JP5863422B2 - スラスト軸受及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、過給機等の高速回転体に適用されるスラスト軸受、及びこのスラスト軸受を備えた回転機械に関する。

従来、たとえば過給機のように高速回転する回転機械には、回転軸部にスラスト軸受が用いられている。
スラスト軸受は、軸方向のスラスト力を受けながら回転軸と一体に回転するスラストディスクと、このスラストディスクに対向して配置された固定側のテーパランド軸受とを備えている。なお、テーパランド軸受は、ハウジング等の適所に固定支持されている。

図６に示すように、従来のスラスト軸受において、回転側のスラストディスク２１と固定側のテーパランド軸受２２との間には潤滑油が存在している。そして、固定側のテーパランド軸受２２には、平坦面に形成されたスラストディスク２１の対向面（軸受面）となる面に、ランド部２３、テーパ部２４及び給油溝２５が、周方向（回転方向）へ順番に繰り返し形成された構造となっている。
このように、ランド部２３、テーパ部２４及び給油溝２５を備えたテーパランドを固定側の軸受面に設けたスラスト軸受は、たとえば下記の特許文献１等に開示されている。しかし、このようなテーパランドについては、回転側となるスラストディスク２１の対向面（軸受面）に設けられたものは見当たらない。

特開２００３−２２２１２３号公報

ところで、過給機等に用いられるスラスト軸受は、スラスト軸受荷重が大きくなり、従って、最悪の場合には軸受温度が上昇して損傷に至ることが懸念される。
具体的に説明すると、図６に示すように、固定側のテーパランド軸受２２においては、潤滑油の圧力分布Ｐがランド部２３の領域で高くなる。このため、潤滑油の圧力分布Ｐが低い領域では片当たりとなり、摩擦熱による局所的な温度上昇を生じやすくなる。

上述したスラスト軸受荷重対策としては、軸受サイズを大きくして対処することも考えられる。しかし、軸受サイズが大きくなると、軸受損失の増大により、過給機等の回転機械においては性能低下が問題となる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、スラスト軸受の負荷能力向上により損傷防止を図るとともに、軸受サイズの小型化を可能にして軸受損失を低減できるスラスト軸受及び回転機械を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るスラスト軸受は、回転軸と一体に回転するスラストディスクと、該スラストディスクと対向して設けられた固定側ディスクとを備え、前記固定側ディスクを平坦面とし、前記固定側ディスクと対向する前記スラストディスクの軸受面にテーパランドが形成され、前記テーパランドが、半径方向外向きに断面積を狭める給油溝と、該給油溝から回転方向へ徐々に浅くなる傾斜面を形成するテーパ部と、該テーパ部の回転方向後方側に連続して設けられる前記固定側ディスクに平行な平坦面のランド部と、を周方向へ順に並べて複数組備えていることを特徴とするものである。

このようなスラスト軸受によれば、回転軸と一体に回転するスラストディスクの軸受面にテーパランドを形成し、テーパランドを構成する給油溝について、半径方向外向きに断面積を狭めるようにしたので、給油された潤滑油は、スラストディスクの回転により給油溝を半径方向外向きに流れるようになる。そして、潤滑油が給油溝内を流れる際には、流路断面積が半径方向外向きに狭まって潤滑油の流れを絞るため、潤滑油の流れは外周側で圧力を増して負荷能力が向上する。

本発明に係るスラスト軸受は、回転軸と一体に回転するスラストディスクと、該スラストディスクと対向して設けられた固定側ディスクとを備え、前記固定側ディスクを平坦面とし、前記固定側ディスクと対向する前記スラストディスクの軸受面にテーパランドが形成され、前記テーパランドが、半径方向外向きのスパイラル状に形成された給油溝と、該給油溝から回転方向へ徐々に浅くなる傾斜面を形成するテーパ部と、該テーパ部の回転方向後方側に連続して設けられる前記固定側ディスクに平行な平坦面のランド部と、を周方向へ順に並べて複数組備えていることを特徴とするものである。

このようなスラスト軸受によれば、回転軸と一体に回転するスラストディスクの軸受面にテーパランドを形成し、テーパランドを構成する給油溝について、半径方向外向きのスパイラル状に形成したので、給油された潤滑油は、スラストディスクの回転により給油溝を半径方向外向きに流れるようになる。そして、潤滑油が給油溝内を流れる際には、スパイラル溝のポンプ効果を得ることができるため、このポンプ効果を利用することにより、給油溝を流れる潤滑油は外周側で圧力を増して負荷能力が向上する。

