JPH06101716A - 調節可能ギャップ静圧装置 - Google Patents

調節可能ギャップ静圧装置

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JPH06101716A
JPH06101716A JP5105332A JP10533293A JPH06101716A JP H06101716 A JPH06101716 A JP H06101716A JP 5105332 A JP5105332 A JP 5105332A JP 10533293 A JP10533293 A JP 10533293A JP H06101716 A JPH06101716 A JP H06101716A
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liner
gap
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bearing
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ラン コ−ウェイ
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カーク シャラー ジョセフ
Robert F Beatty
フランシス ビーティー ロバート
Nandor L Gaspar
ラスロ ガスパー ナンドー
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】静圧軸受とジャーナルとの間の半径方向ギャッ
プを，軸受及びシール機能発揮のために最適に調節可能
とする。 【構成】この静圧軸受は，ジャーナル２に隣接したハウ
ジング１０内に環状の電気的変形可能物質即ちピエゾ電
気物質から成る積層体５が環状アクチュエータ４をな
し，このアクチュエータ４を金属又はセラミックス材か
ら成るライナ３に取付けている。このライナ３とジャー
ナル２の間の半径方向ギャップ１４内を加圧流体が流れ
る。この半径方向ギャップ１４は，シャフトセンサ２１
のジャーナル速度検知とデジタルプログラムコントロー
ラ２２による検知信号受理，処理解析，指示発令が電源
２３に至り，アクチュエータ４に印加する電圧を調節す
ることにより，適切なクリヤランスに調節される。シー
ルに関しても同様にギャップ１４の最適調節がなされる
ことにより所期の機能が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大略、静圧軸受及びシ
ールに関するものであって、更に詳細には、調節可能な
半径方向のギャップを具備する静圧軸受及びシールに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、静圧軸受及びシールは、ジャーナ
ルと軸受又はジャーナルとシールとの間に固定された半
径方向ギャップを有するものであった。この様に固定さ
れたギャップは、動作期間中に発生する熱膨張を吸収す
ることができず、そのことは性能を低下させ且つ軸受又
はシールの寿命を短縮させる原因となっていた。更に、
軸受又はシール及びジャーナルが摩耗すると、半径方向
ギャップが変化し、そのことは更に性能を低下させ且つ
軸受又はシールの寿命を短縮させる原因となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した如
き従来技術の欠点を解消し、調節可能な半径方向ギャッ
プを有する流体軸受及びシールを提供することを目的と
する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属又はセラ
ミックのライナが取付けられている軸受ハウジング内に
ピエゾ電気物質からなるリングを使用することによっ
て、静圧軸受とジャーナルとの間に調節可能な半径方向
ギャップを与えている。静圧軸受における流体はジャー
ナルとライナとの間を流れる。
【０００５】動作期間中に軸受が加熱されると、ジャー
ナル及びライナはそれらの熱膨張によって分離する傾向
となる。このことが発生すると、ギャップが増加し且つ
静圧軸受は剛性を失い、ラビング即ち摺擦を発生し、そ
のことは軸受の摩耗を増加させる。ピエゾ電気物質を動
作させることにより、ライナはジャーナルに向けてより
近い位置に強制的に移動させ熱膨張を補償することが可
能であり、且つその際に摩耗を減少させ且つ静圧軸受の
寿命及び効率を増加させることが可能である。静圧軸受
の寿命に亘り、ジャーナルと軸受との間に摩耗が発生す
