(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献1記載の装置のようにティルティングパッドをピボットによって支持すると、潤滑油の供給開始時等において、回転軸とティルティングパッドとの間の油膜の厚さが軸方向にばらつくおそれがある。その結果、回転軸がティルティングパッドに片当りし、回転軸に焼き付き等の損傷が発生するおそれがある。
【0005】
本発明の目的は、回転軸の片当りによる損傷を防止することができる軸受け装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の軸受け装置の一態様は、回転軸の周囲に設けられる支持部材と、回転軸と支持部材との間に配置され、回転軸の外周面に対向する円弧状の表面部と、支持部材に対向する背面部とを有するパッド部材と、パッド部材を支持部材に対して傾斜可能に支持するピボット部と、回転軸と表面部との間に油膜が形成されるように、回転軸と表面部との間に潤滑用圧油を供給する潤滑油供給部と、回転軸の軸方向に対するパッド部材の傾斜を規制する傾斜規制部と、を備えることを特徴とする。
【0007】
この構成によれば、パッド部材の表面部と回転軸との間に軸方向に不均一に潤滑油が供給されて、パッド部材が軸方向に対して傾斜した場合に、その軸方向に対する傾斜が規制される。したがって、回転軸の片当りによる損傷を防止することができる。
【0008】
本発明の別の態様による軸受け装置では、潤滑油供給部が、表面部に開口し、回転軸の外周面に向けて潤滑油を供給する給油口と、給油口に連通して表面部に設けられた溝部と、を有し、溝部は、給油口の軸方向の両側に、互いに対称に形成されている。
【0009】
この構成によれば、潤滑油の供給開始時における、潤滑油圧が回転軸の外周面に作用する圧油面積を大きくすることができ、回転軸をパッド部材から容易に浮上させることができる。
【0010】
本発明の別の態様による軸受け装置では、傾斜規制部が、支持部材からパッド部材を弾性支持する弾性支持部材を有する。
【0011】
この構成によれば、パッド部材が軸方向に傾くと、パッド部材に弾性部材からの反力が作用するため、パッド部材の軸方向の傾きを容易に修正することができる。
【0012】
本発明の別の態様による軸受け装置では、傾斜規制部が、支持部材からパッド部材の背面部に向けて突設された突出部材を有する。
【0013】
この構成によれば、パッド部材が所定量以上傾くと、パッド部材の背面部が突出部材の先端部に当接するため、パッド部材の最大傾斜を制限することができる。
【0014】
本発明の別の態様による軸受け装置では、傾斜規制部が、ピボット部の軸方向の両側に設けられている。
【0015】
この構成によれば、パッド部材の軸方向一方および軸方向他方への傾斜を効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、回転軸の片当りによる損傷を防止することができる。
【発明を実施するための形態】
【0018】
(第1の実施形態)
以下、
図1〜
図6を参照して本発明の第1の実施形態に係る軸受け装置について説明する。なお、以下では、一例として、蒸気タービンの回転軸を回転可能に支持する軸受け装置について説明する。蒸気タービンは、蒸気を用いて回転駆動することで発電を行う大型の回転機械であり、加圧水型原子炉等に用いられる。
【0019】
図1は、本実施形態に係る軸受け装置が適用される蒸気タービン1の斜視図である。蒸気タービン1は、中心軸L0に沿って延在する一対の回転軸2,3と、一対の回転軸2,3の間に配置された翼部4とを有する。蒸気タービン1は、中心軸L0に対して対称形状をなしており、中心軸L0を中心に回転する。なお、
図1では、翼部4を、回転軸2,3よりも大径の円筒形状で示しており、翼部4の詳細な図示を省略している。以下では、中心軸L0に平行な方向を軸方向、中心軸L0を中心とした円筒面の円周方向を周方向、および中心軸L0から円筒面に向かう方向あるいはその逆に円筒面から中心軸L0に向かう方向を径方向と定義する。回転軸2,3の外周面は円筒形状を呈しており、回転軸2,3の外周面の軸方向の接線は中心軸L0と平行である。
