JP2014119095A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受面の面積を減少することなく、外方部材にフォイルを取り付けることができる多円弧型のフォイル軸受を提供する。
【解決手段】外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられた複数のフォイル１３とを備え、各フォイル１３が、軸受面Ａを有し、且つ、周方向両端部（保持部１３ａ、１３ｂ）を外方部材１１に接触した状態で保持され、隣接するフォイル１３の周方向端部（保持部１３ａ、１３ｂ）を軸方向視で交差させ、各フォイル１３の周方向端部（保持部１３ａ、１３ｂ）を隣接するフォイル１３の外径側に配した。
【選択図】図４

Description

本発明はフォイル軸受に関する。

ガスタービンやターボチャージャの主軸は高速で回転駆動される。また、主軸に取り付けられたタービン翼は高温に晒される。そのため、これらの主軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。この種の用途の軸受として、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受を使用する場合もあるが、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合、等の条件下では、これらの軸受の使用は制約を受ける。そこで、そのような条件下での使用に適合する軸受として、空気動圧軸受が着目されている。

空気動圧軸受としては、回転側と固定側の双方の軸受面を剛体で構成したものが一般的である。しかしながら、この種の空気動圧軸受では、回転側と固定側の軸受面間に形成されるラジアル軸受隙間の管理が不十分であると、安定限界を超えた際にホワールと呼ばれる自励的な主軸の振れ回りを生じ易い。そのため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。特に、ガスタービンやターボチャージャのように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響でラジアル軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難となる。

ホワールが生じにくく、かつ温度変化の大きい環境下でも隙間管理を容易にできる軸受としてフォイル軸受が知られている。フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものである。通常は、軸受の内周面をトップフォイルと呼ばれる薄板で構成し、その外径側にバックフォイルと呼ばれるばね状の部材を配置してトップフォイルが受ける荷重をバックフォイルで弾性的に支持している。この場合、軸の回転時には、軸の外周面とトップフォイルの内周面との間に空気膜が形成され、軸が非接触支持される。

フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切なラジアル軸受隙間が形成されるため、安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。また、一般的な動圧軸受のラジアル軸受隙間は軸直径の１／１０００のオーダーで管理する必要があり、例えば直径数ｍｍ程度の軸では数μｍ程度のラジアル軸受隙間を常時確保する必要がある。従って、製造時の公差、さらには温度変化が激しい場合の熱膨張まで考慮すると、厳密な隙間管理は困難である。これに対して、フォイル軸受の場合には、数十μｍ程度のラジアル軸受隙間に管理すれば足り、その製造や隙間管理が容易となる利点を有する。

フォイル軸受としては、バックフォイルに設けた切り起こしでトップフォイルを弾性的に支持するもの（特許文献１）、素線を網状に編成した弾性体で軸受フォイルを弾性的に支持するもの（特許文献２）、および、バックフォイルに、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部とトップフォイルからの面圧により弾性的に撓む弾性部とを設けたもの（特許文献３）等が公知である。また、特許文献４及び５には、複数のフォイルを周方向に並べて配置し、各フォイルの周方向両端を外方部材に取り付けた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受が示されている。

特開２００２−３６４６４３公報 特開２００３−２６２２２２号公報 特開２００９−２９９７４８号公報 特開２００９−２１６２３９号公報 特開２００６−５７８２８号公報

上記特許文献４及び５に示されている多円弧型のフォイル軸受では、外方部材の内周面の周方向に離隔した複数箇所に、内径向きに突出した突出部（偏移抑制部、係止機構）が設け、この突出部の周方向間にフォイルを固定している。しかし、この場合、突出部の内径面が各フォイルの周方向間から露出しているため、突出部の分だけ軸受面の面積が減少してしまい、支持力の低下を招くおそれがある。

