JP6045813B2 - ティルティングパッドジャーナル軸受 - Google Patents

Description

この発明の実施の形態は、ティルティングパッドジャーナル軸受に関する。

蒸気タービンおよび発電機のような大型高速回転機械の回転軸は、ティルティングパッドジャーナル軸受によって支持される。ティルティングパッドジャーナル軸受は、例えば揺動可能な六つのパッドを有する。これらのパッドは、回転軸を囲んで配置され、回転軸の動きに対して自由に揺動する。

ジャーナル軸受の潤滑剤として、例えば油が用いられる。ティルティングパッドジャーナル軸受に供給された潤滑油は、回転する回転軸との間の摩擦によって移動し、回転軸と各パッドとの間に供給される。供給された潤滑油は、回転軸とパッドとの間に介在する油膜となる。

各パッドは、回転軸の回転によって生じた油膜の圧力分布に応じて揺動する。詳しく述べると、例えば回転軸の下方のパッドは、パッドの揺動の中心点が油膜の圧力分布の中心点の鉛直下方に位置するように揺動する。このようにパッドが揺動することで、回転軸に不安定な振動が生じることが抑制される。

特開平７−１８０７２１号公報

回転機械の大型化および回転の高速化によって、ティルティングパッドジャーナル軸受を用いたとしても不安定振動が発生するおそれが生じる。例えば当該回転機械の負荷が大きくなると振動が発生、または振動が急激に大きくなることがある。

本発明の目的は、安定性の高いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することにある。

一つの実施の形態に係るティルティングパットジャーナル軸受は、第１のパッドと、第２のパッドとを備える。前記第１のパッドは、軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、油膜を介して回転軸の下方に位置し、第１の基部と第１のメタル部と第１のピボット部とを有する。前記第２のパッドは、前記軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、第２の基部と第２のメタル部と第２のピボット部とを有し、前記軸受内輪の周方向において前記第１のパッドと隣接し、前記第１のパッドの基部よりも剛性が低くなるように前記第２のパッドの基部に空洞部が設けられる。

第１の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を切り欠いて示す側面図。 第１の実施形態の軸受を図１のＦ２−Ｆ２線に沿って示す断面図。 第１の実施形態の軸受の一部を示す断面図。 第１の実施形態の油膜の圧力分布を示す軸受の断面図。 第１の実施形態の油膜および軸受の剛性の構成を示す断面図。 第１の実施形態の回転軸および一対の軸受を示す側面図。 第１の実施形態の蒸気タービンの一部を拡大して示す断面図。 第１の実施形態の蒸気タービンの一部を図１のＦ８−Ｆ８線に沿って示す断面図。 第１の実施形態の回転軸が回転しているときの軸受を示す断面図。 第１の実施形態の回転軸の振れ回りの軌道を示す断面図。 第２の実施の形態に係る軸受の一部を示す断面図。 第２の実施形態の第２のパッドを分解して示す断面図。 第３の実施の形態に係る軸受の一部を示す断面図。 第４の実施の形態に係る軸受の一部を示す断面図。 第５の実施の形態に係る軸受の一部を示す断面図。 第６の実施の形態に係る軸受の一部を示す断面図。 第７の実施の形態に係る軸受の一部を示す断面図。

以下に、第１の実施の形態について、図１から図１０を参照して説明する。図１は、蒸気タービン１０の一部を切り欠いて概略的に示す側面図である。蒸気タービン１０は、回転機械の一例である。図１に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、回転軸１２と、複数の静翼１３と、複数の動翼１４と、一対のティルティングパッドジャーナル軸受（以下「軸受」と称する）１５とを備えている。

ケーシング１１の内部に、流路２１が形成されている。流路２１は、少なくとも一部が断面円形状に形成される。ケーシング１１に、流路２１の一方の端部に通じる供給口が設けられる。当該供給口から、流路２１に蒸気が供給される。蒸気タービン１０に供給された蒸気は、図１の矢印に示すように流路２１を流れる。

回転軸１２は、ケーシング１１に配置されている。回転軸１２の一部は流路２１に配置される。回転軸１２の端部は、ケーシング１１の外に突出している。なお、回転軸１２の全体がケーシング１１に収容されても良い。

複数の静翼１３は、流路２１の内壁にそれぞれ固定されている。静翼１３は、通過する蒸気を圧力降下させる。複数の静翼１３の直径はそれぞれ異なっている。静翼１３と回転軸１２との間に、隙間が形成されている。

