JPS6026197A - タ−ボ機械とそのための翼車片 - 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】 ボ機械に関する。

ターボ機械の一種である遠心型ファンを例にとって説明
すると、遠心型ファンでは高温の、または高温かつ腐食
性のガスを扱う必要も多くなり、耐熱材料、耐食材料等
の研究も盛んに行なわ−れている。しかし金属材料では
耐熱温度または高温耐食性が著しく制限される。最近、
炭化珪素、窒化珪素等の優れた特性を有するセラミック
ス材料が開発され、これらの利料を使用する遠心型ファ
ンが注目されている。

セラミックスは耐熱性、耐食性に優れているが、靭性、
加工性等は金属より劣るので、高温ガスを扱う遠心型フ
ァンにおいては、高温ガスに接触する部分のみをセラミ
ックス環とし、他の部分を金属製とし、両者を接合する
ことが行われている。遠心型ファンにおいては翼車およ
び軸が高温下にさらされるので、これらをセラミックス
で製作することが望ましい。

一方、セラミックス部材の成形には、押出し成形法、プ
レス成形法、射出成形法または鋳込み成形法などが一般
に用いられているが、翼車、とｐわけ遠心型ファンの翼
車のような複雑な形状の部材の成形には、押出し成形法
は適さず、プレス成形法でも加工が必要となって量産に
不向きで好ましくない。そこでこうした翼車のような複
雑形状品の成形には射出成形法または鋳込み成形法が用
いられることになる。しかし成形品の大型化を試みる場
合、射出成形法では射出成形機本体を大型化する必要が
ある等の装置上の制約があシ、また高分子−粉末系の流
動性等よシ内部に欠陥を生じ易い等の問題がある。

また、鋳込み成形法では肉厚部での成形に問題がある。

前述の如く、高温ガスとの接触部をセラミックス環とす
る場合は、遠心型ファンに゛おいては、翼車全体を軸と
共にセラミックスにて成形する必要があシ、大形の複雑
な部材を成形しなければならないという問題があると共
に、この遠心型ファンを大形化しようとすると、翼車も
益々大形化し、上述の問題の解決を更に難しくする。

こうした問題は遠心型ブロア、遠心型コンプレッサなど
の遠心型ターボ被動機、あるいは遠心型タービンなどの
遠心型ターボ原動機にあっても同様である。また軸流−
、斜流型のターボ機械にあっても程度の差こそあれ、は
ぼ同様の問題点をかかえている。

本発明の目的は、大型化しても構成するセラミックス部
材の成形に支隊がなく、セラミックスの特性を充分発揮
し、しかも金属製翼車を有するターボ櫟林に比べ−て機
能上遜色がりく、大型化可能で高温下で使用しうる、セ
ラミックス製翼車を有するターボ機械及びそのだめの翼
車片を提供するにある。

本発明のターボ機械は円筒体をなす翼車押さえ、セラミ
ックス環の翼車片、及びセラミックス環の軸を有し、該
軸はフランジを有し、該翼車片は円筒部を具備する翼車
を放射状に複数個に分割した形状であり、該翼車片を組
み合わせて該翼車を形成すると共に該翼車に該軸を嵌装
して該フランジに突き合わせ、該翼車押さえに該円筒部
を嵌装すると共に該翼車押さえで該翼車片を軸に固定し
であることを特徴とするターボ機械であシ、本発明の翼
車片は翼車を放射状に複数個に分割した形状であシ、タ
ーボ機械用であるセラミックス環の翼車片である。

本発明のターボ機械の好ましい態様においては、軸のフ
ランジ面は翼車当接側に斜傾してなり、翼車のフランジ
当接面は該フランジ面に対応して斜傾してなり、他の好
ましい態様においては、軸のフランジ寄り軸部と軸部寄
りフランジ面とは断面連続する弧を形成している。本発
明のターボ機械の別の好ましい態様においては、翼車押
さえは翼車背面に対応して当接する外向フランジを有し
、更に別の好ましい態様においては、翼車押さえは内向
フランジを有する。本発明の更に他の好ましい態様にお
いては、翼車押さえを翼車押さえ押圧手段にてフランジ
側に押圧【２てなる。

本発明の翼車片の好ましい態様においては、翼車片は一
体成形されてなる。

以下、本発明のターボ機械および翼車片を、実施例であ
る遠心型ファンを例にとって図面に基づいて詳述する。

第２図に要部を示す遠心型ファンは、セラミツクス製の
軸１０、セラミックス製の翼車２０および翼車押さえ３
０を有している。

軸１０はフランジ１１を有している。第２図ハ片持形の
遠心型ファンの例なので、フランジ１１は軸１０の先端
部に設けられであるが、両持形などにあってはフランジ
は必ずしも軸の先端部にあることを要しない。

