JP2003148461A - 動圧型気体軸受及び動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービン - Google Patents

動圧型気体軸受及び動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービン

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JP2003148461A
JP2003148461A JP2001350271A JP2001350271A JP2003148461A JP 2003148461 A JP2003148461 A JP 2003148461A JP 2001350271 A JP2001350271 A JP 2001350271A JP 2001350271 A JP2001350271 A JP 2001350271A JP 2003148461 A JP2003148461 A JP 2003148461A
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foil
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転中、回転軸が偏心することにより変動荷
重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸
を元の位置に復元するのに十分な剛性とともに、高速安
定性に資する減衰を確保可能な動圧型気体軸受を提供す
る。 【解決手段】 回転部材と対向する静止保持部材に配設
された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、
前記静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する
波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位
置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォ
イルは、互いに対向して配置された、前記静止保持部材
側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バン
プフォイルとからなる、動圧型気体軸受において、互い
の山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプ
フォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する、
ことを特徴とする動圧型気体軸受。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転する高温
の回転軸を空気、窒素等の気体膜により非接触保持する
動圧型気体軸受及びこの動圧型気体軸受を備えたマイク
ロガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、高速回転する高温の回転軸を
空気、窒素等の気体膜により非接触保持する動圧型気体
軸受が知られている。
【０００３】この動圧型気体軸受は、回転部材と対向す
る静止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、こ
の軸受セグメントは、静止保持部材上に配設され、且つ
所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバン
プフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有す
る。
【０００４】より詳細には、ジャーナル軸受の場合、回
転部材の回転軸線に対してラジアル方向に対向するハウ
ジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セ
グメントは、ハウジングの内面上に配設され、且つ所定
弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフ
ォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、一
方、スラスト軸受の場合、スラストランナーの回転軸線
方向に対向するベースプレートに配設された軸受セグメ
ントを有し、この軸受セグメントは、ベースプレート上
に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォ
イルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップ
フォイルとを有する。
【０００５】このような従来の動圧型気体軸受によれ
ば、回転部材の回転中、回転部材と静止保持部材との間
に気体膜を形成して、回転部材を非接触保持するととも
に、回転部材が偏心したときに、回転部材を原位置に復
元させるように構成されている。
【０００６】最近、例えば、米国特許第6,158,893号に
開示されているように、このようなバンプフォイルとし
て、いわゆるデュアルバンプフォイル、即ち互いに対向
して配置された、静止保持部材側の下部バンプフォイル
と回転部材側の上部バンプフォイルとからなるものが採
用され、回転部材が偏心したときになって両バンプフォ
イル同士が当たることにより、スラスト荷重或いはジャ
ーナル荷重負荷に対する剛性を確保するようにしてい
る。
【０００７】しかしながら、従来の動圧型気体軸受に
は、以下のような技術的な問題点がある。
【０００８】第１に、デュアルバンプフォイルを有する
動圧型気体軸受であっても、回転部材に変動荷重或いは
衝撃荷重が負荷されたときに、剛性が不足して、上部バ
ンプフォイル及び／又は下部バンプフォイルが塑性変形
したり、場合によりフォイル自体が破損して、軸受機能
を損なうことがある。
【０００９】第２に、回転の際、十分な減衰能力を確保
することも困難である。より詳細には、動圧型気体軸受
の場合、気体の粘性自体は小さいため、一般的に気体膜
の減衰能力は低い。そのため、高速回転を安定して実現
するには、高速回転における振動エネルギーを吸収し
て、回転軸の振れを防止することが必要である。この点
で、高速安定性に優れた動圧型気体軸受を実現するため
には、気体膜自体の減衰だけでなく、部材同士の接触に
伴うクーロン摩擦力による減衰能力を確保するのが望ま
しい。
【００１０】これらの問題点は、たとえばマイクロガス
タービンのように、回転支持される被支持体の大型化に
よって、特に顕著となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】そこで、上記課題に鑑
み、本発明の目的は、回転中、回転軸が偏心することに
より変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心
した回転軸を元の位置に復元するのに十分な剛性ととも
に、高速安定性に資する減衰を確保可能な動圧型気体軸
受を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の動圧型気体軸受は、回転部材と対向する静
止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、この軸
受セグメントは、前記静止保持部材上に配設され、且つ
