(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-10
(45)【発行日】2023-10-18
(54)【発明の名称】インペラ、及びインペラの製造方法
(51)【国際特許分類】
F04D 29/28 20060101AFI20231011BHJP
【ＦＩ】
F04D29/28 C
F04D29/28 R
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020046774
(22)【出願日】2020-03-17
(65)【公開番号】P2021148026
(43)【公開日】2021-09-27
【審査請求日】2022-11-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】田村 栄一
【審査官】中村 大輔
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２７５５１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１８０１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１０５２９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０３６４８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０９４５７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１５７８６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２８１２５６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０４Ｄ ２９／１８－２９／３８
Ｂ３３Ｙ １０／００－８０／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸線を中心とした第１円盤部を有するハブと、前記第１円盤部に放射状に延びて配置され、前記ハブの回転に伴って前記軸線に沿って流入する流体を、前記第１円盤部の径方向内側から径方向外側に案内する複数のブレードと、
前記ブレードを前記軸線の方向に挟んで、前記第１円盤部に対向して配置された第２円盤部を有するシュラウドと、
を備え、
前記ブレードは、前記軸線を中心とする周方向に互いに間隔を空けて湾曲して配置され、
前記第１円盤部と前記第２円盤部との間には、複数の前記ブレードにより区画された流体流路が形成され、
前記流体流路を囲む、前記ハブ、前記ブレード及び前記シュラウドのそれぞれの内壁面の一部に、前記流体流路の長手方向直交断面において、前記ブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部が設けられ、
前記流体流路を形成する部分に対応する前記シュラウド及び前記ハブのうち少なくとも一方の外表面は、前記内壁面に沿った曲面である、
インペラ。
【請求項2】
軸線を中心とした第１円盤部を有するハブと、前記第１円盤部に放射状に延びて配置され、前記ハブの回転に伴って前記軸線に沿って流入する流体を、前記第１円盤部の径方向内側から径方向外側に案内する複数のブレードと、
前記ブレードを前記軸線の方向に挟んで、前記第１円盤部に対向して配置された第２円盤部を有するシュラウドと、
を備え、
前記ブレードは、前記軸線を中心とする周方向に互いに間隔を空けて湾曲して配置され、
前記第１円盤部と前記第２円盤部との間には、複数の前記ブレードにより区画された流体流路が形成され、
前記流体流路を囲む、前記ハブ、前記ブレード及び前記シュラウドのそれぞれの内壁面の一部に、前記流体流路の長手方向直交断面において、前記ブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部が設けられ、
前記流体流路を形成する部分に対応する前記シュラウド及び前記ハブの外表面は、それぞれ前記内壁面に沿った曲面である、
インペラ。
【請求項3】
前記流体流路は、前記第１円盤部及び前記第２円盤部の内周縁に、前記軸線に沿った入口側流体流路と屈曲して接続される連結部が設けられている請求項１又は２に記載のインペラ。
【請求項4】
前記流体流路を形成する部分に対応する前記シュラウド及び前記ハブの肉厚は、前記ブレードの肉厚よりも薄い請求項１～３のいずれか１項に記載のインペラ。
【請求項5】
前記シュラウド、前記ブレード及び前記ハブは、金属材料が積み重なって一体に形成されている請求項１～４のいずれか１項に記載のインペラ。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか１項に記載のインペラの製造方法であって、金属粉末を所定の厚さでベース上に供給し、供給された前記金属粉末をレーザ光の照射により溶融、凝固させて肉盛層を形成する工程と、
形成された前記肉盛層の上に新たに前記金属粉末を所定に厚さに供給して、レーザ光の照射により前記金属粉末を溶融、凝固させる手順を繰り返し、複数の肉盛層を順次積層する工程と、
を有し、
前記肉盛層を前記インペラの形状に積層造形するインペラの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、インペラ、及びインペラの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、液体、気体等の流体用の遠心力ポンプ、発電機等に使用されるインペラが知られている（特許文献１、２）。
