(57)【要約】【課題】スラストフォイル軸受の負荷容量を高める。【解決手段】回転部材（フランジ部４０）及び固定部材（スラスト部材２１）にそれぞれ磁石２３、２４を取り付け、磁石２３、２４間に生じるスラスト方向の斥力により、回転部材と固定部材とのスラスト方向に支持力を補助する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材と、回転部材と、回転部材の端面と固定部材の端面との間に配され、スラスト軸受面を有するフォイル部材とを備え、前記スラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、
固定部材及び回転部材にそれぞれ磁石を取り付け、これらの磁石を、互いにスラスト方向の斥力が働くように配置したスラストフォイル軸受。
【請求項２】
前記磁石を円周方向に沿って配置した請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
前記磁石が全周で連続したリング状である請求項２記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記磁石が、円周方向に離隔して配置した複数の磁石からなる請求項２記載のスラストフォイル軸受。
【請求項５】
回転部材に取り付けた磁石の外径と、固定部材に取り付けた磁石の外径とを異ならせた請求項２〜４の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項６】
前記磁石としてサマリウムコバルト磁石を用いた請求項１〜５の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項７】
前記フォイル部材が、円周方向一端を自由端とし、前記スラスト軸受面が設けられた複数のリーフと、複数のリーフを連結する連結部とを一体に有するフォイルを具備した請求項１〜６の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項８】
前記フォイル部材が、前記フォイルを複数組み合せて構成された請求項７記載のスラストフォイル軸受。
【請求項９】
前記フォイル部材のスラスト軸受面に被膜を設けた請求項１〜８の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１０】
前記フォイル部材を構成するフォイルのうち、スラスト軸受面と反対側の面に被膜を設けた請求項１〜９の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１１】
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９又は１０記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１２】
ガスタービンのロータ支持に用いられる請求項１〜１１の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【請求項１３】
過給機のロータ支持に用いられる請求項１〜１１の何れかに記載のスラストフォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜状のフォイルに設けられたスラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラスト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や、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では、タービンや圧縮機のロータの高速回転によりスラスト方向の気流が発生し、この気流の反力が軸に加わるため、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、回転部材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、固定部材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楔形の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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のようなスラスト軸受隙間の流体膜のみでは、スラスト方向に大きな負荷が加わった場合に、負荷容量が不足し、回転部材の安定性が低下したり、回転部材と固定部材との接触を招いたりする恐れがある。特に、ガスタービンや過給機に用いられるスラスト軸受は、ロータ（羽根）が高速で回転することにより軸に大きなスラスト方向の負荷が加わるため、スラスト方向の負荷容量の向上が強く求められている。
【０００８】
そこで、本発明は、スラスト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】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明は、固定部材と、回転部材と、回転部材の端面と固定部材の端面との間に配され、スラスト軸受面を有するフォイル部材とを備え、フォイル部材のスラスト軸受面でスラスト軸受隙間を形成し、このスラスト軸受隙間に生じる流体膜で回転部材をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、固定部材及び回転部材にそれぞれ磁石を取り付け、これらの磁石を、互いにスラスト方向の斥力が働くように配置したスラストフォイル軸受を提供する。
【００１０】
このように、固定部材及び回転部材に、スラスト方向の斥力が働くように磁石を取り付けることにより、スラスト軸受隙間に生じる流体膜の圧力によるスラスト方向の支持力を、磁石間に生じる斥力で補助することができ、スラストフォイル軸受の負荷容量が高められる。
