(57)【要約】【課題】  軸受面の可撓性を簡単に調整可能としたフォイル軸受を提供する。【解決手段】  円筒状の外方部材１、外方部材１の内周に挿入された軸２と、外方部材１内周面１ｂと軸２の外周面２ａとの間に介在し、外方部材１に一端を取り付けた複数のリーフ３とでフォイル軸受を構成する。各リーフ３の内周面に、楔状のラジアル軸受隙間を形成する軸受面３ｄを設ける。各リーフ３に、その固定端から離反した位置で外方部材１の内周面１ｂと接触する突起部２ｂを設け、各リーフ３の突起部２ｂよりも自由端側に、他のリーフ３の自由端を接触させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の外方部材と、外方部材の内周に挿入された軸と、フォイルで形成され、外方部材の内周面と軸の外周面との間の円周方向の複数個所に配置され、楔状のラジアル軸受隙間を形成する軸受面を備え、一端が軸もしくは外方部材の何れか一方からなる取り付け部材に固定され、他端が自由端である複数のリーフとを備え、ラジアル軸受隙間に生じた流体膜で軸と外方部材の相対回転を支持するフォイル軸受において、
リーフに、その固定端から離反した位置で取り付け部材と接触する突起部を設け、各リーフの突起部よりも自由端側に、他のリーフの自由端を接触させることを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
リーフの固定端側に、前記他のリーフと半径方向でオーバーラップするオーバーラップ部を設け、このオーバーラップ部に突起部を設けた請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項３】
突起部が、リーフをラジアル軸受隙間側から部分的に塑性変形させて形成された請求項１または２記載のフォイル軸受。
【請求項４】
突起部をリーフの軸方向全長にわたって形成した請求項１〜３何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
外方部材を取り付け部材とし、軸を回転させる請求項１〜４何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項６】
軸を取り付け部材とし、外方部材を回転させる請求項１〜４何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項７】
突起部と、取り付け部材の突起部との接触部のうち、何れか一方又は双方に第１被膜を形成した請求項１〜６何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項８】
リーフの軸受面に、表面を低摩擦化する第２被膜を形成した請求項１〜７何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項９】
第１被膜と第２被膜を、摩擦係数の異なる材料で形成した請求項８記載のフォイル軸受。
【請求項１０】
第１被膜および第２被膜として、ＤＬＣ被膜、チタンアルミナイトライド被膜、二流化モリブデン被膜の何れかを選択した請求項８または９記載のフォイル軸受。
【請求項１１】
ガスタービンのロータの支持に使用される請求項１〜１０何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項１２】
過給機のロータの支持に使用される請求項１〜１０何れか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、外方部材の内周面と軸の外周面との間に薄膜状のフォイルを介在させた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高速で回転駆動される。また、主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が、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、これらの軸受の使用は制約を受ける。そこで、そ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ラジアル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主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。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ラジアル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】
ホワールが生じにくく、かつ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。通常は、軸受の内周面をトップフォイルと呼ばれる薄板で構成し、その外径側にバックフォイルと呼ばれるばね状の部材を配置してトップフォイルが受ける荷重をバックフォイルで弾性的に支持している。この場合、軸の回転時には、軸の外周面とトップフォイルの内周面との間に空気膜が形成され、軸が非接触支持される。
【０００５】
