JP5185377B2 - シャフト、特に水力タービンのシャフト用のスラスト軸受 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向の大きい負荷を受け止めるためのスラスト軸受に関する。

そのような軸受は、たとえば垂直シャフトを有する水力タービンあるいはポンプのために用いられる。

そのようなスラスト軸受は、たとえば特許文献１に記載されている。

当該軸受は、本質的に、軸方向の力が流れる方向に、回転部材としてシャフト、シャフトカラー、スリーブおよびトラックリングを備え、支持・静止部材としてベアリングシュー、バネ要素、軸受リングおよび支持構造を備えている。すべてのベアリングシューでの駆動の際に、トラックリングとベアリングシューとの間に流体動力学上の油膜が生じることができるようにするために、支持しているバネ要素は、ベアリングシューを傾けることを可能とせねばならず、製造公差と組立公差とを軸方向の可塑性によって補償しなくてはならない。従来のスラスト軸受に充分な可塑性を確保するために、ゴム製の個々のより小さなバネ要素の平行構造の有効性が実証された。

従来のスラスト軸受けにおいては、バネ要素は、薄い支持板に加硫される、数ミリ高くなったゴムスタンプから成る。この加硫によって、軸方向の剛性が、はるかに高まる。しかも形状が安定するのを助け、負荷のかかっているゴムに通常起こるクリープを最小限に抑える。互いに隣り合って設けられたゴム要素の間に、余地が充分なくてはならない。ゴムが完全に密閉されていると、圧縮不可能となり、ベアリングシューの軸受には役に立たない。

従来のベアリングは、軸方向の負荷がほどほどであれば、その有効性を実証してきた。軸方向の負荷が非常に高ければ、ゴム要素の横方向の膨張が非常に大きくなり、その結果亀裂が生じるかあるいは支持板に対するゴムスタンプの加硫が破損させられる。ゴム要素は明らかに剛性を失い、その機能を果たすことがもはやできない。

従来のスラスト軸受けにおいては、バネ要素は、小さな板から成る。これらは円形あるいは角形であってよい。互いに隣り合う板の間に、スラスト軸受が負荷をかけられた状態で、また負荷をかけられていない状態でも、間隔が存在する。

従来のスラスト軸受は、軸方向の負荷がほどほどであれば、その有効性を実証してきた。それに対して、軸方向の負荷が所定の大きさ以上になると、板状のバネ要素の破壊が確認される。つまり板は、非常に強く圧縮される。その際板は、その弾力性を失いかねず、その結果板自身が長期間にわたって破壊される。さらに、板状のバネ要素と軸受リングとの間の加硫の破壊にもつながりかねない。

独国特許第２６２６６０９号明細書

本発明の課題は、請求項１のおいて書きに記載のスラスト軸受を、軸受の個々の要素特にバネ要素が破壊されることなく、より大きな軸方向の負荷を受け止めることができるように形成することにある。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。それに従えば、互いに隣り合うバネ要素が、負荷をかけられた状態で互いに接触し、互いに支えあうよう、バネ要素が形成される。

支持プレートと、加硫されたゴムスタンプとは、平面図においては同じ基本形を有している。支持板同士が互いに接して、バネ要素を隣り合うよう配置する際、充分に定義された、横方向に膨張するための容積をゴムスタンプが用いることができるように、より大きな支持板のオーバーサイズが形成されている。駆動の負荷を明らかに上回れば、ゴム要素は横方向に互いに支え合う。ゴムの損傷を招く、許容されない大きな変形は、そのようにして回避される。

それによって、負荷がかかっていない状態において、互いに隣り合うバネ要素の間に間隙が残るかもしれない。しかし当該間隙は、所定の軸方向の負荷以上では、ゼロになる。互いに隣り合うバネ要素は、それによって互いに当接することになる。その際当該バネ要素は、互いに支え合う。それによって、バネ要素の破壊に対する、一種の構造上の過負荷保護が作られる。

バネ要素は基本的に、それぞれの輪郭を備えている。六角形あるいは長方形あるいは三角形、つまり互いに隣り合うバネ要素が隙間なく互いにつなぎ合わされることを可能にする輪郭が特に有利である。しかし、バネ要素にそれぞれ任意の他の輪郭を与えることも可能である。当該バネ要素が、所定の負荷状態以上になると互いに隙間なく当接し合うことが、重要である。

