JP2013213558A - 圧力バランスランド型スラスト軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の圧力が大きい場合、タービン動翼や圧縮機の羽根車に大きな差圧が生じて、過大なスラスト力が作用するため、負荷能力が小さいガス軸受は、回転機械への適用が困難である。
【解決手段】主スラスト軸受とスラストカラー間に形成される空間と動翼入口近傍又はノズル上流の流路と導通する流路により、前記空間内の圧力が高まり、流体の圧力でスラスト負荷能力が増大するスラスト軸受構造。
【選択図】図１

Description

ターボ機械の回転軸を支持するガスや空気を使用した軸受に関する技術分野

近年、環境問題が重要視されるようになり、代替冷媒や自然冷媒が採用されるようになってきている。冷凍空調機等の冷媒による環境破壊が問題視されているが、軸受などを潤滑する潤滑油も後処理が困難であり、既に使用を禁止されている鉛や類似の添加剤が混入されており、潤滑油の使用は環境面から見ても好ましくない。また、冷媒と混在する潤滑油の処理は難しく、冷媒とともに廃棄されることが多く、環境汚染の原因となる。

作動流体に混じった潤滑油は、熱交換器などへ流入すると伝熱面に付着して伝熱特性を阻害することは周知のことであり、ヒートポンプなどの成績係数COPが低下し、システム全体の効率が大きく低下している。また、100℃以上で潤滑油を使用する場合、高温の壁面に付着或は炭化して固化、流体の流れを妨げることがある。

回転機械の回転軸を支える軸受は、一般的に油などの潤滑剤で潤滑、冷却されて回転しているが、潤滑剤の供給ポンプ、圧力調整器、冷却器などの付属設備が必要なためにシステムとして複雑で大きなものとなっている。このため、ターボ機械などのシステムに使われている流体を潤滑剤として使用する軸受が望まれ、ガスを潤滑剤として使用するガス軸受が開発、実用化されている。

動圧型ガス軸受は、長年研究開発が行われ、潤滑剤の供給なしで、且つ軸受部への流体の供給を行うことなしに作動するもので、宇宙用や航空機の空調システムの軸受に実用化されている。軸受には、回転軸の半径方向の変位を抑制するジャーナル軸受と、軸方向の変位を抑制するスラスト軸受がある。
ジャーナルガス軸受には、主に回転軸や軸受面に溝を設けたヘリングボーン型とフォイル型の軸受があり、高速回転機械にはフォイル型が使われている。フォイル型には、大きく分けてリーフフォイル型とバンプフォイル型がある。
スラストガス軸受には、へリングボーン型、テーパランド型、フォイル型等がある。

へリングボーン型とテーパランド型は、スラスト面が固定壁であり、軸方向の変位量が隙間量で設定されている。フォイル型は、フォイルが変形するために、隙間量と変形量で変位が規定されており、フォイル等の変形に伴い、スラスト力も変化するので、接触時の損傷が軽減される。

ガス軸受は、負荷能力が低いために、スラスト力軽減法が考案されている。岡本らの特開平7-259855では、スラスト軸受の内径側にスラストバランス室が設けられ、スラストバランス室内の圧力を制御することによりスラスト軸受に対するスラスト力が軽減されている。圧力制御が必要であり、制御アルゴリズムにない軸の挙動に対応できない、センサー設置スペースが必要、制御蔵置とセンサーの価格が高い等の欠点がある。

特開平8-296584、特開平10-318184では、バランスピストンの両面の圧力を調整することでスラスト力が所定の力以下に抑えられている。バランスピストンを設けるスペースが必要となり、回転軸の軸受間距離が長くなり、軸系の固有振動数が低下するため、高速での運転が困難になる。圧力制御が必要であり、制御アルゴリズム作成時に想定されなかった軸の挙動に対応できない、センサー設置スペースが必要、制御蔵置とセンサーの価格が高い等の欠点がある。

特開2001-227535は、薄板に凹凸が形成された複数の扇状曲板で形成されたフォイル型スラストガス軸受であり、接触時の損傷は軽減されるが、スラスト負荷能力は大きくならないので、大きなスラスト力には耐えることができない。

特開平7-259855 特開平8-296584 特開平10-318184 特開2001-227535

動圧型ガス軸受のスラスト負荷能力を増大するためには、スラスト軸受及びスラストカラーの外径を大きくする必要があり、風損が増大し、周辺の温度が上昇するために、冷却用のガスを挿入する必要がある。更に損失も増大する。また、スラストカラーの外径を大きくすると周速が大きくなり、スラストカラーに作用する遠心応力が大きくなるために信頼性の維持、コスト低減が困難となる。

