(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの被駆動部材と、
少なくとも１つの駆動部材と、
前記被駆動部材に強固に取り付けられた少なくとも１つの回転断熱体と、
前記被駆動部材および前記駆動部材に設けられた幾何学形状を有する合わせ面を備える結合要素と、
前記被駆動部材と前記駆動部材の間の軸方向力を維持する手段と、を有し、
前記回転断熱体がセラミック材料からつくられ、
前記幾何学形状が前記被駆動部材と前記駆動部材の間の半径方向の滑り、相対的なセンタリング、およびトルク伝達を可能にするように構成される、
ロータアセンブリ。
【請求項２】
前記被駆動部材がコンプレッサロータである、請求項１に記載のロータアセンブリ。
【請求項３】
前記駆動部材がタービンロータである、請求項１に記載のロータアセンブリ。
【請求項４】
前記結合要素がヒルト鋸歯状結合機構である、請求項１に記載のロータアセンブリ。
【請求項５】
回転断熱体を被駆動部材に強固に取り付けるステップと、
前記被駆動部材と駆動部材を結合要素によって結合するステップと、
前記被駆動部材と前記駆動部材の間の軸方向力を維持する手段を設けるステップと、
を備え、前記回転断熱体がセラミック材料からつくられ、前記結合要素が前記被駆動部材と前記駆動部材の間の半径方向の滑り、相対的なセンタリング、およびトルク伝達を可能にするように構成される、
ロータアセンブリ内の熱転移を低減させる方法。
【請求項６】
少なくとも１つの被駆動部材と、
少なくとも１つの駆動部材と、
前記被駆動部材に強固に取り付けられた少なくとも１つの回転断熱体と、
前記被駆動部材および前記駆動部材に設けられた幾何学形状を有する合わせ面を備える結合要素と、
前記被駆動部材と前記駆動部材の間の軸方向力を維持する手段と、を備え、
前記回転断熱体がセラミック材料からつくられ、
前記幾何学形状が、前記被駆動部材と前記駆動部材の異なる率での熱膨張および熱収縮、相対的なセンタリングの維持、および相対的な回転の防止を可能にするように構成される、
ロータアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は「断熱的なタービン結合」という名称の、２０１０年１０月１３日に提出され、米国出願番号６１／３９２，８２０号を割り当てられた、米国仮特許出願の優先権を主張する。該出願の全体の内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明はタービンロータに関する。より詳細には、本発明は、タービンロータを金属シャフトに連結するための、強固で、精密で、断熱され、熱応力耐性がある方法を提供することに関する。
【背景技術】
【０００３】
セラミック材料は金属よりも高い温度に耐えることができ、直接的に燃料効率をより高くするため、セラミックタービンは高効率ガスタービンエンジンにとっては興味深いものである。しかしながら、詳細な研究が行われたにもかかわらず、いくつかの問題のためにセラミックタービンはエンジンの生産には用いられていない。
【０００４】
セラミックタービンの１つの大きな問題は構造上の信頼性である。セラミック材料は破壊靱性が低い（脆い）ため、材料に応力がかかっている場合、小さな内部の傷または割れ目が時間と共に大きくなる傾向がより強く、ついには故障につながる。初期の傷または割れ目が大きいほど、それはより素早く広がり、より早く部品が故障する。しかしながら、初期の傷がある寸法「傷の臨界寸法（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｆｌａｗ  ｓｉｚｅ）」よりも小さい場合、それは全く大きくならず、部品は強固なままである。物理的に小さいタービンロータはこの点で利点を有する。なぜなら、より小さい部品においては、小さい傷は部品全体の寸法に対する大きさが比較的大きくなるため、検出がより容易になるからである。加えて、セラミックに典型的なように、傷が確率分布に従う場合は、臨界寸法よりも大きい傷が小さい部品に発生する確率は低く、より小さいタービンロータは初期において一層傷がない可能性が高い。したがって、当業者にとって、小さいタービンは大きいエンジンよりもセラミック材料との相性が良いと考えられている。
【０００５】
しかしながら、物理的に小さいタービンロータにも限界がある。小さいタービンロータ、特にセラミック製のもの、タービン入口温度が高いもの、および接合部がろう付けされたものは、典型的にはベアリングの過熱に悩まされる。大きいエンジンでは、ベアリングはタービンロータからかなり大きな距離（数インチあるいは数フィートさえも）離れて置かれているため、それらを低温に保つことは比較的容易である。対照的に、小さいガスタービン、例えばシャフトまたは電力の出力が３０キロワット以下のものは、典型的には主要シャフトアセンブリ一式で１０インチよりも長さが短い。したがって、２つの主要ベアリングの少なくとも１つは、高温タービンロータから数インチの位置にあることが避けられず、そのことがベアリングの冷却を非常に難しい設計上の問題としている。タービン入口温度がより高くなるほど、冷却問題がより難しくなる。セラミックタービンは、非常に高いタービン入口温度が望まれる場合にのみ用いられるが、これらの場合において必ず、ベアリングの冷却が設計上の非常に難しい障害となる。
【０００６】
大きなエンジンでは、ベアリングの過熱問題は典型的には油供給システムおよび油冷却器によって解決される。したがって、これらの大きなエンジンにおいて、油を用いてベアリングを低温に保つと共にベアリングを潤滑させることは一般に便利である。しかしながら、小さく簡潔なエンジンでは、そのような手法はエンジンを複雑にし、したがって高価にして故障しやすくするため望ましくない。
【０００７】
油システムの複雑性にもかかわらず、ほとんどすべての小さなエンジンは、大きなエンジンと同様に、ベアリングを低温に保つために潤滑システムを使用している。典型的には、それらは「トータルロス（ｔｏｔａｌ−ｌｏｓｓ）」潤滑システムにおいて、ベアリングに燃料と油の混合物を吹き付けるシステムを使用している。システムを簡潔にするために、典型的にはすべての燃料を油と混合し、単一の燃料／油ポンプがベアリングおよび主燃焼器に燃料／油混合物を供給することができる。しかしながら、このシステムは炭素形成、燃焼器内の煙の生成、および燃料噴射機のコーキングなどのさらなる問題につながる傾向がある。
【０００８】
