(57)【要約】【課題】フォイル軸受の支持力の向上を図る。【解決手段】本発明に係るフォイル軸受（スラストフォイル軸受４０）は、フォイルホルダ４１と、周方向に並べて配された複数のフォイル４２とを備える。各フォイル４２が、スラスト軸受面Ｓ２を有する本体部４２ａと、本体部４２ａから外径側に延びる延在部４２ｂとを有する。各フォイル４２の本体部４２ａの回転方向先行側の端部４２ｄが、隣接するフォイル４２の本体部４２ａの上に重ねて配置される。複数のフォイル４２の延在部４２ｂを、フォイルホルダ４１の同一平面上に固定する。【選択図】図８
2015113928.tif 000002
【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、周方向に並べて配された複数のフォイルとを備えたスラストフォイル軸受であって、
各フォイルが、軸受面を有する本体部と、前記本体部から外径側に延びる延在部とを有し、各フォイルの本体部の回転方向先行側の端部が、隣接するフォイルの本体部の上に重ねて配置され、
前記複数のフォイルの延在部を、前記フォイルホルダの同一平面上に固定したスラストフォイル軸受。
【請求項２】
前記延在部が、前記本体部から外径側に向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延びている請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
フォイルホルダと、前記フォイルホルダの内周面に取り付けられ、周方向に並べて配された複数のフォイルとを備えたラジアルフォイル軸受であって、
各フォイルが、軸受面を有する本体部と、前記本体部から軸方向一方側に延びる延在部とを有し、各フォイルの本体部の回転方向先行側の端部が、隣接するフォイルの本体部の上に重ねて配置され、
前記複数のフォイルの延在部を、前記フォイルホルダの同一円筒面上に固定したラジアルフォイル軸受。
【請求項４】
前記延在部が、前記本体部から軸方向一方側へ向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延びている請求項３記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項５】
軸受面を有する本体部、及び、前記本体部から外径側に延びる延在部を有する複数のフォイルと、前記複数のフォイルの外径側に設けられ、前記複数のフォイルの延在部を連結する連結部とを有する複数のフォイル部材を形成する工程と、
前記複数のフォイル部材を重ね、各フォイル部材の本体部の回転方向先行側の端部を、隣接するフォイル部材の本体部の上に重ねて配置する工程と、
前記複数のフォイル部材の延在部を、フォイルホルダの同一平面上に固定する工程と、
前記複数のフォイル部材の連結部を前記フォイルから分離する工程とを順に経て行うスラストフォイル軸受の製造方法。
【請求項６】
前記フォイル部材の前記連結部と前記延在部との境界の周方向寸法が、前記延在部の外径端の周方向寸法よりも小さい請求項５記載のスラストフォイル軸受の製造方法。
【請求項７】
軸受面を有する本体部、及び、前記本体部から軸方向一方側に延びる延在部を有する複数のフォイルと、前記複数のフォイルの延在部を連結する連結部とを有する複数のフォイル部材を形成する工程と、
前記複数のフォイル部材を重ね、各フォイル部材の本体部の回転方向先行側の端部を、隣接するフォイル部材の本体部の上に重ねて配置する工程と、
前記複数のフォイル部材の延在部を、フォイルホルダの同一円筒面上に固定する工程と、
前記複数のフォイル部材の連結部を前記フォイルから分離する工程とを順に経て行うラジアルフォイル軸受の製造方法。
【請求項８】
前記フォイル部材の前記連結部と前記延在部との境界の周方向寸法が、前記延在部の軸方向一方の端部の周方向寸法よりも小さい請求項７記載のラジアルフォイル軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラストフォイル軸受、ラジアルフォイル軸受、及びこれらの製造方法に関する。
【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・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合する軸受として、フォイル軸受が着目されている。フォイル軸受は、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。軸の回転時には、軸の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜（例えば空気膜）が形成され、軸が非接触支持される。
【０００３】
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。例えば下記の特許文献１〜３には、回転部材（スラストカラー）をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受の一種として、リーフ型のスラストフォイル軸受が示されている。このスラストフォイル軸受は、円盤状のフォイルホルダの端面の円周方向複数箇所に複数のリーフを設けたものであり、各リーフの円周方向一端は自由端とされ、各リーフの円周方向他端が固定部材の端面に固定される。回転部材が回転すると、各リーフの軸受面とこれに対向する回転部材の端面との間にスラスト軸受隙間が形成され、このスラスト軸受隙間の流体膜により回転部材がスラスト方向に非接触支持される。
【０００４】
上記のスラストフォイル軸受では、各リーフが円周方向に離間して設けられているため、リーフの円周方向間領域は軸受面として機能せず、支持力が不足する恐れがある。また、上記のスラストフォイル軸受では、リーフの下方にバックフォイル（バンプフォイル、スプリングフォイル）を配することでリーフに弾性力を付与し、これにより、各リーフの軸受面と回転部材との間の隙間（スラスト軸受隙間）を調整している。しかし、このようにバックフォイルを設けることで、部品数が多くなってコストが高くなる。
