JPH0610602A - セラミックラジアルタービンローター - Google Patents
セラミックラジアルタービンローターInfo
- Publication number
- JPH0610602A JPH0610602A JP4172141A JP17214192A JPH0610602A JP H0610602 A JPH0610602 A JP H0610602A JP 4172141 A JP4172141 A JP 4172141A JP 17214192 A JP17214192 A JP 17214192A JP H0610602 A JPH0610602 A JP H0610602A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- blade
- turbine rotor
- inlet side
- radial turbine
- gas inlet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Supercharger (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】セラミックラジアルタービンローターを回転さ
せる排気ガス中に混入して飛来する未燃焼の燃料から発
生するカーボン粒子や、高温の排気ガスに曝される金属
製の排気ガス通路から生じる金属酸化物等の異物による
翼部の損傷が発生しない均質かつ耐久性に優れたセラミ
ックラジアルタービンローターを得る。 【構成】セラミックラジアルタービンローター１の翼部
２の最外周部であるガス入口側３の翼先端部４の実用的
な最低周速、および排気ガス中に混入して飛来し、ガス
入口側３の翼先端部４を破損する可能性のある異物の実
際的な最小重量の条件下における翼部２の破壊靱性値
（ＫIC）から、ガス入口側３の翼先端部４の最小の肉厚
ｔを設定する。
せる排気ガス中に混入して飛来する未燃焼の燃料から発
生するカーボン粒子や、高温の排気ガスに曝される金属
製の排気ガス通路から生じる金属酸化物等の異物による
翼部の損傷が発生しない均質かつ耐久性に優れたセラミ
ックラジアルタービンローターを得る。 【構成】セラミックラジアルタービンローター１の翼部
２の最外周部であるガス入口側３の翼先端部４の実用的
な最低周速、および排気ガス中に混入して飛来し、ガス
入口側３の翼先端部４を破損する可能性のある異物の実
際的な最小重量の条件下における翼部２の破壊靱性値
（ＫIC）から、ガス入口側３の翼先端部４の最小の肉厚
ｔを設定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガスタービンやターボチ
ャージャー等に用いられるセラミックラジアルタービン
ローターに関するものである。
ャージャー等に用いられるセラミックラジアルタービン
ローターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、各種の産業機械装置における高温
雰囲気下で使用される回転体には、機械的強度および耐
熱性、耐摩耗性に優れ、比重が小さいことにより軽量化
が実現できるセラミックスの特徴を利用して、窒化珪素
（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、サイアロン及び炭化珪素（ＳｉＣ）等
のセラミック焼結体を用いた回転体、とりわけ窒化珪素
質焼結体から成るセラミックラジアルタービンローター
が種々研究され提案されてきた。
雰囲気下で使用される回転体には、機械的強度および耐
熱性、耐摩耗性に優れ、比重が小さいことにより軽量化
が実現できるセラミックスの特徴を利用して、窒化珪素
（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、サイアロン及び炭化珪素（ＳｉＣ）等
のセラミック焼結体を用いた回転体、とりわけ窒化珪素
質焼結体から成るセラミックラジアルタービンローター
が種々研究され提案されてきた。
【０００３】従来、この種のセラミックラジアルタービ
ンローターは高い熱効率を実現するために、より高温高
圧の燃焼ガスを導入して回転数を増すようにしていた
が、該ローターは回転数が増せば増す程、発生する遠心
力も大となることから、翼部と該翼部に続くハブ部を含
めたセラミックラジアルタービンローター自体に発生す
る応力も増大し、該ローター自体が破壊に至る可能性が
極めて大きくなるため、翼部の付け根に作用する遠心応
力を可能な限り軽減するとともに、該遠心応力が局部的
に発生するのを防止する必要があった。
