JP7511432B2

JP7511432B2 - 軸受装置

Info

Publication number: JP7511432B2
Application number: JP2020167828A
Authority: JP
Inventors: 翼桝田; 侑樹角; 勇一朗脇
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-10-02
Filing date: 2020-10-02
Publication date: 2024-07-05
Anticipated expiration: 2040-10-02
Also published as: JP2022059932A

Description

本開示は、軸受装置に関する。

特許文献１には、蒸気タービン等の回転機械に用いられる軸受装置が開示されている。軸受装置は、回転軸の周方向に離間して配置された複数の軸受パッドを備えている。このような軸受装置として、ティルティングパッド軸受が知られている。ティルティングパッド軸受では、各軸受パッドが外周側からピボット（支持部）によって揺動可能に支持されている。回転軸と軸受パッドのパッド面との間の摺動部には、ノズルから供給された潤滑油の油膜が形成されている。

特開２０１７－０７８４７６号公報

ところで、特許文献１に記載の軸受装置では、ノズルから供給された潤滑油の一部は、回転軸の回転に伴って軸受上半部を経由し、キャリーオーバ油として再度摺動部に供給されることがある。このようなキャリーオーバ油には空気がボイドとして混入されているため、場合によっては、摺動部での油不足が生じる。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、摺動部での油不足を抑制することができる軸受装置を提供することが目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る軸受装置は、円筒状をなすキャリアリングと、該キャリアリングの内周面に設けられて回転軸を軸線回りに回転可能に支持するパッド面を有する軸受パッドと、前記キャリアリング内に設けられて、前記回転軸の外周面と前記パッド面との間に潤滑油を供給するノズルと、前記軸受パッドとは異なる周方向位置で前記キャリアリングの内周面と前記回転軸の外周面との間に設けられて、前記回転軸の回転方向下流側に向かうに従って前記回転軸に近接するくさび内周面を有するカバーと、を備え、前記くさび内周面は、前記回転軸の径方向外側に凹むとともに前記軸線方向に一様な凹曲面状をなしており、前記くさび内周面は、前記カバーの前記回転軸の回転方向下流側の端部と、前記カバーの前記回転軸の回転方向上流側の端部と、にわたって形成されている。

本開示の軸受装置によれば、軸受装置の摺動部での油不足を抑制することができる。

本開示の実施形態に係る軸受装置を備えた蒸気タービンの模式的な縦断面図である。本開示の実施形態に係る軸受装置における回転軸の軸線に直交する断面図である。

（蒸気タービン）
以下、本開示の実施形態に係る軸受装置３０を備えた回転機械について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転機械である蒸気タービン１は、蒸気のエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。

蒸気タービン１は、タービンケーシング２と、該タービンケーシング２を貫通するように軸線Оに沿って延びる回転軸１０とを備えている。また、蒸気タービン１は、タービンケーシング２に保持された静翼３と、回転軸１０に設けられた動翼４と、回転軸１０を軸線О回りに回転可能に支持する軸受部２０とを備えている。
軸受部２０は、スラスト軸受２１及びラジアル軸受である軸受装置３０を備えている。軸受装置３０は、回転軸１０を回転可能に支持している。

回転軸１０は、軸線Оを中心として延びる円柱形状をなしている。回転軸１０は、タービンケーシング２に対して軸線О方向に延在している。回転軸１０の一部には、スラストカラー１１が形成されている。スラストカラー１１は、軸線Оを中心として円板形状をなしており、フランジ状をなすように回転軸１０の本体から回転軸１０の径方向外側に向かって一体的に張り出している。

スラスト軸受２１は、スラストカラー１１を軸線О方向両側から摺動可能に支持している。スラストカラー１１とスラスト軸受２１は、タービンケーシング２内で動翼４や静翼３が軸線О方向下流側へタービンケーシング２内に導入される蒸気の力を受けて押された際に回転軸１０が軸線О方向下流側（図１の右側）へ移動しないように規制している。

