JP5850965B2 - 遠心コンプレッサの背室を密封するための中間壁 - Google Patents

Description

本発明は、遠心コンプレッサのコンプレッサホイールの背室を、ベアリングハウジングにより取り囲まれたベアリング室に対して密封するための中間壁であって、該中間壁が、回転対称的なディスク状のベースボディを有していて、ロータを貫通させるための中心の開口を備えており、該中心の開口の領域に、ロータへの移行部を密封するための手段が設けられている中間壁に関する。

さらに、本発明は、コンプレッサのロータを支承するためのベアリング装置であって、該ベアリング装置が、ロータを収容するための中心の開口を備えたベアリング室を取り囲むベアリングハウジングと、コンプレッサのコンプレッサホイールの背室をベアリング室に対して密封するための前述した中間壁とを有しているベアリング装置に関する。

さらに、本発明は、遠心コンプレッサに関する。

さらに、本発明は、過給式の内燃機関の排ガスターボチャージャの分野に関する。

排ガスターボチャージャは、内燃機関の出力向上のために使用される。排ガスターボチャージャでは、その排気タービンに内燃機関の排ガスが衝突させられ、この排ガスの運動エネルギが、内燃機関に用いられる空気の吸入および圧縮のために利用される。タービンおよびコンプレッサの羽根車は、ベアリングハウジング内に支承された１つの軸を介して互いに結合されている。

軸流タービンを備えた排ガスターボチャージャでは、ベアリング領域を、流路から侵入する高温の排ガスに対して防護するかまたはタービンホイールを能動的に冷却するために、タービン側にしばしばシールエア、つまり、遮断空気が使用される。この遮断空気は外部から供給されてもよいし、コンプレッサの下流側の空気流から取り出されてもよい。択一的には、遮断空気がコンプレッサホイールの背室から導出されてもよい。このことは、コンプレッサホイールに加えられる軸方向の荷重の軽減にプラスの効果をもたらす。なぜならば、遮断空気の導出によって、コンプレッサホイールの背室内の圧力が減少させられるからである。コンプレッサホイールの背室内の空気は、コンプレッサホイールの流路からこの領域に押し込まれる。なぜならば、高速に回転し、より大きな温度変動にさらされるコンプレッサホイールと、中間壁との間の中間室を任意に良好に密封することができないからである。

こうして導出された遮断空気は、複数の構成部材を通ってタービン側にまで案内される。これによって、遮断空気の流出に対して密封されなければならないハウジング移行部が形成される。コンプレッサホイール背室に直接隣接した中間壁と、ベアリングハウジングとの間の少なくとも１つの遮断空気移行部は、従来では、それぞれ１つの断面円形のピンによって実現されている。このピンは中間壁に設けられていて、ベアリングハウジングに設けられた相応の開口内に収容されている。ほぼ回転対称的に形成された中間壁に設けられた少なくとも１つのピンは、手間のかかる外周フライス加工法によって製造されている。

本発明の課題は、遮断空気導出のための少なくとも１つの孔を有する、遠心コンプレッサのコンプレッサホイールの背室を密封するための中間壁を、簡略化された製造に関して最適化する、つまり、中間壁の製造を従来よりも簡略化することである。

この課題を解決するために、本発明に係る中間壁では、該中間壁が、回転対称的に成形された全周にわたって延びる固定フランジを有しており、該固定フランジが、中間壁を（、該中間壁に隣接した）ベアリングハウジングに固定するために設けられていて、該ベアリングハウジングの接触面に当て付けるための平らな接触面を有しており、固定フランジに１つの仮想の円線上で複数の孔が加工されており、該孔が、少なくとも１つの遮断空気通路と、前記仮想の円線上で周方向に分配されて配置された、固定手段を収容するための複数の孔とを有している。

本発明に係る中間壁の好ましい態様では、前記接触面に、シールリングを収容するための溝が加工されている。

本発明に係る中間壁の好ましい態様では、固定手段を収容するための孔と、少なくとも１つの遮断空気通路とが、固定フランジに前記仮想の円線上で規則的な角度間隔を置いて配置されている。

