JP2017180684A - フォイル軸受、およびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、フォイルの軸受面と軸の間に形成される軸受隙間の大きさを任意に変更可能なフォイル軸受を提供することを課題としている。【解決手段】フォイルホルダ３１と、フォイルホルダ３１に取り付けられ、ラジアル軸受面Ｓ１を備えた複数のフォイル３２とを有し、ラジアル軸受面Ｓ１と軸６の間に形成した流体膜で軸６を相対回転自在に支持するラジアルフォイル軸受３０において、フォイルホルダ３１に、変形量が可変であり、かつ変形時にフォイル３２を押圧する変形部材２０を設けたことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、フォイル軸受、あるいは、フォイル軸受を備えたターボ機械に関する。

ターボ機械（例えばガスタービンやターボチャージャ）の主軸は高温環境下で高速回転する。また、ターボ機械では、エネルギー効率の観点から油循環用の補機を別途設けることが困難な場合がある他、潤滑油のせん断抵抗が主軸の高速回転化の阻害要因となる場合がある。そのため、ターボ機械の主軸の支持用軸受としては、油潤滑の転がり軸受や動圧軸受ではなく空気動圧軸受を使用する場合が多い。

空気動圧軸受としては、回転側の軸受面と静止側の軸受面の双方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、両軸受面間に形成される軸受隙間の隙間幅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称される自励的な主軸の振れ回りが生じ易くなる。従って、一般的な空気動圧軸受において、所望の軸受性能を安定的に発揮するには、軸受隙間の隙間幅を高精度に管理する必要があるが、ターボ機械のように温度変化の大きい環境では、熱膨張の影響で軸受隙間の隙間幅が変動し易いため、所望の軸受性能を安定的に発揮するのが困難である。

ホワールが生じ難く、かつ温度変化の大きい環境下でも軸受隙間の隙間幅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金属薄板（フォイル）で軸受面を構成し、この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。

上記のフォイル軸受として、例えば、軸受の内周側に設けられるトップフォイルが軸受面を構成し、外周側に設けられるバンプフォイルがトップフォイルを弾性的に支持する構成のものが存在する（例えば、特許文献１〜３）。

また、バンプフォイルを設けずに、筒状のフォイルホルダの周方向に複数設けられるフォイルが、当該周方向に一部重なり合う様に設けられ、重複部分で軸を弾性的に支持する構成のフォイル軸受が存在する（例えば、特許文献４〜６）。

実開昭６１−３６７２５号公報 実開昭６１−３８３２１号公報 実開昭６３−１９５４１２号公報 特公平２−２０８５１号公報 特開平４−５４３０９号公報 特開２００２−２９５４６７号公報

ところで、フォイル軸受に支持される軸の運動特性は、フォイルの軸受面と軸の間に形成される軸受隙間の大きさによって変化する。例えば、軸受隙間が小さいほど、軸受隙間に形成される空気膜の厚みが薄くなって空気膜の圧力は大きくなり、軸の振動減衰性が高まると共に、フォイル軸受の負荷容量は大きくなる。一方で、軸の回転運動の安定性が小さくなり、軸は振れ回りしやすくなる。

しかし、上記のフォイル軸受の場合、軸受隙間の大きさはフォイルの可撓性に依存しており、その大きさを軸の回転中に能動的に変化させることができなかった。このため、軸の運動特性をその使用状況等に応じて変更することができず、最適な運動特性を得ることが難しかった。

この様な事情から、本発明では、フォイルの軸受面と軸の間に形成される軸受隙間の大きさを任意に変更可能なフォイル軸受を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられ、軸受面を備えた複数のフォイルとを有し、前記軸受面と軸の間に形成した流体膜で前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、前記フォイルホルダに、変形量が可変であり、かつ変形時に前記フォイルを押圧する変形部材を設けたことを特徴とするものである。

