一体式ワイヤメッシュダンパーを使用する追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受
【課題】高い荷重能力およびダンピングを有するガス軸受を提供する。
【解決手段】追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受（１０）のダンパーブリッジ（３６）は、ダンパーブリッジ（３６）の各々の側にダンパー空洞（４２）を形成するための、軸受パッド（１２）および外側リム（３４）の軸方向長さ（４０）より短い軸方向長さ（３８）を有する。一体式ワイヤメッシュダンパー（６２）がダンパーブリッジ（３６）の各々の側のダンパー空洞（４２）内に位置する。一体式復心ばね（４６、４８）が、軸受パッド（１２）に半径方向および回転の追従性を与えるように、内側リム（３２）と外側リム（３４）の間に配置される。このオイルフリー軸受設計は、ロータ形状の変化に対する追従性を保持しながら、今日追従性エーロフォイル軸受設計に固有の低いダンピングおよび低い荷重能力特性に対処する。
【解決手段】追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受（１０）のダンパーブリッジ（３６）は、ダンパーブリッジ（３６）の各々の側にダンパー空洞（４２）を形成するための、軸受パッド（１２）および外側リム（３４）の軸方向長さ（４０）より短い軸方向長さ（３８）を有する。一体式ワイヤメッシュダンパー（６２）がダンパーブリッジ（３６）の各々の側のダンパー空洞（４２）内に位置する。一体式復心ばね（４６、４８）が、軸受パッド（１２）に半径方向および回転の追従性を与えるように、内側リム（３２）と外側リム（３４）の間に配置される。このオイルフリー軸受設計は、ロータ形状の変化に対する追従性を保持しながら、今日追従性エーロフォイル軸受設計に固有の低いダンピングおよび低い荷重能力特性に対処する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に軸受に関し、より詳しくは、一体式ワイヤメッシュダンパーを使用する追従性ハイブリッドガス軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジンターボ機械などの高速機器、および蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機などの航空機転用応用分野は、設計動作速度に到達する前にいくつかの固有周波数または危険速度を通過しなければならない。システムが固有周波数または危険速度で動作するとき、システム／ロータの振動振幅は大きくなる。ロータ不均衡から生じるこれらの振動は、適切にダンピングされない場合、破壊的にまたは壊滅的にさえなる可能性がある。適切なダンピング特性を有する軸受は、機器が安全に危険速度を通過できるように同期回転数振動を制限しまたは減衰させ抑える。さらに、良好な軸受ダンピングは、ロータ固有振動数の分数調波励振を抑えることによって高速でのロータ動的安定性に寄与する。
【０００３】
ターボ機械によって作り出される振動を減衰させるために、流体または油膜ジャーナル軸受が永く使用されてきている。航空機ガスタービンエンジンおよび工業的遠心圧縮機のロータは、振動振幅を制御するために回転かご型復心ばねによって支持される油ベースのスクイーズ膜ダンパー軸受をしばしば使用する。流体膜軸受では、薄い流体膜が回転するジャーナル表面と静止する軸受表面の間に緩衝部を形成し、ロータからの振動を減衰させる。スクイーズ膜ダンパー軸受では、液体、通常油の形態の流体の薄い膜が２つの非回転円筒状表面によって圧搾される。１つの表面は静止し、一方もう１つは復心ばね構造体およびロータの回転に伴う軌道によって位置決めされる。ロータ軌道運動の結果としての流体膜の圧搾が、軸受支持部を介してロータ振動を減衰させる。
【０００４】
最も簡単なスクイーズ膜ダンパー軸受設計は、復心ばねを含まない。回転要素軸受の外側レース、または流体膜軸受の場合の外側軸受シェルは、軸受外側直径とハウジング内側直径の間のクリアランス空間内を浮遊しかつ押圧することができる。この設計形態に機械的復心ばねがないことは、このダンパージャーナルは起動時に底に達しているであろうことを意味する。速度が増加し軸が回転し始めるとき、このダンパーのジャーナル（軸受シェル外側表面）は離昇するであろう。スクイーズ膜ダンパー内の油膜は、従来型の流体膜軸受のような直接的な剛性は生じさせない。しかしながら、このダンパーは直接的な剛性のような挙動を生み出す。この直接的な剛性は、剛性のような（ばね）特性を示す、クロスカップル（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｐｌｅｄ）減衰係数に起因する。
【０００５】
この心に置かれていないダンパーは、スクイーズ膜ダンパー設計の最も非線形なもののうちの１つである。この非線形挙動の原因になる２つの基本的なメカニズムが存在する。この２つの非線形メカニズムの第１は、クロスカップル減衰係数によって生じる非線形特性に帰せられる。この型式のダンパーに存在する非線形挙動の第２の源は、ダンパージャーナルが底に達することの直接的な結果として生じる。
【０００６】
復心ばねをスクイーズ膜ダンパー内に設ける最も簡単な手段は、エラストマーＯリングの使用を介することである。この設計の利点は、その簡単さ、製造の容易さ、および小さな外囲容器内にダンパーを内蔵する能力である。この設計に伴う欠点のうちのいくつかは、エラストマーで達成できる限られた範囲の剛性に帰せられる。材料差異、およびその特性に対する温度および時間の影響に起因して、エラストマー材料に良好な確実性の程度を有する剛性を予測することは困難である。このＯリング設計はクリープも受けやすく、ダンパーを底に達するようにさせ、それは上記で論じたようにバイリニア（ｂｉ−ｌｉｎｅａｒ）ばね挙動に導く可能性がある。
【０００７】
特に航空機エンジンで、最も一般的に使用されるスクイーズ膜ダンパー設計は、回転かご型支持ダンパーである。そのような設計に必要な顕著な特徴は、ダンパー長さと比較して必要とされる比較的大きな軸方向空間である。これがこのダンパー設計の主要な欠点の１つである。このダンパー用の復心ばねを形成する回転かごは、ダンパーそれ自体の軸方向空間の３から４倍の空間を非常にしばしば必要とする。
【０００８】
回転かご型ばねを組み立て、かつジャーナルをクリアランス空間内に復心させることは、特殊な工具および技能を要する。この回転かご型ばねは、ダンパー端部シール設計および組み立ても複雑にする。軸重量に起因する重力荷重に対応するために、ばねアセンブリをオフセットさせることも非常に困難である。ダンパージャーナルとハウジングの間の平行度を維持することは、この設計に不確実性および複雑性を加える別の要因である。
【０００９】
別の油ベースのスクイーズ膜ダンパー設計には、一体式のダンパー復心ばねが含まれる。この設計では、片持ちの支持リブが、それらが両端のところで支持している扇形部と一緒に復心ばね要素を形成する。この扇形部と外側リングの間の小さな隙間がスクイーズ膜ダンパークリアランス空間を形成する。回転かご型ばね設計と違って、この一体式ダンパー復心ばね設計は、軸受によって占有される既存の長さを超えるどのような追加の軸方向空間も占有しない。完成したアセンブリは、荷重と特定の用途に対する要求される剛性およびダンピングに応じて、任意の数の扇形部を含むことができる。ワイヤ放電加工機（ＥＤＭ）は、所望のクリアランスを非常に高い精度で得るための優れた手段とダンパージャーナルとハウジングの間の優れた平行度を維持する再現性とをもたらす。
【００１０】
