JP2010255676A - 軸受装置およびこれを備えるタービン - Google Patents

Abstract

【課題】軸受に大きなスラスト力が発生しても、軸受内輪と球面座との接触点の降伏を防止するとともに軸受本体の軸方向の過大な移動を防ぐことで、タービン内部でのロータの接触を防止し、タービンの信頼性を向上させる軸受装置を提供する。
【解決手段】球面座１３の内球面の縁部に、軸受本体の軸方向の移動を制限する軸方向移動制限手段を設ける。例えば、内球面を部分的に２つの径からなる球面を構成し、球面座１３の中央部分は、半径Ｒｏからなる径により構成し、内球面の縁部のみ、内輪球面１１の半径Ｒｉと同径の半径Ｒｉを持つ縁部球面１６を設け、この縁部球面１６を軸方向移動制限手段とする。このとき、半径Ｒｏ＞半径Ｒｉの関係を満たす。軸受本体１０がスラスト力により、過大な移動をした際、内輪球面１１が縁部球面１６に接触することで、内輪球面１１と球面座１３とが点接触でなく面接触となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンのロータを支持する軸受装置に係り、特に、スラスト力発生時に軸受本体の軸方向移動を防いだ軸受装置およびこれを備えるタービンに関する。

従来より、ケーシング内で作動流体を膨張させることにより、ロータ（回転軸）を回転させて動力を発生させる蒸気タービンやガスタービンといったタービンが様々な分野において幅広く利用されている。この種のタービンでは、回転するロータを支持するために軸受装置を設けることが不可欠であるが、タービンの大容量化によるロータの大径化に伴い、軸受装置についても従来から様々な改良が施されている。

このような軸受装置（ジャーナル軸受、スラスト軸受）を備えた回転式流体機械の一例として蒸気タービン発電機を、図１２に示す。同図に示すように、通常の蒸気タービン発電機は、高圧タービン１、中圧タービン２、低圧タービン３、発電機ロータ４の複数のロータ（軸系）で構成される。これら各ロータの荷重は、ジャーナル軸受５で支持され、効率良く回転できるようになっている。蒸気タービンは、作動流体に高温・高圧の蒸気を用い、この蒸気を膨張させながら各ロータにおいて出力を発生させるように構成される。そのため、各蒸気タービンの蒸気入り口と出口における圧力差によって、各ロータにはスラスト力（軸方向力）が発生する。

特に、事業用の大型蒸気タービンでは、大きな出力となるため、各蒸気タービンの蒸気入り口と出口では圧力差が大きく、発生するスラスト力も非常に大きくなる。そこで、軸受装置においては、一般的に各ロータの荷重を支えるジャーナル軸受に加え、スラスト軸受６を設け、これにより軸方向に発生するスラスト力に対応している。

また、蒸気タービンの起動時や負荷上昇時はスラスト力が発生するが、最も使用頻度の高い定格負荷では作動流体である蒸気を図１２に示した矢印のごとく、ロータの左右方向に流すように設計されているため、発生するスラスト力はあまり大きくなく、スラスト軸受の耐荷重もさほど大きくならないのが通常である。

スラスト軸受６の詳細な構成について説明すると、図１３に示すように、スラスト軸受６は、ロータ７に設けられたカラー８に挟み込まれるように（逆に挟み込むタイプもある）設置され、このカラー８と、スラスト軸受６に設けられたパッド９の間に潤滑油を充満することで油膜が形成される。カラー８とパッド９の間に形成される油膜には、ロータの回転による動圧が発生し、スラスト力に対抗した力を生じスラスト力を支持する構成となっている。なお、図示していないが、パッド９は、厳密にはカラー８の回転面に対して傾きを持って設けられている。

蒸気タービンは高温の作動流体である蒸気を使用しているため周囲の温度も高い。そのため、ジャーナル軸受やスラスト軸受では、通常、高さが熱伸びにより変化し、これによりロータが傾くことがある。そこで、図１３に示すように、スラスト軸受６では、そのロータの傾きに対してカラー８とパッド９が常に平行あるいは設計した角度に保たれるように、軸受本体１０が、軸受外輪１２に対して回動自在に支持され、ロータの傾きに合わせて、軸受本体１０を回転させる構成を有する。

