JP6629042B2 - フォイル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。

ターボ機械（例えばガスタービンやターボチャージャ）の主軸は高温環境下で高速回転する。また、ターボ機械では、エネルギー効率の観点から油循環用の補機を別途設けることが困難な場合がある他、潤滑油のせん断抵抗が主軸の高速回転化の阻害要因となる場合がある。そのため、ターボ機械の主軸の支持用軸受としては、潤滑油を使用した転がり軸受や動圧軸受ではなく、圧力発生流体として空気を用いる空気動圧軸受を使用する場合が多い。

空気動圧軸受としては、回転側の軸受面と静止側の軸受面の双方を剛体で構成したものが一般的である。しかしながら、この種の空気動圧軸受では、両軸受面間に形成される軸受隙間の隙間幅管理が不十分であると、安定限界を超えた際にホワールと称される自励的な軸の振れ回りが生じ易くなる。従って、一般的な空気動圧軸受において、軸受性能を安定的に発揮するには、軸受隙間の隙間幅を高精度に管理する必要がある。しかしながら、ターボ機械のように温度変化の大きい環境では、熱膨張の影響で軸受隙間の隙間幅が変動し易いため、軸受性能を安定的に発揮させるのが困難である。

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が開示されている。

特開２０１５−５２３４５号公報

特許文献１に記載のフォイル軸受は、回転方向に複数のフォイルを配置し、各フォイルに、軸受面を備えたトップフォイル部と弾性変形可能なアンダーフォイル部とを設けたものである。アンダーフォイル部は、別フォイルのトップフォイル部の背後に配置されており、その周方向一端は、周方向に移動可能な自由端で構成されている。

この種のフォイル軸受の軸受性能を左右する要因の一つにアンダーフォイル部のばね剛性がある。このばね剛性は、アンダーフォイル部の各部で最適な大きさに設計すべきであるが、従来では、アンダーフォイル部が一枚のフォイル材で形成されているため、アンダーフォイル部の各部でばね剛性を最適化することは難しく、この点がフォイル軸受の軸受性能を向上させる上での障害となっている。

そこで、本発明は、アンダーフォイル部のばね剛性の設計自由度を高め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、支持すべき軸との間の相対回転方向の複数箇所に配置されるフォイルを有し、各フォイルに、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に配置される弾性変形可能なアンダーフォイル部とが設けられ、前記アンダーフォイル部の周方向一端を、周方向に移動可能な自由端で構成したフォイル軸受において、前記アンダーフォイル部を、複数のフォイル材を重ねて形成したことを特徴とする。

このようにアンダーフォイル部を、複数のフォイル材を重ねた複層構造（複層アンダーフォイル部）にすれば、個々のフォイル材でばね剛性を調整できるため、アンダーフォイル部全体のばね剛性を最適化することが容易となる。具体的には、複層アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を異なる形状にしたり、複数のフォイル材の材質もしくは厚さを異ならせたりすることにより、アンダーフォイル部のばね剛性を最適化することができる。

また、かかる構成であれば、アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材の相互間で微小摺動を許容することができる。従って、回転側部材で生じる振動の吸収効果を高めることができる。

アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を、周方向で異なる長さにすれば、アンダーフォイル部の周方向においてばね剛性に差を設けることが容易となる。そのため、楔空間における楔角を大きくすることが可能となり、これにより流体膜の圧力を高めて回転側部材の安定化や回転側部材の定常回転への早期移行等を図ることができる。

アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を、軸受面に沿う方向でかつ周方向と直交する方向で異なる幅寸法にすれば、アンダーフォイル部の前記方向の両端で、フォイルの厚さ方向の一部領域を除肉して当該両端のばね剛性を低下させることができる。これにより、当該両端に対向するトップフォイル部の変形が容易なものとなるため、例えば回転側の部材がコニカルに振れ回る際にも軸とフォイルのエッジ当たりを防止することが可能となる。

アンダーフォイル部の周方向他端を、他のフォイルと周方向で係合させることで、アンダーフォイル部を他のフォイルで保持し、その脱落を防止することが可能となる。この係合は、各フォイルのトップフォイル部とアンダーフォイル部の境界部で、他のフォイルを交差させることで行うことができる。フォイル同士の交差は、例えば一方のフォイルに設けたスリットに他方のフォイルを挿入することで行うことができる。

