JP5125684B2

JP5125684B2 - 過給機

Info

Publication number: JP5125684B2
Application number: JP2008085475A
Authority: JP
Inventors: 健中野; 豊平田; 直陸大森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009236068A

Description

本発明は、タービンハウジングとコンプレッサハウジングとの間に位置するベアリングハウジング内に、駆動シャフトを支持する軸受が設けられた過給機に関するものである。

周知のように、過給機は、ラジアルタービンとコンプレッサとが同一回転軸上に配置され、ラジアルタービン内のタービンインペラとコンプレッサ内のコンプレッサインペラが駆動シャフトで連結されて、タービンインペラが排気ガス等により回動すると駆動シャフトを介してコンプレッサインペラが回動し、空気等が圧縮されるように構成されている（例えば特許文献１参照）。

上記過給機において、ラジアルタービンとコンプレッサとの間に配置されて駆動シャフトを収容するベアリングハウジング内には該駆動シャフトを支持するための軸受（ベアリング）が設けられており、駆動シャフトを円滑に回転させるための潤滑媒体としてオイルを採用した潤滑油軸受（例えば特許文献２参照）や、空気を採用した空気軸受（例えば特許文献３参照）が一般的に知られている。
特開２００６−１２５５８８号公報特開２００６−８３７７９号公報特開昭６２−１７３２１号公報

ところで、上記のような従来の過給機においては以下の問題があった。
即ち、潤滑油を用いた軸受の場合、潤滑油自体の粘性による軸受損失が大きいため回転効率が悪いという問題があった。また。潤滑油が駆動シャフトの周辺からコンプレッサ等に漏出して圧縮空気に油分が混じってしまうおそれがあり、さらに当該潤滑油から析出した不純物が軸受部分に付着して回転性能を低下させてしまうという問題があった。

また、空気軸受を用いた場合は、駆動シャフトに高圧の空気を供給して非接触で支持する方式のため、支持力を大きくして確実に駆動シャフトを支持するにはそれだけ余分なエネルギーを要する。また、ラジアルタービンを回転させる排気ガスからの粉塵が軸受部分に入り込んで軸受の回転性能に悪影響を与えるおそれがあった。

この発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、軸受損失を低減させるとともに軸受部分のクリーンな環境を維持ことができ、高効率で大きな支持力を発生させることが可能な軸受を備えた過給機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る過給機は、ベアリングハウジングを中に挟んでこの両側にタービンハウジングとコンプレッサハウジングとが設けられ、これら各ハウジングの内部に軸線回りに回転される駆動シャフトが挿通され、前記タービンハウジング内における前記駆動シャフトにタービンインペラが設けられると共に前記コンプレッサハウジング内における前記駆動シャフトにコンプレッサインペラが設けられた過給機において、前記ベアリングハウジング内に、前記駆動シャフトを前記軸線回りに回転自在かつ非接触に支持する静圧空気軸受が設けられ、前記各インペラのディスク背面側に、前記駆動シャフトを挿通させながら各ハウジング内を区画する仕切り板がそれぞれ配設されるとともに、前記ディスクと前記仕切り板との間に、前記タービンインペラ及び前記コンプレッサインペラの高圧流体が前記ベアリングハウジング内に浸入するのを妨げるシールが設けられていることを特徴としている。

このような特徴の過給機によれば、静圧空気軸受を採用することで潤滑油を用いずとも非接触状態を維持して駆動シャフトを確実に支持することができる。これによって、軸受損失を低減させるとともに、クリーンな環境を維持することが可能となる。
ここで、静圧空気軸受による駆動シャフトの支持力は、当該静圧空気軸受が配設される雰囲気の圧力と静圧空気軸受に供給される高圧空気との圧力差が顕著なほど大きなものとなる。即ち、静圧空気軸受周囲の圧力が高い場合には高圧空気による駆動シャフトの支持力が損なわれてしまう。
これに対し本発明の過給機においては、シールによって静圧空気軸受が配設されるベアリングハウジング内とタービンハウジング内及びコンプレッサハウジング内との間に圧力差を設けることで静圧空気軸受の周囲を大気圧程度に低く抑えることができるため、静圧空気軸受の高圧空気による支持力を損なうことなく、効率的に駆動シャフトを支持することが可能となる。
さらに、シールがタービンハウジング内の排気ガスによる粉塵の浸入を妨げるため、ベアリングハウジング内をクリーンな環境に維持することができる。

