JP2012149694A

JP2012149694A - ティルティングパッドジャーナル軸受装置、及びこれを用いたターボ機械

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Publication number: JP2012149694A
Application number: JP2011008384A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Yamaguchi; 和幸山口; Yohei Magara; 洋平真柄; Toyomi Yoshida; 豊美吉田; Kenichi Murata; 健一村田; Akira Endo; 彰遠藤; Makoto Henmi; 真辺見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: JP5427799B2

Abstract

【課題】軸受ばね定数の異方性を増加させることにより、ターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を抑制するティルティングパッドジャーナル軸受装置を提供する。
【解決手段】回転軸２の周りに配置されて回転軸２を支承するパッド３と、パッド３を収容する軸受ハウジング４とを備えたティルティングパッドジャーナル軸受装置１において、回転軸２の荷重方向に位置する荷重方向パッド３ａと、荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設されたパッド３ｂ，３ｃとを設け、荷重方向パッド３ａの周方向に隣設されたパッド３ｂ，３ｃの受圧面５に段差６を設け、荷重方向パッド３ａの回転軸２を支承する受圧面５の面積を、荷重方向パッド３ａの周方向に隣設されたパッド３ｂ，３ｃの受圧面５の面積より大きくすることで、軸受ばね定数の異方性を大きくし、ターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明はティルティングパッドジャーナル軸受装置に関する。

蒸気タービン等の高速回転機械の回転軸を支承する軸受装置としてティルティングパッドジャーナル軸受装置が用いられている。

特許文献１に記載されているように、一般にティルティングパッドジャーナル軸受装置は、回転機械の回転軸の周りに配置され、回転軸を支承する複数のパッドと、パッドの背面に配置されたピボットと、前記複数のパッドをピボットを介して支持し、収容する軸受ハウジングとを備えている。

楕円ジャーナル軸受装置では、蒸気タービン等の高荷重条件に適している反面、オイルホイップや、オイルホワールといった軸受に起因する不安定振動の問題がある。即ち、軸受荷重が減少して、軸の偏心量が低下することにより、軸・軸受系の安定性が損なわれるために自励振動が発生する可能性が高い。

一方、ティルティングパッドジャーナル軸受装置は、楕円ジャーナル軸受装置等と比較して高速回転機械におけるオイルホイップあるいはオイルホワールといった軸受に起因する不安定振動を生じにくいとされている。

ところで、蒸気タービンなどのターボ機械では、作動流体力の上下・水平方向連成ばね特性に起因する自励振動（固有振動数成分が発散する不安定振動）が発生する可能性がある。蒸気タービンにおけるこの不安定振動はスチームホワールと呼ばれている。

特開２００４−３０１２５８号公報

上述したスチームホワールは、上下方向振動と水平方向振動が作動流体の連成ばね特性によって連成することにより発生する。すなわち上下方向の支持剛性に支配される上下方向固有振動数と水平方向の支持剛性に支配される水平方向固有振動数が近接しているほどスチームホワールは発生しやすいといえる。したがって、逆に上下方向と水平方向の支持剛性の異方性を大きくすることによりスチームホワールを防止することができる。

従来のティルティングパッドジャーナル軸受装置においては、例えば特許文献１の図１に開示されているように、パッドの表面に加工を施すことにより潤滑油膜を安定に形成する工夫が成されている場合がある。しかし本従来技術では上側パッドに加工を施しているため軸受の剛性への影響が小さく、軸受剛性の異方性を大きくすることによりスチームホワールを防止することについては考慮されていない。更に上記従来技術は、軸受荷重を左右４５゜方向から支持するロードビトウィーンパッドタイプであるため、軸受剛性の異方性は極めて小さいと考えられる。

そこで本発明の目的は、軸受剛性の異方性を増加させることにより、簡単な構造でターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を抑制するティルティングパッドジャーナル軸受装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受装置は、回転軸の周りに配置されて回転軸を支承する複数のパッドと、該複数のパッドを収容する軸受ハウジングとを備え、回転軸の荷重方向に位置する荷重方向パッドと、該荷重方向パッドの周方向両隣に隣設されたパッドとを有し、荷重方向パッドの回転軸を支承する受圧面の面積を、荷重方向パッドの周方向両隣に隣設されたパッドの前記受圧面の面積よりも大きくしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、軸受剛性の異方性を増加させることにより、簡単な構造でターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を抑制するティルティングパッドジャーナル軸受装置を提供できるという効果を奏する。

