JP7148638B2 - 軸受装置、及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸受装置、及び回転機械に関する。本願は、２０１８年１２月２８日に、日本に出願された特願２０１８－２４８０１５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサ等に用いられる軸受装置が知られている（例えば特許文献１参照）。軸受装置は、回転軸の周方向に離間して配置された複数の軸受パッドを備えている。このような軸受装置として、ティルティングパッド軸受が知られている。ティルティングパッド軸受では、各軸受パッドが外周側からピボット（支持部）によって揺動可能に支持されている。回転軸とパッド面との間の摺動部には、ノズルから供給された潤滑油の油膜が形成されている。

特開２０１７－０７８４７６号公報

ところで、上記のような軸受装置では、ノズルから供給された潤滑油の一部は、回転軸の回転に伴って軸受上半部を経由し、キャリーオーバ油として再度摺動部に供給されることがある。このようなキャリーオーバ油には空気がボイドとして混入されているため、場合によっては、摺動部での油不足が生じる結果、低周波振動が発生する。

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、摺動部での油不足を抑制することができる軸受装置、及び回転機械を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る軸受装置は、回転軸の外周面を該回転軸の軸線回りに回転可能に支持する軸受パッドと、該軸受パッドにおける前記回転軸の回転方向上流側に配置されて前記回転軸の外周面に潤滑油を供給する供給孔を有するノズルと、前記ノズルの前記回転方向上流側で前記回転軸の外周面に対向して、かつ、前記ノズルの前記軸線方向両側に一対が配置されて、一対のうちの少なくとも一方に該一方を前記軸線方向に貫通する排出孔が形成されたサイドプレートと、前記供給孔と前記排出孔との間の周方向位置で、前記回転方向上流側を向くとともに前記回転軸の外周面に沿って、前記軸受パッドが設けられる範囲の全域にわたって前記軸線方向に延びる案内面と、を有し、前記ノズルは、前記一対のサイドプレートにわたって前記軸線方向に延びており、前記案内面は、前記ノズルにおける前記回転方向上流側を向く面であり、前記ノズルは、前記案内面における前記回転軸の径方向外側の端部に接続されているとともに、前記排出孔の前記径方向外側で前記案内面における前記径方向外側の端部から前記回転方向上流側に向かって延びるブロック面を有し、前記排出孔は、前記軸線方向から見て、前記案内面、前記ブロック面及び前記回転軸の外周面に囲まれた領域内に位置している。

上記構成では、回転軸の外周面に付着しているキャリーオーバ油が案内面に到達すると、該案内面によって軸線方向に案内される。その結果、キャリーオーバ油は、サイドプレートに形成された排出孔を介して、軸受装置の軸線方向の端部側に排出される。よって、キャリーオーバ油が、ノズルの供給孔から新たに供給される潤滑油とともに軸受パッドと回転軸との間に導入されてしまうことを抑制することができる。
また、回転軸の外周面に付着しているキャリーオーバ油が案内面に到達すると、該案内面によって軸線方向に案内される。その結果、キャリーオーバ油は、サイドプレートに形成された排出孔を介して、軸受装置の軸線方向の端部側に排出される。よって、キャリーオーバ油が、ノズルの供給孔から新たに供給される潤滑油とともに軸受パッドと回転軸との間に導入されてしまうことを抑制することができる。
さらに、案内面に到達したキャリーオーバ油は、ブロック面によって径方向外側からブロックすることできる。そのため、キャリーオーバ油が不用意に流れ出てしまうことなく、該キャリーオーバ油を案内面を介して軸線方向に円滑に案内することができる。

上記軸受装置では、前記案内面における前記回転軸の径方向内側の端部が、前記径方向内側に向かうに従って前記回転方向上流側に向かって延びていてもよい。

上記構成によれば、案内面の径方向内側の端部で回転軸の外周面からキャリーオーバ油を掻き取るようにして該案内面上に導入することができる。

本発明の一態様に係る回転機械は、前記回転軸と、該回転軸を前記軸線回りに支持する上記いずれか一の態様に係る軸受装置と、を備える。

上記構成によれば、安定的に運用することが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、摺動部での油不足を抑制することができる軸受装置及び回転機械を提供することができる。

