推力轴承及旋转机械

摘要

本发明的目的在于，降低与推力环相对的轴瓦上的润滑不足区域引起的轴承损失。本发明的至少一个实施方式的推力轴承具备：推力环；至少一个轴瓦，其沿周向设置在轴承面上，具有锥形部和封油面部。各轴瓦形成为，径向外侧的周缘部随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧。

权利要求

1.一种推力轴承，其特征在于，具备：推力环，其固定于旋转轴；

至少一个轴瓦，其沿周向设置在与所述推力环相对的轴承面上，具有锥形部和封油面部，所述锥形部形成为与所述推力环之间的间隙随着朝向旋转方向下游侧而减小，所述封油面部以具有恒定间隙的方式从所述锥形部向所述旋转方向下游侧连续地形成；

所述锥形部中的被供给于所述推力环及所述轴瓦之间的润滑油的流出侧与所述封油面部连续地形成，所述至少一个轴瓦中的每一个以随着朝向所述旋转方向上游侧，旋转方向上游侧的封油面部和旋转方向下游侧的锥形部的边界线靠近径向内侧或者是锥形部及封油面部的外周靠近径向内侧的方式形成。

2.如权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，所述至少一个轴瓦包括第一轴瓦和第二轴瓦，所述第二轴瓦相邻地设置在所述第一轴瓦的所述旋转方向下游侧，所述第一轴瓦的所述封油面部与所述第二轴瓦的锥形部之间的边界线相对于所述径向朝旋转方向下游侧倾斜地形成。

3.如权利要求2所述的推力轴承，其特征在于，所述边界线以相对于所述径向的倾斜角度随着朝向所述旋转方向下游侧而增加的方式具有曲线形状。

4.如权利要求2所述的推力轴承，其特征在于，所述边界线具有直线形状。

5.如权利要求2～4中任一项所述的推力轴承，其特征在于，所述锥形部形成为所述间隙随着朝向所述径向外侧而减小。

6.如权利要求5所述的推力轴承，其特征在于，所述锥形部形成为在所述径向最外侧的所述间隙与在所述封油面部的间隙相等。

7.如权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，所述至少一个轴瓦形成为径向长度随着朝向所述旋转方向上游侧而减小。

8.一种旋转机械，其特征在于，

具备权利要求1～7中任一项所述的推力轴承。

说明书

推力轴承及旋转机械

技术领域

[0001] 本发明涉及斜面式推力轴承及具备该推力轴承的旋转机械。

背景技术

[0002] 作为承受作用于旋转机械的旋转轴上的沿轴向的载荷(推力载荷)的推力轴承的一种，已知有所谓斜面式推力轴承，即，具备轴瓦，该轴瓦在与推力环相对的轴承面上具有封油面部和锥形部。在斜面式推力轴承中，通过推力环和轴承面之间的相对旋转，润滑油被引入到存在于推力环与轴承面之间的间隙。锥形部形成为间隙随着朝向旋转方向下游侧而逐渐减小，因而被引入到间隙的润滑油，压力上升着向封油面部被引导，形成对于推力载荷的反作用力。于是，推力轴承支承推力载荷。

[0003] 作为与这种斜面式推力轴承相关的技术，例如有专利文献1。在专利文献1中，公开了沿周向排列有具备封油面部及锥形部的多个轴瓦的推力轴承，尤其是，通过在轴瓦表面设置隔热层，防止轴瓦因热膨胀而变形。

[0004] 现有技术文献

[0005] 专利文献

[0006] 专利文献1：(日本)特开2006－77803号公报

发明内容

[0007] 发明所要解决的课题

[0008] 在专利文献1中，具有锥形部和封油面部的多个轴瓦沿周向排列，相邻轴瓦中的锥形部和封油面部之间的边界线沿径向形成。对具有这种结构的斜面式推力轴承实施了与推力环相对的轴承面上的润滑度评价实验，其结果，发现存在相对于间隙润滑油不足的区域。这样，润滑油不足的区域成为轴承损失的原因。

[0009] 鉴于上述情况，本发明的至少一个实施方式的目的在于，提供一种能够降低因与推力环相对的轴瓦上的润滑不足区域引起的轴承损失的推力轴承及具有该推力轴承的旋转机械。

