JP2004108206A

JP2004108206A - 静圧スラスト軸受を備えた流体機械

Info

Publication number: JP2004108206A
Application number: JP2002270122A
Authority: JP
Inventors: Shuichiro Honda; 本田　修一郎
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】スラストディスクの変形を最小限に抑えて高い軸受性能を発揮することができる静圧スラスト軸受を備えた流体機械を提供する。
【解決手段】主軸４に取り付けられたスラストディスク５７と、スラストディスク５７に対面するポケット５５を有する静圧スラスト軸受５２とを備えた流体機械において、スラストディスク５７の外周側の肉厚を内周側の肉厚よりも厚くした。このスラストディスク５７の外周側の肉厚を静圧スラスト軸受５２と反対側に向かって厚くする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静圧スラスト軸受を備えた流体機械に係り、特に静圧スラスト軸受を備えた遠心ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、主軸に取り付けられたスラストディスクと、このスラストディスクに対面するポケットを有する静圧スラスト軸受とを備えたポンプが知られている。このようなスラストディスクとしては、図７（ａ）に示すように、両側に静圧スラスト軸受が配置される場合を考慮して平板状のスラストディスク１００ａを用いたり、あるいは図７（ｂ）に示すように、遠心応力を低減することを目的として外周側の肉厚を内周側の肉厚よりも薄くしたスラストディスク１００ｂを用いたりしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなスラストディスク１００ａ，１００ｂでは、静圧スラスト軸受１１０のポケット１２０から供給される流体の圧力により、スラストディスク１００ａ，１００ｂには静圧スラスト軸受１１０とは反対の方向に力が作用し、この力によってスラストディスクが変形することがある（図７（ａ）参照）。このようにスラストディスクが変形すると、軸受とスラストディスクとの間の隙間が大きくなり、軸受反力が低下し、軸受性能が低下してしまう。また、流体の漏洩量が増加するため、エネルギーロスにつながってしまう。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、スラストディスクの変形を最小限に抑えて高い軸受性能を発揮することができる静圧スラスト軸受を備えた流体機械を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、主軸に取り付けられたスラストディスクと、該スラストディスクに対面するポケットを有する静圧スラスト軸受とを備えた流体機械において、上記スラストディスクの外周側の肉厚を内周側の肉厚よりも厚くしたことを特徴とする静圧スラスト軸受を備えた流体機械である。
【０００６】
また、本発明の好ましい一態様は、上記スラストディスクの外周側の肉厚を上記静圧スラスト軸受と反対側に向かって厚くしたことを特徴としている。
【０００７】
このような構成により、スラストディスクの重心に作用する遠心力によってモーメントが発生し、静圧スラスト軸受側に変形しようとする力が発生する。したがって、静圧スラスト軸受のポケットから供給される流体の圧力によるスラストディスクの変形量を、この遠心力による変形量で相殺することができる。このように、本発明によれば、スラストディスクの変形量を最小限に抑えて、高い軸受性能を発揮することができるとともに、流体の漏洩によるエネルギーロスを最小限に抑えることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静圧スラスト軸受を備えた流体機械の実施形態について図１乃至図６を参照して詳細に説明する。なお、以下では、流体機械としてモータポンプを例として説明するが、本発明をモータポンプ以外の流体機械に適用できることは言うまでもない。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態におけるモータポンプを示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態におけるモータポンプ１は、内部にモータを収容したモータ部２と、内部に羽根車３１，３２を収容したポンプ部３と、モータ部２及びポンプ部３の内部に挿通される主軸４とを備えている。この主軸４の下端には主軸４と一体に回転する羽根車３１，３２が取り付けられ、これによりモータ部２の動力がポンプ部３の羽根車３１，３２に伝達される。
