JP6104596B2 - フォイル軸受 - Google Patents

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。また、特許文献４及び５には、複数のフォイルを周方向に並べて配置し、各フォイルの周方向両端を外方部材に取り付けた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受が示されている。

特開２００２−３６４６４３公報 特開２００３−２６２２２２号公報 特開２００９−２９９７４８号公報 特開２００９−２１６２３９号公報 特開２００６−５７８２８号公報

上記のように、従来のフォイル軸受は、トップフォイルに弾性を付与するための部材（バックフォイルや弾性体）が設けられているため、この部材を製造するコストや、この部材を外方部材に組み付ける工数がかかる。

そこで、本発明は、フォイル軸受の部品点数を減らし、製造コスト及び組付工数を削減することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、円筒面状の内周面を有する外方部材と、前記外方部材の内周面に取り付けられ、前記外方部材の内周面と他部材を介することなく半径方向で直接対向した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、各フォイルが、周方向両端に設けられ、前記外方部材に接触した状態で保持される保持部と、前記保持部の周方向間に設けられ、軸受面を有する本体部とからなり、各フォイルの本体部の少なくとも周方向一方の端部が、前記外方部材の内周面から内径側に立ち上がっているフォイル軸受を提供する。

このように、本発明のフォイル軸受では、各フォイルの本体部の少なくとも周方向一方の端部が、外方部材の内周面に沿って設けられるのではなく、外方部材の内周面から内径側に立ち上がっている。これにより、各フォイルの本体部の端部と外方部材の内周面との間に半径方向の隙間が形成されるため、軸が相対回転して軸の外周面とフォイルの内径面（軸受面）との間の軸受隙間の圧力が高まると、上記の半径方向隙間を小さくする方向にフォイルが弾性変形し、このときのフォイルの弾性力によりフォイルにバネ性が付与される。従って、フォイルと外方部材との間にバックフォイルや弾性体を設けることなく、要求されるバネ性をフォイルに付与することができるため、バックフォイル等を省略することが可能となり、フォイル軸受を構成する部品数を減じることができる。

上記のフォイル軸受では、例えば各フォイルの少なくとも周方向一方の保持部を外方部材の内周面に設けた固定溝に差し込むことにより、当該保持部を外方部材に保持させることができる。この固定溝を、外径側に向けて周方向一方側に傾斜させれば、固定溝の傾斜角度に沿ってフォイルの本体部の端部が外方部材の内周面から立ち上がるため、固定溝の傾斜角度によってフォイルの本体部の立ち上がり角度を調整することができる。

また、各フォイルの周方向一方の保持部を、本体部の軸方向一部領域を周方向一方に延在させた凸部で構成し、この凸部を固定溝に差し込めば、凸部の軸方向幅によってフォイルに付与する弾性力を調整することができる。さらに、保持部を、軸方向に離隔して設けられた複数の凸部で構成すれば、凸部の軸方向幅や個数でフォイルに付与する弾性力を調整することができる。

各フォイルの少なくとも一方の保持部を、外方部材に対して摺動可能とすれば、フォイルと外方部材との摺動の摩擦エネルギーにより軸の相対回転による振動を減衰させることができる。このとき、フォイルと外方部材との摺動面の摩擦係数を制御することにより、軸受特性を調整することが可能となる。すなわち、摺動面の摩擦係数を大きくすると、外方部材との摺動の摩擦エネルギーが増大するため、軸の相対回転時の振動を減衰する効果が大きくなり、軸受の安定性が向上する。一方、摺動面の摩擦係数を小さくすると、軸がフォイルに接触したときに、その接触圧力により各フォイルが外方部材に対して滑りやすくなり、各フォイルが軸の外周面に倣って変形しやすくなる。これにより、軸と各フォイルとの接触面積を増大させ、両者の耐摩耗性が向上する。

