JP7577005B2 - Foil Bearings - Google Patents

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Description

本発明は、フォイル軸受に関する。 The present invention relates to a foil bearing.

ガスタービンやターボチャージャの主軸は超高速で回転し、タービン翼は高温環境下に晒される。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、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合や、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な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合には、空気動圧軸受の一種であるフォイル軸受が使用されることがある。 The main shaft of a gas turbine or turbocharger rotates at extremely high speeds, and the turbine blades are exposed to high temperature environments. The main shaft is often supported by oil-lubricated rolling bearings or oil dynamic bearings, but when lubrication with liquids such as lubricating oil is difficult, when it is difficult to install separate accessories for a lubricating oil circulation system from the standpoint of energy efficiency, or when resistance due to shearing of the liquid becomes a problem, foil bearings, a type of air dynamic bearing, may be used.

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、フォイルのたわみを許容して荷重を支持する軸受である。軸の回転時には、軸とフォイルの軸受面との間に流体膜(空気膜)が形成され、この流体膜を介して軸が非接触で支持される。フォイル軸受では、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。そのため、フォイル軸受は、軸の支持の安定性に優れており、高速回転する軸にも使用できる。 Foil bearings have a bearing surface made of a flexible thin film (foil) with low bending stiffness, and support the load by allowing the foil to flex. When the shaft rotates, a fluid film (air film) is formed between the shaft and the bearing surface of the foil, and the shaft is supported without contact via this fluid film. In foil bearings, the flexibility of the foil automatically creates an appropriate bearing gap according to the operating conditions, such as the shaft rotation speed, load, and ambient temperature. Therefore, foil bearings provide excellent shaft support stability and can be used for shafts that rotate at high speeds.

フォイル軸受で軸を安定して支持するためには、軸受面が形成されたフォイルを軸の変位や熱膨張などに追従して変形させる必要がある。そのため、フォイル軸受では、フォイルの剛性の管理が重要となる。 In order for a foil bearing to stably support a shaft, the foil on which the bearing surface is formed must be able to deform in response to shaft displacement and thermal expansion. For this reason, managing the rigidity of the foil is important for foil bearings.

例えば下記の特許文献1には、複数のフォイルを一部が重なり合うように設置して、その重なりの部分で軸受面にばね性を与える、いわゆるリーフ型のフォイル軸受が示されている。このフォイル軸受では、隣接する3枚のフォイルのうちの最も下流側のフォイルの上流端と最も上流側のフォイルの下流端との間に周方向の隙間を形成している。これにより、各フォイルの下流側の端部の剛性が低下するため、軸の変位等に追従して各フォイルの下流側の端部が軸受隙間を広げる方向に変位しやすくなり、フォイルの下流側の端部と回転部材との接触を防止することができる。 For example, the following Patent Document 1 shows a so-called leaf-type foil bearing in which multiple foils are arranged so that some of them overlap, and the overlapping parts give the bearing surface springiness. In this foil bearing, a circumferential gap is formed between the upstream end of the most downstream foil of three adjacent foils and the downstream end of the most upstream foil. This reduces the rigidity of the downstream end of each foil, making it easier for the downstream end of each foil to displace in a direction that widens the bearing gap in response to shaft displacement, etc., and preventing contact between the downstream end of the foil and the rotating member.

また、下記の特許文献2に示されたリーフ型のスラストフォイル軸受では、各フォイルの内径側の端部に、周方向中間部を外径側に後退させた(凹ませた)後退部を設けている。リーフ型のスラストフォイル軸受では、隣接するフォイル間の周方向ピッチが内径側に行くほど小さくなるため、各フォイルの内径側の剛性が外径側の剛性よりも高くなる。従って、剛性の高い内径側の端部に後退部を設け、回転部材と接触しやすい部分が除去することで、フォイルの内径側の端部と回転部材との接触を回避できる。 In addition, in the leaf-type thrust foil bearing shown in the following Patent Document 2, a recessed portion is provided at the end of the inner diameter side of each foil, where the circumferential middle portion is recessed (concave) toward the outer diameter side. In a leaf-type thrust foil bearing, the circumferential pitch between adjacent foils becomes smaller toward the inner diameter side, so the rigidity of the inner diameter side of each foil is higher than the rigidity of the outer diameter side. Therefore, by providing a recessed portion at the end of the inner diameter side with high rigidity and removing the portion that is likely to come into contact with the rotating member, it is possible to avoid contact between the end of the inner diameter side of the foil and the rotating member.

特開2017-82913号公報JP 2017-82913 A 特開2020-34085号公報JP 2020-34085 A

しかし、上記特許文献1のようにフォイルの間に周方向隙間を設けたり、上記特許文献2のようにフォイルの内径側の端部に後退部を設けたりすると、フォイルに形成された軸受面の面積が減少するため、負荷容量が低下してしまう。 However, if a circumferential gap is provided between the foils as in Patent Document 1 above, or if a recess is provided at the end of the foil on the inner diameter side as in Patent Document 2 above, the area of the bearing surface formed on the foil is reduced, resulting in a decrease in the load capacity.

そこで、本発明は、負荷容量を低下させることなくことなくフォイルの剛性を調整することで、より大きな荷重を安定して支持できるフォイル軸受を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a foil bearing that can stably support a larger load by adjusting the rigidity of the foil without reducing the load capacity.

前記課題を解決するために、本発明は、軸受面が形成されたフォイルを有するフォイル軸受において、前記フォイルの端部に、前記端部の縁と反対側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受を提供する。 To solve the above problem, the present invention provides a foil bearing having a foil on which a bearing surface is formed, in which a thin-walled portion is provided at the end of the foil, the thickness of which is thinner than the adjacent area on the opposite side to the edge of the end.

このように、本発明では、フォイルの端部に薄肉部を設けることで、この部分の剛性を低下させている。これにより、支持すべき回転部材の回転時に、回転部材とフォイルの軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧により、フォイルの端部が回転部材から離反する側に変位しやすくなる。このため、回転部材の変位や熱膨張に対するフォイルの端部の追従性が確保され、フォイルの端部と回転部材との接触を防止できる。この場合、薄肉部の厚さを調整するだけで、各フォイルの軸受面の面積を低減することなく、フォイルの端部の剛性を調整することができる。 In this way, in the present invention, the rigidity of the end of the foil is reduced by providing a thin portion at this portion. As a result, when the rotating member to be supported rotates, the end of the foil is more likely to be displaced away from the rotating member due to the fluid pressure generated in the bearing gap between the rotating member and the bearing surface of the foil. This ensures that the end of the foil can follow the displacement and thermal expansion of the rotating member, and prevents contact between the end of the foil and the rotating member. In this case, the rigidity of the end of the foil can be adjusted by simply adjusting the thickness of the thin portion, without reducing the area of the bearing surface of each foil.

薄肉部は、肉厚を均一にするのではなく、端部の縁に近づくほど肉厚を徐々に薄くすることが好ましい。これにより、薄肉部のうち、縁から離れた領域の肉厚を比較的厚くしてこの部分の剛性をある程度確保することができるため、この部分が、軸受隙間の流体圧により屈曲する事態を回避できる。 It is preferable that the thickness of the thin-walled portion is not uniform, but is gradually thinner as it approaches the edge of the end. This makes it possible to ensure a certain degree of rigidity in the thin-walled portion by making the thickness of the area away from the edge relatively thick, thereby preventing this portion from bending due to the fluid pressure in the bearing gap.

薄肉部の範囲が広すぎると、薄肉部の剛性が過小となり、この部分が軸受面として機能せず、負荷容量が低下するおそれがある。従って、薄肉部の、端部の縁の延在方向と直交する方向の寸法は1mm以下とすることが好ましい。 If the range of the thin-walled portion is too wide, the rigidity of the thin-walled portion will be too low, and this portion may not function as a bearing surface, resulting in a reduced load capacity. Therefore, it is preferable that the dimension of the thin-walled portion in the direction perpendicular to the extension direction of the edge of the end portion be 1 mm or less.

