JP2015209898A - ジャーナル軸受装置及びこれを備えた回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械のロータが高周速で回転している時における軸受温度を低減するとともに、乱流促進部の破損を防止する。【解決手段】回転機械のロータの軸頚１を収納するハウジングを有するジャーナル軸受装置において、軸頚１と相対するハウジングの内周面に乱流促進部を設け、軸頚１とハウジングの内周面との間にある軸受間隙４には、潤滑油を充填し、乱流促進部は、ハウジングの内周面の荷重方向よりも潤滑油の流れの上流側で、かつ、ロータが回転している状態で潤滑油の油膜の厚さが最小となる位置よりも潤滑油の流れの下流側に配置した構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ジャーナル軸受装置及びこれを備えた回転機械に関する。

モータや遠心圧縮機などの回転機械においては、潤滑油を用いたすべり軸受が用いられる。すべり軸受と回転軸の軸頚との間には、両者の直接的な接触を回避するに十分な厚さの油膜が形成される。この油膜内の流れは、油膜厚さ、潤滑油粘度、回転軸の軸頚の表面速度などの条件により、層流または乱流となる。

乱流となるかどうかを判別する指標であるレイノルズ数は、油膜の厚さ及び軸頚表面速度に比例し、潤滑油粘度に反比例するものであるから、油膜が厚く、潤滑油粘度が低く、軸頚表面速度が高いほど、乱流になりやすい。つまり、同じ軸受であれば、回転速度が増加するほど乱流になりやすくなる。油膜の流れが層流の場合は、回転速度の上昇に伴い軸受表面温度は増加するが、更に回転速度が上昇し油膜が乱流になると、油膜の厚さ方向のエネルギー交換が活発になるため、軸受表面温度は低下する。

ところで、上流で乱流であった流れが下流で層流へと遷移する流れの場合、乱流から層流へ遷移する臨界レイノルズ数は、上流側に含まれる擾乱の大きさにより変化することが非特許文献１に示されている。

乱流を人工的に生じさせることにより軸受表面温度を低下させる方法として、特許文献１には、軸受の最小油膜位置近傍に潤滑油の流れの状態を層流から乱流に遷移させる乱流遷移層を設けたものが示されている。

特開平７−１７４１３６号公報

日本機械学会東海支部第４９期総会講演会講演論文集、ｐｐ．５〜６

特許文献１に記載された従来技術では、乱流遷移層（本明細書においては「乱流促進部」と呼ぶ。）が最小油膜位置に設けられているため、起動又は停止の際などに軸と軸受とが直接接触して、乱流遷移層が損壊する懸念があった。

本発明の目的は、回転機械のロータが高周速で回転している時の軸受温度を低減するとともに、乱流促進部の破損を防止することにある。

本発明は、回転機械のロータの軸頚を収納するハウジングを有するジャーナル軸受装置において、軸頚と相対するハウジングの内周面に乱流促進部を設け、軸頚とハウジングの内周面との間にある軸受間隙には、潤滑油を充填し、乱流促進部は、ハウジングの内周面の荷重方向よりも潤滑油の流れの上流側で、かつ、ロータが回転している状態で潤滑油の油膜の厚さが最小となる位置よりも潤滑油の流れの下流側に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、回転機械のロータが高周速で回転している時の軸受温度を低減するとともに、乱流促進部の破損を防止することができる。

実施例のジャーナル軸受装置を示す断面図である。 図１の下半軸受３に設けた乱流促進部の配置を示す上面図及び正面図である。 ジャーナル軸受装置の乱流促進部の第１の例を示す斜視図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 ジャーナル軸受装置の乱流促進部の第２の例を示す斜視図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 乱流促進部を有しない従来構造のジャーナル軸受装置の軸受部における表面温度の分布を示すグラフである。 乱流促進部を有するジャーナル軸受装置の軸受部における表面温度の分布を示すグラフである。 ティルティングパッド構造を有するジャーナル軸受装置を示す断面図である。 図９の軸受パッド１０のうちの１つを示す上面図及び正面図である。 図９のジャーナル軸受装置の変形例を示す断面図である。 図５に示す乱流促進部の変形例を示す斜視図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のジャーナル軸受装置を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

本明細書において回転機械とは、モータ、遠心圧縮機などを含み、回転軸を有するロータと、その軸受部とを備えたものをいう。

以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１は、実施例のジャーナル軸受装置を示す断面図である。

本図に示すジャーナル軸受装置は、上半軸受２及び下半軸受３を組み合わせた構成を有する。上半軸受２及び下半軸受３は、ハウジングを形成する。回転軸の軸頚１は、上半軸受２と下半軸受３との間に配置されている。上半軸受２及び下半軸受３の内周面（内壁）と軸頚１との間には、軸受間隙４があり、潤滑油が充填されている。

