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JPS60101201A - タ−ビン軸の接合構造 - Google Patents

タ−ビン軸の接合構造

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Publication number
JPS60101201A
JPS60101201A JP58208344A JP20834483A JPS60101201A JP S60101201 A JPS60101201 A JP S60101201A JP 58208344 A JP58208344 A JP 58208344A JP 20834483 A JP20834483 A JP 20834483A JP S60101201 A JPS60101201 A JP S60101201A
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JP
Japan
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ceramic
shaft
turbine rotor
turbine
ceramic turbine
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JP58208344A
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English (en)
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JPH0351881B2 (ja
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Masaya Ito
正也 伊藤
Seiji Mori
聖二 森
Noboru Ishida
昇 石田
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Nippon Tokushu Togyo KK
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Nippon Tokushu Togyo KK
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Publication date
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/026—Shaft to shaft connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/02—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for connecting two abutting shafts or the like
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2226/00—Joining parts; Fastening; Assembling or mounting parts
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Ceramic Products (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】 この発明は接合構造を改良したタービン軸に関するもの
である。
近年セラミック材料の開発はセラミックの耐熱性に着目
して進められておシ、この耐熱セラミックの主要な用途
としてはエンジン周辺部品が多い。
中でもガスタービンエンジン、ターボチャージャ等に用
いられるタービン翼のセラミック化は軽量化によるレス
ポンスの向上等のメリットが大きく実用化が望まれてい
る。
接合されたタービン翼は実機では高温となり、軸受部や
潤滑油の耐久性を考えるとタービン翼から伝わる熱の断
熱を考える必要がある。
さて、ガスタービンの基本構造を第１図を８照しつ＼説
明すれば次のとおりである。図において、ケーシング１
は片側が排気ガスの導入口と排出口を有するタービンケ
ーシング２と、他の片側が吸気口と送気口を有するコン
プレッサケーシング４と、その囲の軸受ケーシング３の
６部分よシなり、その中心を貫通してタービン、ロータ
ー５が位置スる周知の構造である。タービンケーシング
２は尋人口２１よ）内燃機関等の高温排気を導入し、中
央室２２内のセラミック材からなるタービン翼車５１を
高速で回転して中央ガス排出「１２３よシ排出される。
タービン翼車５１の回転はセラミック材で一体形成され
た軸５２とこれに接合された金属軸５３とが軸受ケーシ
ング３で軸承され、且軸方向の位置決めをされ、油口３
１かも送られる油で潤滑されながら回転され、金Ｍ４１
１＋５３に嵌装固着されたコンプレッサｘ４車室４１内
のコンプレッサ翼車５４を高速で回転させる。このコン
ブレッテリ４車５４で空気は吸込口４２から吸込まれ圧
縮されてコンプレッサケーシング４よす内燃機関等に送
られるものである。
一方現在使用されている金属製タービン翼の場合　ｉ、
、’ｆ　２図（（イ）にその接続部分の構造を示したよ
うに、面ｊ熱台金製のタービンロータの軸端６２と金（
・３ｊ、　５４軸６３の接続端部内に断熱空孔６４を設
けるようにして１両者の接合面を溶接６５しである。
実機の場合に金属製軸６３側はオイルにより冷却されて
いるので、熱は主に軸の中央部から伝わってくるが、こ
の中央部分に断熱空孔６４を設けであるので、その断熱
構造は良好に機能しているものと言える。
ところが、ロータ及び軸とを一体化したセラミック製タ
ービンｉｔの場合は、セラミックの熱膨張係数が金（鋼
のそれに比べて小さいために、金属製タービン翼と同様
な断熱構造をとることが難しい。
即ち第２図（ロ）はセラミック製タービンロータの軸端
と金属製軸の４１＝接合の一曲で、セラミック製タービ
