JP2017180676A - Foil bearing - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a foil bearing that is enhanced in flexibility of the entire top foil part.SOLUTION: The foil bearing is provided with a flat intermediate part 23 and a plurality of projection parts 21 projecting on a front side and a back side of the intermediate part 23 in a back foil part Bf. An intermediate foil 40 is disposed between a facing region X1 facing the projection parts of a bearing surface X of a top foil part Tf and the projection parts 21 so that strength of the facing region X1 is reinforced by the intermediate foil 40.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。   The present invention relates to a foil bearing.

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。   A foil bearing is known as a bearing that can easily manage the gap width of a bearing gap even in an environment in which a whirl is not easily generated and a temperature change is large. A foil bearing consists of a thin metal plate (foil) that has low rigidity against bending and supports the load by allowing the bearing surface to bend. It is characterized by being automatically adjusted to an appropriate width according to conditions and the like. For example, Patent Document 1 below discloses a foil bearing called a bump type as an example of a radial foil bearing that supports a radial load.

特開２０１３−８７７８９号公報JP2013-87789A

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。 The foil bearing described in Patent Document 1 includes a cylindrical top foil, a back foil (bump foil) that elastically supports the top foil, and a bearing holder to which the top foil and the back foil are attached. In this bump type foil bearing, since the back foil is elastically deformed when the top foil receives a load, the top foil is allowed to bend.

ところで、バンプ型フォイル軸受のバックフォイルは、図２６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。 By the way, the back foil of the bump type foil bearing has a corrugated form in which convex portions 200 extending in the axial direction (arrow direction) are arranged in the circumferential direction as shown in FIG. At the time of elastic deformation of the back foil, each convex part 200 is deformed so as to spread, but since the deformation resistance at that time is large and the back foil becomes highly rigid as a whole, the flexibility of the top foil is insufficient. Tend to. When the flexibility of the top foil is insufficient, the function of automatically adjusting the bearing gap is impaired, and problems such as easy contact between the shaft and the top foil are caused.

そこで、本発明は、トップフォイル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。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a foil bearing in which the flexibility of the top foil is increased.

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、中間部の表側および裏側に突出する複数の突出部とを設け、トップフォイル部の軸受面のうち突出部と対向する対向領域と、当該突出部との間に、前記対向領域の剛性を強化する剛性強化部を設けたことを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, the present invention includes a top foil portion having a bearing surface facing a shaft to be supported, and a back foil portion that elastically supports the top foil portion behind the top foil portion. In a foil bearing that supports a relatively rotating shaft in a non-contact manner with a fluid film generated in a bearing gap between the shaft and the bearing surface, the back foil portion has a flat middle portion, and a front side and a back side of the middle portion. Providing a plurality of projecting portions that project, and providing a rigidity reinforcing portion that reinforces the rigidity of the facing region between the projecting portion and the facing region facing the projecting portion of the bearing surface of the top foil portion It is characterized by.

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、バックフォイルにトップフォイル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。バックフォイルに、平坦な中間部と、中間部の表側および裏側に突出する複数の突出部とを設けることで、中間部がバックフォイルの中でも圧縮力に対する剛性の低い部分となる。そのため、バックフォイルに圧縮力が負荷された際には、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、バックフォイル全体の剛性が小さくなる。これにより、トップフォイルの柔軟性を高めることが可能となる。   In such a configuration, a compressive force acting in the direction of the fluid pressure (radial direction in the radial bearing and axial direction in the thrust bearing) acts on the back foil via the top foil due to the fluid pressure generated in the bearing gap during the bearing operation. By providing the back foil with a flat intermediate portion and a plurality of protrusions protruding on the front side and the back side of the intermediate portion, the intermediate portion becomes a portion having low rigidity against compressive force in the back foil. Therefore, when a compressive force is applied to the back foil, the intermediate portion is deformed to absorb the compressive force. Therefore, the rigidity of the entire back foil is reduced as compared with the back foil portion of the existing bump type foil bearing which does not have such a flat portion. Thereby, the flexibility of the top foil can be increased.

かかる構成では、バックフォイル部の突出部は、中間部に比べて高剛性の部分となる。従って、前記圧縮力の作用下で突出部がトップフォイル部と接触した際にも、突出部は変形せず、専らトップフォイル部が突出部の頂部に倣うように凸状に変形する。この場合、軸受面のうち、突出部と対向する対向領域では、トップフォイル部の弾性変形が許容されない状態となるため、トップフォイル部が軸と接触し易くなり、トップフォイル部が偏摩耗するおそれがある。 In such a configuration, the protruding portion of the back foil portion is a portion having higher rigidity than the intermediate portion. Therefore, even when the projecting portion comes into contact with the top foil portion under the action of the compressive force, the projecting portion is not deformed, and the top foil portion is deformed into a convex shape so as to follow the top portion of the projecting portion. In this case, since the elastic deformation of the top foil portion is not allowed in the region of the bearing surface that faces the protruding portion, the top foil portion easily comes into contact with the shaft, and the top foil portion may be unevenly worn. There is.

これに対し、トップフォイル部の軸受面のうち突出部と対向する対向領域と、当該突出部との間に、前記対向領域の剛性を強化する剛性強化部を設ければ、圧縮力が作用した際にも軸受面の対向領域の変形が抑制される。従って、対向領域でのトップフォイル部の弾性変形が許容された状態となる。そのため、軸の変位に対して軸受面全体が追従変形し易くなり、軸との接触によるトップフォイル部の偏摩耗を防止することができる。 On the other hand, if a rigidity enhancement part that reinforces the rigidity of the opposing region is provided between the opposing region of the bearing surface of the top foil portion that faces the protruding portion and the protruding portion, a compressive force is applied. Even in this case, deformation of the opposed region of the bearing surface is suppressed. Therefore, the elastic deformation of the top foil part in the facing region is allowed. For this reason, the entire bearing surface is easily deformed following the displacement of the shaft, and uneven wear of the top foil portion due to contact with the shaft can be prevented.

剛性強化部は、突出部とトップフォイルとの間に配置した中間フォイルで形成することができる。 The stiffness enhancing portion can be formed by an intermediate foil disposed between the protrusion and the top foil.

