ティル ティング パッド ベアリングは 、安定したシャフト サポート、予測可能な油膜挙動、制御されたローター ダイナミクスが重要な回転機械に使用されます。この設計では、1 つの連続した固定ベアリング面に依存するのではなく、シャフトまたはスラスト カラーの移動に応じて小さな角度で回転できる複数のパッドを使用します。荷重がかかった各パッドは独自の流体力学的圧力場を生成し、ベアリングが速度、荷重、温度、シャフト位置の変化に応答できるようにします。
このアーキテクチャは、タービン、遠心圧縮機、発電機、ポンプ、ギアボックス、およびベアリングの動作が振動やローターの安定性に影響を与える可能性があるその他の機械で一般的です。ただし、すべての固定プロファイル ベアリングよりも自動的に優れているわけではありません。正しい選択は、機械の動作範囲、ベアリング負荷、潤滑剤の状態、シャフトのダイナミクス、利用可能なスペース、およびメンテナンスの要件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、ピボット上に支持された複数の個別のベアリング パッドから作られた一種の流体力学的流体膜ベアリングです。回転面と潤滑剤の間の相対運動により、オイルが収束隙間に引き込まれ、通常の流体力学的動作中に可動面を分離する圧力が発生します。パッドは、1 つの剛性の円筒形または平坦なプロファイルの残りの部分ではなく、小さな角度位置を自由に確立できます。
典型的な ホワイトメタルベアリングは 、バビット走行面を備えたスチールバッキングを使用する場合があります。これは、ライニングが流体力学的動作に適したインターフェースを提供し、大型回転機器の特定の設計要件に対応できるためです。ティルティングパッド設計により、各セグメントが独立して応答するために必要なピボット機構が追加されます。 Waukesha や Michell などのメーカーも同様に、ティルティング パッド ベアリングを、ジャーナルおよびスラスト装置に使用されるセグメント化された流体力学ベアリングとして説明しています。
したがって、最も重要な違いは単に軸受の材質ではありません。ジオメトリ、ピボットの設計、クリアランス、潤滑剤の供給、パッドの荷重、ベアリング周囲のローター システムはすべて、ベアリングのパフォーマンスに影響します。
流体力学的潤滑は、相対的な表面運動、潤滑剤の粘度、荷重、および収束するフィルムの形状に依存します。ジャーナルが回転すると、潤滑剤がシャフトと負荷のかかるパッドの間の空間に引き込まれます。収束領域内の圧力が上昇し、荷重を支える油膜が形成されます。
ティル ティングパッドベアリング により、パッドに作用する局所的な力によってパッドが決定される動作姿勢に達するまで、各セグメントがそのピボットを中心にわずかに回転することができます。この動きは、固定されたベアリング プロファイルの周囲に 1 つの連続した圧力フィールドではなく、個別の流体力学的ウェッジを確立するのに役立ちます。結果として生じる膜の厚さとパッドの温度は依然として動作条件に依存するため、パッドの動きをあらゆる潤滑や位置合わせの問題の自動補正として解釈すべきではありません。
石油の供給も同様に重要です。不十分な流量、不適切な粘度、過度の入口温度、排水の制限、または高温オイルのキャリーオーバーは、ベアリングの形状自体が正しい場合でも、膜の厚さと熱挙動に影響を与える可能性があります。このため、動圧軸受の設計と潤滑システムの設計を合わせて評価する必要があります。
固定プロファイルのジャーナル ベアリングは多くの機械で確実に動作しますが、速度、荷重、クリアランス、潤滑剤の特性、ローター特性の特定の組み合わせによっては、不安定な相互結合流体力が生じる可能性があります。これらの力は、オイルワールや、好ましくないローターの動的条件下ではオイルホイップなどの準同期振動に寄与する可能性があります。
ティルティングパッドジャーナルベアリングは、各パッドがより局所的な圧力フィールドを発生させるため、その動的挙動を変化させます。独立したパッドの動作により、一部の固定ジオメトリのジャーナルベアリング構成と比較して、不安定化するクロスカップル剛性を大幅に軽減できます。この効果により、特に流体膜力学が重要な機器において、ローター設計者が利用できる安定性マージンが向上します。
