JP2020041588A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】各フォイルの下流側端部にセレーションを設けたフォイル軸受の負荷容量を増大させる。【解決手段】各フォイル２０が、軸受面を有するトップフォイル部２１と、上流側に隣接するフォイル２０のトップフォイル部２１の軸受面と反対側の面を支持するアンダーフォイル部２２とを有する。トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａ及びアンダーフォイル部２２の上流側端部の縁２２ａが、何れも、両端から互いに接近する側へ向けて下流側に変位した略Ｖ字形状を成す。トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａに、複数の山部Ｃ１と谷部Ｃ２とが交互に配された凹凸形状（セレーションＣ）が設けられる。山部Ｃ１の下流側端部が、その両側に隣接する谷部Ｃ２の上流側端部を通る回転方向の線Ｌ１，Ｌ２の間に配される。【選択図】図５

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。

フォイル軸受は、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しながら荷重を支持するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。

一般的なフォイル軸受として、軸受面を有する平滑なトップフォイルの背後に波形のバックフォイル（バンプフォイル）を配し、バックフォイルの弾性力により軸受面にばね性を付与する、いわゆるバンプ型のフォイル軸受が知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。

この他、バックフォイルを設けず、複数のフォイルを重なり合うように配置して、その重なり部分で軸受面にばね性を付与する、いわゆるリーフ型のフォイル軸受が知られている（例えば、下記の特許文献２参照）。

下記の特許文献３に示されているリーフ型のフォイル軸受では、各フォイルの自由端（下流側端部）の縁に、山部と谷部とを交互に有する凹凸形状を設けることにより、フォイル軸受の負荷容量を増加させている。

また、下記の特許文献４の図６〜８に示されているリーフ型のフォイル軸受では、各フォイルの上流側端部の縁を、両端から互いに接近する側へ向けて下流側に変位させた略Ｖ字形状としている。このフォイル軸受では、各フォイルの上流側の縁に乗り上げた隣接するフォイルに略Ｖ字形状の段差が形成され、この段差に沿って潤滑流体（エア）が半径方向中央側に集められることで、流体圧が高められて負荷容量が増大する。このフォイル軸受では、各フォイルの下流側の端部の縁も、上流側の端部の縁と同様に略Ｖ字形状を成している。

実開昭６１−３６７２５号公報 特公平４−５４３０９号公報 特開２０１３−４７５５５号公報 特開２０１５−１１３９２８号公報

上記特許文献３に示されているフォイル軸受において、フォイルの下流側端部の縁に凹凸形状を設けることで負荷容量が増大する原理は以下の通りである。各フォイルと軸（スラストカラー）との間には、下流側に行くにつれて隙間幅が小さくなる楔状の軸受隙間が形成され、隙間幅が最小となる各フォイルの下流側端部において、軸受隙間の流体圧が最大となる。例えば、フォイル軸受の作動流体が低粘度の流体（例えばエア）である場合、軸の回転速度が高くなるにつれて、軸の表面付近の流速ばかりが高くなり、軸受隙間全体の流速は高くなりにくいため、軸受隙間の最小隙間部に押し込まれる流量が増えにくい。

そこで、図１０に示すように、各フォイル１２０の下流側端部の縁１２０ａに凹凸形状としてのセレーションＣ’を設けると、セレーションＣ’の山部Ｃ１’では流体圧が高圧となる一方で、セレーションＣ’の谷部Ｃ２’では流体圧が開放されて低圧となる。このようなセレーションＣ’の山部Ｃ１’と谷部Ｃ２’との間に生じる流体の圧力差により、軸受幅方向（ラジアル軸受では軸方向、スラスト軸受では半径方向）の流体の速度差と、隙間方向（軸受面と直交する方向）の二次流れが発生する。この二次流れにより、軸の表面付近の流体の速度エネルギーが隙間方向に伝わり、軸受隙間全体の流速が高められ、最小隙間部に押し込まれる流量が増えて負荷容量が増加する。

