流体機械用羽根車及び流体機械用ガイド並びに流体機械
【課題】コストの増加を抑えながら、耐磨耗寿命の延長化を図ることが可能な流体機械用羽根車及び流体機械用ガイド並びに流体機械を提供する。
【解決手段】硬質ダストを含む排気ガスを送る送風機１を構成し、回転軸部１１と、回転軸部１１に設けられた羽根板１５とを備える羽根車１０あって、羽根板１５の前面１６に、排気ガスによる磨耗を防止する耐磨耗層２０を備え、耐磨耗層２０は、回転中心側よりも外側が厚い。また、送風機１を構成し、羽根車１０の軸方向側に配置され、排気ガスをガイドする円形状のガイドリング４０であって、羽根車１０側の表面に、排気ガスによる磨耗を防止する耐磨耗層５０を備え、耐磨耗層５０は、回転中心側よりも外側が厚い。そして、耐磨耗層２０及び耐磨耗層５０は、傾斜溶射により形成されている。
【解決手段】硬質ダストを含む排気ガスを送る送風機１を構成し、回転軸部１１と、回転軸部１１に設けられた羽根板１５とを備える羽根車１０あって、羽根板１５の前面１６に、排気ガスによる磨耗を防止する耐磨耗層２０を備え、耐磨耗層２０は、回転中心側よりも外側が厚い。また、送風機１を構成し、羽根車１０の軸方向側に配置され、排気ガスをガイドする円形状のガイドリング４０であって、羽根車１０側の表面に、排気ガスによる磨耗を防止する耐磨耗層５０を備え、耐磨耗層５０は、回転中心側よりも外側が厚い。そして、耐磨耗層２０及び耐磨耗層５０は、傾斜溶射により形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磨耗性流体とエネルギを授受する流体機械、その流体機械用羽根車及び流体機械用ガイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナは、水酸化アルミニウム等のアルミナ原料を、ロータリーキルン等の焼成装置において、１０００℃以上の高温で焼成することにより得られる（特許文献１参照）。ここで、ロータリーキルンでは焼成に伴って排気ガスが生成し、この排気ガスは送風機（流体機械）に吸引された後、外部に圧送（排出）される。
【０００３】
ところが、前記排気ガスは、ロータリーキルンで生成した硬質のダストを含んでおり、送風機の羽根車は前記ダストを巻き込み、徐々に磨耗していた。よって、送風機の寿命は一般に短く、羽根車を適宜に交換する等のメンテナンスが必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４９３８３号公報
【特許文献２】特開平６−８８２０１号公報
【特許文献３】特開平８−１９３５６８号公報
【特許文献４】特開２００３−３２１７６１号公報
【特許文献５】特開２００４−１０９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、特許文献２〜５に記載されるような、耐摩耗性を考慮した溶射処理を羽根車に施して、羽根車の表面に耐磨耗層を均一厚さで形成する方法が考えられる。
ところが、溶射されるタングステンカーバイド（ＷＣ）等のサーメットは高価であり、耐磨耗寿命を延長するために耐磨耗層を厚くすると、溶射処理が高コストになってしまう。一方、耐磨耗層を薄くすると、溶射処理は低コストで行えるが、耐摩耗寿命が短縮されてしまい、羽根車の交換頻度が増加する。
【０００６】
ここで、溶射としては、例えば、ガス溶粉溶射、アーク溶射、ガスプラズマ溶射、高速フレーム溶射等がある。そして、サーメットとしては、例えば、炭化物系セラミックスの代表として、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＺｒＣ等、酸化物系セラミックスの代表として、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等、窒化物系セラミックスの代表として、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４等が挙げられる。
【０００７】
そこで、本発明は、コストの増加を抑えながら、耐磨耗寿命の延長化を図ることが可能な流体機械用羽根車及び流体機械用ガイド並びに流体機械を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る流体機械用羽根車は、磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、回転軸部と、前記回転軸部に設けられた羽根部とを備える流体機械用羽根車であって、前記羽根部の表面に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚いことを特徴とする。
【０００９】
ここで、「磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械」には、磨耗性流体にエネルギを授ける流体機械と、磨耗性流体からエネルギを受ける流体機械と、が含まれる。「磨耗性流体にエネルギを授ける流体機械」としては、例えば、送風機、ファン、ブロワ、圧縮機、ポンプ等が挙げられる。「磨耗性流体からエネルギを受ける流体機械」としては、例えば、水車、タービン等が挙げられる。
【００１０】
また、「磨耗性流体」とは、これとエネルギを授受する流体機械の流体機械用羽根車等の流体機械用部品（流体機械用羽根車、流体機械用ガイド等）と接触、衝突等することで、流体機械用部品を磨耗させる流体を意味し、後記する実施形態で例示する硬質のダストを含む排気ガス（気体）だけでなく、例えば泥水スラリー（液体）も含む。
【００１１】
さらに、「耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚い」とは、例えば、耐磨耗層の厚さが回転中心から外側に向かうにつれて漸増し、その表面が傾斜している態様だけでなく、小さな階段状である態様も含む。
【００１２】
そして、回転する流体機械用羽根車と磨耗性流体との相対速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなるので、流体機械用羽根車は、その径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすくなるところ、本発明に係る流体機械用羽根車によれば、羽根部の表面に磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、また、この耐磨耗層は回転中心側よりも外側が厚いので、流体機械用羽根車の耐磨耗寿命は延長される。これにより、流体機械用羽根車の交換等に要するコストが抑えられる。
すなわち、径方向外側の耐磨耗層は、回転中心側に対して、大きい磨耗量で磨耗するものの、径方向外側の耐磨耗層は回転中心側のものよりも厚いので、径方向外側の耐磨耗層が回転中心側の耐磨耗層よりも先に消失するようなことはない。
【００１３】
ここで、耐磨耗層の回転中心から外側に向かって厚くなる程度は、磨耗性流体の種類、流体機械用羽根車の回転速度、流体機械の作動頻度等を考慮して適宜設定すればよいが、望ましくは、回転中心から径方向外側に亘る耐磨耗層の厚さが同時に０となる、つまり、同時に消失するように設定されることが好ましい。
【００１４】
また、前記流体機械用羽根車において、前記耐磨耗層は、溶射により形成されていることが好ましい。
【００１５】
このような流体機械用羽根車は、傾斜溶射等の溶射によって耐磨耗層の厚さを適切に制御できる。
【００１６】
また、溶射によれば、耐磨耗層が短時間で形成されるので、耐磨耗層の表面に急冷組織を有する皮膜が形成されやすくなり、この皮膜により耐磨耗性は高くなる。
さらに、溶射は、一般に、サーメットを噴射する溶射ガンを使用して施工されるので、羽根部（基材）の形状・寸法等に制限されず、現場施工も容易となる。また、溶射ガンを使用する場合、羽根部（基材）の必要な箇所への部分的な施工、例えば、耐磨耗層の厚さの制御もさらに容易となる。
【００１７】
