JPS58180831A - ガス軸受構造 - 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】 型の高効率過給機、その他のターボ機械、ターボ圧縮機
、ターボ膨張機、冷凍機等に使用され、溝道簡単でメカ
ニカルロスの大幅低減が計れるガス軸受構造に関する。

一般に主動機器と従動機器とを同一回転軸で連結した構
造の機器は多方面に亘って見られ、内・燃機関に採用さ
れているターボ過給機はその典型的なものであり、この
ターボ過給機を例にして本発明に係るガス軸受構造につ
いて詳述する。

従来、ターボ過給機は回転数が超高速に達するものであ
りタービンと圧縮機のブロワを連結する回転軸を支承す
る軸受構造はそのラジアル方向への力およびスラスト方
向へのカによって、回転軸が移動しないようにするため
に、そのガス軸受構造を例えば第１図のごとき構成とし
ている。軸中央にスラストカラー１を設けこれをスラス
ト軸受２、３で支承すると共に、軸両側をそれぞれジャ
ーナル軸受４，５で支承し、さらに両端にラビリ／スン
ール６，７を上記軸受とは別個に配設したものである。

しかしながら、上記ガス軸受構造は高速化、敏量化の観
点から次のような問題がある。

（１）　　スラストカラー１を設けることによりその強
度ならびに軸の曲げ剛性が低下し高速回転が困難である
。

（２）軸受表面積が大きく機械損失が大きい。

（３）　　部品点数が多く組立が容易でない。

（４）芯出し精度が低い。

そこで本発明者は従来における上記問題点に鑑み、これ
を有効に解決すべく本発明を創案するに至ったものであ
る。

本発明の目的とするところは、機械損失の大幅減少をも
たらし、温度に対する許容範囲が大きく、又剛性が高く
高速化を達成でき、且つ部品点数が少なく組立容易でコ
スト低減ができ、バランスの修正が容易であるガス軸受
構造を提供するにある。

本発明はかかる目的を達成すべく次のように構成されて
いる。すなわち、主動機器と従動機器とを同一の回転軸
で連結駆動する装置の軸受において、回転軸を両端より
軸中央に向かって円錐状に拡径して中央に大径部を有す
る２つの円錐軸部にて形成し、スラストカラーを取り去
っている。そしてこれらの円錐軸部をそれぞれ独立して
分担すべく、円錐軸部を囲繞する円錐面軸受をスラスト
方向側の円錐面軸受は固定して設け、反スラスト方向側
の円錐面軸受は軸方向に遊動自在として、ジャーナル軸
受とスラスト軸受との両機能を有する円錐軸受構造にし
である。また、遊動自在とした一方の円錐面軸受をばね
等の弾圧手段でスラスト方向へ若干予圧するように取り
付けて、固定した他方の円錐面軸受と一方の遊動する円
錐面軸受との間で回転軸を挾み、温度変化による回転軸
の収縮・膨張に対しても軸受隙間を確保できるようにな
っている。そして、両日錐面軸受の軸受面にＦ記軸受隙
間に回転軸の回転により給与されるべさ動圧を発生すべ
きガス膜発生部を設けて、円錐ＩＴｏ軸受の喰込みを回
避するに十分な膜圧を形成すらようにして成るものであ
る。

以下本発明に係るガス軸受構造の好適一実施例を添付図
面に従って説明する。

第２図は本発明の一実施例を示すターボ過給機の縦断面
図である。

図示するごとくタービン車室８とブロワ−車室９とを連
結した軸受ケーＡＯ内に、軸両端より軸中央に向かって
円錐状に拡径して中央に大径部を有する２つの円錐軸部
１１ａ、１１ｂから成る回転軸１１が回転自在に設けら
れている。回転軸１１は中空であり、その一端にタービ
ン車室８内に配設されるタービン翼車１３を、他端にブ
ロワ−車室９内に配設されるブロワ扇車１４をその中空
内に挿通しだテンションポルト１５で結合してロータを
形成している。この結合は図の実施例ではテーパ嵌台形
式となっているが別の形式とすることは自由である。

この２つの円錐軸部１１ａ、１１ｂには、これらをそれ
ぞれ独立して別個に囲繞して支承すべく円錐面軸受１６
が設けられている。回転軸１１が回転して発生するスラ
スト力の向きが矢印Ｆの場合に、スラスト方向側の他方
の円錐面軸受１６ｂはＦ記軸受ケース１０に対してその
外周を固定するように取り付けられている。また、反ス
ラスト方向側の一方の円錐面軸受１６．はその外周が軸
受ケース１０に対して自由であって軸方向に遊動自在と
し、かつスプリング等の弾圧手段１７の圧殉量により適
宜な予圧をスラスト方向へ加えて取り付けられている。

