WO2022202255A1 - フォイル軸受 - Google Patents
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- F16C2360/24—Turbochargers
Definitions
- the present invention relates to foil bearings.
- Main spindles are often supported by oil-lubricated rolling bearings or oil dynamic pressure bearings, but in cases where it is difficult to lubricate with a liquid such as lubricating oil, or from the viewpoint of energy efficiency, a separate lubricating oil circulation system auxiliary device is installed.
- Foil bearings a type of air dynamic bearing, are sometimes used when this is difficult or when resistance due to liquid shear is a problem.
- a foil bearing consists of a flexible thin film (foil) with low bending rigidity that supports the load by allowing deflection of the foil.
- a fluid film air film
- foil bearings due to the flexibility of the foil, an appropriate bearing clearance is automatically formed according to operating conditions such as shaft rotation speed, load, and ambient temperature. Therefore, the foil bearing is excellent in the stability of supporting the shaft and can be used for a shaft that rotates at high speed.
- Patent Literature 1 shows a so-called leaf-type foil bearing in which a plurality of foils are installed such that they partially overlap each other, and the overlapping portions impart springiness to the bearing surface.
- this foil bearing a circumferential gap is formed between the upstream end of the most downstream foil and the downstream end of the most upstream foil among the three adjacent foils.
- the rigidity of the downstream end of each foil decreases, so that the downstream end of each foil tends to be displaced in the direction of widening the bearing gap, following the displacement of the shaft. contact with the rotating member can be prevented.
- a recessed portion is provided at the inner diameter side end of each foil, in which the circumferential intermediate portion is retracted (recessed) toward the outer diameter side. ing.
- the rigidity of each foil on the inner diameter side becomes higher than the rigidity on the outer diameter side. Therefore, by providing a retracted portion at the end on the inner diameter side, which has high rigidity, and removing the portion that is likely to come into contact with the rotating member, contact between the end on the inner diameter side of the foil and the rotating member can be avoided.
- JP 2017-82913 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-34085
- an object of the present invention is to provide a foil bearing that can stably support a larger load by adjusting the rigidity of the foil without reducing the load capacity.
- the present invention provides a foil bearing having a foil on which a bearing surface is formed, in which the end of the foil has a thinner wall thickness than the region adjacent to the edge of the end opposite to the edge of the foil.
- a foil bearing is provided with thinned portions.
- the rigidity of this portion is reduced.
- the fluid pressure generated in the bearing gap between the rotating member and the bearing surface of the foil makes it easier for the end of the foil to be displaced away from the rotating member. For this reason, the followability of the end of the foil to displacement and thermal expansion of the rotating member is ensured, and contact between the end of the foil and the rotating member can be prevented.
- the rigidity of the end portion of the foil can be adjusted without reducing the area of the bearing surface of each foil.
- the thickness of the thin portion is not made uniform, but that the thickness gradually decreases as it approaches the edge of the end.
- the thickness of the thin portion apart from the edge can be relatively thickened to ensure a certain degree of rigidity in this portion, thus avoiding the situation where this portion is bent by the fluid pressure in the bearing gap. can.
- the dimension of the thin portion in the direction orthogonal to the extending direction of the edge of the end portion is preferably 1 mm or less.
- the present invention can be applied, for example, to leaf-type foil bearings. That is, the present invention has a plurality of foils arranged side by side in the direction of rotation of a rotating member to be supported, and a region including the downstream end of each foil overlaps an adjacent foil on the downstream side.
- the foil bearing having the bearing surface formed in this region, the foil bearing may also be characterized as a foil bearing in which the downstream end of each foil is provided with a thinner portion having a thinner wall thickness than the region adjacent to the upstream side. can be done.
- a gap in the rotational direction can reduce the stiffness of the downstream end of each foil. If this gap is made too large, there is a risk that the load capacity will decrease. It is not necessary and can be, for example, 0.5 mm or less.
- the foil bearing since the foil and rotating member slide when starting and stopping, a lubricating film may be provided on the surface of the foil (bearing surface). In this case, there is concern that the lubricating coating may peel off from the base material due to sliding with the rotating member. Therefore, the foil has a base material and a lubricating coating formed on the surface of the base material and provided with the bearing surface, and the surface roughness of the surface of the base material in the thin portion is the adjacent region is preferably larger than the surface roughness of the substrate surface.
- the lubricating coating uses a resin or inorganic binder to fix the lubricating components (fluorine, molybdenum disulfide, etc.) to the substrate.
- the resin-based binder has high adhesion to the foil, it is difficult to deform, so there is a concern that the followability of the foil may be lowered.
- the inorganic binder is less likely to change the properties (rigidity) of the foil, but has lower adhesion to the foil than the resin binder.
- the rigidity of the end of the foil can be adjusted without reducing the area of the bearing surface, that is, without reducing the load capacity. As a result, a large load can be stably supported while preventing contact between the foil and the rotating member.
- FIG. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of a gas turbine
- FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a support structure for a rotor in the gas turbine; It is a sectional view of a radial foil bearing.
- FIG. 3 is a plan view of the thrust foil bearing viewed from the bearing surface side;
- FIG. 4 is a plan view showing a foil holder and one foil of the thrust foil bearing;
- 5 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 4;
- FIG. FIG. 4 is a plan view of a foil member formed by connecting a plurality of foils;
- FIG. 4 is a plan view of a foil member formed by connecting a plurality of foils;
- FIG. 4 is a plan view of a foil member formed by connecting a plurality of foils;
- FIG. 4 is a plan view showing a state in which two foil members are temporarily assembled;
- FIG. 4 is a plan view showing a state in which two temporarily assembled foil members are arranged on a foil holder.
- FIG. 4 is a plan view showing a state in which a fixing member is attached to the foil holder;
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the downstream end of the foil (Y section in FIG. 6);
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- FIG. 10 is a cross-sectional view of a variant of the downstream end of the foil;
- Fig. 1 conceptually shows the configuration of a gas turbine, which is a type of turbomachinery.
- This gas turbine mainly includes a turbine 1 and a compressor 2 each having a cascade of blades, a generator 3 , a combustor 4 and a regenerator 5 .
- the turbine 1 , the compressor 2 , and the generator 3 are provided with a common shaft 6 extending in the horizontal direction, and this shaft 6 , the turbine 1 and the compressor 2 constitute a rotor that can rotate together.
- Air sucked from the intake port 7 is compressed by the compressor 2 , heated by the regenerator 5 , and sent to the combustor 4 .
- the compressed air is mixed with fuel and combusted to rotate the turbine 1 with high-temperature, high-pressure gas.
- Rotational force of the turbine 1 is transmitted to the generator 3 via the shaft 6 , and the generator 3 rotates to generate power, which is output via the inverter 8 .
- the gas after rotating the turbine 1 has a relatively high temperature, this gas is sent to the regenerator 5 and heat is exchanged with the compressed air before combustion, thereby regenerating the heat of the gas after combustion. use.
- the gas that has finished heat exchange in the regenerator 5 passes through the exhaust heat recovery device 9 and is discharged as exhaust gas.
- FIG. 2 shows the support structure of the rotor, in particular the support structure of the shaft 6 between the turbine 1 and the compressor 2 in the axial direction.
