JP2007170296A

JP2007170296A - 過給機

Info

Publication number: JP2007170296A
Application number: JP2005369924A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Shimizu; 政宏清水
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】オーバーハング量を減らすことができる軸受構造を有することで、過給機の回転系の安定性をさらに高めることができる過給機を提供する
【解決手段】排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、該タービンインペラ３の回転により回転駆動され空気を圧縮するコンプレッサインペラ５と、タービンインペラ３とコンプレッサインペラ５とを連結する回転軸７と、該回転軸７を内側に収容するハウジング８と、を備え、該ハウジング８の内側に、回転軸７を回転可能に支持する軸受構造が組み込まれている過給機であって、軸受構造は、コンプレッサ５に近接した位置にて回転軸７に固定され、回転軸７から半径方向外方に延びているスラスト部と、ハウジング８に軸方向に移動しないように固定されており、その内部に回転軸７が通って回転軸７からの半径方向荷重を受けるジャーナル軸受１７と、を有する。該ジャーナル軸受１７は、スラスト部のタービン側端面に接触してスラスト部からタービン側への軸方向荷重を受けるコンプレッサ側端面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は過給機に関する。

過給機はその基本構成としてタービンとコンプレッサとを備え、タービンは、エンジンの排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラを有し、コンプレッサは、タービンインペラの回転により回転駆動されるコンプレッサインペラを有している。また、回転駆動力をタービンからコンプレッサへ伝達するために、タービンインペラとコンプレッサを連結する回転軸が過給機に備えられる。

このような構成により、エンジンの排気ガスによりタービンインペラを回転させ、それと同時に、コンプレッサインペラも回転駆動され、圧縮空気がコンプレッサからエンジンに供給されることになる。これにより、エンジンに自然吸気以上の過給状態をもたらし、エンジンを高出力状態にする。

上述の回転軸を支持するための軸受としては、回転軸からの半径方向荷重を支持するジャーナル軸受と、回転軸からの軸方向荷重を支持する正スラスト軸受とがある。このようなジャーナル軸受と正スラスト軸受とを有する軸受構造は、例えば特許文献１に開示されている。

図４は、特許文献１の回転軸の軸受構造を示しており、図５は、図４のコンプレッサ側の部分拡大図である。図５に示すように、この軸受構造は、回転軸２１に固定されているスラストブッシュ２２と、このスラストブッシュ２２のコンプレッサ側に位置し軸受ハウジング２３に固定されている正スラスト軸受２５と、スラストブッシュ２２のタービン側に位置し軸受ハウジング２３に固定されている反スラスト軸受２７と、を有する。また、軸受構造は、タービン側とコンプレッサ側にそれぞれ設けられるジャーナル軸受２９を有する。

正スラスト軸受２５は、そのタービン側端面が、スラストブッシュ２２のコンプレッサ側端面に接触して、スラストブッシュ２２からコンプレッサ側への軸方向荷重を受ける。一方、反スラスト軸受２７は、そのコンプレッサ側端面がスラストブッシュ２２のタービン側端面に接触して、スラストブッシュ２２からコンプレッサ側への軸方向荷重を受ける。
このように、正スラスト軸受２５と反スラスト軸受２７が回転軸２１に固定されたスラストブッシュ２２から軸方向荷重を受けることで、回転軸２１を軸方向に支持している。
また。ジャーナル軸受２９は、それぞれタービン寄りの位置とコンプレッサ寄りの位置とで回転軸２１から半径方向荷重を受けて、回転軸２１を半径方向に支持している。
実開平４−１１９６２４号公報「ターボチャージャの軸受構造」

図４の符号Ａで示す長さをオーバーハング量という。すなわち、オーバーハング量は、コンプレッサ側において、ジャーナル軸受２９に支持されている位置から外側にはみ出ている回転系の長さをいう。具体的には、回転軸がジャーナル軸受２９に支持されている位置からコンプレッサインペラの軸方向先端までの長さである。
このオーバーハング量が大きいと、過給機の回転系が不安定になる。従って、回転系の安定性を高めるために、オーバーハング量を減らすことが望まれる。

