(57)【要約】  【課題】テーパランド軸受のすべり潤滑を支えている流体膜の形成を促進し、スラスト軸受の負荷容量を増大する。  【解決手段】スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形状をしており、スラストカラーと相対する摺動面に複数の半径方向に伸びる溝を有し、該溝間の該摺動面の一部が傾斜平面で、残りの部分が水平面であるテーパランド軸受であり、該傾斜平面と該水平面の境界線が半径方向に対し傾いており、該テーパランド軸受の内側から外側に向かう該境界線の該傾き方向は該半径方向に対しスラストカラーの回転方向と逆向きである。また、該スラストパッド軸受の該溝と該傾斜平面で形成される角部が、該傾斜平面の傾斜角度より大きい二つ以上の傾斜面で形成されているか、若しくは、曲面で形成されている。さらに、該スラストパッド軸受の該溝の低部が、曲面で形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面に複数の半径方向に伸びる溝を有し、該溝間の該摺動面の一部が傾斜平面で、残りの部分が水平面であるテーパランド軸受であり、該傾斜平面と該水平面の境界線が半径方向に対し傾いており、該テーパランド軸受の内側から外側に向かう該境界線の該傾き方向は該半径方向に対しスラストカラーの回転方向と逆向きであることを特徴とするスラスト軸受。
【請求項２】
該スラストパッド軸受の該溝と該傾斜平面で形成される角部が、該傾斜平面の傾斜角度より大きい二つ以上の傾斜面で形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
【請求項３】
該スラストパッド軸受の該溝と該傾斜平面で形成される角部が、曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
【請求項４】
該スラストパッド軸受の該溝の低部が、曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
【請求項５】
流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面の裏側（反摺動面）を弾性体で支持し、該スラストパッド軸受の外周側をリング形弾性体で支持し、該リング形弾性体の断面が円であり、該リング形弾性体の外周側は円筒形ケーシングで支持されていることを特徴とするスラスト軸受の支持構造。
【請求項６】
中間ケーシングと出口ケーシングを有する流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面に複数の半径方向に伸びる溝を有し、該溝に収まる櫛形の突起を内側に持つ円板形スラストパッド軸受押えを有し、該スラストパッド軸受押えはリング形弾性体を介して円筒形部材で中間ケーシングにより支持されていることを特徴とするスラスト軸受。
【請求項７】
流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面の裏側（反摺動面）を弾性体で支持し、該スラストパッド軸受は半径方向に二つのスラストパッド軸受で構成されており、該スラストパッド軸受の一方は該スラストカラーと相対する摺動面の静摩擦係数が、他のスラストパッド軸受の摺動面の静摩擦係数よりも小さい材質であり、該静摩擦係数が小さい材質のスラストパッド軸受の摺動面は他のスラストパッド軸受の摺動面よりも該スラストカラーの方向に飛び出しており、該静摩擦係数が小さい材質のスラストパッド軸受の反摺動面を支持する弾性体は、他のスラストパッド軸受の反摺動面を支持する弾性体よりも柔らかいことが特徴であるスラスト軸受。
【請求項８】
