JP2022518693A - 減衰された軸受構成要素、当該部品を含む軸受、及び当該軸受を含む回転機械 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 軸受構成要素は、外側軸受面及び内側空洞を有する外部円筒状部材と、外部円筒状部材の内側空洞内に配置され、それと実質的に同軸に配置された内部円筒状部材と、を備える。外部円筒状部材及び内部円筒状部材は、それらの間に間隙を形成する。弾性減衰機構は、間隙内に配置される。【選択図】図１

Description

本開示は、軸受及びその構成要素の改善に関する。本明細書に開示される実施形態は、多相ポンプなどのターボ形ポンプのインペラを回転可能に支持することが具体的に意図された軸受及びその構成要素の改善に関する。

ターボ形ポンプは、１つ以上の回転インペラによってプロセス流体にエネルギーを移送するために、様々な用途で使用される。

当業者に既知であるように、ダイナミックポンプ又はターボ形ポンプは、典型的には、インペラなどの回転要素からの運動エネルギーを、ポンプを通して処理される流体に移送することによって、流体を加圧する機械である。

いくつかのポンプは、液相及び気相を含む多相流体を処理するために設計されている。いくつかのポンプは、各インペラを回転させる埋め込み型電動モータを含み、この電動モータは、各インペラを回転させ、例えば、各ポンプステージにおける実際の気体／液体比に回転速度を適合させるために、ポンプの他のインペラとは独立して各インペラの回転速度を制御するように適合され得る。埋め込み型電動モータを有する多相ポンプの実施形態は、例えば、米国特許公開公報第２０１７／０１５９６６５号に開示されている。

ポンプのインペラは、例えば、多結晶ダイヤモンド（polycrystalline diamond、ＰＣＤ）軸受のように、人工ダイヤモンドで作製されているか、又は人工ダイヤモンドを含む、軸受パッドが提供されている軸受によって、静止シャフトに支持されている。使用中、インペラは、他の回転機械構成要素と同様に振動を発生させ得る。これらの振動は、軸受を介して静止構造体に伝達され、あるインペラから他のインペラ又は他の機械部品に伝播し得、機械に損傷を与える場合がある。

ＰＣＤ軸受は、特に堅固であり、小さい摩擦係数を有する。これらの特徴は、多くの用途において有益である。しかしながら、軸受の剛性は、回転構成要素から機械の静止構成要素への強い振動伝播をもたらす。

したがって、特にＰＣＤ軸受などの剛性軸受に関して、特に振動発生及び伝播の観点から、現在の技術の軸受の欠点を解決又は軽減することを目的とした軸受の改善の必要性が存在する。

本明細書に開示される実施形態によれば、軸受構成要素は、外側軸受面及び内側空洞を有する外部円筒状部材と、外部円筒状部材の内側空洞内に配置され、それと実質的に同軸に配置された内部円筒状部材と、を備える。外部円筒状部材及び内部円筒状部材は、それらの間に間隙を形成する。弾性減衰機構は、間隙内に配置される。

弾性減衰機構は、波形層状部材又はシートを含むことができる。

弾性減衰機構は、インペラなどの回転部材から、ターボ形ポンプ又は他の回転機械の支持シャフトなどの静止部材への振動の伝達を低減する。

本開示による軸受の更なる特徴及び実施形態は、以下の記載で詳述され、添付の特許請求の範囲に記載される。

本発明の開示された実施形態、及びその付随する利点の多くのより完全な理解は、添付図面と関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されるように、容易に取得されるだろう。
ポンプのインペラを駆動するための埋め込み型電動モータを含む多段式ターボ形ポンプの断面図を示す。 図１のポンプの一方のインペラの軸受と関連する潤滑回路の拡大図を示す。 図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩによる内部軸受構成要素の概略断面図を示す。 本開示による軸受の第２の実施形態の概略断面図を示す。 図４の線Ｖ－Ｖによる断面図を示す。 本開示による軸受の第３の実施形態の概略断面図を示す。

限定はしないが、特に、ＰＣＤ軸受及び高剛性によって特徴付けられる他の軸受などの軸受の動的挙動を改善するために、新規のかつ有用な軸受構造が開発されてきた。新規の軸受は、互いに同軸に配置された２つの構成要素を含む。一方の構成要素は、ターボ形ポンプのインペラなどの回転機械部品と一体的に回転する。他方の構成要素は、機械筐体内に静止的に収容される。静止構成要素は、機械の回転機械構成要素と静止構造体との間の振動の伝播を防止又は低減する減衰機構を含む。

