JP2013044435A - ベアリング組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリング組立体のフレームへの取り付けを容易にすること。
【解決手段】第１のベアリング、第２のベアリング、ベアリングの各々に予荷重を付与するスプリング、及びスプリング及びベアリングを取り囲むスリーブを備えるベアリング組立体である。スリーブは、第１のベアリングを超えて軸方向に延びる端部を備え、端部は、Ｏ−リングのための台座を形成する外径の縮径部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターボ機械のためのベアリング組立体に関する。

ターボ機械のロータ組立体は、Ｏ−リングによってフレームに対して柔軟性をもって取付けられたベアリング組立体を含むことができる。Ｏ−リングは、ベアリング組立体の周りに形成された溝に嵌め込むことができる。

一般に、Ｏ−リングは非圧縮性材料で形成されるのでロータ組立体をフレームに取り付けることは難しい。更に、この取り付けはラジアル荷重の良好な吸収をもたらすが、一般に軸方向荷重の吸収は不十分である。

第１の態様において、本発明は、第１のベアリング、第２のベアリング、ベアリングの各々に予荷重を付与するスプリング、及びスプリング及びベアリングを取り囲むスリーブを備えるベアリング組立体を提供し、スリーブは、第１のベアリングを超えて軸方向に延びる端部を備え、端部は、Ｏ−リングのための台座を形成する外径の縮径部を備えている。

ベアリング組立体の端部にＯ−リング台座を設けることで、ベアリング組立体をフレーム内に取り付けることが比較的容易になる。特に、ベアリング組立体は、Ｏ−リングがフレームの同様の台座を押すように軸方向に挿入できる。

ベアリング組立体の端部にＯ−リング台座を設けると、軸方向の力が上手く対向するという別の利点がある。特に、スリーブ及びフレームの各台座は、Ｏ−リングの周りを延びることができ、ベアリング組立体のフレームに対する軸方向変位がＯ−リングを圧縮するよう作用する。

スリーブは第１のベアリングに接着することができ、又はスリーブは第１のベアリングとすきま嵌めを形成する。このことは、第１のベアリングが軸方向の力を受けるとスリーブ対して動くことができるという利点をもたらす。第１のベアリングは、インナーレース及びアウターレースを備えることができ、軸方向の力により、インナーレースはアウターレースに対して動くことができる。スリーブは第１のベアリングに接着されるか又は第１のベアリングとすきま嵌めを形成するので、アウターレースはスリーブに対して自由に動くことができる。 結果的に、インナーレースの移動に応じて、スプリングは、第１のベアリングの予荷重を維持するようにアウターレースをスリーブに対して変位させることができる。スリーブが第１のベアリングに接着される場合、接着結合の弾性力は、軸方向の力に応じて第１のベアリングをスリーブに対して動かすのに十分なものである。

スリーブの端部は、第１のベアリングから軸方向に離間した、内径の縮径部を備えることができる。その結果、薄肉のスリーブを用いてＯ−リング台座を形成できる。更に、ベアリング組立体は、半径方向によりコンパクトな様式でフレームに取り付けることができる。結果的に、第１のベアリングのスリーブに対するいかなる変位もこの縮径部によって阻止されない。このため、端部は、第１のベアリングの近位にある第１の部分及び第１のベアリングの遠位にある第２の部分を備えることができる。従って、第１の部分の内径は第１のベアリングの外径よりも大きく、第２の部分の内径は第１のベアリングの外径よりも小さい。従って、第１の部分は、縮径部を第１のベアリングから軸方向に離間させるように作用する。

スリーブは、第２のベアリングに接着剤により固定できる。これによりベアリング組立体の製造が単純になる。

第２の態様において、本発明は、シャフト及び前述の段落のいずれかに記載のベアリング組立体を備えるロータ組立体を提供し、シャフトは、ベアリングの各々に締まりばめされている。

ロータ組立体は、シャフトに取り付けられるインペラを備えることができ、インペラは、使用時に第２のベアリングから第１のベアリングの方向への軸方向スラストを発生する。ベアリング組立体の端部に第１のベアリングを超えてＯ−リング台座を配置することで、Ｏ−リングは、インペラが発生した軸方向スラストに抗することができる。シャフトは段付き部を備えることができ、ベアリングの各々は所定距離だけ離間するように段付き部に当接する。各ベアリングが所定距離だけ離間するので、ベアリングの予荷重の良好な管理を実現できる。特に、所定のバネ定数をもつスプリングを用いることで、ベアリングの各々に同じ所定の力の予荷重を付与できる。

第３の態様において、本発明は、フレーム及び前述の段落のいずれかに記載のロータ組立体を備えるターボ機械を提供し、ロータ組立体は、スリーブの台座に配置されるＯ−リングによってフレームに取り付けられている。

