(57)【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、円周方向一方の端部を自由端とした複数のリーフフォイルとを備え、リーフフォイルに設けられた軸受面で楔状の軸受隙間を形成し、この軸受隙間に生じる流体膜で回転部材を支持するフォイル軸受であって、
リーフフォイルの自由端に、複数の切り欠き部と、前記軸受面に連続した複数のランド部とを交互に設け、
各ランド部の幅を、円周方向一方側へ向けて徐々に狭めたことを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
リーフフォイルの自由端をジグザグ状に形成した請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項３】
リーフフォイルの自由端を波形に形成した請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項４】
１枚のフォイルに、複数のリーフフォイルと、複数のリーフフォイルを連結する連結部とを一体に設けた請求項１〜３の何れかに記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記フォイルを複数組み合せてフォイル部材を構成した請求項４記載のフォイル軸受。
【請求項６】
リーフフォイルの軸受面に被膜を設けた請求項１〜５の何れかに記載のフォイル軸受。
【請求項７】
リーフフォイルの軸受面と反対側の面に被膜を設けた請求項１〜６の何れかに記載のフォイル軸受。
【請求項８】
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６又は７記載のフォイル軸受。
【請求項９】
回転部材をスラスト方向に支持する請求項１〜８の何れかに記載のフォイル軸受。
【請求項１０】
回転部材をラジアル方向に支持する請求項１〜８の何れかに記載のフォイル軸受。
【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の何れかに記載のフォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜状のリーフフォイルに形成された軸受面と、この軸受面で形成される楔状の軸受隙間に生じる流体膜の圧力で、回転部材を支持する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、回転軸をラジアル方向に支持するフォイル軸受が示されている。また、特許文献４〜６には、回転軸をスラスト方向に支持する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２００２−３６４６４３号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２２２２号公報
【特許文献３】特開２００９−２９９７４８号公報
【特許文献４】実開昭６１−３６７２５号公報
【特許文献５】実開昭６１−３８３２１号公報
【特許文献６】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】
例えば、図２０に示すフォイル軸受１００は、スラスト方向の支持に用いられるものであり、複数（図示例では８枚）のリーフフォイル１１０を有するいわゆるリーフ型のフォイル軸受である。各リーフフォイル１１０は、円周方向一端が自由端１１１とされ、円周方向他端が固定端１１２として円盤状のスラスト部材１２０の端面に固定される。各リーフフォイル１１０にはスラスト軸受面１１３が形成される。図２１に示すように、回転部材１３０の端面１３１とリーフフォイル１１０のスラスト軸受面１１３との間には、楔状のスラスト軸受隙間１４０が形成される。リーフフォイル１１０の自由端１１１付近においてスラスト軸受隙間１４０の小隙間部１４１が形成され、自由端１１１を越えた直後（図示例では固定端１１２付近）にスラスト軸受隙間１４０の大隙間部１４２が形成される。回転部材１３０が矢印Ｃ方向に回転すると、スラスト軸受隙間１４０の流体膜が流動する。このとき、小隙間部１４１を流れる流体は高圧となり、大隙間部１４２を流れる流体は相対的に低圧となる。従って、図２２に示すように、リーフフォイル１１０の自由端１１１付近には高圧領域Ｈが形成され、リーフフォイル１１０の固定端１１２付近には低圧領域Ｌが形成される。尚、図２１のバネ１５０は、リーフフォイル１１０のバネ性を模式的に表すものである。
【０００８】
このとき、大隙間部１４２を流れる流体の流速は均一ではない。すなわち、大隙間部１４２のうち、回転部材１３０の端面付近（図示例では上方部分）では、小隙間部１４１（高圧領域Ｈ）から高圧の流体が流入することで流速が速くなる（図２１の矢印ｖ1’参照）。一方、大隙間部１４２のうち、スラスト軸受面１１３付近（図示例では下方部分）における流体は、小隙間部１４１から流入する高圧の流体の影響を受けにくいため、流速が遅い（図２１の矢印ｖ2’参照）。このため、大隙間部１４２の図中下方部分の流体は小隙間部１４１へほとんど流入せず、小隙間部１４１における流体の圧力が高まりにくい。
【０００９】
以上のような問題は、リーフ型のフォイル軸受に生じる問題であり、スラスト方向に支持に用いられるフォイル軸受だけでなく、ラジアル方向の支持に用いられるフォイル軸受においても同様に生じる。
【００１０】
そこで、本発明は、軸受隙間に生じる流体の圧力を高め、リーフ型の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】
【００１１】
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、円周方向一端を自由端とした複数のリーフフォイルとを備え、リーフフォイルに設けられた軸受面で楔状の軸受隙間を形成し、この軸受隙間に生じる流体膜で回転部材を支持するフォイル軸受であって、リーフフォイルの自由端に、複数の切り欠き部と、軸受面に連続した複数のランド部とを交互に設けたことを特徴とする。
【００１２】
