JP2015143550A - 軸受装置及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な減衰効果を有する軸受装置を提供する。
【解決手段】
軸線の方向に延びるステータと間隔をあけて配置されて、該ステータに対して軸線回りに回転可能にロータを支持する軸受装置であって、ロータとステータとの間に設けられて、ステータとの間に流体が充填されたクリアランスを介して配置されるダンパリングと、該ダンパリングとロータとの間に設けられて、ダンパリングに対してロータを軸線回りに回転可能に支持する軸受本体と、を備え、クリアランスは、ダンパリングとステータとが径方向に対向する部分、及びダンパリングとステータとが軸線方向に対向する部分を含み、これら部分が軸線を含む断面で曲線状に接続されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸受装置に関する。

ポンプ等の回転機械におけるロータ（回転軸等）が、ステータ（ケーシング等）に対して回転可能となるようにロータを支持する装置として、軸受装置が知られている。このような軸受装置としては、転がり軸受やすべり軸受等を有するものが知られている。

転がり軸受は、回転体の回転抵抗を小さくできるため、ロケットエンジン等のターボポンプ等、様々な回転機械に用いられている。

ところでこの転がり軸受は、金属等からなる転動体が荷重を支持する構造となっているため、回転機械の運転時の振動を減衰する能力が低い。このため、例えば特許文献１、又は特許文献２に記載されているように、通常では軸受の背面に形成された円筒形の空間にオイルを満たすことでスクイーズ効果を利用して振動減衰能力を高める手段が提案されている。

特開平８−２６１２３１号公報 特開平１１−１５９５２６号公報

しかしながら、これら特許文献１、特許文献２に記載の軸受装置では、オイルによる減衰効果は、軸方向と交差する径方向（ラジアル方向）の振動に対して発揮されるのみであって、軸方向（スラスト方向）の振動に対する減衰効果が十分ではない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、径方向の振動、及び軸方向の振動に対する減衰効果の向上を図ることが可能な軸受装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一の態様によれば、軸受装置は、軸線の方向に延びるステータと間隔をあけて配置されて、該ステータに対して軸線回りに回転可能にロータを支持する軸受装置であって、ロータと前記ステータとの間に設けられて、ステータとの間に流体が充填されたクリアランスを介して配置されるダンパリングと、該ダンパリングとロータとの間に設けられて、ダンパリングに対してロータを軸線回りに回転可能に支持する軸受本体と、を備え、クリアランスは、ダンパリングとステータとが径方向に対向する部分、及びダンパリングとステータとが軸線方向に対向する部分を含み、これら部分が軸線を含む断面で曲線状に接続されていることを特徴とする。

このような軸受装置にあっては、ロータからの荷重を受け、ロータからの振動がダンパリングに伝達される。ここで、ステータとロータとの間に形成されたクリアランスは、ダンパリングとステータとが径方向に対向する部分と、軸線方向に対向する部分とを含むように構成されている。したがって、ダンパリングとステータとが径方向に対向する部分によって、ロータの径方向の振動を減衰することができる。加えて、ダンパリングとステータとが軸線方向に対向する部分によって、ロータの軸線方向の振動も減衰することができる。
さらに、これら２つの部分はロータの軸線を含む断面上で、曲線状に互いに接続されている。仮に、これら２つの部分が角部を成して接続されている場合、クリアランス内部に充填された流体が、該角部における圧力損失によって流れにくくなる可能性がある。しかしながら、これら２つの部分は曲線状に接続されていることにより、圧力損失が生じがたい。したがって、クリアランスに充填された流体はスムーズに流動することができる。

また、本発明の一の態様に係る軸受装置では、軸線を含む断面上で、クリアランスにおける第一の端部は前記軸線と平行な方向に向かって開口し、第一の端部と反対側の第二の端部は軸線と交差する方向に向かって開口するように構成されていてもよい。

このような構成によれば、クリアランスにおける第一の端部付近における部分でロータの径方向の振動を減衰させることができる。同時に、クリアランスにおける第二の端部付近における部分でロータの軸線方向の振動を減衰させることができる。

