JP2005023920A - 過給機の軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 煤（微細カーボン）が過給機内を循環する場合でも、内部でのカーボン堆積を防止し、カーボンの固まりによる軸受の過大摩耗を防止できる過給機の軸受構造を提供する。
【解決手段】 ロータ軸１ｂのタービン側とコンプレッサ側に潤滑油を供給する油路１５を有する。この油路１５は、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カーボン堆積を防止しカーボンの固まりによる軸受摩耗を低減する過給機の軸受構造に関する。

内燃機関のシリンダに供給される空気或いは混合気をあらかじめ圧縮することを過給といい、その圧縮機を過給機（ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ）という。また、そのうち機関の排気ガスを利用したガスタービンに直結した過給機を排気タービン過給機、または略してターボ過給機（ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）という。なお、以下の説明において、特に必要な場合を除き、ターボ過給機を単に「過給機」と呼ぶ。かかる過給機の軸受構造は、例えば、特許文献１、特許文献２、等に開示されている。

特許文献１の「排気タービン過給機の軸受ハウジング」は、図８に示すように、タービン５２と送風機５１が回転軸５３の両端に固定され、回転軸の中間部が軸受５５で支持された排気タービン過給機の軸受ハウジング５４において、回転軸にほぼ平行な横穴５６と、横穴５６と交差しかつ回転軸５３にほぼ垂直な縦穴５７と、回転軸の軸心と横穴の中心との間に中心を有し、軸受を収容する軸受穴５８と前記横穴とを連通する半円形溝５９と、からなる給油通路を有するものである。

特許文献２の「過給機の軸受構造」は、図９に示すように、排気ガスでタービンインペラ６１を回転駆動しロータ軸６２を介してコンプレッサインペラ６３を回転駆動する過給機の軸受構造であって、ロータ軸の回転を支持する軸受ユニット６４と、軸受ユニットを内側に固定する貫通孔を有するベアリングハウジング６５とを備え、貫通孔に軸受ユニット６４が圧入され止まり嵌めで固定されるものである。

特開平７−１２０９２号公報 特開２００１−２９５６５５号公報

例えば舶用過給機では、ディーゼルエンジンと過給機で潤滑油を共用する場合がある。この場合、潤滑油の炭化や燃料油の燃焼により、ディーゼルエンジン内で発生した煤（微細カーボン）が油中に混入し、過給機内の軸受ハウジング内において、徐々に堆積し、ここで成長・肥大化したカーボンの固まりが軸受の隙間に混入し軸受を過大に摩耗させることがあった。
この微細カーボンは、凝集し大型化すれば、潤滑油系統に設けられたフィルターで除去できるが、通常はフィルターを通過し、燃料油と共にディーゼルエンジンと過給機を循環する。そのため、従来は分散剤を添加して微細カーボンの凝集を防いでいるが、高温部においては分散剤の機能が十分に働かないため、凝集が生じ、過給機内での異常摩耗を防止できなかった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、例えばディーゼルエンジンと過給機で潤滑油を共用し、煤（微細カーボン）が過給機内を循環する場合でも、内部でのカーボン堆積を防止し、カーボンの固まりによる軸受の過大摩耗を防止できる過給機の軸受構造を提供することにある。

本発明によれば、排気ガスでタービンインペラを回転駆動しロータ軸を介してコンプレッサインペラを回転駆動する過給機の軸受構造であって、
ロータ軸のタービン側とコンプレッサ側に潤滑油を供給する油路を有し、該油路は、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を有する、ことを特徴とする過給機の軸受構造が提供される。

上記本発明の構成によれば、油路が、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を有するので、どのようなエンジンオイルに対してもカーボン堆積量を低減でき、成長したカーボン粒子が軸受隙間に飛来することがないので、軸受の過大摩耗を防止することができることが後述する実施例で確認された。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記油路は、該油路を介してコンプレッサ側とタービン側に供給する流量において、粒径０．１〜１０μｍのカーボン粒子が堆積しない最低流速を超える流路形状を有する。

この構成により、油の劣化等で油中で凝集が生じても、その大部分が粒径０．１〜１０μｍであり、タービン側とコンプレッサ側に供給する流量によりカーボン粒子が堆積しない最低流速を超えるので、内部でも滞留を防止しスムースに排出することができる。

また、前記流路形状は、ほぼ一定あるいは出口側が漸減又は漸増する流路深さと、入口から出口まで全体にわたって漸減しあるいは入口側が一定で出口側が漸減する流路幅とを有する。

この構成により、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を容易に実現でき、カーボン堆積量を大幅に低減できることができることが実施例で確認された。

前記ロータ軸の回転を支持するタービン側とコンプレッサ側のラジアル軸受と、該ラジアル軸受を内蔵する中空円筒形の軸受スリーブと、該軸受スリーブを内側に固定する貫通孔を有するベアリングハウジングとを備え、
前記ラジアル軸受は、内面に潤滑油を供給する半径方向貫通穴を有し、
前記軸受スリーブは、ラジアル軸受の外面に潤滑油を供給する半径方向貫通穴を有し、
前記油路は、軸受スリーブの外面に設けられ軸方向に延び軸受スリーブの半径方向貫通穴を連通する凹溝である。

