JP2021188674A - ジャーナル軸受および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ジャーナル軸受および回転機械において、軸受パッドの作動性を向上して回転軸を安定して支持することで振動の発生を抑制する。【解決手段】環状をなして回転軸の周囲に配置されるハウジングと、ハウジングと回転軸との間でハウジングの周方向に所定間隔を空けて配置される複数の軸受パッドと、軸受パッドにおける回転軸の軸心方向の少なくとも一方の端部を軸心方向に平行な軸心を支点としてハウジングに揺動自在に支持する支持部とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、遠心圧縮機や多軸多段圧縮機などの圧縮機、蒸気タービンやガスタービンなどの駆動用タービンなどの回転機械に適用されるジャーナル軸受、ジャーナル軸受を備える回転機械に関するものである。

回転機械の回転軸を支持する装置としてジャーナル軸受があり、ジャーナル軸受としてティルティングパッド軸受がある。ティルティングパッド軸受は、ハウジングと、ハウジングの内部に周方向に沿って配列されて回転軸を回転可能に支持する複数の軸受パッドとを有する。ティルティングパッド軸受は、回転軸と複数の軸受パッドとの間に油膜を形成すると共に、軸受パッドを揺動させることで、回転軸を支持する。そのため、ティルティングパッド軸受は、油膜を介して回転軸を支持することで、回転軸の回転を許容しつつ、回転軸が励振する場合であっても、油膜の減衰効果により回転軸の振動を減衰させることができる。

このようなジャーナル軸受（ティルティングパッド軸受）としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたジャーナル軸受は、複数の軸受パッドの外周部がハウジングから突出する位置決めピンにより支持される。

特許第６４５２０１０号公報

上述したように従来のジャーナル軸受は、複数の軸受パッドの外周部が位置決めピンにより点支持（線支持）される構造である。ところが、軸受パッドの外周部の摩耗や位置決めピンのがたなどにより、回転軸の外周面と軸受パッドの内周面との間に適正な油膜厚さ分布が形成されないことがある。すると、振動安定性に優れていると考えられているティルティングパッド軸受であっても、回転軸の振動を減衰することができず、非同期振動が発生するおそれがある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、軸受パッドの作動性を向上して回転軸を安定して支持することで振動の発生を抑制するジャーナル軸受および回転機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示のジャーナル軸受は、環状をなして回転軸の周囲に配置されるハウジングと、前記ハウジングと前記回転軸との間で前記ハウジングの周方向に所定間隔を空けて配置される複数の軸受パッドと、前記軸受パッドにおける前記回転軸の軸心方向の少なくとも一方の端部を前記軸心方向に平行な軸心を支点として前記ハウジングに揺動自在に支持する支持部と、を備える。

本開示の回転機械は、回転軸と、前記回転軸を回転自在支持する前記ジャーナル軸受と、を備える。

本開示のジャーナル軸受および回転機械によれば、軸受パッドの作動性を向上して回転軸を安定して支持することで振動の発生を抑制することができる。

図１は、第１実施形態のジャーナル軸受を表す概略図である。 図２は、ジャーナル軸受の要部断面を表す図１のII−II断面図である。 図３は、軸受パッドにおける支持部を表す図１のIII−III断面図である。 図４は、軸受パッドにおける支持部の変形例を表す図３と同様な断面図である。 図５は、第２実施形態のジャーナル軸受を表す概略図である。 図６は、ジャーナル軸受の要部断面を表す図５のVI−VI断面図である。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

［第１実施形態］
＜ジャーナル軸受の構成＞
図１は、第１実施形態のジャーナル軸受を表す概略図、図２は、ジャーナル軸受の要部断面を表す図１のII−II断面図、図３は、軸受パッドにおける支持部を表す図１のIII−III断面図である。なお、以下の実施形態の説明にて、回転軸の軸方向をＤａ方向、回転軸の径方向をＤｒ方向、回転軸の周方向をＤｃ方向と称して説明する。

第１実施形態において、図１および図２に示すように、回転機械１０は、回転軸１１と、ジャーナル軸受１２とを備える。回転機械１０は、例えば、圧縮機や駆動用タービンであるが、この装置に限定されるものではない。ジャーナル軸受１２は、回転軸１１を回転自在に支持する。回転軸１１は、円柱形状をなし、Ｄａ方向に沿う軸心Ｏ１を中心に回転可能である。

