(57)【要約】      （修正有）【課題】作動流体の影響により、ティルティングパッドジャーナル軸受に作用する荷重方向が重力方向以外の方向となる場合、あるいは変化する場合等に生じうる不安定振動を防止ないし抑制することができるティルティングパッドジャーナル軸受を備えた軸流タービンを提供する。【解決手段】一実施形態において、タービンロータに作用する重力による荷重と、作動流体がタービンロータを変位させようとする荷重との合力１６の作用線が、複数のパッドのうちの一つのパッド１のピボットを通過するようにティルティングパッドジャーナル軸受のパッドを配置する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体によって回転させられるタービンロータと、
前記作動流体の前記タービンロータ軸方向の流路を形成するとともに、この流路の一部が遮断された静翼部と、
この静翼部の下流側に位置し、前記タービンロータに設けられ、前記流路により導かれた作動流体により回転させられる動翼部と、
円周方向に沿ったパッド列を形成する複数のパッドを有し、前記パッドと前記タービンロータとの間の潤滑油に生ずる油膜圧力により、前記タービンロータを支持するティルティングパッドジャーナル軸受と、
を備えた軸流タービンにおいて、
前記パッド列を形成する複数のパッドは、前記タービンロータに作用する重力による荷重と、前記流路を通過した作動流体が前記動翼部に作用することにより発生する前記タービンロータを変位させようとする荷重との合力の作用線が、前記複数のパッドのうちの一つのパッドのピボットを通過するように配置されていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】
前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、請求項１に記載された前記パッド列である主パッド列に加えて、前記主パッド列に軸方向に隣接するととともに円周方向に沿った少なくとも一列の副パッド列を形成複数のパッドを有する複列構造のティルティングパッドジャーナル軸受であり、
前記副パッド列のパッドが配置される角度位置は、前記主パッド列のパッドが配置される角度位置に対して所定角度ずれており、
前記複列構造のティルティングパッドジャーナル軸受に、タービンの負荷状態によって、前記主パッド列および前記副パッド列のうちのいずれかを選択的に軸受けとして機能させる切換機構が設けられている、請求項１記載の軸流タービン。
【請求項３】
前記副パッド列が複数列設けられており、前記各副パッド列においてパッドが配置される角度位置はパッド列毎に互いに異なる、請求項２記載の軸流タービン。
【請求項４】
前記タービンロータの複数のジャーナルにそれぞれ前記複列構造のティルティングパッドジャーナル軸受が設けられている、請求項２または３記載の軸流タービン。
【請求項５】
軸方向に間隔を空けて配置された２つのジャーナルにそれぞれ設けられた前記複列構造のティルティングパッドジャーナル軸受において、一方のジャーナルに設けた前記主パッド列と他方のジャーナルに設けた前記主パッド列との間の軸方向距離が、一方のジャーナルに設けた前記副パッド列と他方のジャーナルに設けた前記副パッド列との間の軸方向距離よりも小さい、請求項２または３記載の軸流タービン。
【請求項６】
前記主パッド列において、前記作用線がピボットを通過する一つのパッドとジャーナルとの隙間が、他のパッドとジャーナルとの隙間よりも小さい、請求項２から５のうちのいずれか一項に記載の軸流タービン。
【請求項７】
前記副パッド列において、前記タービンロータに作用する重力の作用線が、複数のパッドのうちの一つのパッドのピボットを通過するように配置されている、請求項２から６のうちのいずれか一項に記載の軸流タービン。
【請求項８】
前記副パッド列において、前記タービンロータに作用する重力の作用線が、隣接する２つのパッドの間を通過するように配置されている、請求項２から６のうちのいずれか一項に記載の軸流タービン。
【請求項９】
前記主パッド列は、タービンが定格負荷状態にあるときに用いられ、前記副パッド列は、タービンが前記定格負荷よりも低負荷の状態にあるときに用いられる、請求項２から８のうちのいずれか一項に記載の軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を用いて軸流タービンのタービンロータを支持する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン等の軸流タービンの回転軸、例えばタービンロータのジャーナルを支持する軸受けとしては、通常、ティルティングパッドジャーナル軸受が用いられている。一般的なティルティングパッドジャーナル軸受は、図１に示すように複数の（図示例では５枚の）揺動可能なパッド１を有している。各パッド１は球面の背面５を有しており、背面５にはパッド１を支持するピボット６が埋め込まれている。軸受内輪２にはピボットホルダー７が埋め込まれている。軸受内輪２は、ケーシングあるいは基礎（ともに図示せず）に固定されている軸受外輪（図示せず）を介して外部構造物に固定されている。ピボット６及びピボットホルダー７の接触面はともに球面であり、このため、各パッド１はジャーナル３の動きに応じて自由に揺動することが可能である。
