JP7366675B2

JP7366675B2 - スラスト軸受装置

Info

Publication number: JP7366675B2
Application number: JP2019176178A
Authority: JP
Inventors: 和徳池田; 謙司吉水; 勇樹見村; 駿介牧野; 忠利佐藤; 淳二森
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2023-10-23
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: JP2021055677A

Description

本発明は、立軸型回転電機に用いられるスラスト軸受装置に関する。

一般に立軸型回転電機、例えば水車発電機あるいは揚水発電電動機に使用されるスラスト
軸受装置は、発電機と水車の回転体の重量と、回転電機の運転にともなって生じる水スラ
ストを支持している。近年の回転電機の高速大容量化に伴って、運転中の水スラストが回
転体重量の３倍に達する場合もある。

図１５は従来技術のスラスト軸受装置を模式的に示す縦断面図である。回転軸１にはスラ
ストカラー２が取り付けられ、その下部には回転板３が設けられている。静止板４の上部
には、静止板４と比較して剛性の低い摺動部材５が取り付けられており、回転板３との摺
動面を形成している。油槽８内には潤滑油が満たされており、上記摺動面を潤滑している
。静止板４は、コイルスプリング６を介して支持板７の上に設けられている。油槽８には
、スラストカラー２の周囲を囲う形でガイド軸受９が支持部材１８を介して固定されてい
る。図１６は静止板４の配置を示す平面図であり、扇型をした複数の静止板４が、回転軸
１のまわりに放射状に配置されている。

図１７は、１個の静止板周辺の詳細図を示している。回転板３が回転すると、静止板４の
摺動部材５との隙間に潤滑油が巻き込まれて油膜１０が形成される。前記隙間は数１０～
数１００μｍ程度の狭小隙間であり、そこに回転板３に付着した潤滑油が数１０ｍ／ｓの
高速度で流入するため、油膜１０には圧力が発生し、回転軸の重量や運転中の水スラスト
が支持される。静止板４を支持するコイルスプリング６の機能としては以下の２点がある
。

（機能１）回転電機の運転中、回転数の変動や水スラストによる荷重の変動が生じる。

静止板４を弾性支持にすることで、静止板４の位置や傾きに自由度を持たせ、上記の変動
が生じても適切な油膜形状と油膜圧力を維持する。

（機能２）回転電機の組み立て時に、回転軸の傾きや静止板間の高さの差が生じ得る。

静止板４を弾性支持にすることで、上記の組み立て誤差を吸収し、運転中に各静止板４に
加わる荷重を均等に維持する。

なお、従来技術のスラスト軸受装置では、各静止板を支持するコイルスプリングの設置密
度を、回転上流側に向かうほど粗くすることがある。図１８はその例であり、Ａ列とＢ列
のコイルスプリング６の個数を図１７よりも削減している。このような構成にすると、静
止板の支持剛性が回転上流側に向かうほど低くなり、図１８の下図に示すように、回転上
流側から下流側に向かうほど油膜が薄くなるよう静止板４が傾きやすくなる。その結果、
くさび膜効果で油膜圧力発生が促進され、スラスト軸受の負荷容量を向上することができ
る。

近年、回転電機の効率向上のため、スラスト軸受装置の機械損失低減が望まれている。そ
のためにはスラスト軸受装置の小型化が有効であるが、小型化のためコイルスプリングの
個数を減らすと、コイルスプリング１個当たりに加わる荷重が大きくなる。しかしながら
、コイルスプリングは構造上、部材の一部に応力集中が起きることがあり、特に運転中に
大きな水スラストが作用すると、材料の強度限界に達して前記（機能１）が損なわれるリ
スクがある。

このような背景を受け、特許文献１のように、コイルスプリングに替えてゴム製や樹脂製
の平板形状をした板状弾性体により静止板を支持するスラスト軸受装置が提案されている
。板状弾性体は、その構造上応力集中が起きにくく、大きな荷重が加わっても前記（機能
１）を維持できることが特長である。

特許第５１８５３７７号公報

特許文献１などに記載の板状弾性体は、その厚さ方向の弾性変形で静止板の位置や傾きに
自由度を持たせるものであり、線材が弾性変形するコイルスプリングと比較して変形量が
小さい。したがって、前記（機能２）の「組み立て誤差を吸収し、運転中に各静止板に加
わる荷重を均等に維持する機能」については、コイルスプリングよりも不利であり、組み
立て誤差の管理をより厳しく行う必要がある。