- Air dynamic bearings in particular foil bearings, are preferably used here, as this area is adjacent to the turbine 1 which is rotated by hot, high pressure gas.
- the radial foil bearing 10 supports the shaft 6 in the radial direction
- the pair of thrust foil bearings 20 supports the thrust collar 6a provided on the shaft 6 in both thrust directions.
- the radial foil bearing 10 is composed of, for example, a leaf-type foil bearing.
- the shaft 6 is inserted into the inner circumference of the cylindrical outer member 11 fixed to the housing 50, and the outer member 11 is fixed to the inner peripheral surface 11a of the outer member 11 and has a circular shape. It is composed of a plurality of foils 12 arranged at regular intervals in the circumferential direction.
- the foil 12 is formed of a foil material having a thickness of about 20 ⁇ m to 200 ⁇ m and made of a highly elastic and workable metal such as a steel material or a copper alloy. In the air dynamic pressure bearing that uses air as the fluid film as in the present embodiment, lubricating oil does not exist in the atmosphere, so the antirust effect of oil cannot be expected.
- the foil 12 is preferably made of stainless steel or bronze.
- Each foil 12 has an end 12a on the downstream side in the rotational direction of the shaft 6 (see the arrow in FIG. 3) as a free end, and an end 12b on the upstream side in the rotational direction is fixed to the outer member 11.
- An upstream end 12b of the foil 12 is fitted and fixed in an axial groove 11b formed in the inner peripheral surface 11a of the outer member 11 .
- a region including the downstream end 12a of the foil 12 is superimposed on (inner diameter side) the adjacent foil 12 on the downstream side, and the inner diameter side surface of this region serves as a radial bearing surface 12c.
- a wedge-shaped radial bearing gap Gr is formed whose radial width narrows toward the downstream side.
- the thrust foil bearings 20 support the shaft 6 in the thrust direction.
- the thrust foil bearings 20 are arranged on both axial sides of a thrust collar 6a provided on the shaft 6 (see FIG. 2). ).
- the thrust foil bearing 20 comprises a foil holder 21, a plurality of foils 22 attached to the end surface of the foil holder 21 in the circumferential direction, and a fixing member 23 fixing the foils 22 to the foil holder 21.
- the foil holder 21 has a disk shape, and a through hole through which the shaft 6 is inserted is formed in the center of the axis (see FIG. 5).
- a plurality of foils 22 are attached to the end face of the foil holder 21 facing the thrust collar 6a.
- each foil 22 integrally includes a body portion 22a constituting a top foil portion Tf and a back foil portion Bf, which will be described later, and an extension portion 22b extending radially outward from the body portion 22a.
- the body portion 22a of the foil 22 has a downstream end edge (downstream edge) 22c in the rotational direction (arrow direction in FIGS. 4 and 5) and an upstream edge (upstream edge) 22d in the rotational direction. , an inner diameter edge 22e that connects the inner diameter ends of the downstream edge 22c and the upstream edge 22d, and an outer diameter edge 22f that connects the outer diameter ends of the downstream edge 22c and the upstream edge 22d.
- both the inner diameter edge 22e and the outer diameter edge 22f of each foil 22 are formed in arcs centered on the axis.
- the downstream edge 22c has a convex shape with a radial intermediate portion projecting downstream
- the upstream edge 22d has a concave shape with a radial intermediate portion recessed downstream.
- the downstream edge 22c and the upstream edge 22d are curves of the same shape, a plurality of foils 22 can be efficiently cut out from one foil.
- the extension portion 22b extends radially outward from the body portion 22a.
- a plurality of foils 22 are arranged side by side in the circumferential direction on the end surface of the foil holder 21, and the outer diameter portion of the extension portion 22b of each foil 22 (region indicated by cross hatching in FIG. Each foil 22 is fixed to the foil holder 21 by clamping them with bolts or the like (see FIG. 4).
- the foil 22 is made of the same material as the foil 12 of the radial foil bearing 10 .
- a specific example of the material of the foil 22 is the same as that of the foil 12, so the description is omitted.
- FIGS. 4 and 5 show the thrust foil bearing 20 arranged on one axial side of the thrust collar 6a.
- the thrust foil bearing 20 arranged on the other side in the axial direction of the thrust collar 6a is mirror-symmetrical to FIGS. It has a configuration similar to the thrust foil bearing 20 described above, except for the orientation.
- the foils 22 of the thrust foil bearing 20 are arranged in the circumferential direction on the end face 21a of the foil holder 21 while shifting the phase by approximately half a pitch.
- a region including the downstream edge 22c of each foil 22 runs over the adjacent foil 22 on the downstream side (thrust collar 6a side), and this region constitutes the top foil portion Tf.
- the region including the upstream edge 22d of each foil 22 is arranged under the top foil portion Tf of the foil 22 adjacent to the upstream side (on the side of the foil holder 21), and this region is behind the top foil portion Tf.
- the back foil portion Bf for elastically supporting is constructed from.
- a thrust bearing surface S is formed on the surface of the top foil portion Tf of each foil 22 so as to face one end surface 6a1 of the thrust collar 6a.
- any three adjacent foils 22 are represented as foils 22(1), 22(2), and 22(3), respectively.
- a clearance C is provided in the rotational direction (circumferential direction).
- the gap C is provided uniformly over the entire area in the radial direction.
- the thrust foil bearing 20 can be manufactured by the following procedure. First, two foil members 60 of the same shape are manufactured as shown in FIGS. there). Each foil member 60 is integrally formed with a plurality of foils 22 and an annular connecting portion 61 connecting the outer diameter ends thereof. Each foil member 60 is provided with foils 22 that are half the number of foils 22 incorporated in the thrust foil bearing 20 along the circumferential direction at regular intervals. The body portions 22a of adjacent foils 22 are separated by cuts 62, and spaces 63 are provided between the extension portions 22b of adjacent foils 22 in the circumferential direction. The extending portion 22b of each foil 22 is integrated with the connecting portion 61 via the joint portion 61a.
- one foil member 60 and the other foil member 60 are overlapped.
- the two foil members 60 are shifted by half the pitch of the foil 22, and the downstream portion of each foil 22 (main body portion 22a) of one foil member 60 is attached to the other foil via the cut 62. It is arranged on the upstream portion of the foil 22 (body portion 22a) of the member 60 .
- the two foil members 60 temporarily assembled as described above are arranged on the end surface 21a of the foil holder 21 (see FIG. 9).
- the outer diameter end of the extension portion 22b of each foil 22 is arranged along the outer diameter end of the end face 21a of the foil holder 21.
- the connecting portion 61 of the foil member 60 is arranged on the outer diameter side of the foil holder 21 .
- the extension 22b of each foil 22 is held between the foil holder 21 and the fixing member 23, and the foil holder 21 and the fixing member 23 are fixed with a bolt or the like (not shown).
- each foil 22 is fixed to the foil holder 21, and the foil bearing intermediate product 80 is completed.
- a radial bearing gap Gr between the radial bearing surface 12c of the foil 12 of the radial foil bearing 10 and the outer peripheral surface 6b of the shaft 6 is formed.
