JP2022157529A - 流体膜軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体を適切に支持することができる流体膜軸受を提供する。【解決手段】軸線を中心として回転する回転体の周方向に複数が配置されて、流体膜を介して回転体を支持する軸受パッドを備え、を備え、軸受パッドは、金属から構成されたベース層と、該ベース層における回転体側に積層されて、弾性変形可能な弾性材料から構成された弾性層と、該弾性層における回転体側に積層されて、回転体に対向するとともに、軸受材料から構成された摺動層と、弾性層と摺動層との間に積層されて、弾性層及び摺動層よりも剛性の高い金属板と、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、流体膜軸受に関する。

例えば特許文献１には、水没状態で使用される軸受として、周囲の水を回転体の回転により引き込んで、潤滑剤として使用するスラスト軸受が開示されている。このスラスト軸受は、回転体の周方向に複数が配置されるとともに該回転体に対して該回転体の軸線方向から対向する軸受パッドを有している。

スラストパッドは、金属からなるベース層、該ベース層に積層されてゴム等の弾性材料からなる弾性層、及び、該弾性層に積層されて樹脂等の軸受材料からなる摺動層の三層構造とされている。
回転体の回転時には、回転体と摺動層との間に潤滑膜としての水膜を形成することで、スラストパッドが回転体を非接触で支持する。

特開２０１７－１７２７３２号公報

ところで、上記特許文献１に記載の軸受パッドでは、回転体から受ける面圧が回転方向の中央部で特に大きくなる。このような面圧が過剰になると、ゴムからなる比較的柔らかい弾性層が大きく凹むことにともなって、軸受パッド全体として大きな凹みが発生する。

その結果、軸受パッドと回転体との間に適切に水膜を形成することが困難となり、負荷容量が低下するという問題があった。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、回転体を適切に支持することができる流体膜軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る流体膜軸受は、軸線を中心として回転する回転体の周方向に複数が配置されて、流体膜を介して前記回転体を支持する軸受パッドを備え、前記軸受パッドは、金属から構成されたベース層と、該ベース層における前記回転体側に積層されて、弾性変形可能な弾性材料から構成された弾性層と、該弾性層における前記回転体側に積層されて、前記回転体に対向するとともに、軸受材料から構成された摺動層と、前記弾性層と前記摺動層との間に積層されて、前記弾性層及び前記摺動層よりも剛性の高い金属板と、を有する。

本開示によれば、回転体を適切に支持することができる流体膜軸受を提供することができる。

本開示の実施形態に係る回転機械の概略構成図である。 本開示の実施形態に係るスラスト軸受を軸線方向から見た図である。 本開示の実施形態に係るスラスト軸受の軸受パッドの斜視図である。 本開示の実施形態に係るスラスト軸受の軸受パッドの変形態様を示す側面図であって、（ａ）は変形前、（ｂ）は変形後の態様を示す図である。 比較例に係るスラスト軸受の軸受パッドの変形態様を示す図であって、（ａ）は変形前、（ｂ）は変形後の態様を示す図である。 本開示の実施形態の変形例に係るスラスト軸受の軸受パッドの側面図である。

＜第一実施形態＞
以下、本開示の第一実施形態に係る回転機械について、図１～図４を参照して詳細に説明する。図１に示す回転機械1は水没状態で用いられものであって、例えば、船舶や水中航走体の推進装置、水中ポンプ、水中発電機、水中モータ等の各種機器である。回転機械1は、回転体１０、静止体１００及び流体膜軸受としてのスラスト軸受２００を有している。

＜回転体＞
回転体１０は、回転軸２０及びスラストカラー３０を有している。
回転軸２０は、直線状に延びる軸線Ｏに沿って延びている。該回転軸２０は、図示しないラジアル軸受によって径方向外側から支持されている。これにより回転軸２０は、軸線Ｏ回りに回転可能とされている。回転軸２０には、プロペラ、翼、スクリュー等の回転機械1としての機能上必要な構成が一体に設けられている。