本発明は、例えば、リーフ型のフォイル軸受に適用することができる。すなわち、本発明は、支持すべき回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを有し、各フォイルの下流側の端部を含む領域が、下流側に隣接するフォイルの上に重ねて配され、この領域に軸受面が形成されたフォイル軸受において、各フォイルの下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受としても特徴づけることができる。 The present invention can be applied, for example, to leaf-type foil bearings. That is, the present invention can also be characterized as a foil bearing having a plurality of foils arranged in the rotational direction of the rotating member to be supported, with the region including the downstream end of each foil overlapping the foil adjacent to the downstream side, and with a bearing surface formed in this region, in which the downstream end of each foil is provided with a thin-walled portion that is thinner than the region adjacent to the upstream side.

上記のリーフ型のフォイル軸受において、隣接する3枚のフォイルのうち、最も下流側のフォイルの上流側の端部と最も上流側のフォイルの下流側の端部との間に、回転方向の隙間を形成することで、各フォイルの下流側の端部の剛性を低下させることができる。この隙間を大きくしすぎると負荷容量が低下するおそれがあるが、本発明では、各フォイルの下流側の端部に薄肉部を設けて剛性を低下させているため、上記の隙間をそれほど大きくする必要は無く、例えば0.5mm以下にすることができる。 In the leaf-type foil bearing described above, by forming a gap in the rotational direction between the upstream end of the most downstream foil and the downstream end of the most upstream foil among the three adjacent foils, the rigidity of the downstream end of each foil can be reduced. If this gap is made too large, there is a risk of the load capacity decreasing, but in the present invention, a thin-walled portion is provided at the downstream end of each foil to reduce rigidity, so the above gap does not need to be very large and can be, for example, 0.5 mm or less.

フォイル軸受は、起動停止の際にフォイルと回転部材とが摺動するため、フォイルの表面(軸受面)に潤滑被膜を設けることがある。この場合、回転部材との摺動によって、潤滑被膜が基材から剥がれることが懸念される。そこで、前記フォイルが、基材と、前記基材の表面に形成され、前記軸受面が設けられた潤滑被膜とを有し、前記薄肉部における基材の表面の面粗度が、隣接する領域の基材の表面の面粗度よりも大きいことが好ましい。このように、薄肉部における基材の表面の面粗度を大きくすることで、基材の表面に微小凹部が形成され、この微小凹部に潤滑被膜が入り込むことで、潤滑被膜と基材との密着性を高めることができる。 In foil bearings, the foil slides against the rotating member when starting and stopping, so a lubricating coating may be applied to the surface (bearing surface) of the foil. In this case, there is a concern that the lubricating coating may peel off from the substrate due to sliding with the rotating member. Therefore, it is preferable that the foil has a substrate and a lubricating coating formed on the substrate surface and provided with the bearing surface, and that the surface roughness of the substrate surface in the thin-walled portion is greater than the surface roughness of the substrate surface in an adjacent region. In this way, by increasing the surface roughness of the substrate surface in the thin-walled portion, micro-recesses are formed on the substrate surface, and the lubricating coating penetrates into these micro-recesses, thereby improving the adhesion between the lubricating coating and the substrate.

潤滑被膜には、潤滑成分(フッ素や二硫化モリブデンなど)を基材に定着させるために、樹脂系や無機系のバインダーが用いられる。樹脂系バインダーは、フォイルとの密着性は高いが、変形しにくいため、フォイルの追従性を低下させる懸念がある。一方、無機系バインダーは、フォイルの特性(剛性)を変化させにくいが、樹脂系バインダーよりもフォイルとの密着性が低い。そこで、上記のように薄肉部における基材の表面の面粗度を大きくし、この表面に無機系バインダーを含む潤滑被膜を設けることで、基材と潤滑被膜との密着性の低下やフォイルの追従性の低下を回避しながら、軸受面の摺動性を高めることができる。 In the lubricating coating, a resin-based or inorganic binder is used to fix the lubricating components (such as fluorine or molybdenum disulfide) to the substrate. Resin-based binders have high adhesion to the foil, but are difficult to deform, so there is a concern that they may reduce the tracking ability of the foil. On the other hand, inorganic binders are less likely to change the properties (rigidity) of the foil, but have lower adhesion to the foil than resin-based binders. Therefore, by increasing the surface roughness of the substrate surface in the thin-walled portion as described above and providing a lubricating coating containing an inorganic binder on this surface, it is possible to improve the sliding properties of the bearing surface while avoiding a decrease in adhesion between the substrate and the lubricating coating and a decrease in the tracking ability of the foil.

以上のように、フォイルの端部に薄肉部を設けるにより、軸受面の面積を低減することなく、すなわち負荷容量を低下させることなく、フォイルの端部の剛性を調整することができる。これにより、フォイルと回転部材との接触を防止しながら、大きな荷重を安定して支持することができる。 As described above, by providing a thin-walled portion at the end of the foil, the rigidity of the end of the foil can be adjusted without reducing the area of the bearing surface, i.e., without reducing the load capacity. This makes it possible to stably support a large load while preventing contact between the foil and the rotating member.

ガスタービンの構成を概念的に示す図である。FIG. 1 is a diagram conceptually showing a configuration of a gas turbine. 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。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a support structure of a rotor in the gas turbine. ラジアルフォイル軸受の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a radial foil bearing. スラストフォイル軸受を軸受面側から見た平面図である。FIG. 2 is a plan view of the thrust foil bearing as viewed from the bearing surface side. スラストフォイル軸受のフォイルホルダおよび一枚のフォイルを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a foil holder and one foil of a thrust foil bearing. 図4中のX-X線断面図である。5 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 4. (A)(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。13A and 13B are plan views of a foil member formed by connecting a plurality of foils. 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。FIG. 11 is a plan view showing a state in which two foil members are temporarily assembled. 仮組みした2枚のフォイル部材をフォイルホルダの上に配置した状態を示す平面図である。13 is a plan view showing a state in which two temporarily assembled foil members are placed on a foil holder. FIG. 図11のフォイルホルダに固定部材を取り付けた状態を示す平面図である。12 is a plan view showing a state in which a fixing member is attached to the foil holder of FIG. 11 . (A)~(F)は、フォイルの下流側の端部(図6のY部)の断面図である。6A to 6F are cross-sectional views of the downstream end of the foil (Y portion in FIG. 6). (A)(B)は、他の実施形態に係るフォイルの下流側の端部の断面図である。13A and 13B are cross-sectional views of the downstream end of a foil according to another embodiment.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

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軸6が設けられ、この軸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。 Figure 1 conceptually shows the configuration of a gas turbine, a type of turbomachinery. This gas turbine mainly comprises a turbine 1 and a compressor 2, each of which has a blade row, a generator 3, a combustor 4, and a regenerator 5. The turbine 1, compressor 2, and generator 3 are provided with a common shaft 6 that extends horizontally, and this shaft 6, the turbine 1, and the compressor 2 form a rotor that can rotate together.

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。 Air drawn in from the intake port 7 is compressed by the compressor 2, heated by the regenerator 5, and sent to the combustor 4. Fuel is mixed with this compressed air and burned, and the high-temperature, high-pressure gas rotates the turbine 1. The rotational force of the turbine 1 is transmitted to the generator 3 via the shaft 6, which generates electricity as the generator 3 rotates, and this electricity is output via the inverter 8. As the gas after rotating the turbine 1 is relatively hot, this gas is sent to the regenerator 5 and heat is exchanged between this gas and the compressed air before combustion, reusing the heat of the gas after combustion. After heat exchange in the regenerator 5, the gas passes through the exhaust heat recovery device 9 before being discharged as exhaust gas.

