JP2017227240A - Foil bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォイル軸受に関する。 The present invention relates to a foil bearing.
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り、軸受隙間が運転条件等に応じた適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。例えば下記の特許文献1に、ラジアル荷重を支持するラジアルフォイル軸受の一例として、バンプ型と呼ばれるフォイル軸受が開示されている。 A foil bearing is known as a bearing that can easily manage the gap width of a bearing gap even in an environment in which a whirl is not easily generated and a temperature change is large. A foil bearing consists of a thin metal plate (foil) that has low rigidity against bending and supports the load by allowing the bearing surface to bend. It is characterized by being automatically adjusted to an appropriate width according to conditions and the like. For example, Patent Document 1 below discloses a foil bearing called a bump type as an example of a radial foil bearing that supports a radial load.
特許文献1に記載のフォイル軸受は、円筒状のトップフォイルと、トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイル(バンプフォイル)と、トップフォイルおよびバックフォイルが取り付けられた軸受ホルダとを有する。このバンプ型フォイル軸受では、トップフォイルが荷重を受けた際にバックフォイルが弾性変形するため、トップフォイルの撓みが許容されるようになっている。 The foil bearing described in Patent Document 1 includes a cylindrical top foil, a back foil (bump foil) that elastically supports the top foil, and a bearing holder to which the top foil and the back foil are attached. In this bump type foil bearing, since the back foil is elastically deformed when the top foil receives a load, the top foil is allowed to bend.
ところで、バンプ型フォイル軸受のバックフォイルは、図23に示すように軸方向(矢印方向)に延びる凸部200を周方向に配置した波板状の形態を有する。この様な一枚の板材により形成されたバックフォイルは、その弾性変形時には各凸部200を押し広げるように変形することになるが、その際の変形抵抗が大きく、バックフォイルが全体的に高剛性となる。このため、トップフォイルの柔軟性が不足する傾向にある。トップフォイルの柔軟性が不足すると、軸受隙間の自動調整機能が損なわれ、軸とトップフォイルが接触し易くなる等の不具合を招く。
Incidentally, the back foil of the bump type foil bearing has a corrugated form in which
そこで、本発明は、トップフォイル部の柔軟性を高めたフォイル軸受を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the foil bearing which improved the softness | flexibility of the top foil part.
上記の課題を解決するため、本発明は、支持すべき軸と対向する軸受面を備えたトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後でトップフォイル部を弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触に支持するフォイル軸受において、前記バックフォイル部が、複数の線材を交差させ、かつ規則的に配置されて形成された網状体からなることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the present invention includes a top foil portion having a bearing surface facing a shaft to be supported, and a back foil portion that elastically supports the top foil portion behind the top foil portion. In a foil bearing that supports a relatively rotating shaft in a non-contact manner with a fluid film generated in a bearing gap between the shaft and the bearing surface, the back foil portion intersects a plurality of wires and is regularly arranged It consists of the net-like body formed by being formed.
かかる構成では、軸受運転中の軸受隙間で生じる流体圧力により、バックフォイル部にトップフォイル部を介して流体圧力の作用方向(ラジアル軸受では半径方向、スラスト軸受では軸方向)の圧縮力が作用する。そして、この流体圧力に対して、線材を交差させた網状体によってバックフォイル部を構成することにより、バックフォイル内の各部で剛性差を生じさせることができる。 In such a configuration, due to the fluid pressure generated in the bearing gap during the operation of the bearing, a compressive force acts in the action direction of the fluid pressure (radial direction in the radial bearing, axial direction in the thrust bearing) via the top foil portion. . And with respect to this fluid pressure, a rigidity difference can be produced in each part in a back foil by comprising a back foil part with the net-like body which made the wire cross | intersect.
具体的には、線材と線材が交差する部分ではバックフォイル部が高剛性となり、この高剛性部の周囲(各線材の交差部分に隣接する部分)でバックフォイル部が低剛性となる。バックフォイル部が流体圧力を受けると、この低剛性部が弾性変形することにより、流体圧力によって生じる圧縮力を吸収することができる。 Specifically, the back foil portion has a high rigidity at a portion where the wire and the wire intersect, and the back foil portion has a low rigidity around the high rigidity portion (a portion adjacent to the crossing portion of each wire). When the back foil portion receives fluid pressure, the low rigidity portion elastically deforms, so that the compressive force generated by the fluid pressure can be absorbed.
高剛性部は、低剛性部の弾性変形により、低剛性部が設けられた各方向へ相対移動することができる。高剛性部の周囲に低剛性部を設けることで、高剛性部の各方向への相対移動を許容することができるため、バックフォイル部の柔軟性を高めることができる。 The high-rigidity part can move relative to each direction in which the low-rigidity part is provided by elastic deformation of the low-rigidity part. By providing the low-rigidity portion around the high-rigidity portion, the relative movement of the high-rigidity portion in each direction can be allowed, so that the flexibility of the back foil portion can be increased.
