(57)【要約】【課題】軸受すきまの油膜圧力分布を適正に保ち、軸受負荷能力を高く維持し得るティルティングパッド軸受を提供する。【解決手段】ロータを回転自在に支持するためのティルティングパッド軸受は、ケーシングと、ピボットを支点として揺動可能に前記ケーシングに取り付けられる複数の軸受パッドと、を備える。前記軸受パッドのうち前記ロータに対向する軸受パッド面は、前記ロータの回転方向の上流側に位置し、第１曲率半径を有する第１領域と、前記第１領域よりも前記回転方向の下流側に位置し、前記第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域と、を含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータを回転自在に支持するためのティルティングパッド軸受であって、
ケーシングと、
ピボットを支点として揺動可能に前記ケーシングに取り付けられる複数の軸受パッドと、を備え、
前記軸受パッドのうち前記ロータに対向する軸受パッド面は、
前記ロータの回転方向の上流側に位置し、第１曲率半径を有する第１領域と、
前記第１領域よりも前記回転方向の下流側に位置し、前記第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域と、を含むことを特徴とするティルティングパッド軸受。
【請求項２】
前記第１領域の曲率中心は、前記第２領域の曲率中心よりも、前記軸受パッドの上流端側に位置することを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項３】
前記第１領域と前記第２領域とが、前記ティルティングパッド軸受の軸方向に沿った境界線を介して隣接しており、
前記境界線は、前記ロータ停止時における前記ロータに対する前記軸受パッドの接触領域の外側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項４】
前記境界線は、前記接触領域よりも前記回転方向の下流側に位置することを特徴とする請求項３に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項５】
前記第１領域と前記第２領域とが、前記ティルティングパッド軸受の軸方向に沿った境界線を介して隣接しており、
前記境界線は、前記ティルティングパッド軸受の周方向における前記ピボットの角度位置をθ０としたとき、（θ０−１０度）以上（θ０＋１０度）以下を除く範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項６】
前記境界線は、（θ０＋１０度）よりも大きい角度範囲に位置することを特徴とする請求項５に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項７】
少なくとも前記ロータの停止時における前記軸受パッド面は、前記ティルティングパッド軸受の軸方向において凹状であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項８】
ロータを回転自在に支持するためのティルティングパッド軸受であって、
ケーシングと、
ピボットを支点として揺動可能に前記ケーシングに取り付けられる複数の軸受パッドと、を備え、
前記軸受パッドのうち前記ロータに対向する軸受パッド面は、少なくとも前記ロータの停止時、前記ティルティングパッド軸受の軸方向において凹状であることを特徴とするティルティングパッド軸受。
【請求項９】
前記軸受パッド面は、前記軸方向における端部に対して中央領域が前記ロータから離れた方向に位置するような前記凹状に形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載のティルティングパッド軸受。
【請求項１０】
前記軸方向における前記軸受パッド面の凹み量は、前記ロータの回転方向において前記ピボットよりも上流側に比べて前記ピボットよりも下流側の方が大きいことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項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】
本開示は、ピボットを支点として揺動可能にケーシングに取り付けられた複数の軸受パッドを備えるティルティングパッド軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、すべり軸受の一種として、ティルティングパッド軸受が知られている。ティルティングパッド軸受は、ロータの周方向に配置された複数の軸受パッドによってロータを支持するようになっている。ロータの回転時には、複数の軸受パッドとロータとの間に油膜が形成され、ロータと軸受面の間の潤滑性が確保される。また、複数の軸受パッドはそれぞれが独立して揺動可能な構成となっており、他のすべり軸受よりも不安定振動を起こしにくく、高速のロータであっても安定支持できることから、例えばタービンや風力機械、過給機等の回転機械に幅広く用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、軸受パッド背面のピボットを支点として揺動可能に構成された複数の軸受パッドを備えるティルティングパッド軸受が記載されている。また、特許文献２には、荷重を受ける位置に配置された荷重方向パッドの軸受面曲率を軸受中心と同心に形成されたティルティングパッド軸受が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６８２０５号公報