このように本発明によれば、アンダーフォイル部のばね剛性の設計自由度を高めることができる。従って、種々の用途に適合するフォイル軸受の設計が容易なものとなる。

マイクロガスタービンの概略構成を示す図である。 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。 本発明にかかるフォイル軸受の断面図である。 フォイルの平面図である。 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。 三枚のフォイルを仮組みした状態を示す斜視図である。 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。 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。 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。 表側のフォイル材の平面図である。 裏側のフォイル材の平面図である。 フォイル重複部を模式的に表す拡大断面図である（軸の回転開始直後）。 フォイル重複部を模式的に表す拡大断面図である（軸の定常回転中）。 表側のフォイル材の平面図である。 裏側のフォイル材の平面図である。 フォイル重複部の回転方向と直交する方向Ｎにおける断面図である。 フォイルホルダの要部の拡大断面図である。

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として、本発明では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。なお、後述のように、本発明は、フォイル軸受の各フォイル１２を、互いに重ねた複数のフォイル材で形成したことを特徴とするものであるが、以下の基本的構成の説明（図３〜図８）では、理解の容易化のため、各フォイル１２が一枚のフォイル材で形成されていると仮定して説明を進める。

［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。

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１２ａ１と、トップフォイル部１２ａ１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。各差込口１２ｃ１の間の領域１２ｃ３により、第一領域１２ａと第二領域１２ｂが連結された状態にある。

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１２ａ１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１２ａ１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アンダーフォイル部を構成する。このアンダーフォイル部１２ｂ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、アンダーフォイル部１２ｂ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。アンダーフォイル部１２ｂ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１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂ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１２ａ１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、アンダーフォイル部１２ｂ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１２ａ１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１２ａ１は、アンダーフォイル部１２ｂ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１２ａ１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１２ａ１は弾性変形可能なアンダーフォイル部１２ｂに支持された状態となり、これによりトップフォイル部１２ａ１が軸６の変位や熱膨張等に追従して変形可能となる。

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１２ａ１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も同じ）。

本実施形態では、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を設けている。軸６の回転中は、流体圧力により、フォイル重複部Ｗのトップフォイル部１２ａ１がアンダーフォイル部１２ｂに押さえ付けられて弾性変形するため、アンダーフォイル部１２ｂに乗り上げたトップフォイル１２ａ１には、軸受隙間Ｃの幅方向の段差が形成される。この段差は、切り欠き部１２ｂ２のヘリングボーン形状に対応した形状となる。トップフォイル部１２ａ１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１２ａ１に微小な切り込み１２ａ３を形成してトップフォイル部１２ａ１の剛性を低下させているため、トップフォイル部１２ａ１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］
本発明は、以上に述べた多円弧型のフォイル軸受において、図９に示すように、複数（本実施形態では二枚）のフォイル材１２１，１２２を重ねて各フォイル１２を複層構造にした点を特徴的な構成とするものである。

二枚のフォイル材１２１，１２２のうち、表側（軸受隙間Ｃと面する側）のフォイル材１２１の平面図を図１０に示し、裏側（軸受隙間Cから離反する側）のフォイル材１２２の平面図を図１１に示す。図１０および図１１に示すように、各フォイル材１２１，１２２には、図４に示すフォイル１２と同様に、トップフォイル部１２ａ１および凸部１２ａ２を有する第一領域１２ａと、アンダーフォイル部としての第二領域１２ｂと、第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界部に位置する差込口１２ｃ１とが形成されている。

図１０および図１１に示す二つのフォイル材１２１，１２２では、差込口１２ｃ１および差込口１２ｃ１よりも回転方向Ｒ側の領域が同一形状に形成される。従って、差込口１２ｃ１の位置を合致させて二枚のフォイル材１２１，１２２を重ねた場合、両フォイル材１２１，１２２の第一領域１２ａは、一方が他方からはみだすことなく、完全に重なった状態となる。

これに対し、二枚のフォイル材１２１，１２２のアンダーフォイル部１２ｂは、その回転方向Ｒの長さを異ならせることにより、異なる形状としている。図９〜図１１は、その一例として、表側のフォイル材１２１のアンダーフォイル部１２ｂの長さを、裏側のフォイル材１２２のアンダーフォイル部１２ｂよりも短くした場合を例示している。