本図においては、軸頚１が反時計回りに回転するものとする。軸頚１が水平方向に設置されている場合、重力と、回転に伴う潤滑油の圧力とにより、軸頚１が斜め下の方向（図中右下方向）に偏る。よって、軸受間隙４は一様ではなく、潤滑油の厚さ（流路幅）も軸頚１の周方向に分布が生じる。

なお、本図においては、上半軸受２と下半軸受３とが接する面が水平であるが、当該面は、水平以外であってもよく、特に限定されるものではない。例えば、当該面が水平面に対して３０°〜４５°傾いていてもよいし、当該面が水平面に対して直交していてもよい。

図２は、図１の下半軸受３に設けた乱流促進部の配置を示したものである。図中、上側が平面図であり、下側が正面図である。

本図に示すように、下半軸受３の内周面の荷重方向（鉛直下向き）よりも潤滑油の流れにおける上流側（軸回転方向に対して反対側寄り）には、乱流促進部５（段差構造領域）が形成されている。

乱流促進部５は、下半軸受３の内周面に山谷の構造（溝）その他の凹凸構造を設けた部分である。乱流促進部５の周方向の幅は、特に限定されるものではない。なお、凹凸構造は、山谷の構造や溝だけでなく、複数個のくぼみを縦横に並べたものであってもよい。

乱流促進部５は、本図に示す位置だけでなく、ハウジングの内周面の荷重方向よりも潤滑油の流れの上流側で、かつ、ロータが回転している状態で潤滑油の油膜の厚さが最小となる位置よりも潤滑油の流れの下流側に設けることができる。よって、図１の上半軸受２に設けてもよい。ここで、「潤滑油の油膜の厚さが最小となる位置」は、図１の軸頚１が下半軸受３に最も近づく位置に対応している。よって、この位置は、図１から読み取った角度として、ハウジングの内周面の荷重方向から潤滑油の流れ方向に約４５°下流側の位置であるということもできる。ここで、角度は、模式的に示された概略図である図１から読み取ったものであり、軸頚１の回転速度にも依存するものであるため、この角度に限定されるものではない。

乱流促進部５は、ハウジングの内周面の荷重方向よりも潤滑油の流れの上流側で、かつ、ハウジングの内周面の荷重方向から潤滑油の流れ方向に９０°下流側の位置よりも下流側に設けられていることが望ましい。ハウジングの内周面の荷重方向よりも潤滑油の流れの上流側で、かつ、ハウジングの内周面の荷重方向から潤滑油の流れ方向に１８０°下流側の位置よりも下流側に設けられていれば、更に望ましい。ハウジングの内周面の荷重方向よりも潤滑油の流れの上流側で、かつ、ハウジングの内周面の荷重方向から潤滑油の流れ方向に２７０°下流側の位置よりも下流側に設けられていれば、特に望ましい。

図３は、乱流促進部の第１の例を示す斜視図である。また、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。

この例においては、下半軸受３の内周面に、断面形状が矩形の溝である乱流促進部５が設けてある。この溝は、軸方向（軸受幅方向）に延びる形状を有している。言い換えると、乱流促進部５は、潤滑油の流れ方向に対して直交する複数の矩形の溝（谷）を含む。山の部分（凸部）は、稜線部を有する。

図５は、乱流促進部の第２の例を示す斜視図である。また、図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。

この例においても、乱流促進部５は、軸方向（軸受幅方向）に延びる溝形状を有しているが、この例における溝の断面は、図６に示すように三角形となっている。山の部分（凸部）は、稜線部を有する。なお、図５及び図６においては、隣り合う溝が接するように配置されているが、隣り合う溝と溝との間に距離があってもよい。

つぎに、ジャーナル軸受装置の動作について説明する。

まず、図示していない外部のポンプから吐出される潤滑油は、図示しない給油口から軸受間隙４（図１）に供給される。潤滑油は、軸頚１の回転に伴い、軸頚１と下半軸受３との間に流入する。これにより生じる油膜の圧力により、軸頚１が下半軸受３に接触しない状態で支持されるようになる。油膜の圧力は、鉛直下方向より若干下流側において最大となるような分布となる。また、油膜は、せん断により発熱するため、軸受部の温度分布（油膜の温度分布でもある。）は、油膜の圧力と同様に、鉛直下方向より若干下流側において最高となる。

このとき、軸受間隙４に供給された潤滑油は、最大油膜温度となる位置よりも手前において、乱流促進部５を通過する。潤滑油が乱流促進部５を通過する際には、流路の壁面の凹凸により流れが乱れるため、速度変動などの擾乱が与えられる。言い換えると、乱流促進部５は、給油口の位置よりも下流側に設けることが望ましい。乱流促進部５を給油口の位置よりも上流側に設けた場合、給油口から供給される潤滑油により、発生した乱流が変化し、場合によっては弱まってしまうからである。

