JP6522880B2 - 軸受装置、回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸受パッドを備える軸受装置、及び、該軸受装置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、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。

このうち、スラスト軸受は、回転軸のスラスト方向の荷重を軸受パッドにより支持する。回転軸は、径方向外側に張り出す円盤状のスラストカラーを備えている。軸受パッドは、スラストカラーに対して回転軸の軸方向に対向するパッド面を有し、周方向に間隔をあけて複数設けられている。そして、各軸受パッドは、パッド面と反対側の背面がピボットにより揺動自在に支持されている。

このような軸受パッドのパッド面と、スラストカラーとの間には、潤滑油が介在されている。これにより、パッド面とスラストカラーとの間には油膜が形成され、この油膜が発生する圧力（油膜圧力）により、軸受パッドとスラストカラーとの間でスラスト方向の荷重の伝達が行われる。

したがって、軸受パッドは、スラスト荷重を効率的に伝達するため、パッド面がスラストカラーと平行となり、パッド面とスラストカラーとの間の油膜圧力が均一となるのが好ましい。
そこで、例えば特許文献１、２には、スラストカラーに対する傾斜を抑えるため、軸受パッドに対し、回転軸の周方向にピボット位置をオフセットさせる構成が開示されている。

特開平５−２３１４２３号公報 特表２０１２−５２９６１１号公報

しかしながら、潤滑油が十分ではない場合、軸受装置の上半部に配置された軸受パッドとスラストカラーとの間で、部分的にパッド面が油で濡れない領域が生じることがある。
図６は、軸受パッド２００のパッド面２００ａにおける油濡れ状態の例を示すものである。例えば、この図６（ａ）に示すように、回転軸の回転方向Ｒに対し、パッド面２００ａにおいて、外周側の回転方向前縁側で、油で濡れない領域Ａ１が生じる。
このような状態でロータを回転させると、図６（ｂ）に示すように、パッド面２００ａとスラストカラーとの間の油膜圧力に分布が生じ、外周側で、油膜圧力が低い領域Ａ２，Ａ３が生じる。

このようにして軸受パッドとスラストカラーとの間の油膜圧力分布が偏ると、軸受パッドが傾いてしまう。すると、軸受パッドの一部がスラストカラーに接触したり、軸受パッドとスラストとのクリアランスが過度に小さくなり、潤滑油温度の上昇、およびそれによるパッド面の温度上昇を招く。
そこでなされた本発明の目的は、軸受パッドの傾斜を抑えることによって、軸受パッドの接触や温度上昇を抑えることのできる軸受装置、回転機械を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る軸受装置は、軸線回りに回転する回転軸から径方向外側に張り出すスラストカラーに対向し、周方向に間隔をあけて複数が設けられた軸受パッドと、各前記軸受パッドを、前記スラストカラーに対向する側と反対側から点接触で揺動自在に支持する支持部材と、を備え、前記軸受パッドと前記支持部材との点接触位置が、前記軸受パッドの半径方向寸法の中央より径方向内側に位置しており、前記軸受パッドの内周縁から前記点接触位置までの距離Ｄは、前記軸受パッドの半径方向寸法Ｌに対し、０．４４Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌであることを特徴とする。

このような構成では、軸受パッドと支持部材との点接触位置、つまり軸受パッドのピボット中心よりも外周側の軸受パッドのパッド面の面積の方が、ピボット中心よりも内周側のパッド面の面積よりも大きくなる。すると、ピボット中心よりも外周側における、軸受パッドとスラストカラーとの間に介在する潤滑油の油膜圧力による荷重のモーメントが増大する。これにより、潤滑油量が少ないために、従来であれば軸受パッドが径方向外周側に傾斜していたような場合であっても、軸受パッドの傾斜が抑えられる。
なお、前記軸受パッドの内周縁から前記点接触位置までの距離Ｄは、前記軸受パッドの半径方向寸法Ｌに対し、０．４４Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌとするのが好ましい。
点接触位置を、過度に径方向内側に位置させると、軸受パッドが内周側に傾斜し、内周側のクリアランスが小さくなってしまう。したがって、距離Ｄは、半径寸法Ｌの４２％以上４８％以下とするのが好ましい。これによって軸受メタル温度の上昇を抑制することができる。