そこで、本発明は、軸受面の面積を減少することなく、外方部材にフォイルを取り付けることができる多円弧型のフォイル軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、円筒面状の内周面を有する外方部材と、前記外方部材の内周面に取り付けられた複数のフォイルとを備え、内周に挿入された軸を相対回転自在にラジアル方向で支持するフォイル軸受であって、各フォイルが、軸受面を有し、且つ、周方向両端部を前記外方部材に接触した状態で保持され、隣接するフォイルの周方向端部を軸方向視で交差させ、各フォイルの周方向端部を隣接するフォイルの外径側に配したことを特徴とする。

このように、隣接するフォイルの周方向端部を軸方向視で交差させ、各フォイルの周方向端部を隣接するフォイルの外径側に配することで、フォイルの裏側（外径側）で、各フォイルの周方向端部を外方部材の内周面に保持させることができる。これにより、フォイルを周方向で連続して配置して、外方部材の内周面全周をフォイルで覆うことができるため、軸受面の面積の減少を回避することができる。

例えば、各フォイルの周方向両端部を、外方部材の内周面に設けられた固定溝に差し込むことにより、各フォイルを外方部材に取り付けることができる。あるいは、各フォイルの周方向一方の端部を、外方部材の内周面に設けられた固定溝に差し込むと共に、各フォイルの周方向他方の端部を、隣接するフォイルと外方部材の内周面との間に配することで、各フォイルを外方部材に取り付けることができる。

各フォイルの少なくとも周方向一方の端部を、外方部材に対して摺動可能とすれば、フォイルと外方部材との摺動の摩擦エネルギーにより軸の相対回転による振動を減衰させることができる。

例えば、各フォイルの周方向一方の端部に、軸方向一部領域を延在させてなる凸部を設け、各フォイルの周方向他方の端部に、前記凸部と異なる軸方向領域を延在させてなる凸部を設ければ、隣接するフォイルの端部に設けられた凸部を軸方向視で交差させることができる。あるいは、各フォイルの周方向一方の端部に、軸方向一部領域を延在させてなる凸部を設け、各フォイルの周方向他方の端部にスリットを設け、前記凸部を、隣接するフォイルの前記スリットに挿入すれば、隣接するフォイルの端部を軸方向視で交差させることができる。これらの場合、各フォイルの周方向一方の端部の軸方向に離隔した複数箇所に凸部を設け、この凸部を外方部材に取り付けることで、各フォイルを軸方向でバランスよく保持することができる。

上記のフォイル軸受は、例えば、各フォイルと外方部材の内周面との間に、各フォイルに内径向きの弾性を付与する弾性部材（例えばバックフォイル）を設けた構成とすることができる。

以上のように、本発明によれば、軸受面の面積を減少することなく、外方部材にフォイルを取り付けることができる多円弧型のフォイル軸受を得ることができる。

ガスタービンの構成を概念的に示す図である。 上記ガスタービンにおけるロータの支持構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかるフォイル軸受を軸方向から見た正面図である。 （ａ）は、上記フォイル軸受で使用されるフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同フォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 （ａ）は、図３のフォイル軸受で使用されるバックフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同バックフォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 上記フォイル軸受の拡大断面図である。 （ａ）は、他の実施形態に係るフォイル軸受で使用されるフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同フォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 他の実施形態に係るフォイル軸受の拡大断面図である。 （ａ）は、他の実施形態に係るフォイル軸受で使用されるフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同フォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 過給機の構成を概念的に示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、ガスタービンの構成を概念的に示す。このガスタービンは、翼列を形成したタービン１および圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを主に備える。タービン１、圧縮機２、および発電機３には、水平方向に延びる共通の軸６が設けられ、この軸６と、タービン１および圧縮機２とで一体回転可能のロータが構成される。吸気口７から吸入された空気は、圧縮機２で圧縮され、再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転することにより発電し、この電力がインバータ８を介して出力される。タービン１を回転させた後のガスは比較的高温であるため、このガスを再生器５に送り込んで燃焼前の圧縮空気との間で熱交換を行うことで、燃焼後のガスの熱を再利用する。再生器５で熱交換を終えたガスは、排熱回収装置９を通ってから排ガスとして排出される。

