JPS5813232A - 回転軸の支持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高速回転する回転軸の支持装置に係υ、特に回転軸を支
持する軸受スパンが長く、回転軸・軸受系の固有値を超
えた回転速度で運転しなければならない大容量の回転機
械に実施して好適な回転軸の支持装置郷関するものであ
る。

従来の一転軸の支持装置の一例を＃Ｉｌ図に示す。

この図は軸流圧縮機と遠心圧４機を組合せ九ターボ圧縮
機を示すもので、回転軸ｌはケーシング２の両端に配置
し喪主軸受３．４によって支持されて回転している。こ
の回転＠Ｉｌｌには、駆動機（図示せず）から回転軸ｌ
に伝達されたエネルギーを流体に角運動量として与える
ために動翼５および羽根車６が設けである。

このように構成された回転軸・軸受系の特性を第２図に
示す。一般に大容量，高圧力比のターボ機械では、起動
後回転数を上昇していくとまず１次の危険速度Ｎ．Ｉに
達し、共振によって大きな軸振動を発生する。この危険
速度Ｎ．，の通過後は徐徐に軸振動が低下し、定格運転
点Ｎ，に至る．さらに回転数を上昇して行くと２次の危
険速度Ｎ１に至るが、普通定格運転点Ｎ、は１次と２次
の危険速度Ｎａｌ　ｇ　Ｎ、雪の間の比較的軸振動の小
さいところにおかれている。前記１次危険速度Ｎｉｌを
通過するときの最大軸振動Ｓ幅は定格運転時のそれに比
較して約１０倍程度になる場合もある。

ところで回転機械において、軸振動の大きさは大きな問
題である０例えば、第１図に示すターボ機械においては
、回転軸１に取付けられた動翼５の先端とケーシング２
とのすき間の大きさが流体性能に大きく影響することが
仰られている。すなわち、第３図に示すように、動翼Ｓ
の先端とケーシング２の内壁とのすき間の大きさをＸ、
動翼５の高さをｈとすれば、その比ｘ／ｈに対して、軸
流圧縮機の断熱効率は、定性的に第３図（ｂ）に示す如
く変化することか知られている。詳説すれば、すき間Ｘ
の大きさが、動翼高さｈに比べて相対的に大きくなると
、断熱−一が低下する。一般に、流体ｆＭの効率が１％
違うと、プラントの製品生産原価は年間で数億円もの差
となることが多いので、流体機械の設計、製作において
は、前述のすき間Ｘの大きさを可能な限シ小さくする必
要があった。とζろが前述した従来の回転軸の支持装置
では、動翼先端とステーター２の内壁とのすき間Ｘをあ
まり小さくすると、起動時や部分負荷時等で危険速度を
通過する際に、回転軸の振励が大きくなり動翼５の先端
がステーター２の内壁に接触して破損したり、また回転
軸のエネルギーも大きいので重大事故に至る危険性があ
った。

以上述べたように従来の回転軸の支持装置では危険速度
通過時における回転軸の振−が大きくなるため、定格運
転時の振動が小さくても、列えば流体礪誠では前記すき
間ｘ′ｆｒ：小さくすることができないから、流体性ｓ
？、が低下するなどの欠点を有していた。

本発明は上述した事柄にもとづきな、されたもので、大
きな軸振、動を伴うことなく回転軸を定格回１：′ 転速度まで、ある′１いはそれ以上の回転速度まで上昇
させることのできる回転軸の支持装置を提供することを
目的とするもので、同法゛軸を支持する少なくとも２個
の主軸受と、この２個の主軸受の間に必要に応じて軸受
作用をさせることのできる補助軸受を設け、この補助軸
受を前記回転軸の回転速度に応じて作用させるようにし
たものである。

