JP6420946B2 - ティルティングパッド軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、蒸気タービンの滑り軸受のように、大型回転機械の回転軸を揺動可能な複数の軸受パッドで支承するティルティングパッド軸受装置に関する。

タービンや発電機等の大型回転機械においては、回転軸を安定に支承するため、ティルティングパッド軸受装置が用いられている。ティルティングパッド軸受装置は、滑り軸受の一種であり、軸受ハウジング内で回転軸の周囲に揺動可能な複数の軸受パッド（ティルティングパッド）を配置した構成を有する。軸受パッドは、軸受ハウジングの内側に設けられたピボットによって揺動可能に支持されている。そして、回転軸の回転によって、潤滑油を回転軸の外周面と軸受パッドの軸受面との間に導き、これらの間にくさび状油膜を形成して回転軸を支承するようになっている。例えば特許文献１には、かかるティルティングパッド軸受装置が開示されている。

このようなティルティングパッド軸受装置においては、油膜のくさび効果による十分な負荷能力が得られない回転開始時や低速回転時に、回転軸の外周面とティルティングパッドの軸受面との接触をなくし、軸受面の焼付きを防ぐ必要がある。そのため、ジャッキング・オイル・ポンプと呼ばれる機構（ＪＯＰ機構）が採用されることがある。例えば特許文献２に記載されるＪＯＰ機構は、ティルティングパッドの軸受面に給油口を開口させ、この給油口に給油通路を介してポンプから高圧の潤滑油を供給し、軸受面に油膜を形成して回転軸を油膜で浮上させるものである。通常、軸受面には、広い範囲に潤滑油を行き渡らせるために油溝が形成される。

特開昭５９−２１２５２０号公報 実開平２−１４６９６１号公報

ところで、ティルティングパッド軸受装置は、軸受パッドが揺動可能なように、軸受パッドの外周面に当接するピボットにより軸受パッドが支持される構成となっているため、軸受パッドの自重あるいは回転軸を介して軸受パッドに与えられる荷重等により軸受パッドはわずかに変形する。そのため、回転軸の停止時、この軸受パッドの変形に依存した形状の接触エリアにて、軸受パッドと回転軸とが接触することになる。例えば軸受パッドがピボットで点支持される場合、軸受パッドと回転軸との接触エリアは略楕円形状となる。
ここで、本発明者による鋭意検討の結果、ＪＯＰ機構による回転軸の浮上特性は、回転軸の停止時における軸受パッドと回転軸との接触エリアと、軸受パッドの軸受面に設けられた潤滑油導入用の油溝との相対的な配置関係の影響を受けることが分かっている。換言すれば、接触エリアと油溝との相対的な配置関係によっては、回転軸の浮上させるために必要なＪＯＰ機構への供給油圧の大きさが異なる。

しかしながら、特許文献１及び２には、ＪＯＰ機構への供給油の圧力が小さくても、ＪＯＰ機構による回転軸を浮上させることができる接触エリアと油溝との相対的な配置関係については何ら開示されていない。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、小さな供給油圧力で回転軸を浮上させることができるティルティングパッド軸受装置を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受装置は、
回転軸の周囲に配置され、前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受パッドと、
前記複数の軸受パッドとこれら軸受パッドを支持する軸受ハウジングとの間に介在され、各軸受パッドを揺動可能に支持する支持部材と、
前記複数の軸受パッドのうちの１個以上の軸受パッドの軸受面に形成された少なくとも１個の油溝に潤滑油を供給するように構成された給油機構とを備えたティルティングパッド軸受装置であって、
前記少なくとも１個の油溝は、前記回転軸の停止時において前記軸受面のうち前記回転軸の外周面と接触する接触エリアの内側及び外側に設けられていることを特徴とする。

上記ティルティングパッド軸受装置によれば、給油機構から潤滑油が供給される油溝を、軸受面のうち回転軸の外周面と接触する接触エリアの内側及び外側に設ける構成としている。そのため、回転軸の回転開始時又は低速回転時において給油機構から油溝を介して潤滑油を供給した時に、接触エリアの内側及び外側の両方に潤滑油を行き渡らせることができる。よって、給油機構への供給油圧が比較的小さい場合であっても、回転軸を効果的に浮上させることができる。
なお、接触エリアは、回転軸の直径（回転軸の外周面の曲率半径）、軸受パッドの軸受面の曲率半径、軸受パッドの材質、及び、回転軸を介してティルティングパッド軸受装置に与えられる荷重等によって決定される。接触エリアの形状、位置は、実験的に求めてもよいし、シミュレーションによって推定してもよい。例えば、回転軸と軸上パッドの間に感圧紙を挟み込み、軸受パッドの着色した部位を接触エリアと判定してもよい。あるいは、ヘルツ理論を用いて算出される接触応力から接触エリアを推定してもよいし、ＦＥＭ解析を用いて接触エリアを推定してもよい。

一実施形態において、前記少なくとも１個の油溝は、前記接触エリアの内側から外側まで連続的に延在している。
このように、接触エリアの内側から外側まで連続的に延在する少なくとも１個の油溝を設けることによって、油溝による回転軸の浮上特性を維持しながら油溝の設置数を削減することもできる。