ジャーナル軸受１２は、ティルティングパッド軸受である。ジャーナル軸受１２は、ハウジング２１と、複数（本実施形態では、５個）の軸受パッド２２と、２個の支持部２３，２４とを備える。なお、軸受パッド２２は、５個に限らず、４個以下や６個以上であってもよい。また、支持部２３，２４は、軸方向２個に限らず、軸方向片側１個であってもよい。

ハウジング２１は、円環形状をなす。ハウジング２１は、ハウジング本体部３１と、一対の側壁部３２，３３とを有する。ハウジング本体部３１は、円環形状であって、長方形の断面形状をなす。一対の側壁部３２，３３は、円環形状であって、長方形の断面形状をなす。一対の側壁部３２，３３は、ハウジング本体部３１におけるＤａ方向の一端部と他端部に設けられる。一対の側壁部３２，３３は、ハウジング本体部３１の内周部から軸心Ｏ１に向けてＤｒ方向に沿って設けられる。ハウジング２１は、ハウジング本体部３１と一対の側壁部３２，３３とにより、Ｕ字形の断面形状をなす。一対の側壁部３２，３３は、同形状をなす。なお、ハウジング本体部３１と一対の側壁部３２，３３とは、別体に設けてから一体に固定してもよいし、一体に設けてもよい。

ハウジング２１は、ハウジング本体部３１の内周面３１ａと一対の側壁部３２，３３の各端面３２ａ，３３ａとにより円環形状をなす収容凹部３４が設けられる。収容凹部３４は、軸心Ｏ１に向けて開口する。

５個の軸受パッド２２は、ハウジング２１と回転軸１１との間でハウジング２１のＤｃ方向に所定間隔を空けて配置される。５個の軸受パッド２２は、ハウジング２１の収容凹部３４に配置される。軸受パッド２２は、円弧形状をなし、外周面２２ａと、内周面２２ｂと、側面２２ｃ，２２ｄと、端面２２ｅ，２２ｆを有する。軸受パッド２２の外周面２２ａは、曲率半径がハウジング２１の内周面（ハウジング本体部３１の内周面３１ａ）の曲率半径より小さい。軸受パッド２２の内周面２２ｂは、曲率半径が回転軸１１の外周面の曲率半径と同様または大きい。軸受パッド２２の側面２２ｃ，２２ｄは、平面であって、Ｄｃ方向に隣接する軸受パッド２２の側面２２ｃ，２２ｄとの間に所定隙間が確保される。軸受パッド２２の端面２２ｅ，２２ｆは、平面形状をなす。５個の軸受パッド２２は、同形状をなす。

支持部２３，２４は、軸受パッド２２におけるＤａ方向の少なくとも一方の端部をＤａ方向に平行な軸心Ｏ２を支点としてハウジング２１に揺動自在に支持する。第１０実施形態にて、支持部２３，２４は、軸受パッド２２におけるＤａ方向の一方の端部と他方の端部をハウジング２１に揺動自在に支持する。また、支持部２３，２４は、ハウジング２１に対して軸受パッド２２を揺動自在に支持するだけでなく、ハウジング２１に対して軸受パッド２２を位置決め支持する。

支持部２３，２４は、ハウジング２１に設けられる凸部４１，４２と、軸受パッド２２に設けられる凹部４３，４４とを有する。凸部４１，４２は、側壁部３２，３３の各端面３２ａ，３３ａに設けられる。凹部４３，４４は、軸受パッド２２の端面２２ｅ，２２ｆに設けられる。

図１および図３に示すように、凸部４１，４２は、半球凸形状をなし、凹部４３，４４は、半球凹形状をなす。凸部４１，４２は、凹部４３，４４に侵入する。凸部４１，４２と凹部４３，４４とは、外面４１ａ，４２ａと内面４３ａ，４４ａとの間にＤｒ方向に所定隙間Ｓｒが設けられ、Ｄｃ向に所定隙間Ｓｃが設けられる。また、凸部４１，４２と凹部４３，４４とは、外面４１ａ，４２ａと内面４３ａ，４４ａとの間にＤａ方向に所定隙間Ｓａが設けられる。ここで、所定隙間Ｓｒと所定隙間Ｓｃは、ハウジング２１に対して軸受パッド２２が軸心Ｏ２を支点として揺動可能な揺動代である。一方、所定隙間Ｓａは、ハウジング２１に対して軸受パッド２２が軸心Ｏ２を支点として揺動可能とする隙間であり、所定隙間Ｓｒと所定隙間Ｓｃより小さく設定することが好ましい。なお、所定隙間Ｓａは、側壁部３２，３３の端面３２ａ，３３ａと軸受パッド２２の端面２２ｅ，２２ｆとの隙間Ｓａ１と同等である。

