JP6442226B2

JP6442226B2 - 浮動ブシュ軸受及び舶用排気タービン

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Publication number: JP6442226B2
Application number: JP2014217706A
Authority: JP
Inventors: 和樹古賀; 山口　正人; 正人山口; 西山　徹; 徹西山
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: KR101914682B1; WO2016063456A1; CN107076198A; KR20170054443A; JP2016084860A; CN107076198B

Description

本発明は、高速回転する軸を支持する軸受として好適な浮動ブシュ軸受及びこれを用いた舶用排気タービンに関する。

近年、船舶の燃費を向上させるために、舶用主機からの排気ガスの一部でパワータービンを駆動し、得られた力で主機のクランク軸を加勢することが行われている（例えば、特許文献１、参照）。このようなパワータービンの軸受に浮動ブシュ軸受が用いられることがある。浮動ブシュ軸受は、一般に、内周面及び外周面に潤滑油による油膜が形成されたブシュを有し、ブシュの内周面側の油膜を介して軸を支持している。

浮動ブシュ軸受では、軸とブシュの間の油膜の挙動や軸心の揺れ等によって軸の回転が不安定となり、軸が振動する現象が生じることが知られている。特に、特許文献１に記載のようなパワータービンでは、軸の一方の端部は舶用主機等の動力負荷と接続されるが、他方の端部は動力負荷と接続されない。そのため、特許文献１に記載のようなパワータービンは一般的なタービンと比較して軸の振れ幅が大きい。そこで、パワータービンの軸受として軸の振動の抑制効果の高い浮動ブシュが要求される。

軸の振動抑制効果の高い軸受として、多円弧軸受と呼ばれる、軸との滑り部が複数個の円弧からなる軸受が知られている。例えば、特許文献２には、内周面を軸心と同心の中立円にサイン曲線を複数乗せた曲面形状としたブシュを備えた、浮動ブシュ軸受（セミフローティング軸受）が示されている。

また、軸の振動抑制効果の高い軸受として、圧力ダム軸受と呼ばれる、上部軸受の内面に油溜まりをもち、油溜まりに生じた圧力で軸を押さえる作用を持つ軸受が知られている。例えば、特許文献３には、軸との滑り面に、潤滑油の運動エネルギを圧力に変換して蓄えるダム部（油溜まり）が設けられた圧力ダム軸受が示されている。

特開２０１２-１１６２３４号公報特開平１１−３３６７４４号公報特開平９−１２６２７７号公報

特許文献２に記載の多円弧軸受では、軸が高速で回転することにより軸とブシュとが同心となってもブシュ内周面のサイン曲線によるうねりにより強いくさび膜作用を持つ部分が形成され、ここで生じる動圧により軸の振動が抑制される。ところが、多円弧軸受はブシュ内周面の複雑な形状を加工するために高い技術を要することから加工費用が嵩むことが課題となる。

また、特許文献３に記載の圧力ダム軸受では、油溜まりで生じる圧力により軸が下方に押し下げられることにより当該軸の振動が抑制される。しかしながら、圧力ダム軸受では、高速回転においては油膜における発熱量が増大し、潤滑油の温度上昇による焼き付けや摩擦トルクの増大といった問題を引き起こすことが課題となる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、先行技術の課題の一つ以上を少なくとも軽減することである。

本発明の一態様に係る浮動ブシュ軸受は、
軸受ハウジングと、
前記軸受ハウジングに回転不能に内装されると共に軸に外嵌されたブシュであって、前記ブシュを半径方向に貫く少なくとも１つの給油孔と、前記ブシュの上半分の内周面に形成された前記軸の回転方向に深さが浅くなる部分円周溝とを有するブシュと、
前記ブシュの内周面側と外周面側のそれぞれにおいて潤滑油により形成された油膜とを、備え、
前記ブシュが、前記ブシュの内周面において、前記少なくとも１つの給油孔と重複し、且つ、前記部分円周溝の深さの浅い側の端部と重複する位置に設けられた、少なくとも１つの軸方向溝を有することを特徴としている。