上記の両発明において、前記給油溝の給油溝底面は、半径方向外向きに浅くした直線または曲面のテーパ面に形成されていることが好ましく、これにより、給油溝の断面積を半径方向外向きに狭めることができる。この場合の給油溝底面は、たとえば直線状のテーパ面は勿論のこと、凹曲面や凸曲面のような曲面のテーパ面を採用してもよい。

上記の各発明において、前記給油溝の溝幅は、半径方向外向きに狭められていることが好ましく、これにより、給油溝の断面積を半径方向外向きに狭めることができる。この場合の給油溝は、平面とした給油溝底面だけでなく、半径方向外向きに浅くした直線または曲面のテーパ面に形成した給油溝底面としてもよい。

本発明の回転機械は、請求項１から４のいずれか１項に記載のスラスト軸受を備えてなることを特徴とするものである。
このような回転機械によれば、請求項１から４のいずれか１項に記載のスラスト軸受を備えているので、スラスト軸受においては、潤滑油の流れが圧力を増すので、負荷能力が向上する。

上述した本発明のスラスト軸受及び回転機械によれば、スラスト軸受の負荷能力向上により損傷防止を図るとともに、軸受サイズの小型化を可能にして軸受損失を低減することができる。

本発明に係るスラスト軸受及び回転機械の一実施形態を示す図で、（ａ）はスラストディスクの軸受面を固定側ディスクから見た正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係るスラスト軸受及び回転機械の第１変形例を示す図で、（ａ）はスラストディスクの軸受面を固定側ディスクから見た正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係るスラスト軸受及び回転機械の第２変形例を示す図で、（ａ）はスラストディスクの軸受面を固定側ディスクから見た正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 本発明に係るスラスト軸受及び回転機械の第３変形例を示す図で、（ａ）はスラストディスクの軸受面を固定側ディスクから見た「回転方向２」の場合の正面図、（ｂ）はスラストディスクの軸受面を固定側ディスクから見た「回転方向１」の場合の正面図、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）のＤ−Ｄ断面図である。 回転機械の一例として、過給機を構成するロータ構造の概要を示す外観正面図である。 従来のスラスト軸受に関する課題の説明図である。

以下では、本発明に係るスラスト軸受及び回転機械の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５は、本発明に係るスラスト軸受２０を適用する回転機械の一例として、過給機を構成するロータ１０の概要を示す外観正面図である。図示のロータ１０は、回転軸１１の両端に排気タービンホイール１２及びコンプレッサホイール１３が取り付けられており、排気タービンホイール１２側に供給される燃焼排ガスのエネルギを用いて一体に高速回転する。ロータ１０の回転軸１１は、ジャーナル軸受１４及びスラスト軸受２０により回転自在に支持されている。なお、図中の矢印ａは、ロータ１０の回転方向を示しており、回転軸１１には、通常排気タービンホイール１２からコンプレッサホイール１３の方向のスラスト力が作用する。

スラスト軸受２０は、図５に示すように、軸方向のスラスト力を受けながら回転軸１１と一体に回転するスラストディスク３０と、このスラストディスク３０に対向して配置された固定側ディスク４０とを備えており、軸方向のスラスト力を受けるロータ１０がスムーズに回転できるように支持している。なお、本実施形態の固定側ディスク４０は、ハウジング等の適所に固定支持されている。

さて、本実施形態では、固定側ディスク４０を平坦面とし、この固定側ディスク４０と対向するスラストディスク３０の軸受面にテーパランドが形成されている。このテーパランドは、ランド部３１、テーパ部３２及び給油溝３３を備えている。図示のスラストディスク３０は円周方向が二分割され、図示しないベース部材に取り付けられている。
また、スラストディスク３０の軸受面に形成されるテーパランドは、ランド部３１、テーパ部３２、給油溝３３を１組とし、複数組が周方向へ等ピッチまたは略等ピッチとなるように形成されている。従って、スラストディスク３０が回転することにより、固定側ディスク４０の平坦面を、給油溝３３，テーパ部３２，ランド部３１，給油溝３３，テーパ部３２・・・の順に繰り返して通過することとなる。

