JP2002295467A - 液体潤滑式フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起動運転から定常運転、停止運転までいかな
る回転速度においても回転軸１の軸心と軸受の軸心とが
一致するようにする。 【解決手段】 リーフフォイル２をバイメタルで形成す
る。そして、回転軸１の停止状態において当該回転軸１
の軸心と軸受の軸心とを一致させるように該回転軸１を
支持し、回転数が定常回転数になった際には、気体との
摩擦による温度上昇により空気膜の厚みに相当する量だ
け当該回転軸１から離れるように変形するようにする。
これにより、常に回転軸１の軸心と軸受の軸心とが一致
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、横置型の小型高速
ガスタービン発電装置等に用いられる高速回転する回転
軸を潤滑支持する液体潤滑式フォイル軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超高速で回転し、かつ、高い回転
精度を要求される回転機械の軸受として、気体軸受が用
いられ、特に液体潤滑式フォイル軸受は回転軸の変位に
対して柔軟に対応できるため、広く使用されている。

【０００３】図１２は従来用いられている液体潤滑式フ
ォイル軸受の正面断面図である。当該液体潤滑式フォイ
ル軸受は、複数のリーフフォイル８により形成され、各
リーフフォイル８の一端は円筒状の軸受ハウジング４の
内壁における支持部３で溶接等により固着されて、回転
軸１と対向する面が軸受面をなす構成となっている。

【０００４】そして、回転軸１の回転に伴い当該回転軸
１の軸表面における摩擦によって、軸受近傍の気体が軸
受面と回転軸１との間に巻込まれて、回転軸１を潤滑支
持するようになっている。

【０００５】ところで、横置型の小型高速ガスタービン
発電装置の場合には、回転軸１が水平に配置されている
ため、このような気体膜が発生していない停止時には、
回転軸１の自重で当該回転軸１の軸心は軸受の軸心に対
して下方（重力方向）に位置ずれ（偏芯）した状態とな
っている。

【０００６】また、低速回転時においても、軸表面の摩
擦による気体の巻込量が少ないので、回転軸１を潤滑支
持する気体膜の膜厚さが薄く、当該気体膜による回転軸
１の押上量は小さい。従って、回転軸１は軸受中心から
下方側に偏芯した状態で回転するようになる。

【０００７】そして、回転速度が上昇するにつれて気体
の巻込量も増加し、気体膜が厚くなって回転軸１が浮上
して図１３に示すように当該偏芯量が小さくなる。

【０００８】このような横置型の小型高速ガスタービン
発電装置等では、一般に起動モータが設けられて、シス
テム起動の際に当該起動モータの駆動力により駆動され
る構成が知られている。

【０００９】起動モータの回転子と固定子との間に働く
径方向の電磁吸引力は、これらの距離に依存するので、
起動時に回転軸１が下方に偏芯していると、当該方向に
位置する固定子と回転子との間隙（ギャップ）が狭くな
り、これらの間で大きな電磁吸引力が作用するようにな
る。

【００１０】従って、起動時には偏芯量に依存して回転
軸１と軸受面との間で大きな摩擦力が発生すると共に大
きな電磁吸引力が作用するようになり、起動モータとし
て大トルクが要求される。

【００１１】なお、今日においては発電効率を上昇させ
る観点から減速装置を介在させることなく、ガスタービ
ンの回転軸１と発電機の回転子とを直接連結することが
一般的に行われているが、発電機と起動モータとは電気
回路を切替えることにより同一の作用を行うので、シス
テムの簡素化、低コスト化のために、上述したような専
用の起動モータを用いない傾向にある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、専用の
起動モータを用いるか、発電機を起動モータとして利用
するかを問わず、起動時にはガスタービンが着火するま
で低速回転のクランキング運転がおこなわれるので、そ
の間は偏芯した回転軸１とリーフフォイル８との接触が
強い部分で焼付きが発生して軸受が損傷する危険があっ
た。

【００１３】また、偏芯量が大きい場合には、上述した
電磁吸引力も大きくなるので、起動時に必要な起動トル
クが増大してシステムを起動できなかったりする問題が
あった。

