JP4041168B2 - ガス力学的フォイル軸受 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は軸受に関し、詳細には、ターボクーラ、ターボエキスパンダ、ターボ圧縮機、ターボ過吸機、ターボ発電機及びターボポンプなどのターボ機構において高速回転するロータを軸方向及び半径方向に支持するのに用いられるガス潤滑を用いたガス力学的フォイル軸受に関する。
背景技術
ガス力学的フォイル軸受は、その構造が簡単であり経済的に量産が可能である。従って、小型の機械に広く適用されてきた。１９７５年７月８日付けで登録された、シルバー（Ｓｉｌｖｅｒ）らによる"フォイル軸受設備（Ｆｏｉｌ Ｂｅａｒｉｎｇ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）"と題された米国特許第３、８９３、７３３号には、自己加圧流体力学的フォイル軸受が記載されている。このフォイル軸受は、可動軸受部材と固定軸受部材との間を支持する弾性フォイルと、そのフォイルを支持しかつ剛性を補う弾性フォイル支持部とを具備する。
さらに、１９９２年８月１５日付けで登録された、ソビエト連邦特許第１７５４９４９号に記載の従来のスラストガスフォイル軸受が第１図に例示されている。第１図に示されているように、スラストガスフォイル軸受は、ベース１０に取り付けられるプレート１と、そのプレート１に溶接により取り付けられる支承部材２と、図のようにオーバラップするように溶接により取り付けられる弾性フォイル３とを備える。ここで、弾性フォイル３は、支承部材２に取り付けられていない尾部に相当する支持部３ａを有し、その弾性フォイル３の一端３ｂは隣接するフォイル３と接している。弾性フォイル３の曲率は、一端３ｂに向かってＲ１からＲ２へと減少する。さらに、例えば、回転軸などのロータ（図示せず）と結合されたスラストディスク１１が弾性フォイル３の上部に配置される。
スラストディスク１１が回転すると、スラストディスク１１と弾性フォイル３との隙間にガスが流れ込み、これにより、スラストディスク１１は弾性フォイル３から浮き上がる。ここで、スラストディスク１１は、回転速度が正常のリフトオフ速度に達するまでは弾性フォイル３と接触したままである。このとき、弾性フォイル３は、隣接する弾性フォイル３の一端３ｂにより下方に押され弾性変形し、Ａ点でプレート１の上面と接触する（第２図参照）。同時に、変形したフォイル３の下面は、隣接するフォイル３の支持部３ａとＢ点で接触して弾性的に支持される。
しかしながら、従来のスラストガスフォイル軸受には、幾つかの問題点がある。隣接する弾性フォイル３を支持する支持部３ａは、弾性フォイル３と同じ材料により一体形成されるため、軸方向の負荷により弾性変形する各弾性フォイル３に対して十分な剛性を追加的に与えることはできない。したがって、弾性フォイル３は、プレート１の上面と接触するまで下方に弾性変形する。これは、軸受の初期動作に際し、スラストディスク１１またはこれに連結されたロータの軸方向の変位が大きいことを意味する。
さらに、正常のリフトオフ速度にて動作時、弾性フォイル３がプレート１と接触しているため、軸方向の負荷に対するダンピング能及び軸受の負荷能力が低下する。さらには、弾性フォイル３は、一端３ｂに行くほどその半径が小さくなるため、製造過程が複雑かつ困難になる。
発明の開示
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、初期動作に際しスラストディスクまたは軸の変位が低減し、軸受の負荷能力が向上しかつ製作を単純化したガス力学的フォイル軸受を提供することである。
