JP2016217443A - ティルティングパッドジャーナル軸受装置及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時においても、軸受パッド荷重によるピボット接触部の弾性変形量を小さくして設計時の予圧を保持し、信頼性を確保すること。【解決手段】本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置は、上記課題を解決するために、回転軸を支承するため周方向に所定の間隔をもって配置された複数の軸受パッドと、該軸受パッドの各々の背面に固定されたピボットと、該ピボットを介して複数の前記軸受パッドを支える軸受ハウジングと、該軸受ハウジングと前記ピボットの間の前記軸受ハウジング側に設けられ、前記ピボットと接触するピボット受けとを備え、前記ピボット受けが、鉄系材料よりもヤング率が高い材料で形成されていること特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明はティルティングパッドジャーナル軸受装置及び遠心圧縮機に係り、例えば、遠心圧縮機等の高速回転する回転軸を支承するものに好適なティルティングパッドジャーナル軸受装置及び遠心圧縮機に関する。

高速回転する回転軸を支承する軸受装置において、軸受平均面圧が低い場合には、ティルティングパッドジャーナル軸受装置が使用される。

このティルティングパッドジャーナル軸受装置は、複数個の軸受パッドと、軸受パッドの各背面に固定されたピボットと、ピボットを介して軸受パッドを支える軸受ハウジングとから構成されており、ピボットとハウジングとの接触点（線、面）を支点として、軸受パッドが遥動できるようになっている。そのため、微小な回転軸の振動による油膜圧力変化に対して、回転軸を振れ回らせるような油膜圧力に起因する不安定振動を抑制することができる。

また、回転軸の振動安定性を向上させるため、ティルティングパッドジャーナル軸受装置は、通常、軸受パッドを軸側に寄せるなどして予圧をかけて使用される。

このようなティルティングパッドジャーナル軸受装置の先行技術文献として、特許文献１及び２に記載されたものがある。

特許文献１には、軸受パッドの背面に取り付けられたピボット接触部の曲率半径を、軸受パッド毎に変更する構造が記載されている。

この特許文献１では、ピボット接触部の曲率半径を変更することで、ピボットと軸受ハウジングの接触部の変形を制御、即ち、剛性を軸受パッド毎に変化させることができ、これにより、荷重方向に対して水平方向のばね係数と垂直方向のばね係数に異方性をもたせて、振動安定性を向上させている。

また、特許文献２には、軸受パッドの背面に穴を設けてあり、その穴に球面突起をもつ軸受ピボットが挿入されている構造が記載されている。

この特許文献２では、軸受ピボットの底にはブロックが設けてあり、このブロックは、荷重方向に対して水平及び垂直方向の平面を有し、それらの各平面にはウェブがねじ止めされ、軸受ピボットに荷重がかかるとウェブがたわむ構造となっているため、ウェブの厚さや材質を変えることでピボットの剛性を変更でき、これにより、荷重方向に対して水平方向のばね係数と垂直方向のばね係数に異方性をもたせて、振動安定性を向上させている。

特開２０１１−２５６７７３号公報 特開昭６１−２４８９１５号公報

ところで、ティルティングパッドジャーナル軸受装置における予圧設計は、振動安定性の他に、予圧による隙間減に伴う油膜温度（結果として軸受パッド温度）上昇の両観点を考慮して行なわれるが、運転時においては、各軸受パッドにかかる荷重により、支点となるピボットと軸受ハウジングの間に接触応力が発生し、接触部が弾性変形してしまう。また、軸受パッド毎に荷重が異なるため、特に最も大きい荷重を受ける鉛直下方向に配置された軸受パッドのピボットと軸受ハウジングの接触変形は大きい。そのため、設計時とは異なる予圧状態で運転されるため、設計時には想定し得なかった振動や温度上昇が生じる可能性がある。

しかしながら、上述した特許文献１に記載されたティルティングパッドジャーナル軸受装置は，曲率半径を大きくして接触面積を大きくすることで、接触変形を小さくすることができるが、接触面積を大きくすることは、接触部を支点とする軸受パッドの揺動を阻害する方向に働くため、曲率半径を大きくするには限度がある。

一方、特許文献２に記載されたティルティングパッドジャーナル軸受装置は、ばね係数の異方性を持たせることを目的としたものであり、変形量を制御するための構造ではない。そのため、最も変形する箇所である軸受パッドに設けられた穴とピボット球面の先端の変形量を小さくすることはできない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、運転時においても、軸受パッド荷重によるピボット接触部の弾性変形量を小さくして設計時の予圧を保持し、信頼性が確保できるティルティングパッドジャーナル軸受装置及び遠心圧縮機を提供することにある。

