JP2023148086A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を高めることができるフォイル軸受を提供する。【解決手段】フォイルホルダと、フォイルホルダの内周面に周方向に沿って並設される複数のフォイルとを備える。各フォイルは、軸受面を有するトップフォイル部とトップフォイル部の周方向他端側に設けられるアンダーフォイル部とを有する。各フォイルのアンダーフォイル部の周方向他端に周方向に開口する切り欠き部を形成する。切り欠き部の開口幅をaとし、アンダーフォイル部の軸方向幅をＡとし、切り欠き部の深さをｂとし、アンダーフォイル部の周方向長さをＢとしたときに、０．７８≦ａ／Ａ≦０．９５とするとともに、０．６１≦ｂ／Ｂ≦０．９５とした。【選択図】 図４

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・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。このような過酷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（リーフ）で軸受面を構成したものであり、軸の回転時に軸とリーフの軸受面との間に形成された軸受隙間に流体膜（例えば空気膜）を形成して軸を非接触支持するものである。

フォイル軸受は、特許文献１に記載のように、円筒状のフォイルホルダの内周面に、複数のフォイルの周方向両端を接触した状態で保持させた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受がある。また、従来には、軸受隙間の圧力を高める手段を具備したフォイル軸受がある(特許文献２)。

特許文献２に記載のものは、フォイルのアンダーフォイル部に切り欠き部を設け、このアンダーフォイル部に乗り上げる隣のフォイルのトップフォイル部に、切り欠き部に沿った段差が形成されるものである。このように、段差が形成されることにより、トップフォイル部に沿って流れる流体が、段差に沿って流れて軸方向中央側に集められ、圧力向上効果が高められるものである。

特開２０１４－１１９０９４号公報 特開２０１６－４８０７４号公報

ところで、特許文献２に記載のように、切り欠き部を設けた場合、切り欠き部の寸法形状によっては、圧力向上効果が高められない場合も生じていた。このように、圧力向上効果が高めれない場合、軸受の負荷容量が不足する場合がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を高めることができるフォイル軸受を提供するものである。

本発明のフォイル軸受は、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沿って並設される複数のフォイルとを備え、内周に挿入された軸を相対回転自在にラジアル方向で支持するフォイル軸受であって、各フォイルは、軸受面を有し、前記軸と前記フォイルホルダの内周面との間に配設されるトップフォイル部と、前記トップフォイル部の周方向一端側に設けられ、前記フォイルホルダの内周面に設けられた凹部に差し込まれる差込部と、前記トップフォイル部の周方向他端側に設けられ、軸回転方向上流側に隣接するフォイルと前記フォイルホルダの内周面との間に配設されるアンダーフォイル部とを有し、各フォイルのアンダーフォイル部の周方向他端に、周方向他端から周方向一端側へ向かって軸方向幅を小として、周方向に開口する切り欠き部を形成するとともに、切り欠き部の開口幅をaとし、アンダーフォイル部の軸方向幅をＡとし、切り欠き部の深さをｂとし、アンダーフォイル部の周方向長さをＢとしたときに、０．７８≦ａ／Ａ≦０．９５とするとともに、０．６１≦ｂ／Ｂ≦０．９５としたものである。

本発明のフォイル軸受によれば、回転方向上流側に隣接するフォイルとフォイルホルダの内周面との間に配設されるアンダーフォイル部の周方向他端に切り欠き部を形成したことによって、高圧の空気を溜めるポケットが形成され、軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を高めることができる。すなわち、切り欠き部の大きさを、前記のように設定することによって、軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を安定して高めることができる。

前記切り欠き部は円弧形状とされているのが好ましい。このように構成することによって、トップフォイル部に沿って流れる流体が、なめらかに軸方向中央側に集められる。

フォイルのアンダーフォイル部における切り欠きに対向する隣のフォイルのトップフォイル部表面にのみ軸との摺動痕が形成されるのが好ましい。このように設定することによって、軸と軸受との接触を有効に回避でき、長期にわたって、フォイル軸受としての機能を有効に発揮することができる。