所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバン
プフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有
し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置され
た、前記静止保持部材側の下部バンプフォイルと、前記
回転部材側の上部バンプフォイルとからなる、動圧型気
体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合う
ように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォ
イルとが予め係合する構成としてある。
【００１３】このような構成によれば、ともに波形状の
上下バンプフォイルの斜面を予め重なり合うように係合
させておくことにより、回転部材の回転の際、スラスト
荷重或いはジャーナル荷重が負荷されるときに、上下バ
ンプフォイル同士が離間している場合に比べて、上部バ
ンプフォイルの自由端への延伸に対して拘束作用が働く
ので、その結果上部バンプフォイルの波がつぶれにくく
なるので、フォイル全体としての剛性が高められる。
【００１４】また、それとともに、斜面同士の摩擦面積
を確保することによって、クーロン摩擦による減衰確保
を実現することも可能となる。
【００１５】また、前記下部バンプフォイルの板厚は、
前記上部バンプフォイルの板厚以上であり、前記上部バ
ンプフォイルの板厚は、前記トップフォイルの板厚以上
であるのが好ましい。
【００１６】上記目的を達成するために、本発明の動圧
型気体軸受は、スラストランナーのスラスト方向に対向
するベースプレートに配設された軸受セグメントを有
し、この軸受セグメントは、前記ベースプレート上に配
設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイル
と、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォ
イルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して
配置された、前記ベースプレート側の下部バンプフォイ
ルと、前記スラストランナー側の上部バンプフォイルと
のデュアルバンプフォイルからなる、スラスト荷重を支
承する動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同
士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記
下部バンプフォイルとが予め係合し、前記下部バンプフ
ォイル及び／又は前記上部バンプフォイルは、前記ベー
スプレートの周方向に分割されており、分割された前記
下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイル
の各々は、すべり方向上流側の一端で前記ベースプレー
トに固定されている構成としてある。
【００１７】また、前記上部バンプフォイルは、前記ベ
ースプレートの半径方向に分割され、前記ベースプレー
トの最内周側に設置されている前記上部バンプフォイル
は、一定高さであり、前記ベースプレートの最外周側に
設置されている前記上部バンプフォイルは、すべり方向
下流側に向かって高くしてあるのがよい。
【００１８】さらに、前記下部バンプフォイルと前記上
部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方
向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパ
ターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転
部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜
面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流
側の対応する斜面と重なり合うように係合するのがよ
い。
【００１９】さらにまた、前記最内周側に配置されたバ
ンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前
記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜
面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下
流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイル
の前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バ
ンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前
記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接
する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流
側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２０】加えて、前記最外周側に配置されたバンプ
フォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下
部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面
が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流
側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの
前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方
向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１
山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第
２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記
下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ
目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バン
プフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上
部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と
重なり合うように係合するのでもよい。
【００２１】また、前記上部バンプフォイルは、半径方
向に分割され、半径方向内方のものほど波形ピッチが大
きく設定されているのがよい。
【００２２】上記目的を達成するために、本発明の動圧
型気体軸受は、回転部材のラジアル方向に対向するハウ
ジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セ
