JP2012117608A - スラスト軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温となった潤滑油を効率的に外部に排出させることができるスラスト軸受装置を提供する。
【解決手段】本発明のスラスト軸受装置１は、スラストカラー１０７に対して対向するとともに、スラストカラー１０７の周方向に沿うように相互に間隔を設けて配置され、スラストカラー１０７を回転可能に支持する複数の軸受パッド１０と、隣接する軸受パッド１０の間に配置され、潤滑油を軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に向けて供給する給油片３０と、を備える。そして、軸受パッド１０と、軸受パッド１０を基準にして回転軸１０５の回転方向の前方側Ｐ１に配置される給油片３０と、の間に潤滑油排出路１８が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、過給機などの回転機械に適用されるスラスト軸受装置に関する。

蒸気タービン、ガスタービンなどの高速回転体であるロータ（回転軸）のスラスト荷重（軸方向推力）を支持するために、一般的に、ティルティングパッドスラスト軸受装置が使用されることは良く知られている。このスラスト軸受装置は、ピボットで支持された複数の軸受パッドを有しており、隣接する軸受パッド間には潤滑油を供給する給油片を有している。これらの軸受パッドに相対するスラストカラーがロータと一体回転するとスラストカラー（回転軸側）と軸受パッド（静止側）との隙間に楔形状の油膜が形成されて隙間内に圧力が発生し、この圧力によってスラスト荷重を支持する。

軸受パッドとスラストカラーの間を通過する潤滑油は摩擦発熱するため温度が上昇するが、この高温の潤滑油が排出されることなく新たに供給される潤滑油（新油）と混合して後方の軸受けパッドに流入することがある。これをキャリーオーバーという。キャリーオーバーが連続的に生じると、スラストカラーと軸受パッドの間の潤滑油の温度がより高くなる。潤滑油の温度（油温）が高くなると、潤滑油の粘度が低下することで油膜厚さが薄くなり、軸受の負荷能力が低下する。また、油膜厚さが薄くなることによってさらに油温が上昇してしまい潤滑油や軸受摺動面材料の劣化や軸受パッドの焼付きを招く恐れもある。

潤滑油のキャリーオーバーを防止しつつ、低温の新油を効果的に軸受パッドとスラストカラーの間に供給できる軸受装置が特許文献１に開示されている。この軸受装置は、給油片に、潤滑油を供給するための給油通路の他に、潤滑油を排出する排出通路を設ける。特許文献１は、軸受パッドとスラストカラーの間を通ってきた高温の潤滑油をこの排出通路から外部に排出することで、キャリーオーバーされる潤滑油が新油に混合されるのを抑える。

特開２０１０−１５１２８３号公報

特許文献１の軸受装置によると、高温の潤滑油を排出通路から外部に排出することができるが、給油片に設けることのできる排出通路は、設置スペースが限られるので、十分な径を確保することができない。したがって、特許文献１の排出通路から排出できる潤滑油の量は限られている。
そこで本発明は、特許文献１よりもさらに効果的に高温となった潤滑油を外部に排出させることができるスラスト軸受装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた、本発明のスラスト軸受装置は、軸受パッドと給油片の間に潤滑油排出路を設けることを特徴としている。
ここで、軸受パッドは、回転軸に設けられたスラストカラーに対向するとともに、スラストカラーの周方向に沿うように相互に間隔を設けて配置される。このように配置された複数の軸受パッドは、スラストカラーを回転可能に支持する。
また、給油片は、隣接する軸受パッドの間に配置され、潤滑油を軸受パッドとスラストカラーの間に向けて供給するものである。
潤滑油排出路は、軸受パッドを基準にしてスラストカラーの回転方向の前方側に配置される給油片との間に配置される。

給油片は、軸受パッドとスラストカラーの間に潤滑油を吐出する複数の給油孔を軸受装置の内周側から外周側に沿って備えているが、本発明においては、吐出される潤滑油の量が、外周側よりも内周側の方が多く設定されていることが好ましい。それぞれの給油孔から供給された潤滑油は、スラストカラーが回転することによる遠心力で外周側に排出される。そうすると、内周側に実際に油膜として存在する潤滑油の量が不足する。そこで、吐出される潤滑油の量を、外周側よりも内周側の方を多く設定するのである。

