JP2004346803A

JP2004346803A - 発電機の駆動軸構造

Info

Publication number: JP2004346803A
Application number: JP2003143652A
Authority: JP
Inventors: Osamu Beppu; 治別府; Tetsuo Komoda; 哲男薦田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: JP4009556B2

Abstract

【課題】過給機やタービン、及び発電機の軸安定性を損なうことがない、過給機又はタービン直結式の発電機の駆動軸構造を提供する。
【解決手段】一端が相互に固着された外軸（２１）と内軸（２５）とからなる同軸２軸構造の駆動軸（２０）の上記一端を過給機（５）又はタービンの回転軸（８）に取り付け、過給機又はタービンと発電機（１５）との間に軸受（４０）を設けて外軸を軸支し、内軸の他端を発電機の回転軸に連結する。軸受を発電機側に設けることもできる。内軸の他端と発電機の回転軸とをスプライン結合により連結することもできる。内軸の過振動時に外軸の内周部に当接する凸部を内軸の外周部に設けることもできる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機又はタービンに直結される発電機の駆動軸構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関により駆動される過給機や排気タービンは、エンジンの排気ガスが有する排気エネルギにより回転駆動され、過給機についてはエンジンの吸気密度を高めて機関効率を向上させ、排気タービンについては補機類等の駆動源として使用される。しかしながら、このように過給機や排気タービンを取り付けたとしても、エンジンの排気エネルギには充分な余剰があり、この余剰エネルギをさらに有効利用することが、燃費向上のみならず、環境保護の面からも強く要請される。
【０００３】
エンジンの余剰排気エネルギを有効利用するものとして、本願出願人は、過給機又は排気タービンを備えたディーゼルエンジンにおいて、過給機又は排気タービンの回転軸に発電機を直結する発電機の駆動軸構造を提案した（例えば、特許文献１参照）。また、図７に示すように、過給機１０２と排気タービン１０３の双方を備えたディーゼルエンジン１０１において、発電機１０４が減速機１０５を介して排気タービン１０３に接続される発電機の駆動軸構造が公知となっている。
【０００４】
さらに、発電機駆動用の出力タービンを備えたガスタービンにおいて、出力タービンの回転軸に発電機を直結する発電機の駆動軸構造が公知となっている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】実開昭６１−２００４２３号公報（第１−２図）
【特許文献２】特開２００１−１９３４７５号公報（第１−２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の、ディーゼルエンジンやガスタービンの過給機又はタービンの回転軸に発電機を直結する発電機の駆動軸構造において、単に発電機を過給機やタービンの回転軸に直結しただけでは、発電機の回転軸と過給機やタービンの回転軸とのわずかな位置ずれ等により、高速回転する過給機やタービン、さらには発電機の軸安定性が損なわれる恐れがある、という問題のあることが判明した。特に、過給機やタービンについては、厳密な軸安定性が要求される。
【０００７】
一方、上述した従来の、発電機を減速機を介して排気タービンに接続する発電機の駆動軸構造においては、排気タービン１０３と発電機１０４との間に取り付けられる減速機１０５が、耐久性に欠けるという問題のあることが判明した。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、耐久性に問題ある減速機を排除すると共に、過給機やタービン、さらには発電機の軸安定性を損なうことがない、過給機又はタービン直結式の発電機の駆動軸構造を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明の発電機の駆動軸構造は、一端が相互に固着された外軸と内軸とからなる同軸２軸構造の駆動軸の上記一端を過給機又はタービンの回転軸に取り付け、過給機又はタービンと発電機との間に軸受を設けて外軸を軸支し、内軸の他端を発電機の回転軸に連結したことにある。
