JP6410006B2 - ティルティングパッド軸受及びターボ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ティルティングパッド軸受及びターボ圧縮機に関するものである。

例えば、ターボ圧縮機の回転軸は、ハウジングに対して傾動可能に支持されたティルティングパッドを有するティルティングパッド軸受によって軸支されている。このようなティルティングパッド軸受は、回転軸周りに環状に配列されたティルティングパッドによって回転軸を摺動支持するすべり軸受の一種である。

ティルティングパッドは回転軸が回転したときのすべり摩擦によって加熱される。このため、例えば、特許文献１〜３には、回転軸の回転抵抗を低減させるための潤滑油を流すための内部流路をティルティングパッドの内部に形成し、この流路に潤滑油を流すことによりティルティングパッドの冷却を行っている。

特開２０１０−２４２８４２号公報 特開２００３−１１３８３４号公報 特開昭５２−１３７５４９号公報

近年、ターボ圧縮機が大容量化されており、ティルティングパッド軸受も大型化されている。ティルティングパッド軸受が大型化すると、当然ながらティルティングパッドも大型化されることになる。ティルティングパッドが大型化されると、回転軸の摺動面が広くなったり、ティルティングパッドの熱容量が大きくなったりすることから、より効率的に冷却を行う必要が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ティルティングパッド軸受におけるティルティングパッドの冷却効率を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、互いに隙間を空けて回転軸周りに環状に配列される複数のティルティングパッドと、上記ティルティングパッドを上記回転軸の径方向外側から囲って支持すると共に上記ティルティングパッド同士の隙間位置に対応して設けられる潤滑油供給孔を有するハウジングと、上記回転軸の軸方向から上記ティルティングパッドを挟むように配置されるサイドプレートとを備えるティルティングパッド軸受であって、上記ティルティングパッドは、上記回転軸の回転方向の上流側に向けて開口される第１流入開口、上記回転軸の回転方向の下流側に向けて開口される第２流入開口、及び、上記回転軸の軸方向に開口される排出開口を有する内部流路を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記サイドプレートが、上記回転軸の周面との間に、上記ティルティングパッドの上記排出開口の少なくとも一部を露出させる隙間を形成しているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記サイドプレートが、複数のパーツに分割され、各パーツ同士の間に隙間が設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記サイドプレートが、上記ティルティングパッド同士の隙間を露出する開口を有するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記第１流入開口よりも上記第２流入開口の開口面積が大きいという構成を採用する。

第６の発明は、インペラと、インペラに接続される回転軸と、当該回転軸を軸支するティルティングパッド軸受とを備えるターボ圧縮機であって、上記ティルティングパッド軸受として、上記第１〜第５いずれかの発明であるティルティングパッド軸受を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、ティルティングパッドに設けられる内部流路が、回転軸の回転方向の上流側に開口された第１流入開口と、回転軸の回転方向の下流側に開口された第２流入開口とを有している。このため、本発明においては、回転軸の回転方向の上流側と下流側との両側から潤滑油がティルティングパッドの内部に流れ込む。したがって、多くの潤滑油をティルティングパッドの内部に取り込むことができる。さらに、本発明においては、第１流入開口と第２流入開口とから内部流路に流れ込んだ潤滑油は、逆流することなく回転軸の軸方向に開口された排出開口から排出される。このため、内部流路において潤滑油を円滑に流すことができ、内部流路における潤滑油の流速を速めることができる。したがって、本発明によれば、多くの潤滑油がティルティングパッドの内部を円滑に流れることから、ティルティングパッドの冷却効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるティルティングパッド軸受を備えるターボ圧縮機の一部を示す部分断面図である。 （ａ）が本発明の一実施形態におけるティルティングパッド軸受の側面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態におけるティルティングパッド軸受の正面図である。 本発明の一実施形態におけるティルティングパッド軸受が備えるティルティングパッドを示す図であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図であり、（ｃ）が（ａ）の矢印Ｂ方向から見た側面図である。 本発明の一実施形態におけるティルティングパッド軸受の変形例が備えるティルティングパッドの側面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るティルティングパッド軸受及びターボ圧縮機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のティルティングパッド軸受１を備えるターボ圧縮機１００の一部を示す部分断面図である。ターボ圧縮機１００は、インペラ２００と、このインペラ２００が一端に接続されると共に中央部にギア３０１が形成された回転軸３００と、この回転軸３００を軸支する本実施形態のティルティングパッド軸受１とを備えている。ティルティングパッド軸受１とインペラ２００との間には、エアシール４００と、オイルシール５００とが設けられている。