【特許文献２】特開昭５８−１８０８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ティルティングパッド軸受においては、軸受パッドの内周面とロータの外周面との間の軸受すきまに潤滑油を引き込み、これらの間に形成されるくさび状油膜の油膜圧力を適正に保つことによって、軸受負荷能力を高く維持している。
しかしながら、ティルティングパッド軸受の作動中（ロータの回転中）、熱変形や圧力変形等によって軸受パッドが変形し、この変形に起因して軸受負荷能力が低下してしまうことがある。例えば、軸受パッドはその背面がピボットでケーシングに支持されているため、ロータから負荷が加わると、ピボットからの押圧力によって軸受パッドが変形してしまうことがある。あるいは、軸受パッドの軸受面はロータと摺動するため摩擦熱により温度が高くなり、軸受面側が熱伸びして軸受パッドが反ってしまうことがある。このように、ティルティングパッド軸受の作動中の軸受パッドの変形に起因して、実際の軸受すきまが設計されたすきま以上に拡がってしまうと、部分的に油膜圧力が低下し、ティルティングパッド軸受の軸受負荷能力が低下する可能性がある。
【０００６】
そのため、ティルティングパッド軸受における軸受すきまの油膜圧力分布を適正に維持することが要求される。
この点、特許文献１及び２には、軸受負荷能力を高く維持することを目的として、軸受すきまの油膜圧力分布を適正に維持するための構成については何ら開示されていない。
【０００７】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、軸受すきまの油膜圧力分布を適正に保ち、軸受負荷能力を高く維持し得るティルティングパッド軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らが鋭意検討した結果、ティルティングパッド軸受の作動中における軸受パッドの変形（例えば熱変形や圧力変形）に起因した軸受すきまの拡大は、ロータの回転方向における軸受パッドの下流側領域においてより一層顕著であることを見出した。具体的には、軸受パッドの下流側領域において、軸受パッドの周方向端部がロータから離れる方向に軸受パッドが反ってしまうため、軸受パッドの下流側領域における軸受すきまが拡大することがわかった。
通常、軸受パッドの内周面とロータの外周面との間の軸受すきまは、軸受パッドの上流側領域から下流側領域に向けて狭くなるくさび形状をしている。そして、軸受すきまに形成されるくさび状油膜の油膜圧力は、上流側領域から下流側領域に向けて高くなる傾向にある。上記したようにティルティングパッド軸受の作動中における軸受パッドの変形は下流側領域において顕著であることから、本来、高い油膜圧力が求められる下流側領域において軸受すきまが広がって油膜圧力が低下してしまい、軸受負荷能力の著しい低下を引き起こしかねない。そのため、軸受負荷能力を高く維持するために、上述の知見に基づいて本発明者等は更に検討を重ね、以下に示す本発明に想到した。
【０００９】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受は、
ロータを回転自在に支持するためのティルティングパッド軸受であって、
ケーシングと、
ピボットを支点として揺動可能に前記ケーシングに取り付けられる複数の軸受パッドと、を備え、
前記軸受パッドのうち前記ロータに対向する軸受パッド面は、
前記ロータの回転方向の上流側に位置し、第１曲率半径を有する第１領域と、
前記第１領域よりも前記回転方向の下流側に位置し、前記第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上述したように、本発明者らの知見によって軸受パッドの変形には２つの主な特徴があることがわかっている。１つは、ティルティングパッド軸受の作動中における軸受パッドの変形量が上流側と下流側とで異なる点、もう１つは、軸受パッドの下流側端部がロータから離れる方向に反って変形する点である。
上記（１）の構成によれば、軸受パッド面が、ロータの回転方向の上流側に位置し、第１曲率半径を有する第１領域と、第１領域よりも回転方向の下流側に位置し、第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域と、を含んでいる。すなわち、軸受パッドの変形量が大きい下流側と、変形量が小さい上流側とで曲率半径を異ならせているため、上流側及び下流側のそれぞれにおいて軸受パッドの変形量に対応した適正な軸受すきまを設定しやすい。また、第２曲率半径を第１曲率半径よりも小さくしているので、軸受パッドの変形によって下流側端部がロータから離れる方向に反ってしまっても、下流側の軸受すきまを適正に保つことができる。
よって、ティルティングパッド軸受における軸受すきまの油膜圧力分布を適正に保ち、軸受負荷能力を高く維持することが可能となる。
【００１１】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記第１領域の曲率中心は、前記第２領域の曲率中心よりも、前記軸受パッドの上流端側に位置する。
これにより、第２領域における軸受パッドの周方向端部とロータとの間のすきまを、第１領域における軸受パッドの周方向端部とロータとの間のすきまよりも小さくし、軸受パッドの下流側における油膜圧力を維持することができる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記第１領域と前記第２領域とが、前記ティルティングパッド軸受の軸方向に沿った境界線を介して隣接しており、
前記境界線は、前記ロータ停止時における前記ロータに対する前記軸受パッドの接触領域の外側に位置する。
第１領域と第２領域とが隣接している場合、第１曲率半径と第２曲率半径の変化点（境界線）は尖った形状となるので、ロータの回転停止時に軸受パッドにロータ荷重がかかると前記変化点に高い面圧がかかる可能性がある。
