JP2009063015A - ティルティングパッド型ジャーナル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡単な構造でティルティングパッド型ジャーナル軸受の表面温度と油膜温度を低下させ、軸受の信頼性を向上する。
【解決手段】
ティルティングパッド型軸受５０は、回転軸１をラジアル方向に支持する複数のティルティングパッド２を有する。ティルティングパッドにその内部を周方向に貫通する複数の冷却流路７を形成する。冷却流路はティルティングパッドの前縁２ｂ面に入口、後縁２ａ面に出口を有する。出口は入口より半径方向内側に設けられており、冷却流路が斜めに傾斜した部分を有する。さらに、冷却流路の出口はティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側である。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッド型のジャーナル軸受に係り、特にタービンや発電機、圧縮機などの大型回転機械の回転軸を支承するのに好適なティルティングパッド型ジャーナル軸受に関する。

従来のパッド形ジャーナル軸受の例が、特許文献１〜４に記載されている。この中で、特許文献１に記載のジャーナル軸受では、軸受本体が上下に２分割構造になっており、軸受け本体の内面には、分割されたパッドがパッドの一端側近くを中心に回動可能に設けられている。さらに、上側の軸受本体に設けられたパッドの内面には、回転方向に向かって徐々に断面積が減少する溝が形成されている。これにより、軸受の制振機能を増大させるとともに、軸受温度の上昇の抑制も図っている。

また、特許文献２に記載のジャーナル軸受では、ティルティングパッドの軸受面よりも背面側に周方向に延びる冷却流路を形成している。そして、冷却流路中を、回転軸の回転方向とは逆方向に潤滑油を流し、ティルティングパッドを潤滑油で冷却した後に、潤滑油を軸受面に供給している。これにより、軸受温度の上昇の抑制を図っている。

特許文献３では特許文献２と同様に、軸受面では回転軸の回転方向に潤滑油が流れるように、各ティルティングパッドの上流端側に、複数の潤滑油供給ノズルを軸方向に並べて設けて、軸受温度が上昇するのを抑制している。

特開昭５８−１０２８１９号公報 特開２００６−１１２４９９号公報 特開２０００−２７４４３２号公報

しかしながら、上記特許文献１や２に記載のパッド形ジャーナル軸受では、軸受の構造が複雑となり、大型化するとともに製作が困難になる。軸受部が大型化すると、軸受部の損失も無視できなくなり、高速回転機械等ではその損失低減が重要な課題になる。

また、特許文献３に記載のパッド形ジャーナル軸受では、パッド表面近くに設けた給油ノズルから、比較的低温の潤滑油を軸受面に供給しているので、軸受パッドの表面温度と油膜温度を低減することが可能である。しかしながら、１個のパッドの軸受面を潤滑した潤滑油が回転軸と連れまわり、隣合うパッドに流れ込むキャリーオーバー現象を完全に防止することができない。そのため、軸受面での潤滑油の温度は、給油ノズルから供給される潤滑油の温度より高くなってしまう。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ティルティングパッド形ジャーナル軸受を簡単な構造としながら、パッドの表面温度や油膜温度の上昇を低減することにある。また、本発明の他の目的は、ジャーナル軸受を簡単な構造としながら、ティルティングパッド型ジャーナル軸受の信頼性を従来以上に向上させることにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、回転軸をラジアル方向に支持する複数のティルティングパッドを有するティルティングパッド型軸受において、各ティルティングパッドにその内部を周方向に貫通する複数の冷却流路を形成し、この冷却流路はティルティングパッドの前縁面に入口、後縁面に出口を有し、出口は入口より半径方向内側に設けられて冷却流路が斜めに傾斜した部分を有することにある。

そしてこの特徴において、冷却流路の出口をティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側とするがのよく、ティルティングパッドの前縁は外径側で下流側に傾斜しており、前縁面が２つの屈折した面で形成されていてもよい。

また、ティルティングパッドの潤滑部近傍に直接潤滑油を供給する給油ノズルと、冷却流路の入口近傍に潤滑油を供給する冷却用給油ノズルとを設け、ティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側に出口位置を有する冷却油配管を冷却流路出口に接続してもよい。

上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、回転軸をラジアル方向に支持する複数のティルティングパッドを有するティルティングパッド型軸受において、ティルティングパッドを周方向に貫通する冷却流路を形成し、ティルティングパッドの潤滑部近傍に直接潤滑油を供給する給油ノズルと、ティルティングパッドを冷却する冷却用給油ノズルとを設け、冷却流路出口に、各ティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側に出口位置を有する冷却油配管を接続したことにある。