これらのスクイーズ膜軸受構造によって提供される利点にもかかわらず、油潤滑軸受は、油漏れ、ろ過および導管を伴う、ずっとより高いコストおよびメンテナンスの負担ならびに信頼性の問題点を負わせる。油潤滑軸受のこれらのおよび他の欠点は、業界が追従性エーロフォイル（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ａｉｒ ｆｏｉｌ）軸受を開発することを追及するように導いてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５６０３５７４号
【特許文献２】米国特許第５７４３６５４号
【特許文献３】米国特許第６３７９０４６号
【特許文献４】米国特許第６６３０７６１号
【特許文献５】米国特許第６６９５４７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、今日エーロフォイル技術は、小さな軽量のロータおよび機械、すなわち航空機のエアサイクルマシン（ＡＣＭ）に主として限定されてきている。したがって、空気軸受を航空機に組み込むことの利益はよく理解されているが、実際の設計を展開するためには重大な技術的難問を克服しなければならない。これらの難問には、今日のエーロフォイル軸受技術より相当に高い荷重能力およびダンピングを有するガス軸受を開発することが含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
簡潔に言うと、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受は、複数の追従性ハイブリッド軸受パッドと、この複数の軸受パッドに隣接する内側リム、外側リム、および内側リムと外側リムの間に半径方向かつ同心で挿入されるダンパーブリッジであって、複数の軸受パッドおよび外側リムの軸方向長さより短い軸方向長さを有し、それによってダンパーブリッジの各々の側にダンパー空洞を形成するダンパーブリッジと、ダンパーブリッジの各々の側のダンパー空洞内に位置する一体式ワイヤメッシュダンパーとを備える。
【００１４】
本発明の別の態様では、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受は、少なくとも１つの軸受パッドが、流体静力学的凹部と、加圧ガスの流れを供給するための毛細管リストリクター（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）とを含む複数の追従性ハイブリッド軸受パッドと、この複数の軸受パッドに隣接する内側リム、外側リム、および内側リムと外側リムの間に半径方向かつ同心で挿入されるダンパーブリッジであって、複数の軸受パッドおよび外側リムの軸方向長さより短い軸方向長さを有し、それによってダンパーブリッジの各々の側にダンパー空洞を形成するダンパーブリッジとを備える。
【００１５】
本発明のさらに別の態様では、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受は、少なくとも１つの軸受パッドが、流体静力学的凹部と、加圧ガスの流れを供給するための毛細管リストリクターとを含む複数の追従性ハイブリッド軸受パッドと、この複数の軸受パッドに隣接する内側リム、外側リム、および内側リムと外側リムの間に半径方向かつ同心で挿入されるダンパーブリッジであって、複数の軸受パッドおよび外側リムの軸方向長さより短い軸方向長さを有し、それによってダンパーブリッジの各々の側にダンパー空洞を形成するダンパーブリッジと、ダンパーブリッジの各々の側のダンパー空洞内に位置する一体式ワイヤメッシュダンパーと、内側リムと外側リムの間に配置される複数の一体式復心ばねとを備える。
【００１６】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、同様な文字が複数の図面にわたって同様な部品を示す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受アセンブリの部分横断面斜視図である。
【図２】図１の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受ハウジングの端面図である。
【図３】図２の線３−３に沿ってとられた、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受ハウジングの横断面図である。
【図４】図２の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受ハウジングの軸受ハウジング径間中央扇形部の拡大横断面図である。
【図５】図４の軸受ハウジング径間中央区画の流体静圧学的凹部および毛細管リストリクターの拡大横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
同一の参照番号が様々な図にわたって同じ要素を表示する図面を参照すると、図１から５は、本発明の一実施形態による全体的に１０のところに示される追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受を示す。この軸受１０は、複数の追従性ハイブリッド軸受パッド１２を含む。各軸受パッド１２は、矢印１８の方向に通常回転する回転ロータまたはシャフト１６に近接するパッド表面１４を含む。一実施形態では、この軸受パッド１２は、オフセットする一体式ばねを有する傾いたパッドを備える（図２）。各軸受パッド１２は、軸受パッド１２の重量を最小にするための軸方向スロット２０も含む。各軸受パッド１２のパッド表面１４は、深さ２４および幅２６を有する流体静力学的凹部２２も含む（図５）。例えば、この流体静力学的凹部２２は、軸受表面１４とロータ表面の間のガス膜厚さの２から１０倍の深さを有することができる。図示の実施形態では、流体静力学的凹部２２の面積の軸受表面１４の面積に対する比は約０．０２７である。一般に、軸受表面積に比較した流体静力学的凹部２２の面積が小さいほど、軸受安定性の余地が高くなる。
【００１９】
一実施形態では、この流体静力学的凹部２２は各軸受パッド１２上で中央に配置され、したがって、シャフト１６の周りで対称的に配置される。別の実施形態では、この流体静力学的凹部２２は軸受パッド１２上で中心をずれている。しかしながら、この凹部２２がたとえ軸受パッド１２上で中心がずれていても、この流体静力学的凹部２２をシャフト１６の周りに対称的に配置することが依然として可能である。各流体静力学的凹部２２は、空気、等などの加圧ガスの流れを軸受パッド１２に供給するために、毛細管リストリクター２８と流体連通している。各毛細管リストリクター２８は、圧縮機バイパス流れ等などの加圧ガス源３０に連結される（図１）。一実施形態では、この毛細管リストリクター２８は、流体静力学的凹部２２に対して非対称的に配置される。別の実施形態では、この毛細管リストリクター２８は、流体静力学的凹部２２に対して対称的に配置される。この加圧ガスは、シャフト１６が起動中底に着かないように流体静力学的上昇力を供給する。換言すれば、この加圧ガスは、シャフト１６が回転していなくても、シャフト１６を軸受パッド１２から離れて上昇させることができるように、上昇力を供給する。一実施形態では、このガスは約２０６．８ｋＰａ（３０ｐｓｉｇ）から約１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉｇ）の間の範囲内の圧力を有する。
【００２０】
別の実施形態では、この軸受１０は流体静力学的凹部２２を有さないが、軸受パッド１２の表面１４に対して毛細管リストリクター２８のみ有する。この形態での毛細管リストリクター２８は、軸５４、５８周りで中心におくことができ、あるいは配置を軸５４、５８に対して非対称的にして、軸受パッド１２の前縁に向かってオフセットさせることができる。
【００２１】
図示の実施形態では、この軸受１０は、シャフト１６の周りに対称的に配置される４つの軸受パッド１２を有し、各軸受パッド１２は毛細管リストリクター２８を有する単一の流体静力学的凹部２２を含む。しかしながら、本発明は軸受パッド、凹部および毛細管リストリクターの数によって限定されず、本発明は軸受パッド、凹部およびリストリクターの任意の所望の数で実施できることは理解されるであろう。
