JP2022075371A - ティルティングパッド式ジャーナル軸受およびそれを備える回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、簡便に軸方向における軸受油膜の不均一を抑制して熱曲がり振動の発生を防止するティルティングパッド式ジャーナル軸受およびそれを備える回転機械を提供する。【解決手段】ティルティングパッド式ジャーナル軸受１は、ロータ２が内部を挿通するハウジング７と、ロータ２とハウジング７との間に配置された傾動可能な複数のパッド３とを備えている。また、ティルティングパッド式ジャーナル軸受１は、パッド３の外面３ａとハウジング７の内面７ｂとの間に存在する互いに接しない２つの面４ｂ，５ａを備えている。２つの前記面４ｂ，５ａは、それぞれ、傾動中心となる軸の向きが互いに異なる１軸ピボットＰ１，Ｐ２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ティルティングパッド式ジャーナル軸受およびそれを備える回転機械に関する。

一般に、回転機械は、回転するロータと、当該ロータを回転自在に支持するジャーナル軸受と、当該ジャーナル軸受を固定するケーシング等のステータとを備えて構成されている。

例えば、遠心圧縮機やタービン等の高速、大型の回転機械において、比較的軸受面圧が低い場合にはティルティングパッド式のジャーナル軸受が用いられることが多い。これは、真円軸受や楕円軸受といった他の形式の軸受と比較し、軸受の油膜圧力により生じる、ロータの振れ回り振動を不安定化する力が小さくなり、ロータの不安定振動が発生しにくいためである。

ティルティングパッド式ジャーナル軸受は、例えば特許文献１の図１に開示されているように、ロータを支持する複数のパッドをロータの周方向に配置した構造となっている。当該パッドは、パッドの背面に設けられたピボットを介して、ハウジングによって支持されている。パッドは、ピボットを中心に周方向に対して傾くことが可能となっており、ロータの振れ回り振動を不安定化する力を抑制することが可能である。

また、ロータのたわみや軸受のミスアライメント等でロータと軸受によって形成される隙間が軸方向で不均一になると、軸方向において油膜厚さが不均一となり局所的に油膜の温度が上昇する場合がある。ここで、一般に、ロータには不釣り合いが存在し、当該不釣り合いによる不釣り合い振動が生じる。軸方向において油膜厚さが不均一の場合に、ロータが不釣り合い振動すると、ロータの軸受部の周方向に不均一な温度分布が生じ、ロータに熱曲がりが発生する場合がある。このロータの熱曲がりはさらなる不釣り合いとなるため、振動が徐々に増大していく現象が起きる。これは、非特許文献１において報告されているモートン（Morton）効果と呼ばれる熱曲がり振動現象である。

熱曲がり振動を防止するためには、軸方向において油膜厚さを均一にすることが有効である。例えば、特許文献２の図１に開示されているように、ティルティングパッドのピボットを球面ピボットとして、周方向だけではなく軸方向に対しても傾くようにする方法が知られている。これにより、パッドがロータに沿って傾き、油膜厚さが軸方向において不均一になることを防止している。
また、例えば特許文献２の図２に開示されているように、ティルティングパッドを支えるハウジング全体を球面ライナーによって傾けることで、軸方向において油膜厚さを均一に保つ方法が知られている。

特開２０１１－２５６７７３号公報 特開平５－３３２３５５号公報

deJongh, F. M., and Morton, P. G.著 "The synchronous instability of a compressor rotor due to bearing journal differential heating." ASME Paper 94-GT-35 1-13. 1994年

パッドが周方向に対してのみ傾く１軸ピボットが使用される場合、荷重を支える部分は線接触となる。しかしながら、特許文献２の図１に記載の球面ピボットが使用される場合、荷重を支える部分が点接触となる。このため、球面ピボットは、構造上、接触部の面圧が大きくなり、設計上の制約となる場合がある。したがって、熱曲がり振動を抑制するために、線接触となる１軸ピボットのティルティングパッド式ジャーナル軸受を球面ピボットのティルティングパッド式ジャーナル軸受に変更しようとした場合、設計を大きく見直す必要が生じるおそれがある。

