KR101153309B1

KR101153309B1 - 과급기의 고속 회전축

Info

Publication number: KR101153309B1
Application number: KR1020087021399A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 시미즈
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2012-06-05
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: EP1998008B1; US20090056332A1; JPWO2007108234A1; JP4600788B2; EP1998008A4; CN101405480A; EP1998008A1; WO2007108234A1; KR20080105054A; CN101405480B; US8157543B2

Abstract

일정한 간격 L을 사이에 둔 2개의 래디얼 베어링(12a, 12b)으로 회전 가능하게 지지되고, 일단에 고정된 터빈 임펠러와 타단에 고정된 컴프레서 임펠러를 직결하여 터빈 임펠러의 회전 구동력을 컴프레서 임펠러에 전달하는 과급기의 고속 회전축(10)으로서, 베어링 사이에 베어링부보다 직경이 작은 세축부(14)를 갖는다. 세축부(14)는 컴프레서측으로 오프셋된다.

Description

과급기의 고속 회전축{HIGH-SPEED ROTATING SHAFT FOR SUPERCHARGER}

본 발명은 과급기의 고속 회전축에 관한 것이다.

내연 기관의 실린더에 공급되는 공기 혹은 혼합 기체를 미리 압축하는 것을 과급이라고 하고, 그 압축기를 과급기라고 한다. 또한, 그 중 기관의 배기 가스를 이용하여 과급을 행하는 과급기를 배기 터빈 과급기, 또는 줄여서 터보 과급기라고 한다. 이하, 본 출원에 있어서, 특히 필요한 경우를 제외하고는 터보 과급기를 단순히 "과급기"라고 부른다.

도 1은 종래의 터보 과급기의 일례를 도시하는 전체 구성도이다. 이 도면에서 터보 과급기는 터빈 로터축(1), 컴프레서 임펠러(2), 베어링 하우징(3), 터빈 하우징(4), 컴프레서 하우징(5a), 씰링 플레이트(5b) 등으로 이루어진다.

베어링 하우징(3), 터빈 하우징(4), 컴프레서 하우징(5a), 및 씰링 플레이트(5b)는 도시한 순서로 서로 연결된다. 또한, 터빈 로터축(1)은 터빈 임펠러(1a)와 로터축(1b)이 용접 등으로 일체화되어 베어링 하우징(3) 내의 래디얼 베어링으로 회전 지지되고, 컴프레서 임펠러(2)에 동축으로 연결된다.

이 구성에 의해, 내연 기관의 배기 가스로 터빈 임펠러(1a)를 회전 구동하고 그 회전력을 로터축(1b)을 통해 컴프레서 임펠러(2)에 전달하여 이를 회전 구동하 여, 공기(또는 혼합 기체)를 압축해 내연 기관에 공급함으로써 내연 기관의 성능을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다.

도 1에서, 터빈 임펠러(1a)의 회전은 2개의 플로팅 메탈(6a, 6b)로 래디얼 방향이 지지되고, 스러스트 컬러(7)를 통해 터빈측 스러스트 베어링(8a)과 컴프레서측 스러스트 베어링(8b)으로 스러스트 방향이 지지된다. 한편, 이 도면에서 참조 부호 9는 기름 막이, 6c는 베어링 스페이서이다.

과급기의 고성능화에 수반하여 터빈 로터축(1) 및 컴프레서 임펠러(2)는 수만 내지 수십만rpm의 고속으로 회전한다. 플로팅 메탈(6a, 6b)은 터빈 로터축(1)에 대해 떠 있으므로 같은 속도로 회전하지 않고 터빈 로터축보다 낮은 속도로 회전하고, 스러스트 컬러(7)는 터빈 로터축과 감합하여 결합되어 있으므로 터빈 로터축과 같은 속도로 회전한다. 따라서, 플로팅 메탈(6a, 6b)과 스러스트 컬러(7)는 각각 고속으로 회전하면서 래디얼력과 스러스트력을 지지하게 된다. 또한, 그 회전시의 슬라이드 저항을 저감시키기 위해, 베어링 하우징(3)에 마련된 유로(3a)로부터 항상 윤활유가 슬라이드부에 공급된다.