さらに、本発明の一の態様に係る軸受装置では、クリアランスは第一の端部から第二の端部に向かうに従って、軸線に漸次近接するように湾曲する曲線によって接続されていてもよい。

このような構成によれば、クリアランスの内部で、充填された流体に生じる圧力損失を低減することができる。

また、本発明の一の態様に係る軸受装置では、第一の端部と第二の端部とが軸線と交差する方向に向かって開口するように構成されていてもよい。

このような構成によれば、ステータとロータとの間に形成されるクリアランスは、２つの部分でロータの軸線と交差する方向に向かって開口する。すなわち、ダンパリングとステータとが径方向で対向する部分が２つ形成される。したがって、ロータの軸線方向の振動をより効果的に減衰させることができる。

さらに、本発明の一の態様に係る軸受装置では、クリアランスは、第一の端部から第二の端部に向かうに従って円弧状をなすように湾曲する曲線によって接続されていてもよい。

このような構成によれば、クリアランスの内部で、充填された流体に生じる圧力損失を低減することができる。

本発明の軸受装置及び回転機械によれば、径方向の振動、及び軸方向の振動に対する減衰効果の向上を図ることができる。

本発明の軸受装置が適用される回転機械の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置を示す図であって、軸線に平行な面での断面図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置の動作を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る軸受装置の動作を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る軸受装置を示す図であって、軸線に平行な面での断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係る軸受装置１について説明する。
軸受装置１は、例えば、図１に示す遠心ポンプ１００（回転機械）に用いられる。
具体的には、この遠心ポンプ１００は、例えば給水ポンプ等の多段ポンプである。
この遠心ポンプ１００は、軸線Ｏの方向に延びるケーシング２（ステータ）と、ケーシング２を貫通するように配された回転軸３（ロータ）と、回転軸３に固定されて複数段に設けられたインペラ４とを備えている。

ケーシング２とインペラ４との間は間隔が設けられ、回転軸３及びインペラ４は軸線Ｏを中心としてケーシング２に対して回転可能となっている。そしてケーシング２内に外部から取り込まれた流体が、回転軸３及びインペラ４の回転によって最前段のインペラ１０４から後段側のインペラ４に向かって圧送される。

ここで、遠心ポンプ１００は、回転軸３を回転可能に支持する上記の軸受装置１を備えている。この軸受装置１は、軸線Ｏの一方側の端部、即ち最前段のインペラ４が設けられた位置よりも流体の流れの上流側でケーシング２に取り付けられており、回転軸３をケーシング２に対して回転可能に支持している。同様に軸受装置１は、軸線Ｏの他方側の端部、即ち最後段のインペラ４が設けられた位置よりも流体の流れの下流側でもケーシング２に取り付けられて回転軸３を支持している。
なお、軸受装置１の設置位置及び設置数量は上述の場合に限定されない。また遠心ポンプ１００以外の回転機械、例えば圧縮機等にも軸受装置１を適用可能である。

次に、軸受装置１について、図２を参照して説明する。図２は、軸受装置１の軸線Ｏを含む断面を示した図である。
軸受装置１は、ロータ３の外周に取り付けられた軸受本体１０と、軸受本体１０とステータ２との間に配置されたダンパリング１１とを備えたラジアル軸受となっている。

軸受本体１０は、ロータ３に外嵌されて取り付けられる軸線Ｏを中心とした環状をなす内側リング１０ａ（第二リング）と、ダンパリング１１に固定されて該ダンパリング１１を介してステータ２に取り付けられる軸線Ｏを中心とした環状をなす外側リング（第一リング）と、これら内側リング、外側リングとの間に配置された転動体１０ｃとを有している。

転動体１０ｃは、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて複数設けられた円柱状や球状をなすコロであって、内側リング１０ａと外側リング１０ｂとを軸線Ｏ回りに相対回転可能としている。

ダンパリング１１は、外形視円筒状の部材であり、一方の端部から他方の端部に向かうに従って、外周面３０からダンパリング内周面４０までの径方向の寸法（厚さ寸法）が徐々に減少するように形成されている。一方で、軸線Ｏからダンパリング内周面４０までの寸法は、軸線Ｏ方向における延在長さ全体にわたって一様である。