【０００３】
通常、ティルティングパッドジャーナル軸受では、潤滑剤として油が用いられている。軸受内部に供給された潤滑油は、回転のため発生するジャーナル３との摩擦により移動し、各パッド１に供給される。図２には一つのパッド１が拡大して示されている。ここで、軸受内輪２の内側面の曲率中心Ｏｂ、パッド１の内側面の曲率中心Ｏｐ及びパッド１の重心Ｇをつなぐ直線９を引き、この直線９に垂直でパッド重心Ｇを通る線１０を設定する。この線１０をパッドの傾きθの測定基準とし、反時計回り（ジャーナル３の回転方向４と同方向）の傾きを正の傾き、時計回りの傾きを負の傾きと定義する。
【０００４】
潤滑油はジャーナル３とパッド１との隙間１１に供給される。パッド１の潤滑面１ｄは静止しており、ジャーナル３は非常に高周速で回転している。このため、隙間１１に満たされた潤滑油のジャーナル側とパッド側との間に非常に大きな速度差があるので、潤滑油にはせん断力が働き、粘性力が潤滑油内部で発生する。この粘性作用と、ジャーナル３とパッド１の動きから形成される傾きθにより、くさび効果が発生し、隙間１１にある潤滑油に油膜圧力分布が発生する。
【０００５】
各パッド１に発生する油膜圧力分布を全周積分するとジャーナル３にかかる荷重に一致する。通常の軸流タービンにおいては、荷重方向はジャーナル３に作用する重力の方向と一定するため、ティルティングパッド軸受では重力８の作用線を基準にパッド１を配置している。パット１の配置態様は、図１に示すように１つのパッドのピボット６の中心を重力８の作用線（重力８と重なる二点鎖線に相当）が通過するように各パッドが配置されたロードオンパッド型（以下「ＬＯＰ型」と呼称する）と、図３に示すように隣接する２つのパッド１が重力８の作用線に対して対称に配置される、言い換えれば隣接する２つのパッド１のピボット６の中間位置を重力８の作用線が通過するロードビットウィーン型（以下「ＬＢＰ型」と呼称する）とがある。
【０００６】
パッド１はピボット６とピボットホルダー７との接触点Ｔ１が、ジャーナル３の回転に応じて変化する油膜圧力分布の中心点の鉛直下方に位置するように自由に移動する。したがって、パッド１は、自動調心的且つ全体的に軸受荷重Ｗを受けるようになり、軸受においてホイップ等を発生させる不安定化力の発生を防ぐ。このため、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。
【０００７】
ところで、蒸気タービンにおいては、作動流体の体積流量が小さい場合に二次流れの抑制を図るために、いわゆる部分挿入構造が適用されている（例えば特許文献２を参照）。蒸気タービンの通常のノズルダイヤフラムにおいては、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部の全周にわたって複数のノズルが配列されており、作動流体は、周方向に概ね均等に下流側に流出する。一方、部分挿入とは、上記の環状開口部の周方向における一部の領域のみに複数のノズルを配列し、他の領域はノズルを設けずに閉止するという構造である。この場合、環状開口部のうち閉止する領域の割合を変えることにより、ノズルの翼高さを高く調整することができる。このため、作動流体の体積流量が小さい場合であっても、二次流れの抑制を図り、蒸気タービンの性能低下を抑制することができる。このような部分挿入構造は、通常、蒸気タービンの調速段落に好適に用いられるものである。
【０００８】
ところが、近年の回転機械の大型化及び高速化により、ティルティングパッドジャーナル軸受とはいえ不安定振動が発生しやすくなっている。さらに、蒸気タービンの性能向上対策から、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及び不安定化シール力の増大といった、軸系の振動に対しての安定度を低下させる要因となる。
【０００９】
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、このような不安定化力による不安定振動を抑制するために、ジャーナル３にかかる軸受油膜および軸受支持部の垂直方向と水平方向の剛性の異方性を強め、軸受油膜の減衰を大きくする対策が報告されている。
【００１０】
しかし、上述した部分挿入構造を適用した場合、図４に示すようにノズル１２の中で流体噴射が可能な範囲１２ａと噴射が遮断される部分挿入箇所１２ｂ（ハッチング部分）とからなる。範囲１２ａから噴射された流体１３がタービン翼（動翼部）１４のある範囲に集中して働き、図４に示した場合にはタービンロータを下から浮き上がらせる力であるバルブフォース１５がタービンロータに作用する。図５に示すようなバルブフォース１５がタービンロータすなわちジャーナル３に作用してタービンロータを変位させる方向に作用した場合、このバルブフォース１５とジャーナル３に作用する重力８との合力１６がティルティングパッドジャーナル軸受にかかる荷重となる。このとき図５に示すように合力１６の作用線が、パッド１ｂとパッド１ｃの間を通過する場合には、期待されていたＬＯＰ型のティルティングパッドジャーナル軸受の特性が得られず、むしろＬＢＰ型のような特性になってしまう。
