JP2010119264A - 小型ガスタービン発電機用ローター - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転時の回転バランスに優れた小型ガスタービン発電機用ローターを提供する。
【解決手段】セラミック製のタービン部１、タービン部の背面１ａに対して背面２ａが向かい合い同軸になるようにタービン部１に接合されたセラミック製のコンプレッサ部２、及びコンプレッサ部２の中心から延出しタービン部１及びコンプレッサ部２と同軸のセラミック製の結合軸部３が、一体的に形成されてなるタービン−コンプレッサ部４と、タービン−コンプレッサ部４の結合軸部３と同軸になるように、結合軸部３に端部が着脱可能に結合された、永久磁石１２を内蔵することができる磁石内蔵部１３及び少なくとも２個所の軸受部１４を有する軸部１５と、を備えた小型ガスタービン発電機用ローター１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型ガスタービン発電機用ローターに関し、更に詳しくは、高速回転時の回転バランスに優れた小型ガスタービン発電機用ローターに関する。

近年、小型、軽量かつ長時間作動が可能な電源として、１ｋＷ以下の電気出力を発生する超小型のガスタービン発電機が期待されている。このような超小型ガスタービンに使用されるローターは、翼部の直径が１０〜３０ｍｍ程度のタービン部及びコンプレッサ部と、直径が１０ｍｍ以下（３ｍｍ〜７ｍｍ程度）の軸部とを備えた構造であり、超高速回転（数１０万ｒｐｍ）で運転される。このような超高速回転ローターは高精度に回転バランスを調整する必要があり、特にタービン部及びコンプレッサ部と、軸部との同心度を確保することが重要である。

そのため、例えば、セラミック製の、タービン部、コンプレッサ部及び軸部が一体的に形成された発電用小型ガスタービンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特表２００６−５０４９０２号公報

特許文献１に記載の発電用小型ガスタービンローターは、タービン部、コンプレッサ部及び軸部が一体的に形成されているため、作製時の回転バランスの修正を発電用小型ガスタービンローター全体として行う必要があった。そのため、回転バランスの修正は必ずしも容易なものではなかった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、高速回転時の回転バランスに優れた小型ガスタービン発電機用ローターを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、以下の小型ガスタービン発電機用ローターを提供する。

［１］ セラミック製のタービン部、前記タービン部の背面に対して背面が向かい合い同軸になるように前記タービン部に接合されたセラミック製のコンプレッサ部、及び前記コンプレッサ部の中心から延出し前記タービン部及び前記コンプレッサ部と同軸のセラミック製の結合軸部が、一体的に形成されてなるタービン−コンプレッサ部と、前記タービン−コンプレッサ部の前記結合軸部と同軸になるように、前記結合軸部に端部が着脱可能に結合された、永久磁石を内蔵することができる磁石内蔵部及び少なくとも２個所の軸受部を有する軸部と、を備えた小型ガスタービン発電機用ローター。

［２］ 前記軸部が、前記軸受部のなかの一つを、前記磁石内蔵部と前記タービン−コンプレッサ部の結合軸部が結合された端部との間に有し、前記軸受部のなかの一つの中心軸方向に直行する断面の直径が、前記磁石内蔵部の中心軸方向に直行する断面の直径以下である［１］に記載の小型ガスタービン発電機用ローター。

［３］ 前記タービン−コンプレッサ部と、前記軸部との結合方法が、ネジ締結であり、回転方向に対して前記ネジ締結が締り勝手である［１］又は［２］に記載の小型ガスタービン発電機用ローター。

本発明の小型ガスタービン発電機用ローターによれば、タービン−コンプレッサ部と軸部とが着脱可能に結合されているため、作製時に、タービン−コンプレッサ部と軸部との回転バランスを別々に修正することができ、より高精度な回転バランスを得ることが可能になる。

次に本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

１．小型ガスタービン発電機用ローター：
本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態は、図１に示すように、セラミック製のタービン部１、タービン部１の背面に対して背面が向かい合い同軸になるようにタービン部１に接合されたセラミック製のコンプレッサ部２、及びコンプレッサ部２の中心から延出しタービン部１及びコンプレッサ部２と同軸のセラミック製の結合軸部３が、一体的に形成されてなるタービン−コンプレッサ部４を備え、更に、タービン−コンプレッサ部４の結合軸部３と同軸になるように、結合軸部３に端部１１が着脱可能に結合された軸部１５と、を備えたものである。そして、軸部１５は、永久磁石１２を内蔵することができる磁石内蔵部１３及び２個所の軸受部１４，１４を有するものである。軸受部１４は、軸部１５に少なくとも２箇所形成されており、３箇所以上であってもよい。図１は、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態を模式的に示す側面図である。

