(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向移動を生じる軸方向力が加えられる回転部材と、
前記回転部材の少なくとも一部に設けられたシール表面と、
前記回転部材に隣接配置される軸受と、
前記軸受に設けられたシール面であって、前記回転部材の前記シール表面に対向して位置し、前記シール表面との間に軸受間隙を形成するシール面と、
前記軸受内に設けられた流体リザーバであって、前記シール面と前記シール表面との間に形成される前記軸受間隙と連通する流体リザーバと、
流体動圧および流体静圧下の高圧流体を前記流体リザーバへ供給するために前記軸受を通って前記回転部材に隣接する高圧区域まで延びている少なくとも１個の通路であって、前記流体リザーバ内の高圧流体は、前記回転部材に加えられる軸方向力に対抗するように前記軸受の前記シール面に作用する通路と、
前記軸受の前記シール面に設けられた複数のポケットであって、前記流体リザーバと連通するように配置されたポケットと、
前記軸受の前記シール面に設けられた複数のくさび形凹部であって、前記凹部は前記ポケットに隣接し且つ連通するように配置され、また前記各凹部は、前記流体リザーバと重ならず且つ連通しないような半径方向位置を終端とする内方部分を有し、それによって流体が前記くさび形凹部を通過して前記流体リザーバに流れないようになっている凹部と
を有する流体動力学および流体静力学式スラスト軸受において、
前記リザーバからの流体が前記軸受の前記シール面の前記ポケットに流入し、前記ポケット内の流体は前記回転部材の回転につれて前記回転部材に引張られ前記くさび形凹部内へ流入し、前記くさび形凹部により形成された漸減間隙へ前記回転部材の回転によって前記流体が圧入されることで前記流体に加わる流体動圧が増加し、前記凹部内の前記増加した流体動圧は、前記回転部材に加えられる軸方向力に対抗するように前記軸受の前記シール面に作用し、
前記スラスト軸受は、前記回転部材に隣接する高圧区域と前記回転部材の中央区域との間の圧力損失を制限することによって高圧シールとして作用し、また
前記回転部材のシール表面と前記軸受のシール面との間の前記軸受隙間が流体動力学および流体静力学的な力によって決定されることを特徴とする流体動力学および流体静力学式スラスト軸受。
【請求項２】
前記くさび形凹部は、前記ポケットから周方向で遠ざかるにつれて、深さを減じている請求項１に記載されたスラスト軸受。
【請求項３】
前記回転部材は、前記ポケット内の流体を前記くさび形凹部に流入させる方向に回転するように設計されている請求項２に記載されたスラスト軸受。
【請求項４】
前記流体リザーバは、前記軸受の前記シール面に設けられた環状溝である請求項３に記載されたスラスト軸受。
【請求項５】
前記回転部材は、前記回転部材の軸方向移動を生じる反対両方向の軸方向力を受け、前記回転部材は、前記回転部材の前記シール表面と反対側に第２のシール表面を有し、また第２の軸受が前記回転部材の前記反対側に隣接して前記軸方向力に対抗するために配置されている請求項１に記載されたスラスト軸受。
【請求項６】
前記回転部材は液圧ターボチャージャ内に配置された翼車であり、前記ターボチャージャは圧力下の流体を受容する前記高圧区域を画設し、前記通路は前記ターボチャージャの高圧区域と連通しており、それによって前記高圧区域からの圧力下の流体が前記流体リザーバへ供給される請求項１に記載されたスラスト軸受。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、ポンプおよびタービン用のスラスト軸受に関するものである。より詳しく言えば、本発明のスラスト軸受は、軸方向スラスト荷重に適応するように設計されている。ポンプおよびタービン内では、通常、回転翼車に対しポンプ輸送流体により及ぼされる圧力に不均衡がある。流体入口での圧力は低く、ポンプ輸送流体から翼車反対側に加わる圧力は、通常高い。このため、ポンプまたはタービンの作動に影響を与え得る圧力の不均衡が翼車に生じる。