このような蒸気タービン１では、タービンケーシング２内に導入される蒸気が静翼３及び動翼４の間の流路を通過する。この際、蒸気が動翼４を回転させることで該動翼４に伴って回転軸１０が回転し、該回転軸１０に接続された不図示の発電機等の機械に回転エネルギーが伝達される。

（軸受装置）
次に、本実施形態の軸受装置３０について説明する。本実施形態の軸受装置３０は、蒸気タービン１の稼働時に回転軸１０を回転可能に支持するラジアル軸受である。
図２に示すように、軸受装置３０は、キャリアリング４０と、複数のピボット４３と、複数の軸受パッド５０と、カバー６０と、ノズル７０と、を備えている。

（キャリアリング）
キャリアリング４０は、軸線Оを中心とする円筒状をなすことで、回転軸１０を外周側から覆っている。キャリアリング４０の内周面４０ａは、回転軸１０の外周面と間隔をあけて配置されている。キャリアリング４０の内周面４０ａと回転軸１０の外周面との間の環状の空間内に軸受パッド５０、ノズル７０、及びカバー６０が配置されている。

本実施形態のキャリアリング４０は、上半分を形成する上半部４１ａと下半分を形成する下半部４１ｂとを有している。これら上半部４１ａと下半部４１ｂとは、キャリアリング４０の上下方向の中央で水平分割面Ｄによって互いに接続されている。

（ピボット）
ピボット４３はキャリアリング４０の内周面４０ａ上に複数設けられている。ピボット４３は、軸受パッド５０を、該ピボット４３の先端を支点とした三次元的揺動が可能となるように支持している。各ピボット４３は、キャリアリング４０の内周面４０ａから軸線Оに対する径方向内側に向かって突出している。各ピボット４３は、径方向外側から内側に向かうに従って次第に先細りしている。

本開示の実施形態では、２つのピボット４３が回転軸１０の周方向に間隔をあけて該周方向の互いに異なる位置に設けられている。より具体的には、２つのピボット４３は、キャリアリング４０の下半部４１ｂに該下半部４１ｂの周方向の中央位置を挟むように設けられている。

（軸受パッド）
軸受パッド５０は、キャリアリング４０の内周面４０ａにピボット４３を介して設けられている。軸受パッド５０は、回転軸１０の周方向に間隔をあけて互いに異なる周方向位置に、各ピボット４３と対応するようにこれらピボット４３と同数が設けられている。本実施形態では、軸受パッド５０は、２つのピボット４３に対応してキャリアリング４０の下半部４１ｂの内周面４０ａにこれらピボット４３を介して周方向に間隔をあけて２つが設けられている。

２つの軸受パッド５０のうちの一方は、下半部４１ｂの内側における回転方向Ｔ上流側の部分に位置する上流パッド５４とされている。２つの軸受パッド５０のうちの他方は、下半部４１ｂの内側における回転方向Ｔ下流側の部分、すなわち、上流パッド５４よりも回転方向Ｔ下流側の部分に位置する下流パッド５５とされている。
各軸受パッド５０は、回転軸１０の軸線Оに直交する断面視で周方向に円弧状に延びるとともに、径方向の寸法である厚さが一様な湾曲板形状をなしている。

軸受パッド５０における径方向外側を向く外周面は、上記ピボット４３の先端によって支持される裏面５２とされている。軸受パッド５０はピボット４３の先端を支点として三次元的揺動が可能となるように配置されている。これにより、いわゆるティルティング機構が構成されている。

軸受パッド５０は、回転軸１０の外周面に対向する内周面としてのパッド面５１を有している。パッド面５１と回転軸１０の外周面との間に区画されるクリアランスＣに潤滑油が介在することで回転軸１０の回転時にクリアランスＣが潤滑油で満たされて油膜が形成される。パッド面５１は、当該油膜を介して回転軸１０の外周面を摺動可能に支持している。言い換えれば、パッド面５１は当該油膜を介して回転軸１０を軸線О回りに回転可能に支持している。