既存のフォイル軸受でも、荷重の変化や回転速度の変動に追従してフォイルが変形する。これに対し、本発明のフォイル軸受では、変形部材の変形によりフォイルを押圧し、荷重や回転速度の変動から切り離してフォイルを変形させることができる。従って、フォイルの軸受面と軸の間に形成される軸受隙間を、回転中および停止中を問わず、軸受運転条件に適合した適正幅に変更することが可能となる。

変形部材の変形量を電気的に制御可能とすることにより、軸受隙間の大きさを周囲環境と切り離して能動的に制御することが可能となる。この条件に当てはまる変形部材として、例えば圧電素子を使用することが考えられる。

また、変形部材の変形量を外部環境に応じて可変とすることで、軸受隙間の大きさを外部環境に適合するよう受動的に制御することが可能となる。この条件に当てはまる変形部材として、例えばバイメタルを使用することが考えられる。

また、本発明は、上記のフォイル軸受と軸とを備えたターボ機械とすることができる。

以上の様に、本発明では、フォイルの軸受面と軸の間に形成される軸受隙間の大きさを積極的に変更することができる。従って、フォイル軸受の軸受特性を変化させ、使用機器に適合した軸支持機能を得ることが可能となる。

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フォイル軸受ユニットの断面図である。 上記フォイル軸受ユニットに組み込まれたラジアルフォイル軸受の断面図である。 （Ａ）は、上記ラジアルフォイル軸受のフォイルの斜視図であり、（Ｂ）は３枚のフォイルを仮組みした状態の斜視図である。 （Ａ）は変形部材を示す断面図で、（Ｂ）はフォイルを押圧した状態の変形部材を示す断面図である。 変形部材としてバイメタルを用いた場合の、（Ａ）は変形部材を示す断面図で、（Ｂ）はフォイルを押圧した状態の変形部材を示す断面図である。 変形部材をそれぞれのフォイルに対して周方向に複数設けたラジアルフォイル軸受の断面図である。 変形部材を周方向に幅を持たせて配置したラジアルフォイル軸受の断面図である。 変形部材を軸方向に幅を持たせて配置したラジアルフォイル軸受の断面図である。 （Ａ）は第１スラストフォイル軸受の平面図であり、（Ｂ）は第２スラストフォイル軸受の平面図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。 図１０中のＸ−Ｘ線断面を展開した図である。 変形部材を設けた第１スラストフォイル軸受の断面図である。 ターボチャージャの構成を概念的に示す図である。

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、それぞれに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軸６を支持するフォイル軸受ユニット１０を示す。フォイル軸受ユニット１０は、軸６と、ラジアルフォイル軸受３０と、第１スラストフォイル軸受４０と、第２スラストフォイル軸受５０と、変形部材２０とを備える。ラジアルフォイル軸受３０は軸６をラジアル方向で支持し、第１スラストフォイル軸受４０および第２スラストフォイル軸受５０は、軸６を両スラスト方向で支持する。

軸６は、図３に示すように、スリーブ部６１と、スリーブ部６１から外径に突出した円盤状のフランジ部６２とを備える。フランジ部６２は例えば炭素繊維強化複合材で形成され、スリーブ部６１は例えば炭素焼結材で形成される。

各フォイル軸受３０，４０，５０のフォイルホルダ３１，４１，５１には軸受面を構成するフォイル３２，４２，５２が取り付けられている。フォイル３２，４２，５２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程度のフォイル素材で形成される。フォイル素材としては、ステンレス鋼もしくは青銅製からなるものが好ましい。

ラジアルフォイル軸受３０は、スリーブ部６１をラジアル方向に支持するものである。ラジアルフォイル軸受３０は、図４に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ３１と、フォイルホルダ３１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３２とを有する。複数のフォイル３２は、フォイルホルダ３１の内周面に周方向に並べて配置される。

