JP5602122B2

JP5602122B2 - すべり軸受とそれを用いたポンプ装置

Info

Publication number: JP5602122B2
Application number: JP2011271887A
Authority: JP
Inventors: 具永小山田; 宏二会沢; 正明林
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: JP2013124674A; US20130149142A1

Description

本発明は、シャフト外周と略円筒形状のスリーブ内周との隙間に外部から高圧の流体を供給してシャフトの回転運動を支持する静圧軸受構造を備えたすべり軸受と、そのすべり軸受によりインペラに接続したシャフトの回転運動を支持する機構を備えたポンプ装置に関する。

高速増殖炉の循環冷却系などに使用される大型のポンプ装置には、一般に、長尺のシャフトに取り付けられたインペラをケーシング内で回転運動させることにより冷却媒体である流体金属等の流体を移送する機械式の縦軸ポンプ装置が用いられる。このポンプ装置においては、振れ回りや地震などによるインペラのケーシング等への衝突防止、ならびにシャフトの振動抑制を目的として、シャフトのインペラ近傍にジャーナル軸受が設けられる。このジャーナル軸受にはすべり軸受が用いられることが多く、シャフト外周がすべり軸受の略円筒形状のスリーブ内周と流体を介して潤滑されながらしゅう動することにより、シャフトの回転運動が支持される。

このようなポンプ装置に用いられるすべり軸受においては、シャフトやケーシングの熱変形および製作誤差を許容する目的で、シャフト外周と軸受内周との隙間を通常のすべり軸受よりも大き目に確保することが求められる。また、異物質の混入を防止する目的で、すべり軸受の潤滑に使用可能な流体はポンプで移送する流体と同種に限られ、高速増殖炉用のポンプ装置では低粘度な流体金属等の使用が求められる。

これらの事情により、前記のポンプ装置に用いられるすべり軸受は、そのままでは、一般の機械装置に用いられる油潤滑のすべり軸受と比較して大きな動圧を得にくい条件にある。よって、こうした条件においても、高い荷重に対してシャフトを安定して支持するために、軸受の外部から高圧流体をしゅう動面に導入して荷重の支持に利用する静圧軸受構造が多く採用されている。

一般に、静圧軸受構造を有するジャーナル軸受タイプのすべり軸受では、略円筒形状のスリーブ内周に静圧ポケットと称される凹部が周方向あるいはシャフト軸方向に複数備えられ、スリーブ内周の大半の領域が静圧ポケットにより占められている。各々の静圧ポケットには、外部の圧力源から連通する通路が開口している。外部の圧力源から通路を通じて静圧ポケットに導入された高圧の流体は、静圧ポケット内部および軸受とシャフトとの隙間を満たし、その隙間の開放端部から低圧の外部へと流出する。荷重によりシャフトが径方向に押されて軸受内で偏心すると、部分的に隙間に偏りが生じるため、偏心方向にある隙間の流出量が減ってその部分の圧力が上昇するのに対し、偏心方向と反対側にある隙間の流出量は増加してその部分の圧力が低下する。この両者の圧力差によりシャフトを軸受の中心に戻そうとする復元力が生じ、これによりシャフトの荷重が支持される。

近年、ポンプ装置の大容量化に伴い、すべり軸受の支持可能荷重である負荷容量、およびシャフト偏心による最小隙間変化に対する負荷能力変化である軸受剛性の向上が課題となっている。

本技術分野の背景技術として特許文献１には、軸受内周面にポケットを有し、このポケットと回転軸の外周面との間に高圧油が供給される静圧軸受において、前記ポケットを円周方向に複数形成したポケット列を軸方向に複数列形成すると共に各列間のポケットの位相を前記周方向にずらした静圧軸受が記載されている。

特許文献１によれば、静圧ポケットを円周方向に複数形成したポケット列を軸方向に複数形成し、各列間のポケットの位相を周方向にずらすことにより、ある径方向に軸が偏心した時にこれと直角な径方向に作用する力が相殺されて高速回転時の軸受の安定性の向上が期待されるとされている。

しかしながら、特許文献１のように静圧ポケットの位相を周方向にずらし軸方向に単に複数列形成しても、軸受の負荷容量や軸受剛性にはほとんど影響が無く、外部から供給する油の圧力を増加させ、あるいは軸受のサイズを増加させること無しに、負荷容量を増加させることは困難であった。

