JP2006077803A - テーパランド型スラスト軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることのできるテーパランド型スラスト軸受を提供することを目的とする。
【解決手段】 回転軸に設けられたスラストディスクと対向する軸受面に、給油ポート１０に連続するテーパ部１１と、このテーパ部１１に連なるランド部１２とを有する軸受パッド１４が、周方向に複数個設けられたテーパランド型スラスト軸受８であって、前記スラストディスクと対向する軸受パッド１４の表面または表面下に、軸受パッド１４の厚さ方向への熱の伝播を遮断する断熱層２１が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、過給機やタービンコンプレッサ等といった回転機械に用いられるテーパランド型スラスト軸受に関するものである。

テーパランド型スラスト軸受は、スラストディスク（あるいは「スラストカラー」）と対向する軸受面に、テーパ部とランド部とを有する軸受パッドが周方向に複数個配置されたものである（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３−２２２１２３号公報（図９ないし図１２参照）

上記特許文献の従来の技術の欄にも記載されているように、従来のテーパランド型スラスト軸受では、軸受負荷が大きくなると軸受パッドが熱膨張により変形し（特に、ランド部ではこの変形により下り勾配となって接触面積が低下する）、その結果、スラスト負荷能力が低下して、軸受の発熱を増大させるという悪循環を起こし、軸受機能に支障が生じるおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることのできるテーパランド型スラスト軸受を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載のテーパランド型スラスト軸受は、回転軸に設けられたスラストディスクと対向する軸受面に、給油ポートに連続するテーパ部と、このテーパ部に連なるランド部とを有する軸受パッドが、周方向に複数個設けられたテーパランド型スラスト軸受であって、前記スラストディスクと対向する軸受パッドの表面または表面下に、軸受パッドの厚さ方向への熱の伝播を遮断する断熱層が設けられていることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、断熱層により軸受パッドへの熱の進入が阻止（あるいは防止）され、軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、軸受自体の温度を低減させることができる。

請求項２に記載のテーパランド型スラスト軸受は、前記断熱層が、前記軸受パッドの周方向の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、軸受パッドの表面の少なくとも一部に断熱層を積層するだけでよいので、製作工程を簡略化することができるとともに、製作時間および製作コストを低減させることができる。

請求項３に記載のテーパランド型スラスト軸受は、前記断熱層が、前記軸受パッドの周方向全面に設けられていることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、軸受パッドの表面全体が断熱層により覆われて、スラストディスクの滑り面と軸受パッドの表面との間の狭いフィルム状の隙間に引き込まれた潤滑油から軸受パッドへの熱の進入がより一層阻止され（熱の伝達が遮断され）ることとなるので、軸受パッドの熱膨張による変形をより一層低減させることができるとともに、軸受自体の温度をより一層低減させることができる。

請求項４に記載のテーパランド型スラスト軸受は、前記断熱層が、周方向に沿って複数の領域に分割されており、各領域における断熱層が、熱伝導率の異なる材料からなることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、熱伝導率の異なる材料により断熱層が構成されることになり、断熱層の温度および軸受パッドの表面温度の均一化が図られることとなる。

請求項５に記載のテーパランド型スラスト軸受は、前記断熱層の熱伝導率が、前記回転軸の回転方向後側から回転方向前側に向かって漸次小さくなっていることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、スラストディスクの滑り面と軸受パッドの表面との間の狭いフィルム状の隙間に引き込まれた潤滑油の温度が低い部分には熱伝導率の高い材料が、スラストディスクの滑り面と軸受パッドの表面との間の狭いフィルム状の隙間に引き込まれた潤滑油の温度が高い部分には熱伝導率の低い材料が用いられることになり、断熱層の温度および軸受パッドの表面温度の均一化がさらに図られることとなる。

請求項６に記載のテーパランド型スラスト軸受は、前記断熱層が、セラミックス材料からなることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、断熱層として断熱性に優れるとともに比較的安価で入手しやすいセラミックス材料が使用される。

請求項７に記載のテーパランド型スラスト軸受は、前記断熱層が、樹脂材料からなることを特徴とする。
このようなテーパランド型スラスト軸受によれば、断熱層として断熱性に優れるとともに比較的安価で入手しやすい樹脂材料が使用される。

