KR102240987B1 - 베어링 장치 및 회전기계 - Google Patents

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유이치로 와키
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

베어링 패드(60)를 외주측으로부터 피벗 위치(P2)에서 요동 가능하게 지지하는 지지부를 구비하고, 회전축(10)의 곡률 반경을 Rj로 하고, 패드면(62)의 곡률 반경을 Rp로 하고, 축선(O)을 중심으로 하여 해당 중심(O)과 패드면(62)에 있어서의 피벗 위치(P2)의 거리를 반경으로 하는 기준원(S)의 곡률 반경을 Rb로 했을 때에, Rj<Rp<Rb의 관계가 성립한다.

Description

베어링 장치 및 회전기계
본 발명은 베어링 장치 및 회전기계에 관한 것이다.
본원은 2017년 2월 23일에 일본에 출원된 특허출원 제 2017-31737 호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
예를 들어, 증기 터빈, 가스 터빈, 컴프레서 등에 이용되는 베어링 장치가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 베어링 장치는 회전축의 둘레 방향으로 이격되어 배치된 복수의 베어링 패드를 구비하고 있다.
이와 같은 베어링 장치로서, 틸팅 패드 베어링이 알려져 있다. 틸팅 패드 베어링에서는, 각 베어링 패드가 외주측으로부터 피벗(지지부)에 의해서 요동 가능하게 지지되어 있다. 회전축과 패드면 사이에는, 윤활유의 유막이 형성되어 있다.
일본 특허 공개 제 2010-203481 호 공보
그런데, 특히 패드면에 대한 회전축으로부터의 하중이 큰 고 면압(面壓), 또한 회전축의 회전수가 큰 고 주속(周速)의 틸팅 패드 베어링에서는, 하중을 지지하는 베어링 패드에 탄성 변형 및 열 변형이 생긴다. 그 때문에, 각 베어링 패드의 패드면은, 가공시보다 곡률 반경이 커진다. 즉, 만곡하는 패드면이 열리도록 변형된다.
이에 의해 회전축과 패드면의 간극이 커지면, 부하 능력의 저감(메탈 온도 높음, 유막 두께 작음)이나 감쇠성의 저감이 생기고, 더욱이 패드면이 필요로 하는 윤활유의 유량의 증대를 초래한다. 따라서, 베어링 장치로서의 성능 저하가 야기되어 버린다.
그래서, 본 발명은 상기 과제에 비추어 이루어진 것이며, 운전시의 성능 유지를 도모할 수 있는 베어링 장치 및 회전기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 태양에 따른 베어링 장치는, 축선 주위로 회전하는 회전축의 외주면을, 유막을 거쳐서 지지하는 패드면을 갖는 베어링 패드와, 상기 베어링 패드를 외주측으로부터 피벗 위치에서 요동 가능하게 지지하는 지지부를 구비하고, 상기 회전축의 곡률 반경을 Rj로 하고, 상기 패드면의 곡률 반경을 Rp로 하고, 상기 축선을 중심으로 하여 해당 중심과 상기 패드면에 있어서의 상기 피벗 위치의 거리를 반경으로 하는 기준원의 곡률 반경을 Rb로 했을 때에, Rj<Rp<Rb의 관계가 성립한다.
여기서, 만일 패드면의 곡률 반경이 기준원과 동일한 경우, 운전시에 패드면에 탄성 변형 및 열 변형이 생기고, 만곡이 열리도록 변형된다. 이에 의해서, 패드면의 곡률 반경이 기준원보다 커지게 되면, 패드면과 회전축의 간극의 치수가 과대해져서, 베어링으로서의 성능이 저하된다.
한편, 본 발명에서는, 당초부터 패드면의 곡률 반경이 기준원보다 작게 형성되어 있기 때문에, 탄성 변형 및 열 변형이 생겼다고 하더라도, 기준원보다 과대하게 열려 버리는 것을 억제할 수 있다. 또한, 패드면의 곡률 반경은 회전축의 곡률 반경보다 크기 때문에, 탄성 변형 및 열 변형이 일어나지 않은 운전 초기여도, 회전축과의 사이에 적절한 간극을 형성할 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따른 베어링 장치에 있어서, 상기 패드면과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수가, 상기 피벗 위치에서 최대가 되어도 좋다.
