JP3592856B2

JP3592856B2 - 回転軸の支持軸受装置

Info

Publication number: JP3592856B2
Application number: JP27341896A
Authority: JP
Inventors: 慎之林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: JPH10121905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種ターボ機械の可変翼の支持軸等、片持ち状態にて軸受に支持される回転軸の支持軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種ターボ機械は、その運転条件により最適な運転点が異なることから、運転条件によって翼の角度を調整することにより、上記最適な運転点で運転ができるようになっている。
【０００３】
図１７にはかかる可変翼を備えたターボ機械の軸の支持軸受部の従来の１例が示されている。
【０００４】
図１７において、１は支持軸２０を有する可変の翼、２は上記支持軸２０を支承する軸受、３は可変翼駆動用のアーム、４は同アーム３の固定用ナット、５は上記軸受が固定されるケーシング、６，７はシールである。上記アーム３の一方の端は、上記ナット４により上記翼１の支持軸２０に回転を阻止されて固定され、他方の端は、図示しないアクチュエータ，モータ等の駆動装置にリンクを介して連結されている。上記シール６および７は、ケーシング５の内部のガスの外部への漏洩を阻止するものである。
【０００５】
上記従来のターボ機械において、アクチュエータ，モータ等の駆動装置によりアーム３が駆動されると、軸受２により支持された翼１の角度が変更され、この翼角はターボ機械の最適運転点となるように調節される。
【０００６】
尚、上記軸受装置においては、翼１の支持軸２０の外周，および軸受２の内周には固体潤滑剤のコーティングを付すことにより、支持軸２０と軸受２との摩擦摩耗の低減をはかっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１７に示される従来のターボ機械における支持軸受装置において、上記機械の運転中は、翼１に対して流体の流れ方向に流体力，差圧力等が作用する。このため、翼１を支持軸２０を介して支持する軸受２は、片持ちの状態となる。その結果、翼１の支持軸２０の外周と軸受２の内周との間に図１８のＺ部に示されるような片当たりが発生し、特に軸受２の荷重作用側の縁の部分では点接触状態となり、これによって同部に大きな接触面圧が作用する恐れがある。このため上記従来の支持軸受装置にあっては、かかる大きな面圧の発生により、軸受端部での固体潤滑膜の剥離までの寿命が短くなって、軸受部の焼付きや過大摩耗の発生をみることとなり、これによって、機器の寿命が低下し信頼性が低下する。
【０００８】
本発明の目的は、片持ち状態にて回転軸を支持する回転軸の支持軸受装置において、軸とこれを支持する軸受との接触部における片当りによる応力集中の発生を阻止して、軸受部の焼付きや過大摩耗の発生を防止し、長寿命で信頼性の高い支持軸受装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決するものでその要旨とする手段は、基部に軸受荷重の作用部である翼等の部材が取付けられた支持軸の軸端部を軸受にて片持ち状に支持してなる軸の支持軸受装置において、上記軸受を、上記支持軸の軸方向に複数個に分割してなる環状の軸受スリーブに構成し、同軸受スリーブのうち、少なくとも上記基部に近接した軸受スリーブの外周と、軸受を支持するケーシングの内周との間に、軸受支持部材を介装し、上記軸受スリーブを上記軸受支持部材を介して上記ケーシングに支承するように構成されたことを特徴とする回転軸の支持軸受装置にある。
【００１０】
また、上記手段を具体化した第１の手段は、上記軸受支持部材をこれと上記軸受スリーブとの間の支持面積が、上記軸受スリーブの軸受投影面積よりも小さくなるような梁状体にて構成したことにある。
【００１１】
