JP2017101726A - フォイル軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】トップフォイル部の柔軟性を高めたフォイル軸受を提供する。
【解決手段】トップフォイル部Tfと、トップフォイル部の背後でトップフォイル部Tfを弾性的に支持するバックフォイル部Bfとを備えるフォイル軸受10において、バックフォイル部Bfに、平坦な中間部23と、中間部23の表側に突出する第一突出部21と、中間部の裏側に突出する第二突出部22とを設ける。
【選択図】図9
【解決手段】トップフォイル部Tfと、トップフォイル部の背後でトップフォイル部Tfを弾性的に支持するバックフォイル部Bfとを備えるフォイル軸受10において、バックフォイル部Bfに、平坦な中間部23と、中間部23の表側に突出する第一突出部21と、中間部の裏側に突出する第二突出部22とを設ける。
【選択図】図9
Description
本発明は、フォイル軸受に関する。
ホワールが生じ難く、かつ温度変化の大きい環境下でも軸受隙間の隙間幅管理を容易にできる軸受としてフォイル軸受が知られている。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金属薄板(フォイル)で軸受面を構成し、この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り、軸受隙間が運転条件等に応じた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。
特許文献1に記載のフォイル軸受は、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。
ところで、バンプ型フォイル軸受のバックフォイルは、図23に示すように軸方向(矢印方向)に延びる凸部200を周方向に配置した波板状の形態を有する。バックフォイルの弾性変形時には、各凸部200を押し広げるように変形することになるが、その際の変形抵抗が大きく、バックフォイルが全体的に高剛性となるため、トップフォイルの柔軟性が不足する傾向にある。トップフォイルの柔軟性が不足すると、軸受隙間の自動調整機能が損なわれ、軸とトップフォイルが接触し易くなる等の不具合を招く。
そこで、本発明は、トップフォイル部の柔軟性を高めたフォイル軸受を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明は、支持すべき軸と対向する軸受面を備えたトップフォイル部と、トップフォイル部の背後でトップフォイル部を弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触に支持するフォイル軸受において、前記バックフォイル部に、平坦な中間部と、中間部の表側に突出する第一突出部と、中間部の裏側に突出する第二突出部とを設けたことを特徴とするものである。
かかる構成では、軸受運転中の軸受隙間で生じる流体圧力により、バックフォイル部にトップフォイル部を介して流体圧力の作用方向(ラジアル軸受では半径方向、スラスト軸受では軸方向)の圧縮力が作用する。中間部はバックフォイル部の中でも圧縮力に対する剛性の低い部分となるため、バックフォイル部に圧縮力が負荷された際には、先ず中間部が変形して圧縮力を吸収する。従って、そのような平坦部分を有しない、既存のバンプ型フォイル軸受のバックフォイル部に比べ、バックフォイル部全体の剛性を小さくして、軸受面の柔軟性を高めることができる。
第一突出部および第二突出部は、少なくとも前記軸の相対回転方向と、前記軸受面に沿う、前記相対回転方向と直交する方向とにおいて間欠的に配置するのが好ましい。これにより、バックフォイル部の変形時には、前記二方向で隣接する同種の突出部間でも両者の相対移動を許容することができる。そのため、軸受面の柔軟性をさらに高めることができる。
バックフォイル部に、第一突出部および第二突出部の分布を密にした高密度領域と、第一突出部および第二突出部の分布を疎にした低密度領域とを設けることにより、バックフォイル部の各部の剛性、延いては軸受面の各部の剛性をコントロールすることが可能となる。
第一突出部および第二突出部のうち何れか一方または双方を、中間部からの突出量を大きくした大突部と、中間部からの突出量を小さくした小突出部とで形成することにより、バックフォイル部のばね特性が非線形性を有するようになる。そのため、バックフォイル部のばね特性を多様化することができる。
中間部に開口部を設けることにより、中間部がより柔軟となるため、バックフォイル部の剛性をさらに低下させることができる。
前記軸受隙間のうち、最大圧力の発生部に対応する位置でバックフォイル部の剛性を最大にすることにより、最大圧力の発生部で軸受面の剛性も最大となる。そのため、軸受面の変形による流体の逃げを防止することができ、軸の浮上力を安定して維持することができる。
このように本発明によれば、トップフォイル部の柔軟性を高めることができる。これにより、軸受隙間の自動調整機能が良好に発揮されるため、軸とトップフォイル部の接触を確実に防止することが可能となる。
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、ターボ機械の一例として、マイクロガスタービンと称されるガスタービン装置の構成を概念的に示す。このガスタービン装置は、主要な構成として、翼列を形成したタービン1と、圧縮機2と、発電機3と、燃焼器4と、再生器5とを備える。タービン1および圧縮機2は、水平方向に延びる軸6に取り付けられて軸6と共に回転側のロータを構成する。軸6の軸方向一端は発電機3に連結されている。このマイクロガスタービンが運転されると、吸気口7から空気が吸入され、吸入された空気は、圧縮機2で圧縮されると共に再生器5で加熱された上で燃焼器4に送り込まれる。燃焼器4は、圧縮・加熱された空気に燃料を混合してこれを燃焼させることにより高温・高圧のガスを発生させ、このガスによりタービン1を回転させる。タービン1が回転すると、その回転力が軸6を介して発電機3に伝達され、発電機3が回転駆動される。発電機3が回転駆動することにより生じた電力は、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、図1に示した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に隣接している関係上高温雰囲気となる。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3〜図8に基づいて説明する。
[多円弧型フォイル軸受の基本的構成]
図3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、軸6の回転方向の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を配置した場合を例示している。各フォイル12の内径側に軸6が挿入されている。