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る流体機械用ガイドは、磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、前記流体機械の流体機械用羽根車の軸方向側に配置され、磨耗性流体をガイドする流体機械用ガイドであって、前記流体機械用羽根車側の表層に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚いことを特徴とする。
【００１８】
ここで、流体機械用ガイドと、磨耗性流体との相対速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなる。
【００１９】
すなわち、磨耗性流体が流体機械用ガイドに衝突する衝突速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなり、流体機械用ガイドは、その径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすくなるところ、本発明に係る流体機械用ガイドによれば、流体機械用羽根車側の表層に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、また、この耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚いので、流体機械用ガイドの耐磨耗性は良好となって、長寿命となり、交換等に要するコストが抑えられる。
すなわち、径方向外側の耐磨耗層は、回転中心側に対して、大きい磨耗量で磨耗するものの、径方向外側の耐磨耗層は回転中心側のものよりも厚いので、径方向外側の耐磨耗層が回転中心側の耐磨耗層よりも先に消失するようなことはない。
【００２０】
ここで、耐磨耗層の回転中心から外側に向かって厚くなる程度は、圧送する磨耗性流体の種類、流体機械用羽根車の回転速度、流体機械の作動頻度等を考慮して適宜設定すればよいが、望ましくは、回転中心から径方向外側に亘る耐磨耗層の厚さが同時に０となる、つまり、同時に消失するように設定されることが好ましい。
【００２１】
また、前記流体機械用ガイドにおいて、前記耐磨耗層は、溶射により形成されていることが好ましい。
【００２２】
このような流体機械用ガイドは、傾斜溶射等の溶射によって耐磨耗層の厚さを適切に制御できる。
また、溶射によれば、前記したように、耐磨耗層の表面に急冷組織を有する皮膜が形成されやすくなり、この皮膜により耐磨耗性は高まる。
さらに、溶射ガンを使用して溶射すれば、基材となるガイド本体の形状・寸法等に制限されず、現場施工も容易となり、部分的な溶射、例えば、耐磨耗層の厚さの制御もさらに容易となる。
【００２３】
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る流体機械は、前記流体機械用羽根車と、前記流体機械用ガイドと、を備えることを特徴とする。
このような流体機械の耐磨耗性は良好となり、長寿命となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、コストの増加を抑えながら、長寿命化を図ることが可能な流体機械用羽根車及び流体機械用ガイド並びに流体機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係るアルミナ焼成システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る送風機の輪切り方向における断面図である。
【図３】図２のＡ部分の拡大図である。
【図４】図２のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図５】図４のＢ部分の拡大図である。
【図６】（ａ）径方向位置と磨耗量Ｔ６との関係を示すグラフであり、（ｂ）は本実施形態に係る送風機の一効果を示すグラフであり、（ｃ）は比較例に係るグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００２７】
≪アルミナ焼成システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係るアルミナ焼成システム１００は、ロータリーキルン１１０と、送風機１（流体機械）と、を備えている。
【００２８】
ロータリーキルン１１０は、アルミナ原料（水酸化アルミニウム等）を高温の焼成温度（１０００℃以上）で焼成し、アルミナを生成する焼成装置である。すなわち、ロータリーキルン１１０は、アルミナ原料を焼成温度に加熱するバーナ等の加熱装置（図示しない）を内蔵している。そして、ロータリーキルン１１０が作動すると、排気ガスが生成し、排気ガスは、配管１１０ａを介して、送風機１に吸引されるようになっている。
【００２９】
ここで、送風機１に吸引される排気ガスは、アルミナ原料の焼成に伴って生成した硬質のダスト（アルミナダスト）を含んでいる。そして、この硬質ダストを含む排気ガスは、送風機１の後記する羽根車１０や、ガイドリング４０を磨耗させる磨耗性流体である。なお、硬質ダストの濃度は例えば７０〜１００（ｇ／Ｎｍ３）程度である。
【００３０】
≪送風機の構成≫
次に、送風機１の具体的構成について、図２〜図５を参照して説明する。
送風機１は、両吸込パドル型の送風機であって、図示しない駆動装置によって回転する羽根車１０（流体機械用羽根車）と、羽根車１０を囲むケーシング３０と、ケーシング３０に固定された２つのガイドリング４０（流体機械用ガイド）と、を備えている。
ここで、送風機１は、駆動装置の動力（エネルギ）を、排気ガスに授ける流体機械である。なお、羽根車１０等の回転体を備える流体機械は、回転機械とも称される。
【００３１】
また、本実施形態において、羽根車１０は、図２において左回りで回転する。よって、羽根車１０の軸方向は、図４の左右方向となる。また、排気ガスは、図２の紙面手前及び奥（図４の左右）から吸気され、羽根車１０によって径方向外向き且つ左回りで流れた後、右上部分から外部に排気されるようになっている。
【００３２】
＜羽根車＞
羽根車１０（インペラとも称される）は、回転軸部１１と、回転軸部１１に設けられた６枚の羽根板１５（羽根部）と、各羽根板１５に設けられた耐磨耗層２０と、を備えている。なお、羽根板１５及び耐磨耗層２０の数は適宜変更自由である。
【００３３】
＜羽根車−回転軸部＞
回転軸部１１は、回転軸線Ｐ上にシャフト１２を有している。シャフト１２は、軸受（図示しない）を介して、ケーシング３０に回転自在に取り付けられている。また、シャフト１２は、クラッチおよび軸継手、増速または減速機構（いずれも図示しない）を介して、駆動装置（図示しない）に接続されている。そして、駆動装置が作動すると、シャフト１２（羽根車１０）が回転するようになっている。
【００３４】
＜羽根車−羽根板＞
６枚の羽根板１５は、板状の部品であり、回転軸部１１に放射状で固定されており、軸方向における羽根板１５の幅は、径方向外側に向かうにつれて狭くなっている（図４参照）。また、各羽根板１５の前面１６は、羽根車１０の接線方向と垂直となっている。なお、前面１６とは、左回転方向において、羽根板１５の前側の面である。
ここで、羽根板１５と排気ガスの相対速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなるので、羽根板１５は、径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすくなる。ただし、本実施形態では、前面１６に耐磨耗層２０が形成されており、羽根板１５の磨耗防止が図られている。
【００３５】
＜羽根車−耐磨耗層＞
耐磨耗層２０は、硬質ダストを含む排気ガスによる羽根車１０（羽根板１５）の磨耗を防止するための層であり、羽根板１５の前面１６（表面）全体に設けられている。
【００３６】
