JP2018096479A - ティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受、並びに圧縮機 - Google Patents

ティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受、並びに圧縮機 Download PDF

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Abstract

【課題】ティルティングパッドに局所的な変形が生じることを防止／抑止することができ、従来よりも軸受性能（負荷能力）を向上させることを可能にするティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受、並びにこのティルティングパッドジャーナル軸受を備えた圧縮機を提供する。【解決手段】ティルティングパッド２の凸曲面状の外周面２ａに、該外周面２ａから内周面２ｂ側に向けて凹み、内径がピボット１の先端部１ａの外径よりも小径のピボット嵌合孔３を形成し、ピボット嵌合孔３にピボット１の先端部１ａをしまり嵌めで固着するように嵌合させ、しまり嵌めとともにティルティングパッド２の凹曲面状の内周面２ｂに凹部を形成する。【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の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受、並びにこのティルティングパッドジャーナル軸受を備えた圧縮機に関する。
従来、高速での振動安定性が高いなどの多くの利点を有することから、例えばターボ圧縮機などの高速回転機械の軸受としてティルティングパッドジャーナル軸受（ティルティ ングパッド軸受）が多用されている。
この種のティルティングパッドジャーナル軸受は、例えば、略円筒状に形成され、その内部に互いの軸線を同軸上に配して回転軸を挿通して配設される軸受ハウジングと、軸受ハウジングに一体に取り付けられる複数のピボットと、複数のピボットの先端部にそれぞれ固着して支持され、軸受ハウジング内で回転軸を囲繞するように略リング状に配設される複数のティルティングパッドとを備えて構成されている。
そして、このようなティルティングパッドジャーナル軸受は、軸受ハウジングの内部に油や水などの潤滑剤を供給するとともに各ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に潤滑剤を供給することにより、軸線周りに回転する回転軸を軸支することができる。また、リング状に並んでラジアル荷重を受ける各ティルティングパッドがピボットを支点にして僅かに傾動可能に支持されていることにより、各ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間にくさび状の潤滑膜（くさび状の油膜など）が形成され、その潤滑膜の流体膜圧でラジアル荷重が好適に支えられ、高速回転する回転軸を軸支することができる。
また、油や水ではなく気体を使い、各ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させることにより、すなわち、各ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜（潤滑膜）を形成することにより、高速回転する回転軸を軸支するように構成した動圧気体軸受もある。
この動圧気体軸受においては、各ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜が形成されることにより、高速回転する回転軸を非接触状態で軸支することができる（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
特開平３−１２１３０６号公報 特開平７−３１７７５２号公報 特開平８−４２５６０号公報
しかしながら、上記従来のティルティングパッドジャーナル軸受、特に動圧気体軸受においては、ティルティングパッドの中央部（内周面の中央側部分）に高い圧力、高い温度の潤滑膜が発生することでティルティングパッドに局所的な変形が生じ、軸受性能（負荷能力）が低下する場合があった。
本発明のティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法は、筒状に形成され、内部に回転軸を挿通して配設される軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングに一体に取り付けられる複数のピボットと、それぞれ円弧盤状に形成されるとともに前記ピボットの先端部に固着して支持され、前記軸受ハウジング内で前記回転軸を囲繞するように略リング状に配設される複数のティルティングパッドとを備えてなるティルティングパッドジャーナル軸受を製造する方法であって、前記ティルティングパッドの凸曲面状の外周面に、該外周面から内周面側に向けて凹み、内径が前記ピボットの先端部の外径よりも小径のピボット嵌合孔を形成し、前記ピボット嵌合孔に前記ピボットの先端部をしまり嵌めで固着するように嵌合させ、前記しまり嵌めとともに前記ティルティングパッドの凹曲面状の内周面に凹部を形成するようにした。
