JP2016017427A - Turbocharger thrust reaction force application device, turbocharger including same, and turbocharger thrust reaction force application method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過給機のスラスト反力付与装置、これを備えた過給機、および過給機のスラスト反力付与方法に関するものである。 The present invention relates to a thrust reaction force applying device for a supercharger, a supercharger provided with the same, and a method for applying a thrust reaction force of a supercharger.
内燃機関の排ガスにより駆動されて吸入空気を過給する過給機においては、そのタービン翼車に流入する排ガスの圧力によってタービン軸をコンプレッサ翼車側に押圧しようとする強いスラスト荷重が発生する。このため、タービン軸は、一対のラジアル軸受によって回転自在に軸支されるとともに、スラスト軸受によって軸方向への移動を規制されている。 In a supercharger that is driven by exhaust gas from an internal combustion engine and supercharges intake air, a strong thrust load is generated to press the turbine shaft toward the compressor wheel due to the pressure of the exhaust gas flowing into the turbine wheel. For this reason, the turbine shaft is rotatably supported by a pair of radial bearings, and movement in the axial direction is restricted by the thrust bearing.
しかしながら、このようにタービン軸に加わる強いスラスト荷重をスラスト軸受によって受け止めているため、スラスト軸受における回転抵抗が増大し、動力損失が発生している。特に、低負荷運転時は、スラスト軸受における回転抵抗の動力損失の割合が増加するため、この損失低減が求められている。 However, since the strong thrust load applied to the turbine shaft is received by the thrust bearing in this way, the rotational resistance in the thrust bearing is increased and power loss is generated. In particular, during low-load operation, the ratio of power loss due to rotational resistance in the thrust bearing increases, so this loss reduction is required.
この問題を解決するべく、例えば下記の特許文献1には、過給機において、コンプレッサ翼車の空気入口側の部位に、コンプレッサ翼車のハブの空気入口側の面と、コンプレッサ翼車の入口空気の整流を行うカップ状リテーナと、コンプレッサ翼車およびカップ状リテーナの間のシールを行うシール部材とにより区画形成される気密空間を形成し、この気密空間内に、コンプレッサ(コンプレッサ翼車)によって圧縮された圧縮空気の一部を抽気して導入するようにした技術が開示されている。
In order to solve this problem, for example, in the following
このように、コンプレッサ翼車のハブの空気入口側の面に設けた気密空間に圧縮空気を導入することにより、排ガスの圧力によるスラスト荷重を打ち消す逆方向のスラスト反力を発生させることができ、これによってスラスト軸受における動力損失を低減することができる。 Thus, by introducing compressed air into the airtight space provided on the air inlet side surface of the hub of the compressor impeller, it is possible to generate a reverse thrust reaction force that cancels the thrust load due to the pressure of the exhaust gas, As a result, power loss in the thrust bearing can be reduced.
また、下記の特許文献2には、ガスターボ機械において、回転軸(タービン軸)を軸支する一対のラジアル軸受とは別に、磁力によって回転軸の軸方向位置を変位させることのできるスラスト磁気軸受を設けた技術が開示されている。スラスト磁気軸受は、回転軸が軸支されているケーシングの内部に設けられている。 Patent Document 2 below discloses a thrust magnetic bearing capable of displacing the axial position of a rotating shaft by a magnetic force separately from a pair of radial bearings that support the rotating shaft (turbine shaft) in a gas turbomachine. The provided technology is disclosed. The thrust magnetic bearing is provided inside a casing on which a rotating shaft is pivotally supported.
このガスターボ機械において、例えば回転軸が熱膨張し、ケーシング内における羽根車の軸方向位置が変位した場合には、スラスト磁気軸受における磁気吸引力が制御され、羽根車の軸方向位置が修正される。このため、羽根車はケーシング内における理想位置(高効率な位置)にて回転を続けることができ、これによってガスターボ機械の効率が低下することを防止できる。 In this gas turbomachine, for example, when the rotating shaft thermally expands and the axial position of the impeller in the casing is displaced, the magnetic attractive force in the thrust magnetic bearing is controlled, and the axial position of the impeller is corrected. . For this reason, the impeller can continue to rotate at an ideal position (highly efficient position) in the casing, thereby preventing a reduction in efficiency of the gas turbomachine.
特許文献1の過給機においては、排ガスの圧力によるスラスト荷重を打ち消す逆方向のスラスト反力を発生させるべく、コンプレッサにて圧縮した空気の一部を抽気して気密空間に供給しているため、スラスト軸受における動力損失を回避できる一方で、コンプレッサの効率を低下させてしまうという問題がある。
In the turbocharger of
また、特許文献2のガスターボ機械では、回転軸の軸方向位置を変位させるスラスト磁気軸受が、回転軸が軸支されているケーシングの内部に設けられているため、スラスト磁気軸受の温度が上昇した際に磁力が低下するなどしてスラスト磁気軸受の性能や信頼性が低下するという問題がある。 Further, in the gas turbomachine of Patent Document 2, since the thrust magnetic bearing for displacing the axial position of the rotating shaft is provided inside the casing on which the rotating shaft is supported, the temperature of the thrust magnetic bearing has increased. In this case, there is a problem that the performance and reliability of the thrust magnetic bearing are lowered due to a decrease in magnetic force.