これは、 ありません。 ベアリングがあらゆる振動源を排除するという意味ではローターの不均衡、位置ずれ、構造共振、不適切なクリアランス、不正確な予圧、ピボットの損傷、潤滑不良、基礎の問題などにより、機械の動作が不安定または許容できないものになる可能性があります。したがって、ベアリングの選択は完全な回転力学的評価の一部であり続ける必要があります。
ティルティングパッドの設計は、パッドの配置方法に応じて、ラジアル荷重またはアキシアル荷重のいずれかをサポートできます。ジャーナル ベアリングはシャフトを囲んで主に半径方向の位置を制御しますが、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作用して軸方向の動きを制御します。多くの大型機械は、同じシャフト システム内で両方の機能を使用します。
| 軸受の種類 | 主な負荷 | 主な機能 | 代表的な機器 |
|---|---|---|---|
| ティルティングパッドジャーナルベアリング | ラジアル | シャフトをサポートし、ローターの剛性と減衰に影響を与えます。 | コンプレッサー、タービン、発電機、ポンプ、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 | 軸方向の位置を制御し、推力を支持構造に伝達します | タービン、コンプレッサー、ポンプ、船舶推進機 |
| 組み合わせた配置 | ラジアルおよびアキシャル | 1 つのマシン システム内で個別のラジアル サポートと推力制御を提供します | ターボ機械およびその他の複雑な回転システム |
ジャーナル設計では、通常、シャフトの周りに分散された複数のパッドが使用されます。 4 つまたは 5 つのパッド配置が一般的ですが、パッド数と負荷の向きはユニバーサル デザイン ルールではなくアプリケーション固有のままです。 Waukesha は同様に、パッド番号、プリロード、ピボット オフセット、クリアランス、および荷重の向きを、機械に合わせて変更できる変数として特定します。
スラストアセンブリでは、各パッドが回転カラーに対して流体力学的ウェッジを形成します。あ したがって、 Babbitt スラストパッドは 、ベースリング、サポート構成、潤滑剤供給、および必要に応じて荷重均等化機能を含む、より大きなベアリングシステムの一部を形成できます。 TOTEM の製品範囲には、ティルティング パッド スラスト ベアリング アセンブリ用に設計されたスラスト パッドが含まれます。
どちらの軸受構造も一般的に優れているとは言えません。固定プロファイルベアリングは、速度、荷重、動作範囲、およびローターのダイナミクスがその特性と一致する場合には実用的です。安定性の要件や動作条件の変化により、より構成可能な流体膜設計が正当化される場合、ティルティング パッド ベアリングは特に価値があります。
| Factor | 固定プロファイルベアリング | ティルティングパッドベアリング |
|---|---|---|
| ローターの動的挙動 | 適切な動作範囲内で確実に動作しますが、一部の高速システムではより強いクロスカップル効果が発生する可能性があります。 | 通常、不安定化するクロスカップリングが少なく、設計の柔軟性が向上します。 |
| ジオメトリ | 連続固定プロファイル | 複数の独立して回転するパッド |
| 設計の複雑さ | 一般的にはより単純です | より多くのコンポーネントとより多くの設計変数 |
| ミスアライメント応答 | ベアリングの形状と機械のアライメントに大きく依存します | 個々のパッドの動きはシャフト姿勢の適度な変化に対応できます。 |
| エンジニアリングの柔軟性 | より制限された幾何学的調整 | クリアランス、プリロード、ピボット、パッド数、向きを調整可能 |
| 潤滑要件 | アプリケーションに依存する | オイル分布とパッドの熱挙動は慎重な評価が必要 |
| 最適な使用例 | ベアリングの設計範囲内で安定した荷重と動作条件 | ローターの安定性や動作条件が変化するため、さらに複雑になる機械 |
実際の選択の問題は、古いデザインを最新のデザインに置き換えるべきかどうかではありません。エンジニアは、ローターに実際に必要な軸受特性と、期待される改善によって追加の製造、潤滑、監視、メンテナンスの要件が正当化されるかどうかを判断する必要があります。