すなわち、本発明は、主軸受だけで支持した場合の危険
速度を通過するときには前記補助軸受を作動させて危険
速度を高速寄シに移動させ、この主軸受だけで支持した
一合の危険速度を通過した後は、前記補助軸受の作動を
瞬間的に解除して主軸受だけによる支持に戻すことによ
シ、回転速度と危険速度の一致による共振を避けるよう
にして、回転軸を回転速度０の状螺から蝦高回転速度ま
で安定に運転できるようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を第４図〜第６図により説明す
る０図において、第１図と同一符号を付した部分は同一
部分を示す、第４図は第１図のものと同様に軸流圧縮機
と遠心圧縮機を一軸に配したターボ圧縮機を示すもので
、動１ｊＬ５および羽根車６を取付けている回転軸ｌは
主軸受３．４で支持されておシ、さらにこの両生軸受３
．４の内側には補助軸受７．８が設けられている。補助
軸受７．８はピストン部を有しケーシング２と側板９と
によって構成されたシリンダ内を軸方向に移動でき、必
要に応じて軸受作用をさせることができるようになって
いる。この補助軸受の部分を第５図により詳細に説明す
る。図において％７．（８）がピストン部を有する補助
軸受で、この補助軸受７゜（８）は、ポル）１０によシ
ケーシング２に取付けられた側板９とケーシング２とに
より構成されたシリンダ１１内に設けられ、ばね１２と
前記シリンダ１１内に供給される作動油によって軸方向
に移動される。補助軸受７．（８）に対するばねと作動
′油の力の作用方向は互いに相対するように構成されて
いる。シリンダ内への作動油の供給は第４図に示す油圧
装ＺＸａからリブ１４およびケーシング２に設けられ九
油孔１５を通じて為される。補助軸受７．（８）の軸受
面７ａ、（８ａ）はテーパ面となっておシ、またこの軸
受ｒｊＢ７ａ、（８ｍ）に対向する回転軸１のジャーナ
ル部１ａも同じ傾斜角のテーパ面に構成されている。こ
のように構成することにより、補助軸受？　、　（８）
を僅かに軸方向に移動するだけでその補助軸受７　、　
（８）に軸受作用をさせた）、軸受作用を解除させたシ
することができる。

補助軸受７　、　（８）の軸受面７ｍ、（８ｍ）への潤
滑油の供給は、リプ１４およびケーシング２に設けられ
た給油孔１６、補助軸受ｙ　ｅ　（ｓ）に設けられた油
溝１７および油孔１８を通して行なわれる。また、軸受
面７ｓｓ、（８ａ）に供給され九潤滑油は摺動部の潤滑
をした後、補助軸受？、（８）に形成された孔１９およ
びケーシング２に形成された排油孔２０を通して排出さ
れる。２１は前記作動油や潤滑油が各合せ面から漏れる
のを防止するために設けられたＯりングである。１１ｒ
記リプ１４は軸受部材をケーシング２に対し支持するた
めに設けられているものである。

