CN107076198A - 浮动衬套轴承以及船舶用排气涡轮机 - Google Patents

Abstract

与船舶用发动机5一同搭载于船舶的船舶用排气涡轮机7具备：借助于从船舶用发动机5供给的排气而旋转的涡轮部71；与涡轮部71一体地旋转的轴3；以及支承轴的浮动衬套轴承2。浮动衬套轴承2具备：轴承壳体21；不能旋转地内置于轴承壳体21并且外嵌于轴3的衬套4；以及在衬套4的内周面42侧和外周面41侧的每一侧由润滑油形成的油膜。衬套4具有在半径方向上贯通衬套4的至少一个供油孔43、和形成于衬套4的上半部分的内周面42上且在轴3的旋转方向上深度变浅的部分圆周槽44。

Description

浮动衬套轴承以及船舶用排气涡轮机

技术领域

本发明涉及适合作为支持高速旋转的轴的轴承的浮动衬套轴承以及使用该浮动衬套轴承的船舶用排气涡轮机。

背景技术

近几年，为了提高船舶的燃料消耗率，利用来自于船舶用主机的排气的一部分驱动动力涡轮机，用所得的力助力主机的曲轴（例如参照专利文献1）。这样的动力涡轮机的轴承中，有时使用浮动衬套轴承。浮动衬套轴承通常具有在内周面和外周面上形成有润滑油油膜的衬套，借助于衬套的内周面侧的油膜而支持轴。

已知在浮动衬套轴承中，轴与衬套之间的油膜的行为或轴心的摇晃等会导致轴的旋转变得不稳定，发生轴振动的现象。尤其，在如专利文献1记载的动力涡轮机中，轴的一方的端部与船舶用主机等动力负荷连接，但另一方的端部未与动力负荷连接。因此，如专利文献1记载的动力涡轮机与一般的涡轮机相比轴的振动幅度较大。因此，作为动力涡轮机的轴承，要求轴的振动的抑制效果较高的浮动衬套。

作为轴的振动抑制效果较高的轴承，已知有被称为多圆弧轴承的、与轴之间的滑部由多个圆弧构成的轴承。例如，专利文献2中示出了：具备将内周面设为在与轴心同心的中位圆上加载多条正弦（sin）曲线而得到的曲面形状的衬套的、浮动衬套轴承（半浮动（semi-floating）轴承）。

又，作为轴的振动抑制效果较高的轴承，已知有被称为压力坝轴承（pressure dambearing）的、在上部轴承的内面具有储油部并具有利用在储油部产生的压力按压轴的作用的轴承。例如，专利文献3中示出了：在与轴之间的滑面上设置有将润滑油的运动能量转换为压力而储存的坝部（储油部）的压力坝轴承。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1 : 日本特开2012-116234号公报；

专利文献2 : 日本特开平11-336744号公报；

专利文献3 : 日本特开平9-126277号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

在专利文献2记载的多圆弧轴承中，轴以高速进行旋转，从而即使轴与衬套成为同心，由衬套内周面的正弦曲线的高低起伏形成具有较强的楔形膜作用（楔效应）的部分，由在此产生的动压抑制轴的振动。可是，存在以下问题：多圆弧轴承中，为了加工衬套内周面的复杂形状而需要高超的技术，因此加工费用增多。

又，在专利文献3记载的压力坝轴承中，由在储油部产生的压力将轴向下方按下，从而抑制该轴的振动。然而，存在以下问题：在压力坝轴承中，高速旋转时油膜的发热量增大，引发由润滑油的温度上升造成的烧伤或摩擦转矩的增大等问题。

本发明鉴于以上的情况而形成，其目的在于至少减轻现有技术的问题中的一个以上。

解决问题的手段：

根据本发明的一种形态的浮动衬套轴承具备：

轴承壳体；

不能旋转地内置于所述轴承壳体并且外嵌于轴的衬套，所述衬套具有在半径方向上贯通所述衬套的至少一个供油孔、和形成于所述衬套的上半部分的内周面上且在所述轴的旋转方向上深度变浅的部分圆周槽；以及

