JPH0214566B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービンや過給機などのような
高速回転装置に使用される固定セグメントからな
るスラスト軸受およびその給油制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

近時、ガスタービンの性能は著しく向上する傾
向にある。しかしながら、性能の向上に伴い、ガ
スタービンの効率に及ぼす軸受損失の影響が無視
できなくなつてきた。特に、低速回転域における
軸受損失はガスタービンの効率向上に影響が大き
い。

第４図ないし第７図に示す従来の構造にもとづ
き更に詳しく説明する。

第４図は一般的なガスタービンコンプレツサの
構造および給油系統を模式的に示すもので、１は
ハウジング、２はロータである。ロータ２は、ロ
ータ軸３、コンプレツサ翼車４、スラストカラー
５およびタービン６よりなり、このロータ２は一
対のジヤーナル軸受７，７により支持されている
とともに、上記スラストカラー５の両側に対設し
たスラスト軸受８，８によりスラスト荷重が支え
られるようになつている。

このような構成のガスタービンコンプレツサで
は、一対のジヤーナル軸受７，７はロータ２の自
重を支えるだけ（竪型の場合には、自重すら加わ
らずに単に位置決め作用するだけ）であるのに対
し、スラスト軸受８，８には、コンプレツサ翼車
４およびタービン６の羽根に作用する空気力学的
な圧力により生ずる合力の負荷荷重が加わる。

したがつて、軸受損失の対象としては、ジヤー
ナル軸受７，７よりもスラスト軸受８，８の摩擦
損失馬力の占める割合がはるかに大きい。

加えて、一般に軸受の摩擦損失馬力は軸受半径
の４乗に比例するから、この点でも半径が大きな
スラスト軸受８，８の摩擦損失馬力の占める割合
は大きくなる。

さらに、ガスタービンのスラスト荷重は、通
常、回転数の増加に伴いより一層高圧な作動ガス
を必要とするから、回転数の増加につれてスラス
ト荷重が大きくなる性質を有している。したがつ
て、スラスト軸受８，８は、最同負荷時の最高回
転条件の下で、最高の性能が得られるように設計
されていた。

第５図ないし第７図は、上記従来のスラスト軸
受８，８の詳細を示す。

スラスト軸受８はテーパランド型スラスト軸受
であり、上記ロータ２側のスラストカラー５と対
向する面に、円周方向に向かつて複数個（図では
６個）の固定型のセグメント１０…が形成されて
いる。

各セグメント１０は、給油ポツト１１、テーパ
部１２およびランド部１３を円周方向に連続して
形成してある。なお、１４，１４はテーパ部１２
を囲むシユラウド部、１５はチヤンフアである。

給油ポツト１１には、略中央部に位置して給油
ポート１６が開口され、この給油ポート１６は給
油路１７に接続されている。

給油路１７は、第４図に示す吐出ライン２０を
介して給油ポンプ２１に接続されており、この給
油ポンプ２１は導入ライン２２を通じて、タービ
ンコンプレツサのドレンとしてのオイルパン２３
に接続されている。

給油ポンプ２１から供給される潤滑油、例えば
＃90タービン油は、吐出ライン２０を介して給油
路１７から給油ポート１６を経て給油ポツト１１
に送り込まれる。

上記給油ポツト１１内の潤滑油は、第７図に示
す、回転するスラストカラー５の滑り面５ａと、
固定されているスラスト軸受８表面の相対的な回
転により、粘性のため給油ポツト１１から上記ス
ラストカラー５の滑り面５ａと、スラスト軸受８
表面の間の狭いフイルム状隙間ｊに引き出され
る。

上記フイルム状隙間ｊは、くさび状の狭まり隙
間ｊ１と、これに続く平行隙間ｊ２から成り、こ
の隙間ｊ内で流体力学的な動的圧力が発生する。
したがつて、スラスト軸受８に加わる負荷荷重を
該フイルム状隙間ｊの潤滑油膜で支えることにな
る。

なお、上記フイルム状隙間ｊの寸法は100μｍ
程度となるように設計される。

また、テーパ部１２とランド部１３の円周方向
の寸法比（ａ：ｂ）は、負荷能力が最大となるよ
うに８：２程度に設定されている。

このような構成において、上記スラストカラー
５の滑り面５ａと、スラスト軸受８表面の間に形
成される狭いフイルム状隙間ｊには、潤滑油膜の
せん断力が発生し、このせん断力に対して潤滑油
の粘性による摩擦力が生じ、これがスラスト軸受
の損失馬力となるものである。

