(57)【要約】【課題】パッド温度上昇及び局所的な塑性流動が生じることを抑制し、安定的に回転軸を支持することが可能なティルティングパッド軸受を提供する。【解決手段】ティルティングパッド軸受１００は、回転軸９０の外周面に対向して配置されたパッド２と、パッド２を回転軸９０の軸線Ａを中心とした径方向外側で支持するライナ３と、ライナ３を、軸線Ａを中心とした径方向外側、かつ、回転軸９０の軸線Ａ方向の中央位置で支持することで、パッド２を揺動可能とするピボット４と、を備え、ライナ３のパッド２に対向する面と、パッド２のライナ３に対向する面と、の何れか一方には、少なくとも中央位置に、パッド２から離れる方向に凹む凹部６を備える。【選択図】図２
2019082233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の外周面に対向して配置されたパッドと、
前記パッドを前記回転軸の軸線を中心とした径方向外側で支持するライナと、
前記ライナを、前記軸線を中心とした径方向外側、かつ、前記回転軸の軸線方向の中央位置で支持することで、前記パッドを揺動可能とするピボットと、
を備え、
前記ライナの前記パッドに対向する面と、前記パッドの前記ライナに対向する面と、の何れか一方には、少なくとも前記中央位置に、前記パッドから離れる方向に凹む凹部を備えるティルティングパッド軸受。
【請求項２】
前記凹部は、前記軸線に直交する方向から見て、円弧状に形成されている請求項１に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項３】
前記凹部は、前記軸線方向の中央位置に小凹部を備え、前記小凹部は、前記軸線に直交する方向から見て、前記凹部よりも小さな曲率半径を有する円弧状に形成されている請求項２に記載のティルティングパッド軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ティルティングパッド軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンやガスタービン等の回転機械では、回転軸の軸端を軸受によって支持することが一般的である。軸受は、荷重を支持する方向の違いによって、スラスト軸受とジャーナル軸受とに分けられる。スラスト軸受は、回転軸の軸線方向における荷重を支持する。ジャーナル軸受は、軸線の径方向における荷重を支持する。
特許文献１には、ジャーナル軸受が記載されている。この特許文献１に記載されたジャーナル軸受は、回転軸の周方向に配列された複数のパッドによって回転軸を支持する。そして、パッドと回転軸の外周面との間には潤滑油による油膜が形成されている。
ここで、パッド型軸受の中には、ティルティングパッド軸受と呼ばれるものがある。ティルティングパッド軸受では、ハウジングの内周面に設けられた尖頭状のピボットによって各パッドが揺動可能に支持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０３４８１号公報
【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、特許文献１に記載されているようなジャーナル軸受において、軸受荷重が大きくなった場合、パッド表面とロータ表面との接触が生じる低速回転域では、ロータとパッドとの接触圧力の大部分がピボット付近に集中し、パッドのピボット付近に局所的な塑性流動等を生じる可能性がある。
【０００５】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、パッド温度上昇及び局所的な塑性流動が生じることを抑制し、安定的に回転軸を支持することが可能なティルティングパッド軸受を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一の態様によれば、ティルティングパッド軸受は、回転軸の外周面に対向して配置されたパッドと、前記パッドを前記回転軸の軸線を中心とした径方向外側で支持するライナと、前記ライナを、前記軸線を中心とした径方向外側、かつ、前記回転軸の軸線方向の中央位置で支持することで、前記パッドを揺動可能とするピボットと、を備え、前記ライナの前記パッドに対向する面と、前記パッドの前記ライナに対向する面と、の何れか一方には、前記ライナの前記パッドに対向する面は、少なくとも前記中央位置に、前記パッドから離れる方向に凹む凹部を備える。