在所述衬套的内周面侧和外周面侧的每一侧由润滑油形成的油膜。

又，根据本发明的一种形态的船舶用排气涡轮机，

是与船舶用发动机一同搭载于船舶的船舶用排气涡轮机，

具备：借助于从所述船舶用发动机供给的排气而旋转的涡轮部；

与所述涡轮部一体地旋转的轴；以及

支承所述轴的所述浮动衬套轴承。

在上述结构的浮动衬套轴承以及船舶用排气涡轮机中，在设置于衬套的内周面上的部分圆周槽处形成润滑油的储油部，在该储油部部分产生与其他部分相比较大的油膜压力，利用该油膜压力向下方按住轴。由此，衬套内的轴的偏心率变大，从而可以抑制轴的振动，提高轴的旋转的稳定性。又，借助于设置在衬套的内周面上的部分圆周槽，与如专利文献3记载的以往的压力坝轴承相比，能够抑制衬套以及润滑油的温度上升。而且，与多圆弧轴承的衬套内周面相比，部分圆周槽是简单的形状，能够减少加工费用。

在上述浮动衬套轴承以及船舶用排气涡轮机中，理想的是所述部分圆周槽设置于所述衬套的上半部分的内周面中所述轴的旋转方向上游侧的四分之一圆的区域中。根据该结构，能够由更少容积的部分圆周槽有效地抑制轴的振动。

在上述浮动衬套轴承以及船舶用排气涡轮机中，理想的是所述衬套具有：在所述衬套的内周面上，设置于与所述至少一个供油孔重叠且与所述部分圆周槽的深度较浅的一侧的端部重叠或者挨近的位置的至少一个轴方向槽。根据该结构，可以将部分圆周槽中温度上升的润滑油快速地向轴方向槽引导，通过轴方向槽而从衬套的内周排出。

发明效果：

在根据本发明的浮动衬套轴承以及船舶用排气涡轮机中，利用设置于衬套的内周面上的部分圆周槽的油膜压力向下方按住轴，从而抑制轴的振动。又，借助于设置在衬套的内周面上的部分圆周槽，与如专利文献3记载的以往的压力坝轴承相比，能够抑制衬套以及润滑油的温度上升。而且，部分圆周槽是与多圆弧轴承的衬套内周面相比简单的形状，能够减少加工费用。

附图说明

图1是说明包括本发明的一种实施形态的船舶用排气涡轮机的船舶用发动机系统的概略结构的图；

图2是从轴方向观察浮动衬套轴承的剖视图；

图3是沿图2的III-III线的衬套的剖视图；

图4是示出凹部的变形例的沿图2的III-III线的衬套的剖视图；

图5是说明凹部的位置的图；

图6是说明实施例1的浮动衬套轴承的各种尺寸的图；

图7是示出由实施例1的浮动衬套轴承支承的轴以及由比较例1的浮动衬套轴承支承的轴的转速和振幅的关系的图表。

具体实施方式

接着，参照附图说明本发明的一种形态。图1是说明包括本发明的一种实施形态的船舶用排气涡轮机7的船舶用发动机系统1的概略结构的图。图1所示的船舶用发动机系统1是用于使未图示的船舶航行的所谓的主机，且搭载于船舶。船舶用发动机系统1大致具备发动机主体5、增压器6、和排气涡轮机7。以下，依次说明船舶用发动机系统1的各构成要素。

发动机主体5（船舶用发动机）是成为船舶用发动机系统1的中心的装置，并且本实施形态的发动机主体5是所谓的低速柴油发动机。发动机主体5用于使梢端安装有推进器（propeller）16的推进器轴15旋转，能够使推进器16以在船舶前进的方向上产生推动力的形式正旋转或者以在船舶后退的方向上产生推动力的形式逆旋转。推进器轴15与曲轴51连结，曲轴51与多个活塞52连结。各活塞52随着汽缸53内发生的燃料的燃爆而进行往复运动，借助于各活塞52的往复运动使曲轴51旋转。

又，发动机主体5具备与各汽缸53的上游侧共通的扫气管55、和与各汽缸53的下游侧共通的排气管56。扫气管55将经增压器6压缩过的空气暂时储存后向各汽缸53供给。排气管56将从汽缸53排出的排气暂时储存后向增压器6以及排气涡轮机7供给。

增压器6是将从外部引入的空气压缩而供给至发动机主体5的装置。增压器6具有涡轮部61和压缩部62。从发动机主体5的排气管56排出的排气向涡轮部61供给。涡轮部61利用供给的排气的能量而旋转。通过涡轮部61的排气被引导至烟道。压缩部62通过连结轴63与涡轮部61连结。因此，随着涡轮部61的旋转压缩部62也旋转。压缩部62将从外部引入的空气压缩并向扫气管55供给。

