JPS60142001A - タ−ビン軸の接合構造 - 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】 本発明はターボ過給機等におけるＳｉ３Ｎ４、サイアロ
ン、ＺｒＯ２等のセラミックスで形成されたタービンｎ
車と金名軸１の接合構造の改良に関するものである。

近年ニューセラミックスの耐熱耐摩性及び耐熱合金に比
べて比重の小さいこと等の特性からタービン翼車への利
用が注目されてきている。

通常このようなタービン翼車は軸が一体的に形成された
状態でセラミック化されており、スラスト部及びコンプ
レッザ翼車を固定する比較的低温側部分の軸は金属で作
られ、両軸を途中で接合して軸受によって中心に支承さ
れるという構造になっている。セラミック製翼車の軸と
金属軸との接合は通常ろう付によりなされる。即ち５ｔ
３Ｎ４、サイアロン、ＺｒＯ２等セラミックスの接合す
べき表面に物理蒸着法によ！１１　Ｔｉ　−Ｍｏ　−Ｃ
ｕ層又はＺｒ−Ｃｒ−Ｃｕ層等最終的にろう材と反応し
易くなるような金属化面を順次形成しておき、該金属化
面において金属軸を８００℃〜１１００℃に加熱してろ
う付するものである。金属軸が炭素鋼−であるとタービ
ン翼車のセラミック軸とは熱膨張係数が大きく異なるた
めその大きな膨張差によってろう付接合近傍には相当の
歪が残存することになる。ターボチャージャ等の設計で
はそれが自動中等に組込捷れる関係上その大きさ、形状
、重量等の制限をうけ必要な性能を保持する最小の大き
さになされ、クーピンロータ軸はトルクが伝達される強
度に対して安全を見越して安全係数が掛けられたぎＱぎ
りの設計がなされるのが一般である。当然のことにろう
付けによる接合強度も上記のように安全上必要なぎりぎ
りの面債に設計されている。このため上述のように熱膨
張差による歪が残存すると弱い部分に破壊が起るが接合
部強度が強ければじん性のある金屈部よフももろいセラ
ミック部において内部歪による応力に抗し切れずに破Ｍ
が起って使用不能に陥る。また、タービン軸は、使用中
タービン翼車が高温排気に曝されるため、その熱が接合
部に伝わり、上述の如く金属とセラミックスとの熱膨張
差により、接合部に円周方向に引張応力が生じ、一方、
タービンロータ軸は使用中毎分士数万回転もの速度で回
転することから、金属軸の特に軸受と摺動する部分は摩
耗が激しく、摩耗により金属４・ｉｔｌが減径して偏心
し機械的衝撃を受け、遂には折れるおそれがあった。

発明者等は上記従来の接合構造の難点のうち接合部に生
じる円周方向引張応力を小さくすることを目的として、
実願昭５７−１７９９６１号考案「タービン軸の接合部
」を提案した。上記考案は軸のガスシール部とこれに続
く軸受部間にセラミック製翼車軸と金属軸の接合部外面
を表出させることにより、接合部を６“・′ｊ滑油の還
流部内に位置させ、極端な高熱に曝されることを避けた
ものである。

本発明は上記考案に辺に改良を加え、ろう付接合により
接合部に生じる歪等の残留応力を緩和する一方、金属軸
の軸受との摺動部分の耐摩耗性及び機械的強度を向上せ
しめることを目的としてなされたもので、金属軸がセラ
ミック製翼車軸と接合し表面硬化されていない低ヤング
率材質又は低膨張材質よシなる大径部と、該大径部に接
合し少なくとも軸受との摺動部が表面硬化さり、ている
小径部とからなるタービン軸の接合構造を提供するもの
である。

以下、図面にもとづいて本発明タービン軸の接合構造を
説明する。

第１図において、ケーシング１は片側がタービンケ−シ
ング２、他の片（１１１１がコンプレッサケーシング４
、その間が軸受ケーシング３の三部分よりなりその中心
を貫通してタービンロータ５が位置量る周知の構造であ
る。

タービンケーシング２は内燃機関等の高温排気の導入口
２１が中央のタービン翼車室２２をとり壕く誘導路２３
に連通し、該誘導路２３の内周においてタービン甚車室
２２の外周部にＡじている。タービン翼車室２２の外τ
１）１はガス排出１」２４となり内側中央は軸受ケーシ
ング３に通じており翼車室２２内には放射状に複数個の
羽根５１を軸５２の１わりに等分に設けたーセラミック
スでなるタービン故車５３が位置している。

