JP6324774B2 - フォイル軸受及びこれを備えたターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、フォイル軸受、特に、ガスタービン等のターボ機械に設けられた主軸のラジアル荷重を支持する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は、超高速で回転し、且つ、主軸に接続されたタービン翼は高温環境下にある。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、油の使用が困難な場合（例えば、油による潤滑が困難な場合や、油のせん断による抵抗が問題となる場合）には、空気膜の動圧作用で軸を相対回転自在に非接触支持する空気動圧軸受が使用される。

空気動圧軸受では、使用される回転速度に応じた軸受隙間の管理が重要であり、安定限界を超えるとホワールと呼ばれる振れ回りが生じる。このため、軸受隙間を厳密に設定しなければ、所定の回転速度で運転することはできない。しかし、軸受及び軸が剛体で構成される一般的な空気動圧軸受の場合、軸受隙間を高精度に設定するためには、各部材を高精度に製造する必要があり、高コスト化を招く。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使用される空気動圧軸受では、各部材の熱膨張の影響により軸受隙間の管理が極めて困難となる。

そこで、上記のような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（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（例えば、下記の特許文献１〜３参照）。軸の回転時には、軸の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜（例えば空気膜）が形成され、軸が非接触支持される。フォイル軸受の場合、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ため、安定性に優れ、一般的な空気動圧軸受と比べて高速での使用が可能となる。

特開２００２−３６４６４３号公報 特開２００３−２６２２２２号公報 特開２００９−２９９７４８号公報

本出願人は、特願２０１３−２５６８４３において、図１１に示すようなフォイル軸受２００を提案している。このフォイル軸受２００では、フォイルホルダ２１０の内周面２１１に複数の軸方向溝２１２を設け、この軸方向溝２１２に各フォイル２２０の端部を差し込むことで、各フォイル２２０をフォイルホルダ２１０の内周面２１１に取り付けている。同文献では、軸方向溝２１２を含め、フォイルホルダ２１０を焼結金属で成形している。

このフォイル軸受２００では、フォイルホルダ２１０の外周面が円筒面とされる。この場合、フォイルホルダ２１０は、軸方向溝２１２が形成された円周方向領域（溝形成領域）が最も薄肉となるため、この溝形成領域で必要強度が得られるように外径寸法が設定される。このため、フォイルホルダ２１０のうち、溝形成領域以外の領域は、溝形成領域よりも厚肉となる。フォイル軸受は、フォイルに設けられた軸受面と軸の外周面との間のラジアル軸受隙間の流体（通常は空気）の圧力で軸を支持するものであり、支持荷重は比較的小さいため、フォイルホルダ２１０に求められる強度も比較的小さい。このため、フォイルホルダ２１０の溝形成領域以外の領域は、強度上、必要以上の肉厚となり、製品としての重量増及び素形材使用量の増加を招く。

以上のような事情から、本発明が解決すべき課題は、フォイルを取り付けるための溝が内周面に形成されたフォイルホルダについて、軽量化及び素形材使用量の低減を図ることにある。

前記課題を解決するために、本発明は、軸受面を有する複数のフォイルと、筒状を成し、内周面に複数の溝を有するフォイルホルダとを備え、各フォイルの周方向端部が前記フォイルホルダの溝に差し込まれたフォイル軸受であって、前記フォイルホルダの外周面に大径部と小径部とを円周方向で交互に設け、前記大径部の円周方向領域内に前記溝を設けたフォイル軸受を提供する。

このように、フォイルホルダの外周面に大径部を設け、この大径部の円周方向領域内に溝を設けることにより、溝形成部におけるフォイルホルダの肉厚を確保し、必要強度を得ることができる。一方、フォイルホルダの外周面のうち、溝形成部以外の円周方向領域に小径部を設けることで、この領域における肉厚が低減されるため、フォイルホルダの軽量化及び素形材使用量の低減が図られる。

前記フォイルホルダの外周面の大径部及び小径部、並びに、前記フォイルホルダの内周面及び前記複数の溝の溝底面を、何れも同軸の円筒面とすれば、フォイルホルダの半径方向の肉厚を全周で略均一にすることが可能となる。この場合、フォイルホルダを、例えば絞り加工が施された金属板で構成することができる。

フォイルホルダの溝に差し込まれたフォイルが軸方向に移動すると、フォイルがフォイルホルダから外れてしまう恐れがある。そこで、フォイルホルダの複数の溝の少なくとも軸方向一端に、当該溝に差し込まれたフォイルの端部と軸方向に係合する係止部を設ければ、フォイルがフォイルホルダから外れる事態を防止できる。