さらに、かかる構成では、バックフォイル部の任意の位置で線材同士を交差させて剛性差を生じさせることができ、高剛性部とその周辺に形成される低剛性部との組み合わせを、バックフォイル部全体にわたって分散して配置することができる。このため、バックフォイル部が各部で受ける流体圧力に応じて弾性変形することができ、軸受面全体にバネ性を持たせることができる。 Further, in such a configuration, it is possible to cause a difference in rigidity by crossing wires at an arbitrary position of the back foil part, and a combination of the high rigidity part and the low rigidity part formed in the periphery thereof is combined with the back foil part. It can be distributed throughout. For this reason, the back foil portion can be elastically deformed in accordance with the fluid pressure received by each portion, and the entire bearing surface can be provided with a spring property.
網状体は、直交二方向にそれぞれ複数配置された経材と緯材を、互いに交差させて形成することができる。これにより、経材と緯材の低剛性部分の弾性変形により圧縮力を吸収することができると共に、経材と緯材が互いに摺接して、軸からの振動を吸収することができる。 The mesh body can be formed by crossing a plurality of warps and wefts arranged in two orthogonal directions. Thereby, the compressive force can be absorbed by elastic deformation of the low rigidity portion of the warp material and the weft material, and the warp material and the weft material can be in sliding contact with each other to absorb the vibration from the shaft.
網状体は、配置される線材の密度を部分的に変化させたり、異なる材質や異なる太さの線材により形成することができる。これにより、バックフォイル部の剛性等の軸受特性を部分的に変化させることができ、フォイル軸受全体としての軸の支持剛性を容易に調整することができる。 The net-like body can be formed by partially changing the density of the arranged wires or by using different materials or different thicknesses. Thereby, bearing characteristics, such as the rigidity of a back foil part, can be changed partially, and the support rigidity of the axis | shaft as the whole foil bearing can be adjusted easily.
バックフォイル部は、複数の網状体を積層して形成することができる。これにより、積層された網状体同士の間で摺動を許容することができ、軸の振動をより吸収しやすくなる。また、個々の網状体の構成を変更することにより、バックフォイル部全体としての剛性やバネ性の調整が容易になる。 The back foil portion can be formed by laminating a plurality of nets. Thereby, sliding between the laminated nets can be allowed, and the vibration of the shaft can be more easily absorbed. In addition, by changing the configuration of each mesh member, it is easy to adjust the rigidity and springiness of the entire back foil portion.
バックフォイル部は、軸受面の側に突出した凸部を有し、この凸部が、軸の回転方向に対して千鳥状に配列されることが好ましい。凸部の位置においては、バックフォイル部が高剛性となって変形しにくくなり、軸との間に形成される流体膜が高圧になって流体が軸の回転方向に逃げ難くなる。このため、この凸部を軸の回転方向に対して千鳥状に配置することで、軸受隙間を流れる流体が、この凸部を避ける様に多方向に分岐しながら流れていき、その流れが複雑化する。これにより、軸受隙間において流体が逃げにくくなり、一定の空気膜を維持することができる。 It is preferable that the back foil portion has a convex portion protruding toward the bearing surface, and the convex portions are arranged in a staggered manner with respect to the rotation direction of the shaft. At the position of the convex portion, the back foil portion is highly rigid and difficult to deform, and the fluid film formed between the shaft and the shaft becomes high pressure, and the fluid is difficult to escape in the rotational direction of the shaft. For this reason, by arranging the convex portions in a staggered manner with respect to the rotational direction of the shaft, the fluid flowing through the bearing gap flows while branching in multiple directions so as to avoid the convex portions, and the flow is complicated. Turn into. Thereby, it becomes difficult for the fluid to escape in the bearing gap, and a constant air film can be maintained.
本発明によれば、軸受面全体に柔軟性を持たせることができる。これにより、軸受隙間の自動調整機能が良好に発揮されるため、軸とトップフォイル部の接触を確実に防止することが可能になる。 According to the present invention, flexibility can be imparted to the entire bearing surface. Thereby, since the automatic adjustment function of the bearing gap is satisfactorily exhibited, it is possible to reliably prevent contact between the shaft and the top foil portion.