請求項８に記載の過給機は、請求項１から７のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を具備してなることを特徴とする。
このような過給機によれば、断熱層により軸受パッドへの熱の進入が阻止（あるいは防止）され、軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、軸受自体の温度を低減させることができるテーパランド型スラスト軸受を具備しているので、回転軸の回転数を、例えば、周速１００ｍ／ｓｅｃとし、スラスト面圧を、例えば、２〜３ＭＰａとすることが可能となり、過給機の回転軸の高回転化およびテーパランド型スラスト軸受の高面圧化を図ることができる。

請求項９に記載のタービンコンプレッサは、請求項１から７のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を具備してなることを特徴とする。
このようなタービンコンプレッサによれば、断熱層により軸受パッドへの熱の進入が阻止（あるいは防止）され、軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、軸受自体の温度を低減させることができるテーパランド型スラスト軸受を具備しているので、回転軸の回転数を、例えば、周速１００ｍ／ｓｅｃとし、スラスト面圧を、例えば、２〜３ＭＰａとすることが可能となり、タービンコンプレッサの回転軸の高回転化およびテーパランド型スラスト軸受の高面圧化を図ることができる。

請求項１０に記載の回転機械は、請求項１から７のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を具備してなることを特徴とする。
このような回転機械によれば、断熱層により軸受パッドへの熱の進入が阻止（あるいは防止）され、軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、軸受自体の温度を低減させることができるテーパランド型スラスト軸受を具備しているので、回転軸の回転数を、例えば、周速１００ｍ／ｓｅｃとし、スラスト面圧を、例えば、２〜３ＭＰａとすることが可能となり、回転機械の回転軸の高回転化およびテーパランド型スラスト軸受の高面圧化を図ることができる。

本発明によれば、軸受パッドの熱膨張による変形を低減させることのできるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第１実施形態を、ガスタービンコンプレッサに適用した例を説明する。
図４は本実施形態に係るテーパランド型スラスト軸受８を具備したガスタービンコンプレッサ１００の構造及び給油系統を模式的に示すもので、符号１はハウジング、符号２はロータである。
ロータ２は、ロータ軸（回転軸）３と、コンプレッサ翼車４と、スラストカラー５と、タービン６と備えている。また、このロータ２は一対のジャーナル軸受７により支持されているとともに、スラストカラー５の両軸受面に対向して設けられたスラスト軸受８によりスラスト荷重が支えられるように構成されている。

このように構成されたガスタービンコンプレッサ１００では、一対のジャーナル軸受７はロータ２の自重を支えるだけ（竪型の場合には、自重すら加わらずに単に位置決め作用するだけ）であるのに対し、スラスト軸受８にはコンプレッサ翼車４およびタービン６の羽根に作用する空気力学的な圧力により生ずる合力の負荷荷重が加わる。ガスタービンのスラスト荷重は、通常、回転数の増加につれてスラスト荷重が大きくなる性質を有している。

図５、図６、および図１はスラスト軸受８の詳細を示す図であり、図５は図４の要部拡大断面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ矢視平面図、図１は図６のＩ−Ｉ矢視断面図である。
これらの図に示すように、スラスト軸受８はテーパランド型スラスト軸受であり、ロータ２側のスラストカラー５と対向する滑り面５ａに円周方向に向かって複数個（本実施形態では１０個）の固定型のセグメント９が設けられている。
図６に示すように、各セグメント９は、給油ポート１０、テーパ部１１、およびランド部１２を円周方向に連続した状態で形成されたものである。なお、符号１３はテーパ部１１の内周面１１ａ側および外周面１１ｂ側を囲むシュラウド部である。また、一つのテーパ部１１と、これに連なる一つのランド部１２とにより、一つの軸受パッド１４が構成されている。

また、給油ポート１０の略中央部には給油孔１５が開口されており、この給油孔１５は給油路１６（図５参照）に接続されている。給油路１６は図４に示す吐出ライン１７を介して給油ポンプ１８に接続されており、この給油ポンプ１８は導入ライン１９を通じて、タービンコンプレッサのドレンとしてのオイルパン２０に接続されている。給油ポンプ１８から供給される潤滑油は、吐出ライン１７を介して給油路１６から給油孔１５を経て給油ポート１０に送り込まれるようになっている。