本発明の一実施例によれば、以下のガス力学的フォイル軸受を提供する。そのガス力学的フォイル軸受とは、ベースに取り付けられるプレートと、プレート上に所定間隔で取り付けられる複数の支承部材と、互いにオーバラップするようにその一端が支承部材に固定された複数の弾性フォイルと、回転するロータと結合されて弾性フォイルの上に配置されたスラストディスクとを備え、弾性フォイルを支持するように弾性フォイルがオーバラップする領域にある弾性フォイルとプレートとの間に挟まれた曲げスプリングを含むことを特徴とする。
弾性フォイルは全長にわたって同じ曲率を有し、曲げスプリングは弾性フォイルを支持し弾性変形する動作部と、弾性フォイルの内半径と外半径との軸受動作領域から外れた部分で結合部の一側または両側がプレートと結合される結合部分とから成る。
代案として、曲げスプリングは、プレートの上に結合された位置決めプレートに形成された溝にゆるく置かれ、弾性フォイルにより離脱が防止できる。
本発明の別の実施例によれば、以下のガス力学的フォイル軸受を提供する。そのガス力学的フォイル軸受とは、ベースの内周面に取り付けられるプレートと、プレート上に所定間隔で取り付けられた複数の支承部材と、互いにオーバラップするように支承部材にその一端が固定された複数の弾性フォイルと、弾性フォイルと接触する回転軸とを備え、弾性フォイルがオーバラップする領域における弾性フォイルとプレートとの間に挟まれ、弾性フォイルを支持する曲げスプリングを有することを特徴とする。
本発明によると、弾性フォイルパッケージの剛性は初期動作時には弾性フォイルの剛性によって決まり、正常のリフトオフ速度時には曲げスプリングの剛性によって決まる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は、従来のスラストガスフォイル軸受を示す断面図であり、
第３図及び第４図は、本発明の一実施例によるスラストガス力学的フォイル軸受を示す断面図であり、
第５図は、第４図に示されるスラストガス力学的フォイル軸受を示す平面図であり、
第６図は、第５図に類似したものであって、支承部材と曲げスプリングとの結合を示す平面図であり、
第７図は、第４図に示されるスラストガス力学的フォイル軸受における曲げスプリングの結合の別の例を示す断面図であり、
第８図は、本発明におけるスラストガス力学的フォイル軸受の正常のリフトオフ速度での状態を示す断面図であり、
第９図は、第７図の曲げスプリングの結合を示す平面図であり、
第１０図は、曲げスプリングの別の例を示す平面図であり、
第１１図は、第１０図のXI−XI線に沿った断面図であり、
第１２図は、本発明のスラストガス力学的フォイル軸受において、軸方向の負荷Ｆによるスラストディスクの高さＨの変化を示すグラフであり、
第１３図は、本発明の他の実施例によるラジアルガス力学的フォイル軸受の平断面図である。
本発明の最適な実施例
本発明のガス力学的フォイル軸受は、スラスト軸受及びラジアル軸受共に適用可能である。
本発明によるスラストガス力学的フォイル軸受の好適な実施例が第３図及び第４図に示されている。同図を参照すると、ガス力学的フォイル軸受は、ベース１０に取り付けられ、支承部材１４を所定間隔で、例えば、溶接もしくは接着あるいはエッチングもしくはプレートの変形による形成によってプレート１３の上に固定したそのプレート１３と、溶接によりプレート１３の支承部材１４にその一端が取り付けられた弾性フォイル１５とを備える。ここで、弾性フォイル１５は、第５図に示されるように互いにオーバラップし、弾性フォイル１５の一端１６は隣接する弾性フォイル１５の上面に位置する。