る。これは、ジャーナルと軸受との間の半径方向ギャッ
プを増加させ、軸受の効果及び寿命予測を減少させる。
ライナを調節するためにピエゾ電気物質を活性化させ、
それをジャーナルへ近付けて移動させることにより摩耗
を補償し、軸受の寿命を増加させ且つその効率を増加さ
せる。
【０００６】ベアリング上の摩耗の原因の一つはスター
ト−ストップ即ち始動及び停止サイクルであり、その場
合に、軸受上に異なった負荷がかけられ且つ振動モード
が発生してそれがジャーナルと軸受との間のラビング即
ち摺擦を発生させる場合がある。軸受の剛性は、ジャー
ナルと軸受との間の半径方向ギャップに比例している。
始動サイクル期間中の半径方向ギャップ距離を変化させ
ることにより、軸受の剛性を変化させ、ラビングを減少
させ且つ軸受の寿命を増加させることが可能である。ピ
エゾ電気軸受は、更に、ジャーナルと軸受との間の半径
方向ギャップを増加させて所望により始動サイクルの期
間中に摺擦接触が発生することを回避することが可能で
ある。
【０００７】同様に、シールの場合にも、調節可能なギ
ャップは始動期間中における摩耗を減少させ、熱膨張を
補償し、且つ摩耗を調節してシールの性能を最大とさせ
且つシールの寿命を増加させる。
【０００８】
【実施例】図１は可変の半径を有する調節可能なリング
１を示している。好適にはピエゾ電気物質から構成され
る積層体５が環状アクチュエータ４を構成しており、そ
れは電圧が印加された場合に、ジャーナル２に関して半
径方向に移動することが可能である。ジャーナルに面し
てアクチュエータ４にライナ３が取付けられており、且
つハウジング１０とアクチュエータ４との間には内側ラ
イナ７が設けられている。
【０００９】アクチュエータはハウジング１０に取付け
られており、ハウジング１０は外側の積層体を固定した
位置に保持している。従って、アクチュエータが活性化
されると、内側の積層体がジャーナルに関して相対的に
半径方向に移動し、且つ外側積層体は固定した位置に止
どまる。好適には、ピエゾ電気物質がｄ31モードで分極
され、従ってそれは活性化された場合に半径方向に拡大
し且つリングを円周方向に収縮させる。小さな半径方向
移動範囲に亘って、この様な作用により発生される応力
は著しいものではなく、且つピエゾ電気物質及びライナ
を損傷するようなものではない。より大きな半径方向の
移動の場合には、積層体内及びそれらの間の応力を減少
させる手段を使用してアクチュエータの損傷を防止する
ことが可能である。
【００１０】図２は、本発明の第二実施例を示してお
り、この場合には、調節可能なリング１は、好適には、
円周方向に沿って分極され且つ連結されているピエゾ電
気物質からなる複数個のセグメント６から構成されてい
る。リングをセグメント化させることにより、リング内
の応力を減少させることが可能であり、それによりピエ
ゾ電気アクチュエータに損傷を発生することなしにより
大きな半径方向ストロークを与えることを可能としてい
る。ジャーナル２に面してアクチュエータセグメント６
にはライナ３が取付けられている。
【００１１】上述した二つの実施例におけるライナ３
は、好適には、アクチュエータに取付けられており金属
又はセラミック物質からなる内側層を有すると共に、内
側層に取付けられており好適には銀からなる外側層を有
している。これらのライナは、流体の流れに対して洩れ
のない滑らかな表面を確保するために使用されている。
銀層は、軸受のダンピングを改善するためにローレット
加工することが可能な柔らかな表面を与えている。この
銀層は、ラビング即ち摺擦に対して許容性を有してお
り、ライナはジャーナルと接触する場合があるので、有
用なことである。この銀層は、更に、液体水素環境と適
合性を有しており、そのことはロケットエンジン用の燃
料ポンプにおいて使用するのに有用なものとしている。
【００１２】内側層７は極端な温度変化条件下における
熱膨張に対する保護を与えるものである。好適には、こ
の内側層はモリブデン又はタングステンの薄膜及びスパ
ッタコーティング付着によりリングに付与することの可
能なモリブデンである。セラミック物質が最も適してい
る熱的環境である場合には、窒化シリコンを使用するこ
とが望ましい。
【００１３】このライナは、好適には、ライナの円周を
変化させるようなアクチュエータの円周が変化する場合
に屈曲したりバックルするようなものではなく、従って
流体の流れに対して滑らかな表面を維持し、且つジャー
ナルの円周周りに一様な距離で半径方向ギャップを維持
する。
【００１４】ピエゾ電気物質の積層体が円周を変化させ