スラスト軸受の負荷能力増大のために、バランスピストンが設けられているが、バランスピストンを設けると軸方向のスペースを増大する。このスペース増加に伴って回転軸の長さが長くなり、軸系の固有振動数が低下し、高回転での運転が困難になる。更に、バランスピストンの両面の圧力を調整する必要があり、高価な制御装置とセンサーが必要となるという欠点を有してる。

バランスピストンの圧力調整に必要なセンサーの取り付けには、所定のスペースとセンサーからの信号を取り出すための配線が必要であり、スペース即ちサイズと工数が増大し、コスト増加の要因となる。

スラストガス軸受は、スラスト負荷能力が小さいために、スラスト軸受のスラストカラーとは別に円盤状のバランスピストンを設けてスラストカラーの外径増大を抑制しているが、バランスピストンとスラストカラーはそれぞれ別の空間で回転するために、風損が増大、空間内の温度上昇が生じる。この温度上昇を抑制するために、冷却用のガスを両方に導入する必要がある。

主スラスト軸受、反スラスト軸受とその間に設けられたスペーサで構成されるスラスト軸受とその内部に設置されるスラストカラーにおいて、主スラスト軸受の内周土手部および外周土手部とスラストカラー間に形成される空間と系内の高圧部の流路を導通流路で導通し、スラストカラー外周部に形成される円周空洞と系内の低圧部とが導通流路で導通されることで、スラストカラーの両面に差圧が働き、スラスト軸受とバランスピストンの両方の役割が果たされる。

主スラスト軸受と反スラスト軸受は、内周土手部と外周土手部の内側に複数のスラスト軸受パターンとして形成され、1個のスラスト軸受パターンは半径方向に伸びた放射状深溝と放射状深溝の一方の周方向縁から周方向に伸びた複数段のランドで構成され、放射状深溝とスラスト軸受外周面又は側面が導通流路で導通され、回転によるスラスト力が生じて回転軸の動きが抑制される。

前記のスラスト軸受パターンが内周土手部と外周土手部間に複数個配置されることにより、周方向の圧力の変動が抑制される。

ケーシング900の中心部に設置される回転軸500の半径方向の動きは、ジャーナル軸受（図示無）で規制され、軸方向の動きは、回転軸500に固定されたスラストカラー400の動きを主スラスト軸受100と反スラスト軸受200で規制することで、規制されている。

以下では、スラストカラー400に働く力を、圧力差によって生じる差圧力と軸受の楔効果等で生じるスラスト力に分けて説明する。また、軸受以外から回転軸に働く力を軸方向力と称することとする。

挿入孔１３１、給気孔１３０を経て放射状深溝120から流入したガスは、深ランド115及び浅ランド110で回転によって昇圧され、スラストカラー400を押す働きをする。この押す力(スラスト力)は、回転数が上昇するに従って大きくなるが、高圧の流体中で作動する圧縮機やタービンの場合、圧縮機の羽根車やタービンの動翼に作用する軸方向力がスラスト軸受の負荷能力を上回ると、スラストカラー400と主スラスト軸受100の基面160が接触する。

回転軸500が主スラスト軸受100側に動く場合、主スラスト軸受100とスラストカラー400が近づき、隙間が狭くなる。隙間が狭くなると、主スラスト軸受100とスラストカラー400間に形成された空間からの流体の流出量は少なくなり、圧力が上昇する。圧力の上昇に伴って、スラストカラー400と主スラスト軸受100が遠ざかる方向に働く差圧力が大きくなり、主スラスト軸受100とスラストカラー400間の隙間は大きくなる。隙間が大きくなると流体の流出量が多くなり、圧力が低下、隙間が狭くなる。このように主スラスト軸受100とスラストカラー400間の隙間は自動的に調整される。

回転軸500が反スラスト軸受200側に動く場合、反スラスト軸受200とスラストカラー400が近づき、隙間が狭くなる。隙間が狭くなると、反スラスト軸受200とスラストカラー400間に形成された空間からの流体の流出量は少なくなり、圧力が上昇する。圧力の上昇に伴って、スラストカラー400と反スラスト軸受200が遠ざかる方向に働く差圧力が大きくなり、反スラスト軸受200とスラストカラー400間の隙間は大きくなる。隙間が大きくなると流体の流出量が多くなり、圧力が低下、隙間が狭くなる。このように反スラスト軸受200とスラストカラー400間の隙間は自動的に調整される。

回転軸500の動きに対する主スラスト軸受100とスラストカラー400、反スラスト軸受200と400の関係を個別に説明したが、主スラスト軸受100とスラストカラー400の隙間が狭くなると、反スラスト軸受200とスラストカラー400の隙間は広くなる幾何学的な関係にあり、先に述べた個別の関係は相互に矛盾しない関係である。