図2に、ロータの支持構造、特に、タービン1と圧縮機2との軸方向間における軸6の支持構造を示す。この領域は高温、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、ここでは空気動圧軸受、特にフォイル軸受が好適に使用される。具体的には、ラジアルフォイル軸受10により軸6がラジアル方向に支持されると共に、一対のスラストフォイル軸受20により軸6に設けられたスラストカラー6aが両スラスト方向に支持される。 Figure 2 shows the rotor support structure, in particular the support structure for the shaft 6 between the turbine 1 and the compressor 2 in the axial direction. This region is adjacent to the turbine 1, which is rotated by high-temperature, high-pressure gas, so an air dynamic bearing, in particular a foil bearing, is preferably used here. Specifically, the shaft 6 is supported in the radial direction by a radial foil bearing 10, and a thrust collar 6a provided on the shaft 6 is supported in both thrust directions by a pair of thrust foil bearings 20.

ラジアルフォイル軸受10は、例えばリーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態では、図3に示すように、内周に軸6が挿入され、ハウジング50に固定された円筒状の外方部材11と、外方部材11の内周面11aに固定され、円周方向等間隔に配された複数のフォイル12とで構成される。 The radial foil bearing 10 is, for example, a leaf-type foil bearing. In this embodiment, as shown in FIG. 3, it is composed of a cylindrical outer member 11, into whose inner circumference the shaft 6 is inserted and which is fixed to the housing 50, and a number of foils 12, which are fixed to the inner circumferential surface 11a of the outer member 11 and are arranged at equal intervals in the circumferential direction.

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程度の箔材で形成される。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、油による防錆効果は期待できない。この場合、フォイル12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。 The foil 12 is made of a foil material with a thickness of about 20 μm to 200 μm, which is made of a metal that is highly springy and easy to process, such as a steel material or a copper alloy. In an air dynamic bearing that uses air as a fluid film, as in this embodiment, there is no lubricating oil in the atmosphere, so the rust prevention effect of oil cannot be expected. In this case, it is preferable to use a foil made of stainless steel or bronze.

各フォイル12は、軸6の回転方向(図3の矢印参照)下流側の端部12aが自由端とされ、回転方向上流側の端部12bが外方部材11に固定される。フォイル12の上流側の端部12bは、外方部材11の内周面11aに形成された軸方向溝11bに嵌合固定される。フォイル12の下流側の端部12aを含む領域は、下流側に隣接するフォイル12の上(内径側)に重ねて配され、この領域の内径側の面がラジアル軸受面12cとなる。各フォイル12に形成されたラジアル軸受面12cと軸6の外周面6bとの間には、下流側へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Grが形成される。 The end 12a of each foil 12 downstream in the direction of rotation of the shaft 6 (see the arrow in Figure 3) is a free end, and the end 12b upstream in the direction of rotation is fixed to the outer member 11. The upstream end 12b of the foil 12 is fitted and fixed in an axial groove 11b formed in the inner peripheral surface 11a of the outer member 11. The region including the downstream end 12a of the foil 12 is placed on top (inner diameter side) of the foil 12 adjacent to the downstream side, and the inner diameter side surface of this region becomes the radial bearing surface 12c. Between the radial bearing surface 12c formed on each foil 12 and the outer peripheral surface 6b of the shaft 6, a wedge-shaped radial bearing gap Gr is formed with a narrower radial width toward the downstream side.

スラストフォイル軸受20は、軸6をスラスト方向に支持するものであり、図示例では、軸6に設けられたスラストカラー6aの軸方向両側に、それぞれスラストフォイル軸受20が配される(図2参照)。 The thrust foil bearings 20 support the shaft 6 in the thrust direction, and in the illustrated example, a thrust foil bearing 20 is disposed on each side of the axial direction of a thrust collar 6a provided on the shaft 6 (see FIG. 2).

スラストフォイル軸受20は、図4に示すように、フォイルホルダ21と、フォイルホルダ21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22と、フォイル22をフォイルホルダ21に固定する固定部材23とを備える。 As shown in FIG. 4, the thrust foil bearing 20 comprises a foil holder 21, a number of foils 22 attached to the end face of the foil holder 21 in a circumferential arrangement, and a fixing member 23 that fixes the foils 22 to the foil holder 21.

フォイルホルダ21は、円盤状をなし、軸心に軸6が挿通される貫通孔が形成される(図5参照)。フォイルホルダ21の、スラストカラー6aと対向する端面に、複数のフォイル22が取り付けられる。 The foil holder 21 is disk-shaped and has a through hole at its center through which the shaft 6 is inserted (see FIG. 5). A number of foils 22 are attached to the end face of the foil holder 21 that faces the thrust collar 6a.

図4に示すように、フォイル22は、フォイルホルダ21の周方向(すなわち、軸6の回転方向)に等ピッチで配置される。図5は、周方向に並べた複数のフォイル22のうち、一つのフォイル22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。同図に示すように、各フォイル22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22aと、本体部22aから外径側に延びる延在部22bとを一体に備える。 As shown in FIG. 4, the foils 22 are arranged at equal pitches in the circumferential direction of the foil holder 21 (i.e., the rotational direction of the shaft 6). FIG. 5 shows only one of the multiple foils 22 arranged in the circumferential direction, with the other foils omitted. As shown in the figure, each foil 22 is integrally provided with a main body portion 22a constituting a top foil portion Tf and a back foil portion Bf, which will be described later, and an extension portion 22b extending from the main body portion 22a toward the outer diameter side.

フォイル22の本体部22aは、回転方向(図4、5の矢印方向)の下流側端部の縁(下流端縁)22cと、回転方向の上流側端部の縁(上流端縁)22dと、下流端縁22cおよび上流端縁22dの内径端同士を接続する内径端縁22eと、下流端縁22cおよび上流端縁22dの外径端同士をつなぐ外径端縁22fとを有する。図示例では、各フォイル22の内径端縁22eおよび外径端縁22fの双方が軸心を中心とする円弧で形成されている。下流端縁22cは、半径方向中間部を下流側に突出させた凸形状をなし、上流端縁22dは、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状をなしている。図示例では、下流端縁22cおよび上流端縁22dが同形状の曲線であるため、一枚のフォイルから複数のフォイル22を効率よく切り出すことができる。 The main body 22a of the foil 22 has an edge (downstream edge) 22c at the downstream end in the rotation direction (arrow direction in Figures 4 and 5), an edge (upstream edge) 22d at the upstream end in the rotation direction, an inner diameter edge 22e connecting the inner diameter ends of the downstream edge 22c and the upstream edge 22d, and an outer diameter edge 22f connecting the outer diameter ends of the downstream edge 22c and the upstream edge 22d. In the illustrated example, both the inner diameter edge 22e and the outer diameter edge 22f of each foil 22 are formed as arcs centered on the axis. The downstream edge 22c has a convex shape with a radial middle part protruding downstream, and the upstream edge 22d has a concave shape with a radial middle part recessed downstream. In the illustrated example, the downstream edge 22c and the upstream edge 22d have the same curved shape, so that multiple foils 22 can be efficiently cut out from one foil.

延在部22bは、本体部22aから外径側に延びている。フォイルホルダ21の端面上に複数のフォイル22を周方向に並べて配し、各フォイル22の延在部22bの外径部分(図5にクロスハッチングで示す領域)をフォイルホルダ21と固定部材23とで挟み込み、これらをボルト等で締め付け固定することで、各フォイル22がフォイルホルダ21に固定される(図4参照)。 The extension portion 22b extends from the main body portion 22a toward the outer diameter side. A plurality of foils 22 are arranged in a circumferential direction on the end face of the foil holder 21, and the outer diameter portion of the extension portion 22b of each foil 22 (the area shown by cross-hatching in FIG. 5) is sandwiched between the foil holder 21 and the fixing member 23, which are then fastened and fixed with bolts or the like, thereby fixing each foil 22 to the foil holder 21 (see FIG. 4).

