ティルティング パッド ベアリングは、シャフトの安定性、負荷制御、信頼性の高い流体潤滑が重要な回転機械に広く使用されています。各パッドの下に独立したオイルウェッジを形成できるため、タービン、遠心圧縮機、ポンプ、発電機、船舶推進システム、および厳しい動作条件にさらされるその他の機器に特に適しています。固定プロファイルベアリングとは異なり、パッドはシャフトの動きと負荷に応じて回転することができ、ベアリングが広い動作範囲にわたって安定した流体膜を維持するのに役立ちます。したがって、を理解するには ティルティング パッド ベアリングのアプリケーション 、単に業界を特定するだけでは不十分です。エンジニアは、各機械でベアリングがどのような機械的問題を解決するかを理解する必要もあります。
ティルティング パッド ベアリングは、回転シャフトまたはスラスト カラーの周囲に配置された複数の個別のベアリング パッドを使用します。各パッドはその支持点を中心にわずかに回転し、シャフトが回転するにつれて潤滑膜が収束するくさびを形成できるようにします。通常の動作状態では、そのウェッジ内で発生する流体圧力が可動面を分離し、加えられた荷重を支えます。
この自動調整ジオメトリは、ティルティング パッドの設計が重要な回転機器に広く使用されている主な理由の 1 つです。各パッドはシャフトの位置と荷重の変化に個別に反応するため、このベアリングは多くの固定ジオメトリのジャーナルベアリングよりも優れた動的安定性を提供できます。この設計は、ローター速度、熱膨張、プロセス条件、負荷の変動によりシャフトの動作の制御が困難になる場合に特に価値があります。
従来の固定プロファイル ジャーナル ベアリングは、特定の動作条件下で相互に結合した流体力を発生させる可能性があります。高速ローター システムでは、これらの力が準同期振動やオイル渦に関連した不安定性の原因となる可能性があります。傾斜パッドは、1 つの連続した固定ベアリング プロファイルを維持するのではなく、各パッドが回転して独自の圧力フィールドを形成するため、この傾向を軽減します。
その結果は、すべてのマシンで単に「振動が少なくなる」ということではありません。実際のローターの動作は、シャフトの剛性、ベアリングのクリアランス、予圧、潤滑剤の特性、ローターの質量、アライメント、動作速度に依存します。ただし、回転子の動的安定性が設計の中心的な要件である場合には、ティルティング パッド ジャーナル ベアリングが選択されることがよくあります。
すべてのティルティング パッド ベアリングが同じ機械的機能を実行するわけではありません。を理解する上で最も役立つ区別の 1 つは ティルティング パッド ベアリングの用途 、ベアリングがラジアル荷重、アキシアル荷重、またはその両方を個別のベアリング配置でサポートするかどうかです。
| 軸受の種類 | 主な荷重方向 | 主な機能 | 代表的な装置 |
|---|---|---|---|
| ティルティングパッドジャーナルベアリング | ラジアル | 回転軸を支持し安定させます。 | タービン、コンプレッサー、ポンプ、発電機、ギアボックス |
| ティルティングパッドスラストベアリング | 軸方向 | 軸の位置を制御し推力を伝達 | タービン、ポンプ、船舶推進システム、コンプレッサー |
| 組み合わせた配置 | ラジアルおよびアキシャル | 1 つの機械システムでシャフトサポートと推力制御を提供します | コンプレッサー、タービン、ギアボックス、その他のコンパクトな回転システム |
ジャーナルベアリングは シャフトを囲み、主にシャフト軸に垂直に作用する荷重に抵抗します。スラスト ベアリングは、スラスト カラーまたはランナーに対して動作し、シャフト軸に沿って作用する荷重に抵抗します。多くのターボ機械システムでは、ローターを半径方向に安定させながら、圧力差、インペラ、タービン、プロペラによって生じる軸方向の力も制御する必要があるため、両方が必要です。
最も重要な産業用途には 1 つの特徴があります。それは、単に機械が高速で動作するためではなく、特定のローター支持や推力制御の問題を解決するためにベアリングが選択されるということです。