図２に、上記ガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を示す。この支持構造では、軸方向の２箇所にラジアル軸受１０が配置され、軸６のフランジ部６ｂの軸方向両側にスラスト軸受２０、２０が配置される。このラジアル軸受１０およびスラスト軸受２０により、軸６がラジアル方向及び両スラスト方向に回転自在に支持されている。

この支持構造において、タービン１と圧縮機２の間の領域は、高温、高圧のガスで回転されるタービン１に隣接しているために高温雰囲気となる。この高温雰囲気では、潤滑油やグリース等からなる潤滑剤が変質・蒸発してしまうため、これらの潤滑剤を使用する通常の軸受（転がり軸受等）を適用することは難しい。そのため、この種の支持構造で使用される軸受１０、２０としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。

以下、上記ガスタービン用のラジアル軸受に適合するフォイル軸受１０の構成を図面に基づいて説明する。

このフォイル軸受１０は、図３に示すように、ハウジング（図示省略）の内周に固定され、内周に軸６が挿入される外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられた複数のフォイル１３（トップフォイル）と、外方部材１１の内周面１１ａとフォイル１３との間に設けられ、フォイル１３に弾性を付与するための弾性部材とで構成される。本実施形態では、弾性部材がバックフォイル１２である場合を示す。このフォイル軸受１０は、外方部材１１の内周面１１ａが円筒面状をなし、この内周面１１ａに３枚のフォイル１３が周方向に並べて配された、いわゆる多円弧型のフォイル軸受である。

各フォイル１３は、周方向両端に設けられた保持部１３ａ、１３ｂと、両保持部１３ａ、１３ｂの周方向間に設けられた本体部１３ｃとからなる。各フォイル１３は、保持部１３ａ、１３ｂ、および本体部１３ｃを含めて一枚のフォイルからプレス加工等により一体に形成される。保持部１３ａ、１３ｂは、外方部材１１に接触した状態で保持されている。隣接するフォイル１３の周方向端部（本実施形態では保持部１３ａ、１３ｂ）は、軸方向視（図３参照）で互いに交差して設けられ、各フォイル１０の保持部１３ａ、１３ｂは、隣接するフォイル１０の本体部１３ｃの外径側に配される。図示例では、保持部１３ａ、１３ｂが、外方部材１１の内周面１１ａに設けられた固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込まれている。固定溝１１ｂ、１１ｃは、例えばワイヤカット加工により形成され、外方部材１１の軸方向全長に亘って形成される。保持部１３ａ、１３ｂの少なくとも一方は固定溝１１ｂ、１１ｃに完全に固定されておらず、摺動可能な状態で保持される。固定溝１１ｂは外径に向けて周方向一方（軸６の回転方向先行側、図３の矢印参照）に傾斜し、固定溝１１ｃは外径に向けて周方向他方に傾斜している。固定溝１１ｂ、１１ｃは同じ周方向位置に開口している。フォイル１３の本体部１３ｃは、矩形状の平板を略円弧状に湾曲させてなり、内径面１３ｃ２に軸受面Ａを有する。

図４（ａ）に示すように、各フォイル１３の周方向一方の保持部１３ａは、本体部１３ｃの軸方向一部領域（図示例では軸方向中央部）を周方向一方に延在させた凸部で構成される。一方、各フォイル１３の周方向他方の保持部１３ｂは、本体部１３ｃの軸方向一部を周方向他方に延在させた凸部で構成される。周方向他方の保持部１３ｂは、軸方向に離隔して設けられた複数（図示例では２つ）の凸部で構成され、これらの軸方向間に凹部１３ｂ１が設けられる。フォイル１３の一端に設けられた保持部１３ａを、隣接するフォイルの他端に設けられた保持部１３ｂ間の凹部１３ｂ１に挿入することにより、保持部１３ａ、１３ｂが軸方向視で交差する（図４（ｂ）参照）。

