JP5092896B2

JP5092896B2 - 回転機械

Info

Publication number: JP5092896B2
Application number: JP2008135355A
Authority: JP
Inventors: 治雄三浦; 哲也桑野
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-05-23
Also published as: JP2009281531A

Description

本発明は、圧縮機やタービン等の回転機械の軸振動を制振或いは安定化する目的に適用されるダンパ部を備えた回転機械に関する。

高速回転機械では、流体に起因する励振力による不安定振動や、回転軸に残留したアンバランス量に起因した強制加振による大きな振動が発生する場合がある。従来、この種の振動を防止、抑制するために、回転軸を支承するジャーナル軸受をダンパ軸受にしたり、或いは軸受以外の部分にダンパ装置を設ける方法がある。

一般に高速回転機械の回転軸（ロータ）は、１次（約１〜１．２万回転／Ｍ）と２次（１．５〜１．８万回転／Ｍ）の危険速度の間で運転される。従って、２次の危険速度はできるだけ高い方が、圧縮機の回転数を高くすることができ、ケーシングの小型化に寄与できる。前者の、回転軸を支承するジャーナル軸受をダンパ機能を有する軸受にした場合、回転軸の支持剛性が低下するので、２次の危険速度が低下する傾向になる。従って、ダンパ軸受では共振倍率を小さく出来るという領域を利用するため、危険速度の上、或いは２次の危険速度を超えたところに運転回転数を許容することになる。

従来技術例としては、特許文献１（特許第３３９６３７０号公報）がある。この特許文献１では、回転軸（シャフト）のスラスト軸受の外側にダンパ装置を配置するもので、次の特徴を有する。すなわち、スラスト軸受用のスラストカラーの端部を回転軸の端方向に延長し、且つ、そのオーバハングする延長部の径は回転軸の端部の径より大径で形成する。同延長部にダンパ装置の静止部を組合わせて構成する。ダンパ装置は、可動リングが上記オーバハング部に油膜を介して配置され、その可動リングの外周部は油膜を介してダンパハウジングに収納されている。可動リングの外周部の両側部にはＯリングが配され、同油膜部がダンパ効果を発揮するようになっている。

また、他の特許文献２（特公昭６２−１５７７４号公報）には、円筒状のダンパ部構成部材を設け、その円筒部材の内外周面を利用して、軸受の外周面、静止体の内周面との間に、複数層の流体膜ダンパ部となる微小隙間を形成する技術が示されている。

特許第３３９６３７０号公報特公昭６２−１５７７４号公報

しかしながら、前記特許文献１では、ダンパ部が回転軸の端部から外側に離れてスラストカラーを介して配置されるために、軸方向の寸法が大きくなってしまい、また、Ｏリングが回転軸の振動で圧縮される方向に配置されるため、劣化し易いという問題点を有する。Ｏリングが劣化すると、油膜が移動し易くなりダンパ機能を損なう。

特許文献２の多層式ダンパ部構成では、可撓減衰軸受と回転軸との間に潤滑油を供給する給油孔を、静止側の固定ホルダの給油溝から円筒状のダンパ部構成部材を半径方向に貫通して設けている。また、給油孔は軸受部へ均等に給油するため、周方向に複数本が必要になる。しかし、多層ダンパ部の流体膜部にこのような孔を多数設けると、振動による回転軸の半径方向変位に伴って、反力を生ずべきところ、潤滑油が流体膜部から給油孔へ逃げるため、反力が減少してダンパ効果が減少する。

本発明は、回転機械の軸振動を効果的に制振或いは安定化することができ、長期運転してもダンパ機能を損なわない、さらに軸方向寸法も小さくなる回転機械のダンパ装置を提供するものである。

本発明は、回転軸と、前記回転軸を半径方向に支承するジャーナル軸受と、前記回転軸を軸方向に支承するスラスト軸受と、前記回転軸の外周に配置され前記回転軸を半径方向に受けるダンパ部を有する回転機械において、前記ダンパ部は、前記回転軸に対向して設けられその内周側と前記回転軸との間の油膜を介して軸を受ける第１部材と、この第１部材の外周を覆う固定部材と、前記第１部材の一方の側部を覆う第２部材と、前記第１部材の他方の側部を覆う第３部材とを備え、前記第１部材は、内筒、外筒及び中央部で前記内筒と外筒を連結するディスク部からなり、前記第２部材と第３部材はそれぞれ、前記第１部材のディスク部の両側部の凹部に係合する凸部を有し、前記第１部材に、前記外筒側から内筒側に前記ディスク部を通過して半径方向に貫通する給油孔を形成し、前記第１部材の外筒の外周と前記固定部材との隙間に油膜を形成するともに、前記第１部材の凹部と前記第２部材及び第３部材の凸部の間の半径方向隙間に油膜を形成し、前記第１部材が前記第２部材および前記第３部材との間で形成する軸方向の隙間を、前記第１部材が前記固定部材及び前記第２部材、前記第３部材との間で形成する半径方向の隙間より小さく設定したことを特徴とする。

