JPH02252903A - セラミックローターのバランス修正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は過給機やガスタービンエンジンに用いるセラミ
ックローターのバランス修正方法に関するものである。

近年、省エネルギーの見地から空気を過給するかまたは
、エンジンの作動温度を高くすることによりエンジン効
率の向上を図ることが研究されている。そして、それら
のエンジンに用いられるローターは例えば、過給機やガ
スタービンエンジンの場合、８００″Ｃ〜１５００°Ｃ
で周速度１００　　ｍ／ｓｅｃ以上もの高温高速回転を
するため、ローターには極めて大きな引張応力が加わり
、そのため高温強度に優れた材料が特に必要となる。ロ
ーターの材料としては、従来Ｎｉ、Ｃｏｄを中心とする
耐熱金属が用いられてきたが、現状の耐熱金属では１０
００°Ｃ以上もの高温に長時間耐えることが困難で、し
かも価格にも極めて高く、従ってこれらの耐熱金属に代
わる材料として５ｉｓＮ４．ＳｉＣ，サイアロン等で代
表される高温特性に優れたセラミック材料の応用が研究
されている。このようなセラミック材料を用いたロータ
ーの構造としては、例えば（１）排気圧力波による過給
方式であるいわゆる圧力波式過給機の場合、第１図に示
すようにセラミックスを押し出し成形して得られた多数
の貫通孔１をもつ翼部３の中央孔に軸孔２を有するハブ
部６を嵌合固定した構造のもの、さらに、（２）ラジア
ル型ターボチャージャーローターの場合、第２図に示す
ようにローター翼部３をセラミックで形成し、シャフト
を金属製シャフト５およびセラミック製シャフト４の複
合体で形成したもの、（３）軸流型ガスタービンロータ
ーの場合、第３図に示すように、例えば中心部に軸孔２
を有するディスク状のハブ部６をホットプレスしたＳ　
ｉ　３　Ｎ　ａで形成し、翼部３をＳｉＣ粉末を用いて
スリップキャスト又は射出成形した後、窒化焼成して反
応焼結　Ｓ　ｉ　ｓ　Ｎ　ａで形成し、のち両者を一体
接合したもの等がある。

ところが、それらでのセラミックローターにおいてもセ
ラミックが脆性材料であるため、ローターの高温高速回
転時セラミック部にががる大きな引張応力のため、そこ
から破損するという致命的な欠点があった。従ってこの
大きな引張応力に耐えるためには極めて強度の大きい高
強度セラミック材料を用いる必要があった。

本発明は従来のこれらの欠点を解消するためになされた
もので、セラミックロータ一部破損の原因を詳細に検討
した結果、破損の原因が脆性材料であるセラミック部の
不つり合いの大きさにあることを見出した。

すなわち、従来のセラミックローターにおいては、脆性
材料であるセラミック部の不つり合いの大きさが大きい
と、高温高速回転時にその不つり合いの大きさにより局
所的に過大な応力が加わり、その部分から破壊すること
が明らかとなったのである。従って本発明は、ローター
を形成するセラミック部に残される許容不つり合いの大
きさを見い出すことにより、高温高速回転時にも破損が
ないセラミックローターを提供するものである。

本発明はボス部、ハブ部および／またはシャフト部およ
び翼部が一体のセラミックスよりなるセラミックロータ
ーにおいて、これを他の金属部材組みつけ前に該セラミ
ックローターの前記ボス部、ハブ部および／または翼部
の一部を研削することにより、ローターに残される許容
不つり合いの大きさをローターのセラミック部分のみで
最大０．５ｇ’ｃｍまでとした後、金属部材を組みつけ
てセラミックローター全体のバランス修正をするもので
ある。

なお、本発明が対象とするセラミックローターとしては
、圧力波式過給機用ローター、ターボチャージャー用ロ
ーター、ガスタービンエンジン用ローター等がある。い
ずれのローターにおいても回転体部はＳｉ３Ｎ４．Ｓｉ
Ｃ，サイアロン等のセラミックから成り、回転体支持部
はこれらのセラミックおよび金属のいずれか一種又はこ
れらの組合せから成るもので、かつセラミック部の不つ
り合いの大きさが最大０−５　ｇ−ｃｍまで好ましくは
０．１　　ｇ−ｃｍまでとすることにより、ローターの
高速回転時にもセラミック各部に不つり合いの大きさに
より、局所的に大きな応力が発生することもなく、従っ
てセラミック部の破損が極めて起こりに（くなるという
利点がある。