本発明は、上記のような各フォイルの下流側端部にセレーション等の凹凸形状を設けたリーフ型のフォイル軸受を改良して、負荷容量をさらに増大させることを目的とする。

例えば、上記特許文献４に示されているような略Ｖ字形状を成した各フォイルの下流側端部の縁に、上記特許文献３に示されているようなセレーションを適用すれば、負荷容量の向上が期待できる。図１１に、リーフ型のスラストフォイル軸受の各フォイル２２０の下流側端部にセレーションＣを適用した例を示す。この例では、各フォイル２２０の下流側端部の縁２２１の頂部よりも外径側（図１１では上側）の山部Ｃ１は、軸の回転方向（点線参照）に対して外径側に傾斜した方向に突出している。この場合、各谷部Ｃ２を回転方向下流側に延長した経路上に、隣接する山部Ｃ１が迫り出しているため、山部Ｃ１と谷部Ｃ２の圧力差により生じた二次流れが下流側の山部Ｃ１で阻害され、負荷容量が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、軸の相対回転方向に並べて配された複数のフォイルを有するフォイル軸受であって、各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、上流側に隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側の面を支持するアンダーフォイル部とを有し、前記トップフォイル部の下流側端部の縁及び前記アンダーフォイル部の上流側端部の縁が、それぞれ両端から互いに接近する側へ向けて下流側に変位した略Ｖ字形状を成し、前記トップフォイル部の下流側端部の縁に、複数の山部及び谷部を交互に有する凹凸形状が設けられ、各山部の下流側端部が、その両側に隣接する前記谷部の上流側端部を通る前記相対回転方向の線の間に配されたフォイル軸受を提供する。

このように、本発明に係るフォイル軸受では、トップフォイル部の下流側端部の縁に設けられた凹凸形状（例えばセレーション）を、各山部の下流側端部が、その両側に隣接する谷部の上流側端部を通る回転方向線の間に配するように形成した。この場合、凹凸形状の山部が、回転方向に沿って下流側に突出するため、凹凸形状の各谷部を回転方向下流側に延長した経路上に、隣接する山部が迫り出さない。これにより、凹凸形状の山部と谷部の圧力差で生じた二次流れが下流側の山部で阻害される事態が回避されるため、軸受隙間全体の流量を効率的に増大させることができる。

上記のフォイル軸受は、軸をラジアル方向に支持するラジアル軸受としても、軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受としても使用することができる。

上記のフォイル軸受に対して軸が相対回転したとき、略Ｖ字形状を成したトップフォイル部の下流側端部の縁の頂部付近において、軸受隙間の流体圧が最大となる。従って、トップフォイル部の下流側端部の縁のうち、該縁の頂部を含む領域に凹凸形状を設ければ、山部と谷部とで圧力差が発生しやすいため、二次流れを効果的に発生させることができる。

上記のフォイル軸受をスラスト軸受として使用する場合、略Ｖ字形状を成した各フォイルの下流側端部の縁の外径側領域は、内径側領域と比べて、回転方向に対する角度が小さくなることが多い。このように、回転方向に対する角度が小さい縁の外径側領域に、上記のような回転方向に沿って下流側に突出した山部を設けると、山部の軸回転方向長さが長くなるため、山部が軸と接触しやすくなって負荷容量の低下やフォイルの異常摩耗を招く恐れがある。従って、トップフォイル部の下流側端部の縁の外径側領域に、山部及び谷部を有さない平滑領域を設けて、軸回転方向長さの長い山部を省略することが好ましい。具体的には、略Ｖ字形状を成したトップフォイル部の下流側端部の縁のうち、圧力差を発生させやすい頂部を含む領域に凹凸形状を設け、凹凸形状の外径側に平滑領域を設けることが好ましい。