他の実施形態において、前記少なくとも１個の油溝は、前記接触エリアの内側に設けられた内側油溝と、前記内側油溝とは別に前記接触エリアの外側に設けられた外側油溝とを含む。
このように、接触エリアの内側に設けられた内側油溝と、接触エリアの外側に設けられた外側油溝とを設けることにより、油溝による回転軸の浮上特性を維持しながら各油溝の設置位置や形状の自由度を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、前記少なくとも１個の油溝の各々が、前記回転軸の回転時に前記軸受面と前記回転軸の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る等圧線に沿って設けられた構成とする。
各油溝は、それぞれ、連通した１つの空間によって形成されるので、油溝内はいずれの位置も同一の圧力となる。したがって、異なる等圧線にまたがるように油溝を形成した場合、回転軸の回転時に油溝内の圧力が均一化して動圧軸受としての機能が損なわれる可能性がある。そこで、上記実施形態のように、各油溝をそれぞれ等圧線に沿って設けることによって、各等圧線位置における油溝内の圧力を維持し、動圧軸受としての機能を良好に保てる。

一実施形態において、前記少なくとも１個の油溝は、前記油膜の前記圧力が第１圧力である位置を通る第１等圧線に沿って設けられる第１油溝と、前記油膜の前記圧力が前記第１圧力とは異なる第２圧力である位置を通る第２等圧線に沿って設けられる第２油溝とを含み、前記給油機構は、前記第１油溝に連通する第１給油路と、前記第２油溝に連通する第２給油路とを含み、前記第１給油路と前記第２給油路とは、少なくとも前記回転軸の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられた構成とする。
上記実施形態によれば、第１油溝に連通する第１給油路と、第２油溝に連通する第２給油路とが、少なくとも回転軸の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられている。これにより、異なる等圧線（第１等圧線と第２等圧線）に沿って設けられる第１油溝および第２油溝の圧力が、回転軸の定格回転時において均一化されることを回避でき、動圧軸受としての機能を良好に保持できる。

一実施形態において、前記第１等圧線に沿って設けられる複数個の前記第１油溝は、前記第１給油路を介して互いに連通するように構成されている。
このように、同一の等圧線に沿って設けられる複数個の油溝については給油路が互いに連通する構成を採用すれば、給油路やバルブ等の給油機構の構成を簡素化することもできる。

幾つかの実施形態では、前記回転軸の周方向における各々の前記油溝の中心位置を該油溝の開口面積で重み付けした前記少なくとも１個の油溝の加重平均位置が、前記支持部材の配置位置より前記回転軸の回転方向下流側にずれている。
ティルティングパッド軸受装置の軸受パッドには、回転軸の回転開始時又は低速回転時におけるＪＯＰ機構の作動中（すなわち潤滑油の供給中）、回転軸と軸受パッドとの間に形成される油膜圧の分布に応じて、支持部材による軸受パッドの支持点まわりのモーメントが加わる。このモーメントは、軸受面上の任意の位置における油膜圧と、該位置の支持点からの距離との積である局所的なモーメントを軸受面上の全ての位置について積算したものである。この局所的なモーメントの符号は、支持部材による軸受パッドの支持点の両側において逆転する。したがって、支持部材による軸受パッドの支持点の両側におけるモーメントの絶対値の大小関係により、回転軸と軸受パッドとの間に形成される油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が決まる。ここで、各油溝の局所的なモーメントへの寄与は、各油溝の中心位置ｘ_ｉと、当該油溝が作る油膜圧の大きさに影響する当該油溝の開口面積Ｓ_ｉとの積ｘ_ｉＳ_ｉによって表わされる。よって、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向は、基本的には、全油溝についての局所的モーメントへの寄与の総和Σｘ_ｉＳ_ｉによって決まる。換言すれば、総和Σｘ_ｉＳ_ｉを全油溝の開口面積の総和ΣＳ_ｉで除して得られる値（各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置ｘ_Ａ）と支持部材の位置との配置関係に応じて、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が定まる。
上記ティルティングパッド軸受装置では、各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置が支持部材の配置位置に対して支持部材のオフセット方向にずれるようにしたので、支持部材がオフセットされていても、支持部材を基準として回転軸の回転方向上流側と下流側に作用するモーメントをバランスさせることができる。よって、回転軸の回転開始時又は低速回転時に、回転軸が傾くことを抑制し、回転軸と軸受パッドが接触することを防止できる。

本発明によれば、給油機構から潤滑油が供給される油溝を、軸受面のうち回転軸の外周面と接触する接触エリアの内側及び外側に設ける構成としたので、回転軸の回転開始時又は低速回転時において給油機構から油溝を介して潤滑油を供給した時に、接触エリアの内側及び外側の両方に潤滑油を行き渡らせることができる。よって、給油機構への供給油圧が比較的小さい場合であっても、回転軸を効果的に浮上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る軸受装置の全体構成図である。 第１実施形態に係る軸受パッドの断面図である。 第１実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。 比較例における軸受パッド（接触エリアの内側のみ油溝）の軸受面の展開図である。 他の比較例における軸受パッド（接触エリアの外側のみ油溝）の軸受面の展開図である。 接触エリアと油膜圧との関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る軸受装置の給油機構の一例を示す構成図である。 本発明の第２実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。 本発明の第２実施形態に係る軸受装置の給油機構の一例を示す構成図である。 本発明の第３実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。 本発明の第４実施形態に係る軸受装置の断面図である。 本発明の第４実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。 油溝の加重平均位置を説明するための図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド軸受装置１０の全体的な概略構成について説明する。なお、図１は本発明の第１実施形態に係るティルティングパッド軸受装置の全体構成図である。

