WO2018051929A1

WO2018051929A1 - フォイル軸受

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Publication number: WO2018051929A1
Application number: PCT/JP2017/032566
Authority: WO
Inventors: 真人吉野; 藤原　宏樹
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-03-22
Also published as: JP2018044587A

Abstract

フォイル軸受（１０）は、軸受面（Ｘ）を有するトップフォイル部（Ｔｆ）と、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）とを備え、相対回転する軸（６）と軸受面（Ｘ）との間の軸受隙間（Ｃ）に生じる流体圧力で、軸（６）を非接触支持する。トップフォイル部（Ｔｆ）とバックフォイル部（Ｂｆ）との接触部（Ｅ）が、トップフォイル部（Ｔｆ）の裏面（軸受面Ｘと反対側の面）上に分散された多数の点に設けられる。前記接触部（Ｅ）は、回転方向に対してジグザグ状に配列される。

Description

フォイル軸受

　本発明は、フォイル軸受に関する。

　フォイル軸受は、可撓性を有する金属薄板（フォイル）で軸受面を構成するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が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として、バンプ型と呼ばれるフォイル軸受が開示されている。このフォイル軸受は、円筒状のトップフォイルと、トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイル（バンプフォイル）と、トップフォイルおよびバックフォイルが取り付けられた軸受ホルダとを有する。このバンプ型フォイル軸受では、トップフォイルが荷重を受けた際にバックフォイルが弾性変形するため、トップフォイルの撓みが許容されるようになっている。

実開昭６１－３６７２５号公報

　軸の回転に伴って軸受隙間の流体の圧力が高められると、トップフォイルがバックフォイルに押し付けられる。このとき、トップフォイルのうち、バックフォイルで背後から接触支持された領域は、その他の領域と比べて、軸受隙間生じる流体圧力に対する剛性が高いため、この領域に、周囲よりも盛り上がった盛り上がり部が形成される。バンプ型フォイル軸受のバックフォイルは、図２５に示すように軸方向（矢印方向）に延びる山部２００を周方向に配置した波板状の形態を有する。このバックフォイルの山部が、トップフォイルの半径方向全域に背後から接触することで、トップフォイルの半径方向全域にわたって上記の盛り上がり部が形成される。従って、軸受隙間の流体の流れが、トップフォイルに形成された盛り上がり部で阻害され、軸受隙間（特に、隙間幅の最も小さい領域。以下、「小隙間部」と言う。）に十分な流体が供給されず、流体圧力が十分に高められないおそれがある。

　そこで、本発明は、軸受隙間の流体圧力を高めて、フォイル軸受の負荷容量を高めることを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明は、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部を背後から弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、相対回転する軸と前記軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧力で、前記軸を非接触支持するフォイル軸受において、前記トップフォイル部と前記バックフォイル部との接触部が、前記トップフォイル部の前記軸受面と反対側の面上に分散された多数の点に設けられ、前記接触部が、前記回転方向に対してジグザグ状に配列されたことを特徴とする。

　尚、「下流側」とは、軸の相対回転時における、トップフォイル部に対する流体の流れ方向下流側のことを言い、その反対側を「上流側」と言う。

　このように、本発明のフォイル軸受では、トップフォイル部とバックフォイル部との接触部が、トップフォイル部の裏面（軸受面と反対側の面）上に分散された多数の点に設けられる。軸受隙間に流体圧力が生じると、トップフォイル部のうち、各接触部を介して背後から支持された部分に、盛り上がり部が形成される。この場合、トップフォイル部に形成された盛り上がり部の、軸の回転方向と直交する方向（以下、回転直交方向と言う）の間には、盛り上がり部よりも軸から離反した凹部が形成される。この凹部と軸との間に形成される軸受隙間の幅は、前記盛り上がり部と軸との間に形成される軸受隙間の幅よりも大きいため、この凹部で形成される流路を介して軸受隙間の流体が小隙間部に供給されやすくなる。このように、盛り上がり部の回転直交方向間に流体の流路が形成されることで、トップフォイル部の回転直交方向全域に盛り上がり部が形成される従来のバンプ型のフォイル軸受（図２５参照）と比べて、軸受隙間の小隙間部に供給される流体量を増やすことができる。これにより、軸受隙間の小隙間部における流体圧力が高められ、フォイル軸受の負荷容量が高められる。

