JP2005195004A - 流体流動エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】流体流動エンジンに関し、簡単で効率的な音抑制手段を有する消音装置を提供する。
【解決手段】流体流動エンジンは、軸受胴３４により軸受ハウジング４内に支持された軸１８を備えている。軸受胴には、各々が軸受胴に対する直径、長さ及び角度配置に関して所定の幾何学的形態を有する少なくとも２つの潤滑穴がある。少なくとも１つのタービンロータＴが軸の一端にある。タービンハウジング２が、タービンロータを受け入れるタービン空間４２を提供し、タービンハウジングは軸受ハウジング４と接続される。軸受ハウジング内には音抑制手段４１が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体として、軸と、少なくとも１つの軸の支持胴すなわち軸受胴に達する少なくとも２つの潤滑穴を通して潤滑された軸を支持する軸受ハウジングと、を備える流体フローエンジンすなわち流体流動エンジンに関する。潤滑穴は、直径、長さ及び角度配置に関して所定の幾何学的形態を提供する。軸に取り付けられ、かつタービンハウジングのタービン空間内で回転するタービン翼車を受け入れ、かつ軸受ハウジングに取り付けられるタービンハウジングが更に存在する。

「流体流動エンジン」という語が本明細書の文章中に使用されるとき、その語は、タービン又は二次的空気ポンプ等の何れかを意味するものとする。好ましくは、そのタービン等は、ターボ過給機であるものとする。

流体フローすなわち流体流動エンジン内にて騒音が発生するという問題点は既知である。従って、この騒音を消すため多岐に亙る提案が為されてきた。米国特許第５，１１０，２５８号、米国特許第５，１７３，０２０号、米国特許第５，８２０，３４８号及び米国特許第６，３０９，１７６号、又は欧州特許第０ ０３９ ４５９号に開示されたように、消音装置は、特に、ロータの羽根に又はその羽根の周りに設けられている。その他の提案は、消音器が羽根付きロータの流れ入口又は流れ出口に設けられるものである。米国特許第３，５７８，１０７号、米国特許第４，２０４，５８６号及び米国特許第４，９６９，５３６号、又は欧州特許第０ ５７３ ８９５号にその例を見ることができる。

これら全ての措置の結果、騒音の発生量は減少するが、その発生源が必ずしも明確でないかなりの騒音が依然として存在する。

当該発明者等は、この依然として残る騒音及びその発生源について、その他の全ての騒音源を解消した後、詳細に検討した。驚くべきことに、流体フローすなわち流体流動エンジンによって発せられた騒音の一部分の発生源が軸の軸受にあることが分かり、これが本発明を実現する方向への最初のステップであった。軸の軸受は、軸が静粛でかつ均一な仕方にて回転することを可能にすること以外、何もしないと多分考えられていたから、このことは驚くべきことであった。

この現象の検討を続けたとき、騒音を発生させるのは、軸受と潤滑システムとの協働によることが分かったことは、更に大きい驚きであった。潤滑システムは、一般に、全体として星形の形態にて軸受の殻体に達する少なくとも２つ、しばしばより多数の潤滑穴を備えている。これら穴の各々１つは、勿論、潤滑剤を保持しており、また、軸受胴の振動を励起させ、このため、かなりの騒音を発生させるのは油膜中に生じた半周波数の乱流であり、この半周波数の乱流は軸受胴の振動煽動をかつこれによりいくらかの騒音を引き起こすが、更に（この理論に拘束されることを望むものではないが）、流体流動エンジンの作動中に、特定の長さ及び厚さ（及び軸受に対する幾何学的配置）の潤滑穴の各々内に保持された流体の柱（潤滑剤）を多分、振動させることが分かった。

これら２つの認識ステップが行われた後、直ちに、更に１つのステップのみ行っただけで、消音装置が軸受ハウジング内に特に、軸の軸受シェルすなわち軸受胴に設けられることから実質的に成る、発明を完全に着想できた。本明細書にて使用する、「軸の軸受胴にて」という語は、その最広義の意味にて、すなわち、軸の軸受胴の内部及び軸受ハウジングの内部並びに軸の軸受胴の周りに配置することの双方を包含するものと理解すべきである。