なお、図１０および図１１では、図４に示すフォイル１２の形状を簡略化して表している。具体的には、第一領域１２ａの凸部１２ａ２および差込口１２ｃ１は前記直交方向Ｎの二カ所に配置されている。また、第二領域１２ｂの後端１２ｄの切り欠き部１２ｂ２は省略されている。もちろん、各フォイル材１２１，１２２に、図４に示すフォイル１２と同数（三つ）の凸部１２ａ２や差込口１２ｃ１を設けてもよい。また、各フォイル材１２１，１２２の第二領域１２ｂの後端１２ｄに、図４に示すフォイル１２と同様の切り欠き部１２ｂ２を形成してもよい。

このフォイル軸受１０は、図５〜図７に基づいて説明した手順と同様の手順で組み立てられる。その際、互いに重ねた二枚のフォイル材１２１，１２２が図５〜図７に示す一枚のフォイル１２として取り扱われる。すなわち、図５に示すように、フォイル１２同士を連結する際には、二枚のフォイル材１２１，１２２の重なり合った差込口１２ｃ１に、二枚のフォイル材１２１，１２２からなる他のフォイル１２の重なり合った凸部１２ａ２が挿入される。また、周状に連結した３枚のフォイル１２をフォイルホルダ１１に取り付ける際には、各フォイル材１２１，１２２の重なり合った凸部１２ａ２が、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに挿入される（図９参照）。

以上の組み立て工程を経ることで、図９に示すように、フォイル軸受１０には、フォイル材１２１，１２２の各トップフォイル部１２ａ１を重ねた複層トップフォイル部１２Ａ１と、別フォイル１２のフォイル材１２１，１２２の各アンダーフォイル部１２ｂを重ねた複層アンダーフォイル部１２Ｂとが形成される。複層トップフォイル部１２Ａ１の表側のトップフォイル部１２ａ１の表面で軸受面Ｘが形成される。複層アンダーフォイル部１２Ｂは、複層トップフォイル部１２Ａ１の背後（裏側）にあって、複層トップフォイル部１２Ａ１を弾性的に支持する。複層アンダーフォイル部１２Ｂの反回転方向側の各端部は自由端を構成し、回転方向側の各端部は他のフォイル１２と周方向で係合した状態にある。また、複層トップフォイル部１２Ａ１と複層アンダーフォイル部１２Ｂとが重なることで、フォイル重複部Ｗが形成される。

複層アンダーフォイル部１２Ｂには、二つのアンダーフォイル部１２ｂが重なった複層部Ｅ１と、二つのアンダーフォイル部１２ｂのうち、一方のアンダーフォイル部１２ｂのみからなる単層部Ｅ２とが形成される。複層部Ｅ１は、単層部Ｅ２よりも回転方向Ｒ側に位置する。

図１２および図１３は、以上に述べた各フォイル１２をフォイルホルダ１１に取り付けた時のフォイル重複部Ｗの断面構造を模式的に示すものである。両図のうち、図１２は軸６の回転開始直後の状態を示し、図１３は軸６の定常回転中の状態を示す。

図１２に示すように、軸６が回転を始めると、軸受隙間Ｃに生じる矢印方向の空気圧Ｐを受けて複層トップフォイル部１２Ａ１が軸受隙間Ｃの幅寸法が拡大する方向（図中の下方）に弾性変形し、図１３に示すように、複層トップフォイル部１２Ａ１が複層アンダーフォイル部１２Ｂに押し付けられる。また、フォイル重複部Ｗ以外の領域では、複層トップフォイル部１２Ａ１がフォイルホルダ１１の内周面１１ａに押し付けられる。

複層アンダーフォイル部１２Ｂでは、二枚のフォイル材１２１，１２２で形成された複層部Ｅ１のばね剛性が、一枚のフォイル材１２２で形成された単層部Ｅ２のばね剛性よりも大きくなる。このばね剛性の差から、軸６の回転中は、図１３に示すように、複層トップフォイル部１２Ａ１は、複層部Ｅ１との対向領域で小さく撓み（変形量小）、単層部Ｅ２との対向領域で大きく撓むようになる（変形量大）。そのため、複層トップフォイル部１２Ａ１の軸受面Ｘと軸６の外周面との間に形成される楔空間の楔角αを、各フォイル１２を一枚のフォイル材で形成する場合（図８等参照）に比べて大きくすることができる。楔空間の楔角αが大きくなることで、各楔空間で生じる空気圧が増大するため、軸３を早期に定常回転に移行させることができ、また、定常回転中の軸６の安定性を高めることが可能となる。