幾つかの実施形態において、図１に示す軸受ハウジング１２は２つ割り型の軸受ハウジングであり、半円形のハウジング片１２ａ及び１２ｂで構成されている。ハウジング片１２ａ及び１２ｂは、互いの合わせ面が当接された状態でボルト等の結合具で結合される。軸受ハウジング１２の内周面に沿って複数(図１では４個)の軸受パッド１４が設けられ、軸受パッド１４の内周面が軸受面１４ａを形成している。軸受面１４ａの内側に、タービンや発電機等、大型回転機械の回転軸１５（図２参照）が配置される。複数の軸受パッド１４，１４，…のうちの１個以上の軸受パッド１４の軸受面１４ａには、給油口３４が開口し、かつ給油口３４に連通した油溝３６が刻設されている。給油口３４及び油溝３６が設けられる軸受パッド１４は、回転軸１５の周囲に配置される複数の軸受パッド１４，１４，…のうち、少なくとも回転軸１５の周方向下方に位置する軸受パッド１４である。すなわち、回転軸１５の停止時に、回転軸１５の自重を支持する位置に配置される軸受パッド１４に、給油口３４及び油溝３６が形成される。勿論、回転軸１５の周方向上方に位置する軸受パッド１４にも給油口３４及び油溝３６が形成されていてもよい。

以下、給油口３４に潤滑油を供給する給油機構１６の構成を説明する。ポンプ１８はモータ２０によって駆動され、図示しない油タンクから高圧の潤滑油ｏを給油路２２に吐出する。油路２２にはリリーフ弁２４が設けられ、給油路２２を流れる潤滑油ｏの圧力が許容値を超えたとき、潤滑油の一部をタンク２６に放出して潤滑油ｏの圧力を許容値以下に低減する。給油路２２は下流側で分岐路２８ａ及び２８ｂに分岐する。分岐路２８ａ及び２８ｂには、夫々バルブ（流量調整弁）３０ａ及び３０ｂが設けられている。分岐路２８ａ及び２８ｂは、夫々ハウジング片１２ｂ及び軸受パッド１４に形成された給油孔３２ａ及び３２ｂを経て、夫々の軸受パッド１４に形成された給油口３４に連通している。

次に、図２及び図３を参照して、ティルティングパッド軸受装置１０の各部位の具体的な構成について説明する。図２は本発明の第１実施形態における軸受パッドの断面図である。図３は本発明の第１実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。なお、図３は、曲率を有する軸受パッド１４を平面上に展開した図である。
以下の実施形態では、軸受パッド１４がピボット３８により点支持される構成を有するティルティングパッド軸受装置１０について例示している。

図２において、Ｇ_１は、回転軸１５の中心とピボット３８の支持点を通る直線である。図２に示す矢印ｒは回転軸１５の回転方向である。図３において、Ｇ_２は、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点を通り、回転軸１５の軸線と平行な直線である。矢印ａは回転軸１５の軸方向を示す。

幾つかの実施形態において、図２及び図３に示す軸受パッド１４は、ハウジング片１２ｂの内周面に設けられたピボット３８によって揺動可能に点支持されている。ピボット３８は、通常、軸受パッド１４の中央付近に設けられるが、回転軸１５の回転方向における軸受パッド１４の中央位置よりも回転方向上流側又は下流側にオフセットして配置されてもよい。図２において、回転軸１５の回転方向に対して上流側には軸受パッド１４の回転方向前端１４ｂが位置し、下流側には軸受パッド１４の回転方向後端１４ｃが位置する。
一実施形態において、図２及び図３では、ピボット３８を通る直線Ｇ_２が、回転軸１５の回転方向における軸受パッド１４の中央位置Ｃ（図１３参照）に対し、回転軸１５の回転方向下流側にオフセットして配置された場合を示している。このように、回転軸１５の定格回転時のようにティルティングパッド軸受装置１０が動圧軸受として機能する場合に、ピボット３８が回転軸１５の周方向における軸受パッド１４の中心位置よりも回転軸１５の回転方向下流側に配置されていることにより、軸受パッド１４の前端１４ｂの軸受面１４ａと回転軸１５の外周面との隙間が大きくなる。そのため、潤滑油の軸受面１４ａへの引き込み量が増加し、軸受パッド１４と回転軸１５の間の潤滑性を向上できる。

幾つかの実施形態では、軸受パッド１４の軸受面１４ａには、４つの給油口４０（４０ａ，４０ｂ），４４（４４ａ，４４ｂ）が開口し、且つ、各給油口４０，４４に連通した油溝４２（４２ａ，４２ｂ），４６（４６ａ，４６ｂ）が設けられている。

