WO2019188342A1 - 軸受の振動減衰装置 - Google Patents

軸受の振動減衰装置 Download PDF

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WO2019188342A1
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vibration damping
spherical particles
damping device
housing
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奈央 林
智也 中村
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Ntn株式会社
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
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    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/04—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly
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    • F16C35/00—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers
    • F16C35/04—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers in the case of ball or roller bearings
    • F16C35/06—Mounting or dismounting of ball or roller bearings; Fixing them onto shaft or in housing
    • F16C35/07—Fixing them on the shaft or housing with interposition of an element
    • F16C35/077—Fixing them on the shaft or housing with interposition of an element between housing and outer race ring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F16F15/12—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using elastic members or friction-damping members, e.g. between a rotating shaft and a gyratory mass mounted thereon

Definitions

  • the present invention relates to a vibration damping device for a bearing that suppresses vibrations of a bearing that supports a high-speed rotating shaft such as a rocket engine turbo pump.
  • shaft vibration such as forced vibration and self-excited vibration at dangerous speeds is often a problem.
  • Jet engines and the like employ a squeeze film damper that obtains a vibration damping effect using the viscosity of a lubricating oil as a vibration damping device for a rotating shaft.
  • Patent Document 1 discloses a vibration damping device called a wire mesh damper that deforms a wire mesh and dissipates vibration energy by friction generated between wires to attenuate vibration of a rotating shaft. Yes.
  • the wire mesh damper introduced in this Patent Document 1 can directly apply a damping force to the rotating shaft, the wire mesh is arranged in a ring shape to obtain a damping action, so that the wire mesh is arranged for each device. There is a problem that the shape is easily different and the attenuation performance varies.
  • Non-Patent Document 1 introduces the use of spherical particles as a damper element as a vibration damping device for devices operating at extremely low temperatures and oil-free devices, as with wire mesh dampers.
  • the vibration damping device using spherical particles as a damper element introduced in Non-Patent Document 1 generally has a structure as shown in FIG.
  • a vibration damping device 21 using spherical particles 20 as a damper element includes an equipment housing 24 of a rotating machine that is disposed at an interval on an outer surface of a bearing 23 that supports a rotating shaft 22 of the rotating machine.
  • the inner cylinder 25 disposed between the inner peripheral surface of the device housing 24 and the outer surface of the bearing 23 and displaceable in the radial direction with respect to the device housing 24, and the outer peripheral surface of the inner tube 25 and the device housing 24 And a housing space 26 filled with spherical particles 20 that produce a damping action by vibrational friction, and a housing space 26 disposed at an axial end of the housing space 26.
  • a preload ring 27 for applying a preload (preload) in the axial direction to the spherical particles 20 filled therein.
  • the vibration damping device 21 using the spherical particles 20 as a damper element, when radial axial vibration is generated on the rotary shaft 22 of the rotary machine, a radial displacement is generated in the inner cylinder 25 via the bearing 23, and the displacement is caused by the displacement.
  • the spherical particles 20 in the housing space 26 flow, and this flow causes friction between the spherical particles 20, between the spherical particles 20 and the inner cylinder 25, and between the spherical particles 20 and the equipment housing 24. Vibration energy is dissipated by this, and it acts as a damper.
  • the parameters that are considered to affect the characteristics include the particle diameter of the spherical particle 20, the outer diameter of the inner cylinder 25, the inner diameter of the device housing 24, the length of the accommodating space 26, and the preload.
  • the preload by the ring 27, the particle material of the spherical particles 20, the coefficient of friction between the spherical particles 20, and the equipment (controlled by the surface material), these can be industrially controlled and compared to the wire mesh damper Therefore, improvement of quality stability can be expected.
  • the vibration damping device having the structure disclosed in Non-Patent Document 1 described above needs to increase the preload in order to effectively obtain a high damping performance. This is because when the preload applied to the spherical particles 20 in the axial direction is increased in the containing space containing the spherical particles, the spherical particles are in close contact with each other and pressure is applied, and the frictional force between the spherical particles increases. This is because the damping effect can be increased.
  • damper rigidity the rigidity as a damper
  • the present invention intends to provide a vibration damping device for a bearing that can obtain a high damping performance with a damper rigidity that does not apply a large load to peripheral components such as a bearing.
