(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
追従性軸受ハウジング（３８）と、
前記追従性軸受ハウジング（３８）に結合し、それぞれがスラスト面（５６）を有する１つまたは複数の軸受パッド（２４）と、
加圧気体潤滑剤（２２）を前記１つまたは複数の軸受パッド（２４）の前記スラスト面（５６）に供給するように構成された気体吐出システム（５２）と、
前記追従性軸受ハウジング（３８）と並行して動作するように構成された減衰システムと
を備えるスラスト軸受（１６）。
【請求項２】
ターボ機械（１０）の内側に配置されたロータ（１４）に取り付けられるように構成された請求項１記載のスラスト軸受（１６）。
【請求項３】
前記気体吐出システム（５２）が、
加圧気体潤滑剤（２２）を、気体供給口（７４）を通して前記軸受（１６）に供給するように構成された気体入口（３０）と、
前記加圧気体潤滑剤（２２）が中を通って流れる可撓性蛇腹（４８）と、
前記加圧気体潤滑剤（２２）が前記軸受（１６）の前記スラスト面（５６）に達するように中を通って流れる１つまたは複数の気体吐出オリフィス（４０）と
を備える、請求項１記載のスラスト軸受（１６）
【請求項４】
前記軸受ハウジング（３８）が、放電加工によって前記軸受ハウジング（３８）に加工された１つまたは複数の追従性ばね（２６）を備える、請求項１記載のスラスト軸受（１６）。
【請求項５】
前記１つまたは複数の追従性ばね（２６）がＳ字形である、請求項４記載のスラスト軸受（１６）。
【請求項６】
前記１つまたは複数の追従性ばね（２６）が片持ちである、請求項４記載のスラスト軸受（１６）。
【請求項７】
第１の容積（６６）と第２の容積（６８）とを分離し、前記第１の流体容積（６６）と前記第２の流体容積（６８）との間に制限的な経路を画定するダンパプランジャ（６０）を、前記減衰システムが備え、前記追従性軸受ハウジング（３８）が撓むと、前記ダンパプランジャ（６０）が、前記第１の容積（６６）と前記第２の容積（６８）との間を動いて、前記第１の容積（６６）と前記第２の容積（６８）との間の流体流れを許容し、または制限するように構成された、請求項１記載のスラスト軸受（１６）。
【請求項８】
前記減衰システムがワイヤメッシュダンパ（７２）を備える、請求項１記載のスラスト軸受（１６）。
【請求項９】
前記気体吐出システム（５２）が、
前記軸受ハウジング（３８）の側面に配置された気体供給口（７４）と、
前記ワイヤメッシュダンパ（７２）と空洞（５４）との間に配置されたカバープレート（７６）と、
加圧気体潤滑剤（２２）が前記空洞（５４）から前記軸受（１６）の前記スラスト面（５６）に流れることができるように構成された１つまたは複数の気体吐出オリフィス（４０）と
を備える、請求項８記載の気体潤滑スラスト軸受（１６）。
【請求項１０】
スラスト面（５６）と、
加圧気体潤滑剤（２２）を前記スラスト面（５６）に供給するように構成された気体吐出システム（５２）と、
前記スラスト面（５６）に結合された１つまたは複数の追従性ばね（２６）と、
前記追従性ばね（２６）と並行して動作するように構成された減衰システムと
を備える、ターボ機械（１０）で使用するための気体潤滑スラスト軸受（１６）。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の追従性ばね（２６）が、放電加工によって加工されたＳ字形のばねを含む、請求項１０記載の気体潤滑スラスト軸受（１６）。
【請求項１２】
第１の容積（６６）と第２の容積（６８）とを分離し、前記第１の流体容積（６６）と前記第２の流体容積（６８）との間に制限的な経路を画定するダンパプランジャ（６０）を、前記減衰システムが備え、前記追従性軸受ハウジング（３８）が撓むと、前記ダンパプランジャ（６０）が、前記第１の容積（６６）と前記第２の容積（６８）との間を動いて、前記第１の容積（６６）と前記第２の容積（６８）との間の流体流れを許容し、または制限するように構成された、請求項１０記載の気体潤滑スラスト軸受（１６）。
【請求項１３】
前記減衰システムがワイヤメッシュダンパ（７２）を備える、請求項１０記載の気体潤滑スラスト軸受（１６）。
【請求項１４】
前記ワイヤメッシュダンパ（７２）がセグメント化されている、請求項１３記載の気体潤滑スラスト軸受（１６）。
【請求項１５】
それぞれがスラスト面（５６）を備える１つまたは複数の軸受パッド（２４）と、
加圧気体潤滑剤（２２）を前記１つまたは複数の軸受パッド（２４）の前記スラスト面（５６）に供給するように構成された気体吐出システム（５２）と、
前記軸受パッド（２４）に結合した追従性軸受ハウジング（３８）と、
前記追従性軸受ハウジング（３８）と並行して動作するように構成された減衰システムと
を備えるスラスト軸受（１６）
を備えるターボ機械（１０）。
【請求項１６】
