(57)【要約】【課題】  パッド間の油温度及びパッド温度の双方を低減し、高回転速度においても軸受摺動面温度の上昇を抑制できる、ティルティングパッド軸受装置及び回転機械を提供する。【解決手段】  軸受ハウジング４に対して、それぞれピボットを介して搖動自在に設けられ、回転軸を支持する複数のティルティングパッド２を有するティルティングパッド軸受装置において、ティルティングパッドに周方向に連通した冷却流路を設け、冷却流路の入口の軸方向位置がティルティングパッド間へ油を給油する給油孔７の軸方向位置と重ならないようにする。例えば冷却流路としてティルティングパッド２の軸方向側面に周方向に連通した冷却溝１２を設ける。【選択図】  図４
2019124277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油浴式のティルティングパッド軸受装置であって、
前記ティルティングパッド軸受装置が支持する回転軸の下側のティルティングパッドは周方向に連通した冷却流路を備え、
前記冷却流路の入口の軸方向位置はティルティングパッド間への給油孔の軸方向位置と重ならないように設けられていることを特徴とするティルティングパッド軸受装置。
【請求項２】
軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングに対してそれぞれピボットを介して搖動自在に設けられ、回転軸を支持する複数のティルティングパッドと、前記軸受ハウジングの軸方向の両側面に設けられたシールとを備えたティルティングパッド軸受装置であって、
少なくとも前記回転軸の下側の前記ティルティングパッドは軸方向側面に周方向に連通した冷却溝を備えることを特徴とするティルティングパッド軸受装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のティルティングパッド軸受装置において、
前記ティルティングパッドは、前記回転軸の回転方向から見て上流側の前記ティルティングパッドの周方向端部に軸方向から見て断面が円弧状の溝を備えることを特徴とするティルティングパッド軸受装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のティルティングパッド軸受装置において、
前記ティルティングパッドは、前記回転軸の回転方向から見て上流側の前記ティルティングパッドの周方向端部に、軸方向中央を対称に、摺動面側から軸方向中央に向かって、斜めに形成された切り欠きを備えることを特徴とするティルティングパッド軸受装置。
【請求項５】
回転軸と、前記回転軸を支持するラジアル軸受とを備えた回転機械であって、
前記ラジアル軸受として請求項１または２に記載のティルティングパッド軸受装置を用いたことを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ティルティングパッド軸受装置及び回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年産業用大型回転機械では、コスト削減に伴い軸受部の高周速化が求められている。それらの機械では、薄い流体膜を介して回転軸の荷重を支持する滑り軸受を主に使用している。滑り軸受は、転がり軸受と比較して耐荷重性能が高く、振動減衰性にも優れる。また、遠心圧縮機のような機械では、低荷重、高回転速度といった条件下において頻繁に使用されるため、滑り軸受の中でも特に振動安定性に優れたティルティングパッド軸受を採用している。
【０００３】
ティルティングパッド軸受は、軸受ハウジングとこれに配設された複数のピボット、及びピボットを介して支持される複数のティルティングパッドで構成されている。パッドと回転軸の間に潤滑油を供給すると、油膜内に圧力が発生して回転軸を支持できる。また、パッドはピボットにより揺動可能となっており、油膜の圧力分布に応じてその傾きが変化し、オイルホイップなどの不安定振動を抑制することができる。
【０００４】
ただし、油膜は圧力を発生させると同時にせん断摩擦により発熱する。温度上昇した油の一部はそのまま軸受外部に排出されるが、残りの油はパッドやハウジングへと熱を伝えるため、それらも同時に温度上昇する。パッド摺動面には低融点金属が鋳込んであるため、パッド温度を融解温度以下に維持する必要があり、そのためには適切な量の潤滑油を供給しなくてはならない。
