JPS63131802A - タ−ビンロ−タ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速回転体でロータ中心部に中心孔をもつ、タ
ービンロータに係り、特に、高応力の生じる中心孔の強
度向上に好適なロータに関する。

〔従来の技術〕

従来のタービンロータは、例えば、特開昭５６−１４８
６０２公報に記載のように、ロータとホイールを別々に
成形し、ホイールをロータに焼ばめしたものである。ホ
イールを焼ばめしたロータの中心孔径は、焼ばめしない
中心孔径より大きくなっている。一般に、ロータの中心
孔径が大きくなると、中心孔表面の接線方向応力が大き
くなる傾向にある。このため、ディスク部の中心孔応力
が高応力となる。また、ディスク部にはキー溝をもち、
キーを挿入し、かつ、焼ばめでロータと連結されている
が、最近の翼の長大化によりディスクキー溝にクラック
が発生する危険性がある。

そのため、鍛造技術の向上によりロータはディスクと一
体成形された一体鍛造ロータが使用されるようになって
きた。

しかし、一体鍛造ロータは大型鎮魂より鍛造成形される
ため、鍛造力がロータ中心部に充分に至らないことも有
るため、中心部に偏析や欠陥が生じやすい、このため、
これらの欠陥を除去し、健全なタービンロータとするた
めに、ロータの中心部を一様な径のコアドリルによって
除去し、中心孔のある健全なタービーンロータが作られ
る。

第２図は従来構造のタービンロータ１を示す。

本ロータの外周には複数段のディスク２を伴い。

ディスク２の外径部には、複数枚の翼３が放射状に植込
まれている。また、ロータ１の中心部には中心孔４をも
っている。

第３図は第２図に示すタービンロータを高速回転した場
合に生じるロータディスク断面５Ａ−Ａ部の半径方向応
力６と接線力向応カフの分布を示す。

半径方向応力６はロータ中心孔４で零であり、ロータの
外径側へ向かうに従い、応力が高くなり。

最大値を持ち、更に、外径側になると応力は減少する。

一方、接線方向の応力は、中心孔４の表面で最大値を持
ち外径側では急激に応力が減少する。従って、応力の最
大値は中心孔表面の接線方向応力であり、ロータ設計に
際してはこの応力を十分に評価すべきである。

第４図は第２図に示すロータに作用する接線方向応力分
布を示す０図中の数値は最大応力値を１．０　とした場
合の接線方向応力の等応力線図である。

翼３が長大化したディスク部２の中心孔はど応力が高く
なる傾向を示し、Ｌ−０段落の中心孔応力が最大値を示
す、また、応力比０．５　の分布に注目すると、Ｌ−１
段、Ｌ−２段、Ｌ−３段のディスク部でも応力が高くな
る傾向にあり、ディスク部下の中心孔に応力が集中して
いる。すなわち。

翼長が大きくなり、回転中の遠心力が増加するため、デ
ィスク部下の中心孔応力が増加する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記、従来技術は、ロータ中心孔に生じる接線方向の応
力集中部５の排除については考慮されていなかった。こ
の応力集中部は、翼の大型化や、ロータの高速化が増す
につれて発生するものであり、ロータの破壊を生じる危
険性があり問題であった。

本発明の目的は、ロータ中心孔表面に生じる接線方向応
力を低減し、ロータの信頼性を向上すると共に、翼長の
増大化や、ロータの高速化を可能とすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ロータの中心孔に残留圧縮応力を強制的に
作用させることにより達成される。

〔作用〕

前記、接線方向応力は、ロータ中心孔表面近傍に集中し
ており、全て引張応力であることがら、中心孔の表面を
ロータ製作時に圧縮塑性させて残留圧縮応力を作用させ
ておくと、ロータ回転中に大きな引張応力が作用しても
、圧縮応力と相殺されてロータ中心孔に作用する引張応
力が低減できるため、ロータの信頼性が向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図により説明する。

第１図はロータ中心孔に残留圧縮応力を発生させる方法
を示す。

ロータ１のディスク２には翼３が全周にわたり放射状に
植込まれて段落を形成している。ロータ１の中心孔４に
は、各段落Ｌ−０，Ｌ−１，Ｌ−２、Ｌ−３の部分には
、中心孔径よりも調子小径の中心孔８を加工しておく、
この状態で、ロータ端面よりローラシャフト９を挿入す
る。ローラシャフト９の先端には、硬質処理をした回転
するローラ１０を設けており、このローラシャフト９を
軸力Ｆと回転トルクＴを加えながら回転挿入する。

中心孔４よりも少経の中心孔８に接触するとローラ１０
によりロータ中心孔８は外周側へ圧縮変形される。これ
によりディスク部には圧縮残留応力が作用する。

ローラシャフト９を回転させたが、これを固定してロー
タ１を回転させてローラシャフト９を挿入しても同様に
圧縮残留応力が作用する。

また、本図では、ロータ段落部のみ圧縮残留応力を作用
させるため、段落部の中心孔８のみに圧縮残留応力を作
用させたが、高速回転体では、中〜゛心心金全面引張応
力が高くなる場合も考えられる”た°め、中心孔全体を
ローラ圧縮させてもよい、この場合はシャフト端から一
様径の中心孔にそってローラを回転挿入すればよい。