【００１４】そこで、本発明は、起動トルクを低減し、
かつ、軸受面の焼付きを防止して、起動運転から定常運
転、停止運転までいかなる回転速度においても安定して
軸受ができるようにした液体潤滑式フォイル軸受を提供
することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、円筒状の軸受ハウジング
の内壁に一端が固着された複数のリーフフォイルが、回
転軸を取巻くように配設されて、当該回転軸が回転する
ことにより回りの気体をリーフフォイルとの間に巻込ん
で気体膜を形成し、この気体膜により回転軸を潤滑支持
する液体潤滑式フォイル軸受において、リーフフォイル
が、停止状態及び低速回転状態での回転軸の軸心と軸受
の軸心とを一致させるように該回転軸を支持し、回転軸
が高速回転になった際には、気体との摩擦による温度上
昇により、空気膜の厚みに相当する量だけ当該回転軸か
ら離れるように変形して、常に回転軸の軸心と軸受の軸
心とが一致するようにして、起動トルクを低減し、か
つ、軸受面の焼付きを防止しながら起動運転から定常運
転、停止運転までいかなる回転速度においても安定して
軸受ができるようにしたことを特徴とする。

【００１６】請求項２にかかる発明は、リーフフォイル
を線膨張率の異なる２種類の金属からなるバイメタルに
より形成したことを特徴とする。

【００１７】請求項３にかかる発明は、リーフフォイル
を形状記憶合金で形成したことを特徴とする。

【００１８】請求項４にかかる発明は、軸受ハウジング
の内壁周方向に沿って設けられた複数のリーフフォイル
のうち、回転軸の荷重方向である下側の当該リーフフォ
イルをバイメタル又形状記憶合金で形成したことを特徴
とする。

【００１９】請求項５にかかる発明は、円筒状の軸受ハ
ウジングの内壁に沿って波形のバンプフォイルと、当該
バンプフォイルの頂部により支持されると共に回転軸を
覆うように設けられトップフォイルとを有して、当該回
転軸が回転することにより回りの気体を該回転軸とトッ
プフォイルとの間に巻込んで気体膜を形成し、この気体
膜により回転軸を潤滑支持する液体潤滑式フォイル軸受
において、停止状態及び低速回転状態での回転軸の軸心
と軸受の軸心とを一致させるように該回転軸を支持し、
回転軸が高速回転になった際には、気体との摩擦による
温度上昇により、空気膜の厚みに相当する量だけ当該回
転軸から離れるように変形して、常に回転軸の軸心と軸
受の軸心とが一致するように、バンプフォイルがトップ
フォイルを支持するようにしたことを特徴とする。

【００２０】請求項６にかかる発明は、バンプフォイル
を線膨張率の異なる２種類の金属からなるバイメタルに
より形成したことを特徴とする。

【００２１】請求項７にかかる発明は、バンプフォイル
を形状記憶合金で形成したことを特徴とする。

【００２２】請求項８にかかる発明は、軸受ハウジング
の内壁に沿って設けられた複数のバンプフォイルのう
ち、回転軸の荷重方向である下側の当該バンプフォイル
をバイメタル又形状記憶合金で形成したことを特徴とす
る。

【００２３】請求項９にかかる発明は、波型のバンプフ
ォイルの頂部が所定おきにトップフォイルに接するよう
にしたことを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は、第１の実施の形態の説明に適用さ
れる液体潤滑式フォイル軸受の正面断面図である。

【００２５】当該液体潤滑式フォイル軸受は、軸受ハウ
ジング４にバイメタルで形成されたリーフフォイル２の
一端が支持部３において溶接等により固着されて回転軸
１を支持するようになっている。なお、この回転軸１
は、横置型の小型高速ガスタービン発電装置における発
電機やガスタービンの回転軸である。

【００２６】リーフフォイル２は、２種類の線膨張率が
異なる金属を張合わせて形成されたバイメタルで、回転
軸１側の金属２ａが軸受ハウジング４側の金属２ｂより
線膨張率が大きい材料となっている。

【００２７】そして、起動時（停止時〜低速回転時）に
おいて、回転軸１の軸心が軸受の軸心に一致するように
リーフフォイル２の取付け位置が調節されている。この
ため、リーフフォイル２は停止中の回転軸１を直接支持
することができる強度を持ている。

【００２８】これにより、起動時に回転軸１が自重で下
方に偏芯しようとしても当該偏芯が抑制されるので、起
動モータの固定子と回転子との間隙に変動がなく大きな
電磁吸引力が作用することが防止できて、小さな起動ト
ルクで起動することが可能となる。

【００２９】なお、この状態は少なくとも下側のリーフ
フォイル２が回転軸１と接触しているので、回転速度が
上昇して気体膜の厚さが増加していくと、当該回転軸１
を上側に押上げてしまうように思えるが、以下のように
このような事態が生じないようになっている。