前記ターボ機械（１０）が動いていないときに、前記加圧気体潤滑剤（２２）を加圧状態に保つように構成されたバッファタンクをさらに備える、請求項１５記載のターボ機械（１０）。
【請求項１７】
前記加圧気体潤滑剤（２２）がプロセス流体である、請求項１５記載のターボ機械（１０）。
【請求項１８】
前記加圧気体潤滑剤（２２）が、前記ターボ機械（１０）の一箇所から抜き出されたプロセス流体である、請求項１５記載のターボ機械（１０）。
【請求項１９】
前記気体吐出システム（５２）が、前記軸受パッド（２４）の前記スラスト面（５６）からずれた１つまたは複数の窪んだ気体吐出オリフィス（４０）をさらに備える、請求項１５記載のターボ機械（１０）。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の軸受パッド（２４）が、気体透過性の多孔質体をさらに含む、請求項１５記載のターボ機械（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、ターボ機械または他の回転機器で使用するためのスラスト軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械は、航空機エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、および他の様々な用途で見られる。ターボ機械の部分内で生じる圧力差によって、軸方向のスラストが生じる。例えば、遠心圧縮機では、圧縮機の段間の圧力差はロータの軸方向に沿ったスラストを発生させる。スラスト軸受は、ロータを定位置に保持して回転を可能にするためにしばしば用いられる。
【０００３】
ターボ機械では、典型的には、油潤滑スラスト軸受が用いられてきた。一般に、潤滑油の粘度が高ければ高いほど、軸受は大きな荷重を支持することができる。しかしながら、油潤滑軸受は、機械の作動流体を油から隔離することを保ちたいために、シールなどの多くの付属部品を必要とする場合がある。さらに、油潤滑軸受は、ポンプ、フィルタ、外部配管、熱交換器、およびセンサを含むことがある複雑な潤滑システムを必要とする。付属のシール構成部品のない密閉された機械を考えると、作動流体を油から隔離するという共通の要求によって油潤滑軸受の使用は制限される。さらに、油潤滑剤は、ＣＯ2などのプロセスガスと好ましくない反応をする場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第９５／０５５４７号
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態では、本システムは気体潤滑スラスト軸受である。スラスト軸受は、追従性軸受ハウジングと、軸受ハウジングに取り付けられ、それぞれがスラスト面を有する１つまたは複数の軸受パッドと、加圧気体を軸受パッドのスラスト面に供給するための気体吐出システムと、追従性軸受ハウジングと並行して動作する減衰システムとを含む。
【０００６】
別の実施形態では、本システムは、スラスト面と、加圧気体潤滑剤をスラスト面に供給するための気体吐出システムと、１つまたは複数の追従性ばねと、追従性ばねと並行して動作する減衰システムとを有する気体潤滑スラスト軸受である。
【０００７】
別の実施形態では、本システムは、それぞれがスラスト面を有する１つまたは複数の軸受パッドと、加圧気体潤滑剤を軸受パッドのスラスト面に供給するための気体吐出システムと、軸受パッドに取り付けられた追従性軸受ハウジングと、追従性軸受ハウジングと並行して動作する減衰システムとを有するスラスト軸受を有するターボ機械である。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様な符号が同様な部品を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の態様によるターボ機械の実施形態の図である。
【図２】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の実施形態の概略図である。
【図３Ａ】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の実施形態の側面図である。
【図３Ｂ】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の実施形態の正面図である。
【図４Ａ】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の気体吐出システムの実施形態の四分の一の断面図である。
【図４Ｂ】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の気体吐出システムの実施形態の詳細断面図である。
