JP6136135B2 - ラジアルフォイル軸受 - Google Patents
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Description
また、溶接に代えて機械的に固定を行うべく、トップフォイルやバックフォイル(バンプフォイル)の端部を曲げ加工によって折り曲げ、この折り曲げ部を軸受ハウジングに形成した係合溝に係合させた構造のものも知られている(例えば、特許文献2〜4参照)。
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置される中間フォイルと、前記中間フォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル、前記中間フォイル、及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、それぞれ、該軸受ハウジングの内周縁から外周縁に向かって延びる係合凹部が互いに対向して形成され、かつ、該係合凹部の対が前記軸受ハウジングの周方向に複数形成され、
前記中間フォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数の中間フォイル片を有して構成され、
前記中間フォイル片には、それぞれ前記係合凹部に係合する係合突片が形成されていることを特徴とする。
また、軸受ハウジングの両側面に形成した係合凹部に、中間フォイル片に形成した係合突片を係合させるようにしたので、各中間フォイル片に対してスポット溶接や大きな曲げ加工を行うことなく、該中間フォイル片からなる中間フォイルを軸受ハウジング内に収容・固定することができる。したがって、中間フォイルのスポット溶接や、中間フォイルの歪みの影響によりトップフォイルに歪みが生じるのが防止され、トップフォイルの歪みが充分に少なくなる。また、中間フォイルの溶接を不要にしたため、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くすことができる。さらに、中間フォイル片が破損したり消耗した際、中間フォイル全体を交換することなく、破損または消耗したパーツ(中間フォイル片)のみを交換すればよくなる。
バックフォイルは、中間フォイルを介してトップフォイルを弾性的に支持するため、トップフォイルから荷重を受けた際には、その周方向に変形することでトップフォイルの撓みを許容し、これを支持する。しかし、バックフォイルは周方向に変形する際、軸受ハウジングとの間の摩擦の影響を受けるため、自由端側では変形し易いものの、固定端側では変形し難くなっている。そのため、自由端側と固定端側とでは支持剛性に差が生じてしまい、軸受全体として均一な支持剛性が得られにくくなってしまう。
そこで、バックフォイルを、軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片によって構成しているので、バックフォイル片における固定端と自由端との間の距離が短くなり、前述した自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなる。したがってバックフォイル全体での支持剛性のバラツキが少なくなる。
また、このようにバックフォイルを複数のバックフォイル片によって構成しているので、中間フォイル片の係合突片をこれらの間に形成される隙間に通すことにより、該係合突片を係合凹部に容易に係合することができる。
このようにすれば、軸受ハウジングの内周面の両側端部にそれぞれ設けた係合凸部に、バックフォイルの両側周縁部にそれぞれ形成した係合切欠を係合させることにより、バックフォイルを軸受ハウジングに固定するので、バックフォイルに対してスポット溶接や曲げ加工を行うことなく、バックフォイルを軸受ハウジング内に収容・固定することができる。したがって、バックフォイルのスポット溶接や、バックフォイルの歪みの影響によりトップフォイルに歪みが生じるのが防止され、トップフォイルの歪みが充分に少なくなる。また、バックフォイルの溶接を不要にしたため、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くすことができる。
また、中間フォイル片の係合突片を、バックフォイルの係合切欠を通って係合凹部に係合するようにしたので、該係合突片を係合凹部に容易に係合することができる。
さらに、係止部材の係合アームと中間フォイル片の係合突片とを共に係合凹部に係合させるようにしたので、前記係合アーム、前記係合突片が係合する箇所をそれぞれ別に形成する場合に比べ、軸受ハウジングに対する加工数を少なくすることができる。
このようにすれば、中間フォイル片の係合突片を係合凹部に係合することで、該中間フォイル片だけでなくバックフォイルも軸受ハウジングに固定することができる。
