JP4041168B2 - ガス力学的フォイル軸受 - Google Patents
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Description
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HP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FII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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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