また、本発明の一態様に係る舶用排気タービンは、
舶用エンジンと共に船舶に搭載される舶用排気タービンであって、
前記舶用エンジンから供給された排気ガスによって回転するタービン部と、
前記タービン部と一体的に回転する軸と、
前記軸を支承する前記浮動ブシュ軸受とを、備えることを特徴としている。

上記構成の浮動ブシュ軸受及び舶用排気タービンでは、ブシュの内周面に設けられた部分円周溝に潤滑油の油溜まりが形成され、この油溜まり部分に他の部分と比較して大きな油膜圧力が生じ、この油膜圧力で軸が下方へ押えつけられる。これにより、ブシュ内の軸の偏心率が大きくなって、軸の振動が抑制され、軸の回転の安定性を向上させることができる。また、ブシュの内周面に設けられた部分円周溝によって、特許文献３に記載されたような従来の圧力ダム軸受と比較して、ブシュ及び潤滑油の温度上昇を抑制することができる。しかも、部分円周溝は、多円弧軸受のブシュ内周面と比較して単純な形状であり、加工費用を抑えることができる。

上記浮動ブシュ軸受及び舶用排気タービンにおいて、前記部分円周溝が、前記ブシュの上半分の内周面のうち前記軸の回転方向上流側の四半円の領域に設けられていることが望ましい。この構成によれば、より少ない容積の部分円周溝によって効果的に軸の振動を抑制することができる。

上記浮動ブシュ軸受及び舶用排気タービンにおいて、前記ブシュが、前記少なくとも１つの軸方向溝を有するので、部分円周溝で温度上昇した潤滑油が速やかに軸方向溝へ導かれ、軸方向溝を通じてブシュの内周から排出される。

本発明に係る浮動ブシュ軸受及び舶用排気タービンでは、ブシュの内周面に設けられた部分円周溝の油膜圧力で軸が下方へ押えつけられることにより、軸の振動が抑制される。また、ブシュの内周面に設けられた部分円周溝によって、特許文献３に記載されたような従来の圧力ダム軸受と比較して、ブシュ及び潤滑油の温度上昇を抑制することができる。しかも、部分円周溝は、多円弧軸受のブシュ内周面と比較して単純な形状であり、加工費用を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る舶用排気タービンを含む舶用エンジンシステムの概略構成を説明する図である。浮動ブシュ軸受を軸方向から見た断面図である。図２のIII−III線に沿ったブシュの断面図である。凹部の変形例を示す図２のIII−III線に沿ったブシュの断面図である。凹部の位置を説明する図である。実施例１に係る浮動ブシュ軸受の各種寸法を説明する図である。実施例１に係る浮動ブシュ軸受で支承した軸と比較例１に係る浮動ブシュ軸受で支承した軸との回転数と振幅の関係を示すグラフである。

次に、図面を参照して本発明の一態様を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る舶用排気タービン７を含む舶用エンジンシステム１の概略構成を説明する図である。図１に示された舶用エンジンシステム１は、図示されない船舶を航行させるためのいわゆる主機であって、船舶に搭載されている。舶用エンジンシステム１は、エンジン本体５と、過給機６と、排気タービン７とを概ね備えている。以下、舶用エンジンシステム１の各構成要素について順に説明する。

エンジン本体５（舶用エンジン）は、舶用エンジンシステム１の中心となる装置であって、本実施形態のエンジン本体５はいわゆる低速ディーゼルエンジンである。エンジン本体５は、先端にプロペラ１６が取り付けられたプロペラ軸１５を回転させるためのものであり、プロペラ１６を船舶が前進する方向に推進力が発生するように正回転させたり船舶が後進する方向に推進力が発生するように逆回転させたりすることができる。プロペラ軸１５はクランク軸５１に連結されており、クランク軸５１は複数のピストン５２に連結されている。各ピストン５２はシリンダ５３内での燃料の爆発に伴って往復運動し、各ピストン５２の往復運動によってクランク軸５１が回転する。

