JP6275398B2 - 大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド並びに大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド用スタンド及び振動補償器 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項に記載される前提部に従う大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド並びに大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド用スタンド及び振動補償器に関する。

例えば電気エネルギーを発生させるためのクロスヘッド構造の大型ディーゼルエンジン（好ましくは造船や固定設置用途で使用される）は、エンジンのフレームを形成する３つの大型ハウジング・セグメントを含んでいる。底部プレートによって区切られるいわゆるスタンドが、ベースプレート上に配置され、このベースプレートが、クランクシャフトをジャーナルするためのクランクシャフト主軸受を含む軸受サドルの側方に横方向支持要素を有している。従来から公知のスタンドは、大型ディーゼルエンジンのシリンダの数に一致する対向して配置された複数の支持体を有しており、支持体の各々が摺動面を有している。この摺動面が、隣接した２つのクロスヘッドを案内するために垂直方向に延びており、このクロスヘッドが、プッシュロッドを介してクランクシャフトに接続される。この点において、対向して配置されるとともに垂直方向に延びる摺動面を含む２つのそれぞれの支持体が、さらに中間壁によって支持されている。個々の支持体は、一般に、共通の金属製カバーシートを介して互いに接続される。シリンダジャケットともしばしば呼ばれることのあるシリンダ部は、次にスタンドの上方に配置され、複数のシリンダライナを受容するために適している。この点において、ベースプレートとスタンドとシリンダ部とが、一般に支持体内のスタンドの領域に延びるタイロッドにより互いに接続されており、このタイロッドが、実質的な前負荷が負荷される状況下でベースプレート内に又はベースプレートにねじ留めされる。

この点において、安定性と磨耗性とに関する様々な問題に対処するとともに、これらの問題に対応する最適な解決法を提案する、様々な種類のスタンドが知られている。

往復式エンジンのクロスヘッドの摺動軌道面を支持するための支持体を有するスタンドは、この支持体が二重壁を有して設計される特許文献１によって公知になっている。シリンダジャケットがシリンダライナを受容するために設置されたスタンドは、ベースプレート上の金属製底部プレート上に配置されており、斜め方向に延びる外壁と一緒になった金属製底部プレートと垂直方向に延びる摺動面とによって、断面が台形であるとともに共通の金属製カバーシートによって互いに接続される２つのフレームが形成される。この台形のフレームは、外壁と摺動面との間に横方向に延びる支持壁によって塞がれており、そして、二重壁を有して作製された支持体によって支持がもたらされる。ベースプレートは、軸受カバーを含む下側軸受シェルと上側軸受シェルとを備える軸受サドルを有し、クランクシャフトの軸受シェルが、ベースプレートのこの軸受サドルにジャーナルされる。エンジンのシリンダジャケットとスタンドとベースプレートとが、軸受サドルにおいて又は軸受サドル内でクランクシャフトの下に前負荷が負荷された状態で固定されるタイロッドによって一緒に保持される。

三角形の断面を有する二重壁の支持体が、特許文献２に開示されており、そこでは、２つのそれぞれのタイロッドによって案内されている。

そのような公知の大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドにおいて、二重壁を有して作製されたスタンドの支持体は、ベースプレートの二重壁を同様に有する支持要素上に支持されている。これは、スタンドとベースプレートとの両方が、横方向に延びる支持壁によって二重壁を有して形成されることを意味する。

しかし、この点において、大型ディーゼルエンジンはまた、ベースプレートが横方向に延びる支持壁によって形成されており、且つ単一壁の設計であるような技術が公知である。出願人は、そのような改良された解決法を何年か前に特許文献３において既に提案しており、さらに特許文献４による実施形態によって決定的な改良をすることができる。

対向して配置された２つの支持体は、この点において、互いに対して固定されており、溶接の継ぎ目を介して既に述べた中間壁によってスタンド自体に固定されている。

それ自体公知である実用上の問題は、そのような巨大なエンジンの動作によって誘発され、且つ特にそのようなエンジンが設置される環境で、シリンダあたり１０,０００ＫＷまでの電力、あるいはそれ以上の電力をしばしば発生させる際の振動によって表面化する。今日、船用の公知のエンジンは、この点において、しばしば動作状態において船体に振動を誘発する可能性がある例えば最大１２個の又は１４個のシリンダを有しており、その振動は、船体が大きなダメージを被るか、又は適切な対応策が講じられなかった場合に破壊される程強いものである。