上記のフォイル軸受は、フォイルの本体部の端部における立ち上がり角度を調整することで、ラジアル軸受隙間Ｒの流体に正圧を発生させる軸受面の面積を調整することができる。例えば図６の展開図に示すように、外方部材１１の内周面１１ａに対する各フォイル１３の本体部１３ｃの周方向一方の端部における立ち上がり角度θ１を、周方向他方の端部における立ち上がり角度θ２よりも小さくすると、各フォイル１３の外径面１３ｃ１と外方部材１１の内周面１１ａとの間の半径方向隙間が最大となる箇所（以下、ピーク位置Ｐと言う。）が、各フォイル１３の本体部１３ｃの周方向中央部Ｏよりも周方向一方側（図中左側）に配される。この状態で軸６が周方向一方（矢印方向）に相対回転すると、各フォイル１３のうち、ピーク位置Ｐよりも周方向他方側の領域で、フォイルと軸６の外周面６ａとの間に回転方向先行側に向けて縮小した楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成され、この領域が正圧を発生させる軸受面Ａとして機能する。このように、θ１＞θ２とすることで、ピーク位置Ｐを周方向一方側に偏在させて広い軸受面Ａを得ることができるため、支持力を高めることができる。尚、この場合、軸６の回転方向は、周方向一方側（図６の矢印方向）に限られる。

一方、図８の展開図に示すように、各フォイル１３の本体部１３ｃの両端における立ち上がり角度θ１、θ２を等しくすると、各フォイル１３の周方向中央部Ｏにピーク位置Ｐが配される。これにより、ピーク位置Ｐの周方向両側に等しい面積の軸受面Ａ、Ａ’を形成することができるため、軸が何れの方向に回転する場合でも同等の支持力を発揮することができる。

以上のように、本発明のフォイル軸受によれば、軸受面を有するフォイル（トップフォイル）に弾性を付与するためのバックフォイルや弾性体が不要となるため、部品数が減じられ、製造コスト及び組付工数を削減することができる。

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。 本発明の一実施形態にかかるフォイル軸受を軸方向から見た正面図である。 （ａ）は、上記フォイル軸受で使用されるフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同フォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 上記フォイル軸受の拡大断面図である。 上記フォイル軸受を、周方向を直線方向に変換して示す展開図である。 軸とフォイルとが接触した状態を示す図であり、（ａ）はフォイルと外方部材との摺動面の摩擦係数を大きくした場合、（ｂ）は同摩擦係数を小さくした場合を示す。 他の実施形態に係るフォイル軸受の拡大断面図である。 図８のフォイル軸受を、周方向を直線方向に変換して示す展開図である。 （ａ）は、他の実施形態に係るフォイル軸受で使用されるフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同フォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 他の実施形態に係るフォイル軸受の拡大断面図である。 図１１に示すフォイル軸受を、周方向を直線方向に変換して示す展開図である。 （ａ）は、他の実施形態に係るフォイル軸受で使用されるフォイルの斜視図であり、（ｂ）は同フォイルを複数組み合せた状態を示す斜視図である。 過給機の構成を概念的に示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、ガスタービンと呼ばれるガスタービン装置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、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、軸６のフランジ部６ｂ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、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ている。

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、潤滑油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。

このフォイル軸受１０は、図３に示すように、ハウジング（図示省略）の内周に固定され、内周に軸６が挿入される外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられた複数のフォイル１３とで構成される。このフォイル軸受１０は、外方部材１１の内周面１１ａが円筒面状をなし、この内周面１１ａに３枚のフォイル１３が周方向に並べて配された、いわゆる多円弧型のフォイル軸受である。外方部材１１の内周面１１ａとフォイル１３との間には、フォイル１３に弾性を付与するための部材（例えばバックフォイル）は設けられておらず、フォイル１３の外径面１３ｃ１と外方部材１１の内周面１１ａとが半径方向で直接対向している。

各フォイル１３は、周方向両端に設けられた保持部１３ａ、１３ｂと、両保持部１３ａ、１３ｂの周方向間に設けられた本体部１３ｃとからなる。各フォイル１３は、保持部１３ａ、１３ｂ、および本体部１３ｃを含めて一枚のフォイルからプレス加工等により一体に形成される。保持部１３ａ、１３ｂは、外方部材１１に接触した状態で保持されている。隣接するフォイル１０の保持部１３ａ、１３ｂは、軸方向視（図３参照）で互いに交差して設けられ、各フォイル１０の保持部１３ａ、１３ｂは、隣接するフォイル１０の本体部１３ｃの外径側に配される。図示例では、保持部１３ａ、１３ｂが、外方部材１１の内周面１１ａに設けられた固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込まれている。固定溝１１ｂ、１１ｃは、例えばワイヤカット加工により形成され、外方部材１１の軸方向全長に亘って形成される。保持部１３ａ、１３ｂの少なくとも一方は固定溝１１ｂ、１１ｃに完全に固定されておらず、摺動可能な状態で保持される。固定溝１１ｂは外径に向けて周方向一方（軸６の回転方向先行側、図３の矢印参照）に傾斜し、固定溝１１ｃは外径に向けて周方向他方に傾斜している。固定溝１１ｂ、１１ｃは同じ周方向位置に開口している。フォイル１３の本体部１３ｃは、矩形状の平板を略円弧状に湾曲させてなり、内径面１３ｃ２に軸受面Ａを有する。