グメントは、前記ハウジングの内面上に配設され、且つ
所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバン
プフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有
し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置され
た、前記ハウジング側の下部バンプフォイルと、前記回
転部材側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォ
イルからなる、ラジアル荷重を支承する動圧型気体軸受
において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うよう
に、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイル
とが予め係合する構成としてある。
【００２３】また、前記下部バンプフォイルと前記上部
バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向
に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパタ
ーンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部
材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面
は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側
の対応する斜面と重なり合うように係合するのがよい。
【００２４】さらにまた、前記重なり合うパターンは、
前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の
斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向
下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイ
ルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部
バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、
前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣
接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上
流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２５】加えて、前記重なり合うパターンは、前記
下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面
が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流
側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの
前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方
向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１
山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第
２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記
下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ
目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バン
プフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上
部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と
重なり合うように係合するのでもよい。
【００２６】また、前記上部バンプフォイルは、前記ハ
ウジングの周方向に分割され、各分割部は、前記すべり
方向後れ側の一端が前記ハウジングの内面に固定され、
前記上部バンプフォイルの山の高さは、前記回転部材の
前記ハウジングに対するすべり方向下流側に向かって高
くしているのが好ましい。
【００２７】上記目的を達成するために、本発明のマイ
クロガスタービンは、以上の構成を有する動圧型気体軸
受によって支承された回転軸と、この回転軸に連結さ
れ、単段でラジアルタイプのガスタービンと、このガス
タービンに燃焼ガスを供給するための燃焼室と、この燃
焼室に圧縮空気を送出するための、単段で遠心型の圧縮
機と、前記回転軸に連結され、前記回転軸の回転により
発電を行うための発電機とを有する構成としてある。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
による動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービンの
実施形態を説明する。
【００２９】図１は、本発明の実施形態によるマイクロ
ガスタービンの概略全体構成図である。図２は、図１の
スラスト動圧気体軸受部の概略斜視図である。図３は、
図２の線III‐IIIに沿う概略断面図である。図４は、図
２の軸受セグメントの変形例である。図５は、図２の軸
受セグメントの別の変形例である。図６は、上下バンプ
フォイル同士の重なり合いパターンの変形例である。図
７は、上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの
別の変形例である。図８は、図１のジャーナル動圧型気
体軸受部の概略斜視図である。
【００３０】マイクロガスタービンは、近年業務用、工
業用或いは集合住宅用等多種の用途に対応して、個々の
需要者においてその場で、しかも必要に応じて発電を行
うことが可能なオンサイト発電システムとして注目を集
めており、図１に示すように、マイクロガスタービン10
0は、通常の大型ガスタービンと同様に、回転軸102上に
発電機104、圧縮機106及びタービン108を１軸上に備え
る。回転軸102は、発電機104内の両端部においてそれぞ
れ、動圧型ジャーナル気体軸受10bによって支承され、
圧縮機106とタービン108との間で、圧縮機106側及びタ
ービン108側それぞれにおいて、動圧型ジャーナル気体
軸受10bによって支承されている。さらに、回転軸102
は、圧縮機106とタービン108との間で、圧縮機106側に
おいて、動圧型スラスト気体軸受10aによって支承され
ている。動圧型ジャーナル気体軸受10b及び動圧型スラ
スト気体軸受10aについては、後に詳細に説明する。コ
ンパクト化の観点から、圧縮機106は、単段の遠心型、
タービン108は、単段ラジアルタイプである。さらに、
圧縮機106により昇圧された空気と、燃料のＬＰガスと
を混合して、混合ガスを燃焼させるための燃焼室110
と、タービン108からの排出ガスと圧縮機106からの圧縮
空気とを熱交換するための再生器112と、排ガスの廃熱
