JP2003097214A - Ceramic rotor device - Google Patents

Ceramic rotor device

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JP2003097214A
JP2003097214A JP2001294743A JP2001294743A JP2003097214A JP 2003097214 A JP2003097214 A JP 2003097214A JP 2001294743 A JP2001294743 A JP 2001294743A JP 2001294743 A JP2001294743 A JP 2001294743A JP 2003097214 A JP2003097214 A JP 2003097214A
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JP
Japan
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ceramic rotor
ceramic
foreign matter
blade
rotor
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Application number
JP2001294743A
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Japanese (ja)
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Takashi Ono
孝 小野
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Kyocera Corp
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Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic rotor device capable of unfailingly preventing its blades from being damaged by collision of foreign substance. SOLUTION: A ceramic rotor 3 having a plurality of blades 9 formed on an outer periphery of a hub 7 is provided within a passage through which gas flows. Also, a protective net 5 for preventing the entering of foreign substance is provided on the windward side of the ceramic rotor 3 in the passage. In this device, when the number of revolutions of the ceramic rotor 3 in the steady operation is represented as W, the maximum diameter of meshes of the protective net 5 is D, ϕ=0.0026×D<2> -0.0017×D, the radius of the ceramic rotor defined by a distance from a center of the hub 7 to an end of the blade 9 is R0 , and the average strength of ceramics of which the ceramic rotor 3 is made is σf , the thickness (t) of the blade 9 with an arbitrary radius R from the center of the hub 7 satisfies a formula represented as t>C×R/R0 (wherein, C=πϕWR0 /60σf ).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックロータ
装置に関するもので、特に、気体が流通する通路内に、
ハブ部の外周に複数の翼部を形成してなるセラミックロ
ータを設け、該セラミックロータよりも風上側の通路
に、異物の侵入を阻止する防護網を設けてなるセラミッ
クロータ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic rotor device, and in particular, in a passage through which gas flows,
The present invention relates to a ceramic rotor device in which a ceramic rotor having a plurality of blades formed on the outer periphery of a hub portion is provided, and a protective net for preventing foreign matter from entering is provided in a passage on the windward side of the ceramic rotor.

【0002】[0002]

【従来技術】近年、高温雰囲気下で使用される各種の産
業機械装置の回転体には、機械的強度および耐熱性、耐
摩耗性に優れ、比重が小さいことにより軽量化が実現で
きるセラミックスの特徴を利用して、窒化珪素(Si3
4)、サイアロン及び炭化珪素(SiC)等のセラミ
ック焼結体を用いた回転体、とりわけ窒化珪素質焼結体
から成るセラミックロータが種々開発され提案されてき
た。
2. Description of the Related Art In recent years, a rotating body of various industrial machinery used in a high temperature atmosphere has characteristics of ceramics which are excellent in mechanical strength, heat resistance and wear resistance and can be reduced in weight due to its small specific gravity. To utilize silicon nitride (Si 3
Various rotors using ceramic sintered bodies such as N 4 ), sialon and silicon carbide (SiC), in particular, ceramic rotors made of silicon nitride sintered bodies have been developed and proposed.

【0003】従来、この種のセラミックロータは高い熱
効率を実現するために、より高温高圧の燃焼ガスを導入
して回転数を増すようにしていたが、このようなセラミ
ックロータは回転数が増せば増す程、発生する遠心力も
大となることから、翼部と該翼部が形成されたハブ部を
含めたセラミックロータ自体に発生する応力も増大し、
破壊に至る可能性が極めて大きくなる。これを避けるた
めに、翼部の厚さを薄くして遠心応力を下げる設計手法
が広く用いられている。
Conventionally, in order to achieve high thermal efficiency, a ceramic rotor of this type has been introduced by introducing combustion gas of higher temperature and high pressure to increase the number of revolutions. However, such a ceramic rotor is required to increase the number of revolutions. The more it increases, the greater the centrifugal force generated, and therefore the stress generated in the ceramic rotor itself including the blade portion and the hub portion where the blade portion is formed also increases,
The possibility of destruction is extremely high. In order to avoid this, a design method is widely used in which the thickness of the blade is reduced to reduce centrifugal stress.

【0004】しかしながら、前記セラミックロータの翼
部厚さを薄く形成することにより、翼部の付け根に作用
する遠心応力を軽減することは可能であるものの、一般
にセラミック材料は金属材料に比べて靱性が低く脆性材
料であることから衝撃力に弱く、空気吸入孔から混入し
た金属等の異物が、ガス入口側の前記翼先端部に衝突し
た際に、該翼先端部を破損させるという問題があった。
However, although it is possible to reduce the centrifugal stress acting on the root of the blade by forming the blade portion of the ceramic rotor thin, generally, a ceramic material has a toughness as compared with a metal material. Since it is a low brittle material, it is weak against impact force, and when foreign matter such as metal mixed from the air suction hole collides with the tip of the blade on the gas inlet side, there is a problem that the tip of the blade is damaged. .

