JP2019138455A - ジャーナル軸受及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成としつつ、回転損失を抑制し、回転軸を好適に減衰させることができるジャーナル軸受等を提供する。【解決手段】水平状態の回転軸５を軸支するジャーナル軸受１において、回転軸５の周囲に設けられるケーシング２２と、回転軸５の鉛直方向の下方側に対向して設けられると共に、ケーシング２２に対して搖動自在に設けられ、回転軸５との間に潤滑膜を形成して、回転軸５を支持する軸受パッド２１と、回転軸５の鉛直方向の上方側に対向して設けられると共に、ケーシング２２に対して固定して設けられ、回転軸５との間に潤滑膜を形成して、回転軸５を覆う固定パッド２３と、を備え、回転軸５の静止時において、回転軸５の第１中心点Ｐ１と、回転軸５に対向する固定パッド２３の内周面における曲率半径の第２中心点Ｐ２とは、回転軸の回転時において、第１中心点Ｐ１と第２中心点Ｐ２とが一致するようにオフセットされている。【選択図】図１

Description

本発明は、ジャーナル軸受及び回転機械に関するものである。

従来、ジャーナル軸受として、回転軸の周囲に複数のパッドを設けたティルティングパッドジャーナル軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。この軸受は、回転軸とパッドとの間に油膜を形成すると共に、ケーシングに対してパッドを搖動させて、回転軸を支持している。このため、軸受は、油膜を介して回転軸を支持することで回転軸の回転を許容しつつ、回転軸が励振する場合であっても、油膜の減衰効果により回転軸の振動を減衰させることが可能となっている。

特開２０１３−２３４７４６号公報

ところで、回転軸の軸方向が水平方向となる場合、ティルティングパットジャーナル軸受は、回転軸の下方側を支持すればよいことから、軸受を簡易な構成とすべく、回転軸の上方側のパッドを省いた軸受、つまり、回転軸の下方側にのみパッドを設けた軸受としている場合がある。このような軸受では、回転軸の上方側に、回転軸の逸脱を抑制するための金属製のガイド部材が設けられている。この場合、回転軸とガイド部材との間には油膜が形成されないため、回転軸が励振する場合であっても、油膜の減衰効果を期待することができない。また、回転軸とガイド部材とが摺動することで、回転損失を生じさせる可能性がある。

そこで、本発明は、簡易な構成としつつ、回転損失を抑制し、回転軸を好適に減衰させることができるジャーナル軸受及び回転機械を提供することを課題とする。

本発明のジャーナル軸受は、水平方向に沿った方向が軸方向となる回転軸を軸支するジャーナル軸受において、前記回転軸の周囲に設けられるケーシングと、前記回転軸の鉛直方向の下方側に対向して設けられると共に、前記ケーシングに対して搖動自在に設けられ、前記回転軸との間に潤滑膜を形成して、前記回転軸を支持する軸受パッドと、前記回転軸の鉛直方向の上方側に対向して設けられると共に、前記ケーシングに対して固定して設けられ、前記回転軸との間に潤滑膜を形成して、前記回転軸を覆う固定パッドと、を備え、前記回転軸の静止時において、前記回転軸の第１中心点と、前記回転軸に対向する前記固定パッドの内周面における曲率半径の第２中心点とは、前記回転軸の回転時において、前記第１中心点と前記第２中心点とが一致するように、オフセットされていることを特徴とする。

この構成によれば、回転軸の回転時において、第１中心点と第２中心点とが一致することで、回転軸と固定パッドとの隙間が周方向において一様の隙間になる。回転軸と固定パッドとの隙間が一様な隙間となる場合、固定パッドにおいて大きな圧力が発生し難いものとなる。このため、固定パッドでは大きな圧力が発生し難いことから、回転軸の回転抵抗が抑制されるため、回転損失の増大を抑制することができる。一方で、回転軸が回転することにより励振すると、回転軸と固定パッドとの間には油膜が形成されていることから、油膜による減衰機能が発揮され、これにより、回転軸を好適に減衰させることができる。以上から、上方側の軸受パッドを省いた簡易な構成としつつ、回転軸の回転損失を抑制し、回転軸の励振時において回転軸を好適に減衰させることができる。なお、回転軸の静止時における第１中心点と第２中心点とのオフセット量は、定格運転時において第１中心点と第２中心点とが一致するオフセット量となっている。