トータルロスシステムにおいてはベアリングを通り過ぎた後、燃料／油混合物は燃焼器に流れ込んで燃焼されなければならない。この要求により、ベアリングは燃焼器の近くに位置することが強いられ、熱の問題が悪化する。これらの制約のため、小さなタービンエンジンのベアリングは典型的には摂氏３００度近くの定常状態温度で動作し、それによってベアリングの負荷能力が大きく損なわれ、摩耗速度が上昇する。大半の小さなエンジンのベアリングは約２５時間ごとに取り替える必要がある。より高い動作温度およびセラミック材料の場合は、すでに短いこの寿命が確実にさらに短縮されるであろう。
【０００９】
セラミックタービンの別の大きな問題は、セラミックタービンロータを金属シャフトに連結する際の困難性である。良い高温強度とクリープ特性を有するセラミック材料は、金属よりも熱膨張係数（ＣＴＥ）が非常に低い。例えば、当該技術分野において通常の知識を有する者によって現在最良のタービン級セラミックとして知られている窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）は、３．１μｍ／（ｍ＊Ｋ）のＣＴＥを有する。しかしながら、典型的なステンレス鋼シャフト材料は１１〜１７μｍ／（ｍ＊Ｋ）の範囲のＣＴＥを有する。したがって、タービンとシャフトが熱くなった場合、金属は接合しているセラミック部品の４〜５倍大きくなる。セラミックタービンおよび金属シャフトが堅く互いに接着されていた場合、このことはセラミック材料を破壊するか金属を降伏させる大きな応力を生じさせ、接合に不具合を生じさせる。
【００１０】
一方、セラミックタービンおよび金属シャフトが堅く接着されていない場合は、それらは互いに対して動きうる。接合の配置が、動作の最中と作動開始／停止サイクルの繰り返し後の両方において、タービンロータおよびシャフトを同心かつ強固に接続された状態に保つことを保証するならば、この構成は受け入れ可能であろう。しかしながら、円筒状の接合は、明らかに簡潔であることから典型的には最も一般的なタイプの接合であるが、２つの円筒形の部品が互いに対して繰り返して移動する場合、同心性および強度を保つことができない。したがって、動作中に移動する円筒形の接合はすぐに故障する可能性が高い。
【００１１】
この問題を解決する１つの方法は、鋼のシャフトをセラミックに置き換えるか、少なくともＣＴＥが低い金属に置き換えて、２つのシャフトがほぼ等しいＣＴＥを有するようにして、大きな熱応力を発生させる可能性をほとんどなくすようにすることであろう。しかしながら、セラミックシャフトに置き換える手法は様々な理由によりほとんど用いられていない。例えば、室温では、金属はセラミックより強固で靱性が高い。金属はまた、例えば、ギア、スプライン、キー溝、および回転シャフトのその他の典型的な要素などの複雑な形状へと、正確な許容度ではるかに容易に機械加工することができる。さらに、ほかの金属部品、例えばベアリングなどは、常にシャフトに取り付けられていなければならない。これらの取り付けられる部品もまた、シャフトが動作の最中に熱を持つときに緩まない強固な結合を保つように、シャフトと近いＣＴＥを有する必要がある。これらすべての理由により、鋼、またはその他の強固な／靱性が高い／機械加工可能でＣＴＥが鋼に近い金属からつくられたシャフトは、セラミックシャフトよりも典型的には好ましく、したがって、ほとんど一般的に使用される。
【００１２】
従来技術において、セラミックタービンを金属シャフトと結合することは以前から成功していた。もっとも一般的な接合方法はろう付けである。この方法において、ろうが電気線を接合するために用いられるのと同様に、いずれの基材よりも低い融点を有する「活性フィラー金属（ａｃｔｉｖｅ  ｆｉｌｌｅｒ  ｍｅｔａｌ）」が、金属基板にセラミックを接着するために用いられる。フィラー金属はその融点を超えて熱せられ、部品の間の空間へと流れ込み、凝固するときに、金属とセラミックの両方に固着して結合する。この過程はフィラー金属が両方の材料を「湿す」場合にのみ成立し、そのことはフィラー金属の選択の範囲を厳しく制限する制約である。熱変形の許容性を提供するためには、フィラー金属は接合される部品それぞれのＣＴＥの間のいずれかの値のＣＴＥをとるべきであり、それはさらなる制約となる。最後に、接合への弾性コンプライアンスを小さな値にするように、フィラー金属は比較的軟らかく、すなわちヤング率が低くあるべきである。
【００１３】
これらの特性のすべてを有する利用可能なフィラー金属はほとんどない。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｚｏｍ．ｃｏｍには、この技術の現在の状態は「商業利用される活性金属ろうの大部分は、４５０℃までの中程度の温度での使用のために開発されてきた。しかしながら、セラミックの多くの魅力的な特性のひとつは高温に耐える可能性である。例えば、アルミナは典型的には１７００℃という高い使用温度を有する。したがって、用いられるろう付け用合金は、現在利用可能なものよりも高温での性能が必要である。１つの方法は、反応性金属または耐火性金属（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｒ）のいずれかでセラミックを被覆してから、高温ろう付け用合金、例えばパラジウムおよび白金を主原料とする系を用いてろう付けを行うことである。このことは・・・多くの高温セラミックをうまく接合するために用いられてきた」と記載されている。
【００１４】
したがって、従来技術によれば、ろう付けは、熱膨張の最中に生成される応力を解析するために有限要素解析（ＦＥＡ）を注意深く用いて設計される。接合の配置、フィラー金属層の厚さ、ろう付け操作の最中のボアとシャフトの洗浄および固定、以上のすべてが重大である。したがって、過程が正しく行われなければ、接合の失敗につながりうる。
【００１５】
これらすべての制約にもかかわらず、ろう付けは金属とセラミックシャフトとを接合するもっとも一般的な方法であり続けてきた。しかしながら、特に上記のような小さいエンジンにおいて、ベアリングを低温に保つ問題がまだ存在する。ろう付けシャフト接合において、金属、セラミック、およびフィラーはすべて典型的にはよい熱伝導体である（いくつかのセラミックは断熱体であるが、窒化ケイ素はそうではないことに留意すべきである。窒化ケイ素の熱伝導性は典型的には２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超え、これは鋼と同程度である）。さらに、高強度の接合のために十分な余裕を保証するためには、いくらかの引っ張り許容性を認めるために十分な厚さのフィラー金属層を伴い、接合の寸法はかなり大きくなければならない。したがってその結果、熱伝導のための断面積も大きくなる。シャフト力学を考慮に入れるとシャフト全体の最大長、特にタービンロータとベアリングの間の最大距離が制限されるため、タービンから伝導された熱からベアリングを絶縁するために、単に長いシャフトを用いればよいとはいえない。また、シャフト上のこの非常に制限された空間に断熱要素を割り込ませることも困難である。