【０００５】
例えば、下記特許文献４に示されているスラストフォイル軸受は、各リーフの回転方向先行側の端部が、隣接するリーフの上に乗り上げている。これにより、軸受面を全周に設けることができると共に、バックフォイルを省略してコストを低減できる。また、このスラストフォイル軸受では、各リーフの外径端をリング状の連結部で連結し、この連結部をフォイルホルダに固定しているため、軸受面を形成するリーフの下方に、他のリーフとフォイルホルダとの固定箇所が配されない。リーフはフォイルホルダに対して固定部材や溶接等により固定されるため、通常、固定箇所には凹凸が形成されるが、上記のように軸受面の下方に固定箇所が配されないことで、固定箇所の凹凸が軸受面に悪影響を及ぼす事態を回避し、支持力の低下を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭６１−３６７２５号公報
【特許文献２】実開昭６１−３８３２１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１９５４１２号公報
【特許文献４】特開２０１３−６１０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献４のスラストフォイル軸受は、以下のような手順で組み立てられる。まず、複数のリーフ１３１，１３１’をリング状の連結部１３２，１３２’で連結した２枚のフォイル部材１３０，１３０’を用意する｛図２２（ａ）参照｝。そして、各リーフ１３１，１３１’を隣接するリーフ１３１’，１３１の上に乗り上げさせながら、２枚のフォイル部材１３０，１３０’を重ねる｛図２２（ｂ），（ｃ）参照｝。こうして重ねた２枚のフォイル部材１３０，１３０’を、フォイルホルダ１２０に固定する（図２３参照）。この場合、下側のフォイル部材１３０のリーフ１３１は、上側のフォイル部材１３０’のリーフ１３１’に乗り上げることで湾曲する。これにより、リーフ１３１の軸受面１３１ｃと回転部材１０６との間に、回転方向先行側へ向けて漸次縮小したスラスト軸受隙間が形成される。また、リーフ１３１が湾曲することで弾性力が付与され、スラスト軸受隙間の調整機能を果たすことができる。
【０００８】
一方、上側のフォイル部材１３０’のリーフ１３１’（特に、各リーフ１３１’の外径部分）は、下側のフォイル部材１３０のリーフ１３１よりも上方に配置されるため、図示のように上側のフォイル部材１３０’のリーフ１３１’がほとんど湾曲せずに、軸受面１３１ｃ’が周方向で略平坦となる恐れがある。この場合、略平坦な軸受面１３１ｃ’と回転部材１０６との間に形成されるスラスト軸受隙間が周方向で略一定となるため、スラスト軸受隙間の流体圧が十分に高まらず、支持力の低下を招く恐れがある。また、リーフ１３１’が湾曲しないと、リーフ１３１’に十分な弾性力が付与されないため、スラスト軸受隙間の調整機能が働かず、やはり支持力の低下を招く恐れがある。
【０００９】
上記のような問題は、スラストフォイル軸受に限らず、ラジアルフォイル軸受においても同様に生じ得る。
【００１０】
本発明は、フォイル軸受の支持力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】
上記目的を達成するため、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、周方向に並べて配された複数のフォイルとを備えたスラストフォイル軸受であって、各フォイルが、軸受面を有する本体部と、前記本体部から外径側に延びる延在部とを有し、各フォイルの本体部の回転方向先行側の端部が、隣接するフォイルの本体部の上に重ねて配置され、前記複数のフォイルの延在部を、前記フォイルホルダの同一平面上に固定したものである。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダの内周面に取り付けられ、周方向に並べて配された複数のフォイルとを備えたラジアルフォイル軸受であって、各フォイルが、軸受面を有する本体部と、前記本体部から軸方向一方側に延びる延在部とを有し、各フォイルの本体部の回転方向先行側の端部が、隣接するフォイルの本体部の上に重ねて配置され、前記複数のフォイルの延在部を、前記フォイルホルダの同一円筒面上に固定したものである。
【００１３】
このように、各フォイルの延在部をフォイルホルダの同一平面上（あるいは同一円筒面上）に固定することで、全てのフォイルが、隣接するフォイルに乗り上げて、同様に湾曲する。これにより、各フォイルの軸受面と、支持対象である回転部材との間に、回転方向先行側へ向けて漸次縮小した軸受隙間が形成される。また、各フォイルが同様に湾曲することで、各フォイルに十分な弾性力が付与されるため、この弾性力により軸受隙間の調整機能を果たすことができる。
【００１４】
例えば図１４に示す例では、フォイル４２の延在部４２ｂが、本体部４２ａから半径方向沿って外径側に延び、延在部４２ｂの外径部分（クロスハッチングで示す）がフォイルホルダ（ホルダ本体４１ａ）に固定されている。この場合、軸の回転に伴う流体の流動により、フォイル４２の本体部４２ａが回転方向先行側（矢印方向）に引っ張られることで、延在部４２ｂの内径部分Ｐにせん断力が加わり、フォイルが損傷する恐れがある。これに対し、図７に示す例では、フォイル４２の延在部４２ｂが、本体部４２ａから外径側に向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延び、この延在部４２ｂの外径部分（クロスハッチングで示す）がフォイルホルダ４１に固定されている。この場合、軸の回転に伴ってフォイルが回転方向先行側に引っ張られたときに、延在部４２ｂの内径部分Ｐに加わる力の方向が主に引張方向となるため、この内径部分Ｐに加わるせん断力を低減し、フォイルの損傷を防止できる。
【００１５】
