JP2016142311A - タービン - Google Patents

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中野 隆
Takashi Nakano
隆 中野
篠原 種宏
Tanehiro Shinohara
種宏 篠原
貝漕 高明
Takaaki Kaikogi
高明 貝漕
小澤 豊
Yutaka Ozawa
豊 小澤
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Abstract

【課題】ジャーナル軸受装置がジャーナルを囲む円筒形状の空間の下半領域にしか軸受パッドを有していなくても、シール装置の損傷が防止される回転機械を提供する。【解決手段】回転機械のジャーナル軸受装置は、軸受ハウジングと、円筒形状の空間を存してロータ軸のジャーナルを囲むキャリアリングと、ジャーナルを回転可能に支持するように空間の下半領域にそれぞれ配置され、ジャーナルの周方向に配列された少なくとも2つの軸受パッドと、ジャーナルの外周面の上半領域と軸受隙間を存して対向する軸受面を有する少なくとも1つの半円環軸受部と、を含む。少なくとも1つの半円環軸受部の軸受面とジャーナルの外周面の上半領域との間の軸受隙間は、少なくとも1つのシール装置のシール隙間よりも小である。【選択図】 図5

Description

本開示は回転機械に関する。
例えば蒸気タービンやガスタービン等の回転機械、ロータ軸を回転可能に支持するジャーナル軸受装置を有している。この種のジャーナル軸受装置として、ロータ軸の周りに配置された複数のティルティングパッドを有するジャーナル軸受装置が知られている。
例えば、特許文献1が開示するティルティングパッド型のジャーナル軸受装置は、ロータ軸のジャーナルを囲むキャリアリングを有し、ジャーナルの外周面の下半領域とキャリアリングの内周面の下半領域との間にのみ2つのティルティングパッドが配置されている。2つのティルティングバッドは、下方に向かうロータ軸の荷重を支持している。一方、キャリアリングの内周面の上半領域にはガイドメタルが固定されている。ガイドメタルは、ロータ軸の荷重を支えるものではなく、ロータ軸の飛び上がりを防止するためだけのものである。
また通常、回転機械は、ハウジング等を含む静止アセンブリと、ロータ軸等を含む回転アセンブリとの間に配置されるシール装置を有している。シール装置は、静止アセンブリと回転アセンブリとの間における流体の流れを制限するためのシール隙間を区画する。
国際公開第2010/097990号
特許文献1が開示するジャーナル軸受装置によれば、ジャーナルの外周面の下半領域と対向する領域にしかティルティングパッドが存在しなくても、キャリアリングの内周面の上半領域に固定されたガイドメタルによって、ロータ軸の飛び上がりを防止することができる。
しかしながら、特許文献1には、ロータ軸とガイドメタルとの間の隙間の大きさ、特にその隙間の大きさの上限に関する開示はない。ロータ軸とガイドメタルとの間の隙間がシール装置のシール隙間より大きい場合、ロータ軸が飛び上がったときに、ロータ軸がガイドメタルに衝突するよりも前に、シール装置の構成部品同士が相互に衝突する虞がある。そしてその結果、シール装置が損傷し、シール機能が損なわれる虞がある。
上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ジャーナル軸受装置がジャーナルを囲む円筒形状の空間の下半領域にしか軸受パッドを有していなくても、シール装置の損傷が防止される回転機械を提供することにある。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
ハウジングを含む静止アセンブリと、
水平軸の周りにて回転可能なロータ軸を含む回転アセンブリと、
前記ロータ軸を回転可能に支持するジャーナル軸受装置と、
前記静止アセンブリと前記回転アセンブリとの間に配置され、前記静止アセンブリと前記回転アセンブリとの間に流体の流れを制限するためのシール隙間を区画する少なくとも1つのシール装置と、を備え、
前記ジャーナル軸受装置は、
前記静止アセンブリの一部を構成する軸受ハウジングと、
前記軸受ハウジングによって支持されるとともに、円筒形状の空間を存して前記ロータ軸のジャーナルを囲むキャリアリングと、
前記ジャーナルを回転可能に支持するように前記空間の下半領域にそれぞれ配置され、前記ジャーナルの周方向に配列された少なくとも2つの軸受パッドと、
前記キャリアリングに固定された状態で前記空間の上半領域に配置され、前記ジャーナルの外周面の上半領域と軸受隙間を存して対向する軸受面を有する少なくとも1つの半円環軸受部と、を含み、
前記少なくとも1つの半円環軸受部の軸受面と前記ジャーナルの外周面の上半領域との間の軸受隙間は、前記少なくとも1つのシール装置のシール隙間よりも小である
ことを特徴とする回転機械。
