JP2019082195A - Foil bearing, foil bearing unit and turbo machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォイル軸受、フォイル軸受ユニット、フォイル軸受を備えたターボ機械に関する。 The present invention relates to a foil bearing, a foil bearing unit, and a turbomachine provided with a foil bearing.
ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の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、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しながら荷重を支持するものである(例えば、特許文献1)。 Foil bearings have attracted attention as bearings for supporting the shaft of turbomachines such as gas turbines and turbochargers. The foil bearing constitutes a bearing surface with a thin film (foil) having flexibility, and supports a load while allowing deflection of the bearing surface (for example, Patent Document 1).
上記のフォイル軸受は、軸とフォイルとの間に媒介される流体(気体)によって軸を非接触支持しており、起動停止時には軸とフォイルとの間で接触が生じる。このため、フォイル表面の耐摩耗性や耐久性を向上させるために、フォイルの軸受面にDLCや二硫化モリブデン、ニッケルメッキ等の被膜を形成するコーティング処理を施す発明が既になされている(例えば、特許文献2,3)。
The above-mentioned foil bearing supports the shaft in a non-contact manner by the fluid (gas) which is mediated between the shaft and the foil, and a contact occurs between the shaft and the foil at the time of start and stop. For this reason, in order to improve the wear resistance and durability of the foil surface, inventions have already been made to apply a coating treatment to form a coating such as DLC, molybdenum disulfide or nickel plating on the bearing surface of the foil (for example,
上記のように、被膜を形成することにより、フォイルの耐摩耗性や耐久性を向上させることができるが、一方で、被膜の種類によってはフォイルの剛性が高くなり過ぎる場合がある。例えば、DLC等の硬質の被膜をフォイルに形成すると、フォイルの可撓性が損なわれて軸受機能が低下してしまったり、特許文献1のように予圧を与えるタイプのフォイル軸受の場合、予圧が過大になってフォイルの変形や摩耗が生じてしまう。また、コーティング処理を施した後の被膜には残留応力が生じ、この残留応力がフォイルの反りの原因となって、軸受の組立性や軸受機能の低下を招くといった課題もある。 As described above, by forming a film, the wear resistance and durability of the foil can be improved, but on the other hand, depending on the type of film, the rigidity of the foil may be too high. For example, when a hard coating such as DLC is formed on the foil, the flexibility of the foil is impaired and the bearing function is reduced, or in the case of a foil bearing of a type giving a preload as in Patent Document 1, the preload is It becomes excessive and deformation and wear of the foil occur. In addition, there is a problem that residual stress is generated in the film after the coating process, and the residual stress causes the warp of the foil to cause deterioration in the assemblability of the bearing and the bearing function.
このような事情から、本発明では、構成する材質を問わず、フォイルの剛性を一定以下に維持することで、フォイルに可撓性を持たせ、フォイルの反りを防止できる摺動層を有するフォイル軸受を実現することを目的とする。 From such a circumstance, in the present invention, regardless of the material to be configured, maintaining the rigidity of the foil at a certain level or less allows the foil to have flexibility and has a sliding layer capable of preventing the foil from warping. The purpose is to realize bearings.
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たフォイルとを備え、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、前記フォイルは、前記軸を支持する面に摺動層を有し、前記摺動層は、前記フォイルの母材と異なる材質によって形成され、フォイル軸受の周方向に分割された複数の領域からなるフォイル軸受を特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is a foil bearing comprising a foil holder and a foil attached to the foil holder, the foil bearing rotatably supporting an axis, the foil supporting the axis And a sliding layer, the sliding layer being formed of a material different from the base material of the foil, and characterized by a foil bearing comprising a plurality of regions divided in the circumferential direction of the foil bearing.
摺動層を周方向に複数の領域に分割することにより、領域と領域の隙間において、母材の弾性変形を許容することができるため、フォイルに可撓性を持たせることができる。また、摺動層を複数に分割することにより、個々の領域において、摺動層形成時に生じる残留応力を小さくすることができるため、フォイルの反りを防止できる。 By dividing the sliding layer into a plurality of regions in the circumferential direction, it is possible to allow elastic deformation of the base material in the gap between the regions, so that the foil can have flexibility. In addition, by dividing the sliding layer into a plurality of pieces, it is possible to reduce the residual stress generated at the time of forming the sliding layer in each region, so that the foil can be prevented from warping.
