(57)【要約】【課題】回転機械に対して設置スペースの増大を抑制しつつ設置可能であり、回転軸を支持するとともに運転中に加振可能な軸受装置、およびこれを備える回転機械を提供する。【解決手段】軸受装置１は、回転機械としての多段ポンプにおける回転体を構成する回転軸４の下側に配置され、回転軸４と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面２５を有するすべり軸受部２と、回転軸４を間に挟んですべり軸受部２の上側に配置され、回転軸４を電磁力によって加振可能な磁気軸受部３とを備えている。【選択図】図２
2016075481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械における回転体を構成する回転軸の下側に配置され、該回転軸と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面を有するすべり軸受部と、
前記回転軸を間に挟んで前記すべり軸受部の上側に配置され、前記回転軸を電磁力によって加振可能な磁気軸受部と、
を備えることを特徴とする軸受装置。
【請求項２】
前記磁気軸受部の前記回転軸に対向する内面に、保護部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【請求項３】
回転体を構成する回転軸と、
前記回転軸を支持する軸受装置と、を備え、
前記軸受装置は、
前記回転軸の下側に配置され、該回転軸と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面を有するすべり軸受部と、
前記回転軸を間に挟んで前記すべり軸受部の上側に配置され、前記回転軸を電磁力によって加振可能な磁気軸受部と、
を備えることを特徴とする回転機械。
【請求項４】
前記回転軸を加振する電磁力を前記磁気軸受部に発生させる電流を前記磁気軸受部に供給する電流供給部と、
前記電流供給部からの電流の供給によって発生する前記回転軸を加振する電磁力に応じて生じる振動応答を検出する検出器と、
前記検出器によって検出される振動応答を解析する解析部と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受装置およびこれを備える回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械としての多段ポンプは、特に高圧・高速の仕様が要求されることから、運転中に大きな振動や不安定振動が生じる等の振動問題が発生し易い。このため、回転機械の運転中に回転軸を含む回転体（ロータ系）の動特性の評価（ロータダイナミクス評価）を行うことによって、回転体の固有値（固有振動数）または減衰比（安定性）等の振動特性を把握し、振動問題の発生を事前に排除することが重要である。
【０００３】
回転機械において、静止している構造物である静止体と回転体との間には、微小なクリアランスを有する環状シール部が設けられている。環状シール部は、流体の微小な漏れ流れを許容することから、回転体の安定性等の振動特性に大きな影響を及ぼすものであるが、この環状シール部を含めたロータダイナミクス評価は、解析精度も含めて未だ不十分であると言える。
【０００４】
日々の振動監視の方法として、回転機械の回転軸若しくはそのケーシングに振動計測装置を設置して、運転中における回転機械の状態を監視する方法がある。しかし、単に振動計測装置を設置して運転中に振動の計測を行うだけでは、回転体の固有値または減衰比等の振動特性までは把握できず、したがって、振動問題の発生を事前に排除することは困難である。
【０００５】
一方、例えば、特許文献１には、回転体の回転軸を支持する軸受部上に加振器を設置した上で、運転中の回転機械における回転軸の軸受部を加振して、軸受部の加振により回転軸に生じる振動を解析することによって、運転中の回転機械の振動特性を実測する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、回転体の回転軸の軸端部に加振器を設置した上で、運転中の回転機械における回転軸を加振して、回転軸に生じる振動を解析することによって、運転中の回転機械の振動特性を実測する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平５−５０５７号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３３７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１，２に記載の技術において、回転軸に振動を生じさせるためには、回転機械に対して別途加振器を取り付けることが必要となる。しかし、特許文献１，２に記載の技術は、試験機として構成することは可能であるが、実機として構成する場合には、既存の設置スペースの制約から、回転機械に対して新たに加振器を設置することは困難である。
