JP5570544B2 - すべり軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、すべり軸受装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−２２２２１０号公報（特許文献１）がある。この公報には、すべり軸受装置において、負荷側の軸受外周に潤滑油を供給して軸受を冷却した後に潤滑油を軸受摺動面に供給することにより、軸受の冷却と軸受損失の低減を図るすべり軸受装置が提案されている。

さらに特許文献１の図５、図６には、外周側の軸受台金と軸受台金と別部材の内周側の軸受ライナーで軸受が構成され、かつ負荷側及び反負荷側のライナーは油膜圧力が発生する範囲まで軸受摺動面を設けることにより部分軸受構造にして軸受損失を低減することが提案されている。

特開２００９−２２２２１０号公報

ところで、蒸気タービン、ガスタービンなどの高い信頼性が要求される産業用回転機械の回転軸を支持するすべり軸受装置においては、軸受の損失を低減することで機器効率を向上することや、潤滑油の油量を低減し、給油用のタンクやポンプ等の補機を小型化することによりコストを低減したいといったニーズがある。

軸受の損失は摺動面上の潤滑油膜のせん断によるため、軸受の摺動面積を小さくすることで軸受単体の損失は低減できる。そこで、特許文献１のように、軸受の摺動面の一部を切り欠いて部分軸受構造とすることで軸受の損失を低減することができる。

さらに低油量化を目指す場合には軸受摺動面の温度上昇が課題となる。軸受摺動面には一般的に低融点金属が使用されており、油量の低減にともなう温度上昇により、強度低下が生じ、焼き付く可能性もある。そこで、特許文献１のように負荷側の軸受外周に潤滑油を供給して軸受摺動面を冷却することで効果的に冷却することができる。

しかしながら、特許文献１は、潤滑油を反負荷側（軸受上半側）と負荷側（軸受下半側）にそれぞれ独立して供給するため、軸受上半側の摺動面に供給された潤滑油は、軸受下半側に達する前に、摺動面を切り欠いた箇所から軸受外部に排出している。

ところで、軸受上半側の温度上昇は、軸受下半側の温度上昇と比較して極めて小さい。
従って、特許文献１の構成では、軸受上半側に供給された潤滑油は、軸受の冷却に有効に活用されていない。

本発明の目的は、部分軸受構造のすべり軸受装置において、軸受に供給する潤滑油を冷却に効果的に利用して、潤滑油の油量を低減することができるすべり軸受装置を提供することにある。

本発明は、上下２分割されたライナーメタルと、ライナーメタルの外周側に設けられた裏金を備えるすべり軸受装置において、軸受下半側のライナーメタルは、摺動面の一部を軸受幅方向に切り欠いて、ロータとの間に空隙を形成する切り欠き部と、摺動部とに分けて構成され、摺動部と切り欠き部の境界部からロータ回転方向上流側に向かって摺動部の裏側に潤滑油を流通させる通油路と、摺動部の上流側端部から摺動面上に通油路を流下する潤滑油を供給する供給口とを有し、軸受下半側の裏金は、境界部において通油路に連通し、軸受外部から供給された潤滑油を通油路に供給する給油路を有し、軸受内部に供給される潤滑油の全量が通油路を通過して軸受内部に供給されることを特徴とする。

本発明によれば、摺動面積の低減により、軸受の損失を低減できる。また、軸受内部に供給する低温の潤滑油の全量が、まず、軸受摺動面の最も高温となる部分を通ることで、潤滑油による冷却効果が向上し、低融点金属の強度低下を防止できる。これにより従来以上に油量を低減した場合の軸受温度の上昇を抑制することができる。

よって、本発明によれば、部分軸受構造のすべり軸受装置において、軸受に供給する潤滑油を冷却に効果的に利用して、潤滑油の油量を低減することができるすべり軸受装置を提供することにある。

