JP6622058B2 - スラストフォイル軸受、およびその製造方法、並びにスラストフォイル軸受の中間製造体 - Google Patents

Description

本発明は、スラストフォイル軸受、およびその製造方法、並びにスラストフォイル軸受の中間製造体に関する。

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。このような過酷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）で軸受面を構成したものであり、軸の回転時に軸とフォイルの軸受面との間に形成された軸受隙間に流体膜（例えば空気膜）を形成して軸を非接触支持するものである。このフォイル軸受によれば、軸受面をフォイルで形成することで軸受面のたわみが許容され、軸受面が軸の変位や熱膨張等に追従して変形するため、過酷条件下でも軸を安定的に支持できる、という利点を有する。

このフォイル軸受の一例として、特開平２０１５−１１３９２８号公報（特許文献１）に記載のものが公知である。この特許文献１には、それぞれに複数のフォイルを形成した二枚のフォイル部材を重ね、上側のフォイル部材のフォイルと下側のフォイル部材のフォイルとを半ピッチずらしながら、各フォイルの回転方向先行側部分を隣接するフォイルの回転方向後方側部分の上に重ねて配置したスラストフォイル軸受が開示されている。このスラストフォイル軸受では、各フォイルの回転方向先行側の部分が軸受面を構成するトップフォイル部として機能し、各フォイルの反回転方向側の部分が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として機能する。

特開平２０１５−１１３９２８号公報

ところで、近年の本発明者らの検証によれば、特許文献１に記載されるようにトップフォイル部とバックフォイル部を有する複数のフォイルを回転方向に配置したフォイル軸受では、フォイルのうち、トップフォイル部における回転方向先行側の端部付近（前端付近）の剛性管理が重要であることが判明した。例えばフォイルの前端に部分的に高剛性の部分が存在すると、この領域で軸の変位等に対する追従性が低下し、楔状の軸受隙間から流体が押し出される等して軸の浮上効果が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、各フォイル、特にトップフォイル部の剛性管理を容易に行えるようにすることを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明は、支持すべき軸部材の回転方向の複数箇所にフォイルが配置され、各フォイルが前記回転方向側に位置する前端と反回転方向側に位置する後端とを有し、各フォイルの前端を含む領域で、軸受面を有するトップフォイル部を形成すると共に、各フォイルの後端を含む領域で、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後に配置されるバックフォイル部を形成したフォイル軸受において、何れかのフォイルに対して前記回転方向および反回転方向に隣接する二つのフォイルのうち、回転方向側のフォイルの後端と反回転方向側のフォイルの前端との間に前記回転方向の隙間が設けられ、かつ当該隙間の幅を前記回転方向と直交する方向で不均一にしたことを特徴とするものである。

このように上記隙間を回転方向と直交する方向で不均一にすることで、フォイルの前端とフォイルの後端に挟まれた中間フォイルの支持スパン（前端と後端のスパン）が変化するため、中間フォイルのばね性を回転方向と直交する方向の各領域で調節することが可能となる。そのため、この中間フォイルに支持されるフォイル、特にトップフォイル部の剛性（軸受隙間の幅方向に作用するせん断力に対する剛性）を部分的に変化させ、トップフォイル部全体の剛性を管理することが可能となる。そのため、軸部材の変位や熱膨張等に対する軸受面の追従性を向上させ、軸部材の浮上効果を安定化させることができる。

この作用効果は、前記二つのフォイルのうち、回転方向側のフォイルの後端と反回転方向側のフォイルの前端とを異なる輪郭形状に形成することで得ることができる。

前記二つのフォイルのうち、回転方向側のフォイルの後端を凹形状にすると共に、反回転方向側のフォイルの前端を凸形状とし、当該フォイル前端とフォイル後端の各頂部で形成される前記隙間の幅を、当該隙間の他の領域よりも大きくするのが好ましい。上記形状のフォイルでは、前端の頂部の周辺領域が高剛性の部分となり、その両側方の領域が低剛性の部分となる傾向にあるが、上記の構成を採用することで、せん断力に対するフォイル前端の頂部の剛性を低下させることができ、前端全体の剛性を均質化することが可能となる。

この隙間の形態は、フォイル前端およびフォイル後端の各頂部を円弧形状とし、かつフォイル前端の頂部の曲率半径をフォイル後端の頂部の曲率半径よりも大きくすることで容易に得ることができる。

上記隙間の幅を、フォイルの前端の両側方に位置する二つの側端のうち、一方の側端側で他方の側端側よりも大きくすることにより、フォイルの剛性管理の多様化を図ることが可能となる。

また、本発明は、支持すべき軸部材の回転方向の複数箇所にフォイルが配置され、各フォイルが前記回転方向側に位置する前端と反回転方向側に位置する後端とを有し、各フォイルの前端を含む領域で、軸受面を有するトップフォイル部を形成すると共に、各フォイルの後端を含む領域で、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後に配置されるバックフォイル部を形成したフォイル軸受の製造方法であって、複数のフォイルと各フォイルを連結する連結部とを一体に有し、かつ各フォイル部材の隣接するフォイル間で前端と後端を異なる輪郭形状としたフォイル部材を複数枚形成し、一つのフォイル部材の隣接するフォイル間に他のフォイル部材のフォイルを導入することで、フォイル同士を部分的に重ねて前記トップフォイル部およびバックフォイル部を形成することを特徴とするものである。

