JP6503371B2 - スラスト軸受及び回転機械 - Google Patents

Description

本開示は、テーパランド型のスラスト軸受及び当該スラスト軸受を備える回転機械に関する。

回転機械の回転軸に作用する軸方向に沿った荷重（スラスト荷重）を受けるスラスト軸受の一つとして、スラストカラーに対向する軸受面にランド部とテーパ部とを有するパッドを備える、いわゆるテーパランド型スラスト軸受が知られている。テーパランド型スラスト軸受では、スラストカラーと軸受面との相対的な回転により、潤滑油がスラストカラーと軸受面との間に存在するクリアランスに引き込まれる。テーパ部は回転方向下流側に向かってクリアランスが次第に減少するように形成されるので、クリアランスに引き込まれた潤滑油の圧力は上昇しながらランド部に導かれ、スラスト荷重に対する反力が形成される。このようにして、スラスト軸受はスラスト荷重を支える。

この種のテーパランド型スラスト軸受に関する技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１では、周方向に沿ってランド部及びテーパ部を有する複数のパッドが配列されたスラスト軸受が開示されており、特にパッド表面に断熱層を設けることで、パッドが熱膨張によって変形することを防止する技術が記載されている。

特開２００６−７７８０３号公報

特許文献１では、周方向に沿ってテーパ部及びランド部を有する複数のパッドが配列されており、隣り合うパッドにおけるテーパ部とランド部との境界ラインは径方向に沿って形成されている。このような構造を有するテーパランド型スラスト軸受についてスラストカラーに対向する軸受面上における潤滑度の評価を実施した結果、クリアランスに対して潤滑油が不足している領域が存在することが見出された。このように潤滑油が不足している領域は、軸受損失の原因となってしまう。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、スラストカラーに対向するパッド上における潤滑不足領域に起因する軸受損失を低減可能なスラスト軸受及び当該スラスト軸受を備える回転機械を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るスラスト軸受は、回転軸に固定されたスラストカラーと、前記スラストカラーに対向する軸受面上に周方向に沿って設けられ、回転方向下流側に向かって前記スラストカラーとのクリアランスが減少するように形成されたテーパ部と、前記スラストカラーとの間に一定のクリアランスを有するように前記テーパ部の回転方向下流側と連続的に形成されたランド部とを有する少なくとも１の軸受パッドとを備え、前記テーパ部のうち前記スラストカラー及び前記軸受パッドの間に供給される潤滑油の流出側は、前記ランド部と連続的に形成されており、前記少なくとも１の軸受パッドの各々は、前記回転方向上流側に向かって、径方向外側の周縁部が径方向内側に近づくように形成されている。

上記（１）の構成によれば、テーパランド型スラスト軸受において、回転方向上流側の径方向外側における周縁部が径方向内側に近づくように、軸受パッドが形成される。これにより、回転方向上流側の径方向外側に生じる油不足領域を少なくできる。その結果、軸受損失が軽減され、高効率なスラストテーパ型スラスト軸受を実現できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記少なくとも１の軸受パッドは、第１の軸受パッドと、前記第１の軸受パッドより前記回転方向下流側に隣り合うように設けられた第２の軸受パッドとを含み、前記第１の軸受パッドの前記ランド部と前記第２の軸受パッドのテーパ部との間の境界ラインが、前記径方向に対して回転方向下流側に傾斜するように形成されている。

上記（２）の構成によれば、隣り合う２つの軸受パッドにおけるランド部及びテーパ部間の境界ラインが、径方向に対して回転方向下流側に傾斜するように形成される。これにより、境界ラインが径方向に平行な場合に比べて、回転方向上流側の径方向外側に生じる油不足領域が減少し、軸受損失が軽減される。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記境界ラインは、前記回転方向下流側に向かって前記径方向に対する傾斜角度が増加するように曲線形状を有する。

上記（３）の構成によれば、境界ラインが回転方向下流側に向かって径方向に対する傾斜角度が増加するように曲線状に形成される。本願発明者の鋭意研究によれば、軸受パッド上の油の流線もまた曲線上を描くことが見出された。従って、このように境界ラインを流線に対応するように曲線状にすることで、油不足領域をより効果的に削減し、軸受損失を軽減できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記境界ラインは、直線形状を有する。

