スラストフォイル軸受
【課題】軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高め、フォイル軸受による負荷容量を高める。
【解決手段】フォイル部材（リーフ３０）のスラスト軸受面３３に、円周方向に長大な突起（整流部材３４）又は溝３５を形成する。軸６が回転したときに、軸受隙間を流れる流体が整流部材３４又は溝３５にぶつかることにより、軸受隙間の流体が円周方向に沿って流れる。
【解決手段】フォイル部材（リーフ３０）のスラスト軸受面３３に、円周方向に長大な突起（整流部材３４）又は溝３５を形成する。軸６が回転したときに、軸受隙間を流れる流体が整流部材３４又は溝３５にぶつかることにより、軸受隙間の流体が円周方向に沿って流れる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜状のフォイル部材に形成されたスラスト軸受面と、このスラスト軸受面で形成されるスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンや過給機（ターボチャージャ等）の軸は高速で回転駆動される。また、軸に取り付けられたタービン翼は高温に晒される。そのため、これらの軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。この種の用途の軸受として、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受を使用する場合もある。しかし、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合、等の条件下では、油を用いた軸受の使用は制約を受ける。そこで、上記のような条件下での使用に適合する軸受として、空気動圧軸受が着目されている。
【０００３】
空気動圧軸受としては、回転側と固定側の双方の軸受面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、回転側と固定側の軸受面間に形成される軸受隙間の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呼ばれる自励的な軸の振れ回りを生じ易い。そのため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。しかし、ガスタービンや過給機のように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響で軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難となる。
【０００４】
温度変化の大きい環境下でも隙間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薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、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る。フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な軸受隙間が形成される。このため、フォイル軸受は安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。また、一般的な動圧軸受では、数μｍ程度の軸受隙間を常時確保する必要があるため、製造時の公差、さらには温度変化が激しい場合の熱膨張まで考慮すると、厳密な隙間管理は困難である。これに対して、フォイル軸受の場合には、数十μｍ程度の軸受隙間に管理すれば足り、その製造や隙間管理が容易となる利点を有する。
【０００５】
また、ガスタービンや過給機の軸には、タービンの高速回転により発生する気流のスラスト方向の反力が加わるため、軸をラジアル方向だけでなくスラスト方向にも支持する必要がある。例えば、特許文献１〜３には、回転軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−３６７２５号公報
【特許文献２】実開昭６１−３８３２１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１９５４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、スラストフォイル軸受では、回転部材の回転に伴って、スラスト軸受隙間の流体が遠心力により外径側に流出しようとするため、スラスト軸受隙間の流体量が少なくなり、流体膜の圧力が低下する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高め、スラストフォイル軸受の負荷容量を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するためになされた本発明は、固定部材と、回転部材と、固定部材と回転部材の間に配置されたフォイル部材とを備え、フォイル部材に設けられたスラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、スラスト軸受面に、円周方向に長大な突起又は溝を半径方向に離隔した複数箇所に形成したことを特徴とする。
【００１０】
このように、スラスト軸受面に、円周方向に長大な突起又は溝を半径方向に離隔した複数箇所に設けることで、遠心力でスラスト軸受隙間から外径側に流出しようとする流体が、突起又は溝にぶつかって円周方向に沿って流れる（整流効果）。これにより、遠心力でスラスト軸受隙間から外径側に流出する流体を減じて、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高めることができる。尚、「円周方向に長大な」形状とは、円周方向寸法が半径方向寸法よりも長大な形状のことを意味し、円周方向と平行な円弧形状に限らず、円周方向に長大な矩形（図５参照）や三角形（図７参照）を含む。
【００１１】
例えば、フォイル部材の軸受面に整流部材を固定し、この整流部材で上記の突起を構成することができる。この場合、整流部材とこれにスラスト軸受隙間を介して対向する相手材の端面とが接触しない範囲で、整流部材をなるべく相手材の端面に近づけることで、整流効果がより一層高められる。
【００１２】
一方、上記の溝は、フォイル部材にプレス加工等により簡単に形成することができるため、整流部材を固定する場合と比べて製造コストの低減が図られる。この溝の溝幅を、回転方向先行側へ向けて徐々に狭めたり、溝の溝深さを回転方向先行側へ向けて深くすれば、整流効果を高めることができる。
【００１３】
上記のような構成は、例えば、フォイル部材が、円周方向一端を自由端とした複数のリーフを有する、リーフ型のスラストフォイル軸受に適用することができる。この場合、フォイル部材は、例えば、円周方向一端を自由端とし、スラスト軸受面が設けられた複数のリーフと、複数のリーフを連結する連結部とを一体に有するフォイルを具備した構成とすることができる。また、このようなフォイルを複数組み合せてフォイル部材を構成することもできる。
【００１４】
フォイル軸受は、高速運転時にはフォイル部材のスラスト軸受面とこれに対向する面との間に流体膜が形成され、これらの面が非接触状態となるが、起動時や停止時の低速回転状態では、フォイル部材のスラスト軸受面やこれに対向する面の表面粗さ以上の流体膜を形成することが困難となる。そのため、回転部材と固定部材とがフォイル部材を挟んで接触し、フォイル部材の表面が損傷する恐れがある。このため、フォイル部材のスラスト軸受面に被膜を設け、損傷を防止することが好ましい。
【００１５】
また、フォイル部材を構成するフォイル同士、あるいは、フォイルとフォイルが固定される面との間は、荷重変動や振動に伴い微小変位の摺動が生じている。このため、フォイル部材を構成するフォイルのうち、スラスト軸受面と反対側の面に被膜を設け、摺動による損傷を防止することが好ましい。
【００１６】
フォイル軸受は、液体での潤滑が困難な箇所に用いられることが多いので、上記のような被膜には、ＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を用いることができる。ＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質で摩擦係数が低く、強度面で優れている。一方、二硫化モリブデン膜は、スプレー等で噴射することができるため、被膜を簡単に形成することができる。
【００１７】
以上のようなスラストフォイル軸受は、ガスタービンや過給機のロータ支持用として好適に使用できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、スラスト軸受隙間の流体の流れを円周方向に整流させることにより、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高め、スラストフォイル軸受の負荷容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】マイクロガスタービンを概念的に示す図である。
【図２】上記マイクロガスタービンのロータの支持構造を示す断面図である。
