JP2009221870A - タービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便な構造の一体型のシャフトを採用しつつ、分解、組立てが容易であり、室温での組立て時においてタービンとシャフトの同心度を高精度に確保できるとともに、高温動作時には高精度を維持したまま応力を緩和でき、且つ超高速回転が可能であるタービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材を提供する。
【解決手段】翼部２４を備えた回転体２２であり、その中心軸に貫通穴２６を有するセラミックス製のロータ部材２０と、貫通穴２６に、ロータ部材２０と同軸に挿入される金属製のシャフト部材３０とを備えて構成されるタービンロータ１である。ロータ部材２０とシャフト部材３０は、その間にテーパー状リング部材１０を介して同軸に結合されているとともに、テーパー状リング部材１０には、ロータ部材２０側からシャフト部材３０側まで貫通した複数のスリットが設けられ、複数のスリットは、タービンロータ１の軸方向にオーバーラップするように設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、超小型ガスタービンに好ましく使用することができるタービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材に関する。

近年、小型、軽量かつ長時間作動が可能な電源として、数１００Ｗクラスの電気出力を発生する超小型のガスタービン発電機が期待されている。

このような超小型ガスタービンに使用されるロータは、インペラ（羽根車又は翼部）の直径が１０〜３０ｍｍ程度であり、直径が１０ｍｍ以下（３ｍｍ〜７ｍｍ程度）のシャフトに結合された構造であり、超高速回転（数１０万ｒｐｍ）で運転される。このような超高速回転ロータは高精度に回転バランスを調整する必要があり、特にインペラとシャフトの同心度を確保するとともに、ガタなく結合することが重要である。

このため、例えば、中空円筒構造で端部がテーパー（円錐）状に形成されたシャフトと貫通孔を有するインペラを備えた構造によって、高精度を維持しつつ、分解・組立てが容易なロータ構造が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、このロータ構造は、シャフトが中空円筒構造部材とその中空部を貫通する締結部材の２つの部材からなる複雑な構造であり、例えば、ロータを回転試験機やガスタービン装置に組み込んで試験を行った後、分解し調整を行った後に、再度組み付けを行う際の作業性や、保守管理、加工面及び強度面において必ずしも十分なものであるといえないという問題があった。

特開２００４−３４６８３３号公報

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、より簡便な構造の一体型のシャフトを採用しつつ、分解、組立てが容易であり、室温での組立て時においてタービンとシャフトの同心度を高精度に確保できるとともに、高温動作時には高精度を維持したまま応力を緩和でき、且つ超高速回転が可能であるタービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明によれば、翼部を備えた回転体であり、その中心軸に貫通穴を有するセラミックス製のロータ部材と、前記貫通穴に、前記ロータ部材と同軸に挿入される金属製のシャフト部材とを備えて構成されるタービンロータであって、前記ロータ部材と前記シャフト部材が、その間にテーパー状リング部材を介して同軸に結合されているとともに、前記テーパー状リング部材には、ロータ部材側からシャフト部材側まで貫通した複数のスリットが設けられ、前記複数のスリットは、前記タービンロータの軸方向にオーバーラップするように設けられているタービンロータが提供される。

また、本発明によれば、セラミックス製のロータ部材と金属製のシャフト部材との間を結合するタービンロータ用のテーパー状リング部材であって、前記リング部材には、ロータ部材側からシャフト部材側まで貫通した複数のスリットが設けられ、前記複数のスリットは、前記タービンロータの軸方向にオーバーラップするように設けられているテーパー状リング部材が提供される。

本発明のタービンロータによれば、より簡便な構造の一体型のシャフトを採用しつつ、分解、組立てが容易であり、室温での組立て時においてタービンとシャフトの同心度を高精度に確保でき、しかも、高温動作時には高精度を維持したまま応力を緩和でき、超高速回転が可能であるという顕著な効果を奏する。

また、本発明のタービンロータに用いるテーパー状リング部材によれば、タービンとシャフトをガタなく結合し、その同心度を高精度に確保したタービンロータを得ることができるため、そのタービンロータは高温動作時には高精度を維持したまま応力を緩和でき、超高速回転が可能である。

以下、本発明のタービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材を具体的な実施形態に基づき詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

まず最初に、本発明のタービンロータを開発するに到った経緯を説明する。

通常、タービンロータにおいて、貫通孔を有するロータとシャフトを高精度に同心度を確保する方法としては、テーパー構造を利用することが望ましく、例えば、シャフトの端部をテーパー状に形成する、あるいは、テーパー形状のリング部材を介して同軸に結合する方法が望ましいとされている。