フォイル22は、ラジアルフォイル軸受10のフォイル12と同様の材質で形成される。フォイル22の材質の具体例はフォイル12と同様であるため、説明を省略する。 The foil 22 is made of the same material as the foil 12 of the radial foil bearing 10. Specific examples of the material of the foil 22 are the same as those of the foil 12, so a description is omitted.

なお、図4、5には、スラストカラー6aの軸方向一方側に配されたスラストフォイル軸受20を示している。スラストカラー6aの軸方向他方側に配されたスラストフォイル軸受20は、軸受面側から見た平面図が図4、5と鏡像対称であり、同図における軸6の回転方向(矢印)が逆向きであることを除いて、上記のスラストフォイル軸受20と同様の構成を有する。 Figures 4 and 5 show the thrust foil bearing 20 arranged on one axial side of the thrust collar 6a. The thrust foil bearing 20 arranged on the other axial side of the thrust collar 6a has a similar configuration to the thrust foil bearing 20 described above, except that the plan view from the bearing surface side is a mirror image of Figures 4 and 5, and the direction of rotation of the shaft 6 (arrow) in the figures is opposite.

図6に示すように、スラストフォイル軸受20の各フォイル22は、フォイルホルダ21の端面21a上に、概ね半ピッチずつ位相をずらしながら周方向に並べて配置されている。各フォイル22の下流端縁22cを含む領域は、下流側に隣接するフォイル22の上(スラストカラー6a側)に乗り上げ、この領域がトップフォイル部Tfを構成する。また、各フォイル22の上流端縁22dを含む領域は、上流側に隣接するフォイル22のトップフォイル部Tfの下(フォイルホルダ21側)に配され、この領域が、当該トップフォイル部Tfを背後から弾性的に支持するバックフォイル部Bfを構成する。各フォイル22のトップフォイル部Tfの表面に、スラストカラー6aの一方の端面6a1と対向するスラスト軸受面Sが形成される。 As shown in FIG. 6, the foils 22 of the thrust foil bearing 20 are arranged in a circumferential direction on the end face 21a of the foil holder 21, with the phases shifted by approximately half a pitch. The region including the downstream end edge 22c of each foil 22 rides up on the foil 22 adjacent to the downstream side (the thrust collar 6a side), and this region constitutes the top foil portion Tf. The region including the upstream end edge 22d of each foil 22 is arranged below the top foil portion Tf of the foil 22 adjacent to the upstream side (the foil holder 21 side), and this region constitutes the back foil portion Bf that elastically supports the top foil portion Tf from behind. A thrust bearing surface S that faces one end face 6a1 of the thrust collar 6a is formed on the surface of the top foil portion Tf of each foil 22.

図6では、隣接する任意の3枚のフォイル22を、それぞれフォイル22(1)、22(2)、22(3)と表す。これらの3枚のフォイルのうち、最も上流側のフォイル22(1)の下流端縁22c(1)と最も下流側のフォイル22(3)の上流端縁22d(3)との間には、回転方向(周方向)の隙間Cが設けられる。本実施形態では、隙間Cが半径方向全域で均一に設けられる。上記のような隙間Cを設けることにより、各フォイル22の下流側端部(下流端縁22cおよびその近傍)のバネ性が高められ、この部分の剛性を小さくすることができる。上記の隙間Cを大きくしすぎると、フォイル22の下流側端部のバネ性が過度に低下して、負荷容量が不足するおそれがある。従って、上記の隙間Cは、0<C≦2mmの範囲とすることが好ましい。 6, any three adjacent foils 22 are represented as foils 22(1), 22(2), and 22(3). Between the downstream edge 22c(1) of the most upstream foil 22(1) and the upstream edge 22d(3) of the most downstream foil 22(3), a gap C is provided in the rotational direction (circumferential direction). In this embodiment, the gap C is provided uniformly over the entire radial direction. By providing the above-mentioned gap C, the springiness of the downstream end of each foil 22 (downstream edge 22c and its vicinity) is increased, and the rigidity of this portion can be reduced. If the above-mentioned gap C is made too large, the springiness of the downstream end of the foil 22 may be excessively reduced, resulting in a shortage of load capacity. Therefore, it is preferable that the above-mentioned gap C is in the range of 0<C≦2 mm.

スラストフォイル軸受20は、以下の手順で製作することができる。まず、図7(A)及び(B)に示すような同形状の2枚のフォイル部材60を製作する(図7~10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、複数のフォイル22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、スラストフォイル軸受20に組み込まれるフォイル22の半数のフォイル22が周方向に沿って等間隔に設けられる。隣接するフォイル22の本体部22aは切り込み62で分断され、隣接するフォイル22の延在部22bの周方向間には空間63が設けられる。各フォイル22の延在部22bは、接合部61aを介して連結部61に一体化されている。 The thrust foil bearing 20 can be manufactured by the following procedure. First, two foil members 60 of the same shape as shown in Figures 7(A) and (B) are manufactured (one of the foil members 60 is shown with dots in Figures 7 to 10 for ease of understanding). Each foil member 60 is integrally formed with a plurality of foils 22 and an annular connecting portion 61 that connects the outer diameter ends of the foils 22. Half of the foils 22 to be assembled in the thrust foil bearing 20 are provided in each foil member 60 at equal intervals along the circumferential direction. The main body portions 22a of adjacent foils 22 are divided by cuts 62, and a space 63 is provided between the extension portions 22b of adjacent foils 22 in the circumferential direction. The extension portions 22b of each foil 22 are integrated with the connecting portion 61 via joints 61a.

次に、図8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22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22(本体部22a)の下流側部分を、切り込み62を介して他方のフォイル部材60のフォイル22(本体部22a)の上流側部分の上に配置する。 Next, as shown in FIG. 8, one foil member 60 is stacked on the other foil member 60. At this time, the two foil members 60 are shifted by half the pitch of the foil 22, and the downstream portion of each foil 22 (main body portion 22a) of one foil member 60 is placed on the upstream portion of the foil 22 (main body portion 22a) of the other foil member 60 via the cut 62.

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、フォイルホルダ21の端面21a上に配置する(図9参照)。このとき、各フォイル22の延在部22bの外径端が、フォイルホルダ21の端面21a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、フォイルホルダ21よりも外径側に配される。この状態で、図10に示すように、フォイルホルダ21と固定部材23とで各フォイル22の延在部22bを挟持し、フォイルホルダ21と固定部材23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22がフォイルホルダ21に固定され、フォイル軸受の中間製造体80が完成する。 Then, the two foil members 60 provisionally assembled as described above are placed on the end surface 21a of the foil holder 21 (see FIG. 9). At this time, the outer diameter end of the extension portion 22b of each foil 22 is arranged along the outer diameter end of the end surface 21a of the foil holder 21. In addition, the connecting portion 61 of the foil member 60 is arranged on the outer diameter side of the foil holder 21. In this state, as shown in FIG. 10, the extension portion 22b of each foil 22 is sandwiched between the foil holder 21 and the fixing member 23, and the foil holder 21 and the fixing member 23 are fixed with bolts or the like (not shown). As a result, each foil 22 is fixed to the foil holder 21, and the foil bearing intermediate product 80 is completed.