ロータ組立体は、シャフトに取り付けられたインペラを備えることができ、インペラは、使用時に第２のベアリングから第１のベアリングの方向への軸方向スラストを発生し、第１のベアリングは、軸方向スラストに応じてスリーブに対して動く。スリーブに対して動くことで、第１のベアリングの予荷重を維持することができるので、第１のベアリングの滑りを防止できる。

ベアリング組立体は、インペラの上端及び下端によって境界付けされる領域へ軸方向に延びることができる。その結果、短くて剛性の高いロータ組立体を実現できる。更に、インペラとベアリング組立体との間の短い片持ち長により、ベアリングのラジアル荷重が低減される。

本発明をより簡単に理解できるように、本発明の実施形態は例示的に図面を参照して以下に説明する。

本発明のターボ機械の断面図である。 ターボ機械のロータ組立体の分解組立図である。 ターボ機械のベアリング組立体の一端の分解組立図である。

図１から３のターボ機械１は、一対のＯ−リング４、５によってフレーム３に取り付けられるロータ組立体２を備える。ロータ組立体２は、シャフト６、ベアリング組立体７、インペラ８、及びシュラウド９を備える。ベアリング組立体７及びインペラ８はシャフト６に取り付けられ、シュラウド９はインペラ８を覆うようにベアリング組立体７に取り付けられる。
ベアリング組立体７は、第１のベアリング１０、第２のベアリング１１、スプリング１２、及びスリーブｌ３を備える。

ベアリング１０、１１の各々は、インナーレース１４、複数のボール１６を支持するケージ１５、及びアウターレース１７を備える。ベアリング１０、１１は、段付き部の反対側でシャフト６に取り付けられている。各ベアリング１０、１１のインナーレース１４は、２つのベアリング１０、１１を所定距離だけ離間する働きをする段付き部に当接する。

スプリング１２は、シャフト６の段付き部を取り囲み、２つのベアリング１０、１１のアウターレース１７に対して軸方向の力を加える。スプリング１２及びアウターレース１７の相対的サイズの結果として、スプリング１２と各アウターレース１７との間にワッシャ１８が設けられる。段付き部は所定の長さであり、スプリング１２は所定のバネ定数をもつので、ベアリング１０、１１は、同一の所定の力の予荷重を受ける。

スリーブ１３は、ベアリング１０、１１及びスプリング１２を取り囲む。スリーブ１３は、第１のベアリング１０のアウターレース１７とすきま嵌めを形成すると共に第２のベアリング１１のアウターレース１７に接着剤で固定される。グリース層又は他の潤滑剤は、第１のベアリング１０のアウターレース１７とスリーブ１３との間に設けることができる。スリーブ１３は、第１のベアリング１０を超えて軸方向に延びる端部を備える。端部は、一方のＯ−リング４のための台座を形成する外径の縮径部１９を有する。

インペラ８は、ベース２０及び複数のブレード２１を備える半開放遠心インペラである。ベース２０は、その周りでブレード２１を支持する空気力学的上面及びシャフト６を収容する中心ボア２２を有する。シャフト６は締まりばめ及び／又は接着結合によってボア２２内に固定される。

シュラウド９は、ハブ２３、フード２４、及びハブ２３とフード２４との間で半径方向に延びる複数のスポーク２５を備える。ハブ２３は円筒形であり中心ボア２６を含む。フード２４は軸方向でハブ２３よりも長く、スポーク２５はハブ２３とフード２４の上部との間を延びる。フード２４の内面は、インペラ８のブレード２１の端部に対応する空気力学的形状である。フード２４の外周は、Ｏ−リング５のための環状台座を形成するように形作られている。

シュラウド９はベアリング組立体７に固定され、シュラウド９がインペラ８を覆うようになっている。詳細には、ベアリング組立体７は、ハブ２３のボア２６を通って延び、接着されている。

ロータ組立体２は、両方のベアリング組立体７及びシュラウド９においてフレーム３に取り付けられている。詳細には、ロータ組立体３は、Ｏ−リング４、５の各々の箇所で柔軟性を持って取付けられる。第１のＯ−リング４は、ベアリング組立体７の台座１９に配置され、第２のＯ−リング５は、シュラウド９の台座２７に配置される。

ロータ組立体２をフレーム３に対して軸方向に離間した２箇所で取り付けると安定性が向上する。ロータ組立体２をフレーム３に対して柔軟性をもって取付けられると、フレーム３に伝達されるロータ組立体２の振動が低減する。更に、ベアリング組立体７の荷重が低減し、ロータ組立体２の一次曲げ周波数が高くなる。

