いられるエンドミルを示す側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1において、空気Ａは、前段側羽根車1で圧縮されて静圧および速度エネルギが高められたのち、前段側ディフューザ2により減速されて静圧が上昇する。この空気Ａは、つづいてリターンチャンネル3を通り後段側羽根車4に流入して再び圧縮されたのち、後段側ディフューザ8で静圧に変換される。後段側羽根車4の径方向Ｒの外方に設けられた後段側ディフューザ8は、圧縮機の軸方向Ｃに対向する前壁部材9と後壁部材10とを備えている。共に径方向Ｒに延びるリング状の薄板である前壁部材9および後壁部材10はそれぞれ、後側羽根車4を覆うシュラウド11の外周、および後側羽根車4のハブ12の外周に配設されている。

前壁部材9と後壁部材10とは各々の後面9ａおよび前面10ａを接触させて互いに結合されている。図3に示すように、前壁部材9の後壁部材10との結合面である後面9ａには、径方向Ｒの内周ＩＮから外周ＯＴに延びる所定形状の多数の溝13が、径方向Ｒに対して所定角度をなして周方向に並べて形成されている。また、後壁部材10の前壁部材9との結合面である前面10ａにも同様に、前壁部材9の溝13と同形状の溝14が同様の配置で形成されている。すなわち、この実施形態では、両壁部材9、10の互いに結合される後面9ａおよび前面10ａが、後段側ディフューザ8の左右対称位置となる場合を例示している。また、ＲＴは羽根車４の回転方向を示す。

前記前壁部材9と後壁部材10は、それぞれの溝9ａ、10ａを互いに対向させて、各々の隣接する２つの溝9ａ、10ａの間のべーン18、19を互いに結合することにより、双方の溝9ａ、10ａによってベーン18、19間のディフューザ通路20が形成されている。このディフューザ通路20の横断面形状は、図5に示すように、スロート部21（図3）までは基本的に矩形とされるとともに、各溝13,14の隅部（角部）、つまり横断面矩形の四隅に所定曲率半径を有する円弧状のアール部22,23が形成されている。また、隣接する２つのディフューザ通路20間の鋭角をなすベーン18,19は、図6に示すように、その前縁27、28が、前記アール部22,23の形成によって湾曲形状となる。この湾曲形状は、スパン方向（軸方向Ｃに合致する）の中央部が下流へ向かって凹入するように湾曲する。この前縁27、28の湾曲形状によってディフューザ入口部での空気Ａの流入角が適切となるように設定されている。

図4はベーン18,19の前縁27、28におけるハブ12（後壁部材10）からシュラウド11（前壁部材9）間のスパン方向の空気Ａの流入角の分布を示したものであり、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3の各特性曲線は、流入角分布を異ならせた場合の実験結果を示したものであり、Ｑの特性曲線は流入角を一定とした場合を示したものである。図4の左右両端は、溝13、14の底面であり、底面近傍は、流体の粘性と摩擦の影響により、流速が低下するために、流入角が小さくなる。流入角の分布は左右対称とは限らないので、それに応じて、図6の前縁27、28の形状も対称形から外れる。

前記アール部22,23の半径および図3に示すウェッジ角δ（ベーン部18,19の前縁27、28の両側面がなす角度）を適宜選定することにより、前記前縁27、28を所望形状、すなわち、ディフューザ8への流入角分布に対して最適な湾曲形状とすることができる。それにより、ディフューザ8の効率の向上を図ることができる。

また、ディフューザ通路20において、スロート部21以降の横方向断面は、径方向Ｒおよびスパン方向ともに末広がりし、すなわち3次元的に拡大した矩形とされるとともに、図5に示したように、その隅部に所定曲率半径のアール部22,23が形成されている。これにより、ディフューザ通路20の断面形状を最適なものとすることができ、このディフューザ通路20に沿って効率よく減速させるとともに隅部の流れを円滑化して、動圧を効率よく静圧に変換させることができる。

つぎに、図2の後段側ディフューザ8の製造工程について説明する。圧縮機の構造、寸法などに適応する形状の前壁部材9および後壁部材10を、鋳造または鍛造により用意する。つづいて、前壁部材9の後面9ａに、切削加工機により図3の径方向Ｒの内周ＩＮから外周ＯＴに延びる所要形状の複数の溝13を周方向に並べて形成する。これにより、隣接する２つの溝13の間にベーン18が形成される。ここで、形成される溝13の位置精度を確保するために、後面9ａに基準用リーマ孔39を穿孔して、このリーマ孔39を基準として溝加工を行う。また、ボルト挿通用の貫通孔41および後壁部材10から挿通されるボルト43,44（図2）に螺合するめねじが形成された貫通孔48を所定位置に形成する。

つづいて、後壁部材10における前壁部材9に結合する前面10ａにも前壁部材9と同様に、リーマ孔40を形成し、このリーマ孔40を基準にして、溝14を所定間隔で所望形状に多数形成する。これにより、隣接する２つの溝14の間にベーン19が形成される。また、前記貫通孔41から挿通されるボルト50（図2）に螺合するめねじが形成された貫通孔42、前記貫通孔41に対応した貫通孔42およびめねじが形成された貫通孔48に対応するボルト挿通用の貫通孔49を形成する。