パフォーマンスは、1 つの推奨設定ではなく、複数の変数の相互作用によって決まります。クリアランス、プリロード、ピボットの位置、または潤滑を変更すると、同時に最小膜厚、パッド温度、剛性、減衰、およびパワー損失が変化する可能性があります。そのため、あるマシンに最適化された設計を別のマシンに直接コピーすべきではありません。
| 設計変数 | それが重要な理由 | エンジニアリング上の考慮事項 |
|---|---|---|
| ベアリングクリアランス | 油膜の厚さ、温度、剛性、動的係数に影響を与える | シャフトのサイズ、速度、負荷、オイルの特性、熱状態を反映する必要があります |
| プリロード | パッドフィルムの形状とベアリングの動的特性を変更します | ゼロ予圧も高予圧も一般的には好ましくありません |
| ピボット位置 | パッドの姿勢、圧力分布、方向性に影響を与える | 中心配置またはオフセット配置は回転と設計要件に一致する必要があります |
| パッド番号と方向 | 荷重分布と剛性特性を変更します | 4 パッドまたは 5 パッドのジャーナル構成が一般的ですが、選択はアプリケーション固有です |
| 潤滑剤の供給 | 熱除去と流体力学的膜形成を制御 | 油流量、粘度、入口温度、供給方法、ドレンの見直しが必要 |
| パッド素材と裏地 | 走行面の挙動、製造可能性、修理戦略に影響を与える | 材料仕様は機械の要件と承認された図面に従う必要があります |
すきまは、流体膜軸受において最も敏感な寸法の 1 つです。クリアランスが過剰であると、動的係数が変化し、シャフト動作の意図した制御が低下する可能性がありますが、クリアランスが不十分であると、油膜の発達が制限され、熱感度が増加する可能性があります。正しい組み立て値は、公称寸法だけではなく、実際のシャフトとハウジングの寸法を考慮する必要があります。
プリロードは、パッドの曲率と組み立てられたベアリングの形状との関係を変更します。一部のシステムではプリロードを低くすると好ましい安定特性が得られる場合がありますが、他の場所では必要な剛性、フィルムの挙動、またはパッド制御を達成するために別の値が選択される場合があります。したがって、普遍的な設定として扱うのではなく、流体力学、熱解析、および回転力学的解析を通じて確立する必要があります。
ピボットは、各パッドがその動作角度を確立するためのサポートを提供します。センター ピボットは、適切な設計で双方向の要件に適合できますが、回転が定義され、非対称のピボット位置から圧力分散が得られる場合は、オフセット ピボットを選択できます。ピボットのタイプと柔軟性も、アセンブリ全体の動的応答に影響を与える可能性があります。
パッド上の荷重とパッド間の荷重の方向は、ジャーナル ベアリングに別の設計選択肢を提供します。それらの効果は、パッドの数、ベアリングの荷重方向、ローターの剛性、および必要な動的係数によって異なります。選択は、一般的なルールではなく、システムレベルの計算に従う必要があります。
信頼性の高い流体力学的動作は、ベアリング ハウジングへのオイルの供給以上のものに依存します。潤滑剤は、適切な圧力、粘度、温度、流量条件下でパッド表面に到達し、過剰な再循環を行わずにベアリングから排出される必要があります。オイルの分布は、最小膜厚とパッドメタル温度の両方に影響を与える可能性があります。
ベアリングの設計によっては、浸潤潤滑を使用するものもありますが、オイルをより具体的にパッドの入口領域に向けるものもあります。直接潤滑を行うと、不必要なオイルの再循環が減少し、動力損失や温度挙動が変化する可能性がありますが、適切な配置はベアリングと機械の設計によって異なります。たとえば、Waukesha は、指示された潤滑、パッドの形状、および動作条件を、独立した機能ではなく、関連する設計上の考慮事項として扱います。
改造中は、既存のオイル システムが自動的に適切であると想定すべきではありません。ベアリング構成を変更する前に、供給通路、ドレン容量、油温、濾過、計装、およびハウジングの形状を一緒に検討する必要があります。
を理解する最も有効な方法は ティルティング パッド ベアリングの用途 、解決されている機械的問題を特定することです。回転速度が高いことが一般的な理由ですが、それだけではありません。大きな軸方向の推力、ローターの柔軟性、動作条件の変化、熱膨張、および厳しい信頼性要件も決定に影響を与える可能性があります。
