JP6368840B2 - 油ラビリンス及び過給機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機に装備される油ラビリンス及びこれを備えた過給機に関するものである。

ディーゼルエンジン等の主機関に組み入れられた過給機は、コンプレッサとタービンとがロータ軸で連結され一体的に回転する。コンプレッサで圧縮された空気は、クーラーを通って主機関に入り燃焼に寄与される。主機関から排出された燃焼排ガスはタービンに入り、タービンにコンプレッサを駆動する回転力を与えた後、大気へ排気される。

このような過給機において、ロータ軸の軸受台内の潤滑油が軸受台の外に漏れないようにするために、シール部材として油ラビリンスを装備したものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開平９−１８９２３２号公報

ところで、図６（ａ）に示すような過給機１に油ラビリンス１０を装備する構成が考えられる。過給機１には、コンプレッサ（図示略）と、タービンホイール２１を備えるタービン２とがロータ軸３で連結されて装備され、ロータ軸３は軸受台４に回転自在に支持されている。

油ラビリンス１０は、軸受台4に固定されて装備され、タービンホイール２１のシャフト部２２周りに装備される第１ラビリンスシール部１１と、第１ラビリンスシール部１１よりも外方（径方向外側）のホイール部２３に対向して装備される第２ラビリンスシール部１２と、第２ラビリンスシール部１２よりも内側で第１ラビリンスシール部１１に隣接し、タービンホイール２１のホイール部２３のシャフト部２２寄りに対向して装備される第３ラビリンスシール部１３と、を備える。

油ラビリンス１０は、第１ラビリンスシール部１１を備える筒状部１０Ａと、この筒状部１０Ａの外周から外方に鍔状に突出し第２ラビリンスシール部１２を備える鍔状部１０Ｂと、を有している。第３ラビリンスシール部１３は、筒状部１０Ａと鍔状部１０Ｂとの交差箇所に形成される。油ラビリンス１０は、鍔状部１０Ｂにおいて、ボルト５により軸受台４に締結される。

また、タービンホイール２１の外側のガス流路２４には燃焼排ガスが流入し、タービンホイール２１を回転駆動する。
軸受台４には、潤滑油供給孔４１が形成され、コンプレッサ側からロータ軸３の周りに潤滑油が供給される。

このような油ラビリンス１０は、静止部（軸受台４側）において、各ラビリンスシール部１１〜１３の先端が回転部（タービンホイール２１側）に接近し、その隙間を小さくして圧損を低減させる働きがある。ただし、油ラビリンス１０は、潤滑油供給孔４１から供給される比較的低温の油（コンプレッサ側で１００℃程度）と、比較的高温の燃焼排ガス（タービン側で４５０℃程度）にさらされる。

このため、油ラビリンス１０を熱媒体として、高温の燃焼排ガスの熱影響により油側の構造が温められ、その結果油も温められる場合がある。特に、シャフト部２２と第１ラビリンスシール部１１の隙間の油温度が上昇すると、潤滑性の低下や潤滑油の炭化が発生するため、この部分は所定温度以下の低温（２００〜２５０度以下）に保つ必要がある。

図６（ｂ）は、シミュレーションによる油ラビリンス１０の温度分布を示す。図中ａが最も高温で、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈの順に次第に温度が低下する。図示するように、第１ラビリンスシール部１１において鍔状部１０Ｂ（第３ラビリンスシール部１３）に近い側では、温度がｃの領域があり、所定温度以下の低温を保つことが困難な場合がある。

本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、タービンホイールのシャフト部とホイール部の双方に対向するラビリンスシール部を備えた油ラビリンスにおいて、ホイール部から進入する燃焼排ガスの熱がシャフト部の潤滑に影響することを抑制できるようにした、油ラビリンス及びこれを備えた過給機を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明の油ラビリンスは、過給機の軸受台に固定され、タービンホイールのシャフト部に対向する第１ラビリンスシール部と、前記タービンホイールのホイール部に対向して装備される第２ラビリンスシール部と、を備える油ラビリンスにおいて、前記第１ラビリンスシール部を備える第１部位と、前記第２ラビリンスシール部を備える第２部位とで分割され、前記第１部位及び前記第２部位がいずれも前記軸受台に固定されることを特徴としている。

