JP2013057335A

JP2013057335A - ジャーナル軸受

Info

Publication number: JP2013057335A
Application number: JP2011194849A
Authority: JP
Inventors: Tadasuke Nishioka; 忠相西岡; Kazuhiko Yamashita; 一彦山下; Yuichiro Waki; 勇一朗脇
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: JP5800420B2

Abstract

【課題】回転軸と軸受パッドとの接触面積が減少した場合においても、ポンプの許容油圧範囲内で回転軸を浮上させる。
【解決手段】回転軸の外周面に接触して回転軸との間で所定の接触範囲Ｅを形成する支持面を有する軸受パッド４と、軸受パット４と軸受ハウジングとの間に介在され、軸受パットを搖動可能に支持するピボットとを備えるジャーナル軸受において、支持面５の接触範囲Ｅの内側に、接触範囲Ｅの外縁に沿う環状の溝部８が形成され、この溝部に対して軸受パッド４内に穿設された給油孔９を介して高圧油を供給する高圧油供給手段をさらに備えるジャーナル軸受を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービン等の大型回転機械のロータ（回転軸）を回転自在に支持するジャーナル軸受に関する。

従来、蒸気タービンやガスタービン等の大型回転機械においては、ロータを回転可能に支持するために、ジャーナル（ティルティングパッド）軸受が用いられている（例えば、特許文献１参照）。ジャーナル軸受はロータの周方向に複数配置され、揺動可能な軸受パッドが軸受ハウジングに収容された構成である。大型回転機械用のジャーナル軸受においては機械の安全な運転を可能にするため、油浴潤滑により潤滑されることが一般的であり、軸受パッドとロータとの間には油膜が形成されている。

図７に、大型回転機械に使用される従来のジャーナル軸受１０１の軸方向から見た概略構成図を示す。図６に示すように、ロータＲを支持する各軸受パッド１０４は、軸受ハウジング２の内面に設けられ軸受パッド１０４の背面に当接するピボット１０３によって支持されている。

ピボット１０３の支持方法としては、ロータＲの軸方向に長いピボット１０３を用い、図８に示すような支持線Ｈで軸受パッド１０４を支持するライン支持型が一般的である。ライン支持型の場合、ロータＲと軸受パッド１０４との接触面Ｇ１、即ち、ロータＲと軸受パッド１０４との間において油圧が保持される領域は、支持線Ｈを中心に湾曲板形状の軸受パッド１０４の幅方向に幅を有する領域となる。

一方、ロータＲの片当たりを防止する目的で、図９に示すような、点支持型を採用したジャーナル軸受も知られている。点支持型の場合、軸受パッド１０４は例えば球面形状のピボット１０３の支持点Ｊを中心に任意の方向に揺動可能に支持され、ロータＲと軸受パッド１０４との接触面Ｇ２は、支持点Ｊを中心とした楕円形状の領域となる。

また、ジャッキング・オイル・ポンプ（ＪａｃｋｉｎｇＯｉｌＰｕｍｐ，以下ＪＯＰ機構と称す）と呼ばれる機構により、ロータＲの回転開始時や低速回転時にロータＲを浮上させるジャーナル軸受も提供されている。図７〜図９に示すように、ＪＯＰ機構は、軸受パッド１０４の支持面１０５に形成されたＪＯＰ溝１０８（給油孔）から強制的に高圧油を供給することで、軸受パッド１０４の支持面１０５とロータＲとの間に油膜を形成する機構である。ＪＯＰ溝１０８には、給油通路１１０を介して図示しない高圧油供給用ポンプから高圧油が供給されている。

