CN101473124A - 旋转机械的轴承构造、旋转机械、轴承构造的制造方法、以及旋转机械的制造方法 - Google Patents

旋转机械的轴承构造、旋转机械、轴承构造的制造方法、以及旋转机械的制造方法 Download PDF

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Abstract

轴承装置，具备分别由浮动套筒型的滑动轴承构成的涡轮机侧轴承(21)和压缩机侧轴承(22)。涡轮机侧轴承(21)与旋转轴(13)之间的间隙(涡轮机侧内周间隙(TI))设定为大于压缩机侧轴承(22)与旋转轴(13)之间的间隙(压缩机侧内周间隙(CI))。根据这样的轴承结构，能够抑制含有自激振动的不稳定振动。

Description

旋转机械的轴承构造、旋转机械、轴承构造的制造方法、以及旋转机械的制造方法
技术领域
本发明涉及一种轴承构造，用于增压机等的高速旋转机械，特别地涉及一种抑制含有自激振动的不稳定振动的技术。
背景技术
作为用于增压机等的高速旋转机械的轴承构造，公知有具备浮动套筒型的滑动轴承(浮动套筒轴承)的构造。该轴承构造是由下述结构构成的：滑动轴承(浮动套筒)以能够旋转的状态配设在旋转轴和外壳之间，分别从润滑油供给源向轴和轴承的间隙以及轴承和外壳的间隙供给润滑油。
另外，将事先压缩向内燃机的气缸供给的空气或混合气体的动作称为增压，将该压缩机称为增压机(supercharger)。此外，将其中与利用了内燃机的排气的气体涡轮机直接连结的增压机称为排气涡轮增压机，或者简称为涡轮增压机(turbocharger)。在以下的说明中，除特别需要的情况，将涡轮增压机简称为“增压机”。
在具备浮动套筒轴承的轴承构造中，轴在轴承的内方经由油膜而旋转，随着该轴的旋转而轴承旋转运动。并且，能够利用形成于轴承的内周面上以及外周面上的油膜而获得振动抑制效果。由于利用轴承的旋转运动来抑制轴和轴承的速度差，所以可以使伴随润滑油的剪断的能量损失比较小。
作为浮动套筒轴承中存在的问题，有时会作为轴以及轴承***的振动模型而产生不稳定的振动。该不稳定振动与起因于机械的不平衡的模型特性(旋转一次振动等)不同，认为是与存在于轴和轴承之间的间隙的粘性流体的运动及轴心的摆动等对应而产生的，含有被称为油膜涡动(oil-whirl)、油膜振荡(oil-whip)等的自激振动(例如，参照专利文献1)。
并且，这样的不稳定振动会成为高速运转时的噪音原因，所以为了抑制其而提出有各种技术(例如，参照专利文献2、3、4)。但是，难以完全地抑制不稳定振动。
专利文献1：日本国专利申请公开公报特开2002-213450号(段落编号0043-0046、第10图)
专利文献2：日本国专利申请公开公报特开2002-138846号
专利文献3：日本国专利申请公开公报特开2002-213248号
专利文献4：日本国专利申请公开公报特开2001-12460号
专利文献5：日本国专利申请公开公报特开平11-336744号
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴承构造，能够抑制含有自激振动的不稳定振动。
关于分别由浮动套筒轴承构成的涡轮机侧轴承以及压缩机侧轴承，本案发明者认识到，在各轴承与旋转轴的间隙(内周间隙)以及各轴承与外壳的间隙(外周间隙)中，特别地通过适当地设定上述内周间隙，能够抑制不稳定振动。
即，本发明的轴承构造是配设在连结涡轮机叶轮和压缩机叶轮的旋转轴上的旋转机械的轴承构造，具备分别由浮动套筒型的滑动轴承构成的涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承，上述涡轮机侧轴承与上述旋转轴之间的涡轮机侧内周间隙设定为大于上述压缩机侧轴承与上述旋转轴之间的压缩机侧内周间隙。
根据该轴承构造，通过内周间隙的上述设定，能够抑制不稳定振动。
在此，优选上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙二者的差相对于上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙的平均值的比例为0.2以上。
即，优选在将涡轮机侧内周间隙作为TI，将压缩机侧内周间隙作为CI，将它们的平均值(内周间隙平均值)作为AI时，满足(TI-CI)/AI≥0.2。
另外，本发明的轴承构造也能够用于涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承被一体化的方式。
