JP7059209B2 - 水力機械の軸受装置及び水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水力機械の軸受装置及びこれを備える水力機械に関する。

立軸水車発電機を構成する水力機械の回転子は、流体潤滑式のスラスト軸受装置によって回転可能に支持される場合がある。図２０は、流体潤滑式のスラスト軸受装置の一例として、ティルティング静止板型の一般的なスラスト軸受装置の子午断面図を示している。

図２０において、符号１０１は回転軸を示す。回転軸１０１には、頂部に回転軸１０１を通した状態の有頂筒状のスラストカラー２が取り付けられ、スラストカラー２の下部には、回転軸１０１の回転がスラストカラー２を介して伝わることで回転軸１０１と一体に回転する環状の回転板３が設けられている。スラスト軸受装置は、潤滑油を貯留する油槽８と、油槽８の内部に設けられるスラスト側静止板４、スプリング６および固定板７と、を備えている。スラストカラー２の下部及び回転板３は、油槽８の内部に配置され、潤滑油に浸漬されている。

スラスト側静止板４は、回転板３の下方において、回転軸１０１の周囲に間隔を空けて配置され、スラスト側静止板４の上面と回転板３の下面とは、軸方向に隙間を空けて互いに向き合っている。図２１は、スラスト側静止板４を軸方向で見た図であり、本例では、スラスト側静止板４が扇形状に形成されている。

スラスト側静止板４は、油槽８の内部でティルティング可能（傾転可能）に支持されるベース板部４Ａと、ベース板部４Ａの上面に設けられた表面層４Ｂとを有し、表面層４Ｂの上面は滑り面をなし、回転軸１０１の回転時に回転板３を滑り移動可能に支持する。

表面層４Ｂは、ホワイトメタル等の軸受合金、熱可塑性高分子組成物のポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥと称す）又はこれらの材料を母材としてガラス繊維などの無機繊維及び／又はカーボンをさらに含む複合材料等から形成されてもよい。ベース板部４Ａは、通常、表面層４Ｂとは異なる材料から形成され、表面層４Ｂよりも高剛性及び高強度の金属材料から形成される。

ベース板部４Ａは、複数のスプリング６を介して油槽８の底部に固定された固定板７に支持され、これにより、スラスト側静止板４はスプリング６の伸縮によってティルティング可能となる。なお、スプリング６に代えて、固定板７から立ち上がるピボットと呼ばれる部品が用いられてもよい。この場合、ベース板部４Ａは、その下面でピボットの上部と接触し、接触点を中心にティルティング可能とされる。

また、図中の符号９は、回転軸１０１のラジアル方向荷重を支持するために設けられたラジアル側静止板９を示している。このラジアル側静止板９も回転軸１０１の周囲に間隔を空けて複数設けられている。ラジアル側静止板９もスラスト側静止板４と同様に、二層構造で形成されてもよい。

図２２は、回転軸１０１を支持した際のスラスト側静止板４を径方向の外側から見た様子と、その際に回転板３とスラスト側静止板４との間に生じる圧力分布を表したグラフとを併せて示した図である。

以上のような構成を備えるスラスト軸受装置では、回転軸１０１の回転に伴いスラストカラー２が回転すると、図２２に示すように、スラスト側静止板４と回転板３との間に油膜１０が形成される。この際、矢印Ｒで示す回転方向でスラスト側静止板４の下流側の部分と回転板３との間の隙間が上流側よりも狭くなるように傾斜し、スラスト側静止板４と回転板３との間にくさび状の隙間が形成され、油膜１０もくさび状をなす。このようなくさび状の隙間は、例えば回転方向に並ぶスプリング６の弾性力を、回転方向の上流側と下流側とで異ならせることで形成され得る。

そして、上述のようにくさび状となったスラスト側静止板４と回転板３との間の油膜１０には、回転方向の下流側の油膜圧力が上流側よりも大きくなるような圧力分布ＰＤが発生し、回転子の荷重を支持するための圧力が発生する。これにより、回転板３は油膜１０を介してスラスト側静止板４に支持される。この際のスラスト側静止板４の傾きは、油膜１０の圧力分布ＰＤによるモーメントとスプリング６からの反力によるモーメントとが釣り合うことに応じ、自動的に調整される。

特開昭６２－２４０２３号公報

ところで、大容量の水車発電機ではスラスト軸受装置にかかる荷重が大きくなるため、単位面積当たりの荷重（面圧）が大きくなり、それに伴い摩擦損失も大きくなる。このような摩擦損失は、静止板の構造の改良や表面の改良により低減され得る。

しかしながら、高面圧で荷重を受ける場合には、図２２に示される回転板３とスラスト側静止板４との間の隙間ｈのような隙間が小さくなり、回転軸側と静止板側との接触が生じ易くなる虞がある。

