JP2011208620A - タービンローターの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子銃10を用いて嵌合部21を溶接するタービンローターの製造方法であって、嵌合部21を一回転させる中で、嵌合部21の位相に対応する電子ビーム12を電子銃10より嵌合部21に複数回照射して、タービンシャフトの周方向において等間隔に配置されるとともに、複数の溶融部を嵌合部21に形成する溶融部形成工程と、溶融部形成工程の後に、溶融部形成工程で形成される溶融部の幅と同じ幅、あるいは溶融部の幅よりも小さい幅だけ嵌合部21を回転させる回転工程と、を含み、溶融部形成工程および回転工程は、複数の溶融部が嵌合部21の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返される。
【選択図】図4
Description
図12に示すように、タービンローター120は、タービンハウジング191、センタハウジング192、およびコンプレッサーハウジング193内に回転可能に収納される。タービンローター120は、エンジンの排気ガスが流入することでタービンホイール130が高速で回転し、当該回転に伴ってコンプレッサーホイール190も高速で回転する。これにより、圧縮される空気をエンジンに供給する。このようなタービンローター120は高精度に製造する必要がある。
図13に示すように、複数の電子銃110・110は、タービンシャフト140の軸心に対して対称な位置に配置される。そして、タービンホイール130とタービンシャフト140とを嵌合させた状態で回転させながら、当該嵌合部121に向けて複数の電子銃110・110より同時に電子ビーム112・112を照射する。
しかし、特許文献1に開示される技術では、高価な部材である電子銃110・110を複数用いるため、タービンローター120の製造コストが上がってしまうという点で不利であった。
図14(a)に示すように、タービンホイール130の開口部131は、その径方向内側に向かって縮径する段差部132が形成され、タービンシャフト140の軸方向に沿って大きく開口する。タービンシャフト140の一端部は、タービンホイール130の開口部131に沿った形状に形成される。タービンシャフト140の一端部は、タービンホイール130の開口部131に圧入される。タービンシャフト140の一端部とタービンホイール130の段差部132とが当接する部分は軸方向当接部123として形成される。また、タービンホイール130の開口部131側の端部とタービンホイール130とが嵌合する部分は、嵌合部121として形成される。
そして、軸方向当接部123が溶融しないように電子銃110でタービンホイール130とタービンシャフト140とを溶接する。
しかし、特許文献2に開示される技術では、軸方向当接部123を形成する分だけ、軸方向当接部123を形成しない場合に比べてタービンローター120の軸長が長くなってしまう(図14(b)に示す矢印L参照)。このため、固有振動数が低下して使用回転域がその影響を受ける。つまり、振動特性が悪化する(ターボ性能が悪化する)という点で不利であった。
また、本実施形態のタービンシャフト40は、焼き入れ鋼によって構成される。
以下において、嵌合部21を電子銃10に対して一回転させた後で電子ビーム12の照射を停止する時間(時点Fから時点Gまでの時間)を「時間T4」とする。また、時間T4は、時間T1と同じ長さとする。
この場合、タービンローター製造装置1は、嵌合部21が前回一回転した際に形成された溶融部51の幅だけ嵌合部21を電子銃10に対して回転させることとなる。
溶融部53は、溶融部51に対して連続して形成される。つまり、溶融部51と溶融部53とは繋げられる。
これによれば、後熱工程が行われたときと同様に、溶融部51の熱影響部51aの硬度を低くできる。つまり、溶融部51の熱影響部51aにおいて置き割れが発生することを防止できる。
このように、電子銃10は、最初に形成される溶融部51から最後に形成される溶融部70までが繋がるような電子ビーム12を照射する。つまり、電子ビーム12は、嵌合部21の位相に対応するパルスビームとなる。
これにより、タービンローター20は、溶接後に別途後熱工程を行うことなく置き割れの発生を防止できるため、製造工程を短縮できる。従って、タービンローター20の製造コストを低減できるとともに、タービンローター20の製造に要する時間を短縮できる。
これによれば、最初に形成される溶融部である溶融部51、時間T3後に形成される溶融部52の順に凝固収縮が開始される。また、溶融部51と溶融部52とは、前述のように、タービンシャフトの軸心Pを中心に互いに対称な位置に配置される。つまり、溶融部51と溶融部52とは、タービンシャフト40の周方向において等間隔に配置される。
例えば、嵌合部21を溶接したときに、溶融部51が図6に示すグラフG1のように温度が変化する場合、溶融部51と溶融部52とが形成される時間差(時間T3)を短くすることで、溶融部52の温度変化のグラフであるグラフG2がグラフG1に近接する。
つまり、嵌合部21を溶接するときに発生するタービンシャフト40の軸方向の寸法収縮を抑制できる。
つまり、溶融部51・52が凝固収縮する時間に対して溶融部51と溶融部52とが形成される時間差(時間T3)が非常に小さくなる。このため、タービンシャフト40の軸方向の寸法収縮をさらに抑制できる。
溶融部53を形成した後で、時間T3だけ嵌合部21を電子銃10に対して回転させ、時間T1の間電子ビーム12を照射することで、溶融部54を形成する。この場合溶融部52・54がオーバーラップする。