図1に、ターボ機械の一例として、マイクロガスタービンと称されるガスタービン装置の構成を概念的に示す。このガスタービン装置は、主要な構成として、翼列を形成したタービン1と、圧縮機2と、発電機3と、燃焼器4と、再生器5とを備える。タービン1および圧縮機2は、水平方向に延びる軸6に取り付けられて軸6と共に回転側のロータを構成する。軸6の軸方向一端は発電機3に連結されている。このマイクロガスタービンが運転されると、吸気口7から空気が吸入され、吸入された空気は、圧縮機2で圧縮されると共に再生器5で加熱された上で燃焼器4に送り込まれる。燃焼器4は、圧縮・加熱された空気に燃料を混合してこれを燃焼させることにより高温・高圧のガスを発生させ、このガスによりタービン1を回転させる。タービン1が回転すると、その回転力が軸6を介して発電機3に伝達され、発電機3が回転駆動される。発電機3が回転駆動することにより生じた電力は、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。
FIG. 1 conceptually shows a configuration of a gas turbine device called a micro gas turbine as an example of a turbo machine. The gas turbine apparatus includes a turbine 1 having a blade row, a
図2に、図1に示したマイクロガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を概念的に示す。この支持構造では、軸6の周囲にラジアル軸受10が配置され、軸6に設けたフランジ部6bの軸方向両側にそれぞれスラスト軸受30が配置される。これらラジアル軸受10およびスラスト軸受30により、軸6がラジアル方向およびスラスト両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に隣接している関係上高温雰囲気となる。加えて、軸6は、数万rpm以上の回転速度で回転する。そのため、この支持構造で使用する軸受10,30としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。
FIG. 2 conceptually shows an example of a rotor support structure in the micro gas turbine shown in FIG. In this support structure, the
上記のマイクロガスタービン用のラジアル軸受10に適合するフォイル軸受の一例として、多円弧型と呼ばれるものが使用される。以下、この多円弧型フォイル軸受の基本的構成を図3〜図8に基づいて説明する。
As an example of the foil bearing suitable for the
[多円弧型フォイル軸受の基本的構成]
図3に示すように、多円弧型のラジアルフォイル軸受10は、円筒面状の内周面11aを有するフォイルホルダ11と、フォイルホルダ11の内周面11a上で、軸6の回転方向の複数箇所に配置されたフォイル12とを有する。図示例のフォイル軸受10は、内周面11aの三カ所にフォイル12を配置した場合を例示している。各フォイル12の内径側に軸6が挿入されている。
[Basic configuration of multi-arc foil bearing]
As shown in FIG. 3, the multi-arc radial foil bearing 10 includes a
フォイルホルダ11は、例えば焼結金属や溶製材等の金属(例えば鋼材)で形成することができる。フォイルホルダ11の内周面11aのうち、回転方向Rに離隔した複数箇所(フォイル数と同数)には、各フォイル12の取り付け部となる軸方向溝11bが形成されている。
The
各フォイル12を構成するフォイル材は、バネ性に富み、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を、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。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、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、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。
The foil material constituting each
図4に示すように、フォイル12は、軸6の回転方向R側の第一領域12aと、反回転方向側の第二領域12bとを有する。
As shown in FIG. 4, the
第一領域12aは、軸受面Xを形成するトップフォイル部Tfと、トップフォイル部Tfの表面に沿い、かつ回転方向Rと直交する方向N(以下、単に「直交方向N」と呼ぶ)の複数箇所に設けられ、かつ、それぞれ回転方向R側に突出する方向に延びた凸部12a2とを有する。本実施形態では、前記直交方向の三カ所に凸部12a2を形成した場合を例示している。各凸部12a2の基端部には、フォイル縁部から反回転方向に延びる微小な切り込み12a3が設けられている。
The
第二領域12bの後端12d(反回転方向側の端部)には、前記直交方向Nに離隔して、回転方向Rに向けて凹んだ二つの切り欠き部12b2が形成される。各切り欠き部12b2の前記直交方向Nにおける幅寸法は、回転方向Rに向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部12b2全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部12b2は、頂部を尖端状とした略V字状に形成することもできる。各切り欠き部12b2の前記直交方向Nの両側には、それぞれ反回転方向に突出する突出部12b1が形成されている。
At the
第一領域12aと第二領域12bの境界部で、かつ前記直交方向Nの複数箇所(凸部12a2と同数)には、隣接するフォイル12の凸部12a2が差し込まれる、スリット状の差込口12c1が設けられる。このうち、両端の差込口12c1は、前記直交方向Nに直線状に延びて、フォイル12の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口12c1は、前記直交方向Nに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から反回転方向側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。
A slit-like insertion port into which the convex portions 12a2 of the adjacent foils 12 are inserted at a boundary portion between the
