JP2012167606A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械において、ベアリングが、ラジアル方向だけでなく、スラスト方向にも振動荷重を受ける場合において、スラスト方向における振動を減衰させることにより、騒音の発生を防止することにある。
【解決手段】ターボ機械１０は、流体中で回転する羽根車３と、羽根車が設けられる回転シャフト５と、ラジアル方向だけでなくスラスト方向においても回転シャフトから荷重を受けるベアリング７と、ハウジング９と、ハウジングの内周面１３と回転シャフトの外周面１２との間に位置し内周面１３との間にオイルフィルムを形成するオイルフィルムダンパ１１と、を備える。オイルフィルムダンパは、ハウジングの荷重受け面２１にスラスト方向に対向する荷重伝達面２３を有し、回転シャフトからの荷重を荷重伝達面から荷重受け面へスラスト方向に伝える。荷重受け面と荷重伝達面の少なくとも一方に、振動を減衰させる機能を有する振動減衰部２５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体中で回転する羽根車を備えるターボ機械に関する。

ターボ機械は、回転する羽根車によって、流体と機械との間で連続的にエネルギーを変換する流体機械である。すなわち、ターボ機械では、回転駆動されている羽根車の運動エネルギーを流体に与え、または、流体から圧力を受けることにより羽根車が回転駆動される。

ターボ機械には、回転シャフトからの荷重をオイルフィルムを介してハウジングで受けるものがある。

この場合、ターボ機械は、回転シャフト、ベアリング、ハウジング、およびオイルフィルムダンパを備える。回転シャフトには、羽根車が固定されている。回転シャフトは、ベアリングに回転可能に支持される。ベアリングは、ハウジング内に設けられる。ハウジングは、回転シャフトが通される穴を区画する内周面を有する。この内周面と回転シャフトとの間にオイルフィルムダンパが配置される。オイルフィルムダンパとハウジングの内周面との隙間に、潤滑油が供給され、この隙間にオイルフィルムが形成される。このオイルフィルムにより、回転シャフトの回転時に生じるターボ機械の振動を減衰させる。

このような構成を有するターボ機械は、例えば下記の特許文献１に記載されている。

特開２００９−２７０６１３号公報

ターボ機械において、上述のベアリングが、回転シャフトから、ラジアル方向だけでなく、スラスト方向にも振動荷重を受ける場合には、ハウジングにはスラスト方向にも振動が発生する。このようなベアリングは、例えば、ボールベアリングである。なお、ラジアル方向とは、回転シャフトの軸に対する半径方向であり、スラスト方向は、回転シャフトの軸と平行な方向である。

しかし、上述したようなオイルフィルムダンパを備える従来のターボ機械において、オイルフィルムによる振動減衰効果が、ラジアル方向には得られるが、スラスト方向には得られない。その結果、ターボ機械の運転時に騒音が生じることがある。

そこで、本発明の目的は、ターボ機械において、ベアリングが、ラジアル方向だけでなく、スラスト方向にも振動荷重を受ける場合において、スラスト方向における振動を減衰させることにより、騒音の発生を防止することにある。

上記目的を達成するため、本発明によるターボ機械は、流体中で回転する羽根車と、該羽根車が設けられる回転シャフトと、該回転シャフトの軸に対するラジアル方向だけでなく該軸と平行なスラスト方向においても前記回転シャフトから荷重を受けるベアリングと、前記回転シャフトが内部に通されているハウジングと、該ハウジングの内周面と前記回転シャフトの外周面との間に位置し前記内周面との間にオイルフィルムを形成するオイルフィルムダンパと、を備え、
前記オイルフィルムダンパは、前記ベアリングを介して前記回転シャフトからラジアル方向およびスラスト方向に荷重を受けて、該荷重を前記ハウジングに伝え、
前記オイルフィルムダンパは、前記ハウジングの荷重受け面にスラスト方向に対向する荷重伝達面を有し、前記回転シャフトからの荷重を前記荷重伝達面から前記荷重受け面へスラスト方向に伝え、
前記荷重受け面と荷重伝達面の少なくとも一方に、振動を減衰させる機能を有する振動減衰部が設けられている、ことを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態によると、前記振動減衰部は、前記荷重受け面と荷重伝達面の前記少なくとも一方に取り付けられ、振動減衰機能を有する材料で形成された部材である。

本発明の好ましい実施形態によると、前記材料は、振動減衰機能を有する樹脂材、ゴム材、ゲル材料または金属である。

好ましくは、前記ハウジングまたはオイルフィルムダンパーには、前記振動減衰部を覆う保護カバーが設けられている。

上述した本発明によると、前記オイルフィルムダンパは、前記ハウジングの荷重受け面にスラスト方向に対向する荷重伝達面を有し、前記回転シャフトからのスラスト方向荷重を前記荷重伝達面から前記荷重受け面に伝え、荷重受け面と荷重伝達面の少なくとも一方に、振動を減衰させる機能を有する振動減衰部が設けられているので、スラスト方向における振動を減衰させて騒音の発生を防止できる。