패드면의 피벗 위치는, 외주측으로부터 지지부에 의해서 지지되어 있기 때문에, 베어링 패드의 탄성 변형 및 열 변형의 영향을 받기 어렵고, 회전축과의 사이의 간극의 치수는 거의 변화되지 않는다. 한편, 해당 피벗 위치로부터 멀어질수록, 베어링 패드는 탄성 변형 및 열 변형의 영향에 의해 변형되기 쉬워진다. 따라서, 피벗 위치에서의 회전축과의 간극의 치수를 최대로 해두는 것에 의해, 운전시의 상기 간극을 베어링 패드 전체로서 최적화할 수 있다.
본 발명의 제 3 태양에 따른 베어링 장치에 있어서, 상기 패드면과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수가, 상기 피벗 위치로부터 둘레 방향으로 이격됨에 따라서 점차 작아져도 좋다.
베어링 패드는 피벗 위치로부터 둘레 방향으로 멀리 있는 부분일수록, 탄성 변형 및 열 변형의 영향에 의해 변형되기 쉬워진다. 따라서, 피벗 위치로부터 둘레 방향으로 이격됨에 따라서 회전축과의 간극 치수가 작게 되는 것에 의해, 운전시의 상기 간극을 베어링 패드 전체로서 보다 최적화할 수 있다.
본 발명의 제 4 태양에 따른 베어링 장치에 있어서, 상기 기준원을 따라 연장되는 가이드면을 갖는 가이드 메탈을 더 구비하고, 상기 가이드 메탈과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수는, 상기 피벗 위치에서의 상기 패드면과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수와 동등해도 좋다.
가이드면과 회전축의 간극, 및 피벗 위치에서의 패드면과 회전축의 간극을 동일하게 하여 이들 간극을 기준으로 하고, 패드면에 있어서의 피벗 위치 이외의 부분에서의 간극을 해당 기준보다 작게 함으로써, 운전시의 베어링 패드 전체로서의 간극을 보다 적정하게 관리할 수 있다.
본 발명의 제 5 태양에 따른 베어링 장치에 있어서, 상기 피벗 위치는 상기 패드면의 둘레 방향의 중앙보다 상기 회전축의 회전 방향 전방측에 위치하고 있고, 상기 패드면에 있어서의 상기 피벗 위치보다 회전 방향 후방측의 부분인 상류측 패드면의 곡률 반경을 Rp1로 하고, 상기 패드면에 있어서의 상기 피벗 위치보다 회전 방향 전방측의 부분인 하류측 패드면의 곡률 반경을 Rp2로 했을 때에, Rp1<Rp2의 관계가 성립해도 좋다.
베어링 패드는 피벗 위치로부터 둘레 방향으로 이격될수록, 패드면이 변형되어서 열리기 쉬워진다. 그 때문에, 피벗 위치에서 둘레 방향 단부까지의 거리가 큰 상류측 패드면의 곡률 반경을, 피벗 위치에서 둘레 방향 단부까지의 거리가 작은 하류측 패드면의 곡률 반경보다 작게 함으로써, 상류측 패드면이 극단적으로 열려 버리는 것을 회피할 수 있다.
본 발명의 제 6 태양에 따른 베어링 장치에 있어서, 상기 베어링 패드는 서로 상이한 둘레 방향 위치에 2개가 마련되어 있고, 이들 2개의 베어링 패드 중, 상기 회전축으로부터의 하중이 큰 일방의 베어링 패드의 곡률 반경을 RpA로 하고, 상기 회전축으로부터의 하중이 작은 타방의 베어링 패드의 곡률을 RpB로 했을 때에, RpA<RpB의 관계가 성립해도 좋다.
복수의 베어링 패드가 있는 경우에는, 보다 하중이 크게 걸리는 쪽의 탄성 변형 및 열 변형이 커지게 된다. 따라서, 하중이 커지게 되는 베어링 패드의 곡률 반경을 하중이 비교적 작은 베어링 패드의 곡률 반경보다 작게 함으로써, 베어링 장치 전체로서의 베어링 패드와 회전축의 간극 관리를 보다 적절하게 행할 수 있다.
본 발명의 제 7 태양에 따른 회전기계는, 상기 회전축과, 해당 회전축을 상기 축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 상기 어느 하나의 베어링 장치를 구비한다.
이와 같은 구성으로 된 회전기계는 운전시의 성능 유지를 도모할 수 있다.
본 발명에 의하면, 운전시의 성능 유지를 도모할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 저널 베어링을 구비한 증기 터빈의 모식적인 종단면도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 따른 저널 베어링의 축선에 직교하는 단면도이다.
도 3은 제 1 실시형태에 따른 저널 베어링의 축선에 직교하는 모식적인 단면도이다.
