JP3806296B2 - セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックタービンホイールと金属部品との接合構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3に基づき、従来のセラミックタービンホイールと金属部品との接合構造を説明する。図3はガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品の縦断面図である。
【0003】
ガスタービン等のセラミックタービンホイール01は圧縮機側と直接接続構造を取り難いため、セラミックタービンホイール01のボス部01aに予め環状内面02aを有する金属部品02を接合し、その金属部品02を介して圧縮機側と接続させている。
【0004】
金属部品02には低膨張合金を用い、その環状内面02bの径がボス部01aの外径に略等しく、ボス部01aに隙間がほぼ0で嵌まるように加工されている。
【0005】
金属部品02にセラミックタービンホイール01のボス部01aを嵌合させて嵌合部にろう材3を置いた状態で加熱すると、金属部品02の膨張によって生じた隙間にろう材が侵入し、その後冷却すると、金属部品02とセラミックタービンホイール01のボス部01aは間にろう材を挟んで焼きばめされ、両者は接合される。
【0006】
しかしながら、上記のような接合構造は、焼きばめによる締め付け力が支配的な接合であるため、高温かつ高回転における接合強度の低下が大きいという問題があった。
【0007】
また、焼きばめの条件において、セラミック部分の割れや、金属部分の熱処理の関係から、接合強度の増加は困難であり限界があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の、従来のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造の問題点を解消し、セラミックタービンホイールから、より強度のトルクおよびスラストを伝達でき、高温かつ高回転における接合強度の低下が少ないセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供することを課題とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その第1の手段として、セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、同セラミックタービンホイールのボス部の外径に略等しい内径を有し同ボス部の外周に接合される環状の中間金属部品と、同中間金属部品に取り付けられ前記ボス部の外周に設けられた凹部に差し込まれるピンを備え、前記中間金属部品は前記ピンを前記凹部に差し込み前記ボス部との間に流し込まれたろう材を介して同ボス部に接合し、前記金属部品はその環状部の内周に設けためねじ部を前記中間金属部品の外周に設けたおねじ部に螺合させ且つ同環状部の先端を同中間金属部品にかしめて同中間金属部品に接合してなることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【0010】
上記第1の手段においては、ピンと凹部によりトルクおよびスラストを構造的に伝達でき、中間金属部品の外周に金属部品が螺合され且つかしめられるので、金属部品が中間金属部品に強固に接合されるのみならず、ピンが抜けることが防止される。
【0011】
また、ボス部と中間金属部品の接合部内にろう材が均一に侵入し全周にわたる接合がなされ、トルクおよびスラストの伝達において応力集中が避けられ、また緩衝効果も有する。
【0012】
(2)第2の手段としては、上記第1の手段のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記ろう材は、前記セラミックタービンホイールのボス部と前記中間金属部品とを接合位置に保って同セラミックタービンホイールの使用温度条件より高温に加熱した接合部内に流し込まれたものあることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【0013】
上記第2の手段においては、第1の手段の特徴に加え、セラミックタービンの使用温度条件よりも高温で加熱してろう材を侵入させた後、中間金属部品が冷却されるので焼きばめの効果が得られる。
【0014】
(3)第3の手段としては、上記第1の手段または第2の手段のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一体の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【0015】
上記第3の手段においては、第1の手段または第2の手段の特徴に加え、中間金属部品とセラミックタービンホイールのボス部との焼きばめ効果をより強固に発揮させることができる。
【0016】
(4)第4の手段としては、上記第1の手段または第2の手段のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一か所切り離し部を有するか、複数に分割される構造の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【0017】