[0010] 用于解决课题的手段

[0011] (1)本发明的至少一个实施方式的推力轴承具备：推力环，其固定于旋转轴；至少一个轴瓦，其沿周向设置在与所述推力环相对的轴承面上，具有锥形部和封油面部，所述锥形部形成为与所述推力环之间的间隙随着朝向旋转方向下游侧而减小，所述封油面部以具有恒定间隙的方式从所述锥形部向所述旋转方向下游侧连续地形成；所述至少一个轴瓦中的每一个以随着朝向所述旋转方向上游侧，径向外侧的周缘部靠近径向内侧的方式形成。

[0012] 根据上述(1)的结构，在斜面式推力轴承中，以旋转方向上游侧的径向外侧的周缘部靠近径向内侧的方式形成轴瓦。由此，能够减小在旋转方向上游侧的径向外侧产生的油不足区域。其结果，能够减轻轴承损失，实现高效率的斜面式推力轴承。

[0013] (2)在若干个实施方式中，在上述(1)的结构中，所述至少一个轴瓦包括第一轴瓦和第二轴瓦，所述第二轴瓦相邻地设置在所述第一轴瓦的所述旋转方向下游侧，所述第一轴瓦的所述封油面部与所述第二轴瓦的锥形部之间的边界线相对于所述径向朝旋转方向下游侧倾斜地形成。

[0014] 根据上述(2)的结构，相邻的两个轴瓦中的油封面部及锥形部之间的边界线相对于径向朝旋转方向下游侧倾斜地形成。由此，与边界线与径向平行的情况相比，在旋转方向上游侧的径向外侧产生的油不足区域减小，可减轻轴承损失。

[0015] (3)在若干个实施方式中，在上述(2)的结构中，所述边界线以相对于所述径向的倾斜角度随着朝向所述旋转方向下游侧而增加的方式具有曲线形状。

[0016] 根据上述(3)的结构，边界线以相对于径向的倾斜角度随着朝向旋转方向下游侧而增加的方式曲线状地形成。根据本发明人的深入研究，发现轴瓦上的油的流线也描绘出曲线。因此，通过像这样与流线相对应地将边界线设为曲线状，能够更有效地削减油不足区域，减轻轴承损失。

[0017] (4)在若干个实施方式中，在上述(2)的结构中，所述边界线具有直线形状。

[0018] 根据上述(4)的结构，边界线为直线状，故而能够以简单的结构实现轴承损失的减轻。由此，加工变得容易，在成本上是有利的。

[0019] (5)在若干个实施方式中，在上述(2)～(4)中的任一结构中，所述锥形部形成为所述间隙随着朝向所述径向外侧而减小。

[0020] 根据上述(5)的结构，以间隙朝径向外侧减小的方式形成锥形部，由此，能够减慢在旋转时被导入到推力轴承的油因离心力被排出到径向外侧。其结果，轴承面上的润滑状态提升，能够进一步降低轴承损失。

[0021] (6)在若干个实施方式中，在上述(5)的结构中，所述锥形部形成为在所述径向最外侧的所述间隙与在所述封油面部的间隙相等。

[0022] 根据上述(6)的结构，锥形部的径向外侧具有与油封面部处相等的间隙。由此，能够更有效地减慢离心力造成的油向径向外侧的排出。其结果，瓦状的润滑状态提升，能够进一步降低轴承损失。

[0023] (7)在若干个实施方式中，在上述(1)的结构中，所述至少一个轴瓦形成为径向长度朝所述旋转方向上游侧而减小。

[0024] 根据上述(7)的结构，以轴瓦的径向长度随着朝向旋转方向上游侧而减小的方式形成推力轴承。由此，与轴瓦的径向长度恒定的情况相比，在旋转方向上游侧的径向外侧产生的油不足区域减小，可减轻轴承损失。

