JPS6222040B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は水車発電機などの立形回転機に用いら
れる自己循環潤滑式スラスト軸受装置に関する。 第１図は従来および本発明の一実施例の軸受装
置を適用するに共通した立形水車発電機の全体図
の一例を示すもので、１はその内部に潤滑油を満
たすスラスト軸受油そう、２ａ，２ｂは潤滑油の
循環管路（２ａは往路、２ｂは復路を示す。）、３
は油そう１外に設けた油冷却器である。そして従
来の場合の油そう１内の詳細を第２図に示す。４
は立形に配置された回転軸、５は回転軸４に固着
されたスラストカラー、６はスラストカラー５に
取付けた回転板、７は回転板６に対向して配置さ
れたスラスト軸受パツド、８はスラストカラー５
に明けられたポンプ穴、９はポンプケーシング、
１０はスラストカラー５の内周に固着された回転
オイルガード、１１はポンプ穴８の入口損失を小
さくするための面取部、１２はポンプ特性を制御
するためポンプ穴８の出口端に固着したノズル、
１３ａ，１３ｂは油そう内の油面である。 このポンプ方式を用いた軸受装置の第１の欠点
は、ポンプの設計の自由度が少なく、一般的には
潤滑油循環管路２ａ，２ｂと油冷却器３で発生す
る圧力損失に対して、はるかに高い圧力を発生
し、この強大すぎる発生圧力のため、ポンプ動力
の点で不経済となつていることである。 つぎにこの欠点について説明を加える。まずこ
のポンプ装置における発生圧力は、 ｐ＝φγＵ^２／２ｇ ……（101） で表わすことができる。 ただし、ｐ：発生圧力（Kg／cm²） φ：圧力係数 γ：潤滑油の比重量（Kg／cm³） Ｕ：ポンプ穴出口端の周速（cm／ｓ） ｇ：重力の加速度（cm／s²） さらに圧力係数φは φ＝１−（Ｄ_１／Ｄ_２）^２−ζ^２ ……（102） ただし D₁：スラストカラーの内径（cm） D₂：スラストカラーの外径（cm） ζ：損失係数 ：流量係数 ここでいう流量係数はつぎのように定義され
る。 Ｑ＝・Ｚ・π／４d²・ｖ ……（103） たたし Ｑ：流量（cm³／ｓ） Ｚ：ポンプ穴数 ｄ：ポンプ穴の直径（cm） ｖ：ポンプ穴内の流速（cm／ｓ） である。 このスラストカラー５の外径D₂、内径D₁はポ
ンプ特性の面から決める自由度が少なく、構造
的、強度的な見地から優先的に決められている。
そして回転速度およびスラストカラー５の直径か
ら、式（101）の周速Ｕが決定され、スラストカ
ラー５の直径から式（102）の圧力係数も大略限
定されてしまうので、式（101）で表わされる圧
力ｐはおのずと限定されたものとなる。 また式（101），（102）から、流量係数を大き
く設定すれば、圧力ｐを小さくできることが分る
が、あまり大きくとると、損失係数ζが激増して
特性が不安定で、かつ悪化して実用にならない。 実用機の一例を第１表に示す。

【表】 但し計算諸元は次の通りである。 潤滑油の比重量：γ＝841×10^-6Kg／cm³ （JISK2213添加タービン油１号，45℃） 圧力係数：φmax＝１−（Ｄ_１／Ｄ_２）^２ ＝１−（１２４／１６８）^２＝0.455 （最高圧力に対応する値，＝０） φ＝１−（Ｄ_１／Ｄ_２）^２−ζ^２ ＝0.455−0.061＝0.394 周速：Ｕ＝πＤ_２Ｎ／６０ ＝π×１６８×５１４／６０＝4520cm／ｓ 回転速度：Ｎ＝514γpm 重力の加速度：ｇ＝980.665cm／s² 従つて、この第１表で見られるように発生圧力
は3.5Kg／cm²である。これに対して、所定の潤滑
油の循環流量に対応する油冷却器３の圧力損失は
0.3Kg／cm²以下、管路２ａ，２ｂの合計圧力損失
も0.3Kg／cm²程度であるので、ポンプの所要圧力
はたかだか0.6Kg／cm²程度あればよい。第１表に
示したとおり、この所要圧力に比べて、ポンプの
発生圧力が高いため、潤滑油の循環油量を所定流
量とするためには、管路２ａまたは２ｂの途中
に、わざわざ抵抗を負荷する必要があり、またこ
のまま放置したとすると、所定流量を大幅に上ま
わる流量となる。 ポンプ動力は、発生圧力と流量の積に比例する
ので、上記した流量調整の如何にかかわらず、非
常に大きな値となり、ポンプ動力の不経済はまぬ
がれない。第１表に示したポンプの動力は約
230kWであるが、適当なポンプ発生圧力とすれ
ば、大幅に動力を減少することが可能である。 このポンプ方式の第２の欠点は、運転中油面１