本発明は、タービン翼車に流入する排ガスの圧力によってタービン軸をコンプレッサ翼車側に押圧するスラスト荷重による動力損失を低減し、スラスト軸受を小型化するとともに、過給機性能を高めることができる過給機のスラスト反力付与装置、これを備えた過給機、および過給機のスラスト反力付与方法を提供することを目的とする。 The present invention can reduce the power loss due to the thrust load that presses the turbine shaft toward the compressor wheel by the pressure of the exhaust gas flowing into the turbine wheel, thereby reducing the size of the thrust bearing and improving the supercharger performance. It is an object of the present invention to provide a thrust reaction force applying device for a supercharger, a supercharger provided with the same, and a method for applying a thrust reaction force of a supercharger.
上記課題を解決するために、本発明の第一態様に係る過給機のスラスト反力付与装置は、排ガスによって駆動されるタービン翼車と、前記タービン翼車が一端部に接続されたタービン軸と、前記タービン軸の他端部の側に接続されたコンプレッサ翼車と、を含む過給機のスラスト反力付与装置であって、前記タービン軸の他端部に一端部が接続された励磁軸と、前記励磁軸の周面を囲むように設けられた励磁コイルと、前記励磁軸の他端部の側に設けられ、前記励磁軸が発する磁力に反発する磁力を発生させる反発磁性体と、を備える。 In order to solve the above problems, a thrust reaction force applying device for a supercharger according to a first aspect of the present invention includes a turbine impeller driven by exhaust gas, and a turbine shaft having the turbine impeller connected to one end. And a compressor impeller connected to the other end of the turbine shaft, and a thrust reaction force imparting device for a turbocharger, wherein one end is connected to the other end of the turbine shaft An excitation coil provided so as to surround a peripheral surface of the excitation shaft, a repulsive magnetic body provided on the other end portion side of the excitation shaft, and generating a magnetic force repelling the magnetic force generated by the excitation shaft; .
上記構成の過給機のスラスト反力付与装置によれば、励磁コイルに電流が供給されることによって励磁軸が励磁され、この励磁軸の磁力(磁束)と、反発磁性体の磁力(磁束)との間で反発力が発生する。反発磁性体はケーシング側に固定されているため、上記反発力によってスラスト反力が発生し、このスラスト反力によって励磁軸とタービン軸とが、排ガス通路内における排ガスの流動方向とは逆方向に、即ちタービン翼車側に押圧される。 According to the thrust reaction force imparting device for a turbocharger having the above-described configuration, the excitation shaft is excited by supplying current to the excitation coil, and the magnetic force (magnetic flux) of the excitation shaft and the magnetic force (magnetic flux) of the repulsive magnetic material. A repulsive force is generated between them. Since the repulsive magnetic body is fixed on the casing side, a thrust reaction force is generated by the repulsive force. The thrust reaction force causes the excitation shaft and the turbine shaft to move in the direction opposite to the flow direction of the exhaust gas in the exhaust gas passage. That is, it is pressed to the turbine impeller side.
このため、タービン翼車に流入する排ガスの圧力によってタービン軸をコンプレッサ翼車側に押圧するスラスト荷重と、スラスト反力付与装置において発生したスラスト反力とが相殺し合い、タービン軸に掛かるスラスト荷重が軽減される。したがって、タービン軸に設けられているスラスト軸受における回転抵抗の増大が防止され、動力損失が低減し、スラスト軸受を小型化するとともに過給機性能を高めることができる。 For this reason, the thrust load that presses the turbine shaft toward the compressor wheel due to the pressure of the exhaust gas flowing into the turbine wheel and the thrust reaction force generated in the thrust reaction force imparting device cancel each other, and the thrust load applied to the turbine shaft is It is reduced. Therefore, an increase in rotational resistance in the thrust bearing provided on the turbine shaft can be prevented, power loss can be reduced, the thrust bearing can be downsized and the supercharger performance can be enhanced.
