WO2018173502A1 - ティルティングパッド軸受用の軸受パッド、ティルティングパッド軸受及び回転機械 - Google Patents

ティルティングパッド軸受用の軸受パッド、ティルティングパッド軸受及び回転機械 Download PDF

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pad
tilting
tilting pad
recess
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千尋 吉峰
篠原　種宏
西岡　忠相
真平 横山
拓造 鴫原
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • rotating machines such as steam turbines and gas turbines include a bearing device for rotatably supporting a rotor shaft.
  • this bearing device a configuration is known in which at least the load direction of the rotor load is supported by a tiltable bearing pad from one or a plurality of angular directions in the circumferential direction of the rotor shaft.
  • Patent Document 1 describes a bearing device used as a journal bearing.
  • lubricating oil is supplied between a rotor shaft and a bearing pad that slidably supports the rotor shaft to form an oil film, and the rotor shaft is supported through the oil film. This prevents direct metal contact between the rotor shaft and the bearing pad.
  • a bearing pad for a tilting pad bearing is: A first member having a bearing surface; A second member provided on the back side of the first member, At least one of the back surface of the first member or the surface of the second member facing the back surface of the first member is a recess for forming a cavity between the first member and the second member It is characterized by having.
  • a support member that is provided on the back side of the second member and supports the first member and the second member in a tiltable manner;
  • the concave portion is formed over at least a part of an installation range of the support member in a plan view of the bearing pad.
  • the bearing pad that can be tilted tends to have high local surface pressure in the installation range of the support member whose back surface is supported by the support member.
  • the recess is formed so as to cover at least a part of the installation range of the support member in the plan view of the bearing pad, the surface pressure of the bearing surface of the first member is increased. At least a part of the portion that tends to be high can be bent in a direction away from the rotor shaft. For this reason, it is possible to prevent the surface pressure from escaping and generate a portion having a higher local surface pressure than the surroundings on the bearing surface, or even if a portion having a higher local surface pressure is generated, the peak value of the surface pressure is Can be relaxed. Therefore, it is possible to reduce the surface pressure applied to the bearing surface and prevent plastic flow from occurring on the bearing surface.
  • the lubricating oil can enter and exit between the inside and the outside of the cavity formed by the recess.
  • a damping function can be given to the bearing pad with respect to shaft vibration or the like input to the bearing pad.
  • the tilting pad bearing includes a direct lubrication type bearing having a nozzle for supplying lubricating oil to the bearing surface.
  • the direct lubrication type tilting pad bearing can enjoy the effect described in (1) above.
  • the first member formed of copper or a copper alloy is formed of steel while improving heat dissipation and preventing thermal deformation.
  • the pressure deformation can be suppressed by the second member. Therefore, it can suppress that the part whose local surface pressure is higher than the periphery on a bearing surface arises, or when the part where local surface pressure is high arises, the peak value can be eased. Further, since heat dissipation is enhanced by copper, the bearing load that can be loaded with the same oil film thickness at the time of high rotation increases, so that the bearing can be downsized.
  • the tilting pad bearing according to at least one embodiment of the present invention is: At least one bearing pad according to any one of (1) to (6) above; A carrier ring provided on an outer peripheral side of the at least one bearing pad and configured to hold the at least one bearing pad; It is characterized by providing.
  • the first member formed of copper or a copper alloy improves the heat dissipation of the bearing pad to reduce thermal deformation, and the rigidity of the bearing pad is reduced by the steel second member. It is possible to improve and suppress pressure deformation. Thereby, the local surface pressure which acts on a bearing surface can be reduced, and the plastic flow of the bearing surface at the time of low rotation can be prevented. Further, since the heat dissipation is enhanced by the first member made of copper or copper alloy, the bearing load that can be loaded with the same oil film thickness at the time of high rotation increases, so that the bearing can be downsized.
  • a rotating machine includes: The tilting pad bearing according to (7) or (8) above; A rotor shaft rotatably supported by the tilting pad bearing; It is characterized by providing.
  • damage to the tilting pad bearing can be prevented.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1. It is the elements on larger scale of the tilting pad bearing which concerns on one Embodiment. It is the elements on larger scale of the tilting pad bearing which concerns on other embodiment. It is the elements on larger scale of the tilting pad bearing which concerns on other embodiment. It is the elements on larger scale of the bearing pad which concerns on one Embodiment. It is a figure which shows the modification of the bearing pad which concerns on one Embodiment. It is a figure which shows the modification of the bearing pad which concerns on one Embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view along the axial direction of a tilting pad bearing 10 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 and perpendicular to the axial direction.
  • the axial direction is the direction of the central axis O of the rotor shaft 2 supported by the tilting pad bearing 10
  • the radial direction is the radial direction of the rotor shaft 2
  • the circumferential direction is the rotor. This is the circumferential direction of the shaft 2.
  • a rotating machine 1 includes a turbine such as a gas turbine or a steam turbine (for example, a steam turbine of a nuclear power plant) or a turbine for driving a machine, a wind machine such as a wind power generator, or a supercharger. It is done.
  • a rotating machine 1 according to an embodiment includes a tilting pad bearing (journal bearing) 10 as a bearing device, a rotor shaft 2 rotatably supported by the tilting pad bearing 10, and the rotor shaft 2 and the tilting pad bearing. 10 may be provided.
  • the bearing housing 3 may include an upper half bearing housing 4 and a lower half bearing housing 5, and the upper half bearing housing 4 and the lower half bearing housing 5 each have a semicircular arc in cross section perpendicular to the axial direction. You may have an inner peripheral surface which becomes (refer FIG. 2).