ポンプまたはタービンのロータに軸方向スラスト荷重が作用するのは、よく見られることである。時には、２連吸込ポンプの場合のように、軸方向スラストがロータの両側に均等またはほぼ均等に作用することもあり、このときロータのスラスト吸収量は大きな問題にはならない。しかし、大半の設計では、翼車に著しい軸方向スラストが加わり、ポンプまたはタービン内へのスラスト軸受の組込みが必要となるほどである。
大半の設計の工業用遠心ターボ機では、スラスト軸受が、圧力ケーシングとは別個のハウジング内に配置されている。これらのスラスト軸受は、通常、転動接触型（非摩擦玉およびコロ軸受）か、または滑り接触型（流体静力学または流体動力学式）であり、グリースまたはオイルで潤滑されている。
遠心式のポンプまたはタービンの設計は、米国特許第５０８２４２８号に記載されているように、圧力ケーシング内にスラスト軸受を配置することで、著しく簡略化できる。この構成では、軸方向スラスト荷重が吸収されるだけでなく、ポンプの高圧区域（吐出）と低圧区域（区間）との間の極めて効果的な面シールが得られる。９８％から９９％の容積効率が実際に達せられる。この値は、０．８５％から０．９％の容積効率（新しい場合）を有する通常の摩耗リングを備えたポンプに匹敵する。しかし、摩耗リングが摩耗すると、ポンプの効率は低下する。
本発明は、１９９２年１月２１日に発行された米国特許第５０８２４２８号に記載の高速遠心ポンプの改良品に関するものであり、且つその改良品そのものである。特に、本発明は、前記米国特許に初めに開示された潤滑スラスト軸受およびシールの新たな且つ有用な改良品である。このスラスト軸受は、ポンプ翼車の吸込側に隣接配置される流体静力学的な軸受である。翼車面と軸受面双方が、平らで互いに平行であり、且つまた回転軸線に対し正確に直角である。スラスト軸受およびシールの作用面には、３６０°に亘って環状溝が設けられている。内側ランド（平面部）が、環状溝とポンプ低圧区域との間のシールを形成している。スラスト軸受の外側ランドは、環状溝とポンプ高圧区域との間のシールを形成している。
環状溝は、導管を介して、ポンプ最高圧区域、すなわちディフューザ（吹出し部分）と連通している。原発明の働きについては、４欄２１行から６欄２５行までを参照のこと。
実際に判明したことは、純粋な流体静力学的なスラスト軸受およびシールが良好に働く場合は、翼車摩耗リングＯＤ（外径）に対する翼車ＯＤの比が十分に大きい値で、効果的なシールのための十分なランド面積に加えて、十分な環状溝面積が得られる場合である。このことは、低比速度の翼車（すなわち低流量で高ヘッド）については妥当する。しかし、高比速度の翼車（高流量で低ヘッド）で、比較的大きい摩耗リング（吸込アイ）直径と比較的小型の翼車ＯＤとを有するものの場合は、周辺の流体静力学的な区域でしかスラストの均衡が得られない。したがって、高速滑り接触が高比速度翼車に生じる場合には、しばしばスラスト軸受が故障する結果となる。
原特許のスラスト軸受およびシールの別の欠点は、圧縮流体が、ポンプのディフーザ区域から供給されることである。稼働時、ディフーザ区域内の圧力は、ポンプがシャットオフ（ゼロ流量）と最高効率点（ＢＥＰ）との間の容量範囲内で作動する場合には、流体静力学的スラスト軸受の動作に対し十分である。しかし、ＢＥＰを超える容量（ランアウト状態）では、ディフーザ内の流体が速度を増して、導管内の静圧が環状溝内の圧力以下となり、その結果導管内へ逆流するほどになる。この逆流は、翼車面とスラスト軸受面端部との間の重い滑り接触を防止するには、環状溝内の静圧が不十分であることを意味し、その結果、スラスト軸受／シールが破壊されることになる。
ランアウト状態は、ポンプシステムが充填されて、ポンプシステムが始動する際に、しばしば発生する。空気は（水等のたいていの流体に比して低密度の空気のため）極めて小さい圧力抵抗の弁またはオリフィス等の絞り装置を通過せしめられ、これによって遠心ポンプがＢＥＰ容量をはるかに超えて作動せしめられる。このような作動は数秒間にすぎないが、高速ポンプ内には往々にして摩擦接触が発生し、スラスト軸受が故障する。また、原設計条件を超えた不注意な操作も、しばしば生じる。本発明は、これらの問題を解消するものである。
したがって、翼車に加わる軸方向荷重を均衡させ、ポンプまたはタービンを出来るだけ効率的に作動させ得るポンプまたはタービン用軸方向スラスト軸受を得ることが望まれる。
発明の要約