５０万ｒｐｍ（回転／分）以上の回転速度（作動回転数）で回転する小型ガスタービン発電機用ローターは、回転バランスの修正を極めて高精度に行う必要がある。回転バランスにアンバランスが生じる主な原因として、複雑形状のタービン−コンプレッサ部の「形状誤差」、及び軸部の内部に永久磁石を挿入する際の「組み付けばらつき」を挙げることができる。タービン−コンプレッサ部と軸部とが一体的に形成されている場合には、上記「形状誤差」及び「組み付けばらつき」という複数のアンバランス要因を有する状態の小型ガスタービン発電機用ローターについてバランス修正を行う必要があるため、バランス修正が非常に困難であった。

これに対し、本実施形態の小型ガスタービン発電機用ローターは、タービン−コンプレッサ部と軸部とが着脱可能に結合しているため、タービン−コンプレッサ部と軸部とを分離した状態で、タービン−コンプレッサ部についてはその「形状誤差」を修正し、軸部については、軸部の内部に永久磁石を挿入する際の「組み付けばらつき」を修正することができる。また、軸部について、軸部の内部に永久磁石を挿入する際の「組み付けばらつき」を修正し、その後、軸部にタービン−コンプレッサ部を装着して、タービン−コンプレッサ部についての「形状誤差」を修正してもよい。いずれの方法においても、「形状誤差」及び「組み付けばらつき」という複数のアンバランス要因を分離した状態でバランス修正を行った後、最終的な組み付け状態で小型ガスタービン発電機用ローター全体についてバランスの修正を行うことで、複数のアンバランス要因を有する状態のままバランス修正を行う場合に比べて、非常に高精度なバランス修正を行うことが可能となる。つまり、タービン−コンプレッサ部及び軸部のバランスをそれぞれ別々に修正した後に、タービン−コンプレッサ部と軸部とを結合させることにより、全体として極めて精度の高い小型ガスタービン発電機用ローターとすることが可能となる。

本実施形態の小型ガスタービン発電機用ローターにおいて、タービン−コンプレッサ部４は、図２に示すように、セラミック製のタービン部１、タービン部１の背面１ａに対して背面（コンプレッサ部の背面）２ａが向かい合い同軸になるようにタービン部１に接合されたセラミック製のコンプレッサ部２、及びコンプレッサ部２の中心から延出しタービン部１及びコンプレッサ部２と同軸のセラミック製の結合軸部３が、一体的に形成されてなるものである。ここで、「一体的に形成される」というときは、焼成前のセラミック成形原料を成形して、所望の形状（タービン−コンプレッサ部の形状）を形成し、それを焼成して所望の焼成品を形成することをいう。セラミック原料とは、セラミック粉末、水、有機溶剤、バインダー等を混合したものであり、成形し、焼成することにより、セラミック粉末同士が結合してセラミック焼結体を得ることができるものである。そして、タービン部、コンプレッサ部及び結合軸部が一体的に形成された場合、タービン部、コンプレッサ部及び結合軸部のそれぞれの間に繋ぎ目が存在しないタービン−コンプレッサ部となる。図２は、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態を構成するタービン−コンプレッサ部を模式的に示す側面図である。

タービン−コンプレッサ部４においては、タービン部の背面１ａとコンプレッサ部の背面２ａとは、直接接合されていてもよいが、図１、図２に示されるように、接合部５を介して一体的に接合されていてもよい。接合部５は、結合軸部３と同軸である。接合部５の中心軸方向の長さは、特に限定されないが、例えば、０．５〜５ｍｍが好ましい。０．５ｍｍより短いと、ガスタービンに組み込んだ際に、タービンに流入する高温燃焼ガスの熱がコンプレッサーに伝わり易くなるため、コンプレッサーの効率が低下することがある。５ｍｍより長いと、軸受けからのオーバーハング長が長くなるため、高速回転時の安定性が低下することがある。接合部５は円柱状であることが好ましい。尚、タービン部は、翼部１ｂが配設されている側が前面であり、その反対側の面が背面（タービン部の背面１ａ）である。また、コンプレッサ部も、翼部２ｂが配設されている側が前面であり、その反対側の面が背面（コンプレッサ部の背面２ａ）である。