しかしながら、図５に示す特許文献１の軸受構造では、コンプレッサ側において、正スラスト軸受２５、スラストブッシュ２２、反スラスト軸受２７が、軸方向の幅をとっているため、その分オーバーハング量が大きくなっている。すなわち、オーバーハング量を減らそうとしても、これらの軸受が障害となり、オーバーハング量を減らすことが困難となっている。

そこで、本発明の目的は、オーバーハング量を減らすことができる軸受構造を有することで、過給機の回転系の安定性をさらに高めることができる過給機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラの回転により回転駆動され空気を圧縮するコンプレッサインペラと、タービンインペラとコンプレッサインペラとを連結する回転軸と、該回転軸を内側に収容するハウジングと、を備え、該ハウジングの内側に、前記回転軸を回転可能に支持する軸受構造が組み込まれている過給機であって、前記軸受構造は、コンプレッサに近接した位置にて前記回転軸に固定され、回転軸から半径方向外方に延びているスラスト部と、前記ハウジングに軸方向に移動しないように固定されており、その内部に回転軸が通って回転軸からの半径方向荷重を受けるジャーナル軸受と、を有し、該ジャーナル軸受は、前記スラスト部のタービン側端面に接触してスラスト部からタービン側への軸方向荷重を受けるコンプレッサ側端面を有する、ことを特徴とする過給機が提供される。

上記過給機では、ジャーナル軸受は、回転軸から半径方向の荷重を受けるだけでなく、そのコンプレッサ側端面がスラスト部からタービン側への軸方向荷重を受けることで、反スラスト軸受の機能をも兼ねるので、従来のように、反スラスト軸受を設ける必要がなくなる。従って、反スラスト軸受を省略することができ、この反スラスト軸受の厚みの分だけ、オーバーハング量を減らすことが可能になる。これにより、過給機の回転系の安定性をさらに高めることができる。

通常、軸受ハウジングに軸方向に固定されたジャーナル軸受は、銅系の柔らかい材質で形成され、回転軸は鉄系の硬い材質で形成される。この材質の違いにより、ジャーナル軸受と回転軸は熱膨張係数が異なったものとなる。つまり、ジャーナル軸受と回転軸の熱膨張係数の相違により、これらの軸方向の熱膨張距離が大きく異なったものとなる。従って、回転軸に対して生じる前記コンプレッサ側端面の位置ずれも大きくなり、回転軸と軸受との間の軸方向のクリアランスが小さくなり、回転軸の回転に支障をきたしてしまう。
回転軸に対するジャーナル軸受のコンプレッサ側端面の熱膨張による位置ずれは、軸方向に関してジャーナル軸受を回転軸に固定する位置からジャーナル軸受のコンプレッサ側端面までの距離が短くなるほど小さくなるので、この距離を短くした分だけ位置ずれを抑制することができる。また、過給機においてタービン側よりもコンプレッサ側のほうが温度が低く、それだけコンプレッサ側では熱膨張距離が短い。

そこで、これら着目点により、本発明の好ましい実施形態によると、上記過給機において、前記ジャーナル軸受は、タービン側からコンプレッサ側まで軸方向に延びており、タービンに近接した位置とコンプレッサに近接した位置とで、回転軸を半径方向に支持する軸受部をその両端部に有しており、前記回転軸とジャーナル軸受はその熱膨張係数が異なっており、これにより、運転時の熱膨張によって前記コンプレッサ側端面の位置が前記回転軸に対して軸方向にずれた場合に、前記スラスト部と前記コンプレッサ側端面との軸方向のクリアランスを、回転軸の回転に支障がない範囲内に維持できるように、ジャーナル軸受のハウジングへの固定位置を、前記コンプレッサ側端面に寄せている。

