WO2020195488A1 - 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 - Google Patents

Abstract

各フォイル２２は、軸受面Ｓを有するトップフォイル部２２ａと、トップフォイル部２２ａの上流側に設けられ、隣接するフォイル２２のトップフォイル部２２ａの背後（軸受面Ｓと反対側）に重ねて配されたバックフォイル部２２ｂとを有する。隣接するフォイル２２同士の重合部Ｐの内径端が占める角度Ｅは、重合部Ｐの外径端が占める角度Ｄよりも小さい。

Description

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

　本発明は、スラストフォイル軸受に関する。

　ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の主軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。このような条件下での使用に適する軸受として、動圧軸受の一種であるフォイル軸受が着目されている。フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、軸受面の撓みを許容することで荷重を支持するものである（例えば、下記の特許文献１，２参照）。

特開２００４－１０８４８５号公報 特開２０１５－１３２３０９号公報

　フォイル軸受は、潤滑剤が気体（空気）であるため、オイルを潤滑剤とする動圧軸受と比べて低トルクであるという利点がある。しかしながら一方で、動圧軸受の負荷容量は潤滑剤の粘度に依存するため、気体を潤滑剤とするフォイル軸受は、オイルを潤滑剤とする動圧軸受に比べて、負荷容量が小さくなることは避けられない。このため、フォイル軸受の適用範囲を拡大するためには、さらなる負荷容量の増大が必要である。

　ここで、図１６に、従来のリーフ型のスラストフォイル軸受１２０を示す。このスラストフォイル軸受１２０では、図１７に示すような形状のフォイル１２２を、図１８に示すように位相をずらしながら重ね合わせて配置している。各フォイル１２２のうち、隣接するフォイル１２２の背後（軸受面と反対側）に配された部分はバックフォイル部１２２ｂとして機能し、隣接するフォイル１２２の上に乗り上げた部分が、軸受面を有するトップフォイル部１２２ａとして機能する。

　主軸に設けられたスラストカラー１０６が図１９の矢印方向に回転すると、各フォイル１２２に設けられた軸受面Ｓ’とスラストカラー１０６の端面との間に軸受隙間Ｃ’が形成される。このとき、各フォイル１２２のトップフォイル部１２２ａが、隣接するフォイル１２２のバックフォイル部１２２ｂの上に乗り上げているため、各フォイル１２２のトップフォイル部１２２ａとスラストカラー１０６との間の軸受隙間Ｃ’が、下流側に向けて隙間幅を徐々に狭めた楔形となる。この楔形の軸受隙間Ｃ’の小隙間部に潤滑剤（空気）が押し込まれることで、潤滑剤の圧力が高められ、スラストカラー１０６が非接触支持される。

　上記のようなスラストフォイル軸受１２０の負荷容量は、軸受隙間Ｃ’の最小幅（以下、この幅を「浮上隙間」と言う。）ｈ’に依存する。すなわち、理論上、浮上隙間ｈ’が小さい程、スラストフォイル軸受１２０の負荷容量は増大する。従って、スラストフォイル軸受１２０の負荷容量を増大させるためには、浮上隙間ｈ’をできるだけ小さくすればよい。

　しかし、上記のスラストフォイル軸受１２０の浮上隙間ｈ’を小さくしようとすると、以下のような問題が生じる。フォイル１２２を形成する際には、図２０に示すように、中空円盤状のフォイル素材１３０を周方向複数箇所で分断し、フォイル素材１３０の周方向全域をフォイル１２２として利用することで材料歩留まりを高めることが通例である。この場合、図１７に示すように、各フォイル１２２の外径端に設けられた円弧部１２２ｃが占める角度Ａ’と、内径端に設けられた円弧部１２２ｄが占める角度Ｂ’が等しくなり、その結果、外径端の円弧部１２２ｃの周方向長が内径端の円弧部１２２ｄの周方向長よりも長くなる。

　このフォイル１２２を位相をずらしながら重ね合わせると、フォイル１２２の外径端付近では、図２１に示すようにフォイル１２２の周方向ピッチＬ１’が相対的に大きくなるのに対し、フォイル１２２の内径端付近では、図２２に示すようにフォイル１２２の周方向ピッチＬ２’が相対的に小さくなる。その結果、各フォイル１２２の内径端付近における剛性が、外径端付近における剛性よりも高くなるため、各フォイル１２２が撓みにくくなってスラストカラーに接触しやすくなる。この場合、各フォイルの内径端を基準として浮上隙間を設定する必要があるため、浮上隙間を十分に小さくすることができないという問題があった。

