JP2011122536A - ロータ軸及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の剛性を高くして危険速度を高くすることができ、さらに加工の作業効率を向上することもできるロータ軸及び過給機を提供する。
【解決手段】本発明に係る過給機は、排気ガスの供給によりタービン翼車１１を回転させるタービン１と、タービン翼車１１と同軸に連結された羽根車２１により空気を吸入するコンプレッサ２と、を備えた過給機において、タービン翼車１１に接合されるとともに、端部に羽根車２１が挿入されて固定されるロータ軸３を有し、ロータ軸３は、羽根車２１の根元部分Ｒを支持する第一支持部３１と、羽根車２１の中間部Ｍを支持する第二支持部３２と、羽根車２１の端部Ｔを支持する第三支持部３３と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータ軸及び過給機に関し、特に、コンプレッサインペラとロータ軸の固定構造に特徴を有するロータ軸及び過給機に関する。

過給機は、一般に、排気ガスの供給によりタービン翼車（タービンインペラ）を回転させるタービンと、前記タービン翼車と同軸に連結された羽根車（コンプレッサインペラ）により空気を吸入するコンプレッサと、を備えており、前記コンプレッサインペラにより空気を吸入して圧縮し、圧縮空気をエンジンに供給する。

前記ロータ軸は、例えば、特許文献１に記載されたように、仕上加工、硬化処理及び外径研削が施された後、精密鋳造されたタービン翼車に接合され、タービン翼車と一体化されている。また、ロータ軸のタービン翼車と反対側の端部には、特許文献２に記載されたように、羽根車（コンプレッサインペラ）が挿入され、軸端ナットで固定されている。

特開２００１−２５４６２７号公報 特開２００６−９６３４号公報

ところで、特許文献２に記載された過給機では、ロータ軸のコンプレッサインペラが挿入される部分において、先端部分よりも根元部分が若干太く形成された拡径部分を有している。そして、ロータ軸の拡径部分には羽根車が嵌め合わされ、先端部分にはコンプレッサインペラを固定する軸端ナットが螺合される。したがって、コンプレッサインペラは、ロータ軸の根元部分（拡径部分）と先端部分（軸端ナット）の二点で支持されていることとなる。なお、軸端ナットは、コンプレッサインペラを軸方向に拘束する部材であるが、この軸方向の拘束力は拡径部分と同様のクランプ力に変換することができ、拡径部分と同じ支持部として機能する。

また、軸端ナットと隣接したロータ軸の先端部分にも根元部分と同様に拡径部分が形成されている場合もあるが、先端の拡径部分と軸端ナットとにより一つの支持点が構成されることとなり、コンプレッサインペラが二点で支持されていることに変わりない。

このように、コンプレッサインペラがロータ軸により二点で支持されている場合、回転体の剛性が低いため危険速度が低くなってしまい、特に、運転範囲において高次の危険速度を回避することが難しいという問題があった。

また、ロータ軸の根元部分と先端部分にコンプレッサインペラを支持する拡径部分を配置した場合には、これらの拡径部分はコンプレッサインペラの芯出しをする部分を構成するため、高い加工精度が要求される。加えて、これらの部分が離間していることにより、移動距離が長く作業効率が悪いという問題もあった。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、回転体の剛性を高くして危険速度を高くすることができ、さらに加工の作業効率を向上することもできるロータ軸及び過給機を提供することを目的とする。

本発明によれば、タービン翼車に接合されるとともに、端部に羽根車が挿入されて固定されるロータ軸において、前記羽根車の根元部分を支持する第一支持部と、前記羽根車の中間部を支持する第二支持部と、前記羽根車の端部を支持する第三支持部と、を備えたことを特徴とするロータ軸が提供される。

また、本発明によれば、排気ガスの供給によりタービン翼車を回転させるタービンと、前記タービン翼車と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機において、前記タービン翼車に接合されるとともに、端部に羽根車が挿入されて固定されるロータ軸を有し、該ロータ軸は、前記羽根車の根元部分を支持する第一支持部と、前記羽根車の中間部を支持する第二支持部と、前記羽根車の端部を支持する第三支持部と、を備えたことを特徴とする過給機が提供される。