【図３】上記ロータ支持構造に組み込まれたラジアルフォイル軸受の断面図である。
【図４】上記ロータ支持構造に組み込まれた、本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受の側面図である。
【図５】上記スラストフォイル軸受の軸受部材の斜視図である。
【図６】上記スラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図７】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図８】図７のスラストフォイル軸受の軸受部材の断面図である。
【図９】図７のスラストフォイル軸受の軸受部材を模式的に示す斜視図である。
【図１０】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の平面図である。
【図１１】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の平面図である。
【図１２】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の斜視図である。
【図１３】図１３のスラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、図１２のスラストフォイル軸受の２枚のフォイルを組み付ける様子を示す斜視図である。
【図１５】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図１６】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図１７】過給機を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１に、マイクロガスタービンと呼ばれるガスタービン装置の構成を示す。このマイクロガスタービンは、翼列を形成したタービン１及び圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを主に備える。タービン１、圧縮機２、及び発電機３には、水平方向に延びる共通の軸６が設けられ、この軸６と、タービン１および圧縮機２とで一体回転可能のロータが構成される。吸気口７から吸入された空気は、圧縮機２で圧縮され、再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、このときの高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転することにより発電し、この電力がインバータ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を通った後、排ガスとして排出される。
【００２２】
図２に、ロータの支持構造、特に、タービン１と圧縮機２との軸方向間における軸６の支持構造を示す。この領域は高温、高圧のガスで回転されるタービン１に隣接しているため、ここでは空気動圧軸受、特にフォイル軸受が好適に使用される。具体的には、軸６をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受１０と、軸６に設けられたフランジ部４０を両スラスト方向に支持するスラストフォイル軸受２０とで、ロータが回転自在に支持される。
【００２３】
ラジアルフォイル軸受１０は、図３に示すように、ケーシング４２に固定され、内周に軸６が挿入された円筒状の外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに固定され、円周方向に並べて配された複数のリーフ１２とで構成される。
【００２４】
リーフ１２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で形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。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錆による腐食が発生し易く、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。
【００２５】
各リーフ１２は、円周方向一方（軸６の回転方向（矢印参照）先行側）の端部１２ａが自由端とされ、円周方向他方の端部１２ｂが外方部材１１に固定される。リーフ１２の固定端１２ｂは、外方部材１１の内周面１１ａに形成された軸方向溝１１ｂに嵌合固定される。リーフ１２の自由端１２ａ側の一部領域は、他のリーフ１２と半径方向に重ねて配される。複数のリーフ１２の内径側の面は、孔や段差のない平滑な曲面状をなしたラジアル軸受面１２ｃを構成し、各リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間に、円周方向一方へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成される。
【００２６】
スラストフォイル軸受２０は、図４に示すように、軸６の外周面６ａから外径に突出して設けられたフランジ部４０（回転部材、図２参照）と、ケーシング４２に固定された円盤状のスラスト部材２１（固定部材、図５参照）と、フランジ部４０とスラスト部材２１との間に配されたフォイル部材とを備える。本実施形態では、フランジ部４０の軸方向両側に軸受部材２０ａが設けられ（図２参照）、軸受部材２０ａは、図５に示すように、円盤状のスラスト部材２１（固定部材）と、スラスト部材２１の端面２１ａに固定されたフォイル部材とで構成される。図示例では、フォイル部材が、円周方向等間隔に並べた状態でスラスト部材２１の端面２１ａに固定された複数のリーフ３０で構成される。
【００２７】
リーフ３０は、上記のリーフ１２と同様の材質及び厚さを有する金属製の１枚のフォイルからなり、スラスト部材２１の円周方向に沿った扇形を成している。リーフ３０の円周方向一方（軸６の回転方向先行側、図中左側）の端部は自由端３１とされ、円周方向他方の端部はスラスト部材２１に固定された固定端３２とされる。各リーフ３０のうち、スラスト部材２１と反対側の面には、フランジ部４０側を凸とする曲面状のスラスト軸受面３３が設けられる。スラスト軸受面３３は、孔や段差のない平滑な曲面状をなす。尚、バネ３０ａは、リーフ３０のバネ性を模式的に表すものであり、実際には設けられていない。
【００２８】
各リーフ３０の自由端３１には、図６に示すように、複数の切り欠き部３１ａと、スラスト軸受面３３と連続したランド部３１ｂとが、自由端３１の延在方向（本実施形態では半径方向）で交互に設けられる。図示例では、自由端３１をジグザグ状に形成することで、三角形の切り込み部３１ａ及びランド部３１ｂが交互に形成される。
【００２９】
各リーフ３０のスラスト軸受面３３には、円周方向に長大な突起が半径方向に離隔した複数箇所に設けられる。本実施形態では、リーフ３０の表面に整流部材３４を固定し、この整流部材３４で突起を形成している。整流部材３４は、例えば細長矩形状の金属板で形成され、リーフ３０の表面に接着や溶接、溶着などの適宜の方法により固定される。整流部材３４は、おおよそ円周方向に沿って配置され、図示例では、整流部材３４の長手方向いずれかの点（例えば長手方向中央部）における円周の接線方向と平行な直線上に配置される。整流部材３４は、スラスト軸受隙間Ｔの大隙間部Ｔ２側に設けられ、図示例では、各リーフ３０の円周方向中央よりも回転方向後方側に設けられる。整流部材３４は、半径方向等間隔に並べて配置される。尚、整流部材３４は、直線状に限らず、円周方向と平行な円弧状に形成してもよい。また、スラスト軸受面３３に設けられる突起は、上記に限らず、例えばリーフ３０に塑性加工（例えばプレス成形）により形成してもよい。この場合、リーフ３０を貫通する穴が形成されると、スラスト軸受隙間Ｔの流体が穴から抜けて圧力が低下してしまうため、リーフ３０に貫通穴が形成されないように突起を形成する必要がある。
【００３０】
軸６が円周方向一方に回転すると、ラジアルフォイル軸受１０の各リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間に、円周方向一方へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成される（図３参照）。このラジアル軸受隙間Ｒに生じる流体膜（空気膜）で、軸６がラジアル方向に非接触支持される。これと同時に、スラストフォイル軸受２０のフランジ部４０の軸方向両側の端面４１とその軸方向両側に設けられたフォイル部材（リーフ３０）のスラスト軸受面３３との間には、円周方向一方へ向けて軸方向幅を狭めたスラスト軸受隙間Ｔが形成される（図４参照）。このスラスト軸受隙間Ｔに生じる流体膜（空気膜）で、軸６が両スラスト方向に非接触支持される。尚、実際のラジアル軸受隙間Ｒ及びスラスト軸受隙間Ｔの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３及び図４ではその幅を誇張して描いている。
【００３１】
