JP2012013219A - リングフォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 リングフォイル型のガス軸受は、損失が小さく、精密な寸法調整が容易なことから、小型高速のガス軸受に適しているが、リングフォイルの回転と軸方向の動きを抑制する適切な手段がない。
【解決手段】 リングフォイルに少なくとも２個の突起が、リングホルダーに前記の突起と同数の溝が設けられ、リングホルダーの側面に取り付けられた止めリングでリングフォイルの軸方向の動きが抑制される。
【選択図】図１

Description

ターボ機械の回転軸を支持するガスや空気を使用した軸受に関する技術分野

回転機械の回転軸を支える軸受は、一般的に油などの潤滑剤で潤滑、冷却されて回転しているが、潤滑剤の供給ポンプ、圧力調整器、冷却器などの付属設備が必要なためにシステムとして複雑で大きなものとなっている。このため、ターボ機械などのシステムに使われている流体を潤滑剤として使用する軸受が望まれ、ガスを潤滑剤として使用するガス軸受が開発、実用化されている。

動圧型ガス軸受は、長年研究開発が行われ、潤滑剤の供給なしで、且つ流体の供給を行うことなしに作動するもので、宇宙用や航空機の空調システムの軸受に実用化されている。ガス軸受には、主に回転軸や軸受面に溝を設けたヘリングボーン型とフォイル型の軸受があり、高速回転機械にはフォイル型が使われている。フォイル型には、大きく分けてリーフフォイル型とバンプフォイル型がある。リーフフォイル型は、薄板を円弧状に成形して軸受面にコーティングしたものをケーシングに可動可能な状態で取り付け、薄板の弾性と動きによる摩擦減衰を生かして接触時の磨耗低減と振動減衰を行うものであり、バンプフォイル型は、回転軸周りをほぼ一周する薄板を、同様に薄い板で形成されたバネの働きをするバンプフォイルでケーシングに拘束してリーフフォイル型と同様の働きをさせている。

もっともシンプルな構造のリーフフォイル型動圧型ガス軸受は、キャプストン社のものであり、３枚のリーフフォイルをカートリッジに設けた爪で拘束して円弧状のリーフフォイルの両端を逆方向に曲げて両端の隙間を拡げている。リーフフォイルとカートリッジの間には、バネ板が設けられ、リーフフォイルと回転軸との隙間が調整されている。バネ板は、例えば、薄板を打ち抜いたフレームとバネ部で構成され、バネ板をカートリッジの内面に沿わせて挿入すると、フレームは円弧状に曲げられるが、バネ部は平面状を維持する。リーフフォイルに半径方向の力が働くと、平面状のバネ部が曲げられて反力が発生する。バネ部の形状と寸法を変えることによって必要な場所に必要な反力を与えることができる。

キャプストン社の特許（特許文献１）で開示されているリーフフォイルと、リーフフォイルの裏面に設ける弾力と減衰効果を有するバネ板構造（特許文献２）と組み合わせることにより、理想的で簡単な構造が構成されている。しかし、製造技術が高度で、生産コストが高く、潤滑油を使った軸受に代わるものとはなっていない。潤滑油を使わないことで、資源の節約、水質汚染などの各種の公害防止などに有効なガス軸受の構造簡素化、製造コストの低減を図る必要がある。

特許文献３のフォイルガス軸受は、回転軸とハウジング間に回転軸と接するトップフォイルと軸受ハウジングとトップフォイル間にバックスプリングを設けられている。バックスプリングを星型状に凹凸が設けられ、トップフォイルが支えられている。
このガス軸受のバックスプリング、軸受ハウジングの加工、成形、トップスプリングの支持方法が難しい。

特許文献４と５のフォイルガス軸受は、軸受ハウジングの内面側に薄板からなるバックスプリングが、バックスプリングと回転軸との間にトップスプリングが設けられ、バックスプリングとトップスプリングは軸受ハウジングに設けられた溝部に挿入固定されている。
このガス軸受は、バックスプリングとトップスプリングともに加工と組立が難しい。

特許文献６のフォイルガス軸受は、シャフト側表面に凸部を設けた１枚板状フォイルを軸受ハウジングに複数回巻きつけたものである。このガス軸受は、回転軸の回転方向や回転数によって、軸受隙間が変化するので、この変化量の調整が難しい。

特許文献７のフォイル軸受は、特許文献４、５のバックスプリングの軸方向の動きを阻止する押さえ板を設けたものである。

特許文献８のフォイル型動圧ガス軸受は、回転軸に設けられたネジ溝によって軸受内の冷却を行うものである。

特許文献９のフォイル型ガス軸受は、円筒状のリングフォイルを軸受ハウジングに設けられた円形状の孔に円柱、リング状の円筒等で支持され、リングフォイルと軸受ケース間にダンプフォイルなどが設けられたもの。

特許文献１０のフォイル型ガス軸受は、軸受ハウジングに設けられた円形の孔に少なくとも片端に円筒を形成された円弧状の薄板が挿入されたものである。

特許文献１１のフォイル型ガス軸受は、軸受ハウジングに設けられた溝に薄１端に突起部を設けた板が挿入され、その内側にリングフォイルが設けられたものである。

前記の既存のフォイル型ガス軸受には、加工精度を確保すること、生産コストを低減すること、組立精度を確保することに課題がある。

米国特許５９１５８４１ 米国特許５４２７４５５ 特開２００１−２２７５３５ 特開２００３−５６５６１ 特開２００３−７４５５０ 特開２００３−２４７５４２ 特開２００４−１１８３９ 特開２００４−９２７７１ 特開２００６−１０５３８０ 特開２００６−１７７５４２ 特開２００７−１１３７７５

