(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衝突によって生じる摩耗粉の影響を可能な限りなく少なくすることによって、安定した振動減衰性能を得る。【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、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子６を充填した収容空間７を設けた軸受の振動減衰装置１において、機器ハウジング３側から球状粒子６を充填した収容空間７内に、少なくとも一つ以上のマグネットトラップ１５を挿入設置したことを特徴とする。【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、前記機器ハウジング側から前記球状粒子を充填する収容空間内に、少なくとも一つ以上のマグネットトラップを挿入設置したことを特徴とする軸受の振動減衰装置。
【請求項２】
前記マグネットトラップが、機器ハウジングに設けた固定穴にねじ込まれるねじ部と、球状粒子を充填する収容空間内に挿入されるマグネットバーとからなる請求項１記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項３】
前記マグネットバーの周囲に、摩耗粉の透過穴を有する非磁性体からなるカバーを有する請求項２記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項４】
前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設け、この空気抜き用流路の近傍に前記マグネットトラップを設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項５】
前記球状粒子がＳＵＳ４４０Ｃからなる請求項１〜４のいずれかの項に記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項６】
前記球状粒子がすべて同一サイズである請求項１〜５のいずれかの項に記載の軸受の振動減衰装置。
【請求項７】
前記球状粒子が異なるサイズの組み合わせからなる請求項１〜５のいずれかの項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７に示す次のような構造である。
【０００９】
図７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。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平３−４１２１１号公報
【非特許文献】
【００１３】
【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】
【００１４】
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の実用化を考えた場合、球状粒子２０どうしの衝突、球状粒子２０と内筒２５との間の衝突、あるいは球状粒子２０と機器ハウジング２４との間での衝突によって球状粒子２０の摩耗粉が生じる。
【００１５】
この摩耗粉によって収容空間内での球状粒子の振動減衰作用にばらつきが生じ、安定した振動減衰性能が得られないという問題がある。
【００１６】
そこで、この発明は、球状粒子の衝突によって生じる摩耗粉の影響を可能な限りなく少なくすることによって、安定した振動減衰性能を得ようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、機器ハウジング側から球状粒子を充填する収容空間内に、少なくとも一つ以上のマグネットトラップを挿入設置したことを特徴とすることを特徴とする。
【００１８】
前記マグネットトラップは、機器ハウジングに設けた固定穴にねじ込まれるねじ部と、球状粒子を充填する収容空間内に挿入されるマグネットバーとによって構成することができる。
【００１９】
前記マグネットバーの周囲には、摩耗粉の透過穴を有する非磁性体からなるカバーを設けることが望ましい。
【００２０】
前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設けている場合、この空気抜き用流路の近傍にマグネットトラップを設置することにより、摩耗粉の捕集効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、この発明に係る軸受の振動減衰装置では、機器ハウジング側から球状粒子を充填する収容空間内に、少なくとも一つ以上のマグネットトラップを挿入設置することにより、収容空間の摩耗粉がマグネットトラップに捕集されるので、摩耗粉による振動減衰性能のばらつきを最小限に抑制することができる。
【００２２】
前記マグネットトラップを、前記機器ハウジングに設けた固定穴にねじ込まれるねじ部と、球状粒子を充填する収容空間内に挿入されるマグネットバーとによって構成することにより、マグネットトラップの着脱を容易に行え、マグネットトラップの清掃作業を容易に行うことができる。
【００２３】
また、マグネットバーの周囲を、摩耗粉の透過穴を有する非磁性体からなるカバーを設けることにより、球状粒子とマグネットバーとの衝突を防止できると共に、マグネットトラップの球状粒子を充填する収容空間内への装着も容易になる。
【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】マグネットトラップのマグネットバーの周囲に非磁性体のカバーを装着した実施形態を示す収容空間部分の拡大図である。