本发明的旋转机械具备涡轮机叶轮、压缩机叶轮、连结上述涡轮机叶轮和上述压缩机叶轮的旋转轴、包围上述旋转轴的外壳、旋转自如地支承上述旋转轴的轴承装置，上述轴承装置具有如上所述的轴承构造。
根据该旋转机械，利用本发明的轴承构造来抑制含有自激振动的不稳定振动，所以降低高速运转时的噪音。
本发明的轴承构造的制造方法是浮动套筒型的轴承构造的制造方法，上述轴承构造具备支承旋转轴的分别为浮动套筒型的涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承，将上述涡轮机侧轴承与上述旋转轴之间的涡轮机侧内周间隙设定为大于上述压缩机侧轴承与上述旋转轴之间的压缩机侧内周间隙。
根据该轴承构造的制造方法，能够制造抑制高速运转时的不稳定振动的低噪音的轴承构造。
本发明的旋转机械的制造方法是具有浮动套筒型的轴承构造的旋转机械的制造方法，上述轴承构造具备支承旋转轴的分别为浮动套筒型的涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承，将上述涡轮机侧轴承与上述旋转轴之间的涡轮机侧内周间隙设定为大于上述压缩机侧轴承与上述旋转轴之间的压缩机侧内周间隙。
在此，优选上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙二者的差相对于上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙的平均值的比例为0.2以上。
根据该旋转机械的制造方法，能够制造抑制高速运转时的不稳定振动的低噪音的旋转机械。
根据本发明的旋转机械的轴承构造，通过令涡轮机侧轴承的内周间隙大于压缩机侧轴承的内周间隙，能够抑制含有自激振动的不稳定振动。
根据本发明的旋转机械，能够通过不稳定振动的抑制来降低高速运转时的噪音。
根据本发明的轴承构造的制造方法，能够制造抑制不稳定振动的低噪音的轴承构造。
根据本发明的旋转机械的制造方法，能够制造抑制不稳定振动的低噪音的旋转机械。
附图说明
图1是表示使用了本发明的轴承构造的增压机(涡轮增压机)的整体结构的剖面图。
图2是示意地表示轴承装置的要部的图。
图3是表示对具备轴承装置的增压机进行振动试验的结果的图表。
附图标记说明
10...增压机(旋转机械)
11...涡轮机叶轮
12...压缩机叶轮
13...轴(旋转轴)
14...外壳
14b...轴承外壳
15...轴承装置
21...涡轮机侧轴承(浮动套筒轴承)
22...压缩机侧轴承(浮动套筒轴承)
23...油路
TO...涡轮机侧外侧间隙
TI...涡轮机侧内周间隙
CO...压缩机侧外周间隙
CI...压缩机侧内周间隙
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式例。
图1是表示使用本发明的轴承构造的增压机(涡轮增压机)的整体结构的剖面图。
在图1中，增压机10构成为具备涡轮机叶轮11、压缩机叶轮12、作为连结涡轮机叶轮11和压缩机叶轮12的旋转轴的轴13、包围它们的外壳14、在外壳内以支承轴13自如旋转的方式支承轴13的轴承装置15。
涡轮机叶轮11和轴13通过焊接等而被一体化，压缩机叶轮12和轴13经由螺母等被结合。此外，外壳14顺序地连结涡轮机外壳14a、轴承外壳14b、密封板14c、以及压缩机外壳14d等而构成。
若涡轮机叶轮11利用内燃机的排气而旋转，则经由轴12而向压缩机叶轮12传递该旋转力。并且，向内燃机供给随着压缩机叶轮12的旋转而被压缩的空气(或者混合气)。轴13的转速是例如数万至数十万rpm。
轴承装置15具有全浮式的浮动套筒轴承构造。即，轴承装置15具有在轴方向上分离配置的两个浮动套筒轴承(浮动轴承)21、22，分别经由油路23等向轴13和轴承21、22之间的间隙以及轴承21、22和外壳(轴承外壳14b)之间的间隙供给润滑油。另外，利用推力轴承25以及轴环26等支承轴13的推力方向的载荷。
在轴承装置15中，在轴承21、22的内周面上以及外周面上形成/保持有油膜，并且轴13经由油膜而在轴承21、22的内方旋转。进而随着该轴13的旋转而轴承21、22经由油膜而在轴承外壳14b的内方旋转运动。轴承21、22的转速是例如轴13的转速的数十％左右。并且，利用形成于轴承21、22的内周面上以及外周面上的油膜，能够获得振动抑制效果。通过轴承21、22的旋转运动而抑制轴13和轴承21、22的速度差，因此能够令伴随润滑油的剪断的能量损失较小。
