JP2000055050A - 気体軸受の軸受支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸受ハウジングとラジアル軸受の温度差によ
って生じる熱応力を緩和する。 【解決手段】 高圧のプロセスガスによるタービン５の
作動に伴って軸受ハウジング１の温度がラジアル軸受２
ａの温度よりも低下すると、軸受ハウジング１の内径が
ラジアル軸受２ａの外径よりも小さくなるが、この軸受
ハウジング１の縮小変形を円周溝２０が吸収し、ラジア
ル軸受２ａに加わる熱応力を緩和する。このため、回転
軸３とラジアル軸受２ａの隙間が所定の許容範囲内で適
正に保たれるようになり、回転軸３は円滑に高速回転す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体軸受の軸受構
造に関し、詳しくは、高回転で運転されるターボ機械
や、特に、低温で運転されるヘリウム冷凍機や空気分離
装置などに用いられる膨張タービンに好適な気体軸受の
軸受支持構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に示す静圧気体軸受式膨張タービン
を例として、従来の気体軸受式膨張タービンの構造とそ
の作用について説明する。静圧気体軸受では、圧縮機な
どの外部の高圧ガス源（図示しない）より膨張タービン
の軸受ガス供給部１４に圧縮ガス（以下軸受ガスと呼
ぶ）が供給され、この軸受ガスはポケット部１５ａ，１
５ｂにそれぞれ分岐される。ラジアル軸受２ａ，２ｂに
は、直径が、例えば１ｍｍ以下の小径の給気孔１６が円
周方向に多数設けられれており、回転軸３とラジアル軸
受２ａ，２ｂの隙間内に前記給気孔１６を通して軸受ガ
スが導入され、該隙間内に導入された軸受ガスの圧力に
よって回転軸３に生ずるラジアル方向の力を支持する。

【０００３】また、ラジアル軸受２ａ，２ｂの間には１
対のスラスト軸受４ａ，４ｂが配設されている。該スラ
スト軸受４ａ，４ｂにも、直径が、例えば１ｍｍ以下の
小径の給気孔１７が円周方向に多数設けられており、回
転軸３とスラスト軸受４ａ，４ｂとの隙間内に前記給気
孔１７を通して軸受ガスが導入され、該隙間内に導入さ
れた軸受ガスの圧力によって回転軸３に生ずるスラスト
方向の力を支持する。なお、図５ではスラスト軸受４
ａ，４ｂはラジアル軸受２ａ，２ｂの間に配設されてい
るが、ラジアル軸受２ｂと圧縮機６の間に配設される場
合もある。

【０００４】気体軸受では、回転軸３を非接触で支持す
るラジアル軸受２ａ，２ｂと回転軸３の隙間は、一般に
１５〜５０μｍと極めて小さい。一方、回転軸３の両側
に配設された２つのラジアル軸受２ａ，２ｂは、軸受ハ
ウジング１に嵌合されている。軸受ハウジング１とラジ
アル軸受２ａ，２ｂの接触する部分、すなわち、軸受ハ
ウジング１の内径とラジアル軸受２ａ，２ｂの外径は、
前述した回転軸３とラジアル軸受２ａ，２ｂの隙間が小
さいため、ラジアル軸受２ａ，２ｂの中軸線が該軸受ハ
ウジング１の中心軸線と一致するように、０〜５μｍの
隙間で嵌合されている。

【０００５】以下、図５に示す膨張タービンが空気分離
装置に設置され、運転された状態について説明する。タ
ービン５に供給された高圧のプロセスガスは、タービン
５の入口１０においてその温度は−１５０℃であるが、
断熱膨張によってタービン出口１１では−１８０℃まで
温度は低下する。一方、圧縮機６の入口１２のガスの温
度は３０℃であるが、タービン５で発生する駆動力によ
って圧縮機６を流れるガスは断熱圧縮され、圧縮機出口
１３のガスの温度は１００℃まで上昇する。すなわち、
圧縮機出口１３とタービン入口１０の軸方向の温度差は
２５０℃にもなる。

【０００６】さらに、タービン５の近傍に配設されたラ
ジアル軸受２ａと回転軸３の隙間内のガスが回転による
摩擦力のために発熱して、ラジアル軸受２ａの温度が上
昇する。一方、軸受ハウジング１のタービン５の近傍の
温度はタービン５が低温となることによってラジアル軸
受２ａよりも低い温度となる。

【０００７】図６は、軸受ハウジング１とラジアル軸受
２ａ，２ｂの温度分布を示したものである。図より、圧
縮機６側では、軸受ハウジング１はラジアル軸受２ｂよ
りも温度は高いが、タービン５側では、冷却によって軸
受ハウジング１はラジアル軸受２ａよりも温度が低下す
る。