　そこで、本発明は、リーフ型のスラストフォイル軸受において、浮上隙間を小さくして負荷容量を増大させることを目的とする。

　前記課題を解決するために、本発明は、回転部材と軸方向に対向する軸受面を有し、前記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備えたスラストフォイル軸受であって、各フォイルが、前記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の上流側に設けられ、隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側に重ねて配されたバックフォイル部とを有し、隣接するフォイル同士の重合部の内径端が占める角度が、前記重合部の外径端が占める角度よりも小さいスラストフォイル軸受を提供する。

　本発明では、上記のように、隣接するフォイル同士の重合部（すなわち、各フォイルのトップフォイル部がバックフォイル部で背後（軸受面と反対側）から支持される領域）の内径端が占める角度を、重合部の外径端が占める角度よりも小さくした。これにより、各フォイルの内径端付近の剛性が相対的に小さくなるため、各フォイルの外径端付近と内径端付近との剛性の差が小さくなり、フォイルを全面で略均一に撓ませることができるため、浮上隙間をより小さく設定することが可能となる。

　上記のスラストフォイル軸受では、例えば、各フォイルのうち、前記トップフォイル部及び前記バックフォイル部からなる本体部の内径端が占める角度を、前記本体部の外径端が占める角度よりも小さくすることにより、隣接するフォイル同士の重合部の内径端が占める角度を、重合部の外径端が占める角度よりも小さくすることができる。

　また、上記のスラストフォイル軸受では、隣接するフォイル同士の重合部の内径端が占める角度と、重合部の外径端が占める角度との差を１０°以上とすることが好ましい。

　以上のように、本発明によれば、リーフ型のスラストフォイル軸受において、浮上隙間を小さくして負荷容量を増大させることができる。

ガスタービンの模式図である。 上記ガスタービンの主軸の支持構造を示す断面図である。 上記支持構造に組み込まれるスラストフォイル軸受の断面図である。 上記スラストフォイル軸受を軸方向から見た正面図である。 上記スラストフォイル軸受のフォイルの正面図である。 フォイル素材からフォイルを形成する様子を示す正面図である。 上記フォイルを重ね合わせた状態を示す正面図である。 図４のＸ－Ｘ断面図である。 図４のＹ－Ｙ断面図である。 図４のＺ－Ｚ断面図である。 他の実施形態に係るフォイルの正面図である。 さらに他の実施形態に係るフォイルの正面図である。 比較例に係るフォイルの試験結果を示す写真（正面図）である。 実施例１に係るフォイルの試験結果を示す写真（正面図）である。 実施例２に係るフォイルの試験結果を示す写真（正面図）である。 従来のスラストフォイル軸受の正面図である。 図１６のスラストフォイル軸受のフォイルの正面図である。 図１７のフォイルを重ね合わせた状態を示す正面図である。 図１６のＸ’－Ｘ’断面図である。 フォイル素材から図１７のフォイルを形成する様子を示す正面図である。 図１６のＹ’－Ｙ’断面図である。 図１６のＺ’－Ｚ’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、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主軸６が設けられ、この主軸６と、タービン１および圧縮機２とで一体回転可能のロータが構成される。吸気口７から吸入された空気は、圧縮機２で圧縮され、再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が主軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転することにより発電し、この電力がインバータ８を介して出力される。タービン１を回転させた後のガスは比較的高温であるため、このガスを再生器５に送り込んで燃焼前の圧縮空気との間で熱交換を行うことで、燃焼後のガスの熱を再利用する。再生器５で熱交換を終えたガスは、排熱回収装置９を通ってから排ガスとして排出される。

　図２に、上記ガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を示す。この支持構造では、軸方向の２箇所にラジアル軸受１０が配置され、主軸６に設けられたスラストカラー６ａの軸方向両側にスラスト軸受２０、２０が配置される。このラジアル軸受１０およびスラスト軸受２０により、主軸６がラジアル方向及び両スラスト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に高温雰囲気となる。この高温雰囲気では、オイルやグリース等からなる潤滑剤が変質・蒸発してしまうため、これらの潤滑剤を使用する通常の軸受（転がり軸受等）を適用することは難しい。そのため、この種の支持構造で使用される軸受１０、２０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、上記ガスタービン用のスラスト軸受２０に適合するフォイル軸受（以下、「スラストフォイル軸受２０」という。）の構成を図面に基づいて説明する。

