JP2022502598A - 軸受アセンブリモジュールを有する排気タービン過給機 - Google Patents

Abstract

本発明は、コンプレッサとタービンとの間に配置されてシャフトを支持するために形成されたモジュール式軸受を含む排気タービン過給機に関し、軸受が収容空間を有する軸受ケーシングを具備し、軸受アセンブリモジュールが収容空間に取り付け可能又は取り付けられ、かつ破壊なしに取り外し可能であり、収容空間は、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュール、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールを選択的に取り付け可能に寸法設定され、収容空間は、収容空間に取り付けられた軸受アセンブリモジュールの軸受フランジと接触するように形成されているインターフェイスを有し、インターフェイスは、軸受ケーシングを通るオイル通路を軸受アセンブリモジュールの軸受フランジを通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成されている。

Description

発明の技術分野
本発明は、コンプレッサとタービンとの間に配置された軸受を有し、軸受に排気タービン過給機のシャフトが支持されている排気タービン過給機に関する。

従来技術
滑り軸受は、その堅牢性と簡単な構造にもとづいて産業界で最も頻繁に用いられる軸受である。しかし転がり軸受には多くの点で利点がある。同じ用途での軸受摩擦、及びそれに伴い動力損失は、滑り軸受の軸受摩擦及び動力損失のほんの少しにすぎない。小さい軸受摩擦によって、ターボ機械の過渡挙動が格段に改善され得る（荷重受け）。転がり軸受を使用する場合の潤滑及び冷却のためのオイル消費量も滑り軸受のために必要とされる量のほんの少しに低減することができる。

それでも特に排気タービン過給機は、通常、荷重受け方向に応じて２つのタイプに分けられる動圧滑り軸受を備えている。

この種の滑り軸受の第１のタイプはラジアル軸受である。シャフトごとに大抵は２つあるラジアル軸受は、主要コンポーネントであるタービンホイール、シャフト、及びコンプレッサホイールからなる回転するロータのラジアル力を受けてこのロータを安定させる。その際、ラジアル軸受ごとに異なる寸法の２つの、オイルが充填される環状隙間は、安定化と減衰の機能を分け合う。ラジアル軸受は、その仕様に応じてシャフトの運動によって駆動されてそれ自身も回転するか、又は回転可能に取り付けられ得る。ラジアル軸受によって受けられる力は、とりわけ重量の力と不釣合力である。

この種の滑り軸受の第２のタイプはアキシャル軸受である。アキシャル軸受は、ロータに作用するスラスト荷重を受ける。ロータに作用する全般的なスラストは、主にコンプレッサとタービンの異なった面積で作用する異なった圧力によって生じる。動圧アキシャル軸受の力を受ける能力は潤滑油によって生じ、シャフトの回転によって次第に狭くなるくさび形の領域に潤滑油が押し込まれ、その結果としての増圧がスラストに対する反力となる。

転がり支持されたロータを有するタービン過給機は、これまで種々の技術的難題にもとづいて少数の事例でしか大量生産に至り得なかった。そのいくつかの例は、自動車業界に見いだされ、そこでは設計のために利用された運転期間は換算して約２，９００ｈ（７０ｋｍ／ｈの平均速度で２００，０００ｋｍ）であり、例えば鉱業、金属産業、機械産業、又はエネルギー産業などの他の産業分野のそれよりはるかに少ない。道路交通における正規に設計された車両の運転時間が要求される場合、機械は、例えば検査、洗浄、及び部品の交換など定期的なサービス作業を受けなければならない。このために、それぞれの排気タービン過給機が撤去され（ｄｅｍｏｎｔｉｅｒｅｎ）、サービス作業が行われた後に再び組み立てられる。これとは異なり、自動車業界で使用される排気タービン過給機は、破損が生じるまで運転され、その後、全部一緒に交換される。それに応じて撤去すること、及び摩耗した部品の新品との取り替えは予定されていない。

自動車業界におけるタービン過給機は、激しい価格競争にもとづいて可能な限り少ない部品から組み立てられ、このことが調達コストと組み立てのリードタイムを削減する。モジュールシステムはほとんど使用されないが、それは、各部品が個別の用途のために可能な限り安価に形成され、多い部品点数で製造されるからである。これに対して他の産業部門では高いフレキシビリティが必要である。例えばエネルギー産業におけるタービン過給機には、ロータ及びステータのためのコンプレッサ側とタービン側、異なった空気流入ハウジング及び流出ハウジングの熱力学的適合材料、水接続部及びオイル接続部その他のための種々の可能性が求められる。

しかし同じタービン過給機において軸受タイプを交換するというフレキシビリティはこれまでなかった。これまでに知られている転がり支持及び滑り支持される（ｇｌｅｉｔｇｅｌａｇｅｒｔ）タービン過給機の設計は明らかに違うものである。

発明の課題
本発明の課題は、フレキシビリティを向上させた簡単な構造で堅牢な排気タービン過給機を提供することである。

発明の簡単な説明
上記課題は、コンプレッサとタービンとの間に配置されてシャフトを支持するために形成されたモジュール式軸受を含む排気タービン過給機であって、軸受が収容空間を有する軸受ケーシングを具備し、軸受アセンブリモジュールが収容空間に取り付け可能又は取り付けられ、かつ破壊なしに取り外し可能であり、収容空間は、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュール、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールを選択的に取り付け可能であるように寸法設定され、収容空間は、収容空間に取り付けられた軸受アセンブリモジュールの軸受フランジと接触するように形成されているインターフェイスを有し、インターフェイスは、軸受ケーシングを通るオイル通路を軸受アセンブリモジュールの軸受フランジを通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成されている排気タービン過給機によって解決される。