本発明の目的は、板状弾性体で静止板を支持するスラスト軸受装置において、大きな荷重
に耐えうるという従来技術の長所を維持しつつ、組み立て誤差を吸収しにくいという従来
技術の短所を解決することである。

本発明では、立軸型回転電機が静止した状態では、静止板と板状弾性体とが、凸部の頂
面と凹部の底面との接触部分以外は接触しない程度に凸部がたわみ、立軸型回転電機が運転され、回転板から受ける荷重が増加する過程で、静止板の面と板状弾性体の面のうち、対向する面同士が全面で接触する程度に凸部がたわむような弾性力を凸部が有するスラスト軸受装置を提供する。

本発明は、板状弾性体と静止板との構造を改善したことにより、従来構造では同時に解決
できなかった課題、すなわち、回転板から大きな荷重が加わった場合でも静止板を弾性支
持することと、組み立て誤差を吸収することを同時に解決することができる。

第１実施形態のスラスト軸受装置（回転板から受ける荷重が小さい状態）第１実施形態のスラスト軸受装置（回転板から受ける荷重が大きい状態）静止板単体を水平面内にスライドさせて分解組立を行う構造のスラスト軸受装置において、スライド方向の一例を示す図第２実施形態のスラスト軸受装置第２実施形態の変形例を示す図第３実施形態のスラスト軸受装置（回転板から受ける荷重が小さい状態）第３実施形態のスラスト軸受装置（回転板から受ける荷重が大きい状態）第４実施形態のスラスト軸受装置第４実施形態のスラスト軸受装置の作用を示す図第５実施形態のスラスト軸受装置（第１実施形態のスラスト軸受装置に適用）第５実施形態のスラスト軸受装置（第３実施形態のスラスト軸受装置に適用）第６実施形態のスラスト軸受装置（第１実施形態のスラスト軸受装置に適用）第６実施形態のスラスト軸受装置（第３実施形態のスラスト軸受装置に適用）第７実施形態のスラスト軸受装置（第１実施形態のスラスト軸受装置に適用）第７実施形態のスラスト軸受装置（第３実施形態のスラスト軸受装置に適用）従来技術のスラスト軸受装置（縦断面図）従来技術のスラスト軸受装置（平面図）従来技術のスラスト軸受装置（１個の静止板周辺の詳細図）従来技術のスラスト軸受装置（コイルスプリングの設置密度を変えた場合）

＜第１実施形態＞
（構成）
図１は、第１実施形態のスラスト軸受装置である。本実施形態は従来技術のスラスト軸受
装置（図１７）におけるコイルスプリングを、板状弾性体に置き換えた軸受装置を前提と
している。図１において、回転板３と対向する静止板４は、板状弾性体１１で支持されて
いる。板状弾性体１１の材料としては、金属よりも弾性変形しやすいゴムや樹脂などが考
えられる。板状弾性体１１の上面に凸部１２を設け、静止板４の下面のうち凸部１２と対
向する位置に凹部１３を設ける。各凸部１２の高さはそれと対向する凹部１３の深さより
も大きくし、各凸部１２の頂面と、対向する凹部１３の底面が接触するように、静止板４
を板状弾性体１１の上に置く。

なお、上記の構成は、１個の静止板４に対して、最少で１個の板状弾性体１１を準備し、
その板状弾性体１１に凸部１２を加工することで実現できる。

つまり、立軸型回転電機が静止した状態では、静止板４と板状弾性体１１とが、凸部１２
と凹部１３との接触部分以外は接触しない程度に凸部１２がたわむような弾性力を凸部１
２が有し、立軸型回転電機が運転され、回転板３から受ける荷重が増加する過程で、図２
に示すように静止板４と板状弾性体１１とが全面で接触する程度に凸部１２がたわむよう
な弾性力を凸部１２が有している。