この場合、中間フォイルのうち、バックフォイルの中間部と対向する部分に孔を設ければ、軸受面の対向領域を除く領域が弾性変形し易くなるので、軸受面全体の柔軟性を確保することができる。 In this case, if a hole is provided in a portion of the intermediate foil that faces the intermediate portion of the back foil, the region excluding the opposed region of the bearing surface is easily elastically deformed, so that the flexibility of the entire bearing surface is ensured. Can do.

剛性強化部は、対向領域でトップフォイルを他所よりも厚肉にすることにより構成することもできる。 The rigidity reinforcing part can also be configured by making the top foil thicker than the other part in the opposed region.

このように本発明によれば、バックフォイル部の突出部と対向する領域を含む軸受面全体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し、フォイル軸受の負荷容量を高めることが可能となる。   Thus, according to this invention, the softness | flexibility of the whole bearing surface including the area | region facing the protrusion part of a back foil part can be improved. As a result, the automatic adjustment function of the bearing gap is satisfactorily exhibited, so that the contact between the shaft and the top foil portion can be reliably prevented, and the load capacity of the foil bearing can be increased.

マイクロガスタービンのロータ支持構造の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the rotor support structure of a micro gas turbine. 本発明にかかるフォイル軸受の断面図である。It is sectional drawing of the foil bearing concerning this invention. フォイルの平面図である。It is a top view of foil. 連結した二枚のフォイルを裏面側から見た平面図である。It is the top view which looked at two foils connected from the back side. 三枚のフォイルを仮組みした状態を示す斜視図である。It is a perspective view showing the state where three foils were temporarily assembled. フォイルの仮組体をフォイルホルダに取り付ける様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that the temporary assembly of foil is attached to a foil holder. フォイル軸受のフォイル重複部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the foil overlap part of a foil bearing. 凹凸フォイル部の斜視図である。It is a perspective view of an uneven | corrugated foil part. 図８のＡ−Ａ線での断面図である。It is sectional drawing in the AA line of FIG. 図２に示すフォイル軸受の拡大断面を展開して示す図である。It is a figure which expands and shows the expanded cross section of the foil bearing shown in FIG. 凹凸フォイル部の平面図である。It is a top view of an uneven | corrugated foil part. 凹凸フォイル部の平面図である。It is a top view of an uneven | corrugated foil part. 凹凸フォイル部を有するフォイルの平面図である。It is a top view of the foil which has an uneven | corrugated foil part. 図３に示すフォイル軸受の断面を展開して表した図である。It is the figure which expanded and represented the cross section of the foil bearing shown in FIG. 図１３中のＢ−Ｂ線の断面図である。It is sectional drawing of the BB line in FIG. 凹凸フォイル部の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of an uneven | corrugated foil part. 凹凸フォイル部の他の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows other embodiment of an uneven | corrugated foil part. トップフォイル部と第一突出部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a top foil part and a 1st protrusion part. 中間フォイルを使用した実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows embodiment using an intermediate | middle foil. トップフォイル部と第一突出部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a top foil part and a 1st protrusion part. トップフォイル部と第一突出部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a top foil part and a 1st protrusion part. リーフ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a leaf type radial foil bearing. バンプ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a bump type radial foil bearing. リーフ型のスラストフォイル軸受を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a leaf type thrust foil bearing. 図２４中のＤ−Ｄ線断面図である。It is the DD sectional view taken on the line in FIG. バンプ型フォイル軸受のバックフォイルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the back foil of a bump type foil bearing.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１に、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。   FIG. 1 conceptually shows an example of a rotor support structure in a micro gas turbine. In this support structure, the radial bearing 10 is disposed around the shaft 6, and the thrust bearings 30 are disposed on both sides in the axial direction of the flange portion 6 b provided on the shaft 6. The shaft 6 is supported by the radial bearing 10 and the thrust bearing 30 so as to be rotatable in both the radial direction and the thrust direction. In this support structure, the region between the turbine 1 and the compressor 2 becomes a high temperature atmosphere because it is adjacent to the turbine 1 rotated by high temperature and high pressure gas. In addition, the shaft 6 rotates at a rotational speed of tens of thousands rpm or more. Therefore, as the bearings 10 and 30 used in this support structure, an air dynamic pressure bearing, particularly a foil bearing is suitable.

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２〜図７に基づいて説明する。   As an example of the foil bearing suitable for the radial bearing 10 for the micro gas turbine, a so-called multi-arc type is used. Hereinafter, a basic configuration of the multi-arc foil bearing will be described with reference to FIGS.

［多円弧型フォイル軸受の基本的構成］
図２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。 [Basic configuration of multi-arc foil bearing]
As shown in FIG. 2, the multi-arc radial foil bearing 10 includes a foil holder 11 having a cylindrical inner peripheral surface 11 a, and a plurality of rotational directions of the shaft 6 on the inner peripheral surface 11 a of the foil holder 11. And a foil 12 disposed at a location. The foil bearing 10 of the example of illustration has illustrated the case where the foil 12 is arrange | positioned in three places of the internal peripheral surface 11a. A shaft 6 is inserted on the inner diameter side of each foil 12.

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。   The foil holder 11 can be formed of metal (for example, steel material) such as sintered metal or melted material. On the inner peripheral surface 11 a of the foil holder 11, axial grooves 11 b serving as attachment portions of the foils 12 are formed at a plurality of locations (the same number as the number of foils) separated in the rotation direction R.

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。   The foil material that constitutes each foil 12 is processed into a predetermined shape by press working or the like, with a belt-like foil having a thickness of about 20 μm to 200 μm made of a metal having excellent springability and good workability, such as a steel material or a copper alloy. Is formed. Typical examples of steel materials and copper alloys include carbon steel and brass. However, in general carbon steel, there is no lubricating oil in the atmosphere and the antirust effect by oil cannot be expected. It tends to occur. Further, brass may cause cracks due to processing strain (this tendency becomes stronger as the Zn content in brass increases). Therefore, it is preferable to use a stainless steel or bronze foil as the belt-like foil.

