JPH028838B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半径流型ターボチヤージヤあるいは
小型ガスタービンを構成するタービンホイールと
タービンシヤフトとを接合する方法およびその方
法を実施するための装置に関し、特にタービンホ
イールとタービンシヤフトとを摩擦圧接する方法
および装置に関するものである。

エンジンの排気ガスのエネルギ回収のために用
いられている半径流型ターボチヤージヤあるいは
小型ガスタービンを構成しているタービンシヤフ
トアツセンブリは、通常、高温の排気ガスに晒ら
されるタービンホイールを、高価な耐熱合金を用
いてロストワツク法により精密鋳造するととも
に、得られた鋳造品を後工程で研磨加工すること
により造り、一方、タービンシヤフトを軸受特性
の良い鋼材で造り、そして上記のようにして造ら
れたタービンホイールとタービンシヤフトとを溶
接して一体化した構成とされている。

ところで、前記タービンホイールとタービンシ
ヤフトとを接合する方法として、タービンホイー
ルとタービンシヤフトとの素材が前述したように
異なつていることから、摩擦圧接法が多用されて
おり、従来から行なわれているその具体的方法を
示せば以下の通りである。

第１図ないし第３図はタービンホイル１とター
ビンシヤフト２との従来の接合方法の一例を説明
するためのものであつて、タービンホイール１は
その羽根３の外周部をチヤツク４で把持するとと
もに、接合時の推力を受けるための押棒５をター
ビンホイール１の先端面６に当接させ、さらに接
合時にタービンシヤフト２から受ける回転力によ
りタービンホイール１が回転しないようにするた
め、断面が角形をなすよう形成した先端部７にプ
レート８を嵌め合わせ、他方タービンシヤフト２
は他のチヤツク９により把持する。この状態でタ
ービンホイール１とタービンシヤフト２との少な
く一方を他方に対してチヤツク４，９と共に（タ
ービンホイール１を回転させる場合にはチヤツク
４および押棒５、プレート８と共に）相対的に回
転させ、かつタービンホイール１の背面中心部に
タービンシヤフト２の先端部を押し付け、もつて
両者を摩擦圧接する。

しかるに、上述した従来の方法では、前記各チ
ヤツク４，９が所期位置に設けられているので、
タービンホイール１とタービンシヤフト２とが規
定通り造られていれば、両者はチヤツク４，９に
よつて把持することにより同一軸線上に位置決め
されるものであるが、タービンホイール１はたと
え精密鋳造されたものであるといえども、鋳造時
の変形やワツクスからなる模型に基づいて鋳造用
鋳型のわずかな狂い等が原因となつて羽根３の真
円度が若干狂う場合があり、またタービンホイー
ル１の背面中心部すなわち圧接面１０や先端面６
に中心軸線に対する直角度の狂いがある場合に
は、圧接時の推力がタービンホイール１を傾ける
力として作用することになるので、前記羽根３が
変形してタービンホイール１が傾いてしまう場合
があり、そのため前述した従来の接合方法では、
タービンホイール１とタービンシヤフト２とをそ
の中心軸線がずれた状態に接合してしまう場合が
あつた。このように同軸度に狂いを生じたタービ
ンシヤフトアツセンブリは、接合作業完了後に、
第４図に示すようにタービンの形状中心を出し易
いタービンホイール１の背面および中心ボス部１
１の外周面を基準としてタービンホイール１の先
端面６およびタービンシヤフト２の後端面に中心
穴１２，１３を形成し、これら中心穴１２，１３
を介して上記構成のタービンシヤフトアツセンブ
リを適宜の切削装置に取付け、その状態でタービ
ンシヤフト２を切削すれば、タービンホイール１
とタービンシヤフト２の同軸度を許容値以内にす
ることができると同時に、タービンホイール１の
背面側および中心ボス部１１が、タービンホイー
ル１の全重量の大半を占めているのでイニシヤル
アンバランスをある程度少なくすることができ
る。しかしながら、前述した接合方法では、得ら
れたタービンシヤフトアツセンブリの同軸度の狂
いが比較的大きくなることがあるから、タービン
シヤフト２に予め十分な加工取代を設けておく必
要があるうえに、後工程としての切削加工に時間
を要し、かつ切削除去し切粉となる量が多いため
に材料歩留りが悪くなるなどの問題がある。