また、前記第２部材と第３部材で挟まれた前記外筒の軸方向隙間を、該外筒の半径方向隙間よりも小さく設定したことを特徴とする。また、前記第２部材と第３部材で挟まれた前記内筒の軸方向隙間を、該内筒の外周部半径方向隙間よりも小さく設定したことを特徴とする。また、前記第２部材と第３部材で挟まれた前記ディスク部の軸方向隙間を、前記外筒または内筒の半径方向隙間よりも小さく設定したことを特徴とする。

また、前記第１部材は、前記回転軸の外周に配置された円筒型軸受構造を有することを特徴とする。また、前記第１部材は、前記回転軸の外周に配置された複数個のパッドに分割された構造を有することを特徴とする。また、前記ダンパ部は、前記スラスト軸受の軸方向の外側に配置されたことを特徴とする。

このように構成すると、回転軸を受ける第１部材の内周側と外周側に形成した潤滑油膜が給油孔に通じて無いので、潤滑油の逃げる場所が無く、回転軸が振動によって変位したとき、反力が生じやすくなる。

本発明によれば、回転機械のダンパ部のダンパ潤滑の油膜を確実に長期間確保することができるので、高いダンパ機能を発揮することができ、長期間の使用にも耐えうる。また、高いダンパ機能により回転機械の軸方向長さを短くすることも可能になる。

次に本発明の一実施例を図１を用いて説明する。以下、軸方向と半径方向とは、回転機械の回転軸に関する方向を指す。

図１は回転機械としての圧縮機の回転軸の軸受支持部の静止側にダンパ部を取り付けた部分断面図で、図２はその要部の拡大断面図ある。回転軸１は軸受２０及び他端の軸受（図示せず）によって支持され、駆動機（図示せず）によって回転している。また、回転軸１はスラスト軸受３０と、回転軸側に設けたスラストカラー２によって軸方向の位置が確保されている。スラストカラー２の外側（軸１の端部）の回転軸１にはキャップ３が取り付けられ、このキャップ３は、スラストカラー２の軸方向の位置固定の役目を果たすと共に、その外周面が後述のダンパ部に接触して軸の振動を伝える役目を果たす。

ダンパ部は、第１部材１１、第２部材１２、第３部材１３及び固定部材１０から構成され、それぞれ円筒状（リング状）の形状を有する。第１部材１１は、前記キャップ３の外周に嵌入するように配置され、リング状で断面がＨ型の形状を有し、内筒１１ａ、外筒１１ｂ及び内外の筒を連結するディスク部１１ｃからなる円筒状の軸受構造を有する。内筒１１ａは、その内周側が前記キャップ３の外周との隙間３ａの油膜を介してキャップ３を受け、間接的に軸１を半径方向に受けている。第２部材１２と第３部材１３は、前記第１部材１１の内筒１１ａと外筒１１ｂの間に形成されたディスク部１１ｃの両側部の凹部にそれぞれ系合する凸部１２ｆ、１３ｆを有する。

上記ダンパ部はスラストカラー２の外側（軸１の端部）の回転軸１（キャップ３）に設けられるので、振動時の軸の振幅の大きい部分でダンパとして作用するので、振動を効果的に抑えることが出来る。

組立て時には、軸受支持部の静止側、即ちケース４に第３部材１３をネジ８により固定し、次いで第１部材１１の凹部を第３部材１３の凸部に嵌合し、更に第１部材１１の外周を覆うように固定部材１０を嵌合し、最後に第１部材１１の凹部に第２部材１２の凸部を嵌合して第２部材１２をネジ９により固定する。

固定部材１０の外周面には給油溝１４が形成され、さらに給油溝１４に連通して半径方向に延び、第１部材１１の外周面に向いて開口するように給油孔１５が形成されている。給油孔１５はさらに第１部材１１の外筒１１ｂから内筒１１ａの内周面に向けて、ディスク部１１ｃ内を貫通して形成されている。給油溝１４には別設置の給油装置から潤滑油が供給され、この潤滑油は前記給油孔１５を流れて内筒１１ａの内周面と前記キャップ３の外周面の間に供給される。

