(57)【要約】【課題】本発明では、形成する被膜の材質を問わず、フォイルに可撓性を持たせ、フォイルの反りを防止することを課題とする。【解決手段】フォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１に取り付けられたフォイル１３とを備え、軸６を相対回転自在に支持するフォイル軸受１０であって、フォイル１３は、軸６を支持する軸受面Ｓに摺動層１４を有し、摺動層１４は、フォイル１３の母材と異なる材質によって形成され、フォイル軸受１０の周方向に分割された複数の領域１４ａからなることを特徴とする。【選択図】図５
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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たフォイルとを備え、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、
前記フォイルは、前記軸を支持する面に摺動層を有し、
前記摺動層は、前記フォイルの母材と異なる材質によって形成され、フォイル軸受の周方向に分割された複数の領域からなることを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
請求項１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、フォイル軸受を備えた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軸を支持する軸受として、フォイル軸受が着目されている。フォイル軸受は、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しながら荷重を支持するものである（例えば、特許文献１）。
【０００３】
上記のフォイル軸受は、軸とフォイルとの間に媒介される流体（気体）によって軸を非接触支持しており、起動停止時には軸とフォイルとの間で接触が生じる。このため、フォイル表面の耐摩耗性や耐久性を向上させるために、フォイルの軸受面にＤＬＣや二硫化モリブデン、ニッケルメッキ等の被膜を形成するコーティング処理を施す発明が既になされている（例えば、特許文献２，３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５１９６６２号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２２２２号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１３９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、被膜を形成することにより、フォイルの耐摩耗性や耐久性を向上させることができるが、一方で、被膜の種類によってはフォイルの剛性が高くなり過ぎる場合がある。例えば、ＤＬＣ等の硬質の被膜をフォイルに形成すると、フォイルの可撓性が損なわれて軸受機能が低下してしまったり、特許文献１のように予圧を与えるタイプのフォイル軸受の場合、予圧が過大になってフォイルの変形や摩耗が生じてしまう。また、コーティング処理を施した後の被膜には残留応力が生じ、この残留応力がフォイルの反りの原因となって、軸受の組立性や軸受機能の低下を招くといった課題もある。
【０００６】
このような事情から、本発明では、構成する材質を問わず、フォイルの剛性を一定以下に維持することで、フォイルに可撓性を持たせ、フォイルの反りを防止できる摺動層を有するフォイル軸受を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを備え、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、前記フォイルは、前記軸を支持する面に摺動層を有し、前記摺動層は、前記フォイルの母材と異なる材質によって形成され、フォイル軸受の周方向に分割された複数の領域からなるフォイル軸受を特徴とする。
【０００８】
摺動層を周方向に複数の領域に分割することにより、領域と領域の隙間において、母材の弾性変形を許容することができるため、フォイルに可撓性を持たせることができる。また、摺動層を複数に分割することにより、個々の領域において、摺動層形成時に生じる残留応力を小さくすることができるため、フォイルの反りを防止できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、フォイルに摺動層を設けて、フォイルの耐久性や耐摩耗性を向上させると共に、フォイルの可撓性を維持し、摺動層形成時のフォイルの変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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】（ａ）図はラジアルフォイル軸受のフォイルの斜視図であり、（ｂ）図は３枚のフォイルを仮組みした状態の斜視図である。
【図５】本実施形態の摺動層を設けたフォイルの斜視図である。
【図６】本実施形態の摺動層を設けたフォイルの断面図である。
【図７】本実施形態のフォイルの弾性変形の様子を示す図である。
【図８】本発明と異なる構成の摺動層を設けたフォイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に、ターボ機械の一例として、ガスタービン装置の構成を概念的に示す。このガスタービンは、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、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を通ってから排ガスとして排出される。