  • the lubrication method (oil supply method) of the tilting pad bearing 10 is not particularly limited, and for example, a direct lubrication method may be adopted.
  • the tilting pad bearing 10 according to another embodiment may be a thrust bearing, and may employ an oil bath method or another lubrication method as a lubrication method.
  • one or more bearing pads 30 may be further arranged in the upper half region, or three or more bearing pads 30 may be attached to the lower half region. Good.
  • the tilting pad bearing 10 is provided with at least one bearing pad 30 as a bearing portion and an outer peripheral side of the bearing pad 30, and includes at least one bearing pad 30. And a carrier ring 11 configured to hold the bearing pad 30.
  • the tilting pad bearing 10 may have a configuration in which two bearing pads 30 are disposed in the lower half region.
  • the carrier ring 11 may include an upper half carrier ring 12 and a lower half carrier ring 13.
  • the upper half carrier ring 12 and the lower half carrier ring 13 may have inner circumferential surfaces 12A and 13A and outer circumferential surfaces 12B and 13B, respectively, such that the cross section perpendicular to the axial direction is a semicircular arc. (See FIG. 2).
  • the carrier ring 11 in other embodiments may be an integral structure.
  • a pair of side plates 17 and 18 are disposed along the outer periphery of the rotor shaft 2 on both ends in the axial direction of the carrier ring 11.
  • the side plates 17 and 18 are formed in a disk shape, and holes 17A and 18A through which the rotor shaft 2 passes are formed in the center.
  • Guide metals (semi-annular bearing portions) 20 and 21 are attached to the inner peripheral surface 12A of the upper half carrier ring 12 in order to mainly suppress the jump of the rotor shaft 2 from above.
  • a pair of guide metals 20 and 21 are attached on both axial ends of the upper half carrier ring 12 and on the inner side in the axial direction than the side plates 17 and 18.
  • the carrier ring 11 of the tilting pad bearing 10 may be provided with at least one oiling nozzle 25 to 29 for supplying lubricating oil to the bearing surface 30A (see FIG. 2).
  • a total of five oil supply nozzles including three oil supply nozzles 27, a fourth oil supply nozzle 28, and a fifth oil supply nozzle 29 are provided.
  • the arrangement configuration of the fueling nozzle is not limited to this.
  • Lubricating oil supply passage (not shown) may be formed inside the carrier ring 11.
  • the lubricating oil supplied to the lubricating oil supply path is sent to each of the oil supply nozzles 25 to 29 and is jetted from the oil supply nozzles 25 to 29 in the vicinity of the bearing pad 30.
  • At least one upper key 40 and at least one upper shim 41 may be disposed between the upper half carrier ring 12 and the upper half bearing housing 4.
  • at least one lower key 50 and at least one lower shim 51 may be disposed between the lower half carrier ring 13 and the lower half bearing housing 5.
  • the bearing pad 30 for the tilting pad bearing 10 includes, for example, a first member 32 having a bearing surface 30A and a second member provided on the back side of the first member 32, as shown in FIG. 34.
  • a plurality of bearing pads 30 may be provided at different positions in the rotational direction S of the rotor shaft 2 on the inner peripheral side of the carrier ring 11 so as to support the rotor shaft 2 from below.
  • At least one of the back surface of the first member 32 or the surface of the second member 34 facing the back surface of the first member 32 is a cavity between the first member 32 and the second member 34.
  • the recess 60 faces the back surface of the first member 32, that is, the second member 34 on the opposite side of the first member 32 from the bearing surface 30A, as shown in FIG. 3, for example. It may be formed on the surface. If the recess 60 is provided in this way, a cavity is formed between the first member 32 and the second member 34, so that when a load is applied to the bearing surface 30 ⁇ / b> A, the cavity is formed in the first member 32.
  • the adjacent portion can be bent and deformed on the second member 34 side, that is, in a direction away from the rotor shaft 2. For this reason, it can suppress that the part whose local surface pressure is higher than the periphery on bearing surface 30A arises. Further, even if a portion having a high local surface pressure is generated on the bearing surface 30A of the first member 32, the peak value of the local surface pressure applied to the bearing surface 30A can be reduced. Therefore, it is possible to prevent the plastic flow from occurring on the bearing surface 30A for suppressing the temperature increase due to the friction between the rotor shaft 2 and the first member 32, particularly during low-speed rotation.
  • the second member 34 may be configured to be tiltable with respect to the carrier ring 11. Accordingly, the bearing pad 30 including the second member 34 and the first member 32 is supported on the carrier ring 11 so as to be tiltable.
  • the curvature of the back surface of the second member 34 corresponding to the outer peripheral surface of the bearing pad 30 may be larger than the curvature of the inner peripheral surface of the carrier ring 11 facing the back surface.
  • the bearing pad 30 may further include a support member 70 that is provided on the back side of the second member 34 and supports the first member 32 and the second member 34 in a tiltable manner.
  • the contact between the second member 34 and the support member 70 may be such that either one of the opposing surfaces is a curved surface and the other is a flat surface, or both have convex curved surfaces toward the other side. You may do it.
  • each curvature center is the same side with respect to a mutual contact part, either one inscribed with respect to the other party may have a larger curvature than the other.
  • the back surface of the second member 34 and the support member 70 may be in contact with each other so as to be tiltable.
  • the support member 70 is, for example, as shown in FIGS.
  • the convex portion 74 may be included.
  • the convex portion 74 may be configured to make point contact with the second member 34.