該静摩擦係数が小さいスラストパッド軸受の材質はテフロンを主体とする樹脂であることを特徴とする請求項７記載のスラスト軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体機械を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械の機構に関して、特許文献１に開示がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３―２３２３３９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そもそも、流体機械は流体のエネルギーを機械エネルギーに変換するもの、逆に機械エネルギーを流体エネルギーに変換するもので、前者の代表として水車、後者の代表としてポンプがある。本特性により流体機械の入口側と出口側では流体の圧力に差があるため、流体機械の回転体、即ち羽根車、主軸などに圧力差に基づくアキシアル荷重が生じる。このアキシアル荷重に抗して羽根車、主軸を支えて円滑な回転状態を維持するためスラスト軸受が用いられる。
【０００５】
流体機械はアキシアル荷重が大きく、長期間の運転を強いられるためスラスト軸受には、すべり軸受が用いられる。スラスト軸受は羽根車、主軸に取りつけ、羽根車、主軸とともに回転する円板形のスラストカラーと、スラストカラーを支える静止したスラストパッド軸受で構成される。スラストパッド軸受の断面形状は一般的に図５に示す傾斜平面パッド軸受、図６に示すレーレーステップ軸受、図７に示すテーパーランド軸受がある。
【０００６】
このうち、流体機械にはスラストカラーと相対する摺動面が、傾斜平面部１と水平面部２で形成されるテーパーランド軸受が用いられる。摺動面側から見たテーパランド軸受の外観を図８に示す。全体形状はドーナツ形の円板形状をしており、スラストカラーと相対する摺動面に複数の半径方向に伸びる溝３がある。溝間の摺動面の一部が傾斜平面１で、残りの部分が水平面２である。傾斜平面１と水平面２の境界線２１は半径方向に向いている。
【０００７】
近年、流体機械は小形化のニーズにより高回転速度化が求められ、スラスト軸受に作用するアキシアル荷重は増大している。そのため、スラスト軸受の負荷容量を大きくする試みがなされ、特許文献１が知られている。
【０００８】
本発明の目的はスラスト軸受の負荷容量を大きくすることである。そのためには、すべり潤滑を支えているスラストカラー４とスラストパッド軸受５間に形成される流体膜３０が維持されなければならない。そこで流体膜３０の挙動について研究した。流体膜３０はスラストカラー４の境界層とスラストパッド軸受５の境界層から成る。スラストカラー４は羽根車、主軸と共に回転するので、スラストカラー４の境界層も回転する。この速度ベクトルはＶｔとなる。
【０００９】
さらに、スラストカラー４の境界層は回転による遠心力を受け、速度ベクトルＶｒが生ずる。したがって、スラストカラー４の境界層は回転軸の接線方向よりも外向きに速度ベクトルＶで流れることが分かった。
【００１０】
一方、図８に示すごとくテーパランド軸受の傾斜平面１と水平面２の境界線２１は半径方向に向いているため、スラストカラー４の境界層の速度ベクトルＶと鋭角に交わる。その結果、スラストカラー４の境界層が外周に向かって漏れ出し、流体膜３０の形成を阻害することが分かった。したがって、スラストカラー４の境界層の漏れ出しを防ぐことで、負荷容量が大きくなっても流体膜３０が形成されることが分かった。
【００１１】
また、傾斜平面部の先端３ａがエッジになっていると流体膜３０の流れが乱れ、流体膜３０の形成が阻害されることが分かった。したがって、先端エッジ３ａでの流体膜３０の流れを滑らかにすれば、負荷容量が大きくなっても流体膜３０が形成されることが分かった。
【００１２】
本発明の第２の目的は、スラスト軸受に作用するアキシアル荷重の偏荷重により、流体膜３０が切れてしまうことを防ぐことである。流体機械は運転範囲が広いので設計点から大きく外れた運転状態になると、ケーシングや羽根車に作用する流体力にアンバランスが生じアキシアル荷重に偏荷重が生ずる。偏荷重は設計負荷容量より大きいため、スラストカラー４とテーパランド軸受５の間に形成された流体膜３０が切れてしまう。このようになるとスラストカラー４とテーパランド軸受５が固体接触するため摩耗が生じ、著しいときはスラストカラー４とテーパランド軸受５が焼付きを起こす。したがって、これを防がなければならない。
【００１３】
