JP5802599B2 - Pressure balance land type thrust bearing device - Google Patents

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ターボ機械の回転軸を支持するガスや空気を使用した軸受に関する技術分野 Technical field on bearings using gas and air to support the rotating shaft of turbomachine

近年、環境問題が重要視されるようになり、代替冷媒や自然冷媒が採用されるようになってきている。冷凍空調機等の冷媒による環境破壊が問題視されているが、軸受などを潤滑する潤滑油も後処理が困難であり、既に使用を禁止されている鉛や類似の添加剤が混入されており、潤滑油の使用は環境面から見ても好ましくない。また、冷媒と混在する潤滑油の処理は難しく、冷媒とともに廃棄されることが多く、環境汚染の原因となる。 In recent years, environmental issues have become more important and alternative refrigerants and natural refrigerants have been adopted. Although environmental destruction caused by refrigerants such as refrigeration air conditioners is regarded as a problem, lubricating oil that lubricates bearings is difficult to post-process, and lead and similar additives that are already prohibited are mixed in The use of lubricating oil is not preferable from an environmental point of view. Also, it is difficult to treat the lubricating oil mixed with the refrigerant, and it is often discarded together with the refrigerant, which causes environmental pollution.

作動流体に混じった潤滑油は、熱交換器などへ流入すると伝熱面に付着して伝熱特性を阻害することは周知のことであり、ヒートポンプなどの成績係数COPが低下し、システム全体の効率が大きく低下している。また、100℃以上で潤滑油を使用する場合、高温の壁面に付着或は炭化して固化、流体の流れを妨げることがある。 It is well known that the lubricating oil mixed in the working fluid adheres to the heat transfer surface when it flows into a heat exchanger or the like, thereby impairing heat transfer characteristics. Efficiency is greatly reduced. In addition, when lubricating oil is used at a temperature of 100 ° C. or higher, it may adhere to or carbonize on a high-temperature wall surface to solidify and prevent fluid flow.

回転機械の回転軸を支える軸受は、一般的に油などの潤滑剤で潤滑、冷却されて回転しているが、潤滑剤の供給ポンプ、圧力調整器、冷却器などの付属設備が必要なためにシステムとして複雑で大きなものとなっている。このため、ターボ機械などのシステムに使われている流体を潤滑剤として使用する軸受が望まれ、ガスを潤滑剤として使用するガス軸受が開発、実用化されている。 Bearings that support the rotating shafts of rotating machinery are generally lubricated and cooled by lubricants such as oil, but they require additional equipment such as lubricant supply pumps, pressure regulators, and coolers. The system is complicated and large. For this reason, a bearing using a fluid used in a system such as a turbomachine as a lubricant is desired, and a gas bearing using a gas as a lubricant has been developed and put into practical use.

動圧型ガス軸受は、長年研究開発が行われ、潤滑剤の供給なしで、且つ軸受部への流体の供給を行うことなしに作動するもので、宇宙用や航空機の空調システムの軸受に実用化されている。軸受には、回転軸の半径方向の変位を抑制するジャーナル軸受と、軸方向の変位を抑制するスラスト軸受がある。
ジャーナルガス軸受には、主に回転軸や軸受面に溝を設けたヘリングボーン型とフォイル型の軸受があり、高速回転機械にはフォイル型が使われている。フォイル型には、大きく分けてリーフフォイル型とバンプフォイル型がある。
スラストガス軸受には、へリングボーン型、テーパランド型、フォイル型等がある。
Dynamic pressure type gas bearings have been researched and developed for many years and operate without supplying lubricant and without supplying fluid to the bearing. Practical use in bearings for space and aircraft air conditioning systems Has been. The bearing includes a journal bearing that suppresses the radial displacement of the rotating shaft and a thrust bearing that suppresses the axial displacement.
Journal gas bearings mainly include herringbone type and foil type bearings having grooves on the rotating shaft and bearing surface, and foil type is used for high-speed rotating machines. The foil type is roughly classified into a leaf foil type and a bump foil type.
Thrust gas bearings include herringbone type, tapered land type, and foil type.

へリングボーン型とテーパランド型は、スラスト面が固定壁であり、軸方向の変位量が隙間量で設定されている。フォイル型は、フォイルが変形するために、隙間量と変形量で変位が規定されており、フォイル等の変形に伴い、スラスト力も変化するので、接触時の損傷が軽減される。 In the herringbone type and the taper land type, the thrust surface is a fixed wall, and the amount of axial displacement is set by the gap amount. In the foil type, since the foil is deformed, the displacement is defined by the gap amount and the deformation amount, and the thrust force is changed with the deformation of the foil or the like, so that damage at the time of contact is reduced.

