JP5805869B2 - 一軸形ターボ機械のための、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、一軸形ターボ機械のための、傾斜セグメントを具備したラジアル軸受に関する。

例えば一軸形ターボ機械のようなターボ機械は、シャフトを具備するロータを有している。シャフトを取り付けるために検討すべき構成部品は、とりわけ、ラジアル軸受の周りにシャフトを回転可能とするための、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受である。通常、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受は３つ又は４つの傾斜セグメントを有しているが、下側傾斜セグメントと上側傾斜セグメントとの間には相違点が存在する。下側傾斜セグメントは、シャフトの重量を支持するが、シャフトの重量は、下側傾斜セグメントを介して基礎部分に分散される。上側傾斜セグメントは、故障が発生した場合に、シャフトが下側傾斜セグメントから上方に脱離することを防止するようになっており、シャフトに対する振動減衰効果を有している。上側傾斜セグメントは、シャフトに遊嵌されているか、バネによってシャフトに押圧されている。

潤滑及び冷却のために、オイルの流れが、傾斜セグメントを通じて、シャフトと傾斜セグメントの滑り面との間に形成されたシール間隙内部に導入される。シャフトが回転された場合には、シャフトを“浮動状態（float）”にするオイルの流体膜が形成される。回転中に不均衡が生じると、振動が発生する場合がある。上側傾斜セグメントがシャフトに遊嵌されている場合には、上側傾斜セグメントによって振動が僅かに減衰される。現状において、上側傾斜セグメントは、振動を減衰させるために、バネによってシャフトに押圧されている。ターボ機械が運転停止された場合には、ターンモードとして知られている低速モードでシャフトを回転させる必要がある。これにより、シャフトが冷却中に降下しない。しかしながら、このターンモードにおいて、ターボ機械が運転開始した場合には、上側傾斜セグメントがシャフトを押圧するという欠点が存在する。このことは、傾斜セグメントの滑り面及びシャフトの表面を損傷させる場合があるからである。

さらに、少量のオイルがシール間隙内部に流入するにすぎない場合があるので、この場合には、冷却が不十分となる。さらに、ターンモードにおける滑り挙動が不十分であるので、大きい駆動力が必要とされ、その結果として、ターボ機械の効率が低下する。

特許文献１は、圧力を傾斜セグメントに作用させる圧力チャンバに接続された流体がシャフトと傾斜セグメントとの間に形成された間隙内に配置されている、流体潤滑軸受を開示している。特許文献２及び特許文献３はさらなる軸受を開示している。

仏国特許出願公開第２５７４５０３号明細書 米国特許第３４９７２７６号明細書 独国特許出願公開第１４２５１１１号明細書

本発明の目的は、一軸形ターボ機械のため、振動を良好に減衰させると共に動作中に効果的に冷却可能とされる傾斜セグメントを具備するラジアル軸受を提供することである。

一軸形ターボ機械のための、本発明における傾斜セグメントを具備するラジアル軸受は、サポートリングと、傾斜セグメント取付部分と、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受を据え付けた状態において、突出していると共に、プレストレス装置を有する傾斜セグメント取付部分によってラジアル方向に移動可能にサポートリングに支持されている傾斜セグメントとを有しており、一軸形ターボ機械の運転回転速度が所定の傾斜セグメントの回転速度より高い場合に、プレストレス装置によって、傾斜セグメントが一軸形ターボ機械のシャフトに向かう方向においてプレストレスを受け、これにより、一軸形ターボ機械の運転回転速度が傾斜セグメントのプレストレス回転速度より低い場合に、プレストレス装置によって、傾斜セグメントがラジアル方向においてプレストレスを受けない、ラジアル軸受とされる。

一軸形ターボ機械の回転速度が低い場合には、シャフトを“浮動状態”にするオイルの流体膜を形成することができないので、下側傾斜セグメントとシャフトとの距離が短い。この場合には、本発明における傾斜セグメントを具備するラジアル軸受の傾斜セグメントは、当該傾斜シャフトの重量のみをシャフトに作用させた状態でシャフトに配設されている。シャフトの回転速度が大きくなった場合には、オイルの流体膜が形成されるので、これによりシャフトが持ち上げられる。優位には、所定の傾斜セグメントのプレストレス回転速度が目標値を超過した場合には、シャフトが、本発明における傾斜セグメントを具備したラジアル軸受のプレストレス装置が傾斜セグメントを介してシャフトに圧力を作用させるように、下側傾斜セグメントから離隔して配置されている。

