轴承装置以及旋转机械的制作方法

本发明涉及轴承装置以及旋转机械。

本申请基于2017年2月23日向日本申请的日本特愿2017-31737号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术：

例如，已知在蒸汽轮机、燃气轮机、压缩机等中使用的轴承装置(例如参照专利文献1)。轴承装置具备在旋转轴的周向上分离地配置的多个轴瓦。

作为这样的轴承装置，已知有可倾瓦轴承。在可倾瓦轴承中，各轴瓦从外周侧被枢轴(支承部)支承为能够摆动。在旋转轴与轴瓦面之间，形成有润滑油的油膜。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-203481号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

然而，尤其在对轴瓦面施加的来自旋转轴的载荷为较大的高表面压力、且旋转轴的转速为较大的高周速的可倾瓦轴承中，在支承载荷的轴瓦会产生弹性变形以及热变形。因此，各轴瓦的轴瓦面的曲率半径与加工时相比增大。即，弯曲的轴瓦面以展开的方式变形。

若因此旋转轴与轴瓦面之间的间隙增大，则会产生负载能力的降低(金属温度高、油膜厚度小)、衰减性的降低，进而导致轴瓦面所需的润滑油的流量的增大。因此，会引起作为轴承装置的性能降低。

因此，本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供能够实现运转时的性能维持的轴承装置以及旋转机械。

用于解决课题的方案

本发明的第一方案的轴承装置具备；轴瓦，其具有经由油膜对绕轴线旋转的旋转轴的外周面进行支承的轴瓦面；以及支承部，其在枢轴位置将所述轴瓦支承为能够摆动，在将所述旋转轴的曲率半径设为rj，将所述轴瓦面的曲率半径设为rp，将以所述轴线为中心且以所述轴线与所述轴瓦面上的所述枢轴位置之间的距离为半径的基圆的曲率半径设为rb时，rj＜rp＜rb的关系成立。

在此，在假设轴瓦面的曲率半径与基圆的曲率半径相同的情况下，运转时在轴瓦面产生弹性变形以及热变形，从而弯曲以展开的方式变形。由此，在轴瓦面的曲率半径变得大于基圆的曲率半径时，轴瓦面与旋转轴之间的间隙的尺寸变得过大，作为轴承的性能降低。

另一方面，在本发明中，轴瓦面的曲率半径形成为从最初起就小于基圆的曲率半径，因此即使产生弹性变形以及热变形，也能够抑制轴瓦面比基圆过大地展开的情况。另外，轴瓦面的曲率半径大于旋转轴的曲率半径，因此即使在未产生弹性变形以及热变形的运转初期，也能够在轴瓦面与旋转轴之间形成适当的间隙。

在本发明的第二方案的轴承装置中，也可以是，所述轴瓦面与所述旋转轴的外周面之间的间隙的尺寸在所述枢轴位置最大。

轴瓦面的枢轴位置从外周侧被支承部支承，因此不易受到轴瓦的弹性变形以及热变形的影响，从而轴瓦面与旋转轴之间的间隙的尺寸几乎不变。另一方面，越远离该枢轴位置，轴瓦越容易由于弹性变形以及热变形的影响而变形。因此，通过预先将枢轴位置处的轴瓦面与旋转轴之间的间隙的尺寸设为最大，能够将运转时的上述间隙在轴瓦整体最佳化。

在本发明的第三方案的轴承装置中，也可以是，所述轴瓦面与所述旋转轴的外周面之间的间隙的尺寸随着沿周向远离所述枢轴位置而逐渐变小。

轴瓦中越沿周向远离枢轴位置的部分越容易由于弹性变形以及热变形的影响而变形。因此，轴瓦面与旋转轴之间的间隙尺寸随着沿周向远离枢轴位置而逐渐变小，从而能够进一步将运转时的上述间隙在轴瓦整体最佳化。

在本发明的第四方案的轴承装置中，也可以是，所述轴承装置还具备金属引导件，该金属引导件具有沿所述基圆延伸的引导面，所述金属引导件与所述旋转轴的外周面之间的间隙的尺寸同所述枢轴位置处的所述轴瓦面与所述旋转轴的外周面之间的间隙的尺寸相等。

