WO2017150500A1 - ジャーナル軸受および回転機械 - Google Patents

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downstream
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bearing
oil supply
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篠原 種宏
貝漕 高明
中野 隆
脇 勇一朗
小澤 豊
杼谷 直人
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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    • F16C33/02Parts of sliding-contact bearings
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    • F16C33/06Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10Construction relative to lubrication
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    • F16C33/1045Details of supply of the liquid to the bearing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
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    • F16C2360/00Engines or pumps

Definitions

  • the present disclosure relates to a journal bearing and a rotary machine for rotatably supporting a rotor shaft.
  • journal bearings are known as bearing devices used in rotating machines such as steam turbines and gas turbines.
  • Patent Document 1 describes a journal bearing that supports a rotor shaft by a plurality of bearing pads.
  • the journal bearing of Patent Document 1 includes a carrier ring, an upstream bearing pad and a downstream bearing pad supported by the carrier ring, and a plurality of lubricant oils supplied between each bearing pad and the rotor shaft.
  • the plurality of oil supply nozzles include a first oil supply nozzle (uppermost nozzle) disposed upstream of the upstream bearing pad, and second and third oil supply nozzles disposed at both ends of the upstream bearing pad.
  • a fourth oil supply nozzle disposed at the upstream end of the downstream bearing pad. Further, side plates are arranged on both end faces of the lower half carrier ring so as to suppress leakage of the lubricating oil supplied from the oil supply nozzle to the outside of the bearing.
  • At least one embodiment of the present invention provides a journal bearing and a rotating machine that can maintain a balance of load capacity among a plurality of bearing pads, prevent occurrence of abnormal vibration, and improve bearing performance.
  • the purpose is to provide.
  • a journal bearing includes: With carrier ring, A plurality of bearing pads provided on the inner peripheral side of the lower half region of the carrier ring and configured to support the rotor shaft from below; A pair of side plates provided on both sides of the plurality of bearing pads in the axial direction of the rotor shaft; At least one oil supply unit for supplying lubricating oil to the plurality of bearing pads; With A gap is provided between the inner peripheral surface of each of the side plates and the outer peripheral surface of the rotor shaft for communicating the bearing inner space surrounded by the pair of side plates and the outside, Of the at least one oil supply unit, the first oil supply unit provided on the downstream side of the most downstream pad located on the most downstream side among the plurality of bearing pads is the rear edge end surface of the most downstream pad, The lubricating oil is configured to be supplied toward a region below a corner portion of the most downstream pad formed by a line of intersection between a pad surface of the most downstream pad and the rear edge surface.
  • the lubricant in the upstream upstream pad is insufficient compared to the downstream pad.
  • Cheap since the lubricating oil is an incompressible fluid, the air contained in the lubricating oil is a compressive fluid, so the bubbles contained in the lubricating oil are crushed at the uppermost pad (particularly near the leading edge) Dynamic pressure is unlikely to occur on the front edge end face side of the most upstream pad. As a result, the load capacity of the most upstream pad is reduced, and an appropriate balance of load capacity among the plurality of bearing pads cannot be maintained. Therefore, as the rotational speed increases, the axis of the rotor shaft deviates from the vertical line, and there is a high possibility that abnormal vibration will occur or bearing performance will deteriorate.
  • the first oil supply unit is provided on the downstream side of the most downstream pad, and the lubricating oil is supplied from the first oil supply unit toward the rear edge surface of the most downstream pad, so that the most downstream The pad can be cooled.
  • the lubricating oil supplied from the first oil supply unit to the rear edge side of the most downstream pad is: easily transported to the uppermost pad as carry-over oil. Therefore, in the journal bearing of the above (1), among the at least one oil supply unit, the first oil supply unit provided on the downstream side of the most downstream pad is a corner portion (the most downstream pad) of the rear end face of the most downstream pad.
  • the lubricating oil is supplied to a region below the corner of the most downstream pad formed by the intersection of the pad surface and the rear edge surface.
  • the lubricating oil supplied from the first oil supply unit collides below the corner portion of the most downstream pad and falls downward, and is carried to the downstream side along with the rotor shaft as carryover oil. Can be suppressed. Therefore, the balance of the load capacity among the plurality of bearing pads can be properly maintained, and the occurrence of abnormal vibration in the journal bearing can be prevented and the bearing performance can be improved.
  • the second oil supply unit provided on the upstream side of each of the bearing pads is directed toward the gap between the front edge of each of the bearing pads and the outer peripheral surface of the rotor shaft. It is configured to supply lubricating oil.
  • the second oil supply unit provided on the upstream side of each bearing pad supplies the lubricating oil toward the gap between the front edge of the bearing pad and the outer peripheral surface of the rotor shaft.
  • the supplied lubricating oil flows smoothly between each bearing pad and the rotor shaft, and an oil film can be appropriately formed between the bearing pad and the rotor shaft.
  • the rotor shaft can be suppressed by the guide metal when the rotor shaft jumps up. Further, by providing the first oil supply unit on the upstream side of the guide metal, the first oil supply unit can be disposed close to the rear edge end surface of the most downstream pad, and the corner portion of the rear edge end surface of the most downstream pad. It is possible to effectively cool the most downstream pad by supplying lubricating oil toward the lower region.
  • the first refueling unit is At least one first injection hole for injecting the lubricating oil to the upstream side of the rear edge end surface of the most downstream pad toward a region below the corner portion; A second injection hole for injecting the lubricating oil downstream toward the guide metal; including.
  • the most downstream pad can be cooled by the lubricating oil from the first injection hole.
  • the first oil supply unit further includes a second injection hole for injecting the lubricating oil downstream toward the guide metal. The lubricating oil from the second injection hole can maintain the lubricity between the guide metal and the rotor shaft when they contact each other.
  • a rotating machine includes: The journal bearing according to any one of (1) to (4) above; A rotor shaft supported by the journal bearing; Is provided.