図3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、軸6の回転方向の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を配置した場合を例示している。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、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を構成するフォイル材は、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程度の帯状フォイルを、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、一般的な炭素鋼では、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、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、帯状フォイルとしては、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4に示すように、フォイル12は、軸6の回転方向R側の第一領域12aと、反回転方向側の第二領域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(以下、単に「直交方向N」と呼ぶ)の複数箇所に設けられ、かつ、それぞれ回転方向R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、前記直交方向の三カ所に凸部12a2を形成した場合を例示している。各凸部12a2の基端部には、フォイル縁部から反回転方向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の後端12d(反回転方向側の端部)には、前記直交方向Nに離隔して、回転方向R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の前記直交方向Nにおける幅寸法は、回転方向R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の前記直交方向Nの両側には、それぞれ反回転方向に突出する突出部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、かつ前記直交方向Nの複数箇所(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、両端の差込口12c1は、前記直交方向Nに直線状に延びて、フォイル12の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口12c1は、前記直交方向N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反回転方向側に延び、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5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。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル12のうち、一方のフォイル12にグレーの色を付している。
そして、図6に示すように、3枚のフォイル12を図5と同様の結合手法により周状に連結する事で、各フォイル12を仮組みの状態にする事ができる。この仮組体を、図7に示すように、筒状にしてフォイルホルダ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に回転方向Rに並べた状態で取り付けられる。
図8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、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。交差部分よりも反回転方向側では、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の反回転方向側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Bfの弾性変形に応じて周方向(回転方向および反回転方向)に変動する。バックフォイル部Bfの回転方向R側の端部は、前記交差部分で他のフォイル12(前記一方のフォイル)と周方向で係合した状態にある。
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、各フォイル12の回転方向R側の一端(凸部12a2)がフォイルホルダ11に取り付けられると共に、反回転方向側の領域が他のフォイル12と周方向で係合した状態にある。これにより、隣接するフォイル12同士が周方向で互いに突っ張り合った状態となるため、各フォイル12のトップフォイル部Tfがフォイルホルダ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の回転方向R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の反回転方向側への移動は規制されず、各フォイル12は、バックフォイル部Bfの自由端も含めて反回転方向に移動可能である。
図8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11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。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、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で立ち上がる。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の一方向回転中は、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、各フォイル12の軸受面Xと軸6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3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(図9、図15、図19、図20、図22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に押さえ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の幅方向の段差が形成される。図5に示すように、各フォイル12の第二領域12bの後端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、上記の段差に沿って流れるため(矢印を参照)、軸受隙間Cのうち、前記直交方向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4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。