また、特許文献２には、ケーシング内吸入口と吐出口との間に設けたインペラの直近にインペラ軸の軸受を備え、軸受内面に複数個のポケットを周方向に配設して、インペラで圧出される流体金属の一部をポケット内に導入するポンプにおいて、ポケットを軸方向に挟んで液封性を持って相対回転するように設けた環状帯部に、流体金属を内包存在させる周方向の凹溝を設けた流体金属用ポンプが記載されている。また、インペラを支持する静圧軸受を構成するポケットを軸方向に挟んで設けた液封性を有する環状帯部に、流体金属を常に内包させた周方向のリング状空腔を添設したものが記載されている。

特許文献２によれば、外部から高圧の流体金属が供給される静圧ポケットを軸方向に挟むように設けた環状帯部に周方向の凹溝を設けた構造により、軸と軸受との金属接触が生じた際にも流体金属が接触部分周辺に供給されやすくなり、潤滑および冷却の効果によりかじり等による損傷の軽減が期待されるとされている。

しかしながら、特許文献２のように環状帯部に周方向の凹溝を設けても、軸受内周の圧力分布の変化は小さく、軸受の負荷能力や軸受剛性を向上させる効果はほとんど期待できない。このため、外部から供給する油の圧力を増加させ、あるいは軸受のサイズを増加させること無しに、負荷容量を増加させることは困難であった。

また、特許文献３には、回転可能な軸部材に対し固定された軸受部材に設けた軸荷重を支持する軸受面の円周方向に複数個の圧力発生帯域を形成し、この圧力発生帯域のそれぞれは、軸方向に離間して形成され排出機構を有する一対のポケットよりなる静圧発生部と、両ポケットの中間に形成されたランド部よりなる動圧発生部と、両ポケットの軸線に平行な一辺に沿ってランド部に刻設され両ポケットを互に接続すると共に絞りを介して両ポケットに圧力流体を供給する供給溝とを有し、静圧発生部の軸受隙間よりも動圧発生部の軸受隙間を小さくした流体軸受装置が記載されている。

特許文献３によれば、外部の供給溝に導入された圧力流体をポケットにも供給することによる静圧に加え、さらにポケットと供給溝に囲まれた動圧発生部における動圧の発生も期待できる。

しかしながら、特許文献３においては、動圧発生部において外部からの圧力流体よりも高い動圧が発生したとしても、供給溝を通じて圧力が逃げやすく動圧による支持は限定的である。このため、負荷能力は静圧に依存するところが大きい。また、シャフトの変形や傾斜により、ある部分の隙間が広くなってそこからの流体の流出量が増大すると、連通するポケットおよび供給溝全体の圧力が減少して負荷能力が低下しやすい。前記の縦型のポンプ装置では、ほとんどの場合にシャフトは軸受内周に対して傾斜した姿勢で回転する。このため、特許文献の構成は、縦型ポンプ等への適用は困難であった。

特開昭６１−２３６９２１号公報特開昭５７−２００６９９号公報特開昭６０−３７３２９号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、シャフト外周と略円筒形状の軸受の内周との隙間に外部から高圧の流体を供給してシャフトの回転運動を支持する静圧軸受構造を備えたジャーナル軸受タイプのすべり軸受とそれを内包したポンプ装置において、シャフトの回転時に隙間に発生する動圧を増加させ、かつ最大限に利用することにより、軸受のサイズおよび外部から供給する流体の圧力を増加させること無く軸受の負荷容量および軸受剛性を増加させることを解決すべき技術課題とするものである。

本発明は、回転可能なシャフトに対しその内周で流体を介してしゅう動支持する略円筒形状のスリーブと、スリーブを貫通して外部の圧力源からスリーブ内周に高圧流体を供給する静圧供給通路と、スリーブ内周に設けられるとともに半径方向に凹形状を有し静圧供給通路が開口する静圧ポケットとを備えたすべり軸受において、静圧ポケットが周方向に複数並んだ静圧ポケット列がスリーブ内周のシャフト軸方向の両端部近傍にそれぞれ少なくとも１列形成され、かつ、スリーブ中央部には静圧ポケット列に挟まれて静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域が設けられていることを特徴とする。

