JPH0744722Y2 - セラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造 - Google Patents

セラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造

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JPH0744722Y2
JPH0744722Y2 JP1987045875U JP4587587U JPH0744722Y2 JP H0744722 Y2 JPH0744722 Y2 JP H0744722Y2 JP 1987045875 U JP1987045875 U JP 1987045875U JP 4587587 U JP4587587 U JP 4587587U JP H0744722 Y2 JPH0744722 Y2 JP H0744722Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案はセラミック製タービンロータと金属製コンプレ
ッサインペラー回転軸との結合軸構造に関するものであ
る。
（従来の技術） 従来のこの種のタービンロータは、第２図に示すよう
に、セラミック製タービンロータ21が軸部22を一体的に
有すると共に、この軸部22を金属製回転軸23に穿設して
一体的に形成した金属スリーブ24に圧入、焼ばめ、冷し
ばめ、ろう付け等の方法により固定して構成されてい
た。
（考案が解決しようとする問題点） 上述した構成のタービンロータは、セラミック軸部22と
金属スリーブ24のかん合端25に応力集中が生じ、かん合
端より軸部22が破損しやすいため、第２図に示す様に、
かん合端25よりタービンロータ側に向かい金属スリーブ
24の肉厚を外拡がり状に薄くし、かつ、金属スリーブ24
の外周のシールリング溝にほぼ対応する位置にかん合端
をもってきているが、未だにかん合端のセラミック軸部
から破壊する場合があった。
また、セラミックタービンロータを高速回転した場合、
僅かな質量中心ずれにより軸部22に生ずる曲げモーメン
トのため、かん合端25より軸部22が折損する可能性があ
った。
本考案の目的は上述した不具合を解消して、信頼性の高
いセラミックタービンロータを容易に実現することがで
きるセラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造
を提供しようとするものでる。
（問題点を解決するための手段） 本考案のセラミックタービンロータと金属軸との結合構
造は、セラミックタービンロータと一体的にセラミック
軸部を設け、該セラミック軸部がコンプレッサインペラ
ーの金属回転軸の端部に設けられた金属スリーブに結合
された結合軸構造において、セラミック軸部と金属スリ
ーブとのかん合端の外周部の金属スリーブにシールリン
グ溝が設けられ、金属スリーブのかん合端より先端部の
厚さがセラミック軸部とかん合しているかん合端での金
属スリーブの厚さより薄く、金属スリーブの先端部の先
端には円筒状部が設けられ、さらに金属スリーブの先端
部の厚さが0.5mm以上1.5mm以下であることを特徴とする
ものである。
なお、本考案における「金属スリーブのかん合端より先
端部の厚さ」とは、金属スリーブの先端部の内周面上ま
たは外周面上の任意の点において、その点から外周面ま
たは内周面への距離のうち最小の距離を意味する。
（作用） 上述した構成において、かん合端をオイルシール溝の内
側に位置させると共に、金属スリーブのかん合端より先
端部の厚さを小さくすること、さらに金属スリーブの先
端部の先端に円筒状部を設けることによる相乗効果によ
り応力集中を低減でき、かん合端での軸折損を有効に防
止することができる。ここで、応力集中を金属スリーブ
の厚さを薄くすることによりさけているが、その厚さは
0.5mm以上1.5mm以下である必要がある。その理由は、あ
まり厚くなると応力集中が大きくなり、又あまり薄くな
ると、万が一セラミック軸が折れた時にメタルが破損し
てしまう可能性があるためであり、0.5mm以上1.5mm以下
である必要がある。
また、上述したかん合端の位置および金属スリーブ先端
の形状の規定に加えて、かん合端近傍における金属スリ
ーブの内面形状を、タービンロータ側に向かってその内
径が大きくなるような曲面状又はテーパにした場合、さ
らには内面形状の半径Ｒを3mm以上またはテーパを3.5°
以下とした場合は、さらに応力集中を低減でき有効であ
る。
（実施例） 第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本考案の結合
軸構造の一実施例を示したものである。各実施例におい
て、セラミック製タービンロータ１は、一体成形したセ
ラミック軸部２を有する。金属製回転軸３はセラミック
軸部２に同軸状に結合されるように、そのタービンロー
タ１側の端部にセラミック軸部２がかん合される孔４を
穿設して金属スリーブ５を形成する。この金属スリーブ
５の外周にはシールリング溝６とオイルスリンガー７を
