JP2014173718A - 軸受パッド、軸受装置、回転機械及び軸受パッドの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受パッドの変形による悪影響を抑えることができ、しかも組立を容易に行うことを可能とする。
【解決手段】軸受パッドは、回転軸を支持するパッド面２４ｐを有する軸受パッド本体２４と、軸受パッド本体２４のパッド面２４ｐの外縁に交差する端面２４ａに沿って設けられ、パッド面２４ｐに沿った方向に延びる補強プレート５０と、補強プレート５０を、パッド面２４ｐに沿った方向の一端部５０ａと他端部５０ｂ、および一端部５０ａと他端部５０ｂの中間部５０ｃとで、それぞれ端面２４ａに固定する固定部材５１と、を備える。
【選択図】図３

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、並びに、軸受パッドの設計方法に関する。

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（例えば、特許文献１参照）。

このような軸受パッドにおいては、軸受パッドと回転軸との間で高い圧力が生じる上、軸受パッドと回転軸との相対回転によるせん断応力によって軸受パッドと回転軸との間に介在する潤滑油が発熱する。その結果、この圧力や熱によって軸受パッドが変形することがある。
軸受パッドの変形は、軸受パッドを揺動可能に支持するピボット点を支点として生じるため、ピボット点から遠い位置ほど変形が大きく、その結果、軸受パッドの外周側において、軸受パッドと回転軸とのクリアランスが大きくなってしまう。
すると、軸受における負荷能力が低下するほか、軸受パッドと回転軸との間の油膜による減衰係数が小さくなり、回転軸の回転安定性に悪影響を及ぼす。

このような軸受パッドの変形による悪影響を抑えるため、例えば特許文献１においては、軸受パッドより大きな硬度を有した補強部材を付加することにより、軸受パッドの半径方向の断面二次モーメントを周方向の断面二次モーメントよりも大きくする構成が開示されている。

特開平１１−３５１２４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載したような構成においては、軸受パッドの組立の際に、棒状の補強部材を軸受パッドに挿入して設けるには、軸受パッドに穴を穿設し、この穴に補強部材を挿入しなければならず、手間がかかる。しかも、補強部材が穴から抜けないように、補強部材に接着剤を塗布したり、補強部材と穴とを嵌め合わせなければならず、これにも手間がかかるという問題がある。
そこでなされた本発明の目的は、軸受パッドの変形による悪影響を抑えることができ、しかも組立を容易に行うことのできる軸受パッド、軸受装置、回転機械、並びに、軸受パッドの設計方法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、本発明の軸受パッドは、回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッド本体と、前記軸受パッド本体の前記パッド面の外縁に交差する端面に沿って設けられ、前記パッド面に沿った方向に延びる補強プレートと、前記補強プレートを、前記パッド面に沿った方向の一端部と他端部、および前記一端部と前記他端部の中間部とで、それぞれ前記端面に固定する固定部材と、を備えることを特徴とする。

このように、軸受パッド本体の端面に補強プレートを設けることで、軸受パッド本体のパッド面に直交した方向への変形を抑制できる。
また、補強プレートは、パッド面に沿った方向の一端部と他端部、および中間部の３か所で固定することで、軸受パッド本体の変形を確実に抑制できる。
そして、補強プレートは、軸受パッド本体の端面にボルトやピン等によって固定すれば良いので、その組立を容易に行える。

また、本発明の軸受パッドは、回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッド本体と、前記軸受パッド本体の前記パッド面の外縁に交差する端面に沿って、前記パッド面の外周部を囲うよう設けられた補強フレームと、を備えることを特徴としてもよい。

このように、パッド面の全周を囲う補強フレームにより、軸受パッド本体のパッド面に直交した方向への変形を抑制できる。
補強フレームは、軸受パッド本体の端面に固定すれば良いので、その組立を容易に行える。

本発明の軸受パッドは、回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッドであって、前記回転軸が回転したときに生じる前記パッド面の湾曲変形を打ち消すように、該パッド面の湾曲方向とは逆方向に変形されていることを特徴とする。
また、本発明の軸受パッドの設計方法は、回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッドの設計方法であって、前記回転軸が回転したときに生じる前記パッド面の湾曲変形を打ち消すように、該パッド面の湾曲方向とは逆方向に変形形成することを特徴とする。