上記のスラストフォイル軸受は、例えば、軸受面を有する本体部、及び、前記本体部から外径側に延びる延在部を有する複数のフォイルと、前記複数のフォイルの外径側に設けられ、前記複数のフォイルの延在部を連結する連結部とを有する複数のフォイル部材を形成する工程と、前記複数のフォイル部材を重ね、各本体部の回転方向先行側の端部を、隣接する本体部の上に重ねて配置する工程と、前記複数のフォイル部材の延在部を、フォイルホルダの同一平面上に固定する工程と、前記複数のフォイル部材の連結部を前記フォイルから分離する工程とを順に経て製造することができる。
【００１６】
また、上記のラジアルフォイル軸受は、例えば、軸受面を有する本体部、及び、前記本体部から軸方向一方側に延びる延在部を有する複数のフォイルと、前記複数のフォイルの軸方向一方側に設けられ、前記複数のフォイルの延在部を連結する連結部とを有する複数のフォイル部材を形成する工程と、前記複数のフォイル部材を重ね、各フォイル部材の本体部の回転方向先行側の端部を、隣接するフォイル部材の本体部の上に重ねて配置する工程と、前記複数のフォイル部材の延在部を、フォイルホルダの同一円筒面上に固定する工程と、前記複数のフォイル部材の連結部を前記フォイルから分離する工程とを順に経て製造することができる。
【００１７】
上記のように、複数のフォイルを連結部で連結したフォイル部材をフォイルホルダに取り付けることで、各フォイルを一枚ずつフォイルホルダに取り付ける場合と比べて、組み付け工程が簡略化され、生産性を高めることができる。
【００１８】
上記の製造方法において、前記フォイル部材の前記連結部と前記延在部との境界の周方向寸法を、前記延在部の端部（スラストフォイル軸受の場合は外径端、ラジアルフォイル軸受の場合は軸方向一方の端部）の周方向寸法よりも小さくすれば、連結部とフォイルとを容易に分離することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明のスラストフォイル軸受及びラジアルフォイル軸受によれば、複数のフォイルの延在部をフォイルホルダの同一平面上あるいは同一円筒面上に固定することで、全てのフォイルが同様に湾曲する。これにより、全てのフォイルが、回転方向先行側へ向けて漸次縮小した軸受隙間を形成すると共に、軸受隙間の調整機能を有するため、支持力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】上記フォイル軸受ユニット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５】（Ａ）は、上記ラジアルフォイル軸受のフォイルの斜視図であり、（Ｂ）は３枚のフォイルを仮組みした状態の斜視図である。
【図６】（Ａ）は第１スラストフォイル軸受の平面図であり、（Ｂ）は第２スラストフォイル軸受の平面図である。
【図７】第１スラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。
【図８】第１スラストフォイル軸受の断面図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、複数のフォイルを連結してなるフォイル部材の平面図である。
【図１０】２枚のフォイル部材を仮組みした状態を示す平面図である。
【図１１】仮組した２枚のフォイル部材をフォイルホルダのホルダ本体上に配置した状態を示す平面図である。
【図１２】図１１のホルダ本体に固定部材を取り付けた状態を示す平面図である。
【図１３】他の実施形態に係るフォイルの平面図である。
【図１４】他の実施形態に係るフォイルの平面図である。
【図１５】（Ａ）は、他の実施形態に係るスラストフォイル軸受に用いられる２枚のフォイル部材の平面図、（Ｂ）は仮組みした２枚のフォイル部材の平面図、（Ｃ）はスラストフォイル軸受の平面図である。
【図１６】図１５（Ｃ）のスラストフォイル軸受の断面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の正面図である。
【図１８】図１７のラジアルフォイル軸受のフォイルの平面図である。
【図１９】図１７のラジアルフォイル軸受の平面展開図である。
【図２０】（Ａ）及び（Ｂ）は、複数のフォイルを連結したフォイル部材の平面図である。
【図２１】仮組みした２枚のフォイル部材の平面図である。
【図２２】（ａ）〜（ｃ）は、従来のスラストフォイル軸受のフォイルの斜視図である。
【図２３】図２２のフォイルを有するスラストフォイル軸受の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、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。
【００２２】
図２に、上記ガスタービンにおけるロータの軸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、軸６に固定された回転部材２０と、軸６及び回転部材２０をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受３０と、軸６及び回転部材２０をスラスト方向に支持する第１スラストフォイル軸受４０及び第２スラストフォイル軸受５０とを備える。
【００２３】
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。
【００２４】
ラジアルフォイル軸受３０は、図４に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ３１と、フォイルホルダ３１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３２とを有する。複数のフォイル３２は、フォイルホルダ３１の内周面に周方向に並べて配置される。
【００２５】
フォイルホルダ３１の内周面３１ａには、溝３１ｂが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ３１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３１ｂが設けられる。フォイルホルダ３１は金属で形成され、例えば溝３１ｂ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３１は、焼結金属で一体に型成形される。尚、フォイル軸受ユニット１０が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ３１を樹脂で型成形してもよい。