加えて、フォイル重複部Ｗでは、複層トップフォイル部１２Ａ１が二枚分のフォイル厚さを有する複数アンダーフォイル部１２Ｂの上に乗り上げているため、複層トップフォイル部１２Ａ１に形成される段差（軸受隙間Ｃの幅方向の段差）が大きくなる。この点からも楔空間の楔角αを大きくすることができ、上記の効果をより一層顕著なものとすることができる。

なお、図１２および図１３では、理解の容易化のため、各フォイル材１２１，１２２の変形態様や各フォイル材１２１，１２２間に形成される隙間等を極力簡略化して描いている。そのため、実際のフォイル軸受１０において、各フォイル材１２１，１２２が図１２および図１３に示す態様で変形するとは限らず、また、各フォイル材１２１，１２２間に図１２および図１３に示す態様で隙間が形成されるとは限らない。

以上の説明では、複層アンダーフォイル部１２Ｂを構成する二つのフォイル材１２１，１２２のうち、表側のフォイル材１２１のアンダーフォイル部１２ｂの長さを裏側のフォイル材１２２のアンダーフォイル部１２ｂよりも短くした場合を例示したが、これとは逆に表側のアンダーフォイル部１２ｂの長さを裏側のアンダーフォイル部１２ｂの長さよりも長くしても、上記と同様に複層アンダーフォイル部１２Ｂに周方向でばね剛性の差を形成することができ、上記と同等の効果を得ることができる。

図１４および図１５は、二枚のフォイル材１２１，１２２の各アンダーフォイル部１２ｂの前記直交方向Ｎの幅寸法を異ならせることで、アンダーフォイル部１２ｂを異なる形状に形成したものである。本実施形態では、裏側のフォイル材１２２のアンダーフォイル部１２ｂの前記幅寸法Ｌ２を、表側のフォイル材１２１のアンダーフォイル部１２ｂの前記幅寸法Ｌ１よりも小さくしている（Ｌ２＜Ｌ１）。

かかる構成であれば、図１６に示すように、フォイル重複部Ｗにおいて、複層アンダーフォイル部１２Ｂの前記直交方向Ｎの両端が、その厚さ方向一部領域で除肉された形態となる。この場合、複層アンダーフォイル部１２Ｂの両端のばね剛性が低下するため、複層トップフォイル部１２Ａ１の前記直交方向Ｎの両端が、その中央部に比べて軸６の変位等に追従して変形し易くなる。そのため、軸６がコニカルに振れ回る用途等で使用する場合のように、軸６と軸受面Ｘとのエッジ当たりが懸念される場合にも、そのようなエッジ当たりを防止することができる。軸６と軸受面Ｘとがエッジ当たりすると、接触面圧が大きくなるため、フォイル１２や軸６が摩耗等し易くなるが、図１６に示す構成であれば、そのような不具合を防止することができる。

なお、図１６では、複層アンダーフォイル部１２Ｂのうち、裏側のフォイル材１２２のアンダーフォイル部１２ｂの幅寸法を小さくする場合を例示したが、図１６とは逆に表側のフォイル材１２１のアンダーフォイル部１２ｂの幅寸法を裏側のアンダーフォイル部１２ｂより小さくしても同様の効果を得ることができる。また、このように複層アンダーフォイル部１２Ｂの両端の厚さ方向一部領域を除肉する他、複層トップフォイル部１２Ａ１の両端の厚さ方向一部領域を除肉しても同様の効果を得ることができる。例えば、複層トップフォイル部１２Ａ１のうち、裏側のフォイル材１２２のトップフォイル部１２ａ１において、その幅寸法を表側のフォイル材１２１のトップフォイル部１２ａ１の幅寸法よりも小さくしても上記と同様の効果を得ることができる。

また、図１４および図１５では、図９に示す実施形態と同様に、裏側のフォイル材１２２のアンダーフォイル部１２ｂの周方向長さを、表側のフォイル材１２１のアンダーフォイル部１２ｂの周方向長さよりも大きくしているが、両者の長短関係を逆にし、あるいは両者を同じ長さにしても構わない。