【００１２】
図２に、上記ガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を示す。この支持構造では、軸方向の２箇所にラジアル軸受１０が配置され、軸６のフランジ部６ｂの軸方向両側にスラスト軸受２０、２０が配置される。このラジアル軸受１０およびスラスト軸受２０により、軸６がラジアル方向及び両スラスト方向に回転自在に支持されている。
【００１３】
この支持構造において、タービン１と圧縮機２の間の領域は、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に高温雰囲気となる。この高温雰囲気では、潤滑油やグリース等からなる潤滑剤が変質・蒸発してしまうため、これらの潤滑剤を使用する通常の軸受（転がり軸受等）を適用することは難しい。そのため、この種の支持構造で使用される軸受１０、２０としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。
【００１４】
以下、上記ガスタービン用のラジアル軸受に適合するフォイル軸受１０、および、フォイル軸受１０を備えたフォイル軸受ユニット３０の構成を図面に基づいて説明する。
【００１５】
フォイル軸受１０は、図３に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面に取り付けられた複数（図示例では３枚）のフォイル１３とを有する。複数のフォイル１３は、フォイルホルダ１１の内周面に周方向に並べて配置される。また、フォイル軸受１０と、フォイル軸受１０の支持する軸６とによって、フォイル軸受ユニット３０が構成される。
【００１６】
フォイルホルダ１１の内周面１１ａには、溝１１ｂが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ１１の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に、軸方向に沿って延びる溝１１ｂが設けられる。フォイルホルダ１１は金属で形成され、例えば溝１１ｂを含めて一体に型成形される。本実施形態のフォイルホルダ１１は、焼結金属で一体に型成形される。なお、フォイル軸受１０が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ１１を樹脂で型成形してもよい。
【００１７】
各フォイル１３は、図４（ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部１３ｃと、周方向他端に設けられた凹部１３ｄとを備える。各フォイル１３の凸部１３ｃと凹部１３ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図４（ｂ）に示すように、各フォイル１３の凸部１３ｃを、隣接するフォイル１３の凹部１３ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル１３を筒状に仮組みすることができる。この場合、図３に示す軸方向視において、各フォイル１３の周方向一端（凸部１３ｃ）と、隣接するフォイル１３の周方向他端（凹部１３ｄの軸方向両側の凸部１３ｅ）とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル１３の周方向両端が、フォイルホルダ１１に保持される。具体的には、各フォイル１３の周方向他端の凸部１３ｅがフォイルホルダ１１の溝１１ｂに差し込まれ、各フォイル１３の周方向一端の凸部１３ｃが、隣接するフォイル１３の外径面１３ｂとフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配される。この場合、複数のフォイル１３の回転方向先行側への移動は、各フォイル１３の凸部１３ｅが溝１１ｂの角部に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル１３の回転方向後方側への移動は規制されていない。これにより、複数のフォイル１３が、フォイルホルダ１１に対して周方向移動可能とされる。
【００１８】
各フォイル１３の内径面１３ａは、ラジアル軸受面Ｓとして機能する（図３参照）。図示例では、３枚のフォイル１３で多円弧型のラジアル軸受面Ｓを形成している。フォイルホルダ１１の内周面１１ａと各フォイル１３との間には、フォイル１３に弾性力を付与するための部材（バックフォイル等）は設けられておらず、フォイル１３の外径面１３ｂとフォイルホルダ１１の内周面１１ａとが摺動可能とされる。各フォイル１３の凸部１３ｃは、隣接するフォイル１３のラジアル軸受面Ｓの外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。
【００１９】
フォイル１３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。
【００２０】
以上の構成において、軸６が円周方向一方（図３の矢印方向）に回転すると、フォイル軸受１０のフォイル１３のラジアル軸受面Ｓと軸６の外周面６ａとの間に軸受隙間が形成され、この軸受隙間に生じる空気膜の圧力により軸６がラジアル方向に支持される。
【００２１】
このとき、フォイル１３が有する可撓性により、各フォイル１３の軸受面Ｓ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、軸受隙間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、軸受隙間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。
