JP5094833B2 - ティルティングパッドジャーナル軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービン等の高速回転体を支承するジャーナル軸受装置に関し、特にティルティングパッドジャーナル軸受装置に関する。

高速で運転される回転機械においては、非特許文献１に示されるようなティルティングパッドジャーナル軸受が使用される。

例えば火力プラントなどの軸受間隔が大きく、回転軸の固有振動数が比較的低い大形の回転体などでは、オイルウイップなどの自励振動が発生し易い。オイルウイップは、軸受荷重が減少し、回転軸の偏心量が低下することにより回転軸−軸受系の安定性が損なわれることにより発生するものである。このような自励振動を抑制できる軸受装置として、ティルティングパッド軸受が用いられる。

しかしながらティルティングパッド軸受を用いても非特許文献２に示されるようにオイルウイップに似たような現象が発生する例が報告されている。また他の個所が原因で振動が発生する場合もある。

従来のティルティングパッド軸受ではこれらの振動のエネルギを吸収するために、特許文献１のように軸受パッドにエラストマを使用した例や、特許文献２のように、軸受摺動面に圧電素子を設置し、回転軸と軸受パッドの隙間を変化させることで振動を抑えるような機構が知られている。

また、回転軸の高速化に伴い、軸受パッドの温度上昇も問題となる。一般的に軸受摺動面にはホワイトメタルなどの低融点合金が使用されている。これは大きな振動が発生した場合、軸受摺動面が溶解することにより回転軸の焼損を防ぐ効果があるが、回転がより高速になるにつれ、軸受摺動面の温度が上昇すると、強度が低下し信頼性が低下する。

従来のティルティングパッド軸受では軸受パッドを冷却するために、特許文献３のようにパッド内部に潤滑油供給流路を設けた例がある。

特開平７−１５１１３９号公報 特開２０００−２０５２５１号公報 特開２００３−１１３８３４号公報

（社）日本トライボロジー学会編、トライボロジーハンドブック、養賢堂（２００１）、ｐ５３−５７ 田浦 裕生、田中 正人、ティルティングパッドジャーナル軸受の安定性に及ぼす油膜の傾斜ばね作用と傾斜減衰作用の影響、日本機械学会論文集（Ｃ編）７２巻７２２号 ｐｐ.３２２７−３２３５

しかしながら、エラストマの採用は劣化，変質が考えられ、圧電素子の利用はこれらを制御する補機が必要となる。

また、冷却に関しては流路が狭いと流路内部を通る潤滑油の流れは層流になりやすく、冷却の効果が小さい。さらに流路に潤滑油が流れるように配管を設置したり部品点数が多くなる傾向がある。

そこで、本発明の目的は、潤滑油膜による減衰効果を向上させて振動を抑制し、部品点数を増やすことなく軸受パッドの冷却性能を向上できる、信頼性の高いティルティングパッドジャーナル軸受装置を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するため、ケーシングの内周側に、周方向に複数設けられた軸
受パッドを備えるティルティングパッドジャーナル軸受装置において、下半側に設けられ
た軸受パッドは、外周面の軸方向中央部に周方向に延伸して周方向両端面を貫通する溝を備える。または、軸受パッドの少なくとも１つは、外周面に周方向に延伸して周方向両端面を貫通する溝を備え、溝は、回転体の回転方向上流側端面に向かって徐々に溝高さが大きくなる勾配部を有する。または、軸受パッドの少なくとも１つは、外周面に周方向に延伸して周方向両端面を貫通する溝を備え、溝を有する軸受パッドは、外周面に軸方向に設けられた嵌め込み溝と、軸受パッド本体を支持するピボットとを備え、ピボットは、嵌め込み溝に、溝を架橋するように脱着可能な状態で嵌め込まれている。

本発明は、以上の構成を備えるため、潤滑油膜による減衰効果を向上させて振動を抑制でき、また部品点数を増やすことなく軸受パッドの冷却性能を向上できる、信頼性の高いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することができる。

本発明の第１実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受の概略正面図である。 本発明の第１実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受を構成する軸受パッドの断面図である。 図２に示した軸受パッドの概略斜視図である。 図２に示した軸受パッドの変形状態を示す断面図である。 本発明の軸受パッドの配置位置の一例を示す図である。 本発明の軸受パッドの配置位置の他の一例を示す図である。 本発明の軸受を火力プラントの多スパンの蒸気タービンに採用した図である。 本発明の軸受をガスタービンに採用した図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。

図１は本発明の第１実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受の概略正面図である。図１に示すようにケーシング１の内周側には、軸受パッド２が周方向に複数個設けられている。軸受パッド２は、パッドの外周側に取り付けられたピボット３を介してケーシングに支持されている。軸受パッド２の内周側には回転体４が設けられている。回転体４は、矢印の方向に回転しながら、軸受パッド２によって支承されている。

図２は本発明の第１実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受を構成する軸受パッドの概略断面図である。図３は、図２に示した軸受パッド２の概略斜視図である。以下、軸受パッド２の周方向両端面のうち、回転体４の回転方向上流側の端面を上流側端面５といい、回転方向下流側の端面を下流側端面６という。本実施例では、軸受パッド２の外周面７に、周方向に延伸し、上流側端面５から下流側端面６まで貫通する通油溝８を設けている。

通油溝８は、回転方向下流側から上流側端面５に向かって、徐々に半径方向の溝高さｈが大きくなり、端部で溝高さｈが軸受パッド２の半径方向高さと略等しくなるような勾配部９を有する。

