JPS58196323A - 軸継手 - 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】 本発明は、セラミックス軸と金属軸Ｊの軸・迷子に関す
るものである。

ガスタービン、ターボエクスパンダ、高：′鯖ブロア、
コンプレッサ等にセラミックスを使用する場合、セラミ
ックスの高温回転軸を金属軸に接続する必要がある。セ
ラミックスの高温回転軸を金属軸に接続するにはいくつ
かの問題がちる。その一つ・汁セラミックスと金属の線
膨張係数が著しく異なることによるものである。代表的
な線膨張係数の一例を次に示す。

窒化けい素０．５３〜０．３５Ｘ１０’／℃炭化けい素
０４２〜０．４９　Ｘ　１０＝／℃オーステナイトステ
ンレス鋼　　１．６〜１．７　Ｘ　１０−５／℃従って
、セラミックス軸と金属軸をそれぞれと一体のフランジ
で、一般のフランジ継手の型式で接合しようとしても、
締付ボルトの熱膨張に対してセラミックスフランジの熱
膨張が追随：〜ないので、鋭度ト昇により継手がゆるん
でし甘う。また、セラミックスが、圧縮強度は大である
が曲Ｙ強度ガ著しく小さいことも、セラミックス軸と金
属中の接合を難しくしている。即ち、継手構造すておい
て、セラミックス材に曲げモーメントを出来る実生じな
いようにする必要があり、発生する曲げモーメントに対
してセラミックス材を更に大きくしなければならない。

このことは継手構成部材を大きくすることとなり、軸継
手の温度が上昇する場合、熱応力の発生の原因ともなり
、多くの問題を惹起する。

また、プロア等においては所謂「片持形」の場合が多い
。片持形の回転機械の羽根及び回転軸にセラミックスを
使用し、これを金属軸に接続して、金属軸の部で軸受で
支承すると、軸受部から羽根重心１での距離が大となり
、４最動が発生し易い等の問題を惹起する。

本発明の目的は、セラミックス軸と金属咄七の軸継手に
おいて、セラミックスと金属の線膨張係数の差による温
度変化の際の緩与や締め過ぎが発生せず、セラミックス
軸に曲げ応力の発生による破損の虞れがなく、セラミッ
クス軸側に片持形回転体を取付けた１今に、回転体重心
より軸受までの距離を短くすることができろ軸継手を提
供するにある。

本発明による軸継手は、ユニオンナット形の袋ナツトの
内周面を金属軸端部外周面に密着させ、金属軸端面とセ
ラミックス端面を円錐面として接合させ、袋ナツトの袋
部をセラミックス軸外側部に形成した円錐面の肩部に複
数個に分割された環状のスペーサを挾んで係合し、袋ナ
ツトの基部を金属軸に螺合させ、金属軸とセラミックス
軸を圧接せしめてなり、さらに通常好ましくは袋ナツト
が金属軸に密着せる内周面に対向する外周面にて軸受に
支承可能としであることを特徴とする軸継手である。

本発明による軸継手の好ましい態様として、次の（１）
〜（５）の態様をあげることができる。

（１）前記金属軸端部に冷却ガス通路を設けである。

（２）　　前記金媚軸端面とセラミックス軸端面の間に
、線膨張係数が袋ナツトより犬なる材質のディスタンス
ピースが挾持され、該ディスタンスピースに前記金属軸
の冷却ガス通路に連通ずる冷却ガス通路が設けである。

（３）　　前記セラミックス軸及び金属軸、又はこれら
に加えてディスタンスピースが、相互にスプライン又は
キー結合とされである。

（４）　　前記金属軸に前記袋ナツトと共に、該袋ナツ
トの緩み止めナツトを螺合しである。

（５）　　前記金属軸端面に、セラミックス軸又はディ
スタンスピースと接触しない凹みを設けである。

以下、本発明による軸継手を実施例の図面１て基づいて
説明する。第１図及び第２図は本発明による軸継手のそ
れぞれ異なる実施例を示すもので、その主な差異は、第
１図ではディスタンスピースを使用し、第２図では使用
していないことと、第１図における袋ナツトは金属軸の
基部側（図面の右側）から挿入されるのに対して、第２
図においては端面側（図面の左側）から１°市人される
ようにしであることである。１だ第２　　′図では金属
軸とセラミックス軸のスプライン結合を例示しである。

セラミックス軸１０及び金属軸２０の端部１１及び２１
は共に円錐面をなし、直接又（佳ディスタンスピース４
０を挾んで圧接せしめられる。

図面では端部１１が中央部が突出した円錐面をなし、端
部２１が中央部が凹陥した円錐面をなしているが逆でも
よい。また、双方の端面１１．２１を中央部が凹陥する
円錐面とし、これに係合するディスタンスピースを用い
てもよい。この形式は、セラミックスと金属との線膨張
差の影響が犬なる場合、これを解消する為に有効である
。

セラミックス軸１０と金属軸２０の接合端部を取囲み、
ユニオンナット形の袋ナツト３０が嵌装され、袋ナツト
３０により両軸１０．２０が圧接される。捷だ、袋ナツ
ト３０の外周面で、一体とされた軸が軸受１ｉ４により
回転自在に支承される。