本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置は、上記目的を達成するために、回転軸を支承するため周方向に所定の間隔をもって配置された複数の軸受パッドと、該軸受パッドの各々の背面に固定されたピボットと、該ピボットを介して複数の前記軸受パッドを支える軸受ハウジングと、該軸受ハウジングと前記ピボットの間の前記軸受ハウジング側に設けられ、前記ピボットと接触するピボット受けとを備え、前記ピボット受けが、鉄系材料よりもヤング率が高い材料（タングステン又はチタン）で形成されていること特徴とする。

また、本発明の遠心圧縮機は、タービンと圧縮機が回転軸を介して連結され、前記回転軸が上記構成のティルティングパッドジャーナル軸受装置で支承されていることを特徴とする。

本発明によれば、運転時においても、軸受パッド荷重によるピボット接触部の弾性変形量を小さくすることが可能なため、設計時の予圧を保持でき、これによりティルティングパッドジャーナル軸受装置の信頼性を確保することができる。

本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例１を示す断面図である。 本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例２を示す断面図である。 本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例１及び２を用いた時の各軸受パッドにおけるピボット接触部の変形量を、従来構造のティルティングパッドジャーナル軸受装置の変形量と比較して示す図である。 本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例３を示す断面図である。 本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例３におけるピボットとピボット受けとの接触部を拡大して示す部分断面図である。 本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置を用いた遠心圧縮機を示す概略構成図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置及び遠心圧縮機を説明する。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。

図１に、本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例１を示す。

該図に示すように、本実施例のティルティングパッドジャーナル軸受装置１は、回転軸２を支承するため周方向に所定の間隔をもって配置された複数の軸受パッド３ａ及び３ｂと、この軸受パッド３ａ及び３ｂの各々の背面に固定された曲率を有するピボット５と、このピボット５を介して複数の軸受パッド３ａ及び３ｂを支える軸受ハウジング４と、この軸受ハウジング４とピボット５の間の軸受ハウジング４側に設けられ、ピボット５と接触するピボット受け６ａとを備えて概略構成され、そして、本実施例では、ピボット受け６ａが、鉄系材料よりもヤング率が高い材料（剛性が鉄系材料よりも高い材料）、例えばタングステン又はチタンで形成されている。

本実施例では、図示した回転軸２の荷重方向（径方向荷重）Ｗに位置する軸受パッドを軸受パッド３ａとし、それ以外の軸受パッドを軸受パッド３ｂとする。また、軸受パッド３ａ及び３ｂの背面には、曲率を有するピボット５が取り付けられているが、各ピボット５は、軸受ハウジング４に固定されたピボット受け６ａと点、線又は面接触しており、各軸受パッド３ａ及び３ｂは、ピボット５、ピボット受け６ａを介して軸受ハウジング４により支えられている。

このように構成される本実施例のティルティングパッドジャーナル軸受装置１は、図示しない給油口からの潤滑油が供給されることにより、回転軸２と軸受パッド３ａ及び３ｂの隙間には、潤滑油が満たされる。回転軸２が回転すると、回転軸２と各軸受パッド３ａ及び３ｂの間に潤滑油が引き込まれ、油膜が形成される。この油膜中に発生する圧力により、回転軸２の径方向荷重を支持するため、回転軸２は、軸受パッド３ａ及び３ｂと接触することなく回転可能となる。発生する油膜圧力は、軸受パッド３ａが最も大きく、その他の軸受パッド３ｂはそれに比べて小さい。これらの油膜は、ばね・減衰作用を有するため、振動安定性に影響を及ぼす。ばね・減衰作用を高めるため、軸受パッド３ａ及び３ｂは、回転軸２に向かって予圧がかけられている。

ところで、運転時には軸受パッド３ａ及び３ｂにかかる荷重により、ピボット５とピボット受け６ａの接触部が変形する。この変形量が大きい場合、設計時に対して予圧が変化するため運転時の軸受の特性を十分に予測できない。

上記の課題を解決するためには、ピボット５とピボット受け６ａの接触部の剛性を高める必要がある。これは、ピボット５の曲率半径を大きくして接触面積を大きくする方法、又は剛性の高い材料を用いることで実現できる。

しかし、前者は接触面積が大きいため、ピボット５とピボット受け６ａの接触部を支点とする軸受パッド３ａ及び３ｂの揺動を阻害する方向に働く。そのため、曲率半径を大きくするには制限がある。一方、本実施例では、ピボット受け６ａの材料の剛性を鉄系材料の剛性よりも高くしている（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン又はチタンで形成されている）ため、ピボット５とピボット受け６ａの接触部の変形量及び接触面積を従来構造より小さくすることができる。

図３に、ピボット受け６ａの材料として、鉄系材料を用いた場合（従来）と、剛性が鉄系材料よりも高い材料（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン、チタン）を用いた場合の変形量を比較したものを示す。

該図に示す如く、鉄系材料を用いた場合（従来）に比較し、剛性が鉄系材料よりも高い材料（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン、チタン）を用いて材料の剛性を高めること（実施例１及び後述する実施例２）で、各ピボット５、ピボット受け６ａの接触部の変形量を小さくでき、特に、軸受パッド３ａにおいて、その効果は高いことが分かる。