前壁部材9および後壁部材10にそれぞれ溝13,14を切削加工する際に、溝13,14の隅部に、図9に示すボールエンドミル29を用いて、図5に示す所定曲率半径を有する円弧状のアール部22、23を形成する。このボールエンドミル29は、球状の底刃30を有して曲面を切削加工できるものであるから、形成すべきアール部22,23の半径に対応する曲率半径の底刃30を有するボールエンドミル29を選択して、溝13,14の隅部を切削加工することにより、半径が異なる種々のアール部22、23を容易、かつ高精度に形成することができる。したがって、遠心圧縮機の機種に応じて空気の流入角のスパン方向の分布が相違しても、その流入角に対応する曲率半径の底刃30を有するボールエンドミル29をその都度選択して使用することにより、アール部２２，２３の半径を適宜設定して、種々の流入角分布（図４）に合致する、図６に示す所要の湾曲形状を持つ前縁２７，２８を形成できる。

図5に示す溝13,14におけるアール部22,23を除く直線部31,32は、図10に示すエンドミル33を用いた切削加工により形成する。このエンドミル33は、外周面および端面に切れ刃37,38を持っているので、溝13,14に直線部31,32を容易に、かつ高精度に切削加工することができる。

上述のように溝13,14の隅部に所定曲率半径を有するアール部22,23を正確に形成できれば、図6に示すような所要の湾曲形状が形成される。この湾曲形状は、ディフューザ入口での空気の流入角が最適となるように設定されるものである。さらに詳述すると、ディフューザ通路20への空気の流入角に応じた曲率半径を有する図9のボールエンドミル29によって図5のアール部22,23を切削加工すれば、ディフューザ通路20への空気の流入角に合致するアール部22,23を形成できるから、このアール部22,23によって図6のベーン18,19の前縁27、28に形成される湾曲形状は、後段側羽根車4から流出する空気の流れの角度分布に対して最適なもの、つまりスパン方向に不均一な分布となる、図４のＰ１〜Ｐ３で示された空気の流入角に合致した最適なものとなる。

上述のように形成した図3の前壁部材9の後面9ａおよび後壁部材10の前面10ａのリーマ孔39、40にノックピンを圧入して両壁部材9,10の相互の位置決めを行ったのち、ボルト43,50で両壁部材9、10を互いに結合して後段側ディフューザ8を製作する。しかるのち、この後段側ディフューザ８を遠心圧縮機のハウジングの所定位置に、ボルト44により取り付ける。

このように、このディフューザ8は、切削または研削により両壁部材9,10にディフューザ通路20となる溝13,14を各々形成し、ついで両者をボルト結合するという簡単な作業によりディフューザ通路20を作製することができる。

つぎに、このようにして作製された後段側ディフューザ8を使用した場合の静圧回復率（羽根車出口での動圧分がディフューザ8で静圧に変換される割合）および圧縮機断熱効率を実験により測定した結果を、設計流量点に対する流量係数の比を横軸として、図7および図8にそれぞれ示す。図7および図8において、後段側ディフューザ8のベーン１８，１９の前縁２７，２８を図６に示す湾曲形状として、流入角を図４のＰ２に合致させた場合の実験結果である静圧回復率および圧縮機断熱効率を、Ｓ1およびＵ1の各特性曲線で示してあり、併せて溝の隅部にアール部を設けない後段側ディフューザを用いた場合の静圧回復率および圧縮機断熱効率を、Ｓ2およびＵ2の各特性曲線で示してある。

ここで、図7の静圧回復率と図8の圧縮機断熱効率はそれぞれ、S２、U２の設計流量点での値に対する比で示す。図7に示すように、この後段側ディフューザ8は、アール部を設けないディフューザに比較して、圧縮機の設計流量点においてディフューザ静圧回復率が格段に優れていることがわかる。これに伴って、図8に示すように、圧縮機断熱効率も格段に向上している。

なお、本発明は上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

4 羽根車
8 ディフューザ
9 前壁部材
9ａ後面
10 後壁部材
10a 前面
13,14 溝
18,19 ベーン
20 ディフューザ通路
22,23 アール部
27,28 前縁
29 ボールエンドミル
31,32 直線部
33 エンドミル

Claims

遠心圧縮機の羽根車の径方向外方に設けられるディフューザの製造方法であって、
前記遠心圧縮機の軸方向に対向する前壁部材と後壁部材とを用意する壁作成工程と、
前記前壁部材の後面と前記後壁部材の前面とに、径方向の内周から外周に延びる複数の溝を周方向に並べて形成する溝形成工程と、
前記前壁部材と前記後壁部材とを、それぞれの前記溝を対向させて溝間のベーンで結合することにより、前記溝によって前記ベーン間のディフューザ通路を形成する結合工程とを備え、
前記溝形成工程において、前記溝の隅部にボールエンドミルによって円弧状のアール部を形成することにより、鋭角をなす前記ベーンの前縁を、スパン方向の中央部が下流へ向かって凹入するように湾曲させたディフューザの製造方法。
請求項1に記載のディフューザの製造方法において、
前記ディフューザ通路への空気の流入角に応じた曲率半径を有するボールエンドミルによって前記アール部を切削することにより、前記前縁を形成するディフューザの製造方法。
請求項1または2に記載のディフューザの製造方法において、
前記前壁部材と前記後壁部材の相対向する前記溝により横断面矩形の四隅にアール部を持つ形状の前記ディフューザ通路を形成するディフューザの製造方法。
請求項3に記載のディフューザの製造方法において、
横断面矩形の四隅にアール部を持つ形状のディフューザ通路を形成する溝形成工程において、
前記溝における前記アール部を除いた直線部をエンドミルで加工するディフューザの製造方法。