(57)【要約】【課題】ターボ過給機のスラスト気体軸受に関し、より大きな荷重を受ける得るようにする。【解決手段】スラスト軸受３６のスラストカラー３０の左右の面に、それぞれコンプレッサ１６のスクロール２８の異なる位置より圧力を導く。スクロール２８の始点近傍の第１導圧ポート４４からはスラストカラー３０のタービン側の面に、終点近傍の第２導圧ポート４８からはスラストカラー３０のコンプレッサ側の面に、圧力を導入する。スラストカラー３０の左右の差圧により支持力を発生し、ターボ過給機のスラスト力の一部を担う。これにより、軸受の耐荷重が増加する。【選択図】図１
2005207337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと、このシャフトに共に結合されたタービンホイールおよびコンプレッサインペラと、を有するターボ過給機であって、
前記コンプレッサのインペラが送り出した気体を吐出管に向けて送る、渦巻き状のスクロールと、
前記シャフトに働くスラスト力を受けるスラスト気体軸受と、
を有し、
前記スラスト気体軸受は、
前記シャフトに同軸配置された円板状のスラストカラーと、
前記スラストカラーと軸方向に対向し、タービン側、コンプレッサ側にそれぞれ配置された軸受面と、
を含み、さらに、
前記スクロールの始点より下流側の始点近傍に設けられた第１ポートより、前記スラストカラーと前記タービン側の軸受面との間に、前記スクロール内の圧力を導く第１動圧管と、
前記スクロールの終点より上流側の終点近傍またはスクロールに続く吐出管の前記スクロール終点近傍に設けられた第２ポートより、前記スラストカラーと前記コンプレッサ側の軸受面との間に、前記スクロール内または前記吐出管内の圧力を導く第２動圧管と、
を有する、ターボ過給機。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ過給機のスラスト気体軸受であって、前記第１ポートは、スクロールの始点からの角度で０〜９０°の範囲に設けられる、ターボ過給機のスラスト気体軸受。
【請求項３】
ターボ過給機のタービンホイールとコンプレッサインペラが結合されるシャフトに発生するスラスト力を受けるスラスト気体軸受であって、
前記シャフトと同軸配置された円板状のスラストカラーと、
前記スラストカラーと軸方向に対向し、タービン側、コンプレッサ側にそれぞれ配置された軸受面と、
を有し、
前記スラストカラーと前記タービン側の軸受面との間に、前記コンプレッサのインペラが送り出した気体を吐出管に向けて送る渦巻き状のスクロールの始点より下流側の始点近傍に設けられた第１ポートより、前記スクロール内の圧力が導かれ、
前記スラストカラーと前記コンプレッサ側の軸受面との間に、前記スクロールの終点より上流側の終点近傍またはスクロールに続く吐出管の前記スクロール終点近傍に設けられた第２ポートより、前記スクロール内または前記吐出管内の圧力が導かれる、
ターボ過給機のスラスト気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ過給機に関し、特にタービンとコンプレッサが結合されるシャフトに作用するスラスト力を受ける軸受に係る構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機は、内燃機関の排気によりタービンホイールを駆動し、このタービンホイールと共通のシャフトに結合されたコンプレッサインペラにより内燃機関の吸気を加圧し、内燃機関の出力向上を図る機器である。シャフトには、タービンホイール、コンプレッサインペラに作用する気体の圧力が、スラスト力となって作用する。このスラスト力を受けるための軸受として、気体軸受が用いられることがある。
【０００３】
この気体軸受は、シャフトと同軸に配置される円板状のスラストカラーと、スラストカラーの軸方向両面に配置された軸受面とを含む。軸受面と、これに対向するスラストカラーの面の少なくとも一方には溝などの凹凸形状が設けられ、シャフトの回転に伴ってスラストカラーと軸受面が相対回転をすることにより、前記凹凸形状によるくさび効果によりスラスト力を支持する力が発生する。すなわち、凹凸形状によって形成される狭い領域に気体が掻き込まれて圧力が高まり、この圧力によって軸受作用を得ている。
