JPWO2014103004A1 - 組合せ軸受装置 - Google Patents

Abstract

ジャーナル軸受からスラスト軸受に供給する潤滑油の温度を低減でき、これによって全体の給油量を低減できる組合せ軸受装置、及びこれを備えた回転機械を提供する。回転軸４の径方向荷重を受けるティルティングパッド式のジャーナル軸受２と、ジャーナル軸受２の軸方向端部に設けられ、回転軸４の外周側に設けられたスラストカラー１０を介して回転軸４の軸方向荷重を受けるスラスト軸受３とを備えた組合せ軸受装置１であって、外部からの潤滑油をジャーナル軸受１のジャーナルパッド５間に供給するジャーナル軸受用油供給路１７と、外部からの潤滑油をスラスト軸受３に供給するスラスト軸受用油供給路２０と、ジャーナル軸受２のジャーナルパッド５間のみからスラスト軸受３に潤滑油を供給する再利用油供給路２３とを有する。

Description

本発明は、ティルティングパッド式ジャーナル軸受とスラスト軸受を備えた組合せ軸受装置、及びこれを備えた回転機械に関する。

火力発電設備等で用いられる蒸気タービンは、回転軸を介して発電機と連結されている。この回転軸は、水平方向へ伸びるように設置されており、その自重を含む径方向荷重を受ける複数のジャーナル軸受が設けられている。また、蒸気タービンにおいては、回転軸の回転速度や負荷状態によって流体力が変動しており、この流体力によって回転軸の軸方向荷重も生じる。そのため、この回転軸の軸方向荷重を受けるとともに回転軸の軸方向変位を抑えるスラスト軸受が設けられている。

上述したジャーナル軸受とスラスト軸受は別々に設置される場合もあるが、設置面積の低減などの理由から、組合せ軸受装置として一体的に構成される場合がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の組合せ軸受装置は、ティルティングパッド式のジャーナル軸受と、このジャーナル軸受の軸方向両側に設けられたスラスト軸受とを備えている。潤滑油は、入口ノズルを通ってジャーナル軸受へ供給され、さらに、回転軸の外周側に形成された環状の流路を通って、ジャーナル軸受からスラスト軸受へ供給されるようになっている。

特開昭６３−７６９１３号公報

ティルティングパッド式のジャーナル軸受に供給された潤滑油の一部は、回転軸の回転に伴い、回転軸とジャーナルパッドとの間に流入して油膜を形成する。このとき、せん断力により、潤滑油の温度が上昇する。そのため、ジャーナルパッドにおける回転軸の回転方向上流側では、潤滑油の温度が比較的低いものの、ジャーナルパッドにおける回転軸の回転方向下流側では、潤滑油の温度が比較的高くなる。すなわち、ジャーナル軸受内の潤滑油には、周方向の温度分布が生じる。

ここで、上述した特許文献１の従来技術では、回転軸の外周側に形成された環状の流路を介して、ジャーナル軸受からスラスト軸受へ潤滑油を供給するようになっている。そのため、ジャーナル軸受からスラスト軸受には、比較的低温な潤滑油だけでなく、比較的高温な潤滑油も供給してしまう。したがって、ジャーナル軸受からスラスト軸受に供給する潤滑油の温度の面、ひいては全体の給油量の面で改善の余地があった。

本発明の目的は、ジャーナル軸受からスラスト軸受に供給する潤滑油の温度を低減でき、これによって全体の給油量を低減できる組合せ軸受装置、及びこれを備えた回転機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、回転軸の径方向荷重を受けるティルティングパッド式のジャーナル軸受と、前記ジャーナル軸受の軸方向端部に設けられ、前記回転軸の外周側に設けられたスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受とを備えた組合せ軸受装置であって、外部からの潤滑油を前記ジャーナル軸受のジャーナルパッド間に供給するジャーナル軸受用油供給路と、外部からの潤滑油を前記スラスト軸受に供給するスラスト軸受用油供給路と、前記ジャーナル軸受の前記ジャーナルパッド間のみから前記スラスト軸受に潤滑油を供給する再利用油供給路とを有する。