また、エンジン本体５は、各シリンダ５３の上流側に共通の掃気管５５と、各シリンダ５３の下流側に共通の排気管５６を備えている。掃気管５５は、過給機６で圧縮された空気を一旦溜めて各シリンダ５３へ供給する。排気管５６は、シリンダ５３から排出された排気ガスを一端溜めて過給機６及び排気タービン７へ供給する。

過給機６は、外部から取り込んだ空気を圧縮してエンジン本体５に供給する装置である。過給機６は、タービン部６１と、コンプレッサ部６２とを有している。エンジン本体５の排気管５６から排出された排気ガスは、タービン部６１へ供給される。タービン部６１は、供給された排気ガスのエネルギを利用して回転する。タービン部６１を通過した排気ガスは煙道へと導かれる。コンプレッサ部６２は、連結軸６３を介してタービン部６１と連結されている。そのため、タービン部６１の回転に伴って、コンプレッサ部６２も回転する。コンプレッサ部６２は、外部から取り込んだ空気を圧縮し、掃気管５５へ供給する。

排気タービン７は、排気ガスのエネルギを利用してエンジン本体５を助勢する装置（パワータービン）である。排気タービン７は、タービン部７１と、可変ノズル７２とを有している。排気タービン７にエンジン本体５から排気ガスが供給されると、タービン部７１は供給された排気ガスのエネルギによって回転する。タービン部７１と一体的に回転する軸３はエンジン本体５のクランク軸５１に減速機１２を介して連結されており、タービン部７１の回転動力が減速機１２を介してクランク軸５１に伝達される。なお、排気ガスによって回転するときの排気タービン７の回転方向は一定であり、エンジン本体５が正回転する場合にのみエンジン本体５を助勢することができる。

可変ノズル７２は、排気タービン７の入口側に設けられており、主に環状に配置された複数の可動ベーン（図示せず）によって構成されている。この可動ベーンの角度を変えることで、可変ノズル７２の開口面積（開度）を調整することにより、タービン部６１への排気ガスの流入速度を変化させることができる。また、可変ノズル７２の開度を調整することで、過給機６に供給される排気ガスの量（エンジン本体５から排出される排気ガスの量に対する過給機６に供給される排気ガスの量の割合）を変化させることができる。

排気タービン７の軸３は、浮動ブシュ軸受２により支持されている。浮動ブシュ軸受２は、軸受ハウジング２１と、軸受ハウジング２１に回転不能に内装されると共に軸３に外嵌されたブシュ４と、ブシュ４の内周面４２側と外周面４１側のそれぞれにおいて潤滑油により形成された油膜とから概ね構成されている。ブシュ４の内周面４２が、軸３との滑り面（摺動面）である。

軸受ハウジング２１には、ブシュ４を内装するための円柱状の空間であるハウジングボア２３と、ハウジングボア２３へ潤滑油を供給するための油路２２が形成されている。本実施形態に係る浮動ブシュ軸受２には、ハウジングボア２３の減速機１２側と排気タービン７側のそれぞれに一つずつのブシュ４が設けられている。以下、各ブシュ４の構造について詳細に説明する。但し、各ブシュ４は同じ構造であるので、ここではそのうち１つのブシュ４について説明する。

図２は浮動ブシュ軸受２を軸方向Ｌから見た断面図、図３は図２のIII−III線に沿ったブシュ４の断面図、図４は部分円周溝４４の変形例を示す図２のIII−III線に沿ったブシュ４の断面図、図５は部分円周溝４４の位置を説明する図である。図２及び図３に示すように、ブシュ４は、軸３の軸方向と平行に延びる厚肉円筒形状を有している。ブシュ４は、ブシュ４の外周面４１とハウジングボア２３の内周面との間に所定の間隙が生じるように軸受ハウジング２１の内側に配置されるとともに、少なくとも１つ（本実施形態では３つ）の回転拘束ピン２４によって軸受ハウジング２１に対するブシュ４の回転が規制されている。つまり、浮動ブシュ軸受２は、いわゆるセミフローティングブシュ軸受である。

ブシュ４には、ブシュ４を半径方向に貫いて、ブシュ４の内周面４２側と外周面４１側とを連通させる、少なくとも１つの給油孔４３が形成されている。本実施形態においては、ブシュ４の頂部を含む、ブシュ４を円周方向に３つに等分割する適宜位置の各々に給油孔４３が設けられている。但し、給油孔４３の位置は本実施形態に限定されない。