詳細には、軸受本体１０におけるロータ７の軸方向と垂直方向の端部に、外球面状の内輪球面１１が形成され、その内輪球面１１は、軸受外輪１２に設けられた内球面状の球面座１３に接合している。これにより、軸受本体１０が、軸受外輪１２に対して回動自在に構成される。なお、軸受本体１０は、軸受内輪とも呼ばれ、スラスト軸受だけでなく、ジャーナル軸受においても同様な構造が採用されている。

さらに具体的に作用を含めて説明すると、軸受本体１０に設けられた内輪球面１１の半径Ｒｉは、軸受外輪１２に設けられた球面座１３の半径Ｒｏよりも若干小さく（例えば０．０５ｍｍ小さく）製作されている。そのため、図１４に示したように、ロータが傾くと、スラスト軸受６は、球面座１３と当接する内輪球面１１により回転自由となっていることにより傾く。このような作用により、軸受装置は、ロータの傾きに対応して傾き、カラー８とパッド９は平行が保つことで、パッドの損傷などが発生しないようになっている。なお、ここでは、スラスト軸受を例にとって説明したが、ジャーナル軸受においても同様な球面座が設けられ、同様の構造が採用されている。

このような軸受外輪に設けられた球面座は、スラスト軸受等の軸受本体の自動調芯性を有しており、軸受の損傷を防止するのに有効であり、一般的な蒸気タービン発電機には広く適用されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開平９−２５９３２号公報 特開平１１−８２４９３号公報

ところで、近年地震時の耐震基準の見直しにより、地震時に想定されるスラスト力の基準が大きくなり、スラスト軸受を含めた軸受装置のスラスト力（軸方向力）に対応するための構造的信頼性の向上が課題となってきている。

図１５は、軸受装置の軸受にスラスト力がかかり、軸受本体１０がスラスト力の方向に沿って球面座１３上を移動したときの図を示したものである。

ここで、上述のように、軸受本体１０に設けられた内輪球面１１（半径Ｒｉ）と球面座１３（半径Ｒｏ）は、半径Ｒｏ＞半径Ｒｉの関係からなる異径差がある。そのため、図１３に示すように、内輪球面１１と球面座１３の間にはＲｏ−Ｒｉの間隙Ｃｒが形成され、大きなスラスト力が軸受本体１０にかかると、軸受本体１０はスラスト力の方向に全体が動き、球面座１３縁部の接触点１４で軸受本体１０の内輪球面１１と球面座１３が接触することとなる。このとき、球面座１３の縁部における内輪球面１１と球面座１３との接触点１４は、球面同士の接触となるため、点で接し、局所的に大きな応力（ヘルツの応力）が発生する。

スラスト力が小さければ、接触点１４は降伏せず、軸受本体１０の軸方向移動はこの点で止まる。この際の軸受本体の移動量は、内輪球面１１と球面座１３との間隙Ｃｒで決まり、例えば間隙Ｃｒが０．０５ｍｍの場合は僅かに０．０２５ｍｍである。しかし、スラスト力が大きく、接触点１４の部材が降伏すると実質の間隙は広くなり、例えば２ｍｍ降伏するとその移動量は１．３ｍｍと大きくなる。

ここで、軸受本体が、スラスト力により移動すると、ロータもそれに追従して軸方向に移動することとなるが、さらに接触点が降伏してこの移動量が大きくなると、ロータの移動により、ロータと静止部とが接触する可能性が生じる。特に、蒸気タービンは、蒸気の余分な漏れを防いで高効率化を図るため、回転体と静止部に非常に間隙の小さい非接触シール（図示せず）が用いられており、近年ではより効率を上げるべく、回転体と静止部との間隙をなるべく小さく設計する傾向にある。そのため、スラスト力により軸受装置の内輪球面１１と球面座１３との接触点１４における降伏が原因となって、ロータと静止部とが接触する可能性はより大きくなっている。ロータと静止部とが接触すると、回転体の損傷につながり蒸気タービンを運転できない事態が生じ得る。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、軸受に大きなスラスト力が発生しても、軸受内輪と球面座との接触点の降伏を防止するとともに軸受本体の軸方向の過大な移動を防ぐことで、タービン内部でのロータの接触を防止し、タービンの信頼性を向上させる軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、タービンロータを支持する軸受装置であって、軸受本体と軸受外輪とを備え、前記軸受本体における前記ロータの軸方向と垂直方向の端部に外球面状に形成された軸受内輪と前記軸受外輪に外球面状に形成された球面座とが回動自在に接合して、前記ロータの傾きや軸位置の変化に対応して軸受本体の傾きを調芯する軸受装置において、前記軸受内輪の球の径は、前記球面座の球の径より小さく形成され、前記球面座の内球面縁部に、前記軸受本体の軸方向への移動を制限する軸方向移動制限手段を設けたことを特徴とする。

