WO2017065181A1 - フォイル軸受 - Google Patents

フォイル軸受 Download PDF

Info

Publication number
WO2017065181A1
WO2017065181A1 PCT/JP2016/080271 JP2016080271W WO2017065181A1 WO 2017065181 A1 WO2017065181 A1 WO 2017065181A1 JP 2016080271 W JP2016080271 W JP 2016080271W WO 2017065181 A1 WO2017065181 A1 WO 2017065181A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
foil
bearing
top foil
shaft
particles
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/080271
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
真人 吉野
Original Assignee
Ntn株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2015204823A external-priority patent/JP6622054B2/ja
Priority claimed from JP2015204826A external-priority patent/JP2017075680A/ja
Application filed by Ntn株式会社 filed Critical Ntn株式会社
Priority to US15/767,671 priority Critical patent/US10480568B2/en
Priority to EP16855434.3A priority patent/EP3364059B1/en
Priority to CN201680060491.6A priority patent/CN108138843B/zh
Publication of WO2017065181A1 publication Critical patent/WO2017065181A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/024—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with flexible leaves to create hydrodynamic wedge, e.g. radial foil bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/06—Arrangements of bearings; Lubricating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/02—Sliding-contact bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0603—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • F16C32/0607—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion the gas being retained in a gap, e.g. squeeze film bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0629—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a liquid cushion, e.g. oil cushion
    • F16C32/0633—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a liquid cushion, e.g. oil cushion the liquid being retained in a gap
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1095—Construction relative to lubrication with solids as lubricant, e.g. dry coatings, powder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/166—Sliding contact bearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/057—Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/50—Bearings
    • F05D2240/54—Radial bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2240/00—Specified values or numerical ranges of parameters; Relations between them
    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/60—Thickness, e.g. thickness of coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2300/00—Application independent of particular apparatuses
    • F16C2300/20—Application independent of particular apparatuses related to type of movement
    • F16C2300/22—High-speed rotation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2300/00—Application independent of particular apparatuses
    • F16C2300/40—Application independent of particular apparatuses related to environment, i.e. operating conditions
    • F16C2300/54—Application independent of particular apparatuses related to environment, i.e. operating conditions high-temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C43/00—Assembling bearings
    • F16C43/02—Assembling sliding-contact bearings

