JP2011069491A - 少なくとも１つのパッドを保持するための軸受装置、保持機構および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つのパッドを軸受装置の内側に保持するための方法、保持機構および軸受装置を提供すること。
【解決手段】この軸受装置は、少なくとも１つの保持ヘッドを有するリングと、リングの内側に配置され、少なくとも１つの保持ヘッドを受けるように構成された底面凹部を有する少なくとも１つのパッドであって、少なくとも１つの保持ヘッド上で枢動するように構成されたパッドと、リングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するように構成された保持機構とを含む。保持機構は、保持ヘッドと少なくとも１つのパッドとの間の力のほかに、実質的にリングの半径方向に沿ってリングの中心から遠ざかるように作用する保持力を、少なくとも１つのパッドに対して加えるように構成される。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示される内容の実施形態は、一般に方法およびシステムに関し、より詳細には軸受装置内のパッドを保持するための機構および技法に関する。

ターボ機械は発展しつつあり、この分野での最新技術は、高速軸受を利用している。軸受設計の多くの領域において、ロータ軸受システムの設計は、機械の性能に直接影響を及ぼす。従来の設計は、転がり要素、すなわち、ロータを支持しながら保持ヘッドのまわりで枢動するパッドまたはシューを軸受に設けている。しかし、高速および／または高圧力時には、転がり要素の負荷容量および剛性限界が不足し、したがって機械の性能および耐用年数が低下する。例えば、従来のターボ機械に関する一般的な速度を上回る周速では、軸受の制限速度に適合するように回転軸の端に配置された玉軸受が超臨界的（すなわち臨界速度を上回って動作する）ロータの設計に至ることがある。次いで、超臨界的なロータ設計によってロータが不安定になり、破壊的で回避不可能な分数調波振動（ｓｕｂｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｗｈｉｒｌ）および大きなラジアル振れを受ける恐れがある。

ターボ機械の通常の応用例は従来の周速を用いるが、より高速で動作することができる機械では、他にも利点がある中で特にパッド内の動力の消費および熱分布が改善されると思われる。しかし、これらの通常より速い速度は、次に論じる別の問題をもたらす恐れがある。

ロータと軸受との間の摩擦を低減するために、オイルを導入し、機械の２つの構成要素を分離することができる。当技術分野では、このシステムはジャーナル軸受として既知である。軸および軸受は、一般にどちらも簡単な研磨済みの円筒であり、軸端部と軸受のシューとの間の間隙に潤滑油が満たされている。潤滑油は、軸とシューとの表面間の「摩擦低減」だけでなく、一方を他方に対してより容易に滑らせるので、潤滑油は、ひとたび回転すれば表面どうしが接触することは全くないほど十分に厚いものである。オイルが使用される場合、オイルは、一般に、圧力を受けている軸受の穴に供給され、これは負荷軸受に対して行われる。

そのような実施例が図１に示されており、この図面は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第４，５６８，２０４号の図２である。図１は、矢印１４が示すように回転する軸１２を囲むジャーナル軸受１０を示す。ジャーナル軸受１０は、リング１８によって所定の位置に保持される５つのパッド１６を含む。各パッド１６は、パッド１６の凹部領域２２に挿入されたパッド支持体２０を含む。パッド支持体２０は、リング１８に固定されたインサート２４に結合される。それぞれのパッド支持体２０および凹部領域２２は、軸１２が回転するとき、軸１２の表面に一致するように任意の方向でパッド１６が自由に枢動することができるように協働する球面を有する。また、ジャーナル軸受１０は、パッド１６と軸１２との間にオイルを供給するためにリング１８の内側に規則的に形成されたオイル補給装置２６を有する。

しかし、軸１２がパッド１６に対して８０ｍ／ｓの速度で回転するとき、従来のターボ機械で判明した問題の１つにオイル枯渇がある。軸周速が増加するとき、この問題は悪化する。オイル枯渇は、軸とパッドとの間の油膜が分断されるほど回転軸および／またはパッドにとって十分なオイルがないことであり、これは軸とパッドとの間の高摩擦をもたらし、高温およびそれに続く損傷を引き起こす。

