(57)【要約】【課題】タービンロータとコンプレッサロータとが隣接して配置されるターボ過給機において、タービン側からコンプレッサ側への排気漏れを防止する。【解決手段】タービンロータ１３のディスク背面１３Ｄとコンプレッサロータ１４のディスク背面１４Ｄを向かい合わせに平行に配置し、ディスク背面１３Ｄから突出する円筒部１３Ｃを介して連結する。円筒部１３Ｃと連結部ハウジング１９の隙間に非接触のラビリンス構造を備えるガスシール部材２０を配置する。連通管２２、２３を介してラビリンスへ漏れだした排気をラビリンスの途中で抽気し、タービン出口付近に排出する。【選択図】図１
2009174442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータとコンプレッサロータとを隣接させて同軸に配置したターボ過給機であって、
前記タービンロータと前記コンプレッサロータとを連結する連結部と前記連結部を覆う連結部ハウジングとの間に設けられる隙間のガス圧を調整し、前記隙間を通してのタービンからコンプレッサへの排気漏れを防止するガス圧調整手段を備え、
前記ガス圧調整手段が、前記排気を前記隙間から抽気するか、または、加圧エアを前記隙間へと供給することにより前記ガス圧を調整する
ことを特徴とするターボ過給機。
【請求項２】
前記隙間にターボ回転軸に沿って前記ガス圧を減圧するラビリンスが設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機。
【請求項３】
前記ガス圧調整手段が抽気により前記ガス圧を調整し、前記抽気が前記ラビリンスにおける前記コンプレッサ寄りの位置から行われることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機。
【請求項４】
前記ガス圧調整手段が加圧エアの供給により前記ガス圧を調整し、前記加圧エアの供給が前記ラビリンスにおける前記タービン寄りの位置から行われることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機。
【請求項５】
前記ガス圧調整手段が、前記隙間からの抽気量を調整するための抽気量調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のターボ過給機。
【請求項６】
前記ガス圧調整手段が、前記隙間への加圧エアの供給量を調整するための供給量調整手段を備えることを特徴とする請求項１、２、４の何れか一項に記載のターボ過給機。
【請求項７】
前記ガス圧の調整が、前記排気を前記隙間からタービン下流へと抽気することにより調整されることを特徴とする請求項１、２、３、５の何れか一項に記載のターボ過給機。
【請求項８】
前記ガス圧の調整が、コンプレッサ下流の加圧エアを前記隙間へと供給することにより調整されることを特徴とする請求項１、２、４、６の何れか一項に記載のターボ過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータとコンプレッサロータとが隣接して配置されたターボ過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的なターボ過給機では、タービンロータとコンプレッサロータとを連結するシャフトが軸受けによって保持される。しかし、このようにタービンロータとコンプレッサロータの間に軸受けを配置する構成では、軸受け室に供給されるオイルがタービン側へと漏れ出し排気性能の悪化を招く可能性がある。また、軸受けが高温となるタービンに隣接すると、オイルの劣化が促進され、例えばオイルコーキングによるターボの作動不良が発生する。
【０００３】
一方、タービンロータとコンプレッサロータとの間に軸受けを設けずに相互に隣接させ、シャフトをコンプレッサロータから更に外側に延出し、延出されたシャフトを軸受けで片持ち支持した構造のターボ過給機も知られている。このような構成では、軸受け室をタービンから離したことにより上述した問題は解決する。しかし、コンプレッサロータがタービンロータに隣接することから、タービン側からコンプレッサ側への熱伝達により過給効率が悪化する。そのためタービンロータとコンプレッサロータとの間に、内部に隙間を有する遮熱プレートを配置して熱の伝達を遮断する構造が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０７−１８０５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、タービンロータとコンプレッサロータとを隣接させた構成では、タービン側のガスシール部材を通して、コンプレッサ側へ排気が漏れ出す可能性がある。すなわちタービン容量は、一般に低速での性能を確保するため小さめに構成されるため、エンジン高負荷域においては、タービンロータのディスク背面圧力が、コンプレッサロータのディスク背面圧力を大きく上回り、タービンロータとコンプレッサロータとを結ぶシャフトに沿って排気がコンプレッサ側へと漏れ出す可能性がある。