上記（４）の構成によれば、境界ラインが直線状であるため、簡易な構成で軸受損失の軽減を図ることができる。これにより、加工が容易になり、コスト的に有利である。

（５）幾つかの実施形態では、上記（２）から（４）のいずれか一の構成において、前記テーパ部は、前記径方向外側に向かって前記クリアランスが減少するように形成されている。

上記（５）の構成によれば、径方向外側に向かってクリアランスが減少するようにテーパ部が形成される。これにより、回転時にスラスト軸受に導入された油が遠心力によって径方向外側に排出されるのを遅らせることができる。その結果、軸受面上の潤滑状態が向上し、軸受損失を更に低減できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記テーパ部は、前記径方向最外側における前記クリアランスが、前記ランド部におけるクリアランスと等しくなるように形成されている。

上記（６）の構成によれば、テーパ部の径方向外側がランド部と等しいクリアランスを有する。これにより、遠心力による油の径方向外側への排出をより効果的に遅らせることができる。その結果、パッド状の潤滑状態が向上し、軸受損失を更に低減できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記少なくとも１の軸受パッドは、前記回転方向上流側に向かって径方向長さが減少するように形成されている。

上記（７）の構成によれば、回転方向上流側に向かって軸受パッドの径方向長さが減少するように、スラスト軸受が形成される。これにより、軸受パッドの径方向長さが一定である場合に比べて、回転方向上流側の径方向外側に生じる油不足領域が減少し、軸受損失が軽減される。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、上記（１）から（７）のいずれか一のスラスト軸受を備えることにより、軸受損失を軽減でき、高効率が達成される。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、スラストカラーに対向するパッド上における潤滑不足領域に起因する軸受損失を低減可能なスラスト軸受及び当該スラスト軸受を備える回転機械を提供できる。

図１は本発明の一実施形態に係るスラスト軸受の軸受面を示す模式図である。 図１の変形例である。 図１の変形例である。 図３のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 本発明の一実施形態に係るスラスト軸受の軸受面を示す模式図である。 参考技術に係るスラスト軸受を備える回転機器の概略構成を示す断面図である。 図７の要部断面図である。 図７のスラスト軸受の軸受面を軸方向から示す平面図である。 図９のＩ−Ｉ線断面図である。 図９の軸受面上における潤滑油の圧力分布を示すシミュレーション結果である。 図９の軸受面上における潤滑油の充填率を示すシミュレーション結果である。 図９の軸受面上における潤滑油の流線分布を示すシミュレーション結果である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

（参考技術）
まず図７乃至図１１を参照して、参考技術に係るスラスト軸受について説明する。図７は参考技術に係るスラスト軸受を備える回転機器の概略構成を示す断面図であり、図８は図７の要部断面図であり、図９は図７のスラスト軸受の軸受面を軸方向から示す平面図であり、図１０は図９のＩ−Ｉ線断面図であり、図１１Ａは図９の軸受面上における潤滑油の圧力分布の数値計算結果であり、図１１Ｂは図９の軸受面上における潤滑油の充填率の数値計算結果であり、図１１Ｃは図９の軸受面上における潤滑油の流線分布の数値計算結果である。

回転機械１００は、参考技術に係るスラスト軸受８を備える回転機器の一例であり、例えば過給機やターボ機械である。回転機械１００はハウジング１内にロータ２を備える。ロータ２は、ロータ軸（回転軸）３、ロータ軸３の一端に設けられたコンプレッサ翼車４、ロータ軸３の略中央部に固設されたスラストカラー５、及び、ロータ軸３の他端に設けられたタービン６を有する。

ロータ２はスラストカラー５の両側に設けられた一対のジャーナル軸受７により複数箇所において支持されると共に、スラストカラー５の両軸受面に対向して設けられたスラスト軸受８によりスラスト荷重が支持されている。このように構成された回転機械１００では、一対のジャーナル軸受７はロータ２の自重を支えるだけ（竪型の場合には、自重すら加わらずに単に位置決め作用するだけ）であるのに対し、スラスト軸受８にはコンプレッサ翼車４及びタービン６の羽根に作用する空気力学的な圧力により生ずる合力の負荷荷重が加わる。

スラスト軸受８はテーパランド型スラスト軸受であり、スラストカラー５と対向する軸受面（滑り面）８ａ上に、周方向に沿って複数（図９の例では１０個）の固定型のセグメントである軸受パッド９が設けられている。各軸受パッド９は、給油ポート１０、テーパ部１１及びランド部１２が円周方向に沿って連続するように形成されている。