次に上述した本発明の動作を第４図〜第６図により説明
する。第６図は回転軸１の回転速度に対する回転軸振動
の大きさを示また図で、図における回転速度Ｎ、１が主
軸受３．４のみｋより回転軸１を支持した場合の一次危
険速度で、回転軸１０回転速度がこの一次危険速度Ｎ、
、に達すると、図に一点鎖線ａで示すように回転軸１は
大きく振動する。回転速度Ｎ、、′　は補助軸受７．８
を作動させ九場合の一次危険速度で、このように補助軸
受７．８を作動させることによ如、回転軸１の振動特性
を一点鎖線ａの状態から点線すの状柳に変化させること
ができる。したがって、補助軸受７゜８を回転速度に応
じて作動させたシ解除すれば、図の実線Ｃで示すように
大きな軸振動をさせることなく回転軸１０回転速度を定
格回転速度Ｎ、まで到達させることができる。次に、こ
の動作の手順をさらに詳しく説明する。いま、ターボ圧
縮機を回転速度Ｑの状態から昇速していく場合、回転速
度の小さい図のＤ点までは主軸受３．４のみ（あるいは
主軸受３９．４と補助軸受７．８）で回転軸ｌを支持し
、−次危険速度Ｎ−＊に近いＤ点に達し九とき、第４図
に示す油圧装置１３によって補助軸受７．８のｓ亦４ｃ
作動油を共紛し、補助軸受７＃８を作動させる。すると
、回転軸、軸受系の剛性が上がるので、−次危険速度は
Ｎ−ｔ’　Ｋ移る。したがって、図のＤ点からＥ点まで
は実線Ｃで示す特性曲線に沿って回転速度を上昇させる
ことができるので、主軸受３．４だけで支持した場合の
一次危険速＊Ｎ、ｔを通過するときでも図に示すように
小さな軸振動のまま回転軸ｌの回転速度を上昇させるこ
とがで自る。そして、主軸受３゜４のみで支持した場合
の一次危、険速度Ｎ、１．を十分に通過したＥ点に達し
たとき、補助軸受７．８の軸受作用を瞬間的に解除・す
る。これは第４図に示す油圧装置１３の油圧を除去する
ことによシ、補助軸受７．８をばね９によって瞬間的に
軸方向に移動させ、軸受として９機能を為さないように
回転軸１と補助軸受７．８とのすき間を大きくすること
によシ為される。シ九がって、第６図のＥ点からは主軸
受３．４のみによる支持に瞬間的に変るから実線で示す
′＃性曲線ＣＫ沿って小さな軸振動のまま定格運転点Ｆ
に到達させる仁とがで自る。

このように、本発明装置では回転軸１の回転速度に応じ
て補助軸受７．８を作用させるようにしたので、大きな
軸振動を伴うことなく回転軸１の回転速度を定格回転速
度Ｎ、まで上昇させることができる、また、定格回転速
度Ｎ、より４高速回転させる場合や、部分負荷運転など
のために回転速度を下げて運転するような回転機械の場
合でも、補助軸受７．８を回転速度に応ムて作動させた
少解除することによシ大きな軸振動を生じることなく運
転させることができる。こ諷笑施例のような流体＋ａ櫨
ではｊ１１１！Ｌ５の先端とケーシング２との隙間を従
来のもＯＫ比較し、十分小さくすることができるから、
流体性能を向上させることができる。

なお、上述し九実ａｔｑでは補助軸受７．８を作用させ
るときに作動油をシリンダ１１内に供給するようＫして
いるが、この逆、すなわち、ばね９を設ける位置と作動
油を供給するシリンダ１１の位置と、をこの実施列とは
逆にして、レリンダ内の作動油の油圧を除去し九ときは
ねによって補助軸受７．８を移動させて軸受作用をさせ
るように構成することも可能である。また、補助軸受７
．８の軸方向への移動手段竺上述した実施例のようにば
ねと油圧によるものに限定されるものではなく、例えば
機械的な手段や電気的な手段によシ構成してもよい、さ
らに、補助軸受７．８の形式も主軸受３．４と同じであ
る必要はなく、軸、軸受系の固有ｆｉ（危険速度）を高
周波数（高回転速度）側に移動させることができる形式
の軸受であればよいので、例えば−６率の大きな楕円軸
受形式のものを適宜選択することＫよ抄、本発明の効果
を更に向上させることも可能である。

