JPH048601B2

JPH048601B2 -

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Publication number: JPH048601B2
Application number: JP1261267A
Authority: JP
Priority date: 1989-10-07
Filing date: 1989-10-07
Publication date: 1992-02-17
Also published as: JPH02252903A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は圧力波式過給機やラジアル型ターボチ
ヤージヤーに用いるセラミツクローターに関する
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、圧力波式過給機やラジアル型タ
ーボーチヤージヤーの場合、800℃〜1500℃で周
速100ｍ／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、Co基を中心
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1000℃以上もの高温に長時間耐えること
が困難で、しかも価格的にも極めて高く、従つて
これらの耐熱金属に代わる材料としてSi₃N₄、
SiC、サイアロン等で代表される高温特性に優れ
たセラミツク材料の応用が研究されている。この
ようなセラミツ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
ようにセラミツ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ヤージヤーローターの
場合、第２図に示すようにローター翼部３をセラ
ミツクで形成し、シヤフトを金属製シヤフト５お
よびセラミツク製シヤフト４の複合体で形成した
もの、等がある。ところが、これらいずれのセラミツクローター
においてもセラミツ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ツク部にかかる大
きな引張応力のため、そこから破損するという致
命的な欠点があつた。従つ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
ミツク材料を用いる必要があつた。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、セラミツクローター部破損の原
因を詳細に検討した結果、破損の原因が脆性材料
であるセラミツク部分のみの大きな不つり合いに
あることを見出した。すなわち、従来のセラミツクローターにおいて
は、脆性材料であるセラミツク部分のみの不つり
合いが大きいため、高温高速回転時に局所的に過
大な応力が加わり、その部分から破壊することが
明らかとなつたのである。従つて本発明は、ロー
ターを形成するセラミツク部分のみの不つり合い
を一定値以下に抑えることにより、高温高速回転
時にも破損がないセラミツ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／またはシヤフ
ト部および翼部が一体のセラミツクスよりなるセ
ラミツクローターにおいて、これを他の金属部材
組みつけ前に金属軸を用いることなく、セラミツ
クローター部分のみで不つり合い量を測定し、測
定された不つり合い量を所定値0.5ｇ・cmと比較
し、該セラミツ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、セラミツクローター部分に残される許容不つ
り合い量をローターのセラミツク部分のみで最大
0.5ｇ・cmまでに修正した後、金属部材を組みつ
けてセラミツクローター全体のバランス修正をす
るものである。なお、本発明におけるセラミツクローターとし
ては、圧力波式過給機用ローター、ターボチヤー
ジヤー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、SiC、サイアロン等
のセラミツクから成り、回転体支持部はこれらの
セラミツ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、かつセラミツク部分の
みの不つり合い量が最大0.5ｇ・cmまで好ましく
は0.1ｇ・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ツク部の不つり合い量によ
り、局所的に大きな応力が発生することもなく、
従つてセラミツク部の破損が極めて起こりにくく
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
ミツ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、シヤフト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／またはシヤフト部および翼部が一
体のセラミツクローターと組みつけられる金属製
のシヤフト、軸受あるいはコンプレツサーホイー
ル等をいう。ラジアルタービンの構造としては、シヤフトが
すべてセラミツクから構成されるもの、第２図に
示されるようにセラミツクのシヤフトと金属のシ
ヤフトを結合した構造のものあるいはシヤフトが
金属のみから成り、金属製シヤフトが回転体部の
中心を貫通する構造のもの等、即ち、金属軸等を
用いることなくセラミツクローターのみでバラン
ス測定できる構造のセラミツクローターが対象と
なる。なお、ローターの不つり合い量の測定は、動不
つり合い試験機を用いて行いセラミツクローター
の両端面を修正面として設定し、各修正面での不
つり合い量を測定するものとする。本発明におけるセラミツクローターのバランス
修正はセラミツク体のみで行ない、第１図および
第２図に示すように、セラミツクローターのボス
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ツク以外の
材料を用いてバランス修正を行なうものではな
い。またセラミツク研削部は第１図および第２図に
示す部位に限らず、性能に影響を与えないセラミ
ツ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量は、
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
機やターボチヤージヤー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
のセラミツク材料の強度は４点曲げ強度で30Kg／
cm²以上であり、またローターの周速も100ｍ／sec
以上であるためローターのセラミツク部の不つり
合い量は最大0.5ｇ・cmまでとすることが必要で
ある。この理由は、ローターのセラミツク部分の
みの不つり合い量が0.5ｇ・cmよりも大きいロー
ターの場合には、高速回転時セラミツク部に局所
的に過大な応力がかかり、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118mmφ、軸方向の長さが112mmの圧
力波式過給機用焼結Si₃N₄製セラミツクローター
を２個作製しNo.１、２とした。不つり合い量を測
定したところNo.１ローターは1.5ｇ・cm、No.２ロ
ーターは5.6ｇ・cmを示した。そこで不つり合い
量5.6ｇ・cmのNo.２ローターについて不つり合い
を示すセラミツク翼部研削部８をダイヤモンド砥
石で研削することにより、不つり合い量が0.3
ｇ・cm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、金属製シヤフ
トを取付けた後、全体の不つり合い量が0.1ｇ・
cmになるようにバランス修正し室温でコールドピ
ストン試験を実施した。その結果第１表および第
３図に示すようにセラミツク部の不つり合い量
0.3ｇ・cmのNo.２ローターは31000RPM（周速191
ｍ／sec）まで破壊することなく何らの異常もな
かつたのに対し、セラミツク部の不つり合い量
1.5ｇ・cmのNo.１ローターは14800RPM（周速91
ｍ／sec）でローターがバラバラに破壊した。実施例２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50mmの翼部３とセラミツクシ
ヤフト４の一部とが一体的なラジアル型ターボチ
ヤージヤー用セラミツクローターを６個焼結窒化
珪素で作製しNo.３〜No.８とした。そしてセラミツク部分の不つり合いを動不つり
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1.3ｇ・cm、0.9ｇ・cm、1.0ｇ・cm、1.2
ｇ・cm、0.7ｇ・cm、1.0ｇ・cmの不つり合い量を
示した。No.３、No.５、No.６、No.７、No.８のロータ
ーについてセラミツク翼部３のセラミツク研削部
９，１０をダイヤモンド砥石で研削し、不つり合
い量を各々0.08ｇ・cm、0.6ｇ・cm、0.7ｇ・cm、
0.45ｇ．cm、0.2g・cmに修正した。こうして得ら
れたNo.３〜No.８の６個のターボチヤージヤー用セ
ラミツクローターをそれぞれ第２図に示すように
金属製シヤフト５に取り付け、全体の不つり合い
量がNo.３のローターは0.005ｇ・cm、No.５のロー
ターは0.002ｇ・cmになるようにさらにバランス
修正し、回転試験機により目的とする所定の周速
まで徐々に回転数を増やしながら、試験を行なつ
た結果、第１表および第３図に示すようにセラミ
ツク部の不つり合い量が0.5ｇ・cm以下のNo.３、
No.７、No.８のローターは128000PRM（周速469
ｍ／sec）、140000RPM（周速366ｍ／sec）、およ
び149000RPM（周速390ｍ／sec）でも、何らの異
常も認められなかつた。これに対しセラミツク部
の不つり合い量が0.5ｇ・cmを越えるNo.４、No.５、
No.６のローターは45600RPM（周速167ｍ／sec）、
120000RPM（周速314ｍ／sec）、95500RPM（周速
250ｍ／sec）で目的とする周速に達する前に破損
した。