尚、符号１３はテーパ部１１の内周縁部１１ａ側及び外周縁部１１ｂ側を囲むシュラウド部である。

給油ポート１０は、各軸受パッド９の回転方向最下流側に径方向に沿って延在するように形成されている。給油ポート０のうち径方向内側近傍には、給油路１６に連通する給油孔１５が設けられている。給油路１６には吐出ライン１７（図７参照）を介して給油ポンプ１８から潤滑油が供給される。スラスト軸受８から排出された潤滑油は、ハウジング１の下方に設けられたオイルパン２０に貯留される。オイルパン２０は導入ライン１９を介して給油ポンプ１８に接続されており、吐出ライン１７と循環経路を構成している。

給油ポート１０から供給された潤滑油は、スラスト軸受８とスラストカラー５とが相対的に回転することにより、これらの間に存在するクリアランスに引き込まれる。このクリアランスは、テーパ部１１に対応する領域ではくさび状となり、ランド部１２に対応する領域ではこれに続く平行状となる。このようなクリアランス内では流体力学的な動的圧力が発生し、スラスト軸受８に加わる負荷荷重が支持される。

このような構成を有するスラスト軸受８について、本願発明者は、軸受面（滑り面）８ａ上における潤滑度を数値流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）分析を用いて数値解析した。その結果、軸受面（滑り面）８ａ上に少なからず潤滑度が不足している領域（以下、適宜「油不足領域３０」と称する）が存在していることが見出された。

図１１Ａによれば、軸受面８ａのうち各軸受パッド９の回転方向上流側において、回転方向下流側に比べて潤滑油の圧力が低下している。このような潤滑油の圧力低下は、特に径方向外側において顕著に表れている。

また図１１Ｂによれば、軸受面８ａのうち各軸受パッド９の回転方向上流側において、回転方向下流側に比べて潤滑油の充填率（＝クリアランスの単位容積に対する潤滑油量の割合）が低下している。このような潤滑油の充填率低下は、特に径方向外側において顕著に表れている。

また図１１Ｃによれば、軸受面８ａのうち各軸受パッド９の回転方向上流側において、回転方向下流側に比べて潤滑油の流線密度が低下している。このような潤滑油の流線密度の低下は、特に径方向外側において顕著に表れている。

以上図１１Ａ乃至図１１Ｃによれば、参考技術に係るスラスト軸受８では、軸受面８ａのうち各軸受パッド９の回転方向上流側、特に径方向外側に油不足領域３０が存在していることが見出された。このような油不足領域３０は、スラスト軸受８の軸受損失の要因となるため問題となる。これは、以下に示す本発明の幾つかの実施形態によって解消される。

（実施形態）
続いて本発明の幾つかの実施形態に係るスラスト軸受８について説明する。尚、以下の説明では、上記参考技術と共通する箇所には共通の符号を付すこととし、重複する記載は適宜省略することとする。

図１は本発明の一実施形態に係るスラスト軸受８の軸受面８ａを示す模式図であり、図２は図１の変形例であり、図３は図１の変形例であり、図４は図３のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図５は図３のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図６は本発明の一実施形態に係るスラスト軸受８の軸受面８ａを示す模式図である。
尚、本実施形態では、スラスト軸受８の軸受面上に設けられるテーパ部１１及びランド部１２の構成が異なっている点において上記参考技術と異なり、その他の構成については、特段の記載がない限りにおいて、上述の参考技術と同様である。

スラスト軸受８の軸受面８ａ上には、一対のテーパ部１１及びランド部１２からなる軸受パッド９が、回転方向に沿って複数（図１の例では４個）設けられている（紙上で構成をわかりやすく示すために、ランド部１２にはハッチングが施されている）。テーパ部１１は、回転方向下流側に向かってスラストカラー５及びスラスト軸受８間のクリアランス１４が減少するように形成されている。ランド部１２は、スラストカラー５及びスラスト軸受８間のクリアランス１４が略一定になるように形成されており、テーパ部１１の回転方向下流側と連続的に形成されている。
尚、テーパ部１１の回転方向に沿った傾斜角度は、回転方向に沿って一定であるが（すなわち、テーパ部１１の回転方向に沿った傾斜断面が直線的であるが）、これに限られない（例えばテーパ部１１の回転方向に沿った傾斜断面が凹状又は凸状の曲面であってもよい）。