原理上、消音装置は、例えば、音吸収材手段、干渉装置及び（又は）ヘルムホルツ（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）装置を使用する、それ自体既知の任意の型式のものとすることができる。しかし、消音装置が異なる幾何学的形態の少なくとも２つの潤滑穴を備えるならば、それは、最も簡単でかつ最も効率的な具体化の方法であることが分かった。「幾何学的形態」という語は、既に、穴の直径、長さ及び環状の配置の寸法を決定し、かつ配置する（軸の軸受胴に対して）ことを意味するものとして上記に定義してある。

少なくとも２つの潤滑穴が軸受シェルすなわち軸受胴に対して異なる幾何学的形態を有するならば、特に、有益な結果が得られた。この対策は２つの効果を生じることが分かった。すなわち、半周波数の乱流は、最早、均一な励起作用を発生させることができず、異なる幾何学的形態のため、軸が１回転する毎に、再々に渡って乱される結果、穴内の流体の柱は、最早、同一の周波数にて振動することはできず、このことは、騒音の発生を更に減少させることになる。

例えば、軸受胴の外面に取り付けられた潤滑導管のオリフィスと比較して、軸受胴の潤滑穴の内側部分を狭小にすることにより、多岐に亙る仕方にて具体化し、穴が軸受胴の半径方向内部よりも半径方向外部により大きい直径を有するようにすることで、かかる異なる幾何学的形態を実現できるのは勿論である。しかし、このことは、部品のかなり費用高の処理を必要とし、その理由のため、次の可能性の少なくとも１つを採用することが好ましい。

潤滑穴の少なくとも１つが、少なくとも第二の潤滑穴と比較したとき、異なる直径を有すること；
潤滑穴の少なくとも１つが、異なる角度にて軸受胴の内部に開口しかつ（又は）その他の穴と比較したとき、異なる長さを有すること；
潤滑穴は、異なる周方向角度にて軸受胴の周囲に亘って分配されることである。

上述したこれらの対策は、組み合わせることも可能であることが理解されよう。
本発明の更なる詳細は、図面に概略図的に示した実施の形態の以下の説明から明らかになるであろう。

図１によれば、ターボ過給機１は、通常通り、タービンハウジング部分２に取り付けられたタービンハウジング部分２及び軸受ハウジング部分４と、コンプレッサハウジング部分３と、を備えている。これらの部分２ないし４の全ては、長手方向回転軸線Ｒに沿って配置されており、また、軸１８がこの軸線Ｒに沿って伸びている。軸１８の各端部には、ロータが取り付けられている、すなわち、タービンロータＴがタービン空間４２内にてタービンハウジング２内部で軸の一端に取り付けられ、コンプレッサロータＫが他端にてコンプレッサハウジング３内に受け入れられている。

軸受ハウジング４は、長手方向軸線Ｒの周りでねじ付きボルト１９によりコンプレッサハウジング３に締結され、また、壁３３により形成された開口部内のねじ付きボルト２０により、タービンハウジング２に締結されている。軸受ハウジング４の取り付けフランジ２１とコンプレッサハウジング３との間には、密封リング２２があるが、該密封リング２２は、この領域内で存在する比較的低い温度のため、従来型式のものでよい。

タービンハウジング部分２は、それ自体既知の可変の幾何学的形態による案内格子から成るノズルリング６を保持しており、該ノズルリング６は、その周辺に亘って分配された案内ベーン７を備えている。案内ベーン７は、関係した回動軸線又は回動軸８の周りで回転させることができ（調節機構に依存して）、案内ベーンは、互いの間にノズル断面を形成し、このノズル断面は、案内ベーン７の回動位置に従って、すなわち、軸線Ｒに対してより半径方向に又はより接線方向に、より大きく又はより小さくし、このため、軸線Ｒにて中心に配置されたタービンロータТに対する燃焼エンジンの廃ガスの供給量を多量に又は少量にすることができる。その後、廃ガスは、中央管１０を介して排出される。このようにして、タービンロータТは、同一の軸１８に取り付けられたコンプレッサロータＫを駆動する。案内ベーン７を回転させる機構は、所望の任意の型式のものとすることができる。一般に、その内部の膜の制御動作がタペット部材１４に伝達される（流体圧力を感知するため）制御装置１２がある。タペット部材１４は、クランクレバー１５のクランクピン１３が係合する冠形軸受１１を備えている。クランクレバー１５は、それ自体既知であるように、調節軸に接続されており、該調節軸は、図１において、異なる平面内にあり、従って、この図にて見ることはできない。この軸から、制御動作は、回動軸８に取り付けられたレバーにより又は歯付きセクター又は従来技術による任意のその他の方法により回動軸８に伝達される。軸１８は、既知の性質のものであり、任意の方法にて軸受ハウジング４内に支持することができ、軸受の構造自体は、本発明にとって何ら重要ではない。