【０００５】
ティルティングパッド軸受の潤滑油供給方法は以下の二通りが存在する。すなわち、各パッドに形成された給油孔又は隣り合うティルティングパッドの間に配置された給油ノズルから潤滑油を摺動面に供給する直接潤滑式、及び軸方向に配設されたシールにより軸受ハウジング内に潤滑油を貯留させて摺動面に給油する油浴式である。
【０００６】
油浴式では、給油ポンプの故障等で給油が困難となった場合でも、軸の回転が停止するまでの間、油浴内の油で潤滑を維持することが可能であり、信頼性が高い。しかしながら、軸受ハウジング内部に潤滑油を常に満たす必要があるため、撹拌損失が大きく、油浴内の温度を冷却するため給油量が多くなる。また、軸受の周速増加に伴い攪拌損失はさらに大きくなるため、より多くの油が必要となる。給油量を増加させるためには、ポンプ等の補機容量を拡大しなくてはならず、コストが増大する可能性がある。そのため、給油量は変化させず、軸受の温度上昇を抑制することが課題となる。
【０００７】
ティルティングパッドの表面温度および油膜温度を低下させて、潤滑油量を低減し攪拌損失を低減させるようにしたものとして、ティルティングパッドにその内部を周方向に貫通する複数の冷却流路を形成したティルティングパッド型ジャーナル軸受が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−０６３０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
油浴式では、軸受ハウジング内に供給された油が、パッドとパッドの間を旋回し、その領域における油の温度を低下させる。さらに低下した油は摺動面へと供給される。
【００１０】
本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載されたティルティングパッド型ジャーナル軸受では、パッド間の油を十分に冷却できず、冷却流路によりパッド温度を低減できても、軸受摺動面の温度を十分に低減できない可能性がある。
【００１１】
本発明の目的は、パッド間の油温度及びパッド温度の双方を低減し、高回転速度においても軸受摺動面温度の上昇を抑制できる、ティルティングパッド軸受装置及び回転機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ティルティングパッドに周方向に連通した冷却流路を設け、冷却流路の入口の軸方向位置がティルティングパッド間へ油を給油する給油孔の軸方向位置と重ならないようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、パッド間の油温度及びパッド温度の双方を低減し、高回転速度においても軸受摺動面温度の上昇を抑制できる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ティルティングパッド軸受装置の横断面図。
【図２】ティルティングパッド軸受装置の縦断面図。
【図３】ティルティングパッドの斜視図。
【図４】本発明の第１の実施例におけるティルティングパッドの斜視図。
【図５】本発明の第２の実施例におけるティルティングパッドの斜視図。
【図６】本発明の第３の実施例におけるティルティングパッドの斜視図。
【図７】本発明のティルティングパッド軸受装置が適用される遠心圧縮機の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。  
先ず、図１〜図２を参照しながら本発明が適用されるティルティングパッド軸受装置の構成例を説明する。なお、ティルティングパッド軸受装置の構成はこれに限定されるものではない。
【００１６】
図１はティルティングパッド軸受装置の横断面図（図２におけるＩ−Ｉ矢視断面図）である。図２はティルティングパッド軸受装置の縦断面図である。  