上記構成を有するティルティングパッド軸受装置１０は、軸受パッド１４が揺動可能なように、軸受パッド１４の外周面に当接するピボット３８により軸受パッドが支持される構成となっているため、軸受パッド１４の自重あるいは回転軸１５を介して軸受パッド１４に与えられる荷重等により軸受パッド１４はわずかに変形する。そのため、回転軸１５の停止時、この軸受パッド１４の変形に依存した形状の接触エリアＳにて、軸受パッド１４と回転軸１５とが接触することになる。例えば、図２に示すように軸受パッド１４がピボット３８で点支持される場合、図３に示すように軸受パッド１４と回転軸１５との接触エリアＳは略楕円形状となる。

一実施形態において、油溝４２，４６は接触エリアＳの内側及び外側に設けられる。なお、接触エリアＳは、回転軸１５の直径（回転軸の外周面の曲率半径）、軸受パッド１４の軸受面１４ａの曲率半径、軸受パッド１４の材質、及び、回転軸１５を介してティルティングパッド軸受装置１０に与えられる荷重等によって決定される。接触エリアＳの形状、位置は、実験的に求めてもよいし、シミュレーションによって推定してもよい。例えば、回転軸１５と軸上パッド１４の間に感圧紙を挟み込み、軸受パッド１４の着色した部位を接触エリアＳと判定してもよい。あるいは、ヘルツ理論を用いて算出される接触応力から接触エリアＳを推定してもよいし、ＦＥＭ解析を用いて接触エリアＳを推定してもよい。

ここで、図６を参照して、図２及び図３に示す第１実施形態における軸受パッド１４と、図４及び図５に示す比較例における軸受パッド１４’，１４”とで油膜圧の特性を対比して説明する。図４は比較例における軸受パッドの軸受面の展開図である。図５は他の比較例における軸受パッド（接触エリアの外側のみ油溝）の軸受面の展開図である。図６は接触エリアと油膜圧との関係を示すグラフであり、図６（Ａ）は第１実施形態（図３）における軸受パッド１４の油膜圧特性を示すグラフで、図６（Ｂ）は比較例（図４）における軸受パッド１４’の油膜圧特性を示すグラフで、図６（Ｃ）は他の比較例（図５）における軸受パッド１４”の油膜圧特性を示すグラフである。

図４に示す軸受パッド１４’には、接触エリアＳの外側には油溝が設けられておらず、接触エリアＳの内側にのみ油溝４２’（４２ａ’，４２ｂ’），４６’（４６ａ’，４６ｂ’）が設けられている。図５は他の比較例における軸受パッドの軸受面の展開図である。図５に示す軸受パッド１４”には、接触エリアＳの外側には油溝が設けられておらず、接触エリアＳの内側にのみ油溝４２”（４２ａ”，４２ｂ”），４６”（４６ａ”，４６ｂ”）が設けられている。
図４及び図６（Ｂ）に示すように、潤滑油を導くための油溝４２’，４６’が接触エリアＳの内側に形成されている場合、接触エリアＳの内側から接触エリアＳの外側への境界で軸受パッド１４’と回転軸１５の間の隙間は急激に広がる。そのため、接触エリアＳ内の油溝４２ａ’，４２ｂ’，４６ａ’，４６ｂ’を介して隙間に供給される潤滑油による油膜圧は、接触エリアＳの内側では高く維持されるものの接触エリアＳの外側では隙間の急激な体積増加によって大幅に低下してしまう。そのため、軸受パッド１４’の軸受面全体に略均一な油膜圧が形成されるように潤滑油を行き渡らせることは難しく、特に接触エリアＳの外側における油膜圧が十分に立たないおそれがある。
図５及び図６（Ｃ）に示すように、接触エリアＳの外側に油溝４２”，４６”が形成されている場合、接触エリアＳの外側から接触エリアＳの内側に向けてその境界で軸受パッド１４”と回転軸１５の間の隙間は急激に狭くなる。そのため、接触エリアＳの内側へ潤滑油が十分に供給されず、接触エリアＳの内側における油膜圧が十分に立たないおそれがある。
このように、比較例における軸受パッド１４’，１４”によれば、軸受パッド１４’，１４”の軸受面１４ａ’，１４ａ”に十分に潤滑油が行き渡らず、そのため、ＪＯＰ機構を起動して回転軸１５の回転させる際に、回転軸１５が円滑に浮上しない可能性がある。

これに対して本実施形態では、図３及び図６（Ａ）に示すように、接触エリアＳの内側及び外側に油溝４２，４６を設ける構成としたので、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時において給油機構１６から油溝４２，４６を介して潤滑油を供給した時に、接触エリアＳの内側及び外側の両方に潤滑油を行き渡らせることができる。よって、給油機構１６への供給油圧が比較的小さい場合であっても、回転軸１５を効果的に浮上させることができる。

また、一実施形態において、少なくとも１個の油溝４２，４６は、接触エリアＳの内側から外側まで連続的に延在していてもよい。このように、接触エリアＳの内側から外側まで連続的に延在する少なくとも１個の油溝４２，４６を設けることによって、油溝４２，４６による回転軸１５の浮上特性を維持しながら油溝４２，４６の設置数を削減することもできる。なお、図３では、全ての油溝４２，４６が、接触エリアＳの内側から外側まで連続的に延在して配置された場合を例示している。