【００２２】
図３および４を参照すると、この軸受１０は軸受パッド１２に隣接する内側リム３２、外側リム３４および内側リム３２と外側リム３４の間に半径方向かつ同心に挿入されるダンパーブリッジ３６とを含む。隙間３５が内側リム３２を、全体的に複数の軸受パッド１２に対応する複数の扇形部５０に仕切る。このダンパーブリッジ３６は、軸受パッド１２および外側リム３４の軸方向長さ４０より短い軸方向長さ３８を有し、それによってダンパーブリッジ３６の各側に幅４４を有するダンパー空洞４２を形成する。
【００２３】
本発明の一態様は、軸受１０が内側リム３２と外側リム３４の間に配置される複数の一体式復心ばね４６、４８を含むことである。一実施形態では、軸受１０の各扇形部５０は、１対の一体式復心ばね４６、４８を含み、ばね４６は前縁一体式ばねであり、ばね４８は後縁一体式ばねである。図示の実施形態では、この一体式復心ばね４６、４８は一般に「Ｓ」字形の横断面形状を有する。この一体式復心ばね４６、４８は、ワイヤ放電加工機（ＥＤＭ）の技術を使用して形成することができる。軸受パッド１２と外側リム３４の間の隙間６０は、ばね４６、４８が高速、高温用途のために発生する遠心力および熱の影響に対し適応するための、クリアランス空間を提供する。同様に、このクリアランス空間６０は、軸受パッド重量および軸受アセンブリの全体重量を減少させる。この一体式復心ばね４６、４８は、従来型のバンプフォイル（ｂｕｍｐ ｆｏｉｌ）軸受によって示される非線形挙動と違って、線形挙動をもたらす。この一体式復心ばねの設計は、追加の軸方向長さを必要とする従来型の回転かご型設計と違って、軸受パッド１２の軸方向長さ４０を超えるどのような追加の軸方向空間も占有しない。油ベースの、一体式ワイヤスクイーズ膜ダンパーの一例は、Ｗｅｓｔ Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ，ＲＩのＫＭＣ，Ｉｎｃ．（ｗｗｗ．ｋｍｃｂｅａｒｉｎｇｓ．ｃｏｍ）から商業的に入手可能である。
【００２４】
図４に示すように、各扇形部５０用の対のばね４６、４８は、軸受安定性および荷重能力を大いに高めることを示してきている、傾いたパッドの動きまたはパッド回転を発生させるように軸受パッド１２に対してオフセットしている。換言すれば、このばね４６、４８は、軸受パッド１２に対して非対称に配置される。具体的には、ばね４６の中央線は扇形部５０の水平軸５４に対してある角度５２を形成し、ばね４８の中央線は、水平軸５４に対して実質的に直角な垂直軸５８に対してあるより小さな角度５６を形成する。角度５２より小さい角度５６を有することは、軸受パッド１２上に中心から外れるモーメントを発生させ、それによって軸受パッド１２の広範囲な傾動または回転を作り出す。一実施形態では、角度５２、５６の差は約１０度と約２５度の間の範囲であることができる。例えば、角度５２は約２８度であることができ、角度５６は約１８度、または約１０度の差であることができる。その上、角度５２、５６の差は、高速、高温用途のために発生する遠心力および熱的影響から生じる軸受穴の半径方向伸びを可能にするように、軸受１０の軸受パッド１２が半径方向および回転的に追従性であることを可能にする。図示の実施形態では、軸受１０は各扇形部に１対のばね４６、４８を伴う４つの扇形部５０を有する。しかしながら、本発明は具体的な用途に対する荷重および要求される剛性に応じて、任意の所望の数の扇形部および各扇形部内の任意の所望の数のばねを有して実施できることは理解されるであろう。
【００２５】
上記で説明したように、一体式ばね４６、４８の非対称配置および流体静力学的凹部２２の非対称配置が軸受パッド１２の広範囲な傾動および回転を生じさせる。しかしながら、この軸受パッド１２の広範囲な傾動および回転は、前縁一体式ばね４６に後縁一体式ばね４８より相対的に低い半径方向剛性を与えることによっても達成することができる。例えば、前縁一体式ばね４６は約７５，０００ポンド／インチの半径方向剛性を有することができ、一方後縁一体式ばね４８は約８５，０００ポンド／インチの半径方向剛性を有することができる。ばね４６、４８の間の半径方向剛性のこの差が軸受パッド１２の広範囲な傾動および回転を引き起こす。
【００２６】
本発明の別の態様は、軸受１０がダンパーブリッジ３６の各側のダンパー空洞４２内に位置するオイルフリー一体式ワイヤメッシュダンパー（ＩＷＭＤ）６２を含むことである。換言すれば、このＩＷＭＤ６２は、図１に示すように軸受パッド１２と外側リム３４の間に位置する。このＩＷＭＤ６２は、網構造に編まれた金属ワイヤまたはプラスチック線を備える編まれたワイヤメッシュである。この編み工程がかみ合ったループ（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ ｌｏｏｐ）の網を生じさせる。これらのループは、網を変形させることなく同じ平面内で互いに対し相対的に移動することができ、編まれた網に２方向伸びを与える。引っ張りまたは圧縮応力に曝されるとき、各ループが小さなばねとして振舞うので、編まれた金属は生来的な弾力性を有する。編まれた金属は高い機械的オイルフリーダンピング特性および非線形ばね定数ももたらす。振動および機械的ショックは、激しい共振状態をなくさせ、動的過荷重からの十分な保護を与えるように、効果的に制御することができる。ＩＷＭＤ６２が従来型のエーロフォイル軸受と比較して少なくとも３０倍のダンピングを与えることを調査は示している。このＩＷＭＤ６２は、鋼、インコネル、アルミニウム、銅、タンタル、プラチナ、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレン、等などの様々な材料から作ることができる。ＩＷＭＤ６２の密度および寸法は、具体的な設計用途に合致するように調整することができる。ワイヤメッシュダンパーの一例は、Ｅｄｉｓｏｎ，ＮＪのＭｅｔｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｍｅｔｅｘｃｏｒｐ．ｃｏｍ）から商業的に入手可能である。
【００２７】
本発明の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受１０と従来型の軸受アセンブリの間に重要な相違点が存在する。上記で述べたように、従来型の油ベース一体式ワイヤスクイーズ膜ダンパーは、Ｗｅｓｔ Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ，ＲＩのＫＭＣ，Ｉｎｃ．から商業的に入手可能である。「Ｓ」字形ばねを使用するこのＫＭＣ一体式ワイヤスクイーズ膜ダンパー（ＩＳＦＤ）は、ダンピングが流体を１つの制御空間から別の制御空間に移動させることから生じる軸受支持体である。クリアランス空間またはオリフィスを通る流体のこの移動は、軸受支持システム内でダンピングとして実現される「流体ベース」の粘性消散を作り出す。通常、このスクイーズ膜流体は、ＩＳＦＤが組み込まれる回転要素軸受またはジャーナル軸受の潤滑流体と同じである。従来型のＩＳＦＤ曲げ枢動軸受アセンブリでは、対称的に位置決めされる「Ｓ」字形ばねによって、曲げ枢動軸受パッドを有する各内側リム四分円の半径方向移動が可能になる。この曲げ枢動によって、軸受パッドが曲げ枢動梁の基部周りを枢動または回転するのが可能になる。したがって、この「Ｓ」字形ばねは、半径方向追従性を与え、一方軸受パッド内の回転追従性または付勢は、この曲げ枢動を介して達成される。各々の機構、曲げ枢動および「Ｓ」字形ばねは、単一の機能を有する。
【００２８】
