JP2015113927A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】多円弧型のフォイル軸受による軸の振動減衰効果を高める。【解決手段】筒状をなしたフォイルホルダ３１と、ラジアル軸受面Ｓ１を有し、フォイルホルダ３１の内周面３１ａに周方向に並べて配された複数のフォイル３２とを備え、各フォイル３２の周方向両端（凸部３２ｅ，凸部３２ｃ）がフォイルホルダ３１に保持され、内周に挿入された軸６を回転自在に支持するラジアルフォイル軸受３０において、複数のフォイル３２が、周方向移動可能な状態でフォイルホルダ３１に保持された。【選択図】図４

Description

本発明は、内周に挿入された軸を回転自在に支持するフォイル軸受と、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合する軸受として、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、軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものである。軸の回転時には、軸の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜（例えば空気膜）が形成され、軸が非接触支持される。

例えば、下記の特許文献１及び２には、複数のフォイルを周方向に並べて配置し、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダ（ハウジング）に取り付けた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受が示されている。これらのフォイル軸受では、フォイルホルダの内周面から内径に突出した突出部（特許文献１の偏移抑制部６２、特許文献２の峰７０）に各フォイルの周方向両端を突き当てることで、各フォイルの周方向両端がフォイルホルダに保持されている。

特開２００９−２１６２３９号公報 特開２００６−５７８２８号公報

フォイル軸受では、フォイルと他部材（バックフォイルやフォイルホルダ）との間の微小摺動の摩擦エネルギーにより、軸の振動を減衰する効果が得られる。しかし、上記特許文献１及び２のフォイル軸受では、フォイルホルダに設けられた突出部により各フォイルが周方向両側から拘束されており、各フォイルの周方向両側への移動がフォイルホルダの突出部で規制される。このため、フォイルと他部材との摺動量が極めて微小となり、軸の振動減衰効果が十分に得られない恐れがある。

本発明が解決しようとする課題は、多円弧型のフォイル軸受による軸の振動減衰効果を高めることにある。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、筒状をなしたフォイルホルダと、軸受面を有し、前記フォイルホルダの内周面に周方向に並べて配された複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向両端が前記フォイルホルダに保持され、内周に挿入された軸を回転自在に支持するフォイル軸受であって、各フォイルが、周方向移動可能な状態でフォイルホルダに保持されたことを特徴とするものである。

このように、本発明のフォイル軸受では、各フォイルが周方向移動可能な状態でフォイルホルダに保持されている。すなわち、各フォイルの周方向両端がフォイルホルダに突き当たっているのではなく、フォイルが周方向移動を許容された状態でフォイルホルダに保持されている。このように、フォイルの周方向移動を許容することで、フォイルとフォイルホルダとの摺動量を増やすことができるため、フォイルの摺動による軸の振動減衰効果を高めることができる。

例えば、各フォイルの回転方向先行側の端部を、前記フォイルホルダの内周面に形成された凹部に周方向移動可能な状態で差し込むと共に、各フォイルの回転方向後方側の端部を、隣接するフォイルとフォイルホルダの内周面との間に配することで、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダに保持することができる。この場合、各フォイルの回転方向先行側への移動は、各フォイルの回転方向先行側の端部が凹部に突き当たることで規制されるが、各フォイルの回転方向後方側への移動は規制されない。これにより、各フォイルが、周方向移動可能な状態でフォイルホルダに保持される。尚、「回転方向」とは、フォイル軸受で支持される軸の回転方向のことを言う（以下同様）。

あるいは、各フォイルの周方向両端を、前記フォイルホルダの内周面に形成された凹部に差し込むことで、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダの内周面に保持することができる。この場合、各フォイルの周方向両端を凹部と周方向で係合させるのではなく、各フォイルの周方向一端を前記凹部と周方向で係合させた状態で、各フォイルの周方向他端が前記凹部と周方向で係合しないようにすることで、各フォイルのフォイルホルダに対する周方向移動が許容される。

