JP5773806B2

JP5773806B2 - スラスト軸受

Info

Publication number: JP5773806B2
Application number: JP2011187594A
Authority: JP
Inventors: 貝漕　高明; 高明貝漕; 中野　隆; 隆中野; 脇　勇一朗; 勇一朗脇; 金澤　宏幸; 宏幸金澤; 哲平小林
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: JP2013050144A

Description

本発明は、タービン、遠心圧縮機、ポンプ等に用いられるスラスト軸受に関するものである。

従来から、蒸気タービン、ガスタービン、原子力タービン等の大型回転機械には、回転軸を軸方向に支持する軸受装置として、スラスト軸受が知られている。このスラスト軸受においては、スラストカラーを介して回転軸からの荷重を受ける軸受パッド（ティルティングパッド）が軸心回転方向に複数配置されている。そして、この軸受パッドの背面にはレベラ（レベリングプレート）と呼ばれる組み物が軸心回転対称に複数設置され、各軸受パッドの周方向の高低差を低減し、各軸受パッドの受ける荷重の均一化を行ない、スラスト軸受の焼損を防止している。

このようなスラスト軸受は、例えば特許文献１に開示されており、ケース側レベラ（以下、下レベラ）とパッド側レベラ（以下、上レベラ）とからなるレベリング機構によって各軸受パッドの周方向の高低差を低減している。具体的には、周方向の他の軸受パッドよりも高さが高くなり、荷重過多となっている一つの軸受パッドからの荷重を上レベラが受けた際には、この上レベラが押し込まれ、隣接する下レベラが傾斜する。これに伴って、周方向に下レベラと上レベラとが回転していき、上レベラと下レベラとが連動して各軸受パッドの周方向の高低差を低減し、荷重の均一化を行なっている。

実案平５−２０８９２号公報

しかしながら、上記従来のスラスト軸受においては各レベラの回転中心は固定されておらず、必ずしも一定位置とはならない。従って、一つの上レベラが軸受パッドからの荷重を受け、この上レベラに隣接する二つの下レベラに力が伝達される際には、これら二つの下レベラの回転中心について周方向のズレが発生し、一般にはレバー比が１：１とはならない。この結果、二つの下レベラから周方向に隣接する上レベラ及び下レベラへ次々と伝達される力が不均一となる。従って、各軸受パッドに作用する荷重の均一化を図ることができず、他に比べて軸受メタル温度の高いパッドが発生するという好ましくない問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、各軸受パッドの荷重の均一化を図り、性能向上を達成できるスラスト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、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るスラスト軸受は、スラストカラーを軸線方向一方側から支持し、周方向に複数が併設された軸受パッドと、前記軸受パッドを軸線方向一方側から支持し、周方向に複数が併設された複数の上レベラと、これら上レベラの間にそれぞれ配置されて周方向に隣接する一対の上レベラに軸線方向一方側から接触する下レベラとを有するスラスト軸受において、前記下レベラが径方向に延在する下レベラ回転支持軸回りに、回転可能にハウジングに接続されており、前記上レベラが径方向に延在する上レベラ回転支持軸回りに、回転可能にハウジングに接続されており、前記上レベラ及び前記下レベラの回転中心と、前記下レベラと前記上レベラとの接触点とは一直線上に並ぶように配置され、前記上レベラ及び前記下レベラの回転中心は、この回転中心を挟んで周方向両側に位置する前記接触点同士を結んだ線分の中央に位置していることを特徴とする。

このようなスラスト軸受においては、下レベラが下レベラ回転支持軸によって回転可能に接続されることによって、隣接する上レベラが軸受パッドからの荷重を受けて押し下げられた際には、下レベラは下レベラ回転支持軸を中心に回転する。このように、下レベラは常にこの下レベラ回転支持軸を中心に回転することとなり、回転中心が移動することがない。また、下レベラ回転支持軸は、この下レベラに隣接する上レベラとの２つの接触点の中央に位置していることによって、下レベラの回転中心からこの接触点までの距離は常に同一とされる。従って、下レベラの回転中心からこれら両接触点までの距離、即ち、レバー比は、下レベラが回転した際にも常に１：１に保持され、隣接する上レベラ及び下レベラを介して周方向の他の軸受パッドへ伝達される力の均一化を達成できる。
さらに、一般に、上レベラと下レベラの重なり長さ、即ち、下レベラの回転中心と、上記接触点との間の軸線方向距離が小さくなる程、軸受パッド間の荷重の均一化の効果は大きくなることが確認されている。従って、本発明においては下レベラの回転中心と、上レベラとの接触点とが一直線に並んでいることによって、軸受パッド間の荷重の均一化を最大限図ることが可能となる。