これにより、回転軸が回転したときに軸受パッドが変形しても、回転軸とパッド面との隙間が過大となることなく、適切な隙間とすることができる。
そして、軸受パッドを予め湾曲方向とは逆方向に変形させておくことにより、別途補強のための部品を取り付ける必要もなく、組立を容易に行うことができる。

本発明の軸受装置は、上記したような軸受パッドと、軸受ケーシングと、前記軸受ケーシングと前記軸受パッドとの間に設けられ、前記軸受パッドの前記パッド面を前記回転軸に対向させた状態で揺動可能に支持する支持部材と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、変形による悪影響を抑えることができ、しかも組立の容易な軸受パッドを備えた軸受装置を提供できる。

本発明の回転機械は、回転軸と、前記回転軸を支持する、上記したような軸受装置と、を備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、変形による悪影響を抑えることができ、しかも組立の容易な軸受パッドを備えた回転機械を提供できる。

本発明の軸受パッド、軸受装置及び回転機械、並びに軸受パッドの設計方法によれば、軸受パッドの変形による悪影響を抑えることができ、しかも組立を容易に行うことができる。

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。 第一実施形態に係るスラスト軸受の概略構成を示す図であり、（ａ）は回転軸の軸線に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＡの部分で矢視した断面図である。 （ａ）は第一実施形態に係る軸受パッドの斜視図、（ｂ）は軸受パッドの側面図である。 軸受パッドに対する補強プレート、補強フレームの取付応用例を示す断面図である。 （ａ）は第二実施形態に係る軸受パッドの斜視図、（ｂ）は補強フレームの斜視図である。 補強フレームの他の例を示す斜視図である。 （ａ）は第三実施形態に係る軸受パッドの斜視図、（ｂ）は軸受パッドの側面図である。 スラスト軸受の他の例を示す図であり、（ａ）は回転軸の軸線に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＡの部分で矢視した断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による軸受パッド、軸受、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。
［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。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６１及びスラスト軸受（軸受装置）６２を備えており、回転軸３０を回転可能に支持している。

図２は、本実施形態に係るスラスト軸受６２の概略構成図である。
この図２に示すように、スラスト軸受６２は、タービンの回転軸３０から径方向外周側に張り出すよう設けられ、回転軸３０と一体に回転する円板部３１を、回転軸３０の軸方向両側から挟み込むようにして回転自在に支持することで、回転軸３０の軸方向（スラスト方向）の荷重（変位）を支持する。このスラスト軸受６２は、軸受ケーシング２２と、軸受ケーシング２２内に等角度間隔で設けられた支持部材２３と、各々の支持部材２３に揺動可能に支持された軸受パッド（軸受パッド本体）２４とを有する。

軸受ケーシング２２は、円板部３１の外周側に設けられた円筒状の外周壁部２２ａと、外周壁部２２ａの一端側と他端側から、それぞれ内周側に延び、円板部３１の両面３１ａ、３１ｂと間隔を隔てて対向する円環状の支持壁部２２ｂ，２２ｃと、を備えている。支持壁部２２ｂ，２２ｃは、その内径が回転軸３０の外径よりも大きく形成され、回転軸３０と干渉しないようになっている。

支持部材２３は、軸受ケーシング２２の支持壁部２２ｂ，２２ｃのそれぞれにおいて、円板部３１と対向する側に、回転軸３０の周方向に等角度間隔で設けられている。各支持部材２３は、軸受ケーシング２２の支持壁部２２ｂ，２２ｃのそれぞれから、円板部３１に対向する側に突出して形成され、軸受パッド２４の背面中央において軸受パッド２４を支持している。支持部材２３の突出方向端部、即ち、軸受パッド２４の背面との接触部は、球面形状に形成されている。

軸受パッド２４は、軸受ケーシング２２内において、円板部３１の両面側に、それぞれ回転軸３０の周方向に間隔を隔てて支持部材２３と同数が設けられている。各軸受パッド２４は、それぞれ支持部材２３に支持されて揺動自在に設けられている。
図３に示すように、各軸受パッド２４は、一定の厚さを有した扇状であり、例えば鉄、クロム鋼等から形成された裏金材２４ｈと、裏金材２４ｈの一面側の扇状面に形成された、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たパッド面２４ｐと、を有している。