図１及び図２に示す軸受は、回転軸１の径方向荷重を支持する油浴式ジャーナル軸受である。図１に示すように、ティルティングパッド軸受は、複数のティルティングパッド２と、複数のピボット３と、軸受ハウジング４と、軸受ケーシング５を備えている。複数のティルティングパッド２は、回転軸１の外周面に対向するように回転軸１の周方向に配設されている。軸受ハウジング４は、複数のピボット３を介して複数のティルティングパッド２を傾動（搖動）可能に支持する。軸受ケーシング５は、図２に示すように、内周が軸受ハウジング４の外周と接しこれを保持する。
【００１７】
軸受ハウジング４の外周面には、周方向に連通した導油溝６が設けられており、導油溝６から径方向内側に向かって給油孔７が複数設けられている。また、軸受ケーシング５には、径方向内側に向かって導油溝６に連通する導油孔８が設けられている。潤滑油は導油孔８から供給され、導油溝６を通って給油孔７より軸受内（隣接するティルティングパッド２間の周方向の空間：パッド間１０）へと流入する。
【００１８】
図２に示すように、軸受ハウジング４の軸方向の両側面にはシール９が設けられている。シール９は環状の部材で形成されている。軸受内へと流入した潤滑油は、シール９によって軸受内部に貯留され、軸受内は潤滑油で満たされる油浴状態となる。そして、導油孔８から供給された油量と、同量の潤滑油が回転軸１とシール９の隙間から排出される。一般的に、回転軸１とティルティングパッド２の隙間よりも、回転軸１とシール９の隙間のほうが大きくなるよう設計されている。
【００１９】
図１に示す回転方向Ａに向かって回転軸１が回転すると、給油孔７から軸受内に流入した潤滑油は、一旦パッド間１０を経由して、回転軸１とティルティングパッド２の間である摺動面１１へと供給される。すると、摺動面１１に薄い流体膜が形成され、油膜内部に圧力が発生し、回転軸１を支持することができる。ただし、流体膜はせん断摩擦により発熱するため、貯留された潤滑油及び軸受全体は温度上昇する。
【００２０】
次に、本発明に至った経緯について説明する。  
特許文献１に記載されたティルティングパッド型ジャーナル軸受では、ティルティングパッドにその内部を周方向に貫通する複数の冷却流路を形成し、ティルティングパッドを冷却することにより、ティルティングパッドの表面温度および油膜温度を低下させるようにしている。しかしながら、特許文献１に記載されたティルティングパッド型ジャーナル軸受では、パッドの冷却効果は期待できるが、パッド中央部に冷却流路の入口があることにより、軸受ハウジング内（パッド間）に供給された油は、パッド間を旋回せずに冷却流路へ流入することになる。これでは、パッド間の油を十分に冷却できず、パッド間から軸受摺動面に供給される油の温度が高くなってしまう。本発明者らの検討によれば、パッド間の油を十分に冷却できないと、冷却流路によりパッド温度を低減できても、軸受摺動面の温度は十分に低減できない可能性がある。
【００２１】
図３は一般的なティルティングパッド斜視図である。給油孔７から軸受内に流入した潤滑油は、潤滑油の流れＢに示すように、パッド間１０を複数回に亘って旋回し、摺動面１１へと流入する。これにより、パッド間１０の領域における油の温度が低減し、低温の油が摺動面１１へと流れる。摺動面１１の温度は、回転方向Ａに沿ってほぼ線形に上昇し、下流側に高温部１５が生ずる。高温部１５の冷却のためには、本発明者らの検討によれば、パッド内部に冷却流路を設けてパッドを冷やすよりも、摺動面に供給される油の温度を低くした方が効果的である。すなわち、軸受摺動面温度を低減する上でパッド間の油温度が重要である。パッド間の油温度を低減するためには、給油量を増加させる方法もあるが、ポンプ等の補機容量を拡大しなくてはならない。このためには、給油量は変化させず、パッド間の油温度も低く維持し、軸受摺動面温度を低減できる軸受構造が望まれる。
【００２２】
このような観点から、パッドの高温部１５の効果的な冷却のためには、ティルティングパッド自体を冷却する構造に加えて、パッド間の油を十分に旋回させてパッド間の油温度を低くして摺動面に供給される油の温度を低下させる構造を備えることが必要である。そして、本発明では、これらを、ティルティングパッドに周方向に連通した冷却流路を設け、冷却流路の入口の軸方向位置（回転軸１の軸方向位置）が給油孔の軸方向位置と重ならないようにすることにより実現したものである。このような構造によれば、給油孔からパッド間に供給された温度が低い新油は、パッド間を旋回することなく冷却流路に流入することが抑制され、パッド間を複数回旋回することになるので、パッド間の油の温度を低くすることができる。このようにして温度が低く維持されたパッド間の油は、摺動面に供給されるとともに、ティルティングパッド自体を冷却する冷却流路にも供給される。これにより、パッド間から摺動面に供給される油温度及びパッド温度の双方を低減し、摺動面の高温部１５を効果的に冷却することができる。そして、高回転速度においても軸受摺動面温度の上昇を抑制できる。