【０００５】
タービンロータとコンプレッサロータとの間に軸受けが設けられていた構成では、漏れ出した排気は、軸受け室からクランクケースへと連通するオイル戻りを通してクランクケースへと排出される。しかし、タービンロータとコンプレッサロータが隣接した構成では、漏れ出した排気は直接コンプレッサへと流入し、インペラ温度の上昇を招き、強度の低下、耐久性の悪化を招く。また、インペラの出口に設けられたディフューザの壁面温度が上昇し、ブローバイガス中に含まれるオイルが壁面に固着して過給効率が低下する。
【０００６】
本発明は、タービンロータとコンプレッサロータとが隣接して配置されるターボ過給機において、タービン側からコンプレッサ側への排気漏れを防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のターボ過給機は、タービンロータとコンプレッサロータとを隣接させて同軸に配置したターボ過給機であって、タービンロータとコンプレッサロータとを連結する連結部と連結部を覆う連結部ハウジングとの間に設けられる隙間のガス圧を調整し、この隙間を通してのタービンからコンプレッサへの排気漏れを防止するガス圧調整手段を備え、ガス圧調整手段は、排気を上記隙間から抽気するか、または、加圧エアを上記隙間へと供給することによりガス圧を調整することを特徴としている。
【０００８】
隙間にターボ回転軸に沿ってガス圧を減圧するラビリンスを設けることが好ましい。タービンからの排気漏れを低減する観点からは、ガス圧調整手段が抽気によりガス圧を調整する場合には、ラビリンスにおけるコンプレッサ寄りの位置から抽気を行うことが好ましい。一方、ガス圧調整手段が加圧エアの供給によりガス圧を調整する場合には、加圧エアの供給はラビリンスにおけるタービン寄りの位置から行われることが好ましい。
【０００９】
ガス圧調整手段は、隙間からの抽気量を調整するための抽気量調整手段、または隙間への加圧エアの供給量を調整するための供給量調整手段を備えることが好ましく、これにより運転状態に合わせて適正な抽気またはエア供給を行うことができる。
【００１０】
また、ガス圧の調整は、排気の抽気においては、排気を隙間からタービン下流へと抽気することにより調整されることが好ましく、加圧エアの供給においては、コンプレッサ下流の加圧エアを隙間へと供給することにより調整されることが好ましい。これにより、より簡略、小型な構成でタービンからコンプレッサへの排気漏れを抑制できる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明によれば、タービンロータとコンプレッサロータとが隣接して配置されるターボ過給機において、タービン側からコンプレッサ側への排気漏れを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であるターボ過給機の構成を示すターボ回転軸に沿った断面図である。
【００１３】
ターボ過給機１０は、排気マニホルドに連結されるタービン１１と吸気マニホルドに連結されるコンプレッサ１２を備える。タービン１１は、エンジンからの排気エネルギーを回転力に変換するタービンロータ１３を備え、コンプレッサ１２は、インペラを有するコンプレッサロータ１４を備える。コンプレッサロータ１４には、タービンロータ１３から回転力が伝達され、これによりインペラが回転されて過給が行なわれる。なお、タービンロータ１３はタービンハウジング１５内に収容され、コンプレッサロータ１４は、コンプレッサハウジング１６内に収容される。
【００１４】
タービンロータ１３のディスク背面１３Ｄ側の中央には、ロータ回転軸に沿った所定長さの円筒部１３Ｃが同軸的に形成され、円筒部１３Ｃには、ロータ回転軸を構成するシャフト１７が同軸的に取り付けられる。一方、コンプレッサロータ１４の回転中心には、シャフト１７を嵌挿する孔１４Ｈが形成され、シャフト１７は、孔１４Ｈを貫通して延出し、その先端はコンプレッサハウジング１６に保持された軸受け部１８により軸支される。
【００１５】
