JP2022147351A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受面の形状を変更することなくフォイルの剛性を調整する。【解決手段】フォイル軸受２０は、軸受面Ｓが形成された複数のフォイル２２を有する。各フォイル２２の下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部２２ｇを設けることで、この部分の剛性を低下させる。【選択図】図１１

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。

ガスタービンやターボチャージャの主軸は超高速で回転し、タービン翼は高温環境下に晒される。主軸は、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受によって支持されることも多いが、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合や、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には、空気動圧軸受の一種であるフォイル軸受が使用されることがある。

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、フォイルのたわみを許容して荷重を支持する軸受である。軸の回転時には、軸とフォイルの軸受面との間に流体膜（空気膜）が形成され、この流体膜を介して軸が非接触で支持される。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軸受隙間が自動的に形成される。そのため、フォイル軸受は、軸の支持の安定性に優れており、高速回転する軸にも使用できる。

フォイル軸受で軸を安定して支持するためには、軸受面が形成されたフォイルを軸の変位や熱膨張などに追従して変形させる必要がある。そのため、フォイル軸受では、フォイルの剛性の管理が重要となる。

例えば下記の特許文献１には、複数のフォイルを一部が重なり合うように設置して、その重なりの部分で軸受面にばね性を与える、いわゆるリーフ型のフォイル軸受が示されている。このフォイル軸受では、隣接する３枚のフォイルのうちの最も下流側のフォイルの上流端と最も上流側のフォイルの下流端との間に周方向の隙間を形成している。これにより、各フォイルの下流側の端部の剛性が低下するため、軸の変位等に追従して各フォイルの下流側の端部が軸受隙間を広げる方向に変位しやすくなり、フォイルの下流側の端部と回転部材との接触を防止することができる。

また、下記の特許文献２に示されたリーフ型のスラストフォイル軸受では、各フォイルの内径側の端部に、周方向中間部を外径側に後退させた（凹ませた）後退部を設けている。リーフ型のスラストフォイル軸受では、隣接するフォイル間の周方向ピッチが内径側に行くほど小さくなるため、各フォイルの内径側の剛性が外径側の剛性よりも高くなる。従って、剛性の高い内径側の端部に後退部を設け、回転部材と接触しやすい部分が除去することで、フォイルの内径側の端部と回転部材との接触を回避できる。

特開２０１７－８２９１３号公報 特開２０２０－３４０８５号公報

しかし、上記特許文献１のようにフォイルの間に周方向隙間を設けたり、上記特許文献２のようにフォイルの内径側の端部に後退部を設けたりすると、フォイルに形成された軸受面の面積が減少するため、負荷容量が低下してしまう。

そこで、本発明は、負荷容量を低下させることなくことなくフォイルの剛性を調整することで、より大きな荷重を安定して支持できるフォイル軸受を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、軸受面が形成されたフォイルを有するフォイル軸受において、前記フォイルの端部に、前記端部の縁と反対側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受を提供する。

このように、本発明では、フォイルの端部に薄肉部を設けることで、この部分の剛性を低下させている。これにより、支持すべき回転部材の回転時に、回転部材とフォイルの軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧により、フォイルの端部が回転部材から離反する側に変位しやすくなる。このため、回転部材の変位や熱膨張に対するフォイルの端部の追従性が確保され、フォイルの端部と回転部材との接触を防止できる。この場合、薄肉部の厚さを調整するだけで、各フォイルの軸受面の面積を低減することなく、フォイルの端部の剛性を調整することができる。

薄肉部は、肉厚を均一にするのではなく、端部の縁に近づくほど肉厚を徐々に薄くすることが好ましい。これにより、薄肉部のうち、縁から離れた領域の肉厚を比較的厚くしてこの部分の剛性をある程度確保することができるため、この部分が、軸受隙間の流体圧により屈曲する事態を回避できる。

