JP3986253B2 - Foil thrust bearing - Google Patents

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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービン、圧縮機、等の回転機械に用いるフォイルスラスト軸受に関し、高速回転時に生ずる流体の軸受面からの流出を抑え、負荷能力の減少を抑えるような軸受である。
【０００２】
【従来の技術】
図３はバンプフォイルを用いたスラスト軸受の一例を示し、特公平２−４１６５４号公報に示されているものである。図３（ａ）はフォイルスラスト軸受の側面図、（ｂ）は回転側と静止側の軸受を示す斜視図である。これら図において、回転軸１にはスラストカラー２６が取付けられており、軸受部材１５が対向して配置され、両者の間に隙間２７が形成されている。スラストカラー２６の下面にはフォイル４０、その上面に波板状の隆起部を有するばね４５が半径方向に放射状に配置されている。ばね４５は上下方向に弾力性を保有し、フォイル４０の面に取付けられている。ばね４５の上部には扇状のバンプフォイル５０が配置されており、各バンプフォイル５０はばね４５の一端側の５０ａがフォイル４０に固定され、他端が自由端となり上部のスラストカラー２６へ向かって傾斜して配置され、スラストカラー２６とバンプフォイル５０とで楔状の空間５５を形成する。
【０００３】
一方フォイル４０と対向して、その下面にはフォイル３０が配置され、フォイル３０と軸受部材１５との間には上記のばね４５と同様な構造のばね２５が配置され、これらフォイル３０，ばね２５，軸受部材１５とは互いに固定されている。このような構成のスラスト軸受では、（ａ）図に示すように回転軸１が回転すると、スラストカラー２６とバンプフォイル５０との間の楔状の空間５５に流体が流入し、幅の狭い空間に移動し、バンプフォイル５０の自由端部に高圧領域を形成し、固定部に低圧領域を形成する。これにより空間５５内に流体膜が形成され、流体膜によってスラストカラー２６が支持され、又、スラストカラー２６がバンプフォイル５０に接触することが防止される。
【０００４】
ばね４５はバンプフォイル５０の撓みに抵抗し、これを弾性支持し、更にスラストカラー２６からばね４５を介して伝わる力はフォイル４０，フォイル３０を介してばね２５でも受け荷重を弾性支持しており、二重のばね構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、図３に示す従来のスラスト軸受においては、スラストカラー２６と軸受部材１５の間に波板状のばね２５と４５が配置されており、上部のばね４５の上にバンプフォイル５０が取付けられ、回転するスラストカラー２６との間に気体膜を形成する。本例では、ばねを二重に構成することでフォイル軸受の弾力性を強化している。
【０００６】
上記構造のスラスト軸受においては、回転速度が高速化すると、軸受隙間に存在する流体に遠心力が作用して軸受面から流体が強制的に吐き出されるために、軸受の負荷能力は著しく減少する。通常のフォイル軸受ではトップフォイルとスラストカラーの間の隙間は半径方向に一様に構成されるので、低速度での負荷能力には優れるが、高速時の負荷能力は必ずしも十分ではない。
【０００７】
そこで本発明は、軸受面にバックスプリングを互いに重ね合わせるように配置して外周側の変形量を小さくする構成とし、かつ外周部の隙間を小さくして高速回転時に生ずる遠心力によって流体が流出することを抑えるようにせしめ、負荷能力減少を抑えることができるフォイルスラスト軸受を提供することを課題としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の手段を提供する。
【０００９】
（１）回転するスラストカラーと対向し径方向に放射状に伸びる複数の溝を有する軸受面に配設されたバックスプリングと、同バックスプリングの表面に配設されたトップフォイルとからなるフォイルスラスト軸受において、前記バックスプリングは前記溝の個数と同数で構成し、各バックスプリングは前記溝内に嵌合すると共に前記スラストカラー回転方向の上流側と下流側へ配設され、同溝の上流側では外周側に向かって径方向よりも大きく展開し、拡大する扇状の形状として外周側を内周側よりも長くし、下流側は隣接する溝の側端部まで伸びて配設され、かつ前記下流側の隣接する溝側は次の扇状のバックスプリングと重ね合わせて配設されており、前記トップフォイルは前記バックスプリングと同数からなり、前記隣接する溝間のバックスプリングを覆って配設されていることを特徴とするフォイルスラスト軸受。
【００１０】
（２）前記各トップフォイルは上流側の前記溝の径方向の側端部においてバックスプリングに固定されていることを特徴とする（１）記載のフォイルスラスト軸受。
【００１１】