【0005】このような問題を解決するため、従来、セ
ラミックロータを構成するセラミックスの破壊靭性値か
ら、翼先端部の肉厚を設定することが提案されている。
In order to solve such a problem, conventionally, it has been proposed to set the wall thickness of the blade tip portion from the fracture toughness value of the ceramic constituting the ceramic rotor.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、異物衝
突時にセラミックロータに発生する衝撃応力は、異物衝
突位置における周速と異物の大きさに依存するので、衝
撃破壊が生じないセラミックロータの設計を行う場合に
は、単にセラミックの強度や破壊靭性値といった単一の
パラメーターだけではなく、これらを加味した設計基準
が必要であった。
However, since the impact stress generated in the ceramic rotor at the time of foreign matter collision depends on the peripheral speed at the foreign matter collision position and the size of the foreign matter, the ceramic rotor is designed so as not to suffer impact damage. In this case, not only a single parameter such as the strength and fracture toughness value of the ceramic but also a design standard taking these into consideration was necessary.

【0007】本発明は、異物の衝突による翼部破損を確
実に防止できるセラミックロータ装置を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a ceramic rotor device which can surely prevent blade damage due to foreign matter collision.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックロー
タ装置は、気体が流通する通路内に、ハブ部の外周に複
数の翼部を形成してなるセラミックロータを設け、該セ
ラミックロータよりも風上側の通路に、異物の侵入を阻
止する防護網を設けてなるセラミックロータ装置であっ
て、前記セラミックロータの定常運転時の回転数をW、
前記防護網のメッシュ最大径をD、φ=0.0026×
2−0.0017×D、前記ハブ部の中心から翼部先
端までの距離で規定される前記セラミックロータの半径
をR0、前記セラミックロータを形成するセラミックス
の平均強度をσfとしたとき、前記ハブ部の中心から任
意の半径Rにおける翼部の厚みtが、 t>C×R/R0 (ここで、C=πφWR0/60σf)で表される関係式
を満足するものである。
In the ceramic rotor device of the present invention, a ceramic rotor having a plurality of blades formed on the outer circumference of a hub is provided in a passage through which gas flows, and the wind is higher than that of the ceramic rotor. A ceramic rotor device having a protective net for preventing foreign matter from entering the upper passage, wherein the rotational speed of the ceramic rotor during normal operation is W,
The maximum mesh diameter of the protective net is D, φ = 0.0026 ×
D 2 -0.0017 × D, where R 0 is the radius of the ceramic rotor defined by the distance from the center of the hub portion to the blade tip, and σ f is the average strength of the ceramics forming the ceramic rotor. , The thickness t of the blade portion at an arbitrary radius R from the center of the hub portion satisfies the relational expression represented by t> C × R / R 0 (where C = πφWR 0 / 60σ f ). is there.

【0009】本発明のセラミックロータ装置では、セラ
ミックロータの定常回転数とセラミックロータの半径、
セラミックの平均強度、及び防護網のメッシュ最大径、
即ち燃焼ガス中に混入して飛来し、翼部を破損する可能
性のある異物の最大径から、翼部の任意位置における厚
みtを設定するため、より実状に沿った翼部厚みとで
き、異物による翼部の破損を確実に防止できるととも
に、翼部の任意部分の厚みを、異物による破損を防止で
きる最低限の厚みとすることにより、発生する遠心応力
を最低限に抑制できる。
In the ceramic rotor device of the present invention, the steady rotation speed of the ceramic rotor and the radius of the ceramic rotor,
Average strength of ceramics and maximum mesh size of protective mesh,
That is, since the thickness t at an arbitrary position of the blade is set from the maximum diameter of the foreign matter which may be mixed in the combustion gas and fly to damage the blade, the thickness of the blade can be made more realistic. It is possible to reliably prevent damage to the blade portion due to foreign matter, and to minimize the centrifugal stress that occurs by setting the thickness of any portion of the blade portion to the minimum thickness that can prevent damage due to foreign matter.

【0010】また、本発明では、防護網のメッシュ最大
径が0.4mm以下であることが望ましい。これによ
り、衝撃応力がより緩和される。
Further, in the present invention, it is desirable that the maximum mesh diameter of the protective net is 0.4 mm or less. As a result, the impact stress is further alleviated.