本発明の軸受装置は、より多くの新油を軸受パッドとスラストカラーの間に供給するために、第１の給油通路と第２の給油通路を設ける。第１の給油通路は、給油片を通過して、軸受パッドとスラストカラーの間に潤滑油を供給する。第２の給油通路、給油片及び軸受パッドを通過して、軸受パッドとスラストカラーの間に潤滑油を供給する。

同様の目的により、本発明は、給油片が軸受パッドの方向に向けて傾斜する給油通路を備え、軸受パッドが潤滑油の流入する側に向けて下降するテーパを備える、という構成を採用することが好ましい。

本発明によれば、給油片と軸受パッドの間に潤滑油排出路を設ける。この潤滑油排出路はより多くの潤滑油を排出できるだけの通路面積を確保することができる。したがって、本発明によれば、より効果的に潤滑油のキャリーオーバーを防止しつつ、低温の新油を軸受パッドとスラストカラーの間に供給することができ、これにより潤滑油の潤滑性能を維持しつつ確実に回転軸を支持することができる。

本実施形態に係わる軸受装置が搭載される回転機械の一例である蒸気タービンを示す。 第１実施形態に係わる軸受装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面図である。 第１実施形態に係わる軸受装置の構成部分を示し、（ａ）、（ｂ）は軸受けパッドの側面図、（ｃ）は軸受けケースに設けられる油排出開口近傍を示す斜視図である。 第２実施形態に係わる軸受装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面図である。 第３実施形態に係わる軸受装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面図である。 第４実施形態に係わる軸受装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１には、本実施形態に係わる軸受装置が搭載される回転機械の一例として、蒸気タービン１００が示されている。蒸気タービン１００は、蒸気タービン１００に流入する蒸気（作動流体）の量と圧力を調整する調整弁１０１と、圧力を保持するケーシング１０２と、動力を発生する動力発生部１０３と、動力をコンプレッサ等の機械に伝達する回転軸１０５と、回転軸１０５を軸回りに回転可能に支持するジャーナル軸受装置１０６と、スラスト軸受装置１（軸受装置）と、を主たる構成としている。回転軸１０５にはフランジ状のスラストカラー１０７が一体的に設けられている。そして、スラスト軸受装置１は、スラストカラー１０７と軸方向に対向配置され、これによりスラストカラー１０７を介して回転軸１０５を軸方向に支持している。

＜第１実施形態＞
次に、図２をも参照して、回転軸１０５を軸方向Ａに支持するスラスト軸受装置１について説明する。
このスラスト軸受装置１は、装置本体（図示略）に固定された軸受架台１０８に支持される軸受ケース２に保持され、スラストカラー１０７を回転可能に支持する複数の軸受パッド１０と、隣接する軸受パッド１０の間に配置され、軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に潤滑油を供給する給油片３０と、を備える。以下、各構成部材をより具体的に説明する。

＜軸受ケース２の構成＞
軸受ケース２は、外輪３と、外輪３の内側であって外輪３と同軸上に配置される内輪４と、を備える。外輪３と内輪４はともに、高さは等しいが、径が異なるリング状の形態をなしている。なお、ここでいう高さとは、外輪３、内輪４の軸方向の寸法を言う。
軸受ケース２は、外輪３と内輪４を繋ぐ底板５を備えている。底板５は、外輪３、内輪４の高さ方向の一端側に設けられる。軸受ケース２は、外輪３、内輪４及び底板５により形成されるリング状の収容空間内に軸受パッド１０及び給油片３０を収容し、かつ保持している。底板５には、前記収容空間内に向けて突出するピボット６ａが形成されている。
軸受ケース２は、外輪３の上端部に複数の油排出開口７（図３（ｃ））を備えている。油排出開口７は、後述する軸受パッド１０に形成される潤滑油排出路１８に対応して設けられている。

