JP5812973B2 - ジャーナル軸受及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービン等の大型回転機械のロータ（回転軸）を回転自在に支持するジャーナル軸受及び蒸気タービンに関する。

従来、蒸気タービンやガスタービン等の大型回転機械においては、ロータを回転可能に支持するために、ジャーナル（ティルティングパッド）軸受が用いられている（例えば、特許文献１参照）。ジャーナル軸受は、ロータの周方向に複数配置され、かつ、揺動可能な軸受パッドが、軸受ハウジングに収容された構成である。大型回転機械用のジャーナル軸受においては機械の安全な運転を可能にするため、油浴潤滑により潤滑されることが一般的であり、軸受パッドとロータとの間には油膜が形成されている。

図２に、大型回転機械に使用されるジャーナル軸受１の軸方向から見た概略構成図を示す。ロータＲを支持する各軸受パッド４は、軸受ハウジング２の内面に設けられ軸受パッド４の背面に当接する支持部材３によって支持されている。

支持部材３は、ロータＲの片当たりを防止する目的で点支持型が知られている。点支持型の場合、軸受パッド４は例えば球面形状の支持部材３の支持点を中心に任意の方向に揺動可能に支持される。また、図９に示すように、ロータＲと軸受パッド４とのロータ接触範囲Ｂは、支持点を中心とした略楕円形状の領域となる。

ところで、ジャーナル軸受においては、ジャッキング・オイル・ポンプ（Ｊａｃｋｉｎｇ Ｏｉｌ Ｐｕｍｐ，以下ＪＯＰ機構と称す）と呼ばれる機構により、ロータＲの回転開始時にロータＲを浮上させたり、低速回転時にロータＲと軸受パッド４との間に潤滑油を供給したりしている。

ＪＯＰ機構は、軸受パッド４の支持面５の略中央に形成されたＪＯＰ給油孔６から強制的に高圧油を供給することで、軸受パッド４の支持面５とロータＲとの間に油膜を形成する機構である。ＪＯＰ給油孔６には、給油通路７を介して高圧油供給用ポンプ８（図２参照）から高圧油が供給されている。

また、より広い範囲に高圧油を支持面５とロータＲとの間に行き渡らせるために、支持面５にはＪＯＰ給油孔６から供給される高圧油が進行するＪＯＰ溝５０が形成されている。ＪＯＰ溝５０は、二つの菱形部５１，５２を組み合わせた８の字形状となっており、ＪＯＰ給油孔６は、ＪＯＰ溝５０の交点に配置されている。また、ＪＯＰ溝５０は、ロータ接触範囲ＢがロータＲの軸線方向Ｘに長い形状となっていることを考慮して、菱形部５１，５２が軸線方向Ｘに並ぶように形成されている。

特開２００１−１２４０６２号公報

ところで、ロータＲの浮上時においては、しばしばロータＲが傾くことがある。この際、上記従来のジャーナル軸受においては、軸線方向Ｘのバランスがさらに悪化する現象が発生することがある。この現象は、８の字形状のＪＯＰ溝５０を構成する軸線方向Ｘに並んだ菱形部５１，５２がＪＯＰ給油孔６を含んだ閉形状となっていることに起因する現象である。以下、この現象を説明する。

まず、ロータＲが傾くと、ロータ接触範囲ＢにおけるロータＲの軸線方向Ｘの両端付近において、一端側の隙間が大きくなり、その反対側の他端側の隙間が小さくなる。ここで、高圧油は隙間の大きい方により流れるようになる。８の字のＪＯＰ溝５０は、この両端付近で流路が閉じた形状となっているため、ロータＲの直下に高圧油が流入し易く、高圧油は隙間の大きい一端側をより持ち上げてしまう。即ち、従来のＪＯＰ溝５０の形状によってロータＲの傾きが助長されてしまい、一旦ロータＲが傾くと、その傾きを収束させにくくなってしまう。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、大型回転機械に適用され、ＪＯＰ機構を有するジャーナル軸受において、浮上時においてロータが傾いた場合においても、安定してロータを浮上させることができるジャーナル軸受を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るジャーナル軸受は、軸線回りに回転されるロータと、前記ロータを外周面から支持する軸受パッドと、前記軸受パッドと軸受ハウジングとの間に介在され、前記軸受パッドを搖動可能に支持する支持部材とを備えるジャーナル軸受において、前記軸受パッドにおける前記ロータの支持面に油圧孔が形成されるとともに、前記油圧孔を介して油圧を前記支持面に供給する油圧供給部が設けられ、前記支持面に、前記油圧孔から供給される油圧が進行する溝部が形成され、該溝部は、前記油圧孔から少なくとも４方に延在する第一溝と、該第一溝の端部から、前記ロータが前記支持面に接触して、ヘルツ接触領域をなすロータ接触領域の外縁に沿って前記ロータの軸線方向にそれぞれ延びる第二溝とを有することを特徴とする。