【0011】さらに、セラミックロータを形成するセラ
ミックスの平均強度σfが600MPa以上であること
が望ましい。これにより、衝撃破壊を起こしにくいセラ
ミックロータを得る事が出来る。
Furthermore, it is desirable that the ceramics forming the ceramic rotor have an average strength σ f of 600 MPa or more. This makes it possible to obtain a ceramic rotor that is less likely to suffer impact damage.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミックロータ
装置を図1に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明
のセラミックロータ装置を示すもので、ハウジング1内
にセラミックロータ3が収容されており、ハウジング1
内が気体が流通する通路とされている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The ceramic rotor device of the present invention will be described below in detail with reference to FIG. FIG. 1 shows a ceramic rotor device of the present invention, in which a ceramic rotor 3 is housed in a housing 1,
The inside is a passage through which gas flows.

【0013】この通路のセラミックロータ3よりも風上
側のハウジング1には、異物の侵入を阻止する防護網5
が設けられている。この防護網5は、金属線を編み込ん
だものや金属板に貫通孔を形成したものが用いられる
が、その開口する孔(メッシュ)の最大径がDとされて
いる。尚、メッシュ最大径とは、開口する孔が円形の場
合にはその直径となるが、矩形状の場合には対角線の長
さを意味する。従って、セラミックロータ3に衝突する
異物の最大径は、防護網5のメッシュ最大径となる。
In the housing 1 on the windward side of the ceramic rotor 3 in this passage, a protective net 5 for preventing foreign matter from entering is provided.
Is provided. As the protective net 5, a metal wire woven or a metal plate having a through hole is used, and the maximum diameter of the opening (mesh) is D. The maximum mesh diameter is the diameter of the opening hole when it is circular, but it means the length of the diagonal line when it is rectangular. Therefore, the maximum diameter of the foreign matter that collides with the ceramic rotor 3 is the maximum mesh diameter of the protective net 5.

【0014】防護網5のメッシュ最大径Dは0.4mm
以下が、衝撃応力を低減するという点から望ましい。
The maximum mesh diameter D of the protective net 5 is 0.4 mm.
The following is desirable from the viewpoint of reducing impact stress.

【0015】また、セラミックロータ3は、窒化珪素質
焼結体からなり、平均強度がσfが600MPa以上で
あることが望ましい。これにより、より衝撃破壊を起こ
しにくいセラミックロータを得る事ができる。
The ceramic rotor 3 is preferably made of a silicon nitride sintered body and has an average strength σ f of 600 MPa or more. As a result, it is possible to obtain a ceramic rotor that is less susceptible to impact damage.

【0016】図2は、セラミックロータ3を回転中心軸
方向から見た図であり、セラミックロータ3は、ハブ部
7の外周に複数の翼部9を形成して構成されており、そ
の回転中心軸15、即ちハブ部7の中心から翼部先端ま
での距離(セラミックロータの半径)がR0(mm)と
されている。
FIG. 2 is a view of the ceramic rotor 3 as seen from the direction of the rotation center axis. The ceramic rotor 3 is formed by forming a plurality of blades 9 on the outer periphery of the hub portion 7, and the rotation center thereof. The distance from the center of the shaft 15, that is, the hub portion 7 to the tip of the blade portion (radius of the ceramic rotor) is R 0 (mm).

【0017】このようなセラミックロータでは、回転数
をW(rpm)とすると、回転中心軸15から任意半径
R位置における周速V(m/sec)は次式で表され
る。
In such a ceramic rotor, when the rotation speed is W (rpm), the peripheral speed V (m / sec) from the rotation center shaft 15 to the arbitrary radius R position is expressed by the following equation.

