JP6249230B2 - スラスト軸受及び該スラスト軸受を備える回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、スラスト軸受及び該スラスト軸受を備える回転機械に関する。

蒸気タービンやガスタービン、ポンプ、エンジン等の回転軸を有した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軸受装置が用いられている。このような軸受装置としては、回転軸に摺接するパッド面を有する軸受パッドを備えたジャーナル軸受やスラスト軸受がある。これらの軸受パッドを備える軸受装置においては、回転機械の安全な運転を可能にするために、軸受パッドのパッド面と回転軸との間に潤滑油が流れている。この潤滑油によってパッド面と回転軸との間に油膜が形成され、この油膜を介して軸受装置は回転軸を支持している。

この潤滑油は、パッド面と熱交換することで、パッド面で発生した熱を冷却する作用も有している。ところが、一つの軸受パッドを冷却した後の潤滑油は、その軸受パッドに隣接する軸受パッドのパッド面と回転軸との隙間に、キャリオーバ油として高温のまま流入してしまう。高温となった潤滑油であるキャリオーバ油が隣接する軸受パッドに流入すると、その軸受パッドを十分に冷却することができず、潤滑油の油粘度低下や軸受パッドの熱変形の増加等が生じて潤滑状態が悪化してしまう。

そのため、軸受装置では、軸受パッドを効率的に冷却する構造が用いられている。例えば、特許文献１には、ジャーナル軸受において、隣接する軸受パッドへ流入するキャリオーバ油を減少させる構造が開示されている。具体的には、このジャーナル軸受は、軸受パッドに対して回転軸の回転方向の前方側に配置された給油ノズルに、キャリオーバ油の流れ方向を回転軸の径方向の外側に変更させるシールフィンを設けている。このシールフィンによって、軸受パッドと回転軸との隙間を流れる潤滑油のうち、回転軸の外周面から離れて軸受パッド側を流れるキャリオーバ油の流れ方向を変えることができる。これにより、このジャーナル軸受は、隣接する軸受パッドへ流入するキャリオーバ油の流量を効率よく減少させることができる。

特開２０００‐２７４４３２号公報

ところで、スラスト軸受は、ジャーナル軸受と異なり、回転軸のスラストカラーを回転軸の軸線方向に支持している。そのため、スラスト軸受において、潤滑油は軸受パッド側に寄らずに軸受パッドとスラストカラーとの間を流通する。

しかしながら、上記のようなシールフィンを用いた場合、回転軸の外周面から離れた軸受パッド側を流れるキャリオーバ油の流れ方向を変えることはできても、回転軸の外周面に沿って流れるキャリオーバ油を十分に排除することができない。即ち、ジャーナル軸受とは異なり、スラスト軸受のように潤滑油が軸受パッド側に寄らずに軸受パッドとスラストカラーとの間を流通する場合には、上記のようなシールフィンを用いても隣接する軸受パッドへ流入するキャリオーバ油の流量を十分に低減できない。そのため、キャリオーバ油の影響を受けて軸受パッドを効率的に冷却することができないおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、軸受パッドを効率的に冷却することが可能なスラスト軸受、及び、該スラスト軸受を備える回転機械を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様におけるスラスト軸受は、軸線回りに回転する回転軸本体と、該回転軸本体の径方向の外側に前記回転軸本体から張り出すスラストカラーとを有する回転軸を支持するスラスト軸受であって、前記スラストカラーに前記軸線の延びる軸線方向から摺接するように、前記回転軸本体の回転方向に間隔をあけて複数が設けられる軸受パッドと、隣り合う前記軸受パッドの間に設けられ、前記スラストカラーに向かって潤滑油を噴出する第一ノズルと、隣り合う前記軸受パッドの間で前記第一ノズルと隣接して設けられ、前記スラストカラーに向かうにしたがって前記径方向の外側に向かって傾斜するように流体を噴出する第二ノズルと、を備え、前記第二ノズルが、前記第一ノズルに対して前記回転方向の後方側に隣接して配置される。

このような構成によれば、第二ノズルがスラストカラーに向かうにしたがって径方向の外側に向かって傾斜するように流体を噴出することで、回転方向の後方側から流れてくるキャリオーバ油を第二ノズルが配置されている位置で回転軸本体の径方向に向かって押し流すことができる。そのため、冷却された軸受パッドに対して回転方向の前方側に隣接する他の軸受パッドに流入してしまうキャリオーバ油の流量を低減することができる。即ち、軸受パッドを冷却して温度の上昇したキャリオーバ油によって、隣接する他の軸受パッドが加熱されてしまうこと抑えて、第一ノズルから新たに供給される潤滑油によって他の軸受パッドを冷却することができる。したがって、軸受パッドに温度の高いキャリオーバ油が流入してしまうことを低減することができる。

このような構成によれば、第二ノズルから噴出する流体によって、第一ノズルから噴出される潤滑油が回転方向の前方側の他の軸受パッドに向かって流れることが阻害されることがない。即ち、第二ノズルから流体を噴出しても、回転方向の後方側から流れてくるキャリオーバ油を押し流して排除するだけで、第一ノズルから噴出されて回転方向の前方側に隣接する軸受パッドに流入する潤滑油に対して、影響を与えることがない。そのため、第一ノズルから供給される潤滑油は妨げられることなく冷却されていない軸受パッドに向かって流入でき、冷却されていない軸受パッドを冷却することができる。これにより、より効率的に軸受パッドを冷却することができる。

