JP6328431B2

JP6328431B2 - フォイル軸受

Info

Publication number: JP6328431B2
Application number: JP2014003584A
Authority: JP
Inventors: 真人吉野; 藤原　宏樹; 宏樹藤原
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015132309A

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。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。

例えば、下記特許文献１には、図１１に示すようなフォイル１１２を有するフォイル軸受（ラジアルフォイル軸受）が示されている。各フォイル１１２の周方向一方の端部（以下、前端１１２ａ）及び周方向他方の端部（以下、後端１１２ｂ）は、軸方向両端から軸方向内側へ向けて周方向一方側（軸回転方向先行側）に傾斜した、いわゆるヘリングボーン形状を成している。図１２に示すように、各フォイル１１２の前端１１２ａは自由端とされ、各フォイル１１２の前端１１２ａを含む領域は、軸受面を有するトップフォイル部Ａ’として機能する。各フォイル１１２の後端１１２ｂを含む領域は、隣接するフォイル１１２のトップフォイル部Ａ’を背後から支持するバックフォイル部Ｂ’として機能する。尚、特許文献１では、複数のフォイル１１２が連結部で連結されているが、図１１では連結部を省略して示している。また、図１１及び図１２では、理解しやすいように、フォイル１１２を３枚のみ示し、各フォイル１１２を軸方向（図中上下方向）に少しずらして示している。

特開２０１３−７９７１９号公報

上記のフォイル軸受に支持された軸１０２が回転すると、軸受隙間の流体の圧力が高まる。この流体圧で、各フォイル１１２のトップフォイル部Ａ’が、その背後のバックフォイル部Ｂ’に押し付けられる。これにより、図１３に示すように、各フォイル１１２のトップフォイル部Ａ’が、バックフォイル部Ｂ’に設けられたヘリングボーン形状の後端１１２ｂに倣って湾曲し、各フォイル１１２が、バックフォイル部Ｂ’の軸方向中央部Ｂ１を底としてトップフォイル部Ａ’の先端及び軸方向両端が反り上がった舟形に変形する。このように、各フォイル１１２を舟形に変形させることで、軸受隙間を流れる流体が軸受面に沿って軸方向中央部に集められ（鎖線矢印参照）、流体圧が効率良く高められる。

上記のように各フォイル１１２を舟形に湾曲させようとすると、バックフォイル部Ｂの軸方向中央部Ｂ１に軸方向両側から圧縮応力が加わる。このとき、軸方向中央部Ｂ１が突っ張ることで、バックフォイル部Ｂの変形が阻害され、特に、軸の低速回転時などの軸受隙間の流体圧が比較的低いときに、各フォイル１１２を舟形に変形させることができない恐れがある。

上記のような問題は、軸をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受に限らず、軸に設けられたスラストカラーをスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受においても同様に生じる。

本発明が解決すべき技術的課題は、軸の回転時に、フォイル軸受のフォイルを所望の形状に変形させて、流体圧を効率良く高めることにある。

前記課題を解決するためになされた本発明のフォイル軸受（ラジアルフォイル軸受）は、内周に、周方向一方に回転する軸が挿入されたフォイルホルダと、前記フォイルホルダの内周面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向一方の端部が自由端とされ、各フォイルの周方向一方の端部を含む領域が、ラジアル軸受面を有するトップフォイル部を構成すると共に、各フォイルの周方向他方の端部を含む領域が、隣接するフォイルの前記トップフォイル部を背後から支持するバックフォイル部を構成し、各フォイルの周方向他方の端部が、軸方向両端側から軸方向中央側へ向けて周方向一方側に傾斜した一対の傾斜部を有し、各フォイルの前記バックフォイル部の軸方向中間部に、その軸方向両側の領域よりも圧縮応力に対する強度が低い脆弱部を設けたことを特徴とするものである。