また、タービンロータ（ガスタービン）の効率を向上させるためには、燃焼ガスの高温化が有効であることから、ロータの材質として、金属よりも耐熱性が高く、かつ軽量なセラミックスを適用することが期待されていた。

しかしながら、本発明者が、貫通孔を有するセラミック製のロータとテーパー状リング部材を介してシャフトと同軸に結合した構造のタービンロータをガスタービンに適用したところ、次のような課題があることが判明した。

すなわち、一般的に、セラミックスの熱膨張は、金属に比べ小さいため、室温でガタなく締結（結合）した場合、ガスタービンが作動する温度に上昇した場合、金属製のシャフトの熱膨張により、セラミックス製のロータが貫通孔内側から大きな応力を受けて破壊することが判明した。また、近年のタービンロータ（ガスタービン）の小型化に伴い、高温作動時に生じる熱膨張差などによる変形分を予め考慮したうえで、室温で熱膨張分のガタ（クリアランス）を設けて高精度に組立て・調整を行うことも非常に困難であった。以上の問題点を解消するため、本発明で用いるテーパー状リング部材及びそれを用いたタービンロータを新たに開発したものである。

本発明に係るタービンロータは、翼部を備えた回転体であり、その中心軸に貫通穴を有するセラミックス製のロータ部材と、その貫通穴に、ロータ部材と同軸に挿入される金属製のシャフト部材とを備えて構成されているものである。

そして、このタービンロータの特徴は、セラミックス製のロータ部材と金属製のシャフト部材とが、その間にテーパー状リング部材を介して同軸に結合されていることであり、このテーパー状リング部材には、ロータ部材側からシャフト部材側まで貫通した複数のスリットが設けられ、これら複数のスリットは、タービンロータの軸方向にオーバーラップするように設けられているものである。

上記の構成を有することにより、本発明のタービンロータは、より簡便な構造の一体型となり、分解、組立てが容易で、室温での組立て時においてタービンとシャフトの同心度を高精度（例えば、数μｍ程度）に確保できるとともに、金属製のシャフトの熱膨張による破壊応力を均一に分散させ、且つその形状を均一に保持し、セラミックス製のロータとの同心度を維持することができるテーパー状リング部材を使用したので、高温動作時には、同心度の高精度（例えば、数μｍ程度）を維持したまま応力を緩和でき、且つ超高速回転が可能である。

次に、本発明のタービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材について、図面に基づいて更に詳細に説明する。

図１はタービンロータの一例を示す概略部分断面図であり、図２は図１の分解斜視図、図３は本発明のテーパー状リング部材の一例を示す概略図である。

図１及び図２に示すように、本発明のタービンロータ１は、翼部２４を備えた回転体２２であり、且つその中心軸に貫通穴２６を有するセラミックス製のロータ部材２０と、その貫通穴２６に、ロータ部材２０と同軸に挿入される金属製のシャフト部材３０とを備えて構成されている。

そして、ロータ部材２０とシャフト部材３０とが、その間に、貫通孔１２を有する金属製又はセラミックス製のテーパー状リング部材１０を介して同軸に結合されている。このテーパー状リング部材１０は、例えば、図３に示すように、ロータ部材２０側からシャフト部材３０側まで貫通した複数のスリット１４，１６が設けられている。この複数のスリット１４，１６は、タービンロータ１の軸方向にオーバーラップするように設けられている。

ここで、「タービンロータ１の軸方向にオーバーラップする」とは、リング部材１０の右側（図３からみて）の端面Ａから左方向に伸びるスリット１４と、リング部材１０の左側（図３からみて）の端面Ｂから右方向に伸びるスリット１６が、タービンロータ１の軸方向Ｘでみて、それぞれが重なり合う（オーバーラップする）ように設けられていることを意味する。

また、複数のスリット１４，１６は、テーパー状リング部材１０の外周全面において、周方向に均等に配設されることが好ましい。タービンロータ１の高温動作時に、金属製シャフトの膨張による応力を受けた際に複数のスリット１４，１６により適切に応力を緩和することができるからである。

尚、本発明のタービンロータは、例えば、図１及び図２に示すように、ロータ部材２０とシャフト部材３０とを、その間にテーパー状リング部材１０を介して結合し、ロータ部材２０とシャフト部材３０との同心円度を高精度（例えば、０．１〜１０μｍ）に調整後、リング状キャップ４０でねじ止め固定されている。また、シャフト部材３０は、ロータ部材２０を取り付ける軸部３２と、キャップ４０を締結するためのネジ部３３及びシャフト部３４を備えて構成されている。