さらに、図示しないが他の実施形態では、少なくとも１個の油溝は、接触エリアＳの内側に設けられた内側油溝と、内側油溝とは別に接触エリアＳの外側に設けられた外側油溝とを含んでもよい。このように、接触エリアＳの内側に設けられた内側油溝と、接触エリアＳの外側に設けられた外側油溝とを設けることにより、油溝による回転軸１５の浮上特性を維持しながら各油溝の設置位置や形状の自由度を向上させることができる。

また、幾つかの実施形態において、少なくとも１個の油溝４２，４４の各々が、回転軸１５の回転時に軸受面１４ａと回転軸１５の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る等圧線に沿って設けられてもよい。
回転軸１５の高速回転時、軸受パッド１４の軸受面１４ａに開口した給油口４０，４４への潤滑油の供給は停止されている。この時、潤滑油は回転軸１５と共に連れ回りしながら油膜圧を形成し、油膜圧による油膜圧分布（図１１参照）が形成される。図１１において、ラインｐ１〜ｐ６は軸回転によるくさび状油膜の等圧線であり、ｐ１の内側領域が最大油膜圧を呈し、外側へ行くに従って油膜圧は順々に低下していく。図示のように、最大油膜圧領域Ｒ_１を中心とし、等圧域が同心状に広がる楕円形を呈する。ここで、等圧線は、回転軸１５の回転時に軸受面１４ａと回転軸１５の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る線である。

一実施形態では、図３に示す給油口４０（４０ａ，４０ｂ）の各々が等圧線ｐ４上に設けられている。また、給油口４０に連通した油溝４２（４２ａ，４２ｂ）が等圧線ｐ４に沿って設けられている。同様に、給油口４４（４４ａ，４４ｂ）に連通した油溝４６（４６ａ，４６ｂ）が等圧線ｐ５に沿って設けられている。油溝４２及び油溝４６は、ぞれぞれが互いに独立している。
各油溝４２，４４は、それぞれ、連通した１つの空間によって形成されるので、各油溝４２，４４内はいずれの位置も同一の圧力となる。したがって、異なる等圧線にまたがるように油溝４２，４４を形成した場合、回転軸１５の回転時に各油溝４２，４４内の圧力が均一化して動圧軸受としての機能が損なわれる可能性がある。そこで、上記実施形態のように、各油溝４２，４４をそれぞれ等圧線に沿って設けることによって、各等圧線位置における油溝４２，４４内の圧力を維持し、動圧軸受としての機能を良好に保てる。

また、一実施形態では、図７に示すように、油溝４２と油溝４４とに潤滑油を供給する給油路５２，５４が、少なくとも回転軸１５の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられる。
図７に示す給油機構１６は、第１給油口４０と、第１油溝４２と、第２給油口４４と、第２油溝４６と、第１給油路５２と、第２給油路５４と、第１バルブ５３と、第２バルブ５５と、ポンプ５０とを有している。
第１油溝４２と第２油溝４６とは、異なる油膜圧を示す等圧線に沿って設けられている。第１給油路５２及び第２給油路５４は、少なくとも回転軸１５の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられる。第１給油路５２及び第２給油路５４は、ポンプ５０に接続されて、ポンプ５０によって潤滑油が供給されるようになっている。第１給油路５２及び第２給油路５４とポンプ５０との間には、それぞれ、第１バルブ５３，第２バルブ５５が設けられており、第１給油路５２及び第２給油路５４への潤滑油の供給量が調節可能に構成される。
そして、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時には、第１バルブ５３及び第２バルブ５５をそれぞれ開いた状態とし、ポンプ５０を作動させて第１給油路５２及び第２給油路５４を介して第１油溝４２と第２油溝４６に潤滑油を供給する。各油溝４２，４６への潤滑油の供給量は、各バルブ５３，５５の開度によって調節してもよい。一方、回転軸１５の定格回転時には、第１バルブ５３及び第２バルブ５５を閉じた状態とし、ポンプ５０を停止して第１給油路５２及び第２給油路５４を介した第１油溝４２及び第２油溝４６への潤滑油の供給を遮断する。このとき、第１油溝４２第２油溝４６とは連通していないため、各油溝４２，４６の圧力は独立して保たれる。

このように、第１油溝４２に連通する第１給油路４０と、第２油溝４６に連通する第２給油路４４とが、少なくとも回転軸１５の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられることにより、異なる等圧線（第１等圧線と第２等圧線）に沿って設けられる第１油溝４２及び第２油溝４６の圧力が、回転軸１５の定格回転時において均一化されることを回避でき、動圧軸受としての機能を良好に保持できる。

（実施形態２）
次に、本発明の第３実施形態を図８及び図９に基づいて説明する。図８は本発明の第２実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。図９は本発明の第２実施形態に係る軸受装置の給油機構の一例を示す構成図である。

