CN108350934B - 箔片轴承及其制造方法、以及箔片轴承的中间制造体 - Google Patents

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Abstract

箔片轴承(40)在轴部件(11)的旋转方向上的多处具有箔片(42)。在各箔片(42)的包含前端(421)在内的区域内形成有具有轴承面(S2)的上箔片部(Tf)，并且在各箔片(42)的包含后端(422)在内的区域内形成有背部箔片部(Bf)。在箔片(42)的在旋转方向(R)和反旋转方向上相邻的两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端(422)与反旋转方向侧的箔片的前端(421)之间设置有间隙(C1)，该间隙(C1)的宽度在与旋转方向垂直的方向(N)上不均匀。

Description

箔片轴承及其制造方法、以及箔片轴承的中间制造体
技术领域
本发明涉及箔片轴承及其制造法、以及箔片轴承的中间制造体。
背景技术
支承燃气轮机或涡轮增压器等涡轮机的主轴的轴承要求能够耐受高温、高速旋转这样的严酷的环境。作为适合在这样的严酷条件下使用的轴承，着眼于箔片轴承。在箔片轴承中，由对弯曲而言刚性低的具有挠性的薄膜(箔片)构成轴承面，在轴旋转时形成于轴与箔片的轴承面之间的轴承间隙中形成流体膜(例如空气膜)而对轴进行非接触支承。根据该箔片轴承，由于使用箔片来形成轴承面，从而允许轴承面的挠曲，轴承面追随着轴的移位或热膨胀等而变形，因此具有即使在严酷条件下也能够稳定地支承轴这样的优点。
作为该箔片轴承的一例，公知有在日本特开平2015-113928号公报(专利文献1)中记载的箔片轴承。在该专利文献1中，公开了如下的推力箔片轴承：将分别形成有多个箔片的两个箔片部件重叠，使上侧的箔片部件的箔片与下侧的箔片部件的箔片错开半个间距，并且将各箔片的旋转方向先行侧部分重叠配置在相邻的箔片的旋转方向后方侧部分之上。在该推力箔片轴承中，各箔片的旋转方向先行侧的部分作为构成轴承面的上箔片部而发挥功能，各箔片的反旋转方向侧的部分作为从背后支承上箔片部的背部箔片部而发挥功能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平2015-113928号公报
发明内容
发明要解决课题
另外，根据本发明人员近年来的验证，发现了在像专利文献1所记载那样将具有上箔片部和背部箔片部的多个箔片沿旋转方向配置的箔片轴承中，箔片中的、上箔片部的旋转方向先行侧的端部附近(前端附近)的刚性管理很重要。例如，如果在箔片的前端局部存在高刚性的部分，则有可能导致在该区域内对轴的移位等的追随性降低、流体从楔状的轴承间隙被压出等，从而轴的上浮效果降低。
因此，本发明的目的在于，使得容易进行各箔片、尤其是上箔片部的刚性管理。
用于解决课题的手段
为了达成以上的目的，本发明是一种箔片轴承，其在要支承的轴部件的旋转方向上的多处配置有箔片，各箔片具有位于所述旋转方向侧的前端和位于反旋转方向侧的后端，在各箔片的包含前端在内的区域内形成有具有轴承面的上箔片部，并且在各箔片的包含后端在内的区域内形成有配置于相邻的箔片的上箔片部的背后的背部箔片部，该箔片轴承的特征在于，在与任意箔片在所述旋转方向和反旋转方向上相邻的两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端与反旋转方向侧的箔片的前端之间设置有所述旋转方向上的间隙，并且该间隙的宽度在与所述旋转方向垂直的方向上不均匀。
通过这样使上述间隙在与旋转方向垂直的方向上不均匀，夹在箔片的前端与箔片的后端之间的中间箔片的支承跨距(前端与后端之间的跨距)变化，因此能够在与旋转方向垂直的方向上的各区域内调节中间箔片的弹性。因此，能够使被该中间箔片支承的箔片、尤其是上箔片部的刚性(对作用于轴承间隙的宽度方向上的剪切力而言的刚性)局部变化，从而对上箔片部整体的刚性进行管理。因此，能够提高轴承面对轴部件的移位和热膨胀等的追随性，使轴部件的上浮效果稳定化。
该作用效果能够通过将所述两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端和反旋转方向侧的箔片的前端形成为不同的轮廓形状而取得。
优选为，所述两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端被设为凹形状，并且反旋转方向侧的箔片的前端被设为凸形状，在该箔片前端和箔片后端的各顶部形成的所述间隙的宽度大于该间隙在其他区域的宽度。在上述形状的箔片中，具有前端的顶部的周边区域为高刚性的部分、其两侧的区域为低刚性的部分的趋势，但通过采用上述的结构，能够降低对剪切力而言的箔片前端的顶部的刚性，能够使前端整体的刚性均匀化。