薄肉部の範囲が広すぎると、薄肉部の剛性が過小となり、この部分が軸受面として機能せず、負荷容量が低下するおそれがある。従って、薄肉部の、端部の縁の延在方向と直交する方向の寸法は１ｍｍ以下とすることが好ましい。

本発明は、例えば、リーフ型のフォイル軸受に適用することができる。すなわち、本発明は、支持すべき回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを有し、各フォイルの下流側の端部を含む領域が、下流側に隣接するフォイルの上に重ねて配され、この領域に軸受面が形成されたフォイル軸受において、各フォイルの下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受としても特徴づけることができる。

上記のリーフ型のフォイル軸受において、隣接する３枚のフォイルのうち、最も下流側のフォイルの上流側の端部と最も上流側のフォイルの下流側の端部との間に、回転方向の隙間を形成することで、各フォイルの下流側の端部の剛性を低下させることができる。この隙間を大きくしすぎると負荷容量が低下するおそれがあるが、本発明では、各フォイルの下流側の端部に薄肉部を設けて剛性を低下させているため、上記の隙間をそれほど大きくする必要は無く、例えば０．５ｍｍ以下にすることができる。

フォイル軸受は、起動停止の際にフォイルと回転部材とが摺動するため、フォイルの表面（軸受面）に潤滑被膜を設けることがある。この場合、回転部材との摺動によって、潤滑被膜が基材から剥がれることが懸念される。そこで、前記フォイルが、基材と、前記基材の表面に形成され、前記軸受面が設けられた潤滑被膜とを有し、前記薄肉部における基材の表面の面粗度が、隣接する領域の基材の表面の面粗度よりも大きいことが好ましい。このように、薄肉部における基材の表面の面粗度を大きくすることで、基材の表面に微小凹部が形成され、この微小凹部に潤滑被膜が入り込むことで、潤滑被膜と基材との密着性を高めることができる。

潤滑被膜には、潤滑成分（フッ素や二硫化モリブデンなど）を基材に定着させるために、樹脂系や無機系のバインダーが用いられる。樹脂系バインダーは、フォイルとの密着性は高いが、変形しにくいため、フォイルの追従性を低下させる懸念がある。一方、無機系バインダーは、フォイルの特性（剛性）を変化させにくいが、樹脂系バインダーよりもフォイルとの密着性が低い。そこで、上記のように薄肉部における基材の表面の面粗度を大きくし、この表面に無機系バインダーを含む潤滑被膜を設けることで、基材と潤滑被膜との密着性の低下やフォイルの追従性の低下を回避しながら、軸受面の摺動性を高めることができる。

以上のように、フォイルの端部に薄肉部を設けるにより、軸受面の面積を低減することなく、すなわち負荷容量を低下させることなく、フォイルの端部の剛性を調整することができる。これにより、フォイルと回転部材との接触を防止しながら、大きな荷重を安定して支持することができる。

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。 ラジアルフォイル軸受の断面図である。 スラストフォイル軸受を軸受面側から見た平面図である。 スラストフォイル軸受のフォイルホルダおよび一枚のフォイルを示す平面図である。 図４中のＸ－Ｘ線断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は、複数のフォイルを連結してなるフォイル部材の平面図である。 ２枚のフォイル部材を仮組みした状態を示す平面図である。 仮組みした２枚のフォイル部材をフォイルホルダの上に配置した状態を示す平面図である。 図１１のフォイルホルダに固定部材を取り付けた状態を示す平面図である。 （Ａ）～（Ｆ）は、フォイルの下流側の端部（図６のＹ部）の断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は、他の実施形態に係るフォイルの下流側の端部の断面図である。

以下、本発明の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。

図２に、ロータの支持構造、特に、タービン１と圧縮機２との軸方向間における軸６の支持構造を示す。この領域は高温、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、ここでは空気動圧軸受、特にフォイル軸受が好適に使用される。具体的には、ラジアルフォイル軸受１０により軸６がラジアル方向に支持されると共に、一対のスラストフォイル軸受２０により軸６に設けられたスラストカラー６ａが両スラスト方向に支持される。