- An air film is formed in the inner surface of the shaft 6, and the shaft 6 is supported in the radial direction in a non-contact manner (see FIG. 3).
- an air film is formed in the thrust bearing gap Gt between the thrust bearing surface S of the foil 22 of each thrust foil bearing 20 and the end surface of the thrust collar 6a facing thereto, and thrust is generated through this air film.
- the collar 6a is non-contact supported in both thrust directions (see FIG. 6).
- the bearing surfaces of the foils 12 and 22 are adjusted to the operating conditions such as the load, the rotation speed of the shaft 6, and the ambient temperature. Therefore, the radial bearing clearance Gr and the thrust bearing clearance Gt are automatically adjusted to appropriate widths according to the operating conditions. Therefore, even under severe conditions such as high temperature and high speed rotation, the radial bearing clearance Gr and the thrust bearing clearance Gt can be managed to optimum widths, and the shaft 6 can be stably supported.
- the actual widths of the radial bearing gap Gr and the thrust bearing gap Gt are as small as several tens of micrometers, the widths are exaggerated in FIGS.
- the upstream edge 22d of the foil 22 of the thrust foil bearing 20 has a recessed shape (herringbone shape) in which the radially intermediate portion is recessed downstream.
- the top foil portion Tf of 22 is formed with a step following the concave upstream edge 22d.
- the air in the thrust bearing gap Gt that flows downstream as the shaft 6 rotates is drawn into the radially central region along the above-described step. can increase the load capacity of
- each foil 22 of the thrust foil bearing 20 the thickness is greater than the area adjacent to the opposite side (in this embodiment, the upstream side) of the downstream edge 22c.
- a thin thin walled portion 22g is provided (the boundary between the thin walled portion 22g and its upstream adjacent region is indicated by a dashed line in FIG. 5).
- a thinned portion 22g is provided across the downstream edge 22c of each foil 22 .
- the thickness of each foil 22 is constant except for the thin portion 22g.
- a bearing surface S is formed over the entire top foil portion Tf including the thin portion 22g.
- the thickness of the thin portion 22g gradually decreases toward the downstream edge 22c.
- the thin portion 22g has an asymmetric shape in the thickness direction.
- the surface of the thin portion 22g on the side of the bearing surface S (upper surface in FIG. 11) is provided with an inclined surface that is displaced away from the thrust collar 6a (downward in FIG. 11) as it approaches the downstream edge 22c.
- an inclined surface a downwardly convex curved surface (see FIG. 11A), an upwardly convex curved surface (see FIG. 11B), or a flat inclined surface (see FIG. 11C) is formed.
- the surface of the thin portion 22g opposite to the bearing surface S is a flat surface that is continuous with the region adjacent to the upstream side.
- the thin portion 22g has a symmetrical shape in the thickness direction.
- inclined surfaces are provided that are displaced toward the center in the thickness direction of the foil 22 as it approaches the downstream edge 22c.
- an inclined surface may be a concave curved surface convex to the center in the thickness direction (see FIG. 11D), a convex curved surface convex to the outer side in the thickness direction (see FIG. 11E), or a flat inclined surface (see FIG. 11F). ) is formed.
- the foil 22 can be turned upside down so that it can be used in a thrust foil bearing that rotates in the opposite direction. That is, a common foil 22 can be used for a pair of thrust foil bearings 20 (see FIG. 2) provided on both sides of the thrust collar 6a.
- the width A of the thin portion 22g (the dimension in the direction orthogonal to the extending direction of the downstream edge 22c) is too large, the rigidity of the downstream end portion of the thrust bearing surface S may become too small, and the load capacity may be insufficient. . Therefore, the width A of the thin portion 22g is preferably 1 mm or less.
- the thin portion 22g is provided over the entire downstream end portion of each foil 22 as shown in FIG. It may be provided in a partial region including the portion arranged on the downstream side). Also, the width A and the thickness of the thin portion 22g may be varied depending on the location.
- each foil 22 comes closest to the thrust collar 6a, as shown in FIG.
- the rigidity of this region ⁇ difficulty in displacement to the side away from the thrust collar 6a (lower side in FIG. 6) ⁇ is reduced. ing.
- the pressure of the air film in the thrust bearing gap Gt easily displaces the downstream end (thin-walled portion 22g) of each foil 22 and moves away from the thrust collar 6a. Contact with the collar 6a can be prevented.
- the rigidity of the downstream end of each foil 22 can be adjusted only by adjusting the thickness of the thin portion 22g of each foil 22, the area of the bearing surface S of each foil 22 remains unchanged. Load capacity is maintained.
- the thickness of the thin portion 22g becomes thinner toward the downstream edge 22c side (left side in FIG. 11).
- the thickness of the upstream portion of the thin portion 22g (the region away from the downstream edge 22c) can be made thicker, and the rigidity of this portion can be secured to some extent. Therefore, it is possible to prevent the upstream portion of the thin portion 22g from bending due to the fluid pressure in the thrust bearing gap Gt.
- the rigidity of the downstream end of each foil 22 is reduced.
- the gap C can be reduced, for example, C ⁇ 0.5 mm. .
- the gap C may be omitted.
- the foil member 60 is formed from a sheet of foil material (foil).
- foil material examples include wire cutting and laser processing, but burrs are generated on the processed surface in any processing method. If the burr formed on the foil 22 falls off and enters the thrust bearing gap Gt, the foil 22 may be damaged in the worst case.
- the wire diameter and laser diameter are restricted, the width of the cut 62 between the foils 22 (that is, the rotational direction gap C between the foils 22 of the thrust foil bearing 20 shown in FIG. 6) cannot be made so small. Can not.
- the foil member 60 by etching the foil material. Etching is a processing method that dissolves unnecessary portions of the foil material, and does not generate burrs on the processed surface. In etching, the foil member 60 having a desired shape can be obtained only by masking the surface of the foil material that is not removed. can be set freely.
- the foil member 60 having the shape shown in FIGS. 7A and 7B is formed by masking and etching the foil material.
- the thickness of the foil member 60 at this time is uniform over the entire area.
- masking is applied to all regions of the foil member 60 except for the formation region of the thin portion 22g of each foil 22 (see FIG. 5), and etching is performed to form a thin portion at the downstream end of each foil 22.
- the surface of the thin portion 22g processed by etching is usually formed with a concave curved surface as shown in FIG. 11A or FIG. 11D. Etching the foil from one side only provides a concave surface as shown in FIG. 11A and etching the foil from both sides provides a concave surface as shown in FIG. 11D.
- the thin portion 22g can be formed not only by etching, but also by molding (press molding) or machining.
- 11B, 11C, 11E, and 11F can be formed by die molding or machining, or can be formed by devising etching conditions.
- the present invention is not limited to the above embodiments. Other embodiments of the present invention will be described below, but overlapping descriptions of the same points as those of the above-described embodiments will be omitted.
- each foil 22 has a base material 24 and a lubricating coating 25 formed on the surface of the base material 24, and the lubricating coating 25 is provided with the bearing surface S.
- the lubricating coating 25 is provided at least on the downstream end of the main body portion 22a of the foil 22, for example, on the entire top foil portion Tf (bearing surface S).