そのため、上記（３）の構成のように、第１領域と第２領域の境界線が、ロータ停止時におけるロータに対する軸受パッドの接触領域の外側に位置することにより、ロータの回転停止時に軸受パッドに対して局所的に高い面圧がかかることを防げる。
【００１３】
（４）一実施形態では、上記（３）の構成において、前記境界線は、前記接触領域よりも前記回転方向の下流側に位置する。
上記（４）の構成によれば、第１領域と第２領域との境界線が、ロータと軸受パッドとの接触領域よりも回転方向の下流側に位置するので、ロータ停止時における軸受パッドの局所的な面圧の発生を防止できる。
また、比較的小さい第２曲率半径を有する第２領域の設置範囲が過度に広いと、ロータの外周面と軸受パッドの接触を回避しつつ、軸受すきまを適正に維持することができるような第２曲率半径を設定することが難しくなってしまう。この点、上記（４）の構成によれば、比較的小さい第２曲率半径を有する第２領域の設置範囲が接触領域の下流側に制限されるから、軸受パッドの下流側端部の変形を考慮して、第２曲率半径を適切に設定しやすくなる。
【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、前記第１領域と前記第２領域とが、前記ティルティングパッド軸受の軸方向に沿った境界線を介して隣接しており、
前記境界線は、前記ティルティングパッド軸受の周方向における前記ピボットの角度位置をθ０としたとき、（θ０−１０度）以上（θ０＋１０度）以下を除く範囲に位置する。
上記（５）の構成では、第１領域と第２領域との境界線が（θ０−１０度）以上（θ０＋１０度）を除く範囲に位置している。ここで、軸受パッドはピボットを支点としてケーシングに取り付けられているので、ロータは、ピボットを中心とした領域において軸受パッドに接触するようになっている。すなわち、上記（４）の構成によれば、軸受パッドとロータとが高い接触圧力で接触する領域を避けて境界線が設けられることとなる。これにより、ロータの回転停止時に軸受パッドに対して局所的に高い面圧がかかることを防げる。
【００１５】
（６）一実施形態では、上記（５）の構成において、前記境界線は、（θ０＋１０度）よりも大きい角度範囲に位置する。
上記（６）の構成によれば、ロータの回転停止時に軸受パッドに対して局所的に高い面圧がかかることをより確実に防げる。
【００１６】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、少なくとも前記ロータの停止時における前記軸受パッド面は、前記ティルティングパッド軸受の軸方向において凹状である。
上記（７）の構成によれば、軸受パッドの変形によって軸方向端部がロータから離れる方向に反ってしまっても、予め軸受パッド面が軸方向において凹状に形成されているので、軸受すきまを適正に保つことができる。
【００１７】
（８）また、本発明の少なくとも一実施形態に係るティルティングパッド軸受は、
ロータを回転自在に支持するためのティルティングパッド軸受であって、
ケーシングと、
ピボットを支点として揺動可能に前記ケーシングに取り付けられる複数の軸受パッドと、を備え、
前記軸受パッドのうち前記ロータに対向する軸受パッド面は、少なくとも前記ロータの停止時、前記ティルティングパッド軸受の軸方向において凹状である。
上記（８）の構成によれば、軸受パッドの変形によって軸方向端部がロータから離れる方向に反ってしまっても、予め軸受パッド面が軸方向において凹状に形成されているので、軸受すきまを適正に保つことができる。
【００１８】
（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、前記軸受パッド面は、前記軸方向における端部に対して中央領域が前記ロータから離れた方向に位置するような前記凹状に形成されている。
上記（９）の構成によれば、ティルティングパッド軸受の作動中に、軸受パッドの端部がロータから離れる方向に反って変形してしまっても、軸受すきまが適正に保たれるような軸受パッドの形状に維持できる。
【００１９】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）乃至（９）の何れかの構成において、前記軸方向における前記軸受パッド面の凹み量は、前記ロータの回転方向において前記ピボットよりも上流側に比べて前記ピボットよりも下流側の方が大きい。
ティルティングパッド軸受の作動中、ピボットよりも下流側における軸受すきまは小さくなるから、この狭い軸受すきまを通過しようとする潤滑油と軸受パッド面との間の摩擦熱により、ピボットよりも下流側における軸受パッド面の温度が高くなりやすい。このため、軸受パッドの変形量が大きい下流側において、軸受パッドの熱変形に起因した変形量は比較的大きい。
この点、上記（１０）の構成によれば、軸受パッドの変形量が大きい下流側において、軸受すきまを適正に保つことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ティルティングパッド軸受における軸受すきまの油膜圧力分布を適正に保ち、軸受負荷能力を高く維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】幾つかの実施形態におけるティルティングパッド軸受の概略構成を示す断面図である。
【図２】比較例におけるティルティングパッド軸受の概略構成を示す部分断面図である。
【図３Ａ】軸受パッドの周方向位置における計測メタル温度分布を示すグラフである。
【図３Ｂ】軸受パッドの周方向位置における油膜圧力分布を示すグラフである。
【図３Ｃ】軸受パッドの周方向位置における油膜厚さ分布（軸受すきま分布）を示すグラフである。