该间隙的形态能够通过箔片前端和箔片后端的各顶部被设为圆弧形状并且箔片前端的顶部的曲率半径大于箔片后端的顶部的曲率半径而容易地取得。
通过上述间隙的宽度在箔片的位于前端的两侧的两个侧端中的、一个侧端侧大于另一个侧端侧，能够实现箔片的刚性管理的多样化。
并且，本发明是一种箔片轴承的制造方法，所述箔片轴承在要支承的轴部件的旋转方向上的多处配置有箔片，各箔片具有位于所述旋转方向侧的前端和位于反旋转方向侧的后端，在各箔片的包含前端在内的区域内形成有具有轴承面的上箔片部，并且在各箔片的包含后端在内的区域内形成有配置于相邻的箔片的上箔片部的背后的背部箔片部，该箔片轴承的制造方法的特征在于，形成多个箔片部件，该箔片部件一体地具有多个箔片和将各箔片连结起来的连结部，并且在各箔片部件的相邻的箔片之间将前端和后端设为不同的轮廓形状，通过向一个箔片部件的相邻的箔片之间导入其他箔片部件的箔片而将箔片彼此局部重叠，从而形成所述上箔片部和背部箔片部。
并且，本发明是一种箔片轴承的中间制造体，其是制造箔片轴承时的中间制造体，所述箔片轴承在要支承的轴部件的旋转方向上的多处配置有箔片，各箔片具有位于所述旋转方向侧的前端和位于反旋转方向侧的后端，在各箔片的包含前端在内的区域内形成有具有轴承面的上箔片部，并且在各箔片的包含后端在内的区域内形成有配置于相邻的箔片的上箔片部的背后的背部箔片部，该箔片轴承的中间制造体的特征在于，所述箔片轴承的中间制造体具有多个箔片部件，该箔片部件一体地具有多个箔片和将各箔片连结起来的连结部，并且在各箔片部件的相邻的箔片之间将前端和后端设为不同的轮廓形状，在一个箔片部件的相邻的箔片之间导入有其他箔片部件的箔片，通过导入所述箔片而将箔片彼此局部重叠，从而形成了所述上箔片部和背部箔片部。
发明效果
根据本发明，能够容易进行各箔片的刚性管理、尤其是上箔片部的刚性管理。因此，能够使轴部件的上浮效果稳定化，即使在严酷条件下也能够取得稳定的轴承功能。
附图说明
图1是概念性地示出燃气轮机的结构的图。
图2是示出上述燃气轮机中的转子的支承构造的剖视图。
图3是组入上述支承构造中的箔片轴承单元的剖视图。
图4是组入上述箔片轴承单元中的径向箔片轴承的剖视图。
图5A是上述径向箔片轴承的箔片的立体图。
图5B是将三个箔片临时组装起来的状态的立体图。
图6A是第一推力箔片轴承的俯视图。
图6B是第二推力箔片轴承的俯视图。
图7是第一推力箔片轴承的箔片的俯视图。
图8是将沿图6A中的X-X线的截面展开后的图。
图9A是将多个箔片连结而成的箔片部件的俯视图。
图9B是将多个箔片连结而成的箔片部件的俯视图。
图10是示出将两个箔片部件临时组装起来的状态的俯视图。
图11是示出将临时组装起来的两个箔片部件配置在箔片保持架的保持架主体上的状态的俯视图。
图12是示出将固定部件安装于图11的保持架主体的状态的俯视图。
图13是在比较例中将沿图6A中的X-X线的截面展开后的图。
图14是放大示出第一推力箔片轴承的箔片的俯视图。
图15是放大示出箔片部件的箔片的俯视图。
图16是放大示出第一推力箔片轴承的箔片的立体图。
图17是放大示出第一推力箔片轴承的箔片的俯视图。
图18是放大示出箔片部件的箔片的俯视图。
图19是放大示出第一推力箔片轴承的箔片的俯视图。
图20是放大示出第一推力箔片轴承的箔片的俯视图。
图21是放大示出径向箔片轴承的剖视图。
图22是示出在径向箔片轴承中使用的箔片部件的俯视图。
图23是示出将在径向箔片轴承中使用的两个箔片部件临时组装起来的状态的俯视图。
图24是示出径向箔片轴承的其他实施方式的立体图。
具体实施方式
在图1中概念性地示出作为一种涡轮机的燃气轮机的结构。该燃气轮机主要具有发电机3、燃烧器4、再生器5以及分别形成有叶片列的轮机1和压缩机2。在轮机1、压缩机2以及发电机3中设置有沿水平方向延伸的共用的旋转轴6，由该旋转轴6、轮机1以及压缩机2构成了能够一体旋转的转子。从进气口7吸入的空气在被压缩机2压缩并且被再生器5加热的基础上被送入燃烧器4中。将燃料与该压缩空气混合并使其燃烧，从而借助高温、高压的气体而使轮机1旋转。轮机1的旋转力经由旋转轴6而传递给发电机3，发电机3旋转从而发电，该电力经由逆变器8而输出。由于使轮机1旋转后的气体的温度比较高，因此将该气体送入再生器5中，与燃烧前的压缩空气之间进行热交换，从而对燃烧后的气体的热进行再利用。在再生器5中结束了热交换的气体在通过废热回收装置9之后作为废气被排出。
