スラストフォイル軸受
【課題】リーフ型のスラストフォイル軸受の部品点数を削減し、リーフの組み付けを簡略化することで、低コスト化を図る。
【解決手段】複数のリーフ３１、３１’と、これを連結する連結部３２、３２’とを一体に有するフォイル３０、３０’でフォイル部材２２を構成し、このフォイル部材２２をスラスト部材２１の端面２１ａに固定する。これにより、複数のリーフをそれぞれ独立する場合と比べて部品点数が削減できる。また、複数のリーフを一度に取り付けることができるため、リーフの組付が簡略化される。
【解決手段】複数のリーフ３１、３１’と、これを連結する連結部３２、３２’とを一体に有するフォイル３０、３０’でフォイル部材２２を構成し、このフォイル部材２２をスラスト部材２１の端面２１ａに固定する。これにより、複数のリーフをそれぞれ独立する場合と比べて部品点数が削減できる。また、複数のリーフを一度に取り付けることができるため、リーフの組付が簡略化される。
【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）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触れ回りを生じ易い。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、回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受の一種として、リーフ型のスラストフォイル軸受が示されている。このスラストフォイル軸受は、固定部材の端面の円周方向複数箇所に複数のリーフを設けたものであり、各リーフの円周方向一端は自由端とされ、各リーフの円周方向他端が固定部材の端面に固定される。回転部材が回転すると、各リーフの軸受面とこれに対向する回転部材の端面との間にスラスト軸受隙間が形成され、このスラスト軸受隙間の流体膜により回転部材がスラスト方向に非接触支持される。
【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、上記のようなリーフ型のスラストフォイル軸受では、複数のリーフを別個に形成する必要があるため、部品点数が多くなる。また、リーフを一枚ずつ固定部材の端面に組み付ける必要があるため、リーフの組み付けに手間がかかり、コスト高を招いていた。
【０００８】
そこで、本発明は、リーフ型のスラストフォイル軸受の部品点数を削減し、リーフの組み付けを簡略化することで、低コスト化を図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、本発明は、スラスト部材と、スラスト部材の端面に取り付けられ、スラスト軸受面を有するフォイル部材とを備え、スラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成するスラストフォイル軸受であって、フォイル部材が、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スラストフォイル軸受を提供する。
【００１０】
このように、複数のリーフをそれぞれ独立して設けるのではなく、連結部で連結してフォイルとして一体化することにより、部品点数を削減できる。また、一体化したフォイルをスラスト部材の端面に組み付けることで、複数のリーフを一度に組み付けることができるため、リーフ組み付けが簡略化される。さらに、複数のリーフを一体化することで、リーフの枚数を増やした場合でも組み付け工数が増えることはないため、コスト高を招くことなくリーフの枚数を増やしてスラスト方向の負荷容量を高めることができる。
【００１１】
上記のフォイル軸受において、１枚のフォイルに切り込みを入れることにより複数のリーフ及び連結部を形成すれば、複数のリーフを一体に有するフォイルを簡単に形成することができる。このようなフォイルを複数枚設け、一のフォイルに形成された切り込みに他のフォイルのリーフを差し込めば、一のフォイルのリーフと他のフォイルのリーフとを円周方向で交互に配することができる。これにより、スラスト軸受面を有するリーフを円周方向で密に配置することができるため、軸受のスラスト負荷容量をさらに高めることができる。
【００１２】
複数のリーフの自由端の外径端部を、内径側に向けて回転部材の回転方向先行側に傾斜させれば、フォイル部材の外周の空間からスラスト軸受隙間に空気を引き込むことができるため、スラスト軸受隙間における圧力を高めてスラスト負荷容量を高めることができる。具体的には、例えば、複数のリーフの自由端をポンプインタイプのスパイラル形状やヘリングボーン形状に配列することができる。
【００１３】
複数のリーフを、スラスト軸受面と反対側から支持する支持部を配置すれば、この支持部の数や形状、配置箇所により調整することにより、取り付け面から立ち上がったリーフの傾斜角度やスラスト軸受面の湾曲形状を自由に設定することができる。これにより、要求される特性に応じたリーフの最適形状の設計が可能となる。
【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、リーフ型のスラストフォイル軸受の部品点数を削減し、リーフの組み付けを簡略化できるため、低コスト化が図られる。
【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軸の支持構造を示す断面図である。
【図３】上記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】上記支持構造に組み込まれた、本発明の一実施形態に係るスラストフォイル軸受の斜視図である。
【図５】上記スラストフォイル軸受の断面図である。
【図６】上記スラストフォイル軸受を構成するフォイルの平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、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８】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のフォイル部材の平面図である。
【図９】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のフォイル部材の平面図である。