このターボ圧縮機１００は、２段式の圧縮機であり、回転軸３００の両側に対して、各々、ティルティングパッド軸受１と、インペラ２００と、エアシール４００と、オイルシール５００とが設けられている。ただし、図１においては、左側のインペラ２００と、エアシール４００と、オイルシール５００とを省略している。また、図１においては、インペラ２００等を覆うと共に流路を形成するハウジング、回転軸３００を回転駆動するための駆動機構も省略している。また、図１においては、ティルティングパッド軸受１を回転軸３００の周方向に４分の１カットした状態で示している。

このようなターボ圧縮機１００においては、駆動機構によって回転軸３００が回転駆動されると、この回転軸３００がティルティングパッド軸受１に軸支された状態で回転し、インペラ２００が回転駆動される。インペラ２００が回転駆動されると、ハウジング内部に供給された空気が圧縮されて吐出される。

続いて、本実施形態のティルティングパッド軸受１について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。

図２（ａ）は本実施形態のティルティングパッド軸受１の側面図であり、図２（ｂ）は本実施形態のティルティングパッド軸受１の正面図である。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）においては、ティルティングパッド軸受１の内部構造の視認性を高めるために、一部を切断した状態で図示している。

これらの図に示すように、本実施形態のティルティングパッド軸受１は、ハウジング２と、複数のティルティングパッド３と、ティルティングパッド３ごとに設けられる固定ピン４と、２つのサイドプレート５とを備えている。

ハウジング２は、ティルティングパッド３を回転軸３００の径方向外側から囲うように支持する環状の部材である。このハウジング２には、図２（ｂ）に示すように、上下に分割可能な上側部位２ａ及び下側部位２ｂと、これらの上側部位２ａ及び下側部位２ｂを位置決めする位置決めピン２ｃ、これらの上側部位２ａ及び下側部位２ｂを締結するボルト２ｄを備えている。

このようなハウジング２は、図２（ｂ）に示すように、外周面から内周面に貫通する潤滑油供給孔２ｅが複数設けられている。この潤滑油供給孔２ｅは、不図示のポンプ等から供給される潤滑油を回転軸３００に向けて案内する。本実施形態においては、ティルティングパッド３同士の隙間Ｓ１の全てに対して潤滑油が供給されるよう、当該隙間Ｓ１の位置に対応するようにして潤滑油供給孔２ｅが設けられている。また、図２（ａ）に示すように、潤滑油供給孔２ｅは各隙間Ｓ１に対して２つ設けられており、これらの２つは回転軸３００の軸方向に配列されている。

ティルティングパッド３は、互いに隙間Ｓ１を空けて回転軸３００周りに環状に配列されており、回転軸３００を摺動支持する。このティルティングパッド３の表面は、例えば、ホワイトメタルによってコーティングされている。図２（ｂ）に示すように、本実施形態においては、ティルティングパッド３は、回転軸３００の周方向に等間隔で５つ設置されている。

図３は、ティルティングパッド３の拡大図であり、（ａ）が回転軸３００の軸方向から見た正面図であり、（ｂ）が（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図であり、（ｃ）が（ａ）の矢印Ｂ方向から見た側面図である。また、回転軸３００の回転方向は、図３（ａ）においては左方向となっている。なお、図３においては、固定ピン４との挿入箇所については省略して図示している。

なお、説明の便宜上、図３（ａ）で示されている側を正面側、その反対側の面を裏面側と称する。また、回転軸３００の回転方向に対応付けて、図３（ｂ）で示されている側を上流側、図３（ｃ）で示されている側を下流側と称する。

これらの図に示すように、ティルティングパッド３は、正面側から見た形状が回転軸３００の周面に沿って湾曲した略扇形をしたブロック形状の部材であり、回転軸３００との摺動面には、ホワイトメタルがコーティングされている。また、ティルティングパッド３は、正面側及び裏面側に、サイドプレート５に係止するための凸部３ａを有している。