上記構成(1)の回転機械では、軸受隙間がシール隙間より小である。このため、何らかの原因でロータ軸が飛び上がったとしても、シール装置の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸が半円環軸受部に衝突する。この結果、シール装置の構成部品同士が相互に衝突することが防止され、シール装置の損傷が防止される。
(2)幾つかの実施形態では、上記構成(1)において、
前記軸受面は軸受合金によって構成されている。
上記構成(2)の回転機械では、軸受面が軸受合金によって構成されているので、ロータ軸が飛び上がろうとしたときに、半円環軸受部がロータ軸の上向きの荷重を円滑に支持することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記構成(1)又は(2)において、
前記シール装置は、前記ロータ軸の外周面と、前記ロータ軸の外周面と対向する前記静止アセンブリの一部との間に設けられる非接触型のシール装置である。
上記構成(3)では、ロータ軸の外周面と、ロータ軸の外周面と対向する静止アセンブリの一部との間に設けられる非接触型のシール装置の損傷が防止される。
(4)幾つかの実施形態では、上記構成(1)乃至(3)の何れか1つにおいて、前記ロータ軸の軸線方向に相互に離間した2つの前記ジャーナル軸受装置を備える。
上記構成(4)では、ロータ軸が軸線方向に離間した2つのジャーナル軸受装置によって支持されているので、何らかの原因でロータ軸が飛び上がったとしても、シール装置の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸が軸方向にて離間した2つの位置で各ジャーナル軸受装置の半円環軸受部に衝突する。この結果、ロータ軸の傾動が防止され、シール装置の構成部品同士が相互に衝突することがより確実に防止される。この結果として、シール装置の損傷がより確実に防止される。
(5)幾つかの実施形態では、上記構成(4)において、前記シール装置は、前記ロータ軸の軸線方向にて前記2つのジャーナル軸受装置の間に位置している。
上記構成(5)では、何らかの原因でロータ軸が飛び上がったとしても、シール装置の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸がシール装置の両側にて各ジャーナル軸受装置の半円環軸受部に衝突する。この結果、シール装置が取り付けられた位置でのロータ軸の傾動が防止され、シール装置の構成部品同士が相互に衝突することがより確実に防止される。この結果として、シール装置の損傷がより確実に防止される。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ジャーナル軸受装置がジャーナルの外周面の下半領域と対向する領域にしか軸受パッドを有していなくても、シール装置の損傷が防止される回転機械が提供される。
本発明の一実施形態に係るタービンの概略的な構成を示す断面図である。 一実施形態に係るジャーナル軸受装置の縦断面を概略的に示す図である。 図2中のIII−III線に沿う概略的な断面図である。 図2中のIV−IV線に沿う概略的な断面図である。 ジャーナル軸受装置の軸受隙間とシール装置のシール隙間の大小関係を説明するための図である。 図2中の領域VIの拡大図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1は、本発明の一実施形態に係るタービン1の概略的な構成を示す断面図である。
タービン1は、例えばコンバインドサイクル発電に適用可能な蒸気タービンであり、発電機3に接続されている。タービン1は、蒸気を利用してトルクを発生させ、発電機3はタービン1が出力したトルクを利用して発電する。
タービン1は、ハウジング(車室)5と、ロータ軸7と、ハウジング5に固定された静翼列と、ロータ軸7に固定された複数の動翼列とを有する。ロータ軸7は、ジャーナル軸受装置9,10及びスラスト軸受装置11によって、水平軸の回りで回転可能に支持され、ロータ軸7の少なくとも一部は、ハウジング5内を延びている。ロータ軸7の一端側に、発電機3が接続されている。
ハウジング5とロータ軸7との間には筒状の内部流路12が形成され、内部流路12に静翼列及び動翼列が配置される。各静翼列は、ロータ軸7の周方向に配列された複数の静翼14からなり、各静翼14はハウジング5に対して固定されている。各動翼列は、ロータ軸7の周方向に配列された複数の動翼15からなり、各動翼15は、ロータ軸7に対して固定されている。各静翼列では、蒸気の流れが加速され、各動翼列では、蒸気のエネルギがロータ軸7の回転エネルギに変換される。
つまり、タービン1は、大別すると、静止アセンブリ17と、静止アセンブリ17に対し相対回転可能な回転アセンブリ19とを有しており、ハウジング5及び静翼14は静止アセンブリ17の一部を構成し、ロータ軸7及び動翼15は回転アセンブリ19の一部を構成している。
