JP2013024148A - 過給機のタービン側シール部のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機のタービン側シール部でのカーボンの堆積を低減し、シールリングの早期劣化を抑制することができる過給機のタービン側シール部のシール構造を提供する。
【解決手段】ベアリングハウジング１６に固定された中空円筒形の軸受嵌輪３０と、タービン軸１２を回転可能に支持する軸受メタル１７とを備える。タービン軸１２は、タービンインペラ１１の鍔部１１ａとタービン側軸受メタル１７との間に位置する円筒形のスリンガ部１２ａを有する。スリンガ部１２ａは、軸受メタル１７の内径より大きく鍔部１１ａの外径より小さく設定されている。また軸受嵌輪３０は、第２の隙間Δｂを隔ててスリンガ部の外周面を囲むオイルディフェンサ部３２と、オイルディフェンサ部３２と軸受メタル１７との間に位置する中空円筒形状の空洞３４とを有する。空洞３４の外周部はスリンガ部１２ａの外側で潤滑油の排出流路１６ｂに開放されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給機のタービン側シール部のシール構造に関する。

圧縮機により密度を高めた空気を機関（エンジン）に供給することを過給といい、このうち排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうものを排気タービン過給機と呼ぶ。

排気タービン過給機は、一般的に、軸受ユニットを挟んで配置された圧縮機（コンプレッサ）とタービンからなり、圧縮機はコンプレッサインペラを、タービンはタービンインペラをそれぞれ内蔵する。コンプレッサインペラとタービンインペラは、軸受ユニットで支持された連結軸（シャフト）で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラを回転駆動し、この回転力を連結軸によりコンプレッサインペラに伝達し、コンプレッサインペラで空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。
以下、排気タービン過給機を単に「過給機」と呼ぶ。

過給機では、軸受ユニットを潤滑する潤滑油がタービン側の排ガスに混入すると潤滑油が消耗し、かつ潤滑油が燃焼して白煙が発生する問題点があった。
また、オイルシールにはシールリングを用いることが多いが、接触式であるため、シールリングが高温になり、へたりやすいという問題点もあった。
そこで、過給機のタービン側オイルシールのシール手段として、例えば、特許文献１，２が従来から提案されている。

特開２０００−２１３５４１号公報、「潤滑油供給構造」 特開２００８−２８６０７９号公報、「オイルシール構造」

従来の過給機において、タービン側シール部は、タービンインペラのコンプレッサ側端部とベアリングハウジングの間にシールリングが挿入されており、軸受メタルを潤滑した潤滑油がタービン側の排ガスに混入するのを防止するようになっている。
しかし、高温（例えば、５００〜７００℃）の排ガスによりシールリングが過熱されるため、シールリングでシールしている潤滑油が炭化して硬いカーボンとなり、シールリング部にカーボンが堆積し、シールリングを早期に劣化させる問題点があった。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、過給機のタービン側シール部でのカーボンの堆積を低減し、シールリングの早期劣化を抑制することができる過給機のタービン側シール部のシール構造を提供することにある。

本発明によれば、タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングとを備えた過給機のタービン側シール部のシール構造であって、
ベアリングハウジングに固定された中空円筒形の軸受嵌輪と、
軸受嵌輪の内面に嵌合しタービン軸を回転可能に支持する軸受メタルとを備え、
タービンインペラは、タービン軸側端部に軸心を中心とする円筒形の鍔部を有し、
ベアリングハウジングは第１の隙間を隔てて鍔部の外周面を囲む円形孔部を有しており、
さらにタービンインペラとベアリングハウジングの間にその間をシールする中空円筒形のシールリングが挿入されており、
タービン軸は、鍔部と軸受メタルとの間に位置する円筒形のスリンガ部を有しており、スリンガ部の外径は、軸受メタルの内径より大きく鍔部の外径より小さく設定されており、
軸受嵌輪は、第２の隙間を隔ててスリンガ部の外周面を囲むオイルディフェンサ部と、オイルディフェンサ部と軸受メタルとの間に位置する中空円筒形状の空洞とを有し、空洞の外周部はスリンガ部の外側で潤滑油の排出流路に開放されている、ことを特徴とする過給機のタービン側シール部のシール構造が提供される。