蒸気タービンとガス タービンは、として最もよく知られています ティルティング パッド ベアリングの用途。ローターは、熱の増大、負荷条件の変化、厳しい振動制限を受けながら、高速回転速度で動作することがあります。ティルティングパッドジャーナルベアリングは安定したラジアルサポートを提供できます。 ティルティングパッドのスラストベアリングは、 アキシャルローターの位置を制御します。
タービン内の軸方向の力は、ステージ間の圧力差や動作条件の変化によって発生することがあります。スラストベアリングは、制御された潤滑膜を維持しながら、これらの力に対応する必要があります。同時に、ジャーナルベアリングの特性は、ローターの臨界速度、減衰、および全体的なローターの動的挙動に影響を与えます。
したがって、タービン用の軸受設計をシャフトの動力学から切り離すことはできません。パッドの形状、クリアランス、潤滑剤の供給、荷重の方向、および熱状態は、完全なローター ベアリング システムの一部として評価する必要があります。
遠心圧縮機では、ローターの安定性が特に強く求められます。高い回転速度、複数のインペラ段、空気力学的な力、およびプロセス条件の変化はすべて、シャフトの動きに影響を与える可能性があります。このため、非同期振動と動的安定性が重要な懸念事項となる圧縮機トレインでは、ティルティング パッド ジャーナル ベアリングが一般的に検討されています。
推力制御も同様に重要です。圧縮機ステージ間の圧力差により軸方向の力が発生する可能性があり、ローターが過度に変位することなく吸収する必要があります。したがって、ティルティングパッドスラストベアリングは、同じ圧縮機内でジャーナルベアリングと並行して動作する可能性があります。
ベアリング構成は、一般的な速度しきい値ではなく、実際のコンプレッサー ローターのダイナミクスを反映する必要があります。シャフトの剛性、インペラの配置、カップリングの構成、ベアリングのスパン、動作範囲、油温、予想される推力はすべて、最終的な選択に影響します。
ポンプはのもう 1 つの重要なグループを代表します。 ティルティング パッド ベアリングの用途、特に大型または高エネルギーの回転システムにおいて、ポンプ ローターは、半径方向の油圧力、軸方向の推力、熱の影響、および流れやシステム抵抗の変動によって引き起こされる動作の変化を受ける可能性があります。ローターが長く、柔軟で、負荷が大きく、または臨界動的領域に近い状態で動作する場合、ベアリングの安定性がますます重要になります。
ジャーナルベアリングはシャフトを半径方向に支持し、スラストベアリングはインペラの圧力の不均衡によって生じる軸方向の動きを制御します。正確な構成は、ポンプのアーキテクチャとサービス条件に大きく依存します。
ティルティング パッド ベアリングはすべてのポンプに自動的に必要になるわけではありません。より単純な機械や負荷の低い機械は、他のベアリング設計でも効果的に動作する可能性があります。負荷、速度、ローターのダイナミクス、信頼性の要件、または軸方向の推力によって、設計のさらなる複雑さが正当化される場合、その値はより大きくなります。
大型の発電機には、長期間の運転期間にわたって正確に支持され続ける必要がある重回転アセンブリが含まれています。タービン発電機システムでは、ベアリングの性能もタービン シャフト トレインと直接相互作用します。ティルティング パッド ジャーナル ベアリングは、予測可能な動的特性を維持しながらラジアル サポートを提供するように選択できます。
ローターの大きな質量、シャフトのアライメント、熱膨張、振動の制御は重要な考慮事項です。ベアリングは、動作条件の変化に応じて不安定な流体膜応答を引き起こすことなくシャフトを支持する必要があります。
発電機のアプリケーションも重要な点を示しています。ティルティング パッド ベアリングは、極度の回転速度にのみ関係しているわけではありません。ローターの重量、負荷分散、シャフトのダイナミクス、および信頼性の要件も同様に重要な選択要素となります。
水力発電機械はに対する通常の理解を広げます 、ティルティング パッド ベアリングの用途。一部の水力発電ユニットは、ガス タービンやコンプレッサーよりもかなり低い回転速度で動作しますが、そのシャフトやランナーには非常に高い負荷がかかる可能性があります。大型の垂直機械では、かなりの半径方向のガイドと軸方向のスラストのサポートが必要になる場合があります。