タービンロータ５はセラミックス例えばＳｉ３Ｎ４でな
るタービン翼車５３の翼車軸５２の端面に例えば物理蒸
着によりセラミックスとの密着性が良いＺｒ層、次にろ
う肘用金属の拡散を防止するＣｒ層、更に展性の良いＣ
ｕ層の金属化層を形成しておき、この面において■ぐ０
ＶＡＲ１Ｆｅ−Ｎｉ４２％合金、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ等ヤ
ング率の低い金属又はＶｖ’、Ｍｏ等熱膨張係数の低い
金属よりなり上記翼車軸５２の端面と略同径円柱形状の
金属軸の大径部５４がろう刊され、更にこの大径部の後
端面に浸炭、窒化等により表面が硬化されているＳＣＭ
鋼、ＳＡＣＭ鋼、ＳＮＣＭ鋼等の金属よりな９軸受の内
径に適合して核軸受と摺動可能な小径部５６がろう付さ
れている。

軸受ケーシング３はタービンロータ５をクーピンケーシ
ング２とコンプレッサケーシング４の中心所定位置に保
持するためタービン苑屯軸５２の軸受部位及びこれと同
軸一体に構成された金属軸のうち表面硬化された小径部
の軸受部位の三箇所を軸受３１によって回転可能に軸受
している。

軸受３１は上部の潤滑油人口３２からｆＩ回路され、た
油路３３，３４を通って供給される淵滑油で潤滑され、
その潤滑した油は下部の空洞部３５より出口３６を経て
回収される。軸受ケーシング３のタービンロータ５の前
側及び後側の接触部にはピストンリングが介装されてい
て潤滑油がクーピン側及びコンプレッサ側に漏れること
を防止している。

本発明タービン軸の接合構造は以上の基本的構成を具備
したものであるが、本発明の要点である金九軸の大径部
及び小径部について具体的に説明する。

大径部５４はセラミックスでなるタービン翼７１ｊ　５
３との接合部において両者の熱膨張差によって生じる歪
を極小に抑制するため、前述の通り−ｖタング率低い全
屈又は熱膨張係数の低い金属が使用されるが、その厚さ
は前者の場合は０１闘以上で十分であるが、後者の場合
は歪を緩和するためには２■以上を必要とする。又その
外径は小径部の外径よシも少しでも太きければ良いが、
タービン翼車Ｉｌ’ｌｌｌ　５２の外径より小さければ
第２図に示すように接合部の段差に接合用ろう材の溜り
５５ができて接合強度が増すので好ましい。この場合翼
車軸５２の端縁に面取り５２ａを施しておけばこの部分
でのチッピングが防止できる。逆に第３図又は第４図に
要部断面図でタービンロータ５のみ示すように大径部５
４の外径が翼車軸５２の外径より大きければシールリン
グ溝より漏れた排気が潤滑油中に流入するのを阻止する
ことができる。

小径部５６は軸受に対して高速で摺動するため、ＳＣＭ
鋼、ＳＡＣＭ鋼、ＳＮＣＭ鋼等機械的強度、耐摩耗性に
優れた金属が使用され、摺動部は特にＨＲＯ５０〜５５
の表面硬度を必要とすることから、浸炭、窒化等により
上記範囲の硬度に表面硬化されていなければならない。

大径部と小径部との接合方法は、前述の如くセラミック
ス面の金属化後Ａｇ　−Ｃ１ｌ共晶ろう、Ｎｉろう、Ａ
ｔろう、Ｃｕろう等公知の金属によるろう付の他に、Ｔ
ｉ及びＺｒから選ばれる一種以上とＡｇ　、　Ｃｕ　、
　Ｎｉ　、　Ｆｅ等から選ばれる一種以上との混合物を
用いて活性化金属法によりろう付。

しても良く、この場合はセラミックスの表面を金属化す
ることなく直接接合される。

尚、第５図に示すように、大径部５４と小径部５６の間
に大径部と同材質又は大径部に適用可能な材質よりなり
小径部５６と略同径の緩衝部５７を介在させて接合して
も良く、接合部の歪を一層緩和することができる。大径
部と緩′衝部が同月質の場合は両者を一体成形したもの
を用いても良い。

緩衝ｆｅｌｔ　５７に上記金属に換えてジルコニア、ア
ルミナ等熱伝導率の低いセラミックスを用いても良く、
排気から小径部５６に伝達される高熱を断熱する効果が
ある。

第６図は小径部５６を接合部近傍５６ａのみ噌径させた
もので、この場合は接合強度が向上する。

本発明タービン軸の接合構造は以上の構成からなる故に
、前述の目的を達成することができるが、以下の効果を
付加的に有する。

すなわち、従来太い金続棒の７１１１受摺動部に切削加
工を施して大径部及び小径部相当部分を一体的に成形し
ていたのに比べて、本発明は大径部の厚さが薄いので金
属板を加圧抜き加工して大径７Ｘ３を作り、所定径の既
製金属棒を切断して得られる小径部と接合することによ
って金属軸が製造されるので、金属軸が低コストで製造
される。又、本発明接合構造においては大径部５４の厚
さを前記下限まで薄くすることができるので、軸の外周
にシールリング溝加工、外径加工等施す場合に切削工具
がセラミックスと金＼ 属とに同時に接触することがないので、切削工具の寿命
を延ばすことができるのである。