軸受ハウジング４は、タービンハウジング２に向けた方向にて端部フランジ５にて終わっており、該端部フランジは、ハウジング部分２、４の双方をねじ付きボルト２０により相互に接続する前に、タービンハウジング２の相応する凹所内に挿入される。保持リング、或いは単にねじ付きボルト２０用の座金１６は、フランジ５にねじ止めするか又はフランジ５と一体に鋳造することができる。この保持リング１６は、ほぼ四角形の断面を有しかつタービンハウジング２の相応する四角形態の溝内に挿入される密封リング１７を強固に保持する。しかし、保持リング１６は、軸受ハウジング部分４をタービンハウジング部分２に取り付け、これにより、タービンハウジング２に対する軸受ハウジング４の軸方向位置を固定し、かつ決定する働きを更に果たすことができる。

軸１８を支持する軸受シェルすなわち軸受胴３４は軸受ハウジング４内に受け入れられている。この軸受胴３４は、中央の潤滑ニップル３５を通して潤滑剤を受け入れる。潤滑ニップル３５から軸受胴３４まで流れる潤滑剤は、潤滑ニップル３５の端部において穴３６、３７から軸受胴３４の半径方向穴３８、３９に分配され、その潤滑ニップルの端部は軸受胴と面し、これにより軸受胴３４の内壁と軸１８の外面との間に油膜を形成する。この油膜は、軸受ハウジング４によって発生される騒音の原因となることが分かった。その理由は、ロータＫ、Тを支持する軸１８が回転するに伴い、半周波数乱流が油膜内で発生され、この乱流は軸受を励起して振動させ、かつ騒音を発生させるからである。

この騒音を無くし得ないにしても、少なくとも軽減する１つの可能性は、軸受胴３４の周りに取り付けられかつ、軸受ハウジング部分４自体と共に、ヘルムホルツ消音器を形成する有孔のヘルムホルツ板４０のような一般的な消音器を使用することである。この目的のため、更に又は代替的に、音吸収材料４１をロータТ、Ｋのハウジング部分２、３の１つではなくて、軸受ハウジング４内に受け入れることも可能である。しかし、音及び騒音を抑制する特に効果的な配置について以下の図面を参照しつつ説明する。

図２の実施の形態の場合、異なる直径の潤滑穴３９ａ、３９ｂ、３９ｃは、回転軸線Ｒの周りで均一な形態の角度距離にて配置され、かつそれ自体既知の仕方にて、潤滑穴３７を通して潤滑剤が供給される（図１）。穴３９ａないし３９ｃの直径が異なるため、潤滑穴３９ｃの境界壁から潤滑穴３９ａの相応する境界壁までの角度距離ａは、潤滑穴３９ｂ、３９ｃの境界壁間の角度距離ｂと相違する。このことは、図面に明確に表示しない穴３９ａ、３９ｂの間の角度距離にも当てはまる。このようにして、何ら明確な半周波数の乱流は発生されず、このため、さもなければ発生されるであろう騒音は減少する。更なる効果は、潤滑穴３９ａ、３９ｂ、３９ｃの各々１つ（軸受胴３４の内壁と軸１８の外面との間の油膜の半周波数の乱流によって励起されて振動する流体の柱とみなされる）は、異なる特徴の周波数を有することである。

ほぼ同一の効果を有する別の好ましい実施の形態は、図３に見ることができ、ここで、潤滑穴３９ｄ、３９ｅ、３９ｆは、上述したものとほぼ同一又は同様の効果を生ずる、異なる角度距離ｃ、ｄにて配置されている。しかし、本発明は、任意の数の穴、但し、少なくともその２つが使用できるから、特定の数の潤滑穴に限定されるものではないことが理解されよう。

