JPH08177401A - セラミック製タービンロータ - Google Patents

セラミック製タービンロータ

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JPH08177401A
JPH08177401A JP32333094A JP32333094A JPH08177401A JP H08177401 A JPH08177401 A JP H08177401A JP 32333094 A JP32333094 A JP 32333094A JP 32333094 A JP32333094 A JP 32333094A JP H08177401 A JPH08177401 A JP H08177401A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
blade
pressure surface
turbine rotor
thickness
negative pressure
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP32333094A
Other languages
English (en)
Inventor
Yoji Kosaka
洋二 小坂
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.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 セラミック製タービンロータの重量増大を抑
えつつ、十分な強度を確保する。 【構成】 翼2を、その上流部から下流部にかけて、回
転後方を向いた正圧面6側が窪むように湾曲して形成
し、翼2の重力中心8を翼厚中心線10に対して翼2の
負圧面3側にオフセットする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック製タービン
ロータの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】自動車用エンジンに備えられるターボチ
ャージャやガスタービンエンジンに備えられるタービン
ロータをセラミックスで形成し、タービンロータの耐熱
性を高めるとともに、軽量化がはかられているが、セラ
ミック材を用いて十分な強度を確保することが難しい。
【0003】従来のターボチャージャとして、例えば図
8〜図11に示すようなものがある(特開昭61−14
9504号公報、参照)。
【0004】これについて説明すると、タービンロータ
1は、その回転中心部に位置するディスク5と、このデ
ィスク5から径方向に突出する翼2がセラミックにより
一体形成されている。
【0005】翼2はその上流部13から下流部14にか
けて弓形に湾曲して形成される。翼2は正圧面6が凹状
に窪むように湾曲している。そして、タービンロータ1
は図8、図11に矢印で示す方向に回転する。
【0006】翼2の断面形状は、翼2からディスク5に
かけて漸次肉厚が増大するように滑らか曲面をもってつ
ながり、翼2の翼厚中心線10について正圧面6と負圧
面3が対称的に形成されている。
【0007】図9、図10において、10は、タービン
ロータ1の回転中心9から放射状に延びて、翼2を略等
分する翼厚中心線である。8は翼2の重力中心である。
【0008】翼2の重力中心8は翼厚中心線10上に配
置されるように、翼2の断面形状は、翼厚中心線10に
ついて負圧面3と正圧面6が対称的に形成される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のセラミック製タービンロータ1にあっては、
遠心力によって翼2を弓形に強く湾曲させようとする力
によって、図7に実線で示すように、翼2が正圧面6側
へ倒れるように変形し、負圧面3側の翼付け根部4に引
張応力が集中する可能性がある。このため、十分な強度
を確保することが難しいという問題点があった。
【0010】本発明は上記の問題点を解消し、セラミッ
ク製タービンロータの重量増大を抑えつつ、十分な強度
を確保することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
回転中心部に位置するディスクと、ディスクから径方向
に突出する複数の翼がセラミックにより一体形成される
セラミック製タービンロータにおいて、翼を、その上流
部から下流部にかけて、回転後方を向いた正圧面側が窪
むように湾曲して形成し、翼の重力中心を翼厚中心線に
対して、回転前方を向いた負圧面側にオフセットする。
【0012】請求項2記載のセラミック製タービンロー
タは、請求項1記載の発明において、翼の負圧面の付け
根部の肉厚を、翼の正圧面の付け根部の肉厚より大きく
形成する。
【0013】請求項3記載のセラミック製タービンロー
タは、請求項1記載の発明において、翼の負圧面の先端
部の肉厚を、翼の正圧面の先端部の肉厚より大きく形成
する。
【0014】請求項4記載のセラミック製タービンロー
タは、請求項1から3のいずれかに記載の発明におい
て、翼の上流側に位置する部位を、翼厚中心線について
負圧面と正圧面を非対称的に形成し、翼の下流側に位置
する部位を、翼厚中心線について負圧面と正圧面を対称
的に形成する。
【0015】
【作用】請求項1に記載のセラミック製タービンロータ
において、タービンロータは例えばレシプロエンジンの
燃焼室またはガスタービンエンジンの燃焼器等から送ら
れるガスが回転径方向から導かれることにより、ガスの
流れを回転軸方向に換えながら回転力を取出し、高速回
転する。
【0016】翼を弓形に強く湾曲させようとする力が、
負圧面側の翼付け根部へ引張応力として作用する。この