本発明に係る回転機械は、径方向外側に張り出すスラストカラーを有し、軸線周りに回転する回転軸と、上記したような軸受装置と、を備え、前記点接触位置が、前記軸受パッドの周方向において、前記軸受パッドの後縁側にオフセットしていることを特徴とする。

このような構成により、潤滑油量が少ないために、従来であれば軸受パッドが径方向外周側に傾斜していたような場合であっても、軸受パッドの傾斜が抑えられる。

本発明の軸受装置、回転機械によれば、軸受パッドの傾斜を抑えることができるので、軸受パッドの接触や温度上昇を抑えることが可能となる。

本実施形態に係る回転機械の一例としての蒸気タービンの構成を示す図である。 本実施形態に係るスラスト軸受の概略構成を示す図であり、回転軸の中心軸に沿った方向における半断面図である。 スラスト軸受の概略構成を示す図であり、回転軸の中心軸に直交する断面図である。 軸受パッドにおけるピボット位置を示す図である。 本実施形態の変形例における、スラスト軸受の軸受パッドにおけるピボット位置を示す図である。 （ａ）はパッド面において油で濡れない領域の分布を示す図であり、（ｂ）は、パッド面において油膜圧力が特に低い領域の分布を示す図である。 Ｄ／Ｌと軸受メタル温度との関係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、本発明による軸受パッド、軸受、回転機械を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではない。
まず、本発明の実施形態に係る蒸気タービン（回転機械）１００について説明する。
図１に示すように、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。

蒸気タービン１００は、タービンケーシング９０と、該タービンケーシング９０を貫通するように軸線Ｏに沿って延びる回転軸３０と、タービンケーシング９０に保持された静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼７０と、回転軸３０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部６０とを備えている。
なお、軸受部６０は、ジャーナル軸受６１及びスラスト軸受（軸受装置）６２を備えており、回転軸３０を回転可能に支持している。

図２、図３に示すように、スラスト軸受６２は、タービンの回転軸３０から径方向外周側に張り出すよう設けられ、回転軸３０と一体に例えば回転方向Ｒに回転する円盤状のスラストカラー３１を、回転軸３０の軸方向両側から挟み込むようにして回転自在に支持する。これにより、スラスト軸受６２は、回転軸３０の軸方向（スラスト方向）の荷重（変位）を支持する。
スラスト軸受６２は、軸受ケーシング２２と、軸受ケーシング２２内に等角度間隔で設けられた支持部材２３と、各々の支持部材２３に揺動可能に支持された軸受パッド２４と、を備える。

軸受ケーシング２２は、スラストカラー３１の外周側に設けられた円筒状の外周壁部２２ａと、外周壁部２２ａの一端側と他端側から、それぞれ内周側に延び、スラストカラー３１の両面３１ａ、３１ｂと間隔を隔てて対向する円環状の支持壁部２２ｂ，２２ｃと、を備えている。支持壁部２２ｂ，２２ｃは、その内径が回転軸３０の外径よりも大きく形成され、回転軸３０と干渉しないようになっている。

支持部材２３は、軸受ケーシング２２の支持壁部２２ｂ，２２ｃのそれぞれにおいて、スラストカラー３１と対向する側に、回転軸３０の周方向に等角度間隔で設けられている。各支持部材２３は、軸受ケーシング２２の支持壁部２２ｂ，２２ｃのそれぞれから、スラストカラー３１に対向する側に突出して形成されている。支持部材２３の突出方向端部、即ち、軸受パッド２４の背面との接触部は、球面形状に形成されている。

