JP2005265010A

JP2005265010A - 動圧気体軸受

Info

Publication number: JP2005265010A
Application number: JP2004076150A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ogata; 秀樹尾形
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】高負荷容量で且つ高回転まで運転可能な動圧気体軸受を提供する。
【解決手段】回転軸４を気体の動圧で軸受ハウジング２に支持する動圧気体軸受１であって、上記軸受ハウジング２に、上記回転軸４に対向させて、可撓性を有するフォイル３を取り付け、上記回転軸４に、回転軸４の回転に伴って回転軸４とフォイル３の間の気体に圧力を生じさせる溝５を形成したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸を気体の動圧で支える動圧気体軸受に関する。

動圧気体軸受は、回転軸の回転によって回転軸と軸受ハウジングの間の気体に圧力を生じさせ、これにより回転軸と軸受ハウジングの間に所定圧力の気体膜を発生させ、この気体膜を介して回転軸に加わる荷重を軸受ハウジングに支持するものである。

この種の軸受として、（１）軸受ハウジングに可撓性を有するフォイルを設け、回転軸に圧力生成用の溝を設けないタイプ（特許文献１、２）、（２）回転軸に上記溝を設け、軸受ハウジングにティルティングパッドを設けたタイプ（特許文献３）が知られている。

実公平１−２８３３７号公報特開２００３−１４８４６１号公報特開平６−３１３４２３号公報

上記（１）のタイプは、フォイルの可撓性による減衰作用が働くため、高速回転での回転軸の振動を小さく抑えられる。しかし、回転軸と軸受ハウジングの間の気体膜の圧力発生は小さく、高い荷重が受けられない。

上記（２）のタイプは、回転軸に設けた溝の流体力学的効果により上記気体膜の圧力が大きくなり、高い荷重が受けられる。しかし、振動減衰効果が小さく、高速回転時に回転軸が振動して不安定となるため、高速回転に限界がある。

そこで、本発明の目的は、高負荷容量で且つ高回転まで運転可能な動圧気体軸受を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転軸を気体の動圧で軸受ハウジングに支持する動圧気体軸受であって、上記軸受ハウジングに、上記回転軸に対向させて、可撓性を有するフォイルを取り付け、上記回転軸に、回転軸の回転に伴って回転軸とフォイルの間の気体に圧力を生じさせる溝を形成したものである。

上記溝の開口縁に、アール加工又は面取り加工を施すことが好ましい。

上記フォイルに、耐摩耗性を有するコーティングを施すことが好ましい。

本発明によれば、回転軸に設けた溝の流体力学的効果により、回転軸の回転に伴って回転軸とフォイルの間の気体膜の圧力を高めることができるため、高負荷容量化を図ることができ、軸受ハウジングに設けたフォイルの可撓性による減衰作用により、回転軸の振動が減衰されるため、高速回転化を図ることができる。

以下、本発明の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２は、本発明に係る動圧気体軸受をジャーナル軸受（ラジアル軸受）に適用した実施形態を示すものである。

図示するように、この動圧気体軸受１は、円筒状に形成された軸受ハウジング２と、軸受ハウジング２の内周面に巻き付けられるようにして装着されたフォイル３と、フォイル３の内方に軸受ハウジング２を挿通させて配置された回転軸４とを備えている。

回転軸４の外周面と軸受ハウジング２の内周面の間には、所定のクリアランスＣが設けられている。このクリアランスＣには、上記フォイル３が配置されていると共に、後述するように回転軸４を支持する気体膜として作用する気体（空気）が存在している。

回転軸４の外周面には、回転軸４の回転に伴って上記気体に圧力を生じさせる溝５が、回転軸４の周方向に所定間隔を隔てて複数設けられている。溝５は、図例では、Ｖ字状に形成されており、回転軸４の回転方向Ｘの前方にＶ字の左右端部５ａを有し、回転方向Ｘの後方にＶ字の中央部５ｂを有している。

このＶ字状の溝５によれば、回転軸４の回転方向Ｘへの回転に伴って上記気体がＶ字状溝５の左右の両端部５ａ、５ａから溝５内に取り込まれ、中央部５ｂに集合されて排出される。これにより、回転軸４とフォイル３の間の気体に圧力が発生し、回転軸４とフォイル３の間に回転軸４を支持する気体膜が形成される。

また、Ｖ字状の溝５は、中央部５ｂを中心として両端部５ａ、５ａが左右対称に形成されており、中央部５ｂが軸受ハウジング２の内周面の幅方向の中央に配置されている。このため、上記気体膜の圧力が生成される際、回転軸４が軸方向にスライドするような偏った圧力が生じることはない。

