JP6223600B2 - ジャーナル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、複数のパッドで水平に設置された回転軸の荷重を受けるジャーナル軸受に関するものである。

従来のジャーナル軸受は、下半部キャリアリングの内径側に複数のパッドが配置され、各パッドの周方向への移動を拘束するパッドストップが設けられた構造であった。そして、パッドストップは、回転軸の外周面とパッドの内周面との間に油膜を形成するために潤滑油を放出する給油ノズルとしての機能を持っていた（例えば、特許文献１参照）。

国際公開番号 ＷＯ２０１０／０９７９９０ Ａ１

従来のジャーナル軸受は、下半部キャリアリングの回転軸の軸回転方向において最も後ろ側に位置するパッドストップ以外の複数のパッドストップから供給される潤滑油の量は全て同量であり、パッドストップ毎の油量の調節を必要としない構造であった。また、上半部キャリアリング側には給油ノズルを設けないことで、軸受全体としての潤滑油の供給量を少なくするものであった。

ジャーナル軸受を構成する下半部キャリアリングの内側には、軸回転方向の上流側の位置に上流側パッドが、下流側の位置に下流側パッドが配置される。そして、従来の構成では、全てのパッドに対し、油膜形成に必要な十分な量の潤滑油が供給されていた。しかし、回転軸と上流側パッドの間に適正な潤滑油量を給油したとしても、上流側パッドから排出される油が、キャリーオーバー油として回転軸の回転に伴って下流側パッドに流れるため、下流側パッドでは潤滑油の供給量がキャリーオーバー油の分だけ過剰になってしまうという問題があった。また、各パッドへ供給する油量が少なすぎる場合は、回転軸とパッドとの間に十分な油膜が形成されず、油膜の温度が上昇する原因や、振動、騒音などの原因となっていた。
このように、従来のジャーナル軸受では、上流側、下流側の各パッドに同量の潤滑油を供給していたため、安定した稼動のためには、軸受全体として必要となる潤滑油供給量が多くなってしまうものであり、各パッドに対し適正な量の潤滑油を供給することが難しいものであった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、パッドの配置に応じて供給する潤滑油量を調整し、ジャーナル軸受全体に供給する潤滑油量を適正化することで減少させ、軸受損失を低減するとともに給油設備を小型化することを目的とする。

この発明に係わるジャーナル軸受は、水平に設置された回転軸の外周側に配置された上半部キャリアリングおよび下半部キャリアリングよりなるキャリアリング、上記下半部キャリアリングの内側に配置された第一のパッドと上記第一のパッドの下流側に配置された第二のパッド、上記回転軸と上記第一のパッドとの間に潤滑油を供給する第一の給油部、および、上記回転軸と上記第二のパッドとの間に潤滑油を供給する第二の給油部を備え、上記第二の給油部から供給される潤滑油の供給量は、上記第一の給油部から供給される潤滑油の供給量よりも、上記第一のパッドから上記第二のパッドへ流入するキャリーオーバー油に相当する分だけ少ないことを特徴とするものである。

この発明のジャーナル軸受によれば、第二の供給部から供給される潤滑油量を、第一の供給部から供給される潤滑油量よりも少なくしたことによって、第一、第二の供給部からの潤滑油供給量が同量である場合よりも、循環させる潤滑油量を少なくすることが可能であり、給油設備を小さくできるとともに、損失を低減することが可能である。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１に係るジャーナル軸受の軸方向に垂直な要部断面正面図である。 本発明の実施の形態１に係るジャーナル軸受の軸方向に沿った要部断面側面図である。 本発明の実施の形態１に係るジャーナル軸受を構成する給油ノズルの断面図、および、給油ノズルの吐出孔を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係るジャーナル軸受を構成する給油ノズルの断面図、および、給油ノズルの吐出孔を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係るジャーナル軸受の軸方向に垂直な要部断面側面図である。 本発明の実施の形態４に係るジャーナル軸受の軸方向に垂直な要部断面側面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるジャーナル軸受について、図１ないし図３を用いて説明する。各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
本発明のジャーナル軸受は、軸受荷重が下方にのみ働く水平に設置された回転機械に用いられ、回転軸を回転可能に支持する滑り軸受であって、上半部キャリアリングおよび下半部キャリアリングよりなるキャリアリングと、その下半部キャリアリングの半径方向内側に、間隔を空けて配置され、回転軸の荷重を受ける複数のパッドと、各パッドに潤滑油を供給するための給油ノズルを備えた構成であり、ティルティングパッドジャーナル軸受と呼ばれる。本発明のジャーナル軸受は、例えば、回転電機に適用することが可能である。