【図４】軸受パッド面の変形分布を示す図である。
【図５】一実施形態におけるティルティングパッド軸受を示す部分断面図である。
【図６Ａ】停止時の本実施形態及び比較例におけるティルティングパッド軸受の油膜厚さを示すグラフである。
【図６Ｂ】作動時の本実施形態及び比較例におけるティルティングパッド軸受の油膜厚さを示すグラフである。
【図７】一実施形態における軸受パッドを示す平面図である。
【図８】他の実施形態における軸受パッドを示す平面図である。
【図９】他の実施形態における軸受パッドの斜視図である。
【図１０】比較例における軸受パッドの斜視図である。
【図１１Ａ】他の実施形態における軸受パッドの平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの各切断面における軸受パッドの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２３】
最初に、図１を参照して、幾つかの実施形態に係るティルティングパッド軸受１の全体構成について説明する。ここで、図１は、幾つかの実施形態におけるティルティングパッド軸受１の全体的な概略構成を示す断面図である。同図は、紙面手前から奥へ向けて延びるロータ１０の軸Ｏに直交する断面を示している。なお、ロータ１０の軸Ｏは、ティルティングパッド軸受１の軸と一致していてもよい。
【００２４】
本実施形態に係るティルティングパッド軸受１は、すべり軸受の一種であって、回転機械のロータ１０を回転自在に支持する構成となっており、例えばロータ１０のラジアル方向の荷重を支持するジャーナル軸受である。なお、本実施形態に係るティルティングパッド軸受１が適用される回転機械としては、例えば、蒸気タービンやガスタービンや機械駆動用タービン等のタービン、風力発電装置等の風力機械、または過給機などが挙げられる。
【００２５】
図１に示すように、幾つかの実施形態において、ティルティングパッド軸受１は、固定側のケーシング２と、ケーシング２に対してピボット３を支点として揺動可能に取り付けられる複数の軸受パッド４と、を備えている。
【００２６】
ケーシング２は環状に形成されており、このケーシング２にロータ１０が挿通されるようになっている。ケーシング２の内周面には複数の軸受パッド４が設けられている。
複数の軸受パッド４は、ケーシング２の周方向に、すなわちロータ１０の外周面に沿って、互いに離間して配置されている。図１に示す例では、軸受パッド４は、ケーシング２の周方向に４枚配置された構成を示しているが、軸受パッド４の数や配置はこれに限定されるものではなく、例えばケーシング２の周方向に６枚又は８枚配置されていてもよい。
各々の軸受パッド４は、ピボット３を支点として、少なくともケーシング２の周方向において揺動可能に構成される。なお、各々の軸受パッド４は、ケーシング２の周方向及び軸方向に揺動可能に構成されてもよい。また、ピボット３は、軸受パッド４の周方向における中心位置よりも下流側に位置してもよい。なお、本実施形態において、軸受パッド４の周方向とは、ロータ１０の周方向、ティルティングパッド軸受１の周方向と同義である。
【００２７】
各々の軸受パッド４は、ロータ１０に対向する軸受パッド面５と、ケーシング２に対向する背面６と、を有している。
各々の軸受パッド４の軸受パッド面５と、ロータ１０の外周面との間の軸受すきま８には、潤滑油が供給されるようになっている。潤滑油の給油方式には、例えば、油浴方式や直接潤滑方式が用いられる。油浴方式は、ケーシング２の内部を潤滑油で満たし、軸受パッド４とロータ１０との摺動部を潤滑油で浸漬する方式である。直接潤滑方式は、隣り合う軸受パッド４間に配置されたノズルにより、軸受パッド４とロータ１０との摺動部に潤滑油を直接供給する方式である。直接潤滑方式の変形例として、軸受パッド４に形成された給油孔を介して軸受パッド４とロータ１０との摺動部に潤滑油を直接供給する方式を採用してもよい。あるいは、これらの方式を組み合わせた給油方式を採用してもよい。
【００２８】
図２は比較例におけるティルティングパッド軸受の概略構成を示す部分断面図であり、図２（ａ）は停止時のティルティングパッド軸受の状態を示し、図２（ｂ）は作動時のティルティングパッド軸受の状態を示している。図２（ａ）及び（ｂ）では、一つの軸受パッド４のみを示し、他の軸受パッド４は省略している。なお、停止時とはロータ１０が停止している時であり、作動時とはロータ１０が回転している時である。
図２（ａ）に示すように、ティルティングパッド軸受１の停止時（ロータ１０の停止時）、軸受パッド面５の上流側端部５１とロータ１０の外周面との間の軸受すきま８と、下流側端部５２とロータ１０の外周面との間の軸受すきま８とは所定の間隔に維持されている。ここで、上流側端部５１とは、ロータ１０の回転方向（図２（ｂ）の矢印方向）における上流側の軸受パッド面５の端部のことであり、下流側端部５２とは、ロータ１０の回転方向（図２（ｂ）の矢印方向）における下流側の軸受パッド面５の端部のことである。
図２（ｂ）に示すように、ティルティングパッド軸受１の作動時（ロータ１０の回転時）、ロータ１０の回転によって、軸受パッド４の軸受パッド面５とロータ１０の外周面との間の軸受すきま８に上流側端部５１側から潤滑油が引き込まれ、軸受すきま８にくさび状油膜が形成される。このとき、軸受パッド４はピボット３を中心に傾くので、軸受パッド面５の上流側端部５１とロータ１０の外周面との間の軸受すきま８は停止時に比べて拡がり、軸受パッド面５の下流側端部５２とロータ１０の外周面との間の軸受すきま８は停止時に比べて狭まる。
【００２９】