また、このように中間フォイル片によってバックフォイルを軸受ハウジングに固定するので、バックフォイルに対してスポット溶接や曲げ加工を行うことなく、バックフォイルを軸受ハウジング内に収容・固定することができる。したがって、バックフォイルのスポット溶接や、バックフォイルの歪みの影響によりトップフォイルに歪みが生じるのが防止され、トップフォイルの歪みが充分に少なくなる。また、バックフォイルの溶接を不要にしたため、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くすことができる。
このようにすれば、バックフォイル片における固定端と自由端との間の距離が短くなり、前述した自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなる。したがってバックフォイル全体での支持剛性のバラツキが少なくなる。
また、バックフォイル片にそれぞれ係合切欠を形成しているので、中間フォイル片の係合突片をこれら係合切欠に通すことにより、該係合突片を係合凹部に容易に係合することができる。
このようにすれば、各バックフォイル片の、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差がさらに小さくなり、したがってバックフォイル全体での支持剛性のバラツキがより少なくなる。
このようにすれば、中間フォイル間の滑りによる摩擦によって得られる減衰効果が加わることにより、ラジアルフォイル軸受による減衰効果がより一層高くなる。
また、各中間フォイル片に対してスポット溶接や大きな曲げ加工を行うことなく、中間フォイルを軸受ハウジング内に収容・固定するようにしたので、中間フォイルの歪みの影響によってトップフォイルに歪みが生じるのを防止することができる。したがって、トップフォイルの歪みを充分に少なくし、これによって軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を得ることができる。
また、インペラ2は静止側となるハウジング6内に配置されており、ハウジング6との間にチップクリアランス7を有している。
また、回転軸1には、スラストカラー4より中央側に、ラジアルフォイル軸受3が外挿されている。
図2(a)、(b)は、このような構成のターボ機械に適用されたラジアルフォイル軸受の第1実施形態を示す図である。この第1実施形態のラジアルフォイル軸受3は、図2(a)に示すように回転軸1に外挿されて該回転軸1を支持する円筒状のもので、回転軸1に対向して配置される円筒状のトップフォイル9と、該トップフォイル9の径方向外側に配置される中間フォイル10と、該中間フォイル10の径方向外側に配置されるバックフォイル11と、該バックフォイル11の径方向外側に配置される軸受ハウジング12とを備えて構成されている。
なお、固定具16は、例えば厚さが3〜4mm程度のステンレス等からなる金属板をワイヤカット放電加工することにより、形成することができる。
このようにして溝32、第1係合凹部31を形成した後、係止部材30を軸受ハウジング12の内周面側から第1係合凹部31および溝32に嵌め込み、係止させることにより、係合凸部33aを容易に形成することができる。
なお、第2係合凹部35についても、前記係止溝14や第1係合凹部31と同様にして、ワイヤカット放電加工で加工することができる。すなわち、係止溝14と第1係合凹部31と第2係合凹部35について、ワイヤカット放電加工によって連続的に加工処理することができる。したがって、軸受ハウジング12について、その加工コストの低減化を図ることが可能になる。また、ワイヤカット放電加工に代えてレーザー法を用いることもできる。
このような構成のもとに、軸受ハウジング12の係合凸部33a(係止部材30の係合アーム33)には、図4(a)および図6(a)に示すようにバックフォイル片11aの係合切欠11dが係合している。
また、図7(b)に示す、薄肉部24の周方向の長さLは、図2(a)に示すように通し溝13と、バンプフォイル(バックフォイル)11の端部の山一つ分までに対応する長さとされる。
回転軸1が停止した状態では、トップフォイル9はバックフォイル11(3つのバックフォイル片11a)によって中間ファイル10(3つの中間フォイル片10a)を介して回転軸1側に付勢されることで回転軸1に密着している。なお、本実施形態では、トップフォイル9の両端部が薄肉部24となっているので、これら薄肉部24では回転軸1を締め付ける力(局所的なプリロード)がほとんど生じないようになっている。
同様に、中間フォイル片10aはその係合突片10bが軸受ハウジング12の両側面に形成された第2係合凹部35に係合しているので、不測に衝撃等が作用した場合でも、軸受ハウジング12内を回転することなく、さらに、軸受ハウジング12内を軸方向へ移動することがない。また、径方向に対してはトップフォイル9で覆われているので、これが抜け止めとして機能することにより、中間フォイル片10aは軸受3から脱落することが防止されている。
