JPH10325417A - スラスト軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラスト軸受を冷却するために必要とする循
環油量を常に適正に保持でき、しかも油漏れを抑制し、
軸受構成要素の変形を防止すること。 【解決手段】 主軸１と一体にスラストカラー２が設け
られる。スラストカラー２の下面には半径方向に内部を
貫くポンプ孔３が穿たれたスラスト回転板４が連設され
る。一方、スラスト静止板５がスラスト支持台７上に配
置されたスラストスプリング６によって支承されてい
る。これらの軸受構成要素は油槽１１内に収容され、潤
滑油の中に完全に浸されている。ポンプ孔３には吸い込
み部１６が形成され、吸い込み部１６はスラスト回転板
４の内周面に開口するベルマウス形状の吸い込み口１７
を有する。ポンプ孔３と対面する油槽１１内にオイルガ
ード１８が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水車発電機および発
電電動機あるいはフライホィール発電機等の立軸回転電
機において、主軸を支承するスラスト軸受への循環油量
を常に適正に保って冷却効果を高めるのに好適なスラス
ト軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】基幹エネルギの安定した供給のために事
業用発電プラントの重要性は広く認識されているところ
であり、その一翼を担う水車発電機による水力発電プラ
ントも他の火力、原子力発電プラントに劣らず、極めて
重要な設備である。水力発電プラントの利点は、起動、
停止が他の発電プラントと比べて容易なことであり、こ
れに加えて特に立軸ユニットは横軸ユニットと比べて単
機当たりの出力増強が容易なこと、土木工事を含めた建
設費が安価で、経済性に優れていること、さらに公害の
発生を伴わないクリーンエネルギ源であることなど、多
くの利点を見出すことができる。

【０００３】ところで、水車発電機などの立軸回転電機
では、主軸を支承するためにスラスト軸受が使用されて
いる。このスラスト軸受は主軸が担うべき全荷重および
特に水車発電機においては、運転中の水スラストも併せ
て支持する重要な構成要素であって、その働きの良否は
回転電機の性能に多大な影響を及ぼすことになる。通
常、スラスト軸受においては、軸受摺動面での摩擦作用
および回転部分で発生する潤滑油の撹拌により熱が発生
する。この熱は潤滑油に伝わり、温度上昇により潤滑油
は適正な温度を維持できなくなる。このため、潤滑油系
統には油冷却器が設けられているが、この油冷却器への
循環に回転電機自身の回転部で生じるポンプ作用を利用
する自己ポンプ油循環方式を採用するものがある。

【０００４】この自己ポンプ循環方式はスラスト軸受の
メタル（スラスト静止板）に近い回転部に吸い込み孔を
設け、温度上昇した潤滑油をポンプ作用で吸い込み孔を
通して抽出し、配管を介して油槽外に設置した油冷却器
に導いて冷却するもので、これは回転電機が回転する限
り、適正に機能し、他の特別な動力を一切必要としな
い、極めて簡便な系統構成により意図した潤滑および冷
却を果たすことが可能である。

【０００５】図２に自己ポンプ循環方式を採用した立軸
回転電機のスラスト軸受装置の一例を示している。回転
電機の主軸１と一体に環状のスラストカラー２が設けら
れ、このスラストカラー２の下面には半径方向に内部を
貫くポンプ孔３が穿たれた環状のスラスト回転板４が連
設されている。このスラスト回転板４の下面には摺動面
が備えられる。一方、上面を摺動面として構成されるス
ラスト静止板５がスラスト支持台７上に配置されたスラ
ストスプリング６によって支承されている。このスラス
ト支持台７は上下２枚の円板をリブでつなぎ、その間を
潤滑油が通過できるように構成されている。

【０００６】上記のスラスト軸受構成要素はいずれも主
軸１側を内筒８により、一方外側をベアリングブラケッ
ト９に支持された外筒１０によりそれぞれ囲われた油槽
１１内に収容されており、内部を満たす潤滑油の中に浸
されている。

【０００７】さらに、スラスト回転板４の外周にポンプ
孔３に対向してオイルボックス１２を配置している。こ
のオイルボックス１２からベアリングブラケット９を貫
いて油冷却器１３に結ぶ戻り油管１４および油冷却器１
３から油槽１１に結ぶ給油管１５により循環経路を形成
している。