  • the convex portion 74 may be a so-called spherical pivot in which the surface facing the second member 34 is a spherical surface.
  • the convex portion 74 may have, for example, a shape that makes line contact with the second member 34, or may have a shape that makes surface contact with the second member 34.
  • a recess 34A may be formed on the back surface of the second member 34, that is, the surface of the second member 34 facing the outer side in the radial direction on the carrier ring 11 side. At least a part of the convex portion 74 may be accommodated.
  • the support member 70 may include a liner 72 disposed between the protrusion 74 and the second member 34.
  • the liner 72 may be formed in a substantially flat plate shape, for example.
  • the liner 72 is disposed so as to contact the bottom surface of the recessed portion 34A, and the protruding portion 74 is disposed so as to tiltably support the first member 32 and the second member 34 via the liner 72. May be.
  • the recess 60 may be formed over at least a part of the installation range of the support member 70 in a plan view of the bearing pad 30. That is, the recess 60 does not necessarily have to be installed so as to cover the entire installation range of the support member 70 in a plan view of the bearing pad 30, and may be formed in a range smaller than the support member 70.
  • the recess 60 is defined as “at least part of the installation range of the support member 70”, and the contact between the projection 74 of the support member 70 and the second member 34 (or the liner 72) in a plan view of the bearing pad 30. You may form in the range containing a part (a contact point, a contact line, or a contact surface). Specifically, as shown in FIG.
  • the concave portion 60 is an installation range of the support member 70 (specifically, the convex portion 74) in a plan view of the bearing pad 30. Of these, it may be formed in a range including at least a part.
  • the tiltable bearing pad 30 is likely to have a high local surface pressure at a portion on the bearing surface 30 ⁇ / b> A whose back surface is supported by the support member 70.
  • the surface pressure of the bearing surface 30A in the first member 32 is increased. At least a part of the portion that tends to be high can be bent in a direction away from the rotor shaft 2.
  • the recess 60 may be formed over the entire installation range of the support member 70 in a plan view of the bearing pad 30.
  • the concave portion 60 includes the entire installation range of the support member 70 (specifically, the convex portion 74) in the plan view of the bearing pad 30. It may be formed in a range.
  • the cavity formed by the recess 60 may communicate with the external space of the bearing pad 30.
  • the recess 60 may be formed in a groove shape penetrating the bearing pad 30 along the axial direction of the rotor shaft 2. If comprised in this way, lubricating oil can come in and out between the inside of the cavity formed of the recessed part 60, and the exterior. Thereby, for example, the bearing pad 30 can be provided with a damping function against shaft vibrations of the rotor shaft 2 input to the bearing pad 30.
  • the recess 60 may be formed in a groove shape penetrating the bearing pad 30 in a direction orthogonal to both the axial direction and the radial direction of the rotor shaft 2.
  • the communication part (opening part) between the bearing pad 30 and its external space can be arbitrarily set so that its cross-sectional area has an appropriate size in consideration of damping performance against axial vibration or the like.
  • the first member 32 may be formed of copper, copper alloy, or steel.
  • the second member 34 may be made of steel.
  • the first member 32 is formed on the copper-based metal layer 32A formed of copper or a copper alloy, and on the inner peripheral surface side (the inner side in the radial direction of the rotor shaft 2) of the copper-based metal layer 32A.
  • a white metal layer 32B forming 30A see, for example, FIGS. 3 to 5).
  • the second member 34 constitutes a steel layer of the bearing pad 30.
  • the rotary machine 1 having a configuration in which the rotor shaft 2 is supported by the tilting pad bearing 10 capable of preventing the plastic flow of the bearing surface 30A.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the tilting pad bearing 110 according to the second embodiment viewed from a direction perpendicular to the axial direction.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the tilting pad bearing 110 according to the second embodiment when viewed from the axial direction.
  • the tilting pad bearing 110 applied to the rotating machine 100 in the second embodiment is different from the above-described embodiments in that the recess 60 is not provided.
  • the tilting pad bearing 110 according to the second embodiment is a journal bearing that employs a direct lubrication method as a lubrication method.
  • each bearing pad 130 has a bearing surface 130 ⁇ / b> A, a first member 132 formed of copper, a copper alloy, or steel, and a back surface side of the first member 132. And a second member 134 formed of steel.
  • the first member 132 is formed on the copper-based metal layer 132A formed of copper or a copper alloy, and on the inner peripheral surface side (the inner side in the radial direction of the rotor shaft 2) of the copper-based metal layer 132A.
  • a white metal layer 132B forming 130A (see FIG. 10).
  • the second member 134 constitutes a steel layer of the bearing pad 130.