このような本実施例の構成とすることにより、運転時においても、軸受パッドに掛る荷重によるピボット接触部の弾性変形量を小さくすることが可能なため、設計時の予圧を保持でき、これによりティルティングパッドジャーナル軸受装置の信頼性を確保することができる。

図２に、本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例２を示す。

該図に示す本実施例が、実施例１と異なるところは、鉄系材料よりも高い剛性材料（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン又はチタン）を用いたピボット受け６ａが、軸受パッド３ａのピボット５との接触部のみに用いられていることである。

即ち、鉄系材料よりも高い剛性材料（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン又はチタン）で形成されているピボット受け６ａは、複数の軸受パッド３ａ及び３ｂの各々の背面に固定されたピボット５と接触するピボット受け６ａ及び６ｂのうち、回転軸２の径方向荷重が最も大きくなる位置にあるピボット受け６ａのみとしたものである。

図３に示すように、回転軸２の荷重方向（径方向荷重）Ｗに位置する軸受パッド３ａの接触部の変形量が従来に比べて小さいため、軸受パッド３ａを支持する接触部のみ剛性を高めるだけで、効果を十分得ることができることが分かる。

このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、鉄系材料よりも高い剛性材料（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン又はチタン）で形成されているピボット受けが１箇所で済み、材料コストを低減することができる。

図４及び図５に、本発明のティルティングパッドジャーナル軸受装置の実施例３を示す。

該図に示す本実施例が、実施例１及び２と異なるところは、鉄系材料よりも高い剛性材料（鉄系材料よりもヤング率が高い材料、例えばタングステン又はチタン）を用いたピボット受け６ａが、軸受ハウジング４に設けた穴（凹み）７に挿入されていることである。

即ち、複数の軸受パッド３ａ及び３ｂの各々の背面に固定されたピボット５と対向する位置の軸受ハウジング４に穴（凹み）７を設け、この穴（凹み）７にピボット受け６ａが挿入されている。

このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、ピボット受け６ａが軸受ハウジング４の穴（凹み）７に挿入されているため、実施例１及び２と比較して、その穴（凹み）７の分、軸受ハウジング４の外径寸法（径方向寸法）を小さくすることができ、コスト低減をはかることができる。また、ピボット受け６ａが回転軸２の荷重方向（径方向荷重）Ｗを受けて周方向に変形しようとした場合、図５に示すように、その変形を抑制するための周方向の圧縮応力８が発生する。これより、接触部の変形を抑制する効果を高めることができる。

図６に、上述したティルティングパッドジャーナル軸受装置を用いた遠心圧縮機の例を示す。

該図に示すように、本実施例の遠心圧縮機は、タービン１０と圧縮機９が回転軸２を介して連結され、回転軸２が実施例１乃至３で説明したいずれかのティルティングパッドジャーナル軸受装置１で支承されて構成される。

このように、ティルティングパッドジャーナル軸受装置１を用いることで、遠心圧縮機の信頼性が向上する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ティルティングパッドジャーナル軸受装置、２…回転軸、３ａ、３ｂ…軸受パッド、４…軸受ハウジング、５…ピボット、６ａ…ピボット受け（鉄系材料よりもヤング率が高い材料）、６ｂ…ピボット受け（鉄系材料）、７…穴（凹み）、８…圧縮応力、９…圧縮機、１０…タービン。

Claims (6)

1. 回転軸を支承するため周方向に所定の間隔をもって配置された複数の軸受パッドと、該軸受パッドの各々の背面に固定されたピボットと、該ピボットを介して複数の前記軸受パッドを支える軸受ハウジングと、該軸受ハウジングと前記ピボットの間の前記軸受ハウジング側に設けられ、前記ピボットと接触するピボット受けとを備え、
   前記ピボット受けが、鉄系材料よりもヤング率が高い材料で形成されていること特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
2. 請求項１記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置において、
   鉄系材料よりもヤング率が高い材料で形成されている前記ピボット受けは、複数の前記軸受パッドの各々の背面に固定されたピボットと接触するピボット受けのうち、前記回転軸の径方向荷重が最も大きくなる位置にある前記ピボット受けのみであることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
3. 請求項１又は２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置において、
   複数の前記軸受パッドの各々の背面に固定されたピボットと対向する位置の前記軸受ハウジングに凹みを設け、該凹みに前記ピボット受けが挿入されていることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
4. 請求項３に記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置において、
   前記凹みは、穴であることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置において、
   前記ピボット受けを形成する鉄系材料よりもヤング率が高い材料は、タングステン又はチタンであることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受装置。
6. タービンと圧縮機が前記回転軸を介して連結され、前記回転軸が請求項１乃至５のいずれか１項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受装置で支承されていることを特徴とする遠心圧縮機。

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