(57)【要約】      （修正有）【課題】より安定性の高いティルティングパッドジャーナル軸受を提供する。【解決手段】軸受内輪４の内部に円弧状の複数のパッド３６、３１、３２をパッド背面の支持点５６，５１，５２まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受１００において、複数のパッドのうち、垂直方向真下に配置された第１パッド３１の弧角θａよりも、第１パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３６及び第３パッド３２の弧角θｂ、θｃが小さい、ことを特徴とする。【選択図】図１
2017072173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドをパッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記複数のパッドのうち、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角よりも、前記第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角が小さい、ことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
【請求項２】
前記第２パッド及び前記第３パッドの軸方向長さを、前記第１パッドの軸方向長さよりも短くした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ジャーナル軸受。
【請求項３】
前記垂直方向は、前記複数のパッドで支持するジャーナルの荷重方向であり、前記第１パッドは、前記ジャーナルの荷重を最も受けるパッドであることを特徴とする求項１又は２に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
【請求項４】
前記第１パッドの前記ジャーナルの回転方向に対して前方の端部に潤滑油の供給孔を設置した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ジャーナル軸受。
【請求項５】
軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドをパッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記複数のパッドで支持するジャーナルの荷重を最も受けるパッドにおけるパッドの弧角が、記複数のパッドの中の他のパッドの弧角よりも大きい、ことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
【請求項６】
軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドをパッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記複数のパッドで支持するジャーナルの荷重を最も受けるパッドにおける軸方向長さが、前記複数のパッドの中の他のパッドの軸方向長さよりも長い、ことを特徴とするティルティングパッドジャーナル軸受。
【請求項７】
前記第２パッドにおけるパッド背面の周方向曲率半径が、前記第１パッドにおけるパッド背面の周方向曲率半径よりも小さい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ジャーナル軸受。
【請求項８】
前記第２パッドのジャーナルの回転方向に対して後方の端部にテーパを設け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ジャーナル軸受。
【請求項９】
前記第２パッドのジャーナルの回転方向に対して前方の端部にテーパを設けることを
特徴とする請求項１に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
【請求項１０】
前記第２パッドのジャーナルの回転方向に対して前方及び後方の端部にテーパを設け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ジャーナル軸受。
【請求項１１】
複数の静翼翼列が配置されるケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に貫通したタービンロータ及び前記タービンロータに設けられ、前記静翼翼列と交互に配置された複数の動翼翼列を有するタービン回転体と、前記タービンロータのジャーナルを前記ケーシングに対して回転自在に支持するティルティングパッドジャーナル軸受と、を備えたターボ機械であって
前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドをパッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受であって、
前記複数のパッドのうち、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角よりも、前記第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角が小さい、ことを特徴とするターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ティルティングパッドジャーナル軸受、及びターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンに代表されるターボ機械やそのタービンによって駆動される発電機等の大型高速回転機械の回転軸を安定して支持するジャーナル軸受には、ティルティングパッドジャーナル軸受が採用されている。図１７に基づいて従来のティルティングパッドジャーナル軸受の構成を説明する。図１７はタービンや発電機の回転軸を安定して支持する従来のティルティングパッドジャーナル軸受を模式的に示す横断面図である。
【０００３】
