CN113614402A - 推力箔片轴承、箔片轴承单元、涡轮机械以及箔片 - Google Patents

Abstract

各箔片(22)具有：顶部箔片部(22a)，其具有轴承面(S)；以及背部箔片部(22b)，其设置于顶部箔片部(22a)的上游侧，并重叠配置在相邻的箔片(22)的顶部箔片部(22a)的背后(与轴承面(S)相反的一侧)。相邻的箔片(22)彼此的重合部(P)的内径端所占的角度(E)比重合部(P)的外径端所占的角度(D)小。

Description

推力箔片轴承、箔片轴承单元、涡轮机械以及箔片

技术领域

本发明涉及推力箔片轴承。

背景技术

要求对燃气轮机、涡轮增压机等涡轮机械的主轴进行支承的轴承能够耐受高温、高速旋转这样的严酷的环境。作为适于在这样的条件下使用的轴承，着眼于作为动压轴承的一种的箔片轴承。箔片轴承由相对于弯曲刚性较低的具有挠性的薄膜(箔片)构成轴承面，通过允许轴承面的挠曲来对载荷进行支承(例如，参照下述的专利文献1、2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-108485号公报

专利文献2：日本特开2015-132309号公报

发明内容

发明要解决的课题

由于箔片轴承的润滑剂是气体(空气)，因此箔片轴承与将油作为润滑剂的动压轴承相比具有低扭矩的优点。但是，另一方面，动压轴承的负载容量依赖于润滑剂的粘度，因此将气体作为润滑剂的箔片轴承与将油作为润滑剂的动压轴承相比，无法避免负载容量变小。因此，为了扩大箔片轴承的应用范围，需要进一步增大负载容量。

这里，图16示出现有的叶片型的推力箔片轴承120。在该推力箔片轴承120中，如图18所述，将图17所示那样的形状的箔片122一边错开相位一边重合地配置。各箔片122中的配置于相邻的箔片122的背后(与轴承面相反的一侧)的部分作为背部箔片部122b而发挥功能，搭在相邻的箔片122上的部分作为具有轴承面的顶部箔片部122a而发挥功能。

当设置于主轴的推力环106向图19的箭头方向进行旋转时，在设置于各箔片122的轴承面S’与推力环106的端面之间形成轴承间隙C’。此时，各箔片122的顶部箔片部122a搭在相邻的箔片122的背部箔片部122b上，因此各箔片122的顶部箔片部122a与推力环106之间的轴承间隙C’成为朝向下游侧而间隙宽度逐渐缩窄的楔形。通过将润滑剂(空气)压入于该楔形的轴承间隙C’的小间隙部，润滑剂的压力提高而推力环106被非接触支承。

上述那样的推力箔片轴承120的负载容量依赖于轴承间隙C’的最小宽度(以下，将该宽度称为“浮起间隙”。)h’。即，理论上，浮起间隙h’越小，推力箔片轴承120的负载容量越增大。因此，为了增大推力箔片轴承120的负载容量，只要尽可能减小浮起间隙h’即可。

但是，如果想要减小上述的推力箔片轴承120的浮起间隙h’，则会产生以下的问题。在形成箔片122时，如图20所示，通常将中空圆盘状的箔片原材料130在周向多个部分进行分断，并将箔片原材料130的周向整个区域用作箔片122，从而提高材料成品率。在该情况下，如图17所示，各箔片122的设置于外径端的圆弧部122c所占的角度A’与设置于内径端的圆弧部122d所占的角度B’相等，其结果为，外径端的圆弧部122c的周向长度比内径端的圆弧部122d的周向长度长。

如果使该箔片122一边错开相位一边重叠，则在箔片122的外径端附近，如图21所示，箔片122的周向间距L1’相对变大，与此相对，在箔片122的内径端附近，如图22所示，箔片122的周向间距L2’相对变小。其结果为，各箔片122的内径端附近的刚性比外径端附近的刚性高，因此各箔片122难以挠曲而容易与推力环接触。在该情况下，需要以各箔片的内径端为基准设定浮起间隙，因此存在无法充分减小浮起间隙的问题。