  • the present inventors diligently studied the relationship between the damper stiffness and the bearing stiffness with respect to the shaft support stiffness, and found that the shaft support stiffness is affected by the damper stiffness and the bearing stiffness. It was also found that there is a region where the damper function is not achieved due to the relationship between the damper rigidity and the bearing rigidity.
  • the present inventors varied the preload applied per volume of the storage space filled with the spherical particles to obtain the damper rigidity at that time, and determined the preload. And the relationship between the damper stiffness and the damper stiffness. As a result, it was found that the preload is preferably set to a predetermined value or less.
  • the preload increases the value of the product of the bearing rigidity and the volume of the containing space filled with the spherical particles to a value less than a predetermined value. I found out that it was good.
  • the present invention has been made on the basis of such knowledge, and an equipment housing that is arranged at an interval on the outer surface of a bearing that supports a rotating shaft in a rotating machine, an inner peripheral surface of the equipment housing, and an outer surface of the bearing An inner cylinder that is disposed with a gap between the inner cylinder and that is displaceable in the radial direction with respect to the equipment housing, and vibration friction that is provided between the outer peripheral surface of the inner cylinder and the inner peripheral face of the equipment housing.
  • a bearing vibration damping device comprising: When the rigidity of the bearing is Kb, the volume of the accommodation space is Vb, and the preload is Fp, Fp ⁇ (Kb ⁇ Vb) / (1.6 ⁇ 10 4 ) (1) A preload Fp that satisfies the condition is applied to the preload ring.
  • the inner cylinder and the device housing are coupled via a spring member.
  • the inner cylinder By connecting via a spring member, the inner cylinder can be aligned with the axis of the equipment housing.
  • a dust-proof seal that prevents wear particles from flowing out of the spherical particles from gaps provided between the inner peripheral surface of the device housing and the outer peripheral surface of the inner cylinder on both sides in the axial direction of the storage space filled with the spherical particles. Is preferably provided.
  • an air vent channel that connects the inside of the housing space and the external environment is provided in the equipment housing.
  • the air inside the accommodation space is discharged to the outside environment by the air vent flow path, and cryogenic gas or cryogenic liquid flows into the accommodation space from the outside environment.
  • air can be replaced with a cryogenic gas or a cryogenic liquid, and the movement between particles is prevented from being suppressed by the solidification of moisture contained in the air present in the accommodation space.
  • the movement of particles can be generated even in an extremely low temperature environment, and attenuation characteristics can be obtained.
  • the material for forming the dust-proof filter is preferably a non-woven fabric made of meta-type wholly aromatic polyamide or polytetrafluoroethylene (PTFE), and the non-woven fabric can prevent the abrasion powder from flowing out of the spherical particles, and The air inside the accommodation space is released to the external environment while the dust-proof filter is installed in the air vent flow path, and cryogenic gas or cryogenic liquid flows into the accommodation space from the external environment. be able to.
  • PTFE meta-type wholly aromatic polyamide or polytetrafluoroethylene
  • the material forming the dust-proof filter can be a porous sintered metal using austenitic stainless steel such as SUS304 or SUS316.
  • austenitic stainless steel such as SUS304 or SUS316.
  • the shape and size of the mesh can be selected in accordance with the shape of the foreign material by austenitic stainless steel.
  • the spherical particles may be made of SUS440C or Si 3 N 4 , and all may be the same size or may be used in combination of different sizes.
  • the vibration damping device for a bearing by setting the preload in a range that satisfies the above formula (1), the damper rigidity does not become too large with respect to the bearing rigidity, and the reduction effect is achieved. It is possible to use the vibration damping device of the bearing without increasing the peripheral parts and damaging the peripheral parts.
  • FIG. 1 It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the vibration damping device which used the spherical particle applied to this invention as the damper element. It is an enlarged view of the accommodation space part with which the spherical particle
  • the rotating shaft 2 in the rotating machine is rotatably supported on the inner peripheral surface of a cylindrical device housing 3 via an inner cylinder 4 and a bearing 5.
  • a rolling bearing including an inner ring 5a, an outer ring 5b, and a rolling element 5c accommodated between the inner ring 5a and the outer ring 5b is used.
  • a storage space 7 for storing spherical particles 6 that are damper elements is provided.