なお、本発明において回転体支持部とは、セラミックロ
ーターが圧力波式過給機の場合は回転軸に嵌合する軸孔
を有する部分でありラジアルタービンの場合は、シャフ
トに相当し軸流タービンの場合には、ディスクに相当す
るものをいう。

また、本発明において金属部材とは、ボス部、ハブ部お
よび／またはシャフト部および翼部が一体のセラミック
ローターと組みつけられる金属製のシャフト、軸受ある
いはコンプレッサーホイール等をいう。

ラジアルタービンの構造としては、シャフトがすべてセ
ラミックから構成されるもの、第２図に示されるように
セラミックのシャフトと金属のシャフトを結合した構造
のものあるいはシャフトが金属のみから成り、金属製シ
ャフトが回転体部の中心を貫通する構造のもの等がある
。

なお、ローターの不つり合いの大きさの測定は、勤王つ
り合い試験機を用いて行いセラミックローターの両端面
を修正面として設定し、各修正面での不つり合いの大き
さを測定するものとする。

本発明はセラミックローターのバランス修正をセラミッ
ク体のみで行ない、第１図乃至第３図に示すように、セ
ラミックローターのボス部、ハブ部および／または翼部
の一部を研削するものであり、金属ピンのようなセラミ
ック以外の材料を用いてバランス修正を行なうものでは
ない。

またセラミック研削部は第１図乃至第３図に示す部位に
限らず、性能に影響を与えないセラミック部分であれば
ボス部、ハブ部および／または翼部のどこでも構わない
。

なお、ローターに許容される不つり合いの大きさは、ロ
ーターに用いる材料特性、特に機械的強度と回転体先端
の周速度により異なるが、圧力波式過給機やターボチャ
ージャー、ガスタービンエンジンに用いるローターの場
合、通常用いられるＳｉ３Ｎ４　、ＳｉＣ，サイアロン
等のセラミック材料の強度は４点曲げ強度で３０　Ｋｇ
／ｃｍｔ以上であり、またローターの周速度も１００　
　ｍ／ｓｅｃ以上であるためローターのセラミック部の
不つり合いの大きさは最大０．５ｇ−ｃｍまでとするこ
とが必要である。この理由は、ローターのセラミック部
の不つり合いの大きさが０．５ｇ□ｃｍよりも大きいロ
ーターの場合には、高速回転時セラミック部に局所的に
過大な応力が加わり、その部分から破壊しやすいからで
ある。

次に本発明を実施例に基づいて説明する。

実施例１ 押し出し成形法により第１図に示すようなローターの直
径が１１８　ｍｍφ、軸方向の長さが１１２　ｍｍの圧
力波式過給機用焼結５ｌｓＮａ製セラミツクローターを
２個作製しｋｌ、２とした。不つり合いの大きさを測定
したところＮａ　１０−ターは１．５ｇ・Ｃｌ１１．、
Ｎ［１２０−ターは５．６　ｇ−ｃｍを示した。そこで
不つり合いの大きさ５．６ｇ−ｃｍのＮｌ１２０−ター
について不つり合いを示すセラミック翼部研削部８をダ
イヤモンド砥石で研削することにより、不つり合いの大
きさが０．３　ｇ　−ｃｖａとなるように研削した。得
られた２個の圧力波式過給機用ローターについて、金属
製シャフトを取付けた後、全体の不つり合いの大きさが
０．１ｇ−ｃｍになるようにバランス調整し室温でコー
ルドスピン試験を実施した。

その結果第１表および第４図に示すようにセラミック部
の不つり合いの大きさ０．３　ｇ　−ｃｍの阻２０−タ
ーは３１０００　ＲＰ　Ｍ　（周速度１９１　ｍ／ｓｅ
ｃ　）まで破壊することなく何らの異常もなかったのに
対し、セラミック部の不つり合いの大きさ１．５　ｇ　
−ｃｍのＮα１Ｃ１−ターは１４８００　ＲＰ　Ｍ　（
周速度９１ｍ／ｓｅｃ　）でローターがバラバラに破壊
した。