図３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。   As shown in FIG. 3, the foil 12 has a first region 12a on the rotation direction R side of the shaft 6 and a second region 12b on the counter-rotation direction side.

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。   The first region 12a includes a top foil portion Tf that forms the bearing surface X, and a plurality of directions N (hereinafter simply referred to as “orthogonal directions N”) that are along the surface of the top foil portion Tf and orthogonal to the rotation direction R. And a convex portion 12a2 extending in a direction protruding to the rotation direction R side. In this embodiment, the case where the convex part 12a2 is formed in the three places of the said orthogonal direction is illustrated. A minute notch 12a3 extending in the counter-rotating direction from the foil edge is provided at the base end of each convex portion 12a2.

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。   At the rear end 12d (end on the counter-rotation direction side) of the second region 12b, two notches 12b2 that are spaced apart in the orthogonal direction N and are recessed toward the rotation direction R are formed. The width dimension in the orthogonal direction N of each notch 12b2 is gradually reduced toward the rotation direction R. In the present embodiment, the case where the entire cutout portion 12b2 is formed in an arc shape is illustrated, but each cutout portion 12b2 can also be formed in a substantially V shape with the top portion being pointed. Protruding portions 12b1 that protrude in the counter-rotating direction are formed on both sides of each cutout portion 12b2 in the orthogonal direction N.

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。   A slit-like insertion port into which the convex portions 12a2 of the adjacent foils 12 are inserted at a boundary portion between the first region 12a and the second region 12b and at a plurality of locations in the orthogonal direction N (the same number as the convex portions 12a2). 12c1 is provided. Among these, the insertion ports 12 c 1 at both ends extend linearly in the orthogonal direction N and open at both ends of the foil 12. The central insertion port 12c1 includes a linear cutout portion extending along the orthogonal direction N, and a wide cutout portion extending from the cutout portion in the counter-rotating direction and having a circular arc at the tip. Become.

図４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。   As shown in FIG. 4, the two foils 12 can be connected by inserting each convex portion 12 a 2 of one foil 12 into the insertion port 12 c 1 of the adjacent foil 12. In the figure, one of the two foils 12 after the combination is given a gray color.

そして、図５に示すように、３枚のフォイル１２を図４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６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。   And as shown in FIG. 5, each foil 12 can be made into the state of a temporary assembly by connecting the three foils 12 in the circumferential shape with the joint method similar to FIG. The foil bearing 10 is assembled by making this temporary assembly into a cylindrical shape and inserting it into the inner circumference of the foil holder 11 in the direction of arrow B2, as shown in FIG. Specifically, while inserting the temporary assembly of the three foils 12 into the inner periphery of the foil holder 11, the convex portion 12 a 2 of each foil 12 is opened in the axial groove 11 b (opened on one end face of the foil holder 11. 7)) from one side in the axial direction. As described above, the three foils 12 are attached to the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 in a state of being arranged in the rotation direction R.

図７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。   As shown in FIG. 7, when the foils 12 are attached to the foil holder 11, the two adjacent foils 12 cross each other. On the rotation direction R side with respect to the intersecting portion, the convex portion 12a2 of one foil 12 wraps behind the other foil 12 through the insertion port 12c1 of the other foil 12, and the axial groove 11b of the foil holder 11 Has been inserted. The top foil portion Tf of the other foil 12 constitutes the bearing surface X. On the counter-rotation direction side of the intersecting portion, the top foil portion Tf of one foil 12 constitutes the bearing surface X, and the second region 12b of the other foil wraps behind the one foil 12 and backfoil portion Bf. Configure. The end of the back foil portion Bf on the side opposite to the rotation direction is a free end, and the position of the end varies in the circumferential direction (rotation direction and counter rotation direction) according to the elastic deformation of the back foil portion Bf. The end of the back foil portion Bf on the rotation direction R side is in a state of being engaged with another foil 12 (the one foil) in the circumferential direction at the intersection.

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。 A foil overlap portion W in which the foils overlap each other is formed at the portion where the top foil portion Tf and the back foil portion Bf overlap. The foil overlapped portion W is formed at a plurality of locations in the rotation direction R (the same number as the foil 12 and three locations in the present embodiment).

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。 In this foil bearing 10, one end (convex portion 12 a 2) on the rotation direction R side of each foil 12 is attached to the foil holder 11, and the region on the counter-rotation direction side is engaged with another foil 12 in the circumferential direction. is there. As a result, the adjacent foils 12 are in a state of sticking to each other in the circumferential direction, so that the top foil portion Tf of each foil 12 projects to the foil holder 11 side, and has a shape along the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11. Bend. The movement of each foil 12 in the rotation direction R side is restricted because the convex portion 12a2 of each foil 12 hits the axial groove 11b, but the movement of each foil 12 in the counter rotation direction side is not restricted, Each foil 12 is movable in the counter-rotating direction including the free end of the back foil portion Bf.

図７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。   As shown in FIG. 7, since the axial groove 11b is provided with a slight inclination by an angle θ1 with respect to the tangential direction of the inner peripheral surface of the foil holder 11, the vicinity of the convex portion 12a2 inserted into the axial groove 11 Then, the top foil portion Tf tends to bend in the direction opposite to the bending direction of the entire foil 12 (the bending direction of the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11). Moreover, the top foil part Tf rises in the state inclined in the direction away from the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 by riding on the back foil part Bf. Therefore, a wedge space is formed between the bearing surface X of the top foil portion Tf and the outer peripheral surface of the shaft 6. Further, the top foil portion Tf is elastically supported by the elastically deformable back foil portion Bf.

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、図２に示すように、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２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１４、図２２、図２３、図２５も同じ）。   While the shaft 6 is rotating in one direction, the air film generated in the wedge space has a high pressure, so that the shaft 6 receives a levitation force. Therefore, as shown in FIG. 2, an annular radial bearing gap C is formed between the bearing surface X of each foil 12 and the shaft 6, and the shaft 6 is rotatably supported in a non-contact state with respect to the foil 12. The Due to the elastic deformation of the top foil portion Tf, the clearance width of the radial bearing clearance C is automatically adjusted to an appropriate width according to operating conditions and the like, so that the rotation of the shaft 6 is stably supported. In FIG. 2, the radial bearing gap C is exaggerated for easy understanding (FIGS. 14, 22, 23, and 25 are the same).