この構成では、運転時の熱膨張によって前記コンプレッサ側端面の位置が前記回転軸に対して軸方向にずれても、スラスト部とコンプレッサ側端面との軸方向のクリアランスを、回転軸の回転に支障がない範囲内に維持できるように、ジャーナル軸受のハウジングへの固定位置を、前記コンプレッサ側端面に寄せているので、回転軸に対して生じる前記コンプレッサ側端面の位置ずれを、回転軸の回転に支障をきたさない範囲内に留めておくことができる。

上述のように本発明では、ジャーナル軸受のコンプレッサ側端面によりスラスト部からタービン側への軸方向荷重を受けるように構成しているので、従来のように、タービン側への軸方向荷重も受ける反スラスト軸受を別個に設ける必要がなくなる。従って、反スラスト軸受を省略することができ、この反スラスト軸受の厚みの分だけ、オーバーハング量を減らすことが可能になる。

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、各図において共通する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、本発明の実施形態による過給機の全体構成を示す図である。図１に示すように、過給機１０は、排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラ３と、タービンインペラ３の回転により回転駆動され空気を圧縮するコンプレッサインペラ５と、タービンインペラ３とコンプレッサインペラ５とを連結する回転軸７と、回転軸７を回転可能に支持する軸受構造がその半径方向内側に組み込まれているハウジング８と、を備える。なお、図１の例では、ハウジング８は、タービンハウジング９と分離している軸受ハウジングであるが、タービンハウジング９と一体となっているものであってもよい。

図２は、図１の過給機１０の部分拡大図であり、本実施形態による軸受構造を示している。この軸受構造は、コンプレッサ寄りの位置にて回転軸７に固定されているスラストブッシュ１３と、スラストブッシュ１３のコンプレッサ側にて軸受ハウジング８に固定されている正スラスト軸受１５と、スラストブッシュ１３のタービン側にて軸受ハウジング８に軸方向に固定されているジャーナル軸受１７と、を有する。なお、図２に示すスラストブッシュ１３は、回転軸７に固定されているスラスト部であるが、他の適切な形状、部品等でスラスト部を形成してもよい。また、図１において、符号２は潤滑油供給路を示し、符号４はジャーナル軸受１７に形成された潤滑油孔を示している。

正スラスト軸受１５は、スラストブッシュ１３のコンプレッサ側端面１３ａに接触して、スラストブッシュ１３からコンプレッサ側への軸方向荷重を受ける。

ジャーナル軸受１７は、軸受ハウジング８に取り付けたスラストピン１８により、半径方向に移動可能に、軸受ハウジング８に軸方向および回転方向に固定され、セミフローティング軸受として機能する。また、ジャーナル軸受１７は、タービン寄りの位置からコンプレッサ寄りの位置まで軸方向に延びており、タービン寄りの位置とコンプレッサ寄りの位置とで、回転軸７を半径方向に支持する軸受部１７ａ、１７ｂをその両端に有している。

このように、ジャーナル軸受１７が、回転軸７を半径方向に支持すべく、タービン側からコンプレッサ側まで軸方向に一体的に延びているので、２つのジャーナル軸受をタービン側とコンプレッサ側とそれぞれ設ける必要がなく、単一のジャーナル軸受で足り、部品点数を減らすことができる。

本発明の実施形態によると、ジャーナル軸受１７は、回転軸７から半径方向荷重を受けるだけでなく、回転軸７からタービン側への軸方向荷重をも受けるように形成されている。すなわち、本実施形態のジャーナル軸受１７は、反スラスト軸受としても機能するように形成されている。具体的には、ジャーナル軸受１７は、スラストブッシュ１３のタービン側端面１３ｂに接触して、スラストブッシュ１３からタービン側への軸方向荷重を受けるコンプレッサ側端面１７ｃを有するように形成されている。