また、本発明に係る過給機においては、前記シールが、ラビリンスシールであることを特徴としている。
これにより、ベアリングハウジング内とタービンハウジング内及びコンプレッサハウジング内との間に確実かつ容易に圧力差を設けることができる。さらに、各インペラにおけるディスクと各仕切り板との非接触状態を維持することができるため回転損失が発生するのを防ぐことができる。

さらに本発明に係る過給機において、前記静圧空気軸受は、前記駆動シャフトのラジアル方向を支持するラジアル軸受と、前記駆動シャフトのスラスト方向を支持するスラスト軸受とを備え、前記スラスト軸受は、前記駆動シャフトと共に回転する円盤状のスラストカラーと前記軸線方向に対向して配置されるとともに、該スラストカラーに向けて前記軸線方向両側に高圧空気を噴射する噴射孔を備えていることを特徴としている。

これにより、駆動シャフトをラジアル方向及びスラスト方向に安定して支持することができるとともに、駆動シャフトの軸線方向の位置を確実に固定して軸線方向における非接触支持を実現することが可能となる。

本発明に係る過給機によれば、静圧空気軸受を採用することで、軸受損失を低減させつつクリーンな環境を維持することができるとともに、ベアリングハウジング内とタービンハウジング内及びコンプレッサハウジング内との間に圧力差を設けることで、静圧空気軸受に供給される高圧空気による支持力を損なうことなく、駆動シャフトを効率的かつ確実に支持することが可能となる。

以下、図面を参照し、本発明に係る過給機の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施形態である過給機の全体構成を示す側断面図であり、図２は図１における静圧空気軸受付近の拡大図、図３は図１におけるタービンインペラ背面付近の拡大図、図４は図１におけるコンプレッサインペラ背面付近の拡大図である。

図１に示すように、過給機１は、ラジアルタービン１０とコンプレッサ２０とベアリング部３０とを備えており、ラジアルタービン１０に設けられたタービンインペラ１１とコンプレッサ２０に設けられたコンプレッサインペラ２１とが、ラジアルタービン１０、コンプレッサ２０及びベアリング部３０内を挿通する駆動シャフト３１にそれぞれ固定されて軸線Ｏ回りに回転される構成とされている。

タービンインペラ１１及びコンプレッサインペラ２１は、軸線Ｏ周りに複数のタービン翼１３又はコンプレッサ翼２３が立設されている。タービンインペラ１１は、その外周側から吹き付けられる排気ガスが隣り合うタービン翼１３の間を流れて軸線Ｏ方向へ抜けることによってトルクを受けて回転する。コンプレッサインペラ２１は、回転駆動されることによりコンプレッサ翼２３が立設された外周側に軸線Ｏ方向から流入する外気を圧縮するようになっている。

また、ラジアルタービン１０はタービンインペラ１１等が収容されるタービンハウジング１２を、コンプレッサ２０はコンプレッサインペラ２１等が収容されるコンプレッサハウジング２２を、ベアリング部３０は後述する静圧空気軸受４０等が収容されるベアリングハウジング３２をそれぞれ備えており、これらタービンハウジング１２、ベアリングハウジング３２及びコンプレッサハウジング２２が順次連結されることによって、ラジアルタービン１０、コンプレッサ２０及びベアリング部３０が固定一体化された構成とされている。
なお、タービンインペラ１１のディスク背面１１ａ側には、駆動シャフト３１を挿通させつつタービンハウジング１２内とベアリングハウジング３２内を区画する第一仕切り板６０が設けられている。同様にして、コンプレッサインペラ２１のディスク背面２１ａ側には、駆動シャフト３１を挿通させつつコンプレッサハウジング２２内とベアリングハウジング３２内を区画する第二仕切り板７０が設けられている。