図5に示すように、一方のフォイル12の各凸部12a2を、隣接するフォイル12の差込口12c1にそれぞれ差し込むことにより、2枚のフォイル12を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル12のうち、一方のフォイル12にグレーの色を付している。
As shown in FIG. 5, the two foils 12 can be connected by inserting each
そして、図6に示すように、3枚のフォイル12を図5と同様の結合手法により周状に連結する事で、各フォイル12を仮組みの状態にする事ができる。この仮組体を、図7に示すように、筒状にしてフォイルホルダ11の内周に矢印B2の方向へ挿入する事で、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の凸部12a2を、フォイルホルダ11の一方の端面に開口した軸方向溝11b(図7参照)に軸方向一方側から差し込む。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に回転方向Rに並べた状態で取り付けられる。
And as shown in FIG. 6, each
図8に示すように、各フォイル12をフォイルホルダ11に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル12同士が交差した状態となる。この交差部分よりも回転方向R側では、一方のフォイル12の凸部12a2が、他方のフォイル12の差込口12c1を介して他方のフォイル12の背後に回り込み、フォイルホルダ11の軸方向溝11bに挿入されている。また、他方のフォイル12のトップフォイル部Tfが軸受面Xを構成している。交差部分よりも反回転方向側では、一方のフォイル12のトップフォイル部Tfが軸受面Xを構成し、他方のフォイルの第二領域12bが一方のフォイル12の背後に回り込んでバックフォイル部Bfを構成する。このバックフォイル部Bfの反回転方向側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Bfの弾性変形に応じて周方向(回転方向および反回転方向)に変動する。バックフォイル部Bfの回転方向R側の端部は、前記交差部分で他のフォイル12(前記一方のフォイル)と周方向で係合した状態にある。
As shown in FIG. 8, when the
トップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfが重なり合った部分で、フォイル同士が重複したフォイル重複部Wが構成される。このフォイル重複部Wは、回転方向Rの複数箇所(フォイル12と同数であり、本実施形態では三カ所)に形成される。
A foil overlap portion W in which the foils overlap each other is formed at the portion where the top foil portion Tf and the back foil portion Bf overlap. The foil overlapped portion W is formed at a plurality of locations in the rotation direction R (the same number as the
このフォイル軸受10では、各フォイル12の回転方向R側の一端(凸部12a2)がフォイルホルダ11に取り付けられると共に、反回転方向側の領域が他のフォイル12と周方向で係合した状態にある。これにより、隣接するフォイル12同士が周方向で互いに突っ張り合った状態となるため、各フォイル12のトップフォイル部Tfがフォイルホルダ11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。各フォイル12の回転方向R側への移動は、各フォイル12の凸部12a2が軸方向溝11bに突き当たるために規制されるが、各フォイル12の反回転方向側への移動は規制されず、各フォイル12は、バックフォイル部Bfの自由端も含めて反回転方向に移動可能である。
In this foil bearing 10, one end (
図8に示すように、軸方向溝11bがフォイルホルダ11の内周面の接線方向に対して角度θ1だけ僅かに傾斜して設けられるため、軸方向溝11に挿入された凸部12a2の近傍では、トップフォイル部Tfがフォイル12全体の湾曲方向(フォイルホルダ11の内周面11aの湾曲方向)と逆方向に湾曲しようとする。また、トップフォイル部Tfは、バックフォイル部Bfに乗り上げることで、フォイルホルダ11の内周面11aから離反する方向に傾斜した状態で立ち上がる。従って、トップフォイル部Tfの軸受面Xと軸6の外周面の間に楔空間が形成される。また、トップフォイル部Tfは弾性変形可能なバックフォイル部Bfに弾性的に支持された状態となる。
As shown in FIG. 8, since the
軸6の一方向回転中は、楔空間に生じた空気膜(流体膜)が高圧となるため、軸6が浮上力を受ける。そのため、各フォイル12の軸受面Xと軸6の間に環状のラジアル軸受隙間Cが形成され、軸6がフォイル12に対して非接触の状態で回転自在に支持される。トップフォイル部Tfの弾性変形により、ラジアル軸受隙間Cの隙間幅は運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸6の回転が安定的に支持される。なお、図3においては理解の容易化のためラジアル軸受隙間Cの隙間幅を誇張して描いている(図22も同じ)。
While the
軸6の回転中は、流体圧力により、トップフォイル部Tfがバックフォイル部Bfに押さえ付けられて弾性変形するため、バックフォイル部Bfに乗り上げたトップフォイル部Tfには、軸受隙間Cの幅方向の段差が形成される。図5に示すように、各フォイル12の第二領域12bの後端12dに切り欠き部12b2を設けた場合には、この段差は、切り欠き部12b2の形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Tfに沿って流れる流体は、上記の段差に沿って流れるため(矢印を参照)、軸受隙間Cのうち、前記直交方向Nの二カ所に流体の圧力発生部が形成される。これにより、軸6の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図4に示すように、トップフォイル部Tfに微小な切り込み12a3を形成してトップフォイル部Tfの剛性を低下させているため、トップフォイル部Tfが切り欠き部12b2に沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。
While the
[本発明の特徴的構成]
本実施形態のフォイル軸受10は、各フォイル12のバックフォイル部Bfが、図9に示す網状体20で構成される。網状体20は、金属製の線材である複数の経材21と複数の緯材22を規則的に配列し、かつ互いに交差させて形成される。図10に示すように、経材21と緯材22で区画された領域は、表裏に貫通した角穴状の窓部23を構成している。経材21および緯材22として、金属製の線材の他、樹脂製の線材を使用することもできる。