【図１０】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のフォイル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フォイル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断面図である。
【図１３】図１２のスラストフォイル軸受に設けられた支持フォイルの平面図である。
【図１４】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概念的に示す。このマイクロガスタービンは、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。図示例では、内周に軸６が挿入されたラジアルフォイル軸受１０と、軸６のフランジ部６ａの軸方向両側に設けられた本発明の一実施形態に係るスラストフォイル軸受２０、２０により、軸６がラジアル方向及び両スラスト方向に支持される。ラジアルフォイル軸受１０及びスラストフォイル軸受２０、２０は、ケーシング４１に固定される。
【００２３】
ラジアルフォイル軸受１０は、例えばリーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態では、図３に示すように、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の回転方向先行側、矢印参照）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。各リーフ１２の内径側の面には、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が設けられる。
【００２６】
スラストフォイル軸受２０は、リーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態のスラストフォイル軸受２０は、図４に示すように、中空円盤状のスラスト部材２１と、各スラスト部材２１の端面２１ａに固定されたフォイル部材２２とで構成される。
【００２７】
フォイル部材２２は、複数のフォイルで構成され、本実施形態では同形状を成した２枚の金属製のフォイル３０、３０’で構成される（図７（ａ）参照）。フォイル部材２２では、各フォイル３０、３０’に設けられたリーフ３１、３１’が円周方向交互に配されている。図５に示すように、各リーフ３１、３１’の円周方向一方（軸６の回転方向先行側、図中左側）の端部３１ａ、３１ａ’は自由端とされ、これによりリーフ３１、３１’が自由に撓むことができる。リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’は、隣のリーフ３１’、３１の円周方向他方の端部３１ｂ’、３１ｂとほぼ同じ円周方向位置に配される。複数のリーフ３１、３１’のフランジ部６ａ側の面（図中上面）には、孔や段差のない平滑な曲面状をなしたスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’が設けられる。
【００２８】
ここで、フォイル部材２２を構成する各フォイル３０、３０’の構成を説明する。尚、フォイル３０、３０’は全く同じ構成であるため、一方のフォイル３０の構成のみを説明し、他方のフォイル３０’の説明は省略する（図面では、他方のフォイル３０’のうち、一方のフォイル３０と対応する箇所に「’」を付して示す）。
【００２９】
フォイル３０は、上記のリーフ１２と同様の材質及び厚さを有し、図６に示すように、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３１と、複数のリーフ３１を連結する連結部３２とを一体に有する。フォイル３０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３３が設けられる。本実施形態では、１枚のフォイル３０に、ワイヤカット加工やプレス加工等で切り込みを入れることにより、複数のリーフ３１及び連結部３２が形成される。具体的には、円形のフォイル３０の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では４箇所）に、穴３３から外径向きに延び、フォイル３０の外径端よりも手前で終わる半径方向の切り込み３４が設けられる。そして、各切り込み３４の外径端から、円周方向他方（軸６の回転方向後方側、図６の反時計周り方向）に円周方向の切り込み３５が延びている。円周方向の切り込み３５は、隣り合う半径方向の切り込み３４の円周方向中央部まで延び、図示例では全周の１／８の長さである。円周方向の切り込み３５の幅ｔ1は、半径方向の切り込み３４の幅ｔ2よりも大きい（ｔ1＞ｔ2）。半径方向の切り込み３４及び円周方向の切り込み３５をフォイル３０に形成することで、円周方向一方の端部３１ａを軸方向に上下動自由な自由端とした複数のリーフ３１と、これらを連結する連結部３２とを一度に形成することができる。連結部３２は、複数のリーフ３１の外周を囲む環状部３２ａと、環状部３２ａから内径向きに延びた複数（図示例では４つ）の延在部３２ｂとを有し、延在部３２ｂはリーフ３１の円周方向他方の端部３１ｂ（図６に点線で示す）と連続している。図示例では、連結部３２の延在部３２ｂとリーフ３１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。
【００３０】
次に、スラストフォイル軸受２０の製造方法、特に、２枚のフォイル３０、３０’からフォイル部材２２を組み立てる方法を、図７用いて説明する。尚、２枚のフォイル３０、３０’の材質及び形状は全く同じであるが、図７では、理解しやすいように一方のフォイル３０’に散点を付している。また、ここでは、フォイル３０、３０’の中心軸方向を上下方向として説明する。
【００３１】
まず、図７（ａ）に示す２枚のフォイル３０、３０’を、図７（ｂ）に示すように上下に重ねて配置する。上側のフォイル３０の半径方向の切り込み３４から、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’を差し込む。これにより、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’が、上側のフォイル３０の連結部３２（延在部３２ｂ）の上方に配される。そして、２枚のフォイル３０、３０’を相対的に回転させることにより、図７（ｃ）に示すように、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’が、上側のフォイル３０のリーフ３１の端部３１ｂの上方に達する。以上により、上側のフォイル３０のリーフ３１と、下側のフォイル３０’のリーフ３１’とが、円周方向交互に配されたフォイル部材２２が得られる。このとき、各リーフ３１、３１’の上面に設けられたスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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。