まず、本発明のジャーナル軸受１００の基本的な構造について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るジャーナル軸受１００を示した軸方向に垂直な要部断面正面図である。図１において、ジャーナル軸受１００に支持される回転軸１０１は、紙面上の反時計回りに回転するものとする。図２は、ジャーナル軸受１００の軸方向に沿った、図１のＡ−Ａ線に沿った要部断面側面図である。図３は、ジャーナル軸受１００の構成要素である上流側給油ノズル２１ａおよび下流側給油ノズル３１ａの断面図と各ノズルの吐出口を示す平面図である。

図１に示すように、軸が水平方向に沿うように設置された回転軸１０１は、環状のジャーナル軸受１００に挿入される。ジャーナル軸受１００は、回転軸１０１を回転可能に支持し、上半部キャリアリング１１および下半部キャリアリング１２を備えたキャリアリング１０、上半部キャリアリング１１の半径方向内側に配置されたガイドメタル１３、下半部キャリアリング１２の半径方向内側に、間隔をあけて配置され回転軸１０１の荷重を受ける上流側パッド２０（第一のパッド）とその下流に配置された下流側パッド３０（第二のパッド）、回転軸１０１の回転方向の上流側に配置された上流側パッド２０に潤滑油を供給するための上流側給油部２１（第一の給油部）および下流側パッド３０に潤滑油を供給するための下流側給油部３１（第二の給油部）を備えており、さらに、ガイドメタル１３の回転方向上流側の、下流側パッド３０とガイドメタル１３との間には、ガイドメタル１３に潤滑油を供給するためのガイドメタル用給油ノズル４１を備えている。

上流側給油部２１は、上流側パッド２０と回転軸１０１との間に潤滑油を供給し、油膜を形成するために、上流側パッド２０の上流部側、つまり上流側パッド２０とガイドメタル１３とが近接する領域に、潤滑油を吐出する複数の上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂ（第一の給油ノズル）を有している。同様に、上流側給油部２１の下流側に配置される、下流側給油部３１は、下流側パッド３０と回転軸１０１との間に潤滑油を供給し、油膜を形成するために、下流側パッド３０の上流部側、つまり上流側パッド２０と下流側パッド３０との間に、潤滑油を吐出する複数の下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂ（第二の給油ノズル）を有している。

なお、図１に示すように、上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂは、互いに離間した二カ所に配置され、例えば、上流側給油ノズル２１ａは、ガイドメタル１３と上流側パッド２０の間に、上流側パッド２０の上流側端部に近接するように配置され、もう一つの上流側給油ノズル２１ｂは、上流側パッド
２０に近い、ガイドメタル１３の下流側端部の近傍に配置されている。
また、図１に示すように、下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂは、上流側パッド２０と下流側パッド３０の間の、互いに離間した二カ所に配置され、例えば、下流側給油ノズル３１ａは、下流側パッド３０の上流側端部に近接するように配置され、もう一つの下流側給油ノズル３１ｂは、下流側パッド
３０に近い、上流側パッド２０の下流側端部に配置されている。

ここで、上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂまたは下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂの配置は、上述の例に限定するものではなく、上流側パッド２０または下流側パッド３０へ潤滑油を供給できる配置であれば、各パッドの上流部あるいはその近傍のどの位置に配置してもよい。
また、図１に示すように、潤滑油は、給油設備からジャーナル軸受１００の給油配管部５０に供給されており、下半部キャリアリング１２の各ノズルを繋ぐ配管部を介して、各ノズルから回転軸１０１外周側へ吐出され、パッド上から排出された潤滑油は、給油設備へと循環される。