このように本発明においては、再利用油供給路は、ジャーナル軸受のジャーナルパッド間のみからスラスト軸受に潤滑油を供給する。すなわち、再利用油供給路は、ジャーナル軸受からスラスト軸受に比較的低温な潤滑油だけを供給する。したがって、ジャーナル軸受からスラスト軸受に供給する潤滑油の温度を低減でき、これによって全体の給油量を低減できる。

本発明によれば、ジャーナル軸受からスラスト軸受に供給する潤滑油の温度を低減でき、これによって全体の給油量を低減できる。

本発明の一実施形態における組合せ軸受装置の構造を表す断面図であり、図４中断面Ｉ−Ｉに相当する。 図１中断面II−IIによる断面図であり、ジャーナル軸受の構造を表す。 図１中断面III−IIIによる断面図であり、スラスト軸受の構造を表す。 本発明の一実施形態における組合せ軸受装置の下半分の構造を表す斜視図である。 図４中断面Ｖ−Ｖによる断面図であり、ジャーナル軸受用油供給路を示す。 図４中断面VI−VIによる断面図であり、スラスト軸受用油供給路及び再利用油供給路を示す。 図４中断面VII−VIIによる断面図であり、油排出路の一部を示す。 図４中断面VIII−VIIIによる断面図であり、油排出路の一部を示す。 本発明の一実施形態におけるジャーナル軸受内の潤滑油の周方向温度分布を表す図である。 本発明の一実施形態における組合せ軸受装置の給油量の具体例を表す図である。 本発明の一実施形態における組合せ軸受装置を備えた蒸気タービンを表す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における組合せ軸受装置の構造を表す断面図であり、図４中断面Ｉ−Ｉに相当する。図２は、図１中断面II−IIによる断面図であり、ジャーナル軸受の構造を表す（但し、便宜上、後述するスラスト軸受用連通孔を図示せず）。図３は、図１中断面III−IIIによる断面図であり、スラスト軸受の構造を表す。

これら図１〜図３において、組合せ軸受装置１は、ティルティングパッド式のジャーナル軸受２と、このジャーナル軸受２の軸方向一方側（図１中右側）端部及び軸方向他方側（図１中左側）端部にそれぞれ設けられたテーパランド式のスラスト軸受３とを備えている。

ジャーナル軸受２は、回転軸４の外周側に配置された複数（本実施形態では５つ）のジャーナルパッド５と、これらジャーナルパッド５の外周側に配置され、ピボット６を介してジャーナルパッド５を傾斜可能に支持する円筒状のハウジング７と、このハウジング７に設けられ、ジャーナルパッド５の軸方向一方側側面及び他方側側面をそれぞれ覆うシールリング８とを備えている。なお、本実施形態では、回転軸４が水平方向へ伸びるように設置されているものとする。

そして、外部からの潤滑油がジャーナル軸受２内のジャーナルパッド５間に供給されるようになっている（詳細は後述）。ジャーナルパッド５間に供給された潤滑油の一部は、回転軸４の回転に伴い、回転軸４の外周面とジャーナルパッド５の内周面（摺動面）との間に流入して油膜を形成する。ジャーナルパッド５は、この油膜を介して回転軸４の径方向荷重を受けるようになっている。また、ジャーナルパッド５及び回転軸４は、潤滑油によって冷却されるようになっている。