前述の有害な振動を低減し又は補償するために、動作中に少なくとも部分的に発生する有害な振動を補償する目的で振動補償器を設けることが長い間行われてきた。当業者が十分に認識してきたように、これらの有害な振動は、バランスの取れていないエンジンの振動又は質量体の回転によって主に生成され、一般にこの振動の２次トルクは、最も悪い影響を及ぼす。特定の形態では、例えば船の２次トルク、船体に亘って波腹部（wave antinodes）と波節部とを有し垂直方向に作用する定在波の一種は、波腹部において実質的な機械的負荷をもたらし、この負荷は、絶対に阻止しなければならないか、少なくとも最小限に抑える必要がある。

この目的のために、エンジンにおいて、特に船舶用の２ストローク大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドにおいて、振動補償器を設けることが長い間行われてきた。一般に、これらの振動補償器は、少なくとも端部に反対向きに回転する２つの補償質量体を含み、特定の場合にはさらに同時にスタンドの両端部に質量体を含み、エンジン出力が取り出されるエンジンの出力側か、又は例えば船のプロペラシャフトが接続される出力側のいずれかに設けられる。あるいは又はさらに、振動補償器は、しかし、エンジン出力が取り出される反対側の端部、いわゆるエンジンの自由端部にも設けることができる。

公知の振動補償器は、この点において、スタンドの外側においてエンジンの動力出力端部及び／又は自由端部に例えばねじ留め又は溶接によって取り付けられる補償ハウジングに収容されている。補償質量体は、この点において、エンジンの大きさや有害な振動の強さに応じて例えばほぼ１，０００Ｋｇの質量を有することがある、しばしば厚く、非常に重い半円形状のディスクである。それら質量体は、この点において、エンジンの長手方向軸線に対して互いに上方に且つ対称に配置され、エンジン速度の２倍で且つエンジンのクランク角伸展量に対して適切な位相で反対方向に回転させられる。回転する補償質量体とエンジンのクランク角伸展量との間の位相が正確に選択され、それによって、上述した有害な振動の２次トルクが補償されるか、少なくとも十分に最小化される。

補償質量体の回転駆動は、この点において、シャフト、歯車、チェーン等を介して直接的な結合によって行うことができ、この直接的な結合は、回転質量体とエンジンのクランク角との間の位相が、エンジンの速度と独立した機械的結合によって確固として設定でき、それによって、回転する補償質量体の回転速度と位相とを、制御及び／又は調節する必要がないという利点を有している。

しかし、補償質量体が、電気的に駆動されるという解決法も知られている。このような解決法は、エンジンにおける振動補償器の設置に関して当然により柔軟性を有する。しかし、次に、電気回転駆動では、当然に、エンジンの速度に依存して回転する補償質量体の正確な回転速度と位相とを常に自動的に設定する制御部を有していなければならない。

スタンドの外側に配置された振動補償器の実質的な不利点は、振動補償器がスタンドにおいて懸垂される溶接継ぎ目を介してスタンドに伝達される相当な力が回転質量体によって生成されることである。実際には、溶接継ぎ目と、支持壁及び支持壁に設けられたクロスヘッドの摺動軌道面とに損傷をもたらす結果となる。この一つの大きな理由は、振動補償器（補償質量体）が、噛合って回転する形式で互いに上方に配置されており、それによって、生じる力トルクが、垂直方向及び／又は水平方向に発生するためである。すなわち、振動補償器によって、それに関し、溶接継ぎ目を介してスタンドに伝達すべき周期的な角度変動（tilt）運動や曲げトルクが実行され、従って、溶接継ぎ目上に対応する負荷が生じることになる。この点において、噛合って回転する形式は、回転する２つの補償質量体の回転軸が、補償質量体の回転半径の２倍よりも少なく互いに離れていることを意味する。

独国特許発明第３，５１２，３４７号明細書 欧州特許第０，７７４，０６１号明細書 欧州特許１，３８２，８２９号明細書 中国特許第７００，７５５号明細書

先行技術から出発して、従って、本発明の目的は、大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの改良並びに振動補償器の改良であり、従来から知られている不利点が回避され、特に振動補償器のスタンドに対する力の伝達が最適化され、それによって、力を伝達する振動補償器とスタンドとの間の接点において、可能な限り小さな負荷を受ける、又は均一な負荷を受けることになる。

