JP2010190350A

JP2010190350A - 静圧気体軸受装置

Info

Publication number: JP2010190350A
Application number: JP2009036844A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Miura; 雄一三浦
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】回転軸と軸受が接触しても軸受の摩耗を最小限に抑えることができる静圧気体軸受装置を提供する。
【解決手段】静圧気体軸受装置１０は、回転軸２の外周面と対向するラジアル軸受面１３Ａ、１３Ｂを有する軸受ブロック１１と、回転軸２と軸受ブロック１１との間の軸受隙間に加圧気体と液体潤滑剤のミストとを混合した潤滑混合気を供給する潤滑流体供給装置２３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸を気体潤滑膜で支持する静圧気体軸受装置に関し、特に回転軸との接触による摩耗を最小限に抑制できる静圧気体軸受装置に関する。

従来、回転軸を有するロータの回転アンバランスを測定するため、ロータを軸受で支持して高速回転させ、その振動からロータ上のアンバランス量とその方位を算出する釣合い試験装置が用いられる。回転軸とインペラが結合した形態のロータの場合、ロータを上下に抜き差しすることよって簡単にロータの設置・取り外しができるようになった縦型釣合い試験装置が用いられることがある。

このような釣合い試験装置において、ロータを支持する軸受として、気体潤滑膜によって軸受剛性を得る静圧気体軸受が好適に用いられる。静圧気体軸受は、空転トルクが少なくかつ低振動で回転するため計測精度が高く、また、潤滑流体が気体であるため計測完了後のロータに付着物がなく、後処理が容易であるからである。

図１は、静圧気体軸受を用いた従来の縦型釣合い試験装置３０の一例を示す模式構成図である。図１において、マウント３４に固定された静圧気体軸受３３によって、回転軸３２を有するロータ３１が軸心を上下に向けて支持されている。図１では省略しているが、静圧気体軸受３３は中空円筒型の軸受ブロックを有し、その中心穴にロータ３１の回転軸３２が挿入されている。回転軸３２の外周面と、軸受ブロックの内周面との間に、加圧された空気が導入され気体潤滑膜が形成される。マウント３４は支持ばね部材３５を介してベース部３６に取り付けられている。また、釣合い試験装置３０は、マウント３４の振動、ロータ３１の回転位置を計測するための図示しない各種センサと、各センサからの検出データに基づいてアンバランス量とその方位を算出する図示しない演算部とを備えている。

なお、静圧気体軸受の従来例を開示する先行技術文献としては、例えば下記特許文献１がある。また、縦型釣合い試験装置の従来例を開示する先行技術文献としては、例えば下記特許文献２がある。

特開２０００−２２４４号公報特公平４−４０６５０号公報

従来の静圧気体軸受において、ロータに大きなアンバランスがあると、軸受ブロックと回転軸の外周面が接触し、これによって回転数の低下と軸受ブロックの摩耗を生じる。このような軸受ブロックの摩耗は、軸受剛性を低下させ、計測精度を低下させる要因となる。
また、摩耗を抑制するために耐摩耗性に優れるセラミック材を用いる場合でも、多くのアンバランス試験を実施する生産現場では摩耗を抑制しきれないため、数か月で軸受ブロックを交換する必要がある。そのため、ランニングコストが高く、かつバランス計測精度が徐々に変化するため、品質管理が複雑になる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、回転軸と軸受が接触しても軸受の摩耗を最小限に抑えることができる静圧気体軸受装置を提供することを課題とする。

上記の問題を解決するため、本発明の静圧気体軸受装置は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明は、加圧された気体を軸受隙間に供給することで回転軸を気体潤滑膜で支持する静圧気体軸受装置であって、前記回転軸の外周面と対向するラジアル軸受面を有する軸受ブロックと、前記回転軸と前記軸受ブロックとの間の軸受隙間に、加圧気体と液体潤滑剤のミストとを混合した潤滑混合気を供給する潤滑流体供給装置とを備える、ことを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、軸受隙間に供給する加圧気体に液体潤滑剤のミストが混入されているので、回転軸が軸受ブロックに接触しても、液体潤滑剤によって接触面が潤滑されることで軸受ブロックの摩耗を最小限に抑えることができる。
また、軸受の潤滑流体として液体を用いる静圧液体軸受ではアンバランス測定完了後において回転軸に大量に付着した液体の除去が問題となるが、本発明では液体潤滑剤がミスト状であり、付着量が微量であるため、除去処理が不要であるか、あるいは、除去処理する場合であっても簡単な拭き取り作業で済むため問題は少ない。