将引导面与旋转轴之间的间隙、以及枢轴位置处的轴瓦面与旋转轴之间的间隙设置为相同，并将上述的间隙作为基准，将轴瓦面上的枢轴位置以外的部分处的间隙设为小于该基准，从而能够更适当地管理运转时轴瓦整体的间隙

在本发明的第五方案的轴承装置中，也可以是，所述枢轴位置位于比所述轴瓦面的周向的中央更靠所述旋转轴的旋转方向前方侧的位置，在将所述轴瓦面上的比所述枢轴位置更靠旋转方向后方侧的部分即上游侧轴瓦面的曲率半径设为rp1，将所述轴瓦面上的比所述枢轴位置更靠旋转方向前方侧的部分即下游侧轴瓦面的曲率半径设为rp2时，rp1＜rp2的关系成立。

轴瓦越沿周向远离枢轴位置，则轴瓦面越容易发生变形而展开。因此，将从枢轴位置到周向端部为止的距离较大的上游侧轴瓦面的曲率半径设为小于从枢轴位置到周向端部为止的距离较小的下游侧轴瓦面的曲率半径，从而能够避免上游侧轴瓦面极度展开的情况。

在本发明的第六方案的轴承装置中，也可以是，所述轴瓦在互不相同的周向位置设置有两个，在该两个轴瓦中，在将来自所述旋转轴的载荷较大的一个轴瓦的曲率半径设为rpa，将来自所述旋转轴的载荷较小的另一个轴瓦的曲率设为rpb时，rpa＜rpb的关系成立。

在存在多个轴瓦的情况下，施加有更大的载荷的一个轴瓦的弹性变形以及热变形增大。因此，将载荷较大的轴瓦的曲率半径设为小于载荷较小的轴瓦的曲率半径，从而能够更适当地进行轴承装置整体的轴瓦与旋转轴之间的间隙管理。

在本发明的第七方案的轴承装置中，旋转机械具备：所述旋转轴；以及上述任一方案的轴承装置，其将所述旋转轴支承为能够绕所述轴线旋转。

这样构成的旋转机械能够实现运转时的性能维持。

发明效果

根据本发明，能够实现运转时的性能维持。

附图说明

图1是具备第一实施方式的轴颈轴承的蒸汽轮机的示意性的纵剖视图。

图2是第一实施方式的轴颈轴承的与轴线正交的剖视图。

图3是第一实施方式的轴颈轴承的与轴线正交的示意性的剖视图。

图4是表示轴瓦与旋转轴的外周面之间的间隙中的间隙和压力的变化的曲线图，将横轴设为旋转方向的位置，将纵轴设为间隙或压力的大小。

图5是第二实施方式的轴颈轴承的轴瓦面的与轴线正交的示意性的剖视图。

图6是第三实施方式的轴颈轴承的与轴线正交的示意性的剖视图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，参照图1至图4对本发明的第一实施方式进行说明。

如图1所示，本发明的第一实施方式的蒸汽轮机1(旋转机械)是将蒸汽的能量作为旋转动力取出的外燃机，其在发电厂的发电机等中使用。

蒸汽轮机1具备涡轮外壳2、以贯穿该涡轮外壳2的方式沿着轴线o延伸的旋转轴10、保持于涡轮外壳2的静叶3、设置于旋转轴10的动叶4、以及将旋转轴10支承为能够绕轴线o旋转的轴承部20。

轴承部20具备推力轴承21以及轴颈轴承30(轴承装置)，且轴承部20将旋转轴10支承为能够旋转。

旋转轴10呈以轴线o为中心延伸的圆柱形状。旋转轴10相对于涡轮外壳2而沿轴线o方向延伸。在旋转轴10的一部分形成有推力环11。推力环11呈以轴线o为中心的圆板形状，且呈凸缘状地从旋转轴10的主体朝向旋转轴10的径向外侧一体地伸出。推力轴承21从轴线o方向两侧将推力环11支承为能够滑动。

