JP2020159452A - Foil bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数枚のフォイルが周方向に並べて配列されたフォイル軸受、及びフォイル軸受ユニット、並びにターボ機械に関する。 The present invention relates to a foil bearing in which a plurality of foils are arranged side by side in the circumferential direction, a foil bearing unit, and a turbomachine.
周知のように、ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の主軸を支持する軸受には、高温・高速回転などの過酷な環境に耐え得ることが要求される。このような条件下での使用に適合する軸受として、フォイル軸受が着目されている。フォイル軸受は、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。軸部材の回転時には、軸部材の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜(例えば空気膜)が形成され、軸部材が非接触支持される。 As is well known, bearings that support the spindles of turbomachines such as gas turbines and turbochargers are required to withstand harsh environments such as high temperature and high speed rotation. Foil bearings are attracting attention as bearings suitable for use under such conditions. A foil bearing supports a load by forming a bearing surface with a thin film (foil) having low rigidity and flexibility with respect to bending and allowing the bearing surface to bend. When the shaft member rotates, a fluid film (for example, an air film) is formed between the outer peripheral surface of the shaft member and the bearing surface of the foil, and the shaft member is non-contact supported.
例えば、下記特許文献1、2には、図13及び図14に示すようなフォイル軸受(スラストフォイル軸受)50の具体的構造が開示されている。このフォイル軸受50は、周方向一方側(矢印E方向)に回転する軸部材51に設けられたスラストカラー52をスラスト方向に支持するものである。そして、スラストカラー52の端面52aと対向するフォイルホルダ53の端面53aには、複数枚のフォイル54が周方向に並べて取り付けられている。図15に示すように、各フォイル54の周方向一方側の端部(以下、前端54x)は自由端とされ、各フォイル54の前端54xを含む領域は、ラジアル軸受面Kを有するトップフォイル部54tfとして機能する。これに対し、各フォイル54の周方向他方側の端部(以下、後端54y)を含む領域は、周方向他方側に隣接するフォイル54のトップフォイル部54tfを背後から支持するバックフォイル部54bfとして機能する。
For example,
さらに、同各文献には、図16に示すようなフォイル軸受(ラジアルフォイル軸受)60の具体的構造も開示されている。このフォイル軸受60は、周方向一方側(矢印F方向)に回転する軸部材61をラジアル方向に支持するものである。軸部材61が内周側に挿入されたフォイルホルダ62の内周面62aには、複数枚のフォイル64が周方向に並べて取り付けられている。この複数枚のフォイル64についても、上記と同様に、トップフォイル部64tfとして機能する領域と、バックフォイル部64bfとして機能する領域とが存在する。
Further, each document also discloses a specific structure of the foil bearing (radial foil bearing) 60 as shown in FIG. The foil bearing 60 supports a
ところで、特許文献1、2に開示された二種のフォイル軸受50、60は、何れも、図15及び図16から把握できるように、1枚のフォイル54、64のバックフォイル部54bf、64bfが、周方向他方側に隣接する1枚のフォイル54、64のトップフォイル部54tf、64tfを背後から支持する構造である。
By the way, in each of the two types of
この種のフォイル軸受は、軸部材が回転する際には、隣接するフォイル同士が摺動することで、これらの摺動によるクーロン摩擦により軸部材の振動が減衰されるようになっている。しかしながら、上記のように、1枚のフォイルのバックフォイル部が、1枚のフォイルのトップフォイル部を背後から支持する構造であれば、各フォイル同士の摺動が不十分になり得る。そのため、軸部材の振動を減衰する能力が制限され、フォイル軸受による軸部材の支持の安定性が損なわれるおそれがある。 In this type of foil bearing, when the shaft member rotates, adjacent foils slide with each other, and the vibration of the shaft member is damped by the Coulomb friction caused by these sliding. However, as described above, if the back foil portion of one foil has a structure that supports the top foil portion of one foil from behind, the sliding of each foil may be insufficient. Therefore, the ability to attenuate the vibration of the shaft member is limited, and the stability of the support of the shaft member by the foil bearing may be impaired.
しかも、各フォイルが上記のような構造であれば、軸受隙間を低減し難くなる。そのため、軸受隙間の影響を受ける部材であるフォイルホルダやスラストカラー等の形状崩れを吸収する能力が制限され、負荷容量の更なる向上が図り難くなる。 Moreover, if each foil has the above structure, it is difficult to reduce the bearing gap. Therefore, the ability to absorb the shape collapse of the foil holder, thrust collar, etc., which are members affected by the bearing gap, is limited, and it becomes difficult to further improve the load capacity.
