(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の間隔を隔てた２つのラジアル軸受で回転可能に支持され、一端に固定されたタービンインペラと他端に固定されたコンプレッサインペラを直結し、タービンインペラの回転駆動力をコンプレッサインペラに伝達する過給機の高速回転軸であって、
前記軸受の中間部に軸受部より直径の小さい細軸部を有し、該細軸部は前記２つのラジアル軸受間距離の中心に対して、該細軸部のタービン側の開始点とコンプレッサ側の終点との距離の中心が、コンプレッサ側に寄るようにオフセットしている、ことを特徴とする過給機の高速回転軸。
【請求項２】
前記細軸部のオフセット量、直径、長さは、定格回転数に対し、１次危険速度を低下し、さらに２次危険速度の低下量（または割合）が１次危険速度の低下量（または割合）を上回らないように設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の過給機の高速回転軸。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、過給機の高速回転軸に関する。
【０００２】
関連技術の説明
内燃機関のシリンダに供給される空気或いは混合気をあらかじめ圧縮することを過給といい、その圧縮機を過給機という。また、そのうち機関の排気ガスを利用して過給を行う過給機を排気タービン過給機、または略してターボ過給機という。以下、本出願において、特に必要な場合を除き、ターボ過給機を単に「過給機」と呼ぶ。
【０００３】
図１は、従来のターボ過給機の一例を示す全体構成図である。この図において、ターボ過給機は、タービンロータ軸１、コンプレッサインペラ２、ベアリングハウジング３、タービンハウジング４、コンプレッサハウジング５ａ、シールプレート５ｂ、等からなる。
ベアリングハウジング３、タービンハウジング４、コンプレッサハウジング５ａ、及びシールプレート５ｂは図示の順序で互いに連結されている。また、タービンロータ軸１は、タービンインペラ１ａとロータ軸１ｂが溶接等で一体化されており、ベアリングハウジング３内のラジアル軸受で回転支持され、コンプレッサインペラ２に同軸に連結されている。
この構成により、内燃機関の排気ガスでタービンインペラ１ａを回転駆動し、その回転力をロータ軸１ｂを介してコンプレッサインペラ２に伝達してこれを回転駆動し、空気（又は混合気）を圧縮して内燃機関に供給することにより内燃機関の性能を大幅に向上させることができる。
【０００４】
図１において、タービンインペラ１ａの回転は、２つのフローティングメタル６ａ，６ｂでラジアル方向を支持され、スラストカラー７を介してタービン側スラストベアリング８ａとコンプレッサ側スラストベアリング８ｂでスラスト方向を支持される。なお、この図で、９は油切り、６ｃは軸受スペーサである。
【０００５】
過給機の高性能化に伴い、タービンロータ軸１及びコンプレッサインペラ２は、数万〜数１０万ｍｉｎ?１の高速で回転する。フローティングメタル６ａ，６ｂは、タービンロータ軸１に対して浮いているので、同じ速度で回転せず、タービンロータ軸よりも低い速度で回転し、スラストカラー７は、タービンロータ軸と嵌め合いで結合しているので、タービンロータ軸と同じ速度で回転する。したがって、フローティングメタル６ａ，６ｂとスラストカラー７は、それぞれ高速で回転しながら、ラジアル力及びスラスト力を支持するようになっている。また、その回転時の摺動抵抗を低減するために、ベアリングハウジング３に設けられた油路３ａから常に潤滑油が摺動部に供給されるようになっている。
【０００６】
また、高速で回転するタービンロータ軸の軸受構造として、特許文献１〜３が既に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１１０５７７号公報、「過給機の軸受装置」
【特許文献２】特開２００１−２９５６５５号公報、「過給機の軸受構造」
【特許文献３】特開２００５−２３９２０号公報、「過給機の軸受構造」
【０００８】
上述したように、従来の過給機の高速回転軸（タービンロータ軸）は、通常一定の間隔を隔てた２つのラジアル軸受で支持される。この場合、高速回転軸の固有振動数ωは、両端のタービンとコンプレッサを除いた高速回転軸のみの場合に、式（１）の近似式で示すことができる。
ω＝（π／２）×（ｎ／Ｌ）２×（ＥＩ／ρＡ）０．５・・・（１）
【０００９】
ここで、ｎ（＝１，２，３・・・）は、図２Ａ〜図２Ｃに示す両端支持軸の振動モード次数（１次、２次、３次）、Ｌは軸受中心間距離、Ｅは高速回転軸の縦弾性係数、Ｉは高速回転軸の断面２次モーメント、ρは密度、Ａは断面積である。
また、高速回転軸の直径をｄとすると、Ｉ＝πｄ４／６４、Ａ＝πｄ２／４であるから、（Ｉ／Ａ）０．５＝ｄ／４であり、式（１）から式（２）が得られる。
ω＝（π／２）×（ｎ／Ｌ）２×（ｄ／４）×（Ｅ／ρ）０．５・・・（２）
【００１０】