上記本発明の構成によれば、タービン軸が、タービンインペラの鍔部と軸受メタルとの間に位置する円筒形のスリンガ部を有しており、スリンガ部の外径は、鍔部の外径より小さく設定されているので、鍔部の外径より大きいベアリングハウジングの円形孔部を通して軸受嵌輪内にスリンガ部を容易に挿入することができ、過給機のタービン側に容易に設けることができる。

また、スリンガ部は、軸受メタルの内径より大きく設定されているので、軸受メタルからタービン側へ漏れる潤滑油をスリンガ部の回転による遠心力で半径方向外方に飛散させ、スリンガ部を超えてタービン側へ漏れるのを抑制することができる。

さらに、軸受嵌輪は、第２の隙間を隔ててスリンガ部の外周面を囲むオイルディフェンサ部を有するので、スリンガ部で半径方向外方に飛散した潤滑油が、第２の隙間を通ってタービン側へ漏れるのをオイルディフェンサ部で抑制することができる。

また、軸受嵌輪は、オイルディフェンサ部と軸受メタルとの間に位置する中空円筒形状の空洞を有し、空洞の外周部はスリンガ部の外側で潤滑油の排出流路に開放されているので、スリンガ部で半径方向外方に飛散した潤滑油を空洞の外周部からスリンガ部の外側を通して潤滑油の排出流路に排出することができる。

従って、過給機のタービン側シール部へ流れる潤滑油の量を大幅に低減することができ、タービン側シール部でのカーボンの堆積を低減し、シールリングの早期劣化を抑制することができる。

本発明によるタービン側シール部のシール構造を備えた過給機の全体構成図である。 図１の主要部の構成図である。 図２のＩ−Ｉ線における部分矢視図である。 図２のＩ−Ｉ線における別の部分矢視図である。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるタービン側シール部のシール構造を備えた過給機の全体構成図である。この図において、過給機１０は、タービン軸１２、コンプレッサインペラ１４、およびベアリングハウジング１６を備える。なお、この図では、タービンハウジングとコンプレッサハウジングは、図示を省略している。

タービン軸１２は、タービンインペラ１１を一端（図で左端）に有する。この例において、タービンインペラ１１はタービン軸１２に一体的に形成されているが、本発明はこれに限定されず、タービンインペラ１１を別に取り付ける構成であってもよい。

コンプレッサインペラ１４は、タービン軸１２の他端（図で右端）に軸端ナット１５により一体で回転するように連結されている。

ベアリングハウジング１６は、タービン軸１２をラジアル軸受１７で回転可能に支持する。また、タービン軸１２は、スラスト軸受２０により軸方向に移動しないように支持されている。

上述した構成により、エンジンの排ガスでタービンインペラ１１を回転駆動し、この回転力をタービン軸１２を介してコンプレッサインペラ１４に伝達し、コンプレッサインペラ１４で空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。

この図において、スラスト軸受２０は、タービン軸１２と共に回転する円板状の１対のスラストカラー２２と、スラストカラー２２の間に把持されベアリングハウジング１６に固定されたスラストベアリング２４とからなる。
以下、コンプレッサ側の構造は説明を省略する。

図２は図１の主要部の構成図である。
この例において、ラジアル軸受１７は、タービン側とコンプレッサ側の軸受メタルであり、好ましくは、中空円筒形のフローティングメタル又はセミフローティングメタルである。
本発明によるタービン側シール部のシール構造は、ベアリングハウジング１６に固定された中空円筒形の軸受嵌輪３０を備える。この固定は、軸受嵌輪３０が軸方向及び周方向に移動しないように止まり嵌め又は締まり嵌めによるのが好ましい。
タービン側とコンプレッサ側の軸受メタル１７は、軸受嵌輪３０の内面に嵌合し、タービン軸１２を回転可能に支持する。

図２において、タービンインペラ１１は、タービン軸側端部に軸心を中心とする円筒形の鍔部１１ａを有する。
また、ベアリングハウジング１６は第１の隙間Δａを隔てて鍔部１１ａの外周面を囲む円形孔部１６ａを有している。第１の隙間Δａは、円形孔部１６ａと鍔部１１ａとが接触しな限りで狭いことが好ましい。
さらにタービンインペラ１１のコンプレッサ側端部とベアリングハウジング１６の間にその間をシールする中空円筒形のシールリング１９が挿入されている。

