JP7257156B2 - ガス軸受及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、ガス軸受及びガス軸受を備える回転機械に関する。

回転機械である排気タービン過給機、エアコンプレッサ等は、ガス軸受を備えることがある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２０１８－２８３８７号公報 米国特許出願公開第２００７／００４７８５８Ａ１号明細書

特許文献１及び特許文献２に示されたガス軸受は、潤滑剤として気体を用いるので、摩擦損失が少なく、高速回転に適する。しかしながら、ガス軸受は、低減衰性という問題があり、回転軸の振動を減衰させる能力である負荷能力の向上が求められて、回転軸の振動を低減できることが求められている。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、回転軸の振動を低減することができるガス軸受及び回転機械を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明のガス軸受は、回転自在な円柱状の回転軸を内側に通し、かつ内周面が前記回転軸の外周面と間隔をあけるリング状のトップフォイルと、前記トップフォイルの外周に設けられ、かつ回転中の前記回転軸の軸心に交差する方向の振動を減衰させる減衰部材と、前記減衰部材の外周に設けられたリング状のハウジングと、を備えたガス軸受であって、前記減衰部材は、金属で構成されたメッシュが複数積層されていることを特徴とするものである。

このガス軸受は、トップフォイルの外周に設けられて回転軸の軸心に交差する方向の振動を減衰させる減衰部材が金属で構成されたメッシュを複数積層されて構成されている。このために、ガス軸受は、回転軸の軸心に交差する方向の振動によりメッシュ同士が摺動して、回転軸の振動エネルギーを吸収でき、回転軸の振動を低減することができる。この結果、ガス軸受は、回転軸の振動を減衰させる能力である負荷能力を向上させることができる。

本発明のガス軸受では、前記減衰部材を構成する複数のメッシュは、同形状であることを特徴としている。

このガス軸受は、減衰部材を構成する複数のメッシュが同形状であるので、回転軸の軸心に交差する方向の振動によりメッシュ同士が確実に摺動することとなる。

本発明のガス軸受では、前記メッシュは、格子の交差部分である交差部と、前記交差部から突出した複数の突出部とを備えることを特徴としている。

このガス軸受は、メッシュが格子状の網部と、網部から厚み方向に突出した複数の突出部とを備えているので、メッシュ同士が摺動する時に、網部同士に加えて突出部同士も摺動することとなる。

本発明のガス軸受は、前記減衰部材は、前記トップフォイルに向かって凸に湾曲して頂部が前記トップフォイルに接触した内周湾曲部を周方向に複数配置していることを特徴としている。

このガス軸受は、減衰部材がトップフォイルに向かって凸に湾曲した内周湾曲部を周方向に複数配置しているので、メッシュ同士の接触面積を大きくすることができ、負荷能力を向上させることができる。

本発明のガス軸受は、前記減衰部材は、複数の分割減衰部材に分割され、前記分割減衰部材の互いに隣り合う前記頂部間の間隔は、前記回転軸の回転方向の下流に向かうにしたがって徐々に狭いことを特徴としている。

このガス軸受は、減衰部材が複数の分割減衰部材を備え、分割減衰部材の頂部間の間隔が回転軸の回転方向の下流に向かうにしたがって徐々に狭いので、各分割減衰部材の構成を回転方向の上流側から下流側に向かうにしたがって徐々に向上させて、トップフォイルの分割減衰部材の回転軸の回転方向の下流側を上流側よりも回転軸の外周面から離れることを規制でき、トップフォイルを分割減衰部材の回転方向の上流側から下流側に向けて徐々に回転軸の外周面からの距離が狭くなるくさび形に変形させることとなる。その結果、ガス軸受は、トップフォイルと回転軸との間の空気が分割減衰部材の回転方向の下流側から逃げにくくすることができ、トップフォイルと回転軸との間の空気の圧力を向上させることができる。