複数の動翼１４は、回転軸１２にそれぞれ固定されている。複数の動翼１４は、通過する蒸気の運動エネルギーをトルクに変換し、回転軸１２を回転させる。複数の動翼１４は、回転軸１２の軸方向において、複数の静翼１３と交互に並んでいる。複数の動翼１４の直径はそれぞれ異なっている。

それぞれの動翼１４の端部と流路２１の内壁との間に、複数のシール部２３が設けられている。シール部２３は、流路２１の内壁からそれぞれ突出している形状と、動翼１４の先端からそれぞれ突出している形状がある。シール部２３は、流路２１の周方向に延びるリブ状に形成されている。複数のシール部２３は、流路２１の軸方向に並んで配置される。シール部２３の先端と動翼１４の端部との間に、隙間が形成される。

一対の軸受１５は、ケーシング１１の内部において、回転軸１２にそれぞれ取り付けられる。静翼１３および動翼１４は、一対の軸受１５の間に位置する。軸受１５は、回転軸１２を回転自在に支持する。

図２は、図１のＦ２−Ｆ２に沿って軸受１５を示す断面図である。図３は、軸受１５の一部を示す断面図である。図２に示すように、軸受１５は、軸受内輪２５と、第１のパッド２６と、一対の第２のパッド２７と、三つの第３のパッド２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを有している。言い換えると、軸受１５は六つのパッドを有している。

軸受内輪２５は、内部に潤滑室３１が設けられた円筒形状に形成されている。潤滑室３１に、油のような潤滑剤が充填されている。軸受内輪２５は、軸受外輪に収容される。軸受内輪２５は、当該軸受外輪によってケーシング１１に固定されている。

軸受内輪２５および前記軸受外輪に、回転軸１２が回転可能に挿通されている。図２に示すように、回転軸１２の自重によって、回転軸１２の中心は、軸受内輪２５の中心よりも下方に位置する。

第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、軸受内輪２５の内部である潤滑室３１に配置される。第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、基部３３と、メタル部３４と、ピボット３５とをそれぞれ有している。

基部３３は、軸受内輪２５の内壁に向いた背面３３ａを有している。背面３３ａは、軸受内輪２５の内壁に向かって膨らんだ曲面状に形成されるが、例えば球面状に形成されても良い。図３に示すように、背面３３ａの曲率中心は、軸受内輪２５の曲率中心Ｏｂよりも軸受内輪２５に近い。

メタル部３４は、基部３３に固定されている。メタル部３４は、回転軸１２に面する潤滑面３４ａを有している。潤滑面３４ａは、凹んだ曲面状に形成されるが、例えば球面状に形成されても良い。図３に示すように、潤滑面３４ａの曲率中心Ｏｐは、軸受内輪２５の曲率中心Ｏｂよりも軸受内輪２５に近い。

ピボット３５は、基部３３の背面３３ａから軸受内輪２５の内壁に向かって突出している。ピボット３５は、軸受内輪２５の内壁に設けられたピボットホルダー３７に接触している。これにより、第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、それぞれピボット３５とピボットホルダー３７との接触点を中心に自由に揺動する。

図２に示すように、第１のパッド２６は、潤滑油を介して回転軸１２の下方に配置されている。言い換えると、第１のパッド２６の少なくとも一部が、回転軸１２の中心軸の鉛直下方に位置している。

一対の第２のパッド２７は、軸受内輪２５の周方向において、第１のパッド２６にそれぞれ隣接している。言い換えると、一対の第２のパッド２７の間に、第１のパッド２６が配置されている。

第２のパッド２７の基部３３の内部に、空洞部４１が設けられている。空洞部４１は、第２のパッド２７の周方向における一方の端部の近傍から、他方の端部の近傍まで設けられている。空洞部４１には、例えば空気が充填されているが、他の物質が充填されても良いし、真空であっても良い。

第３のパッド２８Ａは、軸受内輪２５の周方向において、一方の第２のパッド２７に隣接している。第３のパッド２８Ｂは、軸受内輪２５の周方向において、他方の第２のパッド２７に隣接している。第３のパッド２８Ｃは、軸受内輪２５の周方向において、第３のパッド２８Ａ，２８Ｂに隣接している。言い換えると、第３のパッド２８Ｃは、他の第３のパッド２８Ａ，２８Ｂの間に位置する。

第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、軸受内輪２５の周方向において、等間隔に配置されている。第３のパッド２８Ｃは、第１のパッド２６の反対側に位置する。言い換えると、第３のパッド２８Ｃは、回転軸１２の上方に位置する。

以下、上記の軸受１５の機能について説明する。なお、特に説明のない限り、第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃのうち、第２のパッド２７について代表して説明する。第１および第３のパッド２６，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、第２のパッド２７と同様の機能を有する。

