JP2019157869A - 軸受の振動減衰装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置における球状粒子を充填した収容空間から外部への摩耗粉の流出を防止する。【解決手段】 機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能な内筒４と、この内筒４の外周面と機器ハウジング３の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子６を充填する収容空間７からの摩耗粉の流出を防止するために、球状粒子６を充填する収容空間７の軸方向の両側に、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂを設けたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸を支持する軸受の振動を抑制する軸受の振動減衰装置に関するものである。

ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸では、危険速度での強制振動や自励振動など、軸振動が問題になることが多い。

ジェットエンジンなどでは、回転軸の振動減衰装置として、スクイーズフィルムダンパという、潤滑油の粘性を用いて振動減衰効果を得るものが採用されている。

しかしながら、オイルレス機器や、極低温下で運転されるロケットエンジンターボポンプなどでは、潤滑油を用いることができない。

このため、従来、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸の振動減衰装置として、回転軸と、機器ハウジングとの間に、リング状のワイヤーメッシュを配置し、回転軸の振動によって生じた力により、リング状のワイヤーメッシュを変形させて、ワイヤー間で生じる摩擦により、振動エネルギーを散逸させて、回転軸の振動を減衰させるワイヤーメッシュダンパと呼ばれている振動減衰装置が、特許文献１に紹介されている。

この特許文献1に紹介されているワイヤーメッシュダンパは、回転軸に減衰力を直接作用させることはできるものの、ワイヤーメッシュをリング状に圧縮させて減衰作用を得るため、装置ごとにワイヤーメッシュの配置や形状が異なり易く、減衰性能にばらつきが生じるという問題がある。
ところで、非特許文献１には、ワイヤーメッシュダンパと同様、極低温下で作動する機器やオイルフリー機器を対象とした振動減衰装置として、球状粒子をダンパ要素にすることが紹介されている。

この非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置は、概ね、図５に示す次のような構造である。

図５に示す球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２を支持する軸受２３の外面に、間隔をあけて配置される回転機械の機器ハウジング２４と、この機器ハウジング２４の内周面と軸受２３の外面との間に配置された、機器ハウジング２４に対して半径方向に変位可能な内筒２５と、この内筒２５の外周面と機器ハウジング２４の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子２０を充填した収容空間２６と、この収容空間２６の軸方向の端部に配置された、収容空間２６内に充填された球状粒子２０に対して軸方向の予圧を与える予圧リング２７とを備えている。

この球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２にラジアル方向の軸振動が発生すると、軸受２３を介して内筒２５に半径方向の変位が生じ、その変位によって収容空間２６内の球状粒子２０が流動し、この流動により、球状粒子２０どうし、球状粒子２０と内筒２５との間、球状粒子２０と機器ハウジング２４との間で摩擦が発生し、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、ダンパとしての役割を果たす。

球状粒子２０をダンパ要素にした場合、その特性に影響を及ぼすと考えられるパラメータは、球状粒子２０の粒子直径、内筒２５の外径、機器ハウジング２４の内径、収容空間２６の長さ、予圧リング２７による予荷重、球状粒子２０の粒子材料、球状粒子２０どうし、および機器との摩擦係数（表面材質で管理）であり、これらは工業的に特性管理が可能であり、ワイヤーメッシュダンパに比べて品質安定性の向上が期待できる。

特開平３−４１２１１号公報

２０１５年１０月０７日開催の日本航空宇宙学会における宇宙科学技術連合講演会講演集の「ターボポンプ用粒子ダンパの開発」と題する論文

ところで、非特許文献１で紹介されている球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１の実用化を考えた場合、球状粒子２０どうしの衝突、球状粒子２０と内筒２５との間の衝突、あるいは球状粒子２０と機器ハウジング２４との間での衝突によって生じる摩耗粉による周辺機器への汚染対策が必要となる。

また、球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１を極低温環境下で使用する場合には、球状粒子２０を充填した収容空間２６内に存在する水分の凍結による摩擦面の固着を防止しなければ、十分なダンパ機能を維持できない。

そこで、この発明は、球状粒子を充填した収容空間から外部への摩耗粉の流出を防止し、また、収容空間内での水分の凍結を防止することにより、極低温環境下でも使用することができる球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置を得ることを課題とするものである。

