JP7419604B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本開示は、軸受装置に関する。
本願は、２０２１年５月２５日に日本に出願された特願２０２１－０８７５１４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

特許文献１には、圧縮機や蒸気タービン等の回転機械に用いられるＬＯＰ（Load On Pad）配置の軸受パッドを備える軸受装置が開示されている。軸受装置が支持する回転軸は、外部から加わる励振力の影響を受けて振動することがある。回転軸が振動して変位すると、回転軸を外側から囲む軸受ハウジングや軸受環は、油膜を介して外側に押される。その際、これら軸受ハウジング及び軸受環は、油膜反力を回転軸に返すことで回転軸の振動を減衰させるダンパとして機能する。

特許文献１の軸受装置では、軸受ハウジングの周囲を囲む軸受環の水平方向の両側部に油溜まり部が形成されている。これにより、回転軸振動時に軸受環が回転軸に返す油膜反力の水平及び垂直方向成分の大きさを異ならせることができる。即ち、軸受パッドから回転軸へ向かう油膜反力の異方性を高めることができる。その結果、回転軸の振動安定性を向上させている。

特許第５９１１１２５号公報

ところで、回転軸の振動安定性が向上すると、回転機械の回転数を上昇させることができる。しかしながら、回転機械の回転数が上昇すると、回転軸との摺動部分である油膜の温度が上昇し、軸受パッドの温度が従前よりも上昇してしまうという課題がある。

また、軸受パッドがＬＯＰ配置の軸受装置である場合、回転軸の真下に配置される軸受パッドが回転軸に返す油膜反力は他の軸受パッドの油膜反力と比較して大きい。即ち、この軸受パッドの配置によっても、油膜反力の異方性を高めることができる。一方、回転軸の真下に配置されるこの軸受パッドにかかる荷重は、他の軸受パッドと比較して大きい。このため、回転軸の振動安定性が向上すると回転軸の真下の軸受パッドの温度が上昇してしまうという課題がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、回転軸の振動安定性を向上させつつ、軸受パッドの温度上昇を抑制することができる軸受装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る軸受装置は、軸線回りに回転する回転軸を外周側から傾動可能に支持するとともに、周方向に間隔をあけて複数設けられている軸受パッドと、前記軸受パッドの前記回転軸に対向するパッド面と前記回転軸の外周面との間に油を供給する給油部と、を備え、複数の前記軸受パッドは、前記回転軸を前記軸線の直下で支持する第一軸受パッドと、前記第一軸受パッドを前記回転方向から挟み込むように配置されている一対の第二軸受パッドと、を含み、前記第一軸受パッドと前記第二軸受パッドとのうち、前記第二軸受パッドの前記パッド面にのみ、前記回転方向に延びる溝が形成されている。

本開示の軸受装置によれば、回転軸の振動安定性を向上させつつ、軸受パッドの温度上昇を抑制することができる。

本開示の実施形態に係る軸受装置の軸線と直交する方向の断面図である。 本開示の第一実施形態に係る軸受装置の第二軸受パッドの斜視図である。 本開示の第一実施形態の第一変形例に係る第二軸受パッドの斜視図である。 本開示の第一実施形態の第二変形例に係る第二軸受パッドの斜視図である。 本開示の第二実施形態に係る軸受装置の第二軸受パッドの斜視図である。 本開示の第二実施形態の変形例に係る第二軸受パッドの斜視図である。

［第一実施形態］
（軸受装置）
以下、本開示の実施形態に係る軸受装置について、図面に基づき説明する。
本実施形態の軸受装置は、圧縮機や蒸気タービン等の回転機械に用いられる軸受装置である。軸受装置は、上記回転機械の回転軸を回転可能に支持するラジアル軸受である。
図１に示すように、軸受装置１０は、軸受パッド２０と、ハウジング３０と、ピボット軸４０と、給油部５０と、を備えている。

（軸受パッド）
軸受パッド２０は、軸線О方向に延びるとともに、該軸線О回りに回転する回転軸１を外周側から傾動可能に支持する部材である。本実施形態では、５つの軸受パッド２０が回転軸１の周りの周方向に等間隔に設けられている。
軸受パッド２０は、パッド面２１と、背面２２と、前側面２３と、後側面２４と、側面２５と、を有している。