【0018】 V = Wπ(R/R0)R0/60 (1) 一方、異物が衝突した際に発生する応力σは一般的に、
衝突速度、異物の大きさに比例し、翼厚に反比例するこ
とが知られている。また、燃焼ガス(気体)中に含まれ
る異物の移動速度は燃焼ガスの流速と同等となるが、ほ
とんどのセラミックロータの場合、燃焼ガス流速はロー
タ周速Vに比べて無視できるほど小さい。従って、異物
の衝突速度はセラミックロータの周速Vとほぼ等価であ
ると見なすことが出来る。従って、異物が衝突した際の
応力σは、周速Vに比例し、厚さtに反比例すると考え
ると、σ∝V/tとして表される。ここで、φをある定
数として、上記(1)式が、 σ = φ×V/t (2) で表されるものとする。さらに、衝撃破壊が起こらない
条件は、(2)式で示した衝撃応力σがセラミックスの
平均強度σfを上回らないことであると仮定する。即
ち、 σ/σf=φ×V/σft < 1 (3) が衝撃破壊の起こらない条件となる。従って、(3)と
(1)式から衝撃破壊が起こらない翼厚を計算する基準
式は、 t>C×R/R0 (4) (ここで、C=πφWR0/60σf) この式から、セラミックロータの半径R0と定常運転回
転数W、セラミックスの平均強度σfは既知であるの
で、φが判れば任意半径R位置における翼部厚さtを設
計することが出来る。
[0018] V = Wπ (R / R 0 ) R 0/60 (1) On the other hand, the stress σ is typically generated when a foreign object collides,
It is known to be proportional to the collision speed and the size of foreign matter, and inversely proportional to the blade thickness. Further, the moving speed of the foreign matter contained in the combustion gas (gas) is equal to the flow speed of the combustion gas, but in most ceramic rotors, the flow speed of the combustion gas is negligibly smaller than the rotor peripheral speed V. Therefore, the collision speed of the foreign matter can be considered to be substantially equivalent to the peripheral speed V of the ceramic rotor. Therefore, considering that the stress σ when the foreign matter collides is proportional to the peripheral speed V and inversely proportional to the thickness t, it is expressed as σ∝V / t. Here, it is assumed that the above equation (1) is expressed as σ = φ × V / t (2) with φ being a constant. Further, it is assumed that the condition that the impact fracture does not occur is that the impact stress σ shown in the equation (2) does not exceed the average strength σ f of the ceramics. That is, σ / σ f = φ × V / σ f t <1 (3) is a condition that does not cause impact fracture. Therefore, the standard formula for calculating the blade thickness that does not cause impact fracture from the formulas (3) and (1) is: t> C × R / R 0 (4) (where C = πφWR 0 / 60σ f ) Therefore, since the radius R 0 of the ceramic rotor, the rotational speed W of steady operation, and the average strength σ f of the ceramics are known, the blade thickness t at an arbitrary radius R position can be designed if φ is known.

【0019】さて、(2)式において導入したφは周
速、翼厚、異物の大きさなどによって決まる定数であ
り、異物衝突試験などの実験では判らない。そこで、φ
を数値シミュレーションから求めたのでその結果を以下
に示す。
Now, the φ introduced in the equation (2) is a constant determined by the peripheral speed, the blade thickness, the size of the foreign matter, etc., and cannot be determined by experiments such as the foreign matter collision test. Then φ
Was obtained from the numerical simulation, and the results are shown below.

【0020】まず、シミュレーションにより、異物最大
径、衝突速度、板厚を変化させて衝撃応力を計算した。
その結果をまとめたものを図3に示す。横軸は衝突速度
Vと板厚tの比V/tを、縦軸は衝突により発生する衝
撃応力の最大値を示す。上述の(2)式で仮定した様
に、V/tが大きい程、衝撃応力が高くなる様子がシミ
ュレーションでも確認される。この図から、異物の最大
径が0.4mm以下となる場合では衝撃応力が急激に低
下する様子が判る。
First, the impact stress was calculated by changing the maximum particle diameter, the collision speed, and the plate thickness by simulation.
A summary of the results is shown in FIG. The horizontal axis shows the ratio V / t of the collision speed V and the plate thickness t, and the vertical axis shows the maximum value of the impact stress generated by the collision. As assumed by the above equation (2), it is confirmed by simulation that the impact stress increases as V / t increases. From this figure, it can be seen that the impact stress drops sharply when the maximum diameter of the foreign matter is 0.4 mm or less.

【0021】また、異物の最大径を5種類変えている
が、異物最大径が大きいほど衝撃応力が大きくなる。V
/tとσの計算結果を直線近似すると、異物最大径毎に
直線の傾きが得られる。これが(2)式のφとなる。φ
と異物最大径Dの関係を図4に示す。シミュレーション
から得られたV/tとσ間の傾きφは異物最大径Dに依
存し、両者の関係は2次曲線による近似から、 φ=φ=0.0026×D2−0.0017×D (5) として表される。
Although the maximum diameter of the foreign matter is changed to five types, the larger the maximum diameter of the foreign matter, the greater the impact stress. V
By linearly approximating the calculation results of / t and σ, the slope of the straight line can be obtained for each maximum particle diameter. This becomes φ in equation (2). φ
The relationship between the maximum particle diameter D and the foreign matter is shown in FIG. The slope φ between V / t and σ obtained from the simulation depends on the maximum particle diameter D, and the relationship between the two is φ = φ = 0.0026 × D 2 −0.0017 × D from the approximation by the quadratic curve. It is expressed as (5).

