JPS61123701A - セラミツクス製タ−ビンロ−タ - 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】 産業上の利用分野 この発明はガスタービンエンジンやターボチャージャに
使用されるロータ、特にセラミックス製のタービンロー
タの連結構造に関する。

従来の技術及び問題点 ガスタービンエンジンやターボチャージャのタービンロ
ータは高温の燃焼ガスや排気ガスの流れを受ける。そこ
でタービンロータとしては耐熱性の高い、例えばインコ
ネル等の金属を使用するのが普通であった。しかしなが
ら、耐熱性が高いといっても金属では限界がある。また
、ロータが重いことから応答性が不良となる欠点がある
。そこで耐熱性の向上および軽量化を狙うためタービン
ロータをセラミックスによって形成するようにしたもの
が提案されている。ところがタービンを軸部とロータ部
も含めてセラミックスで一体成型することは回転軸とロ
ータとの接合部分に応力集中が生じ易く強度的に問題が
ある。そこでタービンロータを回転軸とロータとに２分
割し、両者を接合するようにしたものが’ｔｆＷＸされ
ている（例えばターボチャージャ用について特開昭５５
−１２５３０２号、同じ＜５５−１３４７０１号参照）
。ところがこれらの従来技術ではロータと回転軸とは相
補的な非円形部によってトルク伝達可能に連結している
が、ロータと回転軸とは機械的には一体であるが固有振
動数的にみれば連結状態でも別体である。そのため共振
が生じやすい問題がある。ロータと回転軸とを溶接によ
って連結すれば振動挙動からみれば両者は一体化されよ
うが、ロータと回転軸とが同一のセラミックス材料で形
成されていればその溶接はビーム溶接で実現可能でると
しても、ロータと回転軸とを別異のセラミックス材で形
成するとすればその溶接はほとんど不可能となる。ロー
タと回転軸とを別のセラミックス材で形成する必要性は
夫々の部品に最適な性能を発揮させるため必要となる。

問題点を解決するための手段 この発明によれば、セラミックス製の回転軸と、同回転
軸とは別異のセラミックス製のタービンロータとより成
り、回転軸とロータとは相互にトルク伝達可能に嵌合さ
れており、回転軸とロータとの相互に接触する部分にお
いて回転軸又はロータの一方にその他方と実質上同一な
セラミックス材料で形成された埋込部分が形成され、こ
の埋込部分において少くとも一点で回転軸とロータとは
溶接されることを特徴とするセラミックス製タービンロ
ータが提案される。

作用 回転軸とロータとは埋込み部分の働きで振動的には一体
の挙動をなすように連結される。

実施例 第１図はこの発明のタービンロータ構造を示しており、
セラミックス材、例えばジルコニアＺｒＯ□で作られた
回転軸１０と、これとは別異のセラミックス材、例えば
窒化珪素Ｓｉ　Ｊ、で作られたタービンロータ１２とよ
り成る。タービンロータ１２は第６図のような単品形状
をなし、外周に円周方向に間隔をおいて複数の羽根１４
を形成したも、のである。タービンロータ１２はその中
心ハブ部にトロコイド状の断面の突起１６を備え、一方
ロータ１０の端部におけるトロコイド断面の筒状拡大部
１７に、突起１６と嵌合する相補的な形状の凹部１８が
形成されトルク伝達突起１６の形状はトルク伝達が可能
であればどのような形状でもよい。

しかしながらセラミックスは硬度が高いので第２図に示
すようなトロコイド形状が切削の容易及び芯出しの容易
の観点から好ましい。即ち、ワークまたは工具に円周方
向の送りをかけることによって相対的に小隙間がほぼ一
定の精度のよいトロコイド形状が容易に得られる。しか
しながら、トルク伝達突起１６の形状は図示のトロコイ
ド形状に限定する意図はなく６角形とか三角形とか二面
中とかのトルク伝達の可能な形状であればよい。尚、突
起の形状が他の形状、例えば６角状のときは凹部の形状
もこれに準じて変える必要があることはいうまでもない
。又、トコロイド形状での一体化構成は特開昭５９−１
１３２０３号にみられるも実質構成は本件と基本的に異
るものであり、鋳ぐるみ等の構造は容認するものである
。

