(57)【要約】【課題】  減衰軸受装置において、流体膜ダンパの半径隙間を小さくしその減衰係数を大きくして軸受部と軸受ハウジングとが衝突し易くなっても、分数調波共振が発生しにくくすること。【解決手段】  減衰軸受装置１は、ロータ２を回転自在に支持する軸受部２０と、軸受部２０の外周側に配置される軸受ハウジング５と、軸受部２０と軸受ハウジング５との隙間に流体膜６を形成する流体膜ダンパ１５とを有する。軸受部２０及び軸受ハウジング５の流体膜形成面の少なくとも一方に低硬度の表面膜７が形成されている。【選択図】  図１
2005321035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータを回転自在に支持する軸受部と、
前記軸受部の外周側に配置される軸受ハウジングと、
前記軸受部と前記軸受ハウジングとの隙間に流体膜を形成する流体膜ダンパと、を有する減衰軸受装置において、
前記軸受部及び前記軸受ハウジングの流体膜形成面の少なくとも一方に低硬度の表面膜を形成した
ことを特徴とする減衰軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載された減衰軸受装置において、前記流体膜ダンパの流体膜を形成する作動流体として水を主成分とする低粘度の液体を用いたことを特徴とする減衰軸受装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載された減衰軸受装置において、前記軸受部及び前記軸受ハウジングの流体膜形成面の何れか一方に表面膜を形成し、この表面膜とこれに対向する前記軸受部または前記軸受ハウジングとの接触剛性を、前記軸受部と前記軸受ハウジングとの接触剛性より小さくしたことを特徴とする減衰軸受装置。
【請求項４】
請求項３に記載された減衰軸受装置において、前記表面膜とこれに対向する前記軸受部または前記軸受ハウジングとの接触剛性を、前記軸受部と前記軸受ハウジングとの接触剛性の半分程度としたことを特徴とする減衰軸受装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載された減衰軸受装置において、前記軸受部を軸受とこれに固定されたダンパブッシュとで構成し、前記ダンパブッシュの外周面を前記軸受ハウジングの内周面と対向させ、このダンパブッシュの外周面に前記表面膜を形成したことを特徴とする減衰軸受装置。
【請求項６】
請求項５に記載された減衰軸受装置において、前記ダンパブッシュを前記軸受ハウジングに半径方向に滑らかに移動可能に設けると共に、前記軸受と前記ダンパブッシュとを着脱可能に固定したことを特徴とする減衰軸受装置。
【請求項７】
請求項１または２に記載された減衰軸受装置において、前記軸受部を柔軟に支持する軸受支持部材を前記軸受ハウジングに装着したことを特徴とする減衰軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減衰軸受装置に係り、特にガスタービンやターボ圧縮機などの高速ターボ機械に好適な減衰軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題への関心が高まる中、ターボ機械に対する小型化、高効率化の要求が強くなっている。
【０００３】
出力を確保しつつ小型化を図るためには、運転回転速度を高速化することが有効である。しかし、回転体を高速化すると、オイルホワールに代表される不安定振動により安定性が低下する。また、回転体の高速化により、一般的に振動応答倍率が高い高次の危険速度を通過することが必要になる。
【０００４】
一方、ターボ機械の高効率化のために、軸受損失の低減が求められている。転がり軸受や低粘度の流体を用いたすべり軸受を使用すると、軸受損失は低減されるが、軸受の減衰係数が小さくなるため、危険速度の振動応答倍率が高くなるという問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決するためには、軸支持部に制振能力の高い減衰機能を付加することが有効であり、軸受の外周側に流体膜ダンパを設置する例が多くみられる。
【０００６】
その流体膜ダンパの構造は、例えば特開２００１−５０２６７号公報（特許文献１）に開示されている。この流体膜ダンパは、軸受に固定されたダンパブッシュと、ダンパブッシュの外周側に配置される軸受ハウジングとの隙間に流体膜を形成し、流体膜のスクイーズ作用により減衰力を得るものである。流体膜の減衰特性の安定化を目的として、ダンパブッシュと軸受ハウジングとの偏心が小さくなるように、ダンパブッシュを柔軟に支持する軸受支持部材を設置する構造が主流になっている。
【０００７】
