(57)【要約】【課題】  バックフォイルに発生するうねりを抑制し、負荷容量の向上を図る。【解決手段】  軸と対向する軸受面を有するトップフォイルと、そのトップフォイルの背後でトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイル１８とを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触で支持するフォイル軸受であって、バックフォイル１８は、平坦部２２と、その平坦部２２からトップフォイル側に突出する複数の上凸部２３と、平坦部２２から反トップフォイル側に突出する複数の下凸部２４とを設け、上凸部２３を六角形状の頂点に配置すると共に、下凸部２４を六角形状の中心点に配置したハニカム構造を有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸と対向する軸受面を有するトップフォイルと、前記トップフォイルの背後でトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルとを備え、前記軸と前記軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触で支持するフォイル軸受であって、
前記バックフォイルは、平坦部と、前記平坦部からトップフォイル側に突出する複数の第一突出部と、平坦部から反トップフォイル側に突出する複数の第二突出部とを設け、前記第一突出部を六角形状の頂点に配置すると共に、前記第二突出部を六角形状の中心点に配置したハニカム構造を有することを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
請求項１に記載のフォイル軸受と、前記軸とを備えたフォイル軸受ユニット。
【請求項３】
請求項１に記載のフォイル軸受と、前記軸とを備えたターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受、フォイル軸受ユニットおよびターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の主軸を支持する軸受には、高温および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。このような条件下での使用に適する軸受として、フォイル軸受が着目されている。
【０００３】
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、軸受面の撓みを許容しながら荷重を支持するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１で開示されたフォイル軸受は、軸と対向する軸受面を有するトップフォイルと、そのトップフォイルの背後でトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルとで構成された構造を具備する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１８０６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載のフォイル軸受は、バックフォイルとして、平坦部と、その平坦部からトップフォイル側に突出した複数の上凸部と、平坦部からトップフォイルと反対側に突出した複数の下凸部とからなる構造を有する。
【０００７】
このような平坦部、上凸部および下凸部からなる上下凸形状を設けることで、バックフォイル全体の剛性を小さくして軸受面の柔軟性を高めるようにしている。なお、バックフォイルは、平板からなる基材をプレス加工することにより製作される。
【０００８】
しかしながら、バックフォイルに単純な上下凸形状を設けるだけでは、平板からなるバックフォイルの基材に対して、プレス加工時、上下凸形状を形成する過程で発生する応力分布により、バックフォイルにうねり（平坦度低下）が発生する。
【０００９】
一方、フォイル軸受の負荷容量は、軸とトップフォイルとの間の軸受隙間を小さくすることで向上させることができる。
【００１０】
しかしながら、前述のようにバックフォイル全体の剛性を小さくしても、バックフォイル自体にうねりがあると、トップフォイルの軸受面が局所的に軸と接触してしまう。これは、フォイル軸受の負荷容量の向上を阻害することになる。
【００１１】
そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、バックフォイルに発生するうねりを抑制し、負荷容量の向上を図り得るフォイル軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るフォイル軸受は、軸と対向する軸受面を有するトップフォイルと、そのトップフォイルの背後でトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルとを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触で支持する構造を具備する。
【００１３】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明におけるバックフォイルは、平坦部と、その平坦部からトップフォイル側に突出する複数の第一突出部と、平坦部から反トップフォイル側に突出する複数の第二突出部とを設け、第一突出部を六角形状の頂点に配置すると共に、第二突出部を六角形状の中心点に配置したハニカム構造を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明では、第一突出部を六角形状の頂点に配置すると共に、第二突出部を六角形状の中心点に配置したハニカム構造を採用したことにより、バックフォイルの製作時、第一突出部および第二突出部を形成する過程で発生する応力分布によるうねりが、六角形状の頂点に配置された第一突出部の内側部分で完結する。その結果、バックフォイル全体にうねりが波及せず、うねりを最小限に抑制することができる。