本発明のティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法においては、前記ティルティングパッドジャーナル軸受が、前記ティルティングパッドの内周面と前記回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させ、前記ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜を形成することにより前記回転軸を非接触状態で軸支する動圧気体軸受であることが望ましい。
本発明のティルティングパッドジャーナル軸受は、筒状に形成され、内部に回転軸を挿通して配設される軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングに一体に取り付けられる複数のピボットと、それぞれ円弧盤状に形成されるとともに前記ピボットの先端部に固着して支持され、前記軸受ハウジング内で前記回転軸を囲繞するように略リング状に配設される複数のティルティングパッドとを備えるティルティングパッドジャーナル軸受であって、前記ティルティングパッドの凹曲面状の内周面に、前記ピボットの軸線の延長線を略中心とした凹部が設けられている。
ここで、本発明における「前記ピボットの軸線の延長線を略中心とした凹部」の「略中心」は厳密にピボットの軸線の延長線が凹部の中心線と同軸上に配されていなくてもよく、製造等に係る誤差を許容することを意味する。
本発明のティルティングパッドジャーナル軸受においては、前記ティルティングパッドの内周面と前記回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させ、前記ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜を形成することにより前記回転軸を非接触状態で軸支する動圧気体軸受であることが望ましい。
本発明の圧縮機は、上記のいずれかのティルティングパッドジャーナル軸受を備え、前記回転軸の軸線周りの回転に応じて流体を圧縮するように構成されている。
本発明のティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法においては、ティルティングパッドの凸曲面状の外周面に、内径がピボットの先端部の外径よりも小径のピボット嵌合孔を形成し、ピボット嵌合孔にピボットの先端部をしまり嵌め（例えば、焼き嵌め、冷やし嵌め、圧入など）で嵌合させて固着すると、このしまり嵌めを行うと同時に、ティルティングパッドの凹曲面状の内周面に凹部を形成することができる。
そして、本発明のティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受においては、ティルティングパッドの凹曲面状の内周面に凹部が凹設されることにより、この凹部への油や気体などの潤滑剤の流れ、凹部周辺の潤滑剤の流れを発生／誘発させ、ティルティングパッドの中央部（中央部分）の局所的な温度上昇や潤滑膜の局所的な圧力上昇を抑制することが可能になる。
これにより、本発明のティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受によれば、ティルティングパッドに局所的な変形が生じることを防止／抑止することができ、従来よりも軸受性能（負荷能力）を向上させることが可能になる。
本発明の圧縮機においては、本発明のティルティングパッドジャーナル軸受を備えることにより、上記のティルティングパッドジャーナル軸受による作用効果を得ることができる。
本発明の一実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受のピボット、ティルティングパッドを示す斜視図である。 （ａ）が実際のティルティングパッドの内周面（凹部）の２Ｄ形状計測結果（ピボット位置の軸方向）を示す図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受のティルティングパッドの内周面（凹部）の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受のピボットを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法において、ティルティングパッドの内周面に樹脂材を圧接する工程を示す図である。
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受、並びに圧縮機について説明する。
ここで、本実施形態では、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受が、油や水ではなく気体を潤滑剤として使い、各ティルティングパッド（軸受パッド）の内周面と回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させることにより、すなわち、各ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜（潤滑膜）を形成することにより、高速回転する回転軸を軸支するように構成した動圧気体軸受であるものとして説明を行う。