スラスト軸受の損失馬力は、ほぼ次式の表わさ
れる。

L_f∞μ^1/2・ω^3/2・W^1/2・Ｒ ………(1) 但し L_f：摩擦損失馬力 μ：潤滑油の粘度 ω：回転角速度 Ｗ：負荷荷重 Ｒ：軸受半径 したがつて、スラスト軸受の損失馬力を少なく
するには、軸受の半径を可能な限り小さく設計す
ればよい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来においては、ガスタービンの最高回転数に
おける軸受負荷荷重が最大となる条件を対象とし
て、ガスタービンの最高回転数におけるスラスト
軸受の損失馬力を少なくするべく、軸受の半径を
設計していた。このため、部分負荷運転域では軸
受の半径寸法が部分負荷運転域の最適値より大き
くなり、よつて部分負荷運転域では損失馬力が増
大する傾向があつた。

したがつて本発明の目的は、低回転域などのよ
うな部分負荷回転域でもスラスト軸受の摩擦損失
馬力を低減することができるテーパランド型スラ
スト軸受およびその給油制御装置を提供しようと
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明の第１番目は、
各セグメント毎にその給油ポツトを内外径方向に
複数個に分割し、これら内外径方向に分割された
各給油ポツトに独立してそれぞれ給油ポートを形
成したことを特徴とする。

また、本発明の第２番目は、上記第１番目のテ
ーパランド形スラスト軸受において、上記各内外
径方向の給油ポートと、給油ポンプからの吐出ラ
インとを選択的に切換える切換装置を備えたこと
を特徴とする。

〔作用〕

上記本発明の第１番目の構成によれば、部分負
荷回転域で内径側給油ポートのみに潤滑油を供給
すると、フイルム状隙間ｊの内径側に潤滑油が局
部的に送り込まれ、フイルム状隙間ｊの外径側は
空洞となるので、実質的にスラスト軸受の半径が
縮小されたと同様となつて摩擦損失が低減され
る。

また、上記本発明の第２番目の構成によれば、
部分負荷回転域で内径側給油ポートのみに潤滑油
を確実に供給することができる。

〔実施例〕

以下本発明について、第１番目と第２番目の発
明を同時に実施した第１図ないし第３図に示す一
実施例にもとづき説明する。

なお、本実施例において、第４図ないし第７図
に示した従来と同一の構成は同一番号を付してそ
の説明を省略する。

本実施例の固定セグメントからなるテーパラン
ド型スラスト軸受３０は、第１図および第２図に
示すように、給油ポツト１１に仕切り壁３１を形
成して、内径側給油ポツト３２および外径側給油
ポツト３３を構成してある。

これら内径側給油ポツト３２および外径側給油
ポツト３３には、それぞれ給油ポート３４および
３５が形成されており、これら給油ポート３４お
よび３５は互いに独立して給油路３６，３７に接
続されている。

これら給油路３６，３７は、第３図に示す給油
ポンプ２１に接続されている。この場合、内径側
給油ポツト３２に連なる給油路３６は、第１の吐
出ライン３８を介して上記給油ポンプ２１に接続
されているとともに、外径側給油ポツト３３に連
通する給油路３７は、第２の吐出ライン３９を介
して上記給油ポンプ２１に接続されている。第１
の吐出ライン３８と第２の吐出ライン３９は、上
記給油ポンプ２１の吐出側で分岐されたものであ
る。

第２の吐出ライン３９の途中には、排油循環ラ
イン４０が接続されており、この排油循環ライン
４０は、導入ライン２２に接続されている。

上記第２の吐出ライン３９と排油循環ライン４
０の接続箇所には、切換え装置としての三方切換
弁４１が装着されている。この三方切換弁４１
は、第３図に示す状態で第２の吐出ライン３９を
ポンプ側と軸受側とに導通させるようになつてお
り、また図示の時計回り方向に回動された場合に
は、軸受側と排油循環ライン４０とを連通させる
ようになつている。

その他の仕様は、第４図ないし第７図に示す従
来と同様でよい。

上記のような構成に係る実施例の作用について
説明する。

全負荷時には、三方切換弁４１を第３図に示す
状態に切換える。すると第２の吐出ライン３９は
ポンプ側と軸受側とが導通される。

この状態では、給油ポンプ２１から吐出される
潤滑油は第１の吐出ライン３８および第２の吐出
ライン３９を介してそれぞれ給油路３６，３７に
供給される。このため、内径側給油ポツト３２お
よび外径側給油ポツト３３にそれぞれ給油され
る。したがつてテーパ部１２およびランド部１３
においては内径側から外径側に亙る広い面積に給
油されるので、大きな負荷荷重を支える油膜面が
形成され、従来と同様に、充分な負荷能力を有す
るスラスト軸受性能が発揮される。

一方、部分負荷の場合、三方切換弁４１は第３
図に示す状態から時計回り方向に回動され、これ
により第２の吐出ライン３９はポンプ側と軸受側
が遮断されるとともに、軸受側と排油循環ライン
４０が導通される。