しかも、この過給機のスラスト反力付与装置は、前述の特許文献1のようにコンプレッサにて圧縮した空気を使用してコンプレッサ羽根車の入口側に圧縮空気を導入することによりスラスト反力を発生するものと異なり、磁力によってスラスト反力を発生させているため、コンプレッサの効率を低下させてしまうことがない。
In addition, the thrust reaction force imparting device of the supercharger uses the air compressed by the compressor as described in
さらに、この過給機のスラスト反力付与装置は、励磁コイルが、タービン軸のコンプレッサ翼車側の端部に同軸的に設けられた励磁軸を囲むように設けられているため、励磁コイルが吸気通路内に位置している。このため、励磁コイルおよび励磁軸が発熱を伴った場合においても、吸気通路内を高速で流れる吸入空気によって冷却され易くなるために温度上昇が抑制され、磁力が低下しないので、スラスト反力付与装置の耐久信頼性を高めることができる。 Furthermore, in this thrust reaction force imparting device of the supercharger, the excitation coil is provided so as to surround the excitation shaft provided coaxially at the end of the turbine shaft on the compressor impeller side. Located in the intake passage. For this reason, even when the excitation coil and the excitation shaft are accompanied by heat generation, since it is easy to be cooled by the intake air flowing at high speed in the intake passage, the temperature rise is suppressed and the magnetic force does not decrease. The durability and reliability can be improved.
また、この過給機のスラスト反力付与装置は、タービン軸に短い励磁軸を同軸的に連結するとともに、この励磁軸を取り囲む励磁コイルと、励磁軸に対して反発する反発磁性体と、励磁コイルに電流を供給する電源部とを設けるだけの簡素な構成であるため、容易に設置することができる上に、既存の過給機への追加装着(改造)も容易である。 The turbocharger thrust reaction force imparting device coaxially connects a short excitation shaft to a turbine shaft, an excitation coil surrounding the excitation shaft, a repulsive magnetic body that repels the excitation shaft, and an excitation Since it has a simple configuration that only includes a power supply unit that supplies current to the coil, it can be easily installed and can be easily added (remodeled) to an existing supercharger.
上記構成の過給機のスラスト反力付与装置においては、前記励磁軸、前記励磁コイルおよび前記反発磁性体を収容する保持部材をさらに設け、前記保持部材の軸方向端部のうち、前記コンプレッサ翼車側とは反対側の端部を空力的に滑らかな形状にするのが好ましい。 In the thrust reaction force imparting device for a turbocharger having the above-described configuration, a holding member that accommodates the excitation shaft, the excitation coil, and the repulsive magnetic body is further provided, and the compressor blade among the axial ends of the holding member It is preferable that the end portion on the side opposite to the vehicle side has an aerodynamically smooth shape.
この構成によれば、過給機のスラスト反力付与装置が、コンプレッサ翼車の上流側に設けられた空力的に滑らかな形状の保持部材の内部に収容されるため、スラスト反力付与装置が吸気への抵抗になることを回避して過給機性能の低下を防止することができる。
しかも、発熱を伴う励磁コイルが収容されている保持部材が、コンプレッサ翼車の直上流部に位置するように配置されるため、吸入空気によって励磁コイルを効果的に冷却することができる。
According to this configuration, since the thrust reaction force applying device of the supercharger is housed inside the aerodynamically smooth holding member provided on the upstream side of the compressor wheel, the thrust reaction force applying device is It is possible to prevent a decrease in supercharger performance by avoiding resistance to intake air.
In addition, since the holding member in which the exciting coil that generates heat is accommodated is positioned immediately upstream of the compressor wheel, the exciting coil can be effectively cooled by the intake air.
上記構成の過給機のスラスト反力付与装置においては、過給機の回転速度や排ガス圧力等の運転状況に応じて、電源部から前記励磁コイルに導入する電流または印加する電圧を制御する制御部をさらに有するのが好ましい。 In the turbocharger thrust reaction force imparting device having the above-described configuration, control for controlling the current introduced from the power supply unit to the excitation coil or the voltage to be applied according to the operating conditions such as the rotational speed of the supercharger and the exhaust gas pressure. It is preferable to further have a part.
上記構成によれば、過給機のスラスト反力付与装置によって出力されるスラスト反力を、過給機の運転状況に応じて適宜調整することができる。このため、過給機の運転状態が変わっても、タービン軸に加わるスラスト荷重に追従してスラスト反力を増減させるので、スラスト軸受の負荷を常に軽減させてスラスト軸受を小型化するとともに過給機性能を高めることができる。 According to the said structure, the thrust reaction force output by the thrust reaction force provision apparatus of a supercharger can be suitably adjusted according to the driving | running state of a supercharger. For this reason, even if the operating state of the turbocharger changes, the thrust reaction force is increased or decreased following the thrust load applied to the turbine shaft. Therefore, the thrust bearing is always reduced to reduce the size of the thrust bearing and The machine performance can be improved.
また、本発明の第二態様に係る過給機は、前記第一態様に係る過給機のスラスト反力付与装置を備えたことを特徴とする。
この過給機によれば、タービン翼車に流入する排ガスの圧力によってタービン軸をコンプレッサ翼車側に押圧するスラスト荷重と、励磁コイルによって励磁された励磁軸に対して反発磁性体が反発することによってタービン軸をタービン翼車側に押圧するスラスト反力とが相殺し合う。
このため、タービン軸に掛かるスラスト荷重が軽減もしくは消去され、これによってタービン軸に設けられているスラスト軸受における回転抵抗の増大を防止し、動力損失を低減させてスラスト軸受を小型化するとともに過給機性能を高めることができる。
Moreover, the supercharger which concerns on the 2nd aspect of this invention was provided with the thrust reaction force provision apparatus of the supercharger which concerns on the said 1st aspect.
