JPS58178900A - セラミツクス製翼車 - 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】 ファン（高温ファン）などに使用しうるセラミックス製
翼車に関するものである。

高温ファンなどの翼車は、従来耐熱合金などの金属材料
で構成されており、こうした金属側斜の強度は使用温度
の上昇につれて急激に低下するので、かかる翼車の使用
温度は約８００〜８５０℃以下に限定されるのみならず
、さらに高温ガスに酸化性や腐食性がある場合には翼車
の寿命が著しく短縮されるなどの欠点を有していた。

より高温のガスにも使用可能で耐食性にも優１Ｌるセラ
ミックスでかかる翼車を構成することも提案されている
。すなわちセラミックス環の翼部をセラミックス製捷た
は金属製のボス部にとりつけ、ボス部の回転軸部分に金
属製の軸部を配置して翼車とするものがその一例である
。

しかしこうした翼車を高温ガスに対して使用する場合に
は、軸部などの金属部分を冷却する必要があって構造が
複雑となる。捷だセラミックスと金属との結合部分が高
温下にさらされることとなり、結合強度の低下、結合部
分のゆるみやかたの発生などを招き、高速回転時に振動
を起こすなどの欠点を有する。また翼部、ボス部、軸部
をいずれもセラミックス環とし、これを一体に焼結し、
あるいは各部を焼結したのち適宜な方法で結合もしくは
接合してなる翼車は別の例である。かかる翼車は軸部が
セラミックス環であるため、金属製動力伝達軸を翼車の
軸部に焼きばめあるいは接着などにより結合する必要が
あるが、この結合部分も高温下にさらされるため、高温
時、高速回転時に焼きばめ強度あるいは接着強度などが
低下して、翼車との間で充分に動力を伝達できないなど
の難点があった。

本発明は従来のセラミックス製翼車のかかる問題点など
を解決１〜、信頼性が高く、翼車と金属軸との間で充分
に回転力を伝達しうる高温ガス用のセラミックス製翼車
を提供するものである。

すなわち本発明は、翼部、中空ボス部、軸部および軸端
部を一体に焼結してなる高温ガス用のセラミックス製翼
車であって、軸部は管状で中空ボス部から軸方向に延出
ｊ−１軸端部は管状で軸部延出端に位置し、軸部近傍の
軸端部の最小内径が軸端部近傍の軸部の内径より小さい
ことを特徴とするセラミックス製翼車を提供するもので
ある。

図面で説明すると、第１図は本発明の一つの好捷しい実
施例であるセラミックス製斜流型翼車を示している。翼
部１は中空ボス部２の周囲に配置されており、円管状の
軸部３が中空ボス部から軸方向に延出し、軸部の延出端
に円管状の軸端部４が位置している。翼部はその翼根部
１ａのみならずその翼側部１ｂにおいてもボス部と一体
化されているので、高速回転時においても翼部の振動防
市が容易となっている。

軸端部周辺の拡大図でみると、第６図に示すように、軸
端部近傍の軸部の内径ｄ３　　に比べて、軸部近傍の軸
端部の最小内径ｄ４　　は小さく、かつ、軸端部近傍の
軸部から軸部近傍の最小内径を有する軸端部に至るまで
、内径は内側テーパ部分５および内側テーバ部分の両端
に設けたアール部分を介Ｌ７てｄ３　　からｄ４　　ま
で漸次小さくなるように構成されている。なお、ここで
内径が漸次小さくなるとは、内径が変化しない部分すな
わち断面図において内径を示す線が回転軸に平行な直線
で示される部分が局部的に存在する場合をも含む概念で
ある。また軸端部近傍の軸部の外径Ｄ３　　に比べて、
軸部近傍の軸端部の最大外径Ｄ４　　は大きく、かつ、
軸端部近傍の軸部から軸部近傍の最大外径を有する軸端
部に至る捷で、外径は外側テーバ部分６および外側テー
パ部分の両端に設けたアール部分を介してＤ３からＤ４
まで漸次大きくなるように構成されている。なお、ここ
で外径が漸次大きくなるとは、外径が変化しない部分す
なわち断面図において外径を示す線が回転軸に平行な直
線で示される部分が局部的に存在する場合をも含む概念
である。

