JPS5899515A - 流体力学的流体膜式軸受 - 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】 本発明は、流体力学的流体膜式軸受に係り、更に詳細に
は軸受内に流体膜を創成し且保持する一つ又はそれ双子
のフォイルと、フォイルの撓み及び軸受の回転部材の変
位を受入れる可撓性支持部材とが組込まれた軸受に係る
。

航空機の冷房及び換気を行なう用代の空気循環装置に使
用されるターボ圧縮機コニットに使用される軸受の如き
高速軸受を改良せんとする近年の努力により、米国特許
第４．’０８２．３７５＠、同第４．２４７，１５５号
、同４，１１６．５’０３号、同第４．１３３，５８５
号（これらは全て本願出願人と同一の譲受人に譲渡され
た）、及び同第３，６３５，５３４号に記載されている
如き流体膜式流体力学的軸受が開発された。一般に上述
の米国特許に記載されている軸受の如き流体膜式流体力
学的軸受は、回転軸又はスラストランナの如き回転部材
と該回転部材に隣接する平滑なフオイルの如き部材とに
よりそれらの間に加圧された流体膜層（流体膜層とも呼
ばれる）が形成保持され、回転部材のための潤滑された
支持体が与えられるという原理に基いて作動する。フォ
イルと静止部材〈カートリッジ、リテーナ、又はベース
とも呼ばれる）との間には、最適の流体膜層のジオメト
リ−を維持すべく流体膜層によって加圧されることによ
るフォイルの撓みを受入れ、また軸受の荷重や回転部材
の旋回の如き不釣合を受入れるための支持体を与えるべ
く、ばね又は可撓性支持手段が配置されることが多い。

回転部材のための支持体を与えるという点に於ては、可
撓性支持部材は通常の荷重及び不釣合による軸の変位に
充分に抵抗し１ｑるに充分なほどの剛性を有していなけ
ればならない。しかしかくして可撓性支持部材の剛１１
を高くすれば、減衰１ｑ１安定性及び：軸受の効率が犠
牲になる。

本発明の主要な目的は、上述の如き不具合がないよう改
良された流体力学的流体膜式軸受を提供することである
。

本発明の他の一つの目的は、荷重容量の高い流体力学的
流体膜式軸受を提供ザることである。

本発明の更に他の一つの目的は、回転部分の減衰性が充
分である流体力学的流体膜式軸受を提供することである
。

本発明の更に他の一つの［１的は、全ての運転速度条件
下に於て動力損失が小さい流体力学的流体膜式軸受を提
供ザイ）ことである。

本発明の更に他の一つの目的は、回転部材がその全ての
回転速度に於て軸受内に安定な状態に保持される流体力
学的流体膜式軸受を提供することである。

これらの目的及び他の目的は、本発明によれば、静止保
持部材と、前記静止保持部材と共働してそれらの間に空
隙を郭定する回転部材と、前記空隙内に配置された一つ
又はそれ以上のフォイル要素と、前記フォイル要素と前
記静止保持部材との間に配置され双−次的ばね定数を有
する可撓性支持部Ｕであって、軸受の作動中に加圧され
ることによる前記フォイル要素の撓み及び前記回転部材
の変位を受入れるための可撓性支持部材とを含む流体力
学的流体膜式軸受によって達成される。可撓性支持部材
は全ての運転条件下に於て最小１限の動力損失にて充分
な減衰を行なうための第一、の低いぼね定数を有してい
る。また可撓性支持部：月は高荷重条件下に於て撓むと
、荷重容積を向上し■回転部材の変位に対する抵抗を増
大するよう、実質的により高いぼね定数を有するように
なる。：以下に添何の図を参照しつつ、本発明を、実施
例につい“Ｃ詳細に説明する。

第１図に於て、本発明による流体力学的流体膜ジャーナ
ル軸受１０はシェル又はリテーナとも呼ばれる静止保持
部材、即ちカートリッジ１５を含んでいる。保持部材１
５は高速電気モータの如ぎ装置の高速ロータ、又は航空
機のキャビンを冷却し加圧する空気循環装置に使用され
る圧縮機の如き任意の型式の高速ターボ圧縮機に使用さ
れるブレードを装着されたロータなどに接続されるよう
構成された回転軸、即ちジャーナル２０を収容している
。保持部材１５とジャーナル２０との間の５− 間隙３０内には平滑なフォイル要素２５が配置されてい
る。このフォイル要素２５は実質的に円筒形をなしてお
り、その縁部に沿って保持部材１５に形成されたキー溝
４０内に摺動可能に嵌込まれたキー３５の側面に固定さ
れている。また間隙３０内にはフォイル要素２５と保持
部月１５との間に長手方向に撓み得る可撓性支持部材、
即ちばね４５が配置されている。ばね４５も実質的に円
筒形をなしており、フォイル要素２５と同様その縁部に
於てキー３５のフォイル要素２５が固定された側とは反
対の側に固定されている。かくしてフォイル要素２５及
びばね４５をキー３５に取付けることにより、生産性が
向上しオーバホールが容易になるだけでなく、荷重容量
、減衰性などの如き軸受性能を調節する目的で、フォイ
ル要素及びばねを取り除いて性質の異なるフォイル要素
及びばねと交換することを容易に行なうことができる。