도 4는 베어링 패드와 회전축의 외주면의 간극에 있어서의 간극과 압력의 변화를 나타내는 그래프로서, 횡축을 회전 방향의 위치로 하고, 종축을 간극 또는 압력의 크기로 한 그래프이다.
도 5는 제 2 실시형태에 따른 저널 베어링의 패드면의 축선에 직교하는 모식적인 단면도이다.
도 6은 제 3 실시형태에 따른 저널 베어링의 축선에 직교하는 모식적인 단면도이다.
(제 1 실시형태)
이하, 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 대해서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 증기 터빈(1)(회전기계)은, 증기의 에너지를 회전 동력으로서 취출하는 외연기관으로서, 발전소에 있어서의 발전기 등에 이용되는 것이다.
증기 터빈(1)은 터빈 케이싱(2)과, 해당 터빈 케이싱(2)을 관통하도록 축선(O)을 따라서 연장되는 회전축(10)과, 터빈 케이싱(2)에 보지된 정익(3)과, 회전축(10)에 마련된 동익(4)과, 회전축(10)을 축선(O) 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링부(20)를 구비하고 있다.
베어링부(20)는 스러스트 베어링(21) 및 저널 베어링(30)(베어링 장치)을 구비하고 있고, 회전축(10)을 회전 가능하게 지지하고 있다.
회전축(10)은 축선(O)을 중심으로 하여 연장되는 원주 형상을 이루고 있다. 회전축(10)은 터빈 케이싱(2)에 대해서 축선(O) 방향으로 연장되어 있다. 회전축(10)의 일부에는, 스러스트 칼라(11)가 형성되어 있다. 스러스트 칼라(11)는 축선(O)을 중심으로 하여 원판 형상을 이루고 있고, 플랜지 형상을 이루도록 회전축(10)의 본체로부터 회전축(10)의 직경 방향 외측으로 일체적으로 장출(張出)되어 있다. 스러스트 베어링(21)은 스러스트 칼라(11)를 축선(O) 방향 양측으로부터 미끄럼운동 가능하게 지지하고 있다.
이와 같은 증기 터빈(1)에서는, 터빈 케이싱(2) 내에 도입되는 증기가 정익(3) 및 동익(4) 사이의 유로를 통과한다. 이때, 증기가 동익(4)을 회전시킴으로써 해당 동익(4)에 수반하여 회전축(10)이 회전하고, 해당 회전축(10)에 접속된 발전기 등의 기계에 동력(회전 에너지)이 전달된다.
다음으로, 제 1 실시형태의 베어링 장치인 저널 베어링(30)에 대해서, 도 2를 참조하여 설명한다.
저널 베어링(30)은 캐리어 링(31), 가이드 메탈(40), 피벗(50)(지지부), 베어링 패드(60) 및 윤활유 공급 노즐(70)을 구비하고 있다.
캐리어 링(31)은 회전축(10)을 외주측으로부터 둘러싸는 통 형상을 이루는 부재이다. 캐리어 링(31)은 예를 들면, 상반부 및 하반부로 나누어진 2개의 부재를 볼트 등으로 결합하는 것에 의해서 구성되어 있다. 캐리어 링(31)의 원통 형상의 중심 축선은, 상기 축선(O)과 일치하여 있다. 캐리어 링(31)과 회전축(10)의 외주면 사이에는, 공간이 형성되어 있다.
가이드 메탈(40)은 캐리어 링(31)의 내주면의 상반부에 고정되어 있다. 가이드 메탈(40)은 회전축(10)의 하중을 지지하는 것이 아니라, 회전축(10)의 튀어오름을 막기 위해서 마련되어 있다.
가이드 메탈(40)은 캐리어 링(31)의 내주면에 둘레 방향으로 연장되는 원호 형상의 부재이다. 가이드 메탈(40)은 외주면이 캐리어 링(31)에 고정되고, 내주면이 회전축(10)의 외주면에 간극을 두고 대향하는 대향면(41)으로 되어 있다. 가이드 메탈(40)의 대향면(41)은 축선(O) 방향에서 바라볼 때, 해당 축선(O)을 중심으로 한 원호 형상을 이루고 있다. 가이드 메탈(40)은 축선(O) 방향으로 간격을 두고 복수(예를 들면, 한 쌍)가 마련되어 있다.
피벗(50)은 캐리어 링(31)의 내주면의 하반부에 둘레 방향으로 간격을 두고 한 쌍이 마련되어 있다. 피벗(50)은 캐리어 링(31)의 내주면으로부터 돌출되도록 형성되어 있다. 피벗(50)의 선단, 즉, 직경 방향 내측의 단부는 반구면 형상을 이루고 있다. 피벗(50)은 베어링 패드(60)를 요동 가능하게 지지하는 역할을 갖는다.