実施例1の場合、図1と図2に示すように主スラスト軸受100の挿入孔131には、ノズル630の下流の流体が流入するので、動翼背面部670とほぼ同じ圧力となり、スラストカラー400の面積に匹敵する動翼600の背面のスラスト力と相殺される。この時、反スラスト軸受200とスラストカラー400の隙間は広くなっており、反スラスト軸受200側のスラストカラー400に働く差圧力は小さい。スラストカラー400の外周より大きな動翼600の背面部分のスラスト力は、スラスト軸受100の軸受負荷能力で相殺されることとなる。

スラストカラー４００の外周と主スラスト軸受１００および反スラスト軸受２００の隙間から流出する流体は、円周空洞１７５に入り、通気孔２７１から系内の低圧部へと流出する。

実施例２は、主スラスト軸受１００にノズル６３０の上流の高圧ガスを挿入するもので、主スラスト軸受１００側の圧力が上昇し、スラスト負荷能力が増大する。

挿入孔131、挿入孔231へのガスの送入は、別途設けられた配管やパイプなどで送入することもできる。

スラスト軸受配置図 主スラスト軸受 スペーサ立体図 反スラスト軸受 スラスト軸受組立図 導通流路図

アンモニア、炭化水素系ガス、CO2、フロンなどの高圧のガスの圧縮又は膨張により、エネルギーの授受を行う圧縮機やタービンへの動圧型ガス軸受の適用が容易化される。

実施例1の構成を図1に示す。回転軸500と主スラスト軸受100、反スラスト軸受200は、軸受ケーシング950の中央部に収められている。反スラスト軸受200は、軸受ケーシング950に固定され、主スラスト軸受100は、スペーサ300を介して軸受ケーシング950に固定されている。軸受ケーシング950は、ケーシング900に固定されている。

主スラスト軸受100、スペーサ300、反スラスト軸受200の外周面と軸受ケーシング950間には、隙間が形成されている。

回転軸500には、スペース軸部510、取付ネジ部520が設けられ、スラストカラー400と動翼600がテンションボルト540と取付ネジ530で取り付けられている。

実施例1の主スラスト軸受100を図2に示す。実施例1の主スラスト軸受１００は、スラスト軸受パターンが周方向に6個展開されたものを例示したものである。主スラスト軸受100のスラスト軸受パターンは、浅ランド110と深ランド115、放射状深溝120、給気孔130、挿入孔131、基面160の一部を形成する外周土手部140と内周土手部150、円周溝170、中心孔180、接面190で構成されている。接面190上にはネジ孔191が設けられている。放射状深溝120の周方向縁122を開始線として扇状に深く掘り込まれた深ランド115、深ランド115を周方向に伸ばした形で浅く掘られた浅ランド110が設けられている。

実施例1のスペーサの立体図を図3に示す。スペーサ300によって主スラスト軸受１００と反スラスト軸受200間に配置されて、スラストカラー400と主スラスト軸受100及び反スラスト軸受200との間の隙間が規定される。スペーサ側面330と340は、主スラスト軸受100の接面190、反スラスト軸受200の接面290と密着、ネジ穴310は、ネジ孔191、291と一致するように組み立てられる。

実施例1の反スラスト軸受200を図4に示す。反スラスト軸受200の形状は、主スラスト軸受100の鏡像と同じで、主スラスト軸受100に比べて、外周土手部240の外径が小さく、円周溝270の内径が小さく、通気孔271が設けられている点である。反スラスト軸受200の外周土手部240の外径や円周溝270の内径は設計で設定されるものである。

実施例1のスラスト軸受組立図を図5に示す。主スラスト軸受100と反スラスト軸受200は、スペーサ300を介して組まれている。スペーサ300で形成された空間にスラストカラー400が収められている。反スラスト軸受200には、給気孔230、挿入孔231、通気孔271、ネジ孔291が設けられ、スペーサ300には、ネジ孔310が設けられている。円周空洞175は、スラストカラー400の外周面を内円筒面、主スラスト軸受100と反スラスト軸受200を側面、スペーサ300の内径面を外周円筒面とする空間である。通気孔271は、円周空洞175と導通している。

図6に実施例2の構成を示す。実施例2は、タービンの動翼600の外周に設けられたノズル630の外周を取り囲むスクロール、ノズル630と接して設けられたガスガイド620で構成されている。スクロール700に流入した流体は、ノズル630の外周部を周方向に流れ、ノズル630に流入、加速されて、動翼600へと流入して、動翼600を駆動、回転軸500が回転する。スクロール700内の高圧流体は、ガスガイド620に設けられたガイド流路620、ガイド円周流路622を通って、主スラスト100の外周部から内部に向かって穿孔された挿入孔131から給気孔130へ入る。