【００２６】
各フォイル３２は、図５（Ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部３２ｃと、周方向他端に設けられた凹部３２ｄとを備える。各フォイル３２の凸部３２ｃと凹部３２ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図５（Ｂ）に示すように、各フォイル３２の凸部３２ｃを、隣接するフォイル３２の凹部３２ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル３２を筒状に仮組みすることができる。この場合、図４に示す軸方向視において、各フォイル３２の周方向一端（凸部３２ｃ）と、隣接するフォイル３２の周方向他端（凹部３２ｄの軸方向両側の凸部３２ｅ）とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル３２の周方向両端が、フォイルホルダ３１に保持される。具体的には、各フォイル３２の周方向他端の凸部３２ｅがフォイルホルダ３１の溝３１ｂに差し込まれ、各フォイル３２の周方向一端の凸部３２ｃが、隣接するフォイル３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとの間に配される。この場合、複数のフォイル３２の回転方向先行側への移動は、各フォイル３２の凸部３２ｅが溝３１ｂの角部３１ｂ１に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル３２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３２が、フォイルホルダ３１に対して周方向移動可能とされる。
【００２７】
各フォイル３２の内径面３２ａは、ラジアル軸受面Ｓ１として機能する（図４参照）。図示例では、３枚のフォイル３２で多円弧型のラジアル軸受面Ｓ１を形成している。フォイルホルダ３１の内周面３１ａと各フォイル３２との間には、フォイル３２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３２の外径面３２ｂとフォイルホルダ３１の内周面３１ａとが摺動可能とされる。各フォイル３２の凸部３２ｃは、隣接するフォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１の外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。
【００２８】
本発明の実施形態に係る第１スラストフォイル軸受４０は、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６（Ａ）に示すように、フォイルホルダ４１と、フォイルホルダ４１に取り付けられた複数のフォイル４２とを備える。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固定部材４１ｂとを有する。本実施形態では、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａと、ラジアルフォイル軸受３０のフォイルホルダ３１とが一体に形成される（図３参照）。また、本実施形態では、固定部材４１ｂが環状を成している。
【００２９】
第１スラストフォイル軸受４０の各フォイル４２は、図７に示すように、本体部４２ａと、本体部４２ａから外径側に延びる延在部４２ｂとを一体に備える。本体部４２ａの回転方向後方側の縁４２ｅは、少なくとも外径端が、内径側へ向けて回転方向先行側へ傾斜した方向に延びている。図示例では、本体部４２ａの回転方向後方側の縁４２ｅが、中央部を回転方向先行側へ突出した略Ｖ字形状（いわゆるへリングボーン形状）を成している。また、図示例では、本体部４２ａの回転方向先行側の縁４２ｄも、中央部を回転方向先行側へ突出した略Ｖ字形状を成している。本体部４２ａの縁４２ｄ，４２ｅの中央部は、円弧状に丸まっている。延在部４２ｂは、本体部４２ａの外径端から、外径側に向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延びている。詳しくは、延在部４２ｂの回転方向先行側及び回転方向後方側の縁が、何れも、外径側に向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延びている。
【００３０】
各フォイル４２の延在部４２ｂは、フォイルホルダ４１の同一平面上に固定される。本実施形態では、各延在部４２ｂが、フォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａの端面４１ａ１の外径端に固定される。具体的には、各延在部４２ｂが同一円周上に配され、フォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａと環状の固定部材４１ｂとで各延在部４２ｂが挟持固定される。本実施形態では、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径部分（図７にクロスハッチングで示す）がフォイルホルダ４１に固定される。
【００３１】
複数のフォイル４２は、円周方向等ピッチで配される｛図６（Ａ）参照｝。図示例では、複数のフォイル４２を、各フォイル４２の半分だけ位相をずらして重ね合わせている。各フォイル４２の回転方向先行側の縁４２ｄは、隣接するフォイル４２の上（フランジ部２２側）に配される（図８参照）。すなわち、各フォイル４２の回転方向先行側部分は、隣接するフォイル４２の回転方向後方側部分に乗り上げている。本実施形態では、各フォイル４２の延在部４２ｂがフォイルホルダ４１の同一平面上（図示例では、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上）に配置されるため、全てのフォイル４２が隣接するフォイル４２に乗り上げて同様に湾曲する。各フォイル４２の本体部４２ａのうち、フランジ部２２の一方の端面２２ａと直接対向している部分｛図６（Ａ）で見えている部分｝が、スラスト軸受面Ｓ２として機能する。