タービン−コンプレッサ部４を形成する材料は、耐熱性に優れ、高強度のセラミック材料であることが好ましく、これらの中でも窒化珪素及び炭化珪素が好ましい。尚、タービン−コンプレッサ部４は一体的に形成されており、全体的に上記材料で形成されていることが好ましい。

タービン−コンプレッサ部４を構成するタービン部１は、ハブ部１ｃと、ハブ部１ｃの外周に接続され放射状に延びる翼部１ｂと、ハブ部１ｃの前面側にハブ部１ｃと同軸に接続されたボス部１ｄとが一体的に形成されたものである。タービン部１の中心軸に直交する断面における直径（最大径）は１０〜３０ｍｍが好ましく、１５〜２０ｍｍが更に好ましい。１０ｍｍより小さいと本実施形態の小型ガスタービン発電機用ローターの作動回転数を例えば８０万ｒｐｍ以上とする必要があり、軸受けでの損失が大きくなり過ぎることがある。３０ｍｍより大きいと、高速回転時の遠心応力が大きくなり翼部が破損しやすくなることがある。また、タービン部１を構成する翼部１ｂの厚さは、０．１〜１ｍｍであることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍであることが更に好ましい。０．１ｍｍより薄いと、強度が低くなることがあり、１ｍｍより厚いと空力性能が低下することがある。

タービン−コンプレッサ部４を構成するコンプレッサ部２は、ハブ部２ｃと、ハブ部２ｃの外周に接続され放射状に延びる翼部２ｂとが一体的に形成されたものである。コンプレッサ部２の中心軸に直交する断面における直径（最大径）は１０〜３０ｍｍが好ましく、１５〜２０ｍｍが更に好ましい。１０ｍｍより小さいと圧縮効率が低下することがあり、３０ｍｍより大きいと、高速回転時の遠心応力が大きくなり翼部が破損しやすくなることがある。また、コンプレッサ部２を構成する翼部１ｂの厚さは、０．１〜１ｍｍであることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍであることが更に好ましい。０．１ｍｍより薄いと、強度が低くなることがあり、１ｍｍより厚いと空力性能が低下することがある。

タービン−コンプレッサ部４を構成する結合軸部３は、コンプレッサ部２の前面の中心から、コンプレッサ部２に同軸に延出するものである。結合軸部３の長さは、２〜２０ｍｍが好ましく、５〜１５ｍｍが更に好ましい。２ｍｍより小さいとコンプレッサーの空気取り入れ部の面積が狭くなり吸気抵抗が増加することがあり、２０ｍｍより大きいと、軸受けからのオーバーハング長が長くなるため高速回転時の安定性が低下することがある。また、結合軸部３の太さは、２〜８ｍｍが好ましく、３〜７ｍｍが更に好ましい。２ｍｍより小さいと機械強度が低下して破損しやすくなることがあり、８ｍｍより大きいと、コンプレッサーの空気取り入れ部の面積が狭くなり吸気抵抗が増加することがある。結合軸部３は円柱状であることが好ましい。

図３に示すように、タービン−コンプレッサ部４の結合軸部３の先端に、ネジ部材２１を取り付けることが好ましい。そして、ネジ部材２１によって軸部とネジ締結することが好ましい。結合軸部３の先端にネジ部材２１を取り付けることにより、タービン−コンプレッサ部４と、軸部とをネジ締結することができる。この場合、軸部側に、ネジ部材２１のネジ形状に対応したネジを切ることが好ましい。タービン−コンプレッサ部４と軸部との結合方法をこのようにネジ締結とすることにより、タービン−コンプレッサ部４と軸部との着脱を容易に行うことができる。ネジ部材２１は、円柱状のネジ部２２とネジ部２２の一方の端部に配設された笠状の笠部２３とを備えるものであり、笠部２３側の中央にタービン−コンプレッサ部４の結合軸部３を挿入する穴が形成されている。ネジ部材２１とタービン−コンプレッサ部４の結合軸部３とは、圧入、焼き嵌め等の方法で結合されることが好ましい。また、ネジ部材２１によるネジ締結は、小型ガスタービン発電機用ローターの回転方向に対して締まり勝手であることが好ましい。また、タービン−コンプレッサ部４の結合軸部３の先端に、ネジ部材２１を取り付ける代わりに、結合軸部３を直接ネジ加工してもよい。図３は、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態を構成するタービン−コンプレッサ部にネジ部材を取り付けた状態を模式的に示す側面図である。