　このようなフォイル軸受において、例えば図２６に示すように、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部との接触部Ｅ’（すなわち、トップフォイル部Ｔｆの盛り上がり部Ｑ’）を、回転方向Ｒおよび回転直交方向Ｎで揃えて格子状に配列すると、回転直交方向Ｎで隣接する盛り上がり部Ｑ’の間に、回転方向Ｒに沿った流路が形成される（図２６の鎖線矢印参照）。この場合、軸受隙間の小隙間部に流入した流体が、回転方向に沿った上記の流路を介して下流側に抜けやすいため、小隙間部における流体圧力が十分に高められないおそれがある。

　そこで、本発明では、トップフォイル部とバックフォイル部との接触部を、格子状に配列するのではなく、回転方向に対してジグザグ状に配列した。すなわち、各接触部と、その下流側に最初に現れる接触部とを、図２６に示すように回転方向Ｒと平行な方向に配列するのではなく、回転方向に対して傾斜した方向に配列した（例えば図１４参照）。この場合、軸受隙間の流体の流路が、トップフォイル部とバックフォイル部との接触部（トップフォイル部の盛り上がり部）を避けて、ジグザグ状に蛇行しながら下流側に流れる（図１４の鎖線矢印参照）。これにより、小隙間部における流体の流れが乱されて、小隙間部の流体が下流側に抜けにくくなるため、小隙間部における流体圧力を十分に高めることができる。

　上記のフォイル軸受では、前記接触部を回転直交方向に並べた列を、前記回転方向の複数箇所に設けることが好ましい。この場合、トップフォイル部とバックフォイル部との接触部が規則的に配されるため、例えば接触部をランダムに配する場合と比べて、軸受隙間で生じる流体圧力に対するトップフォイル部の剛性（柔軟性）を設定しやすくなる。このように配列した接触部において、例えば、各列において隣接する接触部の回転直交方向中央部に、その下流側に隣接する列の接触部を配してもよい。

　前記バックフォイル部は、例えば、前記トップフォイル部側に突出した複数の第一突出部を有する。この場合、バックフォイル部の複数の第一突出部と前記トップフォイル部とで前記接触部が形成される。

　バックフォイル部は、例えば、平坦部と、平坦部から表側（トップフォイル部側）に突出する複数の第一突出部と、平坦部から裏側（フォイルホルダ側）に突出する複数の第二突出部とを有する。この場合、平坦部が、バックフォイル部の中でも、軸受隙間の幅方向（軸受面と直交する方向）の圧縮力に対する剛性の低い部分となる。そのため、軸の相対回転に伴って軸受隙間で生じる流体圧力によりバックフォイル部に圧縮力が負荷された際には、平坦部が変形して圧縮力を吸収する。従って、このような平坦部を有さない既存のバンプ型のバックフォイル（図２５参照）に比べ、バックフォイル部全体の剛性が小さくなるため、トップフォイル部の柔軟性を高めることが可能となる。

　以上のように、本発明によれば、軸受隙間の小隙間部に十分な量の流体を供給すると共に、小隙間部から下流側への流体の抜けを抑えることができる。これにより、小隙間部における流体量が増大して流体圧力が高められるため、フォイル軸受の負荷容量を高めることができる。

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。本発明に係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。フォイル軸受のフォイル重複部を拡大して示す断面図である。バックフォイル部の斜視図である。図８のＡ－Ａ線での断面図である。図２に示すフォイル軸受の断面図である。バックフォイル部の平面図である。バックフォイル部の拡大平面図である。図１２のＤ－Ｄ線におけるフォイル軸受の断面図である。トップフォイル部の平面図である。他の実施形態に係るフォイル軸受のバックフォイル部の平面図である。他の実施形態に係るバックフォイル部の平面図である。他の実施形態に係るフォイルの平面図である。図１７に示すフォイル軸受の断面図である。図１７中のＢ－Ｂ線の断面図である。他の実施形態に係るバックフォイル部を示す断面図である。他の実施形態に係るフォイル軸受を示す断面図である。他の実施形態に係るフォイル軸受を示す平面図である。図２２のフォイル軸受の断面図である。図２２のフォイル軸受のトップフォイル部の平面図である。バンプ型フォイル軸受のバックフォイルを示す斜視図である。トップフォイル部の比較例を示す平面図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

　図１に、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に隣接しているため、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。

　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の一例として、多円弧型と呼ばれるものが使用される。以下、この多円弧型フォイル軸受の基本的構成を図２～図７に基づいて説明する。

　図２に示すように、多円弧型の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、周方向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の三カ所にフォイル１２を配置した場合を示している。各フォイル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、周方向（軸６の回転方向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。