以上のように、各フォイルの下流側端部の縁に設けられた凹凸形状を特定することで、軸受隙間の流量を効率的に増やして、フォイル軸受の負荷容量を増大させることができる。

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。 上記フォイル軸受を軸方向から見た正面図である。 上記フォイル軸受に設けられたフォイルの正面図である。 図２のＸ−Ｘ線における断面図である。 図２の拡大図である。 他の実施形態に係るフォイル軸受の正面図である。 さらに他の実施形態に係るフォイル軸受の正面図である。 さらに他の実施形態に係るフォイル軸受の正面図である。 下流側端部の縁の全域にセレーションが設けられたフォイルの正面図である。 従来のフォイル軸受のフォイルに設けられたセレーションを概略的に示す正面図である。 略Ｖ字形状のフォイルの縁にセレーションを適用した例を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係るフォイル軸受１は、図１に示すように、軸２を回転自在にスラスト方向に支持するものであり、作動流体として空気を用いる空気動圧軸受である。フォイル軸受１は、円盤状のフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の端面１１に取り付けられた複数のフォイル２０とを有する。尚、以下の説明では、軸２が正方向（図２の矢印方向）に回転したときの、フォイル２０に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。

フォイルホルダ１０は、金属や樹脂等で円盤状に形成される。軸２に設けられたスラストカラー３と軸方向に対向するフォイルホルダ１０の一方の端面１１には、複数のフォイル２０が取り付けられる。フォイルホルダ１０の他方の端面１２は、フォイル軸受１が組み込まれる設備（例えばガスタービン等のターボ機械）のハウジングに固定される。

フォイル２０は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。フォイル２０は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属薄板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作動流体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、ステンレス鋼もしくは青銅でフォイル２０を形成することが好ましい。

複数のフォイル２０は、図２に示すように、軸２の回転方向に並べて配置される。各フォイル２０は、図３に示すように、トップフォイル部２１と、トップフォイル部２１の上流側に設けられたアンダーフォイル部２２と、アンダーフォイル部２２の外径側に設けられた固定部２３とを一体に備える。トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａは、半径方向両端から互いに接近する側（中央側）へ向けて下流側に変位した略Ｖ字形状を成している。アンダーフォイル部２２の上流側端部の縁２２ａも、半径方向両端から中央側へ向けて下流側に変位した略Ｖ字形状を成している。図示例では、これらの縁２１ａ，２２ａの頂部（下流側端部）が略円弧状に丸まっている。

各フォイル２０の固定部２３は、フォイルホルダ１０の端面１１に溶接等の適宜の手段で固定される。全てのフォイル２０をフォイルホルダ１０に取り付けた状態では、図４に示すように、各フォイル２０のトップフォイル部２１が、下流側に隣接するフォイル２０のアンダーフォイル部２２に乗り上げて配置される。トップフォイル部２１のスラストカラー３側の面（図２で見えている面）は軸受面として機能し、この軸受面が、下流側に隣接するフォイル２０のアンダーフォイル部２２で背後から支持される。各フォイル２０が、隣接するフォイル２０に乗り上げて形成される湾曲部により、トップフォイル部２１に隙間方向（スラスト方向）のばね性が付与される。

図５に示すように、トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａには、山部Ｃ１と谷部Ｃ２とを交互に有する凹凸形状としてのセレーションＣが設けられる。本実施形態では、トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａの全域にセレーションＣが設けられる（図３参照）。セレーションＣの全ての山部Ｃ１は、それぞれの両側に隣接する谷部Ｃ２の頂点（上流側端部）を通る回転方向の線Ｌ１，Ｌ２の間に配される。これにより、山部Ｃ１が、回転方向で下流側に突出して設けられる。具体的には、各山部Ｃ１の外径側の稜線が、外径側に隣接する谷部Ｃ２の頂点を通る回転方向の線Ｌ１よりも内径側に配され、且つ、各山部Ｃ１の内径側の稜線が、内径側に隣接する谷部Ｃ２の頂点を通る回転方向の線Ｌ２よりも外径側に配される。

軸２が正方向（図４の矢印方向）に回転すると、フォイル軸受１のフォイル２０の軸受面とスラストカラー３の端面３ａとの間に軸受隙間Ｇが形成され、軸受隙間Ｇに生じる空気膜の圧力により、軸２がスラスト方向に支持される。このとき、荷重や軸２の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて各フォイル２０が変形することで、軸受隙間Ｇが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Ｇを最適幅に管理することができ、軸２を安定して支持することが可能となる。

