JP2019138191A - 過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車の損傷を防止することができるとともに、性能の低減を抑制することができる過給機を提供することを目的とする。【解決手段】過給機１は、回転駆動するロータ軸４と、ロータ軸４に取り付けられるコンプレッサ羽根車１２と、内筒１４と外筒１５とを有してロータ軸４を回転自在に支持する筒状の軸受部５と、を備えている。内筒１４は、軸方向の他端部において外筒１５の軸方向の他端部と接続されるとともに、軸方向の一端部において外筒１５の軸方向の一端部との間に第１減衰部２１を設けている。ハウジング６と外筒１５の他端部との間には、第２減衰部２５が設けられている。ハウジング６と軸受部５とは、外筒１５の一端部に設けられたフランジ部１５ｃによって、フランジ部１５ｃの半径方向の移動及び軸方向の移動を規制するように固定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、過給機に関するものである。

内燃機関で発生した排ガスをタービンに導き、タービン部を回転駆動させることで、ロータ軸を回転させ、ロータ軸の端部に取り付けられた羽根車で内燃機関に吸気される空気を圧縮する過給機が知られている。過給機には、ロータ軸を回転可能に支持する軸受が設けられている。過給機に適用される軸受には、筒状の軸受と軸受に挿通されたロータ軸との間に油を介在させることで、ロータ軸を回転自在に支持するセミフロート式の軸受がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−１３３５３０号公報

このようなセミフロート式の軸受は、軸受の軸方向の端面をロータ軸と当接させて、ロータ軸の軸方向の移動を規制することで、スラスト軸受の役割も果たすセミフロート式ジャーナルスラスト一体軸受とすることも考えられる。
このようなセミフロート式ジャーナルスラスト一体軸受は位置決めをする必要があるが、位置決めをする構造として、ピンとめ構造とすることが考えられる。詳細には、軸受の軸方向の中央部に円形の開口を形成するとともに、この開口に、開口の直径よりも僅かに外径が小さいピンを挿通することで、位置決めすることが考えられる。このような構成では、ピンと開口の縁とが干渉することで、軸受の水平方向の移動を規制しているため、軸受を位置決めすることができる。

ところで、一般に、セミフロート式の軸受には、振動安定性向上のために軸受の外周面と、軸受を収容する本体部との間に背面ダンパが設けられている。セミフロート式の軸受は、この背面ダンパを作用させることで、半径方向の振動を減衰する。したがって、セミフロート式の軸受は、背面ダンパを作用させるために、半径方向に移動可能である必要がある。

しかしながら、上記のセミフロート式ジャーナルスラスト一体軸受の構造では、背面ダンパを作用させるために半径方向に移動可能とするためには、開口の縁とピンの外周面との間に隙間を形成する必要がある。このように開口の縁とピンの外周面との間に隙間を形成すると、当該隙間分だけ軸受の軸方向の移動が許容されることとなる。ロータ軸が移動すると、ロータ軸の一端に取り付けられた羽根車も軸方向に移動する。羽根車がハウジング側に移動した場合、羽根車と他の部材（例えば、羽根車を収容するハウジング等）とが干渉し、羽根車が損傷する可能性がある。また、羽根車と他の部材との干渉を防止するために、羽根車と他の部材との間に隙間を設けると、当該隙間から羽根車で圧縮した気体が漏えいしてしまい、過給機の性能が低減する可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、羽根車の損傷を防止することができるとともに、性能の低減を抑制することができる過給機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の過給機は以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る過給機は、内燃機関から排出される排ガスが供給されるタービン部の駆動力により、回転駆動するロータ軸と、前記ロータ軸に取り付けられるとともに気体を圧縮する羽根車と、内部に前記ロータ軸が配置される筒状の内筒部と、前記内筒部を半径方向外側から覆う筒状の外筒部と、を有し、前記ロータ軸を回転自在に支持する筒状の軸受部と、前記羽根車及び前記軸受部を収容するハウジングと、を備えた過給機であって、前記内筒部は、軸方向の他端部において前記外筒部の軸方向の他端部と接続されるとともに、軸方向の一端部において前記外筒部の軸方向の一端部との間に隙間を形成し、前記隙間には、第１減衰部材が設けられ、前記ハウジングと前記外筒部の前記他端部との間には、第２減衰部材が設けられ、前記ハウジングと前記軸受部とは、前記外筒部の前記一端部に設けられた固定部によって、該固定部の半径方向の移動及び軸方向の移動を規制するように固定されている。

