JP6434321B2 - ティルティングパッドジャーナル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の周りに配置された複数のパッドで、回転軸を回転自在に支持するティルティングパッドジャーナル軸受に関する。

回転軸が高速で回転する回転機械においては、オイルホイップやオイルホワールといった不安定振動を抑制可能なティルティングパッドジャーナル軸受が多く使用される。ティルティングパッドジャーナル軸受とは、回転軸の周りに配置された複数のパッドで、回転軸を回転自在に支持する軸受であり、回転軸とパッドとの間に存在する潤滑油の油膜により回転軸を受けるすべり軸受の一種である。このようなティルティングパッドジャーナル軸受においては、回転軸に対向するパッドの対向面の温度が上昇すると、パッドが焼損し、軸受として適切に機能しなくなるおそれがある。

そこで、パッドの対向面の温度上昇を抑制するための技術開発が行われている。例えば、特許文献１には、パッドの対向面の温度が回転軸の回転方向の下流側ほど高くなることに着目し、回転方向下流側の端部領域における対向面の温度上昇を抑制するためのパッドの構造が開示されている。具体的には、パッドの対向面（摺動面）のうち回転方向下流側の端部領域（後端部）に給油溝を設けることで、この給油溝から供給される低温の潤滑油により、対向面の温度上昇を抑えることができるものとされている。

特開２００９−３０７０４号公報

しかしながら、特許文献１のティルティングパッドジャーナル軸受においては、パッドの対向面に形成された給油溝がパッドの下流側端まで形成されているため、回転軸と対向面との間に存在する潤滑油の流路がパッドの下流側端で急拡大し、給油溝で負圧が発生する。その結果、パッドの対向面に発生している回転軸を支持するための圧力が低下し、軸受の荷重支持能力や油膜による振動抑制効果が低下するという問題があった。

そこで、本発明にかかるティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸に対向するパッドの対向面の温度上昇を抑制するとともに、パッドの対向面における圧力低下を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、回転軸の周りに配置された複数のパッドで、前記回転軸を回転自在に支持するティルティングパッドジャーナル軸受において、前記回転軸と対向する前記パッドの対向面のうち前記回転軸の回転方向における下流側の端部領域に給油部が設けられており、前記給油部は、前記回転軸と前記対向面との間に潤滑油が巻き込まれることで前記対向面に発生する圧力分布の等値線のうち、前記回転方向において前記圧力分布の最高圧力点よりも下流側の部分に沿って形成されていることを特徴とする。

本発明では、温度が高くなりやすいパッドの対向面の下流側の端部領域に給油部が形成されているため、対向面の温度上昇を効果的に抑えることができる。しかも、この給油部は、回転軸と対向面との間に潤滑油が巻き込まれることで対向面に発生する圧力分布の等値線に沿って形成されているので、後で詳細に説明するように、対向面に発生している圧力が給油部の存在によって低下することを抑えることができる。このように、本発明によれば、パッドの対向面の温度上昇を抑制するとともに、パッドの対向面における圧力低下を抑制することが可能となる。

本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受の断面図である。 パッドの対向面に発生する圧力分布の一例を示す図である。 パッドの詳細を示す斜視図である。 給油部としての給油溝を示す模式図である。 給油部の変形例を示す模式図である。 給油部の変形例を示す模式図である。 給油部の変形例を示す模式図である。 給油部の変形例を示す模式図である。 給油部の変形例を示す模式図である。 給油部の変形例を示す模式図である。 給油部が設けられるパッドを説明するための模式図である。 給油部が設けられるパッドを説明するための模式図である。

本発明にかかるティルティングパッドジャーナル軸受の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ティルティングパッドジャーナル軸受は、高速で回転する回転機械の回転軸を支持するのに適したものである。回転機械の具体例としては、圧縮機のように流体を圧縮するもの、ポンプやブロワのように流体を圧送するもの、またはタービンのように流体を膨張させるものなどがある。

図１は、本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受の断面図であり、回転軸の軸方向に直交する断面を示したものである。ティルティングパッドジャーナル軸受１０は、円筒状のハウジング１１の内側に、周方向に複数（本実施形態では５つ）のパッド１２が配置された構成となっており、回転軸１００を複数のパッド１２で回転自在に支持する。パッド１２は、模式的に図示した支点Ｐでハウジング１１の内周面と接触しており、回転軸１００の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に直交する断面内で、支点Ｐを中心に揺動できるようになっている。