つぎに、本発明の作用効果について、図７及び８を用いて説明する。

図７は、乱流促進部を有しない従来構造のジャーナル軸受装置の軸受部における表面温度の分布を示すグラフである。横軸に軸受周方向の位置θをとり、縦軸に軸受部における表面温度（以下、「軸受表面温度」ともいう。）をとっている。

本図においては、３種類の回転速度Ｎ_１、Ｎ_２及びＮ_３における温度分布が示されている。ここで、それぞれの回転速度は、Ｎ_１＜Ｎ_２＜Ｎ_３という関係にある。油膜の流れが乱流となっている領域を実線で、層流となっている領域を点線で表している。

本図から、乱流促進部を有しない従来構造の場合、回転速度がＮ_１からＮ_２へ上昇すると、軸受表面温度が最高となっている部分においては、油膜の流れがいずれも層流となっている。この場合、回転速度が大きいほうが油膜内のせん断力が大きくなるため、発熱量も多くなり、油膜温度が上昇する。これに伴い、軸受表面温度も増加し、軸受表面の変形などが生じうる限界温度を越えている。

回転速度がＮ_３まで上昇すると、軸受表面温度が最高となる部分においても、油膜の流れが乱流となる。流れが層流又は乱流のいずれになるかは、レイノルズ数Ｒｅとその臨界値Ｒｅ_ｃｒとの大小により決まる。レイノルズ数Ｒｅがその臨界値Ｒｅ_ｃｒよりも小さければ層流となり、大きいと乱流となる。レイノルズ数Ｒｅは、油膜厚さ及び回転軸の軸頚の周速（表面速度）に比例するため、回転速度上昇により油膜が厚く、周速が速くなった場合には乱流へと遷移する。油膜の流れが乱流となった場合、油膜厚さ方向の熱交換が活発になるため、油膜温度の平均値は上昇するものの、軸受表面の温度は低下する。したがって、回転速度Ｎ_３における軸受表面温度の最高値も低下する。

図８は、乱流促進部を有するジャーナル軸受装置の軸受部における表面温度の分布を示すグラフである。本図においても、表示形式は図７と同様である。

図８においては、図２に示す位置に乱流促進部を設け、油膜の流れに擾乱を与えている。このため、低いレイノルズ数においても、流れは乱流を維持しやすくなり、臨界レイノルズ数を低下させることとなる。これにより、回転速度Ｎ_２においても全域が乱流となるため、回転速度をＮ_１からＮ_２へと上昇させた場合にも軸受表面温度の最高値は低下する。したがって、回転速度Ｎ_２において、軸受表面温度が限界温度を越えることはない。回転速度が更にＮ_３まで上昇すると、軸受表面温度も増加するが、それでも限界温度以下に抑えることが可能である。

これにより、軸受部の焼き付き、損傷等を防止することができ、回転機械の信頼性を向上することができる。

図１２は、図５に示す乱流促進部の変形例を示したものである。

図１２においても、乱流促進部５は、軸方向（軸受幅方向）に延びる溝形状（山谷形状）を有し、溝の断面は、図６に示すものと同様に三角形となっている。ただし、図１２においては、山谷形状を構成する山の稜線（稜線部）の一部に切欠き部７を設けている。切欠き部７の形状は、特に限定されるものではない。

この構造により、切欠き部７において油膜の流れに擾乱が付加されるため、乱流の構造を更に複雑にすることができる。言い換えると、切欠き部７は、稜線部とは９０°異なる擾乱を発生させるため、このような乱流促進部５により発生する乱流の構造は、三次元的に複雑なものとなる。

なお、図３の乱流促進部の凸部（稜線部）の一部に上述の切欠き部を設けてもよい。

図９は、実施例１とは異なる構造を有するジャーナル軸受装置の例を示す断面図である。

本図に示すジャーナル軸受装置は、ハウジング２０と、ピボット１１を有する軸受パッド１０とを備えている。回転軸の軸頚１は、ハウジング２０内の円周方向に複数個（本図においては５個である。）配設された軸受パッド１０により支持されている。このようなジャーナル軸受装置は、ティルティングパッドジャーナル軸受装置ともいう。

図１０は、図９の軸受パッド１０のうちの１つを示したものである。図中、上側が上面図であり、下側が正面図である。

軸受パッド１０は、円弧状であり、図９に示す軸頚１を内周部で支持するようになっている。ピボット１１は、軸受パッド１０とハウジング２０との間に配置され、軸受パッド１０が受ける軸頚１からの力を実質的に支持している。

