JP2016037960A - シャフトシールシステム及び排ガスターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械のシャフトシールシステム及び排ガスターボチャージャを提供する。【解決手段】軸受ハウジング内部空間とホイール側方空間との間に延在し、ロータ側部材及びステータ側部材によって区切られている間隙を、特に前記ロータ側部材が稼働している際に前記ホイール側方空間内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも大きい場合に、前記ホイール側方空間から前記軸受ハウジング内部空間への漏れ流れに抵抗する第１のシール要素と、特に前記ロータ側部材が停止している際に前記ホイール側方空間内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも小さい場合に、前記軸受ハウジング内部空間から前記ホイール側方空間への漏れ流れに抵抗する第２のシール要素とで密封するための、ターボ機械のシャフトシールシステム。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械のシャフトシールシステム及び排ガスターボチャージャに関する。

排ガスターボチャージャ等のターボ機械におけるシャフトシールシステムは、軸受ハウジング内部空間とホイール側方空間（wheel lateral space）との間に延在する間隙を密封するという課題を有している。排ガスターボチャージャでは、それぞれの軸受ハウジング内部空間は、コンプレッサ側では吸気に対して、タービン側では排ガスに対して密封されている。このために、実践から知られたシャフトシールシステムはシール要素を含んでおり、当該シール要素は、ロータが稼働している際に、ホイール側方空間内に存在する圧力が、軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも大きい場合に、ホイール側方空間から軸受ハウジング内部空間への漏れ流れに抵抗する。ホイール側方空間から軸受ハウジング内部空間へ流れ得る残存する漏れ流れは、ブローバイとも呼ばれている。

特に大型エンジンでは、排ガスターボチャージャのタービン側ロータ及びコンプレッサ側ロータが停止している場合に、それぞれのホイール側方空間において、それぞれの軸受ハウジング内部空間に対して低圧が形成され得るので、シール要素が存在するにも関わらず、停止状態において、軸受ハウジング内部空間からホイール側方空間への漏れ流れが生じる危険が存在する。特に、コンプレッサ又はタービンの領域における最終冷却のために油が用いられる場合、停止状態における当該漏れ流れによって、油がホイール側方空間の領域に到達し、それによって、部材の温度が高くなる結果、ホイール側方空間の領域における油のコークス化がもたらされる。このようにコークス化した油は硬く、それぞれのロータのインペラの損傷につながる。

特許文献１からは、排ガスターボチャージャのためのシャフトシールシステムが知られており、当該シャフトシールシステムは環状のシールウェブ（sealing web）を含んでおり、当該シールウェブは油排出管に設けられており、シールの間に配置されている。

独国特許発明第１０２００４０５５４２９号明細書

ここから出発して、本発明の課題は、ターボ機械の新しいシャフトシールシステムを作り出すことにある。本課題は、請求項１に記載のシャフトシールシステムによって解決される。本発明によると、シャフトシールシステムは、第２のシール要素を含んでおり、この第２のシール要素は、特にロータ側部材が停止している際に、ホイール側方空間内に存在する圧力が、軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも小さい場合に、軸受ハウジング内部空間からホイール側方空間への漏れ流れに抵抗する。

本発明に係るシャフトシールシステムでは、それぞれのホイール側方空間において、それぞれの軸受ハウジング内部空間に対して低圧が存在する場合に、軸受ハウジング内部空間からホイール側方空間への漏れ流れが生じる危険は存在しない。本発明に係る第２のシール要素は、この漏れ流れに抵抗する。したがって、ホイール側方空間におけるコークス化の危険に効果的に抵抗することが可能である。

有利なさらなる構成によると、第２のシール要素は、膜様シール要素として形成されており、第２のシール要素は、ホイール側方空間内に存在する圧力が、軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも小さい場合に、ロータ側部材の平面に密封されて接しているようにステータ側部材に固定されており、第２のシール要素は、ホイール側方空間内に存在する圧力が、軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも大きい場合に、ロータ側部材の平面から外され、ホイール側方空間から軸受ハウジング内部空間へのブローバイを許容する。