（作用）
図１は、回転電機の組み立て時であって回転電機の静止状態では、静止板４が回転板３か
ら受ける荷重が比較的小さい状態を想定している。各凸部１２の高さはそれと対向する凹
部１３の深さよりも大きいため、静止板４と板状弾性体１１とは全面接触せず、凸部１２
の頂面と凹部１３の底面だけで接触する。このように狭い面積で部材が接触するため、板
状弾性体の凸部１２は容易に変形し得る。

図２は、回転電機の運転状態であって、回転板３から受ける荷重が増加する過程において
、静止板４が回転板３から受ける荷重が比較的大きい状態を想定している。荷重増加に伴
って凸部１２の変形が進行すると、同図のように静止板４と板状弾性体１１が全面で接触
する。

（効果）
回転電機の組み立て時には、スラスト軸受装置に回転体の重量のみ作用する。これは、図
１のように静止板４が回転板３から受ける荷重が比較的小さい状態であり、板状弾性体の
凸部１２が容易に変形し得るため、組み立て誤差を吸収することができる。

回転電機の運転中は、スラスト軸受装置に回転体の重量に加えて、大きな水スラストが作
用することがある。これは、図２のように静止板４が回転板３から受ける荷重が比較的大
きい状態であり、静止板４と板状弾性体１１は全面で接触するため、従来技術の板状弾性
体と同等の弾性が得られる。

以上より、回転板から大きな荷重が加わった場合でも静止板を弾性支持することができ、
かつ組み立て誤差も吸収できるような板状弾性体が得られる。

なお本実施形態では、１個の静止板に対して、最少で１個の板状弾性体を配置すれば良い
。よって、多数のコイルバネを配置する従来技術のスラスト軸受装置（図１７、図１８）
と比較して、組み立て作業が容易となる。

＜第２実施形態＞
（構成）
図３は、静止板単体を水平面内にスライドさせて分解組立を行う構造のスラスト軸受装置
において、スライド方向の一例を示す図である。スラスト軸受装置の保守点検では、回転
軸１を油圧ジャッキ等で浮かせて、静止板４単体を水平面内にスライドさせて分解組立す
ることがある。その場合、静止板４同士の干渉を防止するために、スライド方向１６を各
静止板４の外径方向とすれば良い。

図４は、第２実施形態のスラスト軸受装置である。第１実施形態のスラスト軸受装置にお
いて、静止板４の下面に設ける凹部１３、および板状弾性体１１の上面に設ける凸部１２
を、前記スライド方向１６と平行に連続的に伸びる形状とする。

（作用）
静止板４をスライドさせて分解組立する際、板状弾性体１１に加工された凸部１２がガイ
ドとなる。

（効果）
前記ガイドにより、静止板４の分解組立作業が容易となる。

なお、本実施形態で、板状弾性体１１の上面に設ける凸部１２は連続的な形状としたが、
図４ａのように、スライド方向１６と平行に凸部１２が複数不連続的に設けられるように
しても同様の作用と効果が得られる。

＜第３実施形態＞
（構成）
図５は、第３実施形態のスラスト軸受装置である。本実施形態は従来技術のスラスト軸受
装置（図１７）におけるコイルスプリングを、弾性体セグメントに置き換えた軸受装置を
前提としている。図５において、回転板３と対向する静止板４は、複数の弾性体セグメン
ト１４で支持されている。各弾性体セグメント１４は、上ふた１５とその下部の板状弾性
体１１から構成され、板状弾性体１１の上面に凸部１２を設け、上ふた１５の下面のうち
凸部１２と対向する位置に凹部１３を設ける。各凸部１２の高さはそれと対向する凹部１
３の深さよりも大きくし、各凸部１２の頂面と、対向する凹部１３の底面が接触するよう
に、上ふた１５を板状弾性体１１の上に置く。

立軸型回転電機が静止した状態では、上ふた１５と板状弾性体１１とが、凸部１２と凹部
１３との接触部分以外は接触しない程度に凸部１２がたわむような弾性力を凸部１２は有
し、立軸型回転電機が運転され、回転板３から受ける荷重が増加する過程で、図６に示す
ように、上ふた１５と板状弾性体１１とが全面で接触する程度に凸部１２がたわむような
弾性力を凸部１２が有する。