　各フォイル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フォイル材で形成される。具体的に、各フォイル１２は、厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の帯状のフォイル材を、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、本実施形態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、一般的な炭素鋼では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、フォイル材としては、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３に示すように、フォイル１２は、下流側（図中左側）の第一領域１２ａと、上流側（図中右側）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Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆの表面に沿い、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（本実施形態では軸方向）の複数箇所に設けられ、かつ、それぞれ下流側に突出する方向に延びた凸部１２ａ２とを有する。本実施形態では、軸方向に離隔した三カ所に凸部１２ａ２を形成した場合を例示している。各凸部１２ａ２の基端部（上流側端部）には、フォイルの縁部から上流側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の上流側端部１２ｄには、軸方向に離隔して、下流側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の軸方向寸法は、下流側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の軸方向の両側には、それぞれ上流側に突出する突出部１２ｂ１が形成されている。

　第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界部で、かつ軸方向に離隔した複数箇所（凸部１２ａ２と同数）には、隣接するフォイル１２の凸部１２ａ２が差し込まれる、スリット状の差込口１２ｃ１が設けられる。このうち、軸方向両端の差込口１２ｃ１は、軸方向の直線状に延びて、フォイル１２の軸方向両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口１２ｃ１は、軸方向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上流側に延び、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。

　図４に示すように、一方のフォイル１２の各凸部１２ａ２を、隣接するフォイル１２の差込口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。尚、図４及び５では、理解しやすいように、各フォイル１２を異なる色（濃さ）で表している。

　そして、図５に示すように、３枚のフォイル１２を図４と同様の結合手法により連結する事で、各フォイル１２を筒状に仮組みする事ができる。この仮組体を、図６に示すように、略円筒状に丸めてフォイルホルダ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に周方向に並べた状態で取り付けられる。

　図７に示すように、各フォイル１２をフォイルホルダ１１に取り付けた状態では、軸方向から見て、隣接する二つのフォイル１２同士が交差した状態となる。この交差部分よりも下流側（回転方向Ｒ側）では、一方のフォイル１２の凸部１２ａ２が、他方のフォイル１２の差込口１２ｃ１を介して他方のフォイル１２の背後に回り込み、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに挿入されている。また、他方のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成している。交差部分よりも上流側（回転方向Ｒと反対側）では、一方のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、他方のフォイルの第二領域１２ｂが一方のフォイル１２の背後に回り込んでバックフォイル部Ｂｆを構成する。このバックフォイル部Ｂｆの上流側端部は自由端であり、当該上流側端部の位置は、バックフォイル部Ｂｆの弾性変形に応じて周方向に変動する。バックフォイル部Ｂｆの下流側端部は、前記交差部分で他のフォイル１２（前記一方のフォイル）と周方向で係合可能な状態にある。

　トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆが重なり合った部分で、フォイル同士が重複したフォイル重複部Ｗが構成される。このフォイル重複部Ｗは、回転方向Ｒの複数箇所（フォイル１２と同数であり、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、隣接するフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆの周方向端部同士が、周方向で係合して互いに突っ張り合った状態となっている。これにより、各フォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが外径側（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の下流側への移動は、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の上流側への移動は規制されない。従って、各フォイル１２は、バックフォイル部Ｂｆの自由端も含めて、周方向の移動（微小な往復動）が許容される。

　図７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だけ僅かに傾斜して設けられるため、軸方向溝１１ｂに挿入された凸部１２ａ２の近傍では、トップフォイル部Ｔｆ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。すなわち、トップフォイル部Ｔｆの大部分は外径側に凸の曲面とされるが、凸部１２ａ２の近傍には、内径側に凸の曲面が形成される。また、トップフォイル部Ｔｆは、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げることで、下流側に行くにつれてフォイルホルダ１１の内周面１１ａから離反する方向に傾斜した状態となる。従って、トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘと軸６の外周面の間に、下流側に行くにつれて隙間幅（半径方向幅）が狭くなる楔空間が形成される。また、トップフォイル部Ｔｆは、弾性変形可能なバックフォイル部Ｂｆに弾性的に支持された状態となる。

　軸６の回転中は、楔空間に生じた空気膜が高圧となるため、軸６が浮上力を受ける。そのため、図２に示すように、各フォイル１２の軸受面Ｘと軸６の外周面と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Ｔｆ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２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（他の図の軸受隙間も同じ）。