【００１６】
ろう付け接合の最後の問題は、それが分解できないことである。遊びを最小限にして同心性を保証するには、高速シャフトに設けられたベアリングは締め付けが非常に強くなければならない。したがって、ひとたび組み立てられれば、回転アセンブリ全体をばらばらに戻すのは特に困難である。このことは、容易に素早く修理することが可能なガスタービンエンジンを設計することを非常に困難にしうる。
【００１７】
まとめると、ろう付けされ、接着接合された接合は恒久的であり、容易には分解できない。これらは製造を設計することが困難であり、典型的にはベアリングにあまりに多い熱を導き、これはシャフトの力学を考慮すると避けることができない。この問題は特に小さいエンジンにおいて深刻であり、したがって、セラミックタービンエンジンのベアリング、特に小さいものは、しばしば故障の傾向があり、頻繁に置き換える必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、セラミックタービンロータを金属シャフトに接合する代替の方法がなおも要望されている。好ましくは、この新しい方法は熱歪みの受容を可能にして応力を制限する。理想的には、これは素早く容易な分解／再組立を可能にする。組み立てられると、接合はすべての回転要素の間で非常に精密な配置と同心性を保証しうる。しかしながら、接合の構造もまた、合わせ用の構成要素の熱膨張係数および加熱／冷却率の相違により上昇を避けることができない熱歪みを受容すべきである。最後に、接合方法は理想的には、エンジンが作動している間でさえもタービンロータの近くのベアリングを相対的に低温のままにするように、かなりの断熱を提供すべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、少なくとも１つの被駆動部材、例えばコンプレッサロータと、少なくとも１つの駆動部材、例えばタービンと、を有するロータアセンブリを提供することによって、上記の、およびその他の要望を満足する。ロータアセンブリはまた、被駆動部材または駆動部材のいずれかと強固に取り付けられ、セラミック材料からなることが可能な、少なくとも１つの回転断熱体を含む。最後に、被駆動部材および駆動部材に設けられた幾何学形状を有する合わせ面を備える結合要素が提供されうる。ここで、幾何学形状は、駆動部材と被駆動部材の間の放射方向の滑り、相対的なセンタリング、トルク伝達、および軸方向の束縛を可能にするように構成される。結合要素はテーパ状のボアおよび六角形からなる結合機構、またはヒルト（Ｈｉｒｔｈ）鋸歯状結合機構でありうる。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、ロータアセンブリ内の熱転移を低減させる方法が提供されうる。回転断熱体は被駆動部材または駆動部材のいずれかに強固に取り付けられうる。したがって被駆動部材は結合要素によって駆動部材と結合されうる。結合要素は被駆動部材と駆動部材の間の放射方向の滑り、相対的なセンタリング、トルク伝達、および軸方向の束縛を可能にするように構成されうる。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの被駆動部材と少なくとも１つの駆動部材を有するロータアセンブリが提供されうる。加えて、被駆動部材または駆動部材のいずれかに強固に取り付けられた少なくとも１つの回転断熱体が提供されうる。被駆動部材および駆動部材に設けられた幾何学形状を有する合わせ面からなる結合要素が提供されうる。ここで、幾何学形状は被駆動部材および駆動部材の異なる率での熱膨張および熱収縮、相対的なセンタリングの維持、および相対的な回転の防止を可能にするように構成されうる。最後に、被駆動部材と駆動部材の間の軸方向力を維持する手段が提供されうる。
【００２２】
本発明の、これらのおよびその他の態様、目的、および特徴は、添付の図面と共に、および添付の図面を参照して読まれる、以下の例示的な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの等角図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの分解図である。
【図３（ａ）】本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの側面図である。
【図３（ｂ）】本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの断面図である。
【図３（ｃ）】本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの別の断面図である。
【図４】本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの等角図である。
【図５】本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの分解図である。
【図６（ａ）】本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの側面図である。
【図６（ｂ）】本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
類似する参照符号は類似する構成要素を表す図面を参照し、例示的な実施形態の態様を図面の組と関連させながら記載する。
【００２５】
図１は本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ１００の等角図である。ロータアセンブリ１００は２ステージコンプレッサ羽根車アセンブリ１０５および単一ステージ軸流タービンロータ１１０を含む。しかしながら、少なくとも１つの例えばタービンなどの高速かつ高温で回転する構成要素、および少なくとも１つの例えばコンプレッサ、発電機、ギアボックスなどの比較的低温を保つことが必要な高速で回転する構成要素がある限り、異なるタイプの、および異なる数の構成要素を有するロータアセンブリも利用可能であることを、当該技術分野の通常の知識を有する者は理解するであろう。さらに、コンプレッサが単一ステージを有するか複数のステージを有するか、またそれが遠心流か軸流かまたは混合流であるかは重要ではない。タービンはまた、１つ以上の軸流または放射状流ステージを含んでもよい。好ましい実施形態では、タービンロータ１１０はセラミック材料からつくられてもよい。しかしながら、代替の実施形態では、タービンロータ１１０は金属からつくられてもよい。