本発明の（１）においては、半径方向溝に嵌合したバックスプリングを、回転方向上流側では外周側に向かって径方向よりも大きく展開し、拡大する扇形の形状とし、かつ、前記外周側に長く展開した上流側に、回転方向上流に隣接するバックスプリングの扇形部分を重ねるように構成したので、スラスト力作用時に外周側の変形量を小さく抑制し、又、外周側ほど二重構造部分が長くなるのでその部分の隙間を小さくせしめる。又、高速回転時に流体へ遠心力が作用した場合には、バックスプリング外周側が堰の役目をするように変形するので流体圧力を保持して負荷能力を増大する。
【００１２】
本発明の（２）では、トップフォイルの一端は上流側が溝の径方向側端部で固定されており、バックスプリングの重ね合わせ部分は自由端となってバックスプリングに接しており、上面の回転体との表面との隙間は重ね合わせ部で狭くなるように形成される。従って、上記（１）の発明の流体圧力の保持が一層確実になされ、負荷能力が確実に向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の一形態に係るフォイルスラスト軸受であり、（ａ）は軸受を上部から見た平面図、（ｂ）はＡ部の拡大図である。両図において、図示していないが回転体のスラストカラーは、この軸受の上部を反時計回りに回転する。
【００１４】
図において、２０は軸受プレートで、放射状に半径方向に伸びる複数の溝２４を有している。２１はバックスプリングであり、上下の垂直方向に弾性力を有する材料やばね材、等からなり、後述するように軸受プレート２０の表面に配設されている。２２はトップフォイルであり、バックスプリング２１の上面に配設されている。２３はボルト穴であり軸受プレート２０を固定側に支持する穴である。
【００１５】
図２は図１におけるＢ−Ｂ矢視図であり、バックスプリング２１は、図１に示すように複数枚の扇形状のものを一方の側端部を重ね合わせて配設している。図示の例では、バックスプリング２１ａと２１ｂとが円周方向でＬ1 の間だけ重ね合わせている。バックスプリング２１の上面には上流側の溝２４の側端から重ね合わせられたバックスプリング２１の部分を覆うように、Ｌ2 の間にトップフォイル２２が配設されている。
【００１６】
上記の構成のフォイルスラスト軸受においては、回転体のスラストカラー４０は軸受の上を反時計回りに回転する。軸受プレート２０に設けた半径方向の溝２４にバックスプリング２１を嵌合しており、その溝２４を中心として左右に扇状のバックスプリングを配設している。バックスプリング２１は図１の平面図に示すように、回転方向上流側は外周側に向かって径方向よりも大きく展開し、下流側は隣接した半径方向の溝２４に達するまで扇形に展開してある。トップフォイル２２は嵌合された半径方向溝より始まり、下流側のバックスプリングをカバーするように配され、その上流端部がバックスプリング２１に溶接などの方法により固定されている。図２の例では上流側の溝２４の側端部からｘの部分でトップフォイル２２がバックスプリング２１に固定されている。
【００１７】
上記構成のフォイルスラスト軸受において、図２に示すように回転体のスラストカラー４０が図中矢印に示す方向に回転しており、スラストカラー４０とトップフォイル２２との間に隙間４１が形成される。この隙間４１は、バックスプリング２１ａ，２１ｂとが重ね合わされているトップフォイル２２の先端部では小さく、上流側の固定端では広くなり、楔状の隙間を形成する。この楔状の隙間４１間に流体が流入し、トップフォイル２２の先端部で高圧領域を、固定側の広い隙間部分で低圧領域を形成し、上面のスラストカラー４０を支持する。
【００１８】
図２に示すように、外径側に展開された下流側のバックスプリング２１ａの上に、回転方向上流側の半径方向の溝２４に嵌合されたバックスプリング２１ｂが重ね合わされているために、トップフォイル２２を介して軸受表面に圧力が生じてバックスプリング２１が撓んだ際には、隙間４１が楔状の形状で重ね合わされた部分が狭く、かつ重ね合わされた領域は外周側ほど広く扇状となっているので、外周側ほど上面のスラストカラー４０との隙間が狭くなりやすい。このことによって、軸受隙間に存在する流体に遠心力が作用した場合に、バックスプリング２１外周側が堰の役目を果たすように変形するので、流体圧力を保持しやすく、負荷能力が増大する。
【００１９】
【発明の効果】