また、タービン1は、少なくとも1つのシール装置20を有している。シール装置20は、静止アセンブリ17と回転アセンブリ19との間に配置され、静止アセンブリ17と回転アセンブリ19との間に、流体の流れを制限するためのシール隙間を区画する。
以下、図2〜図6を参照して、本発明の幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受装置10について説明する。
図2は、一実施形態に係るジャーナル軸受装置10の縦断面を概略的に示す図であり、図3中のII−II線に沿う概略的な断面図である。図3は、図2中のIII−III線に沿う概略的な断面図である。図4は、図2中のIV−IV線に沿う概略的な断面図である。図5は、ジャーナル軸受装置の軸受隙間とシール装置のシール隙間の大小関係を説明するための図である。図6は、図2中の領域VIの拡大図である。
ジャーナル軸受装置10は、図2及び図3に示したように、軸受ハウジング30と、キャリアリング32と、少なくとも2つの軸受パッド34と、複数のノズルヘッド38と、一対の隔壁部40と、少なくとも1つの半円環軸受部42とを有する。
軸受ハウジング30は、例えば、台座30aと、台座30aに対し固定されるカバー30bとを有する。軸受ハウジング30は、静止アセンブリ17の一部を構成している。
キャリアリング32は、軸受ハウジング30の内部に配置されている。例えば、キャリアリング32と軸受ハウジング30の間には少なくとも1つのキー33が配置され、軸受ハウジング30はキー33を介して、キャリアリング32を支持する。キー33は、例えば、球面キーや平キーである。
キャリアリング32は、円筒形状の内周面を有し、キャリアリング32の内周面は、ロータ軸7の一部、すなわちジャーナル7aを、円筒形状の空間44を存して囲繞可能である。空間44は、ジャーナル7aの外周面とキャリアリング32の内周面との間に規定される。キャリアリング32は例えば円筒形状を有する。
少なくとも2つの軸受パッド34は、空間44の下半領域にそれぞれ配置され、キャリアリング32の周方向に配列されている。軸受パッド34は、キャリアリング32の軸線方向に沿って見たときに扇形形状を有し、それぞれ分割円筒形状の湾曲した内面34a及び外面34bを有している。軸受パッド34の内面34aは、軸受合金、例えばホワイトメタルによって形成され、ジャーナル7aの外周面と対向して配置される。
少なくとも2つの軸受パッド34は、傾動可能又は揺動可能に設けられており、ジャーナル7aと軸受パッド34の隙間は、ジャーナル7aの周方向又は軸線方向にて徐々に変化可能である。そのために、例えば、少なくとも2つの軸受パッド34の各々とキャリアリング32との間には、図示しない傾動ユニットが設けられる。傾動ユニットは、例えばピボットによって構成される。或いは軸受パッド34の外面34bとキャリアリング32の内周面の曲率が相互に異なるように構成される。
複数のノズルヘッド38は、キャリアリング32の周方向にて相互に離間して空間44に配置され、それぞれ空間44に潤滑油を供給可能である。例えば、キャリアリング32に図示しない潤滑油の供給路が形成され、供給路を通じてノズルヘッド38に潤滑油が供給される。なお、空間44に潤滑油を供給可能な他の装置があれば、ノズルヘッド38は必須の構成ではない。
一対の隔壁部40は、ロータ軸7を挿通可能な軸孔を有し、キャリアリング32の軸線方向にて空間44の両端を規定している。隔壁部40は、例えば、円環形状のサイドプレート46によって構成され、サイドプレート46は、キャリアリング32に対しボルトによって固定される。
少なくとも1つの半円環軸受部42は、空間44の上半領域に配置され、例えば図示しないボルトによって、キャリアリング32に対し固定される。半円環軸受部42は、キャリアリング32の軸線方向に沿って見たときに扇形形状を有している。半円環軸受部42は、キャリアリング32の径方向にて内側に軸受面50を有する。軸受面50は、ジャーナル7aの外周面の上半領域に沿うように湾曲した、軸受パッド34よりも短軸の半円筒形状を有し、ジャーナル7aの外周面の上半領域と軸受隙間Gbを存して対向する。
ここで、図5は、シール装置20のシール隙間Gsと、軸受隙間Gbとの大小関係を説明するための図である。図5に示したように、ロータ軸7の径方向にて、軸受隙間Gbは、シール装置20のシール隙間Gsよりも小である。
なお、図5は、シール装置20の一例として、軸受ハウジング30とロータ軸7との間に設けられるシール装置20を示しているが、シール装置20はこれに限定されることはない。
上述したジャーナル軸受装置10では、タービン1の作動中、即ちロータ軸7の回転中、ノズルヘッド38から空間44に潤滑油が供給される。ノズルヘッド38から噴出した潤滑油は、軸受パッド34の内面34aとジャーナル7aの外周面との間に流入し、これらの間に油膜を形成する。軸受パッド34は、油膜を介して、ロータ軸7の自重に基づく下方に向かう荷重を支持しながら、ロータ軸7を回転可能に支持する。