[0025] (8)本发明的至少一个实施方式的旋转机械具备上述(1)～(7)中任一项所述的推力轴承，由此，可减轻轴承损失，实现高效率。

[0026] 根据本发明的至少一个实施方式，能够提供能够降低因与推力环相对的轴瓦上的润滑不足区域引起的轴承损失的推力轴承及具备该推力轴承的旋转机械。

附图说明

[0027] 图1是表示本发明的一个实施方式的推力轴承的轴承面的示意图。

[0028] 图2是图1的变形例。

[0029] 图3是图1的变形例。

[0030] 图4是图3的II－II线剖视图。

[0031] 图5是图3的III－III线剖视图。

[0032] 图6是表示本发明一个实施方式的推力轴承的轴承面的示意图。

[0033] 图7是表示具备参考技术的推力轴承的旋转机器的概略结构的剖视图。

[0034] 图8是图7的主要部分的剖视图。

[0035] 图9是从轴向表示图7的推力轴承的轴承面的平面图。

[0036] 图10是图9的I－I线剖视图。

[0037] 图11A是表示图9的轴承面上的润滑油的压力分布的模拟结果。

[0038] 图11B是表示图9的轴承面上的润滑油的填充率的模拟结果。

[0039] 图11C是表示图9的轴承面上的润滑油的流线分布的模拟结果。

具体实施方式

[0040] 以下，参照附图对本发明的若干个实施方式进行说明。需要说明的是，作为实施方式被记载或附图所示的结构零部件的尺寸、材质、形状、及其相对配置等不意味着在将本发明的范围限定于此，其只不过是说明例。

[0041] 例如，“在某方向”、“沿某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对或绝对配置的表述不仅是严密地表示这种配置，也表示公差、或以能够得到相同功能程度的角度或距离发生相对位移的状态。

[0042] 又例如，表示四边形状或圆筒形状等形状的表述不仅是表示几何学上严格意义的四边形状或圆筒形状等，也表示在能够得到相同技术效果的范围内，包括凹凸部或倒角部等在内的形状。

[0043] 另一方面，“包括”、“具有”、“具备”、“包含”、或“含有”一个构成要素这类的表述不是将其他构成要素的存在排除的排他性表述。

[0044] (参考技术)

[0045] 首先参照图7～图11，说明参考技术中的推力轴承。图7是对具备作为参考技术的推力轴承的旋转机器概略结构进行表示的剖视图；图8是图7的主要部分的剖视图；图9是从轴向对图7的推力轴承的轴承面进行表示的平面图；图10是图9的I－I线剖视图；图11A是对图9的轴承面上的润滑油的压力分布进行数值计算的结果；图11B是对图9的轴承面上的润滑油的填充率进行数值计算的结果；图11C是对图9的轴承面上的润滑油的流线分布进行数值计算的结果。

[0046] 旋转机械100是具备作为参考技术的推力轴承8的旋转机器的一例，例如为增压器或涡轮机。旋转机械100在外壳1内具备转子2。转子2具有：转子轴(旋转轴)3、在转子轴3的一端设置的压缩机叶轮4、在转子轴3的大致中央部固定设置的推力环5、在转子轴3的另一端设置的涡轮6。

[0047] 转子2被设置于推力环5的两侧的一对轴颈轴承7支承在多个部位，并且通过与推力环5的两轴承面相对设置的推力轴承8支承推力载荷。在这样构成的旋转机械100中，一对轴颈轴承7仅支承转子2的自重(在立式的情况下，甚至不会作用自重，而仅起到定位作用)，相比之下，在推力轴承8作用有向压缩机叶轮4及涡轮6的叶片上作用的空气力学性质的压力产生的合力的负载荷重。

[0048] 推力轴承8为斜面式推力轴承，在与推力环5相对的轴承面(滑动面)8a上沿周向设有多个(图9的例子中为十个)固定式部分即轴瓦9。各轴瓦9由供油口10、锥形部11及封油面部12沿圆周方向连续而形成。

[0049] 需要说明的是，附图标记13是将锥形部11的内周缘部11a侧及外周缘部11b侧围住的围带部。

[0050] 供油口10形成为在各轴瓦9的旋转方向最下游侧沿径向延伸。在供油口10中的径向内侧附近，设有与供油路16连通的供油孔15。在供油路16，经由排出管路17(参照图7)从供油泵18供给有润滑油。自推力轴承8排出的润滑油储存在设于外壳1下方的油盘20。油盘20经由导入管路19与供油泵20连接，与排出管路17一起构成循环路径。

[0051] 自供油口10供给的润滑油通过推力轴承8和推力环5之间的相对旋转被引入到在推力轴承8和推力环5之间存在的间隙。该间隙在与锥形部11相对应的区域中为楔状，在与封油面部12相对应的区域中为与此相接的平行状。在这样的间隙内产生流体力学上的动压力，支承作用于推力轴承8上的负载荷重。