　軸６の回転中は、流体圧力により、トップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押し付けられて弾性変形するため、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げたトップフォイル部Ｔｆには、軸受隙間Ｃの幅方向（軸受面Ｘと直交する方向）の段差が形成される。図４に示すように、各フォイル１２の第二領域１２ｂの上流側端部１２ｄに切り欠き部１２ｂ２を設けた場合には、この段差は、切り欠き部１２ｂ２の形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Ｔｆに沿って流れる流体は、上記のヘリングボーン形状の段差に沿って流れるため（矢印を参照）、軸受隙間Ｃのうち、回転直交方向Ｎの二カ所に流体
の圧力発生部が形成される。これにより、軸６の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図３に示すように、トップフォイル部Ｔｆに微小な切り込み１２ａ３を形成してトップフォイル部Ｔｆの剛性を低下させているため、トップフォイル部Ｔｆが切り欠き部１２ｂ２に沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。

　以上に説明したフォイル軸受１０では、各フォイル１２のバックフォイル部Ｂｆが、軸受隙間Ｃの幅方向で弾性的に圧縮可能な形状を有する。本実施形態では、各フォイル１２のバックフォイル部Ｂｆに、図８および図９に示す凹凸が形成される。具体的には、バックフォイル部Ｂｆが、平坦部２３と、平坦部２３から表側（トップフォイル部Ｔｆ側）に突出する複数の第一突出部２１と、平坦部２３から裏側（フォイルホルダ１１側）に突出する複数の第二突出部２２とを一体に有する。第一突出部２１および第二突出部２２は、その周囲全周が平坦部２３につながっている。

　図１０にバックフォイル部Ｂｆの断面を拡大して表す。図１０に示すように、第一突出部２１、第二突出部２２、および平坦部２３は均一な肉厚を有する。第一突出部２１および第二突出部２２は、何れも概略半球状に形成される。第一突出部２１および第二突出部２２の内側は中空状になっているため、フォイル１２を表裏の一方側、例えば表側（トップフォイル部Ｔｆ側）から見た場合、第二突出部２２が存在する領域は凹部となる。

　バックフォイル部Ｂｆは、フォイル素材をプレス加工することで形成される。例えば、図１１に示すように、バックフォイル部Ｂｆの領域に限ってプレス加工を施して第一突出部２１（白抜き円で示す）、第二突出部２２（ハッチング付きの円で示す）、および平坦部２３を形成することで、凹凸を有するバックフォイル部Ｂｆと、凹凸を有さない平滑なトップフォイル部Ｔｆとを一体に有するフォイル１２が得られる（図１１のフォイル１２では、図３に示す切り欠き部１２ｂ２が省略されている）。

　三枚のフォイル１２を図４～図６に示す手順で組み立てて仮組みし、この仮組体をフォイルホルダ１１に取り付けることにより、図２に示すように、各バックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）に凹凸を形成したラジアルフォイル軸受１０が完成する。図１０に示すように、この状態では、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１がトップフォイル部Ｔｆに接触し、バックフォイル部Ｂｆの第二突出部２２がフォイルホルダ１１の内周面１１ａに接触する。

　軸６の回転中は、図１０に示すように、軸受隙間Ｃで生じる空気圧によりトップフォイル部Ｔｆが圧縮力Ｐを受けるため、バックフォイル部Ｂｆには、トップフォイル部Ｔｆを介して圧縮力と同方向の荷重が作用する。平坦部２３は圧縮力Ｐの方向と直交する方向に延びる薄板状であるため、バックフォイル部Ｂｆの中でも圧縮力に対する剛性の低い部分となる。そのため、バックフォイル部Ｂｆに圧縮力が負荷されると、図１０に二点鎖線で示すように先ず平坦部２３が変形して圧縮力を吸収する。従って、そのような平坦部を有さない、既存のバンプ型フォイル軸受のバックフォイル部（図２５参照）に比べ、バックフォイル部Ｂｆ全体の剛性を小さくすることができる。これにより、軸受面Ｘの柔軟性が高まるため、軸６の変位等に対して軸受面Ｘが追従変形し易くなり、軸６とトップフォイル部Ｔｆの接触を確実に防止することが可能となる。