第一実施形態に係る軸受装置を備えた蒸気タービンの模式的な縦断面図である。 第一実施形態に係る軸受装置の軸線に直交する断面図である。 第一実施形態に係る軸受装置を径方向内側から見た展開図である。 図３のＡ－Ａ線における断面図である。 図３のＢ－Ｂ線における断面図である。 第二実施形態に係る軸受装置の要部における軸線に直交する断面図である。 第三実施形態に係る軸受装置の軸線に直交する断面図である。 各実施形態の変形例に係るノズルの構成を示す図である。 各実施形態の他の変形例に係るノズルの構成を示す図である。

［第一実施形態］
図１に示すように、本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン１（回転機械）は、蒸気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１は、タービンケーシング２と、該タービンケーシング２を貫通するように軸線Ｏに沿って延びる回転軸１０と、タービンケーシング２に保持された静翼３と、回転軸１０に設けられた動翼４と、回転軸１０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部２０とを備えている。軸受部２０は、スラスト軸受２１及びジャーナル軸受け３０を備えており、回転軸１０を回転可能に支持している。

回転軸１０は、軸線Ｏを中心として延びる円柱形状をなしている。回転軸１０は、タービンケーシング２に対して軸線Ｏ方向に延在している。回転軸１０の一部には、スラストカラー１１が形成されている。スラストカラー１１は、軸線Ｏを中心として円板形状をなしており、フランジ状をなすように回転軸１０の本体から回転軸１０の径方向外側に一体的に張り出している。スラスト軸受２１は、スラストカラー１１を軸線Ｏ方向両側から摺動可能に支持している。

このような蒸気タービン１では、タービンケーシング２内に導入される蒸気が静翼３及び動翼４の間の流路を通過する。この際、蒸気が動翼４を回転させることで該動翼４に伴って回転軸１０が回転し、該回転軸１０に接続された発電機等の機械に動力（回転エネルギー）が伝達される。

次に、本実施形態の軸受装置であるジャーナル軸受け３０について、図２を参照して説明する。ジャーナル軸受け３０は、キャリアリング４０と、複数のピボット４５と、複数（２つ）の軸受パッド５０と、ガイドメタル６０（サイドプレート）と、上半カバー７０と、下流側ノズル７５と、上流側ノズル８０（ノズル）と、を備えている。

キャリアリング４０は、軸線Ｏを中心とする円環状をなすことで、回転軸１０を外周側から覆っている。キャリアリング４０は、キャリアリング本体４１と、サイドリング４２と、を有している。キャリアリング本体４１は、回転軸１０の外周面に対して隙間を介して当該回転軸１０を外側から覆っている。サイドリング４２は、キャリアリング本体４１の軸線Ｏ方向両側から上記の空間を覆っている。サイドリング４２は、軸線Ｏを中心とする円環状をなしている。

キャリアリング本体４１の内周面上には、複数のピボット４５が設けられている。ピボット４５は、後述する軸受パッドを支持するために設けられている。各ピボット４５は、キャリアリング本体４１の内周面から軸線Ｏに対する径方向内側に向かって突出している。各ピボット４５は、径方向外側から内側に向かうに従って次第に先細りしている。本実施形態では、２つのピボット４５が周方向に間隔をあけて配列されている。より具体的には、これらピボット４５は、キャリアリング本体４１における下半部に設けられている。なお、ここで言う下半部とは、軸線Ｏが水平方向に延びている場合において、当該軸線Ｏよりも下方の領域を指している。