【００１０】
モータ部２は、筒状のモータケーシング２１と、モータケーシング２１の内部に収容された固定子（ステータ）２２と、主軸４と一体に回転する回転子（ロータ）２３とを備えている。回転子２３は固定子２２の内側に配置されており、固定子２２と回転子２３との間には隙間２４が形成されている。
【００１１】
ポンプ部３は、吸込口３３ａと吐出口３３ｂとを有するポンプケーシング３３を備えており、このポンプケーシング３３はモータ部２のモータケーシング２１の下端に連結されている。また、モータ部２及びポンプ部３の内部に挿通された主軸４は、モータ部２の上部に設けられた上側軸受部５と、ポンプ部３の内部に設けられた下側軸受部６とによって支持されている。このように構成されたモータポンプ１においては、モータ部２の作動により主軸４が回転し、流体が吸込口３３ａより羽根車３１，３２を介して吐出口３３ｂに圧送される。
【００１２】
図２は、図１の上側軸受部５の近傍を示す拡大図である。図２に示すように、上側軸受部５は、モータ部２のモータケーシング２１の上部にフランジ結合された軸受ケーシング５１と、静圧スラスト軸受５２と、主軸４の上端部に設けられたタッチダウン軸受５３とを備えている。軸受ケーシング５１の上端面には、軸受ケーシング５１の開口部を塞ぐ塞板５４が取り付けられている。
【００１３】
静圧スラスト軸受５２の内部には、静圧スラスト軸受５２の下面に形成されたポケット５５に連通する流体導入流路５６が形成されており、この流体導入流路５６は配管７を介して２段目の羽根車３２の吐出部に接続されている。また、主軸４には、円板状のスラストディスク５７が取り付けられており、このスラストディスク５７の上面と静圧スラスト軸受５２の下面のポケット５５とが対面するようになっている。
【００１４】
図３は図１の下側軸受部６の近傍を示す拡大図、図４（ａ）は図３の拡大縦断面図、図４（ｂ）は図３の拡大水平断面図である。図３に示すように、下側軸受部６は、２段目の羽根車３２の上方に配置された摺動効果を有するバランスピストン部６１と、１段目の羽根車３１の下方に配置された静圧ジャーナル軸受６２とを備えている。バランスピストン部６１は、主軸４に外嵌したスリーブ６３とライナリング６４とを備えている。また、静圧ジャーナル軸受６２は、１段目の羽根車３１の側板を軸方向に延長して形成された筒状の口金部６５と、口金部６５の外側に設けられた円筒状のジャーナル６６とを備えている。
【００１５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、静圧ジャーナル軸受６２のジャーナル６６には、内面に周方向等間隔に軸方向に延びるポケット６７と、各ポケット６７に連通する流体導入孔６８とが形成されている。ジャーナル６６の軸方向端部にはポケット６７を塞ぐように庇部６９が軸心に向かって延びており、口金部６５の外面との間に狭窄部６９ａを形成している。ジャーナル６６の外側には、流体導入孔６８を介してジャーナル６６と口金部６５との隙間に高圧流体を供給する背圧空間７０が形成されており、この背圧空間７０は、図３に示すように、１段目の羽根車３１の外側の空間に流路７１を介して連通している。
【００１６】
１段目の羽根車３１によって圧送される流体の一部は、１段目の羽根車３１の吐出部から流路７１を介して背圧空間７０に流入し、静圧ジャーナル軸受６２に形成された流体導入孔６８からポケット６７に供給される。これにより、ジャーナル６６と口金部６５の間に流体の潤滑膜が形成され、この流体は狭窄部６９ａからポンプケーシング３３の吸込口３３ａに流れる。この高圧流体の流れにより、主軸４のポンプ部側の端部を径方向に支持して安定な状態で主軸４を回転させることができる。
【００１７】
また、２段目の羽根車３２によって圧送される流体の一部は、配管７を介して上側軸受部５の静圧スラスト軸受５２に流入し、静圧スラスト軸受５２内の流体導入流路５６を通ってポケット５５に供給される。これにより、静圧スラスト軸受５２の下面とスラストディスク５７の間に流体の潤滑膜が形成される。この流体は、静圧スラスト軸受５２の下部空間８０に直接流出し、あるいは、主軸４の外周面と静圧スラスト軸受５２の内周面との間の流路８１、静圧スラスト軸受５２内に形成された流路８２又はタッチダウン軸受５３の内部、静圧スラスト軸受５２の上部空間８３、静圧スラスト軸受５２内に形成された流路８４を通ってこれらの部分の冷却と潤滑を行いながら静圧スラスト軸受５２の下部空間８０に流出する。このような高圧流体の流れにより、主軸４のモータ部側の端部を軸方向に支持して安定な状態で主軸４を回転させることができる。