図４（ｂ）に示すように、フォイル１３の一方の保持部１３ａを、これに隣接するフォイル１３の他方の保持部１３ｂの軸方向間に設けられた凹部１３ｂ１挿入して、複数（図示例では３枚）のフォイル１３を一体化した状態で、保持部１３ａ、１３ｂを固定溝１１ｂ、１１ｃにそれぞれ差し込むことにより、複数のフォイル１３が外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられる。このように、隣接するフォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂを交差させ、フォイル１３の外径側（裏側）で固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込むことで、外方部材１１の内周面１１ａの全周をフォイル１３の本体部１３ｃで覆うことができるため、軸受面の面積を最大限確保することができる。また、フォイル１３の周方向端部（保持部１３ａ、１３ｂ）が軸６との摺動面に露出しないため、フォイル１３の周方向端部が内径側にめくれる事態を確実に防止できる。

各バックフォイル１２は、図５（ａ）に示すように、フォイル１３とおおよそ同様の形状をなし、周方向両端に設けられた保持部１２ａ、１２ｂと、両保持部１２ａ、１２ｂの周方向間に設けられた本体部１２ｃとからなる。保持部１２ａ、１２ｂは略平板状とされ、本体部１２ｃは、半径方向の圧縮力により弾性変形可能な形状をなしている。本実施形態では、本体部１２ｃが波型形状をなし、その凹凸高さが本体部１２ｃの周方向中央部から両端に向けて徐々に小さくなっている。バックフォイル１２は、フォイル１３と同様に、一端に設けた保持部１２ａを、隣接するバックフォイル１２の他端に設けた一対の保持部１２ｂの間に挿入可能とされる（図５（ｂ）参照）。

図６に示すように、各フォイル１３の本体部１３ｃの周方向両端（保持部１３ａ、１３ｂとの境界部）は、外方部材１１の内周面１１ａに沿って延びているのではなく、内周面１１ａに対して各本体部１３ｃの周方向中央に向けて内径側に立ち上がっている。図示例では、本体部１３ｃの周方向両端と各保持部１３ａ、１３ｂとの境界部が折れ曲がることなく滑らかに連続し、本体部１３ｃの周方向端部が内径に向けて凸となるように湾曲している。フォイル１３の本体部１３ｃの立ち上がり角度θ１、θ２が大きすぎると、フォイル１３が内径側に大きく迫り出してしまうため、軸６との干渉により折れ曲がる恐れが高くなる。従って、立ち上がり角度θ１、θ２は、３０°以下、好ましくは２０°以下に設定することが望ましい。尚、立ち上がり角度θ１、θ２は、等しくてもよいし、異ならせてもよい。図示例では、θ１＞θ２となっている。

フォイル１３は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の帯状フォイルで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では錆による腐食が発生し易く、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。

フォイル軸受１０の組み付けは、以下のようにして行われる。まず、略同形状のフォイル１３（図４参照）とバックフォイル１２（図５参照）とを重ね、これを３組用意する。そして、重ねたフォイル１３及びバックフォイル１２の一端の保持部１３ａ、１２ａを、他のフォイル１３及びバックフォイル１２の他端に設けた一対の保持部１３ｂ、１２ｂの間に挿入し、３組のフォイル１３及びバックフォイル１２を環状に連結する。この状態で、各フォイル１３及びバックフォイル１２の一方の保持部１３ａ、１２ａ及び他方の保持部１３ｂ、１２ｂを、外方部材１１の固定溝１１ｂ、１１ｃに挿入することで、フォイル１３及びバックフォイル１２が外方部材１１の内周面に取り付けられる。

以上の構成において、周方向一方（図３の矢印方向）、すなわち楔状のラジアル軸受隙間Ｒの縮小方向に軸６を回転させると、各フォイル１３の軸受面Ａと軸６の外周面６ａとの間に空気膜が形成される。この空気膜の圧力が高まると、フォイル１３の本体部１３ｃの端部が外径側に押し込まれ、バックフォイル１２が弾性変形して半径方向に圧縮される。そして、軸６の周囲の周方向複数個所（図示例では３箇所）に楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成され、軸６がフォイル１３に対して非接触の状態でラジアル方向に回転自在に支持される。このとき、バックフォイル１２の弾性力と、ラジアル軸受隙間Ｒに形成される空気膜の圧力とが釣り合う位置で、フォイル１３及びバックフォイル１２の形状が保持される。なお、実際のラジアル軸受隙間Ｒの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３ではその幅を誇張して描いている。また、フォイル１３及びバックフォイル１２が有する可撓性により、各フォイル１３の軸受面Ａが荷重や軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、ラジアル軸受隙間Ｒは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温・高速回転といった過酷な条件下でも、ラジアル軸受隙間Ｒを最適幅に管理することができ、軸６を安定して支持することが可能となる。