軸受パッド５０は、回転軸１０の周方向に間隔をあけて互いに異なる周方向位置に、ピボット４５と対応するように該ピボット４５と同数が設けられている。本実施形態では、２つの軸受パッド５０と、２つのピボット４５が設けられている。各軸受パッド５０は、回転軸１０の軸線Ｏに直交する断面視において円弧状をなし、かつ、径方向の寸法が一様な湾曲板形状をなしている。軸受パッド５０における径方向外側を向く外周面は、上記ピボット４５の先端によって支持される裏面５１とされている。軸受パッド５０はピボット４５の先端を支点として揺動可能とされている。これにより、いわゆるディルティング機構が構成されている。軸受パッド５０の裏面５１と、ピボット４５の先端とは点接触している。

軸受パッド５０の内周面は、回転軸１０に対向するパッド面５２とされている。パッド面５２と回転軸１０との間に潤滑油が介在されることで、パッド面５２は当該潤滑油を介して回転軸１０の外周面を摺動可能に支持している。パッド面５２は、軸線Ｏ方向から見て径方向外側に凹む円弧状をなしており、当該円弧形状を維持したまま軸線Ｏ方向に延在している。軸受パッド５０は、外周側の部分が鋼材等から形成された基部とされており、当該基部の内周側にホワイトメタルが積層されている。パッド面５２はホワイトメタルによって形成されている。

ガイドメタル６０は、キャリアリング本体４１の内周面の上半部に、上半カバー７０を介して固定されている。ガイドメタル６０は、回転軸１０の荷重を支持するものではなく、回転軸１０の飛び上がりを防ぐために設けられている。ガイドメタル６０は、キャリアリング本体４１の内周面に周方向に延びる円弧状の部材である。ガイドメタル６０は、外周面がキャリアリング本体４１に固定され、内周面が回転軸１０の外周面に隙間をあけて対向している。ガイドメタル６０の内周面は軸線Ｏ方向から見て、該軸線Ｏを中心とした円弧状をなしている。詳しくは後述するが、ガイドメタル６０は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて２つ設けられている。

上半カバー７０は、ガイドメタル６０の外周側に設けられることで、当該ガイドメタル６０をキャリアリング本体４１の内周面に固定している。上半カバー７０は、軸線Ｏを中心とする円弧状をなしている。回転方向Ｔの下流側における上半カバー７０の端部は、回転方向Ｔの下流側におけるガイドメタル６０の端部よりも、回転方向Ｔの上流側に位置している。即ち、当該端部では、キャリアリング本体４１、ガイドメタル６０、及び上半カバー７０に囲まれた空間が形成されている。

下流側ノズル７５、及び上流側ノズル８０は、軸受パッド５０と回転軸１０との間に潤滑油を供給する役割を有する。下流側ノズル７５、及び上流側ノズル８０は、各軸受パッド５０における回転軸１０の回転方向Ｔ上流側に設けられている。下流側ノズル７５、及び上流側ノズル８０は、外部から供給される潤滑油を回転方向Ｔ下流側に向かって吐出する。

上流側ノズル８０は、ノズル本体８１と、ブロック体９０と、を有している。ノズル本体８１は、軸線Ｏに対する径方向に延びている。ブロック体９０は、ノズル本体８１における回転方向Ｔの上流側から周方向に突出している。ブロック体９０は、上述した空間（キャリアリング本体４１、ガイドメタル６０、及び上半カバー７０に囲まれた空間）を埋めるために設けられている。また、上流側ノズル８０がブロック体９０を有することで、後述する供給孔８５を複数列形成することができるため、１つの上流側ノズル８０当たりの給油量を十分に確保することもできる。

図３から図５に示すように、ノズル本体８１は、一方側のサイドリング４２から他方側のサイドリング４２にかけて軸線Ｏ方向に延びている。つまり、ノズル本体８１は、ガイドメタル６０に対して下流側から対向している。ノズル本体８１における径方向内側を向く面は、回転軸１０の外周面に対向する対向面８２とされている。対向面８２上には、径方向外側に向かって凹む凹部８３が形成されている。さらに、この凹部８３の底面（径方向外側の面）上には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の供給孔８５が形成されている。各供給孔８５は、ノズル本体８１の内部に形成された内部流路８４（図４参照）に連通している。内部流路８４を通じて導かれた潤滑油は、供給孔８５を経て、回転軸１０の外周面に向かって吐出される。