スラスト軸受３は、ハウジング７及びシールリング８の側面に固定された略円環状のスラストパッド９で構成されている。回転軸４の外周側にはスラストカラー１０が設けられ、回転軸４とスラストカラー１０が一体となって回転するようになっている。スラストパッド９は、このスラストカラー１０と対向するように配置されている。スラストパッド９の対向面（摺動面）には、周方向に沿ってテーパ部１１及びランド部１２が交互に形成されている。テーパ部１１は、回転軸４の回転方向（図３中反時計回り）に沿って高くなる傾斜面である。ランド部１２は、テーパ部１１の最も高い位置で連続して形成された平坦面である。テーパ部１１の最も低い位置には油溝１３が形成されている。

そして、外部からの潤滑油及びジャーナル軸受２からの潤滑油がスラストパッド９の油溝１３に供給されるようになっている（詳細は後述）。スラストパッド９の油溝１３に供給された潤滑油は、スラストカラー１０の回転に伴い、テーパ部１１からランド部１２へ流れる。このとき、スラストパッド９のテーパ部１１ではスラストカラー１０との隙間が徐々に狭まるので、くさび効果により動圧が発生する。そして、スラストパッド９のランド部１２ではスラストカラー１０との間に高圧な油膜が形成される。スラストパッド９は、この油膜を介してスラストカラー１０（言い換えれば、回転軸４）からの軸方向荷重を受けるようになっている。また、スラストパッド９及びスラストカラー１０は、潤滑油によって冷却されるようになっている。

次に、組合せ軸受装置１の油供給路及び油排出路を、図４〜図８を用いて説明する。図４は、組合せ軸受装置１の下半分の構造を表す斜視図である。図５は、図４中断面Ｖ−Ｖによる断面図であり、ジャーナル軸受用油供給路の構造を示す。図６は、図４中断面VI−VIによる断面図であり、スラスト軸受用油供給路及び再利用油供給路の構造を示す。図７は、図４中断面VII−VIIによる断面図であり、油排出路の一部を示す。図８は、図４中断面VIII−VIIIによる断面図であり、油排出路の一部を示す。

これら図４〜図８及び上述の図１〜３において、ハウジング７の外周面には、周方向に延在する油供給溝１４が形成されており、外部から油供給溝１４に潤滑油が供給されるようになっている。

ハウジング７には、油供給溝１４からジャーナルパッド５間に向かって延在する複数（本実施形態では５つ）のジャーナル軸受用油供給孔１５が形成されている。これらジャーナル軸受用油供給孔１５には、複数（本実施形態では５つ）の油供給ノズル１６がそれぞれ接続されている。油供給孔１５及び油供給ノズル１６はジャーナル軸受用油供給路１７を構成しており、外部から油供給溝１４に供給された潤滑油をジャーナル軸受２のパッド５間に供給するようになっている。

ハウジング７には、油供給溝１４からスラストパッド９の油溝１３に向かって延在する複数（本実施形態では５つ）のスラスト軸受用油供給孔１８が形成されている。また、スラストパッド９には、油溝１３とスラスト軸受用油供給孔１８に連通する複数（本実施形態では５つ）の第１連通孔１９が形成されている。油供給孔１８及び連通孔１９はスラスト軸受用油供給路２０を構成しており、外部から油供給溝１４に供給された潤滑油をスラスト軸受３（詳細には、スラストパッド９の油溝１３）に供給するようになっている。

シールリング８には、ジャーナルパッド５間に連通する複数（本実施形態では５つ）の再利用油供給孔２１が形成されている。再利用油供給孔２１は、ハウジング７の内周面近傍に位置している。また、スラストパッド９には、油溝１３と再利用油供給孔２１に連通する複数（本実施形態では５つ）の第２連通孔２２が形成されている。油供給孔２１及び連通孔２２は再利用油供給路２３を構成しており、ジャーナル軸受２のパッド５間のみからスラスト軸受３（詳細には、スラストパッド９の油溝１３）に潤滑油を供給するようになっている。