また、前記下レベラ回転支持軸は、転がり軸受を介して前記ハウジングに固定されていてもよい。

転がり軸受によって、下レベラの回転の円滑化を図ることができ、より効率的に軸受パッド毎の受ける荷重の均一化を達成できる。

さらに、前記上レベラ回転支持軸は、前記ハウジングに設けられた長穴によって、該ハウジングに対して前記軸線方向に相対移動可能に支持されていてもよい。

このような上レベラ回転支持軸によって上レベラが支持されることによって、回転中心から上記接触点までの距離が常に同一となり、即ちレバー比が一定に保持される。従って、隣接する下レベラ及び上レベラを介して、周方向の各軸受パッドへ伝達される力の均一化を達成できる。また、回転軸が上記長穴内を軸線方向に移動することによって、軸受パッドから軸線方向に荷重を受けた際には、上レベラ全体が軸線方向に沈み込むことが可能となり、より確実に隣接する下レベラに力を伝達することができる。

また、前記下レベラと前記上レベラとの接触点において、前記下レベラと前記上レベラとのうちの少なくとも一方に支持部材が設けられていてもよい。

このような支持部材を介して上レベラと下レベラとが接触することによって、接触点における摩擦を低減することが可能となり、上レベラと下レベラとを円滑に回転させ、確実に軸受パッド間の荷重の均一化が達成可能となる。

さらに、前記支持部材は、回転自在に固定されるボール部材であってもよい。

このようなボール部材を用いることによって、接触点における摩擦抵抗をさらに低減でき、上レベラと下レベラとを円滑に回転させ、確実に軸受パッド間の荷重の均一化が達成可能となる。

また、前記支持部材は、径方向に延在する軸線回りに回転可能に固定されるローラ部材であってもよい。

このようなローラ部材を用いることによって、接触点における摩擦抵抗をさらに低減でき、上レベラと下レベラとを円滑に回転させ、確実に軸受パッド間の荷重の均一化が達成可能となる。

さらに、前記支持部材は、前記下レベラ及び前記上レベラよりも高硬度の材料よりなっていてもよい。

このように、支持部材に高硬度の材料を適用することによって支持部材の弾性変形を回避でき、摩擦係数を低減できる。従って、上レベラと下レベラとを円滑に回転させ、確実に軸受パッド間の荷重の均一化が達成可能となる。

また、前記支持部材は、摩擦係数を低減するコーティングが施されていてもよい。

コーティングによって支持部材の摩擦係数を低減でき、上レベラと下レベラとを円滑に回転させ、確実に軸受パッド間の荷重の均一化が達成可能となる。

本発明のスラスト軸受によれば、下レベラ回転支持軸によって下レベラの回転中心を固定でき、またこの回転中心と上記接触点とが直線上に位置していることによって、周方向の荷重の均一化を図り、軸受の性能向上を達成できる。

本発明の第一実施形態に係るスラスト軸受の要部を示す斜視図である。本発明の第一実施形態に係るスラスト軸受の側面展開図である。本発明の第一実施形態に係るスラスト軸受の上レベラ及び下レベラの断面図であって、（ａ）は図２のＡ−Ａ断面、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。本発明の第一実施形態に係るスラスト軸受けの下レベラの斜視図である。本発明の第二実施形態に係るスラスト軸受けの下レベラの斜視図である。

以下、本発明の第一実施形態に係るスラスト軸受１について説明する。
スラスト軸受１は、ガスタービン等の大型回転機械のロータを軸方向から支持する軸受装置である。そして、スラスト軸受１内においては給油装置から潤滑油が供給され、１００μｍ程度の厚さの潤滑油膜によって非接触でロータの支持を行なうものである。

スラスト軸受１は、スラストカラー１１と、スラストカラー１１を軸線Ｐ方向一方側から支持する軸受パッド１２と、軸受パッド１２をさらに軸線Ｐ方向一方側から支持するレベラ機構１３とを有しており、これらの構成部品がハウジング２３の中に収容されている。

