JP6571026B2 - ジャーナル軸受および回転機械 - Google Patents

Description

本開示は、ロータ軸を回転可能に支持するためのジャーナル軸受および回転機械に関する。

一般に、蒸気タービンやガスタービン等の回転機械に用いられる軸受装置として、ジャーナル軸受が知られている。
例えば特許文献１には、複数の軸受パッドによってロータ軸を支持するジャーナル軸受が記載されている。具体的には、特許文献１のジャーナル軸受は、キャリアリングと、キャリアリングに支持される上流側軸受パッド及び下流側軸受パッドと、各軸受パッドとロータ軸との間に潤滑油を供給する複数の給油ノズルと、を備えている。複数の給油ノズルは、上流側軸受パッドよりも上流側に配置された第１の給油ノズル（最上流ノズル）と、上流側軸受パッドの両端部に配置された第２及び第３の給油ノズルと、下流側軸受パッドの上流側端部に配置された第４の給油ノズルと、を含む。また、下半部キャリアリングの両端面にはサイドプレートが配置されており、給油ノズルから供給された潤滑油の軸受外部への漏出を抑制するようになっている。

特許第４７６４４８６号公報

ところで、特許文献１に記載されるように複数の軸受パッドを備えるジャーナル軸受においては、正常動作時、回転数の上昇に伴ってロータ軸と各軸受パッドの間にそれぞれ適正な厚さの油膜が形成され、これらの油膜圧力によってロータ軸が略直上に浮き上がるようになっている。
しかしながら、本発明者らの知見によれば、複数の軸受パッド間における負荷能力の適正なバランスを維持できないために、軸受性能が低下したり、異常振動が発生したりすることが起こり得る。例えば、上流側軸受パッドにおける油膜圧力が不足して上流側領域での十分な負荷能力を確保できず、ロータ軸が浮上する際に上流側へ寄ってしまうと、このことが異常振動の発生原因になり得る。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、複数の軸受パッド間における負荷能力のバランスを維持し、異常振動の発生を防止するとともに軸受性能を向上し得るジャーナル軸受および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幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受は、
キャリアリングと、
前記キャリアリングの下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸を下方から支持するように構成された複数の軸受パッドと、
前記ロータ軸の軸方向における前記複数の軸受パッドの両側に設けられる一対のサイドプレートと、を備え、
各々の前記サイドプレートは、
前記複数の軸受パッドのうち最上流側に位置する第１軸受パッドの上流側の周方向範囲を含む第１領域と、
前記第１領域の上流側に位置し、前記サイドプレートの内周面と前記ロータ軸の外周面との間の間隔が前記第１領域よりも大きい第２領域と、
を含む。

本発明者らによる鋭意検討の結果、最上流側に位置する第１軸受パッド（上流側軸受パッド）とロータ軸との間の油膜圧力が不足する原因として、第１軸受パッドにキャリーオーバされる潤滑油への空気の混入があることを見出した。
すなわち、各々のサイドプレートの内周面とロータ軸の外周面との間に、一対のサイドプレートによって囲まれた軸受内部空間と軸受外部とを連通させるための隙間を有するジャーナル軸受では、下流側に配置された第２軸受パッド（下流側軸受パッド）から第１軸受パッドに至る領域で該隙間から吸い込まれた空気が潤滑油に混入し得る。このため、第１軸受パッドにキャリーオーバされる潤滑油（以下、キャリーオーバ油と称する）には多くの空気が含まれ、実質の潤滑油の油量が少ないと考えられる。したがって、第１軸受パッドの上流側直前の給油ユニットと、第２軸受パッドの上流側直前の給油ユニットとの吐出油量が同じであっても、第２軸受パッドに比べて第１軸受パッドでは潤滑油不足となりやすい。また、潤滑油は非圧縮性流体であるのに対して、潤滑油に含まれる空気は圧縮性流体であるため、上流側の第１軸受パッド（特に前縁近傍）において潤滑油に含まれる気泡が押しつぶされ、第１軸受パッドの前縁側において動圧が生じにくくなる。
これにより、第１軸受パッドの負荷能力が低下し、複数の軸受パッド間における負荷能力の適正なバランスが維持できなくなる。そのため、回転数の上昇に伴いロータ軸の軸心軌跡が鉛直線上から逸れてしまい、異常振動が発生したり、軸受性能が低下したりする可能性が高くなる。

