JP2021148139A - 軸受装置 - Google Patents

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JP2021148139A JP2020045479A JP2020045479A JP2021148139A JP 2021148139 A JP2021148139 A JP 2021148139A JP 2020045479 A JP2020045479 A JP 2020045479A JP 2020045479 A JP2020045479 A JP 2020045479A JP 2021148139 A JP2021148139 A JP 2021148139A
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信博 永田
Nobuhiro Nagata
信博 永田
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Abstract

【課題】より安定的に回転軸を支持することが可能な軸受装置を提供する。【解決手段】軸受装置は、軸線回りに回転する回転軸の外周面を摺接可能に支持するパッド面を有し、内部に中空部が形成されているパッドと、パッドを外周側から覆うように軸線を中心とする環状のキャリアリングと、キャリアリングの内周面に設けられ、パッドを揺動可能に支持する支持部と、を備え、パッドの外周面には、当該外周面から径方向外側に突出し、周方向に延びる第一リブが設けられている。【選択図】図3

Description

本開示は、軸受装置に関する。
蒸気タービンやガスタービンのような回転機械は、回転軸と、回転軸に設けられた動翼と、回転軸を収容するケーシングと、ケーシングに設けられた静翼と、を備えている。回転軸が自身の軸回りに回転することで、ケーシングの内部を作動流体が流通する。
回転軸の円滑な回転を促すため、回転軸の軸端は軸受装置によって支持されている。このような軸受装置の一例として、下記特許文献1に記載されたティルティングパッド軸受が知られている。この軸受は、環状をなすケーシングに設けられた複数のピボットと、これらピボットによって揺動可能に支持される複数のパッドと、を有している。パッドの内周面が回転軸の外周面に潤滑油を介して摺接することでこれを支持する。
特開2013−234746号公報
ここで、パッドは、回転軸の回転に伴う圧力や摩擦熱によって変形することが知られている。具体的には、円弧状をなすパッドの曲率半径が大きくなるような変形モードが支配的である。このような変形が生じると、パッドと回転軸の外周面との間における油膜へのスクイーズ効果が損なわれてしまう。その結果、軸受装置として回転軸を安定的に支持できなくなる虞がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より安定的に回転軸を支持することが可能な軸受装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る軸受装置は、軸線回りに回転する回転軸の外周面を摺接可能に支持するパッド面を有し、内部に中空部が形成されているパッドと、前記パッドを外周側から覆うように前記軸線を中心とする環状のキャリアリングと、該キャリアリングの内周面に設けられ、前記パッドを揺動可能に支持する支持部と、を備え、前記パッドの外周面には、該外周面から径方向外側に突出し、周方向に延びる第一リブが設けられている。
本開示によれば、より安定的に回転軸を支持することが可能な軸受装置を提供することができる。
本開示の第一実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。 本開示の第一実施形態に係る軸受装置の構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係るパッドの構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係るパッドを外周側から見た図である。 本開示の第一実施形態に係るパッドの変形例を示す断面図である。 本開示の第二実施形態に係るパッドの構成を示す断面図である。 本開示の第三実施形態に係るパッドの構成を示す断面図である。
<第一実施形態>
(蒸気タービンの構成)