本発明の利点は、特に、請求項１に記載された特徴を有する排気タービン過給機がフレキシブルに利用可能であるということである。例えば排気タービン過給機の軸受ケーシングの収容空間に滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールが設置される場合、この滑り軸受を破壊なしに収容空間から取り外すことができ、例えば、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えることができる。さらに、排気タービン過給機の軸受ケーシングの収容空間に設置された転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールを収容空間から破壊なしに取り外し、保守を行い、次いで再び収容空間に取り付けることが可能である。

本発明の一実施形態では、収容空間に設置可能又は設置される、かつ転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールの構造形式及び外寸は、収容空間に設置される、又は設置可能な、かつ滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールの構造形式及び外寸と、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが交換可能に収容空間に設置され得る範囲で一致する。

本発明の一実施形態では、軸受アセンブリモジュールは、転がり軸受カートリッジと、軸受フランジと、閉じカバーと、オイルバッフルプレートと、回動防止体とを有し、転がり軸受カートリッジが転がり軸受を有し、転がり軸受には外輪、内輪、及び外輪と内輪との間に配置された転動体が属する。

本発明の一実施形態では、内輪が２つの内輪部材を有し、タービン側に配置された内輪部材のタービン側の外縁部が外輪のタービン側の外縁部に相対して軸方向で外方に延長されている。

本発明の一実施形態では、オイルバッフルプレートは、タービン過給機を撤去する場合に内輪のための軸方向の相手部材（Ｇｅｇｅｎｌａｇｅｒ）として用いられ、かつ支持部の締め付けられない状態において、内輪とオイルバッフルプレートとの間の軸方向隙間が、転がり軸受の転動溝におけるタービン側の転動体の軸方向可動性より小さい。

本発明の一実施形態では、オイルバッフルプレートは２つのリブを有し、リブの１つの接線方向縁部が、軸受アセンブリモジュールの運転中に、導入される冷却オイルのためのオイルスクレーパとして用いられる。

本発明の一実施形態では、オイルバッフルプレートの径方向外側の縁部において、オイルバッフルプレートの直径が、流出溝を形成するために軸受フランジの相手面に対して拡大されている。

本発明の一実施形態では、オイルバッフルプレートは、固定要素によって軸受フランジに固定され、かつこの固定要素によって軸受フランジにセンタリング可能である。

本発明の一実施形態では、排気タービン過給機は、転がり軸受のスクイズフィルムダンパのオイル供給のために形成された、かつ転がり軸受カートリッジに配置された環状溝を有する。

本発明の一実施形態では、閉じカバーは、コンプレッサの方向に軸方向に作用するスラスト荷重を受けるための軸方向ストッパとして機能する。

本発明の一実施形態では、閉じカバーは、非鉄金属からなる、及び／又は閉じカバーは切欠きを有する。

本発明の一実施形態では、収容空間は、軸受アセンブリモジュールをコンプレッサ側から軸方向に取り付け及び取り外し可能であるように形成されている。

本発明の一実施形態では、収容空間が段部を有する。段部は、殊に、実質的に径方向に延びるストッパ面を有する。ストッパ面は、殊にコンプレッサの方を指し、それによりストッパ面は、コンプレッサ側に設置された軸受アセンブリモジュールのための軸方向の止めを定める。

本発明の一実施形態では、段部は、収容空間の軸方向延在の中央部に、例えばコンプレッサホイールから、タービンホイールとコンプレッサホイールとの間の距離の２５％〜７５％である距離をおいて配置されている。

本発明の一実施形態では、段部が収容空間を、殊に径方向により大きい第１収容空間区分と径方向により小さい第２収容空間部分とに区分けし、第１収容空間区分と第２収容空間区分とは軸方向に互いに隣接して配置され、段部は、第１収容空間区分と第２収容空間区分との間に配置されている。殊に、第１収容空間区分は段部のコンプレッサ側に配置され、第２収容空間区分は段部のタービン側に配置されている。

したがって、本発明の一実施形態では、段部は収容空間のコンプレッサ側の領域と収容空間のタービン側の領域との間に配置されている。

本発明の一実施形態では、第１収容空間区分は、スラスト軸受（滑り軸受として形成されたアキシャル軸受）を収容するように寸法設定され、第２収容空間区分は転がり軸受を収容するように寸法設定されている。

本発明の一実施形態では、収容空間のコンプレッサ側の領域の径方向の直径は、収容空間のタービン側の領域の径方向の直径より大きい。

本発明の一実施形態では、収容空間は、収容空間に取り付けられる軸受アセンブリモジュールを固定するための固定手段を収容するための軸方向に延在する軸受ケーシング孔を有する。軸受ケーシング孔は、殊にねじ孔、殊に底付き孔であり（コンプレッサに向かって開口）、殊に段部に設けられている。

本発明の一実施形態では、収容空間に取り付けられる軸受アセンブリモジュールは、軸受ケーシングに係合する（特に軸受ケーシング孔に係合する）固定手段によって収容空間の段部の領域において軸受ケーシングに固定されている。

本発明の一実施形態では、軸受アセンブリモジュールは収容空間のコンプレッサ側の領域において径方向に、収容空間のタービン側の領域におけるより大きい直径を有する。

本発明の一実施形態では、軸受アセンブリモジュールは、そのコンプレッサ側の領域において軸方向に延在する軸受アセンブリモジュール孔を有し、この軸受アセンブリモジュール孔に軸受ケーシングに係合する固定手段が挿通されている。軸受アセンブリモジュール孔は、殊に貫通孔である。