フォイル軸受１０では、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時に、各フォイル１３の軸受面Ａや軸６の外周面６ａに表面粗さ以上の厚さの空気膜を形成することが困難となる。そのため、各フォイル１３の軸受面Ａと軸６の外周面６ａとの間で金属接触を生じ、トルクの増大を招く。この時の摩擦力を減じてトルク低減を図るため、各フォイル１３の軸受面Ａ（内径面１３ｃ２）と、これと摺動する部材の表面（本実施形態では軸６の外周面６ａ）との何れか一方または双方に、表面を低摩擦化する被膜（第一被膜）を形成するのが望ましい。この被膜としては、例えばＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を使用することができる。ＤＬＣ膜、チタンやアルミナイトライド膜はＣＶＤやＰＶＤで形成することができ、二硫化モリブデン膜はスプレーで簡単に形成することができる。特にＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質であるので、これらで被膜を形成することにより、軸受面Ａの耐摩耗性をも向上させることができ、軸受寿命を増大させることができる。

また、軸受の運転中は、ラジアル軸受隙間に形成された空気膜の影響でフォイル１３及びバックフォイル１２が全体的に拡径して外方部材１１の内周面１１ａに押し付けられ、これに伴ってフォイル１３の外径面１３ｃ１とバックフォイル１２の内径面との間、バックフォイル１２の外径面と外方部材１１の内周面１１ａとの間、及び、フォイル１３及びバックフォイル１２の保持部１３ａ、１３ｂ、１２ａ、１２ｂと固定溝１１ｂ、１１ｃとの間で周方向の微小摺動が生じる。従って、フォイル１３の外径面１３ｃ１とこれに接触するバックフォイル１２の内径面との何れか一方または双方、バックフォイル１２の外径面とこれに接触する外方部材１１の内周面１１ａとの何れか一方または双方、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂとこれに接触する固定溝１１ｂ、１１ｃとの何れか一方または双方、あるいは、バックフォイル１２の保持部１２ａ、１２ｂとこれに接触する固定溝１１ｂ、１１ｃとの何れか一方または双方に被膜（第二被膜）を形成することにより、これらの摺動部での耐摩耗性の向上を図ることができる。

なお、振動の減衰作用を向上させるためには、上記の摺動部である程度大きい摩擦力が必要となる場合もあり、第二被膜にはそれほど低摩擦性は要求されない。従って、第二被膜としては、二流化モリブデン膜よりも摩擦係数は大きいが耐摩耗性に優れるＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜を使用するのが好ましい。例えば軸受面Ａに形成する第一被膜として二流化モリブデン膜を使用する一方で、フォイル１３と外方部材１１の摺動部に形成する第二被膜としてチタンアルミナイトライドやＤＬＣ膜等を使用し、両被膜の摩擦係数を異ならせることで、低トルク化と振動の減衰性の向上とを両立することが可能となる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば図７に示す実施形態は、フォイル１３の他端、詳しくは本体部１３ｃと他端側の保持部１３ｂとの境界にスリット１３ｄが設けられている点で、上記の実施形態と異なる。尚、本実施形態のバックフォイル１２は、本体部１２ｃが波型である点を除いて図７のフォイル１３と同様であるため、図示及び説明を省略する。スリット１３ｄは、フォイル１３の一端側の保持部１３ａと同じ軸方向位置に設けられ、保持部１３ａを差し込み可能とされる（図７（ｂ）参照）。保持部１３ａを、隣接するフォイル１３のスリット１３ｄに差し込んで、複数のフォイル１３を環状に連結した状態で、各フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂを外方部材１１の固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込むことにより、フォイル１３が外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられる。このフォイル軸受１０の軸直交断面は、図３と同様の状態となる。この場合、フォイル１３の保持部１３ａが、隣接するフォイル１３のスリット１３ｄを貫通して固定溝１１ｂに差し込まれるため、保持部１３ａとスリット１３ｄとが周方向で係合することでフォイル１３の他端（保持部１３ｂ）の周方向の移動が確実に規制される。