上述したロータ軸及び過給機において、前記第二支持部は、前記羽根車の軸方向長さ中心を含む位置に配置されていてもよいし、前記羽根車の重心を含む位置に配置されていてもよいし、前記羽根車の重心と軸方向長さ中心との間の位置に配置されていてもよいし、前記羽根車の重心と軸方向長さ中心との両方を含む位置に配置されていてもよい。

また、前記第一支持部は、例えば、前記羽根車の重心を含まない位置に配置される。さらに、前記第三支持部は、例えば、前記ロータ軸に螺合されて前記羽根車の端部を固定する締結具である。

上述した本発明のロータ軸及び過給機によれば、コンプレッサインペラをロータ軸により三点で支持したことにより、回転体の剛性を高くすることができ、危険速度を高くすることができる。したがって、運転範囲において高次の危険速度を回避し易くすることができる。

また、本発明は、高い加工精度が要求される第一支持部と第二支持部の距離を近づけることができ加工の作業効率を向上させることができる、第一支持部及び第二支持部を所定の位置に配置することにより効果的にコンプレッサインペラを支持することができる、第三支持部を固定具のみで構成することにより高い加工精度を必要とする拡径部分を形成することなく第三支持部を構成することができる等の優れた効果も奏する。

本発明に係る過給機の実施形態を示す断面図である。 図１に示したロータ軸の詳細説明図である。 図１に示したロータ軸の小径部分の拡大図であり、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来技術、を示している。 第二支持部の配置位置を示す図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は第二実施形態、（Ｃ）は第三実施形態、（Ｄ）は第四実施形態、（Ｅ）は第五実施形態、（Ｆ）は第六実施形態、を示している。 本発明の効果を示す図であり、（Ａ）は軸受剛性と危険速度との関係、（Ｂ）は固有振動数の次数と危険速度／一次危険速度との関係、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明に係る過給機の実施形態を示す断面図である。また、図２は、図１に示したロータ軸の詳細説明図である。

図１に示した本発明に係る過給機の実施形態は、排気ガスの供給によりタービン翼車１１を回転させるタービン１と、タービン翼車１１と同軸に連結された羽根車２１により空気を吸入するコンプレッサ２と、を備えた過給機において、タービン翼車１１に接合されるとともに、端部に羽根車２１が挿入されて固定されるロータ軸３を有し、ロータ軸３は、羽根車２１の根元部分Ｒを支持する第一支持部３１と、羽根車２１の中間部Ｍを支持する第二支持部３２と、羽根車２１の端部Ｔを支持する第三支持部３３と、を備えている。なお、根元部分Ｒは概ね羽根車２１の背側部分を意味し、端部Ｔは概ねタービン翼車１１が接続された側と反対側の先端部分を意味し、中間部Ｍは根元部分Ｒと端部Ｔの間の部分を意味している。

前記タービン１は、遠心式のタービン１であり、タービン翼車１１の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部１２と、スクロール部１２に排気ガスを供給する排気ガス入口部１３と、タービン翼車１１に供給された排気ガスをタービン翼車１１の回転軸の延伸方向に排気ガスを排出する排気ガス出口部１４と、を有している。タービン翼車１１の表面には、複数のタービンインペラ１１ｂが精密鋳造等により一体に形成されている。また、スクロール部１２からタービンインペラ１１ｂに排気ガスを供給する流路にはタービンノズル１５が配置されていてもよい。さらに、タービンノズル１５をリンク機構等により角度を調節できるように構成し、いわゆる可変容量型過給機を構成するようにしてもよい。なお、本発明において、タービン１の構成は基本的に従来のものと同様であり、種々の形式のものを採用することができる。

前記コンプレッサ２は、いわゆる遠心式圧縮機であり、羽根車２１の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部２２と、羽根車２１の回転軸方向に空気を供給する空気入口部２３と、羽根車２１により圧縮された空気をスクロール部２２から外部に排出する空気出口部２４と、を有している。また、羽根車２１の表面には、複数のコンプレッサインペラ２１ｂが精密鋳造等により一体に形成されている。また、羽根車２１の中心部には回転軸の延伸方向に真っ直ぐな貫通孔２１ｐが形成されている（図２参照）。なお、コンプレッサインペラ２１ｂからスクロール部２２に圧縮空気を供給する流路にはディフューザ２５が配置されていてもよい。なお、本発明において、コンプレッサ２の構成は基本的に従来のものと同様であり、種々の形式のものを採用することができる。