また、すべり軸受において、静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域のシャフト軸方向の幅が、静圧ポケット列のシャフト軸方向の幅の合計よりも大きく設けられていることを特徴とする。

また、すべり軸受において、同一の静圧ポケット列に属する静圧ポケットに通ずる静圧供給通路と、これと異なる静圧ポケット列に属する静圧ポケットに通ずる静圧供給通路は、互いに独立して高圧流体を供給する圧力源に通じていることを特徴とする。

また、すべり軸受において、周方向に延伸する静圧ポケットの設置角度範囲が隣接する他の静圧ポケットの設置角度範囲と重なり合う形状であることを特徴とする。

また、すべり軸受において、周方向に延伸する静圧ポケットの設置角度範囲が隣接する他の静圧ポケットの設置角度範囲と重なり合う配置であることを特徴とする。

また、すべり軸受において、静圧ポケットは、スリーブ端部に近い外側がスリーブ端部から遠い内側よりもシャフトの回転方向について上流側に延伸し、かつ、スリーブ端部から遠い内側がスリーブ端部に近い外側よりもシャフト回転方向の下流側に延伸した形状を有することを特徴とする。

また、すべり軸受において、スリーブ内周の静圧ポケットが存在しない領域に、静圧供給通路が開口しない溝が設けられていることを特徴とする。

さらに、流体流路の途中に配置されて回転運動により流体を移送するインペラと、回転動力源に接続してインペラを回転駆動するシャフトと、シャフト外周面を流体を介してしゅう動支持する略円筒形状のスリーブと、スリーブを貫通して流体流路の吐出側からスリーブ内周に高圧流体を供給する静圧供給通路と、スリーブ内周に設けられるとともに半径方向に凹形状を有し静圧供給通路が開口する静圧ポケットを備えた滑り軸受を有するポンプ装置において、さらに、静圧ポケットが周方向に複数並んだ静圧ポケット列がスリーブ内周のシャフト軸方向の両端部近傍に少なくとも１列形成され、かつ、スリーブ中央部には静圧ポケット列に挟まれて静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域が設けられていることを特徴とする。

さらに、ポンプ装置において、円筒内周面領域のシャフト軸方向の幅が、静圧ポケットのシャフト軸方向の幅の合計より大きく設けられていることを特徴とする。

さらに、ポンプ装置において、１つの静圧ポケット列に属する静圧ポケットに通ずる静圧供給通路と、他の静圧ポケット列に属する静圧ポケットに通ずる静圧供給通路は、互いに独立して流体流路の吐出側に通じていることを特徴とする。

さらに、ポンプ装置において、流体流路に流れる流体は流体金属であることを特徴とする。

本発明は、回転可能なシャフトに対しその内周で流体を介してしゅう動支持する略円筒形状のスリーブと、スリーブを貫通して外部の圧力源からスリーブ内周に高圧流体を供給する静圧供給通路と、スリーブ内周に設けられるとともに半径方向に凹形状を有し静圧供給通路が開口する静圧ポケットとを備えたすべり軸受において、静圧ポケットが周方向に複数並んだ静圧ポケット列がスリーブ内周のシャフト軸方向の両端部近傍にそれぞれ少なくとも１列形成され、かつ、スリーブ中央部には静圧ポケット列に挟まれて静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域が設けられていることにより、スリーブ内周で回転するシャフトは静圧ポケットに外部から供給される静圧と円筒内周面領域との間に生ずる動圧とにより支持され、動圧が発生した際に従来例と比較して大きな圧力を得られ、すべり軸受全体としての負荷能力および軸受剛性を増加することが可能となる。

本発明の実施例１の縦型ポンプ装置の構成図である。本発明の実施例１の縦型ポンプ装置におけるすべり軸受周辺の拡大図である。本発明の実施例１のすべり軸受におけるスリーブの斜視図である。本発明の実施例１のすべり軸受における負荷能力を示すグラフである。本発明の実施例１のすべり軸受における軸受剛性を示すグラフである。本発明の実施例２のすべり軸受実施例の断面図である。本発明の実施例３のすべり軸受の断面図である。本発明の実施例４のすべり軸受の断面図である。本発明の実施例５のすべり軸受の断面図である。本発明の実施例６のすべり軸受の断面図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