本発明の第１の実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。 図１に示したすべり軸受装置のＡ−Ａ線断面図である。 一般的なすべり軸受の摺動面の油膜の圧力分布を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。 本発明の第３の実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。 図５に示したすべり軸受装置のＢ−Ｂ線断面図である。 図５に示したすべり軸受装置のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第４の実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。 図８に示したすべり軸受装置のＣ−Ｃ線断面図の一例である。 図８に示したすべり軸受装置のＣ−Ｃ線断面図である。 蒸気タービンの概略構成図である。 ガスタービンの概略構成図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例について、図１ないし図４を用いて説明する。
図１は第１の実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。本実施例のすべり軸受装置は下半部と上半部に分割された二分割構造となっており、回転機械のロータ１を挟むように設置される。軸受上半側と軸受下半側はボルト（図示せず）で締結されている。ロータ１は、符号１９で示した矢印の方向に回転可能に軸受装置に支持されている。

軸受下半側は、ロータ１を回転可能に支持する下半ライナーメタル２ａと、下半ライナーメタル２ａの外周側に取り付けられ、下半ライナーメタル２ａを固定し、支持する下半裏金３ａを有する。軸受上半側は、ロータ１を回転可能に支持する上半ライナーメタル２ｂと、上半ライナーメタル２ｂの外周側に取り付けられ、上半ライナーメタル２ｂを固定し、支持する上半裏金３ｂを有する。下半ライナーメタル２ａおよび上半ライナーメタル２ｂの内周側表面には、ホワイトメタル等がライニングされ、ロータ１が摺動する摺動面を構成する。

本実施例では、下半ライナーメタル２ａに設けられた摺動面９ａのロータ回転方向下流側端部を軸受幅方向に一部、または全面に渡って凹状に切り欠いて、ロータ１との間に空隙を形成する切り欠き部７ａを設けている。切り欠く深さは、油膜の形成を阻止し、油膜による損失が生じないように、ある程度深さが必要である。しかしながら、ライナーメタル自体の位置決めを容易にするためにライナーメタルを径方向（深さ方向）に全てを切り欠かず、一部残しておくのが望ましい。また、切り欠き部７ａと摺動面９ａとの境目は、滑らかにしてもよい。なお、切り欠く範囲については図３を用いて後述する。

下半ライナーメタル２ａの外周側には、軸受内部へ供給される潤滑油が通過する一本または複数本の通油路６ａが形成されている。通油路６ａは、摺動面９ａの外周側部分に、摺動面９ａに沿って周方向に、摺動面９ａと切り欠き部７ａの境界部から摺動面９ａのロータ回転方向上流側端部までの範囲で形成されている。切り欠き部７ａを除いた摺動面９ａの外周側に通油路６ａを設けることにより、潤滑油を切り欠き部７ａの裏側を通さず、摺動面９ａの裏側だけを流通させるようにしている。

通油路６ａのロータ回転方向上流側端部は、摺動面９ａのロータ回転方向上流側端部に開口する供給口５ａと連通している。これにより通油路６ａを流下した潤滑油は供給口５ａを通過して下半ライナーメタル２ａの摺動面９ａ上に流出し、摺動面９ａとロータ１との間に供給される。

通油路６ａのロータ回転方向下流側端部は、下半裏金３ａに設けられた給油路４と連通している。下半裏金３ａの給油路４は、軸受外部に設けられた給油ポンプ（図示せず）につながっており、外部から供給された潤滑油が、給油路４を通過して通油路６ａに流入し、供給口５ａから摺動面９ａ上に供給される。なお、通油路６ａの回転方向下流側端部は、摺動面９ａと切り欠き部７ａの境界部付近に位置し、ここで給油路４と連通するようにしている。

図２は図１におけるすべり軸受装置のＡ−Ａ線断面図である。ロータ１は図示を省略している。本実施例では、軸受幅方向全体に切り欠き部７ａを設けているが、軸受幅方向の一部に設けるのであっても良い。また、本実施例では、通油路６ａは、摺動面９ａの裏側部分に軸受幅方向に複数本設けている。これにより面全体を冷却できる。なお、通油路６ａは、下半ライナーメタル２ａの外周面に溝を設けることによって形成されている。