そして、支持部２３，２４による軸受パッド２２の支持位置、つまり、軸受パッド２２が揺動する中心となる軸心Ｏ２は、軸受パッド２２におけるＤｒ方向の中間位置に位置する。但し、軸心Ｏ２は、軸受パッド２２におけるＤｒ方向の中間位置より外方、つまり、外周面２２ａ側に位置するようにしてもよい。

なお、支持部２３，２４は、上述した形状に限定されるものではない。図４は、軸受パッドにおける支持部の変形例を表す図３と同様な断面図である。

図４に示すように、支持部２５は、ハウジング２１に設けられる凸部４６と、軸受パッド２２に設けられる凹部４７とを有する。凸部４６は、側壁部３２の各端面３２ａに設けられる。凹部４７は、軸受パッド２２の端面２２ｅに設けられる。

図１および図３に示すように、凸部４６は、円柱凸形状をなし、凹部４７は、円柱凹形状をなす。凸部４６は、凹部４７に侵入する。この場合、凸部４６と凹部４７は、端面４６ｂと底面４７ｂが平面であるが、端面４６ｂを半球凸形状とし、底面４７ｂを半球凹形状としてもよい。凸部４６と凹部４７とは、外周面４６ａと内周面４７ａとの間にＤｒ方向に所定隙間Ｓｒが設けられ、Ｄｃ向に所定隙間Ｓｃが設けられる。また、凸部４６と凹部４７とは、端面４６ｂと底面４７ｂとの間にＤａ方向に所定隙間Ｓａが設けられる。なお、所定隙間Ｓａは、側壁部３２の端面３２ａと軸受パッド２２の端面２２ｅとの隙間Ｓａ１と同等である。

また、支持部２３，２４，２５は、上述した形状に限定されるものではなく、凸部４１，４２，４６と凹部４３，４４，４７の形状は、円錐形状や錐台形状など、パッドの周方向の位置決めが可能でパッド揺動可能な程度にガタがある構造であればよい。さらに、支持部として、ハウジング２１に凹部４３，４４，４７を設け、軸受パッド２２に凸部４１，４２，４６を設けてもよい。

なお、ジャーナル軸受１２は、図示しないが、外部から回転軸１１の外周面と各軸受パッド２２の内周面２２ｂとの間に潤滑油を供給する給油装置が設けられる。給油装置は、例えば、給油配管が外部からハウジング２１を貫通し、各軸受パッド２２の間の空間部まで設けられて構成される。給油配管は、１本に限らず、複数本配置してもよい。そのため、潤滑油が給油配管を通って回転軸１１の外周面や各軸受パッド２２の内周面２２ｂに供給され、各軸受パッド２２の周りが潤滑油で満たされる。

＜ジャーナル軸受の作動＞
図１および図２に示すように、回転軸１１の周囲にジャーナル軸受１２が配置された状態で、潤滑油が回転軸１１と各軸受パッド２２との間に供給され、回転軸１１の外周面と各軸受パッド２２の内周面２２ｂとの間に油膜が形成される。このとき、回転軸１１がＤｒ方向に振動すると、回転軸１１に合わせて各軸受パッド２２が軸心Ｏ２を支点として揺動しながら回転軸１１を支持する。そのため、回転軸１１の下方の軸受パッド２２は、回転軸１１の荷重を受けて適正に作動し、回転軸１１を安定して支持し、回転軸１１の振動減衰することができる。また、回転軸１１の上方の軸受パッド２２は、回転軸１１の変動に応じて自重により適正に作動し、回転軸１１を安定して支持することができる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態のジャーナル軸受を表す概略図、図４は、ジャーナル軸受の要部断面を表す図３のIV−VI断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第１実施形態において、図５および図６に示すように、回転機械１０Ａは、回転軸１１と、ジャーナル軸受１２Ａとを備える。ジャーナル軸受１２は、回転軸１１を回転自在に支持する。回転軸１１は、円柱形状をなし、Ｄａ方向に沿う軸心Ｏ１を中心に回転可能である。

ジャーナル軸受１２Ａは、ティルティングパッド軸受である。ジャーナル軸受１２Ａは、ハウジング２１と、複数（本実施形態では、５個）の軸受パッド２２と、２個の支持部５１，５２とを備える。