軸受パッド９の各々は、回転方向上流側に向かって、径方向外側の周縁部が径方向内側に近づくように形成されている。ここで、図１において互いに隣り合う２つの軸受パッド９（ここで、説明の便宜上、上流側を第１の軸受パッド９ａ、下流側を第２の軸受パッド９ｂと称する）に着目する。各軸受パッド９の径方向外側の周縁部は、当該軸受パッド９の外周２６及び内周２７、並びに、第１の軸受パッド９ａのランド部１１ａと、第２の軸受パッド９ｂのテーパ部１１ｂとの境界ライン２５を含む。本実施形態では、このような径方向外側の周縁部のうち境界ライン２５が回転方向上流側に向かって径方向内側に近づくように形成されている。すなわち、境界ライン２５が、径方向よりも回転方向下流側に向かって傾斜するように形成されている。

また境界ライン２５は、径方向最内側において、径方向に対して傾斜角度αを有しており、且つ、径方向外側に向かって傾斜角度αが増加するように形成されている。すなわち、境界ライン２５は曲線形状を有する。図１１Ｃに示したように、軸受面８ａ上における潤滑油の流線は曲線形状を有する。図１では、境界ライン２５の形状が、このような潤滑油の流線に対応するように形成されている。これにより、図１１で示される油不足領域３０が効果的に削減され（逆に言えば、十分な潤滑油が存在するランド部１２が実質的に増加し）、スラスト軸受８の軸受損失が効果的に改善される。

また図２に示されるように、境界ライン２５は直線状に形成されてもよい。この場合、境界ライン２５が軸受面８ａにおける潤滑油の流線形状（図１１Ｃ参照）と異なるために、図１に場合に比べて油不足領域３０が少なからず残ってしまうものの、軸受構造がシンプルになるため、コスト的に有利である。

尚、図１及び図２に示されるように、各軸受パッド９におけるテーパ部１１及びランド部１２間の境界ライン２８もまた、径方向に対して傾斜角度βを有してもよい。この傾斜角度βは、上述の傾斜角度αと同じでもよいし、異なっていてもよい。

続いて図３乃至図５を参照して、他の実施形態に係るスラスト軸受８について説明する。この実施形態では、上記図１と同様に境界ライン２５が径方向に対して傾斜していることに加えて、更に、テーパ部１１におけるクリアランス１４が径方向外側に向かって減少するように形成されている点において異なる。

図４に示されるように、テーパ部１１のうち比較的回転方向上流側では、径方向最内側においてクリアランス１４がＣ１であり、径方向外側に向かってランド部１２と同等のクリアランスＣ０に収束することにより、シュラウド部１３に連続するように形成されている。一方、図５に示されるように、テーパ部１１のうち比較的回転方向下流側では、径方向最内側においてクリアランス１４がＣ２（＜Ｃ１）であり、径方向外側に向かってランド部１２と同等のクリアランスＣ０に収束することにより、シュラウド部１３に連続するように形成されている。
このようにテーパ部１１では、回転方向下流側に向かってテーパ部１１における径方向傾きが緩やかになるように形成されている。

軸受面８ａ上の潤滑油は、ロータ軸３が回転する際に遠心力を受けることにより、径方向外側に向かって流れ、シュラウド部１３に排出される。本実施形態では、クリアランス１４を径方向に沿って傾斜させることで、潤滑油の径方向外側への排出を遅らせることができる。つまり、軸受面８ａ上に留まる潤滑油の量が実質的に増加できる。これにより、軸受損失が更に効果的に低減される。

またクリアランス１４はテーパ部１１の径方向最外側においてランド部１２と同等のクリアランス１４を有するシュラウド部１３に連続するように形成されている。これにより、軸受面８ａ上に潤滑油をとどまらせながらも、シュラウド部１３への排出をスムーズにし、シュラウド部１３との境界近傍に局所的な油溜まりが形成されることを防止できる。

尚、図３乃至図５では、テーパ部１１は径方向に沿って直線状に傾斜している場合を例示したが、当該径方向に沿った傾斜面は曲面状であってもよく、更には凸状であってもよいし、凹状であってもよい。このように構成することで、遠心力によって径方向外側に向かって排出される油を軸受面に効果的に保持することができる。