Definitions

  • the present invention relates to a foil bearing.
  • the main shaft of a turbomachine (for example, a gas turbine or turbocharger) rotates at high speed in a high temperature environment.
  • a turbomachine for example, a gas turbine or turbocharger
  • a foil bearing is known as a bearing that can easily manage the gap width of a bearing gap even in an environment in which a whirl is unlikely to occur and a temperature change is large.
  • a foil bearing consists of a thin metal plate (foil) that has low rigidity against bending and supports the load by allowing the bearing surface to bend. It is characterized by being automatically adjusted to an appropriate width according to conditions and the like.
  • Patent Document 1 discloses an example of a radial foil bearing that supports a radial load.
  • Patent Document 1 discloses that a DLC film and titanium aluminite are formed on the surface of each foil that forms a bearing gap with the shaft. It is disclosed to form a film such as a ride film or a molybdenum disulfide film.
  • an object of the present invention is to provide a foil bearing that can quickly float a shaft at the time of startup. Moreover, it aims at providing the foil bearing which enabled it to maintain the effect over a long period of time.
  • the present invention provides a top foil portion having a bearing surface that forms a bearing gap between the shaft to be supported and a back surface of the top foil portion, and the top foil portion is elastic.
  • a foil bearing that supports the relative rotation of the shaft in a non-contact state with fluid pressure generated in the bearing gap, and particles are supplied to the bearing gap, and the top foil section
  • a fluid control unit is provided that generates a fluid flow from both end portions in a direction along the surface and perpendicular to the relative rotation direction to a region between the both end portions.
  • the particles interposed between the two surfaces facing each other via the bearing gap function as a spacer while the rotation side member (for example, the shaft) is stopped.
  • a minute gap is formed between the two surfaces. In this case, since air is easily drawn into the minute gap immediately after the shaft starts rotating, it is possible to promptly generate fluid dynamic pressure in the wedge space and to float the shaft early.
  • the fluid control unit since the fluid control unit generates a fluid flow from the both end portions of the top foil portion toward the region between the top foil portion in the bearing gap, it is possible to prevent the leakage of particles outside the bearing gap. Therefore, even if the foil bearing is used for a long period of time, the particles in the bearing gap are not depleted, and the above-described effect produced by the particles can be obtained for a long period of time.
  • the fluid control unit can be formed by a step in the width direction of the bearing gap. This step can be formed by elastically deforming the top foil portion following the shape of the support portion.
  • the flow direction of the fluid can be controlled by arbitrarily changing the shape of the fluid control part (step) by adjusting the support reaction force at each part of the support part.
  • foils are arranged at a plurality of locations in the relative rotation direction, and each foil is provided with the top foil portion and an under foil portion that supports an adjacent top foil portion from behind, and the under foil portion constitutes the support portion. can do.
  • the top foil part is elastically deformed following the shape of the notch part, so only the shape of the notch part is changed. It becomes possible to control the shape of the fluid control part (step part).
  • the present invention also provides a top foil portion having a bearing surface that forms a bearing gap with a shaft to be supported, and a support portion that is disposed behind the top foil portion and elastically supports the top foil portion.
  • a top foil portion having a bearing surface that forms a bearing gap with a shaft to be supported, and a support portion that is disposed behind the top foil portion and elastically supports the top foil portion.
  • the particles interposed between the two surfaces facing each other via the bearing gap function as a spacer while the rotation side member (for example, the shaft) is stopped.
  • a minute gap is formed between the two surfaces. In this case, since air is easily drawn into the minute gap immediately after the shaft starts rotating, it is possible to promptly generate fluid dynamic pressure in the wedge space and to float the shaft early.
  • a minute gap can be formed by reliably interposing particles between two surfaces that form a bearing gap when the shaft is stopped. Therefore, fluid dynamic pressure can be quickly generated in the wedge space, and the shaft can be floated at an early stage, so that the rotating side member can be promptly shifted to the steady rotation state.
  • the particle collecting part is preferably provided in the vicinity of the maximum pressure generating part of the top foil part and on the counter-rotating direction side of the maximum pressure generating part. Since the maximum pressure generating portion of the top foil portion is a region having a narrow bearing gap, by adopting such a configuration, when the shaft is stopped, the shaft easily comes into contact with particles deposited on the particle collecting portion.
  • the particle collecting part described above can be formed by partially thinning the top foil part.
  • the amount of particles deposited in the particle collecting portion can be increased.
  • foils are arranged at a plurality of locations in the relative rotational direction, and each foil is provided with the top foil part and an underfoil part that supports an adjacent top foil part from the back, and the underfoil part supports the foil. Can be configured.
  • top foil portions are arranged at a plurality of locations in the relative rotational direction, and a wide portion where the width of the bearing gap is larger than the minimum width at a boundary portion between adjacent top foil portions. If a flow hole that penetrates the front and back of the top foil part and opens to the wide part is provided in the top foil part on the counter-rotating direction side of the wide part, the flow of fluid ejected from the flow hole Thus, the particles deposited on the top foil part can be blown off. Therefore, the particles can be reused by flowing in the bearing gap.
  • the wedge space can be quickly formed.
  • fluid dynamic pressure can be generated and the shaft can be levitated early. Therefore, it becomes possible to quickly shift the rotation-side member to the steady rotation state. Further, since the particles can be prevented from leaking out of the bearing gap, the above effect can be stably obtained over a long period of time.
  • FIG. 12 is an enlarged view of a cross section taken along line XX in FIG.
  • FIG. 13 is a sectional view taken along line YY in FIG. It is the top view which looked at two foils connected from the surface side. It is the top view which looked at two foils connected from the surface side. It is the top view which looked at two foils connected from the surface side. It is the top view which looked at two foils connected from the surface side. It is sectional drawing which expands and shows the bearing clearance of a foil bearing. It is the top view which looked at two foils connected from the surface side. It is sectional drawing which expanded the edge part of the rotation direction side of a particle
  • FIG. 1 conceptually shows a configuration of a gas turbine device called a micro gas turbine as an example of a turbo machine.
  • the gas turbine apparatus includes a turbine 1 having a blade row, a compressor 2, a generator 3, a combustor 4, and a regenerator 5 as main components.
  • the turbine 1 and the compressor 2 are attached to a shaft 6 extending in the horizontal direction and constitute a rotor on the rotating side together with the shaft 6.
  • One axial end of the shaft 6 is connected to the generator 3.
  • this micro gas turbine is operated, air is sucked from the air inlet 7, and the sucked air is compressed by the compressor 2 and heated by the regenerator 5 and then sent to the combustor 4.
  • the combustor 4 mixes fuel with compressed and heated air and burns the fuel to generate high-temperature and high-pressure gas, and the turbine 1 is rotated by the gas.
  • the turbine 1 rotates, the rotational force is transmitted to the generator 3 via the shaft 6, and the generator 3 is rotationally driven.
  • the electric power generated by rotating the generator 3 is output via the inverter 8. Since the gas after rotating the turbine 1 is at a relatively high temperature, the heat of the gas after combustion is regenerated by sending this gas to the regenerator 5 and exchanging heat with the compressed air before combustion. Use.
  • the gas that has been subjected to heat exchange in the regenerator 5 is discharged as exhaust gas after passing through the exhaust heat recovery device 9.
  • FIG. 2 conceptually shows an example of a rotor support structure in the micro gas turbine shown in FIG.
  • the radial bearing 10 is disposed around the shaft 6, and the thrust bearings 30 are disposed on both sides in the axial direction of the flange portion 6 b provided on the shaft 6.
  • the shaft 6 is supported by the radial bearing 10 and the thrust bearing 30 so as to be rotatable in both the radial direction and the thrust direction.
  • the region between the turbine 1 and the compressor 2 becomes a high temperature atmosphere because it is adjacent to the turbine 1 rotated by high temperature and high pressure gas.
  • the shaft 6 rotates at a rotational speed of tens of thousands rpm or more. Therefore, as the bearings 10 and 30 used in this support structure, an air dynamic pressure bearing, particularly a foil bearing is suitable.
  • the radial foil bearing 10 is disposed at a plurality of locations in the rotational direction of the shaft 6 on the foil holder 11 having a cylindrical inner peripheral surface 11 a and the inner peripheral surface 11 a of the foil holder 11.
  • the foil bearing 10 in the illustrated example is a so-called multi-arc type foil bearing in which three foils 12 are arranged in the circumferential direction on an inner peripheral surface 11a. A shaft 6 is inserted on the inner diameter side of the foil 12.
  • the foil holder 11 can be formed of, for example, a metal (for example, a steel material) such as a sintered metal or a melted material.
  • a metal for example, a steel material
  • axial grooves 11 b serving as attachment portions of the foils 12 are formed at a plurality of locations (the same number as the number of foils) separated in the rotation direction R.
  • the foil 12 is formed by processing a belt-like foil having a thickness of about 20 ⁇ m to 200 ⁇ m made of a metal having high spring properties and good workability, such as a steel material or a copper alloy, into a predetermined shape by pressing or the like.
  • a metal having high spring properties and good workability such as a steel material or a copper alloy
  • Typical examples of steel materials and copper alloys include carbon steel and brass.
  • carbon steel there is no lubricating oil in the atmosphere and the antirust effect by oil cannot be expected. It tends to occur.
  • brass may cause cracks due to processing strain (this tendency becomes stronger as the Zn content in brass increases). Therefore, it is preferable to use a stainless steel or bronze foil as the belt-like foil.
  • the foil 12 has a first region 12a on the rotation direction R side of the shaft 6 and a second region 12b on the counter-rotation direction side.
  • the first region 12a includes a top foil portion 12a1 that forms the bearing surface X, and both ends of a direction N (hereinafter simply referred to as “orthogonal direction N”) that is along the surface of the top foil portion 12a1 and orthogonal to the rotational direction R. And a convex portion 12a2 provided in the center and projecting in the rotation direction R. A minute notch 12a3 extending in the counter-rotating direction from the foil edge is provided at the base end of the convex portion 12a2.
  • each cutout portion 12b2 At the rear end 12d (end portion on the counter-rotation direction side) of the second region 12b, two cutout portions 12b2 that are spaced apart in the orthogonal direction N and recessed toward the rotation direction R are formed.
  • the width dimension in the orthogonal direction N of each notch 12b2 is gradually reduced toward the rotation direction R.
  • each cutout portion 12b2 can also be formed in a substantially V shape with the top portion being pointed.
  • Protruding portions 12b1 that protrude in the counter-rotating direction are formed on both sides of each cutout portion 12b2 in the orthogonal direction.
  • insertion ports 12c1, 12c2, and 12c1 into which the convex portions 12a2 of the adjacent foils 12 are inserted are provided.
  • the insertion ports 12 c 1 at both ends extend linearly in the orthogonal direction N and open at both ends of the foil 12.
  • the central insertion port 12c2 includes a linear notch portion extending along the orthogonal direction N, and a wide notch portion extending from the notch portion in the counter-rotating direction and having a circular arc at the tip. Become.
  • the first region 12a and the second region 12b are connected by the region 12c3 between the insertion ports 12c1, 12c2, and 12c1.
  • the two foils 12 are connected by inserting the convex portions 12a2, 12a2, 12a2 of one foil 12 into the insertion ports 12c1, 12c2, 12c1 of the adjacent foils 12, respectively. Can do.
  • one of the two foils 12 after the combination is given a gray color.
  • each foil 12 can be made into the state of a temporary assembly by connecting the three foils 12 in the periphery shape by the joint method similar to FIG.
  • the foil bearing 10 is assembled by making this temporary assembly into a cylindrical shape and inserting it into the inner periphery of the foil holder 11 in the direction of arrow B2, as shown in FIG.
  • the convex portion 12 a 2 of each foil 12 is opened in the axial groove 11 b (opened on one end face of the foil holder 11. 7)) from one side in the axial direction.
  • the three foils 12 are attached to the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 in a state of being arranged in the rotation direction R.
  • the convex portion 12 a 2 formed at the end of the rotation direction R of each foil 12 is held by the foil holder 11 behind the adjacent foil 12.
  • the convex portion 12a2 of each foil 12 is fitted in the axial groove 11b of the foil holder 11 through the insertion port 12c1 (12c2) of the adjacent foil 12.
  • the second region 12b located on the counter-rotating direction side of each foil 12 is arranged between the top foil portion 12a1 of the adjacent foil 12 and the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 to constitute an underfoil portion.
  • the underfoil portion 12b functions as a support portion that elastically supports the top foil portion 12a1 of the adjacent foil 12 from behind.
  • a portion where the top foil portion 12a1 and the underfoil portion 12b overlap constitutes a foil overlap portion W.
  • the foil overlapping portions W are formed at a plurality of locations (three locations in the present embodiment) in the rotation direction R.
  • one end (convex portion 12 a 2) on the rotation direction R side of each foil 12 is attached to the foil holder 11, and the region on the counter-rotation direction side is engaged with other foils 12.
  • the adjacent foils 12 are in a state of sticking to each other in the rotation direction R, so that the top foil part 12a1 of each foil 12 projects to the foil holder 11 side, and the shape along the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 To curve.
  • each foil 12 in the rotation direction R side is restricted because the convex portion 12a2 of each foil 12 hits the axial groove 11b, but the movement of each foil 12 in the counter rotation direction side is not restricted,
  • Each foil 12 is movable in the counter-rotating direction.
  • the top foil portion 12a1 tends to bend in the direction opposite to the bending direction of the entire foil 12 (the bending direction of the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11). Moreover, the top foil part 12a1 rises in a state inclined in a direction away from the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 by riding on the underfoil part 12b. By these actions, the top foil portion 12a1 is elastically supported by the foil holder 11, and therefore the top foil portion 12a1 can be deformed following the displacement of the shaft 6, thermal expansion, or the like.
  • the top foil portion 12 a 1 and the outer peripheral surface of the shaft 6 come into contact immediately after the rotation of the shaft 6 and immediately before the shaft 6 stops.
  • the coating film 21 is formed on one or both of them (FIG. 9 illustrates the case where the coating film 21 is formed on the surface of the top foil portion 12a1).
  • a DLC film for example, a DLC film, a titanium aluminum nitride film, a tungsten disulfide film, a molybdenum disulfide film, or a resin film can be used.
  • the film 21 is formed at least on the surface of the top foil portion 12a1, but the film 21 may be formed on the other surface of the foil 12 (for example, the entire surface including the back surface of the foil 12). Further, the coating 21 may be formed on the inner peripheral surface 11 a of the foil holder 11.