を利用するための排ガス熱交換器114とを有する。
【００３１】本明細書で用いる「マイクロガスタービン」
の「マイクロ」は、一般プラント用ガスタービンと区別す
るためだけに用いるものであり、具体的には、マイクロ
ガスタービンは、発電機、圧縮機及びタービンが１軸上
に配列され、圧縮機及びタービンが単段であって、発電
能力300kw以下、或いはガス燃料最大圧力約0.6MPaのも
のを意味する。
【００３２】次に、動圧型気体軸受について以下に説明
する。図２に示すように、スラスト気体軸受10ａは、ス
ラストランナー12のスラスト方向に対向するベースプレ
ート14に配設された軸受セグメント16を有する。
【００３３】図３に示すように、軸受セグメント16は、
ベースプレート14上に配設され、且つ所定弾性を有する
波形状のバンプフォイル18と、このバンプフォイル18上
に位置決めされたトップフォイル20とを有する。このト
ップフォイル20の上面が軸受面22を形成し、この軸受面
22とスラストランナー12の内面との間の間隙23内の気体
が楔膜作用によりスラストランナー12を非接触保持する
ようにしている。所定弾性は、流体膜の形成を可能にす
る観点から、楔膜による加圧に起因するフォイルの変形
を受け入れるように決定する。
【００３４】バンプフォイル18は、互いに対向して配置
された、ベースプレート14側の下部バンプフォイル18a
と、スラストランナー12側の上部バンプフォイル18bと
のデュアルバンプフォイル18からなる。下部バンプフォ
イル18aの板厚は、上部バンプフォイル18bの板厚以上で
あり、上部バンプフォイル18bの板厚は、トップフォイ
ル20の板厚以上である。バンプフォイルの厚みに関し、
回転部材側に近いフォイルほど薄くする技術的意義は、
第１に、局所的な変形が容易となり、それによりフォイ
ルと回転部材の表面とで形成する隙間23の形状を自律的
に最適化するのを容易にすることができ、第２に、流体
膜のせん断発熱の放散を容易にすることができることに
ある。
【００３５】図２を再び参照すれば、下部バンプフォイ
ル18a及び上部バンプフォイル18bは、ベースプレート14
の周方向に分割されており、分割された下部バンプフォ
イル18a及び上部バンプフォイル18bの各々は、すべり方
向上流側の一端25で、片持ち梁状にベースプレート14に
固定されている。 フォイルの周方向への分割の技術意
義は、軸自体の傾きを防止するために、複数の楔をトッ
プフォイル20と回転軸との間に形成させることにある。
【００３６】変形例として、図４に示すように、下部バ
ンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bは、ベース
プレート14の半径方向に分割してもよい。ベースプレー
ト14の最内周側に設置されている上部バンプフォイル18
biは、一定高さであり、ベースプレート14の最外周側に
設置されている上部バンプフォイル18boは、すべり方向
に徐々に高くしてある。このようなフォイルの半径方向
への分割の技術意義について、一般的に、外周の方が内
周より軸受面が長くなる結果、同じ剛性では外周のほう
が深く沈むので、負荷能力的な観点から速度の高い部位
で力を稼ぐようにするために、外周側ほどピッチが細か
く剛性が高くなるようにする。また、フォイルの高さの
技術的意義について、下流側ほど高くすることによっ
て、負荷荷重が小さくトップフォイル20と回転部材との
隙間が大きいとき、下流側に向けて楔膜作用を奏しやす
くなるので、特に後に説明するジャーナル軸受の場合に
は、高速安定性を向上することが可能となる。なお、下
部バンプフォイル18aだけを１枚のままで非分割として
もよい。
【００３７】また、図５に示すように、分割された各バ
ンプフォイル18について、すべり方向に沿って波形ピッ
チを変えてもよい。より具体的には、内周側に配置され
る上部バンプフォイル18bほど波形ピッチを大きくする
のがよい。
【００３８】再び図３を参照すれば、下部バンプフォイ
ル18aと上部バンプフォイル18bとは、重なり合うパター
ンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、下部
バンプフォイル18aの山30の傾斜面32と、上部バンプフ
ォイル18bの山34の傾斜面36とは、重なり合うように予
め係合する。より詳細には、下部バンプフォイル18aの
各山30の、回転部材の静止保持部材に対するすべり方向
上流側の傾斜面32は、上部バンプフォイル18bの各山34
のすべり方向下流側の対応する傾斜面36と重なり合うよ
うに係合する。上下バンプフォイル18a、18bの波形の形
状を調整することにより、互いの山の傾斜面同士の重な
り合う面積を加減することが可能である。クーロン摩擦
に伴う減衰の観点からは、重なり合う面積を大きくする
ほど、減衰を確保することができる。
【００３９】この場合、図６に示すように、最内周側に
配置されたバンプフォイル18biについて、重なり合うパ
ターンは、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり
方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第１
山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下
部バンプフォイル18aの第１山38とすべり方向下流側に
隣接する下部バンプフォイル18aの第２山46のすべり方
向下流側の斜面48が、上部バンプフォイル18bの第１山4
2とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２
山50のすべり方向上流側の斜面52と重なり合うように係
合するのでもよい。このような重ね合わせパターンの技
術意義について、上部バンプフォイルのピッチを長くす
るほど、上部バンプフォイルの剛性を低下させ、それに
より下部バンプフォイルと強く干渉するまで軸に加える
予圧を小さくすることが可能となるので、特に低速起動
性を向上させることができる。
【００４０】または、図７に示すように、最外周側に配
置されたバンプフォイル18boについて、重なり合うパタ
ーンは、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方
向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第1山42
のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バ
ンプフォイル18aの第１山38からすべり方向に３つ目の
第２山54のすべり方向上流側の斜面56が、上部バンプフ
ォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バン
プフォイル18bの第２山58のすべり方向下流側の斜面60
と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第２山54
からすべり方向に２つ目の第３山62のすべり方向上流側
の斜面64が、上部バンプフォイル18bの第２山58とすべ
り方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第3山66のす
べり方向下流側の斜面68と重なり合うように係合するの
でもよい。このような重ね合わせパターンの技術意義に