- the lubricating coating 25 one using a resin binder or one using an inorganic binder can be used. Functions required of the lubricating coating 25 include slidability (low friction) with respect to the thrust collar 6a and adhesion between the foil 22 and the substrate 24 .
- the lubricating coating 25 using a resin-based binder has excellent adhesion and wear resistance to the base material 24, but the original characteristics (flexibility) of the base material 24 of the foil 22 are affected by the thickness of the coating. change, which may reduce the followability of the foil 22 .
- the lubricating coating 25 using an inorganic binder does not easily change the properties of the base material 24 of the foil 22, but has a problem that it has low adhesion to the base material 24 and is easily peeled off from the base material 24.
- the surface roughness of the surface of the substrate 24 in the thin portion 22g of each foil 22 is made larger than the surface roughness of the surface of the substrate 24 in the region adjacent to the upstream side. Specifically, for example, by etching the thin portion 22g, the surface roughness of the surface of the thin portion 22g becomes larger than the surface roughness of the non-etched surface. Therefore, after forming the base material (foil member 60) having the shape shown in FIGS. 7A and 7B, etching is performed only on the downstream end of each foil 22 to form the thin portion 22g in this region and at the same time to form this thin portion 22g.
- the surface of the base material 24 in the region can be roughened to form a myriad of minute recesses 24a. A part of the lubricating coating 25 enters the minute recesses 24a formed in this way, so that the adhesion between the base material 24 and the lubricating coating 25 is improved.
- the bearing surface S of each foil 22 slides against the thrust collar 6a by performing a break-in operation, and a load is applied to the region including the downstream end of the foil 22. .
- This load scrapes off the excess lubricating coating 25 to reduce variations in the thickness of the lubricating coating 25, and at the same time, the lubricating coating 25 is formed in the minute recesses 24a formed on the surface of the base material 24 of the thin portion 22g of the foil 22. is pushed in, and the adhesion between the substrate 24 and the lubricating coating 25 is enhanced.
- the lubricating coating 25 using a resin binder can also be used, the lubricating coating 25 using an inorganic binder is advantageous in terms of productivity because the coating is hard and takes time for break-in.
- the thin portion 22g is provided at the downstream end of each foil 22 of the thrust foil bearing 20, but the location of the thin portion 22g is not limited to this.
- a thin portion 22g may be provided at the inner diameter side end portion (inner diameter edge 22e and its vicinity) of each foil 22 .
- both the downstream end and the inner diameter end of each foil 22 may be provided with thinned portions 22g.
- the above thrust foil bearing is an example, and the configuration of the foil and foil holder may be different from the above.
- the plurality of foils 12 of the radial foil bearing 10 are formed separately one by one, but some or all of the plurality of foils 12 are connected at the connection portion and are formed into one sheet. may be integrally formed from a foil of Further, after forming all the foils 22 of the thrust foil bearing 20 separately, each foil 22 may be attached to the foil holder 21 .
- the present invention is not limited to leaf-type foil bearings, and can be applied to other foil bearings.
- the present invention can also be applied to a so-called bump-type foil bearing in which a corrugated bump foil supports the foil from behind (on the side opposite to the bearing surface) to give springiness to the foil.