特開２００１−１２４０６２号公報

ところで、軸受パッド１０４は完全な剛体ではないため、ピボット１０３が図９に示すような点支持型である場合には、接触面Ｇ２はライン支持型の接触面Ｇ１と比較して接触面積が減少する場合がある。一方、ＪＯＰ溝１０８に供給される高圧油の圧力は、高圧油供給用ポンプによって定められた許容油圧範囲に収める必要がある。よって、ロータＲと軸受パッド１０４との接触面積が減少した場合においては、許容油圧範囲の油圧では、ロータＲを上昇させるために必要な圧力が確保できないという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、大型回転機械に適用され、ＪＯＰ機構を有するジャーナル軸受において、ロータと軸受パッドとの接触面積が減少した場合においても、ポンプの許容油圧範囲内でロータを浮上させることができるジャーナル軸受を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るジャーナル軸受は、回転軸の外周面に接触して該回転軸との間で所定の接触範囲を形成する支持面を有する軸受パッドと、前記軸受パットと軸受ハウジングとの間に介在され、前記軸受パットを搖動可能に支持するピボットとを備えるジャーナル軸受において、前記支持面の前記接触範囲の内側に、該接触範囲の外縁に沿う環状の溝部が形成され、該溝部に対して前記軸受パッド内に穿設された給油孔を介して高圧油を供給する高圧油供給手段をさらに備えることを特徴とする。

上記構成によれば、溝部が接触範囲を考慮して形成されているため、溝部によって画定される範囲、即ち、接触範囲の外縁に沿う環状の範囲に回転軸を浮上させるための静圧を立てることができ、結果的に、従来と比較して高圧油供給手段の出力を落とすことができる。

また、本発明に係るジャーナル軸受において、前記ピボッドは球面形状に形成されており、前記軸受パッドは、任意の方向に揺動可能であることが好ましい。
上記構成によれば、軸受パッドを回転軸の動きにより追従させることができる。

また、本発明に係るジャーナル軸受において、前記支持面には、前記溝部の内側であって前記接触範囲の中心部をふくむ凹部が形成されていることが好ましい。
上記構成によれば、軸受パッドの中央部において回転軸と軸受パッドの支持面とに間隔が生じる。これにより、軸受パッドの中央部における接触面圧が低下するため、軸受パッドの中央部に高面圧部が生じにくくなり、高圧油による静圧が行きまわりにくくなることを防止することができる。

さらに、本発明に係るジャーナル軸受において、前記溝部の寸法は、前記高圧油供給手段より供給される高圧油によって前記回転軸が浮上可能な範囲で設定されることが好ましい。

本発明によれば、溝部が接触範囲を考慮して形成されているため、溝部によって画定される範囲、即ち、接触範囲の外縁に沿う環状の範囲に回転軸を浮上させるための静圧を立てることができ、結果的に、従来と比較して高圧油供給手段の出力を落とすことができる。

本発明の第一の実施形態に係るジャーナル軸受の概略構成図である。本発明の第一の実施形態に係る軸受パッドの拡大構成図である。図２のＡ矢視図であって、軸受パッドの支持面を示す図である。本発明の第二の実施形態に係る軸受パッドの拡大構成図である。図４のＢ矢視図であって、軸受パッドの支持面を示す図である。本発明の別の実施形態に係る軸受パッドの拡大構成図である。従来のジャーナル軸受を構成する軸受パッドの拡大構成図である。図７のＣ矢視図であり、ライン支持型のピボットを説明する図である。図７のＣ矢視図であり、点支持型のピボットを説明する図である。

（第一の実施形態）
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係るジャーナル軸受１の概略構成図であり、ジャーナル軸受１には、タービンのロータＲが回転可能に支持されている。
図１に示すように、ジャーナル軸受１は、環状の軸受ハウジング２と、軸受ハウジング２の内周面に等角度間隔で設けられたピボット３と、各々のピボット３に揺動可能に支持された軸受パッド４とを有する。即ち、ピボット３は、軸受パッド４とハウジング２との間に介在している。軸受パッド４は、周方向に分割されている。本実施形態では、軸受パッド４は４個に分割されており、各軸受パッド４がピボット３によって支持されている。
なお、図示しないが、本実施形態のジャーナル軸受１は、隣り合う軸受パッド４同士の間に、ロータＲと軸受パッド４の支持面５との間に潤滑油を供給する給油ノズルを備えている。