実施例１では、本発明によるジャーナル軸受タイプのすべり軸受を組み込んだ縦型のポンプ装置１００について説明する。

図１は、本実施例の縦型のポンプ装置１００の構成図である。ケーシング１０１内部に吸入口１０２から吐出口１０３に通ずる流路１０４が形成されている。流路１０４の途中には外部の回転動力源１０７に接続されたシャフト１０６先端にインペラ１０５が設けられている。

シャフト１０６は一方の回転動力源１０７側で軸受１０８により回転可能に支持され、他方のインペラ１０５側ですべり軸受１０９により回転可能に支持されている。回転動力源１０７からの動力供給によりシャフト１０６を回転させ、インペラ１０５を回転運動させることにより、吸入口１０２からポンプ装置１００の内部に流入した流体金属等の流体が流路１０４を通じて移送され、吐出口１０３から外部に吐出される。流路１０４のインペラ１０５より下流側はその上流側と比較して圧力ヘッドを生じ、下流側の圧力が高くなる。

２つの軸受のうち、軸受１０８はシャフト１０６を回転可能に支持し、かつ、図１の上下方向、すなわちシャフト１０６の軸方向についての荷重も支持する。一方、すべり軸受１０９は支持部１１０に固定され、シャフト１０６の半径方向への振れ回りを抑制してインペラ１０５の流路１０４の壁面やケーシング１０１等への衝突を防止するほか、シャフト１０６やインペラ１０５の回転運動に伴い生じる振動を抑制する。

図２は、すべり軸受１０９周辺の拡大図である。すべり軸受１０９においては、略円筒形状のスリーブ１１１Ａの内周に、半径方向に凹形状を持つ静圧ポケット１１２Ａが複数形成されている。各々の静圧ポケット１１２Ａには、流路１０４の吐出側から支持部１１０およびスリーブ１１１Ａを貫通する静圧供給通路１１３がオリフィス１１４を介して開口している。これにより、インペラ１０５の回転により流路１０４の下流側に移送された高圧流体の一部が、静圧供給路１１３およびオリフィス１１４を通過して静圧ポケット１１２Ａに導入され、シャフト１０６外周とスリーブ１１１Ａ内周の隙間を満たす。

静圧ポケット１１２Ａは、スリーブ１１１Ａ内周において、複数の静圧ポケット１１２Ａが周方向に配列し静圧ポケット列を形成している。スリーブ１１１Ａ内周のシャフト１０６軸方向における両端部近傍に、静圧ポケット列がそれぞれ１列ずつ設けられている。また、スリーブ１１１Ａ内周の中央部には、静圧ポケット列の存在しない円筒内周面領域１１５が静圧ポケット列に挟まれて設けられている。

図３はスリーブ１１１Ａの詳細を示す斜視図である。スリーブ１１１Ａ内周に、静圧ポケット１１２Ａが周方向に複数並んだ静圧ポケット列１１６がスリーブ１１１Ａの両端部近傍に１列ずつ設けられているのに対し、スリーブ１１１Ａ外周には静圧供給通路１１３が設けられている。一方の静圧ポケット列１１６に連通した静圧供給通路１１３と他方の静圧ポケット列に連通した静圧供給通路１１３は独立して設けられ、図２にも示されるように、それぞれが個別に流路１０４の下流側に連通している。

発明者は、本発明によるすべり軸受を構成して負荷能力と軸受剛性の評価を行い、本発明の適用による負荷能力および軸受剛性の向上効果を検証するとともに、効果的に負荷低減および軸受剛性の向上が可能となる静圧ポケット１１２Ａと、それによる静圧ポケット列１１６に挟まれた円筒内周面領域１１５との関係を検討した。その結果を図４から図５を用いて次に説明する。

図４は、静圧ポケット１１２Ａに供給する流体の圧力を一定とし、スリーブ１１１Ａの内周における静圧ポケット１１２Ａの幅と円筒内周面領域１１５の幅を変えた際の軸受の負荷能力を示す。円筒内周面領域１１５の幅が、円筒内周面領域１１５を挟んで両側に設けられた静圧ポケット列１１６の幅の合計よりも大きくなると、それ以下の場合と比較して軸受の負荷能力増加率が特に向上する結果となった。