本発明は、軸方向力を受けて軸方向に移動させられる回転部材のためのスラスト軸受に関するものである。回転部材の少なくとも一部分にはシール表面が設けられ、軸受は回転部材に隣接して配置されている。軸受にはシール面が設けられている。このシール面は、回転部材のシール表面と対向して設けられている。シール面とシール表面との間には軸受間隙が形成されている。
流体リザーバが軸受に設けられ、該流体リザーバは、シール面とシール表面との間の軸受間隙と連通している。通路が、軸受を経て回転部材に隣接する吐出区域まで延在し、流体リザーバに流体を供給している。
回転部材のシール表面には、複数のポケットが設けられ、該ポケットが流体リザーバと連通するように配置されている。回転部材のシール表面には、複数のくさび形凹部が設けられている。これらの凹部は、ポケットに隣接配置され、ポケットと連通している。これらの凹部は、流体リザーバと直接には連通していない。流体リザーバからの流体は、回転部材のシール表面のポケットに流入する。回転部材が回転するにつれて、ポケット内の流体は環状運動を行い、この環状運動によって流体が半径方向外方へ移動するにつれて、ポケット内の流体への圧力が増大する。ポケットによって発生させられる流体圧力は、軸受のシール面に作用し、回転部材に加わる軸方向力に対抗する。ポケットからの流体は、またくさび形凹部に流入する。回転部材の回転により、流体がくさび形凹部によって形成された縮減間隙へ圧入されるにつれて、流体に加わる圧力は増大する。凹部内の増圧された流体圧力は、また軸受のシール面に作用し、回転部材に加わる軸方向力に逆対抗する。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明のスラスト軸受の横断面図。
図２は図１に示したスラスト軸受の一部の平面図。
図３は図２の線３−３に沿った横断面図。
図４は本発明の別の実施例の横断面図。
図５は図４に示した実施例の一部の平面図で、一部を仮想的に示した図。
図６は本発明の別の実施例の横断面図。
図７は図６のスラスト軸受の固定部分の部分平面図。
図８は図６のスラスト軸受の回転部分の部分平面図。
図９は本発明の別の実施例の横断面図。
図１０は本発明の別の実施例のスラスト軸受の横断面図。
図１１は図１０に示した実施例の一部の部分平面図。
図１２は図１１の線１２−１２に沿った横断面図。
図１３は図１１の線１３−１３に沿った横断面図。
好適実施例の詳細な説明
本発明は、軸方向力を受ける回転部材の軸方向位置決めに使用されるスラスト軸受と面シールとに関するものである。更に詳しく言えば、このスラスト軸受は、回転部材の軸方向力を均衡させるために、流体静力学および流体動力学的な力を利用する。このスラスト軸受は、軸受表面と回転部材との間の流体膜を利用して、回転部材の軸方向位置決めを行う。
スラスト軸受の機能は、回転部材に作用する力による、回転部材の軸方向移動を制限することである。これらの力は、通常、回転部材の回転軸線と平行に作用する。スラスト軸受は、回転部材の軸方向運動を制限する一方、回転部材の自由回転を可能にするように働かねばならない。スラスト軸受は、ポンプ、タービン、モータ等の広範囲の機械配列内で使用される。回転部材に作用する軸方向スラストは、そのときの事情で立て置き型電動モータであれば、回転部材の重量が原因となり得る。ポンプ、タービン、類似装置の場合であれば、軸方向スラストは、装置ケーシング内でのポンプ輸送流体の圧力差によって発生する。これらの圧力差は、回転部材の異なる区域に作用して、回転部材の回転軸線に沿って正味軸方向力を発生させる。
数種類のスラスト軸受が、機械装置内に使用するために開発されたきた。１つの種類のスラスト軸受は、玉軸受または円筒ころ軸受等の転動部材を使用して、回転部材に作用する軸方向力を均衡させる。別の種類のスラスト軸受は、滑り接触軸受である。この滑り接触スラスト軸受は、軸受と回転部材との間に潤滑剤を使用する。潤滑剤は、軸受と回転部材との間の摩擦を低減する目的のものである。軸方向力を処理するために、滑り接触軸受では、軸受と回転部材との間の潤滑剤膜を敗れないように維持せねばならない。滑り接触軸受は、軸受表面が、装置の作動中に回転部材と接触しないかぎり、摩擦抵抗が低く、かつ摩耗率も低い。本発明は、改良型の滑り接触軸受である。本発明の特徴は、添付図面と関連して行う以下の説明により、一層容易に理解されるだろう。