また、前記課題を解決するためになされた本発明のフォイル軸受（スラストフォイル軸受）は、周方向一方に回転する軸に設けられたスラストカラーと軸方向で対向するフォイルホルダと、前記フォイルホルダの端面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向一方の端部が自由端とされ、各フォイルの周方向一方の端部を含む領域が、スラスト軸受面を有するトップフォイル部を構成すると共に、各フォイルの周方向他方の端部を含む領域が、隣接するフォイルの前記トップフォイル部を背後から支持するバックフォイル部を構成し、各フォイルの周方向他方の端部が、半径方向両端側から半径方向中央側へ向けて周方向一方側に傾斜した一対の傾斜部を有し、各フォイルの前記バックフォイル部の半径方向中間部に、その半径方向両側の領域よりも圧縮応力に対する強度が低い脆弱部を設けたことを特徴とするものである。

このように、本発明のフォイル軸受では、各フォイルのバックフォイル部の中間部（ラジアルフォイル軸受では軸方向中間部、スラストフォイル軸受では半径方向中間部）に脆弱部を設けた。すなわち、軸の回転に伴って軸受隙間に生じる流体圧により、各フォイルが、その背後のバックフォイル部に設けられたヘリングボーン形状の端部（傾斜部）に押し付けられた際、圧縮応力が加わる各フォイルのバックフォイル部の中間部に脆弱部を設けた。これにより、軸受隙間の流体圧が比較的低い場合でも、各フォイルの脆弱部を容易に圧縮変形させることができるため、各フォイルを所望の形状（舟形）に変形させることが可能となる。

例えば、バックフォイル部に周方向に延びるスリットを形成することにより、脆弱部を構成することができる。この場合、スリットの互いに対向する内壁を離隔させれば、脆弱部に圧縮応力が加わったときに、両内壁を互いに接近させることで、脆弱部を容易に変形させることができる。また、バックフォイル部の周方向他方の端部は、特に圧縮応力が加わりやすいため、上記のスリットは、各フォイルの周方向他方の端部まで達するように形成することが好ましい。

以上のように、本発明のフォイル軸受によれば、各フォイルのバックフォイル部に脆弱部を設けることで、軸の回転時に各フォイルを所望の形状に変形させて、流体圧を効率良く高めることができる。

本発明の一実施形態に係るフォイル軸受としてのラジアルフォイル軸受の断面図である。上記ラジアルフォイル軸受に組み込まれるフォイルの平面図である。上記ラジアルフォイル軸受の内周面の平面展開図である。図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図であり、（Ａ）図は軸停止時、（Ｂ）図は軸回転時の状態を示す。上記フォイルが舟形に変形する様子を示す斜視図である。（Ａ）図は、舟形に変形した上記フォイルの平面図であり、（Ｂ）図は（Ａ）図の拡大図である。本発明の一実施形態に係るフォイル軸受としてのスラストフォイル軸受の断面図である。上記スラストフォイル軸受の平面図である。上記スラストフォイル軸受に組み込まれるフォイルの平面図である。上記スラストフォイル軸受の断面図であり、（Ａ）図は軸停止時、（Ｂ）図は軸回転時の状態を示す。従来のフォイル軸受に組み込まれるフォイルの平面図である。上記フォイル軸受の断面図である。図１１のフォイルが舟形に変形する様子を示す斜視図である。

図１に、本発明の一実施形態にかかるフォイル軸受としてのラジアルフォイル軸受１を示す。このラジアルフォイル軸受１は、例えばターボ機械の一種であるガスタービンに組み込まれ、周方向一方に回転する軸２をラジアル方向に支持するものである。ラジアルフォイル軸受１は、内周に軸２が挿入された筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の内周面１１に周方向に並べて取り付けられた複数（図示例では８枚）のフォイル２０とを備える。

フォイル２０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で形成される。金属フォイルとしては、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。

各フォイル２０は、図２に示すように、本体部２１と、本体部２１の軸方向一方側（図中上側）に設けられた固定部２２とを一体に有する。各フォイル２０の固定部２２は、フォイルホルダ１０の内周面１１に溶接等の適宜の手段で固定される。本体部２１の周方向一方の端部（以下、前端２１ａ）及び周方向他方の端部（以下、後端２１ｂ）は、何れもヘリングボーン形状を成している。具体的に、前端２１ａは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部２１ａ１を有する。一対の傾斜部２１ａ１の間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部２１ａ２が設けられる。後端２１ｂは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部２１ｂ１を有する。一対の傾斜部２１ｂ１の間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部２１ｂ２が設けられる。図示例では、後端２１ｂの頂部２１ｂ２が、後述するスリット２１ｃにより分断されている。尚、前端２１ａ及び後端２１ｂの形状は上記に限らず、例えば、一対の傾斜部２１ａ１や一対の傾斜部２１ｂ１を、軸方向の直線状の頂部で連結してもよい。あるいは、一対の傾斜部２１ａ１や一対の傾斜部２１ｂ１を直接連結してもよい。