[0052] 对于具有这种结构的推力轴承8，本发明人利用计算流体动力学(CFD：Computational Fluid Dynamics)分析对轴承面(滑动面)8a上的润滑度进行了数值解析。
其结果，发现在轴承面(滑动面)8a上存在不少润滑度不足的区域(以下简称为“油不足区域
30”)。

[0053] 根据图11A，在轴承面8a中的各轴瓦9的旋转方向上游侧，与旋转方向下游侧相比，润滑油的压力下降。这种润滑油的压力下降在径向外侧有特别显著的表现。

[0054] 另外根据图11B，在轴承面8a中各轴瓦9的旋转方向上游侧，与旋转方向下游侧相比，润滑油的填充率(＝相对于间隙单位容积的润滑油量的比例)下降。这种润滑油的填充率下降在径向外侧有特别显著的表现。

[0055] 另外根据图11C，在轴承面8a中各轴瓦9的旋转方向上游侧，与旋转方向下游侧相比，润滑油的流线密度下降。这种润滑油的流线密度下降在径向外侧有特别显著的表现。

[0056] 根据上述的图11A～图11C，在参考技术中的推力轴承8，发现在轴承面8a中各轴瓦9的旋转方向上游侧，特别是径向外侧，存在油不足区域30。这种油不足区域30是推力轴承8的轴承损失的主要原因，因而成为问题。通过下述的本发明的若干个实施方式解决该问题。

[0057] (实施方式)

[0058] 接着，说明本发明的若干个实施方式的推力轴承8。需要说明的是，在以下的说明中，对与上述参考技术相同的部位标注相同的附图标记，适当省略重复记载。

[0059] 图1是表示本发明的一个实施方式的推力轴承8的轴承面8a的示意图；图2是图1的变形例；图3是图1的变形例；图4是图3的II－II线剖视图；图5是图3的III－III线剖视图；图6是表示本发明的一个实施方式的推力轴承8的轴承面8a的示意图。

[0060] 需要说明的是，在本实施方式中，与上述参考技术的区别在于在推力轴承8的轴承面上设置的锥形部11及封油面部12的结构，对于其他的结构，只要没有特别记载，就与上述参考技术相同。

[0061] 在推力轴承8的轴承面8a上沿旋转方向设有多个(图1的例子中为四个)由一对锥形部11及封油面部12构成的轴瓦9(为了在纸面上容易理解地表示结构，对封油面部12添加阴影)。锥形部11以推力环5及推力轴承8之间的间隙14随着朝向旋转方向下游侧而减小的方式形成。封油面部12以推力环5及推力轴承8之间的间隙14大致恒定的方式形成，与锥形部11的旋转方向下游侧连续地形成。

[0062] 需要说明的是，锥形部11沿旋转方向的倾斜角度沿旋转方向恒定(即，锥形部11沿旋转方向的倾斜截面为直线)，但不限于此(例如锥形部11沿旋转方向的倾斜截面也可以是凹状或凸状的曲面)。

[0063] 各轴瓦9以径向外侧的周缘部随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧的方式形成。在此，参照图1中相互相邻的两个轴瓦9(在此，为了便于说明，将上游侧的轴瓦称为第一轴瓦9a、将下游侧的轴瓦称为第二轴瓦9b)。各轴瓦9的径向外侧的周缘部包括：该轴瓦9的外周26及内周27、以及第一轴瓦9a的封油面部11a和第二轴瓦9b的锥形部11b之间的边界线25。在本实施方式中，这种径向外侧的周缘部中的边界线25形成为随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧。即，边界线25以从径向朝旋转方向下游侧倾斜的方式形成。

[0064] 另外，边界线25形成为在径向最内侧相对于径向具有倾斜角度α，并且倾斜角度α随着朝向径向外侧而增加。即，边界线25具有曲线形状。如图11C所示，轴承面8a上的润滑油的流线具有曲线形状。在图1中，边界线25的形状形成为与这种润滑油的流线相对应。由此，图11所示的油不足区域30被有效地削减(相反地，存在充足润滑油的封油面部12实质上增加)，能够有效地改善推力轴承8的轴承损失。

[0065] 另外如图2所示，边界线25也可以形成为直线状。在该情况下，边界线25不同于轴承面8a的润滑油的流线形状(参照图11C)，故而与图1的情况相比，会残留不少油不足区域30，但由于轴承结构变得简单，所以在成本上有利。