【0020】
軸受け装置10は、潤滑油を介して回転軸2,3を摺動可能に支持する滑り軸受け装置であり、各回転軸2,3の外周面に面してそれぞれ一対設けられる。
図2は、第1の実施形態に係る軸受け装置10の概略構成を示す断面図であり、中心軸L0に対し垂直な平面で切断した断面図(
図1のII-II線断面図)である。なお、回転軸2の周囲の軸受け装置10と、回転軸3の周囲の軸受け装置10の構成は互いに等しく、以下では、主に回転軸2の周囲の軸受け装置10の構成について説明する。
【0021】
図2に示すように、軸受け装置10は、回転軸2の周囲に設けられる環状の軸受けハウジング11と、軸受けハウジング11の内周面と回転軸2の外周面との間に配置された一対の軸受けパッド12と、各軸受けパッド12を軸受けハウジング11から軸方向および周方向に揺動可能(傾斜可能)に支持するピボット13とを有する。軸受けパッド12は、回転軸2の周方向一部および軸方向一部を支持するように周方向および軸方向に延在する曲面を有する円弧状のパッド部材であり(
図3参照)、ティルティングパッドとも呼ばれる。軸受けパッド12は、回転軸2の外周面に対向する表面部21と、軸受けハウジング11の内周面に対向する背面部22とを有する。
【0022】
表面部21は、回転軸2の外周面に対応した所定曲率の凹状曲面によって形成されている。表面部21と回転軸2の外周面との間には潤滑油が供給され、表面部21は油膜30を介して回転軸2を回転可能に支持する。したがって、表面部21は軸受け装置10の摺動面を構成する。背面部22は、軸受けハウジング11の内周面に対応した所定曲率の凸状曲面によって形成されている。背面部22の周方向中央部かつ軸方向中央部は、ピボット13により支持されている。したがって、軸受けパッド12は、その中央部を支点にして周方向および軸方向に揺動可能である。
【0023】
ピボット13は、中心軸L0を通って水平方向に延在する軸線L1の下方領域に、かつ、中心軸L0を通って鉛直方向に延在する軸線L2を挟んで周方向両側にそれぞれ設けられている。一方のピボット13の周方向中心部と中心軸L0とを結ぶ直線L3から軸線L2までのなす角度θ1は、例えば45度であり、他方のピボット13の周方向中心部と中心軸L0とを結ぶ直線L4から軸線L2までのなす角度θ2は、例えば−45度である。すなわち、回転軸2は、軸線L2に対し周方向対称位置に配置された2つの軸受けパッド12により支持されている。このように回転軸2を一対の軸受けパッド12によって支持することで、部品点数を削減できるとともに、部品の設置スペースを縮小できる。
【0024】
図3は、軸受けパッド12の表面部21の構成を示す斜視図である。
図3に示すように、表面部21の周方向中央部かつ軸方向中央部には給油口23が開口されている。給油口23は、軸受けパッド12を貫通する貫通孔24を介して図示しない潤滑油ポンプに連通し、潤滑油ポンプから吐出された潤滑油は、給油口23から回転軸2の外周面に向けて供給される。なお、軸受けパッド12の背面部22には、ピボット13によって支持される支持部が設けられているが、貫通孔24は、この支持部を避けて形成されている。
【0025】
さらに軸受けパッド12の表面部21には、給油口23の軸方向両側に、所定深さの一対の溝部25が設けられている。各溝部25は、給油口23に対して互いに対称に形成されている。この実施形態では、溝部25は菱形形状を呈している。各溝部25の菱形の一の頂点は、給油口23と重なり、溝部25は給油口23に連通している。
【0026】
このように構成された軸受け装置10において、蒸気タービン1を回転させる前は、給油口23に潤滑油が供給されず、回転軸2,3は、各軸受けパッド12の表面部21に接触して支持されている。このとき、蒸気タービン1の自重による接触圧力の分布は、例えば
図4(a)の領域P0で表される。
【0027】
