JP2011052690A - 特にターボコンパウンドシステムのための、タービンまたは圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】内部ベアリングギャップより大きい遊びを有する遊動ブッシュの外部円周とハウジングの対向する内部円周との間に形成される外部ベアリングギャップの実施を提供。
【解決手段】タービンホイール２を、その第１の端部上又は第１の端部の範囲内に担持し、その第２の端部上又は第２の端部の範囲内に、ギアホイール３を担持する駆動軸１を含み、駆動軸は、外部オイル充填ベアリングギャップ７及び駆動軸に対する内部オイル充填ベアリングギャップ８を形成し、遊動ブッシュ５を使用して取り付けられる、タービン、特に排ガスパワータービンに関する。ベアリングハウジングの内径と、遊動ブッシュの外径との間の差を遊動ブッシュの外径によって割った値とした外部ベアリングギャップのベアリングの遊びは、遊動ブッシュの内径と、駆動軸の外径との間の差を駆動軸の外径によって割った値とした内部ベアリングギャップのベアリングの遊びより小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンまたは蒸気タービンなどのタービン、特にターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービン、具体的には請求項１のプリアンブルによる特徴を有するタービンに関する。さらに本発明は、請求項７のプリアンブルによるターボコンパウンドシステムまたはターボ過給機のためのターボ圧縮機に関する。

この目的のためのターボコンパウンドシステムおよび排ガスパワータービンは当業者にはよく知られている。ターボ過給機のための排ガスタービンに比べて、ターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービン等の駆動軸は、タービンホイール（排ガスタービンのインペラ）から離れた端部に圧縮機インペラを有さないが、むしろ、駆動ピニオンとも呼ばれる駆動ギアホイールを有する。駆動ギアホイールによる圧縮機ホイールの代替は、作動中、駆動軸の取り付けに作用する力に影響する。実際に、設計方策がターボコンパウンドシステムの取り付けの損傷、したがって破損を防止するために実施されなくてはならないような手段において、これらの力は、排ガスターボ過給機の軸の取り付けに生じるものからずれる場合があることが示されている。

そのように、欧州特許第１ １９７ ６３８ Ｂ１号が、駆動ギアホイールを担持するターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービンの駆動軸上で、圧縮機を「専ら」駆動する典型的なターボ過給機の場合におけるものとは異なる力が駆動軸のベアリングシステムに作用することをすでに述べている。それによって、典型的なターボ過給機の場合、振動力、および、油膜による不均衡による力が取り付けによって吸収され、それは、遊動ブッシュ取り付けの外部ベアリングギャップおよび内部ベアリングギャップにおいて均一に分配されることが推定される。対照的に、ターボコンパウンドシステムにおいて、反力が、駆動ギアホイールを通して駆動軸に作用することになり、振動するブッシュベアリング、特にギアホイールに隣接して位置付けられるものの変形を非常に増加させる。

この増加される変形を信頼性を持って制御するために、欧州特許第１ １９７ ６３８ Ｂ１号は、タービンホイールに隣接する第１のベアリング、および、ギアホイールに隣接する第２のベアリングが、それらがハウジングに対して同じ速度で回転するような手段で、相互に機械的に連結されることを解決策として提案する。これは、例えば、第１のベアリングから第２のベアリングまでの駆動軸全体に沿って延在する一体の遊動ブッシュによって達成できる。

それによって、ターボコンパウンドシステムの作動中、駆動軸に作用する力の特別な課題に対処する解決策が分かっているが、提案される実施形態は、ギアホイールに隣接するベアリングが、タービンホイールに隣接するベアリングから比較的離れて設置される場合、特に、ギアホイールに隣接するベアリングが、タービンホイールから反対側を向くギアホイールの側部に位置付けられる場合か、または、さらなる第３のベアリングが、２つのベアリングの間に提供される場合かのいずれかの場合、特にその制限に対応する、製作に費用がかかる比較的複雑な解決策を提供する。

本発明は、一方で、ターボコンパウンドシステムの作動中に生じる述べられた力を信頼性を持って制御し、他方で、上記の欠点を有さないタービン、特にターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービンを具体化する目的に基づいている。さらには、本発明はまた、一端部上の圧縮機インペラ、および、その他方の端部上のギアホイールを担持する駆動軸上のターボ圧縮機に、ここで同じ力の状態が生ずる場合、適応可能である。