　スラストフォイル軸受２０は、図３に示すように、円盤状のフォイルホルダ２１と、フォイルホルダ２１の端面２１ａに取り付けられた複数のフォイル２２とを有する。本実施形態では、スラストカラー６ａの軸方向両側にスラストフォイル軸受２０，２０が設けられる。これらのスラストフォイル軸受２０，２０は、スラストカラー６ａを中心として軸方向で対称な構造を有している。尚、以下では、主軸６の回転時における、フォイル２２に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。

　フォイルホルダ２１は、金属や樹脂等で形成される。フォイルホルダ２１は、主軸６が挿入される内孔２１ｂを有する中空円盤状を成している。フォイルホルダ２１の一方の端面２１ａには複数のフォイル２２が取り付けられる。フォイルホルダ２１の他方の端面２１ｃは、スラストフォイル軸受２０が組み込まれる設備（本実施形態ではガスタービン）のハウジングに固定される。

　フォイル２２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。フォイル２２は、厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の金属薄板（フォイル）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、雰囲気にオイルが存在しないため、ステンレス鋼もしくは青銅でフォイル２２を形成するのが好ましい。

　フォイル２２は、図４に示すように、位相をずらしながら周方向に並べて配される。各フォイル２２は、図５に示すように、軸受面Ｓを有するトップフォイル部２２ａと、トップフォイル部２２ａの上流側に連続して設けられたバックフォイル部２２ｂとからなる本体部２２ｃを備える。図示例では、本体部２２ｃの下流側端部２２ｆ（すなわち、トップフォイル部２２ａの下流側端部）及び上流側端部２２ｇ（すなわち、バックフォイル部２２ｂの上流側端部）が、何れも半径方向中間部を下流側に突出させたヘリングボーン形状を成している。本実施形態では、トップフォイル部２２ａの下流側端部２２ｆの形状と、バックフォイル部２２ｂの上流側端部２２ｇの形状とが異なっている。各フォイル２２は、適宜の手段でフォイルホルダ２１に固定され、例えば、本体部２２ｃの上流側端部２２ｇがフォイルホルダ２１の端面２１ａに溶接により固定される。

　フォイル２２の本体部２２ｃの外径端には円弧部２２ｄが設けられ、本体部２２ｃの内径端には円弧部２２ｅが設けられる。円弧部２２ｄ，２２ｅは、何れも主軸６の回転中心Ｏを中心としている。本体部２２ｃの内径端の円弧部２２ｅが占める角度Ｂは、本体部２２ｃの外径端の円弧部２２ｄが占める角度Ａよりも小さく、例えば角度Ａよりも１０°以上小さい。図示例では、本体部２２ｃの下流側端部２２ｆの外径端及び内径端は同じ位相（周方向位置）に配され、本体部２２ｃの上流側端部２２ｇの内径端は外径端よりも下流側に配される。

　フォイル２２は、平板状のフォイル素材（金属薄板）に打ち抜き加工や放電加工を施すことにより形成される。本実施形態では、図６に示すように、中空円盤状のフォイル素材３０から６枚のフォイル２２を形成する。このとき、隣接するフォイル２２の下流側端部２２ｆ及び上流側端部２２ｇの外径端同士は接しており、内径端同士は離間している。図示例では、隣接するフォイル２２の下流側端部２２ｆ及び上流側端部２２ｇのうち、半径方向中央に設けられた頂部よりも外径側の領域は接しており、頂部よりも内径側の領域は互いに離間している。図６では、フォイル素材３０のうち、隣接するフォイル２２の下流側端部２２ｆと上流側端部２２ｇとの間の不要部分３１に散点を付している。図示例では、フォイル素材３０から６枚のフォイル２２が形成されるため、各フォイル２２の外径端の円弧部２２ｄが占める角度Ａ（図５参照）が６０°となる。一方、各フォイルの２２の内径端の円弧部２２ｅが占める角度Ｂは、６０°よりも小さく、例えば５０°以下とされる。