本発明のフォイルスラスト軸受は、（１）回転するスラストカラーと対向し径方向に放射状に伸びる複数の溝を有する軸受面に配設されたバックスプリングと、同バックスプリングの表面に配設されたトップフォイルとからなるフォイルスラスト軸受において、前記バックスプリングは前記溝の個数と同数で構成し、各バックスプリングは前記溝内に嵌合すると共に前記スラストカラー回転方向の上流側と下流側へ配設され、同溝の上流側では外周側に向かって径方向よりも大きく展開し、拡大する扇状の形状として外周側を内周側よりも長くし、下流側は隣接する溝の側端部まで伸びて配設され、かつ前記下流側の隣接する溝側は次の扇状のバックスプリングと重ね合わせて配設されており、前記トップフォイルは前記バックスプリングと同数からなり、前記隣接する溝間のバックスプリングを覆って配設されていることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成により、スラスト力作用時に外周側の変形量を小さく抑制し、又、外周側ほど二重構造部分が長くなるのでその部分の隙間を小さくせしめる。又、高速回転時に流体へ遠心力が作用した場合には、バックスプリング外周側が堰の役目とするように変形するので流体圧力を保持して負荷能力を増大する。
【００２１】
本発明の（２）では、トップフォイルの一端は上流側が溝の径方向側端部で固定されており、バックスプリングの重ね合わせ部分は自由端となってバックスプリングに接しており、上面の回転体との表面との隙間は重ね合わせ部で狭くなるように形成される。従って、上記（１）の発明の流体圧力の保持が一層確実になされ、負荷能力が確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るフォイルスラスト軸受を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部詳細図である。
【図２】図１におけるＢ−Ｂ矢視図である。
【図３】従来のスラスト軸受を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は回転側と静止側軸受を示す斜視図である。
【符号の説明】
２０ 軸受プレート
２１ バックスプリング
２２ トップフォイル
２３ ボルト穴
２４ 溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a foil thrust bearing used in a rotating machine such as a turbine or a compressor, and is a bearing that suppresses the outflow of fluid from a bearing surface that occurs during high-speed rotation and suppresses a decrease in load capacity.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows an example of a thrust bearing using a bump foil, which is disclosed in Japanese Patent Publication No. 2-41654. FIG. 3A is a side view of the foil thrust bearing, and FIG. 3B is a perspective view showing the rotating side bearing and the stationary side bearing. In these drawings, a thrust collar 26 is attached to the rotary shaft 1, a bearing member 15 is disposed oppositely, and a gap 27 is formed between them. A foil 40 is disposed on the lower surface of the thrust collar 26, and springs 45 having corrugated raised portions on the upper surface thereof are arranged radially in the radial direction. The spring 45 has elasticity in the vertical direction and is attached to the surface of the foil 40. A fan-shaped bump foil 50 is arranged on the upper portion of the spring 45. Each bump foil 50 has one end 50a of the spring 45 fixed to the foil 40, and the other end becomes a free end toward the upper thrust collar 26. The thrust collar 26 and the bump foil 50 form a wedge-shaped space 55 that is inclined.