【図５Ａ】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の取付および減衰システムの実施形態の四分の一の断面図である。
【図５Ｂ】本開示の態様によるハイブリッドスラスト軸受の取付および減衰システムの実施形態の詳細断面図である。
【図６Ａ】本開示の態様によるワイヤメッシュダンパを有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】本開示の態様によるワイヤメッシュダンパを有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の側面図である。
【図６Ｃ】本開示の態様によるワイヤメッシュダンパを有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の背面図である。
【図７Ａ】本開示の態様による完全なリング状のワイヤメッシュダンパを有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の断面図である。
【図７Ｂ】本開示の態様によるセグメント化されたワイヤメッシュダンパを有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の断面図である。
【図８Ａ】本開示の態様によるワイヤメッシュダンパおよび片持ち梁支持部を有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の斜視図である。
【図８Ｂ】本開示の態様によるワイヤメッシュダンパおよび片持ち梁支持部を有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の側面図である。
【図８Ｃ】本開示の態様によるワイヤメッシュダンパおよび片持ち梁支持部を有するハイブリッドスラスト軸受の実施形態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
１つまたは複数の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明することはできない。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを認識すべきである。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを認識すべきである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。さらに、以下の議論のいかなる数値例も非限定的であることを意図し、したがって、追加の数値、範囲、およびパーセンテージは本開示の実施形態の範囲内である。
【００１２】
ターボ機械から油潤滑軸受を取り除きたいという願望は、気体潤滑軸受の探求および開発につながった。歴史的には、気体潤滑スラスト軸受は、スラスト荷重を支持するために、流体動力学的作用、または流体静力学的加圧に依存してきた。
【００１３】
形状が固定した従来の流体動力学的気体潤滑スラスト軸受は、薄い気体膜を利用して軸受を潤滑する。気体潤滑剤は油潤滑剤よりも粘度が低いので、流体動力学的気体潤滑軸受では、実質的な荷重を支持するために非常に狭い作動クリアランスを必要とする。部品をこのような厳しい公差で加工することは難しく、かつ非常に費用がかかる。その結果、流体動力学的気体潤滑軸受にとっては、平行度、アライメント、および作動中の振れは大きな課題であり、このため、大型機械に流体動力学的気体潤滑軸受を導入することは極めて困難である。軸受設計者は、スラストフォイル軸受で利用した設計コンセプトと同様に、追従性機械要素を使用してロータ形状および作動クリアランスの変動を許容することによってこの問題に対処している。追従性機械要素は気体膜よりも「柔軟」であるので、追従性機械要素はシステムのミスアライメントおよび振れを吸収し、したがって、健全な気体膜を維持する。追従性機械要素を使用することによって、軸受の寿命をより長く維持することができ、また、より高温および高速で運転できるが、流体動力学的気体潤滑スラスト軸受は、流体動力学的気体膜の負荷能力により、２００〜３００ｋＷの範囲の機械に限定される。
【００１４】
一方、流体静圧を利用する気体潤滑軸受は、回転の必要なしに軸受の負荷容量を増大させるために外部で加圧された潤滑膜を使用する。流体静圧を利用する気体潤滑軸受は、追従性機械要素を有しない。流体静圧を利用する気体潤滑軸受は追従性がないため、その用途は低い運転温度および低い速度の小型システムに限定される。さらに、追従性がないことによって、エッジロード、摩耗、および破滅的な焼付きがもたらされる場合がある。
【００１５】
流体静圧を利用する気体潤滑軸受はまた、「ニューマチックハンマ」と呼ばれる現象を受ける場合がある。気体潤滑剤は圧縮性であるため、圧力の変動が不安定さを引き起こす場合があり、それは非常に破壊的になる場合がある。したがって、流体静力学的気体潤滑軸受でのニューマチックハンマを避けるためには作動状態を注意深く制御する必要がある。