【００２６】
図２は本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ１００の分解図である。図２において、図は２つの主要なサブアセンブリに分解された後のロータアセンブリ１００を示している。該サブアセンブリとは、主要回転シャフトサブアセンブリ２１５と、タービンロータ／張力ボルトサブアセンブリ２２０である。図２の残りの参照符号は図３（ａ）、図３（ｂ）、および図３（ｃ）を参照してより詳細に説明される。
【００２７】
図３（ａ）は本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ１００の側面図である。図３（ｂ）は本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ１００の断面図である。特に、図３（ｂ）は図３（ａ）の断面Ａ−Ａによる断面図であり、ロータアセンブリ１００全体を通じての軸方向切断によって得られる断面を示す。
【００２８】
図３（ｂ）は遠心羽根車アセンブリ３０５を示し、それはボールベアリング３１５によって支持された中央シャフト３１０に取り付けられうる。他のタイプのベアリング、例えば円筒形ローラ、テーパ形ローラ、空気膜、オイルジャーナル（ｏｉｌ  ｊｏｕｒｎａｌ）、磁石などが用いられてもよい。当該技術分野の通常の知識を有する者に知られているように、これらのタイプのベアリングはそれぞれ、その温度がある所定の値を超えた場合には設計された機能を停止することが可能な１つ以上の要素を有する。例えば、ボールベアリングはグリスで潤滑化されることができ、グリスは典型的には用いられるタイプに応じて摂氏８０〜１２０度よりも低い温度に保たれなければならない。それより高い温度はグリスの耐用期間を縮めることがあるので、避けなければならない。それとは正反対に、空気ベアリングはより高い温度に耐えることができる。しかしながら、通常は薄い金属箔からつくられる空気ベアリングでさえも、典型的には摂氏７００〜９００度の範囲に温度限界がある。これらの温度はセラミックタービンが作動するよう典型的に設計された摂氏１２００〜１４００度の範囲よりなおも下である。さらに、これらの箔が動作開始および動作終了時の摩耗への抵抗を高めるため、例えばテフロンなどの固体潤滑剤でコーティングされている場合、温度限界は低くなるであろう。
【００２９】
ベアリングの温度限界に関係なく、ほとんどすべてのターボ機械は例えばコンプレッサ、発電機、プロペラ、車輪、ギアボックスなどの被駆動回転構成要素（「被駆動部材」）を含み、それらは、例えばホットタービンロータなどの駆動回転構成要素（「駆動部材」）によって駆動される。これらのターボ機械において、被駆動部材の温度を比較的低く保つことが必要である。典型的には、これらの装置の温度限界は材料の限界によって設定される。例えば、高速発電機にしばしば使用される永久磁石は、磁石等級に従えば、温度が摂氏８０〜１５０度を超えた場合に消磁する可能性がある。電線の絶縁体は典型的には摂氏２２０度を超えることができない。コンプレッサ羽根車はしばしばアルミニウムからつくられ、それは摂氏３５０度以下のクリープ強度限界を有する。ギアボックスは典型的に、摂氏１００〜３００度の範囲に温度限界を有することがある油またはグリスによって潤滑されているであろう。駆動部材に用いられる材料の温度限界に加えて、発電機およびコンプレッサはより低い温度で作動する場合により効率的でありうる。
【００３０】
したがって、本発明の例示的な実施形態によって、高温のタービンロータから低温のシャフトへの熱伝導を劇的に低下させるシステムが提供されうる。本発明の例示的な実施形態において、断熱機能が回転セラミック断熱体３２０（「断熱体」）によって提供される。好ましい実施形態では、回転セラミック断熱体３２０は概して円筒形であってもよく、強固な圧入、焼きばめ、接着結合、またはその他の同様の固定手段によって、中央シャフト３１０と強固に連結されてもよい。
【００３１】
代替の実施形態では、断熱体は円筒形である必要はなく、タービンのテーパ状接合から低温のシャフトアセンブリに伝導される熱がより長く遠回りの経路を通るように構成された、より複雑な断面を有してもよい。他の断熱体形状が用いられてもよい。加えて、断熱体は異なる方法で低温のシャフトに連結されてもよい。例えば、円筒形の接合部および圧入または焼きばめの代わりに、フランジが低温の端部に位置して、該フランジの孔を貫通するねじによって回転シャフトの係合フランジに取り付けられてもよい。断熱体を低温のシャフトに取り付けるための他の連結方法が用いられてもよい。
【００３２】
好ましい実施形態では、断熱体３２０は高強度、高剛性、高破砕靱性、高温における高クリープ抵抗、低密度、低費用、そして非常に低い熱伝導性をもつセラミック材料からつくられてもよい。例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）が、これらの基準のすべてを満たすため優れたものとして選ばれうる。ジルコニアの部分安定化形態、例えばイットリア−安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などが有利でありうる。当該技術分野において通常の知識を有する者は、一般的にイットリアが相転移耐性をもたらすためにＹＳＺは典型的には靱性が高くなることを知っているであろう。別の適切なセラミック材料にはムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）が可能である。ムライトは熱伝導性および強度に関してジルコニアに劣るが、費用、密度、およびクリープ抵抗において優れている。他のセラミック材料が同様の適切な特性を有していることがあり、用いられるかもしれない。
【００３３】
セラミック材料に加えて、断熱体３２０は金属からつくられてもよい。一般的に熱伝導性がより高いという不利な点は、使用される特定の金属が、断熱体３２０をより薄い壁として構成することが可能である程に高い動作温度において十分に強固で十分にクリープ抵抗がある場合には、断熱体３２０をそのように構成することによって、少なくとも部分的に打ち消すことができるであろう。当該技術において通常の知識を有する者は、本明細書に記載されない他の異なる材料が、断熱体３２０をつくるために利用されうることを理解するであろう。
【００３４】
