JP6399698B2 - 軸受装置、回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸受装置、回転機械に関する。

回転機械の回転軸を回転可能に支持する軸受として、従来様々な技術が実用化されている。特に、水平方向に延びる回転軸を下方から支持するためのジャーナル軸受としては、ティルティングパッド軸受が広く用いられている。一般的にティルティングパッド軸受は、回転軸の周方向に沿って配列された複数のパッドと、これら複数のパッドを外周側から覆うキャリアリングと、を有している。回転軸の外周面とパッドとの間には一定の間隙が設けられている。この間隙に潤滑油を供給することで、回転軸の外周面とパッドの内周面とが潤滑された状態で摺接する。

このようなジャーナル軸受の具体例として、特許文献１に記載されたものが知られている。このジャーナル軸受は、回転軸を支持する上半部キャリアリング及び下半部キャリアリングと、下半部キャリアリングの径方向内側に間隔を開けて配置された複数のパッドと、これらパッドの周方向への移動を規制するパッドストップと、を有している。複数のパッドストップのうちの一部は、潤滑油を放出する給油ノズルとしての機能を備えている。

特開２０１０−２０３４８１号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたジャーナル軸受は、全ての軸受荷重を複数のパッドのみによって支持している。したがって、軸受を高荷重条件で運用する場合、高速回転時には、パッドと回転軸との間の油膜が薄くなることで、パッドの表面温度が上昇する。一方で、回転軸が低速回転している場合には、パッドの表面と回転軸とが直接接触することで、荷重がパッドの耐力を超えてしまう可能性がある。これにより、パッドの表面に塑性流動等が生じ、軸受としての性能が劣化する可能性がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、十分な耐久性と潤滑性能を有する軸受装置、及び回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
本発明の一態様に係る軸受装置は、水平方向に延びる軸線回りに回転可能な回転軸を外周側から囲むように配置されるキャリアリングと、前記回転軸と前記キャリアリングとの間に配置されて、内周側に潤滑油を介して前記回転軸を摺動可能に支持する第１パッド面が形成された軸受パッドと、前記キャリアリングに軸線方向から固定されて、前記軸受パッドの前記軸線方向の移動を規制するとともに、内周側に前記潤滑油を介して前記回転軸を摺動可能に支持する第２パッド面が形成されたサイドプレートと、を備え、前記サイドプレートは、内周側に前記第２パッド面が形成されるとともに、前記軸線を中心として環状に形成された内側サイドプレートと、前記内側サイドプレートの外周面を外周側から支持する支持面が形成された外側サイドプレートと、を有し、前記内側サイドプレートの前記外周面は、前記軸線を含む断面視にて径方向外側に向かって突出する湾曲面とされており、 前記外側サイドプレートの前記支持面は、前記湾曲面と対応する形状を有することで、前記湾曲面を調心可能に支持する。

上述のような構成によれば、軸受パッドの第１パッド面に加えて、サイドプレートに形成された第２パッド面が、回転軸の外周面を支持する。これにより、第１パッド面と第２パッド面とに荷重が分散されるため、第１パッド面及び第２パッド面それぞれに加わる荷重を低減することができる。
また、外側サイドプレートの支持面によって、内側サイドプレートの湾曲面が調心可能に支持される。これにより、内側サイドプレートに荷重が加わることで、内側サイドプレートが軸線に対して傾いた場合であっても、外側サイドプレートの支持面と、内側サイドプレートの湾曲面とによって調心されることで、この傾きを是正することができる。

本発明の一態様に係る軸受装置では、前記サイドプレートにおける前記第２パッド面を含む少なくとも一部は、耐塑性流動性を有する樹脂材料で形成されてもよい。

上述のような構成によれば、第２パッド面が耐塑性流動性を有する樹脂材料で形成されていることから、第２パッド面に過大な荷重が加わった場合であっても、第２パッド面に塑性流動を生じる可能性を低減することができる。

