JP6650292B2 - 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。

ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械では、ロータ（回転軸）の両軸端に軸受装置が設けられることが一般的である。これら軸受装置によって、ロータは自身の中心軸線回りに回転可能に支持される。このような装置の具体例として、下記特許文献１に記載されたティルティングパッドジャーナル軸受が知られている。特許文献１に記載されたジャーナル軸受は、回転軸の外周側に位置するハウジングと、ハウジングの内周面上で揺動可能に支持された複数のパッドと、を備えている。特に、これら複数のパッドは、互いに同一の寸法体格を有するとされている。

特開２０１３−１９４８２号公報

ところで、上述のような回転機械の運転中には、外力等の予期せぬ擾乱等に伴って、回転中のロータに振れ回り振動を生じる場合がある。このような振れ回り振動は、装置の安定的な運転に影響を及ぼす可能性がある。

ここで、上記特許文献１に記載されたジャーナル軸受では、複数のパッドが互いに同一の寸法体格を有していることから、軸受の支持特性が等方性を帯びた状態となる。このような等方性がある場合、ロータの軌跡が真円に近くなることから、励振力によって振れ回りがさらに助長されてしまう可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、より安定的に回転軸を支持することが可能な軸受装置、及びこれを備える回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、軸受装置は、軸線回りに回転可能な回転軸の外周側に、該回転軸を全周から囲うように周方向に配列された４つのパッドと、前記パッドごとに設けられ、該パッドを外周側から支持する支持部と、前記回転軸の外周面と前記パッドの内周面との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、を備え、前記パッド、及び該パッドを支持する前記支持部は、軸支持体を形成し、前記４つのパッドとして、周方向における寸法が相対的に大きい２つの第一パッドと、周方向における寸法が相対的に小さい２つの第二パッドと、を有し、前記第一パッドと前記第二パッドとが周方向に交互に配列されていることにより、周方向に隣接する少なくとも一対の前記軸支持体では、前記回転軸が軸線の位置から径方向に変位した場合に該軸支持体が前記回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている。

この構成によれば、周方向に隣接する少なくとも一対の軸支持体同士の間で、回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている。つまり、相対的に大きな復元力を有する軸支持体と、相対的に小さな復元力を有する軸支持体とが、周方向に隣接した状態となる。これにより、軸受装置の支持特性に異方性を持たせることができる。言い換えれば、回転軸に振れ回りを生じた場合であっても、当該振れ回りに伴う回転軸の軌跡を真円から楕円に近づけることができる。これにより、振れ回りが助長される可能性が低減され、回転軸を安定的に支持することができる。
また、周方向に隣接する少なくとも一対のパッドでは、周方向における寸法が異なっている。すなわち、回転軸に対向するパッドの内周面の面積が、周方向に隣接する一対のパッド同士の間で異なっている。これにより、パッドの内周面上で形成される潤滑油膜の膜厚が互いに異なった状態となる。膜厚が大きいパッドでは回転軸に対して相対的に大きな復元力が得られる一方で、膜厚が小さいパッドでは回転軸に対して相対的に小さな復元力が得られる。これにより、軸受装置の支持特性に異方性を持たせることができる。

本発明の第二の態様によれば、軸受装置は、軸線回りに回転可能な回転軸の外周側に、該回転軸を全周から囲うように周方向に配列された４つのパッドと、前記パッドごとに設けられ、該パッドを外周側から支持する支持部と、前記回転軸の外周面と前記パッドの内周面との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、を備え、前記パッド、及び該パッドを支持する前記支持部は、軸支持体を形成し、前記４つのパッドとして、前記軸線から内周面までの寸法が相対的に大きい２つの第一パッドと、前記軸線から内周面までの寸法が相対的に小さい２つの第二パッドと、を有し、前記第一パッドと前記第二パッドとが周方向に交互に配列されていることにより、周方向に隣接する少なくとも一対の前記軸支持体では、前記回転軸が軸線の位置から径方向に変位した場合に該軸支持体が前記回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている。

この構成によれば、周方向に隣接する少なくとも一対のパッドでは、軸線からパッドの内周面までの寸法が互いに異なっている。すなわち、軸線から内周面までの寸法が相対的に大きなパッド上では、回転軸が径方向に大きく変位する。一方で、軸線から内周面までの寸法が相対的に小さなパッド上では、回転軸の径方向における変位は小さく抑えられる。これにより、回転軸に振れ回りが生じた場合であっても、当該振れ回りに伴う回転軸の軌跡を真円から楕円に近づけることができる。

