技術 軸受の振動減衰装置

0001

この発明は、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸を支持する軸受の振動を抑制する軸受の振動減衰装置に関するものである。

0002

ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸では、危険速度での強制振動や自励振動など、軸振動が問題になることが多い。

0003

ジェットエンジンなどでは、回転軸の振動減衰装置として、スクイーズフィルムダンパという、潤滑油の粘性を用いて振動減衰効果を得るものが採用されている。

0004

しかしながら、オイルレス機器や、極低温下で運転されるロケットエンジンターボポンプなどでは、潤滑油を用いることができない。

0005

そこで、従来、ロケットエンジンターボポンプなどの高速回転軸の振動減衰装置として、回転軸と、機器ハウジングとの間に、リング状のワイヤーメッシュを配置し、回転軸の振動によって生じた力により、リング状のワイヤーメッシュを変形させて、ワイヤー間で生じる摩擦により、振動エネルギーを散逸させて、回転軸の振動を減衰させるワイヤーメッシュダンパと呼ばれている振動減衰装置が、特許文献１に開示されている。

0006

この特許文献1に紹介されているワイヤーメッシュダンパは、回転軸に減衰力を直接作用させることはできるものの、ワイヤーメッシュをリング状に圧縮させて減衰作用を得るため、装置ごとにワイヤーメッシュの配置や形状が異なり易く、減衰性能にばらつきが生じるという問題がある。

0007

また、非特許文献１には、ワイヤーメッシュダンパと同様、極低温下で作動する機器やオイルフリー機器を対象とした振動減衰装置として、球状粒子をダンパ要素にすることが紹介されている。

0008

この非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置は、概ね、図７に示すような構造である。

0009

図７に示すように、球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２を支持する軸受２３の外面に、間隔をあけて配置される回転機械の機器ハウジング２４と、この機器ハウジング２４の内周面と軸受２３の外面との間に配置された、機器ハウジング２４に対して半径方向に変位可能な内筒２５と、この内筒２５の外周面と機器ハウジング２４の内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子２０を充填した収容空間２６と、この収容空間２６の軸方向の端部に配置された、収容空間２６内に充填された球状粒子２０に対して軸方向の予圧（予荷重）を与える予圧リング２７と、を備えている。

0010

この球状粒子２０をダンパ要素にした振動減衰装置２１は、回転機械における回転軸２２にラジアル方向の軸振動が発生すると、軸受２３を介して内筒２５に半径方向の変位が生じ、その変位によって収容空間２６内の球状粒子２０が流動し、この流動により、球状粒子２０どうし、球状粒子２０と内筒２５との間、球状粒子２０と機器ハウジング２４との間で摩擦が発生し、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、ダンパとしての役割を果たす。

0011

球状粒子２０をダンパ要素にした場合、その特性に影響を及ぼすと考えられるパラメータは、球状粒子２０の粒子直径、内筒２５の外径、機器ハウジング２４の内径、収容空間２６の長さ、予圧リング２７による予荷重、球状粒子２０の粒子材料、球状粒子２０どうし、および機器との摩擦係数（表面材質で管理）であり、これらは工業的に特性管理が可能であり、ワイヤーメッシュダンパに比べて品質安定性の向上が期待できる。

0012

上記した非特許文献１に開示された構造の振動減衰装置は、効果的に高い減衰性能を得るためには、予荷重を大きくすることが必要と考えられる。これは、球状粒子を収容した収容空間内において、球状粒子２０に対して軸方向に与える予荷重を大きくすると、球状粒子が密接して圧力がかかり、球状粒子間の摩擦力が大きくなることで、減衰効果が大きくすることができるからである。

0013

特開平３−４１２１１号公報

0014

２０１５年１０月０７日開催の日本航空宇宙学会における宇宙科学技術連合講演会講演集の「ターボポンプ用粒子ダンパの開発」と題する論文

0015

上記した非特許文献１に開示された構造の振動減衰装置においては、効果的に高い減衰性能を得るためには予荷重を大きくする必要がある。本発明者等は、上記構造の軸受の振動減衰装置において、与える予荷重を検討したところ、予荷重を大きくするとダンパとしての剛性（以下、ダンパ剛性という。）が大きくなるということが分かった。ダンパ剛性が大きくなると、振動が発生した場合に、減衰効果を発揮する前に軸受等の周辺部品に大きな負荷がかかって、部品の損傷を招く虞がある。

0016

そこで、この発明は、軸受等の周辺部品に大きな負荷がかからないダンパ剛性の大きさで、高い減衰性能が得られる軸受の振動減衰装置を提供しようとするものである。

0017

本発明者等は、軸支持剛性に対するダンパ剛性と軸受剛性との関係について、鋭意検討したところ、ダンパ剛性と軸受剛性によって軸支持剛性に影響があることは分かった。そして、ダンパ剛性と軸受剛性の関係により、ダンパ機能を果たさなくなる領域があることが分かった。