本発明の第３の目的は、テーパランド軸受を長期間安定に固定することである。流体機械は充分な精度で加工され組立てられるが、寸法公差により羽根車、主軸などの回転体には必ずアンバランスがあり、運転中は流体機械全体が振動する。運転期間が長期になると振動でテーパランド軸受を固定するねじが緩む場合がある。テーパランド軸受の固定が不安定になると負荷容量が低下する。著しい場合はねじが取れ、回転しているスラストカラー４に齧りが生じ、運転停止を余儀なくされる。したがって、テーパランド軸受５の固定方法は、ねじのように摩擦力によるものでないほうが、長期間安定に固定できる。
【００１４】
本発明の第４の目的は、流体機械の起動特性を改善することである。スラスト軸受のすべり潤滑を支える流体膜３０は、流体の粘性により羽根車、主軸とともに回転するスラストカラー４に引き込まれて形成される。
【００１５】
したがって、起動前の羽根車、主軸が停止しているときは流体膜３０が形成されない。アキシアル荷重は起動と同時に生じるので起動の瞬間はスラスト軸受けのスラストカラー４とテーパランド軸受５が固体接触になるので、スラストカラー４の材質とテーパランド軸受５の材質によっては静摩擦抵抗が大きくなり、起動しにくくなる。したがって、起動時のスラスト軸受の静摩擦抵抗を小さくしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１の目的のために本発明は、流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形状をしており、該スラストカラーと相対する摺動面に複数の半径方向に伸びる溝を有し、該溝間の該摺動面の一部が傾斜平面で、残りの部分が水平面であるテーパランド軸受であり、該傾斜平面と該水平面の境界線が半径方向に対し傾いており、該テーパランド軸受の内側から外側に向かう該境界線の該傾き方向は該半径方向に対しスラストカラーの回転方向と逆向きである。
【００１７】
また、該スラストパッド軸受の該溝と該傾斜平面で形成される角部が、該傾斜平面の傾斜角度より大きい二つ以上の傾斜面で形成されているか、若しくは、曲面で形成されている。さらに、該スラストパッド軸受の該溝の低部が、曲面で形成されている。
【００１８】
第２の目的のために本発明は、流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面の裏側（反摺動面）を弾性体で支持し、該スラストパッド軸受の外周側をリング形弾性体で支持し、該リング形弾性体の断面が円であり、該リング形弾性体の外周側は円筒形ケーシングで支持されている。
【００１９】
第３の目的のために本発明は、中間ケーシングと出口ケーシングを有する流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面に複数の半径方向に伸びる溝を有し、該溝に収まる櫛形の突起を内側に持つ円板形スラストパッド軸受押えを有し、該スラストパッド軸受押えはリング形弾性体を介して円筒形部材で中間ケーシングにより支持されている。
【００２０】
第４の目的のために本発明は、流体機械の回転体に設けたスラストカラーと、該スラストカラーに作用するアキシアル荷重に抗して該スラストカラーを支えるスラストパッド軸受で構成されるスラスト軸受において、該スラストパッド軸受はドーナツ形の円板形をしており、該スラストカラーと相対する摺動面の裏側（反摺動面）を弾性体で支持し、該スラストパッド軸受は半径方向に二つのスラストパッド軸受で構成されており、該スラストパッド軸受の一方は該スラストカラーと相対する摺動面の静摩擦係数が、他のスラストパッド軸受の摺動面の静摩擦係数よりも小さい材質であり、該静摩擦係数が小さい材質のスラストパッド軸受の摺動面は他のスラストパッド軸受の摺動面よりも該スラストカラーの方向に飛び出しており、該静摩擦係数が小さい材質のスラストパッド軸受の反摺動面を支持する弾性体は、他のスラストパッド軸受の反摺動面を支持する弾性体よりも柔らかい。また、該静摩擦係数が小さいスラストパッド軸受の材質はテフロン（登録商標）を主体とする樹脂である。
【発明の効果】
【００２１】