【０００８】上記構成において、主軸１が回転すると、
これに従うスラスト回転板４が回転し、このときポンプ
孔３の内外で圧力差が生じて温度上昇した潤滑油がポン
プ孔３内に吸い込まれる。ポンプ孔３を通った潤滑油は
オイルボックス１２に流出し、そこから戻り油管１４を
通って油冷却器１３に流入する。ここで、潤滑油は冷却
水によって冷却され、給油管１５を通って油槽１１に流
れ、そこに蓄えられる。この間、油槽１１内においては
円筒８とスラスト回転板４の内周で囲われた部分の油面
が下がり続け、これを補うように外筒１０側から冷却さ
れた潤滑油が内側に向かって流動する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た自己ポンプ循環方式を採用したスラスト軸受装置では
高速運転で主軸の１の回転速度が上昇し、ポンプ孔３を
通る循環油量が増加したとき、吸い込み油量が速度上昇
に合わせて増大せず、油冷却器１３を通る潤滑油が減少
し、供給油量の減少によりスラスト軸受の周囲の潤滑油
が適正な温度を維持できなくなる可能性がある。すなわ
ち、ポンプ孔３が穿たれるスラスト回転板４の内周側で
周速が、たとえば２０ｍ／ｓ以上になると、ポンプ孔３
の入口で吸い込み抵抗が増加することで、図３に示すよ
うにポンプ吐出量が頭打ち状態になり、ある決まった油
量しか流れなくなる。このため、油冷却器１３には限ら
れた量の潤滑油しか流れず、必要とする潤滑油が供給で
きない状態に陥る。

【００１０】一方、特に大容量のユニットでは循環油量
が６０００リットル／mm以上になるが、このように循環
油量が増加すると、油槽１１内の円筒８とスラスト回転
板４の内周面とで囲われた部分、つまりスラスト軸受内
周側は外周側と比べて容積が小さいために回転電機の運
転中、油面の低下が激しく、油面がポンプ孔３の吸い込
み口付近まで下がることがある。このため、そこを通過
する潤滑油が著しく減少したり、周囲の空気が吸い込ま
れるなどにより潤滑油中に気泡が混入するなどの不具合
が発生する。

【００１１】こうした循環油量の減少は油槽１１内の潤
滑油の温度上昇を招いてスラスト軸受の冷却に少なから
ず悪影響を及ぼし、また、軸受油膜の形成が難しくなれ
ば、異常音を生じたり、振動を引き起こす原因となる。
また、潤滑油中に気泡が混入すると、これが潤滑油と共
にスラスト軸受およびガイド軸受の摺動面に入り込み、
これらの摺動面に壊食を発生させて、これらの軸受の機
能を著しく損ねてしまう。さらに、循環油量が増加した
場合、スラスト静止板５を支持しているスラストスプリ
ング６間を多量の潤滑油が通り抜けるためにスラスト静
止板５の下面が過度に冷却されてスラスト静止板５の摺
動面との間の温度差が大きくなり、摺動面が凸面状に変
形して主軸１が担う全荷重を摺動面全域で一様に受ける
ことができず、局部的に摩耗が進み、異常音が生じるな
どの不具合が発生する。

【００１２】上述した油槽１１内のスラスト軸受内、外
周での容積のアンバランスを解消するために、内周側の
容積を外周側に近づけるべく大きくすることが考えられ
るが、このような対策ではスラスト軸受の内径がこれま
でよりも大きくなってしまい、軸受損失の増大が著し
く、また循環油量が一層増加し、好ましくない。

【００１３】一方、油槽１１内のスラスト軸受内周側の
油面をこれまで以上に高くする方法もあるが、こうした
対策では油面の変動がより激しくなるだけでなく、油槽
からの油漏れ等の事故が多発し、やはり好ましくない。