ハウジング１１の周面には、周方向において互いに隣り合う２つのパッド１２の間に、ハウジング１１の外周面から内周面にわたって貫通する貫通孔１１ａが形成されている。後で詳細に説明するが、この貫通孔１１ａを介して、ティルティングパッドジャーナル軸受１０の潤滑や冷却に用いられる潤滑油が、ハウジング１１の内部に供給される。なお、貫通孔１１ａの数や位置は適宜変更が可能であり、例えば貫通孔１１ａをハウジング１１の周面ではなく側面に形成するようにしてもよい。

回転軸１００と、回転軸１００に対向するパッド１２の対向面１２ａとの間の隙間には、潤滑油が流入し、油膜が形成される。回転軸１００が回転すると、回転軸１００と対向面１２ａの間の隙間において、回転軸１００の回転方向（以下、単に「回転方向」という）の下流側へと潤滑油が巻き込まれることで、回転軸１００を浮上させるくさび効果が発生する。このとき、回転軸１００と対向面１２ａとの間を潤滑油が回転方向下流側へと流れるが、その際の粘性摩擦により潤滑油の温度が上昇する。このため、回転方向下流側ほど潤滑油の温度が高くなり、その結果、パッド１２の対向面１２ａの温度も回転方向下流側ほど高くなる。

パッド１２の対向面１２ａの温度が高くなりすぎると、パッド１２が焼損し、ティルティングパッドジャーナル軸受１０が軸受として適切に機能しなくなるおそれがある。特に、対向面１２ａには柔らかくなじみ性のよいホワイトメタルが使用されることが多いが、ホワイトメタルは融点が低いため、パッドの焼損が生じやすい。このような不具合を防止するため、本実施形態では、パッド１２の対向面１２ａのうち回転方向下流側の端部領域に、本発明の「給油部」として給油溝２４を設けてある。給油溝２４から比較的低温の潤滑油が供給されることで、対向面１２ａの温度上昇を効果的に抑えることができる。

ここで、回転軸１００とパッド１２の対向面１２ａ（給油溝２４が形成される前のもの）との間に潤滑油が巻き込まれることで対向面１２ａに発生する圧力分布の一例を図２に示す。圧力分布の各等値線は、概ね同心円状となっており、対向面１２ａの中央部に最高圧力点Ｑを有し、対向面１２ａの周縁部ほど圧力が低くなる分布となっている。図２に示すように、上述の給油溝２４は、対向面１２ａのうち、最高圧力点Ｑよりも回転方向下流側の領域Ｒ内であって、且つ回転方向下流側の端から１／４までの範囲において、等値線に沿って形成されている。

詳細には、給油溝２４は、主に軸方向に沿って延びる中央部２４ａと、中央部の両端から回転方向上流側に向かって湾曲する端部２４ｂとを有し、全体としては軸方向に関して対称なＵ字形状となっている。ここで、給油溝２４が「等値線に沿って形成される」とは、給油溝２４が等値線に概ね一致あるいは概ね平行に形成されることを意味しており、厳密に等値線に一致したり平行であったりする必要はない。なお、本実施形態では、給油溝２４の輪郭のうち、回転方向上流側すなわち高圧力側の輪郭２４ｃが、等値線に略一致あるいは略平行となるように、給油溝２４を等値線に沿って形成している。

図３は、パッド１２の詳細を示す斜視図であり、図４は、給油部としての給油溝２４を示す模式図である。図３に示すように、パッド１２の内部には、給油溝２４に潤滑油を供給するための主給油路２１および複数の副給油路２２が形成されている。主給油路２１は、パッド１２の一方の側面から他方の側面に向かって軸方向に沿って形成されている。主給油路２１は、一方の側面から他方の側面まで貫通する貫通孔ではなく、他方の側面においては開口しておらず、閉塞されている。

副給油路２２は、主給油路２１と給油溝２４とを接続する油路である。本実施形態では、４つの副給油路２２が給油溝２４の底面に接続されている。各副給油路２２が給油溝２４に接続される部分である給油口２３は、給油溝２４の長手方向（等値線に沿った方向）において概ね等間隔に形成されている（図４参照）。このため、長手方向に沿って延びる給油溝２４の全域に対して均一に潤滑油を供給することができる。また、給油溝２４の長手方向の両端部に給油口２３を配置することで、給油溝２４の端部まで確実に潤滑油を行きわたらせることが可能となっている。なお、副給油路２２および給油口２３の数や位置は適宜変更が可能である。