ラジアルフォイル軸受１０は、例えばリーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態では、図３に示すように、内周に軸６が挿入され、ハウジング５０に固定された円筒状の外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに固定され、円周方向等間隔に配された複数のフォイル１２とで構成される。

フォイル１２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程度の箔材で形成される。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。この場合、フォイル１２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。

各フォイル１２は、軸６の回転方向（図３の矢印参照）下流側の端部１２ａが自由端とされ、回転方向上流側の端部１２ｂが外方部材１１に固定される。フォイル１２の上流側の端部１２ｂは、外方部材１１の内周面１１ａに形成された軸方向溝１１ｂに嵌合固定される。フォイル１２の下流側の端部１２ａを含む領域は、下流側に隣接するフォイル１２の上（内径側）に重ねて配され、この領域の内径側の面がラジアル軸受面１２ｃとなる。各フォイル１２に形成されたラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ｂとの間には、下流側へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Ｇｒが形成される。

スラストフォイル軸受２０は、軸６をスラスト方向に支持するものであり、図示例では、軸６に設けられたスラストカラー６ａの軸方向両側に、それぞれスラストフォイル軸受２０が配される（図２参照）。

スラストフォイル軸受２０は、図４に示すように、フォイルホルダ２１と、フォイルホルダ２１の端面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイル２２と、フォイル２２をフォイルホルダ２１に固定する固定部材２３とを備える。

フォイルホルダ２１は、円盤状をなし、軸心に軸６が挿通される貫通孔が形成される（図５参照）。フォイルホルダ２１の、スラストカラー６ａと対向する端面に、複数のフォイル２２が取り付けられる。

図４に示すように、フォイル２２は、フォイルホルダ２１の周方向（すなわち、軸６の回転方向）に等ピッチで配置される。図５は、周方向に並べた複数のフォイル２２のうち、一つのフォイル２２のみを図示して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、各フォイル２２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２２ａと、本体部２２ａから外径側に延びる延在部２２ｂとを一体に備える。

フォイル２２の本体部２２ａは、回転方向（図４、５の矢印方向）の下流側端部の縁（下流端縁）２２ｃと、回転方向の上流側端部の縁（上流端縁）２２ｄと、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄの内径端同士を接続する内径端縁２２ｅと、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄの外径端同士をつなぐ外径端縁２２ｆとを有する。図示例では、各フォイル２２の内径端縁２２ｅおよび外径端縁２２ｆの双方が軸心を中心とする円弧で形成されている。下流端縁２２ｃは、半径方向中間部を下流側に突出させた凸形状をなし、上流端縁２２ｄは、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状をなしている。図示例では、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄが同形状の曲線であるため、一枚のフォイルから複数のフォイル２２を効率よく切り出すことができる。

延在部２２ｂは、本体部２２ａから外径側に延びている。フォイルホルダ２１の端面上に複数のフォイル２２を周方向に並べて配し、各フォイル２２の延在部２２ｂの外径部分（図５にクロスハッチングで示す領域）をフォイルホルダ２１と固定部材２３とで挟み込み、これらをボルト等で締め付け固定することで、各フォイル２２がフォイルホルダ２１に固定される（図４参照）。

フォイル２２は、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２と同様の材質で形成される。フォイル２２の材質の具体例はフォイル１２と同様であるため、説明を省略する。

なお、図４、５には、スラストカラー６ａの軸方向一方側に配されたスラストフォイル軸受２０を示している。スラストカラー６ａの軸方向他方側に配されたスラストフォイル軸受２０は、軸受面側から見た平面図が図４、５と鏡像対称であり、同図における軸６の回転方向（矢印）が逆向きであることを除いて、上記のスラストフォイル軸受２０と同様の構成を有する。