ここで、図３を参照して、図２（ｂ）に示した作動時のティルティングパッド軸受１における各状態値の一例について説明する。図３では各状態値として、計測により得られた実測値を示している。なお、図３Ａは、軸受パッドの周方向位置における計測メタル温度分布を示すグラフである。図３Ｂは、軸受パッドの周方向位置における油膜圧力分布を示すグラフである。図３Ｃは、軸受パッドの周方向位置における油膜厚さ分布（軸受すきま分布）を示すグラフである。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、パッド周方向の０％は上流側端部５１の位置であり、パッド周方向の１００％は下流側端部５２の位置である。
【００３０】
図３Ａに示すように、軸受パッド４の計測メタル温度は、パッド周方向において下流側端部５２側の方が上流側端部５１側よりも高くなっている。また、図３Ｂに示すように、軸受すきま８の油膜圧力もパッド周方向において下流側端部５２側の方が上流側端部５１側よりも高くなっている。さらに、図３Ｃに示すように、軸受すきま８の油膜厚さは、パッド周方向において上流側端部５１が一番厚く、下流側端部５２に向けて徐々に薄くなっており、軸受すきま８にくさび状油膜が形成されている。すなわち、ロータ１０の回転によって軸受すきま８に潤滑油が引き込まれ、軸受すきま８がくさび形状となっている。通常、この軸受すきま８が適正なくさび形状となることで、軸受すきま８の油膜圧力が適正に保たれ、ティルティングパッド軸受１の軸受負荷能力が高く維持される。
【００３１】
ところで、軸受パッド４の下流側端部５２側の軸受すきま８が狭まって下流側端部５２側における油膜厚さが薄くなると、下流側端部５２側における計測メタル温度が上昇する。軸受パッド４の温度上昇は、軸受パッド４の熱変形を引き起こす。
この熱変形に加えて、軸受パッド４の変形要因として圧力変形が考えられる。すなわち、軸受パッド４は、背面６をピボット３で支持されており、ピボット３以外の部分はフリーの状態であるため、軸受パッド面５に圧力が与えられると、ピボット３以外の部分がロータ１０から離れる方向に沿ってしまうことがある。
このように、熱変形や圧力変形に起因した軸受パッド４の変形によって、作動時に軸受すきま８が適正なくさび形状とならず、特に図３Ｃの符号６０で示す下流側端部５２側の領域において軸受すきま８が設計値よりも大きくなってしまうことがある。
【００３２】
図４は、ＦＥＭ解析により得られた軸受パッド面５の変形分布を示す図である。同図は、図２（ｂ）に示した作動時のティルティングパッド軸受１における軸受パッド面５の変形量の分布を示す図である。変形量は、停止時の軸受パッド面５に対する作動時の軸受パッド面５の厚さ方向における相対位置変化を絶対値で示したものである。変形量０は、停止時における軸受パッド面５の位置と、作動時における軸受パッド面５の位置が変化していないことを意味する。なお、軸受パッド面５の略中央部における変形量が０に近い領域はピボット３の支持点およびその周辺であり、背面６がピボット３に支持されていることから変形が少ない。
図４に示すように、作動時の軸受パッド面５は、下流側端部５２側においてピボット３の支持点を中心として端部側が反り、軸受パッド面５はロータ１０側に凸の曲面となる。特に、下流側端部５２側における変形率が大きくなっており、軸受パッド４の下流側領域における軸受すきま８が拡大している。軸受パッド４の下流側領域における軸受すきま８の拡大は、図３Ｃに示した軸受すきま分布の符号６０で示す下流側端部５２側の領域にもみられる。
【００３３】
上述したように、作動時において軸受パッド面５とロータ１０の外周面との間の軸受すきま８はくさび形状となる。しかし、熱変形や圧力変形に起因した軸受パッド４の変形によって、本来、高い油膜圧力が求められる下流側領域において軸受すきま８が拡がると、ティルティングパッド軸受１の軸受負荷能力の著しい低下を引き起こす可能性がある。
【００３４】
そこで、本実施形態に係るティルティングパッド軸受１は、軸受負荷能力を高く維持するために以下の構成をさらに備える。
【００３５】
図５は、一実施形態におけるティルティングパッド軸受１を示す部分断面図であって、図５（ａ）は停止時におけるティルティングパッド軸受１の状態を示し、図５（ｂ）は作動時におけるティルティングパッド軸受１の状態を示し、図５（ｃ）は軸受パッド４の断面図を示している。図５（ａ）及び（ｂ）では、一つの軸受パッド４のみを示し、他の軸受パッド４は省略している。なお、図５は、紙面手前から奥へ向けて延びるロータ１０の軸Ｏ（図１参照）に直交する断面を示している。
【００３６】
一実施形態において、ティルティングパッド軸受１は、軸受パッド４の軸受パッド面５が、ロータ１０の回転方向（図中矢印の方向）の上流側に位置し、第１曲率半径を有する第１領域５４と、第１領域５４よりも回転方向の下流側に位置し、第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域５５と、を含むように構成される。
【００３７】
具体的に、軸受パッド４は、ロータ１０の外周面に沿って湾曲した軸受パッド面５と、ケーシング２の内周面に沿って湾曲した背面６と、を有する。軸受パッド面５は、少なくとも、第１曲率半径を有する第１領域５４と、第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域５５と、を含む。図５に示す例では、軸受パッド面５は、互いに異なる曲率半径を有する２つの領域が境界線５３を介して隣接して設けられた構成となっている。但し、図示されない例として、軸受パッド面５は、それぞれが異なる曲率半径を有する３つ以上の領域を含んでいてもよい。例えば、軸受パッド面５は、上流側端部５１を含む第１領域と、下流側端部５２を含む第２領域と、周方向において第１領域と第２領域との間に位置する第３領域とを有している。この場合、第３領域の曲率半径は、第１領域の曲率半径と第２領域の曲率半径の間であってもよい。
