JP2010500520A - 大形タービン・発電設備における高支持容量の静圧ラジアルすべり軸受 - Google Patents

Abstract

本発明は、被支持体（３）が支持される軸受スリーブ（２）を有し、その軸受スリーブ（２）が軸受箱（４）によって取り囲まれているすべり軸受（１）に関する。本発明の課題は、この形式のすべり軸受を特にその支持容量が改善されるように改良することにある。これは一方では、軸受スリーブ（２）がその分割接合面（７）が水平線（６）と角度を成して配置されていることによって解決されるが、すべり軸受が能動的な冷却作用を有することも有利である。また、すべり軸受が制御可能な潤滑によって改善されることも有利である。
【選択図】図１

Description

本発明は、被支持体が支持される軸受スリーブを有し、その軸受スリーブが軸受箱によって取り囲まれているすべり軸受に関する。

すべり軸受は回転する被支持体がすべり面上をすべる軸受である。その被支持体のすべり面は軸受スリーブのすべり面上をすべる。軸受スリーブはすべり軸受の様式に応じて種々に形成される。ラジアルすべり軸受の場合、軸受スリーブはジャーナルボックスにはめ込まれた軸受殻として形成され、その軸受殻は複数の軸受セグメントの形に分割形成できる。

すべり軸受の運転中、被支持体のすべり面は軸受スリーブのすべり面上で擦れる。その摩擦従ってすべり軸受の摩耗をもできるだけ少なくするために、両すべり面間に潤滑材膜、例えば油膜が設けられる。

回転開始時に潤滑材が両すべり面間の隙間に引き込まれ、被支持体が軸受スリーブ内において偏心位置に移行する。その被支持体は混合摩擦域を回転する。すべり速度の増大および偏心位置への移行が進むと、被支持体と軸受スリーブとの間に油膜くさびが生じ、この油膜くさびの圧力によって、被支持体が軸受スリーブから浮き上げられる。次いでその被支持体は純粋に流体力学的に潤滑されて、軸受スリーブと被支持体とが直に接することなく、軸受スリーブ内で安定して回転する。その効果はラジアルすべり軸受において軸受隙間の存在によって生ずる。

冒頭に述べた形式のすべり軸受特にラジアルすべり軸受は例えば蒸気タービン設備、発電機設備およびガスタービン設備に採用される。その場合、すべり軸受は被支持体としてロータ軸を支持する。

発電用の蒸気タービン設備における実際の新たな開発目標は、効率を大幅に高めることおよびエネルギを効率的に転換することにある。その場合、高い運転安全性が保証され、経費節減が実現されねばならない。この開発は次のような結果をもたらす。即ち、
ａ）ロータが長くされ、軸受間隔が大きくされる。
ｂ）特に低圧部位における排気開口断面が大きくされる。
ｃ）個々の部分タービンの規定出力が高められる。

同時に蒸気タービンの特に低圧部においていわゆる単一構造（モノブロック）原理を維持した場合、その開発は最終的に規定軸受負荷の顕著な増大を生じさせる。このために、タービン開発において特に低圧部における軸受ないしその最大支持容量が制限される。類似した開発は発電機およびガスタービンでも見られる。すべり軸受の支持容量は最大温度、最大規定軸受負荷および潤滑油最小膜厚によって制限される。

この軸受には、支持容量の顕著な増大のほかに、以下の追加的な要件が課せられる。即ち、
− 全負荷範囲における高い安定性ないし良好な回転動特性。
− 保守・点検のし易さ。
− 最高の稼動性／無摩耗運転。
− タービン運転における高圧油によるロータの持ち上げ。
− 高い故障時安全性（大きなアンバランス時におけるタービン・発電設備の完全性）。
− 既存ジャーナルボックスでの利用。
− 追加装備性。

上述の要件およびすべり軸受の支持容量の顕著な増大に応えるために、例えば以下の対策が知られている。即ち、
− ロータ重量の軽減。
− 高粘性油の利用。
− 大きな軸受幅および／又は大きなジャーナル直径。
− 低い油入口温度。
− （ティルティングパッド軸受における）方向性（制御）潤滑。

支持容量を高めるためのこれらの標準的処置は実証されているが、しばしば限界に突き当たる。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のすべり軸受を、これが例えば大形タービン設備特には蒸気タービン設備における上述した要件に応えられるように改良することにある。