第２図はかかる翼車を用いる高温ファンを示す。セラミ
ックス製軸端部を内側にして摺合するように中空部を有
する金属軸７が翼車軸端部に焼きばめされている。さら
に座金８および板バネ９を介して金属製長ボルト１０が
翼車軸端部の中空部および金属軸の中空部を貫通し、板
バネの弾性に抗してナツト１１により締めつけられてい
る。このようにして金属軸と翼車とを結合することによ
り、金属軸に与えられた回転力は高温時、高速回転時に
おいても充分に翼車に伝達されるものである。

すなわち、従来のセラミックス製軸端部と金属軸との焼
きばめのみによる結合においては、充分な結合強度を与
えようとすれば、室温時にお因て金属軸焼きばめ部内径
をセラミックス製軸端部外径に比べてかなり小さくして
おき、金属軸側を相対的にかなりの高温にまで加熱して
内径を膨張拡大させておいてはめ合うものであり、室温
に戻したときには焼きはめ結合強度は充分大きいが、同
時にセラミックス製軸端部に加わる応力も大きく、この
１捷でも、あるいはわずかの回転使用によってセラミッ
クス部分が破損しやすいものである。これを避けて室温
時舎金壽の金属軸焼きばめ部内径をセラミックス軸端部
外径に比べてわずかに小さくしておき、これを焼きばめ
しだ場合には、室温時での使用においても結合強度が不
足しがちであるのみならす、この結合部分が高温ガス雰
囲気にさらされたり、高温部からの伝熱により加熱され
ると、結合強度が急速に低下して回転力を伝達できなく
なるものである。

しかるに、本発明のセラミックス製翼車にあっては第２
図のような結合方法を採用することが可能となり、焼き
ばめによる結合力とナツト締めに基つき内側テーパ部に
働く摩擦力か、セラミックス製軸端部の外側と内側とか
ら作用して、金属軸とセラミックス製軸端部とは強固に
結合される６、このため焼きばめによる結合力を過大に
とる必要がなく、セラミックス製軸端部の応力が過大に
なってセラミックス部分が破損することもない。またセ
ラミックス製軸部が延出しているため、このままで、あ
るいはこの部分に適宜な冷却手段を講することにより、
セラミックス／金属結合部分を翼部、ボス部に比べて低
温度におくことが可能であり、充分な結合強度を維持す
るのが容易である。さらに金属軸と長ボルトとはほぼ同
長であるので、両者を同様な材質で構成してナツト締め
に基つく力を結合部分の温度によらずほぼ一定に維持す
ることが可能であり、あるいは両者を熱膨張率の異なる
材質で構成して、結合部分か加熱されて焼きばめによる
結合力が低下すると、ナツト締めに基づく力がこれを補
償するように構成することも可能である。

このように本発明のセラミックス製翼車はその軸端部に
おいて、外側から焼きばめ力により、かつ内側から内径
面に作用する摩擦力にょシ、金属軸との間に動力を伝達
しあえるものであればよい。したがってたとえば長ボル
トの頭部形状を座金８と一体化したごとくに座金８を省
略してもよく、あるいは長ボルト頭部と座金との間にバ
坏を介在せしめるようにしてもよい。

第４図、第５図、第６図はいずれも本発明のセラミック
ス製翼車の異なる実施例の軸端部周辺を示す。第４図は
軸部、軸端部ともつねに一定かつ等しい外径を有し、内
径のみが軸端部近傍の軸部から軸部近傍の最小内径を有
する軸端部に至るまでにおいて不連続的に小さくなって
いる。この場合には第久図の内側テーパ部分に相当する
部分が回転軸に垂直な平面となっており、構造が簡単で
あり、あるいは製作が容易であるなどの長所を有する。

第５図は外径ＶＣついては第４図の場合と同様であるが
、内径は軸端部近傍の軸部から軸部近傍の最小内径を有
する軸端部に至る丑でにおいて内側テーパ部分を介Ｌ７
て漸次小さくなっている。乙の場合には摩擦力に起因し
てセラミックス製軸端部に作用する応力の集中が、第４
図の場合に比べて大巾に緩和される長所などを有する。