また、特許文献２の図２に記載の球面ライナーを使用する構造は、ロータの初期たわみや軸受のミスアライメントといった静的な不均一性には有効であると考えられる。しかしながら、この構造は、可動範囲がハウジング全体となって比較的大きくその質量も大きいため、ロータへの追従性に劣り、振動によって動的に生じる軸方向における油膜不均一性には対応できないおそれがある。

本発明の目的は、ロータの振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、簡便に軸方向における軸受油膜の不均一を抑制して熱曲がり振動の発生を防止するティルティングパッド式ジャーナル軸受およびそれを備える回転機械を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明は、ロータが内部を挿通するハウジングと、前記ロータと前記ハウジングとの間に配置された傾動可能な複数のパッドと、前記パッドの外面と前記ハウジングの内面との間に存在する互いに接しない２つの面と、を備え、２つの前記面は、それぞれ、傾動中心となる軸の向きが互いに異なる１軸ピボットを有することを特徴とするティルティングパッド式ジャーナル軸受である。
また、本発明は、前記ティルティングパッド式ジャーナル軸受と、前記ロータと、を備える回転機械である。

本発明によれば、ロータの振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、簡便に軸方向における軸受油膜の不均一を抑制して熱曲がり振動の発生を防止するティルティングパッド式ジャーナル軸受およびそれを備える回転機械を提供できる。

本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受におけるロータの中心軸に垂直な断面図である。 本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受におけるティルティング構造部とハウジングの詳細を示した図であり、ロータの中心軸に平行な拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受におけるティルティング構造部の詳細を示した図であり、ロータの中心軸に垂直な拡大断面図である。 本発明の回転機械の一例として代表的な回転機械である遠心圧縮機に適用した場合の縦断面図であり、回転機械としての遠心圧縮機の全体構造を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受におけるロータの中心軸に平行な要部拡大断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す図面において、共通する部材や同種の部材については、同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受１におけるロータ２の中心軸ＣＬ（図４参照）に垂直な断面図である。

図１に示すように、ティルティングパッド式ジャーナル軸受１は、ロータ２が内部を挿通するハウジング７と、ロータ２とハウジング７との間に配置された傾動可能な複数のパッド３とを備えている。ハウジング７は環状を呈している。ロータ２とハウジング７とは、共通の中心軸ＣＬ（図４参照）を有している。以下、中心軸ＣＬに沿う方向を「軸方向」、中心軸ＣＬ上の点から中心軸ＣＬに直交して延びる方向を「径方向」、中心軸ＣＬ上の点を中心とした円周方向を「周方向」と呼ぶ。

ティルティングパッド式ジャーナル軸受１は、パッド３とハウジング７との間に径方向内側から順に配置されたライナ４とクリート５を備えている。パッド３は、油膜を介してロータ２を支持する。パッド３と、ライナ４と、クリート５とからティルティング構造部６が構成されている。

ティルティング構造部６は、ロータ２のまわりに周方向に、例えば図１では５か所配置されている。図１に示すティルティングパッド式ジャーナル軸受１は、パッド３の１つをＷで示したロータ２の荷重方向に設置したロードオンパッド（Load on Pad）構造の軸受である。

ティルティング構造部６は、ティルティング構造部６の径方向外側に配置されたハウジング７に対して、クリート５の外面５ａに設けられた凸形状の１軸ピボットＰ１を介して支持されている。ここで、外面とは、径方向外側に向く面をいう。また、１軸ピボットとは、傾動中心となる軸を１つのみ有し、線接触となるピボットをいう。1軸ピボットＰ１は、パッド３が周方向に対して傾くことを可能にする。つまり、1軸ピボットＰ１の傾動中心となる軸は、中心軸ＣＬと平行な直線方向の軸である。

ハウジング７は、半割れ構造となっており、半割れ面７ａ，７ａで分割された一対の部材が接合されて構成されている。

図２は、ティルティング構造部６とハウジング７の詳細を示した図であり、ロータ２の中心軸ＣＬ（図４参照）に平行な拡大断面図である。
なお、図２のティルティング構造部は、図１のティルティング構造部とは寸法関係が多少異なって描かれているが、原理的には同じものである。したがって、図１と対応する符号を付した図２を参照してティルティング構造部６とハウジング７の詳細を説明する。