  • nickel alloy As a material for forming the device housing 3 and the inner cylinder 4, nickel alloy, SUS304, SUS304L, SUS316, SUS16L, SUS316LN, or the like can be used.
  • the inner cylinder 4 At one end in the axial direction of the inner cylinder 4, the inner cylinder 4 is supported so as to be displaceable in the radial direction with respect to the equipment housing 3, and the inner cylinder is supported elastically so that the inner cylinder 4 coincides with the axis of the equipment housing 3.
  • the springs 8 are provided at equal intervals in the circumferential direction.
  • the inner cylinder supporting spring 8 includes a protruding piece 8a extending outward in the axial direction of the device housing 3, and a radially outer diameter side from the outer end of the protruding piece 8a.
  • the bent piece 8b is formed into a U-shape composed of a bent piece 8b and a folded piece 8c folded in the axial direction from the outer diameter end of the bent piece 8b. Is engaged.
  • An inward flange 3 a that forms one end surface of the accommodation space 7 is formed at one end of the inner peripheral surface of the device housing 3. Between the inner peripheral surface of the inward flange 3 a and the outer peripheral surface of the inner cylinder 4. Is provided with a gap a that allows the inner cylinder 4 to be displaced in the radial direction.
  • the gap a is set to a size that prevents the spherical particles 6 that are damper elements from leaking out.
  • a fixed flange 3b protruding toward the outer diameter in the radial direction is formed on the outer peripheral surface on the opposite side to the inward flange 3a of the device housing 3 with which the inner cylinder supporting spring 8 is engaged.
  • a ring plate 9 that forms the other end face of the accommodation space 7 is fixed to the bolt 3b.
  • a pair of fixing rings 11a and 11b that do not move in the axial direction are disposed at both ends of the housing space 7 in the axial direction.
  • a gap b that enables displacement of the inner cylinder 4 in the radial direction, and this gap b is a damper element. Is set to a size that prevents the spherical particles 6 from leaking out.
  • a preloading ring 13b is movably provided in the axial direction via a preloading spring 13a on the accommodation space 7 side of one of the pair of fixing rings 11a and 11b.
  • a gap c that allows the inner cylinder 4 to be displaced in the radial direction.
  • the gap c is a spherical particle that is a damper element. 6 is set to a size that does not leak.
  • the accommodation space 7 is filled with spherical particles 6.
  • spherical particles 6 for example, steel balls (SUS440C) or ceramic balls (Si 3 N 4 ) having a particle diameter of about 1 mm can be used.
  • the spherical particles 6 may all be the same size or may be a combination of different sizes.
  • the dust-proof seals 12a and 12b have low rigidity so that the radial displacement of the inner cylinder 4 is not hindered, and have an initial interference that does not cause a gap even if the radial displacement of the inner cylinder 4 occurs. is doing.
  • the damping effect can be increased by increasing the preload applied by the preload spring 13a.
  • the preload By increasing the preload, the spherical particles 6 are compressed, the frictional force is increased, and the damping effect is increased.
  • it is analytically known that increasing the preload increases the damper stiffness.
  • the damper rigidity is too large, a large load is generated on peripheral components such as the bearing 5 before sufficient displacement occurs between the inner cylinder 4 of the damper and the device housing 3 when vibration occurs. There is a risk of damaging peripheral components. Therefore, as will be described later, in the present invention, the preload is set to a damper rigidity having a size that does not cause damage to peripheral devices, and is set in a range where the damping effect is large and usable.
  • the rocket engine turbo pump is a rotary machine that pumps a propellant to the combustor, and mainly uses liquid oxygen and liquid hydrogen as the propellant, so that the vicinity of the bearing 5 of the rotating shaft 2 is in a cryogenic environment. .
  • the air in the accommodation space 7 is prevented from freezing before the water is contained in the accommodation space 7 filled with the spherical particles 6 before the cryogenic environment.
  • a propellant gas for example, hydrogen gas or oxygen gas
  • an air vent channel 14 that connects the inside of the housing space 7 and the external environment is provided between the device housing 3 and the ring plate 9.