上記溝５の開口縁５ｃには、回転軸４の回転に伴って溝５がフォイル３に引っ掛かることを防止するため、アール加工又は面取り加工が施されている。また、上記回転軸４の少なくともフォイル３が対向する部分（上記開口縁５ｃを含む）には、フォイル３との相対接触による摩耗を抑えるため、耐摩耗性コーティング（クロムカーバイト等）が設けられている。

上記フォイル３は、スチール等の薄板からなり、図例では、図２に示すように、略２周多角形状に巻回され、回転軸４がフォイル３に接触した際に可撓性を発揮するように構成されている。なお、フォイル３の巻回数は１周でも３周以上でも構わない。また、フォイル３の少なくとも回転軸４が対向する部分には、耐摩耗性コーティング（クロムカーバイト等）が設けられている。

本実施形態に係る動圧気体軸受の作用を述べる。

回転軸４が回転すると、回転軸４に設けた溝５が狭いクリアランスＣ内を高速回転し、溝５の流体力学的作用によって回転軸４とフォイル３の間の気体に圧力が発生し、回転軸４とフォイル３の間に所定圧力の気体膜が形成される。この気体膜によって、回転軸４に加わる荷重が支持されることになる。気体膜の圧力は、回転軸４が高速回転するほど大きくなるため、高回転下においてより高い荷重を支持できる。

また、回転軸４が高速回転域などにおいて振動する際、回転軸４の振動に応じてフォイル３が適宜変形し、フォイル３と回転軸４との間の摩擦、略２周多角形状に巻回されたフォイル３の内側のものと外側のものとの間の摩擦、フォイル３と軸受ケーシング２との間の摩擦によって、上記振動が抑えられる。これにより、高回転まで運転が可能となる。

また、回転軸４の回転時に、回転側である溝５の開口縁５ｃが固定側であるフォイル３に引っ掛かる事態が考えられるが、この引っ掛かりは、溝５の開口縁５ｃに施されたアール加工又は面取り加工によって抑制される。また、フォイル３及び回転軸４の接触による摩耗は、フォイル３及び回転軸４に施された耐摩耗性コーティングによって抑制される。

本実施形態に係る動圧気体軸受１によれば、回転軸４に設けた溝５によって気体膜の圧力を高めることができるため高負荷容量化を推進でき、且つ回転軸４の高速回転域などで生じる軸４の振動をフォイル３によって減衰できるので高速回転化を推進できる。よって、この動圧気体軸受１は、空気軸受過給機、ギアレスターボ圧縮機、マイクロガスタービン等に適用するのに好適なものとなる。

上記溝５の変形例を図３に示す。

図３は回転軸４の表面の展開図である。図示するように、この溝５’は、斜めに形成された左右一対の斜め溝５Ｘからなる。斜め溝５Ｘは、回転軸４の回転方向Ｘの前方に外側部５Ｙを有すると共に回転方向Ｘの後方に内側部５Ｚを有し、回転軸４の周方向（回転方向Ｘ）に所定間隔を隔てて複数設けられている。

この溝５’によれば、回転軸４の回転に伴って斜め溝５Ｘの外側部５Ｙから取り込まれた気体が斜め溝５Ｘ内を通って内側部５Ｚから排出され、これにより図２に示す回転軸４とフォイル３の間に、前実施形態と同様に所定圧力の気体膜が形成される。ここで、左右の斜め溝５Ｘは左右対称に形成されているため、回転軸４を軸方向にスライドさせるような偏った圧力が発生することはない。

なお、図例では、斜め溝５Ｘの回転軸４の軸方向の長さをＬｇ／２、回転軸４の軸受ハウジング２が対向する部分の軸方向の長さをＬ、斜め溝５Ｘの角度をβ、斜め溝５Ｘの回転方向Ｘに沿った溝幅をＡｇ、斜め溝５Ｘ同士の回転方向Ｘに沿った間隔をＡｒ、溝５’の数をＮｇとすると、次の関係となっている。

溝数：Ｎｇ＝１５
溝角度：β＝２５度
溝幅比：回転方向Ａｇ／（Ａｇ＋Ａｒ）＝０．３５
軸方向Ｌｇ／Ｌ＝０．５
但し、上記数値に限定されることはない。

図４は、本発明に係る動圧気体軸受をスラスト軸受に適用した実施形態を示すものである。

図示するように、回転軸１４には、円板状のスラストランナー１４ａが設けられており、このスラストランナー１４ａに対向させて、ドーナッツ板状のベースプレート１２（軸受ハウジングに相当）が固定系に設置されている。ベースプレート１２の中央に設けられた挿通穴１２ａには、上記回転軸１４が挿通されている。