本発明の第三の態様によれば、軸受装置は、軸線回りに回転可能な回転軸の外周側に、該回転軸を全周から囲うように周方向に配列された４つのパッドと、前記パッドごとに設けられ、該パッドを外周側から支持する支持部と、前記回転軸の外周面と前記パッドの内周面との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部とを備え、前記パッド、及び該パッドを支持する前記支持部は、軸支持体を形成し、前記４つのパッドとして、軸線方向における寸法が相対的に大きい２つの第一パッドと、軸線方向における寸法が相対的に小さい２つの第二パッドと、を有し、前記第一パッドと前記第二パッドとが周方向に交互に配列されていることにより、周方向に隣接する少なくとも一対の前記軸支持体では、前記回転軸が軸線の位置から径方向に変位した場合に該軸支持体が前記回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている。

本発明の第四の態様によれば、回転機械は、上記いずれか一の態様に係る軸受装置と、該軸受装置によって支持される前記回転軸と、を備える。

この構成によれば、より安定的に運転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、より安定的に回転軸を支持することが可能な軸受装置、及びこれを備える回転機械を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る回転機械の構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置の構成を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る軸受装置の構成を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る軸受装置の構成を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る軸受装置の変形例を示す図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン１（回転機械）について、図１を参照して説明する。同図に示すように、蒸気タービン１は、水平方向に延びる軸線Ａｃ回りに回転可能な回転軸２と、この回転軸２を外周側から覆うケーシング３と、回転軸２における軸線Ａｃ方向両側の端部に設けられた一対のジャーナル軸受４（軸受装置）、及び軸線Ａｃ方向一方側の端部のみに設けられたスラスト軸受５と、を備えている。

回転軸２は、軸線Ａｃに沿って延びる柱状の回転軸本体６と、回転軸本体６の外周面に沿って軸線Ａｃ方向に配列された複数の動翼段７と、を有している。動翼段７は、回転軸本体６の外周面上で、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼８を有している。

ケーシング３の内周面には、軸線Ａｃ方向に配列された複数の静翼段９が設けられている。静翼段９は、ケーシング３の内周面上で、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼１０を有している。これら静翼段９は、上記の動翼段７に対して、軸線Ａｃ方向に互い違いになるように配列されている。

さらに、ケーシング３の軸線Ａｃ方向一方側には、外部に設けられたボイラ等で生成された高温高圧の蒸気をケーシング３内部に導くための吸気口１１が形成されている。ケーシング３の軸線Ａｃ方向他方側には、ケーシング３内部を通過した蒸気を外部に排気するための排気口１２が形成されている。

ジャーナル軸受４は、回転軸２の荷重を径方向から支持するための装置である。スラスト軸受５は、回転軸２の荷重を軸線Ａｃ方向から支持するための装置である。以下では、特にジャーナル軸受４について詳述する。

ジャーナル軸受４は、揺動可能な複数のパッドを有するティルティングパッド型軸受である。より具体的には図２に示すように、このジャーナル軸受４は、回転軸２の外周側で、周方向に配列された複数のパッド１３と、パッド１３の外周側に設けられたハウジング１４と、パッド１３に潤滑油を供給する潤滑油供給部１５と、を有している。

パッド１３は、厚肉板状に形成された部材であって、円柱状をなす回転軸２の外周面の形状に対応する曲率を有している。言い換えると、パッド１３は、回転軸２の外周面の形状に沿って、軸線Ａｃの周方向に湾曲している。本実施形態では、回転軸２の周方向に沿って４つのパッド１３が設けられている。

これらのパッド１３は、外周側からハウジング１４によって揺動可能に支持されている。ハウジング１４は、軸線Ａｃを中心とする環状をなしている。ハウジング１４の内周面上で、上記４つのパッド１３にそれぞれ対応する周方向位置には、各パッド１３を径方向外側から支持するための支持突起１６が設けられている。すなわち、本実施形態では、ハウジング１４の内周面上に、周方向に間隔をあけて配列された計４つの支持突起１６が設けられている。それぞれの支持突起１６は、径方向内側に向かって延びる尖頭状をなしている。言い換えれば、支持突起１６は、ハウジング１４の内周面から径方向内側に向かうにしたがって周方向の寸法が次第に小さくなるように形成されている。各パッド１３は、この支持突起１６の先端部（径方向内側の先端部）によって揺動可能に支持されている。