上記のフォイル軸受は、凹部の内壁に、各フォイルの回転方向先行側の端部が突き当たる角部を設けることが好ましい。この角部に、各フォイルの回転方向先行側の端部が突き当たることにより、各フォイルの回転方向先行側の端部を所定の周方向及び半径方向位置に配することができる。これにより、軸が回転した時のフォイルの変形を制御しやすくなり、軸受性能を安定させることができる。

例えば上記特許文献１及び２のフォイル軸受では、各フォイルの周方向両端を、フォイルホルダの内周面に設けた突出部に突っ張らせることで、各フォイルを外径側に張り出させて、フォイルホルダの内周面に沿わせることができる。一方、本発明に係るフォイル軸受では、各フォイルの周方向移動を許容するため、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダに突っ張らせることはできない。このため、各フォイルが内径側に大きくせり出し、軸の外周面と過剰に接触して回転トルクを増大させる恐れがある。そこで、隣接するフォイルの周方向端部同士を周方向で突っ張り合わせることにより、各フォイルを外径側に張り出させることが好ましい。これにより、各フォイルをフォイルホルダの内周面に沿わせて、回転トルクの増大を回避できる。

フォイル軸受で支持する軸が鉛直方向と交差する方向（例えば水平方向）に配される場合、軸の起動停止時等の低速回転時に軸が重力で降下することで、フォイル軸受の下方部分に軸が摺接する。この場合、上記特許文献１及び２のように、各フォイルがフォイルホルダに対して周方向に固定されていると、軸の低速回転時に、フォイルの同じ場所に軸が摺接するため、フォイルに局部的な摩耗が生じる恐れがある。そこで、上記のように、フォイルをフォイルホルダに対して周方向移動可能とすれば、フォイルと軸との摺接位置を分散させることができるため、フォイルの局部的な摩耗を抑えることができる。

上記のフォイル軸受と、フォイル軸受の内周に挿入された回転部材とを、フォイル軸受ユニットとしてユニット化すれば、これらを一体的に取り扱うことができるため、ターボ機械等への組み付けが容易化される。

上記のフォイル軸受は、例えばターボ機械に好適に適用することができる。

以上のように、本発明の多円弧型のフォイル軸受では、各フォイルを周方向移動可能とすることで、軸の振動減衰効果を高めることができる。

ガスタービンの構成を概念的に示す図である。 上記ガスタービンにおけるロータ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た、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受ユニットの断面図である。 上記フォイル軸受ユニットに組み込まれたラジアルフォイル軸受の断面図である。 上記ラジアルフォイル軸受のフォイルホルダの溝付近の断面図であり、（Ａ）は軸が停止しているとき、（Ｂ）は軸が回転したときの様子を示す。 （Ａ）は、上記ラジアルフォイル軸受のフォイルの斜視図であり、（Ｂ）は３枚のフォイルを仮組みした状態の斜視図である。 スラストフォイル軸のフォイル及びフォイルホルダの平面図である。 （Ａ）は第１スラストフォイル軸受の平面図であり、（Ｂ）は第２スラストフォイル軸受の平面図である。 第１スラストフォイル軸受の断面図である。 ラジアルフォイル軸受の断面図であり、周方向を直線方向に変換して示している。 他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受のフォイルホルダの溝付近の断面図であり、（Ａ）は軸が停止しているとき、（Ｂ）は軸が回転したときの様子を示す。 さらに他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の断面図である。 図１２の拡大図である。

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、上記ガスタービンにおけるロータの軸６を支持するフォイル軸受ユニット１０を示す。フォイル軸受ユニット１０は、軸６に固定された回転部材２０と、軸６及び回転部材２０をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受３０と、軸６及び回転部材２０をスラスト方向に支持する第１スラストフォイル軸受４０及び第２スラストフォイル軸受５０とを備える。

回転部材２０は、図３に示すように、スリーブ部２１と、スリーブ部２１から外径に突出した円盤状のフランジ部２２とを備える。フランジ部２２は例えば炭素繊維強化複合材で形成され、スリーブ部２１は例えば炭素焼結材で形成される。

本発明の一実施形態に係るフォイル軸受としてのラジアルフォイル軸受３０は、図４に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ３１と、フォイルホルダ３１の内周面に取り付けられた複数（図示例では３枚）のフォイル３２とを有する。複数のフォイル３２は、フォイルホルダ３１の内周面に周方向に並べて配置される。