さらに内径について第６図のように内側テーパ部分の両
側にアール部分をとることにより、応力集中はさらに緩
和される。

また外径については、第４図、第５図のように軸端部周
辺においてストレートテアっテモよいが、軸端部近傍の
軸部の外径に比べて軸部近傍の軸端部の外径が大きいこ
とが焼きばめに起因してセラミックス製軸端部の内径側
などに作用する応力の集中が緩和されて好筐しい。さら
に第６図に示すように外径が軸端部近傍の軸部から軸部
近傍の最大外径ケ有する軸端部ＶＣ至る壕でたとえば外
側テーパ部分を設けるなどして漸次大きくなっているこ
とがより好ましいし、外側テーパ部分の両側にアール部
分を設けるなどして外径をなめらかにかつ漸次大きく々
るように構成することも応力集中の緩和の点などでより
好寸しい。第６図に示す軸端部周辺部分においては、第
５図と同様の内径を有するとともに、外径は、軸端部近
傍の軸部から軸部近傍の哨 最大外径をする軸端部に至る捷で漸次大きくな八 ったのち、ゆるやかに先細シになっている。この場合に
は金属軸焼きばめ部とセラミックス軸端部の寸法誤差が
多少存在していても容易に焼きばめ結合できる長所を有
する。

また内側テーパ部分は第６図に示すごとく外側テーパ部
分よりボス部側に位置していることが結合状態における
セラミックスへの塔中集中を緩和し破損を防止する上で
好ましいが、必ずしも限定されるものではなく、両者が
ほぼ同位置にあっても、あるじは外側テーパ部分が内側
テーパ部分よりボス部側に位置していてもさしつかえな
い。

軸端部近傍の軸部の内径ｄ３　　に対し７、軸部近傍の
軸端部の最小内径ｄ４　　は０，８〜０，３、特には０
．７〜０．４の比率で小さくなっていることが、必要な
摩擦力を確保しかつ軸部、軸端部のいずれにも過大々応
力がかからない々どの点で好捷しい。捷た軸端部近傍の
軸部の外径Ｄ３　　に対し、軸部近傍の軸端部の最大外
径Ｄ４　は１．０１〜１．５、特には１．０６〜１．２
の比率で大きくなっていることが焼きばめに基つく塔中
集中緩和などの点で好ましい。さらに軸端部の長さはＤ
４　　に対し０．５〜乙の比率になっていることが好捷
しい。

ボス部は中空であれば特には限定されないが、成形、焼
結を容易にするために、ボス部殻体のうち回転軸と交わ
る部分の少くとも一方、より望捷しくけ双方に孔部を有
して中空部分と通じていることが好ましい。さらに第１
図のようにボス部、軸部の双方にわたって等しい径の円
筒状中空部分によって回転軸部分がすべて貫通されてい
るごとく、中空ボス部の軸に垂直な断面の内径がつねに
軸部の最小内径以上である（すなわち軸部の最小内径と
等しいかまたけより大きい）ことが、長ボルトをこの翼
車のボス部側の孔部から容易に挿入取付できるなどの点
で好捷しい。

第７図は本発明の別の実施例であるセラミックス製軸流
型翼車を用いた高温ファンを示す。

この場合、長ホルトは、たとえば軸に平行に二つ捷たけ
三つなどに分割して軸端部側から挿入したのち、適宜な
方法で一体化することによりセラミックス製軸端部と金
属軸との結合部分を構成することができる。

丑た第２図では軸部は翼車の吹出し側に延出しているが
、軸部を吸込み側に延出させてもよく、壕だ第７図では
軸部は翼車の吸込み側に延出しているが、軸部を吹出し
側に延生させてもよい。さらに軸部が両側に延出してい
てもさしつかえない。延出する軸部の長さは特には限定
されないが、ボス部の回転軸方向の長さの０．５倍以上
、特には０．７〜５倍であることが好捷しい。

この翼車はセラミックスを一体に焼結してなるものであ
る。一体に焼結してなるとは、一体に成形するとともに
焼結し、あるいは一体に成形したのち焼結１７、あるい
は部分ごとに成形したのち焼結によって一体化すること
などであっ　　　□て、焼結されたセラミックス部分同
士を接合あるいは係合することを含まない。なお成形に
は　　　　・未焼結のみならず半焼結の状態を含むもの
である。一体に焼結してなるものであるため、この翼車
はどの部分も強度が大きく、接合あるいは保合に由来す
る強度不足、がた、ゆるみなどの　　　　□問題が発生
しないとともに、金属部分が存在しないので翼車が軽量
化する。さらにボス部、軸部、軸端部がいずれも中空な
ので、さらに軽量化されるとともに、セラミックスの厚
肉部分がなくなって翼車の各部分を充分に焼結すること
が容易に実現されるなどの長所を有する。