このように、リーフフォイルの自由端に、複数の切り欠き部及びランド部を交互に設けることで、軸受隙間の流体をダイナミックに流動させ、軸受隙間の流体の圧力を高めることができる。その理由は次の通りである。例えば図６に示すように、リーフフォイル３０の自由端３１をジグザグ状に形成し、複数の切り欠き部３１ａ及びランド部３１ｂを交互に設けた場合、図４に示すように、自由端３１付近にスラスト軸受隙間Ｔの小隙間部Ｔ１が形成され、回転部材（フランジ部４０）が矢印Ｄ方向に回転すると、小隙間部Ｔ１の流体の圧力が高められる。この高圧の流体の一部が、切り欠き部３１ａを介してリーフフォイル３０の裏側（軸受面３３と反対側）に抜けることにより（図４の矢印Ａ参照）、スラスト軸受隙間Ｔの大隙間部Ｔ２のスラスト部材２１側部分（図中下方部分）の流体が流動する（図４の矢印ｖ2参照）。その結果、スラスト軸受隙間Ｔの大隙間部Ｔ２における流体の運動量が増大して、図２１に示す場合と比べて大隙間部Ｔ２から小隙間部Ｔ１へ流入する流体の量が増えるため、小隙間部Ｔ１における圧力が高められる。
【００１３】
リーフフォイルの自由端は、例えばジグザグ状（図５及び図６参照）に形成したり、波形（図７参照）に形成したりすることができる。
【００１４】
上記のフォイル軸受では、例えば、１枚のフォイルに、複数のリーフフォイルと、複数のリーフフォイルを連結する連結部とを一体に設けることができる。これにより、複数のリーフフォイルを一度に固定部材又は回転部材に取り付けることができる。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れば、より多くのリーフフォイルの一度に固定部材又は回転部材に取り付けることができる。
【００１５】
上記のようなフォイル軸受は、高速運転時にはリーフフォイルの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、リーフフォイルの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リーフフォイルを挟んで接触し、リーフフォイルの表面が損傷する恐れがある。このため、リーフフォイルの軸受面に被膜を設け、損傷を防止することが好ましい。
【００１６】
また、複数のリーフフォイル同士、あるいは、リーフフォイルとリーフ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、リーフフォイルの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。
【００１７】
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。
【００１８】
以上のような構成は、スラスト方向の支持に用いられるフォイル軸受だけでなく、ラジアル方向の支持に用いられるフォイル軸受にも適用できる。
【００１９】
また、以上のようなフォイル軸受は、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】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、軸受隙間の流体の運動量を増大させることにより、軸受隙間に生じる流体膜の圧力が高められ、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】
【００２１】
【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スラストフォイル軸受であって、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フォイルの平面図である。
【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フォイルの平面図である。
【図８】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受のリーフフォイルの平面図である。
【図９】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の軸受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斜視図である。
【図１２】図１１のスラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は、図１１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１４】本発明の実施形態に係るラジアルフォイル軸受のフォイルの平面図である。
【図１５】上記ラジアルフォイル軸受の断面図である。
【図１６】他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の断面図である。
【図１７】上記ラジアルフォイル軸受のフォイル部材の斜視図である。
【図１８】（ａ）は上記フォイル部材の組立方法を説明する平面図であり、（ｂ）は同側面図である。
【図１９】過給機を概念的に示す図である。
【図２０】従来のフォイル軸受の斜視図である。
【図２１】図２０のフォイル軸受の側面図である。
【図２２】図２０のフォイル軸受のリーフフォイルの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
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。
【００２４】
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。本実施形態では、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受をスラストフォイル軸受２０に適用した場合を説明する。
【００２５】
ラジアルフォイル軸受１０は、図３に示すように、内周に軸６が挿入され、ケーシング４２（図２参照）に固定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フォイル（リーフ１２）とで構成される。
【００２６】
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。
【００２７】
各リーフ１２は、金属製のフォイルで形成され、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。
【００２８】