本発明に係るテーパー状リング部材１０は、リング状の金属から構成されており、また、上記したように、テーパー状リング部材１０には、ロータ部材２０側からシャフト部材３０側まで貫通した複数のスリット１４，１６が設けられ、この複数のスリット１４，１６は、タービンロータ１の軸方向Ｘにオーバーラップするように設けられている。

ここで、本発明のテーパー状リング部材１０においては、リング部材１０の右側端面Ａから左方向に伸びるスリット１４の幅ａが、リング部材１０の基本径Ｄの０．０１〜０．２倍（より好ましくは、０．０５〜０．1倍）、リング部材１０の左側端面Ｂから右方向に伸びるスリット１６の幅ｂが、リング部材１０の基本径Ｄの０．０１〜０．２倍（より好ましくは、０．０５〜０．１倍）であることが好ましい。尚、スリット１４，１６はリング外周上に均等に配列することが望ましい。

更に、テーパー状リング部材１０において、スリット１４とスリット１６とのオーバーラップの長さｗは、テーパー状リング部材１０の長さｈの０．１〜０．８倍（より好ましくは、０．３〜０．５倍）であることが好ましい。

本発明において、テーパー状リング部材は、高温動作時の応力を弾性変形によって緩和しやすいという観点から、金属であることが好ましく、金属製のシャフトと同一材料であってもよいが、より好ましくはシャフトに使用される金属とタービンに使用されるセラミックスとの中間の熱膨張係数が有する金属であることがより好ましい。そのような材料の組み合わせとしては、タービンが窒化珪素、シャフトが高張力鋼でテーパー状リング部材をチタン合金、とすることが例示できる。

以上のことから、本発明のテーパー状リング部材を用いると、室温での組立て時においてタービンとシャフトの同心度を高精度（例えば、０．１〜１０μｍ）に確保できるとともに、高温動作時においても、金属製のシャフトの熱膨張による破壊応力を均一に分散させ、且つその形状を均一に保持し、セラミックス製のロータとの同心度を維持することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

表１に示す各種のテーパー状リング部材（基本径Ｄ：６ｍｍ、先端径：５．０２ｍｍ、長さｈ：６ｍｍ）を用い、図２に基づいて、図１に示すタービンロータ（タービンは窒化珪素製で、外径は２０ｍｍ）をそれぞれ作製した（実施例、比較例１〜３）。

次に、それぞれ得られたタービンロータを、高速回転（５０万ｒｐｍ）を行った際の室温時における回転バランスと、高温時における耐久性の評価を行った。その結果を表１に示す。

表１の結果から、実施例のテーパー状リング部材を用いた場合（図３参照）、室温時、高温時の高速回転時における回転バランスや耐久性が良好であった。一方、図４に示すリング部材を用いた比較例１、及び図５に示すリング部材を用いた比較例２の場合、室温時における高速回転時における回転バランスは良好であったが、高温回転時における耐久性に問題があった。また、比較例３の場合、テーパー状リング部材を挿入していないため、室温時、高温時の高速回転時における回転バランスや耐久性に問題が発生した。

本発明のタービンロータ及びこれに用いるテーパー状リング部材は、高温動作時であっても超高速回転可能な超小型ガスタービンロータとして好適に用いることができる。

タービンロータの一例を示す概略部分断面図である。 図１の分解図である。 本発明（実施例）で用いるテーパー状リング部材の一例を示す概略図である。 比較例１で用いるテーパー状リング部材の一例を示す概略図である。 比較例２で用いるテーパー状リング部材の一例を示す概略図である。

符号の説明

１：タービンロータ、１０：テーパー状リング部材、１２：貫通孔、２０：ロータ部材、２２：回転体、２４：翼部、２６：貫通孔、３０：シャフト部材、３２：軸部、３３：ネジ部、３４：シャフト部、４０：キャップ。

Claims (2)

1. 翼部を備えた回転体であり、その中心軸に貫通穴を有するセラミックス製のロータ部材と、前記貫通穴に、前記ロータ部材と同軸に挿入される金属製のシャフト部材とを備えて構成されるタービンロータであって、
   前記ロータ部材と前記シャフト部材が、その間にテーパー状リング部材を介して同軸に結合されているとともに、
   前記テーパー状リング部材には、前記ロータ部材側から前記シャフト部材側まで貫通した複数のスリットが設けられ、
   前記複数のスリットは、前記タービンロータの軸方向にオーバーラップするように設けられているタービンロータ。
2. セラミックス製のロータ部材と金属製のシャフト部材との間を結合するタービンロータ用のテーパー状リング部材であって、
   前記リング部材には、前記ロータ部材側から前記シャフト部材側まで貫通した複数のスリットが設けられ、
   前記複数のスリットは、前記タービンロータの軸方向にオーバーラップするように設けられているテーパー状リング部材。

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