図１に示すように、本実施形態の小型ガスタービン発電機用ローターにおいて、軸部１５は、永久磁石１２を内蔵することができる磁石内蔵部１３及び少なくとも２個所の軸受部１４を有するものである。そして、軸部１は、タービン−コンプレッサ部の結合軸部と同軸になるように、その端部１１にタービン−コンプレッサ部４の結合軸部３が着脱可能に結合されている。軸部１５の端部１１には、ネジ部材２１のネジ形状に対応したネジが切られている。また、軸部１５の、ネジが切られている端部１１に対して反対側の端部１６には、スラストカラー１８が配設されており、ガスタービンに組み付けた際の軸方向のガタ付きを抑制（軸方向の不要な移動を抑制）することができる。スラストカラー１８の形状は特に限定されないが、例えば、図１に示すように、軸受部１４の直径より大きな直径の円板状であることが好ましい。スラストカラー１８は、軸部１５の端部１６に、端部１６側に軸受をセットする際に取り外し可能な構造で、ガスタービンに組み付け後に緩まないように取り付けられる構造であればよい。例えば、軸部１５の端部１６、又は円筒部材１９にネジ加工を施してナットで締め付ける方法が例示できる。

軸部１５の長さは２０〜１００ｍｍが好ましく、３０〜７０ｍｍが更に好ましい。２０ｍｍより短いと軸受けの間隔が狭くなるため安定回転することが困難になることがあり、１００ｍｍより長いと、軸の固有振動数が低下し、安定回転が困難になることがある。また、軸部１５の形状は、円柱状（円筒状）であることが好ましい。

軸部１５を形成する材料としては、金属、セラミックを挙げることができる。これらのなかでも、加工性に優れる点で、金属が好ましい。金属の中でも比強度が大きい点で、チタン合金が好ましい。また、軸部１５を形成する材料をセラミックとする場合は、上記タービン−コンプレッサ部の好ましい材料として挙げた材料を好適に用いることができる。

軸部１５は、磁石内蔵部１３と、タービン−コンプレッサ部４が結合されている端部１１との間に、１つの軸受部１４を有し、磁石内蔵部１３と、上記端部１１の反対側の端部１６との間に更に１つの軸受部１４を有している。そして、軸部１５は、これら２つの軸受部１４，１４の間に、内部に永久磁石を埋設するための空洞部１７を有する磁石内蔵部１３を有している。更に、磁石内蔵部１３（磁石内蔵部１３の空洞部内）には永久磁石１２が埋設されている。

小型ガスタービン発電機用ローターは、軸部に永久磁石を内蔵し、少なくともその永久磁石を挟むように２つ以上の軸受部を形成し、その軸受部を軸受によって支持することが、小型ガスタービン発電機用ローターの回転バランスや発電機をコンパクトにするという観点から好ましい。永久磁石を内蔵するためには軸部の内部を空洞（中空）にしてその空洞部に永久磁石を組み込むことになるが、一般に磁石材料は機械的強度が低く、また応力が掛かると磁力が低下する等の問題が生じ易いため、永久磁石に応力が掛かるのを避けるため、永久磁石を埋設する磁石内蔵部によって充分な機械的強度を確保する必要がある。そのため、図１に示す本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態のように、磁石内蔵部１３と軸受部１４とを同じ太さとしてもよいが、図４に示す本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態のように、永久磁石１２が埋設される磁石内蔵部１３は、壁１３ａの厚さを厚くして、その太さを軸受部１４の太さより太く形成することが更に好ましい。本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態は、永久磁石１２が埋設される磁石内蔵部１３の壁１３ａを厚くした以外は、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態と同様である。図４は、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態を模式的に示す側面図である。

また、磁石内蔵部１３の太さを、軸受部１４の太さより太く形成すると、通常、タービン−コンプレッサ部の外径（中心軸に直交する断面における直径）が軸部１５の外径より大きいため、磁石内蔵部と「タービン−コンプレッサ部の結合軸部が結合された端部」との間に位置する軸受部（中間軸受部）を軸受に挿入することが難しくなる。例えば、タービン−コンプレッサ部と軸部とを一体形成したものについては、上記中間軸受部を軸受に挿入する場合、タービン−コンプレッサ部側か、又は磁石内蔵部側を軸受に通す必要があるにもかかわらず、どちらも外径が大きすぎて軸受に通すことができないという問題が生じる。これに対し、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターであれば、タービン−コンプレッサ部と軸部とが着脱可能に結合されているため、タービン−コンプレッサ部と軸部とを分離した状態で、上記中間軸受部を軸受けに挿入し、中間軸受部を軸受けに挿入した後にタービン−コンプレッサ部と軸部とを結合することにより、容易に中間軸受部を軸受に挿入することができる。