翼車２０は円筒部２１、主板２２及び翼２３から々つて
いる。主板２２は遠心型翼車の翼側から見た正面図にお
いて典型的には主たる投影面積を占める部分であって、
翼車の軸に平行な断面においては主板２２の翼側線線は
典型的には軸近くでは軸に平行もしくは軸と小さい角度
をなし、軸から離れるにつれて軸との角度を大きくして
いる。この主板２２は翼車において翼を所要の間隔に保
持固定する機能を有するとともに、軸に平行に流入する
流体の運動方向を半径方向に変換する機能をも有［７て
いる。なお主板２２は翼の最外縁まで延びていてもよく
、翼の最外縁まで延びていなくてもよい。

翼２３は典型的には主板２２の上に軸と略平行に立てら
れ−ており、かつ、典型的には半径に沿って設けらＪｌ
て１いる。しかし軸と角度をなしていてもよく、また半
径と角度をなし７ていてもよい。翼２３は主として流体
のエネルギーと翼車の回転エネルギーとの相互変換の機
能を有する。

円筒部は典型的には主板２２の背面側に突出して軸を囲
むように設けられている。

この翼車２０は第１図（ａ）ｌ’　Ｃｂ）に示すような
翼車片２４を複数側、例えば１０個組み合わせて形成さ
れている。翼車片２４は翼車２０を半径に活って放射状
に分割した形状である。分割個数はできるだけ多くする
方が個々の翼車片が小型化して成形が容易となり、翼車
片の品質もよくなるが、組み合わされた翼車片の強度お
よび安定性よりすると分割個数は少ないことが望ましい
。したがって翼車が大型になると共に分割個数が増加す
るとととなり、分割個数は通常５〜１８個程度が好まし
い。各翼車片２４は相互に同形であることが好ましいが
、たとえば翼２５を有する翼車片と翼を有しない翼車片
とを組み合せる寿としてもよく、シたがって相互に同形
でなくてもよい。まだ各翼車片２４は円筒部２１、主板
２２を有するとともに、翼２３を有する場合において翼
車月毎の翼の数は翼車全体の翼の数と分割個数とを勘案
して導き出され、通常１〜３枚、特には１枚の翼を有す
るのが好ましいが、一枚の翼が複数の翼車片にまたがら
ないことが望ましい。また第１図（ｃ）に示すように、
翼車片の例えば軸寄り部分に切欠部２５を設けて翼車片
の厚肉部を少なくすることは翼車片の成形・焼結を容易
にして好ましいと共に、との切欠部２５に軸のフランジ
を突き合せられるようにしてもよい。なお翼が半径に漕
わずに、例えば渦巻線状に湾曲している場合々どにあっ
ては、こうした渦巻線に活って翼車を分割した形状であ
ってもよく、かかる分割をも本発明でいう「放射状に分
割」の概念に包含されるものである。

第２図において翼車押さえ３０は端部に内向フランジ５
１を有する円筒体をなしており、好　、ましくけセラミ
ックス製である。

この軸１０と翼車２０と翼車押さえ３０を組み合せるに
は、まず翼車片２４を組み合わせて翼車２０の形状とす
るとともに、これに軸１０のフランジ１１を当接させて
、軸１０を嵌装する。次に翼車押さえ３０の内向フラン
ジ３１の孔に軸１０を挿入し、翼車押さえ５０に翼車２
０の円筒部２１を嵌装せ１７める。軸１０の他端は、第
２図の実施例では金属軸１に焼きばめ接合されている。

