JP2014167344A - ティルティングパッド軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＪＯＰ機構を採用したティルティングパッド軸受装置において、軸受パッド全域に亘り潤滑性能を高く維持する。
【解決手段】回転軸１５の周囲に配置されて回転軸を回転自在に支持する複数の軸受パッド１４と、前記軸受パッドと軸受ハウジングの間に介在され、各軸受パッドを揺動可能に支持する支持部材３８と、１個以上の前記軸受パッドの軸受面に形成した油溝に潤滑油を供給可能に構成した給油機構を備えたティルティングパッド軸受装置であって、前記支持部材は、１個以上の軸受パッドの前記回転軸の回転方向における中央位置に対し、前記回転軸の回転方向上流側又は回転方向下流側にオフセットして配置され、前記回転軸の周方向における各々の前記油溝の中心位置を該油溝の開口面積で重み付けした前記少なくとも１個の油溝の加重平均位置が、前記支持部材の配置位置に対して、前記中央位置を基準とした前記支持部材のオフセット方向にずれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、蒸気タービンの滑り軸受のように、大型回転機械の回転軸を揺動可能な複数の軸受パッドで支承するティルティングパッド軸受装置に関する。

タービンや発電機等の大型回転機械においては、回転軸を安定に支承するため、ティルティングパッド軸受装置が用いられている。ティルティングパッド軸受装置は、滑り軸受の一種であり、軸受ハウジング内で回転軸の周囲に揺動可能な複数の軸受パッド（ティルティングパッド）を配置したものである。軸受は、油浴潤滑又はノズル噴射によって潤滑される。そして、回転軸の回転によって、潤滑油を回転軸の外周面とティルティングパッドの軸受面との間に導き、これらの間にくさび状油膜を形成して回転軸を支承し、振動を減衰するようにしている。特許文献１には、かかるティルティングパッド軸受装置が開示されている。

このようなティルティングパッド軸受装置においては、油膜のくさび効果による十分な負荷能力が得られない回転開始時や低速回転時に、回転軸の外周面とティルティングパッドの軸受面との接触をなくし、軸受面の焼付きを防ぐ必要がある。そのため、ジャッキング・オイル・ポンプ（ＪＯＰ）と呼ばれる機構が採用されることがある。この機構は、軸受面に給油口を開口させ、この給油口に給油通路を介してポンプから高圧の潤滑油を供給し、軸受面に油膜を形成し、回転軸を油膜で浮上させるものである。軸受面には、広い範囲に潤滑油を行き渡らせるため、溝が形成される。かかる機構が特許文献２に開示されている。例えば、発電用蒸気タービンでは、回転開始から回転数が６００ｒｐｍ付近までは、回転軸と軸受面との間に高圧の潤滑油を供給し、回転数が６００ｒｐｍ以上になると、潤滑油の供給を止め、回転軸の回転によるくさび効果で潤滑作用を保持する。

特許文献３には、回転軸の回転に伴う遠心力の影響で軸受面上の潤滑油の流れが放射方向に偏在するのを防止するため、軸受パッドの内周端に沿って軸受面に潤滑油導入溝を形成することが開示されている。これによって、潤滑油が不足しやすい部位へも潤滑油の行き渡りを良くしている。

ＪＯＰ機構を採用したティルティングパッド軸受装置の一例を図１３及び図１４により説明する。図１３において、回転軸１００の周囲には、回転軸１００の周方向に複数の軸受パッド１０２が設けられている（図１３では１個のみ図示）。軸受パッド１０２は、軸受ハウジング１０４の内側に設けられたピボット１０６によって揺動可能に支持されている。ピボット１０６の位置を境にして、ピボット１０６より回転方向（図中矢印ｒ方向）上流側の軸受面に形成されるＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計と、回転方向下流側の軸受面に形成されるＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計とがバランスするように軸受パッド１０２が揺動する。前記両モーメントがバランスしたところで、軸受パッド１０２の回転方向前端１０２ｂと回転軸１００の外周面との隙間ｓ１と、軸受パッド１０２の回転方向後端１０２ｃと回転軸１００の外周面との隙間ｓ２とが形成される。

ピボット１０６は、回転軸１００の回転方向中央位置から回転方向下流側又は上流側にオフセットして配置されることがある。例えば、図１３に示すピボット１０６は、軸回転時のくさび状油膜の性能向上を目的として、軸受パッド１０２の回転方向中央位置から回転方向下流側にオフセットされた位置に配置されている。この場合、回転軸１００の荷重はピボット１０６の支持点を中心に軸受パッド１０２に付加されることから、一般的には、ピボット１０６の周方向位置と同じ位置の軸受面１０２ａに給油口１０８が形成される。

図１３に示すＧ_１は、回転軸１００の中心とピボット１０６の支持点を通る直線であり、図１４に示すＧ_２は、ピボット１０６の支持点を通り、回転軸１００の軸線と平行な直線である。矢印ａ方向は回転軸の軸方向を示す。給油口１０８には、給油路１１０を介してポンプ１１２から高圧の潤滑油が供給される。図１４に示すように、軸受面１０２ａには、給油口１０８に連通して、給油口１０８の周囲に油溝１１４が形成されている。油溝１１４は、例えば、幅８ｍｍ、深さ０．５ｍｍなどの寸法を有し、潤滑油を導入することで、油膜圧の形成を促進する。