パッド面５１は、軸線О方向から見て径方向外側に凹む円弧形状をなしており、当該円弧形状を維持したまま軸線О方向に延在している。軸受パッド５０は、外周側の部分が鋼材等から形成された基部とされており、当該基部の内周側に向かってホワイトメタル等の軸受鋼が積層されている。したがって、パッド面５１は軸受鋼によって形成されている。

（ノズル）
ノズル７０は、回転軸１０の外周面と軸受パッド５０のパッド面５１との間に潤滑油を供給する。ノズル７０は、キャリアリング４０内に設けられて、キャリアリング４０を軸線Ｏの径方向に貫通するように、周方向に間隔をあけて一対が設けられている。

ノズル７０の径方向内側を向く端部と回転軸１０の外周面との距離は、軸受パッド５０のパッド面５１と回転軸１０の外周面とが区画するクリアランスＣの径方向における寸法よりも大きく形成されている。
一対のノズル７０のうちの一方は、上流ノズル７２とされ、他方は下流ノズル７３とされている。

上流ノズル７２は、上流パッド５４のパッド面５１と回転軸１０の外周面との間に区画されるクリアランスＣに潤滑油を吐出供給する。上流ノズル７２は、キャリアリング４０の下半部４１ｂの回転方向Ｔ上流側の部分であって、上流パッド５４における回転軸１０の回転方向Ｔ上流側に設けられている。上流ノズル７２は、外部から供給される潤滑油を回転方向Ｔ下流側に向かって吐出する。回転軸１０の回転時に上流ノズル７２が潤滑油を吐出供給すると、上流パッド５４と回転軸１０とが区画するクリアランスＣに油膜が形成される。

下流ノズル７３は、下流パッド５５のパッド面５１と回転軸１０の外周面との間に区画されるクリアランスＣに潤滑油を吐出供給する。下流ノズル７３は、キャリアリング４０の下半部４１ｂの回転方向Ｔ下流側の部分であって、下流パッド５５における回転軸１０の回転方向Ｔ上流側に設けられている。下流ノズル７３は、外部から供給される潤滑油を回転方向Ｔ下流側に向かって吐出する。回転軸１０の回転時に下流ノズル７３が潤滑油を吐出供給すると、下流パッド５５と回転軸１０とが区画するクリアランスＣに油膜が形成される。

（カバー）
カバー６０は、キャリアリング４０の内周面４０ａと回転軸１０の外周面との間に配置され、上半部４１ａの内周面４０ａに設けられている。カバー６０の外周面であるカバー外周面６２は、上半部４１ａの内周面４０ａに周方向にわたって固定されている。

カバー外周面６２は、キャリアリング４０の上半部４１ａの内周面４０ａの回転方向Ｔ上流側の端部である始点Ａから回転方向Ｔ下流側の端部である終点Ｂにわたって固定されている。

カバー６０は、回転軸１０の回転方向Ｔ下流側に向かうに従って回転軸１０に近接するくさび内周面６３を有している。くさび内周面６３は、上半部４１ａの内周面４０ａにおける回転軸１０の回転方向Ｔ上流側の端部である始点Ａから回転方向Ｔ下流側の端部である終点Ｂに向かって回転方向Ｔに移動するに従って回転軸１０の外周面に近接している。

くさび内周面６３は、軸線О方向から見て回転軸１０の径方向外側に向かって凹むとともに軸線О方向に一様な凹曲面状をなしている。本実施形態のくさび内周面６３は、軸線Ｏから下半部４１ｂの回転方向Ｔ下流側の端部側にずれた仮想軸線を中心軸線とする円筒面状をなしている。くさび内周面６３は、カバー６０の回転方向Ｔ上流側の端部である上流側端部６０ａと、回転方向Ｔ下流側の端部である下流側端部６０ｂにわたって形成されている。