本発明の一態様に係る回転機械は、上記いずれか１つの態様に係る前記軸受装置と、該軸受装置によって支持される前記回転軸と、を備える。

上述のような構成によれば、軸受装置が有する耐久性と潤滑性能により、回転軸を安定的に軸受支持することが可能な回転機械を提供することができる。

本発明によれば、十分な耐久性と潤滑性能を有する軸受装置、及びこれを備える回転機械を提供することができる。

本発明の各実施形態に係る回転機械を示す概略図である。 本発明の各実施形態に係る軸受装置を軸線方向から見た図である。 図１におけるＡ−Ａ視の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置における要部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置の変形例における要部拡大図である。

〔実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係る軸受装置１０、及び回転機械１００について図面を参照して説明する。
図１に示すように、回転機械１００としての蒸気タービン１００は、水平方向に延びる軸線Ｏ回りに回転する回転軸２０と、回転軸２０の外周面２０Ａに設けられた複数のブレード２と、回転軸２０を外周側から覆うケーシング３と、ケーシング３の内周面に設けられるとともに、ブレード２に対して軸線Ｏ方向に互い違いに配列されたステータ４と、回転軸２０を支持する複数の軸受部５と、を有している。

蒸気タービン１００には、ケーシング３に設けられた蒸気流入部６を介して外部から高温高圧の蒸気が供給される。この蒸気は、ブレード２とステータ４との間で画成される蒸気流路７を流通する。蒸気流路７を流通する過程で、蒸気がブレード２に衝突することで、回転軸２０が回転する。回転軸２０の回転エネルギーは、不図示のジェネレータ等によって取り出されることで、発電等に利用される。回転軸２０を回転させた後の蒸気は、ケーシング３に設けられた排気部８を介して外部に排気される。

軸受部５は、回転軸２０の軸線Ｏ方向における両端部を支持する装置である。本実施形態に係る軸受部５は、１つのスラスト軸受９と、２つのジャーナル軸受１０（軸受装置１０）と、を有している。スラスト軸受９は、回転軸２０の軸線Ｏ方向における荷重を支持する装置である。一方で、軸受装置１０は、回転軸２０を軸線Ｏと交差する方向から支持する装置である。

以下、この軸受装置１０について詳述する。図２に示すように、ジャーナル軸受１０は、キャリアリング１１と、ガイドメタル１２と、複数（２つ）の軸受パッド１３と、複数（４つ）の給油ノズル１４と、キャリアリング１１に対して軸線Ｏ方向から取り付けられる一対のサイドプレート２２、とを備えている。

キャリアリング１１は、上半部キャリアリング１６と、下半部キャリアリング１７とを備えている。上半部キャリアリング１６と下半部キャリアリング１７とは、ジョイントボルト（不図示）を介して結合されている。

ガイドメタル１２は、図２及び３に示すように、軸線Ｏ方向に２つ並んで配置されている。さらに、ガイドメタル１２は、その外周面が上半部キャリアリング１６の内周面と接するようにして、上半部キャリアリング１６の半径方向内側にボルト（不図示）を介して固定されている。このガイドメタル１２は、回転軸２０が上側に向かって飛び上がることを防ぐために設けられる。

軸受パッド１３は、回転軸２０の軸回転方向前側に位置する上流側パッド１３ａと、回転軸２０の軸回転方向後側に位置する下流側パッド１３ｂとを備えている。上流側パッド１３ａおよび下流側パッド１３ｂは、周方向に沿って並んで配置されており、例えば、Ｗ８７（ホワイトメタル）やＳ２５Ｃで作られている。また、上流側パッド１３ａおよび下流側パッド１３ｂは、その外周面が下半部キャリアリング１７の内周面と接するとともに、上流側パッド１３ａと下流側パッド１３ｂとの間に、間隙を介して下半部キャリアリング１７の半径方向内側に取り付けられている。さらに、詳細は図示しないが、これらの軸受パッド１３（上流側パッド１３ａ，下流側パッド１３ｂ）は、ティルティング機構を有している。

ガイドメタル１２の内周側の面は、軸線Ｏ方向から見て概ね円弧状に形成されている。同様に、それぞれの軸受パッド１３の内周側の面は、軸線Ｏ方向から見て概ね円弧状に形成されている。このように形成されたガイドメタル１２の内周面及び軸受パッド１３の内周面は、ともに回転軸の外周面２０Ａの形状に概ね対応するように形成されることで、第１パッド面Ｐ１とされている。