特許文献１には、図１０に示すように、シュラウド（第一円盤部）１０１と、シュラウドの中心部を中心にして渦巻き放射状に形成された複数のブレード（羽根部）１０３と、シュラウド１０１と対向して配置され、複数のブレード１０３と当接するハブ（第二円盤部）１０２とを備えるインペラ１００が開示されている。このインペラ１００は、シュラウド１０１に形成された穴部１０４と、ブレード１０３に形成された凸部１０５とが嵌合して組み合わされる。
特許文献１には、図１０に示すように、シュラウド（第一円盤部）１０１と、シュラウドの中心部を中心にして渦巻き放射状に形成された複数のブレード（羽根部）１０３と、シュラウド１０１と対向して配置され、複数のブレード１０３と当接するハブ（第二円盤部）１０２とを備えるインペラ１００が開示されている。このインペラ１００は、シュラウド１０１に形成された穴部１０４と、ブレード１０３に形成された凸部１０５とが嵌合して組み合わされる。
【0003】
特許文献２には、図１１の（Ａ）に示すように、回転軸を中心に回転するハブ２０１と、ハブ２０１に対向して設けられるシュラウド２０２と、ハブ２０１とシュラウド２０２との間に設けられた複数のブレード（羽根）２０３と、ハブ２０１、シュラウド２０２及び複数のブレード２０３により区画される複数の昇圧流路２０４と、を備えるインペラ２００が開示されている。このインペラ２００の昇圧流路２０４は、流入口２０４ａから流出口２０４ｂまで直線状に貫通された貫通孔である。昇圧流路を貫通孔で形成するため、ハブ２０１、シュラウド２０２及び複数のブレード２０３は、分割して製造する必要がなく、これらを一体に形成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１９－１９０３３２号公報
【文献】特開２０１９－１５７７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
インペラは、回転しながらインペラ内に流入する流体を、その流れ方向と直交する方向に圧縮して排出する構造を有する。代表的には、円盤部を有するハブと、ハブの円盤面に設けられる複数のブレードからなるオープンインペラ、あるいは、円盤部を有するハブと、ハブと所定間隔を持ってハブに対向して配置される他方の円盤部となるシュラウドと、ハブとシュラウド間に設けられる複数のブレードと、からなるクローズドインペラ等がある。
【0006】
クローズドインペラは、互いに対向するハブとシュラウドと、ハブとシュラウド間に設けられて互いに対向する一対のブレードで画定される空間に流体流路が形成される。流体流路の流体経路は、ハブ及びシュラウドの中心近傍から放射状に配置された複数のブレードにより決定される。
【0007】
このようなインペラの設計、製造には、以下の点が要望されている。
（１）クローズドインペラは、オープンインペラと異なり、天井を形成するシュラウドが必要であり、オープンインペラに比較して、より製造が複雑で困難となる。そのため、効率的に製造する手法が求められている。
（２）インペラは、高速で回転し、流体を圧縮して強制的にその流体方向を変えるため、強度が求められると共に応力負荷を低減する必要がある。そのため、特に流体流路の断面形状を柔軟に設計できる方法が求められている。
（３）インペラは、回転数を増加させるために軽量化できることが求められている。
（１）クローズドインペラは、オープンインペラと異なり、天井を形成するシュラウドが必要であり、オープンインペラに比較して、より製造が複雑で困難となる。そのため、効率的に製造する手法が求められている。
（２）インペラは、高速で回転し、流体を圧縮して強制的にその流体方向を変えるため、強度が求められると共に応力負荷を低減する必要がある。そのため、特に流体流路の断面形状を柔軟に設計できる方法が求められている。
（３）インペラは、回転数を増加させるために軽量化できることが求められている。
【0008】
以上の要望を参酌しながら、特許文献１、２の構成をより詳細に説明する。
特許文献１のクローズドインペラの場合、シュラウド１０１と複数のブレード１０３とを溶接（ロウ付けも含む）をする必要がある。しかし、溶接箇所が多く形状も複雑であるため、溶接が難しく、溶接形状が不安定となる可能性がある。また、シュラウド１０１にも大きな応力が発生するため、溶接品質が保証されない場合、クローズトインペラの強度低下に繋がる可能性がある。更に、ブレード１０３とハブ１０２も同様に溶接接合となる。このような溶接箇所を曲面形状にして応力を緩和させる方法があるが、曲面の曲率半径を大きくしようとすると、溶接時間が長くなり、ブレード１０３及びハブ１０２へ大きな熱負荷を生じさせ、材料特性に影響を及ぼし、熱変形を生じさせる可能性がある。
特許文献１のクローズドインペラの場合、シュラウド１０１と複数のブレード１０３とを溶接（ロウ付けも含む）をする必要がある。しかし、溶接箇所が多く形状も複雑であるため、溶接が難しく、溶接形状が不安定となる可能性がある。また、シュラウド１０１にも大きな応力が発生するため、溶接品質が保証されない場合、クローズトインペラの強度低下に繋がる可能性がある。更に、ブレード１０３とハブ１０２も同様に溶接接合となる。このような溶接箇所を曲面形状にして応力を緩和させる方法があるが、曲面の曲率半径を大きくしようとすると、溶接時間が長くなり、ブレード１０３及びハブ１０２へ大きな熱負荷を生じさせ、材料特性に影響を及ぼし、熱変形を生じさせる可能性がある。