  • the exciting force causes the inner cylinder 4 to change in the radial direction through the bearing 5 as shown by the arrow X2. Due to the fluctuation of the inner cylinder 4, the spherical particles 6 filled in the accommodation space 7 between the inner cylinder 4 and the device housing 3 flow, and the spherical particles 6, the spherical particles 6 and the inner cylinder 4, and the spherical particles 6. And the device housing 3, friction is generated, and the frictional energy is dissipated by the friction to attenuate the vibration.
  • the present inventors diligently studied the relationship between the damper rigidity and the bearing rigidity with respect to the shaft support rigidity in the vibration damping device 1 having the structure shown in FIG.
  • the rigidity between the outer ring 5b of the bearing 5 and the inner peripheral surface of the device housing 3 can be regarded as a relationship of linear springs connected in series as shown in FIG.
  • the shaft support rigidity is represented by the following equation (3).
  • Ks is the shaft support rigidity
  • Kc is the damper rigidity
  • Kb is the bearing rigidity
  • the vertical axis represents the ratio value between the shaft support rigidity Ks and the bearing rigidity Kb
  • the horizontal axis represents the ratio value between the damper rigidity Kc and the bearing rigidity Kb.
  • FIG. 5 shows that the shaft support rigidity Ks is influenced by the damper rigidity Kc and the bearing rigidity Kb.
  • the present inventors change the preload (N / mm 3 ) applied per space volume of the accommodation space 7 in various ways to obtain the damper rigidity Kc at that time.
  • a simulation was performed to examine the relationship between the preload and the damper stiffness Kc. The result is shown in FIG.
  • the preload is Fp (N)
  • the volume of the particle filling portion is Vb (mm 3 ).
  • the damper rigidity Kc is preferably less than 100 times the bearing rigidity Kb. Therefore, if the preload Fp satisfies the following formula (4), the damper rigidity Kc does not become excessively large and is attenuated. The bearing vibration damping device 1 having a great effect can be obtained.
  • the preload Fp in the above-described range may be applied to the spherical particles 6 filled in the accommodation space 7.
  • the preload Fp is increased within the range of the preload Fp that satisfies the above range, high damping performance can be obtained effectively, and the damper rigidity Kc does not become so large as to damage peripheral parts.