このとき、図４に矢印Ａで示すように、スラスト軸受隙間Ｔの小隙間部Ｔ１の流体が、切り欠き部３１ａを介してリーフ３０の裏側（図中下方）に流動する。これにより、大隙間部Ｔ２全体の流体がダイナミックに流動し、大隙間部Ｔ２から次の小隙間部Ｔ１に流入する流体量が増大するため、小隙間部Ｔ１に生じる圧力を高めてスラスト方向の負荷容量を高めることができる。
【００３２】
また、軸６の回転に伴って、スラスト軸受隙間Ｔの流体が遠心力で外径に流出しようとする。この流体が、リーフ３０の表面に設けられた整流部材３４にぶつかることにより、流体が円周方向に沿って流れる（図６の矢印Ｂ参照）。この整流効果により、スラスト軸受隙間Ｔから外径側に流出する流体量を減じ、小隙間部Ｔ１に流入する流体量を増して圧力を高めることができる。尚、スラスト軸受隙間Ｔの流体に加わる遠心力は外径側ほど大きいため、円周方向に長大な突起（整流部材３４）は、スラスト軸受面３３の少なくとも外径側（半径方向中央部よりも外径側）に設けることが好ましい。図示例では、スラスト軸受面３３の半径方向全域にわたって突起が等間隔に設けられている。また、本実施形態では、リーフ３０の自由端３１に切り込み部３１ａを形成し、この切り込み部３１ａを介してスラスト軸受隙間Ｔの流体をリーフ３０の裏側に流動させているため、大隙間部Ｔ２における流体が乱れやすい。従って、リーフ３０に突起（整流部材３４）を設けることによる整流効果が特に有効となる。
【００３３】
また、このとき、ラジアルフォイル軸受１０のリーフ１２及びスラストフォイル軸受２０のリーフ３０の有する可撓性により、各リーフ１２、３０の軸受面１２ｃ、３３が、荷重や軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、ラジアル軸受隙間Ｒ及びスラスト軸受隙間Ｔは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温、高速回転といった過酷な条件下でも、ラジアル軸受隙間Ｒ及びスラスト軸受隙間Ｔを最適幅に管理することができ、軸６を安定して支持することが可能となる。
【００３４】
フォイル軸受１０、２０では、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時において、リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃ及びリーフ３０のスラスト軸受面３３や軸６の外周面６ａに表面粗さ以上の厚さの空気膜を形成することが困難となる。そのため、ラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間、及び、スラスト軸受面３３とフランジ部４０との間で金属接触を生じる。この金属接触による摩擦力を減じて、リーフ１２、３０の損傷の防止及びトルク低減を図るため、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３３には、表面を低摩擦化する被膜を形成するのが望ましい。この種の被膜としては、例えばＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を使用することができる。ＤＬＣ膜、チタンやアルミナイトライド膜はＣＶＤやＰＶＤで形成することができ、二硫化モリブデン膜はスプレーで簡単に形成することができる。特にＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質であるので、これらで被膜を形成することにより、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３３の耐摩耗性をも向上させることができ、軸受寿命を増大させることができる。尚、上記のような被膜は、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３３に形成する代わりに、あるいはこれに加えて、これらの面と対向する軸６の外周面６ａ及びフランジ部４０の端面４１に形成してもよい。
【００３５】
軸受の運転中は、リーフ１２の裏面（ラジアル軸受面１２ｃと反対側の面）と外方部材１１の内周面１１ａとの間や、リーフ３０の裏面（スラスト軸受面３３と反対側の面）とスラスト部材２１の端面２１ａとの間でも微小摺動が生じるため、この摺動部分、すなわちリーフ１２、３０の裏面やこれと接触する外方部材１１の内周面１１ａ及びスラスト部材２１の端面２１ａの一方又は双方に上記の被膜を形成することにより、耐摩耗性の向上を図ってもよい。なお、振動の減衰作用を向上させるためには、この摺動部である程度の摩擦力が存在する方が好都合な場合もあるので、この部分の被膜にはそれほど低摩擦性は要求されない。従って、この部分の被膜としては、ＤＬＣ膜やチタンやアルミナイトライド膜を使用するのが好ましい。
【００３６】
本発明は上記の実施形態に限られない。尚、以下の説明において、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３７】
例えば、上記の実施形態では、リーフ３０の表面に突起（整流部材３４）を設けた場合を示したが、これに限らず、例えば図７〜９に示すように、リーフ３０の表面に円周方向に長大な溝３５を形成してもよい。溝３５は、リーフ３０の表面に塑性加工（例えばプレス成形）により形成される。溝３５は、リーフ３０を貫通しないように形成される（図８参照）。また、図示例では、溝３５の溝幅（径方向幅）が回転方向先行側（自由端３１側）に向けて徐々に狭くなっている（図７参照）。さらに、溝３５の溝深さが回転方向先行側に向けて徐々に深くなっている（図８参照）。すなわち、溝３５は、図９に示すように、流体入口側（リーフ３０の固定端３２側）では溝幅が広く、且つ、溝深さが浅くなっており、流体出口側（リーフ３０の自由端３１側）では溝幅が狭く、且つ、溝深さが深くなっている。尚、図９では、図面の簡略化のため、平面視で円弧状のリーフ３０を矩形状に示すと共に、リーフ３０の自由端３１を直線状に示している。
【００３８】
このように、リーフ３０に円周方向に長大な溝３５を形成することで、軸６の回転に伴ってスラスト軸受隙間Ｔを流れる流体が溝３５の内部に侵入し、溝３５の側壁にぶつかることにより、流体が円周方向に沿って流れる（図７の矢印Ｃ参照）。特に、図示例の溝３５は、流体入口側における溝幅が広く、且つ、溝深さが浅くなっているため、流体が進入しやすい。また、溝３５の溝幅を、回転方向先行側端部に向けて徐々に狭くすることで、溝３５の先端から流出した流体の指向性を高めることができる。
【００３９】
尚、溝３５の形状は上記に限らず、例えば溝３５の溝深さを一定にしたり、溝幅を一定としたりしてもよい（図示省略）。また、溝３５を、円周方向に長大な矩形状としたり、円周方向と平行な円弧状としてもよい。
【００４０】
また、上記の実施形態では、リーフ３０の自由端３１が半径方向に沿って延在している場合を示したが、これに限られない。例えば、図１０及び図１１に示すように、リーフ３０の自由端３１の外径端を、内径側に向けて軸６の回転方向先行側に傾斜させてもよい。これにより、軸６の回転に伴って、スラストフォイル軸受２０の外径側の空気がリーフ３０に沿って内径側に送り込まれるため（図１０の点線矢印参照）、スラスト軸受隙間Ｔに多量の空気を送り込むことができ、スラスト軸受隙間Ｔにおける圧力がさらに高められる。具体的には、例えば図１０に示すように、リーフ３０の自由端３１をポンプインタイプのスパイラル形状に配列することができる。あるいは、図１１に示すように、リーフ３０の自由端３１をヘリングボーン形状としてもよい。尚、ヘリングボーン形状とは、自由端３１の外径端及び内径端を半径方向中央に向けて軸６の回転方向先行側に傾斜させた略Ｖ字形状のことを言う。
【００４１】
また、上記の実施形態では、複数のリーフを一枚ずつ別々に形成した場合を示したが、これに限らず、例えば一枚のフォイルに複数のリーフを形成してもよい。例えば図１２に示す実施形態では、複数のリーフ６１、６１’を有する２枚のフォイル６０、６０’を組み合せてフォイル部材５０を構成し、このフォイル部材５０をスラスト部材２１に固定している。
【００４２】
ここで、フォイル６０、６０’の構成を説明する。尚、フォイル６０、６０’は全く同じ構成であるため、一方のフォイル６０の構成のみを説明し、他方のフォイル６０’の説明は省略する（図１２及び図１４では、他方のフォイル６０’のうち、一方のフォイル６０と対応する箇所に「’」を付して示す）。
【００４３】
フォイル６０は円形を成し、その中心に軸６を挿通するための円形の穴６３が設けられる。本実施形態では、１枚のフォイル６０に、ワイヤカット加工やプレス加工等で略Ｌ字型の切り込みを入れることにより、円周方向等間隔に配置された複数（図示例では４枚）のリーフ６１及び連結部６２が形成される。具体的には、円形のフォイル６０の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では４箇所）に、穴６３から外径向きにジグザグ状に延び、フォイル６０の外径端よりも手前で終わる半径方向の切り込み６４が設けられる。そして、各切り込み６４の外径端から、円周方向他方（軸６の回転方向後方側、図１３の反時計周り方向）に円周方向の切り込み６５が延びている。半径方向の切り込み６４及び円周方向の切り込み６５をフォイル６０に形成することで、円周方向一方の端部６１ａを軸方向に上下動自由な自由端とした複数のリーフ６１と、これらを連結する連結部６２とを一体に形成することができる。連結部６２は、複数のリーフ６１の外周を囲む環状部６２ａと、環状部６２ａから内径向きに延びた複数（図示例では４つ）の延在部６２ｂとを有し、延在部６２ｂはリーフ３０の円周方向他方の端部６２（図１３に点線で示す）と連続している。図示例では、連結部６２の延在部６２ｂとリーフ６１とが円周方向同じ長さであり、これらが円周方向交互に設けられる。リーフ６１の自由端６１ａは、複数の切り欠き部６１ａ１及びランド部６１ａ２を交互に有するジグザグ状に形成される。リーフ６１には、円周方向に長大な突起又は溝６６が半径方向に離隔した複数箇所に形成される。