【0022】(5)式でφが異物最大径の関数として表
されたことにより、(4)式からセラミックロータの翼
部厚tを、回転数、ロータ半径、セラミックスの平均強
度、及び、異物最大径を考慮して求める事ができる。
Since φ is expressed as a function of the maximum diameter of the foreign matter in the equation (5), the blade portion thickness t of the ceramic rotor is calculated from the equation (4) as to the rotational speed, the rotor radius, the average strength of the ceramics, and the foreign matter. It can be calculated considering the maximum diameter.

【0023】次に、衝撃破壊の発生しないセラミックロ
ータの翼部先端厚みを以下に提案する。セラミックロー
タの翼部先端は最も周速が速く、異物衝撃破壊が最も起
こり易い場所である。従って、この部分の厚み設計がセ
ラミックロータの設計において重要なポイントとなる。
Next, the thickness of the blade tip of the ceramic rotor that does not cause impact damage is proposed below. The tip of the blade of the ceramic rotor has the highest peripheral speed, and is the place where foreign matter impact destruction is most likely to occur. Therefore, the thickness design of this portion is an important point in the design of the ceramic rotor.

【0024】翼先端最小厚みtminは(4)式におい
てR/R0=1として、 tmin>πR0(W×φ)/60σf (6) から算出できる。
The minimum blade tip thickness tmin can be calculated from tmin> πR 0 (W × φ) / 60σ f (6) with R / R 0 = 1 in the equation (4).

【0025】翼部先端最小厚みtminは、メッシュ最
大径(異物最大径)D、回転数W、ロータ半径R0、セ
ラミックスの平均強度σfに依存する。しかしながら、
セラミックロータ装置では大きな異物を混入させないた
めに、ハウジング内に防護網が設けられており、防護網
のメッシュ最大径Dが異物最大径Dとなる。従って、セ
ラミックロータを組み込むセラミックロータ装置の仕様
のうち、定常運転時の回転数と異物混入防護網のメッシ
ュ最大径という簡単な2項目が判れば、セラミックロー
タの翼部先端厚みが設計できる。具体的には(6)式の
W×φがセラミックロータの仕様により決まるので、そ
れに基づいてロータ半径R0と翼部先端最小厚みtmi
nの関係がセラミックスの平均強度σfにより決定され
る。
The blade tip minimum thickness tmin depends on the mesh maximum diameter (maximum foreign particle diameter) D, the rotation speed W, the rotor radius R 0 , and the average strength σ f of the ceramics. However,
In the ceramic rotor device, a protective net is provided in the housing in order to prevent large foreign matter from entering, and the maximum mesh diameter D of the protective net is the maximum foreign matter diameter D. Therefore, the blade tip thickness of the ceramic rotor can be designed if two simple items, namely, the number of revolutions during steady operation and the maximum mesh size of the foreign matter-containing protective net are known from the specifications of the ceramic rotor device incorporating the ceramic rotor. Specifically, since W × φ in the equation (6) is determined by the specifications of the ceramic rotor, the rotor radius R 0 and the blade tip minimum thickness tmi are based on this.
The relationship of n is determined by the average strength σ f of ceramics.

【0026】ガスタービンの様なエンジン部品に用いら
れるセラミックスは、衝撃破壊のみならず、遠心応力に
より発生する応力にも破壊せず耐える必要がある。遠心
応力に耐え得るセラミックスの平均強度はこれまでの経
験から少なくとも600MPa以上は必要である。従っ
て、本発明におけるセラミックロータの平均強度も60
0MPa以上であることがより望ましい。
Ceramics used for engine parts such as gas turbines are required to withstand not only impact damage but also stress generated by centrifugal stress without damage. From the experience so far, it is necessary that the average strength of ceramics that can withstand centrifugal stress be at least 600 MPa or more. Therefore, the average strength of the ceramic rotor according to the present invention is also 60.
More preferably, it is 0 MPa or more.

【0027】各々のW×φ範囲に対するセラミックロー
タの翼部先端最小厚みtminの設計値を以下にまとめ
た。
The design values of the blade tip minimum thickness tmin of the ceramic rotor for each W × φ range are summarized below.

【0028】1)80<W×φとなるセラミックロータ
装置に供給される、半径R0(mm)のセラミックロー
タにおいてセラミックスの平均強度をσfとした場合、
翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>4.1
89R0/σfを満足することが望ましい。
1) When the average strength of ceramics in a ceramic rotor having a radius R 0 (mm) supplied to a ceramic rotor device satisfying 80 <W × φ is σ f ,
The minimum thickness tmin (mm) of the blade tip is tmin> 4.1
It is desirable to satisfy 89R 0 / σ f .