また、中間フォイル10を、軸受ハウジング12の周方向に沿って配置された3つ(複数)の中間フォイル片10aによって構成しているので、単一の中間フォイルが軸受ハウジング12を1周巻くように配置される場合に比べ、バックフォイル11との間やトップフォイル9との間での前記「滑り」が拘束されにくくなって摩擦による拘束箇所が減少する。したがって、各中間フォイル片10aとバックフォイル11やトップフォイル9との間で滑りが起こり易くなり、滑ることで生じる摩擦による前記減衰効果を高くすることができる。
また、バックフォイル片11aの係合切欠11dを、該バックフォイル片11aの周方向中央部に形成しているので、各バックフォイル片11aにおける自由端側と固定端側との間の支持剛性の差がさらに小さくなる。したがって、バックフォイル11全体での支持剛性のバラツキをより少なくすることができる。
また、このようにバックフォイル11を複数のバックフォイル片11aによって構成しているので、中間フォイル片10aの係合突片10bをこれらの間に形成される隙間に通すことにより、該係合突片10bを第2係合凹部35に容易に係合することができる。
また、トップフォイル9と軸受ハウジング12との間で軸方向のずれが生じそうになっても、通し溝13が長さ方向に分割されて形成された係合溝20に係合する凸部21a、21bが、該係合溝20の端部(隔壁片19)に規制されてその移動が停止させられることにより、ずれを防止することができる。
また、トップフォイル9については、単にエッチング加工による凹凸部23a、23bの形成が増えただけであり、従来のスポット溶接や、歪みを発生させる曲げ加工を無くすことができる。したがって、製作の難易度を低下させ、製造コストを低減化することができる。
また、軸受ハウジング12に対するトップフォイル9の溶接が無いため、溶接不良などによる組立て不良や組立てのバラツキが無くなる。したがって、再現性が高くなり、量産性に優れたものとなる。
また、トップフォイル9の両端部に薄肉部24を形成しているので、例えば従来のようにトップフォイルの両端部を軸受ハウジングの内曲面(内周面)になじませるための、熱処理工程が不要になる。
さらに、トップフォイル9の両端部に薄肉部24を形成したことで、周囲流体が流入する側のトップフォイル9の端部側が柔らかくなっているため、前記したように周囲流体がトップフォイル9と回転軸1との間に流入し易くなる。したがって、より低い回転数で流体潤滑膜が形成されるようになり、始動性が向上する。
次に、本発明のラジアルフォイル軸受の第2実施形態を説明する。図9(a)、(b)、図10(a)、(b)は、図1に示したターボ機械に適用されたラジアルフォイル軸受の第2実施形態を示す図であり、図9(a)中符号40はラジアルフォイル軸受である。このラジアルフォイル軸受40が図2(a)に示したラジアルフォイル軸受3と異なるところは、中間フォイル41を6つの中間フォイル片41aで構成した点と、中間フォイル片41aの係合突片41bの係合箇所を、係止部材30の係合アーム33を係合させた第1係合凹部31に係合させている点である。
なお、前記の各寸法については適宜変更可能であり、例えば係合アーム33の厚さについてはエッチング加工により減肉して(a-2b)にし、第1係合凹部31の幅をaより少しだけ広い(a+α)とし、係合切欠11dの幅をaにしてもよい。
また、中間フォイル41を3つでなく6つの中間フォイル片41aで構成しているので、前述した摩擦による拘束箇所がさらに減少し、各中間フォイル片41aとバックフォイル11やトップフォイル9との間で滑りがより起こり易くなり、摩擦による前記減衰効果をより高くすることができる。
また、中間フォイル片41aによってバックフォイル11aを軸受ハウジング42に固定することができる。
次に、本発明のラジアルフォイル軸受の第3実施形態を説明する。図11(a)、(b)、図12(a)、(b)は、図1に示したターボ機械に適用されたラジアルフォイル軸受の第3実施形態を示す図であり、図11(a)中符号50はラジアルフォイル軸受である。このラジアルフォイル軸受50が図9(a)に示したラジアルフォイル軸受40と異なるところは、係止部材30を無くし、中間フォイル片41aによってバックフォイル片11aを軸受ハウジング51に固定するようにした点である。
例えば、前記第1実施形態や第2実施形態では、中間フォイル片からなる中間フォイルを一枚(一層)のみ用いているが、図13に示したように中間フォイル(中間フォイル片)を複数枚重ねて多層化してもよい。このようにバックフォイルとトップフォイルとの間に中間フォイルを多層化して配置することにより、トップフォイルと中間フォイルとの間や中間フォイルとバックフォイルとの間が互いに滑ることで生じる摩擦によって得られる減衰効果に、中間フォイル間の滑りによる摩擦によって得られる減衰効果が加わる。したがって、回転軸の軸振動(自励振動)を抑制して該軸振動をより収まり易くすることができる。
また、前記実施形態では、軸受ハウジングを円筒状に形成したが、一方の側面又は両方の側面に環状のフランジを一体に形成し、全体を略円筒状に形成してもよい。フランジを形成することにより、ターボ機械のハウジングなどへの取付を容易にすることができる。
Claims (10)