潤滑室３１に供給された潤滑油は、回転する回転軸１２との間に生じる摩擦によって移動する。これにより、潤滑油が第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃと回転軸１２との間に供給される。

図３において、説明のため、軸受内輪２５の曲率中心Ｏｂとメタル部３４の潤滑面３４ａの曲率中心Ｏｐ、第２のパッド２７の重心Ｇをつなぐ直線Ｌ１を示す。さらに、第２のパッド２７の重心Ｇから延び、直線Ｌ１に垂直な垂線Ｌ２を示す。垂線Ｌ２を第２のパッド２７の傾きθの基準（０°）とする。本明細書において、当該基準から反時計回り（回転軸１２の回転方向と同方向）に傾くときを正側、時計回りに傾くときを負側と定義する。

上記のように、潤滑油は回転軸１２と第２のパッド２７との間の隙間に供給されている。第２のパッド２７の潤滑面３４ａは静止している。一方、回転軸１２は非常に高周速で回転する。第２のパッド２７と回転軸１２との間の隙間において、潤滑油の回転軸１２側と第２のパッド２７側との間では、非常に大きな速度差が発生する。このような速度差が発生すると、潤滑油にせん断力が働き、潤滑油内部で粘性力が発生する。

図４は、油膜の圧力分布を概略的に示す軸受１５の断面図である。潤滑油内部の粘性作用と、回転軸１２と第２のパッド２７の動きから形成される傾きθにより、くさび効果が発生する。これにより、図４に示すように、回転軸１２と第１および第２のパッド２６，２７との間の隙間にある潤滑油に油膜圧力分布Ｐ１〜Ｐ３が発生する。図４において、二点鎖線によって油膜圧力分布Ｐ１〜Ｐ３の大きさと分布とが概略的に示される。

油膜圧力分布Ｐ１は、第３のパッド２８Ｂに隣接する第２のパッド２７と回転軸１２との間に発生する。油膜圧力分布Ｐ２は、第１のパッド２６と回転軸１２との間に発生する。油膜圧力分布Ｐ３は、第３のパッド２８Ａに隣接する第２のパッド２７と回転軸１２との間に発生する。なお、油膜圧力分布Ｐ１〜Ｐ３は、回転軸１２の回転方向に基づいて順番に定義したものである。

第１および第２のパッド２６，２７に発生する油膜圧力分布Ｐ１〜Ｐ３を全周積分すると、回転軸１２にかかる荷重Ｗに一致する。第２のパッド２７は、回転軸１２の回転に応じて変化する油膜圧力分布Ｐ３の中心点が、軸受内輪２５の中心と、ピボット３５およびピボットホルダー３７の接触点Ｔとの間を結ぶ直線上に位置するように自由に揺動する。

揺動する第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、自動調心的かつ全体的に回転軸１２の荷重Ｗを受ける。これにより、軸受１５においてホイップ等を発生させる不安定化力の発生が抑制される。

図５は、油膜および軸受１５の剛性の構成を概略的に示す断面図である。なお図５は、油膜および軸受１５の剛性についての理解を容易にするために、ハッチングを省略している。

軸受１５にかかる剛性は、四つに分けて考え得る。当該剛性は、油膜の剛性ｋａと、メタル部３４の剛性ｋｂと、パッドの基部３３の剛性ｋｃと、ピボット３５とピボットホルダー３７の接触剛性ｋｄとを有する。図５において、各剛性ｋａ，ｋｂ，ｋｃ，ｋｄは、バネを模して示される。

軸受１５において、回転軸１２の荷重は、回転軸１２の下方に位置する第１のパッド２６に大きくかかる。油膜の剛性ｋａは回転軸１２の荷重に依存する。このため、第１のパッド２６の油膜の剛性ｋａは、第２のパッド２７の油膜の剛性ｋａと比べて非常に大きい。これら各パッドの油膜の剛性ｋａによって、回転軸１２が支持されている。

第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃの油膜の剛性ｋａの方向は、各パッドに対して垂直方向である。このため、各パッドの油膜の剛性ｋａに、異方性が発生する。一方、他の剛性ｋｂ，ｋｃ，ｋｄは、各パッドの間での差異が小さい。

第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃの油膜の剛性ｋａに異方性が生じるため、軸受１５において、回転軸１２は楕円状に変位する（振れ回る）。図２において、回転軸１２の振れ回りの軌道が二点鎖線の矢印によって示される。回転軸１２にかかる剛性の異方性が小さいと、振れ回りの軌道は真円形に近づく。回転軸１２にかかる剛性の異方性が大きいと、振れ回りの軌道は楕円形に近づく。