【００１１】
ところで、回転部材と固定部材の双方の軸受面を剛体で構成した一般的な動圧軸受では、上述のようにスラスト軸受隙間が常に数μｍ程度の非常に小さい値となるため、固定部材及び回転部材に磁石を設けると、磁石間の距離が非常に近くなり、磁石間に比較的大きな斥力が作用する。このため、例えば起動直後や停止直前の低回転時など、軸受隙間の流体膜の圧力が十分に高まっていないときには、磁石間の斥力の影響により回転部材が固定部材に対して傾き、回転部材の安定性が低下する恐れがある。これに対し、フォイル軸受では、上述のように、スラスト軸受隙間を比較的大きな値に設定することができるため、固定部材及び回転部材に設けた磁石が比較的離間して配置され、磁石間に生じる斥力が抑えられて回転部材が傾く事態を防止できる。そして、回転部材の回転速度が上昇し、回転部材にスラスト方向の大きな負荷が加わってスラスト軸受隙間が小さくなると、磁石間の距離が小さくなってこれらの間の斥力が大きくなり、スラスト方向の支持力が高められる。このとき、磁石間に生じる斥力が大きくなっても、高速回転により軸受隙間（特にラジアル軸受隙間）の流体膜の圧力が十分に高まっているため、回転部材が傾く事態を防止できる。このように、上記のスラストフォイル軸受では、回転部材の回転数が低いときは磁石間に生じる斥力が小さく、斥力の影響で回転部材が傾く事態を防止でき、回転部材の回転数が高くなると磁石間に生じる斥力が大きくなって、スラスト方向の支持力が高められる。
【００１２】
上記の磁石は、例えば、円周方向（回転部材の回転軸心周りの円周方向）に沿って配置することができる。この場合、磁石を全周で連続したリング状とすれば、磁石を固定部材又は回転部材に簡単に取り付けることができる。一方、上記の磁石を、円周方向に離隔して配置した複数の磁石で構成すれば、磁石全体の径を自由に設定することができるため、設計の自由度が高められる。また、この場合、個々の磁石は任意の形状とすることができるため、既製品の磁石を用いて低コスト化を図ることができる。
【００１３】
上記のように、磁石を円周方向に沿って配置した場合、回転部材に取り付けた磁石の外径と、固定部材に取り付けた磁石の外径とを異ならせれば、一方の磁石の内径側に他方の磁石が配置され、回転部材のラジアル方向の安定性を増すことができる。すなわち、例えば図１３（ａ）に示すように、同径のリング状の磁石１０１、１０２をスラスト方向に対向させると、図１３（ｂ）に示すように磁石１０１、１０２が僅かにラジアル方向にずれた場合、両磁石１０１、１０２間に生じる斥力がラジアル方向のずれを大きくする方向に働く（図中の白抜き矢印参照）。これに対し、図１４（ａ）に示すように、外径の異なるリング状の磁石１０３、１０４を同心状に配置し、磁石１０４の内径側に磁石１０３を配置すると、図中矢印で示すように、磁石１０３、１０４間に生じる斥力が、小径の磁石１０３を内径向きに付勢する方向に働く。従って、図１４（ｂ）に示すように小径の磁石１０３が大径の磁石１０４に対して僅かにラジアル方向にずれた場合でも、両磁石１０３、１０４間に生じる斥力のラジアル方向成分により、小径の磁石１０３を大径の磁石１０４の軸心側に付勢することができる。これにより、磁石１０３、１０４のラジアル方向のずれが修正され、回転部材のラジアル方向の安定性が高められる。
【００１４】
例えばガスタービンや過給機のような高温環境で使用されるスラストフォイル軸受の場合は、高温環境でも良好な特性を示すサマリウムコバルト磁石を使用することが好ましい。
【００１５】
上記のフォイル部材は、例えば、円周方向一端を自由端とし、スラスト軸受面が設けられた複数のリーフと、複数のリーフを連結する連結部とを一体に有するフォイルを具備した構成とすることができる。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ることもできる。
【００１６】
フォイル軸受は、高速運転時にはフォイル部材のスラスト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、フォイル部材のスラスト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フォイル部材を挟んで接触し、フォイル部材の表面が損傷する恐れがある。このため、フォイル部材のスラスト軸受面に被膜を設け、損傷を防止することが好ましい。
【００１７】
また、フォイル部材を構成するフォイル同士、あるいは、フォイルと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、フォイル部材を構成するフォイルのうち、スラスト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。
【００１８】
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。
【００１９】
以上のようなスラストフォイル軸受は、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、磁石間に生じる斥力によりスラスト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、本発明の一実施形態に係るスラストフォイル軸受の断面図である。
【図５】（ａ）は、図４のＸ−Ｘ線におけるスラスト部材の断面図であり、（ｂ）は図４のＹ−Ｙ線におけるフランジ部の断面図である。
【図６】上記スラストフォイル軸受の構成部品の斜視図である。
【図７】上記スラストフォイル軸受の断面図である。
【図８】上記スラストフォイル軸受を構成するフォイルの平面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、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１０】（ａ）は他の実施形態に係るスラスト部材の断面図、（ｂ）は他の実施形態に係るフランジ部の断面図である。