[本発明の特徴的構成]
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が図9および図10に示す凹凸フォイル20で形成される。凹凸フォイル20は、バックフォイル部Bfの表側(例えば軸受面X側)に突出する複数の第一突出部21と、裏側(例えば軸受面Xと反対側)に突出する複数の第二突出部22と、各突出部21,22を結合する平坦な中間部23とを一体に有する。第一突出部21は中間部23からその表側に向かって突出し、第二突出部21は中間部23からその裏側に向けて突出している。
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が図9および図10に示す凹凸フォイル20で形成される。凹凸フォイル20は、バックフォイル部Bfの表側(例えば軸受面X側)に突出する複数の第一突出部21と、裏側(例えば軸受面Xと反対側)に突出する複数の第二突出部22と、各突出部21,22を結合する平坦な中間部23とを一体に有する。第一突出部21は中間部23からその表側に向かって突出し、第二突出部21は中間部23からその裏側に向けて突出している。
図11に凹凸フォイル20の断面を拡大して表す。図11に示すように、第一突出部21、第二突出部22、および中間部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。
この凹凸フォイル20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4に示すように、各フォイル12に、トップフォイル部Tfおよびバックフォイル部Bfを形成する場合、図12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)、および中間部23を形成することで、凹凸フォイル20と、そのような凹凸を有し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12のフォイル12では、図4に示す切り欠き部12b2が省略されている)。なお、図12に示す第一突出部21および第二突出部22の配置パターンは例示にすぎず、必要に応じて図12とは異なる任意の配置パターンを採用することができる。
このフォイル12を図5〜図7と同様の手順でフォイルホルダ11に取り付けることにより、図3に示すように、各バックフォイル部Bf(散点模様で示す)を凹凸フォイル20で形成したラジアルフォイル軸受10が完成する。図11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、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を介して圧力P方向の圧縮力が作用する。中間部23は圧力P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の中でも前記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11の二点鎖線で示すように先ず中間部23が変形して圧縮力を吸収する。従って、そのような平坦部分を有しない、既存のバンプ型フォイル軸受のバックフォイル部(図23参照)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。
また、図12から明らかなように、各突出部21,22はバックフォイル部Bfの全体に分散して配置されている。具体的には、各突出部21,22とトップフォイル部Tfおよびフォイルホルダ11との接触部は、一定方向に連続した帯状ではなく、点状に形成される。すなわち、この接触部は、軸受面Xに沿う少なくとも直交二方向(例えば回転方向Rおよび前記直交方向N)で、より好ましくは軸受面Xに沿うあらゆる方向で、間欠的に形成される。従って、バックフォイル部Bfの変形時には、隣接する同種の突出部(中間部23からの突出方向を共通にする突出部)間でも相対移動を許容することが可能となり、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(前記直交方向N)に延びているため、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。
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、上記凹凸フォイル20を使用すれば、第一突出部21および第二突出部22の分布密度を変えることで軸受面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11参照)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、図13に示すように、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を密に配置した領域と、疎に配置した領域とを設ければ、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14に基づいて説明する。
図14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の回転方向R側に向かうほど突出部21,22を密に分布させ、かつ前記直交方向N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。
図14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の回転方向R側に向かうほど突出部21,22を密に分布させ、かつ前記直交方向N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15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13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16に示すように、前記直交方向Nの中央部が凹んだ凹部24が形成される。この凹部24の前記直交方向Nの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、楔空間の空気が前記直交方向Nに逃げ難くなる。また、楔空間は回転方向R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14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。