第１の効果は、スラスト軸受のすべり潤滑を支える流体膜の形成が促進され、スラスト軸受の負荷容量が増大する。即ち、傾斜平面と水平面の境界線が半径方向に対し、スラストカラーの回転方向と逆の方向に傾くように製作することは、該境界線においてテーパランド軸受の傾斜平面の傾斜方向が、回転軸の接線方向よりも外側に向く。これは、スラストカラーとテーパランド軸受の間に形成されるすべり潤滑を支える流体膜の流れ方向と同じである。
【００２２】
したがって、流体膜の流れが，傾斜平面と水平面との境界線に正対するので，流体膜がテーパランド軸受の外周側に漏れ出ることが無く、流体膜の形成が促進される。また、テーパランド軸受の傾斜平面の先端エッジが鈍角若しくは曲面になっているので、すべり潤滑を支える流体膜が先端エッジを通過するときの流れが滑らかになり、流体膜の形成がさらに促進される。
【００２３】
第２の効果は、テーパランド軸受の外周が、円形断面の弾性体で支持されているので、テーパランド軸受は軸方向に容易に移動できる自由度が確保されている。
【００２４】
さらに、テーパランド軸受の反摺動面を弾性体で支持しているので、アキシアル荷重の偏荷重に対し反摺動面を支持している弾性体が収縮し偏荷重を相殺する。これによりスラスト軸受のすべり潤滑を支える流体膜は切れることが無く、スラスト軸受の摩耗を低減することができる。
【００２５】
第３の効果は、テーパランド軸受押え、弾性体、円筒部材を介して中間ケーシングの押しつけ圧力でテーパランド軸受を支持するので、流体機械の振動が長期間作用しても押しつけ圧力が弱まることが低減され、テーパランド軸受を長期間安定に支持できる。
【００２６】
第４の効果は、流体機械が停止しているとき、スラストカラーと固体接触するテーパランド軸受が静摩擦係数の小さい方なので、起動時のスラスト軸受の摩擦抵抗が小さくなり、起動しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は本発明の実施例を示すテーパランド軸受の正面図である。本体はドーナツ形の円板形であり、半径方向に伸びる溝３が円周方向に１２本均等配置されている。溝３から幅Ｗ１の傾斜平面１が設けられている。傾斜平面１は溝３に正対して設けられているので、傾斜平面１と水平面２の境界線２１は溝３に平行となる。
【００２９】
一方、視点を変え境界線２１とテーパランド軸受内径の交点で見ると、従来のテーパランド軸受は図８に示すごとく境界線２１が半径方向に向いているが、本発明は境界線２１が半径方向に対し傾いている。即ち、境界線２１の位置では傾斜平面１の傾斜方向が、回転軸の接線方向より外向きになるように製作されている。したがって、境界線２１ではすべり潤滑を支える流体膜３０の流れ方向（ベクトルＶ）と傾斜平面１の方向が同じになるので、流体膜が外周へ漏れ出ることが無く、流体膜の形成が促進される。
【００３０】
図２は本発明のテーパランド軸受けのＡＡ断面図である。傾斜平面１と溝３で形成される角部は傾斜平面１の傾斜角度αより大きい傾斜角度αａ、αｂの二つの傾斜面１ａ、１ｂで形成されている。したがって、流体は傾斜面１ａ、１ｂを通過するときの流線の曲率半径が大きくなるから流線に沿った速度変化も小さくなり、傾斜平面１へ流入しやすくなるので、流体膜３０の形成が促進される。さらに、溝３の低部が曲面になっているので、溝３に沿って渦が発生する。渦の中心部は周辺部に比べ圧力が小さくなるので、テーパランド軸受の外周側及び内周側から流体を溝３に引き込みやすくなる。その結果、傾斜平面１へ流体が流入しやすくなり、流体膜３０の形成が促進される。
【実施例２】
【００３１】
図３は本発明の実施例を示す断面図である。主軸６に取りつけられたスラストカラー５がテーパランド軸受４で支えられている。テーパランド軸受４は外周部に断面が円形のリング状弾性体１０ｂを介して円筒形のケーシング７に支持されている。これによりテーパランド軸受４は軸方向に動くことができる。また、テーパランド軸受４は反摺動面側を弾性体１０ａで支持されているので、アキシアル荷重の偏荷重が生じても弾性体１０ａが収縮し偏荷重を相殺するので、テーパランド軸受４の荷重を負荷容量以下に押えることができる。
【００３２】