パッド面２１は、軸線О方向から見て径方向外側に凹み、所定の寸法を曲率半径とする一様な円弧形状をなすとともに、当該円弧形状を維持したまま軸線О方向に延在している内周面である。即ち、パッド面２１は、径方向外側に凹となる円筒面状をなしている。パッド面２１は、回転軸１の外周面１ａと対向している。これにより、例えば回転軸１の回転時には、パッド面２１と回転軸１の外周面１ａとの間に区画される隙間に潤滑油としての油が供給され、該隙間に油膜が形成される。パッド面２１は、当該油膜を介して回転軸１を外周側から摺動可能（回転可能）に支持している。

本実施形態では、軸受パッド２０の背面２２を形成する外周側端部は、鋼材等から形成された基部（図示省略）とされている。基部には、例えばホワイトメタル等の軸受鋼が積層される。つまり、パッド面２１は、軸受鋼が基部に積層されることにより形成されている。

背面２２は、パッド面２１の反対側に位置しており、所定の寸法を曲率半径とする一様な円弧形状をなすとともに、当該円弧形状を維持したまま軸線О方向に延在している円筒面状の外周面である。即ち、背面２２は、径方向外側に凸となる円筒面状をなしている。背面２２の略中央には、径方向内側に向かって凹む凹部２２ａが形成されている。

前側面２３及び後側面２４は、パッド面２１と背面２２とを接続するとともに、回転軸１の回転方向Ｔを向く面である。
側面２５は、パッド面２１、背面２２、前側面２３，及び後側面２４を互いに接続するとともに、軸線О方向を向く一対の面である。

上記のパッド面２１、背面２２、前側面２３、後側面２４、及び側面２５により、軸受パッド２０は、軸線Оに直交する断面視で周方向に円弧状に延びるとともに、パッド面２１から背面２２にかけての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２０は、第一軸受パッド２０ａと、第二軸受パッド２０ｂと、第三軸受パッド２０ｃと、を含んでいる。第一軸受パッド２０ａは、回転軸１を軸線Оの直下で支持している。第二軸受パッド２０ｂは、第一軸受パッド２０ａを回転軸１の回転方向Ｔから挟み込むように、一対が配置されている。第三軸受パッド２０ｃは、回転軸１を軸線Оよりも上方側から支持している。本実施形態では、軸受パッド２０は、一つの第一軸受パッド２０ａ、二つの第二軸受パッド２０ｂ、及び二つの第三軸受パッド２０ｃを含む。

（第二軸受パッド）
図２に示すように、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１には、回転方向Ｔに延びる溝２００が形成されている。より詳しくは、溝２００は、前側面２３から後側面２４にかけて、パッド面２１に沿って延びており、前側面２３及び後側面２４に開口している。本実施形態では、一つの溝２００が第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成されている。

（ハウジング）
図１に示すように、ハウジング３０は、軸線Оを囲う環状をなし、回転軸１及び軸受パッド２０を外周側から覆うとともに軸受パッド２０を外周側から揺動可能に支持している。ハウジング３０は、軸受パッド２０の背面２２よりも小さい一様な曲率で形成された円筒面状の内面３０ａを有する。本実施形態では、ハウジング３０の内面３０ａは、軸受パッド２０の背面２２と線的に接触し、内面３０ａ上で該軸受パッド２０を揺動可能に支持している。これにより、ハウジング３０と軸受パッド２０との間で、いわゆるティルティング機構が構成されている。

ハウジング３０には、複数の給油孔３１が周方向に等間隔に形成されている。本実施形態では、給油孔３１は、ハウジング３０の外面３０ｂから内面３０ａにかけて該ハウジング３０を径方向に貫通している。給油孔３１は、軸受パッド２０と同じ数が形成されている。ハウジング３０の内面３０ａに形成されている給油孔３１の開口部は、ハウジング３０と回転軸１との間であり、かつ軸受パッド２０同士の間に存在する空間に開口している。

（ピボット軸）
ピボット軸４０は、軸受パッド２０をハウジング３０の内面３０ａ上で揺動可能に位置決めしている柱状の部材である。ピボット軸４０は、ハウジング３０の内部に設けられるとともに、軸受パッド２０の背面２２に形成されている凹部２２ａ内に向かって径方向に延在している。即ち、ピボット軸４０の端部は、ハウジング３０の内面３０ａから径方向内側に向かって突出しているとともに、凹部２２ａに挿入されている。