　上記のフォイル２２をフォイルホルダ２１に取り付けた状態では、図７及び図８に示すように、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａに設けられた軸受面Ｓがスラストカラー６ａと軸方向に直接対向し、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａの背後（軸受面Ｓと反対側）に、下流側に隣接するフォイル２２のバックフォイル部２２ｂが配される。すなわち、各フォイル２２のバックフォイル部２２ｂが、上流側に隣接するフォイル２２のトップフォイル部２２ａとフォイルホルダ２１との間に配される。本実施形態では、各フォイル２２の内径端の円弧部２２ｅが占める角度Ｂが、各フォイル２２の外径端の円弧部２２ｄが占める角度Ａよりも小さいため（図５参照）、隣接するフォイル２２同士の重合部Ｐ（図７に散点で示す）の内径端が占める角度Ｅが、重合部Ｐの外径端が占める角度Ｄよりも小さくなっている。図示例では、各フォイル２２のうち、軸受面Ｓを有するトップフォイル部２２ａの内径端及び外径端の占める角度は等しく、隣接するフォイル２２の背後に配されるバックフォイル部２２ｂの内径端の占める角度が外径端の占める角度よりも小さくなっている。

　主軸６が周方向一方（図８の矢印Ｒ方向）に回転すると、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２の軸受面Ｓとスラストカラー６ａの端面との間に軸受隙間Ｃが形成される。このとき、各フォイル２２が隣接するフォイル２２に乗り上げて湾曲することで、軸受隙間Ｃは、下流側へ行くにつれて狭くなった楔形を成す（図８では、各フォイル２２を簡略化して平板状としている）。この楔形の軸受隙間Ｃの大隙間部Ｃ１の空気が小隙間部Ｃ２に押し込まれることにより、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が高められ、この圧力により主軸６がスラスト方向に非接触支持される。このとき、フォイル２２が、荷重や主軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて弾性変形することで、軸受隙間Ｃが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、軸受隙間Ｃを最適幅に管理することができ、主軸６を安定して支持することが可能となる。

　このとき、各フォイル２２の外径端付近における周方向のピッチＬ１（図９参照）よりも、各フォイル２２の内径端付近における周方向ピッチＬ２（図１０参照）が小さいため、フォイル２２の内径端付近では、外径端付近よりも軸受面Ｓの剛性が高くなる（すなわち、軸受面Ｓが軸方向に変位しにくくなる）傾向がある。

　本発明では、上述のように、各フォイル２２の内径端の円弧部２２ｅが占める角度Ｂを外径端の円弧部２２ｄが占める角度Ａよりも小さくすることで、隣接するフォイル２２同士の重合部Ｐの内径端が占める角度Ｅを重合部Ｐの外径端が占める角度Ｄよりも小さくしている。すなわち、フォイル２２の外径端付近では、隣接するフォイル２２同士の重合部Ｐが周方向で連続して設けられている（図９参照）のに対し、フォイル２２の内径端付近では、隣接するフォイル２２同士の重合部Ｐが周方向で間隔を開けて設けられている（図１０参照）。このように、各フォイル２２の内径端付近において、トップフォイル部２２ａがバックフォイル部２２ｂで支持される領域の割合を小さくすることで、各フォイル２２の内径端付近における軸受面Ｓの剛性が低下する。その結果、各フォイル２２の外径端付近における剛性と内径端付近における剛性との差が小さくなるため、各フォイル２２の半径方向全域を略均一に撓ませることができる。これにより、軸受隙間Ｃの小隙間部Ｃ２の幅（浮上隙間ｈ）をさらに小さくすることが可能となり、スラストフォイル軸受２０の負荷容量を増大させることができる。

　また、本実施形態では、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａの外径端及び内径端の占める角度が等しく、各フォイル２２のバックフォイル部２２ｂの内径端の占める角度を外径端の占める角度よりも小さくしている。この場合、図１８に示す従来のフォイル１２２と比べて、トップフォイル部２２ａの面積、すなわち軸受面Ｓの面積は変わらないため、軸受面Ｓの面積の減少による負荷容量の低下を回避できる。

　尚、主軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル２２の軸受面Ｓとスラストカラー６ａの端面とが接触摺動するため、これらの何れか一方または双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。また、主軸６の回転中は、フォイル２２とフォイルホルダ２１との間、及び、重ね合わされたフォイル２２のトップフォイル部２２ａとバックフォイル部２２ｂとの間に微小摺動が生じ、この微小摺動による摩擦エネルギーにより、主軸６の振動を減衰させることができる。このような微小摺動による摩擦力を調整するために、互いに摺動する面の何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。