公報特開２００１−１２４０６２号公報 米国特許公開第２００４／００５５ｆ８２５号公報 特開平７−１１３４２２号公報

ところで、ピボット１０６が回転軸１００の回転方向中央位置から回転方向下流側又は上流側にオフセットして配置され、且つ、給油口１０８及び油溝１１４もピボット１０６と同様にオフセットして配置される場合、回転軸１００の回転開始時又は低速回転時におけるＪＯＰ機構の作動中に、油膜圧によるピボット１０６まわりのモーメントのバランスが崩れて、軸受パッド１０２が傾いてしまうことがある。例えば、図１３に示すようにピボット１０６が回転軸１００の回転方向中央位置から回転方向下流側にずれて配置されており、油溝３６もピボット１０６に合わせて回転方向下流側にずれて配置されている場合、ピボット１０６の支持位置を境にして、回転方向上流側領域に発生するＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントが、回転方向下流側領域に発生するＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントより大きくなりがちとなる。そのため、隙間ｓ１が大きく広がった状態で、両領域の油膜圧がバランスするので、隙間ｓ２が小さくなる。これによって、回転方向下流側領域の油膜厚さが小さくなり、回転方向下流側領域で回転軸１００と軸受パッド１０２とが接触するリスクがある。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、ＪＯＰ機構を採用したティルティングパッド軸受装置であって、回転軸と軸受パッドとの接触を防止し、かつ軸受パッド全域に亘り潤滑性能を高く維持し得るティルティングパッド軸受装置を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受装置は、
回転軸の周囲に配置され、前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受パッドと、
前記複数の軸受パッドとこれら軸受パッドを支持する軸受ハウジングとの間に介在され、各軸受パッドを揺動可能に支持する支持部材と、
前記複数の軸受パッドのうちの１個以上の軸受パッドの軸受面に形成された少なくとも１個の油溝に潤滑油を供給するように構成された給油機構とを備えたティルティングパッド軸受装置であって、
前記支持部材は、前記１個以上の軸受パッドの前記回転軸の回転方向における中央位置に対し、前記回転軸の回転方向上流側又は回転方向下流側にオフセットして配置され、
前記回転軸の周方向における各々の前記油溝の中心位置を該油溝の開口面積で重み付けした前記少なくとも１個の油溝の加重平均位置が、前記支持部材の配置位置に対して、前記中央位置を基準とした前記支持部材のオフセット方向にずれていることを特徴とする。

ティルティングパッド軸受装置の軸受パッドには、回転軸の回転開始時又は低速回転時におけるＪＯＰ機構の作動中（すなわち潤滑油の供給中）、回転軸と軸受パッドとの間に形成される油膜圧の分布に応じて、支持部材による軸受パッドの支持点まわりのモーメントが加わる。このモーメントは、軸受面上の任意の位置における油膜圧と、該位置の支持点からの距離との積である局所的なモーメントを軸受面上の全ての位置について積算したものである。この局所的なモーメントの符号は、支持部材による軸受パッドの支持点の両側において逆転する。したがって、支持部材による軸受パッドの支持点の両側におけるモーメントの絶対値の大小関係により、回転軸と軸受パッドとの間に形成される油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が決まる。ここで、各油溝の局所的なモーメントへの寄与は、各油溝の中心位置ｘ_ｉと、当該油溝が作る油膜圧の大きさに影響する当該油溝の開口面積Ｓ_ｉとの積ｘ_ｉＳ_ｉによって表わされる。よって、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向は、基本的には、全油溝についての局所的モーメントへの寄与の総和Σｘ_ｉＳ_ｉによって決まる。換言すれば、総和Σｘ_ｉＳ_ｉを全油溝の開口面積の総和ΣＳ_ｉで除して得られる値（各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置ｘ_Ａ）と支持部材の位置との配置関係に応じて、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が定まる。
上記ティルティングパッド軸受装置では、各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置が支持部材の配置位置に対して支持部材のオフセット方向にずれるようにしたので、支持部材がオフセットされていても、オフセット側の軸受パッド端部と回転軸の外周面との隙間が、オフセットした方向とは反対側の軸受パッド端部と回転軸の外周面との隙間より小さくなることを抑制できる。よって、回転軸の回転開始時又は低速回転時に、回転軸が傾くことを抑制し、回転軸と軸受パッドが接触することを防止できる。

幾つかの実施形態では、前記少なくとも１個の油溝の各々が、前記回転軸の回転時に前記軸受面と前記回転軸の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る等圧線に沿って設けられている。
各油溝は、それぞれ、連通した１つの空間によって形成されるので、油溝内はいずれの位置も同一の圧力となる。したがって、異なる等圧線にまたがるように油溝を形成した場合、回転軸の回転時に油溝内の圧力が均一化して動圧軸受としての機能が損なわれる可能性がある。そこで、上記実施形態のように、各油溝をそれぞれ等圧線に沿って設けることによって、各等圧線位置における油溝内の圧力を維持し、動圧軸受としての機能を良好に保てる。

幾つかの実施形態において、前記少なくとも１個の油溝は、前記油膜の前記圧力が第１圧力である位置を通る第１等圧線に沿って設けられる第１油溝と、前記油膜の前記圧力が前記第１圧力とは異なる第２圧力である位置を通る第２等圧線に沿って設けられる第２油溝とを含み、前記給油機構は、前記第１油溝に連通する第１給油路と、前記第２油溝に連通する第２給油路とを含み、前記第１給油路と前記第２給油路とは、少なくとも前記回転軸の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられている。
上記実施形態によれば、第１油溝に連通する第１給油路と、第２油溝に連通する第２給油路とが、少なくとも回転軸の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられている。これにより、異なる等圧線（第１等圧線と第２等圧線）に沿って設けられる第１油溝および第２油溝の圧力が、回転軸の定格回転時において均一化されることを回避でき、動圧軸受としての機能を良好に保持できる。