この図１７に示すように、ティルティングパッドジャーナル軸受１００は、円弧状のパッド３（３１、３２、３３・・・３６）と、円弧状に２分割された軸受内輪４（４１、４２）と、ピボット５（５１、５２、５３・・・５６）を備えて構成されている。円弧状のパッド３（３１、３２、３３・・・３６）は、回転軸のジャーナル（軸頸部）２の矢視回転方向にほぼ等間隔に配置されており、ジャーナル２を支持している。軸受内輪４（４１、４２）は、各パッド３１、３２、３３・・・３６を外側から囲繞するように支持している。ピボット５（５１、５２、５３・・・５６）は、軸受内輪４に取り付けられ、各パッド３１、３２、３３・・・３６の背面を支持することによりジャーナル２の動きに対して各パッド３１、３２、３３・・・３６を揺動可能にしている。実際には、軸受内輪４の外側には軸受外輪があり、さらに軸受外輪は軸受ケーシングあるいは基礎に固定されるようになっているが、ここでは図示していない。このように構成されたティルティングパッドジャーナル軸受１００には潤滑剤として潤滑油が用いられており、この潤滑油は回転するジャーナル２とパッド３との間に発生する摩擦により移動してジャーナル２と各パッド３間に供給されている。
【０００４】
図１８に基づいてパッド３の傾き状態およびくさび効果について説明する。図１８は複数枚のパッド３のうちの任意の１枚に注目して描いた拡大図である。この図１８に示すように、軸受内輪４の内面４ａの曲率中心Ｏｂと、パッド３の摺動面３ａの曲率中心Ｏｐと、パッド３の重心Ｇとを通る一点鎖線で示す直線、すなわちパッド３の中心位置を通る直線Ｌ１を引き、さらにパッド３の重心Ｇからその直線Ｌ１に垂直な直線Ｌ２を引き、この垂直な直線Ｌ２をパッド３の傾き角度（揺動角度）αの基準角度（０°）としている。ここで、パッド３がピボット５を支点として反時計回りに傾くときの角度を正（＋）側、逆に時計回りに傾くときの角度を負（−）側と定義すると、ジャーナル２が矢視のように半時計回りに回転する場合、パッド３は反時計回りに傾くため、パッド３の傾き角度αは正（＋）になる。
【０００５】
前述したようにジャーナル２の回転によって潤滑油はジャーナル２とパッド３との隙間Ｃに供給されるわけであるが、ジャーナル２が高周速で回転するのに対してパッド３は静止しているため、ジャーナル２の摺動面２ａとパッド３の潤滑面３ａとの隙間Ｃに供給された潤滑油には、ジャーナル２側とパッド３側とで非常に大きな速度差が発生する。
【０００６】
潤滑油に速度差が発生すると、潤滑油にせん断力が働き、潤滑油内部に粘性力が発生する。この粘性作用と、ジャーナル２とパッド３の動きから形成されるパッド３の傾き状態によって両者間にくさび効果が発生し、ジャーナル２と、ジャーナル２にかかる荷重を支える３個の下半部のパッド３６、３１および３２との隙間Ｃに供給された潤滑油には、図１７に示すような油膜圧力分布Ｐ６、Ｐ１およびＰ２が発生する。
【０００７】
下半部の各パッド３６、３１および３２に発生する油膜圧力分布Ｐ６、Ｐ１およびＰ２を全周積分するとジャーナル２にかかる荷重Ｗに一致する。ここで、最下部（真下）のパッド３１について説明すると、パッド３１の背面とピボット５１との接触点Ｔ１が、ジャーナル２の回転に応じて変化する油膜圧力分布Ｐ１の中心点の鉛直下方に位置するように自由に移動する。この様な現象は、最下部（真下）のパッド３１の両側に隣接するパッド３２やパッド３６についても同様である。
【０００８】
このようにして、パッド３は自動調心して全体的に軸受荷重Ｗを受けるようになり、オイルホイップを発生させる不安定化力の発生を防ぐことができるので、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−２９１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、近年、蒸気タービンや発電機の大型化、高速化の傾向が増した結果、安定性に優れたティルティングパッドジャーナル軸受といえども不安定振動が発生し易くなってきた。さらに、ターボ機械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、不安定化シール力の増大といった軸系の振動に対して、その安定度を低下する傾向を強めている。
【００１１】
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。
【００１２】
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不安定振動が生じる例が多く、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作動流体による流体力でありこれを不安定化力と呼び、次式（１）のように連成ばね項でモデル化されることが多い。
【数１】
2017072173.tif 000003
【００１３】
そこで、本発明の実施形態は、このような点を考慮してなされたものであり、より安定性の高いティルティングパッドジャーナル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】
【００１４】
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、軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドをパッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受において、
前記複数のパッドのうち、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角よりも、前記第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角が小さい、ことを特徴とする。
【００１５】
本実施形態に係るターボ機械は、複数の静翼翼列が配置されるケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に貫通したタービンロータ、及び前記タービンロータに設けられ、前記静翼翼列と交互に配置された複数の動翼翼列を有するタービン回転体と、前記タービンロータのジャーナルを前記ケーシングに対して回転自在に支持するティルティングパッドジャーナル軸受と、を備えたターボ機械であって
前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、軸受内輪の内部に円弧状の複数のパッドをパッド背面の支持点まわりに揺動可能に内蔵したティルティングパッドジャーナル軸受であって、