図４（ａ）に示すように、各フォイル１３の周方向一方の保持部１３ａは、本体部１３ｃの軸方向一部領域（図示例では軸方向中央部）を周方向一方に延在させた凸部で構成される。一方、各フォイル１３の周方向他方の保持部１３ｂは、本体部１３ｃの軸方向一部を周方向他方に延在させた凸部で構成される。周方向他方の保持部１３ｂは、軸方向に離隔して設けられた複数（図示例では２つ）の凸部で構成され、これらの軸方向間に凹部１３ｂ１が設けられる。フォイル１３の一端に設けられた保持部１３ａを、隣接するフォイルの他端に設けられた保持部１３ｂ間の凹部１３ｂ１に挿入することにより、保持部１３ａ、１３ｂが軸方向視で交差する（図４（ｂ）参照）。

図４（ｂ）に示すように、フォイル１３の一方の保持部１３ａを、これに隣接するフォイル１３の他方の保持部１３ｂの軸方向間に設けられた凹部１３ｂ１挿入して、複数（図示例では３枚）のフォイル１０を一体化した状態で、保持部１３ａ、１３ｂを固定溝１１ｂ、１１ｃにそれぞれ差し込むことにより、複数のフォイル１３が外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられる。このように、隣接するフォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂを交差させ、フォイル１３の外径側（裏側）で固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込むことで、外方部材１１の内周面１１ａの全周をフォイル１３の本体部１３ｃで覆うことができるため、軸受面の面積を最大限確保することができる。また、フォイル１３の周方向端部（保持部１３ａ、１３ｂ）が軸６との摺動面に露出しないため、フォイル１３の周方向端部が内径側にめくれる事態を確実に防止できる。

図５に示すように、各フォイル１３の本体部１３ｃの周方向両端（保持部１３ａ、１３ｂとの境界部）は、外方部材１１の内周面１１ａに沿って延びているのではなく、内周面１１ａに対して各本体部１３ｃの周方向中央に向けて内径側に立ち上がっている。図示例では、本体部１３ｃの周方向両端と各保持部１３ａ、１３ｂとの境界部が折れ曲がることなく滑らかに連続し、本体部１３ｃの周方向端部が内径に向けて凸となるように湾曲している。これにより、各フォイル１３の本体部１３ｃの周方向両端において、各フォイル１３の外径面１３ｃ１と外方部材１１の内周面１１ａとの間には半径方向の隙間δが形成される。各フォイル１３は、この半径方向隙間δを小さくする方向に弾性変形可能とされる。すなわち、軸６が回転して軸６の外周面６ａとフォイル１３の軸受面Ａとの間のラジアル軸受隙間Ｒの圧力が高まり、フォイル１３が外径側に押し込まれて半径方向隙間δが小さくなったときに、フォイル１３の変形が弾性範囲内で留まる（塑性変形しない）ように設計される。このように、フォイル１３の本体部１３ｃの端部近傍が弾性変形することにより、フォイル１３に内径向きの弾性力が付与される。フォイル１３に付与される弾性力は、保持部１３ａ、１３ｂの軸方向寸法や数、配置箇所、あるいは後述する本体部１３ｃの両端の立ち上がり角度θ１、θ２により調整することができる。