本実施形態に係る給油機構１６は、第１給油口６０（６０ａ，６０ｂ），６４（６４ａ，６４ｂ）と、第１油溝６２（６２ａ，６２ｂ），６６（６６ａ，６６ｂ）と、第１給油路７２，７４と、第１バルブ７６と、ポンプ７０とを有している。
複数の第１油溝６２，６６は、同一の油膜圧を示す等圧線に沿って設けられている。さらに、第１油溝６２，６６は、第１給油路７２，７４を介して互いに連通するように構成されている。例えば、第１給油路７２，７４が基部側で合流しており、合流した第１給油路７２，７４とポンプ７０との間に第１バルブ７６が設けられる。第１バルブ７６は、第１給油路７２，７４への潤滑油の供給量を調節する構成となっている。
そして、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時には、第１バルブ７６を開いた状態とし、ポンプ７０を作動させて第１給油路７２，７４を介して第１油溝６２，６６に潤滑油を供給する。一方、回転軸１５の定格回転時には、第１バルブ７６を閉じた状態とし、ポンプ７０を停止して第１給油路７２，７４を介した第１油溝６２，６６への潤滑油の供給を遮断する。

上記第２実施形態によれば、同一の等圧線に沿って設けられる複数個の第１油溝６２，６６については第１給油路７２，７４が互いに連通する構成を採用すれば、第１給油路７２，７４やバルブ７３等の給油機構１６の構成を簡素化することもできる。

（第３実施形態）
図１０は本発明の第３実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。
図１０に示すように、一実施形態において油溝８０は、回転軸１５の軸方向に沿って給油口８２を挟むように配置された、一対の菱形形状の油溝８０ａ，８０ｂを含んでいてもよい。その場合、油溝８０の菱形形状の周方向の回転上流側の頂点部８３ａ，８３ｂは、ピボット３８を通る直線Ｇ_２を跨る位置に配置してもよい。

（第４実施形態）
図１１は本発明の第４実施形態における軸受パッドの断面図である。図１２は本発明の第４実施形態における軸受パッドの軸受面の展開図である。図１３は油溝の加重平均位置を説明するための図である。なお、図１２は、曲率を有する軸受パッド１４を平面上に展開した図である。
図１１において、Ｇ_１は、回転軸１５の中心とピボット３８の支持点を通る直線である。図１２において、Ｃは、回転軸１５の回転方向における軸受パッド１４（軸受面１４ａ）の中央位置を通る直線である。この中央位置Ｃは回転軸１５の軸線に平行である。Ｇ_２は、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点を通り、回転軸１５の軸線と平行な直線である。矢印ａは回転軸１５の軸方向を示す。また、図１２及び図１３において、回転軸１５の回転方向をｘ軸とし、ピボット３８の支持点（支持部材の配置位置）を通る直線Ｇ_２の位置をｘ_Ｇ＝０に設定する。さらに、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２よりも回転方向下流側（図１２及び図１３では右側）を正の向き、直線Ｇ_２よりも回転方向上流側（図１２及び図１３では左側）を負の向きとしている。

一実施形態において、図１１及び図１２に示す各軸受パッド１４は、ハウジング片１２ｂの内周面に設けられたピボット３８によって揺動可能に支持されている。ピボット３８は、回転軸１５の回転方向における軸受パッド１４の中央位置Ｃに対し、回転軸１５の回転方向下流側にオフセットして配置される。なお、図１２においてピボット３８の配置位置（軸受パッド１４の支持点）は、軸受パッド１４の中央位置Ｃに対してｘ軸の正の方向にオフセットして配置されている。例えば、図１１に示すように回転方向前端１４ｂを０％とし、回転方向後端１４ｃを１００％としたとき、ピボット３８は、例えば６０％の位置に配置される。

軸受パッド１４の軸受面１４ａには、給油口８０が開口し、かつ給油口８０に連通した油溝８２が刻設されている。油溝８２は、給油口８０の回転軸１５の軸方向両側に配置された一対の菱形形状の油溝を含んでいる。この油溝８２は、油溝８２の加重平均位置Ｘ_Ａが、ピボット３８の配置位置を通る直線Ｇ_２に対して、軸受パッド１４の中央位置Ｃを基準としたピボット３８の支持点のオフセット方向にずれるように配置される。ここで、油溝８２の加重平均位置とは、回転軸１５の周方向における油溝８２の中心位置Ｃを該油溝８２の開口面積で重み付けした値であり、以下に詳述する。

図１３を用いて、油溝の構成について詳細に説明する。なお、図１３では一例として、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２の両側にそれぞれ、開口面積の異なる２つの油溝９０ａ及び油溝９０ｂが設けられた場合を示している。油溝９０ａは直線Ｇ_２よりも回転軸１５の回転方向下流側（図１３において直線Ｇ_２よりも右側）に設けられ、油溝９０ｂは直線Ｇ_２よりも回転方向上流側（図１３において直線Ｇ_２よりも左側）に設けられている。ここでは、Ｘ軸上における直線Ｇ_２の位置を原点（Ｘ_Ｇ＝０）とするので、Ｘ軸上における油溝９０ａの中心位置を示す座標Ｘ_１は正（Ｘ_１＞０）となり、Ｘ軸上における油溝９０ｂの中心位置を示す座標Ｘ_２は負（Ｘ_２＜０）となる。