続いて図６を参照して、他の実施形態に係るスラスト軸受８について説明する。このスラスト軸受８においても、各軸受パッド９は、回転方向上流側に向かって、径方向外側の周縁部が径方向内側に近づくように形成されている。本実施形態では特に、軸受パッド９の径方向外側の周縁部３２（すなわち境界ライン２５及び２８で挟まれた領域の径方向外側の縁部）が、回転方向上流側に向かって径方向内側に近づくように形成されている。すなわち軸受パッド９は、回転方向上流側に向かって径方向長さが減少するように形成されている。これにより、軸受パッド９の径方向長さが一定である場合に比べて、周縁部３２より外側の領域３４が減少する分だけ油不足領域３０が削減される。その結果、軸受損失が軽減され、効率のよいスラスト軸受８を実現できる。
尚、領域３４は、その高さがランド部１２と同じになるように構成されている。

尚、図６の例では、テーパ部１１及びランド部１２を含む軸受パッド９の全体に亘る周縁部３２が回転方向上流側に向かって径方向内側に近づくように形成した場合を示しているが、テーパ部１１に対応する周縁部３２についてのみ回転方向上流側に向かって径方向内側に近づくように形成しつつ、ランド部１２に対応する周縁部３２は径方向長さが一定になるように構成してもよい。

尚、図６では境界ライン２５及び２８は径方向に沿った直線形状を有しているが、図１及び図２のように、径方向に対してそれぞれ傾斜角度α及びβを有していてもよい。この場合、境界ライン２５及び２８は、図１のように曲線形状であってもよいし、図２のように直線形状であってもよい。更に、図３及び図５の実施形態のように、テーパ部１１は径方向外側に向かってクリアランス１４が減少するように形成されていてもよい。

本開示は、テーパランド型のスラスト軸受及び当該スラスト軸受を備える過給器に利用可能である。

１ ハウジング
２ ロータ
３ ロータ軸（回転軸）
４ コンプレッサ翼車
５ スラストカラー
６ タービン
７ ジャーナル軸受
８ スラスト軸受
８ａ 軸受面
９ 軸受パッド
１０ 給油ポート
１１ テーパ部
１２ ランド部
１３ シュラウド部
１４ クリアランス
１５ 給油孔
１６ 給油路
１７ 吐出ライン
１８ 給油ポンプ
２０ オイルパン
１９ 導入ライン
２５ 境界ライン
２６ 外周
２７ 内周
２８ 境界ライン
３０ 油不足領域
１００ 回転機械

Claims (8)

1. 回転軸に固定されたスラストカラーと、
   前記スラストカラーに対向する軸受面上に周方向に沿って設けられ、回転方向下流側に向かって前記スラストカラーとのクリアランスが減少するように形成されたテーパ部と、前記スラストカラーとの間に一定のクリアランスを有するように前記テーパ部の回転方向下流側と連続的に形成されたランド部とを有する少なくとも１の軸受パッドと
   を備え、
   前記テーパ部のうち前記スラストカラー及び前記軸受パッドの間に供給される潤滑油の流出側は、前記ランド部と連続的に形成されており、
   前記少なくとも１の軸受パッドの各々は、前記回転方向上流側に向かって、径方向外側の周縁部が径方向内側に近づくように形成されていることを特徴とするスラスト軸受。
2. 前記少なくとも１の軸受パッドは、第１の軸受パッドと、前記第１の軸受パッドより前記回転方向下流側に隣り合うように設けられた第２の軸受パッドとを含み、
   前記第１の軸受パッドの前記ランド部と前記第２の軸受パッドのテーパ部との間の境界ラインが、前記径方向に対して回転方向下流側に傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受。
3. 前記境界ラインは、前記回転方向下流側に向かって前記径方向に対する傾斜角度が増加するように曲線形状を有することを特徴とする請求項２に記載のスラスト軸受。
4. 前記境界ラインは、直線形状を有することを特徴とする請求項２に記載のスラスト軸受。
5. 前記テーパ部は、前記径方向外側に向かって前記クリアランスが減少するように形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のスラスト軸受。
6. 前記テーパ部は、前記径方向最外側における前記クリアランスが、前記ランド部におけるクリアランスと等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載のスラスト軸受。
7. 前記少なくとも１の軸受パッドは、前記回転方向上流側に向かって径方向長さが減少するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のスラスト軸受を備えることを特徴とする回転機械。

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