(57)【要約】特に、水力タービンによって運転可能な発電機（１０）用の流体動力学スラスト滑り軸受であって、ロータ（１２）と、ロータ（１２）の軸（２０）と共に回転する走行リング（３０）と、ロータ（１２）の軸（２０）と共に回転せずに、軸受ハウジング（２４）に支持された１つの軸受セグメント（３２）とを備えたものにおいて、走行リング（３０）は、実質的に、内部に埋設された補強繊維を備えた樹脂マトリックスから成ることを特徴とする前記流体動力学スラスト滑り軸受。
2004522076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に、水力タービンによって運転可能な発電機（１０）用の流体動力学スラスト滑り軸受であって、ロータ（１２）と、ロータ（１２）の軸と共に回転する走行リング（３０）と、ロータ（１２）の軸（２０）と共に回転せずに、軸受ハウジング（２４）に支持された少なくとも１つの軸受セグメント（３２）とを備えたものにおいて、
走行リング（３０）は、実質的に、内部に埋設された補強繊維を備えた樹脂マトリックスから成ることを特徴とする前記流体動力学スラスト滑り軸受。
【請求項２】
連続的な繊維が、樹脂マトリックス中に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の流体動力学スラスト滑り軸受。
【請求項３】
樹脂マトリックスが、エポキシマトリックスであることを特徴とする請求項２に記載の流体動力学スラスト滑り軸受。
【請求項４】
強化繊維が、炭素繊維であることを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか１つに記載の流体動力学スラスト滑り軸受。
【請求項５】
マトリックス中の繊維割合が、５０〜７０体積％であることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか１つに記載の流体動力学スラスト滑り軸受。
【請求項６】
ラミネートとしての走行リング（３０）が、繊維強化された少なくとも４つの層（４０）から成り、その際繊維が各層（４０）中で一方向に配向されておりかつ層の繊維配向の角度が、０°と９０°の間であることを特徴とする請求項１から５までのうちのいずれか１つに記載ので流体動力学スラスト滑り軸受。
【請求項７】
ラミネートの層（４０）が、角度順序［［０°／−４５°／４５°／９０°］対称］n を有することを特徴とする請求項６に記載の流体動力学スラスト滑り軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による電流生成発電機用の流体動力学スラスト滑り軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電流発生のための大型発電機では、軸受が重要な地位を占める。軸受がうまく機能しないと、この発電機に基礎をおいた電流生成が停止するに到る。軸用のラジアル軸受に並んで、スラスト軸受は、なかでも、例えば、水力タービンによる電流発生で使用されるような垂直に運転されるラジアル軸受の場合のように、大きな負荷に対抗作用しなければならない。非常に洗練された、しかし高価な可能性は、磁気軸受としてのスラスト軸受の構成である。他の可能性は、転がり軸受としての構成にある。しかし、これらの軸受は、その大きな寸法及びこれに関連した個々の部品の比較的大きな形状精度に基づいて、大きな直径には適しない。
【０００３】
通常の構造形態は、ロータの軸に固定された走行リングに組みつけられる流体動力学スラスト滑り軸受である。この走行リングは、軸受ハウジングに対して軸線方向にロータを支持する。走行リングは、軸受ハウジング内に配設された軸受セグメントを介して潤滑剤フィルム上を滑る。
【０００４】
ヨーロッパ特許出願明細書第１０５８３６８の図３によれば、軸支承のために、スラスト支持軸受若しくは組み合わされた支持ー及び案内軸受として形成された流体動力学スラスト滑り軸受が使用される。支承は、潤滑隙間の楔形状によって構成される支持可能な流体潤滑剤フィルムによって保証される。電流発生のためのそのような大きな発電機では、略２ｍ〜６ｍの直径の走行リングが使用されるようになった。使用される高い回転数では、走行リングが耐えねばならない相応した高い温度が流体動力学スラスト滑り軸受に発生する。
【０００５】