- 回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置される中間フォイルと、前記中間フォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル、前記中間フォイル、及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、該軸受ハウジングの内周縁から外周縁に向かって延びる係合凹部が互いに対向してそれぞれ形成され、かつ、該係合凹部の対が前記軸受ハウジングの周方向に複数形成され、
前記中間フォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数の中間フォイル片を有し、
前記中間フォイル片には、前記係合凹部に係合する係合突片がそれぞれ形成され、
前記バックフォイルの両側縁部には、前記係合凹部に連通する係合切欠がそれぞれ形成され、
前記係合突片は、前記バックフォイルの前記係合切欠を通って前記係合凹部に係合することを特徴とするラジアルフォイル軸受。 - 前記バックフォイルを前記軸受ハウジングに係止させる係止部材をさらに備え、
前記係止部材は、前記軸受ハウジングの軸方向に伸びる棒状部と、該棒状部の両端から前記軸受ハウジングの半径方向に突出して前記バックフォイルの前記係合切欠に係合する係合凸部と、を有することを特徴とする請求項1記載のラジアルフォイル軸受。 - 前記軸受ハウジングの内周面には、対向する前記係合凹部間に、該係合凹部に連通して該係合凹部より軸受ハウジングの外周縁側に向かう深さが浅い係合溝が形成され、
前記係止部材は、前記係合凸部と反対の側に設けられる係合アームをさらに有し、
前記係合凹部および前記係合溝には、前記係合アームと前記棒状部とがそれぞれ係合していることを特徴とする請求項2に記載のラジアルフォイル軸受。 - 前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有し、
前記バックフォイル片には、前記係合切欠がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。 - 前記係合切欠は、前記バックフォイル片の周方向中央部に形成されていることを特徴とする請求項4に記載のラジアルフォイル軸受。
- 前記中間フォイルは複数枚重ねられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
- 回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置される中間フォイルと、前記中間フォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル、前記中間フォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、前記バックフォイルを前記軸受ハウジングに係止させる係止部材と、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、該軸受ハウジングの内周面から外周面に向かって延びる第1係合凹部が互いに対向してそれぞれ形成されるとともに、前記軸受ハウジングの内周面から外周面に向かって延びる第2係合凹部が互いに対向して形成され、かつ、複数対の前記第1係合凹部と複数対の前記第2係合凹部とが前記軸受ハウジングの周方向に交互に形成され、
前記係止部材は、前記軸受ハウジングの軸方向に伸びる棒状部と、該棒状部の両端から前記軸受ハウジングの半径方向に突出して前記バックフォイルの係合切欠に係合する係合凸部と、を有し、
前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有し、
前記バックフォイル片の両端縁部には、前記係合凸部に係合する前記係合切欠がそれぞれ形成され、
前記中間フォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数の中間フォイル片を有し、
前記中間フォイル片には、複数の前記バックフォイル片の間に形成された隙間を通って前記第2係合凹部に係合する係合突片がそれぞれ形成されていることを特徴とするラジアルフォイル軸受。 - 前記軸受ハウジングの内周面には、対向する前記第1係合凹部間に、当該第1係合凹部に連通して前記第1係合凹部より前記軸受ハウジングの外周面側に向かう深さが浅い係合溝が形成され、
前記係止部材は、前記係合凸部と反対の側に設けられる係合アームをさらに有し、
前記第1係合凹部および前記係合溝には、前記係合アームと前記棒状部とがそれぞれ係合していることを特徴とする請求項7に記載のラジアルフォイル軸受。 - 前記係合切欠は、前記バックフォイル片の周方向中央部に形成されていることを特徴とする請求項7又は8に記載のラジアルフォイル軸受。
- 前記中間フォイルは複数枚重ねられていることを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
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