(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッド表面に潤滑液を加圧供給するリフトポンプを備えたパッド型スラスト軸受であって、
前記リフトポンプは、前記リフトポンプの羽根車が、前記スラスト軸受の軸受ハウジング内に設けられるとともに、前記リフトポンプを駆動するモータのモータハウジングの一部が前記軸受ハウジングに挿入された状態で結合されていることを特徴とするパッド型スラスト軸受。
【請求項２】
請求項１記載のパッド型スラスト軸受において、
前記リフトポンプは、シールレスモータポンプであることを特徴とするパッド型スラスト軸受。
【請求項３】
請求項２記載のパッド型スラスト軸受において、
前記シールレス型リフトポンプを、軸受ハウジング外部から一体で取り外し可能な構造としたことを特徴とするパッド型スラスト軸受。
【請求項４】
パッド表面に潤滑液を加圧供給するリフトポンプを備えたパッド型スラスト軸受であって、
前記リフトポンプを構成するシールレスモータポンプのモータハウジングが、前記スラスト軸受の軸受ハウジングとの間に前記潤滑液のシール面を形成するように結合されることを特徴とするパッド型スラスト軸受。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパッド型スラスト軸受を備えたことを特徴とする縦型液中モータ。
【請求項６】
請求項５記載の縦型液中モータを備えたことを特徴とする縦型液中モータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械に用いられるパッド型スラスト軸受に関するものであって、特に、始動時のトルクを軽減したパッド型スラスト軸受、該パッド型スラスト軸受を備えた液中モータ、及び縦型液中モータポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パッド型スラスト軸受は、回転軸に作用する軸方向スラスト荷重を円盤状の軸受ディスクを介して、静止面上に配置された複数の軸受パッドで支持する構造ものである。軸受パッドは負荷容量を大ならしめるため、キングスベリー型（ティルティングパッド型）に代表されるような揺動可能な構造で静止側から支持されている。
【０００３】
図１は、従来のパッド型軸受の断面構造を示す図である。軸受負荷は、回転軸（主軸）６に設けられた軸受ディスク５の回転により軸受パッド４を構成する上部軸受パッド２及び下部軸受パッド３と軸受ディスク５との間で生じる動圧作用で支持される。通常、軸受パッド４は上下両方向のスラスト荷重を支持することができるように、軸受ディスク５の上側に設けた上部軸受パッド２と下側に設けた下部軸受パッド３からなる。上部軸受パッド２及び下部軸受パッド３はそれぞれ複数枚の軸受パッドからなり、ディスク５と軸受上カバー１ａと軸受下カバー１ｂからなる軸受カバー１内に収納され一体型となっている。１０は軸受ハウジングである。
【０００４】
回転軸６が回転して軸受ディスク５が回転すると、揺動自在の上部軸受パッド２、及び下部軸受パッド３が僅かに傾き、ディスク５との隙間に動圧効果による潤滑液皮膜が形成され、ディスク５と上部軸受パッド２、下部軸受パッド３は固体接触することなく流体潤滑状態で大荷重を支持することができる。
【０００５】
回転機械が静止状態で回転軸が回転していない場合は、動圧効果が生じずディスク５と軸受パッド４の間は潤滑液膜が形成されない。潤滑液体が粘性の比較的高い油の場合、軸受ディスク５や上部軸受パッド２や下部軸受パッド３の面に存在する僅かの凹凸部に油が残存する。このとき、静止状態で上下部軸受パッド２、３の面に作用する荷重が低負荷であれば、軸受はかじりつきを生じることなく境界摩擦潤滑で始動可能な場合もある。しかし、上下部軸受パッド２、３の面に作用する荷重が小さくない場合は、固体摩擦潤滑となってかじり付きが生じやすい。特に、粘性の低い水等の境界潤滑効果が極めて低い潤滑液体が使用されている場合は、始動時に固体摩擦潤滑となりやすく、かじり付きが生じやすい。
【０００６】
縦型回転機械のスラスト軸受には回転体の自重が作用するため、始動時には摩擦係数の大きい境界摩擦潤滑又は固体摩擦潤滑状態となる。このため、流体潤滑となる回転機械の定常運転時と比較すると、１０〜１００倍のトルクが始動時に必要となる。
【０００７】
