(57)【要約】【課題】フォイルやフォイルホルダの変形を防ぎ、組立の容易化を図ることができるフォイル軸受を提供する。【解決手段】フォイルホルダと、フォイルホルダに取り付けられ、複数のリーフを円周方向に並べることで軸受面が形成されるフォイルとを備えるフォイル軸受である。各リーフは、軸受面を形成するトップフォイル部と、隣接するリーフのトップフォイル部を支持するバックフォイル部とを備え、バックフォイル部に、軸受面の外周側に延在し、フォイルホルダに固定される固定部を設け、固定部に、フォイルホルダとフォイルとを固定する接着剤が貫入する貫入路を設けた。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられ、複数のリーフを円周方向に並べることで軸受面が形成されるフォイルとを備えるフォイル軸受において、
各リーフは、軸受面を形成するトップフォイル部と、隣接するリーフのトップフォイル部を支持するバックフォイル部とを備え、前記バックフォイル部に、軸受面の外周側に延在し、前記フォイルホルダに固定される固定部を設け、
前記固定部に、フォイルホルダとフォイルとを固定する接着剤が貫入する貫入路を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記貫入路は、切欠き又は穴部にて構成したことを特徴とする請求項１に記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記接着剤は、粘度の高い半固体状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記接着剤は、シリコン粘土であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のフォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンやターボチャージャの主軸はきわめて高速で回転し、タービン翼は高温環境下にある。主軸は油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受によって支持されることも多いが、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合や、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や、液体のせん断による抵抗が問題になる場合には空気動圧軸受が使用される。
【０００３】
両軸受面が剛体で構成される一般的な動圧軸受の場合、使用される回転速度に応じたすきまの管理が重要であり、安定限界を超えるとホワールと呼ばれる振れ回りが生じる。したがって、厳密にすきまを設定しなければ所定の回転速度で運転することができない。特にガスタービンやターボチャージャのように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響ですきまの管理はきわめて困難である。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献１のようなフォイル軸受と呼ばれる軸受がある。これは、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜で軸受面を構成し、薄膜のたわみを許容して荷重を支持する軸受である。通常は、軸受の内周面がトップフォイルと呼ばれる薄板で構成されており、その外周側をバックフォイルと呼ばれるばね状の部材で支持している。軸の回転時には、軸とトップフォイル内径面の間に空気の膜が形成され摺動する。フォイル軸受は、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すきまが自動的に形成されるため、安定性に優れ、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。一般的な動圧軸受は、すきまが直径の1/1000のオーダーであり、直径数mm程度の軸であれば数μm程度のすきまであり、製造時の公差および温度変化の激しい環境下におけるすきま量管理は極めて厳しくなる。一方、フォイル軸受の場合には数十μm程度のすきまを設けることが可能であり、製造やすきま管理が容易である。
【０００５】
フォイル軸受として、バックフォイルを用いるバンプ型ではなく、トップフォイルを分割して一部が重なり合うように設置し、その重なり部分のアンダーフォイルでばね性を与えているリーフ型と呼ばれるフォイル軸受や（特許文献２）、複数枚のフォイルを周方向に並べて組み合わせ、軸受面を構成する多円弧型のフォイル軸受がある（特許文献３）。
【０００６】
前記特許文献に記載された種々のフォイル軸受において、フォイルは、フォイルホルダにねじやスポット溶接などでその一部を固定し、フォイルホルダからの脱落を防いでいる。
【０００７】
溶接を必要としない固定方法として、例えば特許文献４のようなものがある。特許文献４のものは、フォイルホルダの内周面に、フォイルを取り付けるための溝が複数設けられるとともに、フォイルの凸部が、フォイルホルダに設けられた軸方向溝に差し込まれることにより、フォイルの周方向の移動が規制される。また、各フォイルの凸部を抜け止めする係止部材が設けられ、この係止部材は、各フォイルのうち、溝に差し込まれた部分（凸部）に配される。これにより、各フォイルに係止部材が軸方向から当接し、各フォイルの軸方向への移動が規制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３‐２６２２２２号公報