ピボット３は、ケーシング１と接し、この場所で軸荷重を持つため、強度が必要であり、また加工や軸受隙間の調整のしやすさからも別部品で製作し設置するのが望ましい。

ピボット３を別部品として軸受パッド２に設置する場合には、軸受パッド２の外周面７に嵌め込み溝２４を軸方向に設け、嵌め込み溝２４にピボット３を嵌め込んで取り付ける。なお、図３に示すように、ピボット３を軸受パッド２に取り付けた際、ピボット３が通油溝８を塞がないように、嵌め込み溝２４の溝高さは通油溝８の溝高さより浅く形成されている。従って、ピボット３は、通油溝８を架橋するような状態で軸受パッド２に取り付けられる。本構造によれば、組み立てが簡単であるというメリットがある。

ティルティングパッド軸受においては、潤滑油は、回転体４の回転により回転方向に沿った流れを形成する。本実施例のティルティングパッド軸受では、軸受パッド２内部に通油溝８を設け、上流側端部に勾配部９を設けているので、潤滑油の流れ１０は、軸受パッド２の摺動面１２上に流入する流れと通油溝８内に流入する流れとに分流される。また、本実施例の軸受パッド２が周方向に連設されている場合、回転方向上流側の軸受パッド２の通油溝８を通過した流れ１１も、下流側の軸受パッド２内の通油溝８に流入する。

本実施例の軸受パッド２の構造によれば、軸受パッド２の外周面に溝加工を施すだけで、流路断面積が比較的大きい流路を容易に形成できる。流路断面積を大きくできるので、より多くの潤滑油が軸受パッド２内に流入する。また、流路断面積を大きくし、流路を大きくできるので、内部を流れる潤滑油の流れは乱流になりやすく、軸受パッド２の冷却性能を向上できる。その結果、軸受の焼損を抑制できる。よって、本実施例によれば、部品点数を増やすことなく軸受パッドの冷却性能を向上できる。

図４は図２における軸受パッド２の変形状態を示す断面図である。回転体４に振動が生じた場合、軸受パッド２には図４に示すような過大な油膜の圧力分布１３が生じる。この圧力の作用により、摺動面１２は図４に示すように軸方向中央部で下方にたわむように変形する。この変形により、摺動面１２上に隙間が形成される。破線は変形前の摺動面１２を表す。摺動面１２上に流入した潤滑油が隙間に流入することで、摺動面１２上により多くの潤滑油を保持することができ、油膜による減衰効果を大きくとることが可能となる。よって、振動抑制性能を向上できる。

図５，図６は本発明の軸受パッド２の配置位置を示す図である。減衰効果を大きくとりたい場合には全軸受パッドを本発明の軸受パッド２にすることが望ましい。しかしながら回転の高速化による軸受パッドの温度上昇が問題の場合、本実施例の軸受パッド２は、軸荷重を受け温度が上昇しやすい軸受下半側の負荷面のみに設置し、それ以外は、通油溝８を有しない従来の軸受パッド１４としてもよい。

図７は本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置を火力プラントの多スパンの蒸気タービンに採用した例である。

図７に示す通り、火力プラントでは高効率化のため高圧タービン１５，中圧タービン１６，低圧タービン１７，発電機１８を連結した、多スパンの形状のものが一般的である。本発明の軸受をすべての軸受１９に採用するのが望ましいが、低圧タービン１７は荷重が大きいため、図７に示すように、これを支える軸受にはより耐荷重性のあるジャーナル軸受を用い、比較的荷重の軽い高圧タービン１５、または中圧タービン１６を支える軸受のみに本発明の軸受を採用してもよい。

図８は本発明の軸受をガスタービンに採用した例である。ガスタービンは空気を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器２１と、燃焼ガスで回転駆動するタービン２２と、タービン２２と圧縮機２０とを機械連結するタービンロータ２３と、タービンロータ２３を支承する軸受１９とを備える。ガスタービンは一般的に蒸気タービンより高速回転であり、また軸荷重も小さいことから本発明の軸受の採用は、振動、また軸受パッドの温度上昇の対策に有用である。

１ ケーシング
２ 軸受パッド
３ ピボット
４ 回転体
５ 上流側端面
６ 下流側端面
７ 外周面
８ 通油溝
９ 勾配部
１２ 摺動面
１３ 圧力分布

Claims (4)

1. ケーシングと、該ケーシングの内周側に複数設けられた軸受パッドとを備え、回転体
   を支承するティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
   前記軸受パッドの少なくとも１つは、外周面の軸方向中央部に周方向に延伸して周方向両端面を貫通する溝を備えることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
2. ケーシングと、該ケーシングの内周側に、複数設けられた軸受パッドとを備え、回転体
   を支承するティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
   前記軸受パッドの少なくとも１つは、外周面に周方向に延伸して周方向両端面を貫通す
   る溝を備え、
   前記溝は、前記回転体の回転方向上流側端面に向かって徐々に溝高さが大きくなる勾配
   部を有することを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
3. 請求項１記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置において、
   前記軸受パッドは、軸受下半側に設けられていることを特徴とするティルティングパッ
   ドジャーナル軸受装置。
4. ケーシングと、該ケーシングの内周側に、複数設けられた軸受パッドとを備え、回転体
   を支承するティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
   前記軸受パッドの少なくとも１つは、外周面に周方向に延伸して周方向両端面を貫通す
   る溝を備え、
   前記溝を有する軸受パッドは、外周面に軸方向に設けられた嵌め込み溝と、前記軸受パ
   ッド本体を支持するピボットとを備え、
   前記ピボットは、前記嵌め込み溝に、前記溝を架橋するように脱着可能な状態で嵌め込
   まれていることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。

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