本実施形態の圧縮機は、例えばターボ圧縮機などであり、回転軸を軸線周りに高速回転させ、この回転軸の回転を利用して流体を圧縮するように構成されている。例えば、回転軸によって羽根車を回転させ、回転する羽根車による遠心力で気体を圧縮するように構成されている。
この圧縮機には、回転軸を軸支する手段としてティルティングパッドジャーナル軸受が具備されている。
本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受Ａは、図１に示すように、略円筒状に形成され、その内部に互いの軸線を同軸上に配して回転軸を挿通して配設される軸受ハウジング（不図示）と、軸受ハウジングに一体に取り付けられる複数のピボット１と、それぞれ円弧盤に形成されるとともにピボット１の先端部１ａに固着して支持され、軸受ハウジング内で回転軸を囲繞するように略リング状に配設される複数のティルティングパッド２とを備えて構成されている。
本実施形態のティルティングパッド２は、外周面２ａから内周面２ｂ側に向けて凹み、内径が略円柱状に形成されたピボット１の先端部１ａの外径よりも小径のピボット嵌合孔３が形成されている。そして、各ティルティングパッド２は、ピボット嵌合孔３にピボット１の先端部１ａを、例えば、焼き嵌め、冷やし嵌め、圧入などして「しまり嵌め」で固着して嵌合させることにより、ピボット１に一体に固着して支持されている。
また、図２に示すように、各ティルティングパッド２は、その凹曲面状の内周面２ｂに、ピボット１の軸線Ｏ１の延長線を略中心として略凹曲面４ａを有する凹部４が設けられている。
なお、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、本実施形態のピボット１は、略円柱状に形成されるとともに、後端部１ｂ側から先端部１ａ（先端面）に貫通する圧縮気体供給路５が形成されている。この圧縮気体供給路５は、回転軸を回転起動させる際に、これに先行して各ティルティングパッド２の内周面２ｂと回転軸の外周面の間に圧縮気体を供給し、これらティルティングパッド２の内周面２ｂと回転軸の外周面の間に気体膜を形成してティルティングパッド２と回転軸を非接触状態にするためのものである。
一方、上記構成からなる本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受Ａを製造する際には（本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受Ａの製造方法においては）、まず、図１、図４及び図５に示すように、金属素材を機械加工して、ティルティングパッド２（本実施形態ではバックメタル部２ｃ）を粗加工する。
次に、粗加工によって所定の曲率の凹円弧面状に成形したティルティングパッド２のバックメタル部２ｃの内周面２ｄにＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）などの樹脂材６を貼り付けて積層配置するとともに、樹脂材６を金型７で圧接し、ティルティングパッド２の内周面部に一体化させる。
次に、図１、図４及び図５に示すように、ティルティングパッド２のバックメタル部２ｃを機械加工して、所定の曲率の凸円弧面状の外周面２ａを成形し、この外周面２ａの所定位置に、略円柱状のピボット１の先端部１ａの外径よりもその内径が僅かに小径となるようにピボット嵌合孔３を穿設する。例えば、本実施形態では、ピボット１の外径より１００μｍ程度小径となるようにピボット嵌合孔３を形成する。さらに、所定形状の円弧盤状に成形したティルティングパッド２（２ｃ）を仕上げ加工する。
次に、略円柱状に形成されたピボット１の先端部１ａを、ティルティングパッド２のピボット嵌合孔３に焼き嵌め、冷やし嵌め、圧入などして「しまり嵌め」で固着して嵌合させ、ピボット１を一体に取り付ける。
このとき、ピボット１の先端部１ａの外径よりもその内径が僅かに小径となるように形成されたピボット嵌合孔３にピボット１の先端部１ａを「しまり嵌め」で嵌合し固着することにより、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、この「しまり嵌め」を行うと同時に、自動的にティルティングパッド２の凹曲面状の内周面２ｂに凹部４を形成することができる。すなわち、「しまり嵌め」を行うと、必然的にティルティングパッド２の凹曲面状の内周面２ｂに内側に引き込まれる力が生じ、この力によって凹部４が自動的に形成される。
例えば、先端部１ａの外径が５０ｍｍのピボット１を、このピボット１の先端部１ａの外径よりも１００μｍ程度小径のピボット嵌合孔３に「しまり嵌め」すると、ピボット１の軸線Ｏ１の延長線を略中心とし、最大深さｈ＝１５μｍ程度、内径ｔ＝１００ｍｍ程度の凹曲面４ａを有する凹部４が自動的に形成される。
そして、本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受Ａ（ティルティングパッドジャーナル軸受Ａの製造方法及び圧縮機）においては、ティルティングパッド２の凹曲面状の内周面２ｂに凹部４が凹設されることにより、この凹部４への潤滑剤としての気体の流れ、凹部４の周辺の潤滑剤の流れを発生／誘発させ、ティルティングパッド２の中央部（中央部分側）の局所的な温度上昇や潤滑膜の局所的な圧力上昇を抑制することが可能になる。