ロータ軸が移動すると、ロータ軸に取り付けられた羽根車も軸方向に移動する。羽根車がハウジング側に移動した場合、羽根車とハウジングとが干渉し、羽根車及びハウジングが損傷する可能性がある。また、羽根車とハウジングとの干渉を防止するために、羽根車とハウジングとの間に隙間を設けると、当該隙間から羽根車で圧縮した気体が漏えいしてしまい、過給機の性能が低減する可能性がある。上記構成では、軸受部とハウジングとを固定することで、軸受部の軸方向の移動を規制している。このように、軸受部の軸方向の移動を規制しているので、軸受部の軸方向の移動に起因したロータ軸の軸方向の移動を防止することができる。したがって、羽根車とハウジングとの干渉による羽根車及びハウジングの損傷を防止することができるとともに、過給機の性能の低減を抑制することができる。

また、タービン部の駆動等によってロータ軸に半径方向の振動が入力する場合がある。ロータ軸に半径方向の振動が入力すると、当該振動はロータ軸から軸受部に入力する。上記構成では、軸受部は、外筒部の一端部に設けられた固定部によってハウジングに固定されている。すなわち、軸受部は、片持ち梁状にハウジングに固定されている。これにより、軸受部に半径方向の振動が入力すると、軸受部は、一端部を固定端とした状態で、一端部の反対側の端部である他端部を自由端として振動する。他端部が自由端として振動すると、ハウジングと外筒部の他端部との間に設けられた第２減衰部材が作用し、振動が減衰される。このように、軸受部の他端部側における振動を減衰することができる。
一方、軸受部の内筒部は、他端部が外筒と接続されるとともに、一端部において外筒部の一端部との間に隙間を形成している。これにより、軸受部に半径方向の振動が入力すると、内筒部は、一端部を自由端として振動する。一端部が自由端として振動すると、内筒部の一端部と外筒部の一端部との間に設けられた第１減衰部材が作用し、振動が減衰される。このように、軸受部の一端部側における振動を減衰することができる。
したがって、上記構成では、ロータ軸に半径方向の振動が入力した場合であっても、軸方向の略全域において振動を減衰することができるので、好適に振動を減衰し、過給機全体の振動を抑制することができる。

また、上記構成では、片側端部を固定端とするとともに、逆側端部を自由端として軸受部が振動する。これにより、自由端における振動幅を大きくすることができるので、減衰部材によって振動をより好適に減衰することができる。

また、本発明の一態様に係る過給機は、前記内筒部と前記外筒部とは、別部材によって形成されていてもよい。

上記構成では、内筒部と外筒部とが別部材によって形成されている。これにより、比較的簡素な構造である筒状の内筒部及び外筒部を成形し、成形した内筒部の他端部と外筒の他端部とを固定することで、軸受部を形成することができる。したがって、容易に軸受部を形成することができる。

また、本発明の一態様に係る過給機は、前記内筒部と前記外筒部とは、一部材によって形成されていてもよい。

上記構成では、内筒部と外筒部とが一つの部材によって形成されているので、部品点数の低減を図ることができる。

本発明によれば、羽根車の損傷を防止することができるとともに、性能の低減を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る過給機の縦断面図である。 図１の過給機の要部を拡大した模式的な縦断面図である。 図２の内筒の斜視図である。 図２の外筒の斜視図である。

以下に、本発明に係る過給機の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る過給機は、過給機１は、例えば、船舶の主機であるディーゼル機関（内燃機関）や、自動車等の車両のディーゼル機関（内燃機関）に用いられ、ディーゼル機関からの排ガスによって得られた駆動力で空気を圧縮してディーゼル機関の燃焼室に圧縮空気を供給するものである。本実施形態の過給機１は、ディーゼル機関からの排ガスの運動エネルギーを主に用いる動圧式とされる。

過給機１は、図１に示すように、排ガスが供給される排気タービン部２と、吸入した空気を圧縮するコンプレッサ部３と、排気タービン部２の駆動力により回転駆動するロータ軸４と、ロータ軸４を回転自在に支持する筒状の軸受部５と、過給機１の外殻をなすハウジング６と、を備えている。

排気タービン部２は、ディーゼル機関からの排ガスを取り入れる排ガス導入部（図示省略）と、排ガス導入部の下流側に配置されたタービン羽根車（タービン部）１１と、排ガスを排出するための排ガス排出部（図示省略）とを有している。排ガス導入部から取り入れられた排ガスは、タービン羽根車１１を回転させ、排ガス排出部から排出される。
タービン羽根車１１は、排ガス導入部からの排ガスを受ける面である前面１１ａと、前面１１ａと反対側の面である背面１１ｂとを有している。タービン羽根車１１の背面１１ｂは、後述する軸受部ハウジング６ａと対向している。