図１、図２、図３は、本発明のスラスト軸受の一実施例を示したものである。スラスト軸受５には、シール表面１７を有する回転部材１５に隣接して配置される、シール面１１を備えた軸受９が用いられている。軸受９と回転部材１５とは、シール面９がシール表面１７に対し間隔をおいて対向するように配置されている。軸受９内には、軸受のシール面１１に隣接してリザーバ１３が設けられている。通路１９が、軸受１９を貫通して延び、リザーバ１３と連通している。通路１９は、リザーバ１３への流体または潤滑剤の供給に使用される。図１〜図３に示したように、軸受９は事実上円筒形であり、リザーバ１３も、同じく事実上円筒形で、且つ軸受９の事実上中心に設けられている。回転部材１５もまた事実上円筒形であり、シール表面１７も事実上円筒形である。シール表面１７の直径は、軸受９のシール面１１の直径と事実上等しい。
回転部材１５のシール表面１７には、複数の凹所２５が設けられている。各凹所２５は、ポケット２７とくさび形チャンバ３１とから成っている。ポケット２７は、一様の深さを有し、シール表面１７の中心部から半径方向外方へ向かって延びている。これらのポケットは、シール表面１７上を半径方向外方へ向かうにつれて、幅を増すことができる。シール表面１７の中心に最も近いポケット２７内方部分２９は、流体リザーバ１３の上方に延在するように位置している。ポケット２７のこの内方部分２９は、内方部分２９が流体リザーバ１３と自由連通するように位置決めされている。ポケット２７は、回転部材１５のシール表面１７の外周部に達する手前で終わっている。
各ポケット２７に隣接し、且つ各ポケット２７に連通してくさび形チャンバ３１が設けられている。くさび形チャンバ３１は、回転部材１５のシール表面１７上を半径方向外方へ向かって延びている。くさび形チャンバ３１は、シール表面１７の外周部近くの、ポケット２７と事実上等しい位置で終わっている。くさび形チャンバ３１の内方部分３３は、くさび形チャンバ３１がリザーバ１３と重ならず、かつリザーバ１３と連通しないような半径方向位置で終わっている。くさび形チャンバ３１は、チャンバ幅に亘って深さが変化している。くさび形チャンバ３１の最も深い部分は、ポケット２７に隣接する部分である。くさび形チャンバ３１は、周方向にポケット２７から遠ざかるにつれて、その深さが減少している。周方向でポケット２７から最も遠いチャンバ３１部分は、事実上回転部材１５のシール表面１７に移行している。くさび形チャンバ３１は、シール表面１７の半径方向外方へ延びるにつれて、幅を増すことができる。
図４および図５に示した本発明の別の実施例の場合は、実際には、環状リザーバ４３が、軸受３９のシール面４１に設けられている。環状リザーバ４３へ圧力下の流体を供給するために、少なくとも１つの通路４９が設けられている。実際には、環状リザーバ４３への圧力下の流体の供給には、３個の等間隔に配置された通路４９が特に良好に機能することが判明した。流路５１が軸受３９の事実上中心を通って延在することで、流体は回転部材１５を貫流できる。回転部材１５は、図１〜図３について既に説明した回転部材と、事実上等しい構造を有している。環状リザーバ４３は、内側ランド４７によって流路５１から分離されている。流路５１は、例えばポンプ入口通路またはタービン出口通路とすることができる。回転部材１５の凹所２５のポケット２７は、環状リザーバ４３と連通するように配置されている。凹所２５のくさび形チャンバ３１は、ポケット２７とは連通するように、しかし環状リザーバ４３とは連通しないように、配置されている。これは、回転部材１５に対する凹所２５の既述の位置決めに実質的に同じである。