従って、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターは、軸部が、軸受部のなかの一つを、磁石内蔵部と「タービン−コンプレッサ部の結合軸部が結合された端部」との間に有し、上記軸受部のなかの一つ（磁石内蔵部と、タービン−コンプレッサ部の結合軸部が結合された端部と、の間に形成された軸受け部）の中心軸方向に直行する断面の直径が、磁石内蔵部の中心軸方向に直行する断面の直径より小さい場合にも、軸受に上記軸受部（中間軸受部）を通すことができ、より高い効果を奏することができる。

本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態において、磁石内蔵部１３の永久磁石１２が埋設される空洞部１７の中心軸に直交する断面における直径は４〜２０ｍｍが好ましく、５〜１５ｍｍが更に好ましい。４ｍｍより小さいと内蔵できる磁石のサイズが小さくなり十分な発電量を確保することが困難になることがある。２０ｍｍより大きいと、高速回転時の遠心応力によって磁力が低下することがある。また、上記空洞部１７の中心軸方向の長さは４〜４０ｍｍが好ましく、１０〜３０ｍｍが更に好ましい。４ｍｍより短いと所望の永久磁石を埋設できないことがあり、４０ｍｍより長いと、軸部１５の機械強度が低下して高速回転が困難になることがある。上記磁石内蔵部１３の空洞部１７に永久磁石を埋設したときには、空間部分が残っていてもよいし、空間部分が無くなっていてもよい。

軸受部１４の、中心軸に直交する断面における直径は、２〜２０ｍｍが好ましく、３〜１０ｍｍが更に好ましい。２ｍｍより細いと強度が低下することがあり、２０ｍｍより太いと、小型ガスタービン発電機用ローターが５０万ｒｐｍ以上の高回転で回転し難くなることがある。また、図４に示す小型ガスタービン発電機用ローター２００のように、磁石内蔵部１３が軸受部１４より太い場合、その中心軸に直交する断面において、磁石内蔵部１３の直径と軸受部１４の直径との差が１０ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下ｍｍであることが更に好ましい。１０ｍｍより大きいと磁石内蔵部１３の外径が大きくなり、小型ガスタービン発電機用ローターが５０万ｒｐｍ以上の高回転で回転し難くなることがある。

また、磁石内蔵部１３の空洞部１７を取り囲む壁の厚さは、０．３〜３ｍｍであることが好ましく、０．５〜２ｍｍであることが更に好ましい。０．３ｍｍより薄いと、磁石内蔵部１３によって機械的強度を確保し難くなることがあり、３ｍｍより大きいと磁石内蔵部１３の外径が大きくなり、小型ガスタービン発電機用ローターが５０万ｒｐｍ以上の高回転で回転し難くなることがある。

尚、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターは、タービン−コンプレッサ部の中心軸部分に貫通孔を形成し、軸部の一方の端部を、タービン−コンプレッサ部の貫通孔のコンプレッサ部側の開口部から挿入し、タービン部側の開口部から突き抜けるような細長い形状にし、当該軸部の一方の端部のタービン−コンプレッサ部を突き抜けた部分に、ネジ加工を施して、ナットによって固定するものであってもよい。また、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターは、タービン−コンプレッサ部の中心軸部分に貫通孔を形成するとともに、軸部の中心軸部分にも貫通孔を形成し、タービン−コンプレッサ部と軸部とを繋いだ状態で、２つの貫通孔にテンションボルトを通し、両端部をナットで締めて固定するものであってもよい。

２．小型ガスタービン発電機用ローターの製造方法：
セラミック粉末、バインダー、溶剤等を混合し、その後、混練機により混練してセラミック成形原料を作製する。セラミック粉末としては、窒化珪素、炭化珪素等を用いることが好ましい。セラミック粉末の成形原料全体に対する割合は５０〜８０質量％が好ましい。バインダーとしては、イソシアネート、セルロース、ブチラール等を用いることが好ましい。バインダーの成形原料全体に対する割合は１〜５質量％が好ましい。

得られた成形原料を、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）することにより、グリーン成形体を得る。グリーン成形体の形状は特に限定されないが、円柱状、直方体等が好ましい。グリーン成形体の大きさは、２〜５００ｃｍ^３程度が好ましい。