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ラジアル軸受隙間が形成されるため、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、一般的な動圧軸受のラジアル軸受隙間は軸直径の１／１０００のオーダーで管理する必要があり、例えば直径数ｍｍ程度の軸では数μｍ程度のラジアル軸受隙間を常時確保する必要がある。従って、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程度のラジアル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。
【０００６】
フォイル軸受としては、バックフォイルに設けた切り起こしでトップフォイルを弾性的に支持するもの（特許文献１）、素線を網状に編成した弾性体で軸受フォイルを弾性的に支持するもの（特許文献２）、および、バックフォイルに、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部とトップフォイルからの面圧により弾性的に撓む弾性部とを設けたもの（特許文献３）等が公知である。
【０００７】
フォイル軸受の一種として、バックフォイルを設けず、トップフォイルを周方向で分割してリーフフォイルを形成し、リーフフォイルをその一部を重ね合わせながら周方向の複数個所に設け、リーフフォイルの重なり合った部分でばね性を得るリーフ型と呼ばれるものも存在する。このリーフ型のフォイル軸受としては、固定軸受環を周方向で複数の円弧状環部材に分割し、各円弧状環部材の接合端部にフォイルの一端を溶接すると共に、フォイルにレイリーステップを屈曲形成したもの（特許文献４）、リーフをピエゾバイモルフで形成したもの（特許文献５）、リーフフォイルを線膨張率の異なる２種類の金属からなるバイメタルにより形成したもの（特許文献６）、等が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３６４６４３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】特公平２−２０８５１号公報
【特許文献５】特開平４−５４３０９号公報
【特許文献６】特開２００２−２９５４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フォイル軸受では、軸受面の可撓性（剛性）が軸受性能に大きな影響を与えるため、設計条件や運転条件に応じた最適な可撓性を軸受面に具備させる必要がある。従来のフォイル軸受のうち、特許文献１〜３に示すフォイル軸受では、軸受面の可撓性の最適化は主にバックフォイルの弾性支持力を調整することで行われる。しかしながら、バックフォイルの構造は一般に複雑であるので、弾性支持力の調整は困難であり、軸受設計が難しくなる。
【００１０】
一方、特許文献４〜６に示すリーフ型のフォイル軸受において、軸受面の可撓性を調整するためには、リーフの材質・寸法・形状等を変更する必要があり、同様に軸受設計が困難となる。
【００１１】
そこで、本発明は、軸受面の可撓性を簡単に調整可能としたフォイル軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は、円筒状の外方部材と、外方部材の内周に挿入された軸と、フォイルで形成され、外方部材の内周面と軸の外周面との間の円周方向の複数個所に配置され、楔状のラジアル軸受隙間を形成する軸受面を備え、一端が軸もしくは外方部材の何れか一方からなる取り付け部材に固定され、他端が自由端である複数のリーフとを備え、ラジアル軸受隙間に生じた流体膜で軸と外方部材の相対回転を支持するフォイル軸受において、リーフに、その固定端から離反した位置で取り付け部材と接触する突起部を設け、各リーフの突起部よりも自由端側に他のリーフの自由端を接触させることを特徴とする。
【００１３】
従来構成において、リーフの一端を取り付け部材に取り付けた場合、この取り付け位置がリーフの支点として固定される。そのため、リーフの可撓性（剛性）を調整するには、リーフの材質、形状、寸法等を変更することで対応せざるを得ない。これに対し、本願発明のように、取り付け部材への取り付け部とは別にリーフに突起部を設け、この突起部を取り付け部材と接触させれば、突起部がリーフを弾性変形させる際の支点となる。突起部よりも自由端側に他のリーフの自由端が接触すると、突起部よりも自由端側のリーフの弾性変形によって、他のリーフに弾性支持力が付与される。突起部の位置を移動させれば（特に周方向に移動させれば）、リーフの支点位置が変動して突起部よりも自由端側のリーフのばね定数が変化するため、これに接触するリーフ、さらにはその軸受面の可撓性を調整することができる。これにより、突起部の位置調整だけで、リーフの可撓性を自由に設定することが可能となり、軸受設計が容易化する。
【００１４】
リーフの固定端側には、前記他のリーフと半径方向でオーバーラップするオーバーラップ部を設けるのが望ましい。これにより、リーフの突起部よりも自由端側に他のリーフの自由端を確実に接触させることができる。また、リーフをラジアル軸受隙間側から部分的に塑性変形させて突起部を形成した場合でも、塑性変形で形成された凹部がラジアル軸受隙間と対向することはなく、凹部による流体膜の破断を防止することができる。突起部はリーフの軸方向全長にわたって形成するのが望ましい。
【００１５】
以上の構成は、外方部材を取り付け部材とし、軸を回転させる場合のみならず、軸を取り付け部材とし、外方部材を回転させる場合にも同様に適用することができる。
【００１６】
