JP6818668B2 - ティルティングパッドジャーナル軸受及びこれを用いた遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ティルティングパッドジャーナル軸受及びこれを用いた遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機のような高速回転機械においては、例えば、非特許文献１に示されるようなティルティングパッドジャーナル軸受が使用される。このティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸の外周側に配置され揺動可能に設けられた複数のパッドを有している。そして、複数パッドの内周面との間（摺動部）に油膜を形成することにより、回転軸とパッドとの接触を防止しつつ、回転軸の径方向荷重を負担するようになっている。

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は、油膜においてせん断発熱により油膜温度が上昇する。特に、遠心圧縮機など高速回転の機械においては、軸表面の速度（以下「周速」という。）が高く、温度上昇も大きいため、軸受の損傷を引き起こす可能性がある。これを回避するため、パッドを冷却する流路をパッド内に設けた構造を有するものなどがある（例えば特許文献１）。

特開２０１６−１０９２６９号公報

（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）、ｐ５３−５７

特許文献１に記載のティルティングパッド軸受のように、冷却のためにパッド内に流路を設けた構造は、加工が困難であるという課題があった。

本発明の目的は、構造が単純で、加工が容易であり、かつ、軸受パッドを効果的に冷却し、高周速条件下においても軸受温度を低く維持することができる、信頼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にある。

本発明のティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、回転軸との間隙を有する状態でハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、パッドは、凹部を有し、ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が凹部に対向するように配置され、給油孔は、凹部に向かって潤滑油を供給するように配置されている。

本発明によれば、周速が高く油膜での発熱が多い条件においても、軸受温度を低く保つことができる、信頼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ができる。

本発明のティルティングパッドジャーナル軸受を示す概略断面図である。 実施例１のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。 図２の軸受パッド２ａ及び凸部３を示す分解斜視図である。 図２の変形例を示す部分断面図である。 実施例２のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。 図５の軸受パッド２ａ及び凸部３を示す分解斜視図である。 実施例３のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。 図７の軸受パッド２ａ及び凸部３を示す分解斜視図である。 凸部の上面部に縁部を設けた例を示す上面図である。 凸部の上面部に縁部を設けた例を示す上面図である。 凸部の上面部に縁部を設けた例を示す上面図である。

以下、本発明に係るティルティングパッドジャーナル軸受の実施形態について説明する。

（１）前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、回転軸との間隙を有する状態でハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、パッドは、凹部を有し、ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が凹部に対向するように配置され、給油孔は、凹部に向かって潤滑油を供給するように配置されている。

このような構成により、給油孔から供給される潤滑油は、相対するパッドの凹部（外周面の一部）に向かって噴出する。この流れにより、パッドの外周面を効果的に冷却することができる。そして、高周速条件下においても、軸受温度を低くすることができる。

（２）前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、凹部及び凸部の少なくとも一方には、縁部が設けられ、縁部は、凹部と凸部との間隙における潤滑油の主流が回転軸の回転方向となるように、流路抵抗として機能するものであることが望ましい。

（３）前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、縁部は、凹部及び凸部の少なくとも一方における回転軸の回転方向の上流部に設けられていることが望ましい。

（４）前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、縁部は、凹部及び凸部の少なくとも一方における回転軸の中心線方向の端部に設けられていることが望ましい。

（５）前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、パッドの摺動面は、凹部による切り欠き部を有することが望ましい。

（６）前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、凸部の下流側端部は、パッドの下流側端部よりも下流側に張り出していることが望ましい。

（７）前記ティルティングパッドジャーナル軸受においては、給油孔の中心軸は、凹部の対向面に略垂直に交わるように構成されていることが望ましい。

（８）前記ティルティングパッドジャーナル軸受は、遠心圧縮機に適用することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施例について説明する。