パッド１２に形成された主給油路２１には、送油管９２が接続されている。送油管９２は、適度な柔軟性を有するチューブ等で構成されており、ポンプ９１から圧送される潤滑油が流れている。送油管９２は、主給油路２１に対してネジ等の固定手段９３で油密に固定されている。なお、送油管９２は、ハウジング１１に形成された貫通孔１１ａ（図１参照）に挿通されており、貫通孔１１ａを経由してハウジング１１の外部から内部に導入されている。貫通孔１１ａには、貫通孔１１ａと送油管９２との間から潤滑油が漏れ出すことを防止するシール部材（不図示）が設けられている。

このように構成されたティルティングパッドジャーナル軸受１０においては、ポンプ９１から圧送される潤滑油が、送油管９２、主給油路２１、各副給油路２２、各給油口２３を経由して、給油溝２４に供給される。給油溝２４に供給された潤滑油は、回転軸１００とパッド１２の対向面１２ａとの間の隙間で油膜を形成する。前述のように、パッド１２の対向面１２ａにおいては、回転方向下流側ほど温度が高くなるが、回転方向下流側の端部領域に形成された給油溝２４から比較的低温の潤滑油が供給されることで、回転方向下流側における対向面１２ａの温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、給油溝２４は、特許文献１の給油溝のように回転方向下流側の端まで形成されているわけではないので、給油溝２４に大きな負圧が発生するということがない。さらに、給油溝２４は、図２に示すように、パッド１２の対向面１２ａに発生する圧力分布の等値線に沿って形成されている。つまり、給油溝２４が形成されている部分よりも高圧力側の領域（より中央部に近い領域）に対しては、給油溝２４が存在することによる圧力分布の変化が抑制され、高圧力側の領域において、圧力が給油溝２４の存在によって低下することを抑えることができる。このため、高圧力側の領域においては、圧力を高いまま維持することができ、対向面１２ａにおける圧力低下を効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１０によれば、回転軸１００に対向するパッド１２の対向面１２ａの温度上昇を抑制しつつ、対向面１２ａにおける圧力低下を抑制することが可能となる。その結果、対向面１２ａの焼損を抑制できるだけでなく、ティルティングパッドジャーナル軸受１０の荷重支持能力や、回転軸１００と対向面１２ａとの間の油膜による振動抑制（減衰）効果を維持することができる。

また、本実施形態では、給油溝（給油部）２４は、図２に示すように、圧力分布の等値線のうち、回転方向において圧力分布の最高圧力点Ｑよりも下流側領域Ｒの部分に沿って形成されている。このように、給油溝２４を最高圧力点Ｑよりも下流側領域Ｒのみに設けるようにすることで、給油溝２４の存在により油膜が形成されなくなる領域の広がりを抑え、広範囲に油膜を形成することができる。その結果、油膜による振動抑制（減衰）効果をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、給油溝２４の輪郭のうち高圧力側の輪郭２４ｃ（図２参照）が、等値線に略一致あるいは略平行となるように、給油溝２４が等値線に沿って形成されている。このため、その等値線よりも高圧力側の領域には給油溝２４が存在しないことになり、高圧力側の領域における圧力低下をより確実に抑制することができる。

また、本実施形態では、給油溝２４を対向面１２ａのうち回転方向下流側の端から１／４までの範囲に設けている。このように給油溝２４を設ける回転方向下流側の端部領域を端から１／４の範囲に規定することで、温度上昇がより顕著な領域にて温度上昇を抑制することができるとともに、圧力の大きな対向面１２ａの中央部において、給油溝２４による圧力分布の変化の影響をより確実に軽減することができる。

また、本実施形態のように、給油溝２４の長手方向における端部２４ｂ（図２参照）が高圧力側（中央部側）に向かって湾曲していると、比較的低温の潤滑油を軸方向の中央領域まで供給しやすくなる。このため、対向面１２ａの温度上昇をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態のように、送油管９２が給油路２１に接続されていると、ポンプ９１から供給される潤滑油の油圧を維持したまま、潤滑油を給油溝２４に供給することができ、対向面１２ａにおける圧力低下をより確実に抑制することができる。

［変形例］
ここまで説明してきた実施形態においては、本発明の「給油部」として、等値線に沿って形成された給油溝２４を１つ設けるものとした。しかしながら、給油部の形態はこれに限定されず、例えば以下で説明する各変形例のように給油部を構成することも可能である。なお、上述の実施形態や各変形例において共通する構成については適宜説明を省略し、また、その構成によって奏される効果についても適宜説明を省略する。