本発明の例示的な実施形態において、主要回転シャフトサブアセンブリ２１５およびタービンロータ／張力ボルトサブアセンブリ２２０の間の結合機構または結合要素が提供されうる。特に、結合要素には、被駆動部材、すなわち主要回転シャフトサブアセンブリ２１５および駆動部材、すなわちタービンロータサブアセンブリ２２０に設けられた幾何学形状を有する合わせ面が挙げられる。本発明の好ましい実施形態において、結合要素は主要回転シャフトサブセンブリ２１５とタービンロータサブアセンブリ２２０を恒久的に連結または接着するものではない。結合機構は被駆動部材および駆動部材が異なる割合で熱膨張および熱収縮することを可能にするように、すなわち、タービン１１０が熱くなった場合にそれが大きくなるいくらかの余裕があるように半径方向にすべることを可能にするように構成されてもよい。しかしながら、半径方向のすべりを可能にするにもかかわらず、結合機構は正確な相対的センタリングを維持すること、すなわち「自己センタリング」が可能であり、そして相対的な回転を防止することが可能である。加えて、結合機構はトルク伝達を可能にすることもできる。最後に、結合要素は被駆動部材と駆動部材の間に軸方向力を生成および維持し、それら部材を共に引っ張り、幾何学形状を有する合わせ面間の強固な接触を保証する手段を提供するように、すなわち、軸方向に「引き離す」ことへの束縛を有するように構成されてもよい。
【００３５】
本発明の例示的な実施形態において、結合機構はテーパ状のボアおよび六角形からなる機構（ｔａｐｅｒ  ｂｏｒｅ  ａｎｄ  ｈｅｘ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）であってもよい。テーパ状のボアおよび六角形は図３（ｂ）および図３（ｃ）を参照して説明される。断熱体３２０はその右端にテーパ状のボア３２５を有し、該端はタービンシャフトに接触する。タービンシャフトは、セラミック断熱体内のメスのボアと合致するオスのテーパ状区間３３０を有する。断熱体のテーパ状のボア３２５およびタービンのテーパ状シャフト３３０は、タービンロータを正確に位置決めするように働く。タービンロータ１１０がテーパ状のボア３２５内で強固に位置を保つ限り、タービンロータ１１０とシャフト３１０の間の同心性、垂直性、および剛性が保証される。
【００３６】
タービンロータ１１０がテーパ状のボア３２５内で強固に位置を保つためには、タービンロータ１１０をシャフトサブアセンブリ２１５に向けて、すなわち図３（ｂ）に示されるようにページの左側に向けて引っ張ることが可能な軸方向力が必要になることがある。長く、細長い張力ボルト３３５がこの機能のために用いられてもよい。張力ボルト３３５はタービンロータ１１０から突出する円筒形シャフト３４０に強固にかつ恒久的に接着されてもよい。張力ボルト３３５が細いために熱伝導のための断面積を減少させることができ、該張力ボルトが金属でつくられていても、該張力ボルトがロータアセンブリ１００の低温側へ伝える熱は制限されうる。同様に、タービンロータ１１０から延びる円筒シャフト部分３４０は小さい直径を有することができ、断面積が減少して熱伝導率を制限するため有利である。直径および断面積は、連結に剛性を提供するようなセラミック断熱体が存在しない場合と比べてはるかに小さくすることができる。高速回転シャフトにとっては、ロータアセンブリ１００をすぐに破壊するかもしれない振動や旋回（ｗｈｉｒｌｉｎｇ）を防ぐために剛性は重要である。
【００３７】
タービン１１０とは反対側の端部において、張力ボルト３３５にねじ山が取り付けられてもよい。アセンブリの主要中心シャフト３１０は、その長手方向全体にわたって延びる中心ボア３４５を有し、該ボアは張力ボルト３３５の本体よりも直径がわずかに大きい。好ましい実施形態では、張力ボルト３３５と中心ボア３４５の間に、部品が互いに対して容易に滑ることが可能であることを保証する程度にのみ十分なクリアランスがあってもよい。張力ボルト３３５と中心ボア３４５の間のこの領域に不要に大きなクリアランスがあると、張力ボルト３３５が細長いためロータアセンブリ１００の中心軸から実質的に曲がり、平衡が失われる可能性があるので、非常に望ましくないと思われる。主要シャフト３１０のボア３４５に対応して、セラミック断熱体３２０がボア３５０を必要とすることもあり、該ボア３５０は名目上概して円筒形である（上記のテーパ状区間３２５を除く）。
【００３８】
主要回転シャフトアセンブリ２１５にタービン／張力ボルトアセンブリ２２０を組み合わせて完全なロータアセンブリ１００を形成するために、張力ボルト３３５の狭い、ねじ山を切られた端部が、セラミック断熱体３２０とシャフト３１０のボア３２５、３５０および３４５を順に通って挿入されてもよい。張力ボルト３３５はシャフト３１０の低温端部から突出してねじ山を露出するように十分な長さを有してもよい。ナット３５５は張力ボルト３３５に差し込まれ締められ、ロータアセンブリ１００を引っ張る張力を張力ボルト３３５と共に生成し、テーパ状のタービンシャフト３３０はテーパ状のセラミックボア３２５内に強固に位置させる。ナット３５５の下に、例えばベルビルディスクワッシャ３６０などの弾性要素またはバネ状の要素を配置することが有利である。ディスクワッシャ３６０は追加のコンプライアンスを提供し、したがって、たとえシャフトが熱くなって熱膨張の差分によって張力ボルト３３５のシャフトアセンブリ２１５に対する長さが変わった場合であっても、張力ボルト３３５が常にある程度の張力を受けることを保証しうる。
【００３９】
張力ボルト３３５に沿ったいくつかの位置で、主要シャフトアセンブリ２１５にトルクを伝達するように機械的要素を提供することが有利である。図３（ｃ）は本発明の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリの別の断面図である。特に、図３（ｃ）は図３（ａ）の断面Ｂ−Ｂの断面図であり、サブアセンブリ２２０からサブアセンブリ２１５へのトルク伝達を容易にする六角形機構を通る半径方向の切断部を示す。
【００４０】
本発明の例示的な実施形態において、トルク伝達機構はオスの六角形またはスプライン機構３６５でありうる。シャフト３１０は合致するメスの六角形またはスプライン３７０を有してもよい。これらの機構はシャフトアセンブリの同じ軸方向位置に位置してもよく、これにより、それらが組み立てられたときにタービン／ボルト２２０から主要シャフトアセンブリ２１５にトルクを伝達するように、互いに合わさることを可能とする。このような機構がない場合、テーパ状の連結部３３０／３２５の摩擦がなおもいくらかのトルクを伝達するようにはたらくであろう。しかしながら、スプライン、六角形、またはその他の非円形機構が実質的に多くのトルクを伝達しうる。