【0009】
また、特許文献１の流体流路は、放射状にスパイラル曲線を描いており、高速回転するインペラに対し、引張応力、及び圧縮応力が集中し、インペラの破損を誘引する可能性がある。この点について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は図１０に示すクローズドインペラであり、図１３は、図１０に示すシュラウド１０１とブレード１０３とが溶接されたクローズドインペラを示している。
【0010】
図１２の（Ａ）に示すように、インペラ１００の外部から軸方向にインペラ１００内に流体Ｆが流入すると、領域Ｐ１において、回転するインペラ１００によって強制的に流体Ｆの流れ方向が軸方向から径方向に曲げられる。そして、領域Ｐ１より下流側の領域Ｐ２において、流体流路１１１内の曲線形状に合わせて流れ方向が曲げられる。その際、ブレード１０３の内壁面１０３ａには、流体Ｆからの押圧力を受けて圧力Ｐが負荷される。
【0011】
内壁面１０３ａに負荷される圧力Ｐは、図１２の（Ｂ）に示すように、ブレード１０３とハブ１０２との境界部１１３（破線で囲む部分）に集中し、大きな引張応力が発生する。
【0012】
上記の引張応力を緩和するためには、図１２の（Ｃ）に示すように、境界部１１３に破線で示すような曲面部１１５を形成することが得策である。ところが溶接中に曲面部１１５を形成することは簡単ではない。実際には、ブレード１０３とハブ１０２とを溶接する際、溶接時の入熱によるブレード１０３の変形、及び金属組織の変化によって強度が維持できなくなることを防止するため、溶接による入熱量を必要最小限に抑えている。そのため、境界部１１３の曲面部１１５は、ブレード１０３の板厚ＢＴより小さな曲率半径ＭＲとなり、必要十分な応力緩和の効果が得られない。
【0013】
また、上述の引張応力は、シュラウドとブレードとが溶接された場合に、双方の接続部で同様に発生する。
インペラ１００の模式的な軸断面を図１３の（Ａ）に示す。図１３の（Ａ）に示すように、流体Ｆが流体流路２０１内を高速で流れる際、流体流路１１１の領域Ｐ１では、軸方向（図１３の（Ａ）の下方向）に圧力が加わる。その際、シュラウド１０１とブレード１０３との繋がり部分である境界部１１７（破線で囲む部分：すなわち、ブレード１０３の延び方向における一方端の位置する境界部１１７）には大きな圧縮応力が加わる。また、図１３の（Ｂ）に示すように、シュラウド１０１とブレード１０３との境界部１１９（破線で囲む部分：すなわち、ブレード１０３の全長方向に沿った境界部１１９）にも大きな圧縮応力が加わる。
インペラ１００の模式的な軸断面を図１３の（Ａ）に示す。図１３の（Ａ）に示すように、流体Ｆが流体流路２０１内を高速で流れる際、流体流路１１１の領域Ｐ１では、軸方向（図１３の（Ａ）の下方向）に圧力が加わる。その際、シュラウド１０１とブレード１０３との繋がり部分である境界部１１７（破線で囲む部分：すなわち、ブレード１０３の延び方向における一方端の位置する境界部１１７）には大きな圧縮応力が加わる。また、図１３の（Ｂ）に示すように、シュラウド１０１とブレード１０３との境界部１１９（破線で囲む部分：すなわち、ブレード１０３の全長方向に沿った境界部１１９）にも大きな圧縮応力が加わる。
【0014】
このような圧縮応力を緩和するためには、図１３の（Ｃ）に示すように、境界部１１９（１１７も同様）に曲面部１２１を形成することが得策である。しかし、前述した引張応力の場合と同様に、曲面部１２１は、ブレード１０３の板厚ＢＴより小さな曲率半径ＭＲしか形成できず、必要十分な応力緩和の効果が得られない。
【0015】
一方、特許文献２のインペラは、昇圧流路２０４の断面形状が円形の長孔となっている。しかし、昇圧流路２０４は、ドリル加工等の切削加工によって直線状に形成されるものであり、スパイラル曲線等の湾曲した昇圧流路の形成は困難である。また、複数の直線状の流路同士を接続する構成も考えられるが、その場合には、溶接又はロウ付け等が必要になり、上述した応力集中の問題が生じることになる。
【0016】
また、特許文献１，２の構成では、いずれも機械的強度を高めつつ軽量化することが難しい構成となっている。
【0017】
そこで本発明は、高強度で形状の設計自由度が高く、容易に軽量化できるインペラ、及びインペラの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明は下記の構成からなる。
（１） 軸線を中心とした第１円盤部を有するハブと、
前記第１円盤部に放射状に延びて配置され、前記ハブの回転に伴って前記軸線に沿って流入する流体を、前記第１円盤部の径方向内側から径方向外側に案内する複数のブレードと、
前記ブレードを前記軸線の方向に挟んで、前記第１円盤部に対向して配置された第２円盤部を有するシュラウドと、
を備え、
前記ブレードは、前記軸線を中心とする周方向に互いに間隔を空けて湾曲して配置され、
前記第１円盤部と前記第２円盤部との間には、複数の前記ブレードにより区画された流体流路が形成され、
前記流体流路を囲む、前記ハブ、前記ブレード及び前記シュラウドのそれぞれの内壁面の一部に、前記流体流路の長手方向直交断面において、前記ブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部が設けられたインペラ。
（２） （１）に記載のインペラの製造方法であって、