次に、ジャーナル軸受１００および回転軸１０１の動作について説明する。回転軸１０１は、上流側パッド２０と、上流側パッド２０の下流側に配置された下流側パッド３０によって回転可能に支持されている。この際、回転軸１０１は、上流側パッド２０、下流側パッド３０に直接支持されるのではなく、各パッドと回転軸１０１との間に形成された油膜によって支持されている。上流側パッド２０上または下流側パッド３０上に油膜を形成するために必要な潤滑油は、上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂ、または下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂによって供給される。

図２に示すように、上流側給油ノズル２１ｂは、回転軸１０１の外周面側に向かって潤滑油を吐出する構成であり、他のノズルについても同様である。そして、回転軸１０１は、上流側パッド２０上に、図示しない潤滑油を介して支持されている。
また、図３に示すように、上流側給油ノズル２１ａに開口された吐出孔
２１０は、下流側給油ノズル３１ａに開口された吐出孔３１０と同じ数だけ開口されている。そして吐出孔の開口径は、下流側の吐出孔３１０の方が、上流側の吐出孔２１０よりも小さくなるように形成されている。
ジャーナル軸受１００に設けられる複数の給油ノズルには、ほぼ均等の油圧がかかるため、開口径が小さい吐出孔３１０が形成された下流側給油ノズル３１ａからは、開口径が大きい吐出孔２１０が形成された上流側給油ノズル２１ａよりも少ない量の潤滑油が供給される。なお、ガイドメタル用給油ノズル４１は、下流側給油ノズル３１ａと同形状に形成され、同量の潤滑油が供給される。
なお、上流側給油ノズル２１ａと２１ｂは、同形状であり、同量の潤滑油を供給する構成である。また、下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂおよびガイドメタル用給油ノズル４１は、同形状であり、同量の、上流側給油ノズル
２１ａよりも少ない潤滑油を供給することができる。

ここで、ジャーナル軸受１００の上流側パッド２０または下流側パッド
３０に供給すべき潤滑油の油量について説明する。
ジャーナル軸受１００を構成するパッド一枚に供給すべき潤滑油の油量Ｑは下記式で計算される。
Ｑ＝Ｋ×ｈ×Ｌ×ｖ
Ｑ：パッド一枚当たりの給油量
ｈ：パッド入口の油膜厚さ
Ｌ：パッドの有効長
ｖ：軸の回転周速
Ｋ：係数

つまり、上流側給油部２１の上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂから供給される潤滑油の合計の油量Ｑ１が、上流側パッド２０に供給すべき油量Ｑ（一枚のパッドに供給する油量）に相当する量となる（Ｑ１＝Ｑ）。
そして、下流側給油部３１の下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂから下流側パッド３０に供給される油量Ｑ２は、上流側パッド２０から下流側パッド
３０に流れ込むキャリーオーバー油の量（α）を、一枚のパッドに供給すべき油量Ｑから差し引いた量（Ｑ−α）となる（Ｑ２＝Ｑ−α）。具体的には、給油ノズルの吐出孔２１０、３１０の開口径の大きさを調節し、吐出孔
２１０よりも吐出孔３１０の開口径を小さくして、キャリーオーバー油の量だけ、上流側給油部２１よりも下流側給油部３１の潤滑油供給量が少なくなる構成としている。

次に、本発明の実施の形態１のジャーナル軸受１００の軸受損失低減の効果について、発明者らが行った検証実験の結果を示して説明する。
ジャーナル軸受１００は、軸径５００ｍｍのものを用いた。そして、本発明の実施の形態１のジャーナル軸受１００と対比させる比較例としては、ジャーナル軸受１００に配置された５つの給油ノズルから供給される油量が同量であるものについて調査を行った。
比較例のジャーナル軸受１００では、上流側パッド２０、下流側パッド
３０には、それぞれ油量Ｑに相当する潤滑油が供給され、ガイドメタル１３にはガイドメタル用給油ノズル４１からＱ/２の潤滑油が供給された。計５つのノズルの吐出孔の数と径は同じである。ジャーナル軸受全体としてみると、比較例の潤滑油の総供給量は２．５Ｑとなる。