【００１０】
このように、発電機の駆動軸を外軸と内軸とからなる同軸２軸構造とすることにより、外軸は剛性の高いものとすることができ、内軸は主に発電機の駆動負荷を考慮した細く剛性が低いものとすることができる。外軸は、過給機又はタービンの回転軸を介してその内部軸受と、過給機又はタービンと発電機との間に設けた軸受とにより支持されるが、外軸は剛性が高く、かつ外軸には発電機が接続されないから、軸間の位置ずれ調整も容易であり、過給機又はタービンと外軸の軸安定性は良好に保たれる。
【００１１】
一方、過給機又はタービンの回転軸と発電機の回転軸は、剛性が低い内軸のみにより連結されるから、過給機又はタービンの回転軸と発電機の回転軸との間に多少の位置ずれ等があっても、そのずれ等が内軸により吸収緩和され、過給機又はタービン、及び発電機の軸安定性が良好に保たれる。
【００１２】
上記軸受を発電機側に設けることもできる。このようにすれば、外軸と過給機又はタービンの回転軸との位置ずれ調整が、より容易になる。
【００１３】
内軸の他端と発電機の回転軸とをスプライン結合することもできる。このようにすれば、内軸と発電機の回転軸との間に位置ずれ等があっても、そのずれ等がスプライン結合によりさらに吸収緩和され、過給機又はタービン、さらには発電機の軸安定性は一段と優れたものとなる。
【００１４】
内軸の過振動時に外軸の内周部に当接する凸部を内軸の外周部に設けることもできる。このようにすれば、共振時等に内軸の振れが外軸により一定範囲内に抑えられる。したがって、内軸の剛性を低くしたとしても、この凸部によりその振動異常等が防止される。
【００１５】
軸受を油圧すべり軸受により形成し、かつ又は軸受のオイルコンパートメントをラビリンスシールによりシールすることもできる。油圧すべり軸受は、高速回転する外軸の軸受として最適のものであり、またラビリンスシールは非接触型シールであるから、外軸や過給機又はタービンの軸安定性を損なうことがない。
【００１６】
駆動軸の振動を検出するための振動検出センサ、及び又は駆動軸の回転数を検出するための回転数検出センサを駆動軸の近傍に配設することもできる。このようにすれば、駆動軸の挙動を常時監視することができ、駆動軸のみならず過給機又はタービンの異常等を事前に検知することができる。
【００１７】
駆動軸は、過給機又はタービンが発電機を駆動するための駆動軸であり、かつ又は発電機が過給機又はタービンを駆動するための駆動軸でもよい。例えば、過給機又はタービンは、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガソリンエンジンのいずれかの排気ガスにより駆動される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る発電機の駆動軸構造の第１の発明の実施の形態を、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発電機の駆動軸構造を示すシステム図であり、図２は、図１の過給機５と駆動軸２０と発電機１５を示す正面図であり、図３は、図２の駆動軸２０を示す正面断面図であり、図４は、図２の軸受部４０を示す正面断面図であり、図５は、図１の発電機の駆動軸構造の定格運転時の振動振幅を示す模式図である。
【００２０】
図１に示すように、エンジン１は一例としてのディーゼルエンジンであり、ディーゼルエンジン１の排気ガスは、排気管２から過給機５のタービン６に導かれ、定格運転時にこれを数万回転という高速で回転駆動する。過給機５のタービン６を駆動した排気ガスは、大気中へ排気される。過給機５のコンプレッサ７は、タービン６により駆動されて吸気された空気を圧縮し、この圧縮された空気をインタクーラ３、図示しないサージタンク等を介してエンジン１のシリンダ内へ供給する。この過給機５のコンプレッサ７側に、駆動軸２０を介して高速発電機１５が直結される。
