JP2004245294A - フォイル式流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォイル軸受においては、トップフォイルと回転軸との間の流体膜は、せん断力により加熱され、高温となる。このような高温条件下では、トップフォイル等部材の材質やコーティングも高温用のものを使用せざるを得なくなり、コスト高を招くという問題があった。
【解決手段】回転軸１に摺動接触するトップフォイル２と、このトップフォイル２を外周側より支持する弾性支持部材３と、これらをその内周側に保持するハウジング５とからなるフォイル軸受において、弾性支持部材３には、外周から内周側へ通じる貫通部を設けるとともに、ハウジング５内周面の、この貫通部に対応する部分に冷却気体供給孔６を設ける。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高速回転機械に使用される流体軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速回転機械に使用される従来のフォイル式流体軸受装置として、回転軸と摺動接触する柔軟なシート（トップフォイル）を波形状のフォイル（バンプフォイル）を介してハウジング内に配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
トップフォイルは回転を防止するためにその軸回転方向端部においてハウジングに固定されている。回転軸が回転をすると、回転軸とトップフォイルとの間の流体が圧縮されることで高圧の流体膜が形成され、回転軸とトップフォイルとの直接の接触を避けることが出来る。トップフォイルは可撓性であり、流体膜の圧力により半径方向外側に変形する。一般に流体膜の最も薄い位置で流体の圧力も高くなるため、流体膜の薄い所ほど変形が大きく変形し、流体膜厚さが平均化される。
【０００３】
バンプフォイルには、軸方向に延びる内周側に押し出された小さな半円筒形の凸部が一定の間隔で円周方向に多数並んでいる。回転軸に半径方向の力が掛かった場合、軸とトップフォイルとの間の流体膜の圧力が上昇し、トップフォイルが外周側に変形する。このときトップフォイルと接触するバンプフォイルの凸部先端に荷重がかかる。この荷重により凸部はその低部が開くように押しつぶされることで弾性特性を生じる。この弾性特性により、流体膜厚さが薄く流体膜の圧力が高い部分でのトップフォイルの変形量が大きくなるので、流体膜厚さが平均化されるので、高い負荷容量を持つことができる。
【特許文献１】
特開平１０−３３１８４６号公報（第５頁乃至第６頁、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなフォイル軸受においては、トップフォイルと回転軸との間の流体膜は、せん断力により加熱され、高温となる。この熱の一部は流体が回転軸とトップフォイルとのすきまから流れ出るときに流体と共に排出される。この熱の残りの一部はシャフトへ伝達され、シャフトの低温部分から排熱される。また、この熱の残りの別の一部は、トップフォイルからダンプフォイルへ、さらにハウジングへと伝達され、ハウジング周りへ排熱される。しかしながら、トップフォイルとダンプフォイルとの間、ダンプフォイルとハウジングとの間は接触面積が小さく、接触熱抵抗が大きい。したがって、実際に排熱される熱量は小さく、トップフォイル等の部材は著しく高温となる。さらに、ガスタービンやターボチャージャなど、燃焼ガスによりタービンを駆動する構造の回転機械の場合、高温の燃焼ガスに晒され加熱されたタービンからの熱により、軸受部分のシャフトも高温となる。したがって、シャフトを伝わることによる排熱は期待できない。また、タービンの温度によっては、軸受部分においてもシャフトから排熱することになる。高温条件下では、トップフォイル等部材の材質やコーティングも高温用のものを使用せざるを得なくなり、コスト高を招くという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸に摺動接触するトップフォイルと、このトップフォイルを外周側より支持する緩衝部材と、これらをその内周側に保持するハウジングとからなるフォイル軸受において、緩衝部材には、外周から内周側へ通じる貫通部を設けるとともに、ハウジング内周面の、この貫通部に対応する部分に冷却流体を供給する気体供給口を設けることにより、トップフォイルに伝わった熱をその外周面において回収、排出することで、これを解決するものである。
このとき、貫通部と連通し、軸受の外部へと通じる溝を前記弾性指示部材のトップフォイルに相対する面に設けることにより、冷却気体をトップフォイルに接触しやすくし、吸収した熱を外部に排出しやすくすることができる。