フォイルホルダ３１の内周面３１ａには溝３１ｂが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ３１の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に、軸方向に沿って延びる溝３１ｂが設けられる。フォイルホルダ３１は金属で形成され、例えば溝３１ｂを含めて一体に型成形される。本実施形態のフォイルホルダ３１は、焼結金属で一体に型成形される。尚、フォイル軸受ユニット１０が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ３１を樹脂で型成形してもよい。

また、フォイルホルダ３１の内周面３１ａには軸方向に沿って延びる収納溝３１ｃが形成されている。収納溝３１ｃには、後述する軸受隙間の大きさを可変とする変形部材２０が収納されている。

各フォイル３２は、図５（Ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部３２ｃと、周方向他端に設けられた凹部３２ｄとを備える。各フォイル３２の凸部３２ｃと凹部３２ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図５（Ｂ）に示すように、各フォイル３２の凸部３２ｃを、隣接するフォイル３２の凹部３２ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル３２を筒状に仮組みすることができる。この場合、図４に示す軸方向視において、各フォイル３２の反回転方向側の一端（凸部３２ｃ）と、隣接するフォイル３２の回転方向Ｒ側の他端（凹部３２ｄの軸方向両側の凸部３２ｅ）とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル３２の両端が、フォイルホルダ３１に保持される。具体的には、各フォイル３２の回転方向側の端部に設けられた凸部３２ｅがフォイルホルダ３１の溝３１ｂに差し込まれ、各フォイル３２の反回転方向側の端部に設けられた凸部３２ｃが、隣接するフォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとの間に配される。この場合、複数のフォイル３２の回転方向Ｒ側への移動は、各フォイル３２の凸部３２ｅが溝３１ｂの内壁に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル３２の反回転方向側への移動は規制されていない。これにより、複数のフォイル３２が、フォイルホルダ３１に対して周方向移動可能とされる。

各フォイル３２の内径面３２ａは、ラジアル軸受面Ｓ１として機能する（図４参照）。図示例では、３枚のフォイル３２で多円弧型の軸受面Ｓ１を形成している。フォイルホルダ３１の内周面３１ａと各フォイル３２との間には、フォイル３２に弾性力を付与するための別部材（バックフォイル等）は設けられておらず、フォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとが摺動可能とされる。各フォイル３２の凸部３２ｃは、隣接するフォイル３２の軸受面Ｓ１の外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。

図６（Ａ）に示すように、フォイル３２の軸受面Ｓ１とスリーブ部６１の外周面６１ａの間には、ラジアル軸受隙間Ｄ１が形成される。軸６は、この軸受隙間Ｄ１に形成される空気膜（流体膜）の圧力により、ラジアルフォイル軸受３０によって非接触状態で支持されて回転する。

ラジアルフォイル軸受３０によって支持される軸６の回転運動は、この軸受隙間Ｄ１の大きさによってその運動特性が大きく変化する。例えば、軸受隙間Ｄ１の大きさが小さいほど、軸受隙間Ｄ１において形成される空気膜の厚さは薄くなり、空気膜の圧力は大きくなって、ラジアルフォイル軸受３０の負荷容量も大きくなる。また、軸６の回転中の摩擦損失も大きくなり、軸６の振動減衰性が高まるが、一方で軸６の回転が不安定になり、振れ回りしやすくなる。

本実施形態では、ガスタービンの使用状況等に応じて、軸６の運動特性を適正化する目的で、軸受隙間Ｄ１を任意の大きさ（幅）に変更するための変形部材２０がフォイルホルダ３１の収納溝３１ｃに設けられる。以下、この変形部材２０について説明する。

変形部材２０は、電圧の印加などの手段により、電気的にその変形量を制御可能な部材によって構成することができ、本実施形態の変形部材２０は、電圧が印加されることによって膨張する圧電素子により構成される。