【００１１】
上述した負荷による不安定振動に対しては、ＬＯＰ型軸受を用いた方が安定性を得られることは知見としてあり、この部分挿入構造を持つタービンに関して本来要求していた軸受特性が得られないことは、機器信頼性確保の観点からは望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１２−２４１７５８
【特許文献２】特開平１１−３０３６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
発明の実施形態は、作動流体の影響により、ティルティングパッドジャーナル軸受に作用する荷重方向が重力方向以外の方向となる場合、あるいは変化する場合等に生じうる不安定振動を防止ないし抑制することができるティルティングパッドジャーナル軸受を備えた軸流タービンを提供することを目的としている。
【００１４】
発明の一実施形態によれば、作動流体によって回転させられるタービンロータと、作動流体の前記タービンロータ軸方向の流路を形成するとともに、この流路の一部が遮断された静翼部と、この静翼部の下流側に位置し、タービンロータに設けられ、流路により導かれた作動流体により回転させられる動翼部と、  円周方向に沿ったパッド列を形成する複数のパッドを有し、パッドとタービンロータとの間の潤滑油に生ずる油膜圧力により、タービンロータを支持するティルティングパッドジャーナル軸受とを備えた軸流タービンが提供される。パッド列を形成する複数のパッドは、タービンロータに作用する重力による荷重と、流路を通過した作動流体が動翼部に作用することにより発生するタービンロータを変位させようとする荷重との合力の作用線が、複数のパッドのうちの一つのパッドのピボットを通過するように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＬＯＰ型のティルティングパッドジャーナル軸受の構成を概略的に示す横断方向の（軸に直交する方向の）断面図。
【図２】図１に示した１つのパッドの拡大図。
【図３】ＬＢＰ型のティルティングパッドジャーナル軸受の構成を概略的に示す横断方向断面図。
【図４】部分挿入構造について説明するための、タービンの一部を示す概略斜視図。
【図５】部分負荷構造による軸受荷重の変化を説明するための、ティルティングパッドジャーナル軸受の横断方向断面図。
【図６】ティルティングパッドジャーナル軸受の第１実施形態の構成を概略的に示す横断方向断面図。
【図７】ティルティングパッドジャーナル軸受の第２実施形態の構成を示す軸方向部分断面図。
【図８】第２実施形態における各列のパッドの配置を説明するための、軸受内輪の内周面を平面に展開してパッドと一緒に示した図。
【図９】第２実施形態におけるＡ列のパッドの配置を説明するための、ティルティングパッドジャーナル軸受の横断方向断面図。
【図１０】第２実施形態におけるＢ列のパッドの配置を説明するための、ティルティングパッドジャーナル軸受の横断方向断面図。
【図１１】第２実施形態の一変形例を説明するための、ティルティングパッドジャーナル軸受の横断方向断面図。
【図１２】第２実施形態の他の変形例を説明するための、ティルティングパッドジャーナル軸受の横断方向断面図。
【図１３】第２実施形態のさらに他の変形例を説明するための、図８と同様の展開図。
【図１４】第２実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受を備えた軸流タービンの構成を概略的に示す軸方向断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において、背景技術を説明する図１〜図５に示した部材と同一ないし実質的に同一の部材については、同一符号を付し、重複説明は省略するものとする。なお、図６、図９、図１０、図１１、図１２において、一点鎖線で示した直交する２本の補助線は、水平方向及び鉛直方向を示している。
【００１７】
［第１実施形態］
図６を参照して第１実施形態について説明する。図６において、符号１６が付された白抜き矢印は、タービンロータに作用する作動流体（本例では「蒸気」）がタービンロータすなわちジャーナル３を変位させようとする荷重（本例では背景技術の項で説明した「バルブフォース１５」）と、タービンロータの自重に応じてタービンロータすなわちジャーナル３に作用する重力による荷重との合力を示している。
【００１８】