耐磨耗層２０は、例えば、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＺｒＣ等の炭化物系セラミックス、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の酸化物系セラミックス、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系セラミックスから形成されている。なお、このような炭化物系セラミックス、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックスは、サーメットと称され、高価である。
【００３７】
耐磨耗層２０の厚さＴ１は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて、徐々に厚くなっている（図３参照）。つまり、耐磨耗層２０の厚さＴ１は、徐々に厚くなるように傾斜している。なぜなら、前記したように、径方向外側に向かうにつれて相対速度が大きくなり、磨耗しやすいからである。厚さＴ１の設計方法は後で説明する。
ただし、耐磨耗層２０が厚くなる程度は、線形的に徐々に厚くなる構成に限定されず、階段状で段階的に厚くなる構成でもよい。
【００３８】
＜ケーシング＞
ケーシング３０は、その内部に羽根車１０を回転自在に収容している。図４において、ケーシング３０の左側及び右側には、排気ガスの吸引口（図示しない）が形成されている。また、図１において、ケーシング３０の右上側には、排気ガスの吐出口３１が形成されている。
【００３９】
＜ガイドリング＞
２つのガイドリング４０は、羽根車１０によって径方向外向きに送られる排気ガスが羽根車１０の両側に漏れないように、排気ガスをガイドする部品である。２つのガイドリング４０は、羽根車１０の軸方向（図４の左右方向）において羽根車１０の両側に配置されると共に、つまり、羽根車１０を挟むように軸方向に隙間Ｓをあけて配置されると共に、ケーシング３０に適宜な方法で固定されている。
すなわち、本実施形態に係る送風機１は、パドル型の流体機械である。
【００４０】
各ガイドリング４０は、リング本体４１と、リング本体４１の羽根車１０側の表面４２に形成された耐磨耗層５０と、を備えている。つまり、各ガイドリング４０は、羽根車１０側の表層に、耐磨耗層５０を備えている。
なお、送風機１の使用前、つまり、耐磨耗層２０及び耐磨耗層５０の磨耗前において、ガイドリング４０と羽根車１０との間には、隙間Ｓが形成されている。そして、隙間Ｓは径方向外側に向かうにつれて徐々に小さくなっている。
【００４１】
各耐磨耗層５０は、硬質ダストを含む排気ガスによるリング本体４１の磨耗を防止するための層である。このような耐磨耗層５０は、前記した耐磨耗層２０と同様に、例えば、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＺｒＣ等の炭化物系セラミックス、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の酸化物系セラミックス、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系セラミックスから形成されている。
【００４２】
耐磨耗層５０の厚さＴ２は、回転軸線Ｐ（回転中心）から径方向外側に向かうにつれて、徐々に厚くなっている（図５参照）。なぜなら、前記したように、径方向外側に向かうにつれて相対速度が大きくなり、磨耗しやすいからである。ただし、耐磨耗層５０が厚くなる程度は、線形的な徐々に厚くなる構成に限定されず、階段状で段階的に厚くなる構成でもよい。なお、厚さＴ２の設計方法は次に説明する。
【００４３】
＜羽根車の耐磨耗層、ガイドリングの耐磨耗層＞
ここで、羽根車１０の耐磨耗層２０の厚さＴ１、ガイドリング４０の耐磨耗層５０の厚さＴ２について説明する。
耐磨耗層２０の厚さＴ１及び耐磨耗層５０の厚さＴ２が、回転中心から径方向外側に向かうにつれて増加する程度は、排気ガスに含まれる硬質ダストの種類（硬度）・粒径・濃度、羽根車１０の回転速度・半径、送風機１の作動頻度等、に基づいて適宜に設計される。
【００４４】
すなわち、硬質ダストが硬く、大きく、濃度が高くなるにつれて、磨耗しやすくなるので、耐磨耗層２０、５０は厚く設計される。また、羽根車１０の回転速度が高く、その半径が大きくなるにつれて、相対速度が大きくなり、磨耗しやすくなるので、耐磨耗層２０、５０は厚く設計される。さらに、送風機１の作動頻度が多くなるにつれて磨耗しやすくなるので、耐磨耗層２０、５０は厚く設計される。
【００４５】
さらに具体的には、耐磨耗層２０は、送風機１の総作動時間が長くなるにつれて磨耗により徐々に薄くなるところ、回転中心から径方向外側に亘る耐磨耗層２０の厚さＴ１が同時に０となる、つまり、耐磨耗層２０が同時に消失するように設定されることが好ましい。耐磨耗層５０についても同様である。
【００４６】
＜羽根車の耐磨耗層の第１設計方法＞
次に、耐磨耗層２０の厚さＴ１の第１設計方法を説明する。なお、耐磨耗層５０の厚さＴ２についても同様であるので説明を省略する。
【００４７】
羽根板１５の前面１６に均一の厚さＴ５で、耐磨耗層２０を形成する。厚さＴ５は予備試験中に耐磨耗層２０が消失しない程度にやや厚めに設定する。
厚さＴ５の耐磨耗層２０が形成された羽根車１０で送風機１を構成した後、送風機１を作動し、耐磨耗層２０を磨耗させる。この場合において、送風機１の作動条件は、例えば、使用頻度の高い定常回転速度、羽根車１０の予定寿命時間（日数）とする。
【００４８】
予定寿命時間の経過後、羽根車１０を取り出し、径方向の複数点において、残存する耐磨耗層２０の厚さを測定し、耐磨耗層２０の磨耗量Ｔ６を算出する（図６（ａ）参照）。
この場合において、回転軸線Ｐから径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすいから、磨耗量Ｔ６は回転中心から径方向外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。つまり、耐磨耗層２０の回転中心側はほとんど磨耗しない。
【００４９】
このように算出した耐磨耗層２０の磨耗量Ｔ６に基づいて、予定寿命時間の経過後（図６（ｂ）の使用後）、残存する耐磨耗層２０の厚さＴ１が略０となるように、使用前における耐磨耗層２０の厚さＴ１を設定する。
すなわち、使用前における耐磨耗層２０の厚さＴ１は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。そして、使用前における耐磨耗層２０の最大厚さＴ１は、径方向の最外側における最大の磨耗量Ｔ６となる。
【００５０】
＜羽根車の耐磨耗層の第２設計方法＞
次に、耐磨耗層２０の厚さＴ１の第２設計方法を説明する。
例えば、公知の論文（杉山憲一等、セラミックス含有溶射皮膜のスラリー磨耗特性に及ぼす各種因子の影響、ターボ機械、ターボ機械協会、平成１７年１１月３０日原稿受付、第３４巻第６号、第２９頁〜第３６頁）にて発表されているように、硬質ダスト等を含む磨耗性流体を送る羽根車において、硬質ダスト等と耐磨耗層２０との衝突角度を仮に６０°とした場合、耐磨耗層２０の厚さ方向における磨耗進行速度Ｍ（ｖ）は、式（１）で与えられる。
【００５１】
【数１】
【００５２】
なお、式（１）において、ＨＶは耐磨耗層２０の硬さであり、ｖは磨耗進行速度Ｍを算出する径方向位置における耐磨耗層２０の周速（ｍ／ｓ）である。ｃは硬質ダストの濃度（質量％）であり、ｄは硬質ダストの平均粒子径（ｍｍ）である。
【００５３】
また、例えば、前記論文によれば、磨耗進行速度Ｍ（ｖ）は、硬さＨＶの略「−３．２」乗に比例し（ｍ≒−３．２）、硬質ダストの濃度ｃの略「０.８」乗に比例し（ｏ≒０.８）、硬質ダストの平均粒子径ｄの略「１．３」乗に比例するから（ｐ≒１．３）、式（１）は式（２）に書き換えられる。
【００５４】
【数２】
【００５５】