上述したテーパランドの給油溝３３は、半径方向外向きに断面積を狭める形状に形成され、図示しない給油源から供給される潤滑油を導入する。
テーパ部３２は、給油溝３３から回転方向へ徐々に浅くなる傾斜面を形成する部分である。ランド部３１は、テーパ部３２の回転方向後方側に連続して設けられ、テーパ部３２の回転方向後方側に連続して設けられる平坦面の部分である。従って、ランド部３１の部分では、固定側ディスク４０の平坦面と平行な平坦面に形成されているため、実質的に面間距離の変化はなく、テーパ部３２の部分では、スラストディスク３０の回転に応じて、固定側ディスク４０との面間距離が狭まるように変化する。

上述したテーパランドの給油溝３３は、テーパ部３２より１段深い溝であり、半径方向外向きに断面積を狭めるように形成されている。
すなわち、給油溝３３は、回転するスラストディスク３０の回転方向と交差するようにして放射状に配置されており、その溝断面積は、半径方向外側ほど小さくなるように変化している。換言すれば、各給油溝３３は、スラストディスク３０の回転中心（回転軸１１の軸中心）を内側とし、内側からから外側へ向けて徐々に断面積が小さくなるように形成されている。

図１に示す実施形態の給油溝３３は、溝幅を一定にして、給油溝底面３３ａが半径方向外向きに浅くなる直線のテーパ面形状に形成されている。すなわち、給油溝底面３３ａの深さを直線的に変化させることにより、給油溝底面３３ａが半径方向外向きに浅くなる直線のテーパ面形状にして断面積を変化させている。しかし、直線的な給油溝底面３３ａに限定されることはなく、たとえば図中に破線で示すように、凹曲面や凸曲面のような曲面のテーパ面とした給油溝底面３３ｂ，３３ｃとしてもよい。
なお、図中に想像線で示す給油溝底面３３ｄは、断面積変化がない平坦な給油溝の底面を示している。

このようなスラストディスク３０を備えたスラスト軸受２０は、回転軸１１と一体に回転するスラストディスク３０の軸受面にテーパランドが形成され、しかも、テーパランドを構成する給油溝３３が半径方向外向きに断面積を狭めるので、給油溝３３に給油された潤滑油は、スラストディスク３０の回転による遠心力を受けて、給油溝３３を半径方向外向きに流れるようになる。この結果、給油溝３３の内部を流れる潤滑油は、流路断面積が半径方向外向きに狭まるので、外側ほど圧力を増すこととなる。
すなわち、給油溝３３における潤滑油の流れは、内側から外側に向かう流れ方向において、流路が徐々に絞られる。このため、図１（ｂ）に実線で示す圧力分布Ｐｎのように、想像線で示す断面積変化がない給油溝底面３３ｄとした場合の圧力分布Ｐと比較して、給油溝底面３３ａの浅い外周側ほど圧力を増すことができる。

こうして給油溝３３の外側で潤滑油の圧力を増したスラスト軸受２０は、スラスト力に対する負荷能力が向上するので、潤滑油温度や軸受温度の上昇に伴う損傷防止が可能となる。従って、上述したスラスト軸受２０及びこのスラスト軸受を採用した回転機械は、信頼性や耐久性が向上する。
また、負荷能力が向上したスラスト軸受２０は、軸受サイズの小型化により軸受損失を低減することも可能になる。

ところで、半径方向外向きに断面積を狭める給油溝３３は、溝幅を一定にして半径方向外向きに浅くなるテーパ面の給油溝底面３３ａ，３３ｂ，３３ｃとする断面形状に限定されることはなく、たとえば下記の変形例が可能である。なお、以下の変形例の説明では、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２に示す第１変形例のスラストディスク３０Ｃに設けられた給油溝３３Ａは、平坦な給油溝底面３３ｄを採用し、溝幅が半径方向外向きに狭められている。このような給油溝３３Ａとしても、給油溝３３Ａの断面積を半径方向外向きに狭めることができる。

また、図３に示す第２変形例のスラストディスク３０Ｂに設けられた給油溝３３Ｂは、上述した実施形態と第１変形例とを組み合わせたものであり、溝幅を半径方向外向きに狭めるとともに、半径方向外向きに浅くなるテーパ面とした給油溝底面３３ａ，３３ｂ，３３ｃの断面形状を採用している。このような給油溝３３Ｂとしても、給油溝３３Ｂの断面積を半径方向外向きに狭めることができる。