一般に軸１０は適宜な手段により金属軸に接合されるこ
とが好ましい。

第２図の実施例ではセラミックス製などのスペーサ４１
、スペーサ用座金４２、皿ばね４５などのばね、金属製
円筒４４、ナツト用座金４５、及びナツト４６などより
々る翼車押さえ抑圧手段４０にて翼車押さえ６０をフラ
ンジ側に押圧１７ている。これらの部材を組み込むにあ
たっては、翼車片２４を組み合わせた翼車２０を、軸１
０に嵌装Ｌ７てフランジ１１に当接させ、次に翼車押さ
え６０に翼車２０の円筒部２１を嵌装する。次いでスペ
ーサ４１、スペーサ用座金４２、皿ばね４３に軸１０を
嵌装する。ここでスペーサ４１、スペーサ用座金４２お
よび皿ばね４３は位置決めをしやすいようにそれぞれの
内径は軸１０の外径よりわずか大きい程度であ゛ること
か好ましい。次に軸１０を適宜な手段によ）金属軸１と
接合するわけであるが、本実施例の如く焼きばめにより
接合する場合においては、フランジ１１に合わせて準備
されたアダプター等を用いて翼車２０等に嵌装された軸
１０を金属軸１との接合部を上向きにして垂直に固定し
、適尚な温度に加熱された金属軸１を垂直上方から軸１
０と嵌装させて焼ばめを行なう。次いで金属円筒４４、
ナツト用座金４５およびナツト４６を金属軸１の他端よ
り挿入し、ナツト４６を締めつけることにより皿ばね４
６を通して翼車押さえ３０を押圧し、翼車２０を固定す
る。

かくして翼車は軸１０に固定され、軸１０は金属軸１と
接合され、金属軸１は動力部に接続される。なお翼車押
さオ一手段４０は上述の如き構成に限定されないことは
いうまでもない。

第２図の例では翼車押さえ３０はその内向フランジ３１
をスペーサ４１により押圧され、翼車押さえ３０のフラ
ンジ１１寄り端面が翼車主板の背面に当接して、翼車を
フランジ側に押圧して固定している。同時に翼車押さえ
３０に翼車の円筒部２１が嵌装されているので、翼車が
回転したときに遠心力によって翼車が外方に飛び出すと
ともない。なお、翼車の円筒部２１を翼車押さえ３１に
嵌装するにあたり、嵌装部分に適宜な耐熱性クッション
材などを介在させてもよい。また翼車押さえ３０の内向
フランジ３１が翼車円筒部の端面に当接するものであっ
てもよいし、さらに前記した翼車押さえ押圧手段に代え
て、内向フランジ６１の孔径を軸径とはは等しくシ、軸
に設けた雄ねじと内向フランジの孔面に設けた雌ねじと
を螺合して、翼車押さえで翼車片を軸に固定り、でもよ
い。かくして、内向フランジを有することは、上述のよ
うな構成をとりうる利点を有する。

また翼車押さえ６０け、第３図（ａ）に示す形状に代え
て同図（ｂ）に示すように、翼車背面に対応して当接す
る外向フランジ３２を有【７ていてもよい。この場合に
は、外向フランジを有１７々い場合に比べて翼車背面に
当接する面積が大きくなり、翼車背面に作用する荷重を
平均化シフ、かつ摩擦力を増大し、したがって破拶を防
止するとともに回転力をよく伝達できる効果を有する。

なお、翼車押さえ５０が内向フランジも１−〈は外向フ
ランジを有することは必須ではなく、例えば等内径、等
外径の円筒体であってもよい。

さらに第１図（Ｃ）に示すような翼車片を組み合わせて
翼車の円筒部を、端部で縮径する円錐筒状とし、翼車押
さえを第３図（ｃ）に示すようにこれと係合する円錐筒
状として保合面で翼車と当接するときには、この保合面
で回転力を伝達できるとともに、押圧力の分力が軸心方
向に作用して、回転力による翼車片飛び出し７を防止で
きる効果を有する。

また軸１０のフランジ１１は翼車片を軸方向に係止でき
る構造であれば細管限定されないが、翼屯回転時の遠心
力で翼屯片が外方に飛び出すのを容易に防止するために
、第２図に示すようにフランジ面を翼車当接側に斜傾さ
せてあり、翼車のフランジ当接面をフランジ面に対応し
て斜傾させであることが望ましい。

軸のフランジ寄り軸部は軸部寄りフランジ面に対して角
度を有して設けられてあってもよいが、第２図に示すよ
うに軸のフランジ寄り軸部１４ｔ」１、軸部寄りフラン
ジ面に対して角度を有する代υに、断面連続する弧全形
成していることが好寸しい。フランジ面に翼車片が当接
することによりフランジ面の基部に応力が作用するが、
この部分を清らかに接続することにより、応力集中を回
避する効果を有する。なお、第２図では中空部１３が存
在するが、翼車片をかかるフランジ寄シ軸部１４に対応
する形状として中空部をなくしても差しつかえない。