また、本発明の回転機械は、前記ガス軸受と、前記ハウジングの外周面に取り付けられる機械本体と、前記回転軸とを備えることを特徴とするものである。

この回転機械は、前述したガス軸受を備えているので、ガス軸受の負荷能力を向上させることができるので、回転軸の振動を低減することができる。

本発明によれば、回転軸の振動を低減することができる。

図１は、実施形態１に係る排気タービン過給機の概略図である。 図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿うガス軸受を模式的に示す側面図である。 図３は、図２に示されたガス軸受の減衰部材を構成するメッシュを示す斜視図である。 図４は、図３に示されたメッシュの側面図である。 図５は、図４に示されたメッシュが複数積層された状態の側面図である。 図６は、図５に示された複数積層されたメッシュの金型間に配置した状態の一部の側面図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る排気タービン過給機の概略図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿うガス軸受を模式的に示す側面図である。図３は、図２に示されたガス軸受の減衰部材を構成するメッシュを示す斜視図である。図４は、図３に示されたメッシュの側面図である。図５は、図４に示されたメッシュが複数積層された状態の側面図である。図６は、図５に示された複数積層されたメッシュの金型間に配置した状態の一部の側面図である。

実施形態１に係る回転機械である排気タービン過給機１０は、図示しない内燃機関の排出ガスの流れを利用してコンプレッサ１１を駆動して内燃機関が吸入する空気の密度を高くする過給機である。排気タービン過給機１０は、図１に示すように、主に、タービン１２と、コンプレッサ１１と、回転軸１３と、ガス軸受１により構成され、これらが機械本体であるハウジング１４内に収容されている。

ハウジング１４は、内部が中空に形成され、タービン１２を収容するタービンハウジング１４Ａと、コンプレッサ１１を収容するコンプレッサハウジング１４Ｂと、回転軸１３を収容するベアリングハウジング１４Ｃとを有している。ベアリングハウジング１４Ｃは、タービンハウジング１４Ａとコンプレッサハウジング１４Ｂとの間に位置している。

回転軸１３は、円柱状に形成され、ガス軸受１により回転自在に支持されている。実施形態１では、回転軸１３は、矢印（以下、回転方向と記す）ＤＲに沿って軸心１３Ａ回りに回転される。回転軸１３は、軸方向における一端部にタービン１２のタービンディスク１２Ａが固定されている。タービンディスク２４は、タービンハウジング１４Ａ内に収容され、外周部に軸流型をなす複数のタービン翼１２Ｂが周方向に所定間隔で設けられている。また、回転軸１３は、軸方向における他端部にコンプレッサ１１のコンプレッサ羽根車１１Ａが固定されている。コンプレッサ羽根車１１Ａは、コンプレッサハウジング１４Ｂ内に収容され、外周部に複数のブレード１１Ｂが周方向に所定間隔で設けられている。

タービンハウジング１４Ａは、内燃機関の排出ガスの入口通路１４１Ａと排出ガスの出口通路１４２Ａとが設けられている。タービンハウジング１４Ａは、入口通路１４１Ａとタービン翼１２Ｂとの間にタービンノズル１４３Ａが設けられており、このタービンノズル１４３Ａにより静圧膨張された軸方向の排出ガス流を複数のタービン翼１２Ｂに導いて、タービン１２を回転駆動することができる。コンプレッサハウジング１４Ｂは、吸入口１４１Ｂと圧縮空気吐出口１４２Ｂとが設けられている。コンプレッサハウジング１４Ｂは、コンプレッサ羽根車１１Ａと圧縮空気吐出口１４２Ｂとの間にディフューザ１４３Ｃが設けられている。コンプレッサ羽根車１１Ａにより圧縮された空気は、ディフューザ１４３Ｃを通って内燃機関に向けて排出される。