例えば水車発電機において突発的な負荷変動が生じた場合、上述したようなスラスト軸受装置では、スラスト側静止板４が受ける荷重も突発的に大きくなり、図２２の二点鎖線で示すように表面層４Ｂが凹む場合がある。このような凹みが生じた場合には、回転板３とスラスト側静止板４との間の隙間における圧力が低下し、回転板３とスラスト側静止板４とが接近する状況が生じ得る。そのため、表面の改良等により摩擦損失が抑制されたとしても、高面圧で荷重を受けて回転板３とスラスト側静止板４との間の隙間が比較的小さくなるような場合には、回転板３とスラスト側静止板４とが接触し易くなる虞がある。

本発明が解決しようとする課題は、静止板（軸受部分）と回転側の部分とが接触するリスクを低減できる水力機械の軸受装置及び水力機械を提供することである。

上記課題を解決するために、実施形態にかかる水力機械の軸受装置は、回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備える。前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有する。前記表面層は、前記回転部材側を向く面および前記ベース板部側を向く面のうちの少なくともいずれか一方の面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置する。

また、上記課題を解決するために、他の実施形態にかかる水力機械の軸受装置は、回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、静止板を備える。前記静止板は、前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して、前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する。前記静止板は、その前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置する。前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、前記窪み部は、前記回転軸の径方向に長尺状に延びている。

さらに、上記課題を解決するために、実施形態にかかる水力機械は、前記水力機械の軸受装置を備える。

本発明によれば、静止板（軸受部分）と回転側の部分とが接触するリスクを低減できる。

第１の実施の形態にかかる軸受装置及びこの軸受装置によってその回転軸が支持される水力機械の概略的な子午断面図である。 図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う、図１に示す軸受装置のスラスト側静止板の断面図と、回転軸側に設けられる回転板とスラスト側静止板との間に生じる圧力分布を表したグラフとを併せて示した図である。 第２の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の断面図である。 第３の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿う、図４に示す軸受装置のスラスト側静止板の断面図と、回転軸側に設けられる回転板とスラスト側静止板との間に生じる圧力分布を表したグラフとを併せて示した図である。 第４の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の断面図である。 第５の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 第６の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の断面図である。 第７の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 図９のＸ－Ｘ線に沿う断面図である。 第８の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿う断面図である。 第９の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿う断面図である。 第１０の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 第１１の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 第１２の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。 第１３の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板の平面図である。 一般的なスラスト軸受装置の概略的な子午断面図である。 図２０に示したスラスト軸受装置のスラスト側静止板を軸方向で見た図である。 図２０に示したスラスト軸受装置が回転軸を支持した際のスラスト側静止板を径方向の外側から見た様子と、回転軸側に設けられる回転板とスラスト側静止板との間に生じる圧力分布を表したグラフとを併せて示した図である。

以下に、添付の図面を参照して各実施の形態を詳細に説明する。なお、各実施の形態の構成部分のうちの、図２０に示した一般的な軸受装置の構成部分と同様のものには同一の符号が示されている。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかる水力機械の軸受装置１及び軸受装置１によってその回転子の回転軸１０１が支持される水力機械１００の概略的な子午断面図である。本実施の形態にかかる軸受装置１は、立軸水車発電機を構成する水力機械１００の回転子の回転軸１０１を回転自在に支持するティルティング静止板型のスラスト軸受装置である。回転軸１０１は、水車のランナー２００に水車主軸２０１を介して接続されており、これにより、回転軸１０１は、ランナー２００の回転に伴い、その回転軸線Ａを中心に回転するようになっている。

実施の形態の説明では、単に軸方向と言う場合、その方向は、回転軸１０１の回転軸線Ａ上の方向又は回転軸線Ａに平行な方向のことを意味する。また、単に径方向と言う場合、その方向は、回転軸線Ａに対して直交する方向を意味する。

回転軸１０１には、頂部に回転軸１０１を通した状態の有頂筒状のスラストカラー２が取り付けられる。スラストカラー２は、頂部に回転軸１０１の外周面を固定し、回転軸１０１と同軸状に且つ回転軸１０１の径方向外側に位置している。スラストカラー２の下部には、回転軸１０１の回転がスラストカラー２を介して伝わることで回転軸１０１と一体に回転する環状の回転板３が設けられる。回転板３の下面は軸方向で下側を向いており、平坦面として形成されている。

本実施の形態に係る軸受装置１は、潤滑流体としての潤滑油を貯留する油槽８と、油槽８の内部に設けられるスラスト側静止板４、スプリング６、及び固定板７と、を備えている。スラストカラー２の下部及び回転板３は、油槽８の内部に配置され、潤滑油に浸漬されている。スラスト側静止板４は、スラストカラー２及び回転板３から伝わる回転子の荷重を潤滑油を介して支持する。なお、スラスト側静止板４は、水を介して回転子の荷重を支持してもよく、この場合、油槽８に相当する水が貯留される。この際の油槽に対応する部分は、潤滑流体槽と称してもよい。

スラスト側静止板４は、回転板３の下方において、回転軸１０１の周囲に間隔を空けて複数配置されている。スラスト側静止板４の上面と回転板３の下面とは、軸方向に隙間を空けて互いに向き合っている。スラスト側静止板４は、図２１で示した例と同様に、平面視で扇形状に形成されている。本実施の形態におけるスラスト側静止板４は回転板３を介してスラストカラー２の下部に対向するが、回転板３を設けずにスラストカラー２の下部に直接的に対向していてもよい。