本発明装置の他の実施列を第７図〜第９図に示す０図に
おいて、第１図、第４図と同一符号を付した部分は同一
部分である。

第７図において、３．４は回転軸１を支持している主軸
受、２２はこの主軸受３．４間のは埋中間部に設けられ
た補助軸受番拳である。この補助軸受２２は第７図〜第
９図に示すように磁気軸受方式でアシ、回転軸１に設け
た永久磁石２２ａと、ケーシング２に設けられコイル２
２ｂに電気を通＼） じたとき磁石作用をする゛電磁石２２Ｃとから構成され
、この永久磁石２２麿と電磁石２２Ｃとの反発を利用す
ることによって軸受作用をさせるようにしたものである
。前記補助軸受２２の電磁石２２Ｃは第８図に示すよう
に１円筒状の永久磁石２２ｍの外周面に対向させて多数
ケーシング２内面に設けられておシ、それぞれの電磁石
２２Ｃにはコイル２２ｂが回転軸の軸方向に対して直角
に巻線を形成するように設けられている。このように構
成することにより、第９図に示すようにコイル２３に通
電したとき、回転軸に設けられた永久磁石２２麿のＮ８
極に対応するように電磁石２２ｃにもＮ８１ｉを形成す
ることができる。従って、磁石２２ｍと２２Ｃの反発力
によって補助軸受２２に軸受作用をさせることができる
。このようＫ。

補助軸受を磁気軸受で構成すれば、コイル２２ｂに通電
させるだけで軸受作用をさせることができ、また通電を
止めれば軸受作用をただちに解除できるので、前記一実
施例と同様に回転軸１０回転速度に応じて補助軸受７．
８を作用させることＫよシ、大きな軸撮動、キ伴うこと
なく回転軸１を定格回転速度まで上昇させることができ
る。したがって動翼６の先端とケーシング２との隙間を
十分小さくできるから流体性能を向上させることができ
る。を九、この実施例では機械的な機構が必要なく、シ
かも主軸受３．４間の中間部にも容易に設けることがで
きるので、補助軸受２２を一箇所設□ け九だけで十分な効−を期待することができる。

本発明の回転軸の支持装置は以上詳述したよう□ とのできる補助軸受を設け、この補助軸受□を回転軸の
回転速度に応じて作用させるようにしたので、大きな軸
振動を伴うことなく回転−を定格回転速度まで、−るい
はそれ以上の回転速度まで上昇させることができるとい
う効果がある。

第１図は従来装置の一例を示す縦断面図、第２図は第１
図に示す装置における回転軸、軸受系の特性をオオ―ヨ
、３．（−は第、工おけ、動翼の部分を拡大して示す図
、第３図（呻は（荀−に示す寸法Ｘとｈの比８に対する
軸流圧縮機の断熱効率を示す線図、第４図〜第６図は本
発明装置の一実施例を示す図で、第４図はその全体構造
を示す縦断面図、第５図は第４図における補助軸受の部
分を詳細に示す要部拡大図、第６図は回転軸の回転速度
に対する回転軸振動の大きさを示す線図、第７図〜第９
図は本発明装置の他の実施例を示す図で、第７図はその
全体構造を示す縦断面図、嬉８図は第γ図Ｑ■−■線矢
視図、第９図は第８図のに−に線矢視図である。

１・・・回転軸、１ｍ・・・ジャーナル部、２・・・ケ
ーシング、３．４・・・主軸受、？、８．２２・・・補
助軸受、７ｍ、８ｍ・・・軸受面、２２ａ・・・永久磁
石、２２Ｃ・・・電磁石。

１　Ｚ　巳 葛　　３　図 （（Ａ″）（ｂ） ？ 第　４　図 ′！ｎ　５　図 １ｆ３６図 回Ｎｔ＆ ％７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸を支持する少なくとも２個の主軸受と、この
   ２個の主軸受の間に必要に応じて軸受作用をさオ、３ぷ
   。７・き、補助軸受をおけ、２の補助軸受を前記回転軸
   の回転数に応じて作用させるようにしたことを特徴とす
   る回転軸の支持装置。 ２、補助軸受の軸受面をテーパ面とし、この軸受面に対
   向する回転軸のジャーナル部も同じ傾斜角のテーパ面と
   し、かつ前記補助軸受を軸方向に移動自在に構成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲＃Ｉ１項記載の回転軸の
   支持装置。 ３′１回転軸に設けた永久磁石と、ケーシングに設は走
   電磁石とにより補助軸受を構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の回転軸の支持装置。