そこで、上記（１）のジャーナル軸受では、各々のサイドプレートが、複数の軸受パッドのうち最上流側に位置する第１軸受パッドの上流側の周方向範囲を含む第１領域と、第１領域の上流側に位置し、サイドプレートとロータ軸との間（具体的にはサイドプレートの内周面とロータ軸の外周面との間）の間隔が第１領域よりも大きい第２領域と、を含む構成となっている。
この構成において、サイドプレートの第２領域とロータ軸との間の間隔は比較的広いので、第２領域の周方向範囲において潤滑油は排出されやすい。そのため、回転するロータ軸に連れまわって第１領域側へ向けて搬送されるキャリーオーバ油は、第１領域に到達する前にその大部分がジャーナル軸受の外部へ排出される。
また、サイドプレートの第１領域とロータ軸との間の間隔は比較的狭いので、第１領域の周方向範囲においては潤滑油が排出され難い。そのため、一対のサイドプレートの各第１領域とロータ軸とで囲まれる空間、すなわち第１軸受パッドの上流側の空間に、潤滑油の油溜まりが形成される。この油溜まりからの潤滑油が第１軸受パッドとロータ軸との間の隙間に流れ込んで油膜を形成するため、この油膜に気泡が含有することを抑制でき、第１軸受パッドにおける油膜圧力を十分に高く維持することができる。なお、上述したように第２領域の周方向範囲においてキャリーオーバ油はその大部分が排出されるので、油溜まりまで到達するキャリーオーバ油を少なくすることができ、これによっても油溜まりの潤滑油に混入する空気量を低減できる。
これらのことから、複数の軸受パッド間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受における異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第２領域の周方向範囲内において前記キャリアリングの内周側に、前記キャリアリングから径方向内方に向かって突出して設けられ、キャリーオーバ油の下流側への流れを抑制するように構成された少なくとも一つのキャリーオーバ抑制部をさらに備える。

上記（２）の構成によれば、第２領域の周方向範囲内においてキャリアリングの内周側に、キャリアリングから径方向内方に向かって突出したキャリーオーバ抑制部が設けられている。このキャリーオーバ抑制部によって、キャリーオーバ油が第２領域よりも下流側へ流れることが抑制されるので、第１領域の周方向範囲に形成された油溜まりに流入するキャリーオーバ油量を低減することができる。よって、第１軸受パッドとロータ軸との間の油膜に空気が混入することをより効果的に抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記第１領域の周方向範囲内において前記第１軸受パッドの上流側に設けられ、前記第１軸受パッドに潤滑油を供給するための少なくとも一本の第１給油ユニットをさらに備える。

上記（３）の構成によれば、第１領域の周方向範囲内において第１軸受パッドの上流側に位置する第１給油ユニットによって、第１軸受パッドの上流側に確実に油溜まりを形成することができる。そのため、気泡の混入がない又は少ない油溜まりを第１軸受パッドの上流側に形成し、かかる油溜まりから第１軸受パッドに潤滑油を供給することで、潤滑油への気泡混入に起因した第１軸受パッドの負荷能力の低減を抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記第２領域の周方向範囲内において、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する第２軸受パッドの下流側に設けられ、前記第２軸受パッドの後縁側に潤滑油を供給するための第２給油ユニットをさらに備える。

上記（４）の構成のように、第２給油ユニットが、最下流側パッド（第２軸受パッド）よりも下流側に設けられている場合、第２給油ユニットから第２軸受パッドの後縁側に供給された潤滑油は、キャリーオーバ油として第１軸受パッド側へ搬送されやすい。この点、上記（４）の構成では、第２給油ユニットが第２領域の周方向範囲内に設けられているので、第２給油ユニットから供給された潤滑油の大部分は、サイドプレートとロータ軸との間の隙間から外部へ排出される。そのため、第２給油ユニットから供給された潤滑油がキャリーオーバ油として第１軸受パッドまで到達することを抑制できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記第１領域の下流側端は、前記第１軸受パッドの後縁よりも下流側に位置する。

上記（５）の構成によれば、第１軸受パッドの上流側及び該第１軸受パッドの周方向範囲内ではサイドプレートとロータ軸との間の間隔が比較的狭いので、油溜まりおよび第１軸受パッドに保持される潤滑油量を十分に確保することができる。よって、第１軸受パッドにおける油膜圧力を高く維持することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記第１領域の下流側端および前記第２領域の上流側端の角度位置θは、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する第２軸受パッドの張り角をαとし、前記第２軸受パッドの後縁の角度位置をθ_ＴＥとしたとき、θ_ＴＥ−０．２５α≦θ≦θ_ＴＥ＋０．２５αを満たす。

上記（６）の構成では、第１領域の下流側端および第２領域の上流側端が、複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する第２軸受パッドの後縁付近に位置している。すなわち、サイドプレートとロータ軸との間の隙間が比較的狭い第１領域の周方向範囲が、複数の軸受パッドが設けられた領域を概ねカバーしており、各軸受パッドに保持される潤滑油量を十分に確保できる。また、サイドプレートとロータ軸との間の隙間が比較的広い第２領域の周方向範囲が、第２軸受パッドの後縁付近から始まっている。そのため、第２軸受パッドの直ぐ下流側において、第２領域におけるサイドプレートとロータ軸との間の比較的広い隙間から潤滑油を排出することで、キャリーオーバ油を効果的に減らすことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
各々の前記サイドプレートは、前記間隔が第１間隔で一定である前記第１領域を形成する下半部と、前記間隔が第２間隔で一定である前記第２領域を形成する上半部と、を含む。

上記（７）の構成では、一対のサイドプレートのそれぞれが、上半部および下半部を含む半割構造となっている。そのため、各サイドプレートの製造および取付けの作業性向上が図れる。なお、上半部及び下半部が占める角度範囲は特に限定されないが、例えば、上半部及び下半部がそれぞれ１８０度の角度範囲にわたって設けられていてもよい。
また、上半部および下半部は、それぞれ、ロータ軸との間に一定の隙間を形成するようになっており、上半部とロータ軸の間の第１隙間と、下半部とロータ軸の間の第２隙間とは間隔が異なっている。すなわち、第１領域を形成する下半部と、第２領域を形成する上半部とは別体で形成されているため、間隔の異なる第１隙間および第２隙間の調整が容易である。