【００４４】
２枚のフォイル６０、６０’は、図１４に示す方法で組み立てられる。尚、２枚のフォイル６０、６０’の材質及び形状は全く同じであるが、図１４では、理解しやすいように一方のフォイル６０’に散点を付している。また、ここでは、フォイル６０、６０’の中心軸方向を上下方向として説明する。
【００４５】
まず、図１４（ａ）に示す２枚のフォイル６０、６０’を、図１４（ｂ）に示すように上下に重ねて配置し、上側のフォイル６０の半径方向の切り込み６４から、下側のフォイル６０’のリーフ６１’の自由端６１ａ’を差し込む。これにより、下側のフォイル６０’のリーフ６１’の自由端６１ａ’が、上側のフォイル６０の連結部６２（延在部６２ｂ）の上方に配される。そして、２枚のフォイル６０、６０’を相対的に回転させることにより、図１４（ｃ）に示すように、下側のフォイル６０’のリーフ６１’の自由端６１ａ’が、上側のフォイル６０のリーフ６１の端部６１ｂの上方に達する。以上により、上側のフォイル６０のリーフ６１と、下側のフォイル６０’のリーフ６１’とが、円周方向交互に配されたフォイル部材５０が得られる。このとき、各リーフ６１、６１’の上面に設けられたスラスト軸受面６１ｃ、６１ｃ’は、円周方向交互に配され、且つ、円周方向で途切れなく配されている。このフォイル部材５０をスラスト部材２１に固定することで、図１２に示すスラストフォイル軸受２０が完成する。
【００４６】
また、リーフ３０の自由端３１の形状は上記に限らず、例えば図１５に示すように、リーフ３０の自由端３１を波型に形成してもよい。あるいは、図１６に示すように、リーフ３０の自由端３１に、半径方向に離隔した複数箇所に複数の切り込み３１ａを設けてもよい。また、切り込み３１ａ及びランド部３１ｂの形状は、三角形（図６参照）や波形（図１５参照）、円弧形状（図１６参照）の他、矩形や台形としてもよい（図示省略）。また、自由端３１を直線状に形成してもよい（図示省略）。
【００４７】
また、以上の実施形態では、フォイル部材を固定部材（スラスト部材２１、外方部材１１）に固定する場合を示したが、これとは逆に、フォイル部材を回転部材（フランジ部４０、軸６）に固定してもよい。この場合、フォイル部材に設けられた軸受面と固定部材との間に、楔状のスラスト軸受隙間あるいはラジアル軸受隙間が形成される。ただし、この場合、フォイル部材が軸６と共に高速で回転することとなるため、遠心力によりフォイル部材が変形する恐れがある。特に、スラストフォイル軸受２０のフォイル部材を回転させると、遠心力でフォイル部材が変形する恐れが高い。従って、フォイル部材の変形を回避する観点からは、フォイル部材を固定部材に固定することが好ましい。
【００４８】
また、以上の実施形態では、フランジ部４０の軸方向両側に軸受部材２０ａを設け、フランジ部４０を両スラスト方向に支持する構成を示したが、これに限らず、フランジ部４０の軸方向一方にのみ軸受部材２０ａを設け、スラスト方向一方にのみ支持する構成としてもよい。このような構成は、スラスト方向他方の支持が不要な場合や、スラスト方向他方の支持を他の構成で達成する場合などに適用できる。
【００４９】
また、以上の実施形態では、本発明をリーフ形のスラストフォイル軸受に適用した場合を示したが、これに限られない。例えば、スラスト軸受面を有するトップフォイルと、トップフォイルとスラスト部材との間に配置された波形のバックフォイルとで構成されるバンプフォイル型のスラストフォイル軸受や、リーフ型とバンプフォイル型とを併用したスラストフォイル軸受（リーフとスラスト部材との間にバックフォイルを配置したもの）に本発明を適用することもできる。
【００５０】
また、以上の実施形態では、本発明に係るスラストフォイル軸受２０をガスタービンに適用した場合を示したが、これに限らず、例えば図１７に示すような過給機に適用してもよい。この過給機は、エンジン８３に空気を送り込むいわゆるターボチャージャであり、圧縮機８１と、タービン８２とを備える。圧縮機８１及びタービン８２は軸６で連結されている。軸６は、ラジアルフォイル軸受１０とスラストフォイル軸受２０とでラジアル方向及び両スラスト方向に支持される。図示例では、ラジアルフォイル軸受１０を軸方向に離隔した２箇所に設けている。図示しない吸気口から吸入された空気は、圧縮機８１で圧縮され、燃料を混合してエンジン８３に供給される。エンジン８３で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン８３から排気された高温、高圧のガスでタービン８２を回転させる。このときのタービン８２の回転力が、軸６を介して圧縮機８１に伝達される。タービン８２を回転させた後のガスは、排ガスとして外部に排出される。
【００５１】
本発明にかかるフォイル軸受は、マイクロタービンや過給機に限らず、潤滑油などの液体による潤滑が困難である、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難である、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる等の制限下で使用される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。
【００５２】
なお、以上に述べたフォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受のみならず、圧力発生流体として潤滑油を使用した油動圧軸受としても使用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ タービン
２ 圧縮機
３ 発電機
４ 燃焼器
５ 再生器
６ 軸
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ リーフ
１２ｃ ラジアル軸受面
２０ スラストフォイル軸受
２０ａ 軸受部材
２１ スラスト部材
３０ リーフ（フォイル部材）
３３ スラスト軸受面
３４ 整流部材（突起）
３５ 溝
４０ フランジ部
Ｒ ラジアル軸受隙間
Ｔ スラスト軸受隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜状のフォイル部材に形成されたスラスト軸受面と、このスラスト軸受面で形成されるスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンや過給機（ターボチャージャ等）の軸は高速で回転駆動される。また、軸に取り付けられたタービン翼は高温に晒される。そのため、これらの軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。この種の用途の軸受として、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受を使用する場合もある。しかし、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合、等の条件下では、油を用いた軸受の使用は制約を受ける。そこで、上記のような条件下での使用に適合する軸受として、空気動圧軸受が着目されている。
【０００３】
空気動圧軸受としては、回転側と固定側の双方の軸受面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、回転側と固定側の軸受面間に形成される軸受隙間の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呼ばれる自励的な軸の振れ回りを生じ易い。そのため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。しかし、ガスタービンや過給機のように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響で軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難となる。
【０００４】