また、前述した従来の接合方法では、接合時に
生じる同軸度の狂いを後工程の切削加工で修正し
得るとしても、タービンシヤフト２の先端面にタ
ービンホイール１からの熱伝達を低減するために
空洞（エアダムと称する）１４を設けてある場合
には、回転軸線からのエアダム１４のずれはその
まま残つてしまうので、タービンシヤフトアツセ
ンブリのイニシヤルアンバランスが非常に大きく
なる。このようなタービンシヤフトアツセンブリ
のアンバランスは、最終的には、タービンホイー
ル１の先端部７の近傍および背側面をアンバラン
ス分に応じて削り取ることにより修正するのが一
般的であるが、タービンホイール１は前述したよ
うに耐熱合金を素材としているために切削が極め
て困難であり、しかも切削すべき量が多く、結局
前述したようにして生じたイニシヤルアンバラン
スは完全には修正し切れない場合が生じるのが実
情である。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、接合後のタービンホイールとタービンシヤフ
トとの同軸度を向上させ、かつイニシヤルアンバ
ランスを極力低減することのできる接合方法およ
びその方法を実施するための装置を提供すること
を目的とするものである。

すなわち、この発明の方法・装置は、タービン
ホイールを所期の位置に位置決めするにあたり、
タービンホイールの全重量のうち大半の重量を占
めかつ形状中心の比較的出し易い背面側を基準と
して位置決めを行なうようにしたことを特徴とす
るものである。そのためにこの発明では、タービ
ンホイールの背面および中心ボス部の外周面を基
準にして先端面に中心穴を形成しておき、背面も
しくは背面外周部を所定の支え板に接触させた状
態で前記中心穴を介してタービンホイールを支え
板に対して固定するようにしたのである。このよ
うにすれば、支え板および中心穴を介して押圧す
るための押圧部材のタービンシヤフトに対する相
対位置を予め所期通りに設定しておくことによ
り、タービンホイールをタービンシヤフトに対し
て同軸上に位置決めして固定することができ、し
たがつて接合後のタービンホイールとタービンシ
ヤフトとの同軸度を向上することができ、また位
置決めするにあたつて、タービンホイールの全重
量のうち大半を占める背面側もしくは中心ボス部
を基準とするから、換言すれば外形から決まる回
転中心が重量中心に可及的に一致するから、得ら
れるタービンシヤフトアツセンブリのイニシヤル
アンバランスを格段に小さくすることができる。

以下この発明の実施例を第５図ないし第７図を
参照して説明する。まず、この発明の接合装置の
一実施例について説明すると、第５図はこの発明
に係る接合装置の横断平面図を示し、また第６図
はその縦断側面図を示しており、タービンホイー
ル１を固定するための基台２０とタービンシヤフ
ト２を把持し回転させるためのチヤツク２１とが
対向して配置されており、その基台２０にはター
ビンホイール１を収容するための収容部２２がチ
ヤツク２１側に開口して形成されている。その収
容部２２の前記チヤツク２１に対向する壁部の中
心部に、チヤツク２１に把持されたタービンシヤ
フト２と中心軸線が一致するよう貫通孔２３が形
成され、その貫通孔２３の基台２０の背面側（第
５図および第６図では右側面）における開口端
に、油圧シリンダ２４のピストンロツド２５の先
端部が固着されている。さらに貫通孔２３内にセ
ンターピン２６が前記チヤツク２１に把持された
タービンシヤフト２と中心軸線が一致するよう前
後動自在に挿入されるとともに、そのセンターピ
ン２６と前記ピストンロツド２５の先端面との間
にスプリング２７が配置されている。そのセンタ
ーピン２６の先端部は前記収容部２２側に突出す
るとともに、その先端部に球体２８が取付けられ
ており、したがつて前記センターピン２６はその
球体２８をタービンホイール１の先端面に形成し
た中心穴２９に挿入した状態でタービンホイール
１を押圧するようになつている。