＜軸受パッド１０の構成＞
軸受ケース２の収容空間内に平面形状が扇形をなしている複数の軸受パッド１０が保持されている。軸受パッド１０は第１レベラ１６と第２レベラ１７とで支持される。第２レベラ１７はピボット６ａによって支持され、位置を固定される。第１レベラ１６は隣接する２つの第２レベラ１７とピボット６ｂによって支持され、軸受パッド１０はその第１レベラ１６の上面に配置され、ピボット６ｃによって支持される。これにより、軸受パッド１０、第１レベラ１６および第２レベラ１７はそれぞれ軸受ケース２の周方向Ｂ及び径方向Ｃにティルティングが可能である。なお、軸受パッド１０をティルティングできるように支持する機構がいくつも存在することは当業者間で周知であり、ここで示した形態はあくまで一例に過ぎない。

軸受パッド１０は、スラストカラー１０７の回転方向Ｐの前方側Ｐ１を階段状に加工することで、潤滑油排出路１８を形成している。潤滑油排出路１８は、軸受パッド１０の径方向Ｃの全域に亘って形成されている。ただし、軸受パッド１０は第１レベラ１６に載せられているだけであるため、潤滑油排出路１８を軸方向Ａの全域に設けてしまうと軸受パッド１０を周方向Ｂに位置決めすることができなくなる。したがって、潤滑油排出路１８は支持面１１から所定の位置まで設けるが、それよりも下方には支持突起１９を形成している。
なお、軸受パッド１０の支持面１１には、ホワイトメタル等、潤滑性の高い保護層が設けられる。

＜給油片３０の構成＞
また、給油片３０は、隣接する軸受パッド１０の間に配置される。この給油片３０は、軸受パッド１０、第１レベラ１６および第２レベラ１７とは独立して軸受ケース２に直接的に固定されておりティルティングはしない。
給油片３０は、径方向Ｃには外輪３から内輪４にかけて延設される一方、周方向Ｂには隣接する軸受パッド１０の間を埋めている。
給油片３０は、図示しない外部に設けられる潤滑油供給源から供給される潤滑油を給油片３０に導入する油導入孔３１と、油導入孔３１により導入された潤滑油を軸受パッド１０（支持面１１）とスラストカラー１０７の間に吐出する複数の給油孔３２と、を備えている。油導入孔３１は一端が給油片３０の外周側に開口し、他端が所定の位置で封止されている。各給油孔３２は下端部が油導入孔３１に繋がり、上端が給油片３０の先端面３３に開口している。給油孔３２が、径方向Ｃに沿って複数形成されているために、径方向Ｃの全体に亘って潤滑油を吐出させることができる。この例では、一つの給油片３０に５つの給油孔３２を設けているが、これに限定されなることはない。また、この例では、給油孔３２は同じ径のものを均等間隔で設けているが、後述するように、これに限定されることはない。

次に、この実施形態のスラスト軸受装置１の作用について説明する。
図１に示す蒸気タービン１００を稼働させると、回転軸１０５は自身の軸回りに回転する。このとき、給油片３０ａを介して潤滑油を供給すると、回転軸１０５の回転に伴って、軸受パッド１０の支持面１１とスラストカラー１０７の被支持面１０７ａとの間には、油膜が形成され、回転軸１０５に設けられたスラストカラー１０７は、この油膜による圧力により、軸受パッド１０と隙間を有した状態で支持されて所定の回転方向Ｐへ回転する。

ここで、軸受パッド１０の支持面１１とスラストカラー１０７の被支持面１０７ａとの間の潤滑油は、スラストカラー１０７の回転に伴って、回転方向Ｐの前方側Ｐ１の給油片３０ｂに向かって移動する。この移動の過程で潤滑油の温度が高くなる。しかし、この温度の高くなった潤滑油は、前方側Ｐ１の給油片３０ｂに達する前に、潤滑油排出路１８に導かれる。潤滑油排出路１８に導かれた高温の潤滑油は、軸受ケース２の外輪３に設けられた油排出開口７を通って外部に排出される。このため、給油片３０ｂよりも回転方向Ｐの前方側Ｐ１に位置する軸受パッド１０（１０ｂ）とスラストカラー１０７の間には、後方側Ｐ２からキャリーオーバーされる潤滑油が混合されるのを防止しつつ、回転方向Ｐの前方側Ｐ１の軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に給油片３０ｂから新油を効果的に供給することができる。