【００１６】
高出力の（３，０００ｋＷより高い）ターボ機械に使用して、高荷重、高速度、および高運転温度に耐えることができる気体潤滑スラスト軸受は存在しない。
【００１７】
下記で詳細に説明するように、本明細書では、流体動力学的作用および流体静圧の両方を利用し、高出力（３００ｋＷを超える出力）のターボ機械での使用に適する気体潤滑「ハイブリッド」スラスト軸受の実施形態を提供する。気体潤滑スラスト軸受の実施形態は、外部で加圧された気体潤滑剤、機械的に追従性のある何らかの形態、および減衰を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、機械的な追従性は、構造に追従性を与えるために軸受構造体を放電加工（ＥＤＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）することによって達成することができる。いくつかの実施形態では、減衰は、２つ以上の密閉された容積およびプランジャが容積間の流体流れを許容し、かつ制限することによって達成することができる。これの代わりに、他の実施形態では、減衰は、ワイヤメッシュ減衰システムを使用して達成することができる。
【００１８】
次に、図を参照すると、図１はターボ機械１０の実施形態を示す。ターボ機械１０は、ロータ１４に沿って１つまたは複数の段１２を有する。ロータ１４の端部には、ハイブリッドスラスト軸受１６がある。図１は、ターボ機械１０の特定の例として遠心圧縮機を示す。しかしながら，適するターボ機械１０の他の例としては、限定するものではないが、他のタイプの圧縮機、タービン、ポンプ、あるいは他の工業用また商業用ターボ機械が含まれる。図示のターボ機械１０は、長さが約２メートル、重さが約２２５キログラムである。ターボ機械１０は７つの段１２を有して示されているが、ターボ機械は任意の数の段１２、例えば、２、５、１０、１２、または１４個の段を有することができる。作動中、ターボ機械１０の段１２は、段１２間の圧力に差を生じさせ、それによって圧力による力が発生する。圧力による力は、ロータ１４の軸線に沿うスラストとなる。ロータ１４の端部にあるハイブリッドスラスト軸受１６は、ロータ１４を定位置に保持し、ロータ１４が回転できるようにしている。一般に、より高出力のターボ機械１０はより大きなスラストを発生する。したがって、より高出力のターボ機械１０は、より大きな負荷容量をもったハイブリッドスラスト軸受１６が必要となる。
【００１９】
気体潤滑スラスト軸受は現在、流体動力学的作用または流体静力学的加圧のどちらかに依存して利用でき、非常に限られた用途のターボ機械での使用に適しているにすぎない。従来の流体動力学的作用を利用する軸受は、気体潤滑剤の粘度が低いことが負荷容量を制限するので、２００〜３００ｋＷの範囲のターボ機械に限定される。一方、流体静圧を利用する軸受は、システム内に追従性の構造がないため、低温、低速で作動する小型システムに限定される。追従性がこのようにないことによって、エッジロード、摩耗、および破滅的な焼付きがもたらされる場合があり、これは軸受の寿命を制限する。流体静力学的加圧に依存する軸受はまた、ニューマチックハンマを受ける場合がある。本手法は、流体動力学的作用および流体静力学的加圧の両方を利用し、ニューマチックハンマを防ぐ、高出力の（３００ｋＷを超える）ターボ機械での使用に適した気体潤滑「ハイブリッド」スラスト軸受を利用する。
【００２０】
図２は、ハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態の概略図である。図２に示すハイブリッドスラスト軸受１６は、ロータ１４とともに回転する軸受ランナ２０を有する。軸受ランナ２０の両側には、加圧気体潤滑剤２２の層、１つまたは複数の軸受パッド２４、１つまたは複数の追従性ばね２６、および１つまたは複数のダンパ２８がある。後で論じるように、軸受ランナの両側には、単一のＯ字形の軸受パッド２４があってもよいし、扇形に分割された複数のパッ２４があってもよいし、あるいは他の何らかの構成であってもよい。いくつかの実施形態では、軸受パッド２４は、気体透過性の多孔質体より作ることができ、その結果、加圧気体潤滑剤２２は軸受パッド２４を通って流れる。
【００２１】