（作用）
図５は、静止板４が回転板３から受ける荷重が比較的小さい状態を想定している。各凸部
１２の高さはそれと対向する凹部１３の深さよりも大きいため、上ふた１５と板状弾性体
１１とは全面接触せず、凸部１２の頂面と凹部１３の底面だけで接触する。このように狭
い面積で部材が接触するため、板状弾性体の凸部１２は容易に変形し得る。

図６は、静止板４が回転板３から受ける荷重が比較的大きい状態を想定している。荷重増
加に伴って凸部１２の変形が進行すると、同図のように上ふた４と板状弾性体１１が全面
で接触する。

（効果）
第１実施形態と同様に、回転板から大きな荷重が加わった場合でも静止板を弾性支持する
ことができ、かつ組み立て誤差も吸収できるような板状弾性体が得られる。

複数の弾性体セグメントを配置するため、組み立て作業の手間は従来技術のスラスト軸受
装置（図１７、図１８）と同等であるが、弾性体セグメントを任意の位置に配置できるの
で、第１実施形態と比較して設計の自由度は大きくなる。

＜第４実施形態＞
（構成）
図７は、第４実施形態のスラスト軸受装置である。本実施形態は第３実施形態のスラスト
軸受装置を前提としており、弾性セグメント１４の設置密度を、回転上流側に向かうほど
粗くする。例えば図７では、図５の第３実施形態のスラスト軸受装置と比較して、Ａ列の
弾性セグメントを撤去し、Ｂ列の弾性セグメントの個数を削減している。

（作用）
静止板４の支持剛性が回転上流側に向かうほど低くなり、図８の下図に示すように、回転
上流側から下流側に向かうほど油膜が薄くなるよう静止板４が傾きやすくなる。その結果
、くさび膜効果で油膜圧力発生が促進される。

（効果）
油膜圧力発生が促進されると、回転板３と摺動部材５とが接触するリスクが低下し、スラ
スト軸受の負荷容量を向上することができる。

＜第５実施形態＞
（構成）
図９は、第５実施形態のスラスト軸受装置である。第１実施形態のスラスト軸受装置に対
して、ある凸部１２と凹部１３の接触面積を、それより下流側に位置する凸部１２と凹部
１３の接触面積よりも小さくする。例えば図９では、Ａ列＜Ｂ列＜Ｃ列＜Ｄ列の順で、凸
部１２と凹部１３の接触面積を小さくしている。

（作用）
凸部１２と凹部１３の接触面積を小さくすると、凸部１２に荷重が加わったときの変形量
は大きくなる。よって本実施形態では、静止板４の支持剛性が回転上流側に向かうほど低
くなり、図８の第４実施形態と同様に、回転上流側から下流側に向かうほど油膜が薄くな
るよう静止板４が傾きやすくなる。その結果、くさび膜効果で油膜圧力発生が促進される
。

なお、本実施形態は、第３実施形態のスラスト軸受に対しても適用することができる。図
１０はその例であり、得られる作用と効果は上記と同様である。

＜第６実施形態＞
（構成）
図１１は、第６実施形態のスラスト軸受装置である。第１実施形態のスラスト軸受装置に
対して、ある凸部１２の高さを、それより下流側に位置する凸部１２よりも高くする。例
えば図１１では、Ａ列＞Ｂ列＞Ｃ列＞Ｄ列の順で、凸部１２を高くしている。

（作用）
凸部１２を高くすると、凸部１２に荷重が加わったときの変形量は大きくなる。よって本
実施形態では、静止板４の支持剛性が回転上流側に向かうほど低くなり、図８の第４実施
形態と同様に、回転上流側から下流側に向かうほど油膜が薄くなるよう静止板４が傾きや
すくなる。その結果、くさび膜効果で油膜圧力発生が促進される。

なお、本実施形態は、第３実施形態のスラスト軸受に対しても適用することができる。図
１２はその例であり、得られる作用と効果は上記と同様である。

＜第７実施形態＞
（構成）
図１３は、第７実施形態のスラスト軸受装置である。第１実施形態のスラスト軸受装置に
対して、一部の凸部１２の表面に切れ目を加工し、ある凸部１２に加工した切れ目の本数
を、それより回転下流側に位置する凸部１２よりも多くする。例えば図１３では、Ｄ列以
外の凸部１２に切れ目を加工し、Ａ列＞Ｂ列＞Ｃ列の順で、凸部１２の切れ目の本数を多
くしている。