このような縦型回転機械のスラスト軸受に作用する始動トルクを軽減するため、図２に示すように、軸受パッド４に外部から潤滑液を加圧注入するリフトポンプ８を設けることがある。図２に示す例では、リフトポンプ８は貯液タンク９内の潤滑液を昇圧して、下部軸受パッド３に設けられた小孔に注入する。また、特許文献１や２に記載された形態では、潤滑液は軸受ハウジング内から配管を介してリフトポンプ吸込部に導かれ、リフトポンプで加圧された潤滑液がフレキシブルチューブ等を通して上下部軸受パッド部に導かれ、軸受パッドの中心に設けられた小孔から軸受隙間部（ディスクと軸受パッドとの間の隙間）に圧入される。
【０００８】
潤滑液の圧力は、軸受ディスク５が下部軸受パッド３から浮上するよう調整される。潤滑液体の流量Ｑ、圧力ΔＰ（軸受パッド入口圧力Ｐ1−出口圧力Ｐ2）、軸受隙間ｈ、潤滑液体の粘性係数μ、パッドを近似的に円形とした場合の半径ｒ2、中心小孔の半径をｒ1とすると、凡そ以下の関係がある（機械工学便覧）。
Ｑ＝π・ｈ3・ΔＰ／｛６・μｌｏｇe（ｒ2／ｒ1）｝
より、軸受パッドに作用する圧力反力Ｗｐは、
Ｗｐ＝∫r2r1｛Ｐ1−Ｑ／（πｈ3／６μｌｏｇe（ｒ／ｒ1））｝・２πｒ・ｄｒ
回転体に作用する荷重Ｗｇがパッド部圧力反力Ｗｐと等しくなる時、回転体は浮揚し、始動が容易になる。回転体が始動し、軸受部に動圧が生じた後は流体潤滑が実現できるので、リフトポンプからの潤滑剤の圧入は不要となる。
【０００９】
始動時の軸受ハウジング１０内の圧力Ｐｈが高い場合、図２に示すような外部設置のリフトポンプ８を用いると、吐出圧力は、Ｐｐ＝ΔＰ＋Ｐｈとなる。Ｐｈ＞ΔＰの場合は、リフトポンプ８の吐出圧力の大半は軸受ハウジング１０内の圧力に抗するために消費され、軸受浮揚には僅かしか用いられない。この場合、リフトポンプ８吐出圧力は軸受浮揚のための圧力ΔＰと比較して大きくなるため、吐出圧力の僅かな超過で軸受ディスク５は上部軸受パッド２側に押し付けられてしまう。従って、リフトポンプ８の圧力制御を厳密に行われなければならない。
【００１０】
また、始動時の軸受ハウジング１０内の圧力Ｐｈが高い場合、リフトポンプ８と軸受ハウジング１０を接続する圧力配管も高圧に耐えられる設計にしなければならないし、回転機械本体の振動や圧力変化、温度変化などで配管継手部から内部液体が漏洩する可能性が高まる。特に、回転機械本体が無漏洩性の縦型シールレスモータポンプである場合は、リフトポンプ８や圧力配管についても無漏洩性を確保しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６０−０６５９０８号公報
【特許文献２】特開平０７−０２７１４０号公報細
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の技術では、始動時の軸受ハウジング１０内の圧力Ｐｈが高い場合のリフトポンプ８の圧力制御を厳密に行わなければならないという要請、リフトポンプ８と軸受ハウジング１０部を接続する圧力配管の高耐圧性、無漏洩性、特に、回転機械本体が無漏洩性の縦型シールレスモータポンプである場合のリフトポンプ８や圧力配管の無漏洩性の確保に十分応えるものではなかった。
【００１３】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、潤滑液体の漏洩を防止しやすい構造で、始動トルクを低減するためのリフトポンプを備えたパッド型スラスト軸受、該パッド型スラスト軸受を用いた液中モータ、及び縦型液中モータポンプ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】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、パッド表面に潤滑液を加圧供給するリフトポンプを備えたパッド型スラスト軸受であって、リフトポンプは、リフトポンプの羽根車が、スラスト軸受の軸受ハウジング内に設けられるとともに、リフトポンプを駆動するモータのモータハウジングの一部が軸受ハウジングに挿入された状態で結合されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記パッド型スラスト軸受において、リフトポンプは、シールレスモータポンプであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上記パッド型スラスト軸受において、シールレス型リフトポンプを、軸受ハウジング外部から一体で取り外し可能な構造としたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、パッド表面に潤滑液を加圧供給するリフトポンプを備えたパッド型スラスト軸受であって、リフトポンプを構成するシールレスモータポンプのモータハウジングが、スラスト軸受の軸受ハウジングとの間に潤滑液のシール面を形成するように、スラスト軸受に結合されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、上記パッド型スラスト軸受を備えたことを特徴とする縦型液中モータにある。
【００２０】
また、本発明は、上記縦型液中モータを備えたことを特徴とする縦型液中モータポンプにある。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、リフトポンプの羽根車を、スラスト軸受の軸受ハウジング内に設けたので、潤滑液体が高圧になる場合でも、潤滑液体の漏洩を防止することが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来のティルティングパッド型スラスト軸受の断面構造を示す図である。
【図２】従来の外部リフトポンプを備えたティルティングパッド型スラスト軸受の断面構造を示す図である。
【図３】注液孔を有する軸受パッドの平面構造を示す図である。
【図４】本発明に係る内蔵型リフトポンプを有するティルティングパッド型スラスト軸受の断面構造を示す図である。
【図５】本発明に係る内蔵型リフトポンプを有するティルティングパッド型スラスト軸受を用いた縦型液中モータホンプの断面構造を示す図である。
【図６】自在継手の断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図４は本発明に係るパッド型スラスト軸受の断面構造を示す図である。本パッド型スラスト軸受は内蔵シールレスモータ（ステータ鉄心及び巻線がキャンで覆われたキャンドモータ）型リフトポンプを備え、これを軸受ハウジング１０と一体化した構造である。
【００２６】
軸受上カバー１ａと軸受下カバー１ｂからなる軸受カバー１内に回転機械の回転軸（主軸）６に固定された軸受ディスク５を挟むように上部軸受パッド２と下部軸受パッド３が設置されている。上部軸受パッド２は複数の軸受パッドからなり、それぞれが軸受上カバー１ａにティルト機構７を介して支持されている。同様に下部軸受パッド３は複数の軸受パッドからなり、それぞれが軸受下カバー１ｂにティルト機構７を介して支持されている。
【００２７】
図３は下部軸受パッド３を上方から見た上面図である。図示するように、下部軸受パッド３は複数個（図では８個）の軸受パッド１１が軸受下カバー１ｂの上に円周状上に配置され、それぞれの軸受バッド１１の中心部には軸受リフト用潤滑油が流出する液圧流出孔１１ａが開口している。また、それぞれの軸受パッド１１の下面には軸受リフト用潤滑油を導入する液圧導入孔１１ｂが開口している。
【００２８】
軸受上カバー１ａは略円筒形状をしており、上部中央には主軸６が貫通する貫通穴１ｅが形成された上部壁１ｃを有している。該上部壁１ｃの下面に各軸受バッド１１を支持するティルト機構７が設けられている。上部壁１ｃの周縁から側壁１ｄが下方に延び、軸受下カバー１ｂと結合されている。側壁１ｄには複数個の穴１ｆが設けられている。
【００２９】
また、下部軸受パッド３の軸受パッド１１の液圧導入孔１１ｂに対応する位置に、軸受下カバー１ｂを貫通する貫通孔１ｇが設けられている。軸受下カバー１ｂの下面には潤滑液流路カバー１７が取り付けられる。該潤滑液流路カバー１７の中央部にはリフトポンプ１２が差し込まれる穴１７ａが設けられ、軸受下カバー１ｂの下面との間に円盤状の潤滑液流路１８を形成している。潤滑液流路カバー１７は脚１９によって軸受ハウジング１０と結合される。なお、スラスト軸受への荷重はこの脚１９を介して軸受ハウジング１０で支えられるため、軸受カバー１と軸受ハウジング１０とを結合する脚を別途設けるなどして、補強してもよい。
【００３０】