このように構成することで、パッドと対向するライナの面と、ライナと対向するパッドの面と、の何れか一方の中央位置に凹部が形成され、ライナとパッドとの間には隙間が形成される。即ち、凹部がライナに形成される場合、パッドに軸受荷重が作用すると、パッドのうち、凹部に隣接する部分は撓んで隙間内に入り込み、該当部位の径方向内側位置における接触圧力を低減することができる。同様に、凹部がパッドに形成される場合、パッドに軸受荷重が作用すると、凹部の形成されているパッドの中央位置が撓んで、隙間が減少するので、該当部位の径方向内側位置における接触圧力を低減することができる。これにより、パッドと回転軸との接触圧力の分布が、ピボットに支持される位置の近くのみに集中することを抑制し、接触圧力の分布を平均化することができる。したがって、パッド温度上昇及び局所的な塑性流動が生じることを抑制することができる。
【０００７】
この発明の第二の態様によれば、前記凹部は、前記軸線に直交する方向から見て、円弧状に形成されていてもよい。
このように構成することで、凹部内に角部が形成されていない。そのため、軸受荷重が高い条件下で、パッドが撓んでパッドと凹部の内面との接触、又はライナと凹部の内面との接触が生じた際に、局所的な角当たりを回避することができる。
【０００８】
この発明の第三の態様によれば、前記凹部は、前記軸線方向の中央位置に小凹部を備え、前記小凹部は、前記軸線に直交する方向から見て、前記凹部よりも小さな曲率半径を有する円弧状に形成されていてもよい。
このように構成することで、凹部内に小凹部が形成される。そのため、軸受荷重が大きい場合には、パッドの中央位置が、小凹部に向けて二段階に撓むことができる。これにより、パッドと回転軸との接触圧力の分布が、ピボットの付近のみに集中することをさらに抑制できる。したがって、パッド上における油膜の厚さをさらに一定に保つことができる。
【発明の効果】
【０００９】
上記ティルティングパッド軸受によれば、パッド温度上昇及び局所的な塑性流動が生じることを抑制し、安定的に回転軸を支持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の第一実施形態におけるティルティングパッド軸受を軸線方向から見た図である。
【図２】この発明の第一実施形態におけるティルティングパッド軸受を、軸線を含む平面で見た断面図である。
【図３】この発明の第一実施形態におけるティルティングパッド軸受のパッド上の軸線方向位置における圧力分布を示すグラフである。
【図４】この発明の第二実施形態におけるティルティングパッド軸受の断面図である。
【図５】この発明の第二実施形態におけるティルティングパッド軸受のパッド上の軸線方向位置における圧力分布を示すグラフである。
【図６】この発明の第三実施形態における図２に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態におけるジャーナル軸受を図面に基づき説明する。
図１、図２に示すように、この実施形態のティルティングパッド軸受１００は、軸線Ａ回りに回転する回転軸９０の荷重を、軸線Ａの径方向から支持するために用いられる。ティルティングパッド軸受１００は、軸線Ａを中心とする円環状のハウジング１と、回転軸９０の外周面に沿って周方向に間隔をあけて配置された複数（例えば４つ）のパッド２と、各パッド２を径方向外側から支持するライナ３と、各ライナ３をハウジング１の内周面上で支持する複数（例えば４つ）のピボット４と、を備えている。
【００１２】
回転軸９０は、例えば蒸気タービンやガスタービン等のような回転機械のロータとして用いられるものである。この実施形態では、回転軸９０は軸線Ａを中心とする円柱状をなしている。回転軸９０は、軸線Ａ回りに回転する。
【００１３】
パッド２は、回転軸９０の外周面に沿って湾曲した板状をなしている。パッド２は、ホワイトメタル等の金属材料によって一体に形成されている。この実施形態では、４つのパッド２が、軸線Ａの周方向に間隔をあけて配列されている。なお、パッド２の内周面と回転軸９０の外周面との間には、不図示の給油装置によって潤滑油が供給される。この潤滑油は、パッド２と回転軸９０との間に油膜を形成する。