本実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受は、円周方向に沿った一列のパッド列を形成するように配列された複数枚（図示例では５枚）のパッド１を有し、これら複数枚のパッド１が円周方向等間隔で配置されるとともに、複数枚のパッド１のうちの一枚のパッドのピボット６の中心が合力１６の作用線（図中の合力１６と重なる二点鎖線）上に位置している。すなわち、パッド１は合力１６に対してＬＯＰ型の配列となっている。なお、「作用線」というのは、図６の断面において、タービンロータすなわちジャーナル３の重心であるジャーナル３の中心を始点として、合力１６の向きに延ばした半直線を意味している。
【００１９】
合力１６の向きは軸流タービンの運転条件により変動しうる。例えば、バルブフォースは導入蒸気量により変動する。従って、パッド１の配置の基準として考慮される合力１６は、安定性が最も望まれる運転条件下における合力であることが好ましい。安定性が最も望まれる運転条件とは、例えば軸流タービンの定格負荷運転である。
【００２０】
この第１実施形態によれば、ある特定の運転条件下（例えば定格負荷運転時）に現れる合力１６に対応させてパッド１をＬＯＰ型に配列することにより、当該運転条件下における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止ないし低減することができる。
【００２１】
［第２実施形態］
次に、図７〜図１０を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、１つのティルティングパッドジャーナル軸受が、二列のパッド列（Ａ列、Ｂ列）から構成される。各パッド列は、異なる方向の力（荷重）に対してそれぞれパッド１をＬＯＰ型に配列している。例えば、Ａ列は、前述した第１実施形態と同様に、定格負荷運転時における合力１６に対してパッド１をＬＯＰ型に配列しており（図９を参照）、Ｂ列は、タービンロータ（すなわちジャーナル３）に作用する重力の作用線上に一枚のパッド１のピボット６の中心が位置するように、重力のみに対応させてパッド１をＬＯＰ型に配列している（図１０を参照）。従って、Ａ列のパッド１とＢ列のパッド１とは、所定角度だけ配列位相（配列角度位置）がずれている。
【００２２】
各ピボットホルダー７（あるいはこれに連結されたピストン）は、軸受内輪２内に形成されたシリンダ室２ａ内にスライド可能に収容されている。図示しない油圧源とシリンダ室２ａとを接続する油路に圧力制御機構１７が設けられている。圧力制御機構１７によりシリンダ室２ａに印加する油圧を増減させることにより、ピボットホルダー７を介してパッド１をジャーナル３の半径方向に進退させることができる。
【００２３】
図９及び図１０に示すように、各パッド１に１つずつ圧力制御機構１７が設けられている。同じパッド列に属するパッド１が同時に同方向（半径方向内側または外側）に動くように、各圧力制御機構１７の動作が図示しないコントローラにより制御される。各圧力制御機構１７及び図示しないコントローラにより、Ａ列およびＢ列のうちのいずれかを選択的に軸受として機能させる切換機構が構成される。
【００２４】
軸流タービンの負荷状態により、タービンロータに作用する作動流体がタービンロータすなわちジャーナル３を変位させようとする力ここではバルブフォースの大きさ（及び／又は向き）が変化すると、合力１６の向きが変化する。バルブフォースの向きが無視できる程度に小さいとき、例えば定格運転よりもずっと低負荷で運転している場合には、Ｂ列のパッド１のみが軸受け機能を発揮するように、Ｂ列のパッド１に関連するシリンダ室２ａに圧力をかけて、すなわちＢ列のパッド１の背面に圧力をかけて、Ｂ列のパッド１とジャーナル３との隙間を小さくする。また、例えば、軸流タービンの定格負荷運転時には、Ａ列のパッド１の背面に圧力をかけてＡ列のパッド１とジャーナル３との隙間を小さくする。なお、いずれの場合においても、一方の列のパッド１の背面に圧力をかけるときは、他方の列のパッド１の背面から圧力を抜き、当該他方の列のパッド１とジャーナル３との隙間を大きくするように、圧力制御を行う。
【００２５】
この第２実施形態によれば、負荷条件による軸受荷重の方向の変化に対応して機能させるパッドを変更することにより、負荷条件の変化に関わらず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止ないし低減することができる。
【００２６】
この第２実施形態において、１つのティルティングパッドジャーナル軸受のＡ列に関連する部分とＢ列に関連する部分とは、機構的に分離されていてもよいし（例えば、Ａ列のみを有するティルティングパッドジャーナル軸受とＢ列のみを有するティルティングパッドジャーナル軸受とを隣接配置する）、あるいは、部分的に一体化（例えば、Ａ列用の軸受内輪２とＢ列用の軸受内輪２との一体化）されていてもよい。
【００２７】
上記第２実施形態において、図１１に示すように、一列のパッド列を構成する複数のパッド１において、合力１６の作用線上に位置するパッド１とジャーナル３との隙間が、他のパッド１とジャーナル３との隙間に比べて小さくなるように、圧力制御機構１７を制御してもよい。すなわち、例えば、合力１６の作用線上に位置するパッド１（１ａ）の背面に比較的大きな圧力をかけ、他のパッド１の背面に比較的小さな圧力をかけるようにする。