翼車片および軸を構成するセラミックスは特には限定さ
れないが、窒化珪素質、炭化珪素質、ジルコニア質、ア
ルミナ質などが好ましく採用できる。また翼車片と軸と
は異なるセラミックス製であってもよいが、熱膨張差な
どが生じないように、同質であることが好ましい。

翼車押さえ３０は金属などの利質で構成されてもよいが
、熱膨張差を少くし、またはなくすためにセラミックス
製、なかでも上述したセラミックス製であることが好ま
しい。スペーサも金属であってもよいが、セラミックス
製であることが好ましく、なかでも高断熱性のセラミッ
クス製、たとえばコージェライト質であることが望まし
い。

以上に詳述した如く、本発明の翼車片はセラミックス製
翼車を有する大型の遠心型ファンを得るにおたり、大型
の翼車を一体成形するのに代えて小型の翼車片ｒ成形す
ればよい利点を有する。こうした翼車片は成形・焼結が
容易であυ、成形・焼結時に欠陥が発生しがたく、゛ま
だ欠陥が発見された場合もしくは運転中に破損した場合
にはその翼車片のみを交換すればよく、交換も容易であ
る。さらに多数の翼を有する翼車を得るにあたっても互
いに同形の一種もしくは少数種の単純な形状の翼車片を
用意すればよく、量産効率も向上する。しかして本発明
の翼東片にあっては、上述の如き組み込み決が採用でき
るように、円筒部を具備し、または軸を含まないことが
望ましいものであるが、相互に接着するなど他の適宜な
組み込み法も可能であシ、しだがって軸を含む翼車片で
あってもよく、円筒部を有しない翼車片であってもよい
。また翼車片は射出成形法、鋳込成形法などにより一体
成形されてなることが生産性も向上して好ましいが、必
ずしも一体成形されてなくてもよい。

また本発明の遠心型ファンは上記のような利点をもつ翼
車片を採用できて有用であるのみならず、耐熱性、耐食
性に浸れ、さらに翼車片を堅確に一体化された翼車とし
て機能せしめる効果も有する。

なお上記においては主として遠心型ファンについて説明
したが、遠心型プロワ、遠心型コンプレッサ、遠心型タ
ービンなど他の遠心型ターボ機械にも適用できる。また
本発明は遠心型ターボ機械とそのための翼車片に特に好
適であるが、斜流型又は軸流型のターボ機械とそのため
の翼車片にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の翼車片の実施例の正面図（ａ）と断面
図（ｂ）および別の実施例の断面図（ｃ）である。 −第２図は本発明のターボ機械の実施例である遠心型フ
ァンの要部の上半断面図である。第５図（ａ）　、（ｂ
）　、（Ｃ）は本発明のターボ機械に用いる翼車押さえ
のそれぞれ異なる実施例の断面図である。 １０：軸　１１：フランジ　２０：、！Ｒ車２１：円筒
部　２２：主板　２３：翼 ２４：翼車片　３０：翼車押さえ ３１：内向フランジ　５２＝外向フランジオｆ）司 （αン　（λ４） １ ｉ３肩 −５６６− ＜Ｃ−）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円筒体をなす翼車押さえ、セラミックス製の翼車片
   、及びセラミックス製の軸を有１〜、該軸はフランジを
   有し、該翼車片は円筒部を具備する翼車を放射状に複数
   個に分割した形状であり、該翼車片を組み合わせて該翼
   車を形成すると共に該翼車に該軸を嵌装して該フランジ
   に突き合わせ、該翼車押さえに該円筒部を嵌装すると共
   に該翼車押さえで該翼車片を軸に固定しであることを特
   徴とするターボ機械。 ２、軸のフランジ面は翼車当接側に斜傾してなシ、翼車
   のフランジ当接面は該フランジ面に対応して斜傾してな
   る特許請求の範囲第１項記載のターボ機械。 ３、軸のフランジ寄シ軸部と軸部寄υフランジ面とは断
   面連続する弧を形成している特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載のターボ機械。 ４、翼車押さえは翼車背面に対応して当接する外向フラ
   ンジを有する特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれ
   か記載のターボ機械。 ５、翼車押さえは内向フランジを有する特許請求の範囲
   第１項乃至第４項のいずれか記載のターボ機械。 ６、翼車押さえを翼車押さえ抑圧手段にてフランジ側に
   押圧してなる特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれ
   か記載のターボ機械。 ７、翼車を放射状に複数個に分割した形状であり、ター
   ボ機械用であるセラミックス製の翼車片。 ８、翼車片は一体成形されてなる特許請求の範囲第７項
   記載の翼車片。