本明細書に開示される実施形態では、軸受の静止構成要素は、２つの同軸の実質的に円筒状部材、すなわち内部円筒状部材及び外部円筒状部材を含む。内部部材及び外部部材は、それらの間に間隙を形成する。間隙では、内部円筒状部材に対する外部円筒状部材の減衰された変位を可能にするように適合された、弾性減衰機構が配置される。変位は、半径方向及び／又は接線方向であり得る。変位は、外部軸受構成要素と一体的な回転するように取り付けられた回転機械構成要素の振動によって誘発され得る。振動は、外側構成要素から内側構成要素へと軸受パッドを通って伝播し、内側構成要素に形成された間隙内に配置された弾性減衰機構によって、外部円筒状部材と内部円筒状部材との間で減衰される。これにより、振動が効率的に減衰され、回転機械の構成要素で発生した振動が機械の静止構造体に向かって伝播することが低減される。

ここで、新規の軸受構造を、ターボ形ポンプ、具体的には、多相ターボ形ポンプと組み合わせて説明する。しかしながら、当業者であれば、例えば、比較的剛性の高い軸受が、振動を受ける回転機械部品を支持するために使用され、その振動の減衰が望まれる場合にはいつでも、本開示の軸受構造体が他の用途にも有利に使用することができることを理解するであろう。

ここで、図１を参照すると、ターボ形ポンプ１は、ケーシング３と、その中に配置された静止シャフト５と、を備える。静止シャフトは、ポンプケーシングを通って長手方向に延在するビームによって形成され得る。他の実施形態では、静止シャフト５は、軸方向連結ロッドによって互いに接続された積層シャフトセクションから構成され得る。ポンプは、複数のステージ７を備えることができる。各ポンプステージ７は、それぞれのインペラ９を備え、このインペラ９は、シャフト５上で回転するように支持されており、静止部分１１、すなわち、ポンプ１の非回転静止構成要素と協働する。静止シャフト５が積層されたセクションによって形成されている場合、各インペラ９は、静止シャフト５の別個のセクションによって支持され得る。

引き続き図１を参照しながら、ここで、図２を参照すると、各インペラ９は、円盤状の本体１２と、回転軸Ａ－Ａの周りに環状に分配された複数のブレード１３と、を備える。プロセス流体経路１５は、各インペラ９のブレード部分を横切って延在する。説明される埋め込み型電動モータによって生成された機械的な力が、インペラ９を回転させ、その力がプロセス流体経路１５に沿ってプロセス流体に移送され、流体の圧力を高める。

図１及び図２の例示的な実施形態では、各インペラ９は、シュラウド１７を備える。各インペラ９は、ケーシング３に収容されたそれぞれの電動モータ１８によって回転駆動される。各電動モータ１８は、シュラウド１７の周囲に配置され、インペラ９と共に回転するロータ１９と、ロータ１９の周囲に展開され、ケーシング３内に静止的に収容されたステータ部２１と、を含む。

各インペラ９は、それぞれの軸受３１によって静止シャフト５上に支持される。図１及び図２の実施形態では、各軸受３１は、静止内側軸受構成要素３１Ｂと、外側回転軸受構成要素３１Ａと、を備える。２つの構成要素３１Ａ、３１Ｂは、実質的に同軸である。

本好ましい実施形態では、軸受３１は、回転外側軸受構成要素３１Ａ上の放射状軸受パッド５１Ａと、静止内側構成要素３１Ｂ上の放射状軸受パッド５１Ｂと、からなる、ＰＣＤ（Ｐｏｌｙ－Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄｉａｍｏｎｄ：多結晶ダイヤモンド）軸受である。各軸受３１は、回転外側軸受構成要素３１Ａ上の軸方向軸受パッド５３Ａ、及び静止内側軸受構成要素３１Ｂ上、又はポンプ１の静止部分１１上の軸方向軸受パッド５３Ｂを更に含むことができる。

本明細書に開示された実施形態によれば、内側軸受構成要素３１Ｂは、振動減衰効果を提供するように構成されており、そのため、回転インペラ９によって発生した振動が、例えば、減衰され、それぞれの軸受３１を介してポンプ１の静止構造１１に向かって伝播しないか、又は減衰された様式でのみ伝播する。

引き続き図２を参照しながら、ここで、図３を参照すると、内側静止軸受構成要素３１Ｂは、外部円筒状部材６１及び内部円筒状部材６３を備える。外部円筒状部材６１及び内部円筒状部材６３は、互いに実質的に同軸であり、内部円筒状部材６３が取り付けられ得る静止シャフト５に対しても実質的に同軸である。軸受パッド５１Ｂは、外部円筒状部材６１と一体である。