【００３２】
上記のようにして２枚のフォイル３０、３０’を一体化したフォイル部材２２を、スラスト部材２１の端面２１ａに固定する（図４参照）。固定手段は特に限定されず、例えば接着や溶接により固定される。例えば、２枚のフォイル３０、３０’を重ねた状態で、連結部３２、３２’の環状部３２ａ、３２ａ’の円周方向複数箇所を、２枚一度に溶接でスラスト部材２１に固定する。以上により、スラストフォイル軸受２０が完成する（図２参照）。
【００３３】
上記のように、スラストフォイル軸受２０は、複数のリーフ３１、３１’を連結部３２、３２’で一体化しているため、複数のリーフを一枚ずつ別個に設けた場合と比べて、部品点数が削減されると共に、リーフ３１、３１’のスラスト部材への組付作業が大幅に簡略化できる。また、上記のように２枚のフォイル３０、３０’を組み合せることで、簡単に多数のリーフ３１、３１’を設けることができるため、スラスト方向の負荷容量を高めることができる。
【００３４】
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６ｂとの間にラジアル軸受隙間Ｒが形成される。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（図３参照）。これと同時に、フランジ部６ａの軸方向両側の端面６ａ１と、フランジ部６ａの軸方向両側に設けられたスラストフォイル軸受２０のスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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。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（図５参照）。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３１、３１’の有する可撓性により、各リーフ１２、３１、３１’の軸受面１２ｃ、３１ｃ、３１ｃ’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。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５ではその幅を誇張して描いている。
【００３５】
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３１、３１’のスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’や軸６の外周面６ｂ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６ｂとの間、及び、スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’とフランジ部６ａ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、３１、３１’の損傷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３１ｃ、３１ｃ’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３１ｃ、３１ｃ’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３１ｃ、３１ｃ’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６ｂ及びフランジ部６ａの端面６ａ１に形成してもよい。
【００３６】
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３１、３１’の裏面（スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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、３１、３１’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の一方又は双方にも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。
【００３７】
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。
【００３８】
スラストフォイル軸受２０のリーフ３１、３１’の形状は上記に限らず、例えば、図８〜１１に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’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３１、３１’に沿って内径側に送り込まれるため（図８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における圧力が高められる。具体的には、例えば図８に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’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。この場合、自由端３１ａ、３１ａ’は、図８のように曲線状に形成する他、直線状に形成してもよい（図示省略）。
【００３９】
あるいは、図９及び図１０に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’をヘリングボーン形状としてもよい。ヘリングボーン形状とは、自由端３１ａ、３１ａ’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字形状のことを意味する。この場合、自由端３１ａ、３１ａ’は曲線状に形成してもよいし（図９参照）、直線状に形成してもよい（図１０参照）。尚、図８〜１０では、図７と同様に、同一形状の２枚のフォイル３０、３０’のうち、一方のフォイル３０’に散点を付して示している。