  • the lubricating oil supplied from the first oil supply unit collides below the corner portion of the most downstream pad and falls downward, and is carried to the rotor shaft as carry-over oil. Therefore, it is possible to suppress the conveyance to the downstream side. Therefore, the balance of the load capacity among the plurality of bearing pads can be properly maintained, and the occurrence of abnormal vibration in the journal bearing can be prevented and the bearing performance can be improved.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view taken along line BB in FIG. 1. It is the schematic for demonstrating the structure of the journal bearing which concerns on one Embodiment.
  • FIG. 2 is a development view of an upper half region of the journal bearing according to the embodiment (a development view in which the journal bearing shown in FIG. 1 is viewed from the C direction).
  • FIG. 1 is a cross-sectional view along the axial direction of a journal bearing 10 according to an embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a view taken along the line BB in FIG.
  • the “axial direction” is the direction of the central axis O of the rotor shaft 2 supported by the journal bearing 10
  • the “radial direction” is the radial direction of the rotor shaft 2
  • the “circumferential direction”. Is the circumferential direction of the rotor shaft 2.
  • the “circumferential direction” may be the circumferential direction of the carrier rings 12 and 13 or the circumferential direction of the side plates 17 and 18.
  • upstream side” or “downstream side” refers to an upstream side or a downstream side in the rotation direction of the rotor shaft 2.
  • the journal bearing 10 employs a direct lubrication method as a lubrication method (oil supply method), and the most upstream pad 30 and the most downstream pad 32 are disposed in the lower half region of the carrier ring 11. It is the structure by which the two bearing pads containing are arrange
  • the journal bearing 10 is a tilting pad bearing.
  • the front edge end face 30a of the most upstream pad 30 is located on the upstream side, and the rear edge end face 30b is located on the downstream side.
  • the front edge end surface 32a of the most downstream pad 32 is located on the upstream side, and the rear edge end surface 32b is located on the downstream side.
  • journal bearing 10 will be described as an example, but the journal bearing 10 according to the present embodiment is not limited to this configuration.
  • a configuration in which three or more bearing pads are attached to the lower half region of the carrier ring 11 may be employed. Even in this case, the bearing pad located on the most upstream side among the plurality of bearing pads is referred to as the most upstream pad, and the bearing pad located on the most downstream side is referred to as the most downstream pad.
  • the journal bearing 10 is provided on the inner peripheral side of the carrier ring 11 and the lower half region of the carrier ring 11, and a plurality of bearing pads 30 configured to support the rotor shaft 2 from below. , 32 and a pair of side plates 17, 18 provided on both sides of the plurality of bearing pads 30, 32 in the axial direction of the rotor shaft 2.
  • the carrier ring 11 is supported by a bearing casing (not shown) and includes an upper half carrier ring 12 and a lower half carrier ring 13.
  • Each of the upper half carrier ring 12 and the lower half carrier ring 13 has an inner circumferential surface and an outer circumferential surface such that a cross section perpendicular to the axial direction is a semicircular arc shape.
  • the carrier ring 11 is divided into an upper half carrier ring 12 and a lower half carrier ring 13.
  • the carrier ring 11 may be an integral structure, or 3 The structure divided
  • an area above the horizontal plane passing through the central axis O is referred to as an upper area, and a lower area is referred to as a lower area.
  • a pair of side plates 17 and 18 are disposed along the outer periphery of the rotor shaft 2 on both ends of the carrier ring 11 in the axial direction.
  • the side plates 17 and 18 are formed in a disc shape, and a hole through which the rotor shaft 2 passes is formed in the center.
  • the side plates 17 and 18 may have a half structure including upper half side plates 17A and 18A and lower half side plates 17B and 18B. These side plates 17 and 18 moderately prevent leakage of lubricating oil supplied from oil supply units 25 to 29 described later.
  • guide metals (semi-annular bearings) 20 and 21 are attached to the inner peripheral surface of the upper half carrier ring 12 in order to mainly suppress the bounce of the rotor shaft 2 from above. Also good.
  • a pair of guide metals 20 and 21 are attached to both ends of the upper half carrier ring 12 in the axial direction and inside the side plates 17 and 18 in the axial direction.
  • the guide metals 20 and 21 are formed in a semicircular shape.
  • the guide metal 20 and 21 can suppress the jumping of the rotor shaft 2, and the component due to the jumping of the rotor shaft 2. Can be prevented.
  • the guide metals 20, 21 May be provided in the upper half region of the carrier ring 11.
  • the upper half carrier ring 12 and the lower half carrier ring 13 are provided with at least one oil supply unit 25 to 29.
  • the oil supply units 25 to 29 are oil supply nozzles.
  • the oil supply units 25 to 28 (second oil supply units described later) from the upstream side in the rotation direction S of the rotor shaft 2.
  • a total of five oil supply units including an oil supply unit 29 (a first oil supply unit described later) are provided.
  • the oil supply units 25 and 26 are arranged in the circumferential direction on the upstream side of the most upstream pad 30.
  • the oil supply units 27 and 28 are arranged side by side in the circumferential direction between the most upstream pad 30 and the most downstream pad 32 located on the downstream side of the most upstream pad 30.
  • the oil supply unit 29 is disposed on the downstream side of the most downstream pad 32.
  • a lubricating oil supply passage (not shown) is formed inside the carrier ring 11.
  • the lubricating oil supplied to the lubricating oil supply path is sent to each of the oil supply units 25 to 29 and is jetted from the oil supply units 25 to 29 to the vicinity of the bearing pads 30 and 32.
  • the most upstream pad 30 and the most downstream pad 32 are provided along the outer periphery of the rotor shaft 2 on the inner peripheral side of the lower half carrier ring 13 and configured to support the rotor shaft 2 from below.