前記複数のパッドのうち、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角よりも、前記第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角が小さい、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本実施形態によれば、より安定性の高いティルティングパッドジャーナル軸受を提供することことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受の下半部を示す断面図。
【図２】油膜力を得るためシュミレーションについて説明する図。
【図３】第２実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図４】第３実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図５】第４実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図６】従来のティルティングパッドジャーナル軸受の給油構造を説明する図。
【図７】第５施形態に係る第１パッドの形状を説明する図。
【図８】第６実施形態に係る第１パッドの形状を説明する図。
【図９】第７実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図１０】第３パッドの変形を説明する図。
【図１１】ジャーナルと第３パッドとの隙間について説明する図。
【図１２】ジャーナルとパッドとの隙間を説明する図。
【図１３】第8実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図１４】第９実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図１５】第１０実施形態に係るパッドの形状を説明する図。
【図１６】蒸気タービンのタービン回転体の軸線Ｘを含む断面を示す図。
【図１７】従来のティルティングパッドジャーナル軸受を模式的に示す横断面図。
【図１８】複数枚のパッドのうちの任意の１枚に注目して描いた拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１９】
（第１実施形態）
第１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、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角よりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角を小さくすることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。より詳しくを、以下に説明する。
【００２０】
（構成）
図１に基づいて、第１実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受１００の構成を説明する。なお、各図を通して同一部品や同一要素には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図１は、第１実施形態に係るティルティングパッドジャーナル軸受１００の下半部を示す断面図である。
【００２１】
この図１に示すように、ティルティングパッドジャーナル軸受１００は、円弧状のパッド３（３１、３２'、３３・・・３６'）と、軸受内輪４と、ピボット５（５１、５２、５３・・・５６）とを、備えて構成されている。円弧状のパッド３（３１、３２'、３３・・・３６'）は、回転軸のジャーナル（軸頸部）２の矢視回転方向にほぼ等間隔に配置されており、ジャーナル２を支持している。ここでは、ジャーナル２は、ターボ機械におけるタービン回転体のジャーナルであり、例えば蒸気タービンにおけるタービンロータのジャーナルである。Ｗは、ジャーナル２の荷重Ｗの荷重方向を示しており、垂直方向真下を示している。ここでの荷重方向は重力方向と一到する。
【００２２】
上述のように、軸受内輪４は、パッド３（３１、３２'、３３・・・３６'）を外側から囲繞するように支持している。ピボット５（５１、５２、５３・・・５６）は、軸受内輪４に取り付けられ、各パッド３１、３２'、３３・・・３６'の背面を支持することによりジャーナル２の動きに対して各パッド３１、３２'、３３・・・３６''を揺動可能にしている。
【００２３】
ティルティングパッドジャーナル軸受１の下半部に配置された第1パッド３１'、第２パッド３２'、および第３パッド３６'のうち、垂直方向真下に配置された第1パッド３１の弧角θａよりも、第1パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'それぞれの弧角θｂ、θｃの方が小さい。すなわち、第1パッド３１の正面面積よりも第２パッド３２'及び第３パッド３６'それぞれの正面面積の方が小さく構成されている。ここで、弧角は各パッド３１、３２'、３３・・・３６'の周方向の長さを示す角度である。ここでは、例えば図１中の弧角θａ、θｂ、θｃで示すように、軸受内輪４の曲率中心と、パッド正面の両端部とを、結ぶ線分間の角度である。この例では、軸受内輪４の曲率中心と、パッド背面の両端部とを、結ぶ線分間の角度も弧角と一到している。また、例えばパッド正面の周方向曲率点と、パッド正面の両端部とを、結ぶ線分間の角度を弧角としてもよい。
【００２４】
（作用）
前述したように、第２パッド３２'、第３パッド３６'の弧角を小さくしたことにより、ジャーナル２と第２パッド３２'、第３パッド３６'間に発生する油膜の範囲が、ジャーナル２と第1パッド３１間に発生する油膜の範囲よりも小さくなる。これにより、第２パッド３２'、第３パッド３６'にかかる負荷はより減少している。すなわち、水平方向の油膜力を減少させることで、軸受油膜力の異方性をより増加させている。
【００２５】
次に、図２に基づいて油膜力を得るためシュミレーションについて説明する。図２は、油膜力を得るためシュミレーションについて説明する図である。この図２において、ジャーナル２と下半部の各パッド３１、３２'、３６'との間には、パッド３内面、すなわちパッド正面とジャーナル２の半径ｒｊの差に相当する間隙Cが形成されている。ジャーナル２は回転する場合、当該ジャーナル２とパッド３との間隙C内に形成される油膜力とジャーナル２の自重とが平衡する位置（破線で示すジャーナルは符号２’の位置）まで下降し、その中心はＯ１から偏心量ｅだけ偏心したＯ２まで移動する。