図６〜図８には本発明のスラスト軸受の別の実施例が示されている。図６の場合、スラスト軸受は、ポンプまたはタービン内に使用されており、軸方向スラストは、ポンプまたはタービンのケーシング内部の差圧によって発生する。この実施例の場合、圧縮流体は、ケーシング内の高圧区域６４から吸出されて、軸受キャビティの加圧に利用できる。ポンプまたはタービンのロータに加わる軸方向スラストは、ケーシング内部の差圧によって発生するため、スラスト軸受のリザーバの加圧に使用される高圧は、ロータに作用する軸方向力に逆作用するのに常に十分でなければならない。別様に説明すれば、ロータに加わる軸方向スラストは、ケーシング内の圧力上昇により増大するため、上昇したその同じ圧力が、スラスト軸受のリザーバへの供給に利用可能であり、かつ軸受キャビティ内に存在する軸方向スラストに効果的に逆作用するということである。ポンプケーシング内のこの高圧区域６４には、常時、スラスト軸受の環状溝７３へ流体を供給するのに十分な圧力が存在する。この点は、ランアウト状態で流体速度の増大により圧力降下が生じるポンプのディフューザ区域と異なっている。それ故、ポンプの高圧区域６４を利用することにより、逆流の問題やスラスト軸受の故障が防止される。
図６に示した遠心ポンプは、ポンプケーシング５９と回転翼車６３を取囲む軸受ハウジング６１とを有している。回転翼車６３は、軸６５上に取付けられている。軸６５は、軸受６７に支承され、該軸受は、半径方向に軸を位置決めしているが、軸方向力には抵抗しない。スラスト軸受７１は、ポンプケーシング５９の座ぐり部内に配置されている。スラスト軸受７１は、図４および図５に関連して既に説明したように、環状リザーバ７３を有している。回転翼車６３の面７７は、ポケット８１とくさび形チャンバ８３とから形成された複数の凹所７９を有している。凹所７９および環状リザーバ７３は、図７および図８に、より詳細に示されている。凹所７９の環状リザーバ７３は、図４および図５に示したのと等しい構成および配向を有している。
スラスト軸受７１は、少なくとも１つの通路８７を有し、該通路が、環状リザーバ７３から、スラスト軸受７１を経て、ポンプケーシング５９内の翼車吐出区域６４まで延在している。吐出区域６４は、環状リザーバ７３への高圧流体の源となっている。実際には、軸受７１内に等間隔に３個の通路８７を配置し、これらにより環状リザーバ７３へ圧力下の流体を供給するのが好ましいことが判明した。ピン８８がスラスト軸受７１からポンプケーシング５９内に、突入するように配置され、これにより、翼車６３の回転時にスラスト軸受がポンプケーシング内で回転するのが防止される。
図９には、本発明の別の実施例が示されている。この実施例は、第２スラスト軸受７１’が回転翼車６３に隣接して軸受ハウジング６１内に配置されている点を除いて、図６〜図８に示した遠心ポンプに極めて類似している。スラスト軸受７１’は環状リザーバ７３’を有している。スラスト軸受７１’は、図６〜図８に関連して説明したスラスト軸受と事実上等しいものである。翼車６３の第２面７７’には、図８に示した凹所７９と同じ複数の凹所が設けられ、該第２面が、第２スラスト軸受７１’と対向している。これらの凹所は、図７に関連して既に説明したものと同じである。図９に示した実施例により、遠心ポンプは、軸６５の軸線に沿って両方向に作用する軸方向スラストに対抗することが可能になる。
本発明の作用形式は、スラスト軸受の概念を遠心ポンプに適用した例を示した図６〜図８を参照することで、最もよく理解されよう。この実施例では、液体が、翼車６３の回転によってポンプ入口６０内へ吸込まれる。回転翼車は、ポンプケーシング５９内で流体を外方へ吐出通路８９へ向けて移動させる。流体が翼車６３の回転により半径方向外方へ圧送されることで、液体の圧力が上昇する。翼車６３が回転することで、翼車６３の後部シュラウド（囲い板）に作用する全圧力が、前部シュラウド面７７に作用する圧力より大きくなる。この圧力の不均衡によって、翼車６３がポンプ入口６０方向へ移動させられる。回転翼車６３のこの移動によって、翼車６３が取付けられている軸６５の軸線に沿って軸方向スラストが発生する。軸受ハウジング６１内の軸受６７は、軸６５を支承するが、該軸の軸線と平行方向な軸６５の軸方向移動は阻止しない。重要な点は、回転翼車６３が、ポンプ入口６０の方向への移動時にスラスト軸受７１に衝突しない点である。