- a so-called bump-type foil bearing in which a corrugated bump foil supports the foil from behind (on the side opposite to the bearing surface) to give springiness to the foil.
- each foil 12 of the radial foil bearing 10 shown in FIG. 3 may be provided with a thinner portion than the adjacent upstream region.
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Abstract
フォイル軸受２０は、軸受面Ｓが形成された複数のフォイル２２を有する。各フォイル２２の下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部２２ｇを設けることで、この部分の剛性を低下させる。
Description
本発明は、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の主軸は超高速で回転し、タービン翼は高温環境下に晒される。主軸は、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受によって支持されることも多いが、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合や、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合には、空気動圧軸受の一種であるフォイル軸受が使用されることがある。
フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、フォイルのたわみを許容して荷重を支持する軸受である。軸の回転時には、軸とフォイルの軸受面との間に流体膜（空気膜）が形成され、この流体膜を介して軸が非接触で支持される。フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な軸受隙間が自動的に形成される。そのため、フォイル軸受は、軸の支持の安定性に優れており、高速回転する軸にも使用できる。
フォイル軸受で軸を安定して支持するためには、軸受面が形成されたフォイルを軸の変位や熱膨張などに追従して変形させる必要がある。そのため、フォイル軸受では、フォイルの剛性の管理が重要となる。
例えば下記の特許文献１には、複数のフォイルを一部が重なり合うように設置して、その重なりの部分で軸受面にばね性を与える、いわゆるリーフ型のフォイル軸受が示されている。このフォイル軸受では、隣接する３枚のフォイルのうちの最も下流側のフォイルの上流端と最も上流側のフォイルの下流端との間に周方向の隙間を形成している。これにより、各フォイルの下流側の端部の剛性が低下するため、軸の変位等に追従して各フォイルの下流側の端部が軸受隙間を広げる方向に変位しやすくなり、フォイルの下流側の端部と回転部材との接触を防止することができる。
また、下記の特許文献２に示されたリーフ型のスラストフォイル軸受では、各フォイルの内径側の端部に、周方向中間部を外径側に後退させた（凹ませた）後退部を設けている。リーフ型のスラストフォイル軸受では、隣接するフォイル間の周方向ピッチが内径側に行くほど小さくなるため、各フォイルの内径側の剛性が外径側の剛性よりも高くなる。従って、剛性の高い内径側の端部に後退部を設け、回転部材と接触しやすい部分が除去することで、フォイルの内径側の端部と回転部材との接触を回避できる。
しかし、上記特許文献１のようにフォイルの間に周方向隙間を設けたり、上記特許文献２のようにフォイルの内径側の端部に後退部を設けたりすると、フォイルに形成された軸受面の面積が減少するため、負荷容量が低下してしまう。
そこで、本発明は、負荷容量を低下させることなくことなくフォイルの剛性を調整することで、より大きな荷重を安定して支持できるフォイル軸受を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、軸受面が形成されたフォイルを有するフォイル軸受において、前記フォイルの端部に、前記端部の縁と反対側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受を提供する。
このように、本発明では、フォイルの端部に薄肉部を設けることで、この部分の剛性を低下させている。これにより、支持すべき回転部材の回転時に、回転部材とフォイルの軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧により、フォイルの端部が回転部材から離反する側に変位しやすくなる。このため、回転部材の変位や熱膨張に対するフォイルの端部の追従性が確保され、フォイルの端部と回転部材との接触を防止できる。この場合、薄肉部の厚さを調整するだけで、各フォイルの軸受面の面積を低減することなく、フォイルの端部の剛性を調整することができる。
薄肉部は、肉厚を均一にするのではなく、端部の縁に近づくほど肉厚を徐々に薄くすることが好ましい。これにより、薄肉部のうち、縁から離れた領域の肉厚を比較的厚くしてこの部分の剛性をある程度確保することができるため、この部分が、軸受隙間の流体圧により屈曲する事態を回避できる。
薄肉部の範囲が広すぎると、薄肉部の剛性が過小となり、この部分が軸受面として機能せず、負荷容量が低下するおそれがある。従って、薄肉部の、端部の縁の延在方向と直交する方向の寸法は１ｍｍ以下とすることが好ましい。
本発明は、例えば、リーフ型のフォイル軸受に適用することができる。すなわち、本発明は、支持すべき回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを有し、各フォイルの下流側の端部を含む領域が、下流側に隣接するフォイルの上に重ねて配され、この領域に軸受面が形成されたフォイル軸受において、各フォイルの下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受としても特徴づけることができる。
上記のリーフ型のフォイル軸受において、隣接する３枚のフォイルのうち、最も下流側のフォイルの上流側の端部と最も上流側のフォイルの下流側の端部との間に、回転方向の隙間を形成することで、各フォイルの下流側の端部の剛性を低下させることができる。この隙間を大きくしすぎると負荷容量が低下するおそれがあるが、本発明では、各フォイルの下流側の端部に薄肉部を設けて剛性を低下させているため、上記の隙間をそれほど大きくする必要は無く、例えば０．５ｍｍ以下にすることができる。
フォイル軸受は、起動停止の際にフォイルと回転部材とが摺動するため、フォイルの表面（軸受面）に潤滑被膜を設けることがある。この場合、回転部材との摺動によって、潤滑被膜が基材から剥がれることが懸念される。そこで、前記フォイルが、基材と、前記基材の表面に形成され、前記軸受面が設けられた潤滑被膜とを有し、前記薄肉部における基材の表面の面粗度が、隣接する領域の基材の表面の面粗度よりも大きいことが好ましい。このように、薄肉部における基材の表面の面粗度を大きくすることで、基材の表面に微小凹部が形成され、この微小凹部に潤滑被膜が入り込むことで、潤滑被膜と基材との密着性を高めることができる。
潤滑被膜には、潤滑成分（フッ素や二硫化モリブデンなど）を基材に定着させるために、樹脂系や無機系のバインダーが用いられる。樹脂系バインダーは、フォイルとの密着性は高いが、変形しにくいため、フォイルの追従性を低下させる懸念がある。一方、無機系バインダーは、フォイルの特性（剛性）を変化させにくいが、樹脂系バインダーよりもフォイルとの密着性が低い。そこで、上記のように薄肉部における基材の表面の面粗度を大きくし、この表面に無機系バインダーを含む潤滑被膜を設けることで、基材と潤滑被膜との密着性の低下やフォイルの追従性の低下を回避しながら、軸受面の摺動性を高めることができる。
以上のように、フォイルの端部に薄肉部を設けるにより、軸受面の面積を低減することなく、すなわち負荷容量を低下させることなく、フォイルの端部の剛性を調整することができる。これにより、フォイルと回転部材との接触を防止しながら、大きな荷重を安定して支持することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１に、ターボ機械の一種であるガスタービンの構成を概念的に示す。このガスタービンは、それぞれに翼列を形成したタービン１および圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを主に備える。タービン１、圧縮機２、および発電機３には、水平方向に延びる共通の軸６が設けられ、この軸６と、タービン１および圧縮機２とで一体回転可能のロータが構成される。
