JP5605962B2 - 硬質／軟質ペアリングを有する滑り軸受 - Google Patents

Description

本発明は、特に水中発電所の回転ユニットのアキシアル軸受及び／又はラジアル軸受を形成するための、滑り面のための硬質／軟質ペアリングを有する滑り軸受に関する。

水中にある独立した設備として設計されている、潮汐の流れ又は水流を活用するための水中発電所は、特にアクセスしにくい設置場所については、点検処置を可能な限り大幅に回避するために、高い安定性を示さなくてはならない。その際、典型的にプロペラ型に設計された水力タービンとシャフトスタブとを有する回転ユニットの軸受は、設備全体の耐久年数を左右する基本的な構成要素である。

軸受への沈殿物の取り込みが完全には排除され得ない駆動条件であっても望ましい安定性を有する軸受を形成する可能性は、例えば船舶用の船尾管軸受として知られている水潤滑滑り軸受を用いることにある。そのような軸受は、材料の硬度と延性とに明瞭な違いを示す滑り面を備える。そのような硬質／軟質ペアリングのために、例えば、ポリマー材料例えばオルコット（Orkot）（登録商標）から成る滑り面を有する多数の滑りシューが、第１滑り軸受胴を形成するために用いられている場合がある。第２滑り軸受胴のカウンタスラスト面は、典型的に鋼部品から成る。そのような滑り軸受は、潤滑剤としての水が充分に供給されれば、砂粒などの研削材が取り込まれても、摩耗が少ない。

当該分野に係る軸受の不利点は、メートル単位での軸受寸法を有する水中発電所のために存在するような、構造規模が大きい場合の製造技術上のコストである。その際、特に、より高い硬度を有するシームレスな滑り面が精密に製造されなくてはならない。これは特に、例えば水中発電所のために、互いに相対的に精密に調節されなくてはならない、ラジアル方向とアキシアル方向の負荷を支持するための複数の滑り軸受が備わっている場合に、コストがかかる。

典型的にシームレスに形成される、当該分野に係る滑り軸受のより高い硬度の滑り面には、一般に、例えばフライス加工や仕上げ研磨のような機械的な加工ステップによる、コストのかかる製造プロセスが要求される。これは特に、そのような軸受面が、規模が大きく一塊に存在する、水中発電所の回転ユニットに取り付けられなくてはならない場合に、高い製造コストをもたらす。さらに、そのようにして設計された滑り面は、設備のある程度の駆動期間後には、ほとんど修理不可能になる。設備全体を解体し、かつ全体として回転ユニットのシャフトスタブに手を加えるか又は交換することが、不可避である場合がある。

特許文献１は、弾性Ｏリングによってシャフト上に支持される走行要素を開示している。さらに特許文献２からは、組立て時には初め接着特性を備えていないが、続いて固定を実施するために活性化される接着剤を使って、転がり軸受の軸受インナーリングをシャフトに固定することが知られている。それは、ホットメルト接着剤であってよい。

仏国特許出願公開第２４４２３７１号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０５２５７４号明細書

本発明の課題は、当該分野に係る滑り軸受を、その組立と調節とが容易になるように構造的に形成することである。さらに、点検の場合には個々の滑り面を修理できる可能性がなくてはならない。加えて、滑り面は、水中発電所の過酷な環境条件下でも特に海中の立地でほぼメンテナンスフリーである材料から形成されるべきである。

本発明は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な形態は、従属請求項からもたらされる。

その際、少なくとも１つの好適には複数の滑り軸受セグメントを有する第１滑り軸受胴と、１つの走行要素を有する第２滑り軸受胴とを備える、特に水中発電所のための当該分野に係る滑り軸受が考慮される。そのような滑り軸受のために、より硬度の高い滑り面を形成し、かつ中間層を介して支持体に支持される、別個の走行要素を用いることが提案される。

走行要素を別個に形成することによって、設備それぞれの滑り面を作り、後に交換することが可能となる。それに応じて、ラジアル軸受を形成するために、滑り面をシャフトにフライス加工する代わりに、支持体としてのシャフトに支持されるスラストリングを用いることが可能である。それに対応して、走行要素としての、アキシアル方向の力を支持するためのスラストカラーに、スラストリングが配設されてよい。さらに、走行要素を別個に形成すれば、構造規模が小さくなった構成部品を取り扱うことができるという利点がもたらされ、その結果コーティング法が容易になる。しかも、支持体が走行要素を背面で支持しているので、硬度が高いがある程度の脆性を有する材料を用いることができる。これによって、走行要素を、少なくとも部分的にセラミックス材料又はガラス状の材料から形成し、又はそのようなコーティングを用いることが可能である。

