JP5767884B2 - ティルティングパッドジャーナル軸受および蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ティルティングパッドジャーナル軸受および蒸気タービンに関する。

蒸気タービンやこの蒸気タービンによって駆動される発電機等の大型高速回転機械の回転軸を安定して支持するジャーナル軸受には、通常ティルティングパッドジャーナル軸受が採用されている。

図７は蒸気タービンや発電機の回転軸を安定して支持する従来のティルティングパッドジャーナル軸受を模式的に示す横断面図であり、図８は複数枚のパッド３のうちの任意の１枚に注目して描いた拡大図である。

図７において、ティルティングパッドジャーナル軸受１は、蒸気タービンや発電機の回転軸のジャーナル（軸頸部）２の矢視回転方向にほぼ等間隔に配置された複数枚（図では６枚）の円弧状のパッド３（３_１、３_２、３_３・・・３_６）と、各パッド３_１、３_２、３_３・・・３_６を外側から囲繞するように支持する円弧状に２分割された軸受内輪４（４_１、４_２）とを有し、かつ、軸受内輪４に取り付けたピボット５（５_１、５_２、５_３・・・５_６）で各パッド３_１、３_２、３_３・・・３_６の背面を支持することによりジャーナル２の動きに対して各パッド３_１、３_２、３_３・・・３_６を揺動可能にしている。

実際には、軸受内輪４の外側には軸受外輪があり、さらに軸受外輪は軸受ケーシングあるいは基礎に固定されるようになっているが、ここでは図示していない。

このように構成されたティルティングパッドジャーナル軸受１には潤滑剤として潤滑油が用いられており、この潤滑油は回転するジャーナル２とパッド３との間に発生する摩擦により移動してジャーナル２と各パッド３間に供給される。

図８では軸受内輪４の内面４ａの曲率中心Ｏｂと、パッド３の摺動面３ａの曲率中心Ｏｐと、パッド３の重心Ｇとを通る一点鎖線で示す直線、すなわちパッド３の中心位置を通る直線Ｌ１を引き、さらにパッド３の重心Ｇからその直線Ｌ１に垂直な直線Ｌ２を引き、この垂直な直線Ｌ２をパッド３の傾き角度（揺動角度）αの基準角度（０°）としている。ここで、パッド３がピボット５を支点として反時計回りに傾くときの角度を正（＋）側、逆に時計回りに傾くときの角度を負（−）側と定義すると、ジャーナル２が矢視のように半時計回りに回転する場合、パッド３は反時計回りに傾くため、パッド３の傾き角度αは正（＋）になる。

前述したようにジャーナル２の回転によって潤滑油はジャーナル２とパッド３との隙間Ｃに供給されるわけであるが、ジャーナル２が高周速で回転するのに対してパッド３は静止しているため、ジャーナル２の摺動面２ａとパッド３の潤滑面３ａとの隙間Ｃに供給された潤滑油には、ジャーナル２側とパッド３側とで非常に大きな速度差が発生する。

潤滑油に速度差が発生すると、潤滑油にせん断力が働き、潤滑油内部に粘性力が発生する。この粘性作用と、ジャーナル２とパッド３の動きから形成されるパッド３の傾き状態によって両者間に「くさび効果」が発生し、ジャーナル２と、ジャーナル２にかかる荷重を支える３個の下半部のパッド３_６、３_１および３_２との隙間Ｃに供給された潤滑油には、図７に示すような油膜圧力分布Ｐ６、Ｐ１およびＰ２が発生する。

下半部の各パッド３_６、３_１および３_２に発生する油膜圧力分布Ｐ６、Ｐ１およびＰ２を全周積分するとジャーナル２にかかる荷重Ｗに一致する。ここで、最下部（真下）のパッド３_１について説明すると、パッド３_１の背面とピボット５_１との接触点Ｔ１が、ジャーナル２の回転に応じて変化する油膜圧力分布Ｐ１の中心点の鉛直下方に位置するように自由に移動する。この様な現象は、最下部（真下）のパッド３_１の両側に隣接するパッド３_２やパッド３_６についても同様である。