因此，本发明的目的在于，在叶片型的推力箔片轴承中，减小浮起间隙而增大负载容量。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明提供一种推力箔片轴承，该推力箔片轴承具有多个箔片，该多个箔片具有与旋转部件在轴向上对置的轴承面，该多个箔片沿所述旋转部件的旋转方向排列配置，其中，各箔片具有：顶部箔片部，其具有所述轴承面；以及背部箔片部，其设置于所述顶部箔片部的上游侧，并重叠配置在相邻的箔片的顶部箔片部的与所述轴承面相反的一侧，相邻的箔片彼此的重合部的内径端所占的角度比所述重合部的外径端所占的角度小。

在本发明中，如上所述，使相邻的箔片彼此的重合部(即，各箔片的顶部箔片部被背部箔片部从背后(与轴承面相反的一侧)支承的区域)的内径端所占的角度比重合部的外径端所占的角度小。由此，各箔片的内径端附近的刚性相对变小，因此各箔片的外径端附近与内径端附近的刚性之差变小，能够使箔片在整个面上大致均匀地挠曲，因此能够将浮起间隙设定得更小。

在上述的推力箔片轴承中，例如，通过使各箔片中的由所述顶部箔片部和所述背部箔片部构成的主体部的内径端所占的角度比所述主体部的外径端所占的角度小，能够使相邻的箔片彼此的重合部的内径端所占的角度比重合部的外径端所占的角度小。

另外，在上述的推力箔片轴承中，优选将相邻的箔片彼此的重合部的内径端所占的角度与重合部的外径端所占的角度之差设为10°以上。

发明效果

如上所述，根据本发明，在叶片型的推力箔片轴承中，能够减小浮起间隙而增大负载容量。

附图说明

图1是燃气轮机的示意图。

图2是示出上述燃气轮机的主轴的支承构造的剖视图。

图3是组装于上述支承构造的推力箔片轴承的剖视图。

图4是从轴向观察上述推力箔片轴承的主视图。

图5是上述推力箔片轴承的箔片的主视图。

图6是示出由箔片原材料形成箔片的情形的主视图。

图7是示出使上述箔片重合的状态的主视图。

图8是图4的X-X线剖视图。

图9是图4的Y-Y线剖视图。

图10是图4的Z-Z线剖视图。

图11是另一实施方式的箔片的主视图。

图12是又一实施方式的箔片的主视图。

图13是示出比较例的箔片的试验结果的照片(主视图)。

图14是示出实施例1的箔片的试验结果的照片(主视图)。

图15是示出实施例2的箔片的试验结果的照片(主视图)。

图16是现有的推力箔片轴承的主视图。

图17是图16的推力箔片轴承的箔片的主视图。

图18是示出使图17的箔片重合的状态的主视图。

图19是图16的X’-X’线剖视图。

图20是示出由箔片原材料形成图17的箔片的情形的主视图。

图21是图16的Y’-Y’线剖视图。

图22是图16的Z’-Z’线剖视图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

图1概念性地示出作为涡轮机械的一种的燃气轮机的结构。该燃气轮机主要具有形成有叶片列的涡轮1和压缩机2、发电机3、燃烧器4以及再生器5。在涡轮1、压缩机2以及发电机3中设置有沿水平方向延伸的共用的主轴6，由该主轴6、涡轮1以及压缩机2构成能够一体旋转的转子。从吸气口7吸入的空气被压缩机2压缩，在被再生器5加热后被送入到燃烧器4。在该压缩空气中混合燃料并使其燃烧，利用高温、高压的气体使涡轮1进行旋转。涡轮1的旋转力经由主轴6而向发电机3传递，通过发电机3进行旋转而发电，该电力经由逆变器8而输出。使涡轮1进行旋转后的气体的温度比较高，因此通过将该气体送入再生器5而在与燃烧前的压缩空气之间进行热交换，再利用燃烧后的气体的热。在再生器5中结束了热交换的气体通过排热回收装置9后作为废气被排出。

图2示出上述燃气轮机中的转子的支承构造的一例。在该支承构造中，在轴向的两个部位配置有径向轴承10，在设置于主轴6的推力环6a的轴向两侧配置有推力轴承20、20。通过该径向轴承10和推力轴承20，将主轴6支承为在径向方向和两推力方向上旋转自如。