シールリング８には、ジャーナルパッド５の摺動面における回転軸４の回転方向下流側の領域（詳細には、回転方向の中央部から下流側端部までの領域）にそれぞれ対応して、複数（本実施形態では５つ）の切欠き溝２４が形成されている。なお、シールリング８の切欠き溝２４以外の部分と回転軸４との間の隙間は、ジャーナルパッド５と回転軸４との間の最小隙間より狭く、シールリング８の切欠き溝２４では、ジャーナルパッド５と回転軸４との間の最小隙間の数倍程度まで広がっている。また、スラストカラー１０には、軸方向に貫通する複数（本実施形態では５つであるが、それ以上であってもよい）の貫通孔２５が形成されている。また、スラストパッド９と回転軸４との間に形成された環状の空間２６は、切欠き溝２４と貫通孔２５に連通するようになっている。切欠き溝２４、貫通孔２５、及び空間２６は油排出路２７を構成しており、ジャーナル軸受２（詳細には、ジャーナルパッド５の摺動面における回転軸４の回転方向下流側の領域）から外部へ潤滑油を排出するようになっている（特に、図４中矢印Ｂ参照）。なお、貫通孔２５は、ジャーナル軸受２側の入口より反対側の出口のほうがスラストカラー１０の径方向外側（図８中下側）に位置するように形成されている。これにより、スラストカラー１０の回転に伴い遠心力が作用して、潤滑油を排出しやすくなっている。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図９は、本実施形態におけるジャーナル軸受２内の潤滑油の周方向温度分布を表す図である。この図９の横軸は、ジャーナルパッド５の摺動面及びその延長上における周方向位置を表し、縦軸は、潤滑油の温度を表している。

上述の図４中矢印Ａ，Ｂで示すように、第１のジャーナルパッド５の摺動面の入口（言い換えれば、第１のジャーナルパッド５の摺動面における回転軸４の回転方向上流側の端部）に流入した潤滑油の一部は、油膜圧力の影響によって軸方向に流れる。上述の図４中矢印Ｃで示すように、残りの潤滑油は、周方向に流れて、第１のジャーナルパッド５の摺動面の出口（言い換えれば、第１のジャーナルパッド５の摺動面における回転軸４の回転方向下流側の端部）から流出し、第１のジャーナルパッド５とこれに隣り合う第２のジャーナルパッド５との間に流出する。このとき、本実施形態では、図９で示すように、潤滑油は、第１のジャーナルパッド５の摺動面の入口で温度Ｔ１となり、第１のジャーナルパッド５の摺動面の出口で温度Ｔ２まで上昇する。そして、第１のジャーナルパッド５と第２のジャーナルパッド５との間にて、第１のジャーナルパッド５の摺動面の出口から流出した温度Ｔ２の潤滑油と、油供給ノズル１６から供給された温度Ｔ０の潤滑油とが混合される。これにより、第２のジャーナルパッド５の摺動面の入口における潤滑油がＴ１となる。

ここで、本実施形態においては、再利用油供給路２３を設けており、この再利用油供給路２３は、ジャーナル軸受２のジャーナルパッド５間（図９中領域Ｄ）のみからスラスト軸受３に潤滑油を供給する。すなわち、再利用油供給路２３は、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に比較的低温な潤滑油だけを供給する。特に、再利用油供給路２３の供給孔２１がハウジング７の内周面近傍に位置し、ジャーナルパッド５の摺動面から離れていることから、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に供給する潤滑油の温度は、図９で示すものより低くなっている（温度Ｔ０に近づいている）。したがって、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に供給する潤滑油の温度を低減できる。

また、本実施形態においては、油排出路２７を設けており、この油排出路２７は、ジャーナルパッド５の摺動面における回転軸４の回転方向下流側の領域（図９中領域Ｅ）から外部へ潤滑油を排出する。これにより、図９中点線で示すように油排出路２７を設けない場合と比べ、ジャーナル軸受２内の潤滑油の温度、特にジャーナルパッド５間の潤滑油の温度を低減できる。したがって、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に供給する潤滑油の温度をさらに低減できる。