上述した構成により、軸受パッド２４は、任意の方向に揺動可能とされている。即ち、支持部材２３と軸受パッド２４とは、点接触による接触状態であり、回転軸３０の円板部３１とスラスト軸受６２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２４のパッド面２４ｐ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２４が支持部材２３を回転軸３０に追従することができる。

このような軸受パッド２４には、パッド面２４ｐの外縁に交差し、回転軸３０の周方向を向くとともに径方向に沿って延びる周方向側面（端面）２４ａに、補強プレート５０が設けられている。この補強プレート５０は、例えば金属製の板状で、周方向側面２４ａに沿って回転軸３０の径方向（パッド面２４ｐに沿った方向）に延び、外周側端部５０ａと、内周側端部５０ｂと、外周側端部５０ａと内周側端部５０ｂとの間の中間部５０ｃと、の３か所において、それぞれピンやボルト（固定部材）５１等によって軸受パッド２４の周方向側面２４ａに固定されている。

なお、軸受パッド２４のパッド面２４ｐ側から見た際に、軸受パッド２４の一対の周方向側面２４ａ，２４ａに設けられた中央の固定部材５１，５１を通過し軸受パッド２４の湾曲に従って延びる曲線は、支持部材２３上を通過することが好ましい。これによって、中間部５０ｃの変形を確実に拘束することができる。

上述したような構成によれば、スラスト軸受６２の軸受パッド２４の周方向側面２４ａに、回転軸３０の径方向に延びる補強プレート５０が設けられている。これにより、軸受パッド２４が、パッド面２４ｐに対する面外方向への変形、具体的には支持部材２３によって支持された中心部に対し、軸受パッド２４の外周側が、パッド面２４ｐに直交する方向に変位するような変形が抑制される。
これにより、軸受パッド２４が、円板部３１との摩擦等による熱変形や、円板部３１から作用する圧力による圧力変形によって変形するのを抑制することができ、軸受パッド２４の変形による悪影響を抑えることができる。

そして、補強プレート５０は、軸受パッド２４に対してピンやボルト５１等によって固定すればよいので、軸受パッド２４の組立作業を容易に行うことができる。
また、補強プレート５０による軸受パッド２４の補強の度合いを調整するには、例えば取り付ける補強プレート５０の厚さを変えれば良く、その対応も容易である。
さらに、補強プレート５０は、外周側端部５０ａ、内周側端部５０ｂ、中間部５０ｃの３か所において固定されているので、軸受パッド２４の変形を確実に拘束することができる。

なお、上記実施形態においては、補強プレート５０を、外周側端部５０ａ、内周側端部５０ｂ、中間部５０ｃの３か所において固定するようにしたが、固定部位を４か所以上としてもよい。ここで、補強プレート５０を、外周側端部５０ａと内周側端部５０ｂとの２箇所のみで固定することも考えられるが、このようにすると、中間部５０ｃの変形を拘束できない虞があることから、補強プレート５０の固定個所は３か所以上とするのが好ましい。

また、図４（ａ）に示すように、補強プレート５０は、軸受パッド２４の周方向側面２４ａに、凹部５２を形成し、この凹部５２に嵌め込むようにして設けても良い。このようにすると、補強プレート５０の側面５０ｄが凹部５２の内側面５２ａに干渉することによって、軸受パッド２４の変形抑制効果が高まる。

また、補強プレート５０は、軸受パッド２４において、回転軸３０の径方向に沿って位置する周方向側面２４ａに設けるようにしたが、これに限らず、回転軸３０の周方向に沿って位置する外周側側面２４ｂや内周側側面２４ｃに沿って設けるようにしても良い。

［第二の実施形態］
次に、本発明による軸受パッドの第二実施形態を示す。なお、以下の説明において、軸受パッド２４を備えたスラスト軸受６２や、蒸気タービン１００の全体的な構成については上記第一実施形態と共通であるので、その説明を省略する。
図５に示すように、軸受パッド２４には、回転軸３０の径方向に沿って位置する両側の周方向側面（端面）２４ａと、回転軸３０の周方向に沿って位置する外周側側面（端面）２４ｂ、内周側側面（端面）２４ｃに沿って、軸受パッド２４の外径形状に沿った補強フレーム５４が設けられている。
補強フレーム５４は、軸受パッド２４の周方向側面２４ａの中央部と、外周側側面２４ｂの中央部、内周側側面２４ｃの中央部とにおいて、それぞれピンやボルト５１によって軸受パッド２４に固定されている。