以下、本開示の第一実施形態に係る蒸気タービン1について、図1から図4を参照して説明する。蒸気タービン1は、軸線Ac回りに回転可能な回転軸2と、この回転軸2を外周側から覆うケーシング3と、回転軸2における軸線Ac方向両側の端部に設けられた一対のジャーナル軸受4(軸受装置)、及び軸線Ac方向一方側の端部のみに設けられたスラスト軸受5と、を備えている。
回転軸2は、軸線Acに沿って延びる柱状の回転軸本体6と、回転軸本体6の外周面に沿って軸線Ac方向に配列された複数の動翼段7と、を有している。動翼段7は、回転軸本体6の外周面上で、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼8を有している。
ケーシング3の内周面には、軸線Ac方向に配列された複数の静翼段9が設けられている。静翼段9は、ケーシング3の内周面上で、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼10を有している。これら静翼段9は、上記の動翼段7に対して、軸線Ac方向に互い違いになるように配列されている。
ケーシング3の軸線Ac方向一方側には、外部に設けられたボイラ等で生成された高温高圧の蒸気をケーシング3内部に導くための吸気口11が形成されている。ケーシング3の軸線Ac方向他方側には、ケーシング3内部を通過した蒸気を外部に排気するための排気口12が形成されている。
ジャーナル軸受4は、回転軸2の荷重を径方向から支持するための装置である。スラスト軸受5は、回転軸2の荷重を軸線Ac方向から支持するための装置である。以下では、特にジャーナル軸受4について詳述する。
ジャーナル軸受4は、揺動可能な複数のパッド41(パッド)を有するティルティングパッド型軸受である。より具体的には図2に示すように、このジャーナル軸受4は、回転軸2の外周側で、周方向に間隔をあけて配列された複数のパッド41と、パッド41の外周側に設けられたキャリアリング42と、キャリアリング42の内周側でパッド41を支持する支持部43と、を有している。
パッド41は、厚肉板状に形成された部材であって、円柱状をなす回転軸2の外周面2Aの形状に対応する曲率を有している。言い換えると、パッド41は、回転軸2の外周面2Aの形状に沿って、軸線Acの周方向に湾曲している。本実施形態では、回転軸2の周方向に沿って4つのパッド41が設けられている。
これらのパッド41は、キャリアリング42の内周面42A上で支持部43によって揺動可能に支持されている。キャリアリング42は、軸線Acを中心とする環状をなしている。キャリアリング42の内周面42A上で、上記4つのパッド41にそれぞれ対応する周方向位置には、各パッド41を径方向外側から支持するための支持部43が設けられている。すなわち、本実施形態では、キャリアリング42の内周面42A上に、周方向に間隔をあけて配列された計4つの支持部43が設けられている。
それぞれの支持部43は、径方向内側に向かって延びる尖頭状をなしている。言い換えれば、支持部43は、キャリアリング42の内周面42Aから径方向内側に向かうにしたがって周方向の寸法が次第に小さくなるように形成されている。各パッド41の外周面41Bには、この支持部43の先端部(径方向内側の先端部)が当接している。一方で、パッド41の内周面は、回転軸2を、油膜(潤滑油)を介して摺接可能に支持するパッド面41Aとされている。
次に、図3と図4を参照して、パッド41の構成について詳述する。図3に示すように、パッド41は、上記のパッド面41Aを有する内周部材411と、内周部材411の外周側に積層された外周部材412と、を有している。内周部材411の外周面(つまり、パッド面41Aとは反対を向く面)には、凹部Rが形成されている。凹部Rは、内周部材411の外周面からパッド面41A側(径方向内側)に向かって凹んでいる。
外周部材412は、この凹部Rを外周側から閉塞するようにして積層されている。これにより、パッド41の内部には、中空部Vとしての空間が形成されている。外周部材412は、内周部材411に対して、例えば溶接によって接合されている。したがって、中空部Vは、外部に対して密閉されている。本実施形態では、一例として中空部V内には空気が充填されている。
なお、内周部材411の径方向における寸法と、外周部材412の径方向における寸法との比率は、内周部材の寸法が外周部材の寸法より小さければ効果は得られる。