前記収容部２２の前記チヤツク２１に対向する
壁面には、受け座板３０と回転止め部材としての
トルクプレート３１とが順次積層され、かつボル
ト３２によつて前記基台２０に固定されている。
受け座板３０は前記センターピン２６の突出端を
貫通させるための孔と、トルクプレート３１との
接触面に形成した球面受座３３とを有するもので
あつて、その球面受座３３に半球状軸受部材３４
が配置され、この軸受部材３４にタービンホイー
ル１の先端面６を面接触させることにより、接合
時にタービンホイール１に加わる推力を前記軸受
部材３４および受け座板３０を介して基台２０で
受けるようになつている。なお、前記軸受部材３
４には、前記センターピン２６の突出端を貫通さ
せるため、該突出端よりも大径の貫通孔が形成さ
れており、したがつて前軸受部材３４はセンター
ピン２６に干渉することなく、ある程度の範囲で
回動し得るようになつている。また、トルクプレ
ート３１はその背面側すなわち受け座板３０側の
中央部に前記軸受部材３４の回動を許容するよう
凹部が形成されるとともに、第７図に示すよう
に、タービンホイール１の断面が角形をなす先端
部７を嵌め込む角形孔３５が中心部に形成された
ものであつて、タービンホイール１の先端部７を
その角形孔３５に嵌合させることにより、タービ
ンホイール１の回転を阻止するようになつてい
る。

さらに、前記基台２０とチヤツク２１との間に
支え板３６が、前記チヤツク２１に把持されたタ
ービンシヤフト２および前記センターピン２６の
中心軸線に直交するよう配置されている。この支
え板３６は、タービンホイール１の背面（より正
確には中心ボス部１１の背面）を当接させた状態
で、前記センターピン２６との間にタービンホイ
ール１を固定させるものであつて、この支え板３
６は前記基台２０を貫通して設けた複数本のロツ
ド３７によつて前記油圧シリンダ２４のフランジ
板３８に連結されており、したがつて支え板３６
は油圧シリンダ２４を動作させることにより基台
２０に対し接近・離隔するようになつている。な
お、前記支え板３６には、タービンシヤフト２を
タービンホイール１の圧接面１０に当接させるべ
く挿通孔３９が形成されている。

つぎに上記のように構成された接合装置の動作
すなわちこの発明の接合方法について説明する。

まず、精密鋳造されかつ研磨加工が施されたタ
ービンホイール１の先端面６に、そのタービンホ
イール１の背面および中心ボス部１１の外周面を
基準にして中心穴２９を形成しておく。他方、油
圧シリンダ２４を動作させて基台２０に対して油
圧シリンダ２４を接近させることにより、その油
圧シリンダ２４にロツド３７によつて連結された
前記支え板３６を基台２０からある程度離隔させ
ておく。そして前記タービンホイール１を前記収
容部２２に挿入し、その先端面６に形成した中心
穴２９に前記センターピン２６の先端部に取付け
た球体２８を差し込むとともに、タービンホイー
ル１の先端部７をトルクプレート３１の角形孔３
５に挿入し、しかる後油圧シリンダ２４を前記の
場合とは逆に動作させることにより支え板３６を
基台２０に接近させて、タービンホイール１の背
面を支え板３６に当接させ、さらにタービンホイ
ール１の先端面６が前記軸受部材３４に当接する
までタービンホイール１を押圧する。このように
すれば、センターピン２６とピストンロツド２５
の先端面との間に配置したスプリング２７が圧縮
されるので、タービンホイール１はそのスプリン
グ２７の弾性力によりセンターピン２６と支え板
３６との間に挾持・固定される。この場合、前記
中心穴２９がタービンホイール１の背面および中
心ボス部１１の外周面を基準として形成され、か
つその中心穴２９を介してタービンホイール１を
その背面が支え板３６に当接した状態に押圧・固
定するのであるから、タービンホイール１の背面
側および中心ボス部１１がタービンホイール１の
全重量のうち大半を占めているために、タービン
ホイール１は実質上その重量中心軸をタービンシ
ヤフト２の中心軸に一致させた状態で位置決めさ
れる。