図１は、ティルティングパッドジャーナル軸受の全体構造を示したものである。

本図に示すように、ティルティングパッドジャーナル軸受１００は、回転軸１の周り（外周側）に５個の軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ（複数の軸受パッド）を配置した構成を有する。各軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの背面部には、曲率を有するピボット４が取り付けられている。各ピボット４は、軸受ハウジング５（単に「ハウジング」ともいう。）と点、線又は面で接触している。これにより、各軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅは、ピボット４を介して軸受ハウジング５により支えられている。なお、ピボット４は、軸受ハウジング５の内壁部に設け、軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを点、線又は面で支える構造としてもよい。なお、軸受パッドは、単に「パッド」ともいう。

軸受ハウジング５には、油槽１１０から主給油管１３０を通って流れてくる潤滑油を、軸受ハウジング５の周方向に沿って流すためのハウジング外周溝５０が設けられている。主給油管１３０には、ポンプ１２０が設けてあり、油槽１１０から軸受ハウジング５に潤滑油を送るようになっている。

各軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅには、凹部７が設けられている。そして、この凹部７に対向する軸受ハウジング５の内壁部には、凸部３が設けられている。軸受ハウジング５には、ハウジング外周溝５０から軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの背面部に潤滑油を分配するための給油孔８が設けられている。そして、給油孔８は、凸部３も貫通している。凸部３と各軸受パッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅとの間には、それぞれ、空間１０が設けられている。

図２は、図１のティルティングパッドジャーナル軸受を部分的に拡大して示したものである。

図２において、ティルティングパッドジャーナル軸受は、回転軸１と軸受ハウジング５との間（回転軸１の外周側）に配置された複数の軸受パッド２ａ、２ｂを有する。軸受パッド２ａ、２ｂに付設されたピボット４は、軸受ハウジング５の内壁部に接している。これにより、軸受パッド２ａ、２ｂが揺動可能となっている。軸受ハウジング５の軸方向端部には、シール部（図示していない。）が設けられている。そして、シール部の内周面は、回転軸１との間隙を有する状態となっている。軸受パッド２ａは、凹部７を有している。凹部７は、軸受パッド２ａの一部を切り欠いた形状を有する。

一方、軸受ハウジング５の内壁部には、凸部３が設けられている。凸部３は、給油孔８を有している。凹部７の一部と凸部３の一部である対向面１３とは、略平行に対向している。言い換えると、凹部７の一部と凸部３の一部である対向面１３との間隙は、軸受パッド２ａの揺動により変動するが、どの部分においてもほぼ等しい距離となっている。凹部７のピボット４側には、縁部１７が設けられている。縁部１７と凸部３の側面部との間には、狭隘部が形成されている。この狭隘部は、凹部７と対向面１３との距離よりも狭くなっている。

図３は、図２の軸受パッド２ａ及び凸部３を示す分解斜視図である。

図３に示すように、軸受パッド２ａの凹部７は、回転軸１の中心線方向の両端部に縁部２７を有している。凸部３は、２つの縁部２７の間に挟まれる形で、凹部７に挿入される。縁部２７と凸部３との間にも、狭隘部が形成される。

図２において、回転軸１は、矢印Ｒで示す回転方向に回転する。

回転軸１と、軸受ハウジング５と、回転軸１と間隙を保ちながら軸受ハウジング５の軸方向端部の内周面に設けられるシール（図示せず）と、がなすパッド収納空間内には、潤滑油が満たされている。パッド収納空間に供給される潤滑油は、軸受ハウジング５の外周側に形成された環状の給油流路（図１のハウジング外周溝５０）と、凸部３の内部に設けられた給油孔８とを介して、凹部７に向かって噴出するようになっている。供給された潤滑油は、上記の狭隘部が流路抵抗となるため、矢印Ｙの方向に流れる。

回転軸１は、回転軸１と軸受パッド２ａの内周面との間にある潤滑油（油膜）の圧力によって持ち上げられ、軸受パッド２ａに直接接触することなく支持されるようになっている。回転軸１の矢印Ｒの方向への回転に伴い、回転軸１と軸受パッド２ａの内周面との間にある潤滑油は、矢印Ｘの方向に流れる。また、回転軸１の回転に伴い、油膜の内部には、せん断応力が生じ、その結果、発熱する（せん断発熱）。凸部３と各軸受パッド２ｂとの間に形成された空間１０にある潤滑油は、回転軸１の運動により、矢印Ｚで示すような渦状の流れが誘起される。