  • 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

ティルティングパッド軸受用の軸受パッドは、軸受面を有する第１部材と、第１部材の背面側に設けられる第２部材と、を備え、第１部材の背面、または、第１部材の背面に対向する第２部材の表面の少なくとも一方は、第１部材と第２部材との間に空洞を形成するための凹部を有する。好ましくは、第２部材の背面側に設けられ、第１部材及び第２部材を傾動可能に支持する支持部材をさらに備え、凹部は、軸受パッドの平面視において、支持部材の設置範囲の少なくとも一部にわたって形成される。

Description

ティルティングパッド軸受用の軸受パッド、ティルティングパッド軸受及び回転機械
　本開示は、ティルティングパッド軸受用の軸受パッド、ティルティングパッド軸受及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は、ロータ軸を回転自在に支持するための軸受装置を備えている。この軸受装置として、ロータ軸の周方向における１又は複数の角度方向から、傾動可能な軸受パッドによって少なくともロータ荷重の負荷方向を支持する構成が知られている。
　例えば、特許文献１には、ジャーナル軸受として用いられる軸受装置が記載されている。この特許文献１の軸受装置では、ロータ軸と該ロータ軸を摺動可能に支持する軸受パッドとの間に潤滑油を供給して油膜を形成し、該油膜を介してロータ軸を支持することにより、ロータ軸と軸受パッドとの直接的な金属接触を防止している。
特開２０１０－２０３４８１号公報
　ところで、軸受パッドの傾動を、該軸受パッドの背面側（軸受面とは反対側）に配置されたピボットで実現する構成の場合、軸受面に周囲よりも局所的な面圧（局所面圧）の高い部分が出現し得る。このため、軸受面に十分な厚さの油膜が形成されない低速回転時には、当該部位を中心に局所的に高荷重条件で金属接触を生じる部位が出現し、ロータ軸と軸受面との摩擦によって軸受パッドの表面温度が上昇することで、表層金属が溶融する所謂塑性流動を生じてしまう虞があるという問題があった。
　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ティルティングパッド軸受の軸受面の塑性流動を防止することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受用の軸受パッドは、
　軸受面を有する第１部材と、
　前記第１部材の背面側に設けられる第２部材と、を備え、
　前記第１部材の背面、または、前記第１部材の前記背面に対向する前記第２部材の表面の少なくとも一方は、前記第１部材と前記第２部材との間に空洞を形成するための凹部を有することを特徴とする。
　上記（１）の構成によれば、第１部材と第２部材との間に空洞が形成されることにより、軸受面に荷重が加わった際に、第１部材のうち空洞に隣接する部分が第２部材側に、すなわち、ロータ軸から離れる方向に撓んで変形することができる。このため、軸受面上に周囲よりも局所面圧の高い部分が生じることを抑制することができる。また、仮に、第１部材の軸受面に局所面圧が高い部分が生じる場合でも、軸受面に加わる局所面圧のピーク値を緩和することができる。したがって、特に、低速回転時において、ロータ軸と第１部材との摩擦による温度上昇を抑制できるため、軸受面の塑性流動を防止することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記第２部材の背面側に設けられ、前記第１部材及び前記第２部材を傾動可能に支持する支持部材をさらに備え、
　前記凹部は、前記軸受パッドの平面視において、前記支持部材の設置範囲の少なくとも一部にわたって形成される。
　傾動可能な軸受パッドは、背面を支持部材によって支持されている支持部材の設置範囲において局所面圧が高くなりやすい。この点、上記（２）の構成によれば、軸受パッドの平面視において、支持部材の設置範囲の少なくとも一部にわたるように凹部が形成されるから、第１部材のうち軸受面の面圧が高くなりやすい部分の少なくとも一部が、ロータ軸から離れる方向に撓むことができる。このため、面圧を逃がして、軸受面上に周囲よりも局所面圧が高い部分が生じることを防止したり、或いは、局所面圧の高い部分が生じたとしてもその面圧のピーク値を緩和したりすることができる。したがって、軸受面に加わる面圧を低減して軸受面に塑性流動が生じることを防止することができる。
（３）一実施形態では、上記（２）の構成において、
　前記凹部は、前記軸受パッドの平面視において、前記支持部材の前記設置範囲の全体にわたって形成される。
　上記（３）の構成によれば、軸受パッドの平面視において、支持部材の設置範囲の全体にわたって形成された凹部により、軸受面と支持部材との間に加わる負荷をより確実に逃がして軸受面上に周囲よりも局所面圧の高い部分が生じることを防止することができる。これにより、第１部材の軸受面に塑性流動が生じることをより確実に防止することができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか一つに記載の構成において、
　前記空洞は、前記軸受パッドの外部空間に連通している。
　上記（４）の構成によれば、凹部により形成される空洞の内部と外部との間を潤滑油が出入りすることができる。これにより、例えば、軸受パッドに入力される軸振動等に対して軸受パッドに減衰機能を持たせることができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか一つに記載の構成において、
　前記ティルティングパッド軸受は、前記軸受面に潤滑油を供給するためのノズルを備えた直接潤滑方式の軸受を含む。
　上記（５）の構成によれば、直接潤滑方式のティルティングパッド軸受において、上記（１）で述べた効果を享受することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか一つに記載の構成において、
　前記第１部材は、銅又は銅合金により形成され、
　前記第２部材は、鋼により形成される。