在图2中示出上述燃气轮机中的对转子的旋转轴6进行支承的箔片轴承单元10。箔片轴承单元10具有旋转轴6、径向箔片轴承30、第一推力箔片轴承40、第二推力箔片轴承50以及固定在旋转轴6上的旋转部件20。由一体旋转的旋转轴6和旋转部件20构成了轴部件11。径向箔片轴承30在径向方向上支承轴部件11，第一推力箔片轴承40和第二推力箔片轴承50在两个推力方向上支承轴部件11。
如图3所示，旋转部件20具有套筒部21和从套筒部21向外径突出的圆盘状的凸缘部22。凸缘部22例如由碳纤维增强复合材料形成，套筒部21例如由碳烧结材料形成。
如图4所示，径向箔片轴承30具有筒状(在图示例中为圆筒状)的箔片保持架31和安装在箔片保持架31的内周面上的多片(在图示例中为三片)箔片32。多个箔片32在箔片保持架31的内周面上沿周向排列配置。
在箔片保持架31的内周面31a上形成有槽31b。在本实施方式中，在箔片保持架31的圆周方向上等间隔的多处(在图示例中为三处)设置有沿轴向延伸的槽31b。箔片保持架31由金属形成，例如包含槽31b而一体地模具成型。本实施方式的箔片保持架31使用烧结金属而一体地模具成型。另外，当在温度比较低的环境使用箔片轴承单元10的情况下，也可以使用树脂来模具成型箔片保持架31。
如图5A所示，各箔片32具有设置于周向一端的凸部32c和设置于周向另一端的凹部32d。各箔片32的凸部32c和凹部32d设置在轴向上的相同的位置。如图5B所示，通过将各箔片32的凸部32c嵌入相邻的箔片32的凹部32d中，能够将三个箔片32临时组装成筒状。在该情况下，在图4所示的轴向观察时为各箔片32的反旋转方向侧的一端(凸部32c)与相邻的箔片32的旋转方向R侧的另一端(凹部32d的轴向两侧的凸部32e)交叉的状态。在该状态下，各箔片32的两端被箔片保持架31保持。具体而言，设置于各箔片32的旋转方向侧的端部的凸部32e***到箔片保持架31的槽31b中，设置于各箔片32的反旋转方向侧的端部的凸部32c配置于相邻的箔片32的外径面32b与箔片保持架31的内周面31a之间。在该情况下，多个箔片32向旋转方向R侧的移动由于各箔片32的凸部32e与槽31b的内壁抵靠而被限制，但多个箔片32向反旋转方向侧的移动没有被限制。由此，使多个箔片32能够相对于箔片保持架31进行周向移动。
各箔片32的内径面32a作为径向轴承面S1发挥功能(参照图4)。在图示例中，由三个箔片32形成了多圆弧型的径向轴承面S1。在箔片保持架31的内周面31a与各箔片32之间没有设置用于对箔片32赋予弹力的另外的部件(背部箔片等)，箔片32的外径面32b与箔片保持架31的内周面31a能够滑动。各箔片32的凸部32c配置于相邻的箔片32的径向轴承面S1的外径侧，作为下箔片部发挥功能。
接下来，对第一推力箔片轴承40和第二推力箔片轴承50的结构进行说明。
如图3所示，第一推力箔片轴承40从轴向一侧支承旋转部件20的凸缘部22，如图3和图6A所示，具有箔片保持架41和安装于箔片保持架41的多个箔片42。箔片保持架41具有：圆盘状的保持架主体41a，其在轴心具有孔；以及环状的固定部件41b，其设置于保持架主体41a的端面41a1的外径端。通过由保持架主体41a和固定部件41b从轴向两侧夹住各箔片42，各箔片42被箔片保持架41保持。在本实施方式中，第一推力箔片轴承40的箔片保持架41的保持架主体41a与径向箔片轴承30的箔片保持架31一体地形成。
如图6A所示，箔片42等间距地配置于旋转方向R(圆周方向)上的多处。图7仅图示了沿旋转方向R排列的多个箔片42中的一个箔片42，省略了其他箔片的图示。如图7所示，各箔片42一体地具有构成后述的上箔片部Tf和背部箔片部Bf的主体部42a和从主体部42a向外径侧延伸的延伸部42b。
箔片42的主体部42a具有位于旋转方向R侧的前端421、位于反旋转方向侧的后端422以及在前端421的两侧与前端421连接的侧端423、424。前端421和后端422呈所谓的人字形状，前端421形成为在其两端部之间向旋转方向R侧突出的凸形状，后端422形成为在其两端部之间向旋转方向R侧凹陷的凹形状。前端421和后端422在轴承面S2上，在双向并且与旋转方向R垂直的方向N(在推力箔片轴承中为半径方向)上的中央区域具有顶部421a、422a。在本实施方式中，例示了顶部421a、422a双方的轮廓形状为圆弧的情况。内径侧和外径侧的侧端423、424都是由以轴心为中心的圆弧形成的。
延伸部42b通过从主体部42a的外径端沿反旋转方向向外径侧后退而形成为沿相对于半径方向倾斜的方向延伸。如图6A所示，沿旋转方向R排列的各延伸部42b以彼此不重叠的方式隔着旋转方向R上的间隙而配置在构成箔片保持架41的保持架主体41a的同一平面上。将固定部件41b配置于在保持架主体41a上排列的各延伸部42b上，由保持架主体41a和固定部件41b夹住各箔片42的延伸部42b的外径部分(在图7中使用交叉阴影线而示出)，使用螺栓等将两部件41a、41b紧固固定，由此各箔片42被固定在箔片保持架41上。