【００４０】
また、本発明によれば、リーフ３１、３１’を簡単にスラスト部材２１に組み付けることができるため、フォイル３０、３０’に形成されるリーフ３１、３１’の数を増やすことができる。例えば図１１に示す実施形態は、フォイル３０、３０’にそれぞれ１０枚ずつのリーフ３１、３１’を形成し、これらを組み合せて合計２０枚のリーフを設けた場合を示す。このように、リーフ３１、３１’の数を増やすことで、スラスト方向の負荷容量をさらに高めることができる。
【００４１】
また、図１２に示す実施形態では、リーフ３１、３１’の下方に支持部５１を設けている。支持部５１は、リーフ３１、３１’をスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’と反対側（図中下側）から支持する。この支持部５１の形状、厚さ、枚数、及び配置箇所を調整することにより、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’の浮上高さを自由に設定することができるため、リーフ３１、３１’の傾斜角度やスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’の形状（曲率）を調整し、スラスト軸受隙間Ｔを最適形状に設定することが可能となる。例えば、図９に示すフォイル部材２２に支持部５１を設ける場合、図１３に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’に沿った線状を成した支持部５１と、支持部５１の外周を連結した環状部５２とを一体に有する支持フォイル５０を用いることができる。図１２では、２枚の支持フォイル５０を重ねて使用し、二重に重ねられた支持部５１を、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’に沿ってその下方に配置している。
【００４２】
以上の実施形態では、フォイル部材２２を２枚のフォイル３０、３０’で構成した場合を示したが、これに限らず、１枚のフォイル、あるいは３枚以上のフォイルでフォイル部材を構成してもよい。
【００４３】
また、以上の実施形態では、スラスト部材２１及びフォイル部材２２を固定側とした場合を示したが、これらを回転側とすることもできる。ただし、フォイル部材２２を高速で回転させると、遠心力によりフォイル３０、３０’が変形する恐れがあるため、かかる不具合を回避する観点からは、上記の実施形態のようにスラスト部材２１及びフォイル部材２２を固定側とすることが好ましい。
【００４４】
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１４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６３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６１と、タービン６２とを備える。圧縮機６１及びタービン６２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６１で圧縮され、燃料を混合してエンジン６３に供給される。エンジン６３で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン６３から排気された高温、高圧のガスでタービン６２を回転させる。このときのタービン６２の回転力が、軸６を介して圧縮機６１に伝達される。タービン６２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。
【００４５】
本発明にかかるフォイル軸受は、ガス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。
【００４６】
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】
【００４７】
１ タービン
２ 圧縮機
３ 発電機
４ 燃焼器
５ 再生器
６ 軸
６ａ フランジ部
７ 吸気口
８ インバータ
９ 排熱回収装置
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ リーフ
１２ａ 端部（自由端）
１２ｂ 端部
１２ｃ ラジアル軸受面
２０ スラストフォイル軸受
２１ スラスト部材
２２ フォイル部材
３０ フォイル
３１ リーフ
３１ａ 端部（自由端）
３１ｂ 端部
３１ｃ スラスト軸受面
３２ 連結部
３２ａ 環状部
３２ｂ 延在部
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）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触れ回りを生じ易い。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、回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受の一種として、リーフ型のスラストフォイル軸受が示されている。このスラストフォイル軸受は、固定部材の端面の円周方向複数箇所に複数のリーフを設けたものであり、各リーフの円周方向一端は自由端とされ、各リーフの円周方向他端が固定部材の端面に固定される。回転部材が回転すると、各リーフの軸受面とこれに対向する回転部材の端面との間にスラスト軸受隙間が形成され、このスラスト軸受隙間の流体膜により回転部材がスラスト方向に非接触支持される。
【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、上記のようなリーフ型のスラストフォイル軸受では、複数のリーフを別個に形成する必要があるため、部品点数が多くなる。また、リーフを一枚ずつ固定部材の端面に組み付ける必要があるため、リーフの組み付けに手間がかかり、コスト高を招いていた。
【０００８】
そこで、本発明は、リーフ型のスラストフォイル軸受の部品点数を削減し、リーフの組み付けを簡略化することで、低コスト化を図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、本発明は、スラスト部材と、スラスト部材の端面に取り付けられ、スラスト軸受面を有するフォイル部材とを備え、スラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成するスラストフォイル軸受であって、フォイル部材が、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スラストフォイル軸受を提供する。