（２）上記の静圧気体軸受装置において、前記回転軸は軸方向に離れた第１ジャーナル部と第２ジャーナル部を有し、回転軸を含むロータの重心が第１ジャーナル部と第２ジャーナル部の中間位置よりも第１ジャーナル側に寄った位置にあり、前記軸受ブロックは、第１ジャーナル部に対向する第１ラジアル軸受面と、該第１ラジアル軸受面に開口する第１給気孔と、第２ジャーナル部に対向する第２ラジアル軸受面と、該第２ラジアル軸受面に開口する第２給気孔とを有し、前記潤滑流体供給装置は、前記第１給気孔に前記潤滑混合気を供給する。

ロータの重心が第１ジャーナル部寄りの位置にある場合、第２ジャーナル部側よりも第１ジャーナル部側でのアンバランス量・振動が大きくなり、第１ジャーナル部に対向する第１ラジアル軸受面のほうが、第２ラジアル軸受面よりも相対的に、回転軸と接触したときの衝撃、接触圧が大きくなる。
上記（２）の構成によれば、第１ラジアル軸受面に開口する第１給気孔に潤滑混合気を供給するので、回転軸の第１ジャーナル部が軸受ブロックの第１ラジアル軸受面に接触したときの摩擦係数を低減し、第１ラジアル軸受面における摩耗を効果的に抑制できる。

（３）上記の静圧気体軸受装置において、前記潤滑流体供給装置は、さらに前記第２給気孔に前記潤滑混合気を供給する。

上記の構成によれば、第２給気孔にも潤滑混合気を供給することで、軸受ブロックの第２ラジアル軸受面も液体潤滑剤のミストによって潤滑されるので、より効果的に軸受ブロックの摩耗を抑制できる。

（４）上記の静圧気体軸受装置において、前記軸受ブロックは、前記ロータに対向するスラスト軸受面と、該スラスト軸受面に開口する第３給気孔を有し、前記潤滑流体供給装置は、さらに前記第３給気孔に前記潤滑混合気を供給する。

上記の構成によれば、第３給気孔にも潤滑混合気を供給することで、軸受ブロックのスラスト軸受面も液体潤滑剤のミストによって潤滑されるので、より効果的に軸受ブロックの摩耗を抑制できる。

本発明の静圧気体軸受によれば、回転軸と軸受が接触しても軸受の摩耗を最小限に抑えることができる。

静圧気体軸受を用いた従来の縦型釣合い試験装置の一例を示す模式構成図である。本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置とこれを備えた釣合い試験装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置における供給装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置１０とこれを備えた釣合い試験装置６の概略構成を示す図である。

図２において、静圧気体軸受装置１０によって、回転軸２を有するロータ１が軸心を上下に向けて支持されている。ロータ１はアンバランス計測の対象となる回転体である。図示例のロータ１は、回転軸２の一端側に、回転軸２の直径よりも大きい大径回転部３を有しており、大径回転部３が上部に位置する格好で、静圧気体軸受装置１０に設置されている。過給機ロータ１を例にすると、タービン軸が回転軸２に相当し、タービンインペラが大径回転部３に相当する。

回転軸２は、軸受によって支持される部位である第１ジャーナル部２ａと第２ジャーナル部２ｂとを軸方向に離れた位置に有している。本実施形態では、大径回転部３に近いほうが第１ジャーナル部２ａ、遠いほうが第２ジャーナル部２ｂであるとする。

静圧気体軸受装置１０は、マウント１７に固定されている。マウント１７は支持ばね部材１８を介してベース部１９に取り付けられている。また、釣合い試験装置６は、マウント１７の振動を計測するための振動センサ２０と、ロータ１の回転位置を計測するための回転センサ２１と、各センサからの検出データに基づいてロータ１のアンバランス量とその方位を算出する演算部２２とを備えている。

上記の振動センサ２０は、振動を計測するのに必要なデータを検出できるものであれば、特定の種類に限定されず、位置センサや速度センサや加速度センサなどを適用できる。
上記の回転センサ２１は、ロータ１の回転（位置・速度）を検出できるものであれば、特定の種類に限定されず、磁気式や光学式などを適用できる。

静圧気体軸受装置１０は、軸受ブロック１１と、潤滑流体供給装置２３とを備える。
軸受ブロック１１は、軸方向に貫通する中心穴１２が形成された中空円筒型の部品であり、その内面に回転軸２の外周面と対向するラジアル軸受面を有する。具体的には、軸受ブロック１１は、第１ジャーナル部２ａに対向する第１ラジアル軸受面１３Ａと、第２ジャーナル部２ｂに対向する第２ラジアル軸受面１３Ｂとを有する。

軸受ブロック１１は、さらに、ロータ１における軸方向に垂直な面に対向するスラスト軸受面１３Ｃを有する。図示例において、スラスト軸受面１３Ｃは、第１ジャーナル部２ａの大径回転部３側の端部に連結された、第１ジャーナル部２ａよりも直径が大きい拡径部４の端面に対向している。

