(57)【要約】  優れた軸受性能を発揮するとともに、耐食性にも優れ、軸受異常摩耗が防止可能で、水位低下の異常時にも対応可能な水潤滑軸受装置および該軸受装置を備えた水力機械を提供する。実施形態の軸受装置は立軸の回転軸を有する水力機械の軸受装置であり、潤滑水を貯留する水槽と、潤滑水中で回転軸に設けられたスカート部材をラジアル方向から支持する軸受パッドとを有する。実施形態の軸受装置は、潤滑水中で軸受パッドをラジアル方向から摺動可能に支持する第１の支持機構と、潤滑水中で軸受パッドを軸方向底部側から摺動可能に支持する第２の支持機構とを具備している。第１の支持機構において、軸受パッドを支持する支持面と軸受パッドにおいて支持面により支持される被支持面とのうちの一方が凸曲面形状に形成されている。第２の支持機構において、軸受パッドを支持する支持面と軸受パッドにおいて支持面により支持される被支持面とのうちの一方が凸曲面形状に形成されている。
2012137509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立軸の回転軸を有する水力機械の軸受装置であって、
潤滑水を貯留する水槽と、
前記潤滑水中で、前記回転軸に設けられたスカート部材をラジアル方向から支持する軸受パッドと、
前記潤滑水中で、前記軸受パッドを前記ラジアル方向から摺動可能に支持する第１の支持機構と、
前記潤滑水中で、前記軸受パッドを軸方向底部側から摺動可能に支持する第２の支持機構とを具備し、
前記第１の支持機構において前記軸受パッドを支持する支持面と前記軸受パッドにおいて前記支持面により支持される被支持面とのうちの一方が凸曲面形状に形成され、
前記第２の支持機構において前記軸受パッドを支持する支持面と前記軸受パッドにおいて前記支持面により支持される被支持面とのうちの一方が凸曲面形状に形成されたこと
を特徴とする軸受装置。
【請求項２】
前記第１の支持機構において前記軸受パッドを支持する支持面と前記軸受パッドにおいて前記支持面により支持される被支持面とのうちの他方が平面形状または凹曲面形状に形成され、
前記第２の支持機構において前記軸受パッドを支持する支持面と前記軸受パッドにおいて前記支持面により支持される被支持面とのうちの他方が平面形状または凹曲面形状に形成されたこと
を特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項３】
前記第１の支持機構は、先端が球面形状の調整ボルトを備え、
前記第２の支持機構は、ボール軸受を備えたこと
を特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項４】
前記第２の支持機構が配設されるとともに前記水槽内の潤滑水を上層部と下層部とに区分する支持台と、
前記支持台に配設され前記第１の支持機構を保持するとともに、前記水槽内を内槽と外槽とに区分する支持板と、をさらに備え、
前記支持台に、前記外槽における潤滑水の前記上層部と前記下層部とを連通する開口部が形成されたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項５】
前記第２の支持機構は、頂部までの高さを同一とした複数のボールを有するボール軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項６】
前記第２の支持機構は、頂部までの高さを同一とし直線上に配列した３つのボールを有するボール軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項７】
前記第２の支持機構は、頂部までの高さを同一とし直線上に配列した複数のボールを有するボール軸受を備え、前記軸受パッドの重心が前記複数のボールを配列した直線上よりも前記回転軸側に位置するよう配置されたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項８】
前記ボール軸受の複数のボールは、前記軸受パッドでの前記回転軸の周方向中心位置における前記回転軸接線方向と一致または前記回転軸が回転した際の前記軸受パッドの傾角分傾斜させた直線上に配置されたことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項９】
前記第２の支持機構は、先端が球面形状の位置決めピンを有する軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項１０】
前記平面形状または凹曲面形状に形成された面において、前記凸曲面形状に形成された面が当接する部分に、硬質材料からなる支持座、または表面を硬化処理した硬化部を配設したことを特徴とする請求項２記載の軸受装置。
【請求項１１】
前記第２の支持機構は、ローラーを有する軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項１２】
前記第１の支持機構は、前記軸受パッドを支持するボール軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項１３】
前記軸受パッドは、ラジアル方向の前記被支持面に位置決めピンまたはボール軸受を備え、
前記第１の支持機構は、前記支持面として平面形状または凹曲面形状を有すること
を特徴とする請求項１記載の軸受装置。
【請求項１４】
前記支持板の頂部の位置は、前記軸受パッドの上端の位置よりも高いことを特徴とする請求項４記載の軸受装置。
【請求項１５】
前記スカート部材は、前記軸受パッドの上端よりも高い位置に水切りリングを備えたことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項１６】
請求項４記載の軸受装置であって、
前記潤滑水が水道水であり、
前記第２の支持機構は、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記第１の支持機構は、表層を無電界めっきまたは黒色防錆薄膜処理法で表面処理したマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
前記軸受パッドは、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記スカート部材は、表層にＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系延性溶射材料をＨＶＯＦ溶射したマルテンサイト系ステンレス鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記支持板および前記支持台は、表層にエポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料を塗装したマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
前記回転軸は、前記水槽の対応部分の表層をエポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料で塗装した炭素鋼鍛鋼品からなること
を特徴とする軸受装置。
【請求項１７】
請求項４記載の軸受装置であって、
前記潤滑水がイオン交換水であり、
前記第１および第２の支持機構は、マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
前記軸受パッドは、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記スカート部材は、表層にＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系延性溶射材料をＨＶＯＦ溶射したマルテンサイト系ステンレス鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記支持板および前記支持台は、マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
前記回転軸は、前記水槽の対応部分の表層をエポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料を塗装した炭素鋼鍛鋼品からなること
を特徴とする軸受装置。
【請求項１８】
前記回転軸と前記スカート部材との接合部分に生じた隙間にエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂を充填したことを特徴とする請求項４記載の軸受装置。
【請求項１９】
前記水槽内の前記潤滑水を攪拌する攪拌機をさらに備え、
前記攪拌機は、前記回転軸停止時に稼動して前記潤滑水を前記水槽内で流動させることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項２０】
前記水槽内の前記潤滑水を加温するヒータ装置をさらに備え、
前記ヒータ装置は、前記回転軸停止時かつ前記潤滑水の水温が４℃以下となった時に前記潤滑水を加温すること
を特徴とする請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項２１】
前記水槽内の前記潤滑水を攪拌する攪拌機と、
前記水槽内の前記潤滑水を加温するヒータ装置とをさらに備え、
前記回転軸停止時の前記潤滑水の水温が１０℃以上の場合、前記攪拌機が前記潤滑水を攪拌し、前記潤滑水の水温が４℃から１０℃の間の場合、前記ヒータ装置が前記潤滑水を加温し、前記潤滑水の水温が４℃以下の場合、前記ヒータ装置が前記潤滑水を加温するとともに前記攪拌機が前記潤滑水を攪拌すること
を特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項２２】
前記水槽の配置位置よりも高い位置に配設され前記潤滑水を貯留する補給水槽と、
前記水槽と前記補給水槽とを接続する揚水管と、
前記揚水管に配設され前記水槽内の前記潤滑水を前記補給水槽へ汲み上げるポンプと、
前記補給水槽内の前記潤滑水を前記水槽に供給する給水管と、
前記給水管に配設され前記水槽への前記潤滑水の供給を制御する弁と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項２３】
前記回転軸のラジアル荷重を支持する請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の軸受装置を備えた水力機械。
【請求項２４】
１ジェット運転を行うペルトン水車と、
前記ペルトン水車の回転軸のラジアル荷重を支持する請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の第１の軸受装置と、
前記回転軸を挟んで前記第１の軸受装置と対向配置され、前記回転軸の反ラジアル荷重を支持する請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の第２の軸受装置と、を備え、
前記第１の軸受装置は、前記ラジアル荷重を支持する軸受パッドの軸受隙間を所定の値に設定し、
前記第２の軸受装置は、前記反ラジアル荷重を支持する軸受パッドの軸受隙間を前記所定の値よりも広く設定したこと