温度変化の大きい環境下でも隙間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薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、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る。フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な軸受隙間が形成される。このため、フォイル軸受は安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。また、一般的な動圧軸受では、数μｍ程度の軸受隙間を常時確保する必要があるため、製造時の公差、さらには温度変化が激しい場合の熱膨張まで考慮すると、厳密な隙間管理は困難である。これに対して、フォイル軸受の場合には、数十μｍ程度の軸受隙間に管理すれば足り、その製造や隙間管理が容易となる利点を有する。
【０００５】
また、ガスタービンや過給機の軸には、タービンの高速回転により発生する気流のスラスト方向の反力が加わるため、軸をラジアル方向だけでなくスラスト方向にも支持する必要がある。例えば、特許文献１〜３には、回転軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−３６７２５号公報
【特許文献２】実開昭６１−３８３２１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１９５４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、スラストフォイル軸受では、回転部材の回転に伴って、スラスト軸受隙間の流体が遠心力により外径側に流出しようとするため、スラスト軸受隙間の流体量が少なくなり、流体膜の圧力が低下する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高め、スラストフォイル軸受の負荷容量を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するためになされた本発明は、固定部材と、回転部材と、固定部材と回転部材の間に配置されたフォイル部材とを備え、フォイル部材に設けられたスラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、スラスト軸受面に、円周方向に長大な突起又は溝を半径方向に離隔した複数箇所に形成したことを特徴とする。
【００１０】
このように、スラスト軸受面に、円周方向に長大な突起又は溝を半径方向に離隔した複数箇所に設けることで、遠心力でスラスト軸受隙間から外径側に流出しようとする流体が、突起又は溝にぶつかって円周方向に沿って流れる（整流効果）。これにより、遠心力でスラスト軸受隙間から外径側に流出する流体を減じて、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高めることができる。尚、「円周方向に長大な」形状とは、円周方向寸法が半径方向寸法よりも長大な形状のことを意味し、円周方向と平行な円弧形状に限らず、円周方向に長大な矩形（図５参照）や三角形（図７参照）を含む。
【００１１】
例えば、フォイル部材の軸受面に整流部材を固定し、この整流部材で上記の突起を構成することができる。この場合、整流部材とこれにスラスト軸受隙間を介して対向する相手材の端面とが接触しない範囲で、整流部材をなるべく相手材の端面に近づけることで、整流効果がより一層高められる。
【００１２】
一方、上記の溝は、フォイル部材にプレス加工等により簡単に形成することができるため、整流部材を固定する場合と比べて製造コストの低減が図られる。この溝の溝幅を、回転方向先行側へ向けて徐々に狭めたり、溝の溝深さを回転方向先行側へ向けて深くすれば、整流効果を高めることができる。
【００１３】
上記のような構成は、例えば、フォイル部材が、円周方向一端を自由端とした複数のリーフを有する、リーフ型のスラストフォイル軸受に適用することができる。この場合、フォイル部材は、例えば、円周方向一端を自由端とし、スラスト軸受面が設けられた複数のリーフと、複数のリーフを連結する連結部とを一体に有するフォイルを具備した構成とすることができる。また、このようなフォイルを複数組み合せてフォイル部材を構成することもできる。
【００１４】
フォイル軸受は、高速運転時にはフォイル部材のスラスト軸受面とこれに対向する面との間に流体膜が形成され、これらの面が非接触状態となるが、起動時や停止時の低速回転状態では、フォイル部材のスラスト軸受面やこれに対向する面の表面粗さ以上の流体膜を形成することが困難となる。そのため、回転部材と固定部材とがフォイル部材を挟んで接触し、フォイル部材の表面が損傷する恐れがある。このため、フォイル部材のスラスト軸受面に被膜を設け、損傷を防止することが好ましい。
【００１５】
また、フォイル部材を構成するフォイル同士、あるいは、フォイルとフォイルが固定される面との間は、荷重変動や振動に伴い微小変位の摺動が生じている。このため、フォイル部材を構成するフォイルのうち、スラスト軸受面と反対側の面に被膜を設け、摺動による損傷を防止することが好ましい。
【００１６】
フォイル軸受は、液体での潤滑が困難な箇所に用いられることが多いので、上記のような被膜には、ＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を用いることができる。ＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質で摩擦係数が低く、強度面で優れている。一方、二硫化モリブデン膜は、スプレー等で噴射することができるため、被膜を簡単に形成することができる。
【００１７】
以上のようなスラストフォイル軸受は、ガスタービンや過給機のロータ支持用として好適に使用できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、スラスト軸受隙間の流体の流れを円周方向に整流させることにより、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力を高め、スラストフォイル軸受の負荷容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】マイクロガスタービンを概念的に示す図である。
【図２】上記マイクロガスタービンのロータの支持構造を示す断面図である。
【図３】上記ロータ支持構造に組み込まれたラジアルフォイル軸受の断面図である。
【図４】上記ロータ支持構造に組み込まれた、本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受の側面図である。
【図５】上記スラストフォイル軸受の軸受部材の斜視図である。
【図６】上記スラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図７】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図８】図７のスラストフォイル軸受の軸受部材の断面図である。
【図９】図７のスラストフォイル軸受の軸受部材を模式的に示す斜視図である。
【図１０】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の平面図である。
【図１１】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の平面図である。
【図１２】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受部材の斜視図である。
【図１３】図１３のスラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、図１２のスラストフォイル軸受の２枚のフォイルを組み付ける様子を示す斜視図である。
【図１５】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図１６】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフの平面図である。
【図１７】過給機を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１に、マイクロガスタービンと呼ばれるガスタービン装置の構成を示す。このマイクロガスタービンは、翼列を形成したタービン１及び圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを主に備える。タービン１、圧縮機２、及び発電機３には、水平方向に延びる共通の軸６が設けられ、この軸６と、タービン１および圧縮機２とで一体回転可能のロータが構成される。吸気口７から吸入された空気は、圧縮機２で圧縮され、再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、このときの高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転することにより発電し、この電力がインバータ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を通った後、排ガスとして排出される。
【００２２】
図２に、ロータの支持構造、特に、タービン１と圧縮機２との軸方向間における軸６の支持構造を示す。この領域は高温、高圧のガスで回転されるタービン１に隣接しているため、ここでは空気動圧軸受、特にフォイル軸受が好適に使用される。具体的には、軸６をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受１０と、軸６に設けられたフランジ部４０を両スラスト方向に支持するスラストフォイル軸受２０とで、ロータが回転自在に支持される。