前記ロータ軸３は、図２に示したように、大径部分３Ａ及び小径部分３Ｂを有し、従来と同様に、仕上加工、硬化処理及び外径研削が施された後、大径部分３Ａの一端がタービン翼車１１に接合され、タービンインペラ１１ｂと一体化されている。また、大径部分３Ａの他端側には、小径部分３Ｂ側から挿入されたスラストカラー３４、油切り３５等が配置される。そして、ロータ軸３の小径部分３Ｂには、羽根車２１が嵌め合わされ、軸端ナット３６により固定される。軸端ナット３６は、ロータ軸３の小径部分３Ｂに螺合されて羽根車２１の端部を固定する締結具であるとともに、羽根車２１の端部を支持する第三支持部３３を構成する。なお、本発明において、ロータ軸３の小径部分３Ｂ以外の構成については、基本的に従来のものと同様であり、種々の形式のものを採用することができる。

また、図１に示すように、ロータ軸３の大径部分３Ａは、タービン１とコンプレッサ２との間に配置された軸受ハウジング４内の軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。なお、軸受ハウジング４とタービン１との接続部には遮熱板４１が挿入されており、軸受ハウジング４とコンプレッサ２との接続部にはシールプレート４２やスラストベアリング４３が挿入されている。なお、本発明において、軸受ハウジング４の構成は基本的に従来のものと同様であり、種々の形式のものを採用することができる。

ここで、図３は、図１に示したロータ軸３の小径部分３Ｂの拡大図であり、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来技術、を示している。図３（Ａ）に示したように、ロータ軸３の小径部分３Ｂは、略全体に渡って径ｄ１を有する軸部３７を有し、軸部３７よりも径が大きい拡径部分である第一支持部３１、第二支持部３２及びカラー支持部３８が形成されている。カラー支持部３８は、図１及び図２に示したスラストカラー３４及び油切り３５を支持する部分であり、大径部分３Ａに最も接近した位置に形成されている。また、第一支持部３１及び第二支持部３２は、径ｄ１よりも、例えば、０．１〜１．０ｍｍ程度だけ大きく形成された径ｄ２を有する拡径部分である。そして、第一支持部３１は、カラー支持部３８に接近した位置に配置され、第二支持部３２は、第一支持部３１と端部との間の位置に配置されている。なお、第一支持部３１及び第二支持部３２の径ｄ２は、羽根車２１の貫通孔２１ｐの内径と略同等の大きさに形成される。

また、小径部分３Ｂの端部には軸端ナット３６を螺合するためのネジ山３９が切られている。軸端ナット３６は、羽根車２１を軸方向に拘束する固定具であるが、この軸方向の拘束力は第一支持部３１や第二支持部３２と同様のクランプ力に変換することができ、第一支持部３１や第二支持部３２と同様の支持部としての機能を有する。したがって、第三支持部３３は、ネジ山３９に螺合された軸端ナット３６により構成される。

一方、図３（Ｂ）に示したように、従来技術におけるロータ軸１０３の小径部分１０３Ｂは、本発明のロータ軸３と同様に、第一支持部１３１、第二支持部１３２、軸部１３７、カラー支持部１３８及びネジ山１３９を有している。そして、第二支持部１３２は、軸部１３７の端部に形成されており、ネジ山１３９に隣設されている。したがって、小径部分１０３Ｂに挿入される羽根車は、第一支持部１３１と第二支持部１３２の二点により支持される。このように、小径部分１０３Ｂの略両端部に第一支持部１３１及び第二支持部１３２を形成することにより、高い加工精度が要求される羽根車との接触部分（芯出し部分）を低減し、作業効率を向上させている。なお、従来技術の場合にも、ネジ山３９に螺合された軸端ナット１３６により羽根車を軸方向に拘束することができるが、この部分は第二支持部１３２と隣設しており、支持点としては第二支持部１３２と同一視される。