この課題は、本発明に基づいて、軸受スリーブが多面軸受としてその分割接合面が水平線と角度を成して配置されていることによって解決される。

本発明において、軸受スリーブが２分割形で２個の半殻体で形成され、その分割接合面が水平線と角度を成して配置されていることが有利である。

本発明において、分割接合面が横断面で見て水平線に対して被支持体の回転方向と逆向きにずらされていることが目的に適っている。

軸受スリーブの分割接合線が、水平線に対して配置された角度位置に固定されていることが有利であり、その固定のために、固定要素例えば１本あるいは数本のピンを利用することができ、その固定要素は軸受箱に配置され、軸受スリーブがその角度位置に十分に回り止め保持されるように、軸受スリーブに固くはまり込み、ないしは、軸受スリーブに固定して接する。

本発明の他の有利な実施態様において、軸受スリーブがその壁に円周方向に見て少なくとも区域的に配置された第１流路を有し、その壁にこの第１流路を貫通している少なくとも１つの軸方向孔が配置されている。これによって、すべり軸受ないし軸受スリーブの能動的な冷却作用が得られる。

本発明において、軸受スリーブが軸方向に見て第１流路に対して間隔を隔てられた少なくとも１つの第２流路を有し、軸受スリーブ壁に第１流路と第２流路を貫通している少なくとも１つの軸方向孔が配置され、これによって、第１流路と第２流路が軸方向孔によって互いに接続されていることが目的に適っている。しかし第３あるいは他の流路が設けられ、第１流路が軸方向に見て第２流路と第３流路との間に配置され、それぞれ３つの全流路を貫通する複数の軸方向孔が設けられることも勿論考えられる。

第１流路が２分割形軸受スリーブの負荷側半殻体に設けられ、軸受箱に向けて開かれ、その第１流路が円周方向に見て半円状に軸受スリーブ壁に設けられ、これにより、無負荷側半殻体、即ち、第２軸受半殻体の中まで少し延びるほぼ半円状の溝が形成されていることが有利である。

第１流路がその円周方向に見た両側端に軸受ポケットを有し、これらの軸受ポケットに、被支持体ないしロータ軸に向けて液状潤滑材を噴射するための少なくとも１個の噴射要素がそれぞれ配置されていることが有利である。

軸受スリーブが多面軸受として２分割形で２個の半殻体により形成され、その第１流路が負荷側半殻体に配置され、第１流路の少なくとも片側が無負荷側半殻体の中まで少し延び、多面軸受の分割接合面が水平線に関して角度を成して配置され、これにより、一方の軸受ポケットが横断面に見て水平線の上側に配置され、他方の軸受ポケットが横断面に見て水平線の下側に配置されていることが有利である。それらの軸受ポケットは、少なくとも第１流路の形成のために、一方は負荷側半殻体に配置され、他方は無負荷側半殻体に配置されている。本発明における負荷側半殻体は定格負荷を受ける殻体であり、これに対して、無負荷側半殻体の役割は主に軸受スリーブにおける被支持体の案内に限定される。

本発明の他の有利な実施態様において、軸受スリーブの円周方向に見た両側端における軸受ポケットにそれぞれ噴射要素が多列配置で付設され、それらの噴射要素は液状潤滑材を一方では被支持体あるいはロータ軸に向けて、他方では漏出隙間に向けて噴射する。

本発明において、噴射要素がそれぞれの軸受ポケットに二列で複数配置され、それらの噴射要素がノズルとして軸受ポケットにねじ込まれていることが有利である。

有利な実施態様において、噴射要素ないしノズルは、必要油量ないし液状潤滑材の必要量が被支持体ないしロータ軸に垂直に噴射され、他方では、負荷側半殻体の漏出隙間に斜めに噴射されるように配置されている。

全体として本発明は特に回転軸に対する流体力学的潤滑式の静圧ラジアルすべり軸受に関する。各軸受の孔形状は２個の（円筒状あるいはプロファイルされた形状の）半殻体の水平方向のずれによって描かれる。ここで水平とは２分割構造軸受において軸受分割接合面の方向を指す。この軸受は回転方向にのみ適しており、従って、非常に収斂しにくい長い引き込み隙間が生ずるという利点を生じ、その結果、流体力学的圧力形成（静圧発生）が拡張される。