また、第２の具体的手段は、上記軸受支持部材が、コイルばね、板ばね等のばねにより構成されてなることにある。
【００１２】
第３の具体的手段は、上記軸受支持部材が、上記軸受スリーブよりも弾性率（Ｅ）の小さい材料からなることにある。
【００１３】
さらに第４の具体的手段は、上記軸受支持部材とケーシングとの当接面を、上記軸受支持部材が上記支持軸の傾斜に応動して、上記ケーシングに対し摺動可能な球状面、円柱面等の曲面状に形成されてなることにある。
【００１４】
かかる手段によれば、図１５に示すように、軸受面上に偶力Ｍが作用するとき、軸受の傾斜θ＝Ｍ／（Ｅ．Ｉ）（Ｅは軸受支持部材の弾性率，Ｉは断面２次モーメント）となり、上記Ｉは軸受支持部材の幅ｈの３乗に比例して小さくなることから、上記傾斜角θは幅ｈの３乗に反比例して大きくなるとともに、弾性率Ｅに反比例して大きくなる。
【００１５】
従って、軸受を支持軸の撓み変形に追従容易なように軸方向に分割された環状軸受スリーブに構成した上で、上記第１，第２の具体的手段のように軸受スリーブとケーシングとの間に軟剛性の軸受支持部材を介装して軸受の支持部を変形容易とし、また上記第３の具体的手段のように軸受支持部材として弾性率が小さく変形し易い材料を用い、あるいは第４の具体的手段のように軸受支持部材とケーシングとの当接面を曲面状として軸受スリーブが軸の撓みに追従し易くする、等の手段することにより、軸受端部の上記軸基部近傍における片当りに起因する応力集中が緩和される。
【００１６】
これにより軸受面及び支持軸の摩耗が低減されるとともに焼付きの発生も防止される。
【００１７】
また軸受支持部材の挿設部に形成される隙間内に冷却空気を通流することが可能となるので、この冷却空気により軸受を冷却して軸受温度を低下し、耐久性を向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図１６を参照して本発明の実施形態につき詳細に説明する。
【００１９】
図１〜図２には本発明の実施の第１形態に係るターボ機械の可変翼軸の支持軸受装置が示され、図１はその軸心線に沿う断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２０】
図１〜図２において、１は翼，２０はこの翼１が一体に固着される支持軸，３は可変翼駆動用のアーム，４は同アーム３の固定用ナット，７はシール，８は軸受ケーシングである。９は反荷重側軸受スリーブ，１０は荷重側軸受スリーブ，１１は荷重側軸受支持部材の梁である。翼１と支持軸２０と上記のように一体となっており、翼１の反対側の支持軸２０端部には上記可変翼駆動用アーム３が固定用ナット４で締め付けられている。また上記翼１と可変翼駆動用アーム３との間には軸受ケーシング８があり、同ケーシングの内側に上記反荷重側軸受スリーブ９と荷重側軸受スリーブ１０とが嵌め込まれ支持軸２０を支えている。
【００２１】
上記軸受スリーブ９，１０は、支持軸２０に摺接してこれを支持する環状の軸受スリーブを同支持軸２０の長手方向に複数個に分割し（この実施形態では軸受スリーブ８，９の２個に分割）、支持軸２０の撓みに沿って軸受スリーブ自体も変位可能としたものであり、翼１側のスリーブ即ち荷重側スリーブ１０の方が翼１側加わる荷重が大きいので、このスリーブ１０を支持軸２０の変形（撓み）に追従し得るようにしている。
【００２２】
そして上記荷重側軸受スリーブ１０の外周と軸受ケーシング８の内周との間の荷重作用方向に、図２に示されるように、一定幅Ｓの四角片状の梁状の軸受支持部材１１を介装している。上記軸受支持部材１１は、上記軸受スリーブ９，１０と同一材料が用いられ、これに当接される荷重側軸受スリーブ１０よりも軟剛性とするため、その長さ及び幅を小さくして、軸受スリーブ１０に対する支持面積を軸受スリーブ１０の軸受投影面積よりも小さくしている。
【００２３】
図３〜図４には本発明の実施の第２形態が示されている。この実施形態においては、上記第１形態と同形状の軸受支持部材１１を荷重側軸受スリーブ１０の軸方向に２個列設している。
【００２４】
尚、上記軸受支持部材１１は３個以上列設してもよい。