　図１１に示すように、突出部２１，２２は、それぞれバックフォイル部Ｂｆの全体に分散して配置されている。各突出部２１，２２は、一定方向に連続した帯状ではなく、点状に形成される。バックフォイル部Ｂｆの突出部２１が、トップフォイル部Ｔｆの裏面（軸受面Ｘと反対側の面）に接触する。これにより、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部Ｅが、トップフォイル部Ｔｆの裏面に分散された多数の点に設けられる。トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部Ｅは、回転方向Ｒ（周方向）および回転直交方向Ｎ（軸方向）で間欠的に形成される（図１４参照）。従って、バックフォイル部Ｂｆの変形時には、軸方向および周方向で隣接する第一突出部２１の間、あるいは、軸方向および周方向で隣接する第二突出部２２の間で、軸受隙間Ｃの幅方向（軸受面Ｘと直交する方向）での相対移動が許容されるため、バックフォイル部Ｂｆの剛性をさらに低くすることができる。因みに、既存のバンプ型フォイル軸受のバックフォイル部では、凸部が軸方向（回転直交方向Ｎ）に連続して延びているため、凸部の軸方向各部間では、このような相対移動を許容することができない。

　以下、本発明の特徴的構成である、バックフォイル部Ｂｆとトップフォイル部Ｔｆとの接触部の配列、特に、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１の配列について説明する。

　本実施形態では、図１２に拡大して示すように、バックフォイル部Ｂｆ上に分散した多数の点に、第一突出部２１が設けられる。そして、各第一突出部２１｛例えば、（１）を付したもの｝と、その下流側に最初に現れる第一突出部２１｛例えば、（２）を付したもの｝とが、回転直交方向Ｎ（軸方向）で異なる位置に配されている。その結果、下流側に行くに従って順に現れる第一突出部２１をつなぐ線（点線参照）が、回転方向Ｒと平行な直線ではなく、回転方向Ｒに対して傾斜した線となり、図示例ではジグザグ状の線となる。

　軸６の回転中は、図１３に示すように、軸受隙間Ｃに生じる流体圧力により、トップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押し付けられる。その結果、トップフォイル部Ｔｆのうち、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１との接触部Ｅには、その周囲よりも軸６側（軸受隙間Ｃを狭める側）に盛り上がった盛り上がり部Ｑが形成される。図１４に示すように、トップフォイル部Ｔｆに形成された盛り上がり部Ｑ（すなわち、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部Ｅ）は、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１と同様に、トップフォイル部Ｔｆの裏面上に分散された多数の点に設けられ、各盛り上がり部Ｑと、その下流側に最初に現れる盛り上がり部Ｑとが、回転直交方向Ｎで異なる位置に配される。図示例では、盛り上がり部Ｑをつなぐ線が、回転方向Ｒに対して傾斜した線となり、図示例ではジグザグ状の線となる。

　トップフォイル部Ｔｆの盛り上がり部Ｑでは、その周囲よりも軸受隙間Ｃの幅が若干狭くなるため、軸受隙間Ｃを流れる空気は、盛り上がり部Ｑを避けて流れようとする。このとき、盛り上がり部Ｑが、周方向（回転方向Ｒ）及び軸方向（回転直交方向Ｎ）で揃えて配列されているのではなく、周方向に対してジグザグ状に配されていることにより、軸受隙間Ｃの空気が、各盛り上がり部Ｑを避けて、蛇行しながら下流側に流れる（図１４の鎖線矢印参照）。その結果、軸受隙間Ｃにおける空気の流れが乱されて、軸受隙間Ｃの空気が下流側に抜けにくくなり、軸受隙間Ｃにおける流体圧力が高められる。

　上記のような、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部Ｅの配列、すなわち、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１の配列は、軸受隙間Ｃのうち、隙間幅が最小となる領域（小隙間部）、すなわち、流体圧力が最大となる領域に適用することが特に有効となる。本実施形態では、軸受隙間Ｃが、各トップフォイル部Ｔｆの下流側端部付近で最小となるため（図２参照）、この領域で流体圧力が最大となる。従って、上記のような第一突出部２１の配列は、バックフォイル部Ｂｆのうち、少なくとも、各トップフォイル部Ｔｆの下流側端部付近を支持する領域に適用される。図示例では、上記のような第一突出部２１の配列が、バックフォイル部Ｂｆの全域に適用される。

　バックフォイル部Ｂｆには、図１１に示すように、第一突出部２１を軸方向に並べた列が、周方向の複数箇所に設けられる。図示例では、各列において隣接する第一突出部２１の軸方向中央に、隣接する列の第一突出部２１が配される。すなわち、第一突出部２１を軸方向に並べた複数の列が、軸方向に半ピッチずつずらして設けられる。このように、第一突出部２１を規則的に配することにより、軸受隙間Ｃの流体圧力に対する軸受面Ｘの剛性を設定しやすくなる。