追従性ばね２６はシステムの静荷重を支持し、ダンパ２８は振動を軽減する。流体動力学的作用のみに依存する軸受（すなわち加圧気体潤滑剤２２のない軸受）は、回転しなければ荷重を担うことができない。ロータ１４および軸受ランナ２０が軸受パッド２４に対して回転すると、加圧気体潤滑剤２２は、荷重を担うことができる薄い気体膜を形成する。図２に示す実施形態では、追従性ばね２６が加圧気体潤滑剤２２より柔軟であることにより、加圧気体潤滑剤２２の健全な膜を維持することができるので、軸受ランナ２０と軸受パッド２４との間のいかなるミスアライメントも追従性ばね２６によって「吸収」される。追従性ばね２６は、実際には螺旋状のコイルばねとすることができるが、ばねである必要はなく、単にシステムに対して追従性を与える任意の形態であればよい。例えば、追従性ばね２６は、ＥＤＭ、ミーリング、または他の何らかの方法で軸受ハウジングを切り込んで追従性のある軸受ハウジングとなる形態とすることができる。さらに、図２は、軸受の両側に単一の追従性ばね２６を示しているが、軸受は、任意の数の追従性ばね２６、あるいは１つまたは複数の加工された形態を有する追従性のある構造（軸受ハウジング３８）を有することができることを理解すべきである。例えば、軸受のそれぞれの側は、１、２、４、６、８、または１０個の追従性ばね２６を有することができる。さらに、軸受ランナ２０の両側は同じ数のばねである必要はない。
【００２２】
加圧気体潤滑剤２２を使用することによって、ハイブリッドスラスト軸受１６は流体静圧も利用することができる。加圧気体潤滑剤２２を使って、ハイブリッドスラスト軸受１６は、ロータ１４が回転していないときでさえ何らかのスラスト荷重を支持することができる。したがって、加圧気体潤滑剤２２のおかげで、ハイブリッドスラスト軸受１６は、ロータ１４の回転なしでベースのスラスト荷重を支持することができる。ロータ１４が回転し始めると、ハイブリッドスラスト軸受１６の流体動力学的作用によって、ハイブリッドスラスト軸受１６の負荷容量は、加圧気体潤滑剤２２が担うことができる荷重を超えて増大する。流体静力学的加圧および流体動力学的作用の両方を利用して、ハイブリッドスラスト軸受１６は、高出力ターボ機械に共通する、より高速度、より高い運転温度、およびより大きなスラスト荷重に耐えることができる。
【００２３】
加圧気体潤滑剤２２は、ＣＯ2、または軸受の潤滑剤としての使用に適する他の任意の気体などのプロセスガスとすることができる。一実施形態では、加圧気体潤滑剤２２は、ターボ機械１０内、別のターボ機械内、または他の利用できる何らかのプロセス内の箇所から抜き出すことができる。加圧気体潤滑剤２２は、別の圧縮機または加圧タンクによって、あるいは、ターボ機械１０または別のターボ機械の何らかの箇所から抜き出された圧力で加圧することができる。さらに、起動のために、圧力はバッファタンク、別のターボ機械、または他の任意の適切な加圧源から得ることができる。同様に、ターボ機械１０の停止には、バッファタンクを加圧することが含まれ、その後にそれを使用して次の起動前に加圧気体潤滑剤２２を供給することができる。
【００２４】
一実施形態では、ハイブリッドスラスト軸受１６でのニューマチックハンマを防ぐためにダンパ２８が用いられる。ダンパ２８は、エネルギーを消費して、システムの振動速度に抵抗することによって、圧縮性気体、この場合は加圧気体潤滑剤２２を加圧することから生じるハイブリッドスラスト軸受１６への不安定さの影響を最小限にする。ハイブリッドスラスト軸受１６の減衰は、多くの様々な方法で達成することができる。例えば、ハイブリッドスラスト軸受１６の減衰は、２つ以上の密閉された容積およびプランジャを有して、容積間の流体流れを許容し、かつ制限することによって達成することができる。これに代えて、ハイブリッドスラスト軸受１６は、ワイヤメッシュを利用して、周期的な変形を通じた減衰（構造減衰）およびクーロン減衰を達成することができる。これらの、および他の減衰方法の詳細は、特定の実施形態を説明する際により詳しく論じる。ハイブリッドスラスト軸受１６は、軸受ランナ２０の両側に１つまたは複数の減衰構造を含むことができる。
【００２５】
図３Ａおよび３Ｂは、ハイブリッドスラスト軸受１６の一実施形態の側面図および正面図である。図３Ａおよび３Ｂは可能な実施形態にすぎず、特許請求の範囲を限定することを意図するものではないことに留意すべきである。図３Ａは、ハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態の側面図である。図３Ａに示す実施形態は、軸受パッド２４、軸受ハウジング３８に加工された追従性ばね２６、気体入口３０、バックプレート３４、取付用スタッド３６、および気体吐出オリフィス４０を含む。軸受パッド２４は、軸受ランナ２０および加圧気体潤滑剤２２に面する。軸受パッド２４は軸受ハウジング３８に接続され、軸受ハウジング３８はばね２６およびダンパ２８要素を有する。この特定の実施形態では、追従性ばね２６は、ＥＤＭによって軸受ハウジング３８に一体的に加工され、その結果、軸方向に追従性のあるＳ字形の追従性ばね２６となる。追従性ばね２６は、軸受パッド２４とベースプレート３４とが互いに対して動くことができるように追従性がある。図３Ａはまた、加圧気体潤滑剤２２をシステムに供給するための気体入口３０を示している。加圧気体潤滑剤２２吐出システムは、他の実施形態を説明する際により詳しく説明する。