有利なのは、隣り合うバネ要素が隙間なく互いにつなぎ合わされることを可能にする輪郭である。ベアリングシューの背面の、利用できる支持面を効率的に使用することができ、かつ支持の負荷を上げることができる。六角形の基本形は、特に優れている。縁と縁とをあわせた構造、すなわちハニカム構造には、まとまったバネ全体をずらし得る、通過線がない。三角形、あるいは長方形の要素の場合には、そういったケースもあるであろう。１２０度の鈍角の内角は、横方向に強く伸ばした場合、円形のバネ要素に比べて、言うに値するような応力の高まりには至らない。六角形の初期形状は負荷がなければ変形せず、最大の負荷を与えられた同様に六角形の最終形状は、ゴムの負荷をその周囲に沿って均一にする。正方形のパターンで設けられていようと、六角形のパターンで設けられていようと、円形のゴムスタンプを止まるまで変形させたならば、より早く横方向に互いに支え合う位置と、遅れて横方向に互いに支えあう位置とが円周にあったであろう。円周に沿った負荷は、もしそれがまさに最大負荷であれば、均一なものではなかったであろう。

組み立てられた状態では、すなわち軸受リングに載せられると、すべてのバネ要素全体は、忍耐ゲームとして知られているいわゆるパズルのように見える。

本発明に係る、バネ要素の形態によって、製造が容易となる。バネ要素を、たとえばゴムプレートあるいはその他の弾力性のある材料から成るプレートから、たとえばいわゆる帯鋼によって型を打ち抜いてもよい。

本発明は、図に基づいて詳述されている。図には、個別に以下が示されている。

水力タービンのスラスト軸受の縦断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って切断された図である。 六角形の複数のバネ要素の平面図の拡大図である。 三角形の複数のバネ要素の平面図の拡大図である。 不規則な輪郭を持つ複数のバネ要素の平面図の拡大図である。 負荷をかけられた状態と負荷をかけられていない状態における、互いに隣り合う２つのバネ要素の拡大図である。

図１には、垂直の軸１．１を有するシャフト１が見られる。シャフト１は、シャフトカラー２に囲まれている。シャフトカラー２は、シャフト１を取り巻くスリーブ３によって支えられている。スリーブ３の下端部は、トラックリング４に支持され、当該トラックリング４は、同様にシャフト１を取り巻いている。トラックリング４は、等間隔でシャフト１を囲んで設けられている複数のベアリングシュー５に載置されている。

続いて、バネ要素６が存在する。当該バネ要素６は、軸受リング７に載置されている。ピン８は、ベアリングシュー５および軸受リング７の孔にはまり込んでいる。支持構造９は、軸受リング７を支持している。ハウジング１０は、シャフトカラー２、スリーブ３、トラックリング４、ベアリングシュー５、バネ要素６、および軸受リング７を取り巻いている。

バネ要素の形態は、図２に示唆されている。見て分かるように、この図においては、六角形の板となっている。

バネ要素は、必ずしも板状をしていなくてもよく、別の形態をしていてもよい。いずれにしてもバネ要素は、平面図で見て、請求項１に定義されているように形成されている。

図３，４，５はそれぞれ、平面図でバネ要素の様々な構成を示している。図３に従えば、バネ要素６は六角形である。

図４に記載のバネ要素６は、正三角形の形態である。

図５のバネ要素６は、幾何学的な輪郭とは異なっている。当該バネ要素は、スタンプのグリップの形態をしている。

それぞれ異なる構成も可能である。いずれにせよ、決定的に重要なのは、個々のバネ要素が分離線によって互いに分離されていることと、遅くとも所定の負荷以上がかかると、互いに隣り合うバネ要素が互いに接触し合うようになることである。そのような接触は、軸方向の負荷がかかる前からすでに起こるかもしれない。

図６の概略図から、負荷をかけられていない状態と負荷をかけられた状態における、互いに隣り合うバネ要素の動作が分かる。負荷をかけられていない状態は破線で具体的に示され、これに対し負荷をかけられた状態は実線で示されている。