　また、バックフォイル部Ｂｆには、第二突出部２２を軸方向に並べた列が、周方向の複数箇所に設けられ、各列の第二突出部２２の軸方向中央に、隣接する列の第二突出部２２が配される。図示例では、第一突出部２１の周方向間および軸方向間にそれぞれ第二突出部２２が設けられる。これにより、第一突出部２１と第二突出部２２とが、周方向および軸方向で、等ピッチ且つ交互に配される。このように、第一突出部２１だけでなく、第二突出部２２も規則的に配することで、軸受面Ｘの剛性の設定がさらに容易になる。

　尚、バックフォイル部Ｂｆの構成は上記に限られない。例えば、図１５に示す例では、第一突出部２１のみを軸方向に並べた列と、第二突出部２２のみを軸方向に並べた列とを、周方向で交互に配している。この場合、各列に第一突出部２１と第二突出部２２とが混在した図１２の実施形態と比べて、バックフォイル部Ｂｆをフォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿って円筒状に丸めやすくなる。

　また、上記の実施形態では、各軸方向列において隣接する第一突出部２１の軸方向中央に、下流側に隣接する軸方向列の第一突出部２１が配されているが、これに限らず、周方向に隣接する軸方向列の第一突出部２１の中心が軸方向で異なる位置に配されていれば、第一突出部２１の軸方向位置は任意に設定することができる。

　また、バックフォイル部Ｂｆに第一突出部２１をランダムに配置してもよい。この場合、各第一突出部２１と、その下流側に最初に現れる第一突出部２１とが、偶発的に軸方向で同じ位置に配されることもあり得るが、大部分（例えば９０％以上）の第一突出部２１は、下流側に最初に現れる第一突出部２１と異なる軸方向位置に配される。ただし、上記のとおり、第一突出部２１を規則的に配置した方が、軸受面Ｘの剛性を設定しやすい。

　また、バックフォイル部Ｂｆの第二突出部２２を省略し、平坦部２３をフォイルホルダ１１の内周面１１ａに接触させてもよい。ただし、この場合、軸受隙間Ｃの流体圧力により平坦部２３がほとんど変形しないため、トップフォイル部Ｔｆの柔軟性を高める観点からは、上記の実施形態のように第二突出部２２を設けて、流体圧力により平坦部２３を弾性変形可能とすることが好ましい。

　ところで、軸受面Ｘに必要とされる剛性の最適値は、軸受面Ｘの各部で異なると考えられる。従って、軸受面Ｘ全体を柔軟にしただけでは、部位によっては軸受面Ｘの剛性が不足し、却って軸受性能が低下するおそれがある。

　これに対し、上記の凹凸を有するバックフォイル部Ｂｆにおいて、図１６に示すように、第一突出部２１および第二突出部２２の分布密度を変えれば軸受面Ｘの剛性を部分的にコントロールすることが可能となる。例えばバックフォイル部Ｂｆに第一突出部２１および第二突出部２２が密に分布した領域を設ければ、隣接する突出部２１，２２間の支持スパンＳ（図１０参照）が小さくなるため、当該領域の剛性を高くすることができる。これとは逆に、両突出部２１，２２の分布を疎にした領域を設ければ、当該領域の剛性を低くすることができる。従って、バックフォイル部Ｂｆの各部の剛性、延いては軸受面Ｘの各部の剛性をコントロールすることが可能となる。

　以下、軸受面Ｘの剛性をコントロールした具体例を図１７に基づいて説明する。図１７は、フォイル１２のうち、バックフォイル部Ｂｆに、第一突出部２１および第二突出部２２を密に分布させた高密度領域Ｈ（クロスハッチングで示す）を帯状かつ楕円状に形成したものである。この際、高密度領域Ｈの下流側（図中左側）に向かうほど突出部２１，２２を密に分布させ、かつ軸方向（図中上下方向）の両端から中央側に向かうほど突出部２１，２２を密に分布させる。第二領域１２ｂのこれ以外の領域には、高密度領域Ｈよりも突出部２１，２２を疎に分布させた低密度領域Ｌ（ハッチングで示す）が形成される。