このように時間T1よりも時間T4が短い場合には、個々の溶融部がオーバーラップする。
これによれば、時間T4の長さが時間T1の長さと同じ場合と比較して、より確実に溶融部を繋げることができる。
これによれば、同時に凝固収縮が始まる溶融部が三つになるため、例えば、三つの溶融部51・52・53のうち一つの溶融部51だけが早く凝固収縮しても、タービンシャフト40の軸方向の寸法収縮を他の二つの溶融部52・53で抑制できる。つまり、三つの溶融部の凝固収縮差に対してロバスト性を向上できる。特に、嵌合部21を一回転させる間に五回電子ビーム12を照射するような星型にした場合、さらに安定するため、ロバスト性を向上できる。
このように、嵌合部21が一回転する間に溶融部を三箇所以上形成する場合には、各溶融部が凝固収縮するときに、タービンシャフトの軸心Pに対してつり合わせることができれば、各溶融部の形状を同一の形状にする必要はない。
より詳細には、嵌合部21を一回転させる時間である時間T2より、電子ビーム12を照射する時間である時間T1だけ早い時間(あるいは時間T1よりも短い時間だけ早い時間)が経過した後で、電子ビーム12を時間T1だけ照射する。これにより、最初に形成される溶融部51の回転方向前側に次の溶融部53形成される。
これによれば、電子ビーム12を照射する時間T1だけ早めて、溶融部を形成できる。このため、より早い時間でタービンローター20を製造できる。
なお、第二実施形態のタービンローター製造装置1は、第一実施形態のタービンローター製造装置1と同様に構成されるため、その説明を省略する。
なお、以下において、タービンシャフト40の嵌合部21のうち、溶融部が形成されていない部分を「非溶融部22」とする。
第二実施形態では、図10(a)に示すように、溶融部を形成する工程を五回繰り返すことにより、溶融部51〜60が、位置21aから位置21bまで形成されるとともに位置21cから位置21dまで形成される。
つまり、溶融部51〜60は前述したような、タービンシャフトの軸心Pを中心につり合った状態で凝固収縮する。従って、溶融部51〜60は凝固収縮によって発生するタービンシャフト40の軸方向の寸法収縮を抑制できる。
つまり、従来技術にあるような軸方向当接部123(図14参照)を別途設けることなくタービンローター20が傾くことを抑制できる。このため、タービンローター20の軸長が長くなることを防止できる。つまり、振動特性が悪化する(ターボ性能が悪化する)ことを防止できる。
しかし、タービンホイール30にタービンシャフト40を圧入することで嵌合部21を形成することにより、非溶融部22は、溶融部51〜60が凝固するときに柱として機能する。
そして、タービンローター製造装置1は、各溶融部51〜62の幅だけ位相をずらしながら、溶融部51〜62に繋げるように溶融部63〜70を形成していく。つまり、溶融部51〜70が嵌合部21の全周にわたって形成されるまで電子ビーム12を嵌合部21に複数回照射する工程と時間T1の間だけ嵌合部21を電子銃10に対して回転させる工程とを繰り返す。
また、電子銃10を用いた場合には、出力を絞るだけで最後の回転で形成される熱影響部69a・70aに対応する後熱部69b・70bを形成できる。従って、電子銃10を用いることにより、熱影響部69a・70aにおいて置き割れが発生することを確実に防止できる。
10 電子銃(溶接手段)
12 電子ビーム(パルスビーム)
20 タービンローター
21 嵌合部
30 タービンホイール
40 タービンシャフト
51 溶融部
P タービンシャフトの軸心
Claims (3)
- タービンホイールおよびタービンシャフトを嵌合させることで嵌合部を形成し、溶接手段を用いて前記嵌合部を溶接するタービンローターの製造方法であって、
前記嵌合部を前記溶接手段に対して一回転させる中で、前記嵌合部の位相に対応するパルスビームを前記溶接手段より前記嵌合部に複数回照射して、前記タービンシャフトの周方向において等間隔に配置されるとともに、複数の溶融部を前記嵌合部に形成する溶融部形成工程と、
前記溶融部形成工程の後に、溶融部形成工程で形成される溶融部の幅と同じ幅、あるいは溶融部の幅よりも小さい幅だけ前記嵌合部を前記溶接手段に対して回転させる回転工程と、
を含み、
前記溶融部形成工程および回転工程は、
前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返される、
タービンローターの製造方法。 - 前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成された後で、最後に行われた前記溶融部形成工程で形成される複数の溶融部に対応する複数の後熱部を形成する後熱部形成工程をさらに含む、
請求項1に記載のタービンローターの製造方法。 - 前記溶融部形成工程を少なくとも一回行って、前記複数の溶融部が形成されていない部分である非溶融部が前記嵌合部に残っている状態で、前記複数の溶融部を凝固収縮させる凝固収縮工程をさらに含み、
前記嵌合部は、
前記タービンホイールにタービンシャフトを圧入することで形成し、
前記溶融部形成工程および回転工程は、
前記凝固収縮工程を行った後で、前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返される、
請求項1または請求項2に記載のタービンローターの製造方法。
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