その後、フォイルホルダ21および固定部材23よりも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22から分離する。以上により、図4に示すスラストフォイル軸受20が完成する。 Then, the joints 61a that protrude beyond the foil holder 21 and the fixing member 23 on the outer diameter side are cut, and the connecting portions 61 are separated from each foil 22. This completes the thrust foil bearing 20 shown in FIG. 4.

以上のようなラジアルフォイル軸受10およびスラストフォイル軸受20で支持された軸6が回転すると、ラジアルフォイル軸受10のフォイル12のラジアル軸受面12cと軸6の外周面6bとの間のラジアル軸受隙間Grに空気膜が形成され、この空気膜を介して軸6がラジアル方向に非接触支持される(図3参照)。これと同時に、各スラストフォイル軸受20のフォイル22のスラスト軸受面Sと、これに対向するスラストカラー6aの端面との間のスラスト軸受隙間Gtに空気膜が形成され、この空気膜を介してスラストカラー6aが両スラスト方向に非接触支持される(図6参照)。 When the shaft 6 supported by the radial foil bearing 10 and thrust foil bearing 20 as described above rotates, an air film is formed in the radial bearing gap Gr between the radial bearing surface 12c of the foil 12 of the radial foil bearing 10 and the outer peripheral surface 6b of the shaft 6, and the shaft 6 is supported in a non-contact manner in the radial direction via this air film (see FIG. 3). At the same time, an air film is formed in the thrust bearing gap Gt between the thrust bearing surface S of the foil 22 of each thrust foil bearing 20 and the end face of the thrust collar 6a facing it, and the thrust collar 6a is supported in a non-contact manner in both thrust directions via this air film (see FIG. 6).

このとき、ラジアルフォイル軸受10のフォイル12及びスラストフォイル軸受20のフォイル22の有する可撓性により、各フォイル12、22の軸受面が、荷重や軸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Gr及びスラスト軸受隙間Gt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Gr及びスラスト軸受隙間Gtを最適幅に管理することができ、軸6を安定して支持することが可能となる。尚、実際のラジアル軸受隙間Grおよびスラスト軸受隙間Gtの幅は数十μm程度の微小なものであるが、図3および図6ではその幅を誇張して描いている。 At this time, due to the flexibility of the foils 12 of the radial foil bearing 10 and the foils 22 of the thrust foil bearing 20, the bearing surfaces of the foils 12, 22 deform arbitrarily according to the operating conditions, such as the load, the rotational speed of the shaft 6, and the ambient temperature, so that the radial bearing gap Gr and the thrust bearing gap Gt are automatically adjusted to an appropriate width according to the operating conditions. Therefore, even under harsh conditions such as high temperature and high speed rotation, the radial bearing gap Gr and the thrust bearing gap Gt can be managed to an optimal width, and the shaft 6 can be stably supported. Note that the actual widths of the radial bearing gap Gr and the thrust bearing gap Gt are very small, on the order of several tens of μm, but are exaggerated in Figures 3 and 6.

また、本実施形態では、スラストフォイル軸受20のフォイル22の上流端縁22dが、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状(ヘリングボーン形状)であるため、その上に重ねられたフォイル22のトップフォイル部Tfに、凹形状の上流端縁22dに倣った段差が形成される。軸6の回転に伴って下流側に流れるスラスト軸受隙間Gtの空気が、上記の段差に沿って半径方向中央領域に引き込まれることで、スラスト軸受隙間Gtの空気圧が高まりやすくなり、スラストフォイル軸受20の負荷容量を高めることができる。 In addition, in this embodiment, the upstream edge 22d of the foil 22 of the thrust foil bearing 20 has a concave shape (herringbone shape) with the radial middle part recessed downstream, so that a step is formed in the top foil part Tf of the foil 22 layered on top of it, following the concave upstream edge 22d. The air in the thrust bearing gap Gt that flows downstream as the shaft 6 rotates is drawn into the radial central region along the step, which makes it easier to increase the air pressure in the thrust bearing gap Gt, and the load capacity of the thrust foil bearing 20 can be increased.

以下、本発明の特徴的構成である、スラストフォイル軸受20のフォイル22の端部の構成について説明する。 The following describes the configuration of the end of the foil 22 of the thrust foil bearing 20, which is a characteristic feature of the present invention.

スラストフォイル軸受20の各フォイル22の下流側の端部(下流端縁22cおよびその近傍)には、下流端縁22cと反対側(本実施形態では上流側)に隣接する領域よりも肉厚の薄い薄肉部22gが設けられる(図5に、薄肉部22gとその上流側に隣接する領域との境界を点線で示す)。本実施形態では、薄肉部22gが、各フォイル22の下流端縁22cの全域に設けられる。各フォイル22のうち、薄肉部22gを除く領域は、肉厚が一定である。薄肉部22gを含むトップフォイル部Tfの全域に、軸受面Sが形成される。 A thin-walled portion 22g is provided at the downstream end (downstream edge 22c and its vicinity) of each foil 22 of the thrust foil bearing 20, which is thinner than the adjacent area on the opposite side (upstream side in this embodiment) of the downstream edge 22c (the boundary between the thin-walled portion 22g and the adjacent area on the upstream side is shown by a dotted line in FIG. 5). In this embodiment, the thin-walled portion 22g is provided over the entire downstream edge 22c of each foil 22. The thickness of the area of each foil 22 except for the thin-walled portion 22g is constant. A bearing surface S is formed over the entire top foil portion Tf including the thin-walled portion 22g.

薄肉部22gの形状の具体例を、図11(A)~(F)に示す。これらの例では、薄肉部22gの肉厚が、下流端縁22cに近づくほど徐々に薄くなっている。図11(A)~(C)に示す例では、薄肉部22gが厚さ方向で非対称形状を成している。具体的に、薄肉部22gの軸受面S側の面(図11の上面)に、下流端縁22cに近づくにつれてスラストカラー6aから離反する側(図11の下方)に変位した傾斜面が設けられる。例えば、このような傾斜面として、下に凸の凹曲面{図11(A)参照}や、上に凸の凸曲面{図11(B)参照}、あるいは平坦な傾斜面{図11(C)参照}が形成される。薄肉部22gの軸受面Sと反対側の面(図11の下面)は、上流側に隣接する領域と連続した平坦面で構成される。 Specific examples of the shape of the thin-walled portion 22g are shown in Figures 11(A) to (F). In these examples, the thickness of the thin-walled portion 22g gradually becomes thinner as it approaches the downstream edge 22c. In the examples shown in Figures 11(A) to (C), the thin-walled portion 22g has an asymmetric shape in the thickness direction. Specifically, an inclined surface is provided on the surface of the thin-walled portion 22g on the bearing surface S side (upper surface in Figure 11) that is displaced toward the side away from the thrust collar 6a (lower side in Figure 11) as it approaches the downstream edge 22c. For example, such an inclined surface may be a concave curved surface that is convex downwards (see Figure 11(A)), a convex curved surface that is convex upwards (see Figure 11(B)), or a flat inclined surface (see Figure 11(C)). The surface of the thin-walled portion 22g on the opposite side to the bearing surface S (lower surface in Figure 11) is composed of a flat surface that is continuous with the adjacent area on the upstream side.