金属粉末を所定の厚さでベース上に供給し、供給された前記金属粉末をレーザ光の照射により溶融、凝固させて肉盛層を形成する工程と、
形成された前記肉盛層の上に新たに前記金属粉末を所定に厚さに供給して、レーザ光の照射により前記金属粉末を溶融、凝固させる手順を繰り返し、複数の肉盛層を順次積層する工程と、
を有し、
前記肉盛層を前記インペラの形状に積層造形するインペラの製造方法。
（１） 軸線を中心とした第１円盤部を有するハブと、
前記第１円盤部に放射状に延びて配置され、前記ハブの回転に伴って前記軸線に沿って流入する流体を、前記第１円盤部の径方向内側から径方向外側に案内する複数のブレードと、
前記ブレードを前記軸線の方向に挟んで、前記第１円盤部に対向して配置された第２円盤部を有するシュラウドと、
を備え、
前記ブレードは、前記軸線を中心とする周方向に互いに間隔を空けて湾曲して配置され、
前記第１円盤部と前記第２円盤部との間には、複数の前記ブレードにより区画された流体流路が形成され、
前記流体流路を囲む、前記ハブ、前記ブレード及び前記シュラウドのそれぞれの内壁面の一部に、前記流体流路の長手方向直交断面において、前記ブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部が設けられたインペラ。
（２） （１）に記載のインペラの製造方法であって、
金属粉末を所定の厚さでベース上に供給し、供給された前記金属粉末をレーザ光の照射により溶融、凝固させて肉盛層を形成する工程と、
形成された前記肉盛層の上に新たに前記金属粉末を所定に厚さに供給して、レーザ光の照射により前記金属粉末を溶融、凝固させる手順を繰り返し、複数の肉盛層を順次積層する工程と、
を有し、
前記肉盛層を前記インペラの形状に積層造形するインペラの製造方法。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、インペラを、高強度で形状の設計自由度を高めて、しかも容易に軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の構成例について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、クローズドインペラのブレードに沿った流体流路の形状を、種々の形状に変更した各実施形態を説明する。
ここでは、クローズドインペラのブレードに沿った流体流路の形状を、種々の形状に変更した各実施形態を説明する。
【0022】
【0023】
インペラ１は、例えば、ガスタービン、エンジンの過給機、蒸気タービン等に使用され、鋼材等の金属材料により構成される。図１に示すインペラ１は、ハブ１０と、複数のブレード２０と、シュラウド３０と、を備え、軸線Ｘを中心に回転駆動される。ハブ１０は、軸線Ｘの近傍に設けられ、軸線Ｘに沿って延びる第１円筒部１１と、第１円筒部１１の軸方向と直交する方向に配置されて平面視で円形の第１円盤部１２とを有する。ブレード２０は、第１円盤部１２に軸線Ｘ方向に沿って立ちあがるように形成され、かつ、軸線Ｘを中心とする周方向に互いに間隔を空けて、スパイラル曲線を描くように湾曲して、径方向外側へ放射状に延びて配置される。
【0024】
シュラウド３０は、ブレード２０を挟んでハブ１０と対向して配置される。シュラウド３０は、軸線Ｘの近傍に設けられ、軸線Ｘ方向に延びる第２円筒部３１と、第２円筒部３１の軸方向と直交する方向に配置されて平面視で円形の第２円盤部３２とを有する。ハブ１０、ブレード２０及びシュラウド３０は、金属粉末を用いた３次元積層成形法により一体に積層造形される。
【0025】
第１円筒部１１と第２円筒部３１とは、軸線Ｘの近傍において、径方向に所定の間隔を保って互いに対向して配置される。すなわち、第１円筒部１１が内筒部、第２円筒部２１が外筒部となる二重筒の配置関係になり、インペラ１の外部から流入する流体の入口側流体流路４０を形成する。第１円盤部１２と第２円盤部３２とは、所定の間隔を保って互いに対向して平行に配置され、第１円盤部１２と第２円盤部３２との間に、複数のブレード２０により区画された流体流路４１が形成される。
【0026】
流体流路４１は、ブレード２０の湾曲形状に沿って放射状に形成され、軸線Ｘに近いブレード２０の内周縁２０ａから外周縁２０ｂに向かって径方向外側に流体を案内する。また、ブレード２０の内周縁２０ａには、第１円盤部１２の内周縁１３と第２円盤部３２の内周縁３３が接続される。内周縁１３は第１円筒部１１に接続され、内周縁３３は第２円筒部３１に接続される。つまり、インペラ１の内周部には、流体流路４１と、入口側流体流路４０とが屈曲して接続される連結部４２が設けられる。連結部４２は、軸断面形状が略９０度に折れ曲がる滑らかな曲線状となって流体の方向を変更する。
【0027】
図２に示すように、１つの流体流路４１を形成する１対のブレード２０は、互いの対向する側にそれぞれブレード内壁面５１を有する。第１円盤部１２及び第２円盤部３２は、互いの対向する側にそれぞれ第１円盤部内壁面５２、第２円盤部内壁面５３を有する。即ち、流体流路４１は、１対のブレード内壁面５１、及び１対の第１円盤部内壁面５２、第２円盤部内壁面５３とで画定される空間として構成される。以降の説明では、それぞれの内壁面を総称して内壁面５０（図３参照）とも言う。
【0028】
また、図２に示すブレード内壁面５１と第１円盤部内壁面５２との１対の繋がり部分を境界部６０Ａ、ブレード内壁面５１と第２円盤部内壁面５３との１対の繋がり部分を境界部６０Ｂという。
【0029】