このような膜様シール要素の使用は、単純な手段で、軸受ハウジング内部空間に対してホイール側方空間内に過圧が存在する場合に、ホイール側方空間から軸受ハウジング内部空間へのいわゆるブローバイを許容する。これに対して、軸受ハウジング内部空間に対してホイール側方空間内に低圧が存在する場合、軸受ハウジング内部空間からホイール側方空間への漏れ流れは効果的に防止される。

好ましくは、当該膜様シール要素は、第１の径方向外側部分で、ステータ側部材の軸受ハウジング内部空間に対向する平面に固定されている。当該膜様シール要素は、第２の径方向内側部分で、ホイール側方空間内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも小さい場合に、軸受ハウジング内部空間に対向するロータ側部材の平面に密封するように接している。当該膜様シール要素の構成は、特に単純であり好ましい。

有利なさらなる構成によると、膜様シール要素がホイール側方空間内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間内に存在する圧力よりも小さい場合に接しているロータ側部材の平面は、ロータ側部材の肩（shoulder）によって区切られており、当該肩は、膜様シール要素がロータ側部材の平面に接している場合、第２のシール要素の径方向内側の縁部と共に間隙を画定している。これによって、膜様シール要素の密封効果がさらに改善され得る。

本発明の好ましいさらなる構成は、下位請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例は、これに限定されることなく、図面を用いて詳細に説明される。示されているのは以下の図面である。

第１の状態における本発明に係るシャフトシールシステムの概略図である。 第２の状態における本発明に係るシャフトシールシステムの概略図である。

本発明は、ターボ機械、特に排ガスターボチャージャのシャフトシールシステムと、当該シャフトシールシステムを有する排ガスターボチャージャと、に関する。

排ガスターボチャージャの基本的な構造は、当業者には知られている。排ガスターボチャージャは、タービン及びコンプレッサを備えており、タービン内では内燃機関の排ガスが膨張し、エネルギーが得られる。タービンの領域で排ガスの膨張の際に得られたエネルギーは、コンプレッサの領域において用いられ、内燃機関に供給されるべき給気が圧縮される。

排ガスターボチャージャのタービンは、タービンロータ及びタービンハウジングを有しており、コンプレッサは、コンプレッサロータ及びコンプレッサハウジングを有している。タービンの領域にもコンプレッサの領域にも、いわゆる軸受ハウジング内部空間とホイール側方空間とが形成されており、軸受ハウジング内部空間とホイール側方空間との間には間隙が延在しており、軸受ハウジング内部空間とホイール側方空間との間において、当該間隙は、一方では、すなわち径方向外側では、それぞれのステータ側ハウジングによって、他方では、すなわち径方向内側では、それぞれのロータによって区切られている。

図１及び図２は、タービンの領域における排ガスターボチャージャの詳細を著しく概略化して示している。図１では、一方ではステータ側部材１０としてタービンハウジングが、他方ではロータ側部材１１としてタービンロータが示されている。タービンロータ１１は、シャフト１２及びロータブレード１３を含んでいる。

図１及び図２によると、ステータ側部材１０とロータ側部材１１との間に間隙１４が形成されており、当該間隙は、軸受ハウジング内部空間１５とホイール側方空間１６との間に延在している。

間隙１４を密封するために、第１のシール要素１７が存在しており、当該シール要素は、図示された実施例ではピストンリングシールとして形成されている。図示された実施例において、この第１のピストンリングシールとして形成されているシール要素１７は、図１及び図２によると、ロータ側部材１１の溝１８内に配置されており、間隙１４をステータ側部材１０に対して密封している。このような好ましくはピストンリングシールとして形成された第１のシール要素１７は、特に回転数がｎ＞０であるロータ側部材１１が稼働している際に、軸受ハウジング内部空間１５に対してホイール側方空間１６内により大きな圧力が存在している場合に、間隙１４を密封するのに特に有効である。しかしながら、この第１のシール要素１７は、ホイール側方空間１６から軸受ハウジング内部空間１５への、ブローバイとも呼ばれる残存する漏れ流れを許容する。