吸気口７から吸入された空気は、圧縮機２で圧縮され、再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転することにより発電し、この電力がインバータ８を介して出力される。タービン１を回転させた後のガスは比較的高温であるため、このガスを再生器５に送り込んで燃焼前の圧縮空気との間で熱交換を行うことで、燃焼後のガスの熱を再利用する。再生器５で熱交換を終えたガスは、排熱回収装置９を通ってから排ガスとして排出される。
図２に、ロータの支持構造、特に、タービン１と圧縮機２との軸方向間における軸６の支持構造を示す。この領域は高温、高圧のガスで回転されるタービン１に隣接しているため、ここでは空気動圧軸受、特にフォイル軸受が好適に使用される。具体的には、ラジアルフォイル軸受１０により軸６がラジアル方向に支持されると共に、一対のスラストフォイル軸受２０により軸６に設けられたスラストカラー６ａが両スラスト方向に支持される。
ラジアルフォイル軸受１０は、例えばリーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態では、図３に示すように、内周に軸６が挿入され、ハウジング５０に固定された円筒状の外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに固定され、円周方向等間隔に配された複数のフォイル１２とで構成される。
フォイル１２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の箔材で形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。この場合、フォイル１２としては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。
各フォイル１２は、軸６の回転方向（図３の矢印参照）下流側の端部１２ａが自由端とされ、回転方向上流側の端部１２ｂが外方部材１１に固定される。フォイル１２の上流側の端部１２ｂは、外方部材１１の内周面１１ａに形成された軸方向溝１１ｂに嵌合固定される。フォイル１２の下流側の端部１２ａを含む領域は、下流側に隣接するフォイル１２の上（内径側）に重ねて配され、この領域の内径側の面がラジアル軸受面１２ｃとなる。各フォイル１２に形成されたラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ｂとの間には、下流側へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Ｇｒが形成される。
スラストフォイル軸受２０は、軸６をスラスト方向に支持するものであり、図示例では、軸６に設けられたスラストカラー６ａの軸方向両側に、それぞれスラストフォイル軸受２０が配される（図２参照）。
スラストフォイル軸受２０は、図４に示すように、フォイルホルダ２１と、フォイルホルダ２１の端面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイル２２と、フォイル２２をフォイルホルダ２１に固定する固定部材２３とを備える。
フォイルホルダ２１は、円盤状をなし、軸心に軸６が挿通される貫通孔が形成される（図５参照）。フォイルホルダ２１の、スラストカラー６ａと対向する端面に、複数のフォイル２２が取り付けられる。
図４に示すように、フォイル２２は、フォイルホルダ２１の周方向（すなわち、軸６の回転方向）に等ピッチで配置される。図５は、周方向に並べた複数のフォイル２２のうち、一つのフォイル２２のみを図示して他のフォイルの図示を省略したものである。同図に示すように、各フォイル２２は、後述するトップフォイル部Ｔｆおよびバックフォイル部Ｂｆを構成する本体部２２ａと、本体部２２ａから外径側に延びる延在部２２ｂとを一体に備える。
フォイル２２の本体部２２ａは、回転方向（図４、５の矢印方向）の下流側端部の縁（下流端縁）２２ｃと、回転方向の上流側端部の縁（上流端縁）２２ｄと、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄの内径端同士を接続する内径端縁２２ｅと、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄの外径端同士をつなぐ外径端縁２２ｆとを有する。図示例では、各フォイル２２の内径端縁２２ｅおよび外径端縁２２ｆの双方が軸心を中心とする円弧で形成されている。下流端縁２２ｃは、半径方向中間部を下流側に突出させた凸形状をなし、上流端縁２２ｄは、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状をなしている。図示例では、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄが同形状の曲線であるため、一枚のフォイルから複数のフォイル２２を効率よく切り出すことができる。
延在部２２ｂは、本体部２２ａから外径側に延びている。フォイルホルダ２１の端面上に複数のフォイル２２を周方向に並べて配し、各フォイル２２の延在部２２ｂの外径部分（図５にクロスハッチングで示す領域）をフォイルホルダ２１と固定部材２３とで挟み込み、これらをボルト等で締め付け固定することで、各フォイル２２がフォイルホルダ２１に固定される（図４参照）。
フォイル２２は、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２と同様の材質で形成される。フォイル２２の材質の具体例はフォイル１２と同様であるため、説明を省略する。
なお、図４、５には、スラストカラー６ａの軸方向一方側に配されたスラストフォイル軸受２０を示している。スラストカラー６ａの軸方向他方側に配されたスラストフォイル軸受２０は、軸受面側から見た平面図が図４、５と鏡像対称であり、同図における軸６の回転方向（矢印）が逆向きであることを除いて、上記のスラストフォイル軸受２０と同様の構成を有する。
図６に示すように、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２は、フォイルホルダ２１の端面２１ａ上に、概ね半ピッチずつ位相をずらしながら周方向に並べて配置されている。各フォイル２２の下流端縁２２ｃを含む領域は、下流側に隣接するフォイル２２の上（スラストカラー６ａ側）に乗り上げ、この領域がトップフォイル部Ｔｆを構成する。また、各フォイル２２の上流端縁２２ｄを含む領域は、上流側に隣接するフォイル２２のトップフォイル部Ｔｆの下（フォイルホルダ２１側）に配され、この領域が、当該トップフォイル部Ｔｆを背後から弾性的に支持するバックフォイル部Ｂｆを構成する。各フォイル２２のトップフォイル部Ｔｆの表面に、スラストカラー６ａの一方の端面６ａ１と対向するスラスト軸受面Ｓが形成される。
図６では、隣接する任意の３枚のフォイル２２を、それぞれフォイル２２（１）、２２（２）、２２（３）と表す。これらの３枚のフォイルのうち、最も上流側のフォイル２２（１）の下流端縁２２ｃ（１）と最も下流側のフォイル２２（３）の上流端縁２２ｄ（３）との間には、回転方向（周方向）の隙間Ｃが設けられる。本実施形態では、隙間Ｃが半径方向全域で均一に設けられる。上記のような隙間Ｃを設けることにより、各フォイル２２の下流側端部（下流端縁２２ｃおよびその近傍）のバネ性が高められ、この部分の剛性を小さくすることができる。上記の隙間Ｃを大きくしすぎると、フォイル２２の下流側端部のバネ性が過度に低下して、負荷容量が不足するおそれがある。従って、上記の隙間Ｃは、０＜Ｃ≦２ｍｍの範囲とすることが好ましい。
スラストフォイル軸受２０は、以下の手順で製作することができる。まず、図７Ａ及び図７Ｂに示すような同形状の２枚のフォイル部材６０を製作する（図７～１０では、理解しやすいように、一方のフォイル部材６０に散点を付して示している）。各フォイル部材６０には、複数のフォイル２２と、その外径端を連結する環状の連結部６１とが一体に形成される。各フォイル部材６０には、スラストフォイル軸受２０に組み込まれるフォイル２２の半数のフォイル２２が周方向に沿って等間隔に設けられる。隣接するフォイル２２の本体部２２ａは切り込み６２で分断され、隣接するフォイル２２の延在部２２ｂの周方向間には空間６３が設けられる。各フォイル２２の延在部２２ｂは、接合部６１ａを介して連結部６１に一体化されている。
次に、図８に示すように、一方のフォイル部材６０と他方のフォイル部材６０を重ねる。この際、二枚のフォイル部材６０をフォイル２２の半ピッチ分だけずらした状態とし、一方のフォイル部材６０の各フォイル２２（本体部２２ａ）の下流側部分を、切り込み６２を介して他方のフォイル部材６０のフォイル２２（本体部２２ａ）の上流側部分の上に配置する。