上記構成によれば、溝部を、給油孔から４方向に延在する第一溝と、この第一溝の端部から軸線方向に延在する第二溝とからなる形状とした。即ち、溝部の軸線方向の両端がロータの直下付近で接続されていない形状とした。これにより、ロータを浮上させる際にロータが軸線方向に傾いた場合においても、給油孔から供給された高圧油がロータの直下付近に供給されにくくなるため、高圧油がロータの傾きを助長させることを防止することができる。

また、本発明に係るジャーナル軸受において、さらに前記油圧孔から前記ロータの軸線方向の両方向に延在する第三溝を有する構成としてもよい。

上記構成によれば、ロータの直下に延在する第三溝に高圧油が進入することによって、ロータの浮上力をより高めることができる。

また、本発明のジャーナル軸受において、前記支持部材は、前記軸受パッドとの接触面が球面形状に形成されて、該軸受パッドに点接触されていることが好ましい。

また、本発明のジャーナル軸受において、前記支持部材は、前記軸受パッドとの接触面が前記軸線方向に延びる円筒面状に形成されて、該軸受パッドに線接触されている構成としてもよい。

さらに、本発明は、上記いずれかのジャーナル軸受を備える蒸気タービンを提供する。

本発明によれば、ロータを浮上させる際にロータが軸線方向に傾いた場合においても、給油孔から供給された高圧油がロータの直下付近に供給されにくくなるため、高圧油がロータの傾きを助長させることを防止することができる。

本発明の第一実施形態に係るジャーナル軸受の概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受パッドの拡大構成図である。 図２のＡ矢視図であって、軸受パッドの支持面を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る軸受パッドの支持面を示す図である。 本発明の第二実施形態の別形態に係る軸受パッドの支持面を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る軸受パッドの支持面を示す図である。 本発明の第四実施形態に係る軸受パッドの支持面を示す図である。 本発明の各実施形態のジャーナル軸受が適用される蒸気タービンを示す概略断面図である。 図２のＡ矢視図であって、従来のジャーナル軸受の支持面を示す図である。

（第一実施形態）
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施形態に係る蒸気タービン１００について説明する。
蒸気タービン１００は、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。

図８に示すように、蒸気タービン１００は、ケーシング９０と、ケーシング９０に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング９０の内側に回転自在に設けられ、図示しない発電機等の機械に動力を伝達する軸体３０と、ケーシング９０に保持された静翼４０と、軸体３０に設けられた動翼７０と、軸体３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０とを主たる構成としている。

ケーシング９０は、内部空間が気密に封止されているとともに、蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング９０の内壁面には、軸体３０が挿通されたリング状の仕切板外輪（ステータ）７１が強固に固定されている。

調整弁２０は、ケーシング９０の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３とを備えており、弁体２２が弁座２３から離れると蒸気流路が開いて、蒸気室２４を介して蒸気Ｓがケーシング９０の内部空間に流入するようになっている。

軸体３０は、ロータＲと、このロータＲの外周から径方向に延出した複数のディスク３２とを備えている。この軸体３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。

軸受部６０は、ジャーナル軸受１及びスラスト軸受６２を備えており、軸体３０を回転可能に支持している。

静翼４０は、軸体３０を囲繞するように放射状に多数配置されて環状静翼群を構成しており、それぞれ前述した仕切板外輪７１に保持されている。これら静翼４０の径方向における内側は、軸体３０が挿通されたリング状のハブシュラウド４１で連結され、その先端部が軸体３０に対して径方向に隙間をあけて配設されている。
これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、軸方向に間隔をあけて六つ形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、下流側に隣接する動翼７０側に案内するようになっている。

動翼７０は、軸体３０が有するディスク３２の外周部に強固に取り付けられている。この動翼７０は、各環状静翼群の下流側において、放射状に多数配置されて環状動翼群を構成している。
これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。即ち、蒸気タービン１００は、六段に構成されている。