リフトポンプ１２は、モータ部Ｍとポンプ部Ｐから構成されている。モータ部Ｍはキャンドモータ１２ｃを備え、リフトポンプ１２はシールレスモータポンプとして構成されている。リフトポンプ１２の回転軸２０の上端には、遠心式の羽根車１２ａが、吸込側が下になるように固定される。羽根車１２ａとキャンドモータ１２ｃとの間には、潤滑液吸込流路が形成された上部ポンプケーシング部材２１ａと下部ポンプケーシング部材２１ｂからなるポンプケーシング２１がモータハウジング２２に固定される。ポンプケーシング２１は、潤滑液流路カバー１７の中央部の穴１７ａに差し込まれ、その穴１７ａを塞ぐ上部ポンプケーシング部材２１ａと、モータハウジング２２に固定される下部ポンプケーシング部材２１ｂとが潤滑液吸込流路１８を挟んで、接合部２４で接合され一体となっている。ポンプケーシング２１上面には吐出側ガイドベーン２３を設けても良い。また、接合部は潤滑液吸込流路１８における吸込側ガイドベーンとして形成しても良い。
【００３１】
リフトポンプ１２の回転軸２０はキャンドモータ１２ｃ内で、ラジアル軸受２５、２６とスラスト軸受２７に支えられている。モータハウジング２２には環状のリフトポンプ取付用フランジ２２ａが設けられており、リフトポンプ１２は軸受ハウジング１０の下部に設けられた穴１０ａに差し込まれた状態で、軸受ハウジング１０に締結固定される。
【００３２】
下部軸受パッド３の各軸受パッド１１の液圧導入孔１１ｂと、それに対応する軸受下カバー１ｂの貫通孔１ｇとは、自在継手１６によって連通されている。自在継手１６は、図６に示すように両端に一部が球形の頭部を有する円筒管型とし、下部軸受パッド３の各軸受パッド１１の液圧導入孔１１ｂと軸受下カバー１ｂに設けられた貫通孔１ｇに挿入され、加圧潤滑液をシールできるよう、該球形頭部にＯリング２８を装着した構成になっている。このため下部軸受パッド３の各軸受パッド１１及び軸受下カバー１ｂは、自在継手１６に対して、継手軸方向、軸直角方向の変位が許容される。そして、潤滑液のシールを確実にしつつ、主軸回６の回転時の軸受ディスク５の複雑な動きを抑制しないようになっている。
【００３３】
なお、下部軸受パッド３の各軸受パッド１１の液圧導入孔１１ｂと、軸受下カバー１ｂの貫通孔１ｇとの接続は自在継手１６にかぎられず、フレキシブルチューブ等で接続しても良い。
【００３４】
リフトポンプ１２が回転すると、潤滑液は軸受ハウジング１０内から吸い込まれ、羽根車１１ａを介して下部軸受パッド３の各軸受パッド１１の液圧導入孔１１ｂに導かれ、軸受ディスク５を浮揚せしめた後、再び軸受ハウジング１０内に流出する。
【００３５】
リフトポンプ１２の羽根車１２ａが、軸受ハウジング１０内に位置して吸込流路、吐出流路も軸受ハウジング１０内に配置されるため、軸受ハウジング１０外に潤滑液配管を無くすことができ、回転機械本体の振動、圧力、温度変動などによる漏洩の危険性が無くなる。
【００３６】
リフトポンプ１２の羽根車１２ａ、ポンプケーシング２１（ポンプケーシング上部材２１ａ、及びポンプケーシング下部材２１ｂとからなる）、及びモータハウジング２２の軸受ハウジング１０に挿入される部分の外径は、いずれも軸受ハウジング１０底面に設けられた穴の外径よりも小さい。したがって、リフトポンプ１２は、軸受ハウジング１０の底部から軸受下カバー１ｂ部に一体として挿入、取り出しすることができる。耐圧接続箇所は、リフトポンプ１２のモータケーシング２２に設けられたフランジ２２ａ部分と軸受ハウジングと１０の間のシール面のみとすることができ、また、リフトポンプ１２自体をシールレスポンプとして構成したため、潤滑液が高圧となる場合でも漏洩の可能性を低減することができる。
【００３７】
なお、リフトポンプ１２はキャンドモータポンプではなく、モータコイル導線を耐水コーティングした、いわゆるポリ巻構造のモータポンプでもよい。
【００３８】
図５は、スラスト軸受に、図４に示すパッド型スラスト軸受を用いたシールレスの縦型液中モータポンプの断面構造を示す図である。本縦型液中モータポンプは図示するように、ポンプ部Ｐとモータ部Ｍとからなり、モータ部Ｍのモータケーシング４１の底面に図４に示すパッド型スラスト軸受３０の軸受ハウジング１０を固定した構成である。縦型液中モータポンプのモータ部Ｍは、モータケーシング４１内にステータ鉄心４２にステータ巻線４３を装着したステータ４４を嵌挿固定し、該ステータ４４をキャン４５で覆った構成のキャンドモータである。
【００３９】
