JP5570544B2 - すべり軸受装置 - Google Patents

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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。
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