軸受装置において、軸受本体は、スラスト力が小さいときは、スラスト軸受はその中心に位置するが、スラスト力が大きくなると、球面座上を滑りながらスラスト力と同じ方向に移動する。このとき、軸受本体の軸受内輪は、軸受外輪球面座の縁部で接触する。

本発明の軸受装置では、軸受外輪の球面座の内球面縁部に、軸受本体の軸方向への移動を制限する軸方向移動制限手段を設け、軸受内輪と軸受外輪の球面座の縁部で点接触しないようにしている。このような本発明の軸受装置では、従来のような局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず平均的な応力となるため、接触部の塑性変形を防ぐことが可能である。

本発明によれば、軸受に大きなスラスト力が発生しても、軸受内輪と球面座との接触点の降伏を防止するとともに軸受本体の軸方向の過大な移動を防ぐことで、タービン内部でのロータの接触を防止し、タービンの信頼性を向上させる軸受装置およびこれを備えるタービンを提供することができる。

本発明の第１実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第１実施形態における軸受装置の作用を示す部分模式図 本発明の第２実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第３実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第４実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第５実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第６実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第６実施形態における軸受装置の作用を示す部分拡大模式図 本発明の第７実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第８実施形態における軸受装置の部分模式図 本発明の第９実施形態における軸受装置の部分模式図 従来の蒸気タービンの軸及び軸受を示す構成図 従来のスラスト軸受の構成を示す模式図 従来のスラスト軸受の作用を示す模式図 従来のスラスト軸受の課題を示す模式図

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について、図１〜図１１を参照して具体的に説明する。なお、従来技術と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
本発明の第１実施形態に係る軸受装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、軸受装置本体の下半分を拡大した図である。本実施形態の軸受装置は、従来同様、軸受本体１０と、軸受外輪１２とを備え、軸受本体１０におけるロータ７の軸方向と垂直方向の端部には外球面状の内輪球面１１が形成され、その内輪球面１１は、軸受外輪１２に設けられた内球面状の球面座１３に回動自在に接合している。これにより、軸受本体１０が、ロータ７の傾きに合わせて回動自在に構成される。

本実施形態では、この球面座１３の構成に改良を施したものであり、球面座１３が、部分的に２つの径からなる球面を構成する点に特徴を備える。具体的には、球面座１３の中央部分は、従来同様、半径Ｒｏからなる径により構成し、内球面の縁部のみ、内輪球面１１の半径Ｒｉと同径の半径Ｒｉを持つ縁部球面１６を設けたものである。すなわち本実施形態においては、球面座１３の両縁部（両端部）に設けた縁部球面１６が軸受本体の軸方向の過大な移動を防止する軸方向移動制限手段を構成している。なお、上述のとおり、半径Ｒｏ＞半径Ｒｉの関係を満たす。

この縁部球面１６を設ける範囲は次の通りである。すなわち、縁部球面１６は、図示しないロータの傾きに対してカラーとパッドが常に平行あるいは設計した角度に保たれるように、内輪球面１１が球面座１３に対して回動自在にする機能を確保した上で、軸受装置にスラスト力が大きく働いた際に、内輪球面１１と球面座１３との接触点（図１５における接触点１４）となる球面座１３の縁部から球面座１３上に帯状に形成されるような任意の範囲に設ければよく、その範囲は適宜調整可能である。なお、軸受装置のその他の構成は、従来の軸受装置と同様であるので説明を省略する。