スラストカラー１１は、図１に示すように円盤状をなす部材であり、図示しないロータに対して同軸かつ一体に固定されている。

軸受パッド１２は、扇形平板状をなす表面にホワイトメタルなどの合金が鋳込まれた部材であり、周方向に複数が軸線Ｐの軸心対称に配設されてスラストカラー１１を軸線Ｐ方向一方側から支持するものである。また、この軸受パッド１２とスラストカラー１１との間には回転軸の回転の際に、図示しない給油装置により供給される潤滑油によって油膜が形成されることで、非接触でスラストカラー１１を支持するように構成されている。

次に、レベラ機構１３について説明する。
レベラ機構１３は、図１及び図２に示すように、周方向に複数の上レベラ２１と複数の下レベラ２２とが組み合わされて、各上レベラ２１と下レベラ２２とが軸線Ｐの軸心対称に配設されるものであり、各軸受パッド１２の軸線Ｐ方向一方側には各上レベラ２１が対向接触して配置されることによって、軸受パッド１２を軸線Ｐ方向一方側から支持するように構成されている。

そして、これら上レベラ２１と下レベラ２２とは、各下レベラ２２が軸線Ｐ方向一方側から各上レベラ２１に接触点２８において当接するように、上レベラ２１の間の位置に下レベラ２２が配置され、上レベラ２１と下レベラ２２とが周方向に交互に並んでいる。

上レベラ２１は、スラスト軸受１の径方向から見て略扇形状をなす金属部材であって、図３に示すように、ハウジング２３に径方向に延在して設けられる上レベラ回転支持軸２４によって、ニードル軸受２７を介して上レベラ回転支持軸２４回りに回転可能に固定されている。また、ハウジング２３において上レベラ回転支持軸２４の設置部分は軸線Ｐ方向を長手方向とする長穴２６となっており、この長穴２６によって上レベラ回転支持軸２４が該長穴２６の形成範囲内において軸線Ｐ方向に移動可能に支持されている。

下レベラ２２は、上レベラ２１同様にスラスト軸受１の径方向から見て略扇形状をなす金属部材であって、ハウジング２３に径方向に延在して設けられる下レベラ回転支持軸２５によって、ニードル軸受２７を介して下レベラ回転支持軸２５回りに回転可能に接続されている。

また、上レベラ２１及び下レベラ２２の回転中心と接触点２８とは一直線上に並ぶように配置され、さらに、上レベラ２１及び下レベラ２２の回転中心は、この回転中心を挟んでスラスト軸受１の周方向両側に位置する接触点２８同士を結んだ線分の中央に位置している。

そして、上レベラ２１と下レベラ２２との上記接触点２８においては、下レベラ２２にボール部材（支持部材）３１が設けられており、抜け止めフタ３２によって全軸線回りに自在に回転可能に固定されている。

このようなスラスト軸受１においては、各軸受パッド１２の加工寸法公差等によって発生する周方向各々の軸受パッド１２の厚さの差異、及び、ロータのたわみによって、各軸受パッド１２がロータから受ける荷重について周方向に差異が生じる。この際、荷重過多となっている軸受パッド１２が軸線Ｐ方向一方側から一方側に向かって押し込まれる。この押し込みによって上レベラ２１も押し込まれ、この上レベラ２１の両隣に隣接する下レベラ２２の接触点２８に軸線Ｐ方向一方側へ力が作用して、下レベラ２２を下レベラ回転支持軸２５回りに回転させる。

具体的には、荷重を受けた上レベラ２１の、図２の紙面に向かって右側に隣接する下レベラ２２は反時計回りに回転し、この回転した下レベラ２２の紙面に向かって右側に隣接する上レベラ２１は時計回りに回転する。これによって上記の紙面に向かって右側に隣接する上レベラ２１が、この上レベラ２１に対向して設けられる軸受パッド１２を持ち上げる。さらに、この上レベラ２１の紙面右側に位置する下レベラ２２、上レベラ２１が次々に回転される。

また、上記荷重を受けた上レベラ２１の図２の紙面に向かって左側に隣接する下レベラ２２は時計回りに、さらに、この回転した下レベラ２２の紙面に向かって左側に隣接する上レベラ２１は、反時計回りに、というように下レベラ２２、上レベラ２１が次々と回転される。

このようにして、最初に押し下げられた軸受パッド１２の荷重が周方向に伝達していき、軸受パッド１２の高さを周方向に均一化し、軸受パッド１２の受ける荷重を周方向に均一にすることができる。