図５に示すように、本発明の「給油部」として、互いに平行な複数（ここでは２つ）の給油溝２５、２６を設けてもよい。ここで、「平行」とは厳密に平行である必要はなく、複数の給油溝２５、２６が交差しない程度に概ね平行であればよい。このように複数の給油溝２５、２６を設けることによって、潤滑油を供給できる範囲が広くなり、パッド１２の対向面１２ａの温度上昇をより効果的に抑制することができる。

なお、このように複数の給油溝２５、２６が設けられる場合は、すべての給油溝２５、２６が、対向面１２ａのうち回転方向下流側の端から１／４までの範囲に設けられていることが好ましい。また、複数の給油溝２５、２６のうち、最も回転方向上流側に位置する給油溝２６が等値線に沿って形成されていることが好ましく、さらには、最も回転方向上流側に位置する給油溝２６の高圧力側（回転方向上流側）の輪郭が、等値線に略一致あるいは略平行となっていることがより好ましい。

また、図６に示すように、本発明の「給油部」として設けた例えば図４の給油溝２４を、長手方向において複数（ここでは３つ）の給油溝２７、２８、２９に分割してもよい。各給油溝２７〜２９には、少なくとも１つの給油口２３が設けられる。こうすることで、各給油溝２７〜２９の長手方向の長さが短くなり、各給油溝２７〜２９の隅々まで潤滑油を供給しやすくなる。なお、給油口２３が、各給油溝２７〜２９の長手方向の両端部にそれぞれ設けられるのが好ましい。

また、図７に示すように、本発明の「給油部」として設けた例えば図５の給油溝２５、２６を、それぞれ長手方向において複数（ここでは３つ）の給油溝３０、３１、３２および給油溝３３、３４、３５に分割してもよい。各給油溝３０〜３５には、少なくとも１つの給油口２３が設けられる。こうすることで、各給油溝３０〜３５の長手方向の長さが短くなり、各給油溝３０〜３５の隅々まで潤滑油を供給しやすくなる。なお、給油口２３が、各給油溝３０〜３５の長手方向の両端部にそれぞれ設けられるのが好ましい。

また、図８に示すように、本発明の「給油部」として、等値線に沿った複数の溝をつないで形成された閉じた形状の給油溝３６を設けてもよい。ここでは、一例として、図５の給油溝２５、２６をそれぞれの長手方向の両端部で互いにつないで、閉じた形状の給油溝３６を形成している。こうすることで、給油溝３６を広範囲にわたるものとすることができるので、潤滑油を供給できる範囲が広くなり、パッド１２の対向面１２ａの温度上昇をより効果的に抑制することができる。しかも、給油溝３６は閉じた形状を有しているため、少なくとも給油口２３を１つ設ければ、給油溝３６全体に潤滑油を行きわたらせることができる。ただし、潤滑油を給油溝３６に確実に行きわたらせるためには、複数の給油口２３を設けることが好ましい。

また、図９に示すように、本発明の「給油部」として、給油溝ではなく、等値線に沿って形成された複数の給油穴３７からなる給油穴列３８を設けてもよい。つまり、この変形例では、給油溝は設けられず、その代わりに、副給油路２２（図３参照）がパッド１２の対向面１２ａまで延設されており、対向面１２ａにおける副給油路２２の開口が給油穴３７として機能する。そして、給油穴３７が等値線に沿って配列されることで、給油部としての給油穴列３８が構成される。給油部を溝で構成する場合と比較して、給油部を給油穴３７の集合である給油穴列３８とすることで、給油部の開口面積を小さくすることができ、給油部による対向面１２ａの圧力分布への影響をより軽減することができる。

また、図１０に示すように、本発明の「給油部」として、複数の給油穴列３９、４０を設けてもよい。このように複数の給油穴列３９、４０を設けることによって、潤滑油を供給できる範囲が広くなり、パッド１２の対向面１２ａの温度上昇をより効果的に抑制することができる。なお、このように複数の給油穴列３９、４０が設けられる場合は、すべての給油穴列３９、４０が対向面１２ａのうち回転方向下流側の端から１／４までの範囲に設けられていることが好ましい。また、複数の給油穴列３９、４０のうち、最も回転方向上流側に位置する給油穴列４０が等値線に沿って形成されていることが好ましい。

［その他の実施形態］
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、パッド１２の数や位置、あるいは具体的形状等は上記実施形態に示したものに限定されず、適宜変更が可能である。

また、給油部の具体構成も各変形例を含めて上記実施形態に示したものに限定されない。例えば、給油部として、給油溝と給油穴とを組み合わせることも可能である。

また、上記実施形態では、図１に示すように、複数設けられるパッド１２のすべてに対して給油部（給油溝２４）が設けられるものとした。しかしながら、少なくとも回転軸１００に作用する荷重を受けるパッド１２に給油部が設けられていれば、すべてのパッド１２に給油部を形成する必要はない。以下、この点について説明する。

