JPS618410A - タ−ボチヤ−ジヤロ−タ - Google Patents

タ−ボチヤ−ジヤロ−タ

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Publication number
JPS618410A
JPS618410A JP13029184A JP13029184A JPS618410A JP S618410 A JPS618410 A JP S618410A JP 13029184 A JP13029184 A JP 13029184A JP 13029184 A JP13029184 A JP 13029184A JP S618410 A JPS618410 A JP S618410A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
shaft
ceramic
turbine
hollow
fitted
Prior art date
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Pending
Application number
JP13029184A
Other languages
English (en)
Inventor
Masao Kitano
正夫 北野
Norio Kurauchi
紀雄 倉内
Hideo Takahashi
秀郎 高橋
Takashi Takeuchi
隆 武内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP13029184A priority Critical patent/JPS618410A/ja
Publication of JPS618410A publication Critical patent/JPS618410A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/026Shaft to shaft connections
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

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) 本発明はターボチャージャに使用するロータに関するも
のである。
(従来の技術) 第1図によシ従来技術を説明する。ターボチャージャの
タービン部1を高温強度の強いセラミックで作ると比重
が金属に比べ少さいため回転モーメントが少さくなる。
従ってターボチャージャロータの加速性が改善されター
ボ付エンジンの加速応答性即ち同エンジンを搭載してい
る車輛の加速応答性が良くなるので各所で研究開発が進
められている。ここでタービン部1と一体になって回る
軸部2,3もセラミックで一体成形して作るとコンプレ
ッテ部4をはめ合わせる部分が細いので折れ易く、かつ
先端のネジ部5を作るのがコスト高になる。この解決策
としては軸の太い部分2の末端に形成した嵌合部6でセ
ラミック製軸部2に金属製軸部7を焼ばめする方法が有
効である。この焼ばめ部を8とする。普通便われている
フルフロート式の油潤滑すベシ軸受を使う場合は軸2の
軸径も比較的小さくかつ、油により冷却が充分に行われ
るので使用中温度上昇によシ焼ばめ部8のゆるむ可能性
は少ない。しかし例えば軸受けに軸受は負荷能力の小さ
い空気軸受を使う場合軸受負荷の関係から軸径も大きく
なり、かつ空気は油に比べ熱伝達率が小さいため空気に
よる冷却が充分に行なわれないのt゛、使用生焼ばめ部
8の温度が上がる。熱膨張率は一般に金属の方が大きい
のでこのため焼ばめ部8がゆるむおそれがある。
空気軸受は摩擦抵抗が少なく高速回転でも振動が起シに
くい高速回転に適する軸受けであるが、上記のように軸
受負荷能力が小さいので、一般に油潤滑に比べ軸径を太
くし軸受面積を大きく取るのである。ターボチャージャ
の場合熱源はタービン部1にあシ、熱はセラミック製の
軸部2を熱伝導によシ伝わ)焼ばめ部8の温度を上昇せ
しめる。その間周囲の空気へ熱伝達によシ熱量Qout
 を放出するが、油潤滑の場合における固体から液体へ
の熱伝達に比べて固体から気体への熱伝達は非常に小さ
いので冷却はあまシ充分とは云えない。軸を熱伝導によ
シ伝わる熱量は良く知られているように軸の熱抵抗几に
反比例する。ここで几は次式(1)で表わされる。
几=に1/λF(1) 式(1)中!はタービン部1と焼ばめ部8との距離、λ
は材料の熱伝導率、Fは軸の断面積、Kは比例定数であ
る。したがって軸径dを太くするとFはd2に比例して
大きくなり熱抵抗を少さくするので焼I↓パめ部−8の
温度が高くなシ易い。
一方金属製軸部7は一般に熱処理により強度を一定水準
以上に高めた調質材又は焼入れ硬化材が望ましいので、
焼ばめ温度をあまり高く取ることはできず、せいぜい5
00℃位までである。
又使用時の焼はめ部8の温度が250℃を超すことは好
ましくない。
今−例としてセラミック、製軸部2の軸径20■φ、タ
ービン部1の温度900℃、タービン部1から焼ばめ部
8の開始点9までの距離!=50■、アルミニウム製の
コンプレッサ部4の温度100℃、ロータ回転数15万