具体的に、各フォイル２０のトップフォイル部２１が、下流側に隣接するフォイル２０のアンダーフォイル部２２に乗り上げて湾曲することにより、各フォイル２０の軸受面とスラストカラー３の端面３ａとの間に、下流側へ向けて漸次縮小した楔状の軸受隙間Ｇが形成される。そして、軸２の回転に伴って、軸受隙間Ｇの空気が、各フォイル２０のトップフォイル部２１の下流側端部付近とスラストカラー３の端面３ａとの間に形成される最小隙間部Ｇ１に押し込まれることにより、空気圧が高められる。このとき、図３に示すように、各フォイル２０のアンダーフォイル部２２の上流側端部の縁２２ａが略Ｖ字形状を成していることで、これに乗り上げたフォイル２０のトップフォイル部２１に、略Ｖ字形状の段差が形成される。この段差に沿って、軸受面の半径方向中央に空気が集められることで、軸受隙間Ｇの空気圧がさらに高められる。

また、図５に示すように、各フォイル２０のトップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａに、山部Ｃ１及び谷部Ｃ２を交互に有するセレーションＣが設けられているため、軸受隙間Ｇの最小隙間部Ｇ１における圧力が、山部Ｃ１において高くなり、谷部Ｃ２において低くなる。この圧力差により、軸受隙間Ｇの最小隙間部Ｇ１の流体に、隙間方向（図４の上下方向）の速度成分を有する二次流れＦ２が発生する。この二次流れにより、スラストカラー３の端面３ａ付近の流体の流れＦ１の速度エネルギーが隙間方向に伝わり、軸受隙間Ｇ全体の流量が増えて負荷容量が増加する。特に、軸受隙間Ｇの空気圧は、トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａの頂部付近の領域Ｐ（図５参照）において最大となるため、頂部付近に設けられたセレーションＣの山部Ｃ１と谷部Ｃ２とで圧力差が特に大きくなり、隙間方向の二次流れＦ２が発生しやすくなる。

このとき、図５に示すように、セレーションＣの全ての山部Ｃ１が、回転方向に沿って下流側に突出している（すなわち、両側に隣接する谷部Ｃ２の頂点を通る回転方向の線Ｌ１，Ｌ２の間に配されている）ため、山部Ｃ１と谷部Ｃ２の圧力差に起因する二次流れＦ２が、下流側に隣接する山部Ｃ１により阻害されない。これにより、セレーションＣによる軸受隙間Ｇの流量の増大効果が効率的に発揮され、負荷容量がさらに高められる。

本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態について説明するが、上記の実施形態と重複する点は説明を省略する。

図５に示す例では、各フォイル２０のトップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａに設けられたセレーションＣの山部Ｃ１の頂点が、両側に隣接する谷部Ｃ２の頂点を通る回転方向の線Ｌ１，Ｌ２の略中央に配された場合を示したが、これに限られない。例えば、セレーションＣの山部Ｃ１の頂点を、図６に示すように、外径側に隣接する谷部Ｃ２の頂点を通る回転方向の線Ｌ１寄り（図示例では回転方向線Ｌ１上）に設けたり、図７に示すように、内径側に隣接する谷部Ｃ２の頂点を通る回転方向の線Ｌ２寄り（図示例では回転方向線Ｌ２上）に設けたりしてもよい。

図８に示す実施形態では、各フォイル２０のトップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａのうち、頂部（下流側端部）を含む領域にセレーションＣを設け、このセレーションＣの外径側に、山部及び谷部を有さない平滑領域Ｑを設けている。図示例では、トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａのうち、頂部を含む略円弧状の領域にセレーションＣが設けられ、その外径側に設けられた略直線状の領域に平滑領域Ｑが設けられる。