本発明の実施形態によるターボ機械の全体を示す。 図１の部分拡大図である。 図２において保護カバー２７を設けた場合を示す。 （Ａ）は、図２における押え部材と振動減衰部を示し、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 図２において、押え部材の形状を変更した場合を示す。 オイルフィルムダンパに振動減衰部を設けた場合を示す。 タービン側に振動減衰部を設けた場合を示す。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。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ターボ機械１０を示す。ターボ機械１０は、羽根車３、回転シャフト５、ベアリング７、ハウジング９、およびオイルフィルムダンパ１１を備える。羽根車３は、流体から圧力を受けることによりエネルギーが与えられて流体中で回転し、または、回転駆動されることにより流体にエネルギーを与えるように流体中で回転する。回転シャフト５には、羽根車３が設けられている。回転シャフト５は、羽根車３と一体的に回転する。ベアリング７は、回転シャフト５の軸に対するラジアル方向（半径方向）に回転シャフト５から荷重を受けるだけでなく、該軸と平行なスラスト方向においても回転シャフト５から荷重を受ける。オイルフィルムダンパ１１は、ハウジング９の内周面１３と回転シャフト５の外周面との間に位置し内周面１３との間にオイルフィルムを形成する。

図１では、ターボ機械１０は、ターボチャージャである。この場合、ターボ機械１０の上記各構成要素は、次のようなものである。羽根車３は、その軸を回る周方向に間隔をおいて設けられた複数のタービン翼３ａから構成される。タービン翼３ａは、エンジンからの排ガスにより回転駆動される。回転シャフト５の一端部には、複数のタービン翼３ａが設けられ、回転シャフト５の他端部には、その軸を回る周方向に間隔をおいて設けられた複数のコンプレッサ翼１５が設けられている。コンプレッサ翼１５は、タービン翼３ａと一体的に回転することにより、吸入した空気を圧縮して前記エンジンへ送出する。

ターボチャージャ１０のハウジング９は、図１の例では、タービン翼３ａを内部に収容するタービンハウジング９ａと、ベアリング７およびオイルフィルムダンパ１１を内部に収容するベアリングハウジング９ｂと、コンプレッサ翼１５を内部に収容するコンプレッサハウジング９ｃとからなる。

オイルフィルムダンパ１１は、ベアリング７を介して回転シャフト５からラジアル方向およびスラスト方向に荷重を受けて、該荷重をハウジング９に伝える。

図２は、図１の部分拡大図である。

ベアリング７は、図２に示すように、オイルフィルムダンパ１１の内周面に形成された段差部１１ａに装着されている。これにより、ラジアル方向とスラスト方向において、回転シャフト５の荷重が、ベアリング７を介してオイルフィルムダンパ１１に伝わる。なお、ベアリング７は、図２の例では、外輪７ａ、内輪７ｂおよびボール７ｃを有するボールベアリングである。

オイルフィルムダンパ１１は、図２に示すように、ハウジング９の荷重受け面２１にスラスト方向に対向する荷重伝達面２３を有する。オイルフィルムダンパ１１は、荷重伝達面２３から荷重受け面２１に回転シャフト５からの荷重をスラスト方向に伝える。

オイルフィルムダンパ１１の外周面１２とハウジング９の内周面１３との隙間には、ベアリングハウジング９ｂの上部に形成されたオイル供給路１４から潤滑油が供給される。このように供給された潤滑油は、前記隙間においてオイルフィルムを形成するとともに、オイルフィルムダンパ１１に形成されたオイル通路１１ｂに導入される。オイル通路１１ｂは、導入された潤滑油をベアリング７に供給する。ベアリング７と前記隙間に供給された潤滑油は、ベアリングハウジング９ｂの下部に形成されたオイル排出穴１７を通してベアリングハウジング９ｂの外部へ排出される。なお、オイルフィルムダンパ１１には連通穴１９が形成されている。連通穴１９は、ベアリング７に供給された潤滑油の一部を、オイルフィルムダンパ１１の内部からオイル排出穴１７へ流す。

ハウジング９の荷重受け面２１とオイルフィルムダンパ１１の荷重伝達面２３の少なくとも一方に、振動を減衰させる機能（以下、単に振動減衰機能ともいう）を有する振動減衰部２５が設けられている。