蒸気タービン1を回転させる際は、まず、潤滑油ポンプの起動により給油口23に潤滑油を供給する。供給された潤滑油は、給油口23から各溝部25に行き渡り、
図4の(a)に示すように、各溝部25から回転軸2,3の外周面に回転軸2,3を浮上させるような圧力(浮上圧P)が発生する。潤滑油供給の初期段階では、蒸気タービン1の自重による軸受け荷重Wは、潤滑油圧が回転軸2,3の外周面に作用する面積(圧油面積S)に浮上圧Pを乗じた浮上力PT(圧油面積S×浮上圧P)よりも大きく、回転軸2,3は浮上しない。
【0028】
その後、
図4(b)に示すように、浮上圧Pが接触圧P0を超えると、回転軸2,3の外周面と表面部21との間に流路となる隙間が生じ、
図4(b)の矢印aに示すように潤滑油が溝部25を越えてにじみ出す。これにより圧油面積Sが増加し、浮上力PT(=S×P)が増大する。
図4(c)に示すように、浮上力PTが軸受け荷重Wを超えると、回転軸2,3は浮上を開始する。最終的には、潤滑油による浮上圧は
図4(d)の領域R1に示すような静圧分布となり、回転軸2,3は、油膜30を介して軸受けパッド12からわずかに浮上した状態で支持される。この状態で、蒸気タービン1を回転駆動することにより、蒸気タービン1の回転開始時の回転軸2,3における焼き付きを防止できる。蒸気タービン1が回転すると、潤滑油ポンプの駆動を停止する。このとき回転軸2,3の外周面と表面部21との間には、動圧発生に必要なくさび状油膜が形成され、回転軸2,3の振動が減衰される。
【0029】
このように軸受けパッド12の表面部21に溝部25を設けたことにより、潤滑油圧が作用する圧油面積Sを容易に増加させることができる。したがって、浮上圧Pを大幅に増加させなくても、浮上力PTを増大することが可能であり、蒸気タービン1等の大重量の大型の回転機械に用いて好適である。また、軸受けパッド12は、ピボット13により支持されているため、回転軸2,3の傾きに容易に追従することができる。
【0030】
ところで、潤滑油の供給開始時に、例えば軸受けパッド12の周方向中央部を通る軸線La(
図3)が中心軸L0(
図1)と平行になっていれば、軸受けパッド12の初期姿勢は水平姿勢となる。この状態では、例えば回転軸2の接触面である
図3の点線領域R2に潤滑油が均一に分布する。したがって、点線領域R2内の油膜30の厚さが均等となり、表面部21に対して回転軸2を平行に支持できる。
【0031】
これに対し、軸受けパッド12の初期姿勢が軸方向に傾いた傾斜姿勢になっていると、表面部21と回転軸2の外周面との間の隙間が軸方向で不均一となり、隙間が大きい軸方向一方に、より多くの潤滑油が流れる。その結果、
図5に示すように、潤滑油によって軸受けパッド12を傾けるようなモーメントMが発生し、回転軸2は軸受けパッド12に対して相対的に傾いて支持される。このとき、軸受けパッド12の周方向中央部を通る軸線Laと中心軸L0とは平行でない。この状態で蒸気タービン1を回転すると、回転軸2が軸受けパッド12に片当りし、摺動面に焼き付き等の損傷が発生するおそれがある。これを防止するため、第1の実施形態では、以下のように軸受け装置10を構成する。
【0032】
図6は、第1の実施形態に係る軸受け装置10の要部構成を概略的に示す図である。
図6に示すように、軸受けハウジング11は、円環状の周壁部11aと、周壁部11aの軸方向両端部から回転軸に向けて突出する一対の側壁部11bとを有する。軸受けパッド12は、これら周壁部11aと側壁部11bとによって形成された空間SPに、回転軸2の外周面に面して配置されている。
【0033】
ピボット13の軸方向両側には、ピボット13を挟んで互いに対称位置にそれぞれ弾力性を有する防振ゴム14が設けられている。各防振ゴム14は互いに同一部品である。各防振ゴム14はそれぞれ径方向に延在し、径方向外側の一端部は、軸受けハウジング11の周壁部11aの内周面に固定され、径方向内側の他端部は、軸受けパッド12の背面部22の周方向中央部に固定されている。すなわち、一対のピボット13と防振ゴム14とは、それぞれ周方向同一位置に配置されている。
【0034】
