KR102155064B1 - 저널 베어링 및 회전 기계 - Google Patents

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다카아키 가이코기
다카시 나카노
유이치로 와키
유타카 오자와
나오토 도치타니
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

저널 베어링은, 캐리어 링과, 상기 캐리어 링의 하반 영역의 내주측에 설치되고, 로터축을 하방으로부터 지지하도록 구성된 복수의 베어링 패드와, 상기 캐리어 링의 상반 영역에 배치되고, 상기 로터축의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 상기 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치된 가이드 메탈을 구비한다.

Description

저널 베어링 및 회전 기계
본 개시는, 로터축을 회전 가능하게 지지하기 위한 저널 베어링 및 회전 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 증기 터빈이나 가스 터빈 등의 회전 기계에 사용되는 베어링 장치로서, 저널 베어링이 알려져 있다.
예를 들어 특허문헌 1에는, 복수의 베어링 패드에 의해 로터축을 지지하는 저널 베어링이 기재되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1의 저널 베어링은, 캐리어 링과, 캐리어 링에 지지되는 상류측 베어링 패드 및 하류측 베어링 패드와, 각 베어링 패드와 로터축 사이에 윤활유를 공급하는 복수의 급유 노즐을 구비하고 있다. 복수의 급유 노즐은, 상류측 베어링 패드보다 상류측에 배치된 제1 급유 노즐(최상류 노즐)과, 상류측 베어링 패드의 양단부에 배치된 제2 및 제3 급유 노즐과, 하류측 베어링 패드의 상류측 단부에 배치된 제4 급유 노즐을 포함한다. 또한, 하반부 캐리어 링의 양단면에는 사이드 플레이트가 배치되어 있고, 급유 노즐로부터 공급된 윤활유의 베어링 외부로의 누출을 억제하도록 되어 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 로터축의 튀어오름을 방지하는 것을 목적으로 하여, 상반부 캐리어 링의 내주측에 있어서 축 방향으로 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 가이드 메탈을 구비한 구성도 기재되어 있다.
일본 특허 제4764486호 공보
그런데 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 복수의 베어링 패드를 구비하는 저널 베어링에 있어서는, 정상 동작 시, 회전수의 상승에 수반하여 로터축과 각 베어링 패드 사이에 각각 적정한 두께의 유막이 형성되고, 이들 유막 압력에 의해 로터축이 대략 바로 위로 부상하도록 되어 있다.
그러나 본 발명자들의 지견에 의하면, 복수의 베어링 패드 사이에 있어서의 부하 능력의 적정한 밸런스를 유지할 수 없기 때문에, 베어링 성능이 저하되거나, 이상 진동이 발생하거나 하는 일이 일어날 수 있다. 예를 들어, 상류측 베어링 패드에 있어서의 유막 압력이 부족하여 상류측 영역에서의 충분한 부하 능력을 확보할 수 없어, 로터축이 부상할 때에 상류측으로 치우쳐 버리면, 이것이 이상 진동의 발생 원인이 될 수 있다.
상술한 사정에 비추어 본 발명의 적어도 일 실시 형태는, 복수의 베어링 패드 사이에 있어서의 부하 능력의 밸런스를 유지하고, 이상 진동의 발생을 방지함과 함께 베어링 성능을 향상시킬 수 있는 저널 베어링 및 회전 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 몇 개의 실시 형태에 관한 저널 베어링은,
캐리어 링과,
상기 캐리어 링의 하반 영역의 내주측에 설치되고, 로터축을 하방으로부터 지지하도록 구성된 복수의 베어링 패드와,
상기 캐리어 링의 상반 영역에 배치되고, 상기 로터축의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 상기 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치된 가이드 메탈을 구비한다.
(2) 또한, 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 축 방향에 있어서의 상기 복수의 베어링 패드의 양측에 설치된 한 쌍의 사이드 플레이트를 더 구비하고,
각각의 상기 사이드 플레이트의 내주면과 상기 로터축의 외주면 사이에 상기 한 쌍의 사이드 플레이트에 의해 둘러싸인 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 간극이 마련되어 있다.
본 발명자들에 의한 예의 검토 결과, 최상류측에 위치하는 제1 베어링 패드와 로터축 사이의 유막 압력이 부족한 원인으로서, 제1 베어링 패드에 캐리오버되는 윤활유로의 공기의 혼입이 있음을 발견하였다.
즉, 상기 (2)의 구성과 같이, 각각의 사이드 플레이트 내주면과 로터축의 외주면 사이에, 한 쌍의 사이드 플레이트에 의해 둘러싸인 베어링 내부 공간과 베어링 외부를 연통시키기 위한 간극(사이드 플레이트 간극)을 갖는 저널 베어링에서는, 하류측에 배치된 제2 베어링 패드로부터 제1 베어링 패드에 이르는 영역에서 당해 간극으로부터 흡입된 공기가 윤활유에 혼입될 수 있다. 이 때문에, 제1 베어링 패드에 캐리오버되는 윤활유에는 많은 공기가 포함되어, 실질적인 윤활유의 유량이 적다고 생각된다. 따라서, 제1 베어링 패드의 상류측 바로 앞의 급유 유닛과, 제2 베어링 패드의 상류측 바로 앞의 급유 유닛의 토출유량이 동일해도, 제2 베어링 패드에 비해 제1 베어링 패드에서는 윤활유 부족으로 되기 쉽다. 또한, 윤활유는 비압축성 유체인 것에 비해, 윤활유에 포함되는 공기는 압축성 유체이기 때문에, 상류측의 제1 베어링 패드(특히, 전방 에지 근방)에 있어서 윤활유에 포함되는 기포가 찌부러져, 제1 베어링 패드의 전방 에지측에 있어서 동압이 발생하기 어려워진다.
