JP2016048074A - フォイル軸受及びこれに設けられるフォイル - Google Patents

Abstract

【課題】多円弧型のフォイル軸受における軸の振動減衰効果を高める。【解決手段】本発明のフォイル軸受１０では、各フォイル１２に、軸方向に隣接した第１領域１２ａ及び第２領域１２ｂを設け、両領域１２ａ，１２ｂの境界の一部をスリット１２ｃで分断すると共に、両領域１２ａ，１２ｂの境界の他の部分を連結した。【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等のターボ機械の主軸を支持する軸受として、フォイル軸受が着目されている。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。軸の回転時には、軸の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜（例えば空気膜）が形成され、軸が非接触支持される。この場合、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軸受隙間が自動的に形成されるため、安定性に優れ、一般的な空気動圧軸受と比べて高速での使用が可能となる。

例えば下記の特許文献１には、円筒状のフォイルホルダの内周面に、複数のフォイルの周方向両端を接触した状態で保持させた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受が示されている。このフォイル軸受では、軸の回転時に、各フォイルとフォイルホルダとが微小摺動することにより、軸の振動を減衰する効果が得られる。

特開２０１４−１１９０９４号公報

しかし、上記のようなフォイル軸受でも、軸の振動減衰効果が十分でないことがある。

そこで、本発明が解決すべき課題は、多円弧型のフォイル軸受における軸の振動減衰効果をさらに高めることにある。

前記課題を解決するために、本発明は、フォイルホルダと、フォイルホルダの内周面に取り付けられた複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向両端が前記フォイルホルダに接触した状態で保持されたフォイル軸受であって、各フォイルに、軸方向に隣接した第１領域及び第２領域を設け、両領域の境界の一部を分断すると共に、両領域の境界の他の部分を連結したフォイル軸受を提供する。

このように、各フォイルの第１領域と第２領域との境界の一部を分断することで、各フォイルの剛性が低下する。これにより、各フォイルの変形の自由度が高められ、各フォイルが変形しやすくなるため、各フォイルとフォイルホルダとの摺動量が大きくなり、軸の不安定な振動に対し高い減衰効果を発揮することができる。一方、上記のフォイル軸受では、各フォイルの第１領域と第２領域が完全には分断されておらず、両領域の境界の他の部分（分断部以外の領域）が連結されている。これにより、例えば軸にコニカルモードの振動が生じたときのように、各フォイルの一方の領域のみに負荷が発生した場合でも、連結部を介して他方の領域にも負荷が伝わって変形・摺動することで、完全に分断された２枚のフォイルを複列に並べた場合よりも高い振動減衰効果が得られる。

上記のフォイル軸受は、各フォイルの前記第１領域及び前記第２領域に、それぞれ、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の周方向一端側に設けられ、フォイルホルダの内周面に設けられた凹部に差し込まれる差込部と、前記トップフォイル部の周方向他端側に設けられ、隣接するフォイルと前記フォイルホルダの内周面との間に配されるアンダーフォイル部とを設けることが好ましい。

また、上記のフォイル軸受において、各フォイルの前記第１領域及び前記第２領域に設けられた前記差込部同士を連結し、両領域のトップフォイル部同士及びアンダーフォイル部同士を周方向全域にわたって分断すれば、トップフォイル部及びアンダーフォイル部の剛性を低下させてこれらをフォイルホルダの内周面と摺動させやすくなるため、振動抑制効果が高められる。

また、上記のフォイル軸受は、各フォイルの前記第１領域及び前記第２領域に設けられた前記アンダーフォイル部の周方向他端に、それぞれ周方向一方側へ向けて軸方向幅を徐々に狭めた切り欠き部を設けることができる。これにより、各フォイルのアンダーフォイル部の内周側に重ねられた隣接するフォイルのトップフォイル部に、切り欠き部に沿った段差が形成されるため、この段差により流体が各切り欠き部の軸方向中央側に集められ、流体の圧力が高められて軸受剛性が向上する。