（８）一実施形態では、上記（７）の構成において、
各々の前記サイドプレートは、前記下半部と前記上半部との接合面が水平面に対して傾斜している。

上記（８）の構成によれば、各軸受パッド、油溜まり、および軸受内部空間と外部空間とを連通する隙間のそれぞれの配置の自由度を向上させることができる。
またこの構成において、下半部の上流側の方がその下流側よりも上方に位置するように各々のサイドプレートを配置すれば、第１軸受パッドの直ぐ上流側における第１領域の延設範囲を広げることができ、第１軸受パッドの上流側における油溜まりが形成される領域を拡大できる。一方、最下流側パッドの直ぐ下流側まで第２領域の延設範囲を広げることができ、最下流側パッドの直ぐ下流側において、ロータ軸とサイドプレートとの間の隙間から潤滑油を外部に排出し、キャリーオーバ油を効果的に減らすことができる。

（９）一実施形態では、上記（８）の構成において、
前記接合面の前記水平面に対する傾斜角は、５度以上４５度以下である。

上記（９）の構成によれば、サイドプレートの上半部及び下半部の接合面の傾斜角を上記範囲内に設定することで、第１領域及び第２領域を適切に配置し、第１軸受パッドの上流側の油溜まり領域を広く確保するとともに、最下流側パッドの直ぐ下流側における潤滑油の排出を促進し、キャリーオーバ油を効果的に減らすことができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、
前記第１領域における前記間隔をＧ_１とし、前記第２領域における前記間隔をＧ_２とし、前記サイドプレートの内径をＤとしたとき、Ｇ_１≦０．０１Ｄ、且つ、Ｇ_２≧０．０２Ｄを満たす。

上記（１０）の構成によれば、第１領域におけるサイドプレートの内周面とロータ軸の外周面との間隔をＧ_１と、第２領域におけるサイドプレートの内周面とロータ軸の外周面との間隔をＧ_２とを、上記範囲内に設定することにより、油溜まりの形成およびキャリーオーバ油の排出をより効果的に行うことができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
各々の前記サイドプレートは、隣接する一対の前記軸受パッド間の周方向位置において、潤滑油を排出するための少なくとも一つの開口を有する。

上記（１１）の構成によれば、軸受パッド間において開口から潤滑油が排出されるので、軸受パッド間に潤滑油が溜まってロータ軸の撹拌抵抗が増大してしまうことを回避できる。

（１２）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る回転機械は、
上記（１）乃至（１１）の何れか一に記載のジャーナル軸受と、
前記ジャーナル軸受によって支持されるロータ軸と、
を備える。

上記（１２）の回転機械によれば、異常振動が発生しにくく且つ優れた軸受性能を有するジャーナル軸受を備えているので、信頼性の高い回転機械を提供することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、第２領域の周方向範囲においてキャリーオーバ油が積極的に軸受外部へ排出され、第１領域の周方向範囲において油溜まりが形成される。この油溜まりからの潤滑油が第１軸受パッドとロータ軸との間の隙間に流れ込んで油膜を形成するので、この油膜には気泡が殆ど含まれず、第１軸受パッドにおける油膜圧力を十分に高く維持することができる。よって、複数の軸受パッド間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受における異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。

一実施形態に係るジャーナル軸受の軸方向に沿った断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視図である。 一実施形態に係るサイドプレート及び給油ユニットを説明するための概略図（図３に対応）である。 一実施形態に係るサイドプレートの構成を説明するための概略図（図３に対応）である。 一実施形態に係るサイドプレートの他の構成を説明するための概略図（図３に対応）である。 他の実施形態に係るサイドプレートの構成を説明するための概略図である。 さらに他の実施形態に係るサイドプレートの構成を説明するための概略図である。

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。

最初に、図１〜図３を参照して、幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受１０の全体構成について説明する。
図１は、一実施形態に係るジャーナル軸受１０の軸方向に沿った断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ矢視図である。なお、図２及び図３は、ロータ軸２の軸方向に直交する面を示している。

本実施形態の説明において、「軸方向」は、ジャーナル軸受１０に支持されるロータ軸２の中心軸線Ｏの方向であり、「径方向」はロータ軸２の半径方向であり、「周方向」はロータ軸２の周方向である。なお、「周方向」は、キャリアリング１２，１３の周方向であってもよいし、サイドプレート１７，１８の周方向であってもよい。さらに、本実施形態において「上流側」又は「下流側」とは、ロータ軸２の回転方向における上流側又は下流側のことを言う。

図１〜図３に示す実施形態において、ジャーナル軸受１０は、潤滑方式（給油方式）として直接潤滑方式を採用した構成を備えており、下半領域に第１軸受パッド３０及び第２軸受パッド３２が配置された構成を有している。例えば、ジャーナル軸受１０は、ティルティングパッド軸受である。
以下、図示されるジャーナル軸受１０について例示的に説明するが、本実施形態に係るジャーナル軸受１０はこの構成に限定されるものではない。例えば、他の実施形態においては、上半領域にもさらに２個の軸受パッドが配置され、周方向に計４個の軸受パッドが取り付けられた構成であってもよいし、下半領域に３個以上の軸受パッドが取り付けられた構成であってもよい。但し、何れの構成においても、ジャーナル軸受１０の作動中は主として下半領域の軸受パッドがロータ軸２の荷重を支持するようになっている。