【０００４】
このような気体軸受の例が下記特許文献１に示されている。
【特許文献１】特開平５−３３６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ターボ過給機は、運転条件によってスラスト力の向き大きさが変化する。特に、自動車のように低速、低負荷、高速、高負荷と、大きく運転条件が変わる場合、タービンホイール、コンプレッサインペラが受ける圧力は大きく変化し、これによりスラスト力も大きく変化する。
【０００６】
従来のターボ過給機のスラスト気体軸受は、前述のくさび効果によってスラスト力を支えており、大きく運転条件が変化する機器に用いられるターボ過給機にあっては、大きく変化するスラスト力に対応して余裕ある設定、例えば、軸受面を大きく採るなどの必要があった。
【０００７】
本発明は、スラスト力の変化に対応して軸受の発生する力が変化し、大きな軸受支持力を発生するのに有利となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のターボ過給機は、コンプレッサのインペラより送出された気体を吐出管に送る渦巻き状のスクロールまたは吐出管のスクロールに近接する部分の適切な部分の圧力をスラスト気体軸受に導き静圧を利用して軸受力を発生する。スクロール内の圧力分布は、一定ではなく、異なる圧力をスラストカラーの左右に分けて導入することにより、圧力差により軸方向の力を発生することができる。この力を、ターボ過給機の運転により発生するスラスト力に対抗するようにして、軸受の支持力を増加させることができる。
【０００９】
圧力の導入は、スクロールの始点より下流側の始点近傍の第１ポートと、スクロールの終点より上流側の終点近傍またはスクロールに続く吐出管のスクロール終点近傍の第２ポートとから行われる。第１ポートからの圧力はスラストカラーのタービン側に導かれ、第２ポートからの圧力はスラストカラーのコンプレッサ側に導かれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態のターボ過給機１０の概略構成を示す図である。図１（ａ）はターボ過給機１０の回転軸線を含む断面を示している。図において、軸受ケーシング１２の右側にタービン１４が配置され、左側にコンプレッサ１６が配置される。タービン１４は、渦巻き型のタービンスクロール１８と、これ内側に配置されたタービンホイール２０を含む。タービンホイール２０はシャフト２２の端に固定されている。シャフト２２のもう一方の端には、コンプレッサインペラ（以降、単にインペラと記す）２４が固定されており、シャフト２２は軸受ケーシング１２内に設けられたラジアル軸受２６に支持されている。インペラ２４は渦巻き形状のコンプレッサスクロール（以下、端にスクロールと記す）２８に納められている。シャフト２２には、これと同軸配置される円板状のスラストカラー３０が固定されており、このスラストカラーのタービン側に対向して軸受ケーシング１２にはタービン側軸受プレート３２、コンプレッサ側には、同様にコンプレッサ側軸受プレート３４が配置される。これらのスラストカラー３０、および二つの軸受プレート３２，３４がスラスト軸受３６を構成する。軸受プレート３２，３４のスラストカラー３０に対向する面である軸受面には、所定の凹凸形状が形成されている。軸受プレート３２，３４と、スラストカラー３０が回転することにより、周囲の気体も回転し、この流れる気体が軸受面の凹凸形状により形成される狭い領域に押し込められて発生する圧力によって、軸受プレート３２または３４とスラストカラー３０の接触が阻止される。凹凸形状は、気体の流れの方向に、軸受プレート３２とスラストカラー３０の間隔が徐々に狭くなるように、くさび形とすることができるが、溝、くぼみなどを形成することによっても、くさび形の場合と同様の効果を発生することができる。このように、スラスト軸受３６は動圧軸受としての機能を有している。また、凹凸形状は対向する面のいずれかに形成されればよく、軸受プレート３２，３４の軸受面を平面とし、スラストカラー３０に凹凸形状を設けてもよい。
【００１２】