また、ティルティングパッド３には、潤滑油を内部に流通させるための内部流路６を備えている。本実施形態においては、１つのティルティングパッド３に設けられる内部流路６は、上流側内部流路７と、下流側内部流路８とによって構成されている。上流側内部流路７はティルティングパッド３の上流側寄りに設けられており、下流側内部流路８は、ティルティングパッド３の下流側寄りに設けられている。

上流側内部流路７は、回転軸３００の周方向に直線状に延び、回転軸３００の軸方向に配列される２つの入口流路７ａと、回転軸３００の軸方向に直線状に延び、ティルティングパッド３を貫通すると共に各入口流路７ａと接続される排出流路７ｂとによって構成されている。入口流路７ａは、上流側に向けて開口される上流側流入開口７ａ１（第１流入開口）を備えており、上流側流入開口７ａ１から取り込んだ潤滑油を排出流路７ｂに案内する。排出流路７ｂは、両端が回転軸３００の軸方向に開口された排出開口７ｂ１とされた流路であり、入口流路７ａから供給される潤滑油を排出開口７ｂ１からティルティングパッド３の外部に排出する。

下流側内部流路８は、回転軸３００の周方向に直線状に延び、回転軸３００の軸方向に配列される２つの入口流路８ａと、回転軸３００の軸方向に直線状に延び、ティルティングパッド３を貫通すると共に各入口流路８ａと接続される排出流路８ｂとによって構成されている。入口流路８ａは、下流側に向けて開口される下流側流入開口８ａ１（第２流入開口）を備えており、下流側流入開口８ａ１から取り込んだ潤滑油を排出流路８ｂに案内する。排出流路８ｂは、両端が回転軸３００の軸方向に開口された排出開口８ｂ１とされた流路であり、入口流路８ａから供給される潤滑油を排出開口８ｂ１からティルティングパッド３の外部に排出する。

このように、本実施形態において内部流路６は、回転軸３００の回転方向の上流側に向けて開口される上流側流入開口７ａ１、回転軸３００の回転方向の下流側に向けて開口される下流側流入開口８ａ１、及び、回転軸３００の軸方向に開口される排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１を有している。この内部流路６は、上流側流入開口７ａ１及び下流側流入開口８ａ１を介して回転軸３００の周方向から潤滑油を取り込んで、排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１を介して回転軸３００の軸方向に潤滑油を排出する。

このようなティルティングパッド３が有する内部流路６は、ティルティングパッド３の表面に開口を有すると共に直線状に延びる形状の小流路（入口流路７ａ、排出流路７ｂ、入口流路８ａ及び排出流路８ｂ）から構成されている。各小流路は、上記形状であることから、ドリル等によってティルティングパッド３に対して容易に形成することができる。したがって、本実施形態のティルティングパッド３は容易に作製することができる。

また、内部流路６は、ティルティングパッド３の上流側寄りに設けられた上流側内部流路７と、ティルティングパッド３の下流側寄りに設けられた下流側内部流路８とから構成されている。このため、回転軸３００の周方向において、ティルティングパッド３の中央部を通過する流路が設けられていない。ティルティングパッド３の中央部には、固定ピン４が差し込まれる（図２（ｂ）参照）ため、本実施形態においては、この箇所を避けて内部流路６を形成することができる。よって、内部流路６の形状を複雑なものとする必要がなく、上述のように容易に形成できる形状とすることが可能となる。

固定ピン４は、図２（ｂ）に示すように、ハウジング２に螺合されており、その先端がティルティングパッド３の中央部に設けられた接続穴に差し込まれている。この固定ピン４は、先端が僅かな隙間を空けてティルティングパッド３に差し込まれており、ティルティングパッド３の僅かな傾動を許容しつつ、ティルティングパッド３の大きな移動を規制している。この固定ピン４は、各ティルティングパッド３に対して設けられている。

サイドプレート５は、図２（ａ）に示すように、回転軸３００の軸方向からティルティングパッド３を挟むように２枚配置されている。各サイドプレート５の内壁面側には凹部５ａが設けられており、サイドプレート５は、ティルティングパッド３の凸部３ａが凹部５ａに係止されるようにハウジング２に対して固定されている。なお、各サイドプレート５とティルティングパッド３との間には、ティルティングパッド３の傾動を阻害しないように僅かな隙間が設けられている。