以下に、図６ないし図８を参照して、軸受１５に支持された回転軸１２に生じ得る振動について詳しく説明する。回転軸１２は、以下に示すように、複数の要因によって振動することがある。

図６は、回転軸１２および一対の軸受１５を概略的に示す側面図である。図６に示すように、回転軸１２は、一対の軸受１５によって、二箇所で支持される。回転軸１２は、一対の軸受１５の間において、回転軸１２にかかる荷重Ｗによって鉛直下方に撓む。図６において、真直ぐな状態の回転軸１２が二点鎖線によって示される。

撓んだ回転軸１２が回転すると、軸受１５の内部において回転軸１２がぶれる。すなわち、回転軸１２は荷重Ｗによって振動し得る。回転軸１２の剛性が高いと、回転軸１２が真直ぐに近づき、振動の発生が抑制される。回転軸１２の剛性が低いと、回転軸１２の撓みが大きくなり、回転軸１２が振動しやすくなる。

図７は、蒸気タービン１０の一部を拡大して示す断面図である。図７に示すように、流路２１を流れる蒸気は、静翼１３および動翼１４を通過する。一方、図７の矢印に示すように、流路２１の内壁近傍を流れる蒸気は、シール部２３に衝突する。シール部２３に衝突した蒸気は、動翼１４に向かう。

図８は、図１のＦ８−Ｆ８線に沿って蒸気タービン１０の一部を示す断面図である。図８に示すように、シール部２３に衝突して動翼１４に向かう蒸気は、回転軸１２の回転方向に沿う外力Ｆ１を動翼１４に作用させる。外力Ｆ１は、回転軸１２および動翼１４の回転を加速させる。

一方、図６に示すように、回転軸１２は鉛直下方に撓んでいる。このため、下方の動翼１４とシール部２３との間の隙間は、上方の動翼１４とシール部２３との間の隙間より狭い。

上記のような隙間の大きさの違いにより、下方の動翼１４が受け止める蒸気の量は、上方の動翼１４が受け止める蒸気の量よりも多くなる。すなわち、比較的多くの蒸気が上方の動翼１４とシール部２３との間の隙間を通過するため、上方の動翼１４を通過する蒸気の量が少なくなる。このため、図８に示すように、蒸気によって下方の動翼１４に生じるトルクＦ２は、上方の動翼に生じるトルクＦ３よりも大きくなる。すなわち、回転軸１２および動翼１４に、いわゆるトルクアンバランスが生じる。

以下、シール部２３に衝突した蒸気によって動翼１４に作用する外力Ｆ１と、トルクアンバランスとを、蒸気力と称する。この蒸気力は、回転軸１２および動翼１４の回転を加速させる。回転軸１２の回転が加速すると、回転軸１２に振動が発生し、または回転軸１２の振動が大きくなり得る。さらに、蒸気力は、蒸気タービン１０の負荷に応じて増減する。言い換えると、蒸気力は負荷依存性を有する。

例えば、蒸気タービン１０が大型化したり、回転軸１２の回転が高速化したりすると、蒸気力が大きくなる。さらに、蒸気タービンの性能向上対策のため、段落数の増加（動翼および静翼の増加）、漏れ損失の低減、高温化、および高圧化が行われることがある。これらによって、軸系の危険速度の低下、システム減衰の低下、不安定化シール力の増大が生じ、蒸気力が大きくなる。

従来の蒸気タービンでは、蒸気力によって不安定振動が生じ得る。当該不安定振動は、負荷が小さい間は全く生じないか、生じていても振幅が小さく問題にならない。しかし、不安定振動は、負荷が大きくなると、はじめて発生するか、または振幅が急速に成長して激しい振動になる。不安定振動が発生すると、従来の蒸気タービンでは、負荷を増すことが困難になる。

また、前記不安定振動は、振動数が回転軸１２の一次固有振動数に近く、回転軸１２の回転速度が一次危険速度を超えて運転されている領域で生じやすい。したがって、前記不安定振動が生じる振動数は、回転同期振動数よりも低い。

なお、蒸気力は、下の（１）式のように連成ばね項でモデル化され得る。

一方、図５に示すように、第１ないし第３のパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃと回転軸１２との間の油膜は、回転軸１２に減衰力Ｃを作用させる。図５において、減衰力Ｃはサスペンションを模して示される。

減衰力Ｃは、上述の回転軸１２の撓みおよび蒸気力によって生じる回転軸１２の振動を減衰させる。このため、油膜の減衰力Ｃが回転軸１２の撓みおよび蒸気力によって生じる回転軸１２の振動を抑えきれなくなったとき、回転軸１２の振動が大きくなる。