[Characteristic configuration of the present invention]
As for the foil bearing 10 of this embodiment, the back foil part Bf of each
網状体20は、直線状の経材21に対して、緯材22を浮き沈みさせながら織り込むことで形成される。直線状の各経材21は同一レベルにあり(図12a参照)、この経材21の上下を緯材22が交互に通過している。
The net-
この網状体20では、緯材22の浮き沈みした部分で網状体20の表裏側に突出する凸部22a,22bが形成される。緯材22の浮き部分でトップフォイル部Tf側(表側)に突出した凸部22aが形成され、沈み部分でフォイルホルダ11の側(裏側)へ突出する凸部22bが形成される。
In the net-
図4に示すように、トップフォイル部Tfおよびバックフォイル部Bfを一枚のフォイル12で形成する場合、図11に示すように、網状体20と薄板状のトップフォイル部Tfとの周方向端部を、例えば溶接等の方法により連結することでフォイル12を形成することができる。
As shown in FIG. 4, when the top foil portion Tf and the back foil portion Bf are formed by a
このように形成されたフォイル12のバックフォイル部Bfを図5〜図7と同様の手順でフォイルホルダ11に取り付けることにより、図3に示すように、各バックフォイル部Bf(散点模様で示す)を網状体20で形成したラジアルフォイル軸受10が完成する。
By attaching the back foil portion Bf of the
図12(a)は図9のA1−A1線断面図、図12(b)は図9のA2−A2線断面図であり、それぞれフォイル軸受10の断面を示したものである。バックフォイル部Bfの表側の凸部22aがトップフォイル部Tfに接触し、バックフォイル部Bfの裏側の凸部22bがフォイルホルダ11の内周面11aに接触する。
12A is a cross-sectional view taken along the line A1-A1 in FIG. 9, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the line A2-A2 in FIG. 9, each showing a cross section of the
軸6の回転中には、軸受隙間Cで生じる空気圧によりトップフォイル部Tfが圧力Pを受けるため、バックフォイル部Bfには、トップフォイル部Tfを介して圧力P方向の圧縮力が作用する。この際、バックフォイル部Bfを構成する緯材22のうち、凸部22a、22b間の領域22c(図12(a)参照)や、経材21のうち、緯材22の凸部22a,22bに挟まれた領域21c(図12(b)参照)は、圧縮力Pに対する剛性が低い部分となる。そのため、バックフォイル部Bfに圧縮力Pが負荷された際には、これら低剛性の部分21c、22cが、それぞれ図12(a)および図12(b)に示す2点鎖線のように弾性変形して圧縮力Pが吸収される。
While the
一方、凸部22aの位置では、緯材22が圧縮力Pの方向とは逆方向から経材21によって支持されており、この部分が緯材22のその他の部分より剛性の高い部分となる。このため、凸部22aに対応するトップフォイル部Tfの位置では、軸受隙間Cに形成される空気膜が高圧力となり、空気が逃げ難くなる。
On the other hand, at the position of the
図13に示すように、網状体20において、剛性の高い部分である凸部22a(図13の黒丸で示す部分)は、軸受面Xに沿う直交二方向(回転方向Rおよび直交方向N)の両側から剛性の低い部分21c、22c(図13の白丸で示す部分)によって挟まれており、凸部22aの四方を囲う様にして低剛性部21c、22cが設けられる。この低剛性部21c、22cが圧縮力Pを受けて弾性変形することで、高剛性部22aは、矢印N方向およびR方向へ相対移動することができ、バックフォイル部の剛性を低くすることができる。
As shown in FIG. 13, in the
また、網状体20を構成する経材21と緯材22は、お互いが溶接等の方法によって固定されておらず、網状体20内部において、経材21は図9の矢印N方向へ、緯材22は図9の矢印R方向へ、それぞれ相対移動可能に設けられている。従って、バックフォイル部Bfが受ける圧縮力Pに合わせて、それぞれの線材が相対移動することで、経材21と緯材22の間での微小な摺動を許容することができる。この摺動により、バックフォイル部Bfが軸6の回転により受ける振動を吸収し、フォイル軸受10が軸6の回転を安定して支持することができる。
Further, the
ところで、軸受面Xに必要とされる剛性の最適値は、軸受面Xの各部で異なると考えられる。このため、軸6に合わせた最適な軸受剛性を得るためには、部分的にフォイル軸受10の剛性を高くしたり、低くしたりすることで、軸受面Xの各部でその剛性を適切に調整することが必要である。
By the way, it is considered that the optimum value of rigidity required for the bearing surface X is different in each part of the bearing surface X. For this reason, in order to obtain the optimum bearing rigidity that matches the
この点、本実施形態の様に、線材を規則的に配列した網状体20をバックフォイル部Bfとする構成の場合、網状体20の構成を変更することにより、部分的な剛性の変更が容易であり、求められる軸受剛性に合わせたフォイル軸受の設計が可能である。
In this regard, as in the present embodiment, in the case of the configuration in which the
例えば、上記の網状体20では、経材21および緯材22を、それぞれR方向とN方向に等間隔に配置したが、図14に示すように、経材21や緯材22を配置する間隔を部分的に大きくする等、その間隔を変化させてもよい。隣接する線材の間隔を部分的に変化させることで、網状体20のその部分における線材の密度を調整し、バックフォイル部Bfの剛性を部分的に変化させることができる。つまり、線材の密度を大きくすることで、その部分におけるバックフォイル部Bfの剛性を大きくしたり、逆に線材の密度を小さくすることで剛性を小さくしたりすることができる。
For example, in the
また、図14のように経材21の間隔を一部大きくすることで、緯材22の凸部22aと凸部22bの支持スパンS(図12a参照)を大きくすることができる。スパンSを大きくし、緯材22の周方向の曲率を小さくすることで、領域21c、22cの部分が弾性変形しやすくなり、この部分の剛性をさらに低くすることができる。また、これとは逆に、支持スパンSを小さくして緯材22の周方向の曲率を大きくすることで、バックフォイル部Bfの剛性を高くすることができる。この様に、経材21の間隔を調整することで、バックフォイル部Bfの剛性を部分的に調整することができる。