このようにして、パッド３は自動調心して全体的に軸受荷重Ｗを受けるようになり、オイルホイップを発生させる不安定化力の発生を防ぐことができるので、ティルティングパッドジャーナル軸受は自動調心機能を有し安定性に優れ、特に高い安定性が要求される高速回転機械に適応されている。

しかし、パッド３は揺動振動を行うことから、非同期振動が発生し不安定になることもある。それを防ぐために、パッド端部付近に溝を加工し、溝内の潤滑油の流れによって潤滑油の流出を防止するようにした発明が開示されている。

米国特許６３６１２１５号明細書 特開２００１−１３２７３７号公報

ところが、近年、蒸気タービンや発電機の大型化、高速化の傾向が増した結果、安定性に優れたティルティングパッドジャーナル軸受といえども不安定振動が発生し易くなってきた。さらに、蒸気タービンの性能向上対策から、タービン段落数の増加、漏れ損失の低減、高温、高圧化の傾向が顕著であり、それらは軸系の危険速度の低下、システム減衰の低下、不安定化シール力の増大といった軸系の振動に対して、その安定度を低下する傾向を強めている。

その中で次のような特性をもつ不安定振動が確認されている。
負荷依存性があり、負荷が小さい間は全く生じないか、生じていても振幅が小さく問題にならず、負荷が大きくなると、はじめて発生するか、あるいは振幅が急速に成長して激しい振動になり、それ以上負荷を増すことが困難になる。

また、振動数が軸系の一次固有振動数に近く、軸の回転速度が一次危険速度を超えて運転されている領域で不安定振動が生じる例が多く、したがって振動数は回転同期振動数よりも低い。このような振動を発生させる原因は流体力でありこれを不安定化力と呼び、次式（１）のように連成ばね項でモデル化されることが多い。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、パッドにかかる負荷に異方性を持たせ軸受油膜の２方向の剛性の非対称性を強めることで、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受および蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本実施形態のティルティングパッドジャーナル軸受は、軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドを該パッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、軸受内輪の下半部に配置された各パッドにかかる負荷に異方性を持たせるために、前記下半部に配置された各パッドのうち、最下部に位置するパッドに隣接するパッドのパッド支持点を、前記パッドの中心位置を起点としてジャーナルの回転方向と逆方向に移動させることを特徴とする。

また、本実施形態の蒸気タービンは、蒸気タービン回転軸のジャーナルを請求項１乃至４のいずれかに記載のティルティングパッドジャーナル軸受により、自動調心的に支持するようにしたことを特徴とする。

本発明の実施形態１に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図。 パッド支点位置とパッドにかかる負荷の関係を示す特性図。 パッドにかかる負荷の異方性を増加したときの効果を示す図。 本発明の実施形態２に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図。 本発明の実施形態３に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図。 本発明の実施形態４に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図。 従来技術のティルティングパッドジャーナル軸受の断面図。 図７中の１つのパッドの拡大説明図。 図２の特性図を得るための説明図。

以下、図面を参照して本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受の実施形態について説明する。なお、各図を通して同一部品や同一要素には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

［実施形態１］
図１、図２、図３および図９を参照して本発明の実施形態１について説明する。
（構成）
図１は、本発明の実施形態１に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図である。

図１において、ティルティングパッドジャーナル軸受１の下半部に配置されたパッド３_１、３_２および３_６のうち、最下部すなわち真下に配置したパッド３_１は、当該パッド３_１の中心位置を通る直線Ｌ１上に配置されたピボット５_１により背面を支持されている。