本実施形態において油溝９０ａ及び油溝９０ｂは、これら２つの油溝９０ａ，９０ｂの加重平均位置Ａが、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２（ピボット３８の配置位置）に対して、軸受パッ１４の中央位置Ｃを基準としたピボット３８の支持点のオフセット方向にずれるように構成される。なお、図１３では、ピボット３８が回転軸１５の回転方向中央位置Ｃより回転方向下流側にオフセットされて配置される場合（回転方向に沿った方向がオフセット方向）を示している。この場合、油溝９０ａ及び油溝９０ｂの加重平均位置Ａが、ピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２よりも回転方向下流側にずれるように油溝９０ａ及び油溝９０ｂがそれぞれ形成される。
図示しないが、他の実施形態では、ピボット３８が、回転軸１５の中央位置Ｃより回転方向上流側にオフセットされて配置される。この場合、油溝９０ａ及び油溝９０ｂの加重平均位置がピボット３８の支持点を通る直線Ｇ_２よりも回転方向上流側にずれるように油溝９０ａ及び油溝９０ｂがそれぞれ形成される。

ティルティングパッド軸受装置１０の軸受パッド１４には、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時におけるＪＯＰ機構の作動中（すなわち潤滑油の供給中）、回転軸１５と軸受パッド１４との間に形成される油膜圧の分布（図１１参照）に応じて、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点まわりのモーメントが加わる。このモーメントは、軸受面１４ａ上の任意の位置における油膜圧と、該位置の支持点からの距離との積である局所的なモーメントを軸受面１４ａ上の全ての位置について積算したものである。この局所的なモーメントの符号は、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点の両側において逆転する。したがって、ピボット３８による軸受パッド１４の支持点の両側におけるモーメントの絶対値の大小関係により、回転軸１５と軸受パッド１４との間に形成される油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が決まる。ここで、各油溝９０ａ，９０ｂの局所的なモーメントへの寄与は、各油溝９０ａ，９０ｂの中心位置ｘ_ｉ（ｉ＝１，２）と、当該油溝９０ａ，９０ｂが作る油膜圧の大きさに影響する当該油溝９０ａ，９０ｂの開口面積Ｓ_ｉ（ｉ＝１，２）との積ｘ_ｉＳ_ｉによって表わされる。よって、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向は、基本的には、全油溝９０ａ，９０ｂについての局所的モーメントへの寄与の総和Σｘ_ｉＳ_ｉ（ｉ＝１，２）によって決まる。換言すれば、総和Σｘ_ｉＳ_ｉを全油溝の開口面積の総和ΣＳ_ｉで除して得られる値（各々の油溝の中心位置ｘ_ｉを油溝９０ａ，９０ｂの開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝の加重平均位置ｘ_Ａ）とピボット３８の位置との配置関係に応じて、油膜圧の分布に応じた正味のモーメントの方向が定まる。

上記ティルティングパッド軸受装置１０では、各々の油溝９０ａ，９０ｂの中心位置ｘ_ｉを油溝の開口面積Ｓ_ｉで重み付けした油溝９０ａ，９０ｂの加重平均位置Ｘ_Ａがピボット３８の配置位置に対してピボット３８のオフセット方向にずれるようにしたので、ピボット３８が軸受パッド１４の中央位置ｘ_Ｃに対してオフセットされていても、ピボット３８を基準として回転軸１５の回転方向上流側と下流側に作用するモーメントをバランスさせることができる。よって、回転軸１５の回転開始時又は低速回転時に、回転軸１５が傾くことを抑制し、回転軸１５と軸受パッド１４が接触することを防止できるので回転軸１５の円滑な回転が可能となる。なお、図１３では軸受面１４ａに２つの油溝９０ａ，９０ｂが設けられた場合について例示したが、油溝の数、形状、配置構成等については限定されない。

上述の実施形態によれば、油溝の加重平均位置が、ピボット３８の配置位置に対して、ピボット３８の中心位置を基準としたオフセット方向にずれるように構成することによって、ピボット３８を基準として回転軸の回転方向上流側と下流側に作用するモーメントをバランスさせることができる。よって、回転軸の回転開始時又は低速回転時に、回転軸が傾くことを抑制し、回転軸と軸受パッドが接触することを防止できるとともに、回転軸の円滑な回転が可能となる。

一実施形態では、ピボット３８の位置を境にして、ピボット３８より回転方向（図中矢印ｒ方向）上流側の軸受面１４ａに形成されるＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計と、ピボット３８より回転方向下流側の軸受面１４ａに形成されるＪＯＰによる油圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計とがバランスするように、軸受パッド１４の回転方向前端１４ｂと回転軸１５の外周面との隙間ｓ１と、軸受パッド１４の回転方向後端１４ｃと回転軸１５の外周面との隙間ｓ２とが形成されるようにしてもよい。

給油口８０及び油溝８２の回転方向位置は、ピボット３８よりさらに回転方向下流側であって、かつピボット３８より回転方向上流側領域のＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計と、ピボット３８より回転方向下流側領域のＪＯＰによる油膜圧分布Ｐのピボット周りのモーメントの総計とがバランスしたとき、隙間ｓ１が隙間ｓ２と同等となる領域に配置してもよい。給油口８０は例えば７０％の位置に配置される。