引張応力に対して、翼の重力中心を負圧面側にオフセッ
トしているために発生する遠心力が、負圧面側の翼付け
根部へ圧縮応力として作用して相殺するため、負圧面側
の翼付け根部に生じる最大応力を低減することができ
る。
【0017】脆性材料であるセラミックを用いたタービ
ンロータでは、金属材料のように過度な応力下で塑性変
形ができないため、材料強度以上の応力が発生すると直
ちに破壊に至るため、セラミック製タービンロータの最
大応力を低下させることにより破壊に至ることを回避で
きる。
【0018】請求項2に記載のセラミック製タービンロ
ータにおいて、翼の付け根部に余肉を形成する構造によ
り、タービンロータの鋳造時に用いられる翼型の製作お
よび型抜きが容易に行え、生産性を高められる。
【0019】請求項3に記載のセラミック製タービンロ
ータにおいて、翼の先端部に余肉を形成する構造によ
り、翼の付け根部の断面形状が非対称的に形成される構
造に比べて、翼に加えられる余肉が少なくて済み、翼の
重量増加を抑えて慣性モーメントの増加を抑えられる。
【0020】請求項4に記載のセラミック製タービンロ
ータにおいて、翼が回転中心軸に対して弓形に湾曲して
いるために発生する遠心応力は、翼の下流部より上流部
で大きくなるが、上流部に限定して翼を翼厚中心線につ
いて非対称的に形成し、下流部を翼厚中心線について対
称的に形成する構造により、翼に加えられる余肉が少な
くて済み、タービンロータの重量増大を抑えつつ、十分
な強度を確保することができる。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。
【0022】図2に示すように、タービンロータ1は、
その回転中心部に位置するディスク5と、このディスク
5から径方向に突出する複数の翼2がセラミックにより
一体形成されている。
【0023】図1において、タービンロータ1は図中矢
印で示すように回転し、翼2は回転前方向に向いた負圧
面3と、回転後方向を向いた正圧面6を有する。
【0024】図3に示すように、翼2はその上流部13
から下流部14にかけて弓形に湾曲して形成される。翼
2は正圧面6が凹状に窪むように湾曲している。
【0025】負圧面3と正圧面6の各付け根部4,7は
その翼端部からディスク5にかけて漸次肉厚が増大する
ように円弧状に湾曲する曲面をもってつながっている。
また、各付け根部はその翼端部からディスク5にかけて
楕円弧状に湾曲する曲面をもってつながるように形成し
てもよい。
【0026】図1において、10は、タービンロータ1
の回転中心軸9から放射状に延びて、翼2を略等分する
翼厚中心線である。8は翼2の重力中心である。
【0027】本発明の要旨とするところであるが、翼2
の重力中心8は翼厚中心線10に対して翼2の負圧面3
側にオフセットされるように、翼2の断面形状は、翼厚
中心線10について負圧面3と正圧面6が非対称的に形
成される。
【0028】翼厚中心線10に対する翼2の重力中心8
の位置は、翼2が弓形に湾曲する度合い、翼2の外径、
翼2の厚さ等に応じて決定される。
【0029】この実施例では、翼2の付け根部分の断面
形状が非対称的に形成されている。すなわち、負圧面3
の付け根部4の肉厚が、正圧面6の付け根部7の肉厚よ
り大きくなるように形成される。図1において、破線は
負圧面3の付け根部4を正圧面6の付け根部7について
翼厚中心線10に対して対称的に形成した場合の表面を
表しており、負圧面3の付け根部4は、正圧面6の付け
根部7の肉厚に対して、翼2とディスク5のつくる隅部
を埋めるように分布している。
【0030】図4に示すように、翼2の中心軸9方向に
ついて中間部より上流側に位置する上流部13は、翼厚
中心線10について負圧面3と正圧面6が非対称的に形
成される。図5に示すように、翼2の中心軸9方向につ
いて中間部より下流側に位置する下流部14は、翼厚中
心線10について負圧面3と正圧面6が対称的に形成さ
れる。
【0031】以上のように構成され、次に作用について
説明する。
【0032】タービンロータ1はレシプロエンジンの燃
焼室またはガスタービンエンジンの燃焼器等から送られ
るガスが回転径方向から導かれることにより、ガスの流
れを回転軸9方向に換えながら回転力を取出し、高速回
転する。
【0033】図6は本実施例における翼2について、解
析計算による応力分布と、翼2の変形図とを示してい
る。解析は、ヤング率310GPa、翼2の周速度を7
00m/secとした時の遠心応力を表している。
【0034】この場合、翼2を弓形に強く湾曲させよう
とする力が、負圧面3側の翼付け根部4へ引張応力とし
て作用するのに対して、翼2の重力中心8を負圧面3側
にオフセットしているために発生する遠心力が、負圧面
3側の翼付け根部4へ圧縮応力として作用して相殺する
ため、負圧面3側の翼付け根部4に生じる最大応力を2
93MPaとすることができる。
【0035】図7は翼2の重力中心8を翼厚中心線10
に配置した従来例について、解析計算による応力分布
と、翼2の変形図とを示している。
【0036】この場合、翼2を弓形に強く湾曲させよう
とする遠心力が、負圧面3側の翼付け根部4へ引張とし
て作用するため、最大応力は346MPaとなる。
【0037】すなわち本発明は、翼2の重力中心8を翼
厚中心線10について負圧面3側へオフセットすること
により、翼2に発生する最大応力を15%程度低減する
ことができる。
【0038】また、正圧面6と負圧面3とでの応力を平
均化し、かつ高応力が占める部位を減らすため、脆性材
料であるセラミック製ロータの破壊確率を1/104
ら1/106へと改善して、信頼性を高められる。
【0039】翼2が回転中心軸9に対して弓形に湾曲し
ているために発生する遠心応力は、翼2の下流部14よ