以下、図９および図１０を参照して、前記構成の軸受１５の作用について説明する。なお、以下では特に記載がない場合、一対の第２のパッド２７のうち一方の第２のパッド２７について代表して説明する。他方の第２のパッド２７は、一方の第２のパッド２７と同様の機能を有する。

図９は、回転軸１２が回転しているときの軸受１５を示す断面図である。回転軸１２が回転することで、第２のパッド２７に図４に示すような圧力Ｐ３が作用する。圧力Ｐ３は、主に、空洞部４１と油膜との間に位置する第２のパッド２７の一部２７ａに作用する。第２のパッド２７の一部２７ａは、基部３３の一部とメタル部３４の一部とを含む。

圧力Ｐ３が作用した第２のパッド２７の一部２７ａは、第２のパッド２７の周方向の両端部２７ｂを支点として、空洞部４１に向かってたわむ。言い換えると、第２のパッド２７の一部２７ａは、圧力Ｐ３によって変形する。図９において、変形前の第２のパッド２７の一部２７ａが二点鎖線で示される。

上記のように第２のパッド２７の一部２７ａが変形し得るため、図５に示すような第２のパッド２７のメタル部３４の剛性ｋｂおよび基部３３の剛性ｋｃは、例えば第１のパッド２６のメタル部３４の剛性ｋｂおよび基部３３の剛性ｋｃよりも低い。このため、回転軸１２にかかる剛性の異方性が大きくなる。回転軸１２にかかる剛性の異方性が大きくなると、回転軸１２の振れ回りの軌道は楕円形に近づく。言い換えると、回転軸１２の振れ回りの軌道の扁平率が大きくなる。

図１０は、回転軸１２の振れ回りの軌道を示す断面図である。図１０は、説明のため、回転軸１２の振れ回りの軌道を図２よりも強調して示す。回転軸１２には、蒸気力によって回転軸１２の回転を加速する外力Ｆｓが作用している。外力Ｆｓは、図８に示す外力Ｆ１およびトルクＦ２，Ｆ３によるトルクアンバランスによって、回転軸１２に作用する外力である。

回転軸１２の振れ回りの軌道が楕円形に近づくと、図１０に示すように、回転軸１２の振れ回りの回転方向Ｄと、蒸気力による外力Ｆｓの方向とに違いが生じる。このため、蒸気力による外力Ｆｓが回転軸１２の回転を加速させ難くなる。したがって、回転軸１２に振動が発生することが抑制される。

第１の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５によれば、第１のパッド２６に隣接する第２のパッド２７に、空洞部４１が設けられる。これにより、回転軸１２にかかる剛性の異方性が大きくなり、回転軸１２の振れ回りの軌道が楕円形に近づく。したがって、蒸気力による外力Ｆｓが回転軸１２の回転を加速させ難くなることで回転軸１２の振動が抑制され、軸受１５の安定性を高めることができる。

次に、図１１および図１２を参照して、第２の実施の形態について説明する。なお、以下に開示する実施形態において、第１の実施形態の蒸気タービン１０と同一の機能を有する構成部分には同一の参照符号を付す。さらに、当該構成部分については、その説明を一部または全て省略することがある。

図１１は、第２の実施形態の軸受１５の一部を示す断面図である。図１１に示すように、第２のパッド２７は、第１の部分５１と、第２の部分５２と、複数のネジ５３とを有している。

第１の部分５１は、メタル部３４と、基部３３の一部を含んでいる。第１の部分５１は、油膜を介して回転軸１２に面している。

第２の部分５２は、基部３３の一部を含んでいる。第２の部分５２に、ピボット３５が取り付けられる。すなわち、第２の部分５２は、軸受内輪２５に揺動可能に取り付けられる。なお、ピボット３５は、第２の部分５２と一体に形成されても良い。

図１２は、第２のパッド２７を分解して示す断面図である。第２の部分５２に、凹部５５と、複数の挿通孔５６とが設けられている。凹部５５は、第１の部分５１に向かって開口する穴である。第１の部分５１が第２の部分５２に取り付けられると、第１の部分５１が凹部５５を塞ぐ。第１の部分５１と凹部５５とが、空洞部４１を規定する。

挿通孔５６は、基部３３の背面３３ａにそれぞれ開口している。挿通孔５６は、内壁に雌ネジが形成されても良いし、単純な孔であっても良い。挿通孔５６に、ネジ５３がそれぞれ挿通される。

ネジ５３は、挿通孔５６に挿通され、第１の部分５１に設けられた雌ネジ部５７にねじ込まれる。このように、ネジ５３によって、第１の部分５１が第２の部分５２に取り外し可能に固定される。