この為＋Ｃ１先ず、袋ナツト３０の内周面３１が乍属軸
２０端部外内面２３に密着ＢＪ−１，められる。図示の
実施例（でおいては、金属軸２０の端部を拡径しである
が、必ずしもその必要はなｈ図示の実施例においては、
セラミックス軸１０と充分な接合面をとる為、その他の
目的の為金属軸２０の端部を拡径してめる。

次に、セラミックス軸１ｏの外側部１（円錐（■の肩部
１２を形成し、肩部１２に複数個に分利された環状スペ
ーサ４２を挾んで、袋ナツト３゜の袋部３２を係合させ
である。セラミックス軸１０の肩部１２に袋ナツト３ｏ
の袋部３２を直接係合させる為には、肩部１２の外径よ
り袋ナツト３０の袋部３２の開口径を小さくしなければ
ならない。しかしながら、セラミックス軸１゜の端面１
１と反対側に図示の例（Ｃおけるタービン翼車１４のよ
うな大径のものが一体に形成されている場合は、袋ナツ
ト３ｏをセラミックス軸１０の保合部に挿入することは
できない。それで、袋ナツト６０の袋部３２の開口径を
肩部１２の外径より大とし、袋ナツト３０のセラミック
ス軸端面１１側よりの１入可能とし、川にスペーサ４２
を挾むことにより肩部１２に袋部３２との保合を可能と
している。スペーサ４２も環状の一体物では挿入不能で
あるので、複数個に分割されている。

更に、ユニオンナット及び一般の袋ナツトの基部にめね
じが螺刻されているように、この袋ナツト３００基部（
でめねじ３３が螺刻されである。このめねじ３３を金属
軸２ｏの外周面に螺刻されたおねじ２４に螺合すること
により、セラミックス軸１ｏと金属軸２ｏが、直接又は
ディスタンスピース４０を挾んで、圧接せしめられる。

３４は袋ナツト３ｏ締付用の冶具を挿入する孔である。

袋ナツト３ｏの緩み止めの為、袋ナツト３０の外側を緩
み止めナツト４３で締め付ける。このようにして軸１ｏ
と２０を接続する軸継手が完成される。この軸継手の構
成部材の形状に応じて、ねじの螺合を締付に先立って行
う場合も起り得る。即ち、第１図の実施ＶＩＩＪにおい
ては、先に袋ナラ）３０を金属軸２ｏのおねじ２４に充
分に螺入して、袋ナツト３ｏの袋部３２内にセラミック
ス軸１ｏの肩部１２等を挿入した後、袋ナツト３ｏをね
じ戻す状態で締付ける。第２図の実施例においては、袋
ナツト３０の゛おねじ２４への螺入に先立って、緩み止
めナツト４３をおねじ２４へ充分螺入しておく。

軸１０．２０相互のトルクの伝達は、袋ナツト３０の締
付による摩擦力により充分行うことができるが、必要に
応じ、軸１０と２０を、又はディスタンスピース４０を
含めて、相互をスプライン又はキー結合とする。この為
忙は各テーパ面にスプライン溝またはキー溝を設けても
よいし、これらの軸心にスプライン軸を嵌装する孔を穿
設し、これにスプライン軸を嵌装してもよい。また、第
２図に示すように、セラミックス軸１０にスプライン軸
形式の突出部１３を設け、金属軸２０にこれを嵌合させ
る凹陥を設けるようにしてもよい。

また、この軸継手は、袋ナツト３０が金属軸２０に密着
する内周面３１に対向する外周面にて軸受４４に回転自
在に支承される。従って、軸２０の外周面２３と袋ナツ
ト３０の内周面３１とは、軸方向に相対変位可能であり
軸２０と袋ナツト３０が同−芯を保つだめ両者は、は・
ンホ密着していることが必要であり、袋ナツト３０の内
周面３１に対向する外周面は正確に芯出しされた円筒面
でなければならない。

前述の如く、セラミックス軸と金属軸との軸継手構造に
おいて、セラミックスと金属との線膨張係数が著しく異
なるととによりより、温度上昇により軸継手が緩む問題
がある。袋ナツト３０は金属軸２０と螺合せしめるので
、金属軸２０と同−材料又は線膨張係数が殆んど同じ材
質の袋ナツト３０が使用される。従って、セラミックス
と金属２の線膨張差の影響とは、袋ナツト３０の袋部３
２とセラミックス軸１０の肩部１２との係合部から袋ナ
ツトねじ部５３までの間の各部材の袖方向の長さにおけ
る伸びの差により起るものである。金属軸２０はセラミ
ックス軸からの伝熱のため袋ナツト３０より温度が上昇
し、袋ナツト３０とセラミックス軸１０の伸び巻き吸収
する傾向になるが、温度が上昇しすぎて、締付力が過大
となる可能性のちる場合は適切な冷却を行なえば殆んど
問題がなくなる。金属軸２０は袋ナツト５０には・ご密
着しているため、金属軸２０から袋ナツト３０に熱カ伝
Ｆ）ｖ、軸受の温度を上昇させやすい。この嚇合は金属
軸２０の冷却を積極的に行いセラミックス軸１０と袋ナ
ツト３０の伸びの差を線膨張係数が袋ナツトより大な材
質のディスタンスピース４０をセラミックス軸１０と金
属軸２０の間に介在させることによりなくすことができ
ろ。