図２に示すように、各軸受パッド４は、ロータＲの軸線に平行な視線で見た場合に円弧状をなし、かつ、軸線方向に幅広な湾曲板形状をなしている。軸受パッド４の支持面５の曲率半径は、ロータＲの外周面の曲率半径よりやや大きく形成されている。即ち、軸受パッド４の支持面５全面がロータＲと接触することはない。また、軸受パッド４の支持面５は、ホワイトメタル（バビットメタル）などの軟質金属によって形成されている。

ピボット３は、軸受ハウジング２よりロータＲの径方向に突出して形成され、軸受パッド４の背面中央において軸受パッド４を支持している。ピボット３の突出方向端部、即ち、軸受パッド４の背面との接触部は、球面形状に形成されている。

上述した構成により、軸受パッド４は、任意の方向に揺動可能とされている。即ち、ピボット３と軸受パッド４とは、点接触による接触状態であり、ロータＲとジャーナル軸受１との間にミスアライメント（ロータＲの外周面と軸受パッド４の支持面５との軸方向隙間が不均一になる）が発生した場合には、軸受パッド４がロータＲに追従することができる。

上述したように、軸受パッド４の支持面５はホワイトメタルによって形成されているため、完全な剛体ではない。よって、本実施形態の球面形状のピボット３によって支持される軸受パッド４とロータＲとの接触範囲Ｅは、図３に示すような楕円形状となる。接触範囲Ｅの形状は、ロータＲの直径（ロータＲの外周面の曲率半径）、軸受パッド４の支持面５の曲率半径、軸受パッド４の材質、及びロータＲを介してジャーナル軸受１にかけられる荷重等によって決定される。

各軸受パッド４の支持面５には、ロータＲの径方向から見て円環形状のＪＯＰ溝８が形成されている。ＪＯＰ溝８は楕円形状の接触範囲Ｅの外縁に沿う円環形状を有しており、このＪＯＰ溝８からロータＲを浮上させるための高圧油が供給される。ＪＯＰ溝８の詳細形状は後述する。

ＪＯＰ溝８には、２つの給油孔９が設けられている。各給油孔９は軸受パッド４の内部に形成された給油通路１０と連通しており、給油通路１０は高圧油供給用ポンプ１１と接続されている。高圧油供給用ポンプ１１は、前記潤滑油と比較してより圧力の高い高圧油を供給することが可能なポンプである。このような構成により、給油孔９には給油通路１０を介して高圧油供給用ポンプ１１より高圧油が供給され、この高圧油がＪＯＰ溝８より支持面５に供給されることによりロータＲが浮上する。
高圧油供給用ポンプ１１より供給される高圧油の圧力は、高圧油供給用ポンプ１１の許容油圧範囲に依存している。例えば、本実施形態の高圧油供給用ポンプ１１の許容油圧範囲は１８ＭＰａである。

次に、ＪＯＰ溝８の形状の詳細について説明する。
ＪＯＰ溝８の大きさは、平面視環状のＪＯＰ溝８全体が接触範囲Ｅの内側に配置されるように設定される。具体的には、ＪＯＰ溝８の外周８ａによって囲まれる面積をＳ１とし、接触範囲Ｅの面積をＳ２とすると、面積Ｓ１は、面積Ｓ２の６０％〜９０％となるように設定される。
さらに詳細には、前記面積Ｓ１は、高圧油供給用ポンプ１１の許容油圧範囲と、回転開始時や低速回転時において、ロータＲの浮上に必要な出力によって決定される。例えば、面積Ｓ１が小さすぎる場合は、ロータＲの浮上に必要な出力を供給できない場合があるため、面積Ｓ１は必要とされる出力を考慮して決定される。