対照的に、一体式ワイヤメッシュダンパー６２を使用する追従性ハイブリッドジャーナル軸受１０は、流体を圧搾するまたは変位させることを介したダンピングを発生させず、そうではなくダンピングは機械的構造、すなわちワイヤメッシュダンパー６２を介して発生する。本発明の軸受１０内の潤滑流体はガスであり、軸受支持体内に粘性消散またはダンピングを全く与えず、ダンピングはクーロン摩擦と組み合わされるヒステリシス構造的ダンピング（ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍｐｉｎｇ）から生じる。この構造的ダンピングは、数千の互いに一斉に曲がる個々のワイヤセグメントから生じ、クーロン摩擦はワイヤの互いの上の微少滑りから生じる。この組み合わせが、特にオイルフリー動作を必要とするあるいはそれから利益を得ることができる機械に対して、優れたオイルフリー源のダンピングを与える。一体式ワイヤメッシュダンパー６２を使用する追従性ハイブリッドジャーナル軸受１０の１つの有利な特徴は、半径方向追従性および回転追従性機能が「Ｓ」字形ばね４６、４８だけを介して達成されることである。これは、本発明の「Ｓ」字形ばね４６、４８が内側リム３２の各四分円または扇形部５０の周りに対称的に配置されていないからである。「Ｓ」字形ばね４６、４８のこの非対称位置決めが、半径方向移動に加え回転を可能にする、個々の軸受パッド１２内での回転的付勢を与える。２重の機能を発揮する１つの機構を有することに加え、別の利点は、曲げ枢動が存在しないために、占有される半径方向空間が減少することであり、これがこの軸受の重量を減少させる。これは、重量が性能に対する主要な駆動要因であるので、宇宙空間用途で卓絶するものとなる。さらなる軸受重量の減少は、「Ｓ」字形ばね４６、４８の間の材料のＥＤＭ機械加工から生じる。
【００２９】
この軸受１０は、ＩＷＭＤ６２の望まれない軸方向移動を防止し、かつ端部プレート圧縮のレベルに応じて剛性およびダンピング係数を同調させるためにも使用できる、ダンパー圧縮ランド６８、７０それぞれを形成する１対の端部プレート６４、６６も含む。
【００３０】
本発明の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受１０は、いくつかの動作モードで使用することができる。１つの動作モードは、純粋に流体動力学的動作モードである。この最も単純な動作モードでは、一体式ワイヤメッシュダンパーを使用するこの追従性ガス軸受は、流体静力学的能力を全く伴わない追従性パッドを有する。この動作モードは、余剰の加圧ガスが実現不可能であった状況に適用可能であろう。この動作モードは、追従性パッドとロータの間に流体動力学を介して圧力を作り出す。この動作モードでは、軸受パッドは所与の荷重に対して対応するロータ回転数のところでロータ表面から離昇するであろう。しかしながら、流体動力学が効いて軸受パッドが離昇する前に、過渡的なこすり区域が存在する。
【００３１】
別の動作モードは、流体動力学的動作からハイブリッド（流体動力学的および流体静力学的）動作までの過渡期から構成される。このモードは、例えば、起動中に外部流体静圧的圧力が使用できなく、この最初の動作形態が流体動力学によって支配されるとき存在するであろう。この状況では、ロータ表面と軸受パッド表面の間に摺動摩擦が存在する、過渡的こすり区域が存在する。最終的に軸受パッドが流体動力学によって離昇する。各軸受パッドに対する流体静力学は、ある回転数のところで開始し始め、ターボ機械台内の主要な作動流体からの放出される圧力ガスを介して動力供給される可能性が最も高いであろう。この点で、軸受はハイブリッドモードで動作している。
【００３２】
別の動作モードは、流体静力学モードからハイブリッドモードへの過渡期である。この状況は、例えば、機械の全動作順序を通して圧力ガスが使用可能なときに存在するであろう。ロータ回転前に圧力ガスを有することは、このガスが過渡期のこすりを防止し、起動トルクを減少させ、かつエンストなどの非常事態での安全なシャットダウンを可能にすることができるので有利である。この動作モードでは、軸受パッドはロータを回転なしで上昇させるであろうが、これは純粋な流体静力学である。ロータが回転数を増加させるとき、流体動力学からの寄与がより優勢になる。高回転数のところで、ハイブリッド動作が達成される。
【００３３】
上記で説明したように、本発明の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受１０は、今日のエーロフォイル軸受設計に固有の低ダンピングおよび低荷重能力特性に対処するオイルフリー軸受設計を提供する。その上、本発明の追従性ハイブリッドガス軸受は、従来型フォイル軸受技術より（３０倍またはそれを超える）ずっと高いダンピング、相当により大きな荷重能力および相当により高い製造再現性を提供する。さらに、本発明のオイルフリーガス軸受は、流体膜または油ベースのダンパー設計と比較するとき、相当なコスト節減をもたらす。
【００３４】
この記載された説明は、最良の形態を含む本発明を開示するための、かつどのような当業者も本発明を作りかつ使用することができるための実施例を使用している。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文字どおりの言語から異ならない構造要素を有する場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの言語からごくわずかな相違を有する均等な構造要素しか含まない場合は、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受
１２ 軸受パッド
１４ パッド表面
１６ ロータまたはシャフト
１８ 矢印
２０ 軸方向スロット
２２ 流体静力学的凹部
２４ 深さ
２６ 幅
２８ 毛細管リストリクター
３２ 内側リム
３４ 外側リム
３５ 隙間
３６ ダンパーブリッジ
３８ 軸方向長さ（ダンパーブリッジ）
４０ 軸方向長さ（軸受パッド）
４２ ダンパー空洞
４４ 幅（ダンパー空洞）
４６ 一体式復心ばね
４８ 一体式復心ばね
５０ 扇形部
５２ 角度
５４ 水平軸
５６ 角度
５８ 垂直軸
６０ 隙間
６２ 一体式ワイヤメッシュダンパー（ＩＷＭＤ）
６４ 端部プレート
６６ 端部プレート
６８ ダンパー圧縮ランド
７０ ダンパー圧縮ランド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に軸受に関し、より詳しくは、一体式ワイヤメッシュダンパーを使用する追従性ハイブリッドガス軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジンターボ機械などの高速機器、および蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機などの航空機転用応用分野は、設計動作速度に到達する前にいくつかの固有周波数または危険速度を通過しなければならない。システムが固有周波数または危険速度で動作するとき、システム／ロータの振動振幅は大きくなる。ロータ不均衡から生じるこれらの振動は、適切にダンピングされない場合、破壊的にまたは壊滅的にさえなる可能性がある。適切なダンピング特性を有する軸受は、機器が安全に危険速度を通過できるように同期回転数振動を制限しまたは減衰させ抑える。さらに、良好な軸受ダンピングは、ロータ固有振動数の分数調波励振を抑えることによって高速でのロータ動的安定性に寄与する。
【０００３】
ターボ機械によって作り出される振動を減衰させるために、流体または油膜ジャーナル軸受が永く使用されてきている。航空機ガスタービンエンジンおよび工業的遠心圧縮機のロータは、振動振幅を制御するために回転かご型復心ばねによって支持される油ベースのスクイーズ膜ダンパー軸受をしばしば使用する。流体膜軸受では、薄い流体膜が回転するジャーナル表面と静止する軸受表面の間に緩衝部を形成し、ロータからの振動を減衰させる。スクイーズ膜ダンパー軸受では、液体、通常油の形態の流体の薄い膜が２つの非回転円筒状表面によって圧搾される。１つの表面は静止し、一方もう１つは復心ばね構造体およびロータの回転に伴う軌道によって位置決めされる。ロータ軌道運動の結果としての流体膜の圧搾が、軸受支持部を介してロータ振動を減衰させる。
【０００４】