前記の課題を解決するために、この発明は、回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予圧を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、前記球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、機器ハウジングの内周面と内筒の外周面との間に設けられた隙間から前記球状粒子の摩耗粉の流出を防止する耐粉塵シールを設けたことを特徴とする。

また、前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設けておくことが好ましい。
前記空気抜き用流路により、前記収容空間内部の空気を外部環境に放出し、外部環境から前記収容空間内部に極低温気体または極低温液体と流入させる。これにより、空気と極低温気体または極低温液体と置換することがすることができ、前記収容空間の内部に存在する空気に含まれる水分の凝固により、粒子間の動きが抑制されることを防止し、極低温環境でも粒子の動きを発生させ、減衰特性を得ることができる。

この空気抜き用流路に耐粉塵フィルタを設置しておくことが好ましい。
前記耐粉塵フィルタを形成する材質としては、メタ型全芳香族ポリアミドまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる不織布とすることが好ましい、前記不織布により前記球状粒子の摩耗粉の流出防止ができ、かつ、前記耐粉塵フィルタが前記空気抜き用流路に設置された状態のまま、前記収容空間内部の空気を外部環境に放出し、外部環境から前記収容空間内部に極低温気体または極低温液体と流入させることができる。

前記耐粉塵フィルタを形成する材質としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレスなどを用いた多孔質焼結金属とすることができる。オーステナイト系ステンレスにより異物の形状に合わせて、メッシュの形状および寸法を選択することができる。

前記球状粒子は、ＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ３Ｎ４からなるものを使用することができ、すべて同一サイズであるもの、または、異なるサイズのものを組み合わせて使用してもよい。

以上のように、この発明に係る軸受の振動減衰装置では、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間を形成する内筒の外周面と、機器ハウジングの内周面との間には、内筒の半径方向の変位を可能にする隙間を設けなければならないので、球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、耐粉塵シールを設置することにより、収容空間に充填した球状粒子の摩擦によって発生する摩耗粉の外部環境への漏れだしを防止することができる。

前記収容空間の軸方向の両端を、前記のように、耐粉塵シールによって密封すると、前記収容空間内に充填された球状粒子間の空気抜きができないため、前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設置することにより、極低温で使用される機器の場合、極低温環境にする前に、空気抜き用流路を使用して、収容空間内の空気を、水素ガスや酸素ガスに置換することができるので、球状粒子を充填した収容空間内の空気に含まれる水分の凍結を防止できる。

この発明に係る球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の実施形態を示す概略断面図である。 図１の球状粒子を充填した収容空間部分の拡大図である。 図１の振動減衰装置の機器ハウジングと内筒との関係を示す斜視図である。 図１の振動減衰装置の空気抜き用流路に耐粉塵フィルタを設置した実施形態を示す概略断面図である。 非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の概略図である。

以下、この発明に係る球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置１の第１の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

この実施形態の回転機械における回転軸２は、円筒形の機器ハウジング３の内周面に、内筒４と軸受５を介して回転可能に支持されている。この実施形態においては、軸受５として、内輪５ａと、外輪５ｂと、内輪５ａと外輪５ｂの間に収容される転動体５ｃとからなる転がり軸受を使用している。

前記機器ハウジング３の内周面と内筒４の外周面との間には、ダンパ要素である球状粒子６を収容する収容空間７が設けられている。

前記機器ハウジング３および内筒４を形成する材質としては、ニッケル合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＬＮなどを使用することができる。

内筒４の軸方向の一端には、内筒４を機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能に支持し、内筒４を機器ハウジング３の軸に一致させるように弾性支持する内筒支持用ばね８が周方向に等間隔で設けられている。

内筒支持用ばね８は、図１および図３に示すように、機器ハウジング３の軸方向の外方に延びる突出片８ａと、この突出片８ａの外方端から半径方向の外径側に屈曲する屈曲片８ｂと、この屈曲片８ｂの外径端から軸方向に折り返された折返し片８ｃとからなるコ字形をしており、折返し片８ｃの端部が機器ハウジング３の外径部に係合している。

機器ハウジング３の内周面の一端には、収容空間７の一方の端面を形成する内向きフランジ３ａが形成され、この内向きフランジ３ａの内周面と、内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ａを設けており、この隙間ａはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。