また、本発明は、支持すべき軸部材の回転方向の複数箇所にフォイルが配置され、各フォイルが前記回転方向側に位置する前端と反回転方向側に位置する後端とを有し、各フォイルの前端を含む領域で、軸受面を有するトップフォイル部を形成すると共に、各フォイルの後端を含む領域で、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後に配置されるバックフォイル部を形成したフォイル軸受を製造する際の中間製造体であって、複数のフォイルと各フォイルを連結する連結部とを一体に有し、かつ各フォイル部材の隣接するフォイル間で前端と後端を異なる輪郭形状とした複数のフォイル部材を備え、一つのフォイル部材の隣接するフォイル間に他のフォイル部材のフォイルが導入され、前記フォイルの導入によりフォイル同士を部分的に重ねて、前記トップフォイル部およびバックフォイル部を形成したことを特徴とするものである。

本発明によれば、各フォイルの剛性管理、特にトップフォイル部の剛性管理を容易に行うことができる。従って、軸部材の浮上効果を安定化させ、過酷条件下でも安定した軸受機能を得ることが可能となる。

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フォイル軸受ユニットの断面図である。 上記フォイル軸受ユニットに組み込まれたラジアルフォイル軸受の断面図である。 （Ａ）は、上記ラジアル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。 （Ａ）は第１スラストフォイル軸受の平面図であり、（Ｂ）は第２スラストフォイル軸受の平面図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。 図６中のＸ−Ｘ線断面を展開した図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、複数のフォイルを連結してなるフォイル部材の平面図である。 ２枚のフォイル部材を仮組みした状態を示す平面図である。 仮組した２枚のフォイル部材をフォイルホルダのホルダ本体上に配置した状態を示す平面図である。 図１１のホルダ本体に固定部材を取り付けた状態を示す平面図である。 比較例における図６中のＸ−Ｘ線断面を展開した図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルを拡大して示す平面図である。 フォイル部材のフォイルを拡大して示す平面図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルを拡大して示す斜視図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルを拡大して示す平面図である。 フォイル部材のフォイルを拡大して示す平面図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルを拡大して示す平面図である。 第１スラストフォイル軸受のフォイルを拡大して示す平面図である。 ラジアルフォイル軸受を拡大して示す断面図である。 ラジアルフォイル軸受で使用するフォイル部材を示す平面図である。 ラジアルフォイル軸受で使用する二枚のフォイル部材を仮組みした状態を示す平面図である。 ラジアルフォイル軸受の他の実施形態を示す斜視図である。

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、それぞれに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回転軸６が設けられ、この回転軸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の回転力が回転軸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回転軸６を支持するフォイル軸受ユニット１０を示す。フォイル軸受ユニット１０は、回転軸６と、回転軸６に固定された回転部材２０と、ラジアルフォイル軸受３０と、第１スラストフォイル軸受４０と、第２スラストフォイル軸受５０とを備える。一体に回転する回転軸６と回転部材２０とで軸部材１１が構成される。ラジアルフォイル軸受３０は軸部材１１をラジアル方向で支持し、第１スラストフォイル軸受４０および第２スラストフォイル軸受５０は、軸部材１１を両スラスト方向で支持する。

回転部材２０は、図３に示すように、スリーブ部２１と、スリーブ部２１から外径に突出した円盤状のフランジ部２２とを備える。フランジ部２２は例えば炭素繊維強化複合材で形成され、スリーブ部２１は例えば炭素焼結材で形成される。

ラジアルフォイル軸受３０は、図４に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ３１と、フォイルホルダ３１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３２とを有する。複数のフォイル３２は、フォイルホルダ３１の内周面に周方向に並べて配置される。

フォイルホルダ３１の内周面３１ａには、溝３１ｂが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ３１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３１ｂが設けられる。フォイルホルダ３１は金属で形成され、例えば溝３１ｂを含めて一体に型成形される。本実施形態のフォイルホルダ３１は、焼結金属で一体に型成形される。尚、フォイル軸受ユニット１０が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ３１を樹脂で型成形してもよい。

各フォイル３２は、図５（Ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部３２ｃと、周方向他端に設けられた凹部３２ｄとを備える。各フォイル３２の凸部３２ｃと凹部３２ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図５（Ｂ）に示すように、各フォイル３２の凸部３２ｃを、隣接するフォイル３２の凹部３２ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル３２を筒状に仮組みすることができる。この場合、図４に示す軸方向視において、各フォイル３２の反回転方向側の一端（凸部３２ｃ）と、隣接するフォイル３２の回転方向Ｒ側の他端（凹部３２ｄの軸方向両側の凸部３２ｅ）とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル３２の両端が、フォイルホルダ３１に保持される。具体的には、各フォイル３２の回転方向側の端部に設けられた凸部３２ｅがフォイルホルダ３１の溝３１ｂに差し込まれ、各フォイル３２の反回転方向側の端部に設けられた凸部３２ｃが、隣接するフォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとの間に配される。この場合、複数のフォイル３２の回転方向Ｒ側への移動は、各フォイル３２の凸部３２ｅが溝３１ｂの内壁に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル３２の反回転方向側への移動は規制されていない。これにより、複数のフォイル３２が、フォイルホルダ３１に対して周方向移動可能とされる。