上記第4の手段においては、第1の手段または第2の手段の特徴に加え、中間金属部品へのピンの取り付け工程がより容易となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1および図2に基づき、本発明の実施の一形態に係るセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を説明する。図1はガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品の縦断面図であり、図2は図1中A部の拡大図である。
【0019】
図1に示すように、セラミックタービンホイール1のボス部1aにはその外周にその外径に略等しい内径を有する環状の低膨張合金の中間金属部品4が、中間金属部品4に取り付けられてその内周面4c側に突出するピン4aをセラミックタービンホイール1のボス部1の外周に設けられた凹部1bに差し込んだ状態で、ろう材3を挟んで接合されている。
【0020】
中間金属部品4の外周には、おねじ部4bが設けられ、おねじ部4bに螺合するめねじ部2bを設けた環状部2aを有する低膨張合金の金属部品2が螺合により取り付けられ、環状部2aの先端は中間金属部品4に対してかしめられている。なお、おねじ部4bとめねじ部2bは、セラミックタービンホイール1から受けるトルク負荷によって互いに締まる方向のねじとする。
【0021】
上記の本実施の形態の接合構造を得る手順を説明すると、中間金属部品4が予め一体の環状部品としてある場合は、中間金属部品4にボス部1aの凹部1bの位置に合わせてピン取付け孔を備えておき、ボス部1aに中間金属部材4を嵌合した接合位置で、ピン4aを凹部1bに差し込むようにして中間金属部材4に取り付ける。
【0022】
中間金属部品4が1か所切離し部を有するか、複数に分割される構造の場合は予めピン4aを取り付けた中間金属部品4を、ピン4aを凹部1bに差し込むようにしてボス部1bに装着する。この場合、ピン4aの取り付け工程が容易となるが、上記の一体の中間金属部品4の場合のように、中間金属部品4をボス部1bに接合位置に装着後、ピン4aを凹部1bに差し込むように取り付けてもよい。
【0023】
その後、セラミックタービンホイール1のボス部1と中間金属部品4とを接合位置に保ち、その接合部にろう材3を置いた状態でセラミックタービンホイール1の使用温度条件よりも高温で加熱すると、ろう材3が接合部内に均一に流れ込みピン4aと凹部1bとの間にも侵入し、冷却後は中間金属部品4の冷却収縮により中間金属部品4とセラミックタービンホイール1のボス部1aは間にろう材を挟んで焼きばめされたように接合される。特に中間金属部品4が一体の環状部品としてある場合は、焼きばめ効果をより強固に発揮させることができる。
【0024】
中間金属部品4の外周のおねじ部4aには、金属部品2の環状部2a内周に設けられためねじ部2bを螺合させて金属部品2を取り付け、さらにねじが抜けないよう環状部2aの先端を中間金属部品4に対してかしめることにより、セラミックタービンホイール1は金属部品2と強固に接合される。
【0025】
以上説明した本実施の形態のセラミックタービンホイール1と金属部品2の接合構造においては、ピン4aを設けたことにより凹部1bとの間でトルクおよびスラストを構造的に伝達でき、前述の従来例のように加熱によって接合強度に不安定を生じることがない。
【0026】
ピン4aを取り付けた中間金属部品4の外周は金属部品2が覆うように螺合され且つかしめられるので、金属部品2が中間金属部品4に強固に接合されるのみならず、ピン4aが抜けることが防止され、上記トルクおよびスラストの構造的な伝達が確実なものとなる。
【0027】
ろう材3は、中間金属部品4とボス1aの接合部の隙間に均一に侵入しているので全周にわたり接合がなされトルクおよびスラストの伝達において応力集中が避けられ、また緩衝効果も有する。
【0028】
また、セラミックタービンホイール1の使用温度条件よりも高温で加熱された接合部にろう材3が侵入した後、中間金属部品が冷却されるので焼きばめの効果も得られるものとなる。
【0029】
したがって、上記実施の形態の構成においては、より強度のトルクおよびスラストを伝達でき、高温且つ高回転において接合強度の低下が少なく、さらに、トルクおよびスラスト荷重の負荷に対して、ピン4aに発生する剪断応力が使用材料の剪断強度以下かつセラミック部品に発生する最大応力割れの発生しないようにピン4aの形状、数量を設定することで対処できるので、トルクおよびスラスト荷重の増加に対して容易に対応できるものとなる。
【0030】
以上、本発明装置の実施の形態を説明したが、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてもよいことは言うまでもない。
【0031】
【発明の効果】
(1)以上、本発明中請求項1の発明は、セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、同セラミックタービンホイールのボス部の外径に略等しい内径を有し同ボス部の外周に接合される環状の中間金属部品と、同中間金属部品に取り付けられ前記ボス部の外周に設けられた凹部に差し込まれるピンを備え、前記中間金属部品は前記ピンを前記凹部に差し込み前記ボス部との間に流し込まれたろう材を介して同ボス部に接合し、前記金属部品はその環状部の内周に設けためねじ部を前記中間金属部品の外周に設けたおねじ部に螺合させ且つ同環状部の先端を同中間金属部品にかしめて同中間金属部品に接合してなるように構成したので、加熱によるセラミックタービンホイールと中間金属部品の接合強度の不安定がなく、中間金属部品の外周に金属部品が螺合され且つかしめられるため、金属部品が中間金属部品に強固に接合されるのみならず、ピンが抜けることが防止され、トルクおよびスラストの構造的な伝達が確実なものとなる。
【0032】