  • Vibration damping device 2 Rotating shaft 3: Equipment housing 4: Inner cylinder 5: Bearing 6: Spherical particle 7: Accommodating space 8: Spring for supporting inner cylinder 9: Ring plate 10: Bolts 11a and 11b: Fixed ring 12a, 12b: Dust resistant seal 13a: Preload spring 13b: Preload ring

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Abstract

軸受等の周辺部品に大きな負荷がかからないダンパ剛性の大きさで、高い減衰性能が得られる軸受の振動減衰装置を提供することを課題とする。機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能な内筒４と、内筒４の外周面と機器ハウジング３の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子６を充填する収容空間７と、収容空間７内に充填された球状粒子６に対して軸方向の予荷重を与える予圧リング１３ｂとを備える軸受の振動減衰装置１において、　前記軸受の剛性をＫｂ、収容空間の体積をＶｂ、予荷重をＦｐとした時、　Ｆｐ＜（Ｋｂ・Ｖｂ）／（１．６×１０4） を満たす予荷重Ｆｐを予圧リング１３ｂに与える。

Description

軸受の振動減衰装置
　この発明は、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸を支持する軸受の振動を抑制する軸受の振動減衰装置に関するものである。
　ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸では、危険速度での強制振動や自励振動など、軸振動が問題になることが多い。
　ジェットエンジンなどでは、回転軸の振動減衰装置として、スクイーズフィルムダンパという、潤滑油の粘性を用いて振動減衰効果を得るものが採用されている。
　しかしながら、オイルレス機器や、極低温下で運転されるロケットエンジンターボポンプなどでは、潤滑油を用いることができない。
　そこで、従来、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸の振動減衰装置として、回転軸と、機器ハウジングとの間に、リング状のワイヤーメッシュを配置し、回転軸の振動によって生じた力により、リング状のワイヤーメッシュを変形させて、ワイヤー間で生じる摩擦により、振動エネルギーを散逸させて、回転軸の振動を減衰させるワイヤーメッシュダンパと呼ばれている振動減衰装置が、特許文献１に開示されている。
この特許文献1に紹介されているワイヤーメッシュダンパは、回転軸に減衰力を直接作用させることはできるものの、ワイヤーメッシュをリング状に圧縮させて減衰作用を得るため、装置ごとにワイヤーメッシュの配置や形状が異なり易く、減衰性能にばらつきが生じるという問題がある。
　また、非特許文献１には、ワイヤーメッシュダンパと同様、極低温下で作動する機器やオイルフリー機器を対象とした振動減衰装置として、球状粒子をダンパ要素にすることが紹介されている。
　この非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置は、概ね、図７に示すような構造である。
　図７に示すように、球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２を支持する軸受２３の外面に、間隔をあけて配置される回転機械の機器ハウジング２４と、この機器ハウジング２４の内周面と軸受２３の外面との間に配置された、機器ハウジング２４に対して半径方向に変位可能な内筒２５と、この内筒２５の外周面と機器ハウジング２４の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子２０を充填した収容空間２６と、この収容空間２６の軸方向の端部に配置された、収容空間２６内に充填された球状粒子２０に対して軸方向の予圧（予荷重）を与える予圧リング２７と、を備えている。
　この球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２にラジアル方向の軸振動が発生すると、軸受２３を介して内筒２５に半径方向の変位が生じ、その変位によって収容空間２６内の球状粒子２０が流動し、この流動により、球状粒子２０どうし、球状粒子２０と内筒２５との間、球状粒子２０と機器ハウジング２４との間で摩擦が発生し、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、ダンパとしての役割を果たす。
　球状粒子２０をダンパ要素にした場合、その特性に影響を及ぼすと考えられるパラメータは、球状粒子２０の粒子直径、内筒２５の外径、機器ハウジング２４の内径、収容空間２６の長さ、予圧リング２７による予荷重、球状粒子２０の粒子材料、球状粒子２０どうし、および機器との摩擦係数（表面材質で管理）であり、これらは工業的に特性管理が可能であり、ワイヤーメッシュダンパに比べて品質安定性の向上が期待できる。
　上記した非特許文献１に開示された構造の振動減衰装置は、効果的に高い減衰性能を得るためには、予荷重を大きくすることが必要と考えられる。これは、球状粒子を収容した収容空間内において、球状粒子２０に対して軸方向に与える予荷重を大きくすると、球状粒子が密接して圧力がかかり、球状粒子間の摩擦力が大きくなることで、減衰効果が大きくすることができるからである。
特開平３－４１２１１号公報