【００３０】即ち、回転軸１の回転速度が上昇するこ
と、回転軸１表面の周囲にある気体が巻込まれ、回転軸
１とリーフフォイル２との間に気体膜が生じて、当該気
体膜の厚み分だけ回転軸１が上側に押上げられるように
なるが、気体膜と回転軸１の表面との間で発生する摩擦
熱により、軸受部分の温度が上昇し、リーフフォイル２
は図２に示すように、回転軸１から離れるように反り返
る変形をする。

【００３１】そして、この変形量は気体膜の厚み分に相
当する量に設定することで、回転軸１の軸心と軸受の軸
心とが常に一致するようになる。

【００３２】従って、回転軸１の回転状態に関わらず常
に当該回転軸１の軸心は軸受の軸心と一致するようにな
り、起動トルクを小さくすることができると共に、高速
回転時に回転軸１とリーフフォイル２との直接接触等が
生じないのでリーフフォイル２の損傷が軽減できるよう
になる。

【００３３】なお、上述したように、起動時等の低速運
転時に液体潤滑式フォイル軸受における下側のリーフフ
ォイルで回転軸１を直接支持して当該方向に偏芯するの
を防止したが、基本的に偏芯を起さないように支持する
ためには必ずしも液体潤滑式フォイル軸受における上側
のリーフフォイルをバイメタルで形成する必要はない。

【００３４】即ち、図３に示すように、液体潤滑式フォ
イル軸受における下側半分のリーフフォイル２をバイメ
タルで形成し、上側半分は従前から用いられている単一
金属により形成されたリーフフォイル８を用いて形成し
てもよい。

【００３５】このような構成にすると、下側半分のリー
フフォイル２のみをバイメタルで作成すればよくなるの
で、先に述べた調芯効果を安価に享受することが可能に
なる。

【００３６】また、これまでの説明では、起動時に回転
軸１を直接支持して下側に回転軸１が偏芯するのを防止
すべく、バイメタルでリーフフォイル２を形成するよう
にしたたが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００３７】即ち、起動時等の低速回転時においては回
転軸１を直接支持することができ、高速回転した際には
気体膜を介して支持できるようにすることである。

【００３８】このため、先の構成では温度により変形す
るバイメタルを用いたが、このように温度により変形す
る材料として他に形状記憶合金が例示できる。

【００３９】図４は、このような形状記憶合金により形
成されたリーフフォイル１２を用いて液体潤滑式フォイ
ル軸受を構成したものである。

【００４０】この場合も、起動時（停止時〜低速回転
時）において回転軸１の軸心が軸受の軸心と一致するよ
うにリーフフォイル１２が調整されることは言うまでも
ない。

【００４１】一般的に知られているように、形状記憶合
金は任意の温度に達すると初期形状から予め記憶した形
状に変形する性質を持っているので、回転軸１の回転速
度が上昇して気体膜と回転軸１の表面との摩擦熱により
温度上昇すると、これに伴いリーフフォイル１２が変形
するようになる。

【００４２】そこで、温度上昇した際にリーフフォイル
１２が気体膜の厚み分だけ回転軸１から離れるように、
当該リーフフォイル１２を設計しておく。

【００４３】これにより、起動トルクを小さくすること
が可能になると共に、高速回転時に回転軸１とリーフフ
ォイル１２との直接接触等が抑制できて液体潤滑式フォ
イル軸受の損傷を軽減することが可能になる。

【００４４】このようにリーフフォイル１２を形状記憶
合金で形成した場合においても、図５に示すように、液
体潤滑式フォイル軸受の下側半分を形状記憶合金で形成
し、上側半分を従前から用いられている単一金属による
リーフフォイル８を用いて形成してもよいことは明らか
である。

【００４５】このような構成にすると、下側半分のリー
フフォイルのみを形状記憶合金で作成すればよいので、
先に述べた効果を安価に享受することが可能になる。

【００４６】次に、本発明の第２の実施の形態を図を参
照して説明する。なお、上記実施の形態と同一構成に関
しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

【００４７】図６は、本実施の形態の説明に適用される
液体潤滑式フォイル軸受の正面断面図で、当該液体潤滑
式フォイル軸受は波形状をしたバンプフォイル６と、こ
のバンプフォイル６の頂点に接するように設けられたト
ップフォイル５とにより形成されている。