図８に示す実施形態は、外方部材１１に固定溝１１ｃが設けられず、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂが外方部材１１の内周面１１ａに沿って設けられている点で、上記の実施形態と異なる。尚、本実施形態のバックフォイル１２は、本体部１２ｃが波型である点を除いて図８のフォイル１３と同様であるため、図示及び説明を省略する。具体的には、隣接するフォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂを軸方向視で交差させ（図４（ｂ）あるいは図７（ｂ）参照）、この状態で、一端側の保持部１３ａを外方部材１１の固定溝１１ｂに差し込むと共に、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂを、隣接するフォイル１３と外方部材１１の内周面１１ａとの間に挿入する。これにより、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂが、隣接するフォイル１３で内径側から押さえられ、外方部材１１の内周面１１ａに接触した状態で保持される。

この場合、フォイル１３の周方向一方（図８の実線矢印方向）への移動は、保持部１３ａが固定溝１１ｂの奥部に突き当たることにより、または、スリットが保持部１３ａと突き当たることにより規制される。一方、フォイル１３は、周方向他方（同図点線矢印方向）へは移動可能であるため、軸６が周方向他方（同図点線矢印方向）に回転すると、軸６との摺動によりフォイル１３が周方向他方に移動して、フォイル１３の一端側の保持部１３ａが固定溝１１ｂから抜けてしまう恐れがある。従って、このフォイル軸受１０は、周方向一方（実線矢印方向）にのみ相対回転する軸６を支持する用途に用いられる。

図９に示す実施形態は、フォイル１３の周方向一方の保持部１３ａを、軸方向に離隔した複数の凸部で構成した点で、上記の実施形態と異なる。尚、本実施形態のバックフォイル１２は、本体部１２ｃが波型である点を除いて図９のフォイル１３と同様であるため、図示及び説明を省略する。このように、軸方向に離隔した複数の凸部（保持部１３ａ）を外方部材１１の固定溝１１ｂに差し込むことで、フォイル１３の端部が軸方向に離隔した２箇所で固定溝１１ｂに保持されるため、フォイル１３を軸方向でバランスよく保持することができる。本実施形態では、図７に示す実施形態と同様に、フォイル１３の他端にスリット１３ｄを設け、このスリット１３ｄに保持部１３ａを挿入している。これに限らず、図示は省略するが、図４に示す実施形態と同様に、フォイル１３の他端に、本体部１３ｃを延在させた複数の凸部からなる保持部１３ｂを設け、この保持部１３ｂの間の凹部に一方の保持部１３ａを挿入してもよい。また、フォイル１３の外方部材１１への取付は、図３に示すように保持部１３ａ、１３ｂを共に固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込んでもよいし、図８に示すように一方の保持部１３ａのみを固定溝１１ｂに差し込んで、他方の保持部１３ｂは外方部材１１の内周面１１ａに沿わせるようにしてもよい。また、図９では保持部１３ａを構成する凸部を２個の凸部で構成しているが、これに限らず、保持部１３ａを構成する凸部の数を３個以上としてもよい。この場合、保持部１３ａの凸部と同数のスリット１３ｄが設けられる。

バックフォイル１２は、上記のようにフォイル１３と略同形状であることが好ましい。従って、例えばフォイル１３が図７や図１０に示す形状であれば、バックフォイル１２もこれらと略同形状であることが好ましい。尚、バックフォイル１２を、フォイル１３とは別途の手段で外方部材１１に取り付ける場合は、フォイル１３と略同形状とする必要はない。