이에 의해, 제1 베어링 패드의 부하 능력이 저하되어, 복수의 베어링 패드 사이에 있어서의 부하 능력의 적정한 밸런스를 유지할 수 없게 된다. 그 때문에, 회전수의 상승에 수반하여 로터축의 축심 궤적이 연직선 상으로부터 벗어나 버려, 이상 진동이 발생하거나, 베어링 성능이 저하되거나 할 가능성이 높아진다.
또한 본 발명자들이 예의 검토를 거듭한 결과, 캐리어 링의 상반 영역에 설치된 한 쌍의 가이드 메탈에 의해 끼워지는 반환상 공간이 로터축의 회전에 수반하여 부압이 되고, 가이드 메탈과 로터축의 외주면 사이의 미소 간극을 통해 외기가 상기 반환상 공간으로 유입되는 것이 캐리오버 오일로의 공기 혼입의 원인 중 하나임을 알게 되었다. 즉, 캐리어 링의 상반 영역에 있어서 가이드 메탈 사이의 반환상 공간으로 유입되는 외기가, 상기 미소 간극에 존재하는 오일(로터축의 외주면 또는 가이드 메탈의 내주면에 부착된 오일)에 혼입되어, 공기를 포함하는 캐리오버 오일이 발생한다고 생각된다.
그래서 상기 (1)의 저널 베어링은, 캐리어 링의 상반 영역에 배치되고, 로터축의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치된 가이드 메탈을 구비하는 구성으로 하고 있다. 그 때문에, 한 쌍의 가이드 메탈을 설치하는 경우와는 달리, 캐리오버 오일로의 공기 혼입의 원인이 되는 부압 공간(한 쌍의 가이드 메탈 사이의 반환상 공간)이 존재하지 않아, 공기를 많이 포함한 캐리오버 오일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 상기 (2)의 구성과 같이, 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 사이드 플레이트 간극이 마련되어 있는 경우라도, 복수의 베어링 패드 사이에 있어서의 부하 능력의 밸런스를 적정하게 유지할 수 있어, 저널 베어링에 있어서의 이상 진동의 발생 방지 및 베어링 성능의 향상이 도모된다.
(3) 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서,
상기 가이드 메탈의 하류측에 설치되고, 상기 가이드 메탈보다 상기 축 방향을 따른 폭이 큰 댐을 더 구비한다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 가이드 메탈보다 로터축 방향에 있어서의 폭이 큰 댐을 가이드 메탈의 하류측에 설치함으로써, 가이드 메탈의 양측의 공간을 반송되는 캐리오버 오일의 하류측으로의 흐름을 댐에 의해 효과적으로 억제할 수 있다.
(4) 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (3)의 구성에 있어서,
상기 가이드 메탈 및 상기 댐은 일체로 형성되어 있다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 가이드 메탈과 댐이 일체로 형성되어 있고, 가이드 메탈과 댐이 연속적으로 설치되어 있기 때문에, 가이드 메탈의 하류측, 또한 댐의 상류측에, 캐리오버 오일로의 공기의 혼입이 일어날 수 있는 스페이스가 존재하지 않는다. 이 때문에, 공기를 포함하는 캐리오버 오일의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
(5) 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (3) 또는 (4)의 구성에 있어서,
상기 댐의 하류측 단부의 상기 축 방향을 따른 폭 WG _ TE는, 상기 복수의 베어링 패드 중 최상류측의 제1 베어링 패드의 상기 축 방향에 있어서의 폭을 WP1로 하였을 때, WG_TE≥0.8×WP1을 만족시킨다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 댐의 하류측 단부의 축 방향을 따른 폭 WG _ TE를, 최상류측의 제1 베어링 패드의 축 방향에 있어서의 폭 WP1 의 0.8배 이상으로 하였으므로, 댐에 의해, 가이드 메탈의 양측을 통해 제1 베어링 패드까지 도달하는 캐리오버 오일을 확실하게 저감할 수 있다.
(6) 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (3) 내지 (5) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 댐은, 상기 축 방향에 있어서의 상기 댐의 양단을 형성함과 함께, 상류측으로부터의 캐리오버 오일을 상기 축 방향의 외측을 향해 유도하도록 구성된 한 쌍의 정류부를 갖는다.
상기 (6)의 구성에서는, 가이드 메탈의 양측의 공간을 로터축의 회전 방향을 따라 흐르는 캐리오버 오일을, 한 쌍의 정류부에 의해, 베어링 외부로 향한 흐름으로 전향시키도록 하였으므로, 캐리오버 오일이 최상류의 베어링 패드까지 도달하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
(7) 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (6)의 구성에 있어서,
각각의 상기 정류부의 전방 에지는, 하류측을 향함에 따라 상기 축 방향의 외측을 향하도록 상기 로터축의 회전 방향에 대해 경사져 있다.
캐리오버 오일의 흐름이 정류부에 있어서 급격하게 전향되는 경우, 캐리오버 오일이 원활하게 베어링 외부로 배출되지 않을 가능성이 있다.
이 점에서, 상기 (7)의 구성에 의하면, 정류부의 전방 에지가, 하류측을 향함에 따라 축 방향의 외측을 향하도록 로터축의 회전 방향에 대해 경사져 있으므로, 캐리오버 오일이 정류부를 따라 원활하게 전향되어, 캐리오버 오일을 베어링 외부로 원활하게 배출할 수 있다.
