JP2005337396A - 回転機の軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の定格回転時又は回転上昇時に軸受内周面の低硬度金属層と軸受台金との間に発生する熱応力を低減させ、且つ多頻度の起動及び停止に耐え得るようにすることにある。
【解決手段】回転子との摺動面近傍がホワイトメタル等の低硬度金属層２ｂにより形成され、他の部分の軸受台金２ａが構造用鋼によって構成された回転機の軸受構造において、低硬度金属層２ｂと構造用鋼との間に低硬度金属層２ｂと熱膨張係数の近い銅等の中間金属層２ｃを形成して三層構造とし、回転子の回転時に低硬度金属層２ｂと軸受台金２ａとの間に発生する熱応力を低減させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービン発電機、蒸気タービン、ガスタービン等の回転機の軸受構造に関する。

大型の回転機、例えば大型タービン発電機の回転子の軸受としては、すべり軸受が多く用いられており、その構造は図８に示すようになっている。

図８において、回転子ジャーナル部１を支承する軸受台金２ａがベアリング座３を介してハウジング４の内面に取付けられ、このハウジング４の軸方向機外側に外側油切り５が設けられ、またハウジング４の軸方向機内側にベアリングブラケット６が設けられると共に、このベアリングブラケット６の回転子軸側に内側油切り７とその内側に水素ガス密封装置８が設けられている。

ここで、軸受台金２ａは回転子の荷重を支え、外側油切り５は軸受潤滑油の機外への流出を防ぐものであり、また水素ガス密封装置８は大型タービン発電機の機内冷却ガスとしてしばしば用いられる水素ガスの密封のために設けられ、内側油切り７は水素ガス密封装置８より流出する水素ガス密封油の機内への流入を防ぐものである。

なお、図８では軸受構造の上半部側のみを示しているが、その下半部側も上半部側と同様の構造になっており、回転子荷重を軸受台金２ａの下半部側でも支えていることは勿論のことである。

ところで、このような構成のすべり軸受においては、万一回転子の回転中に軸受潤滑油に異物が混入した場合に回転子ジャーナル部１に傷等の損傷発生を防ぐ目的で、一般的に軸受台金２ａの内周面に低硬度金属層２ｂが形成された構造となっている。この低硬度金属層２ｂは、例えばホワイトメタルにより構成され、また軸受台金２ａは例えばＳＳ４００等の構造用鋼により構成されている。

この場合、低硬度金属層２ｂは、円周方向に形成されたアリ溝により軸受台金２ａとの密着性を高めた構造にしてある。

大型の回転機、例えば大型のタービン発電機の場合、軸受荷重が大きくなるが、オイルホイップ等による軸受の不安定振動を防ぐために軸受の面圧を大きくしている。

このような高荷重、高面圧の条件下で、２極の回転電機の場合、定格回転時に５０mim^-1または６０mim^-1という高速で回転するため、軸受間隙においては大きな軸受損失が発生し、軸受台金２ａの温度は上昇する。

例えば大型のタービン発電機では、上記の軸受荷重、軸受面圧の場合、回転子ジャーナル部１の軸心は定格回転時に軸受内径面最下部の中心位置より約２０〜４０°上方（蹴上がり方向）位置となることが知られている。

よって、軸受内で発生する軸受損失は最小油膜厚部、即ち上記の軸受内径面最下部より約２０〜４０°上方位置で多く発生する。ここで発生した熱量は、軸受潤滑油に取り去られる他、軸受への熱伝導によっても熱移動が生じる。

図７は定格運転中の軸受台金２ａの温度分布を示している。回転子ジャーナル部１は軸受内径面最下部より約３０°上方（蹴上がり方向）に位置しており、この最小油膜厚部で軸受損失発生量が最大であるため、潤滑油が約３０°位置を通過する際に高温となり、この温度の潤滑油からの熱伝達により軸受台金２ａが温められるため、最小油膜厚部（約３０°上方位置）のやや上方の約４５°位置で軸受内周面の温度が最大となっている。

ここで、軸受台金２ａの内周面の最大温度をＴ１１、この内周面の最大温度Ｔ１１位置に対応する軸受台金２ａの外周面の最小温度をＴ１２とすると、温度差ΔＴ１は
ΔＴ１＝Ｔ１１−Ｔ１２
で表される。

一方、プラント起動時、すなわち回転子が停止またはターニングを行っていた状態から回転上昇する場合、最小油膜厚部で発生する熱量が軸受台金２ａ全体に十分伝わらない間に最小油膜厚部近傍の低硬度金属層２ｂが過渡的に温度上昇する。