その後、上記のように仮組みした２枚のフォイル部材６０を、フォイルホルダ２１の端面２１ａ上に配置する（図９参照）。このとき、各フォイル２２の延在部２２ｂの外径端が、フォイルホルダ２１の端面２１ａの外径端に沿って配される。また、フォイル部材６０の連結部６１は、フォイルホルダ２１よりも外径側に配される。この状態で、図１０に示すように、フォイルホルダ２１と固定部材２３とで各フォイル２２の延在部２２ｂを挟持し、フォイルホルダ２１と固定部材２３を図示しないボルト等により固定する。これにより、各フォイル２２がフォイルホルダ２１に固定され、フォイル軸受の中間製造体８０が完成する。
その後、フォイルホルダ２１および固定部材２３よりも外径側に食み出た接合部６１ａを切断し、連結部６１を各フォイル２２から分離する。以上により、図４に示すスラストフォイル軸受２０が完成する。
以上のようなラジアルフォイル軸受１０およびスラストフォイル軸受２０で支持された軸６が回転すると、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ｂとの間のラジアル軸受隙間Ｇｒに空気膜が形成され、この空気膜を介して軸６がラジアル方向に非接触支持される（図３参照）。これと同時に、各スラストフォイル軸受２０のフォイル２２のスラスト軸受面Ｓと、これに対向するスラストカラー６ａの端面との間のスラスト軸受隙間Ｇｔに空気膜が形成され、この空気膜を介してスラストカラー６ａが両スラスト方向に非接触支持される（図６参照）。
このとき、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２及びスラストフォイル軸受２０のフォイル２２の有する可撓性により、各フォイル１２、２２の軸受面が、荷重や軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、ラジアル軸受隙間Ｇｒ及びスラスト軸受隙間Ｇｔは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温、高速回転といった過酷な条件下でも、ラジアル軸受隙間Ｇｒ及びスラスト軸受隙間Ｇｔを最適幅に管理することができ、軸６を安定して支持することが可能となる。尚、実際のラジアル軸受隙間Ｇｒおよびスラスト軸受隙間Ｇｔの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３および図６ではその幅を誇張して描いている。
また、本実施形態では、スラストフォイル軸受２０のフォイル２２の上流端縁２２ｄが、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状（ヘリングボーン形状）であるため、その上に重ねられたフォイル２２のトップフォイル部Ｔｆに、凹形状の上流端縁２２ｄに倣った段差が形成される。軸６の回転に伴って下流側に流れるスラスト軸受隙間Ｇｔの空気が、上記の段差に沿って半径方向中央領域に引き込まれることで、スラスト軸受隙間Ｇｔの空気圧が高まりやすくなり、スラストフォイル軸受２０の負荷容量を高めることができる。
以下、本発明の特徴的構成である、スラストフォイル軸受２０のフォイル２２の端部の構成について説明する。
スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２の下流側の端部（下流端縁２２ｃおよびその近傍）には、下流端縁２２ｃと反対側（本実施形態では上流側）に隣接する領域よりも肉厚の薄い薄肉部２２ｇが設けられる（図５に、薄肉部２２ｇとその上流側に隣接する領域との境界を点線で示す）。本実施形態では、薄肉部２２ｇが、各フォイル２２の下流端縁２２ｃの全域に設けられる。各フォイル２２のうち、薄肉部２２ｇを除く領域は、肉厚が一定である。薄肉部２２ｇを含むトップフォイル部Ｔｆの全域に、軸受面Ｓが形成される。
薄肉部２２ｇの形状の具体例を、図１１Ａ～１１Ｆに示す。これらの例では、薄肉部２２ｇの肉厚が、下流端縁２２ｃに近づくほど徐々に薄くなっている。図１１Ａ～１１Ｃに示す例では、薄肉部２２ｇが厚さ方向で非対称形状を成している。具体的に、薄肉部２２ｇの軸受面Ｓ側の面（図１１の上面）に、下流端縁２２ｃに近づくにつれてスラストカラー６ａから離反する側（図１１の下方）に変位した傾斜面が設けられる。例えば、このような傾斜面として、下に凸の凹曲面（図１１Ａ参照）や、上に凸の凸曲面（図１１Ｂ参照）、あるいは平坦な傾斜面（図１１Ｃ参照）が形成される。薄肉部２２ｇの軸受面Ｓと反対側の面（図１１の下面）は、上流側に隣接する領域と連続した平坦面で構成される。
図１１Ｄ～１１Ｆに示す例では、薄肉部２２ｇが厚さ方向で対称形状を成している。具体的に、薄肉部２２ｇの厚さ方向両側の面に、下流端縁２２ｃに近づくにつれてフォイル２２の厚さ方向中央側に変位した傾斜面が設けられる。例えば、このような傾斜面として、厚さ方向中央側に凸の凹曲面（図１１Ｄ参照）や、厚さ方向外側に凸の凸曲面（図１１Ｅ参照）、あるいは平坦な傾斜面（図１１Ｆ参照）が形成される。このように、薄肉部２２ｇが厚さ方向で対称形状であれば、フォイル２２を表裏反転させることで、回転方向が逆向きのスラストフォイル軸受に使用することができる。すなわち、スラストカラー６ａの両側に設けられた一対のスラストフォイル軸受２０（図２参照）に、共通のフォイル２２を使用することができる。
薄肉部２２ｇの幅（下流端縁２２ｃの延在方向と直交する方向の寸法）Ａが大きすぎると、スラスト軸受面Ｓの下流側端部の剛性が過小となり、負荷容量が不足するおそれがある。このため、薄肉部２２ｇの幅Ａは１ｍｍ以下とすることが好ましい。
なお、薄肉部２２ｇは、図５に示すように各フォイル２２の下流側端部の全域に設ける他、各フォイル２２の下流側端部の一部領域、例えば、下流端縁２２ｃの頂部（最も下流側に配された部分）を含む一部領域に設けてもよい。また、薄肉部２２ｇの幅Ａや肉厚を場所によって異ならせてもよい。
軸６の回転時には、図６に示すように、各フォイル２２の下流側端部が最もスラストカラー６ａに接近する。本実施形態では、各フォイル２２の下流側端部に薄肉部２２ｇを設けることで、この領域の剛性｛スラストカラー６ａから遠ざかる側（図６の下側）への変位しにくさ｝を低下させている。これにより、スラスト軸受隙間Ｇｔの空気膜の圧力により、各フォイル２２の下流側端部（薄肉部２２ｇ）が容易に変位してスラストカラー６ａから遠ざかるため、各フォイル２２の下流側端部とスラストカラー６ａとの接触を防止することができる。この場合、各フォイル２２の薄肉部２２ｇの厚さを調整するだけで、各フォイル２２の下流側端部の剛性を調整することができるため、各フォイル２２の軸受面Ｓの面積は変わらず、負荷容量が維持される。
また、図示例では、薄肉部２２ｇの肉厚が、下流端縁２２ｃ側（図１１の左側）ほど薄くなっている。これにより、薄肉部２２ｇの上流側部分（下流端縁２２ｃから離れた領域）の肉厚を厚めにしてこの部分の剛性をある程度確保することができる。このため、薄肉部２２ｇの上流側部分が、スラスト軸受隙間Ｇｔの流体圧で屈曲することを防止することができる。
図６に示すように、本実施形態では、隣接する３枚のフォイル２２（１），２２（２），２２（３）のうち、最も上流側のフォイル２２（１）の下流端縁２２ｃ（１）と最も下流側のフォイル２２（３）の上流端縁２２ｄ（３）との間に周方向の隙間Ｃを設けることで、各フォイル２２の下流側端部の剛性を低下させている。しかし、この隙間Ｃが大きすぎると、負荷容量が低下するため好ましくない。本実施形態では、上記のようにフォイル２２の薄肉部２２ｇの厚さでバネ性を低下させているため、上記の隙間Ｃを小さくすることができ、例えばＣ≦０．５ｍｍとすることができる。なお、特に必要が無ければ、上記の隙間Ｃを省略してもよい。
次に、上記のような薄肉部２２ｇを有するフォイル２２の製造方法、特にフォイル部材６０（図７Ａ、７Ｂ参照）の加工方法について説明する。
フォイル部材６０は、一枚の箔材（フォイル）から形成される。箔材の加工方法としては、例えばワイヤーカットやレーザ加工が挙げられるが、何れの加工方法でも加工面にバリが発生する。フォイル２２に形成されたバリが脱落してスラスト軸受隙間Ｇｔに混入すると、最悪の場合、フォイル２２の破損を招くおそれがある。また、ワイヤー径やレーザ径には制約があるため、フォイル２２間の切り込み６２の幅（すなわち、図６に示すスラストフォイル軸受２０のフォイル２２間の回転方向隙間Ｃ）は、それ程小さくすることはできない。
そこで、箔材にエッチングを施してフォイル部材６０を形成することが好ましい。エッチングは、箔材の不要部分を溶解する加工方法であり、加工面にバリが発生しない。また、エッチングでは、箔材のうち、除去しない面にマスキングを施すだけで、所望の形状のフォイル部材６０が得られるため、フォイル２２間の切り込み６２の幅（すなわち、図６の隙間Ｃの大きさ）を自由に設定することができる。