【0029】2)70<W×φ≦80となるセラミック
ロータ装置に供給される、半径R0(mm)のセラミッ
クロータにおいてセラミックスの平均強度をσfとした
場合、翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>
3.665R0/σfを満足することが望ましい。
[0029] 2) 70 <W × supplied to the ceramic rotor device as a phi ≦ 80, when the average intensity of the ceramic in the ceramic rotor having a radius R 0 (mm) and sigma f, the wing tip minimum thickness tmin ( mm) is tmin>
It is desirable to satisfy 3.665R 0 / σ f .

【0030】3)60<W×φ≦70となるセラミック
ロータ装置に供給される、半径R0(mm)のセラミッ
クロータにおいてセラミックスの平均強度をσfとした
場合、翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>
3.142R0/σfを満足することが望ましい。
[0030] 3) 60 <W × supplied to the ceramic rotor device as a phi ≦ 70, when the average intensity of the ceramic in the ceramic rotor having a radius R 0 (mm) and sigma f, the wing tip minimum thickness tmin ( mm) is tmin>
It is desirable to satisfy 3.142R 0 / σ f .

【0031】4)50<W×φ≦60となるセラミック
ロータ装置に供給される、半径R0(mm)のセラミッ
クロータにおいてセラミックスの平均強度をσfとした
場合、翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>
2.618R0/σfを満足することが望ましい。
4) In a ceramic rotor having a radius R 0 (mm) supplied to a ceramic rotor device satisfying 50 <W × φ ≦ 60, when the average strength of the ceramics is σ f , the blade tip minimum thickness tmin ( mm) is tmin>
It is desirable to satisfy 2.618R 0 / σ f .

【0032】5)40<W×φ≦50となるセラミック
ロータ装置に供給される、半径R0(mm)のセラミッ
クロータにおいてセラミックスの平均強度をσfとした
場合、翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>
2.094R0/σfを満足することが望ましい。
5) In a ceramic rotor having a radius R 0 (mm) supplied to a ceramic rotor device satisfying 40 <W × φ ≦ 50, when the average strength of the ceramics is σ f , the blade tip minimum thickness tmin ( mm) is tmin>
It is desirable to satisfy 2.094R 0 / σ f .

【0033】6)30<W×φ≦40となるセラミック
ロータ装置に供給される、半径R0(mm)のセラミッ
クロータにおいてセラミックスの平均強度をσfとした
場合、翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>
1.571R0/σfを満足することが望ましい。
[0033] 6) 30 <W × supplied to the ceramic rotor device as a phi ≦ 40, when the average intensity of the ceramic in the ceramic rotor having a radius R 0 (mm) and sigma f, the wing tip minimum thickness tmin ( mm) is tmin>
It is desirable to satisfy 1.571R 0 / σ f .

【0034】7)20<W×φ≦30となるセラミック
ロータ装置に供給される、半径R0(mm)のセラミッ
クロータにおいてセラミックスの平均強度をσfとした
場合、翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>
1.047R0/σfを満足することが望ましい。
[0034] 7) 20 <W × supplied to the ceramic rotor device as a phi ≦ 30, when the average intensity of the ceramic in the ceramic rotor having a radius R 0 (mm) and sigma f, the wing tip minimum thickness tmin ( mm) is tmin>
It is desirable to satisfy 1.047R 0 / σ f .

【0035】8)W×φ≦20となるセラミックロータ
装置に供給される、半径R0(mm)のセラミックロー
タにおいてセラミックスの平均強度をσfとした場合、
翼部先端最小厚みtmin(mm)がtmin>0.5
24R0/σfを満足することが望ましい。
8) When the average strength of the ceramics in a ceramic rotor having a radius R 0 (mm) supplied to a ceramic rotor device satisfying W × φ ≦ 20 is σ f ,
Minimum blade tip thickness tmin (mm) is tmin> 0.5
It is desirable to satisfy 24R 0 / σ f .

【0036】[0036]

【実施例】実施例1 窒化ケイ素(Si34)を主成分とし、焼結助剤として
イットリア(Y23)を含有する窒化ケイ素質焼結体か
らなるセラミックロータ(平均強度が700MPa)を
評価用試料として25個用意した。このロータの半径R
0は50mm、翼部先端における最小翼厚tminは
1.0mmであった。
Example 1 A ceramic rotor (average strength of 700 MPa) made of a silicon nitride sintered body containing silicon nitride (Si 3 N 4 ) as a main component and yttria (Y 2 O 3 ) as a sintering aid. 25) were prepared as evaluation samples. Radius R of this rotor
0 was 50 mm, and the minimum blade thickness tmin at the blade tip was 1.0 mm.