これによって全体として、全閉形すべり軸受に対する調整可能な噴射潤滑系（制御潤滑系）を有する改良形すべり軸受が得られ、その場合には、従来技術におけるティルティング軸受パッドが不要となる。この場合、新しい油ないし液状潤滑材は片側に配置された孔を介し、軸受箱（一般にジャーナルボックス）を通して供給され、はじめに負荷側半殻体の半分閉じられた流路に到達し、続いて噴射要素に到達する。これらの噴射要素は、軸受ポケットないし円周方向に見た両側端における軸受ポケットにそれぞれ二列で複数配置され、油量を被支持体ないしロータ軸に垂直に噴射し、負荷側半殻体の漏出隙間に斜めに噴射する。その場合、斜めに向けられたノズルは一方の軸受ポケットでしか作動しない。その軸受ポケットは、好適には、軸受スリーブの固定状態において水平線の下側に配置された軸受ポケットである。すべてのノズルはねじ込まれ、これによって、流入口における油流量の注入が可能となる。

鏡面配置の支持方式によって、なじみ摩耗ないし運転中における制御不能な摩耗が有利に防止される。幅方向に閉じられた流路（内部環状流路）が中央に配置され、無負荷側半殻体の全周にわたり延びている。

円周方向に延びる好適には３つ設けられた流路と、負荷側半殻体における複数の軸方向孔とによって、軸受の能動的な冷却が達成され、その場合、軸受箱における片側に配置された孔を通して供給された液状潤滑材が、はじめに第１流路に到達し、それぞれ他の流路に開口された軸方向孔を通して導かれ、これによって、負荷側半殻体が能動的に冷却される。それに応じて、流路ないし軸方向孔には二重機能が与えられる。即ち、それらは、一方では新しい油による能動的な冷却に用いられ、他方では噴射要素に新しい油を供給するために用いられる。

すべり軸受ないし軸受スリーブは、有利には、軸受箱内において被支持体ないしロータ軸の回転方向と逆向きに幾分回わされ、固定要素ないしピンによって最良の回転位置に保持されている。その角度位置ないし最適な角度位置は用途ごとに異なり、その都度の用途に応じて計算される。

これによって、大きな周速でも最高の支持容量において幅広い負荷範囲における高い安定性ないし非常に良好な回転動特性を有するすべり軸受が得られる。また、本発明に基づくすべり軸受では僅かな摩耗作用ないし損失しか存在せず、殻形構造により保守・点検がし易い点で優れている。特に摩擦作用の顕著な減少は無負荷側半殻体における内部環状流路によって達成される。組込み条件が持たされる場合には、このすべり軸受は既存ジャーナルボックスにモジュール構造によって採用できることが特に有利であり、その場合、非常に大きな故障時安全性が得られる。本発明に基づくすべり軸受は蒸気タービン、発電機および／又は例えばガスタービンに採用可能である。

他の有利な実施態様は従属請求項および以下の図を参照しての説明に開示されている。なお各図において同一部分には同一符号が付され、従って、それらの部分については一度しか説明しない。

図１はここではラジアルすべり軸受として形成されたすべり軸受１を示している。このすべり軸受１は以下においてロータ軸３と呼ぶ被支持体３が支持されている軸受スリーブ２を有している。この軸受スリーブ２は以下においてジャーナルボックス４と呼ぶ軸受箱４によって取り囲まれている。

ジャーナルボックス４は水平線６を有し、この水平線６は２分割構造軸受における軸受分割接合面の方向を指す。

軸受スリーブ２は多面軸受としてその分割接合面７が水平線６に対して角度を成して配置されている。

軸受箱４ないしジャーナルボックス４の片側に孔８が設けられている。この孔８は図１に示された実施例において紙面左側に配置され、その孔８は仮想水平線６により二分されている。

軸受スリーブ２がその角度位置に固定できるように、固定要素９が孔８の中に配置されている。その固定要素９は例えば軸受スリーブ２に在る受け穴にはまり込むピンとして形成され、これによって、軸受スリーブ２は十分に回り止め固定される。図２から軸受両端の高圧ねじ止め装置が理解できる。この高圧ねじ止め装置はロータ軸を浮き上がらせるために静圧ポケット２９に油を加圧状態で供給することを可能とする。