また、図４に示す第３変形例では、固定側ディスク４０と対向するスラストディスク３０Ｃの軸受面に形成されたテーパランドが、半径方向外向きのスパイラル状に形成された給油溝３３Ｃを備えている。この給油溝３３Ｃは、断面積変化のない断面形状を採用してもよいが、上述した実施形態及び各変形例のように、半径方向外向きに断面積を狭めることが望ましい。この場合、給油溝３３Ｃの断面形状は、給油溝底面３３ａ，３３ｂ，３３ｃを採用する実施形態、溝幅を変化させる第１変形例、テーパ状の給油溝底面及び溝幅の変化を組み合わせた第２変形例の何れを採用してもよい。

このようなスパイラル形状の給油溝３３Ｃを備えたスラスト軸受２０は、スラストディスク３０Ｃが回転軸１１と一体に回転することにより、給油された潤滑油が給油溝３３Ｃを半径方向外向きに流れるようになる。
そして、潤滑油が給油溝３３Ｃ内を流れる際には、スパイラル溝のポンプ効果を得ることができる。このポンプ効果は、図４（ａ）に矢印で示す回転方向２の場合、半径方向内側から外側に潤滑油を導く吐出となり、図４（ｂ）に矢印で示す回転方向１の場合、半径方向外側から内側に潤滑油を導く吸い込みとなる。

従って、スラストディスク３０Ｃが回転方向２の方向に回転するスラスト軸受２０においては、スパイラル溝のポンプ効果を利用することにより、給油溝３３Ｃを流れる潤滑油は外周側ほど圧力を増して負荷能力が向上する。
また、スパイラル溝の給油溝３３Ｃに半径方向外向きの断面積変化を組み合わせることにより、給油溝３３Ｃを流れる潤滑油はより一層圧力を増して負荷能力が向上する。

このように、上述した実施形態及びその変形例によれば、スラスト軸受２０及びこのスラスト軸受２０を備えた回転機械は、スラスト軸受２０の負荷能力向上による損傷防止を図るとともに、軸受サイズを小型化して軸受損失を低減することも可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ ロータ
１１ 回転軸
２０ スラスト軸受
２１，３０，３０Ａ〜３０Ｃ スラストディスク
２２ テーパランド軸受
２３，３１ ランド部
２４，３２ テーパ部
２５，３３，３３Ａ〜３３Ｃ 給油溝
３３ａ〜３３ｄ 給油溝底面
４０ 固定側ディスク

Claims (5)

1. 回転軸と一体に回転するスラストディスクと、該スラストディスクと対向して設けられた固定側ディスクとを備え、
   前記固定側ディスクを平坦面とし、前記固定側ディスクと対向する前記スラストディスクの軸受面にテーパランドが形成され、
   前記テーパランドが、半径方向外向きに断面積を狭める給油溝と、該給油溝から回転方向へ徐々に浅くなる傾斜面を形成するテーパ部と、該テーパ部の回転方向後方側に連続して設けられる前記固定側ディスクに平行な平坦面のランド部と、を周方向へ順に並べて複数組備えていることを特徴とするスラスト軸受。
2. 回転軸と一体に回転するスラストディスクと、該スラストディスクと対向して設けられた固定側ディスクとを備え、
   前記固定側ディスクを平坦面とし、前記固定側ディスクと対向する前記スラストディスクの軸受面にテーパランドが形成され、
   前記テーパランドが、半径方向外向きのスパイラル状に形成された給油溝と、該給油溝から回転方向へ徐々に浅くなる傾斜面を形成するテーパ部と、該テーパ部の回転方向後方側に連続して設けられる前記固定側ディスクに平行な平坦面のランド部と、を周方向へ順に並べて複数組備えていることを特徴とするスラスト軸受。
3. 前記給油溝の給油溝底面が、半径方向外向きに浅くした直線または曲面のテーパ面に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスラスト軸受。
4. 前記給油溝の溝幅が、半径方向外向きに狭められていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスラスト軸受。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のスラスト軸受を備えてなることを特徴とする回転機械。
   

Images