また、上記スラスト軸受では、前記第二ノズルは、前記流体を噴出する噴出口を有し、
前記噴出口が、前記径方向に隣接して複数配置されていてもよい。

このような構成によれば、第二ノズルから回転方向に流れるキャリオーバ油に対して径方向の広範囲にわたって流体を噴出させることができる。そのため、回転方向の後方側から流れてくるキャリオーバ油の大部分を径方向に向かって押し流すことができる。したがって、冷却された軸受パッドに隣接する他の軸受パッドに流入してしまう高温のキャリオーバ油の流量をより低減することができる。即ち、軸受パッドを冷却して温度の上昇したキャリオーバ油によって、冷却されていない他の軸受パッドが加熱されてしまうことをより効果的に抑えることができる。したがって、軸受パッドにキャリオーバ油が流入してしまうことをより低減することで、軸受パッドをより効率的に冷却することができる。

また、上記スラスト軸受では、複数の前記噴出口のうち、前記径方向の外側に配置される前記噴出口は、前記径方向の内側に配置される前記噴出口よりも噴出する前記流体の前記スラストカラーに対して傾斜する角度が鋭角となるよう形成されていてもよい。

このような構成によれば、第二ノズルにおいて、径方向の外側に形成される噴出口ほど流体をスラストカラーに対して傾斜する角度をより鋭角に形成されることで、径方向の外側に向かうにしたがって、第二ノズルから噴出する流体の流速における径方向の外側に向かう成分を大きくできる。即ち、径方向の外側に向かうにしたがって、キャリオーバ油を径方向の外側に押し流す力を強めることができる。したがって、回転方向に流れるキャリオーバ油に対して径方向の内側から外側に向かって徐々に押し流す力が大きくすることができ、キャリオーバ油を効率的に径方向の外側に押し流すことができる。

また、上記スラスト軸受では、前記流体が前記潤滑油であってもよい。

このような構成によれば、第二ノズルから噴出させる流体として、第一ノズルから噴出される潤滑油と同じ潤滑油を用いることで、第二ノズルから噴出させた流体を第一ノズルから噴出された潤滑油とともに回収することできる。そのため、第二ノズルから噴出された流体と第一ノズルから噴出された潤滑油とを分けて回収するための構造が不要となり、スラスト軸受を簡易な構成で形成することができる。したがって、冷却効率の高いスラスト軸受を容易に形成することができる。

また、上記スラスト軸受では、前記流体が気体であってもよい。

このような構成によれば、同じ圧力の液体を噴出させるよりも速い流速で流体を第二ノズルから噴出させることができる。そのため、液体を噴出口から噴出させる場合と同じ流速で気体を噴出口から噴出させることで、液体を用いる場合に比べて小さな圧力を加えることで対応することができる。したがって、回転方向に高速で流れるキャリオーバ油と同等の流速で気体を噴出することが容易にできる。これにより、キャリオーバ油を効果的に径方向の外側に押し流すことができる。

また、本発明の第二の態様における回転機械は、前記スラスト軸受を備える。

このような構成によれば、軸受パッドを効率的に冷却でき、スラスト軸受として高周速、高面圧を必要とするスラストカラーを安定的に支持することができる。したがって、運転効率を向上させて回転機械の運転性能を向上させることができる。

本発明によれば、第二ノズルから流体を噴出させることで、隣接する軸受パッドへのキャリオーバ油の流入を抑え、軸受パッドを効率的に冷却することができる。

本発明の各実施形態における蒸気タービンの概略構成図である。 本発明の第一実施形態におけるスラスト軸受の断面図である。 本発明の各実施形態における第一ノズルを説明する要部断面図である。 本発明の第一実施形態における第二ノズルを説明する要部断面図である。 本発明の第一実施形態における潤滑油の流れを説明する要部拡大図である。 本発明の第二実施形態における第二ノズルを説明する要部断面図である。 本発明の第二実施形態における潤滑油の流れを説明する要部拡大図である。 本発明の第三実施形態における第二ノズルを説明する要部断面図である。 本発明の第三実施形態に関して気体と液体とにおける流速と圧力との関係を説明するグラフである。

《第一実施形態》
以下、本発明に係る第一実施形態について図１から図５を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る蒸気タービン１００（回転機械）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１に示すように、蒸気タービン１００は、タービンケーシング１１０と、該タービンケーシング１１０を貫通するように軸線Ｏに沿って延びる回転軸１２０と、タービンケーシング１１０に保持された静翼１４０と、回転軸１２０に設けられた動翼１５０と、回転軸１２０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部１６０とを備えている。
なお、軸受部１６０は、ジャーナル軸受１６１及びスラスト軸受１を備えており、回転軸１２０を回転可能に支持している。

このような蒸気タービン１００では、タービンケーシング１１０内に導入される蒸気Ｓが静翼１４０及び動翼１５０の間の流路を通過する。この際、蒸気Ｓが動翼１５０を回転させることで該動翼１５０に伴って回転軸１２０が回転し、該回転軸１２０に接続された発電機等の不図示の機械に動力（回転エネルギー）が伝達される。

回転軸１２０は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸本体１２１と、回転軸本体１２１の径方向Ｄの外側に回転軸本体１２１から張り出すスラストカラー１２２とを有する。
回転軸本体１２１は、軸線Ｏを中心とする円柱形状をなしており、タービンケーシング１１０に対して軸線Ｏの延びる軸線Ｏ方向に延在している。
スラストカラー１２２は、軸線Ｏを中心として円板形状をなしている。即ち、本実施形態のスラストカラー１２２は、フランジ状をなすように回転軸本体１２１の外周面から回転軸本体１２１の径方向Ｄの外側に一体的に張り出している。