を特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、軸受装置、水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カプラン水車などの水力機械では、水潤滑の樹脂軸受が使用されてきた。この樹脂としては、熱硬化性樹脂のフェノール樹脂が使われることが一般的であるが、水中の土砂等硬い異物に対する対摩耗性が高くないことから、ストレーナを介して異物除去後の清浄な水を、潤滑剤として軸受摺動面に供給することが行われる。また、フェノール樹脂は吸水率が高いため、軸受内径を機械加工する場合は、事前に水に漬けた状態で保持し、フェノール樹脂が十分に膨潤してから実施するようにしている。運転中に膨潤して軸受ギャップが小さくなり、軸受性能が損なわれるからである。また、台金と軸受材との接合に接着剤を使用し、局部的な面圧上昇を抑えて軸受荷重を台金全体に伝えるため円筒軸受とし、かつ、軸受負荷容量そのものを大きくするため軸受長さを長めとしている。この場合、軸振動が大きいと、軸と軸受端部とが片当たりを起こして、破損や異常摩耗などを起こすことがあった。【０００３】
一方で、軸受材質をセラミックとし、軸受構造をパッド型とする技術が知られている。このパッド型セラミック軸受装置は、回転軸の周囲に配置され、かつ摺接面にセラミック層を有するパッド型軸受と、このパッド型軸受を支持する荷重支持部材とを備えており、軸受の潤滑剤として河川水を用い、前記パッド型軸受若しくはその周囲に、パッド型軸受と、軸受荷重支持部材間への異物侵入を防止する異物進入防止手段とを設けたことを特徴としている。異物進入防止手段としては、板ばね、コイルばね、先端形状が球面の調整体を介してパッド型軸受の接触圧力を調整する圧力調整機構と、２本以上のコイルばねでパッド軸受を下方から弾性支持する弾性支持機構とからなり、これらの機構の作用によりパッド軸受は相手回転軸との間に水膜を介して摺接している。【０００４】
さらに、軸受摺接面材料を樹脂とし、この樹脂にポリフェニレンサルファイド系またはフッ素系を用いたパッド型軸受が知られている。セラミックス材料に比べれば耐摩耗性で劣るものの、耐衝撃性では優れていることから、軸受摺接面を相手軸スリーブに弾性的に押接させる弾性的押接機構をより有効活用することができる。この結果、停止時に軸と軸受が押接することで異物進入防止が図られるとともに、樹脂が摩耗した時も軸受ギャップの拡大を防止することができ、適正な水膜の形成が可能となる。【０００５】
また、軸受摺接面材料をポリエーテルエーテルケトン樹脂とし、ガイドセクタをバネで押接するかバネとダンパで押接するガイド軸受装置が知られている。軸振動に伴う軸変位をバネで吸収したり減衰したりすることで、ガイド軸受の信頼性を向上させることができる。潤滑剤として水を使った場合、タービン油を使った場合に比べて、くさび膜の剛性および減衰定数が１／数十程度に低下するが、ガイドセクタがその背面に設けられた調整ボルト（あるいはバネ、あるいはバネとダンパ）により回転軸に向かって押し付けられるとともに、回転軸とガイドセクタ間のすき間が微小であるから、回転体は、過大な振動が発生することなく、回転電機を正常に運転することができる。【０００６】
また、回転電機の案内軸受装置において、ピボットが案内軸受を半径方向外側から支承し、支持板で案内軸受を垂直方向で支持し、ピボットの伸縮をピボットと連接したアクチュエータで行うことで軸受ギャップを調整できる回転電機の案内軸受装置が知られている。この技術は、案内軸受の背面をピボットで支持し、案内軸受の垂直方向を平面で面支持した案内軸受装置において、技能を有する軸受ギャップの調整を合理化したものである。この軸受ギャップのバラツキが各案内軸受間で大きいと、軸受負荷容量、軸受温度などの軸受性能に悪影響をあたえる。【０００７】
さらに、調整ボルトのようなパッド支持部品をピボットとはせずに、パッド凹部に嵌めあわされた球面ピボットを設けて軸受ギャップの調整を行うようにしている立軸回転電機の案内軸受装置の軸受ギャップ調整装置が知られている。【０００８】
また、スラスト軸受の位置決めについて、パッド下側部に球面軸受である玉軸受外輪を固定または密接し、この玉軸受内輪をパッド押さえに装着することで、ピボットを基準に半径方向の傾きおよび周方向の傾きを調節可能としたスラスト軸受が知られている。このような構成の場合、ピボットを中心にスラスト軸受は所要の傾きを取ることができるため、常に、スラスト荷重に対する油膜圧力をパッドとスラストカラーとの間に生じさせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−８１０３４号公報
【特許文献２】特許第４５２７１８３号明細書
【特許文献３】特開２００３−２８１４６号公報
【特許文献４】特開２００１−３２３９２７号公報
【特許文献５】特開平６−２１７４８６号公報
【特許文献６】実開平１−６５４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
水車などの水力機械のガイド軸受には従来から油潤滑が使用されてきたが、漏油による河川汚染を避ける観点から、油潤滑に代わる水潤滑軸受の使用を、より使用条件の厳しいペルトン水車にまで拡大しようとする機運が高まっている。ペルトン水車の高効率運転の一形態である、流量が少ない時の１射運転では、水車軸受の面圧が高くなるため、高面圧でも信頼性の高い水潤滑軸受が不可欠である。１射運転では、大きなラジアル荷重がバケットに作用するため、軸受面圧の上昇のみならず軸倒れも大きくなるので、片当たりによる軸受パッドの異常摩耗や破損などを起こさない軸受が必要になる。【００１１】
パッド型軸受を半径方向と垂直方向からコイルばねで支持する技術においては、水車停止時には、パッド型軸受が軸に水膜を介さずに押接されている。軸の回転とともに動圧（水膜圧力）が発生すると、この水膜圧力に応じた軸受反力とばね力がバランスした状態で軸受ギャップを保持しながら運転が継続される。また軸が傾いた場合、パッド型軸受の自重を支えるコイルばねが弾性変形することで、軸の傾きに応じてパッド型軸受を傾斜支持する。【００１２】
流体潤滑状態であれば、軸受に作用するラジアル荷重は水膜圧力に応じた軸受反力とバランスするが、この水膜圧力は、軸受周方向のくさびの形成しやすさとその形状（くさび角度）の影響を受ける。くさびの形成が不十分であれば、水膜圧力も低くなり、すなわち水膜厚さが薄くなり、軸と軸受の固体接触する範囲が増えて流体潤滑状態を維持できない可能性がある。コイルばね支持の場合、くさび形成時に垂直方向ばね上をパッド型軸受が滑るか、垂直方向ばねのねじり弾性変形が必要であるため、瞬時のくさび形成や大きなくさび角度の創生が難しい。同様に、水膜圧力に応じて軸受反力を減じる方向に半径方向コイルばねの押接力が作用するため、コイルばねが無い条件と比べると水膜が薄い状態で力のバランスが生じることになる。この状態で軸振動などの外乱が作用すると、当該バランスが崩れて水膜切れが生じ、軸と軸受が固体接触して軸受を損傷する可能性がある。また、垂直方向ばねはパッド型軸受を常に垂直にしようする力を発生するため、ランナに作用するラジアル荷重で軸が傾いた場合、反荷重側パッド型軸受の上端および荷重側パッド型軸受の下端において軸と固体接触する可能性が高くなる可能性もある。【００１３】
また、水車運転中のパッド型軸受のくさび形成を支援するため、パッド型軸受の径寸法が軸の径寸法より大きくなっているのが通常であるから、たとえ停止時にパッド型軸受を軸に押接しても、部分的に微小隙間が軸とパッド型軸受の間に生じていることになる。停止時には潤滑水も静止しているため、この隙間においては水の交換が行われず、酸素不足で軸の不働態皮膜が維持できなくなると、隙間腐食や孔食の発生も懸念される。【００１４】
軸振動をバネやダンパで減衰し、調整ボルトを保持している槽に伝わる振動エネルギーを低減して信頼性を向上させる技術においては、実現性が不確実であり、ダンパとバネの配置やその吸収エネルギーの大小関係やガイドセクタの保持方法などの基本的な技術が必要である。またメタノールなどのアルコールは揮発性が高いため、軸受性能の維持確保には液位確保手段が必要になるし、結露水などと混ざると発熱し粘度低下で水膜確保が困難となる課題もある。更に軸受隙間は微小であるため過大な振動はないとされるが、ガイドセクタ自重の支持方法や軸倒れに対する追従性が不明確であり、軸倒れに伴う軸受の局所高面圧状態で摩耗が進展すれば、結果として大きな振動が誘起される懸念もある。【００１５】
軸受隙間初期値と運転中の現在値の偏差に応じてアクチュエータを動作して軸受ギャップを一定に保つ技術では、現在値を測定するセンサ位置と軸受位置に高低差があるため、軸が傾いている場合は計算誤差が生じて正しい軸受隙間を確保できない可能性がある。また、軸振動振幅が大きい場合、振動周期に応じて軸受隙間の調整が行われることになる。例えば振動周期が回転数同期であれば、６００ｍｉｎ−１の水車発電機の場合の振動数は１０であるが、このように頻繁に軸受隙間の調整が行われると、調整の都度最適なくさびが形成されているとは言い難い。すなわち、測定とアクチュエータ動作との間に時間遅れがあるために最適な軸受隙間が確保されず、軸受負荷容量の低下や軸振動増大を誘起する可能性も考えられる。【００１６】
パッドに取り付けられた球面ピボットによるくさび形成技術においては、くさび形成時の抗力や軸倒れに対する追従性に限界がある。軸受荷重が大きくなってくると、軸受性能の維持には、くさび膜の形成しやすさと軸倒れに対する追従性のよさが必要になる。【００１７】
パッドがピボットを中心に動作し、玉軸受がパッド押さえを中心に動作する技術においては、玉軸受の外輪とパッド下部を固定または密接した場合にこの両者の動きを連動させるのは、中心点が異なるため困難である。実用化に際してはアイデアを実現するための構造の決定が課題である。【００１８】
このように、従来の技術では、高荷重のラジアル荷重が作用する場合の軸受パッドの軸倒れに対する追従性や、くさび膜の形成のしやすさについて配慮がなされていないか、あるいは不十分である。また、水潤滑軸受を組み込んだガイド軸受の構成に対する配慮も不十分である。【００１９】
本発明の実施形態は、軸受部周速が低速から高速に亘り、かつ軸受平均面圧が低圧から高圧に亘る実際の水車運転条件において優れた軸受性能を発揮するとともに、耐食性に優れ、軸受異常摩耗が防止可能で、水位低下の異常時にも対応可能な水潤滑軸受（軸受装置）および該軸受装置を備えた水力機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