Further, as shown in FIG. 14, by partially increasing the interval between the
また、図15に示すように、部分的に経材21を隣接して2本以上(図では2本)配置する構成とすることもできる。緯材22を支持する経材21の本数を増やすことで、緯材22の支持力を高め、凸部22aにおけるバックフォイル部Bfの剛性を高めることができると共に、トップフォイル部Tfに接触する凸部22aの面積を大きくし、高剛性部の範囲を広げることができる。
Moreover, as shown in FIG. 15, it can also be set as the structure which arrange | positions two or
経材21と緯材22の太さは均一である必要はなく、一部の経材21や緯材22を太くしてその部分の剛性を高めたり、逆に細くすることで剛性を低くして弾性変形しやすくすることもできる。
The thicknesses of the
さらに、複数の異なる材質の金属材により、経材21や緯材22を形成することもできる。部分的に剛性の高い線材を使用する等して、バックフォイル部Bfの剛性を部分的に変化させることができる。
Further, the
また、網状体20を構成する線材の配列方法についても、図9で示した形態のものに限らず、求められる軸受剛性等に応じて適宜変更が可能である。例えば、図9の実施形態とは逆に、経材21を波状、緯材22を直線状としたり、経材21および緯材22を共に波状にすることもできる。また、各線材は矢印R方向あるいは矢印N方向に対して傾斜して設けられていてもよいし、三方向以上に線材が交差して配列される構成であってもよい。
Further, the arrangement method of the wires constituting the
図16に示すように、経材21と緯材22を格子状に配置し、交差部分を溶接等の方法により連結することで網状体20を形成することもできる。経材21と緯材22で区画された領域は、表裏に貫通した角穴状の窓部23を構成している。線材同士の交差部251が圧力Pに対して剛性の高い部分となり、その周囲四方の交差部分に隣接する連結部252が、交差部251よりも剛性の低い部分となる。バックフォイル部Bfが圧力Pを受けると、この連結部252が弾性変形することにより、圧力Pによって生じる圧縮力Pを吸収することができる。
As shown in FIG. 16, the
さらに、図17に示すように、メリヤス編みによって網状体20を形成することもできる。つまり、線材24に形成した複数のループ部24aに、隣接する線材24のループ部24aを通し、これを連続して設けることで網状体20が形成される。網状体20を構成する線材24は、ループ部24a同士を連結する連結部24bが矢印R方向(図の左右の矢印方向)へ伸縮することにより、ループ部24aを矢印N方向(図の上下の矢印方向)へ伸縮させることができる。この線材24の伸縮により、隣接する線材24同士を摺接させて軸6の振動を吸収することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 17, the
以上で説明した網状体20を圧力Pの作用方向に複数枚積層したものをバックフォイル部Bfとすることもできる。これにより、積層された網状体20同士の間で摺動を許容することができ、軸6の振動をより吸収しやすくなる。このため、フォイル軸受10が軸6の回転を安定して支持することができる。また、個々の網状体20の構成を変更することにより、バックフォイル部Bf全体としての剛性やバネ性の調整が容易になる。さらに、複数のバックフォイル部Bfによってトップフォイル部Tfの裏側から軸6を支持することができ、バックフォイル部Bf全体としての支持剛性を高めることもできる。
A backfoil portion Bf may be formed by laminating a plurality of the
このように、線材を規則的に配置した網状体20によってバックフォイル部Bfを形成することにより、網状体20における線材の配列の方法や線材同士の交差のさせ方(織り方や編み方)を変更することで、バックフォイル部Bfの形状を多様に変化させることができる。また、線材の太さや材料等を部分的に変更することもでき、図4や図23のような板材でバックフォイル部Bfを形成するフォイル軸受と比較して、バックフォイル部Bfの軸受剛性等の特性に対する設計の自由度が格段に向上する。このため、軸受面の各部で求められる剛性に合わせた、最適な軸受剛性を有するフォイル軸受を実現することができる。
In this way, by forming the back foil portion Bf by the
本発明の線材を規則的に配置して形成する網状体としては、図9で示したバックフォイル部Bfのように、バックフォイル部Bf全体にわたって線材を等間隔で配置する場合の他、図14の様にその間隔を一部変更した場合や線材の太さを変えた場合、線材同士の交差のさせ方を変えた場合等、線材の配列の規則性を一部変更したものも含まれる。バックフォイル部Bf全体、あるいはその一部において、線材を規則的に配列することにより、バックフォイル部Bfの剛性やバネ性等を周期的に変化させることができるので、バックフォイル部Bfにおける剛性やバネ性等の管理が容易になる利点がある。 As a net-like body formed by regularly arranging the wire rods of the present invention, as in the case of the back foil portion Bf shown in FIG. 9, the wire rods are arranged at equal intervals over the entire back foil portion Bf. In this case, a part of the regularity of the arrangement of the wires is included, such as when the interval is partially changed, when the thickness of the wire is changed, or when the way of crossing the wires is changed. By regularly arranging the wires in the entire backfoil part Bf or a part thereof, the rigidity and springiness of the backfoil part Bf can be periodically changed. There is an advantage that management of springiness and the like becomes easy.