適切に設計することにより袋ナツト３０とセラミックス
＠１０の伸びの差による影響を消失せしめることができ
る。

次に、この軸継手の冷却手段について述べる。

この金属軸２０の端部には軸心に沿って端面２１に開口
する冷却ガス通路２５が設けである。冷却ガス通路２５
への冷却ガス（一般に空気）の取入は軸２０の端部をは
なれた外周面より半径方向に穿設した取入孔２７より行
なわれる。第１図の如く、ディスタンスピース４０を使
用するときは、ディスタンスピース４０ｔ／こもガス通
路２５に連通するガス通路が設けられ、ディスタンスヒ
ース４０内の放射状のガス通路４１により袋ナツト３０
の袋部３２内に放出される。

袋部３２内の冷却済空気は、スペーサ４２の隙間から外
部に放出される。必要に応じて、袋ナツト３０又はスペ
ーサ４２に放出孔を設けておく。

第２図の如く、ディスタンスピースを使用してないとき
は、金属軸２ｏの端面２１に放射状の溝２６を設け、溝
２６より冷却済空気を放出させる。また、第２図の如く
、金属軸２ｏの端面２１に凹陥が設けられ、これにセラ
ミックス軸１０のスプライン軸形式の突出部１３が嵌合
しているときは、突出部１３に沿って軸心方向、の複数
条の溝を設け、該溝にて通路２５と＄２６を連通すしめ
るようにすればよい。

また、金属軸２０への熱伝達を可及的に少くする為、金
属軸２０の端面２１にセラミックス軸１０又はディスタ
ンスピース４ｏに接触しない凹み２２（第１図参照）を
設けることは望ましい。第２図における溝２６は而み２
２と同一目的も達成している。

本発明による軸継手は以上の如＜構成されているので、
高温作動時にも十分な締付状態を確保することができ、
緩みや締め過ぎが発生せず、セラミックス軸に曲げ応力
が発生し破損するような危険はない。ｔた、軸心が狂う
こともない。

更に、セラミックス軸側に片持形回転体を取付けた場合
に、回転体重心より軸受までの甲雁を短くし、撮動の発
生を少くする等、回転体の機能を向上せしめることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の軸継手のそれぞれ異なる実
施例の縦断面図である。 １０・・・セラミックス軸、１１・・・端面、１２・・
・肩部、１３・・・突出部、２０・・・金属軸、２１・
・・端面、２３・・・端部外周面、２４・・・おねじ、
２５・・・冷却ガス通路、２６・・・溝、３０・・・袋
ナツト、３１・・・内周面、３２・・・袋部、３３・・
・めねじ、３４・・・締付用孔、４０・・・ディスタン
スピース、４２・・スペーサ、４３・・・緩み止めナツ
ト、４４・・・ベアリング。 出願人　　旭硝子株式会社 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （］）袋ナツトの内周面を金属軸端部外周面に密着させ
   、金属軸端部とセラミックス軸端面を円錐面として接合
   させ、袋ナツトの袋部をセラミックス軸外側部に形成し
   た円ζ面の肩部て複数個に分割された環状のスペーサを
   挾んで係合し、袋ナツトの基部を金属軸に螺合させて、
   金属軸とセラミックス軸を圧接せしめてなることを特徴
   とする軸継手。 １２）　　袋ナツトが金属軸に密着せる内周面に対向す
   る外周面にて・陣受に支承可能としである時約請歌の範
   囲第１１′ｌＮの軸継手。 （３）　　前記金属軸端部に冷却ガス通路を設けてプ　
   　３゜る特許請求の範囲ｉｊ”；　１項又は第２・′口
   の軸継手。 （４）　　前記金属軸端ｔ（ｒ＋とセラミックス軸端面
   の間に、線膨張係砕が袋ナツトより犬なる材質のディス
   タンスピースが挾持され、該ディスタンスピースに前記
   金属軸の冷却ガス通路に連通する冷却ガス通路が設けで
   ある特許請求の範囲第３項の軸継手。 （５）　　前記セラミックス軸及び金属軸、又はこれら
   に加えてディスタンスピースが、相互Ｋ　スプライン又
   はキー結合とされてちる特許請求の範囲第１項乃至第４
   １頁いずれか記載の軸継手。 １６）前記金属軸に前記袋ナツトと共に、該袋ナツトの
   緩み止ナツトを蝉合しである特許請求の範囲第１項の軸
   継手。 （７）　　前記金属軸端面に、セラミックス軸又はディ
   スタンスピースと接触しない凹みを設けである特許請求
   の範囲第１項又は第４１６の軸継手。