前記のようにボルト８、９により組立てられた状態では図２に示すように、第１部材１１と他の部材１０、１２、１３との間に所定間隔の隙間を有し、隣合う隙間は互いに連通している。１０ａは第１部材１１と固定部材１０の半径方向の隙間、１３ａは外筒１１ｂと第３部材１３の軸方向の隙間、１３ｂは外筒１１ｂと第３部材１３の半径方向の隙間、１３ｃはディスク部１１ｃと第３部材１３の軸方向の隙間、１３ｄは内筒１１ａと第３部材１３の半径方向の隙間、１３ｅは内筒１１ａと第３部材１３の軸方向の隙間である。また、１２ａは外筒１１ｂと第２部材１２の軸方向の隙間、１２ｂは外筒１１ｂと第２部材１２の半径方向の隙間、１２ｃはディスク部１１ｃと第２部材１２の軸方向の隙間、１２ｄは内筒１１ａと第２部材１２の半径方向の隙間、１２ｅは内筒１１ａと第２部材１２の軸方向の隙間である。

上記各隙間の寸法の大小に関しては、軸方向の隙間を半径方向の隙間より小さく設定される。具体的には、外筒１１ｂの軸方向の隙間１２ａと１３ａを半径方向の隙間１０ａ、１２ｂ及び１３ｂより小さく設定し、内筒１１ａの軸方向の隙間１２ｅと１３ｅを半径方向の隙間１２ｄと１３ｄより小さく設定し、ディスク部１１ｃの軸方向の隙間１２ｃと１３ｃを、外筒１１ｂ又は内筒１１ａの半径方向の隙間（１２ｂ、１２ｄ、１３ｂ、１３ｄ）より小さく設定する。

前記したように給油溝１４の潤滑油は、前記潤滑油通路１５を半径方向に流れて内筒１１ａの内周面へ供給されるが、給油孔１５が第１部材１１の外周面に向いて開口しているので、この開口から上記隙間にも流れることになる。図２において、その供給経路は隙間１０ａから別れて２系統となり、一方が孔１５→隙間１０ａ→１２ａ→１２ｂ→１２ｃ→１２ｄ→１２ｅで、他方が孔１５→隙間１０ａ→１３ａ→１３ｂ→１３ｃ→１３ｄ→１３ｅとなる。このようにして各隙間に潤滑油が供給され、油膜が形成される。

回転に伴って回転軸１が振動して半径方向に変位したとき、前記キャップ３の外周の油膜を介して、第1部材１１の内筒１１ａに変位が伝わり、この変位によって第1部材１１は半径方向に動こうとする。

第1部材１１の半径方向の動きは、前記隙間の中で半径方向の隙間を、半径方向に圧縮、または伸長させるように作用する。すなわち、第1部材１１の半径方向外側への動きで、上記隙間の中で１０ａ、１２ｄ、１３ｄが圧縮され、１２ｂ、１３ｂが伸長される。半径方向の隙間の圧縮と伸長で、圧縮される隙間の油膜が伸長される隙間に移動しようとする。ところが、半径方向の隙間の間を連通している軸方向の隙間が小さく設定されているので、また第２、第３部材の凸部１２ｆ、１３ｆで隙間が迷路状に形成されてるので、油膜の流動が阻害されて半径方向変位速度に比例した反力、即ち回転軸の変位を抑制するダンピング力を発生することができる。これはスクイズ効果によるものであるが、従来のように隙間に給油孔を有さない、半径方向の隙間１２ｂ、１２ｄ、１３ｂ、１３ｄの油膜の流動が特に阻害されるので、ダンパ力が大きくなる。

図３は本発明の他の実施例の断面図である。本実施例では、第1部材１１のディスク部１１ｃに相対する第２部材１２の凸部１２ｆ端面との間、すなわち軸方向の隙間１２ｃにＯリング４１を設け、同様に該ディスク部１１ｃと相対する第３の部材１３の凸部１３ｆ端面との間、すなわち軸方向の隙間１２ｃにＯリング４２を設けたものである。

このようにすると、第1部材１１と第２部材１２及び第３部材１３との軸方向相対位置を金属接触なしに安全に確定することができる。また、Ｏリングを設けることによって、潤滑油の流動を効果的に阻害することができるので、ダンパ効果は一層増加する。しかも、Ｏリングは軸方向の隙間に配置されるので、軸１の回転による半径方向の振動によって摺動はするが、圧縮・伸長されることがないので、劣化が少なく寿命が長くなる。