このことから、水力発電は、「高速」だけがティルティング パッド設計を使用する唯一の理由ではないことを思い出させるのに役立ちます。重負荷の水力発電機は、回転速度が比較的中程度であっても、適切に設計されたパッドの耐荷重動作と流体力学的特性の恩恵を受けることができます。
これらのシステムの場合、設計者は垂直軸の配置、推力の大きさ、ランナーの重量、熱挙動、油膜性能、および起動条件を一緒に考慮する必要がある場合があります。したがって、アプリケーションは 1 つの動作パラメータではなく、負荷システムによって定義されます。
船舶の推進はの 1 つです。 ティルティング パッド ベアリングの用途 、シャフトラインがプロペラからかなりの軸方向推力を受ける可能性があるため、より特殊なスラストベアリングまたはスラストブロックは、制御された軸方向の位置決めを維持しながら、回転シャフトから船の構造に力を伝達します。
動作負荷は、船舶の速度、プロペラの状態、操船、海の状態、推進需要の変化によって変化する可能性があります。シャフトのアライメントは、船体のたわみ、ベアリングの位置、シャフトラインの形状、熱条件にも影響されます。これらの要因により、ベアリングの選択は個別のコンポーネントの決定ではなく、より広範な推進シャフト システムの一部となります。
ティルティング パッド スラスト ベアリングは、高いスラスト容量と安定した油膜挙動が必要な場合に特に役立ちます。ジャーナルベアリングは、推進装置の配置や機械の設計に応じて、他のシャフトラインの位置でも使用される場合があります。
ギアボックスは、ラジアル方向の力、伝達トルク、ギアメッシュの励起、および場合によっては軸方向の荷重をシャフトベアリングシステムに導入します。産業用高速ギアユニットでは、ローターの動作を制御し、振動を制限するために、予測可能なベアリングの剛性と減衰が重要となる場合があります。
ティルティング パッド ジャーナル ベアリングは、固定プロファイル設計ではあまり望ましくない動的特性が得られる高速シャフトをサポートする場合があります。スラストベアリングは、ヘリカルギアや機械の構成によって大きな軸力が発生する場合にも必要になることがあります。
ベアリングの設計は、シャフトの回転速度以上のものを考慮する必要があります。ギアの力、シャフトのたわみ、カップリング荷重、ベアリングの間隔、潤滑油の温度、およびアライメントはすべて、ティルティング パッドの配置が適切かどうかに影響します。
ターボ エキスパンダ、プロセス タービン、大型電気機械、および特殊な回転装置でも、安定したローターのサポートが不可欠なティルティング パッド ベアリングが使用される場合があります。これらのシステムは、負荷やプロセス条件が変化しても動作することが多く、予測可能なベアリング動作の価値が高まります。
ティルティング パッドの設計を選択する具体的な理由は、マシンによって大きく異なる場合があります。あるアプリケーションでは高速安定性が優先されますが、別のアプリケーションでは軸方向の推力、ローターの重量、または熱の動きが重要になります。したがって、エンジニアリングの選択は、単純な機器のラベルではなく、機械の負荷経路とローターの動作から始める必要があります。
主要なに共通するのは ティルティング パッド ベアリングの用途 、厳しい機械的および熱的条件下でローターを制御する必要があるということです。高い回転速度は 1 つの要素ですが、それは全体像の一部にすぎません。
いくつかのエンジニアリング要件が選択を左右することがよくあります。
ローターの動的安定性: 独立したパッドにより、非同期振動の影響を受けやすいアプリケーションにおける不安定な流体膜の挙動を軽減できます。
ラジアル荷重とアキシアル荷重の管理: ジャーナルとスラストを個別に配置することで、設計者はさまざまな荷重方向に対応できます。
熱適応性: パッドの動きと適切なベアリングの形状は、温度とシャフトの位置に関連する動作の変化に対応するのに役立ちます。
制御された油膜形成: 各パッドは、通常の動作条件下で独自の流体力学的ウェッジを開発します。
マシン固有の剛性と減衰: ベアリング特性は、より広範なローターダイナミック設計の一部として選択できます。
これらの利点によって、適切な調整、潤滑、設置、監視、メンテナンスの必要性がなくなるわけではありません。適切に設計されたベアリングであっても、ローター システム、オイル供給、クリアランス、または動作条件が意図した設計範囲から外れると、性能が低下する可能性があります。