【００１４】実際に採用された対策に油槽１１の円筒８
をこれまで以上に高く形成し、静止時の油面高さをポン
プ孔３の吸い込み口よりも大幅に高くしたものがある。
しかし、このような解決方法では主軸１の長さを円筒８
の高さの増加に見合って長くしなければならず、こうし
た主軸１の長さの延長は軸系の剛性が低下するのみなら
ず、回転電機の大形化が避けられず、望ましいやり方で
ない。

【００１５】そこで、本発明の目的はスラスト軸受を冷
却するために必要とする循環油量を常に保持でき、しか
も油漏れを抑制し、軸受構成要素の変形を防止するよう
にしたスラスト軸受装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に係る発明はポンプ孔にベルマウス形状の吸
い込み口を有する吸い込み部を形成したことを特徴とす
るものである。

【００１７】スラスト回転板のポンプ孔にベルマウス形
状の吸込口を形成したものでは、損失係数が吸い込み口
をこれ以外の形状で形成したものと比べて格段に小さく
なり、ポンプ孔を通過する循環油量を増加することもで
きる。

【００１８】さらに、請求項２に係る発明はスラスト回
転板の内周側にポンプ孔の吸い込み口との間に離間距離
を保って環状のオイルガードを設けたことを特徴とする
ものである。

【００１９】スラスト回転板の内周側にオイルガードを
設けたものでは、スラスト軸受内周側の潤滑油の速度が
スラスト回転板の内周側の周速の上昇と共に早くなり、
双方の速度差が極度に大きくならないために潤滑油がポ
ンプ孔にスムーズに流入し、循環油量を適正に保つこと
が可能になる。

【００２０】また、請求項３に係る発明は油槽の円筒に
オイルガードの下端にかけて延びる環状のバッフルプレ
ートを設けたことを特徴とするものである。

【００２１】オイルガードの下端にかけて延びるバッフ
ルプレートには油槽から外に流出しようとする潤滑油が
当たり、潤滑油はそこから先へは流れることができな
い。これにより油槽からの油漏れをなくすことができ
る。

【００２２】さらに、請求項４に係る発明はスラストス
プリングの外周側あるいは内周側にスラストスプリング
領域を囲う環状のシールプレートを設けたことを特徴と
するものである。

【００２３】外周側あるいは内周側にスラストスプリン
グ領域を囲って設けられるシールプレートは冷却された
潤滑油が外周側から内周側にかけて流動するのを遮り、
スラスト静止板の下面が過度に冷却されるのを防ぐ。こ
れによりスラスト静止板の摺動面が変形するのを防止す
ることができる。

【００２４】また、請求項５に係る発明はスラスト支持
台の外周側に油量調節のための開口を備えた環状のフロ
ー調節器を設けたことを特徴とするものである。

【００２５】流量調節のための開口を有するフロー調節
器を設けたものでは、循環油量を系内機器の圧力損失の
実測値、潤滑油の摩擦損失の実測値等に応じて変化させ
ることができ、常に適正な循環油量を保って運転するこ
とが可能になる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１において、スラスト軸受は先
に述べた構成と同一の構成からなる。すなわち、回転電
機の主軸１と一体に環状のスラストカラー２が設けら
れ、このスラストカラー２の下面には半径方向に内部を
貫くポンプ孔３が穿たれた環状のスラスト回転板４が連
設されている。このスラスト回転板４の下面には摺動面
が備えられる。一方、上面を摺動面として構成されるス
ラスト静止板５がスラスト支持台７上に配置されたスラ
ストスプリング６によって支承されている。このスラス
ト支持台７は上下２枚の円板をリブでつなぎ、その間を
潤滑油が通過できるように構成されている。

【００２７】また、ポンプ孔３には吸い込み部１６が形
成されている。本実施の形態の吸い込み部１６はスラス
ト回転板４の内周面にポンプ孔内径よりも大きく開口す
るベルマウス形状の吸い込み口１７を有する。

【００２８】さらに、ポンプ孔３と対面するスラスト軸
受内周側の油槽１１内には環状のオイルガード１８が設
けられている。このオイルガード１８の上端にはつば部
１９が形成されており、つば部１９がスラスト回転板４
の上面に固定され、スラスト回転板４と共にオイルガー
ド１８が回転するようになっている。このオイルガード
１８とスラスト回転板４の内周面との間の距離はスラス
ト回転板４内周部の周速度に従い決定される。すなわ
ち、周速度が大きくなるに従い双方の間には適正な循環
油量を確保するために十分な離間距離を保つようにす
る。