本発明が解決すべき技術的課題は、フォイル軸受の各フォイル相互間の関係性に工夫を講じて、軸部材の振動減衰による支持の安定性の向上と、軸受隙間の低減による負荷容量の向上とを図ることにある。 The technical problem to be solved by the present invention is to improve the stability of the support by the vibration damping of the shaft member and to improve the load capacity by reducing the bearing gap by devising the relationship between the foils of the foil bearing. It is to plan.
前記課題を解決するために創案された本発明に係るフォイル軸受(スラストフォイル軸受)は、周方向一方側に回転する軸部材に設けられたスラストカラーと軸方向で対向するフォイルホルダと、前記フォイルホルダの軸方向の端面に周方向に並べて取り付けられた複数枚のフォイルとを備え、各フォイルの周方向一方側の端部が自由端とされ、各フォイルの周方向一方側の端部を含む領域が、スラスト軸受面を有するトップフォイル部を構成し、各フォイルの周方向他方側の端部を含む領域が、周方向他方側に隣接するフォイルの前記トップフォイル部を背後から支持するバックフォイル部を構成するものであって、各フォイルの前記バックフォイル部が、周方向他方側に順次隣接する2枚以上のフォイルの前記トップフォイル部の背後に配置されることに特徴づけられる。ここで、上記の「2枚以上」とは、2枚以上で全枚数未満であることが必要とされるが、2枚以上で3枚以下。または2枚以上で4枚以下、もしくは2枚以上で5枚以下であることが好ましい(以下の「2枚以上」についても同様)。 The foil bearing (thrust foil bearing) according to the present invention, which was devised to solve the above problems, includes a foil holder provided on a shaft member that rotates on one side in the circumferential direction and a foil holder that faces the thrust collar in the axial direction, and the foil. It is provided with a plurality of foils mounted side by side in the circumferential direction on the axial end face of the holder, and the end on one side in the circumferential direction of each foil is a free end, and includes the end on one side in the circumferential direction of each foil. A back foil in which a region constitutes a top foil portion having a thrust bearing surface, and a region including an end portion on the other side in the circumferential direction of each foil supports the top foil portion of the foil adjacent to the other side in the circumferential direction from behind. The back foil portion of each foil constitutes a portion, and is characterized in that the back foil portion of each foil is arranged behind the top foil portion of two or more foils sequentially adjacent to each other on the other side in the circumferential direction. Here, the above "two or more" means that two or more and less than the total number are required, but two or more and three or less. Alternatively, it is preferable that the number of sheets is 2 or more and 4 or less, or 2 or more and 5 or less (the same applies to the following "2 or more").
また、前記課題を解決するために創案された本発明に係るフォイル軸受(ラジアルフォイル軸受)は、周方向一方側に回転する軸部材が内周側に挿入されたフォイルホルダと、前記フォイルホルダの内周面に周方向に並べて取り付けられた複数枚のフォイルとを備え、各フォイルの周方向一方側の端部が自由端とされ、各フォイルの周方向一方側の端部を含む領域が、ラジアル軸受面を有するトップフォイル部を構成し、各フォイルの周方向他方側の端部を含む領域が、周方向他方側に隣接するフォイルの前記トップフォイル部を背後から支持するバックフォイル部を構成するものであって、各フォイルの前記バックフォイル部が、周方向他方側に順次隣接する2枚以上のフォイルの前記トップフォイル部の背後に配置されることに特徴づけられる。 Further, the foil bearing (radial foil bearing) according to the present invention, which was devised to solve the above problems, includes a foil holder in which a shaft member rotating on one side in the circumferential direction is inserted on the inner peripheral side, and the foil holder. It is provided with a plurality of foils mounted side by side in the circumferential direction on the inner peripheral surface, the end on one side in the circumferential direction of each foil is a free end, and the area including the end on one side in the circumferential direction of each foil is formed. A top foil portion having a radial bearing surface is formed, and a region including an end portion on the other side in the circumferential direction constitutes a back foil portion that supports the top foil portion of the foil adjacent to the other side in the circumferential direction from behind. It is characterized in that the backfoil portion of each foil is arranged behind the top foil portion of two or more foils sequentially adjacent to the other side in the circumferential direction.