好ましくは、プレストレス装置は、一軸形ターボ機械が傾斜セグメントプレストレス回転速度より大きい運転回転速度で動作している場合に、傾斜セグメントのプレストレスが一軸形ターボ機械の運転回転速度と共に大きくなるように構成されている。好ましくは、プレストレス装置は、ラジアル方向においてサポートリング及び傾斜セグメントに支持されている皿バネ（cup spring）を有している。さらに、本発明では、一軸形ターボ機械がプレストレス回転速度で動作している場合に、プレストレス装置は、傾斜セグメントのプレストレスが所定の限界プレストレスを有しているように構成されている。本発明では、シャンクがラジアル方向において移動可能にサポートリングに取り付けられている状態において、且つ、傾斜セグメントがラジアル方向においてプレートの外面に支持されていると共に、プレストレス装置がラジアル方向においてプレートの内面に支持されている状態において、傾斜セグメント取付部分が、ロック手段を具備する保持部分を有している。一軸形ターボ機械の運転回転速度が傾斜セグメントのプレストレス回転速度と同一である場合に、傾斜セグメントがプレートに支持されていると共にプレストレス装置によって限界プレストレスでプレストレスされているように、ロック手段によって制限された態様で、シャンクはサポートリングに固定されている。

好ましくは、傾斜セグメントのラジアル方向外方の移動が制限される。さらに好ましくは、プレートは、サポートリングに当接するために、傾斜セグメントのラジアル方向外方の移動を制限するための当接面をプレートのラジアル方向外面に有している。さらに好ましくは、シャンクは、傾斜セグメントと係合する突出部分と共に、プレートからラジアル方向内方に突出しているので、傾斜セグメントが、ラジアル方向において移動可能に且つ周方向において固定状態で取り付けられれる。好ましくは、傾斜セグメント取付部分は、保持ピンを有している。傾斜セグメントが突出部分から係合解除されないように、保持ピンによって、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受の最小ラジアル方向位置が制限される。さらに、好ましくは、保持部分がラジアル方向において移動する際に、保持部分はラジアル方向においてサポートリング上で案内される。

優位には、傾斜セグメントのプレストレス回転速度より低い回転速度で一軸形ターボ機械が回転する場合には、本発明における傾斜セグメントを具備するラジアル軸受の傾斜セグメントは、ラジアル方向において案内され、シャンクの突出部分上において自在に移動可能とされる。優位には、ターボ機械の回転速度が傾斜セグメントのプレストレス回転速度に到達した場合には、皿バネの所定の限界プレストレスによって作用される力が傾斜セグメントの重量と共に作用する。さらに、優位には、皿バネによってシャフトの振動が減衰可能とされる。

本発明における傾斜セグメントを具備するラジアル軸受の好ましい実施例については、添付の概略的な図面を利用して以下に説明する。

本発明における傾斜セグメントを具備するラジアル軸受と突出した傾斜セグメントとの断面図である。 当該実施例における突出した傾斜セグメントの縦断面図である。

図１及び図２から明らかなように、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受１は、サポートリング３と傾斜セグメント５と傾斜セグメント取付部分４とを上側軸受半体２内に有しており、傾斜セグメント５は、傾斜セグメント取付部分４を介してサポートリング３に固定されている。傾斜セグメント滑り面６は、円筒状の表面であり、傾斜セグメント５のラジアル方向内側に配置されている。傾斜セグメント滑り面６の回転軸線は、据え付けられた状態において機械軸線と一致している。据え付けられた状態では、傾斜セグメント５がシャフトに配置されている。傾斜セグメント５は、傾斜セグメント滑り面６に対して平行とされる傾斜セグメント後面７を傾斜セグメント滑り面６の反対側に有している。

図１及び図２から明らかなように、傾斜セグメント取付部分４は、中空の形態をした保持部分８を有しており、保持部分８は、シャンク９を介して、サポートリング３にラジアル方向に移動可能に取り付けられている。さらに、保持部分８は、アキシアル方向及び周方向における外面に配置されているプレート１０を有している。さらに、保持部分８は、ラジアル方向内側に位置するプレート内側１１に突出部分１５を有しており、突出部分１５の内側は、アキシアル方向及び周方向においてシャンク９の内側と連続的な表面を形成している。