好ましくは、第５図及び第６図に示されるように、弾性フォイル１５の一端と支承部材１４（第４図参照）との結合、及びプレート１３と支承部材１４との結合は、弾性フォイル１５の内半径Ｒｉと外半径Ｒｅとの間の軸受動作領域から外れた位置の１４ａ、１４ｂでなされる。このとき、支承部材１４及び弾性フォイル１５が、プレート１３の外半径側に向かって位置する１４ａ、１５ａで溶接されることが好ましいが、内半径側に位置する１４ｂ、１５ｂでも溶接されても良い。また、弾性フォイル１５の幅を、結合部から先端１６に進むにつれて狭くすることもできる。
本発明の特徴によると、弾性フォイル１５がオーバラップする領域の弾性フォイル１５とプレート１３との間には、弾性フォイル１５を支持する円弧状曲げスプリング１７が挟まれる。曲げスプリング１７は、弾性フォイル１５よりも大きい剛性を有する。
第６図に示されるように、曲げスプリング１７は、弾性フォイル１５を支持し弾性変形する動作部１７ｃと、動作部１７ｃの両側の結合部１７ａ、１７ｂとから構成される。曲げスプリングの結合部１７ａ、１７ｂをプレート１３の、前述の軸受動作領域から外れた位置で溶接することにより、曲げスプリング１７をプレート１３の上に取り付ける。また曲げスプリング１７も、プレート１３の外半径側の結合部１７ｂに溶接されることが好ましいが、その内半径側の結合部１７ａでも溶接してもよい。
代案として、第７図及び第９図に示されるように、所定深さの溝が形成された位置決めプレート２７をプレート１３に溶接し、位置決めプレート２７の溝に曲げスプリング１７をゆるく載置する。ここでは、その溝が、曲げスプリング１７が弾性変形するのに充分なクリアランスを有する。この構造タイプは、曲げスプリング１７のプレート１３へのセルフ装着を可能とし、曲げスプリング１７は、その上に置かれた弾性フォイル１５により位置決めプレート２７から外れない。
好ましくは、曲げスプリングは、第１０図及び第１１図に示されるように、弧の高さＨａがプレート１３の内半径から外半径に進むにつれて大きくなり、逆にその幅Ｗは狭くなる。
さらに、弾性フォイル１５の上には、例えば、回転軸などのロータ（図示せず）と結合されたスラストディスク１１が配置される。
本発明の上記実施例によるスラストガス力学的フォイル軸受の動作において、ロータ及びスラストディスク１１が第４図の矢印方向に沿って回転すると、スラストディスク１１がガスを"収縮領域"、すなわち、スラストディスク１１と弾性フォイル１５との隙間に巻き込める。収縮領域内でのガスの圧力は急激に上昇し、これによりスラストディスク１１は、第８図に示されるように弾性フォイル１５から浮き上がる。
動作によるスラストガス力学的フォイル軸受の負荷特性を、第１２図に示されたグラフを参照して具体的に説明する。第１２図は、スラストディスク１１（第４図参照）に与えられる負荷Ｆによる、プレート１３からスラストディスク１１までの高さＨの変化を示すものである。ここで、本発明のスラストガス力学的フォイル軸受が曲線Ｉ、第１図及び第２図に示される従来の軸受が曲線IIである。
軸受の初期動作時に加えられる負荷のように、Ｆ１以下という比較的小さい負荷がスラストディスク１１に加えられると、スラストディスク１１の高さＨはＨ０からＨ１まで急激に変化する。ここで、Ｈ１は下記のように表される。
Ｈ１≒Ｈｍｉｎ＋Ｈｓｐ ------------------（１）
Ｈｍｉｎ＝２δｆ＋δｓｐ ------------------（２）
ここで、Ｈｓｐが、曲げスプリングの弧の高さを表し、Ｈｍｉｎが、スラストディスク１１とプレート１３との最小距離を表す。また、δｆは弾性フォイル１５の厚さを表し、δｓｐは曲げスプリング１７の厚さを示す。すなわち、スラストディスク１１は、Ｃ点とＤ点（第４図参照）との間にある"接触領域"で弾性フォイル１５と接触し、また初期の動作区間における曲線の形状は弾性フォイル１５の剛性により決まる。このとき、曲げスプリング１７は剛性が大きいため、その変形は無視できる。
