JP2013047555A - Foil bearing - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the pressure of fluid generated in a bearing clearance to thereby increase a load capacity by a foil bearing.SOLUTION: A free end 31 of a leaf foil (leaf 30) is alternately provided with a plurality of notches 31a and a plurality of lands 31b consecutive to bearing surfaces 33. The fluid is made to flow through the notches 31a, so that the fluid in a large clearance part T2 of a thrust bearing clearance T is made to flow dynamically, thereby increasing the fluid sent to a small clearance part T1 and increasing the pressure of the fluid.

Description

本発明は、薄膜状のリーフフォイルに形成された軸受面と、この軸受面で形成される楔状の軸受隙間に生じる流体膜の圧力で、回転部材を支持するフォイル軸受に関する。   The present invention relates to a foil bearing that supports a rotating member with a bearing surface formed on a thin-film leaf foil and a fluid film pressure generated in a wedge-shaped bearing gap formed on the bearing surface.

ガスタービンや過給機(ターボチャージャ等)の軸は高速で回転駆動される。また、軸に取り付けられたタービン翼は高温に晒される。そのため、これらの軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。この種の用途の軸受として、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受を使用する場合もある。しかし、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合、等の条件下では、油を用いた軸受の使用は制約を受ける。そこで、上記のような条件下での使用に適合する軸受として、空気動圧軸受が着目されている。   The shafts of gas turbines and superchargers (such as turbochargers) are driven to rotate at high speed. Further, the turbine blade attached to the shaft is exposed to high temperature. For this reason, bearings that support these shafts are required to withstand harsh environments such as high temperature and high speed rotation. An oil-lubricated rolling bearing or an oil dynamic pressure bearing may be used as a bearing for this type of application. However, when lubrication with a liquid such as lubricating oil is difficult, when it is difficult to separately provide an auxiliary machine for the lubricating oil circulation system from the viewpoint of energy efficiency, or when resistance due to liquid shear becomes a problem, etc. Below, the use of bearings with oil is restricted. Therefore, an air dynamic pressure bearing has attracted attention as a bearing suitable for use under the above conditions.

空気動圧軸受としては、回転側と固定側の双方の軸受面を剛体で構成したものが一般的である。しかしながら、この種の空気動圧軸受では、回転側と固定側の軸受面間に形成される軸受隙間の管理が不十分であると、安定限界を超えた際にホワールと呼ばれる自励的な軸の触れ回りを生じ易い。そのため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。しかし、ガスタービンや過給機のように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響で軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難となる。   As an air dynamic pressure bearing, one in which both the rotating side and the fixed side bearing surfaces are made of a rigid body is generally used. However, in this type of air dynamic pressure bearing, if the bearing clearance formed between the rotating and stationary bearing surfaces is insufficiently controlled, a self-excited shaft called a whirl when the stability limit is exceeded. It is easy to produce the touch around. Therefore, gap management according to the rotation speed used is important. However, since the width of the bearing gap fluctuates under the influence of thermal expansion in an environment where the temperature changes rapidly, such as a gas turbine or a supercharger, accurate gap management becomes extremely difficult.

温度変化の大きい環境下でも隙間管理を容易にできる軸受としてフォイル軸受が知られている。フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜(フォイル)で軸受面を構成し、軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものである。フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な軸受隙間が形成される。このため、フォイル軸受は安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。また、一般的な動圧軸受では、数μm程度の軸受隙間を常時確保する必要があるため、製造時の公差、さらには温度変化が激しい場合の熱膨張まで考慮すると、厳密な隙間管理は困難である。これに対して、フォイル軸受の場合には、数十μm程度の軸受隙間に管理すれば足り、その製造や隙間管理が容易となる利点を有する。   Foil bearings are known as bearings that can easily manage clearances even in environments with large temperature changes. In the foil bearing, a bearing surface is constituted by a thin film (foil) having low rigidity with respect to bending, and the load is supported by allowing the bearing surface to bend. In the foil bearing, an appropriate bearing gap is formed according to operating conditions such as the rotational speed and load of the shaft and the ambient temperature due to the flexibility of the foil. For this reason, a foil bearing has the characteristic that it is excellent in stability, and it can be used at high speed compared with a general air dynamic pressure bearing. In addition, in general dynamic pressure bearings, it is necessary to always maintain a bearing gap of about several μm. Therefore, it is difficult to strictly manage the gap considering tolerances during manufacturing and thermal expansion when temperature changes are severe. It is. On the other hand, in the case of a foil bearing, it is sufficient to manage the bearing gap of about several tens of μm, and there is an advantage that its manufacture and gap management are easy.

また、ガスタービンや過給機の軸には、タービンの高速回転により発生する気流のスラスト方向の反力が加わるため、軸をラジアル方向だけでなくスラスト方向にも支持する必要がある。例えば、特許文献1〜3には、回転軸をラジアル方向に支持するフォイル軸受が示されている。また、特許文献4〜6には、回転軸をスラスト方向に支持するフォイル軸受が示されている。   Further, since the reaction force in the thrust direction of the air flow generated by the high-speed rotation of the turbine is applied to the shaft of the gas turbine or the supercharger, it is necessary to support the shaft not only in the radial direction but also in the thrust direction. For example, Patent Documents 1 to 3 show a foil bearing that supports a rotating shaft in a radial direction. Patent Documents 4 to 6 show foil bearings that support the rotating shaft in the thrust direction.

特開2002−364643号公報JP 2002-364463 A 特開2003−262222号公報JP 2003-262222 A 特開2009−299748号公報JP 2009-299748 A 特開昭61−36725号公報JP 61-36725 A 実開昭61−38321号公報Japanese Utility Model Publication No. 61-38321 特開昭63−195412号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-195212

例えば、図20に示すフォイル軸受100は、スラスト方向の支持に用いられるものであり、複数(図示例では8枚)のリーフフォイル110を有するいわゆるリーフ型のフォイル軸受である。各リーフフォイル110は、円周方向一端が自由端111とされ、円周方向他端が固定端112として円盤状のスラスト部材120の端面に固定される。各リーフフォイル110にはスラスト軸受面113が形成される。図21に示すように、回転部材130の端面131とリーフフォイル110のスラスト軸受面113との間には、楔状のスラスト軸受隙間140が形成される。リーフフォイル110の自由端111付近においてスラスト軸受隙間140の小隙間部141が形成され、自由端111を越えた直後(図示例では固定端112付近)にスラスト軸受隙間140の大隙間部142が形成される。回転部材130が矢印C方向に回転すると、スラスト軸受隙間140の流体膜が流動する。このとき、小隙間部141を流れる流体は高圧となり、大隙間部142を流れる流体は相対的に低圧となる。従って、図22に示すように、リーフフォイル110の自由端111付近には高圧領域Hが形成され、リーフフォイル110の固定端112付近には低圧領域Lが形成される。尚、図21のバネ150は、リーフフォイル110のバネ性を模式的に表すものである。   For example, a foil bearing 100 shown in FIG. 20 is used for supporting in the thrust direction, and is a so-called leaf type foil bearing having a plurality (eight in the illustrated example) of leaf foils 110. Each leaf foil 110 is fixed to the end surface of the disc-shaped thrust member 120 with one end in the circumferential direction as a free end 111 and the other end in the circumferential direction as a fixed end 112. Each leaf foil 110 is formed with a thrust bearing surface 113. As shown in FIG. 21, a wedge-shaped thrust bearing gap 140 is formed between the end surface 131 of the rotating member 130 and the thrust bearing surface 113 of the leaf foil 110. A small gap portion 141 of the thrust bearing gap 140 is formed in the vicinity of the free end 111 of the leaf foil 110, and a large gap portion 142 of the thrust bearing gap 140 is formed immediately after exceeding the free end 111 (near the fixed end 112 in the illustrated example). Is done. When the rotating member 130 rotates in the direction of arrow C, the fluid film in the thrust bearing gap 140 flows. At this time, the fluid flowing through the small gap portion 141 has a high pressure, and the fluid flowing through the large gap portion 142 has a relatively low pressure. Therefore, as shown in FIG. 22, a high pressure region H is formed near the free end 111 of the leaf foil 110, and a low pressure region L is formed near the fixed end 112 of the leaf foil 110. Note that the spring 150 in FIG. 21 schematically represents the spring property of the leaf foil 110.