得られたグリーン成形体を仮焼きして仮焼き体を作製する。仮焼きによりバインダー等の有機成分を除去する。仮焼きの条件は、窒素雰囲気化、１０００〜１５００℃で１〜５時間加熱する。

次に、仮焼き体を加工して、タービン−コンプレッサ部の形状を形成し、仮焼きタービン−コンプレッサ部を作製する。加工の方法は、切削加工であることが好ましい。加工装置としては、ＮＣ加工機を用いることが好ましい。切削加工前に、仮焼き体にシリコーンオイルを含浸させることが好ましい。シリコーンオイルを含浸させることにより、切削加工を容易に行うことができる。

次に、仮焼きタービン−コンプレッサ部を焼成（本焼成）し、図２に示すような、タービン−コンプレッサ部４を作製する。焼成条件は、窒素雰囲気化、１７００〜１８００℃で３〜６時間加熱する。

図３に示すようなネジ部材２１を旋盤で作製する。ネジ部材２１は、円柱状のネジ部２２とネジ部２２の一方の端部に配設された笠状の笠部２３とを備えるものである。そしてネジ部材２１の笠部２３側の中央に、タービン−コンプレッサ部４の結合軸部３を挿入する穴を形成する。ネジ部２２は雌ネジであってもよいし、雄ネジであってもよい。

次に、ネジ部材２１に形成した穴にタービン−コンプレッサ部４の結合軸部３を圧入する。ネジ部はタービン−コンプレッサ部の回転方向に対して、締り勝手となるように形成することが好ましい。

次に、軸部を作製するが、軸部の作製は、タービン−コンプレッサ部４と結合したときのバランスを調整しながら作製することが好ましい。

軸部を作製する材料として円柱状の金属又はセラミックを用いることが好ましい。加工が容易であるという点で、円柱状の金属を用いることが更に好ましい。また、金属としては、チタン合金が好ましい。円柱状の金属又はセラミックの長さ及び太さは、作製する軸部の長さ及び太さとすることが好ましい。

まず、円柱状の金属又はセラミック（軸部材料）の一方の端部に、タービン−コンプレッサ部に装着したネジ部材２１のネジ部２２に対応する形状の、ネジ加工を施してネジ加工円柱体を形成する。ネジ部２２が雄ネジの場合は、対応する形状（ネジ締結できる形状）の雌ネジを形成する。また、磁石内蔵部を軸受け部より太くする場合には、軸受け部に相当する部分を所望の太さになるように旋盤加工することが好ましい。

次に、ネジ加工円柱体のネジ加工を施した部分と、タービン−コンプレッサ部のネジ部材とをネジ締結し、ネジ締結により結合された、ネジ加工円柱体とタービン−コンプレッサ部との外形を精密旋盤加工によりトリミングを行い、ネジ加工円柱体とタービン−コンプレッサ部との同軸度を、一体成形品と同等になるようにすることが好ましい。

ネジ加工円柱体の、「ネジ加工した端部とは反対側の端部」から永久磁石を内蔵するための空洞部を形成して軸部を形成する。空洞部は、精密旋盤加工により形成することが好ましい。

次に、図５Ａに示すように、円柱状の永久磁石１２をネジ加工円柱体の空洞部１７に、「ネジ加工を施した端部とは反対側の端部１６」から挿入し、接着固定あるいは圧入する。接着剤を使用する場合は、エポキシ系接着剤等を用いることが好ましい。

磁石を挿入し、固定した後、図５Ｂに示すように、ネジ加工円柱体の「ネジ加工を施した端部とは反対側の端部１６」より、ネジ加工円柱体と同一材料で中実の円柱部材２０を挿入して、空洞部１７を埋めることが好ましい。円柱部材２０を挿入するに際しては、圧入もしくは接着、溶接などの方法でネジ加工円柱体と一体化することが好ましい。これにより、空洞部の強度を向上させることができる。

次に、図５Ｃに示すように、ネジ加工円柱体の円柱部材２０を埋設した側の端部を、精密旋盤加工によるトリミングを行い同軸を確保しながら突起部２４を形成することが好ましい。そして、突起部２４にリング状のスラストカラー１８（図１を参照）及びリング状の円筒部材１９（図１を参照）を嵌め込むことにより小型ガスタービン発電機用ローター１００（図１を参照）とすることが好ましい。スラストカラー１８及び円筒部材１９を嵌め込むときには、突起部２４（端部１６）、スラストカラー１８及び円筒部材１９にネジを切ってネジ留めすることが好ましい。スラストカラー１８は、突起部２４（端部１６）に接続してもよいし、円筒部材１９に接続してもよい。また、図４に示す本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態を製造する場合には、ネジ加工円柱体の円柱部材２０を埋設した側の端部を、精密旋盤加工する際に、軸受部１４の形状を形成することが好ましい。図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態の製造過程を示す模式図である。