ところが、実際には、硬質ダストの形状や境界層などの影響で径方向位置により羽根表面における硬質ダストと耐磨耗層との衝突角度が変化する等の影響を受けて、磨耗進行速度Ｍが変動するので、式（２）にこれらを包含する影響係数Ｙｅを乗算し、式（３）を導いた。
【００５６】
【数３】
【００５７】
一方、径方向の任意位置における耐磨耗層２０の周速ｖ（ｍ／ｓ）は、式（４）で与えられる。
【００５８】
【数４】
【００５９】
なお、式（４）において、ｒは前記任意位置を通る円の半径（ｍ）であり、Ｄは前記任意位置を通る円の直径（ｍ）である。Ｎは羽根車１０の回転数（ｒｅｖ／ｓｅｃ）である。
【００６０】
そして、式（４）を式（３）に代入すると式（５）を得る。
【００６１】
【数５】
【００６２】
そして、径方向の任意位置において、予定寿命日数（使用日数）の経過後における磨耗量Ｔ６は、式（６）で与えられ、これに式（５）を代入すると、式（７）に変形される。
【００６３】
【数６】
【数７】
【００６４】
そして、式（７）と、前記した第１設計方法における実際の磨耗量Ｔ６とを比較検討したところ、Ｙｅ≒５×１０５、ｎ≒１．９５、とすると適切であることを見出した。よって、式（７）は式（８）に変形される。
【００６５】
【数８】
【００６６】
式（８）において、耐磨耗層２０の硬さＨＶ、硬質ダストの濃度ｃ及び平均粒子径ｄは、他の試験等により得られる。したがって、式（８）において、予定寿命日数を適宜に設定し、回転数Ｎを例えば定常回転数にした後、直径Ｄを適宜に設定すれば、直径Ｄの位置における磨耗量Ｔ６を算出できる。つまり、直径Ｄを適宜にスキャニングすれば、径方向全体に亘る磨耗量Ｔ６を算出できる。
【００６７】
そして、このようにして算出した磨耗量Ｔ６に基づいて、第１設計方法と同様に、予定寿命時間の経過後（図６（ｂ）の使用後）、残存する耐磨耗層２０の厚さＴ１が略０となるように、使用前における耐磨耗層２０の厚さＴ１を設定する。
【００６８】
なお、このような磨耗進行速度Ｍ、磨耗量Ｔ６の予測は、一例であって、本発明を、高効率の３次元曲線を利用した羽根車１０やガイドリング４０を備える送風機１（流体機械）に適用する場合、例えば、飛来する粒子の速度や角度、キャビテーション等の摩耗進行速度に影響を与える因子を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics)やモデル試験などにより数値化、視化することで、羽根車１０又はガイドリング４０における摩耗進行速度分布を算定し、その分布に応じて耐磨耗層２０等の厚さを設定することもできる。
【００６９】
＜羽根車の耐磨耗層の一形成方法＞
次に、耐磨耗層２０の一形成方法を説明する。なお、耐磨耗層５０についても同様であるので説明を省略する。
本実施形態では、サーメットを噴射する溶射ガンを使用する傾斜溶射によって、耐磨耗層２０を形成する。すなわち、前記した使用前の厚さＴ１となるように、羽根板１５に対して溶射ガンを移動させながら、サーメットを噴射し、耐磨耗層２０を形成する。
【００７０】
このような傾斜溶射によれば、耐磨耗層２０が短時間で形成されるので、耐磨耗層２０の表面に急冷組織を有する皮膜が形成されやすくなり、この皮膜により耐磨耗性は高くなる。
また、溶射ガンを使用するので、羽根板１５（基材）の形状・寸法等に制限されることもなく、現場施工も容易となり、耐磨耗層２０の厚さＴ１の制御も容易となる。
【００７１】
≪送風機の作用効果≫
このような送風機１によれば、次の作用効果を得る。
耐磨耗層２０等が、回転中心から径方向外側に向かうにつれて徐々に厚く形成され、そして、予定寿命日数の経過後、つまり、送風機１の点検・修理時に、径方向における耐磨耗層２０の厚さＴ１等が略０となるように設計されているので（図６（ｂ）参照）、耐磨耗層２０等を再度形成するため、残存する耐磨耗層２０等の除去量を少なくできる。つまり、予定寿命日数の経過後において、残存する耐磨耗層２０等が少ないので、容易に除去できる。
【００７２】
すなわち、送風機１の予定寿命日数経過中における耐磨耗層２０等の磨耗量Ｔ５に対応して、耐磨耗層２０の厚さＴ１等を設定するので、無駄なく低コストで耐磨耗層２０等を形成できる。つまり、耐磨耗層２０等の形成に要するサーメット量を少なくできる。
【００７３】
これに対して、径方向における磨耗量の差異を考慮せず、最大の磨耗量Ｔ５に基づいて、耐磨耗層２０を均一の厚さで形成すると（図６（ｃ）参照）、高価なサーメットを多量に溶射するので、耐磨耗層２０の形成が高コストになる。そのうえ、予定寿命日数の経過後、回転中心側に残存する耐磨耗層２０を除去するために手間を要し、残存する耐磨耗層２０が無駄になってしまう。
【００７４】
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば次のように変更できる。
【００７５】
前記した実施形態では、磨耗性流体として硬質ダストを含む排気ガス（気体）を例示したが、磨耗性流体の種類はこれに限定されない。例えば、磨耗性流体は泥水スラリー（液体）でもよい。
【００７６】
前記した実施形態では、磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械として、駆動装置（図示しない）の駆動エネルギを排気ガスに授ける送風機１を例示したが、流体機械の種類はこれに限定されず、その他の流体機械に本発明を適用可能である。
なお、磨耗性流体にエネルギを授ける流体機械としては、例えば、ファン、ブロワ、圧縮機、ポンプ等が挙げられる。また、磨耗性流体からエネルギを受ける流体機械としては、例えば、水車、タービン等が挙げられる。
【００７７】
前記した実施形態では、流体機械として、ガイドリング４０を備えるパドル型の送風機１を例示したが、流体機械の種類はこれに限定されない。すなわち、オープンインペラのラジアルターボ型やクローズドインペラ型、軸流型の流体機械に本発明を適用してもよい。つまり、ガイドリング４０を備えないクローズドインペラ型や軸流型の流体機械を構成する羽根車や動翼に、回転中心から径方向外側に向かうにつれて厚くなる耐磨耗層２０を形成してもよい。
【００７８】
前記した実施形態では、耐磨耗層２０及び耐磨耗層５０をＷＣ等のサーメットを傾斜溶射することで形成したが、形成方法はこれに限定されない。例えば、耐磨耗層２０に対応した形状を有するＷＣ製の耐磨耗層構成部品を、羽根板１５の前面に接着・締結等によって固定し、この耐磨耗層構成部品によって耐磨耗層２０を構成してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１ 送風機（流体機械）
１０ 羽根車（流体機械用羽根車）
１１ 回転軸部
１５ 羽根板（羽根部）
１６ 前面（表面）
２０ 耐磨耗層
４０ ガイドリング（流体機械用ガイド）
５０ 耐磨耗層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磨耗性流体とエネルギを授受する流体機械、その流体機械用羽根車及び流体機械用ガイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナは、水酸化アルミニウム等のアルミナ原料を、ロータリーキルン等の焼成装置において、１０００℃以上の高温で焼成することにより得られる（特許文献１参照）。ここで、ロータリーキルンでは焼成に伴って排気ガスが生成し、この排気ガスは送風機（流体機械）に吸引された後、外部に圧送（排出）される。
【０００３】
ところが、前記排気ガスは、ロータリーキルンで生成した硬質のダストを含んでおり、送風機の羽根車は前記ダストを巻き込み、徐々に磨耗していた。よって、送風機の寿命は一般に短く、羽根車を適宜に交換する等のメンテナンスが必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４９３８３号公報
【特許文献２】特開平６−８８２０１号公報
【特許文献３】特開平８−１９３５６８号公報
【特許文献４】特開２００３−３２１７６１号公報