スラストカラー３０は、回転軸２０の外周面の周方向全域から径方向外側に張り出す円盤状をなしている。スラストカラー３０は、回転軸２０に一体に設けられている。回転軸２０の軸線Ｏ回りの回転に伴ってスラストカラー３０も軸線Ｏ回りに回転する。

静止体１００は、回転体１０の外周側で該回転体１０を径方向外側から囲うように設けられている。静止体１００は、例えば、回転体１０を囲うケーシング、ハウジング、船体、機体等の種々の構造物の一部分である。上記回転体１０は静止体１００に対して軸線Ｏ回りに相対回転する。本実施形態では、静止体１００は、スラストカラー３０を軸線Ｏ方向両側から挟み込むように一対が設けられている。

＜スラスト軸受＞
スラスト軸受２００は、スラストカラー３０と静止体１００との間に配置されている。スラスト軸受２００は、静止体１００に固定されている。本実施形態のスラスト軸受２００は、スラストカラー３０を軸線Ｏ方向両側から挟み込むように一対が設けられている。図１及び図２に示すように、スラスト軸受２００は、ディスク２０５、及び、軸受パッドとしてのスラストパッド２１０を有している。

＜ディスク＞
ディスク２０５は、軸線Ｏを中心とする円環状をなすとともに軸線Ｏ方向に一定の厚さを有する板状をなす部材である。ディスク２０５の径方向の寸法は、周方向にわたって一定とされている。ディスク２０５は、回転軸２０を囲うように該回転軸２０と同軸に設けられている。ディスク２０５におけるスラストカラー３０の反対側の面は、周方向全域にわたって静止体１００に対して固定されている。
ディスク２０５におけるスラストカラー３０側を向く面は、軸線Ｏに直交する平面とされている。

＜スラストパッド＞
スラストパッド２１０は、ディスク２０５におけるスラストカラー３０側の面である表面に設けられている。図２に示すように、スラストパッド２１０は、ディスク２０５の表面に周方向に複数が設けられている。スラストパッド２１０は、ディスク２０５の表面に周方向に敷き詰められるように設けられており、複数のスラストパッド２１０全体で軸線Ｏを取り囲む環状をなしている。

図３に示すように各スラストパッド２１０は、ディスク２０５側（静止体１００側：図３の下側）からスラストカラー３０側（回転体１０側：図３の上側）に向かって、ベース層２２０、弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０が順次積層された四層構造をなしている。これらベース層２２０、弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０は、それぞれ、回転体１０とスラストパッド２１０の対向方向（軸線Ｏ方向）、即ち、スラストパッド２１０の各層の積層方向を厚さ方向とする板状をなしている。以下では、これら各層における静止体１００側の面を裏面、回転体１０側の面を表面と称する。

＜ベース層＞
ベース層２２０は、金属から構成されている。ベース層２２０は、例えばステンレス鋼によって構成されている。ベース層２２０は、スラストパッド２１０の強度を確保する強度メンバーである。
ベース層２２０は、裏面がディスク２０５に当接するように配置されている。ベース層２２０は各層の積層方向（軸線Ｏ方向）から見て、円環を周方向に複数（本実施形態では８つ）に分割した円弧状形をなしている。互いに隣り合うスラストパッド２１０同士では、ベース層２２０の周方向の端部が互いに接している。ベース層２２０は、例えばボルト等を介してディスク２０５に一体に固定されている。
ベース層２２０の表面及び裏面は、軸線Ｏに直交する平面とされている。

＜弾性層＞
弾性層２３０はベース層２２０の表面に積層されている。弾性層２３０は、弾性変形可能な材料、即ち、弾性限界の高い材料から構成されている。弾性層２３０は、例えば。ポリブタジエン系、ニトリル系、クロロプレン系等の各種の合成ゴムによって構成されている。
弾性層２３０の表面及び裏面は、スラストパッド２１０に外力が付与されていない状態では、軸線Ｏに直交する平面とされている。

＜金属板＞
金属板２４０は、弾性層２３０の表面に積層されている。金属板２４０は弾性層２３０の表面全域を覆うように設けられている。金属板２４０は、ベース層２２０同様、金属によって構成されている。金属板２４０は、例えばステンレス鋼等の鋼材、その他チタン等の耐食性及び剛性の高い金属から構成されている。
金属板２４０の表面及び裏面は、軸線Ｏに直交する平面とされている。