また、ステータ２の径方向内側には凹部２０が設けられている。凹部２０は、ダンパリング１１の外周面３０の形状に概ね対応した凹状の形状を有している。

ダンパリング１１は、ステータ２に対して支持部材９０を介して固定されている。支持部材９０は、外形視筒状の部材であって、一方の端部には、径方向外側に向かって延在する平板状のフランジが設けられている。該フランジには不図示のボルト穴が設けられており、このボルト穴にはボルト９１が連通されて、ステータ２に対して支持部材９０を締結固定している。

ダンパリング１１は、径方向外側に位置する外周面３０が、クリアランスＧを介してステータ２の凹部２０に対して対向するように配置されている。クリアランスＧは、ダンパリング１１の外周面３０をステータ２の凹部２０から所定の距離だけ略径方向に離間して配置することによって両者の間に形成される間隙である。ここで、クリアランスＧの径方向における寸法は、軸線Ｏ方向における延在長さ全体にわたって一様である。

クリアランスＧにおける、図示左方の端部は、軸線Ｏ方向と平行な方向に向かって開口しており、第一の端部１２とされている。一方で、第一の端部とは反対側の端部は、軸線Ｏと交差する方向に向かって開口しており、第二の端部１３とされている。

クリアランスＧにおける、第一の端部１２側の部分、すなわちダンパリング１１とステータ２とが径方向に対向する部分は、第一クリアランスＧ１を形成する。さらに、第二の端部１３側の部分、すなわちダンパリング１１とステータ２とが軸線Ｏ方向に対向する部分は、第二クリアランスＧ２を形成する。さらに、クリアランスＧは、第一クリアランスＧ１と、第二クリアランスＧ２とが、互いに曲線状に接続されることで構成されるものである。また、クリアランスＧは、第一の端部１２、及び第二の端部１３を介して外側の空間である空間Ｖに連通している。空間Ｖはステータ２とロータ３との間に形成された空間である。前述の軸受本体１０、及び支持部材９０は、この空間Ｖの内部に配置されている。

なお、ダンパリング１１の径方向内側に位置する壁面には、軸受本体１０の外側リング１０ｂが、相対回転不能に固定されている。

さらに、軸受装置１にあっては、上述のクリアランスＧ、及び空間Ｖには、粘性を有する流体Ｗが充填されている。ここで、流体Ｗとしてはオイル等が用いられるほか、ロケットエンジン等、防火対策に対する考慮が特に要求される装置では、燃料である液体酸素や液体水素等を流体Ｗとして用いることが望ましい。

このような軸受装置１を備えた回転機械１００では、運転に際して、ロータ３に振動が生じる場合がある。ロータ３に生じる振動には、軸線Ｏの径方向における振動（径方向振動）と、軸線Ｏに平行な方向における振動（軸方向振動）の２つが含まれる。

径方向振動が生じた場合、軸受装置１では以下のようにして、該径方向振動が減衰される。すなわち、ロータ３に生じた径方向振動は、軸受本体１０を介してダンパリング１１に伝播する。ダンパリング１１はこの径方向振動によって、図３に示すように、ステータ２の凹部２０に近づく方向、すなわち軸線Ｏ方向と交差する方向に向かって微小距離だけ移動する。

このとき、ダンパリング１１を支持する支持部材９０は、ボルト９１によって支持されているため、ボルト９１の配置される箇所を支点として径方向外側に向かって湾曲する。これにより、ダンパリング１１とステータ２との間に設けられたクリアランスＧは、径方向振動によって径方向の寸法が減ずるように変形する。より詳細には、ダンパリング１１とステータ２とが軸線Ｏの径方向に対向する部分である第一クリアランスＧ１が主として変形する。ここで、上述のように第一クリアランスＧ１には流体Ｗが充填されているため、径方向振動によって第一クリアランスＧ１の径方向における寸法が減ずる場合、流体Ｗの粘性に基づくスクイーズ効果によって該径方向振動は減衰されることとなる。