本発明に係る中間壁の好ましい態様では、固定手段を収容するための孔が、固定フランジに前記仮想の円線上で規則的な角度間隔を置いて配置されており、少なくとも１つの遮断空気通路が、それぞれ互いに隣り合って配置された、固定手段を収容するための２つの孔の間に配置されている。

さらに、前述した課題を解決するために、本発明に係るベアリング装置では、ベアリングハウジングが、全周にわたって延びる固定フランジを有しており、該固定フランジが、中間壁をベアリングハウジングに固定するために設けられていて、中間壁の固定フランジの接触面に当て付けるための平らな接触面を有しており、ベアリングハウジングの固定フランジに１つの仮想の円線上で複数の孔が加工されており、該孔が、少なくとも１つの遮断空気通路と、前記仮想の円線上で周方向に分配されて配置された、固定手段を収容するための複数の孔とを有している。

本発明に係るベアリング装置の好ましい態様では、前記接触面の領域に前記仮想の円線よりも半径方向内側で、ベアリングハウジングと中間壁との間の移行部を密封するための手段が設けられている。

本発明に係るベアリング装置の好ましい態様では、ベアリングハウジングの固定フランジに設けられた前記接触面に前記仮想の円線よりも半径方向内側で、シールリングを収容するための溝が加工されている。

さらに、前述した課題を解決するために、本発明に係る遠心コンプレッサでは、該遠心コンプレッサが、本発明に係るベアリング装置内に回転可能に支承された軸と、コンプレッサホイールとを備えたロータを有している。

さらに、前述した課題を解決するために、本発明に係る排ガスターボチャージャでは、該排ガスターボチャージャが、本発明に係る遠心コンプレッサを有している。

本発明によれば、中間壁が回転対称的なディスクとして形成されている。このディスクは、製造において更なるフライス加工なしに旋削加工によって最終形状にもたらすことができる。遮断空気貫通路のためには、ただ１つのドリルしか必要とならない。また、このドリルは、固定手段を収容するための孔を穿設するために使用することもできる。これによって、従来の中間壁に比べて製造プロセスを簡略化することができる。

更なる利点は、従属請求項から明らかである。

遠心コンプレッサと軸流タービンとを備えた公知先行技術に係る排ガスターボチャージャを一部破断して示した等測図である。 コンプレッサホイールの背室内で中間壁とベアリングハウジングとの間に本発明により形成された遮断空気移行部を備えた、図１に示した排ガスターボチャージャの遠心コンプレッサの軸線に沿った断面図である。 コンプレッサホイールと中間壁との間の中間室内でＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って案内された、図２に示したアッセンブリの断面図である。 中間壁とベアリングハウジングとの間の分離箇所を通してＩＶ−ＩＶ線に沿って案内された、図２に示したアッセンブリの断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、軸方向に通流される排気タービン１０と遠心コンプレッサ７０とを備えた公知先行技術に係る排ガスターボチャージャが示してある。一部破断して図示した排ガスターボチャージャは、タービンホイール１１と、コンプレッサホイール７１と、両ホイール１１，７１の間に位置する軸２０とから成るロータを有している。このロータはベアリングハウジング３０内に回転可能に支承されている。内燃機関の燃焼室から流出した排ガスは、ガス流入ハウジング１２を通ってタービンホイール１１の回転羽根に案内される。次いで、排ガスはガス流出ハウジング１３のディフューザ領域に集められ、排気装置を介して導出される。タービン１０により軸２０を介して駆動されるコンプレッサホイール７１は、新気を吸い込み、これによって、この新気が圧縮され、より高い圧力下で内燃機関の燃焼室に供給される。

軸流タービン１０を備えた前述したような排ガスターボチャージャでは、ベアリング領域を、侵入する高温の排ガスに対して防護するかまたはタービンホイールハブを冷却するために、タービン側にしばしばシールエア、つまり、遮断空気が使用される。この遮断空気は、大抵、コンプレッサホイール７１の流路からコンプレッサホイール７１の背室の領域に侵入した空気が導出されることにより、背室内の空気圧が減少させられるコンプレッサホイールスラスト軽減時の副産物である。