図６に示すように、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２は、フォイルホルダ２１の端面２１ａ上に、概ね半ピッチずつ位相をずらしながら周方向に並べて配置されている。各フォイル２２の下流端縁２２ｃを含む領域は、下流側に隣接するフォイル２２の上（スラストカラー６ａ側）に乗り上げ、この領域がトップフォイル部Ｔｆを構成する。また、各フォイル２２の上流端縁２２ｄを含む領域は、上流側に隣接するフォイル２２のトップフォイル部Ｔｆの下（フォイルホルダ２１側）に配され、この領域が、当該トップフォイル部Ｔｆを背後から弾性的に支持するバックフォイル部Ｂｆを構成する。各フォイル２２のトップフォイル部Ｔｆの表面に、スラストカラー６ａの一方の端面６ａ１と対向するスラスト軸受面Ｓが形成される。

図６では、隣接する任意の３枚のフォイル２２を、それぞれフォイル２２（１）、２２（２）、２２（３）と表す。これらの３枚のフォイルのうち、最も上流側のフォイル２２（１）の下流端縁２２ｃ（１）と最も下流側のフォイル２２（３）の上流端縁２２ｄ（３）との間には、回転方向（周方向）の隙間Ｃが設けられる。本実施形態では、隙間Ｃが半径方向全域で均一に設けられる。上記のような隙間Ｃを設けることにより、各フォイル２２の下流側端部（下流端縁２２ｃおよびその近傍）のバネ性が高められ、この部分の剛性を小さくすることができる。上記の隙間Ｃを大きくしすぎると、フォイル２２の下流側端部のバネ性が過度に低下して、負荷容量が不足するおそれがある。従って、上記の隙間Ｃは、０＜Ｃ≦２ｍｍの範囲とすることが好ましい。

スラストフォイル軸受２０は、以下の手順で製作することができる。まず、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すような同形状の２枚のフォイル部材６０を製作する（図７～１０では、理解しやすいように、一方のフォイル部材６０に散点を付して示している）。各フォイル部材６０には、複数のフォイル２２と、その外径端を連結する環状の連結部６１とが一体に形成される。各フォイル部材６０には、スラストフォイル軸受２０に組み込まれるフォイル２２の半数のフォイル２２が周方向に沿って等間隔に設けられる。隣接するフォイル２２の本体部２２ａは切り込み６２で分断され、隣接するフォイル２２の延在部２２ｂの周方向間には空間６３が設けられる。各フォイル２２の延在部２２ｂは、接合部６１ａを介して連結部６１に一体化されている。

次に、図８に示すように、一方のフォイル部材６０と他方のフォイル部材６０を重ねる。この際、二枚のフォイル部材６０をフォイル２２の半ピッチ分だけずらした状態とし、一方のフォイル部材６０の各フォイル２２（本体部２２ａ）の下流側部分を、切り込み６２を介して他方のフォイル部材６０のフォイル２２（本体部２２ａ）の上流側部分の上に配置する。

その後、上記のように仮組みした２枚のフォイル部材６０を、フォイルホルダ２１の端面２１ａ上に配置する（図９参照）。このとき、各フォイル２２の延在部２２ｂの外径端が、フォイルホルダ２１の端面２１ａの外径端に沿って配される。また、フォイル部材６０の連結部６１は、フォイルホルダ２１よりも外径側に配される。この状態で、図１０に示すように、フォイルホルダ２１と固定部材２３とで各フォイル２２の延在部２２ｂを挟持し、フォイルホルダ２１と固定部材２３を図示しないボルト等により固定する。これにより、各フォイル２２がフォイルホルダ２１に固定され、フォイル軸受の中間製造体８０が完成する。

その後、フォイルホルダ２１および固定部材２３よりも外径側に食み出た接合部６１ａを切断し、連結部６１を各フォイル２２から分離する。以上により、図４に示すスラストフォイル軸受２０が完成する。

以上のようなラジアルフォイル軸受１０およびスラストフォイル軸受２０で支持された軸６が回転すると、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ｂとの間のラジアル軸受隙間Ｇｒに空気膜が形成され、この空気膜を介して軸６がラジアル方向に非接触支持される（図３参照）。これと同時に、各スラストフォイル軸受２０のフォイル２２のスラスト軸受面Ｓと、これに対向するスラストカラー６ａの端面との間のスラスト軸受隙間Ｇｔに空気膜が形成され、この空気膜を介してスラストカラー６ａが両スラスト方向に非接触支持される（図６参照）。