幾つかの実施形態において、前記第１等圧線に沿って設けられる複数個の前記第１油溝は、前記第１給油路を介して互いに連通するように構成される。
このように、同一の等圧線に沿って設けられる複数個の油溝については給油路が互いに連通する構成を採用すれば、給油路やバルブ等の給油機構の構成を簡素化することもできる。

幾つかの実施形態において、前記第１給油路に設けられ、前記第１油溝への前記潤滑油の供給量を調整するための第１バルブと、前記第２給油路に設けられ、前記第２油溝への前記潤滑油の供給量を調整するための第２バルブとをさらに備える。
回転軸の回転開始時又は低速回転時のようにＪＯＰ機構を作動させる場合には各バルブの開度を調節することによって各油溝への潤滑油の供給量を調整可能であり、一方、回転軸の定格回転時のように軸受面へ潤滑油を供給しない場合には、各バルブで油路を遮断することによって油路からの潤滑油の漏出を防止可能であるため、軸受面の油膜圧を適切に保持できる。

本発明において、給油口を回転軸の軸方向に複数個形成し、各給油孔に連通する油溝を夫々独立して形成することができる。これによって、各油溝への潤滑油の供給量を独立して調整でき、各油溝の油膜圧を独立して調整できる。そのため、回転軸の軸方向で偏当りが起っても、各油溝の油膜圧を独立して調整することで、偏当りを矯正できる。

本発明において、連続して形成された１個の油溝は、回転軸の回転時、軸受パッドの軸受面に形成されるくさび状油膜による油膜圧が同等となる領域内に配置されているとよい。回転軸と軸受パッドとの間で形成される油膜圧が異なる領域に跨って連続した１個の油溝を形成すると、該油溝の油膜圧は、低い方の油膜圧に合わせて低下する。これに対し、連続した１個の油溝を油膜圧が同等の領域内に形成することで、かかる油膜圧の低下を防止できる。

回転軸の回転時、一般的に、軸受パッドの軸受面に形成される油膜圧が同等となる等圧領域が、回転軸より回転方向下流側で、最大油膜圧領域を中心とし油膜圧が徐々に低圧となる領域が該最大油膜圧領域の外側に同心状に広がるように形成される。そこで、油溝を一つの等圧線に沿って配置するとよい。これによって、連続して形成された１個の油溝の全域を等圧領域に位置決めするのが容易になる。

本発明によれば、各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置が支持部材の配置位置に対して支持部材のオフセット方向にずれるようにしたので、支持部材がオフセットされていても、オフセット側の軸受パッド端部と回転軸の外周面との隙間が、オフセットした方向とは反対側の軸受パッド端部と回転軸の外周面との隙間より小さくなることを抑制できる。よって、回転軸の回転開始時又は低速回転時に、回転軸が傾くことを抑制し、回転軸と軸受パッドが接触することを防止できる。

本発明の第１実施形態に係る軸受装置の全体構成図である。 本発明の第１実施形態における軸受パッドの断面図である。 本発明の第１実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。 油溝の加重平均位置を説明するための図である。 本発明の第２実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。 本発明の第２実施形態における油膜圧分布図である。 本発明の第３実施形態に係る軸受パッドの軸受面の展開図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る油溝の油膜圧分布を示す線図であり、（Ｂ）は、第３実施形態に係る油溝の油膜圧分布を示す線図である。 第３実施形態の変形例における軸受パッドの軸受面の展開図である。 第３実施形態の変形例における給油機構及びその周辺構造を示す図である。 第３実施形態の他の変形例における軸受パッドの軸受面の展開図である。 第３実施形態の他の変形例における給油機構及びその周辺構造を示す図である。 従来の軸受パッドの断面図である。 従来の軸受パッドの軸受面の展開図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド軸受装置１０の全体的な概略構成について説明する。なお、図１は本発明の第１実施形態に係る軸受装置の全体構成図である。

幾つかの実施形態において、図１に示す軸受ハウジング１２は２つ割り型の軸受ハウジングであり、半円形のハウジング片１２ａ及び１２ｂで構成されている。ハウジング片１２ａ及び１２ｂは、互いの合わせ面が当接された状態でボルト等の結合具で結合される。軸受ハウジング１２の内周面に沿って複数(図１では４個)の軸受パッド１４が設けられ、軸受パッド１４の内周面が軸受面１４ａを形成している。軸受面１４ａの内側に、タービンや発電機等、大型回転機械の回転軸１５（図２参照）が配置される。複数の軸受パッド１４，１４，…のうちの１個以上の軸受パッド１４の軸受面１４ａには、給油口３４が開口し、かつ給油口３４に連通した油溝３６が刻設されている。一実施形態において油溝３６は、回転軸１５の軸方向に沿って給油口３４を挟むように配置され、菱形形状をしている。給油口３４及び油溝３６が形成される軸受パッド１４は、回転軸１５の周囲に配置される複数の軸受パッド１４，１４，…のうち、少なくとも回転軸１５の周方向下方に位置する軸受パッド１４である。すなわち、回転軸１５の停止時に、回転軸１５の自重を支持する位置に配置される軸受パッド１４に、給油口３４及び油溝３６が形成される。勿論、回転軸１５の周方向上方に位置する軸受パッド１４にも給油口３４及び油溝３６が形成されていてもよい。
なお、油溝３６の菱形形状の周方向の回転上流側の頂点部３６ａは、後述する図３中の直線Ｇ_２を跨る位置に配置することが好ましい。