图8是沿图6A中的X-X线的剖视图。如图8所示，第一推力箔片轴承40的各箔片42以相位错开了各箔片42的半个间距并且沿旋转方向R局部重叠的方式配置在保持架主体41a的端面41a1上。各箔片42的包含前端421在内的旋转方向先行侧的区域构成搭在相邻的箔片42上的上箔片部Tf。并且，各箔片42的包含后端422在内的反旋转方向侧的区域构成在相邻的箔片42的上箔片部Tf的背后支承该上箔片部Tf的背部箔片部Bf。在各箔片42的上箔片部Tf的表面上形成有与凸缘部22的一个端面22a对置的推力轴承面S2。
以上所述的第一推力箔片轴承40能够按照以下的顺序而制作。另外，在第一推力箔片轴承40的箔片保持架41的保持架主体41a上一体设置有径向箔片轴承30的箔片保持架31，但以下为了简化说明，以省略了箔片保持架31的形式进行说明。
首先，如图9A和图9B所示，制作相同形状的两个箔片部件60(在图9～图12中，为了易于理解，在一个箔片部件60上标注散点来表示)。在各箔片部件60中，通过对箔片原材料进行冲压加工和线切割加工等而一体形成了多个箔片42和将它们的外径端连结起来的环状的连结部61。在各箔片部件60中，组入第一推力箔片轴承40中的箔片42的半数的箔片42沿着旋转方向R等间隔地设置。相邻的箔片42的主体部42a被切割口62分断，相邻的箔片42的延伸部42b之间被冲压而形成空间63。各箔片42的延伸部42b经由接合部61a而被连结部61保持。接合部61a的周向尺寸L1小于各箔片42的延伸部42b的外径端的周向尺寸L2。
接着，如图10所示，将一个箔片部件60与另一个箔片部件60重叠。此时，两个箔片部件60被设为错开了箔片42的半个间距的状态，将一个箔片部件60的各箔片42(主体部42a)的旋转方向R上的先行侧部分经由切割口62而配置于另一个箔片部件60的箔片42(主体部42a)的反旋转方向侧的部分之上。
然后，将像上述那样临时组装起来的两个箔片部件60像图11所示那样配置在保持架主体41a的端面41a1上。此时，各箔片42的延伸部42b的外径端沿着保持架主体41a的端面41a1的外径端配置。并且，箔片部件60的连结部61配置于比保持架主体41a靠外径侧的位置。在该状态下，如图12所示，将固定部件41b配置在保持架主体41a上的箔片部件60之上，使用未图示的螺栓等而将保持架主体42a和固定部件41b固定起来。由此，各箔片42被固定在箔片保持架41上，箔片轴承的中间制造体80完成。
然后，将向保持架主体41a和固定部件41b的外径侧突出的接合部61a切断，从而将连结部61从各箔片42分离。通过以上内容，图6A所示的第一推力箔片轴承40完成。另外，除了像这样将连结部61与各箔片42分离之外，也可以不将连结部61分离，而将其保留。即，也能够将上述中间制造体80作为第一推力箔片轴承40而使用。在该情况下，优选为，使保持架主体41a和固定部件41b的外径尺寸大于连结部61的外径尺寸，从而连结部61不向箔片保持架41的外径侧突出。
如图3所示，第二推力箔片轴承50从轴向另一侧支承旋转部件20的凸缘部22，如图6B所示，具有箔片保持架51和固定在箔片保持架51上的多个箔片52。箔片保持架51具有：圆盘状的保持架主体51a，其在轴心具有孔；以及固定部件51b，其配置于保持架主体51a的端面51a1的外径端。各箔片52具有主体部52a和从主体部向外径侧延伸的延伸部52b。在各箔片52的主体部52a形成有上箔片部Tf和背部箔片部Bf(参照图8)，在各箔片52的上箔片部Tf的表面上形成有与凸缘部22的另一个表面22b对置的推力轴承面S3。另外，第二推力箔片轴承50的各部件的形状和组装方法与第一推力箔片轴承40相同，因此省略重复说明。
以上所述的箔片32、42、52使用由富有弹性并且加工性好的金属、例如钢材料或铜合金构成的厚度为20μm～200μm左右的箔片原材料而形成。作为箔片原材料，优选由不锈钢或青铜制构成。
图3所示的上述结构的箔片轴承单元10是按照以下的顺序而组装起来的。首先，将旋转部件20的套筒部21***到径向箔片轴承30的内周。然后，以从轴向两侧夹住旋转部件20的凸缘部22的方式使第二推力箔片轴承50与第一推力箔片轴承40对峙。在该状态下，使第一箔片轴承40的箔片保持架41的固定部件41b和第二箔片轴承50的箔片保持架51的固定部件51b在轴向上抵接，使用未图示的螺栓等将两箔片保持架41、51固定起来。通过以上过程，箔片轴承单元10完成。