上記のフォイル軸受は、このフォイル軸受を内周に保持するハウジングを備えたターボ機械に組み込むことができる。この場合、前記フォイルホルダの外周面の大径部を前記ハウジングの内周面に固定すると共に、前記フォイルホルダの外周面の小径部と前記ハウジングの内周面との間に隙間を形成することが好ましい。このように、ハウジングとフォイルホルダとの間に隙間を形成することで、これらの間の熱移動を抑制し、フォイル軸受の温度上昇を抑えることができる。特に、この隙間を冷却媒体通路とすれば、フォイル軸受を効率的に冷却することが可能となる。

以上のように、本発明のフォイル軸受によれば、フォイルホルダの外周面に大径部及び小径部を設け、大径部の円周方向領域内にフォイルを取り付けるための溝を設けることで、フォイルホルダの軽量化及び素形材使用量の低減を図ることができる。

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。 上記支持構造に組み込まれた、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 上記フォイル軸受のフォイルホルダの断面図である。 上記フォイルホルダの斜視図である。 図３のフォイル軸受の拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、上記フォイルホルダの成形方法を示す断面図である。 （ａ）は、上記フォイル軸受のフォイルの斜視図であり、（ｂ）は３枚のフォイルを仮組みした状態の斜視図である。 他の実施形態に係るフォイル軸受のフォイルホルダの断面図である。 図９のフォイルホルダの製造方法を示す斜視図である。 本出願人による先の出願に記載されたフォイル軸受の断面図である。

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、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、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。

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の外周面には、大径部１１ａと小径部１１ｂとが円周方向交互に設けられる。図示例では、大径部１１ａ及び小径部１１ｂがそれぞれ等ピッチで３箇所ずつに形成される。大径部１１ａと小径部１１ｂとの間には、これらの周方向端部同士を半径方向に連続し、軸方向に沿って延びる段差面が設けられる。

フォイルホルダ１１の内周面には、複数の溝１１ｃが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ１１の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に、軸方向に沿って延びる溝１１ｃが設けられる。複数の溝１１ｃの円周方向間領域は、円筒面１１ｄとされる。溝１１ｃには、各フォイル１２の周方向端部が差し込まれる。図４及び図５に示すように、各溝１１ｃの軸方向一端には係止部１１ｅが設けられる。係止部１１ｅの内周面は円筒面１１ｄと連続した同一径の円筒面である。各溝１１ｃの軸方向他端は、フォイルホルダ１１の端面に開口している。

溝１１ｃは、外周面の大径部１１ａの円周方向領域内に設けられる。各溝１１ｃには、図６に示すように、円筒面１１ｄよりも大径な溝底面１１ｃ１と、溝底面１１ｃ１の周方向両端と円筒面１１ｄとを連続する側面１１ｃ２とが設けられる。溝底面１１ｃ１と一方の側面１１ｃ２との境界に設けられた角部１１ｃ３に、フォイル１２の周方向端部（凸部１２ｄ）が突き当たる。

上記のように、フォイルホルダ１１の外周面の大径部１１ａの円周方向領域内に溝１１ｃを設けることで、溝１１ｃの形成領域におけるフォイルホルダ１１の半径方向の肉厚を確保することができる。また、フォイルホルダ１１の外周面のうち、溝１１ｃの形成領域以外の領域に小径部１１ｂを設けることで、フォイルホルダ１１の肉厚を低減して、フォイル軸受１０の軽量化及び素形材使用量の低減が図られる。図示例では、フォイルホルダ１１の外周面の大径部１１ａ及び小径部１１ｂ、並びに、内周面の円筒面１１ｄ及び溝底面１１ｃ１が、何れも同軸の円筒面である。これにより、フォイルホルダ１１の肉厚を、全周で略均一にすることができる。特に、大径部１１ａと溝１１ｃの溝底面１１ｃ１との径差と、小径部１１ｂと円筒面１１ｄとの径差を同じ大きさにすることで、フォイルホルダ１１の肉厚を均一化することができる。