最も簡単なスクイーズ膜ダンパー軸受設計は、復心ばねを含まない。回転要素軸受の外側レース、または流体膜軸受の場合の外側軸受シェルは、軸受外側直径とハウジング内側直径の間のクリアランス空間内を浮遊しかつ押圧することができる。この設計形態に機械的復心ばねがないことは、このダンパージャーナルは起動時に底に達しているであろうことを意味する。速度が増加し軸が回転し始めるとき、このダンパーのジャーナル（軸受シェル外側表面）は離昇するであろう。スクイーズ膜ダンパー内の油膜は、従来型の流体膜軸受のような直接的な剛性は生じさせない。しかしながら、このダンパーは直接的な剛性のような挙動を生み出す。この直接的な剛性は、剛性のような（ばね）特性を示す、クロスカップル（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｐｌｅｄ）減衰係数に起因する。
【０００５】
この心に置かれていないダンパーは、スクイーズ膜ダンパー設計の最も非線形なもののうちの１つである。この非線形挙動の原因になる２つの基本的なメカニズムが存在する。この２つの非線形メカニズムの第１は、クロスカップル減衰係数によって生じる非線形特性に帰せられる。この型式のダンパーに存在する非線形挙動の第２の源は、ダンパージャーナルが底に達することの直接的な結果として生じる。
【０００６】
復心ばねをスクイーズ膜ダンパー内に設ける最も簡単な手段は、エラストマーＯリングの使用を介することである。この設計の利点は、その簡単さ、製造の容易さ、および小さな外囲容器内にダンパーを内蔵する能力である。この設計に伴う欠点のうちのいくつかは、エラストマーで達成できる限られた範囲の剛性に帰せられる。材料差異、およびその特性に対する温度および時間の影響に起因して、エラストマー材料に良好な確実性の程度を有する剛性を予測することは困難である。このＯリング設計はクリープも受けやすく、ダンパーを底に達するようにさせ、それは上記で論じたようにバイリニア（ｂｉ−ｌｉｎｅａｒ）ばね挙動に導く可能性がある。
【０００７】
特に航空機エンジンで、最も一般的に使用されるスクイーズ膜ダンパー設計は、回転かご型支持ダンパーである。そのような設計に必要な顕著な特徴は、ダンパー長さと比較して必要とされる比較的大きな軸方向空間である。これがこのダンパー設計の主要な欠点の１つである。このダンパー用の復心ばねを形成する回転かごは、ダンパーそれ自体の軸方向空間の３から４倍の空間を非常にしばしば必要とする。
【０００８】
回転かご型ばねを組み立て、かつジャーナルをクリアランス空間内に復心させることは、特殊な工具および技能を要する。この回転かご型ばねは、ダンパー端部シール設計および組み立ても複雑にする。軸重量に起因する重力荷重に対応するために、ばねアセンブリをオフセットさせることも非常に困難である。ダンパージャーナルとハウジングの間の平行度を維持することは、この設計に不確実性および複雑性を加える別の要因である。
【０００９】
別の油ベースのスクイーズ膜ダンパー設計には、一体式のダンパー復心ばねが含まれる。この設計では、片持ちの支持リブが、それらが両端のところで支持している扇形部と一緒に復心ばね要素を形成する。この扇形部と外側リングの間の小さな隙間がスクイーズ膜ダンパークリアランス空間を形成する。回転かご型ばね設計と違って、この一体式ダンパー復心ばね設計は、軸受によって占有される既存の長さを超えるどのような追加の軸方向空間も占有しない。完成したアセンブリは、荷重と特定の用途に対する要求される剛性およびダンピングに応じて、任意の数の扇形部を含むことができる。ワイヤ放電加工機（ＥＤＭ）は、所望のクリアランスを非常に高い精度で得るための優れた手段とダンパージャーナルとハウジングの間の優れた平行度を維持する再現性とをもたらす。
【００１０】
これらのスクイーズ膜軸受構造によって提供される利点にもかかわらず、油潤滑軸受は、油漏れ、ろ過および導管を伴う、ずっとより高いコストおよびメンテナンスの負担ならびに信頼性の問題点を負わせる。油潤滑軸受のこれらのおよび他の欠点は、業界が追従性エーロフォイル（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ａｉｒ ｆｏｉｌ）軸受を開発することを追及するように導いてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５６０３５７４号
【特許文献２】米国特許第５７４３６５４号
【特許文献３】米国特許第６３７９０４６号
【特許文献４】米国特許第６６３０７６１号
【特許文献５】米国特許第６６９５４７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、今日エーロフォイル技術は、小さな軽量のロータおよび機械、すなわち航空機のエアサイクルマシン（ＡＣＭ）に主として限定されてきている。したがって、空気軸受を航空機に組み込むことの利益はよく理解されているが、実際の設計を展開するためには重大な技術的難問を克服しなければならない。これらの難問には、今日のエーロフォイル軸受技術より相当に高い荷重能力およびダンピングを有するガス軸受を開発することが含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
簡潔に言うと、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受は、複数の追従性ハイブリッド軸受パッドと、この複数の軸受パッドに隣接する内側リム、外側リム、および内側リムと外側リムの間に半径方向かつ同心で挿入されるダンパーブリッジであって、複数の軸受パッドおよび外側リムの軸方向長さより短い軸方向長さを有し、それによってダンパーブリッジの各々の側にダンパー空洞を形成するダンパーブリッジと、ダンパーブリッジの各々の側のダンパー空洞内に位置する一体式ワイヤメッシュダンパーとを備える。
【００１４】
本発明の別の態様では、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受は、少なくとも１つの軸受パッドが、流体静力学的凹部と、加圧ガスの流れを供給するための毛細管リストリクター（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）とを含む複数の追従性ハイブリッド軸受パッドと、この複数の軸受パッドに隣接する内側リム、外側リム、および内側リムと外側リムの間に半径方向かつ同心で挿入されるダンパーブリッジであって、複数の軸受パッドおよび外側リムの軸方向長さより短い軸方向長さを有し、それによってダンパーブリッジの各々の側にダンパー空洞を形成するダンパーブリッジとを備える。
【００１５】
本発明のさらに別の態様では、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受は、少なくとも１つの軸受パッドが、流体静力学的凹部と、加圧ガスの流れを供給するための毛細管リストリクターとを含む複数の追従性ハイブリッド軸受パッドと、この複数の軸受パッドに隣接する内側リム、外側リム、および内側リムと外側リムの間に半径方向かつ同心で挿入されるダンパーブリッジであって、複数の軸受パッドおよび外側リムの軸方向長さより短い軸方向長さを有し、それによってダンパーブリッジの各々の側にダンパー空洞を形成するダンパーブリッジと、ダンパーブリッジの各々の側のダンパー空洞内に位置する一体式ワイヤメッシュダンパーと、内側リムと外側リムの間に配置される複数の一体式復心ばねとを備える。
【００１６】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、同様な文字が複数の図面にわたって同様な部品を示す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受アセンブリの部分横断面斜視図である。
【図２】図１の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受ハウジングの端面図である。