【００２２】
また、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル１３の軸受面Ｓや軸６の外周面６ａ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、各フォイル１３の軸受面Ｓと軸６の外周面６ａとの間で金属接触を生じ、トルクの増大を招く。このため、本実施形態では、各フォイル１３の軸受面Ｓ（内径面１３ａ）に表面を低摩擦化するための被膜を形成し、フォイル１３表面の摩耗を防止する。
【００２３】
具体的には、図５および図６に示すように、フォイル１３の軸受面Ｓ（内径面１３ａに摺動層１４を設ける。摺動層１４は、フォイル軸受の周方向に分割された複数の被膜（領域）１４ａによって構成される。各被膜１４ａは、フォイル１３の軸方向に延在して設けられる。
【００２４】
本実施形態では、被膜１４ａは、ＤＬＣによって形成される硬質の被膜である。しかしこれに限らず、軟質の被膜を用いてもよい。その他の例として、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。
【００２５】
フォイル１３の軸受面Ｓに摺動層１４を設けることにより、フォイル１３の耐久性や耐摩耗性を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。
【００２６】
また、本実施形態のように、複数に分割された被膜１４ａによって摺動層１４を構成することにより、被膜１４ａとして硬質の被膜を用いた場合であっても、フォイル１３の可撓性を損なうことがない。つまり、図６の拡大図に示すように、被膜１４ａと被膜１４ａの隙間Ｘにおいて、母材であるフォイル１３の弾性変形を許容することができる。例えば、図７に示すように、フォイル１３が、軸６の外周面６ａに沿って弾性変形することを可能にする。
【００２７】
従って、本実施形態の構成により、摺動層１４を構成する被膜１４ａの材質を問わず、フォイル１３にかかる荷重や軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じたフォイル１３の弾性変形を許容することができる。これにより、フォイル軸受１０が適切な軸受隙間を形成することができ、フォイル軸受１０の設計が容易になる。また、フォイル１３の剛性が大きくなり過ぎないため、フォイル１３に予圧を与えるような構成のフォイル軸受であっても、その予圧が過大になることを防止できる。
【００２８】
さらに、本実施形態の摺動層の構成により、被膜の残留応力によるフォイル１３の変形を抑制することができる。つまり、図８に示す本実施形態と異なる構成の摺動層１４’のように、摺動層１４’がフォイル１３の周方向にわたって単一の領域からなる場合には、被膜１４’に生じる残留応力により、フォイル１３に対して、フォイル１３を引っ張る、あるいは圧縮させる方向に大きな力が加わることになる。これにより、フォイル１３が変形し、フォイル軸受の組立性の悪化や軸受機能の低下を生じてしまう。一方、図６に示す本実施形態の構成のように、摺動層１４が周方向に分割された複数の被膜１４ａによって構成される場合には、それぞれの被膜１４ａからフォイル１３に加えられる力が相対的に小さくなることにより、フォイル１３全体としての反りを抑制することができ、軸受の品質が安定する。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に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で種々の変更を加え得ることは勿論である。上記フォイル軸受の形状は一例であり、その形状に限定されない事はもちろんである。
【００３０】
以上の実施形態では、ラジアルファイル軸受１０に本発明の摺動層を適用する場合を示したが、スラストフォイル軸受２０（図２参照）の軸受面（フランジ部６ｂに対向する面）に、本発明の摺動層を設けてもよい。
【００３１】
以上の実施形態では、摺動層をフォイルの周方向に複数の領域に分割する場合を示した。これに加えて、摺動層を軸方向に複数の領域に分割する構成であることが好ましい。
【００３２】
フォイル１３の軸受面Ｓに摺動層１４を設けることに加えて、軸６の外周面６ａに被膜等により構成される摺動層を設けてもよい。
【００３３】
本発明にかかるフォイル軸受ユニット３０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、本発明にかかるフォイル軸受は、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。
【００３４】
また、以上に説明した各フォイル軸受は、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。
【符号の説明】
【００３５】
１０      フォイル軸受
１１      フォイルホルダ
１３      フォイル
１４      摺動層
１４ａ    被膜（領域）
３０      フォイル軸受ユニット
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】
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【図８】
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