ハウジング２１は、ハウジング本体部３１と、一対の側壁部３２，３３とを有する。ハウジング２１は、収容凹部３４が設けられる。５個の軸受パッド２２は、ハウジング２１の収容凹部３４に配置される。

支持部５１，５２は、軸受パッド２２におけるＤａ方向の少なくとも一方の端部をＤａ方向に平行な軸心Ｏ２を支点としてハウジング２１に揺動自在に支持する。第２実施形態にて、支持部５１，５２は、軸受パッド２２におけるＤａ方向の一方の端部と他方の端部をハウジング２１に揺動自在に支持する。また、支持部５１，５２は、ハウジング２１に対して軸受パッド２２を揺動自在に支持するだけでなく、ハウジング２１に対して軸受パッド２２を位置決め支持する。

支持部５１，５２は、軸受パッド２２に設けられる軸部６１，６２と、ハウジング２１に設けられて軸部６１，６２を回転自在に支持する軸受６３，６４とを有する。軸部６１，６２は、軸受パッド２２の端面２２ｅ，２２ｆに設けられる。軸受６３，６４は、側壁部３２，３３の各端面３２ａ，３３ａに設けられる。軸部６１，６２は、軸受パッド２２の端面２２ｅ，２２ｆからＤａに沿って側壁部３２，３３側に突出して設けられる。軸受６３，６４は、側壁部３２，３３の内部に設けられ、軸受パッド２２の端面が各端面３２ａ，３３ａに段差なく連続する。軸受６３，６４は、転がり軸受であることが好ましいが、その他の種類の軸受であってもよい。

そして、支持部５１，５２による軸受パッド２２の支持位置、つまり、軸受パッド２２が揺動する中心となる軸心Ｏ２は、軸受パッド２２におけるＤｒ方向の中間位置よりＤｒ方向の外方に位置する。但し、軸心Ｏ２は、軸受パッド２２におけるＤｒ方向の中間位置に位置するようにしてもよい。

なお、支持部５１，５２は、上述した形状に限定されるものではない。ハウジング２１に軸部６１，６２を設け、軸受パッド２２に軸部６１，６２を回転自在に支持する軸受６３，６４を設けてもよい。

第２実施形態のジャーナル軸受１２Ａの作動は、第１実施形態のジャーナル軸受１２とほぼ同様であることから、説明は省略する。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係るジャーナル軸受は、環状をなして回転軸１１の周囲に配置されるハウジング２１と、ハウジング２１と回転軸１１との間でハウジング２１の周方向に所定間隔を空けて配置される複数の軸受パッド２２と、軸受パッド２２におけるＤａ方向（回転軸１１の軸心Ｏ１方向）の少なくとも一方の端部を軸心Ｏ１方向に平行な軸心Ｏ２を支点としてハウジング２１に揺動自在に支持する支持部２３，２４，２５，５１，５２とを備える。

第１の態様に係るジャーナル軸受は、軸受パッド２２におけるＤａ方向の端部が支持部２３，２４，２５，５１，５２により軸心Ｏ１方向に平行な軸心Ｏ２を支点として揺動自在に支持されることから、軸受パッド２２の作動性を向上して回転軸１１を安定して支持することで、振動の発生を抑制することができる。

第２の態様に係るジャーナル軸受は、支持部２３，２４，２５，５１，５２は、軸受パッド２２におけるＤａ方向の一方の端部および他方の端部を揺動自在に支持する。これにより、支持部２３，２４，２５，５１，５２により軸受パッド２２を安定して支持することができる。

第３の態様に係るジャーナル軸受は、支持部２３，２４，２５は、ハウジング２１と軸受パッド２２の一方に設けられる凸部４１，４２，４６と、ハウジング２１と軸受パッド２２の他方に設けられる凹部４３，４４，４７とを有する。これにより、簡単な構成で軸受パッド２２を安定して支持することができる。

第４の態様に係るジャーナル軸受は、凸部４１，４２，４６は、凹部４３，４４，４７に侵入し、凸部４１，４２，４６と凹部４３，４４，４７とは、少なくともＤｒ方向およびＤｃ方向に所定隙間Ｓｒ，Ｓｃが設けられる。これにより、ハウジング２１に対して軸受パッド２２のＤｒ方向およびＤｃ方向に揺動代を確保することができ、軸受パッド２２の作動性を向上して回転軸１１を安定して支持することができる。

第５の態様に係るジャーナル軸受は、凸部４１，４２は、半球凸形状をなし、凹部４３，４４は、半球凹形状をなす。これにより、軸受パッド２２の作動性を向上することができる。