以上のように、本発明に係るフォイル軸受では、各フォイルにおける1枚のフォイルのバックフォイル部が、この1枚のフォイルの周方向他方側に順次隣接する2枚以上のフォイルのトップフォイル部の背後に配置される。したがって、各フォイルは3枚以上が重なり合うことになり、軸部材の回転時に、各フォイル同士の摺動箇所が多くなる。そのため、各フォイル同士の摺動によるクーロン摩擦により軸部材の振動を減衰する能力が高められ、フォイル軸受による軸部材の支持の安定性が向上する。しかも、3枚以上のフォイルが重なり合うことで、軸受隙間を低減することができる。そのため、軸受隙間の影響を受ける部材であるフォイルホルダやスラストカラー等の形状崩れを吸収し易くなり、負荷容量の向上が図られる。 As described above, in the foil bearing according to the present invention, the back foil portion of one foil in each foil is the top foil portion of two or more foils sequentially adjacent to the other side in the circumferential direction of the one foil. Placed behind. Therefore, three or more foils are overlapped with each other, and when the shaft member is rotated, there are many sliding points between the foils. Therefore, the ability to attenuate the vibration of the shaft member due to the Coulomb friction caused by sliding between the foils is enhanced, and the stability of the support of the shaft member by the foil bearing is improved. Moreover, the bearing gap can be reduced by overlapping three or more foils. Therefore, it becomes easy to absorb the shape deformation of the foil holder, the thrust collar, etc., which are members affected by the bearing gap, and the load capacity can be improved.
以上の構成において、複数枚のフォイルを周方向に等ピッチで並べて取り付け、各フォイルの周方向一方側の端部から周方向他方側の端部までの周方向長さが、各フォイルの取り付けピッチの周方向長さの2倍を超えるようにしてもよい。 In the above configuration, a plurality of foils are mounted side by side at equal pitches in the circumferential direction, and the circumferential length of each foil from one end in the circumferential direction to the other end in the circumferential direction is the mounting pitch of each foil. It may be more than twice the circumferential length of.
このようにすれば、各フォイルの周方向長さを、各フォイルの取り付けピッチとの関係で大幅に長くすることができ、各フォイル同士の摺動の自由度が増す。そのため、軸部材の回転時に、各フォイル同士がより一層擦れ易くなり、クーロン摩擦により軸部材の振動を減衰する能力の更なる向上、ひいてはフォイル軸受による軸部材の支持の安定性の更なる向上が図られる。 In this way, the circumferential length of each foil can be significantly increased in relation to the mounting pitch of each foil, and the degree of freedom of sliding between the foils is increased. Therefore, when the shaft member rotates, the foils are more likely to rub against each other, and the ability to attenuate the vibration of the shaft member due to the Coulomb friction is further improved, and the stability of the support of the shaft member by the foil bearing is further improved. It is planned.
本発明は、第二の側面として、前記フォイル軸受と前記軸部材とを備えたフォイル軸受ユニットを提供するようにしてもよい。 The present invention may provide a foil bearing unit including the foil bearing and the shaft member as a second aspect.
このようにすれば、フォイル軸受と軸部材(回転部材)とを一体的に取り扱うことができるため、組み付け作業や搬送作業等を容易に行うことができる。 In this way, the foil bearing and the shaft member (rotating member) can be handled integrally, so that assembly work, transfer work, and the like can be easily performed.
本発明は、第三の側面として、前記フォイル軸受と前記軸部材とを構成要素とするロータを備えたターボ機械を提供するようにしてもよい。 The present invention may provide, as a third aspect, a turbomachinery including a rotor including the foil bearing and the shaft member as components.
このようにすれば、ターボ機械のロータをフォイル軸受によって好適に回転自在に支持することができる。 In this way, the rotor of the turbomachinery can be suitably rotatably supported by the foil bearings.