本実施形態では、外方部材１１の内周面１１ａに対する各フォイル１３の本体部１３ｃの両端の立ち上がり角度が異なっている。本体部１３ｃの端部の立ち上がり角度とは、本体部１３ｃの端部における接線と、外方部材１１の内周面１１ａのうち、フォイル１３と交差する点（すなわち固定溝１１ｂの開口部）における接線との間の角度を言う。本実施形態では、図５に示すように、本体部１３ｃの一端（保持部１３ａ側）における立ち上がり角度θ１が、他端（保持部１３ｂ側）における立ち上がり角度θ２よりも大きくなっている。このように、本体部１３ｃの両端の立ち上がり角度がθ１＞θ２となっていることで、図６の展開図に示すように、各フォイル１３のピーク位置（最も内径側に迫り出す位置）Ｐが、各フォイル１３の本体部１３ｃの周方向中央部Ｏよりも一端側（保持部１３ａ側）に設けられる。軸６が周方向一方側に回転すると（図６の矢印参照）、軸６の外周面６ａとフォイル１３の軸受面Ａとの間に、回転方向先行側へ向けて徐々に狭くなったラジアル軸受隙間Ｒが形成される。このとき、上記のように、各フォイル１３のピーク位置Ｐが一端側に偏在することで、正圧を発生させる軸受面Ａがピーク位置Ｐの他端側の広い領域に形成されるため、ラジアル軸受隙間Ｒの周方向領域を大きく取ることができ、ラジアル方向の支持力が高められる。尚、本実施形態では、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂと本体部１３ｃとの接続部が滑らかに連続しているため、本体部１３ｃの立ち上がり角度θ１、θ２は固定溝１１ｂ、１１ｃの傾斜角度とほぼ一致する。

フォイル１３の本体部１３ｃの立ち上がり角度θ１、θ２が大きすぎると、フォイル１３が内径側に大きく迫り出してしまうため、軸６との干渉により折れ曲がる恐れが高くなる。従って、立ち上がり角度θ１、θ２は、３０°以下、好ましくは２０°以下に設定することが望ましい。

フォイル１３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程度の帯状フォイルで形成される。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。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では錆による腐食が発生し易く、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、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。

以上の構成において、周方向一方（図３の矢印方向）、すなわち楔状のラジアル軸受隙間Ｒの縮小方向に軸６を回転させると、各フォイル１３の軸受面Ａと軸６の外周面６ａとの間に空気膜が形成される。この空気膜の圧力が高まると、フォイル１３の本体部１３ｃの端部が外径側に押し込まれ、半径方向隙間δが小さくなる方向に弾性変形する。こうして本体部１３ｃが外径側に押し込まれたとき、本体部１３ｃと保持部１３ａ、１３ｂとの境界部にはモーメント力が加わる。このとき、保持部１３ａ、１３ｂが固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込まれているため、保持部１３ａ、１３ｂの両面が固定溝１１ｂ、１１ｃの内壁で保持される。これにより、保持部１３ａ、１３ｂの角度が変わらないため、これと連続した本体部１３ｃの周方向端部の立ち上がり角度が維持され、本体部１３ｃの端部を湾曲させることで効率的に弾性力を発揮することが可能となる。

そして、軸６の周囲の周方向複数個所（図示例では３箇所）に楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成され、軸６がフォイル１３に対して非接触の状態でラジアル方向に回転自在に支持される。このとき、フォイル１３の弾性力と、ラジアル軸受隙間Ｒに形成される空気膜の圧力とが釣り合う位置で、フォイル１３の形状が保持される。なお、実際のラジアル軸受隙間Ｒの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３や図６ではその幅を誇張して描いている。また、フォイル１３が有する可撓性により、各フォイル１３の軸受面Ａ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Ｒ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Ｒ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。

フォイル軸受１０では、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時に、各フォイル１３の軸受面Ａや軸６の外周面６ａに表面粗さ以上の厚さの空気膜を形成することが困難となる。そのため、各フォイル１３の軸受面Ａと軸６の外周面６ａとの間で金属接触を生じ、トルクの増大を招く。この時の摩擦力を減じてトルク低減を図るため、各フォイル１３の軸受面Ａ（内径面１３ｃ２）と、これと摺動する部材の表面（本実施形態では軸６の外周面６ａ）との何れか一方または双方に、表面を低摩擦化する被膜（第一被膜）を形成するのが望ましい。この被膜としては、例えばＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を使用することができる。ＤＬＣ膜、チタンやアルミナイトライド膜はＣＶＤやＰＶＤで形成することができ、二硫化モリブデン膜はスプレーで簡単に形成することができる。特にＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質であるので、これらで被膜を形成することにより、軸受面Ａの耐摩耗性をも向上させることができ、軸受寿命を増大させることができる。