円筒部１３Ｃの径は、シャフト１７の径よりも太く、シャフト１７に嵌挿されたコンプレッサロータ１４のディスク背面１４Ｄ側は、円筒部１３Ｃの端面に着座せられるとともに、シャフト１７およびコンプレッサロータ１４に一体的に固定される。円筒部１３Ｃは、タービンロータ１３の本体とコンプレッサロータ１４との間のスペーサおよび連結部としての機能を果たし、コンプレッサロータ１４が円筒部１３Ｃの端面に当接すると、タービンロータ１３およびコンプレッサロータ１４のディスク背面１３Ｄ、１４Ｄは円筒部１３Ｃの高さ分を隔てて相対して平行に配置される。
【００１６】
なお、円筒部１３Ｃの長さは、ターボ過給機１０の小型化という観点から十分に低く設定され、コンプレッサロータ１４はタービンロータ１３に隣接して配置される。したがって、タービンロータ１３とコンプレッサロータ１４の間には、軸受けが設けられることはない。すなわち、タービンロータ１３、コンプレッサロータ１４、シャフト１７は、シャフト１７の先端を軸支する軸受け部１８により片持ち支持される。
【００１７】
円筒部１３Ｃは、連結部ハウジング１９内に収容される。連結部ハウジング１９は、例えばディスク背面１３Ｄ、円筒部１３Ｃの側面、およびディスク背面１４Ｄに沿ったＵ字断面形状を有し、例えばロータ回転軸に対して略回転対称な形状を備える。なお、タービンハウジング１５およびコンプレッサハウジング１６は連結部ハウジング１９とともにタービンロータ１３およびコンプレッサロータ１４を収容するターボ過給機全体のハウジングを構成する。
【００１８】
また、連結部ハウジング１９と、円筒部１３Ｃの外周面との間には一定の隙間が設けられ、両者の間にはガスシール部材２０が配置される。ガスシール部材２０は、円筒部１３Ｃの内周面略全体を覆う円筒状の部材であり、その内周面には円環状の仕切り板が複数平行に設けられる。すなわち、連結部ハウジング１９と円筒部１３Ｃとの間の隙間は、ガスシール部材２０によって軸方向に沿って複数の部屋に仕切られ、ラビリンス構造とされる。
【００１９】
図２に、図１のガスシール部材２０の周辺の部分拡大図を示す。図２に示されるように、連結部ハウジング１９と円筒部１３Ｃの外周面との間にはガスシール部材２０が配置される。ガスシール部材２０は、円筒部１３Ｃの外周面と隣接して向かい合う連結ハウジング１９の内側面に取り付けられる。また、上述したように、連結部ハウジング１９と円筒部１３Ｃの外周面との間の隙間は、ガスシール部材２０の内周面周方向に沿って円環状に延在する複数の仕切り板２０Ｐにより、ロータ回転軸に沿って複数の部屋に区画される。仕切り板２０Ｐの先端と円筒部１３Ｃの外周面との間には僅かな隙間が設けられて非接触とされ、ガスシール部材２０には非接触シールとして構成される。なお、連結部ハウジング１９において非接触シールが用いられるのは、タービンロータ１３と一体的な円筒部１３Ｃが高温になり、オイルを用いることが好ましくないことによる。
【００２０】
本実施形態において、仕切り板２０Ｐの内側周縁部、すなわち断面図における先端部はテーパ状に成形される。上述したように仕切り板２０Ｐの先端は円筒部１３Ｃの外周面と微少な隙間を隔てて配置される。したがって、タービン１１側とコンプレッサ１２側との間に圧力差があると、圧力の高い側から低い側へとガスがこの隙間を通って流出する。ガスは、仕切り板２０Ｐと円筒部１３Ｃとの間の狭い隙間を通り抜けて、仕切り板２０Ｐで区画された部屋へと流入し、これを複数段に渡って繰り返す。すなわち、ガスが各仕切り板２０Ｐを通り抜けるたびに圧力損失が発生する。したがって、例えば空気流量が少ない低負荷域など、タービン１１側とコンプレッサ１２側との間の圧力差が差程大きくないときには、このラビリンス構造により一方の側から他方の側へのガス漏れは十分抑制される。
【００２１】
しかし、図３のグラフに示されるように、空気流量が大きくなる高負荷域においては、タービンロータ１３のディスク背面圧Ｐｔが、コンプレッサロータ１４のディスク背面圧Ｐｃに比べて著しく高くなり、両背面圧の差が増大する。この圧力差がガスシール部材２０の複数の仕切り板２０Ｐによって低減できる範囲を越えると排気は、タービン１１側からコンプレッサ１２側へと漏れ出す。すなわち、タービン１１側の排気は、ディスク背面１３Ｄと連結部ハウジング１９との間の隙間から円筒部１３Ｃに沿って仕切り板２０Ｐと円筒部１３Ｃの間の隙間を通って、より低圧のディスク背面１４Ｄ側へ向けて流れ出す。
【００２２】