２０１５年１０月０７日開催の日本航空宇宙学会における宇宙科学技術連合講演会講演集の「ターボポンプ用粒子ダンパの開発」と題する論文
　上記した非特許文献１に開示された構造の振動減衰装置においては、効果的に高い減衰性能を得るためには予荷重を大きくする必要がある。本発明者等は、上記構造の軸受の振動減衰装置において、与える予荷重を検討したところ、予荷重を大きくするとダンパとしての剛性（以下、ダンパ剛性という。）が大きくなるということが分かった。ダンパ剛性が大きくなると、振動が発生した場合に、減衰効果を発揮する前に軸受等の周辺部品に大きな負荷がかかって、部品の損傷を招く虞がある。
　そこで、この発明は、軸受等の周辺部品に大きな負荷がかからないダンパ剛性の大きさで、高い減衰性能が得られる軸受の振動減衰装置を提供しようとするものである。
　本発明者等は、軸支持剛性に対するダンパ剛性と軸受剛性との関係について、鋭意検討したところ、ダンパ剛性と軸受剛性によって軸支持剛性に影響があることは分かった。そして、ダンパ剛性と軸受剛性の関係により、ダンパ機能を果たさなくなる領域があることが分かった。
　このことから、ダンパの機能を果たすためには、ダンパ剛性と軸受剛性との間には所定の比率があることが分かった。
　次に、本発明者等は、上記した構造の軸受の振動減衰装置において、球状粒子を充填する収容空間の体積当たりに与える予荷重を種々変化させて、そのときのダンパ剛性を求め、予荷重とダンパ剛性の関係を検討した。この結果、予荷重は所定の値以下にすることが良いことが分かった。
　そして、ダンパ剛性と軸受剛性との間の比率と予荷重とダンパ剛性との関係から、予荷重は、軸受剛性と球状粒子を充填する収容空間の体積との積の値を所定値未満の大きさとすること良いことが分かった。
　この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、
　前記軸受の剛性をＫｂ、収容空間の体積をＶｂ、予荷重をＦｐとした時、
　Ｆｐ＜（Ｋｂ・Ｖｂ）／（１．６×１０4）…（１）
を満たす予荷重Ｆｐを予圧リングに与えることを特徴とする。
　前記内筒と機器ハウジングとをばね部材を介して結合することが好ましい。
　ばね部材介して結合することで、前記内筒を機器ハウジングの軸に一致させることができる。
　前記球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、機器ハウジングの内周面と内筒の外周面との間に設けられた隙間から前記球状粒子の摩耗粉の流出を防止する耐粉塵シールを設けることが好ましい。
　球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、耐粉塵シールを設置することにより、収容空間に充填した球状粒子の摩擦によって発生する摩耗粉の外部環境への漏れだしを防止することができる。
　また、前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設けておくことが好ましい。
　前記空気抜き用流路により、前記収容空間内部の空気を外部環境に放出し、外部環境から前記収容空間内部に極低温気体または極低温液体と流入させる。これにより、空気と極低温気体または極低温液体と置換することがすることができ、前記収容空間の内部に存在する空気に含まれる水分の凝固により、粒子間の動きが抑制されることを防止し、極低温環境でも粒子の動きを発生させ、減衰特性を得ることができる。
　この空気抜き用流路に耐粉塵フィルタを設置しておくことが好ましい。
　前記耐粉塵フィルタを形成する材質としては、メタ型全芳香族ポリアミドまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる不織布とすることが好ましい、前記不織布により前記球状粒子の摩耗粉の流出防止ができ、かつ、前記耐粉塵フィルタが前記空気抜き用流路に設置された状態のまま、前記収容空間内部の空気を外部環境に放出し、外部環境から前記収容空間内部に極低温気体または極低温液体と流入させることができる。
　前記耐粉塵フィルタを形成する材質としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレスなどを用いた多孔質焼結金属とすることができる。オーステナイト系ステンレスにより異物の形状に合わせて、メッシュの形状および寸法を選択することができる。
　前記球状粒子は、ＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ3Ｎ4などからなるものを使用することができ、すべて同一サイズであるもの、または、異なるサイズのものを組み合わせて使用してもよい。
　以上のように、この発明に係る軸受の振動減衰装置では、予荷重を上記の式（１）を満たす範囲に設定することにより、ダンパ剛性が軸受剛性に対して大きくなりすぎずに、減数効果を大きくして、周辺部品の損傷することなく、軸受の振動減衰装置を使用することができる。
この発明に適用される球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の構成を示す概略断面図である。 図１の球状粒子を充填した収容空間部分の拡大図である。 図１の振動減衰装置の機器ハウジングと内筒との関係を示す斜視図である。 機器ハウジングと回転軸との間のダンパ剛性と軸受剛性の関係を線形ばねとして解析した説明図である。 軸支持剛性に対するダンパ剛性と軸受剛性との影響度をシミュレーションした特性図である。 予荷重とダンパ剛性との関係をシミュレーションした特性図である。 非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の概略図である。
　まず、この発明が適用される球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置１の構成について添付図面に基づいて説明する。