図１は、本発明の第一実施形態に係るジャーナル軸受１の概略構成図であり、ジャーナル軸受１には、タービンのロータＲが回転可能に支持されている。
図１に示すように、ジャーナル軸受１は、環状の軸受ハウジング２と、軸受ハウジング２の内周面に等角度間隔で設けられた支持部材３と、各々の支持部材３に揺動可能に支持された軸受パッド４とを有する。即ち、支持部材３は、軸受パッド４と軸受ハウジング２との間に介在している。軸受パッド４は、周方向に分割されている。本実施形態では、軸受パッド４は４個に分割されており、各軸受パッド４がそれぞれ支持部材３によって支持されている。

図２に示すように、各軸受パッド４は、ロータＲの軸線に平行な視線で見た場合に円弧状をなし、かつ、幅広な湾曲板形状をなしている。軸受パッド４の支持面５の曲率半径は、ロータＲの外周面の曲率半径よりやや大きく形成されている。即ち、軸受パッド４の支持面５全面がロータＲと接触することはない。また、軸受パッド４の支持面５は、ホワイトメタル（バビットメタル）などの軟質金属によって形成されている。

支持部材３は、軸受ハウジング２よりロータＲの径方向に突出して形成され、軸受パッド４の背面中央において軸受パッド４を支持している。支持部材３の突出方向端部、即ち、軸受パッド４の背面との接触部は、球面形状に形成されている。

上述した構成により、軸受パッド４は、任意の方向に揺動可能とされている。即ち、支持部材３と軸受パッド４とは、点接触による接触状態であり、ロータＲとジャーナル軸受１との間にミスアライメント（ロータＲの外周面と軸受パッド４の支持面５との軸方向隙間が不均一になる）が発生した場合には、軸受パッド４がロータＲに追従することができる。

各軸受パッド４には、ＪＯＰ機構１０が設けられている。ＪＯＰ機構１０は、高圧油を供給することが可能な高圧油供給用ポンプ８と、高圧油供給用ポンプ８から供給される高圧油を支持面５に導入するためのＪＯＰ給油孔６と、ＪＯＰ給油孔６から導入された高圧油を支持面５に進行させるＪＯＰ溝９（図３参照）とから構成されている。ＪＯＰ給油孔６と高圧油供給用ポンプ８とは、給油通路７によって接続されている。

このような構成により、ＪＯＰ給油孔６には給油通路７を介して高圧油供給用ポンプ８より高圧油が供給され、この高圧油がＪＯＰ溝９より支持面５に供給されることによりロータＲが浮上する。
高圧油供給用ポンプ８より供給される高圧油の圧力は、高圧油供給用ポンプ８の許容油圧範囲に依存している。例えば、本実施形態の高圧油供給用ポンプ８の許容油圧範囲は１８ＭＰａである。

上述したように、軸受パッド４の支持面５はホワイトメタルによって形成されているため、完全な剛体ではない。よって、本実施形態の球面形状の支持部材３によって支持される軸受パッド４とロータＲとのロータ接触範囲Ｂ（ヘルツ接触領域）は、図３に示すような楕円形状となる。ロータ接触範囲Ｂの形状は、ロータＲの直径（ロータＲの外周面の曲率半径）、軸受パッド４の支持面５の曲率半径、軸受パッド４の材質、及びロータＲを介してジャーナル軸受１にかけられる荷重等によって決定される。

図３に示すように、ＪＯＰ溝９は、各軸受パッド４の支持面５に設けられており、ＪＯＰ給油孔６から４方向に延在する第一溝１１と、第一溝１１の端部から軸線方向Ｘに延在する第二溝１２とから構成されている。
ＪＯＰ溝９の大きさは、ＪＯＰ溝９全体がロータ接触範囲Ｂの可能な限り内側に収まるように、かつ、ＪＯＰ溝９の端部がロータ接触範囲Ｂの縁と所定の間隔を確保しながら可能な限り接近するように設定される。

また、ＪＯＰ溝９の幅Ｗは、広いほどロータＲの浮上の際に好ましいが、広過ぎる場合は、ロータＲと軸受パッド４との接触面積（高圧油を介して接触する面積）が減少するため好ましくない。ＪＯＰ溝９の幅Ｗは、このような事情を考慮して適宜設定される。

また、ＪＯＰ溝９の断面形状は、支持面５に対して、所定の深さを有する凹溝形状であり、この深さは、ロータＲの直径等、適用される大型回転機械の仕様に応じて適宜設定される。