【０００９】
すなわち、特許文献１に記載の技術では、回転軸の軸受部の周辺に加振器の設置スペースを設けなければならない。また、特許文献２に記載の技術では、回転軸の軸端を延長するとともに延長された軸端の周辺に加振器の設置スペースを設けなければならない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、回転機械に対して設置スペースの増大を抑制しつつ設置可能であり、回転軸を支持するとともに運転中に加振可能な軸受装置、およびこれを備える回転機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る軸受装置は、回転機械における回転体を構成する回転軸の下側に配置され、該回転軸と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面を有するすべり軸受部と、前記回転軸を間に挟んで前記すべり軸受部の上側に配置され、前記回転軸を電磁力によって加振可能な磁気軸受部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る回転機械は、回転体を構成する回転軸と、前記回転軸を支持する軸受装置と、を備え、前記軸受装置は、前記回転軸の下側に配置され、該回転軸と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面を有するすべり軸受部と、前記回転軸を間に挟んで前記すべり軸受部の上側に配置され、前記回転軸を電磁力によって加振可能な磁気軸受部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転機械に対して設置スペースの増大を抑制しつつ設置可能であり、回転軸を支持するとともに運転中に加振可能な軸受装置、およびこれを備える回転機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸受装置が適用された回転機械としての多段ポンプの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、軸受装置を軸方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す図面において、同一の部材または相当する部材には同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る軸受装置１が適用された回転機械としての多段ポンプ１００の全体構成を模式的に示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、軸受装置１を軸方向から見た図である。図１は、多段ポンプ１００を回転軸４の中心軸を含む鉛直平面で切断したときの断面図として示す。この多段ポンプ１００は、給水用、送水用、排水用等の各種のポンプに用いられるものである。
【００１７】
図１に示すように、多段ポンプ１００は、静止している構造物である静止体を構成するケーシング６、ステージ１８、および軸封部１９と、この静止体内に配置され、回転体（ロータ系）を構成する回転軸４と、を備えている。ここで、回転軸４や後記する遠心羽根車７を含み、回転軸４と一体に回転する構造物を総称して「回転体」という。
【００１８】
回転軸４には、複数個（図１では、５個）の遠心羽根車７が固定されている。回転軸４の一方の軸端には、カップリング５が固定されており、回転軸４は、カップリング５を介して電動機等の原動機（図示せず）と連結されるようになっている。
【００１９】
また、多段ポンプ１００は、回転軸４を回転可能に支持する軸受装置１を備えている。軸受装置１は、複数の遠心羽根車７を軸方向において間に挟むように２箇所に備えられており、回転軸４は、軸受装置１によって半径方向に支持される。また、回転軸４は、軸方向に支持するスラスト軸受１１によって、軸方向への移動が規制される。
【００２０】
そして、多段ポンプ１００において、回転軸４が図示しない原動機によって回転駆動されると、ケーシング６に設けられた入口部２３から吸い込まれた水等の流体は、各遠心羽根車７によって段階的に昇圧された後、ケーシング６に設けられた出口部２４から吐出されるようになっている。
【００２１】
シール機構１０は、遠心羽根車７の上流段（入口部２３側）から、遠心羽根車７とステージ１８との間の隙間を通って下流段（出口部２４側）に流れ込むことを抑制するために、ステージ１８と遠心羽根車７との間をシールするように備えられている。
