(57)【要約】【課題】  球状粒子をダンパ要素にした軸受の振動減衰装置において、使用する場所や状態など対応して、効果的な減衰効果が得られるようにする。【解決手段】  回転機械における回転軸２を支持する軸受５の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジング３と、機器ハウジング３の内周面と軸受５の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能な内筒４と、内筒４の外周面と機器ハウジング３の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子６を充填する収容空間７と、収容空間７の軸方向の側方に配置された、収容空間７内に充填された球状粒子６に対して軸方向の予荷重を与える予圧部材１３と、予圧部材１３に荷重を与えるアクチュエータ１４とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える予圧部材と、この予圧部材に荷重を与えるアクチュエータと、を備えることを特徴とする軸受の振動減衰装置。
【請求項２】
前記球状粒子を充填する収容空間を、周方向に等配に設けた複数の円弧状の凹所とし、各凹所に対応してそれぞれ配され、各凹所内の球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える円弧状の予圧部材と、各予圧部材にそれぞれ対応して設けられたアクチュエータとを有し、各予圧部材をアクチュエータでそれぞれ荷重を与えることを特徴とする請求項１に記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項３】
前記球状粒子を充填する収容空間を、環状の凹所とし、前記収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向に予圧を与えるリング状予圧部材を配し、リング状予圧部材に対して周方向に等配に設けた複数のアクチュエータで荷重を与えることを特徴とする請求項１に記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項４】
前記アクチュエータを、積層圧電アクチュエータ又はソレノイド若しくはガス圧シリンダのいずれかで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受の振動減衰装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸を支持する軸受の振動を抑制する軸受の振動減衰装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸では、危険速度での強制振動や自励振動など、軸振動が問題になることが多い。
【０００３】
ジェットエンジンなどでは、回転軸の振動減衰装置として、スクイーズフィルムダンパという、潤滑油の粘性を用いて振動減衰効果を得るものが採用されている。
【０００４】
しかしながら、オイルレス機器や、極低温下で運転されるロケットエンジンターボポンプなどでは、潤滑油を用いることができない。
【０００５】
このため、従来、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸の振動減衰装置として、回転軸と、機器ハウジングとの間に、リング状のワイヤーメッシュを配置し、回転軸の振動によって生じた力により、リング状のワイヤーメッシュを変形させて、ワイヤー間で生じる摩擦により、振動エネルギーを散逸させて、回転軸の振動を減衰させるワイヤーメッシュダンパと呼ばれている振動減衰装置が、特許文献１に開示されている。
【０００６】
この特許文献1に開示されているワイヤーメッシュダンパは、回転軸に減衰力を直接作用させることはできるものの、ワイヤーメッシュをリング状に圧縮させて減衰作用を得るため、装置ごとにワイヤーメッシュの配置や形状が異なり易く、減衰性能にばらつきが生じるという問題がある。
【０００７】
また、非特許文献１には、ワイヤーメッシュダンパと同様、極低温下で作動する機器やオイルフリー機器を対象とした振動減衰装置として、球状粒子をダンパ要素にすることが紹介されている。
【０００８】
この非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置は、概ね、図１２に示すような構造である。
【０００９】
図１２に示す球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２を支持する軸受２３の外面に、間隔をあけて配置される回転機械の機器ハウジング２４と、この機器ハウジング２４の内周面と軸受２３の外面との間に配置された、機器ハウジング２４に対して半径方向に変位可能な内筒２５と、この内筒２５の外周面と機器ハウジング２４の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子２０を充填した収容空間２６と、この収容空間２６の軸方向の端部に配置された、収容空間２６内に充填された球状粒子２０に対して軸方向の予荷重を与える予圧リング２７と、予圧リング２７に予荷重を与える予荷重ばね２８とを備えている。
【００１０】
