JPS6224605B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セラミツクタービンロータに関し、
特にその回転軸と一体に成形したセラミツクスの
タービンロータにおいて、遠心力に対する強度の
向上を図りかつ成形が容易なように形状の改良を
図つたものである。

近年、ガスタービンエンジンやターボチヤージ
ヤのセラミツクス化に伴い、回転軸とタービンロ
ータとを一体のセラミツクスで成形したものが開
発されているが、セラミツクスは耐熱性や圧縮強
度その他の機械的性質において優れている反面、
引張り強度に問題があり、この種のタービンロー
タでは、その回転軸との付け根近傍に遠心力によ
る亀裂が生じ破損し易いのでその対策が望まれ
る。

第１図はこのような従来のセラミツクタービン
ロータの一例を示し、この種のものは特開昭第55
−161902号に開示されている。ここで、１はター
ビンロータ、２はその翼部、３はそのタービンデ
イスクであり、翼部２とタービンデイスク３とは
タービン回転軸４と一体にセラミツクスで成形さ
れていて、セラミツクスの種類としては窒化珪
素、炭化珪素およびサイアロン等が用いられてい
る。なお、５はデイスク外周部であり、小径の円
弧断面形状とすることにより幾分の厚みが持たせ
てある。デイスク外周部５に続くデイスク３の背
板部６には背面３Ａが外周部５から軸４に向けて
漸増する直線状のテーパ面で形成されていて、こ
の背板部６が軸４に連らなる間の接続部７は応力
の集中を避けるために滑らかな円弧面に形成され
ている。８はこの円弧面が軸４と接する接線部、
９は円弧面が背板部６のテーパ面と接する接線部
である。

しかしながら、このように形成された従来のセ
ラミツクタービンロータにあつては、その形状か
らして次のような問題点があつた。

(1) 背板部６ではタービンの高速回転によつて生
じる遠心応力が高く、特に背板部６が円弧面と
接する接線部９ではその遠心応力の値が最大と
なり、実測例をあげると、例えばタービン回転
数が10万ｒ・ｐ・ｍのときには、その最大応力
値δが15.4Kg／mm²にもおよび、この部位から破
損が生じ易い。

(2) このような遠心応力を低減させるには背板部
６において、テーパ角度（テーパ面と軸に直角
な面とのなす角度）θ゜を増大させればよい
が、このようにすると、接線部９の位置と共に
接線部８の位置が第１図で左方にきてしまい、
タービン軸４に設けられる軸受や軸シールの配
置位置が制約されて設計上好ましくないのみな
らず、背板部６でのデイスク３の肉厚が増すこ
とによりセラミツクスの成形が困難となる。す
なわち厚肉部ではセラミツクスに内部切れなど
が発生する。

本発明の目的は、かかる問題点に着目し、遠心
応力が低減できて破損の発生が抑制され、しかも
成形し易いセラミツクタービンロータを提供する
ことにある。

かかる目的を達成するために、本発明では、タ
ービンデイスクの背面の軸心を含む断面形状が、
外周部から接線部８に向けて曲率半径が連続して
変化するような曲線、例えば楕円や放物線等二次
曲線の一部または三次曲線の一部となるように形
成する。

以下に、図面に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第２図は本発明の一実施例を示し、本例では背
板部および接続部の軸心断面形状を楕円曲線の一
部を用いて形成したものである。すなわち、外周
部５と接線部９との間のデイスク３の背面３Ａ
を、ロータ１の半径方向に長径を有し、軸４方向
に短径を有する楕円１１の一部を軸４の回りに仮
想的に回転することによつて得られる回転面とす
る。なお、ここで下半部に破線で示したのは従来
例による背面の形状を示したものであり、本例の
形状としたことにより、デイスク３の肉厚が薄く
なつたことが分る。

このような形状としたタービンロータ１２にあ
つては、その背面３Ａを曲率半径が外周部５から
接線部８にかけて漸減する曲面によつて形成した
ので、遠心力による最大応力の発生する位置が第
１図の例では接線部９の位置であつたのが外周部
５に近い方の部位１３に移行する。しかして、こ
の部位１３での最大遠心応力δは、本願人が有限
要素法を用いて計算したところによれば、従来例
の場合回転数10万ｒ・ｐ・ｍのとき15.4Kg／mm²で
あつたのに対し、14Kg／mm²となり、従来例に比し
約10％低減できるとが確認できた。また、スピン
テストによつても本発明のロータが回転強度につ
いて従来例より優れていることを確認した。な
お、タービンデイスク３の外径をφＤ、軸４の径
をφｄとすると、発生する最大遠心応力の効果的
な低減を図るには、接線部８から少なくとも1/2
（Ｄ＋ｄ）の範囲を上述したような曲面とするこ
とが望ましい。