次に、摺動面９ａのうち、切り欠く範囲について説明する。図３は一般的なすべり軸受の摺動面９の油膜の圧力分布を示す図である。軸受中心を通過する軸受水平面のロータ回転方向上流側を０°とした場合、油膜圧力分布１０は、９０°よりロータ回転方向下流側で最大圧力となり、さらに下流では大きく圧力が低下し、圧力が発生しない領域が発生する。この範囲は回転軸１の荷重や運転状態によって異なるがおよそ１２０°以降となる。
この部分は油膜による圧力が発生しないため、切り欠いても軸受の性能には影響しない。
そこで本実施例では、油膜圧力が発生しない、もしくは油膜圧力が負圧となる部分を切り欠いて、切り欠き部７ａを形成する。より具体的には、１２０°以降、言い換えると、ロータ荷重方向（ロータの重さが作用する方向）からロータ回転方向に３０°以降の範囲を切り欠いて切り欠き部７ａを形成する。切り欠き部７ａは軸受幅方向全面に渡って設置するのが最もよいが、軸受幅方向に一部設置しても効果がある。

本実施例の作用効果について説明する。
本実施例では、軸受外部から軸受内部に供給する潤滑油は、全量が給油路４から通油路６ａに供給され、通油路６ａをロータ回転方向反対側に流下し、供給口５ａから摺動面９ａ上に供給される。

摺動面９ａでは、ロータ回転方向下流側に行くほど温度が上昇する。そこで、本実施例では摺動面９ａと切り欠き部７ａの境目付近に、給油されたばかりの最も低温の潤滑油を直接供給する。これにより最も低温の潤滑油をまず最初に最も高温の部分に供給することができる。さらに、潤滑油が通油路６ａをロータ回転方向反対側に流下するようにしたことで、摺動面９ａのより高温の部分により低温の状態の潤滑油を通すことができ、潤滑油による冷却効率を上げることができる。さらに軸受内部に供給する潤滑油を全量、通油路６ａを通過させることで、潤滑油全量を高温部位の冷却に利用することができる。これにより、潤滑油による冷却効果を向上することができ、摺動面の低融点金属の強度低下を抑制できる。

本実施例によれば、軸受外部から軸受内部へ供給する潤滑油の軸受内部の供給経路を改良することにより、潤滑油による冷却性能を向上することができ、軸受温度の上昇を抑制できる。これにより油量の削減が可能となり、低油量化を実現することができる。

また、本実施例によれば、摺動面に切り欠き部７ａを設けることで、摺動面積を小さくすることができ、油膜のせん断による損失も低減できる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。なお、第１の実施例と同等の構成要素には同符号を付して説明を省略する。

図４は、本実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。本実施例が実施例１と異なる点は、軸受下半側の摺動面９ａのロータ回転方向上流側端部を軸受幅方向に凹状に切り欠いて、ロータとの間に空隙を形成する切り欠き部７ｂを設けた点である。

図３の圧力分布において、０°〜４０°の位置（言い換えると、ロータ荷重方向からロータ反回転方向に５０°〜９０°）では油膜の圧力が小さい。この部分に切り欠き部７ｂを軸受幅方向に一部、または全面に渡って設けても油膜圧力分布１０に与える影響は小さく、これによってさらなる軸受損失の低減が可能となる。これにともない、供給口５ａは、切り欠き部７ｂと摺動面９ａとの境界より回転方向下流側に設置する。この例によれば、実施例１の効果に加えて、油膜のせん断による損失をさらに低減することが可能である。

本発明の第３の実施例について図５ないし図７を用いて説明する。なお各図を通して、第１、２の実施例と同等の構成要素には同符号を付して説明を省略する。

図５は第３の実施例のすべり軸受装置の縦断面図である。本実施例では、上半ライナーメタル２ｂの構造が、実施例１、２と異なる点である。本実施例では、上半ライナーメタル２ｂの表面に周方向に延伸する溝８（切り欠き部）を設けている。

図６は図５におけるすべり軸受装置のＢ−Ｂ線断面図である。ロータ１は図示を省略している。上半ライナーメタル２ｂの内周面の軸受幅方向中央部に摺動面９ｂを形成し、その幅方向両端に周方向に延伸する溝８を設けている。溝８を設けることにより摺動面９ｂを周方向に切り欠き、ロータ１との間に空隙を形成することで、軸受上半側の摺動面積を減じる構造としている。

