(57)【要約】  本発明は、パッド面の最高温度を許容値以下に保持しながら供給する潤滑油の供給量を低減することができるスラスト軸受装置を提供する。  本発明のスラスト軸受装置は、回転軸の外周側に設置され、軸受ベースに固定されているスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置であって、前記スラスト軸受は、前記スラストカラーと軸方向に対向する複数のパッド面を有するスラストプレートを備え、前記パッド面上流の内周側には、内周側に開口部をもつ油溝が形成されると共に、前記パッド面上流の外周側には給油ランド部が形成され、かつ、前記給油ランド部には、外部からの潤滑油を導く連通孔が接続されていることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の外周側に設置され、軸受ベースに固定されているスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置であって、
前記スラスト軸受は、前記スラストカラーと軸方向に対向する複数のパッド面を有するスラストプレートを備え、前記パッド面上流の内周側には、内周側に開口部をもつ油溝が形成されると共に、前記パッド面上流の外周側には給油ランド部が形成され、かつ、前記給油ランド部には、外部からの潤滑油を導く連通孔が接続されていることを特徴とするスラスト軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスラスト軸受装置において、
前記パッド面は、前記スラストカラーとの対向面に、回転方向に沿って高くなる傾斜面を形成するテーパ部と、該テーパ部の最も高い位置に連続した平坦面を形成するランド部とから成り、前記油溝は、前記テーパ部の最も低い位置の内周側に形成され、かつ、前記給油ランド部は、前記油溝の外周側に形成されていることを特徴とするスラスト軸受装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスラスト軸受装置において、
前記油溝及び給油ランド部は、前記複数のパッド面の周方向の境界部分に形成されていることを特徴とするスラスト軸受装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスラスト軸受装置において、
前記給油ランド部は、給油溝と、該給油溝に設けられた連通孔とから成り、前記連通孔は、前記軸受ベース内に設けられた油供給孔の一端と接続され、前記油供給孔の他端は、前記軸受ベースの外周部に設けられた油供給溝に接続されていることを特徴とするスラスト軸受装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスラスト軸受装置において、
前記スラストプレートの内径は、表面側に向かって大きくなっていることを特徴とするスラスト軸受装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のスラスト軸受装置において、
前記給油溝の下流側が開放されていることを特徴とするスラスト軸受装置。
【請求項７】
回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置を備えた回転機械であって、
前記スラスト軸受装置として、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスラスト軸受装置を用いたことを特徴とする回転機械。
【請求項８】
蒸気圧力にそれぞれ対応した高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンで構成され、前記高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンと発電機が回転軸を介して連結されていると共に、前記回転軸の径方向荷重を受ける複数のジャーナル軸受装置と、前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置を備えている蒸気タービンであって、
前記スラスト軸受装置は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスラスト軸受装置であることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項９】
回転軸の外周側に設置され、軸受ベースに固定されているスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置に潤滑油を供給する方法であって、