実施形態の軸受装置は、立軸の回転軸を有する水力機械の軸受装置である。実施形態の軸受装置は、潤滑水を貯留する水槽と、前記潤滑水中で、前記回転軸に設けられたスカート部材をラジアル方向から支持する軸受パッドとを有している。そして、実施形態の軸受装置は、前記潤滑水中で、前記軸受パッドを前記ラジアル方向から摺動可能に支持する第１の支持機構と、前記潤滑水中で、前記軸受パッドを軸方向底部側から摺動可能に支持する第２の支持機構とを具備している。前記第１の支持機構において前記軸受パッドを支持する支持面と前記軸受パッドにおいて前記支持面により支持される被支持面とのうちの一方が、凸曲面形状に形成されている。また、前記第２の支持機構において前記軸受パッドを支持する支持面と前記軸受パッドにおいて前記支持面により支持される被支持面とのうちの一方が、凸曲面形状に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】第１の実施形態のガイド軸受の構成を示す縦断面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッド周辺の構成を示す平面図である。
【図２Ａ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの変形例の構成を示す断面図である。
【図２Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの変形例の構成を示す断面図である。
【図２Ｃ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの変形例の構成を示す断面図である。
【図３Ａ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例の構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例の構成を示す平面図である。
【図３Ｃ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の正面の様子を示す正面図である。
【図４Ａ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの配置について説明する縦断面図である。
【図４Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの配置について説明する平面図である。
【図４Ｃ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの配置について説明する縦断面図である。
【図４Ｄ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッドの配置について説明する平面図である。
【図５Ａ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の配置について説明する平面図である。
【図５Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の配置について説明する平面図である。
【図５Ｃ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の配置について説明する平面図である。
【図５Ｄ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の配置について説明する平面図である。
【図６Ａ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例を示す図である。
【図６Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例を示す図である。
【図７Ａ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッド変形例を示す図である。
【図７Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受における軸受パッド変形例を示す図である。
【図８Ａ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例を説明する縦断面図である。
【図８Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例を説明する平面図である。
【図８Ｃ】第１の実施形態のガイド軸受におけるボール軸受の変形例を説明する平面図である。
【図９Ａ】第１の実施形態のガイド軸受における調整ボルトの変形例を示す縦断面図である。
【図９Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受における調整ボルトの変形例を示す平面図である。
【図１０】第１の実施形態のガイド軸受において、回転軸の半径方向の軸受荷重をかけずに回転させた時に生じる動圧の発生状況を示す図である。
【図１１】第１の実施形態のガイド軸受において、回転軸の半径方向の軸受荷重をかけずに回転させた時の回転数と軸受パッドのくさび角度の関係を示す図である。
【図１２】第１の実施形態のガイド軸受において、回転軸を停止状態として軸に荷重をかけて押し付けた時の荷重と軸および軸受パッド移動量の関係を示す図である。
【図１３Ａ】軸受特性数を横軸、動摩擦係数を縦軸にとった時の軸受の潤滑状態を表すストライベック曲線を示す図である。
【図１３Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受におけるストライベック曲線を示す図である。
【図１４Ａ】第１の実施形態のガイド軸受において、同一回転数で軸受平均面圧を変更した場合の水膜圧力の変化を示す図である。
【図１４Ｂ】第１の実施形態のガイド軸受において、同一回転数で軸受平均面圧を変更した場合の水膜圧力の変化を示す図である。
【図１５Ａ】図１４Ａにおいて、軸受パッドに作用している半径方向の荷重を示す図である。
【図１５Ｂ】図１４Ｂにおいて、軸受パッドに作用している半径方向の荷重を示す図である。
【図１６】第１の実施形態のガイド軸受において、同一回転数で軸受平均面圧を変更したときの軸受高さ方向中央および上半分高さの２／３ほど上部の水膜圧力を示す図である。
【図１７】第２の実施形態のガイド軸受の構成を示す縦断面図である。
【図１８】第２の実施形態のガイド軸受における軸受パッドについて説明する縦断面図である。
【図１９Ａ】第２の実施形態のガイド軸受における軸スカートの変形例を示す縦断面図である。
【図１９Ｂ】第２の実施形態のガイド軸受における軸受支持台の変形例を示す縦断面図である。
【図２０】第２の実施形態のガイド軸受を１射運転のペルトン水車に適用した場合における、軸受パッドの軸受隙間について説明する平面図である。
【図２１】第２の実施形態のガイド軸受における軸受の自己ポンプ作用について説明する図である。
【図２２】第３の実施形態のガイド軸受の表面処理について説明する断面図である。
【図２３Ａ】第３の実施形態のガイド軸受における軸と軸スカートの嵌接隙間のシール方法について説明する断面図である。
【図２３Ｂ】第３の実施形態のガイド軸受における軸と軸スカートの嵌接隙間を拡大して説明する断面図である。
【図２４】ステンレス鋼の隙間腐食の発生について説明する模式図である。
【図２５】ステンレス鋼の孔食の発生について説明する模式図である。
【図２６】第４の実施形態のガイド軸受における潤滑水の攪拌について説明する縦断面図である。
【図２７】第４の実施形態のガイド軸受における潤滑水の温調について説明する縦断面図である。
【図２８】第４の実施形態のガイド軸受の変形例を示す縦断面図である。
【図２９】第４の実施形態のガイド軸受の変形例を示す縦断面図である。
【図３０Ａ】従来構造のガイド軸受の縦断面図である。
【図３０Ｂ】実施形態のガイド軸受の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して実施の形態について詳細に説明する。図１Ａは、第１の実施形態のガイド軸受の構成を示す縦断面図、図１Ｂは、同じくガイド軸受における軸受パッド周辺の構成を示す平面図である。図２Ａ，２Ｂおよび２Ｃは、図１Ａに示すガイド軸受の変形例を示す図である。
【００２３】
図１Ａに示すように、実施形態のガイド軸受１は、例えば水車などが連接された立軸の回転軸１０の周面に沿って複数個配設される。ガイド軸受１は、回転軸１０の周縁部に該周縁面と同軸の壁面をもつ軸受台８０と、軸受台８０の当該壁面から回転軸１０方向へ延設された軸受支持台５０とにより支持されている。ガイド軸受１の下方には水筒６０が配設され、ガイド軸受１は、水筒６０および軸受台８０からなる水槽６５に収容されている。水槽６５は、回転軸１０の周面に沿って形成され、ガイド軸受１を収容するとともに潤滑剤たる水７０を貯留する。また、水槽６５は、軸受カバー９０により上面が覆われている。
【００２４】
回転軸１０には、その周面からラジアル方向（径方向）に伸びるとともに下方（スラスト方向）に屈曲した軸スカート１２が配設されており、水槽６５は、回転軸１０の周面と軸スカート１２の内周面とが水槽６５（水筒６０）の内周側壁面を挟み込むように配設されている。
【００２５】
水槽６５の内周側壁面から水槽６５内に導かれた軸スカート１２は、水槽６５の内周側壁面と軸受パッド２０とに挟まれている。軸受パッド２０は、軸受支持台５０により保持され、回転軸１０の軸スカート１２の外周面と水７０を介して摺接する。軸受支持台５０は、回転軸１０と同軸状に形成され軸受パッド２０を下方（スラスト方向）から支えるドーナツ状の円板５２と、円板５２上に回転軸１０と同軸状に形成され軸受パッド２０をラジアル方向（外周方向）から支えるリング板５４とを備えている。円板５２におけるリング板５４の外周側には、孔５６が形成されている。水槽６５は、円板５２を挟んで上層と下層とに分離され、水槽６５の上層は、リング板５４を挟んで内層と外層とに分離されている。円板５２に形成された孔５６は、水槽６５の上層と下層とを連通している。
【００２６】
円板５２の内周側縁部には、ボール軸受部４０が配設されている。ボール軸受部４０は、基部となるベース４２と、ベース４２に形成された凹部に配設されたボール４４とからなり、ボール４４の上端に軸受パッド２０が当接することで軸受パッド２０を下方から支持する。リング板５４には、ラジアル方向（回転軸１０の半径方向）に孔が形成されており、調整ボルト３０が螺合されている。調整ボルト３０は、直接ねじ螺合されるか図示しないブッシュを介してリング板５４に固定される。調整ボルト３０の先端部は球面形状を有しており、軸受パッド２０の外周側と当接することで当該軸受パッド２０を外周側（ラジアル方向）から支持する。すなわち、軸受パッド２０は、ボール４４の端部と調整ボルト３０の端部とにより回動自在かつ摺動可能に支持されている。軸受支持台５０は、軸受台８０に図示しないボルトなどにより固定されている。水槽６５をなす軸受台８０および水筒６０と軸受カバー９０とは、図示しないボルトなどにより固定される。
【００２７】
軸スカート１２は、所定の隙間（軸受隙間）を介して水筒６０（水槽６５）の内周側壁面と軸受パッド２０とに挟まれている。軸受隙間は、回転軸１０のラジアル方向の調整ボルト３０の出入り量を調整することで行うことができ、軸受隙間の調整後に調整ナット３２を締め付けることにより、調整ボルト３０をリング板５４に固定することができる。なお、軸受支持台５０の円板５２（ドーナツ板）は、回転軸１０を中心に内外で二分割に構成し、ボール軸受部４０を当該内側の円板５２に固定してもよい。この場合、内外の円板５２それぞれは、相互にねじ螺合により固定される。