また、図4で示したバックフォイル部Bfの様に、網状体20を、フォイル12の後端側に切り欠き部12b2を設けた形状に形成することもできる。また、線材の密度を変更する等して、切り欠き部12b2に相当する部分を高剛性部、バックフォイル部Bfのその他の部分を低剛性部として、図4のバックフォイル部Bfに形成される流体の圧力発生部と同等の圧力発生部を形成し、軸6の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することも可能である。
Further, like the back foil portion Bf shown in FIG. 4, the
図18(a)は、軸受面Xを軸6の側から見た模式図で、図のハッチング部分Dがバックフォイル部Bfの凸部22aが設けられた部分に相当する。凸部22aは、緯材22が軸6の側へ突出した部分で、経材21と緯材22が交差した部分である。この部分では、バックフォイル部Bfが受ける圧力Pに対して凸部22aが高剛性となって変形しにくいため、軸受隙間Cに形成される空気膜が高圧力になり、空気が軸受面に沿う方向へ逃げ難くなる。本発明では、軸6の回転方向である矢印R方向に対して、この高圧部D(凸部22a)がいわゆる千鳥状に配置されている。
FIG. 18A is a schematic view of the bearing surface X viewed from the
軸6が回転すると、軸6と軸受面Xの間に形成される軸受隙間Cにおいて、矢印R方向に空気が流れる。この際、高圧部Dの位置では、高圧力下で空気膜が形成されて空気が逃げ難くなっており、軸受隙間Cを流れる空気は、軸受面X上に千鳥状に配置された高圧部Dを避けるように、低圧部分を多方向に分岐しながら流れる(例えば、図の矢印方向へ分岐しながら流れる)。
When the
一方、例えば図18(b)に示すように、高圧部(凸部)が矢印R方向と平行に配置された構成では、軸6の回転によって軸受隙間Cへ流入した空気は、高圧部Dに衝突することなく、矢印R方向と平行な方向へ進路を変えずに流れていく。このため、軸受隙間Cから空気が抜けやすくなり、軸受隙間Cにおいて一定の空気膜を維持することが難しくなってしまう。
On the other hand, for example, as shown in FIG. 18B, in the configuration in which the high pressure portion (convex portion) is arranged in parallel with the arrow R direction, the air that has flowed into the bearing gap C due to the rotation of the
これに対して本実施形態では、軸受隙間Cを流れる空気が、上記の様に多方向へ分岐してその進路を繰り返し変更しながら矢印R方向に流れるため、軸受隙間Cから空気が抜けにくくなる。また、軸受面X全体に高圧部Dが分散して設けられているため、この高圧部Dの間に設けられた低圧部を通って軸受面X全体に均等に空気が供給されやすくなる。これらにより、軸受隙間Cに一定の空気膜を形成することができ、フォイル軸受10が、軸6を安定して非接触支持することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the air flowing through the bearing gap C branches in multiple directions as described above and flows in the direction of the arrow R while repeatedly changing its course, so that it is difficult for air to escape from the bearing gap C. . In addition, since the high pressure portions D are provided in a distributed manner on the entire bearing surface X, air is easily supplied to the entire bearing surface X through the low pressure portions provided between the high pressure portions D. Thus, a constant air film can be formed in the bearing gap C, and the foil bearing 10 can stably support the
矢印R方向に高圧部(凸部)Dを千鳥状に配置する例として、図18(a)で示した図9の網状体20の配置の他、例えば図18(c)に示すように高圧部Dを配置する網状体20であってもよい。この様に、矢印R方向に隣接する高圧部Dを、矢印N方向の両側に交互にずらして配置することにより、軸受隙間Cにおける空気の流れを複雑化させ、軸受隙間Cに一定の空気膜を形成することができる。
As an example of arranging the high pressure portions (convex portions) D in a staggered manner in the direction of the arrow R, in addition to the arrangement of the
以上の説明では、フォイル軸受10として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図19に示すいわゆるリーフ型のラジアルフォイル軸受10にも本発明を適用することができる。リーフ型フォイル軸受は、回転方向R側の一端を自由端とし、反回転方向側の他端を固定端とした複数のフォイル12(リーフ)を軸6の回転方向Rに配置したもので、各フォイル12の回転方向R側の領域がトップフォイル部Tfとして機能し、反回転方向側の領域がバックフォイル部Bfとして機能する。このリーフ型のラジアルフォイル軸受において、各リーフ12のバックフォイル部Bf(散点模様で示す)を網状体20で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
In the above description, a so-called multi-arc radial foil bearing has been exemplified as the foil bearing 10, but the form of the foil bearing to which the present invention is applicable is not limited thereto. For example, the present invention can be applied to a so-called leaf-type radial foil bearing 10 shown in FIG. The leaf type foil bearing is configured by arranging a plurality of foils 12 (leafs) in the rotation direction R of the
また、図20に示すいわゆるバンプ型のラジアルフォイル軸受10にも本発明を適用することもできる。バンプ型のフォイル軸受10では、バックフォイル部Bfの全体を網状体20で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図20では、バックフォイル部Bfをフォイルホルダ11の内周面11aの全周にわたって連続させているが、バックフォイル部Bfを周方向の一個所もしくは複数箇所で分割することもできる。この場合、分割した個々の要素が網状体20で形成される。