【００２１】
図２に示すように、基台４上に過給機５と発電機１５とが設置される。過給機５のタービン６とコンプレッサ７は、タービン６とコンプレッサ７との間に配設された２つの軸受１０，１１により軸支される。消音器１２は消音のほか、フィルタとしての役割も有する。過給機５と発電機１５との間、かつその発電機１５側に軸受部４０が配設される。コンプレッサ７の回転軸８に駆動軸２０が取り付けられ、駆動軸２０は消音器１２内を貫通する。
【００２２】
図３に示すように、駆動軸２０は外軸２１と内軸２５とからなる同軸２軸構造であり、中空の外軸２１は剛性が高く形成される。また、中実の内軸２５は、主に発電機１５の駆動負荷を考慮して、細く剛性が低く形成される。外軸２１と内軸２５は、その過給機５側の端部（一端）２２，２６が焼き嵌め等により相互に固着される。内軸２５の端部２６には取付フランジ２８が形成され、リーマボルト３５によりこの取付フランジ２８がコンプレッサ７の回転軸８に固着されて、駆動軸２０がコンプレッサ７の回転軸８に同軸に取り付けられる。必要により、バランス調整用の止めナット３６を内軸２５の取付フランジ２８に取り付ける。
【００２３】
内軸２５は、発電機１５側の端部（他端）２７が外軸２１の端部２３から突出し、その先端にスプライン結合部２９が形成される。内軸２５の中間部には、その外周部３０に環状の凸部である振動制限環３１が突設される。振動制限環３１は共振時に振動のいわゆる腹部に当たる位置に設けられ、内軸２５の過振動時に外軸２１の内周部２４に当接する。
【００２４】
図４に示すように、駆動軸２０が貫通する消音器１２には、駆動軸２０との間にラビリンスシール１３が取り付けられる。軸受部４０の内部には、油圧すべり軸受４３が配設され、ボルト４５によりハウジング４１に固定される。この油圧すべり軸受４３により、駆動軸２０の外軸２１の端部２３が軸支される。油圧すべり軸受４３はオイル供給孔４４を有し、エンジン１あるいは別途用意される独立給油装置から供給される潤滑油が、このオイル供給孔４４を通して吐出される。
【００２５】
軸受部４０のハウジング４１には、駆動軸２０との間にラビリンスシール４６が取り付けられ、軸受部４０のオイルコンパートメント４２をシールする。ラビリンスシール４６の中央上部には、ハウジング４１を貫通する空気孔４７が穿設され、空気パイプ４８及び空気孔４７を通して、過給機５のコンプレッサ７で圧縮された与圧空気が導かれる。ラビリンスシール４６の中央下部にはドレイン孔４９，５０が穿設され、オイルコンパートメント４２からラビリンスシール４６を通過して漏れ出た潤滑油が、このドレイン孔４９，５０を通してオイルコンパートメント４２内へドレインされる。
【００２６】
発電機１５の回転軸１６にはスプライン接合部１７が形成され、このスプライン接合部１７に、上述の駆動軸２０の内軸２５のスプライン接合部２９が噛合され、駆動軸２０の内軸２５と発電機１５の回転軸１６とが連結される。駆動軸２０の振動を検出するためのギャップセンサ（振動検出センサ）５１がオイルコンパートメント４２内の駆動軸２０の近傍に配設され、駆動軸２０の回転数を検出するためのギャップセンサ（回転数検出センサ）５２が軸受部４０の外部の駆動軸２０の近傍に配設される。
【００２７】
上述の発電機の駆動軸構造において、過給機５と発電機１５との間に取り付けた駆動軸２０を、外軸２１と内軸２５とからなる同軸２軸構造としたことにより、外軸２１は剛性が高いものとすることができ、内軸２５は主に発電機１５の駆動負荷を考慮した、細く剛性が低いものとすることができる。
【００２８】
また、外軸２１は、過給機５の回転軸８を介してその内部軸受１０，１１と、過給機５と発電機１５との間に設けた軸受４３とにより支持されるが、外軸２１は剛性が高く、かつ外軸２１には発電機１５が接続されないから、軸間の位置ずれ調整も容易であり、過給機５と外軸２１の軸安定性が良好に保たれる。特に、軸受４３を発電機１５側に、しかも発電機１５の近傍に設けたから、外軸２１と過給機５の回転軸８との位置ずれ調整が、より容易になる。
【００２９】