そこで、第１実施形態では、ガスシール部材２０の途中（ラビリンスの中間部）に抽気口２０Ｈを設けて、タービン１１側とコンプレッサ１２側の圧力差が大きいときに、タービン１１側から流出する排気を抽気してラビリンスでの圧力を調整し、コンプレッサ１２側への排気漏れを防止する。すなわち、ガスシール部材２０には、区画された部屋の一部（例えば区画の１つ）に抽気口２０Ｈが設けられ、連結部ハウジング１９の抽気口２０Ｈに対応する位置には連通孔１９Ｈが設けられる。連通孔１９Ｈは、連通管を介してタービン出口付近に連通され、連通管の途中には例えばリリーフバルブ２１（図１参照）が設けられる。
【００２３】
、
リリーフバルブ２１は、抽気口２０Ｈの圧力がタービン出口付近の圧力よりも高くなり、その圧力差が所定値よりも大きくなると徐々に開き始め、タービン１１側から漏れ出した排気を抽気口２０Ｈからタービン出口へと抽気する。より詳細には、連通孔１９Ｈには図１に示されるようにリリーフバルブ２１に接続された連通管２２が接続され、リリーフバルブ２１は更に連通管２３を介してタービン出口付近に設けられた連通孔１５Ｈへと連結される。また、リリーフバルブ２１は、例えばバネなどの付勢手段により抽気口２０Ｈ側の連通管２２からの圧力に弁体が抗するように付勢され、その付勢力は、例えばアジャストスクリュ（不図示）などの調整手段により、ラビリンスに漏れ出した排気の圧力に応じて必要な量の抽気が行えるように調整される。
【００２４】
図３に示されるように低負荷域では、コンプレッサ１２側の圧力がタービン１１側の圧力に比べて高いため抽気口２０Ｈ近傍では、コンプレッサ１２側の圧力が支配的となる。したがって、リリーフバルブ２１の付勢力は、低負荷域においてリリーフバルブ２１が抽気口２０Ｈ近傍の圧力に抗して閉じられた状態に維持されるように調整される。また更に、リリーフバルブ２１の付勢力は、高負荷域において、タービン１１側の圧力がコンプレッサ１２側の圧力に対してラビリンス構造では排気漏れを防止できない程度に高くなり、抽気口２０Ｈ近傍においてタービン１１側の圧力が支配的となったときに開かれるように調整される。
【００２５】
図１、２では、抽気口２０Ｈの位置はガスシール部材２０の中央よりも僅かにコンプレッサ寄りに配置されて描かれるが、タービン１１からラビリンスへの排気漏れをより少なくするためには、抽気口２０Ｈをよりコンプレッサ１２側に配置することが好ましい。すなわち、タービン１１寄りに抽気口２０Ｈを設けると、抽気口２０Ｈ近傍でのガス圧が高いためより多くの排気が抽気されることとなり、タービン１１からラビリンスへの排気漏れが増大する。したがって、ラビリンスによりガス圧が下がった位置から抽気を行った方が不要な抽気を抑え、タービン１１からラビリンスへと漏れ出す排気の量を低減できる。なお、排気が余剰となる高負荷域においては、排気はウエストゲートバルブ（不図示）を介してタービン下流側へと逃がされているため、ラビリンスからの抽気によるターボ性能への影響は実質的にない。
【００２６】
以上のように、第１実施形態によれば、タービンロータとコンプレッサロータとを連結する連結部とそのハウジングとの間の隙間から抽気を行い、抽気量の調整により隙間の圧力を調整して、コンプレッサ側への排気漏れが防止される。また、隙間にラビリンス構造を設け、ラビリンスとタービン下流とを連通することにより極めて簡略な構成で排気漏れ防止のための抽気を行うことができる。更に連通管にリリーフバルブを介在させたことで、圧力調整をより適正に行うことが可能となる。
【００２７】
次に図４、図５を参照して本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態のターボ過給機の構成は、第１実施形態と略同様であるが、第２実施形態では、第１実施形態におけるラビリンスからの抽気を、コンプレッサ出口からラビリンスへの加圧エアの導入に置き換えている。なお、第２実施形態のターボ過給機の基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、その説明を省略し、同一の構成に対しては同一参照符号を用いる。
【００２８】
高負荷域においては、コンプレッサ１２の出口圧力がタービンロータ１３のディスク背面圧と同レベルとなる。このことから第２実施形態のターボ過給機３０では、コンプレッサ１２の出口から加圧エアをラビリンスに供給する。
【００２９】
ガスシール部材２０には、第１実施形態における抽気口２０Ｈと同様に、仕切り板２０Ｐにより区画された部屋の一部（例えば区画の１つ）にエア導入口２７が設けられる。連結部ハウジング１９のエア導入口２７に対応する位置には連通孔２６が設けられ、連通管を介してコンプレッサ出口付近に設けられた連通孔１６Ｈへと連通される。また、連通管の途中にはリリーフバルブ２１が設けられる。すなわち、図４に示されるようにリリーフバルブ２１は連通管２４を介して連結部ハウジング１９の連通孔２６に連結されるとともに、連結管２５を介してコンプレッサハウジング１６に設けられた連通孔１６Ｈに連結される。