ンローターは高い熱効率を実現するために、より高温高
圧の燃焼ガスを導入して回転数を増すようにしていた
が、該ローターは回転数が増せば増す程、発生する遠心
力も大となることから、翼部と該翼部に続くハブ部を含
めたセラミックラジアルタービンローター自体に発生す
る応力も増大し、該ローター自体が破壊に至る可能性が
極めて大きくなるため、翼部の付け根に作用する遠心応
力を可能な限り軽減するとともに、該遠心応力が局部的
に発生するのを防止する必要があった。
【０００４】そのために翼部側面の付け根を大きな曲率
を有する曲面で形成するとともに、翼部の厚さを可能な
限り薄く形成することが行われていた。
を有する曲面で形成するとともに、翼部の厚さを可能な
限り薄く形成することが行われていた。
【０００５】しかしながら、前記セラミックラジアルタ
ービンローターの翼部厚さを薄く形成することにより、
翼部の付け根に作用する遠心応力を軽減することは可能
ではあるものの、一般にセラミック材料は金属材料に比
べて靱性が低く脆性材料であることから衝撃力に弱く、
セラミックラジアルタービンローターを回転させる排気
ガス中に混入して飛来する未燃焼の燃料から発生するカ
ーボン粒子や、高温の排気ガスに曝される金属製の排気
ガス通路から生じる金属酸化物等の異物が、ガス入口側
の前記翼先端部に衝突した際に、該翼先端部を破損させ
るという問題があった。
ービンローターの翼部厚さを薄く形成することにより、
翼部の付け根に作用する遠心応力を軽減することは可能
ではあるものの、一般にセラミック材料は金属材料に比
べて靱性が低く脆性材料であることから衝撃力に弱く、
セラミックラジアルタービンローターを回転させる排気
ガス中に混入して飛来する未燃焼の燃料から発生するカ
ーボン粒子や、高温の排気ガスに曝される金属製の排気
ガス通路から生じる金属酸化物等の異物が、ガス入口側
の前記翼先端部に衝突した際に、該翼先端部を破損させ
るという問題があった。
【０００６】そこで前記問題を解消するために、セラミ
ックラジアルタービンローターのハブ部を構成する窒化
珪素質焼結体の抗折強度からガス入口側の翼先端部の最
適肉厚を設定することが、特公平４−２７６１号公報等
に提案されている。
ックラジアルタービンローターのハブ部を構成する窒化
珪素質焼結体の抗折強度からガス入口側の翼先端部の最
適肉厚を設定することが、特公平４−２７６１号公報等
に提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ようにガス入口側の翼先端部の最適肉厚を、セラミック
ラジアルタービンローターのハブ部を構成する窒化珪素
質焼結体の抗折強度から設定した場合、一般に窒化珪素
質焼結体はその抗折強度が同一値であっても、該窒化珪
素質焼結体を構成する粒界相が異なるとセラミック材料
の靱性を示す破壊靱性値（ＫIC）が変化し、異物が翼先
端部に衝突した時の衝撃力は、前記破壊靱性値（ＫIC）
の変化に鋭敏に反応し、前記設定肉厚でも翼先端部の破
損を防止することができない恐れがあるという課題があ
った。
ようにガス入口側の翼先端部の最適肉厚を、セラミック
ラジアルタービンローターのハブ部を構成する窒化珪素
質焼結体の抗折強度から設定した場合、一般に窒化珪素
質焼結体はその抗折強度が同一値であっても、該窒化珪
素質焼結体を構成する粒界相が異なるとセラミック材料
の靱性を示す破壊靱性値（ＫIC）が変化し、異物が翼先
端部に衝突した時の衝撃力は、前記破壊靱性値（ＫIC）
の変化に鋭敏に反応し、前記設定肉厚でも翼先端部の破
損を防止することができない恐れがあるという課題があ
った。
【０００８】
【発明の目的】本発明は上記課題を解消せんとしてなさ
れたもので、その目的はセラミックラジアルタービンロ
ーター翼部の最外周部であるガス入口側の翼先端部の周
速、および排気ガス中に混入して飛来し、ガス入口側の
翼先端部を破損する可能性のある異物の重量等の最低使
用条件下における翼部の破壊靱性値（ＫIC）から、ガス
入口側の翼先端部の最小の肉厚を設定し、前記異物によ
る翼部の損傷が発生しない均質かつ耐久性に優れたセラ
ミックラジアルタービンローターを提供するものであ
る。
れたもので、その目的はセラミックラジアルタービンロ
ーター翼部の最外周部であるガス入口側の翼先端部の周
速、および排気ガス中に混入して飛来し、ガス入口側の
翼先端部を破損する可能性のある異物の重量等の最低使
用条件下における翼部の破壊靱性値（ＫIC）から、ガス
入口側の翼先端部の最小の肉厚を設定し、前記異物によ
る翼部の損傷が発生しない均質かつ耐久性に優れたセラ