本構成のインペラ１を製造する金属粉末積層造形法は、概略的には、まず、造形用の材料である金属粉末を所定の厚さでベース上に供給し、金属粉末の表面にレーザ光を照射して、金属粉末を溶融、凝固させて肉盛層を形成する。この肉盛層の上に新たに金属粉末を所定の厚さで供給し、レーザ光の照射により金属粉末を溶融、凝固させて肉盛層上に新たに肉盛層を積層する、という工程を繰り返して、肉盛層を順次に積層して所望の形状の造形体を得る方法である。
【0030】
具体的には、まず、金属粉末の配置、金属粉末の溶融、凝固を繰り返しながら、ハブ１０を積層し、ハブ１０の第１円盤部１２上に複数のブレード２０を積層する。このとき、ブレード２０を形成するにあたり、境界部６０Ａに曲面部７０を形成する。また、ブレード２０の上にシュラウド３０の第２円盤部３２を形成する。これと同時に、第１円筒部１１及び第２円筒部２１も形成する。上記工程により、インペラ１が積層造形される。
【0031】
つまり、金属粉末積層造形法によれば、所望の形状を３次元の形状データ（例えば、ＣＡＤデータ）から自動的に製造でき、複雑な形状であっても簡便に製造が可能となる。
【0032】
次に、流体流路４１の形状を詳細に説明する。
図３は、図２に示すインペラ１の一部拡大側面図である。
本構成のインペラ１では、境界部６０Ａに生じる応力の緩和のため、境界部６０Ａに曲面部７０を形成している。曲面部７０の曲率半径Ｒは、ブレード２０の肉厚ｔａよりも大きい。ここでいう肉厚ｔａとは、１つのブレード２０が有する１対のブレード内壁面５１同士の最小距離となる肉厚であり、１つのブレード２０の最小厚さもある。
図３は、図２に示すインペラ１の一部拡大側面図である。
本構成のインペラ１では、境界部６０Ａに生じる応力の緩和のため、境界部６０Ａに曲面部７０を形成している。曲面部７０の曲率半径Ｒは、ブレード２０の肉厚ｔａよりも大きい。ここでいう肉厚ｔａとは、１つのブレード２０が有する１対のブレード内壁面５１同士の最小距離となる肉厚であり、１つのブレード２０の最小厚さもある。
【0033】
また、図３に示す第１円盤部内壁面５２は、その全体が曲面に形成されているが、周方向両端の曲面部７０を除く中間部分は平面であってもよい。
【0034】
境界部６０Ａに曲面部７０が形成されることで、インペラの運転中に流体からの押圧力が作用した場合でも、境界部６０Ａに応力集中が生じにくくなり、インペラ１の強度が高くなる。なお、上記した曲面部７０の曲率半径Ｒの長さは、以下に説明する各実施形態においても同様である。
【0035】
また、第１円盤部内壁面５２の肉厚ｔｂと、第２円盤部内壁面５３の肉厚ｔｃは、ブレード２０の肉厚ｔａよりも薄く形成される（ｔａ＞ｔｂ、ｔａ＞ｔｃ）。また、ハブ１０の第１円盤部内壁面５２には、周方向の中央の肉厚ｔｂが両端より薄くなるように曲面状に形成されることが好ましい。このような薄肉化によってインペラ１全体の重量が軽減され、同じインペラ１の回転速度であっても発生する遠心力を小さくできる。よって、この点でもインペラ1の強度が相対的に向上し、より高速な回転駆動が可能となる。
【0036】
上記した形状のインペラ１は、金属粉末積層造形法により製造することで、曲面部７０の曲率半径Ｒ、内壁面５０の形状を自在に設定できる。そのため、加工が煩雑にならず、設計自由度が向上し、必要十分な強度が簡単に得られる。
【0037】
＜第２実施形態＞
図４は、流体流路４１の第２実施形態を示すインペラ１Ａの一部拡大側面図である。
本実施形態のインペラ１Ａは、１対のブレード内壁面５１とシュラウド３０の第２円盤部内壁面５３との境界部６０Ｂに、ブレード２０の肉厚ｔａよりも大きな曲率半径Ｒを有する曲面部７０がそれぞれ形成される。また、１対のブレード内壁面５１と第１円盤部内壁面５２との境界部６０Ａには、曲面部７０が形成されていない。つまり、本実施形態のインペラ１Ａは、第１実施形態の境界部６０Ａを曲面部７０にする代わりに境界部６０Ｂを曲面部７０にしている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
図４は、流体流路４１の第２実施形態を示すインペラ１Ａの一部拡大側面図である。
本実施形態のインペラ１Ａは、１対のブレード内壁面５１とシュラウド３０の第２円盤部内壁面５３との境界部６０Ｂに、ブレード２０の肉厚ｔａよりも大きな曲率半径Ｒを有する曲面部７０がそれぞれ形成される。また、１対のブレード内壁面５１と第１円盤部内壁面５２との境界部６０Ａには、曲面部７０が形成されていない。つまり、本実施形態のインペラ１Ａは、第１実施形態の境界部６０Ａを曲面部７０にする代わりに境界部６０Ｂを曲面部７０にしている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【0038】
本実施形態のインペラ１Ａによっても、第１実施形態と同様に応力集中が境界部６０Ｂで生じにくくなり、インペラ１Ａの強度が高くなる。また、第１円盤部内壁面５２の肉厚ｔｂと、第２円盤部内壁面５３の肉厚ｔｃは、ブレード２０の肉厚ｔａよりも薄く形成される（ｔａ＞ｔｂ、ｔａ＞ｔｃ）ことで、インペラ１Ａ全体の重量が軽減され、同じインペラ１Ａの回転速度であっても発生する遠心力を小さくできる。よって、この点でもインペラ１Ａの強度が相対的に向上し、より高速な回転駆動が可能となる。
【0039】
＜第３実施形態＞
図５は、流体流路４１の第３実施形態を示すインペラ１Ｂの一部拡大側面図である。