【００３０】
リリーフバルブ２１は、各連結管２４、２５に対してコンプレッサ１２側からのエア圧力に抗して弁が閉じる向きに連結される。タービンロータ１３のディスク背面圧がコンプレッサロータ１４のディスク背面圧よりも大きくなる高負荷域では、連通孔１６Ｈが設けられたコンプレッサ出口付近の圧力がタービンロータ１３のディスク背面圧と同等レベル以上にまで上昇する。したがって、連通孔１６Ｈ近傍での圧力がラビリンス内のエア導入口２７近傍圧力よりも高くなると、リリーフバルブ２１が開かれ、コンプレッサ１２から加圧エアがガスシール部材２０のラビリンスへと供給される。これにより、タービン１１側からガスシール部材２０のラビリンスへと漏れ出した排気は、エア導入口２７から供給される加圧エアにより押し戻され、タービン１１側からの排気漏れが防止される。なお、ラビリンスへと供給されるエアの量は、第１実施形態と同様に、リリーフバルブ２１の付勢力を調整することにより調整される。
【００３１】
なお、エア導入口２７からラビリンスへと供給されたエアは、その後相対的に低圧であるコンプレッサロータ１４のディスク背面１４Ｄ側へと漏れ込む。この漏れ量はコンプレッサ１２からエンジンへと供給されるべきエアから抽気されるため、過給効率の観点からは極力少ないことが望ましい。
【００３２】
したがって、第２実施形態では、図５に示されるように、ガスシール部材２０のエア導入口２７がなるべくタービン側に寄せて設けられる。すなわち、エア導入口２７からコンプレッサロータ１４のディスク背面１４Ｄまでのラビリンスの段数を多くすることにより、コンプレッサ出口から抽気されるエアの量を抑制する。なお、図４では、エア導入口２７、連通孔２６の位置がガスシール部材２０の略中央に描かれているが、図４はコンプレッサ出口からラビリンスへの連結管の接続を模式的に示すものであり、エア導入口２７の位置を正しく示すものではない。
【００３３】
以上のように、第２実施形態の構成でも、タービンロータとコンプレッサロータとを連結する連結部の隙間に、コンプレッサ出口側から加圧エアを供給することにより、第１実施形態と同様に、連結部に設けられた隙間の圧力を調整してタービン側からコンプレッサ側への排気漏れを防止することができる。また、第２実施形態では、連結部の隙間に供給されたエアによる冷却効果により、連結部を介した熱伝達が抑制でき、信頼性を更に向上することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では、タービンロータとコンプレッサロータを連結する円筒部（連結部）をタービンロータの一部として構成したが、コンプレッサロータと一体とすることも、独立した部材とすることも可能である。また、ラビリンス構造は、本実施形態に限定されるものではなく、減圧を行う構成であれば他の構成であってもよい。また、仕切り板をハウジング側ではなく連結部側に設ける構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態であるターボ過給機の構成を示すターボ回転軸に沿った断面図である。
【図２】第１実施形態のガスシール部材周辺の部分拡大図である。
【図３】空気流量に対するタービンロータのディスク背面圧Ｐｔの値と、コンプレッサロータのディスク背面圧Ｐｃの値を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態であるターボ過給機の構成を示すターボ回転軸に沿った断面図である。
【図５】第２実施形態のガスシール部材周辺の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ターボ過給機
１１  タービン
１２  コンプレッサ
１３  タービンロータ
１３Ｃ  円筒部（連結部）
１４  コンプレッサロータ
１５  タービンハウジング
１５Ｈ  連通孔
１６  コンプレッサハウジング
１６Ｈ  連通孔
１７  シャフト
１８  軸受け部
１９  連結部ハウジング
２０  ガスシール部材
２０Ｈ  抽気口
２７  エア導入口
２０Ｐ  仕切り板
２１  リリーフバルブ
２２〜２５  連通管
【図１】
2009174442.tif 000003
【図２】
2009174442.tif 000004
【図３】
2009174442.tif 000005
【図４】
2009174442.tif 000006
【図５】
2009174442.tif 000007