ブシュ４の外周面４１側へ、軸受ハウジング２１の油路２２を通じて潤滑油が供給され、この潤滑油によりブシュ４の外周面４１側に油膜が形成される。そして、ブシュ４の外周面４１側の潤滑油は、ブシュ４の各給油孔４３を通じてブシュ４の内周面４２側へ供給され、この潤滑油によりブシュ４の内周面４２側に油膜が形成される。このようにして、ブシュ４の内周面４２及び外周面４１に形成された油膜により軸３が支持されている。

ブシュ４の内周面４２には、少なくとも１つの軸方向溝４６（軸方向Ｌに延びる油溝）が形成されている。各軸方向溝４６には給油孔４３が開口している。各軸方向溝４６の横断面形状は、三角形又は半円形であってよい。これらの軸方向溝４６を通じて、ブシュ４の内周面４２側の潤滑油が、ブシュ４の軸方向Ｌ両側へ導出される。

また、ブシュ４の上半分の内周面４２には、軸３の回転方向（正回転方向）に深さが徐々に浅くなるテーパ状の部分円周溝４４が形成されている。本実施形態に係る部分円周溝４４は、ブシュ４の軸方向Ｌ全幅に亘って設けられた、いわゆる通し溝である。但し、図４に示すように、部分円周溝４４が、ブシュ４の軸方向Ｌ両端に残された真円状のランド部４８間に設けられた、いわゆる止まり溝であってもよい。

部分円周溝４４は、より少ない容積で効果的に軸３の振動を抑制するために、ブシュ４の上半分の内周面４２のうち軸３の回転方向上流側の四半円の領域に設けられることが望ましい。図５に示すように、ブシュ４を軸方向Ｌから見て、ブシュ４の軸心を原点０とし、原点０を通る水平線をＸ軸とし、原点０を通る垂線をＹ軸とし、軸３の回転方向を回転方向とした極座標系を仮定する。この極座標系において、部分円周溝４４の始端Ｐ₁はＸ軸上の０°から４５°までの範囲（更に望ましくは、１５°から３０°までの範囲）にあり、部分円周溝４４の終端Ｐ₂は４５°から９０°までの範囲（更に望ましくは、７０°から９０°までの範囲）にある。つまり、ｒ₁をブシュ４の内周面４２の半径とすると、部分円周溝４４の始端Ｐ₁の座標を（ｒ₁，θ₁）と表し、部分円周溝４４の終端Ｐ₂の座標を（ｒ₁，θ₂）と表すことができる。ここで、０°≦θ₁≦４５°（更に望ましくは、１５°≦θ₁≦３０°）、４５°≦θ₂≦９０°（更に望ましくは、７０°≦θ₂≦９０°）、θ₁＜θ₂である。また、上記極座標系において、部分円周溝４４の深さが最大となる最深部Ｐ₃の座標は（ｒ₂，θ₃）と表すことができる。ここで、ｒ₁＜ｒ₂であり、θ₁≦θ₃＜θ₂である。

部分円周溝４４の終端Ｐ₂（即ち、深さの浅い側の円周方向端部）は、ブシュ４の内周面４２の頂部に形成された軸方向溝４６と重複している、又は、近接していることが望ましい。ここで、「近接している」とは、ブシュ４を軸方向Ｌから見たときに、ブシュ４の軸心と部分円周溝４４の終端Ｐ₂を通る直線と、ブシュ４の軸心と軸方向溝４６を通る直線との、２つの直線の成す角度が０°より大きく１５°以下の範囲であることを言う。

部分円周溝４４の円周方向範囲α（＝θ₂−θ₁）は、大きければ油溜まりの容積が大きくなってより大きな油膜圧力が生じるが、そのぶん油溜まりの潤滑油の発熱量が増大する。そのため、部分円周溝４４の円周方向範囲αの大きさは、後述する軸３を浮上させる力に対して適切に軸３を押えつけることのできる油膜圧力を生じさせる範囲でより小さいことが望ましい。このような、部分円周溝４４の円周方向範囲αは、例えば、３０°以上９０°以下（３０°≦α≦９０°）である。

