JP2019056429A - ティルティングパッドジャーナル軸受及びこれを用いた遠心圧縮機 - Google Patents

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【課題】構造が単純で、加工が容易であり、かつ、軸受パッドを効果的に冷却し、高周速条件下においても軸受温度を低く維持することができる、信頼性の高いティルティングパッドジャーナル軸受を提供する。【解決手段】回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、回転軸との間隙を有する状態でハウジングの軸方向端部に設けられるシール部と、を備えたティルティングパッドジャーナル軸受であって、パッドは、凹部を有し、ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が凹部に対向するように配置され、給油孔は、凹部に向かって潤滑油を供給するように配置されている。【選択図】図2

Description

本発明は、ティルティングパッドジャーナル軸受及びこれを用いた遠心圧縮機に関する。
遠心圧縮機のような高速回転機械においては、例えば、非特許文献1に示されるようなティルティングパッドジャーナル軸受が使用される。このティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸の外周側に配置され揺動可能に設けられた複数のパッドを有している。そして、複数パッドの内周面との間(摺動部)に油膜を形成することにより、回転軸とパッドとの接触を防止しつつ、回転軸の径方向荷重を負担するようになっている。
このようなティルティングパッドジャーナル軸受においては、油膜においてせん断発熱により油膜温度が上昇する。特に、遠心圧縮機など高速回転の機械においては、軸表面の速度(以下「周速」という。)が高く、温度上昇も大きいため、軸受の損傷を引き起こす可能性がある。これを回避するため、パッドを冷却する流路をパッド内に設けた構造を有するものなどがある(例えば特許文献1)。
特開2016−109269号公報
(社)日本トライボロジー学会編、トライボロジーハンドブック、養賢堂(2001)、p53−57
特許文献1に記載のティルティングパッド軸受のように、冷却のためにパッド内に流路を設けた構造は、加工が困難であるという課題があった。
本発明の目的は、構造が単純で、加工が容易であり、かつ、軸受パッドを効果的に冷却し、高周速条件下においても軸受温度を低く維持することができる、信頼性の高いティルティングパッドジャーナル軸受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は、回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、回転軸との間隙を有する状態でハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、パッドは、凹部を有し、ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が凹部に対向するように配置され、給油孔は、凹部に向かって潤滑油を供給するように配置されている。
本発明によれば、周速が高く油膜での発熱が多い条件においても、軸受温度を低く保つことができる、信頼性の高いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することができる。
本発明のティルティングパッドジャーナル軸受を示す概略断面図である。 実施例1のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。 図2の軸受パッド2a及び凸部3を示す分解斜視図である。 図2の変形例を示す部分断面図である。 実施例2のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。 図5の軸受パッド2a及び凸部3を示す分解斜視図である。 実施例3のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。 図7の軸受パッド2a及び凸部3を示す分解斜視図である。 凸部の上面部に縁部を設けた例を示す上面図である。 凸部の上面部に縁部を設けた例を示す上面図である。 凸部の上面部に縁部を設けた例を示す上面図である。
以下、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受の実施形態について説明する。
(1)前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、回転軸との間隙を有する状態でハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、パッドは、凹部を有し、ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が凹部に対向するように配置され、給油孔は、凹部に向かって潤滑油を供給するように配置されている。
このような構成により、給油孔から供給される潤滑油は、相対するパッドの凹部(外周面の一部)に向かって噴出する。この流れにより、パッドの外周面を効果的に冷却することができる。そして、高周速条件下においても、軸受温度を低くすることができる。