According to this turbocharger, the repulsive magnetic material repels against the thrust load that presses the turbine shaft toward the compressor wheel by the pressure of the exhaust gas flowing into the turbine wheel and the excitation shaft excited by the excitation coil. This cancels out the thrust reaction force that presses the turbine shaft toward the turbine wheel side.
For this reason, the thrust load applied to the turbine shaft is reduced or eliminated, thereby preventing an increase in rotational resistance in the thrust bearing provided on the turbine shaft, reducing power loss and reducing the size of the thrust bearing and supercharging. The machine performance can be improved.
また、本発明の第三態様に係る過給機のスラスト反力付与方法は、排ガスによって駆動されるタービン翼車と、前記タービン翼車が一端部に接続されたタービン軸と、前記タービン軸の他端部の側に接続されたコンプレッサ翼車と、を含む過給機のスラスト反力付与方法であって、前記タービン軸の他端部に一端部が接続された励磁軸と、前記励磁軸の周面を囲むように設けられた励磁コイルと、前記励磁軸の他端部の側に設けられ、前記励磁軸が発する磁力に反発する磁力を発生させる反発磁性体と、前記過給機の運転情報を検出する過給機運転情報検出器と、制御部と、を設け、前記制御部は、前記過給機運転情報検出器からの入力情報に基づき、前記タービン軸に作用するスラスト荷重を打ち消す大きさのスラスト反力が発生するように、前記励磁コイルに導入する電流または印加する電圧を制御する。 In addition, a method for applying a thrust reaction force of a supercharger according to the third aspect of the present invention includes a turbine impeller driven by exhaust gas, a turbine shaft connected to one end of the turbine impeller, and a turbine shaft A thrust reaction force applying method for a supercharger including a compressor impeller connected to the other end side, wherein the excitation shaft has one end connected to the other end of the turbine shaft, and the excitation shaft. An excitation coil provided so as to surround the peripheral surface of the excitation shaft, a repulsive magnetic body that is provided on the other end side of the excitation shaft and generates a magnetic force repelling the magnetic force generated by the excitation shaft, and the supercharger A supercharger operation information detector for detecting operation information and a control unit are provided, and the control unit determines a thrust load acting on the turbine shaft based on input information from the supercharger operation information detector. Thrust reaction force of the magnitude to cancel To control the current or voltage applied to introduce into the excitation coil.
上記構成の過給機のスラスト反力付与方法によれば、過給機の運転状況に応じてスラスト反力付与装置によって出力されるスラスト反力を適宜調整することで、過給機の運転状態の変化があっても、タービン軸に加わるスラスト荷重に追従してスラスト反力を増減させ、スラスト軸受の負荷を常に軽減させてスラスト軸受を小型化するとともに過給機性能を高めることができる。 According to the thrust reaction force imparting method of the turbocharger having the above configuration, the operation state of the turbocharger is appropriately adjusted by adjusting the thrust reaction force output by the thrust reaction force imparting device according to the operation state of the turbocharger. Even if there is a change, the thrust reaction force can be increased or decreased following the thrust load applied to the turbine shaft, the load on the thrust bearing can be constantly reduced, the thrust bearing can be downsized, and the supercharger performance can be improved.
以上のように、本発明に係る過給機のスラスト反力付与装置、これを備えた過給機、および過給機のスラスト反力付与方法によれば、タービン翼車に流入する排ガスの圧力によってタービン軸をコンプレッサ翼車側に押圧するスラスト荷重による動力損失を低減し、スラスト軸受を小型化するとともに、過給機性能を高めることができる。 As described above, according to the thrust reaction force applying device for a supercharger according to the present invention, the turbocharger equipped with the same, and the thrust reaction force applying method for the supercharger, the pressure of the exhaust gas flowing into the turbine impeller As a result, it is possible to reduce power loss due to the thrust load that presses the turbine shaft toward the compressor wheel, to reduce the size of the thrust bearing and to improve the supercharger performance.
以下に、本発明の複数の実施形態について、図1を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係るスラスト反力付与装置が適用された過給機の一例を示す縦断面図である。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a supercharger to which a thrust reaction force applying device according to the present invention is applied.