雌ネジ部５７は、第１の部分５１の背面５１ａに開口している。第１の部分５１の背面５１ａは、潤滑面３４ａの反対側に位置する。雌ネジ部５７は、第１の部分５１に含まれる基部３３の一部に設けられ、メタル部３４には達しない。

第１の部分５１に含まれる基部３３の一部は、第２の部分５２に含まれる基部３３の一部よりも剛性が低い材料によって形成される。なお、第１の部分５１に含まれる基部３３の一部の材料と、第２の部分５２に含まれる基部３３の一部の材料とが同じであっても良い。また、第１の部分５１に含まれる基部３３の一部に、例えば溝を形成することで、第１の部分５１に含まれる基部３３の一部の剛性を低くしても良い。

第２の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５によれば、回転軸１２が回転したときに、第２のパッド２７の第１の部分５１が空洞部４１に向かってたわむ。これにより、回転軸１２にかかる剛性の異方性が大きくなり、回転軸１２の振れ回りの軌道が楕円形に近づく。したがって、蒸気力による外力Ｆｓが回転軸１２の回転を加速させ難くなることで回転軸１２の振動が抑制され、軸受１５の安定性を高めることができる。

第２のパッド２７は、第１の部分５１と、第１の部分５１に取り外し可能に固定された第２の部分５２とを有している。第１の部分５１は変形するため劣化しやすい。劣化した第１の部分５１は第２の部分５２から取り外され、新しい第１の部分５１と交換できる。これにより、軸受１５のメンテナンス性が向上し、第１の部分５１の劣化によって回転軸１２の振動に影響が生じることを抑制でき、さらに第２のパッド２７の損傷を抑制できる。

空洞部４１は、第２の部分５２に設けられた凹部５５と、第１の部分５１とによって規定される。これにより、第２のパッド２７に空洞部４１を容易に形成することができる。なお、凹部５５は第１の部分５１に設けられても良いし、第１の部分５１と第２の部分５２とにそれぞれ設けられても良い。

第１の部分５１に含まれる基部３３の一部は、第２の部分５２に含まれる基部３３の一部よりも剛性が低い材料で形成される。これにより、第１の部分５１が容易に変形し、軸受１５の振れ回りの軌道がさらに楕円形に近づく。したがって、軸受１５の安定性を高めることができる。

なお、第２の部分５２に含まれる基部３３の一部が、第１の部分５１に含まれる基部３３の一部よりも剛性が低い材料で形成されても良い。この場合、第２の部分５２が容易に変形し、第２のパッド２７の基部３３の剛性が低下する。これにより、軸受１５の振れ回りの軌道がさらに楕円形に近づく。したがって、軸受１５の安定性を高めることができる。

さらに、第２のパッド２７が第１のパッド２６よりも剛性が低い材料で形成されても良い。この場合、第１のパッド２６の剛性と第２のパッド２７の剛性との異方性が大きくなる。これにより、軸受１５の振れ回りの軌道がさらに楕円形に近づく。したがって、軸受１５の安定性を高めることができる。

次に、図１３を参照して、第３の実施の形態について説明する。図１３は、第３の実施の形態に係る軸受１５の一部を示す断面図である。図１３に示すように、第１の部分５１は、キー５９によって第２の部分５２に取り外し可能に固定されている。このような第３の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５であっても、第２の実施形態の蒸気タービン１０と同様に、軸受１５の安定性を高めることができる。

次に、図１４を参照して、第４の実施の形態について説明する。図１４は、第４の実施の形態に係る軸受１５の一部を示す断面図である。図１４に示すように、第２のパッド２７は、ストッパ６１を有している。ストッパ６１は、支持部の一例である。

ストッパ６１は、空洞部４１に配置されている。ストッパ６１は、空洞部４１において、ピボット３５に近い第１の内面４１ａから突出している。回転軸１２が静止しているとき、ストッパ６１と、メタル部３４に近い第２の内面４１ｂとの間に、隙間が形成される。言い換えると、ストッパ６１は、隙間を介して、油膜を介して回転軸１２に面するとともに当該油膜と空洞部４１との間に位置する第２のパッド２７の一部２７ａに面する。

回転軸１２が回転し、圧力Ｐ３が作用した第２のパッド２７の一部２７ａが空洞部４１に向かってたわむ。たわんだ第２のパッド２７の一部２７ａは、ストッパ６１に受け止められる。言い換えると、ストッパ６１は、変形した第２のパッド２７の一部２７ａに押圧され、当該一部２７ａを支持する。