베어링 패드(60)는 회전축(10)의 둘레 방향으로 간격을 두고 서로 상이한 둘레 방향 위치에, 피벗(50)과 대응하도록 해당 피벗(50)과 동일한 수가 마련되어 있다. 각 베어링 패드(60)는 회전축(10)의 축선(O)에 직교하는 단면시(斷面視)에 있어서 원호 형상을 이루고, 또한, 직경 방향의 치수가 균일한 만곡 판 형상을 이루고 있다.
베어링 패드(60)에 있어서의 직경 방향 외측을 향하는 외주면은, 상기 피벗(50)의 선단에 의해서 지지되는 이면(61)으로 되어 있다. 피벗(50)의 선단이 반구 형상을 이루고 있기 때문에, 베어링 패드(60)는 피벗(50)의 선단을 지점(支点)으로 하여 요동 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 소위 틸팅 기구가 구성되어 있다. 베어링 패드(60)의 이면(61)에 있어서의 피벗(50)에 의한 지지 개소는 점 접촉하는 피벗점(P1)으로 되어 있다.
베어링 패드(60)의 내주면은, 회전축(10)에 대향하는 패드면(62)으로 되어 있다. 패드면(62)과 회전축(10) 사이에 윤활유가 개재됨으로써, 패드면(62)은 해당 윤활유를 거쳐서 회전축(10)의 외주면을 미끄럼운동 가능하게 지지하고 있다. 패드면(62)은 축선(O) 방향에서 바라볼 때 직경 방향 외측으로 오목한 원호 형상을 이루고 있고, 해당 원호 형상을 유지한 채로 축선(O) 방향으로 연장되어 있다.
베어링 패드(60)는 외주측의 부분이 강재(鋼材) 등으로 형성된 베이스부로 되어 있고, 해당 베이스부의 내주측에 화이트 메탈이 적층되어 있다. 패드면(62)은 화이트 메탈에 의해서 형성되어 있다.
윤활유 공급 노즐(70)은 베어링 패드(60)와 회전축(10) 사이에 윤활유를 공급하는 역할을 갖는다. 윤활유 공급 노즐(70)은 각 베어링 패드(60)에 있어서의 회전축(10)의 회전 방향(T) 후방측(회전 방향 후방측)에 마련되어 있다. 윤활유 공급 노즐(70)은 외부로부터 공급되는 윤활유를 회전 방향(T) 전방측을 향해 토출한다.
여기서, 도 3의 모식도를 참조하여 제 1 실시형태의 저널 베어링(30)의 상세에 대해서 설명한다.
가이드 메탈(40)의 대향면(41)의 곡률 반경을 Rb로 하면, 가이드 메탈(40)의 대향면(41)은 둘레 방향 전역에 걸쳐서 곡률 반경(Rb)으로 연장되어 있다. 가이드 메탈(40)의 곡률 반경(Rb)의 중심은, 축선(O)과 일치하여 있다.
회전축(10)의 곡률 반경을 Rj로 한다. 회전축(10)의 곡률 반경(Rj)의 중심은 축선(O)과 일치한다. 그 때문에, 가이드 메탈(40)의 대향면(41)과 회전축(10)의 외주면 사이에는, 둘레 방향의 대향 범위 전역에 걸쳐서 직경 방향의 간극(Cr)이 형성되어 있다.
베어링 패드(60)의 패드면(62)에 있어서의 피벗점(P1)에 대응하는 개소를 피벗 위치(P2)로 한다. 즉, 베어링 패드(60)의 패드면(62) 및 외주면 중, 동일한 둘레 방향의 비율 위치가 서로 대응하는 개소이다. 예를 들어, 피벗점(P1)이 베어링 패드(60)의 이면(61)의 전체 길이 중 회전 방향(T) 전방측(회전 방향 전방측)으로부터 60%의 위치에 있으면, 베어링 패드(60)의 패드면(62)에 있어서의 회전 방향(T) 전방측으로부터 60%의 위치가 피벗 위치(P2)이다. 도 3과 같이, 베어링 패드(60)를 두께가 없는 선분으로 하여 모식적으로 그리면, 피벗점(P1)과 피벗 위치(P2)는 동일한 개소가 된다.