タービンホイール１を上述のように位置決め・
固定した後、タービンシヤフト２をチヤツク２１
と共に回転させつつその先端部をタービンホイー
ル１の圧接面１０に押し付けることにより、ター
ビンシヤフト２がタービンホイール１に対して摩
擦圧接される。この場合、タービンホイール１に
加わる推力は前記半球状軸受部材３４を介して受
け座板３０で受けることになるが、その軸受部材
３４は球面受座３３に接触し、回動自在となつて
いるから、タービンホイール１の先端面６が中心
軸線に対し正確に垂直となつていずに若干傾斜し
ていたとしても、軸受部材３４がタービンホイー
ル１の先端面６の傾斜に対応して回動し、その結
果タービンホイール１を傾けるように作用する力
が生じることはなく、したがつてタービンホイー
ル１とタービンシヤフト２とが各々の中心軸線を
一致させて位置決めされていることと相まつて、
両者は所謂芯ずれを起こすことなく、正確に接合
される。なお、タービンホイール１はその先端部
７を嵌合させたトルクプレート３１により摩擦圧
接時における回転を阻止されることは言うまでも
ない。

以上のようにしてタービンホイール１とタービ
ンシヤフト２とを接合した後、前記油圧シリンダ
２４を動作させて油圧シリンダ２４と基台２０と
を相対的に接近させれば、それに伴つて前記支え
板３６が基台２０から離隔するので、タービンホ
イール１の挾持・固定が解除され、タービンホイ
ール１をタービンシヤフト２と共に、すなわちタ
ービンシヤフトアツセンブリを上記接合装置から
取外すことができる。

このようにして得られたタービンシヤフトアツ
センブリは、タービンホイール１とタービンシヤ
フト２との同軸度に殆んど狂いがなく、しかもタ
ービンホイール１をその背面および中心ボス部１
１を基準として位置決めしたので、換言すればタ
ービンホイール１を実質上重量中心を基準として
位置決めしたので、イニシヤルアンバランスが極
めて少なくなる。

なお、上記実施例の装置では、球面受座３３を
受け座板３０に形成し、その受け座板３０を基台
２０に固着した構成としたが、これに替え球面受
座３３を基台２０に直接形成した構成としてもよ
く、またセンターピン２６の先端部に球体２８を
取付ける替わりに、センターピン２６の先端部を
球面としてもよい。またこの発明では、タービン
ホイール１をタービンシヤフト２に対して位置決
め・固定する場合、タービンホイール１の背面を
支え板に当接させることに替え、タービンホイー
ル１の中心ボス部１１の背面側外周部を適宜の支
え板で把持し、同時に中心穴２９に嵌め合わせた
センターピン２６で押圧してもよく、このような
方式でも前述した実施例におけると同様に、ター
ビンホイール１の重心を回転中心に一致させた状
態で位置決め・固定することができる。