【００２８】
負荷に対するロータの安定性確保のために、軸受特性の１つである剛性について荷重方向とその垂直方向の荷重比（以下、「異方性」と呼称する）を大きくする施策があるが、図１１に示すように、パッド１ａのみ隙間を小さくすることでパッド１ａにかかる軸受荷重が増し、力に対する変位が小さくなるので同方向の剛性が増すため、剛性の異方性が増し、負荷に対する安定性が増す。これにより、ティルティングパッドジャーナル軸受の安定性をより高めることができる。
【００２９】
上記の第２実施形態においては、低負荷運転時に機能させるパッド列（Ｂ列）は、重力の作用線に対してＬＯＰ型の配置としているが、これに限定されるものではなく、図１２に示すように、重力の作用線に対してＬＢＰ型の配置としてもよい。前述したＬＯＰ型は高負荷（例えば定格負荷）状態でのタービンの安定性に対して非常に良い効果を得られるが、低負荷状態の場合には、条件次第では、ＬＢＰ型のパッド配置の方が軸受特性の中の減衰が大きく得られることもあり、より安定した運転状態が可能となることもある。
【００３０】
上記の第２実施形態では１つのティルティングパッドジャーナル軸受が２列のパッド列を有していたが、これに限定されるものではなく、図１３に示すように、パッド１の配列角度位置が互いに異なる３列以上のパッド列を有していてもよい。これによれば、負荷条件の変化により柔軟に対応することができ、より安定したタービン運転を可能としうる。
【００３１】
上記第２実施形態に係る複列構造のティルティングパッドジャーナル軸受は、１つのタービンロータに複数箇所設けられたジャーナル３をそれぞれ支持するために複数設けることができる。これにより、より安定したタービンの運転を可能にすることができる。
【００３２】
図１４には、ティルティングパッドジャーナル軸受を備えた軸流タービンの構造が概略的に示されている。軸流タービンは、タービンケーシング２１を有している。タービンケーシング２１内には、タービンケーシング２１に固定された複数のノズルダイヤフラム（詳細は図示せず）及びタービンロータ２２に設けられた複数の動翼列（詳細は図示せず）が軸方向に交互に配列され、１つのノズルダイヤフラム（静翼部）とその下流側にある動翼列（動翼部）とにより１つのタービン段落２３が構成される。作動流体供給管２４から供給された作動流体例えば蒸気が複数のタービン段落２３を通過して動翼に対して仕事を行い、タービンロータ２２が回転駆動され、タービンロータ２２に連結された発電機等の負荷が回転駆動される。最終段落の動翼列を通過した作動流体は、作動流体排出路２５を通ってタービンケーシング２１の外部に排出される。タービンロータ２２の両端に設けられたジャーナル３を、図１４中において参照符号２６で示した第１または第２実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受により支持することができる。
【００３３】
タービンロータの２つのジャーナル３をそれぞれ第２実施形態に係る複列構造のティルティングパッドジャーナル軸受で支持する場合（図１４を参照）には、定格負荷状態にて稼動するパッド列（Ａ列）を軸方向内側に位置させるのがよい。すなわちＡ列同士の軸方向間隔をＢ列同士の軸方向間隔よりも小さくするのがよい。ロータを２つの軸受で支持する場合には、軸受間距離を短くした方が安定性が向上することは知見としてあり、定格負荷状態における軸受間距離を小さくすることより、定格負荷状態における安定性を向上させることができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、実施形態は例示的なものであり、本発明の範囲は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。実施形態の説明は、部分挿入構造を持つ軸流蒸気タービンへの適用を前提として行ったが、これに限定されるものではなく、上述のティルティングパッドジャーナル軸受により支持されるタービンロータは、例えばガスタービンのロータであってもよい。また、タービンロータを変位させる力は部分挿入構造に由来して発生するものに限定されるものではなく、例えばタービンロータが連結された機構に由来して発生するものであってもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  パッド
３  ジャーナル
６  ピボット
７  ピボットホルダー
１５  バルブフォース（タービンロータを変位させる力）
１６  合力
１７  圧力制御機構（切換機構）
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015048707.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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