[0066] 需要说明的是，如图1及图2所示，各轴瓦9的锥形部11及封油面部12之间的边界线28也可以相对于径向具有倾斜角度β。该倾斜角度β可以与上述的倾斜角度α相同，也可以不同。

[0067] 接着，参照图3～图5，对其他实施方式的推力轴承8进行说明。在实施方式中，与上述图1同样地，边界线25相对于径向倾斜，除此以外，区别还在于，锥形部11的间隙14形成为随着朝向径向外侧减小。

[0068] 如图4所示，在锥形部11中旋转方向较上游侧，间隙14在径向最内侧为C1，随着朝向径向外侧而收敛成与封油面部12等同的间隙C0，由此与围带部13连续地形成。另一方面，如图5所示，在锥形部11的旋转反向较下游侧，间隙14在径向最内侧为C2(＜C1)，并随着朝向径向外侧而收敛成与封油面部12同等的间隙C0，由此与围带部13连续地形成。

[0069] 于是，锥形部11形成为，锥形部11的径向斜率随着朝向旋转方向下游侧变缓。

[0070] 轴承面8a上的润滑油在转子轴3旋转时受到离心力，朝径向外侧流动，排出到围带部13。在本实施方式中，通过使间隙14沿径向倾斜，能够减慢润滑油向径向外侧的排出。即，在轴承面8a上停留的润滑油量实质上能够增加。由此，可更有效地降低轴承损失。

[0071] 另外，间隙14在锥形部11的径向最外侧与具有与封油面部12同等的间隙14的围带部13连续地形成。由此，在轴承面8a上停留润滑油的同时，还能够向围带部13顺畅地排出，防止在与围带部13的边界附近形成局部的积油。

[0072] 需要说明的是，在图3～图5中，例示了锥形部11沿径向呈直线状倾斜的情况，但沿该径向的倾斜面也可以为曲面状，进一步地，可以是凸状或凹状。通过这种结构，能够将因离心力而朝径向外侧排出的油有效地保持在轴承面。

[0073] 接着，参照图6，对其他实施方式的推力轴承8进行说明。在该推力轴承8中，各轴瓦9也形成为径向外侧的周缘部随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧。在本实施方式中，特别地，轴瓦9的径向外侧的周缘部32(即，被边界线25及28夹住的区域的径向外侧的缘部)形成为随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧。即，轴瓦9形成为径向长度随着朝向旋转方向上游侧而减小。由此，与轴瓦9的径向长度恒定的情况相比，可利用周缘部32外侧的区域34减小的量削减油不足区域30。其结果，能够减轻轴承损失，实现高效的推力轴承8。

[0074] 需要说明的是，区域34构成为其高度与封油面部12相同。

[0075] 需要说明的是，在图6的例子中，示出了包括锥形部11及封油面部12的整个轴瓦9的周缘部32以随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧的方式而形成的情况，但也可以构成为，仅与锥形部11相对应的周缘部32以随着朝向旋转方向上游侧而靠近径向内侧的方式而形成，而与封油面部12相对应的周缘部32的径向长度恒定。

[0076] 需要说明的是，在图6中，边界线25及28具有沿径向的直线形状，但如图1及图2所示，也可以相对于径向分别具有倾斜角度α及β。在该情况下，边界线25及28也可以如图1所示为曲线形状，还可以如图2所示为直线形状。进一步地，像图3及图5的实施方式那样，锥形部11也可以形成为间隙14随着朝向径向外侧而减小。

[0077] 产业上的可利用性

[0078] 本发明可用于斜面式推力轴承及具备该推力轴承的增压器。

[0079] 附图标记说明

[0080] 1：外壳

[0081] 2：转子

[0082] 3：转子轴(旋转轴)

[0083] 4：压缩机叶轮

[0084] 5：推力环

[0085] 6：涡轮

[0086] 7：轴颈轴承

[0087] 8：推力轴承

[0088] 8a：轴承面

[0089] 9：轴瓦

[0090] 10：供油口

[0091] 11：锥形部

[0092] 12：封油面部

[0093] 13：围带部

[0094] 14：间隙

[0095] 15：供油孔

[0096] 16：供油路

[0097] 17：排出管路

[0098] 18：供油泵

[0099] 20：油盘

[0100] 19：导入管路

[0101] 25：边界线

[0102] 26：外周

[0103] 27：内周

[0104] 28：边界线

[0105] 30：油不足区域

[0106] 100：旋转机械