JP2020139607A

JP2020139607A - スラストフォイル軸受

Info

Publication number: JP2020139607A
Application number: JP2019037441A
Authority: JP
Inventors: 真人吉野; Masato Yoshino; 和慶原田; Kazunori Harada
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-09-03
Also published as: US20220090627A1; CN113544392A; WO2020179475A1; US11708854B2

Abstract

【課題】本発明は、軸受性能として、軸受の負荷容量を所定以上確保することを課題とする。【解決手段】複数のリーフ４２を円周方向に並べることでスラスト軸受面Ｓが形成されるスラストフォイル軸受４０であって、リーフ４２は、スラスト軸受面Ｓを形成するトップフォイル部Ｔｆを有し、トップフォイル部Ｔｆの内径側縁部４２３から外径側縁部４２４までの径方向長さＢに対する、トップフォイル部Ｔｆの径方向中央位置における、リーフ４２の１枚当たりの当該トップフォイル部Ｔｆの周方向長さＡの比を０．６６以下とすることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、スラストフォイル軸受に関する。

ターボ機械（例えばガスタービンやターボチャージャ）の主軸は高速で回転駆動される。また、主軸に取り付けられたタービン翼は高温に晒される。そのため、これらの主軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。この種の用途の軸受として、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受を使用する場合もあるが、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合、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な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合、等の条件下では、これらの軸受の使用は制約を受ける。そこで、そのような条件下での使用に適合する軸受として、空気動圧軸受が着目されている。

空気動圧軸受としては、回転側と固定側の双方の軸受面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、回転側と固定側の軸受面間に形成されるラジアル軸受隙間の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呼ばれる自励的な主軸の振れ回りを生じ易い。そのため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。特に、ガスタービンやターボチャージャのように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響でラジアル軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難となる。

ホワールが生じにくく、かつ温度変化の大きい環境下でも隙間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。通常は、軸受の内周面をトップフォイルと呼ばれる薄板で構成し、その外径側にバックフォイルと呼ばれるばね状の部材を配置してトップフォイルが受ける荷重をバックフォイルで弾性的に支持している。この場合、軸の回転時には、軸の外周面とトップフォイルの内周面との間に空気膜が形成され、軸が非接触支持される。

フォイル軸受では、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ラジアル軸受隙間が形成されるため、安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。また、一般的な動圧軸受のラジアル軸受隙間は軸直径の１／１０００のオーダーで管理する必要があり、例えば直径数ｍｍ程度の軸では数μｍ程度のラジアル軸受隙間を常時確保する必要がある。従って、製造時の公差、さらには温度変化が激しい場合の熱膨張まで考慮すると、厳密な隙間管理は困難である。これに対して、フォイル軸受の場合には、数十μｍ程度のラジアル軸受隙間に管理すれば足り、その製造や隙間管理が容易となる利点を有する。

フォイル軸受としては、バックフォイルに設けた切り起こしでトップフォイルを弾性的に支持するもの（特許文献１）、素線を網状に編成した弾性体で軸受フォイルを弾性的に支持するもの（特許文献２）、および、バックフォイルに、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部とトップフォイルからの面圧により弾性的に撓む弾性部とを設けたもの（特許文献３）等が公知である。

フォイル軸受の一種として、バックフォイルを設けず、トップフォイルを周方向で分割してリーフフォイルを形成し、リーフフォイルをその一部を重ね合わせながら周方向の複数個所に設け、リーフフォイルの重なり合った部分でばね性を得るリーフ型と呼ばれるものも存在する。このリーフ型のフォイル軸受としては、固定軸受環を周方向で複数の円弧状環部材に分割し、各円弧状環部材の接合端部にフォイルの一端を溶接すると共に、フォイルにレイリーステップを屈曲形成したもの（特許文献４）、リーフをピエゾバイモルフで形成したもの（特許文献５）、リーフフォイルを線膨張率の異なる２種類の金属からなるバイメタルにより形成したもの（特許文献６）、等が公知である。