  • a large number of particles 23 are supplied into the radial bearing gap C when the assembly is completed. As shown in FIG. 9, during the rotation of the shaft 6, the particles 23 float and flow in the radial bearing gap C.
  • the particles 23 are interposed between two surfaces (in this embodiment, the outer peripheral surface of the shaft 6 and the surface of the coating 21) facing each other through the radial bearing gap C.
  • a minute gap Cs is formed between these two surfaces.
  • the two surfaces do not adhere to each other. Therefore, air is likely to be drawn into the minute gap Cs immediately after the rotation of the shaft 6 is started (air flow is indicated by a black arrow in the figure), and sufficient air pressure (dynamic pressure) is quickly applied to the wedge space. It can be generated and the shaft 6 can be lifted. Therefore, the shaft 6 can be quickly shifted to steady rotation.
  • the particles 23 When the hardness of the particles 23 is higher than the hardness of the surface of the top foil portion 12a1 or the outer peripheral surface of the shaft 6, the particles 23 function as abrasive grains and are formed by oxidizing the wear powder of the base material (this wear powder is oxidized). Production of the oxide powder). Since the wear powder contributes to the formation of the gap Cs at the start-up as described above, there is no particular problem in promoting the generation of the wear powder itself. On the other hand, when the hardness of the particles 23 is about the same as or less than the surface of the top foil portion 12a1 or the surface of the shaft 6, the particles 23 are difficult to bite between the surface of the top foil portion 12a1 and the surface of the shaft 6.
  • the material of the particles 23 is not particularly limited.
  • powders of metal oxides such as iron oxide (Fe 2 O 3 ) and alumina (Al 2 O 3 ), molybdenum disulfide (MoS 2 ), and two Sulfide powder such as tungsten sulfide (WS 2 ), soft metal powder such as copper (Cu), silver (Ag), tin (Sn), zinc (Zn), carbon-based powder represented by graphite powder, etc. It can be widely used as the particles 23.
  • the powder illustrated above may use only 1 type, and may mix and use multiple types.
  • the main element (Fe) of the particle is the same as the main element contained in the material of the foil 12 and the shaft 6 by using iron oxide as the particle 23. Will do.
  • the wear powder (oxidized wear powder) generated from the foil 12 and the shaft member 6 has the same composition as the particles 23 and has the same function as the particles 23, the management of the minute gap Cs is easier.
  • the shaft 6 can be stably shifted to the steady rotation state.
  • particles having excellent lubricity, such as copper powder are used as the particles 23, the frictional force at the sliding contact portion between the shaft 6 and the top foil portion 12a1 is reduced, so that the shaft is unstable. Can be suppressed.
  • the particles 23 are formed of the same kind of material (a material having a common main element) as the material of either one or both of the foil 12 and the shaft 6 in consideration of the effect that is regarded as important, or the foil 12. And different materials (materials having different main elements) different from any of the materials of the shaft 6.
  • the particle size of the particles 23 is preferably smaller than the minimum width Cmin of the bearing gap C.
  • the particles 23 are selected so that the average particle size of the particles 23 when measured using a laser diffraction / scattering method is smaller than the minimum width Cmin of the bearing gap C. Thereby, during the steady rotation of the shaft 6, the particles 23 smoothly pass through the minimum width portion of the bearing gap C, so that the unstable behavior of the shaft 6 can be reduced. Further, it is preferable to select the particles 23 so that the average particle size of the particles 23 is equal to or greater than the surface roughness of the shaft 6 and the top foil portion 12a1 (arithmetic average roughness defined in JIS B 0601).
  • the air flow in the bearing gap C is positively controlled to prevent the particles 23 from leaking from the bearing gap C.
  • FIG. 11 shows a specific example of this idea, and is a plan view showing a state in which the joined body of two foils 12 shown in FIG. 5 is viewed from the surface side opposite to FIG.
  • the top foil portion 12 a 1 is provided with a fluid control portion 24 that generates an air flow from both end portions 121 and 122 in the orthogonal direction toward a region between the both end portions.
  • FIG. 12 shows an enlarged cross-sectional view taken along line XX in FIG.
  • the fluid control unit 24 can be formed by, for example, a tapered step portion provided on the surface of the top foil portion 12a1.
  • the step portion 24 has a step S in the width direction of the bearing gap C.
  • a step S is formed in the vicinity. While the shaft 6 is rotating, the top foil portion 12a1 is pressed against the underfoil portion 12b by the fluid pressure.
  • the top foil portion 12a1 is notched 12b2 provided at the rear end 12d of the underfoil portion 12b (FIG. 2). It is elastically deformed so as to follow the shape of reference.
  • a notch 12a3 is formed in the top foil part 12a1, and the rigidity of the top foil part 12a1 is lowered by the notch 12a3, so that the top foil part 12a1 can be elastically deformed smoothly.
  • the top foil part 12a1 Is deformed into a concave shape with the center line passing through the top of the notch 12b2 as the bottom.
  • a one-dot chain line in FIG. 11 represents an example of a contour line of the step portion 24 having the above configuration.
  • both ends of the top foil portion 12a1 are placed in the bearing gap C facing the stepped portion 24.
  • an air flow indicated by an arrow
  • an air flow in a direction inclined with respect to the orthogonal direction N is generated toward the region therebetween. Since the particles 23 in the bearing gap C ride in the air flow and flow in the bearing gap C, it is possible to prevent the particles 23 from leaking out of the bearing gap C.
  • the particles 23 adhere to the outer peripheral surface of the shaft 6 and the surface of the top foil portion 12a1 due to van der Waals force or the like, so that the leakage of the particles 23 from the bearing gap C is suppressed.
  • the foil bearing 10 is used for a long period of time, the particles 22 in the bearing gap C are not depleted, and the above-described effects produced by the particles 23 can be obtained over a long period of time.
  • the bearing gap C is the minimum width Cmin in the vicinity of the end of the stepped portion 24 on the rotation direction R side in the foil overlapped portion W.
  • a region intersecting with the extended line at the top of each notch 12b2 is the maximum pressure generating portion of the bearing gap C.
  • the maximum pressure generating portions are formed at two locations in the orthogonal direction N, the moment load can be supported by one foil bearing 10.
  • the rear end 12d adjacent to both end portions 121 and 122 of the underfoil portion 12b is formed in a straight line parallel to the orthogonal direction N, but as shown in FIG.
  • the rear end 12d may be integrated with the notch 12b2 in an inclined shape that smoothly connects to the concave notch 12b2.
  • the inclination angle of the air flow in the vicinity of the foil end portions 121 and 122 is further increased as compared with the embodiment shown in FIG. 11, so that the leakage of the particles 23 outside the bearing gap can be more reliably prevented. It becomes.
  • FIG. 11 the case where the two notches 12b2 are formed in the orthogonal direction N is exemplified, but the number of the notches 12b2 is arbitrary.
  • FIG. 16 illustrates a case where the number of the notches 12b2 is one. In this case, in the orthogonal direction N, the maximum pressure generating portion in the radial bearing gap C is formed only at one place.
  • the case where the shape of the stepped portion 24 formed in the top foil portion 12a1 is controlled by changing the shape of the cutout portion 12b1 is exemplified. It is possible to control by any method other than.
  • a method of controlling the shape of the stepped portion 24 by forming a number of protruding portions protruding in the width direction of the bearing gap C in the underfoil portion 12b and changing the arrangement pattern of the protruding portions A method of controlling the shape of the stepped portion 24 by implanting a large number of fiber bodies standing on the inner peripheral surface 11a on the peripheral surface 11a and changing the density pattern of the fiber bodies can be considered.
  • the projecting portion and the fiber body constitute a support portion that elastically supports the top foil portion 12a1.
  • the particles 23 are deposited in a partial region on the surface of the top foil portion 12a1, so that the shaft 6 immediately before stopping can easily come into contact with the particles 23.
  • 17 and 18 show specific examples of this idea. Among these, FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view showing the bearing gap in an expanded state, and FIG. 18 is a state in which the connection body of the two foils 12 shown in FIG. 5 is viewed from the surface side opposite to FIG. FIG.
  • each top foil portion 12a1 has a thin portion 124 in which the surface side (bearing gap C side) is partially thinned, and a thickness that does not have such a thinned portion.
  • a meat part 125 is formed.
  • the end 27a on the rotation direction R side of the particle collecting portion 27 is adjacent to a portion of the top foil portion 12a1 that forms the minimum width Cmin of the bearing gap C, that is, the maximum pressure generating portion 123, and generates the maximum pressure. It is provided on the counter-rotating direction side with respect to the portion 123. As shown in FIG. 18, the maximum pressure generator 123 has two locations in the orthogonal direction N corresponding to the notches 12b1 being formed in a double row herringbone shape (see FIG. 4). Formed. There is no particular restriction on the position of the end portion 27b on the counter-rotating direction side of the particle collecting portion 27.
  • the width dimension of the particle collection unit 27 in the orthogonal direction N is such that when the contour lines at both ends of the particle collection unit 27 in the orthogonal direction N are extended in the rotation direction R, respectively, It is preferable that the two maximum pressure generators 123 be included in between. Thick portions 125 are formed on both sides of the particle collection portion 27 in the rotation direction R side, the counter rotation direction side, and the orthogonal direction N, respectively.
  • the particle collecting part 27 described above can be formed, for example, by removing a part of the surface of the foil 12 by an appropriate method (etching, polishing, etc.). In addition, while making the thickness of the metal part of the top foil part 12a1 uniform, the particle collecting part 27 is adjusted by adjusting the thickness of the coating film 21 (see FIG. 9) formed on the surface of the top foil part 12a1. It can also be formed. Specifically, it is conceivable that the thickness of the coating film 21 of the particle collection unit 27 is made thinner than other places, or the formation of the coating film 21 in the particle collection unit 27 is omitted.
  • the particles 23 ride on the air flow and flow and float in the bearing gap C.
  • the particles 23 are collected and deposited in the particle collecting unit 27 as shown in FIG.
  • the particles 23 are likely to deposit near the end portion 27a on the rotation direction R side. Therefore, in the vicinity of the end 27 a of the particle collecting portion 27, the particles 23 accumulate in a state of rising beyond the bearing surface X.
  • the particles 23 are collected in the particle collecting portion 27, so that the total number of particles 23 flowing in the bearing gap C is reduced. Therefore, the unstable behavior of the shaft 6 due to the biting of the particles 23 or the like can be prevented, or the leakage of the particles 23 outside the bearing gap C can be reduced.
  • the shaft 6 that is eccentric under the influence of gravity or the like immediately before the stop is caused by the particles 23 (particularly in the vicinity of the end portion 27a in the rotation direction R) accumulated on the particle collecting portion 27. In contact with the particles 23) deposited on the surface.
  • the eccentric shaft 6 since the end 27 a on the rotation direction R side of the particle collecting portion 27 is a portion where the width of the bearing gap C is narrow, the eccentric shaft 6 contacts the particles 23 near the end 27 a in the particle collecting portion 27. It becomes easy to do.
  • the particles 23 are accumulated in a raised state at the end portion 27a, the shaft 6 is more easily brought into contact with the particles 23.
  • the minute gap Cs can be formed by reliably interposing the particles 23 between the two surfaces forming the bearing gap C.
  • the end portion 27 a on the rotation direction R side of the particle collecting portion 27 is formed in a concavo-convex shape (saw blade shape)
  • the end portion 27 a is compared with the case where the end portion 27 a is formed in a straight line shape.
  • the amount of particles 23 deposited on the portion 27a can be increased. Therefore, the above effect can be obtained more reliably.
  • the top foil portion 12a1 is elastically deformed by the pressure of the air film following the shape of the notch portion 12b1 of the underfoil portion 12b, so that a step is formed on the surface of the top foil portion 12a1. It is considered that a concave portion having s is formed, and the particles 23 are collected in the concave portion.
  • the top foil portion 12a1 is elastically restored to the natural state due to the pressure drop immediately before the shaft 6 stops, and the concave portion disappears. Therefore, the particles 23 collected in the concave portion are retained in the bearing. It is released in the gap C. Therefore, the particles 23 cannot be sufficiently adhered to the outer peripheral surface of the shaft 6.
  • the particle collection unit 27 of the present invention maintains a concave shape not only during the rotation of the shaft 6 but also from the time when the shaft 6 is decelerated until it stops. That is, the particle collecting part 27 is in a permanently installed state. This is the structural and functional difference between the particle collecting portion 27 of the present invention and the concave portion.
  • a wide portion C1 wider than the minimum width Cmin is formed in the bearing gap C near the boundary portion 25 between two adjacent foils 12.
  • the wide portion C1 is a region in which the air flow is stagnated (stagnation)
  • the particles 23 are likely to be deposited on the surface of the top foil portion 12a1 on the rotational direction side of the wide portion C1, particularly on the rotational direction side. .
  • FIG. 20 illustrates a state in which each member is developed in a planar shape for easy understanding.
  • the top foil 12a1 on the side opposite to the rotation direction with respect to the boundary portion 25 penetrates the front and back and opens to the wide portion C1.
  • 26 is preferably formed.
  • a so-called multi-arc radial foil bearing is exemplified as the foil bearing, but the form of the foil bearing is not limited to this, and the present invention can be applied to a foil bearing of any form.
  • the present invention is also applied to a so-called leaf-type foil bearing in which end portions (front ends) on the rotation direction R side are free ends among the foils 12 arranged in the rotation direction R. be able to.
  • the leaf type foil bearing among the leaves 12 attached to the foil holder 11, the region on the rotation direction R side forms the top foil portion 12a1, and the region on the counter-rotating side is the top foil portion behind the top foil portion 12a1.
  • the underfoil part 12b (support part) which supports 12a1 is comprised.
  • the shape of the stepped portion 24 can be controlled by changing the shape of the rear end 12d by providing a notch at the rear end 12d of the underfoil portion 12b.
  • the particle collecting portion 27 on the surface of the top foil portion 12a1, the particles 23 can be reliably interposed between the two surfaces forming the bearing gap C when the shaft 6 is stopped.
  • the present invention can be similarly applied to a thrust foil bearing (see reference numeral 30 in FIG. 2) that forms a thrust bearing gap between the shaft 6 and the top foil portion.
  • the shaft 6 is the rotation side member and the foil holder 11 is the fixed side member
  • the shaft 6 is the fixed side member and the foil holder 11 is the rotation side member.
  • the present invention can be applied.
  • the foil 12 serves as a rotation side member, it is necessary to design the foil 12 in consideration of deformation of the entire foil 12 due to centrifugal force.
  • each foil bearing of the present embodiment is an air dynamic pressure bearing using air as a pressure generating fluid, but is not limited thereto, and other gases can be used as the pressure generating fluid, or water or oil It is also possible to use a liquid such as