なお、図２に示すように、潤滑油が狭隘部に向かう際には、流れが屈曲することになる。言い換えると、狭隘部の上流側には、屈曲部が形成されている。したがって、この屈曲部も、潤滑油の流路抵抗となる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

図２に示す構成においては、冷却媒体である潤滑油は、矢印Ｙに示すように、給油孔８を介して、凹部７に向かって噴出し、凹部７に衝突する。これにより、軸受パッド２ａが冷却される。潤滑油は、衝突噴流となるため、熱伝達率が高く、効果的な冷却が可能となる。

さらに、軸受パッド２ａの凹部７と対向面１３との間隙の周囲三方（上流部及び側方部）には、屈曲部（狭隘部）が設けられている。このため、パッド収納空間に滞留している高温度の潤滑油は、当該間隙に混入しにくい状態となっている。よって、給油孔８から噴出する潤滑油は、外部の給油装置（図１参照）から吐出された際の温度からそれほど上昇することなく、低温度のまま軸受パッド２ａの凹部７を冷却することができる。これにより、周速の高い条件においても軸受温度を低く保つことができ、信頼性の高い軸受を提供することができる。また、この軸受を遠心圧縮機に適用すると、回転速度を増加することができるため、高圧の遠心圧縮機を実現することができる。

図４は、図２の変形例を示したものである。

図４において図２と異なる点は、凸部３の給油孔８の中心軸（一点鎖線）が凹部７の対向面に略垂直に交わるように構成されている点である。これにより、潤滑油の衝突噴流の熱伝達率が更に高くなる。これにより、軸受パッド２ａの冷却が促進される。ここで、「略垂直」は、回転軸１が回転している状態で、揺動する軸受パッド２ａがほぼ安定する位置を基準として定めるものである。

本実施例については、図５及び図６により説明する。なお、本実施例において、上記実施例１と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図５は、実施例２のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。

図６は、図５の軸受パッド２ａ及び凸部３を示す分解斜視図である。

図５において図２と異なる点は、軸受パッド２ａの凹部７が軸受パッド２ａの摺動面９に及んでいる点である。

図６に示すように、摺動面９の一部が切り欠かれた形状となっている。言い換えると、軸受パッド２ａの凹部７と、軸受パッド２ａが回転軸１と相対する摺動面９とは交差している。ここで、摺動面９の切り欠かれた部分は、凹部７による「切り欠き部」である。

図５においては、図２の場合よりも、回転軸１と軸受パッド２ａの内周面との間にある油膜から流出する高温度の潤滑油（矢印Ｘ）が、給油される低温度の潤滑油（矢印Ｙ）と混合され易くなる。これにより、下流側の軸受パッド２ｂの油膜入口温度を低減させる効果がある。

このように、油膜入口温度を低減させることによっても、軸受パッド２ａの油膜温度を低減することが可能となり、周速の高い条件においても軸受温度を低く保つことができ、信頼性の高い軸受を提供することができる。また、この軸受を遠心圧縮機に適用すると、回転速度を増加することができるため、高圧の遠心圧縮機を実現することができる。

本実施例については、図７及び図８により説明する。なお、本実施例において、上記実施例１と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７は、実施例３のティルティングパッドジャーナル軸受の詳細な構造を示す部分断面図である。

図８は、図７の軸受パッド２ａ及び凸部３を示す分解斜視図である。

図７において図２と異なる点は、凸部３の下流側端部（図中右端部）が軸受パッド２ａの下流側端部（図中右端部）よりも右方に張り出し、空間１０の幅が狭くなっている点である。言い換えると、凸部３（給油手段）の後端部は、軸受パッド２ａの後端部よりも下流側に延伸している。

図８に示すように、軸受パッド２ａの形状は、図３に示すものと同じである。一方、凸部３においては、対向面１３が図３に示すものと同様の形状を有するとともに、最も高い部分が平面部となっている。