図２に示すように、組立時には、まずハウジング７の半割れ面７ａ（図１参照）から、ハウジング７に設けられた溝８，８にティルティング構造部６のクリート５の軸方向両側に設けられた張り出し部９，９をそれぞれ挿入する。そして、ティルティング構造部６を周方向の所定の位置まで移動させる。移動させた後、ハウジング７の径方向外側からピン１０を挿入し、ティルティング構造部６のクリート５に設けられた穴１１にピン１０の先端を挿入することで、ティルティング構造部６の周方向位置がずれることを防ぐ。ピン１０は、ハウジング７に例えばねじ締結によって固定される。溝８と穴１１は、どちらもティルティング構造部６が傾くことを許容する隙間が形成されるような寸法を有している。これらにより、ティルティング構造部６が周方向に対して傾く（揺動する）ことを可能にしつつ、ティルティング構造部６の周方向位置、径方向位置を保持している。

ライナ４とクリート５は、例えばボルト（図示せず）でねじ締結されて一体となっている。パッド３の外面３ａは、ライナ４の内面４ｂに設けられた凸形状の1軸ピボットＰ２を介して、ライナ４に接触している。ここで、内面とは、径方向内側に向く面をいう。1軸ピボットＰ２は、パッド３が軸方向に対して傾くことを可能にしている。つまり、1軸ピボットＰ２の傾動中心となる軸は、中心軸ＣＬ上の点を中心とした円の接線方向の軸である。

図３は、ティルティング構造部６の詳細を示した図であり、ロータ２の中心軸ＣＬに垂直な拡大断面図である。
図３に示すように、パッド３は、径方向外側に向けて凹となる凹形状を呈しており、当該凹形状の内面における当該パッド３の周方向の両側に、互いに対向する溝１４，１４を有している。ねじ締結したライナ４とクリート５において、ライナ４の幅がクリート５の幅よりも長くしてある。組立時には、溝１４，１４にライナ４の周方向の両側の端部１３，１３がそれぞれ挿入される。パッド３に設けられた溝１４とライナ４の周方向の両側の端部１３によって、パッド３に対するライナ４およびクリート５の径方向の位置が保持される。そして、パッド３の軸方向端面から、ねじ締結したライナ４とクリート５をスライドさせてパッド３の軸方向中央位置まで移動させる。移動させた後、クリート５側からピン１５を挿入し、パッド３の外面３ａに設けられた穴１６にピン１５の先端が挿入されることで、パッド３と、ライナ４およびクリート５との位置がずれることを防ぐ。ピン１５は、クリート５またはライナ４に例えばねじ締結によって固定される。溝１４と穴１６は、どちらもパッド３が軸方向に対して傾くことを許容する隙間が形成されるような寸法を有している。例えば、溝１４は、ライナ４が溝１４内で軸方向に対して傾くことを許容する溝幅を有している。これらにより、パッド３が軸方向に対して傾く（揺動する）ことを可能にしつつ、パッド３の軸方向位置を保持する。

周方向に対して傾くことを可能にする１軸ピボットＰ１と、軸方向に対して傾くことを可能にする１軸ピボットＰ２は、どちらも１軸ピボットであり線接触によって荷重を支える。したがって、点接触である球面ピボットに比べ、ピボットにおける接触面圧を小さくすることができる。また、これにより、大幅な設計変更をすることなく、既設の周方向に対してのみ傾動（揺動）可能な１軸ピボットを用いたジャーナル軸受と置換することが可能となる。また、ティルティング構造部６はパッド３、ライナ４、クリート５に分解可能であるので、軸受焼損などの不具合が発生した場合には、交換する部品を最小限の範囲にすることができる。

前記したように本実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受１は、パッド３とハウジング７との間に径方向内側から順に配置されたライナ４とクリート５を備える。クリート５の外面５ａとライナ４の内面４ｂとは、それぞれ、傾動中心となる軸の向きが互いに異なる１軸ピボットＰ１，Ｐ２を有する。