(8) 몇 개의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 가이드 메탈에는, 당해 가이드 메탈의 상기 로터축에 대향하는 표면에 개구됨과 함께, 상기 가이드 메탈의 상기 표면에 윤활유를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 급유구가 형성되어 있다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 가이드 메탈의 로터축에 대향하는 표면에 형성된 급유구를 통해 가이드 메탈의 표면에 윤활유가 공급되도록 하였으므로, 가이드 메탈과 로터축이 접촉하였을 때에 이들 사이의 윤활성을 유지할 수 있다.
또한, 가이드 메탈과 로터축의 외주면 사이의 미소 간극에 급유구로부터 공급된 윤활유는, 공기와 서로 접촉하는 일 없이, 상기 미소 간극을 하류측으로 흘러간다고 생각된다. 그 때문에, 급유구로부터의 윤활유는, 가이드 메탈의 양측을 통해 하류측을 향하는 캐리오버 오일과는 달리, 공기의 혼입의 가능성이 낮다. 그래서 상기 (8)의 구성과 같이, 가이드 메탈의 표면에 급유구를 형성하고, 당해 급유구로부터 윤활유를 공급함으로써, 가이드 메탈의 하류측에 위치하는 최상류 패드에 대해, 공기 혼입의 리스크가 적은 윤활유를 공급할 수 있다.
(9) 일 실시 형태에서는, 상기 (8)의 구성에 있어서,
상기 적어도 하나의 급유구는, 상기 가이드 메탈의 최상부 또는 당해 최상부보다 하류측에 위치한다.
전형적인 저널 베어링에서는, 로터축의 회전 시에 있어서, 로터축의 중심 축선이 캐리어 링의 중심 축선에 비해 낮은 위치에 존재한다. 이 때문에, 캐리어 링의 상반 영역은, 로터축의 회전 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 가이드 메탈과 로터축의 외주면의 간극이 서서히 넓어져, 가이드 메탈의 최상부에 있어서 당해 간극이 최대가 된 후, 당해 간극은 서서히 좁아져 간다.
그래서 상기 (9)의 구성에서는, 가이드 메탈의 표면에 개구되는 급유구를 가이드 메탈의 최상부 또는 당해 최상부의 하류측에 마련하고 있다. 이에 의해, 가이드 메탈과 로터축의 외주면 사이의 간극이 로터축의 회전 방향 하류측을 향해 서서히 좁아지는 영역에 급유구가 존재하기 때문에, 급유구로부터의 윤활유로의 공기 혼입의 가능성을 더 저감할 수 있다.
(10) 본 발명의 적어도 몇 개의 실시 형태에 관한 회전 기계는,
상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 저널 베어링과,
상기 저널 베어링에 의해 지지되는 로터축을 구비한다.
상기 (10)의 회전 기계에 의하면, 이상 진동이 발생하기 어렵고, 또한 우수한 베어링 성능을 갖는 저널 베어링을 구비하고 있으므로, 신뢰성이 높은 회전 기계를 제공할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태에 의하면, 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 가이드 메탈을 설치하는 구성으로 하였으므로, 한 쌍의 가이드 메탈을 설치하는 경우와는 달리, 캐리오버 오일로의 공기 혼입의 원인이 되는 부압 공간(한 쌍의 가이드 메탈 사이의 환상 공간)이 존재하지 않아, 공기를 많이 포함한 캐리오버 오일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 사이드 플레이트 간극이 마련되어 있는 경우라도, 복수의 베어링 패드 사이에 있어서의 부하 능력의 밸런스를 적정하게 유지할 수 있어, 저널 베어링에 있어서의 이상 진동의 발생 방지 및 베어링 성능의 향상이 도모된다.
도 1은 일 실시 형태에 관한 저널 베어링의 축 방향을 따른 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B선을 따라 본 도면이다.
도 4는 일 실시 형태에 관한 저널 베어링의 상반 영역의 전개도(도 1에 도시한 저널 베어링을 C 방향으로부터 본 전개도)이다.
도 5는 일 실시 형태에 있어서의 가이드 메탈 및 급유구를 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 개의 실시 형태에 대해 설명한다. 단, 실시 형태로서 기재되어 있거나, 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정한다는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 불과하다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 몇 개의 실시 형태에 관한 저널 베어링(10)의 전체 구성에 대해 설명한다.
도 1은, 일 실시 형태에 관한 저널 베어링(10)의 축 방향을 따른 단면도이다. 도 2는, 도 1의 A-A선 단면도이다. 도 3은, 도 1의 B-B선을 따라 본 도면이다.
본 실시 형태의 설명에 있어서, 「축 방향」은, 저널 베어링(10)에 지지되는 로터축(2)의 중심 축선(O)의 방향이고, 「직경 방향」은 로터축(2)의 반경 방향이고, 「주위 방향」은 로터축(2)의 주위 방향이다. 또한, 「주위 방향」은, 캐리어 링(12, 13)의 주위 방향이어도 되고, 사이드 플레이트(17, 18)의 주위 방향이어도 된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 「상류측」 또는 「하류측」이라 함은, 로터축(2)의 회전 방향에 있어서의 상류측 또는 하류측을 말한다.
도 1 내지 도 3에 도시한 실시 형태에 있어서, 저널 베어링(10)은, 윤활 방식(급유 방식)으로서 직접 윤활 방식을 채용하고 있고, 캐리어 링(11)의 하반 영역에 제1 베어링 패드(30) 및 제2 베어링 패드(32)가 배치된 구성으로 되어 있다. 예를 들어, 저널 베어링(10)은 틸팅 패드 베어링이다. 또한, 제1 베어링 패드(30)의 전방 에지(30a)는 상류측에 위치하고, 후방 에지(30b)는 하류측에 위치한다. 또한, 제2 베어링 패드(32)의 전방 에지(32a)는 상류측에 위치하고, 후방 에지(32b)는 하류측에 위치한다.