より望ましくは、この比率は1:2〜1:3以上の差があるとより効果が得られやすいと考えられる。このような比率とすることで、内側部材411の変形(後述)が促進されるとともに、外周部材412の剛性が確保される。
パッド41(外周部材412)の外周面41Bには、外周部材412の剛性を高めるためのリブ(第一リブ51、及び第二リブ52)が設けられている。第一リブ51、及び第二リブ52は、外周面41Bから径方向外側に突出している。図4に示すように、第一リブ51は、周方向に延びている。第一リブ51は、軸線Ac方向に等間隔をあけて複数設けられている。第二リブ52は、軸線Ac方向に延びている。第二リブ52は、周方向に等間隔をあけて複数設けられている。つまり、これら第一リブ51、及び第二リブ52は、外周面41B上で互いに格子状に交差している。
(作用効果)
続いて、本実施形態に係る蒸気タービン1、及びジャーナル軸受4の動作について説明する。蒸気タービン1を運転するに当たっては、ボイラ(図示省略)等によって生成された高温高圧の蒸気が吸気口11を通じて、ケーシング3の内部に導かれる。ケーシング3の内部に導かれた蒸気は、軸線Ac方向一方側から他方側に向かって流通する間に、上述した動翼段7と静翼段9とに順次衝突する。これにより、蒸気が有するエネルギーは、回転軸2を回転駆動するためのエネルギーに変換され、回転軸2は軸線Ac回りに回転する。回転軸2の軸端には一例としてジェネレータ等の外部機器が連結されている。回転軸2の回転によってジェネレータが駆動される。
ここで、パッド41では、回転軸2の重量による径方向外側への荷重や、回転軸2との摩擦による熱応力によって、径方向における両端部が径方向外側に向かって変形する場合がある(「口開き」と呼ばれる。)。このような変形が生じると、パッド41Aと回転軸2の外周面との間の油膜厚さが不均一になり、油膜へのスクイーズ効果が損なわれてしまう。その結果、ジャーナル軸受4として回転軸2を安定的に支持できない虞がある。
そこで、本実施形態では、パッド41の内部に中空部Vが形成されている。つまり、中空部Vが形成されていることによって、パッド41の中央部の剛性が相対的に低くなっている。したがって、例えばパッド41に対する径方向外側への荷重や、回転軸2との摩擦による熱応力が加わった場合、中空部Vを含む中央の部分が優先的に撓む。その結果、周方向におけるパッド41の中央部は径方向内側に向かって変形する(図3中の矢印X)。言い換えれば、パッド41は荷重によって、円弧の曲率半径が小さくなるように変形する。これにより、上記の口開きが抑制され、パッド面41Aが回転軸2の外周面2Aに対して追従するようになり、十分なスクイーズ効果を得ることができる。
また、パッド41の外周面41Bに周方向に延びる第一リブ51が設けられている。これにより、パッド41の外周面41B側(つまり、外周部材412側)では十分な剛性が確保される。このため、上記の中空部Vを設けたことに起因してパッド41の外周側の形状までもが変化してしまう可能性を低減することができる。また、第一リブ51を設けることのみによって剛性を確保できる。これにより、例えば高剛性を有しながらも重量の大きい材料を用いて外周部材412を形成した場合に比べて、パッド41の重量増加を抑制することもできる。
ここで、パッド41では、径方向外側への荷重や、回転軸2との摩擦による熱応力によって、軸線Ac方向における両端部が径方向外側に向かって変形する場合がある。しかしながら、上記構成によれば、パッド41の外周面に軸線Ac方向に延びる第二リブ52が設けられていることから、軸線Ac方向における剛性が確保され、このような変形を抑制することができる。また、第二リブ52を設けることのみによって剛性を確保できることから、例えば高剛性を有しながらも重量の大きい材料を用いて外周部材412を形成した場合に比べて、パッド41の重量増加を抑制することもできる。
さらに、上記構成によれば、凹部Rが形成された内周部材411では、外周部材412に比べて剛性が相対的に小さくなるため、回転軸2による荷重や熱応力によって、当該内周部材411を優先的に変形させることができる。また、内周部材411に凹部Rを形成し、当該凹部Rを外周部材412で閉塞することのみによって、中空部Vを有するパッド41を容易かつ安価に製造することができる。