これらの目的を満たす本発明の主題は、独立請求項の特徴的構成によって特徴付けられる。

従属請求項は、本発明の特に有利な実施形態に関連している。

従って、本発明は、クランクシャフトを受容するためのベースプレートを有するとともに、２つの外壁を含み且つベースプレート上に配置されるスタンドを有し、さらに、シリンダを受容するためにスタンド上に配置されたシリンダ部を有する大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドに関する。この点において、ベースプレートとスタンドとシリンダ部とが、スタンドの領域における支持壁に沿って延びるタイロッドにより相互に接続され、そして、クロスヘッドを支持するための支持壁に摺動面が形成される。横方向に延びる第１の支持壁と横方向に延びる第２の支持壁とが、クランクシャフトに対して互いに対向して配置されたスタンドの端部側に配置されるとともに中間壁を介して相互に接続されており、振動補償器が、振動を補償するためにスタンドの端部側に設けられている。本発明によれば、振動補償器は、第１の支持壁と第２の支持壁との間に形成される。

こうして、スタンドの外側に配置された振動補償器によって引起こされる従来から知られている不利点を回避することが、本発明によって初めて可能となった。振動補償器の回転する補償質量体はまた、確かに、本発明に従った大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドにおいて相当大きな力を生み出す。すなわち、本発明の振動補償器を用いて、補償質量体は、好ましくは、互いに重なるように且つ噛合って回転する形式で配置されており、その結果、生じた力トルクが、垂直方向及び／又は水平方向に発生させることができ、こうして、振動補償器が、周期的な角度変動（tilting）トルク又は角度変動力を生じさせるように起動することができる。本発明による大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドにおいて、しかし、それら角度変動トルク及び角度変動力は、振動補償器が最終的にスタンドにおいて懸垂されており、補償器ハウジングとスタンドとの間の溶接継ぎ目を介してスタンドに伝達されない。しかし、むしろ振動補償器や振動補償器の補償器ハウジングが、本発明に従って第１の支持壁と第２の支持壁との間に形成されているので、周期的な角度変動トルク又は角度変動力は、支持壁内に又は場合によっては中間壁（好ましくは補償器ハウジングの実在する壁として形成される）を介して直接的に導かれる。支持壁における継ぎ目やその場所に設けられたクロスヘッドの摺動軌道面の結果として、溶接継ぎ目において損傷する恐れが、今、本発明によって上述したように回避される。

実施するために特に重要な実施形態では、振動補償器は、すでに述べたように、中間壁において形成することができ、この中間壁によって、さらに振動補償器が担持される。それによって、前述の角度変動力と角度変動トルクの少なくとも一部は、中間壁を介してスタンド内に導入することもでき、こうして、振動補償器又は補償器ハウジングの溶接継ぎ目が、さらに緩和される。

一般に、振動補償器は、この点において、動作状態において反対方向に回転されるとともに、通常はディスクの一部の形状で、しばしば三日月形状のディスク等として形成される２つの補償質量体を含んでおり、そのディスクの形状は、原理的にはエンジン内において誘発される有害な振動を抑制又は低減するために適当である任意の適切な非対称形状とすることができる。この点において、補償質量体は、それら質量体が、動作状態において噛合う形式で回転させられるように互いに対して好ましく配置されており、実際には、通常は、クランクシャフトに対して互いに垂直に上下に配置される、これは、単に構造上の理由によるものであり、そうしないと、振動補償器は、ほとんどの場合、スペース上の理由から支持壁の間に設置できないためである。

振動補償器は、この点において、必要に応じて大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの出力側の端部側に及び／又は自由端の端部側に設けることができる。当業者が３つの変形形態のうちのどの形態を決定するかは、個々のケースにおける様々な要因によって決定することができる。例えば大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドが設置される船舶の種類において、誘発される有害な振動はどのくらいの強さか、減衰すべき振動はどのくらいの強さなのか、又は当業者に対してそれ自体が公知である要因や要件に依存して決定される。

補償質量体自体は、この点において、機械的結合手段を介して、特にシャフト、歯車、チェーン、歯付きベルトによってそれ自体公知の方法で駆動される、又は別の結合手段によって駆動される、及び／又は、独立した回転駆動によって、特に電気、油圧、空圧回転駆動により駆動されることができる。独立した回転駆動の場合には、実際には適切な制御は、補償質量体が、常に対応する位相を有するとともに大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの２倍の速度で回転するような制御や調整の形態で提供される。

本発明は、さらに、本願に説明されているような大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの振動補償器に関し、振動補償器が、大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの第１の支持壁と第２の支持壁との間に形成され、且つ好ましくはスタンドの中間壁において形成することができ、この中間壁によって、さらに振動補償器が担持される。