【表】第３図は第１表に示す実施例において、ロータ
ーのセラミツク部に金属部材を組みつけ前にセラ
ミツク部を研削したローターのセラミツク部のみ
の不つり合い量と周速との関係で、セラミツク部
の破損限界を示す図、第４図は同じく第１表に示
す実施例において、ローターのセラミツク部に金
属部材を組みつけた後に金属部材その他を研削し
て、ローター全体の最終不つり合い量と周速との
関係で、セラミツク部の破損の有無を示す図であ
る。第４図より明らかなように、最終不つり合い量
が0.002、0.005ｇ・cmで破壊するものがあれば、
0.1ｇ・cmで破壊しないものもあり、金属シヤフ
ト取り付け後の最終不つり合い量と周速には何ら
相関性が認められない。これに対し第３図では、
ローターのセラミツク部のみの不つり合い量が
0.5ｇ・cmまであると、ローターの周速の大小、
種類や大きさに関係なく、ローターのセラミツク
部の破損は生じないが、ローターのセラミツク部
の不つり合い量が0.5ｇ・cm以上であると、周速
の小さいときでもローターのセラミツク部の破損
を生ずるので、ローターのセラミツク部のみの不
つり合い量が最大0.5ｇ・cmまででないと高速回
転時にセラミツ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ツク部のみ
の不つり合い量を最大0.5ｇ・cmまでと規定した
ことに臨界的重要な意義がある。従つてセラミツ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３図および第４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ツク研削部は、単
に実施例１、２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。従つて第１
乃至第２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ツクで形成され、かつそのセ
ラミツク部分のみの不つり合い量が0.5ｇ・cm以
下であるので、高温高速回転時にもセラミツク部
に発生する不均質な応力を効果的に防止でき、従
つて高温高速回転においてもセラミツク部の破損
がなく耐久性に優れているものであり、圧力波式
過給機、ターボチヤージヤ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、
従つ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ヤージヤー用ロータ
ーの構成図、第３図は実施例のローターのセラミ
ツク部不つり合い量と周速との関係を示す図、第
４図は実施例のローターに金属シヤフトを取り付
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…
…セラミツク製シヤフト、５……金属製シヤフ
ト、６……ハブ部、７……ボス部、８……セラミ
ツク翼部研削部、９……セラミツクボス部研削
部、１０……セラミツクハブ部研削部。

Claims

【特許請求の範囲】１ボス部、ハブ部および／またはシヤフト部お
よび翼部が一体のセラミツクスよりなるセラミツ
クローターにおいて、これを他の金属部材組みつ
け前に金属軸を用いることなく、セラミツクロー
タ一部分のみで不つり合い量を測定し、測定され
た不つり合い量を所定値0.5ｇ・cmと比較し、該
セラミツ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、セ
ラミツクローター部分に残される許容不つり合い
量をローターのセラミツク部分のみで最大0.5
ｇ・cmまでに修正した後、金属部材を組みつけて
セラミツ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ツクローターのバランス修
正方法。２セラミツクが窒化珪素、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
ラミツクローターのバランス修正方法。３セラミツ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
載のセラミツクローターのバランス修正方法。４セラミツクローターがラジアル型ターボチヤ
ージヤー用ローターである特許請求の範囲第１項
又は第２項に記載のセラミツクローターのバラン
ス修正方法。