凹部２２ａに挿入されているピボット軸４０の端部の外面と該凹部２２ａの内面との間には所定の大きさのクリアランスが存在している。したがって、回転機械運転中に軸受パッド２０を揺動させる力が働いた際、軸受パッド２０は、上記クリアランス分、ハウジング３０の内面３０ａ上で揺動することが可能である。

（給油部）
給油部５０は、軸受装置１０の外部に存在する給油装置等（図示省略）から供給される潤滑油としての油を、ハウジング３０の内部に供給するノズルである。給油部５０は、ハウジング３０の外部から内部に向かって径方向に延在している。より詳しくは、給油部５０は、ハウジング３０の外部から内部に延びる過程で、給油孔３１の内部を通過している。給油部５０の端部は、軸受パッド２０同士の間に位置している。給油部５０は、ハウジング３０内部の空間で回転方向Ｔに向かって油を噴出する。

（作用効果）
続いて、本実施形態に係る軸受装置１０の動作について説明する。回転機械の運転により、回転軸１が回転すると、給油部５０から回転軸１と軸受パッド２０との間に油が供給される。そして、回転軸１の外周面１ａと軸受パッド２０のパッド面２１とが区画する隙間は潤滑油で満たされ、油膜が形成される。これにより、回転軸１は、当該油膜を介してパッド面２１によって摺動可能（回転可能）に支持される。

ここで、本実施形態の軸受装置１０では、一対の第二軸受パッド２０ｂのそれぞれのパッド面２１に溝２００が形成されているため、パッド面２１に溝２００が形成されていない場合と比較して、パッド面２１の面積が減少し、面圧が低下する。これにより、例えば、外部からの励振力が回転軸１に加わった際、回転軸１が油膜を介して軸受パッド２０を押した時に受け取る油膜反力が低下する。一方、第一軸受パッド２０ａのパッド面２１は、重力方向である軸線Оの直下から回転軸１を支持している構成であると同時に、パッド面２１に上記溝２００が形成されていない。即ち、第一軸受パッド２０ａのパッド面２１から回転軸１に向かう油膜反力は第二軸受パッド２０ｂから回転軸１に向かう油膜反力よりも大きい。つまり、軸受パッド２０から回転軸１に向かう油膜反力の大きさを第一軸受パッド２０ａと第二軸受パッド２０ｂとの間で異ならせることができる。したがって、回転機械運転中に回転軸１に生じる油膜反力の異方性を高めることができ、その結果、回転軸１の振動安定性を向上させることができる。

また、給油部５０から供給される油は、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成された溝２００の内部へ入り込む。これにより、第二軸受パッド２０ｂ内部を冷却することができるとともに、より多くの油をハウジング３０と回転軸１との間に供給することができる。したがって、軸受パッド２０の温度上昇を抑制することができる。

［第一実施形態の変形例］
第一実施形態の第一変形例として、例えば図３に示す第二軸受パッド２０ｂを採用してもよい。第一変形例では、上記第一実施形態に対して、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成されている溝２００の構成が異なる。
第一変形例では、溝２００は、前側面２３にのみ開口するとともに、該前側面２３から後側面２４に向かうパッド面２１の中途位置まで該パッド面２１に沿って延びている。
この構成によっても、上記第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

第一実施形態の第二変形例として、例えば図４に示す第二軸受パッド２０ｂを採用してもよい。第二変形例では、上記第一実施形態に対して、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成されている溝２００の構成が異なる。
第二変形例では、溝２００は、後側面２４にのみ開口するとともに、該後側面２４から前側面２３に向かうパッド面２１の中途位置まで該パッド面２１に沿って延びている。
この構成によっても、上記第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

［第二実施形態］
以下、本開示の第二実施形態に係る軸受装置について図５を参照して説明する。第二実施形態で説明する軸受装置は、第二軸受パッドのパッド面に形成されている溝の構成のみが、第一実施形態に対して異なる。そのため、第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

（第二軸受パッド）
第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１には、回転方向Ｔに延びる溝２１０が形成されている。溝２１０は、第一溝２００ａと、第二溝２００ｂと、を含んでいる。
第一溝２００ａは、軸線О方向を向く一対の側面２５のうち、一方の側面２５に開口し、回転方向Ｔに延びるにつれて一方の側面２５から離間している。第二溝２００ｂは、他方の側面２５に開口し、回転方向Ｔに延びるにつれて他方の側面２５から離間している。本実施形態では、第一溝２００ａ及び第二溝２００ｂの回転方向Ｔに延びた先のそれぞれの端部がパッド面２１上で互いに接続され、一つの溝２１０を成している。つまり、溝２１０は、回転方向Ｔに延びるヘリングボーン形状でパッド面２１に形成されている。本実施形態では、複数の溝２１０がパッド面２１に形成されており、図５では、三つの溝２１０が形成されている場合を例示している。なお、図６に示すように、第一溝２００ａ及び第二溝２００ｂの回転方向Ｔに延びた先のそれぞれの端部は、パッド面２１上で互いに近づいた状態で、互いに接続されていなくてもよい。