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との間に配された複数のリーフフォイル（リーフ３０）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に円周方向等間隔に並べた状態で固定された複数のリーフ３０とで構成される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１０の各リーフ３０のスラスト軸受面３３とフランジ部４０の軸方向両側の端面４１との間に、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。
【００３２】
このとき、図４に示すように、スラスト軸受隙間Ｔの小隙間部Ｔ１における高圧の流体の一部は、そのまま軸６の回転方向先行側に抜け、これにより大隙間部Ｔ２のフランジ部４０付近（図中上方部分）の流体が流動する（図４の矢印ｖ1参照）。これと同時に、小隙間部Ｔ１の流体の一部が切り欠き部３１ａを介してリーフ３０の裏側（図中下方）に抜けることにより、大隙間部Ｔ２のスラスト軸受面３３付近（図中下方部分）の流体が流動する（図４の矢印ｖ2参照）。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。
【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及びフランジ部４０の端面４１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、上記のような皮膜は、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。
【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】
リーフ３０の自由端３１の形状は上記に限らず、例えば図７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８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７参照）、円弧形状（図８参照）の他、矩形や台形としてもよい（図示省略）。
【００３８】
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、これに限らず、例えば図９及び図１０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の軸受部材２０ａ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９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９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１０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。
【００３９】
また、上記の実施形態では、複数のリーフフォイル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フォイルを形成してもよい。例えば図１１に示す実施形態では、複数のリーフフォイルを有する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。
【００４０】
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１１及び図１３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）。
【００４１】
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１２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。これらの切り込み６４、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６１の円周方向他方の端部６１ｂ（図１２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。
【００４２】
２枚のフォイル６０、６０’は、図１３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１３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。
【００４３】
まず、図１３（ａ）に示す２枚のフォイル６０、６０’を、図１３（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１３（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１１に示す軸受部材２０ａが完成する。
【００４４】
また、上記の実施形態では、ロータをスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に本発明を適用した場合を示したが、これに限らず、ロータをラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受に本発明を適用することもできる。例えば、図１４に示すように、外方部材１１（固定部材）に取り付けられたリーフ１２の自由端１２ａに、複数の切り欠き部１２ａ１と、ラジアル軸受面１２ｃに連続した複数のランド部１２ｂとを交互に設けることができる。これにより、図１５に示すように、ラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間のラジアル軸受隙間Ｒのうち、ラジアル軸受面１２ｃの自由端１２ａ付近で形成される小隙間部Ｒ１の流体が、切り欠き部１２ａ１を介して外径側に流動する（矢印Ｂ参照）。これにより、大隙間部Ｒ２の流体をダイナミックに流動させることができ、大隙間部Ｒ２から小隙間部Ｒ１に流入する流体量を増やして小隙間部Ｒ１における圧力を高めることができる。
【００４５】