Abstract

フォイル軸受の軸受隙間に粒子２３を供給する。トップフォイル部１２ａ１に段差２４を設け、トップフォイル部１２ａ１の表面に沿う方向でかつ軸６の回転方向Ｒと直交する方向Ｎの両端部１２１，１２２から、当該両端部間の領域に向かう空気流を生じさせる。

Description

フォイル軸受
　本発明は、フォイル軸受に関する。
　ターボ機械（例えばガスタービンやターボチャージャ）の主軸は高温環境下で高速回転する。また、ターボ機械では、エネルギー効率の観点から油循環用の補機を別途設けることが困難な場合がある他、潤滑油のせん断抵抗が主軸の高速回転化の阻害要因となる場合がある。そのため、ターボ機械の主軸の支持用軸受としては、潤滑油を使用した転がり軸受や動圧軸受ではなく、圧力発生流体として空気を用いる空気動圧軸受を使用する場合が多い。
　空気動圧軸受としては、回転側の軸受面と静止側の軸受面の双方を剛体で構成したものが一般的である。しかしながら、この種の空気動圧軸受では、両軸受面間に形成される軸受隙間の隙間幅管理が不十分であると、安定限界を超えた際にホワールと称される自励的な軸の振れ回りが生じ易くなる。従って、一般的な空気動圧軸受において、軸受性能を安定的に発揮するには、軸受隙間の隙間幅を高精度に管理する必要がある。しかしながら、ターボ機械のように温度変化の大きい環境では、熱膨張の影響で軸受隙間の隙間幅が変動し易いため、軸受性能を安定的に発揮させるのが困難である。
　ホワールが生じ難く、かつ温度変化の大きい環境下でも軸受隙間の隙間幅管理を容易にできる軸受としてフォイル軸受が知られている。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金属薄板（フォイル）で軸受面を構成し、この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り、軸受隙間が運転条件等に応じた適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。例えば下記の特許文献１に、ラジアル荷重を支持するラジアルフォイル軸受の一例が開示されている。
　ところで、フォイル軸受では、特に軸の低速回転時に、軸受隙間に形成される空気膜の剛性（圧力）が十分に高まっていないため、両軸受面が繰り返し摺動接触する。このような摺動接触に伴う軸受面の摩耗や回転トルクの上昇を抑制するため、特許文献１には、軸との間で軸受隙間を形成する各フォイルの表面に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の被膜を形成することが開示されている。
特開２０１２－９２９６７号公報
　軸の停止中は、図２２に示すように、軸６の外周面とフォイル１２の表面に形成した被膜２１が広範囲にわたって接触した状態にある。この状態で、軸６の回転を開始しても、密着状態の軸６の外周面と被膜２１の間に空気がスムーズに引き込まれないため、楔空間で十分な圧力が発生せず、軸６の浮上が遅れる点が問題となる。軸の浮上遅れは、エネルギーロス等の種々の不具合を招く。
　そこで、本発明は、起動時に軸を迅速に浮上できるようにしたフォイル軸受を提供することを目的とする。また、その効果を長期にわたって維持できるようにしたフォイル軸受を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するため、本発明は、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を備えたトップフォイル部と、トップフォイル部の背後に配置され、前記トップフォイル部を弾性的に支持する支持部とを有し、前記軸受隙間に生じた流体圧力で軸の相対回転を非接触状態で支持するフォイル軸受において、前記軸受隙間に粒子が供給され、かつトップフォイル部に、その表面に沿う方向でかつ前記相対回転方向と直交する方向の両端部から、当該両端部間の領域に向かう流体流れを生じさせる流体制御部を設けたことを特徴とする。
　このように軸受隙間内に粒子を供給することにより、回転側部材（例えば軸）の停止中は、軸受隙間を介して対向する二つの面の間に介在した粒子がスペーサとして機能するため、当該二つの面の間に微小隙間が形成される。この場合、軸の回転開始直後からこの微小隙間に空気が引きこまれやすくなるため、楔空間に速やかに流体動圧を発生させて軸を早期に浮上させることが可能となる。
　また、流体制御部により、軸受隙間に、トップフォイル部の両端部から、その間の領域に向かう流体流れが発生するため、軸受隙間外への粒子の漏れを防止することが可能となる。従って、フォイル軸受を長期間使用しても軸受隙間内の粒子が枯渇することはなく、粒子が奏する上記の効果を長期間得ることができる。
　流体制御部は、前記軸受隙間の幅方向の段差で形成することができる。この段差は、支持部の形状に倣ってトップフォイル部を弾性変形させることで形成することができる。この場合、支持部の各部での支持反力を調整することにより、流体制御部（段差）の形状を任意に変更して、流体の流れ方向をコントロールすることができる。
　例えば、前記相対回転方向の複数箇所にフォイルを配置し、各フォイルに前記トップフォイル部と、隣接するトップフォイル部を背後から支持するアンダーフォイル部とを設け、アンダーフォイル部で前記支持部を構成することができる。
　アンダーフォイル部の後端に、前記相対回転方向に凹んだ切り欠き部を設ければ、トップフォイル部が切り欠き部の形状に倣って弾性変形するため、切り欠き部の形状を変更するだけで流体制御部（段差部）の形状をコントロールすることが可能となる。
　また、本発明は、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を備えたトップフォイル部と、トップフォイル部の背後に配置され、前記トップフォイル部を弾性的に支持する支持部とを有し、前記軸受隙間に生じた流体圧力で軸の相対回転を非接触状態で支持するフォイル軸受において、前記軸受隙間に粒子が供給され、かつ前記トップフォイル部の表面に、回転時および回転停止時の双方で断面凹状の形態を有する粒子捕集部を設けたことを特徴とする。
　このように軸受隙間内に粒子を供給することにより、回転側部材（例えば軸）の停止中は、軸受隙間を介して対向する二つの面の間に介在した粒子がスペーサとして機能するため、当該二つの面の間に微小隙間が形成される。この場合、軸の回転開始直後からこの微小隙間に空気が引きこまれやすくなるため、楔空間に速やかに流体動圧を発生させて軸を早期に浮上させることが可能となる。
　軸の回転中は、断面凹状の粒子捕集部内に粒子が捕集される。これにより、軸受隙間内で流動する粒子の総数が減少するので、粒子の噛み込み等による軸の不安定挙動を防止し、あるいは軸受隙間外への粒子の漏れを少なくすることができる。軸の回転を停止させると、その停止直前に偏心した軸が粒子捕集部に堆積した粒子と接触する。従って、軸の完全停止時には、軸の外周面に多くの粒子を付着させることができる。これにより、完全停止後のトップフォイル部と軸の接触部に確実に粒子を介在させることができる。
　このように本発明によれば、軸の停止時に軸受隙間を形成する二面間に確実に粒子を介在させて微小隙間を形成することができる。そのため、楔空間に速やかに流体動圧を発生させて軸を早期に浮上させることができ、回転側の部材を迅速に定常回転状態に移行させることが可能となる。
　粒子捕集部は、トップフォイル部の最大圧力発生部の近傍で、かつ当該最大圧力発生部よりも反回転方向側に設けるのが好ましい。トップフォイル部の最大圧力発生部は、軸受隙間の狭い領域であるため、かかる構成を採用することで、軸の停止時には、軸が粒子捕集部に堆積した粒子と接触し易くなる。
　以上に述べた粒子捕集部は、トップフォイル部を部分的に薄肉にすることで形成することができる。
　粒子捕集部の前記回転方向側の端部に凹凸を設けることにより、粒子捕集部における粒子の堆積量を増大させることができる。
　このフォイル軸受においては、相対回転方向の複数箇所にフォイルを配置し、各フォイルに前記トップフォイル部と、隣接するトップフォイル部を背後から支持するアンダーフォイル部とを設け、アンダーフォイル部で前記支持部を構成することができる。
　以上に述べたフォイル軸受において、粒子の粒径を、軸受隙間の最小幅よりも小さくすることにより、粒子が軸の回転中に軸受隙間の最小幅部に噛み込みにくくなる。そのため、軸の不安定挙動を抑制することができる。
　また、以上に述べたフォイル軸受において、相対回転方向の複数箇所にトップフォイル部を配置し、隣接するトップフォイル部の境界部に、前記軸受隙間の幅を、その最小幅よりも大きくした幅広部を設け、前記幅広部よりも反回転方向側のトップフォイル部に、当該トップフォイル部の表裏を貫通し、かつ前記幅広部に開口する流通孔を設ければ、流通孔から噴出する流体の流れにより、トップフォイル部上に堆積した粒子を吹き飛ばすことができる。そのため、この粒子を軸受隙間内で流動させて再利用することが可能となる。
　トップフォイル部に、その表面に沿う方向でかつ前記相対回転方向と直交する方向の両端部から、当該両端部間の領域に向かう流体流れを生じさせる流体制御部を設けることにより、楔空間に速やかに流体動圧を発生させて軸を早期に浮上させることができる。そのため、回転側の部材を迅速に定常回転状態に移行させることが可能となる。また、粒子の軸受隙間外への漏れを防止できるため、上記の効果を長期にわたり安定的に得ることができる。