上記一方の円錐面軸受１６゜０外周面は第３図の展開図
に示すごとく、中央に周方向に沿って形成した外周給気
溝１８を有し、この外周給気溝に沿って該溝の両側から
軸方向に面角に延び端部近傍にまで達する多数の細溝１
９が連設されて、表面絞り型の静圧ガス外周軸受２０と
なるように加工されている。

また、双方の円錐面軸受１６の内周軸受２１は第１図の
展開図に示すごとく、略中夫に周方向にｒｉ＋って形成
した内周給気溝２２を有し、この内周給気溝に沿って該
溝の両側から矢印ωで示す回転嘱１１１１の回転方向に
向かって斜め前方に延び端部近傍にまで達する多数の細
溝２３が連設されて、−・リノグボーン状に加工された
動圧と静圧双方の圧力を発生するハイブリット形式のガ
ス膜発生部２４を形成している。そして内周軸受面２１
の小径側端部には上記内周給気溝２２と平行して走る排
気溝２５を介して、円錐軸部１１８．１１ｂと同心状に
ラビリンスシール２６が一体的に設けられている。従っ
て、軸受と軸シールが一体加工されるので構造が簡単と
なっている。

ブロワ−車室９のスクロール部には抽気孔２７が設けら
れており、ブロワ−吐出圧の一部をガスフィルタ２８を
経由して軸受ケース１０に形成した給気口２９に導き、
一方の円錐面軸受１６ａの外周軸受２０および内周給気
溝２２に通じる給気路３０を介して内周軸受２１に、ま
た他方の円錐面軸受１６ｂに給気路３０を介して静圧ガ
スを給気するように構成されている。一方、このように
給気されたガスは排気溝２５から排気路３１を経由して
回転軸１１の中央大径部位に集められ＾受ケース１０に
形成した排気口３２から排気されるようになっている。

回転軸１１の中央大径部に形成された凹溝３３はかかる
排気を円滑ならしめるだめのものである。

なお、図中３４はタービン車室８と軸受ケース１０内と
を仕切る遮熱板であり、上記弾圧手段１７の反力受けに
もなっている。

以上の構成よりなる本ガス軸受構造の作用について述べ
る。

当初、回転軸１１はスプリング１７の作用により一方の
円錐面軸受１６ａを介してスラスト方向へ予荷重が加え
られ、スラスト方向側の円錐軸部１１ｂが他方の円錐面
軸受１６ｂに接触した状態にある。この状態でタービン
車室８にガスを導入しタービン翼車１３に駆動トルクを
与えるとロータは矢印ωの方向に回転し、双方の円錐面
軸受１６の内周面に加工されたヘリングボーン状の細溝
２３のポンプ機能によりガス膜が形成され動１１：。

カス軸受としてロータを支持する。すなわち、回転軸１
１の回転により内周軸受隙間１２に介在するガスの粘性
に基づく作用によりガスはｑ２の速度で矢印ωの方向に
ひきずられて流れ、内周給気溝２２からヘリングボーン
状の細溝２３に流れ込スだガス流はその行き止まりで完
全にせきとめられ、この流れがせき止められることによ
って圧力上昇し動圧が発生する。回転の上昇に伴い、ブ
ロワ−の圧縮仕事が顕著となり、ロータには矢印Ｆのス
ラスト力が大きくなって軸受隙間が小さくなるが、同時
に圧縮ガスの一部を抽気して内周軸受２１に給気し、静
圧軸受としての機能を付加し得るので、高速回転時にお
ける軸受性能を大幅に向上させることができる。すなわ
ち、ガス軸受の性能の向上を図るには軸受隙間を小さく
することが一番効果的であるが、あまりに隙間を小さく
していくと千振に給気されない箇所が発生し軸と軸受が
くっついてしまう所謂ロックアツプ現象が生じることと
なる。しかしながら、本発明では上述のように双方の円
錐面軸受１６ａ、１６ｂに採用しているガス膜発生部２
４は、表面絞り形式（静圧）を採用し、ヘリングボーン
（動圧）状の細溝２３を多数加工したものである。した
がって給気されたガスには内周給気溝２２からこの溝よ
りも流路面積が小さいヘリングボーン状の細溝２３へ流
入する際圧力が降下する絞り現象がおこる。このために
ガス膜発生部２４には圧力勾配が形成され、しかもかか
るガス膜発生部２４は円錐面の全周に設けであるので、
全周に亘って上記圧力勾配に基づくガス流が常に供給さ
れ静圧の発生を安定に維持できる一方、回転速度が上が
るにつれて軸受面ガス膜が薄くなり動圧も上がるから、
負荷容量、軸受剛性の増大、および表面絞りの効果によ
る振動減衰の増大がもたらされ、懸念される円錐面軸受
１６のロックアツプを回避できるものである。

さらにこの状態で一方の円錐面軸受１６ａはスプリング
１７により適宜予圧されており、かつその外周側が静圧
軸受としての機能を有しているので、軸方向に自由度を
持ち回転軸１１の遠心膨張、地変形に対応して適宜軸方
向に円滑移動し、１１１１受而内のガス膜を安定して保
持し得る機能を有する。