一方、過給機５の回転軸８と発電機１５の回転軸１６は、剛性が低い内軸のみにより連結されるから、過給機５の回転軸８と発電機１５の回転軸１６の間に多少の位置ずれ等が生じても、そのずれ等が内軸２５により吸収緩和され、過給機５及び発電機１５の軸安定性は良好に保たれる。また、内軸２５の端部２７と発電機１５の回転軸１６とをスプライン結合したから、軸間の位置ずれ等がこのスプライン結合によりさらに吸収緩和され、過給機及び発電機の軸安定性は一段と優れたものとなる。
【００３０】
図５は、定格運転時における各部の振動振幅をシミュレーションした一例であり、本発明の発電機の駆動軸構造を実線により、従来の単一軸による発電機の駆動軸構造を破線により示す。この図からも明らかなように、従来の単一軸による発電機の駆動軸構造の場合には、駆動軸の過給機取付部近傍及び過給機のタービンにおいて振動の大きなピークが見られるのに対し、本発明の発電機の駆動軸構造の場合には、各部において振動が平滑化され、特に駆動軸２０の振動が極めて低く抑えられていることがわかる。
【００３１】
また、内軸２５の過振動時に外軸２１の内周部に当接する振動制限環３１を内軸２５の外周部３０に設けたから、共振時にも内軸２５の振れが外軸２１により一定範囲内に抑えられ、内軸２５の振動異常等が防止される。さらに、軸受４３を高速回転軸受として最適な油圧すべり軸受により形成し、オイルコンパートメント４２を非接触型のラビリンスシール４６によりシールしたから、外軸２１や過給機５の軸安定性が良好に保たれる。また、駆動軸２０の振動を検出するためのギャップセンサ５１と、駆動軸２０の回転数を検出するためのギャップセンサ５２を駆動軸２０の近傍に配設したから、駆動軸２０の挙動を常時監視することができ、駆動軸２０のみならず過給機５の異常等を事前に検知することができる。
【００３２】
なお、軸受を必ずしも発電機側に設ける必要はなく、過給機側に設けてもよい。内軸と発電機の回転軸とを必ずしもスプライン結合とする必要はなく、他の連結方式によってもよい。内軸の外周部に、必ずしも振動制限環等からなる凸部を設けなくてもよい。軸受を必ずしも油圧すべり軸受により形成する必要はなく、軸受のオイルコンパートメントを必ずしもラビリンスシールによりシールする必要はない。他の軸受構造及び他のシール構造を採ることもできる。駆動軸の振動を検出するためのギャップセンサ等からなる振動検出センサや、駆動軸の回転数を検出するためのギャップセンサ等からなる回転数検出センサを必ずしも配設する必要はない。
【００３３】
本発明に係る発電機の駆動軸構造の第２の発明の実施の形態を、図６を参照して詳細に説明する。
【００３４】
図６は、図１とは別の発電機の駆動軸構造を示すシステム図であり、一例としてのディーゼルエンジン６１には、エンジン６１への過給だけに使用される過給機６２のほか、発電機６４のための専用の排気タービン６３が配設される。排気タービン６３の回転軸には、上述の駆動軸２０と同様の構造を有する駆動軸６５が取り付けられ、その図示しない内軸が発電機６４に連結される。その他は、上述の第１の発明の実施の形態と同様である。
【００３５】
なお、本発明に係る発電機の駆動軸構造が実施されるエンジンは、上述のディーゼルエンジンに限定されるものではなく、天然ガス等を燃料とするガスエンジン、ガソリンエンジン等の他の内燃機関であってもよい。また、ガスタービンの出力タービンに直結される発電機の駆動軸に対しても実施することができる。さらに、上述の過給機等はエンジンの排気ガスにより駆動されるのみならず、排気エネルギの弱い低速回転からの急加速時等その他の場合に発電機によっても、あるいは発電機単独で駆動されるものでもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の発電機の駆動軸構造は、一端が相互に固着された外軸と内軸とからなる同軸２軸構造の駆動軸の上記一端を過給機又はタービンの回転軸に取り付け、過給機又はタービンと発電機との間に軸受を設けて外軸を軸支し、内軸の他端を発電機の回転軸に連結するから、耐久性に問題ある減速機を排除することができると共に、過給機やタービン、さらには発電機の軸安定性を損なうことがない、過給機又はタービン直結式の発電機の駆動軸構造を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電機の駆動軸構造の第１の発明の実施の形態を示すシステム図である。