以上のように、本発明のフォイル軸受によれば、多円弧型のフォイル軸受における軸の振動減衰効果を高めることができる。

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。 上記支持構造に組み込まれた、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 上記フォイル軸受に設けられるフォイルの平面図である。 複数のフォイルを連結した状態を示す平面図である。 図３のフォイル軸受の拡大断面図である。 フォイルの他の例を示す平面図である。

図１に、ターボ機械の一種である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主軸６が設けられ、この主軸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の回転力が主軸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、主軸６に設けられたフランジ部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、主軸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。

フォイル軸受１０は、図３に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面に取り付けられた複数（図示例では３枚）のフォイル１２とを有する。フォイルホルダ１１の外周面は、ガスタービンのハウジング３０の内周面３１に固定される。

フォイルホルダ１１は、例えば焼結金属や溶製材等の金属で形成される。図示例のフォイルホルダ１１は、円筒面状の内周面１１ａ及び外周面１１ｂを有する。内周面１１ａのうち、周方向に離隔した複数箇所（図示例では３箇所）には、凹部としての軸方向溝１１ｃが形成される。各軸方向溝１１ｃの軸方向両端は、それぞれフォイルホルダ１１の端面に開口している。

フォイル１２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程度の金属フォイルにプレス加工や放電加工を施すことで形成される。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、金属フォイルとして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。

各フォイル１２は、図４に示すように、軸方向に並べられた第１領域１２ａと第２領域１２ｂとからなる。

第１領域１２ａは、軸受面を有するトップフォイル部１２ａ１と、トップフォイル部１２ａ１の周方向一端側に設けられた差込部１２ａ２と、トップフォイル部１２ａ１の周方向他端側に設けられたアンダーフォイル部１２ａ３とを有する。図示例では、差込部１２ａ２が、トップフォイル部１２ａ１の周方向一端部の軸方向両端に設けられる。アンダーフォイル部１２ａ３には、周方向一端側に向けて軸方向幅を徐々に狭めた切り欠き部１２ａ４が設けられる。図示例では、切り欠き部１２ａ４が、略円弧状に形成される。このほか、切り欠き部１２ａ４を、直線を軸方向中央で折り曲げた略Ｖ字形状としてもよい。トップフォイル部１２ａ１の周方向一端部のうち、差込部１２ａ２に近接した位置には、周方向の微小な切り込み１２ａ５が設けられる。トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ａ３との境界には、隣接するフォイル１２の差込部１２ａ２が差し込まれる軸方向のスリット１２ａ６が形成される。図示例では、トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ａ３との境界の軸方向両端にスリット１２ａ６が形成される。

第２領域１２ｂは、第１領域１２ａと同様の形状を成し、トップフォイル部１２ｂ１、差込部１２ｂ２、アンダーフォイル部１２ｂ３、切り欠き部１２ｂ４、切り込み１２ｂ５、スリット１２ｂ６等を有する（重複説明は省略する）。

各フォイルは、第１領域１２ａと第２領域１２ｂの境界の一部が分断されると共に、両領域１２ａ，１２ｂの境界の他の部分が連結されている。例えば、両領域１２ａ，１２ｂのうち、軸受面を有さない領域（差込部１２ａ２，１２ｂ２、及びアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３）同士が連結され、軸受面を有する領域（トップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１）同士が周方向全域にわたって分断される。本実施形態では、両領域１２ａ，１２ｂの差込部１２ａ２，１２ｂ２同士が連結され、両領域１２ａ，１２ｂのトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１の間、及びアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３の間に、これらを周方向全域にわたって分断する周方向のスリット１２ｃが形成される。

図５に示すように、各フォイル１２の差込部１２ａ２，１２ｂ２を、隣接するフォイルのスリット１２ａ６，１２ｂ６に差し込むことにより、３枚のフォイル１２を筒状に仮組みすることができる。この仮組体を、フォイルホルダ１１の内周に挿入することで、フォイル軸受１０が組み立てられる。具体的には、３枚のフォイル１２の仮組体をフォイルホルダ１１の内周に挿入しながら、各フォイル１２の差込部１２ａ２，１２ｂ２をフォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｃに軸方向一端側から差し込む。以上により、３枚のフォイル１２が、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに周方向に並べた状態で取り付けられる。

