JP2004339986A

JP2004339986A - ポンプの軸受装置

Info

Publication number: JP2004339986A
Application number: JP2003135763A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Watanabe; 裕之渡辺
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP4512685B2

Abstract

【課題】液体酸素や液体水素の昇圧ポンプの軸受の振動を効果的に抑制する。
【解決手段】ポンプの回転軸１を支持するころがり軸受２の外輪の外側、または、外輪を支持する環状のスリーブ１１の外側に狭い環状の隙間Ｃ_ｒを形成し、該隙間Ｃ_ｒにポンプ出口側７から導入した高圧の液体を流すようにした。上記隙間Ｃ_ｒに入口と出口で大きな差圧ΔＰを有する流体膜１２を形成して、流体膜１２の作用で大きな減衰係数を得て、効果的に振動を抑制する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロケットエンジンなどに使用する流体水素や液体酸素の昇圧用ポンプの軸受装置に係り、特に軸振動低減のために軸受剛性を調整することのできる軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロケットエンジンの燃焼器に推進薬として液体水素や液体酸素を昇圧して送るターボポンプは、１０，０００〜１００，０００ｒｐｍの高速で回転しており、軸の振動を抑制することが必要である。
【０００３】
図２（Ａ）はポンプの回転軸を玉軸受で支持した状態を示す概念図であり、１は回転軸、２は玉軸受、３はハウジング、４はインペラである。
【０００４】
図２（Ｂ）は減衰係数を大きくするため、玉軸受の外側に機械ダンパを取り付けた状態を示す概念図であり、５は機械ダンパである。機械ダンパ５は、薄い板を重ねたり、金網を挟み込んだりしてなるもので、摩擦力などによって振動を減衰させるものである。また、機械ダンパ５に替えて、流体膜ダンパを玉軸受の外側に形成したものが特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−４４７２３号公報（第２〜３頁、図１）
【０００６】
図２（Ｃ）は軸受そのものの減衰係数を上げるために流体軸受を使用した例を示す概念図であり、６は流体軸受である。流体軸受６で支持された回転軸の振動の減衰を目的とした減衰軸受の例としては、たとえば、特許文献２や特許文献３がある。
【０００７】
【特許文献２】
特開平５−４４７２２号公報（第３〜４頁、図１）
【特許文献３】
特開２０００−１４５７６８号公報（第２〜３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
回転機械の回転軸の振動は、回転軸を支持する軸受のバネ定数や減衰係数によるところが多い。一般に減衰係数の大きい軸受を使用する方が、軸受振動の振幅は小さくなる。しかしながら、図２（Ａ）に示す、玉軸受のような機械軸受では、その大きさによってバネ定数や減衰係数が決まってしまうので、軸受の振動を抑制するためには減衰係数を大きくする機構を付加することが必要である。
【０００９】
その１例として、図２（Ｂ）に示すような機械ダンパは、構造は簡単であるが振動の減衰のため主に摩擦力を利用するものであるため、スティック・スリップ現象を伴ない、十分な性能を得られない場合がある。また、特許文献１に開示された技術は、電気粘性流体や液晶を使用し、それらに印加する電界の強度を変化させて流体の粘性を制御することにより回転軸の振動を低減させるものであるが、構造が複雑であり、使用する流体が高価であるなどの問題がある。
【００１０】
さらに、図２（Ｃ）に図示された技術または特許文献２、特許文献３に開示された技術は、減衰作用のある流体軸受に関する技術であるが、流体軸受は流体の粘度に依存するものであるため、必ずしもあらゆる温度条件に適用することができない場合もあるし、振動が大きくなるとメタルコンタクトを惹き起し、軸受としての性能が低下してしまうなどの問題がある。
【００１１】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、非特許文献１に開示された気体軸受に関する技術を機械軸受の液体ダンパに応用することにより、簡単な構造でありながら、軸受剛性と減衰係数を調節することができるポンプの軸受装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【非特許文献１】