軸受の運転中は、突起部と、取り付け部材の突起部と接触する部分との間で円周方向の微小摺動が生じる。この摺動による振動の減衰効果を考えると、摺動部に作用する摩擦力をある程度大きくすることが望まれる。従って、突起部と、取り付け部材の突起部との接触部のうち、何れか一方又は双方に第１被膜を形成すれば、被膜材料を適宜選択することにより、フォイルや外方部材の材質とは無関係に両者の摺動部で最適な摩擦係数を得ることが可能となり、軸受設計の自由度が増す。
【００１７】
起動直後や停止直後の低速回転状態では、リーフの軸受面にラジアル軸受隙間を介して対向する部材が摺接する。従って、軸受面に、表面を低摩擦化する第２被膜を形成することにより、起動直後や停止直後の摩擦トルクを減じて低トルク化を図ることができる。また、軸受面を保護して摺接時における軸受面の摩耗を抑制することができる。
【００１８】
第１被膜と第２被膜は、摩擦係数の異なる材料で形成するのが望ましい。第１被膜および第２被膜としては、ＤＬＣ被膜、チタンアルミナイトライド被膜、二流化モリブデン被膜の何れかを選択することができる。ＤＬＣ被膜やチタンアルミナイトライド被膜は硬質被膜であるため、これらを使用すれば、低摩擦化に加えて、耐摩耗性の向上による軸受寿命の増大を図ることもできる。
【００１９】
以上に述べたフォイル軸受は、ガスタービンのロータの支持や、過給機のロータの支持に使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、突起部の位置を調整することにより、軸受面の可撓性を簡単に調整することができる。従って、運転条件や設計条件に適合した軸受設計が容易となり、フォイル軸受の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明にかかるフォイル軸受の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１に示すフォイル軸受の斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１および図２に、本発明にかかるリーフ型フォイル軸受の一実施形態を示す。このフォイル軸受は、例えばガスタービンや過給機のロータの支持に適合するもので、円筒状の外方部材１と、外方部材１の内周に挿入され、前記ロータに結合した軸２と、外方部材の内周面と軸２の外周面との間の隙間に介在させた複数のリーフ３とで構成される。
【００２３】
各リーフ３は金属製のフォイルで形成され、前記隙間の円周方向等配位置に配置される。各リーフ３の内周面は外径側を凸とする円弧状の軸受面３ｄを構成し、この軸受面３ｄと軸２の外周面２ａとの間に、軸２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Ｃが形成される。
【００２４】
各リーフ３は、その一端を外方部材１の内周に取り付けることにより、外方部材１に固定される。例えば、図示のようにリーフ３の一端部に外径方向に起立する取り付け部３ａを形成し、この取り付け部３ａを外方部材１の内周に形成した嵌合溝１ａに嵌合固定することで、各リーフ３を外方部材１に固定することができる。各リーフ３の外方部材１への取り付け方法は任意で、接着や溶接で固定することもできる。各リーフ３の他端は自由端になっている。各リーフ３の固定端側には、軸２の反回転方向に隣接した他のリーフ３の自由端側と半径方向でオーバーラップするオーバーラップ部Ｐが形成される。
【００２５】
各リーフ３のオーバーラップ部Ｐ内の外周面には、外径方向に突出する突起部３ｂが形成されている。この突起部３ｂは、リーフ３を内径側から外径方向に部分的に塑性変形させることにより形成され、例えば図２に示すようにリーフ３の軸方向全長にわたって形成された凸条で構成することができる。各リーフ３を外方部材１に取り付けた状態では、各突起部３ｂが外方部材１の内周面１ｂに弾性的に接触する。この状態で、フォイル３の内周に軸１を挿入することで、図１に示すフォイル軸受が得られる。
【００２６】
以上の構成において、楔状のラジアル軸受隙間Ｃの縮小方向に軸２を回転させると、各リーフ３の軸受面３ｄと軸２の外周面２ａとの間に空気膜が形成される。これにより、図１に示すように、軸２の周囲の円周方向複数個所に楔状のラジアル軸受隙間Ｃが形成され、軸２がフォイル３に対して非接触の状態でラジアル方向に回転自在に支持される（なお、実際のラジアル軸受隙間Ｃの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図１ではその幅を誇張して描いている）。また、各リーフ３が有する可撓性により、各リーフ３の軸受面３ｄが荷重や軸２の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に弾性変形するため、ラジアル軸受隙間Ｃは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、ラジアル軸受隙間を最適幅に管理することができ、軸２を安定して支持することが可能となる。
【００２７】
軸２の回転中は、ラジアル軸受隙間Ｃに形成された空気膜の圧力で各リーフ３が外径側に弾性変形し、図１に二点鎖線で示すように、その自由端が回転方向に隣接するリーフ３に接触する。この時、外径側のリーフ３が弾性変形することにより、これに接触した内径側のリーフ３が弾性的に支持され、軸受面３ｄの可撓性が高まる。従って、ラジアル軸受隙間Ｃの幅の自己調整能力が強化され、かつ振動の減衰効果も得られる。そのため、高温・高速回転といった過酷な運転条件でもラジアル軸受隙間を最適幅に管理することができ、軸２を安定して支持することが可能となる。