ガス軸受は、負荷能力が低いために、スラスト力軽減法が考案されている。岡本らの特開平7-259855では、スラスト軸受の内径側にスラストバランス室が設けられ、スラストバランス室内の圧力を制御することによりスラスト軸受に対するスラスト力が軽減されている。圧力制御が必要であり、制御アルゴリズムにない軸の挙動に対応できない、センサー設置スペースが必要、制御蔵置とセンサーの価格が高い等の欠点がある。 Since a gas bearing has a low load capacity, a thrust force reducing method has been devised. In Okamoto et al., JP-A-7-259855, a thrust balance chamber is provided on the inner diameter side of the thrust bearing, and the thrust force on the thrust bearing is reduced by controlling the pressure in the thrust balance chamber. There are drawbacks such as pressure control required, inability to cope with shaft behavior that is not in the control algorithm, sensor installation space required, expensive control storage and sensors.

特開平8-296584、特開平10-318184では、バランスピストンの両面の圧力を調整することでスラスト力が所定の力以下に抑えられている。バランスピストンを設けるスペースが必要となり、回転軸の軸受間距離が長くなり、軸系の固有振動数が低下するため、高速での運転が困難になる。圧力制御が必要であり、制御アルゴリズム作成時に想定されなかった軸の挙動に対応できない、センサー設置スペースが必要、制御蔵置とセンサーの価格が高い等の欠点がある。 In JP-A-8-296584 and JP-A-10-318184, the thrust force is suppressed to a predetermined force or less by adjusting the pressure on both sides of the balance piston. A space for providing the balance piston is required, the distance between the bearings of the rotating shaft is increased, and the natural frequency of the shaft system is reduced, so that high-speed operation becomes difficult. There are disadvantages such as pressure control is necessary, it is not possible to cope with the behavior of the axis that was not assumed when creating the control algorithm, sensor installation space is required, and the price of the control storage and sensor is high.

特開2001-227535は、薄板に凹凸が形成された複数の扇状曲板で形成されたフォイル型スラストガス軸受であり、接触時の損傷は軽減されるが、スラスト負荷能力は大きくならないので、大きなスラスト力には耐えることができない。 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-227535 is a foil type thrust gas bearing formed by a plurality of fan-shaped curved plates in which unevenness is formed on a thin plate, and damage at the time of contact is reduced, but the thrust load capacity does not increase, It cannot withstand thrust forces.

特開平7-259855JP 7-259855 A 特開平8-296584JP-A-8-296584 特開平10-318184JP 10-318184 A 特開2001-227535JP2001-227535

動圧型ガス軸受のスラスト負荷能力を増大するためには、スラスト軸受及びスラストカラーの外径を大きくする必要があり、風損が増大し、周辺の温度が上昇するために、冷却用のガスを挿入する必要がある。更に損失も増大する。また、スラストカラーの外径を大きくすると周速が大きくなり、スラストカラーに作用する遠心応力が大きくなるために信頼性の維持、コスト低減が困難となる。 In order to increase the thrust load capacity of the dynamic pressure type gas bearing, it is necessary to increase the outer diameter of the thrust bearing and the thrust collar, which increases windage loss and raises the ambient temperature. It is necessary to insert. Further, the loss increases. Further, when the outer diameter of the thrust collar is increased, the peripheral speed increases, and the centrifugal stress acting on the thrust collar increases, so that it is difficult to maintain reliability and reduce costs.

スラスト軸受の負荷能力増大のために、バランスピストンが設けられているが、バランスピストンを設けると軸方向のスペースを増大する。このスペース増加に伴って回転軸の長さが長くなり、軸系の固有振動数が低下し、高回転での運転が困難になる。更に、バランスピストンの両面の圧力を調整する必要があり、高価な制御装置とセンサーが必要となるという欠点を有してる。 In order to increase the load capacity of the thrust bearing, a balance piston is provided. However, if a balance piston is provided, the space in the axial direction is increased. As the space increases, the length of the rotating shaft increases, the natural frequency of the shaft system decreases, and operation at high speed becomes difficult. In addition, it is necessary to adjust the pressure on both sides of the balance piston, which has the disadvantage of requiring expensive control devices and sensors.

バランスピストンの圧力調整に必要なセンサーの取り付けには、所定のスペースとセンサーからの信号を取り出すための配線が必要であり、スペース即ちサイズと工数が増大し、コスト増加の要因となる。 A sensor required for adjusting the pressure of the balance piston requires a predetermined space and wiring for taking out a signal from the sensor. This increases the space, that is, the size and the number of man-hours, and causes an increase in cost.

スラストガス軸受は、スラスト負荷能力が小さいために、スラスト軸受のスラストカラーとは別に円盤状のバランスピストンを設けてスラストカラーの外径増大を抑制しているが、バランスピストンとスラストカラーはそれぞれ別の空間で回転するために、風損が増大、空間内の温度上昇が生じる。この温度上昇を抑制するために、冷却用のガスを両方に導入する必要がある。 Since thrust gas bearings have a small thrust load capacity, a disc-shaped balance piston is provided separately from the thrust bearing thrust collar to suppress the increase in the outer diameter of the thrust collar, but the balance piston and thrust collar are separate. Wind rotation increases, and the temperature in the space rises. In order to suppress this temperature rise, it is necessary to introduce a cooling gas into both.