本実施形態では、箔材にマスキングを施してエッチングすることにより、図７Ａ、７Ｂに示す形状を有するフォイル部材６０を形成する。このときのフォイル部材６０は、全域で肉厚が均一である。その後、フォイル部材６０のうち、各フォイル２２の薄肉部２２ｇの形成領域（図５参照）を除く全ての領域にマスキングを施して、エッチングすることにより、各フォイル２２の下流端端部に薄肉部２２ｇを形成する。エッチングで加工した薄肉部２２ｇの表面には、通常、図１１Ａあるいは図１１Ｄに示すような凹曲面が形成される。フォイルに対して片面のみからエッチングを施すことで、図１１Ａに示すような凹曲面が設けられ、フォイルに対して両面からエッチングを施すことで、図１１Ｄに示すような凹曲面が設けられる。
なお、薄肉部２２ｇは、エッチングに限らず、型成形（プレス成形）や機械加工により形成することもできる。図１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅ，１１Ｆに示すような断面形状の薄肉部２２ｇは、型成形や機械加工で形成する他、エッチングの処理条件を工夫して形成することもできる。
本発明の上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。
スラストフォイル軸受２０は、起動停止の際にフォイル２２の軸受面Ｓとスラストカラー６ａとが摺動する。そこで、各フォイル２２の軸受面Ｓに潤滑被膜を設けることで、軸受面Ｓの摺動性が高められる。例えば、図１２Ａや図１２Ｂに示す例では、各フォイル２２が、基材２４と、基材２４の表面に形成された潤滑被膜２５とを有し、潤滑被膜２５に軸受面Ｓが設けられる。潤滑被膜２５は、フォイル２２の本体部２２ａのうち、少なくとも下流側端部に設けられ、例えば、トップフォイル部Ｔｆ（軸受面Ｓ）の全域に設けられる。
潤滑被膜２５としては、樹脂系バインダーを用いたものや、無機系バインダーを用いたものを使用することができる。潤滑被膜２５に求められる機能として、スラストカラー６ａに対する摺動性（低摩擦性）や、フォイル２２の基材２４との密着性が挙げられる。樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜２５は、基材２４との密着性や耐摩耗性に優れているが、被膜厚さの影響によりフォイル２２の基材２４の元々の特性（可撓性）を変えてしまい、それによりフォイル２２の追従性が低下する場合がある。一方、無機系バインダーを用いた潤滑被膜２５は、フォイル２２の基材２４の特性を変化させにくいが、基材２４との密着性が低く、基材２４から剥がれやすいという問題がある。
そこで、本実施形態では、各フォイル２２の薄肉部２２ｇにおける基材２４の表面の面粗度を、上流側に隣接する領域における基材２４の表面の面粗度よりも大きくした。具体的には、例えば、薄肉部２２ｇをエッチングで加工することにより、薄肉部２２ｇの表面の面粗度は、エッチングを施していない面の面粗度よりも大きくなる。従って、図７Ａ、７Ｂに示す形状の基材（フォイル部材６０）を形成した後、各フォイル２２の下流側端部のみにエッチングを施すことにより、この領域に薄肉部２２ｇを形成すると同時に、この領域の基材２４の表面を粗面化して無数の微小凹部２４ａを形成することができる。こうして形成された微小凹部２４ａに、潤滑被膜２５の一部が入り込むことにより、基材２４と潤滑被膜２５との密着性が改善される。
スラストフォイル軸受２０をガスタービンに組み込んだ後、慣らし運転を行うことにより、各フォイル２２の軸受面Ｓとスラストカラー６ａとが摺動し、フォイル２２の下流側端部を含む領域に荷重が加わる。この荷重により、余分な潤滑被膜２５が削り取られて潤滑被膜２５の厚さのバラつきが低減されると共に、フォイル２２の薄肉部２２ｇの基材２４の表面に形成された微小凹部２４ａに潤滑被膜２５が押し込まれ、基材２４と潤滑被膜２５との密着性が高められる。なお、樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜２５も使用可能であるが、被膜が硬く、慣らし運転に時間がかかるため、生産性の面でも無機系バインダーを用いた潤滑被膜２５が有利である。
以上の実施形態では、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２の下流側端部に薄肉部２２ｇを設けた場合を示したが、薄肉部２２ｇを設ける場所はこれに限られない。例えば、各フォイル２２の内径側端部（内径端縁２２ｅおよびその近傍）に薄肉部２２ｇを設けてもよい。あるいは、各フォイル２２の下流側端部および内径側端部の双方に薄肉部２２ｇを設けてもよい。
また、上記のスラストフォイル軸受は一例であり、フォイルやフォイルホルダの構成を上記と異ならせてもよい。例えば、上記の実施形態では、ラジアルフォイル軸受１０の複数のフォイル１２を一つずつ別体に形成しているが、複数のフォイル１２のいくつかあるいは全部を、連結部で連結した状態で一枚のフォイルから一体に形成してもよい。また、スラストフォイル軸受２０の全てのフォイル２２を別体に形成した後、各フォイル２２をフォイルホルダ２１に取り付けてもよい。
本発明は、リーフ型のフォイル軸受に限らず、他のフォイル軸受に適用することも可能である。例えば、波型のバンプフォイルでフォイルを背後（軸受面と反対側）から支持することでフォイルにバネ性を付与する、いわゆるバンプ型のフォイル軸受に、本発明を適用することもできる。この場合、フォイルのうち、回転部材と摺動しやすい端部（例えば、下流側の端部）を含む領域に薄肉部を設けることで、この端部におけるバネ性を低下させて、回転部材との摺動を防止することができる。
また、本発明は、スラストフォイル軸受に限らず、ラジアルフォイル軸受に適用することも可能である。例えば、図３に示すラジアルフォイル軸受１０の各フォイル１２の下流側端部に、上流側に隣接する領域よりも薄い薄肉部を設けることができる。
６ 軸
６ａ スラストカラー
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ フォイル
２０ スラストフォイル軸受
２１ フォイルホルダ
２２ フォイル
２２ａ 本体部
２２ｂ 延在部
２２ｇ 薄肉部
２３ 固定部材
２４ 基材
２４ａ 微小凹部
２５ 潤滑被膜
６０ フォイル部材
Ｂｆ バックフォイル部
Ｔｆ トップフォイル部
Ｇｒ ラジアル軸受隙間
Ｇｔ スラスト軸受隙間
Ｓ スラスト軸受面
６ａ スラストカラー
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ フォイル
２０ スラストフォイル軸受
２１ フォイルホルダ
２２ フォイル
２２ａ 本体部
２２ｂ 延在部
２２ｇ 薄肉部
２３ 固定部材
２４ 基材
２４ａ 微小凹部
２５ 潤滑被膜
６０ フォイル部材
Ｂｆ バックフォイル部
Ｔｆ トップフォイル部
Ｇｒ ラジアル軸受隙間
Ｇｔ スラスト軸受隙間
Ｓ スラスト軸受面
Claims (8)
- 軸受面が形成されたフォイルを有するフォイル軸受において、
前記フォイルの端部に、前記端部の縁と反対側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受。 - 前記薄肉部の肉厚が、前記端部の縁に近づくほど徐々に薄くなっている請求項１に記載のフォイル軸受。
- 前記薄肉部の、前記端部の縁の延在方向と直交する方向の寸法を１ｍｍ以下とした請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
- 支持すべき回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを有し、各フォイルの下流側の端部を含む領域が、下流側に隣接するフォイルの上に重ねて配され、この領域に軸受面が形成されたフォイル軸受において、
各フォイルの下流側の端部に、上流側に隣接する領域よりも肉厚が薄い薄肉部を設けたフォイル軸受。 - 隣接する３枚のフォイルのうち、最も下流側のフォイルの上流側の端部と最も上流側のフォイルの下流側の端部との間に、回転方向の隙間が形成された請求項４に記載のフォイル軸受。
- 前記回転方向の隙間が０．５ｍｍ以下である請求項５に記載のフォイル軸受。
- 前記フォイルが、基材と、前記基材の表面に形成され、前記軸受面が設けられた潤滑被膜とを有し、
前記薄肉部における基材の表面の面粗度が、隣接する領域の基材の表面の面粗度よりも大きい請求項１～６の何れか１項に記載のフォイル軸受。 - 前記潤滑被膜が、無機バインダーを含む請求項７に記載のフォイル軸受。
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-
2021
- 2021-03-23 JP JP2021048557A patent/JP2022147351A/ja active Pending
-
2022
- 2022-03-07 WO PCT/JP2022/009793 patent/WO2022202255A1/ja active Application Filing
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