また、ろう材が中間金属部品とボス部との接合部内に均一に侵入し全周にわたる接合がなされているので、トルクおよびスラストの伝達において応力集中が避けられ、また緩衝効果も有するものとなる。
【0033】
したがって、より強度のトルクおよびスラストを伝達でき、高温且つ高回転において接合強度の低下が少なく、さらに、トルクおよびスラスト荷重の負荷の増大に対してはピンの形状、数量を設定することで容易に対応できるセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造が得られる。
【0034】
(2)請求項2の発明によれば、請求項1に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記ろう材は、前記セラミックタービンホイールのボス部と前記中間金属部品とを接合位置に保って同セラミックタービンホイールの使用温度条件より高温に加熱した接合部内に流し込まれたものであるように構成したので、請求項1の発明の効果に加え、セラミックタービンホイールの使用温度条件よりも高温で加熱してろう材を侵入させた後、中間金属部品が冷却されるので焼きばめの効果が得られるものとなる。
【0035】
(3)請求項3の発明によれば、請求項1または請求項2に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一体の環状部品であるように構成したので、請求項1または請求項2の発明の効果に加え、中間金属部品とセラミックタービンホイールのボス部との焼きばめ効果をより強固に発揮させることができるものとなる。
【0036】
(4)請求項4の発明によれば、請求項1または請求項2に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一か所切り離し部を有するか、複数に分割される構造の環状部品であるように構成したので、請求項1または請求項2の発明の効果に加え、中間金属部品へのピンの取り付け工程をより容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係るセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造の説明図であり、ガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品等の縦断面図である。
【図2】図1中A部の拡大図である。
【図3】従来のセラミックタービンホイールと金属部品との接合構造の説明図であり、ガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品等の縦断面図である。
【符号の説明】
1 セラミックタービンホイール
1a ボス部
1b 凹部
2 金属部品
2a 環状部
2b めねじ部
3 ろう材
4 中間金属部品
4a ピン
4b おねじ部
4c 内周面
Claims (4)
- セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、同セラミックタービンホイールのボス部の外径に略等しい内径を有し同ボス部の外周に接合される環状の中間金属部品と、同中間金属部品に取り付けられ前記ボス部の外周に設けられた凹部に差し込まれるピンを備え、前記中間金属部品は前記ピンを前記凹部に差し込み前記ボス部との間に流し込まれたろう材を介して同ボス部に接合し、前記金属部品はその環状部の内周に設けためねじ部を前記中間金属部品の外周に設けたおねじ部に螺合させ且つ同環状部の先端を同中間金属部品にかしめて同中間金属部品に接合してなることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
- 請求項1に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記ろう材は、前記セラミックタービンホイールのボス部と前記中間金属部品とを接合位置に保って同セラミックタービンホイールの使用温度条件より高温に加熱した接合部内に流し込まれたものあることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
- 請求項1または請求項2に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一体の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
- 請求項1または請求項2に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一か所切り離し部を有するか、複数に分割される構造の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
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JP2000280247A JP3806296B2 (ja) | 2000-09-14 | 2000-09-14 | セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造 |
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JP2000280247A JP3806296B2 (ja) | 2000-09-14 | 2000-09-14 | セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造 |
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