そのため、排気タービン過給機１０は、内燃機関から排出された排出ガスによりタービン１２が軸心回りに回転駆動され、タービン１２の回転を回転軸１３に伝達してコンプレッサ１１が軸心回りに回転駆動される。排気タービン過給機１０は、コンプレッサ１１が吸入口１４１Ｂを通して取り込んだ空気を圧縮して内燃機関に供給する。従って、内燃機関の排出ガスは、排出ガスの入口通路１４１Ａを通り、タービンノズル１４３Ａにより静圧膨張され、軸方向の排気ガス流が複数のタービン翼１２Ｂに導かれることで、複数のタービン翼１２Ｂが固定されたタービンディスク１２Ａを介してタービン１２が回転駆動する。そして、複数のタービン翼１２Ｂを駆動した排出ガスは、出口通路１４２Ａから外部に排出される。一方、タービン１２により回転軸１３が回転すると、一体のコンプレッサ羽根車１１Ａが回転し、吸入口１４１Ｂを通って空気が吸入される。吸入された空気は、コンプレッサ羽根車１１Ａで加圧されて圧縮空気となり、この圧縮空気は、ディフューザ１４３Ｂを通り、圧縮空気吐出口１４２Ｂから内燃機関に供給される。

ガス軸受１は、ハウジング１４に対して回転軸１３を軸心回りに回転自在に支持するとともに、回転軸１３の軸心１３Ａに交差する方向の振動を減衰させるものである。また、ガス軸受１は、作動流体として空気を用いた所謂空気軸受である。ガス軸受１は、図２に示すように、トップフォイル２と、減衰部材３と、ハウジング４とを備える。

トップフォイル２は、リング状に形成され、かつ回転軸１３を内側に通しかつ内周面２Ｂが回転軸１３の外周面１３Ｂと間隔をあけて配置される。トップフォイル２は、リング状のリング部２１と、リング部２１から外周方向に突出した突出片２２とを一体に備える。実施形態１において、リング部２１は、一部分に切り欠き２３を有する。突出片２２は、切り欠き２３の端からリング部２１の外周方向に突出している。トップフォイル２は、金属板にプレス加工が施されて形成される。また、実施形態１では、トップフォイル２は、図示しない潤滑膜がコーティングされている。潤滑膜は、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、ポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ）、又はポリアミドイミド（Polyamide-imide：ＰＡＩ）が混合されたＰＴＦＥにより構成される。

減衰部材３は、リング状に形成され、トップフォイル２に外周に設けられる。減衰部材３は、トップフォイル２に接触して回転軸１３の軸心１３Ａに交差方向の振動を減衰させるものである。なお、減衰部材３の構成は、後ほど説明する。

ハウジング４は、リング状に形成され、減衰部材３の外周に設けられる。ハウジング４は、外周面４Ａがベアリングハウジング１４Ｃに固定される。前述したガス軸受１のトップフォイル２、減衰部材３及びハウジング４は、同軸に配置される。

減衰部材３は、図２に示すように、複数の分割減衰部材５に分割されている。複数の分割減衰部材５は、周方向に間隔をあけて配置され、トップフォイル２とハウジング４との間に収容される。なお、実施形態１では、減衰部材３は、３つの分割減衰部材５により構成される。分割減衰部材５は、トップフォイル２の軸心２Ａを中心とした角度θが±１度程度の誤差範囲内で互いに等しい。なお、トップフォイル２の軸心２Ａを中心とした角度θは、分割減衰部材５の周方向の両端５１，５２と軸心２Ａとを結ぶ線分５１Ａ，５２Ａ同士のなす角度である。また、実施形態１では、分割減衰部材５は、トップフォイル２の軸心２Ａを中心とした角度θが±１度程度の誤差範囲内で互いに等しいが、本発明では、角度θが互いに異なっていても良い。