フォイルホルダ３１の内周面３１ａには、凹部としての溝３１ｂが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ３１の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に、軸方向に沿って延びる溝３１ｂが設けられる。溝３１ｂは、少なくとも各フォイル３２の回転方向先行側の端部（後述する凸部３２ｅ）の軸方向領域に設けられる。本実施形態では、溝３１ｂが、フォイルホルダ３１の軸方向全長にわたって形成される。

溝３１ｂは、内部にフォイル３２の湾曲を許容する空間を有する。本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、溝３１ｂの開口部の回転方向後方側の端部３１ｂ２と角部３１ｂ１を結ぶ直線よりも外径側に空間３１ｂ３が設けられる。溝３１ｂの内壁には、各フォイル３２の回転方向先行側の端部（凸部３２ｅ）が突き当たる角部３１ｂ１が設けられる。角部３１ｂ１は、溝３１ｂの開口部の回転方向後方側の端部３１ｂ２におけるフォイルホルダ３１の内周面３１ａの接線Ｌ上あるいはその近傍に設けられる。具体的に、角部３１ｂ１は、接線Ｌを接点（端部３１ｂ２）を中心に外径側に１０°（望ましくは５°）回転させた直線Ｌ’と、フォイルホルダ３１の内周面３１ａとの間の領域に設けられる。図示例では、角部３１ｂ１がほぼ接線Ｌ上に設けられる。尚、角部３１ｂ１は、接線Ｌよりもフォイルホルダ３１の内周面３１ａ側の領域に設けてもよい。この場合、溝３１ｂの回転方向先行側の端部３１ｂ４の角度が図示例よりも小さくなる場合があり、この端部３１ｂ４が破損する恐れがあるため、端部３１ｂ４が十分な強度を有する範囲で角部３１ｂ１の位置を設定する必要がある。

フォイルホルダ３１は、溝３１ｂを含めて一体に型成形される。本実施形態のフォイルホルダ３１は、焼結金属で一体に型成形される。本実施形態では、溝３１ｂの周方向寸法が比較的大きいため、溝３１ｂを成形するための成形型の周方向の肉厚が厚くなり、成形型の破損を防止できる。尚、フォイル軸受ユニット１０が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ３１を樹脂で型成形してもよい。

各フォイル３２は、図６（Ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部３２ｃと、周方向他端に設けられた凹部３２ｄとを備える。各フォイル３２の凸部３２ｃと凹部３２ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図６（Ｂ）に示すように、各フォイル３２の凸部３２ｃを、隣接するフォイル３２の凹部３２ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル３２を筒状に仮組みすることができる。この場合、図４に示す軸方向視において、各フォイル３２の周方向一端（凸部３２ｃ）と、隣接するフォイル３２の周方向他端（凹部３２ｄの軸方向両側の凸部３２ｅ）とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル３２の周方向両端が、フォイルホルダ３１に保持される。具体的には、各フォイル３２の周方向他端の凸部３２ｅがフォイルホルダ３１の溝３１ｂに差し込まれ、各フォイル３２の周方向一端の凸部３２ｃが、隣接するフォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとの間に配される。この場合、複数のフォイル３２の回転方向先行側への移動は、各フォイル３２の凸部３２ｅが溝３１ｂの角部３１ｂ１に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル３２の回転方向後方側への移動は規制されていない。これにより、複数のフォイル３２が、フォイルホルダ３１に対して周方向移動可能とされる。

各フォイル３２の内径面３２ａは、ラジアル軸受面Ｓ１として機能する（図４参照）。図示例では、３枚のフォイル３２で多円弧型のラジアル軸受面Ｓ１を形成している。フォイルホルダ３１の内周面３１ａと各フォイル３２との間には、フォイル３２に弾性を付与するための部材（バックフォイル等）は設けられておらず、フォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとが摺動可能とされる。各フォイル３２の凸部３２ｃは、隣接するフォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１の外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。