第４の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５によれば、ストッパ６１が変形した第２のパッド２７の一部２７ａを支持する。これにより、第２のパッド２７の一部２７ａが過剰に変形して第２のパッド２７が損傷することを抑制できる。さらに、第２のパッド２７の一部２７ａの変形量を所望の大きさに抑えることができ、第２のパッド２７の剛性を制御しやすくなる。

例えば、回転軸１２の回転中に、蒸気タービン１０における配管からの圧力や、軸受１５の中心線の芯がずれていることで、回転軸１２に対して水平方向に非常に大きな圧力がかかる場合がある。このような、いわゆるミスアライメントが発生したとしても、ストッパ６１によって第２のパッド２７の一部２７ａの過剰なたわみを防ぐことができる。

次に、図１５を参照して、第５の実施の形態について説明する。図１５は、第５の実施の形態に係る軸受１５の一部を示す断面図である。図１５に示すように、第２のパッド２７は、コイルバネ６３を有している。コイルバネ６３は、支持部の一例である。

コイルバネ６３は、空洞部４１に配置されている。コイルバネ６３は、空洞部４１において、第１の内面４１ａから突出している。回転軸１２が静止しているとき、コイルバネ６３と、第２の内面４１ｂとの間に、隙間が形成される。

回転軸１２が回転し、圧力Ｐ３が作用した第２のパッド２７の一部２７ａが空洞部４１に向かってたわむ。たわんだ第２のパッド２７の一部２７ａは、コイルバネ６３に受け止められる。言い換えると、コイルバネ６３は、変形した第２のパッド２７の一部２７ａに押圧され、当該一部２７ａを支持する。

第５の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５によれば、第４の実施形態と同様に、第２のパッド２７が損傷することを抑制できる。さらに、第２のパッド２７の一部２７ａの変形量を所望の大きさに抑えることができ、第２のパッド２７の剛性を制御しやすくなる。

次に、図１６を参照して、第６の実施の形態について説明する。図１６は、第６の実施の形態に係る軸受１５の一部を示す断面図である。図１６に示すように、第２のパッド２７は、板バネ６５を有している。板バネ６５は、支持部の一例である。

板バネ６５は、空洞部４１に配置されている。板バネ６５は、空洞部４１において、第２の内面４１ｂに向かって突出するように形成される。回転軸１２が静止しているとき、板バネ６５と、第２の内面４１ｂとの間に、隙間が形成される。

回転軸１２が回転し、圧力Ｐ３が作用した第２のパッド２７の一部２７ａが空洞部４１に向かってたわむ。たわんだ第２のパッド２７の一部２７ａは、板バネ６５に受け止められる。言い換えると、板バネ６５は、変形した第２のパッド２７の一部２７ａに押圧され、当該一部２７ａを支持する。

第６の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５によれば、第４の実施形態と同様に、第２のパッド２７が損傷することを抑制できる。さらに、第２のパッド２７の一部２７ａの変形量を所望の大きさに抑えることができ、第２のパッド２７の剛性を制御しやすくなる。

次に、図１７を参照して、第７の実施の形態について説明する。図１７は、第７の実施の形態に係る軸受１５の一部を示す断面図である。図１７に示すように、第２のパッド２７は、支持部６７を有している。

支持部６７は、空洞部４１に配置されている。支持部６７は、第２のパッド２７の基部３３よりも剛性が低い材料によって形成される。なお、支持部６７に溝や空洞を形成することで、支持部６７の剛性を基部３３の剛性より低くしても良い。

支持部６７は、空洞部４１において、第１の内面４１ａおよび第２の内面４１ｂに接触している。なお、支持部６７は、第１の内面４１ａまたは第２の内面４１ｂから離されても良い。

回転軸１２が回転し、圧力Ｐ３が作用した第２のパッド２７の一部２７ａが空洞部４１に向かってたわむ。たわんだ第２のパッド２７の一部２７ａは、支持部６７に受け止められる。言い換えると、支持部６７は、変形した第２のパッド２７の一部２７ａに押圧され、当該一部２７ａを支持する。

第７の実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受１５によれば、第４の実施形態と同様に、第２のパッド２７が損傷することを抑制できる。さらに、支持部６７の剛性を調整することで、第２のパッド２７の一部２７ａの変形量を所望の大きさに抑えることができる。したがって、第２のパッド２７の剛性を制御しやすくなる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受によれば、回転軸の下方に位置する第１のパッド２６に隣接する第２のパッド２７に、空洞部４１が設けられている。これにより、ティルティングパッドジャーナル軸受の安定性が高まる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、回転機械は蒸気タービン１０に限らず、発電機のような他の回転機械であっても良い。また、軸受１５は六つのパッド２６，２７，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを有していたが、これに限らず四つ、五つ、七つ、またはその他の複数のパッドを有しても良い。複数のパッドのうち、少なくとも一つのパッドが回転軸１２の下方に位置する。