次に、軸方向振動が生じた場合の軸受装置１の動作について説明する。ロータ３に軸方向振動が生じた場合、図４に示すように、ダンパリング１１は、軸線Ｏ方向に概ね平行な方向に向かって微小距離だけ移動する。これにより、ダンパリング１１とステータ２との間に設けられたクリアランスＧは、軸方向振動によって変形する。より詳細には、ダンパリング１１とステータ２とが軸線Ｏ方向に対向する部分である第二クリアランスＧ２が主として変形する。このとき、第二クリアランスＧ２は、軸線Ｏ方向における寸法が減ずるように変形する。第一クリアランスＧ１と同様に、第二クリアランスＧ２には流体Ｗが充填されているため、軸方向振動によって第二クリアランスＧ２の軸線Ｏ方向における寸法が減ずることにより、流体Ｗのスクイーズ効果によって該軸方向振動は減衰される。

回転機械１００の運転時に生じる実際の振動は、上述の径方向振動と軸方向振動の双方を同時に含む三次元的な振動である。しかしながら、上述のように、径方向振動、軸方向振動のそれぞれが第一クリアランスＧ１、第二クリアランスＧ２とに充填された流体Ｗによってそれぞれ減衰される。したがって、軸受装置１はロータ３に生じる振動に対する十分な減衰効果を発揮することができる。

また、軸受装置１では、第一クリアランスＧ１と第二クリアランスＧ２とが互いに曲線状に接続されている。言い換えると、第一クリアランスＧ１と第二クリアランスＧ２との間には角部が形成されていない。

ここで一般に、角部を設けた場合のように、流体の流路が急激に曲折する場合、流体に圧力損失が生じるため、該流体はスムーズに流路内を流動しない。これにより、例えば振動に対する応答性が限定的となる可能性がある。

しかしながら、本実施形態に係る軸受装置１では、角部が形成されていないため、クリアランスＧに充填された流体Ｗには圧力損失が生じない。
したがって、軸受装置１はロータ３に振動が生じた場合であっても、圧力損失を生じることなく、スムーズに流体Ｗが流動することで、振動に対する高い応答性を維持するとともに、十分に振動を減衰することができる。

加えて、上述のような構成によれば、容易に軸受装置１を組み立てることができる。ここで、一般に軸受装置１は、ロータ３の軸線Ｏ方向に沿って、該軸線Ｏ上に複数の部品を順次積み重ねて配置する工程を経て完成される。上述のような構造であれば、ステータ２における第一の端部１２側は、軸線方向の一方側に向けて開口されるとともに、何らの突起物、遮蔽物も設けられず平滑に構成されているため、一般的な組立工程を採用することができ、容易に軸受装置１を製造することができる。

なお、本実施形態では、ダンパリング１１をステータ２に対して固定支持するための手段として、支持部材９０、及びボルト９１を用いた例を説明した。しかしながら、当該手段は、これらに限定されず、設計に応じて適宜変更が可能である。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態に係る軸受装置１０１について、図５を参照して説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態の軸受装置１０１では、ダンパリング１１１、ステータ１０２、ダンパリング１１１とステータ１０２との間に形成されるクリアランスＧの形状が第一実施形態とはそれぞれ異なっている。

本実施形態におけるダンパリング１１１は、外形視で円環状に形成されている。より詳細には、軸線Ｏ方向に沿って一様な内径寸法を有するダンパリング内周面１４０と、ダンパリング内周面１４０よりも径方向外側に位置する外周面１３０とによって形成されている。外周面１３０は、軸線Ｏ方向の一方からダンパリング１１１の軸線Ｏ方向における中間位置にかけて徐々に径方向の寸法が増大し、該中間位置から他方に向かうにしたがって、徐々に径方向の寸法が減少するように形成されている。言い換えると、ダンパリング１１１の外周面１３０は径方向外側に向かって断面円弧状に突出するように形成されている。