る場合に滑らかな表面を維持するために、積層複合体は
可撓性のあるものでなければならず、且つ典型的には、
クラッキングを促進するような応力を増加させるものを
取除くためにスロット形状の端部を有している。このラ
イナはコールド及びホット組立て環境を使用することに
よりアクチュエータ内に圧入して締りばめを与えてい
る。
【００１５】銀層は、ジャーナルと軸受表面との間に低
摩擦条件を与えており、過渡的な負荷条件期間中に摩耗
の割合を低い状態に確保している。更に、銀の機械的特
性が、必要な場合に、ボアの表面をローレット加工させ
ることを可能としている。
【００１６】図３はアクチュエータ４に使用されるピエ
ゾ電気物質からなる積層体５を有する調節可能ギャップ
静圧軸受の側部概略断面図を示している。この積層体は
好適にはセラミック又は金属物質からなる内側ライナ７
によって流体インレット１２の各側部上においてハウジ
ング１０内に取付けられている。
【００１７】加圧流体が流体インレット１２へ導入され
且つライナ３とジャーナル２との間の可変ギャップ１４
を介して流れ、静圧軸受動作を与えている。想像線で示
したライナの表面は、アクチュエータが活性状態とされ
た後のライナの位置を示している。
【００１８】半径方向ギャップ１４はピエゾ電気アクチ
ュエータへ電圧を印加することにより制御される。電圧
が高ければ高いほど、アクチュエータの運動量はそれだ
け大きい。ジャーナルが休止状態にある時から開始して
調節可能ギャップ静圧軸受を動作する場合には、シャフ
ト速度センサ２１がデジタルプログラムコントローラ２
２に対して、ジャーナルが運動していないことを知ら
せ、且つ電圧源へ信号を送ってどの様にしてアクチュエ
ータが動作するかに依存して全電圧又は最小電圧を印加
し、ライナとジャーナルとの間の半径方向ギャップの最
大の後退動作を得る。従って、ジャーナルが始動を開始
し且つジャーナルが振動している場合には、ライナ３は
ジャーナルと摺擦接触状態となることはない。ジャーナ
ルの速度が増加し且つ振動が減衰すると、シャフト速度
センサ２１がその速度の増加を検知し且つデジタルプロ
グラムコントローラ２２へ信号を送給し、該コントロー
ラはワイヤ２０を介してアクチュエータ４へ供給される
電圧を増加させるか又は減少させるために電源２３に対
しての指示を与える。デジタルプログラムコントローラ
は、静圧軸受の性能を最大とさせ且つ軸受の摩耗を最小
とし且つ軸受の寿命を増加させるように半径方向ギャッ
プ１４を調節すべくプログラムされている。
【００１９】ジャーナル２の速度は、シャフト表面上の
不連続部をモニタする近接プローブ２１を埋め込んだセ
ンサプレートにより測定することが可能である。その出
力信号はコントローラ２２へ供給され、処理及び解析が
行なわれ、電圧供給源２３はギャップを変化させるため
に調節される。
【００２０】軸受の剛性即ち減衰率変化を支配する場合
のあるジャーナルの半径方向屈曲２４を検知する手段が
設けられており、従って半径方向ギャップはジャーナル
運動制御のために適切なクリアランスに調節される。シ
ャフト速度が近接プローブが埋め込まれたセンサプレー
トにより測定される場合には、近接プローブ２１は半径
方向シャフト屈曲に比例した信号を発生すべく較正され
た振幅によって二重の機能を達成することが可能であ
る。そのデータを実時間処理及び解析を行なうためにコ
ントローラへ供給することが可能であり、且つ電圧源２
３は半径方向ギャップ１４を変化させるように調節され
る。
【００２１】静圧軸受においては、ジャーナルの速度に
対して軸受の剛性を最適化するために、半径方向ギャッ
プ１４を特定の距離に設定することが重要である。更
に、ライナにおける摩耗を補償するために半径方向ギャ
ップを調節し、半径方向ギャップを軸受の寿命に亘って
同一の距離に維持することが有用である。その様に半径
方向ギャップを適切な剛性のものに調節することによ
り、軸受の寿命は増加され且つ軸受の性能は改善され
る。
【００２２】アクチュエータの最大ストロークは、好適
には、０．００００５ｍｍであり、それはライナを後退
させるのに十分なものであり、従ってそれはスタート及
びストップ即ち始動及び停止状態における過渡的期間中
における摩耗が発生することを回避している。
【００２３】上述した静圧軸受は、外部及び内部の供給
軸受と共に同様に良好に動作する。図４は本発明の別の
実施例を示しており、この場合には、ライナ３の端部を
アクチュエータによって上側及び下側に可変的にテーパ
状態とさせることが可能であり、それにより流体の流れ