図６はその例を示すものであり、プラント起動時に定格回転数到達後数分の状態での温度分布である。

ここで、軸受台金２ａの内周面の最大温度をＴ２１、この内周面の最大温度Ｔ２１位置に対応する軸受台金２ａの外周面の最小温度をＴ２２とすると、温度差ΔＴ２は
ΔＴ２＝Ｔ２１−Ｔ２２
で表される。さらに、定格回転時の定常状態での温度差ΔＴ１と比較するとΔＴ２＞ΔＴ１となる。

さて、上記の如く軸受台金２ａの温度が低硬度金属層２ｂより低く、また低硬度金属層２ｂの線膨張係数は一般に軸受台金２ａに用いられる構造用鋼より大きいため、２種の金属間には熱応力が発生する。低硬度金属層、例えばホワイトメタルの線膨張係数は２０×１０^-6であり、構造用鋼、例えばＳＳ４００の線膨張係数は約１２×１０^-6である。

従って、低硬度金属層２ｂは軸受台金２ａに比べて温度上昇、線膨張係数がともに大きいので、熱膨張しようとするが軸受台金２ａと密着しているため、軸受台金２ａとの境界面にせん断力が発生し、また低硬度金属層２ｂには圧縮応力が発生する。

この熱応力の大きさは、ΔＴ２＞ΔＴ１であることから明らかであるが、定格回転時の定常状態に比べてプラント起動時の回転子の回転上昇中又は定格回転到達直後の過渡時において大きい。特に、回転上昇時の昇速率が大きい場合、ΔＴ２は大きくなるので、発生する熱応力も大きくなる。

このように従来の軸受構造においては、特に回転体の回転上昇時の昇速率が大きい場合に低硬度金属層２ｂに働く圧縮応力が大きく、低硬度金属層が局所的に塑性変形を起こすことがあった。

さらに、軸受の熱応力が回転体の定格速度よりも起動時に過渡的に大きくなるため、起動及び停止回数が多いと塑性変形範囲が徐々に拡大し、さらに塑性変形の進行により軸受内径面の変形が進むと、潤滑油の流れに乱れが生じてキャビテーションを誘発し、軸受の低硬度金属層２ｂがさらに変形または損傷してしまうことがあった。

また、一方では低硬度金属層２ｂと軸受台金２ａとの間に働くせん断力により低硬度金属層２ｂが剥離することがあり、剥離の範囲が大きくなると低硬度金属層２ｂが変形し、低硬度金属層２ｂの損傷の原因となる恐れがあった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、軸受の低硬度金属層に発生する圧縮応力及び低硬度金属層と台金との間に働くせん断力を共に小さくすることにより、低硬度金属層の変形や剥離を防いで多頻度の起動及び停止に耐え得る軸受構造を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により軸受構造を構成する。

請求項１に対応する発明は、回転子との摺動面近傍がホワイトメタル等の低硬度金属層により形成され、他の部分の軸受台金が構造用鋼によって構成された回転機の軸受構造において、前記回転子の回転時に前記低硬度金属層と前記軸受台金との間に発生する熱応力を低減させる手段を設ける。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記低硬度金属層と前記構造用鋼との間に前記低硬度金属層と熱膨張係数の近い銅等の中間金属層を形成して三層構造とする。

請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記軸受台金の温度を上昇させる手段である。

請求項４に対応する発明は、請求項３に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記温度上昇手段は、高温の加熱液体の流路を前記軸受台金の内部に設ける。

請求項５に対応する発明は、請求項３に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記温度上昇手段は、前記軸受台金の内部にヒータを内蔵する。

請求項６に対応する発明は、請求項３に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記温度上昇手段は、前記軸受台金の内部にヒートポンプを内蔵する。

請求項７に対応する発明は、請求項１に対応する発明の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、回転子摺動面近傍の低硬度金属層の温度を低減する手段である。

請求項８に対応する発明は、請求項７に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記温度低減手段は、低温の潤滑油の流路を前記低硬度金属層の温度高温部の表面に設ける。

請求項９に対応する発明は、請求項７に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記温度低減手段は、低温の冷却媒体の流路を温度高温部分の前記低硬度金属層と前記軸受台金との境界に設ける。

請求項１０に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記低硬度金属層を線膨張係数の近い銅等の金属層と一体とし、この金属層と前記軸受台金との間がすべり可能な構造とする。

請求項１１に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、大きな熱応力発生部近傍に応力緩和のための溝を設ける。

請求項１２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記低硬度金属層と軸受台金のいずれか又は両方の温度を監視し、回転上昇時又は回転降下時の熱応力を推定して回転数、昇速率、給油量の少なくとも一つを前記熱応力の推定値をもとに変化させるシステムを備える。