図１及び図２から明らかなように、プレストレス装置２０は、プレート内側１１の反対側に位置するプレート外側１２に支持されている。プレストレス装置２０は、皿バネ２２とシム２３とシュー１６と補償ワッシャ１７とリングナット１３とを有している。皿バネ２２のバネ力はラジアル方向に方向づけられている。シム２３は、ラジアル方向内側においてプレート外側１２に当接しており、アキシアル方向においてシャンク９に接触して配置されている。皿バネ２２は、ラジアル方向内側においてシム２３に配設されており、アキシアル方向においてシャンク９に接触して配置されている。シュー１６は、サポートリング３の内側に形成された間隙内に導入されており、ラジアル方向内側において皿バネ２２に当接している。補償ワッシャ１７は、シュー１６とサポートリング３との間に導入されている。リングナット１３は、アキシアル方向外側においてシャンク９のラジアル方向外側端部に取り付けられており、サポートワッシャ１４を介してサポートリング３の外側間隙内に支持されている。

図１及び図２から明らかなように、シュー１６は当接面１８を有しており、プレート１０がラジアル方向に移動する際に、プレート１０は当接面１８に当接可能とされるので、ラジアル方向の移動は外方において制限される。シム２３は、皿バネ２２が圧縮した際にアキシアル方向に延伸可能とするための皿バネ用空洞２１を皿バネ２２と当接面１８との間に形成するように、アキシアル方向において皿バネ２２より長く延在している。

図１及び図２から明らかなように、突出部分１５は、傾斜セグメント後面７において傾斜セグメント５と係合しているので、傾斜セグメント５は、ラジアル方向において突出部分１５に接触した状態で案内される。保持ピン２４の下側端部を導入するためのネジ部分２５は、その傾斜セグメント後面７において傾斜セグメント５内に導入される。保持ピン２４は、中空の形態をした保持部分８と保持部分８の外側端部に支持されている穴付プレート２７とを通じて案内される。保持ピン２４は、穴付プレート２７の外側に保持ナット２６を備えており、保持ナット２６によって、保持ピン２４は穴付プレート２７に支持されているので、傾斜セグメント５の最小ラジアル方向位置が確保される。

図１及び図２から明らかなように、傾斜セグメント５は、突出部分１５に接触した状態でラジアル方向に案内された態様において、傾斜セグメント５の重量の影響のみを受けて移動可能とされる。シャフトが傾斜セグメントのプレストレス回転速度で回転した場合に、シャフトは流体膜の上で“浮動”し、シャフトに配置されている傾斜セグメント５は、プレート内側１１に抗して傾斜セグメント後面７と当接する。そして、プレストレス装置２０によって決定される限界プレストレスから発生する皿バネ２２の力が、傾斜セグメント５の重量と共に、傾斜セグメント５に作用する。

図１及び図２から明らかなように、導油路２８は、保持ピン２４と保持部分８との間においてキャビティ内に形成されており、傾斜セグメント５内に形成されている油プレナム２９に連通している。油出口３０は、傾斜セグメント滑り面６に形成されており、油プレナム２９に接続されている。

図２から明らかなように、ラジアル方向に方向づけられている案内ピン１９は、プレート１０の穴の中に及び当接面１８の穴の中に配設されているので、保持部分８は、保持部分８がラジアル方向に移動する際にサポートリング３に接触した状態でラジアル方向に案内される。

傾斜セグメント５の遊隙を事前に設定するために、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受１は縁部に配置されており、ダミーシャフトは傾斜セグメントを具備するラジアル軸受１に導入されている。所望の限界プレストレスが、シム１７の厚さによって決定される。その後に、リングナット１３は可能な限り堅固に螺合され、保持ナット２６は、傾斜セグメント５がダミーシャフトに配置されることを回避する程度に締め付けられる。このような配置では、傾斜セグメント５の最大遊隙が計測される。最大遊隙が取付仕様に適合しない場合には、補償ワッシャ１７の厚さが調整される。その後に、リングナット１３は、傾斜セグメント５が所定の遊隙でシャフトの上方に懸架される程度に緩められる。リンクナット１３の当該位置は、マーキングによって識別される。

遊隙の最終的な設定については、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受１が機械ハウジング内に据え付けられ、且つ、シャフトが傾斜セグメントを具備するラジアル軸受内に据え付けられた後に、最初に、リングナット１３は可能な限り堅固に螺合され、最大遊隙が計測される。適切であれば、補償ワッシャ１７の厚さが適応される。その後に、リングナット１３はマーキングに至るまで緩められ、遊隙が計測される。遊隙が、リングナット１３を再調整することによって適切に適応される。最後に、保持ナット２６が、傾斜セグメント５が弛緩した状態でシャフトに配置される程度に緩められ、リングナット１３及び保持ナット２６が回転しないように固定される。