特開２００２−３６４６４３公報特開２００３−２６２２２２号公報特開２００９−２９９７４８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

上記のリーフフォイルを有する軸受では、軸受性能として、所定以上の軸受の負荷容量を確保することが課題になる。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数のリーフを円周方向に並べることで軸受面が形成されるスラストフォイル軸受であって、前記リーフは、軸受面を形成するトップフォイル部を有し、前記トップフォイル部の内径側縁部から外径側縁部までの径方向長さに対する、前記トップフォイル部の径方向中央位置における、前記リーフ１枚あたりの前記トップフォイル部の周方向長さの比を０．６６以下とすることを特徴とする。

本発明のように、リーフ１枚当たりの径方向長さに対するトップフォイル部の周方向長さの比を０．６６以下に規定することで、軸受の周方向に所定の枚数以上のリーフを配置することができ、軸受の負荷容量を一定以上確保することができる。

上記のスラストフォイル軸受として、トップフォイル部の内径側縁部から外径側縁部までの径方向長さに対する、トップフォイル部の径方向中央位置における、リーフ１枚あたりのトップフォイル部の周方向長さの比を０．５５以上とすることができる。これにより、リーフの枚数を所定以下の枚数にすることができ、一定以上の軸受の負荷容量を確保すると共に、軸受の製造コストを抑え、製品性能の信頼性を向上させることができる。

上記のスラストフォイル軸受として、トップフォイル部の内径側縁部から外径側縁部までの径方向長さに対する、トップフォイル部の径方向中央位置における、リーフ１枚あたりのトップフォイル部の周方向長さの比を０．６とすることができる。これにより、所定以上の軸受の負荷容量を確保できる最小枚数のリーフで軸受を構成することができ、軸受の負荷容量を一定以上確保すると共に、軸受の製造コストを極力抑え、製品性能の信頼性をより向上させることができる。

本発明のスラストフォイル軸受によれば、軸受の負荷容量を一定以上確保することができる。

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フォイル軸受ユニットの断面図である。スラストフォイル軸受を軸受面側から見た時の平面図である。スラストフォイル軸受のリーフを示す平面図である。図４中のＸ−Ｘ線断面を展開した図である。リーフアスペクト比に対する軸受の負荷容量係数の関係を実験した結果を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。
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回転軸６が設けられ、この回転軸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の回転力が回転軸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回転軸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、回転軸６と、回転軸６に固定された回転部材２０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とを備える。一体に回転する回転軸６と回転部材２０とで軸部材１１が構成される。ラジアルフォイル軸受３０は軸部材１１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、軸部材１１を両スラスト方向で支持する。

回転部材２０は、図３に示すように、スリーブ部２１と、スリーブ部２１から外径に突出した円盤状のフランジ部２２とを備える。フランジ部２２は例えば炭素繊維強化複合材で形成され、スリーブ部２１は例えば炭素焼結材で形成される。

以下、第１スラストフォイル軸受４０の構成を説明する。なお、第２スラスト軸受５０の構成は、第１スラスト軸受４０と共通するので、その説明を省略する。

第１スラストフォイル軸受４０は、図３に示すように、軸部材１１（回転部材２０）のフランジ部２２を軸方向一方側から支持するものであり、図３および図４に示すように、フォイルホルダ４１と、フォイルホルダ４１に、周方向で帯状となるように取り付けられる複数のリーフ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で各リーフ４２を軸方向両側から挟み込むことにより、各リーフ４２がフォイルホルダ４１に保持される。

リーフ４２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程度のリーフ素材で形成される。リーフ素材としては、ステンレス鋼もしくは青銅製からなるものを用いるのが好ましい。

図４に示すように、リーフ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５は、回転方向Ｒに並べた複数のリーフ４２のうち、一つのリーフ４２のみを図示して他のリーフの図示を省略したものである。図５に示すように、各リーフ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（クロスハッチングで示す）とを一体に備える。