蒸気およびガス タービンのローターは、スラスト ベアリングがローターの軸方向の位置を維持しながら、制御された半径方向のサポートを必要とします。温度変化、シャフトラインの動き、圧力、および厳しい振動制限により、ベアリングの動的挙動が特に重要に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ラジアル方向の安定性のために使用され、スラスト機構はアキシアル荷重を管理します。
ベアリングは、 蒸気タービンの残りの部品と並行して考慮する必要があります。 ローター シャフト、ケーシング、シャフト シール、支持構造など、TOTEM のタービン製品カテゴリには、タービン用途向けのローター シャフト、スラスト ベアリング、スリーブ ベアリング、ティルティング パッド ベアリング コンポーネントが含まれます。
遠心圧縮機のローターは、プロセス条件が変化しても動作する可能性があり、準同期振動の影響を受けやすい場合があります。構成可能なジャーナル ベアリングは、設計者が適切な剛性と減衰を得るのに役立ち、別個のスラスト ベアリングがコンプレッサー ステージ全体で生成される軸方向の力を管理します。
ポンプとギアボックスは異なる荷重システムを示しますが、ラジアル荷重、軸方向スラスト、シャフトの柔軟性、温度、振動に関して同様の疑問が生じる可能性があります。これらの動作要件がエンジニアリング上の明らかな利点を生み出す場合、ティルティング パッド ベアリングは正当化されます。要求の少ない機械では、より単純なベアリング配置が引き続き適切な場合があります。
船舶用推進システムは、シャフトラインから船舶構造に伝達する必要があるかなりの軸方向推力を生成することがあります。ティルティングパッドスラストベアリングは、安定した油膜動作と制御された軸方向位置決めが必要な場合に使用できます。シャフトのアライメント、船体のたわみ、ベアリングの反応、潤滑油の状態、推進負荷は、同じシステムレベルの評価の一部として残ります。
大型水力発電機は、速度だけでは不完全な選択基準となるもう 1 つの例です。ローターやランナーの負荷が大きく、シャフトが垂直に配置されている場合、負荷容量と油膜の挙動が回転速度と同じくらい重要になります。
選択はベアリングのカタログではなく機械から始める必要があります。エンジニアは通常、シャフト直径、回転速度範囲、ラジアル荷重、該当する場合は軸方向スラスト、回転方向、潤滑剤の特性、入口オイルの状態、ベアリング ハウジングの形状、シャフトの位置合わせ、熱膨張、および既知のローターの動的要件を定義する必要があります。
既存の機器については、振動履歴、ベアリングの温度、起動および停止の動作、オイルの状態、シャフト ジャーナルの状態、および以前のベアリングの損傷についてもレビューする必要があります。これらの観察は、真のベアリング設計の問題を、不均衡、共振、位置ずれ、潤滑不足、またはその他のシステム障害から区別するのに役立ちます。
改造の場合、固定プロファイル ベアリングをティルティング パッド ベアリングに交換するには、ローターの動的および機械的互換性のレビューに従う必要があります。ハウジングのエンベロープ、オイル接続、ドレン、プローブ、シャフトの位置、取り付けアクセス、および動作過渡状態はすべて、変換が実用的かどうかに影響を与える可能性があります。
ベアリングの性能は、製造されたコンポーネントが意図した形状を再現するかどうかによって決まります。あ ホワイトメタルのティルティングパッド では、パッドの厚さ、内径、ピボットの位置、ライニングの完全性、表面仕上げ、および油溝の形状の制御が必要な場合があります。これらのフィーチャに誤差があると、実際のクリアランスまたは流体力学的表面が設計条件から変化する可能性があります。
TOTEM には、スチールバッキングの準備、バビットライニング、精密機械加工、寸法検査、および接着されたホワイトメタル層の検査を含む製造ルートが記載されています。製品情報には、利用可能な検査ステップとして、三次元測定器、バビット接合の超音波検査、表面粗さ検査、油溝検査なども記載されています。