各フォイル３２の内径面３２ａは、ラジアル軸受面Ｓ１として機能する（図４参照）。図示例では、３枚のフォイル３２で多円弧型のラジアル軸受面Ｓ１を形成している。フォイルホルダ３１の内周面３１ａと各フォイル３２との間には、フォイル３２に弾性力を付与するための別部材（バックフォイル等）は設けられておらず、フォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとが摺動可能とされる。各フォイル３２の凸部３２ｃは、隣接するフォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１の外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。

次に第１スラストフォイル軸受４０および第２スラストフォイル軸受５０の構成を説明する。

第１スラストフォイル軸受４０は、図３に示すように、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向一方側から支持するものであり、図３および図６（Ａ）に示すように、フォイルホルダ４１と、フォイルホルダ４１に取り付けられる複数のフォイル４２とを備える。フォイルホルダ４１は、軸心に穴を有する円盤状のホルダ本体４１ａと、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１の外径端に設けられた環状の固定部材４１ｂとを有する。ホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂで各フォイル４２を軸方向両側から挟み込むことにより、各フォイル４２がフォイルホルダ４１に保持される。本実施形態では、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａと、ラジアルフォイル軸受３０のフォイルホルダ３１とが一体に形成されている。

図６（Ａ）に示すように、フォイル４２は回転方向Ｒ（円周方向）の複数個所に等ピッチで配置される。図７は、回転方向Ｒに並べた複数のフォイル４２のうち、一つのフォイル４２のみを図示して他のフォイルの図示を省略したものである。図７に示すように、各フォイル４２は、後述するトップフォイル部Ｔｆおよびバックフォイル部Ｂｆを構成する本体部４２ａと、本体部４２ａから外径側に延びる延在部４２ｂとを一体に備える。

フォイル４２の本体部４２ａは、回転方向Ｒ側に位置する前端４２１と、反回転方向側に位置する後端４２２と、前端４２１の両側方で前端４２１につながった側端４２３，４２４とを有する。前端４２１および後端４２２は、いわゆるヘリングボーン形状をなしており、前端４２１はその両端部の間を回転方向Ｒ側に突出させた凸形状に形成され、後端４２２は、その両端部の間を回転方向Ｒ側に凹ませた凹形状に形成されている。前端４２１および後端４２２は、軸受面Ｓ２に双方向で、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（スラストフォイル軸受では半径方向）の中央領域に頂部４２１ａ，４２２ａを有する。本実施形態では、双方の頂部４２１ａ，４２２ａの輪郭形状を円弧にした場合を例示している。内径側および外径側の側端４２３，４２４は何れも、軸心を中心とする円弧で形成されている。

延在部４２ｂは、本体部４２ａの外径端から、外径側を反回転方向に後退させることで半径方向に対して傾斜方向に延びるように形成されている。図６（Ａ）に示すように、回転方向Ｒに配列された各延在部４２ｂは、互いに重なり合うことなく回転方向Ｒの隙間を介してフォイルホルダ４１を構成するホルダ本体４１ａの同一平面上に配置される。ホルダ本体４１ａ上に並べた各延在部４２ｂ上に固定部材４１ｂを配置し、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径部分（図７にクロスハッチングで示す）をホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂとで挟み込み、両部材４１ａ，４１ｂをボルト等で締め付け固定することで、各フォイル４２がフォイルホルダ４１に固定される。

図８は、図６（Ａ）中のＸ−Ｘ線の断面図である。図８に示すように、第１スラストフォイル軸受４０の各フォイル４２は、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上に、各フォイル４２の半ピッチ分だけ位相をずらしながら回転方向Ｒに部分的に重ね合わせて配置されている。各フォイル４２の前端４２１を含む回転方向先行側の領域は、隣接するフォイル４２上に乗り上げたトップフォイル部Ｔｆを構成する。また、各フォイル４２の後端４２２を含む反回転方向側の領域は、隣接するフォイル４２のトップフォイル部Ｔｆの背後で当該トップフォイル部Ｔｆを支持するバックフォイル部Ｂｆを構成する。各フォイル４２のトップフォイル部Ｔｆの表面で、フランジ部２２の一方の端面２２ａと対向するスラスト軸受面Ｓ２が形成される。

以上に述べた第１スラストフォイル軸受４０は、以下の手順で製作することができる。なお、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａには、ラジアルフォイル軸受３０のフォイルホルダ３１が一体に設けられるが、以下では、説明の簡略化のため、フォイルホルダ３１は省略した形で説明を進める。

まず、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、同形状の２枚のフォイル部材６０を製作する（図９〜１２では、理解しやすいように、一方のフォイル部材６０に散点を付して示している）。各フォイル部材６０には、フォイル素材に対するプレス加工やワイヤカット加工等で、複数のフォイル４２と、その外径端を連結する環状の連結部６１とが一体に形成される。各フォイル部材６０には、第１スラストフォイル軸受４０に組み込まれるフォイル４２の半数のフォイル４２が回転方向Ｒに沿って等間隔に設けられる。隣接するフォイル４２の本体部４２ａは切り込み６２で分断され、隣接するフォイル４２の延在部４２ｂの間は打ち抜かれて空間６３になっている。各フォイル４２の延在部４２ｂは、接合部６１ａを介して連結部６１に保持されている。接合部６１ａの周方向寸法Ｌ１は、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径端の周方向寸法Ｌ２よりも小さい。