このとき、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２及びスラストフォイル軸受２０のフォイル２２の有する可撓性により、各フォイル１２、２２の軸受面が、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、ラジアル軸受隙間Ｇｒ及びスラスト軸受隙間Ｇｔ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、ラジアル軸受隙間Ｇｒ及びスラスト軸受隙間Ｇｔ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。尚、実際のラジアル軸受隙間Ｇｒおよびスラスト軸受隙間Ｇｔの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３および図６ではその幅を誇張して描いている。

また、本実施形態では、スラストフォイル軸受２０のフォイル２２の上流端縁２２ｄが、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状（ヘリングボーン形状）であるため、その上に重ねられたフォイル２２のトップフォイル部Ｔｆに、凹形状の上流端縁２２ｄに倣った段差が形成される。軸６の回転に伴って下流側に流れるスラスト軸受隙間Ｇｔの空気が、上記の段差に沿って半径方向中央領域に引き込まれることで、スラスト軸受隙間Ｇｔの空気圧が高まりやすくなり、スラストフォイル軸受２０の負荷容量を高めることができる。

以下、本発明の特徴的構成である、スラストフォイル軸受２０のフォイル２２の端部の構成について説明する。

スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２の下流側の端部（下流端縁２２ｃおよびその近傍）には、下流端縁２２ｃと反対側（本実施形態では上流側）に隣接する領域よりも肉厚の薄い薄肉部２２ｇが設けられる（図５に、薄肉部２２ｇとその上流側に隣接する領域との境界を点線で示す）。本実施形態では、薄肉部２２ｇが、各フォイル２２の下流端縁２２ｃの全域に設けられる。各フォイル２２のうち、薄肉部２２ｇを除く領域は、肉厚が一定である。薄肉部２２ｇを含むトップフォイル部Ｔｆの全域に、軸受面Ｓが形成される。

薄肉部２２ｇの形状の具体例を、図１１（Ａ）～（Ｆ）に示す。これらの例では、薄肉部２２ｇの肉厚が、下流端縁２２ｃに近づくほど徐々に薄くなっている。図１１（Ａ）～（Ｃ）に示す例では、薄肉部２２ｇが厚さ方向で非対称形状を成している。具体的に、薄肉部２２ｇの軸受面Ｓ側の面（図１１の上面）に、下流端縁２２ｃに近づくにつれてスラストカラー６ａから離反する側（図１１の下方）に変位した傾斜面が設けられる。例えば、このような傾斜面として、下に凸の凹曲面｛図１１（Ａ）参照｝や、上に凸の凸曲面｛図１１（Ｂ）参照｝、あるいは平坦な傾斜面｛図１１（Ｃ）参照｝が形成される。薄肉部２２ｇの軸受面Ｓと反対側の面（図１１の下面）は、上流側に隣接する領域と連続した平坦面で構成される。

図１１（Ｄ）～（Ｆ）に示す例では、薄肉部２２ｇが厚さ方向で対称形状を成している。具体的に、薄肉部２２ｇの厚さ方向両側の面に、下流端縁２２ｃに近づくにつれてフォイル２２の厚さ方向中央側に変位した傾斜面が設けられる。例えば、このような傾斜面として、厚さ方向中央側に凸の凹曲面｛図１１（Ｄ）参照｝や、厚さ方向外側に凸の凸曲面｛図１１（Ｅ）参照｝、あるいは平坦な傾斜面｛図１１（Ｆ）参照｝が形成される。このように、薄肉部２２ｇが厚さ方向で対称形状であれば、フォイル２２を表裏反転させることで、回転方向が逆向きのスラストフォイル軸受に使用することができる。すなわち、スラストカラー６ａの両側に設けられた一対のスラストフォイル軸受２０（図２参照）に、共通のフォイル２２を使用することができる。