　回転機械における回転軸２は、円筒形の機器ハウジング３の内周面に、内筒４と軸受５を介して回転可能に支持されている。この発明においては、軸受５として、内輪５ａと、外輪５ｂと、内輪５ａと外輪５ｂの間に収容される転動体５ｃとからなる転がり軸受を使用している。
　前記機器ハウジング３の内周面と内筒４の外周面との間には、ダンパ要素である球状粒子６を収容する収容空間７が設けられている。
　前記機器ハウジング３および内筒４を形成する材質としては、ニッケル合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＬＮなどを使用することができる。
　内筒４の軸方向の一端には、内筒４を機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能に支持し、内筒４を機器ハウジング３の軸に一致させるように弾性支持する内筒支持用ばね８が周方向に等間隔で設けられている。
　内筒支持用ばね８は、図１および図３に示すように、機器ハウジング３の軸方向の外方に延びる突出片８ａと、この突出片８ａの外方端から半径方向の外径側に屈曲する屈曲片８ｂと、この屈曲片８ｂの外径端から軸方向に折り返された折返し片８ｃとからなるコ字形をしており、折返し片８ｃの端部が機器ハウジング３の外径部に係合している。
　機器ハウジング３の内周面の一端には、収容空間７の一方の端面を形成する内向きフランジ３ａが形成され、この内向きフランジ３ａの内周面と、内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ａを設けており、この隙間ａはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。
　前記内筒支持用ばね８が係合する機器ハウジング３の内向きフランジ３ａと軸方向反対側の外周面には、半径方向の外径に向かって突出する固定フランジ３ｂが形成され、この固定フランジ３ｂに、前記収容空間７の他方の端面を形成するリング板９がボルト１０によって固定されている。
　前記収容空間７の軸方向の両端には、軸方向に移動しない一対の固定リング１１ａ、１１ｂが配置されている。この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの内周面と内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｂを設けており、この隙間ｂはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。
　この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの一方の固定リング１１ｂの前記収容空間７側には、予荷重用ばね１３ａを介して予圧リング１３ｂが軸方向に移動可能に設けられている。この予圧リング１３ｂの内周面と内筒４の外周面との間にも、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｃを設けており、この隙間ｃはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。
　前記収容空間７には、球状粒子６が充填されている。球状粒子６としては、例えば、粒子直径が１ｍｍ程度の鋼球（ＳＵＳ４４０Ｃ）やセラミック球（Ｓｉ3Ｎ4）などを使用することができる。前記球状粒子６は、すべて同一サイズでもよいし、異なるサイズの組み合わせでもよい。
　前記収容空間７に設けられた固定リング１１ａ、１１ｂの軸方向の外方には、収容空間７に充填した球状粒子６の摩擦によって発生する摩耗粉が外部に漏れださないように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂを設置している。
　この耐粉塵シール１２ａ、１２ｂは、内筒４の半径方向の変位を阻害しないように、低剛性で、かつ、内筒４の半径方向の変位が生じてもすきまが生じない初期しめしろを有している。
　上記した予荷重用ばね１３ａにより与える予荷重を大きくすることにより、減衰効果を大きくすることができる。この予荷重を大きくすることで、球状粒子６が圧縮された状態となり、摩擦力が増え、減衰効果が増す。しかし、予荷重を大きくするとダンパ剛性も大きくなることは解析的に分かっている。一方、ダンパ剛性が大きすぎると、振動が生じた際に、ダンパの内筒４と機器ハウジング３間に十分な変位が生じる前に、軸受５等の周辺部品にも大きな負荷が生じてしまうため、周辺部品を損傷する虞がある。そこで、後述するように、この発明では、予荷重を周辺機器に損傷を与える虞がない大きさのダンパ剛性にして、減衰効果が大きくて使用できる範囲に設定したものである。
　ところで、ロケットエンジンターボポンプは、燃焼器に推進剤を圧送する回転機械であり、推進剤として主に液体酸素および液体水素を使用するため、回転軸２の軸受５の近傍は極低温環境になる。このような、極低温で使用される機器の場合、極低温環境にする前に、球状粒子６を充填した収容空間７内の空気に含まれる水分が凍らないように、収容空間７内の空気を、推進剤のガス（例えば、水素ガス、酸素ガス）で置換しておくことが望ましい。
　ところが、前記収容空間７を、前記のように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂによって密封すると、前記収容空間７内に充填された球状粒子６間の空気抜きができないため、前記収容空間７内を推進剤のガスで置換することができない。
　このため、図１に示す形態では、前記収容空間７の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路１４を機器ハウジング３とリング板９との間に設置している。
　また、前記空気抜き用流路１４の出口に耐粉塵フィルタを設置することが好ましい。