接着，将旋转轴6压入固定于构成箔片轴承单元10的旋转部件20的套筒部21和凸缘部22的内周，并且将各箔片轴承30、40、50的箔片保持架31、41、51的一部分或全部固定在燃气轮机的外壳上。由此，图2所示的燃气轮机的支承构造完成。由此，旋转轴6和旋转部件20形成一体旋转的轴部件11，该轴部件11的旋转被各轴承(径向箔片轴承30、第一推力箔片轴承40以及第二推力箔片轴承50)支承。
在图4所示的径向箔片轴承30中，各箔片32以相对于箔片保持架31的内周面偏心的状态弯曲。因此，伴随着轴部件11的一个方向上的旋转，在各箔片32的径向轴承面S1与轴部件11的外周面(旋转部件20的套筒部21的外周面21a)之间形成了楔空间。借助在该楔空间中产生的流体动压而在径向箔片轴承30的各箔片32与轴部件11的外周面之间形成了环状的径向轴承间隙，轴部件11在径向方向上被非接触支承。
并且，在图6A和图6B所示的第一推力箔片轴承30(也包含第二推力箔片轴承40)中，如图8所示，各箔片42的上箔片部Tf经由相邻的箔片42之间的切割口62(参照图9(A)、图9(B))而搭在各箔片42的背部箔片部Bf上，因此上箔片部Tf成为倾斜地立起的状态。因此，伴随着轴部件11的一个方向上的旋转，在各箔片42的径向轴承面S2与轴部件11的端面(旋转部件20的凸缘部22的端面22a)之间形成了楔空间，借助在该楔空间中产生的流体动压而在推力方向上对轴部件11进行非接触支承。
此时，借助箔片32、42、52所具有的挠性，各箔片32、42、52的轴承面S1、S2、S3根据载荷、轴部件11的旋转速度、周围温度等运转条件而任意地变形，因此径向轴承间隙和推力轴承间隙被自动调节为与运转条件对应的适当宽度。因此，即使在高温、高速旋转这样的严酷的条件下，也能够将径向轴承间隙和推力轴承间隙管理为最佳宽度，能够稳定地支承轴部件11。
另外，在轴部件11马上停止前和刚起动后的低速旋转时，各箔片32、42、52的轴承面(尤其是径向箔片轴承30的箔片32的轴承面)与旋转部件20接触滑动，因此可以在它们中的任意一方或双方上形成DLC膜、氮化钛铝膜、二硫化钨膜、或二硫化钼膜等低摩擦化覆膜。并且，在轴部件11旋转时，能够通过各箔片32、42、52与各箔片保持架31、41、51之间的微小滑动来抑制轴部件11的振动。为了调节基于该微小滑动的摩擦力，可以在箔片32、42、52和各箔片保持架31、41、51中的任意一方或双方上形成上述那样的低摩擦化覆膜。
另外，通过本发明人员进行的箔片轴承的验证过程，可以明确，在像第一推力箔片轴承40(也包含第二推力箔片轴承50)那样在旋转方向R上的多处设置有具有作为上箔片部Tf发挥功能的部分和作为背部箔片部Bf发挥功能的部分的箔片42的箔片轴承的情况下，各箔片42、尤其是上箔片部Tf的刚性对轴承性能影响很大。
[验证1]
例如在图9(A)、图9(B)所示的箔片部件60的制作工序中，各箔片42的主体部42a被切割口62分断。在通过线切割加工来形成该切割口62的情况下，由于切割口62的宽度为微小尺寸(几μm～几十μm)，因此肉眼会将切割口62看成线。
图13是与图8对应的图，是示出像上述那样通过线切割加工而形成切割口62并将其设为微小宽度的比较例(专利文献1)的剖视图。在该情况下，在组装箔片轴承后，与任意箔片(例如标号42-1)在旋转方向R和反旋转方向上相邻的两个箔片42-2和42-3中的、旋转方向R侧的箔片42-2的后端422-2与反旋转方向侧的箔片42-3的前端421-3实质上位于同一平面P上。在该平面P上，三个箔片处于重叠的状态，因此在平面P上介于前端421-3与后端422-2之间的箔片42-1(以下，称作中间箔片)的弹性降低。因此，被中间箔片42-1支承的箔片42-3的尤其是前端421-3的刚性整体提高。另外，这里所说的刚性是指对作用于轴承间隙的宽度方向(图8和图13的上下方向)上的剪切力而言的刚性。
在这样前端421的刚性变大时，该前端421对轴部件11的移位等的追随性降低，因此在轴部件11移位等时流体容易从楔空间逃逸。因此，轴部件11的上浮效果变得不稳定，在最坏的情况下箔片42有可能与轴部件11接触。
为了避免以上的不良情况，在本发明中，如图8和图14所示，使与中间箔片42-1在旋转方向R和反旋转方向上相邻的两个箔片42-2和42-3中的、旋转方向R侧的箔片42-2的后端422-2与反旋转方向侧的箔片42-3的前端421-3在旋转方向R上错开，在该前端421-3与后端422-3之间设置旋转方向R的间隙C1。即，在旋转方向R上，使旋转方向R侧的箔片42-2的后端422-2比反旋转方向侧的箔片42-3的前端421-3先行。另外，由于中间箔片42-1相当于形成在图6B所示的另一个箔片部件60中的箔片42，因此在图14中模仿图6B而在中间箔片42-1上标注散点图案(图17、图19、图20也相同)。