この構成により、軸受スリーブの外面に設けられ凹溝により油路を形成でき、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を容易に実現できる。

上述したように、本発明の過給機の軸受構造は、例えばディーゼルエンジンと過給機で潤滑油を共用し、煤（微細カーボン）が過給機内を循環する場合でも、内部でのカーボン堆積を防止し、カーボンの固まりによる軸受の過大摩耗を防止できる、等の優れた効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の軸受構造を備えた過給機の全体構成図である。この図において、この過給機は、内燃機関の排気ガスでタービンインペラ１ａを回転駆動し、その回転力をロータ軸１ｂを介してコンプレッサインペラ２に伝達してこれを回転駆動し、空気（又は混合気）を圧縮して内燃機関に供給するようになっている。またこの図で、３はコンプレッサハウジング、４はタービンハウジングである。

図２は、図１の主要部の拡大図である。図１及び図２に示すように、本発明の軸受構造では、ロータ軸１ｂの回転を支持するタービン側とコンプレッサ側のラジアル軸受６ａ，６ｂと、このラジアル軸受を内蔵する中空円筒形の軸受スリーブ１３と、この軸受スリーブを内側に固定する貫通孔を有するベアリングハウジング１４とを備える。
この図において軸受スリーブ１３は、ベアリングハウジング１４の図で水平な貫通孔に圧入され止まり嵌めで固定されている。また、ラジアル軸受６ａ，６ｂは、この例では、セミフローティングメタルである。
なお、本発明は、セミフローティングメタルに限定されず、フルフロートベアリングの場合にも適用できるものである。

図２において、ラジアル軸受６ａ，６ｂは、内面に潤滑油を供給する半径方向貫通穴を有する。また、軸受スリーブ１３は、ラジアル軸受６ａ，６ｂの外面に潤滑油を供給する半径方向貫通穴１３ａ，１３ｂを有する。さらに、軸受スリーブ１３の外面には、油路１５が設けられる。この油路１５は、軸受スリーブ１３の軸方向に延び、軸受スリーブの半径方向貫通穴１３ａ，１３ｂを連通する凹溝である。

上述した構成により、ベアリングハウジング１４に設けられた垂直な油路１４ａから供給された潤滑油は、油路１５でコンプレッサ側からタービン側に流れ、半径方向貫通穴１３ａ，１３ｂからラジアル軸受６ａ，６ｂの内面に供給される。更に、ラジアル軸受６ａ，６ｂの端面から潤滑油は下方に落下し、ベアリングハウジング１４の下方から排出される。

上述した潤滑油の流れにおいて、煤（微細カーボン）の堆積は、油路１５で発生することが確認されている。ここで成長・肥大化したカーボンの固まりが軸受の隙間に混入し軸受を過大に摩耗させる。

図３（Ａ）〜（Ｆ）は、図２の軸受スリーブ１３に設けられる油路の平面図であり、（α）（β）（γ）は、油路の横断面図である。この図において、（Ａ）のタイプ１は、従来の流路形状であり、（Ｂ）〜（Ｆ）は本発明における流路形状である。本発明の油路は、（Ａ）〜（Ｆ）の幅形状と（α）（β）（γ）の深さ形状の組み合わせからなる。
タイプ１の流路形状は、流路抵抗を低減することを主眼としているため、ほぼ一定の流路深さとほぼ一定の幅の凹穴であり、断面積もできるだけ大きく設定されていた。そのため、油路内で流れが遅くなり、かつ澱み形成部分も多いため、この流路形状では、カーボン堆積は避けられないことが、後述する実施例から明らかとなった。

図３（Ｂ）〜（Ｆ）および図３（α）（β）（γ）に示すように、本発明の軸受構造では、ロータ軸１ｂのタービン側（Ｔ）とコンプレッサ側（Ｃ）に潤滑油を供給する油路１５が、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を有する。
この流路形状は、全てに共通して、一定の流路深さあるいは出口側が漸減又は漸増する流路深さを有する。また、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）のタイプ４，５，６では入口側が一定で出口側が漸減する流路幅を有し、（Ｅ）のタイプ７では入口から出口まで全体にわたって漸減する流路幅を有する。さらに（Ｆ）のタイプ８では、入口から出口まで全体にわたって漸増する流路幅を有するが、図３（γ）との組み合わせで流速が一定又は漸増するようになっている。また、（Ｅ）のタイプ７と（β）の組み合わせでも、一定流速または流速を増減させるようになっている。
また、この油路１５は、好ましくは油路を介してタービン側とコンプレッサ側に供給する流量（実際に使用する最低流量）において、粒径０．１〜１０μｍのカーボン粒子が堆積しない最低流速を超えるように、流路形状を設定するのがよい。