コンプレッサ部３は、外部から空気を取り入れる空気吸入部（図示省略）と、空気吸入部から導かれた空気を圧縮するコンプレッサ羽根車（羽根車）１２と、コンプレッサ羽根車１２の下流側に配置されてコンプレッサ羽根車１２で圧縮された空気をディーゼル機関に供給する空気供給部（図示省略）とを備えている。
コンプレッサ羽根車１２は、空気吸入部からの空気を受ける面である前面１２ａと、前面１２ａと反対側の面である背面１２ｂとを有している。コンプレッサ羽根車１２の背面１２ｂは、後述する軸受部ハウジング６ａと対向している。

ロータ軸４は、断面形状が円形であって、一端（図１において左端）にコンプレッサ羽根車１２が固定され、他端（図１において右端）にタービン羽根車１１が固定されている。ロータ軸４は、排ガスによってタービン羽根車１１が回転することで、軸方向の中心軸を回転軸として、回転駆動する。また、ロータ軸４は、軸受部５の内部に配置される本体部４ａと、本体部４ａの軸方向の端部設けられるオイルシール部４ｂとを有している。オイルシール部４ｂと本体部４ａとは同心状に設けられているとともに、オイルシール部４ｂの断面形状の直径が、本体部４ａの断面形状の直径よりも大きく形成される。すなわち、オイルシール部４ｂの方が本体部４ａよりも太く形成されている。オイルシール部４ｂは、ロータ軸４と軸受部５との間に供給される潤滑油が、排気タービン部２に流入するのを防止している。

軸受部５は、筒状の部材であって、内部にロータ軸４の本体部４ａが挿通されており、ロータ軸４と同心状に設けられている。ロータ軸４は、図２に示すように、内部にロータ軸４の本体部４ａが配置される内筒（内筒部）１４と、内筒１４を半径方向外側から覆う外筒（外筒部）１５と、を有する。また、軸受部５には、内筒１４及び外筒１５を半径方向に貫通する２本の給油穴１６が形成されている。給油穴１６には、ハウジング６内に設けられた潤滑油供給装置（図示省略）から、潤滑油供給流路１７を介して潤滑油が供給される。
軸受部５とロータ軸４との間には、給油穴１６を流通した潤滑油が供給される。軸受部５は、潤滑油を介してロータ軸４を支持することで、ロータ軸４を回転自在に支持している。また、軸受部５の軸方向の長さは、ロータ軸４の本体部４ａの軸方向の長さと略同一となっている。

内筒１４は、金属で形成されるとともに、図３に示すように、円筒状に形成されている。内筒１４の内径は、ロータ軸４の本体部４ａの断面形状の直径よりも僅かに大きく形成される。また、内筒１４の外径は、外筒１５の内径よりも小さく形成される。また、内筒１４の外周面のタービン羽根車１１側の端部領域には、他の領域よりも半径方向外側に突出する内筒突出部１４ａが設けられている。なお、図３では、図示の関係上内筒突出部を省略して図示している。

外筒１５は、金属で形成されるとともに、図４に示すように、内筒１４を半径方向外側から覆う円筒状の筒部１５ｂと、筒部１５ｂのコンプレッサ羽根車１２側の端部の外周面から半径方向外側に突出するフランジ部（固定部）１５ｃと、を一体的に有する。筒部１５ｂの内径は、内筒１４の外径よりも大きく形成される。また、外筒１５の内周面のタービン羽根車１１側の端部領域には、他の領域のよりも半径方向内側に突出する外筒突出部１５ａが設けられている。なお、図４では、図示の関係上外筒突出部を省略して図示している。
フランジ部１５ｃは、筒部１５ｂの外周面の周方向略全域に設けられている円環状の部材であって、ハウジング６に固定される。フランジ部１５ｃは、ハウジング６に対して、フランジ部１５ｃの半径方向の移動及び軸方向の移動を規制するように固定されている。フランジ部１５ｃとハウジング６との固定方法は、特に限定されないが、フランジ部１５ｃを貫通するとともにハウジング６に螺合するボルトによって固定してもよい。また、フランジ部１５ｃの一面をハウジング６に対して、溶接固定又はろう付け固定してもよい。また、ハウジング６にフランジ部１５ｃと嵌合する凹部を形成し、当該凹部とフランジ部１５ｃを嵌合させることで固定してもよい。