The present invention can also be applied to a so-called bump-type radial foil bearing 10 shown in FIG. In the bump
さらに図21に示すスラストフォイル軸受30にも本発明を適用することもできる。図21はスラストフォイル軸受30の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。このスラストフォイル軸受においても、図22に示すように、各リーフ12のバックフォイル部Bf(散点模様で示す)を網状体20で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
Furthermore, the present invention can also be applied to the thrust foil bearing 30 shown in FIG. FIG. 21 shows a leaf type thrust foil bearing as an example of the thrust foil bearing 30. Also in this thrust foil bearing, as shown in FIG. 22, the same effect as described above can be obtained by forming the back foil portion Bf (indicated by the dotted pattern) of each
なお、以上の説明では、軸6を回転側部材とし、フォイルホルダ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、フォイルホルダ11を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイル12が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル12全体の変形を考慮してフォイル12の設計を行う必要がある。
In the above description, the case where the
また、本発明にかかるフォイル軸受は、上述したガスタービンに限られず、例えば過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受としても使用することができる。以上の例示に限らず、本発明にかかるフォイル軸受は、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、本実施形態の各フォイル軸受は、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可能である。 The foil bearing according to the present invention is not limited to the gas turbine described above, and can be used as a foil bearing that supports a rotor of a turbomachine including a supercharger, for example. The foil bearing according to the present invention is not limited to the above examples, and can be widely used as a bearing for a vehicle such as an automobile and further as a bearing for industrial equipment. Further, each foil bearing of the present embodiment is an air dynamic pressure bearing using air as a pressure generating fluid, but is not limited thereto, and other gases can be used as the pressure generating fluid, or water or oil It is also possible to use a liquid such as
6 軸
10 ラジアルフォイル軸受
11 フォイルホルダ
12 フォイル
20 網状体
21 経材(線材)
22 緯材(線材)
22a 凸部
22b 凸部
30 スラストフォイル軸受
Tf トップフォイル部
Bf バックフォイル部
C 軸受隙間
D 高圧部
R 回転方向
N 直交方向
X 軸受面
6
22 Weft (wire)
22a
Claims (7)
前記バックフォイル部が、複数の線材を交差させ、かつ規則的に配置されて形成された網状体からなることを特徴とするフォイル軸受。 A bearing gap between the shaft and the bearing surface, comprising a top foil portion having a bearing surface facing the shaft to be supported, and a back foil portion for elastically supporting the top foil portion behind the top foil portion. In the foil bearing that supports the relative rotating shaft in a non-contact manner with the fluid film generated in
The foil bearing is characterized in that the back foil portion is formed of a net-like body formed by crossing a plurality of wires and regularly arranging the wires.
前記凸部が、前記軸の回転方向に対して千鳥状に配列された請求項1から6いずれか1項に記載のフォイル軸受。 The back foil portion has a convex portion protruding to the bearing surface side,
The foil bearing according to any one of claims 1 to 6, wherein the convex portions are arranged in a staggered manner with respect to a rotation direction of the shaft.
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JP2020122555A (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-13 | 三菱重工業株式会社 | Gas bearing and rotating machine |
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