【０００８】軸受ハウジング１の温度がラジアル軸受２
ａの温度よりも低下すると、軸受ハウジング１の内径が
ラジアル軸受２ａの外径よりも小さくなり、ラジアル軸
受２ａを軸受ハウジング１が締め付ける熱応力が発生す
る。図６に示す温度差が大きくなればなるほど、この熱
応力は増大し、この熱応力によってラジアル軸受２ａの
内径は小さくなり、回転軸３との隙間は、図７に示す如
くＣ1 からＣ2 へ減少することになる。

【０００９】図７において、例えば、軸受ハウジング１
とラジアル軸受２ａの温度差を５０℃とし、軸受ハウジ
ング１とラジアル軸受２ａの材質をオーステナイトステ
ンレス鋼（膨張係数：１６×１０^-6／℃）、軸受ハウジ
ング１の内径とラジアル軸受２ａの外径の半径寸法を６
５ｍｍとすると、前記温度差によって６５ｍｍ×１６×
１０^-6／℃×５０℃＝０．０５２ｍｍ＝５２μｍだけ、
ラジアル軸受２ａの外径の半径寸法よりも軸受ハウジン
グ１の内径の半径寸法が小さくなる。したがって、この
小さくなった分だけ軸受ハウジング１がラジアル軸受２
ａの外径を締め付けるため、ラジアル軸受２ａの内径は
２点鎖線の如く中心方向に歪み、回転軸３との隙間が小
さくなる。

【００１０】図８は、上記温度による寸法変化によっ
て、ラジアル軸受２ａと回転軸３の隙間がどのように変
化するかを示したものである。横軸は、前述した温度差
による寸法変化（軸受ハウジング１の内径の半径寸法の
変化）であり、縦軸はラジアル軸受２ａと回転軸３の隙
間である。図より、寸法変化が７５μｍの場合、ラジア
ル軸受２ａと回転軸３の隙間は０となって、回転軸３と
ラジアル軸受２ａは接触してしまうことになる。

【００１１】従来は、このような温度差による隙間の変
化をできるだけ小さく抑えるために、ラジアル軸受２ａ
を常温に配置するといった工夫や、前もって回転軸３と
ラジアル軸受２ａの隙間を大きくしておくなどの方法が
知られている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ラジア
ル軸受２ａを常温に配置する方法では回転軸３の軸長が
長くなって固有振動数が低下し、回転軸３の高速回転時
の安定性が損なわれるといった問題点があった。また、
前もって回転軸３とラジアル軸受２ａの隙間を大きくし
ておく方法では、温度差が小さい場合、すなわち、膨張
タービンの起動時など、タービン入口１０がまだ冷却さ
れていない場合に回転軸３を高速回転させると、回転軸
３とラジアル軸受２ａの隙間が大きいために回転軸３の
安定性が損なわれ、回転軸３とラジアル軸受２ａが焼き
付いてしまう恐れがあるため、温度差が生じて回転軸３
とラジアル軸受２ａの隙間が規定値になるまで低い回転
数でタービン入口１０を冷却するといった予冷運転を行
う必要があった。

【００１３】常温で使用される膨張タービンやターボ圧
縮機などのターボ機械においては、高速回転によって軸
受部が発熱し、ラジアル軸受２ｂの温度が軸受ハウジン
グ１よりも高くなってしまい、ラジアル軸受２ｂと回転
軸３の隙間が減少する。そこで従来は、軸受部を強制的
にガス冷却したり、冷却水で冷却するといった方法が採
られているが、冷却用のガスや冷却水を供給するための
設備が必要となるだけでなく、ラジアル軸受２ｂや軸受
ハウジング１の構造が大型化し、複雑となるなどの不具
合があった。

【００１４】本発明は、このような問題点を解決しよう
とするもので、高速回転時の安定性が良好な気体軸受式
の軸受支持構造を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、回転軸と、該回転軸を支
持するラジアル軸受と、該ラジアル軸受を内包する軸受
ハウジングとを備えた気体軸受において、前記軸受ハウ
ジングと前記ラジアル軸受とが互いに接触する部分の該
軸受ハウジングの内径側に、つば部を形成して軸方向の
円周溝を設けた構成とした。

【００１６】上記の手段では、ガスタービン等の装置の
作動によって、ラジアル軸受に対する軸受ハウジングの
温度が相対的に低下してそれらの間に温度差が生じる
と、軸受ハウジングの内径がラジアル軸受の外径に対し
て相対的に小さくなる。円周溝は、前記軸受ハウジング
の相対的な縮小変形を吸収し、ラジアル軸受に加わる熱
応力を緩和する。