上記実施形態によれば、ＪＯＰ溝９を、ＪＯＰ給油孔６から４方向に延在する第一溝１１と、この第一溝１１の端部から軸線方向Ｘに延在する第二溝１２とからなる形状とした。即ち、ＪＯＰ溝９の軸線方向Ｘの両端がロータＲの直下付近で接続されていない形状とした。
これにより、ロータＲを浮上させる際にロータＲが軸線方向Ｘに傾いた場合においても、ＪＯＰ給油孔６から供給された高圧油がロータＲの直下付近に供給されにくくなるため、高圧油がロータＲの傾きを助長させることを防止することができる。

また、第二溝１２は、ロータ接触範囲Ｂを考慮して形成されているため、ロータ接触範囲Ｂに高圧油を効率的に分布させることができ、ロータＲを浮上させるために必要な圧力（ＪＯＰ圧力）を小さくすることができる。これにより、高圧油供給用ポンプ８の小型化が可能となり、余剰仕事を削減することができるため、結果的にコストを低減することができる。

なお、本実施形態のＪＯＰ溝９においては、第二溝１２が軸線方向Ｘと平行となるように形成されているが、これに限ることはなく、ロータ接触範囲Ｂの外周線に沿うような形状としてもよい。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係るジャーナル軸受について説明する。
図４に示すように、本実施形態のジャーナル軸受を構成する軸受パッド４Ｂに形成されているＪＯＰ溝９Ｂは、第一実施形態のＪＯＰ溝９に加えて、ＪＯＰ給油孔６から軸線方向Ｘに延在する第三溝１３が形成されている。
第三溝１３は第二溝１２と平行となるように、かつ、第三溝１３の端部がロータ接触範囲Ｂの中に可能な限り収まるように形成されている。即ち、第三溝１３は、ロータＲの直下に形成されているＪＯＰ給油孔６より軸線方向Ｘの延在している。

上記実施形態によれば、ロータＲの直下に延在する第三溝１３に高圧油が進入することによって、ロータＲの浮上力をより高めることができる。

なお、上記実施形態のジャーナル軸受のＪＯＰ溝は上述した形状に限らず、例えば、図５に示すＪＯＰ溝９Ｃように、第一溝１１ＣをＪＯＰ給油孔６から軸線方向Ｘ両方向、及び軸線方向Ｘに直交する方向に延在する形状としてもよい。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態に係るジャーナル軸受について説明する。
本実施形態のジャーナル軸受は、第一実施形態及び第二実施形態のジャーナル軸受とは異なり、軸受パッド４を支持する支持部材３が点支持型ではなく、ロータＲの軸線方向Ｘに長い支持部材３を用いるライン支持型である。
即ち、本実施形態の支持部材３（図１及び図２参照）は、軸受ハウジング２よりロータＲの径方向に突出して形成され、軸受パッド４との接触面が軸線方向Ｘに延びる円筒面状とされている。

上述した構成により、軸受パッド４は、軸線方向Ｘに直交する方向に揺動可能とされている。即ち、支持部材３と軸受パッド４とは、線接触による接触状態である。
図６に示すように、本実施形態の円筒面形状の支持部材３によって支持される軸受パッド４とロータＲとのロータ接触範囲Ｃは、図６に示すような長方形状となる。ロータ接触範囲Ｃの形状は、ロータＲの直径（ロータＲの外周面の曲率半径）、軸受パッド４の支持面５の曲率半径、軸受パッド４の材質、及びロータＲを介してジャーナル軸受１にかけられる荷重等によって決定される。

ＪＯＰ溝９Ｄの大きさは、ＪＯＰ溝９Ｄ全体がロータ接触範囲Ｃの内側に収まるように設定される。即ち、ＪＯＰ溝９Ｄの第一溝１１の端部は、ロータ接触範囲Ｃの外側に延在することがなく、第二溝１２もロータ接触範囲Ｃ内に形成されるように設定されている。

上記実施形態によれば、ロータＲと軸受パッド４との接触面であるロータ接触範囲Ｃが長方形状となり、その形状予測計算が簡易となるため、ＪＯＰ溝９Ｄの設計が容易となる。
また、ロータ接触範囲Ｃが軸線方向Ｘに延在しているため、ロータＲの軸端部においてもＪＯＰ圧力を起てることが可能となる。即ち、回転時の油膜圧力が小さい軸端部でＪＯＰ圧力を起てることができるため、軸受負荷能力に対して優位となる。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態に係るジャーナル軸受について説明する。
なお、本実施形態では、上述した第三実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態のジャーナル軸受のＪＯＰ溝９Ｅは、第三実施形態のジャーナル軸受のＪＯＰ溝９Ｄの軸線方向Ｘの長さを短くした形状のＪＯＰ溝本体部１５と、ロータＲの軸端部（図７の上方）近傍に配置されたＪＯＰ溝軸端部１６と、を有している。即ち、本実施形態のジャーナル軸受は、ライン支持型であるため、ロータ接触範囲ＣがロータＲの軸端部にまで及んでいるため、ロータＲの軸端部近傍にＪＯＰ溝を配置することが可能となっている。