本発明では、軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を安定して高めることができる。

ガスタービンの模式図である。 ガスタービンの主軸の支持構造を示す断面図である。 ガスタービンの主軸の支持構造に組み込まれるフォイル軸受の断面図である。 フォイル軸受のフォイルの展開状態の平面図である。 複数のフォイルを連結した展開状態の平面図である。 フォイルを示し、（ａ）は本発明に係るフォイル軸受の基本形状の展開状態の平面図であり、（ｂ）は基本形状に対して切り欠き部の深さを小とした展開状態の平面図であり、（ｃ）は基本形状に対して切り欠き部の開口幅を小とした展開状態の平面図である。 切り欠き残部の幅寸法を小としたときの問題点説明図である。 切り欠き部の深さを大としたときの問題点説明図である。 切り欠き部を有さないフォイルの展開状態の平面図である。 回転速度と負荷容量との関係を示すグラフ図である。

以下本発明の実施の形態を図１～図１０に基づいて説明する。

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、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主軸(軸)６が設けられ、この主軸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の回転力が主軸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、主軸６に設けられたスラストカラー６ａ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、主軸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る。

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、オイル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。

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の構成を図面に基づいて説明する。

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１２とを有する。フォイルホルダ１１の外周面１１ｂは、ガスタービンの図示省略のハウジングの内周面に固定される。

フォイルホルダ１１は、例えば焼結金属や溶製材等の金属で形成される。図示例のフォイルホルダ１１は、円筒面状の内周面１１ａ及び外周面１１ｂを有する。内周面１１ａのうち、周方向に離隔した複数箇所（図示例では３箇所）には、凹部としての軸方向溝１１ｃが形成される。各軸方向溝１１ｃの軸方向両端は、それぞれフォイルホルダ１１の端面に開口している。

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程度の金属フォイル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、金属フォイルとして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。

フォイル１２は、図４に示すように、軸受面を有するトップフォイル部１３と、トップフォイル部の周方向他端側に設けられるアンダーフォイル部１４を有するものである。トップフォイル部１３の周方向一端側には、フォイルホルダ１１の内周面の軸方向溝１１ｃに差し込まれる差込部１５、１５が設けられている。

差込部１５、１５は、図４に示すように、トップフォイル部１３の周方向一端側の軸方向両端側から周方向外方へ突出する突出片１５a、１５ａにて構成される。この場合、突出片１５ａは、本体部１５ａ１と、この本体部１５ａ１の突出端部の軸方向外方に突出する小突起部１５ａ２とからなる。

また、アンダーフォイル部１４と、トップフォイル部１３との間には、軸方向長さが小となる首部１６が設けられる。この場合、アンダーフォイル部１４とトップフォイル部１３との間に、軸方向に相対向する切り欠き部１７，１７を設けることによってこの首部１６を設けている。なお、切り欠き部１７は、トップフォイル部１３側の軸方向中央側から、外方に向かってトップフォイル部１３側に傾斜する傾斜辺１７ａと、傾斜辺１７aの軸方向中央側の底辺１７ｂと、この底辺１７ｂのアンダーフォイル部１４側から軸方向外方に延びる軸方向辺１７ｃと、軸方向辺１７ｃの外方端から連結される円弧辺１７ｄとからなる。

アンダーフォイル部１４の周方向他端に、周方向他端から周方向一端側へ向かって軸方向幅を小として、周方向に開口する切り欠き部２１を形成している。この場合、切り欠き部２１は円弧形状としている。そして、図４に示すように、切り欠き部２１の開口幅(軸方向幅)をａとし、アンダーフォイル部１４の軸方向幅をＡとし、切り欠き部２１の深さ(周方向長さ)をｂとし、アンダーフォイル部１４の周方向長さをＢとしたときに、０．７８≦ａ／Ａ≦０．９５とするとともに、０．６１≦ｂ／Ｂ≦０．９５とする。

周方向に隣り合うフォイル１２を組み合わせる場合、一のフォイル１２（軸回転方向上流側のフォイル１２）の差込部１５，１５を他のフォイル１２（軸回転方向下流側のフォイル１２）の切り欠き部１７，１７に内径側から嵌入することになる。そして、軸回転方向下流側のフォイル１２の切り欠き部１７，１７を介して外径側に突出した一のフォイル１２の差込部１５，１５をフォイルホルダ１１の内周面の軸方向溝１１ｃに差し込んでこの軸方向溝１１ｃに係合させる。