ここで、回転した下レベラ２２は、その回転中心から上レベラ２１との二つの接触点２８まで距離の比、即ち、レバー比は常に１：１とされている。従って、下レベラ２２が回転した際には、下レベラ２２における一つの接触点２８から他の接触点２８に回転モーメントが増幅されることなく、周方向に隣接する上レベラ２１に力が均等に伝達される。

さらに、下レベラ２２はニードル軸受２７によって回転支持されているため、回転動作の円滑化を図ることができる。

また、上レベラ２１においても、下レベラ２２同様に、レバー比が常に１：１とされるとともに、ニードル軸受２７によって回転支持されているため円滑に回転可能とされ、上レベラ２１における一つの接触点２８から他の接触点２８に力が均等に伝達される。

さらに、上レベラ回転支持軸２４は上記長穴２６によって軸線Ｐ方向に動き自由とされているため、各軸受パッド１２からの荷重を受けた際には、軸線Ｐ方向に沈み込むことが可能である。従って、確実に両隣に隣接する下レベラ２２を回転させることによって、力を伝達することが可能となる。

ここで、上レベラ２１と下レベラ２２との接触点２８と、上レベラ２１及び下レベラ２２の回転中心とは一直線に並ぶように配置されているが、一般に、下レベラ２２においては、下レベラ２２の回転中心と、上記接触点２８との間の軸線Ｐ方向距離が小さくなる程、軸受パッド１２間の荷重の均一化の効果は大きくなることが確認されている。

そして、上述の荷重均一化効果については、下レベラ２２の回転中心から接触点２８までの距離をＬ、上レベラ２１と下レベラ２２との重なり長さ、即ち下レベラ２２と接触点２８との中心間の軸線Ｐ方向の距離をＳ、軸受パッド１２枚数をｎとすると、摩擦抵抗を無視した場合、軸受パッド１２の受ける最大荷重Ｐｍａｘと、最小荷重Ｐｍｉｎとの間には、Ｐｍｉｎ／Ｐｍａｘ＝{（Ｌ−Ｓ）／Ｌ｝^{（ｎ−１）}の関係が成立することがわかっている。従って、Ｓ＝０としたときに、Ｐｍｉｎ／Ｐｍａｘ＝１となり、軸受パッド１２の受ける荷重が最大限均一化されることを示している。

本実施形態においては下レベラ２２と接触点２８との間の軸線Ｐ方向距離Ｓ＝０とされているため、軸受パッド１２の受ける荷重の均一化を最大限達成することができる。

また、接触点２８において下レベラ２２に設けられるボール部材３１によって、上レベラ２１と下レベラ２２との接触摩擦抵抗を低減することが可能となる。このため、力の伝達を円滑化し軸受パッド１２間の荷重の均一化を図ることが可能となる。

本実施形態のスラスト軸受１によれば、上レベラ２１及び下レベラ２２の回転中心から接触点２８まで距離が常に一定となるとともに、レバー比が１：１とされている。さらに、上レベラ２１及び下レベラ２２の回転中心と接触点２８とが一直線に並ぶように配置されているため、軸受パッド１２の荷重均一化を効果的に達成できる。従って、軸受パッド１２の荷重の偏差による表面温度の偏差発生を抑制でき、軸受パッド１２の表面のホワイトメタルの焼損等を防止することによって、スラスト軸受１の性能向上を図ることができる。

さらに、上レべラ２１及び下レベラ２２がニードル軸受２７によって回転支持されていること、また、接触点２８において下レベラ２２にボール部材３１が設けられていること、そして、上レベラ回転支持軸２４は上記長穴２６によって軸線Ｐ方向に動き自由とされていることによって、摩擦抵抗が低減し、力の伝達効果が向上し、さらなる荷重均一化を図ることができる。

なお、本実施形態では、上レベラ回転支持軸２４及び下レベラ回転支持軸２５の軸受としてニードル軸受２７を採用しているが、設置スペースの制約に応じて、例えば玉軸受等の他の軸受を採用してもよい。

また、ボール部材３１は、接触点２８において上レベラ２１に設けられていてもよく、下レベラ２２と上レベラ２１の両方に設けられていてもよい。

次に、図５を参照して、第二実施形態に係るスラスト軸受１について説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
スラスト軸受１は、第一実施形態のボール部材３１に代えて、ローラ部材（支持部材）４１が設けられている。また、このローラ部材４１は接触点２８において、上レベラ２１及び下レベラ２２Ａの両方に設けられており、上レベラ２１のローラ部材４１と下レベラ２２のローラ部材４１とは対向して接触するように配置されている。