【００３２】
本発明の実施形態としての第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、図６（Ｂ）に示すように、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フォイル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の外径端に設けられた固定部材５１ｂとを有する。各フォイル５２は、本体部５２ａと、本体部から外径側に延びる延在部５２ｂとを有する。各フォイル５２の本体部５２ａのうち、フランジ部２２の他方の端面２２ｂと直接対向している部分｛図６（Ｂ）で見えている部分｝が、スラスト軸受面Ｓ３として機能する。尚、第２スラストフォイル軸受５０の各部材の形状や固定方法は、第１スラストフォイル軸受４０と同様であるため、重複説明を省略する。
【００３３】
フォイル３２，４２，５２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程度の金属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、金属フォイルとして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。
【００３４】
上記構成のフォイル軸受ユニット１０は、以下のような手順で組み立てられる。まず、ラジアルフォイル軸受３０の内周に、回転部材２０のスリーブ部２１を挿入する。その後、回転部材２０のフランジ部２２を軸方向両側から挟み込むように、第２スラストフォイル軸受５０を第１スラストフォイル軸受に取り付ける。具体的に、第１フォイル軸受４０のフォイルホルダ４１の固定部材４１ｂと、第２フォイル軸受５０のフォイルホルダ５１の固定部材５１ｂとを当接させ、この状態で、図示しないボルト等で両フォイルホルダ４１，５１を軸方向に固定する。以上により、フォイル軸受ユニット１０が完成する。
【００３５】
組み立てられたフォイル軸受ユニット１０の回転部材２０の内周に、軸６を圧入すると共に、フォイル軸受３０，４０，５０のフォイルホルダ３１，４１，５１の一部又は全部をガスタービンのハウジングに固定する。このとき、ラジアルフォイル軸受３０及びスラストフォイル軸受４０，５０と回転部材２０とがフォイル軸受ユニット１０として一体化されているため、ガスタービンに容易に組み付けることができる。
【００３６】
軸６が円周方向一方（図４及び図７の矢印方向）に回転すると、ラジアルフォイル軸受３０のフォイル３２のラジアル軸受面Ｓ１と回転部材２０のスリーブ部２１の外周面２１ａとの間にラジアル軸受隙間が形成され、このラジアル軸受隙間に生じる空気膜の圧力により回転部材２０及び軸６がラジアル方向に支持される。これと同時に、第１スラストフォイル軸受４０のフォイル４２のスラスト軸受面Ｓ２と回転部材２０のフランジ部２２の一方の端面２２ａとの間、及び、第２スラストフォイル軸受５０のフォイル５２のスラスト軸受面Ｓ３と回転部材２０のフランジ部２２の他方の端面２２ｂとの間にそれぞれスラスト軸受隙間が形成され、各スラスト軸受隙間に生じる空気膜の圧力により、回転部材２０及び軸６が両スラスト方向に支持される。
【００３７】
このとき、フォイル３２，４２，５２が有する可撓性により、各フォイル３２，４２，５２の軸受面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３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、ラジアル軸受隙間及びスラスト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、ラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間を最適幅に管理することができ、回転部材２０及び軸６を安定して支持することが可能となる。
【００３８】
また、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も同様、以下省略）では、図８に示すように、各フォイル４２が隣接するフォイル４２に乗り上げることで弾性が付与されるため、バックフォイルを省略して部品点数を削減することができ、低コスト化が図られる。また、各フォイル４２のうち、軸受面Ｓ２よりも外径側に設けた延在部４２ｂをフォイルホルダ４１に固定することで、フォイル４２とフォイルホルダ４１との固定箇所が軸受面Ｓ２の下方に設けられないため、固定箇所に起因した凹凸が軸受面Ｓ２に設けられることがない。従って、軸受面Ｓ２全域を有効に機能させることができ、支持力が高められる。
【００３９】
また、第１スラストフォイル軸受４０では、各フォイル４２の延在部４２ｂが同一平面上（ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上）に配置されることで、全てのフォイル４２が、隣接するフォイル４２に乗り上げて同様に湾曲する。詳しくは、全てのフォイル４２の本体部４２ａの半径方向全域が、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１から隣接するフォイル４２に乗り上げて湾曲する。このとき、各フォイル４２の本体部４２ａの回転方向後方側の縁４２ｅが、半径方向全域でホルダ本体４１ａの端面４１ａ１に接触していることが好ましい。これにより、全てのフォイル４２のスラスト軸受面Ｓ２と回転部材２０のフランジ部２２の端面２２ａとの間に、回転方向先行側（図８の左側）へ向けて漸次縮小したスラスト軸受隙間が形成される。また、各フォイル４２が湾曲することで、各フォイル４２に適当な弾性力が付与される。この弾性力と、スラスト軸受隙間の流体の圧力との釣り合いにより、スラスト軸受隙間の隙間幅を常に適正に保つことができ、優れた支持力を得ることができる。