上述した構成により、タービン側軸受メタル１７からタービン側へ漏れる潤滑油を円筒形の鍔部１１ａの回転による遠心力で半径方向外方に飛散させ、鍔部１１ａを超えてタービン側へ漏れるのを抑制することができる。
また、中空円筒形のシールリング１９により、鍔部１１ａを超えてタービン側へ漏れた潤滑油をシールし、シールリング１９を超えてタービン側へ漏れるのを抑制することができる。

図２において、タービン軸１２は、タービンインペラ１１の鍔部１１ａとタービン側軸受メタル１７との間に位置する円筒形のスリンガ部１２ａを有している。このスリンガ部１２ａの外径は、軸受メタル１７の内径より大きく、かつタービンインペラ１１の鍔部１１ａの外径より小さく設定されている。

また、軸受嵌輪３０は、オイルディフェンサ部３２と中空円筒形状の空洞３４とを有する。
オイルディフェンサ部３２は、第２の隙間Δｂを隔ててタービン軸１２のスリンガ部１２ａの外周面を囲んでいる。

スリンガ部１２ａを超えてタービン側に流れる潤滑油の流量は、第２の隙間Δｂが大きいほど多く、小さいほど少ないので、この隙間の大きさで、スリンガ部１２ａを超えてタービン側に流れる潤滑油（図に斜めの破線矢印で示す）の流量を調節することができる。
従って、第２の隙間Δｂは、スリンガ部１２ａとオイルディフェンサ部３２とが接触しない限りで、タービン側に流れる潤滑油の流量が適切になるように設定する。

また中空円筒形状の空洞３４は、オイルディフェンサ部３２とタービン側軸受メタル１７との間に位置する。

図３は、図２のＩ−Ｉ線における部分矢視図である。
図２、図３に示すように、軸受嵌輪３０の空洞３４は、オイルディフェンサ部３２と外径が等しく、かつ外周部がスリンガ部１２ａの外側で潤滑油の排出流路１６ｂに開放されている。

また図３において、オイルディフェンサ部３２は、軸受メタル１７の全周においてスリンガ部１２ａの外周面を囲んでいる。
この構成により、スリンガ部１２ａで半径方向外方に飛散した潤滑油を空洞３４内に閉じ込め、これをその外周部からスリンガ部１２ａの外側を通して潤滑油の排出流路１６ｂにスムースに排出することができる。排出される潤滑油を図に破線矢印で示す。

図４は、図２のＩ−Ｉ線における別の部分矢視図である。この例では、オイルディフェンサ部３２は、軸受メタル１７の内面下端より上方においてスリンガ部１２ａの外周面を囲み、軸受メタル１７より下方部３４ａは潤滑油の排出流路に開放されている。
このような下方部３４ａは、図３の軸受嵌輪３０のタービン側端面の下方部を往復動する工具で除去することで、容易に加工することができる。

この構成により、空洞３４から下方部３４ａを通して排出流路１６ｂへ潤滑油をスムースに排出することができる。

図１において、本発明による過給機のタービン側シール部のシール構造は、さらにシールリング１９より半径方向外方において、タービンインペラ１１とベアリングハウジング１６の間に位置する遮熱板３６を備える。
遮熱板３６は、最薄部の肉厚が２ｍｍ以下、０．５ｍｍ以上であり、タービンインペラ１１との間に流入する排ガス量を制限し、かつベアリングハウジング１６との間に断熱空間３８を形成する。

遮熱板３６は、従来は鋳物製であり厚肉であるが、これを薄肉化することで、その分断熱層（断熱材）を厚くできる。また、製作の実現性と強度を考慮すると、０．５ｍｍ未満のものは、薄すぎるため製作が困難であり、０．５ｍｍ≦ｔ≦２．０ｍｍが適正範囲と考えられる。
薄肉化の手段としては、１．機械加工で薄くする、２．板金製にする、等が考えられる。

また、この例において、断熱空間３８に充填され、タービンインペラ１１とベアリングハウジング１６の間の伝熱を抑制する断熱材３９を備える。断熱材３９は真空断熱材であるのが好ましいが、その他の断熱材であってもよい。
また、本発明はこの例に限定されず、断熱空間３８に断熱材３９を充填せず、空気又はその他のガスにより断熱空間を構成してもよい。
また、断熱空間３８に冷却ガスを流通させてもよい。