（２）前記第１部位及び前記第２部位が、それぞれの締結用座部を共通の締結具で共締めされて前記軸受台に固定されることが好ましい。

（３）この場合、前記第１部位の締結用座部と前記第２部位の締結用座部との間にガスケットが介装されていることが好ましい。

（４）また、前記第１部位及び前記第２部位の少なくとも一方の前記締結用座部には、前記締結用座部の相互の接触面積を縮小させる切欠き部が形成されていることも好ましい。

（５）前記第１部位及び前記第２部位のそれぞれの締結用座部は、重ならないように位相をずらして配置され、個別の締結具で前記軸受台に固定されることも好ましい。

（６）前記第１部位の前記第１ラビリンスシール部を備える筒状部が高温部に向かって徐々に増厚されていることが好ましい。

（７）本発明のもう一つの油ラビリンスは、軸受台に固定され、タービンホイールのシャフト部に対向する第１ラビリンスシール部と、前記タービンホイールのホイール部に対向して装備される第２ラビリンスシール部と、を備える油ラビリンスにおいて、前記第１ラビリンスシール部を備える筒状部が高温部に向かって徐々に増厚されていることを特徴としている。

（８）本発明の過給機は、軸受台と、タービンホイールとの間に、上記（１）〜（７）の何れか記載の油ラビリンスをそなえていることを特徴としている。

本発明によれば、ホイール部から進入する燃焼排ガスの熱流束（熱の流れ）を少なくして、油ラビリンス部の油温上昇を抑えることができ、熱がシャフト部の潤滑に影響することを抑制できるようになる。

本発明の第１実施形態にかかる油ラビリンスを示す図であって、（ａ）は過給機の要部縦断面図、（ｂ）は油ラビリンスの温度状態を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる油ラビリンスを示す図であって、（ａ）は過給機の要部縦断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ部拡大図である。 本発明の第３実施形態にかかる油ラビリンスを示す図であって、（ａ）は過給機の要部縦断面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ部拡大図である。 本発明の第４実施形態にかかる油ラビリンスを示す図であって、（ａ）は過給機の要部縦断面図、（ｂ）は油ラビリンスの温度状態を示す縦断面図である。 本発明の第５実施形態にかかる油ラビリンスを示す図であって、（ａ）はタービンホイール側から見た油ラビリンスの正面図、（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った過給機の要部縦断面図、（ｃ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った過給機の要部縦断面図である。 本発明の課題を説明する油ラビリンスを示す図であって、（ａ）は過給機の要部縦断面図、（ｂ）は油ラビリンスの温度状態を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
ここでは、図１〜図５を参照して、第１〜第５実施形態を説明するが、同一の部材には同一の符号を付して、説明については省略又は簡略化する。

〔第１実施形態〕
図１（ａ）に示すように、本実施形態の油ラビリンス１１０は過給機１に装備される。過給機１には、コンプレッサ（図示略）と、タービンホイール２１を備えるタービン２とがロータ軸３で連結されて装備され、ロータ軸３は軸受台４に回転自在に支持されている。

油ラビリンス１１０は、タービンホイール２１のシャフト部２２周りに装備される第１ラビリンスシール部１１１と、第１ラビリンスシール部１１１よりも外方（径方向外側）のホイール部２３に対向して装備される第２ラビリンスシール部１１２と、第２ラビリンスシール部１１２よりも内側で第１ラビリンスシール部１１１に隣接し、タービンホイール２１のホイール部２３のシャフト部２２寄りに対向して装備される第３ラビリンスシール部１１３と、とを備え、軸受台４に固定される。

油ラビリンス１１０は、第１ラビリンスシール部１１１及び第３ラビリンスシール部１１３を備える第１部位１１０Ａと、第２ラビリンスシール部１１２を備える第２部位１１０Ｂとに分割されて構成される。油ラビリンス１１０は、シャフト部２２周りに配置される筒状の部分と、この筒状の部分の外周から外方に突出した鍔状の部位があり、鍔状の部位をボルト（締結具）５によって軸受台４に固定されるが、第１部位１１０Ａと第２部位１１０Ｂとは、この軸受台４に固定される部分で分割される。

本実施形態では、第１部位１１０Ａを締結具によって軸受台４に締結する座面となる締結用座部１１４と、第２部位１１０Ｂを締結具によって軸受台４に締結する座面となる締結用座部１１５とが、この第１部位１１０Ａと第２部位１１０Ｂとの分割箇所に形成される。油ラビリンス１１０の軸受台４への固定は、両締結用座部１１４，１１５を重合させて、各締結用座部１１４，１１５に形成されたボルト穴を位置合わせして、共通のボルト５で共締めすることにより行う。

なお、低温側で温度上昇を抑制したい第１部位１１０Ａの締結用座部１１４は、燃焼排ガスの受熱部分から遠いコンプレッサ側（図中、左方）に配置され、一方、第２部位１１０Ｂの締結用座部１１５は、燃焼排ガスの受熱部分に近いタービンホイール２１の側に配置される。