【００１５】
本発明のフォイル軸受と、軸とを備えたフォイル軸受ユニットおよびターボ機械として構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、バックフォイルの製作時、第一突出部および第二突出部を形成する過程で発生する応力分布によるうねりが、六角形状の頂点に配置された第一突出部の内側部分で完結する。その結果、バックフォイル全体にうねりが波及せず、うねりを最小限に抑制することができる。
【００１７】
このように、バックフォイル全体でうねりを最小限に抑制できることから、トップフォイルの軸受面が軸と接触することを回避できるので、フォイル軸受の負荷容量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスタービンの概略構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】フォイル軸受を示す断面図である。
【図４】図３のトップフォイルおよびバックフォイルを示す断面図である。
【図５】実施形態のバックフォイルを示す平面図である。
【図６】比較例１のバックフォイルを示す平面図である。
【図７】比較例２のバックフォイルを示す平面図である。
【図８】バックフォイルの成形時に作用する応力を説明するための図である。
【図９】バックフォイルの成形後のスプリングバックを説明するための図である。
【図１０】図６のＰ−Ｐ線および図７のＱ−Ｑ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るフォイル軸受の実施形態を図面に基づいて以下に詳述する。なお、フォイル軸受を説明する前に、フォイル軸受を適用するガスタービンについて説明する。
【００２０】
図１はターボ機械の一例として、ガスタービン１０の概略構成を示す。ガスタービン１０の主要部は、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とで構成されている。
【００２１】
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。圧縮機２が設けられた軸６の軸方向一端は、発電機３に連結されている。
【００２２】
ガスタービン１０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。
【００２３】
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、その発電機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。
【００２４】
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、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、燃焼後のガスの熱が再利用される。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。
【００２５】
図２はガスタービン１０におけるロータ支持構造の概略構成を示す。ロータ支持構造では、軸６の周囲にラジアル軸受１１が配置され、軸６に設けたフランジ部１２の軸方向両側にスラスト軸受１３が配置される。ラジアル軸受１１およびスラスト軸受１３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。
【００２６】
ロータ支持構造において、タービン１と圧縮機２との間の領域は、高温高圧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、このロータ支持構造で使用する軸受としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。
【００２７】
次に、ロータ支持構造に適合するフォイル軸受を以下に詳述する。実施形態では、フォイル軸受をスラスト軸受１３（以下、フォイル軸受１３と称す）に適用した場合を例示する。フォイル軸受１３、軸６およびフランジ部１２によってフォイル軸受ユニット１４が構成される。
【００２８】
実施形態のフォイル軸受１３は、図３に示すように、軸６のフランジ部１２との間に形成される流体膜である空気膜で、軸６をスラスト両方向に非接触で支持する。フォイル軸受１３は、円盤状のフォイルホルダ１５と、金属薄板からなるトップフォイル１７およびバックフォイル１８とを有する。
【００２９】
フォイルホルダ１５は、軸６が挿入される内孔１９を有する金属製または樹脂製の中空円盤状部材である。フォイルホルダ１５の一方の端面１６には、トップフォイル１７およびバックフォイル１８が取り付けられている。フォイルホルダ１５の他方の端面２０は、ガスタービン１０のハウジングに固定される。
【００３０】
トップフォイル１７は、図４に示すように、凹凸のない滑らかな軸受面２５を有する。バックフォイル１８は、トップフォイル１７の真下に重ねて配置され、トップフォイル１７を背後から支持する。トップフォイル１７の軸受面２５とフランジ部１２の端面２１との間に軸受隙間２６が形成される。
【００３１】