以上に説明したように、本発明では、フォイル軸受１０のアンダーフォイル部を、複数のフォイル材１２１，１２２を重ねた複層アンダーフォイル部１２Ｂで構成している。この場合、各フォイル材１２１，１２２のばね剛性を異ならせることにより、複層アンダーフォイル部１２Ｂ全体で各部のばね剛性を最適化することができる。そのため、アンダーフォイル部の設計自由度が高まり、使用条件に適合したフォイル軸受の設計が容易なものとなる。具体的には、図１０、図１１、図１４、図１５に示すように、各フォイル材１２１，１２２のアンダーフォイル部１２ｂを異なる形状にすることで、回転方向Ｒや前記直交方向Ｎでばね剛性に差を設けることができる。この他、材質や厚さ等の異なるフォイル材１２１，１２２（形状が同一であるか異なるかは問わない）で複層アンダーフォイル部１２Ｂを構成しても同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、フォイル軸受１０のアンダーフォイル部、さらにはトップフォイル部が複数のフォイル材１２１，１２２を重ねた複層構造となっている。そのため、複層トップフォイル部１２Ａ１や複層アンダーフォイル部１２Ｂを構成するフォイル材１２１，１２２間の微小摺動を許容することができる。これにより、軸６の振動の吸収効果が高まるため、軸６の不安定挙動を防止して、その回転を安定して支持することが可能となる。

ところで、フォイルホルダ１１に形成する軸方向溝１１ｂは、図１７に示すように内周面１１ａの概略接線方向に向けて形成される。この軸方向溝１１ｂは、ワイヤカット加工等によって形成することができるが、単にワイヤを往復させるだけでは、同図に示すように、軸方向溝１１ｂの出口部の回転方向Ｒ側の端部がエッジ１１ｃ’となる。このように軸方向溝１１ｂの出口部にエッジ１１ｃ’が形成されると、この部分に軸６が衝突した際にエッジ１１ｃ’付近が変形し、この影響が軸受面Ｘに及んで軸受性能を低下させるおそれがある。かかる不具合を防止するため、図９に示すように、軸方向溝１１ｂの出口部の回転方向Ｒ側の端部に面取り１１ｃを設けるのが好ましい。この面取り１１ｃは、例えばワイヤカット加工時のワイヤの復行程の終盤でワイヤの進行方向を内周面１１ａ側に９０°曲げることで形成することができる。もちろん軸方向溝１１ｂの形成後の後加工（切削等）でエッジ１１ｃ’を落として面取り部１１ｃを形成することもできる。

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、フォイル軸受の形態はこれに限られるものではなく、トップフォイル部の背後に弾性変形可能なアンダーフォイル部を配置し、かつアンダーフォイル部の周方向一端を、周方向に移動可能な自由端で構成した任意の形態のフォイル軸受に本発明を適用することができる。また、この構成を有するフォイル軸受であれば、ラジアル荷重を支持するラジアルフォイル軸受に限らず、スラスト荷重を支持するスラストフォイル軸受にも本発明を適用することができる。

また、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。

さらに、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
１２ａ１ トップフォイル部
１２Ａ１ 複層トップフォイル部
１２ｂ アンダーフォイル部
１２Ｂ 複層アンダーフォイル部
１２ｄ 後端
１２１ フォイル材
１２２ フォイル材
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 (5)

1. 支持すべき軸との間の相対回転方向の複数箇所に配置されるフォイルを有し、各フォイルに、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に配置される弾性変形可能なアンダーフォイル部とが設けられ、前記アンダーフォイル部の周方向一端を、周方向に移動可能な自由端で構成したフォイル軸受において、
   前記アンダーフォイル部を、複数のフォイル材を重ねて形成し、前記アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を異なる形状にしたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を、周方向で異なる長さにした請求項１に記載のフォイル軸受。
3. 前記アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を、周方向と直交する方向で異なる幅寸法にした請求項１に記載のフォイル軸受。
4. 前記アンダーフォイル部を構成する複数のフォイル材を、異なる材質もしくは厚さとした請求項１に記載のフォイル軸受。
5. 前記アンダーフォイル部の周方向他端を、他のフォイルと周方向で係合させた請求項１〜４何れか１項に記載のフォイル軸受。

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