これに対し、本発明の実施の形態１のジャーナル軸受１００では、上流側パッド２０には比較例と同量の潤滑油が供給され、下流側パッド３０には、上流側パッド２０よりも約３５％少ない潤滑油（Ｑ−αに相当する油量）が供給され、ガイドメタル１３にはガイドメタル用給油ノズル４１から
（Ｑ−α）/２の潤滑油が供給された。具体的には、ノズルに形成する吐出孔の径の大きさを調整し、上記の供給量をそれぞれ実現した。ジャーナル軸受全体としてみると、本発明の実施の形態１の潤滑油の総供給量は、比較例のものよりも約２０％減とすることができた。また、このとき、実施の形態１のジャーナル軸受１００の損失は、比較例のものよりも約２５％減とすることが可能となった。

また、この検証実験において、本発明の実施の形態１のジャーナル軸受
１００は、下流側パッド３０に供給する潤滑油の量を、上流側パッド２０に供給される潤滑油量よりもキャリーオーバー油に相当する分だけ少なくしていたが、各パッドと回転軸１０１の間に十分な油膜を形成することができ、油膜の温度が過度に高くなることはなく、軸の振動なども発生せず、良好な運転状態を維持することができた。

ここで、上述したように、ジャーナル軸受１００の各給油ノズルは、給油配管部５０を介して図示しない給油設備に繋がっている。この給油設備は、潤滑油を貯留撹拌し、潤滑油を循環させるための設備である。毎分数百リットルもの潤滑油を供給するジャーナル軸受１００においては、潤滑油の供給量を低減することは、給油設備の小型化のための重要な条件である。また給油設備の小型化ができれば、それに伴って設備の運転に必要なエネルギーも削減することが可能である。

そして、本発明の実施の形態１のジャーナル軸受１００は、比較例よりも軸受全体の潤滑油の供給量を約２０％減とすることができた。よって、必要となる潤滑油量自体を少なくできる上、循環に必要な給油設備を小型化することが可能である。さらに、下流側パッド３０に供給される潤滑油量を減少させ、各パッドに適した油量を供給する構成としたことによって、軸受損失も約２５％減少させることが可能となった。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２のジャーナル軸受１００について、図４に基づいて説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係るジャーナル軸受
１００を構成する上流側給油ノズル２２ａ、下流側給油ノズル３１ａの断面図、および各ノズルの吐出孔２２０、３１０を示す平面図である。図４において、上流側パッド２０に潤滑油を供給する上流側給油ノズル２２ａには、吐出孔２２０が形成されている。図４の例では、吐出孔２２０は、一つの上流側給油ノズル２２ａに、２５カ所設けられている。これに対し、下流側給油ノズル３１ａは、吐出孔２２０と同径の吐出孔３１０が、上流側給油ノズル２２ａよりも少ない１７カ所に設けられている。

このように、ノズルに開口された一つの吐出孔の径が同じである場合、潤滑油の供給量に応じて、多くの油量が必要な上流側給油ノズル２２ａの開口数を多く、少ない油量が必要な下流側給油ノズル３１ａの開口数を少なくする方法で、吐出量を調整することが可能である。
なお、この実施の形態２で示したように、吐出量に適合するようにノズルの吐出孔の数を調整する手法に加え、実施の形態１において示した、吐出孔の径の大きさを調整する手法を併用することも可能であることは言うまでもない。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３のジャーナル軸受１００について図５に基づいて説明する。図５は、ジャーナル軸受１００の軸方向に垂直な要部断面側面図である。上述の実施の形態１では、上流側給油部２１は、上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂの二つのノズルを含む構成であることを示したが、この実施の形態３では、さらにもう一つの上流側給油ノズル２１ｃが追加された構成であることを示している。図５に示すように、上流側パッド２０には、互いに離間して配置された３つの上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂ、
２１ｃから潤滑油が給油される構成であり、下流側パッド３０には、互いに離間して配置された２つの下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂから給油する構成であり、下流側パッド３０の方が、上流側パッド２０よりもノズル本数が一本少なくなっている。上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、下流側給油ノズル３１ａ、３１ｂ、ガイドメタル用給油ノズル４１のノズル形状（開口数、開口径）を同じとする場合、パッド一枚につき給油を行うノズルの本数が多いと供給される油量が多く、逆に、ノズル本数が少ないと供給される油量も少なくなる。