【図５】マグネットバーの外周面に軸方向に沿う縦溝を設けたマグネットトラップの正面図である。
【図６】マグネットバーの外周面に周方向に沿う横溝を設けたマグネットトラップの正面図である。
【図７】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を収容する収容空間７が設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの一方の固定リング１１ｂの前記収容空間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。
【００３５】
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）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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
前記収容空間７には、収容空間７内の摩耗粉を吸着するために、機器ハウジング３側から少なくとも一つ以上のマグネットトラップ１５を挿入設置している。
【００３９】
前記マグネットトラップ１５は、機器ハウジング３に設けた固定穴１６にねじ込まれるねじ部１５ａと、球状粒子６を充填する収容空間７内に挿入されるマグネットバー１５ｂとからなり、ねじ部１５ａを回転させることによって、マグネットバー１５ｂを機器ハウジング３に対して着脱できるようにすることにより、マグネットバー１５ｂに付着した摩耗粉の清掃が容易に行える。
【００４０】
ねじ部１５ａの端面には、六角レンチを係合する六角穴１５ｃを設けている。
前記マグネットトラップ１５は、収容空間７の軸方向もしくは円周方向の少なくとも一方向に、複数個設置することが望ましい。
【００４１】
また、前記マグネットバー１５ｂの外形は、円筒形でも角柱形のいずれでもよいが、円筒形の方が、前記収容空間７への球状粒子６の充填量を多くすることができるので望ましい。
【００４２】
また、図４に示すように、前記マグネットトラップ１５のマグネットバー１５ｂを挿し込む機器ハウジング３に設けた固定穴１６には、機器ハウジング３から収容空間７内に向かってマグネットバー１５ｂの周囲を覆う非磁性体からなるカバー１７を取付けておくことが望ましい。
【００４３】
マグネットバー１５ｂの周囲を覆う非磁性体からなるカバー１７を取付けておくことにより、球状粒子６とマグネットバー１５ｂとの衝突を防止できる。
【００４４】
前記カバー１７を機器ハウジング３に装着しておくことにより、マグネットトラップ１５の機器ハウジング３への着脱を容易に行える。
【００４５】
前記カバー１７には、球状粒子６を透過せず、摩耗粉のみが透過する透過穴（図示省略）が設けられている。
【００４６】
前記カバー１７は、機器ハウジング３の固定穴１６に対してネジ、圧入、溶接などのいずれかの方法で固定する。
【００４７】
前記マグネットトラップ１５のマグネットバー１５ｂの外周面に、図５に示すように、マグネットバー１５ｂの軸方向に沿う縦溝１５ｄ、あるいは、図６に示すように、マグネットバー１５ｂの周方向に沿う横溝１５ｅを設けることにより、摩耗粉の付着面積を大きくすることができる。
【００４８】
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。
【００４９】
ところが、前記収容空間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、前記収容空間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、前記収容空間７内を推進剤のガスで置換することができない。
【００５０】
このため、図１に示す実施形態では、前記収容空間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。
【００５１】
前記マグネットトラップ１５は、空気抜き用流路１４の近傍に設置することが望ましい。前記マグネットトラップ１５を空気抜き用流路１４の近傍に設置することにより、空気の流れに沿う摩耗粉を効果的に捕集することができる。
【００５２】
以上の実施形態では、前記マグネットトラップ１５を機器ハウジング３の固定穴１６にねじ固定しているが、前記マグネットトラップ１５は、機器ハウジング３の固定穴１６に対して圧入、溶接などの方法で固定するようにしてもよい。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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】
【００５６】
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
１３    ：耐粉塵フィルタ
１３ａ  ：予圧用ばね
１３ｂ  ：予圧リング
１４    ：空気抜き用流路
１５    ：マグネットトラップ
１５ａ  ：ねじ部
１５ｂ  ：マグネットバー
１５ｃ  ：六角穴
１５ｄ  ：縦溝
１５ｅ  ：横溝
１６    ：固定穴
１７    ：カバー
【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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