以下、給油口３４に潤滑油を供給する給油機構１６の構成を説明する。ポンプ１８はモータ２０によって駆動され、図示しない油タンクから高圧の潤滑油ｏを給油路２２に吐出する。油路２２にはリリーフ弁２４が設けられ、給油路２２を流れる潤滑油ｏの圧力が許容値を超えたとき、潤滑油の一部をタンク２６に放出して潤滑油ｏの圧力を許容値以下に低減する。給油路２２は下流側で分岐路２８ａ及び２８ｂに分岐する。分岐路２８ａ及び２８ｂには、夫々バルブ（流量調整弁）３０ａ及び３０ｂが設けられている。分岐路２８ａ及び２８ｂは、夫々ハウジング片１２ｂ及び軸受パッド１４に形成された給油孔３２ａ及び３２ｂを経て、夫々の軸受パッド１４に形成された給油口３４に連通している。

次に、図２〜図４を参照して、ティルティングパッド軸受装置１０の各部位の具体的な構成について説明する。
図２は本発明の第１実施形態における軸受パッドの断面図である。図３は本発明の第１実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。図４は油溝の加重平均位置を説明するための図である。なお、図３は、曲率を有する軸受パッド１４を平面上に展開した図である。
図２において、Ｇ_１は、回転軸１５の中心とピボット３８の支持点を通る直線である。図３において、Ｃは、回転軸１５の回転方向における軸受パッド１４（軸受面１４ａ）の中央位置を通る直線である。この中央位置Ｃは回転軸１５の軸線に平行である。Ｇ_２は、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点を通り、回転軸１５の軸線と平行な直線である。矢印ａは回転軸１５の軸方向を示す。また、図３及び図４において、回転軸１５の回転方向をｘ軸とし、ピボット３８の支持点（支持部材の配置位置）を通る直線Ｇ_２の位置をｘ_Ｇ＝０に設定する。さらに、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２よりも回転方向下流側（図３及び図４では右側）を正の向き、直線Ｇ_２よりも回転方向上流側（図３及び図４では左側）を負の向きとしている。

一実施形態において、図２及び図３に示す各軸受パッド１４は、ハウジング片１２ｂの内周面に設けられたピボット３８によって揺動可能に支持されている。ピボット３８は、回転軸１５の回転方向における軸受パッド１４の中央位置Ｃに対し、回転軸１５の回転方向下流側にオフセットして配置される。なお、図３においてピボット３８の配置位置（軸受パッド１４の支持点）は、軸受パッド１４の中央位置Ｃに対してｘ軸の正の方向にオフセットして配置されている。例えば、図２に示すように回転方向前端１４ｂを０％とし、回転方向後端１４ｃを１００％としたとき、ピボット３８は、例えば６０％の位置に配置される。

軸受パッド１４の軸受面１４ａには、給油口３４が開口し、かつ給油口３４に連通した油溝３６が刻設されている。油溝３６は、給油口３４の回転軸１５の軸方向両側に配置された一対の菱形形状の油溝を含んでいる。この油溝３６は、油溝３６の加重平均位置Ｘ_Ａが、ピボット３８の配置位置を通る直線Ｇ_２に対して、軸受パッド１４の中央位置Ｃを基準としたピボット３８の支持点のオフセット方向にずれるように配置される。ここで、油溝３６の加重平均位置とは、回転軸１５の周方向における油溝３６の中心位置Ｃを該油溝３６の開口面積で重み付けした値であり、以下に詳述する。

図４を用いて、油溝の構成について詳細に説明する。なお、図４では一例として、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２の両側にそれぞれ、開口面積の異なる２つの油溝３７ａ及び油溝３７ｂが設けられた場合を示している。油溝３７ａは直線Ｇ_２よりも回転軸１５の回転方向下流側（図４において直線Ｇ_２よりも右側）に設けられ、油溝３７ｂは直線Ｇ_２よりも回転方向上流側（図４において直線Ｇ_２よりも左側）に設けられている。ここでは、Ｘ軸上における直線Ｇ_２の位置を原点（Ｘ_Ｇ＝０）とするので、Ｘ軸上における油溝３７ａの中心位置を示す座標Ｘ_１は正（Ｘ_１＞０）となり、Ｘ軸上における油溝３７ｂの中心位置を示す座標Ｘ_２は負（Ｘ_２＜０）となる。

本実施形態において油溝３７ａ及び油溝３７ｂは、これら２つの油溝３７ａ，３７ｂの加重平均位置Ａが、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２（ピボット３８の配置位置）に対して、軸受パッ１４の中央位置Ｃを基準としたピボット３８の支持点のオフセット方向にずれるように構成される。なお、図４では、ピボット３８が回転軸１５の回転方向中央位置Ｃより回転方向下流側にオフセットされて配置される場合（回転方向に沿った方向がオフセット方向）を示している。この場合、油溝３７ａ及び油溝３７ｂの加重平均位置Ａが、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２よりも回転方向下流側にずれるように油溝３７ａ及び油溝３７ｂがそれぞれ形成される。
図示しないが、他の実施形態では、ピボット３８が、回転軸１５の中央位置Ｃより回転方向上流側にオフセットされて配置される。この場合、油溝３７ａ及び油溝３７ｂの加重平均位置がピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２よりも回転方向上流側にずれるように油溝３７ａ及び油溝３７ｂがそれぞれ形成される。

