(57)【要約】【課題】  球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置における球状粒子の収容空間での振動のばらつきを抑制して、振動減衰効果を安定化させる。【解決手段】  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、この内筒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、この収容空間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圧を与える予圧リング１３ｂとを備える軸受の振動減衰装置１において、前記球状粒子６を充填する収容空間７を、周方向に等配に設けた複数のスリット形状の凹所としたことを特徴とする。【選択図】図４
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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圧を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、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スリット形状の凹所としたことを特徴とする軸受の振動減衰装置。
【請求項２】
前記スリット形状の凹所を前記機器ハウジングの内周面に設けたことを特徴とする請求項１記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項３】
前記スリット形状の凹所を前記内筒の外周面に設けたことを特徴とする請求項１記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項４】
前記機器ハウジング、内筒および球状粒子を、線膨張係数が異なる異質材料とし、内筒の線膨張係数よりも機器ハウジングの線膨張係数が大きく、かつ球状粒子よりも機器ハウジングの線膨張係数が大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動減衰装置。
【請求項５】
前記機器ハウジングの外周面に、機器ハウジングを形成する材料よりも線膨張係数の大きい円筒体を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振動減衰装置。
【請求項６】
前記機器ハウジングの外周面に、軸方向に貫通する貫通溝を、周方向に等配に設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の振動減衰装置。
【請求項７】
前記球状粒子がＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ３Ｎ４からなる請求項１〜６のいずれかに記載の振動減衰装置。
【請求項８】
前記球状粒子がすべて同一サイズである請求項１〜７のいずれかに記載の振動減衰装置。
【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に紹介されている。
【０００６】
この特許文献1に紹介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】
ところで、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に示す次のような構造である。
【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圧を与える予圧リング２７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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平３−４１２１１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【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】
【００１３】
ところで、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、予圧リング２７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るから、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。
【００１４】
そこで、この発明は、収容空間内での球状粒子の振動のばらつきを抑制して、振動減衰効果を安定化させた振動減衰装置を得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】
【００１５】
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圧を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、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スリット形状の凹所としたことを特徴とする。
【００１６】
前記スリット形状の凹所は、機器ハウジングの内周面あるいは内筒の外周面に設けることができる。
【００１７】
前記機器ハウジング、内筒および球状粒子を、線膨張係数が異なる異質材料とし、内筒の線膨張係数よりも機器ハウジングの線膨張係数が大きく、かつ球状粒子よりも前記機器ハウジングの線膨張係数が大きくすることが好ましい。
【００１８】
前記機器ハウジングの外周面に、機器ハウジングを形成する材料よりも線膨張係数の大きい円筒体を設けるようにしてもよい。
【００１９】