在这样的蒸汽轮机1中，导入涡轮外壳2内的蒸汽通过静叶3以及动叶4之间的流路。此时，蒸汽使动叶4旋转，从而旋转轴10随着该动叶4旋转，将动力(旋转能量)传递至与该旋转轴10连接的发电机等机械。

接下来，参照图2对第一实施方式的轴承装置即轴颈轴承30进行说明。

轴颈轴承30具备承载圈31、金属引导件40、枢轴50(支承部)、轴瓦60以及润滑油供给喷嘴70。

承载圈31是呈从外周侧包围旋转轴10的筒状的构件。承载圈31例如如下那样构成：将分为上半部以及下半部的两个构件通过螺栓等结合。承载圈31的圆筒状的中心轴线与上述轴线o一致。在承载圈31与旋转轴10的外周面之间形成有空间。

金属引导件40固定在承载圈31的内周面的上半部。设置金属引导件40并非是为了支承旋转轴10的载荷，而是为了防止旋转轴10的飞起。

金属引导件40是在承载圈31的内周面沿着周向延伸的圆弧状的构件。金属引导件40的外周面固定于承载圈31，金属引导件40的内周面成为与旋转轴10的外周面隔开间隔地对置的对置面41。从轴线o方向观察时，金属引导件40的对置面41呈以该轴线o为中心的圆弧状。金属引导件40在轴线o方向上隔开间隔地设置有多个(例如一对)。

枢轴50在承载圈31的内周面的下半部沿着周向隔开间隔地设置有一对。枢轴50以从承载圈31的内周面突出的方式形成。枢轴50的前端、即径向内侧的端部呈半球面状。枢轴50具有将轴瓦60支承为能够摆动的作用。

轴瓦60在沿旋转轴10的周向隔开间隔且互不相同的周向位置处，以与枢轴50对应的方式设置有与该枢轴50相同的数量。各轴瓦60在与旋转轴10的轴线o正交的剖视观察下呈圆弧状，且呈径向的尺寸一致的弯曲板形状。

将轴瓦60中朝向径向外侧的外周面设为由上述枢轴50的前端支承的背面61。枢轴50的前端呈半球状，因此轴瓦60能够以枢轴50的前端为支点进行摆动。由此，构成所谓的可倾斜机构。将轴瓦60的背面61中的由枢轴50支承的部位设为点接触的枢轴点p1。

轴瓦60的内周面为与旋转轴10对置的轴瓦面62。在轴瓦面62与旋转轴10之间存在有润滑油，从而轴瓦面62将旋转轴10的外周面支承为能够经由该润滑油滑动。从轴线o方向观察时，轴瓦面62呈向径向外侧凹陷的圆弧状，且在维持该圆弧形状的状态下沿轴线o方向延伸。

将轴瓦60的外周侧的部分设为由钢材等形成的基部，在该基部的内周侧层叠有白合金。轴瓦面62由白合金形成。

润滑油供给喷嘴70具有向轴瓦60与旋转轴10之间供给润滑油的作用。润滑油供给喷嘴70设置在各轴瓦60的旋转轴10的旋转方向t后方侧(旋转方向后方侧)。润滑油供给喷嘴70将从外部供给的润滑油朝向旋转方向t前方侧喷出。

在此，参照图3的示意图对第一实施方式的轴颈轴承30的详细情况进行说明。

在将金属引导件40的对置面41的曲率半径设为rb时，金属引导件40的对置面41在周向整个区域范围内以曲率半径rb延伸。金属引导件40的曲率半径rb的中心与轴线o一致。

将旋转轴10的曲率半径设为rj。旋转轴10的曲率半径rj的中心与轴线o一致。因此，在金属引导件40的对置面41与旋转轴10的外周面之间，在周向的对置范围的整个区域范围内形成有径向的间隙cr。