しかし、この最下部のパッド３_１の図示水平方向左右のパッド（ジャーナル２の回転方向の前方および後方にそれぞれ隣接するパッド）３_２および３_６は、それぞれのパッド３_２、３_６の中心位置を通る直線Ｌ２およびＬ６を基点としてジャーナル２の回転方向後方（反回転方向）に予め定めた角度Δｘ_２およびΔｘ_６だけ移動（変位）した位置に配置したピボット５_２および５_６により背面を支持されるように設定されている。なお、ピボット５_２の移動角度（変位角度ともいう）Δｘ_２と、ピボット５_６の移動角度Δｘ_６とは同一角度でも良いし、異なる角度であっても良い。

（作用）
図２はパッド支点位置を移動させた場合のパッドにかかる負荷の変化を示した図である。
図２ではパッド３の支点位置が当該パッド３の中心からジャーナル２の回転方向に移動するとパッド３の揺動角（α）は正の方向に傾いてくさび効果が強まり、パッド３にかかる負荷が増大し、逆にパッド３の支点位置をジャーナル２の反回転方向に移動するとパッド３の揺動角（α）は負の方向に傾いてくさび効果が弱まり、パッド３にかかる負荷は減少することを意味している。

なお、図２の特性図は、以下説明するように、潤滑方程式（３）から得られた理論式（ピボットまわりのモーメントの釣り合いに関する式（４）およびパッドにかかる負荷と油膜力の釣り合いに関する式（５））をコンピュータ上でシミュレーションすることにより得たものである。

図９は図２の特性図を得るための説明図である。
図９において、ジャーナル２と下半部の各パッド３_１、３_２、３_６との間には、パッド３内面とジャーナル２の半径ｒ_ｊの差に相当する間隙Cが形成されている。ジャーナル２は回転する場合、当該ジャーナル２とパッド３との間隙C内に形成される油膜力とジャーナル２の自重とが平衡する位置（破線で示すジャーナルは符号２’の位置）まで下降し、その中心はＯ_１から偏心量ｅだけ偏心したＯ_２まで移動する。

このときのジャーナル２’と各パッド３との間に形成される間隙ｈ_１、ｈ_２、ｈ_６は次式（２）で表される。

ここで、εはｅ／Ｃを表わし偏心率を意味し、Φは図９の偏心方向Ｏ_１―Ｏ_２を基準とした元のジャーナル２との円周方向の角度を示す。また、α_６はパッド３_６の傾きを、β_１，β_２はパッドパッド３_６の支点位置からジャーナル２の回転方向後端、前端までの長さを示している。
またｒ_ｊはジャーナル２の半径、Ｏ_ｐ６は偏心方向Ｏ_１―Ｏ_２を結ぶ直線からパッド３_６の支点までの角度をそれぞれ示している。

このようなティルティングパッドジャーナル軸受において、ジャーナル２’の自重に対してパッド３ごとに発生する軸受の油膜圧力ｐは円周方向座標をθ、軸方向座標をｚとすると、下記式（３）に示す潤滑方程式から求まる。

ここで、μは潤滑油の温度、Uはジャーナルの周速度を示す。ティルティングパッドジャーナル軸受では、パッド面において、パッドのほぼ中央に設置されているピボット回りのモーメントがゼロになるように油膜圧力が発生する。パッドの慣性を無視するとピボットまわりのモーメントの釣り合いより式（４）が得られ、パッドにかかる負荷Ｗ_ｐｉと油膜力の釣り合いより式（５）が得られる。

この式(４)、（５）で表わされた理論式を、コンピュータ上でシミュレーションすることにより上記図２を得ることができる。

上述した図２から明らかなように、真下に位置するパッド３_１の水平方向左右に位置するパッド３_２および３_６の支持位置はジャーナル２の回転方向と逆方向に移動させるようにしたことにより、各パッド３_２および３_６にかかる負荷は減り、主に水平方向の油膜力も減少する。それに伴って真下に位置するパッド３_１にかかる負荷が増え、垂直方向の油膜力が増加する。すなわち軸受油膜力の異方性が増加する。