以上のように、本実施形態のスラスト軸受装置１では、軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に潤滑油排出路１８を設けることで、潤滑油のキャリーオーバーを防止しつつ、低温の新油を効果的に軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に供給することができ、これにより潤滑油の潤滑性能を維持しつつ確実に回転軸１０５を支持することができる。
しかも、潤滑油排出路１８は、軸受パッド１０と給油片３０の間に設けられるものであるから、給油片３０に同様の排出路を設けるのに比べて寸法の制約が小さい。したがって、十分な量の高温の潤滑油を排出できる。
また、本実施形態のスラスト軸受装置１では、軸受パッド１０に潤滑油排出路１８を設けることにより、スラストカラー１０７が支持面１１と摺動する距離が短くなり、支持面１１の温度上昇が低減される。その結果として潤滑油の温度上昇が抑制されるので、本実施形態のスラスト軸受装置１は、潤滑油の潤滑性能を維持するのに有利である。

なお、図２には軸受パッド１０を階段状に加工して潤滑油排出路１８を形成した例を示しているが、潤滑油の排出ができるのであれば階段状に限るものでない。例えば、図３（ｂ）に示すように、軸受パッド１０における回転方向Ｐの前方側Ｐ１をテーパ状に加工することでも、本発明の効果が得られる潤滑油排出路１８を形成できることは言うまでもない。
このとき、図３（ａ）に示す段付き部分のＬ、図３（ｂ）に示すテーパ部分のＬは、軸受パッド１０の支持面１１の面積（受圧面積）を考慮してスラストカラー１０７から受ける面圧強度を満足する値とする。
また、ここでは軸受ケース２が一体化されたスラスト軸受装置１の例を示した。しかし、軸受ケース２に相当する部分が装置本体側に設けられているために、軸受装置としては軸受ケース２に相当する部分を有しない場合がある。本発明はそのような軸受装置に対しても適用できる。

＜第２実施形態＞
スラストカラー１０７による遠心力を利用して、給油片３０により前方側Ｐ１にある軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に新油を流入しやすくする構造例を第２実施形態として説明する。
この構造は、給油片３０の給油孔３２の間隔及び径、さらに給油孔３２の向きに特徴を有する。以下、図４を参照しながら説明する。

第２実施形態に係る給油片１３０には給油孔３２が径方向Ｃに複数配置されており、それぞれの給油孔３２から潤滑油が吐出される。吐出された潤滑油は、スラストカラー１０７が回転することによる遠心力で外周側に向かう力を受ける。そうすると、内周側に実際に油膜として存在する潤滑油の量が不足するおそれがある。
そこで、給油孔３２の間隔を、内周側から外周側に向けて広く設定する。内周側に向けて潤滑油を多く吐出することで、遠心力に対抗して、内周側に実際に油膜として存在する潤滑油の量を確保しやすくする。より具体的には、図４（ａ）に示すように、給油孔３２を内周側ＩＳから外周側ＯＳに向けて順に給油孔３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ及び３２ｅとし、給油孔３２ａと給油孔３２ｂの間隔をＬａｂ、給油孔３２ｂと給油孔３２ｃの間隔をＬｂｃ、給油孔３２ｃと給油孔３２ｄの間隔をＬｃｄ、給油孔３２ｄと給油孔３２ｅの間隔をＬｄｅとすると、以下の関係を満足するように、間隔Ｌａｂ、間隔Ｌｂｃ、間隔Ｌｃｄ、間隔Ｌｄｅを設定する。
間隔Ｌａｂ＜間隔Ｌｂｃ＜間隔Ｌｃｄ＜間隔Ｌｄｅ