【００３８】
また、第１領域５４及び第２領域５５の曲率中心は、いずれもロータ１０側に位置する。
軸受パッド４の背面６も同様に、周方向において、ロータ１０側に曲率中心が位置するような曲率半径を有して湾曲している。背面６は、ケーシング２に沿って形成されるため、周方向において一つの曲率半径を有するように一律な湾曲面を有していてもよい。
さらに、第１領域５４が上流側端部５１を含むように位置し、第２領域５５が下流側端部５２を含むように位置する場合、ティルティングパッド軸受１は、停止時において上流側端部５１とロータ１０との間の軸受すきま８の方が、下流側端部５２とロータ１０との間の軸受すきま８よりも大きくなるように構成されてもよい。
【００３９】
上述したように、本発明者らの知見によって軸受パッド４の変形には２つの主な特徴があることがわかっている。１つは、ティルティングパッド軸受１の作動中における軸受パッド４の変形量が上流側と下流側とで異なる点、もう１つは、軸受パッド面５の下流側端部５２がロータ１０から離れる方向に反って変形する点である。
【００４０】
上記実施形態によれば、軸受パッド面５が、ロータ１０の回転方向の上流側に位置し、第１曲率半径を有する第１領域５４と、第１領域５４よりも回転方向の下流側に位置し、第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を有する第２領域５５と、を含んでいる。すなわち、軸受パッド４の変形量が大きい下流側と、変形量が小さい上流側とで曲率半径を異ならせているため、上流側及び下流側のそれぞれにおいて軸受パッド４の変形量に対応した適正な軸受すきま８を設定しやすい。また、第２曲率半径を第１曲率半径よりも小さくしているので、軸受パッド４の変形によって下流側端部５２がロータ１０から離れる方向に反ってしまっても、下流側の軸受すきま８を適正に保つことができる。
よって、ティルティングパッド軸受１における軸受すきま８の油膜圧力分布を適正に保ち、ティルティングパッド軸受１の軸受負荷能力を高く維持することが可能となる。
【００４１】
図６Ａ及び図６Ｂに、図５に示した実施形態におけるティルティングパッド軸受１と、図２に示した比較例におけるティルティングパッド軸受１に関して、停止時及び作動時におけるそれぞれの油膜厚さを比較したグラフを示す。なお、図６Ａは、停止時の本実施形態及び比較例におけるティルティングパッド軸受１の油膜厚さを示すグラフである。図６Ｂは、作動時の本実施形態及び比較例におけるティルティングパッド軸受１の油膜厚さを示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、軸受パッド周方向位置は、ピボット位置を０°とし、上流側端部５１側が負の値、下流側端部５２側が正の値となっている。
【００４２】
図６Ａに示すように、ティルティングパッド軸受１の停止時、比較例におけるティルティングパッド軸受１は、ピボット位置である０°で油膜厚さが最も小さく、上流側端部５１側及び下流側端部５２側へ向かうにつれて油膜厚さが大きくなっている。上流側端部５１の油膜厚さは下流側端部５２の油膜厚さよりも大きい。実施形態におけるティルティングパッド軸受１は、ピボット位置である０°で油膜厚さが最も小さく、上流側端部５１側へ向かうにつれて油膜厚さが大きくなっており、下流側端部５２側はほぼ一定の値となっている。実施形態におけるティルティングパッド軸受１においても、上流側端部５１の油膜厚さは下流側端部５２の油膜厚さよりも大きい。
図６Ｂに示すように、ティルティングパッド軸受１の作動時、比較例におけるティルティングパッド軸受１は、上流側端部５１側から下流側端部５２側へ向けて油膜厚さが小さくなっており、油膜は概ねくさび形状をなしているが、符号６２で示す下流側端部５２近傍で油膜厚さが拡がっている。これに対して、実施形態におけるティルティングパッド軸受１は、上流側端部５１側から下流側端部５２側へ向けて油膜厚さが小さくなっており、符号６２で示す下流側端部５２近傍でも油膜厚さが拡がらず、下流側端部５２近傍では油膜厚さが概ね一定の値となっている。
これらのグラフからも、本実施形態によれば、ティルティングパッド軸受１における軸受すきま８の油膜圧力分布を適正に保ち、ティルティングパッド軸受１の軸受負荷能力を高く維持することが可能であることが明らかである。
【００４３】
一実施形態において、第１領域５４の曲率中心は、第２領域５５の曲率中心よりも、軸受パッド４の上流端側に位置する。
上記実施形態によれば、第２領域５５における軸受パッド４の周方向端部（図５に示す構成例では下流側端部５２）とロータ１０との間の軸受すきま８を、第１領域５４における軸受パッド４の周方向端部（図５に示す構成例では上流側端部５１）とロータ１０との間の軸受すきま８よりも小さくし、軸受パッド４の下流側における油膜圧力を維持することができる。
また、第２領域の曲率中心は、作動時におけるロータ１０と軸受パッド４との位置関係において、第２曲率半径の曲率中心は、ロータ１０の軸Ｏ（図１参照）と一致するように構成されていてもよい。これにより、ティルティングパッド軸受１の作動時、第２領域５５における軸受パッド４の周方向端部とロータ１０との間の軸受すきまを適正な大きさに設定しやすくなる。
【００４４】
図７は、一実施形態における軸受パッド４を示す平面図である。同図は、軸受パッド４を軸受パッド面５から視た図である。よってピボット３は、不図示の背面６側に設けられるため実際は図に表れないが、理解を容易にするために図中にはピボット３による支持点を示している。