スラスト側静止板４は、油槽８の内部でティルティング可能（傾転可能）に支持されるベース板部４Ａと、ベース板部４Ａの上面、すなわちスラストカラー２側を向く面に設けられた表面層４Ｂとを有し、表面層４Ｂの上面は滑り面をなし、回転軸１０１の回転時に回転板３を滑り移動可能に支持する。

表面層４Ｂは、ホワイトメタル等の軸受合金、熱可塑性高分子組成物のポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥと称す）又はこれらの材料を母材としてガラス繊維などの無機繊維及び／又はカーボンをさらに含む複合材料により形成されてもよい。ベース板部４Ａは、表面層４Ｂとは異なる材料から形成され、表面層４Ｂよりも高剛性及び／又は高強度の金属材料から形成されている。本実施の形態では、ベース板部４Ａのヤング率が、表面層４Ｂのヤング率よりも高くなっている。なお、ベース板部４Ａは、樹脂を含む材料から形成されてもよい。

ベース板部４Ａは、複数のスプリング６を介して油槽８の底部に固定された固定板７に支持され、これにより、スラスト側静止板４はスプリング６の伸縮によってティルティング可能になる。なお、スプリング６に代えて、固定板７から立ち上がるピボットと呼ばれる部品が用いられてもよい。

また、軸受装置１は、回転軸１０１のラジアル方向荷重を支持するために設けられたラジアル側静止板９をさらに備える。このラジアル側静止板９も回転軸１０１の周囲に間隔を空けて複数設けられており、スラスト側静止板４と同様に二層構造で形成されてもよい。

図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿うスラスト側静止板４の断面図と、スラスト側静止板４が回転軸１０１を支持した際、回転軸１０１側に設けられる回転板３とスラスト側静止板４との間に生じる圧力分布を表したグラフとを併せて示す。図２に示すように、本実施の形態における表面層４Ｂは、そのスラストカラー２（回転板３）側を向く上面に下面側に窪んだ窪み部４０を有しており、窪み部４０は、回転軸１０１の回転方向で下流側に位置する。窪み部４０は、表面層４Ｂにおける厚さが一定の部分よりもその厚さが小さくなっている部分のことである。

ここで、「窪み部４０は、回転軸１０１の回転方向で下流側に位置する」という状態とは、図２に示すように、回転軸１０１の回転方向における窪み部４０の中央Ｃｃが、回転軸１０１の回転方向における表面層４Ｂの中央Ｃｓよりも、回転方向で下流側に位置することを意味する。

本実施の形態では、ベース板部４Ａの上下面が平坦面として形成され、互いに平行であり、表面層４Ｂの下面も平坦面である。したがって、ベース板部４Ａの厚さは一定で、表面層４Ｂの厚さは、窪み部４０が形成される位置において部分的に周囲よりも小さくなっている。この例では、ベース板部４Ａの厚さに対する表面層４Ｂの厚さの比は、回転軸１０１の回転方向で下流側に向かうにしたがい小さくなり、ベース板部４Ａの厚さに対する表面層４Ｂの厚さの比の極小値は、回転方向における表面層４Ｂの下流側の位置に生じる。回転方向における表面層４Ｂの下流側の位置とは、回転方向における表面層４Ｂの中央Ｃｓよりも下流側の位置のことを意味する。

図２に示すように、回転軸１０１の回転に伴いスラストカラー２が回転すると、スラスト側静止板４と回転板３との間に油膜１０が形成される。この際、スラスト側静止板４は、矢印Ｒで示す回転方向でスラスト側静止板４の下流側の部分と回転板３との間の隙間が上流側よりも狭くなるように傾斜し、スラスト側静止板４と回転板３との間にくさび状の隙間が形成される。くさび状となった回転板３とスラスト側静止板４との間の油膜１０には、定常状態において、回転方向の下流側の油膜圧力が上流側よりも大きくなるような圧力分布ＰＤが発生し、この圧力によって、回転板３は油膜１０を介してスラスト側静止板４に支持される。

本実施の形態では、窪み部４０が、圧力分布ＰＤにおける油膜圧力が高い位置に対応して設けられており、詳しくは、圧力分布ＰＤにおける油膜圧力の少なくともピークに対応する位置に設けられている。窪み部４０は、その深さが、圧力分布ＰＤ上の油膜圧力のピークに対応する位置に近づくにしたがい深くなるように形成され、最深となった後に、その深さが次第に大きくなる。ここで、圧力分布ＰＤ上の油膜圧力のピークに対応する位置において、窪み部４０の深さが最深となっていてもよい。

本実施の形態では、回転軸１０１の回転方向における窪み部４０の幅が比較的大きく設定されている。具体的に窪み部４０は、圧力分布ＰＤにおいてピークの１／３以上１／２以下となる位置に対応して回転方向におけるその両端部が位置するように形成される。なお、回転軸１０１の回転方向における窪み部４０の幅は特に限られるものではなく、例えば圧力分布ＰＤにおけるピークの周辺のみに対応して設けられてもよい。