主スラスト軸受、反スラスト軸受とその間に設けられたスペーサで構成されるスラスト軸受とその内部に設置されるスラストカラーにおいて、主スラスト軸受の内周土手部および外周土手部とスラストカラー間に形成される空間と系内の高圧部の流路を導通流路で導通し、スラストカラー外周部に形成される円周空洞と系内の低圧部とが導通流路で導通されることで、スラストカラーの両面に差圧が働き、スラスト軸受とバランスピストンの両方の役割が果たされる。 A thrust bearing composed of a main thrust bearing, an anti-thrust bearing and a spacer provided therebetween, and a thrust collar installed therein, are formed between the inner and outer banks of the main thrust bearing and the thrust collar. The thrust collar is formed by connecting the space to the high-pressure part in the system with the conduction channel, and the circumferential cavity formed in the outer periphery of the thrust collar and the low-pressure part in the system are connected with the conduction channel. Differential pressure acts on both sides of the cylinder, and both the thrust bearing and balance piston function.

主スラスト軸受と反スラスト軸受は、内周土手部と外周土手部の内側に複数のスラスト軸受パターンとして形成され、1個のスラスト軸受パターンは半径方向に伸びた放射状深溝と放射状深溝の一方の周方向縁から周方向に伸びた複数段のランド、又は半径方向に伸びた放射状深溝と放射状深溝の一方の周方向縁から徐々に浅くなる放射状に掘り込まれたランドで構成されるテーパーランドで構成され、放射状深溝とスラスト軸受外周面が導通流路で導通され、回転によるスラスト力が生じて回転軸の動きが抑制される。 The main thrust bearing and anti-thrust bearing, an inner peripheral bank portion and is formed as a plurality of thrust bearings patterns inside the peripheral bank portion, one of the thrust bearing pattern is one of the radial deep groove and radial deep groove extending radially Tapered land consisting of multiple lands extending from the circumferential edge in the circumferential direction , or radial deep grooves extending in the radial direction and lands dug radially from one circumferential edge of the radial deep groove. The radial deep groove and the outer peripheral surface of the thrust bearing are connected to each other through the conduction flow path, and a thrust force due to rotation is generated to suppress the movement of the rotating shaft.

前記のスラスト軸受パターンが内周土手部と外周土手部間に複数個配置されることにより、周方向の圧力の変動が抑制される。   By arranging a plurality of the thrust bearing patterns between the inner circumferential bank portion and the outer circumferential bank portion, fluctuations in the circumferential pressure are suppressed.

ケーシング900の中心部に設置される回転軸500の半径方向の動きは、ジャーナル軸受(図示無)で規制され、軸方向の動きは、回転軸500に固定されたスラストカラー400の動きを主スラスト軸受100と反スラスト軸受200で規制することで、規制されている。 The radial movement of the rotary shaft 500 installed in the center of the casing 900 is regulated by a journal bearing (not shown), and the axial movement is the main thrust that moves the thrust collar 400 fixed to the rotary shaft 500. It is regulated by regulating with bearing 100 and anti-thrust bearing 200.

以下では、スラストカラー400に働く力を、圧力差によって生じる差圧力と軸受の楔効果等で生じるスラスト力に分けて説明する。また、軸受以外から回転軸に働く力を軸方向力と称することとする。 Hereinafter, the force acting on the thrust collar 400 will be described by dividing it into a differential pressure caused by the pressure difference and a thrust force caused by the wedge effect of the bearing. In addition, a force acting on the rotating shaft from other than the bearing is referred to as an axial force.

挿入孔131、給気孔130を経て放射状深溝120から流入したガスは、深ランド110及び浅ランド115で回転によって昇圧され、スラストカラー400を押す働きをする。この押す力(スラスト力)は、回転数が上昇するに従って大きくなるが、高圧の流体中で作動する圧縮機やタービンの場合、圧縮機の羽根車やタービンの動翼に作用する軸方向力がスラスト軸受の負荷能力を上回ると、スラストカラー400と主スラスト軸受100の基面160が接触する。 The gas flowing in from the radial deep groove 120 through the insertion hole 131 and the air supply hole 130 is pressurized by the rotation in the deep land 110 and the shallow land 115 and presses the thrust collar 400. This pushing force (thrust force) increases as the rotational speed increases, but in the case of a compressor or turbine operating in a high-pressure fluid, the axial force acting on the compressor impeller and turbine blades is increased. When the load capacity of the thrust bearing is exceeded, the thrust collar 400 and the base surface 160 of the main thrust bearing 100 come into contact with each other.