過給対象となるエンジンの排気はタービンスクロール１８に導かれて、タービンスクロール内を旋回しながらタービンホイール２０の外周より進入し、軸方向（図中右方向）に排出される。タービンホイール２０を通過する間、排気のエネルギによってタービンホイールが回転され、この回転によって、共通のシャフト２２に固定されたインペラ２４が回転駆動される。インペラ２４の回転により、軸方向（図中左方向）より空気が吸い込まれ、半径方向に送り出され、スクロール２８内を旋回して、吐出管３８に送られる。コンプレッサ１６により加圧された空気がエンジンに供給される。
【００１３】
前述のように、シャフト２２はエンジンの排気により回転され、これに固定されたスラストカラー３０も一体となって回転する。スラストカラー３０の周囲の空気は、カラーに引きずられるようにして旋回する。この旋回流により、前述のくさび形状あるいは凹凸形状による動圧が生じ、スラスト軸受３６の支持力が発生する。
【００１４】
図１（ｂ）は、コンプレッサ１６の軸直交断面の概略形状を示す図である。スクロール２８は、これと吐出管３８との分岐点に形成されている舌部４０を始点とし、時計回りに徐々に断面積が増加し、吐出管３８へとつながる渦巻き状に形成される。本明細書においては、コンプレッサ１６の中心Ｏ（インペラ２４の回転中心）から延び、前記の舌部４０の先端を通る半直線ｍ（図中一点鎖線で示す）をスクロール２８の始点と終点と定める。始点（０°）から右回りに角度Θをとり、３６０°の位置でスクロール２８が終了し、これに続く部分は吐出管３８とする。スクロール２８の始点より下流で、始点近傍のスクロール内壁には第１導圧管４２（図１（ａ）参照）の開口として第１導圧ポート４４が設けられている。またスクロール２８の吐出管３８の境界付近、すなわちスクロール２８の終点付近のスクロールあるいは吐出管の内壁には、第２導圧管４６（図１（ａ）参照）の開口として第２導圧ポート４８が設けられている。
【００１５】
図１に示されるように、第１導圧管４２は、タービン側軸受プレート３２の軸受面に設けられた第１軸受側ポート５０までつながっており、スラストカラー３０とタービン側軸受プレート３２に挟まれる空間に、第１導圧ポート４４付近の圧力を導く。また、第２導圧管４６は、コンプレッサ側軸受プレート３４の軸受面に設けられた第２軸受側ポート５２までつながっており、スラストカラー３０のコンプレッサ側軸受プレート３４に挟まれる空間に、第２導圧ポート４８付近の圧力を導く。
【００１６】
図２は、ターボ過給機のコンプレッサ特性を示す図である。横軸がコンプレッサ１６を通過する空気の流量、縦軸がコンプレッサ１６により発生される圧力、すなわち過給圧である。図において実線で示す曲線は、過給機の回転数が一定の流量と過給圧の関係を示す。図中、点Ａ，Ｂは、同一の過給圧で、流量が異なる運転条件の点であり、点Ａが低流量、点Ｂが高流量の運転点を示している。図３は、運転点Ａ，Ｂにおけるシャフト２２に働くスラスト力を示している。スラスト力の向きは図１において左方向、すなわちコンプレッサ１６に向かう方向が正である。低流量運転点Ａにおいては正のスラスト力が発生し、高流量運転点Ｂにおいては負のスラスト力が発生する。このようにターボ過給機は、運転条件によってスラスト力が変動するため、運転条件の変化が大きい環境で用いられる場合、スラスト軸受は、十分な容量を必要とする。スラスト軸受の耐荷重は、その面積を大きくすれば増加するが、これは装置の小形化とは相反するものである。
【００１７】
ターボ過給機１０においては、コンプレッサのスクロール２８内の圧力分布が不均一であり、また圧力分布が流量によっても変化することに着目してスラスト軸受の耐荷重を増加させている。
【００１８】
図４は、図２に示される運転点Ａ，Ｂにおけるスクロールの始点付近の空気の流れの様子の概略を示す図である。図４（ａ）は、低流量側運転点Ａでの流れの様子を示し、インペラ２４から送り出された空気は、比較的、インペラ２４の外周円の接線に近い向きに流れる。図４（ｂ）は、高流量側運転点Ｂでの流れの様子を示し、インペラ２４から送り出された空気は比較的、半径方向に向けて送り出される。このような、流量による流れの変化により、第１導圧ポート４４および第２導圧ポート４８付近の圧力も変化する。
【００１９】