図３はこのときのジャーナル３の最下部（真下）のパッド３_１の圧力分布Ｐ１´と水平方向左右のパッド３_２、３_６の圧力分布Ｐ２´、Ｐ６´の関係を示す図である。
図３からもわかるように、水平方向左右（ジャーナル２の回転方向前方および後方）のパッド３_２、３_６の圧力分布Ｐ２´、Ｐ６´をそれぞれＰ２、Ｐ６よりも小さく（Ｐ２´<Ｐ２、Ｐ６´<Ｐ６）することによって、ジャーナル３の最下部（真下）のパッド３_１の圧力分布Ｐ１´がＰ１よりも大きくなる（Ｐ１´>Ｐ１）ので、軸受油膜力の異方性が増加する。

（効果）
以上述べたように本実施形態１によれば、軸受油膜力の異方性が増加し、作動流体からの不安定化力による不安定振動の発生を防ぐことができ、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することが可能である。

［実施形態２］
以下、図４を参照して本発明の実施形態２について説明する。
（構成）
図４は、本発明の実施形態２に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図である。

図４において、本実施形態２が図１の実施形態１と異なる点は、最下部（真下）のパッド３_１を支持するピボット５_１の位置をパッド３_１の中心すなわち、ジャーナル２の中心点０および当該パッド３_１の重心Ｇを結ぶ直線Ｌ１上からジャーナル２の回転方向に角度Δｘ_１だけ移動した位置に配置したこと、およびこの真下のパッド３_１に隣接するパッド３_２および３_６をそれぞれ支持するピボット５_２および５_６の位置を図７の従来例と同様にパッド３_２およびパッド３_６の中心位置を通る直線Ｌ２およびＬ６上に配置したことを特徴とするものである。

（作用）
本実施形態２では、最下部（真下）のパッド３_１の支持位置を当該パッド３_１の中心位置からジャーナル２の回転方向に移動しているため、当該パッド３_１にかかる負荷は増大し、垂直方向の油膜力は増大する。すなわち軸受油膜力の異方性の増加が可能となる。

（効果）
以上述べたように実施形態２によれば、軸受油膜力の異方性が増加し、作動流体からの不安定化力による不安定振動の発生を防ぐことができ、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供可能である。

［実施形態３］
以下、図５を参照して本発明の実施形態３について説明する。
（構成）
図５は、本発明の実施形態３に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図である。

本実施形態は、前述した実施形態１の技術的思想および実施形態２の技術的思想を組み合わせたものであり、最下部（真下）のパッド３_１を支持するピボット５_１の設置位置は直線Ｌ１上の中心位置からジャーナル２の回転方向に角度Δｘ_１だけ移動させ、隣接するパッド３_２および３_６を支持するピボット５_２および５_６の設置位置はそれぞれ直線Ｌ２上、Ｌ６上の中心位置からジャーナル２の反回転方向に角度Δｘ_２、Δｘ_６だけ移動させたことを特徴とするものである。

（作用）
最下部（真下）のパッド３_１の支持位置はパッド中心位置からジャーナル２の回転方向に移動しているため、パッド３_１にかかる負荷は増大する。それに加えて、隣接するパッド３_２および３_６の支持位置はジャーナル２の反回転方向に移動しているため、それらのパッド３_２および３_６にかかる負荷は減り、主に水平方向の油膜力も減少し、パッド３_１にかかる負荷がさらに増加する。すなわち軸受油膜力の異方性の増加が可能となる。

（効果）
以上述べたように実施形態３によれば、軸受油膜力の異方性が大きく増加し、作動流体からの不安定化力による不安定振動の発生を防ぐことができ、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供可能である。なお、本実施形態では実施形態１、２よりも大きな不安定化力による不安定振動の発生防止が可能である。

［実施形態４］
以下、図６を参照して本発明の実施形態４について説明する。
（構成）
図６は、本発明の実施形態４に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図である。