十合晋一著、「気体軸受設計ガイドブック」、共立出版株式会社、２００２年１月１０日発行、Ｐ２５〜２７
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１記載発明のポンプの軸受装置は、ポンプの回転軸を支持するころがり軸受の外輪の外側または外輪を支持する環状のスリーブの外側に狭い環状の隙間を形成し、該隙間にポンプ出口側から導入した高圧の液体を流すようにしたものである。
【００１４】
ポンプの出口側から上記隙間までの流体流路の途中に流量調節用のオリフィスを設けるのが好ましい。
【００１５】
ポンプで流送される液体は、液体水素や液体酸素などの液化ガスであってもよい。
【００１６】
上記隙間の寸法は、１０〜１０００μｍであり、上記隙間に流入する液体の圧力は、その液化ガスの三重点圧力〜４０ＭＰａであるのが好ましい。なお、三重点とは、圧力と温度を縦軸と横軸にとった状態図において、気体と液体、気体と固体、液体と固体の各境界線が重なり合った交点のことであり、気体、液体、固体が共存する状態である。たとえば、液体酸素の三重点は５４．３５９Ｋ、１００Ｐａ、液体水素の三重点は１３．９６Ｋ、７２００Ｐａである。
【００１７】
次に本発明の作用を説明する。玉軸受など機械軸受の外輪の外側、または、機械軸受を支持する円環状のスリーブの外側に狭い環状の隙間を形成し、その隙間に高圧の流体を供給する。該隙間に高圧液体による流体膜がある場合、この部分は擬似的な構造部材として働き、流体膜固有のバネ定数と減衰係数を有している。流体膜部分のバネの定数をＫ_３、減衰係数をｃ_３、機械軸受部分のバネ定数をＫ’、減衰係数をｃ’とすると、それを直列に配置した場合の合成された軸受部の特性は、合成バネ定数をＫ、合成減衰係数をｃとするとそれぞれ、
Ｋ＝Ｋ’Ｋ_３／（Ｋ’＋Ｋ_３）（１）
ｃ＝ｃ’＋ｃ_３（２）
となる。
【００１８】
したがって、Ｋ_３が大きい程、ＫはＫ’に近づくし、ｃは単純に増加する。
【００１９】
一方、バネの定数Ｋ_３は_、供給圧力と下流側の圧力との差圧をΔＰ、隙間の寸法をｃ_ｒとすると
Ｋ_３∝√（ΔＰ）／Ｃ_ｒ（３）
となり、
流体膜の減衰係数ｃ_３は
ｃ_３∝√（ΔＰ）／Ｃ_ｒ ^４（４）
となる。
【００２０】
したがって、小さな寸法Ｃ_ｒの隙間に大きな差圧ΔＰの流体膜を生成すると、合成バネ定数は機械軸受のバネ定数Ｋ’と同じであって変化せず、合成減衰係数だけを大きくすることができる。また、これによりバネ定数に対する減衰係数の割合、すなわち、ｃ／Ｋが機械軸受のみの場合よりも大きくなり、より高い減衰効果が得られる。したがって、回転軸の振動を低減することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のポンプの軸受装置の概念図であり、図１（Ａ）は１つの実施形態を示す断面図であり、図１（Ｂ）は他の実施形態を示す断面図である。なお、これらの図において、図２を用いて説明した従来技術と共通する部分には同一の符号を付している。
【００２２】
図１（Ａ）において、１はポンプの回転軸、２は玉軸受、３はハウジング、４はインペラである。７はポンプ出口である。１１は玉軸受２の外輪に外嵌され、玉軸受２を支持するスリーブである。スリーブ１１はハウジング３にボルト等で固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。スリーブ１１とハウジング３の内面との間には隙間Ｃ_ｒが形成されている。ポンプ出口７と隙間Ｃ_ｒとは液体流路８で連通しており、液体流路８の途中には流量調節用のオリフィス９が設けられている。１０はハウジング３の内面に形成された環状の溝であり、該溝１０の底部に液体流路８が連結されている。
【００２３】
次に本実施形態の作用を説明する。玉軸受２を支持するスリーブ１１の外側に形成された隙間Ｃ_ｒとポンプ出口７との間は液体流路８で連結されており、ポンプ出口７から隙間Ｃ_ｒに高圧の流体が流れる。ハウジング３には液体流路８と隙間Ｃ_ｒに連通する環状の溝１０が形成されているので、隙間Ｃ_ｒには全周に一様な流れが生じ、隙間Ｃ_ｒに高圧の液体による流体膜１２が形成される。流体膜１２の入口側（溝１０）と出口側（スリーブ１１の両端）の間には大きな差圧ΔＰが生じている。
【００２４】
オリフィス９および隙間Ｃ_ｒの寸法を適当に選ぶことにより、ΔＰの大きさを調節することができる。流体膜１２は、擬似的な構造部材として働き、固有のバネ定数Ｋ_３と減衰係数ｃ_３を有している。機械軸受（玉軸受２）と流体膜１２とは直列に配置されているので、機械軸受のバネ定数と減衰係数とを、それぞれＫ’とｃ’とすると、合成されたバネ係数Ｋと減衰係数ｃとは先に述べたが、数１に示す４つの式で与えられる。
【００２５】
【数１】