该间隙C能够通过如下的方式形成：在制作图9A和图9B所示的各箔片部件60时，如图15所示，增大分断各个箔片部件60的箔片42之间的切割口62的旋转方向R上的宽度而设为间隙C2，使该间隙C1的宽度与上述间隙C1(参照图14)为相同程度。
通过这样在位于图8所示的中间箔片42-1的表侧(轴承间隙侧)和里侧(与轴承间隙侧相反一侧)的其他箔片(42-2和42-3)的后端(422-2)与前端(421-3)之间形成间隙C1，中间箔片42-1针对前端(421-3)的弹簧效果增强。因此，能够减小各箔片42的前端421的刚性，提高前端421对轴部件11的移位的追随性，防止流体从楔空间流出和箔片42与轴部件11接触。
[验证2]
考虑有各箔片42的前端421所具有的刚性不一样、在各部分不同的情况。例如，在图7所示的前端421中的、具有从旋转方向R向反旋转方向反转的形状的顶部421a附近，与其两侧(内径侧和外径侧)的区域相比，前端421的形状复杂化，箔片刚性由于该复杂化而提高。因此，在像图16所示那样轴承间隙的宽度方向上的剪切力F作用于各箔片42的前端421时，在顶部421a的两侧，箔片42的变形量d2大，与此相对，在前端421的顶部421a附近箔片42的变形量d1小。在该情况下，前端421的顶部421a的周边区域成为高刚性的部分X，与此相对，其两侧的区域成为低刚性的部分Y。这样在前端421产生了高刚性的部分X和低刚性的部分，因此即使形成了例如图14所示的间隙C1，顶部421a的刚性也维持为较高的状态。因此，无法充分确保箔片前端421对轴部件11的移位等的追随性，有可能产生与上述相同的问题。
根据以上的验证1和2，在本发明中，如图8和17所示，除了使中间箔片42-1的表里两侧的箔片前端(421-3)与箔片后端(422-2)在旋转方向R上错开而在两者之间设置间隙C1之外，还像图17所示那样使该间隙C1的宽度(是指旋转方向R上的宽度。以下相同)沿着轴承面S2并且在与旋转方向R垂直的方向N上不均匀。具体而言，在前端421的顶部421a附近增大间隙C1的宽度，另一方面在顶部421a的两侧减小间隙C1的宽度。尤其是在顶部421a，使间隙C1为最大宽度(C1max)。在本实施方式中，例示了通过使反旋转方向侧箔片42-3的前端421-3的顶部421a的曲率半径r1大于旋转方向R侧的箔片42-2的后端422-2的顶部422a的曲率半径r2(r1＞r2)而形成以上形态的间隙C1的情况。
在轴部件11旋转的过程中，借助在轴承间隙中产生的流体压力而向中间箔片42-1(参照图8)按压其反旋转方向侧的箔片42-3的前端421-3。此时，如图17所示，由于使间隙C1在与旋转方向R垂直的方向N上不均匀，从而在箔片前端421-3的顶部421a附近，基于箔片前端421-3和箔片后端422-2的中间箔片42-1的支承跨距比顶部421a的两侧(低刚性的部分Y)大。由此，中间箔片42-1在箔片前端421-3的顶部431a附近的弹性变高，因此能够使针对上述剪切力F而言的箔片前端421的顶部421a的刚性降低，能够使前端421整体的刚性均匀化。因此，能够提高轴承面S2对轴部件11的移位和热膨胀等的追随性，使轴部件11的上浮效果稳定化。
另外，以上所述的间隙C1能够通过以下的方式形成：如图18中放大所示，当在图9(A)、图9(B)所示的各箔片部件60的制作阶段对箔片原材料进行冲压加工等时，通过冲压加工等而去除材料，使得各箔片部件60的切割口62成为与图17所示的间隙C1的形状对应的形状的间隙C2。
在按照图9～图12所示的顺序来制作箔片轴承的情况下，以往，图9(A)、图9(B)所示的箔片部件60的切割口62在多数情况下是通过不伴随去除材料的切割(例如线切割加工)而形成的。在该情况下，被切割口62分断的前端421和后端422为同一轮廓形状。与此相对，在本发明中，使被切割口62分断而成的前端421和后端422为不同的轮廓形状，该点是与现有的箔片轴承的不同点。
另外，如果间隙C1的宽度过大，则使图8所示的中间箔片42-1立起的效果变弱，因此难以形成楔空间，导致轴承性能降低。因此，使间隙C1的最窄的部分的宽度最大是大概1mm左右。当然，该上限值是根据轴承尺寸、所使用的箔片原材料的厚度和材料特性、轴承的使用条件等而变动的，因此上述的上限值是平均的上限值。无论如何，在轴承特性上不优选将间隙C1的宽度设为过大的尺寸。