回転翼車６３に加わる軸方向スラストに対抗するため、流体が、遠心ポンプ５７の翼車吐出区域６４から、スラスト軸受７１内の、等間隔に配置された３個の通路８７を介して、スラスト軸受７１内に設けられた環状リザーバ７３へ供給される。環状リザーバ７３内の流体圧力は、回転翼車６３に対して作用し、翼車がスラスト軸受７１から間隔をおいて維持されるように補助する。加えて、環状リザーバ７３へ供給される流体は、翼車６３の面７７に設けられた凹所７９のポケット８１とも連通している。したがって、環状リザーバ７３内の圧力下の流体のいくらかは、ポケット８１内へ流入し、またポケット８１に接続されているくさび形チャンバ８３内へも流入する。翼車６３の回転は、ポケット８１内の液体を環状または周方向に運動させる。翼車６３の回転は、ポケット８１内の液体を、翼車の回転につれてポケット内で半径方向外方へも移動させる。流体の半径方向外方への移動は、遠心力により各ポケット８１内の圧力を上昇させる。ポケット８１内の圧力は、ポケット８１内で流体が更に半径方向外方へ移動するにつれて、引き続き上昇する。ポケット８１に連通しているくさび形チャンバ８３内の流体も、同様の遠心力を受け、くさび形チャンバ８３内の液体が半径方向外方へ移動するにつれて、昇圧する。翼車６３の回転によりポケット８１およびくさび形チャンバ８３内に発生する流体圧は、環状リザーバ７３内の流体圧を上回る流体圧を発生させる。この流体圧が、回転翼車６３とスラスト軸受７１の面７５との間に作用する。ポケット８１内およびくさび形チャンバ８３内のこの流体圧が、翼車６３をポンプ入口６０の方向へ移動させる軸方向力に対抗作用する。
くさび形チャンバ８３は、また付加的な圧力勾配を発生するように作用して、回転翼車６３に加わる軸方向スラストを均衡させる。翼車６３の回転により、流体は回転方向に引張られる。くさび形チャンバ８３は、ポケット８１から遠ざかるにつれて深さが漸減するので、くさび形チャンバ８３とスラスト軸受７１の面７５との間の間隙が減少する。したがって、くさび形チャンバ８３内の圧力は、流体が、くさび形チャンバ８３の、ポケット８１に隣接する部分から、くさび形チャンバ８３の、ポケット８１とは反対側の端部へ周方向に移動するにつれて上昇する。注意すべき点は、くさび形チャンバ８３が、翼車６３の回転でくさび形チャンバ８３内の流体が回転方向に引張られるように位置決めされている点である。くさび形チャンバ８３とスラスト軸受７１の面７５との間隙が減少することで、翼車６３に作用する圧力が増大し、翼車に作用する軸方向スラストが相殺される。
環状リザーバ７３へは、圧力下の液体が供給されるため、この液体は、スラスト軸受７１の面７５と翼車６３の面７７との間へ逃げることができる。翼車６３の面７７とスラスト軸受７１の面７５との間に大きい間隙が存在する場合には、環状リザーバ７３内の液体は、ポンプケーシング５９の吐出および吸込区域へ移動するだろう。しかし、翼車６３の面７７がスラスト軸受７１の面７５の方へ移動すると、液体がスラスト軸受７１と翼車６３との間を流れて、ポンプケーシング５９の吐出および吸込区域へ移動する見込みは少なくなる。実際には、翼車６３がスラスト軸受７１に接近すればするだけ、流体は、環状リザーバ７３内に保留され、リザーバ７３内の流体静力学的な力が上昇するだろう。また、更に多くの液体が、ポケット８１およびくさび形チャンバ８３内に保留され、回転する翼車６３の遠心力によって発生する圧力により、流体が凹所内で半径方向外方へ移動するにつれて、凹所７９内の圧力が増大しよう。加えて、くさび形チャンバ８３とスラスト軸受７１の面７５との間隙が減少し、それによって、くさび形チャンバ８３内の圧力が、該チャンバのくさび形状により生じる流体動力学効果のために、上昇しよう。こうしたことから、本発明のスラスト軸受では、回転する翼車６３に加わる軸方向力に抗するため、３つの方法を利用することが確定される。すなわち回転する翼車６３が発生させる遠心力により凹所７９内に発生する圧力、くさび形チャンバ８３の流体動力学効果により発生する圧力、環状リザーバ７３内に存在する流体静力学的な圧力を利用することである。これら３つの圧力が翼車６３に作用することで、翼車６３は、スラスト軸受７１の面７５から間隔をおいて維持される。翼車６３に作用する圧力は、翼車６３とスラスト軸受７１との間の間隙と共に変化するので、スラスト軸受７１は、遠心ポンプの作動状態の変化に適応することができる。ポンプの回転が加速されて、翼車６３に加わる軸方向スラストが増大すれば、翼車６３とスラスト軸受７１との間隙は減少し、その結果、環状リザーバ７３へ供給される流体により得られる有効圧力が増大する。環状リザーバ７３への供給流体から得られる圧力は、翼車６３に作用する圧力が、翼車６３が受ける軸方向スラストと均衡するまで、上昇する。翼車６３がスラスト軸受７１から離れるにつれて、環状リザーバ７３に供給される液体圧力の効果が減少し、翼車６３は、翼車６３に加わる軸方向スラストが完全に相殺されるまで、スラスト軸受７１の方へ移動できることになろう。