次に、図１０に示すように、一方のフォイル部材６０と他方のフォイル部材６０を重ねる。この際、二枚のフォイル部材６０をフォイル４２の半ピッチ分だけずらした状態とし、一方のフォイル部材６０の各フォイル４２（本体部４２ａ）の回転方向Ｒの先行側部分を、切り込み６２を介して他方のフォイル部材６０のフォイル４２（本体部４２ａ）の反回転方向側の部分の上に配置する。

その後、上記のように仮組みした２枚のフォイル部材６０を、図１１に示すように、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上に配置する。このとき、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径端が、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１の外径端に沿って配される。また、フォイル部材６０の連結部６１は、ホルダ本体４１ａよりも外径側に配される。この状態で、図１２に示すように、ホルダ本体４１ａ上のフォイル部材６０の上に固定部材４１ｂを配置し、ホルダ本体４２ａと固定部材４１ｂを図示しないボルト等により固定する。これにより、各フォイル４２がフォイルホルダ４１に固定され、フォイル軸受の中間製造体８０が完成する。

その後、ホルダ本体４１ａおよび固定部材４１ｂの外径側に食み出た接合部６１ａを切断し、連結部６１を各フォイル４２から分離する。以上により、図６（Ａ）に示す第１スラストフォイル軸受４０が完成する。なお、このように連結部６１を各フォイル４２から分離する他、連結部６１を分離せずにそのまま残しても構わない。すなわち、上記中間製造体８０を第１スラストフォイル軸受４０として使用することもできる。この場合、ホルダ本体４１ａおよび固定部材４１ｂの外径寸法を連結部６１の外径寸法よりも大きくして、フォイルホルダ４１の外径側に連結部６１が食み出さないようにするのが好ましい。

図３に示すように、第２スラストフォイル軸受５０は、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向他方側から支持するものであり、図６（Ｂ）に示すように、フォイルホルダ５１と、フォイルホルダ５１に固定された複数のフォイル５２とを備える。フォイルホルダ５１は、軸心に穴を有する円盤状のホルダ本体５１ａと、ホルダ本体５１ａの端面５１ａ１の外径端に配置された固定部材５１ｂとを有する。各フォイル５２は、本体部５２ａと、本体部から外径側に延びる延在部５２ｂとを有する。各フォイル５２の本体部５２ａでトップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆ（図８参照）が形成され、各フォイル５２のトップフォイル部Ｔｆの表面で、フランジ部２２の他方の表面２２ｂと対向するスラスト軸受面Ｓ３が形成される。尚、第２スラストフォイル軸受５０の各部材の形状や組立方法は、第１スラストフォイル軸受４０と同様であるため、重複説明を省略する。

以上に述べたフォイル３２，４２，５２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程度のフォイル素材で形成される。フォイル素材としては、ステンレス鋼もしくは青銅製からなるものが好ましい。

図３に示す上記構成のフォイル軸受ユニット１０は、以下の手順で組み立てられる。まず、ラジアルフォイル軸受３０の内周に、回転部材２０のスリーブ部２１を挿入する。その後、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向両側から挟み込むように、第２スラストフォイル軸受５０を第１スラストフォイル軸受４０と対峙させる。この状態で、第１フォイル軸受４０のフォイルホルダ４１の固定部材４１ｂと、第２フォイル軸受５０のフォイルホルダ５１の固定部材５１ｂとを軸方向で当接させ、図示しないボルト等で両フォイルホルダ４１，５１を固定する。以上により、フォイル軸受ユニット１０が完成する。

次いで、フォイル軸受ユニット１０の回転部材２０を構成するスリーブ部２１およびフランジ部２２の内周に、回転軸６を圧入固定すると共に、各フォイル軸受３０，４０，５０のフォイルホルダ３１，４１，５１の一部又は全部をガスタービンのハウジングに固定する。これにより、図２に示すガスタービンの支持構造が完成する。これにより、回転軸６と回転部材２０は、一体に回転する軸部材１１となり、この軸部材１１の回転が各軸受（ラジアルフォイル軸受３０、第１スラストフォイル軸受４０、および第２スラストフォイル軸受５０）で支持される。

図４に示すラジアルフォイル軸受３０においては、各フォイル３２がフォイルホルダ３１の内周面に対して偏心した状態で湾曲している。そのため、軸部材１１の一方向回転に伴って、各フォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１と軸部材１１の外周面（回転部材２０のスリーブ部２１の外周面２１ａ）との間に楔空間が形成される。この楔空間に生じた流体動圧により、ラジアルフォイル軸受３０の各フォイル３２と軸部材１１の外周面との間に環状のラジアル軸受隙間が形成され、軸部材１１がラジアル方向に非接触支持される。

また、図６（Ａ）（Ｂ）に示す第１スラストフォイル軸受３０（第２スラストフォイル軸受４０も含む）では、図８に示すように、各フォイル４２のトップフォイル部Ｔｆが隣接するフォイル４２間の切り込み６２（図９（Ａ）（Ｂ）参照）を介して各フォイル４２のバックフォイル部Ｂｆに乗り上げているため、トップフォイル部Ｔｆは傾斜して立ち上がった状態となる。従って、軸部材１１の一方向回転に伴って、各フォイル４２のラジアル軸受面Ｓ２と軸部材１１の端面（回転部材２０のフランジ部２２の端面２２ａ）との間に楔空間が形成され、この楔空間に生じる流体動圧で軸部材１１がスラスト方向に非接触支持される。

