JP6101135B2 - 軸受装置及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸受装置に係り、特に、回転軸の周方向に間隔をあけて配置された複数の軸受パッドを有する軸受装置に関する。

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、回転軸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、回転軸の周方向に複数配置され、かつ、揺動可能な軸受パッドが、環状の軸受ケーシ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、軸受パッドと回転軸との間には油膜が形成されている。

また、複数の軸受パッドのうち、互いに隣接する一対の軸受パッドの間には、回転軸と軸受パッドのパッド面との隙間に潤滑油を供給するための給油ノズルが配設されている。これにより、回転軸と各々の軸受パッドのパッド面との隙間には、潤滑油の油膜が形成され、回転軸は、当該油膜によって支持される。
ここで、一般に、回転軸と軸受面との隙間に供給された潤滑油は、回転軸の回転に伴い、回転軸の回転方向に流動する。従って、回転軸とパッド面との間を流通して昇温した潤滑油は、下流側の軸受パッドと回転軸との間の隙間に流れ込む。

特開２００１−１２４０６２号公報

しかしながら、従来の軸受装置には、次のような問題点が存在していた。すなわち、一の軸受パッドを潤滑させて昇温した潤滑油が下流側の軸受パッドと回転軸との間の隙間に流れ込むということは、高温の潤滑油が給油ノズルから供給される低温の潤滑油と混ざり合うということを意味する。この場合、下流側の軸受パッドには、給油ノズルから直に吹き出される潤滑油よりも高温の潤滑油が流入することになり、軸受メタル温度が上昇し、軸受損傷に至る恐れがある。

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、軸受パッドの温度上昇を抑制することによって、軸受装置の負荷能力を向上させることができる軸受装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の軸受装置は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸の外周面を潤滑油を介して支持し、該回転軸の周方向に間隔をあけて配置された複数の軸受パッドと、前記複数の軸受パッドを外周側から覆って支持し、前記潤滑油を外周側に排出する排出部が形成された軸受ケーシングと、前記軸受ケーシングと前記回転軸との間に設けられる環状をなして、前記回転軸の回転及び前記潤滑油の供給に伴って内周側の面が前記回転軸に対して油膜浮上するとともに、前記軸受パッドを軸線方向から挟むように離間して配置された一対のフローティングリングと、前記一対のフローティングリングにわたって軸線方向に延びるように配置され、前記一対の軸受パッドの間で、上流側の軸受パッドのパッド面から流出した潤滑油を、前記排出部に向かって案内する案内面を有する案内部材と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、案内部材の案内面によって、潤滑油が排出部に向かって案内され、高温となった潤滑油が下流側の軸受パッドに流入することが抑制されるため、下流側の軸受パッドの温度上昇が抑制され、軸受装置の負荷能力を向上させることができる。

上記軸受装置において、前記案内部材は、前記回転軸に対向して該回転軸上を摺動する内周面を有し、前記内周面はホワイトメタルによって形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、案内部材と回転軸との間の隙間を十分に小さくすることができるため、下流側の軸受パッドに流入する潤滑油をより低減することができる。

上記軸受装置において、前記軸受ケーシングは円筒状をなす軸受ケーシング本体と、該軸受ケーシング本体の軸線方向両端から内周側に立ち上がる側壁部とを有し、前記排出部は、前記軸受ケーシング本体と前記側壁部の少なくとも一方に、軸線方向に離間して形成され、前記案内面は、潤滑油を軸線方向両側に案内するように、下流側に向かうにしたがって軸線方向の中央部が隆起するように形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、潤滑油が軸線方向両側に案内されるため、軸線方向に離間して配置された排出部に潤滑油が導入されやすくなる。

上記軸受装置において、潤滑油を供給する潤滑油供給部及び前記案内部材は、前記軸線を含む水平面よりも上方に位置する軸受パッドの上流側には設けられていない構成としてもよい。

上記構成によれば、供給される潤滑油の量を低減することができる。また、軸受装置の装置構成をより簡素化することができる。

また、本発明は、上記いずれかの軸受装置を備える回転機械を提供する。

本発明によれば、案内部材の案内面によって、潤滑油が排出部に向かって案内され、高温となった潤滑油が下流側の軸受パッドに流入することが抑制されるため、下流側の軸受パッドの温度上昇が抑制され、軸受装置の負荷能力を向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの全体構成を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置の概略構成図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の第一実施形態に係る案内ユニットの斜視図である。 案内ユニットの要部拡大斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る案内部材の案内面を示す拡大斜視図である。 案内部材の案内面の変形例を示す拡大斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る軸受装置の図３に対応する概略構成図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン５０（回転機械）について、図１を参照して説明する。ここで、蒸気タービン５０とは、蒸気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連結して用いられるものである。