이하, 도시되는 저널 베어링(10)에 대해 예시적으로 설명하지만, 본 실시 형태에 관한 저널 베어링(10)은 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 다른 실시 형태에 있어서는, 캐리어 링(11)의 하반 영역에 3개 이상의 베어링 패드가 설치된 구성이어도 된다.
몇 개의 실시 형태에 있어서, 저널 베어링(10)은, 캐리어 링(11)과, 캐리어 링(11)의 하반 영역의 내주측에 마련되고, 로터축(2)을 하방으로부터 지지하도록 구성된 복수의 베어링 패드(30, 32)와, 로터축(2)의 축 방향에 있어서의 복수의 베어링 패드(30, 32)의 양측에 마련되는 한 쌍의 사이드 플레이트(17, 18)를 구비한다.
이하, 저널 베어링(10)의 각 부재의 구체적인 구성예에 대해 설명한다.
캐리어 링(11)은, 도시하지 않은 베어링 케이싱에 지지되어 있고, 상반부 캐리어 링(12) 및 하반부 캐리어 링(13)을 포함한다. 상반부 캐리어 링(12) 및 하반부 캐리어 링(13)은 각각, 축 방향에 직교하는 단면이 반원호 형상이 되는 내주면 및 외주면을 갖고 있다. 또한, 도시되는 예에서는, 캐리어 링(11)이 상반부 캐리어 링(12) 및 하반부 캐리어 링(13)으로 분할된 구성을 나타내고 있지만, 캐리어 링(11)은 일체 구조여도 되고, 3개 이상으로 분할된 구성이어도 된다. 또한, 도시되지 않은 다른 구성의 캐리어 링(11)에 있어서도, 중심 축선(O)을 지나는 수평면보다 상방측의 영역을 상방 영역이라고 하고, 하방측의 영역을 하방 영역이라고 한다.
캐리어 링(11)의 축 방향의 양단측에는, 로터축(2)의 외주를 따라, 한 쌍의 사이드 플레이트(17, 18)가 배치되어 있다. 사이드 플레이트(17, 18)는, 원판상으로 형성되어 있고, 중앙에 로터축(2)이 관통하는 구멍이 형성되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 사이드 플레이트(17, 18)는, 상반부 사이드 플레이트(17A, 18A) 및 하반부 사이드 플레이트(17B, 18B)를 포함하는 반할 구조여도 된다.
이들 사이드 플레이트(17, 18)에 의해, 후술하는 급유 유닛(25 내지 29)으로부터 공급되는 윤활유의 외부로의 누출을 적절하게 억제하도록 되어 있다.
상반부 캐리어 링(12) 및 하반부 캐리어 링(13)에는, 적어도 1개의 급유 유닛(25 내지 29)이 설치되어 있다. 예를 들어, 급유 유닛(25 내지 29)은, 급유 노즐이다.
도 2에 도시한 예에서는, 로터축(2)이 도면 중 화살표 S로 나타낸 바와 같이 시계 방향으로 회전하는 경우, 로터축(2)의 회전 방향 S에 있어서 상류측으로부터 제1 급유 유닛(25), 제2 급유 유닛(26), 제3 급유 유닛(27), 제4 급유 유닛(28), 제5 급유 유닛(29)을 포함하는 총 5개의 급유 유닛이 설치되어 있다.
구체적으로는, 제1 급유 유닛(25) 및 제2 급유 유닛(26)은, 최상류에 위치하는 제1 베어링 패드(30)보다 상류측에, 주위 방향으로 나열되어 배치되어 있다. 제3 급유 유닛(27) 및 제4 급유 유닛(28)은, 제1 베어링 패드(30)와, 당해 제1 베어링 패드(30)보다 하류측에 위치하는 제2 베어링 패드(32) 사이에, 주위 방향으로 나열되어 배치되어 있다. 제5 급유 유닛(29)은, 제2 베어링 패드(32)보다 하류측에 배치되어 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 제5 급유 유닛(29)은 윤활유의 분사 방향이 상이한 제1 분사 구멍(29a) 및 제2 분사 구멍(29b)을 갖고 있어도 된다. 이 경우, 제1 분사 구멍(29a)은, 제2 베어링 패드(최하류 패드)(32)를 냉각할 목적으로, 제2 베어링 패드(32)를 향해 상류측에 윤활유를 분사하도록 구성된다. 또한, 제2 분사 구멍(29b)은, 후술하는 가이드 메탈(20)과 로터축(2)이 접촉하였을 때의 윤활성을 유지할 목적으로, 가이드 메탈(20)을 향해 하류측에 윤활유를 분사하도록 구성된다.
도 1 내지 도 3으로 되돌아가, 캐리어 링(11)의 내부에는, 윤활유 공급로(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 윤활유 공급로에 공급된 윤활유는 각 급유 유닛(25 내지 29)으로 보내져, 각 급유 유닛(25 내지 29)으로부터 각 베어링 패드(30, 32)의 근방으로 분출된다.
제1 베어링 패드(30) 및 제2 베어링 패드(32)는, 하반부 캐리어 링(13)의 내주측에 설치되고, 로터축(2)을 하방으로부터 지지하도록 구성되어 있다.
제1 베어링 패드(30)는, 하반부 캐리어 링(13)의 내주측에 있어서 로터축(2)의 외주를 따라 설치되어 있다.