図11(D)~(F)に示す例では、薄肉部22gが厚さ方向で対称形状を成している。具体的に、薄肉部22gの厚さ方向両側の面に、下流端縁22cに近づくにつれてフォイル22の厚さ方向中央側に変位した傾斜面が設けられる。例えば、このような傾斜面として、厚さ方向中央側に凸の凹曲面{図11(D)参照}や、厚さ方向外側に凸の凸曲面{図11(E)参照}、あるいは平坦な傾斜面{図11(F)参照}が形成される。このように、薄肉部22gが厚さ方向で対称形状であれば、フォイル22を表裏反転させることで、回転方向が逆向きのスラストフォイル軸受に使用することができる。すなわち、スラストカラー6aの両側に設けられた一対のスラストフォイル軸受20(図2参照)に、共通のフォイル22を使用することができる。 In the example shown in Figures 11(D) to (F), the thin-walled portion 22g has a symmetrical shape in the thickness direction. Specifically, on both sides of the thin-walled portion 22g in the thickness direction, an inclined surface is provided that is displaced toward the center of the foil 22 in the thickness direction as it approaches the downstream edge 22c. For example, such an inclined surface may be a concave curved surface that is convex toward the center of the thickness direction (see Figure 11(D)}, a convex curved surface that is convex toward the outside in the thickness direction (see Figure 11(E)}, or a flat inclined surface (see Figure 11(F)}. In this way, if the thin-walled portion 22g has a symmetrical shape in the thickness direction, the foil 22 can be used for thrust foil bearings with opposite rotation directions by flipping the foil 22 over. In other words, a common foil 22 can be used for a pair of thrust foil bearings 20 (see Figure 2) provided on both sides of the thrust collar 6a.

薄肉部22gの幅(下流端縁22cの延在方向と直交する方向の寸法)Aが大きすぎると、スラスト軸受面Sの下流側端部の剛性が過小となり、負荷容量が不足するおそれがある。このため、薄肉部22gの幅Aは1mm以下とすることが好ましい。 If the width A of the thin-walled portion 22g (the dimension in the direction perpendicular to the extension direction of the downstream edge 22c) is too large, the rigidity of the downstream end of the thrust bearing surface S may become too small, resulting in insufficient load capacity. For this reason, it is preferable that the width A of the thin-walled portion 22g be 1 mm or less.

なお、薄肉部22gは、図5に示すように各フォイル22の下流側端部の全域に設ける他、各フォイル22の下流側端部の一部領域、例えば、下流端縁22cの頂部(最も下流側に配された部分)を含む一部領域に設けてもよい。また、薄肉部22gの幅Aや肉厚を場所によって異ならせてもよい。 The thin-walled portion 22g may be provided over the entire downstream end of each foil 22 as shown in FIG. 5, or may be provided over a portion of the downstream end of each foil 22, such as a portion including the apex of the downstream edge 22c (the portion located most downstream). The width A and thickness of the thin-walled portion 22g may vary depending on the location.

軸6の回転時には、図6に示すように、各フォイル22の下流側端部が最もスラストカラー6aに接近する。本実施形態では、各フォイル22の下流側端部に薄肉部22gを設けることで、この領域の剛性{スラストカラー6aから遠ざかる側(図6の下側)への変位しにくさ}を低下させている。これにより、スラスト軸受隙間Gtの空気膜の圧力により、各フォイル22の下流側端部(薄肉部22g)が容易に変位してスラストカラー6aから遠ざかるため、各フォイル22の下流側端部とスラストカラー6aとの接触を防止することができる。この場合、各フォイル22の薄肉部22gの厚さを調整するだけで、各フォイル22の下流側端部の剛性を調整することができるため、各フォイル22の軸受面Sの面積は変わらず、負荷容量が維持される。 When the shaft 6 rotates, as shown in FIG. 6, the downstream end of each foil 22 is closest to the thrust collar 6a. In this embodiment, the downstream end of each foil 22 is provided with a thin portion 22g, which reduces the rigidity of this region (resistance to displacement away from the thrust collar 6a (to the lower side in FIG. 6)). As a result, the downstream end (thin portion 22g) of each foil 22 is easily displaced away from the thrust collar 6a by the pressure of the air film in the thrust bearing gap Gt, preventing contact between the downstream end of each foil 22 and the thrust collar 6a. In this case, the rigidity of the downstream end of each foil 22 can be adjusted simply by adjusting the thickness of the thin portion 22g of each foil 22, so that the area of the bearing surface S of each foil 22 does not change and the load capacity is maintained.

また、図示例では、薄肉部22gの肉厚が、下流端縁22c側(図11の左側)ほど薄くなっている。これにより、薄肉部22gの上流側部分(下流端縁22cから離れた領域)の肉厚を厚めにしてこの部分の剛性をある程度確保することができる。このため、薄肉部22gの上流側部分が、スラスト軸受隙間Gtの流体圧で屈曲することを防止することができる。 In the illustrated example, the thickness of the thin-walled portion 22g becomes thinner toward the downstream edge 22c (left side of FIG. 11). This makes it possible to ensure a certain degree of rigidity in the upstream portion of the thin-walled portion 22g (area away from the downstream edge 22c) by making the thickness thicker. This makes it possible to prevent the upstream portion of the thin-walled portion 22g from bending due to the fluid pressure in the thrust bearing gap Gt.

図6に示すように、本実施形態では、隣接する3枚のフォイル22(1),22(2),22(3)のうち、最も上流側のフォイル22(1)の下流端縁22c(1)と最も下流側のフォイル22(3)の上流端縁22d(3)との間に周方向の隙間Cを設けることで、各フォイル22の下流側端部の剛性を低下させている。しかし、この隙間Cが大きすぎると、負荷容量が低下するため好ましくない。本実施形態では、上記のようにフォイル22の薄肉部22gの厚さでバネ性を低下させているため、上記の隙間Cを小さくすることができ、例えばC≦0.5mmとすることができる。なお、特に必要が無ければ、上記の隙間Cを省略してもよい。 As shown in FIG. 6, in this embodiment, among the three adjacent foils 22(1), 22(2), and 22(3), a circumferential gap C is provided between the downstream edge 22c(1) of the most upstream foil 22(1) and the upstream edge 22d(3) of the most downstream foil 22(3), thereby reducing the rigidity of the downstream end of each foil 22. However, if this gap C is too large, it is not preferable because the load capacity decreases. In this embodiment, since the springiness is reduced by the thickness of the thin portion 22g of the foil 22 as described above, the above gap C can be made small, for example, C≦0.5 mm. Note that the above gap C may be omitted if not particularly necessary.

次に、上記のような薄肉部22gを有するフォイル22の製造方法、特にフォイル部材60(図7参照)の加工方法について説明する。 Next, we will explain the manufacturing method of the foil 22 having the thin-walled portion 22g as described above, and in particular the processing method of the foil member 60 (see Figure 7).

フォイル部材60は、一枚の箔材(フォイル)から形成される。箔材の加工方法としては、例えばワイヤーカットやレーザ加工が挙げられるが、何れの加工方法でも加工面にバリが発生する。フォイル22に形成されたバリが脱落してスラスト軸受隙間Gtに混入すると、最悪の場合、フォイル22の破損を招くおそれがある。また、ワイヤー径やレーザ径には制約があるため、フォイル22間の切り込み62の幅(すなわち、図6に示すスラストフォイル軸受20のフォイル22間の回転方向隙間C)は、それ程小さくすることはできない。 The foil member 60 is formed from a single piece of foil material. Methods for processing the foil material include, for example, wire cutting and laser processing, but both methods result in burrs on the processed surface. If the burrs formed on the foil 22 fall off and get into the thrust bearing gap Gt, in the worst case scenario, this could lead to damage to the foil 22. In addition, because there are restrictions on the wire diameter and laser diameter, the width of the cut 62 between the foils 22 (i.e., the rotational gap C between the foils 22 of the thrust foil bearing 20 shown in Figure 6) cannot be made very small.

そこで、箔材にエッチングを施してフォイル部材60を形成することが好ましい。エッチングは、箔材の不要部分を溶解する加工方法であり、加工面にバリが発生しない。また、エッチングでは、箔材のうち、除去しない面にマスキングを施すだけで、所望の形状のフォイル部材60が得られるため、フォイル22間の切り込み62の幅(すなわち、図6の隙間Cの大きさ)を自由に設定することができる。 Therefore, it is preferable to form the foil member 60 by etching the foil material. Etching is a processing method that dissolves unnecessary parts of the foil material, and does not produce burrs on the processed surface. Furthermore, with etching, the foil member 60 can be obtained in the desired shape simply by masking the surfaces of the foil material that are not to be removed, so the width of the cut 62 between the foils 22 (i.e., the size of the gap C in Figure 6) can be freely set.