本実施形態のインペラ１Ｂは、境界部６０Ａと境界部６０Ｂとの双方に曲面部７０が形成されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。つまり、第３実施形態は、第１実施形態の曲面部７０と第２実施形態の曲面部７０とを組み合わせた構成となっている。
図５は、流体流路４１の第３実施形態を示すインペラ１Ｂの一部拡大側面図である。
本実施形態のインペラ１Ｂは、境界部６０Ａと境界部６０Ｂとの双方に曲面部７０が形成されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。つまり、第３実施形態は、第１実施形態の曲面部７０と第２実施形態の曲面部７０とを組み合わせた構成となっている。
【0040】
本構成のインペラ１Ｂによれば、全ての境界部６０Ａ，６０Ｂが曲面部７０を有することで、流体流路４１の内壁面５０の全体にわたり、応力集中が生じにくくなる。また、より軽量化が図れた構成となる。
【0041】
＜第４実施形態＞
図６は、流体流路４１の第４実施形態を示すインペラ１Ｃの一部拡大側面図である。
本構成のインペラ１Ｃでは、ハブ１０側の内壁面５０が一対の斜面５４，５５を有しており、流体流路４１の長手方向（流れ方向）直交断面における断面形状が三角状（略三角形で、図６では略二等辺三角形）を呈している。この三角状の各角部が、円弧（真円、楕円形の円弧を含む）、放物線等を含む任意の曲線で形成される（すなわち、角取りされている）。略二等辺三角形の底辺及び斜辺の位置関係は逆でも良く、第２円盤部３２側に一対の斜辺が設けられていてもよい。
図６は、流体流路４１の第４実施形態を示すインペラ１Ｃの一部拡大側面図である。
本構成のインペラ１Ｃでは、ハブ１０側の内壁面５０が一対の斜面５４，５５を有しており、流体流路４１の長手方向（流れ方向）直交断面における断面形状が三角状（略三角形で、図６では略二等辺三角形）を呈している。この三角状の各角部が、円弧（真円、楕円形の円弧を含む）、放物線等を含む任意の曲線で形成される（すなわち、角取りされている）。略二等辺三角形の底辺及び斜辺の位置関係は逆でも良く、第２円盤部３２側に一対の斜辺が設けられていてもよい。
【0042】
本構成のインペラ１Ｃによれば、流体流路４１の断面形状が三角状であり、各角部が曲面状に形成されているため、前述の曲面部７０と同様に、応力集中が生じにくくなる。
【0043】
＜第５実施形態＞
図７の（Ａ）、（Ｂ）は、流体流路４１の第５実施形態を示すインペラ１Ｄ，１Ｅの一部拡大側面図である。
図７の（Ａ）に示す本構成のインペラ１Ｄでは、ブレード内壁面５１とハブ１０の第１円盤部内壁面５２との境界部６０Ａａ，６０Ａｂのうち、一方の境界部６０Ａａ（図７の左側）にのみ曲面部７０が形成される。また、曲面部７０は、図７の（Ｂ）に示すように、ブレード内壁面５１とハブ１０の第１円盤部内壁面５２との他方の境界部６０Ａｂ（図７の右側）にのみ曲面部７０が形成されてもよい。
図７の（Ａ）、（Ｂ）は、流体流路４１の第５実施形態を示すインペラ１Ｄ，１Ｅの一部拡大側面図である。
図７の（Ａ）に示す本構成のインペラ１Ｄでは、ブレード内壁面５１とハブ１０の第１円盤部内壁面５２との境界部６０Ａａ，６０Ａｂのうち、一方の境界部６０Ａａ（図７の左側）にのみ曲面部７０が形成される。また、曲面部７０は、図７の（Ｂ）に示すように、ブレード内壁面５１とハブ１０の第１円盤部内壁面５２との他方の境界部６０Ａｂ（図７の右側）にのみ曲面部７０が形成されてもよい。
【0044】
本構成のインペラ１Ｄ，１Ｅによれば、１対の境界部６０Ａａ，６０Ａｂのうち、境界部６０Ａａにのみ曲面部７０を形成することで、主に引張応力を緩和させることができる。また、境界部６０Ａｂにのみ曲面部７０を形成することで、主に圧縮応力を緩和させることができる。さらに、ブレード内壁面５１とシュラウド３０の第２円盤部内壁面５３との境界部６０Ｂａ，６０Ｂｂのうち、少なくとも一方の境界部にのみ曲面部７０を形成してもよい。その場合も、引張応力、圧縮応力を選択的に緩和させることができる。
【0045】
上記によれば、必要最小限の部位に曲面部７０を形成するだけで、高強度なインペラの構成にできる。
【0046】
＜第６実施形態＞
図８は、流体流路４１の第６実施形態を示すインペラ１Ｆの一部拡大側面図である。
本構成のインペラ１Ｆでは、１対の境界部６０Ａと１対の境界部６０Ｂとが曲面部７０を形成し、第１円盤部内壁面５２、第２円盤部内壁面５３及び１対のブレード内壁面５１が、それぞれ流体流路４１の外側に向けて膨らむ曲面形状となっている。
図８は、流体流路４１の第６実施形態を示すインペラ１Ｆの一部拡大側面図である。
本構成のインペラ１Ｆでは、１対の境界部６０Ａと１対の境界部６０Ｂとが曲面部７０を形成し、第１円盤部内壁面５２、第２円盤部内壁面５３及び１対のブレード内壁面５１が、それぞれ流体流路４１の外側に向けて膨らむ曲面形状となっている。
【0047】
また、第１円盤部内壁面５２の外側の第１円盤部外表面５７は、第１円盤部内壁面５２に沿った曲面形状であり、第１円盤部１２側の肉厚ｔｂが略一定で、ブレード２０の肉厚ｔａより薄く形成されている。同様に、第２円盤部内壁面５３の外側の第２円盤部外表面５８は、第２円盤部内壁面５３に沿った曲面形状であり、第２円盤部３２側の肉厚ｔｃが略一定で、ブレード２０の肉厚ｔａより薄く形成されている。
【0048】