【００２２】
また、最終段（図１において最も右側）の遠心羽根車７から吐出された高圧の流体が外部に漏れ出るのを抑制するために、最終段の遠心羽根車７の背面側に位置するケーシング６の内面には、バランスドラム固定側９が取り付けられ、回転軸４には、バランスドラム固定側９に対向するようにバランスドラム回転側８が取り付けられている。さらに、遠心羽根車７の軸方向の両側には、ケーシング６と回転軸４との間をシールするように、前記した軸封部１９が備えられている。
【００２３】
多段ポンプ１００には、ケーシング６、ステージ１８等の静止体と、回転軸４、遠心羽根車７等の回転体との間に、微小なクリアランスを有する環状シール部が設けられている。このような環状シール部は、前記したシール機構１０、バランスドラム回転側８およびバランスドラム固定側９、軸封部１９において形成される。環状シール部は、流体の微小な漏れを許容することから、この流体の漏れ流れによって回転体の振動特性に影響を与えるものである。
【００２４】
図１および図２に示すように、軸受装置１は、回転軸４の下側に配置されるすべり軸受部２と、回転軸４を間に挟んですべり軸受部２の上側に配置される磁気軸受部３とを備えている。すべり軸受部２と磁気軸受部３とは、図示しないボルト等のねじ部材によって結合されている。
【００２５】
図２に示すように、すべり軸受部２は、回転軸４と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面２５を有している。すべり軸受部２は、例えば、基体としての裏金の内面にホワイトメタル等の軸受層が設けられることによって構成されており、この軸受層の内面が摺動面２５を構成している。すべり軸受部２には、半径方外面から内面である摺動面２５まで貫通する貫通孔２６が形成されており、貫通孔２６を経て潤滑油が供給されるようになっている。回転軸４が図２中の矢印方向に回転されると、供給された潤滑油が回転軸４の外周面とすべり軸受部２の摺動面２５との間に引き込まれ、油膜が形成されて、回転軸４に作用する荷重を負担する。貫通孔２６から供給された潤滑油は、摺動面の潤滑に使用された後、すべり軸受部２の軸方向端部における回転軸４との隙間から排出される。
【００２６】
磁気軸受部３は、コア２２と、コイル２０とを備えている。コア２２は、環状のヨーク部２７と、ヨーク部２７から径方向内側に突出して形成される複数の磁極部２８とを有している。コイル２０は、磁極部２８に巻回されている。所定の電流がコイル２０に流れると、磁極部２８に磁束が発生し、回転軸４を吸引する電磁力（磁気吸引力）が生じる。一方、コイル２０へ供給される電流が小さくなると、回転軸４を吸引する電磁力も小さくなる。すなわち、磁気軸受部３は、回転軸４を電磁力によって加振することが可能に構成されている。ここでは、各コイル２０は独立して制御可能とされており、磁気軸受部３は、回転軸４に対して、上方向、図２における右斜め上方向または左斜め上方向に吸引する電磁力を生じさせることができる。ただし、磁気軸受部３は、回転軸４に対して上方向に吸引する電磁力のみを生じさせるように構成されてもよい。
【００２７】
本実施形態では、多段ポンプ１００の運転中の通常時には、磁気軸受部３に電流は供給されず、回転軸４を吸引する電磁力は生じない。したがって、回転軸４は、軸受装置１のすべり軸受部２によって回転可能に支持される。そして、運転中の任意の時期に実施される試験時に、磁気軸受部３は所定の電流が供給されて作動され、磁気軸受部３は回転軸４を電磁力によって加振するようになっている。ただし、多段ポンプ１００の運転中の通常時にも、例えば検出器１３（図１参照）の検出値に基づいて回転軸４の振動を抑制するように、磁気軸受部３が作動されてもよい。
【００２８】
磁気軸受部３におけるコア２２のヨーク部２７には、サーチコイル２１が設けられている。このようにすれば、サーチコイル２１を用いて、コイル２０への電流供給によって生じる磁界（磁束密度）を測定することができ、これにより、回転軸４を加振する電磁力を計測することができる。
【００２９】
磁気軸受部３におけるコア２２の磁極部２８の回転軸４に対向する内面には、保護部材１２が設けられている。保護部材１２は、磁極部２８の先端面にＰｂ系、Ｓｎ系等の金属のメッキを施すことによって構成されるが、これに限定されるものではなく、例えばホワイトメタル等の軸受材料から構成されていてもよい。このようにすれば、回転軸４が磁気軸受部３の内面に万一接触することがあっても、磁気軸受部３は、保護部材１２によって保護されるため、損傷を受けることがより抑制される。
【００３０】