欧州特許第１ １９７ ６３８ Ｂ１号明細書 米国特許第４ ４２７ ３０９号明細書

本発明による目的は、請求項１の特徴を有するタービン、および、請求項７の特徴を有するターボ圧縮機によって達成される。本発明の利点、および、特に好都合な実施形態は従属請求項において具体的に述べられる。

本発明は、遊動ブッシュベアリングの設計について知れ渡っている教示を完全に反対にする可能な解決策を示す。具体的には、従来の設計（米国特許第４ ４２７ ３０９号、４頁、第２段落）は、そのように知れ渡っているほど常に、遊動ブッシュの内部円周と、駆動軸の対向する外部円周とによって形成される内部ベアリングギャップより大きい相対的なベアリングの遊びを有する、遊動ブッシュの外部円周と、ハウジングの対向する内部円周との間に形成される外部ベアリングギャップの実施を提供する。内部ベアリングギャップは、より強力なベアリング機能を推定しなければならず、外部ベアリングギャップは、より強力な減衰機能を推定しなければならないことがこの配置に隠れていることが分かった。

外部ベアリングギャップのための相対的なベアリングの遊びは、ハウジングの内径から遊動ブッシュの外径を引いた値、すなわち、これら２つの直径の間の差を遊動ブッシュの外径によって割った値によって定義される。内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、遊動ブッシュの内径から駆動軸の外径を引いた値、すなわち、これら２つの直径の間の差を駆動軸の外径によって割った値として定義される。したがって、相対的なベアリングの遊びの定義は常にそれぞれのより小さい直径に関連する。

本発明によると、少なくともまたは専ら、ギアホイールを担持する駆動軸の端部の範囲内、または、その端部上の、そして、したがって、タービンホイールが設置または担持される駆動軸の端部上、または、その範囲内の駆動軸の端部から反対側を向くベアリングの場合に、内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びより大きいように実施される。第１の実施形態によると、本発明にしたがって実施されるベアリングは、タービンホイールから反対側を向くギアホイールの側部上に設置される。特にギアホイールが張り出して取り付けられる一代替実施形態によると、本発明にしたがって実施されるベアリングは、駆動軸のギアホイールに隣接して、タービンホイールに向かって面する側部上に設置される。

ギアホイールは、内燃機関のクランク軸との駆動接続部に導入される目的のために設計される。対照的に、タービンホイールは、排ガスエネルギーを駆動力に変換し、駆動軸を介して、ギアホイールを駆動して、回転させるために、内燃機関の排ガス流内に位置付けられるように設計される。内燃機関を駆動するために、ギアホイールを使用して、駆動力は、内燃機関のクランク軸へ直接、または、さらなる介在するギアの列を介して伝達される。

タービンホイールに隣接するベアリングはまた、遊動ブッシュベアリングとして実施でき、それは、ハウジング内に取り付けられ、ハウジングに対する外部ベアリングギャップ、および、駆動軸に対する内部ベアリングギャップを形成する遊動ブッシュを含み、遊動ブッシュは、ハウジングのみならず駆動軸にも対して相対的に回転可能である。ベアリングギャップはオイル充填されるが、それは、完全におよび連続的にオイルを充填されなければならないことを意味しない。しかし、油膜は、有利にも、排ガスパワータービンの作動中に刻々とベアリングギャップの円周全体に亘って形成され、有利にも、比較的一定の厚さを有する。

ギアホイールに隣接するベアリング内の外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、１０００分の２と４との間の範囲内で有利である。内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、示されるように、外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びより大きいことを仮定するが、ギアホイールに隣接するベアリングの内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、１０００分の３から５の範囲内で有利である。

一実施形態によると、駆動軸は、特に内燃機関を過給するために内燃機関に供給される新鮮な空気の流れの中に設置される圧縮機インペラ、特に新鮮な空気の圧縮機のインペラをタービンホイールおよびにギアホイールに隣接して有し、有利にも、担持でき、例えば、圧縮機インペラは、それによってギアホイールに隣接して、第２の端部上、または、第２の端部の範囲内に位置付けできる。例えば、本発明にしたがって実施されるベアリングは、有利にも、駆動軸上に張り出して取り付けられる圧縮機インペラと、ギアホイールとの間の第２の端部上に位置付けできる。