この球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２にラジアル方向の軸振動が発生すると、軸受２３を介して内筒２５に半径方向の変位が生じ、その変位によって収容空間２６内の球状粒子２０が流動し、この流動により、球状粒子２０どうし、球状粒子２０と内筒２５との間、球状粒子２０と機器ハウジング２４との間で摩擦が発生し、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、ダンパとしての役割を果たす。
【００１１】
球状粒子２０をダンパ要素にした場合、その特性に影響を及ぼすと考えられるパラメータは、球状粒子２０の粒子直径、内筒２５の外径、機器ハウジング２４の内径、収容空間２６の長さ、予荷重ばね２８による予荷重、球状粒子２０の粒子材料、球状粒子２０どうし、および機器との摩擦係数（表面材質で管理）であり、これらは工業的に特性管理が可能であり、ワイヤーメッシュダンパに比べて品質安定性の向上が期待できる。
【００１２】
上記した非特許文献１に開示された構造の振動減衰装置は、効果的に高い減衰性能を得るためには、予荷重を大きくすることが必要と考えられる。これは、球状粒子を収容した収容空間内において、球状粒子２０に対して軸方向に与える予荷重を大きくすると、球状粒子に密接して圧力がかかり、球状粒子間の摩擦力が大きくなることで、減衰効果を大きくすることができるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平３−４１２１１号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】２０１５年１０月０７日開催の日本航空宇宙学会における宇宙科学技術連合講演会講演集の「ターボポンプ用粒子ダンパの開発」と題する論文
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、非特許文献１で紹介されている球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１では、予荷重ばね２８の付勢力を用いることで予圧リング２７に予荷重を与えている。予荷重ばね２８の付勢力は、材料、大きさ等で決まる。
【００１６】
使用する場所や状態などにより、要求される減衰性能は異なるが、上記した予荷重ばね２８を用いたものでは、予荷重ばね２８の付勢力で予荷重は決まる。このため、予荷重を変える場合には、予荷重ばね２８を交換する必要があるなど、減衰性能の調整に手間がかかるなどの問題がある。
【００１７】
そこで、この発明は、球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置において、使用する場所や状態など対応して、効果的な減衰効果が得られるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記の課題を解決するために、この発明は、回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える予圧部材と、この予圧部材に荷重を与えるアクチュエータと、を備えることを特徴とする。
【００１９】
この発明は、アクチュエータの動作を制御することで、予圧部材に与える荷重を調整する。荷重を調整することで、収容空間に充填された球状粒子の予荷重が調整され、ダンパとしての減衰力を調整できる
【００２０】
また、前記球状粒子を充填する収容空間を、周方向に等配に設けた複数の円弧状の凹所とし、各凹所に対応してそれぞれ配され、各凹所内の球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える円弧状の予圧部材と、各予圧部材にそれぞれ対応して設けられたアクチュエータとを有し、各予圧部材をアクチュエータでそれぞれ荷重を与えるように構成すればよい、
【００２１】
各アクチュエータの予圧部材に与える荷重の大きさをそれぞれ対応して変化させることにより、回転軸の振動が周方向に異方性が出た場合にも、振動に適した減衰力を与えることができる。
【００２２】
また、前記球状粒子を充填する収容空間を、環状の凹所とし、前記収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向に予荷重を与えるリング状予圧部材を配し、リング状予圧部材に対して周方向に等配に設けた複数のアクチュエータでリング状予圧部材に荷重を負荷するように構成すればよい。
【００２３】
また、前記アクチュエータを、積層圧電アクチュエータ又はソレノイド若しくはガス圧シリンダのいずれかで構成することができる。
【００２４】
前記球状粒子は、ＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ3Ｎ4からなるものを使用することができ、すべて同一サイズであるもの、または、異なるサイズのものを組み合わせて使用してもよい。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、この発明に係る軸受の振動減衰装置では、適正な予荷重をアクチュエータにより与えることで、運転条件毎に．減衰効果を適正に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係る球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の第１の実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の球状粒子を充填した収容空間部分の拡大図である。
