JPH03229903A - セラミック製タービンロータ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、燃焼ガスが導入されることによって回転す
るセラミック製タービンロータに関する。

（従来の技術） 自動車用エンジンのターボチャージャにおけるタービン
ロータは、従来耐熱性に優れた金属により構成されてい
たが、近年では耐熱性が優れると同時に軽量であるセラ
ミックが使用される場合がある。ところがセラミックは
、軽量であるためターボチャージャとしての回転応答性
の向上を達成できるものの、耐衝撃強度が低く脆いため
、排出ガス中に含まれる、エンジン内で発生した金属片
や酸化スケールなどの異物が翼部に衝突することで、亀
裂が生したり、破損に至る場合がある。

このため従来では、第５図に示すセラミック製ラジアル
タービンロータのように、回転軸１と一体に設けた翼部
３の先端に、多孔質のアルミナやジルコニアなどのセラ
ミック材を、異物に対する緩衝被膜５として溶射によっ
て形成したものがある（実願昭５９−１３５１６８号参
照）。

その他、耐衝撃強度向上を目的とした公知例として、翼
部先端に金属を含浸させた多孔質層を形成したもの（特
開昭６３−２９００１号公報）、同金属被膜層を形成し
たちのく特開昭６２−６０３号公報）、タービンロータ
をセラミック繊維を含むセラミック成形体とし、翼部先
端の繊維配向方向を翼部の放射方向として強度向上を図
ったたちの（特開昭６１−２９１７０２号公報）、翼部
先端を湾曲させて、異物に対する逃げ角を大きくしたち
のく実開昭６３　９２００１号公報）などがある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、多孔質のセラミック材を翼部先端に被膜
したものは、異物の衝突により被膜層自身が破壊される
ことで、衝突エネルギを吸収する構成であるため、異物
衝突による被膜の破片が２次的な異物となって翼部に衝
突したり、複数回の異物衝突により被膜が剥離、脱落し
てしまい、緩衝効果の耐久性、信頼性が低いという問題
がある。

金属被膜層を形成したものは、長期の使用において金属
被膜が剥離する虞があり、タービンロータとしての耐久
性が充分ではない。

セラミック繊維を翼部の放射方向に配向したものは、射
出成形時に抵抗が少いように翼部先端に向かって流れる
セラミック繊維が、翼部の先端部位では放射方向と直交
する方向に配列するので、このままでは先端部位が脆く
、したがってこの先端部位を成形後研削除去するという
煩雑な作業が必要となる。

また、翼部先端を湾曲させたものについては、先端部で
の異物に対する逃げ角が大きくなり、異物衝突による衝
撃力が緩和されるものの、異物は依然として衝撃強度の
低いセラミック材に衝突するので、亀裂などの発生は避
けられないものとなっている。

そこでこの発明のセラミック製タービンロータは、」１
記従来の問題点を解消し、異物に対する耐衝撃強度を向
上させることを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前述した課題を解決するためにこの発明は、回転軸に対
して放射状に配置される複数の翼部を有し、この翼部の
燃焼ガス流入側の正圧面部を、正圧面部と反対側の負圧
面部より熱膨張係数の小さい材料で形成したものである
。

（作用） 燃焼ガスによって高温化するタービンロータの翼部にお
ける燃焼ガス流入側の正圧面部は、負圧面部に比べて熱
膨張量が少ないものとなる。このため、正圧面部には内
部応力として引張応力が作用し、一方負圧面部には内部
応力として圧縮応力が作用する。内部応力として圧縮応
力が作用した場合には、引張応力が作用した場合に比べ
て異物衝突による耐衝撃強度が向上する。異物は通常燃
焼ガス流入側の正圧面部と反対側の負圧面部に衝突する
ので、この負圧面部が強化されることで翼部の亀裂、破
損が防止される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を第１図ないし第４図に基づき
説明する。

第１図及び第２図はこの発明の第１の実施例を示してい
る。第２図は自動車用エンジンのターボチャージャにお
けるセラミック製タービンロータ７周辺の断面図である
。タービンロータ７は回転軸としてのロータ軸９と翼部
１１とが一体成形されたもので、タービンハウジング１
３内に収納される。タービンハウジング１３により、エ
ンジンから排出される燃焼ガスの通路となるスクロール
部１５が形成される。スクロール部１５を燃焼ガスが第
２図中で紙面表側から裏側に向けて通過することで、タ
ービンロータ７は第１図中で右方向に回転する。タービ
ンロータ７の背面側（第２図中で右側）には、高温の燃
焼ガスを遮熱するヒートインシュレータ１７が設けられ
ている。

タービンロータ７の翼部１１先端のスクロール部１５に
面して燃焼ガスを導入するインデューサ部１９において
、燃焼ガス圧を直接受ける燃焼ガス流入側の正圧面部１
９ａに、タービンロータ７を構成する材料の熱膨張係数
β７より小さい熱膨張係数β２．を有するチップ材２１
を一体化して設けである。これにより、燃焼ガス流入側
の正圧面部１９ａは、正圧面部１９ａと反対側の負圧面
部１９ｂより熱膨張係数の小さい材料で形成されること
になる。チップ材２１は薄板状に形成され、その厚さは
インデューサ部１つにおける翼部１１の厚さのほぼ半分
である。