このような流体膜ダンパの減衰係数計算方法は、例えば「堀著、振動工学ハンドブック、養賢堂、（１９７６）９３５」（非特許文献１）に開示されており、ダンパブッシュと軸受ハウジングとの偏心が無い条件での減衰係数Ｃは、短軸受幅理論から次の数式（１）で与えられる。
【０００８】
【数１】
2005321035.tif 000003
【０００９】
但し、πは円周率、μは流体の粘性係数、Ｒはダンパ径、Ｌはダンパ幅、ｃは半径隙間である。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−５０２６７号公報
【００１１】
【非特許文献１】堀、振動工学ハンドブック、養賢堂、（１９７６）９３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の減衰軸受装置において、回転軸であるロータの振動振幅が増加してダンパブッシュと軸受ハウジングが衝突すると、回転速度の整数分の一の周波数の低周波振動が発生する。特に、回転速度がロータの固有振動数の整数倍になると、分数調波共振が発生し、ロータの振動振幅が更に増大するという問題がある。この現象は、衝突により流体膜ダンパの剛性が急激に増加するという、剛性の強い非線型性に起因している。
【００１３】
数式１からわかるように、流体膜ダンパの減衰係数を大きくするためには、流体膜ダンパの半径隙間を小さくすることが有効である。しかし、流体膜ダンパの半径隙間を小さくすると、より小さな振動振幅でも流体膜ダンパの衝突が発生することになる。また、構造簡略化のためにダンパブッシュの軸受支持部材を省略した場合は、振動振幅が比較的小さい領域から衝突が発生する。
【００１４】
本発明の目的は、流体膜ダンパの半径隙間を小さくしその減衰係数を大きくして軸受部と軸受ハウジングとが衝突し易くなっても、分数調波共振が発生しにくい減衰軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明は、ロータを回転自在に支持する軸受部と、前記軸受部の外周側に配置される軸受ハウジングと、前記軸受部と前記軸受ハウジングとの隙間に流体膜を形成する流体膜ダンパと、を有する減衰軸受装置において、前記軸受部及び前記軸受ハウジングの流体膜形成面の少なくとも一方に低硬度の表面膜を形成したことにある。
【００１６】
係る本発明のより好ましい具体例は次の通りである。
（１）前記流体膜ダンパの流体膜を形成する作動流体として水を主成分とする低粘度の液体を用いたこと。
（２）前記軸受部及び前記軸受ハウジングの流体膜形成面の何れか一方に表面膜を形成し、この表面膜とこれに対向する前記軸受部または前記軸受ハウジングとの接触剛性を、前記軸受部と前記軸受ハウジングとの接触剛性より小さくしたこと。
（３）上記（２）に加えて、前記表面膜とこれに対向する前記軸受部または前記軸受ハウジングとの接触剛性を、前記軸受部と前記軸受ハウジングとの接触剛性の半分程度としたこと。
（４）前記軸受部を軸受とこれに固定されたダンパブッシュとで構成し、前記ダンパブッシュの外周面を前記軸受ハウジングの内周面と対向させ、このダンパブッシュの外周面に前記表面膜を形成したこと。
（５）上記（４）に加えて、前記ダンパブッシュを前記軸受ハウジングに半径方向に滑らかに移動可能に設けると共に、前記軸受と前記ダンパブッシュとを着脱可能に固定したこと。
（６）前記軸受部を柔軟に支持する軸受支持部材を前記軸受ハウジングに装着したこと。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、軸受部及び軸受ハウジングの流体膜形成面の少なくとも一方に低硬度の表面膜を形成したので、流体膜ダンパの半径隙間を小さくしその減衰係数を大きくして軸受部と軸受ハウジングとが衝突し易くなっても、分数調波共振が発生しにくい減衰軸受装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１９】
まず、本発明の第１実施例の減衰軸受装置を図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例の減衰軸受装置を示す縦断面図、図２は図１の減衰軸受装置における流体膜ダンパの剛性特性を表面膜無しの場合と比較して示す図、図３は図１の減衰軸受装置の振動振幅特性を表面膜無しの場合と比較して示す図である。図３において、（ａ）は従来例の振動振幅を示す図、（ｂ）は本実施例の振動振幅を示す図である。
【００２０】
減衰軸受装置１は、図１に示すように、軸受部２０、軸受ハウジング５、及び流体膜ダンパ１５を備えて構成されている。本実施例の減衰軸受装置１は、マイクロガスタービン用の減衰軸受装置を想定している。
【００２１】