　軸６の回転中は、図１８に示すように、フォイル重複部Ｗにおいてトップフォイル部Ｔｆと軸６の間に楔空間が形成される。この際、バックフォイル部Ｂｆに、図１７に示す密度パターンで突出部２１，２２を形成することにより、トップフォイル部Ｔｆの楔空間を形成する領域には、バックフォイル部Ｂｆの剛性差を受けて、図１９に示すように、軸方向の中央部が凹んだ凹部２４が形成される。この凹部２４の軸方向両側ではトップフォイル部Ｔｆが高剛性となって変形しにくいため、楔空間の空気が軸方向両側に逃げ難くなる。また、楔空間は下流側ほど高圧となるが、バックフォイル部Ｂｆの剛性差により、楔空間の最高圧力部付近でトップフォイル部Ｔｆの剛性が最大となるため、最高圧力部からも空気が逃げ難くなる。従って、バックフォイル部Ｂｆに図１７に示す密度パターンで突出部２１，２２を形成することで、楔空間における空気膜の形成効率を向上させることができ、軸６とフォイル１２の接触を確実に防止することが可能となる。

　既存の多円弧型フォイル軸受では、図３に示すように、バックフォイル部Ｂｆとなる第二領域１２ｂの上流側端部に切り欠き部１２ｂ２を設けることにより、楔空間に前記凹部に相当する部分を形成しているが、上記のようにバックフォイル部Ｂｆに剛性差を設ければ、第二領域１２ｂの上流側端部１２ｄにそのような切り欠き部１２ｂ２を形成せずとも、同形態の凹部２４を形成することが可能となる。もちろん、フォイル１２の上流側端部１２ｄに切り欠き部１２ｂ２を設けた上で、第二領域１２ｂに上記のような突出部２１，２２の密度差を設けても構わない。

　以上に述べた説明では、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１および第二突出部２２を全て同じ大きさにしているが、バックフォイル部Ｂｆの表側および裏側のどちらか一方又は双方に、他とは大きさの異なる突出部を形成することもできる。図２０はその一例を示すもので、表側の第一突出部２１として大突出部２１ａおよび小突出部２１ｂを設け、裏側の第二突出部２２として大突出部２２ａおよび小突出部２２ｂを設けたものである。大突出部２１ａ，２２ａと小突出部２１ｂ、２２ｂでは、平坦部２３からの突出量が異なる。

　図２０に示すバックフォイル部Ｂｆにおいて、これに加わる圧縮力（軸受隙間Ｃの幅方向の圧縮荷重）が小さいときは、大突出部２１ａ，２２ａのみがそれぞれトップフォイル部Ｔｆ及びフォイルホルダ１１に接触し、圧縮力が大きくなると、大突出部２１ａ，２２ａに加えて小突出部２１ｂ、２２ｂがトップフォイル部Ｔｆ及びフォイルホルダ１１に接触する。従って、圧縮荷重が小さい時には、バックフォイル部Ｂｆとトップフォイル部Ｔｆ及びフォイルホルダ１１との接触点が少ないため、荷重の増加量に対するバックフォイル部Ｂｆの変形量が大きくなり、圧縮荷重が大きい時は、バックフォイル部Ｂｆとトップフォイル部Ｔｆ及びフォイルホルダ１１との接触点が多くなるため、荷重の増加量に対するバックフォイル部Ｂｆの変形量が小さくなる。すなわち、バックフォイル部Ｂｆのばね特性に非線形性を与えることができる。

　このようにバックフォイル部Ｂｆのばね特性が非線形性を有する場合、圧縮荷重が低い時はトップフォイル部Ｔｆが変形し易くなるため、空気膜の圧力が低い状態（軸６の回転開始直後や停止直前）でも楔空間が形成され易くなる。その一方で、圧縮荷重が高い時はトップフォイル部Ｔｆが変形し難くなるため、空気膜の圧力が高い状態（軸６の定常回転状態）でもトップフォイル部Ｔｆの変形を抑えて楔空間からの空気の漏れを防止することができる。従って、低速回転および高速回転を問わず、軸６を安定して支持することが可能となる。

　また、バックフォイル部Ｂｆの平坦部２３に多数の穴を設けることで、平坦部２３の剛性を低下させてもよい（図示省略）。これにより、平坦部２３がより柔軟となるため、バックフォイル部Ｂｆの剛性をさらに低下させ、トップフォイル部Ｔｆの変形自由度を向上させることができる。この場合、平坦部２３に設ける穴の面積や数を調整して穴の分布状態を変更することで、平坦部２３の剛性、さらにバックフォイル部Ｂｆの剛性を各部でコントールすることが可能になる。

