JP5370215B2

JP5370215B2 - ティルティングパッドジャーナル軸受

Info

Publication number: JP5370215B2
Application number: JP2010045210A
Authority: JP
Inventors: 秀樹尾形
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-03-02
Also published as: JP2011179609A

Description

本発明は、ティルティングパッドジャーナル軸受に関するものである。

従来から、回転軸を回転自在に支持するティルティングパッドを用いたティルティングパッドジャーナル軸受（以下、単に「ジャーナル軸受」と記載する）が使用されている（例えば、特許文献１参照）。ティルティングパッドは回転軸の外周面の周方向に複数設けられ、上記外周面に沿うように湾曲している部材である。また、ティルティングパッドは揺動して回転軸の外周面に沿うことから、上記ジャーナル軸受ではその自励振動を防止することができる。さらに、ティルティングパッドが揺動して上記外周面に沿うことで、ティルティングパッドが局所的に上記外周面と摺動することによる発熱や焼き付き等の不具合を防止することができる。

特開２００９−１６８２０５号公報

しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
複数のティルティングパッドの上記延在方向での両側には、一対のプレートがそれぞれ設けられている。このプレートは、ティルティングパッドがジャーナル軸受から抜け落ちることを防ぐための部材であり、通常はプレートとティルティングパッドとの間に所定の隙間が形成されている。しかし、振動等によりティルティングパッドが移動してプレートに当接するとティルティングパッドの自由な揺動が妨げられ、自励振動が生じたり、ティルティングパッドと回転軸との間で発熱や焼き付き等の不具合が発生したりする虞があった。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、ティルティングパッドがプレートに当接することを防ぎ、自励振動や、発熱、焼き付き等の不具合の発生を防止できるティルティングパッドジャーナル軸受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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、回転軸の外周面の周方向に複数設けられ且つ回転軸を回転自在に支持するティルティングパッドと、該複数のティルティングパッドに対し回転軸の軸方向の両側に隙間をあけてそれぞれ配置される一対のプレートと、を備えるティルティングパッドジャーナル軸受において、上記隙間は回転軸の回転方向における上流側よりも下流側が狭く設定されている、という構成を採用する。
ティルティングパッドを有するジャーナル軸受では、回転軸の周囲や一対のプレートの間に潤滑油が充填されており、上記隙間内にも潤滑油が充填されている。本発明では、上記隙間内の潤滑油が回転軸の回転によって付勢され、回転軸の回転方向に向かって流動する。また、上記隙間の、回転軸の回転方向における上流側での幅が、回転方向における下流側での幅よりも広いことから、隙間内を流動する潤滑油は次第に流れにくくなる。そのため、隙間内の潤滑油の圧力は高くなり、ティルティングパッドにおける一対のプレートに対向するそれぞれの面には、ティルティングパッドの中央に向かう付勢力が生じる。

また、本発明は、ティルティングパッドの軸方向での幅が、回転軸の回転方向における上流側よりも下流側が広く設定されている、という構成を採用する。

また、本発明は、上記隙間が、回転軸の回転方向における上流側から下流側に向かうに従い漸次狭くなる、という構成を採用する。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、ティルティングパッドにおける一対のプレートに対向するそれぞれの面に、ティルティングパッドの中央に向かう付勢力が生じる。この付勢力が生じることで、ティルティングパッドは一対のプレートの略中間の位置に保持される。よって、ティルティングパッドがプレートに当接することを防止できるという効果がある。また、ティルティングパッドのプレートへの当接を防止することでティルティングパッドの自由な揺動が規制されない。そのため、自励振動の発生や、ティルティングパッドと回転軸との間における発熱や焼き付き等の不具合の発生を防止できるという効果がある。

ティルティングパッドジャーナル軸受１の構成を示す概略図である。パッド２０の外形を示す斜視図である。図１（ａ）のＢ矢視図である。隙間比率Ｍと付勢力Ｐとの間の関係を示す概略図である。ティルティングパッドジャーナル軸受１の一変形例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、図１から図５を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

本実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受１（以下、単に「ジャーナル軸受１」と記載する）の構成を、図１を参照して説明する。図１は、ジャーナル軸受１の構成を示す概略図であって、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線視断面図である。
図１に示すように、ジャーナル軸受１は、回転軸２をその外周面側から回転自在に支持する軸受である。ジャーナル軸受１は、例えば不図示の遠心圧縮機等の回転構造を有する装置で用いられる。ジャーナル軸受１は、ハウジング１０と、複数のティルティングパッド２０と、一対のサイドプレート（プレート）３０，４０とを有している。