　上記（６）の構成によれば、凹部によって局所面圧を低減できることに加えて、銅又は銅合金で形成される第１部材によって放熱性を向上させて熱変形を防止しつつ、鋼で形成される第２部材によって圧力変形を抑制することができる。これにより、軸受面上で周囲よりも局所面圧が高い部分が生じることを抑制したり、或いは、局所面圧が高い部分が生じる場合にそのピーク値を緩和したりすることができる。また、銅により放熱性が高まることで、高回転時において、同じ油膜厚さで負荷可能な軸受荷重が増加するため、軸受の小型化が可能となる。
（７）本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受は、
　上記（１）乃至（６）の何れか一項に記載の少なくとも一つの軸受パッドと、
　前記少なくとも一つの軸受パッドの外周側に設けられ、前記少なくとも一つの軸受パッドを保持するように構成されたキャリアリングと、
を備えることを特徴とする。
　上記（７）の構成によれば、塑性流動を抑制可能な軸受パッドをキャリアリングで支持する構成を備えたティルティングパッド軸受を得ることができる。
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受は、
　少なくとも一つの軸受パッドと、
　前記少なくとも一つの軸受パッドの外周側に設けられ、前記少なくとも一つの軸受パッドを保持するように構成されたキャリアリングと、を備え、
　各々の前記軸受パッドは、
　　軸受面を有し、銅又は銅合金により形成される第１部材と、
　　前記第１部材の背面側に設けられ、鋼により形成される第２部材と、
を含み、
　前記キャリアリングは、
　　前記軸受面に潤滑油を供給するための少なくとも一本の給油ノズルを含む
ことを特徴とする。
　上記（８）の構成によれば、銅又は銅合金により形成される第１部材により軸受パッドの放熱性を向上させて熱変形を低減しつつ、鋼製の第２部材により軸受パッドの剛性を向上させて圧力変形を抑制することができる。これにより、軸受面に作用する局所面圧を低減でき、また、低回転時における軸受面の塑性流動を防止することができる。また、銅又は銅合金製の第１部材により放熱性が高まることで、高回転時において同じ油膜の厚さで負荷可能な軸受荷重が増加するため、軸受を小型化することが可能となる。
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
　上記（７）又は（８）に記載のティルティングパッド軸受と、
　前記ティルティングパッド軸受によって回転自在に支持されるロータ軸と、
を備えることを特徴とする。
　上記（９）の構成によれば、損傷を防止可能なティルティングパッド軸受によってロータ軸を支持する構成を備えた回転機械を得ることができる。
　本発明の少なくとも一実施形態によれば、ティルティングパッド軸受の損傷を防止することができる。
一実施形態に係るティルティングパッド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。 一実施形態に係るティルティングパッド軸受の部分拡大図である。 他の実施形態に係るティルティングパッド軸受の部分拡大図である。 他の実施形態に係るティルティングパッド軸受の部分拡大図である。 一実施形態に係る軸受パッドの部分拡大図である。 一実施形態に係る軸受パッドの変形例を示す図である。 一実施形態に係る軸受パッドの変形例を示す図である。 第２実施形態に係るティルティングパッド軸受を軸方向に垂直な方向から視た断面図である。 第２実施形態に係るティルティングパッド軸受を軸方向から視た断面図である。
　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。
［第１実施形態］
　図１は、一実施形態に係るティルティングパッド軸受１０の軸方向に沿った断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面であって、軸方向に直交する断面図である。また、本実施形態において軸方向とは、ティルティングパッド軸受１０に支持されるロータ軸２の中心軸線Ｏの方向であり、径方向とはロータ軸２の半径方向であり、周方向とはロータ軸２の周方向である。
　まず、幾つかの実施形態に係るティルティングパッド軸受１０が適用される回転機械１の全体構成について説明した後、ティルティングパッド軸受１０及び軸受パッド３０の構成について詳説する。
　幾つかの実施形態に係る回転機械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、または過給機などが挙げられる。
　一実施形態に係る回転機械１は、軸受装置としてのティルティングパッド軸受（ジャーナル軸受）１０と、ティルティングパッド軸受１０によって回転自在に支持されるロータ軸２と、ロータ軸２とティルティングパッド軸受１０とを収容する軸受ハウジング３と、を備えていてもよい。軸受ハウジング３は、上半部軸受ハウジング４及び下半部軸受ハウジング５を含んでもよく、上半部軸受ハウジング４及び下半部軸受ハウジング５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を有していてもよい（図２参照）。
　ティルティングパッド軸受１０の潤滑方式（給油方式）は特に限定されず、例えば、直接潤滑方式を採用してもよい。ただし、他の実施形態に係るティルティングパッド軸受１０は、スラスト軸受であってもよいし、潤滑方式として、油浴方式や他の潤滑方式を採用してもよい。また、他の実施形態においては、上半領域にもさらに１個以上の軸受パッド３０が配置されてもよいし、下半領域に３個以上の軸受パッド３０が取り付けられた構成であってもよい。
　図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態に係るティルティングパッド軸受１０は、軸受部としての少なくとも一つの軸受パッド３０と、該軸受パッド３０の外周側に設けられ、少なくとも一つの軸受パッド３０を保持するように構成されたキャリアリング１１と、を備えていてもよい。幾つかの実施形態において、ティルティングパッド軸受１０は、下半領域に２つの軸受パッド３０が配置された構成を有していてもよい。
　図１及び図２に示すように、キャリアリング１１は、上半部キャリアリング１２及び下半部キャリアリング１３を含んでもよい。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１２Ａ，１３Ａ及び外周面１２Ｂ，１３Ｂを有していてもよい（図２参照）。なお、他の実施形態におけるキャリアリング１１は一体構造であってもよい。