また、前記回転軸の静止時から回転時までに遷移する前記第１中心点の移動量を偏心量とし、前記回転軸と前記固定パッドとの間の距離をすきま量とし、前記偏心量／前記すきま量を偏心率とすると、前記固定パッドは、前記回転軸の静止時における前記第１中心点と前記第２中心点とのオフセット量が、前記偏心率が０．６から０．７までの範囲となるように、配置されることが、好ましい。

この構成によれば、回転軸の回転時において、回転軸と固定パッドとのすきまが適切となるオフセット量にすることができる。

また、前記ケーシングに対する前記固定パッドの位置を調整して、前記回転軸の静止時における前記第１中心点と前記第２中心点とのオフセット量を調整する位置調整機構を、さらに備えることが、好ましい。

この構成によれば、位置調整機構によりケーシングに対する固定パッドの位置を調整することで、第１中心点と第２中心点とのオフセット量を適切なものにすることができる。

また、前記固定パッドの内周面に設けられる軟質金属層を、さらに備えることが、好ましい。

この構成によれば、軟質金属層を設けることで、固定パッドによる回転軸へのダメージの軽減を図ることができる。なお、軟質金属層としては、例えば、ホワイトメタルである。

また、前記回転軸の運転状態に基づいて、前記回転軸に対して前記固定パッドを移動させる固定パッド移動機構を、さらに備えることが、好ましい。

この構成によれば、回転軸の運転状態に基づいて、固定パッドの位置を適宜移動させることができるため、回転軸と固定パッドとのすきまを、回転軸の運転状態に応じた適切なすきまとすることができる。

本発明の回転機械は、上記のジャーナル軸受を備えることを特徴とする。

この構成によれば、ジャーナル軸受により、水平状態の回転軸の回転損失を抑制し、回転軸の励振時において回転軸を好適に減衰させることができるため、回転動作を好適に行うことができる。

図１は、実施形態１に係るジャーナル軸受を模式的に表した模式図である。 図２は、実施形態１に係るジャーナル軸受を模式的に表した断面図である。 図３は、実施形態２に係るジャーナル軸受を模式的に表した模式図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るジャーナル軸受を模式的に表した模式図である。図２は、実施形態１に係るジャーナル軸受を模式的に表した断面図である。図１に示すように、実施形態１に係るジャーナル軸受１は、回転軸５を回転自在に軸支するものである。

回転軸５は、例えば、回転機械であるタービンに設けられるタービンロータであり、その軸方向が水平方向となるように配置される。回転軸５が回転すると、回転軸５周りには、回転による振動が発生すると共に、回転軸５及びジャーナル軸受１を含む回転部品の固有振動が発生する。このとき、ジャーナル軸受１は、回転軸５を回転自在に軸支すると共に、回転軸５を制振している。なお、タービンは、蒸気タービンであってもよいし、ガスタービンであってもよく、特に限定されない。

ジャーナル軸受１は、搖動自在に回転軸５を軸支する軸受パッド２１を、回転軸５の周囲に配置した、いわゆるティルティングパッド軸受であり、複数の軸受パッド２１と、ケーシング２２と、固定パッド２３と、を備えている。

複数の軸受パッド２１は、回転軸５の鉛直方向の下方側において、回転軸５の外周に所定の間隔をあけて周方向に複数設けられており、実施形態１では、例えば、２つ設けられている。各軸受パッド２１は、円弧状に形成されており、その内周面が、回転軸５の外周面と対向する湾曲面となっている。