【００２８】
図１Ｂに示すように、軸受パッド２０は、一カ所のガイド軸受１について２つのボール軸受部４０（ボール４４ａおよび４４ｂ）により下方から支持されている。また、図１Ｂに示すように、ボール軸受部４０のボール４４ａおよび４４ｂは、軸受パッド２０が水平に配置されるよう、各々の頂部の高さが同一となるように調整される。ボール４４ａおよび４４ｂの頂部の高さに差異が生じると、回転軸１０と軸受パッド２０の軸中心線に相対倒れが生じるため、高い軸受性能が得られなくなるからである。この場合、片当りが生じて軸受パッド２０の異常摩耗が生じる可能性や、軸受パッド２０の振動が発生する恐れも生じる。ボール４４ａ〜４４ｂの頂部の高さの同一化は、かかる問題を解決することができる。
【００２９】
なお、図１Ａに示すガイド軸受１では、調整ボルト３０の先端を球面形状（凸曲面形状）として、軸受パッド２０の外周側平面（あるいは凹曲面形状としてもよい）をラジアル方向から支持し、また軸受支持台５０の円板５２に先端が凸曲面形状のボール軸受部４０を設けて、軸受パッド２０の底部側平面（あるいは凹曲面形状としてもよい）を軸方向底部側から支持しているが、これには限定されない。図２Ａおよび２Ｂに示すように、凸曲面形状の支持座３８あるいはベース３９ａおよびボール３９ｂからなるボール軸受部を軸受パッド２０の外周側に設けて、端面が平面形状（あるいは凹曲面形状）の調整ボルト３０ａにより軸受パッド２０をラジアル方向から支持してもよい。さらに、図２Ｃに示すように、軸受パッド２０の底部にベース２５およびボール２６からなるボール軸受部を設けて、平面形状（あるいは凹曲面形状）の円板５２が当該ボール２６を介して軸受パッド２０を軸方向底部側から支持してもよい。
【００３０】
調整ボルト３０の先端を球面形状とし、軸受パッド２０の外周側を凹曲面形状として支持した場合、球面の半径をＲｏ、凹曲面の半径をＲｂとしたとき、その関係は、
Ｒｂ≧１．４Ｒｏ
とすることが好ましい。この理由は、Ｒｏ／Ｒｂ＝０．６〜０．７の場合に、軸受負荷容量が最大となることがわかっており、このとき、
Ｒｂ＝（１．４〜１．７）Ｒｏ≒１．５Ｒｏ
の関係にあるからである。また、Ｒｂを１．４Ｒｏよりも小さくすると、回転軸１０の軸倒れに対し、軸受パッド２０の追従性が悪くなるからである。
【００３１】
この関係は、軸受パッド２０の外周面あるいは底面を凹曲面形状に形成する場合、あるいは調整ボルト３０ａの端面あるいは円板５２を凹曲面形状に形成する場合、いずれの関係でも成り立つ。
【００３２】
なお、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、ボール軸受部４０に配設されるボールの数を、一カ所のガイド軸受１について３個としてもよい。この場合、ボール軸受部４０のベース４２ａ〜４２ｃに配設されたボール４４ａ〜４４ｃを一直線上に配置するとともに、ボール４４ａ〜４４ｃ各々の頂部の高さを同一とする。これは、軸受パッド２０の大きさが大きくボール軸受部４０に作用する荷重が大きくなったような場合に、個々のボールに作用する荷重の適正化を図るとともに軸倒れに対する追従性も阻害されないようにするためである。ボール４４ａ〜４４ｃの配置が一直線上から外れた場合、軸受パッド２０を面で支持する場合と同等となり、回転軸１０の軸倒れに対する追従性が著しく損なわれて軸受負荷容量などの性能も損なわれることになる。そのため、ボール軸受部４０の３個のボール４４ａ〜４４ｃの頂部をシム（図示せず）などで同一高さとなるように調整する。
【００３３】
（軸受パッドの配置位置）
続いて、実施形態のガイド軸受における軸受パッドの配置について説明する。図４Ａ〜図４Ｄは、実施形態のガイド軸受における軸受パッドの重心について説明する図である。
【００３４】
図４Ａ〜図４Ｂに示すように、軸受パッド２０は、その重心Ｇがボール軸受部４０のボール（ボールがなす直線上）に作用するように配置される。軸受パッド２０が安定するからである。ただし、図４Ｃ〜図４Ｄに示すように、軸受パッド２０を、その重心Ｇがボール軸受部４０のボールが結ぶ直線よりも内周側に作用するように配置してもよい。
【００３５】
軸受パッド２０とボール軸受部４０の相対的位置関係は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、軸受パッド２０の重心がボール軸受部４０のボールがなす直線上にくるのが望ましい。ただし、停止時における回転軸１０と軸受パッド２０の相対的位置関係のバラツキなどを考慮し、軸受パッド２０の重心がボール軸受部４０のボールの頂部を結ぶ直線よりも内周側に来るようにボール軸受部４０（およびそのボール）の位置を決定してもよい。回転軸１０の回転に伴い軸受パッド２０の軸受隙間へ潤滑水が流入する際、厳密には回転軸１０の周方向では回転方向の上流から水が流入し、鉛直方向では下方から水が流入する。
【００３６】
例えば、図４Ｃおよび図４Ｄに示すように、回転軸１０の停止時において軸受パッド２０が回転軸１０側へ向けて傾斜している場合、軸受パッド２０の軸受隙間に対する鉛直方向のくさび（下方が開口したくさび）が形成されるため、回転軸１０の回転初期において軸受パッド２０の下方から軸受隙間への潤滑水の流入を支援することができる。すなわち、軸受パッド２０の軸受隙間における早期の水膜形成へ寄与することが可能となる。
【００３７】
なお、回転軸１０が回転するに伴い動圧が生じることにより、軸受パッド２０は、当該動圧によって傾斜位置から垂直に起こされ、軸スカート１２と平行の状態となる。従って、図４Ａおよび図４Ｂに示す軸受パッド２０の配置と同等の軸倒れ追従性を発揮することができる。
【００３８】
図１６は、軸受パッド２０の高さを２Ｌとした場合に、軸受パッド２０の高さ方向中心から２／３Ｌ上方の点（図中「上部」）および高さ方向中心の点（同「中央」）の水膜圧力を示している。図１６に示すように、軸受パッド２０の高さ方向の中心点では水膜圧力が２．３５ＭＰａ程度であるのに対して、軸受パッド２０の高さ方向の中心から２／３Ｌ上方の点では水膜圧力が１．６３ＭＰａ程度となっている。すなわち、軸受パッド２０の高さ方向の中心点と比べて上方の点での水膜圧力の落ち込みは３割程度であり、高い水膜圧力が得られていることがわかる。この水膜圧力により、軸受パッド２０は傾斜方向から垂直方向に引き起こされ、対向する軸スカート１２と平行の状態になる。
【００３９】
（ボール軸受部の配置位置）
続いて、実施形態のガイド軸受におけるボール軸受部の配置について説明する。図５Ａ〜図５Ｄは、同じくボール軸受部の配置について説明する図である。
【００４０】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、実施形態のボール軸受部４０のボール４４ａ〜４４ｂは、回転軸１０の周方向における軸受パッド２０の中心点に対応する位置での接線方向（調整ボルト３０の延長線と回転軸１０の周面との交点における回転軸１０の周面の接線方向）と一致する直線上に配置される。あるいは、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、軸受パッド２０の潤滑水出口が所定の軸受隙間となるよう軸受パッド２０が傾いた状態で、軸受パッド２０の潤滑水入口と同出口とを結んだ傾線方向と一致する直線上にボール軸受部４０のボール４４ａ〜４４ｂを配置してもよい。
【００４１】
回転軸１０が回転して軸スカート１２と軸受パッド２０との間に相対速度差が生じると動圧が発生する。すなわち、平面的には軸受パッド２０の上流（潤滑水入口）が広く下流（同出口）が狭いくさび空間が形成され、軸受パッド２０の軸受隙間内の水膜に圧力を付勢して水膜圧力が発生する。回転軸１０に作用するラジアル荷重が大きくなり軸倒れが大きくなると、軸受パッド２０も水膜圧力が作用して潤滑水入口側が広がるように傾くことになる。この場合、軸受隙間にくさび空間が形成された状態（軸受中心線と回転軸との交点上での接線に対して傾いた状態）で軸受パッド２０が傾くことになる。これらを考慮し、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、当該接線とボール軸受部４０のボール４４ａ〜４４ｂの頂部を結ぶ線とを平行としてもよいし、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、当該頂部を結ぶ線をくさび空間がなす角度に相当する角度と同等の角度が当該接線に対して生じるようボール軸受部４０のボール４４ａ〜４４ｂの配置に傾角をつけてもよい。傾角を設けた場合、軸受パッド２０がより円滑に軸倒れに追従することができる。なお、この傾角は、図１１に示す例では０．０６度〜０．１６度と比較的小さい値となる。
【００４２】
（ボール軸受部の変形例）
図１Ａおよび１Ｂに示すガイド軸受では、ボール４４ａ〜４４ｂ（またはボール４４ａ〜４４ｃ）を備えたボール軸受部４０を備えて軸受パッド２０を支持しているが、これには限定されない。ボール軸受部４０に代えて、図６Ａに示すように、固定用ねじ１４６を有し頂部１４４を球面形状に形成したピン軸受部１４０を備えてもよいし、図６Ｂに示すように、固定用ねじ１４６を有さず頂部２４４を球面形状に形成したピン軸受部２４０を備えてもよい。すなわち、軸受パッド２０を支持する端部が十分なすべり特性をもつ球面形状に形成されていれば構わない。なお、ピン軸受部１４０および２４０は、図２Ａ〜２Ｃにおいて示される支持座３８、ベース３９ａおよびボール３９ｂからなるボール軸受部、ベース２５およびボール２６からなるボール軸受部としても用いることができる。
【００４３】
図１０〜図１２に、ピン軸受部１４０，２４０を用いて軸受パッド２０を支持した場合の軸倒れ追従性を確認した試験結果を示す。図１０〜図１２に示すように、ピン軸受部１４０，２４０を用いた場合でも、ボール軸受部４０を用いて軸受パッド２０を支持した場合と同等の結果が得られている。
【００４４】
図１０は、８個の軸受パッドＰ１〜Ｐ８に生じる水膜圧力を示している（図中、個々の山の谷から谷が個々の軸受パッド２０の幅と対応する）。この試験では、軸受パッドＰ１〜Ｐ８について、ボール軸受部４０による支持とピン軸受部１４０，２４０による支持とを混在させている。図１０に示すように、全ての軸受パッドに同等の水膜圧力が生じていることがわかる。
【００４５】
図１１は、ピン軸受部１４０，２４０により支持した軸受パッド２０の回転数とくさび角度の関係を示している。図１１に示すように、回転上昇に伴い動圧が上昇すると、これに合わせてくさび角度が大きくなって構造的な限界に達するまで増加し、その後はその角度が維持されていることがわかる。
【００４６】
図１２は、ピン軸受部１４０，２４０により支持した軸受パッド２０および回転軸１０の移動量を、回転軸１０の押し付け荷重との関係で示したものである。図１２に示すように、回転軸１０（図中実線）および軸受パッド２０（同点線・破線・一点鎖線・二点鎖線）の双方について、荷重の増大に伴って移動量が大きくなっていることがわかる。回転軸１０の移動量が大きいのは、回転軸１０が軸受隙間分移動してから軸受パッド２０が回転軸１０に押されて移動するためである。
【００４７】
（軸受パッド２０の補強）