【図１１】他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の断面図である。
【図１２】過給機を概念的に示す図である。
【図１３】（ａ）は同径の磁石を同心に配置した状態を示す平面図及び断面図であり、（ｂ）は（ａ）図の磁石をラジアル方向にずらした場合を示す平面図及び断面図である。
【図１４】（ａ）は外径の異なる磁石を同心に配置した状態を示す平面図及び断面図であり、（ｂ）は（ａ）図の磁石をラジアル方向にずらした場合を示す平面図及び断面図である。
【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概念的に示す。このマイクロガスタービンは、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、ラジアルフォイル軸受１０により軸６がラジアル方向に支持されると共に、本発明の一実施形態に係るスラストフォイル軸受２０により軸６に設けられたフランジ部４０が両スラスト方向に支持される。
【００２５】
ラジアルフォイル軸受１０は、例えばリーフ型のフォイル軸受で構成される。本実施形態では、図３に示すように、内周に軸６が挿入され、ケーシング５０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、円周方向等間隔に配された複数のリーフ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、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を構成する。各リーフ１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間には、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。尚、実際のラジアル軸受隙間Ｒの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３ではその幅を誇張して描いている。
【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）と、ケーシング５０に固定されたスラスト部材２１（固定部材）と、フランジ部４０とスラスト部材２１との間に配されたフォイル部材２２とを備える。本実施形態では、フランジ部４０の軸方向両側に一対のスラスト部材２１が設けられ、各スラスト部材２１の端面２１ａにフォイル部材２２が固定される。フランジ部４０の一方の端面４１ａと一方のフォイル部材２２との間、及び、フランジ部４０の他方の端面４２ａと他方のフォイル部材２２との間に、それぞれスラスト軸受隙間Ｔが形成される。
【００２９】
スラストフォイル軸受２０のフランジ部４０及びスラスト部材２１には、それぞれ磁石２３、２４が取り付けられる。磁石２３、２４は、互いにスラスト方向の斥力が働くように配置され、すなわち、同極同士（Ｎ極同士あるいはＳ極同士）が向き合うように配置される。本実施形態では、磁石２３、２４が何れも円周方向に沿って配置され、具体的には、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、磁石２３、２４が全周で連続したリング状を成し、同心上に配置される。図示例では、磁石２３、２４は同じ形状を成し、何れも断面矩形の中空円盤状を成している。上記のように、磁石２３、２４が全周で連続したリング状を成すことで、フランジ部４０あるいはスラスト部材２１に簡単に取り付けることができる。
【００３０】
一方の磁石２３は、フランジ部４０に固定され、本実施形態ではフランジ部４０の内部に埋め込まれる。具体的には、図４に示すように、フランジ部４０を軸方向中間部で分割してなる一対のフランジ部材４１、４２を設け、この一対のフランジ部材４１、４２の対向する端面に環状の凹部４１ｂ、４２ｂを形成し、この凹部４１ｂ、４２ｂを対向させて形成される空間に、リング状の磁石２３が配置される。一方の磁石２３は、軸６と共に高速で回転したときに破損する恐れがあるが、上記のように一方の磁石２３をフランジ部４０の内部に埋め込むことで、高速回転時の破損を防止できる。尚、磁石２３の破損を防止する手段は上記に限らず、例えば磁石２３を覆うケースを取り付けてもよい。
【００３１】
他方の磁石２４は、一対のスラスト部材２１のそれぞれに固定される。本実施形態では、各スラスト部材２１の他方の端面２１ｂ（フォイル部材２２と反対側の端面）に取り付けられる。具体的には、スラスト部材２１の他方の端面２１ｂに環状の凹部２１ｃを形成し、この凹部２１ｃにリング状の磁石２４が嵌合固定される。
【００３２】
フォイル部材２２は、図６に示すように中空円盤状のスラスト部材２１の端面２１ａに取り付けられる。本実施形態のフォイル部材２２は、複数のフォイルを組み合せて構成され、図示例では同形状を成した２枚の金属製のフォイル３０、３０’で構成される（図９参照）。フォイル部材２２には、各フォイル３０、３０’に設けられたリーフ３１、３１’が、円周方向交互に配されている。図７に示すように、各リーフ３１、３１’の円周方向一方（軸６の回転方向先行側、図中左側）の端部３１ａ、３１ａ’は自由端とされ、これにより各リーフ３１、３１’は自由に撓むことができる。リーフ３１、３１’の自由端３１ａ、３１ａ’は、隣のリーフ３１’、３１の円周方向他方の端部３１ｂ’、３１ｂとほぼ同じ円周方向位置に配される。複数のリーフ３１、３１’のフランジ部４０側の面（図中上面）は、フランジ部４０側（図中上側）を凸とする円弧状のスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’を構成する。スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’は、孔や段差のない平滑な曲面状をなす。スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’とフランジ部４０の端面４１ａとの間には、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。尚、実際のスラスト軸受隙間Ｔの幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図７ではその幅を誇張して描いている。