図５は、各導圧ポート４４，４８の圧力と、これらの導圧ポートから導かれた圧力によってスラスト軸受３６に発生するスラスト力を示している。図５（ａ）には、二つの導圧ポート４４，４８付近の圧力が示されており、点Ａ４４は、第１導圧ポート４４付近の運転点Ａすなわち低流量における圧力を示し、点Ｂ４４は第１導圧ポート４４付近の運転点Ｂすなわち高流量における圧力を示している。同様に点Ａ４８と点Ｂ４８は、第２導圧ポート４８付近の、運転点Ａと運転点Ｂにおける圧力を示している。これらの圧力は、それぞれ第１および第２導圧管４２，４６によりスラスト軸受３６に導かれる。前述のように第１導圧ポート４４はスラストカラー３０のタービン側に、第２導圧ポート４８はコンプレッサ側に、それぞれ圧力を導いている。この結果、スラストカラー３０の左右には圧力差が生じて、これがスラスト力を発生する。このスラスト力が図５（ｂ）に示されている。運転点Ａにおいては、図５（ａ）より第２導圧ポート４８の圧力（Ａ４８）が、第１導圧ポート４４（Ａ４４）より高いため、スラストカラー３０には、負のスラスト力、すなわち右向きの力が作用する。運転点Ｂにおいては、第１導圧ポートの圧力の方が高くなるため、先の場合とは逆に、正のスラスト力が発生する。このように、二つの導圧ポート４４，４８より導かれた圧力の差によって、スラスト軸受３６は静圧軸受としても作用する。この静圧により生じるスラスト力、すなわち静圧によって軸受が担っている力を、以降静圧支持力と記す。
【００２０】
この図５（ｂ）のグラフと、図３のグラフを比較すると、スラスト力と静圧支持力の向きが逆になっていることが分かる。すなわち、運転点Ａにおいては、タービン１４およびコンプレッサ１６により発生するスラスト力が正の向きであるのに対し、スラストカラー３０に作用する静圧支持力は、負の向きである。したがって、スラスト力と静圧支持力が相反する方向となって、スラスト力の少なくとも一部を静圧支持力で支持することができる。
【００２１】
一方、運転点Ｂにおいては、タービン１４およびコンプレッサ１６に発生するスラスト力が負の向きであるのに対し、静圧支持力は負の向きである。これらは運転点Ａとは逆向きであるが、互いに相反する方向に向いており、運転点Ｂにおいても、静圧支持力でスラスト力の少なくとも一部を担うことができる。
【００２２】
このように、コンプレッサのスクロール２８の適切な位置から圧力を導入することで、スラスト軸受３６を静圧軸受としても機能させることができる。また、導入ポートの位置を、それぞれのポートにおける圧力の関係が、高流量側と低流量側で逆転する位置とすることにより、ターボ過給機の流量で向きが変わるスラスト力の一部を、高流量側でも、低流量側でも担うことができ、これにより、より大きな軸受支持力を発生することができる。よって、軸受を小形化することが可能となる。第１導圧ポート４４の位置（角度Θ）は、スクロール２８の始点０°〜９０°の範囲（さらには１０〜４５°が好適値）とすることにより、前述の特性を得ることができる。また、第２導圧ポート４８は、スクロール２８と吐出管３８の境界付近に設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態のターボ過給機の概略構成を示す図である。
【図２】ターボ過給機の特性図である。
【図３】ターボ過給機の流量に伴うスラスト力の変化を示す図である。
【図４】第１導圧ポート４４付近の、流量の違いによる空気の流れの差を示した図である。
【図５】異なる流量における、第１および第２導圧ポート４４，４８付近の圧力と、静圧支持力を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ターボ過給機、１４  タービン、１６  コンプレッサ、２２  シャフト、２４  （コンプレッサ）インペラ、２８  （コンプレッサ）スクロール、３０  スラストカラー、３２  タービン側軸受プレート、３４  コンプレッサ側軸受プレート、３６  スラスト軸受、３８  吐出管、４０  舌部、４２  第１導圧管、４４  第１導圧ポート、４６  第２導圧管、４８  第２導圧ポート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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