【００１０】
このように、複数のリーフをそれぞれ独立して設けるのではなく、連結部で連結してフォイルとして一体化することにより、部品点数を削減できる。また、一体化したフォイルをスラスト部材の端面に組み付けることで、複数のリーフを一度に組み付けることができるため、リーフ組み付けが簡略化される。さらに、複数のリーフを一体化することで、リーフの枚数を増やした場合でも組み付け工数が増えることはないため、コスト高を招くことなくリーフの枚数を増やしてスラスト方向の負荷容量を高めることができる。
【００１１】
上記のフォイル軸受において、１枚のフォイルに切り込みを入れることにより複数のリーフ及び連結部を形成すれば、複数のリーフを一体に有するフォイルを簡単に形成することができる。このようなフォイルを複数枚設け、一のフォイルに形成された切り込みに他のフォイルのリーフを差し込めば、一のフォイルのリーフと他のフォイルのリーフとを円周方向で交互に配することができる。これにより、スラスト軸受面を有するリーフを円周方向で密に配置することができるため、軸受のスラスト負荷容量をさらに高めることができる。
【００１２】
複数のリーフの自由端の外径端部を、内径側に向けて回転部材の回転方向先行側に傾斜させれば、フォイル部材の外周の空間からスラスト軸受隙間に空気を引き込むことができるため、スラスト軸受隙間における圧力を高めてスラスト負荷容量を高めることができる。具体的には、例えば、複数のリーフの自由端をポンプインタイプのスパイラル形状やヘリングボーン形状に配列することができる。
【００１３】
複数のリーフを、スラスト軸受面と反対側から支持する支持部を配置すれば、この支持部の数や形状、配置箇所により調整することにより、取り付け面から立ち上がったリーフの傾斜角度やスラスト軸受面の湾曲形状を自由に設定することができる。これにより、要求される特性に応じたリーフの最適形状の設計が可能となる。
【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、リーフ型のスラストフォイル軸受の部品点数を削減し、リーフの組み付けを簡略化できるため、低コスト化が図られる。
【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軸の支持構造を示す断面図である。
【図３】上記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】上記支持構造に組み込まれた、本発明の一実施形態に係るスラストフォイル軸受の斜視図である。
【図５】上記スラストフォイル軸受の断面図である。
【図６】上記スラストフォイル軸受を構成するフォイルの平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、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８】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のフォイル部材の平面図である。
【図９】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のフォイル部材の平面図である。
【図１０】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のフォイル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フォイル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断面図である。
【図１３】図１２のスラストフォイル軸受に設けられた支持フォイルの平面図である。
【図１４】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概念的に示す。このマイクロガスタービンは、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。図示例では、内周に軸６が挿入されたラジアルフォイル軸受１０と、軸６のフランジ部６ａの軸方向両側に設けられた本発明の一実施形態に係るスラストフォイル軸受２０、２０により、軸６がラジアル方向及び両スラスト方向に支持される。ラジアルフォイル軸受１０及びスラストフォイル軸受２０、２０は、ケーシング４１に固定される。
【００２３】
ラジアルフォイル軸受１０は、例えばリーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態では、図３に示すように、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の回転方向先行側、矢印参照）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。各リーフ１２の内径側の面には、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が設けられる。
【００２６】
スラストフォイル軸受２０は、リーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態のスラストフォイル軸受２０は、図４に示すように、中空円盤状のスラスト部材２１と、各スラスト部材２１の端面２１ａに固定されたフォイル部材２２とで構成される。
【００２７】
フォイル部材２２は、複数のフォイルで構成され、本実施形態では同形状を成した２枚の金属製のフォイル３０、３０’で構成される（図７（ａ）参照）。フォイル部材２２では、各フォイル３０、３０’に設けられたリーフ３１、３１’が円周方向交互に配されている。図５に示すように、各リーフ３１、３１’の円周方向一方（軸６の回転方向先行側、図中左側）の端部３１ａ、３１ａ’は自由端とされ、これによりリーフ３１、３１’が自由に撓むことができる。リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’は、隣のリーフ３１’、３１の円周方向他方の端部３１ｂ’、３１ｂとほぼ同じ円周方向位置に配される。複数のリーフ３１、３１’のフランジ部６ａ側の面（図中上面）には、孔や段差のない平滑な曲面状をなしたスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’が設けられる。
【００２８】