本実施形態によると、振動減衰部２５は、荷重受け面２１と荷重伝達面２３の少なくとも一方に取り付けられ、振動減衰機能を有する材料で形成された部材である。この場合、振動減衰部２５の材料は、振動減衰機能を有するものであればよく、例えば、樹脂材、ゴム材、ゲル材料または金属である。
好ましくは、振動減衰部２５の取り付けを容易にするために、図２のように、荷重受け面２１と荷重伝達面２３のうち荷重受け面２１に振動減衰部２５が取り付けられている。

ハウジング９またはオイルフィルムダンパー１１には、振動減衰部２５を覆う保護カバー２７が設けられてもよい。図３は、図２に相当する図であるが、ハウジング９に保護カバー２７を設けた場合を示す。保護カバー２７は、例えば、金属製のシート状部材である。この保護カバー２７により、樹脂材やゴム材などで形成された振動減衰部２５が、相手側部材（図３では、オイルフィルムダンパ１１）に、直接、当たることが防止されるので、振動減衰部２５の摩耗を防止することができる。

図２の例では、ベアリングハウジング９ｂは押え部材２９を有し、この押え部材２９が荷重受け面２１を有する。押え部材２９は、ベアリングハウジング９ｂの本体３１に取り付けられた部材であり、オイルフィルムダンパ１１をスラスト方向に押えるために設けられる。押え部材２９は、ベアリングハウジング本体３１に固定されていてよい。図４（Ａ）は、図２の押え部材２９と振動減衰部２５のみを示した図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図であり、スラスト方向から見た押え部材２９を示す。図４（Ｂ）において、振動減衰部２５を編目部分で示している。振動減衰部２５は、周方向に延びており、図４（Ｂ）の例では、半周だけ延びている。

なお、押え部材２９と振動減衰部２５は、図５の形状を有していてもよい。この場合、振動減衰部２５は、回転シャフト５の軸方向から見た場合に、環状である。すなわち、振動減衰部２５が荷重伝達面２３からスラスト方向荷重を受ける領域は、周方向に１周するように延びている。この場合も、上述の保護カバー２７を設けてもよい。

振動する荷重の伝達経路および減衰について説明する。

ラジアル方向については、回転シャフト５の振動荷重は、ベアリング７を介してオイルフィルムダンパ１１へ伝わる。オイルフィルムダンパ１１に伝わった振動荷重は、オイルフィルムダンパ１１の外周面１２とハウジング９の内周面１３との隙間に形成されたオイルフィルムを介してラジアル方向にハウジング９へ伝わる。当該振動は、オイルフィルムにより減衰する。

スラスト方向については、回転シャフト５の振動荷重は、ベアリング７を介してオイルフィルムダンパ１１へ伝わる。オイルフィルムダンパ１１に伝わった振動荷重が、荷重伝達面２３から荷重受け面２１にスラスト方向に作用する。当該振動は、荷重伝達面２３または荷重受け面２１に設けた振動減衰部２５により減衰する。

上述の振動減衰部２５を設けることにより高い効果が得られる場合の一例を説明する。

図１の例では、タービンハウジング９ａに弾性シール部材３３を設けている。この場合には、弾性シール部材３３の弾性により、ターボチャージャ１０の運転時にスラスト方向の振動が大きくなる可能性がある。そこで、このような振動を上述の振動減衰部２５により防止できる。

弾性シール部材３３は、タービンハウジング９ａ内で、図１の矢印Ｒが示す経路で排ガスが漏れることを防止するために設けられる。タービンハウジング９ａには、エンジンから排ガスが導入されるスクロール流路３５が形成されている。このスクロール流路３５を周方向に流れた排ガスは、ノズルベーン３７が配置された径方向流路３８を、半径方向内側へ流れてタービン翼３ａに導入される。径方向流路３８は、タービンハウジング９ａとベアリングハウジング９ｂとの間に設けられた２つの流路形成部材３９、４１の間に形成されている。流路形成部材３９には、ノズルベーン３７の支持軸３７ａが挿入される貫通孔が設けられている。この貫通孔と支持軸３７ａとの隙間を通して、矢印Ｒが示すように、スクロール流路３５から径方向流路３８に排ガスが漏れる場合がある。そこで、この漏れを防止するために、弾性シール部材３３により、タービンハウジング９ａと流路形成部材３９との間をシールしている。弾性シール部材３３は、回転シャフト５の軸方向から見た場合に、環状であり、該軸方向に弾性変位し、タービンハウジング９ａと流路形成部材３９、４１により回転シャフト５の軸方向に挟まれて圧縮されている。このような弾性シール部材３３は、例えば、軸方向から見た場合に環状である皿ばねであり、特開２００９−４７０２７号公報に記載されている。