【００４１】
代替の実施形態において、オスの六角形またはスプライン機構３６５は異なる領域に位置してもよい。例えば、セラミック断熱体３２０の円筒形ボア３５０は正方形、六角形、スプライン、またはその他の形状に置き換えられてもよく、張力ボルト３３５内のソケット３８０の外周は合致する形状を有してもよい。したがって、トルクはタービン１１０から断熱体３２０へと伝達され、そこから回転シャフト３１０へと伝達されうる。この手法の利点は、ベアリング３１５の近くで張力ボルト３３５と金属回転シャフト３１０の間のいかなる接触も除去することができ、熱伝達を実質的に低減することができることである。しかしながら、断熱体３２０の形状が複雑性を増し、その変化による、コストの違いはほとんどないが製造が少し困難になることが不利な点であろう。
【００４２】
別の代替の実施形態において、個々のトルク結合と組になったテーパ状の円筒形連結部が１つの連結部に組み立てられてもよい。例えば、オスのテーパ状六角形突出部がタービンロータ１１０に提供されてもよく、合致するメスのテーパ状六角形孔がセラミック断熱体３２０の端部に提供されてもよい。この代替の実施形態は熱伝導を低減し、トルク性能を向上させ、接合を簡潔にする観点から実質的な利点を与えるかもしれないが、セラミック断熱体３２０とセラミックタービン１１０のさらなる製造が困難であるという代償を伴う。しかしながら、生産においては、それらの構成要素がある種の成型過程で製造される場合、製造は図に記された構成よりも全く難しいことではないであろう。
【００４３】
タービン１１０と張力ボルト３３５との恒久的な接着は、圧入、焼ばめ、高温セラミック接着、ろう付け接着、ピン、またはその他の固定方法によって行われることができる。さらに、これらの方法の組み合わせもまた用いることができるであろう。例えば、図３（ｂ）に示された接合は、ピン３７５を伴う強固な圧入である。例えば、ピン３７５は通常のステンレス鋼ダウエルピンまたはロールピンであってよい。ピン３７５はタービンシャフト３４０と、張力ボルト３３５内のソケット３８０の両方を通って半径方向に延び、軸方向と接線方向の両方でそれらを一緒に固定してもよい。ソケット３８０とタービンシャフト３４０の間の強固な圧入の摩擦もまたこれらの機能を果たすことができる。そしてさらに、優れた同心性を保証し、接合部のいかなる緩みまたは遊びをも防止することができる。しかしながら、ピン３７５、またはその他の積極的で堅牢な機械的接続手段は余分ではない。ピン３７５は、振動や繰り返す熱膨張／熱収縮サイクルなどによってタービンシャフト３４０がゆっくりと「揺れ動きながら抜ける（ｗｉｇｇｌｅ  ｏｕｔ）」ことや、張力ボルト３３５内のソケット３８０から外れることが起こらないことを保証できるため、有利である。例としてピン／圧入接続がここに記載されているが、当該技術分野の通常の知識を有する者は、張力ボルト３３５をタービンシャフト３４０に接続するための他の適切な連結方法を想像することが可能であろう。
【００４４】
好ましい実施形態において、張力ボルト３３５は、金属などの強固で靱性が高く機械加工可能な材料でつくられてもよい。加えて、金属はセラミックタービンシャフトの熱膨張係数とほぼ一致する熱膨張係数を有するものがよい。現在、タービンへの応用のために最も大きく開発されたセラミック材料は焼結窒化ケイ素、Ｓｉ３Ｎ４である。窒化ケイ素は非常に低いＣＴＥ、３．１×１０−６ｍ／（ｍ×℃）を有し、それは鋼や他の大抵の金属よりも４桁低い。窒化ケイ素のＣＴＥに近いＣＴＥを有する金属として以下のものが挙げられる。タングステン（４．４μｍ／（ｍ・Ｋ））、インバール（０〜２００℃の範囲の平均で２．５μｍ／（ｍ・℃））、およびモリブデン（０〜５００℃の平均で６．０μｍ／（ｍ・℃））。
【００４５】
代替の実施形態において、張力ボルト３３５はＣＴＥの低い金属ではなく、他のある材料からつくられてもよく、前記のようにタービンロータに連結される必要もない可能性がある。張力ボルトの主要な機能はタービンロータを断熱体内のテーパ状のボアに強固に引き入れて、アセンブリが動作している間にその張力を維持することである。ことによると、張力ボルトはワイヤまたは強固ではない材料に置き換えることも可能かもしれない。強固であっても柔軟であっても、タービンシャフトとの連結が何らかの方法で熱膨張の差を吸収することができる限り、張力ボルトはＣＴＥがより高い材料からつくられることができる。
【００４６】
タービン１１０と張力ボルト３３５の間で用いられる接合方法に応じて、セラミックと金属の間で材料のＣＴＥを合わせることが必須ではなくなる可能性がある。例えば、上記のピン／圧入連結によって、張力ボルトが常にセラミック断熱体のテーパ状のボア内で強固にタービンを引っ張っていることをピンが保証するので、熱膨張率の差によってタービンシャフト３４０と張力ボルトソケット３８０の間の圧入円筒状連結が緩むとしても、熱膨張率の差が許容されることができる。ピン３７５はまた、円筒形の連結密着の緩みにかかわらず、スプラインまたは六角形３６５を介して主要シャフトアセンブリへと、タービン１１０から張力ボルト３３５にトルクを伝達することが可能である。
【００４７】
図１〜図３に関して本明細書で述べたように、本発明の例示的な実施形態により、主要回転シャフトサブアセンブリ２１５およびタービンロータサブアセンブリ２２０の間の接続部として、テーパ状のボアおよび六角形の結合機構が記載された。本発明の代替の例示的な実施形態において、結合機構または結合要素は、当該技術分野の通常の知識を有する者に知られている、ヒルト鋸歯状結合機構であってもよい。以下に図４〜図６を参照してヒルト鋸歯状結合機構について述べる。さらに、テーパ状のボアおよび六角形の結合と、ヒルト鋸歯状結合機構の間の相違についても必要に応じて記載する。当該技術分野の通常の知識を有する者は、これらの２つの実施形態の間に類似点があることと、類似の構成要素の記載については本明細書で繰り返す必要がないことを理解するであろう。
【００４８】
図４は本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ４００の等角図である。ロータアセンブリ４００は、例えばコンプレッサ、発電機、プロペラ、車輪、ギアボックスなどの被駆動部材構成要素４０５、および、例えば図４に示された単一ステージ軸流タービンロータなどの、駆動部材構成要素４１０を含むことができる。しかしながら、異なるタイプ、および異なる数の構成要素を有するロータアセンブリもまた、例えばタービンなどの少なくとも１つの高速かつ高温で回転する構成要素、および、比較的低温に保つことが必要な少なくとも１つの高速で回転する構成要素がある限り、利用可能であることを、当該技術分野の通常の知識を有する者は理解するであろう。