【図３】図１の振動減衰装置の機器ハウジングと内筒との関係を示す斜視図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線で断面した概略断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の振動減衰装置に用いられる予圧部材を示す斜視図である。
【図６】この発明の第１の実施形態の振動減衰装置をアクチュエータの方向から見た概略説明図である。
【図７】この発明の第１の実施形態の振動減衰装置に用いられるアクチュエータとして積層圧電アクチュエータを用いた場合の構成を示す拡大説明図である。
【図８】この発明の第１の実施形態の振動減衰装置に用いられるアクチュエータとしてソレノイドを用いた場合の構成を示す拡大説明図である。
【図９】この発明の第１の実施形態の振動減衰装置に用いられるアクチュエータとしてガス圧シリンダを用いた場合の構成を示す拡大説明図である。
【図１０】この発明の第２の実施形態の振動減衰装置の収納凹所を示す概略説明図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態の振動減衰装置をアクチュエータの方向から見た略説明図である。
【図１２】非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明に係る球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置１の第１の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１に示すように、この実施形態の回転機械における回転軸２は、円筒形の機器ハウジング３の内周面に、内筒４と軸受５を介して回転可能に支持されている。この実施形態においては、軸受５として、内輪５ａと、外輪５ｂと、内輪５ａと外輪５ｂの間に収容される転動体５ｃとからなる転がり軸受を使用している。
【００２９】
前記機器ハウジング３の内周面と内筒４の外周面との間には、ダンパ要素である球状粒子６を収容する収容空間７が設けられている。
【００３０】
前記機器ハウジング３および内筒４を形成する材質としては、ニッケル合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＬＮなどを使用することができる。
【００３１】
内筒４の軸方向の一端には、内筒４を機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能に支持し、内筒４を機器ハウジング３の軸に一致させるように弾性支持する内筒支持用ばね８が周方向に等間隔で設けられている。
【００３２】
内筒支持用ばね８は、図１および図３に示すように、機器ハウジング３の軸方向の外方に延びる突出片８ａと、この突出片８ａの外方端から半径方向の外径側に屈曲する屈曲片８ｂと、この屈曲片８ｂの外径端から軸方向に折り返された折返し片８ｃとからなるコ字形をしており、折返し片８ｃの端部が機器ハウジング３の外径部に係合している。
【００３３】
機器ハウジング３の内周面の一端には、収容空間７の一方の端面を形成する内向きフランジ３ａが形成され、この内向きフランジ３ａの内周面と、内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ａを設けており、この隙間ａはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。
【００３４】
前記内筒支持用ばね８が係合する機器ハウジング３の外周面と反対側の外周面には、半径方向の外径に向かって突出する固定フランジ３ｂが形成され、この固定フランジ３ｂに、前記収容空間７の他方の端面を形成するリング板９がボルト１０によって固定されている。
【００３５】
このリング板９は、機器ハウジング３の内周面と内筒４との間に嵌まり込む係合部９ａが設けられている。
【００３６】
図１及び図２に示すように、係合部９ａの収容空間７側端部と収容空間７との間に、軸方向の予荷重を与える予圧部材１３とこの予圧部材１３に荷重を与えるアクチュエータ１４が配置される。
【００３７】
予圧部材１３の内周面と内筒４の外周面、アクチュエータ１４の内周側と内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｂを設けており、この隙間ｂはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。
【００３８】
前記収容空間７には、球状粒子６が充填されている。球状粒子６としては、例えば、粒子直径が１ｍｍ程度の鋼球（ＳＵＳ４４０Ｃ）やセラミック球（Ｓｉ3Ｎ4）などを使用することができる。前記球状粒子６は、すべて同一サイズでもよいし、異なるサイズの組み合わせでもよい。
【００３９】
ところで、ロケットエンジンターボポンプは、燃焼器に推進剤を圧送する回転機械であり、推進剤として主に液体酸素および液体水素を使用するため、回転軸２の軸受５の近傍は極低温環境になる。このような、極低温で使用される機器の場合、極低温環境にする前に、球状粒子６を充填した収容空間７内の空気に含まれる水分が凍らないように、収容空間７内の空気を、推進剤のガス（例えば、水素ガス、酸素ガス）で置換しておくことが望ましい。
【００４０】
このため、図１に示す形態では、前記収容空間７の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路１５を機器ハウジング３とリング板９との間に設置している。
【００４１】