回転軸500が主スラスト軸受100側に動く場合、主スラスト軸受100とスラストカラー400が近づき、隙間が狭くなる。隙間が狭くなると、主スラスト軸受100とスラストカラー400間に形成された空間からの流体の流出量は少なくなり、圧力が上昇する。圧力の上昇に伴って、スラストカラー400と主スラスト軸受100が遠ざかる方向に働く差圧力が大きくなり、主スラスト軸受100とスラストカラー400間の隙間は大きくなる。隙間が大きくなると流体の流出量が多くなり、圧力が低下、隙間が狭くなる。このように主スラスト軸受100とスラストカラー400間の隙間は自動的に調整される。 When the rotary shaft 500 moves to the main thrust bearing 100 side, the main thrust bearing 100 and the thrust collar 400 approach each other, and the gap becomes narrow. When the gap becomes narrow, the amount of fluid flowing out from the space formed between the main thrust bearing 100 and the thrust collar 400 decreases, and the pressure increases. As the pressure increases, the differential pressure acting in the direction in which the thrust collar 400 and the main thrust bearing 100 move away increases, and the gap between the main thrust bearing 100 and the thrust collar 400 increases. When the gap increases, the amount of fluid flowing out increases, the pressure decreases, and the gap narrows. Thus, the gap between the main thrust bearing 100 and the thrust collar 400 is automatically adjusted.

回転軸500が反スラスト軸受200側に動く場合、反スラスト軸受200とスラストカラー400が近づき、隙間が狭くなる。隙間が狭くなると、反スラスト軸受200とスラストカラー400間に形成された空間からの流体の流出量は少なくなり、圧力が上昇する。圧力の上昇に伴って、スラストカラー400と反スラスト軸受200が遠ざかる方向に働く差圧力が大きくなり、反スラスト軸受200とスラストカラー400間の隙間は大きくなる。隙間が大きくなると流体の流出量が多くなり、圧力が低下、隙間が狭くなる。このように反スラスト軸受200とスラストカラー400間の隙間は自動的に調整される。 When the rotary shaft 500 moves to the anti-thrust bearing 200 side, the anti-thrust bearing 200 and the thrust collar 400 approach each other and the gap becomes narrow. When the gap becomes narrow, the amount of fluid flowing out from the space formed between the anti-thrust bearing 200 and the thrust collar 400 decreases, and the pressure increases. As the pressure increases, the differential pressure acting in the direction in which the thrust collar 400 and the anti-thrust bearing 200 move away increases, and the gap between the anti-thrust bearing 200 and the thrust collar 400 increases. When the gap increases, the amount of fluid flowing out increases, the pressure decreases, and the gap narrows. Thus, the clearance between the anti-thrust bearing 200 and the thrust collar 400 is automatically adjusted.

回転軸500の動きに対する主スラスト軸受100とスラストカラー400、反スラスト軸受200と400の関係を個別に説明したが、主スラスト軸受100とスラストカラー400の隙間が狭くなると、反スラスト軸受200とスラストカラー400の隙間は広くなる幾何学的な関係にあり、先に述べた個別の関係は相互に矛盾しない関係である。 The relationship between the main thrust bearing 100 and the thrust collar 400 and the anti-thrust bearings 200 and 400 with respect to the movement of the rotary shaft 500 has been described individually. However, if the gap between the main thrust bearing 100 and the thrust collar 400 becomes narrower, the anti-thrust bearing 200 and the thrust collar The gap between the collars 400 has a wide geometric relationship, and the individual relationships described above are inconsistent with each other.

実施例1の場合、図1と図2に示すように主スラスト軸受100の挿入孔131には、ノズル630の下流の流体が流入するので、動翼背面部670とほぼ同じ圧力となり、スラストカラー400の面積に匹敵する動翼600の背面のスラスト力と相殺される。この時、反スラスト軸受200とスラストカラー400の隙間は広くなっており、反スラスト軸受200側のスラストカラー400に働く差圧力は小さい。スラストカラー400の外周より大きな動翼600の背面部分のスラスト力は、スラスト軸受100の軸受負荷能力で相殺されることとなる。 In the case of the first embodiment, the fluid downstream of the nozzle 630 flows into the insertion hole 131 of the main thrust bearing 100 as shown in FIGS. This is offset by the thrust force on the back of the moving blade 600, which is equivalent to 400 areas. At this time, the gap between the anti-thrust bearing 200 and the thrust collar 400 is wide, and the differential pressure acting on the thrust collar 400 on the anti-thrust bearing 200 side is small. The thrust force of the back surface portion of the moving blade 600 that is larger than the outer periphery of the thrust collar 400 is offset by the bearing load capability of the thrust bearing 100.

スラストカラー400の外周と主スラスト軸受100および反スラスト軸受200の隙間から流出する流体は、円周空洞175に入り、通気孔271から系内の低圧部へと流出する。 The fluid flowing out from the outer periphery of the thrust collar 400 and the gap between the main thrust bearing 100 and the anti-thrust bearing 200 enters the circumferential cavity 175 and flows out from the vent hole 271 to the low pressure portion in the system.

実施例2は、主スラスト軸受100にノズル630の上流の高圧ガスを挿入するもので、主スラスト軸受100側の圧力が上昇し、スラスト負荷能力が増大する。 In the second embodiment, the high-pressure gas upstream of the nozzle 630 is inserted into the main thrust bearing 100, the pressure on the main thrust bearing 100 side rises, and the thrust load capacity increases.