  • the most upstream pad 30 is located on the most upstream side in the rotational direction S of the rotor shaft 2 among the rows of the plurality of bearing pads 30 and 32 arranged so as to be adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the most downstream pad 32 is located on the most downstream side in the rotation direction S of the rotor shaft 2 among the rows of the plurality of bearing pads 30 and 32 arranged so as to be adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the most upstream pad 30 and The most downstream pad 32 may be provided in the lower half region of the carrier ring 11.
  • the journal bearing 10 includes a pair of side plates 17 and 18 between the inner peripheral surface of each side plate 17 and 18 and the outer peripheral surface of the rotor shaft 2.
  • a gap (side plate gap) 42 is provided for communicating the enclosed bearing internal space with the outside.
  • the first oil supply unit 29 provided on the downstream side of the most downstream pad 32 is connected to the most downstream pad 32.
  • Lubricating oil is supplied toward the region D below the corner portion 32c of the most downstream pad 32 formed by the intersection of the pad surface of the most downstream pad 32 and the trailing edge end surface 32b in the trailing edge end surface 32b. Configured.
  • the rear edge end surface 32b of the most downstream pad 32 is usually a surface inclined downward from the corner portion 32c.
  • the cause of insufficient oil film pressure between the most upstream pad 30 and the rotor shaft 2 is that air is mixed into the lubricating oil carried over by the most upstream pad 30.
  • the journal bearing 10 having (see FIGS. 1 and 3), the air sucked from the gap 42 in the region from the most downstream pad 32 to the most upstream pad 30 can be mixed into the lubricating oil.
  • the lubricating oil carried over to the most upstream pad 30 contains a large amount of air, and the actual amount of lubricating oil is small. Therefore, even if the amount of oil discharged from the oil supply units 25, 26 immediately before the upstream side of the most upstream pad 30 and the oil supply units 27, 28 immediately before the upstream side of the most downstream pad 32 are the same, the oil supply units 25, 26 are more Therefore, the most upstream pad 30 tends to be short of lubricating oil.
  • the lubricating oil is an incompressible fluid, the air contained in the lubricating oil is a compressive fluid, so that bubbles contained in the lubricating oil are crushed in the uppermost stream pad 30 (particularly near the front edge).
  • the first oil supply unit 29 is provided on the downstream side of the most downstream pad 32, and the lubricating oil is supplied from the first oil supply unit 29 toward the rear edge end surface 32b of the most downstream pad 32, The most downstream pad 32 can be cooled.
  • the first oil supply unit 29 is provided on the downstream side of the most downstream pad 32 as in the above embodiment, the first oil supply unit 29 is supplied from the first oil supply unit 29 to the rear edge end face 32b side of the most downstream pad 32.
  • the lubricating oil is easily conveyed to the uppermost stream pad 30 side as carry-over oil.
  • the first oil supply unit 29 provided on the downstream side of the most downstream pad 32 is the rear edge end face 32b of the most downstream pad 32.
  • the lubricating oil is configured to be supplied toward the region D below the corner portion 32c.
  • the lubricating oil supplied from the first oil supply unit 29 collides below the corner portion 32c of the most downstream pad 32 and falls downward, and is carried along with the rotor shaft 2 to the downstream side as carryover oil. It can suppress being conveyed. Therefore, the balance of the load capacity between the plurality of bearing pads 30 and 32 can be maintained appropriately, and the occurrence of abnormal vibration in the journal bearing 10 can be prevented and the bearing performance can be improved.
  • the second oil supply units 25 to 28 provided on the upstream side of the respective bearing pads 30 and 32 are connected to the respective bearings. Lubricating oil is supplied toward the gap between the front edges of the pads 30 and 32 and the outer peripheral surface of the rotor shaft 2.
  • the second oil supply units 25 to 28 provided on the upstream side of the respective bearing pads 30 and 32 are provided in the gaps between the front edges of the bearing pads 30 and 32 and the outer peripheral surface of the rotor shaft 2. Since the lubricating oil is supplied toward the bearing pad, the supplied lubricating oil smoothly flows between the bearing pads 30 and 32 and the rotor shaft 2, and the bearing pads 30 and 32 and the rotor shaft 2 An oil film can be appropriately formed between the two.
  • the guide metal is provided in the upper half region of the carrier ring 11 (upper half carrier ring 12 in the illustrated example) and is provided so as to cover the upper region of the outer peripheral surface of the rotor shaft 2.
  • the first oil supply unit 29 is located downstream of the most downstream pad 32 and upstream of the guide metals 20 and 21. Also good.
  • the rotor shaft 2 can be suppressed by the guide metals 20 and 21 when the rotor shaft 2 springs up.
  • the first oil supply unit 29 on the upstream side of the guide metals 20, 21, the first oil supply unit 29 can be disposed close to the rear end face 32 b of the most downstream pad 32, Lubricating oil can be supplied toward the area
  • the first oil supply unit 29 is disposed upstream in the region D below the corner portion 32 c of the rear edge end surface 32 b of the most downstream pad 32. It includes at least one first injection hole 29a for injecting the lubricating oil, and a second injection hole 29b for injecting the lubricating oil downstream toward the guide metals 20 and 21.
  • the most downstream pad 32 can be cooled by the lubricating oil from the first injection holes 29a.
  • the lubricating oil from the first injection hole 29a is injected toward the region D below the corner portion 32c in the rear edge end face 32b of the most downstream pad 32, and therefore, the rear edge end face of the most downstream pad 32. It collides with 32b and falls downward, so that it does not easily become carry-over oil that goes downstream as the rotor shaft 2 rotates.
  • the first oil supply unit 29 further includes a second injection hole 29 b for injecting lubricant toward the guide metals 20 and 21 on the downstream side. The lubricating oil from the second injection holes 29b can maintain the lubricity between the guide metals 20 and 21 and the rotor shaft 2 when they contact each other.