【００２３】
ラジアルフォイル軸受１０は、図３に示すように、ケーシング４２に固定され、内周に軸６が挿入された円筒状の外方部材１１と、外方部材１１の内周面１１ａに固定され、円周方向に並べて配された複数のリーフ１２とで構成される。
【００２４】
リーフ１２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で形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。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錆による腐食が発生し易く、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。
【００２５】
各リーフ１２は、円周方向一方（軸６の回転方向（矢印参照）先行側）の端部１２ａが自由端とされ、円周方向他方の端部１２ｂが外方部材１１に固定される。リーフ１２の固定端１２ｂは、外方部材１１の内周面１１ａに形成された軸方向溝１１ｂに嵌合固定される。リーフ１２の自由端１２ａ側の一部領域は、他のリーフ１２と半径方向に重ねて配される。複数のリーフ１２の内径側の面は、孔や段差のない平滑な曲面状をなしたラジアル軸受面１２ｃを構成し、各リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間に、円周方向一方へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成される。
【００２６】
スラストフォイル軸受２０は、図４に示すように、軸６の外周面６ａから外径に突出して設けられたフランジ部４０（回転部材、図２参照）と、ケーシング４２に固定された円盤状のスラスト部材２１（固定部材、図５参照）と、フランジ部４０とスラスト部材２１との間に配されたフォイル部材とを備える。本実施形態では、フランジ部４０の軸方向両側に軸受部材２０ａが設けられ（図２参照）、軸受部材２０ａは、図５に示すように、円盤状のスラスト部材２１（固定部材）と、スラスト部材２１の端面２１ａに固定されたフォイル部材とで構成される。図示例では、フォイル部材が、円周方向等間隔に並べた状態でスラスト部材２１の端面２１ａに固定された複数のリーフ３０で構成される。
【００２７】
リーフ３０は、上記のリーフ１２と同様の材質及び厚さを有する金属製の１枚のフォイルからなり、スラスト部材２１の円周方向に沿った扇形を成している。リーフ３０の円周方向一方（軸６の回転方向先行側、図中左側）の端部は自由端３１とされ、円周方向他方の端部はスラスト部材２１に固定された固定端３２とされる。各リーフ３０のうち、スラスト部材２１と反対側の面には、フランジ部４０側を凸とする曲面状のスラスト軸受面３３が設けられる。スラスト軸受面３３は、孔や段差のない平滑な曲面状をなす。尚、バネ３０ａは、リーフ３０のバネ性を模式的に表すものであり、実際には設けられていない。
【００２８】
各リーフ３０の自由端３１には、図６に示すように、複数の切り欠き部３１ａと、スラスト軸受面３３と連続したランド部３１ｂとが、自由端３１の延在方向（本実施形態では半径方向）で交互に設けられる。図示例では、自由端３１をジグザグ状に形成することで、三角形の切り込み部３１ａ及びランド部３１ｂが交互に形成される。
【００２９】
各リーフ３０のスラスト軸受面３３には、円周方向に長大な突起が半径方向に離隔した複数箇所に設けられる。本実施形態では、リーフ３０の表面に整流部材３４を固定し、この整流部材３４で突起を形成している。整流部材３４は、例えば細長矩形状の金属板で形成され、リーフ３０の表面に接着や溶接、溶着などの適宜の方法により固定される。整流部材３４は、おおよそ円周方向に沿って配置され、図示例では、整流部材３４の長手方向いずれかの点（例えば長手方向中央部）における円周の接線方向と平行な直線上に配置される。整流部材３４は、スラスト軸受隙間Ｔの大隙間部Ｔ２側に設けられ、図示例では、各リーフ３０の円周方向中央よりも回転方向後方側に設けられる。整流部材３４は、半径方向等間隔に並べて配置される。尚、整流部材３４は、直線状に限らず、円周方向と平行な円弧状に形成してもよい。また、スラスト軸受面３３に設けられる突起は、上記に限らず、例えばリーフ３０に塑性加工（例えばプレス成形）により形成してもよい。この場合、リーフ３０を貫通する穴が形成されると、スラスト軸受隙間Ｔの流体が穴から抜けて圧力が低下してしまうため、リーフ３０に貫通穴が形成されないように突起を形成する必要がある。
【００３０】
軸６が円周方向一方に回転すると、ラジアルフォイル軸受１０の各リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間に、円周方向一方へ向けて半径方向幅を狭めた楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成される（図３参照）。このラジアル軸受隙間Ｒに生じる流体膜（空気膜）で、軸６がラジアル方向に非接触支持される。これと同時に、スラストフォイル軸受２０のフランジ部４０の軸方向両側の端面４１とその軸方向両側に設けられたフォイル部材（リーフ３０）のスラスト軸受面３３との間には、円周方向一方へ向けて軸方向幅を狭めたスラスト軸受隙間Ｔが形成される（図４参照）。このスラスト軸受隙間Ｔに生じる流体膜（空気膜）で、軸６が両スラスト方向に非接触支持される。尚、実際のラジアル軸受隙間Ｒ及びスラスト軸受隙間Ｔの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３及び図４ではその幅を誇張して描いている。
【００３１】
このとき、図４に矢印Ａで示すように、スラスト軸受隙間Ｔの小隙間部Ｔ１の流体が、切り欠き部３１ａを介してリーフ３０の裏側（図中下方）に流動する。これにより、大隙間部Ｔ２全体の流体がダイナミックに流動し、大隙間部Ｔ２から次の小隙間部Ｔ１に流入する流体量が増大するため、小隙間部Ｔ１に生じる圧力を高めてスラスト方向の負荷容量を高めることができる。
【００３２】
また、軸６の回転に伴って、スラスト軸受隙間Ｔの流体が遠心力で外径に流出しようとする。この流体が、リーフ３０の表面に設けられた整流部材３４にぶつかることにより、流体が円周方向に沿って流れる（図６の矢印Ｂ参照）。この整流効果により、スラスト軸受隙間Ｔから外径側に流出する流体量を減じ、小隙間部Ｔ１に流入する流体量を増して圧力を高めることができる。尚、スラスト軸受隙間Ｔの流体に加わる遠心力は外径側ほど大きいため、円周方向に長大な突起（整流部材３４）は、スラスト軸受面３３の少なくとも外径側（半径方向中央部よりも外径側）に設けることが好ましい。図示例では、スラスト軸受面３３の半径方向全域にわたって突起が等間隔に設けられている。また、本実施形態では、リーフ３０の自由端３１に切り込み部３１ａを形成し、この切り込み部３１ａを介してスラスト軸受隙間Ｔの流体をリーフ３０の裏側に流動させているため、大隙間部Ｔ２における流体が乱れやすい。従って、リーフ３０に突起（整流部材３４）を設けることによる整流効果が特に有効となる。
【００３３】
また、このとき、ラジアルフォイル軸受１０のリーフ１２及びスラストフォイル軸受２０のリーフ３０の有する可撓性により、各リーフ１２、３０の軸受面１２ｃ、３３が、荷重や軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、ラジアル軸受隙間Ｒ及びスラスト軸受隙間Ｔは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温、高速回転といった過酷な条件下でも、ラジアル軸受隙間Ｒ及びスラスト軸受隙間Ｔを最適幅に管理することができ、軸６を安定して支持することが可能となる。
【００３４】
フォイル軸受１０、２０では、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時において、リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃ及びリーフ３０のスラスト軸受面３３や軸６の外周面６ａに表面粗さ以上の厚さの空気膜を形成することが困難となる。そのため、ラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間、及び、スラスト軸受面３３とフランジ部４０との間で金属接触を生じる。この金属接触による摩擦力を減じて、リーフ１２、３０の損傷の防止及びトルク低減を図るため、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３３には、表面を低摩擦化する被膜を形成するのが望ましい。この種の被膜としては、例えばＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜を使用することができる。ＤＬＣ膜、チタンやアルミナイトライド膜はＣＶＤやＰＶＤで形成することができ、二硫化モリブデン膜はスプレーで簡単に形成することができる。特にＤＬＣ膜やチタンアルミナイトライド膜は硬質であるので、これらで被膜を形成することにより、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３３の耐摩耗性をも向上させることができ、軸受寿命を増大させることができる。尚、上記のような被膜は、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３３に形成する代わりに、あるいはこれに加えて、これらの面と対向する軸６の外周面６ａ及びフランジ部４０の端面４１に形成してもよい。