幾つかの実施形態において、ジャーナル軸受１０は、キャリアリング１１と、キャリアリング１１の下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸２を下方から支持するように構成された複数の軸受パッド３０，３２と、ロータ軸２の軸方向における複数の軸受パッド３０，３２の両側に設けられる一対のサイドプレート１７，１８と、を備える。

以下、ジャーナル軸受１０の各部材の具体的な構成例について説明する。
キャリアリング１１は、不図示の軸受ケーシングに支持されており、上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３を含む。上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３は、それぞれ、軸方向に直交する断面が半円弧状となるような内周面及び外周面を有している。なお、図示される例では、キャリアリング１１が上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３に分割された構成を示しているが、キャリアリング１１は一体構造であってもよいし、３以上に分割された構成であってもよい。

キャリアリング１１の軸方向の両端側には、ロータ軸２の外周に沿って、一対のサイドプレート１７，１８が配置されている。サイドプレート１７，１８は、円板状に形成されており、中央にロータ軸２が貫通する穴が形成されている。これらのサイドプレート１７，１８によって、後述する給油ユニット２５〜２９から供給される潤滑油の外部への漏出を適度に抑制するようになっている。

図１に示すように、上半部キャリアリング１２は、主としてロータ軸２の跳ね上がりを上方から押え込むために、内周面にガイドメタル（半円環軸受部）２０，２１が取り付けられていてもよい。例えば、上半部キャリアリング１２の軸方向の両端側で且つサイドプレート１７，１８よりも軸方向において内側に、一対のガイドメタル２０，２１が取り付けられている。ガイドメタル２０，２１は、半円形状に形成されている。
このように、上半部キャリアリング１２の内周側にガイドメタル２０，２１が設けられることで、ガイドメタル２０，２１によってロータ軸２の跳ね上がりを押さえ込むことができ、ロータ軸２の跳ね上がりによる部品の破損等を防止できる。なお、キャリアリング１１が、上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３に分割された構造ではなく一体構造である場合、あるいは３以上に分割された構造である場合、ガイドメタル２０，２１は、キャリアリング１１の上半領域に設けられていればよい。

上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３には、少なくとも一本の給油ユニット２５〜２９が設けられている。例えば、給油ユニット２５〜２９は、給油ノズルである。
図２に示す例では、ロータ軸２が図中矢印Ｓに示すように時計回りに回転する場合、ロータ軸２の回転方向Ｓにおいて上流側から給油ユニット（後述する第１給油ユニット）２５、給油ユニット（後述する第１給油ユニット）２６、給油ユニット２７、給油ユニット２８、給油（後述する第２給油ユニット）２９を含む計５本の給油ユニットが設けられている。
具体的には、給油ユニット２５，２６は、最上流に位置する第１軸受パッド３０よりも上流側に、周方向に並んで配置されている。給油ユニット２７，２８は、第１軸受パッド３０と、該第１軸受パッド３０よりも下流側に位置する第２軸受パッド３２との間に、周方向に並んで配置されている。給油ユニット２９は、第２軸受パッド３２よりも下流側に配置されている。

キャリアリング１１の内部には、潤滑油供給路（不図示）が形成されている。潤滑油供給路に供給された潤滑油は各給油ユニット２５〜２９に送られて、各給油ユニット２５〜２９から軸受パッド３０，３２の近傍に噴出される。

第１軸受パッド３０および第２軸受パッド３２は、下半部キャリアリング１３の内周側に設けられ、ロータ軸２を下方から支えるように構成されている。
第１軸受パッド３０は、下半部キャリアリング１３の内周側においてロータ軸２の外周に沿って設けられている。
第２軸受パッド３２は、下半部キャリアリング１３の内周側において第１軸受パッド３０よりもロータ軸２の回転方向Ｓの下流側にロータ軸２の外周に沿って設けられている。
このように、下半部キャリアリング１３に第１軸受パッド３０および第２軸受パッド３２が設けられているので、第１軸受パッド３０および第２軸受パッド３２によってロータ軸２を適切に支持できる。

なお、キャリアリング１１が、上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３に分割された構造ではなく一体構造である場合、あるいは３以上に分割された構造である場合、第１軸受パッド３０および第２軸受パッド３２は、キャリアリング１１の下半領域に設けられていればよい。

次に、図２〜図６を参照して、サイドプレート１７，１８とのその周辺構造の具体的な構成について説明する。
なお、図４は、一実施形態に係るサイドプレート１７，１８及び給油ユニット２５〜２９を説明するための概略図である。図５は、一実施形態に係るサイドプレート１７，１８の構成を説明するための概略図である。図６は、一実施形態に係るサイドプレート１７，１８の他の構成を説明するための概略図である。図４〜図６は、何れも図３に対応した図であるが、これらの図においてキャリーオーバ抑制部３４，３６は省略している。

幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受１０では、図４〜図６に例示的に示すように、ロータ軸２の軸方向（中心軸線Ｏに沿った方向）における複数の軸受パッド３０，３２の両側に一対のサイドプレート１７，１８が設けられており、各々のサイドプレート１７，１８が、複数の軸受パッド３０，３２のうち最上流側に位置する第１軸受パッド３０の上流側の周方向範囲を含む第１領域と、第１領域の上流側に位置し、サイドプレート１７，１８の内周面とロータ軸２の外周面との間の間隔が第１領域よりも大きい第２領域と、を含む。言い換えれば、このジャーナル軸受１０では、各々のサイドプレート１７，１８の第２領域とロータ軸２との間の第２隙間４２が、各々のサイドプレート１７，１８の第１領域とロータ軸２との間の第１隙間４０よりも大きい。

本発明者らによる鋭意検討の結果、最上流側に位置する第１軸受パッド３０とロータ軸２との間の油膜圧力が不足する原因として、第１軸受パッド３０にキャリーオーバされる潤滑油への空気の混入があることを見出した。
すなわち、各々のサイドプレート１７，１８の内周面とロータ軸２の外周面との間に、一対のサイドプレート１７，１８によって囲まれた軸受内部空間と軸受外部とを連通させるための隙間４０，４２を有するジャーナル軸受１０では、下流側の第２軸受パッド３２から上流側の第１軸受パッド３０に至る領域で該隙間４０，４２から吸い込まれた空気が潤滑油に混入し得る。このため、第１軸受パッド３０にキャリーオーバされる潤滑油には多くの空気が含まれ、実質の潤滑油の油量が少ないと考えられる。したがって、第１軸受パッド３０の上流側直前の給油ユニット２５，２６と、第２軸受パッド３２の上流側直前の給油ユニット２７，２８との吐出油量が同じであっても、第２軸受パッド３２に比べて第１軸受パッド３０では潤滑油不足となりやすい。また、潤滑油は非圧縮性流体であるのに対して、潤滑油に含まれる空気は圧縮性流体であるため、第１軸受パッド３０（特に前縁近傍）において潤滑油に含まれる気泡が押しつぶされ、第１軸受パッド３０の前縁３０ａ側において動圧が生じにくくなる。
これにより、第１軸受パッド３０の負荷能力が低下し、複数の軸受パッド３０，３２間における負荷能力の適正なバランスが維持できなくなる。そのため、回転数の上昇に伴いロータ軸２の軸心軌跡が鉛直線上から逸れてしまい、異常振動が発生したり、軸受性能が低下したりする可能性が高くなる。

そこで、上記実施形態に係るジャーナル軸受１０では、各々のサイドプレート１７，１８が、複数の軸受パッド３０，３２のうち最上流側に位置する第１軸受パッド３０の上流側の周方向範囲を含む第１領域と、第１領域の上流側に位置し、サイドプレート１７，１８とロータ軸２との間（具体的にはサイドプレート１７，１８の内周面とロータ軸２の外周面との間）の間隔が第１領域よりも大きい第２領域と、を含む構成となっている。
この構成において、サイドプレート１７，１８の第２領域とロータ軸２との間の間隔（第２隙間４２）は比較的広いので、第２領域の周方向範囲において潤滑油は排出されやすい。そのため、回転するロータ軸２に連れまわって第１領域側へ向けて搬送されるキャリーオーバ油は、第１領域に到達する前にその大部分がジャーナル軸受１０の外部へ排出される。
また、サイドプレート１７，１８の第１領域とロータ軸２との間の間隔は比較的狭いので、第１領域の周方向範囲においては潤滑油が排出され難い。そのため、一対のサイドプレート１７，１８の各第１領域とロータ軸２とで囲まれる空間、すなわち第１軸受パッド３０の上流側の空間に、潤滑油の油溜まりが形成される。この油溜まりからの潤滑油が第１軸受パッド３０とロータ軸２との間の隙間に流れ込んで油膜を形成するため、この油膜に気泡が含有することを抑制でき、第１軸受パッド３０における油膜圧力を十分に高く維持することができる。なお、上述したように第２領域の周方向範囲においてキャリーオーバ油はその大部分が排出されるので、油溜まりまで到達するキャリーオーバ油を少なくすることができ、これによっても油溜まりの潤滑油に混入する空気量を低減できる。
これらのことから、複数の軸受パッド３０，３２間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受１０の異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。

図２及び図３に例示的に示すように、幾つかの実施形態では、第２領域の周方向範囲内においてキャリアリング１２，１３の内周側に、キャリアリング１２，１３から径方向内方に向かって突出して設けられ、キャリーオーバ油の下流側への流れを抑制するように構成された少なくとも一つのキャリーオーバ抑制部３４，３６をさらに備える。
具体的には、キャリーオーバ抑制部３４，３６は、一対のサイドプレート１７，１８の間の少なくとも一部において軸方向に延在している。あるいは、図１に示すようにジャーナル軸受１０がガイドメタル２０，２１を備える場合、少なくとも一つのキャリーオーバ抑制部３４，３６は、一対のガイドメタル２０，２１間に設けられていてもよい。
また、キャリーオーバ抑制部３４，３６は、ロータ軸２の回転に伴って下流側へ流れるキャリーオーバ油を堰き止めるためのダム、又は、ロータ軸２の回転に伴って第１領域の周方向範囲に侵入しようとするキャリーオーバ油をロータ軸２からそぎ落とすためのスクレーパであってもよい。例えば、第２領域の周方向範囲のうち第２軸受パッド３２に近い位置に、キャリーオーバ抑制部３４としてのダムが設けられ、第２領域の周方向範囲のうち第１軸受パッド３０に近い位置に、キャリーオーバ抑制部３６としてのスクレーパが設けられる。