外部円筒状部材６１と内部円筒状部材６３は、内部円筒状部材６３の一端にねじ込むことができるフェルール６５（図２参照）によって、互いに結合することができる。内部円筒状部材６３の反対側の端部は、フランジ６７を形成することができる。外部円筒状部材６１は、フランジ６７とフェルール６５との間にフェルール６５をねじ込むことによって押圧することができる。内部円筒状部材６３と外部円筒状部材６１との間には、Ｏリング等の封止部７１、７３を配置することができる。

外部円筒状部材６１と内部円筒状部材６３との間には、円筒状の間隙７５が形成されている。円筒状間隙７５は、軸方向、すなわち回転軸Ａ－Ａに平行に延在する。円筒状間隙７５には、弾性減衰機構が配置されている。本明細書で使用される場合、「弾性減衰機構」という用語は、外部円筒状部材６１と内部円筒状部材６３との間に配置され、それらと協働して、内部円筒状部材６３及び外部円筒状部材６１のうちの一方の振動が、内部円筒状部材６３及び外部円筒状部材６１のうちの他方に伝達されない、又は減衰された振動がそれに伝達されるような、任意の機械的装置又は装置の組み合わせとして理解され得る。

潤滑剤液体とは、好ましくは、油又は他の好ましくは高粘度の流体などの潤滑剤液体であり、間隙７５を充填することができる。

いくつかの実施形態では、図３に示すように、弾性減衰機構は、波形管状シート７７を含む。波形管状シート７７は、軸方向に、すなわち軸受３１の回転軸Ａ－Ａに平行に延在する波形部７７Ａを含む。間隙７５内に配置された波形管状シート７７により、外部円筒状部材６１及び内部円筒状部材６３は、例えば、回転インペラ９の振動によって誘発される揺れに起因して、半径方向に限定された範囲で他方に対して一方が移動することができる。内部円筒状部材６３に対する外部円筒状部材６１の半径方向の変位は、それに加えられた半径方向荷重下での波形部７７Ａのコンプライアンスを介して得られる。半径方向の揺れは、波形管状シート７７によって提供される弾性減衰機構によって減衰される。

半径方向の変位に加えて、外部円筒状部材６１はまた、内部円筒状部材６３に対して接線方向に移動することができ、すなわち、２つの部材６１、６３は、限定された角度だけ互いに対して回転することができる。接線方向の変位（矢印ｆ６１、図３）は、接線方向への変位制限装置によって制限され得る。例えば、当該装置は、外部円筒状部材６１の内側面から内部円筒状部材６３の外側面に向かって半径方向内向きに延在する、少なくとも１つの、好ましくは第１の半径方向突出部８１のセットを含むことができる。接線方向への変位制限装置は、内部円筒状部材６３の外表面から外部円筒状部材６１に向かって半径方向外側に延在する、少なくとも１つの、好ましくは第２の半径方向突出部８３のセットを更に含むことができる。第１の半径方向突出部８１及び第２の半径方向突出部８３は、隣接する波形部７７Ａ間に延在し、これにより、内部円筒状部材６３及び外部円筒状部材６１の接線方向の変位は、第１半径方向突出部８１及び第２の半径方向突出部８３と波形部７７Ａとの協働によって制限される。

回転インペラによる振動又は揺れによって誘発される接線方向の変位は、波形管状シート７７の波形部７７Ａの曲げ変形を引き起こすので揺れを減衰させる。

弾性減衰機構の減衰効果は、間隙７５内に含まれている高粘性潤滑液体によって、及び／又は弾性減衰機構７７と、弾性減衰機構７７の波形部７７Ａに接触する外部円筒状部材６１及び内部円筒状部材６３の表面との間の摩擦によって改善することができる。

引き続き図２を参照しながら、ここで、図４及び図５を参照すると、他の、現時点ではより好ましくない実施形態ではあるが、弾性減衰機構は、外部円筒状部材６１と内部円筒状部材６３との間の間隙に配置された圧縮可能なインサートのセットを含むことができる。図４及び図５において、図２及び図３に既に示され、上で説明される同一又は同等の部品又は要素には、同一の参照番号が付されており、再度説明されていない。図４及び図５の実施形態では、弾性減衰機構は、間隙７５内に収容されたＯリング７８のセットを含む。Ｏリング７８を正しい位置に保持するために、外部円筒状部材６１の内側円筒面６１Ａ上の環状溝と、内部円筒状部材６３の外側円筒面６３Ａの環状溝と、が提供され得る。