軸受上半部はロータ１の荷重を支える必要はなく、何らかの要因でロータ１が振れ回った場合のガイドの役割のため、摺動面積を減じることが可能である。本実施例によれば、実施例１の効果に加え、軸受上半側の摺動面積を減じることによりさらに軸受損失の低減が可能となる。

なお、摺動面９ｂと溝８の配置については、図６に示した例に限られない。例えば、図７に示すように、上半側の摺動面９ｂを軸受幅方向２箇所に設け、その両端に溝８を形成しても良い。このように設置しても摺動面の面積が減るため損失低減に効果がある。

次に本発明の第４の実施例について説明する。
図８は第４の実施例に係るすべり軸受装置の縦断面図である。本実施例では、下半側の通油路６ａを分岐し、上半ライナーメタル２ｂに、一本または複数本設けた通油路６ｂと連通させている。通油路６ｂは、上半側の摺動面９ｂに沿って周方向に延伸し、上半側の摺動面９ｂのロータ回転方向上流側端部に開口する供給口５ｂと連通している。

図９は図８におけるすべり軸受装置のＣ−Ｃ線断面図である。上半部の摺動面９ｂは、軸受幅方向の中央部に設けられており、その両端に周方向に延伸する溝８が設けられている。溝８を設けた場合、摺動面９ｂの面積が小さくなるため、上半側の通油路６ｂは、下半側の通油路６ａの数よりも減らしてよい。通油路６ｂは、摺動面９ｂの外周側に位置するように設けられている。

本実施例では、通油路６ａを流下した潤滑油の一部が、上半側の通油路６ｂを流下し、供給口５ｂから上半側の摺動面９ｂにも給油できる構造としたものである。このような構造とすることで、摺動面９ｂ上にも潤滑油を供給できるのでロータ１が振れ回った場合に、摺動面９ｂの損傷を抑制できる。

なお、摺動面９ｂ、溝８、および通油路６ｂの配置関係は、図９の例に限られない。例えば、図１０に示すように上半側の摺動面９ｂを軸受幅方向に２箇所設け、その両端に溝８を設けている。通油路６ｂは、幅方向に２箇所設けられた摺動面９ｂの外周側にそれぞれ設けられている。図１０のように、上半側の摺動面９ｂと溝８に設置の仕方によって、上半部の摺動面が複数ある場合がある。このような場合、上半側の通油路６ｂは、摺動面の数に合わせて設置すると効果的である。

次に本すべり軸受装置が適用される回転機械の例について説明する。本軸受装置が適用される対象としては、ターボ機械、特に蒸気タービンや、ガスタービン、圧縮機等が挙げられる。

図１１は蒸気タービンの主要な構成機器を概略的に示した例である。火力発電プラントに用いられる蒸気タービンでは、高効率化のため高圧タービン１２、中圧タービン１３、低圧タービン１４、発電機１５をロータ１で連結した、多スパンの形状のものが一般的である。本発明の軸受をロータ１を回転可能に支持するすべての軸受装置１１に採用するのが望ましいが、このうちのいくつかに採用しても、機器の低損失化および低油量化に貢献できる。

図１２はガスタービンの主要な構成機器を概略的に示した例である。ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１６と、圧縮機１６で圧縮した圧縮空気を燃料とともに燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器１８と、燃焼器１８で生成した燃焼ガスで回転駆動するタービン１７とを有し、圧縮機１６とタービン１７とがロータ１で連結している。ロータ１は軸受装置１１で回転可能に支持されている。こちらに関しても本発明の軸受装置を軸受装置１１に採用することで、機器の低損失化および低油量化に貢献できる。

１ ロータ
２ａ 下半ライナーメタル
２ｂ 上半ライナーメタル
３ａ 下半裏金
３ｂ 上半裏金
４ 給油路
５ａ、５ｂ 供給口
６ａ、６ｂ 通油路
７ａ、７ｂ 切り欠き部
８ 溝
９、９ａ、９ｂ 摺動面
１０ 圧力分布
１１ 軸受装置
１２ 高圧タービン
１３ 中圧タービン
１４ 低圧タービン
１５ 発電機
１６ 圧縮機
１７ タービン
１８ 燃焼器
１９ ロータ回転方向