제2 베어링 패드(32)는, 하반부 캐리어 링(13)의 내주측에 있어서 제1 베어링 패드(30)보다 로터축(2)의 회전 방향 S의 하류측에 로터축(2)의 외주를 따라 설치되어 있다.
이와 같이, 하반부 캐리어 링(13)에 제1 베어링 패드(30) 및 제2 베어링 패드(32)가 설치되어 있기 때문에, 제1 베어링 패드(30) 및 제2 베어링 패드(32)에 의해 로터축(2)을 적절하게 지지할 수 있다.
또한, 캐리어 링(11)이, 상반부 캐리어 링(12) 및 하반부 캐리어 링(13)으로 분할된 구조가 아닌 일체 구조인 경우, 혹은 3개 이상으로 분할된 구조인 경우, 제1 베어링 패드(30) 및 제2 베어링 패드(32)는 캐리어 링(11)의 하반 영역에 설치되어 있으면 된다.
다음으로, 도 1, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하여, 가이드 메탈(20)과 그 주변 구조의 구체적인 구성에 대해 설명한다. 또한, 도 4는, 일 실시 형태에 관한 저널 베어링(10)의 상반 영역의 전개도(도 1에 도시한 저널 베어링(10)을 C 방향으로부터 본 전개도)이다. 도 5는, 일 실시 형태에 있어서의 가이드 메탈(20) 및 급유구(60)를 도시하는 단면도이다.
도 1, 도 2 및 도 4에 예시한 바와 같이, 몇 개의 실시 형태에 있어서, 저널 베어링(10)은, 캐리어 링(11)의 상반 영역(도시되는 예에서는 상반부 캐리어 링(12))에 배치되고, 로터축(2)의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 로터축(2)의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치된 가이드 메탈(반원환 베어링부)(20)을 구비한다.
예를 들어, 저널 베어링(10)은, 로터축(2)의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치되고, 주위 방향으로 연장되는 1개의 가이드 메탈(20)을 구비한다. 또한, 가이드 메탈(20)의 폭(로터축(2)의 축 방향에 있어서의 길이)은 특별히 한정되지 않지만, 로터축(2)이 튀어올랐을 때에 그 하중을 지지할 수 있는 폭이면 된다. 또한, 가이드 메탈(20)은, 도 2에 도시한 바와 같이 반원 형상으로 형성되어 있어도 된다. 이 가이드 메탈(20)에 의해 로터축(2)의 튀어오름을 억제할 수 있어, 로터축(2)의 튀어오름에 의한 부품의 파손 등을 방지할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 저널 베어링(10)이, 축 방향에 있어서의 복수의 베어링 패드(30, 32)의 양측에 설치된 한 쌍의 사이드 플레이트(17, 18)를 구비하는 경우, 각각의 사이드 플레이트(17, 18)의 내주면과 로터축(2)의 외주면 사이에 한 쌍의 사이드 플레이트(17, 18)에 의해 둘러싸인 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 간극(사이드 플레이트 간극)(42)이 마련되어 있다.
본 발명자들에 의한 예의 검토 결과, 최상류측에 위치하는 제1 베어링 패드(30)와 로터축(2) 사이의 유막 압력이 부족한 원인으로서, 제1 베어링 패드(30)에 캐리오버되는 윤활유로의 공기의 혼입이 있음을 발견하였다.
즉, 각각의 사이드 플레이트(17, 18)의 내주면과 로터축(2)의 외주면 사이에, 한 쌍의 사이드 플레이트(17, 18)에 의해 둘러싸인 베어링 내부 공간과 베어링 외부를 연통시키기 위한 사이드 플레이트 간극(42)(도 1 및 도 3 참조)을 갖는 저널 베어링(10)에서는, 하류측에 배치된 제2 베어링 패드(32)로부터 제1 베어링 패드(30)에 이르는 영역에서 당해 간극(42)으로부터 흡입된 공기가 윤활유에 혼입될 수 있다. 이 때문에, 제1 베어링 패드(30)에 캐리오버되는 윤활유에는 많은 공기가 포함되어, 실질적인 윤활유의 유량이 적다고 생각된다. 따라서, 제1 베어링 패드(30)의 상류측 바로 앞의 급유 유닛(25, 26)과, 제2 베어링 패드(32)의 상류측 바로 앞의 급유 유닛(27, 28)의 토출유량이 동일해도, 제2 베어링 패드(32)에 비해 제1 베어링 패드(30)에서는 윤활유 부족으로 되기 쉽다. 또한, 윤활유는 비압축성 유체인 것에 비해, 윤활유에 포함되는 공기는 압축성 유체이기 때문에, 상류측의 제1 베어링 패드(30)(특히, 전방 에지 근방)에 있어서 윤활유에 포함되는 기포가 찌부러져, 제1 베어링 패드(30)의 전방 에지(30a)측에 있어서 동압이 발생하기 어려워진다.
이에 의해, 제1 베어링 패드(30)의 부하 능력이 저하되어, 복수의 베어링 패드(30, 32) 사이에 있어서의 부하 능력의 적정한 밸런스를 유지할 수 없게 된다. 그 때문에, 회전수의 상승에 수반하여 로터축(2)의 축심 궤적이 연직선 상으로부터 벗어나 버려, 이상 진동이 발생하거나, 베어링 성능이 저하되거나 할 가능성이 높아진다.