３ｂが低下することによつて空気を吸込み、ポン
プ特性を損なうことを防止するため、例えば回転
オイルガード１０をスラストカラー５の内周部分
に設置するなどの対策が必要であり、構造的に複
雑になることである。またさらに、高速機に対し
ては、ポンプ穴８の入口端に面取部１１を加工し
たり、出口端にノズル１２を固着して、ポンプ特
性の劣化を防ぐ必要があるなど、技術的にも工作
的にも細かい配慮が必要である。 本発明は全く異なる粘性ポンプの原理に基づき
（従来のポンプ装置は、回転による遠心作用を利
用するものであつた）、いかなる限定された設計
条件においても、循環管路２ａ，２ｂや、油冷却
器３の圧力損失に対応した適当な圧力を発生させ
ることができ、かつ構造的にも簡素なポンプ装置
を備えた立軸回転機用の自己循環潤滑式スラスト
軸受装置を提供することを目的とする。 実施例 １ 以下、本発明の第１の実施例について、第３図
ないし第５図を参照して説明する。尚これらの図
において、第２図と同一部分には同一符号を付し
て説明を省略する。そして、この実施例を適用し
た回転電機の全体図は第１図のようになつている
ので参照されたい。 第３図は油そう内部を示すものであり、９ａは
スラストカラー５の外周円筒面５ａの外周側に環
状に設置したポンプケーシングであり、粘性ポン
プを形成している。 第４図は第３図のポンプケーシング部の横断面
図で、９ｂはポンプケーシング９ａの入口端、、
９ｃはポンプケーシング９ａの出口端、１４は潤
滑油の流れの向きを示す。 第５図は第４図のＶ―Ｖ線に沿う矢視拡大断面
図で、１５は円筒面５ａとポンプケーシング９ａ
の間のクリアランスである。 第３図に示すように、スラストカラー５の外周
円筒面５ａのまわりに、第４図に示す入口端９ｂ
および出口端９ｃを有するポンプケーシング９ａ
を、第５図に示すクリアランス１５を保ち、静止
部分に固着し、ポンプケーシング９ａの出口端９
ｃを管路２ａに接続しておく。 次に上記構成に対する作用効果を第６図および
第７図を参照して説明する。 第６図は第４図のポンプケーシング９ａの入口
端９ｂと出口端９ｃの中央で切断して展開した展
開図、第７図は第６図に対応するポンプケーシン
グ９ａの内部の圧力分布曲線図（縦軸は圧力、横
軸は円周長）を示すもので、ｐは圧力、ｌは長
さ、Ｕはスラストカラー円周面５ａの周速、Ｑは
流量である。 第６図の状態において、ポンプの発生圧力は、 ｐ＝６μｌ／ｈ^２（Ｕ−２Ｑ／ｈｂ） ……（104） ただし、ｐ：発生圧力（Kg／cm²） μ：潤滑油の粘度（Kgｓ／cm²） ｌ：ポンプケーシング９ａの長さ
（cm） ｈ：ポンプケーシング９ａの深さ
（cm） ｂ：ポンプケーシング９ａの幅（cm） Ｕ：スラストカラーの外周円筒面５ａ
の周速（cm／ｓ） Ｑ：流量（cm／ｓ） である。 本発明の実用性を示すため、この構成の実機に
適用した場合の設計例を説明する。 スラスト軸受の油そう１内の全損失は約
1500kwで、必要循環油量は、潤滑油の温度上昇
を約９℃（10℃の設計値に約10％の余裕をみて）
として、 Ｑ＝100×10³cm³／ｓ＝6000l／min である。 この必要流量Ｑ＝6000l／minを得るための諸元
を式（104）により計算した結果は第２表に示す
ようになる。

【表】 但し計算諸元は次の通りである。 油の粘度：μ＝22×10^-8Kgｓ／cm² （JISK2213添加タービン油１号，45℃の粘
度） ケーシングの円周長さ：ｌ＝πD₂η ＝π×231×0.95＝689cm 直径：D₂＝231cm 有効長比：η＝ｌ／πD₂〓0.95 周速：Ｕ＝πＤ_２Ｎ／６０ ＝π×２３１×５１４／６０＝6220cm／ｓ 回転速度：Ｎ＝514rpm 最高圧力：pmax…Ｑ＝０のときの圧力 従つて、第２表に示されたように、発生圧力は
0.6〜0.7Kg／cm²とすることができる。 そして前記したとおり、油冷却器３の圧力損失
は0.3Kg／cm²以下とすることができ、管路２ａ，
２ｂの圧力損失も0.3Kg／cm²程とすることができ
るので、ポンプに要求する必要圧力は0.6Kg／cm²
程度であつて、第２表に示す結果から、ポンプケ
ーシング９ａの寸法をｈ＝1.6cm，ｂ＝30cmにす
るか、またはｈ＝1.7cm，ｂ＝28cm程度に設計す
れば丁度具合がよいことが分る。 もちろん必要圧力にもつと余裕を持たせた設計