検査要件は、承認された図面、顧客仕様、および該当するプロジェクト文書に従う必要があります。特に既存のベアリングアセンブリの交換用パッドを製造する場合には、一般的な数値公差を機械固有の要件に置き換えるべきではありません。
試運転では、単に機械が回転できることを確認するのではなく、ベースラインを確立する必要があります。ベアリング温度、シャフトの振動、監視されるシャフトの位置、潤滑剤の入口と出口の状態、および動作負荷は、承認された動作範囲全体で観察する必要があります。スタートアップ、コーストダウン、およびプロセスの遷移では、ある定常状態の条件では明らかではない動作が明らかになる場合があります。
| 症状 | 考えられるベアリング関連の原因 | 考慮すべきチェック事項 |
|---|---|---|
| パッド温度の上昇 | オイルの流れの制限、不適切なクリアランス、過大な負荷、高温のオイルのキャリーオーバー、表面の損傷 | オイルの状態、温度パターン、荷重、クリアランス、パッド表面を確認します。 |
| 非同期振動 | ベアリングの動特性、過剰クリアランス、ローター相互作用 | スペクトル、速度依存性、シャフト軌道、ローターモデル、ベアリング状態を確認します。 |
| 局所的なバビットの損傷 | エッジローディング、潤滑損失、汚れ、形状誤差 | パッド表面、ピボット、ジャーナル、オイル供給、アライメント、寸法を検査します。 |
| 改造後の不安定な温度 | オイルの分配、負荷の変更、ハウジングまたは排水の制限 | 試運転ベースラインと比較し、完全な潤滑経路を検査します |
症状を 1 つの障害メカニズムの証拠として扱うべきではありません。たとえば、ベアリングの温度は、負荷、オイルの粘度、供給温度、クリアランス、アライメント、または機械の他の場所の変化によって変化する可能性があります。効果的なトラブルシューティングでは、修理または交換を決定する前に、検査の証拠と動作データを結び付けます。
ティル ティング パッド ベアリングは、 ローターの安定性、制御された荷重伝達、信頼性の高い油膜挙動が重要な機械に構成可能な流体力学的サポート システムを提供します。その性能は、ベアリングのタイプだけではなく、クリアランス、プリロード、ピボットの形状、パッドの配置、潤滑、材料の状態、ローターのダイナミクスの完全な組み合わせによって決まります。ジャーナルとスラストの設計はさまざまな荷重方向に対応する一方、慎重な製造と検査により、工学設計時に想定された形状を維持することができます。したがって、選択は実際のマシンの負荷と動作条件から開始し、その後システムレベルの分析と検証された製造要件を行う必要があります。
その主な利点は、流体膜力学の制御が改善されたことです。独立したパッドは、不安定化するクロスカップル効果を大幅に軽減すると同時に、エンジニアが剛性、ダンピング、クリアランス、プリロード、荷重方向をさらに制御できるようにします。
一部の固定プロファイルジャーナルベアリングと比較して、油渦の不安定性の原因となる流体膜機構を大幅に軽減できますが、ローターの振動がないことは保証されません。全体的な動作は、依然としてローター、ベアリングの形状、アライメント、潤滑、構造、および動作条件に依存します。
4 パッドおよび 5 パッド構成が一般的ですが、特定の用途に合わせて他の配置も設計できます。パッド番号は、業界の固定ルールではなく、荷重の向き、クリアランス、プリロード、ピボット設計、ローターのダイナミクス、および熱要件を考慮して選択する必要があります。
ティルティング パッド ジャーナル ベアリングは主にラジアル シャフト荷重をサポートし、横方向のローター ダイナミクスに影響を与えます。ティルティング パッド 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軸方向の荷重を伝え、シャフトの軸方向の位置を制御します。
重要な入力には、シャフトとハウジングの寸法、速度範囲、負荷、回転方向、潤滑剤の仕様、動作温度、必要なクリアランス、パッドの形状、ピボットの構成、および関連する機械の図面が含まれます。改造または再発する故障の場合、振動履歴、ジャーナル状態、アライメント情報、および以前の検査結果も重要です。
必ずしもそうとは限りません。改造では、ハウジング、潤滑通路、排水、計装、またはベアリングの形状の変更が必要になる場合があり、その結果生じるローターの動的特性を設置前に評価する必要があります。