【００１７】上記気体軸受の軸受支持構造において、円
周溝の深さが、軸受ハウジングとラジアル軸受とが互い
に接触する軸方向距離よりも小さいと、熱応力を緩和す
る効果が小さくなり、逆に、円周溝の深さが上記軸方向
距離の３倍よりも大きいと、円周溝が塑性変形するおそ
れがある。したがって、円周溝の深さを、軸受ハウジン
グとラジアル軸受とが互いに接触する軸方向距離の１乃
至３倍とすることが好ましい（請求項２）。

【００１８】また、円周溝内側のつば部の厚さが１ｍｍ
よりも小さいと、軸受ハウジングの内径寸法を研磨など
の方法によって仕上げる場合、つば部が振動して内径寸
法の真円度などの精度が低下し易くなり、逆につば部の
厚さが５ｍｍよりも厚いと、前記した応力の緩和効果が
小さくなる。したがって、円周溝内径側のつば部の厚さ
を、１乃至５ｍｍとすることが望ましい（請求項３）。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１と図２
を参照して説明する。本発明に係る気体軸受の軸受支持
構造は、軸受ハウジング１とタービン５側のラジアル軸
受２ａとが互いに接触する部分の軸受ハウジング１の内
径側に、つば部１ａを形成して円周溝２０を設けたもの
である。円周溝２０は、軸受ハウジング１の中心軸線を
中心にして円形に軸受ハウジング１の端面から軸方向に
穿設されている。なお、本発明に係る気体軸受の軸受支
持構造の他の構成は、図５の従来の気体軸受式膨張ター
ビンと同一であるので、同一の部材等に同一の符号を付
してその説明を省略する。

【００２０】上記の構成では、装置の作動に伴って軸受
ハウジング１の温度が前述のようにラジアル軸受２ａの
温度よりも低下すると、軸受ハウジング１の内径がラジ
アル軸受２ａの外径よりも小さくなるが、この軸受ハウ
ジング１の縮小変形を円周溝２０が吸収し、ラジアル軸
受２ａに加わる熱応力を緩和する。このため、回転軸３
とラジアル軸受２ａの隙間が所定の許容範囲内で適正に
保たれるようになり、回転軸３は円滑に高速回転する。

【００２１】図３は、図１と図２に示した本発明に係る
気体軸受の軸受支持構造と図５に示した従来例との比較
実験結果を示すもので、この図から解るように、従来、
温度差によって軸受ハウジング１の内径の半径寸法が７
５μｍ変化した場合、ラジアル軸受２ａと回転軸３の隙
間が３０μｍから０になったものが、本発明では、温度
差による上記寸法変化が１００μｍの場合でも、ラジア
ル軸受２ａと回転軸３の隙間が、３０μｍから僅か６μ
ｍ小さくなるだけで許容範囲の２４μｍに保たれるとい
う好結果が得られた。

【００２２】上記の効果を確実に得るために、円周溝２
０の深さＬは、通常、軸受ハウジング１とラジアル軸受
２ａの接触する部分Ｘの１〜３倍の範囲とする。この理
由は、円周溝２０の深さＬが前記接触幅Ｘよりも小さい
と、円周溝２０による熱応力の緩和効果が小さくなり、
逆に、Ｌ／Ｘが３倍よりも大きいと、円周溝２０に作用
する熱応力が過大となって円周溝２０が弾性変形の域を
こえて塑性変形してしまう不具合を生じるためである。
なお、ラジアル軸受２ａの端面に軸受ハウジング１の端
面が正しく一致していない気体軸受の場合もあり得るが
（軸受ハウジング１の端面がラジアル軸受２ａの端面か
ら外方に突出している場合と、その逆の場合の２通りあ
る。）、円周溝の深さＬはいずれの場合もラジアル軸受
２ａの端面を基点として計測する。接触幅（接触距離）
Ｘも同様にラジアル軸受２ａの端面を基点として計測す
る。したがって、本明細書では円周溝２０の深さＬと接
触距離Ｘは、実際の円周溝の深さ及び接触距離とは意味
が異なる。

【００２３】また、つば部１ａの厚さｔは、通常、１〜
５ｍｍとする。この理由は、つば部１ａの厚さｔが１ｍ
ｍよりも小さいと、軸受ハウジング１の内径寸法を研磨
などの方法によって仕上げるような場合、つば部１ａが
振動して内径寸法の真円度などの精度が低下し易くな
り、逆に、つば部１ａの厚さｔが５ｍｍよりも厚いと、
応力の緩和効果が小さくなるためである。

【００２４】上記した円周溝２０の深さＬとつば部１ａ
の厚さｔの大きさは、軸受ハウジング１とラジアル軸受
２ａの材質がオーステナイトステンレス鋼或いはこれに
類する材質であり、かつ軸受ハウジング１の内径の半径
寸法（ラジアル軸受２ａの外径の半径寸法）が６５ｍｍ
前後である場合であって、材質や大きさが変わったよう
な場合、それに対応して円周溝２０の深さＬとつば部１
ａの厚さｔが変更されるのが普通である。