本発明の一実施形態では、軸受ケーシングは、収容空間に取り付けられた軸受アセンブリモジュールのためのオイル供給部を有する。オイル供給部は、殊に軸方向から延びて、特にタービン側から延びて収容空間内に通じている。オイル供給部は、殊に段部へ通じている。オイル供給部には、殊に圧力を加えることができ、タービン過給機軸の下に位置する軸受ケーシングの半分の空間において収容空間内に通じている。

本発明の一実施形態では、排気タービン過給機の運転中、軸受アセンブリモジュールのタービン側の端部と軸受ケーシングのタービン側の端部との間に空所がある。

本発明の一実施形態では、排気タービン過給機のシャフトを支持するための軸受アセンブリモジュールの使用であって、排気タービン過給機は、排気タービン過給機のコンプレッサとタービンとの間に配置されたモジュール式軸受を含み、軸受は、収容空間を有する軸受ケーシングを具備し、軸受アセンブリモジュールは、一式の軸受アセンブリモジュールに含まれ、一式の軸受アセンブリモジュールは、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとを備え、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが収容空間に取り付け可能であり、かつ収容空間から破壊なしに取り外し可能であり、軸受アセンブリモジュールは、破壊なしに取り外し可能に収容空間に取り付けられることにより、排気タービン過給機のシャフトを支持するために使用される、使用が行われる。

本発明の一実施形態では、排気タービン過給機が排気タービン過給機のコンプレッサとタービンとの間に配置されたモジュール式軸受を含み、軸受が収容空間を有する軸受ケーシングを具備する、排気タービン過給機のシャフトを支持する方法において、以下の工程が行われる。
−転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールが属する一式の軸受アセンブリモジュールから軸受アセンブリモジュールを選択する工程であって、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが収容空間に取り付け可能であり、かつ収容空間から破壊なしに取り外し可能である、工程と、
−選択された軸受アセンブリモジュールを収容空間に取り付ける工程。

本発明の一実施形態では、以下の工程がさらに行われる。
−収容空間に取り付けられる軸受アセンブリモジュールを破壊なしに取り外す工程であって、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールが収容空間から破壊なしに取り外され、もう１つの、同様に転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと若しくは滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えられるか、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールが収容空間から破壊なしに取り外され、もう１つの、同様に滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと若しくは転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えられる工程。

図面の簡単な説明
以下、図面を用いて詳しく説明される実施例を用いて本発明について説明する。図面は以下のものを示す。

軸受アセンブリモジュールが取り付けられた排気タービン過給機の第１概略図である。 軸受アセンブリモジュールが取り付けられた排気タービン過給機の第２概略図である。 軸受アセンブリモジュールを示す図である。 オイルバッフルプレートに隣接する転がり軸受カートリッジの一部の断面図である。 オイルバッフルプレートを示す図である。 転がり軸受カートリッジの別の部分の断面図である。 閉鎖カバーを示す図である。 回動防止体の実現を示す断面図である。

実施例の説明
本発明によれば、コンプレッサとタービンとの間に配置されてシャフトを支持するために形成されたモジュール式軸受を含む排気タービン過給機が提供され、軸受が収容空間を有する軸受ケーシングを具備し、軸受アセンブリモジュールが収容空間に取り付け可能又は取り付けられ、かつ破壊なしに取り外し可能であり、収容空間は、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュール、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールを選択的に取り付け可能に寸法設定され、収容空間は、収容空間に取り付けられた軸受アセンブリモジュールの軸受フランジと接触するように形成されているインターフェイスを有し、インターフェイスは、軸受ケーシングを通るオイル通路を軸受アセンブリモジュールの軸受フランジを通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成されている。

さらに、本発明は、排気ガスタービン過給機のための軸受ユニットの、動作可能な転がり支持のために必要なすべての部品が一体の軸受アセンブリモジュールに含まれ、この軸受アセンブリモジュールは、必要な場合に同一構造の新しい軸受アセンブリモジュールと、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュール変種とも取り替えることができる。

図１は、軸受アセンブリモジュールが取り付けられた排気タービン過給機の第１概略図を示す。この排気タービン過給機２２は、コンプレッサ２３、タービン２５、及びコンプレッサとタービンとの間に配置された軸受２８を有する。その際、図１において、コンプレッサ２３のうちコンプレッサホイール２４とタービン２５のうちタービンホイール２６とが示されている。コンプレッサホイール２４とタービンホイール２６は、軸受２８に支持された排気タービン過給機２２のシャフト２７と相対回動不能に接続されている。軸受２８は軸受ケーシング２９を有する。この軸受ケーシング２９には収容空間３０が設けられている。この収容空間３０に軸受アセンブリモジュール１が設置されている。この軸受アセンブリモジュールは、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールである。これらの転がり軸受は転がり軸受カートリッジの構成要素であり、転がり軸受カートリッジの構造については他の図を用いて後述される。収容空間３０は、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュール、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールを選択的に取り付け可能に、かつ取り付けられた状態において、排気タービン過給機の運転中に高速で回転する排気タービン過給機のシャフトを支持するために用いられるよう寸法設定されている。

収容空間３０、及びそれに伴い軸受ケーシング２９も段部３１を有する。この段部は、収容空間３０の軸方向延在の中央領域に設けられている。その際、排気タービン過給機の軸方向３４は排気タービン過給機の回転軸線３３の長手方向と一致する。排気タービン過給機の径方向３５は、軸方向３４に対して直角をなして延在する。軸受アセンブリモジュールを排気タービン過給機のコンプレッサ側から軸方向に軸受ケーシング２９の収容空間３０に設置する場合、軸受ケーシングの段部がストッパとして機能する。軸受アセンブリモジュールのタービン側の端領域はシール面をなす。