セラミックスの材質としては高温でも高強度を有するも
のであれば特に限定されず、たとえばアルミナ質、ジル
コニア質、窒化アルミニウム質、炭化ケイ素質、窒化ケ
イ素質、ザイアロン質などが採用可能であり、なかでも
反応焼結法によりなる炭化ケイ素質および／またけ窒化
ケイ素質が好適である。すなわち本発明の翼車のごとき
複雑な形状にセラミックスを一体に焼結することはしば
１．ば困難を伴うものであるが、反応焼結法を用いるこ
とにより成形が容易となるのみならす、焼結による寸法
変化がほとんどなく、所定の形状・大きさの焼結体を容
易に得ることができるし、各部均質に炭化ケイ素質およ
び／または窒化ケイ素質化させることも可能である。さ
らに、この場合には、中空部を有するセラミックス製翼
車の外表面部のみならず、大きい遠心応力が作用するボ
ス部、軸部内表面部や、動力伝達に開力する内側テーパ
部分なども充分な高温強度を有するように焼結できる長
所なども有する。

なお、反応焼結法とは、炭化ケイ素粉末と炭素粉末を主
成分として成形体を形成し、これに金属ケイ素を液状捷
たは気状で含浸させたのち所定温度で反応させて炭化ケ
イ素質化するとともに焼結せしめ、あるいは金属ケイ素
、含ケイ素化合物なとを主成分とする成形体を分子状窒
素あるいは窒素含有化合物雰囲気下で加熱して窒化ケイ
素質化するとともに焼結せしめるなどの、炭化ケイ素お
よび／丑たけ窒化ケイ素の原料物質を少くとも一部含有
する成形体を加熱下で焼結してこれらの原料物質の少く
とも一部を炭化ケイ素および／捷たけ窒化ケイ素となす
方法である。

以上、主として斜流型翼車に関して説明したが、本発明
はこれに限定されず、遠心型翼車、単段捷たは多段の軸
流型翼車などを除外するものではない。捷たこうした翼
車の用途は高温ファンに限定されず、ガスタービン、タ
ーボチャージャー、その他の高温ガス用ターボ機械なと
を除外するものではない１゜

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図はいずれも断面図であって、第１図は本
発明の実施例であるセラミックス製斜流型翼車、第２図
は第１図の翼車を用いた高温ファンの要部、第３図は第
１図の翼車の軸端部周辺の拡大図、第４図〜第６図の本
発明の別の実施例である翼車の軸端部周辺の拡大図、第
７図は本発明のさらに別の実施例であるセラミックス製
軸流型翼車を用いた高温ファンの要部を示す。 （１）翼　　　部　　　　（２）　　中空ボス部（３）
軸　部　　（４）軸端部 （５）内側テーパ部分　　（６）　　外側テーパ部分（
７）金属軸　　（８）座　金

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　翼部、中空ボス部、軸部および軸端部を一体に焼
   結してなる高温ガス用のセラミックス製翼車でめって、
   軸部は管状で中空ボス部から軸方、向に延出し、軸端部
   は管状で軸部延出端に位置し、軸部近傍の軸端部の最小
   内径が軸端部近傍の軸部の内径より小さ！ハことを特徴
   とするセラミックス製翼車。 ２　軸端部近傍の軸部から軸部近傍の最小内径を有する
   軸端部に至るまで、内径が漸次小さくなっている特許請
   求の範囲１記載のセラミックス製翼車。 ３、　軸部近傍の軸端部の最大外径が軸端部近傍の軸部
   の外径よシ大きい特許請求の範囲１または２記載のセラ
   ミックス製翼車。 ４、　軸端部近傍の軸部から軸部近傍の最大外径を有す
   る軸端部に至るまで、外径が漸次大きくなっている特許
   請求の範囲３記載のセラミックス製翼車。 ５、　中空ボス部の軸に垂直な断面の内径はつねに軸部
   の最小内径以−七である特許請求の範囲１乃至４のいず
   れか記載のセラミックス製翼車。 ６　セラミックスは反応焼結法によりなって炭化ケイ素
   質膠よび／または窒化ケイ素質である特許請求の範囲１
   乃至５のいずれか記載のセラミックス製翼車。