また本実施の形態では、一つの窪み部４０が比較的広い範囲に設けられるが、窪み部４０は複数の領域に分割されてもよい。

本実施の形態の作用について説明する。回転軸１０１の回転に伴いスラストカラー２が回転すると、スラスト側静止板４と回転板３との間に油膜１０が形成され、この際、スラスト側静止板４と回転板３との間にくさび状の隙間が形成される。くさび状となった回転板３とスラスト側静止板４との間の油膜１０には、図２に示したように、回転方向の下流側の油膜圧力が上流側よりも大きくなるような圧力分布ＰＤが発生する。圧力分布ＰＤにおいては、回転方向の下流側に油膜圧力のピークが生じ、スラスト側静止板４はピークにおいて最も大きい反力を発生させ、回転板３は油膜１０を介してスラスト側静止板４に支持される。

このような回転軸１０１の回転中に、スラスト側静止板４に伝わる回転子からの荷重が大きくなった場合、スラスト側静止板４と回転板３との間の油膜１０の油膜圧力は上昇し得る。そして、油膜圧力が上昇した際には、表面層４Ｂの上面が変形しようとする。ここで、本実施の形態では、表面層４Ｂの上面に予め窪み部４０が設けられているため、表面層４Ｂの変形が抑制される。そのため、油膜圧力の上昇に伴う表面層４Ｂの上面の大幅な変形によりスラスト側静止板４と回転板との間の油膜１０の油膜圧力が低下することが抑制され、スラスト側静止板４と回転板３とが接近することが抑制される。

よって、本実施の形態によれば、スラスト側静止板４（軸受部分）と回転側の部分である回転板３とが接触するリスクを低減できる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について図３を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図３に示すように、本実施の形態では、表面層４Ｂがそのベース板部４Ａ側を向く下面に上面側に窪んだ窪み部４０を有しており、窪み部４０は、回転軸１０１の回転方向で下流側に位置している。

また、ベース板部４Ａは、窪み部４０に入り込み、その厚さが部分的に大きくなっている。すなわち、本実施の形態では、表面層４Ｂの上面とベース板部４Ａの下面とが平坦面として形成され、互いに平行であり、表面層４Ｂの下面には窪み部４０があり、ベース板部４Ａの上面には隆起部がある。したがって、スラスト側静止板４では、表面層４Ｂの厚さが、窪み部４０が形成される位置において部分的に周囲よりも小さくなるとともに、ベース板部４Ａの厚さが、窪み部４０が形成される位置において部分的に周囲よりも大きくなっている。

本実施の形態の作用について説明する。本実施の形態では、圧力分布ＰＤにおける油膜圧力が高い位置に対応して表面層４Ｂの下面に設けられた窪み部４０により、表面層４Ｂの厚さが小さくなるとともに、ベース板部４Ａの厚さが、窪み部４０が形成される位置において大きくなる。一方で、第１の実施の形態で説明した通り、ベース板部４Ａは、表面層４Ｂよりも高剛性及び／又は高強度の例えば金属材料から形成されている。これにより、スラスト側静止板４における窪み部４０が位置する部分での剛性が向上する。その結果、油膜圧力の上昇に伴う表面層４Ｂの上面の大幅な変形によってスラスト側静止板４と回転板３との間の油膜１０の油膜圧力が低下することが抑制され、スラスト側静止板４と回転板３とが接近することが抑制される。

よって、本実施の形態によっても、スラスト側静止板４（軸受部分）と回転側の部分である回転板３とが接触するリスクを低減できる。なお、本実施の形態における窪み部４０も、圧力分布ＰＤにおける油膜圧力がピークの１／３以上となる範囲内に対応させて設けることが好ましい。ただし、窪み部４０は回転方向の下流側にある限り、その形成位置は特に限られるものではない。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について図４及び図５を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図４は、第３の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿うスラスト側静止板４の断面図と、回転板３とスラスト側静止板４との間に生じる圧力分布を表したグラフとを併せて示した図である。図４及び図５に示すように、本実施の形態では、窪み部４０が表面層４Ｂの上面に設けられ、回転軸１０１（図１参照）の径方向に長尺状に延びるように形成されている。

なお、窪み部４０が径方向に長尺状に延びるように形成される状態とは、窪み部４０の長手方向が径方向に概ね沿う状態を意味する。ただし、窪み部４０が径方向に対して傾斜する場合には、窪み部４０の長手方向が径方向に対して３０度以下の角度をなすように形成されることが望ましい。

また、図４に示すように、窪み部４０の少なくとも一部は、回転軸１０１の回転方向で下流側に開放していない、より具体的には、本実施の形態における窪み部４０は全体的に、回転軸１０１の回転方向で下流側に開放していない。言い換えると、表面層４Ｂには、回転方向で窪み部４０の下流側に位置して、窪み部４０の最深位置に対して立ち上がり、窪み部４０の全体を下流側に開放させないように構成される下流側縁部４１が設けられている。