図２には、軸線に沿った排ガスターボチャージャの遠心コンプレッサ７０の断面図が示してある。コンプレッサホイール７１はコンプレッサハウジング７２内に配置されている。コンプレッサホイール７１は、１つのハブボディと多数の回転羽根とを有している。コンプレッサホイール７１の背室、すなわち、ベアリング領域に面した側では、コンプレッサホイール７１の半径方向外側の領域に、一般的にラビリンスシール４４として形成されたシール手段が位置している。このシール手段によって、高められた圧力下にあるより大きな量の新気が、コンプレッサホイール７１の出口における流路からコンプレッサホイール７１の背室内に漏れ出ないようになっている。この背室はベアリングハウジング３０に向かってディスク状の中間壁４０によって画定されている。この中間壁４０は内側に中心の開口を有している。この開口を通して、軸２０が案内されている。この軸２０へのコンプレッサホイール７１の固定形態に応じて、コンプレッサホイール７１の一部は、中間壁４０に設けられた中心の開口内に突入していてもよいし、この開口を貫通していてもよい。ロータと中間壁４０との間では、半径方向内側の領域に、２方向に有効なシール箇所が設けられている。一方では、過度に多くの新気がコンプレッサホイールの背室から、周辺圧下にあるベアリング領域内に漏れ出ること（ブローバイ）が阻止されるようになっている。他方では、圧力状況が逆方向に向けられている際のコンプレッサの所定の運転点において、オイルまたはオイル含有の空気がベアリング領域からコンプレッサホイール７１の背室内に到達することが阻止されるようになっている。

中間壁４０は、半径方向外側の領域でベアリングハウジング３０に固定されており、移行部も同じくシール手段３５によって安全確保されている。

ディスク状の中間壁４０は、ベアリング領域に向けられた側に、全周にわたって延びる固定フランジ４１を有している。この固定フランジ４１は、本発明によれば、ベアリングハウジング３０の、同じく全周にわたって延びる固定フランジ３１に当て付けるために設けられている。中間壁４０とベアリングハウジング３０との間では、全周にわたって延びるフランジ３１，４１の半径方向外側に、コンプレッサホイール７１の外側の縁部もしくは出口に対するハウジング領域を冷却するために使用することができる中空室３６が形成される。この中空室３６を通して、たとえば冷媒（水または低温の空気）を案内することができる。

中間壁４０には、固定フランジ４１の領域に、貫通した複数の開口が加工されている。これらの開口は、それぞれコンプレッサホイール７１の背室から遮断空気を導出するための遮断空気通路４２として働く（図２の上側半分参照）かまたは固定手段５０を収容するための孔４３として働く（図２の下側半分参照）。ベアリングハウジング３０のフランジ３１には、中間壁４０に設けられた開口に対応する複数の孔が設けられている。両フランジ３１，４１の当付け面は、図示の実施の形態では、軸方向の端面として形成されていて、軸線に対して垂直な１つの平面内に延びている。選択的には、当付け面が互いに僅かに円錐形に方向付けられていてもよい。その際には、両フランジ３１，４１の当付け面が互いに厳密に平行に延びている。本発明によれば、１つの円上に配置された複数の開口よりも半径方向内側にシール箇所３４が位置している。このシール箇所３４は、有利には、シールリングが挿入された１つまたは２つの溝として形成されている。この溝は、片側で、中間壁４０のフランジ４１の当付け面にまたは、図示の実施の形態のように、ベアリングハウジング３０に設けられたフランジ３１の当付け面に加工されていてもよいし、両側で、両当付け面に加工されていてもよい。ベアリングハウジング３０への中間壁４０の装着時には、シールリングとしての従来のＯリングが軸方向で溝内に押し込まれ、したがって、互いに向かい合って位置する両当付け面の間をシールする。この場合、特に遮断空気通路３２，４２がベアリング領域に対して密封され、これによって、ベアリング領域内にブローバイ流が漏れ出ないようになっている。また、本発明によれば、固定手段５０も密封され、これによって、逆方向に向けられた圧力状況を伴った上述した運転点において、オイルまたはオイル含有の空気がベアリング領域からコンプレッサホイール７１の背室内に到達しないようになっている。