図３及び図４（Ａ）に示すように、各フォイル２０の本体部２１の前端２１ａは、隣接するフォイル２０の本体部２１の上（内径側）に配される。各フォイル２０の前端２１ａを含む領域は、ラジアル軸受面Ｓ１を有するトップフォイル部Ａを構成する。複数のフォイル２０のラジアル軸受面Ｓ１は、周方向全周に連続して設けられる。一方、各フォイル２０の後端２１ｂを含む領域は、隣接するフォイル２０のトップフォイル部Ａを背後（外径側）から支持するバックフォイル部Ｂを構成する。各フォイル２０のバックフォイル部Ｂは、隣接するフォイル２０のトップフォイル部Ａとフォイルホルダ１０との間に配される。

図２に示すように、各フォイル２０のバックフォイル部Ｂの軸方向中間部には、脆弱部Ｐが設けられる。脆弱部Ｐは、その軸方向両側の領域よりも圧縮応力に対する強度（以下、圧縮強度）が低く、特に軸方向の圧縮強度が低い。本実施形態では、バックフォイル部Ｂの軸方向中央部に、周方向に延びるスリット２１ｃを形成することで、脆弱部Ｐの圧縮強度を低下させている。スリット２１ｃの互いに対向する内壁２１ｃ１は、軸方向に離隔している。スリット２１ｃは、本体部２１の後端２１ｂまで達している。図示例のスリット２１ｃは、本体部２１の後端２１ｂの頂部２１ｂ２から周方向一方側に延びている。スリット２１ｃは、トップフォイル部Ａには達しておらず、バックフォイル部Ｂの領域内に形成される（図３参照）。

軸２が回転すると、図４（Ｂ）に示すように、各フォイル２０のラジアル軸受面Ｓ１と軸２の外周面２ａとの間に形成されるラジアル軸受隙間Ｒの流体（例えば空気）の圧力が高められ、この流体圧により軸２がラジアル方向に非接触支持される。このとき、フォイル２０が有する可撓性により、各フォイル２０のラジアル軸受面Ｓ１が、荷重や軸２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２を安定して支持することが可能となる。

このとき、ラジアル軸受隙間Ｒの流体圧により、各フォイル２０が外径側に押し付けられる。これにより、図５に示すように、各フォイル２０が、その背後（外径側）に配されたバックフォイル部Ｂのヘリングボーン形状の後端２１ｂ（傾斜部２１ｂ１）に沿って舟形に変形する。具体的には、各フォイル２０のトップフォイル部Ａの前端２１ａ及び軸方向両端が内径側に反り上がる。これにより、軸２の回転に伴ってラジアル軸受隙間Ｒを流れる流体が、トップフォイル部Ａに沿って軸方向中央側に集められ（図６の鎖線矢印参照）、軸方向中央部における流体圧が効率的に高められる。

このように各フォイル２０が舟形に変形する際、バックフォイル部Ｂの軸方向中央部には、図６（Ａ）に矢印で示すように軸方向両側から圧縮応力が加わる。本実施形態では、バックフォイル部Ｂの軸方向中央部に脆弱部Ｐを設けているため、この脆弱部Ｐが上記の圧縮応力により容易に変形する。具体的には、図６（Ｂ）に示すように、スリット２１ｃの軸方向両側の内壁２１ｃ１が互いに接近することで、脆弱部Ｐが軸方向に圧縮変形する。図示例では、スリット２１ｃが、圧縮応力が加わりやすい本体部２１の後端２１ｂまで達しているため、脆弱部Ｐの圧縮変形がより一層促される。以上により、軸２が低速で回転するときでも、各フォイル２０を舟形に変形させ、ラジアル軸受隙間Ｒの流体圧を効率良く高めて軸２を非接触支持することが可能となる。