このような本実施形態では、２つの１軸ピボットＰ１，Ｐ２を、それぞれパッド３が周方向に対して傾くことが可能なピボット、およびパッド３が軸方向に対して傾くことが可能なピボットとすることができる。したがって、周方向に対して傾動可能な１軸ピボットＰ１によって振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、軸方向に対して傾動可能な１軸ピボットＰ２によって軸方向において油膜が不均一となることを抑制できる。さらに、１軸ピボットＰ１，Ｐ２と１軸ピボットＰ１，Ｐ２を支える面とは線接触となり、接触面圧を低減することができる。また、１軸ピボットＰ１，Ｐ２による可動範囲はハウジング７の内側の各パッド３近傍のみとなるため、動的な軸方向における油膜不均一性にも追従し、熱曲がり振動を防止することができる。
したがって、本実施形態によれば、ロータ２の振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、簡便に軸方向における軸受油膜の不均一を抑制して熱曲がり振動の発生を防止するティルティングパッド式ジャーナル軸受１を提供できる。

なお、本実施形態では、クリート５の外面５ａとライナ４の内面４ｂとが、それぞれ、傾動中心となる軸の向きが互いに異なる１軸ピボットＰ１，Ｐ２を有しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、ティルティングパッド式ジャーナル軸受１が、パッド３の外面３ａとハウジング７の内面７ｂとの間に存在する互いに接しない２つの面（図１～図３では、４ｂ，５ａで示す）を備え、２つの前記面が、それぞれ、傾動中心となる軸の向きが互いに異なる１軸ピボットＰ１，Ｐ２を有する構成であればよい。２つの前記面は、ティルティングパッド式ジャーナル軸受１を構成する複数の部材の表面である。例えばティルティングパッド式ジャーナル軸受１がライナ４とクリート５を備える構成の場合、２つの前記面は、ライナ４の内面４ｂ、ライナ４の外面４ａ、クリート５の内面５ｂおよびクリート５の外面５ａのうちのいずれかであり得る。このような構成によっても、前記した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、１軸ピボットＰ１をパッド３が軸方向に対して傾くことが可能なピボット、１軸ピボットＰ２をパッド３が周方向に対して傾くことが可能なピボットに変更することも可能である。

図４は、本発明の回転機械の一例として代表的な回転機械である遠心圧縮機１０１に適用した場合の縦断面図であり、回転機械としての遠心圧縮機１０１の全体構造を示す図である。
図４に示すように、遠心圧縮機１０１は、円筒状などに形成され静止部（ステータ）となるケーシング１０２を備えている。このケーシング１０２内に、本実施形態のティルティングパッド式ジャーナル軸受１およびスラスト軸受１０３を介して、ロータ２が回転可能に支持されている。駆動機（図示せず）の作動により、ロータ２が回転駆動される。遠心圧縮機１０１は、ガスを吸い込む吸込口１０４と、圧縮されたガスを吐出する吐出口１０５とを備えている。

ティルティングパッド式ジャーナル軸受１において、ロータ２とティルティングパッド式ジャーナル軸受１のパッド３との間の油膜厚さが軸方向において不均一となると、熱曲がり振動が発生しやすい。本実施形態のティルティングパッド式ジャーナル軸受１では、パッド３が軸方向に対して傾動（揺動）することにより、油膜厚さを軸方向において均一に保ち、熱曲がり振動の発生を防止することができる。
すなわち、本実施形態によれば、ロータ２の振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、簡便に軸方向における軸受油膜の不均一を抑制して熱曲がり振動の発生を防止するティルティングパッド式ジャーナル軸受１を備える回転機械を提供できる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態のティルティングパッド式ジャーナル軸受１と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を適宜省略する。
図５は、本発明の第２実施形態に係るティルティングパッド式ジャーナル軸受１におけるロータ２の中心軸ＣＬ（図４参照）に平行な要部拡大断面図である。

図５に示すように、第２実施形態は、パッド３とハウジング７との間に径方向内側から順に配置されたライナ４と内側クリート２０１と外側クリート２０２を備えている。パッド３とライナ４と内側クリート２０１は、例えばボルト（図示せず）でねじ締結されて、パッド構造部２０３を構成している。なお、ライナ４は省略可能である。