リングフォイルガス軸受けにおいて、加工工数の低減、高加工精度形状、部品点数の低減、リングフォイルの軸方向の動き制御が課題である。

突起のないリングフォイル（１００）の軸方向の動きを抑制するには、リングフォイル（１００）を何らかの形で、リングフォイル（１００）を直接リングホルダー（２００）に、又はダンプフォイル（３００）を介して接合する必要があるが、接合により軸受としてのバネ定数や減衰能力が変化、接合によりリングフォイル（１００）が変形するなどの問題が生じる。

リングフォイルの外周部に複数の突起部が設けられ、軸受ハウジングに設けられた溝に挿入されている。

リングフォイルの軸方向長さが軸受ハウジングの軸方向長さより短く、軸受ハウジングの両端面にリングフォイルの軸方向の動きが抑制される止めリングが設けられている。

図１に突起付きリングフォイル（１００）の外観図を示す。リングフォイル（１００）の内面は円筒面で形成されている。リングフォイルの外面もほぼ円筒面に近い形状である。突起（１２０）はリングフォイル（１００）の外周に周方向に等間隔に少なくとも２個配置され、その側面は内面円筒の中心を通る線の一部として形成されている。突起（１２０）の側面は、加工を容易にするために、直線や曲線で形成される場合も許容される。

図２に溝付きリングホルダー（２００）の外観図を示す。溝付きリングホルダー（２００）は、溝（２１０）、フランジ（２２０）、円筒部（２３０）、止めリング（４００）の勘合溝（２５０）で構成され、フランジ（２２０）には取付用孔（２２１）が、勘合溝（２５０）には止めリング（４００）止め用のネジ孔（２５１）が設けられている。

図３に挿入前のダンプフォイル（３００）、図４に挿入時のダンプフォイル（３００）を示す。

図５に止めリング（４００）の外観図を示す。止めリング（４００）には複数の貫通孔（４１０）が設けられている。

実施例１のリングフォイル軸受（１０００）の組立図を図６に、リングフォイル軸受（１０００）の組立断面図を図７に示す。リングフォイル軸受（１０００）は、突起付きリングフォイル（１００）、溝付きリングホルダー（２００）、ダンプフォイル（３００）、止めリング（４００）で構成され、突起付きリングフォイル（１００）は溝付きリングホルダー（２００）の溝（２１０）に突起（１２０）が挿入される形で組み込まれ、ネジ（４２０）でリングホルダー（２００）に止めリング（４００）で拘束されている。

実施例２のリングフォイル軸受（１０００）に組み込まれる突起（３１０）を設けられたダンプフォイル（３００）の外観図を示す。

実施例３のリングフォイル軸受（１０００）に組み込まれる内径側に肉厚変化（１３０）が形成されたリングフォイル（１００）を図９に示す。

実施例３のリングフォイル軸受（１０００）に組み込まれる外径側に肉厚変化（１３０）が形成されたリングフォイル（１００）を図１０に示す。

図１１に本考案のリングフォイル軸受（１０００）が回転軸（５００）に取り付けられた状態と、リングフォイル軸受（１０００）の分解図を示す。

発明の効果

突起のないリングフォイル（１００）の軸方向の動きを抑制するには、リングフォイル（１００）を何らかの形で、リングフォイル（１００）を直接リングホルダー（２００）に、又はダンプフォイル（３００）を介して接合する必要があるが、接合により軸受としてのバネ定数や減衰能力が変化、接合によりリングフォイル（１００）が変形するなどの問題が生じる。
本考案のリングフォイル軸受（１０００）は、リングフォイル（１００）に設けられた突起（１２０）がリングホルダー（２００）の溝（２１０）に挿入され、側面（１２１）で回転が、止めリング（４００）で突起（１２０）が抑えられるため、軸方向の動きが抑制される。

リングフォイル（１００）の回転と軸方向の動きは、所定の量で抑制されるが、リングフォイル軸受（１０００）で支持される回転軸（５００）の動きを抑制する量は小さく、回転の軸系振動への影響は小さくなる。

突起付きリングフォイルの外観図 溝付きリングホルダーの外観図 挿入前のバックスプリングの外観図 挿入後のバックスプリングの外観図 止めリングの外観図 リングフォイル軸受組立図 リングフォイル軸受組立断面図 突起付きバックスプリング外観図 内側肉付けリングフォイルの外観図 外側肉付けリングフォイルの外観図 リングフォイルガス軸受を用いた軸系の組立・分解図

（１００） 突起付きリングフォイル
（１１０） リング
（１２０） 突起
（２００） 溝付きリングホルダー
（２１０） 溝
（２２０） フランジ
（２２１） 孔
（２３０） 円筒部
（２４０） 勘合溝
（２４１） ネジ孔
（３００） ダンプフォイル
（３１０） 縁部
（３２０） 中心部
（４００） 止めリング
（４１０） 孔
（４２０） ボルト
（５００） 回転軸
（６００） 羽根車

Claims (4)

1. 回転軸と軸受間のガス膜で回転軸を支持するガス軸受けにおいて、少なくとも２個の突起を備えたリングフォイルと少なくとも２個以上の溝を備えたリングホルダーで構成されることを特徴とするガス軸受
2. 請求項１において、リングホルダーの側面に設けられた止めリングでリングフォイルの軸方向の動きが抑制されることを特徴とするガス軸受
3. 請求項１又は２において、リングの肉厚が周方向に変化していることを特徴とするガス軸受
4. 請求項１、２、３において、突起及び溝の側面がリングフォイル内面が形成される円弧の中心を通ることを特徴とするガス軸受

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