피벗 위치(P2)에서의 패드면(62)과 회전축(10)의 외주면의 간극은, 가이드 메탈(40)의 대향면(41)과 회전축(10)의 외주면의 간극과 동일하게 설정되어 있고, 즉, 간극(Cr)으로 설정되어 있다. 이 간극(Cr)은, 조립시의 간극인 조립 간극에 상당한다. 즉, 조립시에는, 베어링 패드(60)의 피벗 위치(P2)에서의 회전축(10)과의 간극, 가이드 메탈(40)과 회전축(10)의 간극은, 동일한 간극(Cr)이 되도록 설정되어 있다.
패드면(62)의 곡률 반경을 Rp로 한다. 패드면(62)의 곡률 반경(Rp)의 중심 위치는, 회전축(10)의 축선(O)과 일치하지 않고, 해당 축선(O)으로부터 어긋나서 배치되어 있다. 제 1 실시형태에서는, 베어링 패드(60)의 패드면(62)의 곡률 반경(Rp)의 중심은, 축선(O)보다 하방 또한 각각의 베어링 패드(60)측에 어긋난 위치로 되어 있다.
여기서, 축선(O)을 중심으로 하는 동시에, 해당 축선(O)과 패드면(62)에 있어서의 피벗 위치(P2)의 거리를 반경으로 하는 원을 기준원(S)으로 한다. 제 1 실시형태에서는, 가이드 메탈(40)의 대향면(41)은 기준원(S)과 일치하고 있고, 기준원(S)의 곡률 반경은, 가이드 메탈(40)의 대향면(41)의 곡률 반경과 동일한 Rb로 되어 있다. 바꿔말하면, 가이드 메탈(40)의 대향면(41)의 곡률 반경은, 기준원(S)의 곡률 반경과 일치하도록 설정되어 있다.
여기서 제 1 실시형태에서는, 회전축(10)의 외주면의 곡률 반경(Rj), 패드면(62)의 곡률 반경(Rp) 및 기준원(S)(가이드 메탈(40))의 곡률 반경(Rb)에는, Rj<Rp<Rb의 관계가 성립하고 있다.
또한, 패드면(62)과 회전축(10)의 외주면의 간극의 치수는, 축선(O) 방향에서 바라볼 때 피벗 위치(P2)에서 최대로 되어 있다. 즉, 피벗 위치(P2)에 있어서의 간극(Cr)이, 패드면(62)과 회전축(10)의 외주면 사이에서의 최대의 간극 치수가 된다.
또한, 패드면(62)과 회전축(10)의 외주면의 간극 치수는, 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향으로 이격됨에 따라서 점차 작아지고 있다. 따라서, 피벗 위치(P2)로부터 회전 방향(T) 전방측 또는 회전 방향(T) 후방측을 향함에 따라서, 패드면(62)은 회전축(10)의 외주면에 근접해 간다. 즉, 패드면(62)은 기준원(S)보다 그 만곡 정도가 닫힌 형상을 이루고 있다.
또한, 상기와 같은 곡률 반경 및 간극의 설정은, 모두 설계시·조립시(비운전시)의 것이다.
다음으로 제 1 실시형태의 저널 베어링(30)의 작용 효과에 대해서 설명한다. 회전축(10)의 회전시, 즉, 증기 터빈(1)의 운전시에는, 윤활유 공급 노즐(70)로부터 윤활유가 공급됨으로써, 베어링 패드(60)의 패드면(62)과 회전축(10)의 외주면 사이에 유막이 형성된다. 이 유막에 의해서, 베어링 패드(60)에는 회전축(10)을 지지하는 것에 의한 하중에 의한 압력이 도 4에 나타내는 그래프와 같이 생긴다. 즉, 베어링 패드(60)와 회전축(10) 사이에서 적정한 간극이 형성되어 있으면, 해당 간극은 윤활유의 입구측으로부터 출구측을 향해, 즉, 회전 방향(T) 전방측을 향해 서서히 작아지게 된다. 그리고, 회전축(10)을 지지하는 것에 의한 압력은, 입구로부터 서서히 증가해 가고, 피벗점(P1)의 후방측에서 피크를 이루고, 그 후, 출구를 향해 작아진다.
여기서, 특히 회전축(10)으로부터의 하중이 큰 경우에는, 베어링 패드(60)에 고면압이 부여되게 된다. 또한, 회전수가 큰 경우에는, 마찰에 의한 입열(入熱)이 커지게 된다.
이와 같은 경우에는, 회전축(10)의 하중을 지지하는 베어링 패드(60)에 탄성 변형 및 열 변형이 생긴다. 이와 같은 변형은, 베어링 패드(60)의 패드면(62)이 열리는 방향의 변형, 즉, 패드면(62)의 축선(O) 방향에서 본 경우의 곡률 반경이 커지게 되는 변형이 된다.