本発明の第１の実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受装置の軸直角断面図である。図１に示したＡ−Ａ断面図である。図１に示したＢ−Ｂ断面図である。本発明が適用される蒸気タービンの一例の一部断面図である。本発明の第２の実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受装置の軸直角断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置１の軸直角断面図を図１に、図１に示したＡ−Ａ断面図を図２に、図１に示したＢ−Ｂ断面図を図３に示す。

図１に示すように、本実施例のティルティングパッドジャーナル軸受装置１は、回転軸２の周りに配置され、回転軸２を支承する複数のパッド３と、パッド３を内周面で支持して内部に収容する軸受ハウジング４とを備えている。回転軸２は、高速回転機械であるターボ機械の回転体であり、例えば蒸気タービンのロータである。回転軸２の荷重が作用する方向である荷重方向は、図の下方向である。

軸受ハウジング４内には、周方向に複数のパッド３が設けられている。パッド３の内周側表面には、ホワイトメタル等がライニングされており、回転軸２を支承する受圧面５が形成されている。軸受ハウジング４内には図示しない給油孔から潤滑油が供給されており、パッド３の受圧面５上には供給された潤滑油が通油し油膜が形成される。回転軸２は、高速回転しつつ、潤滑油による油膜を介してパッド３の受圧面５に支承される。

なお、給油孔から供給された潤滑油は、パッド３の側面や背面を通過し、パッド３を冷却すると共に、パッド３間に均一に供給される。また軸受ハウジング４の軸方向端部には、図示しないシールが設けられており、潤滑油はシールによってハウジング内に保持されると共に、余分な潤滑油は、シール隙間より軸受外部に排出される。

パッド３の説明に戻る。本実施例のティルティングパッドジャーナル軸受装置１では、ティルティングパッドジャーナル軸受装置の下半部側に、回転軸２の荷重方向（図１においては下方向）に位置する荷重方向パッド３ａを有している。荷重方向パッド３ａは、軸受ハウジング４内に配置された複数のパッド３の中で、最も回転軸２の荷重を受けるパッドである。荷重方向パッド３ａの受圧面５は周方向に沿って溝や段差等の凹凸を有さず、平らに形成されている。

一方で、ティルティングパッドジャーナル軸受装置の下半部側の荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設されたパッド３ｂ，３ｃの受圧面５には周方向に沿って段差６が設けられている。

図２に示すように、荷重方向パッド３ａの回転軸２の回転方向上流側に隣設されたパッド３ｂの受圧面５には、軸方向中央部に円周方向に沿って一様な断面を有する溝７が設けてある。溝７を受圧面５に設けることで、パッド３ｂの軸方向断面が凹形状となるように受圧面５に段差が形成されている。

また、図３に示すように、荷重方向パッド３ａの回転軸の回転方向下流側に隣設されたパッド３ｃの受圧面５では、軸方向中央部を除いた軸方向両端部が円周方向に沿って一様に切除されており、パッド３ｃの軸方向断面が凸形状となるように受圧面５に段差が形成されている。

本実施例のティルティングパッドジャーナル軸受装置１では、パッド３ｂとパッド３ｃの受圧面に段差を設け、荷重方向パッド３ａの受圧面に段差を形成しないことで、荷重方向パッド３ａと、周方向両隣に隣設するパッド３ｂおよびパッド３ｃの受圧面の面積が異なるように構成されており、さらに荷重方向パッド３ａの受圧面の面積が、隣設するパッド３ｂおよびパッド３ｃの受圧面の面積より大きくなるように構成されている。

次に本実施例の作用効果について説明する。

ターボ機械を回転軸の質点と軸受のばね及び作動流体の連成ばねでモデル化すると、運動方程式は次式で表される。

ここに、Ｘは上下方向変位、Ｙは水平方向変位、Ｍは回転軸の質量、Ｋｘは上下方向の軸受ばね定数、Ｋｙは水平方向の軸受ばね定数、Ｋは作動流体の連成ばね定数であり、‥は時間の二階微分を表す。このような振動系の安定条件は次式で表される。