前記機器ハウジングの外周面に、軸方向に貫通する貫通溝を、周方向に等配に設けてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、この発明に係る軸受の振動減衰装置では、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スリット形状の凹所にしているので、凹所内に充填された球状粒子が整列状態となり、球状粒子どうし、球状粒子と機器ハウジング、球状粒子と内筒間における接触摩擦がばらつかないように、コントロールすることができる。
【００２１】
前記機器ハウジング、内筒および球状粒子を、線膨張係数が異なる異質材料とし、内筒の線膨張係数よりも機器ハウジングの線膨張係数が大きく、かつ球状粒子よりも機器ハウジングの線膨張係数が大きくすることにより、装置取付け前の輸送時や組立時においては、球状粒子に軽予圧が掛かるようにして構成部材間でのフレッティングを防止し、極低温時には、球状粒子の収容空間の充填スペースが狭くなって、球状粒子間の接触応力、即ち、予圧が増大するように、機器ハウジングをより収縮させることができる。
【００２２】
機器ハウジングの外周面に、軸方向に貫通する貫通溝を、周方向に等配に設けることにより、運転中に貫通溝に冷却流体が流れ、機器ハウジングの外周面を積極的に冷却することができる。
【００２３】
また、機器ハウジングの外周面に、機器ハウジングよりも線膨張係数の大きい材質で形成された円筒体を設けることにより、極低温環境の運転時に、機器ハウジングを外周側から収縮させることができるので、球状粒子を充填する収容空間のスペースを小さくし、球状粒子に掛かる予圧を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】機器ハウジングの内周面にスリット形状の凹所からなる収容空間を有する第１の実施形態を軸方向と直角な方向から見た断面図である。
【図５】スリット形状の凹所からなる収容空間と粒子径との寸法関係を示す第１の実施形態の断面図である。
【図６】内筒の外周面にスリット形状の凹所からなる収容空間を有する第２の実施形態を軸方向と直角な方向から見た断面図である。
【図７】機器ハウジングの外周面に軸方向に貫通する貫通溝を設けた第３の実施形態を軸方向と直角な方向から見た断面図である。
【図８】機器ハウジングの外周面に軸方向に貫通する貫通溝を設けた第３の実施形態を軸方向に沿って見た断面図である。
【図９】機器ハウジングの外周面に機器ハウジングよりも線膨張係数の高い材料で形成された円筒体を設けた第４の実施形態を軸方向と直角な方向から見た断面図である。
【図１０】予圧リングをリング板に一体に設けた第５の実施形態を示す概略断面図である。
【図１１】予圧リングをリング板と別体設けた第６の実施形態を示す概略断面図である。
【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】
【００２５】
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の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２６】
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。
【００２７】
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を充填する収容空間７が設けられている。
【００２８】
前記収容空間７は、図４に示すように、周方向に等配に設けた複数のスリット形状の凹所になっている。この凹所内には、球状粒子６が整列状態で充填されており、球状粒子６どうし、球状粒子６と機器ハウジング３、球状粒子６と内筒４間における接触摩擦がばらつかないように、コントロールされている。
【００２９】
前記機器ハウジング３、内筒４および球状粒子６は、極低温環境で使用される場合に、寸法収縮が発生し、球状粒子６に加わる予圧量が変化する。このため、装置取付け前の輸送時や組立時においては、球状粒子６に軽予圧が掛かるようにして構成部材間でのフレッティングを防止し、極低温の運転時に、機器ハウジング３がより収縮して、球状粒子６の収容空間７の充填スペースを狭くし、球状粒子６間の接触応力、即ち、予圧が増大するように、機器ハウジング３、内筒４および球状粒子６の材質として、線膨張係数が、「内筒４＜機器ハウジング３」かつ「球状粒子６＜機器ハウジング３」の関係が得られるように選択することが望ましい。
【００３０】
例えば、内筒４、機器ハウジング３、球状粒子６の材質として、次のような組み合わせとする。
・「内筒４：セラミック」−「球状粒子６：セラミック」−「機器ハウジング３：チタン合金、ステンレス、アルミ合金」
・「内筒４：チタン合金」−「球状粒子６：セラミック、チタン合金」−「機器ハウジング３：ステンレス、アルミ合金」
・「内筒４：ステンレス」−「球状粒子６：セラミック、チタン合金、ステンレス」−「機器ハウジング３：アルミ合金」
・「内筒４：セラミック」−「球状粒子６：チタン合金」−「機器ハウジング３：ステンレス、アルミ合金」
・「内筒４：セラミック」−「球状粒子６：ステンレス」−「機器ハウジング３：アルミ合金」
・「内筒４：チタン合金」−「球状粒子６：セラミック、チタン合金」−「機器ハウジング３：ステンレス、アルミ合金」
・「内筒４：チタン合金」−「球状粒子６：セラミック、チタン合金、ステンレス」−「機器ハウジング３：アルミ合金」
・「内筒４：ステンレス」−「球状粒子６：セラミック、チタン合金、ステンレス」−「機器ハウジング３：アルミ合金」
【００３１】
なお、セラミック、チタン合金、ステンレスおよびアルミ合金の線膨張係数は、「セラミック」＜「チタン合金」＜「ステンレス」＜「アルミ合金」の関係にある。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、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。
【００３６】
前記収容空間７の軸方向の両端には、軸方向に移動しない一対の固定リング１１ａ、１１ｂが配置されている。この一対の固定リング１１ａ、１１ｂ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。
【００３７】