rpm、軸の周囲の空気温度100℃と仮定し、セラミ
ック製軸部2が窒化硅素、金属製軸部7が8CM5 (
クロム・モリブデン鋼)で作られている場合の焼ばめ開
始点9の温度を試算すると276℃にも達する。
第2図は第1図のA−A線に沿った断面図であり、図中
10はジャーナル空気軸受を示す。
(発明が解決しようとする問題点) 上述のように、従来のセラミ−ツク製ターボチャージャ
ロータにおいてはタービン部の熱がセラミック製軸部を
通して金属製軸部との焼ばめ部又は圧入部等の嵌着部に
伝わシ易かったため、該嵌着部の強度を十分確保するこ
とは困難であった。
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためのもので
sb、その目的とするところは、タービン部の熱がセラ
ミック製軸部と金属製軸部との嵌着部に伝わシ難く、タ
ービン部が赤熱状態となる使用時においても該嵌着部が
十分な結合強度を有し且つ軽量で加速性に優れたターボ
チャージャロータを提供することにある。
(問題点を解決するための手段) すなわち本発明のターボチャージャロータは、セラミッ
ク製タービン部と該タービン部に結合したセラミック製
軸部と該軸部の末端に嵌着せしめた金属製軸部とよりな
り、上記セラミック製軸部に中空部を設けたことを特徴
とする。
中空部の形状は熱伝導率の低下の度合、軸部の機械的強
度、製作の難易度及びコスト等を考慮して最適に選択す
る。好ましい形状としては軸方向に連続した筒状体が挙
げられる。ごの筒状体は実用上は円筒状とするのが都合
がよい水輪部の重心の偏シが生じない形状であればよい
例えば上記において軸の径方向の断面円の円周部に半円
、半楕円状等の各種形状の凹部を設けた変形円筒状、又
は六角筒、六角筒などの各種角筒状であってもよい。又
、円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状並びに各種形状
を組み合せて用いたものであってもよいし、更に軸方向
に沿って筒状体の断面積や形状が変化するものであって
もよい。特に中空部の先端及び末端部は応力の集中や金
属製軸部との接続を考慮して最適形状とするとよい。
機械的強度と熱伝導率の低下の度合との釣合よシ、中空
軸部の径方向の断面積に対するセラミック部の断面積の
比率が5ないし35チであるものが好ましい。
又、セラミック製軸部は該セラミック製軸部が回転自在
に嵌挿した軸受により保持されているが、この軸受との
摩擦によっても熱が発生する。特に空気軸受を使用する
場合に問題となる。
したがって軸受により保持されている軸部も°中空であ
ることが好ましい。すなわち、このような場合にはセラ
ミック製軸部に設けた中空部が該軸部の金属製軸部を嵌
着せしめた端面に開孔し\少なくとも該セラミック製軸
部が回転自在に嵌挿した軸受の該軸部が結合したタービ
ン部側の端面まで達していることが好ましい。
セラミック製軸部に設ける中空部は一つの穴よ多形成さ
れていても複数個の穴よ多形成されていてもよい。複数
個の穴を設ける場合には軸部の重心が偏らないように特
に注意する。
本発明のターボチャージャロータに使用する材料として
はセラミック製軸部については例えば窒化珪素、金属製
軸部については例えばクロム・モリブデン−等の通常使
用される耐熱性及び高強度材料を用いることができる。
又製造方法も、引抜き、鍛造等の塑性加工後機械仕上げ
等通常使用される方法を用いることができる。
(5!施例) 以下の実施例において本発明を更に詳細に説明する。な
お、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
実施例1: 市販の炭化珪素、窒化珪素粉末とバインダーとの混合物
を型に入れ成形機で加圧して所定の中空部を有するター
ボチャージャロータの形状に成形した後、あるいは、窒
化珪素粉末と熱可塑性樹脂を加圧混線して得た射出成形
用素材を射出成形機で溶融し、金型内に射出し、このよ
うにして得られた所定の中空部を有するターボチャージ
ャロータ形状の射出成形体を脱樹脂炉内で脱脂(樹脂分
をのぞく)シた後、所定条件で加熱焼成した。次いで予
めクロム・モリブデン鋼SCM5で成形した金属製軸部
をセラミック製軸部の末端に焼ばめして本発明のターボ
チャージャロータを製作した。第5図に軸方向の断面図
を、第4図に第3図のA−A線に沿った断面図を示す。
図中、11Fi中空のセラミック製軸部を、他の数字は
第1図及び第2図と同様の意味を表わす。
実施例2〜3: 第3図及び第4図はジャーナル空気軸受10が1個の場
合の例を示したが、第5図にジャーナル空気軸受10が
2個の場合の例を、第6図にジャーナル空気軸受10が
2個(1個は図示せず)、スラスト空気軸受12が1個
の場合の例を示す。
空気軸受としてはターボチャージャのよシに軸の温度が
始動時から定常運転時まで大きく変化するものに対して
はテイルテイングパツド式とかフォイル式の動圧型空気
軸受を通常使用する。焼ばめ部分は内側部材には局方向
の圧縮応力が、外側部材には周方向の引張り応力が大き
く作用するので大きな強度を持たせることが必要であり
、この点からは第3図の焼ばめ部8のように中空のセラ
ミック製軸部11の壁面の肉厚を大きくするのが好まし
い。