【図３】図２の線３−３に沿ってとられた、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受ハウジングの横断面図である。
【図４】図２の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受ハウジングの軸受ハウジング径間中央扇形部の拡大横断面図である。
【図５】図４の軸受ハウジング径間中央区画の流体静圧学的凹部および毛細管リストリクターの拡大横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
同一の参照番号が様々な図にわたって同じ要素を表示する図面を参照すると、図１から５は、本発明の一実施形態による全体的に１０のところに示される追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受を示す。この軸受１０は、複数の追従性ハイブリッド軸受パッド１２を含む。各軸受パッド１２は、矢印１８の方向に通常回転する回転ロータまたはシャフト１６に近接するパッド表面１４を含む。一実施形態では、この軸受パッド１２は、オフセットする一体式ばねを有する傾いたパッドを備える（図２）。各軸受パッド１２は、軸受パッド１２の重量を最小にするための軸方向スロット２０も含む。各軸受パッド１２のパッド表面１４は、深さ２４および幅２６を有する流体静力学的凹部２２も含む（図５）。例えば、この流体静力学的凹部２２は、軸受表面１４とロータ表面の間のガス膜厚さの２から１０倍の深さを有することができる。図示の実施形態では、流体静力学的凹部２２の面積の軸受表面１４の面積に対する比は約０．０２７である。一般に、軸受表面積に比較した流体静力学的凹部２２の面積が小さいほど、軸受安定性の余地が高くなる。
【００１９】
一実施形態では、この流体静力学的凹部２２は各軸受パッド１２上で中央に配置され、したがって、シャフト１６の周りで対称的に配置される。別の実施形態では、この流体静力学的凹部２２は軸受パッド１２上で中心をずれている。しかしながら、この凹部２２がたとえ軸受パッド１２上で中心がずれていても、この流体静力学的凹部２２をシャフト１６の周りに対称的に配置することが依然として可能である。各流体静力学的凹部２２は、空気、等などの加圧ガスの流れを軸受パッド１２に供給するために、毛細管リストリクター２８と流体連通している。各毛細管リストリクター２８は、圧縮機バイパス流れ等などの加圧ガス源３０に連結される（図１）。一実施形態では、この毛細管リストリクター２８は、流体静力学的凹部２２に対して非対称的に配置される。別の実施形態では、この毛細管リストリクター２８は、流体静力学的凹部２２に対して対称的に配置される。この加圧ガスは、シャフト１６が起動中底に着かないように流体静力学的上昇力を供給する。換言すれば、この加圧ガスは、シャフト１６が回転していなくても、シャフト１６を軸受パッド１２から離れて上昇させることができるように、上昇力を供給する。一実施形態では、このガスは約２０６．８ｋＰａ（３０ｐｓｉｇ）から約１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉｇ）の間の範囲内の圧力を有する。
【００２０】
別の実施形態では、この軸受１０は流体静力学的凹部２２を有さないが、軸受パッド１２の表面１４に対して毛細管リストリクター２８のみ有する。この形態での毛細管リストリクター２８は、軸５４、５８周りで中心におくことができ、あるいは配置を軸５４、５８に対して非対称的にして、軸受パッド１２の前縁に向かってオフセットさせることができる。
【００２１】
図示の実施形態では、この軸受１０は、シャフト１６の周りに対称的に配置される４つの軸受パッド１２を有し、各軸受パッド１２は毛細管リストリクター２８を有する単一の流体静力学的凹部２２を含む。しかしながら、本発明は軸受パッド、凹部および毛細管リストリクターの数によって限定されず、本発明は軸受パッド、凹部およびリストリクターの任意の所望の数で実施できることは理解されるであろう。
【００２２】
図３および４を参照すると、この軸受１０は軸受パッド１２に隣接する内側リム３２、外側リム３４および内側リム３２と外側リム３４の間に半径方向かつ同心に挿入されるダンパーブリッジ３６とを含む。隙間３５が内側リム３２を、全体的に複数の軸受パッド１２に対応する複数の扇形部５０に仕切る。このダンパーブリッジ３６は、軸受パッド１２および外側リム３４の軸方向長さ４０より短い軸方向長さ３８を有し、それによってダンパーブリッジ３６の各側に幅４４を有するダンパー空洞４２を形成する。
【００２３】
本発明の一態様は、軸受１０が内側リム３２と外側リム３４の間に配置される複数の一体式復心ばね４６、４８を含むことである。一実施形態では、軸受１０の各扇形部５０は、１対の一体式復心ばね４６、４８を含み、ばね４６は前縁一体式ばねであり、ばね４８は後縁一体式ばねである。図示の実施形態では、この一体式復心ばね４６、４８は一般に「Ｓ」字形の横断面形状を有する。この一体式復心ばね４６、４８は、ワイヤ放電加工機（ＥＤＭ）の技術を使用して形成することができる。軸受パッド１２と外側リム３４の間の隙間６０は、ばね４６、４８が高速、高温用途のために発生する遠心力および熱の影響に対し適応するための、クリアランス空間を提供する。同様に、このクリアランス空間６０は、軸受パッド重量および軸受アセンブリの全体重量を減少させる。この一体式復心ばね４６、４８は、従来型のバンプフォイル（ｂｕｍｐ ｆｏｉｌ）軸受によって示される非線形挙動と違って、線形挙動をもたらす。この一体式復心ばねの設計は、追加の軸方向長さを必要とする従来型の回転かご型設計と違って、軸受パッド１２の軸方向長さ４０を超えるどのような追加の軸方向空間も占有しない。油ベースの、一体式ワイヤスクイーズ膜ダンパーの一例は、Ｗｅｓｔ Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ，ＲＩのＫＭＣ，Ｉｎｃ．（ｗｗｗ．ｋｍｃｂｅａｒｉｎｇｓ．ｃｏｍ）から商業的に入手可能である。
【００２４】
図４に示すように、各扇形部５０用の対のばね４６、４８は、軸受安定性および荷重能力を大いに高めることを示してきている、傾いたパッドの動きまたはパッド回転を発生させるように軸受パッド１２に対してオフセットしている。換言すれば、このばね４６、４８は、軸受パッド１２に対して非対称に配置される。具体的には、ばね４６の中央線は扇形部５０の水平軸５４に対してある角度５２を形成し、ばね４８の中央線は、水平軸５４に対して実質的に直角な垂直軸５８に対してあるより小さな角度５６を形成する。角度５２より小さい角度５６を有することは、軸受パッド１２上に中心から外れるモーメントを発生させ、それによって軸受パッド１２の広範囲な傾動または回転を作り出す。一実施形態では、角度５２、５６の差は約１０度と約２５度の間の範囲であることができる。例えば、角度５２は約２８度であることができ、角度５６は約１８度、または約１０度の差であることができる。その上、角度５２、５６の差は、高速、高温用途のために発生する遠心力および熱的影響から生じる軸受穴の半径方向伸びを可能にするように、軸受１０の軸受パッド１２が半径方向および回転的に追従性であることを可能にする。図示の実施形態では、軸受１０は各扇形部に１対のばね４６、４８を伴う４つの扇形部５０を有する。しかしながら、本発明は具体的な用途に対する荷重および要求される剛性に応じて、任意の所望の数の扇形部および各扇形部内の任意の所望の数のばねを有して実施できることは理解されるであろう。
【００２５】
上記で説明したように、一体式ばね４６、４８の非対称配置および流体静力学的凹部２２の非対称配置が軸受パッド１２の広範囲な傾動および回転を生じさせる。しかしながら、この軸受パッド１２の広範囲な傾動および回転は、前縁一体式ばね４６に後縁一体式ばね４８より相対的に低い半径方向剛性を与えることによっても達成することができる。例えば、前縁一体式ばね４６は約７５，０００ポンド／インチの半径方向剛性を有することができ、一方後縁一体式ばね４８は約８５，０００ポンド／インチの半径方向剛性を有することができる。ばね４６、４８の間の半径方向剛性のこの差が軸受パッド１２の広範囲な傾動および回転を引き起こす。