このとき、フォイル３２，４２，５２が有する可撓性により、各フォイル３２，４２，５２の軸受面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が、荷重や軸部材１１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、ラジアル軸受隙間及びスラスト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、ラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間を最適幅に管理することができ、軸部材１１を安定して支持することが可能となる。

尚、軸部材１１の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル３２，４２，５２の軸受面（特にラジアルフォイル軸受３０のフォイル３２の軸受面）と回転部材２０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、軸部材１１の回転時には、各フォイル３２，４２，５２と各フォイルホルダ３１，４１，５１との間の微小摺動により、軸部材１１の振動を抑制することができる。この微小摺動による摩擦力を調整するために、フォイル３２，４２，５２と各フォイルホルダ３１，４１，５１と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。

ところで、本発明者らによるフォイル軸受の検証過程を通じて、第１スラストフォイル軸受４０（第２スラストフォイル軸受５０も含む）のように、トップフォイル部Ｔｆとして機能する部分と、バックフォイル部Ｂｆとして機能する部分とを有するフォイル４２を回転方向Ｒの複数箇所に設けたフォイル軸受の場合、各フォイル４２、特にトップフォイル部Ｔｆの剛性が軸受性能に大きく影響することが明らかになった。

[検証１]
例えば図９（ Ａ）（Ｂ）に示すフォイル部材６０の製作工程では、各フォイル４２の本体部４２ａが切り込み６２で分断される。この切り込み６２をワイヤカット加工で形成した場合、切り込み６２の幅が微小サイズ（数μｍ〜数十μｍ）となるため、肉眼では切り込み６２が線に見える。

図１３は、図８に対応する図で、上記のように切り込み６２をワイヤカット加工で形成して微小幅とした比較例（特許文献１）を示す断面図である。この場合、フォイル軸受の組み立て後は、何れかのフォイル（例えば符号４２−１）に対して回転方向Ｒおよび反回転方向に隣接する二つのフォイル４２−２および４２−３のうち、回転方向Ｒ側のフォイル４２−２の後端４２２−２と、反回転方向側のフォイル４２−３の前端４２１−３とが実質的に同一平面Ｐ上に位置することになる。この平面Ｐ上では、３枚のフォイルが重なった状態にあるため、平面Ｐ上で前端４２１−３と後端４２２−２の間に介在するフォイル４２−１（以下、中間フォイルと呼ぶ）のばね性が低下する。従って、中間フォイル４２−１に支持されるフォイル４２−３の特に前端４２１−３の剛性が全体的に高まる。なお、ここでいう剛性は、軸受隙間の幅方向（図８および図１３の上下方向）に作用するせん断力に対する剛性を意味する

このように前端４２１の剛性が大きくなると、軸部材１１の変位等に対する当該前端４２１の追従性が低下するため、軸部材１１の変位等に際して流体が楔空間から逃げ易くなる。そのため、軸部材１１の浮上効果が不安定となり、最悪の場合にはフォイル４２が軸部材１１に接触するおそれがある。

以上の不具合を避けるため、本発明では、図８および図１４に示すように、中間フォイル４２−１に対して回転方向Ｒおよび反回転方向に隣接する二つのフォイル４２−２および４２−３のうち、回転方向Ｒ側のフォイル４２−２の後端４２２−２と反回転方向側のフォイル４２−３の前端４２１−３とを回転方向Ｒにオフセットさせて、当該前端４２１−３と後端４２２−３との間に回転方向Ｒの隙間Ｃ１を設けている。つまり回転方向Ｒ側のフォイル４２−２の後端４２２−２を、反回転方向側のフォイル４２−３の前端４２１−３よりも回転方向Ｒに先行させている。なお、中間フォイル４２−１は、図６（Ｂ）に示す他方のフォイル部材６０に形成されるフォイル４２に相当するので、図１４では図６（Ｂ）に倣って中間フォイル４２−１に散点模様を付している（図１７、図１９、図２０も同様）。

この隙間Ｃは、図９（Ａ）（Ｂ）に示す各フォイル部材６０を製作する際に、図１５に示すように、それぞれのフォイル部材６０のフォイル４２間を分断する切り込み６２の回転方向Ｒの幅を大きくして隙間Ｃ２とし、当該隙間Ｃ１の幅を前記隙間Ｃ１（図１４参照）と同程度にすることで形成することができる。

このように図８に示す中間フォイル４２−１の表側（軸受隙間側）と裏側（その反対側）に位置する別フォイル（４２−２および４２−３）の後端（４２２−２）と前端（４２１−３）との間に隙間Ｃ１を形成することで、前端（４２１−３）に対する中間フォイル４２−１のバネ効果が増す。そのため、各フォイル４２の前端４２１の剛性を小さくすることができ、軸部材１１の変位に対する前端４２１の追従性を高めて、楔空間からの流体の流出やフォイル４２と軸部材１１の接触を防止することが可能となる。