図５は、静圧ポケット１１２Ａに供給する流体の圧力を一定とし、スリーブ１１１Ａの内周における静圧ポケット１１２Ａの幅と円筒内周面領域１１５の幅を変えた際の軸受剛性の例である。円筒内周面領域１１５の幅が、円筒内周面領域１１５を挟んで両側に設けられた静圧ポケット列１１６の幅の合計よりも大きくなると、それ以下の場合と比較して軸受剛性増加率が特に向上する結果となった。

このように、スリーブ１１１Ａ内周の両端部近傍に設ける静圧ポケット列１１６と、それに挟まれた円筒内周面領域１１５を形成するにあたっては、シャフト１０６の軸方向について円筒内周面領域１１５の幅を、それを挟む静圧ポケット列１１６の幅の合計よりも大きくすることにより、なお一層効果的に負荷容量および軸受剛性を増加できることが検証された。

静圧ポケット列をスリーブ内周の両端部近傍に設ける主目的は、静圧ポケット列に挟まれて位置する円筒内周面領域の両端の圧力を高い状態に保持し、円筒内周面領域に発生する動圧レベルを維持することにある。

図６は、この目的をより確実に達成するための、すべり軸受のスリーブ部分の実施例２を示す。スリーブ１１１Ｂ内周の両端部近傍に静圧ポケット列１１６を２列ずつ設け、隣接する２つの静圧ポケット列１１６において、周方向に交互に静圧ポケット１１２Ｂが配置されている。

スリーブ１１１Ｂの内周中央部には、静圧ポケット１１２Ｂの存在しない円筒内周面領域１１５が形成され、円筒内周面領域１１５におけるシャフト１０６軸方向の幅は、円筒内周面領域１１５を両側に挟んでいる合計４列の静圧ポケット列１１６の幅よりも大きい。

このような構成とすることにより、１つの静圧ポケット列１１６において静圧ポケットが存在していない周方向角度位置に、隣接する他の静圧ポケット列１１６に属する静圧ポケット１１２Ｂが位置するようになり、スリーブ１１１Ｂの両端部の全周において静圧ポケット１１２Ｂによる静圧の供給が連続的に満遍なく行われるようになる。これにより、円筒内周面領域１１５の圧力がより高い状態で保持され、すべり軸受として高い負荷容量および軸受剛性を得ることが可能となる。

また、図７は、スリーブ１１１Ｃ内周の両端部近傍、すなわち円筒内周面領域１１５の両端の圧力を増加させるための、すべり軸受のスリーブ部分の実施例３を示す。静圧ポケット１１２Ｃは、周方向およびシャフト１０６軸方向に非対称な形状となっており、静圧ポケット１１２Ｃの周方向端部には部分的に静圧ポケット延長部１１７が設けられている。静圧ポケット延長部１１７は、周方向に隣接する他の静圧ポケット１１２Ｃの静圧ポケット延長部１１７とは分離しているが、周方向の一定設置角度範囲では部分的に重なりあっている。

静圧ポケット１１２Ｃは、スリーブ１１１Ｃの端部に近い外側において、シャフト１０６の回転方向１１８の上流側に延びた静圧ポケット延長部１１７が形成され、スリーブ１１１Ｃの端部から遠い内側において、下流側に延びた静圧ポケット延長部１１７が形成されている。

このような構成とすることにより、スリーブ１１１Ｃの両端部の全周において静圧ポケット１１２Ｃによる静圧の供給が連続的に満遍なく行われるようになる。これにより、円筒内周面領域１１５の圧力を高い状態に保持し、すべり軸受として高い負荷容量および軸受剛性を得ることが可能となる。

さらに、静圧ポケット１１２Ｃの周方向端部の小領域を加工して静圧ポケット延長部１１７を形成するだけでよいので、静圧ポケット列１１６を合計４列設ける図６の例と比較して、製造コストが低減される。

また、静圧ポケットは１１２Ｃは、シャフト１０６の回転方向下流側でスリーブ１１１Ｃの内側が延長しているため、シャフト１０６の回転にしたがって、静圧ポケット１１２Ｃ内の流体をスリーブ１１１Ｃの中央側に引きこもうとする吸引力が作用し、円筒内周面領域１１５により高い圧力が保持されやすくなる。