【００２６】
このときのジャーナル２’と各パッド３との間に形成される間隙ｈ１、ｈ２、ｈ６は次式（２）で表される。
【数２】
2017072173.tif 000004
【００２７】
ここで、εはｅ／Ｃを表わし偏心率を意味し、Φは図２の偏心方向Ｏ１―Ｏ２を基準とした元のジャーナル２との円周方向の角度を示す。また、α６は第３パッド３６'の傾きを、β１，β２は第３パッド３６'の支点位置からジャーナル２の回転方向後端、前端までの長さを示している。またｒｊはジャーナル２の半径、Ｏｐ６は偏心方向Ｏ１―Ｏ２を結ぶ直線からパッド３６'の支点までの角度をそれぞれ示している。
【００２８】
このようなティルティングパッドジャーナル軸受において、ジャーナル２’の自重に対してパッド３ごとに発生する軸受の油膜圧力ｐは円周方向座標をθ、軸方向座標をｚとすると、下記式（３）に示す潤滑方程式から求まる。
【数３】
2017072173.tif 000005
【００２９】
ここで、μは潤滑油の温度、Ｕはジャーナルの周速度を示す。ティルティングパッドジャーナル軸受１００では、パッド面において、パッドのほぼ中央に設置されているピボット回りのモーメントがゼロになるように油膜圧力が発生する。パッドの慣性を無視するとピボットまわりのモーメントの釣り合いより式（４）が得られ、パッドにかかる負荷Ｗｐｉと油膜力の釣り合いより式（５）が得られる。
【数４】
2017072173.tif 000006
【数５】
2017072173.tif 000007
【００３０】
この式(４)、（５）で表わされた理論式を、コンピュータ上でシミュレーションすることにより各パッド３１、３２'、３６'の油膜力を得ることができる。このシュミレーション結果から、真下に位置する第1パッド３１の水平方向左右に位置する第２パッド３２'および第３パッド３６'の弧角を小さくしたことにより、各パッド３２'および３６'にかかる負荷は減り、主に水平方向の油膜力も減少し、それに伴って真下に位置する第1パッド３１にかかる負荷が増え、垂直方向の油膜力が増加する結果が得られている。すなわち軸受油膜力の異方性が増加するのである。このようにティルティングパッドジャーナル軸受１００の油膜力は、潤滑方程式（３）から得られた理論式、ピボットまわりのモーメントの釣り合いに関する式（４）およびパッドにかかる負荷と油膜力の釣り合いに関する式（５）をコンピュータ上でシミュレーションすることにより得ることが可能である。
【００３１】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１の弧角よりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の弧角を小さくすることとした。これにより、第２パッド３２'及び第３パッド３６'における水平方向の油膜力をより低減することで軸受油膜力の異方性が増加し、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ぐことができ、安定性の良いティルティングパッドジャーナル軸受を提供可能である。
【００３２】
（第２実施形態）
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は、垂直方向真下に配置された第１パッドの軸方向長さよりも、この第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの軸方向長さを短くすることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００３３】
（構成）
図３に基づいて第２実施形態に係るパッド３’を説明する。図３は、第２実施形態に係るパッド３’の形状を説明する図である。この図３に示すように、水平方向に配置されたパッドの軸方向長さＬを短くしたことで、実施形態１と異なる。すなわち、ティルティングパッドジャーナル軸受１の下半部に配置された第1パッド３１、第２パッド３２'、および第３パッド３６'のうち、垂直方向真下に配置された第1パッド３１の軸方向長さＬよりも、第1パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の軸方向長さを短くし、Ｌ’としたのである。
【００３４】
また、本実施形態では、弧角θａと、弧角θｂ、θｃとは、同じ角度に構成されている。つまり、第1パッド３１'の周方向長さと、第２パッド３２'、および第３パッド３６'の周方向長さとは、等しく構成されている。
【００３５】
（作用）
前述したよう、パッド３２'、３６'の軸方向長さを短くしたことにより、ジャーナル２とパッド３２'、３６'間に発生する油膜の範囲が、ジャーナル２と第1パッド３１間に発生する油膜の範囲よりも小さくなる。これにより、パッド３２'、３６'にかかる負荷はより減少している。すなわち、水平方向の油膜力を減少させることで、軸受油膜力の異方性をより増加させることが可能である。また、弧角θａと、弧角θｂ、θｃとは、同じ角度に構成されているので、第２パッド３２'及び第３パッド３６'の周方向の油膜範囲を、従来と同等の範囲にすることが可能である。
【００３６】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１の軸方向長さよりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の軸方向長さを短くすることとした。これにより、これにより、第２パッド３２'及び第３パッド３６'における水平方向の油膜力をより低減することで軸受油膜力の異方性がより増加し、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。また、軸受油膜力の異方性を維持すると共に、第２パッド３２'及び第３パッド３６'の周方向の油膜範囲を従来と同等の範囲にすることができる。
【００３７】
（第３実施形態）
第３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、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角及び軸方向長さよりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角を小さくすると共に軸方向長さを短くすることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００３８】