[検証２]
各フォイル４２の前端４２１が有する剛性は一様ではなく、各部で異なると考えられる。例えば、図７に示す前端４２１のうち、回転方向Ｒから反回転方向に反転した形状を有する頂部４２１ａ付近では、その両側方側（内径側および外径側）の領域に比べて前端４２１の形状が複雑化しており、その複雑化した分だけフォイル剛性が高くなる。従って、図１６に示すように各フォイル４２の前端４２１に軸受隙間の幅方向のせん断力Ｆが作用すると、頂部４２１ａの両側方ではフォイル４２の変形量ｄ２が大きくなるのに対して、前端４２１の頂部４２１ａ付近ではフォイル４２の変形量ｄ１が小さくなる。この場合、前端４２１の頂部４２１ａの周辺領域が高剛性の部分Ｘとなるのに対して、その両側方の領域が低剛性の部分Ｙとなる。このように前端４２１に高剛性の部分Ｘと低剛性の部分を生じることから、たとえ図１４に示す隙間Ｃ１を形成したとしても、頂部４２１ａの剛性が高い状態に維持される。そのため、軸部材１１の変位等に対するフォイル前端４２１の追従性を十分に確保することができず、上記と同様の問題を生じるおそれがある。

以上の検証１および２に基づき、本発明では、図８および１７に示すように、中間フォイル４２−１の表裏両側のフォイル前端（４２１−３）とフォイル後端（４２２−２）とを回転方向Ｒにオフセットさせて両者間に隙間Ｃ１を設けることに加え、図１７に示すように、当該隙間Ｃ１の幅（回転方向Ｒの幅を意味する。以下、同じ）を、軸受面Ｓ２に沿い、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎで不均一にしている。具体的には、前端４２１の頂部４２１ａ付近で隙間Ｃ１の幅を大きくする一方で、頂部４２１ａの両側方では隙間Ｃ１の幅を小さくしている。特に頂部４２１ａでは隙間Ｃ１を最大幅（Ｃ１ｍａｘ）にしている。本実施形態では、以上の形態の隙間Ｃ１を、反回転方向側フォイル４２−３の前端４２１−３の頂部４２１ａの曲率半径ｒ１を、回転方向Ｒ側のフォイル４２−２の後端４２２−２の頂部４２２ａの曲率半径ｒ２よりも大きくする（ｒ１＞ｒ２）ことで形成した場合を例示している。

軸部材１１の回転中は、軸受隙間に生じる流体圧力で中間フォイル４２−１（図８参照）にその反回転方向側のフォイル４２−３の前端４２１−３が押し付けられる。この際、図１７に示すように、隙間Ｃ１を回転方向Ｒと直交する方向Ｎで不均一にすることで、フォイル前端４２１−３の頂部４２１ａ付近では、頂部４２１ａの両側方（低剛性の部分Ｙ）に比べ、フォイル前端４２１−３とフォイル後端４２２−２とによる中間フォイル４２−１の支持スパンが大きくなる。これにより、フォイル前端４２１−３の頂部４３１ａ付近での中間フォイル４２−１のばね性が高くなるため、上記せん断力Ｆに対するフォイル前端４２１の頂部４２１ａの剛性を低下させることができ、前端４２１全体の剛性を均質化することが可能となる。そのため、軸部材１１の変位や熱膨張等に対する軸受面Ｓ２の追従性を向上させ、軸部材１１の浮上効果を安定化させることができる。

なお、以上に述べた隙間Ｃ１は、図１８に拡大して示すように、図９（Ａ）（Ｂ）に示す各フォイル部材６０の製作段階でフォイル素材をプレス加工等する際に、各フォイル部材６０の切り込み６２が、図１７に示す隙間Ｃ１の形状に対応した形状の隙間Ｃ２となるようにプレス加工等により材料除去を行うことで形成することができる。

フォイル軸受を図９〜図１２で示す手順で製作する場合、従来では、図９（Ａ）（Ｂ）に示すフォイル部材６０の切り込み６２は、材料除去を伴わないカット（例えばワイヤカット加工）で形成する場合が多い。この場合、切り込み６２で分断された前端４２１と後端４２２とは同一の輪郭形状となる。これに対し、本発明では、切り込み６２で分断される前端４２１と後端４２２を異なる輪郭形状にした点が従来のフォイル軸受に対する相違点となる。

なお、隙間Ｃ１の幅が大きすぎると、図８に示す中間フォイル４２−１を起立させる効果が弱まるため、楔空間が形成され難くなって軸受性能の低下を来す。そのため、隙間Ｃ１の最も狭い部分の幅は、最大でも概ね１ｍｍ程度とする。もちろん、この上限値は軸受サイズ、使用するフォイル素材の厚さや材料特性、軸受の使用条件等によって変動するため、上記の上限値は平均的なものである。何れにせよ、隙間Ｃ１の幅を過大な寸法にすることは軸受特性上好ましくない。

以上の説明では、フォイル４２の剛性管理の手法として、フォイル前端４２１の頂部４２１ａ付近の隙間Ｃ１の幅を、当該隙間Ｃ１の他所よりも大きくする場合を例示したが、フォイルの剛性管理手法は、これには限定されず、以下の各手法を採用することも可能である。

図６（Ａ）（Ｂ）から明らかなように、第１スラストフォイル軸受４０では、各フォイル４２の内径側の側端４２３の回転方向長さが外径側の側端４２４の回転方向長さよりも短くなるのが通例である。従って、両側端４２３，４２４を対比すると、内径側の側端４２３の方が外径側の側端４２４よりも高剛性となる傾向にある。この剛性差が問題となる場合には、図１９に示すように、上記の隙間Ｃ１を外径側よりも内径側で大きくすることでフォイル４２の剛性を部分的に調整することができる。