在以上的说明中，作为箔片42的刚性管理的方法，例示了使箔片前端421的顶部421a附近的间隙C1的宽度比该间隙C1的其他部位的间隙C1的宽度大的情况，但箔片的刚性管理方法不限于此，也能够采用以下的各方法。
从图6A和图6B可知，在第一推力箔片轴承40中，各箔片42的内径侧的侧端423的旋转方向长度小于外径侧的侧端424的旋转方向长度是惯例。因此，对两侧端423、424进行比较的话，具有内径侧的侧端423的刚性比外径侧的侧端424高的趋势。在该刚性差成为问题的情况下，如图19所示，通过使上述的间隙C1在内径侧大于外径侧，能够局部调节箔片42的刚性。
并且，在预想轴部件11晃动而呈锥形旋转的情况下，轴部件11(凸缘部22)的外径端容易与箔片42的外径侧的侧端424接触。为了防止该接触，降低各箔片42的外径侧区域的刚性是有效的。因此，在该情况下，如图20所示，优选使上述间隙C1的宽度在外径侧比内径侧大。由此，箔片42的外径侧区域容易变形，因此也能够稳定地支承呈锥形晃动的轴部件11。
以上，作为用于进行箔片42的刚性管理的间隙C1，例示了图17、图19以及图20所示的各形态，但间隙C1的形态不限于以上的例示，能够根据要调节的刚性差而任意设定。例如，也能够选择上述各图所示的间隙C1中的任意一个形态或者任意组合而采用两个以上的形态。通过这样根据在箔片(尤其是上箔片部Tf)上产生的刚性差而适当变更间隙C1的形态，能够多方面地进行箔片42的刚性管理。
并且，在以上的说明中，作为本发明的应用对象，例示了第一推力箔片轴承40(也包含第二推力箔片轴承50)，但在使用像图21所示那样沿旋转方向R配置有多个箔片32并且在各箔片32上设置有作为上箔片部Tf发挥功能的部分和作为背部箔片部Bf发挥功能的部分的箔片轴承作为图2所示的径向箔片轴承30的情况下，也能够将本发明用于该径向箔片轴承30。在该情况下也是，使与任意箔片(32-1)在旋转方向R和反旋转方向上相邻的两个箔片(32-2和32-3)中的、旋转方向R侧的箔片(32-2)的后端322与反旋转方向侧的箔片(32-3)的前端321在旋转方向R上错开而在两端321、322之间设置旋转方向R上的间隙C1，并且使该间隙C1的宽度沿着轴承面S1并且在与旋转方向R垂直的方向N(图24所示轴向)上不均匀。由此，在径向箔片轴承30中也能够进行各箔片32的刚性管理以提高轴承性能。
该径向箔片轴承30的组装例如能够按照以下的顺序进行。首先，如图22所示，制作一体地具有多个箔片32和将各箔片连结起来的带状的连结部71的两个箔片部件70。此时，在箔片部件70的箔片32之间夹着切割口62(间隙C2)。接着，将一个箔片部件70翻转，并与另一个箔片部件70错开箔片32的半个间距而配置，如图23所示，将两个箔片部件70中的一个箔片部件70的箔片32导入到另一个箔片部件70的切割口62中并且重叠。然后，将两个箔片部件卷起来，将其一端安装于箔片保持架31(将连结部71保留)。
在该组装工序中也是，如图23所示，通过在各箔片部件70的箔片前端321与箔片后端322之间设置沿着轴承面S1并且宽度在与旋转方向R垂直分方向N上不均匀的间隙C2，能够在位于中间箔片32-1的表侧(轴承间隙侧)和里侧(与轴承间隙侧相反一侧)的其他箔片(32-2和32-3)的后端322与前端321之间形成上述的不均匀的间隙C1。
另外，径向箔片轴承30的组装顺序不限于使用两个将连结部71和多个箔片32一体化而成的箔片部件70的上述的顺序。例如，在像图24所示那样通过适当的手段(压入、焊接、粘接等)而将箔片32(不具备连结部71)一片片地固定于箔片保持架31的内周面上的情况下，也能够通过形成上述的间隙C1来取得相同的效果。在图6A和图6B所示的第一推力箔片轴承40和第二推力箔片轴承50中，与图24同样地，也可以在箔片保持架41、51上一片片地安装箔片42、52，此时能够通过形成上述的间隙C1而取得相同的效果。
并且，在图22～图24中，例示了将凸状的箔片前端321和凹状的箔片后端322的各顶部321a、322a形成为尖端形状(V字状)的情况，但各顶部321a、322a的形状是任意的，也能够与图6A、图6B以及图7所示的推力箔片轴承40、50同样地将各顶部321a、322a形成为圆弧形状。相反地，也能够将图6A、图7B以及图7所示的第一推力箔片轴承40(也包含第二推力箔片轴承50)的凸状的箔片前端421和凹状的箔片后端422与图22～图24所示的径向箔片轴承30同样地设为尖端形状。并且，在前端321、421和后端322、422不是人字形状而采用螺旋形状的情况下也能够应用本发明。
并且，各箔片轴承30、40、50的组装顺序也不限于以上所说明的顺序，只要能够将具有上箔片部Tf和背部箔片部Bf的箔片配置在旋转方向上的多处，就能够采用任意的组装顺序。