만일 패드면(62)의 곡률 반경을 가이드 메탈(40)과 마찬가지로 기준원(S)과 동일한 값으로 한 경우에는, 해당 변형에 의해 패드면(62)의 곡률 반경은 기준원(S)보다 커져 버린다. 즉, 패드면(62)과 회전축(10)의 간극의 치수가 당초 의도한 값보다 과대해져 버린다. 그 결과, 부하 능력의 저감이나 감쇠성의 저감이 생기고, 더욱이 패드면(62)이 필요로 하는 윤활유의 유량의 증대를 초래한다.
이에 대해, 제 1 실시형태에서는, 회전축(10)의 외주면의 곡률 반경(Rj), 패드면(62)의 곡률 반경(Rp) 및 기준원(S)(가이드 메탈(40))의 곡률 반경(Rb)에는, Rj<Rp<Rb의 관계가 성립하고 있다.
즉, 제 1 실시형태에서는, 설계시·조립시의 당초부터 패드면(62)의 곡률 반경이 기준원(S)보다 작게 형성되어 있기 때문에, 탄성 변형 및 열 변형이 생겼다고 하더라도, 기준원(S)보다 열려 버리는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 운전시여도 패드면(62)과 회전축(10) 사이에 적절한 간극을 유지할 수 있어서, 고면압을 실현할 수 있다. 즉, 운전시여도, 종래 상당의 간극을 유지할 수 있다.
또한, 패드면(62)의 곡률 반경은 회전축(10)의 곡률 반경보다 크기 때문에, 탄성 변형 및 열 변형이 일어나지 않은 운전 초기여도, 회전축(10)과의 사이에 적절한 간극을 형성할 수 있다.
이상으로부터, 운전시의 저널 베어링(30)의 성능 유지를 도모할 수 있다.
여기서, 패드면(62)의 피벗 위치(P2)의 개소는, 외주측으로부터 피벗(50)에 의해서 지지되어 있기 때문에, 탄성 변형 및 열 변형의 영향을 받기 어렵다. 그 때문에, 운전시여도, 회전축(10)과의 사이의 간극의 치수는 거의 변화되지 않는다.
한편, 해당 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향으로 멀어질수록, 베어링 패드(60)는 탄성 변형 및 열 변형의 영향에 의해 변형되기 쉬워진다. 즉, 강하게 지지된 피벗 위치(P2)로부터 멀어질수록, 변형이 일어나기 쉬워진다.
제 1 실시형태에서는, 피벗 위치(P2)에서의 회전축(10)과의 간극의 치수가 최대로 되어 있기 때문에, 해당 피벗 위치(P2)로부터 멀어진 개소에서의 회전축(10)과의 간극은 피벗 위치(P2)에 비해 작다. 그 때문에, 변형이 생겼을 때에는, 패드면(62)에 있어서의 피벗 위치(P2)로부터 멀어진 개소가 회전축(10)으로부터 과대하게 멀어져 버리는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 패드면(62) 전체로서, 회전축(10)과의 간극 관리를 적정하게 행할 수 있어서, 운전시에 있어서의 베어링 패드(60) 전체에서의 간극을 최적화할 수 있다.
또한, 특히 제 1 실시형태에서는, 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향으로 이격됨에 따라서 회전축(10)과의 간극 치수가 작게 되어 있다. 그 때문에, 운전시의 변형에 의해 회전시로부터 크게 이격되어 버린 부분일수록, 비운전시에 회전축(10)에 가까이 두는 것에 의해, 운전시의 간극을 베어링 패드(60) 전체로서 보다 최적화할 수 있다.
그리고, 제 1 실시형태에서는, 가이드면과 회전축(10)의 간극, 및 피벗 위치(P2)에서의 패드면(62)과 회전축(10)의 간극을 동일하게 하여 이들 간극을 기준으로 하고 있다. 해당 기준을 전제로 하여, 패드면(62)에 있어서의 피벗 위치(P2) 이외의 부분에서의 간극을 해당 기준보다 작게 함으로써, 운전시의 베어링 패드(60) 전체로서의 간극을 보다 적정하게 관리할 수 있다.
또한, 가이드 메탈(40)과 회전축(10)의 간극의 치수나 베어링 패드(60)의 조립시의 간극은 Cr로 설정되어 있고, 즉, 종래 상당으로부터 변경되지 않기 때문에, 간극 감소에 의한 유막 온도의 상승은 억제할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해서 도 5를 참조하여 설명한다. 제 2 실시형태에서 제 1 실시형태와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 상세한 설명을 생략한다.