トップフォイル１７およびバックフォイル１８は、ばね性に富み、かつ加工性の良い金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。トップフォイル１７およびバックフォイル１８は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属薄板で形成される。
【００３２】
この実施形態のように、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、ステンレス鋼あるいは青銅でトップフォイル１７およびバックフォイル１８を形成することが有効である。
【００３３】
バックフォイル１８は、図４に示すように、平坦部２２と、その平坦部２２からトップフォイル１７側に突出した複数の第一突出部である上凸部２３と、平坦部２２からトップフォイル１７と反対側（フォイルホルダ１５側）に突出した複数の第二突出部である下凸部２４とで構成されている。
【００３４】
バックフォイル１８の平坦部２２、上凸部２３および下凸部２４は、均一な肉厚を有する。上凸部２３および下凸部２４は、略半球状に形成されている。バックフォイル１８をトップフォイル１７側から見た場合、下凸部２４が存在する領域は凹部となる。上凸部２３は、トップフォイル１７の軸受面２５と反対側の面に接触し、下凸部２４は、フォイルホルダ１５の端面１６に接触する。
【００３５】
バックフォイル１８は、金属薄板（フォイル）をプレス加工することにより製作される。つまり、打ち抜き加工や放電加工により所定形状の金属薄板を形成した後、この金属薄板にプレス加工を施して、平坦部２２、上凸部２３および下凸部２４を同時に成形することで、バックフォイル１８が製作される。
【００３６】
実施形態のバックフォイル１８は、図５に示すような配置パターンで、上凸部２３および下凸部２４が平坦部２２の全域に分散して配置されている。なお、図５では、凹部となる下凸部２４にハッチングを付している。
【００３７】
上凸部２３および下凸部２４の配置パターンについて、実施形態のバックフォイル１８と比較するため、比較例１のバックフォイル１１８を図６に例示し、比較例２のバックフォイル２１８を図７に例示する。
【００３８】
図６に示す比較例１のバックフォイル１１８は、平坦部１２２に上凸部１２３と下凸部１２４とを交互（横方向）に一列（縦方向）に並べた配置パターンを有する。図７に示す比較例２のバックフォイル２１８は、平坦部２２２に上凸部２２３と下凸部２２４とを互い違い（縦横方向）に並べた配置パターンを有する。
【００３９】
ここで、バックフォイル１１８，２１８の一つの上凸部１２３，２２３を図８に拡大表示する。図８は、上凸部１２３，２２３を例示するが、下凸部１２４，２２４も同様である。バックフォイル１１８，２１８は、プレス加工時、平坦な金属薄板に対して凸形状の金型を押し当て、金属薄板を塑性変形させることにより製作される。
【００４０】
この時、金属薄板内での応力分布は、図８に示すように、上凸部１２３，２２３の内周面で圧縮応力が作用し、上凸部１２３，２２３の外周面で引張応力が作用する。このため、プレス荷重が取り除かれると、図９に示すように、スプリングバックによりバックフォイル１１８，２１８にうねりが発生する。
【００４１】
図１０は、図６のＰ−Ｐ線および図７のＱ−Ｑ線に沿う断面を示す。このような断面をとった場合、比較例１，２のバックフォイル１１８，２１８では、上凸部１２３，２２３が一直線上に並ぶことになる。
【００４２】
このように、上凸部１２３，２２３が一直線上に並ぶ部位では、図１０に示すように、個々の局所的なうねりが面全体に波及して大きなうねり（平坦度低下）に繋がる。バックフォイル１１８，２１８の平坦度が低下すると、均一な軸受隙間を形成し難くなり、フォイル軸受の負荷容量が低下することになる。
【００４３】
そこで、実施形態のバックフォイル１８は、図５に示すように、上凸部２３を六角形状の頂点（図５の一点鎖線参照）に配置すると共に、下凸部２４を六角形状の中心点に配置したハニカム構造を有する。このハニカム構造では、上凸部２３あるいは下凸部２４がいずれの方向についても一直線上に並ぶことはない。
【００４４】
このように、上凸部２３を六角形状の頂点に配置すると共に、下凸部２４を六角形状の中心点に配置したハニカム構造を採用したことにより、バックフォイル１８の製作時、プレス加工により上凸部２３および下凸部２４を形成する過程で発生する応力分布によるうねりが、六角形状の頂点に配置された上凸部２３の内側部分で完結する。
【００４５】
これにより、バックフォイル１８全体にうねりが波及せず、うねりを最小限に抑制することができる。その結果、トップフォイル１７の軸受面２５（図４参照）がフランジ部１２の端面２１と接触することを回避できるので、フォイル軸受１３の負荷容量を向上させることができる。
【００４６】
以上の実施形態では、フォイル軸受１３をスラスト軸受に適用した場合を例示したが、ラジアル軸受１１（図２参照）にも適用可能である。また、流体膜として、空気を使用した空気動圧軸受を例示したが、流体膜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。
【００４７】
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００４８】
６  軸
１０  ターボ機械（ガスタービン）
１３  フォイル軸受
１４  フォイル軸受ユニット
１７  トップフォイル
１８  バックフォイル
２２  平坦部
２３  第一突出部（上凸部）
２４  第二突出部（下凸部）
２５  軸受面
２６  軸受隙間
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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