軸受ブロック１１は、さらに、第１ラジアル軸受面１３Ａに開口する第１給気孔１４Ａと、第２ラジアル軸受面１３Ｂに開口する第２給気孔１４Ｂと、スラスト軸受面１３Ｃに開口する第３給気孔１４Ｃと、第１給気孔１４Ａと第２給気孔１４Ｂの間に形成された第１排気孔１５Ａと、第１給気孔１４Ａと第３給気孔１４Ｃの間に形成された第２排気孔１５Ｂとを有する。軸受ブロック１１において、各孔１４Ａ〜１４Ｃ、１５Ａ、１５Ｂは、周方向に間隔をおいて複数設けられている。

図示例の軸受ブロック１１は、軸受ブロック１１の外周面形状に適合する中空円筒面を有する固定ブロック１６によって支持・固定されている。固定ブロック１６は、軸受ブロック１１を内周面で支持し、潤滑流体供給装置２３からの加圧空気を第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂおよび第３給気孔１４Ｃに導くための流路を有している。

潤滑流体供給装置２３は、回転軸２と軸受ブロック１１との間の軸受隙間に、加圧された気体（例えば空気）と液体潤滑剤のミストとを混合した潤滑混合気を供給する装置である。液体潤滑剤としては、潤滑油やグリセリンを適用できる。

図示例の潤滑流体供給装置２３は、第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂ、第３給気孔１４Ｃに対応した供給装置２３Ａ〜２３Ｃを有し、それぞれ独立した系統で加圧気体を供給するようになっている。潤滑流体供給装置２３によって第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂおよび第３給気孔１４Ｃに加圧空気が導入されると、第１ジャーナル部２ａと第１ラジアル軸受面１３Ａとの間、第２ジャーナル部２ｂと第２ラジアル軸受面１３Ｂとの間、および拡径部４とスラスト軸受面１３Ｃとの間に加圧空気が供給され、各隙間において空気の流体潤滑膜が形成され、これによりロータ１が回転可能に支持される。

供給装置２３Ａは、例えば図３に示すような構成を採用できる。他の供給装置２３Ｂ、２３Ｃについても、同様の構成を採用できる。
図３において、供給装置２３Ａは、加圧された空気を送出するポンプ２５と、ポンプ２５を軸受ブロック１１へ導く給気ライン２４と、給気ライン２４に液体潤滑剤のミストを混入する潤滑ミスト供給装置２６とを備える。潤滑ミスト供給装置２６は、例えばルブリケータを用いることができる。ルブリケータとしては、潤滑油をオリフィス等からエア供給経路内に滴下することによって潤滑油をエア流に混入させるものや、モールと呼ばれる導油部材の毛細管作用により、潤滑油容器内からエア供給経路へ導くことによって、エア流に潤滑油を含ませるようにするもの等がある。

上記のように構成された静圧気体軸受装置１０によれば、軸受隙間に供給する加圧気体に液体潤滑剤のミストが混入されているので、回転軸２が軸受ブロック１１に接触しても、液体潤滑剤によって接触面が潤滑されることで軸受ブロック１１の摩耗を最小限に抑えることができる。

また、軸受の潤滑流体として液体を用いる静圧液体軸受ではアンバランス測定完了後において回転軸２に大量に付着した液体の除去が問題となるが、本発明では液体潤滑剤がミスト状であり、付着量が微量であるため、除去処理が不要であるか、あるいは、除去処理する場合であっても簡単な拭き取り作業で済むため問題は少ない。

潤滑流体供給装置２３において、液体潤滑剤のミストを混入した加圧空気を供給する給気孔は、第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂ、第３給気孔１４Ｃのすべてに対してでなくてもよく、ロータ１の形態・種類に合わせて、液体潤滑剤のミストを混合した加圧空気を供給する給気孔を限定してもよい。例えば、第１給気孔１４Ａと第２給気孔１４Ｂに液体潤滑剤のミストを混合した加圧空気を供給し、第３給気孔１４Ｃには液体潤滑剤のミストが混合されていない加圧空気を供給してもよく、あるいは、第１給気孔１４Ａまたは第２給気孔１４Ｂの一方にのみ液体潤滑剤のミストを混合した加圧空気を供給し、残りの給気孔には液体潤滑剤のミストが混合されていない加圧空気を供給してもよい。