【特許文献２】特公平０２‐０２０８５１号公報
【特許文献３】特開２０１４‐１１９０９４号公報
【特許文献４】特開２０１５‐１４３５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜３のように、フォイルとフォイルホルダとを溶接により固定すると、入熱によりフォイルやフォイルホルダの変形を招き、トップフォイルに歪みが生じて負荷容量等の性能に影響を与えることがある。また、特許文献４のように、溶接を要しない固定方法は、フォイルホルダに複雑な追加工を行なったり、組立後のフォイルに曲げ加工を施す必要が生じたりする等、製造工数の増加を招く。
【００１０】
そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、フォイルやフォイルホルダの変形を防ぎ、組立の容易化を図ることができるフォイル軸受を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のフォイル軸受は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられ、複数のリーフを円周方向に並べることで軸受面が形成されるフォイルとを備えるフォイル軸受において、各リーフは、軸受面を形成するトップフォイル部と、隣接するリーフのトップフォイル部を支持するバックフォイル部とを備え、前記バックフォイル部に、軸受面の外周側に延在し、前記フォイルホルダに固定される固定部を設け、前記固定部に、フォイルホルダとフォイルとを固定する接着剤が貫入する貫入路を設けたものである。
【００１２】
本発明のフォイル軸受によれば、接着剤を介してフォイルとフォイルホルダとを固定することができるため、構造が複雑化することなく、溶接を行う必要もない。さらに、固定部を軸受面外に設け、固定部に設けた貫入路を介して接着剤が貫入するため、固定部に接着剤がかみ込み、せん断方向の接着力を高めることができて、回転方向の抜けに対する抵抗となる。
【００１３】
前記構成において、前記貫入路は、切欠き又は穴部にて構成してもよい。これにより、簡単な構成で貫入路を構成することができる。
【００１４】
前記構成において、前記接着剤は、粘度の高い半固体状であり、特にシリコン粘土であるのが好ましい。接着剤が誤って軸受面に付着すると、軸受面の変形に影響を与え、負荷容量等の軸受性能への影響も懸念される。接着剤として、粘度の高い半固体状のシリコン粘土を用いることで、変形する軸受面の接着を抑制できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のフォイル軸受は、溶接を行う必要がなく、簡単な構成でせん断方向の接着力を高めることができるため、フォイルやフォイルホルダの変形を防ぎ、組立の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ガスタービンの構成を概念的に示す図である。
【図２】上記ガスタービンにおけるロータ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フォイル軸受ユニットの断面図である。
【図４】第一実施形態のフォイル軸受を軸受面側から見た時の平面図である。
【図５】フォイル軸受のリーフを示す平面図である。
【図６】フォイル軸受の２枚のリーフの重ね合わせ状態を示す平面図である。
【図７】図４中のＸ−Ｘ線断面を展開した図である。
【図８】フォイルに接着剤を塗布するための治具であり、（ａ）は治具の平面図、（ｂ）はフォイルに接着剤を塗布する途中状態を示す断面図、（ｃ）はフォイルに接着剤の塗布が完成した状態を示す断面図である。
【図９】第二実施形態のフォイル軸受を軸受面側から見た時の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１に、ターボ機械の一種であるガスタービンの構成を概念的に示す。このガスタービンは、それぞれに翼列を形成したタービン１および圧縮機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、および発電機３には、水平方向に延びる共通の回転軸６が設けられ、この回転軸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。
【００１９】
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、高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が回転軸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を通ってから排ガスとして排出される。
【００２０】
図２に、上記ガスタービンにおけるロータの回転軸６を支持するフォイル軸受ユニット１０を示す。フォイル軸受ユニット１０は、回転軸６と、回転軸６に固定された回転部材２０と、ラジアルフォイル軸受３０と、第１スラストフォイル軸受４０と、第２スラストフォイル軸受５０とを備える。一体に回転する回転軸６と回転部材２０とで軸部材１１が構成される。ラジアルフォイル軸受３０は軸部材１１をラジアル方向で支持し、第１スラストフォイル軸受４０および第２スラストフォイル軸受５０は、軸部材１１を両スラスト方向で支持する。
【００２１】
回転部材２０は、図３に示すように、スリーブ部２１と、スリーブ部２１から外径に突出した円盤状のフランジ部２２とを備える。フランジ部２２は例えば炭素繊維強化複合材で形成され、スリーブ部２１は例えば炭素焼結材で形成される。
【００２２】