一実施形態によると、駆動軸は、ギアホイールに隣接する第１のベアリングと、タービンホイールに隣接する第２のベアリングとの間の第３のベアリングを使用してさらに取り付けられ、この第３のベアリングは特にまた、遊動ブッシュを有する。このやり方において、２つの遊動ブッシュベアリングが、ギアホイールに直接隣接して位置付けられる場合、これらの２つベアリングは両方とも、有利にも、本発明にしたがって実施され、すなわち、それらは、外部ベアリングギャップ内の相対的なベアリングの遊びと比較して、比較的大きな内部ベアリングギャップ内の相対的なベアリングの遊びを有する。しかし、それによって２つのベアリングの１つだけを実施すること、および、比較的より大きい外部ベアリングギャップ内の相対的なベアリングの遊びを有する他のベアリングを実施することも十分でありえる。後者の場合において、特に、タービンホイールからさらに離れて配置される遊動ブッシュベアリングが、比較的より大きい内部ベアリングギャップ内の相対的なベアリングの遊びを有する。

タービンホイールに隣接するベアリングはまた、遊動ブッシュベアリングとして実施される場合、それは有利にも、内部ベアリングギャップ内のものと比較して、より大きい外部ベアリングギャップ内の相対的なベアリングの遊びを有する。しかし、当然、反対の実施形態も考えられる。

本発明は、内燃機関の排ガス流内に設置されるターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービンに基づいて上記に述べられたが、本発明はまた、エネルギーを媒体流から駆動力に変換するために、熱および／または圧力エネルギーを持つ媒体流内に位置付けられる他のタービンに適応可能である。例えば、タービンは、蒸気流内に設置される蒸気タービンとして実施できる。特に、排ガスエネルギーは、同様に、蒸気の発生のために使用でき、そこでは、対応する熱交換器または蒸発機が排ガス流内に設置される。

本発明による教示はまた、圧縮機ホイールが駆動軸の第１の端部上、または、第１の端部の範囲内に位置付けられるターボ圧縮機の場合において適応可能であり、駆動軸は、その第２の端部上、または、第２の端部の範囲内にギアホイールを担持する。しかし、この場合、上記の記述は、それにしたがって、タービンホイールの代わりに、設置されて、それによって媒体流のエネルギーを駆動力に変換しない圧縮機ホイールに適応し、むしろ、駆動力は、内燃機関への新鮮な空気の流れを圧縮する目的のために使用される。駆動力は、駆動軸の第２の端部上、または、第２の端部の範囲内のギアホイールを介して導入され、例えば、内燃機関のクランク軸、および／または、内燃機関の排ガス流内の排ガスタービンによって利用可能にできる。基本的には、例えば、蒸気ループ内の蒸気タービンのための、特に、排ガスエネルギーによって再び発生される蒸気のような他のエネルギー源も使用可能だろう。

本発明は、例示的実施形態に基づいて、以下に、例示的目的のために説明されるだろう。

ターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービンを概要的に示す図である。

図１は、本発明によって実施される、駆動軸１を含むターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービンを概要的に示し、駆動軸１は、ここで、その第１の端部の範囲内、および／または、その第１の端部上にタービンホイール２を担持し、その第２の端部の範囲内にギアホイール３を担持する。ギアホイール３は、さらなるギアホイール１３とかみ合い、流体クラッチ１４を介する内燃機関のクランク軸４への駆動接続部を有するピニオンとして実施され、その排ガス流１５内に、排ガスエネルギーの再生利用ためにタービンホイール２は、設置される。

駆動軸１は、その第２の端部の範囲内、ここでは、その第２の端部上で、排ガスパワータービンのハウジング６内の遊動ブッシュ５、および／または、ターボコンパウンドシステムのいわゆる伝動装置を使用して取り付けられる。遊動ブッシュ５は、ハウジング６の内径と共に外部オイル充填ベアリングギャップ７を、駆動軸１の外径と共に内部オイル充填ベアリングギャップ８を画成する。本発明によると、相対的なベアリングの遊びは、外部ベアリングギャップ７より内部ベアリングギャップ８における方がより大きい。オイルの処理量は、したがって、内部ベアリングギャップ８内で比較的増加され、それにより、結果として比較的より低いベアリング温度となる。比較的少ない減衰が、特に典型的なベアリングギャップに対して、その高さについて削減される外部ベアリングギャップ７内に生じるが、ピニオンの質量が、典型的なターボ過給機の圧縮機インペラの質量に比べ削減され、それによって、少ない減衰で十分であるため、示される実施形態において、これは問題とならない。外部ベアリングギャップ７の熱変形はまた、典型的なターボ過給機に比べ比較的少ない。