【００２６】
本発明の別の態様は、軸受１０がダンパーブリッジ３６の各側のダンパー空洞４２内に位置するオイルフリー一体式ワイヤメッシュダンパー（ＩＷＭＤ）６２を含むことである。換言すれば、このＩＷＭＤ６２は、図１に示すように軸受パッド１２と外側リム３４の間に位置する。このＩＷＭＤ６２は、網構造に編まれた金属ワイヤまたはプラスチック線を備える編まれたワイヤメッシュである。この編み工程がかみ合ったループ（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ ｌｏｏｐ）の網を生じさせる。これらのループは、網を変形させることなく同じ平面内で互いに対し相対的に移動することができ、編まれた網に２方向伸びを与える。引っ張りまたは圧縮応力に曝されるとき、各ループが小さなばねとして振舞うので、編まれた金属は生来的な弾力性を有する。編まれた金属は高い機械的オイルフリーダンピング特性および非線形ばね定数ももたらす。振動および機械的ショックは、激しい共振状態をなくさせ、動的過荷重からの十分な保護を与えるように、効果的に制御することができる。ＩＷＭＤ６２が従来型のエーロフォイル軸受と比較して少なくとも３０倍のダンピングを与えることを調査は示している。このＩＷＭＤ６２は、鋼、インコネル、アルミニウム、銅、タンタル、プラチナ、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレン、等などの様々な材料から作ることができる。ＩＷＭＤ６２の密度および寸法は、具体的な設計用途に合致するように調整することができる。ワイヤメッシュダンパーの一例は、Ｅｄｉｓｏｎ，ＮＪのＭｅｔｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｍｅｔｅｘｃｏｒｐ．ｃｏｍ）から商業的に入手可能である。
【００２７】
本発明の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受１０と従来型の軸受アセンブリの間に重要な相違点が存在する。上記で述べたように、従来型の油ベース一体式ワイヤスクイーズ膜ダンパーは、Ｗｅｓｔ Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ，ＲＩのＫＭＣ，Ｉｎｃ．から商業的に入手可能である。「Ｓ」字形ばねを使用するこのＫＭＣ一体式ワイヤスクイーズ膜ダンパー（ＩＳＦＤ）は、ダンピングが流体を１つの制御空間から別の制御空間に移動させることから生じる軸受支持体である。クリアランス空間またはオリフィスを通る流体のこの移動は、軸受支持システム内でダンピングとして実現される「流体ベース」の粘性消散を作り出す。通常、このスクイーズ膜流体は、ＩＳＦＤが組み込まれる回転要素軸受またはジャーナル軸受の潤滑流体と同じである。従来型のＩＳＦＤ曲げ枢動軸受アセンブリでは、対称的に位置決めされる「Ｓ」字形ばねによって、曲げ枢動軸受パッドを有する各内側リム四分円の半径方向移動が可能になる。この曲げ枢動によって、軸受パッドが曲げ枢動梁の基部周りを枢動または回転するのが可能になる。したがって、この「Ｓ」字形ばねは、半径方向追従性を与え、一方軸受パッド内の回転追従性または付勢は、この曲げ枢動を介して達成される。各々の機構、曲げ枢動および「Ｓ」字形ばねは、単一の機能を有する。
【００２８】
対照的に、一体式ワイヤメッシュダンパー６２を使用する追従性ハイブリッドジャーナル軸受１０は、流体を圧搾するまたは変位させることを介したダンピングを発生させず、そうではなくダンピングは機械的構造、すなわちワイヤメッシュダンパー６２を介して発生する。本発明の軸受１０内の潤滑流体はガスであり、軸受支持体内に粘性消散またはダンピングを全く与えず、ダンピングはクーロン摩擦と組み合わされるヒステリシス構造的ダンピング（ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍｐｉｎｇ）から生じる。この構造的ダンピングは、数千の互いに一斉に曲がる個々のワイヤセグメントから生じ、クーロン摩擦はワイヤの互いの上の微少滑りから生じる。この組み合わせが、特にオイルフリー動作を必要とするあるいはそれから利益を得ることができる機械に対して、優れたオイルフリー源のダンピングを与える。一体式ワイヤメッシュダンパー６２を使用する追従性ハイブリッドジャーナル軸受１０の１つの有利な特徴は、半径方向追従性および回転追従性機能が「Ｓ」字形ばね４６、４８だけを介して達成されることである。これは、本発明の「Ｓ」字形ばね４６、４８が内側リム３２の各四分円または扇形部５０の周りに対称的に配置されていないからである。「Ｓ」字形ばね４６、４８のこの非対称位置決めが、半径方向移動に加え回転を可能にする、個々の軸受パッド１２内での回転的付勢を与える。２重の機能を発揮する１つの機構を有することに加え、別の利点は、曲げ枢動が存在しないために、占有される半径方向空間が減少することであり、これがこの軸受の重量を減少させる。これは、重量が性能に対する主要な駆動要因であるので、宇宙空間用途で卓絶するものとなる。さらなる軸受重量の減少は、「Ｓ」字形ばね４６、４８の間の材料のＥＤＭ機械加工から生じる。
【００２９】
この軸受１０は、ＩＷＭＤ６２の望まれない軸方向移動を防止し、かつ端部プレート圧縮のレベルに応じて剛性およびダンピング係数を同調させるためにも使用できる、ダンパー圧縮ランド６８、７０それぞれを形成する１対の端部プレート６４、６６も含む。
【００３０】
本発明の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受１０は、いくつかの動作モードで使用することができる。１つの動作モードは、純粋に流体動力学的動作モードである。この最も単純な動作モードでは、一体式ワイヤメッシュダンパーを使用するこの追従性ガス軸受は、流体静力学的能力を全く伴わない追従性パッドを有する。この動作モードは、余剰の加圧ガスが実現不可能であった状況に適用可能であろう。この動作モードは、追従性パッドとロータの間に流体動力学を介して圧力を作り出す。この動作モードでは、軸受パッドは所与の荷重に対して対応するロータ回転数のところでロータ表面から離昇するであろう。しかしながら、流体動力学が効いて軸受パッドが離昇する前に、過渡的なこすり区域が存在する。
【００３１】
別の動作モードは、流体動力学的動作からハイブリッド（流体動力学的および流体静力学的）動作までの過渡期から構成される。このモードは、例えば、起動中に外部流体静圧的圧力が使用できなく、この最初の動作形態が流体動力学によって支配されるとき存在するであろう。この状況では、ロータ表面と軸受パッド表面の間に摺動摩擦が存在する、過渡的こすり区域が存在する。最終的に軸受パッドが流体動力学によって離昇する。各軸受パッドに対する流体静力学は、ある回転数のところで開始し始め、ターボ機械台内の主要な作動流体からの放出される圧力ガスを介して動力供給される可能性が最も高いであろう。この点で、軸受はハイブリッドモードで動作している。
【００３２】
別の動作モードは、流体静力学モードからハイブリッドモードへの過渡期である。この状況は、例えば、機械の全動作順序を通して圧力ガスが使用可能なときに存在するであろう。ロータ回転前に圧力ガスを有することは、このガスが過渡期のこすりを防止し、起動トルクを減少させ、かつエンストなどの非常事態での安全なシャットダウンを可能にすることができるので有利である。この動作モードでは、軸受パッドはロータを回転なしで上昇させるであろうが、これは純粋な流体静力学である。ロータが回転数を増加させるとき、流体動力学からの寄与がより優勢になる。高回転数のところで、ハイブリッド動作が達成される。