挿入孔131、挿入孔231へのガスの送入は、別途設けられた配管やパイプなどで送入することもできる。 The gas can be fed into the insertion hole 131 and the insertion hole 231 by piping or pipes provided separately.

スラスト軸受装置配置図Thrust bearing device layout 主スラスト軸受Main thrust bearing スペーサ立体図Spacer 3D 反スラスト軸受Anti-thrust bearing スラスト軸受装置組立図Thrust bearing device assembled view 導通流路図Conduction flow diagram

アンモニア、炭化水素系ガス、CO2、フロンなどの高圧のガスの圧縮又は膨張により、エネルギーの授受を行う圧縮機やタービンへの動圧型ガス軸受の適用が容易化される。 The compression or expansion of high-pressure gas such as ammonia, hydrocarbon gas, CO2, or CFC facilitates the application of dynamic pressure gas bearings to compressors and turbines that transfer energy.

実施例1の構成を図1に示す。回転軸500と主スラスト軸受100、反スラスト軸受200は、軸受ケーシング950の中央部に収められている。反スラスト軸受200は、軸受ケーシング950に固定され、主スラスト軸受100は、スペーサ300を介して軸受ケーシング950に固定されている。軸受ケーシング950は、ケーシング900に固定されている。 The configuration of Example 1 is shown in FIG. The rotating shaft 500, the main thrust bearing 100, and the anti-thrust bearing 200 are housed in the central portion of the bearing casing 950. The anti-thrust bearing 200 is fixed to the bearing casing 950, and the main thrust bearing 100 is fixed to the bearing casing 950 via the spacer 300. The bearing casing 950 is fixed to the casing 900.

主スラスト軸受100、スペーサ300、反スラスト軸受200の外周面と軸受ケーシング950間には、隙間が形成されている。 A gap is formed between the outer peripheral surfaces of the main thrust bearing 100, the spacer 300, and the anti-thrust bearing 200 and the bearing casing 950.

回転軸500には、スペース軸部510、取付ネジ部520が設けられ、スラストカラー400と動翼600がテンションボルト540と取付ネジ530で取り付けられている。 The rotary shaft 500 is provided with a space shaft portion 510 and an attachment screw portion 520, and a thrust collar 400 and a moving blade 600 are attached with a tension bolt 540 and an attachment screw 530.

実施例1の主スラスト軸受100を図2に示す。実施例1の主スラスト軸受100は、スラスト軸受パターンが周方向に6個展開されたものを例示したものである。主スラスト軸受100のスラスト軸受パターンは、浅ランド115と深ランド110、放射状深溝120、給気孔130、挿入孔131、基面160の一部を形成する外周土手部140と内周土手部150、円周溝170、中心孔180、接面190で構成されている。接面190上にはネジ孔191が設けられている。放射状深溝120の周方向縁112を開始線として扇状に深く掘り込まれた深ランド110、深ランド110を周方向に伸ばした形で浅く掘られた浅ランド115が設けられている。 A main thrust bearing 100 of Example 1 is shown in FIG. The main thrust bearing 100 of the first embodiment is an example in which six thrust bearing patterns are developed in the circumferential direction. The thrust bearing pattern of the main thrust bearing 100 includes a shallow land 115 and a deep land 110 , a radial deep groove 120, an air supply hole 130, an insertion hole 131, and an outer peripheral bank portion 140 and an inner peripheral bank portion 150 that form a part of the base surface 160, A circumferential groove 170, a center hole 180, and a contact surface 190 are included. A screw hole 191 is provided on the contact surface 190. A deep land 110 is deeply dug in a fan shape with the circumferential edge 112 of the radial deep groove 120 as a starting line, and a shallow land 115 is formed in a shallow shape by extending the deep land 110 in the circumferential direction.

実施例1のスペーサの立体図を図3に示す。スペーサ300によって主スラスト軸受100と反スラスト軸受200間に配置されて、スラストカラー400と主スラスト軸受100及び反スラスト軸受200との間の隙間が規定される。スペーサ側面330と340は、主スラスト軸受100の接面190、反スラスト軸受200の接面290と密着、ネジ穴310は、ネジ孔191、291と一致するように組み立てられる。 A three-dimensional view of the spacer of Example 1 is shown in FIG. The spacer 300 is disposed between the main thrust bearing 100 and the anti-thrust bearing 200 to define a gap between the thrust collar 400 and the main thrust bearing 100 and the anti-thrust bearing 200. The spacer side surfaces 330 and 340 are in close contact with the contact surface 190 of the main thrust bearing 100 and the contact surface 290 of the anti-thrust bearing 200, and the screw holes 310 are assembled so as to coincide with the screw holes 191 and 291.