（構成）
図４に基づいて第３実施形態に係るパッド３’’を説明する。図４は、第３実施形態に係るパッド３’’の形状を説明する図である。この図４に示すように、パッドの軸方向長さＬをＬ’と短くしたことで、実施形態１と異なる。すなわち、ティルティングパッドジャーナル軸受１の下半部に配置されたパッド３１、３２'、および３６'のうち、垂直方向真下に配置された第1パッド３１の軸方向長さＬよりも、第1パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３１'及び第３パッド３６'の軸方向長さを短くし、Ｌ’としたものである。
【００３９】
（作用）
前述したよう、パッド３２'、３６'の弧角を小さくし、且つパッド３２'、３６'の軸方向長さを短くしたことにより、ジャーナル２とパッド３２'、３６'間に発生する油膜の範囲が、ジャーナル２とパッド３１'間に発生する油膜の範囲よりも小さくなる。これにより、パッド３２'、３６'にかかる負荷はより減少する。すなわち、水平方向の油膜力を減少させることで、軸受油膜力の異方性をより増加させることが可能である。また、異方性が生じる油膜範囲を維持させた状態で、第２パッド３２'及び第３パッド３６'の周方向及び軸方向の長さを変更して、第２パッド３２'及び第３パッド３６を構成可能である。これにより、ジャーナル２の回転及び負荷特性に応じて、第２パッド３２'及び第３パッド３６'の周方向及び軸方向の油膜範囲を変更可能である。
【００４０】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１の弧角及び軸方向長さよりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の弧角を小さくすると共に、第１パッド３１の軸方向長さよりも第２パッド３２'及び第３パッド３６'の軸方向長さを短くすることとした。これにより、軸受油膜力の異方性がより増加し、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ぐことができる。また、軸受油膜力の異方性を維持すると共に、第２パッド３２'及び第３パッド３６'の周方向及び軸方向の油膜範囲を変更することができる。
【００４１】
（第４実施形態）
第４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、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角よりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの弧角を小さくすると共に、第１パッドの回転上流側に潤滑油給油孔を配置することで、軸受油膜力の異方性をより増加させる共に軸受損失をより低減しようとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００４２】
（構成）
図５に基づいて第４実施形態に係る第１パッド３１を説明する。図５は、第４実施形態に係る第１パッド３１の形状を説明する図である。この図５に示すように、第１パッド３１の回転上流側に潤滑油給油孔６を配置するこで、実施形態１と異なる。また、軸受内輪４の潤滑油給油孔６に対応する位置に外部給油孔７が設けられている。
【００４３】
（作用）
図６に基づいて、従来のティルティングパッドジャーナル軸受の給油構造を説明する。図６は、従来のティルティングパッドジャーナル軸受の給油構造を説明する図である。この図６に示すように、給油孔８から矢印９の流れでジャーナル２とパッド３の間を潤滑油が循環しており、軸受内は油で満たされた状態である。本実施形態では、第３パッド３６'の弧角が小さくなったことによってできた空間に、第１パッド３１の回転上流側にパッド給油孔６を設けた。これにより、外部給油孔７からパッド給油孔６を通って、ジャーナル２と第１パッド３１の隙間に必要な分だけ潤滑油を供給することができる。第１パッド３１は、ジャーナル２の荷重を最も受けるパッドであるので、効率的に潤滑油を供給することができ、軸受損失をより低減可能である。
【００４４】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１の弧角よりも、第１パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の弧角を小さくする共に、第１パッド３１の回転上流側にパッド給油孔６を設けることとした。これにより、第１実施形態と同等の効果を得ることができると共に、荷重を最も受ける第１パッド３１に効率的に潤滑油を供給することができ、軸受損失をより低減することができる。
【００４５】
（第５実施形態）
第５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、垂直方向真下に配置された第１パッドの弧角を、他のパッドの弧角よりも大きく構成することで、軸受油膜力の異方性をより増加させようとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００４６】
（構成）
図７に基づいて第５施形態に係る第１パッド３１'を説明する。図７は、第５施形態に係る第１パッド３１’の形状を説明する図である。この図７に示すように、水平方向に配置された第２パッド３２、及び第３パッド３６の弧角は従来と同等にし、真下の第１パッド３１'のパッド弧角θａ’を左右のパッド３２、３６の弧角より大きくしたものである。すなわち、ジャーナル２の荷重を最も受ける第１パッド３１'における弧角が、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの弧角よりも大きく構成されている。なお、真下の第１パッド３１'における弧角を大きくすると共に、水平方向に配置された第２パッド３２及び第３パッド３６の弧角を第１実施形態と同様に小さくしてもよい。
【００４７】
（作用）