実施例２ スリップキャスト法により、第３図に示すような翼部３
の最大直径が９０ｍｍの軸流型ガスタービン用ローター
の翼部３を５ｔｚＮ、焼結体およびＳｉＣ焼結体でそれ
ぞれ作製し、さらにそれらと同様な材質によりホットプ
レス法でハブ部６のディスクをそれぞれ作製した。そし
てハブ部６の溝部に翼部３を、翼部材料がＳ　ｉ　ｓ　
Ｎ　ａの場合は５ｉｚＮ４スリツプをＳｉＣの場合には
ＳｉＣスリップを塗布して、１つ１つ嵌め合せた後、ホ
ットプレスを行うことによりハブ部６と翼部３を一体的
に接合し、各材質２個ずつ計４個のガスタービン用ロー
ターを作製しＮα３〜Ｎα６とした。そして得られたセ
ラミックローターを勤王つり合い試験機により不つり合
いの大きさを測定し、各材料の２個のローターの内１個
のローターについて不つり合いの大きさが０．０５ｇ　
−ｃｍとなるようダイヤモン砥石によ・リセラミックハ
ブ研削部９を研削して修正調節し、残りの１個はそのま
まとした。４個のセラミックローターの最終的な不つり
合いの大きさはＳ　ｉ　ｘ　Ｎ　４のローターでは０．
０５ｇ　−ｃｔｓと１．９　ｇ−ｃｍ、、ＳｉＣのロー
ターでは０．０５ｇ　−ｃｍと０．７　ｇ　−ｃｍであ
った。

そしてこれら４個のガスタービン用ローターについて回
転試験機により徐々に回転数を増やしながら回転試験を
行った結果、セラミック部の不つり合いの大きさを０．
０５ｇ−ｃ＋＋＋に修正したＮα３．Ｎα５のローター
は、いずれも１ＯＯＯＯＯＲＰ　Ｍ　（周速度４７０ｍ
／５ｅｃ）までの回転試験でも異常は認められなかった
。これに対し、セラミック部の不つり合いの大きさ２．
３　ｇ−ｃｍ、最終不つり合いの大きさ１．９　ｇ　−
ｃｍのＮα４のＳ　ｉ　ｓ　Ｎ　ａ　ローターおよびセ
ラミック部の不つり合いの大きさ１．０　ｇ−ｃｍ、最
終不つり合いの大きさ０．７ｇ−ＣＩｌｌのＮα６のＳ
ｉＣのローターは、いづれも３００００　ＲＰ　Ｍ　（
周速度１４１ｍ／５ｅｃ）の回転試験で翼部が破壊した
。

実施例３ 射出成形法により第２図に示すような翼部の最大直径が
７０ｍｍおよび５０ｍ５＋の翼部３とセラミックシャフ
ト４の一部とが一体的なラジアル型ターボチャージャー
用セラミックローターを６個窒化珪素で作製しＮｏ、　
７〜Ｎｏ、　１２とした。

そしてセラミック部分の不つり合いの大きさを勤王つり
合い試験機にて測定したところ第１表に示すように各々
１．３　ｇ　−ｃｍ、　０．９　ｇ　−ｃｔａ、　１．
０　ｇ　・ｃｍ、　１．２　ｇ　−ｃｒａ、　０．７　
ｇ　−ｃｍ、　１．０　ｇ　−ｃｍの不つり合いの大き
さを示した。Ｎα７．Ｎα９．　Ｎｏ、１０．　Ｎα１
１、Ｎα１２のローターについてセラミック翼部３のセ
ラミック研削部９．１０をダイヤモンド砥石で研削し、
不つり合いの大きさを各々０．０８ｇ　−ｃｍ。

０．６　ｇ　−ｃａ、　０．７　ｇ　−ｃｍ、　０．４
５ｇ　−ｃｍ、　０．２　ｇ　・ｃｒａに修正した。こ
うして得られたＮα７〜Ｎα１２の６個のターボチャー
ジャー用セラミックローターをそれぞれ第２図に示すよ
うに金属製シャフト５に取り付け、全体の不つり合いの
大きさがＮｏ、　７　、　Ｎｏ。

８のローターは０．００５　ｇ　−ｃｍ、　Ｎα９〜Ｎ
ａ１２のローターは０．００２　ｇ−ｃｍになるように
さらにバランス調整し、回転試験機により徐々に回転数
を増やしながら、試験を行なった結果、第１表および第
４図に示すようにセラミック部の不つり合いの大きさが
０．５ｇ−ｃｍ以下のＮα７．　Ｎｏ、１１＝　ｋ１２
のローターは１２８００ＯＲＰ　Ｍ　（周速度４６９　
ｍ／ｓｅｅ　）でも、何らの異常も認められなかった。

これに対しセラミック部の不つり合いの大きさが０．５
ｇ−ｃｍを越えるＮα８．Ｎα９．Ｎα１０のローター
は最高１２０００ＯＲＰＭ（周速度３１４　ｏ＋／ｓｅ
ｃ　）でローター翼部が破壊した。