［１−２．作用効果］
以上のような本実施形態の軸受装置において、軸受本体１０は、スラスト力が小さいときは、スラスト軸受はその中心に位置するが、スラスト力が大きくなると、球面座１３上を滑りながらスラスト力と同じ方向に移動する。このとき、軸受本体１０の内輪球面１１は球面座１３の縁部で接触する。

ここで、上述のように、本実施形態の軸受装置では、内輪球面１１の球面座縁部１５に設けられた縁部球面１６が、軸受本体１０の内輪球面１１と同じ半径で加工されている。そのため、図１５で示したような内輪球面１１と球面座１３の点接触は生じず、図２で示すように、内輪球面１１と球面座１３とは面で接触し、接触面１７を形成することになる。球面同士の接触が、点ではなく接触面１７でなされるため、従来のような局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず平均的な応力となるため塑性変形を防ぐことが可能である。

以上のような本実施形態の軸受装置では、スラスト力発生時に生じる軸受本体の軸受内輪と球面座との点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点を降伏させないことで、軸受本体の軸方向の過大な移動を防止することができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止し、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
本発明の第２実施形態に係る軸受装置について、図３を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、球面座１３の縁部に、球面座１３と同じ半径からなる内球面を持ち、高い降伏点を有する材料からなるパッド１８が設けられたことを特徴とする。このパッド１８は、軸受装置にスラスト力が大きく働いた際に、内輪球面１１と球面座１３との接触点１４となる球面座１３の縁部から球面座１３上において帯状に形成される任意の範囲に設ければよく、少なくとも接触点部分をカバーするように設ければよい。すなわち、本実施形態においては、球面座１３の両縁部（両端部）に設けたパッド１８が軸受本体の軸方向の過大な移動を防止する軸方向移動制限手段を構成している。なお、軸受装置のその他の構成は、従来の軸受装置と同様であるので説明を省略する。

［２−２．作用効果］
以上のような本実施形態における軸受装置では、スラスト力が軸受本体１０にかかると、軸受本体１０は、球面座１３すべり球面座縁部の接触点１４で接触する。このとき、接触点は球面同士の接触であるため点接触となり、局所的に高いヘルツの応力が発生する。ここで、本実施形態の軸受装置では、その接触点に降伏点の高いパッド１８があるため局所的に高いヘルツの応力が発生しても降伏しにくくなる。

このように本実施形態の軸受装置では、スラスト力発生時に生じる軸受内輪と球面座との接触点に、降伏点の高い素材を配置することで、軸受内輪と球面座との点接触による球面座の塑性変形を防ぐことができる。これにより、スラスト軸受の軸方向移動量を極力減らし、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止することで、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
本発明の第３実施形態に係る軸受装置について、図４を用いて説明する。なお、第１又は第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の軸受装置では、球面座１３縁部に、内球面に内輪球面１１の外径Ｒｉと同様の曲率を有するパッド１９を設置したことを特徴とする。このパッド１９は、図示しないロータの傾きに対してカラーとパッドが常に平行に保たれるように、内輪球面１１が球面座１３に対して回動自在にする機能を確保した上で、軸受装置にスラスト力が大きく働いた際に、内輪球面１１と球面座１３との接触点（図１５における接触点１４）となる球面座１３の縁部から球面座１３上に帯状に形成されるような任意の範囲に設ければよく、その範囲は適宜調整可能である。また、このパッド１９には、第２実施形態で説明したような降伏点の高い材料を用いる。すなわち、本実施形態においては、球面座１３の両縁部（両端部）に設けたパッド１９が軸受本体の軸方向の過大な移動を防止する軸方向移動制限手段を構成している。なお、軸受装置のその他の構成は、従来の軸受装置と同様であるので説明を省略する。

［３−２．作用効果］
本実施形態の軸受装置では、第１実施形態と同様、スラスト力が軸受本体１０にかかると、軸受本体１０は球面座１３をすべり球面座縁部で接触する。このとき、第１実施形態と同様に、軸受本体の内輪球面１１とパッド１９の内周が同径であるため互いの接触部は面接触となる。このため、局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず、平均的な応力となるため塑性変形を防ぐことが可能である。