0018

このことから、ダンパの機能を果たすためには、ダンパ剛性と軸受剛性との間には所定の比率があることが分かった。

0019

次に、本発明者等は、上記した構造の軸受の振動減衰装置において、球状粒子を充填する収容空間の体積当たりに与える予荷重を種々変化させて、そのときのダンパ剛性を求め、予荷重とダンパ剛性の関係を検討した。この結果、予荷重は所定の値以下にすることが良いことが分かった。

0020

そして、ダンパ剛性と軸受剛性との間の比率と予荷重とダンパ剛性との関係から、予荷重は、軸受剛性と球状粒子を充填する収容空間の体積との積の値を所定値未満の大きさとすること良いことが分かった。

0021

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、回転機械における回転軸を支持する軸受の外面に、間隔をあけて配置される機器ハウジングと、この機器ハウジングの内周面と軸受の外面との間に隙間をあけて配置された、機器ハウジングに対して半径方向に変位可能な内筒と、この内筒の外周面と機器ハウジングの内周面との間に設けられた、振動摩擦により制振作用を生じる球状粒子を充填する収容空間と、この収容空間の軸方向の側方に配置された、収容空間内に充填された球状粒子に対して軸方向の予荷重を与える予圧リングとを備える軸受の振動減衰装置において、
前記軸受の剛性をＫｂ、収容空間の体積をＶｂ、予荷重をＦｐとした時、
Ｆｐ＜（Ｋｂ・Ｖｂ）／（１．６×１０4）…（１）
を満たす予荷重Ｆｐを予圧リングに与えることを特徴とする。

0022

前記内筒と機器ハウジングとをばね部材を介して結合することが好ましい。

0023

ばね部材介して結合することで、前記内筒を機器ハウジングの軸に一致させることができる。

0024

前記球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、機器ハウジングの内周面と内筒の外周面との間に設けられた隙間から前記球状粒子の摩耗粉の流出を防止する耐粉塵シールを設けることが好ましい。

0025

球状粒子を充填する収容空間の軸方向の両側に、耐粉塵シールを設置することにより、収容空間に充填した球状粒子の摩擦によって発生する摩耗粉の外部環境への漏れだしを防止することができる。

0026

また、前記収容空間の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路を機器ハウジングに設けておくことが好ましい。

0027

前記空気抜き用流路により、前記収容空間内部の空気を外部環境に放出し、外部環境から前記収容空間内部に極低温気体または極低温液体と流入させる。これにより、空気と極低温気体または極低温液体と置換することがすることができ、前記収容空間の内部に存在する空気に含まれる水分の凝固により、粒子間の動きが抑制されることを防止し、極低温環境でも粒子の動きを発生させ、減衰特性を得ることができる。

0028

この空気抜き用流路に耐粉塵フィルタを設置しておくことが好ましい。
前記耐粉塵フィルタを形成する材質としては、メタ型全芳香族ポリアミドまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる不織布とすることが好ましい、前記不織布により前記球状粒子の摩耗粉の流出防止ができ、かつ、前記耐粉塵フィルタが前記空気抜き用流路に設置された状態のまま、前記収容空間内部の空気を外部環境に放出し、外部環境から前記収容空間内部に極低温気体または極低温液体と流入させることができる。

0029

前記耐粉塵フィルタを形成する材質としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレスなどを用いた多孔質焼結金属とすることができる。オーステナイト系ステンレスにより異物の形状に合わせて、メッシュの形状および寸法を選択することができる。

0030

前記球状粒子は、ＳＵＳ４４０ＣまたはＳｉ3Ｎ4などからなるものを使用することができ、すべて同一サイズであるもの、または、異なるサイズのものを組み合わせて使用してもよい。

0031

以上のように、この発明に係る軸受の振動減衰装置では、予荷重を上記の式（１）を満たす範囲に設定することにより、ダンパ剛性が軸受剛性に対して大きくなりすぎずに、減数効果を大きくして、周辺部品の損傷することなく、軸受の振動減衰装置を使用することができる。

0032

この発明に適用される球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の構成を示す概略断面図である。
図１の球状粒子を充填した収容空間部分の拡大図である。
図１の振動減衰装置の機器ハウジングと内筒との関係を示す斜視図である。
機器ハウジングと回転軸との間のダンパ剛性と軸受剛性の関係を線形ばねとして解析した説明図である。
軸支持剛性に対するダンパ剛性と軸受剛性との影響度をシミュレーションした特性図である。
予荷重とダンパ剛性との関係をシミュレーションした特性図である。
非特許文献１に紹介されている球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置の概略図である。