또한 본 발명자들이 예의 검토를 거듭한 결과, 캐리어 링의 상반 영역에 한 쌍의 가이드 메탈이 설치된 구성(도시하지 않음)에 있어서는, 한 쌍의 가이드 메탈에 의해 끼워지는 반환상 공간이 로터축의 회전에 수반하여 부압이 되고, 가이드 메탈과 로터축의 외주면 사이의 미소 간극을 통해 외기가 상기 반환상 공간으로 유입되는 것이 캐리오버 오일로의 공기 혼입의 원인 중 하나임을 알게 되었다. 즉, 캐리어 링의 상반 영역에 있어서 한 쌍의 가이드 메탈 사이의 반환상 공간으로 유입되는 외기가, 상기 미소 간극에 존재하는 오일(로터축의 외주면 또는 가이드 메탈의 내주면에 부착된 오일)에 혼입되어, 공기를 포함하는 캐리오버 오일이 발생한다고 생각된다.
그래서 상기 실시 형태에 관한 저널 베어링(10)은, 캐리어 링(11)의 상반 영역에 배치되고, 로터축(2)의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 로터축(2)의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치된 가이드 메탈(20)을 구비하는 구성으로 하고 있다. 그 때문에, 한 쌍의 가이드 메탈을 설치하는 경우와는 달리, 캐리오버 오일로의 공기 혼입의 원인이 되는 부압 공간(한 쌍의 가이드 메탈 사이의 반환상 공간)이 존재하지 않아, 공기를 많이 포함한 캐리오버 오일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 상기 실시 형태와 같이, 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 사이드 플레이트 간극(42)이 마련되어 있는 경우라도, 복수의 베어링 패드(30, 32) 사이에 있어서의 부하 능력의 밸런스를 적정하게 유지할 수 있어, 저널 베어링(10)에 있어서의 이상 진동의 발생 방지 및 베어링 성능의 향상이 도모된다.
도 4에 예시한 바와 같이 몇 개의 실시 형태에서는, 저널 베어링(10)은, 가이드 메탈(20)의 하류측에 설치되고, 가이드 메탈(20)보다 축 방향을 따른 폭이 큰 댐(50)을 더 구비한다.
상기 실시 형태에 따르면, 댐(50)에 의해, 가이드 메탈(20)의 양측의 공간(5)을 반송되는 캐리오버 오일의 하류측으로의 흐름을 효과적으로 억제할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 가이드 메탈(20) 및 댐(50)은 일체로 형성되어 있어도 된다.
이 실시 형태에 따르면, 가이드 메탈(20)과 댐(50)이 일체로 형성되어 있고, 가이드 메탈(20)과 댐(50)이 연속적으로 설치되어 있기 때문에, 가이드 메탈(20)의 하류측, 또한 댐(50)의 상류측에, 캐리오버 오일로의 공기의 혼입이 일어날 수 있는 스페이스가 존재하지 않는다. 이 때문에, 공기를 포함하는 캐리오버 오일의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 도시는 생략하지만 다른 실시 형태로서, 가이드 메탈(20) 및 댐(50)이 별체로 구성되어 있어도 된다.
몇 개의 실시 형태에서는, 댐(50)의 하류측 단부의 축 방향을 따른 폭 WG _ TE는, 복수의 베어링 패드(30, 32) 중 최상류측의 제1 베어링 패드(30)의 축 방향에 있어서의 폭을 WP1로 하였을 때, WG_TE≥0.8×WP1을 만족시킨다.
상기 실시 형태에 따르면, 댐(50)의 하류측 단부의 축 방향을 따른 폭 WG _ TE를, 최상류측의 제1 베어링 패드(30)의 축 방향에 있어서의 폭 WP1의 0.8배 이상으로 하였으므로, 댐(50)에 의해, 가이드 메탈(20)의 양측의 공간(5)을 통해 제1 베어링 패드(30)까지 도달하는 캐리오버 오일을 확실하게 저감할 수 있다.
몇 개의 실시 형태에서는, 댐(50)은, 축 방향에 있어서의 댐(50)의 양단을 형성함과 함께, 상류측으로부터의 캐리오버 오일을 축 방향의 외측을 향해 유도하도록 구성된 한 쌍의 정류부(52, 53)를 갖는다.
상기 실시 형태에서는, 가이드 메탈(20)의 양측의 공간(5)을 로터축(2)의 회전 방향을 따라 흐르는 캐리오버 오일을, 한 쌍의 정류부(52, 53)에 의해, 베어링 외부로 향해 흐르도록 전향시키도록 하였으므로, 캐리오버 오일이 최상류의 제1 베어링 패드(30)까지 도달하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 각각의 정류부(52, 53)의 전방 에지(52a, 53a)는, 하류측을 향함에 따라 축 방향의 외측을 향하도록 로터축(2)의 회전 방향에 대해 경사져 있다. 즉, 각각의 정류부(52, 53)의 전방 에지(52a, 53a)는, 축 방향 중앙부가 상류측에 위치하고, 축 방향 양단측이 하류측에 위치하도록 경사져 있다. 또한, 「전방 에지」(52a, 53a)라 함은, 로터축(2)의 회전 방향에 있어서 상류측에 위치하는 에지부를 말한다.
캐리오버 오일의 흐름이 정류부(52, 53)에 있어서 급격하게 전향되는 경우, 캐리오버 오일이 원활하게 베어링 외부로 배출되지 않을 가능성이 있다.
이 점에서, 상기 구성에 의하면, 정류부(52, 53)의 전방 에지(52a, 53a)가, 하류측을 향함에 따라서 축 방향의 외측을 향하도록 로터축(2)의 회전 방향에 대해 경사져 있으므로, 캐리오버 오일이 정류부(52, 53)를 따라 원활하게 전향되어, 캐리오버 오일을 베어링 외부로 원활하게 배출할 수 있다.