ステータ４４の中央部には回転軸４０に固定されてロータ４８が配置され、該回転軸４０の下端部には、パッド型スラスト軸受３０の軸受ディスク５が固定され、回転軸４０はスラスト方向をパッド型スラスト軸受３０に支持され、ラジアル方向をモータケーシング４１内に配置されたラジアル軸受４６、４７で支持されている。また、ポンプ部Ｐはポンプケーシング５１内に回転軸４０の上端に固定されたポンプ羽根車５２が配置された構成である。
【００４０】
上記のように構成された液中モータポンプでは、パッド型スラスト軸受３０には、液中モータのロータ４８、ポンプ羽根車５２、回転軸４０等の重量が作用するため、潤滑液膜の形成されていないポンプ始動時には、軸受部は固体摩擦が生じ、軸受がかじりつく場合があるが、ここではリフトポンプ１２により軸受ディスク５を浮揚させた後に始動すれば、軸受のかじりつきの恐れはなくなる。
【００４１】
このような構造の液中モータポンプは、例えば原子炉冷却水循環ポンプのように、内圧力が７０〜１６０ｂａｒと高圧で内部液体の漏洩が許容されない大型シールレスモータポンプに用いることができる。例えば、加圧水型原子炉の一次冷却材ポンプとして出力５５００ｋｗ級の大型シールレスポンプを採用しようとすると、同ポンプのスラスト軸受には約１２トンの回転体静止重量が作用する。水中軸受を直径約９００ｍｍのパッド型スラスト軸受とすると、外部加圧ポンプ式のリフトポンプ８（図２参照）で軸受ディスクを浮揚させる場合、リフトポンプ８の所用揚程は内部圧力に抗する分を加味して約１６４ｂａｒ必要となる。
【００４２】
この場合、回転体の浮揚制御に要する圧力は４ｂａｒと見積もることができ、これより１０％、つまり、０．４ｂａｒ高くなるだけで回転体は上部軸受パッド２ａ側に移動して固着してしまう。即ち、外部リフトポンプ８の場合その吐出圧力の設定許容値を１６４ｂａｒに対して０．２５％の精度で制御しないと安定した浮揚を維持できない。一方、本実施形態のように、リフトポンプ１２を軸受ハウジング１０内に内蔵する場合は揚程は回転体浮揚に要するだけの４ｂａｒで良いため、動力は約１／４１となり、設定精度も０．４ｂａｒ、即ち１０％程度の精度で回転体を十分安定に浮上維持できる。
【００４３】
また、本実施形態例では、リフトポンプ１２と軸受ハウジング１０とを結合するにあたって、周囲雰囲気との境界をなす耐圧シール部はリフトポンプ１２のモータハウジングと軸受ハウジング１０との装着部だけとなるため、内部液体の漏洩に対する信頼性は、軸受ハウジング１０外に配管を設置する場合と比較して高くすることができる。また、メンテナンス時もリフトポンプ１２を軸受ハウジング１０から一体でとり外すだけで良く、短時間で作業が可能である。リフトポンプ１２にも本体ポンプと同形式の小型シールレスモータポンプを用いることにより、ポンプ全体として本体に求められるのと同等の高い信頼性を確保できる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、リフトポンプの羽根車をスラスト軸受の軸受ハウジング内に設けたので、潤滑液体が高圧になる場合でも、潤滑液体の漏洩を防止することができるパッド型スラスト軸受、及びスラスト軸受に該パッド型スラスト軸受を備えた液中モータ、及び縦型液中モータポンプを提供することに利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  軸受カバー
２  上部軸受パッド
３  下部軸受パッド
４  軸受パッド
５  軸受ディスク
６  回転軸
７  ティルト機構
８  リフトポンプ
９  貯液タンク
１０  軸受ハウジング
１１  軸受パッド
１２  リフトポンプ
１６  自在継手
１７  潤滑液流路カバー
１８  潤滑液流路
１９  脚
２０  回転軸
２１  ポンプケーシング
２２  モータハウジング
２３  吐出側ガイドベーン
２４  接合部
２５  ラジアル軸受
２６  ラジアル軸受
２７  スラスト軸受
２８  Ｏリング
３０  パッド型スラスト軸受
４０  回転軸
４１  モータケーシング
４２  ステータ鉄心
４３  ステータ巻線
４４  ステータ
４５  キャン
４６  ラジアル軸受
４７  ラジアル軸受
４８  ロータ
５２  ポンプ羽根車
【図１】
0005470085.tif 000002
【図２】
0005470085.tif 000003
【図３】
0005470085.tif 000004
【図４】
0005470085.tif 000005
【図５】
0005470085.tif 000006
【図６】
0005470085.tif 000007