振動補償器は、好ましくは、動作状態において反対方向に回転するとともに、実際にはしばしばディスクの一部の形状で、特に三日月状の形として設計される２つの補償質量体を含み、そして、設置された状態においてクランクシャフトに対して互いに垂直に上下に配置され、それによって、それら質量体が、動作状態において噛合う形式では回転されない。

補償質量体自体が、この点において、機械的結合手段を介して、特にシャフト、歯車、チェーン、歯付きベルト又は別の結合手段により駆動される、或いは独立した回転駆動、特に電気、油圧、空圧回転駆動により駆動される。

図１は、ベースプレートとスタンドとシリンダ部とを有する本発明による大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドを示す図である。 図２は、図１による補償器ハウジングの拡大詳細図である。 図３は、垂直方向に非噛合い状態で配置される補償質量体に作用する力とトルクの概略図である。

本発明は、図面を参照して、以下に詳細に説明する。概略図が示されている。

以下において参照符号１によって全体が指定される本発明による大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドは、実際には、造船において一般に使用されているような特にユニフロー掃気型の２ストローク大型ディーゼルエンジン１として構成される。

図１には、ベースプレート２と、スタンド５と、明確にするためにその下側の領域のみが示されているシリンダ部６とを有する本発明による大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド１の設計が断面図として模式的に示されている。図１に示される外側構造は、この点において、支持壁の間の振動部品の配列を除いた状態の、公知の大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの外観と実質的に同一である。

シリンダ部６が、図示されていないシリンダを受容するためにそれ自体公知の方法で提供される。例えば互いに溶接鋼板によって作製されたスタンド５は、ベース金属板だけでなく２つの外壁４を有しており、垂直方向に延びる摺動面９と共に形成される、すなわち、図面に従って横方向に、断面が台形であるとともに共通の金属製カバーシートによって互いに接続される２つのフレームを有する。垂直方向に延びる対向して配置された２つの摺動面９は、２つの台形フレームの間に配置された中間壁１１によって支持される。スタンド５は、ベースプレート２上にベース金属板と共に配置されており、このベースプレートは、クランクシャフト３のジャーナル用の軸受シェル付き軸受サドルを含む。クランクシャフト３は、詳細に示されていないクロスヘッドに、同様に図１には示されていないコネクティングロッドを介してそれ自体公知の方法で接続される。

本発明によれば、振動を補償するための振動補償器１２は、第１の支持壁８１と第２の支持壁８２との間のスタンド５の端部側１０に形成されており、図１の本実施形態では、振動補償器１２は、中間壁１１において形成されており、この中間壁１１によって、さらに振動補償器１２が担持される。図１に概略的にのみ示される大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド１の端部側１０は、この点において、エンジン出力が船のプロペラに伝達される出力側、又は例えばまたこの出力側の反対に配置されたエンジンの自由端側のいずれかである。

振動補償器１２は、この点において、補償器のハウジング１２００だけでなく、動作状態において反対方向に回転する２つの補償質量体１２１，１２２を含む。図１の特定の実施形態の補償質量体１２１，１２２は、この点において、ディスクの一部の形状で、三日月状の形として設計されるとともに、クランクシャフト３に対して互いに垂直に上下に配置されており、それによって、それら質量体が、動作状態において互いに噛合う形式では回転はしない（互いに噛合わないように２つの補償質量体が回転される）。一般に、補償器のハウジングは、カバーを有しており、それによって、補償質量体１２１，１２２は動作状態において外部から確認することができない。

例示のためだけに、図２には、設置された状態において図１による補償器ハウジングの拡大詳細図が示されている。第１の支持壁８１と第２の支持壁８２との間の中間壁１１において、振動補償器１２がどのように形成されているかを明白に認識することができ、それによって、示されていないクロスヘッドが、動作状態において図面に従って垂直方向に摺動面９に沿って案内することができる程度に摺動面９は自由なままである。

最後に、補償質量体１２１が、回転方向ω１に回転させられ、補償質量体１２２が、互いに対して反対の回転方向ω２に回転させられるときに、垂直方向に噛合うように配置された補償質量体１２１，１２２の作動トルクや作用力Ｆ１とＦ２とが、概略図３を参照して示されている。補償質量体１２１，１２２は、噛合う形式で反対方向に回転させられるので、最初に説明したように、回転する２つの補償質量体１２１，１２２の両回転軸が、補償質量体１２１，１２２の回転半径の２倍未満の距離で互いに離れるような位置にあることを意味し、当業者にとって公知であるように、周期的に変動する力のペアＦ１，Ｆ２が発生し、その結果、力トルクによって周期的な角度変動のひずみが生じ、時間的に及び空間的に変動する全（ベクトル）成分を有する垂直方向と水平方向の両方にひずみが発生してしまい、従来から公知の振動補償器１２の溶接継ぎ目上に負荷が生じていたが、本発明によってこの不具合が回避される。