图2是示意地表示轴承装置15的要部的图。在图2中，对于与图1相同的构成部件标注相同的附图标记。
在此，将轴13与涡轮机侧轴承21的间隙(涡轮机侧内周间隙)作为TI，将轴13与压缩机侧轴承22的间隙(压缩机侧内周间隙)作为CI，将涡轮机侧轴承21与轴承外壳14b的间隙(涡轮机侧外周间隙)作为TO，将压缩机侧轴承22与轴承外壳14b的间隙(压缩机侧外周间隙)作为CO。
此外，将涡轮机侧内周间隙(TI)和压缩机侧内周间隙(CI)的平均值(内周间隙平均值)作为AI。
在轴承装置15中，设定下述的式(1)以及式(2)的条件。
TI>CI...(1)
(TI-CI)/AI≥0.2...(2)
在该轴承装置15中，涡轮机侧内周间隙(TI)设定为大于压缩机侧内周间隙(CI)，更优选涡轮机侧内周间隙(TI)和压缩机侧内周间隙(CI)二者的差相对于涡轮机侧内周间隙(TI)和压缩机侧内周间隙(CI)的平均值(AI)的比例为0.2以上，由此抑制含有自激振动的不稳定振动。其结果，利用具备设定为上述条件的轴承装置15的增压机10(参照图1)，能够降低高速运转时的噪音。
在该轴承装置15中，在上述的内周间隙的设定(TI>CI)之外，还能够进行外周间隙的设定。该情况下，通过令涡轮机侧外周间隙(TO)与压缩机侧外周间隙(CO)大致相同(TO＝CO)，或将压缩机侧外周间隙(CO)设定为大于涡轮机侧外周间隙(TO)(TO<CO)，对于上述的不稳定振动抑制具有效果。关于该振动抑制，确认“TI>CI，TO＝CO”是最有效的，“TI>CI，TO<CO”是其次具有较高效果的。
接着，参照图3说明对具有上述的轴承装置15的增压机10进行振动试验的结果。另外，在以下的说明中适当地使用图2所示的附图标记。
振动试验在内周间隙差(TI-CI)不同的多个条件下进行，通过频谱分析等而分别将不稳定振动成分抽样而进行比较。
图3是表示内周间隙差和不稳定振动功率比的关系的图表。
横轴表示涡轮机侧内周间隙(TI)和压缩机侧内周间隙(CI)二者的差相对于涡轮机侧内周间隙(TI)和压缩机侧内周间隙(CI)的平均值的比例[(TI-CI)/AI]，纵轴表示各间隙差时的振动功率与间隙差是零时的振动功率(推定值)的比。
在此，在强制振动的质量阻尼***中，功率与强制力的二次方成比例，强制振动的质量阻尼***能够用下式(3)的一般的强制力作用振动方程式表示。
m(d2x/dt2)+c·(dx/dt)+k·x＝F(t)...(3)
F是强制力而与加速度成比例，即，功率与加速度的二次方成比例。
在图3所示的图表中，使振动的功率与加速度的二次方成比例，将对从振动试验获得的加速度的数据进行二次方处理后的值用于纵轴。
如从图3可知的那样，随着内周间隙差(TI-CI)的比例变大，即随着涡轮机侧内周间隙(TI)与压缩机侧内周间隙(CI)相比变大，可知不稳定振动功率比变小。若内周间隙差的比例是0.2以上，则可知与间隙差是零的状态相比能够令不稳振动功率为1/2以下。
为了制造上述的轴承构造，需要准备内径不同的浮动套筒。
即，对于涡轮机侧浮动套筒，需要使用内径大于压缩机侧浮动套筒的内径的浮动套筒。为了准备这样的浮动套筒，存在分别制作适合的制作浮动套筒的方法、和制作平均值的浮动套筒而分类为制作公差的较大的套筒的集合和较小的套筒的集合并进行选择的方法。
进而，还存在下述方法：将被制作的浮动套筒以内径的大小分为4类(例如，A、B、C、D)，如A和C的组合或B和D的组合那样地隔一个地组合而进行选择。
在上述的制造方法中，由于涡轮机侧浮动套筒和压缩机侧浮动套筒是相似的形状，所以通过对各浮动套管进行标记能够使两者的识别性提高。并且，能够通过识别性的提高而防止组合的错误。
该情况下，例如，可以在涡轮机侧浮动套筒和压缩机侧浮动套筒上使用不同的标记，也可以按照每种上述的制作后的分类而使用不同的标记。或者可以使用能够一个个地识别所制作的多个的浮动套筒的各自的标记(识别码)。
以上，参照附图说明了本发明的适宜实施方式，但本发明当然不限定于所述例子。在上述的例中所示的各构成部件的各形状及组合等是一例，能够在不脱离本发明的主旨的范围内基于设计要求等进行各种变更。
工业实用性
根据本发明的旋转机械的轴承构造，能够抑制含有自激振动的不稳定振动，根据本发明的旋转机械，能够利用不稳定振动的抑制而降低高速运转时的噪音，根据本发明的轴承构造的制造方法，能够制造抑制不稳定振动的低噪音的轴承构造，根据本发明的旋转机械的制造方法，能够制造抑制不稳定振动的低噪音的旋转机械。