したがって、下流側端部６０ｂと回転軸１０の外周面との径方向における距離は、上流側端部６０ａと回転軸１０の外周面との径方向における距離よりも短くなっている。

また、くさび内周面６３は、回転軸１０の外周面と径方向に対向しており、くさび内周面６３と回転軸１０の外周面との間には隙間Ｓが区画されている。回転軸１０の回転方向Ｔ上流側の端部である始点Ａから回転方向Ｔ下流側の端部である終点Ｂにわたって、隙間Ｓの径方向における寸法（回転軸１０外周面とくさび内周面６３との距離）が漸次短くなっている。

くさび内周面６３の下流側の端部の隙間Ｓの径方向における寸法は、軸受パッド５０のパッド面５１と回転軸１０の外周面とが区画するクリアランスＣの径方向における寸法よりも大きく形成されている。

（作用効果）
続いて、本実施形態に係る軸受装置３０の動作について説明する。蒸気タービン１の稼働に伴って回転軸１０が回転すると、回転軸１０と軸受パッド５０との間には、ノズル７０によって潤滑油が供給される。これにより、回転軸１０の外周面と軸受パッド５０のパッド面５１とが区画するクリアランスＣが潤滑油で満たされ、油膜が形成される。これにより、回転軸１０は、パッド面５１に油膜を介して摺動可能に支持される。

ここで、上記の軸受装置３０では、軸受パッド５０がキャリアリング４０の下半部４１ｂのみに設けられている。したがって、上流ノズル７２及び下流ノズル７３から供給された潤滑油の一部は、回転軸１０の回転に伴ってキャリアリング４０の上半部４１ａ内を経由し、キャリーオーバ油となる。キャリーオーバ油には空気がボイドとして混入されていることがあり、上記構成のカバー６０を有さない軸受装置３０の場合、クリアランスＣに空気を含んだキャリーオーバ油が侵入し、油不足が生じる可能性がある。その結果、回転軸１０に低周波振動が生じる場合や、回転軸１０の外周面やパッド面５１に片当り、焼きつき等が発生する虞がある。

本実施形態に係る軸受装置３０では、上述のようにキャリアリング４０の上半部４１ａの内周面４０ａにくさび内周面６３を有するカバー６０が固定されている。くさび内周面６３は、回転方向Ｔ上流側から下流側にかけて漸次回転軸１０に近接しているため、キャリーオーバ油は上半部４１ａ内で回転方向Ｔ下流側へ向かうに従って昇圧される。これにより、キャリーオーバ油内の空気が押し出されることで、カバー６０を経由し、下半部４１ｂへと侵入するキャリーオーバ油に空気がボイドとして混入されることが少なくなる。すなわち、空気を含んだキャリーオーバ油がクリアランスＣに侵入することが少なくなる。したがって、クリアランスＣにおける油膜の油不足を抑制することができる。

また、上記構成によれば、くさび内周面６３は、軸線О方向から見て径方向外側に向かって凹むとともに前記軸線О方向に一様な凹曲面状をなしている。これにより、蒸気タービン１の稼働中に大きな軸揺れが生じ、回転軸１０とくさび内周面６３が近接した場合でも、くさび内周面６３が軸受パッド５０のパッド面５１のように機能する。すなわち、くさび内周面６３はキャリーオーバ油を介して回転軸１０の外周面を摺動可能に支持する。したがって、軸受装置３０を安全に保持することができる。

また、くさび内周面６３の下流側の端部の隙間Ｓの径方向における寸法は、クリアランスＣの径方向における寸法よりも大きく形成されている。これにより、蒸気タービン１の平常稼働中は、くさび内周面６３が摩耗することがない。したがって、カバー６０を長期にわたって使用することができる。