在该支承构造中，涡轮1与压缩机2之间的区域与通过高温、高压的气体而进行旋转的涡轮1相邻，因此成为高温气氛。在该高温气氛中，由油和润滑脂等构成的润滑剂会变质、蒸发，因此难以应用使用这些润滑剂的通常的轴承(滚动轴承等)。因此，作为在这种支承构造中使用的轴承10、20，空气动压轴承适合，箔片轴承特别适合。

以下，根据附图对适合于上述燃气轮机用的推力轴承20的箔片轴承(以下，称为“推力箔片轴承20”)的结构进行说明。

如图3所示，推力箔片轴承20具有圆盘状的箔片保持架21和安装于箔片保持架21的端面21a的多个箔片22。在本实施方式中，在推力环6a的轴向两侧设置有推力箔片轴承20、20。这些推力箔片轴承20、20具有以推力环6a为中心在轴向上对称的构造。另外，以下，将主轴6旋转时的流体相对于箔片22的流动方向下游侧称为“下游侧”，将其相反侧称为“上游侧”。

箔片保持架21由金属、树脂等形成。箔片保持架21呈具有供主轴6插入的内孔21b的中空圆盘状。在箔片保持架21的一个端面21a上安装有多个箔片22。箔片保持架21的另一个端面21c固定于组装有推力箔片轴承20的设备(在本实施方式中为燃气轮机)的壳体。

箔片22由富有弹性且加工性良好的金属形成，例如由钢或铜合金形成。箔片22由厚度20μm～200μm左右的金属薄板(箔片)形成。在像本实施方式那样使用空气作为流体膜的空气动压轴承中，由于在气氛中不存在油，因此优选利用不锈钢或青铜形成箔片22。

如图4所示，箔片22一边错开相位一边沿周向排列配置。如图5所示，各箔片22具有由顶部箔片部22a和背部箔片部22b构成的主体部22c，该顶部箔片部22a具有轴承面S，该背部箔片部22b与顶部箔片部22a的上游侧连续地设置。在图示例中，主体部22c的下游侧端部22f(即，顶部箔片部22a的下游侧端部)和上游侧端部22g(即，背部箔片部22b的上游侧端部)都呈使半径方向中间部向下游侧突出的人字形形状。在本实施方式中，顶部箔片部22a的下游侧端部22f的形状与背部箔片部22b的上游侧端部22g的形状不同。各箔片22通过适当的方法固定于箔片保持架21，例如，主体部22c的上游侧端部22g通过焊接而固定于箔片保持架21的端面21a。

在箔片22的主体部22c的外径端设置有圆弧部22d，在主体部22c的内径端设置有圆弧部22e。圆弧部22d、22e都以主轴6的旋转中心O为中心。主体部22c的内径端的圆弧部22e所占的角度B比主体部22c的外径端的圆弧部22d所占的角度A小，例如比角度A小10°以上。在图示例中，主体部22c的下游侧端部22f的外径端和内径端配置于相同的相位(周向位置)，主体部22c的上游侧端部22g的内径端配置于比外径端靠下游侧的位置。

箔片22是通过对平板状的箔片原材料(金属薄板)实施冲裁加工或放电加工而形成的。在本实施方式中，如图6所示，由中空圆盘状的箔片原材料30形成6张箔片22。此时，相邻的箔片22的下游侧端部22f和上游侧端部22g的外径端彼此接触，内径端彼此分离。在图示例中，相邻的箔片22的下游侧端部22f和上游侧端部22g中的比设置于半径方向中央的顶部靠外径侧的区域接触，比顶部靠内径侧的区域相互分离。在图6中，对箔片原材料30中的相邻的箔片22的下游侧端部22f与上游侧端部22g之间的不需要部分31标注散点。在图示例中，由箔片原材料30形成6张箔片22，因此各箔片22的外径端的圆弧部22d所占的角度A(参照图5)为60°。另一方面，各箔片的22的内径端的圆弧部22e所占的角度B比60°小，例如为50°以下。

