JP2008261495A - 流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】重量を低減した流体力学的流体膜ジャーナル軸受システムを提供する。
【解決手段】流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム１０は、ジャーナルスリーブ１２と、このジャーナルスリーブ１２内に少なくとも部分的に配置された１つまたは複数の流体力学的流体膜フォイル２８，３０，３２と、を有する。ジャーナルスリーブ１２は、内径面１６と、外径面１４と、内径面１６と外径面１４との間の肉厚と、両側の第１の端部１８および第２の端部２０と、を有する。ジャーナルスリーブ１２の肉厚は、第１の端部１８と第２の端部２０との間に位置する第１の領域で薄くなり、ジャーナルスリーブ１２の外径面１４上でジャーナルスリーブ１２の第１のＯリングランド６２と第１の端部１８との間に面取り領域６６が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体力学的流体膜軸受システムに関する。

ジャーナル空気軸受つまりフォイル軸受とも呼ばれる流体力学的流体膜ジャーナル軸受は、シャフトなどの回転可能な部品を支持するために使用可能である。（例えば、特許文献１で開示されたような）従来技術によるこの種の典型的な軸受アッセンブリは、ジャーナルスリーブ、バンプフォイル、中間フォイルおよびトップフォイルを有する。バンプフォイル、中間フォイルおよびトップフォイルは、ジャーナルスリーブ内で実質的に円筒形状に巻かれ、これらのフォイルは、ジャーナルスリーブと回転部品との間に配置される。各フォイルは、ジャーナルスリーブと係合する端部と、自由な別の端部（すなわち、ジャーナルスリーブと係合しない端部）と、を有することができる。運転中に、回転部品の回転により、作動流体は、回転部品と軸受のフォイルとの間の直接接触がほとんどないか、または全くない状態で、回転部品を支持する緩衝体（「空気軸受」と呼ばれることも多い）を形成する。
米国特許第５，６５８，０７９号明細書

従来の流体力学的流体膜ジャーナル軸受は、実質的に円筒形のジャーナルスリーブを有する。これらの円筒形ジャーナルスリーブは、外径面と反対側の内径面との間に画定される一様な厚さの壁を有する。これらのジャーナルスリーブ壁は、剛性を付与するために比較的厚くなっている。しかし、このような厚いジャーナルスリーブ壁のために、軸受の重量がかなり増えてしまう。軸受の重量は、特に、航空宇宙用途にとって、設計上の重要な検討事項である。

流体力学的流体膜ジャーナル軸受システムは、ジャーナルスリーブと、ジャーナルスリーブ内に少なくとも部分的に配置された１つまたは複数の流体力学的流体膜フォイルとを有する。ジャーナルスリーブは、内径面と、外径面と、内径面と外径面との間の肉厚と、両側にある第１の端部および第２の端部と、を有する。ジャーナルスリーブの肉厚は、第１の端部と第２の端部との間に位置する第１の領域で減らされ、ジャーナルスリーブの外径面上で、ジャーナルスリーブの第１のＯリングランドと第１の端部との間に面取り領域が形成される。

本発明は、ベアリングシステムのジャーナルスリーブにおける少なくとも一部の肉厚が薄くなるように、ジャーナルスリーブ外形を調整することによって、流体力学的流体膜ジャーナル軸受システムの重量を低減させる。さらに、本発明によるジャーナルスリーブは、軸受システムの組立および取付中に、Ｏリングが損傷する危険性を軽減することに寄与する１つまたは複数の面取り領域を有する。

図１は、流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム１０の部分断面図である。図２は、図１の線２−２に沿って取った流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム１０の断面図である。一般的に、軸受システム１０は、外径面１４、内径面１６、第１の端部１８および第２の端部２０を画定する単一のボディとして形成されたジャーナルスリーブ１２を有する。ジャーナルスリーブ１２は、中心軸Ａのまわりに配置される。キースロット２２（つまり、キー溝）は、ジャーナルスリーブ１２に形成され、ジャーナルスリーブ１２の外径面１４と内径面１６との間に画定されたスリーブ壁を完全に貫通して延びる。多数のフォイルは、ジャーナルスリーブ１２の内側に配置される。