【００３３】
上記で説明したように、本発明の追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受１０は、今日のエーロフォイル軸受設計に固有の低ダンピングおよび低荷重能力特性に対処するオイルフリー軸受設計を提供する。その上、本発明の追従性ハイブリッドガス軸受は、従来型フォイル軸受技術より（３０倍またはそれを超える）ずっと高いダンピング、相当により大きな荷重能力および相当により高い製造再現性を提供する。さらに、本発明のオイルフリーガス軸受は、流体膜または油ベースのダンパー設計と比較するとき、相当なコスト節減をもたらす。
【００３４】
この記載された説明は、最良の形態を含む本発明を開示するための、かつどのような当業者も本発明を作りかつ使用することができるための実施例を使用している。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文字どおりの言語から異ならない構造要素を有する場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの言語からごくわずかな相違を有する均等な構造要素しか含まない場合は、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受
１２ 軸受パッド
１４ パッド表面
１６ ロータまたはシャフト
１８ 矢印
２０ 軸方向スロット
２２ 流体静力学的凹部
２４ 深さ
２６ 幅
２８ 毛細管リストリクター
３２ 内側リム
３４ 外側リム
３５ 隙間
３６ ダンパーブリッジ
３８ 軸方向長さ（ダンパーブリッジ）
４０ 軸方向長さ（軸受パッド）
４２ ダンパー空洞
４４ 幅（ダンパー空洞）
４６ 一体式復心ばね
４８ 一体式復心ばね
５０ 扇形部
５２ 角度
５４ 水平軸
５６ 角度
５８ 垂直軸
６０ 隙間
６２ 一体式ワイヤメッシュダンパー（ＩＷＭＤ）
６４ 端部プレート
６６ 端部プレート
６８ ダンパー圧縮ランド
７０ ダンパー圧縮ランド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の追従性ハイブリッド軸受パッド（１２）と、
前記複数の軸受パッド（１２）に隣接する内側リム（３２）、外側リム（３４）、および前記内側リム（３２）と外側リム（３４）の間に半径方向にかつ同心で挿入されるダンパーブリッジ（３６）であって、前記複数の軸受パッド（１２）および前記外側リム（３４）の軸方向長さ（４０）より短い軸方向長さ（３８）を有し、それによって該ダンパーブリッジ（３６）の各々の側にダンパー空洞（４２）を形成するダンパーブリッジ（３６）と、
前記ダンパーブリッジ（３６）の各々の側の前記ダンパー空洞（４２）内に位置する一体式ワイヤメッシュダンパー（６２）とを備える、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受（１０）。
【請求項２】
前記内側リム（３２）と前記外側リム（３４）の間に配置される複数の一体式復心ばね（４６、４８）をさらに備える、請求項１記載の軸受。
【請求項３】
前記複数の一体式復心ばね（４６、４８）が「Ｓ」字形の横断面形状を有する、請求項２記載の軸受。
【請求項４】
隙間（３５）が、前記内側リム（３２）を、前記複数の軸受パッド（１２）に全体的に対応する複数の扇形部（５０）に仕切る、請求項２記載の軸受。
【請求項５】
各扇形部（５０）が１対の一体式復心ばね（４６、４８）を含む、請求項４記載の軸受。
【請求項６】
前記１対の一体式復心ばねのうちの一方（４６）が、前記軸受（１０）の水平軸（５４）に対して第１の角度（５２）を形成し、かつ前記１対の一体式復心ばねのうちの他方（４８）が、前記軸受（１０）の垂直軸（５８）に対して第２の角度（５６）を形成し、前記第１の角度（５２）が前記第２の角度（５６）と異なる、請求項５記載の軸受。
【請求項７】
前記１対の一体式復心ばね（４６、４８）のうちの一方が、第１の半径方向剛性を有し、前記１対の一体式復心ばね（４６、４８）のうちの他方が、第１の半径方向剛性と異なる第２の半径方向剛性を有する、請求項５記載の軸受。
【請求項８】
各軸受パッド（１２）が、ある深さ（２４）とある幅（２６）を有する流体静力学的凹部（２２）を伴うパッド表面（１４）を含む、請求項１記載の軸受。
【請求項９】
加圧ガスの流れを前記軸受（１０）に供給するための、前記流体静力学的凹部（２２）と流体連通する毛細管リストリクター（２８）をさらに備える、請求項８記載の軸受。
【請求項１０】
前記毛細管リストリクター（２８）が前記流体静力学的凹部（２２）に対して非対称的に配置される、請求項９記載の軸受。
【請求項１】
複数の追従性ハイブリッド軸受パッド（１２）と、
前記複数の軸受パッド（１２）に隣接する内側リム（３２）、外側リム（３４）、および前記内側リム（３２）と外側リム（３４）の間に半径方向にかつ同心で挿入されるダンパーブリッジ（３６）であって、前記複数の軸受パッド（１２）および前記外側リム（３４）の軸方向長さ（４０）より短い軸方向長さ（３８）を有し、それによって該ダンパーブリッジ（３６）の各々の側にダンパー空洞（４２）を形成するダンパーブリッジ（３６）と、
前記ダンパーブリッジ（３６）の各々の側の前記ダンパー空洞（４２）内に位置する一体式ワイヤメッシュダンパー（６２）とを備える、追従性ハイブリッドガスジャーナル軸受（１０）。
【請求項２】
前記内側リム（３２）と前記外側リム（３４）の間に配置される複数の一体式復心ばね（４６、４８）をさらに備える、請求項１記載の軸受。
【請求項３】
前記複数の一体式復心ばね（４６、４８）が「Ｓ」字形の横断面形状を有する、請求項２記載の軸受。
【請求項４】
隙間（３５）が、前記内側リム（３２）を、前記複数の軸受パッド（１２）に全体的に対応する複数の扇形部（５０）に仕切る、請求項２記載の軸受。
【請求項５】
各扇形部（５０）が１対の一体式復心ばね（４６、４８）を含む、請求項４記載の軸受。
【請求項６】
前記１対の一体式復心ばねのうちの一方（４６）が、前記軸受（１０）の水平軸（５４）に対して第１の角度（５２）を形成し、かつ前記１対の一体式復心ばねのうちの他方（４８）が、前記軸受（１０）の垂直軸（５８）に対して第２の角度（５６）を形成し、前記第１の角度（５２）が前記第２の角度（５６）と異なる、請求項５記載の軸受。
【請求項７】
前記１対の一体式復心ばね（４６、４８）のうちの一方が、第１の半径方向剛性を有し、前記１対の一体式復心ばね（４６、４８）のうちの他方が、第１の半径方向剛性と異なる第２の半径方向剛性を有する、請求項５記載の軸受。
【請求項８】
各軸受パッド（１２）が、ある深さ（２４）とある幅（２６）を有する流体静力学的凹部（２２）を伴うパッド表面（１４）を含む、請求項１記載の軸受。
【請求項９】
加圧ガスの流れを前記軸受（１０）に供給するための、前記流体静力学的凹部（２２）と流体連通する毛細管リストリクター（２８）をさらに備える、請求項８記載の軸受。
【請求項１０】
前記毛細管リストリクター（２８）が前記流体静力学的凹部（２２）に対して非対称的に配置される、請求項９記載の軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１１２４８６（Ｐ２０１０−１１２４８６Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−２８６２６８（Ｐ２００８−２８６２６８）
【出願日】平成２０年１１月７日（２００８．１１．７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８６２６８（Ｐ２００８−２８６２６８）
【出願日】平成２０年１１月７日（２００８．１１．７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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