請求項１３に対応する発明は、請求項１乃至請求項１２のいずれかに対応する発明の軸受構造を備えた回転機を構成する。

本発明は、低硬度金属層に発生する圧縮応力及び低硬度金属層と台金との間に働くせん断力を共に小さくすることにより、低硬度金属層の変形や剥離を防いで多頻度の起動及び停止に耐え得るものとなる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明による軸受構造の第１の実施形態の要部を示す構成図で、図６及び図７と同一部分には同一符号を付して説明する。

第１の実施形態では、図１に示すように構造用鋼により構成された軸受台金２ａとその内周面に形成される低硬度金属層２ｂとの間にこの低硬度金属層と線膨張係数の近い金属による中間金属層２ｃを設けて三層構造としたものである。

この場合、低硬度金属層２ｂとして例えばホワイトメタルを使用し、軸受台金２ａとして例えばＳＳ４００を用い、中間金属層２ｃとして例えば銅を用いて三層構造としている。

このような構成の軸受構造においては、ホワイトメタルの線膨張係数が約２０×１０^-6であり、銅の線膨張係数が約１８×１０^-6であり、ＳＳ４００の線膨張係数が約１２×１０^-6である。

従って、ホワイトメタルと銅の線膨張係数が近いので、ホワイトメタルと銅の間のせん断力は従来構造に比べて小さくなり、またホワイトメタルに発生する圧縮応力も小さくなる。

なお、銅とＳＳ４００との間にせん断力が発生し、また銅に圧縮応力が発生するが、この圧縮応力は銅の耐力に比べて小さいため、銅が塑性変形を起こすことはない。

図２は本発明による軸受構造の第２の実施形態の要部を示す構成図で、図６及び図７と同一部分には同一符号を付して説明する。

第２の実施形態では、図２に示すように軸受台金２ａ内部の大きな熱応力発生部近傍に複数の流路２ｄを軸方向に設け、この流路２ｄに高温の加熱流体を流して軸受台金２ａの温度を上昇させ、低硬度金属層２ｂと軸受台金２ａとの熱膨張差を小さくするようにしたものである。

このような構成の軸受構造とすれば、軸受台金２ａと低硬度金属層２ｂとの間に発生する熱応力を小さくすることができる。

上記実施形態では、軸受台金２ａ内部の大きな熱応力発生部近傍に高温の加熱流体を流す流路を設けたが、この部分に流路に代えてヒータ又はヒートポンプを設け、このヒータ又はヒートポンプにより軸受台金２ａの温度を上昇させて、低硬度金属層２ｂと軸受台金２ａの熱膨張差を小さくするようにしてもよい。

図３は本発明による軸受構造の第３の実施形態の要部を示す構成図で、図６及び図７と同一部分には同一符号を付して説明する。

第３の実施形態では、図３に示すように軸受台金２ａ内部の大きな熱応力発生部近傍に対応する低硬度金属層２ｂの表面に潤滑油を流すための溝２ｅを軸方向に設けるようにしたものである。

このような構成の軸受構造とすれば、潤滑油が溝２ｅに沿って軸方向に流れることにより、低硬度金属層２ｂの最大温度が低下して、軸受台金２ａと低硬度金属層２ｂとの熱膨張差が小さくなるので、軸受台金２ａと低硬度金属層２ｂとの間に発生する熱応力を低減することができる。

上記実施形態では低硬度金属層２ｂの表面に潤滑油を流す溝を設けたが、軸受台金２ａ内の大きな熱応力発生部近傍に対応する低硬度金属層２ｂと軸受台金２ａの境界に軸方向の流路２ｅを設け、この流路２ｅに低温の冷却媒体を流すようにしても同様の効果を得ることができる。

図４は本発明による軸受構造の第４の実施形態の要部を示す構成図で、図６及び図７と同一部分には同一符号を付して説明する。

第４の実施形態では、図４に示すように低硬度金属層２ｂをホワイトメタルとし、このホワイトメタルを例えば銅の金属層２ｆの表面に鋳入してパッド状の構成とし、この金属層２ｆが軸受台金２ａの内径面ですべり可能な構成としたものである。

このような構成の軸受構造において、ホワイトメタルと銅は線膨張係数が近いので、ホワイトメタルと銅の間に発生する熱応力は小さい。また、銅の金属層２ｆと軸受台金２ａの間はすべるので、せん断力として発生するのは摩擦力だけであり、従来構造の軸受け台金２ａとホワイトメタルの間に発生していたせん断力に比べて遥かに小さな値となるので、銅の金属層２ｆに発生する熱応力は小さなものとなる。

図５は本発明による軸受構造の第５の実施形態の要部を示す構成図で、図６及び図７と同一部分には同一符号を付して説明する。

第５の実施形態では、図５に示すように低硬度金属層２ｂの表面で熱応力の大きい範囲に複数本の応力緩和溝２ｇを設け、発生する熱応力を緩和するようにしたものである
このような構成の軸受構造においては、溝２ｇが低硬度金属層２ｂの大きな熱応力発生部近傍の温度低減効果を併せて期待できるので、複合した効果を得ることができる。