第４図は第１表に示す実施例において、ローターのセラ
ミック部に金属部材を組みつけ前にセラミック部を研削
したローターのセラミック部のみの不つり合いの大きさ
と周速との関係で、セラミック部の破損限界を示す図、
第５図は同じく第１表に示す実施例において、ローター
のセラミック部に金属部材を組みつけ後に金属部材その
他を研削して、ローター全体の最終年つり合いの大きさ
と周速との関係で、セラミック部の破損の有無を示す図
である。

第５図より明らかなように、最終年つり合いの大きさが
０．００２　、０．００５　ｇ　−ｃｔｓで破壊するも
のもあれば、０．０５．０．１　ｇ　−ｃｍで破壊しな
いものもあり、金属シャフト取り付は後最終不つり合い
の大きさと周速には何ら相関性が認められない、これに
対し第４図では、ローターのセラミック部のみの不つり
合いの大きさが０．５　ｇ　−ｃｍまでとなるとロータ
ーのセラミック部の破損は周速の大小に関係なく生じな
いが、ローターのセラミック部の不つり合いの大きさが
０．５　ｇ−ｃｍ以上となると、周速の小さいときでも
ローターのセラミック部の破損を生ずるので、ローター
のセラミック部のみの不つり合いの大きさが最大０．５
ｇ−ＣＩＩ＋まででないと高速回転時にセラミック部が
破壊してしまうことが明らかであり、ここに該ローター
のセラミック部のみの不つり合いの大きさを最大０．５
ｇ−ｃｍまでと規定したことに臨界的重要な意義がある
。

従ってセラミック部のバランス調整は、金属部材の組み
つけ前に修正しないと効果がないとすることが第１表、
第４図および第５図の対比により証明せられた。

なお、本発明におけるセラミック研削部は、単に実施例
１，２．３に記載した研削部のみでなく、ボス部、ハブ
部および／または翼部の性能に影響を与えない部位なら
どこでも構わない、従って第１図乃至第３図に示される
研削部位に限定されるものではない。

以上の説明から明らかなように、本発明により得られた
セラミックローターは、回転体部と回転体支持部から成
るローターの少なくとも回転体部がセラミックで形成さ
れ、かつそのセラミック部の不つり合いの大きさが最大
０．５ｇ−ｃｌｌｌまでであるので、高温高速回転時に
もセラミック部に不つり合いにより発生する不均質な応
力が小さく、従って高温高速回転においてもセラミック
部の破損がなく耐久性に優れているものであり、圧力波
式過給機、ターボチャージャーやガスタービンエンジン
用のローターとして利用できるものであり、従って産業
上極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧力波式過給機用ローターの構成図、第２図は
ラジアル型ターボチャージャー用ローターの構成図、 第３図は軸流型ガスタービン用ローターの構成図、 第４図は実施例のローターのセラミック部子つり合い量
と周速との関係を示す図、 第５図は実施例の口―ターに金属シャフトを取り付けた
後の全体の不つり合い量と、周速との関係を示す図であ
る。 １・・・貫通孔　　　　　　２・・・軸孔３・・・翼部 ４・・・セラミック製シャフト ５・・・金属製シャフト　　６・・・ハブ部７・・・ボ
ス部 ８・・・セラミック翼部研削部 ９・・・セラミックボス部研削部 １０・・・セラミックハブ部研削部 特許出願人　　日本碍子株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ボス部、ハブ部および／またはシャフト部および翼
   部が一体のセラミックスよりなるセラミックローターに
   おいて、これを他の金属部材組みつけ前に該セラミック
   ローターの前記ボス部、ハブ部および／または翼部の一
   部を研削することにより、ローターに残される許容不つ
   り合いの大きさをローターのセラミック部分のみで最大
   ０．５ｇ・ｃｍまでとした後、金属部材を組みつけてセ
   ラミックローター全体のバランス修正をすることを特徴
   とするセラミックローターのバランス修正方法。 ２、セラミックが窒化珪素、炭化珪素あるいはサイアロ
   ンから成る特許請求の範囲第１項記載のセラミックロー
   ターのバランス修正方法。 ３、セラミックローターが圧力波式過給機用ローターで
   ある特許請求の範囲第１項又は第２項に記載のセラミッ
   クローターのバランス修正方法。 ４、セラミックローターがラジアル型ターボチャージャ
   ー用ローターである特許請求の範囲第１項又は第２項に
   記載のセラミックローターのバランス修正方法。 ５、セラミックローターが軸流型ガスタービン用ロータ
   ーである特許請求の範囲第１項又は第２項に記載のセラ
   ミックローターのバランス修正方法。