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４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、上記のヘリングボーン形状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３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。   While the shaft 6 is rotating, the top foil portion Tf is pressed against the back foil portion Bf by the fluid pressure and elastically deforms. Therefore, the top foil portion Tf riding on the back foil portion Bf has a width direction of the bearing gap C. Are formed. As shown in FIG. 4, when the notch 12b2 is provided at the rear end 12d of the second region 12b of each foil 12, this step has a herringbone shape corresponding to the shape of the notch 12b2. Since the fluid flowing along the top foil portion Tf flows along the above herringbone-shaped steps (see arrows), fluid pressure generating portions are formed at two locations in the orthogonal direction N of the bearing gap C. Is done. This makes it possible to support the moment load while enhancing the floating effect of the shaft 6. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, since the notch 12a3 is formed in the top foil portion Tf to reduce the rigidity of the top foil portion Tf, the top foil portion Tf extends along the notch portion 12b2. Even when deforming, the deformation is performed smoothly.

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８および図９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２２は中間部２３からその裏側に向けて突出している。第一突出部２１および第二突出部２２は、その周囲全周が中間部２３につながっている。   In the foil bearing 10 described above, the back foil portion Bf of each foil 12 is formed by the uneven foil 20 shown in FIGS. The concavo-convex foil 20 includes a plurality of first protrusions 21 that protrude to the front side (for example, the bearing surface X side) of the back foil portion Bf, and a plurality of second protrusions 22 that protrude to the back side (for example, the side opposite to the bearing surface X). And a flat intermediate portion 23 for joining the protruding portions 21 and 22 together. The first protrusion 21 protrudes from the intermediate part 23 toward the front side, and the second protrusion 22 protrudes from the intermediate part 23 toward the back side. The first projecting portion 21 and the second projecting portion 22 are all connected to the intermediate portion 23 at the entire circumference.

図１０に凹凸フォイル２０の断面を拡大して表す。図１０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。   FIG. 10 shows an enlarged cross section of the uneven foil 20. As shown in FIG. 10, the 1st protrusion part 21, the 2nd protrusion part 22, and the intermediate part 23 have uniform thickness. Both the first protrusion 21 and the second protrusion 22 are formed in a substantially hemispherical shape. Since the inside of the 1st protrusion part 21 and the 2nd protrusion part 22 is hollow shape, when the foil 12 is seen from one side of the front and back, for example, the front side, the area | region where the 2nd protrusion part 22 exists becomes a recessed part. .

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３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１１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１１のフォイル１２では、図３に示す切り欠き部１２ｂ２が省略されている）。なお、図１１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１１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。 The uneven foil 20 is formed by pressing a foil material. For example, as shown in FIG. 3, when the top foil portion Tf and the back foil portion Bf are formed on each foil 12, as shown in FIG. 11, only the region of the back foil portion Bf is subjected to press working. By forming one protrusion 21 (indicated by a white circle), second protrusion 22 (indicated by a hatched circle), and intermediate part 23, the uneven foil 20 and a smooth surface having no such unevenness are formed. A foil 12 integrally having the top foil portion Tf is obtained (the notch portion 12b2 shown in FIG. 3 is omitted from the foil 12 in FIG. 11). In addition, the arrangement pattern of the 1st protrusion part 21 and the 2nd protrusion part 22 which are shown in FIG. 11 is only an illustration, and arbitrary arrangement patterns different from FIG. 11 are employable as needed.

三枚のフォイル１２を図４〜図６と同様の手順で組み立ててアセンブリとし、このアセンブリをフォイルホルダ１１に取り付けることにより、図２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１０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。 The three foils 12 are assembled in the same procedure as in FIGS. 4 to 6 to form an assembly, and this assembly is attached to the foil holder 11 so that each backfoil portion Bf (shown in a dotted pattern is shown) as shown in FIG. ) Is formed with the uneven foil 20, and the radial foil bearing 10 is completed. As shown in FIG. 10, in this state, the first projecting portion 21 of the back foil portion Bf is in contact with the top foil portion Tf, and the second projecting portion 22 of the back foil portion Bf is on the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11. Contact.

軸６の回転中は、図１０に示すように、軸受隙間Ｃで生じる空気圧によりトップフォイル部Ｔｆが圧縮力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を介して圧縮力と同方向の荷重が作用する。中間部２３は圧縮力Ｐの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１０に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。 During the rotation of the shaft 6, as shown in FIG. 10, since the top foil portion Tf receives the compression force P due to the air pressure generated in the bearing gap C, the back foil portion Bf receives the compression force via the top foil portion Tf. A load in the same direction acts. Since the intermediate portion 23 has a thin plate shape extending in a direction orthogonal to the direction of the compression force P, the intermediate portion 23 is a portion having low rigidity against the compression force in the back foil portion Bf. Therefore, when a compressive force is applied to the back foil portion Bf, first, as shown by a two-dot chain line in FIG. 10, the intermediate portion 23 is deformed to absorb the compressive force. Therefore, the rigidity of the entire back foil portion Bf can be reduced as compared with the back foil portion (see FIG. 23) of an existing bump type foil bearing that does not have such a flat portion. Thereby, since the flexibility of the bearing surface X is increased, the bearing surface X is likely to follow and deform with respect to the displacement of the shaft 6 and the like, and the contact between the shaft 6 and the top foil portion Tf can be reliably prevented. .

また、図１１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。 Further, as is apparent from FIG. 11, the projecting portions 21 and 22 are distributed and arranged over the entire back foil portion Bf. Specifically, the contact portions between the projecting portions 21 and 22, the top foil portion Tf, and the foil holder 11 are formed in a dot shape instead of a continuous belt shape in a certain direction. That is, the contact portion is intermittently formed in at least two orthogonal directions (for example, the rotational direction R and the orthogonal direction N) along the bearing surface X, and more preferably in any direction along the bearing surface X. Therefore, when the back foil portion Bf is deformed, it is possible to allow relative movement even between adjacent similar protrusions (protrusions having a common protrusion direction from the intermediate portion 23), and the rigidity of the back foil portion Bf is increased. It can be further lowered. Incidentally, in the back foil portion of the existing bump type foil bearing, since the convex portion extends in the axial direction (the orthogonal direction N), it is possible to allow such relative movement between the axial portions of the convex portion. Can not.