この際、軸回転方向上流側のフォイル１２のトップフォイル部１３の周方向一端縁が軸回転方向下流側のフォイル１２の首部１６に係止するとともに、軸回転方向上流側のフォイル１２の差込部１５，１５が、軸方向溝１１ｃの軸回転方向下流端のコーナ部に係合することになる。この場合、各フォイル１２のアンダーフォイル部１４の周方向他端部側（軸回転方向上流側）が自由端となる。

このように、３枚のフォイル１２を組み合わせたものが、フォイルホルダ１１の内周面に装着されれば、図３に示すように、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿うように、円筒形状をなすことになる。この場合、各フォイル１２は、トップフォイル部１３が軸６の外周面と対向することになって、アンダーフォイル部１４がフォイルホルダ１１の内周面に接触することになる。すなわち、図３に示すように、軸回転方向上流側のフォイル１２の差込部１５，１５が、軸回転方向下流側のフォイル１２の切り欠き部１７、１７を介してフォイルホルダ１１の内周面１１ａ側に突出して、軸方向溝１１ｃに差し込まれた状態となって係合する。この際、各フォイル１２のトップフォイル部１３は、フォイルホルダ１１の内周面１１ａと軸６の外周面との間に配設され、各フォイル１２のアンダーフォイル部１４は、軸回転方向上流側に隣接するフォイル１２とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配設される。

そして、軸６(図２参照)が図３の矢印Ａ方向に回転すると、ポケット２２(図５参照)と対向するトップフォイル部１３の範囲Ｈがフォイルホルダ内周面側に撓むことにって、範囲Ｈ１(図３及び図５参照)で示す部位における軸６の外周面とフォイル１２との隙間が最も狭くなり、くさび効果により圧力が発生する。また、範囲Ｈ２(図３及び図５参照)で示す部位においても、軸受隙間が縮小するため、くさび効果により圧力が発生する。

本発明に係るフォイル軸受では、切り欠き部２１を形成したことによって、高圧の空気を溜めるポケット２２が形成され、軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を高めることができる。すなわち、切り欠き部２１の大きさを、前記のように設定することによって、軸受隙間に発生する圧力（負荷容量）を安定して高めることができる。

切り欠き部２１は円弧形状とされているのが好ましい。このように構成することによって、トップフォイル部１３に沿って流れる流体が、なめらかに軸方向中央側に集められる。

フォイル１２のアンダーフォイル部１４における切り欠き部２１に対向する隣のフォイル１２のトップフォイル部１３表面にのみ軸６との摺動痕が形成されるのが好ましい。このように設定することによって、軸６と軸受との接触を有効に回避でき、長期にわたって、フォイル軸受としての機能を有効に発揮することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、以上に説明したフォイル軸受の適用対象は、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、以上に説明したフォイル軸受は、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。

また、以上に説明したフォイル軸受は、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。

切り欠き部２１として、実施形態では円弧形状の切り欠きで構成していたが、これに限らず、Ｖ字形状の切り欠きや、台形状の切り欠き、さらには、半長円乃至半楕円形状の切り欠きで構成してもよい。また、実施形態では、フォイル１２が３枚であったが、３枚に限らず、４枚以上であってもよい。

アンダーフォイル部１４に設けられる切り欠き部２１の大きさと負荷容量の関係を調べた。実施品１は基準の大きさの切り欠き部を有するもの、実施品２、３は実施品１に対して、円周方向比を小さくしたものであり、実施品４、５は実施品１に対して、軸方向比を小さくしたものであり、比較品１は図９に示すように、アンダーフォイル部１４に切り欠き部を設けていないものである。

各実施品１～実施品５の軸方向比および円周方向比は次の表１のように設定した。ここで、軸方向比とは、切り欠き部の開口幅(軸方向幅)をaとし、アンダーフォイル部１４の軸方向幅をＡとしたときのａ／Ａであり、円周方向比とは、切り欠き部の深さ(周方向長さ)をｂとし、アンダーフォイル部の周方向長さをＢとしたときのｂ／Ｂである。ａ／Ａ及びｂ／Ｂは、小さくなれば、切り欠き部の大きさが小さくなり、このため、高圧の空気を溜めるポケット２２が小さくなる。