【００４９】
図５は本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ４００の分解図である。図５において、図は２つの主要なサブアセンブリに分解された後のロータアセンブリ４００を示している。該サブアセンブリとは、主要回転シャフトサブアセンブリ５１５およびタービンロータ／張力ボルトサブアセンブリ５２０である。
【００５０】
図６（ａ）は本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ４００の側面図である。図６（ｂ）は本発明の代替の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジン用の例示的なロータアセンブリ４００の断面図である。特に、図６（ｂ）は図６（ａ）の断面Ａ−Ａによる断面図であり、それはロータアセンブリ４００全体を通じての軸方向切断によって得られる断面を示す。
【００５１】
本発明の代替の例示的な実施形態によれば、断熱機能が回転セラミック断熱体５２５（「断熱体」）によって提供されてもよい。好ましい実施形態において、回転セラミック断熱体５２５は一般に円筒形であり、強固な圧入、焼きばめ、接着剤による接着、またはその他の同様の固定手段によって、中央シャフト６１０と強固に連結されることができる。
【００５２】
本発明の例示的な実施形態において、主要回転シャフトサブアセンブリ５１５およびタービンロータ／張力ボルトサブアセンブリ５２０の間の結合機構または結合要素が提供されうる。特に、結合要素には、被駆動部材、すなわち主要回転シャフトサブアセンブリ５１５および、駆動部材、すなわちタービンロータサブアセンブリ５２０に設けられた幾何学形状を有する合わせ面が挙げられる。本発明の好ましい実施形態において、結合要素は主要回転シャフトサブアセンブリ５１５およびタービンロータサブアセンブリ５２０を恒久的に連結または接合するものではない。結合機構は被駆動部材および駆動部材を異なる割合で熱膨張および熱収縮することを可能にするように、すなわち、タービン４１０が熱くなった場合にそれが大きくなるいくらかの余裕があるように半径方向にすべることを可能にするように構成されてもよい。しかしながら、半径方向のすべりを可能にするにもかかわらず、結合機構は正確な相対的センタリングを維持すること、すなわち「自己センタリング」が可能であり、そして相対的な回転を防止することが可能である。加えて、結合機構はトルク伝達を可能にすることもできる。最後に、結合要素は、被駆動部材と駆動部材の間の軸方向力を生成および維持し、それら部材を共に引っ張り、幾何学形状を有する合わせ面の間の強固な接触を保証する手段を提供するように、すなわち、軸方向に「引き離す」ことに対する束縛を有するように構成されてもよい。
【００５３】
本発明の代替の例示的な実施形態において、結合機構は当該技術分野の通常の知識を有する者に知られているヒルト鋸歯状結合４１５であってもよい。一般に、ヒルト鋸歯状結合は１つのシャフトの２つの部品を互いに接続するように用いられ、各半シャフトの端面に絡み合う歯を有することを特徴とする。この例示的な実施形態において、ヒルト鋸歯状結合はタービンロータ／張力ボルトサブアセンブリ５２０を主要回転シャフトサブアセンブリ５１５に接続するように用いられることができる。
【００５４】
本発明の例示的な実施形態において、断熱体５２５はその面のセラミック材料に歯形加工が施されてもよい。加えて、タービン４１０はその面に歯形加工が施されてもよい。図５は断熱体５２５の面の歯形５３０およびタービン４１０の面の歯形５３５を記載する。例示的な実施形態において、２つの歯形５３０と５３５が形状的にかみ合い可能となるように２つの面は互いに押し合う。ヒルト鋸歯状結合４１５の固有の利点は、歯が互いにかみ合うことにより主要シャフトアセンブリ５１５にトルクを伝達することが可能となることである。
【００５５】
２つの歯形５３０および５３５を互いにかみ合ったままにするために、タービンロータ４１０をシャフトサブアセンブリ５１５に向けて、すなわち図６（ｂ）に示されたようなページの左側に向けて引っ張ることが可能な軸方向力が必要とされる。長く、細長い張力ボルト６３５がこの機能のために用いられてもよい。張力ボルト６３５はタービンロータ４１０から突出するシャフトに強固にかつ恒久的に接着されてもよい。タービン４１０とは反対側の端部において、張力ボルト６３５にねじ山が取り付けられてもよい。アセンブリの主要中心シャフト６１０は、その長手方向全体にわたって延びる中心ボア６４５を有し、該ボアは張力ボルト６３５の本体よりも直径がわずかに大きい。好ましい実施形態では、張力ボルト６３５と中心ボア６４５の間に、部品が互いに対して容易に滑ることが可能であることを保証する程度にのみ十分なクリアランスがあってもよい。張力ボルト６３５と中心ボア６４５の間のこの領域に不要に大きなクリアランスがあると、張力ボルト６３５が細長いためロータアセンブリ４００の中心軸から実質的に曲がり、平衡が失われる可能性があるので、非常に望ましくないと思われる。主要シャフト６１０のボア６４５に対応して、セラミック断熱体５２５がボア６５０を必要とすることもあり、該ボア６５０は名目上概して円筒形である。
【００５６】
主要回転シャフトアセンブリ５１５にタービン／張力ボルトアセンブリ５２０を組み合わせて完全なロータアセンブリ４００を形成するために、張力ボルト６３５の狭い、ねじ山が切られた端部が、セラミック断熱体５２５とシャフト６１０のボア６５０および６４５を順に通って挿入されてもよい。張力ボルト６３５はシャフト６１０の低温端部から突出してねじ山を露出するように十分な長さを有してもよい。ナット６５５は張力ボルト６３５に差し込まれ締められ、ロータアセンブリ４００を引っ張る張力を張力ボルト６３５と共に生成し、歯形５３０および５３５の組が互いに押し合うように２つの面を位置させる。ナット６５５の下に、例えばベルビルディスクワッシャ６６０などの弾性要素またはバネ状の要素を配置することが有利である。ディスクワッシャ６６０は追加のコンプライアンスを提供し、したがって、たとえシャフトが熱くなって熱膨張の差分によって張力ボルト６３５のシャフトアセンブリ５１５に対する長さが変わった場合であっても、張力ボルト６３５が常にある程度の張力を受けることを保証しうる。
【００５７】