将轴瓦60的轴瓦面62上的与枢轴点p1对应的部位设为枢轴位置p2。即，在轴瓦60的轴瓦面62以及外周面中，相同的周向的比例位置为彼此对应的部位。例如，若枢轴点p1位于轴瓦60的背面61的全长中的从旋转方向t前方侧(旋转方向前方侧)起60％的位置处，则枢轴位置p2位于轴瓦60的轴瓦面62中的从旋转方向t前方侧起60％的位置处。如图3所示，若以没有厚度的线段示意性地描绘轴瓦60，则枢轴点p1与枢轴位置p2为相同的部位。

将枢轴位置p2处的轴瓦面62与旋转轴10的外周面之间的间隙设定为同金属引导件40的对置面41与旋转轴10的外周面之间的间隙相同，即设定为间隙cr。该间隙cr相当于组装时的间隙即组装间隙。即，在组装时，将枢轴位置p2处的轴瓦60与旋转轴10之间的间隙、以及金属引导件40与旋转轴10之间的间隙设定为相同的间隙cr。

将轴瓦面62的曲率半径设为rp。轴瓦面62的曲率半径rp的中心位置与旋转轴10的轴线o不一致，配置为从该轴线o偏移。在第一实施方式中，将轴瓦60的轴瓦面62的曲率半径rp的中心设置在比轴线o靠下方且向各自的轴瓦60侧偏移了的位置。

在此，将以轴线o为中心、且以该轴线o与轴瓦面62的枢轴位置p2之间的距离为半径的圆设为基圆s。在第一实施方式中，金属引导件40的对置面41与基圆s一致，基准面的曲率半径设为与金属引导件40相同的rb。换言之，金属引导件40的对置面41的曲率半径设定为与基圆s的曲率半径一致。

在此，在第一实施方式中，对于旋转轴10的外周面的曲率半径rj、轴瓦面62的曲率半径rp以及基圆s(金属引导件40)的曲率半径rb，rj＜rp＜rb的关系成立。

另外，从轴线o方向观察时，轴瓦面62与旋转轴10的外周面之间的间隙的尺寸在枢轴位置p2处最大。即，枢轴位置p2处的间隙cr成为轴瓦面62与旋转轴10的外周面之间最大的间隙尺寸。

此外，轴瓦面62与旋转轴10的外周面之间的间隙尺寸随着沿周向远离枢轴位置p2而逐渐变小。因此，随着从枢轴位置p2朝向旋转方向t前方侧或旋转方向t后方侧，轴瓦面62逐渐接近旋转轴10的外周面。即，轴瓦面62呈与基圆s相比，其弯曲程度更为闭合的形状。

需要说明的是，上述那样的曲率半径以及间隙的设定均是设计时、组装时(非运转时)的设定。

接下来，对第一实施方式的轴颈轴承30的作用效果进行说明。在旋转轴10的旋转时、即在蒸汽轮机1的运转时，从润滑油供给喷嘴70供给润滑油，从而在轴瓦60的轴瓦面62与旋转轴10的外周面之间形成油膜。通过该油膜，如图4所示的曲线图那样地在轴瓦60产生由支承旋转轴10产生的载荷引起的压力。即，若在轴瓦60与旋转轴10之间形成有适当的间隙，则该间隙从润滑油的入口侧朝向出口侧、即朝向旋转方向t前方侧而逐渐变小。并且，由于支承旋转轴10而产生的压力从入口起逐渐增加，并在枢轴点p1的后方侧成为峰值，随后，朝向出口而变小。

在此，尤其在来自旋转轴10的载荷较大的情况下，对轴瓦60赋予高表面压力。另外，在转速较大的情况下，由于摩擦而产生的热量输入增大。

在这样的情况下，在支承旋转轴10的载荷的轴瓦60产生弹性变形以及热变形。这样的变形成为轴瓦60的轴瓦面62展开的方向的变形，即成为从轴线o方向观察时轴瓦面62的曲率半径增大的变形。

在假设与金属引导件40同样地将轴瓦面62的曲率半径设为与基圆s的曲率半径相同的值的情况下，由于该变形，轴瓦面62的曲率半径变得大于基圆s的曲率半径。即，轴瓦面62与旋转轴10之间的间隙的尺寸变得比最初计划的值过大。其结果是，产生负载能力的降低、衰减性的降低，从而进一步导致轴瓦面62所需的润滑油的流量的增大。