また、上記構成によれば、くさび内周面６３は、カバー６０の回転軸１０の回転方向Ｔ下流側の端部である下流側端部６０ｂにわたって形成されている。これにより、くさび内周面６３の下流側の端部までキャリーオーバ油を昇圧し、ボイドとしての空気を抜く作用を得ることができる。したがって、当該下流側端部６０ｂの回転方向Ｔ下流側に続くクリアランスＣに空気の混入が少ないキャリーオーバ油を供給できる。

また、上記構成によれば、くさび内周面６３は、カバー６０の回転軸１０の回転方向Ｔ上流側の端部である上流側端部６０ａにわたって形成されている。これにより、上半部４１ａの始点Ａに対応するくさび内周面６３の上流側の端部から終点Ｂに対応する下流側の端部までのくさび内周面６３の全域でキャリーオーバ油を昇圧し、ボイドとしての空気を抜く作用を得ることができる。したがって、当該下流側端部６０ｂの回転方向Ｔ下流側に続くクリアランスＣに、より空気の混入が少ないキャリーオーバ油を供給できる。

また、上記構成によれば、軸受パッド５０は、下半部４１ｂに設けられ、異なる周方向位置に配置される上流パッド５４と下流パッド５５からなる。カバー６０は、上半部４１ａに設けられている。これにより、軸受装置３０を蒸気タービン１に用いられるラジアル軸受として効果的に使用することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は各実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、上記の実施形態では、軸受パッド５０を下半部４１ｂに上流パッド５４、下流パッド５５として２つ設ける構成としているが、これに限るものではない。例えば、軸受パッド５０は、下半部４１ｂに３つ以上設けられてもよい。

また、上記の実施形態では、くさび内周面６３がカバー６０の上流側端部６０ａから下流側端部６０ｂにわたって形成されているが、これに限るものではない。
カバー６０の上流側端部６０ａから下流側端部６０ｂにわたる内周面の途中の一部分のみに、くさび内周面６３が形成されていてもよい。
また、カバー６０の上流側端部６０ａからくさび内周面６３の形成が始まり、上流側端部６０ａから下流側端部６０ｂにわたる内周面の途中でくさび内周面６３の形成が終わっていてもよい。
また、カバー６０の上流側端部６０ａから下流側端部６０ｂにわたる内周面の途中からくさび内周面６３の形成が始まり、下流側端部６０ｂでくさび内周面６３の形成が終わっていてもよい。

また、上記の実施形態では、ノズル７０を周方向に間隔をあけて一対設ける構成としているが、これに限るものではない。ノズル７０は、クリアランスＣに過不足なく潤滑油を供給する目的で適宜の数を設けてもよい。

また、上記の実施形態では、蒸気タービン１に用いられる軸受装置３０であるが、蒸気タービン１に限られることはない。軸受装置３０は、ガスタービン等の他の回転機械に用いられてもよい。

＜付記＞
実施形態に記載の軸受装置３０は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る軸受装置３０は、円筒状をなすキャリアリング４０と、該キャリアリング４０の内周面４０ａに設けられて回転軸１０を軸線О回りに回転可能に支持するパッド面５１を有する軸受パッド５０と、前記キャリアリング４０内に設けられて、前記回転軸１０の外周面と前記パッド面５１との間に潤滑油を供給するノズル７０と、前記軸受パッド５０とは異なる周方向位置で前記キャリアリング４０の内周面４０ａと前記回転軸１０の外周面との間に設けられて、前記回転軸１０の回転方向Ｔ下流側に向かうに従って前記回転軸１０に近接するくさび内周面６３を有するカバー６０と、を備える。

これにより、くさび内周面６３と回転軸１０の外周面との間に区画される隙間Ｓでキャリーオーバ油が昇圧され、キャリーオーバ油内の空気が押し出される。したがって、空気の混入が少ないキャリーオーバ油を、軸受パッド５０のパッド面５１と回転軸１０の外周面とが区画するクリアランスＣに供給できる。

（２）第２の態様に係る軸受装置３０は、（１）の軸受装置３０であって、前記くさび内周面６３は、前記回転軸１０の径方向外側に凹むとともに前記軸線О方向に一様な凹曲面状をなしていてもよい。