設けている。なお、セラミックスおよび金属の材質は特
定されるものではないが、その中でもセラミックスの材
質としては窒素珪素、炭化珪素、サイアロン、また金属
材料としてはインコロイ等の析出硬化型合金、耐熱合金
等が好適である。
上述した構成の結合軸構造において、第１図（ａ）に示
す実施例では、かん合端８をシールリング溝６が形成さ
れた金属スリーブ５の位置にし、金属スリーブ５のかん
合端８より先端部９の厚さを薄くして応力集中を低下さ
せている。なお、先端部９の先端には、円筒状部9aを設
けている。先端部９の厚さは、0.5mm以上1.5mm以下であ
る必要がある。第１図（ｂ）に示す実施例では、第１図
（ａ）に示した実施例と同様かん合端８の位置と金属ス
リーブ５の先端部の厚さを薄くしていると共に、さらに
かん合端８から先端部９への形状を軸に対して所定角度
を有するテーパ状にした例を示している。また、第１図
（ｃ）に示す実施例では、第１図（ｂ）に示した実施例
と同様かん合端８から先端部９への形状を所定の曲率半
径を有する曲面形状としている点が異なっている実施例
である。
以下、実際の例について説明する。
実施例１ 窒化珪素からなる翼部直径70mmのセラミックタービンロ
ータ１と、第１図（ａ）に示す形状で円筒状部9aの厚さ
を変えて剛性を変化させた金属スリーブ５を有する金属
製回転軸３とを準備し、両者をかん合して結合軸構造を
作製してその折損荷重を求め、剛性の影響を調べた。な
お、シールリング溝６を加工後のかん合端での金属スリ
ーブ５の厚さは2mmであった。また、かん合前のセラミ
ックタービンロータ１の軸部２の軸径は12mmで、軸長は
38mmであり、さらに金属スリーブ５の内径は11.92mmで
あった。折損荷重は金属スリーブ５の外周部を治具で保
持した状態で、セラミックタービンロータ１のハブトッ
プ10に荷重を負荷して折損した荷重を折損荷重Ｆとして
求めた。折損荷重の 平均値を表１に示す。
第１表の結果から、金属軸のかん合端より先端部の厚さ
を薄くしたものが、先端部の厚さが大きいものと比較し
て高い折損荷重を得ることができることがわかる。ま
た、その厚さは薄くなるほど折損荷重が高くなるが、0.
5mm未満ではその値はほぼ一定となるとともに、万が一
セラミック軸が折れた場合金属スリーブが破損してしま
う可能性があるため下限は0.5mm以上である必要がある
ことがわかる。
実施例２ 窒化珪素からなる翼部直径70mmのセラミックタービンロ
ータ１と、第１図（ｂ）に示す形状でかん合端８より先
端部９を軸に対して所定角度を有するテーパ状にした金
属スリーブ５を有する金属製回転軸３とを準備し、両者
をかん合して結合軸構造を作製してその折損荷重を実施
例１と同様の方法により求め、テーパ角の影響を調べ
た。なお、シールリング溝６を加工後のかん合端での金
属スリーブ５の厚さは1.5mmであった。また、かん合前
のセラミックタービンロータ１の軸部２の軸径は12mm
で、軸長は38mmであり、さらに金属スリーブ５の内径は
11.92mmであった。また、円筒状部9aの厚みはすべての
例において1mmと設定した。折損荷重の平均値を第２表
に示す。
第２表の結果から、円筒状部9aの厚さ1mmにおいてかん
合端のテーパ角が大きくなるほど折損荷重は低下するこ
とがわかる。また、そのテーパ角は０°より大きく3.5
°以下であると好ましいこともわかる。
実施例３ 窒化珪素からなる翼部直径70mmのセラミックタービンロ
ータと、第１図（ｃ）に示す形状でかん合端８より先端
部９に向かって所定の曲率半径を有する曲面形状とした
金属スリーブ５を有する金属製回転軸３とを準備し、両
者をかん合して結合軸構造を作製してその折損荷重を実
施例１と同様の方法により求め、曲面形状の曲率半径の
影響を調べた。なお、シールリング溝６を加工後のかん
合端での金属スリーブ５の厚さは1.5mmであった。ま
た、かん合前のセラミックタービンロータ１の軸部２の
軸径は12mmで、軸長は38mmであり、さらに金属スリーブ
５の内径は11.92mmであった。また、円筒状部9aの厚み
はすべての例において1mmと設定した。折損荷重の平均
値を第３表に示す。
第３表の結果から、円筒状部9aの厚さ1mmにおいてかん
合端部の曲面形状の曲率半径が大きくなる程折損荷重は
高くなることがわかる。また、その曲率半径Ｒは3mm以
上であると好ましいこともわかる。
実施例４ さらに上述した実施例１〜３を基に、22種類のセラミッ
クタービンロータ結合体をそれぞれ５本づつ準備し、高
温回転装置に組み込んで900℃の燃焼ガスにより12万rpm
で10時間回転試験を実施した。その結果を第４表に示
す。
実施例５ 窒化珪素からなる翼部直径70mmのセラミックタービンロ
ータ１と、第１図（ａ）に示す形状で、かん合端部の厚
みが2mmで、円筒状部9aの厚みを1mmとした金属スリーブ
５を有する金属軸、および第２図の形状で圧入端部の肉
厚、かん合時のロータ背板から圧入端部までの距離が第
１図（ａ）の金属軸と同じになる金属軸を準備し、両者
の金属軸をそれぞれ同形状のセラミックロータ１にかん