ついて、下流側ピッチを小さくするほど、下流側のバン
プフォイルの沈み込みを抑制し、以ってトップフォイル
20が回転方向に楔膜作用を行いやすくなるので、流体膜
部分の負荷能力を増大することができる。
【００４１】次に、図８に示すように、ラジアル気体軸
受10ｂは、スラスト軸受と同様に、回転部材102のラジ
アル方向に対向するハウジング118に配設された軸受セ
グメント16を有する。軸受セグメント16は、ハウジング
118の内面120上に配設され、且つ所定弾性を有する波形
状のバンプフォイル18と、このバンプフォイル18上に位
置決めされたトップフォイル20とを有する。バンプフォ
イル18とトップフォイル20とはそれぞれ１枚で、環状の
空隙23内を周方向全体に延びる。バンプフォイル18は、
互いに対向して配置された、ハウジング側の下部バンプ
フォイル18aと、回転部材側の上部バンプフォイル18bと
のデュアルバンプフォイル18からなる。下部バンプフォ
イル18aの板厚は、上部バンプフォイル18bの板厚以上で
あり、上部バンプフォイル18bの板厚は、トップフォイ
ル20の板厚以上である。
【００４２】下部バンプフォイル18aの山の傾斜面と、
上部バンプフォイル18bの山の傾斜面とが予め重なり合
うように係合する。より詳細には、下部バンプフォイル
18aと上部バンプフォイル18bとは、重なり合うパターン
をすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重
なり合うパターンは、図３に示したパターン或いは図６
に示したパターンが好ましい。即ち、図３に示すよう
に、下部バンプフォイル18aの各山30の、回転部材102の
静止保持部材に対するすべり方向上流側の傾斜面32は、
上部バンプフォイル18bの各山34のすべり方向下流側の
対応する傾斜面36と重なり合うように係合するか、或い
は図６に示すように、下部バンプフォイル18aの第１山3
8のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル1
8bの第１山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合
い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38とすべり方
向下流側に隣接する下部バンプフォイル18aの第２山46
のすべり方向下流側の斜面48が、上部バンプフォイル18
bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイ
ル18bの第２山50のすべり方向上流側の斜面52と重なり
合うように係合する。上部バンプフォイル18bの山の高
さは、一定であるのが好ましい。
【００４３】変形例として、上部バンプフォイル18b及
び下部バンプフォイル18aは、ハウジング118の周方向に
分割されてもよく、その場合各分割部は、その一端がハ
ウジング118の内面120に固定されている。分割数は、２
ないし６分割が好ましい。この場合、上部バンプフォイ
ル18bの山の高さは、分割しない場合と異なり、回転部
材102のハウジング118に対するすべり方向に沿って高く
しているのがよい。なお、トップフォイル20は、１枚で
も分割されていてもよい。このように、一定高さのフォ
イルであれば、一体でも分割でもよいが。フォイルの高
さ或いはピッチを変える場合には、分割すればよい。こ
のような周方向の分割の技術的意義は、回転軸が分割さ
れたフォイル毎に楔を形成するので、予圧が負荷した状
態となり、低負荷のときには、高速安定性が向上する点
にある。
【００４４】以上の構成を有するマイクロガスタービン
について、その作用を説明する。圧縮機106により昇圧
された空気と、燃料のＬＰガスとは、燃焼室110で混
合、燃焼されたうえで、タービン108に送られ、タービ
ン108の羽根を回転させることにより軸を回転させ、そ
れにより発電機104により、コンバータ、インバータ及
びトランスを介して発電を行うとともに、タービン108
からの排出ガスは、再生器112において、圧縮空気と熱
交換し、さらに排ガスの廃熱は排ガス熱交換器114を用
いて給湯等に利用されるとともに排ガスは、排ガス管11
6を通って排出される。
【００４５】その際、回転部材の通常回転中（例えば、
5,000RPMないし200,000RPM）、回転部材と静止保持部材
との間に気体膜を形成して、楔膜作用によって回転部材
を非接触保持する。
【００４６】回転部材が偏心したときに、回転部材を原
位置に復元させるように構成されている。より詳細に
は、ラジアル、ジャーナル動圧型気体軸受いずれも、と
もに波形状の上下バンプフォイル18の山の傾斜面を重な
り合うように予め係合させておくことにより、回転部材
の回転の際、スラスト荷重或いはジャーナル荷重が負荷
されるときに、先行技術のように上下バンプフォイル18
同士が離間している場合に比べて、上部バンプフォイル
18bの自由端への延伸に対して拘束作用が働き、その結
果上部バンプフォイル18bの波がつぶれにくくなるの
で、バンプフォイル全体としての剛性が高められる。ま
た、それとともに、斜面同士の摩擦面積を確保すること
によって、クーロン摩擦による減衰確保を実現すること
も可能となる。これにより、マイクロガスタービンのよ
うな比較的大型の高速回転機器を動圧型気体軸受によっ
て支持する場合であっても、回転軸が偏心することによ
り変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心し
た回転軸を元の位置に復元するに十分な剛性とともに、
高速安定性に優れた減衰を確保することが可能となる。
【００４７】本発明の実施形態を詳細に説明したが、請
求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更、修
正が可能である。たとえば、スラスト動圧気体軸受の場
合における周方向或いは半径方向の分割数及びラジアル
動圧気体軸受の場合における周方向の分割数は、適宜設
定すればよい。また、ラジアル気体軸受及びジャーナル
気体軸受のいずれの場合も、周方向に分割したバンプフ
ォイルごとに、上下バンプフォイルについて波ピッチ
を、さらに上部バンプフォイルについて高さを変えても
よい。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の動圧型気
体軸受によれば、回転軸が偏心することにより変動荷重
或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を
元の位置に復元するに十分な剛性とともに、高速安定性
に優れた減衰を確保可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるマイクロガスタービン
の概略全体構成図である。
【図２】図１のスラスト動圧気体軸受部の概略斜視図で
ある。
【図３】図２の線III‐IIIに沿う概略断面図である。
【図４】図２の軸受セグメントの変形例である。
【図５】図２の軸受セグメントの別の変形例である。
【図６】上下バンプフォイル同士の重なり合いパターン
の変形例である。
【図７】上下バンプフォイル同士の重なり合いパターン
の別の変形例である。
【図８】図１のジャーナル動圧型気体軸受部の概略斜視
図である。
【符号の説明】