本発明では、フォイルに摺動層を設けて、フォイルの耐久性や耐摩耗性を向上させると共に、フォイルの可撓性を維持し、摺動層形成時のフォイルの変形を防止することができる。 In the present invention, the foil can be provided with a sliding layer to improve the durability and wear resistance of the foil, maintain the flexibility of the foil, and prevent deformation of the foil when forming the sliding layer .
図1に、ターボ機械の一例として、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。
FIG. 1 conceptually shows the configuration of a gas turbine apparatus as an example of a turbomachine. This gas turbine mainly includes a turbine 1 and a
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。
FIG. 2 shows an example of the support structure of the rotor in the gas turbine. In this support structure, the
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。
In this support structure, the area between the turbine 1 and the
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、および、フォイル軸受10を備えたフォイル軸受ユニット30の構成を図面に基づいて説明する。
Hereinafter, the configuration of the foil bearing 10 compatible with the radial bearing for the gas turbine and the
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13とを有する。複数のフォイル13は、フォイルホルダ11の内周面に周方向に並べて配置される。また、フォイル軸受10と、フォイル軸受10の支持する軸6とによって、フォイル軸受ユニット30が構成される。
As shown in FIG. 3, the foil bearing 10 has a cylindrical (cylindrical in the illustrated example)
フォイルホルダ11の内周面11aには、溝11bが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ11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11bが設けられる。フォイルホルダ11は金属で形成され、例えば溝11b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11は、焼結金属で一体に型成形される。なお、フォイル軸受10が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ11を樹脂で型成形してもよい。
A
各フォイル13は、図4(a)に示すように、周方向一端に設けられた凸部13cと、周方向他端に設けられた凹部13dとを備える。各フォイル13の凸部13cと凹部13dとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図4(b)に示すように、各フォイル13の凸部13cを、隣接するフォイル13の凹部13dに嵌め込むことで、3枚のフォイル13を筒状に仮組みすることができる。この場合、図3に示す軸方向視において、各フォイル13の周方向一端(凸部13c)と、隣接するフォイル13の周方向他端(凹部13dの軸方向両側の凸部13e)とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル13の周方向両端が、フォイルホルダ11に保持される。具体的には、各フォイル13の周方向他端の凸部13eがフォイルホルダ11の溝11bに差し込まれ、各フォイル13の周方向一端の凸部13cが、隣接するフォイル13の外径面13bとフォイルホルダ11の内周面11aとの間に配される。この場合、複数のフォイル13の回転方向先行側への移動は、各フォイル13の凸部13eが溝11bの角部に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル13の回転方向後方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13が、フォイルホルダ11に対して周方向移動可能とされる。
Each
各フォイル13の内径面13aは、ラジアル軸受面Sとして機能する(図3参照)。図示例では、3枚のフォイル13で多円弧型のラジアル軸受面Sを形成している。フォイルホルダ11の内周面11aと各フォイル13との間には、フォイル13に弾性力を付与するための部材(バックフォイル等)は設けられておらず、フォイル13の外径面13bとフォイルホルダ11の内周面11aとが摺動可能とされる。各フォイル13の凸部13cは、隣接するフォイル13のラジアル軸受面Sの外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。
The
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。
The
以上の構成において、軸6が円周方向一方(図3の矢印方向)に回転すると、フォイル軸受10のフォイル13のラジアル軸受面Sと軸6の外周面6aとの間に軸受隙間が形成され、この軸受隙間に生じる空気膜の圧力により軸6がラジアル方向に支持される。
In the above configuration, when the
このとき、フォイル13が有する可撓性により、各フォイル13の軸受面S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、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、軸受隙間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。
At this time, due to the flexibility of the
また、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13の軸受面S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S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。このため、本実施形態では、各フォイル13の軸受面S(内径面13a)に表面を低摩擦化するための被膜を形成し、フォイル13表面の摩耗を防止する。
In addition, it is difficult to form an air film having a thickness equal to or greater than the surface roughness on the bearing surface S of each
具体的には、図5および図6に示すように、フォイル13の軸受面S(内径面13aに摺動層14を設ける。摺動層14は、フォイル軸受の周方向に分割された複数の被膜(領域)14aによって構成される。各被膜14aは、フォイル13の軸方向に延在して設けられる。
Specifically, as shown in FIGS. 5 and 6, the bearing surface S of the foil 13 (the sliding
本実施形態では、被膜14aは、DLCによって形成される硬質の被膜である。しかしこれに限らず、軟質の被膜を用いてもよい。その他の例として、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。