【００２９】さらに、油槽１１の円筒８に環状のバッフ
ルプレート２０が設けられている。このバッフルプレー
ト２０の先端はオイルガード１８の下は端にかけて延び
ている。また、スラスト支持台７上に配置されたスラス
トスプリング６の外周側に環状のシールプレート２１が
設けられている。このシールプレート２１は下端がスラ
スト支持台７に固定されると共に、上端はスラスト静止
板５にかけて延びているる。なお、このシールプレート
２１は、望ましくはスラストスプリング６の外周側に設
けるが、内周側に設けてもよい。

【００３０】さらに、スラスト支持台７の外周側に環状
のフロー調節器２２が設けられている。このフロー調節
器２２にはスラスト支持台７内を通り抜ける環境油量を
調節するための開口２３が形成されている。また、フロ
ー調節器２２は取り付け、取り外しが容易なスラスト支
持台７の外周側に固定する。これらのスラスト軸受構成
要素はいずれも油槽１１内に収容され、油槽１１内を満
たしている潤滑油の中に完全に没している。

【００３１】本実施の形態は上記構成からなり、回転電
機の始動により主軸１が回転すると、これに従うスラス
ト回転板４が回転する。このとき、ポンプ孔３の内外で
圧力差が生じてスラスト軸受の内周側の温度上昇した潤
滑油が吸い込み部１６の吸い込み口１７からポンプ孔３
内に吸い込まれる。このベルマウス形状に形成される吸
い込み口１７は流動における圧力損失が他の形状のもの
と比較して著しく小さい。一般に、流体が吸い込み口を
経て断面積が急に縮少する流路にかけて流動するとき、
ヘッド損失に影響があるのは流速および損失係数であ
る。角のある吸い込み口との損失係数は１．５と最も大
きく、丸い面取りを施した吸い込み口での値は０．１０
〜０．２０と小さくなり、ベルマウス形状に形成した吸
い込み口の値は０．０１〜０．０６と最も小さくなる。

【００３２】本実施の形態のベルマウス形状の吸い込み
口１７を有するポンプ孔３においては損失係数を０．０
３程度に抑えることができ、このヘッド損失の減少によ
りポンプ孔３を通過する循環油量を増加することが可能
になる。したがって、油冷却器１３に戻る循環油量が増
して冷却された適性量の潤滑油を油槽１１に供給するこ
とができる。

【００３３】また、スラスト軸受のスラスト回転板４の
高速回転で内周側周速が上昇すると、ポンプ孔３に流入
する潤滑油との速度差が生じ、吸い込み抵抗の増大によ
りポンプ孔３への給油が追い付かなくなる。このような
とき、本実施の形態においては、オイルガード１８が回
転してスラスト軸受内周側の潤滑油の速度が周速の上昇
と共に早くなり、速度差が極度に大きくならない。この
ため、スラスト軸受内周側で周速が、たとえば２０ｍ／
ｓ以上に上昇するときも、ポンプ孔３にスムーズに潤滑
油が流入し、常に循環油量を適正に保つことができる。

【００３４】したがって、回転電機の高速運転中も、油
冷却器１３に戻る循環油量を確保することができ、常に
冷却された適正量の潤滑油を油槽１１に供給することが
可能になる。

【００３５】さらに、高速運転中、スラスト軸受内周側
でポンプ孔３に向かう流れが増加し、潤滑油が円筒８と
オイルガード１８との間で吹き上げられ、油槽１１の外
に潤滑油が流出しようとする。このようなとき、本実施
の形態においては、流出経路にあるバッフルプレート２
０がこの潤滑油の流れを遮り、そこから先へは流れな
い。これにより油槽１１からの油漏れを防ぐことがで
き、無駄に消費される潤滑油を少なくすることが可能で
ある。