(2)前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、凹部及び凸部の少なくとも一方には、縁部が設けられ、縁部は、凹部と凸部との間隙における潤滑油の主流が回転軸の回転方向となるように、流路抵抗として機能するものであることが望ましい。
(3)前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、縁部は、凹部及び凸部の少なくとも一方における回転軸の回転方向の上流部に設けられていることが望ましい。
(4)前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、縁部は、凹部及び凸部の少なくとも一方における回転軸の中心線方向の端部に設けられていることが望ましい。
(5)前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、パッドの摺動面は、凹部による切り欠き部を有することが望ましい。
(6)前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、凸部の下流側端部は、パッドの下流側端部よりも下流側に張り出していることが望ましい。
(7)前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、給油孔の中心軸は、凹部の対向面に略垂直に交わるように構成されていることが望ましい。
(8)前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、遠心圧縮機に適用することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る実施例について説明する。
図1は、ティルティングパッドジャーナル軸受の全体構造を示したものである。
本図に示すように、ティルティングパッドジャーナル軸受100は、回転軸1の周り(外周側)に5個の軸受パッド2a、2b、2c、2d、2e(複数の軸受パッド)を配置した構成を有する。各軸受パッド2a、2b、2c、2d、2eの背面部には、曲率を有するピボット4が取り付けられている。各ピボット4は、軸受ハウジング5(単に「ハウジング」ともいう。)と点、線又は面で接触している。これにより、各軸受パッド2a、2b、2c、2d、2eは、ピボット4を介して軸受ハウジング5により支えられている。なお、ピボット4は、軸受ハウジング5の内壁部に設け、軸受パッド2a、2b、2c、2d、2eを点、線又は面で支える構造としてもよい。なお、軸受パッドは、単に「パッド」ともいう。
軸受ハウジング5には、油槽110から主給油管130を通って流れてくる潤滑油を、軸受ハウジング5の周方向に沿って流すためのハウジング外周溝50が設けられている。主給油管130には、ポンプ120が設けてあり、油槽110から軸受ハウジング5に潤滑油を送るようになっている。
各軸受パッド2a、2b、2c、2d、2eには、凹部7が設けられている。そして、この凹部7に対向する軸受ハウジング5の内壁部には、凸部3が設けられている。軸受ハウジング5には、ハウジング外周溝50から軸受パッド2a、2b、2c、2d、2eの背面部に潤滑油を分配するための給油孔8が設けられている。そして、給油孔8は、凸部3も貫通している。凸部3と各軸受パッド2a、2b、2c、2d、2eとの間には、それぞれ、空間10が設けられている。
図2は、図1のティルティングパッドジャーナル軸受を部分的に拡大して示したものである。
図2において、ティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸1と軸受ハウジング5との間(回転軸1の外周側)に配置された複数の軸受パッド2a、2bを有する。軸受パッド2a、2bに付設されたピボット4は、軸受ハウジング5の内壁部に接している。これにより、軸受パッド2a、2bが揺動可能となっている。軸受ハウジング5の軸方向端部には、シール部(図示していない。)が設けられている。そして、シール部の内周面は、回転軸1との間隙を有する状態となっている。軸受パッド2aは、凹部7を有している。凹部7は、軸受パッド2aの一部を切り欠いた形状を有する。
一方、軸受ハウジング5の内壁部には、凸部3が設けられている。凸部3は、給油孔8を有している。凹部7の一部と凸部3の一部である対向面13とは、略平行に対向している。言い換えると、凹部7の一部と凸部3の一部である対向面13との間隙は、軸受パッド2aの揺動により変動するが、どの部分においてもほぼ等しい距離となっている。凹部7のピボット4側には、縁部17が設けられている。縁部17と凸部3の側面部との間には、狭隘部が形成されている。この狭隘部は、凹部7と対向面13との距離よりも狭くなっている。
図3は、図2の軸受パッド2a及び凸部3を示す分解斜視図である。
図3に示すように、軸受パッド2aの凹部7は、回転軸1の中心線方向の両端部に縁部27を有している。凸部3は、2つの縁部27の間に挟まれる形で、凹部7に挿入される。縁部27と凸部3との間にも、狭隘部が形成される。
図2において、回転軸1は、矢印Rで示す回転方向に回転する。