【実施例１】
【００２３】
本発明の第１の実施例について図４を用いて説明する。図４は本実施例におけるティルティングパッドの斜視図である。
【００２４】
本実施例は、ティルティングパッド２の軸方向側面に、冷却流路として、周方向に連通した冷却溝１２を設けたものである。冷却溝１２はティルティングパッド２の上流側のパッド間１０と下流側のパッド間１０を連通している。冷却溝１２の流路断面の大きさは、ティルティングパッド２の冷却効果が大きくなるように実験などにより適宜設定する。また、図４では冷却溝１２として流路断面が矩形のものを図示しているがこれに限らない。例えば、半円形の流路断面を有する冷却溝でも良い。また、図４では、冷却溝１２をティルティングパッド２の軸方向の両側面に設けておりその方がティルティングパッド２の冷却効果が高いが、片側にのみ冷却溝１２を設けても良い。
【００２５】
本実施例では、冷却溝１２の入口の軸方向位置は給油孔７の軸方向位置と重ならない。したがって、本実施例では、給油孔７からパッド間１０に流入した潤滑油は、図３に示す場合と同様に複数回に亘りパッド間１０を旋回し、これによりパッド間の油温度が効果的に低下する。そして、温度が低下したパッド間の油を摺動面に供給することができる。さらに、旋回により温度が低下したパッド間の油の一部は冷却溝１２へと流入し、高温となったティルティングパッド２も冷却することができる。これらにより高回転速度においても軸受摺動面温度の上昇を抑制できる。
【００２６】
給油孔７から供給された油をパッド間１０において効果的に旋回させるためには、上述したように、パッド冷却用の冷却流路の入口の軸方向位置が給油孔７の軸方向位置と重ならないようにして、パッド間１０内に供給された新油が旋回することなく冷却流路に流入するのを抑制することが重要である。そのためには、ティルティングパッド２の軸方向側面に冷却流路としての冷却溝１２を設ける必然性がないが、給油孔７が軸受幅方向の中央に形成されるのが一般的であること、また、冷却流路として冷却孔をティルティングパッド２内に形成するよりも、ティルティングパッド２の側面に冷却溝１２を形成する方が製造しやすい（加工性が良い）。また、冷却溝１２をティルティングパッド２の内部に設ける場合と比べて、応力集中による疲労が生じにくく耐久性に優れる。
【００２７】
また、図４に示すティルティングパッド２の構造は、図１に示す周方向全てのティルティングパッドに適用しても良いが、荷重を受ける回転軸１の下側のティルティングパッドにのみ適用しても良い。すなわち、下側のティルティングパッドにおける回転軸１とティルティングパッド２の隙間が一番狭く、下側のティルティングパッド２における油膜のせん断摩擦による発熱が一番厳しいので、本実施例の構造により下側のティルティングパッド２における温度を低減すれば、ティルティングパッド軸受装置全体として、高回転速度における軸受摺動面温度の上昇を許容範囲に抑制できる。
【実施例２】
【００２８】
本発明の第２の実施例について図５を用いて説明する。図５は本実施例におけるティルティングパッドの斜視図である。  
本実施例は、第１の実施例の構造に加えて、ティルティングパッド２の前端部（回転方向Ａの上流側の端部）に円弧形状の溝１３を設けたものである。円弧形状の溝１３は、軸方向から見て断面が円弧形状をしており、給油孔側に円弧の中心が位置している。  
本実施例では、給油孔７からパッド間１０に流入した潤滑油は、円弧形状の溝１３に沿って旋回するため、第１の実施例の構造よりも、パッド間１０で旋回し易くなり、十分にパッド間の油温度を低減できる効果を奏する。
【実施例３】
【００２９】
本発明の第３の実施例について図６を用いて説明する。図６は本実施例におけるティルティングパッド斜視図である。  