また、図５に示すように、本実施の形態における窪み部４０は、その深さが回転方向で下流側に向かうにしたがい大きくなるように形成され、最深位置がその下流端に位置する。ただし、このような窪み部４０の断面形状は特に限定されるものではなく、例えばステップ形状であってもよいし、湾曲状であってもよい。

また、図５には回転板３とスラスト側静止板４との間に生じる圧力分布を表したグラフが示され、二点鎖線は、定常状態における圧力分布ＰＤを示している。本実施の形態では、窪み部４０が、回転軸１０１の回転方向で、圧力分布ＰＤのピークに対応する位置よりも下流側に設けられ、スラスト側静止板４の回転方向下流端に近接している。詳細は後述するが、本実施の形態における窪み部４０は第１の実施の形態で説明した油膜圧力の上昇に伴う表面層４Ｂの変形抑制機能を有する一方で、回転子の荷重が突発的に大きくなった際に、回転子を引き離す方向へ向けて瞬間的に且つ局所的に立ち上がる圧力上昇を引き起こす機能も有している。このような圧力上昇は、窪み部４０が回転板３に極力近い部分に設けられる程、大きい値を取り易くなる。そのため、窪み部４０はスラスト側静止板４の回転方向下流端に近接しているが、その位置は特に限られるものではない。

ただし、上述の圧力上昇を引き起こし易くすることを考慮すると、図４に示すように、回転軸１０１の回転方向におけるスラスト側静止板４の寸法をＹとした場合に、窪み部４０は、スラスト側静止板４の下流端から（１／４）・Ｙ以下の範囲内に形成されることが好ましい。

本実施の形態の作用について説明する。まず、本実施の形態においても、回転軸１０１の回転に伴いスラストカラー２が回転すると、スラスト側静止板４と回転板３との間に油膜１０が形成される。この際、くさび状となった回転板３とスラスト側静止板４との間の油膜１０には、回転方向の下流側の油膜圧力が上流側よりも大きくなるような圧力分布ＰＤが発生する。そして、回転板３が油膜１０を介してスラスト側静止板４に支持される。

このような回転軸１０１の回転中に、スラスト側静止板４に伝わる回転子からの荷重が大きくなった場合、スラスト側静止板４と回転板３との間の油膜１０の油膜圧力が上昇し得る。ここで、本実施の形態では、表面層４Ｂの上面に予め窪み部４０が設けられているため、表面層４Ｂの変形が抑制される。そのため、油膜圧力の上昇に伴う表面層４Ｂの上面の大幅な変形によってスラスト側静止板４と回転板３との間の油膜１０の油膜圧力が低下することが抑制され、スラスト側静止板４と回転板３とが接近することが抑制される。

一方で、スラスト側静止板４に伝わる回転子からの荷重が突発的に大きくなるような場合には、本実施の形態では、窪み部４０に潤滑油が入り込んで下流側縁部４１によって下流側への流出が堰き止められる。これにより、図５に示すように、窪み部４０と回転板３との間に、瞬間的に且つ局所的に圧力Ｐ’が立ち上がり、圧力上昇が生じる。このとき、圧力Ｐ’による回転モーメントがスラスト側静止板４に加わり、スラスト側静止板４の傾斜が小さくなるようにスラスト側静止板４が回転板３から引き離される。これにより、スラスト側静止板４と回転板３とが接近することが抑制される。

よって、本実施の形態によれば、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを効果的に低減できるようになる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について図６を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第３の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図６は、第４の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の断面図であり、詳しくは、径方向且つ軸方向に沿う面での断面図である。図６に示すように、本実施の形態では、窪み部４０の深さが、回転軸１０１の径方向外側に向かうにしたがい小さくなる。なお、図６においては、紙面右側が径方向外側に対応する。

本実施の形態の作用について説明する。本実施形態においても、第３の実施の形態と同様に、窪み部４０に入り込んだ潤滑油が下流側縁部４１によって堰き止められることで圧力上昇が生じる。ここで、この圧力上昇は、堰き止められる潤滑油の量に応じて大きくなる。一方で、回転軸１０１が回転した際の潤滑油の流速は径方向外側である程、大きくなる。ここで、本実施の形態では、窪み部４０の深さが回転軸１０１の径方向外側に向かうにしたがい小さくなるため、窪み部４０で堰き止められる潤滑油の流量が均一化される。これにより、窪み部４０の堰き止めによって生じ得る圧力上昇の程度が径方向で均一化され、径方向且つ軸方向に沿う面で見た際のスラスト側静止板４が不所望に傾斜することを抑制できる。

以上のような第４の実施の形態によれば、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを効果的に低減できる。

（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について図７を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第４の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図７は、第５の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図である。本実施の形態では、回転軸１０１の回転方向における窪み部４０の幅が、回転軸１０１の径方向外側に向かうにしたがい小さくなる。窪み部４０の深さは一定であるが、第４の実施の形態のように、回転軸１０１の径方向外側に向かうにしたがい小さくなるようにしてもよい。

