JP2014163467A - 軸受パッド、軸受装置、回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】油膜の温度をより高精度に検出する軸受パッドを提供する。
【解決手段】回転軸を支持するパッド面５を有する軸受パッド４は、パッド面５に触れる潤滑油温度を検出する熱電対５３が挿入されるセンサ挿入孔５１ｃと、センサ挿入孔５１ｃの先端部の近傍に形成され、パッド面５において外縁５５ａがパッド面５内に収められるとともに曲面からなる凹部５５と、が形成されている。センサ挿入孔５１ｃ内には熱電対５３が挿入される。
【選択図】図４

Description

本発明は、軸受パッド、該軸受パッドを備える軸受装置、及び、該軸受装置を備える回転機械に関する。

蒸気タービンやガスタービン、ポンプ、エンジン等、回転軸を有した回転機械においては、回転軸を回転可能に支持するために軸受装置が用いられている。
このような軸受装置としては、回転軸に摺接するパッド面を有する軸受パッドを備えたジャーナル軸受やスラスト軸受がある。
これらのパッド面を有した軸受パッドにおいては、回転機械の安全な運転を可能にするためにパッド面と回転軸との間に潤滑油が介在されており、これによってパッド面と回転軸との間には油膜が形成されている。

潤滑油の不足や、機械の何らかの不調等によって、軸受パッドのパッド面と回転軸との間の油膜が切れると、パッド面の損傷や、回転軸側の損傷を招く可能性があることから、軸受の温度をモニタリングすることが広く行われている（例えば、特許文献１参照）。

軸受の温度を精度よく検出するには、図６に示すように、軸受パッド２０１内のパッド面２０１ａ近傍に熱電対２０３を埋設し、この熱電対２０３によりパッド面２０１ａと回転軸２０２との間の潤滑油の温度を検出することが行われている。
軸受パッド２０１は、裏金層２０４の表面に、ホワイト軸受等からなる軸受層２０５を形成することによって、この軸受層２０５がパッド面２０１ａを形成している。なお、軸受層２０５は１〜５ｍｍと薄く強度的にも弱いため、軸受層２０５内に熱電対２０３を埋め込むのは困難である。そこで、裏金層２０４に穴２０６を形成し、この穴２０６に熱電対２０３を挿入して設置している。

特開２００２−１６８２４２号公報

上記したような構成において、軸受層２０５を形成する材料は、裏金層２０４を形成する材料よりも熱伝導率が低い。このため、熱電対２０３においては、例えば、軸受表面温度の急激な上昇が生じた場合に、裏金層２０４の熱電対２０３に油膜温度変化が断熱され易く、また、伝搬するのにタイムラグが生じ、精度良く検出することができないという問題がある。
そこでなされた本発明の目的は、軸受表面温度をより高精度に検出することのできる軸受パッド、軸受装置、回転機械を提供することである。

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。
すなわち、本発明に係る軸受パッドは、回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッド本体と、前記パッド面に曲面からなる凹部が形成され、前記軸受パッド本体の内部における前記凹部に対して前記パッド面に直交する方向に離間した部位に設けられた熱センサを備えることを特徴とする。

このような軸受パッドによれば、パッド面に凹部が形成されることによって、熱センサ近傍における軸受パッドの厚さが薄くなっているので、凹部の底部から熱センサに熱が伝搬するまでの時間を短縮できる。したがって、回転軸とパッド面との間の潤滑油の温度をより高感度に検出することができる。

また、本発明に係る軸受パッドは、前記凹部の外縁が前記パッド面内に収まっていることが好ましい。

ここで、凹部の外縁がパッド面内に収まっておらず、即ち、パッド面の外縁に達している場合、当該パッド面内の潤滑油の油膜圧力が周囲圧（大気圧）と連通してしまうため、パッド面全体としての負荷能力が低下してしまう。これに対して、凹部の外縁がパッド面内に収まっていれば、凹部内の潤滑油の油膜圧力を高く維持することができる。これによって、パッド面による支持力の低下を回避できる。

さらに本発明に係る軸受装置は、回転軸と、該回転軸と前記パッド面との間に潤滑油を介在させて、前記回転軸を支持する上記いずれかの軸受パッドと、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械は、上記軸受装置を備えることを特徴とする。