　図１に示すように、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１７Ａ，１８Ａがそれぞれ形成されている。これらのサイドプレート１７，１８によって、外部への潤滑油の漏出が適度に抑制されるようになっている。
　上半部キャリアリング１２の内周面１２Ａには、主としてロータ軸２の跳ね上がりを上方から押え込むために、ガイドメタル（半円環軸受部）２０，２１が取り付けられる。例えば、図１に示すように、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よりも軸方向の内側に、一対のガイドメタル２０，２１が取り付けられる。
　幾つかの実施形態において、ティルティングパッド軸受１０のキャリアリング１１には、軸受面３０Ａに潤滑油を供給するための少なくとも一本の給油ノズル２５～２９が設けられてもよい（図２参照）。
　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第１給油ノズル２５、第２給油ノズル２６、第３給油ノズル２７、第４給油ノズル２８、第５給油ノズル２９を含む計５本の給油ノズルが設けられている。なお、給油ノズルの配置構成はこれに限定されるものではない。
　キャリアリング１１の内部には、潤滑油供給路（不図示）が形成されてもよい。潤滑油供給路に供給された潤滑油は各給油ノズル２５～２９に送られて、各給油ノズル２５～２９から軸受パッド３０の近傍に噴出される。
　上半部キャリアリング１２と上半部軸受ハウジング４との間には、少なくとも一つの上側キー４０及び少なくとも一枚の上側シム４１が配置されていてもよい。同様に、下半部キャリアリング１３と下半部軸受ハウジング５との間には、少なくとも一つの下側キー５０及び少なくとも一枚の下側シム５１が配置されていてもよい。
　キャリアリング１１の外周面１３Ｂには、径方向外側へ突出した周り止め用凸部１５が設けられてもよい。周り止め用凸部１５は、ロータ軸２の回転方向Ｓにおいて下半部キャリアリング１３の上流側端部に設けられる。一方、下半部軸受ハウジング５には、周り止め用凹部５Ｂが形成されてもよい。周り止め用凹部５Ｂは、周り止め用凸部１５に対応するように、ロータ軸２の回転方向Ｓにおいて下半部軸受ハウジング５の上流側端部に設けられる。このように、周り止め用凸部１５が、周り止め用凹部５Ｂに係合することにより、ロータ軸２と共にキャリアリング１１が回転してしまうことを防止できる。
　ここで、第１実施形態に係る軸受パッド３０の構成について詳しく説明する。
　一実施形態に係るティルティングパッド軸受１０用の軸受パッド３０は、例えば、図３に示すように、軸受面３０Ａを有する第１部材３２と、第１部材３２の背面側に設けられる第２部材３４と、を備えている。
　幾つかの実施形態において、軸受パッド３０は、キャリアリング１１の内周側においてロータ軸２の回転方向Ｓの異なる位置に複数設けられ、ロータ軸２を下方から支えるように構成されてもよい。
　軸受パッド３０はまた、ロータ軸２に対向する内周面としての上記軸受面３０Ａのほか、キャリアリング１１に対向する外周面を有する。軸受面３０Ａ及び外周面は、それぞれ、周方向においては、ロータ軸２に対応した曲率を有するように湾曲した形状を有している。
　幾つかの実施形態において、第１部材３２の背面、または、第１部材３２の背面に対向する第２部材３４の表面の少なくとも一方は、第１部材３２と第２部材３４との間に空洞を形成するための凹部６０を有している。幾つかの実施形態において、凹部６０は、例えば、図３に示すように、第１部材３２の背面、すなわち、第１部材３２のうち軸受面３０Ａとは反対側である第２部材３４に対向する面に形成されてもよい。
　このように凹部６０を設ければ、第１部材３２と第２部材３４との間に空洞が形成されることにより、軸受面３０Ａに荷重が加わった際に、第１部材３２のうち空洞に隣接する部分が第２部材３４側に、すなわち、ロータ軸２から離れる方向に撓んで変形することができる。このため、軸受面３０Ａ上に周囲よりも局所面圧の高い部分が生じることを抑制することができる。また、仮に、第１部材３２の軸受面３０Ａに局所面圧が高い部分が生じる場合でも、軸受面３０Ａに加わる局所面圧のピーク値を緩和することができる。したがって、特に、低速回転時において、ロータ軸２と第１部材３２と摩擦による温度上昇を抑制できるための軸受面３０Ａに塑性流動が生じることを防止することができる。
　他の例では、例えば、図４に示すように、第２部材３４の表面、すなわち、第２部材３４のうち第１部材３２に対向する面に凹部６０Ａが形成されていてもよい。また、他の例では、例えば、図５に示すように、第１部材３２の背面に凹部６０が形成されるとともに、第２部材３４の表面に凹部６０Ａが形成されていてもよい。凹部６０及び凹部６０Ａをいずれも設ける構成とした場合は、第１部材３２がロータ軸２から離れる方向に撓むためのストローク（逃げストローク）を大きく確保することができる。
　幾つかの実施形態では、第２部材３４がキャリアリング１１に対して傾動可能に構成されていてもよい。これにより、該第２部材３４と第１部材３２とを含む軸受パッド３０がキャリアリング１１上で傾動可能に支持される。例えば、軸受パッド３０の外周面に相当する第２部材３４の背面の曲率が、該背面に対向するキャリアリング１１の内周面の曲率より大きくてもよい。
　幾つかの実施形態において、軸受パッド３０は、第２部材３４の背面側に設けられ第１部材３２及び第２部材３４を傾動可能に支持する支持部材７０をさらに備えていてもよい。この場合、第２部材３４と支持部材７０との接触は、互いの対向面のうち何れか一方が曲面で他方が平面であってもよいし、両者がそれぞれ相手方に向けて凸の曲面を有していてもよい。また、互いの接触部分に対して各々の曲率中心が同じ側である場合は相手方に対して内接する何れか一方が他方より大きな曲率を有していてもよい。このようにして、第２部材３４の背面と支持部材７０とが傾動可能に接する構成としてもよい。
　幾つかの実施形態において、支持部材７０は、例えば、図３～５に示すように、第２部材３４の背面側に配置され、該第２部材３４に向けて凸状に形成された凸部７４を含んでもよい。