軸受１０は間隙３０のジャーナル２０とフォイル要素２
５との間の部分に流体力学的圧力を発生するという基本
的原即に基いて作動する。無荷重−〇− の理論的条件下に於ては、ジャーナル２０の幾何学的中
心とフォイル要素２５により形成された円筒体の幾何学
的中心と保持部材１５の幾何学的中心とは全て一致する
。しかし実際の運転条件下に於ては、フォイル要素２５
及び保持部材１５の中心よりジャーナル２０の中心を偏
心させる荷■がジャーナル２０に常に作用し、これによ
りフォイル要素２５と共働して楔状の空隙が形成される
。

ジャーナル２０が回転することによりジャーナルの幾何
学的中心はフォイル要素の幾何学的中心の周りを旋回し
、これにより模状空隙もフォイル要素の中心の周りを旋
回する。ジャーナルをフォイル要素に対し偏心して配置
し且ジャーナルを連続的に回転させることにより、ジャ
ーナルとフォイル要素との間に高圧の領域と低圧の領域
とが創成され、これにより高圧の領域より低圧の領域へ
流体が流動し、その結果ジャーナルとフォイル要素との
間に軸受を支持し且ジャーナルがフォイル要素と接触す
ることを防止する流体膜が形成される。

ばね４５は基本的には二つの目的を東回。即ちばね４５
は、流体膜による加圧に起因するフォイル要素の変形を
受入れることにより流体膜の形成を補助する変形可能な
可撓性支持部材として機能する。またばね４５は全体と
して荷重及び不釣合によるジャーナルの変位を受入れる
ことを含む撓み及び荷重担持機能を果す。かかるばねに
要求される二つの要件は一般に一つのばね定数を有する
ばねには互いに相反するものである。例えばフォイル要
素の撓みを受入れ口模状流体膜を形成し得る範囲内に於
て充分な減衰性を与えるためには、ばねは比較的小さい
ばね定数を有するものでなければならない。逆に充分な
荷重容量を右し且回転部材の変位を充分に制限し得るよ
うにするためには、ばねは比較的高いぼね定数を有する
ものでなければならない。しかしばねのばね定数を高く
すると充分な減衰性が得られなくなり、従って回転部材
の不安定性が増大する。更にばねのばね定数を高くする
と加圧によるフォイル要素の撓みが阻害されるようにな
り、従って回転部材とフォイル要素との間に極端に小さ
い空隙しか形成されなくなる。かくして回転部材とフォ
イル要素との間の空隙が小さくなると流体内の剪断応力
が高くなり、これによりその軸受の動力損失が大きくな
る。

従って減衰性及び安定性の観点からは、ばねは比較的小
さいばね定数を有するものでなければならず、また充分
な荷重容ｆｉ）及び軸の変位の制限の点からは、ばねは
比較的大きいばね定数を有するものでなければならない
ことが解る。本発明の軸受に於ては、一つのばねにて二
重の、即ち双−次的ばね定数が達成される。

第１図及び第２図に於て、ばね４５は第一の一連の波形
５０と第二の一連の波形５５とを含む周期的な形状を有
しており、第一の一連の波形５０は第一の低ばね定数を
有しており、第二の一連の波形５５は第一の一連の波形
５０と共に第二の高ばね定数を有している。第１図に最
も良く示されている如く、第二の一連の波形５５は静止
保持部材１５に接触する一対の第一の波形５０の間に配
置されている。第二の波形５５の振幅（波形の頂点から
そのばねの中心を通る軸線までの距１１ｔ）は９− 第一の波形５０の振幅よりも実質的に小さい。かくして
半径方向の荷重が小さい場合には、ばね４５の変形は第
一の波形５０に於てのみ生じ、第二の波形５５は静止保
持部材１５及びフォイル要素２５の何れにも係合しない
。フォイル要素２５が撓むことにより、流体膜がより明
確に形成され、また減衰性及び回転部材の安定性が高く
なるよう、ばね４５が容易に変形ｕしめられる。しかし
半径方向の荷重が高い条件下に於ては、ばねはその第一
の波形及び第二の波形が静止保持部材に係合する程度に
まで変形せしめられる。このことにより荷重による軸の
変位を制限し、また旋回の如き不安定に抵抗すべく、ば
ね定数が急激に増大される。