本構成のインペラ１Ｆによれば、第１円盤部外表面５７及び第２円盤部外表面５８が、内壁面５０に沿った曲面形状であるため、ブレード２０に重なった第１円盤部外表面５７及び第２円盤部外表面５８には、軸方向に窪む凹部８０が形成される。凹部８０は、ブレード２０に沿って放射状に形成される。第１円盤部１２の肉厚ｔｂと第２円盤部３２の肉厚ｔｃが一定で、ブレード２０の肉厚ｔａより薄いことと、凹部８０が形成されることによって、インペラ１Ｆの更なる薄肉化と軽量化が図れる。このようなインペラ１Ｆの形状は、切削や鋳造により形成する場合には工数が増大することになるが、金属粉末積層造形法によれば、簡便に且つ効率良く形成できる。
【0049】
＜第７実施形態＞
図９の（Ａ）、（Ｂ）は、流体流路４１の第７実施形態を示すインペラ１Ｇ，１Ｈの一部拡大側面図である。
前述の第６実施形態では、第１円盤部１２と第２円盤部３２との双方の外表面を曲面形状にし、ブレード２０に沿って凹部８０を設けたが、本構成のインペラ１Ｇでは、図９の（Ａ）に示すように、第１円盤部１２と第２円盤部３２とのうち、第１円盤部１２側のみの外表面を曲面形状に形成し、第１円盤部１２側のみ凹部８０を設けている。その他の構成は、第６実施形態と同様である。
図９の（Ａ）、（Ｂ）は、流体流路４１の第７実施形態を示すインペラ１Ｇ，１Ｈの一部拡大側面図である。
前述の第６実施形態では、第１円盤部１２と第２円盤部３２との双方の外表面を曲面形状にし、ブレード２０に沿って凹部８０を設けたが、本構成のインペラ１Ｇでは、図９の（Ａ）に示すように、第１円盤部１２と第２円盤部３２とのうち、第１円盤部１２側のみの外表面を曲面形状に形成し、第１円盤部１２側のみ凹部８０を設けている。その他の構成は、第６実施形態と同様である。
【0050】
また、図９の（Ｂ）に示すように、第１円盤部１２と第２円盤部３２とのうち、第２円盤部３２側のみの外表面を曲面形状に形成して凹部８０を設けたインペラ１Ｈとしてもよい。
【0051】
本構成のインペラ１Ｇ，１Ｈによれば、第１円盤部１２と第２円盤部３２とのうち、いずれか一方の外表面を曲面形状にして、凹部８０を設けることでも、インペラ１Ｇ，１Ｈの更なる薄肉化と軽量化が図れる。
【0052】
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【0053】
例えば、内壁面５０によって画成される流体流路の長手方向（流れ方向）に直交する断面での断面形状は、角部の少なくとも１つが曲面部で形成された形状のほか、真円、楕円、三角形、台形、菱形等、種々の形状が選択可能であり、また、境界部における曲面部の形状は、一定の曲率半径の形状に限らず、ベジェ曲線、スプライン曲線等の任意の曲線を用いた形状が選択可能である。
【0054】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 軸線を中心とした第１円盤部を有するハブと、
前記第１円盤部に放射状に延びて配置され、前記ハブの回転に伴って前記軸線に沿って流入する流体を、前記第１円盤部の径方向内側から径方向外側に案内する複数のブレードと、
前記ブレードを前記軸線の方向に挟んで、前記第１円盤部に対向して配置された第２円盤部を有するシュラウドと、
を備え、
前記ブレードは、前記軸線を中心とする周方向に互いに間隔を空けて湾曲して配置され、
前記第１円盤部と前記第２円盤部との間には、複数の前記ブレードにより区画された流体流路が形成され、
前記流体流路を囲む、前記ハブ、前記ブレード及び前記シュラウドのそれぞれの内壁面の一部に、前記流体流路の長手方向直交断面において、前記ブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部が設けられたインペラ。
このインペラによれば、応力が集中する箇所にブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部を形成することで、応力集中を低減して強度を高められる。
（１） 軸線を中心とした第１円盤部を有するハブと、
前記第１円盤部に放射状に延びて配置され、前記ハブの回転に伴って前記軸線に沿って流入する流体を、前記第１円盤部の径方向内側から径方向外側に案内する複数のブレードと、
前記ブレードを前記軸線の方向に挟んで、前記第１円盤部に対向して配置された第２円盤部を有するシュラウドと、
を備え、
前記ブレードは、前記軸線を中心とする周方向に互いに間隔を空けて湾曲して配置され、
前記第１円盤部と前記第２円盤部との間には、複数の前記ブレードにより区画された流体流路が形成され、
前記流体流路を囲む、前記ハブ、前記ブレード及び前記シュラウドのそれぞれの内壁面の一部に、前記流体流路の長手方向直交断面において、前記ブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部が設けられたインペラ。
このインペラによれば、応力が集中する箇所にブレードの肉厚よりも大きな曲率半径の曲面部を形成することで、応力集中を低減して強度を高められる。
【0055】
（２） 前記曲面部は、前記内壁面のうち、前記第１円盤部と前記ブレードとの境界部の少なくとも一部に形成されている（１）に記載のインペラ。
このインペラによれば、第１円盤部とブレードとの境界部に応力集中が生じにくくなる。
このインペラによれば、第１円盤部とブレードとの境界部に応力集中が生じにくくなる。
【0056】
（３） 前記曲面部は、前記内壁面のうち、前記第ハブ側の面と前記シュラウド側の面との少なくも一方に形成されている（１）又は（２）に記載のインペラ。
このインペラによれば、ハブ及びシュラウドの肉厚を薄くでき、軽量化が図れる。
このインペラによれば、ハブ及びシュラウドの肉厚を薄くでき、軽量化が図れる。
【0057】