また、図１Ａおよび１Ｂに示すガイド軸受では、ボール軸受部４０のボールを直接軸受パッド２０に当接させて当該軸受パッド２０を支持しているが、これにも限定されない。図７Ａに示すように、軸受パッド２０におけるボール軸受部４０のボール４４に対向する部分に硬質材料からなる支持座２２を配設し、ボール軸受部４０のボールと当該支持座２２とを当接させてもよい。また、支持座２２に代えて、軸受パッド２０の底面に溶射やメッキなどによる表面処理を施し、ボール軸受部４０のボール４４が当接する部分を硬化させてもよい。これにより、軸受パッド２０の摩耗を防ぐとともに、円滑に軸倒れに追従することが可能となる。
【００４８】
軸受パッド２０の底面部は、軸受パッド２０の自重や軸受荷重の鉛直成分をボール軸受部４０のボール頂部に伝えるため、当該底面部における接触面圧が高くなる。そのため、経時後に当該底面部が塑性変形してボールに対応する球面の凹みを生じることがある。軸受パッド２０の底面に凹みが生じると、軸受パッド２０の支持位置が鉛直下方に下がるため、正規の軸受パッド位置から逸脱して軸振動に対する軸受の役割が発揮できないおそれがある。また、軸受パッド２０とボール軸受部４０のボール頂部との接触面積が増えるため、軸受パッド２０の摩擦も増加する。その結果、軸受パッド２０の動きも影響を受け、くさび空間の形成が不十分となって軸受性能が低下するおそれがある。さらには、軸振動の増大などにつながる可能性も高くなる。
【００４９】
支持座２２は、このような軸受パッド２０の位置下がりを防止する。すなわち、軸受パッド２０底部（ボール軸受部４０のボールとの接触部）の硬度を上げることで、軸受パッド２０の底面の凹み発生を抑えて軸受性能を維持することができる。
【００５０】
なお、図７Ａに示す例では、軸受支持台５０の円板５２にボール軸受部４０を配設し、軸受パッド２０の底部に支持座２２を設けているが、これには限定されない。図７Ｂに示すように、軸受パッド２０の底部にベース２５およびボール２６からなるボール軸受部を配設し、円板５２におけるボール２６が当接する部分に支持座５３を設けてもよい。同様に、支持座５３に代えて、円板５２におけるボール２６が当接する部分に溶射やメッキなどによる表面処理を施し、当該ボール２６が当接する部分を硬化させてもよい。なお、硬質材料からなる支持座２２および５３は、図２Ａおよび２Ｂに示される調整ボルト３０ａの端部や、図２Ｃに示される軸受パッド２０の外周側（調整ボルト３０の端部が当接する位置）に配設してもよい。
【００５１】
（軸受パッドの他の支持方法）
さらに、図１Ａおよび１Ｂに示すガイド軸受では、ボール４４ａ〜４４ｂ（またはボール４４ａ〜４４ｃ）を備えたボール軸受部４０を備えて軸受パッド２０を支持しているが、これには限定されない。ボールで軸受パッド２０を支持するボール軸受部４０に代えて、図８Ａ〜図８Ｂに示すように、円筒形状のローラー４３を軸４５で支えたローラー軸受部３４０を備えてもよい。ローラー軸受部３４０のローラーは、回転軸１０の周方向における軸受パッド２０の中心点に対応する位置での接線方向と平行に配置される。ローラー軸受部３４０のローラーは、図８Ｃに示すように、複数個備えてもよい。すなわち、軸受パッド２０を支持する支持機構は、その当接面が曲面状に形成された部材を用いて回動可能かつ摺動可能に構成されていれば、同様の効果を奏することができる。
【００５２】
軸受パッド２０とローラー軸受部３４０のローラー４３とは線接触するが、軸受パッド２０はローラー４３の頂部線上を滑ってくさびを形成することができる。また、ローラー４３上を回動して軸倒れに合わせて傾斜することができるため、ボール軸受部４０を用いて軸受パッド２０を支持した場合と同等の軸受性能を発揮することができる。くさび角度は一般に小さいこと（図１１参照）、およびローラー４３は軸４５を中心に回転するため、容易にくさび空間を形成することができる。また、図８Ｃに示すようにローラーをローラー４３ａおよび４３ｂのように複数に分割することで、ローラー４３ａおよび４３ｂが互いに逆回転することも可能となり、より合理的にくさび空間を形成することができる。
【００５３】
また、図１Ａおよび１Ｂに示すガイド軸受では、先端部を球面形状とした調整ボルト３０により軸受パッド２０を外周側から支持しているが、これにも限定されない。図９Ａおよび図９Ｂに示すように、調整ボルト３０の先端部に基部となるベース３４と、ベース３４に形成された孔に配設されたボール３５とからなるボール軸受機構を配設してもよい。すなわち、当該ボール軸受機構のボール３５により、軸受パッド２０を外周側から支持することができる。すなわち、軸受パッド２０を支持する支持機構は、その当接面が曲面状に形成された部材を用いて回動可能かつ摺動可能に構成されていれば、同様の効果を奏することができる。
【００５４】
図９Ａおよび図９Ｂに示す例では、軸受パッド２０の下方からの支持も外周側からの支持も摩擦力の小さなボールを介して行っているから、軸受パッド２０によるくさび空間形成や軸倒れに対する追従性をより小さな力で実現することができる。すなわち、水車の運転状態が変わって軸受荷重の変更や軸倒れの変更が生じた場合に、くさび角度が増減したり軸倒れ角度が増減したりするため、軸受パッド２０と調整ボルト３０との接触位置が変わる。そのため、調整ボルト３０の先端にボール３５を備えたボール軸受機構を設けることで、接触部の摩擦力を小さくすることができ、軸受パッド２０の位置変更をスムーズかつ迅速に行うことができる。
【００５５】
（第１の実施形態の動作の詳細）
続いて、図１〜図１６を参照して、第１の実施形態のガイド軸受の動作を説明する。回転軸１０が回転を開始すると、軸スカート１２に粘性で張り付いた潤滑水が当該軸スカート１２と軸受パッド２０の摺接面（軸受隙間）に浸入し水膜が形成される。水力機械のガイド軸受は、こうした回転軸１０と軸受パッド２０の間の相対運動により水膜圧力を発生させ、この水膜圧力（流体圧力）により軸受パッド２０に作用する荷重を支えている。軸受隙間の水膜圧力を高めることができれば、大きな軸受荷重を支承することができるため、軸スカート１２の外径と軸受パッド２０の内径の寸法関係を工夫したり、軸受パッド２０の幅に対する調整ボルト３０による支持位置を工夫したりして、軸受パッド２０によるくさび空間形状の創生容易性や維持安定性を高めている。
【００５６】
回転軸１０を回転させると、軸スカート１２に張り付いた潤滑水が軸受パッド２０の摺接面に引きずり込まれ、さらにくさび状空間内の先細りの空間に引きずり込まれるため、流体のなかに圧力が生じる。この水膜圧力を生ぜしめるくさび効果は、回転数が高いほど高くなることが知られている。
【００５７】
軸スカート１２の外径をφ５００とし、当該軸スカート１２の周面に軸受パッド２０を８個配置した試験装置を使用して、回転軸１０にラジアル荷重をかけずに当該回転軸１０の回転数を５００ｍｉｎ−１として試験を行った。軸受パッド２０の高さ方向中央部の水膜圧力を軸スカート１２において測定した例を図１０に示す。図１０中、Ｐ１〜Ｐ８は、８個の軸受パッドに対応する。図１０に示すように、この試験では、軸スカート１２が８個の軸受パッドＰ１〜Ｐ８から水膜圧力を受けている様子が示されており、軸スカート１２が各軸受パッドから概ね均一の水膜圧力を受けていることがわかる。
【００５８】
また、共通の試験環境において、軸受パッド２０に図示しないギャップセンサーを配設し、回転軸１０を回転させた場合の軸受パッド２０の傾斜角を測定した結果を図１１に示す。図１１に示すように、回転軸１０の回転数が上昇するに伴い、軸受パッド２０は水膜圧力を受け、回転数に応じて軸受パッド２０の軸受隙間が形成するくさび角度（傾角）が大きくなっていることがわかる。一方で、一定の回転数（図１１に示す例では４００ｍｉｎ−１）を超えると、くさび角度は概ね一定に落ち着くことがわかる。
【００５９】
ところで、水車の運転状態が変化したような場合で大きなラジアル荷重がランナ（図示せず）に働くと、その荷重は回転軸１０を介して軸受パッド２０に伝達される。このラジアル荷重により、回転軸１０は弾性変形するとともに、ランナ（図示せず）や回転軸１０の重量ならびにランナ（図示せず）に作用するスラスト荷重を支承するスラスト軸受（図示せず）を基点とした軸倒れが発生する。
【００６０】
図３０Ａは、ボール軸受部４０を備えない従来構造のガイド軸受の縦断面図、図３０Ｂは、実施形態のガイド軸受の縦断面図である。図３０Ａに示すように、従来構造のガイド軸受では、軸受パッド２０が軸受支持台５０の円板５２に直接面接触で支持されるため、回転軸１０が軸倒れした場合、軸受パッド２０端部が軸スカート１２に対して片当り状態となる。これは、最悪の場合軸受焼き付きの原因となる。水潤滑の場合は、油潤滑に比べて潤滑剤の粘性が低いため、同じ潤滑条件下においても水膜の厚さが油より薄くなり、片当り状態に陥りやすいことが知られている。
【００６１】
一方、図３０Ｂに示すように、実施形態のガイド軸受１では、ボール軸受部４０やピン軸受部１４０，２４０による点接触支持あるいはローラー軸受部３４０による線接触支持により軸受パッド２０を支えているため、回転軸１０が軸倒れした場合でも高い追従性を得ることができる。
【００６２】
ここで、回転軸１０の軸倒れと軸受パッド２０の追従性について詳細に説明する。ピン軸受部１４０，２４０により軸受パッド２０を支持した場合に、回転軸１０が停止状態で、回転軸１０を油圧シリンダ（図示せず）で軸受パッド２０に向けて押し付けた時の、回転軸１０と軸受パッド２０の動きを図１２に示す。図１２に示すように、回転軸１０は軸受隙間に相当する分だけ弾性変形してから軸受パッド２０に接触するため、回転軸１０の軸移動量（図中実線）の値は軸受パッド２０の移動量の値よりも大きくなっている。しかし、回転軸１０と軸受パッド２０の傾き（図中実線の傾きと破線・点線・一点鎖線・二点鎖線の傾き）とは概ね同等であり、軸受パッド２０が回転軸１０の傾きに追従していることがわかる。ピン軸受部１４０，２４０はボール軸受部４０よりも大きな摩擦係数を有するため、ボール軸受部４０を使用した場合もかかる追従性を示すことが容易に推察できる。
【００６３】
ボール軸受部４０のボールは、小さな摩擦力で全方向に回動するため、水膜圧力に応じたくさび形成および軸倒れに対する軸受パッド２０の傾斜支持について迅速に対応することができる。ここで、くさび形成および軸倒れの支点となるのは調整ボルト３０であり、軸受パッド２０はボール軸受部４０上を滑ることで最適なくさび空間を形成することができる。また、軸受パッド２０は、ボール軸受部４０の複数のボールの頂部を結ぶ線上の回りを回動して、回転軸１０との並行性を保つため、常に優れた軸受性能を発揮せしめることが可能となる。すなわち、ボール軸受部４０は、軸受パッド２０を回動し、かつ傾斜させるための機構であり、調整ボルト３０はその時に支点として作用する。調整ボルト３０は、この支点の作用に加えて軸受隙間を設定・維持する作用をする。
【００６４】
次に、実施形態のガイド軸受の特性例について説明する。図１３Ａは、横軸に軸受特性数ηＮ/Ｐ（η：水の粘度［Ｐａ・ｓ］、Ｎ：毎秒回転数［ｓ−１］、Ｐ：軸受面圧［Ｐａ］）またはゾンマーフェルト数ηＮ/Ｐ(Ｒ/Ｃ)２（Ｒ：軸受半径［ｍｍ］、Ｃ：軸受半径隙間［ｍｍ］）をとり、縦軸に動摩擦係数をとった際に現れるストライベック曲線を示し、図１３Ｂは、ストライベック曲線の具体例を示している。