가이드 메탈(20)은, 상술한 바와 같이 로터축(2)의 튀어오름을 방지할 목적으로 설치되므로, 통상, 가이드 메탈(20)의 내주면이 사이드 플레이트(17, 18)의 내주면보다 로터축(2)의 부근에 위치하도록 설치된다. 즉, 사이드 플레이트(17, 18)의 내주면과 로터축(2)의 외주면 사이의 간극(42)(도 1 및 도 3 참조)은, 가이드 메탈(20)의 내주면과 로터축(2)의 외주면 사이의 간극(40)(도 1 및 도 2 참조)보다 크다. 그 때문에, 사이드 플레이트(17, 18)에 윤활유의 배출로를 설치하지 않아도, 정류부(52, 53)를 따라 사이드 플레이트(17, 18)측으로 유도된 윤활유는, 사이드 플레이트(17, 18)의 내주면과 로터축(2)의 외주면 사이의 간극(42)(도 1 참조)으로부터 베어링 외부로 배출할 수 있다. 단, 정류부(52, 53)에 대응한 배출로를 사이드 플레이트(17, 18)에 형성해도 되는 것은 물론이다.
도 4 및 도 5에 예시하는 몇 개의 실시 형태에 있어서, 가이드 메탈(20)에는, 당해 가이드 메탈(20)의 로터축(2)에 대향하는 표면에 개구됨과 함께, 가이드 메탈(20)의 표면에 윤활유를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 급유구(60)가 형성되어 있다.
도 4에는, 축 방향으로 복수의 급유구(60)가 형성된 구성을 도시하고 있다. 또한, 제5 급유 유닛(29)이 상술한 제2 분사 구멍(29b)을 구비하는 경우, 이 제2 분사 구멍(29b)은, 가이드 메탈(20)의 위치에 대응하여 축 방향 중앙 영역에 형성되어 있어도 된다. 이 제2 분사 구멍(29b)으로부터 공급되는 윤활유에 의해, 급유구(60)보다 상류측의 가이드 메탈(20)의 윤활성을 확보할 수 있다.
상기 실시 형태에 따르면, 가이드 메탈(20)의 로터축(2)에 대향하는 표면에 형성된 급유구(60)를 통해 가이드 메탈(20)의 표면에 윤활유가 공급되도록 하였으므로, 가이드 메탈(20)과 로터축(2)이 접촉하였을 때에 이들 사이의 윤활성을 유지할 수 있다.
또한, 가이드 메탈(20)과 로터축(2)의 외주면 사이의 미소 간극(40)(도 1 및 도 2 참조)에 급유구(60)로부터 공급된 윤활유는, 공기와 서로 접촉하는 일 없이, 미소 간극(40)을 하류측으로 흘러간다고 생각된다. 그 때문에, 급유구(60)로부터의 윤활유는, 가이드 메탈(20)의 양측을 통해 하류측을 향하는 캐리오버 오일과는 달리, 공기의 혼입의 가능성이 낮다. 그래서 상기 실시 형태와 같이, 가이드 메탈(20)의 표면에 급유구(60)를 마련하고, 당해 급유구(60)로부터 윤활유를 공급함으로써, 가이드 메탈(20)의 하류측에 위치하는 제1 베어링 패드(30)에 대해 공기 혼입의 리스크가 적은 윤활유를 공급할 수 있다.
도 5에 예시한 바와 같이, 적어도 하나의 급유구(60)는, 가이드 메탈(20)의 최상부(H) 또는 당해 최상부(H)보다 하류측의 영역(D)에 위치해도 된다.
전형적인 저널 베어링(10)에서는, 로터축(2)의 회전 시에 있어서, 로터축(2)의 중심 축선(O)이 캐리어 링의 중심 축선(P)에 비해 낮은 위치에 존재한다. 이 때문에, 캐리어 링(11)의 상반 영역은, 로터축(2)의 회전 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 가이드 메탈(20)과 로터축(2)의 외주면의 간극(40)이 서서히 넓어져, 가이드 메탈(20)의 최상부(H)에 있어서 당해 간극(40)이 최대가 된 후, 당해 간극(40)은 서서히 좁아져 간다.
그래서 상기 구성에서는, 가이드 메탈(20)의 표면에 개구되는 급유구(60)를 가이드 메탈(20)의 최상부(H) 또는 당해 최상부(H)의 하류측에 마련하고 있다. 이에 의해, 가이드 메탈(20)과 로터축(2)의 외주면 사이의 간극(40)이 로터축(2)의 회전 방향 하류측을 향해 서서히 좁아지는 영역(D)에 급유구(60)가 존재하기 때문에, 급유구(60)로부터의 윤활유로의 공기 혼입의 가능성을 더 저감할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 적어도 몇 개의 실시 형태에 따르면, 로터축(2)의 축 방향에 있어서의 중앙에 가이드 메탈(20)을 설치하는 구성으로 하였으므로, 한 쌍의 가이드 메탈을 설치하는 경우와는 달리, 캐리오버 오일로의 공기 혼입의 원인이 되는 부압 공간(한 쌍의 가이드 메탈 사이의 환상 공간)이 존재하지 않아, 공기를 많이 포함한 캐리오버 오일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 사이드 플레이트 간극(42)이 마련되어 있는 경우라도, 복수의 베어링 패드(30, 32) 사이에 있어서의 부하 능력의 밸런스를 적정하게 유지할 수 있어, 저널 베어링(10)에 있어서의 이상 진동의 발생 방지 및 베어링 성능의 향상이 도모된다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 저널 베어링(10)이 적용되는 회전 기계(1)로서는, 가스 터빈이나 증기 터빈(예를 들어, 원자력 플랜트의 증기 터빈)이나 기계 구동용 터빈 등의 터빈, 풍력 발전 장치 등의 풍력 기계, 송풍기, 과급기, 또는 압축기 등을 들 수 있다.