ここで、上記構成の浮動ブシュ軸受２の作用について説明する。軸３が高速回転すると、ブシュ４の内周面４２側の油膜を形成している潤滑油の粘性により、軸３を浮上させようとする圧力が生じる。これに対し、ブシュ４の内周面４２に形成された部分円周溝４４が潤滑油の油溜まりとして機能し、この油溜まりに潤滑油の運動エネルギが圧力として蓄えられることにより、油溜まり部分の油膜圧力が他の部分よりも高くなる。この油溜まり部分の油膜圧力によって軸３が下方に押し下げられる。これにより、ブシュ４内の軸３の偏心率が大きくなって、軸３の振動が抑制され、軸３の回転の安定性を向上させることができる。

そして、上記構成の浮動ブシュ軸受２では、部分円周溝４４の深さが始端Ｐ₁から終端Ｐ₂に向かって（即ち、軸３の回転方向に従って）徐々に浅くなっていることによって、部分円周溝４４の深さが一定である場合と比較して、溝の開口面積に対する溝の容積を低減することができる。これにより、部分円周溝４４に溜まった潤滑油による油膜の発熱量を低減することができる。

また、部分円周溝４４の深さが始端Ｐ₁から終端Ｐ₂に向かって浅くなり、終端Ｐ₂とランド（滑り面）又は軸方向溝４６とが滑らかに連続していることによって、軸３の回転に伴って部分円周溝４４に溜まっている潤滑油が部分円周溝４４の終端Ｐ₂から徐々に排出されるとともに、部分円周溝４４の始端Ｐ₁から新たに潤滑油が部分円周溝４４内へ導入される。このように部分円周溝４４で潤滑油が滞留しないので、部分円周溝４４に溜まっている潤滑油の温度上昇を低減することができる。

更に、上記構成の浮動ブシュ軸受２では、部分円周溝４４の終端Ｐ₂が、ブシュ４の内周面４２の頂部に形成された軸方向溝４６と重複している、又は、近接しているので、部分円周溝４４で温度上昇した潤滑油が速やかに軸方向溝４６へ導かれ、軸方向溝４６を通じてブシュ４の内周から排出される。このような潤滑油の流れによって部分円周溝４４で発生した熱がブシュ４の外部へ放散されるので、ブシュ４内への潤滑油給油による冷却効果を高めることができる。

なお、上記構成の浮動ブシュ軸受２において、ブシュ４の部分円周溝４４の形状は、多円弧軸受のブシュ内周面形状と比較して単純である。よって、ブシュ４に部分円周溝４４を加工するための費用を、多円弧軸受のブシュ内周面形状を加工する場合と比較して抑えることができる。

［実施例］
本発明に係る浮動ブシュ軸受２の軸３の振動抑制効果を検証するために、次に説明する実験を行った。この実験では実施例１に係る浮動ブシュ軸受、比較例１に係る浮動ブシュ軸受、及び比較例２に係る浮動ブシュ軸受のそれぞれについて、浮動ブシュ軸受で軸３を支承し、軸３の回転数を変化させながら軸３の振幅を測定した。

図６は実施例１に係る浮動ブシュ軸受の各種寸法を説明する図である。図６に示すように、実施例１に係る浮動ブシュ軸受では、浮動ブシュ軸受２のハウジングボア２３の直径Φ₂を53mm、ブシュ４の外径Ｄを52.72mm、ブシュ４の内径ｄ（部分円周溝４４部分を除く）を36.2mm、軸３の直径Φ₁を36mm、ブシュ４の軸方向Ｌの幅を0.7mm、軸方向溝４６の深さを0.7mmとした。また、部分円周溝４４の最大深さｈを0.2mm、部分円周溝４４の始端Ｐ₁の偏角θ₁を15°、部分円周溝４４の終端Ｐ₂の偏角θ₂を75°、部分円周溝４４の円周方向範囲αを60°とした。