【００３５】
軸受の運転中は、リーフ１２の裏面（ラジアル軸受面１２ｃと反対側の面）と外方部材１１の内周面１１ａとの間や、リーフ３０の裏面（スラスト軸受面３３と反対側の面）とスラスト部材２１の端面２１ａとの間でも微小摺動が生じるため、この摺動部分、すなわちリーフ１２、３０の裏面やこれと接触する外方部材１１の内周面１１ａ及びスラスト部材２１の端面２１ａの一方又は双方に上記の被膜を形成することにより、耐摩耗性の向上を図ってもよい。なお、振動の減衰作用を向上させるためには、この摺動部である程度の摩擦力が存在する方が好都合な場合もあるので、この部分の被膜にはそれほど低摩擦性は要求されない。従って、この部分の被膜としては、ＤＬＣ膜やチタンやアルミナイトライド膜を使用するのが好ましい。
【００３６】
本発明は上記の実施形態に限られない。尚、以下の説明において、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３７】
例えば、上記の実施形態では、リーフ３０の表面に突起（整流部材３４）を設けた場合を示したが、これに限らず、例えば図７〜９に示すように、リーフ３０の表面に円周方向に長大な溝３５を形成してもよい。溝３５は、リーフ３０の表面に塑性加工（例えばプレス成形）により形成される。溝３５は、リーフ３０を貫通しないように形成される（図８参照）。また、図示例では、溝３５の溝幅（径方向幅）が回転方向先行側（自由端３１側）に向けて徐々に狭くなっている（図７参照）。さらに、溝３５の溝深さが回転方向先行側に向けて徐々に深くなっている（図８参照）。すなわち、溝３５は、図９に示すように、流体入口側（リーフ３０の固定端３２側）では溝幅が広く、且つ、溝深さが浅くなっており、流体出口側（リーフ３０の自由端３１側）では溝幅が狭く、且つ、溝深さが深くなっている。尚、図９では、図面の簡略化のため、平面視で円弧状のリーフ３０を矩形状に示すと共に、リーフ３０の自由端３１を直線状に示している。
【００３８】
このように、リーフ３０に円周方向に長大な溝３５を形成することで、軸６の回転に伴ってスラスト軸受隙間Ｔを流れる流体が溝３５の内部に侵入し、溝３５の側壁にぶつかることにより、流体が円周方向に沿って流れる（図７の矢印Ｃ参照）。特に、図示例の溝３５は、流体入口側における溝幅が広く、且つ、溝深さが浅くなっているため、流体が進入しやすい。また、溝３５の溝幅を、回転方向先行側端部に向けて徐々に狭くすることで、溝３５の先端から流出した流体の指向性を高めることができる。
【００３９】
尚、溝３５の形状は上記に限らず、例えば溝３５の溝深さを一定にしたり、溝幅を一定としたりしてもよい（図示省略）。また、溝３５を、円周方向に長大な矩形状としたり、円周方向と平行な円弧状としてもよい。
【００４０】
また、上記の実施形態では、リーフ３０の自由端３１が半径方向に沿って延在している場合を示したが、これに限られない。例えば、図１０及び図１１に示すように、リーフ３０の自由端３１の外径端を、内径側に向けて軸６の回転方向先行側に傾斜させてもよい。これにより、軸６の回転に伴って、スラストフォイル軸受２０の外径側の空気がリーフ３０に沿って内径側に送り込まれるため（図１０の点線矢印参照）、スラスト軸受隙間Ｔに多量の空気を送り込むことができ、スラスト軸受隙間Ｔにおける圧力がさらに高められる。具体的には、例えば図１０に示すように、リーフ３０の自由端３１をポンプインタイプのスパイラル形状に配列することができる。あるいは、図１１に示すように、リーフ３０の自由端３１をヘリングボーン形状としてもよい。尚、ヘリングボーン形状とは、自由端３１の外径端及び内径端を半径方向中央に向けて軸６の回転方向先行側に傾斜させた略Ｖ字形状のことを言う。
【００４１】
また、上記の実施形態では、複数のリーフを一枚ずつ別々に形成した場合を示したが、これに限らず、例えば一枚のフォイルに複数のリーフを形成してもよい。例えば図１２に示す実施形態では、複数のリーフ６１、６１’を有する２枚のフォイル６０、６０’を組み合せてフォイル部材５０を構成し、このフォイル部材５０をスラスト部材２１に固定している。
【００４２】
ここで、フォイル６０、６０’の構成を説明する。尚、フォイル６０、６０’は全く同じ構成であるため、一方のフォイル６０の構成のみを説明し、他方のフォイル６０’の説明は省略する（図１２及び図１４では、他方のフォイル６０’のうち、一方のフォイル６０と対応する箇所に「’」を付して示す）。
【００４３】
フォイル６０は円形を成し、その中心に軸６を挿通するための円形の穴６３が設けられる。本実施形態では、１枚のフォイル６０に、ワイヤカット加工やプレス加工等で略Ｌ字型の切り込みを入れることにより、円周方向等間隔に配置された複数（図示例では４枚）のリーフ６１及び連結部６２が形成される。具体的には、円形のフォイル６０の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では４箇所）に、穴６３から外径向きにジグザグ状に延び、フォイル６０の外径端よりも手前で終わる半径方向の切り込み６４が設けられる。そして、各切り込み６４の外径端から、円周方向他方（軸６の回転方向後方側、図１３の反時計周り方向）に円周方向の切り込み６５が延びている。半径方向の切り込み６４及び円周方向の切り込み６５をフォイル６０に形成することで、円周方向一方の端部６１ａを軸方向に上下動自由な自由端とした複数のリーフ６１と、これらを連結する連結部６２とを一体に形成することができる。連結部６２は、複数のリーフ６１の外周を囲む環状部６２ａと、環状部６２ａから内径向きに延びた複数（図示例では４つ）の延在部６２ｂとを有し、延在部６２ｂはリーフ３０の円周方向他方の端部６２（図１３に点線で示す）と連続している。図示例では、連結部６２の延在部６２ｂとリーフ６１とが円周方向同じ長さであり、これらが円周方向交互に設けられる。リーフ６１の自由端６１ａは、複数の切り欠き部６１ａ１及びランド部６１ａ２を交互に有するジグザグ状に形成される。リーフ６１には、円周方向に長大な突起又は溝６６が半径方向に離隔した複数箇所に形成される。
【００４４】
２枚のフォイル６０、６０’は、図１４に示す方法で組み立てられる。尚、２枚のフォイル６０、６０’の材質及び形状は全く同じであるが、図１４では、理解しやすいように一方のフォイル６０’に散点を付している。また、ここでは、フォイル６０、６０’の中心軸方向を上下方向として説明する。
【００４５】
まず、図１４（ａ）に示す２枚のフォイル６０、６０’を、図１４（ｂ）に示すように上下に重ねて配置し、上側のフォイル６０の半径方向の切り込み６４から、下側のフォイル６０’のリーフ６１’の自由端６１ａ’を差し込む。これにより、下側のフォイル６０’のリーフ６１’の自由端６１ａ’が、上側のフォイル６０の連結部６２（延在部６２ｂ）の上方に配される。そして、２枚のフォイル６０、６０’を相対的に回転させることにより、図１４（ｃ）に示すように、下側のフォイル６０’のリーフ６１’の自由端６１ａ’が、上側のフォイル６０のリーフ６１の端部６１ｂの上方に達する。以上により、上側のフォイル６０のリーフ６１と、下側のフォイル６０’のリーフ６１’とが、円周方向交互に配されたフォイル部材５０が得られる。このとき、各リーフ６１、６１’の上面に設けられたスラスト軸受面６１ｃ、６１ｃ’は、円周方向交互に配され、且つ、円周方向で途切れなく配されている。このフォイル部材５０をスラスト部材２１に固定することで、図１２に示すスラストフォイル軸受２０が完成する。
【００４６】
また、リーフ３０の自由端３１の形状は上記に限らず、例えば図１５に示すように、リーフ３０の自由端３１を波型に形成してもよい。あるいは、図１６に示すように、リーフ３０の自由端３１に、半径方向に離隔した複数箇所に複数の切り込み３１ａを設けてもよい。また、切り込み３１ａ及びランド部３１ｂの形状は、三角形（図６参照）や波形（図１５参照）、円弧形状（図１６参照）の他、矩形や台形としてもよい（図示省略）。また、自由端３１を直線状に形成してもよい（図示省略）。
【００４７】
また、以上の実施形態では、フォイル部材を固定部材（スラスト部材２１、外方部材１１）に固定する場合を示したが、これとは逆に、フォイル部材を回転部材（フランジ部４０、軸６）に固定してもよい。この場合、フォイル部材に設けられた軸受面と固定部材との間に、楔状のスラスト軸受隙間あるいはラジアル軸受隙間が形成される。ただし、この場合、フォイル部材が軸６と共に高速で回転することとなるため、遠心力によりフォイル部材が変形する恐れがある。特に、スラストフォイル軸受２０のフォイル部材を回転させると、遠心力でフォイル部材が変形する恐れが高い。従って、フォイル部材の変形を回避する観点からは、フォイル部材を固定部材に固定することが好ましい。