ミックラジアルタービンローターを提供するものであ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミックラジ
アルタービンローターは、窒化珪素質焼結体から成る翼
部を有するセラミックラジアルタービンローターにおい
て、ガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）と該翼先端部の
破壊靱性値（ＫIC）が、 ｔ≧３．０２−０．２９２ＫIC で表される関係式を満足し、かつ該翼先端部の破壊靱性
値（ＫIC）が４．３ＭＰｍ1/2 以上であることを特徴と
するものである。
アルタービンローターは、窒化珪素質焼結体から成る翼
部を有するセラミックラジアルタービンローターにおい
て、ガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）と該翼先端部の
破壊靱性値（ＫIC）が、 ｔ≧３．０２−０．２９２ＫIC で表される関係式を満足し、かつ該翼先端部の破壊靱性
値（ＫIC）が４．３ＭＰｍ1/2 以上であることを特徴と
するものである。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。
る。
【００１１】図１は、本発明のセラミックラジアルター
ビンローターの要部を示す一部破断図であり、図２は図
１に示したＡ−Ａ断面図、図３は図１に示したＢ−Ｂ断
面図である。
ビンローターの要部を示す一部破断図であり、図２は図
１に示したＡ−Ａ断面図、図３は図１に示したＢ−Ｂ断
面図である。
【００１２】図１、図２及び図３において、１はコーン
形状のハブ部５の外周に窒化珪素質焼結体から成る翼部
２を有し、更にガス入口側３の翼先端部４が肉厚ｔを有
するセラミックラジアルタービンローターである。
形状のハブ部５の外周に窒化珪素質焼結体から成る翼部
２を有し、更にガス入口側３の翼先端部４が肉厚ｔを有
するセラミックラジアルタービンローターである。
【００１３】次に、燃焼ガスを用いた異物衝突試験に
は、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、焼結助剤と
してイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）及び酸化タングステン（Ｗ
Ｏ3 ）等を含有し、表１に示すような種々の肉厚（ｔ）
と破壊靱性値（ＫIC）を組合せた翼先端部４を有する窒
化珪素質焼結体から成る最大翼外径約６０ｍｍのラジア
ルタービンローター本体に、析出硬化型合金であるイン
コロイ９０９等の金属部材６を結合したものを評価用試
料として作製した。
は、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、焼結助剤と
してイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）及び酸化タングステン（Ｗ
Ｏ3 ）等を含有し、表１に示すような種々の肉厚（ｔ）
と破壊靱性値（ＫIC）を組合せた翼先端部４を有する窒
化珪素質焼結体から成る最大翼外径約６０ｍｍのラジア
ルタービンローター本体に、析出硬化型合金であるイン
コロイ９０９等の金属部材６を結合したものを評価用試
料として作製した。
【００１４】かくして得られた評価用試料を、高温高速
回転試験機に装着し、排気ガス温度を９５０℃に制御
し、セラミックラジアルタービンローター翼部の最外周
部であるガス入口側の翼先端部の周速が、実用的な最低
値として経験的に想定される２５０ｍ／ｓｅｃとなるよ
うに稼働させ、一方、排気ガス中に混入して飛来する異
物として、翼先端部を破損する可能性のある実際的な最
小の経験値である重量が０．５ｍｇの鋼球を採用し、合
計して５個の鋼球を順次、ガス入口側の翼先端部にガイ
ドから送り込み異物衝突試験を行った。
回転試験機に装着し、排気ガス温度を９５０℃に制御
し、セラミックラジアルタービンローター翼部の最外周
部であるガス入口側の翼先端部の周速が、実用的な最低
値として経験的に想定される２５０ｍ／ｓｅｃとなるよ
うに稼働させ、一方、排気ガス中に混入して飛来する異
物として、翼先端部を破損する可能性のある実際的な最
小の経験値である重量が０．５ｍｇの鋼球を採用し、合
計して５個の鋼球を順次、ガス入口側の翼先端部にガイ
ドから送り込み異物衝突試験を行った。
【００１５】前記異物衝突試験後の評価用試料は、実体
顕微鏡による目視検査で欠けを、蛍光浸透探傷法にて割
れの有無を確認した。
顕微鏡による目視検査で欠けを、蛍光浸透探傷法にて割
れの有無を確認した。
【００１６】尚、前記破壊靱性値（ＫIC）は、窒化珪素