図２（ｂ）に示すように、サイドプレート５は、回転軸３００を囲う環形状とされている。このサイドプレート５の回転軸３００の径方向の高さは、回転軸３００の周面との間に、ティルティングパッド３の排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１の一部を露出させる隙間Ｓ２が形成されるように設定されている。つまり、本実施形態において、サイドプレート５は、回転軸３００の周面との間に、ティルティングパッド３の排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１の一部を露出させる隙間Ｓ２を形成している。

また、サイドプレート５は、図２（ｂ）に示すように、上下２つのパーツ５ｂ及びパーツ５ｃに分割されている。パーツ５ｂとパーツ５ｃとの間（パーツ同士の間）に隙間Ｓ３が設けられている。この隙間Ｓ３は、ティルティングパッド３とサイドプレート５との間に流入した潤滑油をサイドプレート５の外側に容易に排出しやすくするためのものであり、流体抵抗を下げて潤滑油を流れやすくする。

また、図２（ｂ）に示すように、サイドプレート５は、ティルティングパッド３同士の隙間Ｓ１を露出する開口５ｄを有している。この開口５ｄは、上述の隙間Ｓ３と同様に、ティルティングパッド３とサイドプレート５との間に流入した潤滑油をサイドプレート５の外側に容易に排出しやすくするためのものであり、流体抵抗を下げて潤滑油を流れやすくする。

このような構成を有する本実施形態のティルティングパッド軸受１においては、ハウジング２に設けられた潤滑油供給孔２ｅに外部から潤滑油が供給されると、この潤滑油は、ティルティングパッド３同士の隙間Ｓ１に供給される。

隙間Ｓ１に供給された潤滑油の一部は、ティルティングパッド３に設けられた上流側流入開口７ａ１及び下流側流入開口８ａ１から内部流路６に流れ込む。つまり、本実施形態においては、潤滑油は、回転軸３００の周方向の両側からティルティングパッド３の内部に流入する。なお、内部流路６に流れ込まなかった潤滑油は、回転軸３００の周面に供給されるか、開口５ｄからサイドプレート５の外部に排出される。

内部流路６に流入した潤滑油は、吸熱することによってティルティングパッド３を冷却し、その後、回転軸３００の軸方向に開口された排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１からティルティングパッド３の外部に排出される。排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１から排出された潤滑油は、回転軸３００の周面に供給された後、落下して回収される。

以上のような本実施形態のティルティングパッド軸受１によれば、ティルティングパッド３に設けられる内部流路６が、回転軸３００の回転方向の上流側に開口された上流側流入開口７ａ１と、回転軸３００の回転方向の下流側に開口された下流側流入開口８ａ１とを有している。このため、本実施形態のティルティングパッド軸受１においては、回転軸３００の回転方向の上流側と下流側との両側から潤滑油がティルティングパッド３の内部に流れ込む。このため、多くの潤滑油をティルティングパッド３の内部に取り込むことができる。さらに、本実施形態のティルティングパッド軸受１においては、上流側流入開口７ａ１と下流側流入開口８ａ１とから内部流路６に流れ込んだ潤滑油は、逆流することなく回転軸の軸方向に開口された排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１から排出される。このため、内部流路６において潤滑油を円滑に流すことができ、内部流路６における潤滑油の流速を速めることができる。したがって、本実施形態のティルティングパッド軸受１によれば、多くの潤滑油がティルティングパッド３の内部を円滑に流れることから、ティルティングパッド３の冷却効率を向上させることができる。

また、本実施形態のティルティングパッド軸受１においては、サイドプレート５が、回転軸３００の周面との間に、ティルティングパッド３の排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１の一部を露出させる隙間Ｓ２を形成している。このため、排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１からの潤滑油の排出を円滑に行うことができ、多くの潤滑油を内部流路６に流すことができるため、ティルティングパッド３の冷却効率をより向上させることができる。