このとき、大隙間部142を流れる流体の流速は均一ではない。すなわち、大隙間部142のうち、回転部材130の端面付近(図示例では上方部分)では、小隙間部141(高圧領域H)から高圧の流体が流入することで流速が速くなる(図21の矢印v1’参照)。一方、大隙間部142のうち、スラスト軸受面113付近(図示例では下方部分)における流体は、小隙間部141から流入する高圧の流体の影響を受けにくいため、流速が遅い(図21の矢印v2’参照)。このため、大隙間部142の図中下方部分の流体は小隙間部141へほとんど流入せず、小隙間部141における流体の圧力が高まりにくい。 At this time, the flow velocity of the fluid flowing through the large gap 142 is not uniform. That is, in the vicinity of the end face of the rotating member 130 (the upper portion in the illustrated example) in the large gap 142, the flow rate increases due to the flow of high-pressure fluid from the small gap 141 (the high pressure region H) (see FIG. 21). Arrow v 1 '). On the other hand, the fluid in the vicinity of the thrust bearing surface 113 (the lower portion in the illustrated example) in the large gap 142 is not easily affected by the high-pressure fluid flowing from the small gap 141, so the flow velocity is slow (arrow in FIG. 21). v 2 '). For this reason, the fluid in the lower part of the large gap 142 in the figure hardly flows into the small gap 141, and the pressure of the fluid in the small gap 141 is difficult to increase.

以上のような問題は、リーフ型のフォイル軸受に生じる問題であり、スラスト方向に支持に用いられるフォイル軸受だけでなく、ラジアル方向の支持に用いられるフォイル軸受においても同様に生じる。   The above problems are problems that occur in leaf-type foil bearings, and similarly occur not only in foil bearings that are used for support in the thrust direction but also in foil bearings that are used for support in the radial direction.

そこで、本発明は、軸受隙間に生じる流体の圧力を高め、リーフ型のフォイル軸受の負荷容量を高めることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to increase the pressure of fluid generated in the bearing gap and increase the load capacity of the leaf type foil bearing.

上記の目的を達成するためになされた本発明は、固定部材と、回転部材と、固定部材と回転部材の間に配置され、円周方向一端を自由端とした複数のリーフフォイルとを備え、リーフフォイルに設けられた軸受面で楔状の軸受隙間を形成し、この軸受隙間に生じる流体膜で回転部材を支持するフォイル軸受であって、リーフフォイルの自由端に、複数の切り欠き部と、軸受面に連続した複数のランド部とを交互に設けたことを特徴とする。   The present invention made to achieve the above object comprises a fixing member, a rotating member, and a plurality of leaf foils arranged between the fixing member and the rotating member and having one circumferential end as a free end, A foil bearing that forms a wedge-shaped bearing gap on the bearing surface provided on the leaf foil and supports the rotating member with a fluid film generated in the bearing gap, and a plurality of notches at the free end of the leaf foil, A plurality of continuous land portions are alternately provided on the bearing surface.

このように、リーフフォイルの自由端に、複数の切り欠き部及びランド部を交互に設けることで、軸受隙間の流体をダイナミックに流動させ、軸受隙間の流体の圧力を高めることができる。その理由は次の通りである。例えば図6に示すように、リーフフォイル30の自由端31をジグザグ状に形成し、複数の切り欠き部31a及びランド部31bを交互に設けた場合、図4に示すように、自由端31付近にスラスト軸受隙間Tの小隙間部T1が形成され、回転部材(フランジ部40)が矢印D方向に回転すると、小隙間部T1の流体の圧力が高められる。この高圧の流体の一部が、切り欠き部31aを介してリーフフォイル30の裏側(軸受面33と反対側)に抜けることにより(図4の矢印A参照)、スラスト軸受隙間Tの大隙間部T2のスラスト部材21側部分(図中下方部分)の流体が流動する(図4の矢印v2参照)。その結果、スラスト軸受隙間Tの大隙間部T2における流体の運動量が増大して、図21に示す場合と比べて大隙間部T2から小隙間部T1へ流入する流体の量が増えるため、小隙間部T1における圧力が高められる。 Thus, by providing a plurality of notches and lands alternately at the free end of the leaf foil, the fluid in the bearing gap can be made to flow dynamically, and the pressure of the fluid in the bearing gap can be increased. The reason is as follows. For example, as shown in FIG. 6, when the free end 31 of the leaf foil 30 is formed in a zigzag shape and a plurality of cutout portions 31a and land portions 31b are alternately provided, as shown in FIG. When the small gap portion T1 of the thrust bearing gap T is formed in the shaft and the rotating member (flange portion 40) rotates in the direction of arrow D, the fluid pressure in the small gap portion T1 is increased. A part of this high-pressure fluid escapes to the back side (the opposite side to the bearing surface 33) of the leaf foil 30 through the notch 31a (see arrow A in FIG. 4), so that a large gap portion of the thrust bearing gap T is obtained. fluid T2 thrust member 21 side portion (in the figure the lower part) to flow (see the arrow v 2 in FIG. 4). As a result, the momentum of the fluid in the large gap portion T2 of the thrust bearing gap T increases, and the amount of fluid flowing from the large gap portion T2 into the small gap portion T1 is increased compared to the case shown in FIG. The pressure in the part T1 is increased.

リーフフォイルの自由端は、例えばジグザグ状(図5及び図6参照)に形成したり、波形(図7参照)に形成したりすることができる。   The free end of the leaf foil can be formed, for example, in a zigzag shape (see FIGS. 5 and 6) or in a waveform (see FIG. 7).

上記のフォイル軸受では、例えば、1枚のフォイルに、複数のリーフフォイルと、複数のリーフフォイルを連結する連結部とを一体に設けることができる。これにより、複数のリーフフォイルを一度に固定部材又は回転部材に取り付けることができる。また、このようなフォイルを複数組み合せてフォイル部材を構成すれば、より多くのリーフフォイルの一度に固定部材又は回転部材に取り付けることができる。   In the foil bearing described above, for example, a plurality of leaf foils and a connecting portion that connects the plurality of leaf foils can be integrally provided on one foil. Thereby, several leaf foil can be attached to a fixed member or a rotation member at once. Moreover, if a foil member is constituted by combining a plurality of such foils, more leaf foils can be attached to the fixed member or the rotating member at a time.

上記のようなフォイル軸受は、高速運転時にはリーフフォイルの軸受面とこれに対向する面との間に流体膜が形成され、これらの面が非接触状態となるが、起動時や停止時の低速回転状態では、リーフフォイルの軸受面やこれに対向する面の表面粗さ以上の流体膜を形成することが困難となる。そのため、回転部材と固定部材とがリーフフォイルを挟んで接触し、リーフフォイルの表面が損傷する恐れがある。このため、リーフフォイルの軸受面に被膜を設け、損傷を防止することが好ましい。   In the foil bearing as described above, a fluid film is formed between the bearing surface of the leaf foil and the surface facing it during high-speed operation, and these surfaces are in a non-contact state. In the rotating state, it becomes difficult to form a fluid film having a surface roughness higher than the surface roughness of the bearing surface of the leaf foil and the surface facing the bearing surface. Therefore, there is a possibility that the rotating member and the fixed member are in contact with each other with the leaf foil interposed therebetween, and the surface of the leaf foil is damaged. For this reason, it is preferable to provide a coating on the bearing surface of the leaf foil to prevent damage.

また、複数のリーフフォイル同士、あるいは、リーフフォイルとリーフフォイルが固定される面との間は、荷重変動や振動に伴い微小変位の摺動が生じている。このため、リーフフォイルの軸受面と反対側の面に被膜を設け、摺動による損傷を防止することが好ましい。   In addition, a slight displacement slide occurs between a plurality of leaf foils or between the leaf foil and a surface to which the leaf foil is fixed, due to load fluctuation or vibration. For this reason, it is preferable to provide a film on the surface opposite to the bearing surface of the leaf foil to prevent damage due to sliding.