0033

まず、この発明が適用される球状粒子をダンパ要素にした振動減衰装置１の構成について添付図面に基づいて説明する。

0034

回転機械における回転軸２は、円筒形の機器ハウジング３の内周面に、内筒４と軸受５を介して回転可能に支持されている。この発明においては、軸受５として、内輪５ａと、外輪５ｂと、内輪５ａと外輪５ｂの間に収容される転動体５ｃとからなる転がり軸受を使用している。

0035

前記機器ハウジング３の内周面と内筒４の外周面との間には、ダンパ要素である球状粒子６を収容する収容空間７が設けられている。

0036

前記機器ハウジング３および内筒４を形成する材質としては、ニッケル合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＬＮなどを使用することができる。

0037

内筒４の軸方向の一端には、内筒４を機器ハウジング３に対して半径方向に変位可能に支持し、内筒４を機器ハウジング３の軸に一致させるように弾性支持する内筒支持用ばね８が周方向に等間隔で設けられている。

0038

内筒支持用ばね８は、図１および図３に示すように、機器ハウジング３の軸方向の外方に延びる突出片８ａと、この突出片８ａの外方端から半径方向の外径側に屈曲する屈曲片８ｂと、この屈曲片８ｂの外径端から軸方向に折り返された折返し片８ｃとからなるコ字形をしており、折返し片８ｃの端部が機器ハウジング３の外径部に係合している。

0039

機器ハウジング３の内周面の一端には、収容空間７の一方の端面を形成する内向きフランジ３ａが形成され、この内向きフランジ３ａの内周面と、内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ａを設けており、この隙間ａはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。

0040

前記内筒支持用ばね８が係合する機器ハウジング３の内向きフランジ３ａと軸方向反対側の外周面には、半径方向の外径に向かって突出する固定フランジ３ｂが形成され、この固定フランジ３ｂに、前記収容空間７の他方の端面を形成するリング板９がボルト１０によって固定されている。

0041

前記収容空間７の軸方向の両端には、軸方向に移動しない一対の固定リング１１ａ、１１ｂが配置されている。この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの内周面と内筒４の外周面との間には、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｂを設けており、この隙間ｂはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。

0042

この一対の固定リング１１ａ、１１ｂの一方の固定リング１１ｂの前記収容空間７側には、予荷重用ばね１３ａを介して予圧リング１３ｂが軸方向に移動可能に設けられている。この予圧リング１３ｂの内周面と内筒４の外周面との間にも、内筒４の半径方向の変位を可能にする隙間ｃを設けており、この隙間ｃはダンパ要素である球状粒子６が漏れ出さない大きさに設定されている。

0043

前記収容空間７には、球状粒子６が充填されている。球状粒子６としては、例えば、粒子直径が１ｍｍ程度の鋼球（ＳＵＳ４４０Ｃ）やセラミック球（Ｓｉ3Ｎ4）などを使用することができる。前記球状粒子６は、すべて同一サイズでもよいし、異なるサイズの組み合わせでもよい。

0044

前記収容空間７に設けられた固定リング１１ａ、１１ｂの軸方向の外方には、収容空間７に充填した球状粒子６の摩擦によって発生する摩耗粉が外部に漏れださないように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂを設置している。

0045

この耐粉塵シール１２ａ、１２ｂは、内筒４の半径方向の変位を阻害しないように、低剛性で、かつ、内筒４の半径方向の変位が生じてもすきまが生じない初期しめしろを有している。

0046

上記した予荷重用ばね１３ａにより与える予荷重を大きくすることにより、減衰効果を大きくすることができる。この予荷重を大きくすることで、球状粒子６が圧縮された状態となり、摩擦力が増え、減衰効果が増す。しかし、予荷重を大きくするとダンパ剛性も大きくなることは解析的に分かっている。一方、ダンパ剛性が大きすぎると、振動が生じた際に、ダンパの内筒４と機器ハウジング３間に十分な変位が生じる前に、軸受５等の周辺部品にも大きな負荷が生じてしまうため、周辺部品を損傷する虞がある。そこで、後述するように、この発明では、予荷重を周辺機器に損傷を与える虞がない大きさのダンパ剛性にして、減衰効果が大きくて使用できる範囲に設定したものである。

0047

ところで、ロケットエンジンターボポンプは、燃焼器に推進剤を圧送する回転機械であり、推進剤として主に液体酸素および液体水素を使用するため、回転軸２の軸受５の近傍は極低温環境になる。このような、極低温で使用される機器の場合、極低温環境にする前に、球状粒子６を充填した収容空間７内の空気に含まれる水分が凍らないように、収容空間７内の空気を、推進剤のガス（例えば、水素ガス、酸素ガス）で置換しておくことが望ましい。