【００４０】
また、各フォイル４２の本体部４２ａの回転方向後方側の縁４２ｅの外径端が、内径側へ向けて回転方向先行側へ傾斜した方向に延びていることにより、隣接するフォイル４２の本体部４２ａがこの縁４２ｅに乗り上げたときに、本体部４２ａの軸受面Ｓ２の外径端に、内径側へ向けて回転方向先行側へ傾斜した段差が形成される。この段差に沿って、軸受面Ｓ２の周囲の流体（空気）を積極的にスラスト軸受隙間に流入させることができるため、スラスト軸受隙間の流体の圧力を高めることができる。特に、本実施形態では、各フォイル４２の本体部４２ａの回転方向後方側の縁４２ｅをへリングボーン形状とすることで、軸受面Ｓ２の半径方向中央に流体を集めて、スラスト軸受隙間の流体の圧力をさらに高めることができる。
【００４１】
また、軸６の回転による流体の流動に伴い、スラストフォイル軸受４０の各フォイル４２は、回転方向先行側に引っ張られる。このとき、各フォイル４２の延在部４２ｂの内径部分Ｐ（図７参照）が、外径側に向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延びていることで、この内径部分Ｐに主に加わる力の方向を、せん断方向ではなく、引張方向とすることができる。これにより、各フォイル４２の破損を防止し、フォイル４２の耐久性が高められる。
【００４２】
尚、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイルの軸受面（特にラジアルフォイル軸受３０のフォイル３２の軸受面）と回転部材２０が接触摺動するため、これらの何れか一方または双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。また、軸６の回転時には、フォイル３２，４２，５２と各フォイルホルダ３１，４１，５１との間の微小摺動により、軸６の振動を抑制することができる。この微小摺動による摩擦力を調整するために、フォイル３２，４２，５２と各フォイルホルダ３１，４１，５１との何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。
【００４３】
以下、第１スラストフォイル軸受４０の製造方法の一例を示す。尚、第２スラストフォイル軸受５０の製造方法は、第１スラストフォイル軸受４０と同様であるため、重複説明を省略する。また、第１スラストフォイル軸受４０のフォイルホルダ４１のホルダ本体４１ａには、ラジアルフォイル軸受３０のフォイルホルダ３１が一体に設けられるが、以下の説明ではフォイルホルダ３１は省略する。
【００４４】
まず、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、２枚のフォイル部材６０を形成する。尚、２枚のフォイル部材６０は同形状であるが、図９〜１２では、理解しやすいように、一方のフォイル部材６０に散点を付して示している。各フォイル部材６０は、一枚のフォイルにプレス加工を施して一体に形成される。各フォイル部材６０は、複数のフォイル４２と、その外径端を連結する連結部６１とを有する。図示例では、連結部６１が環状を成している。各フォイル部材６０には、第１スラストフォイル軸受４０に組み込まれるフォイル４２の半数のフォイル４２が、円周方向等間隔に設けられる。各フォイル４２の延在部４２ｂと連結部６１との境界（後に切断される切断面）の周方向寸法Ｌ１は、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径端の周方向寸法Ｌ２よりも小さい。本実施形態では、連結部６１に、内径に突出した複数の突起６１ａを設け、この突起６１ａと各フォイル４２との境界の周方向寸法Ｌ１が、延在部４２ｂの外径端の周方向寸法Ｌ２よりも小さく、例えばＬ１がＬ２の１／５以下とされる。
【００４５】
次に、図１０に示すように、２枚のフォイル部材６０を仮組みする。具体的には、まず、２枚のフォイル部材６０を重ねる。そして、上側のフォイル部材６０のフォイル４２と下側のフォイル部材６０のフォイル４２とを半ピッチずらしながら、各フォイル４２の本体部４２ａの回転方向先行側部分を、隣接するフォイル４２の本体部４２ａの回転方向後方側部分の上（紙面手前側）に重ねて配置する。
【００４６】
その後、図１１に示すように、仮組みした２枚のフォイル部材６０を、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上に配置する。このとき、各フォイル４２の延在部４２ｂの外径端が、ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１の外径端に沿って配される。また、フォイル部材６０の連結部６１は、ホルダ本体４１ａよりも外径側に配される。この状態で、図１２に示すように、各フォイル４２をフォイルホルダ４１に固定する。本実施形態では、ホルダ本体４１ａに、環状の固定部材４１ｂを図示しないボルト等により固定する。これにより、ホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂとで各フォイル４２の延在部４２ｂの外径部分が挟持され、各フォイル４２がフォイルホルダ４１に固定される。こうして、全てのフォイル４２の延在部４２ｂが、フォイルホルダ４１の同一平面上（ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上）に固定される。
【００４７】
その後、各フォイル部材６０の連結部６１を、フォイル４２から分離する。本実施形態では、連結部６１の突起６１ａとフォイル４２との境界を切断することで、連結部６１がフォイル４２から分離・除去される。以上により、図６（Ａ）に示す第１スラストフォイル軸受４０が完成する。
【００４８】