ここで、フォイル部材２２を構成する各フォイル３０、３０’の構成を説明する。尚、フォイル３０、３０’は全く同じ構成であるため、一方のフォイル３０の構成のみを説明し、他方のフォイル３０’の説明は省略する（図面では、他方のフォイル３０’のうち、一方のフォイル３０と対応する箇所に「’」を付して示す）。
【００２９】
フォイル３０は、上記のリーフ１２と同様の材質及び厚さを有し、図６に示すように、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３１と、複数のリーフ３１を連結する連結部３２とを一体に有する。フォイル３０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３３が設けられる。本実施形態では、１枚のフォイル３０に、ワイヤカット加工やプレス加工等で切り込みを入れることにより、複数のリーフ３１及び連結部３２が形成される。具体的には、円形のフォイル３０の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では４箇所）に、穴３３から外径向きに延び、フォイル３０の外径端よりも手前で終わる半径方向の切り込み３４が設けられる。そして、各切り込み３４の外径端から、円周方向他方（軸６の回転方向後方側、図６の反時計周り方向）に円周方向の切り込み３５が延びている。円周方向の切り込み３５は、隣り合う半径方向の切り込み３４の円周方向中央部まで延び、図示例では全周の１／８の長さである。円周方向の切り込み３５の幅ｔ1は、半径方向の切り込み３４の幅ｔ2よりも大きい（ｔ1＞ｔ2）。半径方向の切り込み３４及び円周方向の切り込み３５をフォイル３０に形成することで、円周方向一方の端部３１ａを軸方向に上下動自由な自由端とした複数のリーフ３１と、これらを連結する連結部３２とを一度に形成することができる。連結部３２は、複数のリーフ３１の外周を囲む環状部３２ａと、環状部３２ａから内径向きに延びた複数（図示例では４つ）の延在部３２ｂとを有し、延在部３２ｂはリーフ３１の円周方向他方の端部３１ｂ（図６に点線で示す）と連続している。図示例では、連結部３２の延在部３２ｂとリーフ３１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。
【００３０】
次に、スラストフォイル軸受２０の製造方法、特に、２枚のフォイル３０、３０’からフォイル部材２２を組み立てる方法を、図７用いて説明する。尚、２枚のフォイル３０、３０’の材質及び形状は全く同じであるが、図７では、理解しやすいように一方のフォイル３０’に散点を付している。また、ここでは、フォイル３０、３０’の中心軸方向を上下方向として説明する。
【００３１】
まず、図７（ａ）に示す２枚のフォイル３０、３０’を、図７（ｂ）に示すように上下に重ねて配置する。上側のフォイル３０の半径方向の切り込み３４から、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’を差し込む。これにより、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’が、上側のフォイル３０の連結部３２（延在部３２ｂ）の上方に配される。そして、２枚のフォイル３０、３０’を相対的に回転させることにより、図７（ｃ）に示すように、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’が、上側のフォイル３０のリーフ３１の端部３１ｂの上方に達する。以上により、上側のフォイル３０のリーフ３１と、下側のフォイル３０’のリーフ３１’とが、円周方向交互に配されたフォイル部材２２が得られる。このとき、各リーフ３１、３１’の上面に設けられたスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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。
【００３２】
上記のようにして２枚のフォイル３０、３０’を一体化したフォイル部材２２を、スラスト部材２１の端面２１ａに固定する（図４参照）。固定手段は特に限定されず、例えば接着や溶接により固定される。例えば、２枚のフォイル３０、３０’を重ねた状態で、連結部３２、３２’の環状部３２ａ、３２ａ’の円周方向複数箇所を、２枚一度に溶接でスラスト部材２１に固定する。以上により、スラストフォイル軸受２０が完成する（図２参照）。
【００３３】
上記のように、スラストフォイル軸受２０は、複数のリーフ３１、３１’を連結部３２、３２’で一体化しているため、複数のリーフを一枚ずつ別個に設けた場合と比べて、部品点数が削減されると共に、リーフ３１、３１’のスラスト部材への組付作業が大幅に簡略化できる。また、上記のように２枚のフォイル３０、３０’を組み合せることで、簡単に多数のリーフ３１、３１’を設けることができるため、スラスト方向の負荷容量を高めることができる。
【００３４】
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６ｂとの間にラジアル軸受隙間Ｒが形成される。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（図３参照）。これと同時に、フランジ部６ａの軸方向両側の端面６ａ１と、フランジ部６ａの軸方向両側に設けられたスラストフォイル軸受２０のスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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。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（図５参照）。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３１、３１’の有する可撓性により、各リーフ１２、３１、３１’の軸受面１２ｃ、３１ｃ、３１ｃ’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。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５ではその幅を誇張して描いている。
【００３５】