本発明に係るフォイル軸受によれば、各フォイル相互間の関係性に工夫を講じたことで、軸部材の振動減衰による支持の安定性の向上と、軸受隙間の低減による負荷容量の向上とを図ることができる。 According to the foil bearing according to the present invention, by devising the relationship between the foils, the stability of the support due to the vibration damping of the shaft member is improved and the load capacity is improved by reducing the bearing gap. Can be planned.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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とを主たる構成要素とする。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。
FIG. 1 conceptually shows the configuration of a gas turbine, which is a type of turbo machine. The main components of this gas turbine are a turbine 1 and a
このガスタービンでは、吸気口7から吸入された空気が、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。
In this gas turbine, the air sucked from the
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が挿通固定された軸部材11と、第一スラストフォイル軸受20と、第二スラストフォイル軸受30と、ラジアルフォイル軸受40とを備える。第一スラストフォイル軸受20および第二スラストフォイル軸受30は、軸部材11を両スラスト方向で支持し、ラジアルフォイル軸受40は軸部材11をラジアル方向で支持する。回転軸6は、軸部材11と一体的に回転する。軸部材11は、スリーブ部11sと、スリーブ部11sから外径側に突出した円盤状のフランジ部11fとを備える。スリーブ部11sは例えば炭素焼結材で形成され、フランジ部11fは例えば炭素繊維強化複合材で形成される。
FIG. 2 shows a
以下、第一スラストフォイル軸受20の構成を説明する。 Hereinafter, the configuration of the first thrust foil bearing 20 will be described.
図3に示すように、第一スラストフォイル軸受20は、軸部材11のフランジ部11fを軸方向一方側から支持するものである。ここで、軸部材11のフランジ部11fはスラストカラーに該当するものであるため、以下の説明では、このフランジ部11fをスラストカラー11と称する。
As shown in FIG. 3, the first thrust foil bearing 20 supports the
第一スラストフォイル軸受20は、フォイルホルダ21と、フォイルホルダ21に周方向で帯状となるように取り付けられた複数枚のフォイル22とを備える。なお、フォイル22は、リーフとも称される。フォイルホルダ21は、筒状部21sと、筒状部21sから外径側に突出した円盤状の鍔部21fとを備えている。ここで、第一スラストフォイル軸受20はフォイルホルダ21の鍔部21fのみに取り付けられるものであるため、以下の説明では、この鍔部21fをフォイルホルダ21と称する。
The first thrust foil bearing 20 includes a
図4は、図3に示す第一スラストフォイル軸受20を、スラストカラー11側から視た正面図である。図3及び図4に示すように、フォイルホルダ21の端面21aは、スラストカラー11の端面11aと軸方向で対向している。フォイルホルダ21の端面21aの外径側端部には、環状の固定部材23が付設されている。各フォイル22は、フォイルホルダ21と固定部材23とによって軸方向両側から挟み込まれることで、フォイルホルダ21の端面21aに固定されている。各フォイル22の取り付け態様としては、フォイルホルダ21の端面21aに、複数枚(図4では14枚)のフォイル22が周方向に等ピッチで並べて取り付けられている。なお、軸部材11(スラストカラー11)は、矢印Aで示す周方向一方側に向かって回転する。
FIG. 4 is a front view of the first thrust foil bearing 20 shown in FIG. 3 as viewed from the
フォイル22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程度の金属フォイルである。フォイル22の素材としては、ステンレス鋼製もしくは青銅製のものを用いるのが好ましい。
The
図5は、複数枚のフォイル22のうち、1枚のフォイル22のみを図示し、他のフォイルの図示を省略したものである。同図に示すように、フォイル22は、本体部22aと、本体部22aから外径側に延びる延在部22b(クロスハッチングで示す)とを一体に形成したものである。フォイル22の延在部22bは、固定部材23によってフォイルホルダ21の端面21aの外径側端部に固定されている。なお、全てのフォイル22の延在部22bは、周方向全周で連結されていてもよい。ここで、フォイル22の延在部22bは軸受作用を行わず、フォイル22の本体部22aのみが実質的に軸受作用を行うため、以下の説明では、この本体部22aをフォイル22と称する。
FIG. 5 shows only one
フォイル22の周方向一方側の端部(以下、前端22x)及び周方向他方側の端部(以下、後端22y)は、何れもヘリングボーン形状を成している。具体的には、前端22xは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部22xaを有する。この一対の傾斜部22xaの間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部22xbが設けられる。後端22yは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部22yaを有する。この一対の傾斜部22yaの間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部22ybが設けられる。