ノズル本体８１における回転方向Ｔの上流側を向く面は案内面８６とされている。案内面８６の径方向外側の端縁は、ブロック体９０の内周面（ブロック面９１）の回転方向Ｔにおける下流側の端縁と接続されている。ブロック面９１は、回転方向Ｔの上流側に向かって延びている。

ガイドメタル６０におけるブロック体９０と周方向で重なる位置には、当該ガイドメタル６０を軸線Ｏ方向に貫通する排出孔６１が形成されている。なお、排出孔６１は、２つ（一対）のガイドメタル６０のうち、少なくとも一方に形成されていればよい。本実施形態では、一対のガイドメタル６０の両方に排出孔６１が形成されている例について説明する。各排出孔６１は、ノズル本体８１の案内面８６よりも回転方向Ｔの上流側に開口している。

続いて、本実施形態に係るジャーナル軸受け３０の動作について説明する。蒸気タービン１の運転に伴って回転軸１０が回転すると、回転軸１０と軸受パッド５０との間には、上記の下流側ノズル７５及び上流側ノズル８０によって潤滑油が供給される。潤滑油は、回転軸１０の外周面と軸受パッド５０のパッド面５２との間に油膜を形成する。この油膜によって、回転軸１０は、パッド面５２上で摺動可能に支持される。

ここで、上記のジャーナル軸受け３０では、軸受パッド５０が下半側のみに設けられている。したがって、下流側ノズル７５及び上流側ノズル８０から供給された潤滑油の一部は、回転軸１０の回転に伴ってジャーナル軸受け３０の上半部を経由し、キャリーオーバ油として再度パッド面５２上に供給されることがある。このようなキャリーオーバ油には空気がボイドとして混入されているため、場合によっては、パッド面５２での油不足が生じる可能性がある。その結果、回転軸１０に低周波振動が発生する虞がある。

そこで、本実施形態に係るジャーナル軸受け３０では、上述のように上流側ノズル８０のノズル本体８１に案内面８６が形成されているとともに、ガイドメタル６０に排出孔６１が形成されている。これにより、回転軸１０の外周面に付着しているキャリーオーバ油が案内面８６に到達すると、該案内面８６によって軸線Ｏ方向両側に広がるように案内される。その結果、キャリーオーバ油は、ガイドメタル６０に形成された排出孔６１を介して、ジャーナル軸受け３０の軸線Ｏ方向の端部側に排出される。よって、キャリーオーバ油が、ノズルの供給孔８５から新たに供給される潤滑油に伴って再び軸受パッド５０と回転軸１０との間に導入されてしまうことを抑制することができる。

さらに、上記構成によれば、ノズル本体８１自体に案内面８６が形成されているため、別途案内面８６を形成する部材を設ける必要がなく、部品点数の削減を図ることができる。

加えて、上記構成によれば、案内面８６に到達したキャリーオーバ油は、ブロック面９１によって径方向外側からブロックすることできる。そのため、キャリーオーバ油が不用意に流れ出てしまうことなく、該キャリーオーバ油を案内面８６を介して軸線方向に円滑に案内することができる。

さらに加えて、上記構成によれば、ノズル本体８１の対向面８２が回転軸１０に対向している。これにより、上流側の軸受パッド５０と下流側の軸受パッド５０とが分断される。そのため、上流側の軸受パッド５０から流れ出たキャリーオーバ油の周囲の高温の雰囲気が、下流側の軸受パッド５０に到達することがない。その結果、下流側の軸受パッド５０の温度が上昇してしまう可能性を抑制することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図６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、本実施形態では、ノズル本体８１における案内面１００は、平坦部１０１と、掻き取り部１０２と、を有している。軸線Ｏ方向から見て、平坦部１０１は、軸線Ｏに対する径方向に延びている。平坦部１０１の径方向外側の端縁は、回転方向Ｔにおけるブロック面９１の下流側の端縁に接続されている。一方で、案内面１００における径方向内側の端部である掻き取り部１０２は、径方向内側に向かうに従って回転方向Ｔの上流側に向かって延びている。即ち、掻き取り部１０２は、回転方向Ｔの上流側に向かって先細りとなるように突出している。掻き取り部１０２の径方向内側の端面は、回転軸１０の外周面がなす円周曲面に沿って円弧状に湾曲している。また、掻き取り部１０２の径方向外側の端縁と、平坦部１０１の径方向内側の端縁とは、滑らかな曲面状となるように互いに接続されている。

