JP2004092641A - 排気タービン過給機 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気タービン過給機の軸の軸方向振動減衰を簡単に達成する。
【解決手段】ハウジングと該ハウジング内でその前後軸に回転可能に配置された軸２とを備えた排気タービン過給機１で、該軸上にタービン翼車４とコンプレッサー翼車３が配置され、且つ、該軸がラジアル軸受５，６と少なくとも1つのスラスト軸受９との中に案内されており、そのさい、受動的永久磁気軸受として設計されている該ラジアル軸受５，６がそれぞれ、軸２上に配置されたローターとしての支持ディスク１２，１６と、少なくとも1つの側が軸方向に該ローターと向き合っている少なくとも1つのステーター１９，２０，２１，２２とを備えており、ステーター１９，２０，２１，２２とハウジング固定部分３７，３８との間にそれぞれ弾性要素６０，６１が配置される。
【選択図】図１

Description

　本発明は、ハウジングと該ハウジング内において回転軸線の回りで回転可能に配置された軸とを備えた排気タービン過給機で、該軸にタービン翼車とコンプレッサー翼車が配置され、且つ、該軸がラジアル軸受と少なくとも1つのスラスト軸受との中に案内されており、その際、受動的永久磁石軸受として設計されている該ラジアル軸受がそれぞれ、該軸に配置されたローターとしての支持ディスクと、少なくとも1つの側が軸方向に該ローターと向き合っている少なくとも1つのステーターとを備えている、排気タービン過給機に関するものである。
　排気タービン過給機は内燃機関の効率の改善とともに出力の増強に役立つ。排気タービン過給機は、一方の端部にタービンホイールすなわちタービン翼車と他方の端部にコンプレッサーホイールすなわちコンプレッサー翼車が配置された軸を備えている。タービン翼車は内燃機関の排気ガス流によって加圧(beaufschlagen)されるが、そのさい基本的には排気ガスの熱エネルギーの一部がタービン翼車によって回転運動に転換される。軸を介してコンプレッサー翼車が駆動され、該コンプレッサー翼車は外気(Frischluft)を吸入し、それを正圧すなわち過給圧(Uberdruck)で内燃機関の吸気口へと流入させ、それによって体積効率(Fullungsgrad)を改善する。
　排気タービン過給機の軸を支える軸受には、高い要件が課せられている。一つには軸が３００．０００rpmという高い回転数にまで達することである。もう一つは排気タービン過給機とその軸受が高温にさらされることである。さらに別の問題は、タービン翼車にぶつかる排気ガス流が強い軸方向力を惹き起こし、その力がスラスト軸受で受け止められなければならないという点である。高い回転数のことを考えて、できるだけ振動が惹き起こされないように、排気タービン過給機の回転部分はきわめて正確にバランシング(auswuchten)されなければならない。これらすべての場合にさらに留意されなければならないのは、排気タービン過給機が作動する非常に幅広い温度範囲が、材料の膨張による軸受の歪み(Verspannungen)をもたらさないようにするという点である。
　軸を支える軸受としてはこれまでもっぱらすべり軸受か又は転がり軸受だけが用いられている。上述の諸応力(Beanspruchungen)に目を向ければ、それらの軸受は著しい磨耗を免れないし、その潤滑と同じぐらい約８０％ほど、排気タービン過給機の故障の原因となる。それに比べると、軸を支える磁気軸受は、潤滑剤としての油の使用を放棄できるという利点が期待される。これによって自動車に対する厳しい排出基準は遵守できるし、タービン過給機の信頼性は高められる。そのうえ、こうした軸受はローターをその重心軸線(Schwerpunktachse)で支えるものなので、磁気軸受であれば、回転する構成部分のバランシング(Wuchten)の軽減どころかそれの回避という利点が得られる。しかし一つの点で磁気軸受は従来の油潤滑式すべり軸受より劣っている、つまり、ほとんど減衰能(Dampfung)がないのである。例えば内燃機関による外からの励起(Anregungen)を減衰し、ローターの半径方向運動を既存の半径方向隙間によって定められた遊びに限定するには、その減衰能がどうしても必要である。構造上の追加処置によってその減衰能が用意されなければならないのである。
　それゆえ本発明の基礎となっているのは、ラジアル永久磁気軸受の使用の際発生するローターの半径方向運動の十分な減衰が達成されるように排気タービン過給機の軸受を設計するという課題である。