尚、各フォイル２０のラジアル軸受面Ｓ１及び軸２の外周面２ａ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２０の外径面及びフォイルホルダ１０の内周面１１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。

次に、本発明を適用したスラストフォイル軸受について説明する。

図７及び図８に、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受としてのスラストフォイル軸受３を示す。このスラストフォイル軸受３は、例えばターボ機械の一種であるガスタービンに組み込まれ、周方向一方に回転する軸２に取り付けられたスラストカラー４をスラスト方向に支持するものである。スラストフォイル軸受３は、フォイルホルダ３０と、フォイルホルダ３０に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイル４０とを備える。

フォイルホルダ３０の端面３１は、スラストカラー４の端面４ａと軸方向に対向している。フォイルホルダ３０は、軸心に穴を有する円盤状を成している。尚、以下では、説明の便宜上、各フォイル４０に対して、軸方向でスラストカラー４側を上方、フォイルホルダ３０側を下方と言うが、これはスラストフォイル軸受３の使用態様を限定する趣旨ではない。本実施形態では、図７に示すように、軸２が水平方向に配される。

フォイル４０の材質や厚さは、上記のラジアルフォイル軸受１のフォイル２０と同様である。各フォイル４０は、図９に示すように、本体部４１と、本体部４１の外径側に設けられた固定部４２とを一体に有する。各フォイル４０の固定部４２は、フォイルホルダ３０の端面３１に溶接等の適宜の手段で固定される。本体部４１の周方向一方の端部（以下、前端４１ａ）及び周方向他方の端部（以下、後端４１ｂ）は、何れもヘリングボーン形状を成している。具体的に、前端４１ａは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部４１ａ１を有する。一対の傾斜部４１ａ１の間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部４１ａ２が設けられる。後端４１ｂは、軸方向両端から軸方向中央側へ向けて周方向一方側へ傾斜した一対の傾斜部４１ｂ１を有する。一対の傾斜部４１ｂ１の間には、これらを滑らかに連続する略円弧状の頂部４１ｂ２が設けられる。

図１０（Ａ）に示すように、各フォイル４０の本体部４１の前端４１ａは、隣接するフォイル４０の本体部４１の上（スラストカラー４側）に配される。各フォイル４０の前端４１ａを含む領域は、スラスト軸受面Ｓ２を有するトップフォイル部Ａを構成する。複数のフォイル４０のスラスト軸受面Ｓ２は、周方向全周に連続して設けられる。一方、各フォイル４０の後端４１ｂを含む領域は、隣接するフォイル４０のトップフォイル部Ａを背後（下方）から支持するバックフォイル部Ｂを構成する。各フォイル４０のバックフォイル部Ｂは、隣接するフォイル４０のトップフォイル部Ａとフォイルホルダ３０との間に配される。

図９に示すように、各フォイル４０のバックフォイル部Ｂの半径方向中間部には、脆弱部Ｐが設けられる。脆弱部Ｐは、その半径方向両側の領域よりも半径方向の圧縮強度が低い。本実施形態では、バックフォイル部Ｂの半径方向中間部に、周方向に延びるスリット４１ｃを形成することで、脆弱部Ｐの圧縮強度を低下させている。スリット４１ｃの互いに対向する内壁は、半径方向に離隔している。スリット４１ｃは、本体部４１の後端４１ｂまで達している。図示例では、スリット４１ｃが、本体部４１の後端４１ｂの頂部４１ｂ２から周方向一方側に延びている。スリット４１ｃは、トップフォイル部Ａには達しておらず、バックフォイル部Ｂの領域内に形成される。

軸２が回転すると、図１０（Ｂ）に示すように、各フォイル４０のスラスト軸受面Ｓ２とスラストカラー４の端面４ａとの間に形成されるスラスト軸受隙間Ｔの流体（例えば空気）の圧力が高められ、この流体圧によりスラストカラー４及び軸２がスラスト方向一方に非接触支持される。このとき、スラスト軸受隙間Ｔの流体圧により、各フォイル４０が下方（フォイルホルダ３０側）に押し付けられる。これにより、各フォイル４０が、その背後（下方）に配されたバックフォイル部Ｂのヘリングボーン形状の後端４１ｂ（傾斜部４１ｂ１）に沿って舟形に変形する（図示省略）。具体的には、各フォイル４０のトップフォイル部Ａが、前端４１ａ及び軸方向両端が内径側に反り上がる。これにより、軸２の回転に伴ってスラスト軸受隙間Ｔを流れる流体が、トップフォイル部Ａに沿って半径方向中央側に集められ、半径方向中央部における流体圧が効率的に高められる。