図４の実施の形態の場合、穴３９ｇ、３９ｈのオリフィス間の角度距離が異なるのみならず、接続角度も異なる。更に、穴３９ｇはほぼ半径方向に向けて軸受胴３４の内部に排出する一方、潤滑穴３９ｈは、軸受胴３４内にほぼ接線方向に排出し、このことは、一方にて穴３９ｇの排出オリフィスに対し、また、他方にて、穴３９ｈに対する半周波数乱流の効果は相違することを意味する。更に、潤滑穴３９ｈの長さは、ほぼ半径方向に向けて軸受胴３４の内部に入る穴３９ｇの長さよりも多少長くし、このため、穴３９ｇ、３９ｈ内の特徴的な周波数又はそれぞれの流体は、相違するものとなり、部分的な消音効果が生じるであろう。

図２ないし図４に示した構造上の可能性は、互いに組み合わせることができるのみならず、これらの対策が音に影響を与える幾何学的形態を異なる潤滑穴３９（少なくとも２つ）に対し相違したものとすることに意義があることを考慮して、多岐に亙る仕方にて変更することもできることが理解されよう。以下に説明するように、図５及び図６を比較するとき、図１に示したもの（ヘルムホルツ板４０及び音吸収塊り４１）のような追加的な対策が提供されない場合でさえ、従来技術のうるさい騒音を顕著な程度に抑制することができる。しかし、今日まで、軸受ハウジング４にて知られていなかったが、従来技術にて既知の幾つかの追加の音吸収対策を本発明の範囲内にて提供することができる。

図５には、ｋＨｚで表す周波数を横軸に示す一方、μｍで表す波の伝播振幅を縦軸に示す（「μｍｒ」という表現は、測定型式、すなわちｒｍｓ−測定を意味する）の線図が示されている。試験中に出会う騒音の原因であるほぼ９００Ｈｚの範囲にて明確な先端Ｓが生じたことが分かる。これとは別に、その範囲内にて、最早、知覚できない更に別の僅かな上昇部分がある。

これに反して、図６には、図２による潤滑穴の設計による同様のプロット図が示されている。同一の周波数範囲（約９００Ｈｚ）にて現れる先端Ｓは、この場合、より低くなっている、すなわち、明確により小さい振幅を有する。最初、小さい先端Ｓが成長したが、知覚し得ない周波数範囲内にあるから、これはうるさくない。

次に、図５及び図６の周波数範囲のため、どのような結果となるのかとの問いを検討すること、従って、本発明に従った第一の認識ステップを行うことができる。この検討は、図７及び図８の加速度範囲（ｋＨｚにて表す周波数を図７及び図８の横軸に描く間に、縦軸に示した構造体に起因する騒音又はｇにて表す加速度を測定したときの測定値）を基準にして試みる必要がある。図５及び図６を比較すると、この場合にも、先端Ｓ及びｓがあることが分かる。しかし、低周波数範囲に位置する更に別の先端ｓ´があることが注目される。この先端ｓ´は、本発明による図２の実施の形態の場合、増大するが（図８）、図５及び図６を比較したとき理解し得るように、周波数範囲に何ら影響を与えない。その理由は、先端ｓ´はターボ過給機と接続された内燃機関の点火頻度に起因するものであることが分かり、従って、考慮する必要はないからである。

本発明は、ターボ過給機への好ましい適用に関して上記に説明したが、当該技術分野の当業者は、本発明は、二次的空気ポンプのようなその他の流体フローすなわち流体流動エンジンにも適用することができ、実質的に同一の有利な効果を得ることができることが理解されよう。何れの場合でも、ターボ過給機を備える流体流動エンジンは、高回転数に起因する騒音の発生に関して特に重大である。

更に、軸受胴３４は、図示するように、必ずしも単一物として形成しなければならない訳ではない。図２ないし図４に潤滑穴３９が図示されているが、同様の又は同一の配置に潤滑穴３８（図１）を設けることができ、また、通常、かかる潤滑穴３８が設けられることも理解されよう。更に、本発明は、１つのタービンロータが軸１８に取り付けられるか、又は複数のタービンロータが設けられるかどうかを問わずに、使用可能であることも明らかであろう。このことは、コンプレッサロータにも同様に当てはまることであり、コンプレッサロータは、１つ又はより多数のコンプレッサ翼車として存在することができる。