  • a plurality of first injection holes 29 a are arranged in the axial direction at the central portion in the axial direction of the first oil supply unit 29, and a plurality of second injections are performed at both axial ends of the first oil supply unit 29.
  • the holes 29b may be arranged in the axial direction.
  • the most downstream pad 32 can be effectively cooled by the lubricating oil supplied from the plurality of first injection holes 29a arranged in the central portion in the axial direction.
  • lubricity between the pair of guide metals 20 and 21 provided on both sides in the axial direction and the rotor shaft 2 by the lubricating oil supplied from the plurality of second injection holes 29b arranged on both ends in the axial direction. Can be kept properly.
  • the lubricating oil supplied from the first oil supply unit 29 collides below the corner portion 32c of the most downstream pad 32 and falls downward. Further, it is possible to prevent the carryover oil from being conveyed to the downstream side along with the rotor shaft 2. Therefore, the balance of the load capacity between the plurality of bearing pads 30 and 32 can be maintained appropriately, and the occurrence of abnormal vibration in the journal bearing 10 can be prevented and the bearing performance can be improved.
  • the rotary machine 1 to which the journal bearing 10 according to the present embodiment is applied includes a turbine such as a gas turbine, a steam turbine (for example, a steam turbine of a nuclear power plant) or a machine driving turbine, wind power, and the like.
  • a turbine such as a gas turbine, a steam turbine (for example, a steam turbine of a nuclear power plant) or a machine driving turbine, wind power, and the like.
  • a wind machine such as a power generation device, a blower, a supercharger, or a compressor.
  • the rotary machine 1 includes a rotor shaft 2 that is rotationally driven, a bearing housing (not shown) that houses the rotor shaft 2, and a journal bearing 10 that supports the rotor shaft 2. According to the rotating machine 1, since the journal bearing 10 is provided that is unlikely to generate abnormal vibration and has excellent bearing performance, the rotating machine 1 with high reliability can be provided.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained.
  • a shape including a part or the like is also expressed.
  • the expression “comprising”, “including”, or “having” one constituent element is not an exclusive expression that excludes the presence of the other constituent elements.

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Abstract

ジャーナル軸受は、キャリアリングと、前記キャリアリングの下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸を下方から支持するように構成された複数の軸受パッドと、前記ロータ軸の軸方向における前記複数の軸受パッドの両側に設けられた一対のサイドプレートと、前記複数の軸受パッドに対して潤滑油を供給するための少なくとも一つの給油ユニットと、備える。各々の前記サイドプレートの内周面と前記ロータ軸の外周面との間に前記一対のサイドプレートによって囲まれた軸受内部空間と外部とを連通させるための隙間が設けられている。前記少なくとも一つの給油ユニットのうち、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する最下流パッドの下流側に設けられた第1給油ユニットは、前記最下流パッドの後縁端面のうち、前記最下流パッドのパッド面と前記後縁端面との交線によって形成される前記最下流パッドの角部よりも下方の領域に向けて前記潤滑油を供給するように構成される。

Description

ジャーナル軸受および回転機械