比較例１に係る浮動ブシュ軸受は、ブシュ４の内周面４２に部分円周溝４４が無く、軸方向Ｌから見たブシュ４の内周面４２が真円である点を除いて、実施例１に係る浮動ブシュ軸受と同じ形状である。また、比較例２に係る浮動ブシュ軸受は、ブシュ４の内周面４２に軸方向溝４６が無い点を除いて、実施例１に係る浮動ブシュ軸受と同じ形状である。

図７は実施例１に係る浮動ブシュ軸受で支承した軸３と比較例１に係る浮動ブシュ軸受で支承した軸３との回転数と振幅の関係を示すグラフである。図７のグラフにおいて、縦軸が軸３の振幅[μm]を表し、横軸が軸３の回転数［rpm］を表している。このグラフでは、軸３が高い回転数（25000〜50000rpm）のときに、比較例１に係る浮動ブシュ軸受で支承された軸３よりも、実施例１に係る浮動ブシュ軸受で支承された軸３の振幅が大きいことが示されている。この結果から、実施例１に係る浮動ブシュ軸受は、比較例１に係る浮動ブシュ軸受と比較して、軸３の高い回転数（25000〜50000rpm）において軸３の振動を抑制する効果が高いことがわかった。

また、上記実験において、軸３の回転数が35000rpm（周速66.0m/s）で軸受隙間が160μmにおけるブシュ４の３点平均温度を計測したところ、比較例１に係る浮動ブシュ軸受で79.6℃であったのに対し、実施例１に係る浮動ブシュ軸受では74.4℃と低下していた。この結果から、ブシュ４の軸３との滑り面に形成された部分円周溝４４（油溜まり）により、ブシュ４及びその周囲の潤滑油の温度上昇が抑制されていることが分かった。

さらに、上記実験において、軸３の回転数が35000rpm（周速66.0m/s）で軸受隙間が200μmにおけるブシュ４の３点平均温度を計測したところ、比較例２に係る浮動ブシュ軸受で71.8℃であったのに対し、実施例１に係る浮動ブシュ軸受では67.3℃と低下していた。また、上記条件で、ブシュ４の部分円周溝４４の温度を計測したところ、比較例２に係る浮動ブシュ軸受で82.6℃であったのに対し、実施例１に係る浮動ブシュ軸受では69.8℃と低下していた。この結果から、ブシュ４の内周面４２に形成された軸方向溝４６により、ブシュ４及びその周囲の潤滑油の温度上昇が抑制されていることが分かった。

１舶用エンジンシステム
２浮動ブシュ軸受
３軸
４ブシュ
５エンジン本体（舶用エンジン）
６過給機
７排気タービン（舶用排気タービン）
７１タービン部
１２減速機
２１軸受ハウジング
２２油路
２３ハウジングボア
２４回転拘束ピン
４１外周面
４２内周面
４３給油孔
４４部分円周溝
４６軸方向溝
４８ランド部

Claims

軸受ハウジングと、
前記軸受ハウジングに回転不能に内装されると共に軸に外嵌されたブシュであって、前記ブシュを半径方向に貫く少なくとも１つの給油孔と、前記ブシュの上半分の内周面に形成された前記軸の回転方向に深さが浅くなる部分円周溝とを有するブシュと、
前記ブシュの内周面側と外周面側のそれぞれにおいて潤滑油により形成された油膜とを、備え、
前記ブシュが、前記ブシュの内周面において、前記少なくとも１つの給油孔と重複し、且つ、前記部分円周溝の深さの浅い側の端部と重複する位置に設けられた、少なくとも１つの軸方向溝を有する、
浮動ブシュ軸受。
前記部分円周溝が、前記ブシュの上半分の内周面のうち前記軸の回転方向上流側の四半円の領域に設けられている、請求項１に記載の浮動ブシュ軸受。
舶用エンジンと共に船舶に搭載される舶用排気タービンであって、
前記舶用エンジンから供給された排気ガスによって回転するタービン部と、
前記タービン部と一体的に回転する軸と、
前記軸を支承する請求項１又は２に記載の浮動ブシュ軸受とを、
備える舶用排気タービン。