図５〜図６には本発明の実施の第３形態が、図７〜図８には第４形態が、図９〜図１０には第５形態が夫々示されている。この実施形態においては、荷重側軸受スリーブ１０の外周と軸受ケーシング８の内周との間にコイル状ばね１３を介装している。
【００２５】
図５〜図６に示す第３形態においては、上記コイルばね１３を１個設け、図７〜図８に示す第４形態では上記コイル状ばね１３を軸方向に２個（３個以上でもよい）直列に設け、また図９〜図１０に示す第５形態では上記コイル状ばね１３を円周方向に３個（２個以上であればよい）並設している。
【００２６】
上記第１〜第５形態において、翼１に流体力や差圧力が作用すると、翼端の支持軸２０の翼１寄りの側が主として変形するが、この支持軸２０の弾性変形に伴ない荷重側の軸受支持部材１１及びコイルばね１３が変形し、荷重側軸受スリーブ１０が軸１に追従して変位する。その結果、軸受端つまり、支持軸２０の翼１側付け根部で生じていた応力集中が緩和され、軸受スリーブ１０の端部と支持軸２０との片当りの発生も回避される。
これにより、支持軸２０及び軸受スリーブ１０の摩耗が低減し、また両者の焼付きの発生も未然に防止される。
【００２７】
尚、上記コイル状ばねに代えて、板ばねを用いてもよい。
また、上記実施形態のように構成すれば、軸受スリーブ１０の外周と軸受ケーシング８の内周との間に軸受支持部材１１やコイル状ばね１３を挿入するための隙間１４が形成されるので、この隙間１４内に冷却空気を通流させることにより、軸受スリーブ１０や軸受支持部材１１及びコイル状ばねの冷却を行うことができる。
これにより、ガスタービン等において、軸受部の温度の上昇を抑制することにより、耐熱性を若干抑えた安価な材料を使用することができる。
【００２８】
さらに上記軸受支持部材１１及びコイル状ばね１３は、上記実施形態のように荷重作用方向のみならず、荷重が加わらない部位に設けてもよい。
【００２９】
図１１〜図１２には本発明の実施の第６形態に係るターボ機械の軸の支持軸受装置が示されている。
この実施形態においては、上記荷重側軸受スリーブ１０の外周と軸受ケーシング８の内周との間に、低弾性率の材料からなる軸受支持部材１６を介装している。上記低弾性率の材料としては、ゴム，樹脂，アルミニウム合金，アルミニウム合金をマトリックスとした複合材，銅合金，銅合金をマトリックスとした複合材，鋳鉄，高Ｎｉ−Ｆｅ系耐熱合金等があり、ターボ機械の温度条件によって使用材料を選択すればよい。
【００３０】
また、この実施形態においても、軸受支持部材１６を設けることによって形成される隙間１４内に冷却空気を通流せしめて軸受部を冷却することができる。
【００３１】
尚、上記低弾性率の材料からなる軸受支持部材１６は、荷重作用方向のみならず、他の部位に、複数個設けることもできる。
【００３２】
図１３〜図１４には本発明の実施の第７形態が示されている。
この実施形態においては、荷重側軸受スリーブ１０と軸受ケーシング８との間に設けられる軸受支持部材１７の外周と上記ケーシング８の内周との当接面１８を球状面あるいは、軸方向に彎曲した円形状面に形成している。
【００３３】
この実施形態における荷重の作用状況を図１６に示す。
図１６において、上記軸受支持部材１７の球面状の当接面１８の曲率半径をｒとすると、
ｒ＜（ｈ／２）×√μ^２／√（１＋μ^２）
のとき、上記軸受支持部材１７及び軸受スリーブ１０は、同支持部材１７とケーシング８との間の球状の当接面１８にてスライドすることができる。
（ここで、ｈは球面状当接面１８の軸方向の長さ、μは摩擦係数である）
従って、この実施形態においては上記当接面１８においてスライドするので、上記軸受スリーブ１０及び軸受支持部材１７が支持軸２０の変形に滑らかに追従して変位することができる。
【００３４】
かかる実施形態の作用を、図１５を参照してさらに詳しく説明すると、図１５は上記第１形態における軸受支持部材１１と軸受スリーブ１０との間の支持状態を示し、図において、Ｍは軸受面上に作用する偶力、θは軸受スリーブ１０の傾斜、Ｅは軸受支持部材１１の弾性率、Ｉは断面２次モーメント、ｌは厚さ、ｈは幅である。