図6に示すように軸受けパッド12の周方向中央部を通る軸線Laが中心軸L0と平行であれば、軸受けパッド12は水平姿勢となる。このとき、各防振ゴム14には圧縮力および引張力のいずれも作用せず、各防振ゴム14から軸受けパッド12に作用する反力(付勢力)は互いに等しく、0である。なお、各防振ゴム14を、予め互いに同一量だけ縮退あるいは伸張させた状態で背面部22と周壁部11aとの間に設けている場合には、各防振ゴム14に所定の初期荷重が作用するが、この場合も各防振ゴム14から軸受けパッド12に作用する反力は互いに等しい。
【0035】
これに対し、軸受けパッド12が軸方向一方に傾いて軸受けパッド12の軸線Laが中心軸L0に対して傾斜すると、一方の防振ゴム14に圧縮力が、他方の防振ゴム14に引張力がそれぞれ作用する。これにより一方の防振ゴム14は、軸受けパッド12の軸方向一端部側に回転軸2に近づけるような反力を付与し、他方の防振ゴム14は、軸受けパッド12の軸方向他端部側に回転軸2から離れるような反力を付与する。その結果、軸受けパッド12の軸方向の傾きを低減することができ、軸受けパッド12を水平姿勢に矯正できる。
【0036】
第1の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)回転軸2,3と軸受けハウジング11との間に、回転軸2,3の外周面に対向する表面部21と軸受けハウジング11の周壁部11aに対向する背面部22とを有する軸受けパッド12を配置するとともに、軸受けパッド12をピボット13により軸受けハウジング11に対して周方向および軸方向にそれぞれ傾斜可能に支持し、回転軸2,3と表面部21との間に油膜30が形成されるように給油口23および溝部25を介して潤滑用圧油を供給するようにした。さらに、ピボット13を挟んで軸方向両側に一対の防振ゴム14を配置し、軸受けパッド12を防振ゴム14により軸受けハウジング11から弾性支持するようにした。これにより軸受けパッド12が軸方向に傾斜すると、軸受けパッド12に防振ゴム14から弾性力が作用することとなり、軸受けパッド12の軸方向の傾斜を修正できる。したがって、回転軸2,3が軸受けパッド12に片当りすることを防止することができ、回転軸2,3の焼き付き等の損傷を防ぐことができる。
【0037】
(2)ピボット13の軸方向両側に一対の防振ゴム14を設けたので、軸受けパッド12が軸方向に傾くと、軸受けパッド12の軸方向一端側および軸方向他端側にそれぞれ反力が作用し、軸受けパッド12の傾きを早期に低減することができる。
(3)軸受けパッド12の表面部21に給油口23を開口するとともに、給油口23に連通して、かつ、給油口23の軸方向両側に互いに対称に溝部25を設けるようにした。これにより、潤滑油の供給開始時における、潤滑油圧が回転軸2,3の外周面に作用する圧油面積Sを大きくすることができ、回転軸2,3を軸受けパッド12から容易に浮上させることができる。
【0038】
(第2の実施形態)
図7を参照して本発明の第2の実施形態に係る軸受け装置について説明する。第2の実施形態が第1実施形態と異なるのは、軸受けパッド12の軸方向の傾斜を規制するための構成である。すなわち、第1の実施形態では、ピボット13の軸方向両側に防振ゴム14を設けて軸受けパッド12の傾斜を規制するようにしたが、第2の実施形態では、防振ゴム14の代わりにストッパー15を設けて軸方向の傾斜を規制する。
【0039】
図7は、第2の実施形態に係る軸受け装置10の要部構成を概略的に示す図である。なお、
図6と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第1の実施形態との相違点を主に説明する。
【0040】
図7に示すように、軸受けハウジング11の周壁部11aと軸受けパッド12との間には、ピボット13を挟んで互いに対称位置に、かつ、ピボット13と周方向同一位置にそれぞれ一対のストッパー15が設けられている。ストッパー15は径方向に延在する棒状部材であり、径方向外側の一端部(基端部)は、軸受けハウジング11の周壁部11aの内周面に固定されている。ストッパー15の径方向内側の他端部(先端部)は、軸受けハウジング11の背面部22から離れている。各ストッパー15の長さは、図示のように軸受けパッド12が水平姿勢のときに、各ストッパー15の先端と回転軸2の外周面との間の隙間ΔLが互いに同一量となるように設定されている。