排气涡轮机7是利用排气的能量而助力发动机主体5的装置（动力涡轮机）。排气涡轮机7具有涡轮部71和可变喷嘴72。从发动机主体5向排气涡轮机7供给排气时，涡轮部71借助于供给的排气的能量而旋转。与涡轮部71一体地旋转的轴3与发动机主体5的曲轴51通过减速器12连结，涡轮部71的旋转动力通过减速器12传达至曲轴51。另外，借助于排气而旋转时的排气涡轮机7的旋转方向为一定，仅在发动机主体5进行正旋转的情况下能够助力发动机主体5。

可变喷嘴72设置于排气涡轮机7的入口侧，主要由以环状配置的多个可动叶片（未图示）构成。通过改变该可动叶片的角度而调节可变喷嘴72的开口面积（开度），从而能够改变向涡轮部61的排气的流入速度。又，通过调节可变喷嘴72的开度，从而能够改变向增压器6供给的排气的量（相对于从发动机主体5排出的排气的量向增压器6供给的排气的量的比例）。

排气涡轮机7的轴3由浮动衬套轴承2支持。浮动衬套轴承2大致由轴承壳体21、不能旋转地内置于轴承壳体21同时外嵌于轴3的衬套4、以及在衬套4的内周面42侧和外周面41侧的每一侧由润滑油形成的油膜所形成。衬套4的内周面42是与轴3之间的滑面（滑动面）。

轴承壳体21上形成有用于内置衬套4的圆柱状的空间即壳体孔23、和用于向壳体孔23供给润滑油的油通路22。本实施形态的浮动衬套轴承2中，在壳体孔23的减速器12侧和排气涡轮机7侧的每一侧设置有一个衬套4。以下，详细说明各衬套4的结构。但是，由于各衬套4结构相同，因此在这里说明其中一个衬套4。

图2是从轴方向L观察浮动衬套轴承2的剖视图，图3是沿图2的III-III线的衬套4的剖视图，图4是示出部分圆周槽44的变形例的、沿图2的III-III线的衬套4的剖视图，图5是说明部分圆周槽44的位置的图。如图2以及图3所示，衬套4具有与轴3的轴方向平行地延伸的厚壁圆筒形状。衬套4以在衬套4的外周面41和壳体孔23的内周面之间产生规定的间隙的形式配置于轴承壳体21的内侧，同时由至少一个（本实施形态中为3个）旋转限制销24限制衬套4相对于轴承壳体21的旋转。即，浮动衬套轴承2是所谓的半浮动衬套轴承。

衬套4上形成有在半径方向上贯通衬套4而使衬套4的内周面42侧与外周面41侧连通的至少一个供油孔43。在本实施形态中，供油孔43设置于包括衬套4的顶部在内的将衬套4在圆周方向上均等划分为三部分的适当位置的各处。但是，供油孔43的位置不限于本实施形态。

润滑油通过轴承壳体21的油通路22向衬套4的外周面41侧供给，由该润滑油在衬套4的外周面41侧形成油膜。而且，衬套4的外周面41侧的润滑油通过衬套4的各供油孔43而向衬套4的内周面42侧供给，由该润滑油在衬套4的内周面42侧形成油膜。如此，由形成于衬套4的内周面42和外周面41上的油膜支持轴3。

衬套4的内周面42上形成有至少一个轴方向槽46（在轴方向L上延伸的油槽）。供油孔43在各轴方向槽46上开口。各轴方向槽46的横截面形状可以是三角形或者半圆形。衬套4的内周面42侧的润滑油通过这些轴方向槽46向衬套4的轴方向L两侧导出。

又，在衬套4的上半部分的内周面42上，形成有在轴3的旋转方向（正旋转方向）上深度逐渐变浅的斜坡状的部分圆周槽44。本实施形态的部分圆周槽44是设置在衬套4的轴方向L全长范围内的所谓的通槽。但是，亦可如图4所示，部分圆周槽44是设置在保留于衬套4的轴方向L两端的正圆状的界面部48间的所谓的不通槽。