従来のターボ機械に発生し得る別の問題にキャビテーションがある。キャビテーションは、流動する液体（例えばオイル）の圧力がその蒸気圧を下回る領域で、その液体の蒸気気泡が形成されることである。ロータが高速で回転するとき、オイルの圧力が、その蒸気圧を下回ることがあり、キャビテーションおよび衝撃波の形成に至る。キャビテーションによって形成される衝撃波は可動部品を著しく損傷するほど十分に強いので、通常、キャビテーションは望ましくない現象である。

新規の応用例の軸の周速が、１７０ｍ／ｓを上回る速度を必要とするとき、これらの応用例を適切に機能させるために、上記に要約された問題に対処して解決する必要がある。上記の問題をジャーナル軸受との関連で論じたが、これらの問題は、軸がパッドに対して高速で回転する他の軸受でも見いだされる。

したがって、前述の問題および欠点、ならびに当業者には以下の開示内容を検討した後に理解されるその他のものを回避する装置、システムおよび方法を提供することが望ましいであろう。

例示的実施形態によれば、少なくとも１つの保持ヘッドを有するリングと、リングの内側に配置され、少なくとも１つの保持ヘッドを受けるように構成された底面凹部を有する少なくとも１つのパッドであって、少なくとも１つの保持ヘッド上で枢動するように構成されたパッドと、リングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するように構成された保持機構とを含む軸受装置が存在する。

別の例示的実施形態によれば、軸受装置内部の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するための保持機構が存在する。保持機構は、少なくとも１つのパッドと軸受装置とに接触するように、かつ少なくとも１つのパッドと保持ヘッドとの間の力のほかに、少なくとも１つのパッドに対して保持力を加え、軸受装置のリング内で少なくとも１つのパッドを保持するように構成される。保持力は、実質的に軸受装置のリングの半径方向に沿ってリングの中心から遠ざかるように作用する。

さらに別の例示的実施形態によれば、軸受装置のリングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持する方法が存在する。この方法は、少なくとも１つのパッドの底面凹部が保持ヘッドを受けるように構成されるように、保持ヘッド上で枢動するように構成された少なくとも１つのパッドをリングの保持ヘッド上に配置するステップと、リングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するように構成された保持機構を用いて少なくとも１つのパッドを保持するステップと、保持ヘッドと少なくとも１つのパッドとの間の力のほかに、実質的にリングの半径方向に沿ってリングの中心から遠ざかるように作用する保持力を、軸受装置の使用時に少なくとも１つのパッドに対して加えるように保持機構を構成するステップとを含む。

本明細書に組み込まれてその一部分を構成する添付図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、記述と共にこれらの実施形態を説明する。

従来型のジャーナル軸受の概略図である。 例示的実施形態によるジャーナル軸受の概略図である。 例示的実施形態による図２のジャーナル軸受の横断図である。 例示的実施形態によるジャーナル軸受のパッドを通る断面図である。 例示的実施形態による図４のパッドの斜視図である。 例示的実施形態によってジャーナル軸受に支持されたロータの概略図である。 例示的実施形態によるパッドおよびばねの斜視図である。 例示的実施形態によるばねの概略図である。 例示的実施形態によるばねの概略図である。 例示的実施形態によってパッドに取り付けられたカラーの図である。 例示的実施形態によってパッドに取り付けられたカラーの図である。 例示的実施形態によるパッドの保持機構の図である。 例示的実施形態によるパッドの保持機構の図である。 例示的実施形態によってパッドを保持する方法のステップを示す流れ図である。

例示的実施形態の以下の説明は、添付図面を参照する。様々な図における同じ参考番号は、同一または類似の要素を特定する。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。以下の実施形態は、ジャーナル軸受の用語および構造体に関して、話を簡単にするために論じられる。しかし、その次に論じられることになる実施形態は、これらの構造体およびシステムに限定されるものではなく、パッドに支持されて回転する軸またはロータを含む他の軸受およびシステムに適用することができる。