このような本実施形態の軸受装置では、スラスト力の発生時に生じる軸受内輪と球面座との点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点を降伏させないことで、軸受本体の軸方向に対する過大な移動を防止することができる。特に、本実施形態では、パッドに降伏点の高い材料を用いることでその信頼性を高めることができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止して、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［４．第４実施形態］
［４−１．構成］
本発明の第４実施形態に係る軸受装置について、図５を用いて説明する。なお、第１乃至第３実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の軸受装置では、軸受外輪１２の球面座１３の縁部に軸受本体１０の軸受側面２０と接触するストッパ２１を設置したことを特徴する。具体的には、軸受外輪１２の端面であって、球面座１３の側部から、立ち上がるようにしてストッパ２１を設けたもので、このストッパ２１は軸受側面２０と相対するストッパ側面２２を備え、そのストッパ側面２２は軸受側面２０と平行に形成される。すなわち、本実施形態においては、球面座１３の両縁部（両端部）に設けたストッパ２１が軸受本体の軸方向の過大な移動を防止する軸方向移動制限手段を構成している。

［４−２．作用効果］
以上のような本実施形態の軸受装置では、スラスト力が軸受本体にかかり軸受本体１０は球面座１３をすべり球面座縁部に移動する。このとき、本実施形態の軸受装置では、軸受外輪１２の端面に、軸受側面２０と相対するストッパ側面２２を備えたストッパ２１を設けたことにより、軸受本体１０が移動したとき、軸受本体１０の軸受側面２０は、ストッパ側面２２と接触する。これにより、軸受本体１０の軸受側面２０と、ストッパ側面２２との面同士の接触となる。そのため、軸受本体１０と軸受外輪１２との接触面は大きく、従来のような点接触による局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず平均的な応力となるため塑性変形を防ぐことが可能である。

このような本実施形態の軸受装置では、スラスト力発生時に生じる軸受内輪と球面座との点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点の降伏をなくすことで、軸受本体の軸方向に対する過大な移動を防止することができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止して、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［５．第５実施形態］
［５−１．構成］
本発明の第５実施形態に係る軸受装置について、図６を用いて説明する。なお、第１乃至第４実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の軸受装置は、第１実施形態と第４実施形態の軸受装置を組み合わせて構成するものであり、球面座１３の球面座縁部１５に軸受本体１０の内輪球面１１と同径の曲率をもつ縁部球面１６を設置するとともに、軸受側面２０と接触するストッパ２１を設置する。すなわち、本実施形態においては、球面座１３の両縁部（両端部）に設けた縁部球面１６とストッパ２１が軸受本体の軸方向の過大な移動を防止する軸方向移動制限手段を構成している。

［５−２．作用効果］
以上のような本実施形態の軸受装置では、スラスト力が軸受本体にかかると軸受本体１０は球面座１３をすべり球面座縁部に移動する。このとき、軸受本体１０の内輪球面１１は、球面座１３の球面座縁部１５に設けられた縁部球面１６と面接触するとともに、軸受本体の軸受側面２０はストッパ２１のストッパ側面２２と面接触する。このように二つの接触面により、球面同士の点接触による局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず平均的な応力もこれまで以上に減らすことが可能で、さらに効果的に塑性変形を防ぐことができる。

このような本実施形態では、スラスト力発生時に生じる軸受内輪と球面座との点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点の降伏をなくすことで、軸受本体の軸方向に対する過大な移動を防止することができる。このような軸受装置により、回転体と静止部との接触を防止でき信頼性の高い蒸気タービンを提供可能となる。

［６．第６実施形態］
［６−１．構成］
本発明の第６実施形態に係る軸受装置について、図７を用いて説明する。なお、第１乃至第５実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の軸受装置は、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３であって、軸受本体１０を支持する球面座１３の球面座縁部１５近傍に、高圧の潤滑油を供給する潤滑油供給装置２４を備えたものである。

この潤滑油供給装置２４は、接触点１４の近傍において、軸受本体の内輪球面１１と球面座１３との間隙２３にスラスト力のかかった軸受本体１０を支承、浮上させるのに十分な高圧の潤滑油を供給することができるものである。