第２図に示すように薄い金属材料（軟鋼、銅等）で形成
（絞り加工）されたシム３０が突起１６と凹所１８との
間に配置される。シム３０は第４゜５図のようにトロコ
イド状の断面をなしたキャップ状である。組立時シム３
０を嵌合した状態で突起１６が凹部１８に嵌合される（
第２図）。この嵌合は圧入でもよいし、焼嵌めでもよい
。なおこれには金属体より温度差入となしうるメリット
を内在するものである。シム３０は嵌合部の微小な凹凸
を吸収しロータ部１４と軸部１２との馴染を良好とする
働きをする。第２図に示すようにトロコイド状凹部１８
の頂点は１８′のように凹まされていて、突起１６をピ
ッタリ嵌合可能としている。また、回転軸１０とロータ
１２とは別異の材質といってもセラミックスであること
は共通であり、熱膨張率はほとんど同じであるから、熱
的にみてもガタは生じない。

回転軸１０と筒状部１７の端面と当接するロータ１２の
面上に、ロータ１０を構成するセラミックス材と同一系
統で溶接可能なセラミックス材料で作られた埋込部分２
０が形成される。埋込部分の個数は１個でも複数でも良
く、設置箇所も限定しない。図の実施例ではトロコイド
形状の頂点のところに夫々埋込部分２０が形成される。

埋込部分２０の形成方法としては、ロータ１２の形成時
に埋込部分に相当する箇所に円柱状又はその他任意形状
の凹みを形成し、その凹み（逆テーパ付が好ましい）に
、回転軸１０と同一のセラミ・ノクス材料即ちＺｒ０ｔ
で形成した焼成済の円柱ピース（又は凹みの形状に一致
した形状のピース）をセ・ノドし、この状態でロータ１
２の焼成を行う。焼成の結果ロータ１２は例えばＳｉ：
ＩＮ−の材質として２０％程度の収縮を行い、ピースは
焼きばめと同じ原理で埋込みされ、強固に保持される。

尚、埋込部分２０を設けることによる強度低下の影響は
少いと思われるが、必要に応じ補強リブを反対側に形成
しても良い。

ロータ１２と回転軸ｌＯとは上述のように嵌合した状態
で、回転軸１０の端面とロータ１２の埋込部分２０との
間はＰのように溶接される。ここに溶接としてはセラミ
ックスを融解するに十分な高温が得られる溶接法、例え
ばレーザビーム溶接、または電子ビーム溶接が考えられ
る。図示の実施例はレーザビームによる溶接を想定して
おり、図示しないレーザ発生装置からのレーザ光しはレ
ンズ３１でＬ′のように絞られ、被溶接部位Ｐに当てら
れ溶接が行われる。溶接に先立って接合部は予備過熱さ
れ温度急変による熱歪を残さないようにするのが好まし
い。溶接によってロータ１２と回転軸１０は固有振動数
的には一体となり共振がしにくい構造となる。ビーム溶
接はアーク溶接等の通常の溶接と比較して単位長さ当た
りの溶接費用が嵩むが、トルク自体はロータ１２のトル
ク伝達突起１６を回転軸１０の凹部１８に嵌合させるこ
とで受けており、溶接部はトルク伝達には全く関与して
いない。その為、溶接部はほんの数箇所の点で十分であ
る。従って、たとえビーム溶接が単位長さ当たりの費用
が高くても全体としてみればコストの上昇は僅かである
。