３枚のフォイル１２をフォイルホルダ１１に組み付けた状態で、各フォイル１２の周方向両端は、フォイルホルダ１１に接触した状態で保持される。図示例では、各フォイル１２の周方向両端が、それぞれ隣接するフォイル１２の背後（外径側）に配されている。具体的に、各フォイル１２の周方向一端に設けられた差込部１２ａ２，１２ｂ２は、隣接するフォイル１２のスリット１２ａ６，１２ｂ６を介して、フォイルホルダ１１の内周面１１ａの軸方向溝１１ｃに差し込まれる。一方、各フォイル１２の周方向他端に設けられたアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３は、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配され、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１を背後から支持する（図６参照）。尚、隣接するフォイル１２同士は、周方向で係合して互いに突っ張り合っている。これにより、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１が外径側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿った形状に湾曲する。

主軸６が図３の矢印方向に回転すると、フォイル軸受１０の各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１の内径面（軸受面）と主軸６の外周面６ａとの間のラジアル軸受隙間の空気膜の圧力が高められる。図６に示すように、トップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１の周方向一端（回転方向先行側の端部）を含む領域は、隣接するフォイルのアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３に乗り上げているため、軸受面が、回転方向先行側へ向けて主軸６の外周面６ａに徐々に接近する。これにより、各フォイル１２の軸受面と主軸６の外周面６ａとの間に、回転方向先行側へ向けて徐々に狭くなったラジアル軸受隙間が形成され、ラジアル軸受隙間の幅狭側に空気が押し込まれる。これにより、ラジアル軸受隙間の空気膜の圧力が高められ、この圧力により主軸６がラジアル方向に非接触支持される。

このとき、フォイル１２が有する可撓性により、各フォイル１２の軸受面が、荷重や主軸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、ラジアル軸受隙間を最適幅に管理することができ、主軸６を安定して支持することが可能となる。尚、主軸６が回転している時は、主軸６の回転に伴って流動する流体（空気）との摩擦により、各フォイル１２が回転方向先行側に押し込まれ、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｃの角部１１ｃ１に突き当たっている。

本実施形態では、図４に示すように、アンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３に切り欠き部１２ａ４，１２ｂ４を設けることで、これに乗り上げるトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１に、切り欠き部１２ａ４，１２ｂ４に沿った段差が形成される。これにより、トップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１に沿って流れる流体が、上記の段差に沿って流れて軸方向中央側に集められるため、圧力向上効果が高められる（図５の矢印参照）。

このとき、トップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１の周方向一端部のうち、差込部１２ａ２，１２ｂ２の近傍に、微小な切り込み１２ａ５，１２ｂ５を設けることで、この部分の剛性が低下する。これにより、トップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１を、その背後に配されたアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３の切り欠き部１２ａ４，１２ｂ４に沿って変形させやすくなる。

また、各フォイル１２は、フォイルホルダ１１に完全に固定されておらず、フォイルホルダ１１に対して移動可能とされる。従って、主軸６の回転中は、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１２がフォイルホルダ１１に押し付けられ、これに伴って各フォイル１２とフォイルホルダ１１、特に、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１及びアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３の外径面とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、主軸６の振動を減衰させることができる。

本実施形態では、図４に示すように、各フォイル１２の第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの境界にスリット１２ｃを設け、両領域１２ａ，１２ｂを分断していることで、フォイル１２の剛性が低下する。これにより、フォイル１２の変形の自由度が高められ、フォイル１２が変形しやすくなり、主軸６の振動を減衰する効果が高められる。特に、図示例では、フォイルホルダ１１の内周面１１ａと面接触したトップフォイル部１２ａ１，１２ｂ１及びアンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３の間に、周方向全域にわたってスリット１２ｃを形成しているため、振動減衰効果がさらに高められる。