また、貫通部を、単位面積当たりの貫通部面積が、軸の荷重方向においてより大きくなるように配置することにより、空気膜厚さが薄く発熱及びトップフォイルへ伝わる熱の大きい軸荷重方向部分を効果的に冷却することができる。さらに、荷重方向の支持部材の弾性率が相対的に低くなることにより、より均一な厚さの空気膜を得、負荷容量を増加させることができる。
また、貫通部を、単位面積当たりの貫通部面積が、軸方向の中心においてより大きくなるように配置することにより、供給される冷却気体が、軸方向中心から両方の軸受端側へ流れるようになるので、トップフォイル温度を軸方向に対しより均一に冷却することが可能となる。
また貫通部に多孔性のバネ部材を配置することにより、冷却空気の流れを確保しながら、貫通部分にも剛性を持たせることができるので、貫通部分を大きく取った場合でも剛性の過剰な低下を抑えることができる。
また、多孔性のバネ部材をワイヤーウールにより構成することにより、バネ剛性とともに、減衰特性も持たせることができるので、貫通部分を大きく取った場合でも軸振動を効果的に減衰することが可能となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明に掛かるフォイル式流体軸受装置を軸方向から見た図であり、図２は弾性支持部材の展開図である。また、図３は図１中Ｆで示した部分の拡大図である。
【０００７】
図１に示すように、本発明によるフォイル式流体軸受においては、軸受ハウジング５の内周側に接して弾性支持部材３が配置されており、弾性支持部材３の内周側にトップフォイル２が配置されている。トップフォイル４は、回転軸１と摺動接触し、これを支承する。
【０００８】
回転軸１の回転につれ、その周囲の流体も回転軸周りを流れる。回転軸１に荷重が掛かった状態では、回転軸１の中心はトップフォイル２の内周面が形成する円周の中心に対して偏心しているため、回転軸１とトップフォィル２との隙間はくさび型となる。くさび型部分においては流れるにつれ流路が狭くなるため、流体の圧力は上昇する。回転が十分に速くなり、流体の圧力が十分高くなると回転軸１はトップフォイル２から浮上する。トップフォイル２は可撓性であり、かつ弾性支持部材４に外周側から支持されているのでこの流体の圧力に釣り合うように外周側に変形する。回転軸１とトップフォイル２との間隔が最も狭くなっている部分の近傍で流体の圧力も最も高くなり、トップフォイル２の外周側への変形も大きくなるので、結果として回転軸１とトップフォイル２との間隔は平均化され、極端に近接する部分が無くなる。したがって、高荷重が掛かった場合においても接触による損傷無く回転軸を支承することが可能となる。
【０００９】
本実施例では、図２に示すように弾性支持部材３には貫通部１０が設けられている。また、図１に示すように、この弾性支持部材３の貫通部１０に対応するハウジング内周面５には流体供給孔６が設けられている。図示されていないが、流体供給孔６へ流体を供給するためには外部に設置された圧縮機などが用いられる。軸受が支承する回転機械自身が圧縮機であるか、または、圧縮機に接続されたものの場合には、その圧縮機による圧縮気体を送りこむように構成しても良い。
【００１０】
本実施の形態においては、弾性支持部材３に貫通部１０を設け、この弾性支持部材３の貫通部１０に対応するハウジング５内周面には流体供給孔６を設けたため、トップフォイル２の外周側には比較的低温の流体を常に供給することが可能となる。トップフォイル２の外周側に供給された気体は、トップフォイル２と弾性支持部材３との間を通った後、軸受外に放出される。空気膜からトップフォイル２に伝わった熱は、トップフォイル２外周側に供給された気体により吸収され、気体とともに軸受の外へと放出される。
【００１１】
ここで、弾性支持部材３に貫通部１０がなく、ハウジング５から内周への冷却流体供給孔６が無い場合について、図１３を参照して説明する。図１３は、従来のフォイル式流体軸受を軸方向から見た図である。
【００１２】
回転軸１が高速で回転するとき、トップフォイル２と回転軸１との間の空気膜は、せん断力により加熱され、高温となる。この熱の一部は流体が回転軸とトップフォイルとのすきまから流れ出るときに流体と共に排出される。この熱の残りの一部はシャフトへ伝達され、シャフトの低温部分から排熱される。また、この熱の残りの別の一部は、トップフォイル２から弾性支持部材３へ、さらにハウジング５へと伝達され、ハウジング５周りから軸受外へ排熱される。回転軸１の回転数が特に高い、または軸径が太いなど回転軸１の周速が高い機械では、ここで述べたような排熱では十分ではなく、残った熱がトップフォイル２などの素材を損傷する原因となる。
【００１３】
本実施例によれば、トップフォイル２はトップフォイル２外周側に供給された気体により吸収され、気体とともに軸受の外へと放出されることで、トップフォイルの温度を低く保つことが可能となる。
【００１４】