引き続き図２を参照しながら、図６を参照すると、更に、現時点ではより好ましくない実施形態ではあるが、弾性減衰機構は、長手方向に延在する弾性部材のセット７９を含むことができる。図６において、図２及び図３に既に示され、上で説明される同一又は同等の部品又は要素には、同一の参照番号が付されており、再度説明はされていない。弾性部材７９は、間隙７５内に収容され、外部円筒状部材６１の内側円筒面６１Ａに提供された長手方向溝と、内部円筒状部材６３の外側円筒面６３Ａ内の長手方向溝とによって定位置に保持され得る。

本発明は、様々な特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者には、特許請求の範囲の趣旨及び範囲を逸脱することなく多くの修正、変更、及び省略が可能であることが、当業者には明らかであろう。加えて、本明細書で別段の指定がない限り、任意のプロセス又は方法工程の順序又は配列は、代替の実施形態に従って変更又は再配列され得る。

Claims (15)

1. 軸受構成要素であって、外側軸受面及び内側空洞を有する、外部円筒状部材と、前記外部円筒状部材の前記内側空洞内に配置され、前記外部円筒状部材と実質的に同軸に配置された、内部円筒状部材と、を備え、前記外部円筒状部材と前記内部円筒状部材とが、それらの間に間隙を形成し、弾性減衰機構が、前記間隙内に配置されている、軸受構成要素。
2. 前記弾性減衰機構が、前記内部円筒状部材に対する前記外部円筒状部材の減衰された半径方向の変位、及び減衰された接線方向の変位のうちの少なくとも１つを可能にするように適合されている、請求項１に記載の軸受構成要素。
3. 前記外部円筒状部材の前記外側軸受面上に軸受パッドを更に備える、請求項１又は２に記載の軸受構成要素。
4. 前記軸受パッドが、多結晶ダイヤモンドパッドである、請求項３に記載の軸受構成要素。
5. 前記弾性減衰機構が、前記外部円筒状部材と前記内部円筒状部材との間の前記間隙内に配置された波形管状シートを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の軸受構成要素。
6. 前記波形管状シートが、金属で作製されている、請求項５に記載の軸受構成要素。
7. 前記波形管状シートが、前記外部円筒状部材の軸及び前記内部円筒状部材の軸に平行に延在する波形部を備える、請求項５又は６に記載の軸受構成要素。
8. 前記外部円筒状部材及び前記内部円筒状部材のうちの一方の他方に対する前記変位を制限するように適合された変位制限装置を更に備える、請求項７に記載の軸受構成要素。
9. 前記外部円筒状部材の前記内側空洞が、前記内側空洞の表面から前記波形管状シートに向かって内向きに延在する、第１の半径方向突出部を有し、前記内部円筒状部材が、前記外部円筒状部材に向かって外向きに延在する、第２の半径方向突出部を有し、前記第１の半径方向突出部及び前記第２の半径方向突出部が、前記波形管状シートの前記波形部と協働して、前記内部円筒状部材に対する前記外部円筒状部材の角度変位を制限する、請求項７又は８に記載の軸受構成要素。
10. 前記弾性減衰機構が、前記外部円筒状部材及び内部円筒状部材の軸の周りに配置され、前記軸に沿って互いに離れて配置された環状弾性減衰部材のセット、及び前記外部円筒状部材及び内部円筒状部材の前記軸に平行な方向に延在し、前記軸の周りで互いに離れている、線形弾性減衰部材のセット、のうちの１つを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の軸受構成要素。
11. 前記間隙が、液体で、好ましくは潤滑剤液体で充填されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の軸受構成要素。
12. 軸受であって、請求項１～１１のいずれか一項に記載の内側軸受構成要素と、外側軸受構成要素と、を備え、前記外側軸受構成要素及び前記内側軸受構成要素が、互いに同軸上に配置され、前記軸受の軸を中心に、一方を他方に対して回転させるように適合されている、軸受。
13. 前記外側軸受構成要素が、前記内側軸受構成要素の前記外側軸受面上の軸受パッドと協働する複数の軸受パッドが提供されている内側円筒軸受面を有する、請求項１２に記載の軸受。
14. 回転機械であって、静止シャフトと、前記静止シャフト上で回転するように支持された回転子と、を備え、前記回転子が、請求項１２又は１３に記載の少なくとも１つの軸受によって前記静止シャフト上に支持されている、回転機械。
15. ターボ形ポンプであって、ケーシングと、前記ケーシング内に配置された静止シャフトと、請求項１２又は１３に記載の少なくとも１つの軸受によって前記静止シャフト上で回転するように配置された少なくとも１つの回転インペラと、を備える、ターボ形ポンプ。

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