The end portion on one side of the
図6は、説明の便宜上、3枚のフォイル22のみを図示している。また、これら3枚のフォイル22のうち、周方向一方側の端に位置するフォイル22を、第一フォイル221とし、この第一フォイル221の周方向他方側に順次隣接する2枚のフォイル22を、第二フォイル222、第三フォイル223として説明する。同図に示すように、第一フォイル221の後端221yは、第二フォイル222の前端222x及び第三フォイル223の前端223xよりも周方向他方側に位置している。したがって、第三フォイル223の前端223xから後端223yに至る第三フォイル223の全領域内に、第一フォイル221の後端221y及び第二フォイル222の後端222yが位置している。このような位置関係は、周方向全周に亘って配列されている全てのフォイル22について同様に成立する。
FIG. 6 illustrates only three
図7は、図6に仮想線で示す円弧Dに沿って切断した湾曲状の断面を平面状の断面に展開した図であって、かつ外径側から視た図である。同図に示すように、第一フォイル221の前端221xから第二フォイル222の前端222x位置までの領域1tfは、第一フォイル221のスラスト軸受面Sを有するトップフォイル部を構成する。第一フォイル221の後端221yから第二フォイル222の前端222x位置までの領域1bfは、第一フォイル221のバックフォイル部を構成する。また、第二フォイル222の前端222xから第三フォイル223の前端223x位置までの領域2tfは、第二フォイル222のスラスト軸受面Sを有するトップフォイル部を構成する。第二フォイル222の後端222yから第三フォイル223の前端223x位置までの領域2bfは、第二フォイル222のバックフォイル部を構成する。なお、同様に、第三フォイル223の前端223xを含む領域3tfは、第三フォイル223のスラスト軸受面Sを有するトップフォイル部を構成する。
FIG. 7 is a view obtained by developing a curved cross section cut along the arc D shown by a virtual line in FIG. 6 into a flat cross section, and is viewed from the outer diameter side. As shown in the figure, the region 1tf from the
この場合、第一フォイル221のバックフォイル部1bfは、第二フォイル222のトップフォイル部2tfを含み且つそのトップフォイル部2tfよりも長い領域を、背後(フォイルホルダ21側)から支持している。第二フォイル222のバックフォイル部2bfは、第三フォイル223のトップフォイル部3tfを含み且つそのトップフォイル部3tfよりも長い領域を、背後から支持している。
In this case, the back foil portion 1bf of the
したがって、第一フォイル221のバックフォイル部1bfは、第二フォイル222のトップフォイル部2tfと第三フォイル223のトップフォイル部3tfとの背後に配置されている。換言すれば、第一フォイル221のバックフォイル部1bfは、軸方向他方側に順次隣接する第二、第三フォイル222、223のトップフォイル部2tf、3tfの背後に配置されている。この実施形態では、各フォイル22の周方向長さLが、各フォイル22の取り付けピッチの周方向長さPの3倍とされている。そのため、各フォイル22は、周方向の全周に亘って三層構造とされている。この場合、各フォイル22の周方向長さLは、各フォイル22の取り付けピッチの周方向長さPの2倍を超えていればよい。そのため、第一フォイル221のバックフォイル部1bfは、第三フォイル223の一部領域の背後に配置されていてもよい。なお、各フォイル22の周方向長さLは、各フォイル22の取り付けピッチの周方向長さPの3倍以下、4倍以下、5倍以下または6倍以下であることが好ましい。したがって、各フォイル22は、周方向の全周に亘って3枚以上が重なり合うことになる。
Therefore, the back foil portion 1bf of the
このような構成によれば、軸部材11(スラストカラー11)が矢印Aで示す周方向一方側に向かって回転すると、各フォイル22のスラスト軸受面Sとスラストカラー11の端面11aとの間に形成されるスラスト軸受隙間Tの流体(例えば空気)の圧力が高められる。スラストカラー11は、この高められた流体圧によって、スラスト方向一方に非接触支持された状態になる。この状態では、各フォイル22が3枚以上重なり合っているため、スラストカラー11の回転に伴う各フォイル22同士の摺動箇所が多くなる。そのため、各フォイル22同士の摺動によるクーロン摩擦により軸部材11の振動を減衰する能力が高められ、第一スラストフォイル軸受20による軸部材11の支持の安定性が向上する。しかも、各フォイル22の周方向長さLが、各フォイル22の取り付けピッチの周方向長さPの2倍を超えるため、各フォイル22の周方向長さLを大幅に長くすることができる。そのため、各フォイル22同士の摺動の自由度が大きくなり、軸部材11の回転時に、各フォイル22同士がより一層擦れ易くなる。その結果、クーロン摩擦により軸部材11の振動を減衰する能力が更に高められ、第一スラストフォイル軸受20による軸部材11の支持の安定性が更に向上する。しかも、3枚以上のフォイル22が重なり合っているため、スラスト軸受隙間Tを低減することができる。そのため、スラスト軸受隙間Tを形成しているフォイルホルダ21及びスラストカラー11の形状崩れを吸収し易くなり、負荷容量の向上が図られる。
According to such a configuration, when the shaft member 11 (thrust collar 11) rotates toward one side in the circumferential direction indicated by the arrow A, between the thrust bearing surface S of each
次に、第二スラストフォイル軸受30の構成を説明する。 Next, the configuration of the second thrust foil bearing 30 will be described.