薄肉部２２ｇの幅（下流端縁２２ｃの延在方向と直交する方向の寸法）Ａが大きすぎると、スラスト軸受面Ｓの下流側端部の剛性が過小となり、負荷容量が不足するおそれがある。このため、薄肉部２２ｇの幅Ａは１ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、薄肉部２２ｇは、図５に示すように各フォイル２２の下流側端部の全域に設ける他、各フォイル２２の下流側端部の一部領域、例えば、下流端縁２２ｃの頂部（最も下流側に配された部分）を含む一部領域に設けてもよい。また、薄肉部２２ｇの幅Ａや肉厚を場所によって異ならせてもよい。

軸６の回転時には、図６に示すように、各フォイル２２の下流側端部が最もスラストカラー６ａに接近する。本実施形態では、各フォイル２２の下流側端部に薄肉部２２ｇを設けることで、この領域の剛性｛スラストカラー６ａから遠ざかる側（図６の下側）への変位しにくさ｝を低下させている。これにより、スラスト軸受隙間Ｇｔの空気膜の圧力により、各フォイル２２の下流側端部（薄肉部２２ｇ）が容易に変位してスラストカラー６ａから遠ざかるため、各フォイル２２の下流側端部とスラストカラー６ａとの接触を防止することができる。この場合、各フォイル２２の薄肉部２２ｇの厚さを調整するだけで、各フォイル２２の下流側端部の剛性を調整することができるため、各フォイル２２の軸受面Ｓの面積は変わらず、負荷容量が維持される。

また、図示例では、薄肉部２２ｇの肉厚が、下流端縁２２ｃ側（図１１の左側）ほど薄くなっている。これにより、薄肉部２２ｇの上流側部分（下流端縁２２ｃから離れた領域）の肉厚を厚めにしてこの部分の剛性をある程度確保することができる。このため、薄肉部２２ｇの上流側部分が、スラスト軸受隙間Ｇｔの流体圧で屈曲することを防止することができる。

図６に示すように、本実施形態では、隣接する３枚のフォイル２２（１），２２（２），２２（３）のうち、最も上流側のフォイル２２（１）の下流端縁２２ｃ（１）と最も下流側のフォイル２２（３）の上流端縁２２ｄ（３）との間に周方向の隙間Ｃを設けることで、各フォイル２２の下流側端部の剛性を低下させている。しかし、この隙間Ｃが大きすぎると、負荷容量が低下するため好ましくない。本実施形態では、上記のようにフォイル２２の薄肉部２２ｇの厚さでバネ性を低下させているため、上記の隙間Ｃを小さくすることができ、例えばＣ≦０．５ｍｍとすることができる。なお、特に必要が無ければ、上記の隙間Ｃを省略してもよい。

次に、上記のような薄肉部２２ｇを有するフォイル２２の製造方法、特にフォイル部材６０（図７参照）の加工方法について説明する。

フォイル部材６０は、一枚の箔材（フォイル）から形成される。箔材の加工方法としては、例えばワイヤーカットやレーザ加工が挙げられるが、何れの加工方法でも加工面にバリが発生する。フォイル２２に形成されたバリが脱落してスラスト軸受隙間Ｇｔに混入すると、最悪の場合、フォイル２２の破損を招くおそれがある。また、ワイヤー径やレーザ径には制約があるため、フォイル２２間の切り込み６２の幅（すなわち、図６に示すスラストフォイル軸受２０のフォイル２２間の回転方向隙間Ｃ）は、それ程小さくすることはできない。

そこで、箔材にエッチングを施してフォイル部材６０を形成することが好ましい。エッチングは、箔材の不要部分を溶解する加工方法であり、加工面にバリが発生しない。また、エッチングでは、箔材のうち、除去しない面にマスキングを施すだけで、所望の形状のフォイル部材６０が得られるため、フォイル２２間の切り込み６２の幅（すなわち、図６の隙間Ｃの大きさ）を自由に設定することができる。