この過給機1は、例えば図示しない舶用大型ディーゼル機関(内燃機関)に装備されて吸入空気を過給するためのものであり、後述するスラスト反力付与装置24が装備されている点以外は一般的な構成を持つものである。
The
即ち、過給機1は、全体の外殻をなすケーシング2を備えており、このケーシング2は、中央部に位置してタービン軸3を軸支する軸受台5と、この軸受台5の一側に連結されて排気タービン6を構成する排ガス通路構成部材7と、軸受台5の他側に連結されてコンプレッサ8(圧縮機)を構成する吸気通路構成部材9とを備えて構成されている。なお、吸気通路構成部材9の外部開口側には吸気サイレンサ11が接続されている。
In other words, the
タービン軸3は、軸受台5の内部に水平に軸支されており、一対のラジアル軸受13,14と、1つのスラスト軸受15とによって回転自在に、且つ軸方向には移動不可能に支持されている。そして、タービン軸3の一端にタービン翼車17が、他端にコンプレッサ翼車18が、それぞれ同軸的に設けられてタービンローター20が構成されている。タービン翼車17は排気タービン6の内部で回転する軸流タービンであり、コンプレッサ翼車18はコンプレッサ8の内部で回転する遠心タービンである。
The
排ガス通路構成部材7は、タービン軸3の軸方向に沿う排ガス通路7Aを形成しており、この排ガス通路7Aの内部にタービン翼車17が突出している。また、吸気通路構成部材9によって吸気通路9Aが形成されており、その内部にコンプレッサ翼車18が収容されている。コンプレッサ翼車18は、その中心部をなすハブ18aが、吸気上流側から下流側(軸受台5側)に向かって太くなる形状であり、その外周面に多数のフィン(羽根)18bが突設されている。
The exhaust gas
排気タービン6側においては、排ガス通路7A内を流動方向Gに流れる高温・高圧な舶用大型ディーゼル機関の排ガスによってタービン翼車17が駆動されて回転する。これにより、タービン軸3およびコンプレッサ翼車18が一体に回転し、コンプレッサ8側においては、コンプレッサ翼車18が吸気通路9Aの中心部から外気を吸気して圧縮し、遠心方向に吐出する。この時、吸気通路9A内には高速な吸入空気流Aが発生する。吐出された圧縮空気は、図示しない吐出口から舶用大型ディーゼル機関に過給される。なお、吸気サイレンサ11において、コンプレッサ8の駆動により発される吸気騒音が消音される。
On the
排気タービン6は軸流タービンであるため、排ガス通路7Aを流れる排ガスのエネルギーを効率良く回収できる反面、タービン翼車17に流入する排ガスの圧力により、タービン軸3を排ガスの流動方向G、即ちコンプレッサ翼車18側(軸受台5側)に押圧しようとする強いスラスト荷重Wが発生する。このスラスト荷重Wはスラスト軸受15によって受け止められるが、スラスト軸受15における回転抵抗の増大による動力損失に繋がり、ひいては過給機性能の低下を招く。
Since the
このようなスラスト荷重Wによる過給機性能の低下を回避するべく、この過給機1にはスラスト反力付与装置24が装備されている。このスラスト反力付与装置24は、下記のように構成されている。
In order to avoid such deterioration of the supercharger performance due to the thrust load W, the
まず、吸気通路9A内におけるコンプレッサ翼車18よりも上流側、且つタービン軸3に対して同軸延長線上に保持部材25が配置されている。この保持部材25は、略円柱状をなし、その外径はコンプレッサ翼車18のハブ18aの先端部の外径と略等しくされている。また、この保持部材25の吸気上流側の端部形状は空力的に滑らかな形状(例えば流線形や半球形)になっている。
First, the holding
この保持部材25は、例えば吸気サイレンサ11に設けられている、吸気通路構成部材9との接続用の接続筒部11aの中心部に同心状に位置しており、吸気サイレンサ11を介してケーシング2側に固定されている。具体的には、接続筒部11aの内周面と保持部材25の外周面との間が複数(好ましくは3枚以上)の、等角度間隔で配置された支持板26により連結されることによって同心位置を維持されている。なお、支持板26の断面形状は、接続筒部11a内における空気の流れを阻害せず、しかも薄くて剛性のある形状(例えば角部をR付とした断面や翼型断面)にするのが好ましい。
The holding
一方、タービン軸3の、コンプレッサ翼車18側の先端部には、鋼鉄等の磁性材料によって円柱状に形成された励磁軸28が同軸的に連結されている。具体的には、タービン軸3の先端付近にコンプレッサ翼車18のハブ18aがロックナット29により固定されており、このロックナット29から突出しているタービン軸3の最先端部に、励磁軸28の後端面から突出する雄ネジ部28aが螺合されている。そして、この螺合部付近が別体のカバー部材30によって覆われている。励磁軸28は保持部材25の内部に収容されており、カバー部材30の外周面は、ハブ18aの外周面と保持部材25の外周面とに滑らかに続くように形成されている。
On the other hand, an
また、保持部材25の内部には、励磁軸28を囲むように励磁コイル32が固定されている。この励磁コイル32は、過給機1の外部の電源部36から直流電力を供給されることによって励磁軸28を励磁させる。励磁コイル32の内周面と励磁軸28の外周面とは接触しないように数ミリ程度まで近接しており、励磁軸28は励磁コイル32からの励磁力を受けながら回転することができる。
An
さらに、保持部材25の内部には反発磁性体34が収容されている。この反発磁性体34は、例えば円板形状の永久磁石であり、その一面が励磁軸28の吸気上流側の端面に僅かな間隔(数ミリ程度)を隔てて対峙するように保持部材25に固定されており、反発磁性体34の一面と、励磁軸28の吸気上流側の端面とが接触しないように配置されている。即ち、この反発磁性体34も、保持部材25を介してケーシング2側に固定されている。