かかる従来のロータ軸１０３では、羽根車が二点で支持されているため、回転体の剛性が低いため危険速度も低くなってしまい、運転範囲において高次の危険速度を回避するのが難しかった。また、第一支持部１３１及び第二支持部１３２が小径部分１０３Ｂの略両端部に形成されていることにより、高い加工精度が要求される部分が離間しており、作業効率が悪くなっていた。

そこで、本発明では、第二支持部３２を小径部分３Ｂの中間部に配置している。このように、第二支持部３２を小径部分３Ｂの略端部から離間させることにより、軸端ナット３６による羽根車２１の拘束力を第三支持部３３として有効に利用することができ、羽根車２１を三点で支持することができる。また、高い加工精度が要求される第一支持部３１と第二支持部３２を接近させたことにより、加工の作業効率を向上させることができる。

ここで、図４は、第二支持部３２の配置位置を示す図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は第二実施形態、（Ｃ）は第三実施形態、（Ｄ）は第四実施形態、（Ｅ）は第五実施形態、（Ｆ）は第六実施形態、を示している。各図において、コンプレッサインペラ２１ｂが形成された羽根車２１の重心をＧで表示し、羽根車２１の軸方向長さＬの中心（端部からの長さＬ／２の位置）をＣで表示している。

図４（Ａ）に示すように、第一実施形態では、第二支持部３２が羽根車２１の軸方向長さ中心Ｃを含む位置に配置されている。かかる位置に第二支持部３２を配置することにより、第一支持部３１、第二支持部３２及び第三支持部３３が略均等に配置され、バランスよく羽根車２１を支持することができる。

図４（Ｂ）に示すように、第二実施形態では、第二支持部３２が羽根車２１の重心Ｇを含む位置に配置されている。かかる位置に第二支持部３２を配置することにより、羽根車２１の重心Ｇを第二支持部３２で支持することができ、バランスを保持しつつ羽根車２１を支持することができる。また、第一支持部３１と第二支持部３２が接近することにより、加工の作業効率をより一層向上させることができる。

図４（Ｃ）に示すように、第三実施形態では、第二支持部３２が羽根車２１の重心Ｇと軸方向長さ中心Ｃとの間の位置に配置されている。かかる位置に第二支持部３２を配置した場合であっても、第一支持部３１、第二支持部３２及び第三支持部３３の三点により羽根車２１を効果的に支持することができる。

図４（Ｄ）に示すように、第四実施形態では、第二支持部３２が羽根車２１の重心Ｇと軸方向長さ中心Ｃとの両方を含む位置に配置されている。かかる位置に第二支持部３２を配置した場合であっても、第一支持部３１、第二支持部３２及び第三支持部３３の三点により羽根車２１を効果的に支持することができる。

図４（Ｅ）に示すように、第五実施形態では、第二支持部３２はが羽根車２１の軸方向長さ中心Ｃを超えた端部寄りの位置に配置されている。かかる位置に第二支持部３２を配置した場合であっても、第二支持部３２が第一支持部３１及び第三支持部３３と離間している限りにおいて羽根車２１を三点で支持することができ、上述した第一実施形態〜第四実施形態と同様の効果を奏する。

図４（Ｆ）に示すように、第六実施形態では、小径部分３Ｂの端部に拡径部３３ａを形成したものである。かかる拡径部３３ａは、軸端ナット３６の拘束力と一体になって第三支持部３３を構成するとともに、羽根車２１の芯出しを容易かつ確実に行うことができる。かかる構成によっても、加工の作業効率を向上させる効果は低いが、上述した第一実施形態〜第五実施形態と同様に、羽根車２１を三点で支持することができる。

なお、上述した第一支持部３１及び第二支持部３２の軸方向幅は、羽根車２１の軸方向長さＬや重量、ロータ軸３の加工作業効率、芯出し度合等の条件により適宜設定されるものであり、図示した幅に限定されるものではなく、第一支持部３１と第二支持部３２の幅が異なる大きさであってもよい。