従来では、図4に示すように、バックフォイル部Bfとなる第二領域12bの後端12bに切り欠き部12b1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の後端12dにそのような切り欠き部12b1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の後端12dに切り欠き部12b1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。
また、以上に述べた実施形態では、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17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、中間部23からの突出量が異なる。
図17に示すバックフォイル部Bfにおいて、これに与える圧縮力(軸受隙間Cの幅方向の圧縮荷重)を徐々に増加させると、中間部23が変形してから大突出部21a,22aが変形し、最後に小突出部21b、22bが変形するようになる。従って、圧縮荷重が小さい時には、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、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Bf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。
図18は、図9に示すバックフォイル部Bfの中間部23に多数の開口部26を設けることで中間部23の剛性を低下させたものである。これにより、中間部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ることができる。図18に示す実施形態では、各突出部21、22から放射状に中間部23を延ばして各中間部23を隣接する突出部21、22に結合している。この場合、開口部26の面積や数を調整して開口部26の分布状態を変更することで、中間部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13)、突出部21,22の大きさの変更(図17)、および開口部26の分布状態の変更(図18)、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の剛性やばね特性を変化させることができる。
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19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、回転方向R側の一端を自由端とし、反回転方向側の他端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、各フォイル12の回転方向R側の領域がトップフォイル部Tfとして機能し、反回転方向側の領域がバックフォイル部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、各リーフ12のバックフォイル部Bf(散点模様で示す)を凹凸フォイル20で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
また、図20に示すいわゆるバンプ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もできる。バンプ型のフォイル軸受10では、バックフォイル部Bfの全体を凹凸フォイル20で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図20では、バックフォイル部Bfをフォイルホルダ11の内周面11aの全周にわたって連続させているが、バックフォイル部Bfを周方向の一個所もしくは複数箇所で分割することもできる。この場合、分割した個々の要素が凹凸フォイル20で形成される。
さらに図21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21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22に示すように、各リーフ12のバックフォイル部Bf(散点模様で示す)を凹凸フォイル20で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
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
11a 内周面
11b 軸方向溝(取り付け部)
12 フォイル
20 凹凸フォイル
21 第一突出部
21a 大突出部
21b 小突出部
22 第二突出部
22a 大突出部
22b 小突出部
23 中間部
C 軸受隙間
R 回転方向
N 回転方向と直交する方向
X 軸受面
10 フォイル軸受
11 フォイルホルダ
11a 内周面
11b 軸方向溝(取り付け部)
12 フォイル
20 凹凸フォイル
21 第一突出部
21a 大突出部
21b 小突出部
22 第二突出部
22a 大突出部
22b 小突出部
23 中間部
C 軸受隙間
R 回転方向
N 回転方向と直交する方向
X 軸受面
Claims (6)
- 支持すべき軸と対向する軸受面を備えたトップフォイル部と、トップフォイル部の背後でトップフォイル部を弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触に支持するフォイル軸受において、
前記バックフォイル部に、平坦な中間部と、中間部の表側に突出する第一突出部と、中間部の裏側に突出する第二突出部とを設けたことを特徴とするフォイル軸受。 - 第一突出部および第二突出部を、少なくとも前記軸の相対回転方向と、前記軸受面に沿う、前記相対回転方向と直交する方向とにおいて間欠的に配置した請求項1記載のフォイル軸受。
- バックフォイル部に、第一突出部および第二突出部の分布を密にした高密度領域と、第一突出部および第二突出部の分布を疎にした低密度領域とを設けた請求項1または2記載のフォイル軸受。
- 第一突出部および第二突出部のうち何れか一方または双方を、中間部からの突出量を大きくした大突部と、中間部からの突出量を小さくした小突出部とで形成した請求項1〜3何れか1項に記載のフォイル軸受。
- 中間部に開口部を設けた請求項1〜4何れか1項に記載のフォイル軸受。
- 前記軸受隙間のうち、最大圧力の発生部に対応する位置でバックフォイル部の剛性を最大にした請求項1〜5何れか1項に記載のフォイル軸受。
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