圧縮流体は、遠心ポンプ５７の翼車６３の吐出区域６４から吸出されるので、環状リザーバ７３に供給される流体は、常に、回転翼車６３に加わる軸方向スラストに逆作用させるのに十分な利用可能な圧力を有しているであろう。翼車６３に加わる軸方向スラストは、遠心ポンプ５７のポンプケーシング５９内部の差圧によって発生するので、翼車の吐出区域８９内の高圧液体は、差圧により発生する軸方向スラストに逆作用するのに十分な圧力を、常時保有しているであろう。
本発明のスラスト軸受は、ゼロ流量からランアウトまでのすべての容量の場合に、翼車吐出区域のスラスト軸受外径部に十分な圧力が存在することで、確実に操作されることが判明した。注意すべき点は、流体静力学および流体動力学的な操作の組合わせにより、いずれかの方法を個々に用いた場合には得られない利点が得られる点である。例えば流体静力学的な特徴は、流体動力学的な圧力が有効になるＲＰＭまで翼車速度が加速されるまでの間、スラスト軸受と翼車との接触を阻止することである。軸受に最大の摩耗が生じるのは、通常、ポンプの始動時と停止時とである。静液圧の特徴により、この摩耗が最小化される。
既述のように、翼車外径と摩耗リング直径との比が１．５未満のポンプの翼車は、翼車のスラスト荷重を効果的に相殺するのに十分な静液圧環状溝区域を設けることができない。本発明では、流体動力学的な特徴により、信頼性のある作動に必要な付加的対抗圧が得られる。
図９に示した実施例では、スラスト軸受７１が回転翼車６３の両側に配置されている。この実施例は、図６〜図８の実施例と全く同じように機能する。ひとつ異なる点は、回転翼車６３の両側に配置されたスラスト軸受７１が自己制御式であり、それによってスラスト軸受７１が、ポンプ入口６０に対し接近または離間する方向で翼車に加わる軸方向スラストに対抗できる点である。
図１０〜図１３には、スラスト軸受の別の実施例が示されている。この実施例は、既述の実施例に類似しているが、特に、米国特許第４９６６７０８号、第４９８３３０５号、第５０４９０４５号に記載の液圧ターボチャージャと共に使用するのに適している。液圧ターボチャージャのこれらの特許は、ここに引用することで本明細書に取入れられる。液圧ターボチャージャは、通常、フィードポンプの下流に配置され、タービン翼車を回転させるのに十分な液圧エネルギーがタービン部分内で得られる前には、ターボチャージャのロータに大きな軸方向スラストが加わる。タービンノズル入口管のターボチャージャのポンプ部分いずれかから加圧される流体静力学的なスラスト軸受は、軸方向スラストに適応でき、タービンロータを回転可能にする。しかし、このような流体静力学的スラスト軸受には、いくつかの重大な欠点がある。必要とされる外部加圧管路および取付具が、通常、ステンレス鋼製であり、製作費が高い。外部加圧管路の故障が生じれば、スラスト軸受への圧縮流体供給が中断し、スラスト軸受は軸方向スラスト荷重に適応不能となる。スラスト軸受が正常に機能しなくなれば、言うまでもなくターボチャージャは故障する。液圧ターボチャージャの場合、純粋に流体動力学的なスラスト軸受では機能しないだろう。なぜなら、タービン翼車に加わる軸方向力は、ロータが回転を始動するのに十分な突破（ブレークアウト）トルクを発生させることが出来ないほどの大きさを有するからである。
液圧ターボチャージャのスラスト軸受は、流体静力学および流体動力学的な特徴をスラスト軸受に組合わせることで、明らかに改良できる。しかし、スラスト軸受の流体動力学的な特徴は、液圧ターボチャージャの効率を低下させるポン作用を生じないように仕立て上げる必要がある。
図１０〜図１３に示したスラスト軸受は、既述のスラスト軸受に類似している。スラスト軸受１１５は、タービンケーシング１０７内で、タービン翼車１０５に隣接配置されている。タービン翼車１０５はシール表面１１１を有している。軸受１１５は、軸受ハウジング１１７内でタービン翼車１０５に隣接配置されている。軸受１１５はシール面１１９を有し、該シール面は、タービン翼車１０５のシール表面１１１と間隔をおいて対向している。軸受ハウジング１１７からは、ピン１２１が軸受１１５内へ突入し、軸受の回転を防止している。