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。 By the way, it is considered that the optimum value of rigidity required for the bearing surface X is different in each part of the bearing surface X. Therefore, if the entire bearing surface X is made flexible, the rigidity of the bearing surface X may be insufficient depending on the portion, and the bearing performance may be deteriorated.

これに対し、上記凹凸フォイル２０において、図１２に示すように、第一突出部２１および第二突出部２２の分布密度を変えれば軸受面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１０参照）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、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。 On the other hand, in the concavo-convex foil 20, the rigidity of the bearing surface X can be partially controlled by changing the distribution density of the first protrusions 21 and the second protrusions 22, as shown in FIG. . For example, if a region in which the first protrusion 21 and the second protrusion 22 are densely distributed is provided in the backfoil portion Bf, the support span S (see FIG. 10) between the adjacent protrusions 21 and 22 is reduced. The rigidity of the region can be increased. On the other hand, if a region in which the distribution of the protruding portions 21 and 22 is sparse is provided, the rigidity of the region can be reduced. Accordingly, it is possible to control the rigidity of each part of the back foil part Bf, and hence the rigidity of each part of the bearing surface X.

以下、軸受面Ｘの剛性をコントロールした具体例を図１３に基づいて説明する。
図１３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。 Hereinafter, a specific example in which the rigidity of the bearing surface X is controlled will be described with reference to FIG.
FIG. 13 shows that a high-density region H (indicated by cross-hatching) in which the first protrusions 21 and the second protrusions 22 are densely distributed is formed in a strip shape and an elliptical shape in the back foil portion Bf of the foil 12. Is. At this time, the protrusions 21 and 22 are more densely distributed toward the rotation direction R side of the high-density region H, and the protrusions 21 and 22 are more densely distributed from both ends of the orthogonal direction N toward the center side. In the other region of the second region 12b, a low density region L (shown by hatching) in which the protrusions 21 and 22 are distributed more sparsely than the high density region H is formed.

軸６の回転中は、図１４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１５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１３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。 During the rotation of the shaft 6, a wedge space is formed between the top foil portion Tf and the shaft 6 in the foil overlap portion W as shown in FIG. 14. At this time, the protrusions 21 and 22 are formed in the back foil portion Bf with the density pattern shown in FIG. 13, so that the region that forms the wedge space of the top foil portion Tf receives the difference in rigidity of the back foil portion Bf. Thus, as shown in FIG. 15, a recess 24 is formed in which the central portion in the orthogonal direction N is recessed. Since the top foil portion Tf is highly rigid and difficult to deform on both sides of the concave portion 24 in the orthogonal direction N, the air in the wedge space is difficult to escape in the orthogonal direction N. Further, the wedge space becomes higher in the rotation direction R side, but the rigidity of the top foil portion Tf is maximized in the vicinity of the highest pressure portion of the wedge space due to the difference in rigidity of the back foil portion Bf. Becomes difficult to escape. Therefore, by forming the protrusions 21 and 22 with the density pattern shown in FIG. 13 on the back foil portion Bf, the formation efficiency of the air film in the wedge space can be improved, and the contact between the shaft 6 and the foil 12 is ensured. It becomes possible to prevent.

既存の多円弧型フォイル軸受では、図３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（図１１参照）、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。 In the existing multi-arc type foil bearing, as shown in FIG. 3, by providing a notch portion 12b1 at the rear end 12b of the second region 12b to be the back foil portion Bf, a portion corresponding to the concave portion is formed in the wedge space. However, if the back foil portion Bf has a rigidity difference as described above, the notch portion 12b1 is not formed in the rear end 12d of the second region 12b (see FIG. 11). It becomes possible to form the recessed part 24 of a form. Of course, after the notch 12b1 is provided at the rear end 12d of the foil 12, the density difference between the protrusions 21 and 22 as described above may be provided in the second region 12b.

以上に述べた説明では、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１６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。 In the above description, the first projecting portion 21 and the second projecting portion 22 of the back foil portion Bf are all the same size, but the other one or both of the front side and the back side of the back foil portion Bf It is also possible to form protrusions having different sizes. FIG. 16 shows an example thereof. A large protrusion 21a and a small protrusion 21b are provided as the first protrusion 21 on the front side, and a large protrusion 22a and a small protrusion 22b are provided as the second protrusion 22 on the back side. Is. The large protrusions 21a, 22a and the small protrusions 21b, 22b differ in the amount of protrusion from the intermediate part 23.

図１６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。 In the backfoil portion Bf shown in FIG. 16, when the compression force (compression load in the width direction of the bearing gap C) applied thereto is gradually increased, the large protrusions 21a and 22a are deformed after the intermediate portion 23 is deformed. Finally, the small protrusions 21b and 22b are deformed. Therefore, when the compressive load is small, the deformation amount of the backfoil portion Bf with respect to the increase amount of the load becomes large, and when the compressive load is large, the deformation amount of the backfoil portion Bf with respect to the increase amount of the load becomes small. That is, nonlinearity can be given to the spring characteristics of the back foil portion Bf.

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。 As described above, when the spring characteristic of the back foil portion Bf is nonlinear, the top foil portion Tf is easily deformed when the compressive load is low, so that the pressure of the air film is low (immediately after the rotation of the shaft 6 starts or stops). Even immediately before, the wedge space is easily formed. On the other hand, when the compressive load is high, the top foil portion Tf is difficult to deform. Therefore, even when the pressure of the air film is high (steady rotation state of the shaft 6), the deformation of the top foil portion Bf is suppressed and the Air leakage can be prevented. Therefore, it is possible to stably support the shaft 6 regardless of whether the rotation is low speed or high speed.