図２に示すように、これらのフォイルは、バンプフォイル２８、中間フォイル３０およびトップフォイル３２を含む。バンプフォイル２８、中間フォイル３０およびトップフォイル３２はそれぞれ、概ね円筒形状に巻かれた（つまり丸められた）材料（例えば、ニッケル基合金または鋼）からなる薄いシートであり、実質的に円筒形の内径面１６によって画定されたジャーナルスリーブ１２の穴に配置される。バンプフォイル２８は波形とされて、作動流体つまり冷却空気が隣接する波形の間に形成された空間を流れることができるようにする。バンプフォイル２８は、ジャーナルスリーブ１２の内径面１６に隣接して配置され、かつ曲げ部３４を有し、この曲げ部は、キースロット２２と係合して、ジャーナルスリーブ１２に対してバンプフォイル２８を保持するように、半径方向外側に延びるとともに、少なくとも部分的にキースロット２２内に入る。中間フォイル３０は、バンプフォイル２８に隣接し、かつこのバンプフォイルから半径方向内側に配置されており、トップフォイルは、中間フォイル３０に隣接し、かつこの中間フォイルから半径方向内側に配置される。中間フォイル３０およびトップフォイル３２は、キースロット２２と係合して中間フォイル３０およびトップフォイル３２をジャーナルスリーブ１２に対して保持するように、半径方向外側に延びるとともに、少なくとも部分的にキースロット２２に入る曲げ領域３８で互いに連結される。システム１０のキースロット２２およびフォイル２８，３０，３２については、本発明の出願人に譲渡され、「改良型ジャーナル空気軸受（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ）」という題名の米国特許出願に記述されており、これを参照されたい。

シャフト６０などの回転部品は、ジャーナルスリーブ１２およびフォイル２８，３０，３２の内側に配置される。運転時、シャフト６０は、巻きついたフォイルを開こうとしながらトップフォイル３２の自由端に向かって（すなわち、図２に示した軸受システム１０の断面に対して時計回りに）回転する。運転速度で回転している間、シャフト６０の回転により、作動流体は、シャフト６０を支持する緩衝体（「空気軸受」と呼ばれることも多い）を形成する。この時、シャフト６０と軸受システム１０のトップフォイル３２との間の直接接触がほとんどないか、または全くない。しかし、始動および停止段階時などの比較的低速度の運転時や定常運転時の偶発的な接触によってシャフト６０とフォイル３２が接触することがある。

ジャーナルスリーブ１２は、第１のＯリングランド６２および第２のＯリングランド６４と、面取り領域６６と、第１の傾斜部分６８、中央凹部分７０および第２の傾斜部分７２によって外径面１４に画定された溝領域と、を有する。第１のＯリングランド６２は、ジャーナルスリーブ１２の第１の端部１８に隣接して配置されており、第２のＯリングランド６４は、ジャーナルスリーブ１２の第２の端部２０に隣接して配置される。図示した実施形態では、面取り領域６６は、ジャーナルスリーブの第１のＯリングランド６２と第１の端部１８との間に配置されており、第２のＯリングランド６４は、ジャーナルスリーブ１２の第２の端部２０にすぐ隣接して配置される。第１のＯリングランド６２および第２のＯリングランド６４はそれぞれ、ジャーナルスリーブ１２の外径面１４における軸Ａに平行な実質的に円筒形の領域を画定する。