マイクロガスタービンの概略構成を示す図である。 マイクロガスタービンのロータ支持構造の概略構成を示す図である。 本発明にかかるフォイル軸受の断面図である。 フォイルの平面図である。 連結した二枚のフォイルを裏面側から見た平面図である。 三枚のフォイルを仮組みした状態を示す斜視図である。 フォイルの仮組体をフォイルホルダに取り付ける様子を示す斜視図である。 フォイル重複部を拡大して示す断面図である。 トップフォイル部を拡大して示す断面図である（軸の定常回転状態）。 トップフォイル部を拡大して示す断面図である（軸の回転開始直後）。 連結した二枚のフォイルを表面側から見た平面図である。 図１１中のＸ－Ｘ線断面を拡大して表す図である。 図１２中のＹ－Ｙ線断面図である。 連結した二枚のフォイルを表面側から見た平面図である。 連結した二枚のフォイルを表面側から見た平面図である。 連結した二枚のフォイルを表面側から見た平面図である。 フォイル軸受の軸受隙間を拡大して示す断面図である。 連結した二枚のフォイルを表面側から見た平面図である。 粒子捕集部の回転方向側の端部を拡大した断面図である。 ラジアルフォイル軸受を展開して表した断面図である。 ラジアルフォイル軸受の他の実施形態を示す断面図である。 従来のフォイル軸受のトップフォイル部を拡大して示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１に、ターボ機械の一例として、マイクロガスタービンと称されるガスタービン装置の構成を概念的に示す。このガスタービン装置は、主要な構成として、翼列を形成したタービン１と、圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを備える。タービン１および圧縮機２は、水平方向に延びる軸６に取り付けられて軸６と共に回転側のロータを構成する。軸６の軸方向一端は発電機３に連結されている。このマイクロガスタービンが運転されると、吸気口７から空気が吸入され、吸入された空気は、圧縮機２で圧縮されると共に再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。燃焼器４は、圧縮・加熱された空気に燃料を混合してこれを燃焼させることにより高温・高圧のガスを発生させ、このガスによりタービン１を回転させる。タービン１が回転すると、その回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転駆動される。発電機３が回転駆動することにより生じた電力は、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、図１に示したマイクロガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を概念的に示す。この支持構造では、軸６の周囲にラジアル軸受１０が配置され、軸６に設けたフランジ部６ｂの軸方向両側にそれぞれスラスト軸受３０が配置される。これらラジアル軸受１０およびスラスト軸受３０により、軸６がラジアル方向およびスラスト両方向に回転自在に支持される。この支持構造において、タービン１と圧縮機２の間の領域は、高温・高圧のガスで回転されるタービン１に隣接している関係上高温雰囲気となる。加えて、軸６は、数万ｒｐｍ以上の回転速度で回転する。そのため、この支持構造で使用する軸受１０，３０としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。
　以下、本発明の実施の形態であって、上記のマイクロガスタービン用のラジアル軸受１０に適合するフォイル軸受を図面に基づいて説明する。
　図３に示すように、ラジアルフォイル軸受１０は、円筒面状の内周面１１ａを有するフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面１１ａ上で、軸６の回転方向の複数箇所に配置されたフォイル１２とを有する。図示例のフォイル軸受１０は、内周面１１ａに３枚のフォイル１２が周方向に並べて配置された、いわゆる多円弧型のフォイル軸受である。フォイル１２の内径側に軸６が挿入されている。
　フォイルホルダ１１は、例えば焼結金属や溶製材等の金属（例えば鋼材）で形成することができる。フォイルホルダ１１の内周面１１ａのうち、回転方向Ｒに離隔した複数箇所（フォイル数と同数）には、各フォイル１２の取り付け部となる軸方向溝１１ｂが形成されている。
　フォイル１２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の帯状フォイルを、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、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。
　図４に示すように、フォイル１２は、軸６の回転方向Ｒ側の第一領域１２ａと、反回転方向側の第二領域１２ｂとを有する。
　第一領域１２ａは、軸受面Ｘを形成するトップフォイル部１２ａ１と、トップフォイル部１２ａ１の表面に沿い、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（以下、単に「直交方向Ｎと呼ぶ」）の両端および中央に設けられ、かつ、それぞれ回転方向Ｒに突出する凸部１２ａ２とを有する。凸部１２ａ２の基端部には、フォイル縁部から反回転方向に延びる微小な切り込み１２ａ３が設けられている。
　第二領域１２ｂの後端１２ｄ（反回転方向側の端部）には、前記直交方向Ｎに離隔して、回転方向Ｒに向けて凹んだ二つの切り欠き部１２ｂ２が形成される。各切り欠き部１２ｂ２の前記直交方向Ｎにおける幅寸法は、回転方向Ｒに向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部１２ｂ２全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部１２ｂ２は、頂部を尖端状とした略Ｖ字状に形成することもできる。各切り欠き部１２ｂ２の前記直交方向両側には、それぞれ反回転方向に突出する突出部１２ｂ１が形成されている。
　第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界で、かつ前記直交方向Ｎの両端および中央には、隣接するフォイル１２の凸部１２ａ２が差し込まれる差込口１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ１が設けられる。このうち、両端の差込口１２ｃ１は、前記直交方向Ｎに直線状に延びて、フォイル１２の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口１２ｃ２は、前記直交方向Ｎに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から反回転方向側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。各差込口１２ｃ１，１２ｃ２，１２ｃ１の間の領域１２ｃ３により、第一領域１２ａと第二領域１２ｂが連結された状態にある。
　図５に示すように、一方のフォイル１２の各凸部１２ａ２、１２ａ２、１２ａ２を、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ１にそれぞれ差し込むことにより、２枚のフォイル１２を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル１２のうち、一方のフォイル１２にグレーの色を付している。
　そして、図６に示すように、３枚のフォイル１２を図５と同様の結合手法により周状に連結する事で、各フォイル１２を仮組みの状態にする事ができる。この仮組体を、図７に示すように、筒状にしてフォイルホルダ１１の内周に矢印Ｂ２の方向へ挿入する事で、フォイル軸受１０が組み立てられる。具体的には、３枚のフォイル１２の仮組体をフォイルホルダ１１の内周に挿入しながら、各フォイル１２の凸部１２ａ２を、フォイルホルダ１１の一方の端面に開口した軸方向溝１１ｂ（図７参照）に軸方向一方側から差込む。以上により、３枚のフォイル１２が、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに回転方向Ｒに並べた状態で取り付けられる。
　この状態では、図８に示すように、各フォイル１２の回転方向Ｒの端部に形成された凸部１２ａ２は、隣接するフォイル１２の背後でフォイルホルダ１１に保持される。具体的には、各フォイル１２の凸部１２ａ２は、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１（１２ｃ２）を介して、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに嵌合している。一方、各フォイル１２の反回転方向側に位置する第二領域１２ｂは、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配されてアンダーフォイル部を構成する。アンダーフォイル部１２ｂは、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１を背後から弾性的に支持する支持部として機能する。トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂが重なり合った部分はフォイル重複部Ｗを構成する。このフォイル重複部Ｗは、回転方向Ｒの複数箇所（本実施形態では三カ所）に形成される。
　このフォイル軸受１０では、図３に示すように、各フォイル１２の回転方向Ｒ側の一端（凸部１２ａ２）がフォイルホルダ１１に取り付けられると共に、反回転方向側の領域が他のフォイル１２と係合した状態にある。これにより、隣接するフォイル１２同士が回転方向Ｒで互いに突っ張り合った状態となるため、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１がフォイルホルダ１１側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿った形状に湾曲する。各フォイル１２の回転方向Ｒ側への移動は、各フォイル１２の凸部１２ａ２が軸方向溝１１ｂに突き当たるために規制されるが、各フォイル１２の反回転方向側への移動は規制されず、各フォイル１２は反回転方向に移動可能の状態にある。
　図８に示すように、軸方向溝１１ｂがフォイルホルダ１１の内周面の接線方向に対して角度θ１だけ傾斜して設けられるため、軸方向溝１１に挿入された凸部１２ａ２の近傍では、トップフォイル部１２ａ１がフォイル１２全体の湾曲方向（フォイルホルダ１１の内周面１１ａの湾曲方向）と逆方向に湾曲しようとする。また、トップフォイル部１２ａ１は、アンダーフォイル部１２ｂに乗り上げることで、フォイルホルダ１１の内周面１１ａから離反する方向に傾斜した状態で立ち上がる。これらの作用により、トップフォイル部１２ａ１がフォイルホルダ１１に弾性的に支持された状態となり、そのためにトップフォイル部１２ａ１が軸６の変位や熱膨張等に追従して変形可能となる。
　図３に示すように、軸６の一方向回転中は、トップフォイル部１２ａ１の軸受面Ｘと軸６の外周面の間に楔空間が形成される。この楔空間に生じた空気膜の圧力により、軸６が浮上力を受けるため、各フォイル１２の軸受面Ｘと軸６の間に環状のラジアル軸受隙間Ｃが形成され、軸６がフォイル１２に対して非接触の状態で回転自在に支持される。トップフォイル部１２ａ１の弾性変形により、ラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅は運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸６の回転が安定的に支持される。なお、図３においては理解の容易化のためラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅を誇張して描いている（図９、図１０、図１２、図１７、図２０～図２２も同じ）。