为了以更少的容积有效地抑制轴3的振动，而将部分圆周槽44设置于衬套4的上半部分的内周面42中轴3的旋转方向上游侧的四分之一圆的区域中是理想的。如图5所示，假定以下极坐标系：从轴方向L观察衬套4，将衬套4 轴心设为原点0，将通过原点0的水平线设为X轴，将通过原点0的垂线设为Y轴，将轴3的旋转方向设为旋转方向。在该极坐标系中，部分圆周槽44的始端P₁处于X轴上的0°至45°的范围内（更理想的是15°至30°的范围），部分圆周槽44的末端P₂处于45°至90°的范围内（更理想的是70°至90°的范围）。即，如果将γ₁设为衬套4的内周面42的半径，则可以将部分圆周槽44的始端P₁的坐标表示为（γ₁，θ₁），将部分圆周槽44的末端P₂的坐标表示为（γ₁，θ₂）。在这里，0°≤θ₁≤45°（更理想的是15°≤θ₁≤30°），45°≤θ₂≤90°（更理想的是70°≤θ₂≤90°），θ₁＜θ₂。又，在上述极坐标系中，部分圆周槽44的深度最大的最深部P₃的坐标可以表示为（γ₂，θ₃）。在这里，γ₁＜γ₂，θ₁≤θ₃＜θ₂。

理想的是部分圆周槽44的末端P₂（即深度较浅的那侧的圆周方向端部）和形成于衬套4的内周面42的顶部的轴方向槽46重叠或者挨近。在这里，“挨近”是指：从轴方向L观察衬套4时，通过衬套4的轴心和部分圆周槽44的末端P₂的直线、以及通过衬套4的轴心和轴方向槽46的直线这两条直线所形成的角度处于大于0°且15°以下的范围。

部分圆周槽44的圆周方向范围α（=θ₂－θ₁）越大，储油部的容积越大而产生越大的油膜压力，但与其相对应的储油部的润滑油的发热量增大。因此，部分圆周槽44的圆周方向范围α的大小，理想的是在产生相对于后述使轴3浮上来的力量能够适当按住轴3的油膜压力的范围内尽可能小。这样的部分圆周槽44的圆周方向范围α例如为30°以上90°以下（30°≤α≤90°）。

在这里，说明上述结构的浮动衬套轴承2的作用。当轴3高速旋转时，由形成衬套4内周面42侧油膜的润滑油的粘性，产生欲使轴3浮上来的压力。对此，形成于衬套4的内周面42上的部分圆周槽44作为润滑油的储油部而发挥功能，润滑油的运动能量作为压力而储存于该储油部中，从而储油部部分的油膜压力高于其他部分。借助于该储油部部分的油膜压力，将轴3向下方按下。由此，衬套4内的轴3的偏心率变大，从而可以抑制轴3的振动，提高轴3的旋转的稳定性。

而且，在上述结构的浮动衬套轴承2中，部分圆周槽44的深度从始端P₁朝向末端P₂（即，根据轴3的旋转方向）而逐渐变浅，因此与部分圆周槽44的深度为一定的情况相比，能够减少相对于槽的开口面积的槽的容积。由此，能够减少由积存于部分圆周槽44中的润滑油形成的油膜的发热量。

又，部分圆周槽44的深度从始端P₁朝向末端P₂变浅，末端P₂与界面（滑面）或者与轴方向槽46平滑地连续，由此，随着轴3的旋转，积存于部分圆周槽44中的润滑油从部分圆周槽44的末端P₂逐渐排出，同时从部分圆周槽44的始端P₁重新向部分圆周槽44内导入润滑油。如此，润滑油不会在部分圆周槽44中滞留，因此能够减少积存于部分圆周槽44中的润滑油的温度上升。

而且，在上述结构的浮动衬套轴承2中，部分圆周槽44的末端P₂与形成于衬套4的内周面42的顶部的轴方向槽46重叠或者挨近，因此在部分圆周槽44中温度上升的润滑油很快被引导至轴方向槽46，并通过轴方向槽46而从衬套4的内周排出。借助于这样的润滑油的流动，使部分圆周槽44中产生的热向衬套4的外部扩散，因此能够提高向衬套4内的润滑油供油的冷却效果。

另外，在上述结构的浮动衬套轴承2中，衬套4的部分圆周槽44的形状与多圆弧轴承的衬套内周面形状相比是简单的。因此，与加工多圆弧轴承的衬套内周面形状的情况相比，能够减少用于在衬套4上加工部分圆周槽44的费用。

实施例

为了验证本发明的浮动衬套轴承2的轴3的振动抑制效果，进行了接下来说明的实验。该实验中，对于实施例1的浮动衬套轴承、比较例1的浮动衬套轴承、以及比较例2的浮动衬套轴承的各者，以浮动衬套轴承支承轴3，一边改变轴3的转速一边测定轴3的振幅。