質焼結体の焼成条件を変更して設定し、異物衝突試験後
の評価用試料であるセラミックラジアルタービンロータ
ーを使用して図４に示すように、翼部２の先端から１ｍ
ｍ以内の翼先端部４にビッカース硬度計の圧子押し込み
により生じたクラックの大きさと圧痕の大きさを測定し
て数１に示す新原の式から算出した。
質焼結体の焼成条件を変更して設定し、異物衝突試験後
の評価用試料であるセラミックラジアルタービンロータ
ーを使用して図４に示すように、翼部２の先端から１ｍ
ｍ以内の翼先端部４にビッカース硬度計の圧子押し込み
により生じたクラックの大きさと圧痕の大きさを測定し
て数１に示す新原の式から算出した。
【００１７】
【数１】
【００１８】また、ガス入口側３の翼先端部４の肉厚ｔ
は、図４に示すように翼部２の先端から１ｍｍの部位を
５ヵ所、三次元座標測定器により測定し、その最小値を
採用した。
は、図４に示すように翼部２の先端から１ｍｍの部位を
５ヵ所、三次元座標測定器により測定し、その最小値を
採用した。
【００１９】以上の結果を翼先端部に欠けや割れが認め
られなかった評価用試料は○印で、欠けや割れが認めら
れた評価用試料を×印で表示したものを表１に、また表
１の結果に基づくガス入口側の翼先端部の肉厚ｔと該翼
先端部の破壊靱性値（ＫIC）との関係から、翼先端部に
欠けや割れが確認されなかった値を最小二乗法にて直線
で結んだ関係式を図５に図示する。
られなかった評価用試料は○印で、欠けや割れが認めら
れた評価用試料を×印で表示したものを表１に、また表
１の結果に基づくガス入口側の翼先端部の肉厚ｔと該翼
先端部の破壊靱性値（ＫIC）との関係から、翼先端部に
欠けや割れが確認されなかった値を最小二乗法にて直線
で結んだ関係式を図５に図示する。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１及び図５から明らかなように、セラミ
ックラジアルタービンローター翼部の最外周部であるガ
ス入口側の翼先端部の周速が２５０ｍ／ｓｅｃで、翼先
端部を破損する可能性のある実際的な異物の重量が０．
５ｍｇとした最低使用条件下において判明したｔ≧３．
０２−０．２９２ＫICの関係を、翼先端部の肉厚ｔが満
足すれば翼先端部の破壊靱性値（ＫIC）により翼先端部
が破損する恐れがないことが分かる。
ックラジアルタービンローター翼部の最外周部であるガ
ス入口側の翼先端部の周速が２５０ｍ／ｓｅｃで、翼先
端部を破損する可能性のある実際的な異物の重量が０．
５ｍｇとした最低使用条件下において判明したｔ≧３．
０２−０．２９２ＫICの関係を、翼先端部の肉厚ｔが満
足すれば翼先端部の破壊靱性値（ＫIC）により翼先端部
が破損する恐れがないことが分かる。
【００２２】尚、翼先端部の破壊靱性値（ＫIC）が４．
３ＭＰｍ1/2 未満では、ガス入口側の翼先端部の肉厚ｔ
が１．９ｍｍ以上となり、高速回転により遠心力が増大
してセラミックラジアルタービンローター自体が破損す
る恐れが大となり実用的でない。一方、翼先端部の肉厚
ｔが０．５ｍｍ以下になると成形や焼成及び焼成後の加
工等で破損したり変形したりして歩留りが悪く実用的で
ない。
３ＭＰｍ1/2 未満では、ガス入口側の翼先端部の肉厚ｔ
が１．９ｍｍ以上となり、高速回転により遠心力が増大
してセラミックラジアルタービンローター自体が破損す
る恐れが大となり実用的でない。一方、翼先端部の肉厚
ｔが０．５ｍｍ以下になると成形や焼成及び焼成後の加
工等で破損したり変形したりして歩留りが悪く実用的で
ない。
【００２３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のセラミッ
クラジアルタービンローターは、窒化珪素質焼結体から
成る翼部の最外周部であるガス入口側の翼先端部の周
速、および排気ガス中に混入して飛来し、翼先端部を破
損する可能性のある異物の重量等の最低使用条件下にお
いて、ガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）を該翼先端部
の破壊靱性値（ＫIC）との関係から設定したことから、
前記異物による翼部の損傷が発生しない均質かつ耐久性
に優れたセラミックラジアルタービンローターを得るこ
とができる。
クラジアルタービンローターは、窒化珪素質焼結体から
成る翼部の最外周部であるガス入口側の翼先端部の周
速、および排気ガス中に混入して飛来し、翼先端部を破
損する可能性のある異物の重量等の最低使用条件下にお
いて、ガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）を該翼先端部