軸受スリーブ２は図示された実施例において２分割構造で２個の半殻体１１、１２から構成され、その一方の半殻体１１は以下において負荷側半殻体１１と呼び、他方の半殻体１２は以下において無負荷側半殻体１２と呼ぶ。

負荷側半殻体１１の外周面に３つの流路１３、１４、１６（図２参照）が配置され、それらの各流路１３、１４、１６はそれぞれジャーナルボックス４に向いて開いている。図２に示された第１流路１３は軸方向に見てそれぞれ両隣の第２流路１４と第３流路１６に対して間隔を隔てられ、その第１流路１３は第２流路１４と第３流路１６との間に配置されている。

図１には選択された断面のために第１流路１３しか示されていない。この第１流路１３は負荷側半殻体１１の壁１７に設けられ、被支持体３ないしロータ軸３の回転方向１８に分割接合面７を少しばかり越えて無負荷側半殻体１２まで延びている。

円周方向に見て第１流路１３の両側端にそれぞれ軸受ポケット１９、２１が配置され、その一方の軸受ポケット１９は負荷側半殻体１１に配置され、他方の軸受ポケット２１は無負荷側半殻体１２に配置されている。

第２流路１４および第３流路１６はそれぞれ第１流路１３に相応して形成されている。

第１流路１３の範囲ないし第２流路１４と第３流路１６の範囲において軸受スリーブ壁１７に、３つの流路１３、１４、１６を貫通する長孔ないし軸方向孔２２が設けられている。

円周方向に見て第１流路１３と第２流路１４と第３流路１６の両側端にそれぞれ配置された軸受ポケット１９、２１に、噴射要素２３、２４、好適には、ノズルが配置され、これらのノズルは、有利な形態において、液状潤滑材ないし潤滑油を、一方では被支持体３ないしロータ軸３に（噴射要素２３で）垂直に噴射し、他方では負荷側半殻体１１ないし無負荷側半殻体１２の漏出隙間２６に（噴射要素２４で）斜めに噴射する。その場合、軸受ポケット２１における垂直に向けられた噴射要素２３ないしノズルだけは作動しない。

図１に示された実施例において、軸受スリーブ２はその分割接合面７が回転方向１８と逆向きに水平線６からずれている。これによって、軸受スリーブ２はその分割接合面７が水平線６に関して角度を成して配置され、その角度αは利用状態ごとに異なった値を有し、それぞれ特有の利用状態に対して特別に決定ないし計算される。

軸受箱４ないしジャーナルボックス４の片側に配置された孔８を通して、新しい潤滑材ないし油が供給され、はじめに負荷側半殻体１１の半分閉じられた第１流路１３に到達し、続いて噴射要素２３、２４に到達する。これらの噴射要素２３、２４は軸受ポケット１９、２１にそれぞれ二列で複数配置され、必要な油量をロータ軸３に垂直に噴射し、負荷側半殻体１１の漏出隙間２６に斜めに噴射する。すべての噴射要素２３、２４ないしノズルは、好適には、軸受ポケット１９、２１にねじ込まれ、これによって、流入口における油流量の注入が可能となる。

図２においてほぼ中央に内部環状流路３１が配置され、この内部環状流路３１は幅方向に閉じられ、無負荷側半殻体１２の全周にわたって延びている。

図３に例として規定軸受負荷（ｐ_quer［Ｎ／ｍｍ²］）と（計算上の）潤滑油膜最大温度（Ｔ_max［℃］）との関係が線図で示されている。従来通常のすべり軸受の温度／負荷特性曲線（符号２７）が、本発明に基づいて形成された流体力学的潤滑式の静圧すべり軸受ないし静圧ラジアルすべり軸受の温度／負荷特性曲線（符号２８）と対比して示されている。図３の線図から明らかに理解できるように、負荷が同じ場合、本発明に基づくすべり軸受はかなり低い温度にしか曝されない。

すべり軸受の横断面図。 図１のすべり軸受の縦断面図。 固有軸受負荷と（計算上の）潤滑油膜最大温度との関係を表した線図。

１ すべり軸受
２ 軸受スリーブ
３ 被支持体（ロータ軸）
４ 軸受箱（ジャーナルボックス）
６ 水平線
７ 分割接合面
１１ 負荷側半殻体
１２ 無負荷側半殻体
１３ 第１流路
１４ 第２流路
１６ 第３流路
１７ 軸受スリーブ壁