フォイル軸受は、液体での潤滑が困難な箇所に用いられることが多いので、上記のような被膜には、DLC膜やチタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を用いることができる。DLC膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質で摩擦係数が低く、強度面で優れている。一方、二硫化モリブデン膜は、スプレー等で噴射することができるため、被膜を簡単に形成することができる。   Since the foil bearing is often used in a place where it is difficult to lubricate with a liquid, a DLC film, a titanium aluminum nitride film, or a molybdenum disulfide film can be used for the coating as described above. DLC films and titanium aluminum nitride films are hard, have a low coefficient of friction, and are excellent in strength. On the other hand, since the molybdenum disulfide film can be sprayed by spraying or the like, a film can be easily formed.

以上のような構成は、スラスト方向の支持に用いられるフォイル軸受だけでなく、ラジアル方向の支持に用いられるフォイル軸受にも適用できる。   The configuration as described above can be applied not only to the foil bearing used for supporting in the thrust direction but also to the foil bearing used for supporting in the radial direction.

また、以上のようなフォイル軸受は、ガスタービンや過給機のロータ支持用として好適に使用できる。   The foil bearing as described above can be suitably used for supporting a rotor of a gas turbine or a supercharger.

以上のように、本発明によれば、軸受隙間の流体の運動量を増大させることにより、軸受隙間に生じる流体膜の圧力が高められ、フォイル軸受の負荷容量を高めることができる。   As described above, according to the present invention, by increasing the momentum of the fluid in the bearing gap, the pressure of the fluid film generated in the bearing gap can be increased, and the load capacity of the foil bearing can be increased.

マイクロガスタービンを概念的に示す図である。It is a figure which shows a micro gas turbine notionally. 上記マイクロガスタービンのロータの支持構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the support structure of the rotor of the said micro gas turbine. 上記ロータ支持構造に組み込まれたラジアルフォイル軸受の断面図である。It is sectional drawing of the radial foil bearing integrated in the said rotor support structure. 上記ロータ支持構造に組み込まれたスラストフォイル軸受であって、本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受の側面図である。It is a thrust foil bearing integrated in the said rotor support structure, Comprising: It is a side view of the thrust foil bearing which concerns on embodiment of this invention. 上記スラストフォイル軸受の軸受部材の斜視図である。It is a perspective view of the bearing member of the said thrust foil bearing. 上記スラストフォイル軸受のリーフフォイルの平面図である。It is a top view of the leaf foil of the said thrust foil bearing. 他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフフォイルの平面図である。It is a top view of the leaf foil of the thrust foil bearing which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフフォイルの平面図である。It is a top view of the leaf foil of the thrust foil bearing which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の平面図である。It is a top view of the bearing member of the thrust foil bearing which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の平面図である。It is a top view of the bearing member of the thrust foil bearing which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の斜視図である。It is a perspective view of the bearing member of the thrust foil bearing which concerns on other embodiment. 図11のスラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。It is a top view of the foil of the thrust foil bearing of FIG. (a)〜(c)は、図11のスラストフォイル軸受の2枚のフォイルを組み付ける様子を示す斜視図である。(A)-(c) is a perspective view which shows a mode that two foils of the thrust foil bearing of FIG. 11 are assembled | attached. 本発明の実施形態に係るラジアルフォイル軸受のフォイルの平面図である。It is a top view of the foil of the radial foil bearing which concerns on embodiment of this invention. 上記ラジアルフォイル軸受の断面図である。It is sectional drawing of the said radial foil bearing. 他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の断面図である。It is sectional drawing of the radial foil bearing which concerns on other embodiment. 上記ラジアルフォイル軸受のフォイル部材の斜視図である。It is a perspective view of the foil member of the said radial foil bearing. (a)は上記フォイル部材の組立方法を説明する平面図であり、(b)は同側面図である。(A) is a top view explaining the assembly method of the said foil member, (b) is the same side view. 過給機を概念的に示す図である。It is a figure which shows a supercharger notionally. 従来のフォイル軸受の斜視図である。It is a perspective view of the conventional foil bearing. 図20のフォイル軸受の側面図である。It is a side view of the foil bearing of FIG. 図20のフォイル軸受のリーフフォイルの平面図である。It is a top view of the leaf foil of the foil bearing of FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に、マイクロガスタービンと呼ばれるガスタービン装置の構成を示す。このマイクロガスタービンは、翼列を形成したタービン1及び圧縮機2と、発電機3と、燃焼器4と、再生器5とを主に備える。タービン1、圧縮機2、及び発電機3には、水平方向に延びる共通の軸6が設けられ、この軸6と、タービン1および圧縮機2とで一体回転可能のロータが構成される。吸気口7から吸入された空気は、圧縮機2で圧縮され、再生器5で加熱された上で燃焼器4に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、このときの高温、高圧のガスでタービン1を回転させる。タービン1の回転力が軸6を介して発電機3に伝達され、発電機3が回転することにより発電し、この電力がインバータ8を介して出力される。タービン1を回転させた後のガスは比較的高温であるため、このガスを再生器5に送り込んで燃焼前の圧縮空気との間で熱交換を行うことで、燃焼後のガスの熱を再利用する。再生器5で熱交換を終えたガスは、排熱回収装置9を通った後、排ガスとして排出される。   FIG. 1 shows a configuration of a gas turbine device called a micro gas turbine. The micro gas turbine mainly includes a turbine 1 and a compressor 2 that form blade rows, a generator 3, a combustor 4, and a regenerator 5. The turbine 1, the compressor 2, and the generator 3 are provided with a common shaft 6 that extends in the horizontal direction, and the shaft 6, the turbine 1, and the compressor 2 constitute a rotor that can rotate integrally. Air sucked from the intake port 7 is compressed by the compressor 2, heated by the regenerator 5, and then sent to the combustor 4. The compressed air is mixed with fuel and burned, and the turbine 1 is rotated by the high-temperature and high-pressure gas at this time. The rotational force of the turbine 1 is transmitted to the generator 3 via the shaft 6, and the generator 3 rotates to generate electric power, and this electric power is output via the inverter 8. Since the gas after rotating the turbine 1 is at a relatively high temperature, the heat of the gas after combustion is regenerated by sending this gas to the regenerator 5 and exchanging heat with the compressed air before combustion. Use. After the heat exchange in the regenerator 5 passes through the exhaust heat recovery device 9, it is discharged as exhaust gas.

図2に、ロータの支持構造、特に、タービン1と圧縮機2との軸方向間における軸6の支持構造を示す。この領域は高温、高圧のガスで回転されるタービン1に隣接しているため、ここでは空気動圧軸受、特にフォイル軸受が好適に使用される。具体的には、軸6をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受10と、軸6に設けられたフランジ部40を両スラスト方向に支持するスラストフォイル軸受20とで、ロータが回転自在に支持される。本実施形態では、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受をスラストフォイル軸受20に適用した場合を説明する。   FIG. 2 shows a support structure of the rotor, in particular, a support structure of the shaft 6 in the axial direction between the turbine 1 and the compressor 2. Since this region is adjacent to the turbine 1 rotated by high-temperature and high-pressure gas, an air dynamic pressure bearing, particularly a foil bearing is preferably used here. Specifically, the rotor is rotatably supported by a radial foil bearing 10 that supports the shaft 6 in the radial direction and a thrust foil bearing 20 that supports the flange portion 40 provided on the shaft 6 in both thrust directions. . In the present embodiment, a case where the foil bearing according to one embodiment of the present invention is applied to the thrust foil bearing 20 will be described.

ラジアルフォイル軸受10は、図3に示すように、内周に軸6が挿入され、ケーシング42(図2参照)に固定された円筒状の外方部材11と、外方部材11の内周面11aに固定され、円周方向に並べて配された複数のリーフフォイル(リーフ12)とで構成される。   As shown in FIG. 3, the radial foil bearing 10 includes a cylindrical outer member 11 in which a shaft 6 is inserted on the inner periphery and fixed to a casing 42 (see FIG. 2), and an inner peripheral surface of the outer member 11. It consists of a plurality of leaf foils (leafs 12) fixed to 11a and arranged side by side in the circumferential direction.