トップフォイル２の温度を低く保つことができることは、以下のような利点がある。まず、トップフォイル２自体の材質に耐熱性が要求されなくなる。したがって、比較的安価な材料によりトップフォイル２を構成することが可能となる。また、トップフォイル２は回転軸１との固体摩擦抵抗を小さくするために、回転軸との摺動面にコーティングが施される。このコーティングも、トップフォイル２の温度が低く保たれる場合には耐熱性の低いものを使用することができる。このようなトップフォイル２へのコーティングとして例えば樹脂を含有したものが用いられるが、燃焼ガスにより駆動されるタービンが接続されたシャフトでは、軸受位置での回転軸１の温度がトップフォイル２への樹脂コーティングの耐熱温度を越えてしまう。このような場合でもトップフォイル２の温度をコーティングの耐熱温度以下に抑える方法として本発明は有効である。
【００１５】
フォイル式流体軸受に使用されるトップフォイル２の厚さは、通常１００μｍ程度であり、一方の面から流入した熱は他方の面にもすぐに伝わる。したがって、本発明のように外周側面を冷却することでも十分な冷却効果を得ることができる。
【００１６】
以上説明したように、トップフォイル２は材料やコーティングの耐熱性に影響するような高温に至る事は無いため、コストが低く耐久性のあるフォイル式流体軸受を提供することができる。
【００１７】
図４、５および６は本発明の第２の実施例を示す。図４は本発明の第２の実施例を軸方向から見た図である。この実施例においては、弾性支持部材３として、バンプフォイルを用いている。図５はバンプフォイルにもうける貫通部の一例を示し、図６はバンプフォイルに設ける貫通部のもう一つの例を示す。
【００１８】
この実施例においては弾性支持部材３としてバンプフォイルを使用している。バンプフォイルは軸方向に伸びる凸型のバンプを円周方向に一定の間隔をおいて並べた形状となっている。バンプの凸側が内周側を向き、トップフォイル２に接するように構成される。バンプフォイル２に貫通部を設ける場合には、図５のように凸部に設ける場合と、図６のように凸部と凸部との間の平坦な部分に設ける場合の２つが考えられる。これらには、次のような違いがある。図５のように凸部に貫通部を設けた場合には、バンプフォイルの剛性は、その部分において弱くなる。一方で、図６のように平坦な部分に貫通部を設けた場合には、剛性の低下への影響は小さい。いずれの場合においても、バンプの間の空間が、貫通部と軸受外部とをつなぐ溝の役割を果たす。
【００１９】
図７ないし図９はこの発明の実施形態３を示す。図７は本発明の軸受を軸方向から見た図であり、図８は弾性支持部材の展開図である。図９は図７中Ｇで示す部分の拡大図である。
【００２０】
本実施の形態では、図７および図８に示すように弾性支持部材３に設けられる貫通部１０を、単位面積当たりの貫通部面積が、軸の荷重方向である領域Ａにおいてより大きくなるように設けた。起動後の回転軸の回転時において発熱が最も高くなるのは、空気膜が最も薄くなる軸の荷重方向位置である。したがって、この位置に貫通部１０および流体供給孔６を設けることにより、軸受の冷却を効果的に行うことが可能となる。
【００２１】
さらに、このように貫通部１０を設けることにより、弾性支持部材３の剛性を、回転軸１の荷重方向において部分的に小さくする事が可能となる。これにより、静止時の回転軸１とトップフォイル２との接触面圧を平均化することができる。この効果のためには、弾性支持部材３としてバンプフォイルを使用する場合では、図５に示すように貫通部分を設けるとより効果的である。
【００２２】
図９中に、本発明を実施しなかった場合の回転軸とトップフォイルとの接触面圧の分布を点線で示す。この場合は弾性支持部材の剛性は円周方向に均一となる。このように、弾性支持部材の変形が最も大きい荷重方向部分での接触面圧が最も高く、円周方向に離れるにつれ、接触面圧は小さくなる。起動時に回転軸とトップフォイルが接触したまま回転軸が回転を始めると、接触面圧が高い、回転軸の荷重方向の位置でトップフォイル表面の損傷が激しい。これに対し、本発明を実施した場合の接触面圧分布は図９中に実線で示すようになる。接触面圧は全体に平均化されるため、特定の位置の損傷が激しくなることはない。また、最大面圧も小さくなるため、損傷が最も大きい部分でもその損傷の度合いは小さくなる。
【００２３】
図１０および図１１はこの発明の実施形態４を示す。図１０は弾性支持部材３の展開図である。
本実施の形態では、弾性支持部材３に設けられる貫通部１０を、単位面積当たりの貫通部面積が、軸方向の中心の領域Ｂにおいてより大きくなるように配置した。冷却が軸方向に非対称の場合、熱膨張が不均一となるために一方の軸端において回転軸とトップフォイルとが接触しやすくなるという懸念がる。この実施例のように貫通部１０と流体供給部６を配置すると、冷却気体は軸方向中央においてトップフォイル２にぶつかり、軸方向の両端に均等に流れ出すことになるので、軸方向に対称にトップフォイル２を冷却することが可能となる。
【００２４】