図１に示すように、蒸気タービン５０は、タービンケーシング５１と、該タービンケーシング５１を貫通するように軸線Ｏに沿って延びる回転軸６０と、タービンケーシング５１に保持された静翼５２と、回転軸６０に設けられた動翼６１と、回転軸６０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部７０とを備えている。なお、軸受部７０は、ジャーナル軸受１（以下、単に軸受装置１と称する）及びスラスト軸受７１を備えている。

このような蒸気タービン５０では、タービンケーシング５１内に導入される蒸気Ｓが静翼５２及び動翼６１の間の流路を通過する。この際、蒸気Ｓが動翼６１を回転させることで動翼６１に伴って回転軸６０が回転し、回転軸６０に接続された発電機等の機械に動力（回転エネルギー）が伝達される。

図２及び図３は、本発明の第一実施形態に係る軸受装置１の概略構成図であり、軸受装置１には、蒸気タービン５０の回転軸６０が回転可能に支持されている。
図２及び図３に示すように、軸受装置１は、支持環２の内部に配された環状の軸受ケーシング３と、軸受ケーシング３の内周面に等角度間隔で設けられたピボット４と、各々のピボット４に揺動可能に支持された軸受パッド５と、潤滑油を外周側に案内するための案内ユニット６と、を有する。即ち、ピボット４は、軸受パッド５と軸受ケーシング３との間に介在している。軸受パッド５は、周方向に分割されている。本実施形態では、軸受パッド５は４個に分割されており、各軸受パッド５がそれぞれピボット４によって支持されている。
軸受ケーシング３は、円筒状をなす軸受ケーシング本体７と、軸受ケーシング本体７の軸線方向の両側から装着されている側壁部８とを有している。側壁部８は、軸受ケーシング本体７の軸線方向両端から内周側に立ち上がるように形成されている。

軸受ケーシング３には、潤滑油を外周側に排出する複数の排出孔９（排出部）が形成されている。排出孔９は、軸受ケーシング本体７の内周側の面と外周側の面とを貫通するように設けられている。排出孔９の位置については後述する。

各々の軸受パッド５は、回転軸６０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５のパッド面１０の曲率半径は、回転軸６０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５のパッド面１０全面が回転軸６０と接触することはない。また、軸受パッド５のパッド面１０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。

ピボット４は、軸受ケーシング３より回転軸６０の径方向に突出して形成され、軸受パッド５の背面中央において軸受パッド５を支持している。
上述した構成により、軸受パッド５は、任意の方向に揺動可能とされている。即ち、ピボット４と軸受パッド５とは、点接触による接触状態であり、回転軸６０と軸受装置１との間にミスアライメント（回転軸６０の外周面と軸受パッド５のパッド面１０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５が回転軸６０に追従することができる。

また、各々の軸受パッド５間には、潤滑油供給部である給油ノズル１１が回転軸６０に向けて設けられており、これら給油ノズル１１には、潤滑油供給用ポンプ１２が接続されている。従って、潤滑油供給用ポンプ１２を駆動することにより、給油ノズル１１から、給油ノズル１１における回転軸６０の回転方向Ｒにおける下流側に隣接する軸受パッド５のパッド面１０に向けて、潤滑油が供給されることになる。

図４に示すように、案内ユニット６は、円環形状をなす一対のフローティングリング１４と、一対のフローティングリング１４を接続する複数の案内部材１５とを有しており、図３に示すように、軸受ケーシング３の側壁部８の内周側の端面に形成された溝条１６に組み込まれている。

一対のフローティングリング１４は、各々が回転軸６０の外周面に周方向に沿うように配置される環状部材である。フローティングリング１４は、軸受ケーシング３と回転軸６０との間に設けられて、フローティングリング１４の内周側の面が潤滑油を介して回転軸６０に対向して、互いに軸線方向に離間するように配置される。また、一対のフローティングリング１４は、軸受パッド５を軸線方向から挟むように離間して配置されている。

各々のフローティングリング１４は、断面矩形状の環状部材であり、その内径が回転軸６０の外径よりも僅かに大となるように形成されている。換言すれば、フローティングリング１４は、回転軸６０の回転及び給油ノズル１１からの潤滑油の供給に伴い、油膜浮上するように形成されている。