リーフ12は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ20μm〜200μm程度の帯状フォイルで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では錆による腐食が発生し易く、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある(黄銅中のZnの含有量が多いほどこの傾向が強まる)。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。   The leaf 12 is formed of a strip-like foil having a thickness of about 20 μm to 200 μm made of a metal having a high spring property and good workability, such as a steel material or a copper alloy. In an air dynamic pressure bearing using air as a fluid film as in the present embodiment, since no lubricating oil exists in the atmosphere, the antirust effect by the oil cannot be expected. Typical examples of steel materials and copper alloys include carbon steel and brass, but general carbon steel is susceptible to corrosion due to rust, and brass may cause cracks due to processing strain (in brass) This tendency increases as the Zn content increases.) Therefore, it is preferable to use a stainless steel or bronze foil as the belt-like foil.

各リーフ12は、金属製のフォイルで形成され、円周方向一方(軸6の回転方向(矢印参照)先行側)の端部12aが自由端とされ、円周方向他方の端部12bが外方部材11に固定される。リーフ12の固定端12bは、外方部材11の内周面11aに形成された軸方向溝11bに嵌合固定される。リーフ12の自由端12a側の一部領域は、他のリーフ12と半径方向に重ねて配される。複数のリーフ12の内径側の面は、孔や段差のない平滑な曲面状をなしたラジアル軸受面12cを構成し、各リーフ12のラジアル軸受面12cと軸6の外周面6aとの間に、円周方向一方へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Rが形成される。   Each leaf 12 is formed of a metal foil, one end 12a in the circumferential direction (the rotation side of the shaft 6 (see the arrow) leading side) is a free end, and the other end 12b in the circumferential direction is an outer end. It is fixed to the direction member 11. The fixed end 12 b of the leaf 12 is fitted and fixed to an axial groove 11 b formed on the inner peripheral surface 11 a of the outer member 11. A partial region on the free end 12 a side of the leaf 12 is arranged so as to overlap with the other leaf 12 in the radial direction. The surfaces on the inner diameter side of the plurality of leaves 12 constitute a radial bearing surface 12 c having a smooth curved surface without holes or steps, and between the radial bearing surface 12 c of each leaf 12 and the outer peripheral surface 6 a of the shaft 6. A wedge-shaped radial bearing gap R having a narrow radial width toward one circumferential direction is formed.

スラストフォイル軸受20は、図4に示すように、軸6の外周面6aから外径に突出して設けられたフランジ部40(回転部材、図2参照)と、ケーシング42に固定された円盤状のスラスト部材21(固定部材、図5参照)と、フランジ部40とスラスト部材21との間に配された複数のリーフフォイル(リーフ30)とを備える。本実施形態では、フランジ部40の軸方向両側に軸受部材20aが設けられ(図2参照)、軸受部材20aは、図5に示すように、円盤状のスラスト部材21(固定部材)と、スラスト部材21の端面21aに円周方向等間隔に並べた状態で固定された複数のリーフ30とで構成される。   As shown in FIG. 4, the thrust foil bearing 20 has a disc-like shape fixed to a flange portion 40 (rotating member, see FIG. 2) provided to protrude from the outer peripheral surface 6 a of the shaft 6 to the outer diameter, and a casing 42. A thrust member 21 (fixing member, see FIG. 5) and a plurality of leaf foils (leafs 30) disposed between the flange portion 40 and the thrust member 21 are provided. In the present embodiment, bearing members 20a are provided on both axial sides of the flange portion 40 (see FIG. 2), and the bearing member 20a includes a disc-shaped thrust member 21 (fixing member) and a thrust as shown in FIG. It is comprised with the some leaf 30 fixed to the end surface 21a of the member 21 in the state arranged in the circumferential direction at equal intervals.

リーフ30は、上記のリーフ12と同様の材質及び厚さを有する金属製の1枚のフォイルからなり、スラスト部材21の円周方向に沿った扇形を成している。リーフ30の円周方向一方(軸6の回転方向先行側、図中左側)の端部は自由端31とされ、円周方向他方の端部はスラスト部材21に固定された固定端32とされる。各リーフ30のうち、スラスト部材21と反対側の面には、フランジ部40側を凸とする曲面状のスラスト軸受面33が設けられる。スラスト軸受面33は、孔や段差のない平滑な曲面状をなす。尚、バネ30aは、リーフ30のバネ性を模式的に表すものであり、実際には設けられていない。   The leaf 30 is made of a single metal foil having the same material and thickness as the leaf 12 described above, and forms a fan shape along the circumferential direction of the thrust member 21. One end of the leaf 30 in the circumferential direction (the leading side in the rotational direction of the shaft 6, the left side in the figure) is a free end 31, and the other end in the circumferential direction is a fixed end 32 fixed to the thrust member 21. The Of each leaf 30, a curved thrust bearing surface 33 is provided on the surface opposite to the thrust member 21. The curved thrust bearing surface 33 projects from the flange portion 40 side. The thrust bearing surface 33 has a smooth curved surface with no holes or steps. The spring 30a schematically represents the spring property of the leaf 30 and is not actually provided.

各リーフ30の自由端31には、図6に示すように、複数の切り欠き部31aと、スラスト軸受面33と連続したランド部31bとが、自由端31の延在方向(本実施形態では半径方向)で交互に設けられる。図示例では、自由端31をジグザグ状に形成することで、三角形の切り込み部31a及びランド部31bが交互に形成される。   As shown in FIG. 6, a plurality of notch portions 31 a and a land portion 31 b continuous with the thrust bearing surface 33 are provided at the free end 31 of each leaf 30, in the extending direction of the free end 31 (in this embodiment, In the radial direction). In the illustrated example, by forming the free ends 31 in a zigzag shape, triangular cut portions 31a and land portions 31b are alternately formed.

軸6が円周方向一方に回転すると、ラジアルフォイル軸受10の各リーフ12のラジアル軸受面12cと軸6の外周面6aとの間に、円周方向一方へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Rが形成される(図3参照)。このラジアル軸受隙間Rに生じる流体膜(空気膜)で、軸6がラジアル方向に非接触支持される。これと同時に、スラストフォイル軸受10の各リーフ30のスラスト軸受面33とフランジ部40の軸方向両側の端面41との間に、円周方向一方へ向けて軸方向幅を狭めたスラスト軸受隙間Tが形成される(図4参照)。このスラスト軸受隙間Tに生じる流体膜(空気膜)で、軸6が両スラスト方向に非接触支持される。尚、実際のラジアル軸受隙間R及びスラスト軸受隙間Tの幅は数十μm程度の微小なものであるが、図3及び図4ではその幅を誇張して描いている。   When the shaft 6 rotates in one circumferential direction, between the radial bearing surface 12c of each leaf 12 of the radial foil bearing 10 and the outer peripheral surface 6a of the shaft 6, a wedge shape with a radial width narrowing toward the circumferential direction one side. The radial bearing gap R is formed (see FIG. 3). The fluid film (air film) generated in the radial bearing gap R supports the shaft 6 in a non-contact manner in the radial direction. At the same time, between the thrust bearing surface 33 of each leaf 30 of the thrust foil bearing 10 and the end surfaces 41 on both axial sides of the flange portion 40, the thrust bearing gap T narrowed in the axial direction toward one circumferential direction. Is formed (see FIG. 4). The shaft 6 is supported in a non-contact manner in both thrust directions by a fluid film (air film) generated in the thrust bearing gap T. Note that the actual radial bearing gap R and thrust bearing gap T are as small as several tens of μm, but the widths are exaggerated in FIGS.

このとき、図4に示すように、スラスト軸受隙間Tの小隙間部T1における高圧の流体の一部は、そのまま軸6の回転方向先行側に抜け、これにより大隙間部T2のフランジ部40付近(図中上方部分)の流体が流動する(図4の矢印v1参照)。これと同時に、小隙間部T1の流体の一部が切り欠き部31aを介してリーフ30の裏側(図中下方)に抜けることにより、大隙間部T2のスラスト軸受面33付近(図中下方部分)の流体が流動する(図4の矢印v2参照)。これにより、大隙間部T2全体の流体がダイナミックに流動し、大隙間部T2から次の小隙間部T1に流入する流体量が増大するため、小隙間部T1に生じる圧力を高めてスラスト方向の負荷容量を高めることができる。 At this time, as shown in FIG. 4, a part of the high-pressure fluid in the small gap portion T1 of the thrust bearing gap T passes to the leading side in the rotational direction of the shaft 6 as a result, thereby the vicinity of the flange portion 40 of the large gap portion T2. The fluid in (the upper part in the figure) flows (see arrow v 1 in FIG. 4). At the same time, a part of the fluid in the small gap portion T1 escapes to the back side (lower side in the figure) of the leaf 30 through the notch portion 31a, thereby the vicinity of the thrust bearing surface 33 (lower part in the figure) of the large gap portion T2. ) fluid flow (see arrows v 2 in FIG. 4). As a result, the fluid in the entire large gap portion T2 dynamically flows and the amount of fluid flowing from the large gap portion T2 into the next small gap portion T1 increases, so the pressure generated in the small gap portion T1 is increased to increase the thrust direction. The load capacity can be increased.