また、ＪＯＰ溝８の幅Ｗは、広いほどロータＲの浮上の際に好ましいが、広過ぎる場合ロータＲと軸受パッド８との接触面積（高圧油を介して接触する面積）が減少するため好ましくない。ＪＯＰ溝８の幅Ｗは、このような事情を考慮して適宜設定される。

図２に示すように、また、ＪＯＰ溝８の断面形状は、支持面５に対して、所定の深さを有する凹溝形状であり、この深さは、ロータＲの直径等、適用される大型回転機械の仕様に応じて適宜設定される。

上記実施形態によれば、ＪＯＰ溝８は、接触範囲Ｒを考慮して形成されているため、より低い圧力でロータＲを浮上させることができる。即ち、ＪＯＰ溝８が、ＪＯＰ溝８の外周８ａによって囲まれる面積Ｓ１が接触範囲Ｅの面積Ｓ２の６０％〜９０％となるように形成されているため、高圧油供給用ポンプ１１によって供給される高圧油の圧力を低く抑えることができる。これにより、より効率的にＪＯＰ溝８によって画定される範囲、即ち、ＪＯＰ溝８の外周８ａによって囲まれる範囲にオイルリフトのための静圧を立てることができ、結果的に、従来と比較して高圧油供給用ポンプ１１からの出力を落とすことができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係るジャーナル軸受について説明する。
図４及び図５に示すように、本実施形態のジャーナル軸受１Ｂを構成する軸受パッド４Ｂには、軸受パッド４Ｂの支持面５Ｂに形成されたＪＯＰ溝８の内側に、凹部１３が形成されている。

凹部１３は、軸受パッド４Ｂの中央部に形成された所謂ヌスミ部であり、ロータと軸受パッドが接触した際に、荷重変形にてヌスミ部がつぶされることにないように、凹部１３の深さは数十μｍとされている。
なお、凹部１３の平面視形状は、矩形形状とされているが、これに限ることはなく、円形状としてもよい。

上記実施形態によれば、軸受パッド４Ｂの中央部に凹部１３を設けられることで、軸受パッド４Ｂの中央部においてロータＲと軸受パッド４Ｂの支持面５とに間隔が生じる。これにより、軸受パッド４Ｂの中央部における接触面圧が低下するため、軸受パッド４Ｂの中央部に高面圧部が生じにくくなり、高圧油による静圧が行きまわりにくくなることを防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態においては、ピボット３は、軸受ハウジング２より突出させる構成としたが、図６に示すように、ピボット３Ｃを軸受パッド４の背面より突出させ、ピボット３Ｃの突出方向先端を軸受ハウジング２の内面に形成された溝部１４に当接させるような構成としてもよい。

Ｅ…接触範囲、Ｒ…回転軸、１…ジャーナル軸受、３…ピボット、４…軸受パッド、５…支持面、８…ＪＯＰ溝（溝部）、９…給油孔、１１…高圧油供給用ポンプ（高圧油供給手段）、１３…凹部。

Claims

回転軸の外周面に接触して該回転軸との間で所定の接触範囲を形成する支持面を有する軸受パッドと、
前記軸受パットと軸受ハウジングとの間に介在され、前記軸受パットを搖動可能に支持するピボットとを備えるジャーナル軸受において、
前記支持面の前記接触範囲の内側に、該接触範囲の外縁に沿う環状の溝部が形成され、該溝部に対して前記軸受パッド内に穿設された給油孔を介して高圧油を供給する高圧油供給手段をさらに備えることを特徴とするジャーナル軸受。
前記ピボッドは球面形状に形成されており、
前記軸受パッドは、任意の方向に揺動可能であることを特徴とする請求項１に記載の
ジャーナル軸受。
前記支持面には、前記溝部の内側であって前記接触範囲の中心部をふくむ凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のジャーナル軸受。
前記溝部の寸法は、前記高圧油供給手段より供給される高圧油によって前記回転軸が浮上可能な範囲で設定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のジャーナル軸受。