0048

ところが、前記収容空間７を、前記のように、耐粉塵シール１２ａ、１２ｂによって密封すると、前記収容空間７内に充填された球状粒子６間の空気抜きができないため、前記収容空間７内を推進剤のガスで置換することができない。

0049

このため、図１に示す形態では、前記収容空間７の内部と外部環境とを繋ぐ空気抜き用流路１４を機器ハウジング３とリング板９との間に設置している。

0050

また、前記空気抜き用流路１４の出口に耐粉塵フィルタを設置することが好ましい。

0051

次に、球状粒子６をダンパ要素にした振動減衰装置の作用について説明する。

0052

図１の矢印Ｘ１に示すように、振動によって軸変位が生じた場合、加振力は軸受５を通じて、内筒４を矢印Ｘ２に示すように、半径方向に変動させる。この内筒４の変動により、内筒４と機器ハウジング３との間の収容空間７に充填された球状粒子６が流動し、球状粒子６どうし、球状粒子６と内筒４間、球状粒子６と機器ハウジング３との間でそれぞれ摩擦が生じ、この摩擦によって振動エネルギーが散逸し、振動が減衰される。

0053

本発明者等は、上記した図１の構造の振動減衰装置１において、軸支持剛性に対するダンパ剛性と軸受剛性との関係について鋭意検討した。軸受５の外輪５ｂと機器ハウジング３の内周面との間の剛性は、図４に示すように、直列に接続した線形ばねの関係と見なすことができる。

0054

直列に接続した線形ばねと考えた場合、軸支持剛性は、下記の式（３）に示す関係となる。

0055

0056

上記において、Ｋｓは軸支持剛性、Ｋｃはダンパ剛性、Ｋｂは軸受剛性である。

0057

上記式（３）に基づき、軸支持剛性Ｋｓに対するダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂの関係をシミュレーションにより求めた。この関係を図５に示す。

0058

図５において、縦軸は、軸支持剛性Ｋｓと軸受剛性Ｋｂとの比の値、横軸は、ダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂとの比の値である。この図５より、ダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂによって軸支持剛性Ｋｓに影響があることが分かる。

0059

そして、この図５からダンパ剛性Ｋｃと軸受剛性Ｋｂとの比が１００を超えると、軸受剛性Ｋｂが支配的になり、ダンパ効果が期待できない、このことから軸受剛性Ｋｂがダンパ剛性Ｋｃの１００倍未満、即ち、１００・Ｋｂ＜Ｋｃの関係を満たすと良いことが分かった。

0060

次に、本発明者等は、上記した構造の振動減衰装置１において、収容空間７の空間体積当たりに与える予荷重（Ｎ／ｍｍ3）を種々変化させて、そのときのダンパ剛性Ｋｃを求めるシミュレーションを行い、予荷重とダンパ剛性Ｋｃの関係を検討した。この結果を図６に示す。ここで、予荷重をＦｐ（Ｎ）、粒子充填部の体積をＶｂ（ｍｍ3）とする。

0061

この図６から、下限を示す直線を求め、その直線式を求めた。
図６から、Ｋｃ＝１．６×１０6・Ｆｐ／Ｖｂが下限であることが分かった。

0062

そして、図５により、ダンパ剛性Ｋｃが軸受剛性Ｋｂの１００倍未満がよいため、予荷重Ｆｐは下記の数式（４）を満足する値であれば、ダンパ剛性Ｋｃが大きくなりすぎることなく、減衰効果が大きな軸受の振動減衰装置１が得られる。

0063

Ｆｐ＜（Ｋｂ・Ｖｂ）／（１．６×１０4）…（４）

0064

上記した範囲の予荷重Ｆｐを収容空間７に充填された球状粒子６に与えるようにすればよい。

0065

上記の範囲を満足する予荷重Ｆｐの範囲で、予荷重Ｆｐを大きくすれば、効果的に高い減衰性能を得られると共に、ダンパ剛性Ｋｃも周辺部品を損傷するほどの大きさなることはない。

0066

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

0067

１ ：振動減衰装置
２ ：回転軸
３ ：機器ハウジング
４ ：内筒
５ ：軸受
６ ：球状粒子
７ ：収容空間
８ ：内筒支持用ばね
９ ：リング板
１０ ：ボルト
１１ａ、１１ｂ ：固定リング
１２ａ、１２ｂ ：耐粉塵シール
１３ａ ：予荷重用ばね
１３ｂ ：予圧リング