これにより、大きな軸揺れが生じて回転軸１０とくさび内周面６３が近接した場合でも、くさび内周面６３が軸受パッド５０のパッド面５１と同様に機能する。

（３）第３の態様に係る軸受装置３０は、（１）または（２）の軸受装置３０であって、前記くさび内周面６３は、前記カバー６０の前記回転軸１０の回転方向Ｔ下流側の端部にわたって形成されていてもよい。

これにより、くさび内周面６３の下流側の端部までキャリーオーバ油を昇圧し、キャリーオーバ油内の空気を抜く作用を得ることができる。したがって、当該端部の回転方向Ｔ下流側に続くクリアランスＣに空気の混入が少ないキャリーオーバ油を供給できる。

（４）第４の態様に係る軸受装置３０は、（３）の軸受装置３０であって、前記くさび内周面６３は、前記カバー６０の前記回転軸１０の回転方向Ｔ上流側の端部にわたって形成されていてもよい。

これにより、くさび内周面６３の上流側の端部から下流側の端部にわたるくさび内周面６３の全域でキャリーオーバ油を昇圧し、よりキャリーオーバ油内の空気を抜く作用を得ることができる。したがって、当該端部の回転方向Ｔ下流側に続くクリアランスＣにより空気の混入が少ないキャリーオーバ油を供給できる。

（５）第５の態様に係る軸受装置３０は、（１）から（４）のいずれかの軸受装置３０であって、前記キャリアリング４０は、互いに水平分割面Ｄで接続される上半部４１ａ及び下半部４１ｂを有し、前記軸受パッド５０は、前記キャリアリング４０における前記下半部４１ｂの内周面４０ａに周方向に間隔をあけて複数が配置されており、前記カバー６０は、前記キャリアリング４０の前記上半部４１ａの内周面４０ａに設けられていてもよい。

これにより、軸受装置３０を蒸気タービン１に用いられるラジアル軸受として効果的に使用することができる。

１…蒸気タービン２…タービンケーシング３…静翼４…動翼１０…回転軸１１…スラストカラー２０…軸受部２１…スラスト軸受３０…軸受装置４０…キャリアリング４０ａ…内周面４１ａ…上半部４１ｂ…下半部４３…ピボット５０…軸受パッド５１…パッド面５２…裏面５４…上流パッド５５…下流パッド６０…カバー６０ａ…上流側端部６０ｂ…下流側端部６２…カバー外周面６３…くさび内周面７０…ノズル７２…上流ノズル７３…下流ノズル О…軸線Ｔ…回転方向Ａ…始点Ｂ…終点Ｄ…水平分割面Ｓ…隙間Ｃ…クリアランス

Claims

円筒状をなすキャリアリングと、
該キャリアリングの内周面に設けられて回転軸を軸線回りに回転可能に支持するパッド面を有する軸受パッドと、
前記キャリアリング内に設けられて、前記回転軸の外周面と前記パッド面との間に潤滑油を供給するノズルと、
前記軸受パッドとは異なる周方向位置で前記キャリアリングの内周面と前記回転軸の外周面との間に設けられて、前記回転軸の回転方向下流側に向かうに従って前記回転軸に近接するくさび内周面を有するカバーと、
を備え、
前記くさび内周面は、前記回転軸の径方向外側に凹むとともに前記軸線方向に一様な凹曲面状をなしており、
前記くさび内周面は、前記カバーの前記回転軸の回転方向下流側の端部と、前記カバーの前記回転軸の回転方向上流側の端部と、にわたって形成されている軸受装置。
前記キャリアリングは、互いに水平分割面で接続される上半部及び下半部を有し、
前記軸受パッドは、前記キャリアリングにおける前記下半部の内周面に周方向に間隔をあけて複数が配置されており、
前記カバーは、前記キャリアリングの前記上半部の内周面に設けられている請求項１に記載の軸受装置。