ベアリング部３０において、駆動シャフト３１は、その軸心がタービンインペラ１１及びコンプレッサインペラ２１の回転軸と同心に、即ち軸線Ｏ上に配設され、該駆動シャフト３１の一端部にはタービンインペラ１１が溶接等により一体化され、他端部にはコンプレッサインペラ２１がナット２４を介して一体的に結合されている。

コンプレッサハウジング２２には駆動シャフト３１と同軸上、即ち軸線Ｏ上に配置される吸気口２２ａが形成されており、コンプレッサインペラ２１の回転により吸気口２２ａから外気が吸引される。これによりコンプレッサ翼２３の流体出口Ｃには圧縮空気が存在することになるため、当該流体出口Ｃにおける圧力は高いものとなる。
また、コンプレッサハウジング２２は、外周側から突出した吐出流路（図示省略）を有している。この吐出流路は、内燃機関の給気口に接続されて、加圧空気を内燃機関へと導く。

また、タービンハウジング１２には、スクロール流路Ｆが形成されている。さらに、タービンハウジング１２は、外側に突出した排気ガス導入路（図示省略）を有しており、該排気ガス導入路が内燃機関（図示省略）の排気口に接続されて、内燃機関が排出する排気ガスがスクロール流路Ｆに導入されるようになっている。そして、スクロール流路Ｆに導入された排気ガスによりタービン翼１３が回転される。なお、この際、タービン翼１３の流体入口Ｔは排気ガスにより高圧となる。
またタービンハウジング１２には、駆動シャフト３１の同軸上に配置された排気ガス排出口１２ａが形成されている。この排気ガス排出口１２ａは、排気筒（図示省略）等に接続されており、これによって排気ガスが外部に排出される。

ベアリングハウジング３２内には、駆動シャフト３１を軸線Ｏ回りに回転自在に支持する静圧空気軸受４０が設けられている。以下、当該静圧空気軸受４０の構成について図２も参照しつつ説明する。

静圧空気軸受４０は、軸線Ｏを中心とした概略多段円筒形状をなすベアリングブッシュ４１を有しており、該ベアリングブッシュ４１の内周面４１ａ側には、駆動シャフト３１のラジアル方向を支持する２つのラジアル軸受４２、４２が配設されるとともに、ベアリングブッシュ４１の一段大径とされたコンプレッサ２０側端部には、駆動シャフト３１のスラスト方向を支持するスラスト軸受４３が配設されている。
なお、静圧空気軸受４０を取り巻くベアリングハウジング３２内の空間は、外部と連通状態とされた中空部Ｂとされている。

ベアリングブッシュ４１の内部には給気路４４が形成されており、該給気路４４は、軸線Ｏと平行な方向に延びるとともにベアリングハウジング３２に開口された給気口３２ａと連通される主給気路４４ａと、この主給気路４４ａに接続されベアリングブッシュ４１のコンプレッサ２０側の端面に開口する副給気路４４ｂとを備えている。
また、このベアリングブッシュ４１には、上記主給気路４４ａと内周面４１ａを連通するようにして軸線Ｏを中心とする環状に形成された環状溝４５が、軸線Ｏ方向に間隔を空けて４つ形成されている。これら４つの環状溝４５のうち、ラジアルタービン１０側に位置する２つの環状溝４５ａ、４５ａはその間隔を近接させた状態で配設されており、残りの２つの環状溝４５ｂ、４５ｂは、ラジアルタービン１０側の２つの環状溝４５ａ、４２ａとは離間するとともにコンプレッサ２０側において互いに近接した状態で配設されている。