この潤滑油供給装置２４において、高圧の潤滑油が、軸受本体１０の内輪球面１１と軸受外輪１２の球面座１３との間隙２３に供給された際の拡大図を図８に示す。同図に示すように、潤滑油供給装置２４は、高圧油ポンプ２５と、潤滑油の給油量を一定に保つコントロールバルブ２６と、逆止弁２７を備え、この高圧油ポンプ２５とコントロールバルブ２６と逆止弁２７を図示しない制御部により制御することで、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３に高圧の潤滑油を供給できるように構成される。この潤滑油の圧力は、スラスト力がかかる軸受本体１０を支承、浮上させることのできる程度に設定されるため、間隙２３には図８に示すような油膜２８が形成される。すなわち本実施形態においては、球面座１３の両縁部（両端部）に設けた潤滑油供給装置２４が軸受本体の軸方向の過大な移動を防止する軸方向移動制限手段を構成している。

［６−２．作用効果］
以上のような本実施形態における軸受装置では、スラスト力が軸受本体にかかったとき、軸受本体１０は球面座１３をすべり球面座縁部に移動する。このとき、軸受本体１０の内輪球面１１と球面座１３は接触点１４で点接触をする。そこで、潤滑油供給装置２４は、高圧油ポンプ２５とコントロールバルブ２６と逆止弁２７を図示しない制御部により制御することで、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３に高圧の潤滑油を供給する。

このような潤滑油供給装置２４の作用により、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３に高圧の潤滑油による油膜２８が形成され、軸受本体１０に対してスラスト力がかかり、軸受本体１０が軸方向に移動しても、軸受本体１０の内輪球面１１は球面座１３と点接触をせず、高圧の油膜２８で保護して、内輪球面１１と球面座１３と直接の接触を防止することができる。したがって、球面同士の点接触による局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず平均的な応力もこれまで以上に減らすことが可能で、塑性変形を防ぐことが可能である。

以上のような本実施形態の軸受装置では、スラスト力発生時に生じる球面と球面座同士の点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点の降伏をなくすことで、軸受本体の軸方向に対する過大な移動を防止することができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止して、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［７．第７実施形態］
［７−１．構成］
本発明の第７実施形態に係る軸受装置について、図９を用いて説明する。なお、第１乃至第６実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の軸受装置は、第６実施形態における軸受装置に改良を施したものであり、第６実施形態同様、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３であって、軸受本体１０を支持する球面座１３の球面座縁部１５近傍に、高圧の潤滑油を供給する潤滑油供給装置２４を軸方向移動制限手段として備え、これに加えて、軸受位置検出器２９と、作動指示器３０とを設ける。

図９に示すように、この軸受位置検出器２９は、軸受本体の軸方向に対する移動量を検出する機能と、軸受本体の移動量があらかじめ設定した値以上になると作動信号を発し、作動指示器３０に送信する機能を備える。軸受位置検出器２９における軸方向に対する移動量の検出は、軸受本体１０の位置検出によって行なう。

ここで、軸受位置検出器２９が作動信号を発する移動量とは、接触点１４で内輪球面１１と球面座１３とが接触する際の移動量を基準に、これより手前の値を設定するものである。そして、接触点１４において、内輪球面１１と球面座１３とが接触する際の移動量とは、従来技術の項（段落００１５）で述べたように、内輪球面１１と球面座１３との間隙Ｃｒで決まり、例えば間隙Ｃｒが０．０５ｍｍの場合は僅かに０．０２５ｍｍとなる。そこで、軸受装置における球面座１３の半径Ｒｏと内輪球面１１の半径Ｒｉから、接触点１４において内輪球面１１と球面座１３とが接触した際の移動量を予め記録しておき、その移動量より僅かに小さい値を、作動信号発生の移動量として設定する。

一方、作動指示器３０は、軸受位置検出器２９から入力される作動信号に基づいて、潤滑油供給装置２４を作動させる機能を備える。そして、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３であって、軸受本体１０を支持する球面座１３の球面座縁部１５近傍に設けられた潤滑油供給装置２４が、この作動信号に基づいて、間隙２３に高圧の潤滑油を供給するように構成される。なお、潤滑油供給装置２４の構成は、第６実施形態において示したものと同様であるので、本項においては説明を省略する。