また、先の実施例および本実施例ではダンパ効果が大きいので、従来と同じダンパ機能を得るのに半径方向の隙間の軸方向の長さを短くすることができるので、ダンパ部の軸方向寸法を短くしてコンパクト化を図ることができる。

また、本発明のさらに他の実施例として、第1部材１１の外筒１１ｂの内周面と第２部材及び第３部材の凸部１２ｆ、１３ｆ外周面との間１２ｂ、１３ｂにＯリングを設けても良い。このようにすると、ダンパ油膜部の潤滑油の流動を防止する効果が増すと同時に、第1部材１１の回転軸１の中心との同軸度を確保できる効果がある。このＯリングは、第1部材１１の内筒外周面と第２部材及び第３部材の凸部１２ｆ、１３ｆ内周面との間に設けることもできる。

第1部材は円筒状の軸受構造を有しているが、軸１（キャップ３）の周方向に分割されたパッド状の軸受け構造でも良い。この場合、パッド個々の中に各部材が配置され、各隙間が形成されてダンパ部が構成される。また、内筒１１ａが周方向に複数枚に分割されたパッド軸受で形成しても良く、この場合、内筒の外周面と第２部材の凸部の内周面、及び第３部材の凸部の内周面との間に形成される隙間によるダンパ部は殆どなくなるが、軸受部の不安定力発生防止、冷却面では効果が有る。

本発明の一実施例の軸受支持部の部分断面図。同じく要部の拡大断面図。本発明の他の実施例の軸受支持部の部分断面図。

符号の説明

１…回転軸、２…スラストカラー、３…キャップ、１０…固定部材、１１…第１部材、１１ａ…第１部材の内筒、１１ｂ…第１部材の外筒、１１ｃ…第１部材のディスク部（凹部）、１２…第２の部材、１３…第３部材、１４…給油溝、１５…給油孔、２０…軸受、３０…スラスト軸受、４１、４２…Ｏリング、１０〜１３…ダンパ部、１２ａ、１３ａ、１２ｃ、１３ｃ、１２ｅ、１３ｅ…軸方向の隙間、１０ａ、１２ｂ、１３ｂ、１２ｄ、１３ｄ…半径方向の隙間、１２ｆ、１３ｆ…凸部。

Claims

回転軸と、前記回転軸を半径方向に支承するジャーナル軸受と、前記回転軸を軸方向に支承するスラスト軸受と、前記回転軸の外周に配置され前記回転軸を半径方向に受けるダンパ部を有する回転機械において、前記ダンパ部は、前記回転軸に対向して設けられその内周側と前記回転軸との間の潤滑部を構成する油膜を介して軸を受ける第１部材と、この第１部材の外周を覆う固定部材と、前記第１部材の一方の側部を覆う第２部材と、前記第１部材の他方の側部を覆う第３部材とを備え、
前記第１部材は、内筒、外筒及び中央部で前記内筒と外筒を連結するディスク部からなり、前記第２部材と第３部材はそれぞれ、前記第１部材のディスク部の両側部の凹部に係合する凸部を有し、
前記第１部材に、前記外筒側から内筒側に前記ディスク部を通過して半径方向に貫通する給油孔を形成し、
前記第１部材の外筒の外周と前記固定部材との隙間に油膜を形成するともに、前記第１部材の凹部と前記第２部材及び第３部材の凸部の間の半径方向隙間に油膜を形成し、
前記第１部材が前記第２部材および前記第３部材との間で形成する軸方向の隙間を、前記第１部材が前記固定部材および前記第２部材、前記第３部材との間で形成する半径方向の隙間より小さく設定したことを特徴とする回転機械。
前記第２部材と第３部材で挟まれた前記第１部材の外筒の軸方向の隙間を、該外筒の半径方向の隙間よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
前記第２部材と第３部材で挟まれた前記第１部材の内筒の軸方向の隙間を、該内筒の外周部半径方向の隙間よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の回転機械。
前記第２部材と第３部材で挟まれた前記第１部材のディスク部の軸方向の隙間を、前記外筒または内筒の半径方向の隙間よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転機械。
前記回転軸の外周に配置された円筒型軸受構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転機械。
前記第１部材は、前記回転軸の外周に配置された複数個のパッドに分割された構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転機械。
前記ダンパ部は、前記スラスト軸受の軸方向の外側に配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回転機械。