さらに、上述の複数の実施の形態を適宜組み合わせても良い。例えば、第１の部分５１および第２の部分５２を有する第２のパッド２７の空洞部４１に、ストッパ６１、コイルバネ６３、板バネ６５、または支持部６７が配置されても良い。このような第２のパッド２７において、第１の部分５１を第２の部分５２に固定する部材は、ネジ５３、キー５９、または他の部材であっても良い。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、油膜を介して回転軸の下方に位置する第１のパッドと、前記軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、前記軸受内輪の周方向において前記第１のパッドと隣接するとともに、内部に空洞部が設けられた第２のパッドと、を具備したことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
［２］前記第２のパッドは、油膜を介して前記回転軸に面する第１の部分と、前記軸受内輪に揺動可能に取り付けられた第２の部分と、を有し、前記第１の部分は、取り外し可能に前記第２の部分に固定され、前記第１の部分または前記第２の部分の少なくとも一方に凹部が設けられ、前記空洞部は、前記第１の部分が前記第２の部分に取り付けられることで塞がれた前記凹部によって規定されることを特徴とする［１］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［３］前記第１の部分がネジによって前記第２の部分に固定されたことを特徴とする［２］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［４］前記第１の部分がキーによって前記第２の部分に固定されたことを特徴とする［２］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［５］前記第１の部分および前記第２の部分のいずれか一方は、他方よりも剛性が低いことを特徴とする［１］ないし［４］のいずれか一つに記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［６］前記第２のパッドは、前記第１のパッドよりも剛性が低いことを特徴とする［１］ないし［５］のいずれか一つに記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［７］前記空洞部に配置され、変形した前記第２のパッドの一部から押圧される支持部をさらに具備することを特徴とする［１］ないし［６］のいずれか一つに記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［８］前記支持部は、隙間と、当該隙間に存する油膜を介して前記回転軸に面するとともに前記油膜と前記空洞部との間に位置する前記第２のパッドの一部に面することを特徴とする［７］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［９］前記支持部がコイルバネであることを特徴とする［７］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［１０］前記支持部が板バネであることを特徴とする［７］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［１１］前記支持部は、前記第２のパッドよりも剛性が低いことを特徴とする［７］に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
［１２］ティルティングパッドジャーナル軸受を具備する回転機械であって、前記ティルティングパッドジャーナル軸受が、軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、油膜を介して回転軸の下方に位置する第１のパッドと、前記軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、前記軸受内輪の周方向において前記第１のパッドと隣接するとともに、内部に空洞部が設けられた第２のパッドと、を備えたことを特徴とする回転機械。

１０…蒸気タービン、１２…回転軸、１５…軸受（ティルティングパッドジャーナル軸受）、２５…軸受内輪、２６…第１のパッド、２７…第２のパッド、２７ａ…一部、４１…空洞、５１…第１の部分、５２…第２の部分、５３…ネジ、５５…凹部、５９…キー、６１…ストッパ、６３…コイルバネ、６５…板バネ、６７…支持部。

Claims (6)

1. 軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、油膜を介して回転軸の下方に位置し、第１の基部と第１のメタル部と第１のピボット部とを有する第１のパッドと、
   前記軸受内輪の内部に揺動可能に配置され、第２の基部と第２のメタル部と第２のピボット部とを有し、前記軸受内輪の周方向において前記第１のパッドと隣接し、前記第１のパッドの基部よりも剛性が低くなるように前記第２の基部に空洞部が設けられた第２のパッドと、
   を具備したことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
2. 前記第２のパッドの基部は、油膜を介して前記回転軸に面する第１の部分と、前記軸受内輪に揺動可能に取り付けられた第２の部分と、を有し、
   前記第１の部分は、取り外し可能に前記第２の部分に固定され、
   前記第１の部分または前記第２の部分の少なくとも一方に凹部が設けられ、
   前記空洞部は、前記第１の部分が前記第２の部分に取り付けられることで塞がれた前記凹部によって規定されることを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
3. 前記第１の部分がネジによって前記第２の部分に固定されたことを特徴とする請求項２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
4. 前記第１の部分がキーによって前記第２の部分に固定されたことを特徴とする請求項２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
5. 前記第１の部分および前記第２の部分のいずれか一方は、他方よりも剛性が低いことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一つに記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
6. 前記空洞部に配置され、変形した前記第２のパッドの基部の一部から押圧される支持部をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載のティルティングパドジャーナル軸受。

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