を制限したり増加させたりし、従ってライナ全体を上下
に移動させる代わりに軸受の剛性を変化させる。図５及
び６に示した如く、このライナはライナ３の端部にスロ
ットを設けた部分１８を有しており、それをテーパした
位置へ屈曲させることを容易としている。
【００２４】静圧軸受は、静圧軸受において使用される
流体の流れを制限することを助けるために軸受に続いて
配置したシールを有している。静圧軸受における場合の
如く、該シールは調節可能なピエゾ電気リングにより制
御される可変の半径方向ギャップ１４を有することが可
能である。図７は、ライナ３と内側ライナ７とを具備す
るアクチュエータ４を有するハウジング１０を具備する
シール１５を持ったジャーナル２を示している。静圧軸
受の場合における如く、該シールは、ピエゾ電気アクチ
ュエータへ印加される電圧を制御することにより、ジャ
ーナルと相対的に移動させてそれらの間のギャップ１４
を変化させることが可能である。静圧軸受の場合におけ
る如く、コントローラがアクチュエータへ印加される電
圧を調節するが、このコントローラは、静圧軸受と比較
して同一の速度に対し異なった距離へ半径方向ギャップ
を変化させるべくプログラムされている。
【００２５】該シール用のライナ３は異なった形態を有
することが可能である。図８は平坦な内側表面を有する
ライナ３を示している。図９はテーパ形状とした内側表
面を有するライナ３を示している。図１０は段差を付け
た内側表面を有するライナ３を示している。図１１は平
坦な内側表面を有するライナ３と鋸歯状表面を有するジ
ャーナルとを示している。種々のタイプのライナ及びジ
ャーナルは異なったシール特性を与える。
【００２６】理解すべきことであるが、本明細書におい
ては特にピエゾ電気アクチュエータについて説明した
が、例えば電歪、電磁石、残留磁気、磁歪、ピエゾ複合
強誘電体又は熱膨張性物質などの電気的変形可能物質で
あって、電子信号又は電圧に応答して変化することの可
能な物質からなるアクチュエータを使用することも可能
である。尚、本発明にとって好ましい特性を有するピエ
ゾ電気リングは、例えばカリフォルニア州エルトロのバ
ーニトロンコーポレーションなどの業者から市販されて
いるものを使用することが可能である。
【００２７】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 積層型のリングピエゾ電気アクチュエータを
示した一部切断部分を有する静圧軸受用の調節可能リン
グの概略図。
【図２】 セグメント化したリングピエゾ電気アクチュ
エータを示した一部切断部を有する静圧軸受用の調節可
能なリングの概略図。
【図３】 ジャーナル上の積層型リングピエゾ電気静圧
軸受及びその電源を示した概略断面図。
【図４】 ライナがテーパ状態とされた場合の積層型リ
ングピエゾ電気静圧軸受を示した概略断面図。
【図５】 スロットを設けたライナを具備するピエゾ電
気リングを示した概略断面図。
【図６】 図５のスロットを設けたライナにおけるスロ
ットの詳細な構成を示した概略図。
【図７】 ピエゾ電気リングを有するシールを示した概
略断面図。
【図８】 滑らかなライナを有するシールとジャーナル
とを示した概略断面図。
【図９】 テーパ形状を有するライナを具備するシール
とジャーナルとを示した概略断面図。
【図１０】 段差を設けたライナを有するシールとジャ
ーナルとを示した概略断面図。
【図１１】 滑らかなライナを有するシールと鋸歯状形
状を有するジャーナルとを示した概略断面図。
【符号の説明】
１ リング ２ ジャーナル ３ ライナ ４ アクチュエータ ５ 積層体 ７ 内側層 １０ ハウジング １２ 流体インレット １４ 可変ギャップ ２１ シャフト速度センサ ２２ デジタルプログラムコントローラ ２３ 電圧供給源
フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ カーク シャラー アメリカ合衆国， カリフォルニア 93063， シミ バレイ， ゴルフ メド ーズ コート 2715 (72)発明者 ロバート フランシス ビーティー アメリカ合衆国， カリフォルニア 91304， ウエスト ヒルズ， マーカン ド アベニュー 7927 (72)発明者 ナンドー ラスロ ガスパー アメリカ合衆国， カリフォルニア 91303， カノガ パーク， ハート ス トリート 21720

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 調節可能ギャップ静圧装置において、 ジャーナルに近接しそれを円周方向に取囲むハウジング