以下実施例を示す。

実施例１ 第１図に示すタービン翼車５３の形状で窒化珪素９０重
重量上りなりヤング率ａｌ　Ｘ　１．０’　Ｋ９／−１
熱膨張係数ａ２Ｘ１０／℃でｉｉ、径１６ｍｍ、長さ４
０闘へｌ＋を有するタービン難事の軸端面に物３１１′
Ｉｉに着法、を用いてＺｒ、Ｃｒ及びＣｕをそれぞれ順
に２０００人、２ｏｏｏｉ及び３００００にの厚さに蒸
着し、これと金属軸の小径部５６とすべき８０Ｍ鋼より
なる直径１１咽、長さ４０ｒｔｔｍの丸棒との間に第１
表に示す材質及び寸法の金烏軸の大径部５４とすべき円
板を介在させ、Ａｇ　−Ｃｕ共晶ろう、にて迅雰囲気中
温度９，００℃でろう付することによって本発明タービ
ン軸の接合構造Ａ〜Ｈ及び比較用接合構造Ｉを製造した
。

２・−′ ７７′ ／／ ／ 接合ｊｉｌｊ造Ａ−Ｉの接合部のねじυトルクを測シｆ
した結果を第２表に示す。

第　２　表 第２衣かられかるように本発明タービン軸の接合構造は
ねじシトルりが大きく、従って接合性１現の旨いもので
あったが、これは接合によって生じる歪が小さいためで
ある。これに対し比較用接合栴造■はろう付後冷却時に
セラミックス側にクラックが発生していたため、ねじり
トルクを測定することができなかった。

接合構造Ａを備えたタービン軸の小径部５６の表面を窒
化処理した後、タービン暴車の最外周部の周速３５０ｍ
／ｓｅｃで該タービン軸を１００時間回転させた処、異
状無く、タービン軸としての使用に耐え得るものである
ことが認められた。

実施例２ 実施例１で示した金属軸の大径部５４とすべき材質Ａ２
よりなる円板と小径部５６とすべき丸棒との間に、両端
面をＺｒ、Ｃｒ及びＣｕで２ｏｏｏＡ、２ｏｏｏｉ及び
３ｏｏｏｏｉの厚さに蒸着して金属化した第３表に示す
材質及び寸法の緩衝部５７となるべき円板を介在させて
ロー伺接合する以外は実施例１と同じ要領で第５図に示
す本発明タービン軸の接合構造Ｊ、Ｋｆ製造した。

接合構造Ｊ及びＫのねじりトルクを測定した処、それぞ
れＥｈ２Ｋｐ・ｍ及び４．６　Ｋ？・ｍであった。

実施例３ 大径部５４と小径部５６との接合面より小径部側ａｔｒ
ｒｍ長までを１３胴に増径する以外は実施例１の接合構
造Ａと同一要領で第６図に示す本発明タービン軸の接合
構造りを製造し、ねじｐトルクを測定した処、１２．５
　Ｋ９・ｍであυ、小径部の外径が均一径となっている
実施例１の場合よシも更に接合強度が高くなっているこ
とがわかった。

実施例４ 実施例１において、タービン翼車の軸端部に金属を蒸着
しなかったことと、ろう骨用金属としてＡｇ　：Ｃｕ　
：　Ｔｉ　：Ｆｅ　＝　６５　：　３０　：　３．：　
１　（：ｆｆ＜ｋｔ比）５ の金属混合物を用いて１０Ｔｏｒｒ真空中温度９００℃
の条件で活性化金属法によってタービン翼車軸５２と金
属軸大径部５４と小径部５６との三者を接合したこと以
外は実施例１の接合第１口口と同一要領で接合構造Ｍを
製造し、ねじり／トルクを測定した処、７５に９・ｍで
あった。

４、図面のｆ７１５単な説明 第１図は本発明タービン軸の接合構造の一実施例に係る
タービンロータを備えたターボ過給機の縦断面図、第２
図〜第６図はいずれも本発明の他の実施例に係るタービ
ンロータの縦断面図である。

５３・・・翼車、５２・・・翼車軸、５・・・タービン
ロータ、５４・・・大径部、５６・・・小径部、３１・
・・軸受 第１　図 １５１５３ 第−２図 第４図 第６図 第３図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　セラミック製翼車、該翼車に連な９外周にシー
   ルリング溝を備えてい不翼車軸及び該翼ｉＬＬ軸と接合
   する金属軸よシなるタービンロータにおいて、前記金属
   軸が前記翼車軸と接合し表面硬化されていない低ヤング
   率材質又は低膨張材質よやなる大径部と、該大径部に接
   合し少なくとも軸受との摺動部が表面硬化されている小
   径部とからなるタービン軸の接合（＋１＋ｑ造。
2. （２）大径ｆＸ１〜が金属板を加圧打抜き加工して製造
   したものである特許請求の範囲第１項記載のタービン軸
   の接合構造。