JP2019527316A - オイルフリー静圧軸受を備えたターボチャージャ - Google Patents

Abstract

内燃エンジン用のターボチャージャであって、ターボチャージャは、ターボチャージャの圧縮機から供給されその圧力が別個のブースト圧縮機によってターボチャージャのロータを支持するのに十分に高い圧力まで高められた圧縮空気によって径方向および軸方向の双方に静圧軸受によって支持されるターボチャージャである。ターボチャージャ静圧軸受は、ワイヤメッシュまたは分散型摩擦ダンパを用いて減衰される。

Description

政府実施許諾権
本発明は、米国空軍により授与された契約番号ＦＡ８６５００−１４−Ｍ−２４７０に基づく米国政府の支援によりなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

本発明は一般にターボチャージャに関し、より詳細には、機械式ダンパを備えたオイルフリー静圧軸受を備えたターボチャージャに関する。

ターボチャージャは、高温ガス排気を駆動力として用いて、エンジンに供給される空気を圧縮するために使用される。エンジン排気は、圧縮空気をエンジンに供給するために圧縮機を駆動するタービンを駆動する。エンジンの性能は、圧縮空気により増加する。

従来技術のターボチャージャは、流体の粘度に依存するオイル潤滑軸受を使用して軸受内に流体力学的膜を提供するシャフト支持システムを必要とする。シャフト上の構成要素は、典型的にはシャフトの一端に搭載された圧縮機ロータと、シャフトの他端に搭載されたタービンロータとを含む。

ターボチャージャの動作中、圧縮機およびタービンによってかなりの径方向および軸方向の力が生じ、これらの力はラジアルジャーナルおよびアキシアルスラスト軸受を介してハウジング内に反作用される。これは、典型的には加圧オイル潤滑システムを用いて達成され、熱の除去と転がり抵抗の減少の双方を行う。ターボチャージャの場合、潤滑システムはオイルが炭化するのを防止しながら、十分な圧力を軸受に供給するために、オイル冷却器およびポンプを必要とする。油圧が失われたり、内燃（ＩＣ）エンジンから油が汚染されたりすると、潤滑の喪失や冷却による軸受性能の低下が生じ、ターボチャージャ軸受システムの壊滅的な故障を招く。いくつかの先進的な高温ターボチャージャはオイルの炭化を防止するために軸受および軸受流体の温度をさらに低下するよう、軸受ハウジング内に追加の冷却剤システムを用いる。別個の軸受潤滑システムはまた航空機の重量を増加し、これは無人航空機すなわちＵＡＶのような航空機にとって重要なことである。

本発明は、有利には圧縮空気を内燃エンジンに供給するターボチャージャを提供する。ターボチャージャは、タービンによって駆動される圧縮機と、静圧軸受によって径方向および軸方向に支持されるロータと、を含む。圧縮機からの圧縮空気は、静圧軸受で使用する圧力を増加させるブースト圧縮機に導かれる。ブースト圧縮機は、ＩＣエンジンからの、または電気モータなどの別個のモータからの動力取り出しシャフトによって駆動することができる。

静圧軸受はオイルフリーであり、高温にさらされることを可能にするため及び重量が性能にとって重要である無人航空機（ＵＡＶ)などの軽量航空機で使用するターボチャージャの全重量を制限するために、圧縮機およびブースト圧縮機からの圧縮空気以外の他の流体は伴わない。

静圧軸受は、オーバーハング型圧縮機及びタービンを備えたターボポンプの中央にジャーナル軸受を含む。機械式または摩擦ダンパをジャーナル軸受に用いて、振動の減衰をもたらす。機械式ダンパは、軸受の周囲に円周方向に間隔を置いて配置された完全な輪状ダンパ（フルフープダンパ：full hoop dampers）またはセグメントとすることができる。完全な輪内（フルフープ内）に小さな球状部材を配置した分散型摩擦ダンパを使用することもできる。

本発明のより完全な理解、ならびにそれに付随する利点および特徴は、添付の図面と併せて考慮される場合、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解される:

図１は、本発明のオイルフリー静圧軸受を備えたターボチャージャの概略図を示す。 図２は、本発明のオイルフリー静圧軸受を備えたターボチャージャの断面図を示す。 図３は、本発明の静圧スラスト軸受を備えたオイルフリー軸受及び機械式ダンパを備えたターボチャージャの断面図である。 図４は、本発明のバランスピストンを備えたオイルフリー軸受及び機械式ダンパを備えたターボチャージャの断面図である。 図５は、本発明のオイルフリー軸受及び分散型摩擦ダンパを備えたターボチャージャの断面図である。 図６は、図５のターボチャージャにおける分散型摩擦ダンパの断面図を示す。 図７は、完全な環状形状を有する摩擦ダンパの一つの側断面図を示す。 図８は、３つの円弧部分がハウジングの周囲に配置される摩擦ダンパの第２の実施形態を示す。 図９は、静圧軸受およびバランスピストンに出入りする流れの流れ図を示す。

本発明は、オイルフリーの静圧軸受および機械式または分散型摩擦ダンパを有するターボチャージャである。圧縮機吐出ガスは、ブースト圧縮機を備えた静圧軸受の作動流体として使用され、十分な静圧負荷容量および軸受の減衰を達成する。本発明は、従来技術のターボチャージャの感温性オイル潤滑剤、オイルクーラ、オイルポンプおよび軸受ハウジング冷却システムを省くことによって、信頼性および耐久性を改善する。これは、圧縮機からの圧縮ガス（空気）を利用してシャフトを静圧的に支持することによって達成される。システム全体の電力消費を低減するために、軸受供給システムは、ターボチャージャ圧縮機によって予備ブーストされ、次いで、付属の取り出しシャフト１８を介してエンジンから直接駆動されるか、または小型電気モータ１９によって駆動されるオイルフリー容積式圧縮機を使用して、必要な動作圧力にブーストされる。いずれの場合においても、総動力消費は比較的小さく、内燃（ＩＣ）エンジンの性能への影響を最小限にする。

図１は、オイルフリー静圧軸受を有するターボチャージャの概略図を示す。ターボチャージャは、共通のロータ１３に接続された圧縮機１１及びタービン１２を含む。１以上のラジアル静圧軸受１５及び１以上のアキシアル静圧（又はスラスト）軸受１６は、径方向及び軸方向の双方においてロータ１３を支持する。

内燃（ＩＣ）エンジン１４からの高温の排気ガスは、ロータ１３を介して圧縮機１１を駆動するタービン１２に供給され、空気を圧縮する。次いで、圧縮空気はエンジン１４に供給される。圧縮機１１からの圧縮空気の一部は抽気され、ブースト圧縮機入口を通ってブースト圧縮機１７に供給され、ブースト圧縮機１７に供給された圧縮空気はロータ１３を静圧的に支持するのに十分な量まで圧力を増加させる。ブースト圧縮機１７の出口は、１以上の静圧軸受１６と流体連通している。

ブースト圧縮機１７は、付属の取り出しシャフト１８、エンジン内の圧縮シリンダを介してエンジン１４によって直接駆動されるか、または電気モータ１９のような別個のモータによって駆動しうる。

静圧流体フィルム軸受は、高速ターボチャージャシャフト／ロータ支持システムにおいて特に有用なものにする多くの利点を提供する。利点は以下の通りである：大きな荷重を支持する能力；静圧軸受の荷重容量は流体圧力が作用している軸受ランドを横切る圧力降下の関数である；表面が接触しないため寿命が長い（理論的には無限大）；および非常に大きな剛性および減衰係数であり、これが正確な位置決めおよび制御を提供する。

ターボチャージャ用途のための静圧軸受における作動流体として油の代わりに圧縮空気を使用することは、潤滑油故障モードの省略などの利点も提供し、より高いタービン入口温度運転を可能にする。それはまた、オイルの過熱を防止するために必要な冷却通路を省く結果として、軸受ハウジング内の熱応力を低減する。希薄燃焼内燃エンジンにおける運転温度の上昇に伴い、ターボチャージャのロータを支持するために、より高い温度の軸受が必要とされる。ＵＡＶのような小型の航空機は、持続する高いＧターンおよび乱気流における動作を含む操縦からのより高い負荷に耐えることができる軸受を必要とする。さらに、静圧軸受は、軸受のリフトオフが起こった後に内部部品が摩擦しないので、先進のコーティングを用いる必要がなく、その結果、セラミックを含む高温材料を軸受材料として使用することさえできる。高高度ターボチャージャ用途における静圧軸受の重要な利点は、ターボチャージャ圧縮機によって提供されるブースト圧力を利用して、小型のオイルフリー圧縮機の入口圧力をプレブーストして、すべてのターボチャージャ動作条件について負荷容量を最大にする能力である。軸受は、ＩＣエンジンの点火前または点火直後に持ち上げて、全動作範囲にわたり摩耗のない動作を可能にすることができる。