前述したように図７において、第１パッド３１’の弧角が大きくなったことにより、ジャーナル２とパッド３１’間に発生する油膜の範囲がより大きくなる。これにより、第１パッド３１'にかかる負荷は増加する。すなわち、垂直方向の油膜力が増加することで、第１実施形態と同様の作用となり、軸受油膜力の異方性を増加させることが可能となる。このように、相対的に垂直方向の油膜力がより増加することで、軸受油膜力の異方性を増加させることが可能である。また、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの特性を従来と同等に維持可能である。
【００４８】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１'の弧角を、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの弧角よりも大きく構成することとした。これにより、第１パッド３１の垂直方向の油膜力がより増加することで軸受油膜力の異方性がより増加し、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ぐことができる。また、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの特性を従来と同等に維持することができる。
【００４９】
（第６実施形態）
第６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、垂直方向真下に配置された第１パッドの軸方向長さを、他のパッドの軸方向長さよりも長くすることで、軸受油膜力の異方性をより増加させようとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００５０】
（構成）
図８に基づいて第６実施形態に係る第１パッド３１'を説明する。図８は、第６実施形態に係る第１パッド３１'の形状を説明する図である。この図８に示すように、水平方向に配置された第２パッド３２、及び第３パッド３６の軸方向長さＬはそのままで、真下の第１パッド３１'の軸方向長さＬ'をより長くくしたものである。すなわち、ジャーナル２の荷重を最も受ける第１パッド３１'における軸方向長さが、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの軸方向長さよりも長く構成されている。すなわち、ジャーナル２の荷重を最も受ける第１パッド３１''における軸方向長さが、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの軸方向長さよりも大きく構成されている。
【００５１】
なお、真下のパッド３１'における軸方向長さを長くすると共に、左右のパッド３２、３６の弧角を第１実施形態と同様に小さくしてもよい。また、真下のパッド３１'における軸方向長さを長くすると共に、弧角をより大きくしてもよい。
【００５２】
（作用）
前述したように、真下に設置されている第１パッド３１'の軸方向長さが長くなったことにより、ジャーナル２と第１パッド３１'間に発生する油膜の範囲も大きくなる。これにより、第１パッド３１'にかかる負荷は増加する。すなわち、垂直方向の油膜力が増加することで、第１実施形態と同様の作用となり、軸受油膜力の異方性を増加させることが可能となる。このように、相対的に第１パッド３１'の垂直方向の油膜力がより増加することで、軸受油膜力の異方性をより増加させることが可能である。
【００５３】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１'の軸方向長さを、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの軸方向長さよりも長く構成することとした。これにより、第１パッド３１'の垂直方向の油膜力がより増加することで軸受油膜力の異方性がより増加し、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ぐことができる。また、パッド３（３１'、３２、３３・・・３６）のなかの他のパッドの特性を従来と同等に維持することができる。
【００５４】
（第７実施形態）
第７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、垂直方向真下に配置された第１パッドにおけるパッド背面の周方向曲率半径弧角よりも、第１パッドの両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドの水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドにおけるパッド背面の周方向曲率半径弧角を小さくすることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００５５】
（構成）
図９乃至１２に基づいて第７実施形態に係る第２パッド３２'、及び第３パッド３６'を説明する。図９は、第７実施形態に係るパッド３２'、３６'の形状を説明する図である。この図９に示すように、第２パッド３２'、及び第３パッド３６のパッド背面１０２、１０６の周方向曲率半径Ｒ１’が第１パッド３１の周方向曲率半径Ｒ１より小さくなるように構成されている。
【００５６】
（作用）
図１０に基づきジャーナル２から圧力Ｐを受けた際の第３パッド３６'の変形を説明する。図１０は、第３パッド３６'の変形を説明する図である。この図１０に示すように、第３パッド３６'がジャーナル２から圧力Ｐを受けた際に、パッド背面１０６と軸受内輪内面４ａの接触による変形量δが発生する。ヘルツの理論によれば、この変形量δと圧力Ｐの関係は、接触点におけるパッド背面の周方向曲率半径Ｒ１、軸方向曲率半径Ｒ2、軸受内輪内面の周方向曲率半径Ｒ3、軸方向曲率半径Ｒ4とすると、式（６）、式（７）で示される。
【数６】
2017072173.tif 000008
【数７】
2017072173.tif 000009
【００５７】
ここで、Ｅは縦弾性係数、νはポアソン比、λは接触面の曲率がなす角から決まる定数である。このため、パッド背面の周方向曲率半径Ｒ１が小さくなるとＡが大きくなり、変形量δが大きくなる。変形量δが大きくなると、ジャーナル２と第３パッド３６'との隙間が広がる。このことから分かるように、パッド背面の周方向曲率半径Ｒ１が小さくなるに従い、同じ圧力Ｐに対して、変形量δが大きくなる。
【００５８】