回転軸２は、矢印Ｋの方向に延在する軸部材である。そのため、符号Ｃで示す回転軸２の中心軸は、矢印Ｋ方向と互いに平行している。回転軸２は、不図示の駆動装置等に連結されており、矢印Ｒの方向に回転する構成となっている。

ハウジング１０は、複数のティルティングパッド２０（以下、単に「パッド２０」と記載する）を保持するための部材である。ハウジング１０は、回転軸２を囲んで設けられる略円筒状の部材である。ハウジング１０の内側の面であるハウジング内周面１０ａには、複数のピン１１が設けられている。ピン１１は、ハウジング１０の周方向での、パッド２０の移動を規制するためのものである。複数のピン１１は、ハウジング内周面１０ａから径方向内側に向かって突出し、ハウジング１０の周方向で略等間隔に並んで配設されている。

パッド２０は、回転軸２の外側の面である軸外周面（外周面）２ａに対向し、且つ回転軸２の周方向に並んで複数設けられ、回転軸２を回転自在に支持する部材である。本実施形態では、５個のパッド２０が用いられているが、これ以外の個数であってもよい。パッド２０の、矢印Ｋ方向に直交する所定の面での断面形状は略弧状に形成され（図１（ａ）参照）、回転軸２の中心軸Ｃを含む所定の面での断面形状は略矩形に形成されている（図１（ｂ）参照）。パッド２０の内側の面であるパッド内側面２０ａは、軸外周面２ａに沿うように湾曲し、パッド内側面２０ａの曲率は、軸外周面２ａの曲率よりも小さく設定されている。パッド２０の外側の面であるパッド外側面２０ｂは、ハウジング内周面１０ａに沿うように湾曲し、パッド外側面２０ｂの曲率は、ハウジング内周面１０ａの曲率よりも大きく設定されている。

パッド２０のパッド外側面２０ｂは、ハウジング内周面１０ａに当接して設けられている。また、パッド外側面２０ｂには、ハウジング内周面１０ａに向かって開口する孔部２１が形成されている。孔部２１の径はピン１１の径よりも大きく設定され、孔部２１には所定の隙間をあけてピン１１が挿入されている。そのため、ハウジング１０の周方向での、パッド２０の移動を規制することが可能となっている。

一対のサイドプレート３０，４０（以下、単に「プレート３０，４０」と記載する）は、複数のパッド２０がハウジング１０の内側から抜け落ちることを防止するための部材である。一対のプレート３０，４０は、複数のパッド２０の矢印Ｋ方向での両側に隙間Ｓ１，Ｓ２をあけてそれぞれ配置される、略円環状の板状部材である。すなわち、一対のプレート３０，４０は、パッド２０の矢印Ｋ方向での両端面２０ｃ，２０ｄにそれぞれ対向して設けられている。なお、隙間Ｓ１，Ｓ２は、回転軸２の設置領域と連通している。また、一対のプレート３０，４０は、互いに平行して設けられ、且つハウジング１０の矢印Ｋ方向での両端部に一体的に接続されている。
一対のプレート３０，４０の間、及び回転軸２の周囲には所定の潤滑油（図示せず）が充填されている。この潤滑油は、軸外周面２ａとパッド内側面２０ａとの間を潤滑し、円滑な回転軸２の回転動作を維持するためのものである。

次に、パッド２０の外形を、図２を参照して説明する。図２は、パッド２０の外形を示す斜視図である。
図２に示すように、パッド２０は、矢印Ｋ方向に延びる所定の軸周りに湾曲している。パッド２０の矢印Ｋ方向での幅は、回転軸２（図２では図示せず）の回転方向である矢印Ｒ方向における上流側Ｒ１での幅Ｌ１よりも、下流側Ｒ２での幅Ｌ２が広く設定されている。ここで、上流側Ｒ１とは、パッド２０において、矢印Ｒ方向に向けて回転する回転軸２の軸外周面２ａにおける所定の箇所が先に到達する側を示し、下流側Ｒ２とは、上記所定の箇所が後に到達する側を示すものとする。また、パッド２０の矢印Ｋ方向での幅は、上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次広くなっている。パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄは、いずれも平面状に形成されている。

次に、パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄ側にそれぞれ形成される隙間Ｓ１，Ｓ２の形状を、図３を参照して説明する。図３は、図１（ａ）のＢ矢視図である。図３におけるパッド２０は、一対のプレート３０，４０の中間位置に設けられているものとする。
上述したように、一対のプレート３０，４０と、パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄとの間には、隙間Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ形成されている。一対のプレート３０，４０の間の間隔Ｌ０（プレート３０，４０の内のり寸法）は、パッド２０の下流側Ｒ２での幅Ｌ２よりも広く設定され、矢印Ｒ方向に関して一定の間隔となっている。加えて、パッド２０の矢印Ｋ方向での幅は、上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次広くなっていることから、隙間Ｓ１，Ｓ２の上流側Ｒ１での幅Ｈ１よりも、下流側Ｒ２での幅Ｈ２が狭く設定されている。さらに、隙間Ｓ１，Ｓ２は、上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次狭くなっている。なお、隙間Ｓ１，Ｓ２は互いに対照的な形状となっている。