Claims (10)

1. 上下２分割されたライナーメタルと、前記ライナーメタルの外周側に設けられた裏金を備えるすべり軸受装置において、
   軸受下半側の前記ライナーメタルは、
   摺動面のロータ回転方向下流側を軸受幅方向に切り欠いて、ロータとの間に空隙を形成する切り欠き部と、摺動部とに分けて構成され、
   前記摺動部と前記切り欠き部の境界部からロータ回転方向上流側に向かって前記摺動部の裏側に潤滑油を流通させる通油路と、
   前記摺動部の上流側端部から摺動面上に前記通油路を流下する潤滑油を供給する供給口とを有し、
   軸受下半側の前記裏金は、前記境界部において前記通油路に連通し、軸受外部から供給された潤滑油を前記通油路に供給する給油路を有し、
   軸受内部に供給される潤滑油の全量が前記通油路を通過して軸受内部に供給されることを特徴とするすべり軸受装置。
2. 軸受上半側の前記ライナーメタルは、
   軸受幅方向の一部にのみ形成されロータをガイドする摺動部と、
   軸受幅方向の他の部位に形成され、ロータとの間に空隙を形成する切り欠き部とを有することを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受装置。
3. 前記通油路は、軸受上半側の前記ライナーメタルに延伸しており、
   軸受上半側の前記ライナーメタルの前記摺動部に開口し、前記通油路を流下する前記潤滑油を軸受上半側の摺動面上に供給する第２の供給口を備えることを特徴とする請求項２に記載のすべり軸受装置。
4. 軸受下半側の前記切り欠き部は、ロータ荷重方向からロータ回転方向に３０°〜９０°の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のすべり軸受装置。
5. ロータ荷重方向からロータ反回転方向に５０°〜９０°の範囲の摺動面を軸受幅方向に一部、または全面に渡って切り欠いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のすべり軸受装置。
6. ロータと、前記ロータを支持する軸受装置とを備え、前記軸受装置は、上下２分割されたライナーメタルと、前記ライナーメタルの外周側に設けられた裏金を有する回転機械において、
   前記軸受装置の軸受下半側の前記ライナーメタルは、
   摺動面のロータ回転方向下流側を軸受幅方向に切り欠いて、ロータとの間に空隙を形成する切り欠き部と、摺動部とに分けて構成され、
   前記摺動部と前記切り欠き部の境界部からロータ回転方向上流側に向かって前記摺動面部の裏側を流通させる通油路と、
   前記摺動部の上流側端部から摺動面上に前記通油路を流下する潤滑油を供給する供給口とを有し、
   前記軸受装置の軸受下半側の前記裏金は、前記境界部において前記通油路に連通し、軸受外部から供給された潤滑油を前記通油路に供給する給油路を有し、
   軸受内部に供給される潤滑油の全量が前記通油路を通過して軸受内部に供給されることを特徴とする回転機械。
7. 軸受上半側の前記ライナーメタルは、
   軸受幅方向の一部にのみ形成されロータをガイドする摺動部と、
   軸受幅方向の他の部位に形成され、ロータとの間に空隙を形成する切り欠き部とを有することを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
8. 前記通油路は、軸受上半側の前記ライナーメタルに延伸しており、
   軸受上半側の前記ライナーメタルの前記摺動部に開口し、前記通油路を流下する前記潤滑油を軸受上半側の摺動面上に供給する第２の供給口を備えることを特徴とする請求項７に記載の回転機械。
9. 軸受下半側の前記切り欠き部は、ロータ荷重方向からロータ回転方向に３０°〜９０°の範囲に設けられていることを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の回転機械。
10. ロータ荷重方向からロータ反回転方向に５０°〜９０°の範囲の摺動面を軸受幅方向に一部、または全面に渡って切り欠いたことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の回転機械。