ベアリング組立体７の端部にＯ−リング台座１９を設けることで、ロータ組立体２のフレーム３への取り付けが比較的容易になる。特に、ロータ組立体２はフレーム３の上部２８に挿入可能になる。次に、フレーム３の下部２９は、ロータ組立体２を取り囲んで保持するように上部２８に固定できる。対照的に、従来のロータ組立体は、ベアリング組立体の周りに形成された溝に嵌め込まれるＯ−リングを備えている。しかしながら、Ｏ−リングは非圧縮性材料で作られるので、一般にロータ組立体をフレーム内に取り付けるのは困難である。

Ｏ−リング台座１９をベアリング組立体７の端部に設けることは、軸方向の力が上手く対向するという他の利点がある。詳細には、フレーム３及びベアリング組立体７のＯ−リング台座１９の表面が第１のＯ−リング４の周りを延びるので、ロータ組立体２の軸方向変位はＯ−リング４を圧縮するように作用する。対照的に、Ｏ−リングがベアリング組立体の周りの溝に嵌め込まれる従来のロータ組立体では、フレームの表面は平らである可能性が高く、軸方向荷重に対する抗力が小さい。軸方向荷重に上手く抗するように別の溝をフレームに設けることができる。しかしながら、フレーム及びベアリング組立体の両方に溝を設けるとロータ組立体の取り付けが更に難しくなる。

スリーブ１３で取り囲まれ離間したベアリング１０、１１を備えるベアリング組立体７を設けると、ロータ組立体２の剛性が向上する。結果として、一次曲げモードの周波数、従ってロータ組立体２の臨界速度が高くなる。ベアリング１０、１１は所定距離だけ離間し、スプリング１３は所定のバネ定数をもっているので、ベアリング１０、１１には明確に定義された同じ力の予荷重が付与される。従って、予荷重の大きさは、ベアリング性能の低下につながる過大な予荷重となることなく、ベアリング１０、１１の滑りを防止するように規定できる。

ターボ機械１の作動時に、インペラ８は、第２のベアリング１１から第１のベアリング１０への方向、つまり図１の上向きの軸方向スラストを発生する。軸方向スラストにより、シャフト６、従ってシャフト６に圧入されたベアリング１０、１１のインナーレース１４は上向きに変位する。変位は比較的小さいので、アウターレース１７に対するインナーレース１４の変位は、ベアリング１０、１１の予荷重に影響を与えないはずである。

インナーレース１４は上向きに変位するので、第１のベアリング５の予荷重は減少し、第２のベアリング１１の予荷重は増大する。第１のベアリング１０のアウターレース１７がスリーブ１３に固定される場合（つまり、アウターレース１７がスリーブ１３に対して移動できない場合）、結果としての予荷重の減少は、第１のベアリング１０のボール１６の滑りを引き起こすので、ベアリング１０の耐用年数が短くなる。この理由から、第１のベアリング１０のアウターレース１７は、スリーブ１３とすきま嵌めを形成する。２つの構成部品の間に間隙を設けることで、第１のベアリング１０のアウターレース１７は、スリーブ１３に対して自由に動くことができる。従って、第１のベアリング１０のインナーレース１４は上向きに移動して第１のベアリング１０の予荷重が減少し、スプリング１２は、予荷重を回復するようにアウターレース１７を上向きに移動させる。従って、インペラ８が発生する軸方向スラストに関わらず、第１のベアリング１０の予荷重は変化しない。

第２のベアリング１１は、シャフト６からスリーブ１３及びＯ−リング４への方向スラストの伝達に関与する。結果的に、第２のベアリング１１の予荷重の増大は避けられない。予荷重の増大は、第２のベアリング１１の耐用年数を短くする場合がある、しかしながら、第２のベアリング１１の耐用年数の低下は、第１のベアリング１０の予荷重が減少した場合の第１のベアリング１０の耐用年数の低下に比べて僅かであろう。従って、第２のベアリング１１の予荷重の増大は、第１のベアリング１０の予荷重の維持を保証するために支払う対価である。