【００１８】
静圧スラスト軸受５２の下部空間８０に流出した流体は、固定子２２と回転子２３との間の隙間２４を主軸４に沿って流れ、この部分の冷却と潤滑を行いながらポンプケーシング３３に形成された流路８５（図１参照）から吸込口３３ａに流入する。この場合に、バランスピストン部６１には２段目の羽根車３２の吐出流体の一部が流れ、この流体は固定子２２及び回転子２３を冷却してきた流体とともに流路８５から吸込口３３ａに流入する。
【００１９】
ここで、上側軸受部５内に配置されたスラストディスク５７の肉厚は、外周側の肉厚が内周側の肉厚よりも厚くなるように形成されており、この厚みは静圧スラスト軸受５２とは反対側に向かって厚くなるように形成されている。したがって、図５（ａ）に示すように、主軸４の回転に伴ってスラストディスク５７が回転した場合に、重心に作用する遠心力ＦによってモーメントＭが発生し、静圧スラスト軸受５２側に変形しようとする力が発生する。この力による変形量Ｄ_１は、遠心力に比例、すなわち回転数の２乗に比例する。
【００２０】
一方、図５（ｂ）に示すように、上述した静圧スラスト軸受５２のポケット５５から供給される流体の圧力により、スラストディスク５７には静圧スラスト軸受５２とは反対の方向に力が作用しており、この力による変形量Ｄ_２は軸受反力に比例する。軸受反力は流体の圧力に比例し、遠心ポンプでは流体の圧力は回転数の２乗に比例するので、上述した軸受反力は、図６に示すように、回転数の２乗に比例することとなる。このため、上述した重心に作用する遠心力による変形量Ｄ_１と、静圧スラスト軸受５２のポケット５５から供給される流体の圧力による変形量Ｄ_２とを互いに相殺することが可能となる。したがって、本発明によれば、スラストディスク５７の変形量を最小限に抑えて、高い軸受性能を発揮することができるとともに、流体の漏洩によるエネルギーロスを最小限に抑えることができる。
【００２１】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、スラストディスクの重心に作用する遠心力によってモーメントが発生し、静圧スラスト軸受側に変形しようとする力が発生する。したがって、静圧スラスト軸受のポケットから供給される流体の圧力によるスラストディスクの変形量を、この遠心力による変形量で相殺することができる。このように、本発明によれば、スラストディスクの変形量を最小限に抑えて、高い軸受性能を発揮することができるとともに、流体の漏洩によるエネルギーロスを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるモータポンプを示す縦断面図である。
【図２】図１の上側軸受部の近傍を示す拡大図である。
【図３】図１の下側軸受部の近傍を示す拡大図である。
【図４】図４（ａ）は図３の拡大縦断面図、図４（ｂ）は図３の拡大水平断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明に係るスラストディスクの作用を説明する模式図である。
【図６】図１のモータポンプにおける回転数と静圧スラスト軸受の軸受反力との関係を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、従来のモータポンプにおけるスラストディスクを示す模式図である。
【符号の説明】
１　　モータポンプ
２　　モータ部
３　　ポンプ部
４　　主軸
５　　上側軸受部
６　　下側軸受部
７　　配管
２１　　モータケーシング
２２　　固定子
２３　　回転子
３１，３２　　羽根車
３３　　ポンプケーシング
３３ａ　吸込口
３３ｂ　吐出口
５１　　軸受ケーシング
５２　　静圧スラスト軸受
５３　　タッチダウン軸受
５４　　塞板
５５，６７　　ポケット
５６，６８　　流体導入流路
５７　　スラストディスク
６１　　バランスピストン部
６２　　静圧ジャーナル軸受
６３　　スリーブ
６４　　ライナリング
６５　　口金部
６６　　ジャーナル
６９　　庇部
７０　　背圧空間

Claims

主軸に取り付けられたスラストディスクと、該スラストディスクに対面するポケットを有する静圧スラスト軸受とを備えた流体機械において、
前記スラストディスクの外周側の肉厚を内周側の肉厚よりも厚くしたことを特徴とする静圧スラスト軸受を備えた流体機械。
前記スラストディスクの外周側の肉厚を前記静圧スラスト軸受と反対側に向かって厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の静圧スラスト軸受を備えた流体機械。