なお、上述した各式は、近似式であり、実際には、両端のタービンとコンプレッサを含め厳密なコンピュータシミュレーション等で危険速度を求める必要がある。
以下、１次、２次、３次の振動モードに対応する回転速度を、本発明において、「曲げの危険速度」或いは単に「危険速度」と呼ぶ。
【００１１】
従来の過給機の高速回転軸は、２次の危険速度が、定格回転数つまり設計上の最大回転数に対して十分離れて高くなるように設計していた。そのように設計すると、１次の危険速度も高くなり、運転中に高速回転軸の回転速度が１次の危険速度を通過するとき、過給機に対する加振エネルギーが大きくなり、振動や騒音も大きくなってしまった。
【００１２】
また、特許文献１の図に示されているように、過給機の回転安定性を高めるために、軸受間を細軸化することにより、高速回転軸の１次の危険速度を下げることができる。これにより例えば過給機を低速回転から高速回転へ運転中に高速回転軸の回転速度が１次の危険速度を通過するとき、過給機に対するの加振エネルギーを低減させ、振動や騒音を低減させることも行われていた。
【００１３】
しかし、式（２）から明らかなように、軸受間の軸径ｄを細軸化することにより、一般的には、１次の危険速度を下げることができるが、同時に２次の危険速度も下がる傾向がある。そのため、軸系によっては、２次の危険速度も大きく低下し、運転領域に近づいてしまい、軸系が不安定になる問題点があった。
【発明の要約】
【００１４】
本発明はかかる問題点を同時に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、定格回転数に対し、２次危険速度の低下を抑制しながら１次危険速度を下げることができる過給機の高速回転軸を提供することにある。
【００１５】
本発明によれば、一定の間隔を隔てた２つのラジアル軸受で回転可能に支持され、一端に固定されたタービンインペラと他端に固定されたコンプレッサインペラを直結し、タービンインペラの回転駆動力をコンプレッサインペラに伝達する過給機の高速回転軸であって、
前記軸受の中間部に軸受部より直径の小さい細軸部を有し、該細軸部は前記２つのラジアル軸受間距離の中心に対して、該細軸部のタービン側の開始点とコンプレッサ側の終点との距離の中心が、コンプレッサ側に寄るようにオフセットしている、ことを特徴とする過給機の高速回転軸が提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記細軸部のオフセット量、直径、長さは、定格回転数に対し、２次危険速度の低下を抑制しながら１次危険速度を下げることができるように、コンピュータシミュレーションで設定する。
【００１７】
本発明の構成によれば、高速回転軸の軸受間に軸受部より直径の小さい細軸部を有するので、高速回転軸の曲げの１次危険速度を下げることができる。これにより過給機を運転中に高速回転軸の回転速度が１次危険速度を通過する際、その振動、騒音を低減できる。
また、この細軸部をコンプレッサ側にオフセットしたことにより、高速回転軸の曲げの２次振動モードの腹部に相当するタービン側部分の軸径が軸受部とほぼ同一の直径を有するので、曲げの２次振動モードの腹部に位置する軸の剛性が低下しないので、曲げの２次危険速度の低下を少なくても一次危険速度の低下量よりも二次危険速度の低下量が小さくなるように抑制して、軸系の安定性を増し、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のターボ過給機の一例を示す全体構成図である。
【図２Ａ】両端支持軸の１次の振動モードを示す図である。
【図２Ｂ】両端支持軸の２次の振動モードを示す図である。
【図２Ｃ】両端支持軸の３次の振動モードを示す図である。
【図３】本発明による高速回転軸の全体構成図である。
【図４Ａ】細軸部がない場合の図３の高速回転軸の説明図である。
【図４Ｂ】軸抜き長さが最大の場合の図３の高速回転軸の説明図である。
【図４Ｃ】軸抜き長さが中間の場合の図３の高速回転軸の説明図である。
【図４Ｄ】軸抜き長さが中間の場合の図３の高速回転軸の説明図である。
【図５】図３の高速回転軸の軸抜き長さと危険速度の関係図である。
【好ましい実施例の説明】
【００１９】
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３は、本発明による高速回転軸の全体構成図である。この図に示すように、本発明の高速回転軸１０は、一定の間隔Ｌを隔てた２つのラジアル軸受１２ａ，１２ｂで回転可能に支持されている。
【００２０】
なお、この図で、ラジアル軸受１２ａ，１２ｂは一体に連結されたジャーナル軸受であるが、本発明はこれに限定されず、図１のように別々であってもよい。また、ラジアル軸受１２ａ，１２ｂは、ベアリングハウジングに対して回転可能ないわゆるフローティング軸受でも、回転せず半径方向のみ移動可能なセミフローティング軸受でも、あるいは完全に固定された固定軸受であってもよい。さらに、ラジアル軸受１２ａ，１２ｂは、気体軸受でも、転がり軸受でもよい。