リーフ４２の本体部４２ａは、回転方向Ｒ側の端部に位置する前端４２１と、反回転方向側の端部に位置する後端４２２と、前端４２１の両側端につながった内径側縁部４２３および外径側縁部４２４（トップフォイル部の内径側縁部および外径側縁部でもある）とを有する。各リーフ４２の内径側縁部４２３および外径側縁部４２４の双方が軸心を中心とする円弧で形成されている。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はその両端部の間の領域を回転方向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、半径方向の概ね中央領域に頂部４２１ａ，４２２ａを有する。このように前端４２１および後端４２２をヘリングボーン形状に形成することにより、軸部材１１の回転中に流体（例えば空気）をスラスト軸受隙間の半径方向中央領域に引き込む作用を得ることができ、スラストフォイル軸受の負荷容量を高めることが可能となる。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。

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４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、各リーフ４２の延在部４２ｂの外径部分（図５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、各リーフ４２がフォイルホルダ４１に固定される。

図６は、図４中のＸ−Ｘ線の断面図である。図６に示すように、第１スラストフォイル軸受４０の各リーフ４２は、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上に、各リーフ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。各リーフ４２の前端４２１を含む回転方向先行側の領域は、隣接するリーフ４２上に乗り上げたトップフォイル部Ｔｆを構成する。また、各リーフ４２の後端４２２を含む反回転方向側の領域は、隣接するリーフ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を弾性的に支持するバックフォイル部Ｂｆを構成する。各リーフ４２のトップフォイル部Ｔｆの表面で、フランジ部２２の一方の端面２２ａと対向するスラスト軸受面Ｓが形成される。各リーフ４２のトップフォイル部Ｔｆの回転方向先行側が、フランジ部２２に最も近づき、軸受隙間が最小となる部分である。

図４に示すように、トップフォイル部Ｔｆの径方向中央位置におけるトップフォイル部Ｔｆの周方向長さ（言い換えると、リーフ４２の頂部４２１ａと、このリーフ４２に隣接するリーフ４２の頂部４２１ａとの周方向の間隔）を長さＡ、トップフォイル部Ｔｆの内径側縁部４２３から外径側縁部４２４までの径方向長さ（言い換えると、リーフ４２の内径側縁部４２３から固定部材４１ｂの内径までの径方向長さ）を長さＢとし、長さＢに対する長さＡの比をリーフアスペクト比とすると、本実施形態では、このリーフアスペクト比を略０．６に設定している。なお、長さＡは固定部材４１ｂの内径と各リーフ４２の内径側縁部４２３によって形成される内円の直径との平均値にπをかけたものを、フォイル軸受４０に設けられたリーフ４２の枚数で割った値として求めることができる。

リーフ４２の周方向の枚数が多くなるほど、つまり、リーフ４２の１枚当たりのトップフォイル部Ｔｆを構成する部分の長さが短くなるほど、長さＡは小さくなる。言い換えると、長さＡが小さくなるほど上記のリーフアスペクト比が小さくなり、フォイル軸受４０を構成するリーフ４２の枚数は多くなる。リーフ４２の枚数は多くなるほどフォイル軸受４０の最大負荷容量が大きくなるが、一方で、リーフ４２の枚数増加によるコストアップや軸受性能のバラツキが大きくなってしまう。

本実施形態では、リーフアスペクト比を略０．６に設定することで、一定以上の負荷容量の大きさを確保できる最小限のリーフ４２の枚数に設定することができる（詳しくは後述する）。

上記のスラストフォイル軸受４０の製造方法としては、スラストフォイル軸受４０の周方向に配置されたリーフ４２の半数のリーフ４２を周方向に等間隔に並べた一方のフォイル軸受、より詳しくは、フォイル軸受４０の各リーフ４２を一つ置きに並べた一方のフォイル軸受と他方のフォイル軸受とを用意する。そして、一方のフォイル軸受のリーフ４２と他方のフォイル軸受のリーフ４２とがリーフ４２の半ピッチ分だけ周方向にずらした状態で、一方のフォイル軸受と他方のフォイル軸受を重ね合わせる。この状態で、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、各リーフ４２がフォイルホルダ４１に固定する。これにより、スラストフォイル軸受４０を製造することができる。