本発明によれば、ティルティングパッド型ジャーナル軸受において、パッドに簡単な加工を施すだけでパッドの表面温度や油膜の温度上昇を抑制できる。したがって、ティルティングパッド型ジャーナル軸受の焼付きを防止でき、軸受の信頼性をより一層向上できる。

以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１および図２に、本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受５０の一実施例を、横断面図および部分斜視図で示す。本実施例で示すティルティングパッドジャーナル軸受５０は、多段の遠心圧縮機のような高速でかつ危険速度に近い領域で運転される回転体を支持するのに好適である。

ティルティングパッド型ジャーナル軸受５０は、高速で回転方向１１に回転する回転軸１をラジアル方向に支持する。周方向にほぼ等間隔に設けられた複数個（本例では５個）のティルティングパッド２が、軸受ハウジング９内に収容されている。軸受ハウジング９は筒状であり、その内周面には周方向にほぼ等間隔に、ティルティングパッド２の個数だけ突起であるピボット３が形成されている。なお、ピボット３を、軸方向に複列設けてもよい。

ティルティングパッド２は、軸直角断面が扇形をしており、軸受面と反対面である背面側にピボット３が係合する窪みが形成されている。したがって、ティルティングパッド２を軸受ハウジング９内に収容したときは、ティルティングパッド２はピボット３を中心に周方向左右および軸方向前後に揺動可能である。またティルティングパッド２の背面側には、軸受ハウジング９との間で揺動できるように隙間が形成されており、ティルティングパッド２の内周面側には、回転軸１との間に軸受隙間が形成される。

各ティルティングパッド２が、ピボット３部を係合位置として軸受ハウジング９に収容されたときに、周方向にティルティングパッド２間となる軸受ハウジング９の位置に、各ティルティングパッド２に潤滑油を供給する潤滑油の給油口４を、半径方向に形成する。給油口４から供給される潤滑油１０ａは、他の給油口４から給油され他のティルティングパッド２をすでに潤滑して温度上昇し、回転軸１とともに連れ回るキャリーオーバー油１０ｂと混合して、給油口４に隣り合って位置するティルティングパッド２の内周面に流入する。ティルティングパッド２の内周面に流入した潤滑油１０ｃは、回転軸１とティルティングパッド２間で油膜を形成し、回転軸１とティルティングパッド２との直接接触を防止し、回転軸１に作用する荷重を負担する。

隣り合う他のティルティングパッド２をすでに潤滑したキャリーオーバー油１０ｂは、回転軸１に作用する荷重を負担するとともに、周方向流れに起因する摺動摩擦により温度上昇する。そして粘性により回転軸１の回転に引きずられ、隣のティルティングパッド２にその一部が流れ込む。キャリーオーバー油１０ｂ自体はこれらの理由で温度上昇するが、キャリーオーバー油１０ｂと混合する給油口から給油された新鮮な潤滑油１０ａは、混合により熱伝達して温度が上昇する。この温度上昇した新鮮な潤滑油１０ａの一部も、回転軸１に連れまわり隣のティルティングパッド２に流れ込む。

つまり、周方向に各ティルティングパッド２間に位置する給油口４からは、常に新鮮な低温の潤滑油１０ａが供給されるが、ティルティングパッド２の内周面である潤滑面に到達する潤滑油１０ｃは、給油口４から供給される潤滑油１０ａより温度が上昇している。このように油浴方式のティルティングパッド型ジャーナル軸受５０では、軸受面に供給される潤滑油１０ｃの温度は、給油口４に設定した給油温度より高くなっており、軸受性能を理想値よりも低下させる。

そこで、本実施例では、ティルティングパッド２内を周方向に貫通する冷却流路７を、各ティルティングパッド２に形成している。図１（ｂ）に示すように、ティルティングパッド２の外径側から内径側に斜めに潤滑油が流通する冷却流路７を、軸方向に並べて複数本形成する。冷却流路７は貫通穴であり、この図１（ｂ）では、２本形成している。冷却流路７は、回転軸１の回転方向の上流側（前縁側）を外径側にし、下流側（後縁側）を内径側にする。冷却流路７を形成したので、給油口４から給油された潤滑油の一部１０ｄは、冷却流路７へ流れ込む。ティルティングパッド２内を流通する潤滑油１０ｆは、ティルティングパッド２を内部から冷却する。そして、ティルティングパッド２から、温度上昇した潤滑油１０ｅが流出する。

ティルティングパッド２の詳細を図２の正面断面図で示す。各ティルティングパッド２の後縁面２ａから前縁面２ｂにかけて形成された冷却流路７は、出口の半径方向位置が、各ティルティングパッド２の半径方向厚さＨの１／２よりも内径側に形成される。特に、図２に示すティルティングパッド型ジャーナル軸受５０では、回転軸１の近傍に冷却流路７の出口を形成している。冷却流路７の出口を回転軸１の近傍に設けたので、軸受ハウジング９内の潤滑油は、積極的に冷却流路７に流通する。