回転軸であるロータ２は軸受部２０によって回転自在に支持されている。軸受部２０は、軸受３とダンパブッシュ４とで構成されている。軸受３は、一般に安価で信頼性の高い滑り軸受で構成され、ロータ２の外周に配置されてロータ２との摺動部を形成している。ダンパブッシュ４は、リング状に形成され、軸受３の外周に固定されている。軸受３とダンパブッシュ４とは軸受固定ボルト１０により着脱可能に固定されている。これらを着脱可能とすることにより、何れか一方が損傷または性能が劣化した場合に、損傷または性能が劣化した部材のみを交換することができる。
【００２２】
ダンパブッシュ４の外周側には軸受ハウジング５が配置されている。ダンパブッシュ４は、軸受ハウジング５の内周面の両側に設置された軸受支持部材８ａ、８ｂにより柔軟に支持されている。軸受支持部材８ａ、８ｂと流体膜６との支持機能が相俟って軸受部２０を良好に支持することができる。本実施例においては軸受支持部材８としてゴム製のＯリングを使用している。また、ダンパブッシュ４は軸受カバー９により軸方向に拘束されている。そして、ダンパブッシュ４が半径方向に滑らかに移動できるように、ダンパブッシュ４と軸受カバー９との間には僅かな隙間が設けられている。軸受カバー９は軸受カバー固定ボルト１１により軸受ハウジング５に着脱可能に固定されている。
【００２３】
ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５との隙間には、流体供給流路１２から供給される作動流体が満たされており、流体膜６が形成されている。流体供給流路１２は軸受ハウジング５の外側から半径方向内側に延び、ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５との隙間の中央部に表面膜７に対向して開口されている。
【００２４】
ロータ２の振動は軸受３を介してダンパブッシュ４に伝達され、流体膜６の厚さが変動することにより流体膜ダンパ１５として機能する。流体膜ダンパ１５の作動流体はダンパブッシュ４に設けた複数の流体排出流路１４から外部に排出される。流体排出流路１４は、流体供給流路１２の左右両側に位置して表面膜７を貫通して設けられている。
【００２５】
補機構成の単純化のために、流体膜ダンパ１５の作動流体と軸受３の潤滑流体は同一の流体を使用している。軸受３の損失低減及び凍結防止の観点から、水に凍結防止剤を混入した粘性の低い液体を使用している。
【００２６】
ダンパブッシュ４の流体膜６の形成面には低硬度の表面膜７が形成されている。表面膜７は軸受部２０及び軸受ハウジング５の流体膜形成面の少なくとも一方に形成されていることが必要である。本実施例では、ダンパブッシュ４の外周面にのみに表面膜７を形成した安価な構造を採用しており、具体的には、防振ゴムをダンパブッシュ４の外周面全体に貼り付けて表面膜７としている。表面膜７を軸受部２０側に設けることにより、表面膜７が損傷または性能が低下した場合には、軸受部２０を取外して交換することが可能である。
【００２７】
図２は低硬度の表面膜７の有無による流体膜ダンパ１５の剛性特性の違いを模式的に示している。低硬度の表面膜７が無い場合には、図２の一点鎖線の特性から明らかなように、ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５とが衝突した瞬間に、流体膜ダンパ１５の剛性が、軸受支持部材８の剛性から、ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５の接触剛性へと急激に変化し、流体膜ダンパ１５の剛性が強い非線型性を有するため、後述する図３（ａ）に示すように分数調波共振が発生しやすい。
【００２８】
一方、本実施例のように低硬度の表面膜７が有る場合は、図２実線の特性から明らかなように、流体膜ダンパ１５の剛性が、軸受支持部材８の剛性から低硬度の表面膜７の接触剛性を介して、ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５の接触剛性へと移行するため、流体膜ダンパ１５の剛性の非線型性が緩和され、後述する図３（ｂ）に示すように分数調波共振が発生しにくくなる。これによって、減衰軸受装置１による振動を低減することができると共に、信頼性を向上することができる。
【００２９】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ、低硬度の表面膜７が無い場合と有る場合のロータ２の振動周波数スペクトルの計算例を示す。本計算例におけるロータ２の回転速度は２００Ｈｚである。低硬度の表面膜７が無い場合の計算結果では、図３（ａ）に示すように、流体膜ダンパ１５の剛性の強い非線型性により、回転速度の半分の周波数である１００Ｈｚの周波数の分数調波共振が発生している。一方、本実施例の低硬度の表面膜７が有る場合の計算結果では、図３（ｂ）に示すように、１００Ｈｚの周波数の分数調波共振は発生していない。このことから、流体膜１５形成面に低硬度の表面膜７を形成することにより分数調波共振を抑制できることがわかる。