内側クリート２０１の外面２０１ａには、内側クリート２０１の外面２０１ａを凸形状とした、１軸ピボットＰ３が設けられている。１軸ピボットＰ３は、パッド３が周方向に対して傾くことを可能にする。一方、外側クリート２０２の外面２０２ａには、外側クリート２０２の外面２０２ａを凸形状とした、１軸ピボットＰ４が設けられている。１軸ピボットＰ４は、パッド３が軸方向に対して傾くことを可能にする。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、ハウジング７に設けられた溝８と内側クリート２０１の軸方向両側に設けられた張り出し部９によって、パッド構造部２０３の径方向の位置が保持される。また、外側クリート２０２を貫通し、内側クリート２０１に設けられた穴２０４に挿入された、ハウジング７に固定されたピン２０５によって、周方向の位置が保持される。これにより、パッド３が、周方向に対してだけではなく軸方向に対しても傾動（揺動）することが可能となり、軸方向において油膜厚さを均一に保ち、熱曲がり振動の発生を防止することができる。
したがって、第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、ロータ２の振れ回り振動を不安定化する力を抑制しつつ、簡便に軸方向における軸受油膜の不均一を抑制して熱曲がり振動の発生を防止するティルティングパッド式ジャーナル軸受１を提供できる。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態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、前記した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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式ジャーナル軸受
２ ロータ
３ パッド
３ａ 外面
４ ライナ
４ａ 外面
４ｂ 内面
５ クリート
５ａ 外面
５ｂ 内面
７ ハウジング
７ｂ 内面
１３ 端部
１４ 溝
１５ ピン
１６ 穴
ＣＬ 中心軸
Ｐ１ １軸ピボット
Ｐ２ １軸ピボット
１０１ 遠心圧縮機
２０１ 内側クリート
２０１ａ 外面
２０２ 外側クリート
２０２ａ 外面
Ｐ３ １軸ピボット
Ｐ４ １軸ピボット

Claims (8)

1. ロータが内部を挿通するハウジングと、
   前記ロータと前記ハウジングとの間に配置された傾動可能な複数のパッドと、
   前記パッドの外面と前記ハウジングの内面との間に存在する互いに接しない２つの面と、を備え、
   ２つの前記面は、それぞれ、傾動中心となる軸の向きが互いに異なる１軸ピボットを有することを特徴とするティルティングパッド式ジャーナル軸受。
2. 前記パッドと前記ハウジングとの間に径方向内側から順に配置されたライナとクリートを備え、
   ２つの前記面は、前記ライナの内面、前記ライナの外面、前記クリートの内面および前記クリートの外面のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受。
3. ２つの前記面は、前記ライナの内面と前記クリートの外面であり、
   前記ライナの内面の前記１軸ピボットは、前記パッドが前記ハウジングの軸方向に対して傾くことを可能にし、
   前記クリートの外面の前記１軸ピボットは、前記パッドが前記ハウジングの周方向に対して傾くことを可能にすることを特徴とする請求項２に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受。
4. 前記パッドと前記ハウジングとの間に径方向内側から順に配置されたライナと内側クリートと外側クリートを備え、
   ２つの前記面は、前記内側クリートの外面と前記外側クリートの外面であることを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受。
5. 前記内側クリートの外面の前記１軸ピボットは、前記パッドが前記ハウジングの周方向に対して傾くことを可能にし、
   前記外側クリートの外面の前記１軸ピボットは、前記パッドが前記ハウジングの軸方向に対して傾くことを可能にすることを特徴とする請求項４に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受。
6. 前記パッドは、径方向外側に向けて凹となる凹形状を呈しており、当該凹形状の内面における当該パッドの周方向の両側に、互いに対向する溝を有し、
   前記ライナの周方向の両側の端部が前記溝にそれぞれ挿入されており、
   前記溝は、前記ライナが前記溝内で傾くことを許容する溝幅を有することを特徴とする請求項３に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受。
7. 前記ライナと前記クリートとは互いに固定されており、
   前記パッドは、当該パッドの外面に設けられた穴を有し、
   前記クリートまたは前記ライナに固定されたピンが前記穴に挿入されていることを特徴とする請求項６に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のティルティングパッド式ジャーナル軸受と、前記ロータと、を備える回転機械。

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