　既に述べたように、フォイル軸受１０においては、軸６の回転開始直後および軸６の停止直前にトップフォイル部１２ａ１と軸６の外周面が接触する。この接触部における耐摩耗性や潤滑性の向上を図るため、図９に示すように、軸受隙間Ｃを介して対向する軸６の外周面およびトップフォイル部１２ａ１の表面（軸と対向する面）のうち、何れか一方または双方に被膜２１が形成される（図９ではトップフォイル部１２ａ１の表面に被膜２１を形成した場合を例示している）。この被膜２１としては、例えば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、二硫化モリブデン膜、あるいは樹脂膜等が使用可能である。なお、被膜２１は少なくともトップフォイル部１２ａ１の表面に形成されるが、これ以外のフォイル１２の面（例えばフォイル１２の裏面も含む全面）に被膜２１を形成する場合もある。また、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに被膜２１を形成する場合もある。
　本発明のフォイル軸受１０では、その組み立て完了時点でラジアル軸受隙間Ｃ内に多数の粒子２３が供給される。図９に示すように、軸６の回転中は、この粒子２３がラジアル軸受隙間Ｃ内を浮遊・流動する。
　図１０に示すように、軸６の停止中は、ラジアル軸受隙間Ｃを介して対向する二つの面（本実施形態では軸６の外周面と被膜２１の表面）の間に粒子２３が介在してスペーサとして機能するため、これら二つの面の間に微小な隙間Ｃｓが形成される。図１９に示した従来構造のように、二つの面が互いに密着することはない。そのため、軸６の回転開始直後からこの微小な隙間Ｃｓに空気が引きこまれやすくなり（図中の黒塗り矢印で空気の流れを示す）、楔空間に速やかに十分な空気圧（動圧）を発生させて軸６を浮上させることができる。従って、軸６を迅速に定常回転に移行させることが可能となる。
　軸６の回転中に、軸受隙間Ｃを形成する二つの面の間に粒子２３が噛み込んだ場合でも、軸６の回転に伴って粒子２３が転動するため、フォイル１２と軸６の間に生じる摩擦力を低減することができる。従って、被膜２１の摩耗が進んだ場合でも、トップフォイル部１２ａ１の表面や軸６の外周面が急激に摩耗することはない。このように両面がマイルドに摩耗するため、トップフォイル部１２ａ１や軸６が直ちに致命的なダメージ（凝着や焼き付き等）を受けることはない。このマイルド摩耗により生じた摩耗粉や被膜２１の摩耗粉は、上記の粒子２３と同等の機能を奏し、軸６の停止時に微小隙間Ｃｓを形成するため、何らかの要因で軸受隙間Ｃ内の粒子２３数が減少した場合も、軸６を迅速に定常回転に移行させることができる。なお、軸６やフォイル１２を何れも鋼材料で形成した場合、これら部材が摩耗することで生じた摩耗粉は、直ちに酸化されて酸化鉄となる。
　粒子２３の硬度がトップフォイル部１２ａ１の表面や軸６の外周面の硬度よりも高い場合には、粒子２３が砥粒として機能し、母材の摩耗粉（この摩耗粉が酸化することで形成される酸化物粉末も含む）の生成が促進される。この摩耗粉は上記のとおり、起動時の隙間Ｃｓの形成に寄与するものであるから、摩耗粉の生成が促進されること自体には特に問題はない。一方、粒子２３の硬度がトップフォイル部１２ａ１の表面や軸６の表面と同程度、あるいはそれ以下の場合には、トップフォイル部１２ａ１の表面と軸６の表面の間に粒子２３が噛み込みにくくなるため、軸６の不安定挙動（回転トルクの変動等）を抑制することができる。従って、粒子２３の材質には、特別な制約はなく、例えば、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物の粉末、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）や二硫化タングステン（ＷＳ２）等の硫化物の粉末、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）等の軟質金属の粉末、黒鉛粉に代表される炭素系粉末等が粒子２３として広く使用可能である。以上で例示した粉末は、一種のみを用いても良いし、複数種を混合して使用しても良い。
　特にフォイル１２および軸６の素材として鋼材料を使用した場合、前記粒子２３として酸化鉄を使用することで、粒子の主要元素（Ｆｅ）がフォイル１２および軸６の素材に含まれる主要元素と共通することになる。この場合、フォイル１２や軸部材６から生じた摩耗粉（酸化した摩耗粉）が粒子２３と同等の組成となり、かつ当該粒子２３と同等の機能を奏するため、微小隙間Ｃｓの管理がより容易なものとなり、軸６を安定して定常回転状態に移行させることが可能となる。また、前記粒子２３として、潤滑性に優れる粒子、例えば銅粉を使用した場合には、軸６とトップフォイル部１２ａ１との摺動接触部における摩擦力が低下するため、軸の不安定挙動を抑制することができる。
　このように、粒子２３は、重要視される効果等を勘案し、フォイル１２および軸６の何れか一方または双方の素材と同種の材料（主要元素が共通する材料）で形成し、あるいはフォイル１２および軸６の何れの素材とも異なる異種材料（主要元素が互いに異なる材料）で形成することができる。
　粒子２３の粒径は、軸受隙間Ｃの最小幅Ｃｍｉｎよりも小さくするのが好ましい。具体的には、レーザ回析・散乱法を用いて測定した時の粒子２３の平均粒径が軸受隙間Ｃの最小幅Ｃｍｉｎよりも小さくなるように粒子２３を選定する。これにより、軸６の定常回転中は、粒子２３が軸受隙間Ｃの最小幅部分をスムーズに通過するため、軸６の不安定挙動を低減することが可能となる。また、粒子２３の平均粒径が、軸６やトップフォイル部１２ａ１の表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の算術平均粗さ）以上となるように粒子２３を選定するのが好ましい。
　ところで、このように軸受隙間Ｃ内に粒子２３を流動・浮遊させる場合、軸受隙間Ｃからの粒子２３の漏れを何らかの手段で防止する必要がある。漏れ防止構造として、転がり軸受等のシール装置で使用される接触式のシールを用いると、トルクロスが増大し、また、タービンの近傍のような高温環境下では、シール部材が早期に劣化してシール機能が損なわれるおそれがある。一方、ラビリンス隙間等を用いた非接触シールでは、高温環境下で使用した際の熱膨張との関係で、隙間幅の管理が難しくなり、安定したシール機能を得ることが困難となる。
　かかる事情に鑑み、本発明では、軸受隙間Ｃ内の空気の流れを積極的に制御することで、軸受隙間Ｃからの粒子２３の漏れを防止することにしている。
　図１１は、この着想の具体例を示すもので、図５に示す二枚のフォイル１２の連結体を、図５とは逆の表面側から見た状態を示す平面図である。図１１に示すように、本発明では、トップフォイル部１２ａ１に、前記直交方向の両端部１２１，１２２から、当該両端部間の領域に向かう空気流を生じさせる流体制御部２４を設けている。
　図１２は、図１１中のＸ－Ｘ線断面を拡大して表している。図１２に示すように、流体制御部２４は、例えば、トップフォイル部１２ａ１の表面に設けたテーパ状の段差部で形成することができる。この段差部２４は、軸受隙間Ｃの幅方向に段差Ｓを有するものである。既に述べたように、フォイル重複部Ｗでは、トップフォイル部１２ａ１がアンダーフォイル部１２ｂに乗り上げた形になっているため、トップフォイル部１２ａ１のうち、アンダーフォイル部１２ｂの後端１２ｄと重なった領域付近に段差Ｓが形成される。軸６の回転中は、流体圧力によりトップフォイル部１２ａ１がアンダーフォイル部１２ｂに押さえ付けられるため、トップフォイル部１２ａ１は、アンダーフォイル部１２ｂの後端１２ｄに設けられた切り欠き部１２ｂ２（図２参照）の形状に倣うように弾性変形する。トップフォイル部１２ａ１には切り込み１２ａ３が形成されており、この切り込み１２ａ３によってトップフォイル部１２ａ１の剛性が低下しているため、トップフォイル部１２ａ１はスムーズに弾性変形することができる。
　この際、切り欠き部１２ｂ２が回転方向Ｒ側に凹んだ形状であるため、前記直交方向Ｎの断面（図１２のＹ－Ｙ断面）で見ると、図１３に示すように、トップフォイル部１２ａ１は、切り欠き部１２ｂ２の頂部を通る中心線を底とした凹形状に変形する。図１１中の一点鎖線は、以上の形態を有する段差部２４の等高線の一例を表している。
　このような形態の段差部２４をトップフォイル部１２ａ１に形成することにより、軸６の回転中は、図１１に示すように、段差部２４に面した軸受隙間Ｃに、トップフォイル部１２ａ１の両端１２１，１２２から、その間の領域に向かう、前記直交方向Ｎに対して傾斜した方向の空気流（矢印で示す）が発生する。軸受隙間Ｃ内の粒子２３は、この空気流に乗って軸受隙間Ｃ内を流動するため、軸受隙間Ｃ外への粒子２３の漏れを防止することが可能となる。軸６の停止中は、粒子２３がファンデルワールス力等により、軸６の外周面やトップフォイル部１２ａ１の表面に付着するため、軸受隙間Ｃからの粒子２３の漏れが抑制される。以上の作用から、フォイル軸受１０を長期間使用しても軸受隙間Ｃ内の粒子２２が枯渇することはなく、粒子２３が奏する上記の効果を長期にわたり得ることができる。
　これに対し、図１４に示すように、アンダーフォイル部１２ｂに切り欠き部１２ｂ２を設けず、アンダーフォイル部１２ｂの後端１２ｄを前記直交方向Ｎと平行な直線状とした場合、図１１に示す傾斜状の空気流が生じないため、上記の効果は得られない。
　この実施形態のフォイル軸受では、図１２に示すように、フォイル重複部Ｗのうち、段差部２４の回転方向Ｒ側の端部付近で軸受隙間Ｃが最小幅Ｃｍｉｎとなる。この最小幅Ｃｍｉｎとなる部分のうち、各切り欠き部１２ｂ２の頂部の延長線と交差する領域が軸受隙間Ｃの最大圧力発生部となる。本実施形態では、この最大圧力発生部が前記直交方向Ｎの二カ所に形成されるため、一つのフォイル軸受１０でモーメント荷重を支持することができる。
　図１１に示す実施形態では、アンダーフォイル部１２ｂのうち、両端部１２１，１２２に隣接する後端１２ｄを前記直交方向Ｎに対して平行な直線状に形成しているが、図１５に示すように、当該後端１２ｄを凹状の切り欠き部１２ｂ２に滑らかにつながる傾斜形状として、切り欠き部１２ｂ２と一体にしてもよい。これによりフォイル両端部１２１，１２２付近における空気流の傾斜角度が、図１１に示す実施形態に比べてより一層大きくなるため、軸受隙間外への粒子２３の漏れをより確実に防止することが可能となる。
　また、図１１に示す実施形態では、前記直交方向Ｎに二つの切り欠き部１２ｂ２を形成した場合を例示したが、切り欠き部１２ｂ２の数は任意である。一例として、図１６では、切り欠き部１２ｂ２の数を一つとした場合を例示している。この場合、前記直交方向Ｎでは、ラジアル軸受隙間Ｃにおける最大圧力発生部が一個所のみに形成される。