図７に示すように、一実施形態では、第１領域５４と第２領域５５とが、ティルティングパッド軸受１の軸方向に沿った境界線５３を介して隣接しており、この境界線５３は、停止時におけるロータ１０に対する軸受パッド４の接触領域５７の外側に位置する。図示される例では、境界線５３は、軸方向に沿って直線状に形成されている。ただし、境界線５３は、軸方向に対して傾斜して直線状に形成されていてもよいし、軸方向に概ね沿った曲線状に形成されていてもよい。
【００４５】
第１領域５４と第２領域５５とが隣接している場合、第１曲率半径と第２曲率半径の変化点（境界線５３）は尖った形状となるので、ロータ１０の回転停止時に軸受パッド４にロータ荷重がかかると変化点に高い面圧がかかる可能性がある。そのため、上記実施形態のように、第１領域５４と第２領域５５の境界線５３が、停止時におけるロータ１０に対する軸受パッド４の接触領域５７の外側に位置することにより、ロータ１０の回転停止時に軸受パッド４に対して局所的に高い面圧がかかることを防げる。また、作動中はピボット３を中心に軸受パッド４が傾いているため、境界線５３とロータ１０とは接触しないが、停止中に境界線５３とロータ１０とが接触する可能性が高くなる。そのため、上記実施形態のように、境界線５３が、停止時におけるロータ１０に対する軸受パッド４の接触領域５７の外側に位置することにより、境界線５３とロータ１０との接触を確実に回避することができる。
【００４６】
第１領域５４と第２領域５５との境界線５３は、接触領域５７よりも回転方向の下流側に位置するようにしてもよい。このように、境界線５３が、ロータ１０と軸受パッド４との接触領域５７よりも回転方向の下流側に位置することによって、停止時における軸受パッド４の局所的な面圧の発生を防止できる。また、比較的小さい第２曲率半径を有する第２領域５５の設置範囲が過度に広いと、ロータ１０の外周面と軸受パッド４の接触を回避しつつ、軸受すきま８を適正に維持することができるような第２曲率半径を設定することが難しくなってしまう。この点、上記構成によれば、比較的小さい第２曲率半径を有する第２領域５５の設置範囲が接触領域５７の下流側に制限されるから、軸受パッド４の下流側端部５２の変形を考慮して、第２曲率半径を適切に設定しやすくなる。
【００４７】
図８は、他の実施形態における軸受パッドを示す平面図である。同図は、軸受パッド４を軸受パッド面５から視た図である。よってピボット３は、不図示の背面６側に設けられるため実際は図に表れないが、理解を容易にするために図中にはピボット３による支持点を示している。
他の実施形態では、第１領域５４と第２領域５５とが、ティルティングパッド軸受１の軸方向に沿った境界線５３を介して隣接しており、この境界線５３は、周方向におけるピボット３の角度位置をθ０としたとき、（θ０−１０°）以上（θ０＋１０°）以下を除く範囲に位置する。すなわち、境界線５３は、図８におけるハッチングで示す領域を除いた範囲に位置する。
【００４８】
上記実施形態では、第１領域５４と第２領域５５との境界線５３が（θ０−１０°）以上（θ０＋１０°）以下を除く範囲に位置している。ここで、軸受パッド４はピボット３を支点としてケーシング２（図１参照）に取り付けられているので、ロータ１０は、ピボット３を中心とした領域において軸受パッド４に接触するようになっている。すなわち、上記実施形態によれば、軸受パッド４とロータ１０とが高い接触圧力で接触する領域を避けて境界線５３が設けられることとなる。これにより、ロータ１０の回転停止時に軸受パッド４に対して局所的に高い面圧がかかることを防げる。
この場合、第１領域５４と第２領域５５との境界線５３は、（θ０＋１０°）よりも大きい角度範囲に位置してもよい。図８において、（θ０＋１０°）よりも大きい角度範囲とは、境界線５３の右側の範囲である。
【００４９】
上述した実施形態とは別に、本実施形態に係るティルティングパッド軸受１は、軸受負荷能力を高く維持するために以下の構成を備えていてもよい。
【００５０】
図９は、他の実施形態における軸受パッド４の斜視図であって、図９（ａ）は停止時における軸受パッド４の状態を示し、図９（ｂ）は作動時における軸受パッド４の状態を示す。すなわち、図９（ｂ）は、熱変形及び圧力変形に起因して軸受パッド４が変形した後の状態を示している。
図９（ａ）に示すように、他の実施形態に係る軸受パッド４は、少なくともロータ１０の停止時における軸受パッド面５が、ティルティングパッド軸受１の軸方向において凹状となるように構成されている。同図において、凹状に形成されていない軸受パッド面５’は比較として示している。仮想線としての軸受パッド面５’は、軸方向において直線状に形成されている。これに対して他の実施形態に係る軸受パッド４は、軸方向に沿った任意の断面において、軸受パッド面５がティルティングパッド軸受１の軸方向において凹状となるように構成されている。このとき、軸受パッド面５は、熱変形及び圧力変形に起因した軸受パッド４の変形量に対応して、凹み量が設定されていてもよい。例えば、図４に示すように、ＦＥＭ解析等によって軸受パッド面５の変形分布を予め取得しておき、この変形分布に基づいて軸受パッド面５の周方向又は軸方向の各位置における凹み量を設定してもよい。
【００５１】
上記実施形態によれば、軸受パッド４の変形によって軸方向端部がロータ１０から離れる方向に反ってしまっても、予め軸受パッド面５が軸方向において凹状に形成されているので、軸受すきま８を適正に保つことができる。
【００５２】
図１０は、比較例における軸受パッド４の斜視図であって、図１０（ａ）は停止時における軸受パッド４の状態を示し、図１０（ｂ）は作動時における軸受パッド４の状態を示す。
図１０（ａ）に示すように、軸受パッド面５が凹状に形成されておらず、軸方向において直線状に形成されている場合、図１０（ｂ）に示すように、作動時には熱変形及び圧力変形に起因した軸受パッド４の変形によって、ピボット３の位置を中心として端部側が沿ってしまう（図４参照）。この点、上述したように本実施形態では、少なくともロータ１０の停止時における軸受パッド面５が、ティルティングパッド軸受１の軸方向において凹状となるように構成されているので、軸受すきま８を適正に保つことができる。