[0003]
On the other hand, the foil 30 is disposed on the lower surface thereof so as to face the foil 40, and a spring 25 having the same structure as the spring 45 is disposed between the foil 30 and the bearing member 15. The bearing member 15 is fixed to each other. In the thrust bearing having such a configuration, when the rotary shaft 1 rotates as shown in FIG. 4A, fluid flows into the wedge-shaped space 55 between the thrust collar 26 and the bump foil 50, and the space becomes narrow. The high pressure region is formed at the free end of the bump foil 50, and the low pressure region is formed at the fixed portion. As a result, a fluid film is formed in the space 55, the thrust collar 26 is supported by the fluid film, and the thrust collar 26 is prevented from contacting the bump foil 50.
[0004]
The spring 45 resists the bending of the bump foil 50 and elastically supports it. Further, the force transmitted from the thrust collar 26 via the spring 45 elastically supports the load received by the spring 25 via the foil 40 and foil 30. It has a double spring structure.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional thrust bearing shown in FIG. 3, the corrugated springs 25 and 45 are disposed between the thrust collar 26 and the bearing member 15, and the bump foil 50 is placed on the upper spring 45. Is attached to form a gas film with the rotating thrust collar 26. In this example, the elasticity of the foil bearing is enhanced by configuring the springs in a double manner.
[0006]
In the thrust bearing having the above structure, when the rotational speed is increased, centrifugal force acts on the fluid existing in the bearing gap and the fluid is forcibly discharged from the bearing surface, so that the load capacity of the bearing is significantly reduced. In a normal foil bearing, since the gap between the top foil and the thrust collar is uniformly formed in the radial direction, the load capacity at low speed is excellent, but the load capacity at high speed is not always sufficient.
[0007]
Therefore, the present invention has a configuration in which back springs are arranged on the bearing surface so as to overlap each other to reduce the deformation amount on the outer peripheral side, and the fluid flows out by centrifugal force generated at high speed rotation by reducing the outer peripheral gap. Accordingly, an object of the present invention is to provide a foil thrust bearing that can suppress the decrease in load capacity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides the following means in order to solve the aforementioned problems.
[0009]
(1) A foil thrust bearing comprising a back spring disposed on a bearing surface having a plurality of grooves radially extending in a radial direction facing the rotating thrust collar, and a top foil disposed on the surface of the back spring. The number of the back springs is the same as the number of the grooves, and each back spring is fitted in the groove and disposed upstream and downstream in the thrust collar rotation direction. The outer peripheral side is longer than the inner peripheral side as a fan-like shape that expands larger than the radial direction toward the outer peripheral side, and the downstream side extends to the side end of the adjacent groove, and the downstream side The adjacent groove side on the side is arranged so as to overlap with the next fan-shaped back spring, and the top foil has the same number as the back spring, and is between the adjacent grooves. Foil thrust bearing, characterized in that over the click spring is arranged.
[0010]
(2) The foil thrust bearing according to (1), wherein each top foil is fixed to a back spring at a radial side end portion of the groove on the upstream side.
[0011]
In (1) of the present invention, the back spring fitted into the radial grooves, the size rather expand than the diameter toward the outer peripheral side in the rotating direction upstream side, a fan-shaped shape enlarging, and, Since the fan-shaped portion of the back spring adjacent to the upstream side in the rotational direction is overlapped with the upstream side extended long on the outer peripheral side, the amount of deformation on the outer peripheral side is suppressed to a small level when the thrust force is applied. Since the heavy structure part becomes long, the gap in that part is made small. Also, when centrifugal force acts on the fluid during high speed rotation, the outer periphery of the back spring is deformed to act as a weir, so that the fluid pressure is maintained and the load capacity is increased.