【００２６】
図３Ｂは、図３Ａに示した構成部品と同じ構成部品を含むハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態の正面図である。軸受パッド２４は、回転面の周方向に沿って配置され、軸受ランナ２０に面する４つのパッドとして示されている。ハイブリッドスラスト軸受１６は、単一のＯ字形の軸受パッド２４、または図３Ｂに示すような複数のより小さな軸受パッド２４を有することができることを理解すべきである。軸受パッド２４には気体吐出オリフィス４０の配列があり、加圧気体潤滑剤２２はオリフィス４０を通って流れて、２つの面の間に気体膜を形成するように流体静力学的な力を発生する。気体吐出オリフィスは、軸受パッド２４の表面に設けることができる、または窪ませて軸受パッド２４のスラスト面５６からずらすこともできる。軸受パッド２４はまた、加圧気体潤滑剤２２が軸受パッド２４を通って流れるように構成された気体透過性の多孔質体より作ることができる。図３Ｂに示すように、図示のハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態は、回転軸の周りに等間隔に配置された４つの気体入口３０および４つの取付用スタッド３６を有する。ハイブリッドスラスト軸受１６は、これより多いガス入口３０および取付用スタッド３６、またはこれより少ないガス入口３０および取付用スタッド３６を有することができることを理解すべきである。また、ハイブリッドスラスト軸受１６は、同じ数の気体入口３０と取付用スタッド３６とを有する必要はない。気体入口３０および取付用スタッド３６はまた、軸受の周囲の周りを等間隔に配置する必要はない。
【００２７】
図４Ａおよび４Ｂは、ハイブリッドスラスト軸受１６の気体吐出システム５２の一実施形態の断面図を示す。図４Ａは、ハイブリッドスラスト軸受１６の気体吐出システム５２の実施形態を示す四分の一の断面図である。図示の実施形態では、気体吐出システム５２は、気体入口３０、気体供給口７４、バックプレート３４、空洞５４、蛇腹４８、および気体吐出オリフィス４０を含む。加圧気体潤滑剤２２は気体入口３０によって送り込まれ、バックプレート３４の気体供給口７４を通って空洞５４内に入る。加圧気体潤滑剤２２は、ターボ機械１０の他の箇所からの、または別のターボ機械からのプロセスガス、あるいは、軸受潤滑剤として単独で使用する気体とすることができる。さらに、加圧気体潤滑剤２２は、ターボ機械１０の一部から抜き出した圧力、別のターボ機械から抜き出した圧力、圧縮機、バッファタンク、または他の何らかの圧力源によって加圧することができる。可撓性要素、この場合、蛇腹４８は、軸受パッド２４と空洞５４との間の流路を密封する。蛇腹４８は、追従性ばね２６が撓んで、軸受パッド２４およびバックプレート３４が互いに対して動いたときに密封が損なわれないように可撓性がある。次いで、加圧気体潤滑剤２２は、気体吐出オリフィス４０を通って軸受パッド２４のスラスト面５６に流れ出る。気体吐出オリフィスは、軸受パッド２４の表面に設けることができる、または窪ませて軸受パッド２４のスラスト面５６からずらすこともできる。軸受パッド２４はまた、加圧気体潤滑剤２２が軸受パッド２４を通って流れるように構成された気体透過性の多孔質体より作ることができる。
【００２８】
図４Ｂは、図４Ａに示したハイブリッドスラスト軸受１６の気体吐出システム５２と同じ実施形態を示す詳細な断面図である。加圧気体潤滑剤２２は気体入口３０によって気体供給口７４内に送り込まれる。気体は空洞５４を満たし、蛇腹４８および気体吐出オリフィス４０を通って軸受パッド２４のスラスト面５６に流れ出る。
【００２９】
図５Ａおよび５Ｂは、ハイブリッドスラスト軸受１６の取付および減衰システム５８の一実施形態の断面図を示す。図５Ａは、取付と減衰とを組み合わせたシステム５８の実施形態を示す四分の一の断面図である。図５Ａおよび５Ｂに示すシステムは、取付および減衰の両方を達成するが、取付および減衰を達成するために２つの別々のシステムもまた使用することができることを理解すべきである。取付および減衰システム５８の図示の実施形態は、バックプレート３４、内側ダンパシール４２、外側ダンパシール４４、第１の容積６６、第２の容積６８、ダンパプランジャ６０、取付用スタッド３６、ダイヤフラム６２、圧縮プレート６４、および軸受パッドハウジング４６を含む。この実施形態で使用される減衰システム５８は、２つの密閉された容積６６および６８、ならびにダンパプランジャ６０を使用し、内側および外側ダンパシールとダンパプランジャとの間に隙間を有し、それによって、容積６６と容積６８との間の流体流れを制限し、または許容する。しかし、これはハイブリッドスラスト軸受１６で減衰を達成するための１つの方法にすぎない。他の実施形態において他の減衰方法を詳細に説明する。本実施形態では、密閉された第１の容積６６および第２の容積６８は、内側ダンパシール４２、外側ダンパシール４４、およびダンパプランジャ６０によって形成される。取付用スタッド３６は、ダンパプランジャおよびスラスト面５６に取り付けられる。ダンパプランジャとスラスト面との間を機械的に接続することによって、ロータシステムからの振動運動を軸受ダンパに伝達することができる。システムは圧縮プレート６４によって定位置に保持される。追従性ばね２６が圧縮されると、ダンパプランジャ６０が動いて、流体が第１の容積６６から第２の容積６８に流れることができる。