この実施の形態３では、上流側給油ノズル２１ａ、２１ｂ、２１ｃからノズル３本分に相当する油量（Ｑ１）を給油し、下流側給油ノズル３１ａ、
３１ｂからノズル２本分の油量（Ｑ２）を供給することができ、上述の実施の形態１において示した検証実験に近い給油量を実現することが可能である。
また、この場合、全てのノズル形状が同じであるため、ノズルの種類を低減できるという効果も得られる。

なお、上述の例では、上流側パッド２０に給油するノズルを３本、下流側パッド３０に給油するノズルを２本としていたが、上流側パッド２０に給油するノズルを２本、下流側パッド３０に給油するノズルを１本とするなど、本数を変更することも可能である。その場合、ノズル本数の調整だけで各パッドへ適切な給油量を供給できない場合は、上述の実施の形態１または実施の形態２で示した吐出孔の開口径または開口数を調節する手法を用い、パッド毎にノズル吐出量を変化させるなどして、供給油量を最適化させることが可能であることは言うまでもない。

実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４のジャーナル軸受１００について図６に基づいて説明する。図６は、ジャーナル軸受１００の軸方向に垂直な要部断面側面図である。上述の実施の形態１では、上流側給油部２１は、下流側給油部３１にそれぞれ二つのノズルを形成した例を示したが、この実施の形態４では、上流側給油部２１は、一つの上流側給油ノズル２１ａによって構成され、下流側給油部３１は、一つの下流側給油ノズル３１ａによって構成された例を示す。

上述した通り、本発明のジャーナル軸受１００は、上流側パッド２０に供給される潤滑油量と、下流側パッド３０に供給される潤滑油量を比較すると、下流側パッド３０への供給量がキャリーオーバー油の分だけ少なくなる構成である。そのため、各パッドの給油量に合わせて、上流側給油ノズル
２１ａ、下流側給油ノズル３１ａの給油量を調整する必要があり、具体的には、実施の形態１の図３で示した各ノズルの開口径の調整、または、実施の形態２の図４で示した各ノズルの開口数の調整、あるいはそれらを組み合わせた調整によって実現することが可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (8)

1. 水平に設置された回転軸の外周側に配置された上半部キャリアリングおよび下半部キャリアリングよりなるキャリアリング、
   上記下半部キャリアリングの内側に配置された第一のパッドと上記第一のパッドの下流側に配置された第二のパッド、
   上記回転軸と上記第一のパッドとの間に潤滑油を供給する第一の給油部、および、上記回転軸と上記第二のパッドとの間に潤滑油を供給する第二の給油部を備え、
   上記第二の給油部から供給される潤滑油の供給量は、上記第一の給油部から供給される潤滑油の供給量よりも、上記第一のパッドから上記第二のパッドへ流入するキャリーオーバー油に相当する分だけ少ないことを特徴とするジャーナル軸受。
2. 上記第二の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第二の給油ノズルに開口された吐出孔の径は、上記第一の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第一の給油ノズルに開口された吐出孔の径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のジャーナル軸受。
3. 上記第二の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第二の給油ノズルに開口された吐出孔の数は、上記第一の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第一の給油ノズルに開口された吐出孔の数よりも少ないことを特徴とする請求項１または請求項２記載のジャーナル軸受。
4. 上記第一の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第一の給油ノズルの数よりも、上記第二の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第二の給油ノズルの数が少ないことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のジャーナル軸受。
5. 上記第一の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第一の給油ノズルは、互いに離間した二カ所に設けられ、
   上記第二の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第二の給油ノズルは、互いに離間した二カ所に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のジャーナル軸受。
6. 上記第一の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第一の給油ノズルは、互いに離間した三カ所に設けられ、
   上記第二の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第二の給油ノズルは、互いに離間した二カ所に設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のジャーナル軸受。
7. 上記第一の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第一の給油ノズルは、一カ所に設けられ、
   上記第二の給油部を構成し、潤滑油を吐出する第二の給油ノズルは、一カ所に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のジャーナル軸受。
8. 回転電機に用いることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載のジャーナル軸受。

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