次に、本実施形態におけるスラスト軸受１について、図２を参照して説明する。
スラスト軸受１は、スラストカラー１２２を回転軸１２０の軸線Ｏ方向に支持する。スラスト軸受１は、スラストカラー１２２を挟んで軸線Ｏ方向に同一の構造が設けられている。本実施形態では、軸線Ｏ方向の一方側（図１紙面右側）に配置されたスラスト軸受１を例に挙げて説明する。

図２に示すように、本実施形態のスラスト軸受１は、外装である軸受ケーシング１０と、回転軸本体１２１の回転方向Ｒに間隔をあけて複数が設けられる軸受パッド２０と、隣り合う軸受パッド２０の間に配置されて低温の潤滑油Ｇを供給する第一ノズル３０と、隣り合う軸受パッド２０の間で第一ノズル３０と隣接して配置されて流体を噴出する第二ノズル４０と、を備えている。

軸受ケーシング１０は、複数の軸受パッド２０、第一ノズル３０及び第二ノズル４０を外側から覆っている。軸受ケーシング１０は、軸線Ｏ方向の断面形状が軸線Ｏを中心とする環状をなし、中心部を回転軸本体１２１が挿通している。軸受ケーシング１０は、軸線Ｏ方向に対向する不図示の面で、軸受パッド２０を揺動可能に支持する。軸受ケーシング１０は、第一ノズル３０及び第二ノズル４０を固定している。

軸受パッド２０は、潤滑油Ｇを介してパッド面２１でスラストカラー１２２を軸線Ｏ方向から支持することで、回転軸１２０を支持する。即ち、軸受パッド２０は、図３に示すように、パッド面２１がスラストカラー１２２と対向し、スラストカラー１２２に軸線Ｏ方向から潤滑油Ｇを介して摺接するように配置される。軸受パッド２０は、軸受ケーシング１０内で回転軸本体１２１を外周側から囲むように、回転方向Ｒに隣接して複数配置されている。具体的には、本実施形態では、六個の軸受パッド２０が回転方向Ｒに均等に離間して環状に配置される。また、軸受パッド２０のパッド面２１は、異物等が付着した際にスラストカラー１２２を損傷させないような材料で形成される。具体的には、本実施形態のパッド面２１は、ホワイトメタルのような軟質金属や耐熱性の高い樹脂材料によって形成される。本実施形態の軸受パッド２０のパッド面２１は、例えば、樹脂材料であるＰＥＥＫやＰＴＦＥ等の耐熱性の高いエンジニアリングプラスチックによって構成される。

ここで、本実施形態の軸受パッド２０においては、軸線Ｏ方向のスラストカラー１２２側から軸受パッド２０を見た場合に、パッド面２１における回転方向Ｒの後方側をパッド入口側２１ａとし、パッド面２１における回転方向Ｒの前方側をパッド出口側２１ｂとする。また、本実施形態では、図２に示すように、回転方向Ｒに隣接する軸受パッド２０の回転軸本体１２１の径方向Ｄの中間位置を通過して、軸線Ｏを中心とする環状の仮想線をパッド中心線ＣＬとする。

第一ノズル３０は、回転方向Ｒに互いに隣り合う軸受パッド２０の間に設けられている。第一ノズル３０は、スラストカラー１２２に向かって低温の潤滑油Ｇを噴出するための開口である給油口３００が複数設けられている。第一ノズル３０は、不図示の供給源から供給される潤滑油Ｇを圧縮するオイルポンプＰを介して、給油口３００から軸受ケーシング１０内に圧縮された潤滑油Ｇを噴出する。本実施形態の第一ノズル３０は、回転方向Ｒに隣接する軸受パッド２０の間に配置される一対のノズルを有する。具体的には、第一ノズル３０は、隣接する軸受パッド２０の間で回転方向Ｒの前方側に配置される前方第一ノズル３１と、隣接する軸受パッド２０の間で回転方向Ｒの後方側に配置される後方第一ノズル３２とを有する。

前方第一ノズル３１は、軸受パッド２０対して回転方向Ｒの後方側に隣接するように配置される。本実施形態の前方第一ノズル３１は、径方向Ｄの長さが軸受パッド２０と同程度の長さに形成される。前方第一ノズル３１は、回転軸本体１２１の径方向Ｄに離間して配置される四カ所の給油口３００を有している。前方第一ノズル３１は、図３に示すように、給油口３００が軸線Ｏ方向に沿って開口していることで、スラストカラー１２２に対して垂直に潤滑油Ｇを噴出する。

後方第一ノズル３２は、軸受パッド２０に対して回転方向Ｒの前方側に隣接するように配置される。本実施形態の後方第一ノズル３２は、前方第一ノズル３１と同様の構造を有している。具体的には、本実施形態の後方第一ノズル３２は、径方向Ｄの長さが軸受パッド２０と同程度の長さに形成され、径方向Ｄに離間して配置される四カ所の給油口３００を有している。後方第一ノズル３２は、前方第一ノズル３１と同様に、給油口３００が軸線Ｏ方向に沿って開口していることで、スラストカラー１２２に対して垂直に潤滑油Ｇを噴出する。

なお、本実施形態の前方第一ノズル３１と後方第一ノズル３２とは、不図示の供給管が途中で分岐することで、同じオイルポンプＰを介して供給源に接続されている。したがって、オイルポンプＰを駆動させることで前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２に潤滑油Ｇが供給される。