分割減衰部材５は、トップフォイル２に向かって凸に湾曲した内周湾曲部５３を周方向に複数配置している。複数の内周湾曲部５３は、周方向の両端が互いに連続している。また、内周湾曲部５３のトップフォイル２寄りの頂部５３Ａは、トップフォイル２に接触する。このように、本発明では、内周湾曲部５３の頂部５３Ａとは、内周湾曲部５３の他の部分よりもトップフォイル２寄りに位置して、トップフォイル２に接触する部分である。各分割減衰部材５の周方向に隣り合う内周湾曲部５３の頂部５３Ａ間の間隔ｄは、回転軸１３の回転方向ＤＲの下流Ｄに向かうにしたがって徐々に狭くなるように形成されている。

各分割減衰部材５は、金属で構成された図３に示すメッシュ６が複数積層されて構成される。実施形態１において、各分割減衰部材５は、メッシュ６が３枚積層されている。メッシュ６は、図３に示すように、格子状の網部６０と、網部６０からメッシュ６の厚み方向に突出した複数の突出部６１とを備えている。なお、厚み方向は、複数のメッシュ６が互いに積層される方向である。網部６０は、複数の第１直線部材６２と、複数の第２直線部材６３とを一体に備える。実施形態１において、第１直線部材６２と第２直線部材６３とは、各分割減衰部材５に内周湾曲部５３が形成される前において、直線状に延びており、互いに直交している。

突出部６１は、各分割減衰部材５に内周湾曲部５３が形成される前において、網部６０から厚み方向に突出した針状に形成される。実施形態１において、突出部６１は、第１直線部材６２と第２直線部材６３との交差部分である交差部６４から厚み方向の一方側と他方側とにそれぞれ複数本（実施形態１では、３本）突出している。実施形態１において、各交差部６４から突出した３本の突出部６１は、各分割減衰部材５に内周湾曲部５３が形成される前において、網部６０から離れるのにしたがって徐々に互いの間隔が拡大している。

実施形態１において、メッシュ６は、３Ｄプリンタ（3D Printer）により製造される。実施形態１において、３枚のメッシュ６は、互いに同形状である。また、実施形態１において、３枚のメッシュ６は、３Ｄプリンタにより製造されるために、プレス加工等の他の製造方法により製造される場合よりも各部分の寸法の誤差が小さくなっている。

分割減衰部材５は、図５に示すように、交差部６４と突出部６１の先端とが互いに重なるように３枚のメッシュ６が積層される。このように積層されて、減衰部材３の分割減衰部材５を構成する複数のメッシュ６は、多重化されている。分割減衰部材５は、３枚のメッシュ６が重ねられた状態で、図６に示すように、金型１００の上型１０１と下型１０２との間に配置されて、上型１０１と下型１０２とが互いに近づけられることにより、内周湾曲部５３が形成されるとともに、トップフォイル２の外周面に沿って湾曲される。なお、上型１０１と下型１０２とは、互いに対向する面に内周湾曲部５３に沿った成形面１０１Ａ，１０２Ａが形成されている。なお、図６は、上型１０１と下型１０２それぞれの成形面１０１Ａ，１０２Ａがトップフォイル２の外周面２Ｃに沿って湾曲していることを省略しているが、実際には、上型１０１と下型１０２の成形面１０１Ａ，１０２Ａは、トップフォイル２の外周面２Ｃに沿って湾曲しながらも、内周湾曲部５３に沿って形成されている。

上述したガス軸受１は、回転軸１３が軸心１３Ａ回りに図中矢印で示す回転方向ＤＲに回転すると、トップフォイル２の内周面２Ｂと回転軸１３の外周面１３Ｂとの間の隙間の空気の圧力が高められる。具体的には、回転軸１３の回転に伴って流動する空気との摩擦により、トップフォイル２が回転方向ＤＲの下流Ｄ側に押し込まれて、内周面２Ｂが回転軸１３の外周面１３Ｂから離れる方向にトップフォイル２が変形しようとする。減衰部材３の各分割減衰部材５の互いに隣り合う頂部５３Ａ間の間隔ｄが回転方向ＤＲの下流Ｄ側に向かうにしたがって徐々に狭いので、各分割減衰部材５の剛性が回転方向ＤＲの下流Ｄ側に向かうにしたがって徐々に高くなっている。このために、ガス軸受１は、各分割減衰部材５の回転方向ＤＲの上流Ｕ側に向かうにしたがって徐々に内周面２Ｂの回転軸１３の外周面１３Ｂからの距離が徐々に大きくなるようにトップフォイル２が変形することとなる。