在将上述的箔片22安装于箔片保持架21的状态下，如图7和图8所示，设置于各箔片22的顶部箔片部22a的轴承面S与推力环6a在轴向上直接对置，在各箔片22的顶部箔片部22a的背后(与轴承面S相反的一侧)配置有与下游侧相邻的箔片22的背部箔片部22b。即，各箔片22的背部箔片部22b配置在与上游侧相邻的箔片22的顶部箔片部22a与箔片保持架21之间。在本实施方式中，各箔片22的内径端的圆弧部22e所占的角度B比各箔片22的外径端的圆弧部22d所占的角度A小(参照图5)，因此相邻的箔片22彼此的重合部P(在图7中用散点表示)的内径端所占的角度E比重合部P的外径端所占的角度D小。在图示例中，各箔片22中的具有轴承面S的顶部箔片部22a的内径端和外径端所占的角度相等，配置于相邻的箔片22的背后的背部箔片部22b的内径端所占的角度比外径端所占的角度小。

当主轴6向周向一方(图8的箭头R方向)进行旋转时，在推力箔片轴承20的各箔片22的轴承面S与推力环6a的端面之间形成轴承间隙C。此时，各箔片22搭在相邻的箔片22上而弯曲，从而轴承间隙C呈随着朝向下游侧而变窄的楔形(在图8中，将各箔片22简化而呈平板状)。通过将该楔形的轴承间隙C的大间隙部C1的空气压入于小间隙部C2，轴承间隙C的空气膜的压力提高，主轴6通过该压力而在推力方向上被非接触支承。此时，箔片22根据载荷、主轴6的旋转速度、周围温度等运转条件而发生弹性变形，从而轴承间隙C被自动调整为与运转条件对应的适当宽度。因此，即使在高温、高速旋转这样的严酷的条件下，也能够将轴承间隙C管理为最佳宽度，从而能够稳定地支承主轴6。

此时，与各箔片22的外径端附近的周向的间距L1(参照图9)相比，各箔片22的内径端附近的周向间距L2(参照图10)较小，因此在箔片22的内径端附近，与外径端附近相比，存在轴承面S的刚性变高(即，轴承面S不容易在轴向上位移)的倾向。

在本发明中，如上所述，通过使各箔片22的内径端的圆弧部22e所占的角度B比外径端的圆弧部22d所占的角度A小，使相邻的箔片22彼此的重合部P的内径端所占的角度E比重合部P的外径端所占的角度D小。即，在箔片22的外径端附近，相邻的箔片22彼此的重合部P在周向上连续地设置(参照图9)，与此相对，在箔片22的内径端附近，相邻的箔片22彼此的重合部P在周向上隔开间隔地设置(参照图10)。这样，在各箔片22的内径端附近，通过减小顶部箔片部22a被背部箔片部22b支承的区域的比例，各箔片22的内径端附近的轴承面S的刚性降低。其结果为，各箔片22的外径端附近的刚性与内径端附近的刚性之差变小，因此能够使各箔片22的半径方向整个区域大致均匀地挠曲。由此，能够进一步减小轴承间隙C的小间隙部C2的宽度(浮起间隙h)，从而能够增大推力箔片轴承20的负载容量。

另外，在本实施方式中，各箔片22的顶部箔片部22a的外径端和内径端所占的角度相等，使各箔片22的背部箔片部22b的内径端所占的角度比外径端所占的角度小。在该情况下，与图18所示的现有的箔片122相比，顶部箔片部22a的面积、即轴承面S的面积不发生变化，因此能够避免因轴承面S的面积减少而导致负载容量降低。

另外，在主轴6即将停止之前或刚刚起动之后的低速旋转时，各箔片22的轴承面S与推力环6a的端面接触滑动，因此也可以在它们中的任意一方或双方上形成DLC膜、氮化铝钛膜、二硫化钨膜或者二硫化钼膜等低摩擦化覆膜。另外，在主轴6的旋转中，在箔片22与箔片保持架21之间以及重合的箔片22的顶部箔片部22a与背部箔片部22b之间产生微小滑动，通过该微小滑动所产生的摩擦能量，能够使主轴6的振动衰减。为了调整这样的微小滑动所产生的摩擦力，也可以在彼此滑动的面中的任意一方或双方上形成上述那样的低摩擦化覆膜。