第二ノズル４０は、回転方向Ｒに互いに隣り合う軸受パッド２０の間で第一ノズル３０に隣接して設けられている。第二ノズル４０は、スラストカラー１２２に向かうにしたがって回転軸本体１２１の径方向Ｄの外側に向かって傾斜するように流体を噴出する。第二ノズル４０は、スラストカラー１２２に対して傾斜して開口する噴出口４００が設けられている。

具体的には、本実施形態の第二ノズル４０は、前方第一ノズル３１と後方第一ノズル３２との間に挟まれるように配置されている。即ち、第二ノズル４０は、前方第一ノズル３１に対して回転方向Ｒの後方側、かつ、後方第一ノズル３２に対して回転方向Ｒの前方側に隣接して配置されている。本実施形態の第二ノズル４０では、流体として第一ノズル３０が噴出するものと同じ低温の潤滑油Ｇが用いられる。第二ノズル４０は、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２よりも径方向Ｄの長さが短く形成されている。第一実施形態の第二ノズル４０は、潤滑油Ｇを噴出するための噴出口４００が一つ形成されている。第二ノズル４０は、不図示の供給管が途中で分岐することで、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２と同じオイルポンプＰを介して供給源に接続されている。したがって、オイルポンプＰを駆動させることで、前方第一ノズル３１や後方第一ノズル３２と同様に、潤滑油Ｇが供給される。

本実施形態の噴出口４００は、図４に示すように、第二ノズル４０においてパッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの内側に形成される。噴出口４００は、スラストカラー１２２に対してパッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側の位置に潤滑油Ｇが噴出するよう傾斜して形成されている。即ち、噴出口４００は、軸線Ｏに直交するスラストカラー１２２の面に対して、径方向Ｄの外側に向かって傾斜するよう潤滑油Ｇを噴出する角度である噴出角度が鋭角に形成されている。

次に、上記第一実施形態のスラスト軸受１の作用について説明する。
第一実施形態のスラスト軸受１によれば、蒸気タービン１００が駆動することで回転軸本体１２１がスラストカラー１２２とともに回転する。そして、オイルポンプＰが駆動することで、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２に潤滑油Ｇが供給される。供給された潤滑油Ｇは、スラストカラー１２２に向かって給油口３００から垂直に噴出され、スラストカラー１２２と軸受パッド２０のパッド面２１との間の隙間に流入する。同時に、スラスト軸受１では、オイルポンプＰが駆動することで、第二ノズル４０にも潤滑油Ｇが供給され、噴出口４００からも潤滑油Ｇがスラストカラー１２２に向かって噴出される。

ここで、軸受パッド２０や第一ノズル３０がほぼ静止しているのに対して、スラストカラー１２２が非常に高周速で回転するため、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２からスラストカラー１２２に対して垂直に噴出されて、スラストカラー１２２とパッド面２１との間の狭い隙間に満たされた潤滑油Ｇには、非常に大きな速度差が生じる。このような速度差が生じると、この隙間に流入している潤滑油Ｇにせん断力が働き、粘性力が潤滑油Ｇの内部で発生する。この粘性作用と、スラストカラー１２２に対して軸受パッド２０のパッド面２１が傾くことにより、くさび効果が発生し、スラストカラー１２２とパッド面２１との隙間内の潤滑油Ｇに油膜圧力が発生してスラストカラー１２２を軸線Ｏ方向に支持することができる。

また、潤滑油Ｇは、スラストカラー１２２と軸受パッド２０との間で油膜圧力を発生させながら潤滑作用をもたらすとともに、軸受ケーシング１０内を流通しながら軸受パッド２０を冷却している。具体的には、潤滑油Ｇは、スラストカラー１２２が高周速で回転することで、図５に示しように、回転軸本体１２１の回転方向Ｒに沿って軸受ケーシング１０内を高速で流れている。そのため、前方第一ノズル３１の給油口３００から垂直に噴出された潤滑油Ｇは、前方第一ノズル３１に対して回転方向Ｒの前方側に隣接する軸受パッド２０（一例として、前方第一ノズル３１から噴出された潤滑油Ｇによって最初に冷却される軸受パッド２０を第一軸受パッド２０Ａとする）のパッド入口側２１ａから、パッド面２１とスラストカラー１２２との隙間に流入して、パッド出口側２１ｂに向かって流れる。

さらに、流通する潤滑油Ｇには、回転軸本体１２１の径方向Ｄの外側に向かって遠心力も生じている。そのため、第一軸受パッド２０Ａのパッド面２１とスラストカラー１２２との隙間に流入した潤滑油Ｇは、回転軸本体１２１の回転方向Ｒの前方側、かつ、径方向Ｄの外側に向かうように流れる。

そして、潤滑油Ｇは、第一軸受パッド２０Ａのパッド面２１とスラストカラー１２２との隙間を流れながら、パッド面２１と熱交換することで、軸受パッド２０を冷却する。このとき、軸受パッド２０と熱交換することで潤滑油Ｇは、潤滑油Ｇの流れ方向の手前側であるパッド入口側２１ａから、潤滑油Ｇの流れ方向の奥側であるパッド出口側２１ｂに向かうにしたがって、次第に温度が上昇していく。特に、パッド出口側２１ｂの中でもパッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側から流出する潤滑油Ｇは高温となる。そして、パッド入口側２１ａから流入した時点よりも温度の上昇した潤滑油Ｇは、第一軸受パッド２０Ａのパッド出口側２１ｂから、第一軸受パッド２０Ａに対して回転方向Ｒの前方側に隣接する冷却されていない他の軸受パッド２０（一例として、第二軸受パッド２０Ｂとする）のパッド入口側２１ａに向かって、キャリオーバ油として流出する。