また、本実施形態におけるステータ１０２には、上述のダンパリング１１１の形状に対応する凹部１２０が設けられている。

上述のように構成されたステータ１０２の凹部１２０と、ダンパリング１１１の外周面１３０とは、クリアランスＧを介して互いに対向するように配置されている。クリアランスＧにおける、図示左方の端部は、軸線Ｏ方向と交差する方向に向かって開口しており、第一の端部１１２とされている。同様にして、第一の端部とは反対側の端部も、軸線Ｏと交差する方向に向かって開口しており、第二の端部１１３とされている。

クリアランスＧにおける、第一の端部１１２側の部分、すなわちダンパリング１１１とステータ１０２とが軸線Ｏ方向に対向する部分は、第一クリアランスＧ１を形成する。さらに、第二の端部１３側の部分、すなわちダンパリング１１とステータ２とが径方向に対向する部分は、第二クリアランスＧ２を形成する。すなわち、本実施形態に係る軸受装置１０１では、クリアランスＧは、２つの第一クリアランスＧ１，Ｇ１と、１つの第二クリアランスＧ２とが、互いに曲線状に接続されることで構成されるものである。

なお、ダンパリング１１の径方向内側に位置する壁面には、軸受本体１０の外側リング１０ｂが、相対回転不能に固定されている。

さらに、軸受装置１０１にあっては、上述のクリアランスＧ、及び空間Ｖには、粘性を有する流体Ｗが充填されている。

上述のような構成によれば、ロータ１０３に軸方向振動が生じた場合、２つの第一クリアランスＧ１，Ｇ１が設けられていることにより、より効果的に該軸方向振動を減衰することができる。しかしながら、上述のように、組立の容易性を考慮した場合、本実施形態に比較して第一実施形態の方が有利である。

１、１０１ 軸受装置
２、１０２ ステータ
３、１０３ ロータ
４ インペラ
１０ 軸受本体
１０ａ 内側リング（第一リング）
１０ｂ 外側リング（第二リング）
１０ｃ 転動体
１１、１１１ ダンパリング
１２、１１２ 第一の端部
１３、１１３ 第二の端部
２０、１２０ 凹部
３０、１３０ 外周面
４０、１４０ ダンパリング内周面
９０ 支持部材
９１ ボルト
１００ 回転機械
Ｇ クリアランス
Ｇ１ 第一クリアランス
Ｇ２ 第二クリアランス
Ｏ 軸線
Ｖ 空間
Ｗ 流体

Claims (6)

1. 軸線の方向に延びるステータと間隔をあけて配置されて、該ステータに対して前記軸線回りに回転可能にロータを支持する軸受装置であって、
   前記ロータと前記ステータとの間に設けられて、前記ステータとの間に流体が充填されたクリアランスを介して配置されるダンパリングと、
   該ダンパリングと前記ロータとの間に設けられて、前記ダンパリングに対して前記ロータを軸線回りに回転可能に支持する軸受本体と、
   を備え、
   前記クリアランスは、前記ダンパリングと前記ステータとが径方向に対向する部分、及び前記ダンパリングと前記ステータとが前記軸線方向に対向する部分を含み、これら部分が前記軸線を含む断面で曲線状に接続されている
   ことを特徴とする軸受装置。
2. 前記軸線を含む断面上で、前記クリアランスにおける第一の端部は前記軸線と平行な方向に向かって開口し、前記第一の端部と反対側の第二の端部は前記軸線と交差する方向に向かって開口する
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記クリアランスは、前記第一の端部から前記第二の端部に向かうに従って、前記軸線に漸次近接するように湾曲する曲線によって接続されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記軸線を含む断面上で、前記クリアランスにおける第一の端部と、前記第一の端部と反対側の第二の端部とが前記軸線と交差する方向に向かって開口する
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
5. 前記クリアランスは、前記第一の端部から前記第二の端部に向かうに従って円弧状をなすように湾曲する曲線によって接続されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の軸受装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の軸受装置と、
   軸線の方向に延びるとともに、前記軸受装置が取り付けられたステータと、
   前記ステータと間隔をあけて配置されて、該ステータに対して前記軸線回りに回転可能に前記軸受装置によって支持されるロータと、
   を備えることを特徴とする回転機械。

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