また、弾性部材はバックフォイル１２に限らず、フォイル１３に内径向きの弾性を付与するものであれば使用でき、例えば素線を網状に編成した弾性体等を使用することができる。

以上の説明では、フォイル軸受１０にフォイル１３を３枚設けた場合を示したが、これに限らず、フォイル１３を２枚、あるいは４枚以上設けてもよい。

また、以上の説明では、軸６を回転側部材とし、外方部材１１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸６を固定側部材とし、外方部材１１を回転側部材とした場合にも図３の構成をそのまま適用することもできる。但し、この場合はフォイル１３が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル１３全体の変形を考慮してフォイル１３の設計を行う必要がある。

本発明にかかるフォイル軸受１０の適用対象は、上述したガスタービンに限られず、例えば過給機のロータを支持する軸受としても使用することができる。過給機は、図１０に示すように、エンジン５３で生じた排気ガスでタービン５１を駆動し、その駆動力で圧縮機５２を回転させて吸入エアを圧縮し、エンジン５３のトルクアップや効率改善を図るものである。タービン５１、圧縮機５２、および軸６でロータが構成され、軸６を支持するラジアル軸受１０として、上記各実施形態のフォイル軸受１０を使用することができる。

本発明にかかるフォイル軸受は、ガスタービンや過給機等のターボ機械に限らず、潤滑油などの液体による潤滑が困難である、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難である、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる等の制限下で使用される自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。

また、以上に説明した各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することもできる。さらに、軸６と外方部材１１のどちらか一方を回転側の部材、他方を固定側の部材として用いる場合を例示したが、双方の部材を、速度差を持つ回転側の部材として使用することもできる。

１０ フォイル軸受
１１ 外方部材
１１ｂ、１１ｃ 固定溝
１２ バックフォイル
１３ フォイル
１３ａ、１３ｂ 保持部
１３ｃ 本体部
Ａ 軸受面
Ｒ ラジアル軸受隙間

Claims (10)

1. 円筒面状の内周面を有する外方部材と、前記外方部材の内周面に取り付けられた複数のフォイルとを備え、内周に挿入された軸を相対回転自在にラジアル方向で支持するフォイル軸受であって、
   各フォイルが、軸受面を有し、且つ、周方向両端部を前記外方部材に接触した状態で保持され、
   隣接するフォイルの周方向端部を軸方向視で交差させ、各フォイルの周方向端部を隣接するフォイルの外径側に配したフォイル軸受。
2. 各フォイルの周方向両端部を、前記外方部材の内周面に設けられた固定溝に差し込んだ請求項１記載のフォイル軸受。
3. 各フォイルの周方向一方の端部を、前記外方部材の内周面に設けられた固定溝に差し込むと共に、各フォイルの周方向他方の端部を、隣接するフォイルと前記外方部材の内周面との間に配した請求項１又は２記載のフォイル軸受。
4. 各フォイルの少なくとも周方向一方の端部を、前記外方部材に対して摺動可能とした請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
5. 各フォイルの周方向一方の端部に、軸方向一部領域を延在させてなる凸部を設け、各フォイルの周方向他方の端部に、前記周方向一方の端部の凸部と異なる軸方向領域を延在させてなる凸部を設け、隣接するフォイルの周方向端部の凸部を軸方向視で交差させた請求項１〜４の何れか１項に記載のフォイル軸受。
6. 各フォイルの周方向一方の端部に、軸方向一部領域を延在させてなる凸部を設け、各フォイルの周方向他方の端部にスリットを設け、前記凸部を、隣接するフォイルの前記スリットに挿入した請求項１〜４の何れか１項に記載のフォイル軸受。
7. 各フォイルの周方向一方の端部の軸方向に離隔した複数箇所に、前記凸部が設けられた請求項５又は６記載のフォイル軸受。
8. 各フォイルと前記外方部材の内周面との間に、各フォイルに内径向きの弾性を付与する弾性部材を設けた請求項１〜７の何れか１項に記載のフォイル軸受。
9. 前記弾性部材がバックフォイルである請求項８記載のフォイル軸受。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載のフォイル軸受を備えたターボ機械。

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