［７−２．作用効果］
以上のような本実施形態における軸受装置では、スラスト力が軸受本体にかかったとき、軸受本体１０は球面座１３をすべり球面座縁部に移動する。ここで、軸受位置検出器２９において検出される軸受本体１０の軸方向移動量が、あらかじめ設定した値以上になると作動信号を発し、作動指示器３０に送信する。なお、上述の通り、この移動量は、球面座１３縁部の接触点１４で軸受本体１０の内輪球面１１と球面座１３が接触する際の移動量を基準に、これよりわずかに少ない値で設定される。

作動指示器３０は、軸受位置検出器２９から入力される作動信号に基づいて、潤滑油供給装置２４を作動させる。これを受けて、潤滑油供給装置２４は、高圧油ポンプ２５とコントロールバルブ２６と逆止弁２７を図示しない制御部により制御することで、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３に高圧の潤滑油を供給する。

このような潤滑油供給装置２４の作用により、内輪球面１１と球面座１３との間隙２３に高圧の潤滑油による油膜２８が形成され、軸受本体１０に対してスラスト力がかかり、軸受本体１０が軸方向に移動しても、軸受本体１０の内輪球面１１は球面座１３と点接触をせず、高圧の油膜２８で保護して、内輪球面１１と球面座１３と直接の接触を防止することができる。したがって、球面同士の点接触による局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生せず平均的な応力もこれまで以上に減らすことが可能で、塑性変形を防ぐことが可能である。

本実施形態の軸受装置によれば、軸受本体１０の内輪球面１１と球面座１３とが接触する前に、潤滑油供給装置２４により、間隙２３にタイムリーに油膜２８を形成することができる。このような潤滑油供給装置２４による作用により、内輪球面１１と球面座１３との間に発生した潤滑膜内に平均的な圧力が発生し軸受本体を浮上させ、球面同士の点接触を防ぐことができる。これにより、軸受装置において、局所的に大きな圧力となるヘルツの応力は発生させず、塑性変形をタイムリーに防ぐことが可能となる。

以上のような本実施形態の軸受装置では、スラスト力発生時に生じる軸受内輪と球面座との点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点の降伏をなくすことで、スラスト軸受の軸方向に対する過大な移動をタイムリーに防止することができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止して、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［８．第８実施形態］
［８−１．構成］
本発明の第８実施形態に係る軸受装置について、図１０を用いて説明する。なお、第１乃至第７実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０に示すように、本実施形態の軸受装置は、第７実施形態で示した軸受位置検出器２９と作動指示器３０とを具備する潤滑油供給装置２４を、第１実施形態で示した軸受本体１０の内輪球面１１と球面座１３の縁部に設けた縁部球面１６を備えた装置に適用するものである。

［８−２．作用効果］
以上のような本実施形態における軸受装置では、軸受本体１０がスラスト力により軸受縁部に近づいたとき、内輪球面１１と球面座１３の縁部に設けた縁部球面１６との間に高圧の潤滑油を供給でき、内輪球面１１と球面座１３との間隙に、図８で示したような油膜を形成することができる。縁部球面１６は内輪球面１１と同じ曲率を有するため、両者の面は油膜を介して平行になり、両者の接触による応力の発生を防ぐことが可能となる。

このように、本実施形態の軸受装置では、潤滑油を供給する場所が球面となるため、軸受本体の移動を防止する潤滑油の油膜圧力発生領域を広くすることができる。したがって、第６，第７実施形態の効果をさらに発展させ、軸受本体の軸方向の移動をより効果的に防止することができる。

以上のような本実施形態の軸受装置によれば、スラスト力発生時に生じる球面と球面座同士の点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点の降伏をなくすことで、スラスト軸受の軸方向に対する過大な移動をタイムリーにかつ最大限に減らすことができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止して、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［９．第９実施形態］
［９−１．構成］
本発明の第９実施形態に係る軸受装置について、図１１を用いて説明する。なお、第１乃至第８実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１１に示すように、本実施形態の軸受装置は、第８実施形態の変形例であり、第７実施形態で示した軸受位置検出器２９と作動指示器３０とを具備する潤滑油供給装置２４を、第４実施形態で示した球面座１３の曲面両縁部から立ち上がるように、軸受外輪１２の端面にストッパ２１を設けた装置に適用するものである。