第１の傾斜部分６８、中央凹部分７０および第２の傾斜部分７２によって画定された溝領域は、第１のＯリングランド６２と第２のＯリングランド６４との間に配置される。中央凹部分７０は、ジャーナルスリーブ１２の外径面１４における概ね円筒形の領域を形成しており、第１の傾斜部分６８および第２の傾斜部分７２は、中央凹部分７０を第１のＯリングランド６２および第２のＯリングランド６４と連結する、外径面１４の概ね円錐台形の領域をそれぞれ形成する。さらに、中央凹部分７０は、第１のＯリングランド６２および第２のＯリングランド６４よりも外径が小さく、これにより、溝領域内でジャーナルスリーブ１２の外径面１４と内径面１６との間に画定されたスリーブ壁の厚さが薄くなる。ジャーナルスリーブ１２の外径面１４における溝領域内のスリーブ壁の厚さを薄くすることにより、軸受システム１０の重量を減らすことができる。ジャーナルスリーブ１２の特徴部の寸法、特に、スリーブ壁の厚さは、特定の用途で必要に応じて変わると当業者であれば分かるであろう。さらに、第１の傾斜部分６８および第２の傾斜部分７２の角度は、通常は軸Ａに対して０°より大きく９０°より小さいが、中央凹部分７０と、第１のＯリングランド６２および第２のＯリングランド６４との間の肉厚差に応じて変えることができる。ジャーナルスリーブ１２の外径面１４に画定された重量低減用の特徴部は、ジャーナルスリーブの内径面１６の構造に影響を与える必要はなく、この内径面１６の構造は、実質的に円筒形状を維持することができる。

面取り領域６６は、ジャーナルスリーブ１２の第１の端部１８と第１のＯリングランド６２との間で、ジャーナルスリーブ１２の第１の端部１８にすぐ隣接して配置される。面取り領域６６は、形状が概ね円錐台形であり、この面取り領域により、第１のＯリングランド６２の大きい方の外径から第１の端部１８の小さい方の外径に、ジャーナルスリーブ１２の外径面１４が傾斜することになる。面取り領域６６の軸Ａに対する角度は、特定の用途で必要に応じて変えることができる。以下にさらに説明するように、面取り領域６６によって画定された角度は、軸受システム１０の組立時に、Ｏリングに損傷を与える危険性を軽減することに寄与する。

ジャーナルスリーブ１２は、金属材料から形成することができ、フライス削り、旋削、および研削などの公知の技術を使用して形状づけることができる。

軸受システム１０はさらに、ハウジング７４、第１のＯリング７６および第２のＯリング７８を有する。図１において、断面で示していないジャーナルスリーブ１２およびシャフト６０の一部を見えるようにするために、ハウジング７４、第１のＯリング７６および第２のＯリング７８を断面で示していることに留意されたい。ハウジング７４は通常、ジャーナルスリーブ１２が配置される穴８０を画定する。図示した実施形態では、第１のＯリング７６および第２のＯリング７８は、第１の係合溝８２および第２の係合溝８４の各々でハウジング７４と係合する。第１のＯリング７６は、ジャーナルスリーブ１２の第１のＯリングランド６２上に置かれ、かつこのリングランドと係合しており、第２のＯリング７８は、ジャーナルスリーブ１２の第２のＯリングランド６４上に置かれ、かつこのリングランドと係合する。第１のＯリング７６および第２のＯリング７８は、流体力学的流体膜ジャーナル軸受システムで使用する公知の従来型とすることができる。