　なお、以上の説明では、トップフォイル部１２ａ１に形成した段差部２４の形状を、切り欠き部１２ｂ１の形状を異ならせることでコントロールする場合を例示しているが、段差部２４の形状は、これ以外の任意の方法でコントロールすることが可能である。例えば、アンダーフォイル部１２ｂに軸受隙間Ｃの幅方向に突出する多数の突出部を形成し、突出部の配置パターンを変更することで段差部２４の形状をコントロールする手法や、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに、当該内周面１１ａに対して起立する多数の繊維体を植設し、繊維体の密度パターンを変更することで段差部２４の形状をコントロールする手法等が考えられる。何れの手法でも、突出部や繊維体がトップフォイル部１２ａ１を弾性的に支持する支持部を構成する。
　次に本発明にかかる他の実施形態を説明する。既に述べたように軸受隙間Ｃ内に粒子２３を流動・浮遊させる場合、軸６の停止時には、軸受隙間Ｃを形成する二面間に確実に粒子２３を介在させて微小隙間Ｃｓを形成する必要がある。
　この課題に鑑み、本発明では、トップフォイル部１２ａ１の表面上の一部領域に粒子２３を堆積させることで、停止直前の軸６が粒子２３と接触し易くなるようにしている。図１７および図１８に、この着想の具体例を示す。このうち、図１７は軸受隙間を展開して表した拡大断面図であり、図１８は、図５に示す二枚のフォイル１２の連結体を、図５とは逆の表面側から見た状態を示す平面図である。
　図１７および図１８に示すように、各トップフォイル部１２ａ１には、その表面側（軸受隙間Ｃ側）が部分的に除肉された薄肉部１２４と、そのような除肉部分を有しない厚肉部１２５とが形成されている。このように各トップフォイル部１２ａ１を部分的に薄肉に形成することで、トップフォイル部１２ａ１の表面に断面凹状の粒子捕集部２７が形成される。
　粒子捕集部２７の回転方向Ｒ側の端部２７ａは、トップフォイル部１２ａ１のうち、軸受隙間Ｃの最小幅Ｃｍｉｎを形成する部分、つまり最大圧力発生部１２３に近接して、当該最大圧力発生部１２３よりも反回転方向側に設けられている。なお、最大圧力発生部１２３は、図１８に示すように、切り欠き部１２ｂ１が複列のヘリングボーン形状（図４参照）に形成されていることに対応して、前記直交方向Ｎの二カ所に形成される。粒子捕集部２７の反回転方向側の端部２７ｂの位置に特に制限はないが、粒子２３の捕集効率を考えれば、少なくともバックフォイル部１２ｄの後端１２ｄに乗り上げて変形した部分が粒子捕集部２７内に含まれるように当該端部２７ｂの位置を定めるのが好ましい。図１８に示すように、粒子捕集部２７の前記直交方向Ｎの幅寸法は、粒子捕集部２７の前記直交方向Ｎ両端の輪郭線をそれぞれ回転方向Ｒに延長した時に、その延長線の間に二つの最大圧力発生部１２３が包含させるように定めるのが好ましい。粒子捕集部２７の回転方向Ｒ側、反回転方向側、および前記直交方向Ｎの両側には、それぞれ厚肉部１２５が形成される。
　以上に述べた粒子捕集部２７は、例えばフォイル１２の表面の一部を適宜の手法（エッチング、研磨等）で除去することで形成することができる。この他、トップフォイル部１２ａ１の金属部分の厚さを均一にする一方で、トップフォイル部１２ａ１の表面に形成する被膜２１（図９参照）の厚さを調整することで粒子捕集部２７を形成することもできる。具体的には、粒子捕集部２７の被膜２１の厚さを他所よりも薄くし、あるいは粒子捕集部２７での被膜２１の形成を省略することが考えられる。
　軸６の回転中は、粒子２３が空気流に乗って軸受隙間Ｃ内を流動・浮遊する。この時、粒子捕集部２７内では空気流が停滞するため、図１９に示すように、粒子捕集部２７内に粒子２３が捕集されて堆積する。特に回転方向Ｒ側の端部２７ａ付近には粒子２３が堆積し易い。そのため、粒子捕集部２７の端部２７ａ付近では、粒子２３が軸受面Ｘを超えて盛り上がった状態で堆積する。軸６の回転中は、粒子捕集部２７内に粒子２３が捕集されるため、軸受隙間Ｃ内で流動する粒子２３の総数が減少する。従って、粒子２３の噛み込み等による軸６の不安定挙動を防止し、あるいは軸受隙間Ｃ外への粒子２３の漏れを少なくすることができる。
　その一方で、軸６の回転を停止させると、その停止直前に重力等の影響を受けて偏心した軸６が、粒子捕集部２７に堆積した粒子２３（特に回転方向Ｒの端部２７ａ近傍に堆積した粒子２３）と接触する。特に粒子捕集部２７の回転方向Ｒ側の端部２７ａは、軸受隙間Ｃの幅が狭い部分であるため、偏心した軸６が粒子捕集部２７内の端部２７ａ付近の粒子２３と接触し易くなる。しかもこの端部２７ａでは粒子２３が盛り上がった状態で堆積しているため、軸６はより一層粒子２３と接触し易くなる。従って、軸６の完全停止時には、軸６の外周面に多くの粒子２３を付着させることができる。これにより、図１０に示すように、軸６の完全停止後は、軸受隙間Ｃを形成する二面間に確実に粒子２３を介在させて微小隙間Ｃｓを形成することができる。
　特に図１８に示すように、粒子捕集部２７の回転方向Ｒ側の端部２７ａを凹凸状（鋸刃状）に形成すれば、当該端部２７ａを直線状に形成する場合に比べ、端部２７ａに堆積する粒子２３の量を増大させることができる。従って、上記の効果がより一層確実に得られるようになる。
　既に述べたように、軸６の回転中は、トップフォイル部１２ａ１が空気膜の圧力によりアンダーフォイル部１２ｂの切り欠き部１２ｂ１の形状に倣って弾性変形するため、トップフォイル部１２ａ１の表面に段差を有する凹状部分が形成され、この凹状部分に粒子２３が捕集されると考えられる。しかしながら、軸６を停止させると、その停止直前の圧力低下により、トップフォイル部１２ａ１が自然状態に弾性復帰して上記の凹状部分が消失するため、この凹状部分に捕集された粒子２３が軸受隙間Ｃに解放される。従って、軸６の外周面に十分に粒子２３を付着させることができない。これに対し、本発明の粒子捕集部２７は、軸６の回転中のみならず、軸６が減速してから停止するまでの間も凹状の形態を保持する。つまり粒子捕集部２７は常設された状態にある。この点が本発明の粒子捕集部２７と、上記の凹状部分との構成上および機能上の相違点となる。
　ところで、以上に述べたフォイル軸受１０のように、軸受隙間Ｃに粒子２３を流動させる場合、粒子捕集部２７以外にも、トップフォイル部１２ａ１の表面の特定箇所に粒子２３が堆積し易い領域が生じる。例えば、多円弧型のラジアルフォイル軸受１０では、図２０に示すように、隣接する二つのフォイル１２の境界部２５付近の軸受隙間Ｃに、その最小幅Ｃｍｉｎよりも幅広の幅広部Ｃ１が形成されるが、この幅広部Ｃ１は空気流が澱む（停滞する）領域であるため、幅広部Ｃ１のうち、特に境界部２５よりも回転方向側のトップフォイル部１２ａ１の表面に粒子２３が堆積しやすい。このように粒子２３が特定箇所に堆積すると、その分だけ軸受隙間Ｃを流動する粒子２３の数が減るため、粒子２３が奏する上記の効果が減殺される。なお、図２０では、理解の容易化のため、各部材を平面状に展開した状態を表している。
　以上の問題を解決するため、図２０に示すように、幅広部Ｃ１のうち、境界部２５よりも反回転方向側のトップフォイル１２ａ１に、その表裏を貫通し、幅広部Ｃ１に開口する流通孔２６を形成するのが好ましい。このように流通孔２６を形成することで、軸６の回転開始時には、軸受隙間Ｃ内での空気の流動に引き込まれる形で、トップフォイル部１２ａ１の背後の空間から流通孔２６に空気が引き込まれ、幅広部Ｃ１に向けて空気流が噴出される。この空気流により、堆積した粒子２３が吹き飛ばされるため、粒子２３を再び軸受隙間Ｃ内で流動させることが可能となる。従って、粒子２３を再利用して、その有効活用を図ることができる。
　以上の説明では、フォイル軸受として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、フォイル軸受の形態はこれに限られるものではなく、任意の形態のフォイル軸受に本発明を適用することができる。例えば図２１に示すように、回転方向Ｒに配置した各フォイル１２のうち、回転方向Ｒ側の端部（前端）をそれぞれ自由端とした、いわゆるリーフ型のフォイル軸受にも本発明を適用することができる。リーフ型のフォイル軸受では、フォイルホルダ１１に取り付けた各リーフ１２のうち、回転方向Ｒ側の領域がトップフォイル部１２ａ１を形成し、反回転側の領域がトップフォイル部１２ａ１の背後でトップフォイル部１２ａ１を支持するアンダーフォイル部１２ｂ（支持部）を構成する。アンダーフォイル部１２ｂにトップフォイル部１２ａ１が乗り上げることでトップフォイル部１２ａ１に弾性が付与される。アンダーフォイル部１２ｂの後端１２ｄに切り欠き部を設ける等して当該後端１２ｄの形状を変更することにより、段差部２４の形状をコントロールすることができる。また、トップフォイル部１２ａ１の表面に粒子捕集部２７を形成することにより、軸６の停止時に軸受隙間Ｃを形成する二面間に確実に粒子２３を介在させることができる。図示は省略するが、軸６とトップフォイル部の間にスラスト軸受隙間を形成するスラストフォイル軸受（図２の符号３０参照）にも本発明を同様に適用することができる。
　また、以上の説明では、軸６を回転側部材とし、フォイルホルダ１１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸６を固定側部材とし、フォイルホルダ１１を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイル１２が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル１２全体の変形を考慮してフォイル１２の設計を行う必要がある。
　さらに、本発明にかかるフォイル軸受は、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フォイル軸受としても使用することができる。以上の例示に限らず、本発明にかかるフォイル軸受は、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、本実施形態の各フォイル軸受は、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可能である。
　　６　　　　軸
　　１０　　　フォイル軸受
　　１１　　　フォイルホルダ
　　１１ａ　　内周面
　　１１ｂ　　軸方向溝（取り付け部）
　　１２　　　フォイル
　　１２ａ　　第一領域
　　１２ａ１　トップフォイル部
　　１２ｂ　　第二領域（アンダーフォイル部）
　　１２ｂ１　突出部
　　１２ｂ２　切り欠き部
　　１２ｄ　　後端
　　２１　　　被膜
　　２３　　　粒子
　　２５　　　境界部
　　２６　　　流通孔
　　２７　　　粒子捕集部
　　１２１，１２２　両端部
　　１２３　　最大圧力発生部
　　１２４　　薄肉部
　　１２５　　厚肉部
　　Ｃ　　　　軸受隙間
　　Ｃ１　　　幅広部
　　Ｒ　　　　回転方向
　　Ｎ　　　　トップフォイル部の表面に沿い、かつ回転方向と直交する方向
　　Ｘ　　　　軸受面