また、軸部材１１が振れ回ってコニカルに回転することが予想される場合、軸部材１１（フランジ部２２）の外径端がフォイル４２の外径側の側端４２４に接触し易くなる。かかる接触を防止するためには、各フォイル４２の外径側領域の剛性を低下させるのが有効である。従って、この場合には、図２０に示すように、上記隙間Ｃ１の幅を内径側よりも外径側で大きくするのが好ましい。これにより、フォイル４２の外径側領域が変形し易くなるので、コニカルに振れ回る軸部材１１も安定して支持することが可能となる。

以上、フォイル４２の剛性管理を行うための隙間Ｃ１として、図１７、図１９、および図２０に示す各形態を例示したが、隙間Ｃ１の形態は以上の例示には限定されず、調整すべき剛性差に応じて任意に定めることができる。例えば、上記各図に示した隙間Ｃ１の何れか一つの形態を選択し、あるいは二以上の形態を任意に組み合わせて採用することもできる。このようにフォイル（特にトップフォイル部Ｔｆ）に生じる剛性差に応じて隙間Ｃ１の形態を適宜変更することで、フォイル４２の剛性管理を多面的に行うことが可能となる。

また、以上の説明では、本発明の適用対象として第１スラストフォイル軸受４０（第２スラストフォイル軸受５０も含む）を例示したが、図２に示すラジアルフォイル軸受３０として、図２１に示すように、回転方向Ｒに複数のフォイル３２を配置し、かつ各フォイル３２にトップフォイル部Ｔｆとして機能する部分と、バックフォイル部Ｂｆとして機能する部分とを設けたフォイル軸受を使用する場合、当該ラジアルフォイル軸受３０にも本発明を適用することができる。この場合も、何れかのフォイル（３２−１）に対して回転方向Ｒおよび反回転方向に隣接する二つのフォイル（３２−２および３２−３）のうち、回転方向Ｒ側のフォイル（３２−２）の後端３２２と反回転方向側のフォイル（３２−３）の前端３２１とを回転方向Ｒにオフセットさせて、両端３２１，３２２間に回転方向Ｒの隙間Ｃ１を設け、かつこの隙間Ｃ１の幅を、軸受面Ｓ１に沿い、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（図２４に示す軸方向）で不均一にする。これにより、ラジアルフォイル軸受３０においても、各フォイル３２の剛性管理を行って、軸受性能を向上させることができる。

このラジアルフォイル軸受３０の組立は、例えば以下の手順で行うことができる。まず、図２２に示すように、複数のフォイル３２と、各フォイルを連結する帯状の連結部７１とを一体に有する二枚のフォイル部材７０を製作する。この時、各フォイル部材７０のフォイル３２の間に切り込み６２（隙間Ｃ２）を介在させる。次いで、一方のフォイル部材７０を裏返して、他方のフォイル部材７０に対してフォイル３２の半ピッチ分だけずらして配置し、図２３に示すように、二枚のフォイル部材７０を、一方のフォイル部材７０のフォイル３２を他方のフォイル部材７０の切り込み６２に導入しながら重ねる。その後、この二枚のフォイル部材をローリングさせ、その一端をフォイルホルダ３１に取り付ける（連結部７１はそのまま残す）。

かかる組立工程においても、図２３に示すように、各フォイル部材７０のフォイル前端３２１とフォイル後端３２２の間に、軸受面Ｓ１に沿い、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎで幅を不均一とした隙間Ｃ２を設けることで、中間フォイル３２−１の表側（軸受隙間側）と裏側（その反対側）に位置する別フォイル（３２−２および３２−３）の後端３２２と前端３２１との間に、上記の不均一な隙間Ｃ１を形成することができる。

なお、ラジアルフォイル軸受３０の組立手順は、複数のフォイル３２と連結部７１とを一体化した二枚のフォイル部材７０を用いる上記の手順に限らない。例えば、図２４に示すように、フォイルホルダ３１の内周面に、フォイル３２（連結部７１を有しない）を一枚ずつ適宜の手段（圧入、溶接、接着等）で固定する場合にも、上記の隙間Ｃ１を形成することで、同様の効果を得ることができる。図６（Ａ）（Ｂ）に示す第１スラストフォイル軸受４０や第２スラストフォイル軸受５０においても、図２４と同様に、フォイルホルダ４１，５１に一枚ずつフォイル４２，５２を取り付けてもよく、その際に上記の隙間Ｃ１を形成することで、同様の効果を得ることができる。

また、図２２〜図２４では、凸状のフォイル前端３２１および凹状のフォイル後端３２２の各頂部３２１ａ，３２２ａを尖端形状（Ｖ字状）に形成した場合を例示しているが、各頂部３２１ａ，３２２ａの形状は任意であり、図６（Ａ）（Ｂ）および図７に示すスラストフォイル軸受４０，５０と同様に、各頂部３２１ａ，３２２ａを円弧形状に形成することもできる。反対に図６（Ａ）（Ｂ）および図７に示す第１スラストフォイル軸受４０（第２スラストフォイル軸受５０も含む）の凸状のフォイル前端４２１および凹状のフォイル後端４２２を、図２２〜図２４に示すラジアルフォイル軸受３０と同様に、尖端形状にすることもできる。また、前端３２１，４２１や後端３２２，４２２をヘリングボーン形状ではなく、スパイラル形状とする場合にも本発明を適用することができる。