代替実施形態によって、図１内に鎖線によって示されるように、圧縮機インペラ９は、タービンホイール２またはクランク軸４を使用して、駆動可能であり、内燃機関をターボ過給するために使用できる、本発明にしたがって実施されるターボコンパウンドシステム内に追加的に提供できる。この圧縮機インペラ９は、例えば、さらなるピニオンを介してギアホイール１３とかみ合うことができ、または、駆動軸１によって駆動、および／または、それによって担持できる。他の実施形態が考えられる。

示される実施形態において、タービンホイールに隣接するベアリングはまた、遊動ブッシュ１０を有して実施され、ハウジング６内に取り付けられる。当然、これに他の一構成要素、特に分離したハウジング内の取り付けを提供することも可能であろう。

さらに点線によって指示されるように、第３のベアリング１１が、ギアホイール３に隣接するベアリングと、タービンホイール２に隣接するベアリングとの間の範囲内に提供でき、それはまた、特に、遊動ブッシュ１２を有する遊動ブッシュベアリングとして実施される。

ターボコンパウンドシステムは、図１内に示されるが、図解は、ターボ圧縮機を述べるためにも使用できる。具体的には、そこに、圧縮機ホイールがタービンホイール２の位置に位置付けられ、特に内燃機関への新鮮な空気の流れを圧縮する（したがって、線１５の矢印が、反転されなくてはならない）。駆動力は、内燃機関のクランク軸４、または、例えば、位置９の代わりに位置付けできる排ガスタービンのいずれかによって提供できる。それにしたがって、排ガスタービンは、内燃機関の排ガス流に衝突される。位置は図１内の下方に示される位置が好ましいが、図１内の上方左の符号９の位置も考慮できる。

１ 駆動軸
２ タービンホイール
３ ギアホイール
５ 遊動ブッシュ
６ ハウジング
７ 外部オイル充填ベアリングギャップ
８ 内部オイル充填ベアリングギャップ
９ 圧縮機インペラ
１０ 遊動ブッシュ
１１ ベアリング
１２ 遊動ブッシュ

Claims (12)