図１７は、図８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、トップフォイル部Ｔｆの変形自由度を向上させることができる。図１７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。 FIG. 17 shows that the rigidity of the intermediate portion 23 is lowered by providing a large number of openings 26 in the intermediate portion 23 of the back foil portion Bf shown in FIG. Thereby, since the intermediate part 23 becomes more flexible, the rigidity of the back foil part Bf can be further reduced and the degree of freedom of deformation of the top foil part Tf can be improved. In the embodiment shown in FIG. 17, the intermediate portions 23 are radially extended from the protrusions 21 and 22, and the intermediate portions 23 are coupled to the adjacent protrusions 21 and 22. In this case, by adjusting the area and number of the openings 26 to change the distribution state of the openings 26, it is possible to control the rigidity of the intermediate portion 23 and the rigidity of the back foil portion Bf at each portion.

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１２）、突出部２１，２２の大きさの変更（図１６）、および開口部２６の分布状態の変更（図１７）、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。 Means for changing the spring characteristics of the back foil portion Bf described above, that is, changing the distribution density of the protrusions 21 and 22 (FIG. 12), changing the size of the protrusions 21 and 22 (FIG. 16), and opening By selecting any one of the 26 distribution state changes (FIG. 17) or appropriately combining two or more means, the spring characteristics of each part of the backfoil portion Bf can be optimized. Thereby, it becomes possible to set each part of the bearing surface X to the optimal rigidity on the bearing function, and the freedom degree of a bearing design increases remarkably. Although the hemispherical (circular cross section) is exemplified as the protrusions 21 and 22, the form of the protrusions 21 and 22 is arbitrary, and for example, the cross section can be polygonal. Thus, by changing the shape (cross-sectional shape) of the protrusions 21 and 22, the rigidity and spring characteristics of the back foil portion Bf can be changed.

[本発明の特徴的構成]
次に本発明の特徴的構成を説明する。
バックフォイル部Ｂｆに凹凸フォイル２０を使用した構成では、圧縮力Ｐに対する突出部２１，２２の剛性が平坦部２３よりも大きいため、圧縮力Ｐでトップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押し付けられた際にも、図１８に示すように、トップフォイル部Ｔｆと接触した第一突出部２１はほとんど変形しない。そのため、トップフォイル部Ｔｆが第一突出部２１の頂部に倣うように変形し、軸受面Ｘの第一突出部２１と対向する領域Ｘ１（以下、「対向領域」と称する）に曲率半径の小さい凸部が形成される。この状態では、対向領域Ｘ１でのトップフォイル部Ｔｆの弾性変形が規制されるため、軸受面Ｘの対向領域Ｘ１が軸６と摺動し易くなり、トップフォイル部Ｔｆが偏摩耗するおそれがある。 [Characteristic configuration of the present invention]
Next, the characteristic configuration of the present invention will be described.
In the configuration in which the uneven foil 20 is used for the back foil portion Bf, the rigidity of the projecting portions 21 and 22 with respect to the compressive force P is larger than that of the flat portion 23. In this case, as shown in FIG. 18, the first protruding portion 21 in contact with the top foil portion Tf is hardly deformed. Therefore, the top foil portion Tf is deformed so as to follow the top portion of the first protruding portion 21, and a radius of curvature is small in a region X1 (hereinafter referred to as “opposing region”) facing the first protruding portion 21 of the bearing surface X. A convex part is formed. In this state, since the elastic deformation of the top foil portion Tf in the facing region X1 is restricted, the facing region X1 of the bearing surface X is likely to slide with the shaft 6, and the top foil portion Tf may be unevenly worn. .

この対策として、本発明では、図１９に示すように、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆの間に中間フォイル４０を介在させている。中間フォイル４０は、バックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１に対応して設けられた複数の接触部４１と、隣接する接触部２１を連結する柱部４２とを一体に有する。複数の柱部４２で囲まれた領域には孔４３が形成される。この孔４３は中間フォイル４０の複数箇所に設けられ、何れもバックフォイル部Ｂｆの中間部２３および第二突起部２２と対向する位置にある。 As a countermeasure against this, in the present invention, as shown in FIG. 19, an intermediate foil 40 is interposed between the top foil portion Tf and the back foil portion Bf. The intermediate foil 40 integrally includes a plurality of contact portions 41 provided corresponding to the first projecting portions 21 of the back foil portion Bf and a column portion 42 that connects the adjacent contact portions 21. A hole 43 is formed in a region surrounded by the plurality of column portions 42. The holes 43 are provided at a plurality of locations on the intermediate foil 40, and all of them are at positions facing the intermediate portion 23 and the second projecting portion 22 of the back foil portion Bf.

中間フォイル４０の回転方向Ｒ側の端部には、取り付け部４４が形成される。取り付け部４４と、接触部４１および柱部４２の集合体である本体部４５とは、連結部４６を介して連結されている。中間フォイル４０の本体部４５は、少なくとも隣接するフォイル１２のバックフォイル部Ｂｆを覆う形状および寸法を有する。 An attachment portion 44 is formed at the end of the intermediate foil 40 on the rotation direction R side. The attachment portion 44 and the main body portion 45 that is an assembly of the contact portion 41 and the column portion 42 are connected via a connecting portion 46. The main body portion 45 of the intermediate foil 40 has a shape and a dimension that cover at least the back foil portion Bf of the adjacent foil 12.

中間フォイル４０は、トップフォイル部Ｔｆと重ねた状態でフォイルホルダ１１（図２参照）に取り付けられる。この取り付けは、トップフォイル部Ｔｆの凸部１２ａ２と中間フォイル４０の取り付け部４４とを重ね、重ねた凸部１２ａ２および取り付け部４４をフォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂ（図７参照）に挿入することで行われる。 The intermediate foil 40 is attached to the foil holder 11 (see FIG. 2) in a state of being overlapped with the top foil portion Tf. In this attachment, the protrusion 12a2 of the top foil portion Tf and the attachment portion 44 of the intermediate foil 40 are overlapped, and the overlapped protrusion 12a2 and attachment portion 44 are inserted into the axial groove 11b (see FIG. 7) of the foil holder 11. Is done.