    が設けられており、前記ハウジングは第一環状ライナが
    取付けられており、 内側の円周と外側の円周とを有する環状の電気的変形可
    能アクチュエータが設けられており、前記外側円周は前
    記第一環状ライナへ取付けられており、 前記環状電気的変形可能アクチュエータの内側円周に取
    付けて第二環状ライナが設けられており、前記第二環状
    ライナはそれと前記ジャーナルとの間に半径方向のギャ
    ップを画定しており、 前記ジャーナルと前記第二環状ライナとの間の半径方向
    ギャップを調節するために前記電気的変形可能アクチュ
    エータへ可変電圧を印加する手段が設けられている、こ
    とを特徴とする調節可能ギャップ静圧装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記環状電気的変形
    可能アクチュエータが電気的変形可能物質からなる層を
    有することを特徴とする調節可能ギャップ静圧装置。
  3. 【請求項３】 請求項１において、前記環状電気的変形
    可能アクチュエータが電気的変形可能物質からなる複数
    個のセグメントを有することを特徴とする調節可能ギャ
    ップ静圧装置。
  4. 【請求項４】 請求項１において、静圧軸受を構成する
    ために前記半径方向ギャップ内に流体を注入するインレ
    ットが設けられていることを特徴とする調節可能ギャッ
    プ静圧装置。
  5. 【請求項５】 請求項４において、前記第二環状ライナ
    が前記流体インレットに隣接した内側部分を有すると共
    に、外側部分を有しており、前記電気的変形可能物質が
    前記外側部分に作用してそれを前記ジャーナルに向かっ
    てテーパ状態とさせ、その際に前記第二ライナの外側部
    分の半径方向ギャップを減少させることを特徴とする調
    節可能ギャップ静圧装置。
  6. 【請求項６】 請求項５において、前記第二環状ライナ
    の外側部分にスロットが形成されており、従って前記ラ
    イナをテーパ状態とさせるために前記電気的変形可能物
    質により作用される場合により容易に屈曲することが可
    能であることを特徴とする調節可能ギャップ静圧装置。
  7. 【請求項７】 請求項１において、前記ジャーナルの半
    径方向の屈曲を検知し且つ前記ジャーナルの半径方向の
    屈曲の関数として前記ジャーナルと前記第二環状ライナ
    との間のギャップを調節するように前記アクチュエータ
    へ可変電圧を印加する手段が設けられていることを特徴
    とする調節可能ギャップ静圧装置。
  8. 【請求項８】 請求項１において、前記ジャーナルの速
    度を検知し且つジャーナル速度の関数として前記ジャー
    ナルと前記第二環状ライナとの間のギャップを調節する
    ように前記アクチュエータへ可変電圧を印加する手段が
    設けられていることを特徴とする調節可能ギャップ静圧
    装置。
  9. 【請求項９】 請求項８において、前記ジャーナルの半
    径方向屈曲を検知し且つジャーナルの半径方向屈曲の関
    数として前記ジャーナルと前記第二環状ライナとの間の
    ギャップを調節するように前記アクチュエータへ可変電
    圧を印加する手段が設けられていることを特徴とする調
    節可能ギャップ静圧装置。
JP10533293A 1992-05-04 1993-05-06 調節可能ギャップ静圧装置 Expired - Lifetime JP3486201B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US878069 1992-05-04
US07/878,069 US5238308A (en) 1992-05-04 1992-05-04 Adjustable gap hydrostatic element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06101716A true JPH06101716A (ja) 1994-04-12
JP3486201B2 JP3486201B2 (ja) 2004-01-13

Family

ID=25371316

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
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