また、第２実施形態において、給油孔３２の径を、外周側から内周側に向けて大きく設定する。このようにすることよっても、内周側ＩＳに実際に油膜として存在する潤滑油の量を確保しやすくする。より具体的には、図４（ａ）に示すように、給油孔３２ａの径をＤａ、給油孔３２ｂの径をＤｂ、給油孔３２ｃの径をＤｃ、給油孔３２ｄの径をＤｄ、給油孔３２ｅの径をＤｅとすると、以下の関係を満足するように、径Ｄａ、径Ｄｂ、径Ｄｃ、径Ｄｄ、径Ｄｅを設定する。
径Ｄａ＞径Ｄｂ＞径Ｄｃ＞径Ｄｄ＞径Ｄｅ

さらに、第２実施形態において、各給油孔３２からの潤滑油が、内周側ＩＳに向けて供給されるようにする。つまり、図４（ｂ）に示すように、各給油孔３２（給油孔３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ及び３２ｅ）を、流入端３２ｉから流出端３２Ｏに向けて回転軸１０５の向きに傾斜して形成する。

以上のように構成された第２実施形態によると、外周側ＯＳよりも内周側ＩＳに新油をより多く吐出させることで遠心力によって軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間の全体に新油が行き渡るようになる。
給油孔３２の間隔、径の具体的な値、傾斜の程度は、回転軸１０５の回転数やスラスト力などの設計条件によって必要に潤滑油の量を求め、遠心力との兼ね合いで決定すればよい。

＜第３実施形態＞
第１実施形態に係る給油片３０は、通常、先端面３３に開口する給油孔３２が設けられており、給油孔３２から吐出された潤滑油は給油片３０の先端面３３を通って軸受パッド１０の支持面１１に吐出される。第３実施形態では、この給油片３０を通過する潤滑油の通路（第１の給油通路）に加えて、給油片３０及び軸受パッド１０の内部を通過して支持面１１に吐出される通路（第２の給油通路）を設けることで、軸受パッド１０とスラストカラー１０７の間に新油が供給されるのを支援する。そのための給油片２３０、軸受パッド２１０の構成を図５に基づいて説明する。

第３実施形態に係る給油片２３０は、給油孔３２（第１の給油通路）に加えて、給油孔３４（第２の給油通路）を設ける。給油孔３４は、給油片３０内において給油孔３２から分岐する。つまり、給油孔３４の一端は給油孔３４に連なっているため、給油孔３４は給油孔３４を介して潤滑油の供給を受ける。給油孔３４の他端は給油片２３０の側面３５に開口している。給油孔３４に供給された潤滑油は軸受パッド２１０の側面２０に向けて吐出される。

第３実施形態に係る軸受パッド２１０は、給油孔３４から流入した潤滑油を支持面１１とスラストカラー１０７の間に供給する給油孔２１（第２の給油通路）を備える。給油孔２１は、一端が給油片３０の給油孔３４の開口端に対向するように形成される。また、給油孔２１は、他端が支持面１１に形成されたポケット２２に開口する。支持面１１より後退したポケット２２を設けることで、潤滑油に加わる圧力を低減し、給油孔２１から潤滑油が吐出するのを容易にする。

第３実施形態によると、給油孔３２から吐出される潤滑油が給油片２３０の先端面３３を通って軸受パッド２１０とスラストカラー１０７の間に供給されるのに加えて、給油片２３０の給油孔３４及び軸受パッド２１０の給油孔２１を通って軸受パッド２１０とスラストカラー１０７の間に供給される。したがって、より多くの新油を軸受パッド２１０とスラストカラー１０７の間に供給できるので、軸受パッド２１０の温度低減に寄与する。

＜第４実施形態＞
第４実施形態も、軸受パッド３１０とスラストカラー１０７の間に潤滑油をより効果的に供給することを目的として、給油片３３０、軸受パッド３１０が構成されている。以下、図６を参照しながら説明する。
第４実施形態に係る給油片３３０は、給油孔３３２の向きが途中から軸受パッド３１０の方向に傾いて形成されている。また、給油片３３０の先端面３３には、先端面３３よりも後退するポケット３６が形成されている。給油孔３３２の上端はポケット３６に開口している。ポケット３６は、第３実施形態におけるポケット２２と同様の機能を果たす。
一方、軸受パッド３１０には、潤滑油が流入する側にテーパ２３を設ける。このテーパ２３は、軸受パッド３１０の支持面１１を給油片３３０に向けて連続的に降下させることで形成される。テーパ２３は、給油片３３０の側面２０において降下量は１０μｍ程度とすればよい。