1. タービン、特にターボコンパウンドシステムのための排ガスパワータービンであって、
   内燃機関の排ガス流、あるいは、熱および／または圧力エネルギーを持つ他の媒体流内に、排ガスエネルギーまたは前記媒体流のエネルギーを駆動力に変換するために、位置付けることを意図されたタービンホイール（２）を、その第１の端部上、または、前記第１の端部の範囲内に担持し、
   その第２の端部上、または、前記第２の端部の範囲内に、前記内燃機関のクランク軸（４）への駆動接続部内に配置される目的のために設計されたギアホイール（３）を担持する駆動軸（１）を含み、
   前記駆動軸（１）は、少なくとも前記ギアホイール（３）に隣接するその第２の端部の範囲内に、ハウジング（６）内の、前記ハウジング（６）に対する外部オイル充填ベアリングギャップ（７）、および、前記駆動軸（１）に対する内部オイル充填ベアリングギャップ（８）を形成し、前記ハウジング（６）および前記駆動軸（１）に対して相対的に回転可能である遊動ブッシュ（５）を使用して取り付けられる、
   タービンであって、
   ベアリングにおける前記ハウジング（６）の内径と、ベアリングにおける前記遊動ブッシュ（５）の外径との間の差をベアリングにおける前記遊動ブッシュ（５）の外径によって割った値として定義される前記外部ベアリングギャップ（７）の相対的なベアリングの遊びは、ベアリングにおける前記遊動ブッシュ（５）の内径と、ベアリングにおける前記駆動軸（１）の外径との間の差をベアリングにおける前記駆動軸（１）の外径によって割った値として定義される前記内部ベアリングギャップ（８）の相対的なベアリングの遊びより小さい
   ことを特徴とするタービン。
2. 前記外部ベアリングギャップ（７）の相対的なベアリングの遊びは、１０００分の２から４の範囲内であり、前記内部ベアリングギャップ（８）の相対的なベアリングの遊びは、１０００分の３から５の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記駆動軸（１）はまた、特にその第２の端部上に圧縮機インペラ（９）を担持することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. 前記遊動ブッシュ（５）は、前記タービンホイール（２）から反対側を向く前記ギアホイール（３）の側部上に位置付けられ、前記駆動軸（１）は、前記ギアホイール（３）に隣接する１つのベアリング、および、前記タービンホイール（２）に隣接する１つのベアリングの２つのベアリングを使用して取り付けられることを特徴とする請求項１から３のうちの一項に記載のタービン。
5. 前記駆動軸（１）は、前記タービンホイール（２）に隣接するその第１の端部の範囲内に、前記ハウジング（６）、または、さらなるハウジング内のさらなる遊動ブッシュ（１０）を使用して取り付けられ、前記さらなる遊動ブッシュ（１０）は、前記ハウジング（６）に対する外部オイル充填ベアリングギャップ、および、前記駆動軸（１）に対する内部オイル充填ベアリングギャップを形成し、前記ハウジング（６）および前記駆動軸（１）に対して相対的に回転可能であり、前記外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、前記内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びより大きいことを特徴とする請求項４に記載のタービン。
6. 前記駆動軸（１）は、前記ギアホイール（３）に隣接する前記第１のベアリングと、前記タービンホイール（２）に隣接する前記第２のベアリングとの間の第３のベアリング（１１）を使用してさらに取り付けられ、前記第３のベアリング（１１）は特にまた、遊動ブッシュ（１２）を有することを特徴とする請求項５に記載のタービン。
7. ターボ圧縮機、特にターボコンパウンドシステムまたはターボ過給機のためのターボ圧縮機であって、
   内燃機関の新鮮な空気の流れ内に、前記内燃機関に供給される前記新鮮な空気の流れを圧縮するために、位置付けることを意図された圧縮機ホイールを、その第１の端部上、または、前記第１の端部の範囲内に担持し、
   その第２の端部上、または、前記第２の端部の範囲内に、前記内燃機関のクランク軸、または、タービンもしくは排ガスタービンへの駆動接続部内に配置される目的のために設計されたギアホイールを担持する駆動軸を含み、
   前記駆動軸は、少なくとも前記ギアホイールに隣接するその第２の端部の範囲内に、ハウジング内の、前記ハウジングに対する外部オイル充填ベアリングギャップ、および、前記駆動軸に対する内部オイル充填ベアリングギャップを形成し、前記ハウジングおよび前記駆動軸に対して相対的に回転可能である遊動ブッシュを使用して取り付けられる、
   ターボ圧縮機であって、
   ベアリングにおける前記ハウジングの内径と、ベアリングにおける前記遊動ブッシュの外径との間の差をベアリングにおける前記遊動ブッシュの外径によって割った値として定義される前記外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、ベアリングにおける前記遊動ブッシュの内径と、ベアリングにおける前記駆動軸の外径との間の差をベアリングにおける前記駆動軸の外径によって割った値として定義される前記内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びより小さいこと
   を特徴とするターボ圧縮機。
8. 前記外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、１０００分の２から４の範囲内であり、前記内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、１０００分の３から５の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載のターボ圧縮機。
9. 前記駆動軸は、特にその第２の端部上にタービンホイールをさらに担持することを特徴とする請求項７または８に記載のターボ圧縮機。
10. 前記遊動ブッシュは、前記圧縮機ホイールから反対側を向く前記ギアホイールの側部上に位置付けられ、前記駆動軸は、前記ギアホイールに隣接する１つのベアリング、および、前記圧縮機ホイールに隣接する１つのベアリングの２つのベアリングを使用して取り付けられることを特徴とする請求項７から９のうちの一項に記載のターボ圧縮機。
11. 前記駆動軸は、前記圧縮機ホイールに隣接するその第１の端部の範囲内に、前記ハウジング、または、さらなるハウジング内のさらなる遊動ブッシュを使用して取り付けられ、前記さらなる遊動ブッシュは、前記ハウジングに対する外部オイル充填ベアリングギャップ、および、前記駆動軸に対する内部オイル充填ベアリングギャップを形成し、前記ハウジングおよび前記駆動軸に対して相対的に回転可能であり、前記外部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びは、前記内部ベアリングギャップの相対的なベアリングの遊びより大きいことを特徴とする請求項１０に記載のターボ圧縮機。
12. 前記駆動軸は、前記ギアホイールに隣接する前記第１のベアリングと、前記圧縮機ホイールに隣接する前記第２のベアリングとの間の第３のベアリングを使用してさらに取り付けられ、前記第３のベアリングは特にまた、遊動ブッシュを有することを特徴とする請求項１１に記載のターボ圧縮機。

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