段部３１は、収容空間３０のコンプレッサ側の領域３０ｂと収容空間３０のタービン側の領域３０ｃとの間に配置されている。収容空間３０のコンプレッサ側の領域３０ｂの直径は、径方向で収容空間３０のタービン側の領域３０ｃの直径より大きい。この措置によって、収容空間３０のコンプレッサ側の領域３０ｂに、滑り軸受を収容空間に取り付ける場合に必要とされるスラスト軸受のためのスペースが創出される。

収容空間３０に取り付けられた軸受アセンブリモジュール１は、収容空間３０のコンプレッサ側の領域３０ｂにおいて径方向３５に、収容空間３０のタービン側の領域３０ｃより大きい直径を有し、かつ段部３１の領域において、軸受ケーシング２９に係合する固定手段３２によって軸受ケーシング２９に固定されている。この目的で、軸受アセンブリモジュールは、そのコンプレッサ側の領域において軸方向３４に延在する孔３６を有し、軸受ケーシング２９に係合する固定手段３２がこの孔に挿通されている。この固定手段３２は、例えばねじである。

排気タービン過給機の運転中、軸受アセンブリモジュール１のタービン側の端部と軸受ケーシング２９のタービン側の端部との間に空所３７が存在する。この空所は、冷却オイルをシャフト肩部から収容空間３０のタービン側の領域の方向に吹き出す（ｗｅｇｓｐｒｉｔｚｅｎ）ことを可能にする。

上記のように、軸受ケーシングの収容空間３０には、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュール又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールのどちらかを取り付け可能である。収容空間のコンプレッサ側の領域３０ｂにおいて、収容空間３０のタービン側の領域３０ｃにおけるよりも径方向３５に大きい直径を有する収容空間３０の上記の特別な実施形態は、滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールが、径方向の力を受けるラジアル軸受に加えて、軸方向に作用する力を受けるために径方向の所要スペースが比較的大きい特別なスラスト軸受を必要とすることに由来する。上記の２つの軸受アセンブリモジュールは、収容空間３０のコンプレッサ側の領域３０ｂに配置された領域が径方向に拡幅して形成され、それにより収容空間３０の段部３１の領域において軸受ケーシング２９へのそれぞれの軸受アセンブリモジュールの固定を行うことができる。この目的で、それぞれの軸受アセンブリモジュールにおいて、軸方向３４に延在する孔３６が設けられ、軸受ケーシング２９の領域まで延在して収容空間３０にそれぞれの軸受アセンブリモジュールを取り付けるために設けられる固定手段３２がこの孔に挿通される。

上記の軸受アセンブリモジュールの各々は、軸受２８の収容空間３０、及びそれに伴い軸受ケーシング２９から軸方向でコンプレッサ２３の方向に破壊なしに取り外し可能であり、それにより軸受アセンブリモジュールを排気タービン過給機の外側で保守し、次いで引き続き使用するために再び軸受２８の軸受ケーシング２９の収容空間３０に取り付けることができる。この保守の際に、軸受アセンブリモジュールを個々の部品に分解して個々の部品を保守及び修理する、又は取り替えることが可能である。

収容空間から取り外された軸受アセンブリモジュールを保守することに代えて、修理不能な欠陥が生じた場合にはこの軸受アセンブリモジュールを同じタイプの新しい軸受アセンブリモジュールと取り替えることもできる。例えば、欠陥のある転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールを、転がり軸受を有する同じタイプの新しい軸受アセンブリモジュールと取り替えることができる。これに代えて、滑り軸受を有する欠陥のある軸受アセンブリモジュールを同様に滑り軸受を有する同じタイプの新しい軸受アセンブリモジュールと取り替えることができる。

別の代替案は、収容空間３０に取り付けられた軸受アセンブリモジュールを収容空間から取り外すこと、及び別のタイプの軸受アセンブリモジュールと取り替えることである。例えば、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールを滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えることができる。これに代えて、滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールを転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えることができる。

軸受ケーシング２９の収容空間３０は、それぞれの軸受アセンブリモジュールの軸受フランジ５と接触するために形成されているインターフェイス３０ａを備えている。有利にも、このインターフェイスは、軸受ケーシング２９を通るオイル通路２９ａを軸受アセンブリモジュールの軸受フランジ５を通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成されている。一実施例では、これらのオイル通路のうちの１つが軸受アセンブリモジュールのコンプレッサ側の端面に配置されている環状通路と接続されている。そこからラジアル軸受のオイル供給が行われる。

図２は、軸受アセンブリモジュールが取り付けられた排気タービン過給機の第２概略図を示す。図２に示された排気タービン過給機は、軸受２８の軸受ケーシング２９の収容空間３０に滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュール１が取り付けられていることを除いて図１に示されたものと同じ排気タービン過給機であり、この場合も収容空間３０のインターフェイス３０ａが軸受アセンブリモジュールの軸受フランジ５と接触するように形成され、インターフェイス３０ａはこの場合も軸受ケーシング２９を通るオイル通路２９ａを軸受アセンブリモジュールの軸受フランジ５を通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成され、軸受フランジを通るこれらのオイル通路の１つを介して滑り軸受のオイル供給が行われる。