第４実施形態によると、給油孔３３２の向きが軸受パッド３１０の方向に傾いて形成され、かつ、軸受パッド３１０には潤滑油が流入する側に向けて下降するテーパ２３を設けているので、より多くの新油を軸受パッド３１０とスラストカラー１０７の間に供給できる。したがって、軸受パッド２１０の温度低減に寄与することで、潤滑油の潤滑性能を維持しつつ確実に回転軸１０５を支持することができる。

なお、以上説明した実施形態では、最も好ましい形態として、潤滑油排出路１８が軸受パッド１０の径方向Ｃの全域に連続して形成されている例を示した。しかし、本発明はこれに限定されず、例えば径方向Ｃに断続的に潤滑油排出路１８を形成することもできるし、内周側ＩＳを除いて潤滑油排出路１８を設けることもできる。
また、潤滑油排出路１８に回収した高温の潤滑油を潤滑油排出路１８の外部に排出するのに、軸受ケース２に油排出開口７を設けた。しかし、本発明はこれに限定されず、軸受パッド１０の支持突起１９の肉厚方向に貫通する排出孔を設けることで、回収した高温の潤滑油を潤滑油排出路１８の外部に排出することもでる。
さらに、以上説明した実施形態では、軸受パッド１０に支持突起１９を一体的に形成した。しかし、本発明は、支持突起１９に相当する部材を軸受パッド１０と別体として作製し、支持突起１９と同様の位置にこれを配置することによっても、潤滑油排出路１８を設けることができる。
これ以外にも、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１…スラスト軸受装置
２…軸受ケース、３…外輪、４…内輪、５…底板、６ａ，６ｂ，６ｃ…ピボット、７…油排出開口
１０，２１０，３１０…軸受パッド
１１…支持面、１８…潤滑油排出路、２１…給油孔（第２の給油通路）
２２…ポケット、２３…テーパ
３０，３０ａ，３０ｂ，１３０，２３０，３３０…給油片
３１…油導入孔、３２…給油孔（第１の給油通路）、３４…給油孔（第２の給油通路）
３３２…給油孔
１００…蒸気タービン、１０５…回転軸、１０７…スラストカラー、Ｐ…回転方向、Ｐ１…前方側

Claims (4)

1. 回転軸に設けられたスラストカラーに対向するとともに、前記スラストカラーの周方向に沿うように相互に間隔を設けて配置され、前記スラストカラーを回転可能に支持する複数の軸受パッドと、
   隣接する前記軸受パッドの間に配置され、潤滑油を前記軸受パッドと前記スラストカラーの間に向けて供給する給油片と、
   前記軸受パッドと、前記軸受パッドを基準にして前記スラストカラーの回転方向の前方側に配置される前記給油片と、の間に形成される潤滑油排出路と、
   を備えることを特徴とするスラスト軸受装置。
2. 前記給油片は、
   前記軸受パッドと前記スラストカラーの間に前記潤滑油を吐出する複数の給油孔を前記軸受装置の内周側から外周側に沿って備え、
   吐出される前記潤滑油の量が、前記外周側よりも前記内周側の方が多く設定されている、
   請求項１に記載のスラスト軸受装置。
3. 前記軸受装置は、
   前記給油片を通過して、前記軸受パッドと前記スラストカラーの間に前記潤滑油を供給する第１の給油通路と、
   前記給油片及び前記軸受パッドを通過して、前記軸受パッドと前記スラストカラーの間に前記潤滑油を供給する第２の給油通路と、
   備える、
   請求項１または２に記載のスラスト軸受装置。
4. 前記給油片は、前記軸受パッドの方向に向けて傾斜する給油通路を備え、
   前記軸受パッドは、前記潤滑油が流入する側に向けて下降するテーパを設ける、
   請求項１または２に記載のスラスト軸受装置。

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