제 2 실시형태는, 베어링 패드(60)의 구성에 대해서 제 1 실시형태와 상위하다. 즉, 제 2 실시형태의 베어링 패드(60)는, 제 1 실시형태와 동일한 이면(61)을 갖고 있고, 해당 이면(61)이 피벗(50)에 의해 지지되어 있다. 피벗(50)에 의한 지지 개소는, 베어링 패드(60)의 둘레 방향의 중앙보다 회전 방향(T) 전방측으로 되어 있다. 따라서, 피벗점(P1) 및 피벗 위치(P2)는 베어링 패드(60)의 둘레 방향 중앙보다 회전 방향(T) 전방측의 개소가 된다.
제 2 실시형태의 베어링 패드(60)의 패드면(62)은, 피벗 위치(P2)를 경계로 하여 상류측 패드면(63)과 하류측 패드면(64)으로 나누어져 있다. 즉, 패드면(62)에 있어서의 피벗(50) 위치보다 회전 방향(T) 후방측의 영역이 상류측 패드면(63)이고, 패드면(62)에 있어서의 피벗(50) 위치보다 회전 방향(T) 전방측의 영역이 하류측 패드면(64)이다. 상류측 패드면(63)은, 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향의 단부(회전 방향(T) 후방측, 상류측의 단부)까지의 거리가 상대적으로 길고, 하류측 패드면(64)은, 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향의 단부(회전 방향(T) 전방측, 하류측의 단부)까지의 거리가 짧다.
제 2 실시형태에서는, 상류측 패드면(63)의 곡률 반경을 Rp1로 하고, 하류측 패드면(64)의 곡률 반경을 Rp2로 하면, 본 실시형태에서는, Rp1<Rp2의 관계가 성립하고 있다.
베어링 패드(60)는 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향으로 이격될수록, 패드면(62)이 변형되어 열리기 쉬워진다. 그 때문에, 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향 단부까지의 거리가 큰 상류측 패드면(63)의 곡률 반경을, 피벗 위치(P2)로부터 둘레 방향 단부까지의 거리가 작은 하류측 패드면(64)의 곡률 반경보다 작게 함으로써, 상류측 패드면(63)이 극단적으로 열려 버리는 것을 회피할 수 있다. 이에 의해, 운전시에 있어서의 베어링 패드(60) 전체로서의 패드면(62)과 회전축(10)의 간극을 적절하게 설정할 수 있다.
(제 3 실시형태)
다음으로 본 발명의 제 3 실시형태에 대해서 도 6을 참조하여 설명한다. 제 3 실시형태에서 제 1 실시형태와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 상세한 설명을 생략한다.
제 3 실시형태에서는, 한 쌍의 베어링 패드(60) 중, 회전축(10)으로부터의 하중이 큰 일방의 베어링 패드(60)의 곡률 반경을 RpA로 하고, 회전축(10)으로부터의 하중이 작은 타방의 베어링 패드(60)의 곡률을 RpB로 했을 때에, RpA<RpB의 관계가 성립하고 있다.
제 3 실시형태에서는, 증기 터빈(1)에 있어서의 둘레 방향의 일부로부터 증기가 도입되고 있다. 구체적으로는, 한 쌍의 베어링 패드(60) 중, 회전 방향(T) 후방측의 베어링 패드(60)측으로부터 증기가 도입되고 있다. 그 때문에, 회전 방향(T) 전방측의 베어링 패드(60)에 대해서, 회전 방향(T) 후방측의 베어링 패드(60)보다 더 큰 하중이 부하된다.
이에 대해, 제 3 실시형태에서는, 회전 방향(T) 후방측의 베어링 패드(60)의 패드면(62)의 곡률 반경(RpA)보다, 회전 방향(T) 전방측의 베어링 패드(60)의 패드면(62)의 곡률 반경(RpB)이 크게 설정되어 있다.
여기서, 한 쌍의 베어링 패드(60) 중, 보다 하중이 크게 걸리는 일방이 타방보다 탄성 변형 및 열 변형이 커진다. 따라서, 하중이 크게 변형되기 쉬운 베어링 패드(60)의 곡률 반경을 보다 작게 설정해두는 것에 의해, 해당 베어링 패드(60)와 회전축(10)의 간극이 과잉하게 커져 버리는 것을 회피할 수 있다.
이에 의해, 저널 베어링(30) 전체로서의 베어링 패드(60)와 회전축(10)의 간극 관리를 보다 적절하게 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절하게 변경 가능하다.