これにより、ティルティングパッド２に局所的な変形が生じることを防止／抑止することができ、従来よりも軸受性能（負荷能力）を向上させることが可能になる。
以上、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法及びティルティングパッドジャーナル軸受、並びに圧縮機の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受Ａがターボ圧縮機などの圧縮機に具備されているものとしたが、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受Ａは、ラジアル荷重を好適に支え、軸線周りに回転する回転軸を軸支するためのあらゆる軸受に適用可能である。
また、本発明の圧縮機は、ティルティングパッドジャーナル軸受Ａを備え、回転軸の軸線周りの回転に応じて流体を圧縮するように構成されていればよく、例えば、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機など、ターボ圧縮機以外の圧縮機であってもよい。
さらに、本実施形態では、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受Ａが、油や水ではなく気体を潤滑剤として使い、各ティルティングパッド２の内周面２ｂと回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させることにより、高速回転する回転軸を軸支するように構成した動圧気体軸受であるものとして説明を行った。
これに対し、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受Ａは、気体以外の油や水などの潤滑剤を用い、回転軸を軸支するように構成されていてもよい。そして、この場合においても、勿論、本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
１ ピボット
１ａ 先端部
１ｂ 後端部
２ ティルティングパッド（軸受パッド）
２ａ 外周面
２ｂ 内周面
２ｃ バックメタル部
２ｄ バックメタル部の内周面
３ ピボット嵌合孔
４ 凹部
４ａ 凹曲面
５ 圧縮気体供給路
６ 樹脂材
７ 金型
Ｏ１ ピボットの軸線

Claims (5)

  1. 筒状に形成され、内部に回転軸を挿通して配設される軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングに一体に取り付けられる複数のピボットと、それぞれ円弧盤状に形成されるとともに前記ピボットの先端部に固着して支持され、前記軸受ハウジング内で前記回転軸を囲繞するように略リング状に配設される複数のティルティングパッドとを備えてなるティルティングパッドジャーナル軸受を製造する方法であって、
    前記ティルティングパッドの凸曲面状の外周面に、該外周面から内周面側に向けて凹み、内径が前記ピボットの先端部の外径よりも小径のピボット嵌合孔を形成し、
    前記ピボット嵌合孔に前記ピボットの先端部をしまり嵌めで固着するように嵌合させ、前記しまり嵌めとともに前記ティルティングパッドの凹曲面状の内周面に凹部を形成するようにしたティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法。
  2. 前記ティルティングパッドジャーナル軸受が、前記ティルティングパッドの内周面と前記回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させ、前記ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜を形成することにより前記回転軸を非接触状態で軸支する動圧気体軸受である請求項１記載のティルティングパッドジャーナル軸受の製造方法。
  3. 筒状に形成され、内部に回転軸を挿通して配設される軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングに一体に取り付けられる複数のピボットと、それぞれ円弧盤状に形成されるとともに前記ピボットの先端部に固着して支持され、前記軸受ハウジング内で前記回転軸を囲繞するように略リング状に配設される複数のティルティングパッドとを備えるティルティングパッドジャーナル軸受であって、
    前記ティルティングパッドの凹曲面状の内周面に、前記ピボットの軸線の延長線を略中心とした凹部が設けられているティルティングパッドジャーナル軸受。
  4. 前記ティルティングパッドの内周面と前記回転軸の外周面の間で気体を圧縮し動圧を発生させ、前記ティルティングパッドの内周面と回転軸の外周面の間に気体膜を形成することにより前記回転軸を非接触状態で軸支する動圧気体軸受である請求項３記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  5. 請求項３または請求項４に記載のティルティングパッドジャーナル軸受を備え、前記回転軸の軸線周りの回転に応じて流体を圧縮するように構成されている圧縮機。
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