同じ一般的なベアリング タイプを使用する 2 台の機械には、まったく異なる設計が必要になる場合があります。したがって、類似の機械のベアリング仕様をコピーするのではなく、動作条件に基づいて選択する必要があります。
最初の問題は、ベアリングがどのような荷重に耐えなければならないかということです。ラジアルシャフト荷重は通常、ジャーナルベアリングに向けられますが、大きな軸方向の力にはスラストベアリングのソリューションが必要です。多くのタービン、コンプレッサー、ポンプ、船舶推進システムには両方の機能が必要です。
負荷の方向は過渡動作中にも変化する可能性があります。エンジニアは、起動、シャットダウン、プロセス変更、逆推力、およびこれらの条件が関連する異常な動作ケースを考慮する必要があります。
回転速度は潤滑剤のせん断、温度、動力損失、ローターの安定性に影響しますが、表面速度は直径と回転速度の両方に依存するため、シャフト直径も重要です。そのため、単一の汎用速度制限だけで潤滑またはベアリング構成を選択するのに十分であることはほとんどありません。
重要な機器には回転動力解析が必要になる場合があります。ベアリングの剛性と減衰、シャフトの形状、ローターの質量、カップリングの動作、および臨界速度の分離を一緒に考慮する必要があります。
浸水潤滑は依然として多くの軸受システムに適していますが、撹拌損失や軸受温度が顕著になる用途では、指示または制御された潤滑剤の供給が有利になる可能性があります。正しい配置は、ベアリングのサイズ、荷重、速度、潤滑剤の特性、ハウジングの形状、および熱除去の要件によって異なります。
オイル供給は、独立した設計変数として扱われることなく、適切な流量と温度の制御を提供する必要があります。パッドの温度と膜の厚さは両方に依存するため、ベアリングの形状と潤滑戦略は密接に関連しています。
ベアリングのクリアランスは、油膜の厚さ、剛性、温度、および動的挙動に影響を与えます。プリロードはパッドの反応とシャフトの安定性を変える可能性があり、パッドの数と方向は荷重の分散に影響します。
これらのパラメータを個別に最適化しないでください。たとえば、剛性を高めることを目的とした変更は、温度や最小膜厚にも影響を与える可能性があります。したがって、最終的な形状は、実際の機械の動作範囲に照らして選択する必要があります。
を評価する実際的な方法は ティルティング パッド ベアリングのアプリケーション 、各マシンをその主な負荷と動作上の課題と結び付けることです。
| 機器の | 主軸受の課題 | 一般的な軸受の機能 | 主な設計上の考慮事項 |
|---|---|---|---|
| 蒸気・ガスタービン | 高速ローターの安定性と軸力 | ジャーナル＋推力 | 速度、熱膨張、推力、ローターダイナミクス |
| 遠心圧縮機 | 非同期の安定性とプロセス推力 | ジャーナル＋推力 | ローターダイナミクス、負荷範囲、油温 |
| ポンプ | ラジアル油圧荷重とアキシアル推力 | ジャーナルおよび/または推力 | ポンプ構成、推力バランス、デューティサイクル |
| ジェネレータ | 重量ローターのサポートと振動制御 | ジャーナル | ローター質量、アライメント、シャフトダイナミクス |
| ハイドロユニット | 非常に高い負荷、多くの場合中程度の速度で | ジャーナル＋推力 | 垂直荷重、ランナー質量、油膜容量 |
| 船舶推進機 | プロペラが発生する軸方向推力 | 主にスラスト、プラスシャフトサポートベアリング | 推力変動、アライメント、軸線挙動 |
| 高速ギアボックス | ギアの力とローターの振動 | ジャーナルおよび/または推力 | ギアの力、速度、シャフトのたわみ、アライメント |
| ターボエキスパンダ | 高速ローター対応 | 必要に応じてジャーナル + 推力 | 速度、安定性、プロセス条件 |
この表は、普遍的な仕様ではなく、エンジニアリングの出発点として扱われる必要があります。実際のベアリングの選択は、機械全体のアーキテクチャと動作範囲によって異なります。
ティルティング パッド ベアリングは、すべての回転機械にとって自動的に優先される選択肢ではありません。中程度の速度、比較的安定した負荷、限られたローターの動的感度、およびそれほど要求の厳しい信頼性要件を備えた機器は、より単純な固定プロファイル ジャーナル ベアリングまたはその他のベアリング技術で効果的に動作する可能性があります。