図１１、１２は、給油部が設けられるパッド１２を説明するための模式図である。ここでは、給油部の一例として給油溝２４を図示しているが、給油部の形態はこれに限定されず、各変形例に示したものでもよい。回転軸１００には、回転軸１００の自重のほかに、回転軸１００に連結されているギア等から力が作用することがある。回転軸１００に作用する荷重とは、これらの合力を意味し、ここでは図１１、１２において矢印で示す方向に作用しているものとする。

図１１は、回転軸１００に作用する荷重を、５つのパッド１２のうち最も下方に位置する２つのパッド１２で受ける場合を示している。一方、図１２は、回転軸１００に作用する荷重を、５つのパッド１２のうち最も下方に位置する１つのパッド１２で受ける場合を示している。図１１のように、回転軸１００に作用する荷重を２つのパッド１２で受ける方式をＬＢＰ（Load Between Pads）と言い、図１２のように、回転軸１００に作用する荷重を１つのパッド１２で受ける方式をＬＯＰ（Load On Pad）と言う。

ＬＢＰの場合は、荷重を受ける２つのパッド１２に回転軸１００が押しつけられるため、回転軸１００とパッド１２との間の油膜が薄くなり、これら２つのパッド１２の対向面１２ａが温度上昇しやすくなる。そこで、図１１に示すように、荷重を受ける２つのパッド１２に給油溝２４を設けることで、この２つのパッド１２の対向面１２ａにおける温度上昇と圧力低下を抑制することができる。また、ＬＯＰの場合は、荷重を受ける１つのパッド１２の対向面１２ａが温度上昇しやすくなる。そこで、図１２に示すように、荷重を受ける１つのパッド１２に給油溝２４を設けることで、この１つのパッド１２の対向面１２ａにおける温度上昇と圧力低下を抑制することができる。このように、最低限、回転軸１００に作用する荷重を受けるパッド１２に給油部（給油溝２４）を設けることで、昇温しやすいパッド１２における温度上昇を効果的に抑制するとともに、荷重支持能力を効率的に維持することができる。

１０：ティルティングパッドジャーナル軸受
１２：パッド
１２ａ：対向面
２１：主給油路（給油路）
２２：副給油路（給油路）
２４〜３６：給油溝（給油部）
３７：給油穴
３８〜４０：給油穴列（給油部）
９１：ポンプ
９２：送油管
１００：回転軸

Claims (10)

1. 回転軸の周りに配置された複数のパッドで、前記回転軸を回転自在に支持するティルティングパッドジャーナル軸受において、
   前記回転軸と対向する前記パッドの対向面のうち前記回転軸の回転方向における下流側の端部領域のみに給油部が設けられており、
   前記給油部は、前記回転軸と前記対向面との間に潤滑油が巻き込まれることで前記対向面に発生する圧力分布の等値線のうち、前記回転方向において前記圧力分布の最高圧力点よりも下流側の部分に沿って形成さ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。
2. 前記給油部が、前記対向面のうち前記回転方向における下流側の端から１／４までの範囲に設けられている請求項１に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
3. 前記給油部として、前記等値線に沿って形成された給油溝が設けられており、
   前記給油溝は、前記回転軸の軸方向に沿う中央部と、前記中央部の両端から回転方向上流側に向かって湾曲する端部とを有している請求項１または２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
4. 前記給油溝が互いに平行に複数設けられている請求項３に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
5. 前記等値線に沿った方向において、前記給油溝が複数に分割されている請求項３または４に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
6. 前記給油部として、前記等値線に沿った複数の溝をつないで形成された閉じた形状の給油溝が設けられている請求項１または２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
7. 前記給油部として、前記等値線に沿って形成された複数の給油穴からなる給油穴列が設けられており、
   前記給油穴列は、前記回転軸の軸方向に沿う中央部と、前記中央部の両端から回転方向上流側に向かって湾曲するようにして配置された端部を有している請求項１または２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
8. 前記給油穴列が複数列設けられている請求項７に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
9. 前記複数のパッドのうち前記回転軸に作用する荷重を受けるパッドに、前記給油部が設けられている請求項１ないし８のいずれか１項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
10. 前記パッドの内部に形成され、前記給油部に前記潤滑油を供給する給油路に、ポンプから圧送される前記潤滑油が流れる送油管が接続されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。

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