　この課題の解決のために提案されているのが、請求項１に記載された特徴の組み合わせである。すなわち本発明は、ハウジングと該ハウジング内において回転軸線の回りで回転可能に配置された軸とを備えた排気タービン過給機で、該軸にタービン翼車とコンプレッサー翼車が配置され、且つ、該軸がラジアル軸受と少なくとも1つのスラスト軸受との中に案内されており、その際、受動的永久磁石軸受として設計されている該ラジアル軸受がそれぞれ、軸に配置されたローターとしての支持ディスクすなわち回転ディスクと、少なくとも1つの側が軸方向に該ローターと向き合っている少なくとも1つのステーターとを備えているところの、排気タービン過給機において、ステーターとハウジング固定部分との間に、それぞれ弾性要素が、軸の振動運動の半径方向減衰のために、配置されていることに特徴を有する。本発明の有利な発展形態は従属の請求項から明らかになる。
　ステーターとハウジング固定部分との間にそれぞれ弾性要素が軸の振動運動の半径方向減衰のために配置されていることが、本発明により提案されている。弾性要素は、ステーターの半径方向運動によって圧縮負荷を加えられる(auf Druck beansprucht werden)のであり、このようにしてステーターの半径方向運動を妨げ、減衰機能を果たす。
　ハウジング固定部分は、ステーターに軸方向にオーバーラップ(uberragen)するフランジ延長部(Flanschfortsatz)を備えたハウジングディスクによって形成されていることが可能であり、そのさい優先的に弾性要素は一方ではステーターの半径方向外側の面と、他方ではハウジング固定部分の半径方向内側の面と隙間なく結合されている。
　ステーターは、ローターを軸方向と半径方向に囲むＵ形横断面のヨークとしておもに設計されており、少なくとも１つのスラスト軸受が間に配置されている２つのラジアル軸受の設置が可能である。その場合に、軸の偶発的に生じる揺動運動(Kippbewegungen) に対して大きな応力中心距離(Hebelarm)を有しているためには、タービン過給機内のそれらのラジアル軸受の間隔ができるだけ大きくなければならないであろう。支持ディスク(Lagerring)の平均径(mittler Durchmesser)よりも大きい軸受間隔(Lagerabstand)のために生み出されるのが、ポジティブなシステム剛性(Systemsteifigkeit)、すなわち、安定したラジアル軸受システム(Radiallagersystem)である。
　本発明の優先形態では、弾性要素は、軸と同軸状に配置された円筒形リングとして設計されている。これにより全範囲にわたる均等な減衰作用が達成される。タービン過給機の運転中に生じる回転部分の振動はとりわけその質量と機械的剛性に左右される。そのために必要とされるのが、弾性要素の特定のバネ剛性(Federsteifigkeit)と減衰定数であり、それは該要素の材質組成(Materialzusammensetzung)の適切な選定によって用意できる。優先的には、該弾性要素のバネ剛性は２００kN/m〜６００kN/m、減衰定数は１００kg/s〜３００kg/sである。これらの数値は、該弾性要素がプラスチック製、優先的にカウチューク製であることによって、簡単に達成できる。
　以下、図面に図示された実施例に基づいて本発明が以下で詳しく説明される。
　図１に示された排気タービン過給機１には軸２があり、その軸の左側端部にはコンプレッサーホイールすなわちコンプレッサー翼車３が、右側端部にはタービンホイールすなわちタービン翼車４が配置されている。コンプレッサー翼車３はそれ自体公知の仕方で遠心圧縮機(Radialverdichter)として設計されている。
　コンプレッサー翼車３とタービン翼車４の間には２つのラジアル軸受５，６が配置されている。ラジアル軸受５，６はそれぞれコンプレッサー翼車３とタービン翼車４に隣接している。それらの間には溝７，８が設けられており、その溝はシーリングリング(Dichtring)を受け入れるのに用いられるが、そのさいにシーリングリングは、約±0,15mmの基準遊び(typisch Spiel)のある境界軸受(Begrenzungslager)を形成する。ラジアル軸受５，６の間にはスラスト軸受９が配置されている。
　図1の上の部分から見て取れるとおり、軸２は全部で６つのリングに取り囲まれており、それらのリングは、軸２に設けられたカラー１０の方へ軸方向に押さえ付け(verspannen)られている。溝７の付いた第一の軸スリーブ１１のあとには、支持ディスク１２、第二の軸スリーブ１３、支持ディスク１４、第三の軸スリーブ１５、さらに別の支持ディスク１６が続く。
