JP2014070514A - スラスト軸受装置を備えるターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】
スラスト軸受において、スラスト力を支持しつつ、ロータ振動に対する安定性を向上させる機能を持たせたスラスト軸受構造を提供する。
【解決手段】
スラストカラー部４が形成されたロータ１と、該ロータ１を回転可能に支持するスラスト軸受装置２とを備えるターボ機械であって、スラスト軸受装置の摺動面３および該摺動面に対向するスラストカラー部４の接触面５は、ロータ軸方向に勾配を有することを特徴とするターボ機械。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スラスト軸受装置を備えるターボ機械に係り、特にターボ機械ロータの軸振動安定性を向上させる軸受構造に関する。

発電設備として利用される蒸気タービン、ガスタービンなどのターボ機械は運転中において、軸方向のスラスト力が発生する。ターボ機械の回転を妨げずに、そのスラスト力を支えるため、一般的にターボ機械にはスラスト軸受が使用される。一方、蒸気タービン、ガスタービンは、近年の性能向上の追及により、タービンロータは小径化される傾向にある。これには、回転体となるタービンロータ（動翼を含む）と静止体となるケーシングおよびダイヤフラム（静翼を含む）との間隙面積を減らし、漏洩作動流体を低減する目的がある。このロータの小径化により、タービンロータの剛性は下がり、ロータ振動への耐性が低下する問題が生じる。

このような、ターボ機械におけるロータ振動への対策としては、ジャーナル軸受の軸受パッドの構造改善により、安定性向上を図る技術がある（特許文献１参照）。

特開2011−256773号公報

上記特許文献１の技術では、ジャーナル軸受におけるパッドおよびピボットの剛性の適正化によりロータ振動に対する安定性向上が可能としている。背景技術の欄で示したように、近年の性能向上を目的としたロータ小径化に伴うロータ振動への耐性低下のため、スラスト軸受においても、ロータ振動に対する安定性を向上させる機能を付加し、健全性を向上させる必要がある。

そこで本発明は、上述した課題を解決するため、スラスト軸受において、スラスト力を支持しつつ、ロータ振動に対する安定性を向上させる機能を持たせたスラスト軸受構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、スラストカラー部が形成されたロータと、該ロータを回転可能に支持するスラスト軸受装置とを備えるターボ機械において、スラスト軸受装置の摺動面および該摺動面に対向するスラストカラー部の接触面が、ロータ軸方向に勾配を有することを特徴とする。

本発明に係るスラスト軸受は、スラスト軸受および、そのスラスト軸受と接触するロータ部分をくさび形状とすることで、蒸気タービンやガスタービンなどのターボ機械の運転中に定常的に軸方向に作用するスラスト力の分力がロータに対してスラスト軸受中心の方向に作用し、ロータ振動に対する安定性を向上させることが可能となる。

本発明の実施例に係わるスラスト軸受およびロータ構造を示す概略縦断面図である。 スラスト軸受およびロータに作用する力を示した概略図である。

以下、本発明に係るロータ振動に対する安定性を向上させるスラスト軸受の実施形態を図および図に付した符号を引用して説明する。なお、各図を通して、同一の構成要素には同一符号を付している。

図１は、本実施例に係るスラスト軸受２およびロータ１の構造を示した概略縦断面図である。蒸気タービンやガスタービン等のターボ機械は、回転体であるロータ１と、図示していないがロータ１を覆うケーシング等からなる。ロータ１には多数の回転羽根車が設けられており、ケーシング側にはノズルが設けられている。ターボ機械は、ノズルで流体を加速させ、ノズルの下流に設けられた回転羽根車で運動エネルギーに変換して動力を得る。このターボ機械ではロータ１に軸方向のスラスト力が作用するため、ロータ１を回転可能に支承するスラスト軸受装置２が設けられている。スラスト軸受装置２は図示しない軸受ホルダ等に固定されている。

ロータ１の軸受支承部にはスラストカラー部４が形成されており、スラストカラー部４に対向する位置に、スラストカラー部４の接触面５を支承する摺動面３が位置するようにスラスト軸受装置２が設けられている。摺動部３には図示しない供給口から潤滑油が供給されて摺動面上を潤滑しており、この潤滑油を介してスラストカラー部４を支承する。

ところで、近年の性能向上を目的としたロータ小径化に伴うロータ振動への耐性低下のため、スラスト軸受においても、ロータ振動に対する安定性を向上させる機能を付加し、健全性を向上させる必要がある。

そこで本実施例では、スラストカラー部４の接触面５を図２に示すように、ロータ軸６に垂直な方向に対してロータ軸方向に角度θだけ傾斜させる。一方、接触面５に対向するスラスト軸受側の摺動面３も、摺動面５と平行となるようにロータ軸に垂直な方向に対してロータ軸方向に角度θだけ傾斜させている。

接触面５と摺動面３に角度θの勾配を持たせることで、運転中にターボ機械のロータに定常的に作用するスラスト力aは接触面に垂直な分力ｂと平行な分力ｃに分けられる。分力ｂはロータ側と作用反作用（垂直抗力）で釣合い、分力ｃがロータに対してスラスト軸受中心の方向、つまり振動およびたわみの無い場合のロータ中心方向に作用するため、ロータ振動に対する安定性が向上される。

ここで、スラストカラー部４の接触面５の接触角θを、ロータ軸に垂直な方向をゼロとし、接触面５に対向するスラスト軸受側に傾斜させる場合を正、反スラスト軸受側に傾斜させた場合を負とする。一方、スラスト軸受２の摺動面３の接触角θは、ロータ軸に垂直な方向をゼロとし、摺動面３に対向するスラストカラー部４側に傾斜させる場合を正、反スラストカラー側に傾斜させた場合を負とする。図2の場合、接触面５および摺動面３の接触角θはいずれも正である。

この場合、接触面５と摺動面３の接触角θは−９０°＜θ＜９０°で設定が可能であるが、θ＝±４５°の場合に、スラスト軸受中心に向けられる力は最大となる。また、傾斜角度が大きいほど、接触面での垂直抗力が低下するため、本来のスラスト力を支持する機能を失う可能性がある。また、θ＞０°の場合、回転体であるロータ側の形状が応力集中係数の高い形状となるため、強度信頼性上、好ましくない。そのため、０°＜θ≦４５°の範囲で、適用されるターボ機械のスラスト力を考慮して、適切な傾斜角度とする。

以上、本実施例のスラスト軸受によればロータを小径化しても、スラスト力が作用するロータを支持しつつ、ロータ振動に対する安定性を向上させることができる。従って、本実施例によればターボ機械の性能向上と、ロータ振動に対する安定性向上の両立を図ることができる。

１ ロータ
２ スラスト軸受装置
３ 摺動部
４ スラストカラー部
５ 接触面

Claims (2)

1. スラストカラー部が形成されたロータと、該ロータを回転可能に支持するスラスト軸受装置とを備えるターボ機械であって、
   前記スラスト軸受装置の摺動面および該摺動面に対向する前記スラストカラー部の接触面は、ロータ軸方向に勾配を有することを特徴とするターボ機械。
2. 請求項1記載のターボ機械であって、
   前記摺動面および前記接触面の接触角は、ロータ軸に垂直な方向に対して、ロータ軸方向に０°＜θ≦４５°の範囲であることを特徴とするターボ機械。