JP2013204651A - ジャーナル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】給油ノズルによって形成される油膜の性状に依存することなく、ロータの振動に対する減衰力を大きくすることができ、かつ、減衰力を調整することができるジャーナル軸受。
【解決手段】ロータＲの周囲に配置されたキャリアリング３と、ロータＲとキャリアリング３との間に配置されてロータＲを外周から支持する軸受パッド５と、軸受パット５とキャリアリング３との間に設けられ、軸受パット５を搖動可能に支持するピボット６とを有するジャーナル軸受１において、ピボット６とキャリアリング３との間に、流体に生じる抵抗によってピボット６の振動を吸収するダッシュポット１１を備えるジャーナル軸受。
【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、回転体である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、ロータの自重を静止側に伝えるための重要な機能を有している。

ジャーナル軸受は、ロータの周方向に複数配置され、かつ、揺動可能な軸受パッドが、キャリアリ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、流体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。

ジャーナル軸受の回転とともに形成される油膜は、潤滑のみならず、ロータの振動を小さくする上で非常に重要な制振効果（油膜ダンピング）を発生させる。例えば、ロータが許容速度を上回る速度で回転した場合に発生する振動や、様々な要因によって発生する不安定振動等の軸振動を小さくするために、ジャーナル軸受の油膜は非常に重要な役割を果たしている。

特開２００１−１２４０６２号公報

ところで、ロータと軸受パッドとの間に形成される油膜のばね定数及び減衰係数を決定する油膜の厚み、粘度等は、ロータ荷重による面圧や、ロータの回転数（即ち周速）、給油温度等、様々な要因に依存するため、設計的に取り扱いにくいことが知られている。また、油膜のばね定数及び減衰係数は、ばね定数を極力大きく設定し、また減衰係数も大きくする必要があるが、油膜の厚みには限界があるため、このような油膜を形成させるジャーナル軸受を設計することは非常に困難である。

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、蒸気タービン、ガスタービン等の回転機械に設けられているジャーナル軸受において、油膜の性状に依存することなく、ロータの振動に対する減衰力を大きくすることができ、かつ、減衰力を調整す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、ロータの周囲に配置されたキャリアリングと、前記ロータと前記キャリアリングとの間に配置されて前記ロータを外周から支持する軸受パッドと、前記軸受パットと前記キャリアリングとの間に設けられ、前記軸受パットを搖動可能に支持するピボットとを有するジャーナル軸受において、前記ピボットと前記キャリアリングとの間に、作動流体に生じる抵抗によって前記ピボットの振動を吸収するダッシュポットを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、ピボットとキャリアリングとの間にダッシュポットを設けたことにより、ロータの振動に対する減衰力を大きくすることができる。また、ダッシュポットの減衰特性を変更することにより、ロータの振動に対する減衰力を調整することができる。

また、本発明に係るジャーナル軸受において、前記ダッシュポットの周囲に配置された加熱装置と、前記加熱装置を用いて前記作動流体の温度を変化させることによって前記作動流体の粘性を調整する制御装置とを備えることが好ましい。

上記構成によれば、作動流体の粘度を調整することにより、ダッシュポットを交換することなく減衰特性を変更することができる。

また、本発明のジャーナル軸受において、前記ピボットと前記キャリアリングとの間には、前記ピボットを前記ロータ半径方向に付勢する付勢部材が介在していることが好ましい。

上記構成によれば、ダッシュポットと付勢部材とで、ばね−ダンパ系が構築されるため、ロータの振動をより適切に収束させることができる。

本発明によれば、油膜の性状に依存することなく、ロータの振動に対する減衰力を大きくすることができ、かつ、減衰力を調整することができる。

本発明の一実施形態に係るジャーナル軸受の正面概略図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 パッド支持部材の拡大図である。 本発明の別の実施形態に係るパッド支持部材の拡大図である。

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、本発明の一実施形態に係るジャーナル軸受１の正面図であり、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、軸受台２と、軸受台２に固定支持される環状のキャリアリング３と、ロータＲの上方であってキャリアリング３の内周側に設けられているガイドメタル４と、ロータＲを下方から支持する２つの軸受パッド５と、軸受パッド５を背面から揺動可能に支持するピボット６と、ロータＲと軸受パッド５との間に潤滑油を供給する５つの給油ノズル７と、ピボット６とキャリアリング３との間に介在するピボット支持機構１４を主たる構成要素として備えている。