この構成によれば、案内面１００の径方向内側の端部で回転軸１０の外周面からキャリーオーバ油を掻き取るようにして該案内面１００上に導入することができる。その結果、上記の排出孔６１に向かってキャリーオーバ油をさらに積極的に導くことができる。これにより、キャリーオーバ油が、ノズルの供給孔８５から新たに供給される潤滑油に伴って再び軸受パッド５０と回転軸１０との間に導入されてしまう可能性をさらに低減することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図７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け３０Ｂでは、上述の軸受パッド５０、及びこれを支持するピボット４５がそれぞれ４つずつ設けられている点で上記の各実施形態とは異なる。つまり、本実施形態では、４つの軸受パッド５０が、周方向に間隔をあけて配列されている。各軸受パッド５０の上流側には、上述した上流側ノズル８０がそれぞれ設けられている。また、各軸受パッド５０の下流側には、下流側ノズル７５がそれぞれ設けられている。

この構成によれば、上述の各実施形態で説明した作用効果に加えて、ジャーナル軸受け３０Ｂが４つの軸受パッド５０を備えていることから、周方向におけるさらに広い範囲で回転軸１０による荷重を安定的に支持することができる。また、各軸受パッド５０にそれぞれ上流側ノズル８０と下流側ノズル７５が設けられていることから、それぞれの軸受パッド５０に対して安定的に潤滑油を供給することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
例えば、上記の第三実施形態では、下流側ノズル７５の下流側に上流側ノズル８０が配置されている例について説明した。しかしながら、上流側の軸受パッド５０から排出されるキャリーオーバ油による影響を回避する上では、下流側ノズル７５の上流側に上流側ノズル８０を設ける構成を採ることも可能である。

また、既設の従来型の軸受装置に対して改修を施す場合には、既存の複数のノズルのうち、一部のみを上述の上流側ノズル８０（ブロック型ノズル）に変更した構成を採ることも可能である。この構成によっても、上述したものと同様の作用効果を得ることができる。

また、各実施形態に共通する変形例として、図８と図９に示す構成を採ることも可能である。図８の例では、複数の供給孔８５が軸線方向に配列されることで１つの供給孔群ｇを形成しているとともに、当該供給孔群ｇが周方向に間隔をあけて複数設けられている。なお、同図の例では、２つの供給孔群ｇが設けられている構成を示しているが、３つ以上の供給孔群ｇが設けられた構成を採ることも可能である。

上記構成によれば、供給孔群ｇが周方向に間隔をあけて複数設けられていることから、軸受パッド５０により多くの油を安定的に供給することができる。また、従来はノズルからの給油量が不足している場合、ノズルを新たに増設することで不足を補っていた。しかしながら、上記構成によれば、このようにノズルを増設することなく、１つのノズル（上流側ノズル８０）に複数の供給孔群ｇを形成することのみによって給油量を安定的に確保することができる。

さらに、図９の例では、複数の供給孔８５が軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って周方向に交互に位置するように配置されている。言い換えれば、同図の例では、複数の供給孔８５が千鳥格子状（staggerred）に配列されている。