さらに、このように貫通部１０を配置することで、弾性支持部材３の剛性を、軸方向の中央部において部分的に小さくすることが可能となる。これにより、回転軸１の回転時に、回転軸１とトップフォイル２との間に形成される空気膜をより安定なものにすることが可能となる。この効果のためには、弾性支持部材３としてバンプフォイルを使用する場合では、図５に示すように貫通部分を設けるとより効果的である。
【００２５】
図１１に、本発明を実施した場合と、実施しなかった場合のトップフォイル２の変形および空気膜圧力の軸方向分布を示す。本発明を実施せず、弾性支持部材３の剛性を軸方向に均一とした場合、実線で示すようにトップフォイル２は空気膜圧力の最も高い軸方向中央において変形が最も大きい。本発明を実施し、弾性支持部材３の剛性を、軸方向の中央部において低くすると、トップフォイル２の変形量は更に大きくなる。これに対応して、軸方向端部における空気膜は比較的に薄くなるため、空気は軸方向に排出されにくくなる。したがって、形成される流体はより安定なものとある。
【００２６】
図１２はこの発明の実施形態２を示す。図１２は弾性支持部材３の展開図でる。
【００２７】
本実施の形態では、弾性支持部材３に設ける貫通部１０を多孔質ばね２０で置き換えた。
多孔質であるので、冷却流体の流れを妨げない。また、冷却気体の流れやすさや、剛性の強さの調整は、空孔量を変化させることにより可能である。貫通部１０の大きさで調整する場合にくらべ、広い範囲で均一な性能を得ることができる。
【００２８】
多孔質ばねとして線材をメッシュ状に編んだバネを用いると、次のような効果もある。線材をメッシュ状に編んだバネでは、その伸縮時に線材が互いに摩擦するため、減衰の効果も期待できる。回転軸１が振動する場合には、この減衰効果により振動の安定化を図ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、フォイル式流体軸受のトップフォイルの効果的な冷却が可能となる。したがって、低耐熱性の材料を用い、低コストのフォイル式流体軸受を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフォイル式流体軸受の第１の実施例を軸方向から見た図である。
【図２】本発明のフォイル式流体軸受の第１の実施例の弾性支持部材の展開図である。
【図３】図１中Ｆで示した部分の拡大図である。
【図４】本発明のフォイル式流体軸受の第２の実施例を軸方向から見た図である。
【図５】本発明のフォイル式流体軸受の第２の実施例においてバンプフォイルに設ける貫通部の一例である。
【図６】本発明のフォイル式流体軸受の第２の実施例においてバンプフォイルに設ける貫通部のもう一つの例である。
【図７】本発明のフォイル式流体軸受の第３の実施例を軸方向から見た図である。
【図８】本発明のフォイル式流体軸受の第３の実施例の弾性支持部材の展開図である。
【図９】図７中Ｇで示した部分の拡大図と、回転軸とトップフォイルとの接触面圧の分布図である。
【図１０】本発明のフォイル式流体軸受の第４の実施例の弾性支持部材の展開図である。
【図１１】本発明のフォイル式流体軸受の第４の実施例の回転軸に平行な面による断面図である。
【図１２】本発明のフォイル式流体軸受の第５の実施例の弾性支持部材の展開図である。
【符号の説明】
１…回転軸、２…トップフォイル、３…弾性支持部材、５…ハウジング、６…冷却流体供給孔、１０…貫通部、１１…溝、２０…多孔質バネ

Claims (6)

1. 回転軸に摺動接触するトップフォイルと、このトップフォイルを外周側より支持する弾性支持部材と、これらをその内周側に保持するハウジングとからなるフォイル軸受において、
   前記弾性支持部材には、外周から内周側へ通じる貫通部を設けるとともに、前記ハウジング内周面の、この貫通部に対応する部分に冷却気体供給孔を設けたことを特徴とするフォイル式流体軸受
2. 前記貫通部と連通し、軸受の外部へと通じる溝を前記弾性指示部材のトップフォイルに相対する面に設けたことを特徴とする請求項１に記載のフォイル式流体軸受。
3. 前記貫通部を、単位面積当たりの貫通部面積が、軸の荷重方向においてより大きくなるように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のフォイル式流体軸受。
4. 前記貫通部を、単位面積当たりの貫通部面積が、軸方向の中心においてより大きくなるように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のフォイル式流体軸受。
5. 前記貫通部配置部分を別体の多孔性のバネ部材で置き換えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフォイル式流体軸受。
6. 前記多孔性のバネ部材を、線材をメッシュ状に編んだバネにより構成したことを特徴とする請求項５に記載のフォイル式流体軸受。

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