本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、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。
【００４９】
上記の実施形態では、スラストフォイル軸受４０のホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂとで各フォイル４２の延在部４２ｂを挟持固定する場合を示したが、これに限らず、各フォイル４２を、ホルダ本体４１ａあるいは固定部材４１ｂに溶接や接着等により固定してもよい。図１３に示す実施形態では、各フォイル４２の延在部４２ｂが、ホルダ本体４１ａに溶接（例えばスポット溶接）により固定される。この場合、延在部４２ｂのうち、溶接点Ｗの内径側に隣接した領域（延在部４２ｂの内径部分Ｐ）が、外径側に向けて回転方向後方側に傾斜した方向に延びている。この場合も、上記の実施形態と同様に、軸６の回転に伴って延在部４２ｂの内径部分Ｐに加わる力の方向を、主に引張方向とすることができる。尚、ホルダ本体４１ａと固定部材４１ｂとによるフォイル４２の挟持固定と、フォイルホルダ４１への溶接あるいは接着によるフォイル４２の固定とを併用してもよい。この場合、溶接あるいは接着によりフォイル４２とフォイルホルダ４１との固定力が十分であれば、固定部材４１ｂを省略したり、あるいは固定部材４１ｂを単なるスペーサとして機能させてもよい。尚、図１３では各フォイル４２の延在部４２ｂを一箇所の溶接点Ｗでホルダ本体４１ａに固定しているが、これに限らず、各延在部４２ｂを二箇所以上の溶接点Ｗでホルダ本体４１ａに固定してもよい。
【００５０】
図１４に示す実施形態では、フォイル４２の延在部４２ｂが、本体部４２ａの外径端から半径方向外方に延び、この延在部４２ｂの外径部分が固定部材４１ｂとホルダ本体４１ａとで挟持固定される。この場合も、延在部４２ｂがフォイルホルダ４１の同一平面上に固定されるため、上記の実施形態と同様に、全てのフォイル４２を隣接するフォイル４２に乗り上げさせて湾曲させることができる。ただし、延在部４２ｂの内径部分Ｐが半径方向に延びているため、軸６の回転に伴う空気の流動によって、フォイル４２の本体部４２ａが回転方向先行側へ引っ張られると、延在部４２ｂの内径部分Ｐに主にせん断方向の力が働くため、フォイル４２の損傷を招く恐れがある。従って、フォイル４２の耐久性の観点からは、図７あるいは図１３に示す実施形態の方が好ましい。
【００５１】
また、上記の実施形態では、スラストフォイル軸受４０の複数のフォイル４２を連結部６１で連結したフォイル部材６０を用いて、第１スラストフォイル軸受４０の組立を行う場合を示したが、これに限らず、例えば、複数のフォイル４２を連結部６１で連結せずに、溶接や接着により一枚ずつフォイルホルダ４１に取り付けてもよい。
【００５２】
図１５に示すスラストフォイル軸受４０は、複数のフォイル部材６０，６０’が、連結部６１，６１’を含めてフォイルホルダ４１に固定されている。尚、２枚のフォイル部材６０，６０’は同一形状であるが、図１６では、理解の容易化のため、一方のフォイル部材６０’に散点を付すと共に、一方のフォイル部材６０’の各部位の符号に「’」を付して示す。このスラストフォイル軸受４０は、以下のような手順で組み立てられる。まず、複数のフォイル４２，４２’の外径端を連結部６１，６１’で連結した２枚のフォイル部材６０，６０’を形成する｛図１５（Ａ）参照｝。次に、各フォイル４２，４２’の回転方向先行側端部を、隣接するフォイル４２’，４２の上に重ねながら、２枚のフォイル部材６０を重ねて仮組みする｛図１５（Ｂ）参照｝。そして、仮組みした２枚のフォイル部材６０，６０’をホルダ本体４１ａの上に載せ、固定部材４１ｂを用いてフォイルホルダ４１に固定する｛図１５（Ｃ）参照｝。固定部材４１ｂは、図１６に示すように、環状部４１ｂ１と、環状部４１ｂ１から下方に突出した押さえ部４１ｂ２とを有する。押さえ部４１ｂ２は、例えば環状部４１ｂ１の全周に設けられる。固定部材４１ｂの環状部４１ｂ１とホルダ本体４１ａとで、重ねられた２枚の連結部６１，６１’が挟持固定される。これと同時に、固定部材４１ｂの押さえ部４１ｂ２とホルダ本体４１ａとで、各フォイル４２，４２’の延在部４２ｂ，４２ｂ’が挟持固定される。これにより、全てのフォイル４２，４２’の延在部４２ｂ，４２ｂ’が、フォイルホルダ４１の同一平面上（ホルダ本体４１ａの端面４１ａ１上）に固定される。
【００５３】
以上の実施形態では、ラジアルフォイル軸受３０を多円弧軸受で構成した場合を示したが、これに限らず、各フォイルの周方向一端をフォイルホルダ３１の内周面３１ａに取り付けると共に、各フォイルの周方向他端を自由端とした、いわゆるリーフ型のラジアル軸受フォイルや、円筒状のトップフォイルの外径に波型のバックフォイルを配した、いわゆるバンプフォイル型のラジアル軸受フォイルを使用してもよい。
【００５４】
また、フォイルの形状は、本発明に本質的な影響を与えない範囲で変更可能である。例えば、スラストフォイル軸受のフォイルをスパイラル形状としたり、ラジアルフォイル軸受のフォイルをへリングボーン形状としてもよい。
【００５５】
また、以上の実施形態では、ラジアルフォイル軸受３０及びスラストフォイル軸受４０，５０をフォイル軸受ユニット１０として一体化した後、これをガスタービンに取り付ける場合を示したが、これに限らず、各フォイル軸受３０，４０，５０をそれぞれ別々にガスタービンに取り付けてもよい。
【００５６】
また、以上の実施形態では、フォイル部材６０の連結部６１が環状を成しているが、これに限らず、例えば周方向一箇所に切れ目のあるＣ型連結部を用いてもよい。あるいは、環状の連結部を周方向の複数個所で分断し、分断された各連結部に複数のフォイルを設けてもよい。
【００５７】
図１７に、本発明の一実施形態に係るラジアルフォイル軸受７０を示す。このラジアルフォイル軸受７０は、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ７１と、フォイルホルダ７１の内周面に取り付けられた複数（図示例では８枚）のフォイル７２とを有する。複数のフォイル７２は、フォイルホルダ７１の内周面に周方向に並べて配置される。