【００６５】
図１３Ａにおいて、軸受特性数またはゾンマーフェルト数が大きな値から小さくなるにつれて動摩擦係数が小さくなる流体潤滑領域では、水膜によって軸スカート１２と軸受パッド２０との摺動面間（軸受隙間）が完全に離れた理想的な潤滑状態にある。さらに軸受特性数またはゾンマーフェルト数が小さくなると、軸受隙間の水膜が薄くなり、摺動面の凸部同士の接触が局部的に生じつつ潤滑する混合潤滑領域になる。さらに軸受特性数またはゾンマーフェルト数が小さくなると、摺動面の凸部同士の接触が生じている潤滑状態の境界潤滑領域になる。あらゆる運転条件において流体潤滑状態が維持されれば、軸受性能や寿命に優れた軸受ということになる。
【００６６】
図１３Ｂは、実施形態のガイド軸受について回転数と面圧をパラメータとして潤滑状態を調べた試験結果を示している。図１３Ｂに示すように、試験の結果得られた全てのデータが、軸受特性数が小さくなるにつれて動摩擦係数も小さくなる流体潤滑状態にあることがわかる。
【００６７】
また、ある回転数で軸受荷重を増やした場合の、軸受パッド中央部の水膜圧力分布と軸受反力について試験した結果を図１４Ａ〜図１５Ｂに示す。図１４Ａ〜図１５Ｂに示すように、回転軸１０に対する荷重が増加すると、最大軸受面圧を発生している軸受パッドＡ１、Ｂ１およびその両端の軸受パッドＤ２、Ｄ３の軸受面圧が上昇し、軸受全体で大きな軸受荷重を保持できる仕組みが構築されていることがわかる。
【００６８】
このように、実施形態のガイド軸受によれば、軸受パッドを例えば球面や円筒形状のような曲面形状により支持するので、軸受パッドのくさび空間を円滑に形成するとともに、軸倒れ追従性を高めることができ、軸受負荷容量の増大や軸受の安定運転が可能となる。
【００６９】
（第２の実施形態）
続いて、図１７〜図２１を参照して、第２の実施形態を詳細に説明する。第２の実施形態のガイド軸受２は、第１の実施形態のガイド軸受１における潤滑水を積極的に循環させるものである。以下の説明において、第１の実施形態と共通する要素は共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。
【００７０】
図１７に示すように、この実施形態のガイド軸受２は、回転軸１０の周縁部に該周縁面と同軸の壁面をもつ軸受台８０と、軸受台８０の当該壁面から回転軸１０方向へ延設された軸受支持台５０とにより支持されている。ガイド軸受２の下方には水筒６０が配設され、ガイド軸受２は、水筒６０および軸受台８０からなる水槽６５に収容されている。水槽６５は、回転軸１０の周面に沿って形成され、ガイド軸受２を収容するとともに潤滑剤たる水７０を貯留する。また、水槽６５は、軸受カバー９０により上面が覆われている。
【００７１】
水槽６５の内周側壁面から水槽６５内に導かれた軸スカート１２は、水槽６５の内周側壁面と軸受パッド２０とに挟まれている。軸受パッド２０は、軸受支持台５０により保持され、回転軸１０の軸スカート１２の外周面と水７０を介して摺接する。軸受支持台５０は、回転軸１０と同軸状に形成され軸受パッド２０を下方（スラスト方向）から支えるドーナツ状の円板５２と、円板５２上に配設され軸受パッド２０をラジアル方向（外周方向）から支えるリング板５４とを備えている。円板５２におけるリング板５４の外周側には、孔５６が形成されている。水槽６５は、円板５２を挟んで上層と下層とに分離され、水槽６５の上層は、リング板５４を挟んで内層と外層とに分離されている。円板５２に形成された孔５６は、水槽６５の上層と下層とを連通している。
【００７２】
（軸受ポンプ作用）
潤滑剤として油を用いた油潤滑軸受の場合、油の粘度が水に比べ大きいため、摩擦損失や攪拌損失からなる軸受損失も水潤滑軸受に比べて大きくなることが知られている。このため、例えば潤滑油の貯留量を軸受頂部までの全浸漬とせず、軸受中心までが浸る程度（軸受性能に影響が出ない程度）として発熱量を抑えるとともに、冷却効果を高めるべく貯留部を上下に分割する円板やリング板に貫通穴をあけて潤滑油を循環させることが行われている。
【００７３】
一方、水潤滑軸受の場合、潤滑水の粘度が油の数十分の一程度であり、軸受パッド２０を通過する水による摩擦損失は油を使用した場合と比べて小さい。すなわち、軸スカート１２や軸受パッド２０による軸受ポンプ作用を通じた水の揚程量が、油潤滑軸受の場合と比べて大きくなる。この軸受ポンプ作用を通じた水の揚程量は、回転軸１０の回転数の上昇につれて大きくなる。かかる軸受ポンプ作用について試験した結果を図２１に示す。
【００７４】
図１７および図２１に示すように、回転軸１０を回転させると、軸スカート１２や軸受パッド２０による軸受ポンプ作用が働き、軸受パッド２０の軸受隙間を押し出された水７０が円板５２の上層から孔５６を介して円板５２の下層へと送られる。すなわち、リング板５４の外周側に円板５２を貫通する孔５６を形成すると、水７０は水槽６５の上層から下層、下層から上層へと循環する。あるいは、水筒６０のリング板５４よりも外側に位置する水７０が孔５６を通過し、一部はリング板５４よりも内側へ、残部は軸受パッド２０と軸スカート１２の軸受隙間へと引き込まれて、軸受パッド２０の頂部から上部空間へ排出されたりする。この実施形態のガイド軸受２では、かかる循環システムが構築されるので、軸受パッド２０周囲の潤滑水が不足することを防ぎ安定した潤滑特性を確保することができる。
【００７５】
（軸受パッドとリング板の高さ）
図１８に示すように、この実施形態のガイド軸受２では、軸受パッド２０の頂部と、該軸受パッド２０の外周側に配設されたリング板５４の頂部とに高低差ｈを設けている。すなわち、リング板５４の頂部は、軸受パッド２０の頂部よりも高低差ｈだけ高くなるように構成されている。かかる構成により、軸受パッド２０の上面を超えた水７０がリング板５４により回収され、リング板５４の内周側に潤滑水を導くことができる。
【００７６】
ここで、リング板５４の頂部は、潤滑水たる水７０の基準水位より０〜１０ｍｍ程度高くなるように構成する。かかる状態では、軸受パッド２０全体が水７０に確実に浸水するため、潤滑水不足による潤滑不良を防止することができる。特に、漏水や蒸発などで水槽６５内の水位が低下した場合は、軸受ポンプ作用によりリング板５４の内周側の水位は、同外周側の水位より高くなるため、潤滑特性上有利となる。
【００７７】
（潤滑水を循環する手段）
図１９Ａに示すように、軸スカート１２における屈曲部と軸受パッド２０対向面との間に、封水リング１４を形成して、軸受パッド２０上方に飛び散った水７０をリング板５４の内周側に還流させてもよい。また、図１９Ｂに示すように、リング板５４の頂部に軸受パッド２０から飛び散った水７０をリング板５４の内周側に還流させる水切り板５８を形成してもよい。回転軸１０の回転数が高い場合は、軸受ポンプ作用が大きく、軸受パッド２０の頂部から噴水が放出された場合、軸受カバー９０などと衝突してリング板５４の外周側へ噴水が落下する。図１９Ａに示す封水リング１４や図１９Ｂに示す水切り板５８は、このような噴水をリング板５４の内周側へ導くことができる。すなわち、当該噴水を水槽６５の下層へ循環させず、直接リング板５４の内周側へ戻すことができる。軸受パッド２０と直接接触するリング板５４の内周側へ直接水７０を還流させることで、水位低下の異常時にも潤滑不良の発生を防ぐことができる。
【００７８】
（軸受隙間の設定例）
続いて、第２の実施形態のガイド軸受２をペルトン水車に適用した具体例について説明する。図２０は、ガイド軸受２をペルトン水車に適用した例を示す図である。
【００７９】
図２０に示すように、１射（１ジェット）運転を行うペルトン水車において、ガイド軸受２ａおよび２ｂを回転軸１０を挟んで対向配置する。そして、ラジアル荷重を支持する軸受パッド２０ａの軸受隙間Ｇ１を通常の設計値の値に設定し、軸受パッド２０ａの対向面に位置する反ラジアル荷重側軸受パッド２０ｂの軸受隙間Ｇ２を通常の設計値の値よりも広く設定する。
【００８０】
図２０に示すように、ペルトン水車の１ジェット運転では、使うノズルが決まるためラジアル荷重の方向Ｒｆも自ずと決まる。このような運転状態の場合、荷重を支承する軸受パッド２０ａに対向する軸受パッド２０ｂは、動圧を発生するものの荷重を支承しないため軸受としては遊んでいる状態にある。ニュートン流体では、摩擦力は潤滑剤の粘度、軸の回転速度、軸受面積の積に比例し、軸受隙間に反比例する。従って、この軸受パッド２０ｂの軸受隙間Ｇ２を通常の設計値の２〜４倍程度にすることで、軸受パッド２０ｂでの軸受摩擦力を減らし、軸受ポンプ作用による水の揚程量を増やすことができる。
【００８１】
軸受隙間Ｇ２を通常の設計値の４倍に設定して試験をした結果、設計値の軸受隙間と比べて軸受パッド２０ｂの上端から噴流が勢いよく噴出することが確認されている。すなわち、軸受ポンプ作用が向上するため、軸受パッド２０ｂの周囲の水位も上昇し、水位低下の異常時でも潤滑不良の発生を防止することができる。軸受隙間Ｇ２を増大させることで軸振動の増大が懸念される場合は、軸受隙間Ｇ２を通常の設計値の２倍程度に設定し、この影響がない場合に軸受隙間Ｇ２を通常の設計値の４倍程度に大きくする。
【００８２】
このように、実施形態のガイド軸受によれば、潤滑水の循環経路を合理化することで、軸受パッドに潤滑水を効率的に供給することができる。特に水位低下などの異常時においても、軸受パッドの潤滑不良を防止することができる。
【００８３】
（第３の実施形態の構成）
続いて、図２２〜図２５を参照して、第３の実施形態を詳細に説明する。第３の実施形態のガイド軸受３は、第１または第２の実施形態のガイド軸受において耐腐食性を向上させたものである。以下の説明において、第１または第２の実施形態と共通する要素は共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。
【００８４】
（具体例１）
図２２に示すように、この実施形態のガイド軸受３では、潤滑水７０ａを残留塩素や塩化物イオンを含有する水道水とする。ボール軸受部４０は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて作製する。調整ボルト３０やピン軸受部（図示せず）は、マルテンサイト系ステンレス鋼で表層を無電界めっきまたは黒色防錆薄膜処理法で表面処理して作製する。黒色防錆薄膜処理法は、具体的にはレイデント処理（商品名）を施す。軸受パッド台金は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて作製する。軸スカート１２は、マルテンサイト系ステンレス鋼で表層にＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系延性溶射材料をＨＶＯＦ溶射するかオーステナイト系ステンレス鋼を用いて作製する。軸受支持台５０、水筒６０、軸受台８０および軸受カバー９０などの溶接構成品は、マルテンサイト系ステンレス鋼で表層にエポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料を塗装して作製する。軸スカート１２を除く回転軸１０は、炭素鋼鍛鋼品で軸受水槽内にある範囲と水筒６０の対向面に位置する範囲の表層をエポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料を塗装して作製する。