この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの一方の固定リング１１ｂの収容空間７側には、予圧用ばね１３ａを介して予圧リング１３ｂが軸方向に移動可能に設けられている。この予圧リング１３ｂの内周面と内筒４の外周面との間にも、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｃを設けており、この隙間ｃ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、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】
前記収容空間７に設けられた固定リング１１ａ、１１ｂの軸方向の外方には、収容空間７に充填した球状粒子６の摩擦によって発生する摩耗粉が外部に漏れださないように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂを設置している。
【００４０】
この耐粉塵シール１２ａ、１２ｂは、内筒４の半径方向の変位を阻害しないように、低剛性で、かつ、内筒４の半径方向の変位が生じてもすきまが生じない初期しめしろを有している。
【００４１】
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。
【００４２】
ところが、収容空間７を、前記のように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂによって密封すると、収容空間７内に充填された球状粒子６間の空気抜きができないため、収容空間７内を推進剤のガスで置換することができない。
【００４３】
このため、図１に示す実施形態では、収容空間７の内部と外部環境とを繋ぐ耐粉塵フィルタ１３を備えた空気抜き用流路１４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。
【００４４】
図１〜図５に示す実施形態においては、収容空間７を形成するスリット形状の凹所の幅ｗｓを、球状粒子６の粒子径ｄｗと同じにして、球状粒子６の列が円周方向にずれないように整列させている。
【００４５】
図４および図５に示すとおり、収容空間７を形成するスリット形状の凹所の幅：ｗｓ、充填長さ：ｌｂ、スリット長さ：ｌｓ、深さ：ｄｓ、球状粒子６の粒子径：ｄｗの関係を、次のように規定している。
【００４６】
・凹所の幅：ｄｗ＜ｗｓ＜ｄｗ＋公差
・スリット長さ：ｌｂ−ｄｗ／２＜ｌｓ＜ｌｂ
・スリット深さ：ｄｂ−ｄｗ／２＜ｄｓ＜ｄｂ
【００４７】
図１〜図５に示す実施形態においては、収容空間７を形成するスリット形状の凹所を、機器ハウジング３の内周面に設けているが、図６に示す実施形態のように、スリット形状の凹所を内筒４の外周面に設けるようにしてもよい。
【００４８】
また、前記内筒４の内径側には、軸受５が設置されているため、運転中は、内筒４は、軸受５の発熱により、機器ハウジング３よりも温度が高くなる。
【００４９】
このため、図７および図８に示す実施形態では、機器ハウジング３の外周面に、軸方向に貫通する貫通溝１５を、周方向に等配に設け、貫通溝１５に冷却流体Ａ（図８の白抜き矢印）が流れるようにし、機器ハウジング３の外周面を積極的に冷却するようにしている。
【００５０】
また、図９の実施形態は、機器ハウジング３の外周面に、機器ハウジング３よりも線膨張係数の大きい材質で形成された円筒体１６を設け、極低温環境の運転時に、機器ハウジング３を外周側から収縮させて、球状粒子６を充填する収容空間７のスペースを小さくし、球状粒子６に掛かる予圧を大きくするようにしてもよい。
【００５１】
図９の実施形態における機器ハウジング３と円筒体１６は、例えば、次のような材質の組み合わせとする。
【００５２】
・「機器ハウジング３：セラミック」−「円筒体１６：チタン合金、ステンレス、アルミ合金」
・「機器ハウジング３：チタン合金」−「円筒体１６：ステンレス、アルミ合金」
・「機器ハウジング３：ステンレス」−「円筒体１６：アルミ合金」
【００５３】
図１０の実施形態は、予圧リング１３ｂをリング板９に一体に設け、固定フランジ３ｂに、リング板９がボルト１０によって固定されたときに、固定フランジ３ｂに設けられた予圧リング１３ｂが球状粒子６を充填する収容空間７のスペースを小さくし、球状粒子６に掛かる予圧を大きくするようにしてもよい。
【００５４】
図１１の実施形態は、図１０の実施形態において、予圧リング１３ｂをリング板９と別体とし、予圧リング押し圧部をリング板９に一体に設け、固定フランジ３ｂに、リング板９がボルト１０によって固定されたときに、予圧リング押し圧部が予圧リング１３ｂを押すことで、球状粒子６を充填する収容空間７のスペースを小さくし、球状粒子６に掛かる予圧を大きくするようにしたものである。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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】
【００５８】
１      ：振動減衰装置
２      ：回転軸
３      ：機器ハウジング
４      ：内筒
５      ：軸受
６      ：球状粒子
７      ：収容空間
８      ：内筒支持用ばね
９      ：リング板
１０    ：ボルト
１１ａ、１１ｂ  ：固定リング
１２ａ、１２ｂ  ：耐粉塵シール
１３ａ  ：予圧用ばね
１３ｂ  ：予圧リング
１５    ：貫通溝
１６    ：円筒体
【図１】
2019157870.tif 000003
【図２】
2019157870.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019157870.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
2019157870.tif 000011
【図１０】
2019157870.tif 000012
【図１１】
2019157870.tif 000013
【図１２】
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