【図２】図１の過給機と駆動軸と発電機を示す正面図である。
【図３】図２の駆動軸を示す正面断面図である。
【図４】図２の軸受部を示す正面断面図である。
【図５】図１の発電機の駆動軸構造の定格運転時の振動振幅を示す模式図である。
【図６】本発明に係る発電機の駆動軸構造の第２の発明の実施の形態を示すシステム図である。
【図７】従来の発電機の駆動軸構造を示すシステム図である。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
２排気管
３インタクーラ
４基台
５過給機
６タービン
７コンプレッサ
８回転軸
１０，１１軸受
１２消音器
１３ラビリンスシール
１５発電機
１６回転軸
１７スプライン接合部
２０駆動軸
２１外軸
２２，２３端部
２４内周部
２５内軸
２６，２７端部
２８取付フランジ
２９スプライン結合部
３０外周部
３１振動制限環
３５リーマボルト
３６止めナット
４０軸受部
４１ハウジング
４２オイルコンパートメント
４３油圧すべり軸受
４４オイル供給孔
４５ボルト
４６ラビリンスシール
４７空気孔
４８空気パイプ
４９，５０ドレイン孔
５１，５２ギャップセンサ
６１ディーゼルエンジン
６２過給機
６３排気タービン
６４発電機
６５駆動軸
１０１ディーゼルエンジン
１０２過給機
１０３排気タービン
１０４発電機
１０５減速機

Claims

一端（２２，２６）が相互に固着された外軸（２１）と内軸（２５）とからなる同軸２軸構造の駆動軸（２０，６５）の前記一端を過給機（５）又はタービン（６３）の回転軸（８）に取り付け、前記過給機又は前記タービンと発電機（１５，６４）との間に軸受（４３）を設けて前記外軸を軸支し、前記内軸の他端（２７）を前記発電機の回転軸（１６）に連結したことを特徴とする発電機の駆動軸構造。
前記軸受（４３）を前記発電機（１５，６４）側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の発電機の駆動軸構造。
前記内軸（２５）の前記他端（２７）と前記発電機（１５，６４）の前記回転軸（１６）とをスプライン結合（１７，２９）により連結したことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電機の駆動軸構造。
前記内軸（２５）の過振動時に前記外軸（２１）の内周部に当接する凸部（３１）を前記内軸の外周部に設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発電機の駆動軸構造。
前記軸受（４３）を油圧すべり軸受により形成し、かつ又は前記軸受のオイルコンパートメント（４２）をラビリンスシール（４６）によりシールすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の発電機の駆動軸構造。
前記駆動軸（２０，６５）の振動を検出するための振動検出センサ（５１）及び又は前記駆動軸の回転数を検出するための回転数検出センサ（５２）を前記駆動軸の近傍に配設したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の発電機の駆動軸構造。
前記駆動軸は、前記過給機（５）又は前記タービン（６３）が前記発電機（１５）を駆動するための駆動軸（２０，６５）であり、かつ又は前記発電機が前記過給機又は前記タービンを駆動するための駆動軸であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の発電機の駆動軸構造。
前記過給機（５）又は前記タービン（６３）は、ディーゼルエンジン（１，６１）、ガスエンジン、ガソリンエンジンのいずれかの排気ガスにより駆動されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の発電機の駆動軸構造。