本発明は、明示的に説明した実施形態に限定されるものではないが、その対応するさらなる発展が、同様に本発明によって網羅されていることを当業者は理解するであろう。本発明は、当然ながら、特に説明された具体的な実施形態のすべての適切な組み合わせに関する。

１ 大型ディーゼルエンジンのクロスヘッド
２ ベースプレート
３ クランクシャフト
４ 外壁
５ スタンド
６ シリンダ部
９ 摺動面
１０ 端部側
１１ 中間壁
１２ 振動補償器
８１ 第１の支持壁
８２ 第２の支持壁
１２０ 補償器のハウジング
１２１ 第１の補償質量体
１２２ 第２の補償質量体

Claims (14)

1. クランクシャフトを受容するためのベースプレートを有するとともに、２つの外壁を含み且つ前記ベースプレート上に配置されるスタンドを有し、さらに、シリンダを受容するために前記スタンド上に配置されたシリンダ部を有する、大型ディーゼルエンジン・クロスヘッドにおいて、
   前記ベースプレートと前記スタンドと前記シリンダ部とが、前記スタンドの領域における支持壁（８，８１，８２）に沿って延びるタイロッドによって相互に接続され、クロスヘッドを支持するために前記支持壁に摺動面が形成されており、
   第１の支持壁（８，８１）が、前記スタンドの端部側（１０）の一つに配置されており、第２の支持壁（８，８２）が、クランクシャフトに対して第１の支持壁に対向して配置され、第１の支持壁と第２の支持壁とが、中間壁を介して相互に接続され、
   振動補償器が、振動を補償するために前記スタンドの端部側（１０）に設けられている、
   大型ディーゼルエンジン・クロスヘッドであって、
   前記振動補償器が、第１の支持壁と第２の支持壁との間に形成され、前記振動補償器が、前記中間壁に形成されており、該中間壁によって、さらに前記振動補償器が担持されることを特徴とする、
   大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
2. 前記振動補償器は、動作状態において反対方向に回転する２つの補償質量体を含む、
   請求項１に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
3. 前記振動補償器が、大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの負荷に接続される前記クランクシャフトの一方の端部側及び前記クランクシャフトの他方の端部側の一方又は両方に設けられている、
   請求項１又は２に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
4. 前記補償質量体が、プレート状部品の形状で設計される、
   請求項２に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
5. 前記補償質量体が、前記クランクシャフトに対して互いに垂直に上下に配置される、
   請求項２に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
6. 前記補償質量体は、それら質量体が、動作状態において噛合う形式で回転するように相互に対して配置される、
   請求項２に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
7. 前記補償質量体は、機械的結合手段を介して駆動することができ、又は別の結合手段によって駆動することができる、
   請求項２に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
8. 前記補償質量体は、独立した回転駆動手段によって駆動することができる、
   請求項２に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッド。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン・クロスヘッドのための振動補償器であって、
   当該振動補償器は、大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドの第１の支持壁（８１）と第２の支持壁（８２）との間に形成され、且つスタンドの中間壁において形成され、該中間壁によって、さらに振動補償器が担持され、前記振動補償器が、前記中間壁に形成されており、該中間壁によって、さらに前記振動補償器が担持される、
   振動補償器。
10. 前記振動補償器は、動作状態において反対方向に回転する２つの補償質量体を含む、
    請求項９に記載の振動補償器。
11. 前記補償質量体が、ディスクの一部の形状で設計される、
    請求項２又は１０に記載の振動補償器。
12. 前記補償質量体が、設置された状態においてクランクシャフトに対して互いに垂直に上下に配置されている、及び／又は前記補償質量体は、それら質量体が、好ましくは動作状態において噛合う形式で回転するように相互に対して配置されているように前記振動補償器が設計されている、
    請求項２又は１０に記載の振動補償器。
13. 前記補償質量体は、械的結合手段を介して駆動することができ、又は別の結合手段によって駆動することができる、
    請求項２又は１０に記載の振動補償器。
14. 前記振動補償器の前記補償質量体は、独立した回転駆動手段によって駆動することができる、
    請求項２又は１０に記載の振動補償器。

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