かかる構成では、図２０に示すように、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆの第一突出部２１との間に中間フォイル４０の接触部４１が配置される。圧縮力Ｐでトップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆ側に押しつけられると、中間フォイル４０の接触部４１が第一突出部２１と接触する。この際、中間フォイル４０の接触部４１が軸受面Ｘの対向領域Ｘ１の変形を抑制するため、対向領域Ｘ１は曲率半径の大きい凸部となり、軸受面Ｘは対向領域Ｘ１を含む全体で滑らかに連続した形態に変形する（トップフォイル部Ｔｆと中間フォイル４０の接触部４１との間に僅かな隙間Ｙが形成される）。この状態では、接触部４１が第一突出部２１と密着せずに点接触もしくはそれに近似した接触状態となるため、対向領域Ｘ１でのトップフォイル部Ｔｆの弾性変形が許容された状態にある。従って、トップフォイル部Ｔｆ全体の柔軟性を確保して、軸６との接触によるトップフォイル部Ｔｆの偏摩耗を防止することが可能となる。このように中間フォイル４０の接触部４１は、軸受面Ｘのうち、第一突出部２１と対向する対向領域Ｘ１の剛性を強化する剛性強化部として機能する。 In such a configuration, as shown in FIG. 20, the contact portion 41 of the intermediate foil 40 is disposed between the top foil portion Tf and the first protruding portion 21 of the back foil portion Bf. When the top foil portion Tf is pressed against the back foil portion Bf side by the compression force P, the contact portion 41 of the intermediate foil 40 comes into contact with the first protruding portion 21. At this time, since the contact portion 41 of the intermediate foil 40 suppresses deformation of the facing region X1 of the bearing surface X, the facing region X1 becomes a convex portion having a large curvature radius, and the bearing surface X is smooth as a whole including the facing region X1. It deforms into a continuous form (a slight gap Y is formed between the top foil portion Tf and the contact portion 41 of the intermediate foil 40). In this state, the contact portion 41 does not come into close contact with the first projecting portion 21 and becomes a point contact or a contact state approximate thereto, so that the elastic deformation of the top foil portion Tf in the facing region X1 is allowed. Therefore, the flexibility of the entire top foil portion Tf can be ensured, and uneven wear of the top foil portion Tf due to contact with the shaft 6 can be prevented. As described above, the contact portion 41 of the intermediate foil 40 functions as a rigidity reinforcing portion that reinforces the rigidity of the facing region X1 of the bearing surface X that faces the first projecting portion 21.

以上に述べた効果は、軸受面Ｘの対向領域Ｘ１と第一突出部２１との間に対向領域Ｘ１の剛性を強化する剛性強化部を設け、軸受面Ｘの対向領域Ｘ１の変形を抑制することにより達成できる。例えば、図２１に示すように、中間フォイル４０の接触部４１をトップフォイル部Ｔｆと一体化した場合、すなわち中間フォイル４０を用いることなく、トップフォイル部Ｔｆの裏側（第一突出部２１と接触する部分）を部分的に突出させることにより、トップフォイル部Ｔｆを部分的に厚肉に形成した場合にも、対向領域Ｘ１でのトップフォイル部Ｔｆの変形が抑制される。従って、対向領域Ｘ１を含む軸受面Ｘの全体を弾性変形させることができ、上記と同様にトップフォイル部Ｔｆの偏摩耗を防止することが可能となる。この実施形態では、トップフォイル部Ｔｆの厚肉となった部分４１が、対向領域Ｘ１の剛性を強化する剛性強化部として機能する。このように裏面に凸状の剛性強化部４１を形成したトップフォイル部Ｔｆは、例えばエッチング等の方法で製作することができる。 The above-described effect is that a rigidity reinforcing portion that reinforces the rigidity of the facing region X1 is provided between the facing region X1 of the bearing surface X and the first protruding portion 21, and the deformation of the facing region X1 of the bearing surface X is suppressed. Can be achieved. For example, as shown in FIG. 21, when the contact portion 41 of the intermediate foil 40 is integrated with the top foil portion Tf, that is, without using the intermediate foil 40, the back side of the top foil portion Tf (the first protruding portion 21 is contacted). By partially projecting the portion), deformation of the top foil portion Tf in the facing region X1 is suppressed even when the top foil portion Tf is partially thick. Accordingly, the entire bearing surface X including the facing region X1 can be elastically deformed, and the uneven wear of the top foil portion Tf can be prevented in the same manner as described above. In this embodiment, the thickened portion 41 of the top foil portion Tf functions as a stiffness enhancing portion that enhances the stiffness of the facing region X1. Thus, the top foil part Tf in which the convex rigidity-enhancing part 41 is formed on the back surface can be manufactured by a method such as etching.

なお、図１９に示す実施形態において、中間フォイル４０を孔４３のない一枚板状に形成した場合にも、軸受面Ｘの対向領域Ｘ１での変形を抑制して軸６との接触によるトップフォイル部Ｔｆの偏摩耗を防止できると考えられる。その一方で、かかる構成では、軸受面Ｘの対向領域Ｘ１だけでなく、対向領域Ｘ１以外の部分（バックフォイル部Ｂｆの中間部２３と対向する部分）でも軸受面Ｘの剛性が強化されて変形し難くなる。そのため、軸受面Ｘ全体の柔軟性が低下し、軸受隙間の自動調整機能が損なわれるおそれがある。 In the embodiment shown in FIG. 19, even when the intermediate foil 40 is formed in a single plate shape without the hole 43, the deformation of the bearing surface X in the facing region X <b> 1 is suppressed and the top due to contact with the shaft 6 is obtained. It is considered that uneven wear of the foil portion Tf can be prevented. On the other hand, in such a configuration, the rigidity of the bearing surface X is strengthened and deformed not only in the facing region X1 of the bearing surface X but also in a portion other than the facing region X1 (a portion facing the intermediate portion 23 of the back foil portion Bf). It becomes difficult to do. Therefore, the flexibility of the entire bearing surface X is lowered, and the automatic adjustment function of the bearing gap may be impaired.