図２に示す構成例のように、縦型の釣合い試験装置６として構成され、かつ上部に重心が寄っているロータ１を計測対象とする場合、少なくとも第１給気孔１４Ａについては、液体潤滑剤のミストを混入させた加圧空気を供給するのがよい。
ロータ１の重心が第１ジャーナル部２ａ寄りの位置にある場合、第２ジャーナル部２ｂ側よりも第１ジャーナル部２ａ側でのアンバランス量・振動が大きくなり、第１ジャーナル部２ａに対向する第１ラジアル軸受面１３Ａのほうが、第２ラジアル軸受面１３Ｂよりも相対的に、回転軸２と接触したときの衝撃、接触圧が大きくなる。
したがって、図２に示す構成例の場合、少なくとも第１給気孔１４Ａに液体潤滑剤のミストを混入させた加圧空気を供給することで、第１ジャーナル部２ａが第１ラジアル軸受面１３Ａに接触したときの摩擦係数を低減し、第１ラジアル軸受面１３Ａにおける摩耗を効果的に抑制できる。

また、図２に示す構成例の場合、第１給気孔１４Ａだけでなく、第２給気孔１４Ｂにも液体潤滑剤のミストを混入させた加圧空気を供給する構成とすれば、軸受ブロック１１の第２ラジアル軸受面１３Ｂも液体潤滑剤のミストによって潤滑されるので、より効果的に軸受ブロック１１の摩耗を抑制できる。
さらに、図２に示す構成例の場合、第３給気孔１４Ｃにも液体潤滑剤のミストを混入させた加圧空気を供給する構成とすれば、軸受ブロック１１のスラスト軸受面１３Ｃも液体潤滑剤のミストによって潤滑されるので、より効果的に軸受ブロック１１の摩耗を抑制できる。

図２の構成例では、供給装置２３Ａ〜２３Ｃにより第１〜第３の給気孔１４Ａ〜１４Ｃに対してそれぞれ独立した系統で加圧気体を供給するように構成されているが、加圧気体の供給系統を一部または全部において供用して、供給装置の数を削減してもよい。例えば、一つの供給装置を第１給気孔１４Ａと第２給気孔１４Ｂとで供用する構成や、一つの供給装置を第１〜第３の給気孔１４Ａ〜１４Ｃで供用する構成であってもよい。

図２の構成例では、ロータ１の軸心が上下を向く‘縦型’の釣合い試験装置に適用した静圧空気軸受装置を示したが、本発明はこれに限定されず、ロータ１の軸心が水平を向く‘横型’の釣合い試験装置にも適用可能である。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ロータ
２回転軸
２ａ第１ジャーナル部
２ｂ第２ジャーナル部
３大径回転部
４拡径部
６釣合い試験装置
１０静圧気体軸受装置
１１軸受ブロック
１２中心穴
１３Ａ第１ラジアル軸受面
１３Ｂ第２ラジアル軸受面
１３Ｃスラスト軸受面
１４Ａ第１給気孔
１４Ｂ第２給気孔
１４Ｃ第３給気孔
１５Ａ第１排気孔
１５Ｂ第２排気孔
１６固定ブロック
１７マウント
１８支持ばね部材
１９ベース部
２０振動センサ
２１回転センサ
２２演算部
２３潤滑流体供給装置
２３Ａ〜２３Ｃ供給装置
２４給気ライン
２５ポンプ
２６潤滑ミスト供給装置

Claims

加圧された気体を軸受隙間に供給することで回転軸を気体潤滑膜で支持する静圧気体軸受装置であって、
前記回転軸の外周面と対向するラジアル軸受面を有する軸受ブロックと、
前記回転軸と前記軸受ブロックとの間の軸受隙間に、加圧気体と液体潤滑剤のミストとを混合した潤滑混合気を供給する潤滑流体供給装置とを備える、ことを特徴とする静圧気体軸受装置。
前記回転軸は軸方向に離れた第１ジャーナル部と第２ジャーナル部を有し、回転軸を含むロータの重心が第１ジャーナル部と第２ジャーナル部の中間位置よりも第１ジャーナル側に寄った位置にあり、
前記軸受ブロックは、第１ジャーナル部に対向する第１ラジアル軸受面と、該第１ラジアル軸受面に開口する第１給気孔と、第２ジャーナル部に対向する第２ラジアル軸受面と、該第２ラジアル軸受面に開口する第２給気孔とを有し、
前記潤滑流体供給装置は、前記第１給気孔に前記潤滑混合気を供給する、請求項１記載の静圧気体軸受装置。
前記潤滑流体供給装置は、さらに前記第２給気孔に前記潤滑混合気を供給する、請求項２記載の静圧気体軸受装置。
前記軸受ブロックは、前記ロータに対向するスラスト軸受面と、該スラスト軸受面に開口する第３給気孔を有し、
前記潤滑流体供給装置は、さらに前記第３給気孔に前記潤滑混合気を供給する、請求項２又は３記載の静圧気体軸受装置。