給油ノズル１４は、例えば、底面の側から供給された潤滑油を、回転軸２０の外周面と軸受パッド１３の内周面との間に供給するものであり、ガイドメタル１２の一端部（回転軸２０の回転方向後方側に位置する下流側の端部）に配置された（第１の）給油ノズル１４ａと、上流側パッド１３ａの両端部（回転軸２０の回転方向前方側に位置する上流側の端部および回転方向後方側に位置する下流側の端部）に配置された（第２の）給油ノズル１４ｂおよび（第３の）給油ノズル１４ｃと、下流側パッド１３ｂの一端部（回転軸２０の軸回転方向前側に位置する上流側の端部）に配置された（第４の）給油ノズル１４ｄと、を備えている。そして、本実施形態において、各給油ノズル１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄからは同量の潤滑油が放出されるように、すなわち、各給油ノズル１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ）から全体流量の２５％に相当する潤滑油が等しく供給されるようになっている。

上流側パッド１３ａおよび下流側パッド１３ｂの軸線Ｏ方向への移動は、止めネジ（不図示）を介して下半部キャリアリング１７の両端面に固定されたサイドプレート２２によって規制されている。

サイドプレート２２は、軸線Ｏ方向から見て環状に形成された板状の部材である。サイドプレート２２は、キャリアリング１１の軸線Ｏ方向における両端面に対して不図示のボルト等によって固定される。

詳しくは図４に示すように、サイドプレート２２は、軸線Ｏを基準として径方向外側に位置する環状の外側サイドプレート２３と、この外側サイドプレート２３の内周側に設けられる環状の内側サイドプレート２４と、を有している。言い換えると、外側サイドプレート２３と内側サイドプレート２４とは、ともに軸線Ｏを中心として環状に形成されている。

外側サイドプレート２３の内周面は、径方向外側に向かって円弧状に湾曲して形成されることで、支持面２３Ａとされている。好ましくは、この支持面２３Ａは軸線Ｏ上の中心点を中心とする円弧状に形成される。

内側サイドプレート２４の外周面は、外側サイドプレート２３における支持面２３Ａと対応する形状に形成されることで、湾曲面２４Ａとされている。具体的には、この湾曲面２４Ａは、軸線Ｏを含む断面視で、径方向外側に向かって突出するように形成されている。湾曲面２４Ａをなす円弧の曲率、及び径寸法は、外側サイドプレート２３の支持面２３Ａとおおむね同一とされている。

以上のような構成により、内側サイドプレート２４の湾曲面２４Ａが、外側サイドプレート２３の支持面２３Ａを摺動可能に支持する。これにより、内側サイドプレート２４は、外側サイドプレート２３の内周側で支持される。

さらに、本実施形態では、内側サイドプレート２４の内周側（径方向内側）には、摺動層２５が設けられている。摺動層２５の内周面は、回転軸の外周面２０Ａに接触することで第２パッド面Ｐ２とされている。内側サイドプレート２４は、この第２パッド面Ｐ２を介して回転軸２０を摺動可能に支持する。第２パッド面Ｐ２を含む摺動層２５は、耐塑性流動性を有する樹脂で形成される。このような樹脂材料としては、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が特に好適に用いられる。

さらに、サイドプレート２２の軸線Ｏ方向における寸法は、回転軸２０の軸径の５〜２５％に設定されている。ここで、回転軸２０が軸受装置１０に与える荷重は軸径に概ね比例する。したがって、回転軸２０の軸径に応じてサイドプレート２２の軸線Ｏ方向における寸法を決定することで、個々の回転軸２０の荷重に適した軸受装置１０を得ることができる。

さらに、軸線Ｏ方向から見て、サイドプレート２２の第２パッド面Ｐ２と、上述の第１パッド面Ｐ１（ガイドメタル１２の内周面、及び軸受パッド１３の内周面）との径方向における位置は同一とされている。言い換えると、第２パッド面Ｐ２の径寸法と、第１パッド面Ｐ１が形成する仮想円の径寸法は互いに同一の値に設定されている。したがって、回転軸２０の外周面２０Ａは、軸線Ｏ方向において第１パッド面Ｐ１と第２パッド面Ｐ２とによって、潤滑油を介して摺動可能に支持される。なお、第１パッド面Ｐ１と第２パッド面Ｐ２とが、回転軸２０の外周面２０Ａにともに接することができる限りにおいて、第２パッド面Ｐ２の径寸法と、第１パッド面Ｐ１が形成する仮想円の径寸法との間に多少の誤差が存在してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る軸受装置１０では、軸受パッド１３の第１パッド面Ｐ１に加えて、サイドプレート２２に形成された第２パッド面Ｐ２が、回転軸２０の外周面２０Ａを支持する。これにより、第１パッド面Ｐ１と第２パッド面Ｐ２とに荷重が分散されるため、第１パッド面Ｐ１に加わる荷重を低減することができる。これにより、軸受パッド１３の耐荷重に対する余裕度を大きく確保することができる。