また、上記のネジ加工円柱体に円柱部材を挿入した後に旋盤加工を行う代わりに、ネジ加工円柱体に、突起部が形成された円柱部材を挿入して、後の旋盤加工を省略するようにしてもよい。また、図４に示す本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態を製造する場合には、ネジ加工円柱体に、突起部及び軸受部が形成された円柱部材を挿入して、後の旋盤加工を省略するようにしてもよい。また、上記本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態を製造する場合には、ネジ加工円柱体の「ネジ加工した端部とは反対側の端部」に軸受部１４を旋盤加工により形成し、それに突起部が形成された円柱部材を挿入して、後の旋盤加工を省略するようにしてもよい。

また、軸部の作製方法として、両端が開口された筒状の部材に、磁石を挿入し、両端部に所望の形状に加工した中実の部材を嵌める方法も好ましい方法である。これは、図４に示す本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態を製造する場合に特に適した方法である。

高速回転に必要なローターバランスを調整するために、まず永久磁石を内蔵した軸部のみで２面バランス修正を行う。修正方法としては、ソフトタイプのオートバランサーを使用してバランス計測を行った結果をもとに、アンバランス重量を研削除去して行うことが望ましい。その後、タービン−コンプレッサ部をネジ締結して、更にバランス修正を行って、小型ガスタービン発電機用ローターを得る。この方法により、軸部とタービン−コンプレッサ部のアンバランス要因を分離して修正することが可能であり、回転バランスに優れた小型ガスタービン発電機用ローターを容易に作製することが可能である。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような、小型ガスタービン発電機用ローターを作製した。

まず、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）した窒化珪素セラミックスの円柱状のグリーン成形体を、仮焼きして仮焼き体を作製した。仮焼きによりバインダー等の有機成分を除去した。仮焼きの条件は、窒素雰囲気化、１３００℃で２時間加熱した。仮焼き体の大きさは、底面の直径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍであった。

次に、仮焼き体を加工して、タービン−コンプレッサ部の形状を形成し、仮焼きタービン−コンプレッサ部を作製した。加工の方法は、ＮＣ加工機を用いた切削加工とした。切削加工前に、仮焼き体にシリコーンオイルを含浸させて、切削加工を容易に行えるようにした。

次に、仮焼きタービン−コンプレッサ部を焼成（本焼成）し、図２に示すような、タービン−コンプレッサ部４を作製した。焼成条件は、窒素雰囲気化、１８００℃で５時間加熱した。タービン−コンプレッサ部を構成するタービン部とコンプレッサ部の外径は１５ｍｍ、タービン部とコンプレッサ部の翼部の最少厚さは０．３ｍｍであった。

図３に示すようなネジ部材２１を精密旋盤加工により作製した。ネジ部材２１は、円柱状のネジ部２２とネジ部２２の一方の端部に配設された笠状の笠部２３とを備えるものとした。そしてネジ部材２１の笠部２３側の中央に、タービン−コンプレッサ部４の結合軸部３を挿入する穴を形成した。ネジ部２２は雄ネジとした。ネジ部２２の長さは、５ｍｍ、中心軸方向に直行する断面の直径（ネジ山を含む直径）は６ｍｍとした。

次に、ネジ部材２１に形成した穴にタービン−コンプレッサ部４の結合軸部３を圧入した。ネジ部はタービン−コンプレッサ部の回転方向に対して、締り勝手となるように形成した。

次に、軸部を作製した。軸部の作製は、タービン−コンプレッサ部と結合したときのバランスを調整しながら行った。

軸部を作製する材料として、底面の直径８ｍｍ、長さ４０ｍｍの円柱状のチタン合金を用いた。

まず、円柱状の金属又はセラミック（軸部材料）の一方の端部に、タービン−コンプレッサ部に装着したネジ部材２１のネジ部２２に対応する形状の雌ネジを形成してネジ加工円柱体を形成した。雌ネジは精密旋盤加工により形成した。