ケーシング２２は、回転軸５と軸受パッド２１とを取り囲むように、回転軸５及び軸受パッド２１の外周に設けられ、円環状に形成されている。また、図２に示すように、ケーシング２２は、軸受パッド２１の外周側に位置する環状部２２ａと、環状部２２ａの軸方向の両側に形成される一対の内周側フランジ部２２ｂとを含む構成となっている。

一対の内周側フランジ部２２ｂは、環状部２２ａの軸方向の両側にそれぞれ設けられ、径方向の内側に突出して設けられている。一対の内周側フランジ部２２ｂの軸方向における間には、軸受パッド２１及び固定パッド２３が設けられており、一対の内周側フランジ部２２ｂは、軸受パッド２１及び固定パッド２３の軸方向への移動を規制している。

環状部２２ａは、径方向外側から径方向内側の軸受パッド２１及び固定パッド２３へ向けて潤滑油を供給する図示しない油路が形成されている。このため、潤滑油は、環状部２２ａの外周面から油路に流入し、環状部２２ａの内周面へ向かって流通した後、環状部２２ａの内周側へ流出する。環状部２２ａの内周側には、軸受パッド２１及び固定パッド２３があることから、潤滑油は、軸受パッド２１及び固定パッド２３周りに充填され、また、回転軸５と軸受パッド２１との間、回転軸５と固定パッド２３との間にも充填される。

また、図２に示すように、環状部２２ａの内周面には、各軸受パッド２１を位置決めするためのピボット２５が軸受パッド２１の設置数に応じて複数形成されている。ピボット２５は、環状部２２ａの内周面から径方向の内側へ突出する突起部となっている。一方で、軸受パッド２１の径方向外側の外周面には、ピボット２５に係合する係合穴２６が、凹状に窪んで形成されている。このため、環状部２２ａのピボット２５に、軸受パッド２１の係合穴２６が係合することで、ケーシング２２に対し、軸受パッド２１が搖動可能に位置決めされる。

固定パッド２３は、回転軸５の鉛直方向の上方側において、回転軸５の外周に設けられており、実施形態１では、例えば、１つ設けられている。固定パッド２３は、円弧状に形成されており、その内周面が、回転軸５の外周面と対向する湾曲面となっている。この固定パッド２３は、その内周面と、回転軸５の外周面との間に一様の隙間を形成する。

図２に示すように固定パッド２３は、ケーシング２２に対して固定して設けられている。また、固定パッド２３周りには、ケーシング２２に対する固定パッド２３の位置を調整するための位置調整機構２７が設けられている。具体的に、位置調整機構２７は、ケーシング２２に形成される取付孔２８と、取付孔２８に挿通される締結部材２９とを有している。取付孔２８は、ケーシング２２の上方側における一対の内周側フランジ部２２ｂに、水平方向に延在するようにそれぞれ貫通形成されている。この取付孔２８は、鉛直方向に長い幅を有する長孔となっている。締結部材２９は、長孔となる取付孔２８にそれぞれ挿通され、固定パッド２３に締結される。このとき、締結部材２９は、取付孔２８に対して鉛直方向における位置を調整して、固定パッド２３に締結されることで、固定パッド２３の鉛直方向における位置を調整可能となっている。

また、固定パッド２３は、回転軸５の径方向における厚みが、軸受パッド２１の厚み以下となっており、軸受パッド２１とほぼ同じ扇形状となっている。また、固定パッド２３の材料は、軸受パッド２１の材料と異なっていてもよく、軸受パッド２１は、放熱性を考慮して銅材が用いられるが、固定パッド２３は、鋼材を用いてもよく、軸受パッド２１よりも安価な材料を適用してもよい。