なお、図２では、保護部材１２は、複数の磁極部２８の先端面にそれぞれ設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、保護部材が、半円筒等の円筒の一部の形状を呈し、磁気軸受部３の回転軸４に対向する内側の全体にわたって設けられてもよい。このようにすれば、磁気軸受部３を保護できるとともに、すべり軸受部２に供給される潤滑油が磁気軸受部３内に進入することを防止できる。
【００３１】
図１の説明に戻って、多段ポンプ１００は、回転軸４を加振する電磁力を磁気軸受部３に発生させる信号を発する発信器１６と、発信器１６から入力される信号に応じた電流を磁気軸受部３に供給する電流供給部としてのパワーアンプ１７と、パワーアンプ１７からの電流の供給によって発生する回転軸４を加振する電磁力に応じて生じる振動の振幅、位相等の振動応答を検出する検出器１３と、検出器１３によって検出される振動応答を解析する解析部としての機能を有する制御装置１５とを備えている。
【００３２】
加振器として機能する軸受装置１の磁気軸受部３は、制御装置１５に接続された発信器１６に、パワーアンプ１７を介して接続されている。また、検出器１３によって検出される信号は、増幅器１４で増幅されてから、制御装置１５に入力されるように構成されている。
【００３３】
発信器１６は、制御装置１５からの指示に基づいて、回転軸４を加振するための信号を発生する。この信号としては、例えば任意の振幅の正弦波信号が使用されるが、ランダム信号やパルス信号等が使用されてもよい。パワーアンプ１７は、発信器１６から入力される信号に応じて、回転軸４を加振する電磁力を磁気軸受部３に発生させる電流を該磁気軸受部３に供給する。
【００３４】
検出器１３は、回転軸４、ケーシング６等の多段ポンプ１００における振動解析に適した各所に取り付けられている。検出器１３は、対象物の変位量を検出する変位センサであり、例えば非接触で対象物の変位を測定可能な渦電流式のものを使用することができる。
【００３５】
次に、前記したように構成された多段ポンプ１００の作用について説明する。
多段ポンプ１００の運転時には、回転軸４が回転駆動されると、ケーシング６の入口部２３から吸い込まれた流体は、各遠心羽根車７によって段階的に昇圧されて、ケーシング６の出口部２４から吐出される。このとき、回転軸４は、軸受装置１のすべり軸受部２によって半径方向に支持されている。
【００３６】
そして、任意の時期（定期または不定期）において運転中に振動試験が行われる。この運転中の試験時には、制御装置１５からの指示に基づいて、発信器１６から信号が出力されると、この信号に応じた電流がパワーアンプ１７から軸受装置１の磁気軸受部３に供給される。この結果、磁気軸受部３は回転軸４を電磁力によって加振する。その振動応答が検出器１３によって検出され、増幅器１４を介して制御装置１５に入力される。制御装置１５は、検出器１３の振動応答を用いて振動解析を行う。具体的には、検出器１３によって検出した振動応答から通常運転による振動成分を除いて加振による振動成分を抽出し、回転軸４を加振する電磁力（加振力）と振動応答（加振による振動成分）との相関を分析して、振動特性データを算出する。これにより、運転中の回転機械における回転軸４を含む回転体の固有値や減衰比等の振動特性のデータが得られる。
【００３７】
また、定期点検時等の多段ポンプ１００の運転停止時には、回転軸４の回転駆動が停止されるが、このとき、回転軸４は、軸受装置１のすべり軸受部２の内面（摺動面２５）に載置される状態で確実に支持される。つまり、多段ポンプ１００の運転停止時に、軸受装置１の磁気軸受部３が、回転軸４を含む回転体の負荷を受けることはない。
【００３８】
前記したように本実施形態に係る軸受装置１は、多段ポンプ１００における回転体を構成する回転軸４の下側に配置され、回転軸４と油膜を介して摺動可能な円弧状の摺動面２５を有するすべり軸受部２と、回転軸４を間に挟んですべり軸受部２の上側に配置され、回転軸４を電磁力によって加振可能な磁気軸受部３とを備えている。
【００３９】
このような本実施形態によれば、多段ポンプ１００に対して設置スペースの増大を抑制しつつ設置可能であり、回転軸４を支持するとともに運転中に加振可能な軸受装置１、およびこれを備える多段ポンプ１００を提供することができる。
【００４０】
ここで、運転中の回転体を構成する回転軸を加振可能な軸受装置として磁気軸受装置がある。しかし、回転軸４を挟み上側下側ともに磁気軸受部３を配置した場合には、停止時や異常時の、磁気軸受部３が電磁力を発生しておらず働いていないときのバックアップとして、どうしても補助軸受装置（ころがり軸受装置）が必要となる。これに対して、本実施形態によれば、回転軸４の下側に配置されたすべり軸受部２が補助軸受の役割をも果たすことができるため、全体として軸受装置の設置スペースの縮小が可能である。
【００４１】