特にロータ側部材１１が停止している際（ｎ＝０）に、軸受ハウジング内部空間１５内にホイール側方空間１６内よりも大きな圧力が存在する場合、軸受ハウジング内部空間１５からホイール側方空間１６への漏れ流れを簡単な手段で安全かつ確実に防止するために、本発明に係るシャフトシールシステムは、第２のシール要素１９を含んでいる。この第２のシール要素１９は、ホイール側方空間１６内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間１５内に存在する圧力よりも小さい場合、軸受ハウジング内部空間１５からホイール側方空間１６への漏れ流れをストップさせる。したがって、ホイール側方空間１６が軸受ハウジング内部空間１５よりも低圧である場合に、例えば冷却に使用される油がホイール側方空間１６の領域に到達し、そこでコークス化する危険は存在しない。

第２のシール要素１９は、好ましくは膜様シール要素である。シール膜とも表記され得る当該膜様シール要素１９は、ステータ側部材１０に固定されており、ホイール側方空間１６内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間１５内に存在する圧力よりも小さい場合には、ロータ側部材１１の平面２０に密封するように接している（図２を参照のこと）が、これに対して、当該膜様シール要素１９は、ホイール側方空間１６内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間１５内に存在する圧力よりも大きい場合には、ロータ側部材１１の平面２０から外され、ブローバイを許容する（図１を参照のこと）。

図示された好ましい実施例において、第２の膜様シール要素１９は、第１の径方向外の部分２１で、ステータ側部材１０の軸受ハウジング内部空間１５に対向する平面２２に固定されている。ホイール側方空間１６内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間１５内に存在する圧力よりも小さい場合、当該膜様シール要素は、第２の径方向内側部分２３で、同じく軸受ハウジング内部空間１５に対向しているロータ側部材１１の平面２０に、密封するように接している。これに対して、ホイール側方空間１６内に存在する圧力が軸受ハウジング内部空間１５内に存在する圧力よりも大きい場合、膜様の第２のシール要素１９の第２の径方向内側部分２３は、ロータ側部材１１の平面２０から外されている。

膜様シール要素１９の第１の径方向外側部分２１が固定されているステータ側部材１０の平面２２は、図１及び図２によると、ホイール側方空間１６内が低圧の場合に膜様シール要素１９の第２の径方向内側部分２３が接しているロータ側部材１１の平面２０と同じ軸方向位置に配置されている。このとき、ステータ側部材１０の平面２２は、ステータ側部材１１の平面２０の径方向外側に配置されている。

図示された好ましい実施例では、ホイール側方空間１６内に軸受ハウジング内部空間１５に対して低圧が存在する場合に膜様シール要素１９が接しているロータ側部材１１の平面２０は、ロータ側部材１１の肩２４によって区切られている。

膜様シール要素１９の第２の径方向内側部分２３がロータ側部材１１の平面２０に接している場合、膜様シール要素１９の径方向内側縁部２５が部分２４と共に間隙を区切っている。これによって、シャフトシールシステムの密封効果は、ホイール側方空間１６内が軸受ハウジング内部空間１５に対して低圧である場合、さらに改善され得る。

膜様シール要素１９を、プラスチック又は金属から形成することが可能であり、原材料は、シャフトシールシステムの領域の温度に合わせて設計されていればよい。膜様シール要素１９の厚さは、当該厚さが軸受ハウジング内部空間１５とホイール側方空間１６との間の圧力差に適応し、それによって、ホイール側方空間１６内が軸受ハウジング内部空間１５に対して低圧である場合に間隙１４が確実に密封され、ホイール側方空間１６内に軸受ハウジング内部空間１５に対して過圧が存在する場合にブローバイが許容されるように寸法が定められている。それによると、ホイール側方空間１６から軸受ハウジング内部空間１５内へのブローバイは、第２のシール要素１９によっては防止されず、ただ軸受ハウジング内部空間１５からホイール側方空間１６内への逆方向の漏れ流れが防止されるのみである。

本発明に係るシャフトシールシステムは、排ガスターボチャージャのタービンの領域でも、排ガスターボチャージャのコンプレッサの領域でも使用され得る。さらに、当該シャフトシールシステムを、その他のターボ機械、例えばいわゆるパワータービンで使用することも可能である。