次に、ネジ加工円柱体のネジ加工を施した部分と、タービン−コンプレッサ部のネジ部材とをネジ締結し、ネジ締結により結合された状態の、ネジ加工円柱体とタービン−コンプレッサ部との外形を、精密旋盤加工によりトリミングを行った。これにより、ネジ加工円柱体とタービン−コンプレッサ部との同軸度を、一体成形品と同等になるように加工した。

次に、ネジ加工円柱体の、ネジ加工を施した端部とは反対側の端部から永久磁石を内蔵するための空洞部を形成して軸部を形成した。空洞部の軸方向に直行する断面の直径は６ｍｍであり、中心軸方向の長さは３５ｍｍであった。空洞部の形成は、精密旋盤加工により行った。

次に、円柱状の永久磁石をネジ加工円柱体の空洞部に挿入し、接着固定する。永久磁石は、長さ２３ｍｍ、底面の直径６ｍｍの円柱形であった。尚、永久磁石の底面の直径は、空洞部の断面の直径より若干小さく、永久磁石は空洞部に収まる大きさであった。接着剤としては、エポキシ接着剤を用いた。

高速回転に必要なローターバランスを調整するために、まず永久磁石を内蔵した軸部のみで２面バランス修正を行った。２面バランス修正は、ソフトタイプのオートバランサーを使用してバランス計測を行った結果をもとに、アンバランス質量を研削除去して行った。その後、タービン−コンプレッサ部をネジ締結して、更にバランス修正を行って、小型ガスタービン発電機用ローターを得た。

作製した小型ガスタービン発電機用ローターを、所定の軸受けを備えた回転試験機に組み込み、加熱空気によってタービン部を約６０万ｒｐｍの回転数で回転駆動して、回転試験を行ったところ、約６０万ｒｐｍの回転数で安定した回転が可能であることを確認することができた。

本発明の小型ガスタービン発電機用ローターは、小型、軽量かつ長時間作動が可能な電源として用いる１ｋＷ以下の電気出力を発生する超小型のガスタービン発電機用のローターとして好適に利用することができる。

本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態を模式的に示す側面図である。 本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態を構成するタービン−コンプレッサ部を模式的に示す側面図である。 本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態を構成するタービン−コンプレッサ部にネジ部材を取り付けた状態を模式的に示す側面図である。 本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの他の実施形態を模式的に示す側面図である。 本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態の製造過程を示す模式図である。 本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態の製造過程を示す模式図である。 本発明の小型ガスタービン発電機用ローターの一の実施形態の製造過程を示す模式図である。

符号の説明

１：タービン部、１ａ：タービン部の背面、１ｂ，２ｂ：翼部、１ｃ，２ｃ：ハブ部、１ｄ：ボス部、２：コンプレッサ部、２ａ：コンプレッサ部の背面、３：結合軸部、４：タービン−コンプレッサ部、５：接合部、１１：端部、１２：永久磁石、１３：磁石内蔵部、１３ａ：壁、１４：軸受部、１５：軸部、１６：端部、１７：空洞部、１８：スラストカラー、１９：円筒部材、２０：円柱部材、２１：ネジ部材、２２：ネジ部、２３：笠部、２４：突起部、１００，２００：小型ガスタービン発電機用ローター。

Claims (3)

1. セラミック製のタービン部、前記タービン部の背面に対して背面が向かい合い同軸になるように前記タービン部に接合されたセラミック製のコンプレッサ部、及び前記コンプレッサ部の中心から延出し前記タービン部及び前記コンプレッサ部と同軸のセラミック製の結合軸部が、一体的に形成されてなるタービン−コンプレッサ部と、
   前記タービン−コンプレッサ部の前記結合軸部と同軸になるように、前記結合軸部に端部が着脱可能に結合された、永久磁石を内蔵することができる磁石内蔵部及び少なくとも２個所の軸受部を有する軸部と、を備えた小型ガスタービン発電機用ローター。
2. 前記軸部が、前記軸受部のなかの一つを、前記磁石内蔵部と前記タービン−コンプレッサ部の結合軸部が結合された端部との間に有し、前記軸受部のなかの一つの中心軸方向に直行する断面の直径が、前記磁石内蔵部の中心軸方向に直行する断面の直径以下である請求項１に記載の小型ガスタービン発電機用ローター。
3. 前記タービン−コンプレッサ部と、前記軸部との結合方法が、ネジ締結であり、回転方向に対して前記ネジ締結が締り勝手である請求項１又は２に記載の小型ガスタービン発電機用ローター。

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