り上流部13で大きくなるが、上流部13に限定して翼
2を翼厚中心線10について非対称的に形成し、下流部
14を翼厚中心線10について対称的に形成する構造に
より、翼2に加えられる余肉が少なくて済み、タービン
ロータ1の重量増大を抑えつつ、十分な強度を確保する
ことができる。
【0040】他の実施例として、翼2の先端部の断面形
状を非対称的に形成してもよい。すなわち、翼2の高さ
(回転中心軸9に対する半径方向の距離)が中間部より
高い位置において、負圧面3の肉厚が、正圧面6の肉厚
より大きくなるように形成される。
【0041】この場合、翼2の付け根部分の断面形状が
非対称的に形成される前記実施例に比べて、翼2に加え
られる余肉が少なくて済み、翼2の重量増加を抑えて慣
性モーメントの増加を抑えられる。
【0042】また、前記実施例の場合、翼2の付け根部
に余肉を形成する構造により、ロータ1の鋳造時に用い
られる翼型の製作および型抜きが容易に行え、生産性を
高められる。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の発明
は、回転中心部に位置するディスクと、ディスクから径
方向に突出する複数の翼がセラミックにより一体形成さ
れるセラミック製タービンロータにおいて、翼を、その
上流部から下流部にかけて、回転後方を向い正負圧面側
が窪むように湾曲して形成し、翼の重力中心を翼厚中心
線に対して、回転前方を向いた負圧面側にオフセットし
たため、負圧面側の翼付け根部に生じる最大応力を低減
し、翼の質量増加を抑えてタービンロータの強度を十分
に確保して、信頼性を高めることができる。
【0044】請求項2記載のセラミック製タービンロー
タは、請求項1記載の発明において、翼の負圧面の付け
根部の肉厚を、翼の正圧面の付け根部の肉厚より大きく
形成したため、タービンロータの鋳造時に用いられる翼
型の製作および型抜きが容易に行え、生産性を高められ
る。。
【0045】請求項3記載のセラミック製タービンロー
タは、請求項1記載の発明において、翼の負圧面の先端
部の肉厚を、翼の正圧面の先端部の肉厚より大きく形成
したため、翼に加えられる余肉が少なくて済み、翼の重
量増加を抑えて慣性モーメントの増加を抑えられる。
【0046】請求項4記載のセラミック製タービンロー
タは、請求項1から3のいずれかに記載の発明におい
て、翼の上流側に位置する部位を、翼厚中心線について
負圧面と正圧面を非対称的に形成し、翼の下流側に位置
する部位を、翼厚中心線について負圧面と正圧面を対称
的に形成したため、翼に加えられる余肉が少なくて済
み、タービンロータの重量増大を抑えつつ、十分な強度
を確保して、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示し、タービンロータを図2
の矢印Z方向から見た図。
【図2】同じくタービンロータの断面図。
【図3】同じく翼の断面図。
【図4】同じく図2のC−C線に沿う断面図。
【図5】同じく図2のD−D線に沿う断面図。
【図6】同じく翼の応力分布を示す図。
【図7】比較例の翼の応力分布を示す図。
【図8】従来例を示す翼の断面図。
【図9】同じく図8のA−A線に沿う断面図。
【図10】同じく図8のB−B線に沿う断面図。
【図11】同じくタービンロータの正面図。
【符号の説明】
1 タービンロータ 2 翼 3 負圧面 4 負圧面付け根部 5 ディスク 6 正圧面 7 正圧面付け根部 8 重力中心 9 回転中心軸 10 翼厚中心線 13 上流部 14 下流部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転中心部に位置するディスクと、 ディスクから径方向に突出する複数の翼がセラミックに
    より一体形成されるセラミック製タービンロータにおい
    て、 翼を、その上流部から下流部にかけて、回転後方を向い
    た正圧面側が窪むように湾曲して形成し、 翼の重力中心を翼厚中心線に対して、回転前方を向いた
    負圧面側にオフセットしたことを特徴とするセラミック
    製タービンロータ。
  2. 【請求項2】翼の負圧面の付け根部の肉厚を、翼の正圧
    面の付け根部の肉厚より大きく形成したことを特徴とす
    る請求項1に記載のセラミック製タービンロータ。
  3. 【請求項3】翼の負圧面の先端部の肉厚を、翼の正圧面
    の先端部の肉厚より大きく形成したことを特徴とする請
    求項1に記載のセラミック製タービンロータ。
  4. 【請求項4】翼の上流側に位置する部位を、翼厚中心線
    について負圧面と正圧面を非対称的に形成し、 翼の下流側に位置する部位を、翼厚中心線について負圧
    面と正圧面を対称的に形成したことを特徴とする請求項
    1から3のいずれかに記載のセラミック製タービンロー
    タ。
JP32333094A 1994-12-26 1994-12-26 セラミック製タービンロータ Pending JPH08177401A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998057042A1 (fr) * 1997-06-12 1998-12-17 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Aube mobile refroidie pour turbines a gaz
DE19941134C1 (de) * 1999-08-30 2000-12-28 Mtu Muenchen Gmbh Schaufelkranz für eine Gasturbine

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