上記各実施形態では、軸受構造自体に熱応力低減機能を持たせた構成について述べたが、低硬度金属層２ｂと軸受台金２ａのいずれか又は両方の温度を監視し、回転上昇時又は回転降下時の熱応力を推定して回転体の回転数や昇速率、給油の少なくとも一つを変化させるシステムを軸受外部に備え、前記熱応力の推定値にもとに軸受給油温度を調整したり、回転体の回転数や昇速率を低くしたりすることにより、低硬度金属層に発生する熱応力を低減するようにしてもよい。

また、図８の従来構造では低硬度金属層２ｂにあり溝を形成して軸受台金との密着性を高めているが、本発明ではせん断力や熱応力の発生を低減させることで軸受台金２ａとの密着性が得られるため、図１乃至図５では、低硬度金属層２ｂや中間金属層２ｃに剥離防止のためのあり溝が不要となる。

なお、本発明において、低硬度金属層２ｂや中間金属層２ｃにあり溝を設けても良いことは言うまでもない。

本発明による軸受構造の第１の実施形態の要部を示す構成説明図。 本発明による軸受構造の第２の実施形態の要部を示す構成説明図。 本発明による軸受構造の第３の実施形態の要部を示す構成説明図。 本発明による軸受構造の第４の実施形態の要部を示す構成説明図。 本発明による軸受構造の第５の実施形態の要部を示す構成説明図。 従来の軸受構造において、定格回転時の軸受温度分布を示す図。 従来の軸受構造において、定格回転上昇直後の軸受温度分布を示す図。 従来の軸受構造全体を示す断面図。

符号の説明

１…回転子ジャーナル部、２ａ…軸受台金、２ｂ…低硬度金属層、２ｃ…中間金属層、２ｄ…加温液体流路、２ｅ…冷却用溝、２ｆ…金属層、２ｇ…応力緩和溝、３…ベアリング座、４…ハウジング、５…外側油切り、６…ベアリングブラケット、７…内側油切り

Claims (13)

1. 回転子との摺動面近傍がホワイトメタル等の低硬度金属層により形成され、他の部分の軸受台金が構造用鋼によって構成された回転機の軸受構造において、
   前記回転子の回転時に前記低硬度金属層と前記軸受台金との間に発生する熱応力を低減させる手段を設けたことを特徴とする回転機の軸受構造。
2. 請求項１記載の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記低硬度金属層と前記構造用鋼との間に前記低硬度金属層と熱膨張係数の近い銅等の中間金属層を形成して三層構造としたことを特徴とする回転機の軸受構造。
3. 請求項１記載の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記軸受台金の温度を上昇させる手段であることを特徴とする回転機の軸受構造。
4. 請求項３記載の回転機の軸受構造において、前記温度上昇手段は、高温の加熱液体の流路を前記軸受台金の内部に設けたものである回転機の軸受構造。
5. 請求項３記載の回転機の軸受構造において、前記温度上昇手段は、前記軸受台金の内部にヒータを内蔵したものである回転機の軸受構造。
6. 請求項３記載の回転機の軸受構造において、前記温度上昇手段は、前記軸受台金の内部にヒートポンプを内蔵したものである回転機の軸受構造。
7. 請求項１記載の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、回転子摺動面近傍の低硬度金属層の温度を低減する手段であることを特徴とする回転機の軸受構造。
8. 請求項７記載の回転機の軸受構造において、前記温度低減手段は、低温の潤滑油の流路を前記低硬度金属層の温度高温部の表面に設けたものである回転機の軸受構造。
9. 請求項７記載の回転機の軸受構造において、前記温度低減手段は、低温の冷却媒体の流路を温度高温部分の前記低硬度金属層と前記軸受台金との境界に設けたものである回転機の軸受構造。
10. 請求項１記載の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記低硬度金属層を線膨張係数の近い銅等の金属層と一体とし、この金属層と前記軸受台金との間がすべり可能な構造としたものである回転機の軸受構造。
11. 請求項１記載の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、大きな熱応力発生部近傍に応力緩和のための溝を設けたものである回転機の軸受構造。
12. 請求項１記載の回転機の軸受構造において、前記熱応力低減手段は、前記低硬度金属層と軸受台金のいずれか又は両方の温度を監視し、回転上昇時又は回転降下時の熱応力を推定して回転数、昇速率、給油量の少なくとも一つを前記熱応力の推定値をもとに変化させるシステムを備えたことを特徴とする回転機の軸受構造。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の軸受構造を備えた回転機。

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