【００１４】
各パッド２は、ライナ３によって径方向外側から支持されている。図１に示すように、軸線Ａ方向から見た場合、ライナ３は、パッド２と概ね同一の曲率半径を有する湾曲した板状をなしている。ライナ３は、ハウジング１の内周面に設けられたピボット４によって支持されている。ピボット４は、径方向内側の端部が例えば尖頭状等に形成されており、ライナ３を点支持している。これにより、ライナ３は、ピボット４の先端部を中心として揺動可能とされている。
【００１５】
図２は、回転軸９０及びティルティングパッド軸受１００の、軸線Ａを含む平面における断面図である。
図２に示すように、ライナ３は、パッド２の各面のうち、軸線Ａに対する径方向外側を向く外側面２Ａに形成された収容凹部５に収容されている。収容凹部５は、外側面２Ａ上で、軸線Ａに対する径方向内側に向かって角溝状に凹んでいる。軸線Ａを含む平面における断面視で、収容凹部５の底面５Ａは軸線Ａと略平行に広がる平面状をなしている。軸線Ａ方向におけるライナ３の寸法は、軸線Ａ方向におけるパッド２の寸法よりも小さく、かつ軸線Ａ方向における収容凹部５の寸法よりも僅かに小さい。ピボット４は、ライナ３の軸線Ａ方向における中央位置で、ライナ３を径方向外側から支持している。
【００１６】
ライナ３の内側面３Ａ（即ち、パッド２と対向する面）には、パッド２から離れる方向に（言い換えれば、軸線Ａを中心とした径方向外側に向かって）凹む凹部６が形成されている。この凹部６は、図２に示す軸線Ａを含む断面視、すなわち軸線Ａに直交する方向から見て、所定の曲率半径を有する円弧状の内面を有している。
【００１７】
この実施形態で例示する凹部６は、軸線Ａと直交する方向（図２の紙面表裏方向）の全ての位置で同一の曲率半径となる浅い丸溝状に形成されている。そして、このように形成されたライナ３における凹部６の軸線Ａ方向両側の端面は、パッド２の外側面２Ａ（収容凹部５の底面５Ａ）と当接する当接部７となっている。
【００１８】
ライナ３における凹部６の所定の曲率半径は、例えば、ライナ３の材質、ライナ３の形状、パッド２の形状、及び、パッド２に掛かる軸受荷重の最大値等に基づき、シミュレーション等で求めることができる。なお、軸線Ａ方向における凹部６の寸法は、軸線Ａ方向におけるライナ３の寸法に対して、１／２以上であり、さらに２／３以上としてもよい。
【００１９】
したがって、第一実施形態によれば、パッド２と対向するライナ３の中央位置に凹部６が形成されている。そのため、ライナ３とパッド２との間には隙間が形成される。すなわち、ライナ３は、パッド２に付加される軸受荷重を、凹部６（隙間）を除く部分によって支持する。言い換えると、ライナ３のうち、凹部６に隣接する両側部がパッド２によって押される。そして、軸受荷重が大きい場合、パッド２は、軸線Ａを中心とした径方向で、凹部６の隙間が狭くなる方向にわずかに撓む。そして、パッド２の撓みが大きくなり、この撓みによる収容凹部５の底面５Ａの変位量が隙間より大きくなると、凹部６の内面が、パッド２の収容凹部５の底面５Ａに接触してパッド２により押圧されるようになる。これにより、パッド２と回転軸９０との接触圧力の分布が、ピボット４に支持される位置の付近のみ（言い換えれば、ピボット４に支持される位置の近く）に集中することが抑制され、パッド２に対する回転軸９０の接触圧力の分布を平均化することができる。
【００２０】
図３は、パッド２の軸線Ａ方向における接触圧力の分布を示すグラフである。
図３において、実線は、この実施形態のようにライナ３に凹部６が形成されている場合の圧力分布を示し、破線はライナ３に凹部６が形成されていない場合の圧力分布を示している。
図３の破線で示すように、凹部６が形成されていない場合、軸受荷重が大きくなると、パッド２の圧力分布は、山形となり、ピボット４に支持された中央位置に接触圧力のピークが現れる。
【００２１】
これに対してライナ３に凹部６が形成されている場合は、実線で示すように、軸受荷重が大きくなっても圧力分布のピーク値が、破線で示す凹部６が形成されていない場合よりも小さくなるとともに、ピークの数が１つから３つに増加する。即ち、接触圧力が中央位置等の局所に集中することなく圧力分布が平均化されている。