第二スラストフォイル軸受30は、図3に示すように、スラストカラー11(11f)を軸方向他方側から支持するものであり、フォイルホルダ31と、フォイルホルダ31に固定された複数枚のフォイル32とを備える。フォイルホルダ31は、軸心に貫通孔が形成された円盤状をなす。フォイルホルダ31の端面31aの外径端部には、各フォイル32を固定する固定部材33が付設されている。スラストカラー11(11f)の軸方向他方側の端面11bは、スラスト軸受隙間を形成するための要素である。フォイル32の厚さや素材は、既述の第一スラストフォイル軸受20のフォイル22と同一である。
As shown in FIG. 3, the second thrust foil bearing 30 supports the thrust collar 11 (11f) from the other side in the axial direction, and is a
図8は、第二スラストフォイル軸受30を、スラストカラー11側から視た正面図である。軸部材11(スラストカラー11)は、同図に示す矢印B方向に回転するため、各フォイル32の周方向一方側の端部(前端32x)は、各フォイル32の矢印B方向側の端部に該当する。この第二スラストフォイル軸受30の各フォイル32の構成及び重なり状態は、図5、図6及び図7に基づいて既に説明した第一スラストフォイル軸受20の各フォイル22の構成及び重なり状態と同一である。また、この第二スラストフォイル軸受30の作用効果も、第一スラストフォイル軸受20と実質的に同一である。したがって、ここではそれらの説明を省略する。
FIG. 8 is a front view of the second thrust foil bearing 30 as viewed from the
次に、ラジアルフォイル軸受40の構成を説明する。 Next, the configuration of the radial foil bearing 40 will be described.
図3に示すように、ラジアルフォイル軸受40は、軸部材11のスリーブ部11sとフランジ部11fとのうち、スリーブ部11sのみをラジアル方向で支持するものである。そこで、以下の説明では、このスリーブ部11sを軸部材11と称する。
As shown in FIG. 3, the radial foil bearing 40 supports only the
ラジアルフォイル軸受40は、フォイルホルダ21の内周側で帯状となるように取り付けられた複数枚のフォイル42を備える。フォイルホルダ21は、筒状部21sと鍔部21fとを備えているが、筒状部21sの内周側のみにラジアルフォイル軸受40が取り付けられている。そこで、以下の説明では、この筒状部21sをフォイルホルダ21と称する。
The radial foil bearing 40 includes a plurality of
図9に示すように、ラジアルフォイル軸受40は、フォイルホルダ21の内周面21aに周方向に等ピッチで並べて取り付けられた複数枚(図例では8枚)のフォイル42を備える。フォイル42の厚さや素材は、既述の第一スラストフォイル軸受20のフォイル22と同一である。なお、フォイルホルダ21の内周側に挿入された軸部材11は、矢印Cで示す周方向一方側に回転する。
As shown in FIG. 9, the radial foil bearing 40 includes a plurality of foils (8 in the illustrated example) mounted side by side on the inner
各フォイル42は、図10に示すように、本体部42aと、本体部42aの軸方向一方側(図中上側)に突出する延在部42bとを一体に有する。各フォイル42の延在部42bは、フォイルホルダ21の内周面21bに溶接等の適宜の手段で固定される。ここで、フォイル42の延在部42bは軸受作用を行わず、フォイル42の本体部42aのみが実質的に軸受作用を行うため、以下の説明では、この本体部42aをフォイル42と称する。
As shown in FIG. 10, each
フォイル42の周方向一方側の端部(以下、前端42x)及び周方向他方側の端部(以下、後端42y)は、何れもヘリングボーン形状を成している。具体的に、前端42xは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部42xaを有する。この一対の傾斜部42xaの間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部42xbが設けられる。後端42yは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部42yaを有する。この一対の傾斜部42yaの間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部42ybが設けられる。
Both the end portion on one side in the circumferential direction (hereinafter,
図11は、図10に示す円弧状をなすラジアルフォイル軸受40を平面状に展開した図であって、かつ内径側から視た図である。また、図11は、説明の便宜上、3枚のフォイル42のみを図示している。以下、これら3枚のフォイル42のうち、周方向一方側(矢印C方向の側)の端に位置するフォイル42を、第一フォイル421とし、この第一フォイル421の周方向他方側(矢印C方向と逆側)に順次隣接する2枚のフォイル42を、第二フォイル422、第三フォイル423として説明する。同図に示すように、第一フォイル421の後端421yは、第二フォイル422の前端422x及び第三フォイル423の前端423xよりも周方向他方側に位置している。したがって、第三フォイル423の前端423xから後端423yに至る第三フォイル423の全領域内に、第一フォイル421の後端421y及び第二フォイル422の後端422yが位置している。このような位置関係は、周方向全周に亘って配列されている全てのフォイル42について同様に成立する。