In the present embodiment, the
フォイル13の軸受面Sに摺動層14を設けることにより、フォイル13の耐久性や耐摩耗性を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。
By providing the sliding
また、本実施形態のように、複数に分割された被膜14aによって摺動層14を構成することにより、被膜14aとして硬質の被膜を用いた場合であっても、フォイル13の可撓性を損なうことがない。つまり、図6の拡大図に示すように、被膜14aと被膜14aの隙間Xにおいて、母材であるフォイル13の弾性変形を許容することができる。例えば、図7に示すように、フォイル13が、軸6の外周面6aに沿って弾性変形することを可能にする。
Further, as in the present embodiment, by forming the sliding
従って、本実施形態の構成により、摺動層14を構成する被膜14aの材質を問わず、フォイル13にかかる荷重や軸6の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じたフォイル13の弾性変形を許容することができる。これにより、フォイル軸受10が適切な軸受隙間を形成することができ、フォイル軸受10の設計が容易になる。また、フォイル13の剛性が大きくなり過ぎないため、フォイル13に予圧を与えるような構成のフォイル軸受であっても、その予圧が過大になることを防止できる。
Therefore, according to the configuration of the present embodiment, regardless of the material of the
さらに、本実施形態の摺動層の構成により、被膜の残留応力によるフォイル13の変形を抑制することができる。つまり、図8に示す本実施形態と異なる構成の摺動層14’のように、摺動層14’がフォイル13の周方向にわたって単一の領域からなる場合には、被膜14’に生じる残留応力により、フォイル13に対して、フォイル13を引っ張る、あるいは圧縮させる方向に大きな力が加わることになる。これにより、フォイル13が変形し、フォイル軸受の組立性の悪化や軸受機能の低下を生じてしまう。一方、図6に示す本実施形態の構成のように、摺動層14が周方向に分割された複数の被膜14aによって構成される場合には、それぞれの被膜14aからフォイル13に加えられる力が相対的に小さくなることにより、フォイル13全体としての反りを抑制することができ、軸受の品質が安定する。
Furthermore, by the configuration of the sliding layer of the present embodiment, it is possible to suppress the deformation of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。上記フォイル軸受の形状は一例であり、その形状に限定されない事はもちろんである。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Of course in the range which does not deviate from the summary of this invention, a various change can be added. The shape of the above-mentioned foil bearing is an example, and of course it is not limited to the shape.
以上の実施形態では、ラジアルファイル軸受10に本発明の摺動層を適用する場合を示したが、スラストフォイル軸受20(図2参照)の軸受面(フランジ部6bに対向する面)に、本発明の摺動層を設けてもよい。
Although the case where the sliding layer of the present invention is applied to the radial file bearing 10 is shown in the above embodiment, the present invention is applied to the bearing surface (surface facing the
以上の実施形態では、摺動層をフォイルの周方向に複数の領域に分割する場合を示した。これに加えて、摺動層を軸方向に複数の領域に分割する構成であることが好ましい。 The above embodiment shows the case where the sliding layer is divided into a plurality of regions in the circumferential direction of the foil. In addition to this, it is preferable that the sliding layer be divided into a plurality of regions in the axial direction.
フォイル13の軸受面Sに摺動層14を設けることに加えて、軸6の外周面6aに被膜等により構成される摺動層を設けてもよい。
In addition to providing the sliding
本発明にかかるフォイル軸受ユニット30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。また、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。
The application object of the
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。 In addition, each foil bearing described above is an air dynamic bearing using air as a pressure generating fluid, but the invention is not limited to this, it is possible to use other gas as a pressure generating fluid, or water or oil Liquids such as can also be used.
10 フォイル軸受
11 フォイルホルダ
13 フォイル
14 摺動層
14a 被膜(領域)
30 フォイル軸受ユニット
S 軸受面
10 foil bearing 11
30 foil bearing unit S bearing surface
Claims (3)
前記フォイルは、前記軸を支持する面に摺動層を有し、
前記摺動層は、前記フォイルの母材と異なる材質によって形成され、フォイル軸受の周方向に分割された複数の領域からなることを特徴とするフォイル軸受。 A foil bearing comprising a foil holder and a foil attached to the foil holder, the foil bearing rotatably supporting an axis relative to each other,
The foil has a sliding layer on the surface supporting the shaft,
A foil bearing, wherein the sliding layer is made of a material different from a base material of the foil, and is composed of a plurality of circumferentially divided regions of a foil bearing.
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DE102022130865A1 (en) | 2021-11-26 | 2023-06-01 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | turbo fluid machine |
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