固定パッド２３は、その内周面に軟質金属層３０が形成されており、軟質金属層３０としては、例えば、すべり軸受け用の合金であるホワイトメタルが適用されている。軟質金属層３０は、回転軸５へのダメージを軽減するために、固定パッド２３の内周面の全面に設けられている。

このように構成されたジャーナル軸受１は、回転軸５と軸受パッド２１との間に油膜を形成した状態で、回転軸５を回転自在に軸支する。

次に、図１を参照して、回転軸５の位置と、固定パッド２３の位置とについて説明する。回転軸５の静止時（回転停止時）において、回転軸５は、自重によって鉛直方向の下方側にわずかに位置している。回転軸５が回転（例えば、定格回転）すると、ジャーナル軸受１は、軸受パッド２１と回転軸５との間に油膜を形成することで、回転軸５が鉛直方向の上方側にわずかに移動する。このため、回転軸５の回転時において、回転軸５と固定パッド２３とが適切な位置となるように、固定パッド２３の位置を調整している。

具体的に、回転軸５の軸中心を第１中心点Ｐ１とする。また、固定パッド２３の内周面における曲率半径の中心を第２中心点Ｐ２とする。固定パッド２３は、回転軸５の回転時において、第１中心点Ｐ１と第２中心点Ｐ２とが一致するように、回転軸５の静止時において第１中心点Ｐ１と第２中心点Ｐ２とをオフセットさせている。つまり、固定パッド２３の第２中心点Ｐ２は、回転軸５の静止時において、回転軸５の第１中心点Ｐ１に対して鉛直方向の上方側にオフセットして設けられている。

ここで、回転軸５の静止時における第１中心点Ｐ１と第２中心点Ｐ２との鉛直方向におけるオフセット量をオフセット量ｅとする。また、回転軸５の静止時から回転時までに遷移する第１中心点Ｐ１の移動量を偏心量とし、回転軸５と固定パッド２３との間の距離をすきま量とし、偏心量／すきま量を偏心率とする。この場合、固定パッド２３は、オフセット量ｅが、偏心率が０．６から０．７までの範囲となるように配置される。

なお、回転軸５の外周面における曲率半径と、固定パッド２３の内周面における曲率半径とは、同じ曲率半径であってもよいし、異なる曲率半径であってもよく、特に限定されない。また、固定パッド２３の周方向の両端のそれぞれと、第２中心点Ｐ２とを結ぶ２つの線分の間の角度（張り角ともいう）は、軸受パッド２１の張り角とほぼ同じ角度となっている。

以上のように、実施形態１によれば、回転軸５の回転時において、第１中心点Ｐ１と第２中心点Ｐ２とが一致することで、回転軸５と固定パッド２３との隙間が周方向において一様の隙間になる。回転軸５と固定パッド２３との隙間が一様な隙間となる場合、固定パッド２３において大きな圧力が発生し難いものとなる。このため、固定パッド２３では大きな圧力が発生し難いことから、回転軸５の回転抵抗が抑制されるため、回転損失の増大を抑制することができる。一方で、回転軸５が回転することにより励振すると、回転軸５と固定パッド２３との間には油膜が形成されていることから、油膜による減衰機能が発揮され、これにより、回転軸５を好適に減衰させることができる。以上から、上方側の軸受パッド２１を省いた簡易な構成としつつ、回転軸５の回転損失を抑制し、回転軸５の励振時において回転軸５を好適に減衰させることができる。

また、実施形態１によれば、偏心率が０．６から０．７までの範囲となるように、固定パッド２３を配置することができるため、回転軸５の回転時において、回転軸５と固定パッド２３とのすきまが適切となるオフセット量ｅにすることができる。

また、実施形態１によれば、位置調整機構２７によりケーシング２２に対する固定パッド２３の位置を調整することで、第１中心点Ｐ１と第２中心点Ｐ２とのオフセット量ｅを適切なものにすることができる。