FIG. 11 is a plan view of the arc-shaped radial foil bearing 40 shown in FIG. 10 developed in a plane and viewed from the inner diameter side. Further, FIG. 11 shows only three
図12は、図9の要部を拡大した図であって、かつ、説明の便宜上、3枚のみのフォイル42を図示している。同図に示すように、第一フォイル421の前端421xから第二フォイル422の前端422x位置までの領域1tfoは、第一フォイル421のラジアル軸受面Rを有するトップフォイル部を構成する。第一フォイル421の後端421yから第二フォイル422の前端422x位置までの領域1bfoは、第一フォイル421のバックフォイル部を構成する。また、第二フォイル422の前端422xから第三フォイル423の前端423x位置までの領域2tfoは、第二フォイル422のラジアル軸受面Rを有するトップフォイル部を構成する。第二フォイル422の後端422yから第三フォイル423の前端423x位置までの領域2bfoは、第二フォイル422のバックフォイル部を構成する。なお、同様に、第三フォイル423の前端423xを含む領域3tfoは、第三フォイル423のラジアル軸受面Rを有するトップフォイル部を構成する。
FIG. 12 is an enlarged view of a main part of FIG. 9, and for convenience of explanation, only three
この場合、第一フォイル421のバックフォイル部1bfoは、第二フォイル422のトップフォイル部2tfoを含み且つそのトップフォイル部2tfoよりも長い領域を、背後(フォイルホルダ21側)から支持している。第二フォイル422のバックフォイル部2bfoは、第三フォイル423のトップフォイル部3tfoを含み且つそのトップフォイル部3tfoよりも長い領域を、背後から支持している。
In this case, the back foil portion 1bfo of the
したがって、第一フォイル421のバックフォイル部1bfoは、第二フォイル422のトップフォイル部2tfoと第三フォイル423のトップフォイル部3tfoとの背後に配置されている。換言すれば、第一フォイル421のバックフォイル部1bfoは、軸方向他方側に順次隣接する第二、第三フォイル422、423のトップフォイル部2tfo、3tfoの背後に配置されている。この実施形態では、各フォイル42の周方向長さL1が、各フォイル42の取り付けピッチの周方向長さP1の3倍とされている。そのため、各フォイル42は、周方向の全周に亘って三層構造とされている。この場合、各フォイル42の周方向長さL1は、各フォイル42の取り付けピッチの周方向長さP1の2倍を超えていればよい。そのため、第一フォイル421のバックフォイル部1bfoは、第三フォイル423の一部領域の背後に配置されていてもよい。なお、各フォイル42の周方向長さL1は、各フォイル42の取り付けピッチの周方向長さP1の3倍以下、4倍以下、5倍以下または6倍以下であることが好ましい。したがって、各フォイル42は、周方向の全周に亘って3枚以上が重なり合うことになる。
Therefore, the back foil portion 1bfo of the
このような構成によれば、軸部材11が矢印Cで示す周方向一方側に向かって回転すると、各フォイル42のラジアル軸受面Rと軸部材11の外周面11aとの間に形成されるラジアル軸受隙間Jの流体(例えば空気)の圧力が高められる。軸部材11は、この高められた流体圧によって、ラジアル方向に非接触支持された状態になる。この状態では、各フォイル42が3枚以上重なり合っているため、軸部材11の回転に伴う各フォイル42同士の摺動箇所が多くなる。そのため、各フォイル42同士の摺動によるクーロン摩擦により軸部材11の振動を減衰する能力が高められ、ラジアルフォイル軸受40による軸部材11の支持の安定性が向上する。しかも、各フォイル42の周方向長さL1が、各フォイル42の取り付けピッチの周方向長さP1の2倍を超えるため、各フォイルの周方向長さL1を大幅に長くすることができる。そのため、各フォイル42同士の摺動の自由度が大きくなり、軸部材11の回転時に、各フォイル42同士がより一層擦れ易くなる。その結果、クーロン摩擦により軸部材11の振動を減衰する能力が更に高められ、ラジアルフォイル軸受40による軸部材11の支持の安定性が更に向上する。しかも、3枚以上のフォイル42が重なり合うことで、ラジアル軸受隙間Jを低減することができる。そのため、ラジアル軸受隙間Jを形成しているフォイルホルダ21及び軸部材11の形状崩れを吸収し易くなり、負荷容量の向上が図られる。
According to such a configuration, when the
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、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 foil bearing according to the present invention can be widely used not only as a turbomachine such as a gas turbine or a supercharger, but also as a bearing for vehicles such as automobiles and a bearing for industrial equipment.