ンロータの軸端６６は金属製軸６３との間にそれらＱ中
間の熱膨張係数を有する中間緩衝層６１を介して接合し
、かつ第２図（イ）に示したのと同様に断熱空孔６４を
設け、かつ金ＩＩＪ４製軸６３の表面に断ＩＡ溝（図示
せず）を設けたｍ造のものが考えられ、セラミックと金
属の熱膨張差を鮫和した良好な接合構造がイＵられるの
ではないかと推測されたが、このような、ｔ＃造では以
下の理由にょシ良好な接合部、造を得ることはできない
。
即ち、第２図（ロ）に於けるセラミックの接合端面の点
Ａについて考察すると、第２図（→に示すようら の接合部の変形によって軸方向の応力Ｕを受け（る。す
なわち第２図（ロ）の金属ｊＭ楯１６３はセラミック製
タービンロータの軸端６６と接合後冷却により収縮して
くるが、セラミック側の収縮率が小さいために、両者の
接合部付近では第２図し→に示すように実線で示した状
態の金Ｊ！Ａ製軸はセラミックに引張られて点線に示す
形状にて収縮する。よって点にはセラミックな引張９１
点「はセラミックを圧縮する力が作用することになシ良
好な接続は得られないのである。
前記のように金属製軸の変形による熱膨張差の応力緩イ
［１は２次的な力がセラミックに働き金属軸の変形が少
ない方がセラミックにかかる応力が少なくＣｏ−が小さ
く）なシ、接合体としての特性が良いことが理解されよ
う。
本発明は前述のような実情により生み出されたもので、
断熱空孔をセラミック側のみに設けることによりＩＩＪ
ｉ≠１八Ｉｉ’ｆｔ造を有した良好な接合構造を得られ
たものである。即ち、第２図（ト）に示すようにセラミ
ック製タービンロータの軸端６６と金属製軸６３とを中
間に中間緩衝Ｍ６７を介して接続する点は同図（Ｉ：１
１と同様であるが、ｖｆＴ熱空孔６４をセラミック１ヴ
タービンロータの軸端６６の側仁設けることにより、断
熱空孔６４内の空気により金属製軸６３からの熱を遮断
するとともに、第２図（ロ）の場合に生じたような金属
製軸の不均等な圧縮引張が発生する余地がないので、セ
ラミック中の残留応力が少なく、実除にはこの接合部を
タービン興近傍に位置させることによって、オイルシー
ル病勢後加工に必要な部分も金属側にすることかできる
ので、セラミックを加工するのに比べると作業が容易で
、切削加工のためのバイトの寿命も長くなυ加工”コス
トを低減できる。更に又、断熱空孔を高温側のセラミッ
クの内部に設けるため、断熱効果も大きいなどの利点が
ある。
次に不発明肛よる接合構造と比較例の接合構造とを比較
検討するため第３図（イ）、（ロ）及びｆ−→に示す如
き試料を作製した。即ち、（（イ）、はセラミック軸Ｃ
と金属軸Ｍとを接合１２するにあたシ両者の内部に断熱
空孔１１を設けて端部なつき合せ溶接によシ接合したも
のであり、口は、セラミック軸Ｃも（二比較例である。
又、ｅ→はセラミック軸Ｃと金属軸Ｍとを接合１２する
にあたシ、セラミック軸端の内部に断熱空孔１１を設け
たものである。
ここに試験試料は金属軸もセラミック軸もともに軸外径
ｉ５’ｆｆ、断熱空孔の内径９ｔｔｔｙ、長さ８跋で、
金ＩＪ４　！１１１１はＥｉｋｆｌｌとし、セラミック
には窒化珪素としたものと炭化珪素としたものを作った
。又、セラミックの表面は、物理蒸着法によシ、表面か
ら順にＴｉ　１０００Ａ、Ｏｒｌ　０ＯＯＡ続いてＯｕ
＋ｏ、ｏｏｏＸの厚さに蒸着してメタライズ層とし、中
間Ｍ　Ｑ７１Ｕとして厚さ０．５顛のＣｕ板を用す、接
合用ろう４」にはＡｇ　−Ｏｕ共晶ろうを用いて９００
°Ｃの水素炉中で全局と接合した。
試験試料は第３図（イ）、（嗜及びＰ′ｌに示すもの各
１０試料を作り、ねじシトルクを測定したところ第３図
（イ）、（ロ）に示すものはすべて５　ｋｇ・ｍ以下で
セラミックが破壊したがＨ（本発明）はすべて８ｋＱ’
ｍ以上でセラミックが破壊しその優秀性は立証された。
本発明に於て適用されるセラミックは窒化珪素、炭化珪
素、サイアロン等低膨張非酸化物材料で常法により成形
されたものである。
【図面の簡単な説明】
第１図はガスタービンの一例を示す縦断面図、第２図（
イ）、（（ロ）及び（ハ）はタービンロータの軸端と金
属軸の接合部分の構造を示す一部Ｗ：断１ｍ面図で（」
（（ロ）は比較例、（力は本発明の実施例、（ハ）は（
ロ）の点Ａにおける金属軸端の変形を示し、に）はＡ点
におけるベクトル図である。 又、第３図は試験試料の接合構造を示す縦１１７ｉ而図
で、（イ）、（ロ）は比較例、ｅｌは本発明の実施例で
ある。 ５：タービンロータ　５２：軸 ５３：金属軸　６２：金属製タービンロータの軸端６３
：金総製軸　６−４：断熱空孔 ６５　：溶接　６６　ニセラミックターピンロータの４
１１４６７：中間緩衝層 Ｍ：金属軸　Ｃ：セラミック輛 １１：断熱空孔　１２：接合 代理人　弁理士　竹　内　守 第１ｒｊ ００　０４　０１　ｔｌｊ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ローターと軸とがセラミックによシ一体成形されている
    セラミックタービンローターの軸端を金属製の軸とつき
    合せ接合された形式のタービン軸において、セラミック
    軸中央部に断熱用空孔を設けたことを特徴とするタービ
    ン軸の接合構造
JP58208344A 1983-11-08 1983-11-08 タ−ビン軸の接合構造 Granted JPS60101201A (ja)

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US06/666,913 US4557704A (en) 1983-11-08 1984-10-31 Junction structure of turbine shaft
DE19843440877 DE3440877A1 (de) 1983-11-08 1984-11-08 Zusammengesetzte welle

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JPH0351881B2 JPH0351881B2 (ja) 1991-08-08

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