また、軸受の運転中は、ラジアル軸受隙間に形成された空気膜の影響でフォイル１３が全体的に拡径して外方部材１１の内周面１１ａに押し付けられ、これに伴ってフォイル１３の外径面１３ｃ１と外方部材１１の内周面１１ａとの間、及び、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂと固定溝１１ｂ、１１ｃとの間で周方向の微小摺動が生じる。従って、フォイル１３の外径面１３ｃ１と、これに接触する外方部材１１の内周面１１ａとの何れか一方または双方、あるいは、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂと、これに接触する固定溝１１ｂ、１１ｃとの何れか一方または双方に被膜（第二被膜）を形成することにより、これらの摺動部での耐摩耗性の向上を図ることができる。尚、上記のフォイル軸受１０では、フォイル１３の本体部１３ｃの周方向両端が外方部材１１の内周面１１ａに対して内径側に立ち上がっているため、本体部１３ｃの外径面１３ｃ１と外方部材１１の内周面１１ａとの接触は僅かである。従って、上記の第二被膜は、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂとこれに接触する固定溝１１ｂ、１１ｃに設けることが効果的である。

また、フォイル１３と外方部材１１との摺動面の摩擦係数を制御することにより、軸受特性を調整することが可能となる。例えば、フォイル１３と外方部材１１の摺動面の少なくとも一方（例えば、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂの表面）の摩擦係数を大きくすると、外方部材１１（例えば、固定溝１１ｂ、１１ｃの内面）との摺動による摩擦エネルギーが増大するため、軸６の回転による振動の減衰作用を向上させることができる。この場合、第二被膜としては、二流化モリブデン膜よりも摩擦係数は大きいが耐摩耗性に優れるＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜を使用するのが好ましい。例えば軸受面Ａに形成する第一被膜として二流化モリブデン膜を使用する一方で、フォイル１３と外方部材１１の摺動部に形成する第二被膜としてチタンアルミナイトライドやＤＬＣ膜等を使用し、両被膜の摩擦係数を異ならせることで、低トルク化と振動の減衰性の向上とを両立することが可能となる。

一方、フォイル１３と外方部材１１の摺動面の少なくとも一方（例えば、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂの表面）の摩擦係数を小さくすると、軸６との接触摺動に対するフォイル１３の耐摩耗性を高めることができる。すなわち、軸６の回転直後や停止直前等の低速回転時に軸６とフォイル１３とが接触した場合、その接触圧力により各フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂが外方部材１１の固定溝１１ｂ、１１ｃに対して滑り、各フォイル１３が軸６の外周面６ａに倣って変形する。このとき、フォイル１３と外方部材１１との摺動面の摩擦係数が大きいと、図７（ａ）に示すように、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂが固定溝１１ｂ、１１ｃに対して滑りにくいため、フォイル１３が軸６の外周面６ａに倣いにくい。この場合、フォイル１３と軸６の外周面６ａとの接触領域Ｔ１が小さくなるため、単位面積あたりの接触圧力が大きくなり、フォイル１３や軸６が摩耗しやすい。これに対し、フォイル１３と外方部材１１との摺動面の摩耗係数が小さいと、図７（ｂ）に示すように、フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂが固定溝１１ｂ、１１ｃに対して滑りやすいため、フォイル１３が軸６の外周面６ａに倣いやすい。この場合、フォイル１３と軸６の外周面６ａとの接触領域Ｔ２が大きくなるため、単位面積あたりの接触圧力が小さくなり、フォイル１３や軸６が摩耗しにくくなる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。上記の実施形態では、フォイル１３の本体部１３ｃの両端における立ち上がり角度θ１、θ２を異ならせた場合を示したが、例えば図８に示すように、立ち上がり角度θ１、θ２を等しくしてもよい（θ１＝θ２）。この場合、図９に示すように、各フォイル１３の周方向中央部Ｏにピーク位置Ｐが配される。このとき、フォイル１３はピーク位置Ｐに関して周方向で対称な形状となり、ピーク位置Ｐの周方向両側に等しい面積の軸受面Ａ、Ａ’が形成される。これにより、軸６が一方に回転した場合（図９の実線矢印参照）、ピーク位置Ｐの周方向他方側に設けられた軸受面Ａと軸６の外周面６ａとの間に、回転方向先行側に向けて縮小したラジアル軸受隙間Ｒが形成される。一方、軸６が他方に回転した場合（図９の点線矢印参照）、ピーク位置Ｐの周方向一方側に設けられた軸受面Ａ’と軸６の外周面６ａとの間に、回転方向先行側に向けて縮小したラジアル軸受隙間Ｒ’が形成される。このように、立ち上がり角度θ１、θ２を等しくすることで、軸６が何れの方向に回転する場合でも同じ支持力を発揮することができる。