【0041】
このような構成により、軸受けパッド12が軸方向一方に傾斜すると、背面部22が一方のストッパー15に当接し、軸受けパッド12が軸方向他方に傾斜すると、背面部22が他方のストッパー15に当接する。これにより軸受けパッド12の軸方向の傾斜が制限され、回転軸2,3の片当りによる損傷を防止することができる。
【0042】
(変形例)
上記実施形態では、ピボット13の軸方向両側に防振ゴム14(
図6)あるいはストッパー15(
図7)を設けるようにしたが、
図8に示すように防振ゴム14とストッパー15の両方を設けるようにしてもよい。これにより軸受けパッド12に軸方向の大きなモーメントが作用した場合に、軸受けパッド12の最大傾斜がストッパー15で制限されるとともに、防振ゴム14の弾性力によって軸受けパッド12の姿勢を早期に水平姿勢とすることができる。
【0043】
上記実施形態では、回転軸2,3の周囲に軸受けハウジング11を設けて防振ゴム14およびストッパー15を支持するようにしたが、支持部材の構成はこれに限らない。回転軸2,3の外周面に対向する円弧状の表面部21と、軸受けハウジング11に対向する背面部22とを有する軸受けパッド12の構成は上述したものに限らない。すなわち、回転軸2,3と軸受けハウジング11との間に配置されて、油膜30を介して回転軸2,3を回転可能に支持するのであれば、パッド部材の構成はいかなるものでもよい。
【0044】
上記実施形態では、軸受けパッド12をピボット13によって周方向および軸方向に傾斜可能に支持するようにしたが、ピボット13を軸方向のみに傾斜可能に支持するものとしてもよく、ピボット部の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、軸受けパッド12の表面部21に給油口23と溝部25とを形成して回転軸2,3と表面部21との間に潤滑用圧油を供給するようにしたが、回転軸2,3と表面部21との間に油膜30を形成するための潤滑油供給部の構成はこれに限らない。給油口23の軸方向両側に菱形の溝部25を設けたが、溝部25は他の形状であってもよい。
【0045】
上記実施形態では、防振ゴム14およびストッパー15により、回転軸方向に対する軸受けパッド12の傾斜を規制するようにしたが、傾斜規制部の構成はこれに限らない。ここで、傾斜を規制するとは、
図6に示すように中心軸L0と軸線Laとを含む平面上において、軸受けパッド12の軸方向両側端部(
図6では左右両端部)における中心軸L0から軸線Laまでの距離の変化を抑えることを意味する。換言すると、
図6の中心軸L0と軸線Laとのなす角が小さくなるようにすることを意味する。なお、中心軸L0と軸線Laとのなす角が最小となるのは、中心軸L0と軸線Laとが平行の場合である。
【0046】
上記実施形態では、防振ゴム14およびストッパー15をピボット13の軸方向両側に設けたが、軸方向一方のみに設けるようにしてもよい。上記実施形態(
図6)では、防振ゴム14により軸受けハウジング11から軸受けパッド12を弾性支持するようにした。すなわち、防振ゴム14を介して軸受けパッド12を軸受けハウジング11に弾性支持するようにしたが、防振ゴム14に代えて例えばばね等、他の弾性支持部材を用いることもできる。上記実施形態(
図7)では、軸受けハウジング11から背面部22に向けてストッパー15を突設するようにしたが、突出部材の構成は上述したものに限らない。
【0047】
上記実施形態は、蒸気タービン1に軸受け装置を適用したが、本発明の軸受け装置は、ガスタービンや圧縮機等、他の回転機械にも同様に適用することができる。
【0048】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。