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３１、３１’のスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’や軸６の外周面６ｂ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６ｂとの間、及び、スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’とフランジ部６ａ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、３１、３１’の損傷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３１ｃ、３１ｃ’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３１ｃ、３１ｃ’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３１ｃ、３１ｃ’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６ｂ及びフランジ部６ａの端面６ａ１に形成してもよい。
【００３６】
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３１、３１’の裏面（スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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、３１、３１’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の一方又は双方にも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。
【００３７】
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。
【００３８】
スラストフォイル軸受２０のリーフ３１、３１’の形状は上記に限らず、例えば、図８〜１１に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’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３１、３１’に沿って内径側に送り込まれるため（図８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における圧力が高められる。具体的には、例えば図８に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’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。この場合、自由端３１ａ、３１ａ’は、図８のように曲線状に形成する他、直線状に形成してもよい（図示省略）。
【００３９】
あるいは、図９及び図１０に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’をヘリングボーン形状としてもよい。ヘリングボーン形状とは、自由端３１ａ、３１ａ’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字形状のことを意味する。この場合、自由端３１ａ、３１ａ’は曲線状に形成してもよいし（図９参照）、直線状に形成してもよい（図１０参照）。尚、図８〜１０では、図７と同様に、同一形状の２枚のフォイル３０、３０’のうち、一方のフォイル３０’に散点を付して示している。
【００４０】
また、本発明によれば、リーフ３１、３１’を簡単にスラスト部材２１に組み付けることができるため、フォイル３０、３０’に形成されるリーフ３１、３１’の数を増やすことができる。例えば図１１に示す実施形態は、フォイル３０、３０’にそれぞれ１０枚ずつのリーフ３１、３１’を形成し、これらを組み合せて合計２０枚のリーフを設けた場合を示す。このように、リーフ３１、３１’の数を増やすことで、スラスト方向の負荷容量をさらに高めることができる。
【００４１】
また、図１２に示す実施形態では、リーフ３１、３１’の下方に支持部５１を設けている。支持部５１は、リーフ３１、３１’をスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’と反対側（図中下側）から支持する。この支持部５１の形状、厚さ、枚数、及び配置箇所を調整することにより、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’の浮上高さを自由に設定することができるため、リーフ３１、３１’の傾斜角度やスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’の形状（曲率）を調整し、スラスト軸受隙間Ｔを最適形状に設定することが可能となる。例えば、図９に示すフォイル部材２２に支持部５１を設ける場合、図１３に示すように、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’に沿った線状を成した支持部５１と、支持部５１の外周を連結した環状部５２とを一体に有する支持フォイル５０を用いることができる。図１２では、２枚の支持フォイル５０を重ねて使用し、二重に重ねられた支持部５１を、リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’に沿ってその下方に配置している。
【００４２】
以上の実施形態では、フォイル部材２２を２枚のフォイル３０、３０’で構成した場合を示したが、これに限らず、１枚のフォイル、あるいは３枚以上のフォイルでフォイル部材を構成してもよい。
【００４３】
また、以上の実施形態では、スラスト部材２１及びフォイル部材２２を固定側とした場合を示したが、これらを回転側とすることもできる。ただし、フォイル部材２２を高速で回転させると、遠心力によりフォイル３０、３０’が変形する恐れがあるため、かかる不具合を回避する観点からは、上記の実施形態のようにスラスト部材２１及びフォイル部材２２を固定側とすることが好ましい。
【００４４】