上記のように、フォイルホルダ１１の肉厚を均一とすることで、フォイルホルダ１１を、絞り加工が施された金属板で構成することが可能となる。具体的には、図７に示すように、平板状の金属板Ｗ｛図７（ａ）参照｝にプレス成形機で絞り加工を施すことにより、金属板Ｗを有底筒状に成形する｛図７（ｂ）参照｝。成形された金属板Ｗには、円筒部Ｗ１と、円筒部Ｗ１の軸方向一端に設けられたフランジ部Ｗ２と、円筒部Ｗ１の軸方向他端の開口部を閉塞する底部Ｗ３が設けられる。円筒部Ｗ１の外周面には大径部１１ａ及び小径部１１ｂが成形され、円筒部Ｗ１の内周面には溝１１ｃ及び円筒面１１ｄが成形される。その後、有底筒状の金属板Ｗのフランジ部Ｗ２及び底部Ｗ３を切断加工で除去することで、フォイルホルダ１１が完成する。｛図７（ｃ）参照｝。このとき、底部Ｗ３の一部が、溝１１ｃの軸方向一端を塞ぐ係止部１１ｅとして残る。

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、フォイルホルダ１１の内周面に周方向に並べて配置される。各フォイル１２は、図８（ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部１２ａと、周方向他端に設けられた凹部１２ｂと、これらの周方向間に設けられた本体部１２ｃとを備える。図８（ｂ）に示すように、各フォイル１２の凸部１２ａを、隣接するフォイル１２の凹部１２ｂに嵌め込むことで、３枚のフォイル１２を筒状に仮組みすることができる。この場合、図３に示す軸方向視において、各フォイル１２の周方向一端（凸部１２ａ）と、隣接するフォイル１２の周方向他端（凹部１２ｂの軸方向両側の凸部１２ｄ）とが交差した状態となる。

３枚のフォイル１２を筒状に仮組みした状態で、この仮組体がフォイルホルダ１１の内周に挿入される。具体的には、３枚のフォイル１２の仮組体をフォイルホルダ１１の内周に挿入しながら、各フォイル１２の周方向他端の凸部１２ｄをフォイルホルダ１１の溝１１ｃに軸方向一端側（開口側）から差し込む。そして、各フォイル１２の凸部１２ｄがフォイルホルダ１１の溝１１ｃの係止部１１ｅに当接したら、挿入が完了する。このとき、各フォイル１２の周方向一端の凸部１２ａは、隣接するフォイル１２の外径面とフォイルホルダ１１の内周面の円筒面１１ｄとの間に配される（図６参照）。以上により、各フォイル１２の周方向両端が、フォイルホルダ１１の内周面に保持される。このとき、一方のフォイル１２の他端（凹部１２ｂの軸方向両端）と他方のフォイル１２の一端（凸部１２ａの根元部）は、周方向で係合して互いに突っ張り合っている。これにより、各フォイル１２の本体部１２ｃが外径側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面（円筒面１１ｄ）に沿った形状に湾曲する。

各フォイル１２の本体部１２ｃの内周面は、軸受面として機能する。本実施形態では、図３に示すように、３枚のフォイル１２で多円弧型の軸受面を形成している。各フォイル１２の外径面とフォイルホルダ１１の内周面（溝１１ｃ及び円筒面１１ｄ）とは摺動可能とされる。各フォイル１２の周方向一端の凸部１２ａは、隣接するフォイル１２の本体部１２ｃを外径側から支持するアンダーフォイル部として機能する。

上記構成のフォイル軸受１０は、フォイルホルダ１１の外周面を、ガスタービンのハウジング３０の内周面３１に固定することにより、ガスタービンに組みつけられる（図３参照）。このとき、フォイルホルダ１１の外周面の大径部１１ａとハウジング３０の円筒面状の内周面３１とが、圧入や溶接等により固定される。一方、フォイルホルダ１１の外周面の小径部１１ｂとハウジング３０の内周面３１との間には隙間Ｐが形成される。この隙間Ｐに積極的に冷却媒体（例えば、空気）を供給する冷却媒体供給部（図示省略）を設け、隙間Ｐを冷却媒体通路とすれば、フォイル軸受１０を効率的に冷却することができる。

ハウジング３０に固定されたフォイル軸受１０の内周に、主軸６が挿入される。このとき、フォイル軸受１０の軸方向一端側（溝１１ｃの開口側）から主軸６を挿入することが好ましい。この場合、主軸６との摩擦によりフォイル１２が軸方向他端側に移動しようとするが、各フォイル１２の周方向他端の凸部１２ｄがフォイルホルダ１１の溝１１ｃの係止部１１ｅと係合することで、各フォイル１２のフォイルホルダ１１に対する軸方向移動が規制される。これにより、ターボ機械の組立時に、フォイルホルダ１１からフォイル１２が外れる事態を防止できる。