前記スラストカラーと軸方向に対向する複数のパッド面上流の油膜温度上昇が小さい内周側には、前記パッド面から流出する温度の高い潤滑油を還流させて、前記パッド面内周側に形成された油溝から潤滑油を供給し、かつ、前記パッド面上流の温度上昇が大きい外周側には、外部からの低温の潤滑油が、前記パッド面上流の外周側に形成されている給油ランド部から供給されることを特徴とするスラスト軸受装置の潤滑油供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスラスト軸受装置及びその潤滑油供給方法並びに回転機械と蒸気タービンに係り、特に、回転軸の軸方向荷重を受けるとともに回転軸の軸方向変位を抑えるものに好適なスラスト軸受装置及びその潤滑油供給方法並びに回転機械と蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火力発電設備等で用いられる蒸気タービンは、回転軸を介して発電機と連結されている。この回転軸は、水平方向へ伸びるように設置されており、その回転軸の自重を含む径方向荷重を受ける複数のジャーナル軸受が設けられている。また、蒸気タービンにおいては、回転軸の回転速度や負荷状態によって流体力が変動しており、この流体力によって回転軸の軸方向荷重も生じる。そのため、この回転軸の軸方向荷重を受けるとともに回転軸の軸方向変位を抑えるスラスト軸受が設けられている。【０００３】
上述したスラスト軸受として、部品点数が少なくコストが低い型式として、特許文献１や非特許文献１に示すようなテーパランド軸受がある。【０００４】
特許文献１には、軸受軸芯から半径方向に向かって傾斜し、平坦部を形成するランド部の平坦部にポートを穿設し、上記ポートにおいて傾斜するランド部よりも油膜圧力を高くするようにして、負荷能力が著しく低下する低回転数においても、負荷能力の著しい低下を防止するスラスト軸受が記載されている。【０００５】
また、非特許文献１には、テーパランド軸受に供給された潤滑油は放射状に設けられた油溝に流入した後に、回転軸に取り付けられたスラストカラーの回転に伴い、スラストカラーとスラスト軸受パッド面（テーパ部とランド部から形成される）との間に流入して油膜を形成し、このとき、せん断力により、潤滑油の温度が上昇するため、パッド面におけるスラストカラーの回転方向上流側では、潤滑油の温度が比較的低いものの、パッド面における回転軸の回転方向下流側では、潤滑油の温度が比較的高くなる。即ち、パッド面の潤滑油には、周方向の温度分布が生じることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭５４−１５８１５７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】（社）日本トライボロジー学会編，トライボロジーハンドブック，養賢堂（２００１），ｐ５８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１及び非特許文献１に記載された従来技術では、油溝に流入する潤滑油は、供給された低温の潤滑油と、他のパッド面において高温となった排油とが混合したものであり、パッド面に流入する潤滑油の温度が必ずしも十分に低いものとはならない。このため、油溝での潤滑油温度低減のためには給油量を多くする必要があり、給油量の面で改善の余地があった。【０００９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、パッド面の最高温度を許容値以下に保持しながら供給する潤滑油の供給量を低減することができるスラスト軸受装置及びその潤滑油供給方法並びに回転機械と蒸気タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のスラスト軸受装置は、上記目的を達成するために、回転軸の外周側に設置され、軸受ベースに固定されているスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置であって、前記スラスト軸受は、前記スラストカラーと軸方向に対向する複数のパッド面を有するスラストプレートを備え、前記パッド面上流の内周側には、内周側に開口部をもつ油溝が形成されると共に、前記パッド面上流の外周側には給油ランド部が形成され、かつ、前記給油ランド部には、外部からの潤滑油を導く連通孔が接続されていることを特徴とする。【００１１】
また、本発明の回転機械は、上記目的を達成するために、回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置を備えた回転機械であって、前記スラスト軸受装置として、上記構成のスラスト軸受装置を用いたことを特徴とする。【００１２】