また、一対のフローティングリング１４のうち少なくとも一方のフローティングリング１４には、外周側に突出する回り止めピン１７が形成されている。回り止めピン１７は、溝条１６に形成された凹部（図示せず）に入り込むことによって、フローティングリング１４を回転させないように機能する突起である。即ち、フローティングリング１４は、回転軸６０が回転状態にあっても静止状態を維持するように構成されている。

案内部材１５は、一対のフローティングリング１４を接続するように、一対のフローティングリング１４にわたって設けられた棒状の部材である。案内部材１５は、各々の軸受パッド５間であって、給油ノズル１１の上流側に、軸線方向に延びるように配置されている。
案内部材１５の軸線方向に直交する断面形状は、略三角形状をなしている。具体的には、回転軸６０の外周面に沿う内周面１９と、回転方向Ｒにおける上流側の軸受パッド５のパッド面１０から流出した潤滑油を、排出孔９に向かって案内するように形成された案内面２０と、内周面１９と案内面２０の下流側の端辺を接続する接続面２１とを有している。

内周面１９は、フローティングリング１４の内周側の面と同一曲面上に配されるように、フローティングリング１４の内周側の面と同一の曲率半径の湾曲形状をなしている。また、内周面１９はホワイトメタルなどの軟質金属によって形成されている。また、内周面１９は、内周面１９と回転軸６０との隙間が、少なくとも回転軸６０と軸受パッド５のパッド面１０との間の隙間より小さくなるように位置決めされている。

案内面２０は、面である。具体的には、案内面２０は、上流側から下流側に向かうにしたがって、回転軸６０から徐々に離間するような斜面として形成されている。換言すれば、案内面２０は、上流側に面するとともに、内周面１９に対して鋭角をなすように形成され、上流側から流れてきた潤滑油が、内周面１９と回転軸６０との間に流入することなく、案内面２０に沿って外周側に向かうように形成されている。
接続面２１は、内周面１９の下流側端部より外周側に立ち上がるように形成された壁面である。

そして、排出孔９は、案内部材１５の案内面２０によって案内された潤滑油が軸受ケーシング３の外周側に排出されやすいような位置に形成されている。具体的には、周方向において案内部材１５に対応する位置に形成されている。また、排出孔９は、支持環２を避けるように、軸線方向の両側に離間するように形成されている。
なお、排出孔９の位置はこれに限ることはなく、例えば、軸受ケーシング３の側壁部８に形成されていてもよい。即ち、潤滑油を径方向ではなく軸線方向に排出する構成としてもよい。

次に、上記実施形態の軸受装置１の作用について説明する。
蒸気タービン５０の作動中、回転する回転軸６０と、回転軸６０の傾きに応じて傾斜する軸受パッド５のパッド面１０との隙間に、給油ノズル１１から潤滑油が供給される。回転軸６０は、軸受パッド５のパッド面１０に形成される油膜によって支持される。

ここで、回転軸６０の回転に伴い、一の軸受パッド５に対して供給された潤滑油は、回転軸６０の回転方向Ｒに沿って当該一の軸受パッド５と隣り合う軸受パッド５に向けて流動する。この際、潤滑油（油膜）は、当該一の軸受パッド５の下流側端部から隙間に排出されると、案内部材１５によって塞き止められる。そして、当該一の軸受パッド５を潤滑させて昇温した潤滑油は、案内部材１５の案内面２０よって外周側に案内される。外周側に案内された高温の潤滑油は、排出孔９より軸受ケーシング３の外周側に排出される。

上記実施形態によれば、フローティングリング１４により、案内部材１５と回転軸６０との隙間を、案内部材１５と回転軸６０とが接触しない程度に狭い隙間にすることができるため、案内部材１５の案内面２０によって、潤滑油が排出孔９に向かって案内され、高温となった潤滑油（キャリーオーバー排油）が下流側の軸受パッド５に流入することが抑制される。これにより、下流側の軸受パッド５の温度上昇が抑制され、軸受装置１の負荷能力を向上させることができる。

また、案内部材１５を案内部材１５の内周面１９と回転軸６０とが摺動するように配置することによって、案内部材１５と回転軸６０との間の隙間を十分に小さくすることができるため、下流側の軸受パッド５に流入する潤滑油をより低減することができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態に係る軸受装置１を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一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。
本実施形態の軸受装置１は、案内面２０の形状以外は、第一実施形態の軸受装置１とほぼ同様である。
図６に示すように、本実施形態の案内面２０には、潤滑油を軸線方向両側に案内するように、下流側に向かうにしたがって軸線方向の中央部が隆起するように形成されている。