このように、給油口８０及び油溝８２をピボット３８より回転方向下流側領域に配置することにより、回転方向下流側領域の油膜厚さを確保できると共に、隙間ｓ１が隙間ｓ２より同等となる領域に配置することにより、回転方向上流側領域の油膜厚さも確保できる。こうして、軸受面１４ａの全域で均等な油膜圧を保持することも可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、ピボット３８が、軸受パッド１４の回転軸１５の回転方向における中央位置Ｃに対し、回転軸１５の回転方向下流側にオフセットして配置された場合について例示したが、ピボット３８は回転軸１５の回転方向上流側にオフセットして配置されてもよい。その場合、油溝の加重平均位置は、ピボット３８の回転方向に対する位置に対して、回転軸１５の回転方向上流側にずれて位置する。

１０ ティルティングパッド軸受装置
１２ 軸受ハウジング
１２ａ，１２ｂ ハウジング片
１４ 軸受パッド
１４ａ 軸受面
１５ 回転軸
１６ 給油機構
１８ ポンプ
２０ モータ
２２ 給油路
２４ リリーフ弁
２６ タンク
２８ａ，２８ｂ 分岐路
３０ａ，３０ｂ バルブ
３４ 給油口
３６ 油溝
３８ ピボット
４０（４０ａ，４０ｂ） 第１給油口
４２（４２ａ，４２ｂ） 第１油溝
４４（４４ａ，４４ｂ） 第２給油口
４６（４６ａ，４６ｂ） 第２油溝
５０ ポンプ
Ｐ ＪＯＰによる油膜圧分布
Ｐｒ 低圧域
Ｒ_１ 最大油膜圧領域
ｏ 潤滑油
ｐａ、ｐｂ 軸回転によるくさび状油膜の圧力分布
ｐ１〜ｐ５ 軸回転によるくさび状油膜の等圧線
ｓ１，ｓ２ 隙間
Ｓ 接触エリア

Claims (8)

1. 回転軸の周囲に配置され、前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受パッドと、
   前記複数の軸受パッドとこれら軸受パッドを支持する軸受ハウジングとの間に介在され、各軸受パッドを揺動可能に支持する支持部材と、
   前記複数の軸受パッドのうちの１個以上の軸受パッドの軸受面に形成された少なくとも１個の油溝に潤滑油を供給するように構成された給油機構とを備えたティルティングパッド軸受装置であって、
   前記少なくとも１個の油溝は、前記回転軸の停止時において前記軸受面のうち前記回転軸の外周面と接触する接触エリアの内側及び外側に設けられ、
   前記少なくとも１個の油溝の各々が、前記回転軸の回転時に前記軸受面と前記回転軸の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る等圧線に沿って設けられ、
   前記少なくとも１個の油溝は、前記油膜の前記圧力が第１圧力である位置を通る第１等圧線に沿って設けられる第１油溝と、前記油膜の前記圧力が前記第１圧力とは異なる第２圧力である位置を通る第２等圧線に沿って設けられる第２油溝とを含み、
   前記給油機構は、前記第１油溝に連通する第１給油路と、前記第２油溝に連通する第２給油路とを含み、
   前記第１給油路と前記第２給油路とは、少なくとも前記回転軸の回転時に互いに異なる圧力に維持可能に別系統として設けられたことを特徴とするティルティングパッド軸受装置。
2. 前記給油機構は、前記軸受面に形成された前記油溝としての少なくとも１個のＪＯＰ油溝に連通する給油口を介して前記ＪＯＰ油溝に潤滑油を供給するように構成され、
   前記給油口は、前記軸受面の外周縁によって囲まれた内側領域において前記軸受面に開口し、
   前記少なくとも１個のＪＯＰ油溝は、前記軸受面の前記内側領域であって、且つ、前記接触エリアの内側及び外側に設けられてい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軸受装置。
3. 前記少なくとも１個のＪＯＰ油溝は、前記接触エリアの内側から外側まで連続的に延在している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軸受装置。
4. 前記軸受面には、前記接触エリアの内側に設けられた前記ＪＯＰ油溝としての内側油溝と、前記内側油溝とは別に前記接触エリアの外側に設けられた前記ＪＯＰ油溝としての外側油溝とが形成されたことを特徴とする請求項２又は３に記載のティルティングパッド軸受装置。
5. 前記少なくとも１個のＪＯＰ油溝は、前記接触エリアの内側から外側まで連続的に延在しており、
   前記少なくとも１個のＪＯＰ油溝の各々が、前記回転軸の回転時に前記軸受面と前記回転軸の外周面との間に形成される油膜の圧力が同一である位置を通る等圧線に沿って設けら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軸受装置。
6. 前記第１等圧線に沿って設けられる複数個の前記第１油溝は、前記第１給油路を介して互いに連通するように構成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
7. 前記回転軸の周方向における各々の前記ＪＯＰ油溝の中心位置を該ＪＯＰ油溝の開口面積で重み付けした前記少なくとも１個のＪＯＰ油溝の加重平均位置が、前記支持部材の配置位置より前記回転軸の回転方向下流側にずれていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載のティルティングパッド軸受装置。
8. 前記支持部材は、前記回転軸の周方向における前記軸受パッドの中央位置よりも前記回転軸の回転方向下流側に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のティルティングパッド軸受装置。

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