キャリアリング３は、上半部キャリアリング３ａと、下半部キャリアリング３ｂとからなり、上半部キャリアリング３ａと下半部キャリアリング３ｂとは、ジョイントボルト（図示せず）によって締結されている。
軸受台２は、断面が半円状の凹部２ａを有し、キャリアリング３を構成する下半部キャリアリング３ｂが、軸受台２の凹部２ａに嵌合固定されている。

ガイドメタル４は、図２に示すように、軸方向に２つ並んで配置されており、図１及び図２に示すように、その外周面がキャリアリング３の内周面と接するようにして、キャリアリング３に固定されている。このガイドメタル４はロータＲの荷重を支えるものではなく、単にロータＲの飛び上がりを防ぐだけのものである。

各軸受パッド５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、幅広な湾曲板形状をなしている。軸受パッド５の支持面５ａ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。また、軸受パッド５の軸方向への移動は、下半部キャリアリング３ｂの両端面に固定されたサイドプレート９により制限されている。
さらに、図３に示すように、軸受パッド５の背面中央付近には、凹部８が設けられている。軸受パッド５は、この凹部８を介してピボット支持機構１４に支持されている。

給油ノズル７は、例えば、底面の側から供給された潤滑油をロータＲの外周面と軸受パッド５の内周面との間に放出（供給）するものである。

図３に示すように、ピボット支持機構１４は、キャリアリング３の内周面に対して凹形状をなす収容溝１０に設置されている。ピボット支持機構１４は、収容溝１０の底面に配置されたダッシュポット１１と、ダッシュポット１１と同様に収容溝１０の底面に配置された皿バネ部１２と、ダッシュポット１１及び皿バネ部１２によって支持されたピボット受け１３とを有している。即ち、ピボット６は、ピボット受け１３を介してダッシュポット１１及び皿バネ部１２に支持されている。また、ダッシュポット１１の周囲にはヒータ１５が配置されている。

ダッシュポット１１は、オイルを利用した緩衝器であり、円筒形状のシリンダ１７と、シリンダ１７内を摺動可能なピストンロッド１８とを有している。また、ダッシュポット１１は、オイル供給装置１９と接続されており、シリンダ１７内にはオイル供給装置１９から供給されるオイルが流入するようになっている。

オイル供給装置１９は、油圧ポンプ、モータ、油タンク、切替バルブ等からなるもので、ピストンによって仕切られたシリンダ１７の二つの空間にそれぞれオイルを供給可能とされている。また、オイル供給装置１９は、供給されるオイルの量を制御する制御装置２０と接続されている。

ヒータ１５は、シリンダ１７内のオイルを加熱できる装置であればその構成は問わないが、通電式の電熱ヒータを内蔵した一般的な加熱ヒータを用いることができる。また、ヒータ１５は、制御装置２０と接続されている。

皿バネ部１２は、１つないし複数の皿バネを直列に重ねた構成であり、一端が収容溝１０の底面に当接し、他端がピボット受け１３に当接することで、ピボット受け１３がキャリアリング３から離間する径方向に付勢される。
ピボット受け１３は、径方向外側の面が皿バネ部１２及びダッシュポット１１によって支持される板状部材であり、径方向内側の面である支持面１３ａには、ピボット６の背面を支持する凹部２２が形成されている。

ピボット６は、ピボット支持機構１４を構成するピボット受け１３によって支持されている。ピボット受け１３の支持面１３ａは、キャリアリング３の内周面よりやや径方向外側に位置しており、ピボット６は、支持面１３ａに形成された凹部２２に配置される。ピボット６は、軸受パッド５の背面において軸受パッド５を支持している。ピボット６の突出方向端部、即ち、軸受パッド５の背面との接触部は、球面形状に形成されている。

背面がピボット６に支持されることにより、軸受パッド５は、任意の方向に揺動可能とされている。即ち、ピボット６と軸受パッド５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５の支持面５ａ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５がロータＲに追従することができる。