このように、ジャーナル軸受１７は、そのコンプレッサ側端面１７ｃがスラストブッシュ１３からタービン側への軸方向荷重を受けることで、反スラスト軸受の機能をも兼ねているので、従来のように反スラスト軸受を別個に設ける必要がなくなる。よって、従来において使用されていた反スラスト軸受を省略することができ、軸受の部品点数を減らすことができる。

図３は、本実施形態において、ジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃに反スラスト軸受の機能を持たせることで、反スラスト軸受を省略した場合のオーバーハング量を、従来のように反スラスト軸受を別個に用いた場合のオーバーハング量と比較した図である。
図３から分かるように、従来ではオーバーハング量がＡ２であるのに対し、本発明ではオーバーハング量が反スラスト軸受の厚さの分だけＡ１に減っている。
このように、本発明ではオーバーハング量を反スラスト軸受の厚みの分だけ減らすことができるので、過給機１０の回転系の安定性をさらに高めることができる。

次に、本発明の実施形態に用いられるジャーナル軸受１７についてより詳細に説明する。上述のように、本実施形態において、ジャーナル軸受１７は、軸受ハウジング８に取り付けたスラストピン１８により、半径方向に移動可能に、軸受ハウジング８に軸方向および回転方向に固定されて、セミフローティング軸受として機能する。
上述のように、ジャーナル軸受１７は、タービン寄りの位置からコンプレッサ寄りの位置まで軸方向に延びており、タービン寄りの位置とコンプレッサ寄りの位置とで、回転軸７を半径方向に支持する軸受部１７ａ、１７ｂをその両端に有している。
そして、ジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃは、スラストブッシュ１３からタービン側への軸方向加重を受ける反スラスト軸受として機能する。

過給機１０の運転時には、タービンを駆動する排気ガスが高温であるため、タービン側からコンプレッサ側へと高温熱が伝達されてくる。この熱により、回転軸７やジャーナル軸受１７は、熱膨張して軸方向の長さが増すことになる。
通常、ジャーナル軸受１７は、銅系の柔らかい材質で形成され、回転軸７は鉄系の硬い材質で形成される。この材質の違いにより、ジャーナル軸受１７と回転軸７はその熱膨張係数が異なったものとなる。従って、熱膨張係数の違いにより、熱膨張したジャーナル軸受１７の回転軸７に対する軸方向位置が、当初に設定した位置からずれてしまう（例えば、１０ミクロンの位置ずれ）。特に、ジャーナル軸受１７と回転軸７の長さが大きい場合には、上記位置ずれもそれだけ大きくなり、過給機の運転に支障をきたしてしまう。
すなわち、熱膨張により、ジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃの位置が回転軸７に対して軸方向に大きくずれると、スラストブッシュ１３とジャーナル軸受１７及び正スラスト軸受１５との間の軸方向のクリアランスが小さくなってしまい、回転軸７の回転に支障をきたしてしまう。

回転軸７に対するコンプレッサ側端面１７ｃの熱膨張による位置ずれは、スラストピン１８によりジャーナル軸受１７を軸受ハウジング８に固定している位置からジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃまでの距離に依存する。また、過給機においてタービン側よりもコンプレッサ側のほうが温度が低く、コンプレッサ側ではそれだけ熱膨張距離が短い。これらの点に着目して、本実施形態によると、次のようにジャーナル軸受１７を固定する。
ジャーナル軸受１７の軸方向の固定位置、即ち、スラストピン１８の位置を、ジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃの近傍に設定する。従って、この固定位置からジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃまでの距離が短くなる。
よって、回転軸７に対するジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃの熱膨張による位置ずれは、上記固定位置からジャーナル軸受１７のコンプレッサ側端面１７ｃまでの距離が短くなるほど小さくなるので、この距離を短くした分だけ位置ずれを抑制することができる。