＜摺動層＞
摺動層２５０は、金属板２４０の表面に積層されている。摺動層２５０は金属板２４０の表面全域を覆うように設けられている。摺動層２５０の表面は、スラストカラー３０に水を介して対向するパッド面２６０とされている。即ち、スラストパッド２１０における回転体１０に対向する面がパッド面２６０である。

摺動層２５０は、スラストパッド２１０を構成する他の層よりも摩擦係数の小さい軸受材料によって構成されている。軸受材料としては、樹脂系軸受材、金属系軸受材のいずれであってもよい。

樹脂系軸受材としては、例えば潤滑特性の高いＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いることができる。その他、樹脂系軸受材としては、例えばポリアセタール、ナイロン、ポリエチレン、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド等の各種樹脂を用いてもよい。

金属系軸受材としては、上記金属板２４０に比べて剛性は小さいが摩擦係数の低い各種の軸受合金を用いることができる。例えば、金属系軸受材として、スズ・鉛系の合金であるホワイトメタル、その他、アルミ合金や銅合金等、各種の軸受合金を用いることができる。

＜スラストパッドの全体形状＞
弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０は、これらの積層方向から見て同形状をなしている。弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０は、積層方向視で円環を複数に分割したような円弧形状をなしている。弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０の周方向の寸法は、ベース層２２０の周方向の寸法よりも小さい。したがって、ベース層２２０の表面における弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０の周方向両側の部分は、これら弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０に覆われることなく露出している。

＜パッド面の形状＞
ここで図４（ａ）に示すように、摺動層２５０の表面、即ち、パッド面２６０は、その全域にわたって、スラストカラー３０の回転方向Ｒ前方側に向かうにしたがって、該スラストカラー３０に近づくように延びている。即ち、パッド面２６０のディスク２０５からの高さは、周方向における回転方向Ｒ前方側に向かうにしたがって高くなる。言い換えれば、パッド面２６０は、回転方向Ｒ前方側に向かっての上り勾配を有している。

これにより、パッド面２６０における回転方向Ｒ後方側の縁部は、スラストカラー３０から軸線Ｏ方向に最も離れている。また、パッド面２６０における回転方向Ｒ前方側の縁部は、スラストカラー３０から軸線Ｏ方向に最も近づいている。
さらに、摺動層２５０の裏面は、軸線Ｏに直交する平面とされている。そのため、摺動層２５０の積層方向の厚さは、回転方向Ｒ前方側に向かうにしたがって徐々に厚くなる。
また、パッド面２６０とスラストカラー３０との間には、回転方向Ｒ前方側に向かうにしたがって間隔が次第に小さくなるくさび型のクリアランスが形成されている。

＜作用効果＞
回転体１０が回転すると、スラストカラー３０によって水が連れまわされることで、スラストカラー３０とパッド面２６０との間のクリアランスに水が引き込まれる。特に本実施形態では、図４（ａ）に示すように、パッド面２６０に回転方向Ｒ前方側に向かっての上り勾配が形成されており、クリアランスにおける水の入口側が開いた形状とされている。そのため、スラストカラー３０によって連れ回される水を当該クリアランスに容易に引き込むことができる。

そして、このようにクリアランス内に引き込まれた水によって、該クリアランス内に潤滑膜としての水膜が形成される。この水膜を介してスラストパッド２１０に荷重が伝達されると、パッド面２６０の全域に当該荷重が面圧として作用する。これにより、図４（ｂ）に示すように、スラストパッド２１０の弾性層２３０が、特にクリアランスの小さい回転方向Ｒ前方側の部分で大きく変形する。その結果、パッド面２６０の勾配は当初よりも小さい微小勾配となる。

このような微小勾配が形成されると、クリアランス内に適切なくさび形状の水膜が形成される。これによって、パッド面２６０の一部のみに局所的な荷重が付与されることがなくなり、パッド面２６０全体に面圧が付与される。これにより、スラストパッド２１０の負荷能力を向上させることができる。