１ ラジアル軸受
２ 上側軸受半体
３ サポートリング
４ 傾斜セグメント取付部分
５ 傾斜セグメント
６ 傾斜セグメント滑り面
７ 傾斜セグメント後面
８ 保持部分
９ シャンク
１０ プレート
１１ プレート内側
１２ プレート外側
１３ リングナット
１４ サポートワッシャ
１５ 突出部分
１６ シュー
１７ 補償ワッシャ
１８ 当接面
２０ プレストレス装置
２１ 皿バネ用空洞
２２ 皿バネ
２３ シム
２４ 保持ピン
２５ ネジ部分
２６ 保持ナット
２７ 穴付プレート
２８ 導油路
２９ 油プレナム
３０ 油出口

Claims (8)

1. 一軸形ターボ機械のための傾斜セグメントを具備するラジアル軸受であって、
   サポートリング（３）と、
   傾斜セグメント取付部分（４）と、
   前記傾斜セグメントを具備するラジアル軸受（１）が据え付けられた状態において突出しており、プレストレス装置（２０）とロック手段（１３）を具備する保持部分（８）とを有する傾斜セグメント取付部分（４）によってラジアル方向に移動可能にサポートリング（３）に支持されている傾斜セグメント（５）と、
   ラジアル方向に移動可能に前記サポートリング（３）に取り付けられているシャンク（９）と、
   突出していると共に前記シャンク（９）に固定されているプレート（１０）であって、前記傾斜セグメント（５）がラジアル方向内側において支持されていると共に、前記プレストレス装置（２０）がラジアル方向外側に支持されている、前記プレート（１０）と、
   を有している、前記傾斜セグメントを具備するラジアル軸受において、
   前記一軸形ターボ機械の運転回転速度が傾斜セグメントのプレストレス回転速度と同一である場合にのみ、前記傾斜セグメント（５）がプレートに支持されていると共に前記プレストレス装置（２０）によって限界プレストレスでプレストレスされているように、前記シャンク（９）が、ロック手段（１３）によってラジアル方向内方において制限された態様で前記サポートリング（３）に固定されており、
   この固定の結果として、傾斜セグメントのプレストレス回転速度を越えた前記一軸形ターボ機械のすべての運転回転速度で、前記傾斜セグメント（５）が、前記一軸形ターボ機械のシャフトに向かう方向にプレストレスされ、傾斜セグメントのプレストレス回転速度を下回る前記一軸形ターボ機械のすべての運転回転速度で、前記傾斜セグメント（５）が、プレストレスが作用しない状態でラジアル方向に移動可能とされることを特徴とする、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
2. 前記プレストレス装置（２０）が、傾斜セグメントのプレストレス回転速度を上回る運転回転速度で前記一軸形ターボ機械が動作している場合に、前記傾斜セグメント（５）のプレストレスが前記一軸形ターボ機械の運転回転速度と共に大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
3. 前記プレストレス装置（２０）が、ラジアル方向において前記サポートリング（３）及び前記傾斜セグメント（５）に支持されている皿バネ（２２）を有していることを特徴とする請求項２に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
4. 前記傾斜セグメント（５）のラジアル方向の移動が、外方において制限されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
5. 前記プレート（１０）が、ラジアル方向外側面（１２）に、前記サポートリング（３）に当接させるための当接面（１８）を有しており、
   前記当接面（１８）によって、前記傾斜セグメント（５）のラジアル方向の移動が外方に制限されることを特徴とする請求項４に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
6. 前記シャンク（９）が、前記プレート（１０）からラジアル方向内方に突出しており、前記傾斜セグメント（５）と係合している突出部分（１５）を備えており、これにより、前記傾斜セグメント（５）が、ラジアル方向に移動可能に、且つ、周方向に固定された状態で取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
7. 前記傾斜セグメント取付部分（４）が、保持ピン（２４）を有しており、
   前記保持ピン（２４）によって、前記傾斜セグメントを具備するラジアル軸受（１）の最小ラジアル方向位置が、前記傾斜セグメント（５）が前記突出部分（１５）から係合解除されないように制限されていることを特徴とする請求項６に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。
8. 前記保持部分（８）が、ラジアル方向において移動する際に、前記サポートリング（３）に接触した状態でラジアル方向に案内されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の、傾斜セグメントを具備するラジアル軸受。

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