【0037】この評価用試料を回転試験機に装着し、さ
らに翼部の最外周部であるガス入口側の翼部先端から
1.5mm中心軸側の位置に異物を混入させる金属パイ
プを導入し、回転試験機外部から任意径の異物を混入で
きるように装置を改良した。異物衝突位置における翼厚
tは1.2mmであった。
This sample for evaluation was mounted on a rotary tester, and a metal pipe for mixing foreign matter was introduced at a position 1.5 mm from the tip of the blade on the gas inlet side, which is the outermost peripheral portion of the blade, to the side of the central axis. The equipment was improved so that foreign matter of arbitrary diameter could be mixed in from the outside of the rotation tester. The blade thickness t at the foreign matter collision position was 1.2 mm.

【0038】異物には直径0.5mm、0.8mm、
1.0mm、1.3mm、1.5mmの鋼球を用いた。
評価用試料の回転数Wを2万回転、4万回転、6万回
転、8万回転、10万回転とし、各々の回転数を維持し
た状態で上記の異物を投入して、異物衝突試験を実施し
た。
The foreign matter has a diameter of 0.5 mm, 0.8 mm,
Steel balls of 1.0 mm, 1.3 mm and 1.5 mm were used.
The rotation speed W of the evaluation sample was set to 20,000 rotations, 40,000 rotations, 60,000 rotations, 80,000 rotations, 100,000 rotations, and the above-mentioned foreign matter was introduced while maintaining the respective rotation speeds to carry out a foreign matter collision test. Carried out.

【0039】異物の投入数は一つのローターに一つと
し、異物投入後は衝突破壊の有無に関わり無く評価用試
料を取り出した。異物衝突試験後の評価用試料は、実体
顕微鏡による目視検査で欠けを、蛍光浸透探傷法にて破
損の有無を確認した。
The number of foreign matter charged was one for each rotor, and after the foreign matter was charged, the evaluation sample was taken out regardless of the presence or absence of collision damage. After the foreign matter collision test, the evaluation sample was visually inspected with a stereoscopic microscope for defects, and the fluorescent penetration flaw detection method was used to confirm the presence or absence of damage.

【0040】異物衝突試験の結果を図5に示す。翼部先
端部に欠けや破損が認められないものは○印で、欠けや
破損が認められたものを●印で表示している。横軸はセ
ラミックロータの回転数W、縦軸は投入した異物の直径
Dをそれぞれ表す。また、曲線は(4)式において、左
辺=右辺として計算したものである。異物の衝突位置は
翼部先端から1.5mm中心軸側であるから、R/R0
=48.5/50=0.97、及び、衝突位置での翼厚
t=1.2をそれぞれ(4)式に代入し計算した。
(4)式の考え方から、この線より右上の領域が衝撃破
壊の発生する領域である。
The results of the foreign matter collision test are shown in FIG. O marks indicate that the tip of the blade was not chipped or damaged, and ● marks indicate that chipping or damage was found. The horizontal axis represents the rotational speed W of the ceramic rotor, and the vertical axis represents the diameter D of the introduced foreign matter. Further, the curve is calculated by the equation (4) with the left side = the right side. Since the collision position of the foreign matter is 1.5 mm from the tip of the blade on the central axis side, R / R 0
= 48.5 / 50 = 0.97 and the blade thickness t = 1.2 at the collision position were calculated by substituting them into the equation (4).
From the idea of the equation (4), the area on the upper right of this line is the area where impact damage occurs.

【0041】図5から(4)式の衝撃破壊の基準線を境
にして、異物衝突により破損するものと、破損しないも
のに分かれており、t>C×R/R0を満足する場合に
は、破損が発生しないことが判る。
From FIG. 5 to the reference line of the impact breakage of the equation (4), there are two types, one that is damaged by foreign matter collision and the other that is not damaged by the collision, and when t> C × R / R 0 is satisfied. It turns out that no damage occurs.

【0042】実施例2 上記実施例1のセラミックロータを用い、異物を翼部先
端に衝突させるとともに、回転数、異物径を変化させ、
翼先端厚みtminを表すπR0(W×φ)/60σf
理論値を算出するとともに、実際に用いたセラミックロ
ータの翼部先端における最小翼厚tmin(1.0m
m)と比較した。これらの結果を表1に記載した。
Example 2 Using the ceramic rotor of Example 1 above, the foreign matter was made to collide with the tip of the blade portion, and the rotation speed and the foreign matter diameter were changed.
The theoretical value of πR 0 (W × φ) / 60σ f representing the blade tip thickness tmin was calculated, and the minimum blade thickness tmin (1.0 m at the blade tip of the actually used ceramic rotor was calculated.
m). The results are shown in Table 1.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】この表1から、実際の翼部先端厚みがπR
0(W×φ)/60σfの理論値よりも大きい場合には破
損が生じないことが判る。
From Table 1, the actual blade tip thickness is πR.
It can be seen that no damage occurs when the value is larger than the theoretical value of 0 (W × φ) / 60σ f .