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２２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で形成し、さらに図２０に示すように中間フォイル４０を使用し、あるいは図２１に示すようにトップフォイル部Ｔｆを部分的に厚肉に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。 In the above description, a so-called multi-arc radial foil bearing has been exemplified as the foil bearing 10, but the form of the foil bearing to which the present invention is applicable is not limited thereto. For example, the present invention can be applied to a so-called leaf-type radial foil bearing 10 shown in FIG. The leaf type foil bearing is configured by arranging a plurality of foils 12 (leafs) in the rotation direction R of the shaft 6 with one end on the rotation direction R side as a free end and the other end on the counter rotation direction side as a fixed end. The region on the rotation direction R side of the foil 12 functions as the top foil portion Tf, and the region on the counter-rotation direction side functions as the back foil portion Bf. In this leaf type radial foil bearing, the back foil portion Bf (indicated by the dotted pattern) of each leaf 12 is formed by the concave / convex foil 20, and the intermediate foil 40 is used as shown in FIG. As shown, by forming the top foil portion Tf partially thick, the same effect as described above can be obtained.

また、図２３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で形成し、さらに図２０に示す中間フォイル４０（図２３での図示は省略）を使用し、あるいは図２１に示す部分的に厚肉にしたトップフォイル部Ｔｆを使用することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図２３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。 The present invention can also be applied to a so-called bump-type radial foil bearing 10 shown in FIG. In the bump type foil bearing 10, the entire back foil portion Bf is formed by the concavo-convex foil 20, and the intermediate foil 40 shown in FIG. 20 (not shown in FIG. 23) is used, or the partial foil shown in FIG. 21 is used. By using the thick top foil portion Tf, the same effect as described above can be obtained. In FIG. 23, the back foil portion Bf is continuous over the entire circumference of the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11, but the back foil portion Bf can also be divided at one place or a plurality of places in the circumferential direction. In this case, the divided individual elements are formed by the uneven foil 20.

さらに図２４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２４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２５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で形成し、さらに図２０に示す中間フォイル４０（図２４での図示は省略）を使用するか、もしくは図２１に示す部分的に厚肉にしたトップフォイル部Ｔｆを使用することにより、上記と同様の効果を得ることができる。 Furthermore, the present invention can also be applied to the thrust foil bearing 30 shown in FIG. FIG. 24 shows a leaf-type thrust foil bearing as an example of the thrust foil bearing 30. Also in this thrust foil bearing, as shown in FIG. 25, the back foil portion Bf (indicated by the dotted pattern) of each leaf 12 is formed by the uneven foil 20, and the intermediate foil 40 shown in FIG. The same effect as described above can be obtained by using a top foil portion Tf that is partially thickened as shown in FIG.

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。 In the above description, the case where the shaft 6 is the rotation side member and the foil holder 11 is the fixed side member is illustrated. On the contrary, the shaft 6 is the fixed side member and the foil holder 11 is the rotation side member. In this case, the present invention can be applied. However, in this case, since the foil 12 serves as a rotation side member, it is necessary to design the foil 12 in consideration of deformation of the entire foil 12 due to centrifugal force.

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。 The foil bearing according to the present invention is not limited to the gas turbine described above, and can be used as a foil bearing that supports a rotor of a turbomachine including a supercharger, for example. The foil bearing according to the present invention is not limited to the above examples, and can be widely used as a bearing for a vehicle such as an automobile and further as a bearing for industrial equipment. Further, each foil bearing of the present embodiment is an air dynamic pressure bearing using air as a pressure generating fluid, but is not limited thereto, and other gases can be used as the pressure generating fluid, or water or oil It is also possible to use a liquid such as

６ 軸
１０ フォイル軸受
１１ フォイルホルダ
１１ａ 内周面
１２ フォイル
２０ 凹凸フォイル
２１ 突出部（第一突出部）
２２ 突出部（第二突出部）
２３ 中間部
４０ 中間フォイル
４１ 剛性強化部（接触部）
４２ 柱部
４３ 孔
Ｃ 軸受隙間
Ｘ 軸受面
Ｘ１ 対向領域 6 shaft 10 foil bearing 11 foil holder 11a inner peripheral surface 12 foil 20 uneven foil 21 projecting portion (first projecting portion)
22 Protrusion (second protrusion)
23 Intermediate part 40 Intermediate foil 41 Stiffening part (contact part)
42 Column 43 Hole C Bearing gap X Bearing surface X1 Opposite area

Claims (4)

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、中間部の表側および裏側に突出する複数の突出部とを設け、トップフォイル部の軸受面のうち突出部と対向する対向領域と、当該突出部との間に、前記対向領域の剛性を強化する剛性強化部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。 A top foil portion having a bearing surface facing the shaft to be supported, and a back foil portion for elastically supporting the top foil portion behind the top foil portion, in a bearing gap between the shaft and the bearing surface In the foil bearing that supports the relative rotating shaft in a non-contact manner with the resulting fluid film,
The back foil portion is provided with a flat intermediate portion and a plurality of protruding portions protruding on the front side and the back side of the intermediate portion, a facing region facing the protruding portion of the bearing surface of the top foil portion, and the protruding portion A foil bearing characterized in that a stiffness enhancing portion for enhancing the stiffness of the facing region is provided between the two. 前記剛性強化部を、前記突出部とトップフォイルとの間に配置した中間フォイルで形成した請求項１に記載のフォイル軸受。   The foil bearing according to claim 1, wherein the rigidity-enhancing portion is formed by an intermediate foil disposed between the protruding portion and a top foil. 前記中間フォイルのうち、バックフォイルの中間部と対向する部分に孔を設けた請求項１記載のフォイル軸受。   The foil bearing according to claim 1, wherein a hole is provided in a portion of the intermediate foil that faces the intermediate portion of the back foil. 前記剛性強化部を、前記対向領域でトップフォイルを他所よりも厚肉にすることで構成した請求項１に記載のフォイル軸受。 2. The foil bearing according to claim 1, wherein the rigidity-enhancing portion is configured by making the top foil thicker than other places in the facing region.
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