図３は、本発明による軸受アセンブリモジュール１の一実施例をわかりやすく説明するための断面図を示す。この軸受アセンブリモジュールは、閉じカバー２、転がり軸受カートリッジ３、オイルバッフルプレート４、軸受フランジ５、及び図３から見て取れない回動防止体を含む。これらの部品は、接続要素、特にねじを使用して堅固に互いに接続され、転がり軸受カートリッジは、軸受フランジ、閉じカバー、及び回動防止体によって提供される空間内で可動である。上記の部品は、排気タービン過給機２２の軸受ケーシング２９の収容空間３０に全部一緒に取り付けることができるワンピースの軸受アセンブリモジュールである。この排気タービン過給機は、とりわけ、例えば船舶用機関又は電気を生成する機関である機関に過給するために使用可能として企図されている。この種の機関の排気タービン過給機は、特に、排気タービン過給機のコンプレッサホイールの直径が１１０ｍｍより大きいことを特徴とする。先の産業部門の排気タービン過給機では排気タービン過給機の保守の必要があり、保守の際には、個々の部品を保守し、必要な場合に修理し、かつ必要な場合に取り替えもできるようにするために、とりわけ取り外し、及び必要な場合に軸受の分解も必要である。

すでに図１に示されるように、図３に示される軸受アセンブリモジュールは、排気タービン過給機のコンプレッサとタービンとの間の排気タービン過給機のシャフトの内部支持のために形成されている。

閉じカバー２は、さらに後述するように、ロータの動特性を改善する特徴を備えている。転がり軸受カートリッジ３は、同様に後述するように、撤去を簡易化するための特徴を有する。オイルバッフルプレート４は、特に能動的なシャフト冷却のために形成され、さらに軸受アセンブリモジュールの撤去を支援する。軸受フランジ５は、殊にワンピースに形成され、とりわけ転がり軸受の潤滑オイル供給及び軸受アセンブリモジュールの冷却オイル供給のために用いられる。回動防止体は、転がり軸受の外輪の位置決めを固定する。

図３に示された転がり軸受カートリッジ３は、外輪６、第１内輪部材７ａ及び第２内輪部材７ｂの２部材からなる内輪７、内輪７と外輪６との間に配置された、殊に玉である転動体８、９、１０、１１を有する転がり軸受を含む。玉は、図４において参照符号１２で示された保持器に支持されている。

図３に示された軸受アセンブリモジュール１を、排気タービン過給機のタービンとコンプレッサとの間に設けられた軸受の軸受ケーシングの収容部に設置することができ、すでに図１に示されるように軸受ケーシングとねじ結合することができる。

図４は、オイルバッフルプレート４に隣接する転がり軸受カートリッジ３の一部の断面図を示す。図４には、この転がり軸受カートリッジ３のうち外輪６の一部、第２内輪部材７ｂの一部、玉１１、及び玉１１が入った保持器１２の一部が示されている。図４から見て取れるように、外輪６はつば６ａを有する。さらに、図４から、タービン側に配置された第２内輪部材７ｂが軸方向外方に、すなわちタービンの方向に、外輪６のタービン側の外縁部に相対して延長されていることが見て取れる。この延長部Ｙは、軸受アセンブリモジュールを軸受ケーシングに設置した場合に、転がり軸受カートリッジ３の損傷を起こすことなく排気タービン過給機のシャフトの撤去を容易にする。コンプレッサ側の転がり軸受内輪部材７ａがコンプレッサ側の玉セットによって支えられるのに対して、タービン側の転がり軸受内輪部材７ｂは、最初にシャフト上にとどまり、転がり軸受カートリッジ３がタービン側で外輪６により壁１９に当接した後に（図６を参照）、タービン側の玉セットをタービンの方向に移動させる。その際、内輪７とオイルバッフルプレート４との間の軸方向隙間Ｘは、締め付けられない（ｕｎｖｅｒｓｐａｎｎｔ）転がり軸受カートリッジの玉転動面におけるタービン側の玉セットの軸方向の可動性Ｚより小さい。したがって、内輪７は、壁に堅固に当接するのに対して、玉セットは無負荷のままであり、シャフトが押圧され得る。このような軸方向のストッパなしには内輪７がタービンの方向に引き続き移動し、タービン側の玉セットを図４に示されたつば６ａを越えて押し、玉と玉の転動面を損傷せしめ、転がり軸受カートリッジを制御不能に分解するであろう。これに対して、排気タービン過給機の運転中、内輪７はオイルバッフルプレート４に触れることができない。

排気タービン過給機の運転中、転がり軸受の潤滑及び冷却のため、転がり軸受カートリッジと軸受フランジとの間の減衰のため、及びタービン側におけるシャフト肩部と内輪の冷却のためにオイルが使用される。このオイル供給の目的で、単一部品に形成された軸受フランジ５はオイル供給通路を有する。その際、コンパクト性の理由から、転がり軸受のスクイズフィルムダンパにオイル供給するための２つの環状溝は軸受フランジ５にではなく、転がり軸受カートリッジに設けられている。シャフト肩部のための冷却オイル通路は軸受フランジ５とオイルバッフルプレート４との間に設けられている。

図５は、オイルバッフルプレート４をわかりやすく説明するための図を示す。このオイルバッフルプレート４は、流出溝１３、冷却オイル通路１４、第１リブ１５、密封壁１６、オイルスクレーパ１７、及び第２リブ１８を有する。

オイルバッフルプレート４は、シール機能と並んで他の機能も有する。オイルバッフルプレートのリブ１５及び１８は、シャフトが押圧された場合にタービン側の内輪部材７ｂのための相手部材をなす。設けられた冷却通路１４のジオメトリによって、噴射方向とシャフト肩部のための冷却オイル量が決まり、ジオメトリは、冷却オイルがシャフトの回転方向にシャフトに向けて噴射されるように形成されている。その際、転がり軸受カートリッジ３とシャフトとオイルバッフルプレート４との間の環状空間は、オイルミストが排気タービン過給機の最寄りのシール箇所の前に引きとめられるように形成されている。

リブ１５及び１８は、これらのリブがシールディスクのシール機能を可能な限り妨げないように、かつそれでも、問題なく撤去するのに十分な軸受アセンブリモジュール全体の安定性を保証するように形成されている。図５において下側のリブ１８の接線方向のリブ始端部はオイルスクレーパ１７として機能する。