[0012]
In (2) of the present invention, one end of the top foil is fixed at the upstream end of the groove in the radial direction, and the overlapping portion of the back spring is in contact with the back spring as a free end. The gap between the body and the surface is formed to be narrow at the overlapping portion. Therefore, the fluid pressure can be more reliably maintained in the invention of the above (1), and the load capacity is reliably improved.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a foil thrust bearing according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view of the bearing as viewed from above, and (b) is an enlarged view of part A. FIG. In both figures, although not shown, the thrust collar of the rotating body rotates counterclockwise on the upper part of the bearing.
[0014]
In the figure, reference numeral 20 denotes a bearing plate having a plurality of grooves 24 extending radially in the radial direction. Reference numeral 21 denotes a back spring, which is made of a material or a spring material having elasticity in the vertical direction, and is disposed on the surface of the bearing plate 20 as will be described later. A top foil 22 is disposed on the upper surface of the back spring 21. Reference numeral 23 denotes a bolt hole which supports the bearing plate 20 on the fixed side.
[0015]
FIG. 2 is a view taken along the line B-B in FIG. 1, and the back spring 21 is provided with a plurality of fan-shaped members with one side end overlapped as shown in FIG. In the illustrated example, the back springs 21a and 21b are superposed only while in the circumferential direction of L 1. A top foil 22 is disposed between L 2 on the upper surface of the back spring 21 so as to cover the portion of the back spring 21 overlapped from the side end of the upstream groove 24.
[0016]
In the foil thrust bearing configured as described above, the thrust collar 40 of the rotating body rotates counterclockwise on the bearing. A back spring 21 is fitted in a radial groove 24 provided in the bearing plate 20, and fan-shaped back springs are disposed on the left and right sides of the groove 24. As shown in the plan view of FIG. 1, the back spring 21 expands larger on the upstream side in the rotational direction than the radial direction toward the outer peripheral side, and expands in a fan shape on the downstream side until it reaches the adjacent radial groove 24. is there. The top foil 22 starts from the fitted radial groove and is arranged so as to cover the downstream back spring, and its upstream end is fixed to the back spring 21 by a method such as welding. In the example of FIG. 2, the top foil 22 is fixed to the back spring 21 at a portion x from the side end of the upstream groove 24.
[0017]
In the foil thrust bearing configured as described above, as shown in FIG. 2, the thrust collar 40 of the rotating body rotates in the direction indicated by the arrow in the figure, and a gap 41 is formed between the thrust collar 40 and the top foil 22. . The gap 41 is small at the tip of the top foil 22 where the back springs 21a and 21b are overlapped, and is wide at the fixed end on the upstream side to form a wedge-shaped gap. A fluid flows between the wedge-shaped gaps 41, and a high-pressure area is formed at the tip of the top foil 22, and a low-pressure area is formed at a wide gap on the fixed side to support the thrust collar 40 on the upper surface.
[0018]
As shown in FIG. 2, the back spring 21b fitted in the radial groove 24 on the upstream side in the rotational direction is superimposed on the downstream back spring 21a developed on the outer diameter side. When pressure is generated on the bearing surface via the top foil 22 and the back spring 21 is bent, the portion where the gap 41 is overlapped in a wedge shape is narrow, and the overlapped region is wider and wider in the outer peripheral side. Therefore, the gap with the thrust collar 40 on the upper surface tends to be narrower toward the outer peripheral side. As a result, when a centrifugal force acts on the fluid existing in the bearing gap, the outer peripheral side of the back spring 21 is deformed so as to serve as a weir, so that the fluid pressure can be easily maintained and the load capacity is increased.