１０ 部材
１１ 部材
１２ シャフト
１３ インペラ
１４ 間隙
１５ 軸受ハウジング内部空間
１６ ホイール側方空間
１７ シール要素
１８ ノッチ
１９ シール要素
２０ 平面
２１ 部分
２２ 部分
２３ 平面
２４ 肩
２５ 縁部

Claims (10)

1. 軸受ハウジング内部空間（１５）とホイール側方空間（１６）との間に延在し、ロータ側部材（１１）及びステータ側部材（１０）によって区切られている間隙（１４）を、特に前記ロータ側部材（１１）が稼働している際に前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも大きい場合に、前記ホイール側方空間（１６）から前記軸受ハウジング内部空間（１５）への漏れ流れに抵抗する第１のシール要素（１７）で密封するための、ターボ機械のシャフトシールシステムにおいて、
   第２のシール要素（１９）は、特に前記ロータ側部材（１１）が停止している際に、前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも小さい場合に、前記軸受ハウジング内部空間（１５）から前記ホイール側方空間（１６）への漏れ流れに抵抗することを特徴とするシャフトシールシステム。
2. 前記第２のシール要素（１９）は膜様シール要素として形成されており、前記膜様シール要素は、前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも小さい場合には、前記ロータ側部材（１１）の平面（２０）に密封するように接しており、前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも大きい場合には、前記ロータ側部材（１１）の前記平面（２０）から外されているように前記ステータ側部材（１０）に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のシャフトシールシステム。
3. 前記膜様シール要素（１９）は、第１の径方向外側部分（２１）で、前記軸受ハウジング内部空間（１５）に対向する前記ステータ側部材（１０）の平面（２２）に固定されていることを特徴とする請求項２に記載のシャフトシールシステム。
4. 前記膜様シール要素（１９）は、前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも小さい場合に、第２の径方向内側部分（２３）で、前記軸受ハウジング内部空間（１５）に対向した前記ロータ側部材（１１）の前記平面（２０）に密封するように接していることを特徴とする請求項２又は３に記載のシャフトシールシステム。
5. 前記膜様シール要素（１９）の第２の径方向内側部分（２３）は、前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも大きい場合に、前記軸受ハウジング内部空間（１５）に対向した前記ロータ側部材（１１）の前記平面（２０）から外されており、それによって前記ホイール側方空間（１６）から前記軸受ハウジング内部空間（１５）へのブローバイが許容されていることを特徴とする請求項４に記載のシャフトシールシステム。
6. 前記ホイール側方空間（１６）内に存在する圧力が前記軸受ハウジング内部空間（１５）内に存在する圧力よりも小さい場合に、前記膜様シール要素（１９）が接している前記ロータ側部材（１１）の前記平面（２０）は、前記ロータ側部材（１１）の肩（２４）によって区切られていることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載のシャフトシールシステム。
7. 前記膜様シール要素（１９）が前記ロータ側部材（１１）の前記平面（２０）に接している場合に、前記肩（２４）は、前記第２のシール要素の径方向内側縁部（２５）と共に間隙を画定することを特徴とする請求項６に記載のシャフトシールシステム。
8. 前記膜様シール要素（１９）はプラスチック又は金属から形成されており、その厚さは、前記軸受ハウジング内部空間（１５）と前記ホイール側方空間（１６）との間の圧力差に適応していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のシャフトシールシステム。
9. 前記第１のシール要素（１７）は、ピストンリングシール又はブラシシール又はラビリンスシールとして構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のシャフトシールシステム。
10. タービンとコンプレッサとを有する排ガスターボチャージャであって、前記タービンはタービンロータとタービンハウジングとを有しており、前記コンプレッサはコンプレッサロータとコンプレッサハウジングとを有しており、前記タービンの領域でも前記コンプレッサの領域でも、それぞれのロータ及びそれぞれのハウジングによって間隙が区切られており、前記間隙は対応する軸受ハウジング内部空間と対応するホイール側方空間との間に延在し、シャフトシールシステムによって密封されている排ガスターボチャージャにおいて、
    前記タービンのシャフトシールシステム及び／又は前記コンプレッサのシャフトシールシステムは、請求項１から９のいずれか一項にしたがって構成されていることを特徴とする排ガスターボチャージャ。

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