また、同様に、図８は、スリーブ１１１Ｄ内周の両端部近傍、すなわち円筒内周面領域１１５の両端の圧力を増加させるための、すべり軸受のスリーブ部分の実施例４を示す。図７に示した例のように静圧ポケット１１２Ｄに静圧ポケット延長部１１７を形成する代わりに、静圧ポケット１１２Ｄがひし形状に形成されている。静圧ポケット１１２Ｄは、スリーブ１１１Ｄの端部に近い外側ほどシャフト１０６の回転方向１１８の上流側になめらかに延長され、スリーブ１１１Ｄの端部から遠い内側ほど静圧ポケット１１２Ｄが周方向の下流側になめらかに延長される。このような構造とすることにより、図７の例と比較し、シャフト１０６の回転にしたがって静圧ポケット１１２Ｄ内の流体をスリーブ１１１Ｄの中央側に引きこもうとする吸引力がより作用しやすくなるため、円筒内周面領域１１５により高い圧力が保持されやすくなる。

また、図９は、スリーブ１１１Ｅの内周面における静圧ポケット１１２Ｅの存在しない部位に、異物排出溝１１９を形成した例である。異物排出溝１１９は、スリーブ１１１Ｅの中央部にある円筒内周面領域１１５およびスリーブ１１１Ｅの両端部において静圧ポケット１１２Ｅの存在しない部位に設ける。異物排出溝１１９は、静圧ポケット１１２Ｅとは別の半径方向に凹なる溝で、かつ、オリフィス１１４が開口しない溝である。

シャフト１０６の外周とスリーブ１１１Ｅの内周との隙間に異物や摩耗粒子等が流入してとどまると、シャフト１０６やスリーブ１１１Ｅを摩耗損傷させる恐れがある。図９のような構造とすることにより、シャフト１０６の外周とスリーブ１１１Ｅの内周との隙間に流入した異物や摩耗粒子等の排出が促進される。

異物排出溝１１９は、オリフィス１１４が開口せず、静圧供給通路１１３とは直接連通していないので、円筒内周面領域１１５に発生した動圧が静圧供給通路１１３を通じて逃げることにより円筒内周面領域１１５の圧力を低減させる作用は小さい。

また、シャフト１０６外周とスリーブ１１１Ｅ内周との隙間に流入する異物や摩耗粒子等の大きさは、最大でもその隙間と同等のサイズであるから、異物排出溝１１９の深さも隙間と同等程度で良い。このため、異物排出溝１１９の深さを隙間と同等程度とすれば、スリーブ１１１Ｅの端部まで設けられている場合においても、端部における隙間断面積の拡大は小さく、この経路を通じた圧力の逃げを小さくできる。これにより、すべり軸受に高い負荷能力と軸受剛性を確保しつつ、異物や摩耗粒子等によるシャフト１０６やスリーブ１１１Ｅの損傷の恐れの少ない信頼性の高いすべり軸受を構成できる。

また、図１０は、円筒内周面領域１１５にオリフィス１１４が開口しない溝１２０を形成した例である。各々の溝１２０は、スリーブ１１１Ｆの端部により近い外側がシャフト１０６の回転方向１１８において上流側に延伸し、スリーブ１１１Ｆの端部より遠い内側がシャフト１０６の回転方向１１８において下流側に延伸している。このような構造とすることにより、円筒内周面領域１１５において流体の流れが乱流化しやすくなり、あるいは、シャフト１０６の回転にしたがって流体をスリーブ１１１Ｆの中央側に引きこもうとする吸引力がより作用しやすくなるため、動圧を発生させる効果が高まる。

また、異物や摩耗粒子等が溝１２０の内部に捕集されることにより、異物や摩耗粒子等によるシャフト１０６やスリーブ１１１Ｆの損傷の恐れの少ない信頼性の高いすべり軸受を構成できる。

上記の実施例において明らかなように、本発明によるすべり軸受においては、スリーブ内周の中央に所定の円筒内周面領域を確保し、それを挟んでスリーブの両端部に静圧ポケット列を配置した構造により、シャフト回転時に動圧が生ずる円筒内周面領域での圧力を高め、円筒内周面領域により高い圧力を保持することにより負荷能力および軸受剛性の向上がなされる。