　本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば図１１で示す実施形態では、フォイル２２に、本体部２２ｃから外径側に延在した固定部２２ｈを設けている。この固定部２２ｈをフォイルホルダ２１に溶接等の適宜の手段で固定することで、フォイル２２がフォイルホルダ２１に固定される。

　また、図１２に示す実施形態では、フォイル２２の本体部２２ｃの下流側端部２２ｆ及び上流側端部２２ｇを直線状としている。図示例では、下流側端部２２ｆの全域を同じ位相（周方向位置）に配すると共に、上流側端部２２ｇの内径端を外径端よりも下流側に配している。これにより、本体部２２ｃの内径端が占める角度Ｂを外径端が占める角度Ａよりも小さくしている。

　以上のようなスラストフォイル軸受２０は、ガスタービンに限らず、過給機等の他のターボ機械や、その他の回転軸を支持する用途に適用することができる。

　本発明の効果を確認するために、本体部の内径端が占める角度Ｂと外径端が占める角度Ａとの差が０°のフォイル（比較例）と、５°のフォイル（実施例１）と、１０°のフォイル（実施例２）とを用意し、これらのフォイルを設けたスラストフォイル軸受の軌道停止試験を行った後のフォイルの状態を観察した。その結果、比較例は、図１３に示すように、各フォイルのトップフォイル部の内径端付近（点線で囲んだ領域）に、スラストカラーと摺動した痕が設けられていた。一方、実施例１は、図１４に示すように、各フォイルの摺動痕が比較例よりも低減されていた。また、実施例２は、図１５に示すように、各フォイルに摺動痕はほとんど見られなかった。以上の結果から、各フォイルの内径端の角度Ｂを外径端の角度Ａよりも小さくすること、すなわち、隣接するフォイル同士の重合部の内径端の角度を外径端の角度よりも小さくすることにより、各フォイルの内径端におけるスラストカラーとの接触が緩和されることが確認された。特に、各フォイルの内径端の角度Ｂと外径端の角度Ａとの差を１０°とした実施例２では、フォイルの内径端のみが接触することがなく、各フォイルが全体で均一に撓んでいることが分かる。このように、フォイルの内径端とスラストカラーとの接触を抑えることで、軸受隙間、特に浮上隙間をより小さくして負荷容量を増大させることが可能となる。

１     タービン
２     圧縮機
６     主軸
６ａ   スラストカラー
１０   ラジアル軸受
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 トップフォイル部
２２ｂ バックフォイル部
２２ｃ 本体部
２２ｄ 円弧部（外径端）
２２ｅ 円弧部（内径端）
２２ｆ 下流側端部
２２ｇ 上流側端部
３０   フォイル素材
３１   不要部分
Ｃ     軸受隙間
Ｏ     回転中心
Ｐ     フォイル同士の重合部
Ｓ     軸受面
 

Claims (6)

1. 　回転部材と軸方向に対向する軸受面を有し、前記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備えたスラストフォイル軸受であって、
   　各フォイルが、前記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の上流側に設けられ、隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側に重ねて配されたバックフォイル部とを有し、
   　隣接するフォイル同士の重合部の内径端が占める角度が、前記重合部の外径端が占める角度よりも小さいスラストフォイル軸受。
2. 　各フォイルのうち、前記トップフォイル部及び前記バックフォイル部からなる本体部の内径端が占める角度が、前記本体部の外径端が占める角度よりも小さい請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
3. 　前記重合部の内径端が占める角度と、前記重合部の外径端が占める角度との差が１０°以上である請求項１又は２に記載のスラストフォイル軸受。
4. 　請求項１～３の何れか１項に記載のスラストフォイル軸受と、前記回転部材とを備えたフォイル軸受ユニット。
5. 　請求項４に記載のフォイル軸受ユニットを有するターボ機械。
6. 　スラストフォイル軸受に設けられるフォイルであって、
   　回転部材と軸方向に対向する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の上流側に設けられ、隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側に重ねて配されるバックフォイル部とからなる本体部を有し、
   　前記本体部の内径端が占める角度が、前記本体部の外径端が占める角度よりも小さいフォイル。

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