図６（Ｂ）に示すように、電圧の印加によって変形部材２０は膨張し、変形部材２０を収納する収納溝３１ｃの枠内を超えてフォイル３２の側へ変形する。そして、変形部材２０はフォイル３２に接触し、フォイル３２を軸６の側へ押圧する。変形部材２０に押圧されたフォイル３２は、軸６の側へ撓み、軸受隙間Ｄ１の幅が小さくなる。

なお、図６（Ａ）および図６（Ｂ）では、軸６、フォイル３２、フォイルホルダ３１のそれぞれの間隔を便宜上誇張して表現している。しかし、例えば軸６とフォイル３２の間に形成される軸受隙間Ｄ１の実際の幅は、軸６の１／１０００のオーダーであり、例えば直径が数ｍｍ程度の軸６であれば、その隙間は数十μｍ程度である。

圧電素子に印加する電圧の量を変更することにより、変形部材２０のフォイル３２の側への変形量（フォイル３２の押圧量）を調整することができる。これにより、軸受隙間Ｄ１の幅を調整し、軸６の運動特性を変化させることができる。また、軸受隙間Ｄ１をなくし、軸６とフォイル３２を直に接触させることで、両者に発生する摩擦力により、軸６の回転運動を減速あるいは停止させることもできる。

圧電素子は、印加する電圧量によってその変形量を細かく調整することができる。このため、従来のフォイル軸受が、フォイルが持つ可撓性や軸の運動中における回転速度の変動や荷重の変化に応じて、受動的に軸受隙間Ｄ１の大きさが変化するのみであるのに対して、本実施形態では、印加する電圧量を変更することにより、能動的に軸受隙間Ｄ１の大きさを変更することができる。また、印加する電圧量を細かく変更することで、軸受隙間Ｄ１の幅を細かく調整することが可能になる。

また、圧電素子は、印加された電圧に対する応答性がよく変形が速やかに行われるため、後述する温度変化によって変形させるバイメタル等と比べて、軸６の運動状態に応じて、迅速に軸受隙間Ｄ１の幅を調整することが可能である。

上記の様に、軸受隙間Ｄ１の幅の変更は、軸６の高速回転に合わせて高い追従性を有することが望ましく、変形部材２０を形成する圧電素子の材料は、印加される電圧に応じてより速やかに変形する材料を用いることが好ましい。例えば、圧電素子を形成する材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３）等を用いることができる。チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電素子に用いることのできる材料は、その強度に優れており、本実施形態のガスタービンのような高温・高圧の環境下での使用にも適している。

圧電素子は単一素材で形成した場合にはその変形量は微小であるため、フォイルの押圧量を十分に確保するために、複数の材料を接合してなる圧電素子とすることが好ましい。

また、変形部材２０は、外部環境に応じて変形する構成とすることもできる。具体的には、軸６が回転時の高温環境下で、温度上昇により膨張するバイメタルや形状記憶合金を用いることができる。

変形部材２０としてバイメタルを用いる場合、変形部材２０は熱膨張率の異なる２枚の金属板（金属材）を接合して形成することができる。これらの金属板は加熱により膨張し、２枚の金属板の膨張率の違いによって変形部材２０の膨張する方向を決定することができる。

具体的には、図７（Ａ）に示すように、熱膨張率の大きい金属板２１と金属板２１よりも熱膨張率の小さい金属板２２を接合してなる変形部材２０が、フォイルホルダ３１の収納溝３１ｃに収納される。この際、熱膨張率の大きい金属板２１がフォイルホルダ３１の内周面３１ａの側に配置される。

そして、図７（Ｂ）に示すように、加熱機構による発熱や軸６の回転運動による空気膜との摩擦等によって変形部材２０が加熱されると、変形部材２０は、熱膨張率の大きい金属板２１が配置された内周面３１ａの側へ膨張する。この膨張により、変形部材２０がフォイル３２を軸６の側へ押圧し、軸受隙間Ｄ１の幅を小さくすることができる。変形部材２０をバイメタルとしたが、３種類以上の金属材を積層して形成される変形部材としてもよい。