【特許文献５】特開２００４−１０９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、特許文献２〜５に記載されるような、耐摩耗性を考慮した溶射処理を羽根車に施して、羽根車の表面に耐磨耗層を均一厚さで形成する方法が考えられる。
ところが、溶射されるタングステンカーバイド（ＷＣ）等のサーメットは高価であり、耐磨耗寿命を延長するために耐磨耗層を厚くすると、溶射処理が高コストになってしまう。一方、耐磨耗層を薄くすると、溶射処理は低コストで行えるが、耐摩耗寿命が短縮されてしまい、羽根車の交換頻度が増加する。
【０００６】
ここで、溶射としては、例えば、ガス溶粉溶射、アーク溶射、ガスプラズマ溶射、高速フレーム溶射等がある。そして、サーメットとしては、例えば、炭化物系セラミックスの代表として、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＺｒＣ等、酸化物系セラミックスの代表として、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等、窒化物系セラミックスの代表として、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４等が挙げられる。
【０００７】
そこで、本発明は、コストの増加を抑えながら、耐磨耗寿命の延長化を図ることが可能な流体機械用羽根車及び流体機械用ガイド並びに流体機械を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る流体機械用羽根車は、磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、回転軸部と、前記回転軸部に設けられた羽根部とを備える流体機械用羽根車であって、前記羽根部の表面に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚いことを特徴とする。
【０００９】
ここで、「磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械」には、磨耗性流体にエネルギを授ける流体機械と、磨耗性流体からエネルギを受ける流体機械と、が含まれる。「磨耗性流体にエネルギを授ける流体機械」としては、例えば、送風機、ファン、ブロワ、圧縮機、ポンプ等が挙げられる。「磨耗性流体からエネルギを受ける流体機械」としては、例えば、水車、タービン等が挙げられる。
【００１０】
また、「磨耗性流体」とは、これとエネルギを授受する流体機械の流体機械用羽根車等の流体機械用部品（流体機械用羽根車、流体機械用ガイド等）と接触、衝突等することで、流体機械用部品を磨耗させる流体を意味し、後記する実施形態で例示する硬質のダストを含む排気ガス（気体）だけでなく、例えば泥水スラリー（液体）も含む。
【００１１】
さらに、「耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚い」とは、例えば、耐磨耗層の厚さが回転中心から外側に向かうにつれて漸増し、その表面が傾斜している態様だけでなく、小さな階段状である態様も含む。
【００１２】
そして、回転する流体機械用羽根車と磨耗性流体との相対速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなるので、流体機械用羽根車は、その径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすくなるところ、本発明に係る流体機械用羽根車によれば、羽根部の表面に磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、また、この耐磨耗層は回転中心側よりも外側が厚いので、流体機械用羽根車の耐磨耗寿命は延長される。これにより、流体機械用羽根車の交換等に要するコストが抑えられる。
すなわち、径方向外側の耐磨耗層は、回転中心側に対して、大きい磨耗量で磨耗するものの、径方向外側の耐磨耗層は回転中心側のものよりも厚いので、径方向外側の耐磨耗層が回転中心側の耐磨耗層よりも先に消失するようなことはない。
【００１３】
ここで、耐磨耗層の回転中心から外側に向かって厚くなる程度は、磨耗性流体の種類、流体機械用羽根車の回転速度、流体機械の作動頻度等を考慮して適宜設定すればよいが、望ましくは、回転中心から径方向外側に亘る耐磨耗層の厚さが同時に０となる、つまり、同時に消失するように設定されることが好ましい。
【００１４】
また、前記流体機械用羽根車において、前記耐磨耗層は、溶射により形成されていることが好ましい。
【００１５】
このような流体機械用羽根車は、傾斜溶射等の溶射によって耐磨耗層の厚さを適切に制御できる。
【００１６】
また、溶射によれば、耐磨耗層が短時間で形成されるので、耐磨耗層の表面に急冷組織を有する皮膜が形成されやすくなり、この皮膜により耐磨耗性は高くなる。
さらに、溶射は、一般に、サーメットを噴射する溶射ガンを使用して施工されるので、羽根部（基材）の形状・寸法等に制限されず、現場施工も容易となる。また、溶射ガンを使用する場合、羽根部（基材）の必要な箇所への部分的な施工、例えば、耐磨耗層の厚さの制御もさらに容易となる。
【００１７】
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る流体機械用ガイドは、磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、前記流体機械の流体機械用羽根車の軸方向側に配置され、磨耗性流体をガイドする流体機械用ガイドであって、前記流体機械用羽根車側の表層に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚いことを特徴とする。
【００１８】
ここで、流体機械用ガイドと、磨耗性流体との相対速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなる。
【００１９】
すなわち、磨耗性流体が流体機械用ガイドに衝突する衝突速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなり、流体機械用ガイドは、その径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすくなるところ、本発明に係る流体機械用ガイドによれば、流体機械用羽根車側の表層に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、また、この耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚いので、流体機械用ガイドの耐磨耗性は良好となって、長寿命となり、交換等に要するコストが抑えられる。
すなわち、径方向外側の耐磨耗層は、回転中心側に対して、大きい磨耗量で磨耗するものの、径方向外側の耐磨耗層は回転中心側のものよりも厚いので、径方向外側の耐磨耗層が回転中心側の耐磨耗層よりも先に消失するようなことはない。
【００２０】
ここで、耐磨耗層の回転中心から外側に向かって厚くなる程度は、圧送する磨耗性流体の種類、流体機械用羽根車の回転速度、流体機械の作動頻度等を考慮して適宜設定すればよいが、望ましくは、回転中心から径方向外側に亘る耐磨耗層の厚さが同時に０となる、つまり、同時に消失するように設定されることが好ましい。
【００２１】
また、前記流体機械用ガイドにおいて、前記耐磨耗層は、溶射により形成されていることが好ましい。
【００２２】
このような流体機械用ガイドは、傾斜溶射等の溶射によって耐磨耗層の厚さを適切に制御できる。
また、溶射によれば、前記したように、耐磨耗層の表面に急冷組織を有する皮膜が形成されやすくなり、この皮膜により耐磨耗性は高まる。