したがって、ガス軸受１は、トップフォイル２のリング部２１の内周面２Ｂと回転軸１３の外周面１３Ｂとの間に、各分割減衰部材５の回転方向ＤＲの下流Ｄ側へ向けて徐々に狭くなった隙間が形成され、隙間内に空気が押し込まれる。これにより、ガス軸受１は、トップフォイル２のリング部２１の内周面２Ｂと回転軸１３の外周面１３Ｂとの間の隙間の空気の圧力が高められ、この空気の圧力により回転軸１３をラジアル方向に非接触状態で支持する。

このとき、ガス軸受１は、トップフォイル２及び減衰部材３の各分割減衰部材５が有する可撓性により、トップフォイル２の内周面２Ｂが、荷重や回転軸１３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、前述した隙間の幅が運転条件に応じた適切な幅に自動調整される。そのため、ガス軸受１は、高温・高速回転といった過酷な条件下でも、前述した隙間の幅を最適幅に調整することができ、回転軸１３を安定して支持することが可能となる。また、ガス軸受１は、回転軸１３の回転中において回転軸１３が軸心１３Ａに対して交差する方向に振動すると、隙間内の圧力が高められた空気の影響と各分割減衰部材５の構成するメッシュ６同士が摺動して、摺動による摩擦エネルギーにより、回転軸１３の振動を減衰させることができる。

このように実施形態１に係るガス軸受１は、トップフォイル２の外周に設けられて回転軸１３の軸心１３Ａに対して交差する方向の振動を減衰させる減衰部材３が金属で構成されたメッシュ６を複数積層させて構成されている。このために、ガス軸受１は、回転軸１３の軸心１３Ａに対して交差する方向の振動によりメッシュ６同士が摺動して、摺動による摩擦エネルギーを生じさせることとなり、メッシュ６同士の摺動により回転軸１３の振動エネルギーを吸収でき、回転軸１３の振動を低減することができる。この結果、ガス軸受１は、回転軸１３の振動を減衰させる能力である負荷能力を向上させることができる。

また、実施形態１に係るガス軸受１は、分割減衰部材５を構成する複数のメッシュ６が同形状であるので、回転軸１３の軸心１３Ａに対する交差する方向の振動によりメッシュ６同士が確実に摺動することとなる。

また、実施形態１に係るガス軸受１は、メッシュ６が格子状の網部６０と、網部６０から厚み方向に突出した複数の突出部６１とを備えているので、メッシュ６同士が摺動する時に、網部６０同士に加えて突出部６１同士も摺動することとなる。この結果、ガス軸受１は、メッシュ６同士の摺動により回転軸１３の振動エネルギーを吸収でき、回転軸１３の振動を低減することができる。

また、実施形態１に係るガス軸受１は、分割減衰部材５がトップフォイル２に向かって凸に湾曲した内周湾曲部５３を周方向に複数配置しているので、メッシュ６同士の接触面積を大きくすることができ、回転軸１３の振動を低減することができ、負荷能力を向上させることができる。