以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、中空部V内が空気で満たされている例について説明した。しかしながら、図5に示すように、中空部V内に冷却用ガスを供給するためのガス供給部60を設けることも可能である。ガス供給部60は、冷却用ガスを貯留するタンク61と、このタンク61から中空部V内に冷却用ガスを導く流路62と、を有している。また、流路62上に冷却用ガスを圧送するための圧縮機等が設けられていてもよい。このような構成によれば、中空部V内に冷却用ガスを供給することによって、パッド41を冷却することができる。これにより、回転軸2との摩擦による熱応力が低減され、パッド41の口開きをさらに抑制することができる。
また、上記第一実施形態では、ジャーナル軸受4が4つのパッド41を有する例について説明した。しかしながら、パッド41の個数は4つに限定されず、3つ以下や5つ以上であってもよい。また、上記第一実施形態では、4つのパッド41がいずれも中空部Vを有する例について説明したが、これら4つのパッド41のうち、一部のパッド41のみが中空部Vを有する構成を採ることも可能である。さらに、ジャーナル軸受4は、上述の蒸気タービン1のみならず、軸系を安定的に支持する必要がある回転機械であれば、いかなるものにも適用することが可能である。
<第二実施形態>
次に、本開示の第二実施形態について、図6を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るパッド41bは、内周部材411´と、外周部材412´と、を有している。内周部材411´は、パッド面41Aを有するとともに、外周面にパッド面41A側に向かって凹む内側凹部R1が形成されている。外周部材412´は、内周部材411´の外周側に積層され、内周面に径方向外側に向かって凹む外側凹部R2が形成されている。この外側凹部R2は、内側凹部R1とともに中空部Vを形成する。
上記構成によれば、内周部材411´に内側凹部R1が形成されていることに加えて、外周部材412´にも外側凹部R2が形成されている。これにより、これら凹部によって形成される中空部Vの容積をさらに大きくすることができる。その結果、パッド41bの剛性をさらに小さくし、荷重や熱応力による当該パッド41の変形(径方向両側の端部、及び軸線方向両側の端部が径方向内側に向かう変形)を促し、上述の口開きをさらに抑制することができる。
以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態の変形例として説明したガス供給部60を、第二実施形態の構成に組み合わせることも可能である。
<第三実施形態>
続いて、本開示の第三実施形態について、図7を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るパッド41cでは、中空部V内に低剛性部Sが充填されている。低剛性部Sは、パッド41cを構成する構造よりも低い剛性を有する構造である。このような構造として具体的には、空隙率が大きい多孔質部材やトラス構造を有する部材が好適に用いられる。
上記構成によれば、中空部V内に低剛性部Sを設けることによって、パッド41c全体としての剛性をさらに精緻に調節することができる。つまり、中空部Vを形成したのみでは剛性が過度に低下してしまう場合に、このような低剛性部Sを設けることによって、パッド41cとして最適な剛性を発揮させることができる。
以上、本開示の第三実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態の変形例として説明したガス供給部60を、第三実施形態の構成に組み合わせることも可能である。また、第二実施形態で説明した構成を第三実施形態の構成に組み合わせることも可能である。
また、中空部Vに内圧調整用ガス又は液体を供給する圧力調整部をさらに備えていてもよい。これにより、パッド41の剛性を容易に調整することができる。
<付記>
各実施形態に記載の軸受装置は、例えば以下のように把握される。
(1)第1の態様に係る軸受装置4は、軸線Ac回りに回転する回転軸2の外周面2Aを摺接可能に支持するパッド面41Aを有し、内部に中空部Vが形成されているパッド41と、前記パッド41を外周側から覆うように前記軸線Acを中心とする環状のキャリアリング42と、該キャリアリング42の内周面42Aに設けられ、前記パッド41を揺動可能に支持する支持部43と、を備え、前記パッド41の外周面41Bには、該外周面41Bから径方向外側に突出し、周方向に延びる第一リブ51が設けられている。