この状態では、給油ポンプ２１から供給される
潤滑油は第１の吐出ライン３８だけを通じて給油
路３６、給油ポート３４から内径側給油ポツト３
２のみに給油される。

このため、潤滑油はテーパ部１２およびランド
部１３において内径側を集中的に流れ、外径側に
は充満されない。よつて、外径側には空洞（キヤ
ビテイ）が発生する。

このような状態では、スラスト軸受３０は事実
上、上記空洞が発生した領域を除いた部分で負荷
荷重を受けもつことになるので、実質的に軸受半
径が小さくなつた状態と同じになる。

この結果、前述した(1)式から明らかなように、
軸受の半径が減少した分だけ軸受の摩擦損失馬力
が低減される。

ところで、上記部分負荷状態において、セグメ
ント１０のテーパ部１２およびランド部１３に供
給された潤滑油の一部は、テーパ部１２およびラ
ンド部１３内で第１図の矢印で示すように、外径
方向に拡散する。この拡散した一部の潤滑油は回
転方向後方のセグメント１０における外径側給油
ポツト３３に入り込む。しかして、この状態では
前記三方切換弁４１により外径側給油ポツト３３
と排油循環ライン４０が導通されているので、上
記外径側給油ポツト３３に流入してきた潤滑油
は、給油ポート３５、給油路３７、第２の吐出ラ
イン３９および三方切換弁４１を経て排油循環ラ
イン４０に導かれ、給油ポンプ２１に吸引され
る。

したがつて、上記構成の給油制御装置であれ
ば、部分負荷時にいずれのセグメント１０も、内
径側だけに給油されるから、低摩擦損失を確保す
ることができる。

なお、上記部分負荷荷重が加わる時、内径側の
領域だけに給油されるので、軸受の焼付きを防止
して安全確実なスラスト荷重の支持を行なうよう
に、フイルム状隙間ｊが確保されなければならな
い。

このため、第１図に示すように、仕切り壁３１
の位置ｌ１、仕切り壁３１の傾きα、あるいは給
油ポート３４の大きたｄなどを、使用条件に応じ
て適宜設計変更すればよい。

また、上記実施例では、給油ポツトを内外２個
設ける場合について説明したが、本発明はこれに
限らず、内外径方向に複数個設けるようにしても
よい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の第１番目によれ
ば、部分負荷回転域で内径側給油ポートのみに潤
滑油を供給すると、フイルム状隙間ｊの内径側に
潤滑油が局部的に送り込まれ、フイルム状隙間ｊ
の外径側は空洞となるので、実質的にスラスト軸
受の半径が縮小されたと同様となり、よつて摩擦
損失馬力が低減されて軸受損失が減少する。

また、本発明の第２番目によれば、部分負荷回
転域で内径側給油ポートのみに潤滑油を確実に供
給することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の一実施例を示
し、第１図はテーパランド型スラスト軸受の平面
図、第２図は第１図中−線の断面図、第３図
は配管系統とともに示すガスタービンコンプレツ
サの全体の構成図である。第４図ないし第７図は
従来例を示し、第４図は配管系統とともに示すガ
スタービンコンプレツサの全体の構成図、第５図
はその要部の断面図、第６図は第５図中−線
に沿うテーパランド型スラスト軸受の平面図、第
７図は第６図中−線の断面図である。 １……ハウジング、２……ロータ、３……ロー
タ軸、４……コンプレツサ翼車、５……スラスト
カラー、６……タービン、７……ジヤーナル軸
受、３０……スラスト軸受、１０……セグメン
ト、１２……テーパ部、１３……ランド部、３１
……仕切り壁、３２，３３……給油ポツト、３
４，３５……給油ポート、３６，３７……給油
路、２１……給油ポンプ、３８……第１の吐出ラ
イン、３９……第２の吐出ライン、４０……排油
循環ライン、４１……三方切換弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 給油ポツトに連続するテーパ部およびこのテ
   ーパ部に続くランド部からなるセグメントを周方
   向に複数個形成した固定セグメント型のテーパラ
   ンド型スラスト軸受において、 各セグメント毎にその給油ポツトを内外径方向
   に複数個に分割し、これら内外径方向に分割され
   た各給油ポツトに独立してそれぞれ給油ポートを
   形成したことを特徴とするテーパランド型スラス
   ト軸受。 ２ 給油ポツトに連続するテーパ部およびこのテ
   ーパ部に続くランド部からなるセグメントを周方
   向に複数個形成した固定セグメント型のテーパラ
   ンド型スラスト軸受において、 各セグメント毎にその給油ポツトを内外径方向
   に複数個に分割し、これら内外径方向に分割され
   た各給油ポツトに独立してそれぞれ給油ポートを
   形成し、これら各内外径方向の給油ポートと、給
   油ポンプからの吐出ラインとを選択的に切換える
   切換装置を備えたことを特徴とするテーパランド
   型スラスト軸受の給油制御装置。