本実施の形態においても、第４の実施の形態と同様に、窪み部４０で堰き止められる潤滑油の流量が均一化される。これにより、窪み部４０の堰き止めによって生じ得る圧力上昇の程度が径方向で均一化され、径方向且つ軸方向に沿う面で見た際のスラスト側静止板４が不所望に傾斜することを抑制できる。したがって、第４の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態について図８を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第５の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図８は、第６の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の断面図であり、詳しくは、径方向且つ軸方向に沿う面での断面図である。本実施の形態では、表面層４Ｂにおいて回転軸１０１の回転方向で窪み部４０の下流側に位置する下流側縁部４１が、表面層４Ｂにおける窪み部４０よりも上流側に位置する部分よりも低くなっている。

回転軸１０１の静止時や、回転の起動直後においては、スラスト側静止板４が傾いておらず、表面層４Ｂと回転板３とが接触する。本実施の形態では、下流側縁部４１が、表面層４Ｂにおける窪み部４０よりも上流側に位置する部分よりも低くなっていることで、静止時等における下流側縁部４１と回転板３との接触が回避される。これにより、下流側縁部４１の摩耗、変形、破壊等を抑制でき、堰き止め機能が損なわれることを抑制できる。

（第７の実施の形態）
次に、第７の実施の形態について図９及び図１０を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第６の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図９は、第７の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図であり、図１０は、図９のＸ－Ｘ線に沿う断面図である。本実施の形態では、窪み部４０の径方向外側の端部４０Ａ及び内側の端部４０Ｂが、窪み部４０よりも深さの小さい排出路４２を介して径方向外側及び内側へ開放している。なお、排出路４２は、窪み部４０の径方向外側の端部４０Ａ及び内側の端部４０Ｂのうちのいずれか一方のみに対応して設けられてもよい。

本実施の形態の作用について説明する。窪み部４０に入り込み下流側縁部４１で堰き止められた潤滑油は圧力を増加させた後、窪み部４０から流出する。下流側縁部４１で堰き止められた潤滑油の温度は高温になっており、この際、窪み部４０の径方向外側及び内側の端部が完全に閉じられていると、図９の矢印αに示すように、高温の潤滑油が回転方向に沿って隣のスラスト側静止板４に向けて流れ、この隣のスラスト側静止板４と回転板３との間に流入しようとする。ここで、本実施の形態では、窪み部４０を径方向外側及び内側へ開放させる排出路４２が設けられることで、窪み部４０に入り込み下流側縁部４１で堰き止められた潤滑油が、排出路４２を通ってスラスト側静止板４の径方向外側及び内側へ排出され得る。これにより、隣のスラスト側静止板４と回転板３との間に高温の潤滑油が流入することが抑制されるため、潤滑油の粘度が維持されて、言い換えると低下せず、油膜圧力が発生し易くなる。そのため、隣のスラスト側静止板４と回転板３との間の隙間を適正に確保し易くなる。

このような第７の実施の形態によれば、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを効果的に低減できる。

（第８の実施の形態）
次に、第８の実施の形態について図１１及び図１２を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第７の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図１１は、第８の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図であり、図１２は、図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿う断面図である。本実施の形態では、表面層４Ｂにおいて回転軸１０１の回転方向で窪み部４０の下流側に位置する下流側縁部４１が、下流側に向かうに従い厚さが小さくなるように形成される面取り部４１Ｓを含む。本実施の形態では、下流側縁部４１における窪み部４０と隣接する部分の厚さは一定であり、面取り部４１Ｓが部分的に形成されるが、下流側縁部４１の全体が、面取り部４１Ｓとなっていてもよい

また、スラスト側静止板４には、ベース板部４Ａの下面から下流側縁部４１の面取り部４１Ｓへ貫通する流体通路４３が設けられる。流体通路４３は円筒状であるが、形状及び設置数は特に限られるものではない。

本実施の形態の作用について説明する。上述のような面取り部４１Ｓが形成されている場合、油膜厚さは面取り部４１Ｓで急拡大するため、面取り部４１Ｓで負圧が生じる。一方で、下流側縁部４１で堰き止められた潤滑油の温度は高温になっており、回転方向に沿って隣のスラスト側静止板４に向けて流れ、この隣のスラスト側静止板４と回転板３との間に流入しようとする。ここで、本実施の形態では、面取り部４１Ｓで負圧が生じることで、スラスト側静止板４の下面側の潤滑油が流体通路４３を通って面取り部４１Ｓから流出し、高温の潤滑油と混ざる。これにより、隣のスラスト側静止板４と回転板３との間に流入しようとする潤滑油の温度が下がり、潤滑油の粘度が維持されて、言い換えると低下せず、油膜圧力が発生し易くなる。そのため、隣のスラスト側静止板４と回転板３との間の隙間を適正に確保し易くなる。

以上のような第８の実施の形態によれば、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを効果的に低減できる。