すでに述べた流出溝１３は、オイルバッフルプレート４の外径が軸受フランジ５の相手面に対して拡大されていることによって形成されている。

流出溝１３及びオイルスクレーパ１７と並んで最大のシール機能は、転がり軸受とオイルバッフルプレートとシャフトとの間の閉じた環状空間によって達成される。その際、シャフトの方向に奥深く延びる壁が、発生したオイルミストが排気タービン過給機の最寄りのシール箇所まで広がることを阻止する。その際、シール隙間はシャフトの直径の１％〜６％である。

オイルバッフルプレート４は、必要とされる取付空間を小さく抑える固定手段を使用して軸受フランジ５に固定されている。この固定のために、図示された実施例では合計５つの皿頭ねじが使用される。これらの皿頭ねじは、均一なねじ締めによるオイルバッフルプレート４の簡単に操作可能なセンタリングと、それに伴い排気タービン過給機のオイルバッフルプレート４とシャフトとの間の可能な限り小さいシール隙間の調整を可能にする。

すでに上記したように、冷却オイル通路１４の適当なジオメトリによって、冷却オイル量を所望に調整することができる。この機能ジオメトリは軸受フランジ５にではなく、より簡単な形態でより安価なオイルバッフルプレート４にあるので、それぞれの用途に応じてそれぞれ課せられる冷却要求に合わせてオイルバッフルプレート４を改変することができる。その際、冷却オイル通路は、軸受アセンブリモジュールの運転中に冷却オイルがシャフトの回転方向にシャフトに向けて噴射されるように形成されている。その際、最外側の噴射オイル領域はシャフトに接線方向に当たり、それにより環状通路におけるオイル滞留の発生が上述の方向設定によって低減され、油密性が保証されている。

軸受アセンブリモジュール内でオイルを密封するタービン側でのさらなる改善が取り囲む薄壁によって達成される。この薄壁は、オイル流出を改善する目的でオイルバッフルプレート４が開放した状態に形成されているところで転がり軸受のスクイズフィルムダンパのオイルが制御不能に吹き出し得ることを阻止する。さらに、この壁は、スクイズフィルムダンパのオイル体積流を冷却オイル流から分離する。このことは、それぞれ必要な冷却オイル量のより正確な調整を可能にする。タービン側のスクイズフィルムダンパのオイルは、壁によって制御もされて一箇所で、つまり下側の開口でだけ流出する。

図６は、軸受アセンブリモジュール１の別の小さい領域の断面図を示す。この図６において、オイルバッフルプレート４、軸受フランジ５、外輪６、玉１０、及び保持器１２の各部分が示されている。軸受フランジ５は、径方向で内方に成形された取り囲む壁１９を有し、この壁は、スクイズフィルムダンパのオイルから冷却オイル流を分離するために形成されている。さらに、この取り囲む壁１９は、スクイズフィルムダンパからオイルバッフルプレート４の方向へのオイルの軸方向の吹き出しを阻止するシール機能を有する。さらに、図６には環状空間２０が示されている。この環状空間は、排気タービン過給機の転がり軸受と取り囲む壁とシャフトとの間に形成されている。

図示された取り囲む壁１９は、ロータの動特性の視点から側方が閉じたスクイズフィルムダンパへ通じている。このことの利点は、オイル縁ゾーンにおけるキャビテーションの傾向が少ないことであり、そのことによってもより安定した減衰が達成される。この安定した減衰は、軸受アセンブリモジュール、それに伴い排気タービン過給機全体の寿命を延ばす。

図７において、軸受アセンブリモジュールのコンプレッサ側に配置されているすでに上述した閉じカバー２が具体的に示されている。この閉じカバーは、殊に非鉄金属から製造され、コンプレッサの方向に作用するシャフトのスラスト荷重を受けるための軸方向のストッパをなす。閉じカバー２のための材料として非鉄金属を選択することは、閉じカバー２と転がり軸受カートリッジ３との間の摩擦挙動を有利にする。排気タービン過給機の運転中にスラスト力が転がり軸受カートリッジの端面に摩擦力を引き起こすので、摩擦最適化によって、転がり軸受カートリッジがより自由に動き得ることから、スクイズフィルムダンパの減衰挙動への影響を低減することができる。このことも、軸受アセンブリモジュール１の寿命、それに伴い排気タービン過給機全体の寿命を延ばす。

上述したように、転がり軸受カートリッジ３は、排気タービン過給機のロータのスラスト方向にもとづいて、大抵は軸受アセンブリモジュール１のコンプレッサ側で閉じカバー２に当接するので、転がり軸受カートリッジ３と薄い取り囲む壁１９との間の軸受アセンブリモジュール１のタービン側ではオイルがいくらかより容易に流出することができる。スクイズフィルムダンパのコンプレッサ側とタービン側でのオイルの異なった流速が異なった減衰特性をもたらすことを考慮するために、閉じカバー２には、オイル流、及びそれに伴いオイル速度を再び統一する切欠き２ａが設けられている。このことも軸受アセンブリモジュール１の寿命、及びそれに伴い排気タービン過給機全体の寿命を延ばす。閉じカバー２におけるこれらの切欠き２ａは、これらの切欠きの最も狭小の横断面が合計して相手側の流出面より５％〜３０％大きくなるように寸法設定され、オイル流出量は、最も下の地点でコンプレッサ側とタービン側で同じであり、上記の計算で考慮されない。この拡大は、軸受アセンブリモジュール１のコンプレッサ側の厳しい流れ条件を補償するものとして企図される。