本発明に従えば、走行要素と支持体との間に、ある程度の可塑変形能を備える中間層が備えられている。その際に、特に好ましいのは、可塑変形能の程度を意図的に調整できることである。このために、取付状態においてはまず可塑性があり、それからさらなるプロセスステップにおいては延性のより低い材料に変換され得る材料が、特に問題となる。特に好ましくは、この目的のために特定の温度管理が予め設定される。

その際、熱可塑性物質又はホットメルト接着剤から中間層を作ることが考えられ得る。充分な可塑変形能がある温度領域に、熱可塑性物質を移行してよい。ホットメルト接着剤が用いられるならば、走行要素の最初の組立時に又は調節時に、対応して融点を越える加熱が行われる。温度が下がるにつれて、中間層の可塑変形能が低下し、その結果、滑り軸受の駆動時に発生する軸受温度で、走行要素を支持体に確実に支持することが保証されている。しかしながら、自動調整可能という意味において、軸受内の面圧力が異常に高い場合に、ある程度の再調整の可能性を残しておくために、中間層の可塑変形能のある程度の残りを通常駆動のためにも温存しておくことが好ましい。

以下に本発明が、実施例と見取り図とに基づいて、より詳細に説明される。図で詳細に表わされるのは以下である。

スラストカラーのアキシアル方向の力を支持するための、本発明に係る滑り軸受の断面部分図である。 ラジアル方向に支持するための、本発明に係る滑り軸受の断面部分図である。 本発明に従って形成された滑り軸受を有する水中発電所の断面部分図である。

図３は、簡略化された水中発電所２０の部分的な断面の概略図である。水中発電所２０の回転ユニットは、水力タービン２１と、フード２２と、シャフトスタブ２３と、シャフトスタブ２３に隣接している、発電機２６のロータ２８を支持するためのシャフト部品２９とを備えている。この回転ユニットは、２つのラジアル軸受３０．１、３０．２によってラジアル方向に支持され、且つ、アキシアル軸受３１．１、３１．２によってアキシアル方向にスラストカラー７で支持されている。これら軸受それぞれは、水潤滑滑り軸受として設計されており、中間層を介して支持体に支持されている１つの本発明に係る走行要素を備えている。これについては、より正確に後述する。滑り軸受それぞれは、セグメントに設計された第１軸受胴を備えており、このために用いられる滑り軸受セグメントは、ポリマー材料から成る滑り面を備えている。さらに、滑り軸受セグメントは、水中発電所２０の固定式ハウジング部品の第１セグメント２５．１と第２セグメント２５．２とに、調整可能に固定されている。

図１は、アキシアル軸受３１．２の拡大断面図である。図１では、第１軸受胴２．１は多数の滑り軸受セグメント３．１を備えており、図１には、多数の滑り軸受セグメント３．１のうち一の滑り軸受セグメントの横断面が表わされている。当該実施例では、滑り軸受セグメントの滑り面４．１は、ポリマーベースの耐海水性の滑り軸受材質から成る。滑り軸受セグメントの滑り面４．１は土台５．１に支えられており、好ましくは、位置を調節し且つハウジング部品６．１に固定するための、詳細には図示しない装置を備えている。付加的に、滑り軸受セグメント３．１をある程度移動可能にしてハウジング部品６．１に保持することが可能である。

第２滑り軸受胴１３．１は、本滑り軸受１．１において、スラストカラー７の一部として形成されている。それに従えば、支持体９．１は、溝１９が形成されているスラストカラー支持体１８である。溝１９の底部には、中間層１５．１が配置されており、走行要素１０．１が、中間層１５．１上にスラストディスク１１の形状で設けられている。好ましくは、中間層１５．１には、スラストディスク１１が部分的に溝１９内に突入するような材質の厚みが選択され、その結果、一方ではスラストディスク１１の側面ガイドの改善がもたらされ、他方ではスラストディスク１１の縁部と、溝１９の隣接する内壁との間に、溝１９内の中間層１５．１が、高い可塑変形能の状態であっても溝内に充分に保持されるよう選択された、極僅かな間隔の幅だけが残されている。

好ましい第１の形態では、中間層１５．１は熱可塑性物質から成る。その際、好ましくは、熱可塑性物質は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニルとアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）によって形成される群から選択される。例えば、図１に概略的に表わす電気加熱装置３３が発生させ得る加熱によって、プラストマーは、充分に高い可塑変形能の状態に移行される。走行要素１０．１を最初の組立時に調節するために、又は点検の場合に改めて調整するために使われる当該状態において、走行要素１０．１は、詳細に図示しない測定装置とガイド装置とによって、さらなるアキシアル軸受３１．１とラジアル軸受３０．１、３０．２の走行面との関係で配置される。このために、回転ユニットのシャフトスタブ２３が精密にクランプされ、且つ、回転運動される場合には、正確に調整されたストッパーによって、滑り軸受の走行要素の自動調心が実施され得る。