第３図は本発明の他の実施例を示し、本例は動
バランスの修正を考慮したもので、背板部の外周
部に連らなる近傍に滑らかな曲線で形成した段付
き部を設け、この段付き部に続く背面を曲率半径
の変化する曲線によつて得られる回転面とする。
すなわち、２０は外周部５に続く背面３Ａの一部
を軸４側に突出させた段付き部であり、この段付
き部２０と軸４との間の背面３Ａを、楕円２１の
曲線によつて形成した回転面とする。なお、本例
においても楕円曲線を用いたが、ここでは楕円２
１の径を幾分右に倒した状態で段付き部２０およ
び軸４に接する如くなし、以て得られる曲線部分
を用いた例である。

このように形成したタービンロータ２２にあつ
ては、動バランス修正に際して、段付き部２０を
切削してゆくことにより修正ができ（切削部分の
一例を第４図で斜線を記入して示す）、修正の結
果第４図Ａに示すような修正面２０Ａが得られて
も、この面２０Ａおよびこれに連らなる面の近傍
には大きい集中応力が発生しない。これに対し
て、第４図Ｂに示すように従来の形状としたター
ビンロータ１において動バランス修正のために背
板部６の一部を切削すると（斜線部分は切削した
範囲を示す）、この部に集中応力が発生しやす
い。また、第４図Ｃは従来の形状としたタービン
ロータ１の背板部６に予め突出させた修正用突起
部６Ａを設けた例であるが、このように形成して
おくと、修正の結果として突起部６Ａが残置され
たような場合、突起部６Ａに続くくびれ部６Ｂに
遠心力による集中応力が発生しやすく、いずれの
場合も動バランス修正に対しては好適例でない。

以上説明してきたように、本発明によれば、セ
ラミツクタービンロータにおいてそのデイスクの
背面を、デイスクの外周部から軸にかけて曲率半
径が連続して変化する曲線で得られる曲面とした
ので、従来のように直線状のテーパ面で背面の一
部が形成されているセラミツクタービンロータに
比し、最大遠心応力が低減できて、遠心力に対す
る強度が向上し、更に薄肉化することができるの
で成形し易い。

更に、デイスクの背面をデイスクの外周部から
軸にかけて曲率半径が漸減する曲面とすることに
より、上記に加えて軸のロータとの接続部をロー
タ側に十分近く設けることができ、以て、軸に軸
受や軸シールを配置するに際して制約を受けるよ
うなことなく最大遠心応力の低減、および薄肉化
を図ることができる。

更にまた、上記に加えデイスクの背面の外周部
近傍に動バランス修正用の段付き部を形成すれ
ば、修正のための切削を行つてもこの部に集中応
力の生じるようなことがないので、動バランス修
正のために好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のセラミツクタービンロータの一
例を示す部分断面図、第２図は本発明セラミツク
タービンロータの形状の一例を示す部分断面図、
第３図は本発明の他の実施例における形状の一例
を示す部分断面図、第４図Ａはその動バランス修
正のために切削を行う例を示す断面図、第４図Ｂ
は従来のセラミツクタービンロータにおいて動バ
ランス修正のために切削を行う例を示す断面図、
第４図Ｃは従来のセラミツクタービンロータに動
バランス修正のための修正部を突設した例を示す
断面図である。 １，１２……タービンロータ、２……翼部、３
……デイスク、３Ａ……背面、４……回転軸、５
……外周部、６……背板部、６Ａ……突起部、６
Ｂ……くびれ部、７……接続部、８，９……接線
部、１１，２１……楕円、１３……部位、２０…
…段付き部、２０Ａ……修正面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービンデイスクおよびタービン翼をタービ
   ン軸と共にセラミツクスで一体に形成したセラミ
   ツクタービンロータにおいて、前記タービン軸と
   連らなる前記タービンデイスクの背面を曲率半径
   が前記タービンデイスクの外周部から前記タービ
   ン軸に向けて連続して変化する曲面で形成したこ
   とを特徴とするセラミツクタービンロータ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のセラミツクター
   ビンロータにおいて、前記曲面を、前記曲率半径
   が前記タービンデイスクの外周部から前記タービ
   ン軸に向けて漸減する曲面としたことを特徴とす
   るセラミツクタービンロータ。