実施例1の反スラスト軸受200を図4に示す。反スラスト軸受200の形状は、主スラスト軸受100の鏡像と同じで、主スラスト軸受100に比べて、外周土手部240の外径が小さく、円周溝270の内径が小さく、通気孔271が設けられている点である。反スラスト軸受200の外周土手部240の外径や円周溝270の内径は設計で設定されるものである。 An anti-thrust bearing 200 of Example 1 is shown in FIG. The shape of the anti-thrust bearing 200 is the same as the mirror image of the main thrust bearing 100. Compared to the main thrust bearing 100, the outer diameter of the outer circumferential bank 240 is smaller, the inner diameter of the circumferential groove 270 is smaller, and the vent hole 271 is provided. This is the point. The outer diameter of the outer circumferential bank 240 and the inner diameter of the circumferential groove 270 of the anti-thrust bearing 200 are set by design.

実施例1のスラスト軸受装置組立図を図5に示す。主スラスト軸受100と反スラスト軸受200は、スペーサ300を介して組まれている。スペーサ300で形成された空間にスラストカラー400が収められている。反スラスト軸受200には、給気孔230、挿入孔231、通気孔271、ネジ孔291が設けられ、スペーサ300には、ネジ孔310が設けられている。円周空洞175は、スラストカラー400の外周面を内円筒面、主スラスト軸受100と反スラスト軸受200を側面、スペーサ300の内径面を外周円筒面とする空間である。通気孔271は、円周空洞175と導通している。 FIG. 5 shows an assembly drawing of the thrust bearing device of the first embodiment. The main thrust bearing 100 and the anti-thrust bearing 200 are assembled via a spacer 300. A thrust collar 400 is housed in a space formed by the spacer 300. The anti-thrust bearing 200 is provided with an air supply hole 230, an insertion hole 231, a vent hole 271, and a screw hole 291, and the spacer 300 is provided with a screw hole 310. The circumferential cavity 175 is a space in which the outer peripheral surface of the thrust collar 400 is an inner cylindrical surface, the main thrust bearing 100 and the anti-thrust bearing 200 are side surfaces, and the inner diameter surface of the spacer 300 is an outer cylindrical surface. The vent hole 271 is electrically connected to the circumferential cavity 175.

図6に実施例2の構成を示す。実施例2は、タービンの動翼600の外周に設けられたノズル630の外周を取り囲むスクロール、ノズル630と接して設けられたガスガイド620で構成されている。スクロール700に流入した流体は、ノズル630の外周部を周方向に流れ、ノズル630に流入、加速されて、動翼600へと流入して、動翼600を駆動、回転軸500が回転する。スクロール700内の高圧流体は、ガスガイド620に設けられたガイド流路620、ガイド円周流路622を通って、主スラスト100の外周部から内部に向かって穿孔された挿入孔131から給気孔130へ入る。 FIG. 6 shows the configuration of the second embodiment. The second embodiment includes a scroll surrounding the outer periphery of the nozzle 630 provided on the outer periphery of the rotor blade 600 of the turbine, and a gas guide 620 provided in contact with the nozzle 630. The fluid flowing into the scroll 700 flows in the circumferential direction of the nozzle 630 in the circumferential direction, flows into the nozzle 630, is accelerated, flows into the moving blade 600, drives the moving blade 600, and the rotating shaft 500 rotates. The high-pressure fluid in the scroll 700 passes through the guide flow path 620 and the guide circumferential flow path 622 provided in the gas guide 620, and from the insertion hole 131 drilled inward from the outer peripheral portion of the main thrust 100 to the air supply hole 130. enter.

挿入孔131、231へのガスの送入は、別途設けられた配管やパイプなどで送入することもできる。 The gas can be fed into the insertion holes 131 and 231 by piping or pipes provided separately.

実施例では、ノズル翼付のノズルを図示しているが、ベーンレスノズルの場合も適用可能である。また、圧縮機やファンの場合は、ノズルをディフューザ、動翼を羽根車と読み替えることで同一構造で適用可能である。ポンプにおいても同様に同一構造にて適用可能である。 In the embodiment, a nozzle with nozzle blades is illustrated, but a vaneless nozzle is also applicable. In the case of a compressor or a fan, the same structure can be applied by replacing the nozzle with a diffuser and the moving blade with an impeller. Similarly, the pump can be applied with the same structure.

導通流路は、挿入孔131、給気孔130等のいくつかの流れに沿った一連の流路を表すものである。 Conducting channel is representative of the series of flow paths along some flow of such interpolation entry apertures 131, air supply hole 130.