形状記憶合金は、変態点以下の温度で変形しても、その温度以上に加熱すると元の形状に回復する性質をもった合金である。変形部材２０として形状記憶合金を用いることにより、形状記憶合金が加熱により元の形状に復帰することを利用してフォイル３２の側へ変形させることができる。形状記憶合金として、チタンとニッケルの合金や、鉄‐マンガン‐ケイ素合金を用いることができる。

以上のバイメタルや形状記憶合金を変形部材２０として用いることにより、変形部材２０を外部環境（高温環境）に応じてその形状を可変とし、外部環境に適合するよう受動的にその変形量を制御し、軸受隙間Ｄ１の大きさを可変とすることができる。ただし、前述した様に、加熱機構を設けて、別途、変形部材２０を加熱することもできる。

変形部材２０として上記の構成を採用することにより、数十μｍのオーダーで軸受隙間Ｄ１の幅の調整を行うことができ、軸６の運動特性をより細かく調整することが可能である。

また、軸６に変位センサを取り付けて、回転運動時の軸６の径方向の変位量を検知させ、この軸６の変位量に応じて軸受隙間Ｄ１の幅を調整することが好ましい。これにより、例えば軸６の変位量が大きい場合には、軸受隙間Ｄ１の幅を広げることで、回転運動を安定させて軸６の振れ回りを抑制する等、軸６の運動状態に応じて適切な軸受隙間Ｄ１の幅を設定することが可能になる。

変形部材２０は、軸６の軸方向に複数設けられており（図２参照。図示例では２つ）、３つ以上設けることもできる。これにより、軸方向の複数個所でフォイル３２を軸６の側へ押圧することができ、軸方向における軸受隙間Ｄ１の幅のムラを少なくすることができる。

また、変形部材２０は、それぞれのフォイル３２に対向して設けられており（図４参照）、各変形部材２０に電圧を印加することにより、それぞれのフォイル３２と軸６の間の軸受隙間Ｄ１の幅を調整することができる。また、図８に示すように、それぞれのフォイル３２に対して、変形部材２０を複数対向させて設けることもできる。周方向の複数位置でフォイル３２を押圧することにより、周方向における軸受隙間Ｄ１の幅のムラをなくすことができる。

さらに、変形部材２０の大きさは任意の大きさで設定することができ、フォイル３２を押圧する範囲を任意に設定することができる。例えば図９に示すように、変形部材２０を周方向に幅をもって設けることもできるし、図１０に示すように、軸方向に幅をもって設けることもできる。これにより、求める軸６の運動特性等に応じて、必要とする幅でフォイル３２を軸６の側へ押圧し、軸受隙間Ｄ１の幅を変更することができる。

次に第１スラストフォイル軸受４０および第２スラストフォイル軸受５０の構成を説明する。

第１スラストフォイル軸受４０は、図３に示すように、軸６のフランジ部６２を軸方向一方側から支持するものであり、図３および図１１（Ａ）に示すように、フォイルホルダ４１と、フォイルホルダ４１に取り付けられる複数のフォイル４２とを備える。フォイルホルダ４１は、軸心に穴を有する円盤状のホルダ本体４１ａと、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１の外径端に設けられた環状の固定部材４１ｂとを有する。ホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂで各フォイル４２を軸方向両側から挟み込むことにより、各フォイル４２がフォイルホルダ４１に保持される。本実施形態では、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａと、ラジアルフォイル軸受３０のフォイルホルダ３１とが一体に形成されている。

図１１（Ａ）に示すように、フォイル４２は回転方向Ｒ（円周方向）の複数個所に等ピッチで配置される。図１２は、回転方向Ｒに並べた複数のフォイル４２のうち、一つのフォイル４２のみを図示して他のフォイルの図示を省略したものである。図１２に示すように、各フォイル４２は、後述するトップフォイル部Ｔｆおよびバックフォイル部Ｂｆを構成する本体部４２ａと、本体部４２ａから外径側に延びる延在部４２ｂとを一体に備える。