内筒１４と外筒１５とは、図２に示すように、内筒突出部１４ａ及び外筒突出部１５ａとが接触する接触部１８において固定されることで、接続されている。内筒突出部１４ａと外筒突出部１５ａとの固定方法は、特に限定されないが、内筒１４及び外筒１５を貫通するボルトやネジによって固定してもよい。また、内筒突出部１４ａと外筒突出部１５ａとを溶接固定又はろう付け固定してもよい。また、内筒突出部１４ａ及び外筒突出部１５ａに対して、互いに嵌合する嵌合部を設けて、当該嵌合部同士を焼きばめや冷やしばめによって嵌合させることで固定してもよい。
内筒１４と外筒１５とは、固定される内筒突出部１４ａ及び外筒突出部１５ａ以外の領域において、所定距離離間し、内筒１４の内周面と外筒１５の外周面との間に隙間（以下、内筒１４の内周面と外筒１５の外周面との間に形成された隙間を「第１隙間２０」という。）を形成している。第１隙間２０は、内筒１４及び外筒１５の周方向の全域に亘って形成されている。

第１隙間２０は、給油穴１６と連通しており、給油穴１６を介して供給された潤滑油（第１減衰部材）が充填されている。潤滑油が充填された第１隙間２０は、軸受部５の半径方向の振動を減衰する減衰部（以下、「第１減衰部２１」という。）として機能する。また、第１隙間２０は、タービン羽根車１１側の端部において、軸方向に沿った断面形状で円形状に形成される。すなわち、第１隙間２０は、タービン羽根車１１側の端部において、円環状に形成されている。

上記のように、軸受部５は、内筒１４と外筒１５とから構成される二重管構造であって、いわゆる折り返しばね構造をしている。また、軸受部５は、フランジ部１５ｃによってロータ軸４の軸方向の荷重を支持するとともに、軸受部５とロータ軸４との間に介在する潤滑油によってロータ軸４を回転自在に支持している。すなわち、軸受部５は、いわゆるセミフロート式のジャーナルスラスト一体型の軸受である。

ハウジング６は、タービン羽根車１１を収容するタービンハウジング（図示省略）と、軸受部５を収容する軸受部ハウジング６ａと、コンプレッサ羽根車１２を収容する羽根車ハウジング（図示省略）とを有する。軸受部ハウジング６ａと外筒１５の外周面の略全域との間には隙間（以下、軸受部ハウジング６ａと外筒１５の外周面との間に形成された隙間を「第２隙間２４」という。）を形成されている。第２隙間２４には、給油穴１６を介して供給された潤滑油（第２減衰部材）が充填されている。潤滑油が充填された第２隙間２４は、軸受部５の半径方向の振動を減衰する減衰部（以下、「第２減衰部２５」という。）として機能する。

また、軸受部５に形成される給油穴１６は、内筒１４及び外筒１５を半径方向に貫通している。給油穴１６は、２箇所に形成されている。２つの給油穴１６は、軸方向に所定距離離間するように設けられており、１つはコンプレッサ羽根車１２側に形成され、もう１つはタービン羽根車１１側に形成されている。各々の給油穴１６は、第１隙間２０及び第２隙間２４と連通していて、第１隙間２０及び第２隙間２４に潤滑油を供給するとともに、軸受部５とロータ軸４との間に潤滑油を供給する。

本発明によれば、以下の作用効果を奏する。
ロータ軸４が移動すると、ロータ軸４に取り付けられたコンプレッサ羽根車１２も軸方向に移動する。コンプレッサ羽根車１２が軸受部ハウジング６ａ側に移動した場合、コンプレッサ羽根車１２の背面１２ｂと軸受部ハウジング６ａとが干渉し、コンプレッサ羽根車１２及び軸受部ハウジング６ａが損傷する可能性がある。また、コンプレッサ羽根車１２と軸受部ハウジング６ａとの干渉を防止するために、コンプレッサ羽根車１２と軸受部ハウジング６ａとの間に隙間を設けると、当該隙間からコンプレッサ羽根車１２で圧縮した空気が漏えいしてしまい、過給機１の性能が低減する可能性がある。本実施形態では、軸受部５に設けられたフランジ部１５ｃがハウジング６に固定され、軸受部５の軸方向の移動を規制している。これにより、軸受部５の軸方向の移動に起因したロータ軸４の軸方向の移動を防止することができる。したがって、コンプレッサ羽根車１２と軸受部ハウジング６ａとの干渉によるコンプレッサ羽根車１２及び軸受部ハウジング６ａの損傷を防止することができるとともに、過給機１の性能の低減を抑制することができる。