前記内筒支持用ばね８が係合する機器ハウジング３の外周面と反対側の外周面には、半径方向の外径に向かって突出する固定フランジ３ｂが形成され、この固定フランジ３ｂに、前記収容空間７の他方の端面を形成するリング板９がボルト１０によって固定されている。

前記収容空間７の軸方向の両端には、軸方向に移動しない一対の固定リング１１ａ、１１ｂが配置されている。この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの内周面と内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｂを設けており、この隙間ｂはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。

この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの一方の固定リング１１ｂの前記収容空間７側には、予圧用ばね１３ａを介して予圧リング１３ｂが軸方向に移動可能に設けられている。この予圧リング１３ｂの内周面と内筒４の外周面との間にも、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｃを設けており、この隙間ｃはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。

前記収容空間７には、球状粒子６が充填されている。球状粒子６としては、例えば、粒子直径が１ｍｍ程度の鋼球（ＳＵＳ４４０Ｃ）やセラミック球（Ｓｉ３Ｎ４）などを使用することができる。前記球状粒子６は、すべて同一サイズでもよいし、異なるサイズの組み合わせでもよい。

前記収容空間７に設けられた固定リング１１ａ、１１ｂの軸方向の外方には、収容空間７に充填した球状粒子６の摩擦によって発生する摩耗粉が外部に漏れださないように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂを設置している。

この耐粉塵シール１２ａ、１２ｂは、内筒４の半径方向の変位を阻害しないように、低剛性で、かつ、内筒４の半径方向の変位が生じてもすきまが生じない初期しめしろを有している。

ところで、ロケットエンジンターボポンプは、燃焼器に推進剤を圧送する回転機械であり、推進剤として主に液体酸素および液体水素を使用するため、回転軸２の軸受５の近傍は極低温環境になる。このような、極低温で使用される機器の場合、極低温環境にする前に、球状粒子６を充填した収容空間７内の空気に含まれる水分が凍らないように、収容空間７内の空気を、推進剤のガス（例えば、水素ガス、酸素ガス）で置換しておくことが望ましい。

ところが、前記収容空間７を、前記のように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂによって密封すると、前記収容空間７内に充填された球状粒子６間の空気抜きができないため、前記収容空間７内を推進剤のガスで置換することができない。

このため、図１に示す実施形態では、前記収容空間７の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路１４を機器ハウジング３とリング板９との間に設置している。

また、図４に示す第２の実施形態では、前記空気抜き用流路１４の出口に耐粉塵フィルタ１５を設置している。

次に、球状粒子６をダンパ要素にした振動減衰装置の作用について説明する。

図１の矢印Ｘ１に示すように、振動によって軸変位が生じた場合、加振力は軸受５を通じて、内筒４を矢印Ｘ２に示すように、半径方向に変動させる。この内筒４の変動により、内筒４と機器ハウジング３との間の収容空間７に充填された球状粒子６が流動し、球状粒子６どうし、球状粒子６と内筒４間、球状粒子６と機器ハウジング３との間でそれぞれ摩擦が生じ、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、振動が減衰される。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１ ：振動減衰装置
２ ：回転軸
３ ：機器ハウジング
４ ：内筒
５ ：軸受
６ ：球状粒子
７ ：収容空間
８ ：内筒支持用ばね
９ ：リング板
１０ ：ボルト
１１ａ、１１ｂ ：固定リング
１２ａ、１２ｂ ：耐粉塵シール
１３ａ ：予圧用ばね
１３ｂ ：予圧リング
１４ ：空気抜き用流路
１５ ：耐粉塵フィルタ

Claims (6)

1. 回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予圧を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、前記球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、機器ハウジングの内周面と内筒の外周面との間に設けられた隙間から前記球状粒子の摩耗粉の流出を防止する耐粉塵シールを設けたことを特徴とする軸受の振動減衰装置。
2. 前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設けたことを特徴とする請求項１記載の軸受の振動減衰装置。
3. 前記空気抜き用流路に耐粉塵フィルタを設置したことを特徴とする請求項２記載の軸受の振動減衰装置。
4. 前記球状粒子がＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ３Ｎ４からなる請求項１〜３のいずれかに記載の軸受の振動減衰装置。
5. 前記球状粒子がすべて同一サイズである請求項４に記載の軸受の振動減衰装置。
6. 前記球状粒子が異なるサイズの組み合わせからなる請求項５に記載の軸受の振動減衰装置。