ティルティングパッド軸受装置１０の軸受パッド１４には、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時におけるＪＯＰ機構の作動中（すなわち潤滑油の供給中）、回転軸１５と軸受パッド１４との間に形成される油膜圧の分布（図２参照）に応じて、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点まわりのモーメントが加わる。このモーメントは、軸受面１４ａ上の任意の位置における油膜圧と、該位置の支持点からの距離との積である局所的なモーメントを軸受面１４ａ上の全ての位置について積算したものである。この局所的なモーメントの符号は、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点の両側において逆転する。したがって、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点の両側におけるモーメントの絶対値の大小関係により、回転軸１５と軸受パッド１４との間に形成される油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が決まる。ここで、各油溝３７ａ，３７ｂの局所的なモーメントへの寄与は、各油溝３７ａ，３７ｂの中心位置ｘ_ｉ（ｉ＝１，２）と、当該油溝３７ａ，３７ｂが作る油膜圧の大きさに影響する当該油溝３７ａ，３７ｂの開口面積Ｓ_ｉ（ｉ＝１，２）との積ｘ_ｉＳ_ｉによって表わされる。よって、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向は、基本的には、全油溝３７ａ，３７ｂについての局所的モーメントへの寄与の総和Σｘ_ｉＳ_ｉ（ｉ＝１，２）によって決まる。換言すれば、総和Σｘ_ｉＳ_ｉを全油溝の開口面積の総和ΣＳ_ｉで除して得られる値（各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝３７ａ，３７ｂの開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置ｘ_Ａ）とピボット３８の位置との配置関係に応じて、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が定まる。

上記ティルティングパッド軸受装置１０では、各々の油溝３７ａ，３７ｂの中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝３７ａ，３７ｂの加重平均位置Ｘ_Ａがピボット３８の配置位置に対してピボット３８のオフセット方向にずれるようにしたので、ピボット３８が軸受パッド１４の中央位置ｘ_Ｃに対してオフセットされていても、オフセット側の軸受パッド１４の端部と回転軸１５の外周面との隙間が、オフセットした方向とは反対側の軸受パッド１４の端部と回転軸１５の外周面との隙間より小さくなることを抑制できる。よって、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時に、回転軸１５が傾くことを抑制し、回転軸１５と軸受パッド１４が接触することを防止できる。なお、図４では軸受面１４ａに２つの油溝３７ａ，３７ｂが設けられた場合について例示したが、油溝の数、形状、配置構成等については限定されない。

一実施形態では、ピボット３８の位置を境にして、ピボット３８より回転方向（図中矢印ｒ方向）上流側の軸受面１４ａに形成されるＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計と、ピボット３８より回転方向下流側の軸受面１４ａに形成されるＪＯＰによる油圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計とがバランスするように、軸受パッド１４の回転方向前端１４ｂと回転軸１５の外周面との隙間ｓ１と、軸受パッド１４の回転方向後端１４ｃと回転軸１５の外周面との隙間ｓ２とが形成されるようにしてもよい。

給油口３４及び油溝３６の回転方向位置は、ピボット３８よりさらに回転方向下流側であって、かつピボット３８より回転方向上流側領域のＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計と、ピボット３８より回転方向下流側領域のＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計とがバランスしたとき、隙間ｓ１が隙間ｓ２と同等となる領域に配置してもよい。給油口３４は例えば７０％の位置に配置される。

このように、給油口３４及び油溝３６をピボット３８より回転方向下流側領域に配置することにより、回転方向下流側領域の油膜厚さを確保できると共に、隙間ｓ１が隙間ｓ２より同等となる領域に配置することにより、回転方向上流側領域の油膜厚さも確保できる。こうして、軸受面１４ａの全域で均等な油膜圧を保持することも可能である。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図５及び図６により説明する。図５は本発明の第２実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。図６は本発明の第２実施形態における油膜圧分布図である。
図５に示すように、本実施形態では、軸受パッド１４に２個の給油口４０ａ及び４０ｂが設けられている。給油口４０ａ及び４０ｂには、夫々油溝４２ａ及び４２ｂが連通している。給油口４０ａは、軸受パッド１４に形成された給油路４４ａ及び給油路４６ａを介して、高圧潤滑油を給油口４０ａ及び４０ｂに供給するポンプ５０に接続されている。給油口４０ｂは、軸受パッド１４に形成された給油路４４ｂ及び給油路４６ｂを介してポンプ５０に接続されている。給油路４６ａ及び４６ｂには、夫々バルブ（流量調整弁４８ａ及び４８ｂ）が設けられている。油溝４２ａ及び４２ｂは、菱形形状を有し、軸方向（矢印ａ方向）に離れた位置で互いに独立して形成されている。
なお、油溝４２ａ及び４２ｂの菱形形状の周方向の回転上流側の頂点部４２ｃは、図４中の直線Ｇ_２を跨る位置にすることが好ましい。