本明細書を通じて、「一実施形態」または「ある実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、開示された内容の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、明細書を通じて様々な箇所における「一実施形態では」または「ある実施形態では」という言い回しの出現は、必ずしも同じ実施形態を参照するものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせることができる。

図２に示される例示的実施形態によれば、ジャーナル軸受３０は、それぞれが作動面３４ａを有する複数のパッド３４を保持するように構成されたリング３２を含む。軸（図示せず）が方向Ａに高速で（例えば１００ｍ／ｓと１７０ｍ／ｓとの間で）回転するとき、パッド３４が回転方向Ａに滑るのを防止するために、パッド３４は閉塞プレート３６によって保持される。対応する保持プレート３８は、軸方向のずれを防止するために、リング３２の近傍でパッド３４を保持する。図２で、保持プレート３８は、ねじ４０によってリング３２へ固定して示されている。他の応用例では、保持プレート３８を他のやり方でリング３２に固定することができ、このことは当業者には理解されよう。リング３２、閉塞プレート３６および保持プレート３８は、パッド３４が保持ヘッドのまわりで枢動することができる所定の容積を画定する。

図３および図４は、各パッド３４が、保持ヘッド４４が設けられる凹部４２を有することを示している。保持ヘッド４４は、ねじ４６によってリング３２へ固定される。凹部４２は、パッド３４が保持ヘッド４４に対して枢動することができるように成形される。これらの要素は図４にも示されており、図４は図３の線Ａ−Ａに沿った断面図である。パッド３４は、図４では支持要素４８上に配置されて示されている。保持ヘッド４４は、（図３に示されるように）支持要素４８に取り付けられるか、あるいは（図４に示されるように）支持要素４８の一部分として形成される。パッド３４の凹部４２は、保持ヘッド４４を受けるように構成される。２枚の保持プレート３８が、ねじ４０で支持要素４８に取り付けられる。支持要素４８は、リング３２の一部分またはリング３２に取り付けられたものでよい。図４は、パッド３４の両側に形成された２つの溝５０も示している。溝５０は、保持プレート３８の突出部５２を受けるように構成される。

図５は、パッド３４と保持プレート３８との間に形成された接続をより詳細に示す。溝５０は、突出領域５２で高さ「ｈ」より大きな幅「ｗ」を有するように形成される。ある応用例では、幅ｗは高さｈより少なくとも１０％大きい。このようにして、パッド３４は依然として保持ヘッド４４のまわりで枢動することができる一方で、突出領域５２が溝５０と係合する。

背景技術の段落で論じられたように、従来の軸受に影響を及ぼす既知の問題に、オイル枯渇および軸受の不安定性がある。速いロータ速度での従来の軸受のオイル枯渇および軸受不安定性の原因の１つは、パッド３４に加えられたずれ力の大きさである。このずれ力は、図６に関して次に論じられる。図６は、方向Ａに沿った一定の速度ｎ（毎秒回転数）で回転するロータ６０を示す。ロータ６０はパッド３４に支持される。ロータ６０が高速で回転するとき、少なくとも２つの力が生じる。第１の力は、パッド３４とオイル（運転中に回転軸によって配置される）との間の摩擦に起因する摩擦力であり、第２の力は、軸が回転している間中、パッドのまわりのオイルによって発生された側圧に起因する圧力による力である。これら２つの力の合力が、力６６として図６に示されている。力６６は、保持ヘッド４４に対して接線方向の第１の力成分６２と、ピボットボール４４に対して垂直な第２の力成分６４とに分解され得る。この第２の力成分６４は、パッド３４を保持ヘッド４４から取り去るように作用するずれ力である。