本実施形態４は、パッド３の支点となるピボット５の設置位置を移動させずに、パッド３自体を移動させるようにしたものである。
図６はティルティングパッドジャーナル軸受１の下半分に設置されたパッド３_１、３_２、３_６のうち最下部（真下）のパッド３_１は移動せず、左右のパッド３_２、３_６のみをジャーナル２の回転方向に角度Δｘだけ移動した形態を示す。ここで、左右のパッド３_２および３_６のうち、破線で示すパッドは移動前の位置を示し、実線で示すパッドはジャーナル２の回転方向に角度Δｘだけ移動した後の位置を示している。なお、Ｇ´は移動前の重心、Ｇは移動後の重心を表す。

（作用）
図６のようにパッド３_２および３_６をジャーナル２の回転方向に移動させる場合、パッド３_２、３_６を支持するピボット５_２、５_６がジャーナル２の回転方向後方に移動するようにした実施形態１（図１）の場合と同様に、パッドの揺動角度αが負方向に傾いてくさび効果が弱まり、パッド３_２および３_６にかかる負荷を減少させることが可能になる。

逆に、パッド３_２および３_６をジャーナル２の矢視回転方向とは逆方向（時計回り）に移動させる場合、パッドの揺動角度αが小さくなり、垂直方向の油膜力が増加して軸受油膜力の異方性が増加する。

なお、図６に示した例では左右のパッド３_２、３_６をジャーナル２の回転方向に角度Δｘ移動したが、最下部（真下）のパッド３_１をジャーナル２の反回転方向（時計回り）に移動させるようにしてもよい。この場合パッド３_１を支持するピボット５_１をジャーナル２の矢視回転方向に移動するようにした実施形態２（図４）の場合と同様に、くさび効果を強めることが可能になる。

（効果）
以上述べたように実施形態４によれば、軸受油膜力の異方性が大きく増加し、作動流体からの不安定化力による不安定振動の発生を防ぐことができ、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供可能である。

なお、以上説明した実施形態は、例示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。また、この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。その場合の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…ティルティングパッドジャーナル軸受、２…回転軸のジャーナル（軸頸部）、２ａ…ジャーナル摺動面、３（３_１、３_２、・・・３_６）…円弧状のパッド、４…軸受内輪、４ａ…軸受内輪内面、５…ピボット、Ｇ…パッドの重心、Ｃ…パッドとジャーナルの隙間、Δｘ_１・・・Δｘ_６…ピボット位置の移動角度。

Claims (5)

1. 軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドを該パッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
   軸受内輪の下半部に配置された各パッドにかかる負荷に異方性を持たせるために、前記下半部に配置された各パッドのうち、最下部に位置するパッドに隣接するパッドのパッド支持点を、前記パッドの中心位置を起点としてジャーナルの回転方向と逆方向に移動させることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
2. 軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドを該パッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
   軸受内輪の下半部に配置された各パッドにかかる負荷に異方性を持たせるために、前記下半部に配置された各パッドのうち、最下部に位置するパッドのパッド支持点を、前記パッドの中心位置を起点としてジャーナルの回転方向と同方向に移動させることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
3. 軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドを該パッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
   軸受内輪の下半部に配置された各パッドにかかる負荷に異方性を持たせるために、前記下半部に配置された各パッドのうち、最下部に位置するパッドのパッド支持点を、前記パッドの中心位置を起点としてジャーナルの回転方向と同方向に移動させ、前記最下部に位置するパッドに隣接するパッドのパッド支持点を、前記パッドの中心位置を起点としてジャーナルの回転方向と逆方向に移動させることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
4. 軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドを該パッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
   軸受内輪の下半部に配置された各パッドにかかる負荷に異方性を持たせるために、前記下半部に配置された各パッドのうち、最下部に位置するパッドに隣接するパッドのパッド支持点を移動させずに当該隣接するパッド自体を該パッドの中心位置を起点としてジャーナルの回転方向に移動させることを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のティルティングパッドジャーナル軸受により、蒸気タービン回転軸のジャーナルを自動調心的に支持するようにしたことを特徴とする蒸気タービン。

Images