また、このとき、ラジアルフォイル軸受10のリーフ12及びスラストフォイル軸受20のリーフ30の有する可撓性により、各リーフ12、30の軸受面12c、33が、荷重や軸6の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、ラジアル軸受隙間R及びスラスト軸受隙間Tは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温、高速回転といった過酷な条件下でも、ラジアル軸受隙間R及びスラスト軸受隙間Tを最適幅に管理することができ、軸6を安定して支持することが可能となる。   At this time, due to the flexibility of the leaf 12 of the radial foil bearing 10 and the leaf 30 of the thrust foil bearing 20, the bearing surfaces 12 c and 33 of each leaf 12, 30 cause the load, the rotational speed of the shaft 6, and the ambient temperature. Therefore, the radial bearing gap R and the thrust bearing gap T are automatically adjusted to appropriate widths according to the operating conditions. Therefore, the radial bearing gap R and the thrust bearing gap T can be managed to the optimum width even under severe conditions such as high temperature and high speed rotation, and the shaft 6 can be stably supported.

フォイル軸受10、20では、軸6の停止直前や起動直後の低速回転時において、リーフ12のラジアル軸受面12c及びリーフ30のスラスト軸受面33や、軸6の外周面6a及びフランジ部40の端面41に表面粗さ以上の厚さの空気膜を形成することが困難となる。そのため、ラジアル軸受面12cと軸6の外周面6aとの間、及び、スラスト軸受面33とフランジ部40との間で金属接触を生じる。この金属接触による摩擦力を減じて、リーフ12、30の損傷及びトルク低減を図るため、ラジアル軸受面12c及びスラスト軸受面33には、表面を低摩擦化する被膜を形成するのが望ましい。この種の被膜としては、例えばDLC膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を使用することができる。DLC膜、チタンやアルミナイトライド膜はCVDやPVDで形成することができ、二硫化モリブデン膜はスプレーで簡単に形成することができる。特にDLC膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質であるので、これらで被膜を形成することにより、ラジアル軸受面12c及びスラスト軸受面33の耐摩耗性をも向上させることができ、軸受寿命を増大させることができる。尚、上記のような皮膜は、ラジアル軸受面12c及びスラスト軸受面33に形成する代わりに、あるいはこれに加えて、これらの面と対向する軸6の外周面6a及びフランジ部40の端面41に形成してもよい。   In the foil bearings 10 and 20, the radial bearing surface 12 c of the leaf 12 and the thrust bearing surface 33 of the leaf 30, the outer peripheral surface 6 a of the shaft 6, and the end surface of the flange portion 40 are rotated at a low speed immediately before the shaft 6 is stopped or immediately after starting. It becomes difficult to form an air film having a thickness greater than the surface roughness on 41. Therefore, metal contact is generated between the radial bearing surface 12 c and the outer peripheral surface 6 a of the shaft 6 and between the thrust bearing surface 33 and the flange portion 40. In order to reduce the frictional force due to the metal contact and to damage the leaves 12 and 30 and reduce the torque, it is desirable to form a coating that reduces the friction on the radial bearing surface 12c and the thrust bearing surface 33. As this type of coating, for example, a DLC film, a titanium aluminum nitride film, or a molybdenum disulfide film can be used. The DLC film, titanium or aluminum nitride film can be formed by CVD or PVD, and the molybdenum disulfide film can be easily formed by spraying. In particular, since the DLC film and the titanium aluminum nitride film are hard, by forming a film with them, the wear resistance of the radial bearing surface 12c and the thrust bearing surface 33 can be improved, and the bearing life is increased. be able to. The coating as described above is formed on the outer peripheral surface 6a of the shaft 6 and the end surface 41 of the flange portion 40 opposed to these surfaces instead of or in addition to the radial bearing surface 12c and the thrust bearing surface 33. It may be formed.

軸受の運転中は、リーフ12の裏面(ラジアル軸受面12cと反対側の面)と外方部材11の内周面11aとの間や、リーフ30の裏面(スラスト軸受面33と反対側の面)とスラスト部材21の端面21aとの間でも微小摺動が生じるため、この摺動部分、すなわちリーフ12、30の裏面やこれと接触する外方部材11の内周面11a及びスラスト部材21の端面21aの一方又は双方にも上記の被膜を形成することにより、耐摩耗性の向上を図ってもよい。なお、振動の減衰作用を向上させるためには、この摺動部である程度の摩擦力が存在する方が好都合な場合もあるので、この部分の被膜にはそれほど低摩擦性は要求されない。従って、この部分の被膜としては、DLC膜やチタンやアルミナイトライド膜を使用するのが好ましい。   During the operation of the bearing, the back surface of the leaf 12 (surface opposite to the radial bearing surface 12c) and the inner peripheral surface 11a of the outer member 11, or the back surface of the leaf 30 (surface opposite to the thrust bearing surface 33). ) And the end surface 21 a of the thrust member 21, so that the sliding portion, that is, the rear surfaces of the leaves 12 and 30, the inner peripheral surface 11 a of the outer member 11 in contact with this, and the thrust member 21 Wear resistance may be improved by forming the above-mentioned film on one or both of the end faces 21a. In order to improve the vibration damping action, it may be more convenient that a certain amount of frictional force exists in the sliding portion. Therefore, the low friction property is not required for the coating of this portion. Therefore, it is preferable to use a DLC film, titanium, or an aluminum nitride film as the coating of this portion.

本発明は上記の実施形態に限られない。尚、以下の説明において、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。   The present invention is not limited to the above embodiment. In the following description, portions having the same functions as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

リーフ30の自由端31の形状は上記に限らず、例えば図7に示すように、リーフ30の自由端31を波型に形成してもよい。あるいは、図8に示すように、リーフ30の自由端31に、半径方向に離隔した複数箇所に複数の切り込み31aを設けてもよい。また、切り込み31a及びランド部31bの形状は、三角形(図6参照)や波形(図7参照)、円弧形状(図8参照)の他、矩形や台形としてもよい(図示省略)。   The shape of the free end 31 of the leaf 30 is not limited to the above. For example, as shown in FIG. 7, the free end 31 of the leaf 30 may be formed in a corrugated shape. Alternatively, as shown in FIG. 8, the free end 31 of the leaf 30 may be provided with a plurality of cuts 31 a at a plurality of locations separated in the radial direction. Further, the shape of the cut 31a and the land portion 31b may be a rectangle (see FIG. 6), a waveform (see FIG. 7), an arc shape (see FIG. 8), a rectangle or a trapezoid (not shown).