（作用効果）
上記構成によれば、上記第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
一方、第二軸受パッド２０ｂから回転軸１に向かう油膜反力が低下した場合には、回転軸１が外部励振力に起因しないアンバランス振動を引き起こす蓋然性が高まる。上記溝２１０が第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成されているため、アンバランス振動が生じた場合に、回転軸１から軸受パッド２０にかかる力を打ち消す油膜反力をパッド面２１から返すことができる。

また、上記第二実施形態に係る軸受装置１０では、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に複数の溝２１０が形成されている。
これにより、上記作用効果をより高めることができる。

［その他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は各実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはなく、請求の範囲によってのみ限定される。

上記第一実施形態及び第一実施形態の変形例で説明した溝２００は、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に複数形成されていてもよい。これにより、上記第一実施形態で説明した作用効果をより高めることができる。

また、上記実施形態では、第三軸受パッド２０ｃのパッド面２１に溝２００，２１０が形成されていてもよい。
上記構成によれば、給油部５０から供給される油は、第三軸受パッド２０ｃのパッド面２１に形成された溝２００，２１０の内部へ入り込む。これにより、第三軸受パッド２０ｃ内部を冷却することができるとともに、より多くの油をハウジング３０と回転軸１との間に供給することができる。したがって、軸受パッド２０の温度上昇を抑制することができる。

また、上記実施形態では、軸受パッド２０が一つの第一軸受パッド２０ａ、二つの第二軸受パッド２０ｂ、及び二つの第三軸受パッド２０ｃを含む構成を説明したが、この構成に限定されることはない。軸受パッド２０は、一つの第一軸受パッド２０ａ、二つの第二軸受パッド２０ｂ、及び一つの第三軸受パッド２０ｃを含む構成であってもよい。この際、これら第一軸受パッド２０ａ、第二軸受パッド２０ｂ、及び第三軸受パッド２０ｃは、周方向に等間隔に配置されてよい。即ち、第一軸受パッド２０ａが回転軸１の直下に配置され、一対の第二軸受パッド２０ｂが回転軸１の真横に配置され、第三軸受パッド２０ｃが回転軸１の直上に配置される構成であってよい。

［付記］
実施形態に記載の軸受装置は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る軸受装置１０は、軸線О回りに回転する回転軸１を外周側から傾動可能に支持するとともに、周方向に間隔をあけて複数設けられている軸受パッド２０と、前記軸受パッド２０の前記回転軸１に対向するパッド面２１と前記回転軸１の外周面１ａとの間に油を供給する給油部５０と、を備え、複数の前記軸受パッド２０は、前記回転軸１を前記軸線Оの直下で支持する第一軸受パッド２０ａと、前記第一軸受パッド２０ａを前記回転方向Ｔから挟み込むように配置されている一対の第二軸受パッド２０ｂと、を含み、前記第一軸受パッド２０ａと前記第二軸受パッド２０ｂとのうち、前記第二軸受パッド２０ｂの前記パッド面２１にのみ、前記回転方向Ｔに延びる溝２００，２１０が形成されている。

上記構成によれば、一対の第二軸受パッド２０ｂのそれぞれのパッド面２１に溝２００が形成されているため、溝２００が形成されていない場合と比較して、パッド面２１の面積が減少し、面圧が低下する。これにより、例えば、外部からの励振力が回転軸１に加わった際、回転軸１が油膜を介して軸受パッド２０を押した時に受け取る油膜反力が低下する。一方、第一軸受パッド２０ａのパッド面２１は、重力方向である軸線Оの直下から回転軸１を支持している構成であると同時に、溝２００が形成されていない。即ち、第一軸受パッド２０ａのパッド面２１から回転軸１に向かう油膜反力は第二軸受パッド２０ｂから回転軸１に向かう油膜反力よりも大きい。つまり、軸受パッド２０から回転軸１に向かう油膜反力の大きさを第一軸受パッド２０ａと第二軸受パッド２０ｂとの間で異ならせることができる。また、給油部５０から供給される油は、第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成された溝２００の内部へ入り込む。これにより、第二軸受パッド２０ｂ内部を冷却することができるとともに、より多くの油をハウジング３０と回転軸１との間に供給することができる。