また、スリーブの両端部それぞれにおいて静圧供給通路を独立に設け、十分な量の高圧流体を供給可能な圧力源に個別に連通させることにより、特定の静圧ポケット列での圧力低下が他のポケット列に及ぼす影響が限定され、シャフトがスリーブ内周に対して傾斜あるいは変形した姿勢となっている場合においても、高い負荷能力と軸受剛性が確保される。

また、スリーブ内周において円筒内周面領域をシャフト軸方向についてスリーブの開放端部よりも圧力の高い静圧ポケット列で挟んだ配置とし、この円筒内周面領域の幅をシャフト軸方向について静圧ポケット列の幅の合計よりも大きく設けることにより、シャフト回転時における円筒内周面領域の圧力が増加することに加え、すべり軸受の負荷容量は特にシャフト偏心時に円筒内周面領域に生じる圧力に依存する比率が大きくなる。このため、外部からの供給圧力を増加させずとも、あるいはシャフト外周とスリーブ内周との隙間を狭めずとも、あるいはスリーブの体格を拡大せずとも、すべり軸受全体としての負荷能力および軸受剛性を効果的に増加可能となる。

また、静圧ポケット列をスリーブの両端部近傍それぞれに設け、それぞれに通ずる静圧供給通路を互いに独立させ、高圧流体を十分に供給可能な圧力源に接続した構造により、シャフトがスリーブ内で傾斜した際にも、シャフトの姿勢を押し戻すモーメント力が生じるほか、傾斜により特定部分の隙間が拡大してその周辺の静圧ポケットで圧力が低下しても、他の静圧ポケット列には影響を及ぼさないため、シャフト傾斜時にも高い負荷能力と軸受剛性を確保可能となる。

また、本発明のポンプ装置によれば、本発明のすべり軸受を内包し、さらにポンプ装置の吐出側から静圧ポケットに圧力流体を供給する構造を有するので、静圧ポケットに圧力流体を供給するための追加的なポンプ装置が不要となり、システムを小型に構成できる。

また、シャフト外周とスリーブ内周との隙間をある程度広く確保しても、あるいはシャフトがスリーブ内である程度傾斜しても、ポンプ装置から静圧ポケットに供給する流体の圧力よりも高い動圧を円筒内周面領域に発生させて保持することが可能となる。これにより、高速増殖炉の循環冷却系に用いられる縦軸ポンプ装置のような、大きな熱変形や製造誤差等に対してもシャフトの回転運動を安定して支持する必要のある大型のポンプ装置においても、軸受が高い負荷能力と軸受剛性を確保可能となり、高い信頼性を確保できる。

例えば、高速増殖炉の循環冷却系においては、冷却媒体として流体ナトリウム等の流体金属が多く使用される。流体金属を移送するためのポンプ装置においては、他の物質の混入を防止するため、同じ流体金属を潤滑に使用することが望まれる。一般に、流体金属は高温において粘度が一般機械用の潤滑油や水よりも小さくなる性質を有し、潤滑性には劣る。また、ポンプ装置においては、放射線の遮蔽部を設けるためにインペラを回転させるシャフトを長尺にする必要があるほか、高温の流体金属を取り扱うために熱変形や製造時の誤差によりある程度のシャフトの傾斜や変形が避け難い。

本発明によるポンプ装置においては、内包するすべり軸受の静圧ポケットに、ポンプ装置のインペラにより高圧となった流体を供給するため、ポンプ装置内で冷却媒体に他の物質が混入する心配が無い。また、すべり軸受におけるスリーブ内周の中央に所定の円筒内周面領域を確保し、それを挟んでスリーブの両端部に静圧ポケット列を配置した構造により、シャフト回転時に動圧が生ずる円筒内周面領域での圧力を高め、円筒内周面領域により高い圧力を保持することにより、潤滑性に劣る流体金属等の低粘度流体を用いた場合でも高い負荷容量と軸受剛性を確保可能となる。すべり軸受の負荷容量は、特にシャフト偏心時に動圧に依存するところが大きく、負荷能力確保のために外部で軸受に供給する流体の圧力を特別に増加させるための装置を設置する必要が無い。このため、ポンプ装置をシンプルかつ小型に構成可能となる。