Claims (6)

1.一种旋转机械的轴承构造，配设在连结涡轮机叶轮和压缩机叶轮的旋转轴上，
具备分别为浮动套筒型的滑动轴承构成的涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承，
上述涡轮机侧轴承与上述旋转轴之间的涡轮机侧内周间隙设定为大于上述压缩机侧轴承与上述旋转轴之间的压缩机侧内周间隙。
2.如权利要求1所述的旋转机械的轴承构造，其特征在于，上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙二者的差相对于上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙的平均值的比例为0.2以上。
3.一种旋转机械，
具备涡轮机叶轮、
压缩机叶轮、
连结上述涡轮机叶轮和上述压缩机叶轮的旋转轴、
包围上述旋转轴的外壳、
旋转自如地支承上述旋转轴的轴承装置，
上述轴承装置具有权利要求1或2所述的轴承构造。
4.一种轴承构造的制造方法，所述轴承构造是浮动套筒型轴承构造，
上述轴承构造具备支承旋转轴的分别为浮动套筒型的涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承，
将上述涡轮机侧轴承与上述旋转轴之间的涡轮机侧内周间隙设定为大于上述压缩机侧轴承与上述旋转轴之间的压缩机侧内周间隙。
5.一种旋转机械的制造方法，所述旋转机械具有浮动套筒型的轴承构造，
上述轴承构造具备支承旋转轴的分别为浮动套筒型的涡轮机侧轴承和压缩机侧轴承，
将上述涡轮机侧轴承与上述旋转轴之间的涡轮机侧内周间隙设定为大于上述压缩机侧轴承与上述旋转轴之间的压缩机侧内周间隙。
6.如权利要求5所述的旋转机械的制造方法，上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙二者的差相对于上述涡轮机侧内周间隙和上述压缩机侧内周间隙的平均值的比例为0.2以上。
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