次に、上記のリーフアスペクト比とフォイル軸受４０の負荷容量係数との関係についての実験結果を図７に示す。この実験は、軸受面の径方向長さ（つまり長さＢ）を変更させずに、リーフの枚数（つまり長さＡ）を変化させて、その時の負荷容量係数の変化を測定したものである。なお、負荷容量係数〔Ｎ／（ｍｍ）³ｋｒｐｍ〕は、フォイル軸受４０の最大負荷容量をＮ_MAX〔Ｎ〕、内径側縁部４２３と外径側縁部４２４との間の径方向長さ（上記の長さＢと同じ）をＬ_a［ｍｍ］、内径側縁部４２３の径と外径側縁部４２４の径との平均値をＬ_b［ｍｍ］、軸部材１１の回転速度をＶ［ｋｒｐｍ］とすると、
Ｎ_MAX／｛（π×Ｌ_a×Ｌ_b）×（Ｌ_b×Ｖ）｝・・・（１）
により求めることができる。

図７に示すように、リーフアスペクト比が大きくなるほど、つまり、リーフの枚数が少なくなるほど負荷容量係数は小さくなっており、特に、リーフアスペクト比が０．６の場合を境にして、負荷容量係数が大きく減少している。具体的には、リーフアスペクト比が０．７以上では、負荷容量係数が１．０を大きく下回っている。これに対して、リーフアスペクト比が０．６６以下では一定以上の負荷容量係数の値を示し、特に０．６以下では負荷容量係数に大きな違いはなく、１．０以上の値を記録している。

このように、リーフアスペクト比が０．６６以下、特に０．６以下では十分な大きさの負荷容量係数を確保することができる。そして、前述のように、リーフの枚数をできるだけ少なくする方がコストや軸受の信頼性の面で好ましい点ことを考慮すると、リーフアスペクト比は０．６に近づくほど好ましくなる。より詳細には、コストや軸受の信頼性を考慮すると、リーフアスペクト比が０．５５以上である方が好ましい。さらに、上記実施形態のように、リーフアスペクト比を略０．６に設定することで、負荷容量の大きさを確保すると共に、リーフの枚数を最小限に抑えることができ、最も好ましい。

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。上記軸受の形状は一例であり、その形状に限定されないことはもちろんである。

１１軸部材
４０スラストフォイル軸受
４１フォイルホルダ
４２リーフ
４２１前端
４２２後端
４２３内径側縁部
４２４外径側縁部
Ｂｆバックフォイル部
Ｒ回転方向
Ｓ軸受面
Ｔｆトップフォイル部
Ａ周方向長さ
Ｂ径方向長さ

Claims

複数のリーフを円周方向に並べることで軸受面が形成されるスラストフォイル軸受であって、
前記リーフは、軸受面を形成するトップフォイル部を有し、
前記トップフォイル部の内径側縁部から外径側縁部までの径方向長さに対する、前記トップフォイル部の径方向中央位置における、前記リーフ１枚あたりの前記トップフォイル部の周方向長さの比を０．６６以下とすることを特徴とするスラストフォイル軸受。
前記トップフォイル部の内径側縁部から外径側縁部までの径方向長さに対する、前記トップフォイル部の径方向中央位置における、前記リーフ１枚あたりの前記トップフォイル部の周方向長さの比を０．５５以上とする請求項１記載のスラストフォイル軸受。
前記トップフォイル部の内径側縁部から外径側縁部までの径方向長さに対する、前記トップフォイル部の径方向中央位置における、前記リーフ１枚あたりの前記トップフォイル部の周方向長さの比を０．６とする請求項１または２記載のスラストフォイル軸受。