 本開示は、ロータ軸を回転可能に支持するためのジャーナル軸受および回転機械に関する。
 一般に、蒸気タービンやガスタービン等の回転機械に用いられる軸受装置として、ジャーナル軸受が知られている。
 例えば特許文献1には、複数の軸受パッドによってロータ軸を支持するジャーナル軸受が記載されている。具体的には、特許文献1のジャーナル軸受は、キャリアリングと、キャリアリングに支持される上流側軸受パッド及び下流側軸受パッドと、各軸受パッドとロータ軸との間に潤滑油を供給する複数の給油ノズルと、を備えている。複数の給油ノズルは、上流側軸受パッドよりも上流側に配置された第1の給油ノズル(最上流ノズル)と、上流側軸受パッドの両端部に配置された第2及び第3の給油ノズルと、下流側軸受パッドの上流側端部に配置された第4の給油ノズルと、を含む。また、下半部キャリアリングの両端面にはサイドプレートが配置されており、給油ノズルから供給された潤滑油の軸受外部への漏出を抑制するようになっている。
特許第4764486号公報
 ところで、特許文献1に記載されるように複数の軸受パッドを備えるジャーナル軸受においては、正常動作時、回転数の上昇に伴ってロータ軸と各軸受パッドの間にそれぞれ適正な厚さの油膜が形成され、これらの油膜圧力によってロータ軸が略直上に浮き上がるようになっている。
 しかしながら、本発明者らの知見によれば、複数の軸受パッド間における負荷能力の適正なバランスを維持できないために、軸受性能が低下したり、異常振動が発生したりすることが起こり得る。例えば、上流側軸受パッドにおける油膜圧力が不足して上流側領域での十分な負荷能力を確保できず、ロータ軸が浮上する際に上流側へ寄ってしまうと、このことが異常振動の発生原因になり得る。
 上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、複数の軸受パッド間における負荷能力のバランスを維持し、異常振動の発生を防止するとともに軸受性能を向上し得るジャーナル軸受および回転機械を提供することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受は、
 キャリアリングと、
 前記キャリアリングの下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸を下方から支持するように構成された複数の軸受パッドと、
 前記ロータ軸の軸方向における前記複数の軸受パッドの両側に設けられた一対のサイドプレートと、
 前記複数の軸受パッドに対して潤滑油を供給するための少なくとも一つの給油ユニットと、
を備え、
 各々の前記サイドプレートの内周面と前記ロータ軸の外周面との間に前記一対のサイドプレートによって囲まれた軸受内部空間と外部とを連通させるための隙間が設けられ、
 前記少なくとも一つの給油ユニットのうち、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する最下流パッドの下流側に設けられた第1給油ユニットは、前記最下流パッドの後縁端面のうち、前記最下流パッドのパッド面と前記後縁端面との交線によって形成される前記最下流パッドの角部よりも下方の領域に向けて前記潤滑油を供給するように構成される。
 本発明者らによる鋭意検討の結果、複数の軸受パッドのうち最上流パッドとロータ軸との間の油膜圧力が不足する原因として、最上流パッドにキャリーオーバされる潤滑油(キャリーオーバ油)への空気の混入があることを見出した。
 すなわち、各々のサイドプレートの内周面とロータ軸の外周面との間に、一対のサイドプレートによって囲まれた軸受内部空間と軸受外部とを連通させるための隙間を有するジャーナル軸受では、最下流パッドから最上流パッドに至る領域で該隙間から吸い込まれた空気が潤滑油に混入し得る。このため、最上流パッドにキャリーオーバされる潤滑油には多くの空気が含まれ、実質の潤滑油の油量が少ないと考えられる。したがって、最上流パッドの上流側直前の給油ユニットと、最下流パッドの上流側直前の給油ユニットとの吐出油量が同じであっても、最下流パッドに比べて最上流パッドでは潤滑油不足となりやすい。また、潤滑油は非圧縮性流体であるのに対して、潤滑油に含まれる空気は圧縮性流体であるため、最上流パッド(特に前縁近傍)において潤滑油に含まれる気泡が押しつぶされ、最上流パッドの前縁端面側において動圧が生じにくくなる。
 これにより、最上流パッドの負荷能力が低下し、複数の軸受パッド間における負荷能力の適正なバランスが維持できなくなる。そのため、回転数の上昇に伴いロータ軸の軸心軌跡が鉛直線上から逸れてしまい、異常振動が発生したり、軸受性能が低下したりする可能性が高くなる。
 上記(1)の構成のように、最下流パッドよりも下流側に第1給油ユニットを設け、第1給油ユニットから最下流パッドの後縁端面に向けて潤滑油を供給することで、最下流パッドを冷却することができる。
 なお、上記(1)の構成のように、第1給油ユニットが最下流パッドよりも下流側に設けられている場合、第1給油ユニットから最下流パッドの後縁側に供給された潤滑油は、キャリーオーバ油として最上流パッド側へ搬送されやすい。
 そこで、上記(1)のジャーナル軸受では、少なくとも一つの給油ユニットのうち、最下流パッドの下流側に設けられた第1給油ユニットは、最下流パッドの後縁端面のうち角部(最下流パッドのパッド面と後縁端面との交線によって形成される最下流パッドの角部)よりも下方の領域に向けて潤滑油を供給するように構成されている。
 これにより、第1給油ユニットから給油された潤滑油は、最下流パッドの角部よりも下方に衝突して下方に落下し、キャリーオーバ油としてロータ軸に連れまわって下流側へ搬送されることを抑制できる。
 したがって、複数の軸受パッド間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受における異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
 前記少なくとも一つの給油ユニットのうち、各々の前記軸受パッドの上流側に設けられる第2給油ユニットは、各々の前記軸受パッドの前縁と前記ロータ軸の外周面との間の隙間に向けて前記潤滑油を供給するように構成される。
 上記(2)の構成によれば、各々の軸受パッドの上流側に設けられる第2給油ユニットが、軸受パッドの前縁とロータ軸の外周面との間の隙間に向けて潤滑油を供給するようになっているので、供給された潤滑油が各々の軸受パッドとロータ軸との間に円滑に流入し、軸受パッドとロータ軸との間に適切に油膜を形成することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
 前記キャリアリングの上半領域に設けられ、前記ロータ軸の外周面のうち上側領域を覆うように設けられたガイドメタルをさらに備え、
 前記第1給油ユニットは、前記最下流パッドの下流側、且つ、前記ガイドメタルの上流側に位置する。