　以上に述べたバックフォイル部Ｂｆのばね特性を変更する手段、すなわち突出部２１，２２の分布密度の変更（図１６）、突出部２１，２２の大きさの変更（図２０）、および平坦部２３の穴の分布状態の変更のうち、何れか一つの手段を選択し、もしくは二以上の手段を適宜組み合わせることにより、バックフォイル部Ｂｆの各部のばね特性を最適化することができる。これにより、軸受面Ｘの各部を、軸受機能上、最適な剛性に設定することが可能となり、軸受設計の自由度が飛躍的に高まる。突出部２１，２２として半球状（断面円弧状）のものを例示したが、突出部２１，２２の形態は任意であり、例えば断面を多角形状にすることもできる。このように突出部２１，２２の形状（断面形状）を変化させることで、バックフォイル部Ｂｆのばね特性（剛性）を変化させることができる。この場合、バックフォイル部Ｂｆのうち、剛性が最も高い領域に、本発明の特徴である第一突出部２１の分布（図１２及び図１５参照）を適用することが好ましい。

　以上の説明では、フォイル軸受１０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、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図２１に示すいわゆるリーフ型のラジアルフォイル軸受１０にも本発明を適用することができる。リーフ型フォイル軸受は、下流側端部を自由端とし、上流側端部を固定端とした複数のフォイル１２（リーフ）を軸６の回転方向Ｒに配置したものである。各フォイル１２の下流側の領域はトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域はバックフォイル部Ｂｆとして機能する。このリーフ型のラジアルフォイル軸受において、各フォイル１２のバックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）に凹凸を設け、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部が上記のように配列されるようにすることで、上記と同様の効果を得ることができる。

　さらに、図２２に示すスラストフォイル軸受３０にも本発明を適用することもできる。図２２はスラストフォイル軸受３０の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。このスラストフォイル軸受においても、図２３に示すように、各フォイル１２のバックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）に凹凸を設け、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部が上記のように配列されるようにすることで、上記と同様の効果を得ることができる。例えば図２４に示す例では、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの接触部Ｅ（すなわち盛り上がり部Ｑ）が、トップフォイル部Ｔｆの裏面上に分散された多数の点に設けられる。各接触部Ｅは、その下流側に最初に現れる接触部Ｅと、回転直交方向Ｎ（図示例では半径方向）で異なる位置に配される。軸６の回転中は、軸６に設けられたフランジ部６ｂと軸受面Ｘとの間の軸受隙間の空気が、回転方向Ｒに沿って流れるのではなく、盛り上がり部Ｑを避けて蛇行しながら下流側に流れる（図２４の鎖線矢印参照）。これにより、軸受隙間の空気の流れが乱されて、軸受隙間から下流側に空気が抜けにくくなり、軸受隙間における空気の圧力を高めることができる。

　なお、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。

　また、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、例えば過給機をはじめとするターボ機械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
１２   フォイル
２１   第一突出部
２２   第二突出部
２３   平坦部
Ｔｆ   トップフォイル部
Ｂｆ   バックフォイル部
Ｘ     軸受面
Ｃ     軸受隙間
Ｅ     トップフォイル部とバックフォイル部との接触部
Ｑ     トップフォイル部の盛り上がり部
Ｒ     軸の回転方向
Ｎ     軸の回転方向と直交する方向（回転直交方向）

Claims

　軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部を背後から弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、相対回転する軸と前記軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧力で、前記軸を非接触支持するフォイル軸受において、
　前記トップフォイル部と前記バックフォイル部との接触部が、前記トップフォイル部の前記軸受面と反対側の面上に分散された多数の点に設けられ、
　前記接触部を、前記回転方向に対してジグザグ状に配列したフォイル軸受。
　前記接触部を前記回転方向と直交する方向に並べた列を、前記回転方向の複数箇所に設けた請求項１に記載のフォイル軸受。
　各列において隣接する接触部の、前記回転方向と直交する方向の中央部に、その下流側に隣接する列の接触部を配した請求項２に記載のフォイル軸受。
　前記バックフォイル部が、前記トップフォイル部側に突出した複数の第一突出部を有し、前記複数の第一突出部と前記トップフォイル部とで前記接触部を形成する請求項１～３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
　前記バックフォイル部が、平坦部と、前記平坦部から前記トップフォイル部側に突出した前記複数の第一突出部と、前記平坦部から前記トップフォイル部と反対側に突出した複数の第二突出部とを有する請求項４に記載のフォイル軸受。