上記構成によれば、複数の供給孔８５が周方向に交互に位置するように配置されていることから、軸受パッド５０により多くの油を安定的に供給することができる。

なお、上記の各実施形態では、上流側ノズル８０を本発明の適用対象として説明した。しかしながら、下流側ノズル７５をその適用対象とすることも可能である。なお、この場合、下流側ノズル７５の軸線Ｏ方向両側には上記のガイドメタルが設けられていない。そこで、キャリアリング４０のサイドリング４２に排出孔を形成し、この排出孔から外部にキャリーオーバ油を排出する構成を採ることが望ましい。

加えて、上記の各実施形態では、ノズル本体８１に案内面８６を形成した例について説明した。しかしながら、案内面８６を有する部材を、ノズル本体８１とは別に設け、これによってキャリーオーバ油を案内する構成を採ることも可能である。

さらに加えて、上記の各実施形態では、ジャーナル軸受け３０，３０Ｂが、それぞれ２つ、又は４つの軸受パッド５０を備えている例について説明した。しかしながら、軸受パッド５０の個数は上記に限定されず、例えば３つや５つ以上の軸受パッド５０を備える構成を採ることも可能である。また、上述した上流側ノズル８０を隣接する軸受パッド５０同士の間に、周方向に間隔をあけて複数設ける構成を採ることも可能である。

さらに、上記の各実施形態では、ジャーナル軸受け３０を回転機械としての蒸気タービン１に適用した例について説明した。しかしながら、回転機械の具体例は蒸気タービン１に限定されず、ガスタービンや圧縮機等を含む他の機械装置にジャーナル軸受け３０を適用することも可能である。

上記の軸受装置によれば、摺動部での油不足を抑制することができる。

１ 蒸気タービン
２ タービンケーシング
３ 静翼
４ 動翼
１０ 回転軸
１１ スラストカラー
２０ 軸受部
２１ スラスト軸受
３０ ジャーナル軸受（軸受装置）
４０ キャリアリング
４１ キャリアリング本体
４２ サイドリング
４５ ピボット
５０ 軸受パッド
５１ 裏面
５２ パッド面
６０ ガイドメタル（サイドプレート）
６１ 排出孔
７０ 上半カバー
７５ 下流側ノズル
８０ 上流側ノズル
８１ ノズル本体
８２ 対向面
８３ 凹部
８４ 内部流路
８５ 供給孔
８６ 案内面
９０ ブロック体
９１ ブロック面
１００ 案内面
１０１ 平坦部
１０２ 掻き取り部
Ｏ 軸線
Ｔ 回転方向

Claims (3)

1. 回転軸の外周面を該回転軸の軸線回りに回転可能に支持する軸受パッドと、
   該軸受パッドにおける前記回転軸の回転方向上流側に配置されて前記回転軸の外周面に潤滑油を供給する供給孔を有するノズルと、
   前記ノズルの前記回転方向上流側で前記回転軸の外周面に対向して、かつ、前記ノズルの前記軸線方向両側に一対が配置されて、一対のうちの少なくとも一方に該一方を前記軸線方向に貫通する排出孔が形成されたサイドプレートと、
   前記供給孔と前記排出孔との間の周方向位置で、前記回転方向上流側を向くとともに前記回転軸の外周面に沿って、前記軸受パッドが設けられる範囲の全域にわたって前記軸線方向に延びる案内面と、
   を有し、
   前記ノズルは、前記一対のサイドプレートにわたって前記軸線方向に延びており、
   前記案内面は、前記ノズルにおける前記回転方向上流側を向く面であり、
   前記ノズルは、前記案内面における前記回転軸の径方向外側の端部に接続されているとともに、前記排出孔の前記径方向外側で前記案内面における前記径方向外側の端部から前記回転方向上流側に向かって延びるブロック面を有し、
   前記排出孔は、前記軸線方向から見て、前記案内面、前記ブロック面及び前記回転軸の外周面に囲まれた領域内に位置している軸受装置。
2. 前記案内面における前記回転軸の径方向内側の端部が、前記径方向内側に向かうに従って前記回転方向上流側に向かって延びている請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記回転軸と、
   該回転軸を前記軸線回りに支持する請求項１又は２に記載の軸受装置と、
   を備える回転機械。

Images