図８に示すフォイル２０の設計思想を、図９を用いて詳しく説明する。図９に示すフォイル２０は、図５と同様に、トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａの全域に、回転方向に沿って下流側に突出したセレーションＣを設けたものである。このフォイル２０の山部Ｃ１の頂点を結ぶ仮想線Ｍと、谷部Ｃ２の頂点を結ぶ仮想線Ｎとは、平行且つ一定間隔となっている。このとき、縁２１ａの頂部よりも外径側の山部Ｃ１は、回転方向長さＳ１が頂部付近の山部Ｃ１の回転方向長さＳ２よりも長く、回転方向に沿って延びる細長い三角形となっている。このような細長形状の山部Ｃ１は、軸２の回転に伴う流体の流れにより変形してスラストカラー３と接触しやすいため、負荷容量の低下やフォイル２０の異常摩耗を招く恐れがある。

そこで、図８に示すフォイル２０では、下流側端部の縁２１ａに設けられたセレーションＣのうち、細長形状となる外径側の山部Ｃ１を省略している。詳しくは、図９に示すフォイル２０の下流側端部の縁２１ａにおいて、谷部Ｃ２の頂点を結ぶ仮想線Ｎに対する各山部Ｃ１の外径側の稜線の角度を、外径側から順にθ１，θ２・・・としたとき、縁２１ａの頂部よりも少し外径側に設けられた山部Ｃ１（具体的には、略円弧状を成した頂部付近の領域とその外径側の略直線状の領域との境界付近に設けられた山部Ｃ１）において、上記の仮想線Ｎに対する外径側の稜線の角度θ４が最大（略１８０°）となる。この山部Ｃ１よりも外径側のセレーションＣを省略して平滑領域Ｑを設けたものが、図８に示すフォイル２０となる。

以上の実施形態では、トップフォイル部２１の下流側端部の縁２１ａに設けられる凹凸形状がセレーションである場合を示したが、これに限らず、波形の凹凸形状や、矩形や台形の凸部及び凹部を有する凹凸形状を設けてもよい。

以上の実施形態では、フォイル軸受１が、軸２をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受である場合を示したが、これに限らず、軸をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受に本発明を適用してもよい。

以上の実施形態では、フォイル軸受１を固定し、軸２を回転させた場合を示したが、これに限らず、軸２を固定し、フォイル軸受１を回転させてもよい。ただし、フォイル軸受１を回転させると、フォイルに遠心力が加わるため、遠心力で破損しないようにフォイルを設計する必要がある。

以上に示したフォイル軸受１は、ガスタービンやターボチャージャ（過給機）等のターボ機械の他、自動車等の車両用軸受、あるいは産業機器用の軸受等として使用することが可能である。

以上に示したフォイル軸受は、作動流体として空気を使用した空気動圧軸受のみならず、作動流体として潤滑油を使用した油動圧軸受としても使用することができる。

１ フォイル軸受
２ 軸
３ スラストカラー
１０ フォイルホルダ
２０ フォイル
２１ トップフォイル部
２２ アンダーフォイル部
２３ 固定部
Ｃ セレーション（凹凸形状）
Ｃ１ 山部
Ｃ２ 谷部
Ｑ 平滑領域
Ｇ 軸受隙間
Ｇ１ 最小隙間部

Claims (4)

1. 軸の相対回転方向に並べて配された複数のフォイルを有するフォイル軸受であって、
   各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、上流側に隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側の面を支持するアンダーフォイル部とを有し、
   前記トップフォイル部の下流側端部の縁及び前記アンダーフォイル部の上流側端部の縁が、それぞれ両端から互いに接近する側へ向けて下流側に変位した略Ｖ字形状を成し、
   前記トップフォイル部の下流側端部の縁に、複数の山部及び谷部を交互に有する凹凸形状が設けられ、
   各山部の下流側端部が、その両側に隣接する前記谷部の上流側端部を通る前記相対回転方向の線の間に配されたフォイル軸受。
2. 前記軸をスラスト方向に支持する請求項１に記載のフォイル軸受。
3. 略Ｖ字形状を成した前記トップフォイル部の下流側端部の縁のうち、該縁の頂部を含む領域に前記凹凸形状を設けた請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
4. 略Ｖ字形状を成した前記トップフォイル部の下流側端部の縁のうち、該縁の頂部を含む領域に前記凹凸形状を設け、該凹凸形状の外径側に、山部及び谷部を有さない平滑領域が設けられた請求項２に記載のフォイル軸受。
   

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