また、上記のラジアルフォイル軸受１０において、複数のリーフを一枚のフォイルで構成することもできる。例えば図１６及び図１７に示すフォイル部材７０は、一枚の帯状フォイルを軸６周りに周回させることで、半径方向にフォイルを重ねた渦巻き状の形態をなす。本実施形態では、周回数を２回とし、フォイルの両端７０ｂ、７０ｃを円周方向のほぼ同位置に配置した場合を例示している。これによりフォイル部材７０の略全周にわたって、２つのフォイルを半径方向で重ねた二重フォイル部Ｗが形成される。二重フォイル部Ｗのうち、外側のフォイルを部分的に内径側に立ち上げることにより、内径端を自由端とした第一リーフ７１が形成され、内側のフォイルを部分的に内径側に立ち上げることにより、内径端を自由端とした第二リーフ７２が形成される。第一リーフ７１および第二リーフ７２は、フォイルの両端部７０ｂ、７０ｃ付近を除いて円周方向で交互に配置されている。
【００４６】
第一リーフ７１および第二リーフ７２の内周面は外径側を凸とする曲面状の軸受面７０ｄを構成し、この軸受面７０ｄと軸６の外周面６ａとの間に、軸６の回転方向に向かって縮小する楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成される。各リーフ７１、７２の自由端は、回転方向先行側に隣接する他のリーフと半径方でオーバーラップしている。
【００４７】
図１８に示すフォイル部材７０の製作に際しては、まず、図１８（ａ）に示すように、金属製の平板状フォイル７０の一方の側縁部に、ワイヤカット加工やプレス加工により適宜の間隔で複数のＬ字型の切込み７３を形成する。この時、他方の側縁部７６および隣接する切り込み７３間の領域７７は、分断することなく一体状態にして残す。次に、同図（ｂ）に示すように、切り込み７３で形成された舌片部７４を同方向に折り曲げ、その後、各舌片部７４を内径側にして平板状フォイル７０を二重の渦巻き状にローリングさせる。二巻き目のフォイルをローリングさせる際には、一巻き目の隣接する舌片部７４の間に、二巻き目の舌片部７４を配置する。この時、二巻き目の舌片部７４は、舌片部７４を切り起こすことで一巻き目のフォイル７０に形成された開口部７５を通して一巻き目の舌片部７４の間に導入する。以上の手順により、各舌片部７４で第一リーフ７１および第二リーフ７２が形成される。これらのリーフ７１、７２は、側縁部７６、および隣接する切り込み間の領域７７を一体に有する環状部７０ｅで弾性変形可能に保持される。
【００４８】
以上の手順で製作したフォイル部材７０は、外方部材１１の内径側に配置した状態で、その一端を外方部材１１に取り付けることにより、外方部材１１に固定される。例えば上述したフォイル部材７０の製作工程で、帯状フォイルの一端部に外径方向に起立する取り付け部７０ａを形成し、この取り付け部７０ａを外方部材１１の内周に形成した軸方向溝１１ｂに嵌合固定することで、フォイル部材７０を外方部材１１に固定することができる。
【００４９】
以上の実施形態では、リーフフォイルを固定部材（スラスト部材２１、外方部材１１）に取り付けた場合を示したが、リーフフォイルを回転部材（軸６、フランジ部４０）に取り付けてもよい。この場合、リーフフォイル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が形成される。ただし、この場合、リーフフォイルが軸６と共に高速で回転することとなるため、遠心力によりリーフフォイルが変形する恐れがある。特に、スラストフォイル軸受２０のリーフフォイルを回転させると、遠心力でリーフフォイルが変形する恐れが高い。従って、リーフフォイルの変形を回避する観点からは、リーフフォイルを固定部材に取り付けることが好ましい。
【００５０】
また、以上の実施形態では、スラストフォイル軸受２０が、フランジ部４０の軸方向両側に軸受部材２０ａを有し、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。
【００５１】
また、以上の実施形態では、本発明に係るフォイル軸受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１９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。
【００５２】
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。
【００５３】
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】
【００５４】
１     タービン
２     圧縮機
３     発電機
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
２１   スラスト部材（固定部材）
３０   リーフ（リーフフォイル）
３１   自由端
３１ａ 切り欠き部
３１ｂ ランド部
３２   固定端
３３   スラスト軸受面
４０   フランジ部（回転部材）
Ｈ     高圧領域
Ｌ     低圧領域
Ｒ     ラジアル軸受隙間
Ｔ     スラスト軸受隙間
Ｔ１   小隙間部
Ｔ２   大隙間部
【図１】
0005840423.tif 000002
【図２】
0005840423.tif 000003
【図３】
0005840423.tif 000004
【図４】
0005840423.tif 000005
【図５】
0005840423.tif 000006
【図６】
0005840423.tif 000007
【図７】
0005840423.tif 000008
【図８】
0005840423.tif 000009
【図９】
0005840423.tif 000010
【図１０】
0005840423.tif 000011
【図１１】
0005840423.tif 000012
【図１２】
0005840423.tif 000013
【図１３】
0005840423.tif 000014
【図１４】
0005840423.tif 000015
【図１５】
0005840423.tif 000016
【図１６】
0005840423.tif 000017
【図１７】
0005840423.tif 000018
【図１８】
0005840423.tif 000019
【図１９】
0005840423.tif 000020
【図２０】
0005840423.tif 000021
【図２１】
0005840423.tif 000022
【図２２】
0005840423.tif 000023