このように各フォイル４０が舟形に変形する際、バックフォイル部Ｂの半径方向中間部には、半径方向両側から圧縮応力が加わる。本実施形態では、バックフォイル部Ｂの半径方向中間部に脆弱部Ｐが設けられているため、この脆弱部Ｐが上記の圧縮応力により容易に変形する。具体的には、スリット４１ｃの半径方向両側の内壁が互いに接近することで、脆弱部Ｐが半径方向に圧縮変形する。これにより、軸２の回転速度が遅いときでも、各フォイル４０を舟形に変形させ、スラスト軸受隙間Ｔの流体圧を効率良く高めて軸２を非接触支持することができる。

尚、各フォイル４０のスラスト軸受面Ｓ２及びスラストカラー４の端面４ａ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４０の下面及びフォイルホルダ３０の端面３１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２０，４０のバックフォイル部Ｂにスリット２１ｃ，４１ｃを設けることで、脆弱部Ｐを形成する場合を示したが、これに限られない。例えば、バックフォイル部を厚さ方向に貫通する複数の穴を形成したり、バックフォイル部を部分的に薄肉化したりすることで、脆弱部Ｐを形成することもできる。

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、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。

１，３フォイル軸受
２軸
４スラストカラー
１０，３０フォイルホルダ
２０，４０フォイル
２１，４１本体部
２１ａ，４１ａ前端
２１ｂ，４１ｂ後端
２１ｃ，４１ｃスリット
２２，４２固定部
Ａトップフォイル部
Ｂバックフォイル部
Ｐ脆弱部
Ｒラジアル軸受隙間
Ｔスラスト軸受隙間
Ｓ１ラジアル軸受面
Ｓ２スラスト軸受面

Claims

内周に、周方向一方に回転する軸が挿入されたフォイルホルダと、前記フォイルホルダの内周面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向一方の端部が自由端とされ、各フォイルの周方向一方の端部を含む領域が、ラジアル軸受面を有するトップフォイル部を構成すると共に、各フォイルの周方向他方の端部を含む領域が、隣接するフォイルの前記トップフォイル部を背後から支持するバックフォイル部を構成するフォイル軸受であって、
各フォイルの周方向他方の端部が、軸方向両端側から軸方向中央側へ向けて周方向一方側に傾斜した一対の傾斜部を有し、
各フォイルの前記バックフォイル部のうち、前記一対の傾斜部を連続する頂部から周方向一方側に延びる領域に、その軸方向両側の領域よりも圧縮応力に対する強度が低い脆弱部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
周方向一方に回転する軸に設けられたスラストカラーと軸方向で対向するフォイルホルダと、前記フォイルホルダの端面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向一方の端部が自由端とされ、各フォイルの周方向一方の端部を含む領域が、スラスト軸受面を有するトップフォイル部を構成すると共に、各フォイルの周方向他方の端部を含む領域が、隣接するフォイルの前記トップフォイル部を背後から支持するバックフォイル部を構成するフォイル軸受であって、
各フォイルの周方向他方の端部が、半径方向両端側から半径方向中央側へ向けて周方向一方側に傾斜した一対の傾斜部を有し、
各フォイルの前記バックフォイル部のうち、前記一対の傾斜部を連続する頂部から周方向一方側に延びる領域に、その半径方向両側の領域よりも圧縮応力に対する強度が低い脆弱部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
前記バックフォイル部に周方向に延びるスリットを形成することにより、前記脆弱部を構成した請求項１又は２記載のフォイル軸受。
前記スリットの互いに対向する内壁を離隔させた請求項３記載のフォイル軸受。
前記スリットが、各フォイルの周方向他方の端部まで達している請求項３又は４記載のフォイル軸受。