図２は、本発明の代替的形態におけるラジアル軸受３０．１の部分的な拡大図である。この場合、当該分野に係る滑り軸受１．２は、第１軸受胴２．２を備えており、第１軸受胴２．２では、土台５．２と滑り軸受セグメントの滑り面４．２とを有している滑り軸受セグメント３．２が形成されており、滑り軸受セグメント３．２は、ハウジング部品６．２に固定されている。

本発明に係る滑り軸受１．２の第２滑り軸受胴１３．２は、スラストリング１２の形状の、別個の走行要素１０．２を備えている。当該実施例では、スラストリング１２の内径は、支持体９．２であるシャフト８の外径より大きく作られている。それに応じて、スラストリング１２を、シャフト８の上方に組み立てても良い。そうして形成される、スラストリング１２とシャフト８との間の空間は、中間層１５．２で満たされている。このために、軸受構成要素の温度が上げられ、高温状態で流動可能なホットメルト接着剤が、シャフト８の貫通口１７を介して空間に充填される。ホットメルト接着剤のベースポリマーとして、好ましくはポリアミド、ポリエチレン、非晶質ポリアルファオレフィン、エチレン酢酸ビニル、ポリエステルエラストマー、ポリウレタンエラストマー、コポリアミドエラストマー、又はこれらポリマーの混合物が用いられる。

好ましくは、弾性を有している密閉要素１６．１、１６．２が、ホットメルト接着剤の漏出を防ぐために、スラストリング１２とシャフトとの間の空間の、リング状の間隙開口部に設けられている。ホットメルト接着剤を塗布した後に、シャフト８に対して相対的にスラストリング１２が調節される。この処置によって、非円度と芯出しの不正確さとは、スラストリングを別個に再加工する必要がない程度に、補償される。続いて、ホットメルト接着剤を硬化させるために、滑り軸受１．２の冷却が行われる。

図２は、走行要素１０．２が硬質層１４を支える形態を表わす。この硬質層は、ガラス状の材料、又は好ましくはコーティング法によってスラストリング１２に塗布されているセラミックスから成る。そのような形態では、滑り面と比べてより軟質の材料からスラストリングを作ることが可能である。非金属の材質を用いることも考えられる。エポキシ樹脂、例えばエポキャスト（Epocast）（登録商標）を用いての鋳造技術上の製造も考えられる。さらに、走行要素１０．１、１０．２を、当該走行要素が形状適合のためのある程度の弾性を有しているように製造する場合がある。その後、滑り面の望ましい精密な輪郭は、堆積された中間層１５．１、１５．２が充分可塑的に変形可能な、調節の方法ステップにおいて初めて調整される。可塑変形能の低下と共に、そのように調整された滑り面の輪郭は安定し、その結果として、滑り軸受の駆動時に、充分な耐負荷を有していると共に精密な滑り面を利用可能とされる。その際、滑り面は好適には再調節可能であり、且つ、例えばスラストカラーを介して、不精密に互いに調整された回転構成要素による揺動の衝撃を、中間層が最低限の可塑変形能を維持し、走行要素が、常に、向かい合う滑り面の最狭点に対して最小限の間隔を維持することによって、減少させることができる。

本発明は、以下の保護される請求項の枠内において、当業者によって変化されてよい。その際、本発明に係る滑り軸受は、状況によっては滑り面を形成するために構成される複数の走行要素１０．１、１０．２を備える可能性があり、当該走行要素は、ワンピースの走行要素に対応して、調整可能な可塑変形能を有する中間層１５．１、１５．２を介して、支持体９．１、９．２と接合され且つ互いに相対的に調節可能とされる。