反発磁性体34としては、例えば鉄―ネオジウム系材料永久磁石、サマリウム-コバルト系磁石等、強力な磁力を有するものが好ましい。
Further, a repulsive
As the repulsive
反発磁性体34は、励磁コイル32によって励磁された励磁軸28が発する軸方向の磁力に反発する磁力を発生する。この反発力により、励磁軸28およびタービン軸3を、排ガス通路7A内における排ガスの流動方向Gとは逆方向に押圧するスラスト反力Tが発生する。なお、本実施形態においては、反発磁性体34として永久磁石が用いられているが、これを電磁石に置き換えてもよい。
The repulsive
また、この過給機1には、過給機運転情報検出器39が設けられている。過給機運転情報検出器39は、タービン軸3に設けた図示しない回転数計からの回転速度情報や、排ガス通過部分に設けた圧力計等からの検出情報を取得して過給機1の運転状況を判断するものである。
さらに、この過給機1には、過給機運転情報検出器39から入力される過給機1の回転速度や排ガス圧力等の運転状況に応じて、電源部36から励磁コイル32に導入する電流または印加する電圧を制御する制御部38が設けられている。
The
Further, the
以上のように構成されたスラスト反力付与装置24が装備された過給機1において、排ガス通路7A内を流れる排ガスのエネルギーによりタービンローター20(タービン軸3)が回転している時に、スラスト反力付与装置24の電源部36から励磁コイル32に電流が供給されると、励磁軸28が励磁され、この励磁軸28が発する軸方向の磁力(磁束)と、反発磁性体34が発する軸方向の磁力(磁束)との間で反発が起こる。反発磁性体34は保持部材25を介してケーシング2側に固定されているため、上記反発力によってスラスト反力Tが発生し、このスラスト反力Tによって励磁軸28とタービン軸3とが、排ガス通路7A内における排ガスの流動方向Gとは逆方向に、即ちタービン翼車17側(軸受台5側)に押圧される。
In the
このため、タービン翼車17に流入する排ガスの圧力によってタービン軸3をコンプレッサ翼車18側に押圧するスラスト荷重Wは、スラスト反力付与装置24において発生したスラスト反力Tにより減少、もしくは相殺され、タービン軸3に掛かるスラスト荷重Wが軽減もしくは消去される。したがって、タービン軸3に設けられているスラスト軸受15における回転抵抗の増大が防止され、動力損失が低減し、これによってスラスト軸受15を小型化するとともに、過給機1の性能を高めることができる。
For this reason, the thrust load W that presses the
しかも、このスラスト反力付与装置24は、従来のように、コンプレッサ8にて圧縮した空気を抽気し、コンプレッサ翼車18の入口側に圧縮空気を導入してスラスト反力を発生するものと異なり、磁力によってスラスト反力Tを発生させているため、コンプレッサ8の性能を低下させてしまうことがない。
Moreover, the thrust reaction
さらに、このスラスト反力付与装置24は、その励磁コイル32が、タービン軸3のコンプレッサ翼車18側の端部に同軸的に設けられた励磁軸28を囲むように設けられているため、励磁コイル32が吸気通路9A内に位置している。
このため、励磁コイル32にジュール熱や磁束密度変動による発熱が生じても、吸気通路9A内を高速で流れる吸入空気流Aによって冷却され易くなり、励磁コイル32の温度が上昇し磁力が低下することがない。これによってスラスト反力付与装置24の信頼性を高めることができる。
Further, the thrust reaction
For this reason, even if heat is generated in the
また、このスラスト反力付与装置24は、タービン軸3に短い励磁軸28を同軸的に連結するとともに、この励磁軸28を取り囲む励磁コイル32と、励磁コイル32に電流を供給する電源部36と、励磁軸28に対して反発する反発磁性体34とを設けるだけの簡素な構成であるため、容易に設置することができる上に、既存の過給機への追加装着(バージョンアップ)も容易である。既存の過給機にスラスト反力付与装置24を追加装着することにより、その過給機性能を向上させるとともに、スラスト軸受の負荷を常に軽減させてスラスト軸受を小型化することができる。また、スラスト軸受の寿命を延命させ、整備性を高めることができる。
The thrust reaction
励磁軸28と励磁コイル32と反発磁性体34とが収容されている保持部材25は、コンプレッサ翼車18の吸気上流側となる吸気通路9A内、且つタービン軸3に対して同軸延長線上に位置するようにケーシング2側に固定されるとともに、コンプレッサ翼車18のハブ18aの先端部外径と略等しい外径の円柱形状をなしており、且つその吸気上流側の端部形状が空力的に滑らかな形状である。
このため、スラスト反力付与装置24を、タービン軸3の軸方向視で、コンプレッサ翼車18のハブ18a先端部外径の滑らかな輪郭内に収納することができ、これによってスラスト反力付与装置24が吸気への抵抗になることを回避して過給機性能の低下を防止することができる。
The holding
For this reason, the thrust reaction
しかも、発熱がある励磁コイル32が収容されている保持部材25の軸方向が吸気通路9Aの通路方向に沿い、且つ、コンプレッサ翼車18の直上流部に設けられるため、吸入空気流Aによって励磁コイル32を効果的に冷却することができる。なお、例えば保持部材25の外周面に、吸入空気流Aの気流方向に沿う放熱フィン等を更に形成してその表面積を増大させることにより、より効果的に励磁コイル32を冷却させてもよい。
Moreover, since the axial direction of the holding