相对于此，在第一实施方式中，对于旋转轴10的外周面的曲率半径rj、轴瓦面62的曲率半径rp以及基圆s(金属引导件40)的曲率半径rb，rj＜rp＜rb的关系成立。

即，在第一实施方式中，轴瓦面62的曲率半径形成为从设计时、组装时的最初起就小于基圆s的曲率半径，因此即使产生弹性变形以及热变形，也能够抑制轴瓦面62比基圆s更为展开的情况。由此，即使在运转时也能够在轴瓦面62与旋转轴10之间维持适当的间隙，从而能够实现高表面压力。即，即使在运转时，也能够维持与现有技术相当的间隙。

另外，轴瓦面62的曲率半径大于旋转轴10的曲率半径，因此即使在未产生弹性变形以及热变形的运转初期，也能够在轴瓦面62与旋转轴10之间形成适当的间隙。

根据以上内容，能够实现运转时的轴颈轴承30的性能维持。

在此，轴瓦面62的枢轴位置p2的部位从外周侧被枢轴50支承，因此不易受到弹性变形以及热变形的影响。因此，即使在运转时，轴瓦面62与旋转轴10之间的间隙的尺寸也几乎不变。

另一方面，越沿周向远离该枢轴位置p2，轴瓦60越容易受弹性变形以及热变形的影响而变形。即，越远离被牢固支承的枢轴位置p2，越容易产生变形。

在第一实施方式中，将轴瓦面62在枢轴位置p2处与旋转轴10之间的间隙的尺寸设为最大，因此远离该枢轴位置p2的部位处的轴瓦面62与旋转轴10之间的间隙与枢轴位置p2处的间隙相比较小。因此，能够抑制在产生变形时，轴瓦面62上的远离枢轴位置p2的部位过大地离开旋转轴10的情况。因此，能够适当地进行轴瓦面62整体与旋转轴10之间的间隙管理，从而能够将运转时的轴瓦60整体的间隙最佳化。

另外，尤其在第一实施方式中，轴瓦面62与旋转轴10的间隙尺寸随着沿周向远离枢轴位置p2而逐渐变小。因此，越由于运转时的变形而从旋转时起较大地分离的部分，越使其预先在非运转时接近旋转轴10，从而能够进一步将运转时的间隙在轴瓦60整体最佳化。

并且，在第一实施方式中，将引导面与旋转轴10之间的间隙、以及枢轴位置p2处的轴瓦面62与旋转轴10之间的间隙设置为相同，并将上述的间隙作为基准。以该基准为前提，将轴瓦面62上的枢轴位置p2以外的部分处的间隙设为小于该基准，从而能够更适当地管理运转时轴瓦60整体的间隙。

另外，将金属引导件40与旋转轴10之间的间隙的尺寸、轴瓦60的组装时的间隙设定为cr，即没有从与现有技术相当的间隙进行变更，因此能够抑制由间隙减少引起的油膜温度的上升。

(第二实施方式)

接下来，参照图5对本发明的第二实施方式进行说明。在第二实施方式中，对于与第一实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记并省略详细的说明。

第二实施方式在轴瓦60的结构方面与第一实施方式不同。即，第二实施方式的轴瓦60具有与第一实施方式相同的背面61，且该背面61被枢轴50支承。被枢轴50支承的部位比轴瓦60的周向的中央更靠旋转方向t前方侧。因此，枢轴点p1以及枢轴位置p2为比轴瓦60的周向中央更靠旋转方向t前方侧的部位。

第二实施方式的轴瓦60的轴瓦面62以枢轴位置p2为边界而被分成上游侧轴瓦面63和下游侧轴瓦面64。即，轴瓦面62上的比枢轴50位置更靠旋转方向t后方侧的区域为上游侧轴瓦面63，轴瓦面62上的比枢轴50位置更靠下游侧的区域为下游侧轴瓦面64。上游侧轴瓦面63的从枢轴位置p2到周向的端部(旋转方向t后方侧、上游侧的端部)为止的距离相对较长，下游侧轴瓦面64的从枢轴位置p2到周向的端部(旋转方向t前方侧、下游侧的端部)为止的距离较短。