図７から、図示された実施例では閉じカバー２が３つのこの種の切欠き２ａを有することが見て取れる。

図８は、回動防止体の実現をわかりやすく説明するための断面図を示す。この回動防止体のために、回動防止ねじ２１が軸受フランジ５を通って転がり軸受カートリッジ３内まで挿通される。

排気タービン過給機の転がり支持された（ｗａｌｚｇｅｌａｇｅｒｔ）シャフトは、滑り支持されるシャフトに対してわずかに改変され得るか、又は同じシャフトでもあり得る。

転がり支持部の寿命を延ばす特徴は、機能上必要な適合の範囲内で設けられる。
特にタービン側でシャフトと軌道輪との間の比較的小さいコンタクト領域が、シャフトから軌道輪への低減された入熱をもたらす。軸受の寿命は軸受の温度に直接左右されるので、シャフトから軌道輪への入熱の低減は、軸受アセンブリモジュール、及びそれに伴い排気タービン過給機全体の寿命を延ばす。

内輪ストッパの小さい直径は、冷却オイルと接触することになる内輪により大きい面積をもたらす。このことも同様に、結果として温度低下をもたらす。この温度低下も軸受アセンブリモジュール、及びそれに伴い排気タービン過給機全体の寿命を延ばす。

以下の列挙は、本発明の少なくともいくつかの実施形態の有利な特性をまとめたものである。

寿命に関して有利な特性：
−別個の冷却オイル通路を使用することによるシャフト冷却及び軸受冷却の適用多様性、
−軸受を破壊なしに撤去する可能性、
−オイル流出通路と摩擦最適化された材料組み合わせとにより軸受アセンブリモジュールの両側で減衰特性を統一することによるロータの動特性の改善、
−より少ない入熱を目的としたシャフトと軌道輪との間の接触面積の低減。

複雑性に関する有利な特性：
−モジュール式軸受フランジコンセプトの使用による転がり軸受変種と滑り軸受変種との交換可能性、
−同じ部品を使用することによる追加装備の可能性、
−機関及び排気タービン過給機への共通のオイル循環回路の使用、
−軸受の破壊なしの撤去性、
−皿頭ねじによるシールディスクのセンタリング、
−摩擦最適化によるスクイズフィルムダンパにおける軸方向の軸受安定化の省略。

油密性に関する有利な特性：
−オイルスクレーパの使用、
−流出溝の使用、
−オイルミストに対する、シャフトの近くまで内方に延びる薄壁、
−スクイズフィルムダンパを区分けする薄壁、
−撤去を容易にするための流出最適化された支持リブ、
−冷却オイルのシャフト回転方向での噴射方向。

以上のように、転がり支持部を有する軸受アセンブリモジュールは、図１を用いてすでに説明したように排気タービン過給機の軸受の軸受ケーシングに設置可能であるか、又は設置されている。この軸受ケーシングは、有利にも軸受アセンブリモジュールのためのインターフェイスを有し、インターフェイスは、軸受アセンブリモジュールの軸受フランジと接触するように形成されている。軸受アセンブリモジュールは、必要な場合、有利にも破壊なしに排気タービン過給機から取り外すことができ、さらに個々の部品を取り替えることができるようにするために破壊なしに分解することさえできる。例えば、上記の軸受ケーシングから、転がり軸受を有する本発明による軸受アセンブリモジュールを取り外すことができ、滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えることができる。この滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールとは、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが交換可能に軸受の軸受ケーシングの収容空間に設置され得る範囲で構造形式及び外寸に関して一致している。

滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールも、排気タービン過給機の軸受ケーシングのインターフェイスと接触可能な軸受フランジを有する。このインターフェイスは、上記したように、有利にも軸受ケーシングを通るオイル通路を軸受アセンブリモジュールの軸受フランジを通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成されている。

参照符号一覧
１ 軸受アセンブリモジュール
２ 閉じカバー
３ 転がり軸受カートリッジ
４ オイルバッフルプレート
５ 軸受フランジ
６ 外輪
６ａ つば
７ 内輪
７ａ 第１内輪部材
７ｂ 第２内輪部材
８ 玉
９ 玉
１０ 玉
１１ 玉
１２ 保持器
１３ 流出溝
１４ 冷却オイル通路
１５ 第１リブ
１６ 密封壁
１７ オイルスクレーパ
１８ 第２リブ
１９ 壁
２０ 環状空間
２１ 回動防止ねじ
２２ 排気タービン過給機
２３ コンプレッサ
２４ コンプレッサホイール
２５ タービン
２６ タービンホイール
２７ シャフト
２８ 軸受
２９ 軸受ケーシング
２９ａ 軸受ケーシングを通るオイル通路
３０ 収容空間
３０ａ 収容空間のインターフェイス
３０ｂ 収容空間３０のコンプレッサ側の領域
３０ｃ 収容空間３０のタービン側の領域
３１ 段部
３２ 固定手段
３３ 排気タービン過給機の回転軸線
３４ 軸方向
３５ 径方向
３６ 軸受アセンブリモジュールにおける孔
３７ 空所
Ｘ 距離
Ｙ 延長部
Ｚ 距離

Claims (17)