上述した本発明の構成によれば、油路１５が、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を有するので、どのようなエンジンオイルに対してもカーボン堆積量を低減でき、成長したカーボン粒子が軸受隙間に飛来することがないので、軸受の過大摩耗を防止することができることが後述する実施例で確認された。

以下、本発明の実施例を説明する。

図４は、カーボン堆積が発生した舶用過給機から採取した５種の実機採取油の粒径分布図である。この図において、横軸は粒径、縦軸は含有率である。
この図から採取油によって粒径分布が異なるが、含有する煤は１μｍ以下が主体であり、堆積が比較的多い船の場合、１μｍ以上の煤を多く含有していることがわかる。

図５（Ａ）（Ｂ）は、異なる粒径分布の煤を含有する潤滑油で舶用過給機を運転し、その試験前後の潤滑油中の煤と流路に堆積したカーボンの粒径分布を比較したものである。この図から堆積カーボンの粒径分布は潤滑油中の煤の粒径分布よりも粒径が大きい方へ移行しており、煤が堆積・凝集していることがわかる。

（ハウジング温度の影響）
ハウジング温度の低下により、煤の堆積量は減る傾向にあるが、実機使用温度の１００℃近傍では、温度による低減効果はわずかしかないことがわかった。

（長時間試験）
図６は、１２時間の長時間運転後の堆積物の粒径分布図である。この図から長時間の試験では、堆積物は１〜１０μｍの粒子が主体であり、１０μｍ以上の粒子も高い比率で存在することがわかった。また目視でも数ｍｍ程度のカーボン付着が観察された。

（流路形状の影響）
図３に示した（Ａ）〜（Ｄ）の流路形状について堆積傾向を試験した。図７にカーボンの堆積量の経時変化を示す。この図において、横軸は経過日数、縦軸は堆積量である。半日（１２時間）の時点で、従来例（タイプ１）に比べて本発明の流路形状では、カーボン堆積量は半分以下であり、その後、従来例では堆積量が急増するが本発明ではほとんど増加しないことがわかった。

すなわち、流路形状がカーボンの堆積傾向に顕著に影響し、従来型のタイプ１と比較し、改良型のタイプ４、５、６は有効であることが確認された。また、この結果から、図３（Ｅ）の流路形状も同様の効果が得られることが予測できる。また、可視化試験にても形状の有効性を確認した。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の軸受構造を備えた過給機の全体構成図である。 図１の主要部の部分分解図である。 軸受スリーブに設けられる油路の平面図である。 ５種の実機採取油の粒径分布図である。 試験前後の潤滑油中の煤と流路に堆積したカーボンの粒径分布図である。 長時間運転後の堆積物の粒径分布図である。 流路形状によるカーボン堆積量の経時変化を示す図である。 特許文献１の「排気タービン過給機の軸受ハウジング」の構成図である。 特許文献２の「過給機の軸受構造」の構成図である。

符号の説明

１ タービンロータ軸、１ａ タービンインペラ、１ｂ ロータ軸、
２ コンプレッサインペラ、
３ コンプレッサハウジング、４ タービンハウジング、
６ａ，６ｂ ラジアル軸受（セミフローティングメタル）、
１３ 軸受スリーブ、１３ａ，１３ｂ 半径方向貫通穴、
１４ ベアリングハウジング、１５ 油路

Claims (4)

1. 排気ガスでタービンインペラを回転駆動しロータ軸を介してコンプレッサインペラを回転駆動する過給機の軸受構造であって、
   ロータ軸のタービン側とコンプレッサ側に潤滑油を供給する油路を有し、該油路は、流れが滞留する澱み領域がほとんどなく、かつ流れ方向に流速が一定又は漸増する流路形状を有する、ことを特徴とする過給機の軸受構造。
2. 前記油路は、該油路を介してタービン側とコンプレッサ側に供給する流量において、粒径０．１〜１０μｍのカーボン粒子が堆積しない最低流速を超える流路形状を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の過給機の軸受構造。
3. 前記流路形状は、ほぼ一定あるいは出口側が漸減又は漸増する流路深さと、入口から出口まで全体にわたって漸減しあるいは入口側が一定で出口側が漸減する流路幅とを有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機の軸受構造。
4. 前記ロータ軸の回転を支持するタービン側とコンプレッサ側のラジアル軸受と、該ラジアル軸受を内蔵する中空円筒形の軸受スリーブと、該軸受スリーブを内側に固定する貫通孔を有するベアリングハウジングとを備え、
   前記ラジアル軸受は、内面に潤滑油を供給する半径方向貫通穴を有し、
   前記軸受スリーブは、ラジアル軸受の外面に潤滑油を供給する半径方向貫通穴を有し、
   前記油路は、軸受スリーブの外面に設けられ軸方向に延び軸受スリーブの半径方向貫通穴を連通する凹溝である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機の軸受構造。
   
   

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