その上、上述したジャーナル軸受装置10では、軸受隙間Gbがシール隙間Gsより小である。このため、何らかの原因でロータ軸7が飛び上がったとしても、シール装置20の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸7が半円環軸受部42に衝突する。この結果、シール装置20の構成部品同士が相互に衝突することが防止され、シール装置20の損傷が防止される。
幾つかの実施形態では、軸受面50は軸受合金によって構成されている。つまり、半円環軸受部42は、本体57と、本体57に積層された軸受合金からなるベアリング膜58を有し、ベアリング膜58が軸受面50を構成している。軸受合金は、例えばホワイトメタルである。
上記構成によれば、軸受合金からなる軸受面50が、ロータ軸7からの上向きの荷重を円滑に支持することができる。
幾つかの実施形態では、シール装置20は、ロータ軸7の外周面と、ロータ軸7の外周面と対向する静止アセンブリ17の一部との間に設けられる非接触型のシール装置である。
上記構成によれば、ロータ軸7の外周面と、ロータ軸7の外周面と対向する静止アセンブリ17の一部との間に設けられる非接触型のシール装置20の損傷が防止される。
幾つかの実施形態では、非接触型のシール装置20はラビリンスシールである。
幾つかの実施形態では、非接触型のシール装置20は、軸受ハウジング30とロータ軸7との間に配置されたものである。
幾つかの実施形態では、軸受隙間Gbは、タービン1に含まれるシール隙間Gsのうち最小のものよりも小である。
幾つかの実施形態では、ジャーナル7aの軸受径Dは、200mm以上1000mm以下であり、軸受隙間Gbは、外径Dの1/1000以上2.5/1000以下である。そして、シール隙間Gsは、軸受隙間Gbよりも大であり、且つ、0.5mm以上5mm以下である。
幾つかの実施形態では、図2に示したように、少なくとも1つの半円環軸受部42は、キャリアリング32の軸線方向に相互に離間した2つの半円環軸受部42を含む。
幾つかの実施形態では、半円環軸受部42は、鋳造により、キャリアリング32と一体に形成される。
幾つかの実施形態では、半円環軸受部42の本体57は、鋳造により、キャリアリング32と一体に形成され、半円環軸受部42の本体57の内面にベアリング膜58が形成される。
幾つかの実施形態では、ジャーナル軸受装置9は、上記したジャーナル軸受装置10と同じ構成を有する。この構成では、ロータ軸7が軸線方向に離間した2つのジャーナル軸受装置9,10によって支持されるので、何らかの原因でロータ軸7が飛び上がったとしても、シール装置20の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸7が軸方向にて離間した2つの位置で各ジャーナル軸受装置9,10の半円環軸受部42に衝突する。この結果、ロータ軸7の傾動が防止され、シール装置20の構成部品同士が相互に衝突することがより確実に防止される。この結果として、シール装置20の損傷がより確実に防止される。
幾つかの実施形態では、シール装置20は、ロータ軸7の軸線方向にて2つのジャーナル軸受装置9,10の間に位置している。この構成では、何らかの原因でロータ軸7が飛び上がったとしても、シール装置20の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸7がシール装置20の両側にて各ジャーナル軸受装置9,10の半円環軸受部42に衝突する。この結果、シール装置20が取り付けられた位置でのロータ軸7の傾動が防止され、シール装置20の構成部品同士が相互に衝突することがより確実に防止される。この結果として、シール装置20の損傷がより確実に防止される。
幾つかの実施形態では、ジャーナル軸受装置10は、隔壁部40を有していなくてもよい。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。
例えば、タービン1は、蒸気タービンに限定されることはなく、ガスタービンであってもよい。また、ジャーナル軸受装置10は、タービン1以外の回転機械、例えば送風機、圧縮機、ターボチャージャ、発電機等にも適用可能である。
1 タービン
3 発電機
5 ハウジング(車室)
7 ロータ軸
9 ジャーナル軸受装置
10 ジャーナル軸受装置
11 スラスト軸受装置
12 内部流路
14 静翼
15 動翼
17 静止アセンブリ
19 回転アセンブリ
20 シール装置
30 軸受ハウジング
30a 台座
30b カバー
32 キャリアリング
33 キー
34 軸受パッド
34a 内面
34b 外面
38 ノズルヘッド
40 隔壁部
42 半円環軸受部
44 空間
46 サイドプレート
50 軸受面
57 本体
58 ベアリング膜
Gb 軸受隙間
Gs シール隙間
本開示はタービンに関する。