また、本発明の蒸気タービンは、上記目的を達成するために、蒸気圧力にそれぞれ対応した高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンで構成され、前記高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンと発電機が回転軸を介して連結されていると共に、前記回転軸の径方向荷重を受ける複数のジャーナル軸受装置と、前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置を備えている蒸気タービンであって、前記スラスト軸受装置は、上記構成のスラスト軸受装置であることを特徴とする。【００１３】
更に、本発明のスラスト軸受装置の潤滑油供給方法は、上記目的を達成するために、回転軸の外周側に設置され、軸受ベースに固定されているスラストカラーを介して前記回転軸の軸方向荷重を受けるスラスト軸受装置に潤滑油を供給する方法であって、前記スラストカラーと軸方向に対向する複数のパッド面上流の油膜温度上昇が小さい内周側には、前記パッド面から流出する温度の高い潤滑油を還流させて、前記パッド面内周側に形成された油溝から潤滑油を供給し、かつ、前記パッド面上流の温度上昇が大きい外周側には、外部からの低温の潤滑油が、前記パッド面上流の外周側に形成されている給油ランド部から供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パッド面の最高温度を許容値以下に保持しながら供給する潤滑油の供給量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のスラスト軸受装置の実施例１を示す部分断面図（図２のＩ−Ｉ断面に相当する）である。
【図２】本発明のスラスト軸受装置の実施例１におけるスラストプレートの一部分を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面におけるスラストプレートの断面図及び油膜の周方向温度分布を示す図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面におけるスラストプレートの断面図及び油膜の周方向温度分布を示す図である。
【図５】本発明のスラスト軸受装置の実施例２を示す部分断面図（図２のＩ−Ｉ断面に相当する）である。
【図６】本発明のスラスト軸受装置の実施例２におけるスラストプレートの一部分を示す斜視図である。
【図７】図６のＡ´−Ａ´断面におけるスラストプレートの断面図及び油膜の周方向温度分布を示す図である。
【図８】本発明のスラスト軸受装置を採用した蒸気タービンを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図示した実施例に基づいて本発明のスラスト軸受装置及びその潤滑油供給方法並びに回転機械と蒸気タービンを説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
【実施例１】
【００１７】
図１及び図２に、本発明のスラスト軸受装置の実施例１を示す。【００１８】
該図に示す如く、本実施例のスラスト軸受装置１００は、回転軸１の外周側に設置され、軸受ベース３に固定されているスラストカラー２を介して回転軸１の軸方向荷重を受けるように構成されている。【００１９】
即ち、本実施例のスラスト軸受装置１００は、軸受ベース３に固定された略円環状のスラストプレート４を備え、回転軸１の外周側にはスラストカラー２が設けられ、回転軸１とスラストカラー２が一体となって回転するようになっており、スラストプレート４は、このスラストカラー２と軸方向に対向するように配置されている。【００２０】
また、スラストプレート４のスラストカラー２との対向面（摺動面）には、周方向に沿ってテーパ部１１及びランド部１２から成るパッド面１０が、周方向に複数個形成されている。パッド面１０のテーパ部１１は、回転軸１の回転方向に沿って高くなる傾斜面が形成され、パッド面１０のランド部１２は、テーパ部１１の最も高い位置に連続して形成された平坦面が形成されている。【００２１】
そして、本実施例では、周方向に複数個形成されている各パッド面１０の周方向の境界部であるテーパ部１１の最も低い位置の内周側には、内周側に開口部を持つ油溝９が形成されており、その外周側には、給油ランド２０部が形成されている。給油ランド２０部には給油溝８が形成されており、この給油溝８には連通孔７が設けられている。この連通孔７は、軸受ベース３内に設けられた油供給孔６の一端に通じている。油供給孔６の他方の端部は、軸受ベース３の外周部に設けられた油供給溝５に接続されている。【００２２】