スラストランナー１４ａの下面（ベースプレート１２の対向面）には、回転軸１４の回転に伴って回転軸１４とベースプレート１２の間の気体に圧力を生じさせる溝１５が設けられている。溝１５は、図５に示すように、スパイラル状に形成されており、回転軸１４の回転方向Ｘの前方に外側部１５ａを有すると共に回転方向Ｘの後方に内側部１５ｂを有する。

図４に示すように、ベースプレート１２の上面（スラストランナー１４ａが対向する面）には、可撓性を有するフォイル１３が設けられている。フォイル１３は、ドーナッツ状の円板を周方向に複数に分割した分割片１３ａを、周方向に所定間隔Ｗを隔ててドーナッツ状に配置して構成されている。

このスラストタイプの動圧気体軸受１１の作用を述べる。

回転軸１４の回転に伴ってスラストランナー１４ａが回転すると、スラストランナー１４ａに設けた溝１５の外側部１５ａから取り込まれた気体が溝１５内を通って内側部１５ｂから排出され、これによりスラストランナー１４ａとフォイル１３の間に所定圧力の気体膜が形成される。この気体膜によって回転軸１４に加わる荷重が支持される。

気体膜の圧力は、回転軸１４が高速回転するほど大きくなるため、高回転下においてより高い荷重を支持することができる。また、上記分割片１３ａ同士に形成された間隔Ｗは、上記溝１５と協同してスラストランナー１４ａの回転に伴って溝１５内の気体を圧縮する。よって、気体膜の圧力が高まり、負荷容量が増大する。

また、溝１５は回転中心ｏに対して点対称に形成されているため、回転軸１４を回転中心ｏから積極的に偏芯させるような偏った圧力が発生することはない。

また、スラストランナー１４ａが回転軸１４の高速回転域などにおいて軸方向に振動する際、振動に応じてフォイル１３が適宜変形し、上記振動が抑えられる。よって、より高回転まで運転が可能となる。

なお、前実施形態と同様に、溝１５の開口縁１５ｃにアール加工又は面取り加工を施して引っ掛かりを抑制してもよく、フォイル３及び／又はスラストランナー１４ａの下面に、耐摩耗性を有するコーティングを施して摩耗を抑制してもよい。

図例では、回転中心ｏから回転軸１４の側面までの長さをＲｉ、回転中心ｏから溝１５の内側部１５ｂまでの長さをＲｇ、回転中心ｏから溝１５の外側部１５ａまでの長さをＲｏ、溝１５の角度をβ、溝１５の回転方向Ｘに沿った溝幅をＡｇ、溝１５同士の回転方向に沿った間隔をＡｒ、溝１５の数をＮｇとすると、次の関係となっている。

溝数：Ｎｇ＝１６
溝角度：β＝１８度
溝幅比：回転方向Ａｇ／（Ａｇ＋Ａｒ）＝０．６
半径方向（Ｒｏ−Ｒｇ）／（Ｒｏ−Ｒｉ）＝０．７５
但し、上記数値に限定されることはない。

本発明の実施例に係る動圧気体軸受（ジャーナル軸受）の側断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。溝の変形例を示す回転軸の展開図である。本発明の別の実施形態に係る動圧気体軸受（スラスト軸受）の斜視図である。図４のＶ−Ｖ線断面図である。

符号の説明

１動圧気体軸受（ジャーナルタイプ）
２軸受ハウジング
３フォイル
４回転軸
５溝
５ｃ開口縁
１１動圧気体軸受（スラストタイプ）
１２ベースプレート（軸受ハウジングに相当）
１３フォイル
１４回転軸
１４ａスラストランナー
１５溝
１５ｃ開口縁

Claims

回転軸を気体の動圧で軸受ハウジングに支持する動圧気体軸受であって、上記軸受ハウジングに、上記回転軸に対向させて、可撓性を有するフォイルを取り付け、上記回転軸に、回転軸の回転に伴って回転軸とフォイルの間の気体に圧力を生じさせる溝を形成したことを特徴とする動圧気体軸受。
上記溝の開口縁に、アール加工又は面取り加工を施した請求項１記載の動圧気体軸受。
上記フォイルに、耐摩耗性を有するコーティングを施した請求項１又は２記載の動圧気体軸受。