このような軸受装置、回転機械によれば、潤滑油の温度を高感度に検出することができる。

本発明の軸受パッド、軸受装置及び回転機械によれば、温度を高感度に検出することができ、軸受の温度をより高精度に検出することが可能となる。

本実施形態に係る回転機械の一例としての蒸気タービンの構成を示す図である。 本実施形態に係る軸受装置における回転軸に直交する断面図である。 本実施形態に係る軸受パッドの拡大図である。 本実施形態に係る軸受パッドを示す図であって、（ａ）は軸受パッドの斜視図、（ｂ）は軸受パッドのセンサ挿入孔に沿った断面図である。 軸受パッドの変形例を示す断面図である。 従来の軸受装置における油膜温度検出のための構成の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による軸受パッド、軸受装置、回転機械を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではない。
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。まず、本発明の実施形態に係る蒸気タービン（回転機械）１００について説明する。
図１に示すように、蒸気タービン１００は、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。

図１に示すように、蒸気タービン１００は、タービンケーシング９０と、該タービンケーシング９０を貫通するように軸線Ｏに沿って延びる回転軸３０と、タービンケーシング９０に保持された静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼７０と、回転軸３０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部６０とを備えている。
なお、軸受部６０は、ジャーナル軸受（軸受装置）１及びスラスト軸受６２を備えている。

図２は、本実施形態に軸受装置１の概略構成図であり、軸受装置１には、回転軸３０が回転可能に支持されている。
図２に示すように、軸受装置１は、環状の軸受ケーシング２と、軸受ケーシング２の内周面に等角度間隔で設けられた支持部材３と、各々の支持部材３に揺動可能に支持された軸受パッド（軸受パッド本体）４とを有する。即ち、支持部材３は、軸受パッド４と軸受ケーシング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がそれぞれ支持部材３によって支持されている。

図３に示すように、各軸受パッド４は、回転軸３０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４のパッド面５の曲率半径は、回転軸３０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のパッド面５全面が回転軸３０と接触することはない。また、軸受パッド４のパッド面５は、ホワイト軸受（バビット軸受）などの軟質金属によって形成されている。

支持部材３は、軸受ケーシング２より回転軸３０の径方向内周側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。支持部材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、支持部材３と軸受パッド４とは、点接触による接触状態であり、回転軸３０と軸受装置１との間にミスアライメント（回転軸３０の外周面と軸受パッド４のパッド面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が回転軸３０に追従することができる。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、軸受パッド４は、湾曲板形状をなした裏金層５１と、裏金層５１の湾曲方向内周側の表面（軸受層・裏金層界面）５１ａに形成された軸受層５２と、から形成されている。
裏金層５１は、例えば鉄、クロム鋼等から形成され、外周端面５１ｂから表面５１ａとほぼ平行に、センサ挿入孔５１ｃが形成されている。
軸受層５２は、ホワイトメタルや、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン，Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン，Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）樹脂等から形成され、裏金層５１の表面５１ａに、定められた膜厚で形成されている。

裏金層５１のセンサ挿入孔５１ｃには、油膜温度検出のためのセンサとして、例えば熱電対（熱センサ）５３が挿入される。この熱電対５３は、蒸気タービン１００の図示しないコントローラに接続され、検出した温度に応じた電気信号をコントローラに出力する。

軸受層５２の表面５２ａ（パッド面５）には、熱電対５３の先端５３ａに近接した位置に、ディンプル（凹部）５５が形成されている。このディンプル５５は、軸受層５２の表面５２ａにおいて、その外周縁部５２ｂよりも内方のエリアに形成されている。つまり、ディンプル５５は、その外縁５５ａが、回転軸３０とのパッド面となる表面５２ａ内に収まるよう形成されている。

ディンプル５５は、表面５２ａとの境界部分となる外縁５５ａが、軸受パッド４の湾曲方向内周側に向けて凸となる湾曲面によって形成され、ディンプル５５の底部５５ｃは、軸受パッド４の外周側に向けて凹となる湾曲面により形成されている。これにより、ディンプル５５は、その全体が不連続面のない滑らかな形状とされ、ディンプル５５内で潤滑油の渦が生じるのを抑える。
このディンプル５５は、熱電対５３の先端５３ａが、このディンプル５５に対して軸受層５２の表面５２ａに直交する方向に離間した部位に位置するよう設けるのが好ましい。

蒸気タービン１００の作動によって、回転軸３０がその軸線周りに回転駆動されると、回転軸３０と軸受パッド４との間には潤滑油が介在する。このとき、ディンプル５５の部分においては、図示しない潤滑油循環ポンプによって供給された潤滑油がディンプル５５に流れ込むようになっている。
そして、熱電対５３の先端５３ａにおいては、ディンプル５５内の潤滑油（油膜）の温度、即ち、パッド面５（軸受）の温度を検出し、検出した温度に応じた電気信号を蒸気タービン１００の図示しないコントローラに出力する。コントローラでは、熱電対５３で検出された温度をモニタリングし、予め定めた規定値を上回ったときには、例えば潤滑油不足等、何らかの異常が生じているとし、アラーム信号を出力したり、蒸気タービン１００を停止させる等、所定の処置を実行する。