見て分かるとおり、負荷がかけられていない状態では個々のバネ要素は必然的に、負荷をかけられた状態より厚さが大きい。しかも、傾斜した周囲面を見ると、円錐台状の形態をしている。周囲面は互いに接触しない。むしろ、互いに隣り合う周囲面の間には間隙が存在する。

負荷がかかった状態では、個々のバネ要素はもちろん圧縮され、それによって高さが低くなる。バネ要素６は、ほぼ長方形の横断輪郭を持つ。周囲面は互いに近づく。さらに大きな負荷がかかると、バネ要素は互いに接触する。

この図では表されていないが、ベアリングシュー５に配設されているすべてのバネ要素の全体を、１つの輪で取り巻くことが目的に適っており、あるいは必要かもしれない。外側のバネ要素は、負荷がかかった場合にそのような輪に対して支えることができる。輪は、金属板から成ってよい。そのような縁を囲う金属板は、たとえば振動により、かつ取り付けあるいは取り外しの際に外れてバネ要素がずれるのを防ぐ。

本発明の利点を、以下に再度説明しておく。

バネ要素のバネ特性線は、負荷がかかると、初めのうちはほとんど直線で推移する。しかし、負荷が大きくなるとますます飛躍的に上昇する。

本発明は、個々のバネ要素が、負荷の作用に対して垂直の方向、すなわち一般的にはシャフト１の長手軸１．１に対して垂直に膨張する可能性を制限する。本発明に係る、バネ要素の輪郭によって、利用可能な空間をさらに効果的に使用することができる。許容できない、高いバネの圧縮を、バネ要素が互いに支え合うことによって防ぐ。

本発明は、バネ要素の製造に関してさらなる利点をもたらす。すなわち、上述のように、バネ要素はゴム弾性のある材料あるいはその他の材料からなるプレートから型を打ち抜いてよく、その際材料のゴミはまったくあるいは事実上まったく出ない。

バネ要素６は、ベアリングシューに載置され、あるいはコーティングされてよい。

１ シャフト
１．１ 軸
２ シャフトカラー
３ スリーブ
４ トラックリング
５ ベアリングシュー
６ バネ要素
７ 軸受リング
８ ピン
９ 支持構造
１０ ハウジング

Claims (6)

1. シャフト（１）の、軸方向の大きい負荷を受け止めるためのスラスト軸受であって、
   前記シャフト（１）を通すための中央孔を備え、かつ固定された基盤（９）の上で支えられている軸受リング（７）と、
   該軸受リング（７）に載置されている、弾力性のある材料から成る複数のバネ要素（６）と、
   前記シャフト（１）から前記バネ要素（６）に負荷を伝達する負荷伝達装置（３）と、
   を有するスラスト軸受において、
   前記バネ要素（６）は、パズルの様式の連結方法で、互いに接しておよび／あるいは互いに中に入って接合可能である弾性体であり、
   前記バネ要素（６）の輪郭は、少なくとも一定以上の負荷がかかった状態では、互いに隣り合うバネ要素（６）の間に間隙がなくなるよう、形成されていることを特徴とするスラスト軸受。
2. 前記バネ要素（６）が、互いに対して平行に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受。
3. 前記バネ要素（６）が、負荷の作用する方向において、六角形あるいは長方形あるいは三角形の輪郭を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト軸受。
4. 前記バネ要素（６）が、グループごとに設けられ、かつそれぞれ１つのベアリングシュー（５）によって覆われていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
5. 前記負荷伝達装置がスリーブ（３）を備えており、該スリーブ（３）は一方で、前記シャフト（１）を取り巻きかつ該シャフト（１）と固定されて接続されているシャフトカラー（２）を支え、他方で、前記シャフトに対して同心状に設けられかつ前記ベアリングシュー（５）の上に支えられているトラックリング（４）の上に支えられていることを特徴とする請求項４に記載のスラスト軸受。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のスラスト軸受に適用するためのバネ要素（６）を製造するための方法において、前記バネ要素（６）が、弾力性のある材料から成るプレートから型を打ち抜かれることを特徴とする方法。

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