また、シャフト外周とスリーブ内周との隙間を比較的広くしても、あるいは、シャフトがスリーブ内周に対して傾斜あるいは変形した姿勢となっている場合においても、高い負荷能力と軸受剛性が確保されるため、熱変形や製造時の誤差等を許容し、安定したシャフト回転の支持が行われる。また、スリーブ内周の端部近傍に静圧ポケットが設置されるため、万が一、シャフトに過大な荷重が作用してスリーブ内周の端部近傍に傾斜したシャフトが直接接触をした場合においても、その周辺に静圧ポケットからの流体が供給されて冷却及び潤滑がなされるため、摩耗やかじりによる損傷を軽減できる。

１００：ポンプ装置
１０１：ケーシング
１０２：吸入口
１０３：吐出口
１０４：流路
１０５：インペラ
１０６：シャフト
１０７：回転動力源
１０８：軸受
１０９：すべり軸受
１１０：支持部
１１１Ａ〜１１１Ｆ：スリーブ
１１２Ａ〜１１２Ｆ：静圧ポケット
１１３：静圧供給通路
１１４：オリフィス
１１５：円筒内周面領域
１１６：静圧ポケット列
１１７：静圧ポケット延長部
１１８：シャフト回転方向
１１９：異物排出溝
１２０：溝

Claims

回転可能なシャフトに対しその内周で液体を介してしゅう動支持する略円筒形状のスリーブと、前記スリーブを貫通して外部の圧力源から前記スリーブ内周に高圧液体を供給する静圧供給通路と、前記スリーブ内周に設けられるとともに半径方向に凹形状を有し前記静圧供給通路が開口する静圧ポケットとを備えたすべり軸受において、
前記静圧ポケットが周方向に複数並んだ静圧ポケット列が前記スリーブ内周のシャフト軸方向の両端部近傍にそれぞれ少なくとも１列形成され、かつ、前記スリーブ中央部には前記静圧ポケット列に挟まれて前記静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域が設けられ、前記静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域の前記シャフト軸方向の幅が、前記静圧ポケット列の前記シャフト軸方向の幅の合計よりも大きく設けられていることを特徴とするすべり軸受。
請求項１に記載されたすべり軸受において、前記静圧ポケットは、前記スリーブ端部に近い外側が前記スリーブ端部から遠い内側よりも前記シャフトの回転方向について上流側に延伸し、かつ、前記スリーブ端部から遠い内側が前記スリーブ端部に近い外側よりも前記シャフト回転方向の下流側に延伸した形状を有することを特徴とするすべり軸受。
流体流路の途中に配置されて回転運動により液体を移送するインペラと、回転動力源に接続して前記インペラを回転駆動するシャフトと、前記シャフト外周面を液体を介してしゅう動支持する略円筒形状のスリーブと、前記スリーブを貫通して前記流体流路の吐出側から前記スリーブ内周に高圧液体を供給する静圧供給通路と、前記スリーブ内周に設けられるとともに半径方向に凹形状を有し前記静圧供給通路が開口する静圧ポケットを備えた滑り軸受を有するポンプ装置において、
前記静圧ポケットが周方向に複数並んだ静圧ポケット列が前記スリーブ内周のシャフト軸方向の両端部近傍に少なくとも１列形成され、かつ、前記スリーブ中央部には前記静圧ポケット列に挟まれて前記静圧ポケットの存在しない円筒内周面領域が設けられ、前記円筒内周面領域の前記シャフト軸方向の幅が、前記静圧ポケットの前記シャフト軸方向の幅の合計より大きく設けられていることを特徴とするポンプ装置。
請求項３に記載されたポンプ装置において、前記流体流路に流れる液体は流体金属であることを特徴とするポンプ装置。
請求項３に記載されたポンプ装置において、前記静圧ポケットは、前記スリーブ端部に近い外側が前記スリーブ端部から遠い内側よりも前記シャフトの回転方向について上流側に延伸し、かつ、前記スリーブ端部から遠い内側が前記スリーブ端部に近い外側よりも前記シャフト回転方向の下流側に延伸した形状を有することを特徴とするポンプ装置。