ここで図３を参照すると、スリーブ１３の端部は（つまり、第１のベアリング１０を超えて軸方向に延びる部分は）、内径及び外径の両方における縮径部を含む。外径の縮径部は、Ｏ−リング台座１９を形成する。Ｏ−リング台座１９は、単に外径の縮径部によって形成できる。しかしながら、これはより肉厚のスリーブ１３を必要とするはずである。内径の縮径部を含むことで、Ｏ−リング台座１９は、より薄肉のスリーブを用いて形成できる。更に、ベアリング組立体は、半径方向によりコンパクトな様式でフレームに取り付けることができる。第１のベアリング１０のアウターレース１７がスリーブ１３の内径の縮径部に当接した場合、アウターレース１７は、スリーブ１３に対して軸方向に移動することが防止されるので、第１のベアリング１０の予荷重を維持できなくなるであろう。従って、スリーブ１３の内径の縮径部は第１のベアリング１０から軸方向に離間している。従って、スリーブ１３の端部は、第１のベアリング１０の近位にある第１の部分及び第１のベアリング１０の遠位にある第２の部分を備えると言うことができる。第１の部分の内径は第１のベアリング１０の外径よりも大きく、第２の部分の内径は第１のベアリング１０の外径よりも小さい。従って、第１の部分は、スリーブ１３の内径の縮径部を第１のベアリング１０から軸方向に離間させるように作用する。結果的に、第１のベアリング１０のアウターレース１７は、インペラ８が発生した軸方向スラストに応じて、スリーブ１３に対して軸方向に自由に動くことができる。

前述の実施形態において、第１のベアリング１０のアウターレース１７とスリーブ１３との間にすきま嵌めが設けられる。ベアリング１０の予荷重に影響を及ぼす可能性があるアウターレース７とスリーブ１３との間の摩擦を最小にするために、グリース又は他の粘性潤滑剤をこの間隙に供給できる。別の実施形態において、第１のベアリング１０のアウターレース１７は、スリーブ１３に接着できる。接着剤は弾性を備えており、アウターレース１７は、インペラ８が発生する軸方向スラストに応じて、スプリング１２によってスリーブ１３に対して変位できる。前述のように、このインナーレース１４の変位は僅かである。従って、アウターレース１７は、接着剤を破壊することなく、予荷重を維持できる程度だけ移動できる。スリーブ１３は、接着剤によって第２のベアリング１１に固定される。もしくは、スリーブ１３は第２のベアリング１１に圧入できる。しかしながら、第１のベアリング１０及び第２のベアリング１１は同じ外径なので、接着剤を用いるとロータ組立体２の製造が単純化される。

１ ターボ機械
２ ロータ組立体
３ フレーム
４ Ｏ−リング
５ Ｏ−リング
７ ベアリング組立体
１０ 第１のベアリング
１１ 第２のベアリング
１２ スプリング
１３ スリーブ
１９ 台座

Claims (10)

1. 第１のベアリング、第２のベアリング、前記ベアリングの各々に予荷重を付与するスプリング、及び前記スプリング及び前記ベアリングを取り囲むスリーブを備えるベアリング組立体であって、
   前記スリーブは、前記第１のベアリングを超えて軸方向に延びる端部を備え、前記端部は、Ｏ−リングのための台座を形成する外径の縮径部を備えるベアリング組立体。
2. 前記スリーブは、前記第１のベアリングとすきま嵌めを形成するように接着される、請求項１に記載のベアリング組立体。
3. 前記端部は、前記第１のベアリングから軸方向に離間した、内径の縮径部を備える、請求項１又は２に記載のベアリング組立体。
4. 前記端部は、前記第１のベアリングの近位にある第１の部分及び前記第１のベアリングの遠位にある第２の部分を備え、前記第１の部分は、前記第１のベアリングの外径よりも大きな内径を有し、前記第２の部分は、前記第１のベアリングの外径よりも小さい内径を有する、請求項１から３のいずれかに記載のベアリング組立体。
5. 前記スリーブは、前記第２のベアリングに接着される、請求項１から４のいずれかに記載のベアリング組立体。
6. シャフト及び請求項１から５のいずれかに記載のベアリング組立体を備えるロータ組立体であって、前記シャフトは、前記ベアリングの各々に締まりばめされる、ロータ組立体。
7. 前記ロータ組立体は、前記シャフトに取り付けられるインペラを備え、前記インペラは使用時に前記第２のベアリングから前記第１のベアリングの方向への軸方向スラストを発生する、請求項６に記載のロータ組立体。
8. 前記シャフトは段付き部を備え、前記ベアリングの各々が所定距離だけ離間するように、前記ベアリングの各々は前記段付き部に当接する、請求項６又は７に記載のロータ組立体。
9. フレーム及び請求項６から８のいずれかに記載のロータ組立体を備えるターボ機械であって、前記ロータ組立体は、前記スリーブの台座に配置されるＯ−リングによって前記フレームに取り付けられる、ターボ機械。
10. 前記ロータ組立体は、前記シャフトに取り付けられるインペラを備え、前記インペラは使用時に前記第２のベアリングから前記第１のベアリングの方向への軸方向スラストを発生し、前記第１のベアリングは、軸方向スラスト応じて前記スリーブに対して移動する、請求項９に記載のターボ機械。

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