図７に示される例示的実施形態によれば、保持プレート３８の突出領域５２の少なくとも１つの上に、ばね７０を設けることができる。ある応用例では、ばね７０をパッド３４に固定することができる。しかし、別の応用例では、ばね７０を保持プレート３８に固定することができる。ばね７０は、ずれ力６４を平衡させるように構成することができ、すなわち、ばね７０によってパッド３４に対してロータ６０からリング３２の方へ加えられる力は、ずれ力６４に対して実質的に大きさが等しく方向が反対のものでよい。例示の一実施形態では、ばね７０によって作用させる力は、例えば、ずれ力６４の１００％と２００％との間でずれ力６４より大きくてよい。

ばね７０は、保持プレート３８の各突出領域５２に配置された各溝５０内に設けられてよい。ばね７０は、図８に示された形状を有することができる。ばね７０は、弓形に似た形状を有する本体７２およびばね７０を対応する保持プレート３８に取付け／固定するのに役立つ２つの終端領域７４を含むことができる。ばね７０によって、パッド３４が保持ヘッド４４のまわりに傾くことも可能になる。ある応用例では、ばね７０は、図８に示されるようにばねの中央を横切るＸ軸、およびＸ軸と交差し本体７２と終端領域７４との間の境界面とも交差するＹ軸を有してよい。例示的実施形態では、本体７２のコード長さは３０度と４５度との間にある。図９は、ばね７０の上面図を示す。ある応用例では、ばねは、柔軟性を示してばねとして働く材料で作製され、したがってばね定数ｋを有する。例えば、ばね７０は、Ｃ７Ｄまたはばね用の他の鋼合金、すなわちＳｉＮｉＣｒ５で作製することができ、ロックウェルスケールの４０ＨＲＣから５０ＨＲＣの硬度を有してよい（ロックウェル試験は、大荷重下の圧子の侵入の深さを予荷重によってできた侵入と比較して測定することにより硬度を求める）。

例示的実施形態では、ばね７０は、図７に示されるように、保持プレート３８の突出領域５２に取り付けられた終端領域７４を有する（図８を参照されたい）。しかし、ばね７０の本体７２の中央部は、図７に示されるように、突出領域５２ではなくパッド３４に接触するように構成される。

図１０に示される別の例示的実施形態によれば、ロータ６０が高速で回転しているとき、ずれ力６４を相殺する保持力８４を与えるように、カラー８０が保持ヘッド４４の頸部分８２のまわりでパッド３４に取り付けられてよい。この実施形態によれば、頸部分８２の半径が保持ヘッド４４のヘッド部分８６の半径より小さく、したがってカラー８０が保持ヘッド４４から出て来るのを防止することが注目される。カラー８０は、様々な技法によって、例えばヘッド部分８６に入るようにカラー８０を加熱することにより、あるいは二等分のカラー８０を作製して頸部分８２のまわりに配置した後に相互に結合して（溶接して）、最初に頸部分８２のまわりに装着することができる。カラー８０の上面図が図１１に示されている。カラー８０は、鋼または他の強い材料から形成され得る。カラー８０は、パッド３４の中にねじ留めする、パッド３４に溶接する、あるいは当業者に既知の他のやり方で取り付けることができる。

図１２に示された別の例示的実施形態によれば、パッド３４は、保持ヘッド４４に作製された穴９２およびパッド３４の中央領域に作製された穴９４を通して挿入された締結要素９０によってリング３２の内側の所定の容積に保持され得る。締結具９０は、従来のねじ、ボルト、ねじ要素などでよいことが当業者には理解されよう。穴９４は、締結具９０の対応するねじ山と係合するために少なくとも穴９４の端部へ向かうねじ山９６を有する。パッド３４が保持ヘッド４４に対して傾くことができるように、保持ヘッド４４の穴９２は大ぶりに作製され、すなわち穴９２の半径は締結具９０の半径より大きい。図１３は、締結具９０が穴９２に挿入されたときの（図１２の線Ｂ−Ｂに沿った）視野を示す。したがって、ロータ６０の回転によって生成されるずれ力６４は、パッド３４と締結具９０との間に生じる保持力８４によって平衡を保たれる。