また、前記空気抜き用流路１５の出口に耐粉塵フィルタを設置することが好ましい。
【００４２】
次に、球状粒子６をダンパ要素にした振動減衰装置の作用について説明する。
【００４３】
図１の矢印Ｘ１に示すように、振動によって軸変位が生じた場合、加振力は軸受５を通じて、内筒４を矢印Ｘ２に示すように、半径方向に変動させる。この内筒４の変動により、内筒４と機器ハウジング３との間の収容空間７に充填された球状粒子６が流動し、球状粒子６どうし、球状粒子６と内筒４間、球状粒子６と機器ハウジング３との間でそれぞれ摩擦が生じ、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、振動が減衰される。
【００４４】
この発明は、アクチュエータ１４の動作を制御し、予圧部材１３に与える荷重を調整する。荷重を調整することで、収容空間７に充填された球状粒子６の予荷重が調整され、ダンパとしての減衰力が調整できる。球状粒子６を収容した収容空間７内において、球状粒子６に対して軸方向に与える予荷重を大きくすると、球状粒子６が密接して圧力がかかり、球状粒子６間の摩擦力が大きくなることで、減衰効果（減衰力）が大きくなる。
【００４５】
この発明では、運転条件毎に、適した減衰効果を得る予荷重を与えるように、アクチュエータ１４が予圧部材１３に与える荷重の大きさを制御する。
【００４６】
図４に示すように、この第１の実施形態の収容空間７は、周方向に等配に設けた複数の円弧状の凹所７1〜７4からなる。この実施形態では４個の凹所７1、７2、７3、７4を有している。そして、この凹所７1、７2、７3、７4にそれぞれ球状粒子６が充填されている。
【００４７】
この第１の実施形態においては、図５に示すような各凹所７1、７2、７3、７4の形状に合った円弧状の予圧部材１３が用いられる。そして、各凹所７1、７2、７3、７4に軸方向の予荷重を与える円弧状の予圧部材１３をそれぞれ配する。
【００４８】
図６に示すように、各予圧部材１３にそれぞれアクチュエータ１４が連結される。各アクチュエータ１４は駆動制御装置１４ａにより制御され、各予圧部材１３に独立して荷重を与えることができる。
【００４９】
凹所７1に充填された球状粒子６を予圧部材１３とアクチュエータ１４により、所定の予荷重を与えることにより、減衰力Ｆ1が得られる。同様に、凹所７2に充填された球状粒子６を予圧部材１３とアクチュエータ１４により、所定の予荷重を与えることにより、減衰力Ｆ2が、凹所７3に充填された球状粒子６を予圧部材１３とアクチュエータ１４により、所定の予荷重を与えることにより、減衰力Ｆ3が、凹所７4に充填された球状粒子６を予圧部材１３とアクチュエータ１４により、所定の予荷重を与えることにより、減衰力Ｆ4が得られる。
【００５０】
ところで、回転軸２の振動が周方向に異方性が出る場合がある。このような場合には、駆動制御装置１４０が各アクチュエータ１４の予圧部材１３に与える荷重の大きさをそれぞれ対応して変化させることにより、振動に適した減衰力を与えることができる。
【００５１】
この実施形態で用いるアクチュエータ１４の例につき図７〜図９を参照して説明する。図７は、アクチュエータ１４として、複数の圧電素子を積層した積層圧電アクチュエータ１４１を用いている。駆動制御装置１４０は、積層圧電アクチュエータ１４１に与える電流を制御し、予荷重の大きさを制御する。
【００５２】
図８は、アクチュエータ１４として、ソレノイド１４２を用いている。駆動制御装置１４０は、ソレノイド１４２に与える電流を制御し、予荷重の大きさを制御する。
【００５３】
図９は、アクチュエータ１４として、ガス圧シリンダ１４３を用いている。駆動制御装置１４０は、ガス圧シリンダ１４３のガス圧を制御し、予荷重の大きさを制御する。
【００５４】
上記したように、この実施形態では、アクチュエータ１４として、積層圧電アクチュエータ又はソレノイド若しくはガス圧シリンダのいずれかを用いている。これらの機器を用いれば、オイルレス機器や、極低温下で運転されるロケットエンジンターボポンプなどの用途でも問題なく駆動できる。
【００５５】
次に、この発明の第２の実施形態につき、図１０及び図１１を参照して説明する。この第２の実施形態は、収容空間７を環状の凹所７０に形成している。そして、環状の凹所７０内に球状粒子６を充填している。
【００５６】
環状の凹所７０一端に軸方向に予荷重を与えるためのリング状の予圧部材１３ｂを配置している。
【００５７】
リング状の予圧部材１３ｂの周方向に等配に、複数のアクチュエータ１４、この実施形態では、９０度おきに４個のアクチュエータ１４を配している。４個のアクチュエータ１４を駆動制御装置１４０で制御する。即ち、運転条件毎に、適した減衰効果を得る予荷重を与えるように、各アクチュエータ１４に与える予荷重の大きさを制御する。
【００５８】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１      ：振動減衰装置
２      ：回転軸
３      ：機器ハウジング
３ａ    ：内向きフランジ
４      ：内筒
５      ：軸受
６      ：球状粒子
７      ：収容空間
７1、７2、７3、７4：凹所
１３、１３ｂ  ：予圧部材
１４    ：アクチュエータ
１４ａ  ：駆動制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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