回転軸1と、軸受ハウジング5と、回転軸1と間隙を保ちながら軸受ハウジング5の軸方向端部の内周面に設けられるシール(図示せず)と、がなすパッド収納空間内には、潤滑油が満たされている。パッド収納空間に供給される潤滑油は、軸受ハウジング5の外周側に形成された環状の給油流路(図1のハウジング外周溝50)と、凸部3の内部に設けられた給油孔8とを介して、凹部7に向かって噴出するようになっている。供給された潤滑油は、上記の狭隘部が流路抵抗となるため、矢印Yの方向に流れる。
回転軸1は、回転軸1と軸受パッド2aの内周面との間にある潤滑油(油膜)の圧力によって持ち上げられ、軸受パッド2aに直接接触することなく支持されるようになっている。回転軸1の矢印Rの方向への回転に伴い、回転軸1と軸受パッド2aの内周面との間にある潤滑油は、矢印Xの方向に流れる。また、回転軸1の回転に伴い、油膜の内部には、せん断応力が生じ、その結果、発熱する(せん断発熱)。凸部3と各軸受パッド2bとの間に形成された空間10にある潤滑油は、回転軸1の運動により、矢印Zで示すような渦状の流れが誘起される。
なお、図2に示すように、潤滑油が狭隘部に向かう際には、流れが屈曲することになる。言い換えると、狭隘部の上流側には、屈曲部が形成されている。したがって、この屈曲部も、潤滑油の流路抵抗となる。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
図2に示す構成においては、冷却媒体である潤滑油は、矢印Yに示すように、給油孔8を介して、凹部7に向かって噴出し、凹部7に衝突する。これにより、軸受パッド2aが冷却される。潤滑油は、衝突噴流となるため、熱伝達率が高く、効果的な冷却が可能となる。
さらに、軸受パッド2aの凹部7と対向面13との間隙の周囲三方(上流部及び側方部)には、屈曲部(狭隘部)が設けられている。このため、パッド収納空間に滞留している高温度の潤滑油は、当該間隙に混入しにくい状態となっている。よって、給油孔8から噴出する潤滑油は、外部の給油装置(図1参照)から吐出された際の温度からそれほど上昇することなく、低温度のまま軸受パッド2aの凹部7を冷却することができる。これにより、周速の高い条件においても軸受温度を低く保つことができ、信頼性の高い軸受を提供することができる。また、この軸受を遠心圧縮機に適用すると、回転速度を増加することができるため、高圧の遠心圧縮機を実現することができる。
図4は、図2の変形例を示したものである。
図4において図2と異なる点は、凸部3の給油孔8の中心軸(一点鎖線)が凹部7の対向面に略垂直に交わるように構成されている点である。これにより、潤滑油の衝突噴流の熱伝達率が更に高くなる。これにより、軸受パッド2aの冷却が促進される。ここで、「略垂直」は、回転軸1が回転している状態で、揺動する軸受パッド2aがほぼ安定する位置を基準として定めるものである。
本実施例については、図5及び図6により説明する。なお、本実施例において、上記実施例1と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図5は、実施例2のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。
図6は、図5の軸受パッド2a及び凸部3を示す分解斜視図である。
図5において図2と異なる点は、軸受パッド2aの凹部7が軸受パッド2aの摺動面9に及んでいる点である。
図6に示すように、摺動面9の一部が切り欠かれた形状となっている。言い換えると、軸受パッド2aの凹部7と、軸受パッド2aが回転軸1と相対する摺動面9とは交差している。ここで、摺動面9の切り欠かれた部分は、凹部7による「切り欠き部」である。
図5においては、図2の場合よりも、回転軸1と軸受パッド2aの内周面との間にある油膜から流出する高温度の潤滑油(矢印X)が、給油される低温度の潤滑油(矢印Y)と混合され易くなる。これにより、下流側の軸受パッド2bの油膜入口温度を低減させる効果がある。
このように、油膜入口温度を低減させることによっても、軸受パッド2aの油膜温度を低減することが可能となり、周速の高い条件においても軸受温度を低く保つことができ、信頼性の高い軸受を提供することができる。また、この軸受を遠心圧縮機に適用すると、回転速度を増加することができるため、高圧の遠心圧縮機を実現することができる。
本実施例については、図7及び図8により説明する。なお、本実施例において、上記実施例1と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図7は、実施例3のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。
図8は、図7の軸受パッド2a及び凸部3を示す分解斜視図である。
図7において図2と異なる点は、凸部3の下流側端部(図中右端部)が軸受パッド2aの下流側端部(図中右端部)よりも右方に張り出し、空間10の幅が狭くなっている点である。言い換えると、凸部3(給油手段)の後端部は、軸受パッド2aの後端部よりも下流側に延伸している。
図8に示すように、軸受パッド2aの形状は、図3に示すものと同じである。一方、凸部3においては、対向面13が図3に示すものと同様の形状を有するとともに、最も高い部分が平面部となっている。
図7に示すように、凸部3の張り出しにより、空間10の幅が狭くなっているため、凸部3と軸受パッド2bとの間に発生する渦状の流れ(矢印Z)は小さくなる。よって、この渦状の流れを誘起するために必要なエネルギーに相当する損失を低減することが可能となる。したがって、この軸受を適用する回転機械の効率を向上させることができる。