また、タービンホイール２１の外側のガス流路２４には燃焼排ガスが流入し、タービンホイール２１を回転駆動する。
軸受台４には、潤滑油供給孔４１が形成され、コンプレッサ側からロータ軸３の周りに潤滑油が供給される。

本実施形態の油ラビリンスは、上述のように構成されており、油ラビリンス１１０が、締結用座部（ボルト締結部）１１４，１１５において、低温側の第１部位１１０Ａと高温側の第２部位１１０Ｂとに分割されているので、この座面領域が、接触熱抵抗（〜２０００Ｗ/ｍｍ２Ｋ程度）による伝熱条件となり、一体構造（接触熱抵抗∞）に比べると熱の伝わり方は鈍化されて、低温側の第１部位１１０Ａの温度低下に寄与する。

図１（ｂ）は、シミュレーションによる油ラビリンスの温度状態を示す縦断面図であり、図中のａ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは図６と同様に温度を示し、図中ａが最も高温で、ａ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈの順に次第に温度が低下する。図示するように、シャフト部２２周りに装備される第１ラビリンスシール部１１１に着目すると、最も高くなる箇所でも温度はｄであり、図６（温度がｃまで高くなる）と比較すると温度が低下しており、第１ラビリンスシール部１１１を所定温度以下に保つことができる。

こうして、油ラビリンス１１０の油温上昇を抑えることができるため、熱がシャフト部２２の潤滑に影響することを抑制できるようになる。
また、本実施形態の場合、第１部位１１０Ａと第２部位１１０Ｂとが、両締結用座部１１４，１１５を重合させて共通のボルト５で軸受台４に共締めして固定されるので、固定にかかる作業工程の削減や締結具の削減が促進できる。

〔第２実施形態〕
図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の油ラビリンス１１０は、第１実施形態のものにおいて、第１部位１１０Ａの締結用座部１１４と、第２部位１１０Ｂの締結用座部１１５との重合箇所に、ガスケット（ここでは、金属ガスケット）１１６を組み込んでいる。このガスケット１１６は円筒形状で断面がＣ型やＶ型のものが一般的であり、その断面形状は限定されないが、ここでは断面形状がＶ型のものを例示する。

本実施形態の油ラビリンスは、上述のように構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる上に、締結用座部１１４と締結用座部１１５との重合箇所に介装されたガスケット１１６によって、締結ボルト５が熱変形により締結力低下を発生することが防止され、これとともに、接触熱抵抗も小さくすることができ（接触熱抵抗は〜５００Ｗ/
ｍｍ２Ｋ程度）、油ラビリンス１１０の第１部位１１０Ａの温度を第１実施形態以上に低く抑えることが可能となる。

〔第３実施形態〕
図３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の油ラビリンス１１０は、第１実施形態のものにおいて、第１部位１１０Ａの締結用座部１１４と、第２部位１１０Ｂの締結用座部１１５との少なくとも何れか一方（ここでは、締結用座部１１４）に、締結用座部１１４，１１５の相互の接触面積を縮小させる切欠き部１１７が形成されている。

本実施形態の油ラビリンスは、上述のように構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる上に、座部１１４，１１５の接触面積が縮小されるため、熱流束（熱の流れ）が抑制され、油ラビリンス１１０の第１部位１１０Ａの温度を第１実施形態以上に低く抑えることが可能となる。つまり、熱流束は接触面積に比例するため、接触面積を減らすとそれだけ温度上昇を低減することができる。

〔第４実施形態〕
図４（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の油ラビリンス１１０は、第１実施形態のものにおいて、第１部位１１０Ａにおいて、特にシャフト部２２周りに配置される筒状の部分を外方に拡大し厚み（径方向の厚み）を増大させている。なお、図４（ａ）には、厚みの増大がわかるように、厚みの増大前の従来構造の外径を二点鎖線で示し、増厚された部分に符号１１８を付している。この増厚は、高温部に向かって徐々に厚みを増すように増厚されている。ここでは、増厚部分の外形はテーパ面状に形成される。

本実施形態の油ラビリンスは、上述のように構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる上に、潤滑油によって冷却される筒状の部分が、厚みを増加させたことで冷却効果を促進されており、この点からも温度上昇を抑制される。特に、高温部に向かって徐々に厚みを増すように増厚されているので、軸受台４に対するセンタリングは容易になり、組み立て作業を容易にする効果がある。なお、図４（ｂ）は、シミュレーションによる本実施形態の油ラビリンスの温度状態を示す縦断面図であり、シャフト部２２周りに装備される第１ラビリンスシール部１１１に着目すると、最も高くなる箇所でも温度はｄであり、温度上昇が抑制される。