本実施例は、第１の実施例の構造に加えて、ティルティングパッド２の前端部に軸方向中央を対称に、摺動面側から軸方向中央に向かって、斜めに切削された複数の切り欠き１４を設けたものである。  
本実施例では、パッド間１０を旋回する潤滑油は、切り欠き１４に沿って軸方向中央へ流れようとするため、第１の実施例の構造よりも、パッド間１０において旋回し易くなる。なお、切り欠きを複数設けているが、切り欠きは軸方向中央を対称に少なくとも一つ設ければ効果が期待できる。
＜ティルティングパッド軸受装置を適用した回転機械の構成例＞
次に、図７を用いて本発明のティルティングパッド軸受装置を適用した回転機械の構成例を説明する。図７は、代表的なターボ機械の１つである遠心圧縮機の全体構造を示す縦断面図である。
【００３０】
図７において、遠心圧縮機１００は、円筒状などに形成され静止部（ステータ）となるケーシング１１０と、このケーシング１１０内にラジアル軸受１２０、１３０及びスラスト軸受１４０により支持されて回転可能に設けられた回転軸１５０と、この回転軸１５０に装着された複数段（図７では５段）の羽根車１６０とを備えている。回転軸１５０と羽根車１６０によりロータ１７０を構成している。なお、本実施例では、１本の回転軸１５０に羽根車１６０を多段に設けた一軸多段遠心圧縮機を例に説明するが、羽根車１６０が１段のみの単段遠心圧縮機にも同様に適用できるものである。
【００３１】
ケーシング１１０には、１段目の羽根車１６０に作動流体である気体を導入する吸込流路１８０と、各段の羽根車１６０から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ１９０と、このディフューザ１９０からの圧縮された気体を次段の羽根車１６０に導入する戻り流路２００と、最終段の羽根車１６０から出た気体をケーシング１１０外に吐出するための吐出流路２１０などが設けられている。
【００３２】
ロータ１７０の回転軸１５０は、ケーシング１１０の吸込側（図７中の左側）端部及び吐出側（図７中の右側）端部に設けられたラジアル軸受１２０、１３０を介し回転可能に支持されている。また、回転軸１５０の吸込側端部にはスラスト荷重を受けるスラスト軸受１４０が設けられ、回転軸１５０における最終段の羽根車１６０の吐出側にはスラスト荷重を相殺するバランスピストン２２０が設けられている。
【００３３】
回転軸１５０の吐出側端部には、モータ等の駆動機（図示省略）が連結されており、この駆動機によってロータ１７０を回転駆動する。また、ロータ１７０が回転することにより、気体が吸込流路１８０から吸い込まれて、複数段の羽根車１６０で順次圧縮され、最終的に吐出流路２１０から吐出されるようになっている。
【００３４】
上述の構成において、ラジアル軸受１２０，１３０に本発明のティルティングパッド軸受装置が用いられている。遠心圧縮機を小型・高速化させるためには、軸受周速を増加させる必要がある。軸受周速の増加に伴い軸受温度は上昇し軸受損傷のリスクが増大する。ラジアル軸受１２０，１３０として、本発明のティルティングパッド軸受装置を用いることにより、軸受温度の上昇を抑制して、遠心圧縮機の小型・高速化を実現できる。
【００３５】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１・・・回転軸、２・・・ティルティングパッド、３・・・ピボット、４・・・軸受ハウジング、５・・・軸受ケーシング、６・・・導油溝、７・・・給油孔、８・・・導油孔、９・・・シール、１０・・・パッド間、１１・・・摺動面、１２・・・冷却溝、１３・・・溝、１４・・・切り欠き、１５・・・高温部、Ａ・・・回転方向、Ｂ・・・潤滑油の流れ、１００・・・遠心圧縮機、１１０・・・ケーシング、１２０，１３０・・・ラジアル軸受、１４０・・・スラスト軸受、１５０・・・回転軸、１６０・・・羽根車、１７０・・・ロータ、１８０・・・吸込流路、１９０・・・ディフューザ、２００・・・戻り流路、２１０・・・吐出流路、２２０・・・バランスピストン。
【図１】
2019124277.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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