図３に示したように、少なくとも１つの遮断空気通路４２と、固定手段５０を収容するための複数の孔４３とは、本発明によれば、半径方向の等しい高さ（距離）、すなわち、円形のディスク状の中間壁４０に対して同心的な１つの円上に位置している。固定手段５０を収容するための孔４３は、ねじ頭を収容するために、より小さな直径を有する残存深さを除いて、遮断空気通路４２の孔と等しい直径を有していてよい。これによって、中間壁４０の製造が容易になる。両タイプの孔の配置は規則的であってもよいし、不規則であってもよい。有利には、固定手段５０が全周に沿って規則的に分配されている。少なくとも１つの遮断空気通路４２は、図示のように、固定開口の代わりに配置されていてもよいし、付加的に、規則的な間隔を置いて配置された２つの固定開口の間に配置されていてもよい。

図３には、図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った遠心コンプレッサ７０の背室領域の断面を中間壁４０の側から軸方向に向かって見た図が示してある。中間壁４０の半径方向外側の領域には、複数の同心的な円を有するラビリンスシール４４の凹部が示してある。半径方向内側の領域には、軸２０と、この軸２０を取り囲む、コンプレッサホイール７１の円筒状の延長部とが図示してある。

図４に示したように、少なくとも１つの遮断空気通路３２の延長部も、固定手段３３を収容するための孔３３も、同じく半径方向の等しい高さ（距離）、すなわち、同じく軸線に対して同心的な１つの円上に位置している。図４には、図２に示したＩＶ−ＩＶ線に沿った遠心コンプレッサ７０の背室領域における中間壁４０とベアリングハウジング３０との断面図が示してある。図４では、半径方向外側の領域でベアリングハウジング３０が切断開始されている。次いで、断面は、中間壁４０とベアリングハウジング３０との間に閉じ込められた中空室３６を通過している。この中空室３６は、選択的に、コンプレッサホイール出口に対するハウジング領域を冷却するために使用することができる。中空室３６は、内側に向かってフランジ３１によって画定されている。このフランジ３１には、本発明によれば、複数の孔３３と少なくとも１つの遮断空気通路３２とが配置されている。図４には、シール箇所３４も認めることができる。このシール箇所３４は、フランジ３１の領域で遮断空気通路３２および孔３３よりも半径方向内側に延在している。半径方向で一番内側の領域には、同じく、軸２０と、コンプレッサホイール７１の延長部と、この領域でベアリング側に向かって傾けられた中間壁４０の部分とが図示してある。

中間壁４０は、本発明によれば、遮断空気貫通路が設けられているにもかかわらず、回転対称的なディスクとして形成されている。このディスクは、製造においてフライス削りなしに旋削加工によって最終的状にもたらすことができる。遮断空気貫通路のためには、ただ１つのドリルしか必要とならない。また、このドリルは、固定手段を収容するための孔を穿設するために使用することもできる。これによって、従来の中間壁に比べて製造プロセスを簡略化することができる。

選択的には、中間壁４０が付加的な位置決め孔を有している。この位置決め孔は、位置決めピンを収容するために設けられている。この位置決めピンは、ベアリングハウジング３０に設けられているかまたは組付け前に、ベアリングハウジング３０に設けられた位置決め孔内に挿入される。これによって、組付け時に中間壁４０をベアリングハウジング３０に対する角度位置に関して一層簡単に位置決めすることができる。選択的には、位置決めが、固定手段を収容するための孔の不規則な分配によって実現されてもよい。

１０ 排気タービン
１１ タービンホイール
１２ ガス流入ハウジング
１３ ガス流出ハウジング
２０ 軸
３０ ベアリングハウジング
３１ 当付け面を備えた固定フランジ
３２ 遮断空気通路
３３ 固定手段を収容するための孔
３４，３５ シール箇所、シールリングを備えた全周にわたって延びる溝
３６ コンプレッサホイールを冷却するために利用可能な中空室
４０ 中間壁
４１ 当付け面を備えた固定フランジ
４２ 遮断空気通路
４３ 固定手段を収容するための孔
４４ コンプレッサホイールと中間壁との間のラビリンスシール
５０ 固定手段
７０ コンプレッサ
７１ コンプレッサホイール
７２ コンプレッサハウジング

Claims (10)