【００８５】
潤滑剤として水を使用する場合、水に接するか湿潤環境に置かれる部品の材質はステンレス鋼を採用する。しかし、ボール軸受部４０、ピン軸受部（図示せず）、調整ボルト３０および軸スカート１２などでは、構造的に微小隙間が生じるため、孔食や隙間腐食の発生防止が必要である。すなわち、ボール軸受部４０のボールまたはピン軸受部の頂部と、軸受パッド２０の台金との間で生じる隙間、ボール軸受部４０の内部機構の隙間、調整ボルト３０の先端部と軸受パッド２０の台金との間で生じる隙間、調整ボルト３０のねじと軸受支持台５０のねじとの間の噛み合わせ部に生じる隙間、軸スカート１２と軸受パッド２０の摺動層との間で生じる隙間などが腐食を起こす可能性のある箇所になる。
【００８６】
図２４に示すように、孔食と隙間腐食は、ともに塩素イオン等のハロゲン系イオンや残留塩素を含む環境で起こる腐食で、塩素イオン等の作用により不動態皮膜が局部的に破壊され、その部分が優先破壊されることにより進行する。従って、塩素イオンを含まないか微量を含有するイオン交換水を潤滑水として用いることで防食が可能である。
【００８７】
潤滑水として水道水を使用する場合、地域により水質基準や目標値は異なるが、例えば、ある地区の水質では、残留塩素１ｍｇ／Ｌ以下（目標値）、塩化物イオン２００ｍｇ／Ｌ以下（基準値）である。塩化物イオンには不働態皮膜を不安定化する作用があり、残留塩素には腐食反応を直接加速する作用がある。例えば、塩化物イオンは数十ｐｐｍ、残留塩素は１ｐｐｍ程度でも腐食を引き起こす可能性があるとされている。従って、上記例の水道水では、ステンレス鋼に腐食が起こる可能性がある。その対応としては、塩素イオン等の濃度を下げる、温度を下げる、溶存酸素濃度を下げる、ｐＨを上げる、隙間構造をなくす、クロムやモリブデンといった元素を多く添加した耐食性に優れた材料を選定するなどが考えられ、使用環境に適した防食システムを採用する必要がある。
【００８８】
水力発電所で水道水が利用できる場合は、水道水を潤滑水として使用するのが運転保守上からも望まれる。潤滑水として水道水を利用する場合は、水道水が塩化物イオンや残留塩素を含むことから以下の防食システムを採用することで、機器の寿命延長および軸受の信頼性向上を図ることができる。すなわち、発錆部から遊離した腐食性生成物が軸受隙間に侵入すると、軸スカート１２と軸受パッド２０の摺動層の異常摩耗を引き起こすため、確実に防食することで軸受機能の維持を図る必要がある。
【００８９】
ボール軸受部４０やピン軸受部の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４として、孔食や隙間腐食の発生を防止する。但し、ＳＵＳ３０４は硬度が低いので、軸受パッド２０との接触応力を下げ該ボールや該頂部の塑性変形の発生を抑えるため、該部分にＳＵＳ４４０Ｃなどの高硬度材を使う場合に比べてボール軸受部４０のボールやピン軸受部の頂部の寸法を適宜大きく設定する。
【００９０】
また、調整ボルト３０の材質としてマルテンサイト系ステンレス綱のＳＵＳ４０３も採用されるが、調整ボルト３０の先端部は、軸受パッド２０が支持する大きな荷重を支承するため、硬度が必要であるから、例えばＳＵＳ４４０Ｃの高硬度材も適用される。硬度が不足し、荷重で凹み（塑性変形）が生じると軸受隙間が増大し、軸振動の増大につながるからである。このＳＵＳ４４０Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼であることから、図２５に示すようにマルテンサイト系ステンレス鋼中の不純物であるＳ（イオウ）含有量が多くて、Ｍｎ（マンガン）との化合物であるＭｎＳ（非金属介在物）が生成している場合を考えると、水溶液中のＣｌ−によりステンレス鋼表面の不働態皮膜が破壊され、ステンレス鋼成分のＭｎ、Ｓとステンレス鋼表面の間で局部電池を形成し、流水中の溶存酸素の還元をカソード反応とする腐食により孔食や隙間腐食が進展する。
アノード反応：ＭｎＳ＋４Ｈ２Ｏ−＞Ｍｎ２＋＋ＳＯ４２−＋８Ｈ＋＋８ｅ−
カソード反応：２Ｏ２＋４Ｈ２Ｏ＋８ｅ−−＞８ＯＨ−
【００９１】
これを防止するため、形状に関わりなく厚さが均一で、かつポーラス組織でない皮膜が得られる無電解めっきまたは黒色防錆薄膜処理法などで表面処理することで防食する。ピン軸受部の材質をＳＵＳ４４０Ｃとする場合も同様の表面処理を実施して防食する。
【００９２】
また、軸スカート１２および軸受パッド２０のギャップは、非常に狭く半径隙間で０．３ｍｍ以内である場合が多く、停止時に軸が偏心した位置に止まると軸と軸受隙間にばらつきが生じて、軸受隙間が０．１ｍｍ以下となったり、狭い所では０．０５ｍｍ程度になったりする軸受パッドも出てくる。このように狭い隙間部には隙間腐食発生の懸念がある。すなわち隙間が狭いほど水の置換が行われ難くなるため、溶存酸素が不足して不働態皮膜の維持が困難になり、そこから隙間腐食や孔食が発生する。
【００９３】
軸受パッド全数の軸受隙間が設定値に収まっていても、回転軸１０停止時に潤滑水中の気泡が隙間に滞留した場合には、気泡と軸スカート１２の間の水膜は非常に薄くなる。加えて、水が滞留していることから、水膜部に溶存酸素が供給されなくなり、酸素不足で不働態皮膜の維持が困難になり、隙間腐食が発生・進展してしまう。この場合、数時間で孔食が発生する。
【００９４】
また軸スカート１２と軸受パッド２０の隙間に金属などの異物が浸入した状態で水車が停止した場合も、隙間内の水の交換がないため異物と軸スカート１２の隙間の酸素濃度が軸受隙間内の潤滑水より低くなり、酸素の濃淡による酸素濃淡電池（通気差電池）が形成され、酸素濃度の低い隙間部が腐食される。隙間部では、アノード反応が、外部表面ではカソード反応が進み、アノード反応で生成した金属イオンは腐食生成物になり、水車が始動すると回転軸１０が回転するため、軸受パッドのすべり面および軸スカート１２を傷つけることになる。
【００９５】
従って、軸スカート１２にはクロムやモリブデンといった元素を多く含み耐粒界腐食性および耐孔食性に優れたＳＵＳ３１６Ｌのようなオーステナイト系ステンレス鋼を使用して防食する。軸スカート１２の材質としてマルテンサイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４０３）を採用する場合は、図２２中の軸スカート１２における表層部１２ａに、耐食性があり硬度も高いＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系延性溶射材料をＨＶＯＦ溶射することで防食を図る。軸受隙間に異物が浸入しても、軸スカート１２は硬いことから軸スカート１２の損傷を低減することが可能となる。
【００９６】
また軸受パッド２０の台金には、ＳＵＳ３１６Ｌを用いて耐粒界腐食性の向上を図り防食する。軸受パッド２０は、製造過程において１０００℃以上に加熱保持をする必要がある。オーステナイト系ステンレス鋼では、過飽和に固溶されている炭素が、凡そ５５０〜９００℃程度に加熱されると、粒界に沿ってＣｒ炭化物が析出して当該部のＣｒが不足するので、粒界に沿って腐食されやすくなる。そのため、炭素含有量の少ないＳＵＳ３１６Ｌを採用するとともに、クロム炭化物を固溶させる固溶化熱処理を行うことで防食する。
【００９７】
また軸受支持台５０、水筒６０、軸受台８０および軸受カバー９０は、溶接構成物であり、７５０℃前後で溶接した後、熱処理により均質化を図ることが行われる。マルテンサイト系ステンレス鋼は４５０〜７５０℃で焼もどすとＣｒ炭化物が不連続的に析出するため、粒界腐食は生じにくいと考えられているが、若干Ｃｌ−（塩素）イオン濃度の高い淡水中、４０〜６０℃の淡水中、１００℃を超える高純度水中のすきま入口部分などで粒界腐食が起こりやすくなるため、塗装をして防食する。この場合、塗料としては、エポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料が適していて、図２２の黒色着色部の接水部および湿潤部に塗装する。
【００９８】
（具体例２）
図２２に示すガイド軸受３において、軸受潤滑水７０ａをイオン交換水とする。ボール軸受部４０、調整ボルト３０およびピン軸受部（図示せず）は、マルテンサイト系ステンレス鋼を用いて作製する。軸受パッド台金は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて作製する。軸スカート１２は、マルテンサイト系ステンレス鋼で表層にＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系延性溶射材料をＨＶＯＦ溶射するかオーステナイト系ステンレス鋼を用いて作製する。軸受支持台５０、水筒６０、軸受台８０および軸受カバー９０の溶接構成品は、マルテンサイト系ステンレス鋼を用いて作製する。軸スカート１２を除く回転軸１０は、炭素鋼鍛鋼品で軸受水槽内にある範囲と水筒６０の対向面に位置する範囲の表層をエポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料を塗装して作製する。
【００９９】
潤滑水にイオン交換水を使用する場合は、このイオン交換水が金属材料と接していると、平衡状態に達するまで金属成分がイオンとして溶け出すため、コーティング、ライニング、防錆剤注入、ｐＨ管理などの防食措置が必要になる場合もあるが、イオン交換水の残留塩素量および塩素イオン量は、全く含まれないか微量しか含まれないことから、本実施形態における対策は不要である。
【０１００】
すなわち、ボール軸受部４０、ピン軸受部、調整ボルト３０は、マルテンサイト系ステンレス鋼を使用して作製する。例えば、硬度が必要なボール軸受部４０、ピン軸受部、調整ボルト３０は、ＳＵＳ４４０Ｃを用いて作製する。ボール軸受部４０およびピン軸受部は、高硬度材を使用することができるので、寸法を小さく抑えることができる。
【０１０１】
また軸スカート１２と軸受パッド２０の台金の腐食原因は、水中の塩化物イオンや残留塩素ではない場合もあることから、軸スカート１２は、オーステナイト系ステレンレス鋼のＳＵＳ３１６Ｌを用いるか、マルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４０３で表層に耐食性があり硬度も高いＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系延性溶射材料をＨＶＯＦ溶射して作製する。これにより、防食を図るとともに軸受隙間への異物浸入時の軸スカート１２および軸受パッド２０の樹脂摺動層の損傷低減を図ることができる。
【０１０２】
また軸受パッド２０の台金は、オーステナイト系ステレンレス鋼のＳＵＳ３１６Ｌを用いて作製して防食を図る。軸受支持台５０、水筒６０、軸受台８０および軸受カバー９０における溶接構成物はＳＵＳ４１０を用いて作製し、エポキシ樹脂系塗料またはポリウレタン樹脂系塗料で防食する。
【０１０３】
（具体例３）