も可能であることは明らかである。 油冷却器３は全損失1500kwを１台で負担する
と、経済的でないため、375kw程度の油冷却器を
４台設置することになるが、潤滑管路２ａ，２ｂ
はこの場合４本の並列回路となり、管の呼び径を
6Bとすれば、圧力損失0.3Kg／cm²に対応する管の
相当長さを約18×10³cm＝180ｍである。
（JISK2213添加タービン油１号、温度45℃とし
て、比重量γ＝481×10^-6Kg／cm³、動粘性係数ν
＝269×10^-3cm³／ｓ）。往路、復路はほぼ同じ長さ
故、各管路２ａ，２ｂの相当長さは180／２＝
90mとなるが、経験的に管路の相当長さは実長の
約２倍であるから、圧力損失0.3Kg／cm²に対応す
る管路の往路、復路のの各実長は約45mまで許さ
れることになり、実用的には、これだけの長さが
あれば十分である。 ポンプ動力も、上記の如く適当な発生圧力とす
ることができるため、約50kw以下とすることが
でき、大幅にポンプ動力を減少させることができ
る。 実施例 ２ 次に第８図を参照して第２の実施例について説
明する。これはポンプケーシング９ａをほぼ半円
弧状にしたものを２組設けたものである。場合に
よつては片半分が無い扇形状としてもよい。 前に説明した実施例１においては、周速Ｕ＝
6220cm／ｓ＝62.2m／ｓと比較的周速の高いもの
において、ポンプケーシング９ａを全円周上に環
状のものとして配置した例をとりあげたが、周速
Ｕがさらに高い場合には、式（104）から明らか
なように、周速Ｕの増大に対応して、ポンプケー
シング９ａの長さｌを短くすることにより、すな
わちポンプケーシング９ａをワンリングとせず扇
形状に配置したり、ワンリングのものを複数個に
仕切つて使用することにより、最適設計を行なう
ことができる。第８図のものはワンリングを２個
に仕切つた場合である。 実施例 ３ 次に第９図、第１０図を参照して第３の実施例
について説明する。これはポンプケーシング９ａ
を２段（３段又は４段等の複数段にしてもよい）
に構成したもので、第９図はその断面図、第１０
図はポンプケーシング９ａの入口端９ｂおよび出
口端９ｃの部分を内周側より見た展開図である。
１６は流路を下の段から上の段へ変えるためのス
ペーサである。 前に述べた実施例１、実施例２は周速Ｕが高い
場合についてとりあげたが、この実施例３は逆に
周速Ｕが低い場合のもので、周速Ｕが低い場合
は、ポンプケーシング９ａの長さｌを長くする必
要が生じて来るが、ポンプケーシング９ａを軸方
向に複数段に分け、これを直列に接続することに
より、必要な長さｌを確保することが可能であ
る。 周速の低いものにおいては、軸受油そう１内に
発生する損失が小さいので、必要流量Ｑも少な
く、ポンプケーシングの幅ｂは小さくてよいの
で、複数段のポンプケーシングとしても、全体の
幅はそれほど大きくならず、不都合は生じない。 実施例 ４ 次に第１１図、第１２図を参照して第４の実施
例について説明する。これは、両方向回転に適す
るようにしたものであつて、ポンプケーシング９
ａの入口端および出口端部分の横断面図である。
第１１図と第１２図は潤滑油の流れる向きが逆に
なつた場合を示す。１７は油流の方向を切換える
複数の電動仕切り弁または特殊チエツク弁等の弁
である。仕切り１８はＹ字状をしており、矢印で
示す潤滑油の流れる向きが逆になつても、スムー
ズに流れるようになつている。 尚、弁１７として電動仕切り弁を使用すれば、
弁部分の圧力損失はほとんどないので、ポンプ特
性を損なう心配は全くない。また電動仕切り弁の
信頼性は高いので、ポンプ源として電動ポンプを
採用しているものなどと比較すると信頼度が高
い。 尚、本発明は上記し、かつ図面に示した実施例
のみに限定されるものではなく、例えばスラスト
カラー５の代りに回転板６を利用する等、その要
旨を変更しない範囲で、種々変形して実施できる
ことは勿論である。 以上説明したとおり、本発明によれば従来と全
く異なつた原理に基づく粘性ポンプを応用したの
で、超高周速のものでも低いポンプ圧力を出すこ
とができ、又、低い周速のものでもポンプケーシ
ングを複数段にすることによつて、ポンプ圧力を
適当にすることができる。従つて、低周速のもの
から超高周速のものまで、従来方式のポンプ装置
では適用不可能な広い適用範囲で、油冷却器３や
管路の流動抵抗に完全にマツチした、ポンプ動力
の少ない最適のポンプ装置を備えた立軸用の自己