【００５３】
また、軸受パッド面５は、軸方向における端部に対して中央領域がロータ１０から離れた方向に位置するような凹状に形成されていてもよい。
これにより、ティルティングパッド軸受１の作動中に、軸受パッド４の端部がロータ１０から離れる方向に反って変形してしまっても、軸受すきま８が適正に保たれるような軸受パッド４の形状に維持できる。
【００５４】
図１１Ａは、他の実施形態における軸受パッド４の平面図である。同図は、軸受パッド４を軸受パッド面５から視た図である。よってピボット３は、不図示の背面６側に設けられるため実際は図に表れないが、理解を容易にするために図中にはピボット３による支持点を示している。図１１Ｂは、図１１Ａの各切断面１１〜１４における軸受パッド４の断面を示す図である。具体的には、図１１Ａの上流側端部５１側から下流側端部５２側へ向けて順に、切断面１１〜１４が位置する。すなわち、切断面１１は最も上流側端部５１に近い面であり、切断面１４は最も下流側端部５２に近い面である。各切断面１１〜１４は、軸方向に沿った断面である。図１１Ｂに示す軸受パッド面１１ａは、軸受パッド４を切断面１１で切断した断面における軸受パッド面５であり、軸受パッド面１２ａは、軸受パッド４を切断面１２で切断した断面における軸受パッド面５であり、軸受パッド面１３ａは、軸受パッド４を切断面１３で切断した断面における軸受パッド面５であり、軸受パッド面１４ａは、軸受パッド４を切断面１４で切断した断面における軸受パッド面５である。なお、これらの切断面１１〜１４のうち、切断面１１，１２はピボット３よりも上流側に位置し、切断面１３，１４はピボット３よりも下流側に位置している。
【００５５】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、他の実施形態における軸受パッド４は、軸受パッド面５の軸方向における凹み量が、ピボット３よりも回転方向の上流側に比べて、ピボット３よりも回転方向の下流側の方が大きくなるように構成されている。これらの図に示す例では、軸受パッド４の上流側から下流側へ向けて、軸受パッド面５の軸方向における凹み量が徐々に大きくなっている。なお、各切断面における軸受パッド面５の凹み量はこの構成に限定されるものではない。すなわち、ピボット３よりも上流側の切断面１１，１２における軸受パッド面１１ａ，１２ａの凹み量の大小関係は限定されない。同様に、ピボット３よりも下流側の切断面１３，１４における軸受パッド面１３ａ，１４ａの凹み量の大小関係は限定されない。例えば、最も下流側の切断面１４における軸受パッド面１４ａよりも上流側に近い切断面１３における軸受パッド面１３ａの方が、軸方向における凹み量が大きくてもよい。ただし、これらの場合においても、ピボット３よりも上流側の任意の位置における軸受パッド面５の凹み量に比べて、ピボット３よりも下流側の任意の位置における軸受パッド面５の凹み量の方が大きくなる関係は維持されるものとする。
【００５６】
ティルティングパッド軸受１の作動中、ピボット３よりも下流側における軸受すきま８は小さくなるから、この狭い軸受すきま８を通過しようとする潤滑油と軸受パッド面５との間の摩擦熱により、ピボット３よりも下流側における軸受パッド面５の温度が高くなりやすい。このため、軸受パッド４の変形量が大きい下流側において、軸受パッド４の熱変形に起因した変形量は比較的大きい。
この点、上記実施形態によれば、軸受パッド４の変形量が大きい下流側において、軸受すきま８を適正に保つことができる。
【００５７】
上述したように、本発明の実施形態によれば、ティルティングパッド軸受１における軸受すきま８の油膜圧力分布を適正に保ち、軸受負荷能力を高く維持することが可能となる。
【００５８】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
上記実施形態では一例として、図５，図７及び図８に示す実施形態と、図９，図１１Ａ及び図１１Ｂに示す実施形態とを別の実施形態として記載しているが、これらの実施形態を組み合わせた構成としてもよい。
【００５９】
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００６０】
１        ティルティングパッド軸受
２        ケーシング
３        ピボット
４        軸受パッド
５，１１ａ〜１４ａ    軸受パッド面
６        背面
１０      ロータ
１１〜１４    切断面
５１      上流側端部
５２      下流側端部
５３      境界線
５４      第１領域
５５      第２領域
５７      接触領域
【図１】
2016098888.tif 000003
【図２】
2016098888.tif 000004
【図３Ａ】
2016098888.tif 000005
【図３Ｂ】
2016098888.tif 000006
【図３Ｃ】
2016098888.tif 000007
【図５】
2016098888.tif 000008
【図６Ａ】
2016098888.tif 000009
【図６Ｂ】
2016098888.tif 000010
【図７】
2016098888.tif 000011
【図８】
2016098888.tif 000012
【図９】
2016098888.tif 000013
【図１０】
2016098888.tif 000014
【図１１Ａ】
2016098888.tif 000015
【図１１Ｂ】
2016098888.tif 000016
【図４】
2016098888.tif 000017