合して結合軸構造を作製した。なお、両者のかん合前の
セラミックタービンロータ１の軸部２の軸径は12mmで、
軸長は38mmであり、さらに金属スリーブ５の内径は11.9
2mmであった。それぞれの結合軸の折損荷重を実施例１
と同様の方法により求め、金属先端部の薄肉の円筒状部
の効果を調べた。折損荷重の平均値を第５表に示す。
第５表の結果から、金属先端に薄肉の円筒状部を設けた
ものは、先端部の肉厚が厚いままのものに比べ、高い折
損荷重が得られることが判る。
本考案は上述した実施例にのみ限定されるものではな
く、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した
実施例ではセラミック軸部２および金属スリーブ５を一
段の直線部のみよりなる例を示したが、例えば太径部お
よび細径部をそれぞれ設け二段で締める例、あるいは金
属スリーブをセラミック軸部とかん合した後、金属製回
転軸を金属スリーブに摩擦圧接等で一体化する例等の例
においても好適に応用できる。
（考案の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本考案
のセラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造に
よれば、かん合端の位置を規定するとともに金属スリー
ブのかん合端から先端部の厚さを薄くすること、および
金属スリーブの先端部の先端に円筒状部を設けることに
より、さらに好ましくはその形状をテーパ状あるいは曲
面状とすることにより、信頼性の高い結合軸構造を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本考案の結合
軸構造の一実施例を示す線図、第２図は従来のタービン
ロータの結合軸構造を示す線図である。 １……タービンロータ、２……軸部、３……金属製回転
軸、４……孔、５……金属スリーブ、６……シールリン
グ溝、７……オイルシリンガー、８……かん合端、９…
…先端部、10……ハブトップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−78172（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−12702（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−151001（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−1603（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−186430（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミックタービンロータと一体的にセラ
    ミック軸部を設け、該セラミック軸部がコンプレッサイ
    ンペラーの金属回転軸の端部に設けられた金属スリーブ
    に結合された結合軸構造において、セラミック軸部と金
    属スリーブとのかん合端の外周部の金属スリーブにシー
    ルリング溝が設けられ、金属スリーブのかん合端より先
    端部の厚さがセラミック軸部とかん合しているかん合端
    での金属スリーブの厚さより薄く、金属スリーブの先端
    部の先端には円筒状部が設けられ、さらに金属スリーブ
    の先端部の厚さが0.5mm以上1.5mm以下であることを特徴
    とするセラミックタービンロータと金属軸との結合軸構
    造。
  2. 【請求項２】前記かん合端より先端部の金属スリーブの
    内面形状を、タービンロータ側に向かってその内径が大
    きい曲面状又はテーパ状にした実用新案登録請求の範囲
    第１項記載の結合軸構造。
  3. 【請求項３】前記金属スリーブの内面形状のＲが半径3m
    m以上、又はテーパが3.5°以下である実用新案登録請求
    の範囲第２項記載の結合軸構造。
JP1987045875U 1987-03-30 1987-03-30 セラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造 Expired - Lifetime JPH0744722Y2 (ja)

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JP1987045875U JPH0744722Y2 (ja) 1987-03-30 1987-03-30 セラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造
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JP1987045875U JPH0744722Y2 (ja) 1987-03-30 1987-03-30 セラミックタービンロータと金属軸との結合軸構造

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