そして、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に供給する潤滑油の温度を低減することにより、その潤滑油の冷却作用を高めることができる。したがって、外部からスラスト軸受用油供給路２０を経由したスラスト軸受３への給油量を低減することができ、組合せ軸受装置１全体の給油量を低減できる。具体的に、図１０を用いて説明する。

図１０は、本実施形態における組合せ軸受装置１の給油量の具体例を表す図である。この図１０においては、ジャーナル軸受２に必要な給油量を１００とし、スラスト軸受３に必要な給油量を相対的に示している。すなわち、スラスト軸受３に必要な給油量は、ジャーナル軸受２の給油量の２倍であって２００となる。

本実施形態では、上述した通り、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に供給する潤滑油の温度を低減することにより、その冷却作用を高めることができる。これにより、ジャーナル軸受２に供給された潤滑油の給油量１００のうちの６０に相当する分を、ジャーナル軸受２からスラスト軸受３に供給して再利用することができる。すなわち、スラスト軸受３の給油量２００のうちの６０を補うことができ、外部からのスラスト軸受３への給油量は１４０となる。したがって、組合せ軸受装置１全体の給油量は、１００＋１４０＝２４０となる。

次に、本実施形態の組合せ軸受装置１を備えた回転機械の一例を、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態の軸受装置を備えた蒸気タービンの構成を表す図である。

この図１１において、蒸気タービンは、蒸気圧力にそれぞれ対応した高圧タービン３０、中圧タービン３１、及び低圧タービン３２で構成されており、これらタービン３０，３１，３２と発電機３３が回転軸４を介して連結されている。そして、回転軸４の径方向荷重を受ける複数のジャーナル軸受装置３４と、回転軸４の径方向荷重及び軸方向荷重を受ける組合せ軸受装置１が設けられている。

このような蒸気タービンにおいては、組合せ軸受装置１への給油量の低減により、給油のための補機や付属品（詳細には、ポンプや配管など）を小型化することができる。そのため、蒸気タービンのコンパクト化を図ることができる。

なお、上記一実施形態の組合せ軸受装置１においては、貫通孔２５は、入口より出口のほうがスラストカラー１０の径方向外側に位置するように形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、軸方向に平行となるように形成されてもよい。

また、上記一実施形態の組合せ軸受装置１においては、ハウジング７に油供給溝１４が形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の技術思想及び趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば組合せ軸受装置１のハウジング７の外周側にケーシング（図示せず）が設けられており、このケーシングに油供給溝が形成されて、ハウジング７に油供給溝１４が形成されなくともよい。この場合、ハウジング７のジャーナル軸受用油供給孔１５及びスラスト軸受用油供給孔１８は、ケーシングの油供給溝に連通されていればよい。

また、上記一実施形態の組合せ軸受装置１においては、シールリング８には、５つのジャーナルパッド５間の空間にそれぞれ連通する５つの再利用油供給孔２１が形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の技術思想及び趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば、上側のジャーナルパッド５間の空間より下側のジャーナルパッド５間の空間のほうに潤滑油が溜まりやすいことを考慮して、下側の２つのジャーナルパッド５間の空間にそれぞれ連通する２つの再利用油供給孔２１のみが形成されてもよい。また、例えば、スラスト軸受用油供給路２０は、スラスト軸受用油供給孔１８又は第１連通孔１９の径寸法の変更等によって、上側の油溝１３への給油量より下側の油溝１３への給油量が減るように構成されてもよい。

また、上記一実施形態の組合せ軸受装置１においては、第１連通孔１９と第２連通孔２２の両方が連通する油溝１３を形成した場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の技術思想及び趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば、第１連通孔１９から供給された潤滑油が第２連通孔２２を逆流することを抑止することを考慮して、油溝１３を２つに分割し、一方に第１連通孔１９が連通し、他方に第２連通孔２２が連通するように構成してもよい。