他方、ブロワ−抽気孔２７からの抽気量は全体功率から
みて最小にすべきであるが、上述の理由により本発明の
軸受にあってはガス膜の厚さを薄く設計できるので抽気
量を制限することが可能となり効率低下を効果的に抑え
られる。また抽気ガスは軸受ケース１０内に給気される
ので静圧軸受としての働きと同時に回転軸１１、円錐面
軸受１６の冷却能力も有しており、タービン車室８とブ
ロワ−単室９間を遮熱する役割をも有する。

また、本ロータは第２図に示すごとく中央部が大径の構
造となっているため、曲げ剛性を著しく高めることがで
きガス軸受ロータとして理想的であるとともに、ブロア
扇車１４等′の回転部品をセラミック製として高速回転
を計ろうとするガス軸受ロータにも耐え得、適応性があ
る。

さらに、本発明の軸−軸受系でもう一つの優れた点があ
る。ロータのバランス作業の容易さである。本ロータは
その大径部を備えているゆえ十分剛体設計が可能である
ので、組立てた状態でのタービン側、ブロワ−側での２
面バランスで十分である。そこで、タービン車室８、ブ
ロワ−車室９を除いて組立てられた全体をパランサ→こ
搭載し圧縮空気等をフレキシブルチューブ等を介して給
気（Ｌ２９へ導入する。円錐面軸受１６の内周面は第・
１図に示すように加工されているので、給気された空気
は加工された溝２２．２３に沿って流動し、静圧軸受と
してロータを浮上させ内、外へ流出すると同時に、ヘリ
ングボーン状の溝２３に方向付けられるガス流によりロ
ータを回転させる排気タービンとしての機能を有してお
り、第４図に示す矢印ωと反対向きにロータは廻り出す
。回転数は給気する圧力に比例的に大きくなる。この回
転数を検出して左右の不均合を修正することは容易であ
る。このため精密にして完全なバランス作業を極めて容
易に実施することができる。

なお、上記説明においては円錐面軸受１６のガス膜発生
部２４をヘリングボーン状として述べたが、本発明はこ
れに限定されるものではなくスパイラルグループ状とす
ることも出来る。また、円錐面軸受１６をハイブリット
形式とはせず単に動圧ガス軸受とした構造で、一方の円
錐面軸受１６ａの外周側も静圧軸受とせず単に遊動可能
とし、ブロワ−吐出圧の抽気を除いた構造を有する動圧
型のガス軸受とすることもできる。

以上述べたように本発明によれば次のような優れた効果
を発揮する。

（１）　　円錐状のガス軸受支持にすることにより軸受
表面積が小さくメカニカルロスを大幅に減少することが
できる。

（２）弾圧手段を設は一方の円錐面軸受を予圧するよう
にしたことにより軸変動に対する減衰作用が働くのみな
らず、回転軸の遠心膨張あるいは温度の変化による軸及
び軸受の収縮、膨張による寸法変化に対しても影響が少
なく、適用温度範囲が広い。

（３）剛性の高いロータ構造であり高速化を達成でき、
まだバランスの修正がきわめて容易である。

（４）　　部品点数が非常に少なく組立容易で量産性が
あるためコスト低減ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガス軸受支持のターボ機械の概略図、第
２図は本発明に係るガス軸受構造の好適一実施例を示す
ターボ過給機の縦断面図、第３図及び第４図は同上要部
の展開図である。 なお、図中１１は回転軸、１１ａは反スラスト方向側の
円錐軸部、１１ｂはスラスト方向側の円錐軸部、１２は
軸受隙間、１３は主動機器側のタービン翼車、１４は従
動機器側のブロア扇車、１６は円錐面軸受、１６ａは一
方の円錐面軸受、１６ｂは他方の円錐面軸受、１７は弾
圧手段の例示であるスプリング、２１は円錐面軸受の内
周軸受、２４はガス膜発生部である。 特許　出　願人　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理
士　絹　谷　信　雄 ６　　　７　　　７ 第３図　　　第４図 １４５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主動機器と従動機器とを同一の回転軸で連結駆動する装
   置の軸受において、上記回転軸を両端より軸中央に向か
   って円錐状に拡径した２つの円錐軸部にて形成し、この
   円錐軸部の各々にこれを囲繞する円錐面軸受をスラスト
   方向側は固定し反スラスト方向側は軸方向に遊動自在と
   なるように設け、この遊動自在に設けた一方の円錐面軸
   受をスラスト方向に付勢して軸変形に対応した軸受隙間
   を形成保持するだめの弾圧手段を設け、両日錐面軸受の
   軸受面に上記隙間に回転軸の回転により給与されるべき
   動圧を発生゛′−するガス膜発生部を設けて構成したこ
   とを特徴とするガス軸受構造。　　−