1. 遠心コンプレッサのコンプレッサホイールの背室を、ベアリングハウジングにより取り囲まれたベアリング室に対して密封するための中間壁（４０）であって、該中間壁（４０）が、回転対称的なディスク状のベースボディを有していて、ロータを貫通させるための中心の開口を備えており、該中心の開口の領域に、ロータへの移行部を密封するための手段が設けられている中間壁において、
   該中間壁（４０）が、回転対称的に成形された全周にわたって延びる固定フランジ（４１）を有しており、該固定フランジ（４１）が、中間壁（４０）をベアリングハウジング（３０）に固定するために設けられていて、該ベアリングハウジング（３０）の接触面に当て付けるための平らな接触面を有しており、
   固定フランジ（４１）に１つの仮想の円線上で複数の孔（４２，４３）が設けられており、該孔（４２，４３）が、前記コンプレッサホイールの背室の空気を導出するための少なくとも１つの遮断空気通路（４２）と、前記仮想の円線上で周方向に分配されて配置された、固定手段（５０）を収容するための複数の孔（４３）とを有しており、
   前記固定フランジ（４１）に設けられた前記遮断空気通路（４２）としての孔（４２）が、前記ベアリングハウジング（３０）の接触面に設けられる遮断空気通路（３２）としての孔（３２）と整合するように配置されていることを特徴とする、中間壁。
2. 前記接触面に、シールリングを収容するための溝が加工されている、請求項１記載の中間壁。
3. 固定手段（５０）を収容するための孔（４３）と、少なくとも１つの遮断空気通路（４２）とが、固定フランジ（４１）に前記仮想の円線上で規則的な角度間隔を置いて配置されている、請求項１または２記載の中間壁。
4. 固定手段（５０）を収容するための孔（４３）が、固定フランジ（４１）に前記仮想の円線上で規則的な角度間隔を置いて配置されており、
   少なくとも１つの遮断空気通路（４２）が、それぞれ互いに隣り合って配置された、固定手段（５０）を収容するための２つの孔（４３）の間に配置されている、請求項１または２記載の中間壁。
5. 前記固定手段（５０）を収容するための孔（４３）は、前記固定手段（５０）のねじ頭を収容するために、より小さな直径を有する残存深さを除いて、前記遮断空気通路（４２）としての孔（４２）と等しい直径を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の中間壁。
6. コンプレッサのロータを支承するためのベアリング装置であって、
   該ベアリング装置が、ロータを収容するための中心の開口を備えたベアリング室を取り囲むベアリングハウジング（３０）と、コンプレッサのコンプレッサホイールの背室をベアリング室に対して密封するための請求項１から５までのいずれか１項記載の中間壁とを有しているベアリング装置において、
   ベアリングハウジング（３０）が、全周にわたって延びる固定フランジ（３１）を有しており、該固定フランジ（３１）が、中間壁（４０）をベアリングハウジング（３０）に固定するために設けられていて、中間壁（４０）の固定フランジ（４１）の接触面に当て付けるための平らな接触面を有しており、
   ベアリングハウジング（３０）の固定フランジ（３１）に１つの仮想の円線上で複数の孔（３２，３３）が加工されており、該孔（３２，３３）が、少なくとも１つの遮断空気通路（３２）と、前記仮想の円線上で周方向に分配されて配置された、固定手段（５０）を収容するための複数の孔（３３）とを有していることを特徴とする、ベアリング装置。
7. 前記接触面の領域に前記仮想の円線よりも半径方向内側で、ベアリングハウジング（３０）と中間壁（４０）との間の移行部を密封するための手段（３４）が設けられている、請求項６記載のベアリング装置。
8. ベアリングハウジング（３０）の固定フランジ（３１）に設けられた前記接触面に前記仮想の円線よりも半径方向内側で、シールリングを収容するための溝が加工されている、請求項７記載のベアリング装置。
9. 遠心コンプレッサにおいて、該遠心コンプレッサが、請求項６から８までのいずれか１項記載のベアリング装置内に回転可能に支承された軸（２０）と、コンプレッサホイール（７１）とを備えたロータを有していることを特徴とする、遠心コンプレッサ。
10. 排ガスターボチャージャにおいて、該排ガスターボチャージャが、請求項９記載の遠心コンプレッサを有していることを特徴とする、排ガスターボチャージャ。