複雑さが増すと、設計とメンテナンスの考慮事項も発生します。パッドの形状、ピボットの状態、潤滑、クリアランス、組み立て、温度挙動はすべて適切に制御する必要があります。明確な機械的理由なしに、より高度なベアリングを使用すると、意味のある運用上の利点が得られずにコストが増加する可能性があります。
したがって、最も擁護できる選択の質問は、「ティルティング パッド ベアリングの方が優れているか?」ということではありません。むしろ、「このローターが実際に必要とするベアリング特性は何ですか?」
ティルティング パッド ベアリングを指定する前に、エンジニアは公称速度や負荷だけに依存するのではなく、機械の動作範囲全体を確認する必要があります。
シャフトの回転速度と直径
ラジアル軸受荷重
最大および通常のアキシアル推力
ローターの質量とシャフトの柔軟性
臨界速度と振動挙動
動作温度と潤滑油温度
潤滑剤の種類、粘度、供給圧力、流量
シャフトのアライメントと予想される熱膨張
スタートストップ周波数
回転方向と逆転の可能性
パッドクリアランス、プリロード、向き、ピボットの設計
メンテナンスアクセスと状態監視の要件
ベアリングのメーカーは通常、適切な設計を評価する前に、これらの入力をいくつか必要とします。完全な動作情報を提供することで、1 つの独立したパラメータに基づいてベアリングを選択するリスクも軽減されます。
ティルティングパッドベアリングの用途は、 高速タービンをはるかに超えています。遠心圧縮機、ポンプ、発電機、水力発電ユニット、船舶推進システム、ギアボックス、ターボ エキスパンダは、要求の厳しい半径方向、軸方向、熱的、および動的条件下で安定した流体力学的サポートを提供できるため、これらのベアリングが使用されています。正しい選択は、ジャーナルと推力要件を区別し、次に負荷、速度、ローターの動作、潤滑、アライメント、および温度を 1 つのシステムとして評価することから始まります。ティルティング パッドの設計は、操作上の要求が追加のエンジニアリングの複雑さを正当化する場合に、最大の価値を提供します。
一般的な用途には、蒸気およびガス タービン、遠心圧縮機、高速ポンプ、発電機、水力発電機械、船舶推進システム、産業用ギアボックス、ターボ エキスパンダーなどがあります。これらは通常、ローターの安定性、軸方向推力制御、重荷重、または厳しい動作条件が流体力学的ティルティング パッド設計を正当化する場合に選択されます。
タービンには、制御されたラジアル シャフト サポートと、多くの場合、実質的な軸方向推力管理が必要です。ティルティングパッドジャーナルベアリングは高速ローターに好ましい剛性と減衰特性を提供し、スラストベアリングはアキシャルローターの位置を制御します。熱膨張や動作条件の変化によっても、ベアリングの挙動を予測できることが重要になります。
遠心圧縮機のローターは、準同期振動や流体膜の不安定性の影響を受けやすい場合があります。ティルティングパッドジャーナルベアリングは、独立したパッドが個別の流体力学的圧力ウェッジを生成するため、一般的に使用され、特定の固定プロファイルベアリング構成と比較してローターの動的安定性を向上させることができます。
はい。ティルティング パッド スラスト ベアリングは、プロペラで生成された軸方向の推力を船の構造に伝達するために、一部の船舶推進システムで使用されています。ベアリングの選択では、シャフトのアライメント、推力の変動、推進力の配置、および動作条件も考慮する必要があります。
ティルティング パッド ジャーナル ベアリングは主に、シャフト軸に垂直に作用するラジアル荷重をサポートします。ティルティング パッド スラスト ベアリングは、シャフトに沿って作用するアキシアル荷重を支えます。複雑な回転機械では、ローターを半径方向と軸方向に制御する必要があるため、両方を使用することがよくあります。
ティルティング パッドの設計が最も重要になるのは、ローターの動的安定性、重荷重、高い表面速度、軸方向の推力、熱の影響、または動作条件の変化が、より単純なベアリング配置で快適に管理できるレベルを超える場合です。決定は速度だけではなく、マシンレベルの分析に基づいて行う必要があります。