예를 들어, 상기 실시형태에서는, 베어링 패드(60)가 피벗(50)의 점 접촉에 의해 지지되어 있는 점을 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 피벗(50)의 선단이 축선(O) 방향으로 연장되어 있고, 베어링 패드(60)가 선 접촉에 의해 지지되어 있는 구성이어도 좋다.
또한, 「점 접촉」, 「선 접촉」이란 이들 사이의 상대적인 표현으로서, 엄밀한 점이나 선으로 접촉하고 있다는 의미가 아닌 것은 말할 필요도 없다.
또한, 베어링 패드(60)를 요동 가능하게 지지 가능하면, 피벗(50)에 한정되지 않고 다른 구성에 의해서 베어링 패드(60)가 지지되어 있어도 좋다.
제 3 실시형태에서는, 증기의 도입 방향에 의해서 각 베어링 패드(60)에 대한 하중에 차이가 생기는 취지를 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 증기 터빈(1)의 기계적, 구조적인 특성에 의해 일방의 베어링 패드(60)의 하중이 커지는 경우여도, 상기 구성을 적용할 수 있다.
상기 실시형태에서는, 회전기계로서의 증기 터빈(1)에 본 발명을 적용한 예를 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 가스 터빈이나 컴프레서 등의 다른 회전기계에 적용해도 좋다.
본 발명은 베어링 장치 및 회전기계에 적용 가능하다.
1 : 증기 터빈(회전기계) 2 : 터빈 케이싱
3 : 정익 4 : 동익
10 : 회전축 11 : 스러스트 칼라
20 : 베어링부 21 : 스러스트 베어링
30 : 저널 베어링(베어링 장치) 31 : 캐리어 링
40 : 가이드 메탈 41 : 대향면
50 : 피벗(지지부) 60 : 베어링 패드
61 : 이면 62 : 패드면
63 : 상류측 패드면 64 : 하류측 패드면
70 : 윤활유 공급 노즐 P1 : 피벗점
P2 : 피벗 위치 O : 축선
T : 회전 방향 S : 기준원

Claims (7)

  1. 축선 주위로 회전하는 회전축의 외주면을 유막을 거쳐서 지지하는 패드면을 갖고, 상기 회전축의 둘레 방향으로 간격을 두고 마련된 복수의 베어링 패드와,
    상기 베어링 패드를 피벗 위치에서 요동 가능하게 지지하는 지지부를 구비하고,
    상기 회전축의 곡률 반경을 Rj로 하고,
    상기 패드면의 곡률 반경을 Rp로 하고,
    상기 축선을 중심으로 하여, 상기 축선과 상기 패드면에 있어서의 상기 피벗 위치의 거리를 반경으로 하는 기준원의 곡률 반경을 Rb로 했을 때에,
    모든 상기 패드면의 곡률 반경 Rp는,
    Rj<Rp<Rb의 관계를 충족하는
    베어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드면과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수가 상기 피벗 위치에서 최대가 되는
    베어링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드면과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수가 상기 피벗 위치로부터 둘레 방향으로 이격됨에 따라서 점차 작아지는
    베어링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준원을 따라서 연장되는 가이드면을 갖는 가이드 메탈을 더 구비하고,
    상기 가이드 메탈과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수는 상기 피벗 위치에서의 상기 패드면과 상기 회전축의 외주면의 간극의 치수와 동등한
    베어링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피벗 위치는 상기 패드면의 둘레 방향의 중앙보다 상기 회전축의 회전 방향 전방측에 위치하고 있고,
    상기 패드면에 있어서의 상기 피벗 위치보다 회전 방향 후방측의 부분인 상류측 패드면의 곡률 반경을 Rp1로 하고,
    상기 패드면에 있어서의 상기 피벗 위치보다 회전 방향 전방측의 부분인 하류측 패드면의 곡률 반경을 Rp2로 했을 때에,
    Rp1<Rp2의 관계가 성립하는
    베어링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 패드는 서로 상이한 둘레 방향 위치에 2개가 마련되어 있고,
    이들 2개의 베어링 패드 중, 상기 회전축으로부터의 하중이 큰 일방의 베어링 패드의 곡률 반경을 RpA로 하고,
    상기 회전축으로부터의 하중이 작은 타방의 베어링 패드의 곡률을 RpB로 했을 때에, RpA<RpB의 관계가 성립하는
    베어링 장치.
  7. 상기 회전축과,
    상기 회전축을 상기 축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 베어링 장치를 구비하는
    회전기계.
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