図１１に基づいて、ジャーナル２と第３パッド３６'との隙間Ｃ’について説明する。図１１は、ジャーナル２と第３パッド３６'との隙間Ｃ’について説明する図である。この図１１においては、ｒｓはジャーナル２の半径、ｒｐは圧力Ｐがかかる前の中心から第３パッド３６の内面、すなわちパッド正面までの距離、ｒｐ’は圧力Ｐがかかった後の中心から第３パッド３６のパッド正面までの距離を示している。ｒｐ’とｒｐとの差分が変形量δに対応している。すなわち、圧力Ｐがかかった後のジャーナル２と第３パッド３６'との隙間Ｃ’と、圧力Ｐがかかる前のジャーナル２と第３パッド３６'との隙間Ｃとの差分が変形量δに対応している。
【００５９】
図１２に基づいて間隙ｈ１、ｈ２、ｈ６について説明する。図１２はジャーナル２とパッド３１、３２'、３６'との隙間を説明する図である。この図１２に示すように、ジャーナル２が実際に回転する場合、ジャーナル２はジャーナル２とパッドとの間隙内に形成される油膜力とジャーナル２の自重とが平衡する位置まで下降する。この場合、このジャーナル２の中心はＯ１から偏心量ｅだけ偏心したＯ２まで移動し、ジャーナル２は符号２’で示す状態となる。ジャーナル２’と各パッドとの間に形成される間隙ｈ１、ｈ２、ｈ６は式（８）で表される。
【数８】
2017072173.tif 000010
【００６０】
ここで、
【数９】
2017072173.tif 000011
【００６１】
を表わし、偏心率を意味する。Φは図１２に示すように直線Ｏ１―Ｏ２を基準とし、直線Ｏ１―Ｏ２から対象とする第２パッド３２’の間隙までの円周方向の角度を示す。式（８）で示すように間隙ｈ１＜ｈ２＝ｈ６の関係が成り立っている。すなわち、軸受油膜力は隙間が小さいほど大きくなるので、第１パッド３１にからる軸受油膜力が一番大きくなる。
【００６２】
さらに、式（６）で示したように、周方向曲率半径Ｒ１’をより小さくすることで、変形量δが大きくなる。すなわち、周方向曲率半径Ｒ１’をより小さくすることで、間隙Ｃ’が大きくなる。これにより、式（８）で示すようにｈ２、ｈ６と比較してｈ１がさらに小さくなりパッド１の偏心率εが大きくなる。このことから分かるように、周方向曲率半径Ｒ１’をより小さくすることで、第１パッド３１にかかる負荷がより増大し、垂直方向の油膜力が大きくなることで軸受油膜力の異方性が増加する。
【００６３】
（効果）
以上のように、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１００によれば、垂直方向真下に配置された第１パッド３１におけるパッド背面の周方向曲率半径弧角よりも、第１パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'におけるパッド背面の周方向曲率半径弧角を小さくすることとした。これにより、第２パッド３２'及び第３パッド３６'の正面とジャーナル２の隙間がより広がることで、軸受油膜力の異方性をより増加させることができ、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ぐことができる。
【００６４】
（第８実施形態）
第８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、水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドにおけるパッド後方の端部にテーパ部を設けることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００６５】
（構成）
図１３に基づいて第8実施形態に係るパッド３２'、３６'を説明する。図１３は、第８実施形態に係るパッド３２'、３６の形状を説明する図である。この図１３に示すように、水平方向に配置された第２パッド３２'、及び第３パッド３６のジャーナルの回転方向に対してパッド後方の端部にテーパ部１１を設けたことで、第１乃至第７実施形態と異なる。
【００６６】
（作用）
前述したように、パッド３２'、３６'の後端にテーパ部１１を設けたことで、テーパ部１１の範囲にて油膜圧力が発生しなくなり、水平方向に配置された第２パッド３２'、及び第３パッド３６'の全体にかかる負荷も減少する。すなわち、水平方向の油膜力は減少し軸受油膜力の異方性の増加が可能となる。また、テーパ部１１の傾きを調整することで、作動流体、すなわち潤滑油の流れ方の調整も可能である。
【００６７】
（効果）
以上のように、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１００によれば、第１パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の後端にテーパ部１１を設けることとした。これにより、軸受油膜力の異方性が増加し、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ぐことができると共に、潤滑油の流れ方の調整も可能である。
【００６８】
（第９実施形態）
第９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、水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドにおけるパッド前方の端部にテーパ部を設けることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００６９】
（構成）
図１４に基づいて第９実施形態に係るパッド３２'、３６'を説明する。図１４は、第９実施形態に係るパッド３２'、３６の形状を説明する図である。この図１４に示すように、水平方向に配置された第２パッド３２'、第３パッド３６'のジャーナルの回転方向に対してパッド前方の端部にテーパ部２を設けたことで、第１乃至第８実施形態と異なる。
【００７０】
（作用）
前述したように、パッド３２'、３６'の前端にテーパ部１２を設けたことで、第８実施形態と同様にテーパ部１２の範囲にて油膜圧力が発生しなくなり、水平方向に配置された第２パッド３２'、第３パッド３６の全体にかかる負荷も減少する。これのより、水平方向の油膜力は減少し軸受油膜力の異方性の増加が可能となる。さらに、ジャーナル２とパッド３２'、３６'の隙間に流れ込む軸受の潤滑油がテーパ１２によって隙間に入り込みやすくなり、軸受油膜の油切れのリスク低減につながる。
【００７１】
（効果）