【００４８】
また、以上の実施形態では、フランジ部４０の軸方向両側に軸受部材２０ａを設け、フランジ部４０を両スラスト方向に支持する構成を示したが、これに限らず、フランジ部４０の軸方向一方にのみ軸受部材２０ａを設け、スラスト方向一方にのみ支持する構成としてもよい。このような構成は、スラスト方向他方の支持が不要な場合や、スラスト方向他方の支持を他の構成で達成する場合などに適用できる。
【００４９】
また、以上の実施形態では、本発明をリーフ形のスラストフォイル軸受に適用した場合を示したが、これに限られない。例えば、スラスト軸受面を有するトップフォイルと、トップフォイルとスラスト部材との間に配置された波形のバックフォイルとで構成されるバンプフォイル型のスラストフォイル軸受や、リーフ型とバンプフォイル型とを併用したスラストフォイル軸受（リーフとスラスト部材との間にバックフォイルを配置したもの）に本発明を適用することもできる。
【００５０】
また、以上の実施形態では、本発明に係るスラストフォイル軸受２０をガスタービンに適用した場合を示したが、これに限らず、例えば図１７に示すような過給機に適用してもよい。この過給機は、エンジン８３に空気を送り込むいわゆるターボチャージャであり、圧縮機８１と、タービン８２とを備える。圧縮機８１及びタービン８２は軸６で連結されている。軸６は、ラジアルフォイル軸受１０とスラストフォイル軸受２０とでラジアル方向及び両スラスト方向に支持される。図示例では、ラジアルフォイル軸受１０を軸方向に離隔した２箇所に設けている。図示しない吸気口から吸入された空気は、圧縮機８１で圧縮され、燃料を混合してエンジン８３に供給される。エンジン８３で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン８３から排気された高温、高圧のガスでタービン８２を回転させる。このときのタービン８２の回転力が、軸６を介して圧縮機８１に伝達される。タービン８２を回転させた後のガスは、排ガスとして外部に排出される。
【００５１】
本発明にかかるフォイル軸受は、マイクロタービンや過給機に限らず、潤滑油などの液体による潤滑が困難である、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難である、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる等の制限下で使用される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。
【００５２】
なお、以上に述べたフォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受のみならず、圧力発生流体として潤滑油を使用した油動圧軸受としても使用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ タービン
２ 圧縮機
３ 発電機
４ 燃焼器
５ 再生器
６ 軸
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ リーフ
１２ｃ ラジアル軸受面
２０ スラストフォイル軸受
２０ａ 軸受部材
２１ スラスト部材
３０ リーフ（フォイル部材）
３３ スラスト軸受面
３４ 整流部材（突起）
３５ 溝
４０ フランジ部
Ｒ ラジアル軸受隙間
Ｔ スラスト軸受隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材と、回転部材と、固定部材と回転部材の間に配置されたフォイル部材とを備え、フォイル部材に設けられたスラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、
前記スラスト軸受面に、円周方向に長大な突起又は溝を半径方向に離隔した複数箇所に形成したことを特徴とするスラストフォイル軸受。
【請求項２】
前記軸受面に整流部材を固定し、この整流部材で前記突起を構成した請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
前記溝の溝幅を、回転方向先行側へ向けて徐々に狭めた請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記溝の溝深さを、回転方向先行側へ向けて徐々に深くした請求項１又は３記載のスラストフォイル軸受。
【請求項５】
前記フォイル部材が、円周方向一端を自由端とした複数のリーフを有する請求項１〜４の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項６】
前記フォイル部材が、円周方向一端を自由端とし、前記スラスト軸受面が設けられた複数のリーフと、複数のリーフを連結する連結部とを一体に有するフォイルを具備した請求項５記載のスラストフォイル軸受。
【請求項７】
前記フォイル部材が、前記フォイルを複数組み合せて構成された請求項６記載のスラストフォイル軸受。
【請求項８】
前記フォイル部材のスラスト軸受面に被膜を設けた請求項１〜７の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項９】
前記フォイル部材を構成するフォイルのうち、スラスト軸受面と反対側の面に被膜を設けた請求項１〜８の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１０】
前記被膜が、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化モリブデン膜の何れかである請求項８又は９記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１１】
ガスタービンのロータ支持に用いられる請求項１〜１０の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１２】
過給機のロータ支持に用いられる請求項１〜１０の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１】
固定部材と、回転部材と、固定部材と回転部材の間に配置されたフォイル部材とを備え、フォイル部材に設けられたスラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、
前記スラスト軸受面に、円周方向に長大な突起又は溝を半径方向に離隔した複数箇所に形成したことを特徴とするスラストフォイル軸受。
【請求項２】
前記軸受面に整流部材を固定し、この整流部材で前記突起を構成した請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
前記溝の溝幅を、回転方向先行側へ向けて徐々に狭めた請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記溝の溝深さを、回転方向先行側へ向けて徐々に深くした請求項１又は３記載のスラストフォイル軸受。
【請求項５】
前記フォイル部材が、円周方向一端を自由端とした複数のリーフを有する請求項１〜４の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項６】
前記フォイル部材が、円周方向一端を自由端とし、前記スラスト軸受面が設けられた複数のリーフと、複数のリーフを連結する連結部とを一体に有するフォイルを具備した請求項５記載のスラストフォイル軸受。
【請求項７】
前記フォイル部材が、前記フォイルを複数組み合せて構成された請求項６記載のスラストフォイル軸受。
【請求項８】
前記フォイル部材のスラスト軸受面に被膜を設けた請求項１〜７の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項９】
前記フォイル部材を構成するフォイルのうち、スラスト軸受面と反対側の面に被膜を設けた請求項１〜８の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１０】
前記被膜が、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化モリブデン膜の何れかである請求項８又は９記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１１】
ガスタービンのロータ支持に用いられる請求項１〜１０の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１２】
過給機のロータ支持に用いられる請求項１〜１０の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−５３６４５（Ｐ２０１３−５３６４５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９０６３６（Ｐ２０１１−１９０６３６）
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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