ここで傾斜角θ＝Ｍ／Ｅ．Ｉであり、また断面２次モーメントＩは幅ｈの３乗に比例して小さくなるので、上記θはｈの３乗に反比例して大きくなる。
また、傾斜角θは弾性率Ｅに反比例して大きくなる。
【００３５】
従って、上記第１〜第５形態のように、軸受スリーブ１０の支持部を変形し易い構造とする、第６形態のように軸受支持部材１１を弾性率Ｅの小さい材料で構成する、第７形態のように軸受の支持部を曲面状に形成して軸受スリーブ１０が支持軸２０の撓みに追従し易くする等の手段を用いることにより、軸受スリーブ１０の端部での応力集中が緩和され、摩耗が減少し、また焼付きの発生が回避される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、本発明によれば、軸受を支持軸の弾性変形に追従可能なように、軸受のケーシングへの支持部を弾性変形可能な構造あるいは、弾性率の低い変形容易な材料を用いて支持する構造としたことにより、軸受端部での接触応力の集中が緩和され、支持軸および軸受面の摩耗が低減されるとともに焼付きの発生が回避され、長期間低摩擦の状態が維持できる。その結果、長寿命で摩擦損失の少ない回転機械を提供することができ、機器の高効率化と耐久性の向上を実現することができる。
【００３７】
また、軸受背部の冷却を行うことができ、これによって従来高温に適用できなかった材料を適用することができ、特に軸受材料の選択の幅が広がることにより、機器の高信頼性化，軽量化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係るターボ機械の可変翼軸の支持軸受装置の軸心線に沿う断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明の実施の第２形態を示す図１応当図。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図。
【図５】本発明の実施の第３形態を示す図１応当図。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図。
【図７】本発明の実施の第４形態を示す図１応当図。
【図８】図７のＤ−Ｄ線断面図。
【図９】本発明の実施の第５形態を示す図１応当図。
【図１０】図９のＥ−Ｅ線断面図。
【図１１】本発明の実施の第６形態を示す図１応当図。
【図１２】図１１のＦ−Ｆ線断面図。
【図１３】本発明の実施の第７形態を示す図１応当図。
【図１４】図１３のＧ−Ｇ断面図。
【図１５】上記各実施形態における作用説明図。
【図１６】上記第７形態における作用説明図。
【図１７】従来例を示す図１応当図。
【図１８】従来例の作用説明図。
【符号の説明】
１翼
８軸受ケーシング
９反荷重側軸受スリーブ
１０荷重側軸受スリーブ
１１，１６，１７軸受支持部材
１３コイル状ばね
１４隙間
１８当接面
２０支持軸

Claims

基部に軸受荷重の作用部である翼等の部材が取付けられた支持軸の軸端部を軸受にて片持ち状に支持してなる回転軸の支持軸受装置において、上記軸受を、上記支持軸の軸方向に複数個に分割してなる環状の軸受スリーブに構成し、同軸受スリーブのうち、少なくとも上記基部に近接した軸受スリーブの外周と、軸受を支持するケーシングの内周との間に、軸受支持部材を介装し、上記軸受スリーブを上記軸受支持部材を介して上記ケーシングに支承するように構成されたことを特徴とする回転軸の支持軸受装置。
上記軸受支持部材は、これと上記軸受スリーブとの間の支持面積が、上記軸受スリーブの軸受投影面積よりも小さくなるような梁状体にて構成されてなる請求項１に記載の回転軸の支持軸受装置。
上記軸受支持部材が、コイルばね、板ばね等のばねにより構成されてなる請求項１に記載の回転軸の支持軸受装置。
上記軸受支持部材が、上記軸受スリーブよりも弾性率（Ｅ）の小さい材料からなる請求項１又は２の何れかに記載の回転軸の支持軸受装置。
上記軸受支持部材とケーシングとの当接面を、上記軸受支持部材が上記支持軸の傾斜に応動して、上記ケーシングに対し摺動可能な球状面，円柱面等の曲面状に形成されてなる請求項１又は２又は４の何れかに記載の回転軸の支持軸受装置。