【0045】[0045]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のセラミッ
クロータ装置では、セラミックロータの定常回転数とセ
ラミックロータの半径、セラミックの平均強度、及び防
護網のメッシュ最大径、即ち燃焼ガス中に混入して飛来
し、翼部を破損する可能性のある異物の最大径から、翼
部の任意位置における厚みtを設定するため、より実状
に沿った翼部厚みとでき、異物による翼部の破損を確実
に防止できるとともに、翼部の任意部分の厚みを、異物
による破損を防止できる最低限の厚みとすることによ
り、発生する遠心応力を最低限に抑制できる。
As described above in detail, in the ceramic rotor device of the present invention, the steady rotational speed of the ceramic rotor, the radius of the ceramic rotor, the average strength of the ceramics, and the maximum mesh diameter of the protective net, that is, in the combustion gas, Since the thickness t at an arbitrary position of the wing is set from the maximum diameter of the foreign matter that may mix and fly and damage the wing, the wing thickness can be made more in line with the actual state, and the wing can be made The damage can be reliably prevented, and the centrifugal stress that occurs can be suppressed to a minimum by setting the thickness of an arbitrary portion of the blade portion to the minimum thickness that can prevent the damage due to foreign matter.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るセラミックロータ装置を示す説明
図である。
FIG. 1 is an explanatory view showing a ceramic rotor device according to the present invention.

【図2】セラミックロータの断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a ceramic rotor.

【図3】速度/板厚と応力の関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between speed / plate thickness and stress.

【図4】定数φと異物径Dの関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a relationship between a constant φ and a foreign matter diameter D.

【図5】異物衝突試験において、異物径とローター回転
数の関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the foreign matter diameter and the rotor rotation speed in the foreign matter collision test.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3・・・セラミックロータ 5・・・防護網 7・・・ハブ部 9・・・翼部 3 ... Ceramic rotor 5 ... Protection network 7 ... Hub 9 ... Wing

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01D 25/00 F01D 25/00 Q F02C 7/055 F02C 7/055 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) F01D 25/00 F01D 25/00 Q F02C 7/055 F02C 7/055

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】気体が流通する通路内に、ハブ部の外周に
複数の翼部を形成してなるセラミックロータを設け、該
セラミックロータよりも風上側の通路に、異物の侵入を
阻止する防護網を設けてなるセラミックロータ装置であ
って、前記セラミックロータの定常運転時の回転数を
W、前記防護網のメッシュ最大径をD、φ=0.002
6×D2−0.0017×D、前記ハブ部の中心から翼
部先端までの距離で規定される前記セラミックロータの
半径をR0、前記セラミックロータを形成するセラミッ
クスの平均強度をσfとしたとき、前記ハブ部の中心か
ら任意の半径Rにおける翼部の厚みtが、 t>C×R/R0 (ここで、C=πφWR0/60σf)で表される関係式
を満足することを特徴とするセラミックロータ装置。
Claim: What is claimed is: 1. A ceramic rotor having a plurality of blades formed on an outer periphery of a hub is provided in a passage through which gas flows, and a foreign matter is prevented from entering a passage on a windward side of the ceramic rotor. A ceramic rotor device provided with a mesh, wherein the number of revolutions of the ceramic rotor during steady operation is W, the maximum mesh diameter of the protective mesh is D, and φ = 0.002.
6 × D 2 −0.0017 × D, the radius of the ceramic rotor defined by the distance from the center of the hub portion to the blade tip is R 0 , and the average strength of the ceramics forming the ceramic rotor is σ f Then, the thickness t of the blade portion at an arbitrary radius R from the center of the hub portion satisfies the relational expression represented by t> C × R / R 0 (where C = πφWR 0 / 60σ f ). A ceramic rotor device characterized by the above.
【請求項2】防護網のメッシュ最大径が0.4mm以下
であることを特徴とする請求項1記載のセラミックロー
タ装置。
2. The ceramic rotor device according to claim 1, wherein the maximum mesh diameter of the protective net is 0.4 mm or less.
【請求項3】セラミックロータを形成するセラミックス
の平均強度σfが600MPa以上であることを特徴と
する請求項1又は2記載のセラミックロータ装置。
3. The ceramic rotor device according to claim 1 or 2, wherein the ceramic forming the ceramic rotor has an average strength σ f of 600 MPa or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008503677A (en) * 2004-06-19 2008-02-07 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト Turbine wheel of exhaust gas turbocharger
JP2012026455A (en) * 2011-10-03 2012-02-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Turbine wheel

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