軸受パッド２４は、軸受ケーシング２２内において、スラストカラー３１の両面側に、それぞれ回転軸３０の周方向に間隔を隔てて支持部材２３と同数が設けられている。各軸受パッド２４は、その一面側に形成されたパッド面２４ｐを、スラストカラー３１に対向させて設けられている。
各軸受パッド２４は、パッド面２４ｐとは反対側の背面において、それぞれ支持部材２３に支持されて揺動自在に設けられている。支持部材２３と軸受パッド２４とは、点接触による接触状態であり、回転軸３０のスラストカラー３１とスラスト軸受６２との間にミスアライメント（回転軸３０の外周面と軸受パッド２４のパッド面２４ｐとの軸方向隙間が不均一になる）が発生した場合には、軸受パッド２４が回転軸３０に追従することができる。

各軸受パッド２４は、一定の厚さを有した扇状であり、例えば鉄、クロム鋼等から形成された裏金材２４ｈと、裏金材２４ｈの一面側の扇状面に形成された、ホワイトメタルや、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン，Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン，Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）樹脂等から形成されたパッド面２４ｐと、を有している。

図４に示すように、スラスト軸受６２は、軸受パッド２４と支持部材２３との点接触位置、つまり軸受パッド２４のピボット中心Ｐが、軸受パッド２４の半径方向寸法の中央Ｃ１より径方向内側に位置するよう、支持部材２３の位置が設定されている。

これにより、ピボット中心Ｐよりも外周側の軸受パッド２４のパッド面２４ｐの面積の方が、ピボット中心Ｐよりも内周側のパッド面２４ｐの面積よりも大きくなる。すると、ピボット中心Ｐを軸受パッド２４の半径方向寸法の中央Ｃ１に位置させた場合に比較すると、ピボット中心Ｐよりも外周側における、軸受パッド２４とスラストカラー３１との間に介在する潤滑油の油膜圧力による荷重のモーメントが増大する。
したがって、潤滑油量が少ないために、従来であれば軸受パッド２４が径方向外周側に傾斜していたような場合であっても、ピボット中心Ｐよりも外周側の油膜圧力による荷重のモーメントが増大することによって、ピボット中心Ｐの外周側と内周側とで、荷重のモーメントのバランスをとることが可能となる。その結果、軸受パッド２４の傾斜が抑えられる。

なお、軸受パッド２４の内周縁から点接触位置であるピボット中心Ｐまでの距離Ｄは、軸受パッド２４の半径方向寸法Ｌに対し、
０．４４Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌ
とするのが好ましく、
０．４２Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌ
としてもよい。
ピボット中心Ｐを、過度に径方向内側に位置させると、軸受パッド２４が内周側に傾斜し、内周側のクリアランスが小さくなってしまう。したがって、距離Ｄは、半径寸法Ｌの４４％以上又は４２％以上とするのが好ましい。

上述したようなスラスト軸受６２、および蒸気タービン１００によれば、軸受パッド２４の点接触位置であるピボット中心Ｐを、軸受パッド２４の径方向寸法の中央Ｃ１より径方向内側に位置させることによって、軸受パッド２４の傾斜を抑えることができる。これにより、軸受パッド２４のパッド面２４ｐとスラストカラー３１とのクリアランス部分における潤滑油の油膜厚さの均一化を図ることができる。
また、軸受パッド２４の外周側への傾斜を抑えることによって、軸受パッド２４のパッド面２４ｐとスラストカラー３１とのクリアランスが最も小さい部分、つまり油膜厚さが最小で、油膜圧力が最高となる位置が、より内周側に寄ることとなる。したがって、ピボット中心Ｐが、油膜圧力が最高となる位置に近くなり、油膜圧力による荷重モーメントのバランスを取りやすい。
その結果、軸受パッド２４の接触や、潤滑油温度およびメタル温度の上昇を抑えることが可能となる。