スラストディスク高さＨがさらに低くなると、曲げスプリング１７が変形し始める。すると、弾性フォイル１５パッケージの剛性が、曲げスプリング１７の剛性によって決まり始め、急激に上昇する。スラストディスク高さＨがＨ１よりも低くなると、スラストディスク１１の支持可能な負荷はＦ１より急激に増大する。
ターボ機構には、通常、両面スラスト軸受が用いられる。ここで、軸方向の変位を減らすために、スラスト軸受は、予備的な軸方向負荷により加圧され弾性フォイルがいくぶん変形されたままで組み立てられる。本発明によれば、Ｈ＞Ｈ１のとき、僅かな負荷変動Ｆに対してもスラストディスクの高さＨが急激に変化することから、曲線IIの特性をもつ従来のスラスト軸受に比して予備的な軸方向負荷を減らすことができる。具体的には、スラストディスク１３の初期の組立高さをＨ_Pとすると、曲線Ｉ（本発明）にはＦ１の負荷が必要であり、曲線II（従来の軸受）にはＦ１よりも大きいＦ_IIの負荷が必要である。従って、曲線IIでスラストディスクを弾性フォイルから浮かせるには、曲線Ｉでよりも大きい負荷が必要となる。つまり、これは、スラストディスクのリフトオフ回転速度をかなり上げなければならないことを意味する。リフトオフ回転速度の増大は、弾性フォイル１５とスラストディスク１１との摩擦損失をもたらし、結果として軸受の寿命、例えば、ロータの起動−停止回数を短縮させる。したがって、本発明のガス力学的フォイル軸受のリフトオフ回転速度は相対的に遅いことから、高速回転をしないロータに適用でき、しかもその寿命が延びる。
さらに、スラストディスク１１は、Ｃ点及とＤ点との間の比較的小さい曲率をもつ広い接触領域で弾性フォイル１５と接触することから、スラストディスク１１により弾性フォイル１５に引き起こされる接触応力が減少され、これは実質的にターボ機構の寿命の延びにつながる。
第１２図に示されるように、本発明の軸受のスラストディスクの高さＨは、Ｈ０からＨ１まで変化するのに対し、従来の軸受のスラストディスク高さはＨｅからＨ２まで大きく変化する。したがって、本発明において、スラストディスクの変位が減少する。
Ｈ＜Ｈ１の場合には、曲げスプリング１７の剛性が大きいことから、軸受の負荷能力及びダンピング能が上がる。この領域においては、曲げスプリング１７の形状が第８図に示されるように、弧から直線に変わる。このとき、曲げスプリング１７の端部は弧の形状を維持し、弾性フォイル１５と接触するＥ点とＦ点の間の中央部には直線部分が形成され、この直線部分の長さは、負荷が増加するほど長くなる。
さらに、正常のリフトオフ速度で弾性フォイル１５は曲げスプリング１７の支持によりほとんどフラットに維持される。ガス潤滑理論から明らかなように、潤滑層の最大の負荷能力は、潤滑層断面の傾斜始発領域と平坦な領域とで生じる。したがって、本発明において、軸受負荷能力が高まる。
本発明によるラジアルガス力学的フォイル軸受の望ましい実施例が第１３図に示されている。ここでは、前記の図面と同一の参照符号は、同一の部材を表す。同図を参照すると、ベース２０の内周面には、そのベース２０の内半径Ｒｃに等しい曲率をもつ帯状の複数個のプレート２３が取着されている。帯状のプレート２３の端部２３ａと２３ｂとの間には小さい隙間が形成される。弾性フォイル２５とプレート２３との結合は、前述の実施例と同様にして行われる。
本実施例の弾性フォイル２５は、軸受組立を経てからは組立半径Ｒｒを有し、この組立半径Ｒｒは、弾性フォイル２５を回転軸２１に設けるに先立って下記の式により得られる。
１／Ｒｒ＝１／Ｒｔ＋１／Ｒｃ
ここで、Ｒｔは、第３図に示されるように弾性フォイルの曲率を表す。
前述のスラスト軸受で説明された動作及び効果は、本実施例のラジアル軸受に同様に適用可能である。
産業への適用性
上記のとおり、ガス力学的フォイル軸受には、最大軸方向変位を減少させ、かつ軸受の負荷能力を上げる利点がある。さらには、弾性フォイルが全長にわたって同一の曲率であるため、製作が単純化し軸受特性の安定性が向上する。