【００４８】このバンプフォイル６は、バイメタルによ
り形成されて、トップフォイル５側の金属は、軸受ハウ
ジング４側の金属より線膨張率の小さい材料が用いられ
て、両端が支持部７で軸受ハウジング４と溶接等により
固着されている。

【００４９】一方、トップフォイル５は、軸受ハウジン
グ４と支持部５ａにおいて溶接等により固着され、少な
くとも円周上に１ヶ所以上に切欠部５ｂが設けられて、
容易に変形できるようになっている。

【００５０】そして、起動時（停止時〜低速回転時）等
においては、バンプフォイル６の初期形状は、停止時の
回転軸１の軸心が軸受の軸心に一致するようにトップフ
ォイル５を支持するようになっている。

【００５１】これにより、回転軸１の回転速度が上昇し
て摩擦熱が発生するとバンプフォイル６の頂部が低くな
るように変形し、該バンプフォイル６により支持された
トップフォイル５は、当該バンプフォイル６の熱変形に
伴い外周側に引張られるようになる。

【００５２】従って、回転軸１を支持しているトップフ
ォイル５の下側が外周側へ移動することになり、回転軸
１の軸心と軸受の軸心は常に一致しながら回転軸１とト
ップフォイル５との間に生じる気体膜の厚さを増加させ
ることが可能となる。

【００５３】ところで、本構成の場合も起動時等の低速
運転時にトップフォイル５により回転軸１を直接支持し
て当該回転軸１の偏芯を抑制するためは必ずしも液体潤
滑式フォイル軸受における上側のバンプフォイル６をバ
イメタルで形成する必要はない。

【００５４】即ち、図７に示すように、下側半分にはバ
イメタルで形成したバンプフォイル６を用い、上側半分
には従前から用いられている単一金属により形成したバ
ンプフォイル９を用いてもよい。

【００５５】これにより、高速回転時にはトップフォイ
ル５が外周側に変形して回転軸１の軸心は軸受の軸心と
常に一致するように維持されると共に気体膜の厚さを増
加させることが可能となってコスト低減が図られる。

【００５６】また、これまでのバンプフォイル６の頂部
は全てトップフォイル５と接触するように設けていた
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図
８に示すように所定間隔でバンプフォイル６の頂部をト
ップフォイル５と接触するようにしてもよい。図８にお
いては、バンプフォイル６とトップフォイル５との接触
した頂部を番号１０で示し、非接触の頂部を番号１１で
示している。

【００５７】このように、バンプフォイル６の頂部が全
てトップフォイル５に接触しないような構成とすること
で、相対的に移動可能な部分が増えてバンプフォイル６
の変形が容易となる利点がある。

【００５８】また、図９に示すように、バイメタルはな
く、記憶形状合金を用いたバンプフォイル１３であって
もよい。この場合にも図１０に示すように下半分のバン
プフォイル１３のみを記憶形状合金を用いて形成するこ
とは可能である。さらに、図１１に示すようにバンプフ
ォイル１３の頂部の一部のみがトップフォイル５に接触
する構成としてもよい。

【００５９】このように形状記憶合金を用いてバンプフ
ォイルを形成することにより、起動トルクを小さくする
ことが可能になると共に、高速回転時に回転軸１とトッ
プフォイル５との直接接触等が抑制できて液体潤滑式フ
ォイル軸受の損傷を軽減することが可能になる。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明したように、本発明によれ
ば、小型高速ガスタービン発電システム等において起動
トルクを減少させ、かつ、軸受の焼付きを防止すること
が可能になり、起動から負荷運転、停止までいかなる回
転速度においても安定した運転を維持することができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用される
リーフフォイルをバイメタルで形成した液体潤滑式フォ
イル軸受の正面断面図である。

【図２】回転軸が高速回転した際の図１における液体潤
滑式フォイル軸受の様子を示す正面断面図である。

【図３】図１に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、下側半分をバイメタルで形成されたリーフフォイル
による場合を示す図である。

【図４】図１に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、リーフフォイルを形状記憶合金で構成した液体潤滑
式フォイル軸受の正面断面図である。

【図５】図４に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、下側半分を形状記憶合金で形成されたリーフフォイ
ルによる場合を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の説明に適用される
バンプフォイルをバイメタルで形成した液体潤滑式フォ
イル軸受の正面断面図である。

【図７】図６に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、下側半分をバイメタルで形成されたバンプフォイル
による場合を示す図である。

【図８】図６に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、トップフォイルがバンプフォイルの全ての頂点によ
り支持されない場合を示す図である。