（４） 前記流体流路は、前記内壁面のうち、前記第２円盤部と前記ブレードとの境界部の少なくとも一部に形成されている（１）～（３）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、シュラウドとブレードの境界部に応力集中が生じにくくなる。
このインペラによれば、シュラウドとブレードの境界部に応力集中が生じにくくなる。
【0058】
（５） 前記流体流路は、前記第１円盤部及び前記第２円盤部の内周縁に、前記軸線に沿った入口側流体流路と屈曲して接続される連結部が設けられている（１）～（４）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、屈曲した連結部を流体が通過することで生じる応力を低減できる。
このインペラによれば、屈曲した連結部を流体が通過することで生じる応力を低減できる。
【0059】
（６） 前記流体流路の長手方向直交断面において、前記内壁面の断面形状は三角状であり、当該三角状の角部は曲線形状である（１）～（５）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、流体流路の内壁面の角部における断面形状が曲線形状であることで、各角部での応力集中が緩和されて強度を高められる。
このインペラによれば、流体流路の内壁面の角部における断面形状が曲線形状であることで、各角部での応力集中が緩和されて強度を高められる。
【0060】
（７） 前記流体流路を形成する部分に対応する前記シュラウド及び前記ハブのうち少なくとも一方の外表面は、前記内壁面に沿った曲面である（１）～（６）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、シュラウド又はハブの肉厚が薄くなり、軽量化が図れる。
このインペラによれば、シュラウド又はハブの肉厚が薄くなり、軽量化が図れる。
【0061】
（８） 前記流体流路を形成する部分に対応する前記シュラウド及び前記ハブの外表面は、それぞれ前記内壁面に沿った曲面である（１）～（６）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、シュラウド及びハブの双方の肉厚が薄くなり、更に大きく軽量化できる。
このインペラによれば、シュラウド及びハブの双方の肉厚が薄くなり、更に大きく軽量化できる。
【0062】
（９） 前記流体流路を形成する部分に対応する前記シュラウド及び前記ハブの肉厚は、前記ブレードの肉厚よりも薄い（１）～（８）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、ブレードの強度を確保しつつ、全体として軽量化が図れる。
このインペラによれば、ブレードの強度を確保しつつ、全体として軽量化が図れる。
【0063】
（１０） 前記シュラウド、前記ブレード及び前記ハブは、金属材料が積み重なって一体に形成されている（１）～（９）のいずれか１つに記載のインペラ。
このインペラによれば、金属材料の積層構造体であることで、設計自由度の高い高強度な構成にできる。
このインペラによれば、金属材料の積層構造体であることで、設計自由度の高い高強度な構成にできる。
【0064】
（１１） （１）～（１０）のいずれか１つに記載のインペラの製造方法であって、
金属粉末を所定の厚さでベース上に供給し、供給された前記金属粉末をレーザ光の照射により溶融、凝固させて肉盛層を形成する工程と、
形成された前記肉盛層の上に新たに前記金属粉末を所定に厚さに供給して、レーザ光の照射により前記金属粉末を溶融、凝固させる手順を繰り返し、複数の肉盛層を順次積層する工程と、
を有し、
前記肉盛層を前記インペラの形状に積層造形するインペラの製造方法。
このインペラの製造方法によれば、所望の曲率半径を有する曲面部を適切な箇所に効率よく形成できるため、応力集中が生じにくい高強度のインペラを製造できる。
金属粉末を所定の厚さでベース上に供給し、供給された前記金属粉末をレーザ光の照射により溶融、凝固させて肉盛層を形成する工程と、
形成された前記肉盛層の上に新たに前記金属粉末を所定に厚さに供給して、レーザ光の照射により前記金属粉末を溶融、凝固させる手順を繰り返し、複数の肉盛層を順次積層する工程と、
を有し、
前記肉盛層を前記インペラの形状に積層造形するインペラの製造方法。
このインペラの製造方法によれば、所望の曲率半径を有する曲面部を適切な箇所に効率よく形成できるため、応力集中が生じにくい高強度のインペラを製造できる。
【符号の説明】
【0065】
１、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ インペラ
１０ ハブ
１１ 第１円筒部
１２ 第１円盤部
２０ ブレード
３０ シュラウド
３１ 第２円筒部
３２ 第２円盤部
４１ 流体流路
４２ 連結部
５０ 内壁面
５１ ブレード内壁面
５２ 第１円盤部内壁面
５３ 第２円盤部内壁面
５４，５５ 斜面
５７ 第１円盤部外表面
５８ 第２円盤部外表面
６０ 境界部
７０ 曲面部
１０ ハブ
１１ 第１円筒部
１２ 第１円盤部
２０ ブレード
３０ シュラウド
３１ 第２円筒部
３２ 第２円盤部
４１ 流体流路
４２ 連結部
５０ 内壁面
５１ ブレード内壁面
５２ 第１円盤部内壁面
５３ 第２円盤部内壁面
５４，５５ 斜面
５７ 第１円盤部外表面
５８ 第２円盤部外表面
６０ 境界部
７０ 曲面部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】