さらに、上記４つのパッド１３のうち、周方向に隣接する一対のパッド１３では、周方向における寸法が互いに異なっている。なお、以降の説明では、周方向における寸法が相対的に大きいパッド１３を第一パッド１７と呼び、周方向における寸法が相対的に小さいパッド１３を第二パッド１８と呼ぶ。より詳細には、これら隣接する一対のパッド１３では、軸線Ａｃとパッド１３の周方向両端部とを結ぶ２つの線分がなす角度（梁角）が、互いに異なっている。すなわち、第一パッド１７の梁角は、第二パッド１８の梁角よりも大きい。

さらに、各パッド１３と、これに対応するハウジング１４の一部（ハウジング片１９）とは、軸支持体２０を構成している。すなわち、本実施形態に係るジャーナル軸受４は、４つのパッド１３（２つの第一パッド１７、及び２つの第二パッド１８）と、これらパッド１３にそれぞれ対応する４つのハウジング片１９（支持部）とを有している。４つのハウジング片１９は周方向に一体に形成されることで上述のハウジング１４を形成している。

潤滑油供給部１５は、パッド１３の内周面と、回転軸２の外周面との間に潤滑油を供給する。潤滑油供給部１５は、外部に設けられたタンク（図示省略）と、当該タンクに貯留された潤滑油を各パッド１３に分配する管路２１と、を有している。一例として、各管路２１の下流側の端部は、各パッド１３の内周面上に開口している。潤滑油供給部１５から供給された潤滑油は、各パッド１３の内周面上にくまなく広がることで、径方向に厚みを有する油膜を形成する。

続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１、及びジャーナル軸受４の動作について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、ボイラ（図示省略）等によって生成された高温高圧の蒸気が吸気口１１を通じて、ケーシング３の内部に導かれる。ケーシング３の内部に導かれた蒸気は、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かって流通する間に、上述した動翼段７と静翼段９とに順次衝突する。これにより、蒸気が有するエネルギーは、回転軸２を回転駆動するためのエネルギーに変換され、回転軸２は軸線Ａｃ回りに回転する。回転軸２の軸端には一例としてジェネレータ等の外部機器が連結されている。すなわち、回転軸２の回転によってジェネレータが駆動され、発電等の用に供される。

ここで、上記のような蒸気タービン１の運転中には、回転軸２が軸線Ａｃの周方向に円を描くように変位する振動（振れ回り振動）を生じる場合がある。振れ回り振動を生じた場合、蒸気タービン１の効率向上が妨げられるばかりでなく、安定的な運転にも影響が及ぶ可能性がある。そこで、本実施形態では、ジャーナル軸受４を上述のような構成とすることで、振れ回り振動の発達を抑制している。

すなわち、本実施形態に係るジャーナル軸受４においては、周方向に隣接する一対のパッド１３（第一パッド１７、及び第二パッド１８）の周方向における寸法が互いに異なっている。これにより、第一パッド１７の内周面の面積（回転軸２の荷重を受ける面の面積）は、第二パッド１８の内周面の面積よりも大きくなる。

ここで、回転中の回転軸２が各パッド１３に及ぼす荷重が周方向にわたって均一であると仮定した場合、相対的に面積の大きな第一パッド１７では、その内周面上に形成される油膜（潤滑油の層）の膜厚が相対的に小さくなる。一方で、相対的に面積の小さな第二パッド１８では、油膜の膜厚が相対的に大きくなる。さらに、パッド１３に対して回転軸２の荷重が加わった場合、油膜の膜厚に比例した大きさの復元力が得られることが知られている。つまり、油膜の膜厚が大きいほど、大きな復元力を得ることができる。（なお、ここで言う復元力とは、回転軸２に径方向外側への変位を生じた場合に、当該変位を復元する方向に働く反力のことを指す。）

したがって、上記のような構成によれば、第一パッド１７による回転軸２への復元力は、第二パッド１８による回転軸２への復元力に比べて小さくなる。さらに、本実施形態では、第一パッド１７と第二パッド１８とが、周方向に交互に配列されていることから、回転軸２に対して作用する復元力は、周方向に不均一な分布となる。これにより、振れ回りを生じている回転軸２には、楕円軌道を描くような力が加わる。すなわち、ジャーナル軸受４の軸受特性に異方性を持たせることができる。したがって、軸受特性が等方性を持っている場合に比べて、振れ回りが助長される可能性が低減され、回転軸２を安定的に支持することができる。