Claims (11)

1. ガス力学的フォイル軸受であって、
   ベース１０に取り付けられるプレート１３と、
   前記プレート１３の上に所定間隔で取付けられる支承部材１４と、
   互いにオーバラップするように前記支承部材１４に一端が固定された弾性フォイル１５と、
   回転するロータに結合され、前記弾性フォイル１５の上に配置されるスラストディスク１１と、
   前記弾性フォイル１５がオーバラップする領域にある前記弾性フォイル１５と前記プレート１３との間に挟まれ、前記弾性フォイル１５を支持する少なくとも１つの曲げスプリング１７を含み、
   前記弾性フォイル１５の一端と前記支承部材１４との結合、及び前記プレート１３と前記支承部材１４との結合は、前記弾性フォイル１５の内半径Ｒｉと外半径Ｒｅとの間の軸受動作領域から外れた位置でなされることを特徴とするガス力学的フォイル軸受。
2. 前記曲げスプリング１７の端部が、溶接により前記プレートに結合されることを特徴とする請求項１に記載のガス力学的フォイル軸受。
3. 前記曲げスプリング１７が、前記弾性フォイル１５を支持し、弾性変形する動作部１７ｃと、前記弾性フォイル１５の内半径Ｒｉと外半径Ｒｅとの間の軸受動作領域から外れた位置で前記プレート１３に結合される前記動作部の一側または両側の結合部１７ａ及び１７ｂとを含むことを特徴とする請求項１に記載のガス力学的フォイル軸受。
4. 前記曲げスプリング１７が、前記プレートの上に結合される位置決めプレート２７に形成された溝にゆるく置かれ、前記弾性フォイルにより離脱が防止されることを特徴とする請求項１に記載のガス力学的フォイル軸受。
5. 前記曲げスプリング１７の弧の高さが、前記プレート１３の内半径から外半径にかけて増加し、一方その幅Ｗは前記プレート１３の内半径から外半径にかけて狭くなることを特徴とする請求項１に記載のガス力学的フォイル軸受。
6. ガス力学的フォイル軸受であって、
   ベース２０の内周面に取り付けられるプレート２３と、
   前記プレート２３の上に所定間隔で固定される支承部材１４と、
   互いにオーバラップするように一端が前記支承部材１４に固定された弾性フォイル２５と、
   前記弾性フォイル２５と接触する回転軸と、
   前記弾性フォイル２５がオーバラップする領域にある前記弾性フォイル２５と前記プレート２３との間に挟まれ、前記弾性フォイル２５を支持する少なくとも１つの曲げスプリング１７とを含み、
   前記弾性フォイル２５の一端と前記支承部材１４との結合、及び前記プレート２３と前記支承部材１４との結合は、前記弾性フォイル２５の軸受動作領域から外れた位置でなされることを特徴とするガス力学的フォイル軸受。
7. 前記プレート２３が、前記ベース２０の内半径に対応する曲率を有する複数個の帯状のものであることを特徴とする請求項６に記載のガス力学的フォイル軸受。
8. 隙間が、前記プレート２３の端部の間に形成されたことを特徴とする請求項７に記載のガス力学的フォイル軸受。
9. 前記曲げスプリング１７の端部が、前記プレート２３に溶接により結合されることを特徴とする請求項６に記載のガス力学的フォイル軸受。
10. 前記曲げスプリング１７が、前記弾性フォイル２５を支持し、弾性変形する動作部と、軸受動作領域から外れた位置で動作部の片側または両側が前記プレートと結合される結合部とを含むことを特徴とする請求項６に記載のガス力学的フォイル軸受。
11. 前記曲げスプリング１７は、前記プレートの上に結合される位置決めプレートに形成された溝にゆるく置かれ、前記弾性フォイルにより前記溝からの離脱が防止されることを特徴とする請求項６に記載のガス力学的フォイル軸受。

Images