本発明の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム１０は、以下のように組み立てることができる。ジャーナルスリーブ１２の内側にフォイル２８，３０，３２を組み込み、第１のＯリング７６および第２のＯリング７８をハウジング７４の係合溝８２，８４にそれぞれ配置する。次いで、ジャーナルスリーブ１２を（組み込んだフォイル２８，３０，３２とともに）ハウジング７４の穴８０内で、第１のＯリング７６および第２のＯリング７８の内側に挿入する。面取り領域６６が第２のＯリング７８を通過して、その後、第１のＯリング７６を通過するように、最初に、ジャーナルスリーブ１２の第１の端部１８を穴８０に挿入することができる。このようにジャーナルスリーブ１２を挿入することによって、面取り領域６６と、第１の傾斜部分６８および第２の傾斜部分７２は、第１のＯリングランド６２および第２のＯリングランド６４と、外径がより小さいジャーナルスリーブ１２の隣接する外径面領域との間の移行を比較的円滑にすることによって、組立時に第１のＯリング７６および第２のＯリング７８が損傷する危険性を軽減することに寄与する。第１のＯリング７６および第２のＯリング７８は、組立時においてジャーナルスリーブ１２を挿入する際に切断および引き裂きを受けやすく、本発明は、このような損傷が発生する危険性を軽減することに寄与する。

さらに、ジャーナルスリーブ１２の第１の端部１８にすぐ隣接して、面取り領域６６が配置されているが、対称的に、ジャーナルスリーブの第２の端部２０にすぐ隣接して、第２のＯリングランド６４が配置されている（すなわち、第２の端部２０にすぐ隣接する他の面取り領域がない）ために、ジャーナルスリーブ１２の第１の端部１８と第２の端部２０を簡単に識別することができる。これは、シャフト６０がフォイル２８，３０，３２に対して特定の方向に回転されなければならないように、流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム１０が構成され、ジャーナルスリーブの逆の端部をハウジング７４の穴８０に挿入することによる不適当な組み立てにより、その好ましい回転関係が断たれることから重要である。したがって、面取り領域６６は、軸受システム１０の正しい組立を保証することに役立つ確実な機能性をもたらす。

好ましい実施形態に関連させて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細を変更できると分かるであろう。

本発明による流体力学的流体膜ジャーナル軸受システムの部分断面図である。 図１の線２−２に沿って取った流体力学的流体膜ジャーナル軸受システムの断面図である。

Claims (19)