Claims (12)

  1.   支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を備えたトップフォイル部と、トップフォイル部の背後に配置され、前記トップフォイル部を弾性的に支持する支持部とを有し、前記軸受隙間に生じた流体圧力で軸の相対回転を非接触状態で支持するフォイル軸受において、
      前記軸受隙間に粒子が供給され、かつトップフォイル部に、その表面に沿う方向でかつ前記相対回転方向と直交する方向の両端部から、当該両端部間の領域に向かう流体流れを生じさせる流体制御部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
  2.   前記流体制御部を、前記軸受隙間の幅方向の段差で形成した請求項１記載のフォイル軸受。
  3.   前記段差を、前記支持部の形状に倣ってトップフォイル部を弾性変形させることで形成した請求項２記載のフォイル軸受。
  4.   前記相対回転方向の複数箇所にフォイルを配置し、各フォイルに前記トップフォイル部と、隣接するトップフォイル部を背後から支持するアンダーフォイル部とを設け、アンダーフォイル部で前記支持部を構成した請求項１～３何れか１項に記載のフォイル軸受。
  5.   アンダーフォイル部の後端に、前記相対回転方向に凹んだ切り欠き部を設けた請求項４に記載のフォイル軸受。
  6. 　支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を備えたトップフォイル部と、トップフォイル部の背後に配置され、前記トップフォイル部を弾性的に支持する支持部とを有し、前記軸受隙間に生じた流体圧力で軸の相対回転を非接触状態で支持するフォイル軸受において、
    　前記軸受隙間に粒子が供給され、かつ前記トップフォイル部の表面に、回転時および回転停止時の双方で断面凹状の形態を有する粒子捕集部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
  7. 　前記粒子捕集部を、トップフォイル部の最大圧力発生部の近傍で、かつ当該最大圧力発生部よりも反回転方向側に設けた請求項６に記載のフォイル軸受。
  8. 　前記粒子捕集部を、トップフォイル部を部分的に薄肉にすることで形成した請求項６または７記載のフォイル軸受。
  9. 　前記粒子捕集部の前記回転方向側の端部に凹凸を設けた請求項８記載のフォイル軸受。
  10. 　前記相対回転方向の複数箇所にフォイルを配置し、各フォイルに前記トップフォイル部と、隣接するトップフォイル部を背後から支持するアンダーフォイル部とを設け、アンダーフォイル部で前記支持部を構成した請求項６～９何れか１項に記載のフォイル軸受。
  11.   前記粒子の粒径を、前記軸受隙間の最小幅よりも小径にした請求項１～１０何れか１項に記載のフォイル軸受。
  12. 　前記相対回転方向の複数箇所にトップフォイル部を配置し、隣接するトップフォイル部の境界部に、前記軸受隙間の幅を、その最小幅よりも大きくした幅広部を設け、前記幅広部よりも反回転方向側のトップフォイル部に、当該トップフォイル部の表裏を貫通し、かつ前記幅広部に開口する流通孔を設けた請求項１～１１何れか１項に記載のフォイル軸受。
PCT/JP2016/080271 2015-10-16 2016-10-12 フォイル軸受 WO2017065181A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/767,671 US10480568B2 (en) 2015-10-16 2016-10-12 Foil bearing
EP16855434.3A EP3364059B1 (en) 2015-10-16 2016-10-12 Foil bearing
CN201680060491.6A CN108138843B (zh) 2015-10-16 2016-10-12 箔片轴承

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015204823A JP6622054B2 (ja) 2015-10-16 2015-10-16 フォイル軸受
JP2015-204826 2015-10-16
JP2015204826A JP2017075680A (ja) 2015-10-16 2015-10-16 フォイル軸受
JP2015-204823 2015-10-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017065181A1 true WO2017065181A1 (ja) 2017-04-20

Family

ID=58517259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/080271 WO2017065181A1 (ja) 2015-10-16 2016-10-12 フォイル軸受

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10480568B2 (ja)
EP (1) EP3364059B1 (ja)
CN (1) CN108138843B (ja)
WO (1) WO2017065181A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109763985B (zh) * 2019-03-19 2024-04-19 上海优社动力科技有限公司 一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机
DE102019212919A1 (de) * 2019-08-28 2021-03-04 Robert Bosch Gmbh Folienlager
CN111120503A (zh) * 2019-12-16 2020-05-08 北京动力机械研究所 一种弹性支撑结构的推力动压气体轴承
US11852153B1 (en) 2023-01-31 2023-12-26 Copeland Lp Foil bearing assembly including perforated inner foil assembly and compressor including same

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5428958A (en) * 1977-08-04 1979-03-03 United Technologies Corp Journal bearing
JPS6380323U (ja) * 1986-11-14 1988-05-27
JP2004138194A (ja) * 2002-10-18 2004-05-13 Ntn Corp 気体軸受及びその製造方法
JP2006183786A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 流体スラスト軸受
WO2015087677A1 (ja) * 2013-12-12 2015-06-18 Ntn株式会社 スラストフォイル軸受、ラジアルフォイル軸受、及びこれらの製造方法
JP2015113926A (ja) * 2013-12-12 2015-06-22 Ntn株式会社 フォイル軸受と、これを有するフォイル軸受ユニット及びターボ機械
WO2015113532A1 (de) * 2014-01-29 2015-08-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Aerodynamisches luftlager und verfahren zu dessen herstellung

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4178046A (en) * 1976-05-24 1979-12-11 The Garrett Corporation Foil bearing
FR2527715B1 (fr) * 1982-05-27 1985-10-11 Abg Semca Procede de realisation de paliers hydrodynamiques, paliers realises et ensembles accessoires pour la realisation desdits paliers
DE3331503C2 (de) * 1983-09-01 1985-11-21 MTU Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, 8000 München Aerodynamisches Radiallager
SE462233B (sv) * 1989-06-05 1990-05-21 Skf Nova Ab Glidlager av magnetiserbart material med magnetiskt smoerjmedel
US5529398A (en) * 1994-12-23 1996-06-25 Bosley; Robert W. Compliant foil hydrodynamic fluid film thrust bearing
JP2007239962A (ja) * 2006-03-10 2007-09-20 Daido Metal Co Ltd 多円弧フォイル気体軸受
US8137747B2 (en) * 2008-07-30 2012-03-20 Honeywell International Inc. Components, turbochargers, and methods of forming the components
US8371799B2 (en) * 2010-01-13 2013-02-12 Honeywell International Inc. Turbo compressor/journal foil bearings with axial retainers
JP5781402B2 (ja) 2010-09-28 2015-09-24 Ntn株式会社 フォイル軸受
USRE48269E1 (en) 2011-08-01 2020-10-20 Ntn Corporation Thrust foil bearing
JP6113444B2 (ja) * 2011-09-22 2017-04-12 Ntn株式会社 フォイル軸受
JP5929626B2 (ja) * 2012-08-14 2016-06-08 株式会社Ihi ラジアルフォイル軸受
US9376959B2 (en) * 2012-12-19 2016-06-28 Ntn Corporation Foil bearing
US10012109B2 (en) 2013-12-12 2018-07-03 Ntn Corporation Foil bearing, and foil bearing unit and turbo machine each having same
JP6591179B2 (ja) * 2014-03-19 2019-10-16 Ntn株式会社 フォイル軸受
CN104632871A (zh) * 2015-03-17 2015-05-20 湖南大学 一种微型箔片气体动压轴承

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5428958A (en) * 1977-08-04 1979-03-03 United Technologies Corp Journal bearing
JPS6380323U (ja) * 1986-11-14 1988-05-27
JP2004138194A (ja) * 2002-10-18 2004-05-13 Ntn Corp 気体軸受及びその製造方法
JP2006183786A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 流体スラスト軸受
WO2015087677A1 (ja) * 2013-12-12 2015-06-18 Ntn株式会社 スラストフォイル軸受、ラジアルフォイル軸受、及びこれらの製造方法
JP2015113926A (ja) * 2013-12-12 2015-06-22 Ntn株式会社 フォイル軸受と、これを有するフォイル軸受ユニット及びターボ機械
WO2015113532A1 (de) * 2014-01-29 2015-08-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Aerodynamisches luftlager und verfahren zu dessen herstellung

Also Published As

Publication number Publication date
US20190078613A1 (en) 2019-03-14
US10480568B2 (en) 2019-11-19
EP3364059A1 (en) 2018-08-22
CN108138843A (zh) 2018-06-08
EP3364059B1 (en) 2022-04-20
CN108138843B (zh) 2020-03-03
EP3364059A4 (en) 2019-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6591179B2 (ja) フォイル軸受
JP6113444B2 (ja) フォイル軸受
WO2014098005A1 (ja) フォイル軸受
JP2012092969A (ja) フォイル軸受
WO2017065181A1 (ja) フォイル軸受
JP5766562B2 (ja) スラストフォイル軸受
JP6104597B2 (ja) フォイル軸受
JP6104596B2 (ja) フォイル軸受
JP2013053645A (ja) スラストフォイル軸受
JP2013047555A (ja) フォイル軸受
JP6622054B2 (ja) フォイル軸受
JP6615573B2 (ja) スラストフォイル軸受
JP2017075680A (ja) フォイル軸受
JP2019082195A (ja) フォイル軸受、フォイル軸受ユニット、ターボ機械
WO2020195488A1 (ja) スラストフォイル軸受、フォイル軸受ユニット、ターボ機械及びフォイル
WO2017065176A1 (ja) フォイル軸受
JP6144222B2 (ja) フォイル軸受
WO2017073603A1 (ja) フォイル軸受
JP6693945B2 (ja) フォイル軸受、およびフォイル軸受装置
WO2022202255A1 (ja) フォイル軸受
JP6219489B2 (ja) フォイル軸受
JP2024053880A (ja) フォイル軸受
JP6440999B2 (ja) フォイル軸受及びこれに設けられるフォイル
JP6324774B2 (ja) フォイル軸受及びこれを備えたターボ機械
JP6541946B2 (ja) フォイル軸受及びこれに設けられるフォイル

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16855434

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016855434

Country of ref document: EP