本发明并不限于上述的实施方式。例如在图11所示的实施方式中，在箔片22上设置从主体部22c向外径侧延伸的固定部22h。通过利用焊接等适当的方法将该固定部22h固定于箔片保持架21，箔片22固定于箔片保持架21。

另外，在图12所示的实施方式中，将箔片22的主体部22c的下游侧端部22f和上游侧端部22g设为直线状。在图示例中，将下游侧端部22f的整个区域配置于相同的相位(周向位置)，并且将上游侧端部22g的内径端配置于比外径端靠下游侧的位置。由此，使主体部22c的内径端所占的角度B比外径端所占的角度A小。

以上那样的推力箔片轴承20不限于燃气轮机，能够应用于增压器等其他涡轮机械、对其他旋转轴进行支承的用途。

【实施例】

为了确认本发明的效果，准备主体部的内径端所占的角度B与外径端所占的角度A之差为0°的箔片(比较例)、5°的箔片(实施例1)以及10°的箔片(实施例2)，观察在进行了设置有这些箔片的推力箔片轴承的轨道停止试验之后的箔片的状态。其结果为，在比较例中，如图13所示，在各箔片的顶部箔片部的内径端附近(由虚线包围的区域)设置有与推力环滑动的痕。另一方面，在实施例1中，如图14所示，各箔片的滑动痕与比较例相比减少。另外，在实施例2中，如图15所示，在各箔片上几乎看不到滑动痕。根据以上的结果，确认到如下的内容：通过使各箔片的内径端的角度B比外径端的角度A小、即使相邻的箔片彼此的重合部的内径端的角度比外径端的角度小，缓和了各箔片的内径端的与推力环的接触。特别是，可知在将各箔片的内径端的角度B与外径端的角度A之差设为10°的实施例2中，仅箔片的内径端不接触，各箔片整体均匀地挠曲。这样，通过抑制箔片的内径端与推力环的接触，能够进一步减小轴承间隙(特别是浮起间隙)而增大负载容量。

标号说明

1：涡轮；2：压缩机；6：主轴；6a：推力环；10：径向轴承；20：推力箔片轴承；21：箔片保持架；22：箔片；22a：顶部箔片部；22b：背部箔片部；22c：主体部；22d：圆弧部(外径端)；22e：圆弧部(内径端)；22f：下游侧端部；22g：上游侧端部；30：箔片原材料；31：不需要部分；C：轴承间隙；O：旋转中心；P：箔片彼此的重合部；S：轴承面。

Claims (6)

1.一种推力箔片轴承，其具有多个箔片，该多个箔片具有与旋转部件在轴向上对置的轴承面，该多个箔片沿所述旋转部件的旋转方向排列配置，其中，

各箔片具有：

顶部箔片部，其具有所述轴承面；以及

背部箔片部，其设置于所述顶部箔片部的上游侧，并重叠配置在相邻的箔片的顶部箔片部的与所述轴承面相反的一侧，

相邻的箔片彼此的重合部的内径端所占的角度比所述重合部的外径端所占的角度小。

2.根据权利要求1所述的推力箔片轴承，其中，

各箔片中的由所述顶部箔片部和所述背部箔片部构成的主体部的内径端所占的角度比所述主体部的外径端所占的角度小。

3.根据权利要求1或2所述的推力箔片轴承，其中，

所述重合部的内径端所占的角度与所述重合部的外径端所占的角度之差为10°以上。

4.一种箔片轴承单元，其中，

该箔片轴承单元具有权利要求1至3中的任意一项所述的推力箔片轴承以及所述旋转部件。

5.一种涡轮机械，其中，

该涡轮机械具有权利要求4所述的箔片轴承单元。

6.一种箔片，其设置于推力箔片轴承，其中，

该箔片具有由顶部箔片部和背部箔片部构成的主体部，该顶部箔片部具有与旋转部件在轴向上对置的轴承面，该背部箔片部设置于所述顶部箔片部的上游侧，并重叠配置在相邻的箔片的顶部箔片部的与所述轴承面相反的一侧，

所述主体部的内径端所占的角度比所述主体部的外径端所占的角度小。

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