すなわち、図６（ａ）に実施品１(基準品)を示し、この実施品１の切り欠き部２１は、軸方向比（ａ／Ａ）が０．８８とされ、周方向比（ｂ／Ｂ）が０．７２とされ、実施品２及び実施品３は、図６（ｂ）に示すように、周方向比（ｂ／Ｂ）が基準品よりも小さい、すなわち、切り欠き部２１の切り欠き深さｄを小さくものである。実施品２及び実施品３の軸方向比（ａ／Ａ）が０．８８と実施品１の軸方向比（ａ／Ａ）と同じであり、実施品２の周方向比（ｂ／Ｂ）が０．５４であり、実施品３の周方向比（ｂ／Ｂ）が０．４４である。実施品４及び実施品５は、図６（ｃ）に示すように、軸方向比（ａ／Ａ）が基準品よりも小さい、すなわち、切り欠き部２１の開口幅Ｗを小さくしたものである。実施品４は、軸方向比（ａ／Ａ）を０．７８とし、周方向比（ｂ／Ｂ）を０．６１とし、実施品５は、軸方向比（ａ／Ａ）を０．６７とし、周方向比（ｂ／Ｂ）を０．４９としている。

この場合、２００００（ｒｐｍ）、３００００（ｒｐｍ）、４００００（ｒｐｍ）、５００００（ｒｐｍ）、及び６００００（ｒｐｍ）について負荷容量を調べた。表１と図１０に示すように、比較品１は、すべての回転速度において、基準となる実施品１と比べて負荷容量が低下した。４００００（ｒｐｍ）以上で、実施品２～実施品５は基準となる実施品１と比べて負荷容量が低下した。６００００（ｒｐｍ）以上で、実施品４及び実施品５は基準となる実施品１と比べて負荷容量が最も低下した。

この実施例から、切り欠部２０の大きさ、つまり、高圧の空気を溜めるポケットの体積が負荷容量に影響していることがわかる。ポケット２２（切り欠き部２１）が小さければ、滞留する空気量が少なくなるため、負荷容量が低下する。高速領域では、空気の流れが増加するため、負荷容量の差が顕著に表れる。

比較品１では、２００００（ｒｐｍ）でも負荷容量が低下しているが、この原因として、低速領域では、軸受隙間に巻き込む空気量が少なく、ポケット２２が形成されないため、さらに空気量が低下し、負荷容量が低下したと考えられる。

また、ａを大きくすると、切り欠き部残部２３の軸方向幅ｃ(図７参照)が小さく（狭く）なり、フォイルの剛性が低下して、組み立て性が悪くなる。このため、ａ／Ａを０．９５以下にするのが好ましい。ｂを大きくしすぎると、切り欠き部２１と首部１６との間の部位２４の寸法ｅ(図８参照)が小さくなって、範囲Ｈ１(図３及び図５参照)が無くなることになり、くさび効果による圧力が上がりにくくなる。このため、ｂ／Ｂを０．９５以下にするのが好ましい。

６ 軸(主軸)
１１ フォイルホルダ
１１ａ 内周面
１２ フォイル
１３ トップフォイル部
１４ アンダーフォイル部
１５ 差込部
２１ 切り欠き部

Claims (3)

1. 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沿って並設される複数のフォイルとを備え、内周に挿入された軸を相対回転自在にラジアル方向で支持するフォイル軸受であって、
   各フォイルは、軸受面を有し、前記軸と前記フォイルホルダの内周面との間に配設されるトップフォイル部と、前記トップフォイル部の周方向一端側に設けられ、前記フォイルホルダの内周面に設けられた凹部に差し込まれる差込部と、前記トップフォイル部の周方向他端側に設けられ、軸回転方向上流側に隣接するフォイルと前記フォイルホルダの内周面との間に配設されるアンダーフォイル部とを有し、
   各フォイルのアンダーフォイル部の周方向他端に、周方向他端から周方向一端側へ向かって軸方向幅を小として、周方向に開口する切り欠き部を形成するとともに、切り欠き部の開口幅をaとし、アンダーフォイル部の軸方向幅をＡとし、切り欠き部の深さをｂとし、アンダーフォイル部の周方向長さをＢとしたときに、０．７８≦ａ／Ａ≦０．９５とするとともに、０．６１≦ｂ／Ｂ≦０．９５としたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記切り欠き部は円弧形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のフォイル軸受。
3. フォイルのアンダーフォイル部における切り欠き部に対向する隣のフォイルのトップフォイル部表面にのみ軸との摺動痕が形成されないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォイル軸受。

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