本実施形態では、箔材にマスキングを施してエッチングすることにより、図7に示す形状を有するフォイル部材60を形成する。このときのフォイル部材60は、全域で肉厚が均一である。その後、フォイル部材60のうち、各フォイル22の薄肉部22gの形成領域(図5参照)を除く全ての領域にマスキングを施して、エッチングすることにより、各フォイル22の下流端端部に薄肉部22gを形成する。エッチングで加工した薄肉部22gの表面には、通常、図11(A)あるいは(D)に示すような凹曲面が形成される。フォイルに対して片面のみからエッチングを施すことで、図11(A)に示すような凹曲面が設けられ、フォイルに対して両面からエッチングを施すことで、図11(D)に示すような凹曲面が設けられる。 In this embodiment, the foil material is masked and etched to form the foil member 60 having the shape shown in FIG. 7. The foil member 60 at this time has a uniform thickness over the entire area. Then, the foil member 60 is masked over all areas except the areas where the thin-walled portions 22g of each foil 22 are formed (see FIG. 5), and etched to form the thin-walled portions 22g at the downstream end of each foil 22. The surface of the thin-walled portion 22g processed by etching usually has a concave curved surface as shown in FIG. 11(A) or (D). By etching only one side of the foil, a concave curved surface as shown in FIG. 11(A) is formed, and by etching both sides of the foil, a concave curved surface as shown in FIG. 11(D) is formed.

なお、薄肉部22gは、エッチングに限らず、型成形(プレス成形)や機械加工により形成することもできる。図11(B),(C),(E),(F)に示すような断面形状の薄肉部22gは、型成形や機械加工で形成する他、エッチングの処理条件を工夫して形成することもできる。 The thin-walled portion 22g can be formed not only by etching, but also by molding (press molding) or machining. The thin-walled portion 22g having the cross-sectional shape shown in Figures 11(B), (C), (E), and (F) can be formed by molding or machining, or by adjusting the etching processing conditions.

本発明の上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. Other embodiments of the present invention will be described below, but duplicate explanations of points similar to the above-described embodiment will be omitted.

スラストフォイル軸受20は、起動停止の際にフォイル22の軸受面Sとスラストカラー6aとが摺動する。そこで、各フォイル22の軸受面Sに潤滑被膜を設けることで、軸受面Sの摺動性が高められる。例えば、図12(A)や図12(B)に示す例では、各フォイル22が、基材24と、基材24の表面に形成された潤滑被膜25とを有し、潤滑被膜25に軸受面Sが設けられる。潤滑被膜25は、フォイル22の本体部22aのうち、少なくとも下流側端部に設けられ、例えば、トップフォイル部Tf(軸受面S)の全域に設けられる。 In the thrust foil bearing 20, the bearing surface S of the foil 22 slides against the thrust collar 6a when starting and stopping. Therefore, by providing a lubricating film on the bearing surface S of each foil 22, the sliding properties of the bearing surface S are improved. For example, in the example shown in Figure 12 (A) and Figure 12 (B), each foil 22 has a substrate 24 and a lubricating film 25 formed on the surface of the substrate 24, and the bearing surface S is provided on the lubricating film 25. The lubricating film 25 is provided on at least the downstream end of the main body portion 22a of the foil 22, for example, on the entire area of the top foil portion Tf (bearing surface S).

潤滑被膜25としては、樹脂系バインダーを用いたものや、無機系バインダーを用いたものを使用することができる。潤滑被膜25に求められる機能として、スラストカラー6aに対する摺動性(低摩擦性)や、フォイル22の基材24との密着性が挙げられる。樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜25は、基材24との密着性や耐摩耗性に優れているが、被膜厚さの影響によりフォイル22の基材24の元々の特性(可撓性)を変えてしまい、それによりフォイル22の追従性が低下する場合がある。一方、無機系バインダーを用いた潤滑被膜25は、フォイル22の基材24の特性を変化させにくいが、基材24との密着性が低く、基材24から剥がれやすいという問題がある。 The lubricating coating 25 may be one using a resin-based binder or one using an inorganic binder. The functions required of the lubricating coating 25 include sliding properties (low friction) against the thrust collar 6a and adhesion to the base material 24 of the foil 22. The lubricating coating 25 using a resin-based binder has excellent adhesion to the base material 24 and wear resistance, but the thickness of the coating may change the original characteristics (flexibility) of the base material 24 of the foil 22, which may reduce the tracking ability of the foil 22. On the other hand, the lubricating coating 25 using an inorganic binder is less likely to change the characteristics of the base material 24 of the foil 22, but has the problem of low adhesion to the base material 24 and being easily peeled off from the base material 24.

そこで、本実施形態では、各フォイル22の薄肉部22gにおける基材24の表面の面粗度を、上流側に隣接する領域における基材24の表面の面粗度よりも大きくした。具体的には、例えば、薄肉部22gをエッチングで加工することにより、薄肉部22gの表面の面粗度は、エッチングを施していない面の面粗度よりも大きくなる。従って、図7に示す形状の基材(フォイル部材60)を形成した後、各フォイル22の下流側端部のみにエッチングを施すことにより、この領域に薄肉部22gを形成すると同時に、この領域の基材24の表面を粗面化して無数の微小凹部24aを形成することができる。こうして形成された微小凹部24aに、潤滑被膜25の一部が入り込むことにより、基材24と潤滑被膜25との密着性が改善される。 Therefore, in this embodiment, the surface roughness of the substrate 24 in the thin portion 22g of each foil 22 is made larger than the surface roughness of the substrate 24 in the adjacent region on the upstream side. Specifically, for example, by etching the thin portion 22g, the surface roughness of the thin portion 22g becomes larger than the surface roughness of the unetched surface. Therefore, after forming the substrate (foil member 60) having the shape shown in FIG. 7, etching is performed only on the downstream end of each foil 22, thereby forming the thin portion 22g in this region and at the same time roughening the surface of the substrate 24 in this region to form countless minute recesses 24a. Part of the lubricating coating 25 enters the minute recesses 24a formed in this way, improving the adhesion between the substrate 24 and the lubricating coating 25.

スラストフォイル軸受20をガスタービンに組み込んだ後、慣らし運転を行うことにより、各フォイル22の軸受面Sとスラストカラー6aとが摺動し、フォイル22の下流側端部を含む領域に荷重が加わる。この荷重により、余分な潤滑被膜25が削り取られて潤滑被膜25の厚さのバラつきが低減されると共に、フォイル22の薄肉部22gの基材24の表面に形成された微小凹部24aに潤滑被膜25が押し込まれ、基材24と潤滑被膜25との密着性が高められる。なお、樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜25も使用可能であるが、被膜が硬く、慣らし運転に時間がかかるため、生産性の面でも無機系バインダーを用いた潤滑被膜25が有利である。 After the thrust foil bearing 20 is installed in the gas turbine, a break-in operation is performed, causing the bearing surface S of each foil 22 to slide against the thrust collar 6a, and a load is applied to the area including the downstream end of the foil 22. This load removes excess lubricating coating 25, reducing the variation in thickness of the lubricating coating 25, and also presses the lubricating coating 25 into the minute recesses 24a formed on the surface of the substrate 24 of the thin portion 22g of the foil 22, improving the adhesion between the substrate 24 and the lubricating coating 25. Note that a lubricating coating 25 using a resin-based binder can also be used, but the coating is hard and requires a long break-in operation, so a lubricating coating 25 using an inorganic binder is advantageous in terms of productivity.