」―記チップ材２］のタービンロータ７への一体化は、
次のようにして行う。タービンロータ７本体及びチップ
材２１について、それぞれのセラミック原料に熱可塑性
樹脂などを添加して射出成形機にて成形し、これら成形
体を脱脂炉中に入れて樹脂抜きを行い、その後両者相互
をコールド静水圧プレスで一体化する。−休止した成形
体は、焼結後仕上り劾ｌ工を行う。また、タービンロー
タ７本体を焼結後、チップ材２１をプラズマコーティン
グにより一体化してもよい。

このようにして得られたタービンロータ７においては、
インデューサ部１９の正圧面部１９ａと負圧面部１９ｂ
との間には熱膨張差があるなめに、高温作動領域にてイ
ンデューサ部１９には正圧面部１９ａと負圧面部１９ｂ
とが相互に引張り合って熱応力が内部応力として作用す
る。すなわち、熱膨張係数の小さい正圧面部１９ａ側に
は引張応力が、熱膨張係数の大きい負圧面部１９ｂ側に
は圧縮応力がそれぞれ作用する。

このような与負荷応力状態での耐粒子（舅物）衝突強度
は、第３図に示すように、引張応力が作用するよりも圧
縮応力が作用するほうが高いものとなる。これにより、
燃焼ガス中に含まれる金属片や酸化スケールなどの異物
ｍが衝突する側の負圧面部１９ｂの耐衝撃強度が高くな
り、異物ｍが翼部１１に衝突することによる亀裂及び破
損が防止される。

但し、ここで注意すべきことは、正圧面部］−９ａ側の
チップ材２１には引張応力が作用することから、両者の
熱膨張係数の差Δβ＝β７−β２．を、あまり大きく取
り過ぎると、チップ材２１が内部応力で破損する恐れが
ある。このため熱膨張係数の差Δβは、タービンロータ
７の作動温度Ｔ１両者のヤング率Ｅ及び材料強度σなど
を勘案して決定する必要がある。通常タービンロータ７
は窒化珪素、サイアロン、炭化珪素などで作られるため
、Ｅ＝２．６〜４．５Ｘ１０’　　［ｋｇ／ｍｍ２］、
σ＝４０〜１００［ｋｇ／ｍｍ２］程度であるから、Ｔ
＝８００〜１４００［℃］とすると、Δβ≦０．５Ｘ１
０−６［１／°Ｃ］程度が望ましい。

第４図はこの発明の第２の実施例を示している。

この実施例は、インデューサ部１９の負圧面部１９ｂ側
に、タービンロータ７本体の熱膨張係数β７より大きい
熱膨張係数β２．を有するチップ材２３を、前記第１の
実施例におけるチップ材１つと同様に一体化したもので
ある。これにより、燃焼ガス流入側の正圧面部１９ａは
、正圧面部１９ａと反対側の負圧面部１９ｂより熱膨張
係数の小さい材料で形成されることになる。チップ材２
３は薄板状に形成され、その厚さはインデューサ部１つ
における翼部１１の厚さのほぼ半分である。

この場合も、熱膨張係数の大きい側のチップ材２３に内
部応力として圧縮応力が作用するため、異物ｍによる耐
衝撃強度が向」ニし、翼部１１の亀裂及び破損が防止さ
れる。

なお、」１記実施例ではラジアルタービンについて説明
したが、軸流タービンにこの発明を適用しても同様の効
果が得られる。

Ｕ発明の効果コ 以上説明してきたようにこの発明によれば、翼部の燃焼
ガス流入側の正圧面部を、正圧面部と反対側の負圧面部
より熱膨張係数の小さい材料で形成したため、燃焼ガス
中の異物が衝突する熱膨張係数の大きい材料からなる負
圧面部には、高温時にて内部応力として圧縮応力が作用
することになり、この圧縮応力が作用する負圧面部の耐
衝撃強度が向上し、翼部の亀裂及び破損を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す第２図のＩ−Ｉ
線断面図、第２図はタービンロータ回りの断面図、第３
図は内部応力が作用している状態での耐粒子衝突強度を
示すグラフ、第４図はこの発明の第２の実施例を示す断
面図、第５図は従来例によるタービンロータの一部を示
す斜視図である。 ７−・・タービンロータ ９−・・ロータ軸（回転軸） １１・・・翼部 ０ １９ａ・・正圧面部 １９ｂ・・・負圧面部 ２１．２３・・・チップ材 ｍ・・・異物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転軸に対して放射状に配置される複数の翼部を有し、
   この翼部に対して燃焼ガスが導入されて回転するセラミ
   ック製タービンロータにおいて、前記翼部の燃焼ガス流
   入側の正圧面部を、正圧面部と反対側の負圧面部より熱
   膨張係数の小さい材料で形成したことを特徴とするセラ
   ミック製タービンロータ。