更に、潤滑隙間における流体動力学的圧力は、境を接する金属表面がそのまま変形される程の大きさにされることができる。そのような流体動力学スラスト滑り軸受用の走行リングは、高い剛性と高い強度とを有しかつ高い耐熱強度を有しなければならない。従って、走行リングは、従来は鋼から造られた。流体動力学スラスト滑り軸受の潤滑の部分的な故障の際に直ちに軸ケーシングの破損が発生しないために、軸受セグメントは、例えば、ホワイトメタル又はポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）のような滑り材料を層づけされる。しかし、鋼の大きな膨張率に基づいて、軸受の高い温度の下に、走行リングの直径が大きくなればなる程大きな問題を提起する走行リングの変形（表面の湾曲又は波状形態）に到る。このような走行リングでは、予見できない変形に基づいて、流体動力学スラスト滑り軸受における大きな磨耗減少又は損傷が発生する。保守コスト及び個々の軸受構成部分の交換のための停止時間は、相応して大きくかつ発電機の経済性を減少させる。なかでも発電に使用されるような大きな発電機、輸送及び組み立ての際に鋼製走行リングは、しばしば同様な問題を発生させた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、冒頭に記載された形式の流体動力学スラスト滑り軸受を、その寿命及び負荷容量が高くかつその組み立てが簡単で、その結果発電機の組み立て及び運転が経済的であるように改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、走行リングが実質的に内部に埋設された強化繊維を備えた樹脂マトリックスから成る請求項１の上位概念による流体動力学スラスト滑り軸受によって解決される。従ってそのようなスラスト滑り軸受は、高い寿命を有する、そのわけは、強化された樹脂は、鋼よりも小さな熱膨張率を有しかつ従って走行リングは変形が困難であるからである。それによって、鋼製走行リングの大きな変形による損傷が防止されることができる。繊維補強された樹脂から成る走行リングは鋼からなる走行リングよりも非常に小さい重量を有するので、 搬送も組み立ても非常に簡単でかつコスト安く実施される。更に、鋼製走行リングによって可能であるよりも大きな軸受が実現可能である。
【発明の効果】
【０００８】
連続した繊維を有する繊維強化された樹脂を使用することは非常に好適である、そのわけは、この方法で好適な剛性も僅かな膨張率も達成されるからである。
【０００９】
走行リングがそれぞれ単一方向に配向された繊維で繊維強化された樹脂の少なくとも４つの層から成るラミネートとして形成されかつ層の繊維方向の角度が０°と９０°との間である場合に、走行リングの熱膨張は更に小さくされることができる。
【００１０】
樹脂マトリックスとしてエポキシマトリックスが選択される場合に、優先的な熱強度が保証される。
【００１１】
強化繊維として炭素繊維が使用される場合は、非常に有利である、そのわけは、炭素繊維は、負の熱膨張率を有するからである。炭素繊維が、エポキシ樹脂ーマトリックス中に層状埋設される場合に、殆ど熱膨張なしでかつ高い比剛性の材料が得られることができる。
【００１２】
流体動力学スラスト滑り軸受の要請に従って、走行リングにおける５０〜７０体積％の繊維割合が非常に有利である、そのわけは、繊維割合の増加とともに、強度及び剛性は上昇するからである。
【００１３】
図中に使用された符号及びその意味は、図中符号の説明にまとめて記載されている。基本的に図中の同一部分は同一の符号を有する。記載に実施形態は、本発明の例示でありかつこれに制限されない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、図示しない水力タービンによって運転される、垂直向けられた発電機１０の破断図を図式的に示す。ロータ環体１６の縁に発電機電極１４を備えた発電機１０のロータ１２が表されている。ロータ環体１６は、ロータボス１８を介してロータ軸と結合している。ロータ軸は、図示のように、一体として又は上部軸部分２０及び下部軸部分２２として実施されることができる。ロータボス１８は、同様に発電機１０の上部部分２０を図示しないタービンに案内する下部軸部分２２と結合している。タービンの下部軸部分２２は、軸線方向において軸受ハウジング２４に支承されている。