また、実施形態１に係るガス軸受１は、減衰部材３が複数の分割減衰部材５を備え、分割減衰部材５の互いに隣り合う頂部５３Ａ間の間隔ｄが回転軸１３の回転方向ＤＲの下流Ｄに向かうにしたがって徐々に狭いので、各分割減衰部材５の剛性を回転方向ＤＲの上流Ｕ側から下流Ｄ側に向かうにしたがって徐々に向上させて、トップフォイル２の分割減衰部材５の回転軸１３の回転方向ＤＲの下流Ｄ側を上流Ｕ側よりも回転軸１３の外周面１３Ｂから離れることを規制でき、トップフォイル２を分割減衰部材５の回転方向ＤＲの上流Ｕ側から下流Ｄ側に向けて回転軸１３の外周面１３Ｂからの距離が狭くなるくさび形に変形させることとなる。その結果、ガス軸受１は、トップフォイル２の内周面２Ｂと回転軸１３の外周面１３Ｂとの間の空気が分割減衰部材５の回転方向ＤＲの下流Ｄ側から逃げにくくすることができ、トップフォイル２の内周面２Ｂと回転軸１３の外周面１３Ｂとの間の隙間内の空気の圧力を向上させることができる。

また、実施形態１に係るガス軸受１は、減衰部材３を構成するメッシュ６が交差部６４と突出部６１の先端とが互いに重なるように積層されるために、メッシュ６同士が摺動する際に、突出部６１同士が摺動することとなる。

また、本発明の排気タービン過給機１０は、前述したガス軸受１を備えて、ガス軸受１の負荷能力を向上できるので、回転軸１３の振動を低減することができる。

なお、前述した実施形態１では、回転機械である排気タービン過給機１０を示している。しかしながら、本発明では、ガス軸受１を備える回転機械は、排気タービン過給機１０に限定されずに、例えば、航空機のキャビン内の空気調和に用いられる空気調和装置のエアコンプレッサ等でも良い。また、実施形態１では、減衰部材３を構成する複数積層されたメッシュ６が複数の内周湾曲部５３を有するように湾曲されているが、本発明では、これに限定することなく、減衰部材３構成するメッシュ６に内周湾曲部５３を形成しなくても良い。また、実施形態１では、各分割減衰部材５は、３枚のメッシュ６が積層されているが、本発明では、３枚に限定されることなく、少なくとも２枚のメッシュ６が積層されていれば良い。また、実施形態１では、減衰部材３は、３つの分割減衰部材５を備えているが、本発明では、３つに限定されることなく、少なくとも２つの分割減衰部材５を備えていれば良い。

１ ガス軸受
２ トップフォイル
２Ｂ 内周面
３ 減衰部材
４ ハウジング
５ 分割減衰部材
６ メッシュ
１０ 排気タービン過給機（回転機械）
１３ 回転軸
１３Ａ 軸心
１３Ｂ 外周面
１４ ハウジング（機械本体）
５３ 内周湾曲部
５３Ａ 頂部
６０ 網部
６１ 突出部
ＤＲ 回転方向
ｄ 間隔
θ 角度

Claims (4)

1. 回転自在な円柱状の回転軸を内側に通し、かつ内周面が前記回転軸の外周面と間隔をあけるリング状のトップフォイルと、
   前記トップフォイルの外周に設けられ、かつ回転中の前記回転軸の軸心に交差する方向の振動を減衰させる減衰部材と、
   前記減衰部材の外周に設けられたリング状のハウジングと、を備えたガス軸受であって、
   前記減衰部材は、金属で構成されたメッシュが複数積層され、
   前記減衰部材を構成する複数のメッシュは、同形状であり、
   前記メッシュは、格子の交差部分である交差部と、前記交差部から突出した複数の突出部とを備えるガス軸受。
2. 前記減衰部材は、前記トップフォイルに向かって凸に湾曲して頂部が前記トップフォイルに接触した内周湾曲部を周方向に複数配置している請求項１に記載のガス軸受。
3. 前記減衰部材は、複数の分割減衰部材に分割され、
   前記分割減衰部材の互いに隣り合う前記頂部間の間隔は、前記回転軸の回転方向の下流に向かうにしたがって徐々に狭い請求項２に記載のガス軸受。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のガス軸受と、
   前記ハウジングの外周面に取り付けられる機械本体と、
   前記回転軸と、を備える回転機械。

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