すなわち軸受ばね定数の異方性｜Ｋｘ−Ｋｙ｜が大きいほど安定性が増加することがわかる。

本実施例では、ティルティングパッドジャーナル軸受装置１の下半部側に、回転軸２の荷重方向に位置する荷重方向パッド３ａと、荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設するパッド３ｂ，３ｃとを有し、さらに前述したように荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設するパッド３ｂ，３ｃの受圧面５に段差６を設けたことにより、このパッド３ｂ，３ｃの受圧面積を低減できるため、このパッド３ｂ，３ｃに起因する荷重直角方向のばね定数を低減できる。このため軸受ばね定数の異方性｜Ｋｘ−Ｋｙ｜を大きくでき、ターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を防止することができる。

更に、不安定振動の防止に加えて、荷重方向パッド３ａの回転軸回転方向上流側に隣設したパッド３ｂにパッド断面が凹状となるように溝７を形成したため、ハウジング上半側の冷えた潤滑油を荷重方向パッド３ａに効果的に供給することができる。

ハウジング上半側に供給された潤滑油は、回転軸２の回転に沿って、回転方向に流れハウジング下半側に流入する。本実施例では、荷重方向パッド３ａの回転軸回転方向上流側に隣設したパッド３ｂに、パッド断面が凹状となるように溝７を形成したため、軸受ハウジング４の上半側から回転軸回転方向に沿って下半側に流れる潤滑油の一部が溝７に集油され、集油された潤滑油は溝７を流下して荷重方向パッド３ａに流れ込むため、効果的に荷重方向パッド３ａを冷却することができる。

また、荷重方向パッド３ａを潤滑した潤滑油は、回転軸の回転方向に沿って、パッド３ｃに流れる。本実施例では、荷重方向パッド３ａに隣接する回転方向下流側のパッド３ｃを断面凸形状に形成したため、荷重方向パッド３ａの潤滑により発熱した潤滑油を、パッド３ｃで効果的に軸受外に排除することができる。

なお、荷重方向パッド３ａに隣設したパッド３ｂ，３ｃの軸方向断面形状を両方ともに円周方向に一様な凸形状もしくは凹形状に形成しても、このパッド３ｂ，３ｃの受圧面積を低減できるため、荷重方向パッド３ａの受圧面の面積を、隣設するパッド３ｂおよびパッド３ｃの受圧面の面積より大きくでき、このパッド３ｂ，３ｃに起因する荷重直角方向のばね定数を低減できる。このため軸受ばね定数の異方性｜Ｋｘ−Ｋｙ｜を大きくでき、ターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を防止することができる。

また、本実施例のティルティングパッド軸受装置では、隣設するパッド３ｂ，３ｃの受圧面の面積を小さくすることで、荷重方向パッド３ａの受圧面の面積は維持でき、軸受ばね定数の異方性｜Ｋｘ−Ｋｙ｜を大きくできるとともに、荷重方向の剛性を維持できる。

また、本実施例は、パッドの受圧面に単に溝を設ければ良く、簡単な構造であり、製作性，コスト面でも優れる。

本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置１は、蒸気タービンや、ガスタービン，遠心圧縮機といったターボ機械に用いることができる。

図４は、一般的な蒸気タービンの一例の一部断面図である。蒸気タービン１３は、回転軸であるロータ８と、ロータ８を内包し、作動流体である蒸気の流路を形成するケーシング９と、ケーシング９の内部に固定される静翼１０と、ロータ８に固定される動翼１１と，ロータ８を支承する軸受装置１２とを備える。静翼１０は、ケーシング９内部にタービン周方向に複数枚固定されて、静翼列を形成している。また、動翼１１は、ロータ８に周方向に複数枚固定され動翼列を形成している。蒸気タービン１３は、静翼列と、静翼列の作動流体流方向下流側に対向して設けられた動翼列とで段落を形成し、ロータ８の軸方向に段落を複数段設けた多段落構造を有する。

本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置１を、蒸気タービンの軸受装置１２に適用することで、蒸気タービンの作動流体力に起因する不安定振動、即ち、スチームホワールを抑制することができる。