挿入孔131、231へのガスの送入は、別途設けられた配管やパイプなどで送入することもできる。

実施例では、ノズル翼付のノズルを図示しているが、ベーンレスノズルの場合も適用可能である。また、圧縮機やファンの場合は、ノズルをディフューザ、動翼を羽根車と読み替えることで同一構造で適用可能である。ポンプにおいても同様に同一構造にて適用可能である。

導通流路135は、ガイド流路621、ガイド円周路622、挿入孔131、給気孔130等のいくつかの流れに沿った一連の流路を表すものである。

従来の潤滑油を使った軸受もガス軸受も作動流体の圧力が高くなると、タービンの動翼や圧縮機の羽根車に作用するスラスト力が大きくなり、スラスト軸受の負荷能力を超えるために、バランスピストンが設けられていた。本考案のスラスト軸受を用いることで、バランスピストンをなくすことができ、構造が簡素化され、回転軸の長さが短くなり、固有振動数が高くなるために、多くの分野の高速回転のターボ機械に採用されるものと考えられる。
遠心圧縮機を使用した化学プロセスの圧縮機やラジアルタービンを採用した地熱や排熱を利用する発電タービン等には、高圧力のCO2、炭化水素系のガス、アンモニア、フロンガスなどが使用されており、スラスト力が大きいため、負荷能力が小さなガス軸受は、バランスピストンと併せて採用する以外に採用は困難な状況にある。本考案により、高圧ガスを使用する前記のターボ機械への動圧型ガス軸受単独での適用が可能となり、オイルフリーターボ機械が実現、潤滑油による熱交換効率の低下やオイル分離が不要、油の撹拌による損失の増大が抑えられるために、省エネルギー、省資源に大きく貢献する。

100 主スラスト軸受
110 浅ランド
112 周方向縁
115 深ランド
120 放射状深溝
130 給気孔
131 挿入孔
135 導通流路；ガイド流路、ガイド円周路、挿入孔、給気孔等のいくつかの流れに沿った一連の流路を意味する。
140 外周土手部
150 内周土手部
160 基面
170 円周溝
175 円周空洞
180 中心孔
190 接面
191 ネジ孔
200 反スラスト軸受
230 給気孔、又は外周面
231 挿入孔、
271 通気孔
291,3１０ ネジ孔
300 スペーサ
320 Oリング溝
330、340 スペーサ側面
400 スラストカラー
500 回転軸
510 スペース軸部
520 取付ネジ部
530 取付ネジ
540 テンションボルト
600 動翼
610 シュラウド
620 ガイド
621 ガイド流路
622 ガイド円周路
630 ノズル
670 動翼背面部
700 スクロール
710 スクロール本体
720 フランジ
730 出口管
900 ケーシング
950 軸受ケーシング

Claims (7)

1. 主スラスト軸受、反スラスト軸受、両者の間のスペースを保持するスペーサで構成されるスラスト軸受、主スラスト軸受と反スラスト軸受間に配置されて回転軸に固定されているスラストカラーにおいて、スラストカラーを回転軸方向に動かしたときに接触するスラストカラー外縁近傍に位置する主スラスト軸受の外周土手部と主スラスト軸受の内周付近の内周土手部を内外周とし、主スラスト軸受とスラストカラー間に形成される空間と主スラスト軸受の外周面又は側面と導通する導通流路が設けられていることを特徴とするスラスト軸受。
2. 請求項1において、反スラスト軸受とスラストカラー間に形成される空間と反スラスト軸受の外周面又は側面と導通する少なくとも1個の導通流路が設けられていることを特徴とするスラスト軸受。
3. 請求項1、請求項2において、スラストカラー外周部に形成される円周空洞部と通気孔で反スラスト軸受の外周面又は側面が導通され、導通流路と導通がないことを特徴とするスラスト軸受。
4. 請求項1、請求項2、請求項3において、主スラスト軸受100の挿入孔131がノズル630出口、動翼600入口、動翼背面部670のいずれかと導通していることを特徴とするスラスト軸受。
5. 請求項1、請求項2、請求項3において、主スラスト軸受100の挿入孔131がノズル630上流の流路と導通していることを特徴とするスラスト軸受。
6. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項4、請求項5において、スラストカラーと相対するスラスト軸受の面に、放射状に掘り込まれた深溝、深溝の一方の周方向縁から周方向に伸びた深ランド、これに続く浅ランドで構成される多段ランド型スラスト軸受の深溝に外周面又は側面と導通する導通流路が設けられていることを特徴とするスラスト軸受。
7. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項4、請求項5において、スラスト軸受のスラストカラーと相対する面に、放射状に掘り込まれた深溝、周方向縁から徐々に浅くなる放射状に掘り込まれたランドで構成されるテーパーランド型スラスト軸受の深溝に外周面又は側面と導通する導通流路が設けられていることを特徴とするスラスト軸受。

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