さらに、溶射ガンを使用して溶射すれば、基材となるガイド本体の形状・寸法等に制限されず、現場施工も容易となり、部分的な溶射、例えば、耐磨耗層の厚さの制御もさらに容易となる。
【００２３】
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る流体機械は、前記流体機械用羽根車と、前記流体機械用ガイドと、を備えることを特徴とする。
このような流体機械の耐磨耗性は良好となり、長寿命となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、コストの増加を抑えながら、長寿命化を図ることが可能な流体機械用羽根車及び流体機械用ガイド並びに流体機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係るアルミナ焼成システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る送風機の輪切り方向における断面図である。
【図３】図２のＡ部分の拡大図である。
【図４】図２のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図５】図４のＢ部分の拡大図である。
【図６】（ａ）径方向位置と磨耗量Ｔ６との関係を示すグラフであり、（ｂ）は本実施形態に係る送風機の一効果を示すグラフであり、（ｃ）は比較例に係るグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００２７】
≪アルミナ焼成システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係るアルミナ焼成システム１００は、ロータリーキルン１１０と、送風機１（流体機械）と、を備えている。
【００２８】
ロータリーキルン１１０は、アルミナ原料（水酸化アルミニウム等）を高温の焼成温度（１０００℃以上）で焼成し、アルミナを生成する焼成装置である。すなわち、ロータリーキルン１１０は、アルミナ原料を焼成温度に加熱するバーナ等の加熱装置（図示しない）を内蔵している。そして、ロータリーキルン１１０が作動すると、排気ガスが生成し、排気ガスは、配管１１０ａを介して、送風機１に吸引されるようになっている。
【００２９】
ここで、送風機１に吸引される排気ガスは、アルミナ原料の焼成に伴って生成した硬質のダスト（アルミナダスト）を含んでいる。そして、この硬質ダストを含む排気ガスは、送風機１の後記する羽根車１０や、ガイドリング４０を磨耗させる磨耗性流体である。なお、硬質ダストの濃度は例えば７０〜１００（ｇ／Ｎｍ３）程度である。
【００３０】
≪送風機の構成≫
次に、送風機１の具体的構成について、図２〜図５を参照して説明する。
送風機１は、両吸込パドル型の送風機であって、図示しない駆動装置によって回転する羽根車１０（流体機械用羽根車）と、羽根車１０を囲むケーシング３０と、ケーシング３０に固定された２つのガイドリング４０（流体機械用ガイド）と、を備えている。
ここで、送風機１は、駆動装置の動力（エネルギ）を、排気ガスに授ける流体機械である。なお、羽根車１０等の回転体を備える流体機械は、回転機械とも称される。
【００３１】
また、本実施形態において、羽根車１０は、図２において左回りで回転する。よって、羽根車１０の軸方向は、図４の左右方向となる。また、排気ガスは、図２の紙面手前及び奥（図４の左右）から吸気され、羽根車１０によって径方向外向き且つ左回りで流れた後、右上部分から外部に排気されるようになっている。
【００３２】
＜羽根車＞
羽根車１０（インペラとも称される）は、回転軸部１１と、回転軸部１１に設けられた６枚の羽根板１５（羽根部）と、各羽根板１５に設けられた耐磨耗層２０と、を備えている。なお、羽根板１５及び耐磨耗層２０の数は適宜変更自由である。
【００３３】
＜羽根車−回転軸部＞
回転軸部１１は、回転軸線Ｐ上にシャフト１２を有している。シャフト１２は、軸受（図示しない）を介して、ケーシング３０に回転自在に取り付けられている。また、シャフト１２は、クラッチおよび軸継手、増速または減速機構（いずれも図示しない）を介して、駆動装置（図示しない）に接続されている。そして、駆動装置が作動すると、シャフト１２（羽根車１０）が回転するようになっている。
【００３４】
＜羽根車−羽根板＞
６枚の羽根板１５は、板状の部品であり、回転軸部１１に放射状で固定されており、軸方向における羽根板１５の幅は、径方向外側に向かうにつれて狭くなっている（図４参照）。また、各羽根板１５の前面１６は、羽根車１０の接線方向と垂直となっている。なお、前面１６とは、左回転方向において、羽根板１５の前側の面である。
ここで、羽根板１５と排気ガスの相対速度は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて大きくなるので、羽根板１５は、径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすくなる。ただし、本実施形態では、前面１６に耐磨耗層２０が形成されており、羽根板１５の磨耗防止が図られている。
【００３５】
＜羽根車−耐磨耗層＞
耐磨耗層２０は、硬質ダストを含む排気ガスによる羽根車１０（羽根板１５）の磨耗を防止するための層であり、羽根板１５の前面１６（表面）全体に設けられている。
【００３６】
耐磨耗層２０は、例えば、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＺｒＣ等の炭化物系セラミックス、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の酸化物系セラミックス、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系セラミックスから形成されている。なお、このような炭化物系セラミックス、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックスは、サーメットと称され、高価である。
【００３７】
耐磨耗層２０の厚さＴ１は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて、徐々に厚くなっている（図３参照）。つまり、耐磨耗層２０の厚さＴ１は、徐々に厚くなるように傾斜している。なぜなら、前記したように、径方向外側に向かうにつれて相対速度が大きくなり、磨耗しやすいからである。厚さＴ１の設計方法は後で説明する。
ただし、耐磨耗層２０が厚くなる程度は、線形的に徐々に厚くなる構成に限定されず、階段状で段階的に厚くなる構成でもよい。
【００３８】
＜ケーシング＞
ケーシング３０は、その内部に羽根車１０を回転自在に収容している。図４において、ケーシング３０の左側及び右側には、排気ガスの吸引口（図示しない）が形成されている。また、図１において、ケーシング３０の右上側には、排気ガスの吐出口３１が形成されている。
【００３９】
＜ガイドリング＞
２つのガイドリング４０は、羽根車１０によって径方向外向きに送られる排気ガスが羽根車１０の両側に漏れないように、排気ガスをガイドする部品である。２つのガイドリング４０は、羽根車１０の軸方向（図４の左右方向）において羽根車１０の両側に配置されると共に、つまり、羽根車１０を挟むように軸方向に隙間Ｓをあけて配置されると共に、ケーシング３０に適宜な方法で固定されている。
すなわち、本実施形態に係る送風機１は、パドル型の流体機械である。
【００４０】
各ガイドリング４０は、リング本体４１と、リング本体４１の羽根車１０側の表面４２に形成された耐磨耗層５０と、を備えている。つまり、各ガイドリング４０は、羽根車１０側の表層に、耐磨耗層５０を備えている。
なお、送風機１の使用前、つまり、耐磨耗層２０及び耐磨耗層５０の磨耗前において、ガイドリング４０と羽根車１０との間には、隙間Ｓが形成されている。そして、隙間Ｓは径方向外側に向かうにつれて徐々に小さくなっている。
【００４１】