静圧軸受によって提供される別の重要な利点は、軸受が提供することができる精密な公差制御である。これは、小径の露出圧縮機（unshrouded compressors）およびタービンが漏れを低減するために最小限のクリアランス（径方向および軸方向の双方）を必要とする場合に、ターボチャージャの効率を最大化するために特に重要である。高度の剛性および減衰を有するシャフトのこの精密な制御により、静圧軸受は無人航空システムターボチャージャ用途によく適したものになる。

図２は、図１のダイヤグラム図のオイルフリー静圧軸受を備えたターボチャージャの断面図である。ターボチャージャは、圧縮機入口２１および圧縮機出口２２、タービン入口２３およびタービン出口２４、１以上のジャーナル軸受２５、スラスト軸受２６、回転ジャーナル２７、軸受ハウジング２８、軸受空気供給継手２９、Ｖバンド３０、およびシールランド３１を含む。ターボチャージャは中央ハウジング内に軸受を備えるオーバーハング圧縮機及びタービン要素と、軸受コンパートメントを密封するシールと、を有する。スラスト軸受２６をシャフトの中心に配置して、静圧ジャーナル軸受２５の各々に対称的な通気口を提供する。図２のターボ設計は、軸受コンパートメント構成要素を単純化する。軸受設計はスラスト軸受２６の中心平面に対して完全に対称であり、したがって、部品の複製に備えており、これは、静圧軸受のない既存の製造ターボチャージャに対する購買後のアップグレードに役立つ。当業者は従来技術のターボチャージャの軸受ハウジングを図２の静圧空気軸受に置き換えることができる。

図３は、軸受ハウジング２８と静圧ジャーナル軸受２５との間に配置された機械式ダンパ３３を備えるターボチャージャを示す。機械式摩擦ダンパは金網型のものである。静圧スラスト軸受３４が左側に配置され、軸方向摩擦止め３５が右側に配置される。

図４は図３のものと同様のターボチャージャを示すが、左側にバランスピストンキャビティ３６を備える。機械式摩擦ダンパ３３は、図３と同じ位置に使用される。

図５のターボチャージャの実施形態は、完全な輪状構成の分散型摩擦ダンパを使用する。これらの摩擦ダンパは、限られた空間内で互いに擦り合わされることによって減衰を生じさせるセラミックまたは金属材料から作られた小さな球状要素またはボールである。図６はシール４２、スナップリング部材４３、シールまたはカバープレート４４、およびバネ４５を備えた分散型摩擦ダンパ４１のうちの１つの詳細図を示し、これは限られた空間内で摩擦ダンパ４１を圧縮する。軸受ハウジング２８と浮動ジャーナル軸受２５との間には隙間４７が形成されている。ジャーナル４６はハウジング２８内で浮動する。分散型摩擦ダンパ４１は、軸受ジャーナルが浮いている間（軸受はダンパーを介して地面に支持される）、軸受とハウジングとの間の完全な輪状空間を占める小さな球状部材で形成される。これらの球状部材は金属またはセラミックであり得、減衰効果を生み出すために共に擦ることによるダンパとして機能する。分散型摩擦ダンパは非圧縮性流体のように挙動し、オイルスクイーズフィルムダンパに類似する。

図３および図４に示す実施形態で使用される２つの摩擦ダンパ３３はそれぞれ、メテックス社（Ｍｅｔｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ｗｗｗ．ｍｅｔｅｘｃｏｒｐ．ｃｏｍ）によって製造されるショック＆バイブレーションアイソレータのような細いワイヤ編みメッシュ材料から形成される完全な３６０度環状摩擦ダンパである。図７は、外面上の軸受ハウジングと内面上のジャーナル軸受２５との間に固定される完全な環状摩擦ダンパ３３の側面図を示す。摩擦ダンパ３３はドーナツ形状である。図８は、ジャーナル軸受２５の周囲に等間隔に配置された３つの円弧状部分５１が使用される摩擦ダンパの第２の実施例を示す。