여기서, 회전 기계(1)는, 회전 구동되는 로터축(2)과, 로터축(2)을 수용하는 베어링 하우징(도시하지 않음)과, 로터축(2)을 지지하기 위한 저널 베어링(10)을 구비한다.
이 회전 기계(1)에 의하면, 이상 진동이 발생하기 어렵고, 또한 우수한 베어링 성능을 갖는 저널 베어링(10)을 구비하고 있으므로, 신뢰성이 높은 회전 기계(1)를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 상술한 실시 형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절하게 조합한 형태도 포함한다.
예를 들어, 「어느 방향으로」, 「어느 방향을 따라」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」 혹은 「동축」 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그러한 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은 동일한 기능이 얻어질 정도의 각도나 거리에 의해 상대적으로 변위되어 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 「동일」, 「동등하다」 및 「균질」 등의 사물이 동등한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀과 동등한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은 동일한 기능이 얻어질 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 모따기부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 「구비한다」, 「포함한다」, 또는 「갖는다」라고 하는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
1 : 회전 기계
2 : 로터축
5 : 공간
10 : 저널 베어링
11 : 캐리어 링
12 : 상반부 캐리어 링
13 : 하반부 캐리어 링
17, 18 : 사이드 플레이트
20 : 가이드 메탈
25 : 제1 급유 유닛
26 : 제2 급유 유닛
27 : 제3 급유 유닛
28 : 제4 급유 유닛
29 : 제5 급유 유닛
29a : 제1 분사 구멍
29b : 제2 분사 구멍
30 : 제1 베어링 패드
32 : 제2 베어링 패드
50 : 댐
52, 53 : 정류부
52a, 53a : 전방 에지
60 : 급유구

Claims (10)

  1. 캐리어 링과,
    상기 캐리어 링의 하반 영역의 내주측에 설치되고, 로터축을 하방으로부터 지지하도록 구성된 복수의 베어링 패드와,
    상기 캐리어 링의 상반 영역에 배치되고, 상기 로터축의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 상기 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치되고, 상기 로터축의 튀어오름을 억제하는 하나의 가이드 메탈과,
    상기 축 방향에 있어서의 상기 복수의 베어링 패드의 양측에 설치된 한 쌍의 사이드 플레이트를 구비하고,
    각각의 상기 사이드 플레이트의 내주면과 상기 로터축의 외주면 사이에 상기 한 쌍의 사이드 플레이트에 의해 둘러싸인 베어링 내부 공간과 외부를 연통시키기 위한 제1 간극이 마련되고,
    상기 제1 간극은, 상기 하나의 가이드 메탈의 내주면과 상기 로터축의 외주면 사이의 제2 간극보다 큰 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 가이드 메탈의 하류측에 설치되고, 상기 하나의 가이드 메탈보다 상기 축 방향을 따른 폭이 큰 댐을 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나의 가이드 메탈 및 상기 댐은 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  4. 캐리어 링과,
    상기 캐리어 링의 하반 영역의 내주측에 설치되고, 로터축을 하방으로부터 지지하도록 구성된 복수의 베어링 패드와,
    상기 캐리어 링의 상반 영역에 배치되고, 상기 로터축의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 상기 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치되고, 상기 로터축의 튀어오름을 억제하는 하나의 가이드 메탈과,
    상기 하나의 가이드 메탈의 하류측에 설치되고, 상기 하나의 가이드 메탈보다 상기 축 방향을 따른 폭이 큰 댐을 구비하고,
    상기 하나의 가이드 메탈 및 상기 댐은 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 댐의 하류측 단부의 상기 축 방향을 따른 폭 WG_TE는, 상기 복수의 베어링 패드 중 최상류측의 제1 베어링 패드의 상기 축 방향에 있어서의 폭을 WP1로 하였을 때, WG_TE≥0.8×WP1을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 댐은, 상기 축 방향에 있어서의 상기 댐의 양단을 형성함과 함께, 상류측으로부터의 캐리 오버 오일을 상기 축 방향의 외측을 향해 유도하도록 구성된 한 쌍의 정류부를 갖는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 상기 정류부의 전방 에지는, 하류측을 향함에 따라 상기 축 방향의 외측을 향하도록 상기 로터축의 회전 방향에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 가이드 메탈에는, 당해 하나의 가이드 메탈의 상기 로터축에 대향하는 표면에 개구됨과 함께, 상기 하나의 가이드 메탈의 상기 표면에 윤활유를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 급유구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  9. 캐리어 링과,
    상기 캐리어 링의 하반 영역의 내주측에 설치되고, 로터축을 하방으로부터 지지하도록 구성된 복수의 베어링 패드와,
    상기 캐리어 링의 상반 영역에 배치되고, 상기 로터축의 외주면 중 상측 영역을 덮도록, 상기 로터축의 축 방향에 있어서의 중앙에 설치되고, 상기 로터축의 튀어오름을 억제하는 하나의 가이드 메탈과,
    상기 하나의 가이드 메탈에는, 당해 하나의 가이드 메탈의 상기 로터축에 대향하는 표면에 개구됨과 함께, 상기 하나의 가이드 메탈의 상기 표면에 윤활유를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 급유구가 형성되고,
    상기 적어도 하나의 급유구는, 상기 하나의 가이드 메탈의 최상부 또는 당해 최상부보다 하류측에 위치하는 것을 특징으로 하는, 저널 베어링.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 저널 베어링과,
    상기 저널 베어링에 의해 지지되는 로터축을 구비하는 것을 특징으로 하는, 회전 기계.
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