（２）第２の態様に係る軸受装置１０は、（１）の軸受装置１０であって、前記軸受パッド２０は、前記パッド面２１と該パッド面２１の反対側に位置する背面２２とを接続するとともに、前記軸線О方向を向く一対の側面２５を有し、前記溝２１０は、一方の前記側面２５に開口し、前記回転方向Ｔに延びるにつれて一方の前記側面２５から離間する第一溝２００ａと、他方の前記側面２５に開口し、前記回転方向Ｔに延びるにつれて他方の前記側面２５から離間する第二溝２００ｂと、を含んでもよい。

上記構成によれば、上記と同様の作用効果を奏することができる。一方、第二軸受パッド２０ｂから回転軸１に向かう油膜反力が低下した場合には、回転軸１が外部励振力に起因しないアンバランス振動を引き起こす可能性が高まる。溝２１０が第二軸受パッド２０ｂのパッド面２１に形成されているため、アンバランス振動が生じた場合に、回転軸１から軸受パッド２０にかかる力を打ち消す油膜反力をパッド面２１から返すことができる。

（３）第３の態様に係る軸受装置１０は、（１）又は（２）の軸受装置１０であって、前記軸受パッド２０は、前記回転軸１を前記軸線Оよりも上方側から支持するとともに、前記パッド面２１に前記溝２００，２１０が形成されている第三軸受パッド２０ｃをさらに含んでもよい。

上記構成によれば、給油部５０から供給される油は、第三軸受パッド２０ｃのパッド面２１に形成された溝２００，２１０の内部へ入り込む。これにより、第三軸受パッド２０ｃ内部を冷却することができるとともに、より多くの油をハウジング３０と回転軸１との間に供給することができる。

（４）第４の態様に係る軸受装置１０は、（１）から（３）の何れかの軸受装置１０であって、前記溝２００，２１０は、前記パッド面２１に複数形成されていてもよい。

これにより、上記作用効果をより高めることができる。

本開示の軸受装置によれば、回転軸の振動安定性を向上させつつ、軸受パッドの温度上昇を抑制することができる。

１…回転軸 １ａ…外周面 １０…軸受装置 ２０…軸受パッド ２０ａ…第一軸受パッド ２０ｂ…第二軸受パッド ２０ｃ…第三軸受パッド ２１…パッド面 ２２…背面 ２２ａ…凹部 ２３…前側面 ２４…後側面 ２５…側面 ３０…ハウジング ３０ａ…内面 ３０ｂ…外面 ３１…給油孔 ４０…ピボット軸 ５０…給油部 ２００，２１０…溝 ２００ａ…第一溝 ２００ｂ…第二溝 О…軸線 Ｔ…回転方向

Claims (4)

1. 軸線回りに回転する回転軸を外周側から傾動可能に支持するとともに、周方向に間隔をあけて複数設けられている軸受パッドと、
   前記軸受パッドの前記回転軸に対向するパッド面と前記回転軸の外周面との間に油を供給する給油部と、
   を備え、
   複数の前記軸受パッドは、
   前記回転軸を前記軸線の直下で支持する第一軸受パッドと、
   前記第一軸受パッドを前記回転方向から挟み込むように配置されている一対の第二軸受パッドと、
   を含み、
   前記第一軸受パッドと前記第二軸受パッドとのうち、前記第二軸受パッドの前記パッド面にのみ、前記回転方向に延びる溝が形成されている軸受装置。
2. 前記軸受パッドは、前記パッド面と該パッド面の反対側に位置する背面とを接続するとともに、前記軸線方向を向く一対の側面を有し、
   前記溝は、
   一方の前記側面に開口し、前記回転方向に延びるにつれて一方の前記側面から離間する第一溝と、
   他方の前記側面に開口し、前記回転方向に延びるにつれて他方の前記側面から離間する第二溝と、
   を含む請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記軸受パッドは、前記回転軸を前記軸線よりも上方側から支持するとともに、前記パッド面に前記溝が形成されている第三軸受パッドをさらに含む請求項１又は２に記載の軸受装置。
4. 前記溝は、前記パッド面に複数形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の軸受装置。

Images