次に、本実施例の構成による動作を説明する。【００２３】
先ず、外部の図示しないポンプなどにより昇圧された潤滑油は、軸受ベース３の外周に設けられた油供給溝５に導かれる。油供給溝５に導かれた潤滑油は、全周の圧力がほぼ一定となるように油供給溝５内を満たした後、油供給溝５に複数設けられた油供給孔６及びそれに接続される連通孔７を通り、給油溝８に流入する。給油溝８に供給された潤滑油は、スラストカラー２の回転に伴い、テーパ部１１及びランド部１２から成るパッド面１０へと流れる。【００２４】
このとき、テーパ部１１においては、スラストカラー２との隙間が徐々に狭まるので、くさび効果により動圧が発生する。この動圧はランド部１２においても保持されるので、パッド面１０の広い範囲において高圧な油膜が形成されることになる。この油膜により、スラストプレート４は、スラストカラー２の回転を阻害することなく、スラストカラー２からの軸方向荷重を支えることが可能となる。【００２５】
パッド面１０の油膜の流れは図２中矢印ａ、ｂ及びｃで示すようになっている。即ち、パッド面１０の半径方向中央では、矢印ｃで示すように、半径方向位置は一定のままで周方向へと流れる。これに対し、パッド面１０の半径方向中央よりも外周側の流れは、矢印ａで示すように、油膜の圧力により外周側へと押し出される。同様に、パッド面１０の半径方向中央よりも内周側の流れは、矢印ｂで示すように、油膜の圧力により内周側へと押し出される。内周側へと押し出された潤滑油は、スラストカラー２とのせん断により与えられる遠心力の影響により、回転方向下流の油溝９に流れ込む。油溝９に溜まった潤滑油も、給油溝８に供給された潤滑油と同様に、スラストカラー２の回転に伴いパッド面１０へと流れ、油膜の一部を形成する。【００２６】
次に、本実施例の作用効果について、図３及び図４を用いて説明する。【００２７】
図３は、図２のＡ−Ａ断面におけるスラストプレート４の断面（図３の下段）及び油膜の周方向温度分布（図３の上段）を示し、図４は、図２のＢ−Ｂ断面におけるスラストプレート４の断面（図４の下段）及び油膜の周方向温度分布（図４の上段）を示す。【００２８】
図３の上段の横軸は、スラストプレート４の周方向位置を表し、縦軸は、そのスラストプレート４の周方向位置における油膜の温度を表す。図３の下段は、スラストプレート４の点線Ａ−Ａに沿った断面を外周側から見た状態を表す。同様に、図４の上段の横軸は、スラストプレート４の周方向位置を表し、縦軸は、そのスラストプレート４の周方向位置における油膜の温度を表す。図４の下段は、スラストプレート４の点線Ｂ−Ｂに沿った断面を外周側から見たものである。【００２９】
まず、図３を用いてパッド面１０の半径方向中央よりも外周側である図２の点線Ａ−Ａ上の油膜温度について説明する。【００３０】
通常、テーパ部１１及びランド部１２においては、スラストカラー２の回転によるせん断発熱により油膜温度は回転方向に進むにつれて上昇し、温度Ｔ２ａに達する。その後、ランド部１２の後端部に接続して設けられた給油ランド部２０の給油溝８に流入すると、連通孔７から供給される温度Ｔ０の潤滑油と混合するため、温度はＴ１ａに低下する。給油溝８からテーパ部１１へ流出すると再度温度は上昇し、温度Ｔ２ａに達した後に上記を繰り返す。【００３１】
次に、図４を用いて、パッド面１０の半径方向中央よりも内周側である図２の点線Ｂ−Ｂ上の油膜温度について説明する。【００３２】
通常、テーパ部１１及びランド部１２においては，スラストカラー２の回転によるせん断発熱により油膜温度は回転方向に進むにつれて上昇し，温度Ｔ２ｂに達する。図２中の矢印ｂ´のように、ランド部１２の下流側に設けられた油溝９においては、上流側のパッド面１０から内周側に流出した潤滑油が流入しており、これと混合した油膜温度はＴ１ｂまで低下する。油溝９からテーパ部１１へ流出すると再度温度は上昇し、温度Ｔ２ｂに達した後に上記を繰り返す。【００３３】
ここで、各部の温度を比較する。まず、Ｔ２ａとＴ２ｂはほぼ同じである。点線Ａ−Ａ上の給油溝８において混入する潤滑油の温度Ｔ０に対し、点線Ｂ−Ｂ上の油溝９において混入する図２に矢印ｂ´で示す潤滑油の温度は高いため、Ｔ１ａ＜Ｔ１ｂとなる。テーパ部１１及びランド部１２における温度上昇は、周速に比例するため、外周側の点線Ａ−Ａの方が内周側の点線Ｂ−Ｂよりも大きく、（Ｔ２ａ−Ｔ１ａ）＞（Ｔ２ｂ−Ｔ１ｂ）となる。上記したＴ１ａとＴ１ｂの大小関係と合わせると、Ｔ２ａとＴ２ｂはほぼ同じとなる。【００３４】