図２及び図３に示す実施形態では、一のキャリーオーバ抑制部３４は、第２軸受パッド３２の後縁３２ｂの下流側に設けられている。より具体的には、キャリーオーバ抑制部３４は、最下流の給油ユニット（後述する第２給油ユニット）２９の下流側であり給油ユニット２９の近傍に設けられていてもよい。
他のキャリーオーバ抑制部３６は、第１軸受パッド３０の前縁３０ａの上流側に設けられている。より具体的には、キャリーオーバ抑制部３６は、最上流の給油ユニット（後述する第１給油ユニット）２５の上流側であり給油ユニット２５の近傍に設けられていてもよい。

上記実施形態では、第２領域の周方向範囲内においてキャリアリング１２，１３の内周側に、キャリアリング１２，１３から径方向内方に向かって突出したキャリーオーバ抑制部３４，３６が設けられている。このキャリーオーバ抑制部３４，３６によって、キャリーオーバ油が第２領域よりも下流側へ流れることが抑制されるので、第１領域の周方向範囲に形成された油溜まりに流入するキャリーオーバ油量を低減することができる。よって、第１軸受パッド３０とロータ軸２との間の油膜に空気が混入することをより効果的に抑制できる。

図２及び図４に示すように、一実施形態におけるジャーナル軸受１０は、第１領域の周方向範囲内において第１軸受パッド３０の上流側に設けられ、第１軸受パッド３０に潤滑油を供給するための少なくとも一本の第１給油ユニット２５，２６をさらに備える。図示される構成例では、２本の第１給油ユニット２５，２６が周方向に配列されている。

上記実施形態によれば、第１領域の周方向範囲内において第１軸受パッド３０の上流側に位置する第１給油ユニット２５，２６によって、第１軸受パッド３０の上流側に確実に油溜まりを形成することができる。そのため、気泡の混入がない又は少ない油溜まりを第１軸受パッド３０の上流側に形成し、かかる油溜まりから第１軸受パッド３０に潤滑油を供給することで、潤滑油への気泡混入に起因した第１軸受パッド３０の負荷能力の低減を抑制することができる。

一実施形態では、第２領域の周方向範囲内において、複数の軸受パッド３０，３２のうち最下流側に位置する第２軸受パッド３２の下流側に設けられ、第２軸受パッド３２の後縁３２ｂ側に潤滑油を供給するための第２給油ユニット２９をさらに備える。

上記実施形態のように、第２給油ユニット２９が、最下流側に位置する第２軸受パッド３２よりも下流側に設けられている場合、第２給油ユニット２９から第２軸受パッド３２の後縁側に供給された潤滑油は、キャリーオーバ油として第１軸受パッド３０側へ搬送されやすい。この点、上記構成では、第２給油ユニット２９が第２領域の周方向範囲内に設けられているので、第２給油ユニット２９から供給された潤滑油の大部分は、サイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の隙間から外部へ排出される。そのため、第２給油ユニット２９から供給された潤滑油がキャリーオーバ油として第１軸受パッド３０まで到達することを抑制できる。

図４に示すように、第１領域の下流側端は、第１軸受パッド３０の後縁３０ｂよりも下流側に位置していてもよい。なお、第１軸受パッド３０において、前縁３０ａは上流側に位置する縁部であり、後縁３０ｂは下流側に位置する縁部である。
この構成によれば、第１軸受パッド３０の上流側及び該第１軸受パッド３０の周方向範囲内ではサイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の間隔が比較的狭いので、油溜まりおよび第１軸受パッド３０に保持される潤滑油量を十分に確保することができる。よって、第１軸受パッド３０における油膜圧力を高く維持することができる。

図５を参照して、一実施形態に係るジャーナル軸受１０は、第１領域の下流側端および第２領域の上流側端の角度位置θは、複数の軸受パッド３０，３２のうち最下流側に位置する第２軸受パッド３２の張り角をαとし、第２軸受パッド３２の後縁３２ｂの角度位置をθ_ＴＥとしたとき、θ_ＴＥ−０．２５α≦θ≦θ_ＴＥ＋０．２５αを満たす。なお、第２軸受パッド３２において、前縁３２ａは上流側に位置する縁部であり、後縁３２ｂは下流側に位置する縁部である。

上記実施形態では、第１領域の下流側端および第２領域の上流側端が、複数の軸受パッド３０，３２のうち最下流側に位置する第２軸受パッド３２の後縁３２ｂ付近に位置している。すなわち、サイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の隙間が比較的狭い第１領域の周方向範囲が、複数の軸受パッド３０，３２が設けられた領域を概ねカバーしており、各軸受パッド３０，３２に保持される潤滑油量を十分に確保できる。また、サイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の隙間が比較的広い第２領域の周方向範囲が、第２軸受パッド３２の後縁３２ｂ付近から始まっている。そのため、第２軸受パッド３２の直ぐ下流側において、第２領域におけるサイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の比較的広い第２隙間４２から潤滑油を排出することで、キャリーオーバ油を効果的に減らすことができる。