【００２６】
数１の式（１）、（２）からわかるように、Ｋ_３が大きい程ＫはＫ’に近づく。また、ｃは単純に増加する。さらに、小さな寸法の隙間Ｃ_ｒに大きな差圧ΔＰの流体膜１２を生成すると、合成されたバネ定数Ｋは、機械軸受（玉軸受２）のバネ定数Ｋ’と同じであって変化せず、減衰係数ｃだけを大きくすることができる。また、これによりバネ定数Ｋに対する減衰係数ｃの割合、すなわち、ｃ／Ｋが機械軸受のみの場合よりも大きくなり、より高い減衰効果が得られる。したがって、回転軸１の振動を低減することができる。
【００２７】
数１の式（１）と（２）は、バネとダンパを直列に連結した場合の普通の式なので、説明を省略し、式（３）と（４）について導き方を説明する。非特許文献１のＰ２６〜２７に示される（２．３８）、（２．３９）より数２に示す２つの式が得られる。
【００２８】
【数２】

【００２９】
ここで、Ｍ＝Ｍ_ｉｎ−Ｍ_ｏｕｔ、Ｍ_ｉｎ＝Ｍ_ｏｕｔであり、流体膜１２の流れは層流で、隙間Ｃ_ｒは全て液体により満たされていると考える。また、流体がｎ個の孔から、圧力Ｐｓで供給される場合を考えると、数３が得られる。
【００３０】
【数３】

【００３１】
また、円環状の流体膜１２部を流れる流量は、数４で与えられる。
【００３２】
【数４】

【００３３】
そして、Ｍ＝Ｍ_ｉｎ−Ｍ_ｏｕｔに数３および数４の式を代入すると、α、β、θ、φ、ｓ、ｑの特性は数５で与えられる。
【００３４】
【数５】

【００３５】
以上より合成されたバネ定数Ｋ_３と合成された減衰係数ｃ_３の特性は、数６で与えられることがわかる。
【００３６】
【数６】

【００３７】
【変形例】
図１（Ｂ）は本発明の他の実施形態（変形例）を示す図である。図１（Ｂ）が図１（Ａ）と異なる点は、図１（Ａ）にはスリーブ１１があるのに対し、図１（Ｂ）にはスリーブ１１がなく、隙間Ｃ_ｒは玉軸受２の外輪の外側に直接形成されていることである。スリーブ１１があれば、圧力のかかる面積が大きくなるので、流体膜１２によって受けられる荷重を大きくとることができる。一方、スリーブ１１がない場合、圧力のかかる面積が小さいので、流体膜によって受けられる荷重が小さくなるが、程度の問題であって、同様の効果が得られるし、構造が簡単になる。なお、軸受２の外輪には何らかの回り止めがあった方がよい。
【００３８】
本発明は、以上述べた２つの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、隙間Ｃ_ｒと液体流路８との間に円環状の溝１０を介在させるようにした方が、溝１０に替えて全周に亘って適当な間隔で穿設した多数の小孔を設け、該小孔に図示しないヘッダを介して液体流路８を接続してもよい。また、軸受は玉軸受でなくローラー軸受などでもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のポンプの軸受装置は、ころがり軸受の外輪の外側に狭い隙間を形成し、その隙間にポンプで昇圧された高圧の液体の一部を導入するようにしたので、簡単な構造でありながら、ころがり軸受のバネ定数を変化させずに減衰係数を大きくすることができて、軸の振動を効果的に抑制することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポンプの軸受装置の概念図である。
【図２】従来のポンプの軸受装置の概念図である。
【符号の説明】
１回転軸
２玉軸受（ころがり軸受）
７ポンプ出口
８液体流路
９オリフィス
Ｃ_ｒ隙間

Claims

ポンプの回転軸を支持するころがり軸受の外輪の外側、または、外輪を支持する環状のスリーブの外側に狭い環状の隙間を形成し、該隙間にポンプ出口側から導入した高圧の液体を流すようにしたことを特徴とするポンプの軸受装置。
ポンプの出口側から上記隙間までの流体流路の途中に流量調節用のオリフィスを設けた請求項１記載のポンプの軸受装置。
ポンプで流送される液体は、液体水素や液体酸素などの液化ガスである請求項１または請求項２記載のポンプの軸受装置。
上記隙間の寸法は、１０〜１０００μｍであり、上記隙間に流入する液体の圧力は、その液化ガスの三重点〜４０ＭＰａである請求項１ないし請求項２記載のポンプの軸受装置。