乱流促進部１５は、内周部の一方の端部付近に設けてある。乱流促進部１５の微細構造は、図３〜６及び１２のいずれのものであってもよいし、本発明はこれらの構造に限定されるものでもない。

乱流促進部１５は、すべての軸受パッド１０に設けられていることが望ましいが、一部の軸受パッド１０に設けた構成であってもよい。

ティルティングパッド軸受においては、荷重方向に相当する油膜に発生する圧力が最も高くなる位置は、ピボット１１の周方向の位置に対応する角度の内周部である。本図においては、ピボット１１は、軸受パッド１０の周方向に直交する対称面よりも下流側寄りに配置されている。一方、乱流促進部１５は、ピボット１１の位置よりも上流側に配置されている。この構成により、ティルティングパッドジャーナル軸受においても実施例１と同様な効果を得ることが可能となる。

図１１は、変形例として軸受パッドが４個の場合を示したものである。

本図の場合も、図９の場合と同様に、すべての軸受パッド１０に乱流促進部１５を設けてもよいし、一部の軸受パッド１０に設けてもよい。作用効果についても同様である。

これにより、軸受部の焼き付き、損傷等を防止することができ、回転機械の信頼性を向上することができる。

１：軸頚 、２：上半軸受、３：下半軸受、４：軸受間隙、５、１５：乱流促進部、７：切欠き部、１０：軸受パッド、１１：ピボット、２０：ハウジング。

Claims (12)

1. 回転機械のロータの軸頚を収納するハウジングを有し、
   前記軸頚と相対する前記ハウジングの内周面に乱流促進部を有し、
   前記軸頚と前記ハウジングの内周面との間にある軸受間隙には、潤滑油が充填され、
   前記乱流促進部は、前記ハウジングの内周面の荷重方向よりも前記潤滑油の流れの上流側で、かつ、前記ロータが回転している状態で前記潤滑油の油膜の厚さが最小となる位置よりも前記潤滑油の流れの下流側に設けられていることを特徴とするジャーナル軸受装置。
2. 前記乱流促進部は、前記ハウジングの内周面の荷重方向よりも前記潤滑油の流れの上流側で、かつ、前記ハウジングの内周面の荷重方向から前記潤滑油の流れ方向に９０°下流側の位置よりも下流側に設けられている、請求項１記載のジャーナル軸受装置。
3. 前記乱流促進部は、前記ハウジングの内周面の荷重方向よりも前記潤滑油の流れの上流側で、かつ、前記ハウジングの内周面の荷重方向から前記潤滑油の流れ方向に１８０°下流側の位置よりも下流側に設けられている、請求項１記載のジャーナル軸受装置。
4. 前記乱流促進部は、前記ハウジングの内周面の荷重方向よりも前記潤滑油の流れの上流側で、かつ、前記ハウジングの内周面の荷重方向から前記潤滑油の流れ方向に２７０°下流側の位置よりも下流側に設けられている、請求項１記載のジャーナル軸受装置。
5. さらに、前記潤滑油を供給する給油口を有し、
   前記乱流促進部は、前記ハウジングの内周面の荷重方向よりも前記潤滑油の流れの上流側で、かつ、前記給油口の位置よりも下流側に設けられている、請求項１記載のジャーナル軸受装置。
6. 前記乱流促進部は、凹凸構造を有する、請求項１記載のジャーナル軸受装置。
7. 前記凹凸構造は、前記潤滑油の流れ方向に対して直交する溝を含む、請求項６記載のジャーナル軸受装置。
8. 前記凹凸構造は、前記潤滑油の流れ方向に対して直交する稜線部を有する、請求項６記載のジャーナル軸受装置。
9. 前記稜線部は、切欠き部を有する、請求項８記載のジャーナル軸受装置。
10. 回転機械のロータの軸頚を収納するハウジングと、
    前記ハウジングの周方向に配置され前記軸頚を支持する複数個の軸受パッドと、
    前記軸受パッドと前記ハウジングの内周面との間に前記ハウジングと接するように配置されたピボットと、を有し、
    前記軸頚と前記ハウジングの内周面との間にある軸受間隙には、潤滑油が充填され、
    前記軸頚と相対する前記軸受パッドの内周面に乱流促進部を有することを特徴とするジャーナル軸受装置。
11. 前記ピボットは、前記軸受パッドの周方向に直交する対称面よりも前記潤滑油の流れの下流側寄りに配置され、
    前記乱流促進部は、前記軸受パッドの内周面に設けられ、前記ピボットの位置よりも上流側に配置されている、請求項１０記載のジャーナル軸受装置。
12. ロータを有し、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のジャーナル軸受装置を備えたことを特徴とする回転機械。

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