また、本実施形態のティルティングパッド軸受１においては、サイドプレート５が、２つのパーツ（パーツ５ｂ及びパーツ５ｃ）に分割され、各パーツ同士の間に隙間Ｓ３が設けられている。さらに、本実施形態のティルティングパッド軸受１においては、サイドプレート５が、ティルティングパッド３同士の隙間Ｓ１を露出する開口５ｄを有している。このため、潤滑油をサイドプレート５の外側に容易に排出しやすくして流体抵抗を下げることができ、より多くの潤滑油をティルティングパッド軸受１の内部に流れやすくすることができる。よって、ティルティングパッド３等の冷却効率をより向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、ティルティングパッド３は、回転軸３００の回転方向の上流側よりも下流側の方が高温となる。このため、例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、上流側流入開口７ａ１よりも下流側流入開口８ａ１の開口面積が大きくすることもできる。

このような構成を採用することによって、下流側流入開口８ａ１に流れ込む潤滑油を上流側流入開口７ａ１よりも多くすることができ、ティルティングパッド３の下流側における冷却効率を上流側よりも高くすることができる。よって、ティルティングパッド３全体の温度を均一なものとすることができる。

また、上記実施形態においては、排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１の一部のみが、サイドプレート５と回転軸３００との隙間Ｓ２において露出された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、排出開口７ｂ１及び排出開口８ｂ１の全部を隙間Ｓ２において露出するような構成を採用しても良い。

また、上記実施形態においては、サイドプレート５が上下に２つのパーツに分割された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに多数のパーツにサイドプレート５を分割しても良い。

また、上記実施形態においては、ティルティングパッド３が５つ設けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ティルティングパッドの数については任意である。

また、上位実施形態においては、２段式の圧縮機について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機の段数については、単数を含めて任意である。

１……ティルティングパッド軸受、２……ハウジング、２ａ……上側部位、２ｂ……下側部位、２ｃ……ピン、２ｄ……ボルト、２ｅ……潤滑油供給孔、３……ティルティングパッド、３ａ……凸部、４……固定ピン、５……サイドプレート、５ａ……凹部、５ｂ……パーツ、５ｃ……パーツ、５ｄ……開口、６……内部流路、７……上流側内部流路、７ａ……入口流路、７ａ１……上流側流入開口（第１流入開口）、７ｂ……排出流路、７ｂ１……排出開口、８……下流側内部流路、８ａ……入口流路、８ａ１……下流側流入開口（第２流入開口）、８ｂ……排出流路、８ｂ１……排出開口、１００……ターボ圧縮機、２００……インペラ、３００……回転軸、３０１……ギア、４００……エアシール、５００……オイルシール、Ｓ１……隙間、Ｓ２……隙間、Ｓ３……隙間

Claims (5)

1. 互いに隙間を空けて回転軸周りに環状に配列される複数のティルティングパッドと、
   前記ティルティングパッドを前記回転軸の径方向外側から囲って支持すると共に前記ティルティングパッド同士の隙間位置に対応して設けられる潤滑油供給孔を有するハウジングと、
   前記回転軸の軸方向から前記ティルティングパッドを挟むように配置されるサイドプレートと
   を備えるティルティングパッド軸受であって、
   前記ティルティングパッドは、前記回転軸の回転方向の上流側に向けて開口される第１流入開口、前記回転軸の回転方向の下流側に向けて開口される第２流入開口、及び、前記回転軸の軸方向に開口される排出開口を有する内部流路を備えて、前記回転軸の周方向において、前記ティルティングパッドの中央部を通過する流路が設けられておらず、
   前記サイドプレートは、前記回転軸の周面との間に、前記ティルティングパッドの前記排出開口の少なくとも一部を露出させる隙間を形成している
   ことを特徴とするティルティングパッド軸受。
2. 前記サイドプレートが、複数のパーツに分割され、各パーツ同士の間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項１記載のティルティングパッド軸受。
3. 前記サイドプレートは、前記ティルティングパッド同士の隙間を露出する開口を有することを特徴とする請求項１または２記載のティルティングパッド軸受。
4. 前記第１流入開口よりも前記第２流入開口の開口面積が大きいことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のティルティングパッド軸受。
5. インペラと、インペラに接続される回転軸と、当該回転軸を軸支するティルティングパッド軸受とを備えるターボ圧縮機であって、
   前記ティルティングパッド軸受として、請求項１〜４いずれか一項に記載のティルティングパッド軸受を備えることを特徴とするターボ圧縮機。

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