　幾つかの実施形態において、凸部７４は、第２部材３４と点接触するように構成されていてもよい。この場合、凸部７４は、第２部材３４に対向する面が球面とされた所謂球面ピボットであってもよい。他の実施形態において、凸部７４は、例えば、第２部材３４と線接触する形状であってもよいし、或いは、第２部材３４と面接触する形状に構成されていてもよい。
　幾つかの実施形態では、第２部材３４の背面、すなわち、第２部材３４のうち半径方向の外側に面するキャリアリング１１側の面に凹部３４Ａが形成されていてもよく、この凹部３４Ａ内に凸部７４の少なくとも一部が収容されていてもよい。
　幾つかの実施形態において、支持部材７０は、凸部７４と第２部材３４との間に配置されるライナ７２を含んでもよい。ライナ７２は、例えば、略平板状に形成されていてもよい。幾つかの実施形態では、凹部３４Ａの底面に接するようにライナ７２が配置され、このライナ７２を介して第１部材３２及び第２部材３４を傾動可能に支持するようにして凸部７４を配置してもよい。
　幾つかの実施形態において、凹部６０は、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０の設置範囲の少なくとも一部にわたって形成されてもよい。つまり、凹部６０は、軸受パッド３０の平面視において、必ずしも支持部材７０の設置範囲の全体を覆うように設置されなくともよく、支持部材７０よりも小さな範囲に形成されていてもよい。この場合、凹部６０は、「支持部材７０の設置範囲の少なくとも一部」として、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０の凸部７４と第２部材３４（又は、ライナ７２）との接触部分（接触点、接触線又は接触面）を含む範囲に形成されていてもよい。
　具体的には、図６に示すように、凸部７４が例えば球面ピボットの場合、凹部６０は、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０（具体的には、凸部７４）の設置範囲のうち、少なくとも一部を含む範囲に形成されてもよい。
　ここで、傾動可能な軸受パッド３０は、背面を支持部材７０によって支持されている軸受面３０Ａ上の部分において局所面圧が高くなりやすい。この点、上記のように、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０の設置範囲の少なくとも一部にわたって凹部６０を形成する構成によれば、第１部材３２のうち軸受面３０Ａの面圧が高くなりやすい部分の少なくとも一部が、ロータ軸２から離れる方向に撓むことができる。このため、面圧を逃がして、軸受面３０Ａ上に周囲よりも局所面圧が高い部分が生じることを防止したり、或いは、局所面圧の高い部分が生じたとしてもその面圧のピーク値を緩和したりすることができる。したがって、軸受面３０Ａに加わる面圧を低減して軸受面３０Ａに塑性流動が生じることを防止することができる。
　一実施形態では、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０の設置範囲の全体にわたって凹部６０が形成されてもよい。例えば、図７に示すように、凹部６０は、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０（具体的には、凸部７４）の設置範囲を全て含む、該支持部材７０の設置範囲以上の範囲に形成されてもよい。
　上記の構成によれば、軸受パッド３０の平面視において、支持部材７０の設置範囲の全体にわたって形成された凹部６０により、軸受面３０Ａと支持部材７０との間に加わる負荷をより確実に逃がして軸受面３０Ａ上に周囲よりも局所面圧が高い部分が生じることを防止することができる。
　幾つかの実施形態において、凹部６０により形成される空洞は、軸受パッド３０の外部空間に連通していてもよい。例えば、図８に示すように、凹部６０は、軸受パッド３０をロータ軸２の軸方向に沿って貫通する溝状に形成されてもよい。このように構成すれば、凹部６０により形成される空洞の内部と外部との間で潤滑油が出入り可能となる。これにより、例えば、軸受パッド３０に入力されるロータ軸２の軸振動等に対して、該軸受パッド３０に減衰機能を持たせることができる。
　他の実施形態では、凹部６０は、ロータ軸２の軸方向及び径方向の何れにも直交する方向に軸受パッド３０を貫通する溝状に形成されてもよい。
　なお、軸受パッド３０とその外部空間との連通部（開口部）は、軸振動等に対する減衰性能を考慮してその断面積が適切な大きさとなるように任意に設定することができる。
　幾つかの実施形態では、第１部材３２が銅、銅合金又は鋼により形成されてもよい。また、幾つかの実施形態では、第２部材３４が鋼により形成されてもよい。
　第１部材３２は、銅又は銅合金により形成された銅系メタル層３２Ａと、この銅系メタル層３２Ａの内周面側（ロータ軸２の径方向における内側）に形成され、上述した軸受面３０Ａをなすホワイトメタル層３２Ｂと、を含む（例えば、図３～５参照）。第２部材３４は軸受パッド３０の鋼層を構成する。
　このように構成すれば、凹部６０により、軸受面３０Ａ上に周囲よりも局所面圧が高い部分が生じることを抑制できることに加え、銅又は銅合金で形成される第１部材３２によって放熱性を向上させて軸受パッド３０の熱変形を防止しつつ、鋼で形成される第２部材３４によって軸受パッド３０の圧力変形を抑制することができる。したがって、より確実に、軸受面３０Ａに周囲よりも局所面圧が高い部分が生ずることを防止したり、或いは、局所面圧が周囲よりも高い部分が生ずる場合にそのピーク値を緩和したりすることができるため、軸受面３０Ａの塑性流動を防止することができる。また、銅により放熱性が高まることで、高回転時において、同じ油膜厚さで負荷可能な軸受荷重が増加するため、ティルティングパッド軸受１０の小型化が可能となる。
　以上に開示した幾つかの実施形態の構成によれば、軸受面３０Ａの塑性流動を防止可能なティルティングパッド軸受１０によってロータ軸２を支持する構成を備えた回転機械１を得ることができる。
［第２実施形態］
　続いて、第２実施形態に係るティルティングパッド軸受１１０について説明する。なお、上述した幾つかの実施形態に係る回転機械１と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明については説明を省略する。