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。 Further, each foil bearing described above is an pneumatic dynamic bearing that uses air as the pressure generating fluid, but the present invention is not limited to this, and other gases can be used as the pressure generating fluid, or water or oil. Liquids such as can also be used.
1 タービン
1bf、1bfo、2bf、2bfo バックフォイル部
1tf、1tfo、2tf、2tfo、3tf、3tfo トップフォイル部
10 フォイル軸受ユニット
11 軸部材
11 スラストカラー
11a スラストカラーの端面
20、30 スラストフォイル軸受
21、31 フォイルホルダ
21a、31a フォイルホルダの端面
21b フォイルホルダの内周面
22、32、42 フォイル
22x、42x フォイルの周方向一方側の端部(前端)
22y、42y フォイルの周方向他方側の端部(後端)
40 ラジアルフォイル軸受
P、P1 フォイルの取り付けピッチ
S スラスト軸受面
T スラスト軸受隙間
R ラジアル軸受面
1 Turbine 1bf, 1bfo, 2bf, 2bfo Backfoil part 1tf, 1tfo, 2tf, 2tfo, 3tf, 3tfo
The other end (rear end) of the 22y and 42y foils in the circumferential direction.
40 Radial Foil Bearings P, P1 Foil Mounting Pitch S Thrust Bearing Surface T Thrust Bearing Gap R Radial Bearing Surface
Claims (5)
各フォイルの前記バックフォイル部が、周方向他方側に順次隣接する2枚以上のフォイルの前記トップフォイル部の背後に配置されることを特徴とするフォイル軸受。 A foil holder provided on a shaft member that rotates on one side in the circumferential direction and a foil holder that is axially opposed to the thrust collar, and a plurality of foils that are arranged side by side in the circumferential direction on the axial end face of the foil holder are provided. One end in the circumferential direction of the foil is a free end, and a region including one end in the circumferential direction of each foil constitutes a top foil portion having a thrust bearing surface, and the other end in the circumferential direction of each foil. A foil bearing in which the region including the end portion constitutes a back foil portion that supports the top foil portion of the foil adjacent to the other side in the circumferential direction from behind.
A foil bearing, wherein the back foil portion of each foil is arranged behind the top foil portion of two or more foils sequentially adjacent to each other on the other side in the circumferential direction.
各フォイルの前記バックフォイル部が、周方向他方側に順次隣接する2枚以上のフォイルの前記トップフォイル部の背後に配置されることを特徴とするフォイル軸受。 A foil holder in which a shaft member rotating on one side in the circumferential direction is inserted on the inner peripheral side, and a plurality of foils mounted side by side in the circumferential direction on the inner peripheral surface of the foil holder are provided, and one of the circumferential directions of each foil is provided. A region in which a side end is a free end and a region including one end in the circumferential direction of each foil constitutes a top foil portion having a radial bearing surface and includes an end on the other side in the circumferential direction of each foil. Is a foil bearing that constitutes a back foil portion that supports the top foil portion of the foil adjacent to the other side in the circumferential direction from behind.
A foil bearing, wherein the back foil portion of each foil is arranged behind the top foil portion of two or more foils sequentially adjacent to each other on the other side in the circumferential direction.
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
US3366427A (en) * | 1965-11-01 | 1968-01-30 | Garrett Corp | Selectively pressurized foil bearing arrangements |
JPS58214012A (en) * | 1982-05-27 | 1983-12-13 | ア−・ベ−・ゼ−・セムカ・エス・ア− | Manufacture of hydrokinetic bearing, bearing through said manufacture and secondary assembly manufacturing said bearing |
-
2019
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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