本実施形態では、箔材にマスキングを施してエッチングすることにより、図７に示す形状を有するフォイル部材６０を形成する。このときのフォイル部材６０は、全域で肉厚が均一である。その後、フォイル部材６０のうち、各フォイル２２の薄肉部２２ｇの形成領域（図５参照）を除く全ての領域にマスキングを施して、エッチングすることにより、各フォイル２２の下流端端部に薄肉部２２ｇを形成する。エッチングで加工した薄肉部２２ｇの表面には、通常、図１１（Ａ）あるいは（Ｄ）に示すような凹曲面が形成される。フォイルに対して片面のみからエッチングを施すことで、図１１（Ａ）に示すような凹曲面が設けられ、フォイルに対して両面からエッチングを施すことで、図１１（Ｄ）に示すような凹曲面が設けられる。

なお、薄肉部２２ｇは、エッチングに限らず、型成形（プレス成形）や機械加工により形成することもできる。図１１（Ｂ），（Ｃ），（Ｅ），（Ｆ）に示すような断面形状の薄肉部２２ｇは、型成形や機械加工で形成する他、エッチングの処理条件を工夫して形成することもできる。

本発明の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を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

スラストフォイル軸受２０は、起動停止の際にフォイル２２の軸受面Ｓとスラストカラー６ａとが摺動する。そこで、各フォイル２２の軸受面Ｓに潤滑被膜を設けることで、軸受面Ｓの摺動性が高められる。例えば、図１２（Ａ）や図１２（Ｂ）に示す例では、各フォイル２２が、基材２４と、基材２４の表面に形成された潤滑被膜２５とを有し、潤滑被膜２５に軸受面Ｓが設けられる。潤滑被膜２５は、フォイル２２の本体部２２ａのうち、少なくとも下流側端部に設けられ、例えば、トップフォイル部Ｔｆ（軸受面Ｓ）の全域に設けられる。

潤滑被膜２５としては、樹脂系バインダーを用いたものや、無機系バインダーを用いたものを使用することができる。潤滑被膜２５に求められる機能として、スラストカラー６ａに対する摺動性（低摩擦性）や、フォイル２２の基材２４との密着性が挙げられる。樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜２５は、基材２４との密着性や耐摩耗性に優れているが、被膜厚さの影響によりフォイル２２の基材２４の元々の特性（可撓性）を変えてしまい、それによりフォイル２２の追従性が低下する場合がある。一方、無機系バインダーを用いた潤滑被膜２５は、フォイル２２の基材２４の特性を変化させにくいが、基材２４との密着性が低く、基材２４から剥がれやすいという問題がある。

そこで、本実施形態では、各フォイル２２の薄肉部２２ｇにおける基材２４の表面の面粗度を、上流側に隣接する領域における基材２４の表面の面粗度よりも大きくした。具体的には、例えば、薄肉部２２ｇをエッチングで加工することにより、薄肉部２２ｇの表面の面粗度は、エッチングを施していない面の面粗度よりも大きくなる。従って、図７に示す形状の基材（フォイル部材６０）を形成した後、各フォイル２２の下流側端部のみにエッチングを施すことにより、この領域に薄肉部２２ｇを形成すると同時に、この領域の基材２４の表面を粗面化して無数の微小凹部２４ａを形成することができる。こうして形成された微小凹部２４ａに、潤滑被膜２５の一部が入り込むことにより、基材２４と潤滑被膜２５との密着性が改善される。

スラストフォイル軸受２０をガスタービンに組み込んだ後、慣らし運転を行うことにより、各フォイル２２の軸受面Ｓとスラストカラー６ａとが摺動し、フォイル２２の下流側端部を含む領域に荷重が加わる。この荷重により、余分な潤滑被膜２５が削り取られて潤滑被膜２５の厚さのバラつきが低減されると共に、フォイル２２の薄肉部２２ｇの基材２４の表面に形成された微小凹部２４ａに潤滑被膜２５が押し込まれ、基材２４と潤滑被膜２５との密着性が高められる。なお、樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜２５も使用可能であるが、被膜が硬く、慣らし運転に時間がかかるため、生産性の面でも無機系バインダーを用いた潤滑被膜２５が有利である。