在第二实施方式中，在将上游侧轴瓦面63的曲率半径设为rp1，将下游侧轴瓦面64的曲率半径设为rp2时，在本实施方式中，rp1＜rp2的关系成立。

轴瓦60越沿周向远离枢轴位置p2，则轴瓦面62越容易发生变形而展开。因此，将从枢轴位置p2到周向端部为止的距离较大的上游侧轴瓦面63的曲率半径设为小于从枢轴位置p2到周向端部为止的距离较小的下游侧轴瓦面64的曲率半径，从而能够避免上游侧轴瓦面63极度展开的情况。由此，能够适当地设定运转时的轴瓦60整体的轴瓦面62与旋转轴10之间的间隙。

(第三实施方式)

接下来，参照图6对本发明的第三实施方式进行说明。在第三实施方式中，对于与第一实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记并省略详细的说明。

在第三实施方式中，在一对轴瓦60中，在将来自旋转轴10的载荷较大的一个轴瓦60的曲率半径设为rpa，将来自旋转轴10的载荷较小的另一个轴瓦60的曲率设为rpb时，rpa＜rpb的关系成立。

在第三实施方式中，从蒸汽轮机1中的周向的一部分导入蒸汽。具体而言，在一对轴瓦60中，从旋转方向t后方侧的轴瓦60侧导入蒸汽。因此，与旋转方向t后方侧的轴瓦60相比，对旋转方向t前方侧的轴瓦60施加更大的载荷。

针对于此，在第三实施方式中，与旋转方向t前方侧的轴瓦60的轴瓦面62的曲率半径rpa相比，将旋转方向t后方侧的轴瓦60的轴瓦面62的曲率半径rpb设定得较大。

在此，在一对轴瓦60中，施加有更大的载荷的一个轴瓦的弹性变形以及热变形比另一个大。因此，通过预先将载荷较大且容易变形的轴瓦60的曲率半径设定得更小，从而能够避免该轴瓦60与旋转轴10之间的间隙变得过大的情况。

由此，能够更适当地进行轴颈轴承30整体的轴瓦60与旋转轴10之间的间隙管理。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此，能够在不脱离该发明技术思想的范围内进行适当变更。

例如，在上述实施方式中，对轴瓦60通过枢轴50的点接触被支承这一点进行了说明，但并不局限于此。

例如，也可以构成为枢轴50的前端沿着轴线o方向延伸，轴瓦60通过线接触而被支承。

需要说明的是，“点接触”、“线接触”是指构件之间的相对的表现，当然不意味着严格意义上的以点、线进行接触。

另外，只要能够将轴瓦60支承为能够摆动，则并不局限于枢轴50，也可以使用其他结构来支承轴瓦60。

在第三实施方式中，对因蒸汽的导入方向而对各轴瓦60施加的载荷产生不同的内容进行了说明，但并不局限于此，在因蒸汽轮机1的机械性的、结构性的特性而一个轴瓦60的载荷增大的情况下也能够应用上述结构。

在上述实施方式中，对在作为旋转机械的蒸汽轮机1中应用本发明的例子进行了说明，但并不局限于此，例如，也可以在燃气轮机、压缩机等其他旋转机械中应用本发明。

工业实用性

本发明能够应用于轴承装置以及旋转机械。

附图标记说明：

1蒸汽轮机(旋转机械)

2涡轮外壳

3静叶

4动叶

10旋转轴

11推力环

20轴承部

21推力轴承

30轴颈轴承(轴承装置)

31承载圈

40金属引导件

41对置面

50枢轴(支承部)

60轴瓦

61背面

62轴瓦面

62轴瓦面

63上游侧轴瓦面

64下游侧轴瓦面

70润滑油供给喷嘴

p1枢轴点

p2枢轴位置

o轴线

t旋转方向

s基圆