第６の態様に係るジャーナル軸受は、凸部４６は、円柱凸形状をなし、凹部４７は、円柱凹形状をなす。これにより、軸受パッド２２の作動性を向上することができる。

第７の態様に係るジャーナル軸受は、支持部５１，５２は、ハウジング２１と軸受パッド２２の一方の設けられる軸部６１，６２と、ハウジング２１と軸受パッド２２の他方に設けられて軸部６１，６２を回転自在に支持する軸受６３，６４とを有する。これにより、軸受パッド２２の作動安定性を向上することができる。

第８の態様に係るジャーナル軸受は、支持部２３，２４，２５による軸受パッド２２の支持位置は、軸受パッド２２におけるＤｒ方向の中間位置に位置する。これにより、軸受パッド２２を安定して支持することができる。

第９の態様に係るジャーナル軸受は、支持部５１，５２による軸受パッド２２の支持位置は、軸受パッド２２におけるＤｒ方向の中間位置よりＤｒ方向の外方に位置する。これにより、軸受パッド２２を安定して支持することができる。

第１０の態様に係る回転機械は、回転軸１１と、回転軸１１を回転自在支持するジャーナル軸受１２とを備える。これにより、軸受パッド２２の作動性を向上して回転軸１１を安定して支持することで、振動の発生を抑制することができる。

１０，１０Ａ 回転機械
１１ 回転軸
１２，１２Ａ ジャーナル軸受
２１ ハウジング
２２ 軸受パッド
２２ａ 外周面
２２ｂ 内周面
２２ｃ，２２ｄ 側面
２２ｅ，２２ｆ 端面
２３，２４，２５，５１，５２ 支持部
３１ ハウジング本体部
３１ａ 内周面
３２，３３ 側壁部
３２ａ，３３ａ 端面
３４ 収容凹部
４１，４２，４６ 凸部
４１ａ 外面
４３，４４，４７ 凹部
４３ａ 内面
４６ａ 外周面
４６ｂ 端面
４７ａ 内周面
４７ｂ 底面
６１，６２ 軸部
６３，６４ 軸受
Ｏ１，Ｏ２ 軸心
Ｓａ，Ｓｒ，Ｓｃ 所定隙間
Ｓａ１ 隙間

Claims (10)

1. 環状をなして回転軸の周囲に配置されるハウジングと、
   前記ハウジングと前記回転軸との間で前記ハウジングの周方向に所定間隔を空けて配置される複数の軸受パッドと、
   前記軸受パッドにおける前記回転軸の軸心方向の少なくとも一方の端部を前記軸心方向に平行な軸心を支点として前記ハウジングに揺動自在に支持する支持部と、
   を備えるジャーナル軸受。
2. 前記支持部は、前記軸受パッドにおける前記軸心方向の一方の端部および他方の端部を揺動自在に支持する、
   請求項１に記載のジャーナル軸受。
3. 前記支持部は、前記ハウジングと前記軸受パッドの一方に設けられる凸部と、前記ハウジングと前記軸受パッドの他方に設けられる凹部とを有する、
   請求項１または請求項２に記載のジャーナル軸受。
4. 前記凸部は、前記凹部に侵入し、前記凸部と前記凹部とは、少なくとも前記回転軸の径方向および周方向に所定隙間が設けられる、
   請求項３に記載のジャーナル軸受。
5. 前記凸部は、半球凸形状をなし、前記凹部は、半球凹形状をなす、
   請求項３または請求項４に記載のジャーナル軸受。
6. 前記凸部は、円柱凸形状をなし、前記凹部は、円柱凹形状をなす、
   請求項３または請求項４に記載のジャーナル軸受。
7. 前記支持部は、前記ハウジングと前記軸受パッドの一方の設けられる軸部と、前記ハウジングと前記軸受パッドの他方に設けられて前記軸部を回転自在に支持する軸受とを有する、
   請求項１または請求項２に記載のジャーナル軸受。
8. 前記支持部による前記軸受パッドの支持位置は、前記軸受パッドにおける前記回転軸の径方向の中間位置に位置する、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のジャーナル軸受。
9. 前記支持部による前記軸受パッドの支持位置は、前記軸受パッドにおける前記回転軸の径方向の中間位置より前記回転軸の径方向の外方に位置する、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のジャーナル軸受。
10. 回転軸と、
    前記回転軸を回転自在支持する請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のジャーナル軸受と、
    を備える回転機械。

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