隣接するフォイル３２の端部同士は、周方向で互いに突っ張り合っている。具体的に、交差部Ｐ｛図５（Ｂ）参照｝において、一方のフォイル３２の凹部３２ｄと他方のフォイル３２の凸部３２ｃの根元部とが周方向に係合している｛図６（Ｂ）参照｝。このとき、各フォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１の周方向寸法Ａ｛図６（Ａ）参照｝を適正に設定することで、仮組みした複数のフォイル３２を外径側に張り出させて略円筒状とし、各フォイル３２がフォイルホルダ３１の内周面３１ａに沿った状態とされる。

第１スラストフォイル軸受４０は、図３に示すように、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向一方側（図中右側）から支持するものであり、円盤状のフォイルホルダ４１と、フォイルホルダ４１の端面４１ａに固定された複数のフォイル４２とを備える。本実施形態では、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１と、ラジアルフォイル軸受３０のフォイルホルダ３１とが一体に形成される。

第１スラストフォイル軸受４０の各フォイル４２は、図７に示すように、本体部４２ａと、本体部４２ａよりも外径側に設けられた固定部４２ｂと、本体部４２ａと固定部４２ｂとを連結する連結部４２ｃとを一体に備える。本体部４２ａの回転方向先行側の縁４２ｄ及び回転方向後方側の縁４２ｅは、何れも中央部を回転方向先行側へ突出した略Ｖ字形状を成している。本体部４２ａの縁４２ｄ，４２ｅの中央部は、円弧状に丸まっている。

各フォイル４２の固定部４２ｂは、図８（Ａ）に示すように、フォイルホルダ４１の端面４１ａの外径端に固定される。図示例では、複数のフォイル４２の固定部４２ｂが同一円周上に配され、リング状の固定部材４３とフォイルホルダ４１の端面４１ａとで固定部４２ｂの全域が挟持固定される。複数のフォイル４２は、円周方向等ピッチで配され、図示例では、各フォイル４２の半分だけ位相をずらして重ね合わせている。図９に示すように、各フォイル４２の回転方向先行側の縁４２ｄは、隣接するフォイル４２の上（フランジ部２２側）に配される。すなわち、各フォイル４２の回転方向先行側部分は、隣接するフォイル４２の回転方向後方側部分に乗り上げている。各フォイル４２の本体部４２ａの表面のうち、フランジ部２２の一方の端面２２ａと直接対向している部分｛図８（Ａ）で見えている部分｝は、スラスト軸受面Ｓ２として機能する。尚、各フォイル４２の固定部４２ｂを、フォイルホルダ４１あるいは固定部材４３に溶接や接着等により固定してもよい。

第２スラストフォイル軸受５０は、図３に示すように、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向他方側（図中左側）から支持するものである。第２スラストフォイル軸受５０は、図８（Ｂ）に示すように、円盤状のフォイルホルダ５１と、フォイルホルダ５１の端面５１ａに固定された複数のフォイル５２とを備える。各フォイル５２の本体部の表面のうち、フランジ部２２の他方の端面２２ｂと直接対向している部分｛図８（Ｂ）で見えている部分｝は、スラスト軸受面Ｓ３として機能する。第２スラストフォイル軸受５０のその他の構成は、第１スラストフォイル軸受４０と同様であるため、重複説明を省略する。

フォイル３２，４２，５２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程度の金属フォイルにプレス加工を施すことで形成される。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、金属フォイルとして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。

上記構成のフォイル軸受ユニット１０は、以下のような手順で組み立てられる。まず、ラジアルフォイル軸受３０の内周に、回転部材２０のスリーブ部２１を挿入する。その後、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向両側から挟み込むように、第２スラストフォイル軸受５０を第１スラストフォイル軸受に取り付ける。具体的に、第１フォイル軸受４０のフォイルホルダ４１に取り付けた固定部材４３と、第２フォイル軸受５０のフォイルホルダ５１に取り付けた固定部材５３とを軸方向で当接させ、この状態で、図示しないボルト等で両フォイルホルダ４１，５１を固定する。以上により、図３に示すフォイル軸受ユニット１０が完成する。