従来の冷却流路のないティルティングパッド型ジャーナル軸受５０では、各ティルティングパッド２を潤滑した潤滑油と給油口４から供給される新鮮な潤滑油とが混合するティルティングパッド２間のスペースに、内径側で回転軸１の回転方向を向き、外径側で回転軸１の回転方向とは逆向きになる旋回流が発生する。この結果を踏まえると、冷却流路７の出口を回転軸１に近づければ近づけるほど、冷却流路７の入口と出口の動圧差を大きくすることができる。また、回転軸１が回転すると、潤滑油が回転軸１に引きずられて冷却流路７に流れ込む流れが形成されやすいので、冷却流路７を流れる潤滑油の量を増大させることが期待できる。

本実施例では、冷却流路７の出口の位置を、ティルティングパッド２の厚さＨの半分以下としたが、出口位置が回転軸１に近ければ近いほど流れ込み流が形成されやすく、冷却効果が向上する。また、ティルティングパッド２の潤滑面の温度は、潤滑面の後縁２ｂ側に近い後半部で高くなるので、後半部分を重点的に冷却すればティルティングパッド２の冷却において最も有効である。本実施例では、冷却流路７の出口の径方向位置を入口の径方向位置より内側に位置させているので、特に潤滑面の後半部分で、冷却流路７を流れる潤滑油とティルティングパッドで発生した熱との熱交換が促進される。

冷却流路７を流通し、ティルティングパッド２の内部を冷却した潤滑油１０ｅは、給油口４から流入した潤滑油１０ａよりも温度上昇しているものの、ティルティングパッド２と回転軸１間を潤滑する潤滑油１０ｃよりは低温である。冷却流路７を通った潤滑油１０ｅを回転軸１の回転による吸い込み作用で積極的に回転軸１に連れまわさせ、潤滑油１０ｃと混合させる。これにより、回転軸１の回転方向に隣り合うティルティングパッド２に作用する潤滑油の温度を、潤滑油１０ｃの温度より低く抑えることができる。

本実施例によれば、冷却流路７から排出される潤滑油１０ｅが回転軸１に連れ回っているキャリーオーバー油１０ｂと混合するので、実際にティルティングパッド２で潤滑に作用する油膜形成潤滑油１０ｃの温度が低下する。従来の一般的なティルティングパッド型ジャーナル軸受や、ただ単に冷却流路を備えたティルティングパッド型ジャーナル軸受に比べて、よりティルティングパッド２の表面温度および油膜温度を低下させるることができる。したがって、潤滑油量を低減することが可能となり、攪拌損失を低減できる。また、ティルティングパッド型ジャーナル軸受の給油装置を小型化でき、コストダウンが可能になる。

図３に、本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の他の実施例を、横断面図（同図（ａ））および部分斜視図（同図（ｂ））で示す。本実施例は、上記実施例とは、各ティルティングパッド２の軸直角断面形状が相違している。具体的には、上記実施例では円環を切断した断面形状であったものを、前縁２ｂを屈折した２平面で構成している。前縁２ｂの内径側であって上流側に広いスペースを形成したので、給油口４から流入する潤滑油１０ａと回転軸１の回転に連れ回りする潤滑油とが混合した潤滑油１０ｇの旋回流が形成されやすくなる。この旋回流により、冷却流路７へより効果的に潤滑油が流入する。

なお、ティルティングパッド２の前縁２ｂは、外径側で大きく下流側に傾いている。冷却通路７へできるだけ滑らかに潤滑油を流通させるために、冷却通路７は周方向に途中までほぼ水平な形状で、途中から内径側に屈折した形状としている。ここで、水平とは、ピボット３と回転軸１の中心を結ぶ線に垂直な面である。この場合でも、冷却流路７の出口は回転軸１に近づけるのが望ましく、ティルティングパッド２の半径方向厚さＨの１／２以下にする。

図４に、本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受のさらに他の実施例を示す。図４（ａ）は、ティルティングパッド型ジャーナル軸受５０の横断面図であり、図４（ｂ）はティルティングパッドジャーナル軸受５０が有するティルティングパッド２部の斜視図である。

上記実施例は、ティルティングパッド２を潤滑油中に浸漬するいわゆる油浴方式の潤滑方法であるが、本実施例ではティルティングパッド２の潤滑面である回転軸１との対向面に潤滑油を供給するいわゆる直接給油方式の潤滑方法を採用している。そのため、ティルティングパッド軸受５０の外径側から半径方向にやや傾けてティルティングパッド２の上流側端部まで、新鮮な潤滑油１０ａを供給する給油ノズル５を延在させている。