第一軸受パッド２０Ａのパッド出口側２１ｂから流出したキャリオーバ油は、後方第一ノズル３２が配置されている位置に到達することで、後方第一ノズル３２の給油口３００からスラストカラー１２２に向かって垂直に噴出された低温の潤滑油Ｇと混合される。そのため、キャリオーバ油は、冷却されつつ、回転方向Ｒに向かう流れが弱められて流速が低下する。そして、後方第一ノズル３２を通過して流速の低下したキャリオーバ油のうち、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油に対して、第二ノズル４０の噴出口４００から潤滑油Ｇが噴出される。噴出口４００からスラストカラー１２２の径方向Ｄの外側に向かって鋭角に噴出される潤滑油Ｇによって、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油の流れ方向が径方向Ｄの外側に向かう方向に強制的に変更される。その結果、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油は、回転方向Ｒの前方側に隣接する第二軸受パッド２０Ｂのパッド入口側２１ａに到達することなく、第二ノズル４０が配置された位置で径方向Ｄの外側に向かって押し流される。キャリオーバ油を押し流した第二ノズル４０に対して回転方向Ｒの前方側に隣接する前方第一ノズル３１の給油口３００からは、低温の潤滑油Ｇが噴出されている。そのため、この前方第一ノズル３１から噴出された低温の潤滑油Ｇは、第二軸受パッド２０Ｂとスラストカラー１２２との隙間に流入し、第一軸受パッド２０Ａを冷却したように第二軸受パッド２０Ｂを冷却する。

上記のようなスラスト軸受１によれば、第二ノズル４０がスラストカラー１２２に向かうにしたがって径方向Ｄの外側に向かって傾斜するように潤滑油Ｇを噴出することで、回転方向Ｒの後方側から流れてくるキャリオーバ油を第二ノズル４０が配置されている位置で回転軸本体１２１の径方向Ｄに向かって押し流すことができる。そのため、第一軸受パッド２０Ａに対して回転方向Ｒの前方側に隣接する第二軸受パッド２０Ｂに流入してしまうキャリオーバ油の流量を低減することができる。即ち、第一軸受パッド２０Ａを冷却して温度の上昇した潤滑油Ｇであるキャリオーバ油によって、第二軸受パッド２０Ｂが加熱されてしまうこと抑えて、前方第一ノズル３１から新たに供給される低温の潤滑油Ｇによって第二軸受パッド２０Ｂを冷却することができる。したがって、第二軸受パッド２０Ｂに温度の高いキャリオーバ油が流入してしまうことを低減することで、軸受パッド２０を効率的に冷却することができる。

また、第二ノズル４０が、前方第一ノズル３１に対して回転方向Ｒの後方側に隣接して配置されていることで、噴出口４００から噴出される潤滑油Ｇによって、第一ノズル３１の給油口３００から噴出される潤滑油Ｇが回転方向Ｒの前方側の第二軸受パッド２０Ｂのパッド入口側２１ａに向かって流れることが阻害されることがない。即ち、第二ノズル４０の噴出口４００から潤滑油Ｇを噴出しても、回転方向Ｒの後方側から流れてくる第一軸受パッド２０Ａを冷却して高温となったキャリオーバ油を押し流して排除するだけで、前方第一ノズル３１の給油口３００から噴出される潤滑油Ｇに対して、影響を与えることがない。そのため、前方第一ノズル３１の給油口３００から供給される潤滑油Ｇは妨げられることなく第二軸受パッド２０Ｂに向かって流入し、第二軸受パッド２０Ｂを冷却することができる。これにより、より効率的に軸受パッド２０を冷却することができる。

さらに、第二ノズル４０の噴出口４００から噴出させる流体として、スラストカラー１２２を支持するために第一ノズル３０から噴出される潤滑油Ｇと同じ潤滑油Ｇを用いることで、第二ノズル４０の噴出口４００から噴出させた流体を第一ノズル３０から噴出された潤滑油Ｇとともに回収することできる。そのため、軸受ケーシング１０内から第二ノズル４０から噴出された流体と第一ノズル３０から噴出された潤滑油Ｇとを分けて回収するための構造が不要となり、スラスト軸受１を簡易な構成で形成することができる。したがって、冷却効率の高いスラスト軸受１を容易に形成することができる。

また、第二ノズル４０の噴出口４００が、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側のスラストカラー１２２に向かって潤滑油Ｇを噴出するように噴出角度を鋭角に形成されている。そのため、スラストカラー１２２と軸受パッド２０の隙間を流れるキャリオーバ油の中でも径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油を押し流すことができる。即ち、第一軸受パッド２０Ａを冷却して温度の上昇したキャリオーバ油の中でも、パッド出口側２１ｂにおいて径方向Ｄの外側に流れる特に高温となったキャリオーバ油を集中的に押し流すことができる。また、第二ノズル４０が配置された位置で径方向Ｄの全域にわたって流通するキャリオーバ油を押し流すために必要な力よりも小さな力ですむため、第二ノズル４０から噴出させる潤滑油Ｇの速度を抑えることができ、大規模なオイルポンプＰを用いる必要がなくなる。したがって、第二軸受パッド２０Ｂを冷却する際に強く悪影響を及ぼすキャリオーバ油を押し流すことができる第二ノズル４０を簡易な構成で形成することができる。これにより、キャリオーバ油を効率よく排除することができる第二ノズル４０を容易に形成することができる。