上記構成のフォイル軸受ユニット１０は、回転部材２０の内周に軸６を圧入すると共に、フォイル軸受３０，４０，５０のフォイルホルダ３１，４１，５１の一部又は全部をガスタービンのハウジングに固定することにより、ガスタービンに組みつけられる。フォイル軸受ユニット１０では、ラジアルフォイル軸受３０及びスラストフォイル軸受４０，５０で構成される軸受部材の内部に回転部材２０が収容され、軸受部材と回転部材２０との分離が規制された状態でこれらが一体化されているため、ガスタービンへの組み付け時に軸受部材及び回転部材２０を一体的に取り扱うことができ、組み付け性が向上する。

軸６が周方向一方（図４及び図８の矢印方向）に回転すると、ラジアルフォイル軸受３０のフォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１と回転部材２０のスリーブ部２１の外周面２１ａとの間にラジアル軸受隙間が形成され、このラジアル軸受隙間に生じる空気膜の圧力により回転部材２０及び軸６がラジアル方向に支持される。これと同時に、第１スラストフォイル軸受４０のフォイル４２のスラスト軸受面Ｓ２と回転部材２０のフランジ部２２の一方の端面２２ａとの間、及び、第２スラストフォイル軸受５０のフォイル５２のスラスト軸受面Ｓ３と回転部材２０のフランジ部２２の他方の端面２２ｂとの間にそれぞれスラスト軸受隙間が形成され、各スラスト軸受隙間に生じる空気膜の圧力により、回転部材２０及び軸６が両スラスト方向に支持される。

このとき、フォイル３２，４２，５２が有する可撓性により、各フォイル３２，４２，５２の軸受面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３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、ラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間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、ラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間を最適幅に管理することができ、回転部材２０及び軸６を安定して支持することが可能となる。

また、本実施形態では、軸６の回転に伴って流動する流体（空気）との摩擦により、各フォイル３２が回転方向先行側に押し込まれ、図１０に示すように、ラジアルフォイル軸受３０の各フォイル３２の周方向一端がフォイルホルダ３１の内周面３１ａから立ち上がる。一方、各フォイル３２の周方向他端は、フォイルホルダ３１の内周面３１ａに沿って配されている。このため、各フォイル３２の頂部３２ｆ（軸６の外周面に最も近接した領域）が、複数の溝３１ｂの円周方向間領域の中央部よりも回転方向先行側に配される。これにより、フォイル３２と軸６の外周面との間に形成されるラジアル軸受隙間のうち、正圧を発生させる領域、すなわち、回転方向先行側（図１０の左側）へ向けて徐々に狭くなった領域を広く取ることができ、ラジアル方向の支持力が高められる。

また、フォイルホルダ３１に組み込まれた複数のフォイル３２は、隣接するフォイル３２が交差部で周方向に互いに突っ張り合い、各フォイル３２がフォイルホルダ３１の内周面３１ａに沿った状態とされる。このため、フォイル３２と回転部材２０との摺接が抑えられ、回転トルクを低減することができる。

軸受の運転中は、軸受隙間に形成された空気膜の影響でフォイル３２，４２，５２がフォイルホルダ３１，４１，５１に押し付けられ、これに伴って両者の間で微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸６の振動を減衰させることができる。本実施形態では、ラジアルフォイル軸受３０のフォイル３２が、フォイルホルダ３１に対して周方向で固定されていないため、フォイル３２がフォイルホルダ３１に対して周方向移動することで両者の摺動量が大きくなり、軸６の振動を減衰する効果がさらに高められる。図示例では、各フォイル３２の回転方向後方側の端部（凸部３２ｃ）が、隣接するフォイル３２とフォイルホルダ３１の内周面３１ａとの間に配されることで、フォイルホルダ３１の内周面３１ａと面接触した状態で周方向に摺動するため、軸６の振動減衰効果がさらに高められる。