ここでスラストカラー３０から水膜を介してスラストパッド２１０に伝達される面圧は、パッド面２６０における回転方向Ｒ中央の部分で特に大きくなる。
例えば図５（ａ）に示すように、金属板２４０がなくベース層２２０、弾性層２３０及び摺動層２５０のみを備えた三層スラストパッド３００の場合、面圧により弾性層２３０が大きく潰れるように変形する。その結果、図５（ｂ）に示すように、スラストパッド２１０全体として特に回転方向Ｒ前方側の部分が反るように凹んでしまう。そのため、クリアランスの適切なくさび型形状を維持できず、パッド面２６０に対して局所的な荷重が付与されることとなる。この場合、回転方向Ｒ後方側の端部で境界潤滑となるため、スラストパッド２１０全体としての負荷能力が低下する。

これに対して本実施形態によれば、パッド面２６０に水膜を介して面圧が作用した場合であっても、摺動層２５０と弾性層２３０との間に剛性の高い金属板２４０が配置されていることで、弾性層２３０が凹むように変形することを抑制することができる。
即ち、摺動層２５０の中央部に大きな面圧が付与されたとしても、その裏面側の剛性の高い金属板２４０により当該面圧は分散されて弾性層２３０に付与される。そのため、弾性層２３０が大きく凹んでしまうことを回避できる。そのため、クリアランスのくさび型形状を保つことができ、負荷能力を高く維持することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば変形例として、例えば図６に示すように、摺動層２５０と金属板２４０との間に、金属板２４０よりも熱伝導率の高い金属材料から構成された冷却板を設けた構成であってもよい。当該金属材料としては、銅やアルミニウム、または、これらを含む合金を用いることができる。
当該構成によって、スラストパッド２１０の上記機能を維持したまま、スラストパッド２１０の熱を効率よく除去することができる。

また、例えば、スラストパッド２１０のパッド面２６０に、冷却用の溝が形成されていてもよい。また、スラストパッド２１０の内部に、外面に開口する孔部が形成されていてもよい。これら溝や孔部内を水が流通することによって、スラストパッド２１０をより効率的に冷却することができる。

さらに、実施形態では、回転機械1を水没状態で用いるものとし、クリアランス内に水による水膜を形成する例について説明した。しかしながらこれに限定されることはなく、回転機械1を油等の他の液体中に没した状態で用いて、クリアランス内に油等の液膜を形成する構成であってもよい。また、回転機械1を気中で用いるものとして、クリアランスに空気等の気体による気膜を形成するものであってもよい。即ち、クリアランスに流体膜を形成できる環境であれば、いかなる環境で用いられる回転機械1であってもよい。

また、実施形態では流体膜軸受をスラスト軸受２００に適用した例について説明したが、これに限定されることはなく、流体膜軸受をラジアル軸受に適用してもよい。この場合、回転軸２０を囲うリングの内周面に軸受パッドとしてのラジアルパッドを周方向に複数配置した構成となる。そして、当該ラジアルパッドは、径方向外側から内側に向かって、実施形態のベース層２２０、弾性層２３０、金属板２４０及び摺動層２５０が順次積層された構成となる。摺動層２５０の径方向内側の面は、回転軸２０に対向するパッド面２６０とされる。パッド面２６０は、回転方向Ｒ前方側に向かうにしたがって回転軸２０に近づく勾配を有していてもよい。これによって、実施形態のスラスト軸受２００と同様の作用効果を奏する。

＜付記＞
各実施形態に記載の流体膜軸受は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る流体膜軸受は、軸線Ｏを中心として回転する回転体１０の周方向に複数が配置されて、流体膜を介して前記回転体１０を支持する軸受パッド２１０を備え、前記軸受パッド２１０は、金属から構成されたベース層２２０と、該ベース層２２０における前記回転体１０側に積層されて、弾性変形可能な弾性材料から構成された弾性層２３０と、該弾性層２３０における前記回転体１０側に積層されて、前記回転体１０に対向するとともに、軸受材料から構成された摺動層２５０と、前記弾性層２３０と前記摺動層２５０との間に積層されて、前記弾性層２３０及び前記摺動層２５０よりも剛性の高い金属板２４０と、を有する。