なお、図４（ｃ）は、第４実施形態の変形例の油ラビリンスと共に、シミュレーションによるその変形例の油ラビリンスの温度状態を示す縦断面図であり、この変形例では、油ラビリンス１１０を、第１部位１１０Ａと第２部位１１０Ｂとに分割することなく、潤滑油によって冷却される筒状の部分の厚みを増加させている。図４（ｃ）に示すように、この場合にも、潤滑油によって冷却される筒状の部分が、厚みを増加させたことで冷却効果を促進されて、温度上昇を抑制されることがわかる。

〔第５実施形態〕
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態の油ラビリンス２１０は、第１部位２１０Ａの締結用座部２１４と、第２部位２１０Ｂの締結用座部２１５とに特徴がある。
つまり、本実施形態では、第１部位２１０Ａの締結用座部２１４と、第２部位２１０Ｂの締結用座部２１５とが、重ならないように位相をずらして配置され、個別のボルト５Ａ，５Ｂで軸受台３に固定される。

図５（ａ）は油ラビリンス２１０をタービンホイール側から見た正面図であり、第２部位２１０Ｂの締結用座部２１５は第１部位２１０Ａの締結用座部２１４よりも図示手前側にあるため、締結用座部２１５は締結用座部２１４を覆うように重なるが、本実施形態の締結用座部２１５を備える第２部位２１０Ｂのプレート部には、締結用座部２１４（ここでは３つ）が露出するように、切欠きが形成されている。

したがって、第１部位２１０Ａの締結用座部２１４には、第２部位２１０Ｂに影響されることなくボルト５Ａを締結することができる。
こうして、第１部位２１０Ａは、締結用座部２１４においてボルト５Ａにより軸受台３に直接締結され、第２部位２１０Ｂは、締結用座部２１５においてボルト５Ｂにより軸受台３に直接締結される。

なお、前記各実施形態と同様に、第１部位２１０Ａは、油ラビリンス２１０は、第１ラビリンスシール部２１１及び第３ラビリンスシール部２１３を有し、第２部位２１０Ｂは、第２ラビリンスシール部１２を備える。

本実施形態の油ラビリンスは、上述のように構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる上に、油ラビリンスの内径側（低温側）の第１部位２１０Ａと外径側（高温側）の第２部位２１０Ｂが、個別に締結されるため、第１部位２１０Ａへの熱の流入が一層抑えられる。

つまり、締結用座部２１４，締結用座部２１５を重合して共締めして締結する場合にはボルト締結部に熱の流れが発生するが、共締めして締結していないので、このような熱の流れがなくなり、油による冷却効果が促進して温度上昇を低減させることができる。

〔その他〕
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記の実施形態を適宜変更して実施しうるものである。

例えば、上記実施形態５実施形態の分割構造に、第４実施形態の厚肉化構造を適用することで、第１部位２１０Ａの温度低減効果を一層促進することもできる。

１ 過給機
２ タービン
２１ タービンホイール
２２ シャフト部
２３ ホイール部
３ ロータ軸
４ 軸受台
５、５Ａ，５Ｂ ボルト（締結具）
４１ 潤滑油供給孔
１０，１１０，２１０ 油ラビリンス
１０Ａ 筒状部
１０Ｂ 鍔状部
１１，１１１，２１１ 第１ラビリンスシール部
１２，１１２，２１２ 第２ラビリンスシール部
１３，１１３，２１３ 第３ラビリンスシール部
１１４，１１５，２１４，２１５ 締結用座部
１１６ ガスケット
１１７ 切欠き部
１１８ 厚肉化された部分

Claims (3)

1. 過給機の軸受台に固定され、タービンホイールのシャフト部に対向する第１ラビリンスシール部と、前記タービンホイールのホイール部に対向して装備される第２ラビリンスシール部と、を備える油ラビリンスにおいて、
   前記第１ラビリンスシール部を備える第１部位と、前記第２ラビリンスシール部を備える第２部位とで分割され、前記第１部位及び前記第２部位がいずれも前記軸受台に固定され、
   前記第１部位及び前記第２部位のそれぞれの締結用座部は、重ならないように位相をずらして配置され、個別の締結具で前記軸受台に固定される
   ことを特徴とする油ラビリンス。
2. 前記第１部位の前記第１ラビリンスシール部を備える筒状部が高温部に向かって徐々に増厚されている
   ことを特徴とする請求項１記載の油ラビリンス。
3. 軸受台と、タービンホイールとの間に、請求項１又は２記載の油ラビリンスをそなえている
   ことを特徴とする過給機。

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