ローラシャフトを挿入する場合には、強制的に挿入し、
中心孔を拡大することから、かなり太きな軸力Ｆと回転
トルクＴが必要になるので、できるだけローラと中心孔
の接触部の摩擦係数を低減することが重要である。

第５［は、第１図に記載の／ｈ径中心孔８にローラシャ
ブト９を挿入するようすを示す、ローラシャフト９の先
端にはシャフト全周に複数個のローラ１０が取りつけら
れており、それを回転しながら挿入する。そうすると、
小径中心孔８の径Ｄ１が圧入後はＤ２に拡大し、中心孔
径が拡大変形する。

第１図は、ローラ中心孔４をロータの軸方向に部分的に
圧縮を発生させる（ピーニング）のにロータの中心孔径
を小さくし中心孔８との間に段差を設けたが、更に、中
心孔の加工工数を低減するためには、中心孔径は一定に
して、その上にピーニング処理を行う方がよい。

第６図は、中心孔のある区間をピーニングする方法であ
る。ロータ中心孔４のピーニング必要区間をＬとすると
、ピーニング開始点Ｌｌまでローラシャフトを挿入し、
そこにローラ１０が接触するようにローラシャフト９を
回転しながら引き抜く、ここでローラ１０の内側のシャ
フトは、ゆるやかな傾斜が設けられており、挿入時には
ローラ１０はシャフトの小径側に移動し、引き抜き時に
はシャフトの大径側に移動して、中心孔表面をピーニン
グする。ここでローラ１０は、傾斜のついたシャフトの
廻りに複数個分割して設置されている。このようにして
ピーニング終了点Ｌｚまでローラがくるとローラシャフ
ト９を挿入することにより、ローラはシャフトの小径側
に移動するため、中心孔表面へのローラ押しっけ力がな
くなり、ピーニングを終了する。

ピーニング必要位置は、ロータ１の端面からの距離をロ
ーラシャフト９の移動量より測定することにより管理す
ることが必要である。また、ローラシャフト９の移動法
は図中にはネジ機構で示したが、油圧機構にても可能で
ある。

これらの方法は、いずれもローラによるピーニング方法
であり、ローラと中心孔表面との摩擦係数を低減するに
は中心孔表面に油などの潤滑剤を塗布しておくことがメ
タルの固着もなくなり有効である。また、ローラシャフ
トを微少振動させて挿入すると、更に、摩擦がなくなり
効果大である。

ピーニング面の表面粗さが機械加工面よりも悪くなる場
合は、更に、ショットピーニング等により表面の仕上程
度を向上させることが必要である。

本実施例ではローラピーニングについて説明したが、本
方法は、大型ロータにおいてロータ中心孔表面より深く
まで残留圧縮応力を与えるのに有効であるが、小型、か
つ、高速回転用のロータでは、中心孔に小径球を噴射し
て圧縮応力を作用させるショットピーニング法を活用し
てもよい。

このようにロータ中心孔にピーニング処理を行；方向応
力分布を第７図に示す。ピーニング処理を′□行なう前
のロータ回転中の接線方向応力は７のように中心孔表面
でピークを持ち引張応力である。

この中心孔にピーニングを処した後の静止中の応力は１
１であり圧縮応力である。このロータを更に回転させる
と、接線方向の応力は７と１１で相殺して１２となり、
中心孔表面の引張応力が低減できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ロータ中心孔の応力を低減できるため
、ロータの高速化や、翼の長大化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数段落を一体成形した中心孔を設けたタービンロ
   ータにおいて、 前記タービンロータ中心孔の表面に圧縮残留応力を与え
   たことを特徴とするタービンロータ。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記タービンロータ中心孔の圧縮残留応力域は、段落の
   ディスク部付近であり、ロータ軸方向に極部的に与えた
   ことを特徴とするタービンロータ。 ３、特許請求の範囲第２項において、 前記圧縮残留応力を作用させる域の前記中心孔の径は作
   用させない域の中心孔径よりも若干小さくし、前記中心
   孔に見合った径のローラシャフトを挿入し、圧縮残留応
   力を発生させたことを特徴とするタービンロータ。 ４、特許請求の範囲第１項において、 前記タービンロータ中心孔に圧縮残留応力を与える方法
   として、中心孔にローラを挿入し、それを中心孔面に圧
   縮し、前記タービンロータ又は、前記ローラを回転させ
   て圧縮残留応力を与えることを特徴とするタービンロー
   タ。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記タービンロー
   タの中心孔に圧縮残留応力を与える方法として、中心孔
   にローラを挿入し、それを中心孔面接触させ、前記ロー
   ラを微少振動させ、かつ、回転させて中心孔に圧縮残留
   応力を与えたことを特徴とするタービンロータ。