ここで、パッド41では、回転軸2の重量による径方向外側への荷重や、回転軸2との摩擦による熱応力によって、径方向における両端部が径方向外側に向かって変形する場合がある(「口開き」と呼ばれる。)。上記構成によれば、パッド41の内部に中空部Vが形成されている。つまり、中空部Vが形成されていることによって、パッド41の中央部の剛性が相対的に低くなっている。したがって、例えばパッド41に対する径方向外側への荷重や、回転軸2との摩擦による熱応力が加わった場合、中空部Vを含む部分が優先的に撓む。その結果、周方向におけるパッド41の中央部は径方向内側に向かって変形する。言い換えれば、パッド41は荷重によって、円弧の曲率半径が小さくなるように変形する。これにより、上記の口開きが抑制され、パッド面41Aが回転軸2の外周面2Aに対して追従するようになり、十分なスクイーズ効果を得ることができる。また、パッド41の外周面に周方向に延びる第一リブ51が設けられている。これにより、パッド41の外周面41B側では十分な剛性が確保される。このため、上記の中空部Vを設けたことに起因してパッド41の外周側の形状までもが変化してしまう可能性を低減することができる。また、第一リブ51を設けることのみによって剛性を確保できることから、例えば他の高剛性の材料を用いた場合に比べて、パッド41の重量増加を抑制することもできる。
(2)第2の態様に係る軸受装置4では、前記パッド41の外周面41Bには、該外周面41Bから径方向外側に突出し、前記軸線Ac方向に延びる第二リブ52が設けられている。
ここで、パッド41では、径方向外側への荷重や、回転軸2との摩擦による熱応力によって、軸線Ac方向における両端部が径方向外側に向かって変形する場合がある。しかしながら、上記構成によれば、パッド41の外周面41Bに軸線Ac方向に延びる第二リブ52が設けられていることから、軸線Ac方向における剛性が確保され、このような変形を抑制することができる。また、第二リブ52を設けることのみによって剛性を確保できることから、例えば他の高剛性の材料を用いた場合に比べて、パッド41の重量増加を抑制することもできる。
(3)第3の態様に係る軸受装置4では、前記パッド41は、前記パッド面41Aを有するとともに、外周面に前記パッド面41A側に向かって凹む前記中空部Vとしての凹部Rが形成されている内周部材411と、該内周部材411の外周側に積層されることで前記凹部Rを閉塞する外周部材412と、を有する。
上記構成によれば、凹部Rが形成された内周部材411では剛性が相対的に小さくなるため、回転軸2による荷重や熱応力によって、当該内周部材411を優先的に変形させることができる。具体的には、パッド41は荷重によって、円弧の曲率半径が小さくなるように変形する。これにより、パッド面41Aが回転軸2の外周面2Aに対して追従するようになり、十分なスクイーズ効果を得ることができる。また、内周部材411に凹部Rを形成し、当該凹部Rを外周部材412で閉塞することのみによって、容易かつ安価にパッド41を製造することができる。
(4)第4の態様に係る軸受装置4では、前記パッド41bは、前記パッド面41Aを有するとともに、外周面にパッド面41A側に向かって凹む内側凹部R1が形成されている内周部材411´と、該内周部材411´の外周側に積層され、内周面に径方向外側に向かって凹むことで前記内側凹部R1とともに前記中空部Vを形成する外側凹部R2が形成されている外周部材412´と、を有する。
上記構成によれば、内周部材411´に内側凹部R1が形成されていることに加えて、外周部材412´にも外側凹部R2が形成されている。これにより、これら凹部によって形成される中空部Vの容積をさらに大きくすることができる。その結果、パッド41bの剛性をさらに小さくし、荷重や熱応力による当該パッド41bの変形(径方向両側の端部、及び軸線Ac方向両側の端部が径方向内側に向かう変形)をさらに促し、上述の口開きを抑制することができる。
(5)第5の態様に係る軸受装置4は、前記中空部Vに設けられ、前記パッド41cよりも剛性の低い材料で形成された低剛性部Sをさらに有する。