以上の説明から明らかなようにこの発明の接合
方法によれば、タービンホイールの背面中心部に
タービンシヤフトを摩擦圧接により接合するにあ
たり、タービンホイールの先端面に、背面および
中心ボス部外周面を基準にして中心穴を形成して
おき、タービンホイールの背面を支え板に接触さ
せた状態で前記中心穴を介してタービンホイール
を支え板に対して押圧することによりタービンホ
イールを固定するようにしたから、タービンホイ
ールの背面側および中心ボス部が全重量の大半を
占めるためにタービンホイールを実質上重量中心
がタービンシヤフトの中心軸線に一致するよう位
置決めすることができ、したがつてタービンホイ
ールとタービンシヤフトとの同軸度を向上させる
ことができると同時に、得られたタービンシヤフ
トアツセンブリのイニシヤルアンバランスを低減
することができる。また、この発明の接合装置に
よれば、タービンホイールの背面および中心ボス
部外周面を基準としてタービンホイールの先端面
に形成した中心穴を介してタービンホイールを押
圧するようタービンシヤフトと同軸上に配置した
センターピンと、タービンホイールの背面を接触
させる支え板とを有し、センターピンと支え板と
でタービンホイールを挾持・固定するようにした
から、タービンホイールを実質上その重量中心を
タービンシヤフトの中心軸線に一致させた状態に
位置決めすることができ、これに加えタービンホ
イールの先端面に面接触する半球状軸受部材と、
その軸受部材を回動自在に支える球面受座とを設
けたから、たとえタービンホイールの先端面が中
心軸線に対して垂直となつていずに若干傾斜して
いても、摩擦圧接時の推力によつてタービンホイ
ールが傾くことはなく、したがつて接合開始当初
に設定した同軸度を保つたままタービンホイール
とタービンシヤフトとを接合することができ、そ
の結果得られたタービンシヤフトアツセンブリの
イニシヤルアンバランスを従来になく低減するこ
とができる。さらに、この発明の接合方法・装置
によれば、タービンホイールとタービンシヤフト
とを接合することにより得られたタービンシヤフ
トアツセンブリのイニシヤルアンバランスを低減
することができるので、後工程の修正作業が極め
て簡単になり、またタービンシヤフトに予め設け
ておく加工取代を少なくし、タービンシヤフト素
材を細径することができる等の副次的効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来の接合方法を説明す
るためのものであつて、第１図はタービンホイー
ルとタービンシヤフトとの各々をチヤツクで把持
した状態を示す断面図、第２図は把持箇所を示す
ためのタービンホイールの正面図、第３図は同上
面図、第４図はタービンシヤフトアツセンブリの
センタリング方法を示す断面図、第５図はこの発
明の接合装置の一実施例を示す横断面図、第６図
は同縦断面図、第７図はトルクプレートを示す正
面図である。 １…タービンホイール、２…タービンシヤフ
ト、６…（タービンホイールの）先端面、７…
（タービンホイールの）先端部、１０…（タービ
ンホイールの）圧接面、１１…中心ボス部、２６
…センターピン、２９…中心穴、３１…トルクプ
レート、３３…球面受座、３４…半球状軸受部
材、３６…支え板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービンホイールの背面中心部にタービンシ
   ヤフトを摩擦圧接するにあたり、タービンホイー
   ルの先端面にタービンホイールの中心ボス部背面
   およびその中心ボス部の外周面を基準にして中心
   穴を形成しておき、前記中心ボス部の背面を支え
   板に当接させ、もしくは中心ボス部の背面外周部
   を支え板で把持するとともに前記中心穴を介して
   タービンホイールを前記支え板に向けて押圧する
   ことにより、タービンホイールをタービンシヤフ
   トに対して同軸上に位置決め・固定し、この状態
   でタービンホイールとタービンシヤフトとの少な
   くとも一方を回転させつつ両者を加圧接触させる
   ことにより接合することを特徴とするタービンホ
   イールとタービンシヤフトとの接合方法。 ２ タービンホイールとタービンシヤフトとを同
   軸上に位置決めするとともに、タービンホイール
   とタービンシヤフトとの少なくとも一方を回転さ
   せることによりタービンホイールの背面中心部に
   タービンシヤフトを摩擦圧接するようにした接合
   装置において、前記タービンホイールをその背面
   もしくは背面外周部を接触させて支えるとともに
   タービンシヤフト挿通孔を有する支え板と、ター
   ビンホイールの背面および中心ボス部の背面側外
   周面を基準にしてタービンホイールの先端面に形
   成された中心穴を介してタービンホイールを前記
   支え板に対して固定するよう前記タービンシヤフ
   トと同軸上に配置されたセンターピンと、前記タ
   ービンホイールの先端面に面接触するよう配置さ
   れた半球状軸受部材と、その半球状軸受部材を回
   動自在に支える球面受座と、前記支え板と前記セ
   ンターピンとの間に固定されたタービンホイール
   の回転を阻止する回転止め部材とを具備してなる
   ことを特徴とするタービンホイールとタービンシ
   ヤフトとの接合装置。