また、テーパランド軸受４の溝３に収まるようにテーパランド軸受押え１２が設けられている。テーパランド軸受押え１２は弾性体１０ｃと円筒形部材１１を介して中間ケーシング８に支持されている。テーパランド軸受押え１２は中間ケーシング８からの押しつけ圧力で固定されている。長期間の振動が作用しても押しつけ圧力は低下しないので、テーパランド軸受押え１２を介してテーパランド軸受４は長期間安定に支持される。
【実施例３】
【００３３】
図４は本発明の実施例を示す断面図である。本実施例ではテーパランド軸受４を半径方向に二つに分割して設置する。外側のテーパランド軸受４ｂは静摩擦係数が内側のテーパランド軸受４ａの静摩擦係数よりも小さい材質でできている。半径方向の位置決めをする弾性体１０ｂは外側のテーパランド軸受４ｂに設置する。テーパランド軸受４ａ、４ｂの反摺動面側に設置する弾性体１０ａ１と１０ａ２はそれぞれのテーパランド軸受４ａ、４ｂに設置する。
【００３４】
弾性体１０ａ２は弾性体１０ａ１よりも柔らかい材質である。また、テーパランド軸受４ｂの水平面２とスラストカラー５の間隔は、テーパランド軸受４ａの水平面２とスラストカラー５の間隔よりも小さくなるように、テーパランド軸受４ｂの反摺動面側を支持している弾性体１０ａ２の大きさが決められている。さらに、テーパランド軸受押え１２は内径側に延長されており、テーパランド軸受４ａ、４ｂを同時に押えるようになっている。
【００３５】
したがって、起動時にスラストカラー５は最初に静摩擦係数の小さい外側のテーパランド軸受４ｂに支持されて容易に回転し始める。そして定格運転に達し起動時に比べアキシアル荷重が大きくなると、スラストカラー５はテーパランド軸受４ａで支持されるようになる。即ち、静摩擦係数の小さいテーパランド軸受４ｂの反摺動面を支えている弾性体１０ａ２は、内側のテーパランド軸受４ａの反摺動面を支えている弾性体１０ａ１よりも柔らかいので、負荷容量が小さいからである。
【００３６】
本実施例では静摩擦係数の小さいテーパランド軸受４ｂの材質としてテフロン（登録商標）を主体にした樹脂を使っている。一般にテフロン系の樹脂は柔らかいのでスラスト軸受に用いると磨耗する可能性が高いが、本発明では定格運転時のアキシアル荷重の殆どを内側のテーパランド軸受４ａが受けるので、外側のテーパランド軸受４ｂは摩耗しない。
【００３７】
上記にて、本発明の実施例の説明を水力機械の水車、ポンプを想定して説明したが、これらに特に限定されるものではなく、スラスト軸受を有する流体機械全般に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に基づく実施例を示すテーパランド軸受の正面図
【図２】本発明に基づく実施例を示すテーパランド軸受の断面図
【図３】本発明に基づく実施例を示すテーパランド軸受の断面図
【図４】本発明に基づく実施例を示すテーパランド軸受の断面図
【図５】従来技術を示す傾斜平面パッド軸受の断面図
【図６】従来技術を示すレーレーステップ軸受の断面
【図７】従来技術を示すテーパランド軸受の断面
【図８】従来技術を示すテーパランド軸受の正面図
【符号の説明】
【００３９】
１  テーパランド軸受の傾斜平面
１ａ  テーパランド軸受の傾斜平面
１ｂ  テーパランド軸受の傾斜平面
２  テーパランド軸受の水平面
３  テーパランド軸受の溝
４  テーパランド軸受
５  スラストカラー
６  主軸
７  出口ケーシング
８  中間ケーシング
９  シール
１０ａ  テーパランド軸受の反摺動面を支持する弾性体
１０ａ１  内側のテーパランド軸受の反摺動面を支持する弾性体
１０ａ２  外側のテーパランド軸受の反摺動面を支持する弾性体
１０ｂ  テーパランド軸受の外周側を支持する弾性体
１０ｃ  テーパランド軸受押えを支持する弾性体
１１  円筒部材
【図１】
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【図２】
2006183702.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006183702.tif 000008
【図７】
2006183702.tif 000009
【図８】
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