ＪＯＰ溝軸端部１６は、ロータＲの軸端部近傍の下方に設けられたＪＯＰ溝である。本実施形態のＪＯＰ溝軸端部１６は、円弧形状の溝であり、円弧内側がＪＯＰ溝本体部１５を向くとともに、両端部の軸線方向Ｘと直交する方向の位置がＪＯＰ溝本体部１５の
第二溝１２の延長線上に位置するような形状を有している。
また、ＪＯＰ溝軸端部１６の延在方向略中央には、ＪＯＰ給油孔１７が形成されており、このＪＯＰ給油孔１７には、高圧油供給用ポンプ８（図２参照）から高圧油が供給されるようになっている。
また、ＪＯＰ溝軸端部１６とＪＯＰ溝本体部１５との間には、所定の空間が形成されている。換言すれば、本実施形態のＪＯＰ溝本体部１５の第二溝１２は、ＪＯＰ溝軸端部１６と離間するように、その長さが第三実施形態の第二溝１２と比較して短く形成されている。

上記実施形態によれば、ロータＲの軸端部近傍にＪＯＰ溝軸端部１６に高圧油が進入することによって、ロータＲの浮上力をより高めることができる。
また、ＪＯＰ溝本体部１５を小さくすることによって、ロータＲ回転時における油膜分布をより均一にすることができ、ロータＲ回転時の安定性を向上させることができる。

なお、ＪＯＰ溝本体部１５及びＪＯＰ溝軸端部１６の形状は上述した形状に限ることはない。例えば、ＪＯＰ溝本体部１５の形状は、図４、図５に示すような形状としてもよい。また、ＪＯＰ溝軸端部１６の形状は、直線状でもよいし、菱型形状のような形状としてもよい。即ち、ＪＯＰ溝本体部１５とは別に、ロータＲ浮上時において軸受パッド４の支持面５とロータＲの軸端部との間に油膜が形成されればどのような形状としてもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態のジャーナル軸受１は、蒸気タービン１００に適用する例を用いて説明したが、蒸気タービン１００に限らず、ガスタービンなどの他の回転機械に適用することも可能である。

Ｒ ロータ
Ｂ ロータ接触領域
Ｃ ロータ接触領域
Ｘ 軸線方向
１ ジャーナル軸受
２ 軸受ハウジング
３ 支持部材
４ 軸受パッド
５ 支持面
６ ＪＯＰ給油孔（油圧孔）
８ 高圧油供給用ポンプ（油圧供給部）
９ ＪＯＰ溝（溝部）
１１ 第一溝
１２ 第二溝
１３ 第三溝

Claims (5)

1. 軸線回りに回転されるロータと、
   前記ロータを外周面から支持する軸受パッドと、
   前記軸受パッドと軸受ハウジングとの間に介在され、前記軸受パッドを搖動可能に支持する支持部材とを備えるジャーナル軸受において、
   前記軸受パッドにおける前記ロータの支持面に油圧孔が形成されるとともに、前記油圧孔を介して油圧を前記支持面に供給する油圧供給部が設けられ、
   前記支持面に、前記油圧孔から供給される油圧が進行する溝部が形成され、
   該溝部は、前記油圧孔から少なくとも４方に延在する第一溝と、該第一溝の端部から、前記ロータが前記支持面に接触して、ヘルツ接触領域をなすロータ接触領域の外縁に沿って前記ロータの軸線方向にそれぞれ延びる第二溝とを有することを特徴とするジャーナル軸受。
2. さらに前記油圧孔から前記ロータの軸線方向の両方向に延在する第三溝を有することを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受。
3. 前記支持部材は、前記軸受パッドとの接触面が球面形状に形成されて、該軸受パッドに点接触されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のジャーナル軸受。
4. 前記支持部材は、前記軸受パッドとの接触面が前記軸線方向に延びる円筒面状に形成されて、該軸受パッドに線接触されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のジャーナル軸受。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のジャーナル軸受を備えることを特徴とする蒸気タービン。

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