【００２８】
本発明では、外方部材１への取り付け部３ａとは別に各リーフ３に突起部３ｂを設け、この突起部３ｂを外方部材１に接触させている。この突起部３ｂは、各リーフ３が弾性変形する際の支点（起点）となるため、突起部３ｂよりも自由端側でリーフ３の弾性変形が生じる。従って、突起部３ｂの位置を周方向に移動させれば、突起部３ｂよりも自由端側でリーフ３のばね定数を変化させることができ、リーフ同士の接触時に他のリーフ３に与える弾性支持力を調整することができる。これにより、突起部３ｂの位置を周方向に調整するだけで、各リーフ３の可撓性を自由に設定することが可能となり、軸受設計が容易化する。突起部３ｂの位置は、オーバーラップ部Ｐの範囲内であって、突起部３よりも自由端側に他のリーフ３が接触できる範囲内で調整することができる。
【００２９】
突起部３ｂを塑性変形で形成することにより、リーフ３の内周面に凹部が形成されているが、この凹部は、オーバーラップ部Ｐの範囲内にあり、凹部がラジアル軸受隙間Ｃと対向することはない。そのため、凹部による空気膜の破断を防止することができ、軸２を安定して支持することができる。
【００３０】
フォイル軸受では、軸２の停止直前や起動直後の低速回転時に、各リーフ３の軸受面３ｄや軸２の外周面２ａ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、フォイル３と軸２の外周面２ａとの間で金属接触を生じ、トルクの増大を招く。この時の摩擦力を減じてトルク低減を図るため、各リーフ３の軸受面３ｄには、表面を低摩擦化する第２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、軸受面３ｄ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。
【００３１】
また、軸受の運転中は、各リーフ３の突起部３ｂと外方部材１の内周面１ｂとの間でも円周方向の微小摺動が生じる。この摺動部分、すなわち突起部３ｂの外側面とこれに接触する外方部材１の内周面１ｂとの何れか一方または双方に第１被膜を形成することにより、この摺動部分での耐摩耗性の向上を図ることができる。なお、振動の減衰効果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必要となる場合もあり、第１被膜にはそれほど低摩擦性は要求されない。従って、第１被膜としては、二流化モリブデン膜よりも摩擦係数は大きいが耐摩耗性に優れる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。例えば軸受面３ｄの第２被膜として二流化モリブデン膜を使用する一方で、突起部３ｂと外方部材１の摺動部分の第１被膜としてＤＬＣ膜等を使用し、両被膜の摩擦係数を異ならせることで、低トルク化と振動の減衰効果の向上とを両立することが可能となる。
【００３２】
以上の説明では、図１の構成において、軸２を回転側部材とし、外方部材１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸２を固定側部材とし、外方部材１を回転側部材とした場合にも図１の構成をそのまま適用することもできる。但し、この場合はリーフ３が回転側部材となるので、遠心力によるリーフ３の変形を加味してリーフ３の設計を行う必要がある。
【００３３】
また、図１では、各リーフ３を外方部材１に固定した場合を例示したが、リーフ３は軸２に固定することもできる。図３は、その一例で、各リーフ３の一端の取り付け部３ａを内径側に起立させ、これを例えば軸２に設けた嵌合溝２ｂに嵌合固定した場合を示す。取り付け部３ａはこれ以外にも接着や溶接で軸２に固定しても構わない。各リーフ３の外周面は外径側を凸とする円弧状の軸受面３ｄを構成し、この軸受面３ｄと外方部材１の内周面１ｂとの間に、軸２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Ｃが形成される。各リーフ３の固定端側には、反回転方向に隣接する他のリーフ３の自由端側と半径方向でオーバーラップするオーバーラップ部Ｐが構成される。各リーフ３のオーバーラップ部Ｐには、リーフ３を外径側から内径側に向けて部分的に塑性変形させて突起部３ｂが形成され、突起部３ｂが軸２の外周面２ａに接触している。外方部材１の回転中は、各リーフ３の突起部３ｂよりも自由端側に反回転方向側に隣接する他のリーフの自由端が接触する。以上の構成でも図１および図２に示す実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
図３では外方部材１を回転側としているが、外方部材１を固定側としてもよい。但し、外方部材１を固定側とすると、フォイル３が回転側となるので、フォイル３の設計時には遠心力によるフォイル３の変形を考慮する必要がある。
【００３５】
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】
【００３６】
１      外方部材
１ａ    嵌合溝
１ｂ    内周面
２      軸
２ａ    外周面
２ｂ    嵌合溝
３      リーフ
３ａ    取り付け部
３ｂ    突起部
３ｄ    軸受面
Ｃ      ラジアル軸受隙間
Ｐ      オーバーラップ部
【図１】
2012072817.tif 000003
【図２】
2012072817.tif 000004
【図３】
2012072817.tif 000005