上述したような構成によれば、補強フレーム５４により、軸受パッド２４が、パッド面２４ｐに対する面外方向への変形、具体的には支持部材２３に支持された中央部に対し、軸受パッド２４の外周部が、パッド面２４ｐに直交する方向に変位するような変形が抑制される。
これにより、軸受パッド２４が、図１に示した回転軸３０の円板部３１との摩擦等による熱変形や、円板部３１から作用する圧力による圧力変形によって変形するのを抑制することができ、軸受パッド２４の変形による悪影響を抑えることができる。
そして、補強フレーム５４は、軸受パッド２４に対してピンやボルト５１等によって固定すればよいので、軸受パッド２４の組立作業を容易に行うことができる。
さらに、補強フレーム５４による軸受パッド２４の補強の度合いを調整するには、例えば取り付ける補強フレーム５４の厚さ、幅を変えれば良く、その対応も容易である。
また、補強フレーム５４は、軸受パッド２４の周方向４か所（両側の周方向側面２４ａ、外周側側面２４ｂ、内周側側面２４ｃ）において固定されているので、軸受パッド２４の変形を確実に拘束することができる。

なお、上記第二実施形態において、図４（ａ）に示すように、両側の周方向側面２４ａ、外周側側面２４ｂ、内周側側面２４ｃにおいて、パッド面２４ｐとその反対側の面との中間部に、周方向に連続する溝５５を形成し、この溝５５内に収めて設けるようにしても良い。この場合、溝５５内に補強フレーム５４を収めるには、図６に示すように、補強フレーム５４を周方向に複数（例えば２つ）に分割しておき、その分割体５４ａ，５４ｂを溝５６内に収めた後に、分割体５４ａ，５４ｂどうしのつなぎ目を溶接等によって接合するのが好ましい。
また、図４（ｂ）に示すように、軸受パッド２４において、パッド面２４ｐとは反対側の面側に、周方向に連続する溝５６を形成し、補強フレーム５４を溝５６に収めて設けるようにしても良い。

上記第一、第二実施形態で示した構成は、スラスト軸受６２に限らず、ジャーナル軸受６１の軸受パッドにも同様に適用することが可能である。

［第三実施形態］
次に、本発明による軸受パッドの第三実施形態を示す。なお、以下の説明においては、軸受パッド２４を備えたスラスト軸受６２や、蒸気タービン１００の全体的な構成については上記第一実施形態と共通であるので、その説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態に係る軸受パッド２４は、予め、シミュレーション解析等によって、回転軸３０が回転したときに軸受パッド２４に生じる湾曲変形量を算出し、その湾曲変形方向とは逆方向に変形した状態で成形しておく。

具体的には、シミュレーション解析により、回転軸３０が回転したときに、軸受パッド２４において、支持部材２３に支持されたピボット点Ｖに対し、ピボット点Ｖから離間した軸受パッド２４の外周部２４ｒが回転軸３０の円板部３１から離間する方向に変形すると算出されたとする（図７（ｂ）中、二点鎖線Ｓ１で示した状態）。その場合、軸受パッド２４の外周部２４ｒが、ピボット点Ｖに対し、算出された変形方向とは逆方向に、算出された変形量と同じ寸法だけオフセットして位置するよう、軸受パッド２４を湾曲して形成する。

上述したように、軸受パッド２４を、予め、予測される変形と逆方向に変形した状態で成形しておくことにより、回転軸３０が回転して、円板部３１との間で生じる圧力や熱によって軸受パッド２４が変形すると、この状態で、軸受パッド２４と円板部３１とのクリアランスは、設計した理想的な状態に近づく（図７（ａ）、（ｂ）中、点線Ｓ２で示した状態）ため、軸受パッド２４の変形による悪影響が生じるのを抑えることができる。
そして、この軸受パッド２４は、予め湾曲形成されており、例えば第一実施形態で示した補強プレート５０等の取り付け作業も不要であり、スラスト軸受６２の組立も効率良く容易に行える。

なお、上記第３実施形態において、軸受パッド２４が、支持部材２３によってピボット支持されているのではなく、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば回転軸３０の径方向に延在するシャフト６５によって、このシャフト６５の軸周りに揺動可能に設けられている場合、軸受パッド２４は、回転軸３０の周方向においてのみ、上記したように、予め、予測される変形と逆方向に変形した状態で成形してもよい。
さらに、低コスト化を図るために、軸受パッド２４を、回転軸３０の周方向、または径方向のいずれか一方においてのみ、上記したように、予め、予測される変形と逆方向に変形した状態で成形してもよい。