また、タービン羽根車１１やコンプレッサ羽根車１２の回転駆動等によってロータ軸４に半径方向の振動が入力する場合がある。ロータ軸４に半径方向の振動が入力すると、当該振動はロータ軸４から軸受部５に入力する。本実施形態では、軸受部５は、外筒１５の一端部（本実施形態では、コンプレッサ羽根車１２側の端部）に設けられたフランジ部１５ｃによってハウジング６に固定されている。すなわち、軸受部５は、片持ち梁状にハウジング６に固定されている。これにより、軸受部５に半径方向の振動が入力すると、軸受部５は、一端部を固定端とした状態で、一端部の反対側の端部である他端部（本実施形態では、タービン羽根車１１側の端部）を自由端として振動する。他端部が自由端として振動すると、第２減衰部２５が作用し、振動が減衰される。特に、第２減衰部２５のうち、他端部側の領域Ａ（図２参照）において、振動が減衰される。このように、軸受部５の他端部側における振動を減衰することができる。
一方、軸受部５の内筒１４は、他端部（本実施形態では、タービン羽根車１１側の端部）が外筒１５と固定されている。また、内筒１４は、一端部（本実施形態では、コンプレッサ羽根車１２側の端部）において外筒１５の一端部とは固定されずに、外筒１５の一端部との間に隙間を形成し、外筒１５の一端部と相対移動可能とされている。これにより、軸受部５に半径方向の振動が入力すると、内筒１４は、一端部を自由端として振動する。一端部が自由端として振動すると、内筒１４と外筒１５との間に設けられた第１減衰部２１が作用し、振動が減衰される。特に、第１減衰部２１のうち、一端部側の領域Ｂ（図２参照）において、振動が減衰される。このように、軸受部５の一端部側における振動を減衰することができる。
したがって、本実施形態では、ロータ軸４に半径方向の振動が入力した場合であっても、軸方向の全域において振動を減衰することができる。好適に振動を減衰することで、過給機１全体の振動を抑制することができる。

また、本実施形態では、片側の端部を固定端とするとともに、逆側の端部を自由端として軸受部５が振動する。これにより、自由端における振動幅を大きくすることができる。したがって、例えば、軸方向の中心部で軸受部５を固定する構成と比較して、第１減衰部２１及び第２減衰部２５によって振動をより好適に減衰することができる。

本実施形態では、内筒１４と外筒１５とが別部材によって形成されている。これにより、比較的簡素な構造である筒状の内筒１４及び外筒１５を成形し、成形した内筒１４の他端部と外筒１５の他端とを固定することで、軸受部５を形成することができる。したがって、容易に軸受部５を形成することができる。

また、本実施形態では、第１隙間２０が、タービン羽根車１１側の端部において、円環状に形成されている。これにより、応力集中を抑制し、好適に内筒１４の自由端部を振動させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明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、適宜変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、内筒１４と外筒１５が別部材によって形成される例について説明したが、内筒１４と外筒１５とは一部材によって形成されてもよい。このように一部材によって形成することで、部品点数の低減を図ることができる。

１ 過給機
４ ロータ軸
５ 軸受部
６ ハウジング
１１ タービン羽根車（タービン部）
１２ コンプレッサ羽根車（羽根車）
１４ 内筒（内筒部）
１４ａ 内筒突出部
１５ 外筒（外筒部）
１５ａ 外筒突出部
１５ｃ フランジ部
１６ 給油穴
１７ 潤滑油供給流路
２０ 第１隙間
２１ 第１減衰部
２４ 第２隙間
２５ 第２減衰部

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排ガスが供給されるタービン部の駆動力により、回転駆動するロータ軸と、
   前記ロータ軸に取り付けられるとともに空気を圧縮する羽根車と、
   内部に前記ロータ軸が配置される筒状の内筒部と、前記内筒部を半径方向外側から覆う筒状の外筒部と、を有し、前記ロータ軸を回転自在に支持する筒状の軸受部と、
   前記羽根車及び前記軸受部を収容するハウジングと、を備えた過給機であって、
   前記内筒部は、軸方向の他端部において前記外筒部の軸方向の他端部と接続されるとともに、軸方向の一端部において前記外筒部の軸方向の一端部との間に隙間を形成し、
   前記隙間には、第１減衰部材が設けられ、
   前記ハウジングと前記外筒部の前記他端部との間には、第２減衰部材が設けられ、
   前記ハウジングと前記軸受部とは、前記外筒部の前記一端部に設けられた固定部によって、該固定部の半径方向の移動及び軸方向の移動を規制するように固定されている過給機。
2. 前記内筒部と前記外筒部とは、別部材によって形成されている請求項１に記載の過給機。
3. 前記内筒部と前記外筒部とは、一部材によって形成される請求項１に記載の過給機。
   

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