[0019]
【The invention's effect】
The foil thrust bearing according to the present invention is (1) a back spring disposed on a bearing surface having a plurality of grooves radially extending in a radial direction facing a rotating thrust collar, and disposed on a surface of the back spring. In a foil thrust bearing comprising a top foil, the number of the back springs is the same as the number of the grooves, and each back spring is fitted in the groove and disposed upstream and downstream in the thrust collar rotation direction. On the upstream side of the groove, the outer circumferential side is expanded larger than the radial direction toward the outer circumferential side, the outer circumferential side is longer than the inner circumferential side as an expanding fan shape, and the downstream side extends to the side end of the adjacent groove. And the downstream adjacent groove side is disposed so as to overlap with the next fan-shaped back spring, and the top foil is connected to the back spring. Made several, is characterized in that it is disposed over the back spring between grooves said adjacent.
[0020]
With the above configuration, the amount of deformation on the outer peripheral side is suppressed to be small when a thrust force is applied, and the double structure portion becomes longer toward the outer peripheral side, so that the gap in that portion is reduced. Further, when a centrifugal force acts on the fluid during high speed rotation, the outer peripheral side of the back spring is deformed so as to function as a weir, so that the fluid pressure is maintained and the load capacity is increased.
[0021]
In (2) of the present invention, one end of the top foil is fixed at the upstream end of the groove in the radial direction, and the overlapping portion of the back spring is in contact with the back spring as a free end. The gap between the body and the surface is formed to be narrow at the overlapping portion. Therefore, the fluid pressure can be more reliably maintained in the invention of the above (1), and the load capacity is reliably improved.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a foil thrust bearing according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a detailed view of a portion A in FIG.
FIG. 2 is a view taken along arrow BB in FIG.
FIGS. 3A and 3B show a conventional thrust bearing, in which FIG. 3A is a side view, and FIG. 3B is a perspective view showing a rotation side and a stationary side bearing.
[Explanation of symbols]
20 Bearing plate 21 Back spring 22 Top foil 23 Bolt hole 24 Groove

Claims (2)

回転するスラストカラーと対向し径方向に放射状に伸びる複数の溝を有する軸受面に配設されたバックスプリングと、同バックスプリングの表面に配設されたトップフォイルとからなるフォイルスラスト軸受において、前記バックスプリングは前記溝の個数と同数で構成し、各バックスプリングは前記溝内に嵌合すると共に前記スラストカラー回転方向の上流側と下流側へ配設され、同溝の上流側では外周側に向かって径方向よりも大きく展開し、拡大する扇状の形状として外周側を内周側よりも長くし、下流側は隣接する溝の側端部まで伸びて配設され、かつ前記下流側の隣接する溝側は次の扇状のバックスプリングと重ね合わせて配設されており、前記トップフォイルは前記バックスプリングと同数からなり、前記隣接する溝間のバックスプリングを覆って配設されていることを特徴とするフォイルスラスト軸受。A foil thrust bearing comprising a back spring disposed on a bearing surface having a plurality of radially extending grooves facing the rotating thrust collar and a top foil disposed on a surface of the back spring. The number of back springs is the same as the number of the grooves, and each back spring is fitted in the groove and disposed upstream and downstream in the thrust collar rotation direction. The outer peripheral side is longer than the inner peripheral side as a fan-shaped shape that expands larger than the radial direction toward the outside, and the downstream side extends to the side end of the adjacent groove, and is adjacent to the downstream side. The groove side to be overlapped with the next fan-shaped back spring is arranged, and the top foil has the same number as the back spring, and the back surface between the adjacent grooves is Foil Thrust bearing, characterized in that it is disposed over the pulling. 前記各トップフォイルは上流側の前記溝の径方向の側端部においてバックスプリングに固定されていることを特徴とする請求項１記載のフォイルスラスト軸受。 2. The foil thrust bearing according to claim 1, wherein each top foil is fixed to a back spring at a radial side end portion of the groove on the upstream side.
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