なお、弾性シール部材３３を有しないターボチャージャ１０に振動減衰部２５を適用することにより、スラスト方向の振動を確実に防止して、ターボチャージャ１０の運転の安定性を高めることができる。

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。例えば、下記の変形例１、２の一方を単独で、または、変形例１、２を組み合わせて採用してもよい。この場合、他の点は上述と同じである。

（変形例１）
上述では、ハウジング９の荷重受け面２１に振動減衰部２５を設けたが、オイルフィルムダンパ１１の荷重伝達面２３に振動減衰部２５を設けてもよい。この場合、ハウジング９の荷重受け面２１とオイルフィルムダンパ１１の荷重伝達面２３の両方に、振動減衰部２５を設けてもよい。
なお、オイルフィルムダンパ１１の荷重伝達面２３に振動減衰部２５を設ける場合には、上述と同様に、オイルフィルムダンパ１１に、図６のように、振動減衰部２５を覆う保護カバー２７が取り付けられてもよいし、保護カバー２７を省略して、振動減衰部２５が、荷重受け面２１に、直接、スラスト方向に当たるようにしてもよい。

（変形例２）
上述では、ターボチャージャ１０のハウジング９において、オイルフィルムダンパ１１がコンプレッサ側を向くスラスト方向に当たる部位に、振動減衰部２５を設けている。回転シャフト５からハウジング９へスラスト方向に伝わる荷重は、主に、コンプレッサ側を向く方向の荷重であるからである。
ただし、必要に応じて、ターボチャージャ１０のハウジング９において、オイルフィルムダンパ１１からタービン側を向くスラスト方向に荷重を受ける部位にも、振動減衰部２５を設けてもよい。図７は、図１の部分拡大図に相当するが、この部位に相当する荷重受け面２１にも、振動減衰部２５およびその保護カバー２７を設けた場合を示す。この保護カバー２７は省略してもよい。
また、図７において、タービン側におけるハウジング９の荷重受け面２１に対しスラスト方向に対向するようにコンプレッサ側を向くオイルフィルムダンパ１１の荷重伝達面２３に、振動減衰部２５およびその保護カバー２７を設けてもよい。この場合においても、当該保護カバー２７を省略してよい。

３ 羽根車、３ａ タービン翼、５ 回転シャフト、７ ベアリング、７ａ 外輪、７ｂ 内輪、７ｃ ボール、９ ハウジング、９ａ タービンハウジング、９ｂ ベアリングハウジング、９ｃ コンプレッサハウジング、１０ ターボ機械（ターボチャージャ）、１１ オイルフィルムダンパ、１１ａ 段差部、１１ｂ オイル通路，１２ オイルフィルムダンパの外周面、１３ ハウジングの内周面、１４ オイル供給路、１５ コンプレッサ翼、１７ オイル排出穴、１９ 連通穴、２１ 荷重受け面、２３ 荷重伝達面、２５ 振動減衰部、２７ 保護カバー、２９ 押え部材、３１ ベアリングハウジング本体、３３ 弾性シール部材、３５ スクロール流路、３７ ノズルベーン、３７ａ ノズルベーンの支持軸、３８ 径方向流路、３９，４１ 流路形成部材

Claims (4)

1. 流体中で回転する羽根車と、該羽根車が設けられる回転シャフトと、該回転シャフトの軸に対するラジアル方向だけでなく該軸と平行なスラスト方向においても前記回転シャフトから荷重を受けるベアリングと、前記回転シャフトが内部に通されているハウジングと、該ハウジングの内周面と前記回転シャフトの外周面との間に位置し前記内周面との間にオイルフィルムを形成するオイルフィルムダンパと、を備えるターボ機械であって、
   前記オイルフィルムダンパは、前記ベアリングを介して前記回転シャフトからラジアル方向およびスラスト方向に荷重を受けて、該荷重を前記ハウジングに伝え、
   前記オイルフィルムダンパは、前記ハウジングの荷重受け面にスラスト方向に対向する荷重伝達面を有し、前記回転シャフトからの荷重を前記荷重伝達面から前記荷重受け面へスラスト方向に伝え、
   前記荷重受け面と荷重伝達面の少なくとも一方に、振動を減衰させる機能を有する振動減衰部が設けられている、ことを特徴とするターボ機械。
2. 前記振動減衰部は、前記荷重受け面と荷重伝達面の前記少なくとも一方に取り付けられ、振動減衰機能を有する材料で形成された部材である、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記材料は、振動減衰機能を有する樹脂材、ゴム材、ゲル材料または金属である、ことを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記ハウジングまたはオイルフィルムダンパーには、前記振動減衰部を覆う保護カバーが設けられている、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のターボ機械。