また、上記一実施形態の組合せ軸受装置１においては、ジャーナル軸受２の軸方向両側にスラスト軸受３を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、ジャーナル軸受２の軸方向片側のみにスラスト軸受３を設けてもよい。また、上記一実施形態の組合せ軸受装置１においては、テーパランド式のスラスト軸受３を設けた場合を例にとって説明したが、これに代えて、ティルティングパッド式のスラスト軸受を設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

１ 組合せ軸受装置
２ ジャーナル軸受
３ スラスト軸受
４ 回転軸
５ ジャーナルパッド
６ ピボット
７ ハウジング
８ シールリング
９ スラストパッド
１０ スラストカラー
１１ テーパ部
１２ ランド部
１３ 油溝
１４ 油供給溝
１５ ジャーナル軸受用油供給孔
１６ 油供給ノズル
１７ ジャーナル軸受用油供給路
１８ スラスト軸受用油供給孔
１９ 第１連通孔
２０ スラスト軸受用油供給路
２１ 再利用油供給孔
２２ 第２連通孔
２３ 再利用油供給路
２４ 切欠き溝
２５ 貫通孔
２６ 空間
２７ 油排出路

Claims (5)

1. 回転軸の径方向荷重を受けるティルティングパッド式のジャーナル軸受と、
   前記ジャーナル軸受の軸方向端部に設けられ、前記回転軸の外周側に設けられたスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受とを備えた組合せ軸受装置であって、
   外部からの潤滑油を前記ジャーナル軸受のジャーナルパッド間に供給するジャーナル軸受用油供給路と、
   外部からの潤滑油を前記スラスト軸受に供給するスラスト軸受用油供給路と、
   前記ジャーナル軸受の前記ジャーナルパッド間のみから前記スラスト軸受に潤滑油を供給する再利用油供給路とを有することを特徴とする組合せ軸受装置。
2. 請求項１記載の組合せ軸受装置において、
   前記ジャーナル軸受から外部へ潤滑油を排出する油排出路を有し、
   前記油排出路は、前記ジャーナルパッドの摺動面における前記回転軸の回転方向下流側の領域から外部へ潤滑油を排出することを特徴とする組合せ軸受装置。
3. 請求項２記載の組合せ軸受装置において、
   前記ジャーナル軸受用油供給路は、前記ジャーナル軸受のハウジングに形成されたジャーナル軸受用油供給孔と、前記ジャーナル軸受用油供給孔に接続され、前記ジャーナルパッド間に潤滑油を供給する油供給ノズルとで構成され、
   前記スラスト軸受用油供給路は、前記ジャーナル軸受の前記ハウジングに形成されたスラスト軸受用油供給孔と、前記スラスト軸受のスラストパッドの摺動面に形成された油溝と、前記スラストパッドに形成され、前記油溝と前記スラスト軸受用油供給孔に連通する第１連通孔とで構成され、
   前記再利用油供給路は、前記ジャーナル軸受の前記ジャーナルパッドの軸方向側面を覆うシールリングに形成され、前記ジャーナルパッド間に連通する再利用油供給孔と、前記スラストパッドに形成され、前記油溝と前記再利用油供給孔に連通する第２連通孔とで構成され、
   前記油排出路は、前記ジャーナルパッドの摺動面における前記回転軸の回転方向下流側の領域に対応するように、前記ジャーナル軸受の前記シールプレートに形成された切欠き溝と、前記スラストカラーに軸方向に貫通するように形成された貫通孔と、前記スラスト軸受の前記スラストパッドと前記回転軸との間に形成され、前記切欠き溝と前記貫通孔に連通する空間とで構成されたことを特徴とする組合せ軸受装置。
4. 請求項３記載の組合せ軸受装置において、
   前記貫通孔は、入口より出口のほうが前記スラストカラーの径方向外側に位置するように形成されたことを特徴とする組合せ軸受装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項記載の組合せ軸受装置を備えた回転機械。

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