図９は、空気供給及び通気システムの流れ図を示す。高圧流は、継手２９を通って中央オリフィスを通って進入する。次に、軸受ジャーナル２５内の中心キャビティとギャップ４７に流入する。数パーセントの流れがギャップ４７を通過し、必要に応じ、冷却剤をダンパ４１または３３に供給する。次いで、流れの大部分は軸受ジャーナル２５内で分割され、流れの一方の半分は圧縮機側軸受へ、他方はタービン側軸受へ通過する。静圧軸受に揚力を与えた後、流れは静圧軸受の中央部分を出てランナ２７と軸受ジャーナル２５との間に形成された低圧キャビティ５０に入り、次にランナ２７の一連のオリフィス６０を通ってランナ２７とシャフト１３との間のキャビティ５１に入る。キャビティ５１に入った後、流れは、ランナ２７の一連のオリフィス６１を経て出ていき、タービン流路に流出し、そこで最終的に排出される２４。この空気は、タービンロータ１２の裏側を冷却する。軸受流の残りの半分は、キャビティ５２を経て出ていき、制御オリフィス６２を通って周囲圧力に排出される。

一方向スラスト軸受３４またはスラストピストン３６の流れは、オリフィス６３を通って中心圧力継手２９から分離し、キャビティ５３に入る。キャビティ５３は、スラスト軸受またはスラストピストンをオリフィス６４を通してスラストキャビティ５４に供給する。少量がキャビティ５４から圧縮機内に漏れる。大部分は、キャビティ５２内に漏れ、オリフィス６２を通って排気する。

当業者であれば、本発明は、本明細書で上記に特に示し説明したものに限定されないことは理解されるであろう。さらに、反対に上記に言及しない限り、添付の図面はすべて縮尺通りではないことに留意されたい。以下の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲および精神から逸脱することなく、上記の教示に照らして様々な修正および変形が可能である。

Claims (13)

1. 内燃エンジン用ターボチャージャであって、
   前記内燃エンジン内での燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、
   前記内燃エンジンからの高温ガス排気を用いて前記圧縮機を駆動するタービンと、
   前記ターボチャージャの前記圧縮機と前記タービンとの間に接続されるロータと、
   径方向に回転可能に前記ロータを支持する第１及び第２静圧ジャーナル軸受と、
   軸受ハウジングと前記第１静圧ジャーナル軸受との間に位置する第１振動ダンパと、当該軸受ハウジングと前記第２静圧ジャーナル軸受との間に位置する第２振動ダンパと、
   前記圧縮機の出口に接続された入り口と、前記ロータを支持する前記第１及び第２静圧ジャーナル軸受に接続された出口とを有するブースト圧縮機と、
   当該ブースト圧縮機は、前記ロータを支持するため、前記圧縮機からの前記圧縮空気の圧力を高圧に昇圧する、ターボチャージャ。
2. 前記ロータは前記ブースト圧縮機からの圧縮空気が供給される静圧軸方向スラスト軸受を備える、請求項１のターボチャージャ。
3. 前記ブースト圧縮機は前記内燃エンジンからの動力取り出しシャフトによって駆動される、請求項１のターボチャージャ。
4. 前記ブースト圧縮機は電気モータによって駆動される、請求項１のターボチャージャ。
5. 前記ブースト圧縮機は前記内燃エンジン内の追加の圧縮機シリンダである、請求項１のターボチャージャ。
6. 前記第１及び第２振動ダンパは金網ダンパである、請求項１のターボチャージャ。
7. 前記第１振動ダンパは前記第１静圧ジャーナル軸受と前記軸受ハウジングとの間に形成されたキャビティ内に含まれる複数の要素からなり、
   前記第２振動ダンパは前記第２静圧ジャーナル軸受と前記軸受ハウジングとの間に形成されたキャビティ内に含まれる複数の要素からなる、請求項１のターボチャージャ。
8. 前記第１及び第２振動ダンパの各々の前記複数の要素はセラミック球状であり、セラミックから構成されている、請求項７のターボチャージャ。
9. 前記第１及び第２振動ダンパの各々の前記複数の要素は金属球状であり、金属から構成されている、請求項７のターボチャージャ。
10. 前記金網ダンパはドーナツ形状ダンパである、請求項６のターボチャージャ。
11. 前記第１振動ダンパは前記第１静圧ジャーナル軸受の周囲に周方向に配置される複数のセグメントを備え、
    前記第２振動ダンパは前記第２静圧ジャーナル軸受の周囲に周方向に配置される複数のセグメントを備える、請求項６のターボチャージャ。
12. 前記金網ダンパは、前記第１及び第２静圧ジャーナル軸受を冷却するためにも用いられる冷却空気を用いて冷却される、請求項６のターボチャージャ。
13. 前記第１及び第２静圧ジャーナル軸受用に用いられる前記圧縮空気は前記タービンロータのハブ側の冷却にも用いられる、請求項１のターボチャージャ。

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