なお、上記の第一実施形態では、各パッド１３の周方向の寸法を互いに違える構成とした。しかしながら、パッド１３の内周面の面積を各パッド１３間で変えるためには、周方向の寸法に限らず、軸線Ａｃ方向の寸法を変えることも有効である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図３を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るジャーナル軸受２２では、パッド２３の構成が、上記第一実施形態におけるパッド１３とは異なっている。より具体的には、周方向に隣接する一対のパッド２３では、軸線Ａｃから各パッド２３の内周面までの寸法が互いに異なっている。一方で、これらパッド２３の周方向の寸法は互いに等しい。言い換えると、これら複数のパッド２３では、それぞれの厚みが異なる一方で、それぞれの梁角は互いに等しく設定されている。

以降の説明では、軸線Ａｃから内周面までの寸法が相対的に大きいパッド２３を第一パッド２４と呼ぶ。また、軸線Ａｃから内周面までの寸法が相対的に小さいパッド２３を第二パッド２５と呼ぶ。

上記のような構成によれば、軸線Ａｃから内周面までの寸法が相対的に大きな第一パッド２４上では、回転軸２が径方向外側に大きく変位することができる。一方で、軸線Ａｃから内周面までの寸法が相対的に小さな第二パッド２５上では、回転軸２の径方向における変位は小さく抑えられる。これにより、回転軸２に振れ回りが生じた場合であっても、当該振れ回りに伴う回転軸２の軌跡を真円から楕円に近づけることができる。すなわち、ジャーナル軸受２２の軸受特性に異方性を持たせることができる。したがって、軸受特性が等方性を持っている場合に比べて、振れ回りが助長される可能性が低減され、回転軸２を安定的に支持することができる。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について図４を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るジャーナル軸受２６では、ハウジング２７の構成が、上記各実施形態におけるハウジング１４とは異なっている。より具体的には、ハウジング２７は、周方向に配列された４つのハウジング片２８を有している。言い換えると、ハウジング２７は、４つのハウジング片２８に等分割されている。これら４つのハウジング片２８のうち、直径方向に対向する一対のハウジング片２８（第一ハウジング片２９）は、他のハウジング片２８（第二ハウジング片３０）とは異なる構成を有している。すなわち、ジャーナル軸受２６では、第一ハウジング片２９、及び第二ハウジング片３０が、周方向に交互になるように２つずつ配置されている。

第一ハウジング片２９は、径方向に重なりあった３つの層を有している。最も径方向外側、及び最も径方向内側の部分は、相対的に低い弾性率を有する材料で構成された低弾性部３１とされている。一方で、径方向においてこれら一対の低弾性部３１同士の間の部分は、相対的に高い弾性率を有する材料で形成された高弾性部３２とされている。すなわち、１つの高弾性部が、径方向両側から２つの低弾性部３１によって挟持されている。高弾性部３２を形成する材料としては、例えばメタルフォイル等が好適に用いられる。

一方で、第一ハウジング片２９に周方向で隣接する第二ハウジング片３０は、上記の低弾性部３１と同様の材料によって一体に形成されている。すなわち、上記の第一ハウジング片２９の見かけ上の弾性率（径方向における弾性率）は、第二ハウジング片３０の弾性率よりも高くなっている。言い換えれば、第一ハウジング片２９は、第二ハウジング片３０よりも径方向に容易に変形することができるとともに、当該変形に基づく大きな復元力を発揮することができる。

以上のように構成された第一ハウジング片２９と第二ハウジング片３０とは、互いに独立して径方向に変形することができる。すなわち、第一ハウジング片２９は、第二ハウジング片３０に影響を及ぼすことなく、径方向に変形することができる。同様に、第二ハウジング片３０に変形が生じた場合であっても、第一ハウジング片２９に当該変形の影響が及ぶことがない。

さらに、本実施形態では、パッド１３の寸法は互いに等しく設定されている。すなわち、本実施形態に係るパッド１３では、周方向の寸法、径方向の寸法が互いに等しい。また、軸線Ａｃから各パッド１３の内周面までの寸法も互いに等しい。

このような構成によれば、周方向に隣接する一対のハウジング片２８の弾性率が互いに異なっている。これにより、回転軸２の荷重が加わった場合における各ハウジング片２８の変形量が異なった状態となる。すなわち、弾性率が相対的に高い第一ハウジング片２９では、回転軸２の径方向に大きく変位する。一方で、弾性率が相対的に低い第二ハウジング片３０では、回転軸２の径方向における変位は小さく抑えられる。これにより、回転軸２に振れ回りが生じた場合であっても、当該振れ回りに伴う回転軸２の軌跡を真円から楕円に近づけることができる。すなわち、ジャーナル軸受２６の軸受特性に異方性を持たせることができる。したがって、軸受特性が等方性を持っている場合に比べて、振れ回りが助長される可能性が低減され、回転軸２を安定的に支持することができる。