さらに、上記第三実施形態で示した構成は、スラスト軸受６２に限らず、ジャーナル軸受６１の軸受パッドにも同様に適用することが可能である。
ここでジャーナル軸受６１の軸受パッドの場合、回転軸３０の曲率半径よりも軸受パッドのパッド面の曲率半径は予め大きく設定されている。即ち、回転軸の非回転時における軸受パッドのパッド面の曲率半径は、回転軸３０の曲率半径の１．０００５〜１．００２倍程度に設定されている。

この回転軸の非回転時におけるパッド面の曲率半径を当初曲率半径とすると、回転軸３０の回転時におけるパッド面は、曲率半径が当初曲率半径よりも小さくなるように湾曲変形する。そこで、上記同様、予めシミュレーション解析等によって回転軸３０が回転したときに軸受パッドに生じる湾曲変形量を算出し、その湾曲変形方向とは逆方向に変形した状態で成形しておく。即ち、軸受パッドのパッド面の曲率半径を当初曲率半径よりも予め大きく設定しておく。
これによって、回転軸３０の回転時における軸受パッドと回転軸３０とのクリアランスは、設計した理想的な状態に近づくため、軸受パッドの変形による悪影響が生じるのを抑えることができる。

（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各実施形態およびその変形例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、上記第一〜第三実施形態で示した軸受パッド２４は、既設の蒸気タービン１００に対し、部品単体で組み込むことが可能である。

さらに、上記したような軸受パッド２４を有した軸受は、蒸気タービン１００に限らず、ガスタービンや原子力タービン、ポンプ、エンジン、風力発電機、風車、水車等、他の回転機械にも適用することができる。
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。

２２ 軸受ケーシング
２２ａ 外周壁部
２２ｂ，２２ｃ 支持壁部
２３ 支持部材
２４ 軸受パッド（軸受パッド本体）
２４ａ 周方向側面（端面）
２４ｂ 外周側側面（端面）
２４ｃ 内周側側面（端面）
２４ｐ パッド面
２４ｒ 外周部
３０ 回転軸
３１ 円板部
３１ａ 両面
４０ 静翼
５０ 補強プレート
５０ａ 外周側端部
５０ｂ 内周側端部
５０ｃ 中間部
５０ｄ 側面
５１ ボルト（固定部材）
５２ 凹部
５２ａ 内側面
５４ 補強フレーム
５４ａ，５４ｂ 分割体
５５ 溝
５６ 溝
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受
６２ スラスト軸受（軸受装置）
６５ シャフト
７０ 動翼
９０ タービンケーシング
１００ 蒸気タービン

Claims (6)

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、
   前記軸受パッド本体の前記パッド面の外縁に交差する端面に沿って設けられ、前記パッド面に沿った方向に延びる補強プレートと、
   前記補強プレートを、前記パッド面に沿った方向の一端部と他端部、および前記一端部と前記他端部の中間部とで、それぞれ前記端面に固定する固定部材と、
   を備えることを特徴とする軸受パッド。
2. 回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッド本体と、
   前記軸受パッド本体の前記パッド面の外縁に交差する端面に沿って、前記パッド面の外周部を囲うよう設けられた補強フレームと、
   を備えることを特徴とする軸受パッド。
3. 回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッドであって、
   前記回転軸が回転したときに生じる前記パッド面の湾曲変形を打ち消すように、該パッド面の湾曲方向とは逆方向に変形されていることを特徴とする軸受パッド。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の軸受パッドと、
   軸受ケーシングと、
   前記軸受ケーシングと前記軸受パッドとの間に設けられ、前記軸受パッドの前記パッド面を前記回転軸に対向させた状態で揺動可能に支持する支持部材と、
   を備えることを特徴とする軸受装置。
5. 回転軸と、
   前記回転軸を支持する、請求項４に記載の軸受装置と、
   を備えていることを特徴とする回転機械。
6. 回転軸を支持するパッド面を有する軸受パッドの設計方法であって、
   前記回転軸が回転したときに生じる前記パッド面の湾曲変形を打ち消すように、該パッド面の湾曲方向とは逆方向に変形形成することを特徴とする軸受パッドの設計方法。

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