上述した本発明の構成によれば、タービン軸１２が、タービンインペラ１１の鍔部１１ａと軸受メタル１７との間に位置する円筒形のスリンガ部１２ａを有しており、スリンガ部１２ａの外径は、鍔部１１ａの外径より小さく設定されているので、鍔部１１ａの外径より大きいベアリングハウジング１６の円形孔部１６ａを通して軸受嵌輪３０内にスリンガ部１２ａを容易に挿入することができ、過給機１０のタービン側に容易に設けることができる。

また、スリンガ部１２ａは、軸受メタル１７の内径より大きく設定されているので、軸受メタル１７からタービン側へ漏れる潤滑油をスリンガ部１２ａの回転による遠心力で半径方向外方に飛散させ、スリンガ部１２ａを超えてタービン側へ漏れるのを抑制することができる。

さらに、軸受嵌輪３０は、第２の隙間Δｂを隔ててスリンガ部１２ａの外周面を囲むオイルディフェンサ部３２を有するので、スリンガ部１２ａで半径方向外方に飛散した潤滑油が、第２の隙間Δｂを通ってタービン側へ漏れるのをオイルディフェンサ部３２で抑制することができる。

また、軸受嵌輪３０は、オイルディフェンサ部３２と軸受メタル１７との間に位置する中空円筒形状の空洞３４を有するので、スリンガ部１２ａで半径方向外方に飛散した潤滑油を空洞３４内に閉じ込め、これをその外周部からスリンガ部１２ａの外側を通して潤滑油の排出流路１６ｂに排出することができる。

従って、過給機のタービン側シール部へ流れる潤滑油の量を大幅に低減することができ、タービン側シール部でのカーボンの堆積を低減し、シールリングの早期劣化を抑制することができる。

また上述した本発明の構成によれば、遮熱板３６と断熱空間３８により、高温（例えば、５００〜７００℃）の排ガスから遮熱板３６と断熱空間３８を介してシールリング１９まで伝熱される熱量を大幅に低減できる。
従って、シールリング１９の過熱を防止し、シールリング１９でシールしている潤滑油の炭化を抑制して、カーボンの堆積を低減し、シールリング１９の早期劣化を抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１０ 過給機、１１ タービンインペラ、１１ａ 鍔部、
１２ タービン軸、１２ａ スリンガ部、
１４ コンプレッサインペラ、
１６ ベアリングハウジング、
１６ａ 円形孔部、１６ｂ 排出流路、
１７ ラジアル軸受（軸受メタル）、
１９ シールリング、
２０ スラスト軸受、２２ スラストカラー、
２４ スラストベアリング、
３０ 軸受嵌輪、
３２ オイルディフェンサ部、
３４ 空洞、３４ａ 下方部、
３６ 遮熱板、３８ 断熱空間、
３９ 断熱材（真空断熱材）

Claims (4)

1. タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングとを備えた過給機のタービン側シール部のシール構造であって、
   ベアリングハウジングに固定された中空円筒形の軸受嵌輪と、
   軸受嵌輪の内面に嵌合しタービン軸を回転可能に支持する軸受メタルとを備え、
   タービンインペラは、タービン軸側端部に軸心を中心とする円筒形の鍔部を有し、
   ベアリングハウジングは第１の隙間を隔てて鍔部の外周面を囲む円形孔部を有しており、
   さらにタービンインペラとベアリングハウジングの間にその間をシールする中空円筒形のシールリングが挿入されており、
   タービン軸は、鍔部と軸受メタルとの間に位置する円筒形のスリンガ部を有しており、スリンガ部の外径は、軸受メタルの内径より大きく鍔部の外径より小さく設定されており、
   軸受嵌輪は、第２の隙間を隔ててスリンガ部の外周面を囲むオイルディフェンサ部と、オイルディフェンサ部と軸受メタルとの間に位置する中空円筒形状の空洞とを有し、空洞の外周部はスリンガ部の外側で潤滑油の排出流路に開放されている、ことを特徴とする過給機のタービン側シール部のシール構造。
2. オイルディフェンサ部は、軸受メタルの内面下端より上方においてスリンガ部の外周面を囲み、軸受メタルの下方は潤滑油の排出流路に開放されている、ことを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. シールリングより半径方向外方において、タービンインペラとベアリングハウジングの間に位置する遮熱板を備え、
   遮熱板は、タービンインペラとの間に流入する排ガス量を制限し、かつベアリングハウジングとの間に断熱空間を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
4. 断熱空間に充填され、タービンインペラとベアリングハウジングの間の伝熱を抑制する断熱材を備える、ことを特徴とする請求項３に記載のシール構造。