また、上記の実施形態では、リーフ30の自由端31が半径方向に沿って延在している場合を示したが、これに限らず、例えば図9及び図10に示すように、リーフ30の自由端31の外径端を、内径側に向けて軸6の回転方向先行側に傾斜させてもよい。これにより、軸6の回転に伴って、スラストフォイル軸受20の軸受部材20aの外径側の空気がリーフ30に沿って内径側に送り込まれるため(図9の点線矢印参照)、スラスト軸受隙間Tに多量の空気を送り込むことができ、スラスト軸受隙間Tにおける圧力がさらに高められる。具体的には、例えば図9に示すように、リーフ30の自由端31をポンプインタイプのスパイラル形状に配列することができる。あるいは、図10に示すように、リーフ30の自由端31をヘリングボーン形状としてもよい。尚、ヘリングボーン形状とは、自由端31の外径端及び内径端を半径方向中央に向けて軸6の回転方向先行側に傾斜させた略V字形状のことを言う。   In the above embodiment, the case where the free end 31 of the leaf 30 extends along the radial direction has been shown. However, the present invention is not limited to this, and for example, as shown in FIGS. The outer diameter end of the free end 31 may be inclined toward the rotation direction leading side of the shaft 6 toward the inner diameter side. Thereby, as the shaft 6 rotates, the air on the outer diameter side of the bearing member 20a of the thrust foil bearing 20 is sent along the leaf 30 to the inner diameter side (see the dotted arrow in FIG. 9), so that the thrust bearing gap T A large amount of air can be fed to the thrust bearing gap T, and the pressure in the thrust bearing gap T is further increased. Specifically, for example, as shown in FIG. 9, the free ends 31 of the leaves 30 can be arranged in a pump-in type spiral shape. Alternatively, as shown in FIG. 10, the free end 31 of the leaf 30 may have a herringbone shape. Here, the herringbone shape means a substantially V shape in which the outer diameter end and the inner diameter end of the free end 31 are inclined toward the rotation direction leading side of the shaft 6 toward the radial center.

また、上記の実施形態では、複数のリーフフォイルを一枚ずつ別々に形成した場合を示したが、これに限らず、例えば一枚のフォイルに複数のリーフフォイルを形成してもよい。例えば図11に示す実施形態では、複数のリーフフォイルを有する2枚のフォイル60、60’を組み合せてフォイル部材50を構成し、このフォイル部材50をスラスト部材21に固定している。   In the above-described embodiment, a case where a plurality of leaf foils are formed separately one by one has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a plurality of leaf foils may be formed in one foil. For example, in the embodiment shown in FIG. 11, the foil member 50 is configured by combining two foils 60 and 60 ′ having a plurality of leaf foils, and the foil member 50 is fixed to the thrust member 21.

ここで、フォイル60、60’の構成を説明する。尚、フォイル60、60’は全く同じ構成であるため、一方のフォイル60の構成のみを説明し、他方のフォイル60’の説明は省略する(図11及び図13では、他方のフォイル60’のうち、一方のフォイル60と対応する箇所に「’」を付して示す)。   Here, the configuration of the foils 60 and 60 'will be described. Since the foils 60 and 60 'have exactly the same configuration, only the configuration of one foil 60 will be described, and the description of the other foil 60' will be omitted (in FIGS. 11 and 13, the other foil 60 'is omitted). Of these, a portion corresponding to one of the foils 60 is indicated with “′”).

フォイル60は円形を成し、その中心に軸6を挿通するための円形の穴63が設けられる。本実施形態では、1枚のフォイル60にワイヤカット加工やプレス加工等で略L字型の切り込みを入れることにより、円周方向等間隔に配置された複数(図示例では4枚)のリーフ61及び連結部62が形成される。具体的には、円形のフォイル60の円周方向等間隔の複数箇所(図示例では4箇所)に、穴63から外径向きにジグザグ状に延び、フォイル60の外径端よりも手前で終わる半径方向の切り込み64が設けられる。そして、各切り込み64の外径端から、円周方向他方(軸6の回転方向後方側、図12の反時計周り方向)に円周方向の切り込み65が延びている。これらの切り込み64、65をフォイル60に形成することで、円周方向一方の端部61aを軸方向に上下動自由な自由端とした複数のリーフ61と、これらを連結する連結部62とを一体に形成することができる。連結部62は、複数のリーフ61の外周を囲む環状部62aと、環状部62aから内径向きに延びた複数(図示例では4つ)の延在部62bとを有し、延在部62bはリーフ61の円周方向他方の端部61b(図12に点線で示す)と連続している。図示例では、連結部62の延在部62bとリーフ61とが円周方向同じ長さであり、これらが円周方向交互に設けられる。リーフ61の自由端61aは、複数の切り欠き部61a1及びランド部61a2を交互に有するジグザグ状に形成される。   The foil 60 has a circular shape, and a circular hole 63 through which the shaft 6 is inserted is provided at the center thereof. In the present embodiment, a plurality of (four in the illustrated example) leaves 61 arranged at equal intervals in the circumferential direction by making a substantially L-shaped cut into one foil 60 by wire cutting or pressing. And the connection part 62 is formed. Specifically, the circular foil 60 extends in a zigzag shape from the hole 63 toward the outer diameter at a plurality of equally spaced circumferential positions (four in the illustrated example), and ends in front of the outer diameter end of the foil 60. A radial cut 64 is provided. A circumferential cut 65 extends from the outer diameter end of each cut 64 to the other circumferential direction (the rear side in the rotational direction of the shaft 6, the counterclockwise direction in FIG. 12). By forming these incisions 64 and 65 in the foil 60, a plurality of leaves 61 having one end 61a in the circumferential direction as a free end that can freely move up and down in the axial direction, and a connecting portion 62 that connects them are provided. It can be formed integrally. The connecting portion 62 includes an annular portion 62a surrounding the outer periphery of the plurality of leaves 61, and a plurality (four in the illustrated example) of extending portions 62b extending from the annular portion 62a toward the inner diameter. The leaf 61 is continuous with the other circumferential end 61b (shown by a dotted line in FIG. 12). In the example of illustration, the extension part 62b of the connection part 62 and the leaf 61 are the same lengths in the circumferential direction, and these are provided alternately in the circumferential direction. The free end 61a of the leaf 61 is formed in a zigzag shape having a plurality of cutout portions 61a1 and land portions 61a2.

2枚のフォイル60、60’は、図13に示す方法で組み立てられる。尚、2枚のフォイル60、60’の材質及び形状は全く同じであるが、図13では、理解しやすいように一方のフォイル60’に散点を付している。また、ここでは、フォイル60、60’の中心軸方向を上下方向として説明する。   The two foils 60, 60 'are assembled by the method shown in FIG. The two foils 60 and 60 'are completely the same in material and shape, but in FIG. 13, one foil 60' is dotted to facilitate understanding. Here, the description will be made assuming that the central axis direction of the foils 60, 60 'is the vertical direction.

まず、図13(a)に示す2枚のフォイル60、60’を、図13(b)に示すように上下に重ねて配置し、上側のフォイル60の半径方向の切り込み64から、下側のフォイル60’のリーフ61’の自由端61a’を差し込む。これにより、下側のフォイル60’のリーフ61’の自由端61a’が、上側のフォイル60の連結部62(延在部62b)の上方に配される。そして、2枚のフォイル60、60’を相対的に回転させることにより、図13(c)に示すように、下側のフォイル60’のリーフ61’の自由端61a’が、上側のフォイル60のリーフ61の端部61bの上方に達する。以上により、上側のフォイル60のリーフ61と、下側のフォイル60’のリーフ61’とが、円周方向交互に配されたフォイル部材50が得られる。このとき、各リーフ61、61’の上面に設けられたスラスト軸受面61c、61c’は、円周方向交互に配され、且つ、円周方向で途切れなく配されている。このフォイル部材50をスラスト部材21に固定することで、図11に示す軸受部材20aが完成する。   First, the two foils 60, 60 'shown in FIG. 13A are arranged one above the other as shown in FIG. 13B, and the lower side of the foil 60 is lowered from the radial cut 64 of the upper foil 60. Insert the free end 61a 'of the leaf 61' of the foil 60 '. As a result, the free end 61a 'of the leaf 61' of the lower foil 60 'is disposed above the connecting portion 62 (extending portion 62b) of the upper foil 60. Then, by rotating the two foils 60, 60 ′ relatively, as shown in FIG. 13C, the free end 61a ′ of the leaf 61 ′ of the lower foil 60 ′ is moved to the upper foil 60. It reaches above the end 61b of the leaf 61. Thus, the foil member 50 in which the leaves 61 of the upper foil 60 and the leaves 61 'of the lower foil 60' are alternately arranged in the circumferential direction is obtained. At this time, the thrust bearing surfaces 61c and 61c 'provided on the upper surfaces of the leaves 61 and 61' are alternately arranged in the circumferential direction and are arranged without interruption in the circumferential direction. By fixing the foil member 50 to the thrust member 21, the bearing member 20a shown in FIG. 11 is completed.