フォイル４２の本体部４２ａは、回転方向Ｒ側に位置する前端４２１と、反回転方向側に位置する後端４２２と、前端４２１の両側方で前端４２１につながった側端４２３，４２４とを有する。前端４２１および後端４２２は、いわゆるヘリングボーン形状をなしており、前端４２１はその両端部の間を回転方向Ｒ側に突出させた凸形状に形成され、後端４２２は、その両端部の間を回転方向Ｒ側に凹ませた凹形状に形成されている。前端４２１および後端４２２は、軸受面Ｓ２に双方向で、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（スラストフォイル軸受では半径方向）の中央領域に頂部４２１ａ，４２２ａを有する。本実施形態では、双方の頂部４２１ａ，４２２ａの輪郭形状を円弧にした場合を例示している。内径側および外径側の側端４２３，４２４は何れも、軸心を中心とする円弧で形成されている。

延在部４２ｂは、本体部４２ａの外径端から、外径側を反回転方向に後退させることで半径方向に対して傾斜方向に延びるように形成されている。図１１（Ａ）に示すように、回転方向Ｒに配列された各延在部４２ｂは、互いに重なり合うことなく回転方向Ｒの隙間を介してフォイルホルダ４１を構成するホルダ本体４１ａの同一平面上に配置される。ホルダ本体４１ａ上に並べた各延在部４２ｂ上に固定部材４１ｂを配置し、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径部分（図１２にクロスハッチングで示す）をホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂとで挟み込み、両部材４１ａ，４１ｂをボルト等で締め付け固定することで、各フォイル４２がフォイルホルダ４１に固定される。

図１３は、図１１（Ａ）中のＸ−Ｘ線の断面図である。図１３に示すように、第１スラストフォイル軸受４０の各フォイル４２は、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上に、各フォイル４２の半ピッチ分だけ位相をずらしながら回転方向Ｒに部分的に重ね合わせて配置されている。各フォイル４２の前端４２１を含む回転方向先行側の領域は、隣接するフォイル４２上に乗り上げたトップフォイル部Ｔｆを構成する。また、各フォイル４２の後端４２２を含む反回転方向側の領域は、隣接するフォイル４２のトップフォイル部Ｔｆの背後で当該トップフォイル部Ｔｆを支持するバックフォイル部Ｂｆを構成する。各フォイル４２のトップフォイル部Ｔｆの表面で、フランジ部６２の一方の端面６２ａと対向するスラスト軸受面Ｓ２が形成される。

図３に示すように、第２スラストフォイル軸受５０は、軸６のフランジ部６２を軸方向他方側から支持するものであり、図１１（Ｂ）に示すように、フォイルホルダ５１と、フォイルホルダ５１に固定された複数のフォイル５２とを備える。フォイルホルダ５１は、軸心に穴を有する円盤状のホルダ本体５１ａと、ホルダ本体５１ａの端面５１ａ１の外径端に配置された固定部材５１ｂとを有する。各フォイル５２は、本体部５２ａと、本体部から外径側に延びる延在部５２ｂとを有する。各フォイル５２の本体部５２ａでトップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆ（図１３参照）が形成され、各フォイル５２のトップフォイル部Ｔｆの表面で、フランジ部６２の他方の表面６２ｂと対向するスラスト軸受面Ｓ３が形成される。

前述した変形部材２０を第１スラストフォイル軸受４０や第２スラストフォイル軸受５０に設けることもできる。例えば図１４に示すように、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１（ホルダ本体４１ａ）に変形部材２０を設けた場合、変形部材２０がフォイル４２の側へ変形することにより、フォイル４２をフランジ部６２（軸６）の側へ押圧する。そして、このフォイル４２に対する変形部材２０の押圧量を変更することにより、スラスト軸受面Ｓ２とフランジ部６２（軸６）の間に形成されたスラスト軸受隙間Ｄ２の幅を調整することができる。なお、図１３および図１４についても、便宜上、軸６とフォイル４２の間に形成される軸受隙間の幅を誇張して表現している。