そして、給油ポート１０内の潤滑油は、回転するスラストカラー５の滑り面５ａ（図５参照）と、固定されているスラスト軸受８の表面との相対的な回転により、粘性のため給油ポート１０からスラストカラー５の滑り面５ａとスラスト軸受８の表面との間の狭いフィルム状の隙間に引き込まれる。このフィルム状の隙間は、くさび状の隙間とこれに続く平行状の隙間とからなり、このフィルム状の隙間内で流体力学的な動的圧力が発生するようになっている。したがって、スラスト軸受８に加わる負荷荷重は、このフィルム状の隙間に形成された潤滑油膜で支えられることとなる。

なお、このフィルム状の隙間の寸法は１００μｍ程度となるように設計されている。また、テーパ部１１とランド部１２の円周方向の寸法比は、負荷能力が最大となるように８：２程度に設定されている。

さて、図１に示すように、本実施形態におけるテーパランド型スラスト軸受８の各軸受パッド１４には、断熱層２１が設けられている。
断熱層２１は、軸受パッド本体１４ａの表面（スラストカラー５の滑り面５ａと対向する側の面）１４ｂ全体を覆うものであり、例えば、セラミックスや樹脂等の材料により形成されたものである。
また、この断熱層２１の表面（スラストカラー５の滑り面５ａと対向する側の面）２１ａ側には、さらにメタル層２２が設けられている。このメタル層２２は、断熱層２１の表面２１ａ全体を覆うものであり、例えば、鉛銅合金やアルミニウム合金、あるいはホワイトメタル等の材料により形成されたものであり、その厚さは軸受厚みに対して５％以下とされている。
なお、軸受パッド本体１４は、例えば、スティール等の材料により形成されており、また、断熱層２１の厚みは軸受厚みに対して５％以下とされている。

このような断熱層２１を各軸受パッド１４に設けることにより、メタル層２２から軸受パッド本体１４ａへの熱の進入が阻止され（熱の伝達が遮断され）ることとなるので、軸受パッド本体１４ａの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、テーパランド型スラスト軸受８の温度を低減させることができる。

本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第２実施形態を、図２を用いて説明する。
本実施形態におけるテーパランド型スラスト軸受２８は、軸受パッド本体１４ａの表面１４ｂ側に断熱層２１のみが設けられているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図２に示すように、本実施形態では、軸受パッド本体１４ａの表面１４ｂ全体が断熱層２１のみで覆われている。すなわち、本実施形態におけるテーパランド型スラスト軸受２８では、第１実施形態のところで説明したメタル層２２が省略（削除）されている。

このような断熱層２１を各軸受パッド２４に設けることにより、スラストカラー５の滑り面５ａとスラスト軸受８の表面との間の狭いフィルム状の隙間に引き込まれた潤滑油から軸受パッド本体１４ａへの熱の進入が阻止され（熱の伝達が遮断され）ることとなるので、軸受パッド本体１４ａの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、テーパランド型スラスト軸受２８の温度を低減させることができる。
また、軸受パッド本体１４ａの表面１４ｂに断熱層２１を積層するだけでよい（すなわち、前述した第１実施形態のように断熱層２１の表面２１ａにメタル層２２を積層する必要がない）ので、製作工程を簡略化することができるとともに、製作時間および製作コストを低減させることができる。

本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第３実施形態を、図３を用いて説明する。
本実施形態におけるテーパランド型スラスト軸受３８は、断熱層３１が周方向（図において左右方向）に三つの領域に分割されているとともに、各領域において断熱層３１が熱伝導率の異なる材料により形成されているという点で前述した第２実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第２実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図３に示すように、本実施形態では、軸受パッド本体１４ａの表面１４ｂ全体が、周方向に三つの領域に分割された断熱層３１で覆われている。
断熱層３１は、その進行方向（図において左右方向）において前側（図において左側）から第１の断熱層３１ａ、第２の断熱層３１ｂ、および第３の断熱層３１ｃを有している。
これら第１の断熱層３１ａ、第２の断熱層３１ｂ、および第３の断熱層３１ｃはそれぞれ、熱伝導率の異なる材料から作られており、第１の断熱層３１ａの熱伝導率をλａ、第２の断熱層３１ｂの熱伝導率をλｂ、第３の断熱層３１ｃの熱伝導率をλｃとした場合、λａ＞λｂ＞λｃの関係となる材料がそれぞれ選択されるようになっている。