また、上記のフォイル軸受１０では、各フォイルの第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの境界のうち、スリット１２ｃ以外の領域（図示例では、差込部１２ａ２，１２ｂ２同士）が連結されている。これにより、例えば主軸６にコニカルモードの振動が生じて第１領域１２ａのみに負荷が発生した場合でも、連結部を介して第２領域１２ｂにも負荷が伝えられるため、第１領域１２ａだけでなく第２領域１２ｂも変形させてフォイルホルダ１１と摺動させることができ、振動減衰効果がさらに高められる。

尚、主軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル１２の軸受面と主軸６の外周面とが接触摺動するため、これらの何れか一方または双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。また、フォイル１２とフォイルホルダ１１との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、これらの何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。

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、切り欠き部１２ａ４，１２ｂ４を省略した点で上記の実施形態と異なる。この場合、アンダーフォイル部１２ａ３，１２ｂ３の周方向他端は、軸方向に延びる直線状とされる。

また、上記の実施形態では、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとを、軸方向幅を有するスリット１２ｃで分断した場合を示したが、これに限らず、例えば、両領域１２ａ，１２ｂを、軸方向幅を有さない切り込みで分断してもよい。

また、以上の実施形態では、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに形成された溝１１ｃの開口部の周方向幅が比較的大きい場合を示したが、これに限らず、例えば、フォイルホルダの内周面に、開口部の周方向幅が小さいスリット状の溝を形成し、この溝にフォイルの端部を差し込んでもよい。

本発明にかかるフォイル軸受の適用対象は、上述したガスタービンに限られず、例えばターボチャージャ（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。また、本発明にかかるフォイル軸受は、ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械に限らず、油の使用が制限される車両用軸受や産業機器用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。

１０ フォイル軸受
１１ フォイルホルダ
１１ｃ 軸方向溝（凹部）
１２ フォイル
１２ａ 第１領域
１２ｂ 第２領域
１２ａ１，１２ｂ１ トップフォイル部
１２ａ２，１２ｂ２ 差込部
１２ａ３，１２ｂ３ アンダーフォイル部
１２ａ４，１２ｂ４ 切り欠き部
１２ａ５，１２ｂ５ 切り込み
１２ａ６，１２ｂ６ スリット
１２ｃ スリット

Claims (5)

1. フォイルホルダと、前記フォイルホルダの内周面に取り付けられた複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向両端が、前記フォイルホルダに接触した状態で保持されたフォイル軸受であって、
   各フォイルに、軸方向に隣接した第１領域及び第２領域を設け、両領域の境界の一部を分断すると共に、両領域の境界の他の部分を連結したフォイル軸受。
2. 各フォイルの前記第１領域及び前記第２領域が、それぞれ、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の周方向一端側に設けられ、フォイルホルダの内周面に設けられた凹部に差し込まれる差込部と、前記トップフォイル部の周方向他端側に設けられ、隣接するフォイルと前記フォイルホルダの内周面との間に配されるアンダーフォイル部とを有する請求項１記載のフォイル軸受。
3. 各フォイルの前記第１領域及び前記第２領域の前記差込部同士を連結すると共に、前記トップフォイル部同士及び前記アンダーフォイル部同士を周方向全域にわたって分断した請求項２記載のフォイル軸受。
4. 前記第１領域及び前記第２領域に設けられた前記アンダーフォイル部の周方向他端に、それぞれ周方向一方側へ向けて軸方向幅を徐々に狭めた切り欠き部を設けた請求項１〜３の何れかに記載のフォイル軸受。
5. 周方向両端をフォイルホルダの内周面に接触した状態で取り付けられるフォイルであって、
   軸方向に隣接した第１領域及び第２領域を設け、両領域の境界の一部を分断すると共に、両領域の境界の他の部分を連結したフォイル。
   

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