（第９の実施の形態）
次に、第９の実施の形態について図１３及び図１４を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第８の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図１３は、第９の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図であり、図１４は、図１０のＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿う断面図である。本実施の形態では、スラスト側静止板４に、ベース板部４Ａの径方向内側を向く内周面４０ｉから、下流側縁部４１の面取り部４１Ｓへ貫通する流体通路４３が設けられる。

本実施の形態の作用について説明する。油槽８内の潤滑油は、回転軸１０１の回転によって油槽８内で撹拌されており、図１３の矢印βで示す遠心方向の流速を持つ。ここで、本実施の形態では、ベース板部４Ａの径方向内側を向く内周面４０ｉが遠心方向の流速βと対向するように位置するため、油槽８内の低温の潤滑油が流体通路４３に流入し易くなる。そして、下流側縁部４１で堰き止められて高温となった潤滑油は、回転方向に沿って面取り部４１Ｓ側に向けて流れた際に流体通路４３から流出した潤滑油によって冷却される。これにより、隣のスラスト側静止板４と回転板３との間に流入しようとする潤滑油の温度が下がり、潤滑油の粘度が維持されて、言い換えると低下せず、油膜圧力が発生し易くなる。そのため、隣のスラスト側静止板４と回転板３との間の隙間を適正に確保し易くなる。

以上のような第９の実施の形態によれば、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを効果的に低減できる。

（第１０の実施の形態）
次に、第１０の実施の形態について図１５を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第９の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図１５は、第１０の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図である。本実施の形態では、窪み部４０が、回転軸１０１の径方向で複数設けられている。詳しくは、表面層４Ｂにおける径方向内側と外側とに窪み部４０が設けられ、これら２つの窪み部４０は、間隔を空けて径方向に並び、表面層４Ｂの径方向中央を挟んで径方向の一方側と他方側とに設けられている。なお、複数の窪み部４０が設けられる場合、その数は特に限られるものではない。また、複数の窪み部４０は径方向に並ばずに互いに回転方向にずれていてもよい。

本実施の形態の作用について説明する。定常状態において、スラスト側静止板４の傾斜角が適切で、油膜厚さが十分に確保されている場合には、スラスト側静止板４の下流端側で発生する圧力は、その内側で発生する圧力よりも小さい。また、スラスト側静止板４と回転板３との間においては、スラスト側静止板４の中央下流側付近に最大圧力が発生する。これらの点を考慮すると、窪み部４０を過剰に広範囲に設けると、定常状態における油膜圧力が不所望に低下する虞がある。そこで、本実施の形態のように窪み部４０を複数設けた場合には、必要な箇所のみに部分的に窪み部４０を配置でき、定常運転時の支持容量（能力）を確保し易くなる。

（第１１の実施の形態）
次に、第１１の実施の形態について図１６を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第１０の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図１６は、第１１の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図である。本実施の形態では、表面層４Ｂが、回転軸１０１の回転方向で表面層４Ｂの中央よりも上流側に位置する上流側窪み部５０をその上面にさらに有している。上流側窪み部５０は、窪み部４０と同様に、回転軸１０１の径方向に長尺状に延びるように形成されている。また、上流側窪み部５０は、回転軸１０１の回転方向で上流側に開放していない、より具体的には、本実施の形態における上流側窪み部５０は全体的に、回転軸１０１の回転方向で上流側に開放していない。

本実施の形態の作用について説明する。回転軸１０１の回転中においては、突発的にスラスト側静止板４に加わる荷重が小さくなり、過度にスラスト側静止板４の傾斜が小さくなることも想定される。このような事象が生じると、油膜圧力が急減し、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクが生じる。ここで、本実施の形態では、スラスト側静止板４と回転板３とが近接した際に、上流側窪み部５０に潤滑油が入り込んで圧力上昇を引き起こすことが可能となり、スラスト側静止板４と回転板３との接触が回避され得る。

以上のような第１１の実施の形態では、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを効果的に低減できる。なお、上流側窪み部５０による圧力上昇を引き起こし易くすることを考慮すると、第３の実施の形態における窪み部４０と同様に回転軸１０１の回転方向におけるスラスト側静止板４の寸法をＹとした場合に、上流側窪み部５０は、スラスト側静止板４の上流端から（１／４）・Ｙ以下、特に（１／１０）・Ｙ以下の範囲内に形成されることが好ましい。

（第１２の実施の形態）
次に、第１２の実施の形態について図１７及び図１８を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第１１の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図１７は、第１２の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図であり、図１８は、図１７のＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。本実施の形態では、スラスト側静止板４は、板本体部分４０１と、回転軸１０１の回転方向における板本体部分４０１の下流端面に接続される接続部分４０２とを有する。そして、接続部分４０２に窪み部４０が設けられている。接続部分４０２は径方向に長尺状となるように形成されている。本実施の形態では、板本体部分４０１と接続部分４０２とが締結部４０３によって着脱自在に接続されている。

また、板本体部分４０１はベース板部４Ａと表面層４Ｂとを有し、接続部分４０２は二層構造にはなっていないが、接続部分４０２も二層構造になっていてもよい。

本実施の形態では、回転子の荷重を受ける板本体部分４０１と、窪み部４０が設けられる接続部分４０２とを分離することで、窪み部４０の加工が容易になる。また既設のスラスト側静止板（板本体部分４０１）に、窪み部４０を後付けすることができる。