このような断熱層３１を各軸受パッド３４に設けることにより、スラストカラー５の滑り面５ａとスラスト軸受８の表面との間の狭いフィルム状の隙間に引き込まれた潤滑油から軸受パッド本体１４ａへの熱の進入が阻止され（熱の伝達が遮断され）ることとなるので、軸受パッド本体１４ａの熱膨張による変形を低減させることができるとともに、テーパランド型スラスト軸受３８の温度を低減させることができる。
また、第１の断熱層３１ａの熱伝導率λａ、第２の断熱層３１ｂの熱伝導率λｂ、第３の断熱層３１ｃの熱伝導率λｃが、λａ＞λｂ＞λｃの関係を有するように、第１の断熱層３１ａ、第２の断熱層３１ｂ、および第３の断熱層３１ｃの材料が選択されるようになっているので、断熱層３１の温度および軸受パッド本体１４ａの表面１４ｂの温度の均一化を図ることができ、軸受パッド本体１４ａの熱膨張による変形をさらに低減させることができて、テーパランド型スラスト軸受３８の温度をさらに低減させることができる。

上述したテーパランド型スラスト軸受８，２８，３８のいずれかを具備したガスタービンコンプレッサによれば、ロータの回転数を、例えば、周速１００ｍ／ｓｅｃとし、スラスト面圧を、例えば、２〜３ＭＰａとすることが可能となり、ガスタービンコンプレッサのロータの高回転化およびテーパランド型スラスト軸受の高面圧化を図ることができる。

なお、本発明は上述したようなガスタービンコンプレッサ１００にのみ適用され得るものではなく、過給機やその他の高速回転機械にも適用することができる。

また、図２に示した断熱層２１は、軸受パッド本体１４ａの表面１４ｂ全体を覆うように設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、周方向において６０％の位置から１００％の位置まで（すなわち、軸受パッド１４の前端面から後端面側に、軸受パッド１４の延在方向長さ×０．６だけ離間した位置から後端位置まで）の一部分だけに設けられたものであっても良い。
言い換えれば、断熱層２１を有しない軸受パッドで測定した場合に、軸受パッドの表面温度が、軸受パッドの前端（テーパ部の前端）における入口温度の１．２倍以上となる部分に設けるようにすることもできる。

本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第１実施形態を示す図であって、図６のＩ−Ｉ矢視断面図である。 本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第２実施形態を示す図であって、図１と同様の要部拡大断面図である。 本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第３実施形態を示す図であって、図１と同様の要部拡大断面図である。 本発明によるテーパランド型スラスト軸受の第１実施形態を具備したガスタービンコンプレッサの概略全体構成図である。 図４の要部拡大断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ矢視平面図である。

符号の説明

３ ロータ軸（回転軸）
５ スラストカラー（スラストディスク）
８ テーパランド型スラスト軸受
１０ 給油ポート
１１ テーパ部
１２ ランド部
１４ 軸受パッド
２１ 断熱層
２４ 軸受パッド
２８ テーパランド型スラスト軸受
３１ 断熱層
３１ａ 第１の断熱層
３１ｂ 第２の断熱層
３１ｃ 第３の断熱層
３４ 軸受パッド
１００ タービンコンプレッサ

Claims (10)

1. 回転軸に設けられたスラストディスクと対向する軸受面に、給油ポートに連続するテーパ部と、このテーパ部に連なるランド部とを有する軸受パッドが、周方向に複数個設けられたテーパランド型スラスト軸受であって、
   前記スラストディスクと対向する軸受パッドの表面または表面下に、軸受パッドの厚さ方向への熱の伝播を遮断する断熱層が設けられていることを特徴とするテーパランド型スラスト軸受。
2. 前記断熱層が、前記軸受パッドの周方向の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のテーパランド型スラスト軸受。
3. 前記断熱層が、前記軸受パッドの周方向全面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のテーパランド型スラスト軸受。
4. 前記断熱層が、周方向に沿って複数の領域に分割されており、各領域における断熱層が、熱伝導率の異なる材料からなることを特徴とする請求項３に記載のテーパランド型スラスト軸受。
5. 前記断熱層の熱伝導率が、前記回転軸の回転方向後側から回転方向前側に向かって漸次小さくなっていることを特徴とする請求項４に記載のテーパランド型スラスト軸受。
6. 前記断熱層が、セラミックス材料からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受。
7. 前記断熱層が、樹脂材料からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を具備してなることを特徴とする過給機。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を具備してなることを特徴とするタービンコンプレッサ。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を具備してなることを特徴とする回転機械。

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