ラジアル軸受４２は、周面に複数の噴射孔４２ａが穿設された円筒形状をなしており、駆動シャフト３１に挿通されるようにして、ラジアルタービン１０側の２つの環状溝４５ａ、４５ａに対応する箇所及びコンプレッサ２０側の２つの環状溝４５ｂ、４５ｂに対応する箇所にそれぞれ取り付けられている。このラジアル軸受４２は、ベアリングブッシュ４１の内周面４１ａに設けられるリテーニングリング４６により軸線Ｏ方向に固定されている。

そして、ベアリングハウジング３２の給気口３２ａに外部から高圧空気Ｐが供給された際には、該高圧空気Ｐが主給気路４４ａ及び環状溝４５を介してラジアル軸受４２に至り、このラジアル軸受４２の複数の噴射孔４２ａによって絞り込まれた高圧空気Ｐが駆動シャフト３１に対して噴きかけられる。これにより、ラジアル軸受４２の内周面と駆動シャフト３１が非接触状態となり、駆動シャフトが軸線Ｏ回りに回転自在にラジアル方向に支持される。

一方、スラスト軸受４３は、軸線Ｏを中心とする外形円盤状をなすとともにその中央には駆動シャフト３１を挿通させるための挿通孔４８が開口しており、当該円盤の外周縁部４９が、ベアリングブッシュ４１のコンプレッサ２０側の端面に形成された嵌合穴４１ｂに嵌り込むことによって該ベアリングブッシュ４１と固定一体化されている。
また、スラスト軸受４３の内部には中空の中空給気路５０が形成されており、該中空給気路５０とベアリングブッシュ４１の副給気路４４ｂとが連通状態とされることにより、当該中空給気路５０に高圧空気Ｐが供給されるようになっている。

さらに、このスラスト軸受４３には、軸線Ｏと平行に上記中空給気路５０とその外部とを連通させる噴射孔４３ａが周方向に複数形成されている。また、スラスト軸受４３の軸線Ｏ方向両側には、駆動シャフト３１に固定された円盤状をなすスラストカラー５１がスラスト軸受４３を挟むようにして配置されている。
これによって、スラスト軸受４３の中空給気路５０に高圧空気Ｐが供給された際には、噴射孔４３ａによって絞り込まれた高圧空気Ｐが両スラストカラー５１に噴きかけられてスラスト軸受４３と両スラストカラー５１とが非接触となり、駆動シャフト３１がスラスト方向に支持されるようになっている。

そして、本実施形態の過給機１においては、上記第一仕切り板６０とタービンインペラ１１のディスク背面１１ａとの間及び第一仕切り板６０における駆動シャフト３１の挿通箇所には、タービン翼１３の流体入口Ｔの排気ガス（高圧流体）がベアリングハウジング３２内の中空部Ｂに浸入するのを妨げるシールが施されている。
具体的には、詳しくは図３に示すように、第一仕切り板６０のタービンインペラ１１側のを向く面に、軸線Ｏを中心とした環状の凹凸によるラビリンスシール６１が形成されるとともに、第一仕切り板６０における駆動シャフト３１の挿通箇所にも同様のラビリンスシール６２が形成されることによって、第一仕切り板６０とタービンインペラ１１のディスク背面１１ａとの間隙における気体の通過が妨げられている。

また、第二仕切り板７０とコンプレッサインペラ２１のディスク背面２１ａとの間にも、詳しくは図４に示すように、コンプレッサ翼２３の流体出口Ｃの圧縮空気（高圧流体）が中空部Ｂへの浸入を妨げるシール、即ちラビリンスシール７１が形成されており、第二仕切り板７０とコンプレッサインペラ２１のディスク背面２１ａとの間隙における気体の通過が妨げられている。