또한, 고속으로 회전하는 터빈 로터축의 베어링 구조로서 특허 문헌 1 내지 3이 이미 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허공개 2000-110577호 공보, "과급기의 베어링 장치"

특허 문헌 2: 일본 특허공개 2001-295655호 공보, "과급기의 베어링 구조"

특허 문헌 3: 일본 특허공개 2005-23920호 공보, "과급기의 베어링 구조"

전술한 바와 같이, 종래의 과급기의 고속 회전축(터빈 로터축)은 통상적으로 일정한 간격을 사이에 둔 2개의 래디얼 베어링으로 지지된다. 이 경우, 고속 회전축의 고유 진동수 ω는 양단의 터빈과 컴프레서를 제외한 고속 회전축만의 경우에, 식 (1)의 근사식으로 나타낼 수 있다.

ω=(π/2)×(n/L)²×(EI/ρA)^0.5 … (1)

여기에서, n(=1, 2, 3 …)은 도 2a 내지 도 2c에 나타내는 양단 지지축의 진동 모드 차수(1차, 2차, 3차), L은 베어링 중심간 거리, E는 고속 회전축의 종탄성 계수, I는 고속 회전축의 단면 2차 모멘트, ρ는 밀도, A는 단면적이다.

또한, 고속 회전축의 직경을 d라고 하면 I=πd⁴/64, A=πd²/4이기 때문에 (I/A)^0.5=d/4이며, 식 (1)로부터 식 (2)를 얻을 수 있다.

ω=(π/2)×(n/L)²×(d/4)×(E/ρ)^0.5 … (2)

한편, 전술한 각 식은 근사식이며, 실제로는 양단의 터빈과 컴프레서를 포함하여 엄밀한 컴퓨터 시뮬레이션 등으로 위험 속도를 구할 필요가 있다.

이하, 1차, 2차, 3차의 진동 모드에 대응하는 회전 속도를, 본 발명에서는 "굴곡 위험 속도" 혹은 단순히 "위험 속도"라고 부른다.

종래의 과급기의 고속 회전축은 2차 위험 속도가 정격 회전수, 즉 설계상의 최대 회전수에 대해 충분히 떨어져 높아지도록 설계하고 있었다. 그처럼 설계하면 1차 위험 속도도 높아져, 운전중에 고속 회전축의 회전 속도가 1차 위험 속도를 통과할 때, 과급기에 대한 가진(加振) 에너지가 커져 진동이나 소음도 커졌다.

또한, 특허 문헌 1의 도면에 도시된 바와 같이, 과급기의 회전 안정성을 높이기 위해 베어링 사이를 세축화(細軸化)함으로써 고속 회전축의 1차 위험 속도를 낮출 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 과급기를 저속 회전에서 고속 회전으로 운전중에 고속 회전축의 회전 속도가 1차 위험 속도를 통과할 때, 과급기에 대한 가진 에너지를 저감시켜 진동이나 소음을 저감시키는 것도 행해지고 있었다.

그러나, 식 (2)로부터 분명한 바와 같이, 베어링간의 축 직경 d를 세축화함으로써 일반적으로는 1차 위험 속도를 낮출 수 있지만, 동시에 2차의 위험 속도도 낮아지는 경향이 있다. 그 때문에 축계에 따라서는 2차 위험 속도도 크게 저하하여 운전 영역에 가까워져, 축계가 불안정하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 동시에 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명은 정격 회전수에 대해 2차 위험 속도의 저하를 억제하면서 1차 위험 속도를 낮출 수 있는 과급기의 고속 회전축을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 일정한 간격을 둔 2개의 래디얼 베어링으로 회전 가능하게 지지되고, 일단에 고정된 터빈 임펠러와 타단에 고정된 컴프레서 임펠러를 직결하여 터빈 임펠러의 회전 구동력을 컴프레서 임펠러에 전달하는 과급기의 고속 회전축으로서, 상기 베어링의 중간부에 베어링부보다 직경이 작은 세축부를 갖고, 이 세축부는 상기 2개의 래디얼 베어링간 거리의 중심에 대해 세축부의 터빈측의 개시점과 컴프레서측의 종점과의 거리 중심이 컴프레서측으로 치우치도록 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기의 고속 회전축이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 세축부의 오프셋량, 직경, 길이는 정격 회전수에 대해 2차 위험 속도의 저하를 억제하면서 1차 위험 속도를 낮출 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션으로 설정한다.

본 발명의 구성에 따르면, 고속 회전축의 베어링 사이에 베어링부보다 직경이 작은 세축부를 가지므로 고속 회전축 굴곡의 1차 위험 속도를 낮출 수 있다. 이에 따라 과급기 운전중에 고속 회전축의 회전 속도가 1차 위험 속도를 통과할 때, 진동, 소음을 저감시킬 수 있다.