1. コンプレッサ（２３）とタービン（２５）との間に配置されてシャフト（２７）を支持するために形成されたモジュール式軸受（２８）を含む排気タービン過給機（２２）であって、前記軸受が収容空間（３０）を有する軸受ケーシング（２９）を具備し、軸受アセンブリモジュール（１）が前記収容空間に取り付け可能又は取り付けられ、かつ破壊なしに取り外し可能であり、前記収容空間（３０）は、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュール、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールを選択的に取り付け可能に寸法設定され、前記収容空間（３０）は、前記収容空間に取り付けられた軸受アセンブリモジュールの軸受フランジ（５）と接触するように形成されているインターフェイス（３０ａ）を有し、前記インターフェイス（３０ａ）は、前記軸受ケーシング（２９）を通るオイル通路（２９ａ）を前記軸受アセンブリモジュールの前記軸受フランジを通る１つ又は複数のオイル通路と接続するように形成されている、排気タービン過給機。
2. 前記収容空間（３０）に設置可能又は設置される、かつ転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールの構造形式及び外寸は、前記収容空間に設置される、又は設置可能な、かつ滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールの構造形式及び外寸と、前記転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと前記滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが交換可能に前記収容空間に設置され得る範囲で一致する、請求項１に記載の排気タービン過給機。
3. 前記軸受アセンブリモジュール（１）は、転がり軸受カートリッジ（３）と、前記軸受フランジ（５）と、閉じカバー（２）と、オイルバッフルプレート（４）と、回動防止体とを有し、前記転がり軸受カートリッジ（３）が転がり軸受を有し、前記転がり軸受には外輪（６）、内輪（７）、及び前記外輪（６）と前記内輪（７）との間に配置された転動体（８、９、１０、１１）が属する、請求項１又は請求項２に記載の排気タービン過給機。
4. 前記内輪（７）が２つの内輪部材（７ａ、７ｂ）を有し、タービン側に配置された前記内輪部材（７ｂ）の前記タービン側の外縁部が前記外輪（６）の前記タービン側の外縁部に相対して軸方向で外方に延長されている、請求項３に記載の排気タービン過給機。
5. 前記オイルバッフルプレート（４）は、前記内輪（７）のための軸方向の相手部材として用いられ、かつ締め付けられない状態において、前記内輪（７）と前記オイルバッフルプレート（４）との間の軸方向隙間（Ｘ）が、前記転がり軸受カートリッジにおける前記転がり軸受のタービン側の転動体（１０、１１）の軸方向可動性より小さい、請求項３又は請求項４に記載の排気タービン過給機。
6. 前記オイルバッフルプレート（４）は２つのリブ（１５、１８）を有し、前記リブの１つの接線方向縁部が、軸受アセンブリモジュールの運転中に、導入される冷却オイルのためのオイルスクレーパとして用いられる、請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
7. 前記オイルバッフルプレート（４）の径方向外側の縁部において、前記オイルバッフルプレートの直径が、流出溝を形成するために前記軸受フランジの相手面に対して拡大されている、請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
8. 前記オイルバッフルプレート（４）は、固定要素によって前記軸受フランジ（５）に固定され、かつ前記固定要素によって前記軸受フランジにセンタリング可能である、請求項３〜請求項７のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
9. 前記転がり軸受のスクイズフィルムダンパのオイル供給のために形成された、かつ前記転がり軸受カートリッジに配置された環状溝を有する、請求項３〜請求項８のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
10. 前記閉じカバー（２）は、前記コンプレッサに向かって軸方向に作用するスラスト荷重を受けるための軸方向ストッパとして機能する、請求項３〜請求項９のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
11. 前記閉じカバー（２）は、非鉄金属からなる、及び／又は切欠きを有する、請求項３〜請求項１０のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
12. 前記収容空間（３０）が段部（３１）を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
13. 前記段部（３１）は、前記収容空間（３０）の軸方向延在の中央部に配置されている、請求項１２に記載の排気タービン過給機。
14. 前記排気タービン過給機の運転中、前記軸受アセンブリモジュール（１）のタービン側の端部と前記軸受ケーシング（２９）のタービン側の端部との間に空所（３７）がある、先行する請求項のいずれか１項に記載の排気タービン過給機。
15. 排気タービン過給機（２２）のシャフト（２７）を支持するための軸受アセンブリモジュール（１）の使用であって、前記排気タービン過給機は、前記排気タービン過給機のコンプレッサ（２３）とタービン（２５）との間に配置されたモジュール式軸受（２８）を含み、前記軸受は、収容空間（３０）を有する軸受ケーシング（２９）を具備し、前記軸受アセンブリモジュール（１）は、一式の軸受アセンブリモジュールに含まれ、前記一式の軸受アセンブリモジュールは、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとを備え、前記転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと前記滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが前記収容空間に取り付け可能であり、かつ前記収容空間（３０）から破壊なしに取り外し可能であり、
    前記軸受アセンブリモジュール（１）は、破壊なしに取り外し可能に前記収容空間に取り付けられることにより、前記排気タービン過給機の前記シャフト（２７）を支持するために使用される、使用。
16. 排気タービン過給機（２２）のシャフト（２７）を支持する方法であって、前記排気タービン過給機は、前記排気タービン過給機のコンプレッサ（２３）とタービン（２５）との間に配置されたモジュール式軸受（２８）を含み、前記軸受は、収容空間（３０）を有する軸受ケーシング（２９）を具備し、
    −転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールが属する一式の軸受アセンブリモジュールから軸受アセンブリモジュール（１）を選択する工程であって、前記転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと前記滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールとが前記収容空間に取り付け可能であり、かつ前記収容空間から破壊なしに取り外し可能である、工程と、
    −前記選択された軸受アセンブリモジュールを前記収容空間に取り付ける工程と、を包含する、方法。
17. −前記収容空間（３０）に取り付けられる軸受アセンブリモジュール（１）を破壊なしに取り外す工程をさらに包含し、転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールが前記収容空間から破壊なしに取り外され、もう１つの、同様に転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと若しくは滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えられるか、又は滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールが前記収容空間から破壊なしに取り外され、もう１つの、同様に滑り軸受を有する軸受アセンブリモジュールと若しくは転がり軸受を有する軸受アセンブリモジュールと取り替えられる、請求項１６に記載の方法。

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