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１４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６３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６１と、タービン６２とを備える。圧縮機６１及びタービン６２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６１で圧縮され、燃料を混合してエンジン６３に供給される。エンジン６３で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン６３から排気された高温、高圧のガスでタービン６２を回転させる。このときのタービン６２の回転力が、軸６を介して圧縮機６１に伝達される。タービン６２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。
【００４５】
本発明にかかるフォイル軸受は、ガス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。
【００４６】
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】
【００４７】
１ タービン
２ 圧縮機
３ 発電機
４ 燃焼器
５ 再生器
６ 軸
６ａ フランジ部
７ 吸気口
８ インバータ
９ 排熱回収装置
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ 外方部材
１２ リーフ
１２ａ 端部（自由端）
１２ｂ 端部
１２ｃ ラジアル軸受面
２０ スラストフォイル軸受
２１ スラスト部材
２２ フォイル部材
３０ フォイル
３１ リーフ
３１ａ 端部（自由端）
３１ｂ 端部
３１ｃ スラスト軸受面
３２ 連結部
３２ａ 環状部
３２ｂ 延在部
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】
スラスト部材と、スラスト部材の端面に取り付けられ、スラスト軸受面を有するフォイル部材とを備え、前記スラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成するスラストフォイル軸受であって、
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スラストフォイル軸受。
【請求項２】
フォイルに切り込みを入れることにより前記複数のリーフ及び前記連結部を形成した請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
前記フォイル部材が複数のフォイルで構成され、一のフォイルに形成された前記切り込みに、他のフォイルのリーフを差し込むことにより、一のフォイルのリーフと他のフォイルのリーフとを円周方向で交互に配した請求項２記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記複数のリーフの自由端の外径端が、内径側に向けて回転部材の回転方向先行側に傾斜した請求項１〜３の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項５】
前記複数のリーフの自由端をポンプインタイプのスパイラル形状に配列した請求項４記載のスラストフォイル軸受。
【請求項６】
前記複数のリーフの自由端をヘリングボーン形状に配列した請求項４記載のスラストフォイル軸受。
【請求項７】
前記複数のリーフを、スラスト軸受面と反対側から支持する支持部を配置した請求項１〜６の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項８】
前記リーフ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】
前記リーフのスラスト軸受面と反対側の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１〜７の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１】
スラスト部材と、スラスト部材の端面に取り付けられ、スラスト軸受面を有するフォイル部材とを備え、前記スラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成するスラストフォイル軸受であって、
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スラストフォイル軸受。
【請求項２】
フォイルに切り込みを入れることにより前記複数のリーフ及び前記連結部を形成した請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
前記フォイル部材が複数のフォイルで構成され、一のフォイルに形成された前記切り込みに、他のフォイルのリーフを差し込むことにより、一のフォイルのリーフと他のフォイルのリーフとを円周方向で交互に配した請求項２記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記複数のリーフの自由端の外径端が、内径側に向けて回転部材の回転方向先行側に傾斜した請求項１〜３の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項５】
前記複数のリーフの自由端をポンプインタイプのスパイラル形状に配列した請求項４記載のスラストフォイル軸受。
【請求項６】
前記複数のリーフの自由端をヘリングボーン形状に配列した請求項４記載のスラストフォイル軸受。
【請求項７】
前記複数のリーフを、スラスト軸受面と反対側から支持する支持部を配置した請求項１〜６の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項８】
前記リーフ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】
前記リーフのスラスト軸受面と反対側の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１〜７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】
【公開番号】特開２０１３−６１０２４（Ｐ２０１３−６１０２４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００４１０（Ｐ２０１１−２００４１０）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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