特に、本実施形態では、運転時において、回転軸７とジャーナル軸受１７はその熱膨張係数が異なっており、これにより、運転時の熱膨張によってコンプレッサ側端面１７ｃの位置が回転軸７に対して軸方向にずれた場合に、スラスト部１３とコンプレッサ側端面１７ｃとの軸方向のクリアランスを、回転軸７の回転に支障がない範囲内に維持できるように、ジャーナル軸受１７のハウジングへの固定位置を、コンプレッサ側端面１７ｃに寄せている。
例えば、運転時において、熱膨張しても、回転軸とその軸受との間の軸方向のクリアランスが全体で５０ミクロン以上になるように、ジャーナル軸受１７を軸方向にハウジング８に固定する位置を、コンプレッサ側端面１７ｃに寄せておく。
これにより、回転軸７に対して生じるコンプレッサ側端面１７ｃの位置ずれを、回転軸７の回転に影響を与えない範囲内に留めておくことができる。

以上のように本発明の実施形態によると、ジャーナル軸受のコンプレッサ側端面が反スラスト軸受の機能を有するので、従来のように、タービン側への軸方向荷重も受ける反スラスト軸受を別個に設ける必要がなくなる。従って、反スラスト軸受を省略することができ、この反スラスト軸受の厚みの分だけ、オーバーハング量を減らすことが可能になる。これにより、過給機の回転系の安定性をさらに高めることができる。
また、運転時の熱膨張時において、ジャーナル軸受と回転軸の熱膨張係数の違いにより、ジャーナル軸受が回転軸に対して位置ずれしても、これを抑制すべく、ジャーナル軸受を軸方向にハウジングに固定する位置をコンプレッサ側に寄せてある。これにより、回転軸に対して生じるジャーナル軸受のコンプレッサ側端面の位置ずれを、回転軸の回転に支障をきたさない範囲内に留めておくことができる。

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を加え得ることは勿論である。

本発明の実施形態のよる過給機の全体構成図である。図１の過給機の部分拡大図であり、軸受構造を示している。本発明のオーバーハング量を従来の場合と比較した図である。従来の過給機の全体構成図である。図４の過給機の部分拡大図であり、軸受構造を示している。

符号の説明

３タービンインペラ
５コンプレッサインペラ
７回転軸
８ハウジング
１０過給機
１３スラストブッシュ
１３ａスラストブッシュのコンプレッサ側端面
１３ｂスラストブッシュのタービン側端面
１５正スラスト軸受
１７ジャーナル軸受
１７ａ，１７ｂ軸受部
１７ｃジャーナル軸受のコンプレッサ側端面
１８スラストピン

Claims

排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラの回転により回転駆動され空気を圧縮するコンプレッサインペラと、タービンインペラとコンプレッサインペラとを連結する回転軸と、該回転軸を内側に収容するハウジングと、を備え、該ハウジングの内側に、前記回転軸を回転可能に支持する軸受構造が組み込まれている過給機であって、
前記軸受構造は、
コンプレッサに近接した位置にて前記回転軸に固定され、回転軸から半径方向外方に延びているスラスト部と、
前記ハウジングに軸方向に移動しないように固定されており、その内部に回転軸が通って回転軸からの半径方向荷重を受けるジャーナル軸受と、を有し、
該ジャーナル軸受は、前記スラスト部のタービン側端面に接触してスラスト部からタービン側への軸方向荷重を受けるコンプレッサ側端面を有する、ことを特徴とする過給機。
前記ジャーナル軸受は、タービン側からコンプレッサ側まで軸方向に延びており、タービンに近接した位置とコンプレッサに近接した位置とで、回転軸を半径方向に支持する軸受部をその両端部に有しており、
前記回転軸とジャーナル軸受はその熱膨張係数が異なっており、これにより、運転時の熱膨張によって前記コンプレッサ側端面の位置が前記回転軸に対して軸方向にずれた場合に、前記スラスト部と前記コンプレッサ側端面との軸方向のクリアランスを、回転軸の回転に支障がない範囲内に維持できるように、ジャーナル軸受のハウジングへの固定位置を、前記コンプレッサ側端面に寄せている、ことを特徴とする請求項１に記載の過給機。