実施例4〜5: 第7図及び第8図に本発明の別の実施例を示す。セラミ
ック製軸部13に設ける中空部としてはストレート穴か
又は軸方向のタービン部に向うにしたがって穴径が小さ
くなる微小テーパ穴が製作L7易いが、第7図に示すよ
うにセラミック製軸部15に開孔端側が狭くなった形状
の穴を設ければ金属製軸部7′とセラミック製軸部15
を同一″径として結合することができてよい。
また、穴の先端部の形状としては角のある形状はセラミ
ック材料に対してはクラックが生じ易い等の点で好まし
くない。したがって例えば半球状又は適度な曲率を有す
る曲面形状とするカベ又は第8図に示すようにセラミッ
ク製軸部14に頂点が半球状の円錐穴を設けるとよい。
実施例6〜7: 第9図及び第10図にセラミック製軸部15及び16に
中空部の径方向の断面形状の異なる穴を設けた更に別の
実施例を示す。
(発明の効果) 上述のように、本発明のターボチャージャロータはセラ
ミック製軸部疼最適な形状の中空部を設けたことによシ
軸の熱伝導断面積が小さくなり、軸の熱抵抗を従来のセ
ラミック軸よ介も大きくすることができる。例えば従来
技術の欄において試算した軸径20wφのセラミック軸
に1811111φの円筒状中空部を設けた場合の焼ば
め開始点の温度を試算すると214℃となシ、従来のセ
ラミック軸の場合の276℃に比べて62℃も低い温度
となる。
すなわち使用時に高温となるタービン部よシセラミック
製軸部と金属製軸部との嵌着部への熱伝導が抑えられる
ため焼ばめや圧入等によシ結合した嵌着部が十分な結合
強度を維持できるためターボチャージャロータの信頼性
及び安全性が向上する。又、中空部を設けたことによシ
セラミック製軸部が従来に比容て軽量とな多回転モーメ
ントを小さくすることができるためターボチャージャ付
エンジンの加速応答性即ち同エンジンを搭載している車
輛の加速応答性が良くなシ、車輛の品質を更に高める効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のターボチャージャロータの軸方向の断面
図、 第2図は第1図の八−A線に沿った断面図、第3図は本
発明のターボチャージャロータの一実施例の軸方向の断
面図、 第4図は第3図のA−A線に沿った断面図、第5図及び
第6図はジャ、−ナル空気軸受2個を有する本発明のタ
ーボチャージャロータの別の実施例の軸方向の部分断面
図、 第7図及び第8図はセラミック製軸部に設けた中空部の
端部の形状を変えた本発明のターボチャージャロータの
更に別の実施例の軸方向の部分断面図、 第9図及び第10図はセラミック製軸部に設けた中空部
の形状の異なゐ本発明のターボチャージャロータの更に
別の実施例の中空部を設けた軸部の径方向の断面図であ
る。 図中、 1・・・タービン部、2.3・・・軸部、4・・・コン
プレッサ部、5・・・ねじ部、6・・・嵌合部、7,7
′・7“・・・金属製軸部、8・・・焼ばめ部、9・・
・開始点、10・・・ジャーナル空気軸受、11.11
’、 13.14.15゜16・・・セラミック製軸部
、12・・・スラスト空気軸受。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) セラミック製タービン部と該タービン部に結合
    したセラミック製軸部と該軸部の末端に嵌着せしめた金
    属製軸部とよりなり、上記セラミック製軸部に中空部を
    設けたことを特徴とするターボチャージャロータ。
  2. (2) セラミック製軸部に設けた中空部が軸方向に連
    続した筒状体であり、該中空部を設けた軸部の径方向の
    断面積に対するセラミック部の断面積の比率が5ないし
    35%であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載のターボチャージャロータ。
  3. (3) セラミック製軸部に設けた中空部が該軸部の金
    属製軸部を嵌着せしめた端面に開孔し、少なくとも該セ
    ラミック製軸部が回転自在に嵌挿した軸受の該軸部が結
    合したタービン部側の端面まで達していることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載のターボチャージャロー
    タ。
JP13029184A 1984-06-25 1984-06-25 タ−ボチヤ−ジヤロ−タ Pending JPS618410A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63210407A (ja) * 1987-02-25 1988-09-01 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 中空真空断熱軸
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WO2017050931A1 (de) * 2015-09-22 2017-03-30 Mp-Engineering Gmbh Turbine mit keramik-turbinenrotor

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