図５及び図６にピボットは図示されていないが、ピボット及び油溝４２ａ、４２ｂの回転方向の位置関係は、上述の第１実施形態と同一である。すなわち、ピボットの配置位置Ｇ_２は、軸受パッド１４の中央位置Ｃから回転軸１５の軸方向ｘに対してオフセットされている。そして、２つの油溝４２ａ、４２ｂの加重平均位置Ｘ_Ａが、ピボットの配置位置Ｃに対してオフセット方向へずれるように、２つの油溝４２ａ、４２ｂはそれぞれ構成されている。なお、図５では一例として、オフセット方向を回転軸１５の回転方向下流側（図５の右側）としている。
給油機構は、ポンプ５０から給油路４６ａ、４６ｂ及び給油路４４ａ、４４ｂを経由して給油口４０ａ、４０ｂに潤滑油を供給する構成となっている。このとき、バルブ４８ａ、４８ｂで給油路４６ａ、４６ｂを流れる潤滑油ｏの圧力を別々に調整できる。本実施形態によれば、第１実施形態で得られる作用効果に加えて、回転軸１５の軸方向で偏当りが生じたとき、偏当りが生じた領域の油溝へ供給する潤滑油量を多くし、油膜圧を高くすることで、偏当りをなくすことができる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図７及び図８に基づいて説明する。図７は本発明の第３実施形態に係る軸受パッドの軸受面の展開図である。図８（Ａ）は第１実施形態に係る油溝の油膜圧分布を示す線図であり、（Ｂ）は、第３実施形態に係る油溝の油膜圧分布を示す線図である。
回転軸１５の高速回転時、軸受パッド１４の軸受面１４ａに開口した給油口への潤滑油の供給は停止されている。この時、潤滑油は回転軸１５と共に連れ回りしながら油膜圧を形成し、図７に示すような油膜圧分布が形成される。図７中、ラインｐ１〜ｐ５は軸回転によるくさび状油膜の等圧線であり、ｐ１の内側領域が最大油膜圧を呈し、外側へ行くに従って油膜圧は順々に低下していく。図示のように、最大油膜圧領域Ｒ_１を中心とし、等圧域が同心状に広がる楕円形を呈する。ここで、等圧線は、回転軸１５の回転時に軸受面１４ａと回転軸１５の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る線である。

本実施形態では、給油口５２ａ及び５２ｂの各々が等圧線ｐ４上に設けられている。また、給油口５２ａに連通した油溝５４ａが等圧線ｐ４に沿って設けられ、同様に給油口５２ｂに連通した油溝５４ｂが等圧線ｐ４に沿って設けられている。油溝５４ａと油溝５４ｂとは互いに独立している。ピボット（図示省略）の回転方向ｘに対する配置位置は第１実施形態及び第２実施形態と同一である。

また、回転軸１５の回転方向に対する油溝５４ａ及び５４ｂの加重平均位置Ｘ_Ａは、ピボットよりさらに回転方向下流側である。
各油溝５４ａ，５４ｂは、それぞれ、連通した１つの空間によって形成されるので、各油溝５４ａ，５４ｂ内はいずれの位置も同一の圧力となる。したがって、異なる等圧線にまたがるように油溝５４ａ，５４ｂを形成した場合、回転軸１５の回転時に各油溝５４ａ，５４ｂ内の圧力が均一化して動圧軸受としての機能が損なわれる可能性がある。そこで、上記実施形態のように、各油溝５４ａ，５４ｂをそれぞれ等圧線に沿って設けることによって、各等圧線位置における油溝５４ａ，５４ｂ内の圧力を維持し、動圧軸受としての機能を良好に保てる。

また、回転軸１５の回転方向に対する油溝５４ａ及び５４ｂの位置が、ピボットより回転方向上流側領域のＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計と、ピボットより回転方向下流側領域のＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計とがバランスしたとき、隙間ｓ１と隙間ｓ２とが同等となる領域であってもよい。油溝５４ａ又は５４ｂは、夫々全領域内の油膜圧が等圧に保持されているので、油溝５４ａ又は５４ｂで油膜圧の低下は起こらない。この現象を図７で説明する。図７（Ａ）は第１実施形態の油溝３６の場合を示し、図７（Ｂ）は本実施形態の油溝５４ａの場合を示す。油溝３６は、油膜圧が異なる等圧線に跨って配置されるおそれがある。そのため、図７（Ａ）に示すように、油溝３６の領域全体が低圧側の油膜圧となるおそれがあり、軸回転によるくさび状の油膜圧分布ｐａに低圧域Ｐｒが発生するおそれがある。これに対し、本実施形態の油溝５４ａ又は５４ｂは、全領域で油膜圧が等圧であるので、図７（Ｂ）に示すように、軸回転によるくさび状の油膜圧分布ｐｂに低圧域が発生することはない。

また、油溝５４ａ及び５４ｂは、ピボット３８に対し軸方向で対称に配置されているので、回転軸１５の軸方向で同一の油膜圧を形成するのが容易である。そのため、回転軸１５の偏当りを抑制できる。
なお、油溝５４ａ又は５４ｂの周方向の回転上流側の油溝端部５４ｃは、図６中の直線Ｇ_２を跨る位置に配置することが好ましい。

次に、前記第３実施形態の変形例を図９及び図１０により説明する。図９は第３実施形態の変形例における軸受パッドの軸受面の展開図である。図１０は第３実施形態の変形例における給油機構及びその周辺構造を示す図である。
本変形例では、軸受パッド１４の軸受面１４ａに４個の給油口５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄを形成すると共に、夫々の給油口に独立して油溝５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄを形成したものである。給油口５６ａ〜５６ｄ及び油溝５８ａ〜５８ｄは、等圧線ｐ４に沿って配置される。さらに、給油口５６ａ〜５６ｄ及び油溝５８ａ〜５８ｄは、ピボット３８に対して軸方向に対称に配置されてもよい。給油口５６ａ〜５６ｄに接続された給油機構は、第３実施形態と同様に、潤滑油の供給量を独立して制御できるようになっていてもよいが、以下のように構成されてもよい。