また、上記の実施形態では、ロータをスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に本発明を適用した場合を示したが、これに限らず、ロータをラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受に本発明を適用することもできる。例えば、図14に示すように、外方部材11(固定部材)に取り付けられたリーフ12の自由端12aに、複数の切り欠き部12a1と、ラジアル軸受面12cに連続した複数のランド部12bとを交互に設けることができる。これにより、図15に示すように、ラジアル軸受面12cと軸6の外周面6aとの間のラジアル軸受隙間Rのうち、ラジアル軸受面12cの自由端12a付近で形成される小隙間部R1の流体が、切り欠き部12a1を介して外径側に流動する(矢印B参照)。これにより、大隙間部R2の流体をダイナミックに流動させることができ、大隙間部R2から小隙間部R1に流入する流体量を増やして小隙間部R1における圧力を高めることができる。   In the above embodiment, the present invention is applied to the thrust foil bearing that supports the rotor in the thrust direction. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is applied to the radial foil bearing that supports the rotor in the radial direction. You can also For example, as shown in FIG. 14, at the free end 12a of the leaf 12 attached to the outer member 11 (fixing member), a plurality of notches 12a1 and a plurality of land portions 12b continuous to the radial bearing surface 12c Can be provided alternately. Thereby, as shown in FIG. 15, among the radial bearing clearance R between the radial bearing surface 12c and the outer peripheral surface 6a of the shaft 6, the small clearance R1 formed in the vicinity of the free end 12a of the radial bearing surface 12c. The fluid flows to the outer diameter side through the notch 12a1 (see arrow B). Accordingly, the fluid in the large gap portion R2 can be dynamically flowed, and the amount of fluid flowing into the small gap portion R1 from the large gap portion R2 can be increased to increase the pressure in the small gap portion R1.

また、上記のラジアルフォイル軸受10において、複数のリーフを一枚のフォイルで構成することもできる。例えば図16及び図17に示すフォイル部材70は、一枚の帯状フォイルを軸6周りに周回させることで、半径方向にフォイルを重ねた渦巻き状の形態をなす。本実施形態では、周回数を2回とし、フォイルの両端70b、70cを円周方向のほぼ同位置に配置した場合を例示している。これによりフォイル部材70の略全周にわたって、2つのフォイルを半径方向で重ねた二重フォイル部Wが形成される。二重フォイル部Wのうち、外側のフォイルを部分的に内径側に立ち上げることにより、内径端を自由端とした第一リーフ71が形成され、内側のフォイルを部分的に内径側に立ち上げることにより、内径端を自由端とした第二リーフ72が形成される。第一リーフ71および第二リーフ72は、フォイルの両端部70b、70c付近を除いて円周方向で交互に配置されている。   Moreover, in said radial foil bearing 10, a some leaf can also be comprised with one foil. For example, the foil member 70 shown in FIGS. 16 and 17 has a spiral shape in which foils are overlapped in the radial direction by rotating one strip-like foil around the axis 6. In this embodiment, the case where the number of turns is two and the both ends 70b and 70c of the foil are arranged at substantially the same position in the circumferential direction is illustrated. Thereby, the double foil part W which overlapped two foils on the radial direction over substantially the perimeter of the foil member 70 is formed. Of the double foil portion W, the outer foil is partially raised to the inner diameter side to form the first leaf 71 having the inner diameter end as a free end, and the inner foil is partially raised to the inner diameter side. Thus, the second leaf 72 having the inner diameter end as a free end is formed. The first leaf 71 and the second leaf 72 are alternately arranged in the circumferential direction except for the vicinity of both end portions 70b and 70c of the foil.

第一リーフ71および第二リーフ72の内周面は外径側を凸とする曲面状の軸受面70dを構成し、この軸受面70dと軸6の外周面6aとの間に、軸6の回転方向に向かって縮小する楔状のラジアル軸受隙間Rが形成される。各リーフ71、72の自由端は、回転方向先行側に隣接する他のリーフと半径方でオーバーラップしている。   The inner peripheral surfaces of the first leaf 71 and the second leaf 72 constitute a curved bearing surface 70 d that is convex on the outer diameter side, and between the bearing surface 70 d and the outer peripheral surface 6 a of the shaft 6, A wedge-shaped radial bearing gap R that decreases in the rotational direction is formed. The free ends of the leaves 71 and 72 overlap in a radial direction with other leaves adjacent to the leading side in the rotational direction.

図18に示すフォイル部材70の製作に際しては、まず、図18(a)に示すように、金属製の平板状フォイル70の一方の側縁部に、ワイヤカット加工やプレス加工により適宜の間隔で複数のL字型の切込み73を形成する。この時、他方の側縁部76および隣接する切り込み73間の領域77は、分断することなく一体状態にして残す。次に、同図(b)に示すように、切り込み73で形成された舌片部74を同方向に折り曲げ、その後、各舌片部74を内径側にして平板状フォイル70を二重の渦巻き状にローリングさせる。二巻き目のフォイルをローリングさせる際には、一巻き目の隣接する舌片部74の間に、二巻き目の舌片部74を配置する。この時、二巻き目の舌片部74は、舌片部74を切り起こすことで一巻き目のフォイル70に形成された開口部75を通して一巻き目の舌片部74の間に導入する。以上の手順により、各舌片部74で第一リーフ71および第二リーフ72が形成される。これらのリーフ71、72は、側縁部76、および隣接する切り込み間の領域77を一体に有する環状部70eで弾性変形可能に保持される。   When manufacturing the foil member 70 shown in FIG. 18, first, as shown in FIG. 18 (a), one side edge portion of the flat metal foil 70 made of metal is cut at an appropriate interval by wire cutting or pressing. A plurality of L-shaped cuts 73 are formed. At this time, the region 77 between the other side edge portion 76 and the adjacent notch 73 is left in an integral state without being divided. Next, as shown in FIG. 4B, the tongue piece portions 74 formed by the cuts 73 are bent in the same direction, and then the flat foil 70 is double-vortexed with each tongue piece portion 74 as the inner diameter side. Roll to shape. When rolling the foil of the second roll, the tongue piece 74 of the second roll is disposed between the tongue pieces 74 adjacent to the first roll. At this time, the second tongue piece 74 is introduced between the first tongue piece 74 through the opening 75 formed in the first foil 70 by cutting and raising the tongue piece 74. By the above procedure, the first leaf 71 and the second leaf 72 are formed at each tongue piece 74. These leaves 71 and 72 are held by an annular portion 70e integrally having a side edge portion 76 and a region 77 between adjacent notches so as to be elastically deformable.

以上の手順で製作したフォイル部材70は、外方部材11の内径側に配置した状態で、その一端を外方部材11に取り付けることにより、外方部材11に固定される。例えば上述したフォイル部材70の製作工程で、帯状フォイルの一端部に外径方向に起立する取り付け部70aを形成し、この取り付け部70aを外方部材11の内周に形成した軸方向溝11bに嵌合固定することで、フォイル部材70を外方部材11に固定することができる。   The foil member 70 manufactured by the above procedure is fixed to the outer member 11 by attaching one end of the foil member 70 to the outer member 11 in a state of being arranged on the inner diameter side of the outer member 11. For example, in the manufacturing process of the foil member 70 described above, an attachment portion 70a standing in the outer diameter direction is formed at one end portion of the belt-like foil, and this attachment portion 70a is formed in the axial groove 11b formed on the inner periphery of the outer member 11. By fitting and fixing, the foil member 70 can be fixed to the outer member 11.

以上の実施形態では、リーフフォイルを固定部材(スラスト部材21、外方部材11)に取り付けた場合を示したが、リーフフォイルを回転部材(軸6、フランジ部40)に取り付けてもよい。この場合、リーフフォイルに設けられた軸受面と固定部材との間に、楔状のスラスト軸受隙間が形成される。ただし、この場合、リーフフォイルが軸6と共に高速で回転することとなるため、遠心力によりリーフフォイルが変形する恐れがある。特に、スラストフォイル軸受20のリーフフォイルを回転させると、遠心力でリーフフォイルが変形する恐れが高い。従って、リーフフォイルの変形を回避する観点からは、リーフフォイルを固定部材に取り付けることが好ましい。   In the above embodiment, the case where the leaf foil is attached to the fixing member (the thrust member 21, the outer member 11) has been described, but the leaf foil may be attached to the rotating member (the shaft 6, the flange portion 40). In this case, a wedge-shaped thrust bearing gap is formed between the bearing surface provided on the leaf foil and the fixing member. However, in this case, since the leaf foil rotates at a high speed together with the shaft 6, the leaf foil may be deformed by centrifugal force. In particular, when the leaf foil of the thrust foil bearing 20 is rotated, there is a high possibility that the leaf foil is deformed by centrifugal force. Therefore, from the viewpoint of avoiding the deformation of the leaf foil, it is preferable to attach the leaf foil to the fixing member.