図７、図１１および図１３に示された例示的実施形態の特徴の任意の組合せが、同じ軸受システムに用いられ得ることが注目される。

図１４に示された例示的実施形態によれば、軸受装置のリングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するための方法が存在する。この方法は、少なくとも１つのパッドの底面凹部が保持ヘッドを受けるように構成されるように、保持ヘッド上で枢動するように構成された少なくとも１つのパッドをリングの保持ヘッド上に配置するステップ１４００と、リングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するように構成された保持機構を用いて少なくとも１つのパッドを保持するステップ１４０２と、保持ヘッドと少なくとも１つのパッドとの間の力のほかに、実質的にリングの半径方向に沿ってリングの中心から遠ざかるように作用する保持力を、軸受装置の使用時に少なくとも１つのパッドに対して加えるように保持機構を構成するステップ１４０４とを含む。

開示された例示的実施形態は、軸受装置、保持機構、および軸受装置のリングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持する方法を提供する。この説明は、本発明を限定するようには意図されてないことを理解されたい。それとは逆に、これらの例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲の中に含まれる代替形態、変更形態および均等物を対象として含むように意図されている。さらに、例示的実施形態の詳細な説明では、特許請求する発明の包括的理解を提供するために、多くの具体的な詳細が説明されている。しかし、当業者なら、そのような具体的な詳細なしで様々な実施形態が実施され得ることを理解するであろう。

それらの実施形態では、本例示的実施形態の特徴および要素が特定の組合せで説明されているが、それぞれの特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素なしで単独で用いることができ、あるいは本明細書で開示された他の特徴および要素の有無にかかわらず様々な組合せで用いることができる。

本書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また、あらゆる当業者が、任意の装置またはシステムを製作し使用すること、また任意の組み入れられた方法を実行すること含めて本発明を実施することも可能にするために、実施例を用いている。特許性のある本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の実施例を含み得る。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの言葉と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの言葉の範囲内の均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲に入るものとする。

１０ ジャーナル軸受
１２ 軸
１４ 矢印
１６ パッド
１６ａ 表面
１８ リング
２０ パッド支持体
２２ 凹部領域
２４ インサート
２６ オイル補給装置
３０ ジャーナル軸受
３２ リング
３４ パッド
３４ａ 作動面
３６ 閉塞プレート
３８ 保持プレート
４０ ねじ
４２ 凹部
４４ 保持ヘッド
４６ ねじ
４８ 支持要素
５０ 溝
５２ 突出部
６０ ロータ
６２ 力成分
６４ 力成分
６６ 力
７０ ばね
７２ ばねの本体
７４ ばねの終端領域
８０ カラー
８２ 頸部分
８４ 保持力
８６ ヘッド部分
９０ 締結要素
９２ 穴
９４ 穴
９６ ねじ山

Claims (10)