図３〜図６に示す実施形態では、各々のサイドプレート１７，１８は、サイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の間隔が第１間隔（第１隙間４０の大きさ）で一定の第１領域を形成する下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂ（単に下半部と称する場合もある）と、サイドプレート１７，１８とロータ軸２との間の間隔が第２隙間４２で一定の第２領域を形成する上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａ（単に上半部と称する場合もある）と、を含む。

上記実施形態では、一対のサイドプレート１７，１８のそれぞれが、上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａおよび下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂを含む半割構造となっている。そのため、各サイドプレート１７，１８の製造および取付けの作業性向上が図れる。なお、上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａ及び下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂが占める角度範囲は特に限定されないが、例えば、上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａ及び下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂがそれぞれ１８０度の角度範囲にわたって設けられていてもよい。
また、上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａおよび下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂは、それぞれ、ロータ軸２との間に一定の隙間を形成するようになっており、上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａとロータ軸２の間の第１隙間４０（第１間隔）と、下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂとロータ軸２の間の第２隙間４２（第２間隔）とは間隔が異なっている。すなわち、第１領域を形成する下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂと、第２領域を形成する上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａとは別体で形成されているため、間隔の異なる第１隙間４０および第２隙間４２の調整が容易である。

また、図５に示す実施形態では、各々のサイドプレート１７，１８は、下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂと上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａとの接合面５０が水平面に対して傾斜している。なお、図５には、水平方向がＸ軸であり、鉛直方向がＹ軸である座標系を示している。
同図において、下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂ及び上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａは、それぞれ、中心角が１８０度の半円環形状をなしており、互いの接合面５０が、水平面を表すＸ軸に対して傾斜している。
これにより、各軸受パッド３０，３２、油溜まり、および軸受内部空間と外部空間とを連通する隙間４２のそれぞれの配置の自由度を向上させることができる。

また、上記実施形態において、下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂの上流側の方がその下流側よりも上方に位置するように各々のサイドプレート１７，１８を配置すれば、第１軸受パッド３０の直ぐ上流側における第１領域の延設範囲を広げることができ、第１軸受パッド３０の上流側における油溜まりが形成される領域を拡大できる。一方、最下流側パッド（図では第２軸受パッド３２）の直ぐ下流側まで第２領域の延設範囲を広げることができ、最下流側パッドの直ぐ下流側において、ロータ軸２とサイドプレート１７，１８との間の隙間４２から潤滑油を外部に排出し、キャリーオーバ油を効果的に減らすことができる。

さらに、上記実施形態において、接合面５０の水平面（図５のＸ軸）に対する傾斜角βは、５度以上４５度以下であってもよい。
このように、上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａと下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂの接合面５０の傾斜角βを上記範囲内に設定することで、第１領域及び第２領域を適切に配置し、第１軸受パッド３０の上流側の油溜まり領域を広く確保するとともに、最下流側パッド（図では第２軸受パッド３２）の直ぐ下流側における潤滑油の排出を促進し、キャリーオーバ油を効果的に減らすことができる。

図６に示すように、一実施形態では、第１領域における間隔（第１隙間４０の大きさ）をＧ_１とし、第２領域における間隔（第２隙間４２の大きさ）をＧ_２とし、サイドプレート１７，１８の内径をＤとしたとき、Ｇ_１≦０．０１Ｄ、且つ、Ｇ_２≧０．０２Ｄを満たす。なお、サイドプレート１７，１８の内径Ｄとは、サイドプレート１７，１８のうちロータ軸２を囲む内周縁と、サイドプレート１７，１８の中心軸との距離である。

上記実施形態によれば、第１領域におけるサイドプレート１７，１８の内周面とロータ軸２の外周面との間隔をＧ_１と、第２領域におけるサイドプレート１７，１８の内周面とロータ軸２の外周面との間隔をＧ_２とを、上記範囲内に設定することにより、油溜まりの形成およびキャリーオーバ油の排出をより効果的に行うことができる。

図２に示すように、一実施形態において各々のサイドプレート１７，１８は、隣接する一対の軸受パッド３０，３２間の周方向位置において、潤滑油を排出するための少なくとも一つの開口５２を有する。例えば、開口５２は、ロータ軸２の軸方向に沿って、軸受内部空間と軸受外部空間とを連通するように延設される。
上記構成によれば、軸受パッド間において開口５２から潤滑油が排出されるので、軸受パッド３０，３２間に潤滑油が溜まってロータ軸２の撹拌抵抗が増大してしまうことを回避できる。

上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、第２領域の周方向範囲においてキャリーオーバ油が積極的に軸受外部へ排出され、第１領域の周方向範囲において油溜まりが形成される。この油溜まりからの潤滑油が第１軸受パッド３０とロータ軸２との間の隙間に流れ込んで油膜を形成するので、この油膜には気泡が殆ど含まれず、第１軸受パッド３０における油膜圧力を十分に高く維持することができる。よって、複数の軸受パッド３０，３２間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受１０の異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。