　支持ディスクすなわち回転ディスク１２，１６はラジアル軸受５，６に属する。それらはそれぞれ両側を、横断面がＵ形で、軸２を同軸状に取り囲むヨーク１７，１８によって囲まれるが、その場合にそれぞれのヨーク１７，１８には、ヨーク１７，１８の脚部を成す一対のラジアル軸受ステーター１９，２０ないしは２１，２２がある。ラジアル軸受ステーター１９，２０，２１，２２と支持ディスク１２，１６には、両方のラジアル軸受５，６においてそれぞれ軸方向に向き合う永久磁石２３，２４，２５，２６ないしは２７，２８，２９，３０がある。それらの永久磁石は分極化(polarisieren)されていて、それぞれ互いに引き合うので、支持ディスク１２，１６とラジアル軸受ステーター１９，２０，２１，２２の間の隙間(Spalt)には、軸方向の引き寄せる磁界が生じる。それらの磁界が軸2を中心点に合わせるのであり、そのさい例えば１６０kN/mのラジアル剛性(Radialsteifigkeit)が達成される。
　図2のラジアル軸受６の拡大図から見て取れるとおり、永久磁石２３〜３０はそれぞれ、同軸状に互いにはめ込まれた９つの環状磁石３４から成る。永久磁石２３〜３０の環状磁石３４は半径方向に隙間なく互いに突き合せになっている。半径方向に隣接する２つの環状磁石３４は、軸方向に逆磁化(entgegengesetzt axial magnetieren)されている。隣接する２つの永久磁石２３〜３０の軸方向に向き合う環状磁石３４は、互いに引き合うように分極化されているので、軸方向の磁束(Magnetflus)が生じる。
　ヨーク１７，１８は半径方向の外側を、樹脂材料(Kunststoffmaterial)でできていて円筒リングとして設計された弾性要素６０，６１によって取り囲まれる。樹脂材料は、好ましくはゴム（合成ゴム又は天然ゴム）であってもよい。発生する振動をできるだけ効果的に減衰させることができるように、リング６０，６１は一方では、ヨーク１７，１８の半径方向外側の面と、他方では、そのヨーク１７，１８に軸方向にオーバーラップ(ubergreifen)するハウジングディスク３７，３８のフランジの半径方向内側の面と隙間なく結合されている。ハウジングディスク３７，３８は、タービン過給機の詳しくは図面に描かれていないハウジングと結合されている。リング６０，６１は、ヨーク１７，１８の半径方向運動によって圧縮負荷を加えられるのであり、このようにしてその半径方向運動を減衰させる。リング６０，６１のバネ剛性は２００kN/m〜６００kN/mの範囲にある。リング６０，６１の減衰定数は約１００kg/s〜３００kg/sである。
　支持ディスクすなわち回転ディスク１４はスラスト軸受９に属する。その支持ディスクは積層ケイ素鋼(geblechtes Sl-Eisen)製のリングヨーク４７によって両側を囲まれている。リングヨーク４７は両ハウジングディスク３７，３８の間にはめ込まれ、固定されている。そのリングヨークには外側ヨークカバー４８があり、その外側ヨークカバーから２つの内向きヨークウェブ４９，５０が始まるのであり、そのヨークウェブはＬ形横断面になっていて、互いに向き合ったウェブ部分で支持ディスク１４を囲んでおり、そのさい2つの磁性隙間５１，５２が生じる。支持ディスク１４の円周側に隣接してリングヨーク４７の内部には２つの永久磁石５３，５４が軸方向に並置されており、それらの永久磁石は、三角記号で表されているように、軸方向に逆分極化(entgegengesetzt axial polarisieren)されている。それらの永久磁石は並置されていて、ヨークウェブ４９，５０に突き合せになっている。それらの永久磁石は電磁トロイダルコイル(Ringspule)５５に取り囲まれており、そのコイルは、永久磁石５３，５４とヨークカバー４８とヨークウェブ４９，５０の間のスペースを占めている。
　軸方向における軸2の磁性不安定(magnetisch Instabilitat)のゆえに、スラスト軸受９を介して軸方向の安定化(Stabilisierung)が惹き起こされなければならない。支持ディスク１４の軸方向の撓み(Auslenkung)のさいに、それは次のように行われる。つまり、（ここでは詳しく示されていないが先行技術では公知の）センサーによってその撓みが検出され、それによって（同じく示されていない）コントローラー(Regler)がトロイダルコイル５５への電力供給(Stromzuflus)を制御し、追加磁束が作り出され、その追加磁束が全体としてスラスト軸受９の範囲内の非対称磁束分布をもたらし、支持ディスクの撓みを阻止するということで、それは行われる。
ハウジングが一緒に描かれていない排気タービン過給機の側面図であって、軸を支える軸受の上の部分が部分断面図になっている図である。 図１の排気タービン過給機のラジアル軸受の横断面図である。
符号の説明
１　排気タービン過給機(Abgasturbolader) ２　軸