また、本実施形態に係る多段ポンプ１００は、回転軸４を加振する電磁力を磁気軸受部３に発生させる電流を磁気軸受部３に供給するパワーアンプ１７と、回転軸４を加振する電磁力に応じて生じる振動応答を検出する検出器１３と、振動応答を解析する解析部としての機能を有する制御装置１５とを備えている。
【００４２】
このような構成によれば、多段ポンプ１００の既存の設置スペースを変更することなく、従来の解析または振動計測装置による状態監視では十分に把握できなかった運転中の環状シール部の動特性を考慮した回転体の固有値や減衰比等の振動特性を、実測によって正確に求めることができる。また、減衰比の変化を把握することによって、回転体の不安定振動発生の兆候を感知することが可能となり、不安定振動等の振動問題の未然防止に寄与することができる。
【００４３】
ここで、通常、回転体の固有値や減衰比に影響を与える環状シール部（シール機構１０、バランスドラム回転側８およびバランスドラム固定側９、軸封部１９）の劣化状態を点検する場合には、多段ポンプ１００の分解点検が必要となる。本実施形態によれば、多段ポンプ１００の運転中に回転軸４に対して任意のタイミングで加振することによって、回転軸４を含む回転体の固有値や減衰比等の振動特性を得ることができる。これにより、環状シール部の劣化状態を、多段ポンプ１００の分解点検をすることなく予測することができる。
【００４４】
以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００４５】
例えば、前記した実施形態では、回転機械として多段ポンプ１００を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転軸を含む回転体を有する多段遠心圧縮機、タービン、電動機等の回転機械にも適用可能である
【００４６】
また、前記した実施形態では、軸受装置１のすべり軸受部２と磁気軸受部３とは、両者の接合面が水平面に一致するような半割れ円筒形状をそれぞれ呈している。換言すれば、すべり軸受部２の中心角（図２中で回転軸４の断面中心とすべり軸受部２の左右両側の接合面とをそれぞれ結ぶ両直線の中心角）、および磁気軸受部３の中心角（図２中で回転軸４の断面中心と磁気軸受部３の左右両側の接合面とをそれぞれ結ぶ両直線の中心角）が１８０度となっているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、すべり軸受部２の中心角が１８０度よりも大きく設定されるとともに、磁気軸受部３の中心角の中心角が１８０度よりも小さく設定されるように構成することもできる。この場合、すべり軸受部２が複数に分離可能に接合されていてもよく、このようにすれば、すべり軸受部２を回転軸４の径方向外側から接近させて回転軸４を下側から覆うように配置することができ、組立性が向上する。
【００４７】
また、前記した実施形態では、軸受装置１において、磁気軸受部３は、すべり軸受部２の真上に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、軸方向または左右方向（周方向）に多少ずれていてもよい。さらに、前記した実施形態では、すべり軸受部２と磁気軸受部３との軸方向の寸法（幅寸法）および外径は同じに記載されているが（図１参照）、異なっていてもよい。
【００４８】
また、前記した実施形態では、磁気軸受部として、図２に示すようなコア２２とコイル２０とを備える磁気軸受部３を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、磁極部２８の個数等、コア２２の形状が適宜変更されてもよい。さらには、回転軸４を電磁力によって加振可能であればよく、別のタイプの磁気軸受部を使用することも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１      軸受装置
２      すべり軸受部
３      磁気軸受部
４      回転軸
５      カップリング
６      ケーシング
７      遠心羽根車
８      バランスドラム回転側
９      バランスドラム固定側
１０    シール機構
１１    スラスト軸受
１２    保護部材
１３    検出器
１４    増幅器
１５    制御装置（解析部）
１６    発信器
１７    パワーアンプ（電流供給部）
１８    ステージ
１９    軸封部
２０    コイル
２１    サーチコイル
２２    コア
２３    入口部
２４    出口部
２５    摺動面
２６    貫通孔
２７    ヨーク部
２８    磁極部
１００  多段ポンプ（回転機械）
【図１】
2016075481.tif 000003
【図２】
2016075481.tif 000004