その結果、パッド温度上昇及び局所的な塑性流動が生じることを抑制することができる。
【００２２】
さらに、凹部６内に角部が形成されていないことから、パッド２が撓んでパッド２と凹部６の内面との接触が生じた際に、局所的な角当たりを回避することができる。その結果、回転軸９０の外周面とパッド２の内周面との局所的な接触面圧の急増を回避することができる。
【００２３】
（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。なお、第二実施形態は、ライナ３の構成が第一実施形態と異なるだけである。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図４に示すように、この第二実施形態のティルティングパッド軸受２００のライナ３には、凹部６が形成されている。そして、この凹部６内には、小凹部８が形成されている。小凹部８は、凹部６内で軸線Ａ方向における中央位置に形成されている。
【００２４】
小凹部８は、凹部６よりも小さな曲率半径を有している。なお、この実施形態では、小凹部８は、凹部６と同様に、軸線Ａと直交する方向（図４の紙面表裏方向）の全ての位置で同一の曲率半径となる浅い丸溝状に形成されている。ここで、小凹部８の曲率半径は、凹部６のみ形成した場合の中央部に現れる圧力分布のピーク値に応じて設定すればよい。この小凹部８の曲率半径も、凹部６と同様に、パッド２、ライナ３の形状や材質等、種々の条件に基づいて例えば、シミュレーションにより求めることができる。
【００２５】
したがって、第二実施形態によれば、凹部６内にさらに小凹部８が形成されていることから、軸受荷重が大きい場合に、パッド２を、軸線Ａを中心とした径方向、すなわち、収容凹部５の底面５Ａと凹部６の内面との隙間が狭くなる方向に撓ませることができる。そして、小凹部８が形成されていることで、凹部６の内面がパッド２と接触しても、小凹部８の内面がパッド２に接触しない状況を作り出すことができる。すなわち、凹部６のみが形成されている場合に比べて、小凹部８が形成されている分だけ、更に軸受荷重が大きい場合でも、ピボット４が配置される中央位置の荷重のピークを低減できる。これにより、パッド２と回転軸９０との接触圧力の分布が、ピボット４の付近のみに集中することをさらに抑制できる。
【００２６】
図５は、パッド２の軸線Ａ方向における接触圧力の分布を示すグラフである。
図５において、実線はこの実施形態のようにライナ３に凹部６及び小凹部８が形成されている場合の圧力分布を示し、破線はライナ３に凹部６のみが形成されて小凹部８が形成されていない場合の圧力分布を示している。
【００２７】
図５の実線で示すように、ライナ３に凹部６及び小凹部８が形成されている場合、破線で示す場合よりも圧力分布のピーク値が小さくなるとともに、ピークの数が３つから５つに増加する。即ち、接触圧力が中央位置等の局所に集中することなく圧力分布が平均化される。
その結果、パッド温度上昇及び局所的な塑性流動が生じることを更に抑制することができる。
【００２８】
（第三実施形態）
次に、この発明の第三実施形態におけるジャーナル軸受を図面に基づき説明する。この第三実施形態のジャーナル軸受は、パッド側に凹部が形成されている点でのみ上述した第一実施形態と異なる。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
【００２９】
図６は、この発明の第三実施形態における図２に相当する断面図である。
図６に示すように、この第三実施形態におけるティルティングパッド軸受３００は、ハウジング１と、パッド２と、ライナ３と、ピボット４と、を備えている。
ライナ３は、軸線Ａを中心とした径方向の外側を向くパッド２の外側面２Ａに形成された収容凹部５に収容されている。収容凹部５は、外側面２Ａ上で、軸線Ａに対する径方向内側に向かって角溝状に凹んでいる。ライナ３の内側面３Ａ（即ち、パッド２と対向する面）は、軸線Ａを含む平面における断面視で、軸線Ａと略平行に広がる平面状をなしている。
軸線Ａ方向におけるライナ３の寸法は、軸線Ａ方向におけるパッド２の寸法よりも小さく、かつ軸線Ａ方向における収容凹部５の寸法よりも僅かに小さい。