 上記(3)の構成によれば、キャリアリングの上半領域に一対のガイドメタルを設けたので、ロータ軸が跳ね上がった場合にガイドメタルによってロータ軸を抑え込むことができる。また、第1給油ユニットをガイドメタルの上流側に設けることで、第1給油ユニットを最下流パッドの後縁端面に近づけて配置することができ、最下流パッドの後縁端面のうち前記角部よりも下方の領域に向けて潤滑油を供給して最下流パッドを効果的に冷却することができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(3)の構成において、
 前記第1給油ユニットは、
  前記最下流パッドの前記後縁端面のうち前記角部よりも下方の領域に向けて上流側に前記潤滑油を噴射するための少なくとも一つの第1噴射孔と、
  前記ガイドメタルに向けて下流側に前記潤滑油を噴射するための第2噴射孔と、
を含む。
 上記(4)の構成によれば、第1噴射孔からの潤滑油によって、最下流パッドの冷却を行うことができる。この際、第1噴射孔からの潤滑油は、最下流パッドの後縁端面のうち前記角部よりも下方の領域に向けて噴射されるから、上記(1)でも述べたように、最下流パッドの後縁端面に衝突して下方に落下するようになっており、ロータ軸の回転に伴って下流側へと向かうキャリーオーバ油にはなりにくい。
 一方、第1給油ユニットは、ガイドメタルに向けて下流側に前記潤滑油を噴射するための第2噴射孔をさらに含んでいる。この第2噴射孔からの潤滑油によって、ガイドメタルとロータ軸とが接触する際にこれらの間の潤滑性を保つことができる。
(5)本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る回転機械は、
 上記(1)乃至(4)の何れか一に記載のジャーナル軸受と、
 前記ジャーナル軸受によって支持されるロータ軸と、
を備える。
 上記(5)の回転機械によれば、異常振動が発生しにくく且つ優れた軸受性能を有するジャーナル軸受を備えているので、信頼性の高い回転機械を提供することができる。
 本発明の少なくとも一実施形態によれば、第1給油ユニットから給油された潤滑油は、最下流パッドの角部よりも下方に衝突して下方に落下し、キャリーオーバ油としてロータ軸に連れまわって下流側へ搬送されることを抑制できる。したがって、複数の軸受パッド間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受における異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。
一実施形態に係るジャーナル軸受の軸方向に沿った断面図である。 図1のA-A線断面図である。 図1のB-B線矢視図である。 一実施形態に係るジャーナル軸受の構成を説明するための概略図である。 一実施形態に係るジャーナル軸受の上半領域の展開図(図1に示したジャーナル軸受をC方向から視た展開図)である。
 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
 最初に、図1~図3を参照して、幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受10の全体構成について説明する。
 図1は、一実施形態に係るジャーナル軸受10の軸方向に沿った断面図である。図2は、図1のA-A線断面図である。図3は、図1のB-B線矢視図である。
 本実施形態の説明において、「軸方向」は、ジャーナル軸受10に支持されるロータ軸2の中心軸線Oの方向であり、「径方向」はロータ軸2の半径方向であり、「周方向」はロータ軸2の周方向である。なお、「周方向」は、キャリアリング12,13の周方向であってもよいし、サイドプレート17,18の周方向であってもよい。さらに、本実施形態において「上流側」又は「下流側」とは、ロータ軸2の回転方向における上流側又は下流側のことを言う。
 図1~図3に示す実施形態において、ジャーナル軸受10は、潤滑方式(給油方式)として直接潤滑方式を採用しており、キャリアリング11の下半領域に、最上流パッド30及び最下流パッド32を含む2つの軸受パッドが配置された構成となっている。例えば、ジャーナル軸受10は、ティルティングパッド軸受である。なお、最上流パッド30の前縁端面30aは上流側に位置し、後縁端面30bは下流側に位置する。また、最下流パッド32の前縁端面32aは上流側に位置し、後縁端面32bは下流側に位置する。
 以下、図示されるジャーナル軸受10について例示的に説明するが、本実施形態に係るジャーナル軸受10はこの構成に限定されるものではない。例えば、他の実施形態においては、キャリアリング11の下半領域に3個以上の軸受パッドが取り付けられた構成であってもよい。その場合においても、複数の軸受パッドのうち最上流側に位置する軸受パッドを最上流パッドと言い、最下流側に位置する軸受パッドを最下流パッドと言う。
 幾つかの実施形態において、ジャーナル軸受10は、キャリアリング11と、キャリアリング11の下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸2を下方から支持するように構成された複数の軸受パッド30,32と、ロータ軸2の軸方向における複数の軸受パッド30,32の両側に設けられる一対のサイドプレート17,18と、を備える。
 以下、ジャーナル軸受10の各部材の具体的な構成例について説明する。
 キャリアリング11は、不図示の軸受ケーシングに支持されており、上半部キャリアリング12及び下半部キャリアリング13を含む。上半部キャリアリング12及び下半部キャリアリング13は、それぞれ、軸方向に直交する断面が半円弧状となるような内周面及び外周面を有している。なお、図示される例では、キャリアリング11が上半部キャリアリング12及び下半部キャリアリング13に分割された構成を示しているが、キャリアリング11は一体構造であってもよいし、3以上に分割された構成であってもよい。また、図示されない他の構成のキャリアリング11においても、中心軸線Oを通る水平面より上方側の領域を上方領域と言い、下方側の領域を下方領域と言う。
 キャリアリング11の軸方向の両端側には、ロータ軸2の外周に沿って、一対のサイドプレート17,18が配置されている。サイドプレート17,18は、円板状に形成されており、中央にロータ軸2が貫通する穴が形成されている。図3に示すように、サイドプレート17,18は、上半部サイドプレート17A,18A及び下半部サイドプレート17B,18Bを含む半割構造であってもよい。
 これらのサイドプレート17,18によって、後述する給油ユニット25~29から供給される潤滑油の外部への漏出を適度に抑制するようになっている。
 図1に示すように、上半部キャリアリング12には、主としてロータ軸2の跳ね上がりを上方から押さえ込むために、内周面にガイドメタル(半円環軸受部)20,21が取り付けられていてもよい。例えば、上半部キャリアリング12の軸方向の両端側で且つサイドプレート17,18よりも軸方向において内側に、一対のガイドメタル20,21が取り付けられている。ガイドメタル20,21は、半円形状に形成されている。
 このように、上半部キャリアリング12の内周側にガイドメタル20,21が設けられることで、ガイドメタル20,21によってロータ軸2の跳ね上がりを押さえ込むことができ、ロータ軸2の跳ね上がりによる部品の破損等を防止できる。なお、キャリアリング11が、上半部キャリアリング12及び下半部キャリアリング13に分割された構造ではなく一体構造である場合、あるいは3以上に分割された構造である場合、ガイドメタル20,21は、キャリアリング11の上半領域に設けられていればよい。