循環潤滑式スラスト軸受装置を提供することがで
きる。 また従来方式のポンプ装置では、スラストカラ
ー５に対してポンプ穴８加工の他、回転オイルガ
ード１０や、ノズル１２取付穴など、ポンプ装置
のために特別の加工をする必要があつたが、本発
明によるポンプ装置では、これらの加工は一切不
要となるため、製作費を大幅に下げることができ
る。スラストカラー５は単体で10〜20t、回転軸
と一体となつたものでは50〜60tに及ぶ巨大な厚
肉の鋳、鍛鋼製のものであり、上記加工のための
ハンドリングなどを考慮すると、加工不要の意義
は極めて大きい。 また、ポンプケーシングの出入口に流れを両方
向にスムーズにする仕切り１８と油流の方向を変
える複数の弁１７を設けた場合は、回転方向を両
方向回転とすることができ、この場合のポンプケ
ーシング９ａの製作費に関しては、従来方式のも
のより若干高くなるが、上記スラストカラー５の
製作費の減少分で、この費用を十分カバーするこ
とができるので、全体としては安価で、かつ性能
の優れた自己循環潤滑式スラスト軸受装置を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来および本発明の一実施例の自己循
環潤滑式スラスト軸受装置を適用するに共通した
立形水車発電機の全体図、第２図はその従来の場
合の軸受装置の油そう内の部分を示す断面図、第
３図は本発明の実施例１の油そう内の部分を示す
断面図、第４図は第３図のポンプケーシング部の
横断面図、第５図は第４図のＶ―Ｖ線に沿う矢視
断面図、第６図は第４図のポンプケーシングの入
口端と出口端の中央で切断した展開図、第７図は
第６図に対応するポンプケーシングの内部の圧力
分布曲線図、第８図は実施例２のポンプケーシン
グ部の横断面図、第９図は実施例３のポンプケー
シングの縦断面図、第１０図はそのポンプケーシ
ングの入口端および出口端の部分を内周側より見
た展開図、第１１図、第１２図はそれぞれ実施例
４のポンプケーシングの入口端および出口端部分
の異なる回転方向の場合の横断面図である。 １……油そう、２ａ，２ｂ……潤滑油の循環管
路、３……油冷却器、４……回転軸、５……スラ
ストカラー、５ａ……円筒面、６……回転板、７
……スラスト軸受パツド、８……ポンプ穴、９ａ
……ポンプケーシング、９ｂ……ポンプケーシン
グ入口、９ｃ……ポンプケーシング出口、１０…
…回転オイルガード、１１……面取部、１２……
ノズル、１３ａ，１３ｂ……油面、１４……潤滑
油の流れ、１５……すきま、１６……スペーサ、
１７……弁、１８……仕切り。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸側にスラストカラーを介して取り付け
   られた回転板と、この回転板に対向して配置され
   たスラスト軸受パツドと、上記スラストカラー、
   回転板及びスラスト軸受パツドを収納しその内部
   に潤滑油を満たす油そうとを有するものにおい
   て、上記スラストカラー又は回転板の外周筒面
   と、この外周筒面の外側に配置され所定の長さ、
   深さ及び幅に選定されたポンプケーシングとによ
   り粘性ポンプを形成し、この粘性ポンプの入口端
   を上記油そう内に開口するとともに出口端を油そ
   う外に設けた油冷却器を介して油そう内に潤滑油
   を循環させる管路に接続したことを特徴とする自
   己循環潤滑式スラスト軸受装置。 ２ ポンプケーシングは環状であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の自己循環潤滑式
   スラスト軸受装置。 ３ ポンプケーシングは円弧状であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の自己循環潤滑
   式スラスト軸受装置。 ４ ポンプケーシングは複数段にして、各段を直
   列に接続したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の自己循環潤滑式スラスト軸受装置。 ５ ポンプケーシングは出入口に流れを両方向に
   スムーズにする仕切りと油流の方向を変える弁を
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第２項な
   いし第４項の何れかに記載の自己循環潤滑式スラ
   スト軸受装置。