图6是说明实施例1的浮动衬套轴承的各种尺寸的图。如图6所示，在实施例1的浮动衬套轴承中，使浮动衬套轴承2的壳体孔23的直径Φ₂为53mm，使衬套4的外径D为52.72mm，使衬套4的内径d（除部分圆周槽44部分以外）为36.2mm，使轴3的直径Φ₁为36mm，使衬套4的轴方向L上的宽度为0.7mm，使轴方向槽46的深度为0.7mm。又，使部分圆周槽44的最大深度h为0.2mm，使部分圆周槽44的始端P₁的偏角θ₁为15°，使部分圆周槽44的末端P₂的偏角θ₂为75°，使部分圆周槽44的圆周方向范围α为60°。

比较例1的浮动衬套轴承中，衬套4的内周面42上没有部分圆周槽44，从轴方向L观察的衬套4的内周面42为正圆，除此以外与实施例1的浮动衬套轴承为相同形状。又，比较例2的浮动衬套轴承除了衬套4的内周面42上没有轴方向槽46这点以外与实施例1的浮动衬套轴承为相同形状。

图7是示出由实施例1的浮动衬套轴承支承的轴3以及由比较例1的浮动衬套轴承支承的轴3的转速和振幅的关系的图表。在图7的图表中，纵轴表示轴3的振幅[μm]，横轴表示轴3的转速［rpm］。在该图表中，示出当轴3处于较高转速（25000～50000rpm）时，相比由比较例1的浮动衬套轴承支承的轴3，由实施例1的浮动衬套轴承支承的轴3的振幅较大。由该结果可知，与比较例1的浮动衬套轴承相比，实施例1的浮动衬套轴承在轴3处于较高转速（25000～50000rpm）时抑制轴3的振动的效果较高。

又，在上述实验中，测量了轴3的转速为35000rpm（周速66.0m/s）且轴承间隙为160μm的衬套4的三点平均温度，相对于比较例1的浮动衬套轴承中为79.6℃，实施例1的浮动衬套轴承中降低为74.4℃。由该结果可知，借助于在衬套4的与轴3之间的滑面上形成的部分圆周槽44（储油部），使衬套4及其周围的润滑油的温度上升得以抑制。

而且，在上述实验中，测量了轴3的转速为35000rpm（周速66.0m/s）且轴承间隙为200μm的衬套4的三点平均温度，相对于比较例2的浮动衬套轴承中为71.8℃，实施例1的浮动衬套轴承中降低为67.3℃。又，以上述条件测量了衬套4的部分圆周槽44的温度，相对于比较例2的浮动衬套轴承中为82.6℃，实施例1的浮动衬套轴承中降低为69.8℃。由该结果可知，借助于在衬套4的内周面42上形成的轴方向槽46，使衬套4及其周围的润滑油的温度上升得以抑制。

符号说明：

1 船舶用发动机系统；

2 浮动衬套轴承；

3 轴；

4 衬套；

5 发动机主体（船舶用发动机）；

6 增压器；

7 排气涡轮机（船舶用排气涡轮机）；

71 涡轮部；

12 减速器；

21 轴承壳体；

22 油通路；

23 壳体孔；

24 旋转限制销；

41 外周面；

42 内周面；

43 供油孔；

44 部分圆周槽；

46 轴方向槽；

48 界面部。

Claims (4)

1.一种浮动衬套轴承，其特征在于，具备：

轴承壳体；

不能旋转地内置于所述轴承壳体并且外嵌于轴的衬套，所述衬套具有在半径方向上贯通所述衬套的至少一个供油孔、和形成于所述衬套的上半部分的内周面上且在所述轴的旋转方向上深度变浅的部分圆周槽；以及

在所述衬套的内周面侧和外周面侧的每一侧由润滑油形成的油膜。

2.根据权利要求1所述的浮动衬套轴承，其特征在于，

所述部分圆周槽设置于所述衬套的上半部分的内周面中所述轴的旋转方向上游侧的四分之一圆的区域中。

3.根据权利要求1或2所述的浮动衬套轴承，其特征在于，

所述衬套具有：在所述衬套的内周面上，设置于与所述至少一个供油孔重叠且与所述部分圆周槽的深度较浅的一侧的端部重叠或者挨近的位置的至少一个轴方向槽。

4.一种船舶用排气涡轮机，是与船舶用发动机一同搭载于船舶的船舶用排气涡轮机，其特征在于，具备：

借助于从所述船舶用发动机供给的排气而旋转的涡轮部；

与所述涡轮部一体地旋转的轴；以及

支承所述轴的权利要求1～3中任一项所述的浮动衬套轴承。