なお、上記第三実施形態では、第一ハウジング片２９を高弾性部３２と低弾性部３１とによって構成することで、見かけ上の弾性率を第二ハウジング片３０の弾性率とは違える構成を採った。しかしながら、このように弾性率を違えるための構成は上記に限定されない。例えば図５に示すように、第一ハウジング片２９を中空の部材によって形成し、第二ハウジング片３０を中実の部材によって形成することも可能である。すなわち、図５の例では、第一ハウジング片２９の内側に中空部Ｈが形成されている。このような構成によっても、中空に形成された第一ハウジング片２９と中実に形成された第二ハウジング片３０との間で、見かけ上の弾性率を違えることができる。

以上、本発明の各実施形態、及びその変形例について図面を参照して説明した。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の各構成に対して種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の各実施形態、及びその変形例においては、回転機械の一例として蒸気タービン１を用いた例について説明したが、回転機械の態様は蒸気タービン１に限定されず、回転する軸体を有する機械であれば、圧縮機やガスタービン等、いかなる装置であってもよい。

１…蒸気タービン
２…回転軸
３…ケーシング
４…ジャーナル軸受
５…スラスト軸受
６…回転軸本体
７…動翼段
８…動翼
９…静翼段
１０…静翼
１１…吸気口
１２…排気口
１３…パッド
１４…ハウジング
１５…潤滑油供給部
１６…支持突起
１７…第一パッド
１８…第二パッド
１９…ハウジング片
２０…軸支持体
２１…管路
２２…ジャーナル軸受
２３…パッド
２４…第一パッド
２５…第二パッド
２６…ジャーナル軸受
２７…ハウジング
２８…ハウジング片
２９…第一ハウジング片
３０…第二ハウジング片
３１…低弾性部
３２…高弾性部
Ａｃ…軸線

Claims (4)

1. 軸線回りに回転可能な回転軸の外周側に、該回転軸を全周から囲うように周方向に配列された４つのパッドと、
   前記パッドごとに設けられ、該パッドを外周側から支持する支持部と、
   前記回転軸の外周面と前記パッドの内周面との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、
   を備え、
   前記パッド、及び該パッドを支持する前記支持部は、軸支持体を形成し、
   前記４つのパッドとして、
   周方向における寸法が相対的に大きい２つの第一パッドと、
   周方向における寸法が相対的に小さい２つの第二パッドと、
   を有し、
   前記第一パッドと前記第二パッドとが周方向に交互に配列されていることにより、周方向に隣接する少なくとも一対の前記軸支持体では、前記回転軸が軸線の位置から径方向に変位した場合に該軸支持体が前記回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている軸受装置。
2. 軸線回りに回転可能な回転軸の外周側に、該回転軸を全周から囲うように周方向に配列された４つのパッドと、
   前記パッドごとに設けられ、該パッドを外周側から支持する支持部と、
   前記回転軸の外周面と前記パッドの内周面との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、
   を備え、
   前記パッド、及び該パッドを支持する前記支持部は、軸支持体を形成し、
   前記４つのパッドとして、
   前記軸線から内周面までの寸法が相対的に大きい２つの第一パッドと、
   前記軸線から内周面までの寸法が相対的に小さい２つの第二パッドと、
   を有し、
   前記第一パッドと前記第二パッドとが周方向に交互に配列されていることにより、周方向に隣接する少なくとも一対の前記軸支持体では、前記回転軸が軸線の位置から径方向に変位した場合に該軸支持体が前記回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている軸受装置。
3. 軸線回りに回転可能な回転軸の外周側に、該回転軸を全周から囲うように周方向に配列された４つのパッドと、
   前記パッドごとに設けられ、該パッドを外周側から支持する支持部と、
   前記回転軸の外周面と前記パッドの内周面との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、
   を備え、
   前記パッド、及び該パッドを支持する前記支持部は、軸支持体を形成し、
   前記４つのパッドとして、
   軸線方向における寸法が相対的に大きい２つの第一パッドと、
   軸線方向における寸法が相対的に小さい２つの第二パッドと、
   を有し、
   前記第一パッドと前記第二パッドとが周方向に交互に配列されていることにより、周方向に隣接する少なくとも一対の前記軸支持体では、前記回転軸が軸線の位置から径方向に変位した場合に該軸支持体が前記回転軸に及ぼす復元力が互いに異なっている軸受装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の軸受装置と、
   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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