環状溝または流体リザーバ１２３が、軸受１１５のシール面１１９に設けられている。少なくとも１個の通路１２５が、環状溝１２３を、タービン翼車１０５の外周部に隣接してタービンケーシング１０７内に設けられた区域または渦巻部（ボリュート）１２９に接続している。
複数の凹所１３１が、軸受１１５のシール面１１９に設けられている。各凹所１３１は、ポケット１３３と、くさび形チャンバ１３５とを有している。凹所、ポケット、くさび形チャンバは、大体において既述のように構成されている。しかし、ポケットとくさび形チャンバとが、既述のように回転部材または回転翼車にではなく、軸受１１５のシール面に設けられている。また、ポケット１３３は、軸受１１５のシール面１１９に設けた環状溝１２３と、直接に連通している。
作動時、圧縮流体は、タービンケーシング１０７内のボリュート１２９内へ導入される。この圧力下の流体は、タービン翼車１０５に作用し、翼車１０５を回転させる。この流体は、また通路１２５へ流入し、したがって軸受１１５の環状溝１２３、ポケット１３３、くさび形チャンバ１３５へ供給される。流体静力学的区域、すなわち環状溝１２３と凹所１３１との区域は、ブレークアウトトルクを克服し、かつタービン翼車を回転させるのに十分な、タービン翼車１０５に作用する流体圧を提供する。タービン翼車１０５が回転すると、凹所１３１に供給される流体は、回転方向に引張られる。流体圧は、流体がくさび形チャンバ１３５内の漸減間隙によって圧縮されるにつれて増大する。これにより、タービン翼車１０５に加わる軸方向スラスト荷重に均衡する流体動力学的な圧力が得られる。タービン翼車の回転速度が増し、タービン翼車のシール表面１１１と軸受１１５のシール面１１９との間隙が減少し、ボリュート１２９へ供給される流体の粘性が増大することで、流体圧はくさび形チャンバ１３５内で上昇する。
タービン翼車１０５を回転させるためにボリュート１２９内へ導入される流体は、タービン翼車１０５の中心１０６またはアイ（ｅｙｅ）区域でタービン１０４から吐出される。軸受１１５のシール面１１９に凹所１３１を設けることによって、翼車タービン１０５の軸方向力に対抗する流体動力学的圧力が発生する。しかし、凹所１３１は回転しないので、流体を半径方向外方へ移動させるポンプ作用は発生しない。ポンプ作用が除かれることで、タービン１０４の効率が高まる。流体が、タービン翼車１０５に設けられた回転する凹所のポンプ作用によって半径方向外方へポンプ移動させられると、その流体圧は、ボリュート１２９内の圧力レベルまで絞られるため、有用な仕事が行われなくなり、効率が低下する結果となる。凹所１３１を軸受１１５の非回転シール面１１９に設けることにより、タービン１０４の効率を著しく減じることなく、スラスト軸受１０３に対し軸方向スラストと均衡する流体動力学的圧力が発生せしめられる。
更に、スラスト軸受は、回転翼車１０５の各側に配置できることを理解せねばならない。その場合の実施例は、図９に示した実施例と正確に等しい機能を有しており、回転翼車の両側に自己調整式スラスト軸受が配置され、それにより、スラスト軸受は、ボリュート１２９に向かう方向またはボリュート１２９から離れる方向で翼車に加わる軸方向スラスト力に対抗することができる。
本発明について以上で行った詳細な記述は説明を目的とするものである。当業者には、多くの変化形および変更態様が、本発明の範囲を逸脱することなしに可能であることは言うまでもない。したがって、既述の内容は、すべて説明の意味で構成されたものであって、制限的な意味で構成されたものではなく、本発明の範囲は、添付請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【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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【図１３】
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