以上のように、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１００によれば、第１パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の前端にテーパ部１２を設けることとした。これにより、軸受油膜力の異方性が増加し、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ぐことができると共に、ジャーナル２とパッド３２'、３６'の隙間に流れ込む軸受の潤滑油を増加させることが可能である。
【００７２】
（第１０実施形態）
第１０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、水平方向に配置された第２パッド及び第３パッドにおけるパッド前方及び後方の端部にテーパ部を設けることにより、軸受油膜力の異方性をより増加させて不安定振動の発生を防ごうとしたものである。以下、上述した第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００７３】
（構成）
図１５に基づいて第１０実施形態に係るパッド３２'、３６'を説明する。図１５は、第１０実施形態に係るパッド３２'、３６'の形状を説明する図である。この図１５に示すように、水平方向に配置された第２パッド３２'、第３パッド３６'のジャーナルの回転方向に対してパッド前方及び後方の端部にテーパ部１３及び１４を設けたことで、第１乃至第９実施形態と異なる。
【００７４】
（作用）
前述したように、パッド３３２'、３６'の前端にテーパ部１３を設けたことで、第９実施形態と同様に、ジャーナル２とパッド３２'、３６'の隙間に流れ込む軸受の潤滑油がテーパ１３によって隙間に入り込みやすくなり、軸受油膜の油切れのリスク低減につながる。
【００７５】
さらに、テーパ部１３及び１４の範囲にて油膜圧力が発生しなくなり、左右パッド３２'、３６'全体にかかる負荷も減少し、水平方向の油膜力は減少し軸受油膜力の異方性の増加が可能となる。
【００７６】
（効果）
以上のように、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１００によれば、第１パッド３１の両側に隣接して水平方向に配置された第２パッド３２'及び第３パッド３６'の前端及び後端にテーパ部１３，１４を設けることとした。これにより、軸受油膜力の異方性の増加をすると共に、ジャーナル２とパッド３２'、３６'の隙間に流れ込む軸受の潤滑油を増加させことができ、且つ潤滑油の流れ方の調整も可能である。
【００７７】
（第１１実施形態）
第１１実施形態に係るターボ機械は、軸受油膜力の異方性をより増加させたティルティングパッドジャーナル軸受でジャーナルを支持することにより、タービンロータにおける不安定振動の発生を防ごうとしたものである。より詳しくを、以下に説明する。
【００７８】
（構成）
図１６に基づいて本実施の形態におけるターボ機械の一例を説明する。図１６は、蒸気タービン３０のタービン回転体３２の軸線Ｘを含む断面（子午断面）を示す図である。この図１６に示すように、ターボ機械の一例である蒸気タービン３０は、ケーシング３２と、タービン回転体３４と、ティルティングパッドジャーナル軸受１００とを備えて構成されている。ケーシング３２は作動蒸気を密閉する。タービン回転体３４は、軸線が水平方向に沿っており、タービンロータ３６と、動翼翼列３８とを備えて構成されている。タービンロータ３６は、ケーシング３２内に回転自在に貫通している。動翼翼列３８は、タービンロータ３６に設けられている。また、複数の静翼翼列４０がケーシング３２内に設けられ、タービン回転体３４の軸線方向に動翼翼列３８と交互に配置されている。本実施の形態による蒸気タービン３０は横置きにされており、タービン回転体３２の軸線が水平方向に沿っている。ティルティングパッドジャーナル軸受１００は、タービンロータ３６のジャーナルをケーシング３２に対して回転自在に支持する。すなわち、このティルティングパッドジャーナル軸受１００は、実施形態１乃至１０のいずれかに係るティルティングパッドジャーナル軸受である。
【００７９】
（作用）
タービンロータ３６のジャーナルを、軸受油膜力の異方性を増したティルティングパッドジャーナル軸受１００で支持するので、タービンロータ３６の不安定振動を抑制する。
【００８０】
（効果）
以上のように、本実施形態に係るターボ機械は、タービンロータ３６のジャーナルを、軸受油膜力の異方性を増したティルティングパッドジャーナル軸受１００で支持することとした。これにより、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ぐことができ、不安定振動をより抑制したターボ機械を提供可能である。
【００８１】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００８２】
２：ジャーナル、３１、３２、３３・・・３６、３１'、３２'、３６'：パッド、４：軸受内輪、５１、５２、５３・・・５６：ピボット、６：パッド給油孔、３０：蒸気タービン、３２：ケーシング、３４：タービン回転体、３６：タービンロータ、３８：動翼翼列、４０：静翼翼列、１００：ティルティングパッドジャーナル軸受
【図１】
2017072173.tif 000012
【図２】
2017072173.tif 000013
【図３】
2017072173.tif 000014
【図４】
2017072173.tif 000015
【図５】
2017072173.tif 000016
【図６】
2017072173.tif 000017
【図７】
2017072173.tif 000018
【図８】
2017072173.tif 000019
【図９】
2017072173.tif 000020
【図１０】
2017072173.tif 000021
【図１１】
2017072173.tif 000022
【図１２】
2017072173.tif 000023
【図１３】
2017072173.tif 000024
【図１４】
2017072173.tif 000025
【図１５】
2017072173.tif 000026
【図１６】
2017072173.tif 000027
【図１７】
2017072173.tif 000028
【図１８】
2017072173.tif 000029