このローラ部材４１は、径方向に延在する軸線を回転中心として配置される円柱状の金属部材であり、抜け止めフタ４２によって脱落しないように規制されている。

このようなスラスト軸受１においては、各軸受パッド１２の加工寸法公差等によって発生する周方向各々の軸受パッド１２の厚さの差異、及び、ロータのたわみによって、各軸受パッド１２がロータから受ける荷重について周方向に差異が生じてレベラ機構１３が作動する際には、上レベラ２１のローラ部材４１と下レベラ２２Ａのローラ部材４１とが対向して回転することによって、接触摩擦抵抗をさらに低減しながら荷重を伝達することができる。従って、軸受パッド１２間の荷重のさらなる均一化を図ることができる。

本実施形態のスラスト軸受１によれば、接触点２８にローラ部材４１を設けることによって、軸受パッド１２への荷重の偏差による軸受パッド１２の表面温度の偏差発生を抑制でき、表面のホワイトメタルの焼損等を防止可能となり、スラスト軸受１の性能向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態についての詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、第一実施形態のスラスト軸受１のボール部材３１、及び、第二実施形態のスラスト軸受１のローラ部材４１、また、接触点２８における上レベラ２１及び下レベラ２２、２２Ａの表面には、例えばＳＫＨなどのようにクロムやモリブデン等を多く含む高硬度の鋼を用いてもよい。この場合、接触点２８においてボール部材３１や、ローラ部材４１が弾性変形することを防止できる。従って、上レベラ２１と下レベラ２２、２２Ａとの接触摩擦抵抗をさらに低減することが可能となる。

さらに、第一実施形態のスラスト軸受１のボール部材３１、及び、第二実施形態のスラスト軸受１のローラ部材４１、また、接触点２８における上レベラ２１及び下レベラ２２、２２Ａの表面には、例えば、樹脂やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）のコーティングが施されてもよい。この場合、さらなる接触摩擦抵抗の低減が可能となる。

また、接触点２８においてボール部材３１やローラ部材４１を設ける代わりに、上述の高硬度鋼、樹脂及びＤＬＣのコーティングのみを適用することによって、コストダウンを図ることができる。

１…スラスト軸受、１１…スラストカラー、１２…軸受パッド、１３…レベラ機構、２１…上レベラ、２２、２２Ａ…下レベラ、２３…ハウジング、２４…上レベラ回転支持軸、２５…下レベラ回転支持軸、２６…長穴、２７…ニードル軸受、２８…接触点、３１…ボール部材（支持部材）、３２…抜け止めフタ、４１…ローラ部材（支持部材）、４２…抜け止めフタ、Ｐ…軸線

Claims

スラストカラーを軸線方向一方側から支持し、周方向に複数が併設された軸受パッドと、
前記軸受パッドを軸線方向一方側から支持し、周方向に複数が併設された複数の上レベラと、
これら上レベラの間にそれぞれ配置されて周方向に隣接する一対の上レベラに軸線方向一方側から接触する下レベラとを有するスラスト軸受において、
前記下レベラが径方向に延在する下レベラ回転支持軸回りに、回転可能にハウジングに接続されており、前記上レベラが径方向に延在する上レベラ回転支持軸回りに、回転可能にハウジングに接続されており、
前記上レベラ及び前記下レベラの回転中心と、前記下レベラと前記上レベラとの接触点とは一直線上に並ぶように配置され、前記上レベラ及び前記下レベラの回転中心は、この回転中心を挟んで周方向両側に位置する前記接触点同士を結んだ線分の中央に位置していることを特徴とするスラスト軸受。
前記下レベラ回転支持軸は、転がり軸受を介して前記ハウジングに固定されていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受。
前記上レベラ回転支持軸は、前記ハウジングに設けられた長穴によって、該ハウジングに対して前記軸線方向に相対移動可能に支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト軸受。
前記下レベラと前記上レベラとの接触点において、前記下レベラと前記上レベラとのうちの少なくとも一方に支持部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
前記支持部材は、回転自在に固定されるボール部材であることを特徴とする請求項４に記載のスラスト軸受。
前記支持部材は、径方向に延在する軸線回りに回転可能に固定されるローラ部材であることを特徴とする請求項４に記載のスラスト軸受。
前記支持部材は、前記下レベラ及び前記上レベラよりも高硬度の材料よりなることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
前記支持部材は、摩擦係数を低減するコーティングが施されていることを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載のスラスト軸受。