【００３６】また、スラストスプリング６の外周側から
スラスト軸受内周側にかけて冷却された多量の潤滑油が
流動すると、過度の冷却によりスラスト静止板５の摺動
面と下面との温度差が大きくなり、摺動面が凸面状に変
形する。本実施の形態においては、このようなとき、ス
ラストスプリング６の外周側に配置されたシールプレー
ト２１が冷却された潤滑油の流れを遮り、スラスト静止
板５の下面が過度に冷却されるのを防止する。これによ
り摺動面の変形がなくなり、局部的に摩耗が進み、また
異常音が生じるなどの不具合が生じるのを回避すること
ができる。

【００３７】さらに、スラスト軸受の冷却に必要な循環
油量は系内の関係する機器の圧力損失と共に、潤滑油内
における層間の摩擦損失がかなりあり、一概に決定する
のが難しい。循環油量を適正に保つと同時に、自己ポン
プ動力を十分なものとするために本実施の形態において
は、開口２３を備えたフロー調節器２２がスラスト軸受
外周側から内周側に向かう潤滑油量を調節する。

【００３８】開口２３はその開口面積を変えることで、
簡単にスラスト支持台７を通過する油量を調節すること
ができる。たとえば、試運転中、内周側に流れる循環油
量が過剰なときは開口面積を縮小し、反対に過少なとき
は開口面積を増加することで、循環油量を容易に変える
ことが可能になる。この調節のためにフロー調節器２２
の位置は着脱の容易なスラスト軸受外周側が望ましい。

【００３９】かくして、本実施の形態によれば、フロー
調節器２２を用いて循環油量を系内機器の圧力損失の実
測値、潤滑油の摩擦損失の実測値等に応じて変化させる
ことができ、過不足のない循環油量を保って運転するこ
とが可能になる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明はスラスト軸
受を冷却するための循環油量を常に適正に保持すること
ができる。また、本発明においては、油槽から外部への
油漏れを抑制することが可能であって、潤滑油の無駄な
消費を抑えることができる。さらに、本発明において
は、軸受構成要素の変形を防止することができ、摺動面
での局部的な摩耗の発生等を回避することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスラスト軸受装置の実施の形態を
示す断面図。

【図２】従来技術によるスラスト軸受装置を示す断面
図。

【図３】自己ポンプにおけるポンプ孔部周速と吐出量と
の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 主軸 ３ ポンプ孔 ４ スラスト回転板 ５ スラスト静止板 ７ スラスト支持台 １３ 油タンク １７ 吸い込み口 １８ オイルガード ２０ バッフルプレート ２１ シールプレート ２２ フロー調節器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スラスト支持台上にスラストスプリング
   を介して載置されるスラスト静止板の摺動面に沿って滑
   らせるようにそれの裏面を軸心を立てた主軸のスラスト
   カラーに当て、反対側の摺動面を前記スラスト静止板の
   摺動面に当接してスラスト回転板を設けてなるスラスト
   軸受を備え、それらの軸受構成要素は油槽内の潤滑油の
   中に完全に浸されており、前記スラスト回転板は半径方
   向にそれを貫いて延びるポンプ孔を有し、前記主軸が回
   転するとき、それに従う前記スラスト回転板の回転で該
   ポンプ孔を通して前記油層内の潤滑油が汲み上げられる
   ように構成したものにおいて、前記ポンプ孔にベルマウ
   ス形状の吸い込み口を有する吸い込み部を形成したこと
   を特徴とするスラスト軸受装置。
2. 【請求項２】 前記スラスト回転板の内周側に該ポンプ
   孔の吸い込み口との間に離間距離を保って環状のオイル
   ガードを設けたことを特徴とする請求項１記載のスラス
   ト軸受装置。
3. 【請求項３】 前記油槽の内筒に前記オイルガードの下
   端にかけて延びる環状のバッフルプレートを設けたこと
   を特徴とする請求項２記載のスラスト軸受装置。
4. 【請求項４】 前記スラストスプリングの外周側あるい
   は内周側に該スラストスプリング領域を囲う環状のシー
   ルプレートを設けたことを特徴とする請求項１ないし３
   記載のスラスト軸受装置。
5. 【請求項５】 前記スラスト支持台の外周側に油量調節
   のための開口を備えた環状のフロー調節器を設けたこと
   を特徴とする請求項１ないし４記載のスラスト軸受装
   置。