以下、第１スラストフォイル軸受４０の構成を説明する。
【００２３】
［スラストフォイル軸受の基本構成］
第１スラストフォイル軸受４０は、図３に示すように、軸部材１１（回転部材２０）のフランジ部２２を軸方向一方側から支持するものであり、図３および図４に示すように、フォイルホルダ４１と、フォイルホルダ４１に、周方向で帯状となるように取り付けられる複数のリーフ４２とを備える。図３に示すように、フォイルホルダ４１は、軸心に穴を有する円盤状のホルダ本体４１ａと、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１の外径端に設けられた環状の固定部材４１ｂとを有する。ホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂで各リーフ４２を軸方向両側から挟み込むことにより、各リーフ４２がフォイルホルダ４１に保持される。
【００２４】
リーフ４２は可撓性を有する薄板であって、図４に示すように、回転方向Ｒ（円周方向）の複数個所に等ピッチで配置される。図５は、回転方向Ｒに並べた複数のリーフ４２のうち、一つのリーフ４２のみを図示して他のリーフの図示を省略したものである。図５に示すように、各リーフ４２は、後述するトップフォイル部Ｔｆおよびバックフォイル部Ｂｆを構成する本体部４２ａと、本体部４２ａから外径側に延びる固定部４２ｂ（クロスハッチングで示す）とを一体に備える。
【００２５】
リーフ４２の本体部４２ａは、回転方向Ｒ側の端部に位置する前端４２１と、反回転方向側の端部に位置する後端４２２と、前端４２１の両側端につながった内径縁部４２３および外径縁部４２４とを有する。前端４２１および後端４２２は、いわゆるヘリングボーン形状をなしており、前端４２１はその両端部の間の領域を回転方向Ｒ側に突出させた凸形状に形成され、後端４２２は、その両端部の間を回転方向Ｒ側に凹ませた凹形状に形成されている。前端４２１および後端４２２は、半径方向の概ね中央領域に頂部４２１ａ，４２２ａを有する。このように前端４２１および後端４２２をヘリングボーン形状に形成することにより、軸部材１１の回転中に流体（例えば空気）をスラスト軸受隙間の半径方向中央領域に引き込む作用を得ることができ、スラストフォイル軸受の負荷容量を高めることが可能となる。本実施形態では、双方の頂部４２１ａ，４２２ａの輪郭形状を円弧にした場合を例示している。
【００２６】
固定部４２ｂは、本体部４２ａの反回転方向側の外径端から、さらに外径側に延在するように形成されている。図４に示すように、回転方向Ｒに配列された各固定部４２ｂは、互いに重なり合うことなくホルダ本体４１ａの同一平面上に配置される。ホルダ本体４１ａ上に並べた各固定部４２ｂ上に固定部材４１ｂを配置し、各リーフ４２の固定部４２ｂ（図５にクロスハッチングで示す）をホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂとで挟み込み、両部材４１ａ，４１ｂを固定することで、各リーフ４２がフォイルホルダ４１に固定される。
【００２７】
図６は、フォイル軸受の２枚のリーフ４２Ａ、４２Ｂの重ね合わせ状態を示す平面図であり、図７は、図４中のＸ−Ｘ線の断面図である。図６及び図７に示すように、第１スラストフォイル軸受４０の各リーフ４２は、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上に、各リーフ４２の半ピッチ分だけ位相をずらしながら回転方向Ｒに部分的に重ね合わせて配置されている。各リーフ４２の前端４２１を含む回転方向先行側の領域（図６においてハッチングで示す）は、隣接するリーフ４２上に乗り上げたトップフォイル部Ｔｆを構成する。また、各リーフ４２の後端４２２を含む反回転方向側の領域（図６においてクロスハッチングで示す）は、隣接するリーフ４２のトップフォイル部Ｔｆの背後で当該トップフォイル部Ｔｆを弾性的に支持するバックフォイル部Ｂｆを構成する。各リーフ４２のトップフォイル部Ｔｆの表面で、フランジ部２２の一方の端面２２ａと対向するスラスト軸受面Ｓが形成される。
【００２８】
図３に示す第２スラストフォイル軸受５０は、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向他方側から支持するものであり、フォイルホルダ５１と、フォイルホルダ５１に固定された複数のリーフ５２とを備える。フォイルホルダ５１は、軸心に穴を有する円盤状のホルダ本体５１ａと、ホルダ本体５１ａの端面５１ａ１の外径端に配置された固定部材５１ｂとを有する。第２スラスト軸受５０の構成は、第１スラスト軸受４０と共通するので、その説明は省略する。
【００２９】
図４に示す第１スラストフォイル軸受４０（第２スラストフォイル軸受５０も含む）では、図７に示すように、各リーフ４２のトップフォイル部Ｔｆが隣接するリーフ４２のバックフォイル部Ｂｆに乗り上げているため、トップフォイル部Ｔｆは傾斜して立ち上がった状態となる。従って、軸部材１１の一方向回転に伴って、各リーフ４２のラジアル軸受面Ｓと軸部材１１の端面（回転部材２０のフランジ部２２の端面２２ａ）との間に楔空間が形成され、この楔空間に生じる流体動圧で軸部材１１がスラスト方向に非接触支持される。
【００３０】
［本発明の特徴的構成］
以上に述べたスラストフォイル軸受４０を基本構造として、本願発明の特徴的構成を説明する。
【００３１】
本発明では、前述のように、各リーフ４２のバックフォイル部Ｂｆに、軸受面の外周側に延在し、フォイルホルダ４１に固定される固定部４２ｂが設けられており、固定部４２ｂに、フォイルホルダ４１とフォイルとを固定する接着剤が貫入する貫入路４３を設けている。