【００３０】
本実施例では、流体膜ダンパ１５の作動流体として水を主成分とする粘度の低い液体を使用しているため、粘度の高い油などを使用する場合と比較して、流体膜ダンパの流体反力が小さく、流体膜６の破断によるダンパブッシュ４と軸受ハウジング５間の衝突が発生しやすい。このため、低粘度の液体を流体膜６の作動流体として用いると共に、流体膜６形成面に低硬度の表面膜７を形成した場合における分数調波共振抑制の効果が顕著である。また、水は腐食を発生させやすい流体であるので、流体膜６形成面の表面膜は、流体膜ダンパ１５の腐食防止の観点からも有効である。
【００３１】
低硬度の表面膜７の厚さは数十μｍから数ｍｍの範囲が効果的である。すなわち、表面膜７の厚さが薄過ぎると、軸受ハウジング５との接触剛性が大きくなり過ぎてしまうと共に、表面膜７の厚さが厚過ぎると、スクイズフィルムダンパの減衰能力が低下するおそれがある。低硬度の表面膜７の接触剛性が、ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５間の接触剛性の１／２程度であるとき、分数調波共振の抑制効果が最も大きい。
【００３２】
なお、低硬度の表面膜７は図１に示すようにダンパブッシュ４の流体膜６形成面に形成しても良いし、軸受ハウジング５の流体膜６形成面に形成しても良く、ダンパブッシュ４と軸受ハウジング５の両方に形成しても良い。また、低硬度の表面膜７の材料としてゴム以外の物質、例えば樹脂材を使用しても良い、使用条件によっては軸受メタル材などを使用してよく、制振塗料などを塗布しても良い。
【００３３】
また、使用条件によっては、流体膜ダンパ１５の作動流体として、粘性の低い油などの、水以外の流体を採用しても良く、流体膜ダンパ１５と軸受３で別の流体を使用しても良い。
【００３４】
また、使用条件によっては、軸受支持部材８として金属ばねや樹脂材などの、ゴム製Ｏリング以外のものを使用しても良く、軸受支持部材８を省略しても良い。
【００３５】
また、軸受３とダンパブッシュ４とを分割せずに一体構造とすれば、分割による有利点がなくなるが、安価な軸受部２０とすることができる。
【００３６】
次に、本発明の第２実施例について図４を用いて説明する。図４は本発明の第２実施例の減衰軸受装置の縦断面図である。この第２実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００３７】
この第２実施例では、軸受部２０が軸受３のみで構成されており、軸受３として転がり軸受を用いている。転がり軸受３を用いることにより、滑り軸受を用いたものと比較して軸受３の損失を低減できる。また、第２実施例では、転がり軸受３の外周面を流体膜６形成面とし、その外周面に表面膜７を直接形成しているので、ダンパブッシュを設ける場合に比較して部品点数を削減できる。さらに、第２実施例では、流体排出流路１４を軸受ハウジング５に形成し、転がり軸受３に流体排出流路１４を形成していないため、一般的な構造の転がり軸受３を用いることができる。なお、第２実施例では、軸受支持部材８を省略しているため、流体膜ダンパ１５の剛性の非線型性が強くなり、分数調波共振は比較的発生しやすくなるが、部品点数を削減できる。
【００３８】
上述した各実施例によれば、流体膜ダンパ１５の流体膜形成面に低硬度の表面膜７を形成したことにより、流体膜ダンパ１５の衝突による剛性の急激な変化を緩和できるため、分数調波共振を発生しにくくできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施例の減衰軸受装置を示す縦断面図である。
【図２】図１の減衰軸受装置における流体膜ダンパの剛性特性を表面膜無しの場合と比較して示す図である。
【図３】図１の減衰軸受装置の振動振幅特性を表面膜無しの場合と比較して示す図である。
【図４】本発明の第２実施例の減衰軸受装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…減衰軸受装置、
２…ロータ、
３…軸受、
４…ダンパブッシュ、
５…軸受ハウジング、
６…流体膜、
７…低硬度の表面膜、
８…軸受支持部材、
９…軸受カバー、
１０…軸受固定ボルト、
１１…軸受カバー固定ボルト、
１２…流体供給流路、
１４…流体排出流路、
１５…流体膜ダンパ、
２０…軸受部。
【図１】
2005321035.tif 000004
【図２】
2005321035.tif 000005
【図３】
2005321035.tif 000006
【図４】
2005321035.tif 000007