ピボット４は、ライナ３の軸線Ａ方向における中央位置で、ライナ３を径方向外側から支持している。
【００３０】
収容凹部５の底面５Ａ（即ち、ライナ３の内側面３Ａと対向する面）には、ライナ３から離れる方向に（言い換えれば、軸線Ａを中心とした径方向内側に向かって）凹む凹部３０６が形成されている。この凹部３０６は、上述した第一実施形態の凹部６と同様に、図６に示す軸線Ａを含む断面視、すなわち軸線Ａに直交する方向から見て、所定の曲率半径を有する円弧状の内面を有している。
【００３１】
この実施形態で例示する凹部３０６は、軸線Ａと直交する方向（図６の紙面表裏方向）の全ての位置で同一の曲率半径となる浅い丸溝状に形成されている。そして、このように形成されたパッド２における凹部３０６の軸線Ａ方向両側の端面（収容凹部５の底面５Ａ）は、ライナ３の内側面３Ａと当接する当接部３０７となっている。
【００３２】
第一実施形態と同様に、パッド２における凹部３０６の所定の曲率半径は、例えば、パッド２の材質、ライナ３の形状、パッド２の形状、及び、パッド２に掛かる軸受荷重の最大値等に基づき、シミュレーション等で求めることができる。なお、軸線Ａ方向における凹部３０６の寸法は、軸線Ａ方向におけるライナ３の寸法に対して、１／２以上であり、さらに２／３以上としてもよい。
【００３３】
第三実施形態によれば、ライナ３と対向するパッド２の中央位置に凹部３０６が形成されている。そのため、ライナ３とパッド２との間には隙間が形成される。すなわち、ライナ３は、パッド２に付加される軸受荷重を、凹部３０６（隙間）を除く部分によって支持する。言い換えると、ライナ３のうち、凹部３０６に隣接する両側部がパッド２によって押される。そして、軸受荷重が大きい場合、パッド２は、軸線Ａを中心とした径方向で、凹部３０６の隙間が狭くなる方向にわずかに撓む。そして、パッド２の撓みが大きくなり、この撓みによる凹部３０６の内面３０６Ａの変位量が隙間より大きくなると、凹部３０６の内面３０６Ａが、ライナ３の内側面３Ａに接触してライナ３を押圧するようになる。これにより、パッド２と回転軸９０との接触圧力の分布が、ピボット４に支持される位置の付近のみ（言い換えれば、ピボット４に支持される位置の近く）に集中することが抑制され、パッド２に対する回転軸９０の接触圧力の分布を平均化することができる。
【００３４】
なお、上述した第二実施形態と同様に、第三実施形態の凹部３０６の内部に、軸線Ａに直交する方向から見て、凹部３０６よりも小さな曲率半径を有する円弧状に形成された小凹部３０８（図６中、破線で示す）を形成するようにしても良い。
【００３５】
この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した各実施形態では、パッド２が４つ設けられる構成について説明した。しかしながら、パッド２の個数は４つに限定されず、４つ以下や、５つ以上であってもよい。
【００３６】
さらに、上述した第二実施形態では、凹部６内に１つのみの小凹部８が形成されている例について説明した。しかしながら、小凹部８内にさらに他の小さな凹みを重ねて形成することも可能である。このような構成によれば、これら凹部６、小凹部８、及び、他の小さな凹みを形成する数に応じて圧力分布のピークの数を増加させることができる。これにより、パッド２と回転軸９０との接触圧力を分散させて、ピボット４の付近のみに接触圧力が集中することをさらに低減することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  ハウジング
２  パッド
２Ａ  外側面
３  ライナ
３Ａ  内側面
４  ピボット
５  収容凹部
５Ａ  底面
６，３０６  凹部
３０６Ａ  内面
７  当接部
８，３０８  小凹部
９０  回転軸
１００，２００，３００  ティルティングパッド軸受
Ａ  軸線
【図１】
2019082233.tif 000003
【図２】
2019082233.tif 000004
【図３】
2019082233.tif 000005
【図４】
2019082233.tif 000006
【図５】
2019082233.tif 000007
【図６】
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