또한, 세축부를 컴프레서측으로 오프셋함으로써 고속 회전축 굴곡의 2차 진동 모드의 복부에 상당하는 터빈측 부분의 축 직경이 베어링부와 거의 동일한 직경을 가지므로, 굴곡의 2차 진동 모드의 복부에 위치하는 축의 강성이 저하되지 않기 때문에, 굴곡의 2차 위험 속도의 저하를 적어도 1차 위험 속도의 저하량보다 2차 위험 속도의 저하량이 작아지도록 억제하여 축계의 안정성을 더해 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 터보 과급기의 일례를 도시하는 전체 구성도이다.

도 2a는 양단 지지축의 1차 진동 모드를 나타내는 도면이다.

도 2b는 양단 지지축의 2차 진동 모드를 나타내는 도면이다.

도 2c는 양단 지지축의 3차 진동 모드를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 고속 회전축의 전체 구성도이다.

도 4a는 세축부가 없는 경우의 도 3의 고속 회전축의 설명도이다.

도 4b는 축을 뺀 길이가 최대인 경우의 도 3의 고속 회전축의 설명도이다.

도 4c는 축을 뺀 길이가 중간인 경우의 도 3의 고속 회전축의 설명도이다.

도 4d는 축을 뺀 길이가 중간인 경우의 도 3의 고속 회전축의 설명도이다.

도 5는 도 3의 고속 회전축의 축을 뺀 길이와 위험 속도의 관계도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조해 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 의한 고속 회전축의 전체 구성도이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 고속 회전축(10)은 일정한 간격 L을 사이에 둔 2개의 래디얼 베어링(12a, 12b)으로 회전 가능하게 지지된다.

한편, 이 도면에서 래디얼 베어링(12a, 12b)은 일체적으로 연결된 저널 베어링이지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고 도 1과 같이 별개라도 무방하다. 또한, 래디얼 베어링(12a, 12b)은 베어링 하우징에 대해 회전 가능한 이른바 플로팅 베어링이라도, 회전하지 않고 반경 방향으로만 이동 가능한 세미 플로팅 베어링이라도, 혹은 완전하게 고정된 고정 베어링이라도 무방하다. 또한, 래디얼 베어링(12a, 12b)은 기체 베어링이라도 롤러 베어링이라도 무방하다.

본 발명의 고속 회전축(10)은 그 일단(도면에서 좌단)에 터빈 임펠러(1a)가 고정되고 타단에 컴프레서 임펠러(2)가 고정되어, 터빈 임펠러(1a)와 컴프레서 임펠러(2)를 직결하여 터빈 임펠러(1a)의 회전 구동력을 컴프레서 임펠러(2)에 전달하게 된다.

본 발명의 고속 회전축(10)은 베어링 사이에 베어링부의 직경 D보다 직경이 작은 세축부(14)(직경 d)를 더 갖는다.

도 4a 내지 도 4d는 도 3의 고속 회전축(10)의 설명도이다. 이 도면에서, 도 4a는 세축부(14)가 없는 경우, 도 4b는 세축부(14)의 길이("축을 뺀 길이"라고 부름)가 최대(L1)인 경우, 도 4c와 도 4d는 축을 뺀 길이가 그 중간(L2: 세축부가 없는 경우와 최대인 경우의 중간)인 경우이다.

도 4a에서 일점 쇄선 A는 래디얼 베어링(12a, 12b)의 간격 L의 중심으로서, 굴곡의 1차 진동 모드의 복부에 상당한다. 또한, 2개의 파선 B1, B2는 래디얼 베어링(12a, 12b)의 간격 L의 1/4과 3/4의 위치를 나타내며, 굴곡의 2차 진동 모드의 복부에 상당한다.

본 발명의 고속 회전축(10)은, 도 4d에 상당하며, 세축부(14)는 컴프레서측으로 거리 e만큼 오프셋되고, 굴곡의 2차 진동 모드의 복부 B1에 상당하는 터빈측 부분이 베어링부와 거의 동일한 직경을 갖는다. 즉, 세축부(14)는 2개의 래디얼 베어링(12a, 12b)의 축간 거리의 중심에 대해, 세축부(14)의 터빈측의 개시점과 컴프레서측의 종점과의 거리의 중심이 컴프레서측으로 치우치도록 오프셋되어 있다.

도 4c는 비교예로서, 오프셋이 없는 점에서 도 4d와 다르다.

세축부(14)의 오프셋량 e, 직경 d, 길이 L2는 굴곡의 2차 진동 모드의 복부 B1에 상당하는 터빈측 부분이 베어링부와 거의 동일한 직경으로 유지될 수 있는 한, 자유롭게 설정할 수 있다.