次に、上記の構成からなる過給機１の動作について説明する。
内燃機関の比較的高温な排気ガスによりタービンインペラ１１が回転すると、その回転力が駆動シャフト３１を介してコンプレッサインペラ２１に伝達される。そして、コンプレッサインペラ２１の回転に伴って圧縮空気が内燃機関に供給される。駆動シャフト３１の回転数は、例えば数万〜数１０万ｒｐｍにもなる。

また、本実施形態の過給機１においては、タービンインペラ１１の回転と共に、不図示の圧力装置によりベアリングハウジング３２の給気口３２ａに高圧空気Ｐが供給される。
まず、高圧空気Ｐは、図２に示すように、給気口３２ａから主給気路４４ａに流入した後当該主給気路４４ａの全域に行き渡り、環状溝４５ａ、４５ｂから２つのラジアル軸受４２に至り、噴射孔４２ａを介して駆動シャフト３１に供給される。これと同時に、主給気路４４ａの高圧空気Ｐは、副給気路４４ｂを経由してスラスト軸受４３の中空給気路５０に至り、噴射孔４３ａを介してスラストカラー５１に供給される。
これにより駆動シャフト３１は、ラジアル方向については、ラジアル軸受４２と駆動シャフト３１との間に高圧空気Ｐによる流体膜が形成されることにより非接触で支持され、スラスト方向については、スラスト軸受４３とスラストカラー５１との間に高圧空気Ｐによる流体膜が形成されることで非接触で支持される。
このようにして、駆動シャフト３１は、静圧空気軸受４０によって潤滑油を用いずとも非接触状態を維持して支持される。したがって、潤滑剤として潤滑油を用いた場合に比べて軸受損失を低減させることができるとともに、クリーンな環境を維持することが可能となる。

ここで、静圧空気軸受４０による駆動シャフト３１の支持力は、当該静圧空気軸受４０が配設される雰囲気、即ちベアリングハウジング３２内の中空部Ｂの圧力と、静圧空気軸受４０に供給される高圧空気Ｐとの圧力差が顕著なほど大きなものとなる。従って、静圧空気軸受４０が配設される中空部Ｂの圧力が高い場合には高圧空気Ｐによる支持力が損なわれてしまう。

これに対し本実施形態の過給機１においては、第一仕切り板６０のタービンインペラ１１側の面にラビリンスシール６１及び第一仕切り板６０における駆動シャフト３１の挿通箇所にラビリンスシール６２が形成されているため、タービン翼１３の流体入り口Ｔの高圧の排気ガスが中空部Ｂに至ることはなく、当該流体入口Ｔと中空部Ｂとの圧力差を維持することができる。
さらに、第二仕切り板７０のコンプレッサインペラ２１側の面にもラビリンスシール７１が形成されているため、コンプレッサ翼２３の流体出口Ｃの圧縮空気が中空部Ｂに至ることはなく、当該流体出口Ｃと中空部Ｂとの圧力差を維持することができる。
したがって、外部と連通状態とされた中空部Ｂの圧力は排気ガスや圧縮空気の影響を受けることなく大気圧程度に低く抑えることができるため、静圧空気軸受４０における高圧空気Ｐによる駆動シャフト３１の支持力を損なうことなく、効率的かつ確実に当該駆動シャフト３１を支持することが可能となる。

さらに上記のようなラビリンスシール６１、６２の存在により、タービンハウジング１２内を通過する排気ガスの粉塵が中空部Ｂに浸入するのを防ぐことができるため、静圧空気軸受４０周囲をクリーンな環境に維持して、当該静圧空気軸受４０の動作に不具合が生じるのを避けることができる。

また、シールとしてラビリンスシール６１、６２、７１を採用したことにより、簡易な構成でもってシール構成を実現することができるとともに、タービンインペラ１１と第一仕切り板６０との非接触状態及びコンプレッサインペラ２１と第二仕切り板７０との非接触状態を維持して、これらインペラ１１、２１が他の部材と摺接するのを回避することができるため、回転損失がなく効率の良い過給機１の運転を行うことが可能となる。