また、以上の実施形態では、本発明に係るスラストフォイル軸受およびラジアルフォイル軸受をガスタービンに適用した場合を示したが、これに限らず、例えば図１５に示すような過給機に適用してもよい。この過給機は、エンジン７３に空気を送り込むいわゆるターボチャージャ（ターボ機械）であり、圧縮機７１と、タービン７２とを備える。圧縮機７１及びタービン７２は軸６で連結されている。軸６は、ラジアルフォイル軸受３０と第１スラストフォイル軸受４０および第２スラストフォイル軸受５０とでラジアル方向及び両スラスト方向に支持される。図示例では、ラジアルフォイル軸受３０を軸方向に離隔した２箇所に設けている。図示しない吸気口から吸入された空気は、圧縮機７１で圧縮され、燃料を混合してエンジン７３に供給される。エンジン７３で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン７３から排気された高温、高圧のガスでタービン７２を回転させる。このときのタービン７２の回転力が、軸６を介して圧縮機７１に伝達される。タービン７２を回転させた後のガスは、排ガスとして外部に排出される。

本実施形態のフォイル軸受を上記のターボチャージャに適用することにより、前述したガスタービンの場合と同様に、軸受隙間を調整することで軸６の運動特性を適宜調整することができる。

また、ターボチャージャに設けられた軸６を任意に減速あるいは停止させることもできる。つまり、軸受隙間を無くしてフォイルと軸を直に接触させることで、両者の間に発生する摩擦力により、軸６の回転を減速あるいは停止させることができる。従来の構成では、ターボチャージャを運転させない場合、別経路を設けて排気ガスの圧力を調整し、排気ガスがタービン７２へ流入させない様にすることを要した。しかし本実施形態では、上記の様に、ターボチャージャの運転を必要としない場合、フォイルと軸を直に接触させることで、軸の回転を減速あるいは停止させることができる。

以上の実施形態では、変形部材のフォイルの側への変形により、変形部材がフォイルに直に接触し、フォイルを軸の側へ押圧する構成について説明した。しかし、変形部材とフォイルの間に別部材を設け、この別部材が、変形部材の変形によりフォイルに接触し、フォイルを軸の側へ押圧する構成としてもよい。

６ 軸
６１ スリーブ部
６２ フランジ部
６１ａ，６２ａ 外周面
２０ 変形部材
３０ ラジアルフォイル軸受（フォイル軸受）
４０ 第１スラストフォイル軸受（フォイル軸受）
５０ 第２スラストフォイル軸受（フォイル軸受）
３１，４１，５１ フォイルホルダ
３２，４２，５２ フォイル
Ｄ１ ラジアル軸受隙間（軸受隙間）
Ｓ１ ラジアル軸受面（軸受面）
Ｄ２ スラスト軸受隙間（軸受隙間）
Ｓ２，Ｓ３ スラスト軸受隙間（軸受隙間）

Claims (6)

1. フォイルホルダと、
   前記フォイルホルダに取り付けられ、軸受面を備えた複数のフォイルとを有し、
   前記軸受面と軸の間に形成した流体膜で前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、
   前記フォイルホルダに、変形量が可変であり、かつ変形時に前記フォイルを押圧する変形部材を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記変形部材の変形量を電気的に制御可能とした請求項１記載のフォイル軸受。
3. 前記変形部材を圧電素子で構成した請求項２記載のフォイル軸受。
4. 前記変形部材の変形量を外部環境に応じて可変とした請求項１記載のフォイル軸受。
5. 前記変形部材をバイメタルで構成した請求項４記載のフォイル軸受。
6. 請求項１から５いずれか１項に記載のフォイル軸受と、前記軸とを備えたターボ機械。
   

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