Claims (12)

1. 被支持体（３）が支持される軸受スリーブ（２）を有し、その軸受スリーブ（２）が軸受箱（４）によって取り囲まれているすべり軸受であって、
   軸受スリーブ（２）が多面軸受としてその分割接合面（７）が水平線（６）と角度を成して配置されていることを特徴とするすべり軸受。
2. 軸受スリーブ（２）が２分割形で２個の半殻体（１１、１２）により形成され、その分割接合面（７）が水平線（６）と角度を成して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受。
3. 分割接合面（７）が横断面で見て水平線（６）に対して被支持体（３）の回転方向（８）と逆向きにずらされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のすべり軸受。
4. 軸受スリーブ（２）がその水平線（６）に対して配置された角度位置を固定できることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のすべり軸受。
5. 被支持体（３）が支持される軸受スリーブ（２）を有し、その軸受スリーブ（２）が軸受箱（４）によって取り囲まれている特に請求項１ないし４のいずれか１つに記載のすべり軸受であって、
   軸受スリーブ（２）がその壁（１７）に円周方向に見て少なくとも区域的に配置された第１流路（１３）を有し、軸受スリーブ壁（１７）に第１流路（１３）を貫通している少なくとも１つの軸方向孔（２２）が配置されていることを特徴とするすべり軸受。
6. 軸受スリーブ（２）が軸方向に見て第１流路（１３）に対して間隔を隔てられた少なくとも１つの第２流路（１４）を有し、軸受スリーブ壁（１７）に第１流路（１３）と第２流路（１４）を貫通している少なくとも１つの軸方向孔（２２）が配置されていることを特徴とする請求項５に記載のすべり軸受。
7. 第１流路（１３）が２分割形軸受スリーブ（２）の負荷側半殻体（１１）に設けられ、軸受箱（１４）に向けて開かれ、その第１流路（１３）が円周方向に見て半円状に軸受スリーブ壁（１７）に設けられ、これにより、無負荷側半殻体（１２）の中まで少し延びるほぼ半円状の溝が形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のすべり軸受。
8. 第１流路（１３）がその円周方向に見た両側端に軸受ポケット（１９、２１）を有し、それらの軸受ポケット（１９、２１）に、被支持体（２）に向けて液状潤滑材を噴射するための少なくとも１つの噴射要素（２３、２４）が配置されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載のすべり軸受。
9. 軸受スリーブ（２）が多面軸受として２分割形で２個の半殻体（１１、１２）により形成され、その第１流路（１３）が負荷側半殻体（１１）に配置され、分割接合面（１７）が水平線（６）に関して角度を成して配置され、これにより、一方の軸受ポケット（１９）が横断面に見て水平線（６）の上側に配置され、他方の軸受ポケット（２１）が横断面に見て水平線（６）の下側に配置されていることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１つに記載のすべり軸受。
10. 被支持体（３）が支持される軸受スリーブ（２）を有し、その軸受スリーブ（２）が軸受箱（４）によって取り囲まれている特に請求項１ないし９のいずれか１つに記載のすべり軸受であって、
    軸受スリーブ（２）がその円周方向に見た両側端における軸受ポケット（１９、２１）にそれぞれ多列配置された噴射要素（２３、２４）を有し、これらの噴射要素（２３、２４）が、液状潤滑材を一方では被支持体（２）に向けて、他方では漏出隙間（２６）に向けて噴射することを特徴とするすべり軸受。
11. 噴射要素（２３、２４）がそれぞれの軸受ポケット（１９、２１）に二列で複数配置され、それらの噴射要素（２３、２４）がノズルとして軸受ポケット（１９、２１）にねじ込まれていることを特徴とする請求項１０に記載のすべり軸受。
12. 一方の噴射要素（２３）が、液状潤滑材が被支持体（２）に垂直に噴射するように配置され、他方の噴射要素（２４）が、液状潤滑材を負荷側半殻体（１１）の漏出隙間（２６）に斜めに噴射するように配置され、ここでは好適には、斜めに向けられた噴射要素（２４）が一方の軸受ポケットだけで作動し、その軸受ポケットが軸受スリーブ（２）の固定状態において横断面に見て水平線（６）の下側に配置された軸受ポケット（２１）であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のすべり軸受。

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