一方、本実施形態の第二ノズル４０では、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの内側に対しては第二ノズル４０から潤滑油Ｇが噴出されていないため、径方向Ｄの内側を流れるキャリオーバ油を第二軸受パッド２０Ｂに向かって流すことができる。パッド出口側２１ｂから流出するキャリオーバ油のうち、径方向Ｄの内側を流れるキャリオーバ油は、径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油に比べて温度がそこまで高くなく流量の少ない。そのため、第二軸受パッド２０Ｂとスラストカラーとの隙間に流入しても、加熱して第二軸受パッド２０Ｂの冷却を阻害してしまう等の影響を及ぼすことが少ない。したがって、径方向Ｄの内側を流れるキャリオーバ油を第二軸受パッド２０Ｂに向かって流すことで、第二軸受パッド２０Ｂの冷却に利用でき、前方第一ノズル３１から供給する潤滑油Ｇの流量を抑えてことができる。

また、第二ノズル４０が、軸受パッド２０と径方向Ｄの長さが同じ前方第一ノズル３１や後方第一ノズル３２よりも径方向Ｄの長さが短く形成されていることで、第二ノズル４０の径方向Ｄの外側に開放された空間を形成できる。そのため、第二ノズル４０によって径方向Ｄの外側にキャリオーバ油が流れ込むための空間を大きく確保でき、キャリオーバ油を押し流しやすくすることができる。

さらに、後方第一ノズル３２を設けることで、第二ノズル４０に到達する前にキャリオーバ油を冷却しつつ、その流速を抑えることができる。したがって、第二ノズル４０の噴出口４００から噴出する潤滑油Ｇによって回転方向Ｒに流れるキャリオーバ油の流れ方向を径方向Ｄに向かう方向へと変えるために必要な力を低減することができる。そのため、第二ノズル４０から噴出させる潤滑油Ｇの速度をより抑えて、径方向Ｄへの速度の成分が小さくなっても、効率よく潤滑油Ｇを押し流すことができる。これにより、大規模なオイルポンプＰを用いる必要がなくなることで、第二ノズル４０をより簡易な構成で形成することができる。加えて、第一軸受パッド２０Ａを冷却しても温度がそこまで上昇していないパッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの内側を流れるキャリオーバ油をさらに冷却することができる。そのため、このような径方向Ｄの内側を流れるキャリオーバ油をより効果的に第二軸受パッド２０Ｂの冷却に利用でき、前方第一ノズル３１から供給する潤滑油Ｇの流量をより抑えることができる。

また、回転機械である蒸気タービン１００がこのようなスラスト軸受１を備えることで、軸受パッド２０を効率的に冷却でき、スラスト軸受１として高周速、高面圧を必要とするスラストカラー１２２を安定的に支持することができる。したがって、高周速の回転軸１２０や大型化して高面圧が軸受パッに負荷されてしまう回転軸１２０を安定的に支持できるため、運転効率を向上させて蒸気タービン１００の運転性能を向上させることができる。

《第二実施形態》
次に、図６及び図７を参照して第二実施形態のスラスト軸受１ａについて説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のスラスト軸受１ａは、第二ノズル４１について第一実施形態と相違する。

第二実施形態の第二ノズル４１では、図６に示すように、噴出口４１０が径方向Ｄに隣接して複数配置される。具体的には、第二実施形態の第二ノズル４１は、第一実施形態の第二ノズル４０よりも径方向Ｄの外側の位置に配置され、径方向Ｄの長さが長く形成される。第二ノズル４１は、三つの噴出口４１０が径方向Ｄに均等に離間して形成される。

第二実施形態における噴出口４１０は、潤滑油Ｇを噴出する噴出角度がそれぞれ異なる第一噴出口４１１と、第二噴出口４１２と、第三噴出口４１３とを有する。各噴出口４１０は、第二ノズル４１に対して径方向Ｄの内側から第一噴出口４１１、第二噴出口４１２、第三噴出口４１３の順に形成される。噴出口４１０は、第一噴出口４１１から第三噴出口４１３のうち、径方向Ｄの外側に配置される噴出口４１０の方が、径方向Ｄの内側に配置される噴出口４１０よりも、噴出角度がより傾斜して鋭角となるよう形成される。

第一噴出口４１１は、三つの噴出口４１０の中でも、最も径方向Ｄの内側に形成され、噴出角度が最も大きく形成されている。具体的には、第一噴出口４１１は、第二ノズル４１においてパッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの内側に形成される。本実施形態の第一噴出口４１１は、スラストカラー１２２に対してパッド中心線ＣＬよりもわずかに径方向Ｄの外側の位置に潤滑油Ｇを噴出させるよう傾斜して形成される。

第二噴出口４１２は、噴出角度が第一噴出口４１１よりも小さく、第三噴出口４１３よりも大きく形成される。第二噴出口４１２は、第二ノズル４１においてパッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側で第一噴出口４１１と第三噴出口４１３との間に形成される。

第三噴出口４１３は、三つの噴出口４１０の中でも、最も径方向Ｄの外側に形成され、噴出角度が最も小さく形成される。具体的には、第三噴出口４１３は、第二ノズル４１において、径方向Ｄの最も外側に形成される。本実施形態の第三噴出口４１３は、スラストカラー１２２の外周端に向かって潤滑油Ｇを噴出させるよう傾斜して形成される。