加えて、本実施形態では、軸線Ｏ方向におけるサイドプレート２２の寸法が、回転軸２０の軸径の５〜２５％に設定されている。このような構成によれば、第２パッド面Ｐ２の面積を十分に確保することができる。加えて、回転軸２０の軸径に応じてサイドプレート２２の寸法が適宜決定されることから、個々の回転軸２０の軸受荷重に適した軸受装置１０を容易に得ることができる。

さらに、上述のような軸受装置１０によれば、外側サイドプレート２３の支持面２３Ａによって、内側サイドプレート２４の湾曲面２４Ａが調心可能に支持される。より詳しくは図４に示すように、異常な荷重等によって回転軸２０が軸線Ｏに対して角度をなすように傾いた場合、内側サイドプレート２４は、この回転軸２０の傾きに追従することで、外側サイドプレート２３に対してわずかに変位する。すなわち、内側サイドプレート２４の湾曲面２４Ａが、外側サイドプレート２３の支持面２３Ａに対して、湾曲面２４Ａをなす円弧の周方向に沿って摺動する。

これにより、回転軸２０に傾きが生じた場合であっても、内側サイドプレート２４が変位することで回転軸２０の傾きによって生じる応力成分が内側サイドプレート２４に集中する可能性を低減することができる。

さらに、荷重が収束した場合には、内側サイドプレート２４の湾曲面２４Ａが外側サイドプレート２３の支持面２３Ａに対して、最初に生じた変位とは反対の方向に向かって再び摺動する。すなわち、内側サイドプレート２４は外側サイドプレート２３に対して調心可能となっている。

このように、内側サイドプレート２４に荷重が加わることで、内側サイドプレート２４が軸線Ｏに対して傾いた場合であっても、外側サイドプレート２３の支持面２３Ａと、内側サイドプレート２４の湾曲面２４Ａとによって調心されることで、この傾きを是正することができる。したがって、この軸受装置１０によれば、回転軸２０を安定的に支持することができる。

さらに、上述のような軸受装置１０では、キャリアリング１７に潤滑油を排出するための排出孔が形成されている。この排出孔を通じて軸受装置１０内の潤滑油を円滑に外部に排出することができる。特に、本実施形態に係る軸受装置１０では、内側サイドプレート２４の第２パッド面Ｐ２と回転軸の外周面２０Ａとの間の間隙が狭くなっていることから、この間隙から潤滑油を排出することが難しい場合がある。しかしながら、上記のような排出孔がキャリアリング１７に形成されていることにより、この排出孔から潤滑油を円滑に排出することができる。

さらに、上述のような構成によれば、第２パッド面Ｐ２がＰＥＥＫ等の耐塑性流動性を有する樹脂材料で形成されていることから、第２パッド面Ｐ２に過大な荷重が加わった場合であっても、第２パッド面Ｐ２に塑性流動を生じる可能性を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、上述の実施形態で示した構成や、組み合わせは一例であって、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の設計変更を加えることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、第２パッド面Ｐ２を含む摺動層２５を、樹脂材料によって形成した例について説明した。しかしながら、摺動層２５の材料は樹脂に限定されず、ホワイトメタル等によって摺動層２５を形成することも可能である。要は、摺動層２５は、回転軸２０を形成する材料に比べて低い硬度を有するとともに、比較的に高い耐塑性流動性を有していればよい。このような材料で摺動層２５を構成することにより、第２パッド面Ｐ２に対して異常な負荷が加わった場合であっても、第２パッド面Ｐ２及び回転軸の外周面２０Ａに損傷を生じる可能性を低減することができる。