従来は、テーパ部１１に流入する油膜の温度が、外周側（Ｔ１ａ）と内周側（Ｔ１ｂ）とでほぼ同一となるように、内周、外周ともに低温（Ｔ０）の潤滑油が供給されていたため、Ｔ２ａ＞Ｔ２ｂとなっていた。給油量は、Ｔ２ａが許容値以下となるように設定されるため、Ｔ２ｂは必要以上に低下しており、この分の給油量は過剰なものと言える。【００３５】
これに対し本実施例では、外周側のみに低温（Ｔ０）の潤滑油を供給し、Ｔ２ａを必要な分だけ低下させるに十分な潤滑油を供給するため、必要最低限の給油量とすることができる。【００３６】
即ち、油膜温度上昇が大きい外周側に外部からの低温の潤滑油を供給する一方で、油膜温度上昇が小さい内周側はパッド面１０から流出し、温度が高くなっている潤滑油を還流させて油溝９から供給している。このように、内周側には外部からの潤滑油を供給しないため、全体の給油量を低減できる。【００３７】
従って、本実施例とすることにより、パッド面の最高温度を許容値以下に保持しながら供給する潤滑油の供給量を低減することができる。【００３８】
なお、ランド部１２と、隣接する給油ランド部２０との間に溝を設けても良い。溝が無い場合、給油ランド部２０の高い油膜圧力の影響を受けて給油溝８の圧力が高くなり、連通孔７からの流れが阻害される可能性がある。溝がある場合には、給油溝８の圧力を低く保つことが可能であり、連通孔７からの流れを阻害しない効果がある。
【実施例２】
【００３９】
図５及び図６に、本発明のスラスト軸受装置の実施例１を示す。【００４０】
該図に示す本実施例では、スラストプレート４の内径が、図５に示すように、表面側（スラストカラー２側）に向かって大きくなっていると共に、図６に示すように、給油溝８の下流側が開放されているものである。【００４１】
即ち、内面側（軸受ベース３側）の回転軸１の軸中心とスラストプレート４までの距離Ｌ２から表面側（スラストカラー２側）の回転軸１の軸中心とスラストプレート４までの距離Ｌ１に向かって大きく（Ｌ１＞Ｌ２）なっていると共に、給油溝８の下流側が開放されている構成となっている。他の構成は、実施例１と同様である。【００４２】
このような本実施例によれば、スラストプレート４の内径が、表面側に向かって大きくなっているため（Ｌ１＞Ｌ２）、図６中に矢印ｂ´で示すような、上流側のパッド面１０から内周側に流出した潤滑油を効率よく油溝９に流入させることができる。また、給油溝８の下流側が開放されているため、通油孔７から流出する外部からの低温の潤滑油量が多くなる。【００４３】
即ち、図７に示すように、給油溝８における温度低下を、実施例１で得られたＴ１ａよりも低いＴ１ａ´まで下げることができるものである。【００４４】
このような本実施例の構成であっても、実施例１と同様な効果を得ることができる。
【実施例３】
【００４５】
次に、上述したスラスト軸受装置１００を備えた回転機械の一例を、図８を用いて説明する。図８は、上述したスラスト軸受装置１００を備えた蒸気タービンの構成を表す図である。【００４６】
該図において、蒸気タービンは、蒸気圧力にそれぞれ対応した高圧タービン３０、中圧タービン３１及び低圧タービン３２で構成されており、これら高圧タービン３０、中圧タービン３１及び低圧タービン３２と発電機３３が回転軸１を介して連結されている。そして、回転軸１の径方向荷重を受ける複数のジャーナル軸受装置３４と、回転軸１の軸方向荷重を受ける上述したスラスト軸受装置１００が設けられている。【００４７】
このような蒸気タービンにおいては、スラスト軸受装置１００への給油量の低減により、給油のための補機や付属品（例えば、ポンプや配管など）を小型化することができる。そのため、蒸気タービンのコンパクト化を図ることができる。【００４８】
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易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】
【００４９】
１…回転軸、２…スラストカラー、３…軸受ベース、４…スラストプレート、５…油供給溝、６…油供給孔、７…連通孔、８…給油溝、９…油溝、１０…パッド面、１１…テーパ部、１２…ランド部、２０…給油ランド部、３０…高圧タービン、３１…中圧タービン、３２…低圧タービン、３３…発電機、３４…ジャーナル軸受、１００…スラスト軸受装置。
【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】
2014162594.tif 000008
【図７】
2014162594.tif 000009
【図８】
2014162594.tif 000010
【国際調査報告】
2014162594.tif 000011
2014162594.tif 000012
2014162594.tif 000013
2014162594.tif 000014