本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、フォイルホルダ３１の内周面３１ａに、周方向幅が比較的広い凹部（溝３１ｂ）を設けることで、積極的に各フォイル３２を周方向に移動させることができる。すなわち、軸６が回転すると、図５（Ｂ）に示すように、軸６の回転に伴って流動する流体（空気）との摩擦によりフォイル３２が回転方向先行側に押し込まれる。このとき、各フォイル３２の周方向一部領域が、溝３１ｂに押し込まれることにより湾曲する。具体的に、軸６の回転に伴い、フォイル３２の凸部３２ｅの先端が溝３１ｂの角部３１ｂ１に突き当たると共に、凸部３２ｅを含むフォイル３２の回転方向先行側の端部が湾曲する。図示例では、各フォイル３２の回転方向先行側の端部が外径側に凸をなして湾曲する。各フォイル３２の回転方向先行側の端部は、他の領域よりも大きい曲率で湾曲し、例えば、フォイルホルダ３１の内周面３１ａよりも大きい曲率で湾曲する。こうしてフォイル３２の端部が湾曲した分だけ、フォイル３２のその他の領域（凸部３２ｅ以外の周方向領域）が回転方向先行側に移動する。これにより、フォイル３２とフォイルホルダ３１との摺動量が増大するため、軸６の振動減衰効果がさらに高められる。

尚、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイルの軸受面Ｓ１〜Ｓ３と回転部材２０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、フォイル３２，４２，５２とフォイルホルダ３１，４１，５１との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、これら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。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機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。

例えば、上記の実施形態では、隣接するフォイル３２の端部同士を交差部Ｐにおいて周方向に突っ張り合わせている。このため、図５（Ｂ）に示すように、軸６の回転に伴って、各フォイルの回転方向先行側の端部（凸部３２ｅ周辺）が溝３１ｂの内部に押し込まれることにより、隣接するフォイル３２の回転方向後方側の端部（凸部３２ｃ周辺）も溝３１ｂの内部に押し込まれる。これにより、各フォイル３２の回転方向後方側の端部付近が湾曲しながら溝３１ｂに入り込むことで、フォイル３２の周方向移動（特に凸部３２ｃの周方向移動）が阻害され、軸６の振動減衰効果が小さくなる恐れがある。

そこで、図１１（Ａ）に示す実施形態では、隣接するフォイル３２の端部同士を周方向で係合させない構成としている。具体的には、各フォイル３２の凸部３２ｅの周方向寸法を上記の実施形態よりも長くして、凹部３２ｄを交差部Ｐよりも回転方向後方側（図中左側）に配している。この場合、図１１（Ｂ）に示すように、軸６の回転に伴って各フォイル３２の回転方向先行側の端部（凸部３２ｅ周辺）が溝３１ｂの内部に押し込まれたときでも、各フォイル３２の回転方向後方側の端部（凸部３２ｃ周辺）は溝３１ｂの内部に押し込まれず、フォイルホルダ３１の内周面３１ａに沿った形状で維持される。これにより、各フォイル３２の回転方向後方側の端部付近の周方向移動が阻害されず、優れた振動減衰効果を得ることができる。

図１２に示す実施形態では、各フォイル３２の周方向両端をフォイルホルダ３１の溝３１ｂに差し込んだ点で、上記の実施形態と異なる。本実施形態では、互いに交差する隣接するフォイル３２の端部（凸部３２ｅ，凸部３２ｃ）が、共通の溝３１ｂに差し込まれる。溝３１ｂには、各フォイルの周方向一端（凸部３２ｅ）が突き当たる角部３１ｂ１と、各フォイルの周方向他端（凸部３２ｃ）が突き当たる角部３１ｂ５とが設けられる。この場合、各フォイル３２の周方向両側への移動を規制することができるため、両方向に回転する軸６を支持することができる。すなわち、軸６が周方向一方（図１２の実線矢印方向）に回転すると、各フォイル３２の凸部３２ｅが溝３１ｂの角部３１ｂ１に突き当たると共に、この凸部３２ｅが溝３１ｂの内部で湾曲する｛図５（Ｂ）あるいは図１１（Ｂ）と同様｝。一方、軸６が周方向他方（図１２の点線矢印方向）に回転すると、各フォイル３２の凸部３２ｃが溝３１ｂの角部３１ｂ５に突き当たると共に、この凸部３２ｃが溝３１ｂの内部で湾曲する。以上のように、凸部３２ｅあるいは凸部３２ｃが溝３１ｂの内部で湾曲することにより、上記の実施形態と同様にフォイル３２とフォイルホルダ３１との摺動量が増え、軸６の振動減衰効果が得られる。