【００３２】
以下、図４及び図７に基づいて、かかる構成の第一の実施形態及び第二の実施形態を説明する。
【００３３】
図４に基づいて第一の実施形態を説明する。
第一の実施形態において、貫入路４３は、各リーフ４２のバックフォイル部Ｂｆを形成する部分（後端４２２と隣接リーフの前端４２１とに挟まれた領域）のみに設けられている。貫入路４３は切欠き４４にて構成される。すなわち、各リーフ４２の固定部４２ｂには、周方向に沿ってほぼ等ピッチで、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１まで貫通する３つの切欠き４４が形成されている。
【００３４】
フォイルとフォイルホルダ４１とは、接着剤を介して固定される。接着剤は、粘度の高い半固体状のものであるのが好ましく、特にシリコン粘土とするのが好ましい。接着剤が誤って軸受面に付着すると、軸受面の変形に影響を与え、負荷容量等の軸受性能への影響も懸念される。接着剤として、粘度の高い半固体状のシリコン粘土を用いることで、変形する軸受面の接着を抑制できる。
【００３５】
接着剤は、貫入路４３（切欠き４４）に充填され、さらに、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１と、各リーフ４２の固定部４２ｂとの間に介在する。このように、接着剤を介してフォイルとフォイルホルダ４１とを固定することができる。これにより、構造が複雑化することなく、溶接を行う必要もないため、フォイルやフォイルホルダ４１の変形を防ぎ、組立の容易化を図ることができる。さらに、固定部４２ｂを軸受面外に設け、固定部４２ｂに設けた貫入路４３を介して接着剤が貫入するため、固定部４２ｂに接着剤がかみ込み、せん断方向の接着力を高めることができて、回転方向の抜けに対する抵抗となる。
【００３６】
図８に、粘度の高い半固体状の接着剤を使用する際の接着剤の量・厚さを均一にする治具４６を示す。治具４６は、接着剤が硬化時に付着しにくい材料にて構成したり、コーティングして構成される。シリコン粘土の場合は、ＰＴＦＥ等にて構成する。治具４６は、固定部４２ｂに対応する位置に穴４７が設けられており、この穴４７に接着剤（図８（ｂ）（ｃ）においてハッチングで示す）を埋め込み、図８（ｂ）のように、治具４６の上面４６ａからはみ出た接着剤をかき取り、図８（ｃ）に示すように除去された状態となる。接着剤が固化した後は、治具を取り外す。
【００３７】
次に図９に基づいて第二の実施形態を説明する。
この第二の実施形態では、貫入路４３は、各リーフ４２のバックフォイル部Ｂｆを形成する部分（後端４２２と隣接リーフの前端４２１とに挟まれた領域）のみに設けられている。貫入路４３は穴部４５にて構成される。すなわち、各リーフ４２の固定部４２ｂには、周方向に沿ってほぼ等ピッチで、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１まで貫通する３つの穴部４５が形成されている。
【００３８】
かかる構成でも、図４に示す第一の実施形態と同様に、接着剤を介してフォイルとフォイルホルダ４１とを固定することができる。これにより、構造が複雑化することなく、溶接を行う必要もないため、フォイルやフォイルホルダ４１の変形を防ぎ、組立の容易化を図ることができる。さらに、固定部４２ｂを軸受面外に設け、固定部４２ｂに設けた貫入路４３を介して接着剤が貫入するため、固定部４２ｂに接着剤がかみ込み、せん断方向の接着力を高めることができて、回転方向の抜けに対する抵抗となる。なお、第一実施形態において、フォイルホルダにも同位相で切欠きを設けてもよく、第二実施形態において、フォイルホルダにも同位相で穴を設けてもよい。
【００３９】
以上に説明したスラストフォイル軸受の適用対象は、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軸受としても使用することができる。また、以上に説明したスラストフォイル軸受は、ガスタービンや過給機等のターボ機械に限らず、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。
【００４０】
また、以上に説明したスラストフォイル軸受は、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できる。さらに、軸部材１１を回転させる場合を説明したが、これとは逆にフォイルホルダ３１，４１，５１側（リーフ側）を回転させる場合にも以上に説明したスラストフォイル軸受を採用することができる。
【００４１】
貫入路は、実施形態では全てのリーフに設けられていたが、任意のリーフに設けてもよい。１つのリーフに設ける切欠きや穴部の数や配設ピッチは任意とすることができる。１つのフォルダで切欠きと穴部とが混在していてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
４１     フォイルホルダ
４２     リーフ
４２ｂ     固定部
４３     貫入路
４４     切欠き
４５     穴部
Ｂｆ     バックフォイル部
Ｔｆ     トップフォイル部
Ｓ       軸受面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020143723.tif 000009
【図８】
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【図９】
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