また、各フォイル軸受３０，４０，５０の組立手順も以上に説明した手順に限定されることはなく、トップフォイル部Ｔｆおよびバックフォイル部Ｂｆを有するフォイルを回転方向の複数箇所に配置できる限り任意の組立手順を採用することができる。

本発明にかかるスラストフォイル軸受及びラジアル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、以上に述べたラジアルフォイル軸受３０、第１スラストフォイル軸受４０、および第２スラストフォイル軸受４０の説明では軸部材１１を回転させるようにしているが、これとは逆にフォイルホルダ３１，４１，５１側を回転させる場合にも本発明を適用することができる。

１１ 軸部材
３０ ラジアルフォイル軸受
３１ フォイルホルダ
３２ フォイル
４０ 第１スラストフォイル軸受
４１ フォイルホルダ
４２ フォイル
６０ フォイル部材
６１ 連結部
７０ フォイル部材
７１ 連結部
６２ 切り込み
８０ 中間製造体
３２１ 前端
３２２ 後端
４２１ 前端
４２１ａ 頂部
４２２ 後端
４２２ａ 頂部
４２３ 側端
４２４ 側端
Ｂｆ バックフォイル部
Ｃ１ 隙間
Ｃ２ 隙間
Ｆ せん断力
Ｎ 回転方向と直交する方向
Ｒ 回転方向
Ｓ１ 軸受面
Ｓ２ 軸受面
Ｔｆ トップフォイル部

Claims (7)

1. 支持すべき軸部材の回転方向の複数箇所にフォイルが配置され、各フォイルが前記回転方向側に位置する前端と反回転方向側に位置する後端とを有し、各フォイルの前端を含む領域で、軸受面を有するトップフォイル部を形成すると共に、各フォイルの後端を含む領域で、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後に配置されるバックフォイル部を形成したスラストフォイル軸受において、
   何れかのフォイルに対して前記回転方向および反回転方向に隣接する二つのフォイルのうち、回転方向側のフォイルの後端と反回転方向側のフォイルの前端との間に前記回転方向の隙間が設けられ、前記回転方向の隙間の幅を前記回転方向と直交する方向で不均一にし、かつ前記回転方向の隙間を形成する前記回転方向側のフォイルの後端および反回転方向側のフォイルの前端を、当該後端および前端の各頂部を除いて、それぞれ滑らかに連続する形態にしたことを特徴とするスラストフォイル軸受。
2. 前記二つのフォイルのうち、回転方向側のフォイルの後端と反回転方向側のフォイルの前端とを異なる輪郭形状にした請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
3. 前記二つのフォイルのうち、回転方向側のフォイルの後端を凹形状にすると共に、反回転方向側のフォイルの前端を凸形状とし、当該フォイル前端とフォイル後端の各頂部で形成される前記隙間の幅を、当該隙間の他の領域よりも大きくした請求項２記載のスラストフォイル軸受。
4. 前記フォイル前端およびフォイル後端の各頂部を円弧形状とし、かつ前記フォイル前端の頂部の曲率半径を前記フォイル後端の頂部の曲率半径よりも大きくした請求項３記載のスラストフォイル軸受。
5. 前記隙間の幅を、前記フォイルの前端の両側方に位置する二つの側端のうち、一方の側端側で他方の側端側よりも大きくした請求項２記載のスラストフォイル軸受。
6. 支持すべき軸部材の回転方向の複数箇所にフォイルが配置され、各フォイルが前記回転方向側に位置する前端と反回転方向側に位置する後端とを有し、各フォイルの前端を含む領域で、軸受面を有するトップフォイル部を形成すると共に、各フォイルの後端を含む領域で、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後に配置されるバックフォイル部を形成したスラストフォイル軸受の製造方法であって、
   複数のフォイルと各フォイルを連結する連結部とを一体に有し、各フォイル部材の隣接するフォイル間で前端と後端を異なる輪郭形状とし、かつ各フォイル部材の隣接するフォイルの前端および後端を、当該前端および後端の各頂部を除いて、それぞれ滑らかに連続する形態にしたフォイル部材を複数枚形成し、
   一つのフォイル部材の隣接するフォイル間に他のフォイル部材のフォイルを導入することでフォイル同士を部分的に重ねて、前記トップフォイル部およびバックフォイル部を形成することを特徴とするスラストフォイル軸受の製造方法。
7. 支持すべき軸部材の回転方向の複数箇所にフォイルが配置され、各フォイルが前記回転方向側に位置する前端と反回転方向側に位置する後端とを有し、各フォイルの前端を含む領域で、軸受面を有するトップフォイル部を形成すると共に、各フォイルの後端を含む領域で、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後に配置されるバックフォイル部を形成したスラストフォイル軸受を製造する際の中間製造体であって、
   複数のフォイルと各フォイルを連結する連結部とを一体に有し、各フォイル部材の隣接するフォイル間で前端と後端を異なる輪郭形状とし、かつ各フォイル部材の隣接するフォイルの前端および後端を、当該前端および後端の各頂部を除いて、それぞれ滑らかに連続する形態にした複数のフォイル部材を備え、
   一つのフォイル部材の隣接するフォイル間に他のフォイル部材のフォイルが導入され、
   前記フォイルの導入によりフォイル同士を部分的に重ねて、前記トップフォイル部およびバックフォイル部を形成したことを特徴とするスラストフォイル軸受の中間製造体。

Images