図１０に示す給油機構は、給油口５６ａを介して第１油溝５８ａに潤滑油を供給するための第１給油路４６ｃと、給油口５６ｃを介して第１油溝５８ｃに潤滑油を供給するための第１給油路４６ｄとを有する。ここで、第１油溝５８ａ及び第１油溝５８ｃは、同一圧力の等圧線に沿って設けられている。さらに、第１油溝５８ａ及び第１油溝５８ｃは、第１給油路４６ｃ，４６ｄを介して互いに連通するように構成されている。例えば、第１給油路４６ｃ，４６ｄが基部側で合流しており、合流した第１給油路４６ｃ（４６ｄ）とポンプ５０との間に第１バルブ４８ｃが設けられる。第１バルブ４８ｃは、第１油路４６ｃ，４６ｄへの潤滑油の供給量を調節する構成となっている。
そして、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時には、第１バルブ４８ｃを開いた状態とし、ポンプ５０を作動させて第１給油路４６ｃ，４６ｄを介して第１油溝５８ａ及び第１油溝５８ｃに潤滑油を供給する。一方、回転軸１５の定格回転時には、第１バルブ４８ｃを閉じた状態とし、ポンプ５０を停止して第１給油路４６ｃ，４６ｄを介した第１油溝５８ａ及び第１油溝５８ｃへの潤滑油の供給を遮断する。
なお、図１０では第１油溝５８ａ，５８ｃを例示したが、第１油溝５８ｂ，５８ｄに対しても上記と同様の給油機構の構成を採用できる。

上記第３実施形態の変形例によれば、同一の等圧線に沿って設けられる複数個の油溝５８ａ，５８ｃについては給油路４６ｃ，４６ｄが互いに連通する構成を採用すれば、給油路４６ｃ，４６ｄやバルブ４８ｃ等の給油機構の構成を簡素化することもできる。
また、本変形例によれば、第３実施形態と同様に、各油溝での油圧低下は起こらない。また、各油溝は、ピボット３８に対して軸方向に対称の位置に配置されているので、回転軸１５の軸方向で同一の油膜圧を形成するのが容易である。そのため、回転軸１５の偏当りを抑制できる。

なお、前記実施形態は、いずれもピボット３８が軸受パッド１４を点支持するものであるが、軸受けパッド３８を回転軸１５の軸方向に延びる線で支持するピボット３８を用いた場合でも、本発明を適用できる。

続いて、上述した第３実施形態の他の変形例を図１１及び図１２により説明する。図１１は第３実施形態の他の変形例に係る軸受パッドの軸受面の展開図である。図１２は第３実施形態の他の変形例に係る給油機構を示す軸受装置の断面図である。
図１１及び図１２に示す給油機構は、第１給油口５６ｃ，５６ｄと、第１油溝５８ｃ，５８ｄと、第２給油口５７ａ，５７ｂと、第２油溝５９ａ，５９ｂと、第１給油路４６ｆと、第２給油路４６ｅと、第１バルブ４８ｅと、第２バルブ４８ｄと、ポンプ５０とを有している。
第１油溝５８ｃ，５８ｄと第２油溝５９ａ，５９ｂとは、異なる油膜圧を示す等圧線に沿って設けられている。第１油路４６ｆ及び第２油路４６ｅは、少なくとも回転軸１５の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられる。第１油路４６ｆ及び第２油路４６ｅは、ポンプ５０に接続されて、ポンプ５０によって潤滑油が供給されるようになっている。第１油路４６ｆ及び第２油路４６ｅとポンプ５０との間には、それぞれ、第１バルブ４８ｅ，第２バルブ４８ｄが設けられており、第１油路４６ｆ及び第２油路４６ｅへの潤滑油の供給量が調節可能に構成される。
そして、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時には、第１バルブ４８ｅ及び第２バルブ４８ｄをそれぞれ開いた状態とし、ポンプ５０を作動させて第１油路４６ｆ及び第２油路４６ｅを介して第１油溝５８ｃ（５８ｄ）と第２油溝５９ａ（５９ｂ）に潤滑油を供給する。各油溝５８ｃ，５９ａへの潤滑油の供給量は、各バルブ４８ｅ，４８ｄの開度によって調節してもよい。一方、回転軸１５の定格回転時には、、第１バルブ４８ｅ及び第２バルブ４８ｄを閉じた状態とし、ポンプ５０を停止して第１油路４６ｆ及び第２油路４６ｅを介した第１油溝５８ｃ（５８ｄ）及び第２油溝５９ａ（５９ｂ）への潤滑油の供給を遮断する。このとき、第１油溝５８ｃ（５８ｄ）第２油溝５９ａ（５９ｂ）とは連通していないため、各油溝５８ｃ（５８ｄ），５９ａ（５９ｂ）の圧力は独立して保たれる。

このように、第１油溝５７ａに連通する第１給油路４６ｅと、第２油溝５６ｃに連通する第２給油路４６ｆとが、少なくとも回転軸１５の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられることにより、異なる等圧線（第１等圧線と第２等圧線）に沿って設けられる第１油溝５７ａ及び第２油溝５６ｃの圧力が、回転軸１５の定格回転時において均一化されることを回避でき、動圧軸受としての機能を良好に保持できる。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、油溝の加重平均位置が、ピボット３８の配置位置に対して、ピボット３８の中心位置を基準としたオフセット方向にずれるように構成することによって、ピボット３８がオフセットされていても、オフセット側の軸受パッド１４の端部と回転軸１５の外周面との隙間が、オフセットした方向とは反対側の軸受パッド１４の端部と回転軸１５の外周面との隙間より小さくなることを抑制できる。よって、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時に、回転軸１５が傾くことを抑制し、回転軸１５と軸受パッド１４が接触することを防止できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、ピボット３８が、軸受パッド１４の回転軸１５の回転方向における中央位置Ｃに対し、回転軸１５の回転方向下流側にオフセットして配置された場合について例示したが、ピボット３８は回転軸１５の回転方向上流側にオフセットして配置されてもよい。その場合、油溝の加重平均位置は、ピボット３８の回転方向に対する位置に対して、回転軸１５の回転方向上流側にずれて位置する。