各耐磨耗層５０は、硬質ダストを含む排気ガスによるリング本体４１の磨耗を防止するための層である。このような耐磨耗層５０は、前記した耐磨耗層２０と同様に、例えば、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＺｒＣ等の炭化物系セラミックス、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の酸化物系セラミックス、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系セラミックスから形成されている。
【００４２】
耐磨耗層５０の厚さＴ２は、回転軸線Ｐ（回転中心）から径方向外側に向かうにつれて、徐々に厚くなっている（図５参照）。なぜなら、前記したように、径方向外側に向かうにつれて相対速度が大きくなり、磨耗しやすいからである。ただし、耐磨耗層５０が厚くなる程度は、線形的な徐々に厚くなる構成に限定されず、階段状で段階的に厚くなる構成でもよい。なお、厚さＴ２の設計方法は次に説明する。
【００４３】
＜羽根車の耐磨耗層、ガイドリングの耐磨耗層＞
ここで、羽根車１０の耐磨耗層２０の厚さＴ１、ガイドリング４０の耐磨耗層５０の厚さＴ２について説明する。
耐磨耗層２０の厚さＴ１及び耐磨耗層５０の厚さＴ２が、回転中心から径方向外側に向かうにつれて増加する程度は、排気ガスに含まれる硬質ダストの種類（硬度）・粒径・濃度、羽根車１０の回転速度・半径、送風機１の作動頻度等、に基づいて適宜に設計される。
【００４４】
すなわち、硬質ダストが硬く、大きく、濃度が高くなるにつれて、磨耗しやすくなるので、耐磨耗層２０、５０は厚く設計される。また、羽根車１０の回転速度が高く、その半径が大きくなるにつれて、相対速度が大きくなり、磨耗しやすくなるので、耐磨耗層２０、５０は厚く設計される。さらに、送風機１の作動頻度が多くなるにつれて磨耗しやすくなるので、耐磨耗層２０、５０は厚く設計される。
【００４５】
さらに具体的には、耐磨耗層２０は、送風機１の総作動時間が長くなるにつれて磨耗により徐々に薄くなるところ、回転中心から径方向外側に亘る耐磨耗層２０の厚さＴ１が同時に０となる、つまり、耐磨耗層２０が同時に消失するように設定されることが好ましい。耐磨耗層５０についても同様である。
【００４６】
＜羽根車の耐磨耗層の第１設計方法＞
次に、耐磨耗層２０の厚さＴ１の第１設計方法を説明する。なお、耐磨耗層５０の厚さＴ２についても同様であるので説明を省略する。
【００４７】
羽根板１５の前面１６に均一の厚さＴ５で、耐磨耗層２０を形成する。厚さＴ５は予備試験中に耐磨耗層２０が消失しない程度にやや厚めに設定する。
厚さＴ５の耐磨耗層２０が形成された羽根車１０で送風機１を構成した後、送風機１を作動し、耐磨耗層２０を磨耗させる。この場合において、送風機１の作動条件は、例えば、使用頻度の高い定常回転速度、羽根車１０の予定寿命時間（日数）とする。
【００４８】
予定寿命時間の経過後、羽根車１０を取り出し、径方向の複数点において、残存する耐磨耗層２０の厚さを測定し、耐磨耗層２０の磨耗量Ｔ６を算出する（図６（ａ）参照）。
この場合において、回転軸線Ｐから径方向外側に向かうにつれて磨耗しやすいから、磨耗量Ｔ６は回転中心から径方向外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。つまり、耐磨耗層２０の回転中心側はほとんど磨耗しない。
【００４９】
このように算出した耐磨耗層２０の磨耗量Ｔ６に基づいて、予定寿命時間の経過後（図６（ｂ）の使用後）、残存する耐磨耗層２０の厚さＴ１が略０となるように、使用前における耐磨耗層２０の厚さＴ１を設定する。
すなわち、使用前における耐磨耗層２０の厚さＴ１は、回転中心から径方向外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。そして、使用前における耐磨耗層２０の最大厚さＴ１は、径方向の最外側における最大の磨耗量Ｔ６となる。
【００５０】
＜羽根車の耐磨耗層の第２設計方法＞
次に、耐磨耗層２０の厚さＴ１の第２設計方法を説明する。
例えば、公知の論文（杉山憲一等、セラミックス含有溶射皮膜のスラリー磨耗特性に及ぼす各種因子の影響、ターボ機械、ターボ機械協会、平成１７年１１月３０日原稿受付、第３４巻第６号、第２９頁〜第３６頁）にて発表されているように、硬質ダスト等を含む磨耗性流体を送る羽根車において、硬質ダスト等と耐磨耗層２０との衝突角度を仮に６０°とした場合、耐磨耗層２０の厚さ方向における磨耗進行速度Ｍ（ｖ）は、式（１）で与えられる。
【００５１】
【数１】
【００５２】
なお、式（１）において、ＨＶは耐磨耗層２０の硬さであり、ｖは磨耗進行速度Ｍを算出する径方向位置における耐磨耗層２０の周速（ｍ／ｓ）である。ｃは硬質ダストの濃度（質量％）であり、ｄは硬質ダストの平均粒子径（ｍｍ）である。
【００５３】
また、例えば、前記論文によれば、磨耗進行速度Ｍ（ｖ）は、硬さＨＶの略「−３．２」乗に比例し（ｍ≒−３．２）、硬質ダストの濃度ｃの略「０.８」乗に比例し（ｏ≒０.８）、硬質ダストの平均粒子径ｄの略「１．３」乗に比例するから（ｐ≒１．３）、式（１）は式（２）に書き換えられる。
【００５４】
【数２】
【００５５】
ところが、実際には、硬質ダストの形状や境界層などの影響で径方向位置により羽根表面における硬質ダストと耐磨耗層との衝突角度が変化する等の影響を受けて、磨耗進行速度Ｍが変動するので、式（２）にこれらを包含する影響係数Ｙｅを乗算し、式（３）を導いた。
【００５６】
【数３】
【００５７】
一方、径方向の任意位置における耐磨耗層２０の周速ｖ（ｍ／ｓ）は、式（４）で与えられる。
【００５８】
【数４】
【００５９】
なお、式（４）において、ｒは前記任意位置を通る円の半径（ｍ）であり、Ｄは前記任意位置を通る円の直径（ｍ）である。Ｎは羽根車１０の回転数（ｒｅｖ／ｓｅｃ）である。
【００６０】
そして、式（４）を式（３）に代入すると式（５）を得る。
【００６１】
【数５】
【００６２】
そして、径方向の任意位置において、予定寿命日数（使用日数）の経過後における磨耗量Ｔ６は、式（６）で与えられ、これに式（５）を代入すると、式（７）に変形される。
【００６３】
【数６】
【数７】
【００６４】
そして、式（７）と、前記した第１設計方法における実際の磨耗量Ｔ６とを比較検討したところ、Ｙｅ≒５×１０５、ｎ≒１．９５、とすると適切であることを見出した。よって、式（７）は式（８）に変形される。
【００６５】
【数８】
【００６６】
式（８）において、耐磨耗層２０の硬さＨＶ、硬質ダストの濃度ｃ及び平均粒子径ｄは、他の試験等により得られる。したがって、式（８）において、予定寿命日数を適宜に設定し、回転数Ｎを例えば定常回転数にした後、直径Ｄを適宜に設定すれば、直径Ｄの位置における磨耗量Ｔ６を算出できる。つまり、直径Ｄを適宜にスキャニングすれば、径方向全体に亘る磨耗量Ｔ６を算出できる。
【００６７】
そして、このようにして算出した磨耗量Ｔ６に基づいて、第１設計方法と同様に、予定寿命時間の経過後（図６（ｂ）の使用後）、残存する耐磨耗層２０の厚さＴ１が略０となるように、使用前における耐磨耗層２０の厚さＴ１を設定する。
【００６８】
なお、このような磨耗進行速度Ｍ、磨耗量Ｔ６の予測は、一例であって、本発明を、高効率の３次元曲線を利用した羽根車１０やガイドリング４０を備える送風機１（流体機械）に適用する場合、例えば、飛来する粒子の速度や角度、キャビテーション等の摩耗進行速度に影響を与える因子を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics)やモデル試験などにより数値化、視化することで、羽根車１０又はガイドリング４０における摩耗進行速度分布を算定し、その分布に応じて耐磨耗層２０等の厚さを設定することもできる。
【００６９】
＜羽根車の耐磨耗層の一形成方法＞
次に、耐磨耗層２０の一形成方法を説明する。なお、耐磨耗層５０についても同様であるので説明を省略する。