次に、上記第二実施形態のスラスト軸受１ａの作用について説明する。
第二実施形態のスラスト軸受１ａによれば、第一実施形態と同様に、第一軸受パッド２０Ａのパッド出口側２１ｂから流出して後方第一ノズル３２を通過したキャリオーバ油に対して、第二ノズル４１の第一噴出口４１１、第二噴出口４１２及び第三噴出口４１３からスラストカラー１２２の径方向Ｄの外側に向かって鋭角に潤滑油Ｇが噴出される。第二ノズル４１の複数の噴出口４１０からの噴出される潤滑油Ｇによって、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油の流れ方向が径方向Ｄの外側に向かう方向に強制的に変更される。その結果、パッド中心線ＣＬよりも径方向Ｄの外側を流れるキャリオーバ油は、回転方向Ｒの前方側に隣接する第二軸受パッド２０Ｂのパッド入口側２１ａに到達することなく、第二ノズル４１が配置された位置で径方向Ｄの外側に向かって押し流される。

上記のようなスラスト軸受１ａによれば、第一噴出口４１１から第三噴出口４１３のように複数の噴出口４１０が径方向Ｄに隣接して第二ノズル４１に形成されていることで、回転方向Ｒに流れるキャリオーバ油に対して径方向Ｄの広範囲にわたって潤滑油Ｇを噴出させることができる。そのため、回転方向Ｒの後方側から流れてくるキャリオーバ油の大部分を径方向Ｄに向かって押し流すことができる。したがって、第一軸受パッド２０Ａに隣接する第二軸受パッド２０Ｂに流入してしまうキャリオーバ油の流量をより低減することができる。即ち、第一軸受パッド２０Ａを冷却して温度の上昇した潤滑油Ｇであるキャリオーバ油によって、第二軸受パッド２０Ｂが加熱されてしまうことをより効果的に抑えて、前方第一ノズル３１から新たに供給される低温の潤滑油Ｇによって第二軸受パッド２０Ｂをより効率的に冷却することができる。したがって、第二軸受パッド２０Ｂに温度の高いキャリオーバ油が流入してしまうことをより低減することで、軸受パッド２０をより効率的に冷却することができる。

また、第二ノズル４１において、第一噴出口４１１、第二噴出口４１２、第三噴出口４１３の順に、径方向Ｄの外側に形成される噴出口４１０ほど潤滑油Ｇを噴出する噴出角度をより小さく鋭角にすることで、径方向Ｄの外側に向かうにしたがって、噴出する潤滑油Ｇの流速における径方向Ｄの外側に向かう速度の成分が大きくなる。そのため、キャリオーバ油を径方向Ｄの外側に押し流す力を強めることができる。したがって、回転方向Ｒに流れるキャリオーバ油に対して径方向Ｄの内側から外側に向かって徐々に押し流す力が大きくすることができ、キャリオーバ―油を効率的に径方向Ｄの外側に押し流すことができる。

《第三実施形態》
次に、図８及び図９を参照して第三実施形態のスラスト軸受１ｂについて説明する。
第三実施形態においては第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第三実施形態のスラスト軸受１ｂは、第二ノズル４２の噴出口４２０から噴出させる流体について第一実施形態及び第二実施形態と相違する。

即ち、第三実施形態の第二ノズル４２は、図８に示すように、第二ノズル４２の噴出口４２０から流体として液体ではなく気体を噴出する。具体的には、第三実施形態の第二ノズル４２は、形状自体は第一実施形態の第二ノズル４０と同様の形状をなしているが、オイルポンプＰの代わりに空気を圧縮するコンプレッサＣを有している。そのため、第三実施形態の第二ノズル４２は、コンプレッサＣを介して圧縮空気Ａが生成されることで、噴出口４２０から圧縮空気Ａを噴出する。第三実施形態の噴出口４２０は、圧縮空気Ａを噴出する噴出角度が第一実施形態において潤滑油Ｇを噴出した噴出口４００と同じ角度となるように形成されている。即ち、第三実施形態の噴出口４２０も、潤滑油Ｇが噴出される軸線Ｏに直交するスラストカラー１２２の面に対して噴出角度が径方向Ｄの外側に向かって傾斜して鋭角となるように形成されている。

上記のようなスラスト軸受１ｂによれば、噴出口４２０から圧縮空気Ａを噴出させることで、同じ圧力で潤滑油Ｇ等の液体を噴出させるよりも速い流速で噴出させることができる。具体的には、流速は密度の平方根の逆数に比例するため、液体に対して密度が非常に小さい気体では、液体と同じ流量に対して同じ圧力をかけた場合、図９に示すように、液体に対して２０〜３０倍の流速となる。そのため、コンプレッサＣを介して圧縮空気Ａを噴出口４２０から噴出させることで、第一実施形態のように潤滑油ＧをオイルポンプＰで圧縮して噴出口４００から噴出させる場合に比べて、小さな圧力を加えるだけで流速を上げることができる。したがって、回転方向Ｒに高速で流れるキャリオーバ油に対して高速の圧縮空気Ａを噴出することが容易にできる。これにより、キャリオーバ油をより一層効果的に径方向Ｄの外側に押し流すことができる。