また、反発磁性体34が、励磁軸28の吸気上流側の端面に対峙するように保持部材25に設けられているため、タービン軸3の軸方向視で、反発磁性体34が、励磁軸28および励磁コイル32の外形輪郭よりも内側に収まる。これにより、スラスト反力付与装置24をコンパクト化することができる。
Further, since the repulsive
さらに、制御部38が、過給機1に設けた過給機運転情報検出器39の検出情報(回転速度や排ガス圧力等)により推定される運転状況に応じて、電源部36から励磁コイル32に導入する電流または印加電圧を制御するため、スラスト反力付与装置24によって出力されるスラスト反力Tを、過給機1の運転状況に応じて適宜調整することができる。このため、タービン軸3に加わるスラスト荷重Wをできるだけ相殺することができるような大きさのスラスト反力Tを出力するとともに、スラスト荷重Wを超えないよう制御することで、スラスト軸受15の負荷を軽減させてスラスト軸受15における回転抵抗の増大による動力損失を低減し、過給機性能を高めることができる。
Further, the
また、過給機1の運転状況に応じてスラスト反力付与装置24により出力されるスラスト反力Tを適宜調整することで、過給機1の運転状態が変化しても、タービン軸3に加わるスラスト荷重Wの変化に追従するようにスラスト反力Tを増減する制御を行い、スラスト軸受15の負荷を常に所定の反力以内になるようにする。これにより、スラスト軸受15を小型化するにあたり、スラスト軸受15の信頼性を維持することができる。
ここで、スラスト軸受15の所定の反力とは、例えば、過給機1の運用で、スラスト反力付与装置24を用いてスラスト軸受15に発生する設計反力(最も大きくなる運用状態での反力)である。
Further, by appropriately adjusting the thrust reaction force T output from the thrust reaction
Here, the predetermined reaction force of the
以上説明したように、本実施形態に係るスラスト反力付与装置24およびスラスト反力付与方法によれば、スラスト軸受15に対して簡素で信頼性の高い構成により、タービン翼車17に流入する排ガスの圧力によってタービン軸3をコンプレッサ翼車18側に押圧するスラスト荷重Wによる動力損失を低減し、過給機性能を高めることができる。
As described above, according to the thrust reaction
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、本発明に係るスラスト反力付与装置24を、舶用大型ディーゼル機関に装備される過給機1に適用した例について説明したが、舶用エンジンの過給機に限らず、他種のエンジンの過給機、さらにはガスタービンやジェットエンジン等、他の形式や用途の軸流タービンにも幅広く適用することができる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can add a change suitably.
For example, in the said embodiment, although the example which applied the thrust reaction
また、上記実施形態では、励磁軸28がタービン軸3に対して一体に回転するようにタービン軸3に連結されているが、タービン軸3自体の端部を延長して励磁軸を一体に形成してもよい。さらに、励磁軸を回転しないものとし、励磁軸とタービン軸3との間に回転抵抗の小さいスラストベアリングを介在させ、励磁軸に加わる反発力を、スラストベアリングを介してタービン軸3に伝達することも考えられる。
In the above embodiment, the
さらに、タービン軸3のコンプレッサ翼車18側の端部に補助モーターを設けてタービン軸3の回転を補助するように構成されたハイブリッド型のタービン装置において、補助モーターに隣接させる、もしくは補助モーターに内蔵させる形で、励磁軸28と励磁コイル32と反発磁性体34とを設けるようにしてもよい。
Further, in the hybrid turbine apparatus configured to assist the rotation of the
1 過給機
2 ケーシング
3 タービン軸
5 軸受台
6 排気タービン
7A 排ガス通路
8 コンプレッサ
9A 吸気通路
13,14 ラジアル軸受
15 スラスト軸受
17 タービン翼車
18 コンプレッサ翼車
18a コンプレッサ翼車のハブ
20 タービンローター
24 スラスト反力付与装置
25 保持部材
28 励磁軸
32 励磁コイル
34 反発磁性体
36 電源部
38 制御部
39 過給機運転情報検出器
G 排ガスの流動方向
T スラスト反力
W スラスト荷重
DESCRIPTION OF
また、本発明の第二態様に係る過給機は、前記第一態様に係る過給機のスラスト反力付与装置を備えている。
この過給機によれば、タービン翼車に流入する排ガスの圧力によってタービン軸をコンプレッサ翼車側に押圧するスラスト荷重と、励磁コイルによって励磁された励磁軸に対して反発磁性体が反発することによってタービン軸をタービン翼車側に押圧するスラスト反力とが相殺し合う。
このため、タービン軸に掛かるスラスト荷重が軽減もしくは消去され、これによってタービン軸に設けられているスラスト軸受における回転抵抗の増大を防止し、動力損失を低減させてスラスト軸受を小型化するとともに過給機性能を高めることができる。
Further, turbocharger according to the second aspect of the present invention, Ru Tei includes a thrust reaction force applying device of the turbocharger according to the first aspect.