上記構成によれば、中空部V内に低剛性部Sを設けることによって、パッド41c全体としての剛性をさらに精緻に調節することができる。つまり、中空部Vを形成したのみでは剛性が過度に低下してしまう場合に、このような低剛性部Sを設けることによって、パッド41cとして最適な剛性を発揮させることができる。
(6)第6の態様に係る軸受装置4は、前記中空部Vに冷却用ガスを供給するガス供給部60をさらに備える。
上記構成によれば、中空部V内に冷却用ガスを供給することによって、パッド41を冷却することができる。これにより、回転軸2との摩擦による熱応力が低減され、パッド41の口開きをさらに抑制することができる。
(7)第7の態様に係る軸受装置4は、前記中空部Vに内圧調整用ガス又は液体を供給する圧力調整部をさらに備える。
上記構成によれば、中空部V内に内圧調整用ガス又は液体を供給することによって、パッド41の剛性を調整することができる。
(8)第8の態様に係る軸受装置は、軸線回りに回転する回転軸の外周面を摺接可能に支持するパッド面を有し、内部に中空部が形成されているパッドと、前記パッドを外周側から覆うように前記軸線を中心とする環状のキャリアリングと、該キャリアリングの内周面に設けられ、前記パッドを揺動可能に支持する支持部と、を備え、前記パッドは、前記パッド面を有するとともに、中央部の剛性が端部の剛性より低い内周部材と、該内周部材の外周側に積層され、前記内周部材より剛性が高い外周部材と、を有する。
1…蒸気タービン
2…回転軸
2A…外周面
3…ケーシング
4…ジャーナル軸受
5…スラスト軸受
6…回転軸本体
7…動翼段
8…動翼
9…静翼段
10…静翼
11…吸気口
12…排気口
41,41b,41c…パッド
41A…パッド面
41B…外周面
42…キャリアリング
42A…内周面
43…支持部
51…第一リブ
52…第二リブ
411,411´…内側部材
412,412´…外側部材
Ac…軸線
V…中空部
R…凹部
R1…内側凹部
R2…外側凹部
S…低剛性部

Claims (8)

  1. 軸線回りに回転する回転軸の外周面を摺接可能に支持するパッド面を有し、内部に中空部が形成されているパッドと、
    前記パッドを外周側から覆うように前記軸線を中心とする環状のキャリアリングと、
    該キャリアリングの内周面に設けられ、前記パッドを揺動可能に支持する支持部と、
    を備え、
    前記パッドの外周面には、該外周面から径方向外側に突出し、周方向に延びる第一リブが設けられている軸受装置。
  2. 前記パッドの外周面には、該外周面から径方向外側に突出し、前記軸線方向に延びる第二リブが設けられている請求項1に記載の軸受装置。
  3. 前記パッドは、
    前記パッド面を有するとともに、外周面に前記パッド面側に向かって凹む前記中空部としての凹部が形成されている内周部材と、
    該内周部材の外周側に積層されることで前記凹部を閉塞する外周部材と、
    を有する請求項1又は2に記載の軸受装置。
  4. 前記パッドは、
    前記パッド面を有するとともに、外周面にパッド面側に向かって凹む内側凹部が形成されている内周部材と、
    該内周部材の外周側に積層され、内周面に径方向外側に向かって凹むことで前記内側凹部とともに前記中空部を形成する外側凹部が形成されている外周部材と、
    を有する請求項1又は2に記載の軸受装置。
  5. 前記中空部に設けられ、前記パッドよりも剛性の低い材料で形成された低剛性部をさらに有する請求項1から4のいずれか一項に記載の軸受装置。
  6. 前記中空部に冷却用ガスを供給するガス供給部をさらに備える請求項1から5のいずれか一項に記載の軸受装置。
  7. 前記中空部に内圧調整用ガス又は液体を供給する圧力調整部をさらに備える請求項1から5のいずれか一項に記載の軸受装置。
  8. 軸線回りに回転する回転軸の外周面を摺接可能に支持するパッド面を有し、内部に中空部が形成されているパッドと、
    前記パッドを外周側から覆うように前記軸線を中心とする環状のキャリアリングと、
    該キャリアリングの内周面に設けられ、前記パッドを揺動可能に支持する支持部と、
    を備え、
    前記パッドは、
    前記パッド面を有するとともに、中央部の剛性が端部の剛性より低い内周部材と、
    該内周部材の外周側に積層され、前記内周部材より剛性が高い外周部材と、
    を有する軸受装置。
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