続いて、本実施形態に係るジャーナル軸受１の動作を、図１及び図３を参照して説明する。
まず、ジャーナル軸受１が回転軸２を支持する動作を、図１を参照して説明する。
上述したように、回転軸２には不図示の駆動装置等が連結されており、該駆動装置の作動によって回転軸２はその中心軸Ｃ周りに回転する。回転軸２の周囲には潤滑油が充填されているため、軸外周面２ａとパッド内側面２０ａとの間には潤滑油の油膜が形成される。油膜が形成されることで、複数のパッド２０は回転軸２が円滑な回転を継続できるように支持することができる。

また、振動等を原因として、回転軸２が矢印Ｋ方向と直交する方向に変位する場合がある。ここで、パッド外側面２０ｂの曲率がハウジング内周面１０ａの曲率よりも大きく設定されているため、パッド外側面２０ｂはハウジング内周面１０ａに対して局所的に当接しており、パッド２０は矢印Ｋ方向に延びる所定の軸周りに揺動することが可能となっている。そのため、回転軸２が変位した場合でも、パッド２０は揺動して軸外周面２ａに沿う姿勢に変位し、回転軸２を安定して支持することができる。また、パッド２０が揺動することで、ジャーナル軸受１における自励振動の発生や、軸外周面２ａとパッド内側面２０ａとが局所的に接触することで生じる発熱や焼き付き等の不具合を防止できる。

次に、パッド２０が一対のプレート３０，４０の間の中間位置に保持される動作を、図３を参照して説明する。
回転軸２（図３では図示せず）が矢印Ｒの方向で回転することで、回転軸２の周囲や一対のプレート３０，４０の間に充填されている潤滑油は、矢印Ｒの方向に付勢されて流動する。また、隙間Ｓ１，Ｓ２内にも潤滑油が充填されており、隙間Ｓ１，Ｓ２は回転軸２の設置領域と連通しているため、回転軸２の回転によって隙間Ｓ１，Ｓ２内の潤滑油も付勢され、矢印Ｒと略平行する矢印Ｆの方向で流動する。ここで、隙間Ｓ１，Ｓ２の上流側Ｒ１での幅Ｈ１よりも、下流側Ｒ２での幅Ｈ２が狭く設定されているため、潤滑油が隙間Ｓ１，Ｓ２内を矢印Ｆの方向に流動するに従い潤滑油は流れにくくなり、その圧力は上昇する。そして、パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄは潤滑油の圧力を受け、その圧力により両端面２０ｃ，２０ｄには付勢力Ｐがそれぞれ生じる。また、隙間Ｓ１，Ｓ２が、上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次狭くなっているため、効率よく付勢力Ｐを発生させることができる。

付勢力Ｐは、両端面２０ｃ，２０ｄにそれぞれ生じ、両端面２０ｃ，２０ｄをパッド２０の中央部に向かって付勢する。また、隙間Ｓ１，Ｓ２は、互いに対照的な形状となっているため、パッド２０が一対のプレート３０，４０の略中間の位置にあるときには、両端面２０ｃ，２０ｄにそれぞれ生じる付勢力Ｐの大きさは互いに等しくなる。したがって、パッド２０は、その両端面２０ｃ．２０ｄに付勢力Ｐがそれぞれ生じることで、一対のプレート３０，４０の略中間の位置に保持される。

また、振動等を原因として、パッド２０が例えば一方のプレート３０に接近した場合には、プレート３０側の隙間Ｓ１が狭くなる。そして、狭くなった隙間Ｓ１内では潤滑油がさらに流れにくくなり、その圧力がさらに上昇する。潤滑油の圧力が高くなることで、パッド２０の端面２０ｃに生じる付勢力Ｐが増加する。一方、隙間Ｓ２は広くなるため、隙間Ｓ２内の潤滑油の圧力は低下し、端面２０ｄに生じる付勢力Ｐは減少する。よって、端面２０ｃに生じる付勢力Ｐが端面２０ｄに生じる付勢力Ｐよりも大きくなるため、一方のプレート３０側にパッド２０が接近したとしても、他方のプレート４０に向かって付勢され、再び一対のプレート３０，４０の略中間の位置に変位して保持される。すなわち、パッド２０が一対のプレート３０，４０の一方側に変位したとしても、パッド２０を自動的に一対のプレート３０，４０の略中間の位置に復帰させることができる。

パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄに、パッド２０を一対のプレート３０，４０の略中間の位置に保持する付勢力Ｐがそれぞれ生じることで、パッド２０が一対のプレート３０，４０に当接することを防止することができる。パッド２０の一対のプレート３０，４０への当接を防止できることで、パッド２０の自由な揺動が確保でき、結果としてジャーナル軸受１における自励振動、及び軸外周面２ａとパッド内側面２０ａとの間の発熱や焼き付き等を防止することができる。

次に、隙間Ｓ１，Ｓ２における幅Ｈ１と幅Ｈ２との間の比率と、パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄに生じる付勢力Ｐとの間の関係を、図４を参照して説明する。
まず、隙間比率Ｍを、下記式（１）によって規定する。
Ｍ＝Ｈ１／Ｈ２・・・（１）
次に、隙間比率Ｍと付勢力Ｐとの間の関係を図４に示す。図４は、隙間比率Ｍと付勢力Ｐとの間の関係を示す概略図である。図４に示すように、隙間比率Ｍが凡そ２．２であるときに、付勢力Ｐが最大となっている。

また、隙間比率Ｍが２．２より小さくなる場合の付勢力Ｐの減少率は、隙間比率Ｍが２．２より大きくなる場合の付勢力Ｐの減少率に比べて高く、急激に減少している。パッド２０の安定した保持動作のためには、付勢力Ｐの変動は小さなことが望まれるため、隙間比率Ｍは、２≦Ｍ≦４の範囲に設定されることが好ましい。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、パッド２０が一対のプレート３０，４０に当接することを防止できるという効果がある。さらに、パッド２０の一対のプレート３０，４０への当接を防止することで、パッド２０の自由な揺動が確保でき、結果としてジャーナル軸受１における自励振動、及び軸外周面２ａとパッド内側面２０ａとの間の発熱や焼き付き等を防止できるという効果がある。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本実施形態では、パッド２０の矢印Ｋ方向での幅は、上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次広くなっているが、これに限定されるものではなく、上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い段階的に広くなる形状であってもよい。

また、本実施形態では、パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄはいずれも平面状に形成されているが、これに限定されるものではなく、回転軸２側から見たときの両端面２０ｃ，２０ｄが、プレート３０，４０に向かって凸状または凹状に湾曲していてもよい。

また、本実施形態では、一対のプレート３０，４０が互いに平行に設けられ、且つパッド２０の矢印Ｋ方向での幅が上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次広くなることで、隙間Ｓ１，Ｓ２が上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次狭くなっているが、これに限定されるものではない。例えば、パッド２０の両端面２０ｃ，２０ｄが互いに平行に設けられ、且つ一対のプレート３０，４０の間の間隔Ｌ０が上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次狭くなる構成であってもよい。このような構成であっても、隙間Ｓ１，Ｓ２を上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い漸次狭くすることができる。また、一対のプレート３０，４０の間の間隔Ｌ０が上流側Ｒ１から下流側Ｒ２に向かうに従い段階的に狭くなる形状であってもよい。

また、本実施形態に係るジャーナル軸受１に対して、図５に示す変形例を適用してもよい。図５は、ジャーナル軸受１の一変形例を示す概略図である。なお、図５は、図１（ｂ）に対応するものである。図５に示すように、ティルティングパッド２０Ａの外側の面であるパッド外側面２０ｅは、ハウジング内周面１０ａに向かって凸状に湾曲している。このため、ティルティングパッド２０Ａは、紙面垂直方向に延びる所定の軸周りに揺動でき、回転軸２が矢印Ｋ方向に対して傾いたとしても、その傾きに応じて揺動し軸外周面２ａに沿うようにその姿勢を変化させることができる。

１…ティルティングパッドジャーナル軸受、２…回転軸、２ａ…軸外周面（外周面）、２０…ティルティングパッド、３０…サイドプレート（プレート）、Ｓ１，Ｓ２…隙間

Claims

回転軸の外周面の周方向に複数設けられ且つ前記回転軸を回転自在に支持するティルティングパッドと、該複数のティルティングパッドに対し前記回転軸の軸方向の両側に隙間をあけてそれぞれ配置される一対のプレートと、を備えるティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記隙間は、前記回転軸の回転方向における上流側よりも下流側が狭く設定されていることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
請求項１に記載のティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記ティルティングパッドの前記軸方向での幅は、前記上流側よりも前記下流側が広く設定されていることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
請求項１又は２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記隙間は、前記上流側から前記下流側に向かうに従い漸次狭くなることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。