３　コンプレッサー翼車　　　　　　　　　　 ４　タービン翼車
５　ラジアル軸受　　　　　　　　　　　　　　６　ラジアル軸受
７　溝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　８　溝
９　スラスト軸受(Axiallager)　　　　　　　　 １０　カラー(Bund)
１１　軸スリーブ(Wellenhulse) １２　支持ディスク(Lagerscheibe)
１３　軸スリーブ　　　　　　　　　　　　　　１４　支持ディスク
１５　軸スリーブ　　　　　　　　　　　　　　１６　支持ディスク
１７　ヨーク(Joch)　　　　　　　　　　　　　１８　ヨーク
１９　ラジアル軸受ステーター　　　　　　　　２０　ラジアル軸受ステーター
２１　ラジアル軸受ステーター　　　　　　　　２２　ラジアル軸受ステーター
２３〜３０　永久磁石　　　　　　　　　　　　３４　環状磁石(Ringmagnet)
３７　ハウジングディスク(Gehausescheibe)　　３８　ハウジングディスク
４７　リングヨーク(Ringjoch)　　　　　　　　４８　ヨークカバー(Jochmantel)
４９　ヨークウェブ(Jochschenkel)　　　　　　５０　ヨークウェブ
５１　磁性隙間(Magnetspalt) ５２　磁性隙間
５３　永久磁石　　　　　　　　　　　　　　　５４　永久磁石
５５　トロイダルコイル(Ringspule)
６０、６１　弾性要素(federelastisch Element)


Claims (9)

  1. 　ハウジングと該ハウジング内において回転軸線の回りで回転可能に配置された軸（２）とを備えた排気タービン過給機（１）で、該軸にタービン翼車（４）とコンプレッサー翼車（３）が配置され、且つ、該軸がラジアル軸受（５，６）と少なくとも1つのスラスト軸受（９）との中に案内されており、その際、受動的永久磁石軸受として設計されている該ラジアル軸受（５，６）がそれぞれ、軸（２）に配置されたローターとしての支持ディスク（１２，１６）と、少なくとも1つの側が軸方向に該ローターと向き合っている少なくとも1つのステーター（１９，２０，２１，２２）とを備えているところの、排気タービン過給機において、
    　ステーター（１９，２０，２１，２２）とハウジング固定部分（３７，３８）との間に、それぞれ弾性要素（６０，６１）が、軸（２）の振動運動の半径方向減衰のために、配置されていることを特徴とする、排気タービン過給機。
  2. 　ハウジング固定部分が、ステーター（１９，２０，２１，２２）に軸方向にオーバーラップするフランジ延長部を備えたハウジングディスク（３７，３８）によって形成されていることを特徴とする、請求項１による排気タービン過給機。
  3. 　弾性要素（６０，６１）が一方ではステーター（１９，２０，２１，２２）の半径方向外側の面と、他方ではハウジング固定部分の半径方向内側の面と隙間なく結合されていることを特徴とする、請求項１又は２による排気タービン過給機。
  4. 　弾性要素（６０，６１）が軸（２）と同軸状に配置された円筒形リングとして設計されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項による排気タービン過給機。
  5. 　弾性要素（６０，６１）のバネ剛性が２００kN/m〜６００kN/mであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項による排気タービン過給機。
  6. 　弾性要素（６０，６１）の減衰定数が１００kg/s〜３００kg/sであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項による排気タービン過給機。
  7. 　弾性要素（６０，６１）が樹脂材料製、好ましくはゴム製であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項による排気タービン過給機。
  8. 　ステーター（１９，２０，２１，２２）が、ローターを軸方向と半径方向に囲むＵ形横断面のヨーク（１７，１８）として設計されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項による排気タービン過給機。
  9. 　少なくとも１つのスラスト軸受（９）が間に配置されている２つのラジアル軸受（５，６）が設置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項による排気タービン過給機。


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