【００３０】
図５Ｂは、図５Ａに示し、上記で説明した取付および減衰システム５８の実施形態を示す詳細な断面図である。取付用スタッド３６に付いているゴム状のダイヤフラム６２は、油が空洞から漏れ出ることを防ぐが、取付用スタッド３６が動けるようにしている。ダンパプランジャは、第１の容積６６と第２の容積６８とを接続する２つの薄い流路を画定する。追従性ばね２６が撓むと、流体は、第１の容積６６と第２の容積６８との間の２つの薄い流路を通って流れる。これは、ハイブリッドスラスト軸受１６を減衰させるための１つの方法にすぎず、特許請求の範囲を限定することを意図するものではないことを理解すべきである。他の実施形態を説明する際に、さらなる減衰の実施形態を論じる。
【００３１】
図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、ワイヤメッシュダンパ７２を有するハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態の様々な図を示す。図６Ａは、減衰のために流体流れを使用する図５Ａおよび５Ｂに示す２つの容積の取付および減衰システム５８ではなく、ワイヤメッシュダンパ７２を有するハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態を示す断面図である。ワイヤメッシュダンパ７２は、織った後に、高密度に詰まったリングまたはセグメントを形成するように絡みあった金属ワイヤ片または金属布片を圧縮することによって製造される。２つの容積間の流体流れを許容し、または制限することによって減衰を行なうのではなく、ワイヤメッシュダンパ７２が、ワイヤの周期的な変形（構造減衰）およびワイヤ間の相対運動（クーロン摩擦減衰）によってエネルギーを消費する。本実施形態では、Ｓ字形の追従性ばね２６が、ＥＤＭによって軸受ハウジング３８に加工される。ワイヤメッシュダンパ７２は、軸受ハウジング３８内でバックプレート３４上に載っている。ワイヤメッシュダンパ７２の上にはカバープレート７６があり、カバープレート７６は気体空洞５４をワイヤメッシュダンパ７２から密封する。加圧気体潤滑剤２２は、ハイブリッドスラスト軸受１６を潤滑するために、空洞５４から気体吐出オリフィス４０を通って軸受パッド２４のスラスト面５６に流れる。気体吐出オリフィスは、軸受パッド２４の表面に設けることができる、または窪ませて軸受パッド２４のスラスト面５６からずらすこともできる。軸受パッド２４はまた、加圧気体潤滑剤２２が軸受パッド２４を通って流れるように構成された気体透過性の多孔質体より作ることができる。
【００３２】
図６Ｂは、ワイヤメッシュダンパを有する図６Ａのハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態を示す側面図である。前に示した実施形態とは異なり、本実施形態は、ハイブリッドスラスト軸受１６の底部ではなく側面に気体供給口７４を有する。気体供給口７４はハイブリッドスラスト軸受１６のいかなるところにも配置することができ、ハイブリッドスラスト軸受１６の底部または側面に配置する必要がないことを理解すべきである。この実施形態では、気体入口３０は、加圧気体潤滑剤２２を軸受ハウジング３８に配置された気体供給口７４内に送り込む。
【００３３】
図６Ｃは、ワイヤメッシュダンパ７２を有する図６Ａおよび６Ｂのハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態を示す正面図である。前述のように、加圧気体潤滑剤２２は、軸受を潤滑するために、気体吐出オリフィス４０を通って軸受パッド２４のスラスト面５６に流れる。
【００３４】
図７Ａおよび７Ｂは、ワイヤメッシュダンパ７２の２つの実施形態を示す。図７Ａは、完全なリング状のワイヤメッシュダンパ７２を有するハイブリッドスラスト軸受１６を示す断面図である。これに代えて、図７Ｂは、セグメント化されたワイヤメッシュダンパ７２を有するハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態を示す。ワイヤメッシュダンパ７２は、単一のリング状の部品とすることもできるし、または任意の数のセグメントとすることもできることを理解すべきである。