主軸６が図３の矢印方向に回転すると、フォイル軸受１０の各フォイル１２の本体部１２ｃの内周面（軸受面）と主軸６の外周面６ａとの間のラジアル軸受隙間の空気膜の圧力が高められる。具体的には、主軸６の回転に伴って流動する流体（空気）との摩擦により、各フォイル１２が回転方向先行側に押し込まれ、図６に示すように、フォイルホルダ１１の溝１１ｃの角部１１ｃ３に突き当たる。これによりフォイル１２が湾曲し、各フォイル１２の軸受面と主軸６の外周面６ａ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が形成され、ラジアル軸受隙間の幅狭側に空気が押し込まれる。これにより、ラジアル軸受隙間の空気膜の圧力が高められ、この圧力により主軸６がラジアル方向に非接触支持される。

このとき、フォイル１２が有する可撓性により、各フォイル１２の軸受面が、荷重や主軸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、ラジアル軸受隙間を最適幅に管理することができ、主軸６を安定して支持することが可能となる。また、主軸６の回転中は、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１２がフォイルホルダ１１に押し付けられ、これに伴って両者の間で微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、主軸６の振動を減衰させることができる。

尚、主軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル１２の軸受面と主軸６の外周面とが接触摺動するため、これらの何れか一方または双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。また、フォイル１２とフォイルホルダ１１との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、これらの何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば上記の実施形態では、フォイルホルダ１１の溝１１ｃの軸方向一端に係止部１１ｅを設けた場合を示したが、これに限らず、図９に示すように、溝１１ｃの軸方向両端に、溝１１ｃに差し込まれたフォイル１２の端部（凸部１２ｄ）と軸方向に係合可能な係止部を設けてもよい。この場合、溝１１ｃの両端の係止部１１ｅを含めて、フォイルホルダ１１を絞り加工で成形することはできないため、フォイルホルダ１１は例えば切削加工で形成される。あるいは、図１０に示すように、絞り加工で、溝１１ｃの軸方向一端の係止部１１ｅを成形すると共に、フォイルホルダ１１の端面から軸方向に突出する突出部１１ｆを成形し、この突出部１１ｆを図中矢印方向に折り曲げることで、軸方向他端の係止部１１ｅを設けてもよい。尚、係止部が特に不要な場合は、係止部１１ｅを省略して溝１１ｃの軸方向両側をフォイルホルダ１１の端面に開口させてもよい。

本発明にかかる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、例えばターボチャージャ（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、本発明にかかるフォイル軸受は、ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械に限らず、油の使用が制限される車両用軸受や産業機器用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。

１ タービン
６ 主軸
１０ フォイル軸受
１１ フォイルホルダ
１１ａ 大径部
１１ｂ 小径部
１１ｃ 溝
１１ｅ 係止部
１２ フォイル
２０ スラスト軸受
３０ ハウジング
Ｐ 隙間

Claims (5)

1. 軸受面を有する複数のフォイルと、筒状を成し、内周面に複数の溝を有するフォイルホルダとを備え、各フォイルの周方向端部が前記フォイルホルダの溝に差し込まれたフォイル軸受であって、
   前記フォイルホルダの外周面に大径部と小径部とを円周方向で交互に設け、前記大径部の円周方向領域内に前記溝を設け、
   前記フォイルホルダの外周面の大径部を、フォイル軸受を組み込む機器のハウジングの円筒面状の内周面に固定し、前記フォイルホルダの外周面の小径部と前記ハウジングの内周面とで冷却媒体通路を形成するフォイル軸受。
2. 前記フォイルホルダの外周面の大径部及び小径部、並びに、前記フォイルホルダの内周面及び前記複数の溝の溝底面を、何れも同軸の円筒面とした請求項１記載のフォイル軸受。
3. 前記フォイルホルダが、絞り加工が施された金属板からなる請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
4. 前記フォイルホルダの複数の溝の少なくとも軸方向一端に、当該溝に差し込まれた前記フォイルの端部と軸方向に係合する係止部を設けた請求項１〜３の何れかに記載のフォイル軸受。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のフォイル軸受と、前記フォイル軸受を内周に保持する前記ハウジングとを備え、前記フォイルホルダの外周面の大径部を前記ハウジングの内周面に固定すると共に、前記フォイルホルダの外周面の小径部と前記ハウジングの内周面とで前記冷却媒体通路を形成したターボ機械。

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