According to this turbocharger, the repulsive magnetic material repels against the thrust load that presses the turbine shaft toward the compressor wheel by the pressure of the exhaust gas flowing into the turbine wheel and the excitation shaft excited by the excitation coil. This cancels out the thrust reaction force that presses the turbine shaft toward the turbine wheel side.
For this reason, the thrust load applied to the turbine shaft is reduced or eliminated, thereby preventing an increase in rotational resistance in the thrust bearing provided on the turbine shaft, reducing power loss and reducing the size of the thrust bearing and supercharging. The machine performance can be improved.
Claims (5)
前記タービン翼車が一端部に接続されたタービン軸と、
前記タービン軸の他端部の側に接続されたコンプレッサ翼車と、を含む過給機のスラスト反力付与装置であって、
前記タービン軸の他端部に一端部が接続された励磁軸と、
前記励磁軸の周面を囲むように設けられた励磁コイルと、
前記励磁軸の他端部の側に設けられ、前記励磁軸が発する磁力に反発する磁力を発生させる反発磁性体と、
を備える過給機のスラスト反力付与装置。 A turbine impeller driven by exhaust gas;
A turbine shaft having the turbine impeller connected to one end;
A compressor impeller connected to the other end side of the turbine shaft, and a thrust reaction force imparting device for a supercharger,
An excitation shaft having one end connected to the other end of the turbine shaft;
An excitation coil provided so as to surround the peripheral surface of the excitation shaft;
A repulsive magnetic body that is provided on the other end side of the excitation shaft and generates a magnetic force repelling the magnetic force generated by the excitation shaft;
A thrust reaction force imparting device for a turbocharger.
前記保持部材の軸方向端部のうち、前記コンプレッサ翼車側とは反対側の端部を空力的に滑らかな形状にした過給機のスラスト反力付与装置。 A holding member that accommodates the excitation shaft, the excitation coil, and the repulsive magnetic body,
A thrust reaction force imparting device for a supercharger, wherein an end portion of the holding member in the axial direction opposite to the compressor wheel side is aerodynamically smooth.
前記タービン翼車が一端部に接続されたタービン軸と、
前記タービン軸の他端部の側に接続されたコンプレッサ翼車と、
を含む過給機のスラスト反力付与方法であって、
前記タービン軸の他端部に一端部が接続された励磁軸と、
前記励磁軸の周面を囲むように設けられた励磁コイルと、
前記励磁軸の他端部の側に設けられ、前記励磁軸が発する磁力に反発する磁力を発生させる反発磁性体と、
前記過給機の運転情報を検出する過給機運転情報検出器と、
制御部と、
を設け、
前記制御部は、前記過給機運転情報検出器からの入力情報に基づき、前記タービン軸に作用するスラスト荷重を打ち消す大きさのスラスト反力が発生するように、前記励磁コイルに導入する電流または印加する電圧を制御することを特徴とする過給機のスラスト反力付与方法。 A turbine impeller driven by exhaust gas;
A turbine shaft having the turbine impeller connected to one end;
A compressor wheel connected to the other end of the turbine shaft;
A thrust reaction force imparting method for a turbocharger including:
An excitation shaft having one end connected to the other end of the turbine shaft;
An excitation coil provided so as to surround the peripheral surface of the excitation shaft;
A repulsive magnetic body that is provided on the other end side of the excitation shaft and generates a magnetic force repelling the magnetic force generated by the excitation shaft;
A supercharger operation information detector for detecting operation information of the supercharger;
A control unit;
Provided,
The control unit, based on the input information from the supercharger operation information detector, current to be introduced into the exciting coil so as to generate a thrust reaction force that cancels the thrust load acting on the turbine shaft or A method for applying a thrust reaction force of a supercharger, wherein the applied voltage is controlled.
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