１．１、１．２ 滑り軸受
２．１、２．２ 第１滑り軸受胴
３．１、３．２ 滑り軸受セグメント
４．１、４．２ 滑り軸受セグメントの滑り面
５．１、５．２ 土台
６．１、６．２ ハウジング部品
７ スラストカラー
８ シャフト
９．１、９．２ 支持体
１０．１、１０．２ 走行要素
１１、１１．１、１１．２ スラストディスク
１２、１２．１、１２．２ スラストリング
１３．１、１３．２ 第２滑り軸受胴
１４ 硬質層
１５．１、１５．２ 中間層
１６．１、１６．２ 密閉要素
１７ 貫通口
１８ スラストカラー支持体
１９ 溝
２０ 水中発電所
２１ 水力タービン
２２ フード
２３ シャフトスタブ
２４ ナセル
２５．１ 第１セグメント
２５．２ 第２セグメント
２５．３ 第３セグメント
２５．４ 第４セグメント
２６ 発電機
２７ ステータ
２８ ロータ
２９ シャフト部品
３０．１、３０．２ ラジアル軸受
３１．１、３１．２ アキシアル軸受
３２ 支持構造体
３３ 電気加熱装置
３４ 回転軸

Claims (10)

1. 第１滑り軸受胴（２．１、２．２）を形成するための少なくとも１つの滑り軸受セグメント（３．１、３．２）と、
   前記滑り軸受セグメント（３．１、３．２）に対する軸受カウンタ面を形成する、第２滑り軸受胴（１３．１、１３．２）の少なくとも１つの滑り要素（１０．１、１０．２）であって、前記滑り要素（１０．１、１０．２）の滑り面が前記滑り軸受セグメント（３．１、３．２）の滑り面より高い硬度を備えている、前記滑り要素（１０．１、１０．２）と、
   前記滑り要素（１０．１、１０．２）の支持体（９．１、９．２）と、
   前記滑り要素（１０．１、１０．２）と前記支持体（９．１、９．２）との間に設けられている中間層（１５．１、１５．２）であって、その可塑性変形能が電気加熱装置（３３）による温度管理によって調整可能である前記中間層（１５．１、１５．２）と、
   を備えている滑り軸受の製造方法において、
   前記中間層（１５．１、１５．２）の可塑性変形能を高めるために、電気加熱装置（３３）による温度管理によって、該中間層（１５．１、１５．２）を、滑り軸受の駆動時に発生する温度を超えて加熱するステップと、
   加熱された前記中間層（１５．１、１５．２）が固化する前に、前記滑り要素（１０．１、１０．２）を調節する方法ステップであって、前記支持体（９．１、９．２）が、前記中間層（１５．１、１５．２）及び前記滑り要素（１０．１、１０．２）と共にクランプされ、回転運動させられて、且つ、前記滑り要素（１０．１、１０．２）を自動調心するために測定装置とガイド装置のストッパーに対してガイドされる前記方法ステップと、
   それに続いて、電気加熱装置（３３）による温度管理によって前記中間層（１５．１、１５．２）の可塑変形能を低下させる方法ステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 前記中間層（１５．１、１５．２）が、熱可塑性物質又はホットメルト接着剤を備えていることを特徴とする請求項１に記載の、滑り軸受の製造方法。
3. 前記熱可塑性物質が、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル、及びアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）から選択されていることを特徴とする請求項２に記載の、滑り軸受の製造方法。
4. 前記ホットメルト接着剤のベースポリマーが、ポリアミド、ポリエチレン、非晶質ポリアルファオレフィン、エチレン酢酸ビニル、ポリエステルエラストマー、ポリウレタンエラストマー、コポリアミドエラストマーによって形成されるグループから選択されていることを特徴とする請求項２に記載の、滑り軸受の製造方法。
5. 前記支持体（９．１、９．２）には、溝（１９）が作られており、
   前記溝（１９）内に、前記中間層（１５．１、１５．２）と前記滑り要素（１０．１、１０．２）の一部とが受容されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の、滑り軸受の製造方法。
6. 少なくとも１つの密閉要素（１６．１、１６．２）が備わっており、
   前記密閉要素（１６．１、１６．２）が、前記滑り要素（１０．１、１０．２）と前記支持体（９．１、９．２）との間の間隙から前記中間層（１５．１、１５．２）が漏出することを防ぐことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の、滑り軸受の製造方法。
7. 前記支持体（９．１、９．２）が、スラストカラー支持体（１８）の一部であり、
   前記滑り要素（１０．１、１０．２）が、スラストカラー（７）に配設されたスラストディスク（１１、１１．１、１１．２）であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の、滑り軸受の製造方法。
8. 前記滑り要素（１０．１、１０．２）が、鋼から、又はセラミックス又はガラスから成っているか、又はそのような材料によって被覆されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の、滑り軸受の製造方法。
9. 前記滑り要素（１０．１、１０．２）の滑り面には、金属窒化物又はセラミックスから成るコーティングが施されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の、滑り軸受の製造方法。
10. 前記滑り軸受セグメント（３．１、３．２）が、ポリマー材料から成る滑り面（４．１、４．２）を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の、滑り軸受の製造方法。

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