図１０に示す実施形態は、フォイル１３の本体部１３ｃと他端側の保持部１３ｂとの境界にスリット１３ｄが設けられている点で、上記の実施形態と異なる。スリット１３ｄは、フォイル１３の一端側の保持部１３ａと同じ軸方向位置に設けられ、保持部１３ａを差し込み可能とされる（図１０（ｂ）参照）。保持部１３ａを、隣接するフォイル１３のスリット１３ｄに差し込んで、複数のフォイル１３を環状に連結した状態で、各フォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂを外方部材１１の固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込むことにより、フォイル１３が外方部材１１の内周面１１ａに取り付けられる。このフォイル軸受１０の軸方向視は、図３と同様の状態となる。この場合、フォイル１３の保持部１３ａが、隣接するフォイル１３のスリット１３ｄを貫通して固定溝１１ｂに差し込まれるため、保持部１３ａとスリット１３ｄとが周方向で係合することでフォイル１３の他端（保持部１３ｂ）の周方向の移動が確実に規制される。

図１１に示す実施形態は、外方部材１１に固定溝１１ｃが設けられず、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂが外方部材１１の内周面１１ａに沿って設けられている点で、上記の実施形態と異なる。具体的には、隣接するフォイル１３の保持部１３ａ、１３ｂを軸方向視で交差させ（図４（ｂ）あるいは図９（ｂ）参照）、この状態で、一端側の保持部１３ａを外方部材１１の固定溝１１ｂに差し込むと共に、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂを、隣接するフォイル１３と外方部材１１の内周面１１ａとの間に挿入する。これにより、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂが、隣接するフォイル１３で内径側から押さえられ、外方部材１１の内周面１１ａに接触した状態で保持される。尚、この場合でも、上記の実施形態と同様に、フォイル１３の保持部１３ｂと外方部材１１の内周面１１ａとの摺動面の摩擦係数を制御することで、軸受特性を調整することが可能となる（図７参照）。

この場合、フォイル１３の周方向一方（図１１の実線矢印方向）への移動は、保持部１３ａが固定溝１１ｂの奥部に突き当たることにより、または、スリットが保持部１３ａと突き当たることにより規制される。一方、フォイル１３は、周方向他方（同図点線矢印方向）へは移動可能であるため、軸６が周方向他方（同図点線矢印方向）に回転すると、軸６との摺動によりフォイル１３が周方向他方に移動して、フォイル１３の一端側の保持部１３ａが固定溝１１ｂから抜けてしまう恐れがある。また、このフォイル軸受１０は、フォイル１３の他端側の保持部１３ｂが外方部材１１の内周面１１ａに沿って設けられるため、図１２に示すように、本体部１３ｃの他端側の立ち上がり角度θ２が実質的に０になり、フォイル１３のピーク位置Ｐが本体部１３ｃの周方向中央部Ｏよりも一端側（図中左側）に偏在した位置に設けられる。このため、軸６が周方向一方（実線矢印方向）に回転すると、本体部１３ｃの外径面１３ｃ１のうち、ピーク位置Ｐよりも他端側（図中右側）の広い領域が軸受面Ａとして機能する。以上より、このフォイル軸受１０は、周方向一方（実線矢印方向）にのみ相対回転する軸６を支持する用途に用いられる。