　図９は、第２実施形態に係るティルティングパッド軸受１１０を軸方向に垂直な方向から視た断面図である。図１０は、第２実施形態に係るティルティングパッド軸受１１０を軸方向から視た断面図である。
　図９及び図１０に示すように、第２実施形態において回転機械１００に適用されるティルティングパッド軸受１１０は、凹部６０が設けられていない点において上述した幾つかの実施形態と異なっている。また、第２実施形態に係るティルティングパッド軸受１１０は、潤滑方式として直接潤滑方式を採用したジャーナル軸受である。
　かかるティルティングパッド軸受１１０は、少なくとも一つの軸受パッド１３０と、少なくとも一つの軸受パッド１３０の外周側に設けられ、少なくとも一つの軸受パッド１３０を保持するように構成されたキャリアリング１１と、を備える。キャリアリング１１は、軸受面１３０Ａに潤滑油を供給するための少なくとも一本（本実施形態では５本）の給油ノズル２５～２９を含む。
　各々の軸受パッド１３０は、例えば、図９及び図１０に示すように、軸受面１３０Ａを有し、銅、銅合金又は鋼により形成される第１部材１３２と、第１部材１３２の背面側に設けられ、鋼により形成される第２部材１３４と、を含む。
　第１部材１３２は、銅又は銅合金により形成された銅系メタル層１３２Ａと、この銅系メタル層１３２Ａの内周面側（ロータ軸２の径方向における内側）に形成され、上述した軸受面１３０Ａをなすホワイトメタル層１３２Ｂと、を含む（図１０参照）。第２部材１３４は軸受パッド１３０の鋼層を構成する。
　上記の構成によれば、銅又は銅合金により形成される第１部材１３２により軸受パッド１３０の放熱性を向上させて熱変形を低減しつつ、鋼製の第２部材１３４により軸受パッド１３０の剛性を向上させての圧力変形を抑制することができる。これにより、軸受面３０Ａに作用する局所面圧を低減することができ、また、低回転時における軸受面１３０Ａの塑性流動を防止することができる。また、銅又は銅合金製の第１部材１３２により放熱性が高まることで、高回転時において同じ油膜の厚さで負荷可能な軸受荷重が増加するため、ティルティングパッド軸受１１０を小型化することが可能となる。
　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。
１，１００　回転機械
２　ロータ軸
３　軸受ハウジング
４　上半部軸受ハウジング
５　下半部軸受ハウジング
１０，１１０　ティルティングパッド軸受
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
１７Ａ，１８Ａ　穴
２０，２１　ガイドメタル
２５～２９　給油ノズル
３０，１３０　軸受パッド
３０Ａ，１３０Ａ　軸受面
３２，１３２　第１部材
３２Ａ　銅系メタル層
３２Ｂ　ホワイトメタル層
３４，１３４　第２部材
３４Ａ　凹部
４０　上側キー
４１　上側シム
５０　下側キー
５１　下側シム
６０　凹部
７０　支持部材
７２　ライナ
７４　凸部

Claims (9)

  1. 　軸受面を有する第１部材と、
    　前記第１部材の背面側に設けられる第２部材と、を備え、
    　前記第１部材の背面、または、前記第１部材の前記背面に対向する前記第２部材の表面の少なくとも一方は、前記第１部材と前記第２部材との間に空洞を形成するための凹部を有する
    ことを特徴とするティルティングパッド軸受用の軸受パッド。
  2. 　前記第２部材の背面側に設けられ、前記第１部材及び前記第２部材を傾動可能に支持する支持部材をさらに備え、
    　前記凹部は、前記軸受パッドの平面視において、前記支持部材の設置範囲の少なくとも一部にわたって形成されることを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッド軸受用の軸受パッド。
  3. 　前記凹部は、前記軸受パッドの平面視において、前記支持部材の前記設置範囲の全体にわたって形成されることを特徴とする請求項２に記載のティルティングパッド軸受用の軸受パッド。
  4. 　前記空洞は、前記軸受パッドの外部空間に連通していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のティルティングパッド軸受用の軸受パッド。
  5. 　前記ティルティングパッド軸受は、前記軸受面に潤滑油を供給するためのノズルを備えた直接潤滑方式の軸受を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のティルティングパッド軸受用の軸受パッド。
  6. 　前記第１部材は、銅又は銅合金により形成され、
    　前記第２部材は、鋼により形成される
    ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のティルティングパッド軸受用の軸受パッド。
  7. 　請求項１乃至６の何れか一項に記載の少なくとも一つの軸受パッドと、
    　前記少なくとも一つの軸受パッドの外周側に設けられ、前記少なくとも一つの軸受パッドを保持するように構成されたキャリアリングと、
    を備えることを特徴とするティルティングパッド軸受。
  8. 　少なくとも一つの軸受パッドと、
    　前記少なくとも一つの軸受パッドの外周側に設けられ、前記少なくとも一つの軸受パッドを保持するように構成されたキャリアリングと、を備え、
    　各々の前記軸受パッドは、
    　　軸受面を有し、銅又は銅合金により形成される第１部材と、
    　　前記第１部材の背面側に設けられ、鋼により形成される第２部材と、
    を含み、
    　前記キャリアリングは、
    　　前記軸受面に潤滑油を供給するための少なくとも一本の給油ノズルを含む
    ことを特徴とするティルティングパッド軸受。
  9. 　請求項７又は８に記載のティルティングパッド軸受と、
    　前記ティルティングパッド軸受によって回転自在に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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