相互に溶接される回転軸とロータ１２上の埋込部分２０
は実施例では酸化ジルコニア（ＺｒＯｚ）であり、不純
物を含まない状態では融点が２０００℃を越えるが、も
し溶接困難であればイツトリア（酸化イツトリウム）等
の不純物を添加することによって融点を１３００℃程度
に低下され、ビーム溶接が容易に可能である。セラミッ
クスのビーム溶接については例えば特開昭５５−６３７
５３号に開示されている。

第７図は以上述べたこの発明のロータ構造を軸流式のガ
スタービンに応用した場合を示す、　１００はガスファ
イヤタービンであり、一方１０２はパワータービンであ
り、静的可変翼部１０４，１０６を介して相互に対面し
ている。これらのブレードの外周部は燃焼室１０８の下
流に位置し、燃焼ガス流Ｆを受け、排気ガス流Ｆ′とし
て排出され、この間でタービンホイール１００，１０２
を回転付勢する。ガスファイヤーホイール１００は回転
軸１１０によってコンプレッサホイール１１２側に連結
され、燃焼空気の圧縮に供されパワーホイール１０２は
回転軸１１４によって、トランスミソシシンギャ１１６
に連結される。尚、回転軸１１０は６角状部分１１０’
で鋼製の６角スリーブ１２０に焼きばめされ、そのスリ
ーブ上に制御用ギヤ１２２が形成される。この構成は、
回転軸１１４上のスリーブ１２６とギヤ１１６について
も同じである（第９図）。また、コンプレッサホイール
１１２はスリーブ軸１２０上の２面幅部１２０′上に型
組みし、アルミニューム材料を流し込むことで鋳ぐるみ
となっている（第８図）。

ガスファイヤーホイール１００と回転軸１１０との間、
及びパワーホイール１０２と回転軸１１４との間に、第
１図に示すと同様な、トロコイド状の突起１６と凹部１
８とより成るトルク伝達部分があり、かつ、タービンホ
イール１００，１０２上には回転軸１１０，１１４と同
一系統のセラミックス材料で作った埋込部分２０があり
、この埋込部分２０と回転軸１１０．１１４とはＰのよ
うにビーム溶接され、固有振動数的に一体化されている
。

以上の説明は軸流型タービンへの応用の説明であるが、
半径流型のガスタービンにもこの発明は応用することが
できる。また、ガスタービンに限らず、ターボチャージ
ャのタービンホイールと回転軸との連結にも応用できる
。

発明の効果 トルク伝達可能に連結した、異った材質のセラミックス
製回転軸とロータとの一方には他方と同一のセラミック
スで形成された埋込部分２０があり、この埋込部分２０
を利用してＰのように溶接している。したがって高価な
ビーム溶接箇所を必要最小限としつつ（製作費用の低減
）、別体とするメリットである成形の容易、耐久性は維
持し、しかも共振しにくい構成とすることができる。

なお、Ｆｅ系材構成に比してセラミック系材の法が熱膨
張率も少なくて高精度であり、且つ、軽量であることの
メリットは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のタービンロータ構造を示す断面図、 第２図は第１図のｎ−ｎ線に沿う図、 第３図は第１図の■−■線に沿う図、 第４図はシムの単品斜視図、 第５図はシムの断面図、 第６図はロータ部の単品斜視図、 第７図はこの発明を実施しなガスタービンロータ構造を
示す図、 第８図は第７図の■−■線に沿う図、 第９図は第７図のＩＸ−ＩＸ線に沿う図。 １０・・・回転軸、１２・・・ロータ、１６・・・突起
、１８・・・凹部、２０・・・埋込部分、Ｐ・・・溶接
点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックスで作られた回転軸と、同回転軸とは別異の
   セラミックスで作られたタービンロータとより成り、回
   転軸とロータとは相互にトルク伝達可能に嵌合されてお
   り、回転軸とロータとの相互に接触する部分において回
   転軸又はロータの一方にその他方と実質上同一のセラミ
   ックス材料で形成された埋込部分が形成され、この埋込
   部分において少くとも一点で回転軸とロータとは溶接さ
   れることを特徴とするセラミックス製タービンロータ。