の破壊靱性値（ＫIC）との関係から設定したことから、
前記異物による翼部の損傷が発生しない均質かつ耐久性
に優れたセラミックラジアルタービンローターを得るこ
とができる。
【図１】本発明に係るセラミックラジアルタービンロー
ターの要部を示す一部破断図である。
ターの要部を示す一部破断図である。
【図２】図１に示したＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１に示したＢ−Ｂ断面図である。
【図４】ガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）及び破壊靱
性値（ＫIC）の測定部位を説明するための図である。
性値（ＫIC）の測定部位を説明するための図である。
【図５】本発明に係るセラミックラジアルタービンロー
ターのガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）と破壊靱性値
（ＫIC）との関係を示す図である。
ターのガス入口側の翼先端部の肉厚（ｔ）と破壊靱性値
（ＫIC）との関係を示す図である。
１ セラミックラジアルタービンローター ２ 翼部 ３ ガス入口側 ４ 翼先端部
Claims (2)
- 【請求項１】窒化珪素質焼結体から成る翼部を有するセ
ラミックラジアルタービンローターにおいて、ガス入口
側の前記翼先端部の肉厚（ｔ）と該翼先端部の破壊靱性
値（ＫIC）が、 ｔ≧３．０２−０．２９２ＫIC で表される関係式を満足することを特徴とするセラミッ
クラジアルタービンローター。 - 【請求項２】前記翼先端部の破壊靱性値（ＫIC）が４．
３ＭＰｍ1/2 以上であることを特徴とする請求項１記載
のセラミックラジアルタービンローター。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4172141A JPH0610602A (ja) | 1992-06-30 | 1992-06-30 | セラミックラジアルタービンローター |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4172141A JPH0610602A (ja) | 1992-06-30 | 1992-06-30 | セラミックラジアルタービンローター |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0610602A true JPH0610602A (ja) | 1994-01-18 |
Family
ID=15936330
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4172141A Pending JPH0610602A (ja) | 1992-06-30 | 1992-06-30 | セラミックラジアルタービンローター |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0610602A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010514651A (ja) * | 2006-12-22 | 2010-05-06 | サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド | 窒化ケイ素体及びその製造方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02146203A (ja) * | 1988-11-26 | 1990-06-05 | Ngk Insulators Ltd | 窒化珪素製翼 |
-
1992
- 1992-06-30 JP JP4172141A patent/JPH0610602A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02146203A (ja) * | 1988-11-26 | 1990-06-05 | Ngk Insulators Ltd | 窒化珪素製翼 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010514651A (ja) * | 2006-12-22 | 2010-05-06 | サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド | 窒化ケイ素体及びその製造方法 |
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