100 マイクロガスタービン 102 回転軸 104 発電機 106 圧縮機 108 タービン 118 ハウジング 120 内面 10a スラスト動圧型気体軸受 10b ジャーナル動圧型気体軸受 12 スラストランナー 14 ベースプレート 16 軸受セグメント 18 バンプフォイル 18b 上部バンプフォイル 18a 下部バンプフォイル 20 トップフォイル 22 軸受面 23 間隙 25 １端 30 山 32 傾斜面 34 山 36 傾斜面

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転部材と対向する静止保持部材に配設
    された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、
    前記静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する
    波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位
    置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォ
    イルは、互いに対向して配置された、前記静止保持部材
    側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バン
    プフォイルとからなる、動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バ
    ンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合す
    る、ことを特徴とする動圧型気体軸受。
  2. 【請求項２】 前記下部バンプフォイルの板厚は、前記
    上部バンプフォイルの板厚以上であり、前記上部バンプ
    フォイルの板厚は、前記トップフォイルの板厚以上であ
    る、請求項１に記載の動圧型気体軸受。
  3. 【請求項３】 スラストランナーのスラスト方向に対向
    するベースプレートに配設された軸受セグメントを有
    し、この軸受セグメントは、前記ベースプレート上に配
    設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイル
    と、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォ
    イルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して
    配置された、前記ベースプレート側の下部バンプフォイ
    ルと、前記スラストランナー側の上部バンプフォイルと
    のデュアルバンプフォイルからなる、スラスト荷重を支
    承する動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バ
    ンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合
    し、 前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォ
    イルは、前記ベースプレートの周方向に分割されてお
    り、 分割された前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部
    バンプフォイルの各々は、すべり方向上流側の一端で前
    記ベースプレートに固定されている、ことを特徴とする
    動圧型気体軸受。
  4. 【請求項４】 前記上部バンプフォイルは、前記ベース
    プレートの半径方向に分割され、前記ベースプレートの
    最内周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、
    一定高さであり、前記ベースプレートの最外周側に設置
    されている前記上部バンプフォイルは、すべり方向下流
    側に向かって高くしてある、請求項３に記載の動圧型気
    体軸受。
  5. 【請求項５】 前記下部バンプフォイルと前記上部バン
    プフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿
    って繰り返すように配置され、 この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの
    各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべ
    り方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山
    のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように
    係合する、請求項４に記載の動圧型気体軸受。
  6. 【請求項６】 前記最内周に配置されたバンプフォイル
    について、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプ
    フォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上
    部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と
    重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山
    とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイル
    の第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプ
    フォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部
    バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重
    なり合うように係合する、請求項５に記載の動圧型気体
    軸受。
  7. 【請求項７】 前記最外周に配置されたバンプフォイル
    について、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプ
    フォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上
    部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と
    重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山
    からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の
    斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり
    方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべ
    り方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプ
    フォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山
    のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイル
    の前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフ
    ォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合う
    ように係合する、請求項５に記載の動圧型気体軸受。
  8. 【請求項８】 前記上部バンプフォイルは、半径方向に
    分割され、半径方向内方のものほど波形ピッチが大きく
    設定されている、請求項４ないし請求項７のいずれか１
    項に記載の動圧型気体軸受。
  9. 【請求項９】 回転部材のラジアル方向に対向するハウ
    ジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セ
    グメントは、前記ハウジングの内面上に配設され、且つ
    所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバン
    プフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有
    し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置され
    た、前記ハウジング側の下部バンプフォイルと、前記回
    転部材側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォ
    イルからなる、ラジアル荷重を支承する動圧型気体軸受
    において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バ
    ンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合す
    る、ことを特徴とする動圧型気体軸受。
  10. 【請求項１０】 前記下部バンプフォイルと前記上部バ
    ンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に
    沿って繰り返すように配置され、 この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの
    各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべ
    り方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山
    のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように
    係合する、請求項９に記載の動圧型気体軸受。
  11. 【請求項１１】 前記下部バンプフォイルと前記上部バ
    ンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に
    沿って繰り返すように配置され、 この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの
    第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフ
    ォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合
    い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり
    方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山
    のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイル
    の前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフ
    ォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合う
    ように係合する、請求項９に記載の動圧型気体軸受。
  12. 【請求項１２】 前記下部バンプフォイルと前記上部バ
    ンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に
    沿って繰り返すように配置され、 この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの
    第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフ
    ォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合
    い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべ
    り方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、
    前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣
    接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下
    流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイル
    の前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり
    方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第
    ２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの
    第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係
    合する、請求項９に記載の動圧型気体軸受。
  13. 【請求項１３】 前記上部バンプフォイルは、前記ハウ
    ジングの周方向に分割され、各分割部は、前記すべり方
    向後れ側の一端が前記ハウジングの内面に固定され、前
    記上部バンプフォイルの山の高さは、前記回転部材の前
    記ハウジングに対するすべり方向下流側に向かって高く
    している、請求項９ないし請求項12のいずれか１項に記
    載の動圧型気体軸受。
  14. 【請求項１４】 請求項１ないし請求項13のいずれか１
    項に記載の動圧型気体軸受によって支承された回転軸
    と、この回転軸に連結され、単段でラジアルタイプのガ
    スタービンと、このガスタービンに燃焼ガスを供給する
    ための燃焼室と、この燃焼室に圧縮空気を送出するため
    の、単段で遠心型の圧縮機と、前記回転軸に連結され、
    前記回転軸の回転により発電を行うための発電機とを有
    することを特徴とするマイクロガスタービン。
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