本発明に従ったターボ過給機のハウジング装置の軸方向断面図である。 図１の線Ｘ−Ｘに沿って拡大断面図で示した第一の好ましい実施の形態の図である。 図１の線Ｘ−Ｘに沿って拡大断面図で示した第二の好ましい実施の形態の図である。 図１の線Ｘ−Ｘに沿って拡大断面図で示した第三の好ましい実施の形態の図である。 回転対称に配置され、かつ均一な寸法とされた潤滑穴を有する従来の実施の形態における振幅範囲を示す図である。 図２に示したような本発明による１つの実施の形態における振幅範囲を示す図である。 回転対称に配置され、かつ均一な寸法とされた潤滑穴を有する従来の実施の形態における加速度範囲の図である。 図２に示したような本発明による１つの実施の形態における加速度範囲の図である。

符号の説明

１ ターボ過給機
２ タービンハウジング部分／タービンハウジング
３ コンプレッサハウジング部分 ４ 軸受ハウジング部分／軸受ハウジング
５ 端部フランジ ６ ノズルリング
７ 案内ベーン ８ 回動軸線又は回動軸
１０ 中央管 １１ 冠形軸受
１２ 制御装置 １３ クランクピン
１４ タペット部材 １５ クランクレバー
１６ 座金／保持リング １７ 密封リング
１８ 軸 １９ ねじ付きボルト
２０ ねじ付きボルト ２１ 取り付けフランジ
２２ 密封リング ３３ 壁
３４ 軸受胴 ３５ 潤滑ニップル
３６、３７ 穴 ３８、３９ 軸受胴の半径方向穴
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ、３９ｆ、３９ｇ、３９ｈ 潤滑穴
４０ ヘルムホルツ板 ４１ 音吸収材料／音吸収塊り
４２ タービン空間
ａ 潤滑穴３９ｃの境界壁から潤滑穴３９ａの相応する境界壁までの角度距離
ｂ 潤滑穴３９ｂ、３９ｃの境界壁間の角度距離
ｃ 角度距離 ｄ 角度距離
Ｋ コンプレッサロータ Ｒ 長手方向回転軸線
Ｔ タービンロータ

Claims (6)

1. 流体流動エンジンであって、
   第一の端部及び反対側の第二の端部を有する軸手段と、
   該軸手段を支持する軸受ハウジングを形成する手段と、
   該軸受ハウジング内の軸受胴手段と、
   該軸受胴手段に形成された少なくとも２つの潤滑穴であって、前記軸受胴手段に対する直径、長さ及び角度配置に関して所定の幾何学的形態を有する少なくとも２つの潤滑穴と、
   前記軸手段の前記第一の端部における少なくとも１つのタービンロータと、
   該少なくとも１つのタービンロータを受け入れるタービン空間を有し、かつ前記軸受ハウジングと接続されたタービンハウジングを形成する手段とを備える、流体流動エンジンにおいて、
   音抑制手段が、設けられて前記軸受ハウジング内に配置されることを特徴とする、流体流動エンジン。
2. 請求項１に記載の流体流動エンジンにおいて、前記軸手段の前記第二の端部に少なくとも１つのコンプレッサロータがあり、前記少なくとも１つのタービンロータ及び該少なくとも１つのコンプレッサロータが、ターボ過給機の一部を形成することを特徴とする、流体流動エンジン。
3. 請求項１に記載の流体流動エンジンにおいて、前記音抑制手段が、軸受胴手段に対し少なくとも２つの潤滑穴の異なる幾何学的形態を備えることを特徴とする、流体流動エンジン。
4. 請求項３に記載の流体流動エンジンにおいて、前記潤滑穴の少なくとも１つが、前記少なくとも２つの潤滑穴の別の潤滑穴の直径と比較して異なる直径を有することを特徴とする、流体流動エンジン。
5. 請求項３又は４に記載の流体流動エンジンにおいて、前記潤滑穴の少なくとも１つが、前記少なくとも２つの潤滑穴の別の潤滑穴と比較して、該１つの潤滑穴が前記軸受胴に開口する異なる接続角度及び（又は）異なる長さを有する、流体流動エンジン。
6. 請求項３、４又は５に記載の流体流動エンジンにおいて、前記潤滑穴が、前記軸受胴内に互いに相違する角度距離にて排出する、流体流動エンジン。

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