【００５８】
フォイルホルダ７１の内周面７１ａは円筒面とされる。フォイルホルダ７１は金属で形成され、例えば焼結金属で一体に型成形される。
【００５９】
各フォイル７２は、図１８に示すように、軸受面を有する本体部７２ａと、本体部７２ａから軸方向一方側（図中上側）に延びる延在部７２ｂとを有する。本体部７２ａの回転方向後方側（図１８の矢印と反対側）の縁７２ｃは、軸方向他方側（図中下側）へ向けて回転方向先行側に傾斜した方向に延びている。本体部７２ａの回転方向先行側の縁７２ｄは、回転方向後方側の縁７２ｃと平行である。
【００６０】
延在部７２ｂは、本体部７２ａから軸方向一方側へ向けて、回転方向後方側に傾斜した方向に延びている。図１９に示すように、各フォイル７２の本体部７２ａの回転方向先行側の端部（縁７２ｄ）は、隣接するフォイル７２の本体部７２ａの上（内径側）に重ねて配置される。各フォイル７２の延在部７２ｂは、フォイルホルダ７１の内周面７１ａの同一円筒面状に固定される。本実施形態では、延在部７２ｂがフォイルホルダ７１の内周面７１ａに溶接により固定される。
【００６１】
各フォイル７２の内径面は、ラジアル軸受面Ｓ１として機能する（図１７参照）。フォイルホルダ７１の内周面７１ａと各フォイル７２との間には、フォイル７２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７２の外径面とフォイルホルダ７１の内周面７１ａとが摺動可能とされる。各フォイル７２の本体部７２ａの回転方向後方側部分は、隣接するフォイル７２のラジアル軸受面Ｓ１の外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。
【００６２】
以下、ラジアルフォイル軸受７０の製造方法の一例を示す。まず、図２０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、２枚のフォイル部材８０を形成する。尚、２枚のフォイル部材８０は同形状であるが、図２０及び図２１では、理解しやすいように、一方のフォイル部材８０に散点を付して示している。各フォイル部材８０は、一枚のフォイルにプレス加工を施して一体に形成される。各フォイル部材８０は、複数のフォイル７２と、その外径端を連結する帯状の連結部８１とを有する。各フォイル部材８０には、ラジアルフォイル軸受７０に組み込まれるフォイル７２の半数（すなわち４枚）のフォイル７２が、円周方向等間隔に設けられる。各フォイル７２の延在部７２ｂと連結部８１との境界（後に切断される切断面）の周方向寸法は、各フォイル７２の延在部７２ｂの軸方向一方の端部（図中上端）の周方向寸法よりも小さい。本実施形態では、連結部８１に、内径に突出した複数の突起８１ａを設け、この突起８１ａと各フォイル７２とを連結している。
【００６３】
次に、図２１に示すように、２枚のフォイル部材８０を仮組みする。具体的には、２枚のフォイル部材８０を重ね、上側のフォイル部材８０（散点なし）のフォイル７２と下側のフォイル部材８０（散点あり）のフォイル７２とを半ピッチずらしながら、各フォイル７２の本体部７２ａの回転方向先行側の端部を、隣接するフォイル７２の本体部７２ａの上（紙面手前側）に重ねて配置する。その後、仮組みした２枚のフォイル部材８０を丸めながら、フォイルホルダ７１（図２１に鎖線で示す）の内周面７１ａ上に配置する。このとき、各フォイル７２の延在部７２ｂの軸方向端部が、フォイルホルダ７１の内周面７１ａの外径端に沿って配される。また、フォイル部材８０の連結部８１は、フォイルホルダ７１の軸方向外側に配される。この状態で、図１９に示すように、各フォイル７２の延在部７２ｂをフォイルホルダ７１に溶接により固定する。こうして、全てのフォイル７２の延在部７２ｂが、フォイルホルダ７１の同一円筒面上（内周面７１ａ上）に固定される。
【００６４】
その後、各フォイル部材８０の連結部８１を、フォイル７２から分離する。本実施形態では、連結部８１の突起８１ａとフォイル７２との境界を切断することで、連結部８１がフォイル７２から分離・除去される。以上により、図１７に示すラジアルフォイル軸受７０が完成する。
【００６５】
以上の実施形態では、フォイル軸受の組立後に連結部６１，８１を除去しているが、連結部６１，８１を除去しなくてもフォイル軸受として成立する。ただし、組立後には、連結部は何ら機能を有しないため、上記の実施形態のように連結部を除去することで、フォイル軸受の寸法を小さくすることができ、ひいてはターボ機械全体を小型、軽量化することが可能となる。
【００６６】
本発明にかかるスラストフォイル軸受及びラジアル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、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。
【００６７】
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】
【００６８】
６     軸
１０   フォイル軸受ユニット
２０   回転部材
２１   スリーブ部
２２   フランジ部
３０   ラジアルフォイル軸受
３１   フォイルホルダ
３２   フォイル
４０，５０    スラストフォイル軸受
４１，５１    フォイルホルダ
４１ａ，５１ａ       ホルダ本体
４１ｂ，５１ｂ       固定部材
４２，５２    フォイル
４２ａ，５２ａ       本体部
４２ｂ，５２ｂ       延在部
６０   フォイル部材
６１   連結部
７０   ラジアルフォイル軸受
７１   フォイルホルダ
７２   フォイル
８０   フォイル部材
８１   連結部
Ｓ１   ラジアル軸受面
Ｓ２   スラスト軸受面
Ｓ３   スラスト軸受面
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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