図２３Ａおよび図２３Ｂに示すように、二分割主軸スカート１２ｂを回転軸１０に嵌接する場合、溶接取付け後に生じる微小円環すき間（図２３Ａ中、破線の円で示す部分）をエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂１３で充填する（図２３Ｂ）。
【０１０４】
図２３Ａに示すように、二分割の軸スカート１２ｂは、二分割面溶接時の収縮による回転軸１０への抱きつき力とノック（図示せず）により固定される。ただし、回転軸１０と軸スカート１２ｂは完全に密着しているわけではなく、微小な隙間が存在しているため、水分が浸入して湿潤環境が醸成されると孔食や隙間腐食の発生が懸念される。そこで、この隙間を塞いで水分の浸入を防ぐため、図２３Ａ破線部に示す凹み部に浸透性の高いポリウレタン樹脂１３を流し込む（図２３Ｂ）。浸透性が高いポリウレタン樹脂１３を用いるため、硬化する前に上記隙間に浸入し、隙間を塞ぐことができる。そして、硬化後においては隙間腐食の発生を防止することができる。なお、軸スカート１２ｂと回転軸１０との噛合部のうち、下側にシール材を付けて防水することも可能である。
【０１０５】
このように、実施形態のガイド軸受によれば、潤滑水、軸受部品の材質、それらに対する表面処理を適切に組み合わせたので、より合理的に防食を図ることが可能となり、機器の寿命延長につなげることができる。
【０１０６】
（第４の実施形態）
続いて、図２６〜図２９を参照して、第４の実施形態を詳細に説明する。第４の実施形態のガイド軸受４は、第１，第２または第３の実施形態のガイド軸受における潤滑水を積極的に循環させるものである。以下の説明において、第１ないし第３の実施形態と共通する要素は共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。
【０１０７】
（潤滑水の攪拌と加温）
図２６に示すように、この実施形態のガイド軸受４では、水槽６５に貯留された水７０を攪拌する攪拌機７１を備えている。
【０１０８】
水車停止時においては、回転軸１０の回転が止まるため軸受潤滑水たる水７０の流動も停止する。一般に、軸受部品には組立状態で隙間が形成される箇所が含まれている。例えば、ボール軸受部４０と軸受パッド台金の接触部周囲には隙間があり、当該隙間内の水の入れ替えが行われないと当該隙間内の水の溶存酸素が消費され、その結果酸素濃淡電池が形成されて酸素濃度の低い隙間部が腐食されるおそれがある。
【０１０９】
そこで、実施形態のガイド軸受４では、軸受カバー９０または軸受台８０に攪拌機７１のモータＭを配設し、攪拌機７１は、水車（回転軸１０）の回転停止に応じてモータＭが起動し攪拌機７１が稼働するように構成される。すなわち、回転軸１０の回転が停止しても、水車運転時と同様に潤滑水を流動させることができるため、軸受隙間の水を入れ替えることが可能となり、結果として潤滑水７０の溶存酸素が不足することを防止することができる。
【０１１０】
なお、攪拌機７１を可搬可能な構成として、水力発電所の運用形態に応じて、始動停止が頻繁でない水車の停止時や、点検などの長期停止時などにおいてガイド軸受４の水槽６５に設置しても構わない。なお、図２６に示す例では、水槽６５の下層側かつリング板５４の外周側に攪拌機７１を配設しているが、これには限定されない。水槽６５の上層側や、リング板５４の内周側に攪拌機７１を配設してもよい。
【０１１１】
なお、図２７に示すように、攪拌機７１に代えて、水槽６５に貯留された水７０を加温するヒータ７３を備えてもよい。すなわち、温度センサ（図示せず）を水槽６５に配設して水７０の温度を監視しておき、水車停止時かつ水温が例えば４℃に達した時に、ヒータ電源ＰＷＲが投入され、ヒータ７３が水７０を加温する。図２７に示すように、ヒータ７３は、水槽６５の下層に配設されている。すなわち、水槽６５の下層を加温することで水７０を水槽６５内に対流させ、潤滑水全体を加温するとともに水槽６５内を還流させる。
【０１１２】
水の比重は約４℃で最大になる。周囲温度の低下とともに水槽６５内の潤滑水温度も低下し、潤滑水温度が４℃に達すると、比重の重い水が水槽６５の下層部に溜まるため、自然対流が起こらなくなってしまう。水車停止時において更に周囲温度が低下を続けると、水槽６５内の潤滑水は静止した安定状態にあるため、０℃より下がっても凍り始めずに液体状態で−２℃〜−３℃まで下がる状態（いわゆる過冷却状態）になることが懸念される。
【０１１３】
過冷却状態で水車が始動し回転軸１０が回転して潤滑水が攪拌されると、潤滑水は０℃以下における安定した状態である氷になろうとするため、瞬時にシャーベット状となる。かかる状態では、軸受損失が著しく増大するとともに軸受隙間に侵入した微細な氷により軸受パッドすべり面に異常摩耗が発生するおそれがある。
【０１１４】
そこで、水槽６５内の潤滑水温が４℃に達したとき、ヒータ電源ＰＷＲをオンにしてヒータ７３により潤滑水たる水７０を加温する。ヒータ７３としては、直接潤滑水を加温することのできるプラグ形ヒータなどを用いることができる。なお、ヒータ電源ＰＷＲは、潤滑水温が５℃程度上昇したとき切断するように構成される。かかる構成により、潤滑水の凍結または過冷却を防止することができる。
【０１１５】
なお、図２８に示すように、水槽６５に攪拌機７１およびヒータ７３を配設し、例えば水車停止時の水温が１０℃を超えた場合は攪拌機７１のみを稼動させ、同じく４℃から１０℃ではヒータ７３を稼動させ、同じく４℃以下ではヒータ７３および攪拌機７１をともに稼動させるように構成してもよい。
【０１１６】
水車停止時に水温が１０℃を超えた場合は、攪拌機７１を稼動して水槽６５の潤滑水を流動させて隙間腐食を防止する。水温が４℃を超え１０℃以下の場合は、ヒータ７３を稼動して潤滑水の凍結または過冷却を防止するとともに加温に伴う熱対流により溶存酸素を隙間部へ送り込み隙間腐食を防止する。水温が４℃以下になった場合は、ヒータ７３と攪拌機７１を稼動して隙間腐食を防止する。
【０１１７】
ステンレス鋼の孔食では、孔食の発生する電位自体がきわめて強い温度依存性を有し、低温では発生しにくい。すなわち、オーステナイト系ステンレス鋼では、１０℃の孔食発生電位は３０℃の約２倍あるため、１０℃までの加温であればステンレス鋼の孔食発生を低く抑えることができる。通常水車運転中は、軸受パッド２０と潤滑水の間の摩擦熱や、潤滑水が粘性で軸スカート１２と一緒に回転することによって発生する攪拌熱などにより水温が上昇し、停止直後には３０℃以上になっていることが多い。この状態で水車を停止して周囲温度が低下すれば潤滑水温も低下するが、１０℃に低下するまでは攪拌機７１を稼動して潤滑水を流動させることで、孔食発生電位の高い温度区間で隙間へ溶存酸素を送り込むことができる。すなわち、腐食発生を抑制することができる。１０℃では腐食発生の可能性は低くなるため、この潤滑水温で攪拌機７１を停止してもほとんど問題とはならない。更に潤滑水温が低下して４℃になると、ヒータ７３が稼動してこれ以下の潤滑水温低下を食い止める。これにより潤滑水の凍結を防止できる。
【０１１８】
ヒータ７３は、潤滑水温が１０℃を超えて上昇したときにヒータ電源ＰＷＲを切断してもよい。水温１０℃での孔食発生電位は高いため、孔食などが発生する可能性はもとより低いからである。
【０１１９】
ヒータ７３は、水槽６５の下層部に配設する。これにより、加温された潤滑水が水槽６５の上層部へ移動する熱対流が発生し、各所の隙間へ溶存酸素を供給することも可能になる。ヒータ７３の動作にも関わらず、水温が４℃以下に低下した場合は、攪拌機７１も稼動させる。水の攪拌により水にエネルギーが付与されるため、凍り難くなるからである。すなわち、潤滑水温１０℃以上で、攪拌機７１を稼動させ、４℃〜１０℃でヒータ７３を稼動させ、４℃以下ではヒータ７３と攪拌機７１を稼動させることで、腐食防止と氷結防止とを併せて実現することができる。
【０１２０】
（潤滑水の補給）
図２９に示すガイド軸受５は、潤滑水の給水機構を備えたものである。図２９に示すように、補給水槽９１を水槽６５より高い位置に配置し、高度差を利用して潤滑水を軸受水槽に補給する。水槽６５の下層底部およびリング板５４の外周側に磁石９２を設置し、水槽６５と補給水槽９１を結ぶ配管９３の途上にポンプ９４、マグネット付きストレーナ９５、逆止弁９６を設ける。また、補給水槽９１から水槽６５へ戻す給水管９７の途上に自動弁９８または手動弁９９を設け、給水口を水槽６５におけるリング板５４の内周側に位置させるようにした。
【０１２１】
水槽６５の水位が下がり、水位継電器（図示せず）が動作すると自動弁９８が開動作し、補給水槽９１の貯留水が配管９７を経由して水槽６５におけるリング板５４の内周側に供給される。そのため、水槽６５におけるリング板５４の内周側にある軸受パッド２０摺動面の潤滑が確保される。
【０１２２】
また、軸受改修を行った時などには、水槽６５内に異物が混入する可能性がある。そのため、かかる異物が軸受パッド２０の摺動面に浸入することを防止する必要がある。そこで、水槽６５の下層底部やリング板５４の外周側にマグネット９２を設置するとともに、水槽６５と補給水槽９１を結ぶ連通管（配管９３）を設け、その配管途上にポンプ９４とマグネット付きフィルタ９５を設けている。水車運転中においては、潤滑水中の金属異物は遠心力でリング板５４の外周側に移動するか、当該異物の自重で水槽６５の下層に落下するので、それらをマグネット９２で捕集する。
【０１２３】
水車停止時においては、水槽６５下層部に沈殿した一般異物と金属異物を、ポンプ９４を駆動して連通管９３に引き込み、マグネット付きフィルタ９５で捕集する。異物のろ過が完了するまで潤滑水を一旦補給水槽９１に貯水し、その後潤滑水を補給水槽９１から水槽６５におけるリング板５４の内周側へ送水しながら水位を設定値に調整することができる。当該ろ過作業と平行して、補給水槽９１から潤滑水を水槽６５へ戻してもよい。
【０１２４】
実施形態のガイド軸受によれば、攪拌機やヒータによる攪拌・対流効果、あるいはこれらの相乗効果により、潤滑水中の異物除去、接水部材の腐食防止、潤滑水の凍結または過冷却防止を図ることができる。
【０１２５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，その他の様々な形態で実施されることが可能であり，発明の要旨を逸脱しない範囲で，種々の省略，置き換え，変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は，発明の範囲や要旨に含まれるとともに，特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２６】
１０…回転軸、１２…軸スカート、２０…軸受パッド、３０…調整ボルト、３２…調整ナット、４０…ボール軸受、５０…軸受支持台、５２…軸受支持台の円板（ドーナツ板）、５４…軸受支持台のリング板、５６…軸受支持台の連通穴、６０…水筒、６５…水槽、７０…潤滑水、８０…軸受台、９０…軸受カバー。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【国際調査報告】
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