軸受ハウジング２４とロータ１２との間に流体動力学スラスト滑り軸受２６が配設されている。流体動力学スラスト滑り軸受２６は、繊維強化された樹脂マトリックスから成る回転する走行リング３０と、位置固定の軸受セグメント３２とから成る。軸受セグメント３２は、運転中、走行リング３０と、軸受セグメント３２との間の楔状の潤滑フィルムが形成されることができるように実施されている。これらの軸受セグメント３２は、一般に、軸受ハウジング２４のハウジング壁３６上に支持された傾倒点３４の周りに、図１中相応した両矢印で表されたように自由に回転できる個々の部材である。この方法で、潤滑隙間は、最適に調整されることができる。流体動力学スラスト滑り軸受２６は、潤滑剤、大抵は機械油によって運転されることができる。油面は、走行リング３０と軸受セグメント３２との間の潤滑隙間の高さを超える。個々の軸受セグメント３２の個別の油供給も可能である。
【００１５】
図２は、繊維強化された樹脂からなる走行リング３０の好適な実施形態を回転軸線３８に沿う断面で示す。走行リング３０は、複数の層の繊維強化された樹脂から成るラミネートとして形成され、その際繊維は、各層４０における単一の配向を有する連続的な炭素繊維である。繊維は、エポキシマトリックス中に埋設されている。炭素繊維の配向角度は、層４０から層４０へと変わる。走行リング３０の必要な厚さを得るために、［［０°／−４５°／４５°／９０°］対称］n が有利に何度も繰り返される（インデックス「ｎ」）。
【００１６】
図３には、記載の角度順序を有する層４０の配列が示されている。そのような対称的な層によって、走行リングの変形に対抗作用されることができる。その際勿論、繊維の図示の配向角度が変えられることができる。
【００１７】
走行リングは、簡単にかつ安く、例えば、予備仕上げのオートグレーブ法によって製造されることができる。走行リング３０による軸２０／２２の貫通のために必要な走行リングの中央の開口４２は、ボーリング又は旋削によって容易に形成されることができる。同様に、いかなる場合でも、良好な潤滑剤分配のための軸受板３０の表面における必要な構造は、表面へのフライス加工によって容易に形彫りされることができる。
【００１８】
流体動力学スラスト滑り軸受の要請に従って、炭素繊維、ガラス繊維又はポリアミド繊維のような繊維が使用されることができる。エポキシマトリックスの変わりに、例えば、｛バンチック（Ｖａｎｔｉｃ）の｝ロデフタルポリアミノイミド｛Ｒｈｏｄｅｆｔａｌ  Ｐｏｌｙａｍｉｎｏｉｍｉｄ｝のような他の熱抵抗のある樹脂が選択されることができる。このことが必要な場合には、追加的に良好な接着特性のために、好ましくは同様に樹脂コーティングでありべき１つの層が走行リング上につけられることができる。
【００１９】
勿論、走行リングのみならず軸も繊維強化された樹脂から造ることも可能である。それによって重量が更に節約されることができる。
【００２０】
発電機の全体構造についての他の利点は、流体動力学スラスト滑り軸受がラジアル案内軸受と組み合わされる場合に得られる。その際走行リングは、スラスト滑り軸受としても案内軸受としても使用されることができる。この場合に、走行リングの僅かな変形は、ラジアル軸受の運転特性を改善する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による複合材料走行リングを備えた流体動力学スラスト滑り軸受の断面図である。
【図２】本発明による走行リングの断面図である。
【図３】走行リングの８つの相次ぐ層の例示的な分解図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０    発電機
１２    ロータ
１４    発電機電極
１６    ロータ環板
１８    ロータボス
２０    上部軸部分
２２    下部軸部分
２４    軸受ハウジング
２６    流体動力学スラスト滑り軸受
２８    潤滑剤
３０    走行リング
３２    軸受セグメント
３４    傾倒点
３６    ハウジング壁
３８    回転軸線
４０    層
４２    開口
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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