また、実施形態１によれば、軟質金属層３０を設けることで、固定パッド２３による回転軸５へのダメージの軽減を図ることができる。

［実施形態２］
次に、図３を参照して、実施形態２に係るジャーナル軸受５０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図３は、実施形態２に係るジャーナル軸受を模式的に表した模式図である。

実施形態２のジャーナル軸受５０は、実施形態１の固定パッド２３を、回転軸５に対して鉛直方向に移動させる固定パッド移動機構５１を備えたものとなっている。

具体的に、固定パッド移動機構５１は、例えば、直動のアクチュエータであり、アクチュエータの先端が固定パッド２３に接続され、固定パッド２３を鉛直方向に移動させている。この固定パッド移動機構５１は、制御部５３に接続されており、制御部５３によって固定パッド移動機構５１が制御されることにより、固定パッド２３の移動が制御される。また、制御部５３には、回転軸５の振動を計測する振動計５４が接続されており、制御部５３は、振動計５４により計測した計測結果に基づいて、固定パッド２３の移動を制御している。具体的に、制御部５３は、振動計５４により計測した振動に基づいて、回転軸５の静止時から回転時における回転軸５の移動量を換算し、換算した回転軸５の移動量を、オフセット量にフィードバックして、固定パッド２３を鉛直方向に移動させる。

以上のように、実施形態２によれば、回転軸５の回転状態に基づいて、固定パッド２３の位置を、固定パッド移動機構５１により適宜移動させることができるため、回転軸５と固定パッド２３とのすきまを、回転軸の回転状態に応じた適切なすきまにすることができる。

１ ジャーナル軸受
５ 回転軸
２１ 軸受パッド
２２ ケーシング
２２ａ 環状部
２２ｂ 内周側フランジ部
２３ 固定パッド
２５ ピボット
２６ 係合穴
２７ 位置調整機構
２８ 取付孔
２９ 締結部材
３０ 軟質金属層
５０ ジャーナル軸受（実施形態２）
５１ 固定パッド移動機構
５３ 制御部
５４ 振動計

Claims (6)

1. 水平方向に沿った方向が軸方向となる回転軸を軸支するジャーナル軸受において、
   前記回転軸の周囲に設けられるケーシングと、
   前記回転軸の鉛直方向の下方側に対向して設けられると共に、前記ケーシングに対して搖動自在に設けられ、前記回転軸との間に潤滑膜を形成して、前記回転軸を支持する軸受パッドと、
   前記回転軸の鉛直方向の上方側に対向して設けられると共に、前記ケーシングに対して固定して設けられ、前記回転軸との間に潤滑膜を形成して、前記回転軸を覆う固定パッドと、を備え、
   前記回転軸の静止時において、前記回転軸の第１中心点と、前記回転軸に対向する前記固定パッドの内周面における曲率半径の第２中心点とは、前記回転軸の回転時において、前記第１中心点と前記第２中心点とが一致するように、オフセットされていることを特徴とするジャーナル軸受。
2. 前記回転軸の静止時から回転時までに遷移する前記第１中心点の移動量を偏心量とし、
   前記回転軸と前記固定パッドとの間の距離をすきま量とし、
   前記偏心量／前記すきま量を偏心率とすると、
   前記固定パッドは、前記回転軸の静止時における前記第１中心点と前記第２中心点とのオフセット量が、前記偏心率が０．６から０．７までの範囲となるように、配置されることを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受。
3. 前記ケーシングに対する前記固定パッドの位置を調整して、前記回転軸の静止時における前記第１中心点と前記第２中心点とのオフセット量を調整する位置調整機構を、さらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のジャーナル軸受。
4. 前記固定パッドの内周面に設けられる軟質金属層を、さらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のジャーナル軸受。
5. 前記回転軸の運転状態に基づいて、前記回転軸に対して前記固定パッドを移動させる固定パッド移動機構を、さらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のジャーナル軸受。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のジャーナル軸受を備えることを特徴とする回転機械。

Images