最後に、三点支持よりも二点支持の方が、高速回転する回転体に対して危険速度を高くすることができることについて、解析結果を踏まえつつ説明する。ここで、図５は、本発明の効果を示す図であり、（Ａ）は軸受剛性と危険速度との関係、（Ｂ）は固有振動数の次数と危険速度／一次危険速度との関係、を示している。なお、本解析には伝達マトリックス法を用いた。

図５（Ａ）は、横軸に軸受剛性（ｋｇｆ／ｃｍ）、縦軸に危険速度（ｒｐｍ）を配置した両対数グラフである。そして、回転体の固有振動数の次数ごとに軸受剛性と危険速度の関係を解析した。実線は三点支持の解析結果、破線は二点支持の解析結果を示している。また、図中、下から順に、一次〜五次の固有振動数に対応した解析結果が図示されている。かかる解析結果から、二点支持よりも三点支持の方が、全体として危険速度が高いこと、剛性が高くなることにより危険速度の差が顕著になること、すなわち、三点支持の方がより危険速度がより高くなること、が理解できる。

図５（Ｂ）は、横軸に固有振動数の次数、縦軸に危険速度／一次危険速度を配置したグラフである。ここで、一次危険速度とは、一次の固有振動数に対する危険速度を意味している。したがって、危険速度／一次危険速度は、固有振動数の各次数における危険速度の一次危険速度に対する倍率を示している。実線は三点支持の解析結果、破線は二点支持の解析結果を示している。また、図５（Ｂ）では、図３（Ｂ）に示した従来技術の剛性と、図４（Ａ）に示した第一実施形態を採用した本発明の剛性とを算出し、図５（Ａ）の解析結果から固有振動数の次数ごとに危険速度／一次危険速度の数値を算出して図示している。図５（Ｂ）に示したように、低次の固有振動数では、二点支持と三点支持との間に顕著な差は見られないが、高次（例えば、四次や五次）の固有振動数では、明らかに三点支持の方が二点支持よりも危険速度が高くなっている。したがって、本発明のように、羽根車２１を三点で支持することにより、高速回転する回転体に対して危険速度を高くすることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、遠心式の過給機だけでなく軸流式や斜流式の過給機及びそのロータ軸にも適用することができる、車両用・船舶用・プラント用等の種々の用途に用いられる過給機及びそのロータ軸に適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１…タービン
２…コンプレッサ
３…ロータ軸
３Ａ…大径部分
３Ｂ…小径部分
４…軸受ハウジング
１１…タービン翼車
１１ｂ…タービンインペラ
１２…スクロール部
１３…排気ガス入口部
１４…排気ガス出口部
１５…タービンノズル
２１…羽根車
２１ｂ…コンプレッサインペラ
２１ｐ…貫通孔
２２…スクロール部
２３…空気入口部
２４…空気出口部
２５…ディフューザ
３１…第一支持部
３２…第二支持部
３３…第三支持部
３３ａ…拡径部
３４…スラストカラー
３５…油切り
３６…軸端ナット
３７…軸部
３８…カラー支持部
３９…ネジ山
４１…遮熱板
４２…シールプレート
４３…スラストベアリング

Claims (5)

1. タービン翼車に接合されるとともに、端部に羽根車が挿入されて固定されるロータ軸において、
   前記羽根車の根元部分を支持する第一支持部と、
   前記羽根車の中間部を支持する第二支持部と、
   前記羽根車の端部を支持する第三支持部と、
   を備えたことを特徴とするロータ軸。
2. 前記第二支持部は、前記羽根車の軸方向長さ中心を含む位置に配置されている、前記羽根車の重心を含む位置に配置されている、前記羽根車の重心と軸方向長さ中心との間の位置に配置されている又は前記羽根車の重心と軸方向長さ中心との両方を含む位置に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ軸。
3. 前記第一支持部は、前記羽根車の重心を含まない位置に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ軸。
4. 前記第三支持部は、前記ロータ軸に螺合されて前記羽根車の端部を固定する締結具である、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ軸。
5. 排気ガスの供給によりタービン翼車を回転させるタービンと、前記タービン翼車と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機において、
   前記タービン翼車に接合されるとともに、端部に羽根車が挿入されて固定されるロータ軸を有し、該ロータ軸は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のロータ軸である、ことを特徴とする過給機。