 上半部キャリアリング12及び下半部キャリアリング13には、少なくとも一本の給油ユニット25~29が設けられている。例えば、給油ユニット25~29は、給油ノズルである。
 図2に示す例では、ロータ軸2が図中矢印Sに示すように時計回りに回転する場合、ロータ軸2の回転方向Sにおいて上流側から給油ユニット25~28(後述する第2給油ユニット)、給油ユニット29(後述する第1給油ユニット)を含む計5本の給油ユニットが設けられている。
 具体的には、給油ユニット25,26は、最上流パッド30よりも上流側に、周方向に並んで配置されている。給油ユニット27,28は、最上流パッド30と、該最上流パッド30よりも下流側に位置する最下流パッド32との間に、周方向に並んで配置されている。給油ユニット29は、最下流パッド32よりも下流側に配置されている。
 キャリアリング11の内部には、潤滑油供給路(不図示)が形成されている。潤滑油供給路に供給された潤滑油は各給油ユニット25~29に送られて、各給油ユニット25~29から各軸受パッド30,32の近傍に噴出される。
 最上流パッド30および最下流パッド32は、下半部キャリアリング13の内周側においてロータ軸2の外周に沿って設けられ、ロータ軸2を下方から支えるように構成されている。
 最上流パッド30は、周方向において隣り合うように配置された複数の軸受パッド30,32の列のうち、ロータ軸2の回転方向Sの最上流側に位置する。
 最下流パッド32は、周方向において隣り合うように配置された複数の軸受パッド30,32の列のうち、ロータ軸2の回転方向Sの最下流側に位置する。
 このように、下半部キャリアリング13に最上流パッド30および最下流パッド32が設けられているので、最上流パッド30および最下流パッド32によってロータ軸2を適切に支持できる。
 なお、キャリアリング11が、上半部キャリアリング12及び下半部キャリアリング13に分割された構造ではなく一体構造である場合、あるいは3以上に分割された構造である場合、最上流パッド30および最下流パッド32は、キャリアリング11の下半領域に設けられていればよい。
 次に、図4及び図5を参照して、給油ユニット25~29及びその周辺構造の具体的な構成について説明する。
 幾つかの実施形態に係るジャーナル軸受10は、図1に例示するように、各々のサイドプレート17,18の内周面とロータ軸2の外周面との間に一対のサイドプレート17,18によって囲まれた軸受内部空間と外部とを連通させるための隙間(サイドプレート隙間)42が設けられている。
 また、このジャーナル軸受10において、図4に例示するように、少なくとも一つの給油ユニット25~29のうち、最下流パッド32の下流側に設けられた第1給油ユニット29は、最下流パッド32の後縁端面32bのうち、最下流パッド32のパッド面と後縁端面32bとの交線によって形成される最下流パッド32の角部32cよりも下方の領域Dに向けて潤滑油を供給するように構成される。
 なお、最下流パッド32の後縁端面32bは、通常、角部32cから下方に向けて傾斜した面となっている。
 本発明者らによる鋭意検討の結果、最上流パッド30とロータ軸2との間の油膜圧力が不足する原因として、最上流パッド30にキャリーオーバされる潤滑油への空気の混入があることを見出した。
 すなわち、各々のサイドプレート17,18の内周面とロータ軸2の外周面との間に、一対のサイドプレート17,18によって囲まれた軸受内部空間と軸受外部とを連通させるための隙間42(図1及び図3参照)を有するジャーナル軸受10では、最下流パッド32から最上流パッド30に至る領域で該隙間42から吸い込まれた空気が潤滑油に混入し得る。このため、最上流パッド30にキャリーオーバされる潤滑油には多くの空気が含まれ、実質の潤滑油の油量が少ないと考えられる。したがって、最上流パッド30の上流側直前の給油ユニット25,26と、最下流パッド32の上流側直前の給油ユニット27,28との吐出油量が同じであっても、最下流パッド32に比べて最上流パッド30では潤滑油不足となりやすい。また、潤滑油は非圧縮性流体であるのに対して、潤滑油に含まれる空気は圧縮性流体であるため、最上流パッド30(特に前縁近傍)において潤滑油に含まれる気泡が押しつぶされ、最上流パッド30の前縁端面30a側において動圧が生じにくくなる。
 これにより、最上流パッド30の負荷能力が低下し、複数の軸受パッド30,32間における負荷能力の適正なバランスが維持できなくなる。そのため、回転数の上昇に伴いロータ軸2の軸心軌跡が鉛直線上から逸れてしまい、異常振動が発生したり、軸受性能が低下したりする可能性が高くなる。
 上記実施形態のように、最下流パッド32よりも下流側に第1給油ユニット29を設け、第1給油ユニット29から最下流パッド32の後縁端面32bに向けて潤滑油を供給することで、最下流パッド32を冷却することができる。
 なお、上記実施形態のように、第1給油ユニット29が、最下流パッド32よりも下流側に設けられている場合、第1給油ユニット29から最下流パッド32の後縁端面32b側に供給された潤滑油は、キャリーオーバ油として最上流パッド30側へ搬送されやすい。
 そこで、上記実施形態に係るジャーナル軸受10では、少なくとも一つの給油ユニット25~29のうち、最下流パッド32の下流側に設けられた第1給油ユニット29は、最下流パッド32の後縁端面32bのうち角部32cよりも下方の領域Dに向けて潤滑油を供給するように構成されている。
 これにより、第1給油ユニット29から給油された潤滑油は、最下流パッド32の角部32cよりも下方に衝突して下方に落下し、キャリーオーバ油としてロータ軸2に連れまわって下流側へ搬送されることを抑制できる。
 したがって、複数の軸受パッド30,32間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受10における異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。
 図4に例示するように幾つかの実施形態では、少なくとも一つの給油ユニット25~29のうち、各々の軸受パッド30,32の上流側に設けられる第2給油ユニット25~28は、各々の軸受パッド30,32の前縁とロータ軸2の外周面との間の隙間に向けて潤滑油を供給するように構成される。
 上記実施形態によれば、各々の軸受パッド30,32の上流側に設けられる第2給油ユニット25~28が、軸受パッド30,32の前縁とロータ軸2の外周面との間の隙間に向けて潤滑油を供給するようになっているので、供給された潤滑油が各々の軸受パッド30,32とロータ軸2との間に円滑に流入し、軸受パッド30,32とロータ軸2との間に適切に油膜を形成することができる。
 また、上述したように、キャリアリング11の上半領域(図示される例では上半部キャリアリング12)に設けられ、ロータ軸2の外周面のうち上側領域を覆うように設けられたガイドメタル20,21をさらに備えている場合、図4及び図5に示すように、第1給油ユニット29は、最下流パッド32の下流側、且つ、ガイドメタル20,21の上流側に位置していてもよい。