具体的には、本実施形態の案内面２０の軸線方向の中央には、下流側に向かうにしたがって徐々に高くなるような稜線２２が形成されている。そして、案内面２０は軸線方向両側から稜線２２に向かって滑らかに高くなるように形成されている。即ち、上流側より流入する潤滑油が稜線２２及び稜線２２によって区画された二面２３，２４によって、軸線方向両側に案内されるように形成されている。

上記構成によれば、潤滑油が軸線方向両側に案内されるため、軸線方向に離間して配置された排出孔９に潤滑油が導入されやすくなる。換言すれば、複数の排出孔９が軸線方向に離間するように配置されている場合においても、潤滑油が排出孔９に導入されやすくなる。

なお、本実施形態の案内面２０の形状は、上記したような形状に限ることはなく、案内面２０に当接した潤滑油が軸線方向の両側に案内されるような形状であればよい。例えば、図７に示すように、案内面２０を稜線２２を設けることない湾曲形状とすることもできる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第二実施形態に係る軸受装置１を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一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。
本実施形態の軸受装置１は、第一実施形態及び第二実施形態の軸受装置１が、各々の軸受パッド５の間に給油ノズル１１及び案内部材１５が配置されているのに対し、本実施形態の軸受装置１は、軸受パッド５と給油ノズル１１の数が減っていることを特徴としている。

具体的には、図８に示すように、給油ノズル１１及び案内部材１５は、軸線を含む水平面よりも上方に位置する軸受パッド５の上流側には設けられていない。即ち、本実施形態の軸受装置１は、より回転軸６０の荷重がかけられる鉛直方向下側に配置されている軸受パッド５の上流側に給油ノズル１１を備え、これら軸受パッド５にキャリーオーバー排油が導入されないように、その上流側に案内部材１５が設けられている。

上記実施形態によれば、供給される潤滑油の量を低減することができる。また、軸受装置１の装置構成をより簡素化することができる。

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、上記各実施形態においては、給油ノズル１１が軸受パッド５の上流側に配置された構成となっているが、給油ノズル１１を軸受パッド５上の上流側に組み込む構成としてもよい。

また、案内部材１５とフローティングリング１４の間にゴムなどの弾性部材を介在させることによって、フローティングリング１４振動を案内部材１５に伝達させないようにする構造としてもよい。

１ 軸受装置
２ 支持環
３ 軸受ケーシング
４ ピボット
５ 軸受パッド
６ 案内ユニット
７ 軸受ケーシング本体
８ 側壁部
９ 排出孔（排出部）
１０ パッド面
１１ 給油ノズル（潤滑油供給部）
１２ 潤滑油供給用ポンプ
１４ フローティングリング
１５ 案内部材
１６ 溝条
１７ 回り止めピン
１９ 内周面
２０ 案内面
２１ 接続面
５０ 蒸気タービン
５１ タービンケーシング
５２ 静翼
６０ 回転軸
６１ 動翼
７０ 軸受部
７１ スラスト軸受
Ｒ 回転方向

Claims (5)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸の外周面を潤滑油を介して支持し、該回転軸の周方向に間隔をあけて配置された複数の軸受パッドと、
   前記複数の軸受パッドを外周側から覆って支持し、前記潤滑油を外周側に排出する排出部が形成された軸受ケーシングと、
   前記軸受ケーシングと前記回転軸との間に設けられる環状をなして、前記回転軸の回転及び前記潤滑油の供給に伴って内周側の面が前記回転軸に対して油膜浮上するとともに、前記軸受パッドを軸線方向から挟むように離間して配置された一対のフローティングリングと、
   前記一対のフローティングリングにわたって軸線方向に延びるように配置され、前記一対の軸受パッドの間で、上流側の軸受パッドのパッド面から流出した潤滑油を、前記排出部に向かって案内する案内面を有する案内部材と、を備えることを特徴とする軸受装置。
2. 前記案内部材は、前記回転軸に対向して該回転軸上を摺動する内周面を有し、
   前記内周面はホワイトメタルによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記軸受ケーシングは円筒状をなす軸受ケーシング本体と、該軸受ケーシング本体の軸線方向両端から内周側に立ち上がる側壁部とを有し、
   前記排出部は、前記軸受ケーシング本体と前記側壁部の少なくとも一方に、軸線方向に離間して形成され、
   前記案内面は、潤滑油を軸線方向両側に案内するように、下流側に向かうにしたがって軸線方向の中央部が隆起するように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軸受装置。
4. 潤滑油を供給する潤滑油供給部及び前記案内部材は、前記軸線を含む水平面よりも上方に位置する軸受パッドの上流側には設けられていないことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の軸受装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の軸受装置を備えることを特徴とする回転機械。

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