以上のように、周速の高い条件においても軸受温度を低く保つことができ、信頼性の高い軸受を提供することができる。また、この軸受を遠心圧縮機に適用すると、回転速度を増加することができるため、高圧を発生する遠心圧縮機を実現することができる。
なお、実施例1〜3においては、軸受パッド2aの縁部17と凸部3の側面部との間に狭隘部が形成された構成について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、縁部17と対向面13との間に狭隘部が形成された構成を有するものであってもよい。言い換えると、縁部17が対向面13の上方に配置された構成であってもよい。
以下、凸部3の上面部(対向面13)に縁部(凸部)を設けた変形例について図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、図中の左側は、回転軸の回転によって生じる潤滑油の流れの上流側である。
図9は、上流側に縁部を設けた例を示したものである。
本図においては、凸部3の対向面13(上面部)の上流側に縁部23が設けられている。これにより、対向する軸受パッドの凹部(例えば図8における凹部7)と縁部23との間に狭隘部が形成される。
図10は、潤滑油の流れに平行する縁部を設けた例を示したものである。
本図においては、凸部3の対向面13(上面部)において回転軸の中心線方向の両端部に縁部23が設けられている。これにより、対向する軸受パッドの凹部(例えば図8における凹部7)と縁部23との間に狭隘部が形成される。
図11は、下流側を除く3つの端部に縁部を設けた例を示したものである。
本図においては、凸部3の対向面13(上面部)の上流側、及び回転軸の中心線方向の両端部にコの字状に縁部23が設けられている。これにより、対向する軸受パッドの凹部(例えば図8における凹部7)と縁部23との間に狭隘部が形成される。
1:回転軸、2a、2b、2c、2d、2e:軸受パッド、3:凸部、4:ピボット、5:軸受ハウジング、7:凹部、8:給油孔、9:摺動面、10:空間、13:対向面、17、23、27:縁部、50:ハウジング外周溝、100:ティルティングパッドジャーナル軸受、110:油槽、120:ポンプ、130:主給油管、X:油膜から流出する潤滑油の流れ、Y:給油孔から流出する潤滑油の流れ、Z:パッド間の渦状の流れ。

Claims (8)

  1. 回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、
    前記パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、
    前記回転軸との間隙を有する状態で前記ハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、
    前記パッドは、凹部を有し、
    前記ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が前記凹部に対向するように配置され、
    前記給油孔は、前記凹部に向かって潤滑油を供給するように配置されている、ティルティングパッドジャーナル軸受。
  2. 前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方には、縁部が設けられ、
    前記縁部は、前記凹部と前記凸部との間隙における前記潤滑油の主流が前記回転軸の回転方向となるように、流路抵抗として機能するものである、請求項1記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  3. 前記縁部は、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方における前記回転軸の回転方向の上流部に設けられている、請求項2記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  4. 前記縁部は、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方における前記回転軸の中心線方向の端部に設けられている、請求項2記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  5. 前記パッドの摺動面は、前記凹部による切り欠き部を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  6. 前記凸部の下流側端部は、前記パッドの下流側端部よりも下流側に張り出している、請求項1〜5のいずれか一項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  7. 前記給油孔の中心軸は、前記凹部の対向面に略垂直に交わるように構成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
  8. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受を備えた、遠心圧縮機。
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