従来の潤滑油を使った軸受もガス軸受も作動流体の圧力が高くなると、タービンの動翼や圧縮機の羽根車に作用するスラスト力が大きくなり、スラスト軸受の負荷能力を超えるために、バランスピストンが設けられていた。本発明のスラスト軸受装置を用いることで、バランスピストンをなくすことができ、構造が簡素化され、回転軸の長さが短くなり、固有振動数が高くなるために、多くの分野の高速回転のターボ機械に採用されるものと考えられる。
遠心圧縮機を使用した化学プロセスの圧縮機やラジアルタービンを採用した地熱や排熱を利用する発電タービン等には、高圧力のCO2、炭化水素系のガス、アンモニア、フロンガスなどが使用されており、スラスト力が大きいため、負荷能力が小さなガス軸受は、バランスピストンと併せて採用する以外に採用は困難な状況にある。本発明により、高圧ガスを使用する前記のターボ機械への動圧型ガス軸受単独での適用が可能となり、オイルフリーターボ機械が実現、潤滑油による熱交換効率の低下やオイル分離が不要、油の撹拌による損失の増大が抑えられるために、省エネルギー、省資源に大きく貢献する。
In both conventional bearings using lubricating oil and gas bearings, when the pressure of the working fluid increases, the thrust force acting on the turbine blades and compressor impeller increases, exceeding the load capacity of the thrust bearing. A piston was provided. By using the thrust bearing device of the present invention , the balance piston can be eliminated, the structure is simplified, the length of the rotating shaft is shortened, and the natural frequency is increased. It is considered to be adopted for turbomachinery.
High-pressure CO2, hydrocarbon gases, ammonia, chlorofluorocarbon, etc. are used in chemical process compressors that use centrifugal compressors and power generation turbines that use geothermal and exhaust heat that employ radial turbines. Since the thrust force is large, it is difficult to adopt a gas bearing having a small load capacity, in addition to the balance piston. According to the present invention , a hydrodynamic gas bearing alone can be applied to the turbomachine using the high-pressure gas, an oil-free turbomachine is realized, a decrease in heat exchange efficiency due to lubricating oil and oil separation are unnecessary, Since the increase in loss due to stirring is suppressed, it contributes greatly to energy and resource saving.

100 主スラスト軸受
110 深ランド
112 周方向縁
115 浅ランド
120 放射状深溝
130 給気孔
131 挿入
140 外周土手部
150 内周土手部
160 基面
170 円周溝
175 円周空洞
180 中心孔
190 接面
191 ネジ孔
200 反スラスト軸受
230 給気
231 挿入孔
271 通気孔
291,310 ネジ孔
300 スペーサ
320 Oリング溝
330、340 スペーサ側面
400 スラストカラー
500 回転軸
510 スペース軸部
520 取付ネジ部
530 取付ネジ
540 テンションボルト
600 動翼
610 シュラウド
620 ガイド
621 ガイド流路
622 ガイド円周路
630 ノズル
670 動翼背面部
700 スクロール
710 スクロール本体
720 フランジ
730 出口管
900 ケーシング
950 軸受ケーシング
100 main thrust bearings
110 deep land
112 circumferential edge
115 Asa Land
120 radial deep groove
130 Air supply holes
131 Insertion hole
1 40 Outer bank
150 Inner bank
160 base
170 Circumferential groove
175 circumferential cavity
180 center hole
190 Contact
191 Screw hole
200 Anti-thrust bearing
230 air supply hole
2 31 Insertion hole
271 Vent
291,310 Screw holes
300 spacer
320 O-ring groove
330, 340 Spacer side
400 Thrust color
500 rotation axis
510 Space shaft
520 Mounting screw
530 mounting screws
540 tension bolt
600 blades
610 Shroud
620 Guide
621 Guide channel
622 Guide Circle
630 nozzle
670 Moving blade rear
700 scroll
710 scroll body
720 flange
730 outlet pipe
900 casing
950 Bearing casing

Claims (2)