【００３５】
図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃは、ワイヤメッシュダンパ７２、および軸受ハウジング３８に加工された片持ちの追従性ばね２６を有するハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態を示す。図８Ａで分かるように、ハイブリッドスラスト軸受１６の本実施形態は、完全なリング状のワイヤメッシュダンパ７２、および軸受ハウジング３８に加工された片持ちの追従性ばね２６を有する。図８Ａは完全なリング状のワイヤメッシュダンパ７２を示しているが、セグメント化されたワイヤメッシュダンパの使用もまた可能であることを理解すべきである。また、図８Ａでは、軸受ハウジング３８は、図７Ａおよび７Ｂに示すようにワイヤメッシュダンパ７２の内側および外側にあるのではなく、外側だけにある。その結果、片持ちの追従性ばね２６は、図７Ａおよび７Ｂに示すＳ字形の追従性ばね２６のようにワイヤメッシュダンパ７２の外側および内側にあるのではなく、ワイヤメッシュダンパ７２の外側だけにある。この違いは、限定することを意図しているわけではなく、単に追従性ばね２６を実現するための異なる方法を示しているだけであることを理解すべきである。追従性ばね２６は任意の形状とすることができ、また、ワイヤメッシュダンパ７２の内部、ワイヤメッシュダンパ７２の外部、あるいはワイヤメッシュダンパ７２の内部および外部の両方に配置することができる。
【００３６】
図８Ｂは、ワイヤメッシュダンパ７２および片持ちの追従性ばね２６を有するハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態の側面図である。図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃに示す実施形態と同様に、加圧気体潤滑剤２２は、軸受の側面の気体供給口７４を通ってハイブリッドスラスト軸受１６に供給される。各軸受パッド２４が多くの気体吐出オリフィス４０を有するのではなく、図８Ａに示すように、各軸受パッド２４は単一の気体吐出オリフィス４０を有することができる。軸受パッド２４は、任意の数、例えば、１、５、１０、５０、１００、または５００個の気体吐出オリフィス４０を有することができることを理解すべきである。さらに、各軸受パッド２４は、１つまたは複数の窪み８０を有することができ、それぞれ、１つまたは複数の気体吐出オリフィス４０を有することができる。これに代えて、ハイブリッドスラスト軸受１６は、窪み８０が全くない軸受パッド２４を有することができる。
【００３７】
図８Ｃは、ワイヤメッシュダンパ７２および片持ちの追従性ばね２６を有するハイブリッドスラスト軸受１６の実施形態の正面図である。図８Ｃで分かるように、ハイブリッドスラスト軸受１６は、軸受パッド２４間の軸受ハウジング３８にあけられた６つの貫通孔７８を有する。図８Ｃは、ハイブリッドスラスト軸受１６を６つの軸受パッド２４および６つの貫通孔７８を有する構成に限定することを意図するものではないことを理解すべきである。むしろ、ハイブリッドスラスト軸受１６は、任意の数の軸受パッド２４および貫通孔７８を有することができる。さらに、軸受パッド２４の数と貫通孔７８の数は等しくする必要はない。
【００３８】
本発明の技術的効果は、加圧気体潤滑剤、追従性のある構造、および減衰を利用する軸受を含む。技術的効果はまた、流体動力学的作用および流体静圧の両方を利用する気体潤滑スラスト軸受を含む。技術的効果はまた、高出力（例えば、３，０００ｋＷを超える）ターボ機械での使用に適する気体潤滑スラスト軸受を含む。
【００３９】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ターボ機械
１２  段
１４  ロータ
１６  ハイブリッドスラスト軸受
２０  軸受ランナ
２２  加圧気体潤滑剤
２４  軸受パッド
２６  追従性ばね
２８  ダンパ
３０  気体入口
３４  バックプレート
３６  取付用スタッド
３８  軸受ハウジング
４０  気体吐出オリフィス
４２  内側ダンパシール
４４  外側ダンパシール
４６  軸受パッドハウジング
４８  蛇腹
５２  気体吐出システム
５４  空洞
５６  スラスト面
５８  取付および減衰システム
６０  ダンパプランジャ
６２  ダイヤフラム
６４  圧縮プレート
６６  第１の容積
６８  第２の容積
７２  ワイヤメッシュダンパ
７４  気体供給口
７６  カバープレート
７８  貫通孔
８０  窪み
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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