［９−２．作用効果］
以上のような本実施形態における軸受装置では、軸受本体１０がスラスト力により軸受縁部に近づいたとき、軸受本体１０の軸受側面２０は、ストッパ側面２２と接触する前に、軸受側面２０とストッパ側面２２との間に高圧の潤滑油を供給し、油膜を形成することができる。縁部球面１６は内輪球面１１と同じ曲率を有するため、両者の面は油膜を介して平行になり、両者の接触による応力の発生を防ぐことが可能となる。

このように、本実施形態の軸受装置では、潤滑油を供給する場所が平面となるため、軸受本体の移動を防止する潤滑油の油膜圧力発生領域を広くすることができる。したがって、第６，第７実施形態の効果をさらに発展させ、軸受本体の軸方向の移動をより効果的に防止することができる。

以上のような本実施形態の軸受装置によれば、スラスト力発生時に生じる球面と球面座同士の点接触による局所的な過大応力を防ぎ、接触点の降伏をなくすことで、スラスト軸受の軸方向に対する移動をタイムリーにかつ最大限に減らすことができる。これにより、タービンにおける回転体と静止部との接触を防止して、より信頼性の高い蒸気タービンを構成する軸受装置を提供することができる。

［１０．他の実施形態］
本発明は、上記実施形態に限られず、次のような態様も包含するものである。第８，第９実施形態においては、それぞれ第１実施形態及び第７実施形態の組み合わせと、第４及び第７実施形態を組み合わせた態様を示したが、本発明は、このような組み合わせに限定されるものではない。

すなわち、第７実施形態で示した軸受位置検出器２９と作動指示器３０とを用いず、第６実施形態で示した潤滑油供給装置２４を、第１又は第４実施形態の構成と組み合わせて用いることも可能である。また、第６又は第７実施形態の潤滑油供給装置２４は、第１及び第４実施形態に限られず、第１〜第３及び第５実施形態の構成と組み合わせて用いることも可能である。

１…高圧タービン
２…中圧タービン
３…低圧タービン
４…発電機ロータ
５…ジャーナル軸受
６…スラスト軸受
７…ロータ
８…カラー
８…逆止弁
９…パッド
１０…軸受本体（軸受内輪）
１１…内輪球面
１２…軸受外輪
１３…球面座
１４…接触点
１５…球面座縁部
１６…縁部球面
１７…接触面
１８…パッド
１９…パッド
２０…軸受側面
２１…ストッパ
２２…ストッパ側面
２３…間隙
２４…潤滑油供給装置
２５…高圧油ポンプ
２６…コントロールバルブ
２７…逆止弁
２８…油膜
２９…軸受位置検出器
３０…作動指示装置
Ｃｒ…間隙

Claims (7)

1. タービンロータを支持する軸受装置であって、軸受本体と軸受外輪とを備え、前記軸受本体における前記ロータの軸方向と垂直方向の端部に外球面状に形成された軸受内輪と前記軸受外輪に外球面状に形成された球面座とが回動自在に接合して、前記ロータの傾きや軸位置の変化に対応して軸受本体の傾きを調芯する軸受装置において、
   前記軸受内輪の球の径は、前記球面座の球の径より小さく形成され、
   前記球面座の内球面縁部に、前記軸受本体の軸方向への移動を制限する軸方向移動制限手段を設けたことを特徴とする軸受装置。
2. 軸方向移動制限手段は、軸受内輪の径と同一の曲率を持つ球面部であることを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
3. 軸方向移動制限手段は、降伏点の高い材料で形成されたパッドであることを特徴とする請求項１または２記載の軸受装置。
4. 軸方向移動制限手段は、軸受内輪方向に垂直に立ち上がって面を形成するストッパであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の軸受装置。
5. 軸方向移動制限手段は、前記内球面縁部に高圧の潤滑油を供給する潤滑油供給手段であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の軸受装置。
6. 前記潤滑油供給手段は、
   前記軸受本体の軸方向の移動量を検出する機能と、軸受本体の前記タービンロータの軸方向に対する移動量があらかじめ設定した値を超えたときに作動信号を発生する機能とを備えた軸受位置検出器と、
   前記作動信号の入力を受け、前記内球面縁部に高圧の潤滑油の供給を開始させる作動指示器と、を備えたことを特徴とする請求項５記載の軸受装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の軸受装置を備え、前記軸受装置によりロータを支持されることを特徴とするタービン。

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