以上の実施形態では、スラストフォイル軸受20の各フォイル22の下流側端部に薄肉部22gを設けた場合を示したが、薄肉部22gを設ける場所はこれに限られない。例えば、各フォイル22の内径側端部(内径端縁22eおよびその近傍)に薄肉部22gを設けてもよい。あるいは、各フォイル22の下流側端部および内径側端部の双方に薄肉部22gを設けてもよい。 In the above embodiment, the thin-walled portion 22g is provided at the downstream end of each foil 22 of the thrust foil bearing 20, but the location where the thin-walled portion 22g is provided is not limited to this. For example, the thin-walled portion 22g may be provided at the inner diameter end (inner diameter edge 22e and its vicinity) of each foil 22. Alternatively, the thin-walled portion 22g may be provided at both the downstream end and the inner diameter end of each foil 22.

また、上記のスラストフォイル軸受は一例であり、フォイルやフォイルホルダの構成を上記と異ならせてもよい。例えば、上記の実施形態では、ラジアルフォイル軸受10の複数のフォイル12を一つずつ別体に形成しているが、複数のフォイル12のいくつかあるいは全部を、連結部で連結した状態で一枚のフォイルから一体に形成してもよい。また、スラストフォイル軸受20の全てのフォイル22を別体に形成した後、各フォイル22をフォイルホルダ21に取り付けてもよい。 The above-mentioned thrust foil bearing is just one example, and the configuration of the foils and foil holder may be different from that described above. For example, in the above embodiment, the multiple foils 12 of the radial foil bearing 10 are formed separately one by one, but some or all of the multiple foils 12 may be integrally formed from a single foil while being connected by a connecting portion. Also, after all of the foils 22 of the thrust foil bearing 20 are formed separately, each foil 22 may be attached to the foil holder 21.

本発明は、リーフ型のフォイル軸受に限らず、他のフォイル軸受に適用することも可能である。例えば、波型のバンプフォイルでフォイルを背後(軸受面と反対側)から支持することでフォイルにバネ性を付与する、いわゆるバンプ型のフォイル軸受に、本発明を適用することもできる。この場合、フォイルのうち、回転部材と摺動しやすい端部(例えば、下流側の端部)を含む領域に薄肉部を設けることで、この端部におけるバネ性を低下させて、回転部材との摺動を防止することができる。 The present invention is not limited to leaf-type foil bearings, and can be applied to other foil bearings. For example, the present invention can be applied to so-called bump-type foil bearings, in which a corrugated bump foil supports the foil from behind (the side opposite the bearing surface) to impart springiness to the foil. In this case, by providing a thin-walled portion in an area of the foil that includes an end portion (e.g., the downstream end portion) that is likely to slide against the rotating member, the springiness of this end portion can be reduced, and sliding with the rotating member can be prevented.

また、本発明は、スラストフォイル軸受に限らず、ラジアルフォイル軸受に適用することも可能である。例えば、図3に示すラジアルフォイル軸受10の各フォイル12の下流側端部に、上流側に隣接する領域よりも薄い薄肉部を設けることができる。 The present invention is not limited to thrust foil bearings, but can also be applied to radial foil bearings. For example, the downstream end of each foil 12 of the radial foil bearing 10 shown in FIG. 3 can be provided with a thin-walled portion that is thinner than the adjacent upstream region.

6 軸
6a スラストカラー
10 ラジアルフォイル軸受
11 外方部材
12 フォイル
20 スラストフォイル軸受
21 フォイルホルダ
22 フォイル
22a 本体部
22b 延在部
22g 薄肉部
23 固定部材
24 基材
24a 微小凹部
25 潤滑被膜
60 フォイル部材
Bf バックフォイル部
Tf トップフォイル部
Gr ラジアル軸受隙間
Gt スラスト軸受隙間
S スラスト軸受面
Reference Signs List 6: shaft 6a; thrust collar 10: radial foil bearing 11: outer member 12: foil 20: thrust foil bearing 21: foil holder 22: foil 22a: main body portion 22b: extension portion 22g: thin-walled portion 23: fixing member 24: substrate 24a: minute recess 25: lubricating coating 60: foil member Bf: back foil portion Tf: top foil portion Gr: radial bearing gap Gt: thrust bearing gap S: thrust bearing surface

Claims (7)

支持すべき回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルと、前記複数のフォイルが取り付けられたフォイルホルダとを有し、各フォイルの下流側の端部を含む領域が、下流側に隣接するフォイルの上に重ねて配され、この領域に軸受面が形成されたフォイル軸受において、
各フォイルの下流側の端部が、前記フォイルホルダに取り付けられていない自由端であり、
各フォイルの下流側の端部が、前記回転方向及び各フォイルの厚さ方向と直交する方向の中間部を下流側に突出させた凸形状をなし、
各フォイルの凸形状をなした下流側の端部の頂部を含む領域に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受。
A foil bearing includes a plurality of foils arranged in a rotational direction of a rotating member to be supported, and a foil holder to which the plurality of foils are attached, and a region including a downstream end of each foil is arranged to overlap an adjacent foil on the downstream side, and a bearing surface is formed in this region,
a downstream end of each foil is a free end that is not attached to the foil holder;
The downstream end of each foil has a convex shape in which an intermediate portion in a direction perpendicular to the rotation direction and the thickness direction of each foil protrudes downstream,
A foil bearing in which a thin-walled portion is provided in an area including the apex of the convex downstream end of each foil, the thickness of which is thinner than that of the adjacent upstream area.
前記薄肉部の肉厚が、前記端部の縁に近づくほど徐々に薄くなっている請求項1に記載のフォイル軸受。 A foil bearing as described in claim 1, in which the thickness of the thin-walled portion gradually decreases as it approaches the edge of the end portion. 前記薄肉部の、前記端部の縁の延在方向と直交する方向の寸法を1mm以下とした請求項1又は2に記載のフォイル軸受。 A foil bearing according to claim 1 or 2, in which the dimension of the thin-walled portion in a direction perpendicular to the direction in which the edge of the end extends is 1 mm or less. 隣接する3枚のフォイルのうち、最も下流側のフォイルの上流側の端部と最も上流側のフォイルの下流側の端部との間に、回転方向の隙間が形成された請求項1~3の何れか1項に記載のフォイル軸受。 A foil bearing according to any one of claims 1 to 3, in which a gap is formed in the rotational direction between the upstream end of the most downstream foil and the downstream end of the most upstream foil among the three adjacent foils. 前記回転方向の隙間が0.5mm以下である請求項4に記載のフォイル軸受。 The foil bearing according to claim 4, in which the gap in the rotational direction is 0.5 mm or less. 軸受面が形成されたフォイルを有するフォイル軸受において、
前記フォイルの端部に、前記端部の縁と反対側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設け、
前記フォイルが、基材と、前記基材の表面に形成され、前記軸受面が設けられた潤滑被膜とを有し、
前記薄肉部における基材の表面の面粗度が、隣接する領域の基材の表面の面粗度よりも大きいフォイル軸受。
In a foil bearing having a foil on which a bearing surface is formed,
a thin-walled portion is provided at an end of the foil, the thin-walled portion being thinner than an adjacent region on the opposite side of the edge of the end;
the foil has a substrate and a lubricating coating formed on a surface of the substrate and provided with the bearing surface;
A foil bearing in which the surface roughness of the substrate in the thin-walled portion is greater than the surface roughness of the substrate in an adjacent region.
前記潤滑被膜が、無機バインダーを含む請求項6に記載のフォイル軸受。 The foil bearing according to claim 6, wherein the lubricating coating contains an inorganic binder.
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