タービン４１０と張力ボルト６３５との恒久的な接着は、圧入、焼ばめ、高温セラミック接着、ろう付け接着、ピン、またはその他の固定方法によって行われることができる。さらに、これらの方法の組み合わせもまた用いることができるであろう。例えば、図６（ｂ）に示された接合は、ピン６７５を伴う強固な圧入である。例えば、ピン６７５は通常のステンレス鋼ダウエルピンまたはロールピンであってよい。ピン６７５はタービンシャフト６４０と、張力ボルト６３５内のソケット６８０を通って半径方向に延び、軸方向と接線方向の両方でそれらを一緒に固定してもよい。ソケット６８０とタービンシャフト６４０の間の強固な圧入の摩擦もまたこれらの機能を果たすことができる。そしてさらに、優れた同心性を保証し、接合部のいかなる緩みまたは遊びをも防止することができる。しかしながら、ピン６７５、またはその他の積極的で堅牢な機械的接続手段は余分ではない。ピン６７５は、振動や繰り返す熱膨張／熱収縮サイクルなどによってタービンシャフト６４０がゆっくりと「揺れ動きながら抜ける（ｗｉｇｇｌｅ  ｏｕｔ）」ことや、張力ボルト６３５内のソケット６８０から外れることが起こらないことを保証できるため、有利である。例としてピン／圧入接続がここに記載されているが、当該技術分野の通常の知識を有する者は、張力ボルト６３５をタービンシャフト６４０に接続するための他の適切な連結方法を想像することが可能であろう。
【００５８】
要約すれば、本明細書に記載された本発明の例示的な実施形態は、セラミックタービン、および他の高温の、回転する、ＣＴＥの低い構成要素を金属シャフトに取り付けるための従来技術による方法を上回る多くの改良点を提供する。例えば、ロータアセンブリ１００および４００の設計は、分解および再組立の繰り返しを可能にすることができる。対照的に、従来技術の方法は一般的にろう付けを用い、これは恒久的な連結である。分解および再組立の繰り返しが可能であることは、ロータアセンブリ１００および４００の維持管理、釣り合い（ｂａｌａｎｃｉｎｇ）、および検査を容易にしうるため、比類ない利点である。それはまた、周囲の固定された機械的構成要素に対して設計の自由度を提供し、それらを簡易なものにすることを可能にし、またはより安価な方法で製造可能にする。
【００５９】
本発明の別の利点は、熱膨張の差を本質的に許容することができることである。例えば、タービンロータはセラミック断熱体よりも速くまたは遅く加熱または冷却することができ、断熱体とは大きく異なるＣＴＥを有する材料からつくられることができ、なおも該２つの構成要素は本明細書に記載した両方の実施形態において正確にかつ強固に位置決めされることができる。該２つの構成要素は、膨張および収縮、テーパ状の連結部の円錐形表面に沿う互いに対する滑り、代替の実施形態におけるヒルト鋸歯状結合の概して放射状の面に沿った滑りが自由であり、なおも連結部またはヒルト鋸歯状結合は該２つの構成要素を互いに対して正確にかつ強固に位置決めする。
【００６０】
これに対して、非常に異なるＣＴＥを有する金属シャフトにセラミックロータをろう付けまたは接着することは非常に困難であり、高度な工学的スキルを必要とし、しばしば、適切な性能および信頼性を達成するために実質的な設計面での譲歩を必要とする。連結部は注意深く設計されなければならず、金属またはセラミックシャフトの薄い断面領域で、熱特性の差分を吸収することに準拠した要素でしばしば有限要素解析を行い、特別なろう付け材料および過程を用いなければならない。それでさえも、ＣＴＥの不一致による熱変形はなおも本質的に大きな応力を発生させ、ろう付け、接着、またはその他の恒久的な／強固なタイプの連結において、時々避けがたい信頼性の問題を発生させる。
【００６１】
本発明の例示的な実施形態による第３の利点は、従来の方法によっては合致させることが困難な、高温回転構成要素と低温回転構成要素の間の断熱度を一致させることを可能にすることである。典型的な動作において、双方の実施形態におけるタービンロータ１１０および４１０は１３００℃を超える。双方の実施形態においてタービンロータ１１０および４１０からおよそ３０ｍｍのところに位置するベアリングは、潤滑剤の損失を防ぐために１２０℃未満に保たなければならない。本発明の例示的な実施形態において、断熱体３２０および５２５を介した伝導による熱転移率の推定値はおよそわずか２１ワットにすぎない。これによって、ベアリングを低温に保つことが、対応する従来技術の、類似の幾何学的比率を有するろう付けされた金属シャフトアセンブリよりも、はるかに容易になる。従来技術の金属シャフトアセンブリの場合、ベアリングへの熱伝導は、金属の熱伝導率がより高いために、典型的にはおよそ１００〜２００ワットになるであろう。
【００６２】
断熱体３２０または５２５を通る熱転移の推定値は以下のように計算されうる。セラミック断熱体の長さＬはおよそ１７ｍｍであり、断熱体の最大外側直径Ｄ１はおよそ１５．５ｍｍであり、内側直径Ｄ２はおよそ８ｍｍである。熱転移問題は円筒形を通る単純な伝導として概算することができ、伝導によって断熱体を通る熱転移率の推定値はＱｃｏｎｄ＝ｋ＊Ａｃｓ＊ΔＴ／Ｌである。ここでｋ＝２．２Ｗ／（ｍ・℃）であり、それはジルコニアの平均的な熱伝導率である。Ａｃｓ＝π／４＊（Ｄ１２−Ｄ２２）であり、それは断熱体の断面積である。ΔＴ＝１３００℃−１２０℃＝１１８０℃であり、それは高温の端部と低温の端部の間の最悪の場合のおよその温度差でありうる。
【００６３】
最後に、本発明の例示的な実施形態において、ロータは通常と違って短く堅いものでもよい。それは従来技術の設計において現実的であったものと比較してより優れた力学的特性のシャフトを可能にする。本明細書で記載されたように、断熱性と、熱膨張の差の本質的な許容性のために、短い軸長が可能になる。同じ理由から、セラミック断熱体の外側半径が、金属連結体において現実的な外側半径よりも大きくなることができるために、高い剛性が可能になる。
【００６４】
以上は本発明の実例となる実施形態のみに関するものであると理解されるべきであり、以下の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲および精神から外れることなく、そこには様々な変更が行われることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図４】
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【図５】
0005925788.tif 000008
【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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