主スラスト軸受(100)、反スラスト軸受(200)及び両者の間のスペースを保持するスペーサ(300)を具備するスラスト軸受、主スラスト軸受及び反スラスト軸受間に配置されて回転軸に固定されているスラストカラー(400)とを備えたスラスト軸受装置であって、
前記主スラスト軸受及び反スラスト軸受には、それぞれ、その外周土手部(140,240)と内周土手部(150,250)を内外周とし、スラストカラーとの間に形成される空間と、その外周面のガスを導入する複数の挿入孔(131,231)の開口とを導通する複数の導通流路(130,131,230,231)が設けられ
前記空間を形成する主スラスト軸受及び反スラスト軸受のスラストカラーと相対する面には、それぞれ、放射状に掘り込まれた深溝、該深溝の一方の周方向縁から周方向に伸びた深ランド、及びこれに続く浅ランドで構成される多段ランドが複数設けられると共に、該深溝には、それぞれ、前記挿入孔と導通する給気孔(130,230)の開口が設けられ、各挿入孔開口から導入されたガスが、各導通流路を通じて各給気孔開口から前記空間に供給されるよう構成され、
前記スラストカラーの外周面には、該スラストカラーの外周面を内周面、主スラスト軸受及び反スラスト軸受を側面、スペーサの内周面を外周面とする円周空洞部(175)が形成されると共に、反スラスト軸受の外周土手部の外周側に、該円周空洞部に導通する複数の通気孔(271)の開口が設けられ、前記空間から流出するガスが、円周空洞部に入り通気孔開口から流出するよう構成された
ことを特徴とするスラスト軸受装置。
A thrust bearing provided with a main thrust bearing (100) , an anti-thrust bearing (200) , and a spacer (300) that holds a space between them, and is disposed between the main thrust bearing and the anti-thrust bearing and fixed to the rotating shaft. A thrust bearing device comprising a thrust collar (400),
On the main thrust bearing and anti-thrust bearings, respectively, and an inner periphery of the inner peripheral bank portion (150, 250) and the outer peripheral bank portion (140, 240), a space formed between the scan last color, a plurality of conductive flow path for conducting the opening of the plurality of insertion holes (131, 231) for introducing the outer peripheral surface of the gas of that (130,131,230,231) is provided,
On the surface facing the thrust collar of the main thrust bearing and the anti-thrust bearing forming the space, respectively, deep grooves that are dug radially, deep lands extending in the circumferential direction from one circumferential edge of the deep grooves, and A plurality of multi-stage lands composed of shallow lands following this are provided, and the deep grooves are provided with openings for air supply holes (130, 230) that communicate with the insertion holes, and are introduced from the respective insertion hole openings. The gas is configured to be supplied to the space from each air hole opening through each conduction channel,
A circumferential cavity portion (175) is formed on the outer peripheral surface of the thrust collar, with the outer peripheral surface of the thrust collar as an inner peripheral surface, the main thrust bearing and the anti-thrust bearing as side surfaces, and the inner peripheral surface of the spacer as the outer peripheral surface. In addition, an opening of a plurality of vent holes (271) communicating with the circumferential cavity portion is provided on the outer circumference side of the outer circumferential bank portion of the anti-thrust bearing, and gas flowing out of the space enters the circumferential cavity portion. Constructed to flow out of vent opening
Thrust bearing device characterized by that.
主スラスト軸受(100)、反スラスト軸受(200)及び両者の間のスペースを保持するスペーサ(300)を具備するスラスト軸受、主スラスト軸受及び反スラスト軸受間に配置されて回転軸に固定されているスラストカラー(400)とを備えたスラスト軸受装置であって、
前記主スラスト軸受及び反スラスト軸受には、それぞれ、その外周土手部(140,240)と内周土手部(150,250)を内外周とし、スラストカラーとの間に形成される空間と、その外周面のガスを導入する複数の挿入孔(131,231)の開口とを導通する複数の導通流路(130,131,230,231)が設けられ
前記空間を形成する主スラスト軸受及び反スラスト軸受のスラストカラーと相対する面には、それぞれ、放射状に掘り込まれた深溝、該深溝の一方の周方向縁から徐々に浅くなる放射状に掘り込まれたランドで構成されるテーパーランドが複数設けられると共に、該深溝には、それぞれ、前記挿入孔と導通する給気孔(130,230)の開口が設けられ、各挿入孔開口から導入されたガスが、各導通流路を通じて各給気孔開口から前記空間に供給されるよう構成され、
前記スラストカラーの外周面には、該スラストカラーの外周面を内周面、主スラスト軸受及び反スラスト軸受を側面、スペーサの内周面を外周面とする円周空洞部(175)が形成されると共に、反スラスト軸受の外周土手部の外周側に、該円周空洞部に導通する複数の通気孔(271)の開口が設けられ、前記空間から流出するガスが、円周空洞部に入り通気孔開口から流出するよう構成された
ことを特徴とするスラスト軸受装置。
A thrust bearing provided with a main thrust bearing (100) , an anti-thrust bearing (200) , and a spacer (300) that holds a space between them, and is disposed between the main thrust bearing and the anti-thrust bearing and fixed to the rotating shaft. A thrust bearing device comprising a thrust collar (400),
On the main thrust bearing and anti-thrust bearings, respectively, and an inner periphery of the inner peripheral bank portion (150, 250) and the outer peripheral bank portion (140, 240), a space formed between the scan last color, a plurality of conductive flow path for conducting the opening of the plurality of insertion holes (131, 231) for introducing the outer peripheral surface of the gas of that (130,131,230,231) is provided,
The surfaces facing the thrust collars of the main thrust bearing and the anti-thrust bearing that form the space are each deeply digged into a deep groove and a radial groove that gradually becomes shallower from one circumferential edge of the deep groove. A plurality of tapered lands composed of a plurality of lands are provided, and the deep grooves are provided with openings of air supply holes (130, 230) that communicate with the insertion holes, respectively. , Configured to be supplied to the space from each air hole opening through each conduction channel,
A circumferential cavity portion (175) is formed on the outer peripheral surface of the thrust collar, with the outer peripheral surface of the thrust collar as an inner peripheral surface, the main thrust bearing and the anti-thrust bearing as side surfaces, and the inner peripheral surface of the spacer as the outer peripheral surface. In addition, an opening of a plurality of vent holes (271) communicating with the circumferential cavity portion is provided on the outer circumference side of the outer circumferential bank portion of the anti-thrust bearing, and gas flowing out of the space enters the circumferential cavity portion. Constructed to flow out of vent opening
Thrust bearing device characterized by that.
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