上述したような構成によれば、回転軸３０を回転自在に支持する軸受パッド４において、軸受層５２の表面５２ａにディンプル５５が形成され、熱電対５３の先端５３ａが、このディンプル５５に対して軸受層５２の表面５２ａに直交する方向に離間した部位に位置している。ディンプル５５の部分においては、軸受層５２の厚さが薄く、ディンプル５５の底部５５ｃと熱電対５３の先端５３ａとの間隔が、ディンプル５５以外の部分における軸受層５２の表面５２ａの部分よりも小さくなっている。したがって、軸受層５２の熱伝導率が、裏金層５１の熱伝導率よりも低くても、ディンプル５５内の潤滑油の温度が伝わりやすい。したがって、例えば、油膜温度の急激な上昇が生じた場合に、熱電対５３に伝搬するまでのタイムラグを小さくすることができ、パッド面５の温度変化をリアルタイムに正確に検出し、高精度な検出を行える。

ここで、ディンプル５５の外縁がパッド面５内に収まっておらず、即ち、パッド面５の外縁に達している場合、当該パッド面５内の潤滑油の油膜圧力が周囲圧（大気圧）と連通してしまうため、パッド面５全体としての負荷能力が低下してしまう。これに対して本実施形態では、ディンプル５５の外縁がパッド面内に収まっていることで、ディンプル５５内の潤滑油の油膜圧力を高く維持することができる。これによって、パッド面５による支持力の低下を回避できる。
さらに、ディンプル５５が軸受層５２の外周縁部５２ｂに臨んで形成されていると、潤滑油がディンプル５５外に流出して、潤滑油温度が正確に測れないが、本実施形態ではディンプル５５がパッド面５内に収まっているため潤滑油温度をより精度高く測ることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、ディンプル５５の深さは、軸受層５２の厚さよりも小さいとは限らず、軸受層５２から裏金層５１に至る深さで形成しても良い。また、例えば、図５に示すように、軸受層５２と裏金層５１との間に、さらに他の層（例えば焼結層５８等）がある場合には、この層に及ぶよう、ディンプル５５を形成しても良い。
また、ディンプル５５は、一つとは限らず、熱電対５３の先端５３ａの近傍に複数個を設けても良い。
さらに、ディンプル５５を複数形成して、各ディンプル５５に対応するように複数のセンサ挿入孔５１ｃを形成し、これらセンサ挿入孔５１ｃ内に熱電対５３を挿入してもよい。

さらに、ディンプル５５の平面形状は円形に限らず、楕円形、長円形等、他の形状であっても良い。さらには、ディンプル５５に代えて、軸受層５２の表面５２ａに、ローラＲの周方向または軸方向に沿って延びる溝を、凹部として形成しても良い。

また、上記したディンプル５５は、ジャーナル軸受の軸受パッド４に限らず、スラスト軸受の軸受パッドや、さらにはパッドを備えない通常の滑り軸受においても、同様に適用することができる。
さらに、そのような軸受を備えた回転機械は、蒸気タービンに限らず、やガスタービン、ポンプ、エンジン、風力発電機、風車、水車等であってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の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 ジャーナル軸受（軸受装置）
２ 軸受ケーシング
３ 支持部材
４ 軸受パッド（軸受パッド本体）
５ パッド面
３０ 回転軸
４０ 静翼
５１ 裏金層
５１ａ 表面（軸受層・裏金層界面）
５１ｂ 外周端面
５１ｃ センサ挿入孔
５２ 軸受層
５２ａ 表面
５２ｂ 外周縁部
５３ 熱電対（熱センサ）
５３ａ 先端
５５ ディンプル（凹部）
５５ａ 外縁
５５ｃ 底部
５８ 焼結層
６０ 軸受部
６２ スラスト軸受
７０ 動翼
９０ ケーシング
１００ 蒸気タービン（回転機械）

Claims (4)

1. 回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッド本体と、
   前記パッド面に曲面からなる凹部が形成され、
   前記軸受パッド本体の内部における前記凹部に対して前記パッド面に直交する方向に離間した部位に設けられた熱センサを備えることを特徴とする軸受パッド。
2. 前記凹部の外縁が前記パッド面内に収まっていることを特徴とする請求項１に記載の軸受パッド。
3. 回転軸と、
   該回転軸と前記パッド面との間に潤滑油を介在させて、前記回転軸を支持するに請求項１又は２に記載の軸受パッドと、
   を備えることを特徴とする軸受装置。
4. 請求項３に記載の軸受装置を備えることを特徴とする回転機械。

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