（作用）
凸部１２の切れ目の本数を多くすると、凸部１２に荷重が加わったときの変形量は大きく
なる。よって本実施形態では、静止板４の支持剛性が回転上流側に向かうほど低くなり、
図８の第４実施形態と同様に、回転上流側から下流側に向かうほど油膜が薄くなるよう静
止板４が傾きやすくなる。その結果、くさび膜効果で油膜圧力発生が促進される。

なお、本実施形態は、第３実施形態のスラスト軸受に対しても適用することができる。図
１４はその例であり、得られる作用と効果は上記と同様である。

１…回転軸
２…スラストカラー
３…回転板
４…静止板
５…摺動部材
６…コイルスプリング
７…支持板
８…油槽
９…ガイド軸受
１０…油膜
１１…板状弾性体
１２…凸部
１３…凹部
１４…弾性体セグメント
１５…上ふた
１６…静止板の分解組立方向
１７…切れ目
１８…支持部材

Claims

立軸型回転電機に用いられるスラスト軸受装置であり、回転板と対向する静止板が、板状
弾性体で支持された構造のスラスト軸受装置において、
前記静止板に設けられ、底面を有する凹部と、
前記板状弾性体に設けられ、前記凹部に対向し、前記凹部の深さより大きい高さを有し、
前記底面と接触する頂面を有する凸部とを備え、
前記立軸型回転電機が静止した状態では、前記静止板と前記板状弾性体とが、前記凸部の
頂面と前記凹部の底面との接触部分以外は接触しない程度に前記凸部がたわみ、
前記立軸型回転電機が運転され、前記回転板から受ける荷重が増加する過程で、前記静止
板の面と前記板状弾性体の面のうち、対向する面同士が全面で接触する程度に前記凸部がたわむような弾性力を前記凸部が有するスラスト軸受装置。
請求項１に記載のスラスト軸受装置において、各静止板を支持する板状弾性体の数を１個
ずつとしたスラスト軸受装置。
請求項１に記載のスラスト軸受装置であり、静止板単体を水平面内にスライドさせて分解
組立を行う構造のスラスト軸受装置において、静止板下面に設ける凹部を、前記スライド
方向と平行に連続的に伸びる形状とし、板状弾性体上面に設ける凸部を、前記スライド方
向と平行に連続的に伸びる形状、または前記スライド方向と平行に複数設けられるスラス
ト軸受装置。
立軸型回転電機に用いられるスラスト軸受装置において、
回転板と対向する静止板と、
前記静止板を支持し、前記静止板の下面に設けられる上ふたと、前記上ふたの下部の板状
弾性体とから構成され、前記板状弾性体に設けられ頂面を有する凸部と、前記凸部に対向
し、前記上ふたに設けられ前記頂面と接触する底面を有する凹部とを有し、前記凸部の高
さは前記凹部の深さよりも大きくした弾性体セグメントとを備え、
前記立軸型回転電機が静止した状態では、前記上ふたと前記板状弾性体とが、前記凸部の
頂面と前記凹部の底面との接触部分以外は接触しない程度に前記凸部がたわみ、
前記立軸型回転電機が運転され、前記回転板から受ける荷重が増加する過程で、前記上ふ
たの面と前記板状弾性体の面のうち、対向する面同士が全面で接触する程度に前記凸部が
たわむような弾性力を前記凸部が有するスラスト軸受装置。
請求項４に記載のスラスト軸受装置において、各静止板を支持する弾性体セグメントの設
置密度を、回転上流側に向かうほど粗くしたスラスト軸受装置。
請求項１または請求項４に記載のスラスト軸受装置において、ある凸部と凹部の接触面積
を、それより回転下流側に位置する凸部と凹部の接触面積よりも小さくしたスラスト軸受
装置。
請求項１または請求項４に記載のスラスト軸受装置において、ある凸部の高さを、それよ
り回転下流側に位置する凸部よりも高くしたスラスト軸受装置。
請求項１または請求項４に記載のスラスト軸受装置において、一部の凸部の表面に切れ目
を加工し、ある凸部に加工した切れ目の本数を、それより回転下流側に位置する凸部より
も多くしたスラスト軸受装置。