また、空気等の気体を圧縮するコンプレッサＣは、潤滑油Ｇを圧縮するオイルポンプＰのような液体を圧縮する装置に比べて、同等の流速で流体を噴射させる場合に小規模な装置とすることができる。したがって、冷却効率の高い第二ノズル４２を容易に形成することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、第二ノズル４０、４１から噴出する流体は、第一実施形態及び第二実施形態のように、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２から供給される潤滑油Ｇと同じであることに限定されるものではない。例えば、第二ノズル４０、４１から噴出する流体は、潤滑油Ｇを冷却することが可能な冷却油等の潤滑油Ｇとは異なる他の液体であってもよい。さらに、第三実施形態のように、第二ノズル４２から噴出させる気体は、圧縮空気Ａに限定されるものではない。例えば、第二ノズル４２から噴出する気体は、潤滑油Ｇよりも密度が小さければよく、窒素等のガスであってもよい。

また、第二実施形態において、第一噴出口４１１から第三噴出口４１３までの噴出角度を徐々に鋭角となるように変更して形成したが、このように限定されるものではなく、スラストカラー１２２に向かうにしたがって径方向Ｄの外側に向かって傾斜して流体を噴出できるように形成されていればよい。したがって、例えば、第二実施形態の第二ノズル４１の第一噴出口４１１から第三噴出口４１３までがすべて同じ噴出角度で形成されていたり、第二噴出口４１２のみ噴出角度が変更されて形成されていたりしてもよい。

さらに、複数の噴出口によって流体をスラストカラー１２２に向かって噴出させる場合には、第二実施形態のように一つの第二ノズル４２に対して複数の噴出口４２０が形成されている構造に限定されるものでない。例えば、一つの第二ノズル４０に対して第一実施形態と同様に一つの噴出口４００が形成され、この第二ノズル４０が径方向Ｄに複数配置される構造であってもよい。即ち、スラストカラー１２２に対して複数の噴出口から流体を噴出させることができる構造であればよい。したがって、第二ノズル４０、４１に形成される噴出口４００、４１０の数も、本実施形態のように一つや三つに限定されるものではない。例えば、第二ノズル４１は、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２のように四つの噴出口４１０を有していてもよく、それ以上の数の噴出口４１０を有していてもよい。

また、第一ノズル３０は、本実施形態のように前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２の二つの構成を有することに限定されるものではなく、隣接する軸受パッド２０の間でスラストカラー１２２に向かって潤滑油Ｇを噴出することができればよい。例えば、第一ノズル３０として前方第一ノズル３１のみを有していてもよく、さらに前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２以外の他の潤滑油Ｇを噴出する構造を有していてもよい。したがって、前方第一ノズル３１及び後方第一ノズル３２に形成される給油口３００の数も本実施形態のように四つに限定されるものでなく、一つや二つであってもよく、四つ以上であってもよい。

さらに、本発明は、第一実施形態から第三実施形態の組み合わせに限定されるものではなく、それぞれの実施形態を組み合わせてもよい。例えば、第二実施形態のように複数の噴出口４１０を有する第二ノズル４１から第三実施形態のように圧縮空気Ａのような気体を噴出させてもよい。

さらに、本願発明の回転機械は、本実施形態のように蒸気タービン１００に限定されるものではなく、回転軸１２０を有する機械であれば良い。例えば、回転機械は、ガスタービン、ポンプ、エンジンであってもよい。

１００…蒸気タービン Ｓ…蒸気 １１０…タービンケーシング １２０…回転軸 Ｏ…軸線 １２１…回転軸本体 １２２…スラストカラー Ｒ…回転方向 Ｄ…径方向 １４０…静翼 １５０…動翼 １６０…軸受部 １６１…ジャーナル軸受 １、１ａ、１ｂ…スラスト軸受 １０…軸受ケーシング ２０…軸受パッド ２１…パッド面 ２１ａ…パッド入口側 ２１ｂ…パッド出口側 ＣＬ…パッド中心線 ３０…第一ノズル ３１…前方第一ノズル ３２…後方第一ノズル ３００…給油口 Ｐ…油圧ポンプ ４０、４１、４２…第二ノズル ４００、４１０、４２０…噴出口 Ｇ…潤滑油 ２０Ａ…第一軸受パッド ２０Ｂ…第二軸受パッド ４１１…第一噴出口 ４１２…第二噴出口 ４１３…第三噴出口 Ｃ…コンプレッサ Ａ…圧縮空気

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する回転軸本体と、該回転軸本体の径方向の外側に前記回転軸本体から張り出すスラストカラーとを有する回転軸を支持するスラスト軸受であって、
   前記スラストカラーに前記軸線の延びる軸線方向から摺接するように、前記回転軸本体の回転方向に間隔をあけて複数が設けられる軸受パッドと、
   隣り合う前記軸受パッドの間に設けられ、前記スラストカラーに向かって潤滑油を噴出する第一ノズルと、
   隣り合う前記軸受パッドの間で前記第一ノズルと隣接して設けられ、前記スラストカラーに向かうにしたがって前記径方向の外側に向かって傾斜するように流体を噴出する第二ノズルと、
   を備え、
   前記第二ノズルが、前記第一ノズルに対して前記回転方向の後方側に隣接して配置されるスラスト軸受。
2. 前記第二ノズルは、前記流体を噴出する噴出口を有し、
   前記噴出口が、前記径方向に隣接して複数配置される請求項１に記載のスラスト軸受。
3. 複数の前記噴出口のうち、前記径方向の外側に配置される前記噴出口は、前記径方向の内側に配置される前記噴出口よりも噴出する前記流体の前記スラストカラーに対して傾斜する角度が鋭角となるよう形成される請求項２に記載のスラスト軸受。
4. 前記流体が前記潤滑油である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
5. 前記流体が気体である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスラスト軸受を備える回転機械。

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