上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、ジャーナル軸受装置がジャーナルを囲む円筒形状の空間の下半領域にしか軸受パッドを有していなくても、シール装置の損傷が防止されるタービンを提供することにある。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、
ハウジングを含む静止アセンブリと、
水平軸の周りにて回転可能なロータ軸を含む回転アセンブリと、
前記ロータ軸を回転可能に支持するジャーナル軸受装置と、
前記静止アセンブリと前記回転アセンブリとの間に配置され、前記静止アセンブリと前記回転アセンブリとの間に、作動流体の流れを制限するための前記ロータ軸の径方向のシール隙間を区画する少なくとも1つのシール装置と、を備え、
前記ジャーナル軸受装置は、
前記静止アセンブリの一部を構成する軸受ハウジングと、
前記軸受ハウジングによって支持されるとともに、円筒形状の空間を存して前記ロータ軸のジャーナルを囲むキャリアリングと、
前記ジャーナルを回転可能に支持するように前記空間の下半領域にそれぞれ配置され、前記ジャーナルの周方向に配列された少なくとも2つの軸受パッドと、
前記キャリアリングに固定された状態で前記空間の上半領域に配置され、前記ジャーナルの外周面の上半領域と前記ロータ軸の径方向の軸受隙間を存して対向する軸受面を有する少なくとも1つの半円環軸受部と、を含み、
前記少なくとも1つの半円環軸受部の軸受面と前記ジャーナルの外周面の上半領域との間の軸受隙間は、前記少なくとも1つのシール装置の前記作動流体の流れを制限するためのシール隙間よりも小である
上記構成(1)のタービンでは、軸受隙間がシール隙間より小である。このため、何らかの原因でロータ軸が飛び上がったとしても、シール装置の構成部品同士が相互に衝突するよりも前に、ロータ軸が半円環軸受部に衝突する。この結果、シール装置の構成部品同士が相互に衝突することが防止され、シール装置の損傷が防止される。
(2)幾つかの実施形態では、上記構成(1)において、
前記軸受面は軸受合金によって構成されている。
上記構成(2)のタービンでは、軸受面が軸受合金によって構成されているので、ロータ軸が飛び上がろうとしたときに、半円環軸受部がロータ軸の上向きの荷重を円滑に支持することができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ジャーナル軸受装置がジャーナルの外周面の下半領域と対向する領域にしか軸受パッドを有していなくても、シール装置の損傷が防止されるタービンが提供される。

Claims (5)

  1. ハウジングを含む静止アセンブリと、
    水平軸の周りにて回転可能なロータ軸を含む回転アセンブリと、
    前記ロータ軸を回転可能に支持するジャーナル軸受装置と、
    前記静止アセンブリと前記回転アセンブリとの間に配置され、前記静止アセンブリと前記回転アセンブリとの間に流体の流れを制限するためのシール隙間を区画する少なくとも1つのシール装置と、を備え、
    前記ジャーナル軸受装置は、
    前記静止アセンブリの一部を構成する軸受ハウジングと、
    前記軸受ハウジングによって支持されるとともに、円筒形状の空間を存して前記ロータ軸のジャーナルを囲むキャリアリングと、
    前記ジャーナルを回転可能に支持するように前記空間の下半領域にそれぞれ配置され、前記ジャーナルの周方向に配列された少なくとも2つの軸受パッドと、
    前記キャリアリングに固定された状態で前記空間の上半領域に配置され、前記ジャーナルの外周面の上半領域と軸受隙間を存して対向する軸受面を有する少なくとも1つの半円環軸受部と、を含み、
    前記少なくとも1つの半円環軸受部の軸受面と前記ジャーナルの外周面の上半領域との間の軸受隙間は、前記少なくとも1つのシール装置のシール隙間よりも小である
    ことを特徴とする回転機械。
  2. 前記軸受面は軸受合金によって構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の回転機械。
  3. 前記シール装置は、前記ロータ軸の外周面と、前記ロータ軸の外周面と対向する前記静止アセンブリの一部との間に設けられる非接触型のシール装置である
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の回転機械。
  4. 前記ロータ軸の軸線方向に相互に離間した2つの前記ジャーナル軸受装置を備える
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の回転機械。
  5. 前記シール装置は、前記ロータ軸の軸線方向にて前記2つのジャーナル軸受装置の間に位置している
    ことを特徴とする請求項4に記載の回転機械。
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