図１３に示す実施形態は、フォイル１３の周方向一方の保持部１３ａを、軸方向に離隔した複数の凸部で構成した点で、上記の実施形態と異なる。このように、軸方向に離隔した複数の凸部（保持部１３ａ）を外方部材１１の固定溝１１ｂに差し込むことで、フォイル１３の端部が軸方向に離隔した２箇所で固定溝１１ｂに保持されるため、フォイル１３を軸方向でバランスよく保持することができる。本実施形態では、図１０に示す実施形態と同様に、フォイル１３の他端にスリット１３ｄを設け、このスリット１３ｄに保持部１３ａを挿入している。これに限らず、図示は省略するが、図４に示す実施形態と同様に、フォイル１３の他端に、本体部１３ｃを延在させた複数の凸部からなる保持部１３ｂを設け、この保持部１３ｂの間の凹部に一方の保持部１３ａを挿入してもよい。また、フォイル１３の外方部材１１への取付は、図３に示すように保持部１３ａ、１３ｂを共に固定溝１１ｂ、１１ｃに差し込んでもよいし、図１１に示すように一方の保持部１３ａのみを固定溝１１ｂに差し込んで、他方の保持部１３ｂは外方部材１１の内周面１１ａに沿わせるようにしてもよい。また、図１３では保持部１３ａを構成する凸部を２個の凸部で構成しているが、これに限らず、保持部１３ａを構成する凸部の数を３個以上としてもよい。この場合、保持部１３ａの凸部と同数のスリット１３ｄが設けられる。

以上の説明では、フォイル軸受１０にフォイル１３を３枚設けた場合を示したが、これに限らず、フォイル１３を２枚、あるいは４枚以上設けてもよい。

また、以上の説明では、軸６を回転側部材とし、外方部材１１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸６を固定側部材とし、外方部材１１を回転側部材とした場合にも図３の構成をそのまま適用することもできる。但し、この場合はフォイル１３が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル１３全体の変形を考慮してフォイル１３の設計を行う必要がある。

本発明にかかるフォイル軸受１０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。過給機は、図１４に示すように、エンジン５３で生じた排気ガスでタービン５１を駆動し、その駆動力で圧縮機５２を回転させて吸入エアを圧縮し、エンジン５３のトルクアップや効率改善を図るものである。タービン５１、圧縮機５２、および軸６でロータが構成され、軸６を支持するラジアル軸受１０として、上記各実施形態のフォイル軸受１０を使用することができる。

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、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。さらに、軸６と外方部材１１のどちらか一方を回転側の部材、他方を固定側の部材として用いる場合を例示したが、双方の部材を、速度差を持つ回転側の部材として使用することもできる。

１０ フォイル軸受
１１ 外方部材
１１ｂ、１１ｃ 固定溝
１３ フォイル
１３ａ、１３ｂ 保持部
１３ｃ 本体部
Ａ 軸受面
Ｏ フォイルの本体部の周方向中央部
Ｐ ピーク位置
Ｒ ラジアル軸受隙間
δ 半径方向隙間
θ１、θ２ フォイルの立ち上がり角度

Claims (9)

1. 円筒面状の内周面を有する外方部材と、前記外方部材の内周面に取り付けられ、前記外方部材の内周面と他部材を介することなく半径方向で直接対向した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、
   各フォイルが、周方向両端に設けられ、前記外方部材に接触した状態で保持される保持部と、前記保持部の周方向間に設けられ、軸受面を有する本体部とからなり、
   各フォイルの本体部の少なくとも周方向一方の端部が、前記外方部材の内周面から内径側に立ち上がり、
   前記本体部の周方向一方の端部を含む領域が内径に向けて凸となるように湾曲し、この湾曲部において、各フォイルと軸との間のラジアル軸受隙間が最小となるフォイル軸受。
2. 各フォイルの少なくとも周方向一方の保持部を、前記外方部材の内周面に設けられた固定溝に差し込んだ請求項１記載のフォイル軸受。
3. 前記固定溝が、外径側に向けて周方向一方側に傾斜した請求項２記載のフォイル軸受。
4. 各フォイルの少なくとも周方向一方の保持部が、前記本体部の軸方向一部領域を周方向一方に延在させてなる凸部で構成された請求項２又は３記載のフォイル軸受。
5. 各フォイルの少なくとも周方向一方の保持部が、軸方向に離隔して設けられた複数の前記凸部で構成された請求項４記載のフォイル軸受。
6. 各フォイルの少なくとも一方の保持部が、前記外方部材に対して摺動可能である請求項１〜５の何れか１項に記載のフォイル軸受。
7. 前記外方部材の内周面に対する前記本体部の周方向一方の端部の立ち上がり角度が、前記外方部材の内周面に対する前記本体部の周方向他方の端部の立ち上がり角度よりも小さい請求項１〜６の何れか１項に記載のフォイル軸受。
8. 前記外方部材の内周面に対する前記本体部の周方向両端の立ち上がり角度が等しい請求項１〜７の何れか１項に記載のフォイル軸受。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のフォイル軸受を備えたターボ機械。

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