【００２１】
本発明の高速回転軸１０は、その一端（図で左端）にタービンインペラ１ａが固定され、他端にコンプレッサインペラ２が固定され、タービンインペラ１ａとコンプレッサインペラ２を直結し、タービンインペラ１ａの回転駆動力をコンプレッサインペラ２に伝達するようになっている。
【００２２】
本発明の高速回転軸１０は、さらに軸受間に軸受部の直径Ｄより直径の小さい細軸部１４（直径ｄ）を有する。
【００２３】
図４Ａ〜図４Ｄは、図３の高速回転軸１０の説明図である。この図において、図４Ａは、細軸部１４がない場合、図４Ｂは細軸部１４の長さ（「軸抜き長さ」と呼ぶ）が最大（Ｌ１）の場合、図４Ｃと図４Ｄは、軸抜き長さがその中間（Ｌ２：細軸部がないない場合と最大の場合の中間）の場合である。
【００２４】
図４Ａにおいて、一点鎖線Ａは、ラジアル軸受１２ａ，１２ｂの間隔Ｌの中心であり、曲げの１次振動モードの腹部に相当する。また２本の破線Ｂ１，Ｂ２は、ラジアル軸受１２ａ，１２ｂの間隔Ｌの１／４と３／４の位置を示しており、曲げの２次振動モードの腹部に相当する。
本発明の高速回転軸１０は、図４Ｄに相当し、細軸部１４はコンプレッサ側に距離ｅだけオフセットし、曲げの２次振動モードの腹部Ｂ１に相当するタービン側部分が軸受部とほぼ同一の直径を有する。すなわち、細軸部１４は、２つのラジアル軸受１２ａ，１２ｂの軸間距離の中心に対して、細軸部１４のタービン側の開始点とコンプレッサ側の終点との距離の中心が、コンプレッサ側に寄るようにオフセットしている。
図４Ｃは、比較例であり、オフセットがない点で、図４Ｄと相違する。
【００２５】
細軸部１４のオフセット量ｅ、直径ｄ、長さＬ２は、曲げの２次振動モードの腹部Ｂ１に相当するタービン側部分が軸受部とほぼ同一の直径に保持できる限りで、自由に設定できる。
なお、具体的には、所定の定格回転数に対し、１次危険速度を低下し、さらに２次危険速度の低下量（または割合）が１次危険速度の低下量（または割合）を上回らないように、コンピュータシミュレーションでオフセット量ｅ、直径ｄ、長さＬ２を設定するのがよい。
【００２６】
上述した本発明の構成によれば、軸受間に軸受部より直径の小さい細軸部１４を有するので、曲げの１次危険速度を下げて振動、騒音を低減できる。
また、この細軸部１４はコンプレッサ側にオフセットし、曲げの２次振動モードの腹部Ｂ１に相当するタービン側部分が軸受部とほぼ同一の直径を有するので、曲げの２次振動モードの腹部に位置する軸の剛性が低下しないので、曲げ２次危険速度の低下を最小限に抑制して、軸系の安定性を増し、信頼性を向上することができる。
なお、曲げ２次危険速度の低下を抑制できる限りで、曲げの２次振動モードの腹部Ｂ１に相当するタービン側部分を細軸部１４より太く、かつ軸受部より細くしてもよい。また、この部分を細軸部１４及び軸受部より太くしてもよい。
【実施例１】
【００２７】
図５は、コンピュータシミュレーションで得られた図３の高速回転軸の軸抜き長さと危険速度の関係図である。この図において、横軸は、細軸部１４の長さ（軸抜き長さ）、縦軸は定格回転数に対する割合（％）である。また、図中下方の２本の破線は１次危険速度、上方の２本の実線は２次危険速度を示している。さらに、図中のＡ〜Ｄの符号は、図にＡ〜Ｄに対応している。【００２８】
この図から、細軸部１４がない場合（Ａ）に比較して、軸抜き長さが最大（Ｌ１）の場合（Ｂ）には、１次の危険速度を下げることができるが、同時に２次の危険速度も下がり、そのため、２次の危険速度が定格回転数に近づいてしまい、軸系が不安定になることがわかる。【００２９】
また、軸抜き長さが中間（Ｌ２）の場合、オフセットのない（Ｃ）に比較して、オフセットのある（Ｄ）は、１次の危険速度の低下の割合（約１５％）に比べて、２次の危険速度の低下の割合（約５％）が少なく、２次危険速度の低下を抑制しながら１次危険速度を下げることができることがわかる。
なお、この実施例では、軸抜き長さの最大（Ｌ１）が約２４ｍｍ、軸抜き長さが中間（Ｌ２）が約１２ｍｍの場合を示しているが、本発明はこれに限定されず、コンピュータシミュレーションで所定の定格回転数に対し、最適のオフセット量ｅ、直径ｄ、長さＬ２を設定するのがよい。【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図１】
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【図２Ａ】
0004600788.tif 000003
【図２Ｂ】
0004600788.tif 000004
【図２Ｃ】
0004600788.tif 000005
【図３】
0004600788.tif 000006
【図４Ａ】
0004600788.tif 000007
【図４Ｂ】
0004600788.tif 000008
【図４Ｃ】
0004600788.tif 000009
【図４Ｄ】
0004600788.tif 000010
【図５】
0004600788.tif 000011