一方、円環を切断した扇形形状のティルティングパッド２を効果的に冷却するために、ティルティングパッド２の内部に、ほぼ水平に冷却通路７を形成する。冷却通路７が水平に形成されているので、出口部付近では、冷却し終えた潤滑油１０ｆを回転軸１近くに導くために、冷却配管８を内径側に傾けて接続する。冷却通路７に潤滑油を円滑に供給するために、冷却通路７の入口部付近まで、冷却用給油ノズル６をティルティングパッド軸受５０の半径方向に外側から延在させる。

本実施例でも、冷却用の潤滑油１０ｅの出口部である冷却用給油ノズル８の半径方向出口位置を、ティルティングパッド２の半径方向厚さの１／２よりも内径側にしている。冷却流路７を通り、ティルティングパッド２を冷却した潤滑油１０ｂは、冷却油配管８から潤滑部に流入する。一方、新鮮な潤滑油１０ａを供給する給油ノズル５に隣り合うティルティングパッド２の潤滑部に導かれ温度上昇した潤滑油１０ｃの一部も、ティルティングパッドの潤滑部に流入する。

ここで、冷却通路から流出する潤滑油１０ｅは、ティルティングパッド２を潤滑した潤滑油１０ｃより温度が低い。そこで本実施例によれば、冷却流路７を通った潤滑油１０ｅを回転軸１の回転による吸い込み作用で積極的に回転軸１と連れ回らせて潤滑油１０ｃと混合させることが可能になり、下流側のティルティングパッド２を冷却する潤滑油１０ｂの温度を混合前の潤滑油１０ｃの温度より低く抑えられる。したがって、潤滑油量を低減できるとともに、潤滑性能が向上する。

上記各実施例では、ティルティングパッド型ジャーナル軸受５０を大型の回転機械に用いる場合を説明したが、本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受は小型軽量の回転機械にも適用可能である。小型軽量の回転機械の軸受に本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受を使用すれば、油膜を形成する潤滑油温度を相応に低下させることができるし、潤滑油量や攪拌損失をも低減できる。したがって、回転機械の機械的損失を減少でき、回転機械の効率が向上する。また、軸受を効果的に冷却するので、軸受の焼きつき等を防止でき、軸受の信頼性が向上する。

本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の一実施例の横断面図および部分斜視図。 図１に示したティルティングパッド型ジャーナル軸受に用いるティルティングパッドの正面図。 本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の他の実施例の横断面図および部分斜視図。 本発明に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受のさらに他の実施例の横断面図および部分斜視図。

符号の説明

１…回転軸、２…ティルティングパッド、３…ピボット、４…給油口、５…給油ノズル、６…冷却用給油ノズル、７…冷却流路、８…冷却油配管、９…軸受ハウジング、１０ａ〜１０ｆ…潤滑油、１１…回転方向、５０…ティルティングパッド型ジャーナル軸受。

Claims (5)

1. 回転軸をラジアル方向に支持する複数のティルティングパッドを有するティルティングパッド型軸受において、前記各ティルティングパッドにその内部を周方向に貫通する複数の冷却流路を形成し、この冷却流路はティルティングパッドの前縁面に入口、後縁面に出口を有し、前記出口は前記入口より半径方向内側に設けられて前記冷却流路が斜めに傾斜した部分を有することを特徴とするティルティングパッド型ジャーナル軸受。
2. 前記冷却流路の出口を前記ティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側と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型ジャーナル軸受。
3. 前記ティルティングパッドの前縁は外径側で下流側に傾斜しており、前縁面が２つの屈折した面で形成されてい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型ジャーナル軸受。
4. 回転軸をラジアル方向に支持する複数のティルティングパッドを有するティルティングパッド型軸受において、前記ティルティングパッドを周方向に貫通する冷却流路を形成し、前記ティルティングパッドの潤滑部近傍に直接潤滑油を供給する給油ノズルと、前記ティルティングパッドを冷却する冷却用給油ノズルとを設け、前記冷却流路出口に、各ティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側に出口位置を有する冷却油配管を接続したことを特徴とするティルティングパッド型ジャーナル軸受。
5. 前記ティルティングパッドの潤滑部近傍に直接潤滑油を供給する給油ノズルと、前記冷却流路の入口近傍に潤滑油を供給する冷却用給油ノズルとを設け、前記ティルティングパッドの半径方向厚さの１／２よりも内径側に出口位置を有する冷却油配管を前記冷却流路出口に接続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型ジャーナル軸受。

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