以上の実施形態では、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２の下流側端部に薄肉部２２ｇを設けた場合を示したが、薄肉部２２ｇを設ける場所はこれに限られない。例えば、各フォイル２２の内径側端部（内径端縁２２ｅおよびその近傍）に薄肉部２２ｇを設けてもよい。あるいは、各フォイル２２の下流側端部および内径側端部の双方に薄肉部２２ｇを設けてもよい。

また、上記のスラストフォイル軸受は一例であり、フォイルやフォイルホルダの構成を上記と異ならせてもよい。例えば、上記の実施形態では、ラジアルフォイル軸受１０の複数のフォイル１２を一つずつ別体に形成しているが、複数のフォイル１２のいくつかあるいは全部を、連結部で連結した状態で一枚のフォイルから一体に形成してもよい。また、スラストフォイル軸受２０の全てのフォイル２２を別体に形成した後、各フォイル２２をフォイルホルダ２１に取り付けてもよい。

本発明は、リーフ型のフォイル軸受に限らず、他のフォイル軸受に適用することも可能である。例えば、波型のバンプフォイルでフォイルを背後（軸受面と反対側）から支持することでフォイルにバネ性を付与する、いわゆるバンプ型のフォイル軸受に、本発明を適用することもできる。この場合、フォイルのうち、回転部材と摺動しやすい端部（例えば、下流側の端部）を含む領域に薄肉部を設けることで、この端部におけるバネ性を低下させて、回転部材との摺動を防止することができる。

また、本発明は、スラストフォイル軸受に限らず、ラジアルフォイル軸受に適用することも可能である。例えば、図３に示すラジアルフォイル軸受１０の各フォイル１２の下流側端部に、上流側に隣接する領域よりも薄い薄肉部を設けることができる。

６ 軸
６ａ スラストカラー
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ フォイル
２０ スラストフォイル軸受
２１ フォイルホルダ
２２ フォイル
２２ａ 本体部
２２ｂ 延在部
２２ｇ 薄肉部
２３ 固定部材
２４ 基材
２４ａ 微小凹部
２５ 潤滑被膜
６０ フォイル部材
Ｂｆ バックフォイル部
Ｔｆ トップフォイル部
Ｇｒ ラジアル軸受隙間
Ｇｔ スラスト軸受隙間
Ｓ スラスト軸受面

Claims (8)

1. 軸受面が形成されたフォイルを有するフォイル軸受において、
   前記フォイルの端部に、前記端部の縁と反対側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受。
2. 前記薄肉部の肉厚が、前記端部の縁に近づくほど徐々に薄くなっている請求項１に記載のフォイル軸受。
3. 前記薄肉部の、前記端部の縁の延在方向と直交する方向の寸法を１ｍｍ以下とした請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
4. 支持すべき回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを有し、各フォイルの下流側の端部を含む領域が、下流側に隣接するフォイルの上に重ねて配され、この領域に軸受面が形成されたフォイル軸受において、
   各フォイルの下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受。
5. 隣接する３枚のフォイルのうち、最も下流側のフォイルの上流側の端部と最も上流側のフォイルの下流側の端部との間に、回転方向の隙間が形成された請求項４に記載のフォイル軸受。
6. 前記回転方向の隙間が０．５ｍｍ以下である請求項５に記載のフォイル軸受。
7. 前記フォイルが、基材と、前記基材の表面に形成され、前記軸受面が設けられた潤滑被膜とを有し、
   前記薄肉部における基材の表面の面粗度が、隣接する領域の基材の表面の面粗度よりも大きい請求項１～６の何れか１項に記載のフォイル軸受。
8. 前記潤滑被膜が、無機バインダーを含む請求項７に記載のフォイル軸受。
   

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