なお、上記実施形態で示した構成は、潤滑油量が少ない場合に限らず、潤滑油量が十分な場合においても適用することができる。
この場合、軸受パッド２４の外周側への傾斜を抑えることによって油膜圧力が最高となる位置が、より内周側に寄っている。また、軸受パッド２４のパッド面２４ｐとスラストカラー３１とのクリアランス部分においては、軸受パッド２４とスラストカラー３１との相対的な周速が小さい径方向内側の潤滑油が流入し易くなることにより、軸受パッド２４とスラストカラー３１との間に介在する潤滑油の温度、すなわちメタル温度を低下させることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の軸受装置、回転機械は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、図５に示すように、スラスト軸受６２の軸受パッド２４は、支持部材２３との点接触位置、つまり軸受パッド２４のピボット中心Ｐが、軸受パッド２４の半径方向寸法の中央Ｃ１より径方向内側に位置するとともに、軸受パッド２４の周方向において、軸受パッド２４の後縁側にオフセットして、支持部材２３の位置が設定されている。
ここで、ピボット中心Ｐは、軸受パッド２４の周方向の長さをＷとしたとき、軸受パッド２４の周方向の前縁２４ｆからの寸法Ｔが、０．６５Ｗ≦Ｔとなるようにするのが好ましい。

このような構成においては、潤滑油量の不足が生じた場合にも、ピボット中心Ｐよりも回転方向Ｒに対して上流側のパッド面２４ｐの面積が大きいために、潤滑油の油膜圧力による荷重のモーメントが過度に下がらない。したがって、軸受パッド２４が周方向において、ピボット中心Ｐの回転方向上流側と下流側とで、油膜圧力による荷重のモーメントのバランスがとりやすい。その結果、周方向においても、軸受パッド２４の傾きを抑えることができる。

また、上記のような軸受を備えた回転機械は、蒸気タービンに限らず、ガスタービン、ポンプ、エンジン、風力発電機、風車、水車等であってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

以下、実施例について説明する。
実施形態と同様の構成のスラスト軸受ついて、軸受パッドの内周縁から点接触位置までの距離Ｄの大きさを軸受パッドの半径方向寸法Ｌに対して変化させた際の軸受パッドの温度（軸受メタルの温度）変化のシミュレーションを行った。
より、詳細には、Ｄ＝０．３８Ｌ、０．４０Ｌ、０．４２Ｌ、０．４４Ｌ、０．４６Ｌ、０．４８Ｌ、０．５０Ｌ、０．５２Ｌの場合の軸受メタルの温度のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図７に示す。
なお、回転軸の回転数を３０００ｒｐｍとし、給油温度を４０℃とした。

図７に示す結果から、０．４２Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌの場合には、軸受メタル温度は９０°未満となり、温度上昇を抑制できることがわかった。
また、０．４４Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌの場合には、軸受メタル温度をさらに抑制できることがわかった。
なお、Ｄ＝０．４６Ｌとすることで、軸受メタル温度の温度抑制効果を最も高く得られることがわかった。
以上から、０．４２Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌ、または、０．４４Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌとすることで、軸受メタル温度の良好に抑制できることがわかった。

２２ 軸受ケーシング
２３ 支持部材
２４ 軸受パッド
２４ｐ パッド面
２４ｑ 背面
３０ 回転軸
３１ スラストカラー
３４ 各軸受パッド
４０ 静翼
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受
６２ スラスト軸受（軸受装置）
７０ 動翼
９０ タービンケーシング
１００ 蒸気タービン（回転機械）
Ｄ 距離
Ｐ ピボット中心（点接触位置）

Claims (2)

1. 軸線回りに回転する回転軸から径方向外側に張り出すスラストカラーに対向し、周方向に間隔をあけて複数が設けられた軸受パッドと、
   各前記軸受パッドを、前記スラストカラーに対向する側と反対側から点接触で揺動自在に支持する支持部材と、を備え、
   前記軸受パッドと前記支持部材との点接触位置が、前記軸受パッドの半径方向寸法の中央より径方向内側に位置しており、
   前記軸受パッドの内周縁から前記点接触位置までの距離Ｄは、前記軸受パッドの半径方向寸法Ｌに対し、
   ０．４４Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌ
   であることを特徴とする軸受装置。
2. 径方向外側に張り出すスラストカラーを有し、軸線周りに回転する回転軸と、
   請求項１に記載の軸受装置と、
   を備え、
   前記点接触位置が、前記軸受パッドの周方向において、前記軸受パッドの後縁側にオフセットしていることを特徴とする回転機械。

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