本発明の第２の実施例について説明する。図５に第２の実施例に係るティルティングパッドジャーナル軸受装置１の軸直角断面図を示す。第１の実施例と同様の構造部分については、同符号を付し説明を省略する。

本実施例では、荷重方向パッド３ａの周方向長さを、荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設されたパッド３ｂ，３ｃよりも大きくしている。これにより、荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設されたパッド３ｂ，３ｃの受圧面５の面積が、荷重方向パッド３ａの受圧面５の面積より小さくなっている。本構造では、荷重方向パッド３ａの周方向両隣に隣設されたパッド３ｂ，３ｃによる荷重直角方向の軸受油膜の力が減少するため、荷重直角方向の軸受剛性が低下し、軸受剛性の異方性が増加するので、ターボ機械の作動流体力に起因する不安定振動を防止できる。

１ティルティングパッドジャーナル軸受装置
２回転軸
３，３ｂ，３ｃパッド
３ａ荷重方向パッド
４軸受ハウジング
５受圧面
６段差
７溝
８ロータ
９ケーシング
１０静翼
１１動翼
１２軸受装置
１３蒸気タービン

Claims

回転軸の周りに配置されて前記回転軸を支承する複数のパッドと、該複数のパッドを収容する軸受ハウジングとを備えたティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
前記回転軸の荷重方向に位置する荷重方向パッドと、該荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドとを有し、
前記荷重方向パッドの前記回転軸を支承する受圧面の面積が、前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドの前記受圧面の面積より大きいことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
回転軸の周りに配置されて前記回転軸を支承する複数のパッドと、該複数のパッドを収容する軸受ハウジングとを備えたティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
前記回転軸の荷重方向に位置する荷重方向パッドと、該荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドとを有し、
前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドの前記回転軸を支承する受圧面に段差を設け、前記荷重方向パッドの前記受圧面の面積が、前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドの前記受圧面の面積より大きいことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
請求項１又は２記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
前記荷重方向パッドの回転軸回転方向上流側に隣設した前記パッドの軸方向断面形状を凹形状に形成し、前記荷重方向パッドの回転軸回転方向下流側に隣設した前記パッドの軸方向断面形状を凸形状に形成したことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
請求項１又は２記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置であって、
前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設した前記パッドの軸方向断面形状を円周方向に一様な凸形状もしくは凹形状に形成したことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
回転軸と、該回転軸を内包するケーシングと、該ケーシングに支持された静翼と、前記回転軸に固定された動翼と、前記回転軸の周りに配置された複数のパッドと該複数のパッドを収容する軸受ハウジングとを有して前記回転軸を支承するティルティングパッドジャーナル軸受装置と、を備えたターボ機械であって、
前記ティルティングパッドジャーナル軸受装置は、前記回転軸の荷重方向に位置する荷重方向パッドと、該荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドとを有し、
前記荷重方向パッドの前記回転軸を支承する受圧面の面積が、前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドの前記受圧面の面積より大きいことを特徴とするターボ機械。
回転軸と、該回転軸を内包するケーシングと、該ケーシングに支持された静翼と、前記回転軸に固定された動翼と、前記回転軸の周りに配置された複数のパッドと該複数のパッドを収容する軸受ハウジングとを有して前記回転軸を支承するティルティングパッドジャーナル軸受装置と、を備えたターボ機械であって、
前記ティルティングパッドジャーナル軸受装置は、前記回転軸の荷重方向に位置する荷重方向パッドと、該荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドとを有し、
前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドの前記回転軸を支承する受圧面に段差を設け、前記荷重方向パッドの前記受圧面の面積が、前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設された前記パッドの前記受圧面の面積より大きいことを特徴とするターボ機械。
請求項５又は６記載のターボ機械であって、
前記荷重方向パッドの回転軸回転方向上流側に隣設した前記パッドの軸方向断面形状を凹形状に形成し、前記荷重方向パッドの回転軸回転方向下流側に隣設した前記パッドの軸方向断面形状を凸形状に形成したことを特徴とするターボ機械。
請求項５又は６記載のターボ機械であって、
前記荷重方向パッドの周方向両隣に隣設した前記パッドの軸方向断面形状を円周方向に一様な凸形状もしくは凹形状に形成したことを特徴とするターボ機械。