また、以上の実施形態では、スラストフォイル軸受20が、フランジ部40の軸方向両側に軸受部材20aを有し、フランジ部40を両スラスト方向に支持する構成を示したが、これに限らず、フランジ部40の軸方向一方にのみ軸受部材20aを設け、スラスト方向一方にのみ支持する構成としてもよい。このような構成は、スラスト方向他方の支持が不要な場合や、スラスト方向他方の支持を他の構成で達成する場合などに適用できる。   In the above embodiment, the thrust foil bearing 20 has the bearing member 20a on both axial sides of the flange portion 40 and supports the flange portion 40 in both thrust directions. It is good also as a structure which provides the bearing member 20a only in the axial direction one side of the flange part 40, and supports only to a thrust direction one side. Such a configuration can be applied to the case where the other support in the thrust direction is unnecessary or the case where the other support in the thrust direction is achieved by another configuration.

また、以上の実施形態では、本発明に係るフォイル軸受をガスタービンに適用した場合を示したが、これに限らず、例えば図19に示すような過給機に適用してもよい。この過給機は、エンジン83に空気を送り込むいわゆるターボチャージャであり、圧縮機81と、タービン82とを備える。圧縮機81及びタービン82は軸6で連結されている。軸6は、ラジアルフォイル軸受10とスラストフォイル軸受20とでラジアル方向及び両スラスト方向に支持される。図示例では、ラジアルフォイル軸受10を軸方向に離隔した2箇所に設けている。図示しない吸気口から吸入された空気は、圧縮機81で圧縮され、燃料を混合してエンジン83に供給される。エンジン83で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン83から排気された高温、高圧のガスでタービン82を回転させる。このときのタービン82の回転力が、軸6を介して圧縮機81に伝達される。タービン82を回転させた後のガスは、排ガスとして外部に排出される。   Moreover, although the case where the foil bearing which concerns on this invention was applied to the gas turbine was shown in the above embodiment, you may apply not only to this but to a supercharger as shown, for example in FIG. This supercharger is a so-called turbocharger that sends air to the engine 83 and includes a compressor 81 and a turbine 82. The compressor 81 and the turbine 82 are connected by a shaft 6. The shaft 6 is supported by the radial foil bearing 10 and the thrust foil bearing 20 in the radial direction and in both thrust directions. In the illustrated example, the radial foil bearings 10 are provided at two locations separated in the axial direction. Air sucked from an intake port (not shown) is compressed by the compressor 81, mixed with fuel, and supplied to the engine 83. The engine 83 burns compressed air mixed with fuel, and the turbine 82 is rotated by the high-temperature and high-pressure gas exhausted from the engine 83. The rotational force of the turbine 82 at this time is transmitted to the compressor 81 via the shaft 6. The gas after rotating the turbine 82 is discharged to the outside as exhaust gas.

本発明にかかるフォイル軸受は、マイクロタービンや過給機に限らず、潤滑油などの液体による潤滑が困難である、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難である、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる等の制限下で使用される自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。   The foil bearing according to the present invention is not limited to a micro turbine or a supercharger, and it is difficult to lubricate with a liquid such as a lubricating oil. From the viewpoint of energy efficiency, it is difficult to separately provide an auxiliary machine for a lubricating oil circulation system. In addition, it can be widely used as a bearing for a vehicle such as an automobile used under a restriction that resistance due to liquid shear becomes a problem, and further as a bearing for industrial equipment.

なお、以上に述べたフォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受のみならず、圧力発生流体として潤滑油を使用した油動圧軸受としても使用することができる。   The foil bearing described above can be used not only as an air dynamic pressure bearing using air as a pressure generating fluid but also as an oil dynamic pressure bearing using lubricating oil as a pressure generating fluid.

1 タービン
2 圧縮機
3 発電機
6 軸
10 ラジアルフォイル軸受
11 外方部材
12 リーフ
12c ラジアル軸受面
20 スラストフォイル軸受
21 スラスト部材(固定部材)
30 リーフ(リーフフォイル)
31 自由端
31a 切り欠き部
31b ランド部
32 固定端
33 スラスト軸受面
40 フランジ部(回転部材)
H 高圧領域
L 低圧領域
R ラジアル軸受隙間
T スラスト軸受隙間
T1 小隙間部
T2 大隙間部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbine 2 Compressor 3 Generator 6 Shaft 10 Radial foil bearing 11 Outer member 12 Leaf 12c Radial bearing surface 20 Thrust foil bearing 21 Thrust member (fixing member)
30 Leaf (leaf foil)
31 Free end 31a Notch portion 31b Land portion 32 Fixed end 33 Thrust bearing surface 40 Flange portion (rotating member)
H High pressure region L Low pressure region R Radial bearing clearance T Thrust bearing clearance T1 Small clearance T2 Large clearance

Claims (12)

固定部材と、回転部材と、固定部材と回転部材の間に配置され、円周方向一端を自由端とした複数のリーフフォイルとを備え、リーフフォイルに設けられた軸受面で楔状の軸受隙間を形成し、この軸受隙間に生じる流体膜で回転部材を支持するフォイル軸受であって、
リーフフォイルの自由端に、複数の切り欠き部と、前記軸受面に連続した複数のランド部とを交互に設けたことを特徴とするフォイル軸受。
A fixed member, a rotating member, and a plurality of leaf foils arranged between the fixing member and the rotating member and having one end in the circumferential direction as a free end, and a wedge-shaped bearing gap formed on a bearing surface provided on the leaf foil A foil bearing that supports the rotating member with a fluid film formed in the bearing gap,
A foil bearing characterized in that a plurality of cutout portions and a plurality of land portions continuous with the bearing surface are alternately provided at a free end of a leaf foil.
リーフフォイルの自由端をジグザグ状に形成した請求項1記載のフォイル軸受。   2. The foil bearing according to claim 1, wherein the free end of the leaf foil is formed in a zigzag shape. リーフフォイルの自由端を波形に形成した請求項1記載のフォイル軸受。   The foil bearing according to claim 1, wherein the free end of the leaf foil is formed in a corrugated shape. 1枚のフォイルに、複数のリーフフォイルと、複数のリーフフォイルを連結する連結部とを一体に設けた請求項1〜3の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-3 which integrally provided the several leaf foil and the connection part which connects several leaf foil to one foil. 前記フォイルを複数組み合せてフォイル部材を構成した請求項4記載のフォイル軸受。   The foil bearing according to claim 4, wherein a foil member is formed by combining a plurality of the foils. リーフフォイルの軸受面に被膜を設けた請求項1〜5の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-5 which provided the film in the bearing surface of the leaf foil. リーフフォイルの軸受面と反対側の面に被膜を設けた請求項1〜6の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-6 which provided the film in the surface on the opposite side to the bearing surface of a leaf foil. 前記被膜が、DLC膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化モリブデン膜の何れかである請求項6又は7記載のフォイル軸受。   The foil bearing according to claim 6 or 7, wherein the coating is any one of a DLC film, a titanium aluminum nitride film, and a molybdenum disulfide film. 回転部材をスラスト方向に支持する請求項1〜8の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-8 which support a rotation member in a thrust direction. 回転部材をラジアル方向に支持する請求項1〜8の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-8 which support a rotating member in a radial direction. ガスタービンのロータ支持に用いられる請求項1〜10の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-10 used for the rotor support of a gas turbine. 過給機のロータ支持に用いられる請求項1〜10の何れかに記載のフォイル軸受。   The foil bearing in any one of Claims 1-10 used for the rotor support of a supercharger.
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