1. 少なくとも１つの保持ヘッドを有するリングと、
   前記リングの内側に配置され、前記少なくとも１つの保持ヘッドを受けるように構成された底面凹部を有する少なくとも１つのパッドであって、前記少なくとも１つの保持ヘッド上で枢動するように構成されたパッドと、
   前記少なくとも１つのパッドを前記リングの内側の所定の容積内に保持するように、かつ前記少なくとも１つの保持ヘッドと前記少なくとも１つのパッドとの間の力のほかに、前記少なくとも１つのパッドに対して実質的に前記リングの半径方向に沿って前記リングの中心から遠ざかるように作用する保持力を加えるように構成された保持機構とを備える軸受装置。
2. 前記少なくとも１つのパッドが、前記少なくとも１つのパッドの両側に形成されて前記リングの周辺に沿って延びる側溝を含み、
   前記保持機構が、
   前記少なくとも１つのパッドの前記側溝に合うように構成された突出部を有する保持プレートを備える請求項１記載の軸受装置。
3. 前記突出部が、前記保持プレートの側面に沿って延び、また、前記少なくとも１つのパッドが前記少なくとも１つの保持ヘッド上で枢動することができるように前記少なくとも１つのパッドの前記側溝の幅より短い高さを有し、
   前記保持機構が、
   前記保持プレート上に配置され、前記少なくとも１つのパッドの前記側溝の側面に対して偏倚力を加えるように構成されたばねをさらに備える請求項２記載の軸受装置。
4. 前記保持機構が、
   前記保持ヘッドの頸部のまわりに形成され、前記少なくとも１つのパッドに取り付けられるように構成され、その結果、前記少なくとも１つのパッド上に作用するずれ力がカラーと前記保持ヘッドとの間の保持力によって低下するカラーを備える請求項１記載の軸受装置。
5. 前記保持機構が、
   前記保持ヘッドの大ぶりの穴を通して配置され、前記少なくとも１つのパッドの前記底面凹部の領域に取り付けられる締結具であって、締結具が前記少なくとも１つのパッド内にねじ留めされたとき、前記大ぶりの穴の内部で動くように構成され、その結果、前記少なくとも１つのパッドが前記保持ヘッドのまわりで枢動する、締結具を備える請求項１記載の軸受装置。
6. 軸受装置内部の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持するための保持機構であって、
   前記少なくとも１つのパッドと前記軸受装置とに接触し、かつ、前記軸受装置のリング内で前記少なくとも１つのパッドを保持する保持ヘッドと前記少なくとも１つのパッドとの間への力のほかに、前記少なくとも１つのパッドに対して保持力を加えるように構成され、
   前記保持力が、実質的に前記軸受装置の前記リングの半径方向に沿って前記リングの中心から遠ざかるように作用する保持機構。
7. 前記少なくとも１つのパッドの前記側溝に合うように構成された突出部を有する保持プレートであって、前記突出部が、前記保持プレートの側面に沿って延び、前記少なくとも１つのパッドが前記リングに取り付けられた前記保持ヘッド上で枢動することができるように、前記少なくとも１つのパッドの前記側溝の幅より短い高さを有する保持プレートと、
   前記保持プレート上に配置され、前記少なくとも１つのパッドの前記側溝の側面に対して偏倚力を加えるように構成されたばねとをさらに備える請求項６記載の保持機構。
8. 前記保持ヘッドの頸部のまわりに形成され、前記少なくとも１つのパッドに取り付けられるように構成され、その結果、前記少なくとも１つのパッド上に作用するずれ力がカラーと前記保持ヘッドとの間の保持力によって低下するカラーをさらに備える請求項６記載の保持機構。
9. 前記保持ヘッドの大ぶりの穴を通して配置され、前記少なくとも１つのパッドの底面領域に取り付けられる締結具をさらに備え、
   前記締結具が、前記少なくとも１つのパッド内にねじ留めされたとき、前記大ぶりの穴の内部で動くように構成され、その結果、前記少なくとも１つのパッドが前記保持ヘッドのまわりで枢動する請求項６記載の保持機構。
10. 軸受装置のリングの内側の所定の容積内に少なくとも１つのパッドを保持する方法であって、
    前記少なくとも１つのパッドの底面凹部が保持ヘッドを受けるように構成されるように、前記保持ヘッド上で枢動するように構成された前記少なくとも１つのパッドを前記リングの前記保持ヘッド上に配置するステップと、
    前記リングの内側の所定の容積内に前記少なくとも１つのパッドを保持するように構成された保持機構を用いて前記少なくとも１つのパッドを保持するステップと、
    前記保持ヘッドと前記少なくとも１つのパッドとの間の力のほかに、実質的に前記リングの半径方向に沿って前記リングの中心から遠ざかるように作用する保持力を、前記軸受装置の使用時に前記少なくとも１つのパッドに対して加えるように前記保持機構を構成するステップとを含む方法。

Images