本実施形態では、サーメットを噴射する溶射ガンを使用する傾斜溶射によって、耐磨耗層２０を形成する。すなわち、前記した使用前の厚さＴ１となるように、羽根板１５に対して溶射ガンを移動させながら、サーメットを噴射し、耐磨耗層２０を形成する。
【００７０】
このような傾斜溶射によれば、耐磨耗層２０が短時間で形成されるので、耐磨耗層２０の表面に急冷組織を有する皮膜が形成されやすくなり、この皮膜により耐磨耗性は高くなる。
また、溶射ガンを使用するので、羽根板１５（基材）の形状・寸法等に制限されることもなく、現場施工も容易となり、耐磨耗層２０の厚さＴ１の制御も容易となる。
【００７１】
≪送風機の作用効果≫
このような送風機１によれば、次の作用効果を得る。
耐磨耗層２０等が、回転中心から径方向外側に向かうにつれて徐々に厚く形成され、そして、予定寿命日数の経過後、つまり、送風機１の点検・修理時に、径方向における耐磨耗層２０の厚さＴ１等が略０となるように設計されているので（図６（ｂ）参照）、耐磨耗層２０等を再度形成するため、残存する耐磨耗層２０等の除去量を少なくできる。つまり、予定寿命日数の経過後において、残存する耐磨耗層２０等が少ないので、容易に除去できる。
【００７２】
すなわち、送風機１の予定寿命日数経過中における耐磨耗層２０等の磨耗量Ｔ５に対応して、耐磨耗層２０の厚さＴ１等を設定するので、無駄なく低コストで耐磨耗層２０等を形成できる。つまり、耐磨耗層２０等の形成に要するサーメット量を少なくできる。
【００７３】
これに対して、径方向における磨耗量の差異を考慮せず、最大の磨耗量Ｔ５に基づいて、耐磨耗層２０を均一の厚さで形成すると（図６（ｃ）参照）、高価なサーメットを多量に溶射するので、耐磨耗層２０の形成が高コストになる。そのうえ、予定寿命日数の経過後、回転中心側に残存する耐磨耗層２０を除去するために手間を要し、残存する耐磨耗層２０が無駄になってしまう。
【００７４】
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば次のように変更できる。
【００７５】
前記した実施形態では、磨耗性流体として硬質ダストを含む排気ガス（気体）を例示したが、磨耗性流体の種類はこれに限定されない。例えば、磨耗性流体は泥水スラリー（液体）でもよい。
【００７６】
前記した実施形態では、磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械として、駆動装置（図示しない）の駆動エネルギを排気ガスに授ける送風機１を例示したが、流体機械の種類はこれに限定されず、その他の流体機械に本発明を適用可能である。
なお、磨耗性流体にエネルギを授ける流体機械としては、例えば、ファン、ブロワ、圧縮機、ポンプ等が挙げられる。また、磨耗性流体からエネルギを受ける流体機械としては、例えば、水車、タービン等が挙げられる。
【００７７】
前記した実施形態では、流体機械として、ガイドリング４０を備えるパドル型の送風機１を例示したが、流体機械の種類はこれに限定されない。すなわち、オープンインペラのラジアルターボ型やクローズドインペラ型、軸流型の流体機械に本発明を適用してもよい。つまり、ガイドリング４０を備えないクローズドインペラ型や軸流型の流体機械を構成する羽根車や動翼に、回転中心から径方向外側に向かうにつれて厚くなる耐磨耗層２０を形成してもよい。
【００７８】
前記した実施形態では、耐磨耗層２０及び耐磨耗層５０をＷＣ等のサーメットを傾斜溶射することで形成したが、形成方法はこれに限定されない。例えば、耐磨耗層２０に対応した形状を有するＷＣ製の耐磨耗層構成部品を、羽根板１５の前面に接着・締結等によって固定し、この耐磨耗層構成部品によって耐磨耗層２０を構成してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１ 送風機（流体機械）
１０ 羽根車（流体機械用羽根車）
１１ 回転軸部
１５ 羽根板（羽根部）
１６ 前面（表面）
２０ 耐磨耗層
４０ ガイドリング（流体機械用ガイド）
５０ 耐磨耗層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、回転軸部と、前記回転軸部に設けられた羽根部とを備える流体機械用羽根車であって、
前記羽根部の表面に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、
前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚い
ことを特徴とする流体機械用羽根車。
【請求項２】
前記耐磨耗層は、溶射により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の流体機械用羽根車。
【請求項３】
磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、前記流体機械の流体機械用羽根車の軸方向側に配置され、磨耗性流体をガイドする流体機械用ガイドであって、
前記流体機械用羽根車側の表層に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、
前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚い
ことを特徴とする流体機械用ガイド。
【請求項４】
前記耐磨耗層は、溶射により形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の流体機械用ガイド。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の流体機械用羽根車と、
請求項３又は請求項４に記載の流体機械用ガイドと、
を備える
ことを特徴とする流体機械。
【請求項１】
磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、回転軸部と、前記回転軸部に設けられた羽根部とを備える流体機械用羽根車であって、
前記羽根部の表面に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、
前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚い
ことを特徴とする流体機械用羽根車。
【請求項２】
前記耐磨耗層は、溶射により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の流体機械用羽根車。
【請求項３】
磨耗性流体との間でエネルギを授受する流体機械を構成し、前記流体機械の流体機械用羽根車の軸方向側に配置され、磨耗性流体をガイドする流体機械用ガイドであって、
前記流体機械用羽根車側の表層に、磨耗性流体による磨耗を防止する耐磨耗層を備え、
前記耐磨耗層は、回転中心側よりも外側が厚い
ことを特徴とする流体機械用ガイド。
【請求項４】
前記耐磨耗層は、溶射により形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の流体機械用ガイド。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の流体機械用羽根車と、
請求項３又は請求項４に記載の流体機械用ガイドと、
を備える
ことを特徴とする流体機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２０２５７（Ｐ２０１１−２２０２５７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１２６４（Ｐ２０１０−９１２６４）
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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