本発明によれば、ＪＯＰ機構を採用したティルティングパッド軸受装置において、軸受パッド全域に亘り潤滑性能を高く維持できる。

１０ ティルティングパッド軸受装置
１２，１０４ 軸受ハウジング
１２ａ，１２ｂ ハウジング片
１４，１０２ 軸受パッド
１４ａ 軸受面
１４ｂ 回転方向前端
１４ｃ 回転方向後端
１５，１００ 回転軸
１６ 給油機構
１８ ポンプ
２０ モータ
２２，４４ａ，４４ｂ，１１０ 給油路
２４ リリーフ弁
２６ タンク
２８ａ，２８ｂ 分岐路
３０ａ，３０ｂ バルブ
３２ａ，３２ｂ 給油孔
３４，４０ａ，４０ｂ，５２ａ，５２ｂ，５６ａ〜５６ｄ，１０８ 給油口
３６，３７ａ，３７ｂ，４２ａ，４２ｂ，５４ａ，５４ｂ，５８ａ〜５８ｄ 油溝
３６ａ，４２ｃ 頂点部
５４ｃ 油溝端部
３８，１０６ ピボット
４６ａ，４６ｂ 給油路
４８ａ，４８ｂ バルブ
４８ｃ，４８ｄ 第１バルブ
４８ｅ 第２バルブ
５０ ポンプ
Ｐ ＪＯＰによる油膜圧分布
Ｐｒ 低圧域
Ｒ_１ 最大油膜圧領域
ｏ 潤滑油
ｐａ、ｐｂ 軸回転によるくさび状油膜の圧力分布
ｐ１〜ｐ５ 軸回転によるくさび状油膜の等圧線
ｓ１，ｓ２ 隙間

Claims (10)

1. 回転軸の周囲に配置され、前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受パッドと、
   前記複数の軸受パッドとこれら軸受パッドを支持する軸受ハウジングとの間に介在され、各軸受パッドを揺動可能に支持する支持部材と、
   前記複数の軸受パッドのうちの１個以上の軸受パッドの軸受面に形成された少なくとも１個の油溝に潤滑油を供給するように構成された給油機構とを備えたティルティングパッド軸受装置であって、
   前記支持部材は、前記１個以上の軸受パッドの前記回転軸の回転方向における中央位置に対し、前記回転軸の回転方向上流側又は回転方向下流側にオフセットして配置され、
   前記回転軸の周方向における各々の前記油溝の中心位置を該油溝の開口面積で重み付けした前記少なくとも１個の油溝の加重平均位置が、前記支持部材の配置位置に対して、前記中央位置を基準とした前記支持部材のオフセット方向にずれていることを特徴とするティルティングパッド軸受装置。
2. 前記少なくとも１個の油溝の各々が、前記回転軸の回転時に前記軸受面と前記回転軸の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る等圧線に沿って設けられたことを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッド軸受装置。
3. 前記少なくとも１個の油溝は、前記油膜の前記圧力が第１圧力である位置を通る第１等圧線に沿って設けられる第１油溝と、前記油膜の前記圧力が前記第１圧力とは異なる第２圧力である位置を通る第２等圧線に沿って設けられる第２油溝とを含み、
   前記給油機構は、前記第１油溝に連通する第１給油路と、前記第２油溝に連通する第２給油路とを含み、
   前記第１給油路と前記第２給油路とは、少なくとも前記回転軸の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられたことを特徴とする請求項２に記載のティルティングパッド軸受装置。
4. 前記第１等圧線に沿って設けられる複数個の前記第１油溝は、前記第１給油路を介して互いに連通するように構成されることを特徴とする請求項３に記載のティルティングパッド軸受装置。
5. 前記第１給油路に設けられ、前記第１油溝への前記潤滑油の供給量を調整するための第１バルブと、
   前記第２給油路に設けられ、前記第２油溝への前記潤滑油の供給量を調整するための第２バルブとをさらに備えることを特徴とする請求項３又は４に記載のティルティングパッド軸受装置。
6. 前記支持部材は、前記回転軸の周方向における前記軸受パッドの中央位置よりも前記回転軸の回転方向下流側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
7. 前記給油口が前記回転軸の軸方向に複数個形成され、各給油口に連通する前記油溝が夫々独立して形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
8. 前記少なくとも１個の油溝は、前記回転軸の回転時、前記軸受面に形成されるくさび状油膜による油膜圧が同等となる領域内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
9. 前記回転軸の回転時、前記軸受面に形成されるくさび状油膜による油膜圧が同等となる等圧領域が、最大油膜圧領域を中心とし油膜圧が徐々に低圧となる領域が該最大油膜圧領域の外側に同心状に広がるように形成され、
   前記油溝が一つの等圧線に沿って配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
10. 前記回転軸の回転時に前記回転軸の外周面と前記軸受面との間に発生する油膜圧により、前記回転軸と前記軸受パッドの回転方向上流端との隙間が、前記回転軸と前記軸受パッドの回転方向下流端との隙間と同等となる領域に分布していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
    

Images