 上記構成によれば、キャリアリング11の上半領域に一対のガイドメタル20,21が設けられることによって、ロータ軸2が跳ね上がった場合にガイドメタル20,21によってロータ軸2を抑え込むことができる。また、第1給油ユニット29をガイドメタル20,21の上流側に設けることで、第1給油ユニット29を最下流パッド32の後縁端面32bに近づけて配置することができ、最下流パッド32の後縁端面32bのうち角部32cよりも下方の領域Dに向けて潤滑油を供給して最下流パッド32を効果的に冷却することができる。
 図4及び図5に例示するように幾つかの実施形態では、第1給油ユニット29は、最下流パッド32の後縁端面32bのうち角部32cよりも下方の領域Dに向けて上流側に潤滑油を噴射するための少なくとも一つの第1噴射孔29aと、ガイドメタル20,21に向けて下流側に潤滑油を噴射するための第2噴射孔29bと、を含む。
 上記構成では、第1噴射孔29aからの潤滑油によって、最下流パッド32の冷却を行うことができる。この際、第1噴射孔29aからの潤滑油は、最下流パッド32の後縁端面32bのうち角部32cよりも下方の領域Dに向けて噴射されるから、最下流パッド32の後縁端面32bに衝突して下方に落下するようになっており、ロータ軸2の回転に伴って下流側へと向かうキャリーオーバ油にはなりにくい。
 一方、第1給油ユニット29は、ガイドメタル20,21に向けて下流側に潤滑油を噴射するための第2噴射孔29bをさらに含んでいる。この第2噴射孔29bからの潤滑油によって、ガイドメタル20,21とロータ軸2とが接触する際にこれらの間の潤滑性を保つことができる。
 例えば、図5に示すように、第1給油ユニット29の軸方向中央部において複数の第1噴射孔29aが軸方向に配列され、第1給油ユニット29の軸方向両端側において複数の第2噴射孔29bが軸方向に配列されていてもよい。これにより、軸方向中央部に配列された複数の第1噴射孔29aから供給される潤滑油によって最下流パッド32を効果的に冷却できる。また軸方向両端側に配列された複数の第2噴射孔29bから供給される潤滑油によって、軸方向の両側に設けられた一対のガイドメタル20,21と、ロータ軸2との間の潤滑性を適切に保つことができる。
 上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、第1給油ユニット29から給油された潤滑油は、最下流パッド32の角部32cよりも下方に衝突して下方に落下し、キャリーオーバ油としてロータ軸2に連れまわって下流側へ搬送されることを抑制できる。したがって、複数の軸受パッド30,32間における負荷能力のバランスを適正に保つことができ、ジャーナル軸受10における異常振動の発生防止および軸受性能の向上が図れる。
 なお、図1に示すように、本実施形態に係るジャーナル軸受10が適用される回転機械1としては、ガスタービンや蒸気タービン(例えば原子力プラントの蒸気タービン)や機械駆動用タービン等のタービン、風力発電装置等の風力機械、送風機、過給機、又は圧縮機などが挙げられる。
 ここで、回転機械1は、回転駆動されるロータ軸2と、ロータ軸2を収容する軸受ハウジング(不図示)と、ロータ軸2を支持するためのジャーナル軸受10と、を備える。
 この回転機械1によれば、異常振動が発生しにくく且つ優れた軸受性能を有するジャーナル軸受10を備えているので、信頼性の高い回転機械1を提供することができる。
 本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
 例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
 例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
 例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
 一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
1   回転機械
2   ロータ軸
10  ジャーナル軸受
11  キャリアリング
12  上半部キャリアリング
13  下半部キャリアリング
17,18  サイドプレート
20,21  ガイドメタル
25~28  第2給油ユニット
29  第1給油ユニット
29a 第1噴射孔
29b 第2噴射孔
30  最上流パッド
32  最下流パッド
32a 前縁端面
32b 後縁端面
32c 角部
42  隙間

Claims (5)

  1.  キャリアリングと、
     前記キャリアリングの下半領域の内周側に設けられ、ロータ軸を下方から支持するように構成された複数の軸受パッドと、
     前記ロータ軸の軸方向における前記複数の軸受パッドの両側に設けられた一対のサイドプレートと、
     前記複数の軸受パッドに対して潤滑油を供給するための少なくとも一つの給油ユニットと、
    を備え、
     各々の前記サイドプレートの内周面と前記ロータ軸の外周面との間に前記一対のサイドプレートによって囲まれた軸受内部空間と外部とを連通させるための隙間が設けられ、
     前記少なくとも一つの給油ユニットのうち、前記複数の軸受パッドのうち最下流側に位置する最下流パッドの下流側に設けられた第1給油ユニットは、前記最下流パッドの後縁端面のうち、前記最下流パッドのパッド面と前記後縁端面との交線によって形成される前記最下流パッドの角部よりも下方の領域に向けて前記潤滑油を供給するように構成されたことを特徴とするジャーナル軸受。
  2.  前記少なくとも一つの給油ユニットのうち、各々の前記軸受パッドの上流側に設けられる第2給油ユニットは、各々の前記軸受パッドの前縁と前記ロータ軸の外周面との間の隙間に向けて前記潤滑油を供給するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載のジャーナル軸受。
  3.  前記キャリアリングの上半領域に設けられ、前記ロータ軸の外周面のうち上側領域を覆うように設けられたガイドメタルをさらに備え、
     前記第1給油ユニットは、前記最下流パッドの下流側、且つ、前記ガイドメタルの上流側に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載のジャーナル軸受。
  4.  前記第1給油ユニットは、
      前記最下流パッドの前記後縁端面のうち前記角部よりも下方の領域に向けて上流側に前記潤滑油を噴射するための少なくとも一つの第1噴射孔と、
      前記ガイドメタルに向けて下流側に前記潤滑油を噴射するための第2噴射孔と、
    を含むことを特徴とする請求項3に記載のジャーナル軸受。
  5.  請求項1乃至4の何れか一項に記載のジャーナル軸受と、
     前記ジャーナル軸受によって支持されるロータ軸と、
    を備えることを特徴とする回転機械。
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