【００２５】図４は本発明の第２の実施の形態を示す。
常温で使用される膨張タービンやターボ圧縮機などのタ
ーボ機械においては、軸受ハウジング１と圧縮機６側の
ラジアル軸受２ｂとが互いに接触する部分の軸受ハウジ
ング１の内径側に、つば部１ｂを形成して円周溝２１を
設ける。

【００２６】この場合は、圧縮機６の作動に伴い、ガス
の断熱圧縮により、前述のように、圧縮機６の周囲部分
の温度が上昇する。この温度上昇でラジアル軸受２ｂが
熱膨張し、その外径寸法を大きくするが、このラジアル
軸受２ｂの膨張変形を円周溝２１が吸収する。したがっ
て、ラジアル軸受２ｂの膨張変形に起因して軸受ハウジ
ング１とラジアル軸受２ｂの間に生じる熱応力が緩和さ
れるようになり、この場合も回転軸３とラジアル軸受２
ｂの隙間が適正に保たれて回転軸３が円滑に回転する。

【００２７】円周溝２１の深さとつば部１ｂの厚さは、
円周溝２０とつば部１ａの場合と同じである。他の構造
は、図５及び図１と同一であるので、同一部材に同一の
符号を付してその説明を省略する。

【００２８】図１と図４の膨張タービンは、既述のよう
に外部の高圧ガス源から高圧の軸受ガスを回転軸３とラ
ジアル２ａ，２ｂとの隙間に供給し、その圧力（静圧）
によって回転軸３を支持する構造（静圧気体軸受）とな
っているが、本発明は、上記のような高圧の軸受ガスを
供給せずに、回転軸３が回転することにより、例えば、
回転軸またはラジアル軸受のどちらか一方に形成された
数十μｍの溝の作用で、回転軸３とラジアル軸受２ａ，
２ｂの隙間内のガスを圧縮し、その圧力（動圧）によっ
て回転軸３を支持する動圧気体軸受等にも適用すること
ができる。また、図１と図４の気体軸受は、軸受ハウジ
ング１のタービン５側と圧縮機６側のいずれか一方にし
か円周溝２０，２１が設けられていないが、軸受ハウジ
ング１のタービン５側と圧縮機６側の両方に円周溝２
０，２１を設けることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、回転軸を
支持するラジアル軸受とこれを収納した軸受ハウジング
との温度差によって生ずるラジアル軸受と回転軸の隙間
の減少を防止することができ、回転機械の使用温度領域
を拡大することができるとともに、信頼性を向上させる
ことができる。また、本発明の軸受支持構造を低温で駆
動する膨張タービンに適用すると、急速な起動が容易と
なり、これを用いた装置、例えば空気分離装置の立ち上
げ時間の短縮にも貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る気体軸受の軸受支持構造の実施
の形態を示す断面図である。

【図２】 図１の要部の拡大図である。

【図３】 本発明の効果を説明する図である。

【図４】 本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図５】 従来の気体軸受式膨張タービンの軸受支持構
造を示す断面図である。

【図６】 軸受ハウジングとラジアル軸受の温度分布を
示す図である。

【図７】 軸受ハウジングとラジアル軸受の寸法変化を
示す図である。

【図８】 ラジアル軸受と回転軸との隙間の変化を示す
図である。

【符号の説明】

１ 軸受ハウジング １ａ，１ｂ つば部 ２ａ，２ｂ ラジアル軸受 ３ 回転軸 ５ タービン ６ 圧縮機 ２０，２１ 円周溝 Ｌ 円周溝の深さ ｔ つば部の厚さ Ｘ 接触距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫻井 剛 東京都港区西新橋一丁目16番７号 日本酸 素株式会社内 (72)発明者 碇 義文 東京都港区西新橋一丁目16番７号 日本酸 素株式会社内 Ｆターム(参考） 3J102 AA02 BA03 BA17 CA33 EA02 EA06 EA17 GA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸と、該回転軸を支持するラジアル
   軸受と、該ラジアル軸受を内包する軸受ハウジングとを
   備えた気体軸受において、 前記軸受ハウジングと前記ラジアル軸受とが互いに接触
   する部分の該軸受ハウジングの内径側に、つば部を形成
   して軸方向の円周溝を設けたことを特徴とする気体軸受
   けの軸受支持構造。
2. 【請求項２】 前記円周溝の深さは、前記軸受ハウジン
   グと前記ラジアル軸受とが互いに接触する軸方向距離の
   １乃至３倍とすることを特徴とする請求項１記載の気体
   軸受の軸受支持構造。
3. 【請求項３】 前記円周溝内径側のつば部の厚さは、１
   乃至５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載
   の気体軸受の軸受支持構造。