（第１３の実施の形態）
次に、第１３の実施の形態について図１９を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第１２の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明は省略する場合がある。

図１９は、第１３の実施の形態にかかる軸受装置のスラスト側静止板４の平面図である。本実施の形態では、第１２の実施の形態で説明した接続部分４０２の径方向の内側端部が、回転軸１０１の回転方向とは反対の方向に向けて径方向に対して傾斜している。

本実施の形態では、接続部分４０２の径方向の内側端部が回転方向とは反対の方向に向けて径方向に対して傾斜することで、遠心方向の流速βを有する潤滑油が窪み部４０に流入し易くなり、窪み部４０に流入した潤滑油による圧力上昇が生じ易くなる。そのため、第１２の実施の形態の構成よりも、スラスト側静止板４と回転板３とが接触するリスクを低減できる。

以上、各実施の形態を説明したが、上記の各実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、ラジアル側静止板９に各実施の形態で説明した窪み部４０と同様の窪み部が設けられてもよい。

また、例えばベース板部４Ａを支持するスプリング６に代えて、板状の弾性部材でベース板部４Ａを支持する構成としてもよい。

１…軸受装置、２…スラストカラー、３…回転板、４…スラスト側静止板、４Ａ…ベース板部、４Ｂ…表面層、６…スプリング、７…固定板、８…油槽、９…ラジアル側静止板、１０…油膜、４０…窪み部、４０ｉ…内周面、４１…下流側縁部、４１Ｓ…面取り部、４２…排出路、４３…流体通路、４０１…板本体部分、４０２…接続部分、４０３…締結部、５０…上流側窪み部、１００…水力機械、１０１…回転軸、２００…ランナー、２０１…水車主軸

Claims (10)

1. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記ベース板部側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記ベース板部は、前記窪み部に入り込み、その厚さが部分的に大きくなる、水力機械の軸受装置。
2. 前記ベース板部は、前記表面層よりも高剛性の材料から形成される、請求項１に記載の水力機械の軸受装置。
3. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、
   前記窪み部は、前記回転軸の径方向に長尺状に延び、
   前記窪み部の深さが、前記回転軸の径方向外側に向かうにしたがい小さくなる、水力機械の軸受装置。
4. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、
   前記窪み部は、前記回転軸の径方向に長尺状に延び、
   前記回転軸の回転方向における前記窪み部の幅が、前記回転軸の径方向外側に向かうにしたがい小さくなる、水力機械の軸受装置。
5. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、
   前記窪み部は、前記回転軸の径方向に長尺状に延び、
   前記窪み部の径方向外側の端部及び内側の端部うちの少なくともいずれかが、前記窪み部よりも深さの小さい排出路を介して径方向外側及び／又は内側へ開放している、水力機械の軸受装置。
6. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、
   前記表面層には、前記回転軸の回転方向で前記窪み部の下流側に位置して、前記窪み部を前記下流側に開放させないように構成される下流側縁部が設けられ、前記下流側縁部は、前記表面層における前記窪み部よりも上流側に位置する部分よりも低くなっている、水力機械の軸受装置。
7. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、
   前記表面層には、前記回転軸の回転方向で前記窪み部の下流側に位置して、前記窪み部を前記下流側に開放させないように構成される下流側縁部が設けられ、前記下流側縁部は、前記下流側に向かうに従い厚さが小さくなるように形成された面取り部を有し、
   前記静止板には、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面とは反対側の面から、前記面取り部へ貫通する流体通路が設けられる、水力機械の軸受装置。
8. 回転子を潤滑流体を介して回転可能に支持する水力機械の軸受装置であって、
   前記回転子の回転軸の径方向外側に取り付けられる筒状の回転部材から前記回転軸の軸方向に離間して前記回転軸の周囲に複数設けられ、前記回転部材から伝わる前記回転子の荷重を支持する静止板を備え、
   前記静止板は、ベース板部と、前記ベース板部の前記回転部材側を向く面に設けられる表面層とを有し、
   前記表面層は、前記回転部材側を向く面に窪み部を有し、前記窪み部は、前記回転軸の回転方向で下流側に位置し、
   前記窪み部の少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向で下流側に開放しておらず、
   前記表面層には、前記回転軸の回転方向で前記窪み部の下流側に位置して、前記窪み部を前記下流側に開放させないように構成される下流側縁部が設けられ、前記下流側縁部は、前記下流側に向かうに従い厚さが小さくなるように形成された面取り部を有し、
   前記静止板には、径方向内側を向く面から、前記面取り部へ貫通する流体通路が設けられる、水力機械の軸受装置。
9. 前記表面層は、前記回転軸の回転方向で前記表面層の中央よりも上流側に位置する上流側窪み部を、前記回転部材側を向く面にさらに有する、請求項１に記載の水力機械の軸受装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の水力機械の軸受装置を備える、水力機械。

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