本发明的推力箔片轴承和径向箔片轴承的应用对象不限于上述的燃气轮机，也能够作为例如对增压器的转子进行支承的轴承而使用。并且，本发明的箔片轴承不限于燃气轮机或增压器等涡轮机，能够广泛地作为在很难使用润滑油等液体进行润滑、从能量效率的观点来看很难另外设置润滑油循环***的辅助设备、或者液体对剪切的阻抗成为问题等限制下使用的汽车等的车辆用轴承、进而作为工业设备用的轴承而使用。
并且，以上所说明的各箔片轴承是使用了空气作为压力产生流体的空气动压轴承，但不限于此，也能够使用其他气体作为压力产生流体，或者也能够使用水或油等液体。而且，在以上所述的径向箔片轴承30、第一推力箔片轴承40以及第二推力箔片轴承40的说明中使轴部件11旋转，但在与之相反地使箔片保持架31、41、51侧旋转的情况下也能够应用本发明。
标号说明
11：轴部件；30：径向箔片轴承；31：箔片保持架；32：箔片；40：第一推力箔片轴承；41：箔片保持架；42：箔片；60：箔片部件；61：连结部；70：箔片部件；71：连结部；62：切割口；80：中间制造体；321：前端；322：后端；421：前端；421a：顶部；422：后端；422a：顶部；423：侧端；424：侧端；Bf：背部箔片部；C1：间隙；C2：间隙；F：剪切力；N：与旋转方向垂直的方向；R：旋转方向；S1：轴承面；S2：轴承面；Tf：上箔片部。

Claims (7)

1.一种箔片轴承，其在要支承的轴部件的旋转方向上的多处配置有箔片，各箔片具有位于所述旋转方向侧的前端和位于反旋转方向侧的后端，在各箔片的包含前端在内的区域内形成有具有轴承面的上箔片部，并且在各箔片的包含后端在内的区域内形成有配置于相邻的箔片的上箔片部的背后的背部箔片部，该箔片轴承的特征在于，
在与任意箔片在所述旋转方向和反旋转方向上相邻的两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端整个区域与反旋转方向侧的箔片的前端整个区域之间设置有所述旋转方向上的间隙，并且该间隙的宽度在与所述旋转方向垂直的方向上不均匀。
2.根据权利要求1所述的箔片轴承，其中，
所述两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端和反旋转方向侧的箔片的前端被设为不同的轮廓形状。
3.根据权利要求2所述的箔片轴承，其中，
所述两个箔片中的、旋转方向侧的箔片的后端被设为凹形状，并且反旋转方向侧的箔片的前端被设为凸形状，在箔片前端和箔片后端的各顶部形成的所述间隙的宽度大于该间隙在其他区域的宽度。
4.根据权利要求3所述的箔片轴承，其中，
所述箔片前端和箔片后端的各顶部被设为圆弧形状，并且所述箔片前端的顶部的曲率半径大于所述箔片后端的顶部的曲率半径。
5.根据权利要求2所述的箔片轴承，其中，
所述间隙的宽度在所述箔片的位于前端的两侧的两个侧端中的一个侧端侧大于另一个侧端侧。
6.一种箔片轴承的制造方法，所述箔片轴承在要支承的轴部件的旋转方向上的多处配置有箔片，各箔片具有位于所述旋转方向侧的前端和位于反旋转方向侧的后端，在各箔片的包含前端在内的区域内形成有具有轴承面的上箔片部，并且在各箔片的包含后端在内的区域内形成有配置于相邻的箔片的上箔片部的背后的背部箔片部，该箔片轴承的制造方法的特征在于，
形成多个箔片部件，该箔片部件一体地具有多个箔片和将各箔片连结起来的连结部，并且在各箔片部件的相邻的箔片之间将前端和后端设为不同的轮廓形状，在所述前端整个区域与所述后端整个区域之间设置有所述旋转方向上的间隙，通过向一个箔片部件的相邻的箔片之间导入其他箔片部件的箔片而将箔片彼此局部重叠，从而形成所述上箔片部和背部箔片部。
7.一种箔片轴承的中间制造体，其是制造箔片轴承时的中间制造体，所述箔片轴承在要支承的轴部件的旋转方向上的多处配置有箔片，各箔片具有位于所述旋转方向侧的前端和位于反旋转方向侧的后端，在各箔片的包含前端在内的区域内形成有具有轴承面的上箔片部，并且在各箔片的包含后端在内的区域内形成有配置于相邻的箔片的上箔片部的背后的背部箔片部，该箔片轴承的中间制造体的特征在于，
所述箔片轴承的中间制造体具有多个箔片部件，该箔片部件一体地具有多个箔片和将各箔片连结起来的连结部，并且在各箔片部件的相邻的箔片之间将前端和后端设为不同的轮廓形状，在所述前端整个区域与所述后端整个区域之间设置有所述旋转方向上的间隙，
在一个箔片部件的相邻的箔片之间导入有其他箔片部件的箔片，通过导入所述箔片而将箔片彼此局部重叠，从而形成了所述上箔片部和背部箔片部。
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