次に、本実施形態に係るジャーナル軸受１の作用について説明する。ロータＲの回転中においては、軸受パッド５とロータＲとの間に給油ノズル７から潤滑油が供給される。潤滑油の油膜は、それ自体がロータＲの振動を小さくする効果があるが、油膜で吸収できない振動は、ピボット支持機構１４によって吸収される。ピボット支持機構１４は、皿バネ部１２とダッシュポット１１とで、所謂ショックアブソーバの機能を有するものとなっており、皿バネ部１２のバネ係数と、ダッシュポット１１の減衰係数を調整することにより、制振特性を調整することができる。

皿バネ部１２のバネ定数は、皿バネ部１２を構成する皿バネの種類や個数を変更することにより調整することができる。
ダッシュポット１１の減衰係数は、ダッシュポット１１のシリンダ内のオイルの温度を変更することによって調整することができる。即ち、減衰係数を小さくしたい場合は、ヒータ１５を稼働させ、オイルの温度を高くすることで、オイルの粘性を高くする。一方、減衰係数を大きくしたい場合は、ヒータ１５を稼働させずオイルの温度を下げる。

また、ロータＲの鉛直方向の位置は、ダッシュポット１１により調整することができる。具体的には、ダッシュポット１１を油圧シリンダとして使用し、ピボット６を径方向に移動させることでロータＲの位置を調整する。ダッシュポット１１を油圧シリンダとして使用するには、オイル供給装置１９を構成する油圧ポンプ（図示せず）からダッシュポット１１のピストンによって仕切られたシリンダ１７の二つの空間にそれぞれオイルを供給することでピストンロッド１８を径方向に駆動させる。これにより、ピストンロッド１８に当接するピボット受け１３が径方向に移動し、これに伴い軸受パッド５も移動することで、ロータＲの鉛直方向の位置を調節することができる。

上記実施形態によれば、ダッシュポット１１をピボット６とキャリアリング３との間に介在させたことによって、油膜の性状に依らずロータＲの振動を小さくすることができる。即ち、油膜の厚さが十分でなく、油膜の減衰係数が小さい場合においても、ダッシュポット１１によってロータＲの振動を吸収することできる。
また、ダッシュポット１１のオイルの粘性を調整することによりダッシュポット１１の減衰特性を調整することができる。
さらに、皿バネ部１２を設けたことにより、ダッシュポット１１と併せてばね−ダンパ系が構築されるため、ロータの振動をより適切に収束させることができる。

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、以上で説明した実施形態では、皿バネを用いてピボット受けを付勢する構成としているが、図４に示すように、皿バネの代替として圧縮コイルばね２４を配置する構成としてもよい。

また、ロータＲの鉛直方向の位置を調整する機構は必ずしも必要ではない。この機構を使用しない場合、オイル供給装置１９を省略することができる。
また、上記実施形態においては、ロータＲの下方を２つの軸受パッドで支持する構成としたが、軸受パッドの数はこれに限らず、ロータＲの全周を覆うように３つ以上設けることも可能である。
さらに、ダッシュポットの減衰特性を変更する必要がなければ、加熱装置を設ける必要はない。

Ｒ…ロータ
１…ジャーナル軸受
３…キャリアリング
５…軸受パッド
６…ピボット
１１…ダッシュポット
１２…皿バネ部（付勢部材）
１５…ヒータ（加熱装置）
２０…制御装置

Claims (3)

1. ロータの周囲に配置されたキャリアリングと、
   前記ロータと前記キャリアリングとの間に配置されて前記ロータを外周から支持する軸受パッドと、
   前記軸受パットと前記キャリアリングとの間に設けられ、前記軸受パットを搖動可能に支持するピボットとを有するジャーナル軸受において、
   前記ピボットと前記キャリアリングとの間に、作動流体に生じる抵抗によって前記ピボットの振動を吸収するダッシュポットを備えることを特徴とするジャーナル軸受。
2. 前記ダッシュポットの周囲に配置された加熱装置と、
   前記加熱装置を用いて前記作動流体の温度を変化させることによって前記作動流体の粘性を調整する制御装置とを備えることを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受。
3. 前記ピボットと前記キャリアリングとの間には、前記ピボットを前記ロータ半径方向に付勢する付勢部材が介在し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。

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