この場合、各フォイル３２は、フォイルホルダ３１に対して周方向移動可能とされる。本実施形態では、図１３に示すように、各フォイル３２の周方向両端と、溝３１ｂの角部３１ｂ１，３１ｂ５との間に周方向の隙間が設けられる。これにより、各フォイル３２の周方向一方の端部が溝３１ｂの角部３１ｂ１に突き当たった状態では、各フォイル３２の周方向他方の端部が溝３１ｂの角部３１ｂ１に突き当たらない。従って、溝３１ｂの角部３１ｂ１，３１ｂ５との間に形成される隙間の分だけ、各フォイル３２の周方向移動が許容される。このように、各フォイル３２が周方向の遊びを有する状態でフォイルホルダ３１に保持されることにより、フォイル３２とフォイルホルダ３１との摺動量が増え、軸６の振動減衰効果を高めることができる。

また、以上の実施形態では、ラジアルフォイル軸受３０及びスラストフォイル軸受４０，５０をフォイル軸受ユニット１０として一体化した後、これをガスタービンに取り付ける場合を示したが、これに限らず、各フォイル軸受３０，４０，５０をそれぞれ別々にガスタービンに取り付けてもよい。

本発明にかかるフォイル軸受の適用対象は、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軸受としても使用することができる。また、本発明にかかるフォイル軸受は、ガスタービンや過給機等のターボ機械に限らず、潤滑油などの液体による潤滑が困難である、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である、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる等の制限下で使用される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、以上に説明した各フォイル軸受は、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できる。

６ 軸
１０ フォイル軸受ユニット
２０ 回転部材
３０ ラジアルフォイル軸受（フォイル軸受）
３１ フォイルホルダ
３１ｂ 溝
３１ｂ１ 角部
３２ フォイル
４０ スラストフォイル軸受
４１ フォイルホルダ
４２ フォイル
４３ 固定部材
５０ スラストフォイル軸受
５１ フォイルホルダ
５２ フォイル
５３ 固定部材
Ｐ 交差部
Ｓ１ ラジアル軸受面
Ｓ２ スラスト軸受面
Ｓ３ スラスト軸受面

Claims (9)

1. 筒状をなしたフォイルホルダと、軸受面を有し、前記フォイルホルダの内周面に周方向に並べて配された複数のフォイルとを備え、各フォイルの周方向両端が前記フォイルホルダに保持され、内周に挿入された軸を回転自在に支持するフォイル軸受であって、
   前記複数のフォイルが、周方向移動可能な状態でフォイルホルダに保持されたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 各フォイルの回転方向先行側の端部が、前記フォイルホルダの内周面に形成された凹部に周方向移動可能な状態で差し込まれ、各フォイルの回転方向後方側の端部が、隣接するフォイルとフォイルホルダの内周面との間に配された請求項１記載のフォイル軸受。
3. 各フォイルの周方向両端が、前記フォイルホルダの内周面に形成された凹部に差し込まれ、各フォイルの周方向一端を前記凹部と周方向で係合させた状態で、各フォイルの周方向他端が前記凹部と周方向で係合しないようにした請求項１記載のフォイル軸受。
4. 前記凹部の内壁に、各フォイルの回転方向先行側の端部が突き当たる角部を設けた請求項２又は３記載のフォイル軸受。
5. 隣接するフォイルを周方向で突っ張り合わせることにより、各フォイルを外径側に張り出させた請求項１〜４の何れかに記載のフォイル軸受。
6. 鉛直方向と交差する方向に配された軸を支持する請求項１〜５の何れかに記載のフォイル軸受。
7. 請求項１〜６の何れかに記載のフォイル軸受と、前記フォイル軸受の内周に挿入された回転部材とを備えたフォイル軸受ユニット。
8. 請求項１〜６の何れかに記載のフォイル軸受と、前記フォイル軸受の内周に挿入された軸とを備えたターボ機械。
9. 請求項７に記載のフォイル軸受ユニットと、前記回転部材の内周に固定された軸とを備え、前記フォイル軸受により、前記回転部材及び前記軸が回転自在に支持されたターボ機械。

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