　次に、球状粒子６をダンパ要素にした振動減衰装置の作用について説明する。
　図１の矢印Ｘ１に示すように、振動によって軸変位が生じた場合、加振力は軸受５を通じて、内筒４を矢印Ｘ２に示すように、半径方向に変動させる。この内筒４の変動により、内筒４と機器ハウジング３との間の収容空間７に充填された球状粒子６が流動し、球状粒子６どうし、球状粒子６と内筒４間、球状粒子６と機器ハウジング３との間でそれぞれ摩擦が生じ、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、振動が減衰される。
　本発明者等は、上記した図１の構造の振動減衰装置１において、軸支持剛性に対するダンパ剛性と軸受剛性との関係について鋭意検討した。軸受５の外輪５ｂと機器ハウジング３の内周面との間の剛性は、図４に示すように、直列に接続した線形ばねの関係と見なすことができる。
　直列に接続した線形ばねと考えた場合、軸支持剛性は、下記の式（３）に示す関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記において、Ｋｓは軸支持剛性、Ｋｃはダンパ剛性、Ｋｂは軸受剛性である。
　上記式（３）に基づき、軸支持剛性Ｋｓに対するダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂの関係をシミュレーションにより求めた。この関係を図５に示す。
　図５において、縦軸は、軸支持剛性Ｋｓと軸受剛性Ｋｂとの比の値、横軸は、ダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂとの比の値である。この図５より、ダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂによって軸支持剛性Ｋｓに影響があることが分かる。
　そして、この図５からダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂとの比が１００を超えると、軸受剛性Ｋｂが支配的になり、ダンパ効果が期待できない、このことから軸受剛性Ｋｂがダンパ剛性Ｋｃの１００倍未満、即ち、１００・Ｋｂ＜Ｋｃの関係を満たすと良いことが分かった。
　次に、本発明者等は、上記した構造の振動減衰装置１において、収容空間７の空間体積当たりに与える予荷重（Ｎ／ｍｍ3）を種々変化させて、そのときのダンパ剛性Ｋｃを求めるシミュレーションを行い、予荷重とダンパ剛性Ｋｃの関係を検討した。この結果を図６に示す。ここで、予荷重をＦｐ（Ｎ）、粒子充填部の体積をＶｂ（ｍｍ3）とする。
　この図６から、下限を示す直線を求め、その直線式を求めた。
　図６から、Ｋｃ＝１．６×１０6・Ｆｐ／Ｖｂが下限であることが分かった。
　そして、図５により、ダンパ剛性Ｋｃが軸受剛性Ｋｂの１００倍未満がよいため、予荷重Ｆｐは下記の数式（４）を満足する値であれば、ダンパ剛性Ｋｃが大きくなりすぎることなく、減衰効果が大きな軸受の振動減衰装置１が得られる。
　Ｆｐ＜（Ｋｂ・Ｖｂ）／（１．６×１０4）…（４）
　上記した範囲の予荷重Ｆｐを収容空間７に充填された球状粒子６に与えるようにすればよい。
　上記の範囲を満足する予荷重Ｆｐの範囲で、予荷重Ｆｐを大きくすれば、効果的に高い減衰性能を得られると共に、ダンパ剛性Ｋｃも周辺部品を損傷するほどの大きさなることはない。
　以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
１　　　：振動減衰装置
２　　　：回転軸
３　　　：機器ハウジング
４　　　：内筒
５　　　：軸受
６　　　：球状粒子
７　　　：収容空間
８　　　：内筒支持用ばね
９　　　：リング板
１０　　：ボルト
１１ａ、１１ｂ　：固定リング
１２ａ、１２ｂ　：耐粉塵シール
１３ａ　：予荷重用ばね
１３ｂ　：予圧リング

Claims (8)

  1. 　回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、
    　前記軸受の剛性をＫｂ、収容空間の体積をＶｂ、予荷重をＦｐとした時、
    　Ｆｐ＜（Ｋｂ・Ｖｂ）／（１．６×１０4）…（１）
    を満たす予荷重Ｆｐを予圧リングに与えることを特徴とする軸受の振動減衰装置。
  2. 　前記内筒と機器ハウジングとをばね部材を介して結合することを特徴とする請求項１に記載の軸受の振動減衰装置。
  3. 　前記球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、機器ハウジングの内周面と内筒の外周面との間に設けられた隙間から前記球状粒子の摩耗粉の流出を防止する耐粉塵シールを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受の振動減衰装置。
  4. 　前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設けたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の軸受の振動減衰装置。
  5. 　前記空気抜き用流路に耐粉塵フィルタを設置したことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の軸受の振動減衰装置。
  6. 　前記球状粒子がＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ3Ｎ4からなる請求項１～５のいずれかに記載の軸受の振動減衰装置。
  7. 　前記球状粒子がすべて同一サイズである請求項６に記載の軸受の振動減衰装置。
  8. 　前記球状粒子が異なるサイズの組み合わせからなる請求項６に記載の軸受の振動減衰装置。
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