報告書番号

SS25006

タイトル（和文）

水車軸受の損傷評価のための潤滑解析コードの開発 －スラスト軸受の起動・停止時過渡潤滑特性評価－

タイトル（英文）

Development of Lubrication Analysis Code for Damage Assessment of Hydroelectric Turbine Bearings - Evaluation of Transient Lubrication Characteristics in Tilting Pad Thrust Bearings during Startup and Shutdown -

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
再生可能エネルギーの導入拡大に伴う出力変動への対応により、水車の起動・停止回数が増加する可能性がある。水車軸受においても起動・停止時の損傷事例が報告されているため、そのリスク評価が必要である。近年普及が進む樹脂製流体軸受は自己潤滑性に優れる一方、起動・停止時には摺動面の接触を伴う混合潤滑状態となる場合がある。しかし、起動・停止などの過渡条件下における流体軸受の混合潤滑挙動の予測手法は、十分に確立されていない。

目　　的
過渡条件下における混合潤滑挙動を評価可能な解析コードを開発し、その妥当性を検証するとともに、樹脂製スラスト軸受の起動・停止時を模擬した条件における潤滑挙動を評価する。

主な成果
1. 混合潤滑を考慮した過渡解析コードの開発
スラスト軸受の起動・停止時の潤滑挙動を対象とした過渡解析コードを開発した。混合潤滑を考慮するため、平均流モデルと固体接触モデルを導入した。これらを用いて、スクイーズ効果（油膜厚さの変化によるダンピング的作用）を含むパッドに作用する荷重とモーメントの釣り合いを各時間ステップで逐次計算することにより、混合潤滑状態の挙動を再現した。
2. 流体潤滑解析による解析コードの妥当性検証
構築した解析コードを用い、無限長軸受などに対する流体潤滑の定常解析を実施し、理論解や既往研究と比較した。軸受の圧力分布や支持荷重などの潤滑挙動に関する諸量は、理論解や既往研究の結果と良好に一致した。さらに格子収束性を検証し、格子幅の縮小に伴い離散化誤差が理論に整合して低減することを確認した。
3. 樹脂製スラスト軸受の起動・停止時における混合潤滑挙動の試算
水車の起動から停止までの一連の非定常状態を対象とした潤滑解析を実施し、混合潤滑状態と完全流体潤滑状態間の移行過程を再現した。スクイーズ効果によるヒステリシスが、起動時の油膜形成を遅らせる一方で、停止時には油膜圧力の低下を抑制し、回転停止間際まで油膜を維持させる要因となっていることを把握した。

今後の展開
軸受の熱・変形モデルの導入や、実際の水車を対象とした評価事例を蓄積する。そのうえで、水車軸受の異常診断技術や状態監視技術の基盤へと発展させる。

概要 （英文）

Frequent start-stop operations in hydraulic power generation plants can cause severe stress on tilting pad thrust bearings (TPTBs), especially those operating under mixed lubrication conditions without oil lifters. Conventional steady-state analysis is inadequate for evaluating such transient conditions involving mixed lubrication. To address this challenge, a transient lubrication analysis code based on the finite element method (FEM) was developed. This approach integrates an average flow model and a solid contact model to account for surface roughness, determining pad attitude by solving the equilibrium of load and moment. Numerical simulations of a resin-faced TPTB effectively replicated the transition process between mixed and full film lubrication. The results of the study indicated that hysteresis, attributable to the squeeze effect, delays the formation of oil film during the startup phase. Concurrently, it functions as a damper, thereby maintaining oil film pressure during the shutdown phase. This framework provides a foundation for future condition monitoring of turbine bearings.

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