第３図は本発明による軸受に於て使用されてよいばねの
他の一つの実施例を示している。この実施例に於ては、
第一の波形６０は長手方向に配列された一連の第二の波
形６５を含んでいる。換言すればこのばねは第一の波形
を郭定する第二の周期の波形列上に第二の波形を郭定す
る第一の周期の波形列を重ね合せることにより形成され
ており、−１’Ｏ− 第−の周期の波形列の周期は第二の周期の波形列の周期
よりも実質的に大きく設定されている。この第３図に示
されたばねは、低荷重域に於ては第一の波形６０の頂点
がフォイル要素及び静止保持部材に接触し、かくして低
い荷重条件下に於ては第一の波形に関連する比較的低ば
ね定数により流体膜の形成、減衰性、及び回転部材の安
定性を向上さぼるべくばねが容易に変形することを可能
にしている点に於て、第１図に示されたばねと同様に機
能する。しかし荷重が増大すると、このばねは全ての第
二の波形がフォイル要素及び静止保持部材に接触し、こ
れにＪ：り荷重容■及び軸の変位に対する抵抗を増大す
べくばねをより剛固にするよう変形する。

第２図及び第３図に示されたばねに関連する双−次的ば
ね定数が第４図にグラフ的に示されている。この第４図
より、例えば回転部材の荷重が増大することによりばね
に対する荷重が増大すると、荷重容ｈＹ（曲線の傾き）
は曲線の折れ点まで比較的一定に留まり、折れ点に於て
荷重容量は実質的に増大する。ばねがその第二の波形が
フォイル要素及び静止保持部材又はその何れか一方に接
触するようになるまで変形され、これによりばねがより
剛固になるのは曲線状の折れ点に於てである。

以上に於ては本発明による流体力学的流体膜式軸受を分
割型の円筒形フォイル要素を使用した実施例について説
明したが、荷重容量、クーロン減衰、及び流体膜ジオメ
トリ−の要イ！１により決定される任意の適当なフォイ
ル形状が採用されてよい。

例えば複数個の半径方向に隔置されＩＣＣツメイル一つ
のコイル状に巻かれたフォイルが使用されてよい。同様
に上述の如き要件によりフォイル要素及びばねを構成す
る材料の組成や寸法が決定される。例えば空気循環冷却
装置のための５　’Ｏ’Ｏ’Ｏ’０〜１’ｏ　’ｏ　’
ｏ　’ｏ　’ｏ　ｒｐｍターボ圧縮機に使用される直径
７．６２０ｍの軸受については、フォイル要素２５及び
ばね４５にはＩｎｃｏｎｅｌ　（登録商標）型のニッウ
ル合金が好適であることが解っている。かかる用途に於
ては、フォイル要素及びばね４５の厚さはＯ，’Ｏ’０
７６２〜’Ｏ，’０１５２ＣＩ１１の範囲である。

以上の説明より、本発明による流体力学的流体膜式軸受
は、双−次的ばね定数を右する一つの可撓性支持部材を
用いて、全ての半径方向又は側方荷重に於てまた全ての
回転速度に於て最適に作動するものであることが理解さ
れよう。本発明の軸受は動力損失が最小限に抑えられた
状態にて減衰性及び安定性が向上されているだけでなく
、荷重容量及び不釣合や他の外乱による軸の変位に対す
る抵抗が向上されたものである。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であるこ
とは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体力学的流体膜軸受の一つの実
施例を示す端面図である。 第２図は本発明による軸受に使用される可撓性支持部材
の部分側面図である。 １３− 第３図は本発明による軸受に使用される可撓性支持部材
の仙の一つの実施例を示１第２図と同様の部分側面図で
ある。 第４図は第２図及び第３図に示された可撓性支持部材に
関連する双−次的ばね定数を示すグラフである。 １０・・・軸受、１５・・・保持部ＩＪ、２’Ｏ・・・
ジャーナル、２５・・・フォイル要素、３０・・・空隙
、３５・・・キー、４０−戸・キー溝、４５・・・ばね
、５０・・・第一の一連の波形、５５・・・第二の一連
の波形、６０・・・第一の波形、６５・・・第二の波形 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅１４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 流体力学的流体膜式軸受にして、静止保持部材と、前記
   静止保持部材と共働してそれとの間に空隙を郭定する回
   転部材と、前記空隙内に配置された平滑なフォイル要素
   とを含み、前記回転部材は前記回転部材と前記フォイル
   要素との間にそれらの相対回転運動により維持された加
   圧された流体膜層上に支持されており、前記軸受は更に
   前記流体膜層によって加圧されることによる前記フォイ
   ル要素の撓みを受入れる可撓性支持部材を含み、前記可
   撓性支持部材は安定性及び減衰性を向上させ且動力損失
   を最小限に抑えるべく前記フォイル要素の撓み及びより
   小さい相対的荷重による前記回転部材の変位を受入れる
   ための第一の低ばね定数と、荷重容量を向上させるべく
   前記フォイル要素の撓み及びより大きい相対的荷重によ
   る前記回転部材の変位に抵抗するための第二の高ばね定
   数とを含む双一次的ばね定数を有していることを特徴と
   Ｊる流体力学的流体膜式軸受。