さらに、上述の実施形態では、内側サイドプレート２４における第２パッド面Ｐ２を含む少なくとも一部のみを摺動層２５とする例について説明した。しかしながら、内側サイドプレート２４の態様はこれに限定されない。例えば図５に示すように、内側サイドプレート２４を同じ材料で一体に形成してもよい。

このような構成によれば、上述の実施形態における内側サイドプレート２４の製造工程を簡略化することができる。これにより、軸受装置１０の製造コストを低減することができるとともに、保守性を向上させることができる。

さらに、上述の軸受装置１０では、サイドプレート２２を軸線Ｏ方向に貫通する開孔が形成されていてもよい。この開孔を通じて軸受装置１０内部を流通する潤滑油の余剰分を外部に排出することができる。

特に、本実施形態に係る軸受装置１０では、第１パッド面Ｐ１及び第２パッド面Ｐ２と、回転軸の外周面２０Ａとの間の離間寸法が、ともに略同一とされている。これにより、内側サイドプレート２４の第２パッド面Ｐ２と、回転軸の外周面２０Ａとの間の間隙が狭く設定されている。したがって、この間隙から排出される潤滑油の量が限定的となる。

しかしながら、上述のようにサイドプレート２２に開孔を形成した場合には、この開孔を介して潤滑油を積極的に排出することができるため、軸受装置１０に対して潤滑油を円滑に供給することができる。

さらに、上述の説明では、２つのガイドメタル１２と、２つの軸受パッド１３（上流側パッド１３ａ，下流側パッド１３ｂ）とを備える軸受を一例として挙げた。しかしながら、本実施形態はこのような構成の軸受装置に限定されず、複数のパッドを備える軸受であれば如何なる構成であってもこれを適用することが可能である。

Ｏ…軸線 ２…ブレード ３…ケーシング ４…ステータ ５…軸受部 ６…蒸気流入部 ７…蒸気流路 ８…排気部 ９…スラスト軸受 １０…軸受装置 １１…キャリアリング １２…ガイドメタル １３…軸受パッド １３ａ…上流側パッド １３ｂ…下流側パッド １４…給油ノズル １４ａ…（第１の）給油ノズル １４ｂ…（第２の）給油ノズル １４ｃ…（第３の）給油ノズル １４ｄ…（第４の）給油ノズル １５…パッドストップ １６…上半部キャリアリング １７…下半部キャリアリング ２０…回転軸 ２０Ａ…回転軸の外周面 ２２…サイドプレート ２３…外側サイドプレート ２３Ａ…支持面 ２４…内側サイドプレート ２４Ａ…湾曲面 ２５…摺動層 １００…回転機械 １００…蒸気タービン Ｐ１…第１パッド面 Ｐ２…第２パッド面

Claims (3)

1. 水平方向に延びる軸線回りに回転可能な回転軸を外周側から囲むように配置されるキャリアリングと、
   前記回転軸と前記キャリアリングとの間に配置されて、内周側に潤滑油を介して前記回転軸を摺動可能に支持する第１パッド面が形成された軸受パッドと、
   前記キャリアリングに軸線方向から固定されて、前記軸受パッドの前記軸線方向の移動を規制するとともに、内周側に前記潤滑油を介して前記回転軸を摺動可能に支持する第２パッド面が形成されたサイドプレートと、
   を備え、
   前記サイドプレートは、
   内周側に前記第２パッド面が形成されるとともに、前記軸線を中心として環状に形成された内側サイドプレートと、
   前記内側サイドプレートの外周面を外周側から支持する支持面が形成された外側サイドプレートと、
   を有し、
   前記内側サイドプレートの前記外周面は、前記軸線を含む断面視にて径方向外側に向かって突出する湾曲面とされており、
   前記外側サイドプレートの前記支持面は、前記湾曲面と対応する形状を有することで、前記湾曲面を調心可能に支持する軸受装置。
2. 前記サイドプレートにおける前記第２パッド面を含む少なくとも一部は、耐塑性流動性を有する樹脂材料で形成される請求項１に記載の軸受装置。
3. 請求項１又は２に記載の前記軸受装置と、
   該軸受装置によって支持される前記回転軸と、
   を備える回転機械。

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