한편, 구체적으로는, 소정의 정격 회전수에 대해 1차 위험 속도를 저하시키 고, 또한 2차 위험 속도의 저하량(또는 비율)이 1차 위험 속도의 저하량(또는 비율)을 웃돌지 않도록 컴퓨터 시뮬레이션으로 오프셋량 e, 직경 d, 길이 L2를 설정하는 것이 좋다.

전술한 본 발명의 구성에 따르면, 베어링 사이에 베어링부보다 직경이 작은 세축부(14)를 가지므로, 굴곡의 1차 위험 속도를 낮추어 진동, 소음을 저감시킬 수 있다.

또한, 세축부(14)는 컴프레서측으로 오프셋되어 굴곡의 2차 진동 모드의 복부 B1에 상당하는 터빈측 부분이 베어링부와 거의 동일한 직경을 가지므로, 굴곡의 2차 진동 모드의 복부에 위치하는 축의 강성이 저하하지 않기 때문에, 굴곡의 2차 위험 속도의 저하를 최소한으로 억제하여 축계의 안정성을 증대하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

한편, 굴곡의 2차 위험 속도의 저하를 억제할 수 있는 한에서, 굴곡의 2차 진동 모드의 복부 B1에 상당하는 터빈측 부분을 세축부(14)보다 굵고 베어링부보다 가늘게 해도 무방하다. 또한, 이 부분을 세축부(14) 및 베어링부보다 굵게 해도 된다.

〈제1 실시예〉

도 5는 컴퓨터 시뮬레이션으로 얻어진 도 3의 고속 회전축의 축을 뺀 길이와 위험 속도의 관계도이다. 이 도면에서, 횡축은 세축부(14)의 길이(축을 뺀 길이), 종축은 정격 회전수에 대한 비율(%)이다. 또한, 도면 중 하방의 2개의 파선은 1차 위험 속도, 상방의 2개의 실선은 2차 위험 속도를 나타내고 있다. 또한, 도 5의 A 내지 D의 부호는 각각 도 4a 내지 도 4d의 경우에 대응한다.

이 도면으로부터, 세축부(14)가 없는 경우(A)와 비교해, 축을 뺀 길이가 최대(L1)인 경우(B)에는 1차 위험 속도를 낮출 수 있지만 동시에 2차 위험 속도도 낮아져, 그 때문에 2차 위험 속도가 정격 회전수에 가까워져 축계가 불안정하게 되는 것을 알 수 있다.

또한, 축을 뺀 길이가 중간인 경우(L2) 오프셋이 없는 경우(C)와 비교해, 오프셋이 있는 경우(D)는 1차 위험 속도의 저하의 비율(약 15%)에 비해 2차 위험 속도의 저하 비율(약 5%)이 적어, 2차 위험 속도의 저하를 억제하면서 1차 위험 속도를 낮출 수 있는 것을 알 수 있다.

한편, 이 실시예에서는, 축을 뺀 길이의 최대(L1)가 약 24㎜, 축을 뺀 길이의 중간(L2)이 약 12㎜인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고 컴퓨터 시뮬레이션으로 소정의 정격 회전수에 대해 최적의 오프셋량 e, 직경 d, 길이 L2를 설정하면 된다.

또한, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능한 것은 물론이다.

Claims

서로 이격된 2개의 래디얼 베어링들(12a)(12b)에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단에 고정된 터빈 임펠러(1a)와 타단에 고정된 컴프레서 임펠러(2)를 직결해 터빈 임펠러의 회전 구동력을 컴프레서 임펠러에 전달하는 과급기의 고속 회전축으로서,

상기 고속 회전축은 상기 2개의 래디얼 베어링들(12a)(12b)에 각각 삽입되는 한 쌍의 베어링부 및 상기 베어링부의 직경(D)보다 작은 직경(d)을 가지며 상기 한 쌍의 베어링부 사이에 마련된 세축부(14)를 구비하고;

상기 세축부(14)는 터빈측 래디얼 베어링으로부터 래디얼 베어링 간격의 1/4 위치와 컴프레서측 래디얼 베어링 사이에 위치하고, 또한 그 중심이 상기 2개의 래디얼 베어링들(12a)(12b)의 이격 거리(L)의 중심에 대해 상기 터빈측으로터 상기 컴프레서 쪽으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기의 고속 회전축.
제1항에 있어서,

상기 세축부의 오프셋량, 직경, 길이는 정격 회전수에 대해 1차 위험 속도를 저하시키고, 2차 위험 속도의 저하량(또는 비율)은 1차 위험 속도의 저하량(또는 비율) 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 과급기의 고속 회전축.