なお、図１に示すように、本実施形態に係るジャーナル軸受１０が適用される回転機械１としては、ガスタービンや蒸気タービン（例えば原子力プラントの蒸気タービン）や機械駆動用タービン等のタービン、風力発電装置等の風力機械、送風機、過給機、又は圧縮機などが挙げられる。

ここで、回転機械１は、回転駆動されるロータ軸２と、ロータ軸２を収容する軸受ハウジング（不図示）と、ロータ軸２を支持するためのジャーナル軸受１０と、を備える。
この回転機械１によれば、異常振動が発生しにくく且つ優れた軸受性能を有するジャーナル軸受１０を備えているので、信頼性の高い回転機械１を提供することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した実施形態では、中心角が１８０度の半円環形状を有するサイドプレート１７，１８を備えたジャーナル軸受１０について説明したが、サイドプレート１７，１８の構成はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示す実施形態では、サイドプレートは、中心角が１８０度より大きい上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａと、中心角が１８０度より小さい下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂと、を有する半割形状となっている。あるいは、図８に示す実施形態では、サイドプレートは、第１領域を含む下半部サイドプレート１７Ｂ，１８Ｂと、第２領域を含む上半部サイドプレート１７Ａ，１８Ａと、第１領域及び第２領域の何れも含まない他のサイドプレート１７Ｃ，１８Ｃと、を備える３分割形状となっている。

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。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
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」、「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。

１ 回転機械
２ ロータ軸
１０ ジャーナル軸受
１２ 上半部キャリアリング
１３ 下半部キャリアリング
１７，１８ サイドプレート
１７Ａ，１８Ａ 上半部サイドプレート
１７Ｂ，１８Ｂ 下半部サイドプレート
２０，２１ ガイドメタル
２５，２６ 第１給油ユニット
２７，２８ 給油ユニット
２９ 第２給油ユニット
３０ 第１軸受パッド
３２ 第２軸受パッド
３４，３６ キャリーオーバ抑制部
４０ 第１隙間
４２ 第２隙間
５０ 接合面
５２ 開口

Claims (12)

1. キャリアリングと、
   前記キャリアリングの下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸を下方から支持するように構成された複数の軸受パッドと、
   前記ロータ軸の軸方向における前記複数の軸受パッドの両側に設けられる一対のサイドプレートと、を備え、
   各々の前記サイドプレートは、
   前記複数の軸受パッドのうち最上流側に位置する第１軸受パッドの上流側の周方向範囲を含む第１領域と、
   前記第１領域の上流側に位置し、前記サイドプレートの内周面と前記ロータ軸の外周面との間の間隔が前記第１領域よりも大きい第２領域と、
   を含み、
   各々の前記サイドプレートは、
   前記第１領域を形成する下半部と、
   前記下半部よりも内径が大きく、前記第２領域を形成する上半部と、
   を含む
   ことを特徴とするジャーナル軸受。
2. 前記第２領域の周方向範囲内において前記キャリアリングの内周側に、前記キャリアリングから径方向内方に向かって突出して設けられ、キャリーオーバ油の下流側への流れを抑制するように構成された少なくとも一つのキャリーオーバ抑制部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受。
3. 前記第１領域の周方向範囲内において前記第１軸受パッドの上流側に設けられ、前記第１軸受パッドに潤滑油を供給するための少なくとも一本の第１給油ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のジャーナル軸受。
4. 前記第２領域の周方向範囲内において、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する第２軸受パッドの下流側に設けられ、前記第２軸受パッドの後縁側に潤滑油を供給するための第２給油ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のジャーナル軸受。
5. 前記第１領域の下流側端は、前記第１軸受パッドの後縁よりも下流側に位置することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のジャーナル軸受。
6. 前記第１領域の下流側端および前記第２領域の上流側端の角度位置θは、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する第２軸受パッドの張り角をαとし、前記第２軸受パッドの後縁の角度位置をθ_ＴＥとしたとき、θ_ＴＥ−０．２５α≦θ≦θ_ＴＥ＋０．２５αを満たす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ジャーナル軸受。
7. 各々の前記サイドプレートの前記下半部の内周面と前記ロータ軸の外周面との間に一定の第１隙間が形成され、
   各々の前記サイドプレートの前記上半部の内周面と前記ロータ軸の外周面との間に前記第１隙間よりも大きくて一定の第２隙間が形成されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のジャーナル軸受。
8. 各々の前記サイドプレートは、前記下半部と前記上半部との接合面が水平面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のジャーナル軸受。
9. 前記接合面の前記水平面に対する傾斜角は、５度以上４５度以下であることを特徴とする請求項８に記載のジャーナル軸受。
10. 前記第１領域における前記間隔をＧ_１とし、前記第２領域における前記間隔をＧ_２とし、前記サイドプレートの前記上半部の内径をＤとしたとき、Ｇ_１≦０．０１Ｄ、且つ、Ｇ_２≧０．０２Ｄを満たすことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のジャーナル軸受。
11. 各々の前記サイドプレートは、隣接する一対の前記軸受パッド間の周方向位置において、潤滑油を排出するための少なくとも一つの開口を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のジャーナル軸受。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のジャーナル軸受と、
    前記ジャーナル軸受によって支持されるロータ軸と、
    を備えることを特徴とする回転機械。

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