このような構成の流体膜軸受は、パッド面２６０に流体膜を介して面圧が作用した場合であっても、摺動層２５０と弾性層２３０との間に剛性の高い金属板２４０が配置されていることで、弾性層２３０が凹むように変形することを抑制することができる。そのため、軸受パッド２１０全体として大きく凹んでしまうことはなく。負荷容量の低下を避けることができる。

（２）第２の態様に係る流体膜軸受は、前記摺動層２５０における前記回転体１０に対向するパッド面２６０は、前記回転体１０の回転方向Ｒ前方側に向かうにしたがって前記回転体１０に近づくように延びている（１）に記載の流体膜軸受である。

回転体１０の回転に伴って流体が連れ回されることで、該回転体１０とパッド面２６０とのクリアランスに流体が引き込まれる。ここで、本態様ではパッド面２６０に勾配が形成されており、クリアランスの流体の入口側が開いた形状となっている。そのため、当該クリアランスに容易に流体を引き込むことができる。
そして、このように引き込まれた流体からの面圧に応じて弾性層２３０が変形すると、パッド面２６０の勾配は当初よりも小さくなる。即ち、パッド面２６０が微小勾配面となることでクリアランス内に適切なくさび形状の水膜が形成され、負荷能力を向上させることができる。

（３）第３の態様に係る流体膜軸受は、前記軸受パッド２１０は、前記摺動層２５０と前記金属板２４０との間に配置されて、前記金属板２４０よりも熱伝導率の高い金属材料から構成された冷却板をさらに有する（１）又は（２）に記載の流体膜軸受である。

これにより、軸受パッド２１０の機能を維持したまま、効率よく熱を除去することができる。

（４）第４の態様に係る流体膜軸受は、前記軸受けパッドは、前記回転体１０に対して軸線Ｏ方向から対向するように周方向に複数が配置されており、前記パッド面２６０は、前記軸線Ｏ方向から前記回転体１０を支持する（１）から（３）に記載の流体膜軸受である。

これによって、負荷能力の高いスラスト軸受２００を実現することができる。

1…回転機械 １０…回転体 ２０…回転軸 ３０…スラストカラー １００…静止体 ２００…スラスト軸受（流体膜軸受） ２０５…ディスク ２１０…スラストパッド（軸受パッド） ２２０…ベース層 ２３０…弾性層 ２４０…金属板 ２５０…摺動層 ２６０…パッド面 ２８０…第二スラストパッド ２９０…冷却層 ３００…三層スラストパッド Ｏ…軸線 Ｒ…回転方向

Claims (4)

1. 軸線を中心として回転する回転体の周方向に複数が配置されて、流体膜を介して前記回転体を支持する軸受パッドを備え、
   前記軸受パッドは、
   金属から構成されたベース層と、
   該ベース層における前記回転体側に積層されて、弾性変形可能な弾性材料から構成された弾性層と、
   該弾性層における前記回転体側に積層されて、前記回転体に対向するとともに、軸受材料から構成された摺動層と、
   前記弾性層と前記摺動層との間に積層されて、前記弾性層及び前記摺動層よりも剛性の高い金属板と、
   を有する流体膜軸受。
2. 前記摺動層における前記回転体に対向するパッド面は、前記回転体の回転方向前方側に向かうにしたがって前記回転体に近づくように延びている請求項１に記載の流体膜軸受。
3. 前記軸受パッドは、
   前記摺動層と前記金属板との間に配置されて、前記金属板よりも熱伝導率の高い金属材料から構成された冷却板をさらに有する請求項１又は２に記載の流体膜軸受。
4. 前記軸受パッドは、前記回転体に対して軸線方向から対向するように周方向に複数が配置されており、
   前記摺動層における前記回転体に対向するパッド面は、前記軸線方向から前記回転体を支持する請求項１から３のいずれか一項に記載の流体膜軸受。

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