図７に示すように、凸部３の張り出しにより、空間１０の幅が狭くなっているため、凸部３と軸受パッド２ｂとの間に発生する渦状の流れ（矢印Ｚ）は小さくなる。よって、この渦状の流れを誘起するために必要なエネルギーに相当する損失を低減することが可能となる。したがって、この軸受を適用する回転機械の効率を向上させることができる。

以上のように、周速の高い条件においても軸受温度を低く保つことができ、信頼性の高い軸受を提供することができる。また、この軸受を遠心圧縮機に適用すると、回転速度を増加することができるため、高圧を発生する遠心圧縮機を実現することができる。

なお、実施例１〜３においては、軸受パッド２ａの縁部１７と凸部３の側面部との間に狭隘部が形成された構成について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、縁部１７と対向面１３との間に狭隘部が形成された構成を有するものであってもよい。言い換えると、縁部１７が対向面１３の上方に配置された構成であってもよい。

以下、凸部３の上面部（対向面１３）に縁部（凸部）を設けた変形例について図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、図中の左側は、回転軸の回転によって生じる潤滑油の流れの上流側である。

図９は、上流側に縁部を設けた例を示したものである。

本図においては、凸部３の対向面１３（上面部）の上流側に縁部２３が設けられている。これにより、対向する軸受パッドの凹部（例えば図８における凹部７）と縁部２３との間に狭隘部が形成される。

図１０は、潤滑油の流れに平行する縁部を設けた例を示したものである。

本図においては、凸部３の対向面１３（上面部）において回転軸の中心線方向の両端部に縁部２３が設けられている。これにより、対向する軸受パッドの凹部（例えば図８における凹部７）と縁部２３との間に狭隘部が形成される。

図１１は、下流側を除く３つの端部に縁部を設けた例を示したものである。

本図においては、凸部３の対向面１３（上面部）の上流側、及び回転軸の中心線方向の両端部にコの字状に縁部２３が設けられている。これにより、対向する軸受パッドの凹部（例えば図８における凹部７）と縁部２３との間に狭隘部が形成される。

１：回転軸、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ：軸受パッド、３：凸部、４：ピボット、５：軸受ハウジング、７：凹部、８：給油孔、９：摺動面、１０：空間、１３：対向面、１７、２３、２７：縁部、５０：ハウジング外周溝、１００：ティルティングパッドジャーナル軸受、１１０：油槽、１２０：ポンプ、１３０：主給油管、Ｘ：油膜から流出する潤滑油の流れ、Ｙ：給油孔から流出する潤滑油の流れ、Ｚ：パッド間の渦状の流れ。

Claims (7)

1. 回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、
   前記パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、
   前記回転軸との間隙を有する状態で前記ハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、
   前記パッドは、凹部を有し、
   前記ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が前記凹部に対向するように配置され、
   前記給油孔は、前記凹部に向かって潤滑油を供給するように配置され、
   前記パッドの摺動面は、前記凹部による切り欠き部を有する、ティルティングパッドジャーナル軸受。
2. 回転軸の外周側に配置された複数のパッドと、
   前記パッドが揺動可能なように支持する円筒状のハウジングと、
   前記回転軸との間隙を有する状態で前記ハウジングの軸方向端部に設けられたシール部と、を備え、
   前記パッドは、凹部を有し、
   前記ハウジングの内壁部には、給油孔を有する凸部が前記凹部に対向するように配置され、
   前記給油孔は、前記凹部に向かって潤滑油を供給するように配置され、
   前記凸部の下流側端部は、前記パッドの下流側端部よりも下流側に張り出している、ティルティングパッドジャーナル軸受。
3. 前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方には、縁部が設けられ、
   前記縁部は、前記凹部と前記凸部との間隙における前記潤滑油の主流が前記回転軸の回転方向となるように、流路抵抗として機能するものである、請求項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。
4. 前記縁部は、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方における前記回転軸の回転方向の上流部に設けられている、請求項３記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
5. 前記縁部は、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方における前記回転軸の中心線方向の端部に設けられている、請求項３記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
6. 前記給油孔の中心軸は、前記凹部の対向面に略垂直に交わるように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のティルティングパッドジャーナル軸受を備えた、遠心圧縮機。

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