【図９】図６に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、バンプフォイルを形状記憶合金で形成した場合を示
す図である。

【図１０】図９に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、下側半分を形状記憶合金で形成されたバンプフォイ
ルによる場合を示す図である。

【図１１】図９に代る液体潤滑式フォイル軸受の構成図
で、トップフォイルがバンプフォイルの全ての頂点によ
り支持されない場合を示す図である。

【図１２】従来の技術の説明に適用される停止時におけ
る液体潤滑式フォイル軸受の正面断面図である。

【図１３】従来の技術の説明に適用される高速回転時に
おける液体潤滑式フォイル軸受の正面断面図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２，８，１２ リーフフォイル ３ 支持部 ４ 軸受ハウジング ５ トップフォイル ６，９，１３ バンプフォイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三上 誠 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 3J012 AB01 AB11 BB01 CB05 CB10 DB01 DB06 EB08 EB09 GB10 HB01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状の軸受ハウジングの内壁に一端が
   固着された複数のリーフフォイルが、回転軸を取巻くよ
   うに配設されて、当該回転軸が回転することにより回り
   の気体をリーフフォイルとの間に巻込んで気体膜を形成
   し、この気体膜により前記回転軸を潤滑支持する液体潤
   滑式フォイル軸受において、 前記リーフフォイルが、停止状態及び低速回転状態での
   前記回転軸の軸心と軸受の軸心とを一致させるように該
   回転軸を支持し、前記回転軸が高速回転になった際に
   は、前記気体との摩擦による温度上昇により、前記空気
   膜の厚みに相当する量だけ当該回転軸から離れるように
   変形して、常に前記回転軸の軸心と軸受の軸心とが一致
   するようにしたことを特徴とする液体潤滑式フォイル軸
   受。
2. 【請求項２】 前記リーフフォイルを線膨張率の異なる
   ２種類の金属からなるバイメタルにより形成したことを
   特徴とする請求項１記載の液体潤滑式フォイル軸受。
3. 【請求項３】 前記リーフフォイルを形状記憶合金で形
   成したことを特徴とする請求項１記載の液体潤滑式フォ
   イル軸受。
4. 【請求項４】 前記軸受ハウジングの内壁周方向に沿っ
   て設けられた複数の前記リーフフォイルのうち、前記回
   転軸の荷重方向である下側の当該リーフフォイルを前記
   バイメタル又前記形状記憶合金で形成したことを特徴と
   する請求項２又は３記載の液体潤滑式フォイル軸受。
5. 【請求項５】 円筒状の軸受ハウジングの内壁に沿って
   波形のバンプフォイルと、当該バンプフォイルの頂部に
   より支持されると共に回転軸を覆うように設けられトッ
   プフォイルとを有して、当該回転軸が回転することによ
   り回りの気体を該回転軸とトップフォイルとの間に巻込
   んで気体膜を形成し、この気体膜により前記回転軸を潤
   滑支持する液体潤滑式フォイル軸受において、 停止状態及び低速回転状態での前記回転軸の軸心と軸受
   の軸心とを一致させるように該回転軸を支持し、前記回
   転軸が高速回転になった際には、前記気体との摩擦によ
   る温度上昇により、前記空気膜の厚みに相当する量だけ
   当該回転軸から離れるように変形して、常に前記回転軸
   の軸心と軸受の軸心とが一致するように、前記バンプフ
   ォイルが前記トップフォイルを支持するようにしたこと
   を特徴とする液体潤滑式フォイル軸受。
6. 【請求項６】 前記バンプフォイルを線膨張率の異なる
   ２種類の金属からなるバイメタルにより形成したことを
   特徴とする請求項５記載の液体潤滑式フォイル軸受。
7. 【請求項７】 前記バンプフォイルを形状記憶合金で形
   成したことを特徴とする請求項５記載の液体潤滑式フォ
   イル軸受。
8. 【請求項８】 前記軸受ハウジングの内壁に沿って設け
   られた複数の前記バンプフォイルのうち、前記回転軸の
   荷重方向である下側の当該バンプフォイルを前記バイメ
   タル又前記形状記憶合金で形成したことを特徴とする請
   求項６又は７記載の液体潤滑式フォイル軸受。
9. 【請求項９】 波型の前記バンプフォイルの頂部が所定
   おきに前記トップフォイルに接するようにしたことを特
   徴とする請求項５乃至８いずれか１項記載の液体潤滑式
   フォイル軸受。