1. ジャーナルスリーブと、
   前記ジャーナルスリーブ内に少なくとも部分的に配置された１つまたは複数の流体力学的流体膜フォイルと、
   を備え、
   前記ジャーナルスリーブが、内径面と、外径面と、該内径面と該外径面との間の肉厚と、両側の第１の端部および第２の端部と、を有し、前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置する第１の領域で前記肉厚が薄くされ、前記ジャーナルスリーブの前記外径面上で第１のＯリングランドと前記ジャーナルスリーブの前記第１の端部との間に面取り領域が形成されることを特徴とする流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
2. 前記ジャーナルスリーブの前記肉厚は、該ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された溝によって薄くされることを特徴とする請求項１に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
3. 前記第１の端部に隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された第１のＯリングランドと、
   前記第２の端部に隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された第２のＯリングランドと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
4. 前記第２のＯリングランドは、確実な組立を保証するために、前記第２の端部にすぐ隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成されることを特徴とする請求項３に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
5. 前記ジャーナルスリーブの前記肉厚は、該ジャーナルスリーブの前記外径面で、前記第１のＯリングランドと前記第２のＯリングランドとの間に形成された溝によって薄くされ、
   前記溝は、
   中央部分と、
   前記中央部分と前記第１のＯリングランドとの間に配置された第１の傾斜部分と、
   前記中央部分と前記第２のＯリングランドとの間に配置された第２の傾斜部分と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
6. 前記溝の中央部分は、実質的に円筒形状であることを特徴とする請求項５に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
7. 第１のＯリング係合溝および第２のＯリング係合溝を有するハウジングと、
   前記ハウジングの前記第１のＯリング係合溝と前記ジャーナルスリーブの前記第１のＯリングランドとの間で係合される第１のＯリングと、
   前記ハウジングの前記第２のＯリング係合溝と前記ジャーナルスリーブの前記第２のＯリングランドとの間で係合される第２のＯリングと、
   をさらに有する請求項３に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
8. 回転シャフトと、
   前記回転シャフトのまわりに配置され、内径面と、外径面と、該内径面と該外径面との間の肉厚と、両側の第１の端部および第２の端部と、を有するジャーナルスリーブと、
   前記ジャーナルスリーブと前記回転シャフトとの間に配置された１つまたは複数の流体力学的流体膜フォイルと、
   前記第１の端部に隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された第１のＯリングランドと、
   前記第２の端部に隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された第２のＯリングランドと、
   前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成される重量低減溝と、
   を有し、
   前記重量低減溝は、前記第１のＯリングランドと前記第２のＯリングランドとの間に位置する第１の領域で前記ジャーナルスリーブの肉厚を薄くするとともに、少なくとも１つの傾斜部分を有することを特徴とする流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
9. 前記ジャーナルスリーブの前記外径面上で、該ジャーナルスリーブの前記第１のＯリングランドと前記第１の端部との間に形成された面取り領域をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
10. 前記第２のＯリングランドは、前記第２の端部にすぐ隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成されることを特徴とする請求項９に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
11. 前記重量低減溝が、
    中央部分と、
    前記中央部分と前記第１のＯリングランドとの間に配置された第１の傾斜部分と、
    前記中央部分と前記第２のＯリングランドとの間に配置された第２の傾斜部分と、
    を有することを特徴とする請求項８に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
12. 前記重量低減溝の中央部分は、実質的に円筒形状であることを特徴とする請求項１１に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
13. 第１のＯリング係合溝および第２のＯリング係合溝を有するハウジングと、
    前記ハウジングの前記第１のＯリング係合溝と前記ジャーナルスリーブの前記第１のＯリングランドとの間で係合された第１のＯリングと、
    前記ハウジングの前記第２のＯリング係合溝と前記ジャーナルスリーブの前記第２のＯリングランドとの間で係合された第２のＯリングと、
    をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
14. シャフトのまわりに配置された単一のボディとして形成され、内径面と、外径面と、前記内径面と前記外径面との間の肉厚と、両側の第１の端部および第２の端部と、を有するジャーナルスリーブと、
    前記ジャーナルスリーブ内に少なくとも部分的に配置された１つまたは複数の流体力学的流体膜フォイルと、
    前記第１の端部に隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された第１のＯリングランドと、
    前記第２の端部に隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された第２のＯリングランドと、
    第１のＯリング係合溝および第２のＯリング係合溝を有するハウジングと、
    前記ハウジングの前記第１のＯリング係合溝と前記ジャーナルスリーブの前記第１のＯリングランドとの間で係合された第１のＯリングと、
    前記ハウジングの前記第２のＯリング係合溝と前記ジャーナルスリーブの前記第２のＯリングランドとの間で係合された第２のＯリングと、
    システムの組立時に、前記第１のＯリングおよび前記第２のＯリングが損傷する危険性を軽減するように、前記ジャーナルスリーブの前記外径面上で該ジャーナルスリーブの前記第１のＯリングランドと前記第１の端部との間に形成される面取り領域と、
    を有する流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
15. 前記第２のＯリングランドは、前記第２の端部にすぐ隣接して前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成されることを特徴とする請求項１４に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
16. 前記ジャーナルスリーブの前記外径面に形成された溝をさらに有することを特徴とする請求項１４に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
17. 前記溝により、前記第１のＯリングランドと前記第２のＯリングランドとの間に位置する第１の領域で前記ジャーナルスリーブの肉厚が薄くなることを特徴とする請求項１６に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。
18. 前記溝が、
    中央部分と、
    前記中央部分と前記第１のＯリングランドとの間に配置された第１の傾斜部分と、
    前記中央部分と前記第２のＯリングランドとの間に配置された第２の傾斜部分と、
    を有することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
19. 前記溝の中央部分は、実質的に円筒形状であることを特徴とする請求項１８に記載の流体力学的流体膜ジャーナル軸受システム。

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