さらにまた、スラスト軸受４３が一対のスラストカラー５１の間に挟まれるように配置され、これらスラストカラー５１に向けて軸線Ｏ方向両側に高圧空気Ｐを噴射する構成とすることで、駆動シャフトの軸線Ｏ方向の位置をフローティング状態で固定して軸線Ｏ方向における安定した非接触支持をすることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明に係る過給機の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本実施形態においては、各インペラ１１、２１のディスク背面１１ａ、２１ａと各仕切り板６０、７０とのシール構造としてラビリンスシール６１、７１を採用したものを示したが、これに限定されることはなく、他のシール構造を採用したものであってもよい。
また、ラビリンスシール６１、７１を採用した場合には、図３及び図４に示すように各仕切り板６１、７１のみに環状の凹凸を形成した場合のみならず、各インペラ１１、２１のディスク背面１１ａ、２１ａにも同様の環状の凹凸を設け、これらを噛み合わせるように配設してよりシール機能を高めたものであってもよい。

また、本実施形態においては、スラスト軸受４３が一対のスラストカラー５１の間に挟まれた構成とされているが、これとは逆に、一つのスラストカラーの軸線方向両側からスラスト軸受が高圧空気Ｐを噴射する構成とされていてもよい。これによっても、安定したスラスト方向の非接触支持を行うことが可能となる。

本発明の実施形態である過給機の全体構成を示す側断面図である。図１における静圧空気軸受付近の拡大図である。図１におけるタービンインペラ背面付近の拡大図である。図１におけるコンプレッサインペラ背面付近の拡大図である。

符号の説明

１過給機
１０ラジアルタービン
１１タービンインペラ
１１ａディスク背面
１２タービンハウジング
２０コンプレッサ
２１コンプレッサインペラ
２１ａディスク背面
２２コンプレッサハウジング
３０ベアリング部
３１駆動シャフト
３２ベアリングハウジング
４０静圧空気軸受
４２ラジアル軸受
４３スラスト軸受
４３ａ噴射孔
５１スラストカラー
６０第一仕切り板
６１ラビリンスシール
６２ラビリンスシール
７０第二仕切り板
７１ラビリンスシール
Ｏ軸線

Claims

ベアリングハウジングを中に挟んでこの両側にタービンハウジングとコンプレッサハウジングとが設けられ、これら各ハウジングの内部に軸線回りに回転される駆動シャフトが挿通され、前記タービンハウジング内における前記駆動シャフトにタービンインペラが設けられると共に前記コンプレッサハウジング内における前記駆動シャフトにコンプレッサインペラが設けられた過給機において、
前記ベアリングハウジング内に、前記駆動シャフトを前記軸線回りに回転自在かつ非接触に支持する静圧空気軸受が設けられ、
前記各インペラの背面側に、前記駆動シャフトを挿通させながら各ハウジング内を区画する仕切り板がそれぞれ配設されるとともに、
前記各インペラの背面と前記仕切り板との間に、前記タービンインペラ及び前記コンプレッサインペラの高圧流体が前記ベアリングハウジング内に浸入するのを妨げるラビリンスシールが設けられ、
前記静圧空気軸受は、前記駆動シャフトのラジアル方向を支持するラジアル軸受と、前記駆動シャフトのスラスト方向を支持するスラスト軸受とを備え、
前記スラスト軸受は、前記駆動シャフトと共に回転する円盤状のスラストカラーと前記軸線方向に対向して配置されるとともに、該スラストカラーに向けて前記軸線方向両側に高圧空気を噴射する噴射孔を備え、
前記タービンハウジング内と前記ベアリングハウジング内とを区画する第一仕切り板と前記タービンインペラの背面との間及び前記第一仕切り板における前記駆動シャフトの挿通箇所に前記ラビリンスシールが設けられることを特徴とする過給機。