【００３３】
ここで、フォイル部材２２を構成する各フォイル３０、３０’の構成を説明する。尚、フォイル３０、３０’は全く同じ構成であるため、一方のフォイル３０の構成のみを説明し、他方のフォイル３０’の説明は省略する。また、図面では、他方のフォイル３０’のうち、一方のフォイル３０と対応する箇所に「’」を付して示す。
【００３４】
フォイル３０は、上記のリーフ１２と同様の材質及び厚さを有し、図８に示すように、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３１と、複数のリーフ３１を連結する連結部３２とを一体に有する。フォイル３０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３３が設けられる。本実施形態では、１枚のフォイル３０に、ワイヤカット加工やプレス加工等で切り込みを入れることにより、複数のリーフ３１及び連結部３２が形成される。具体的には、円形のフォイル３０の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では４箇所）に、穴３３から外径向きに延び、フォイル３０の外径端よりも手前で終わる半径方向の切り込み３４が設けられる。各切り込み３４の外径端から、円周方向他方（軸６の回転方向後方側、図７の反時計周り方向）に円周方向の切り込み３５が設けられる。円周方向の切り込み３５は、隣り合う半径方向の切り込み３４の円周方向中央部まで延び、図示例では全周の１／８の長さである。円周方向の切り込み３５の幅ｔ1は、半径方向の切り込み３４の幅ｔ2よりも大きい（ｔ1＞ｔ2）。半径方向の切り込み３４及び円周方向の切り込み３５を形成することで、各リーフ３１の円周方向一方の端部３１ａが軸方向に上下動自由な自由端となる。連結部３２は、複数のリーフ３１の外周を囲む環状部３２ａと、環状部３２ａから内径向きに延びた複数（図示例では４つ）の延在部３２ｂとを有し、延在部３２ｂはリーフ３１の円周方向他方の端部３１ｂ（図８に点線で示す）と連続している。
【００３５】
次に、２枚のフォイル３０、３０’を組みつけてフォイル部材２２を形成する方法を、図９を用いて説明する。尚、２枚のフォイル３０、３０’の材質及び形状は全く同じであるが、図９では、理解しやすいように一方のフォイル３０’に散点を付している。また、ここでは、フォイル３０、３０’の中心軸方向を上下方向として説明する。
【００３６】
まず、図９（ａ）に示す２枚のフォイル３０、３０’を、図９（ｂ）に示すように上下に重ねて配置し、上側のフォイル３０の半径方向の切り込み３４から、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’を差し込む。これにより、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’が、上側のフォイル３０の連結部３２（延在部３２ｂ）の上方に配される。そして、２枚のフォイル３０、３０’を相対的に回転させることにより、図９（ｃ）に示すように、下側のフォイル３０’のリーフ３１’の自由端３１ａ’が、上側のフォイル３０のリーフ３１の端部３１ｂの上方に達する。以上により、上側のフォイル３０のリーフ３１と、下側のフォイル３０’のリーフ３１’とが、円周方向交互に配されたフォイル部材２２が得られる。
【００３７】
上記のようにして２枚のフォイル３０、３０’を一体化したフォイル部材２２を、スラスト部材２１の端面２１ａに固定する（図６参照）。固定手段は特に限定されず、例えば接着や溶接により固定される。例えば、２枚のフォイル３０、３０’を重ねた状態で、連結部３２、３２’の環状部３２ａ、３２ａ’の円周方向複数箇所を、２枚一度に溶接でスラスト部材２１に固定する。こうしてフォイル部材２２が取り付けられたスラスト部材２１をケーシング５０に固定し、フォイル部材２２とフランジ部４０とをスラスト方向で対向させることにより、スラストフォイル軸受２０が完成する（図４参照）。
【００３８】
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のリーフ１２のラジアル軸受面１２ｃと軸６の外周面６ａとの間のラジアル軸受隙間Ｒに流体膜が生じ、この流体膜で軸６がラジアル方向に非接触支持される（図３参照）。これと同時に、スラストフォイル軸受２０の一対のフォイル部材２２のスラスト軸受面（リーフ３１、３１’の軸受面３１ｃ、３１ｃ’）とフランジ部４０の端面４１ａ、４２ａとの間のスラスト軸受隙間Ｔに流体膜が生じ、この流体膜で軸６が両スラスト方向に非接触支持される（図４参照）。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３１、３１’の有する可撓性により、各リーフ１２、３１、３１’の軸受面１２ｃ、３１ｃ、３１ｃ’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。
【００３９】
また、スラストフォイル軸受２０に設けられた磁石２３、２４のスラスト方向の斥力により、軸６のスラスト方向の支持力がさらに高められる。すなわち、磁石２３、２４間の斥力により、フランジ部４０とスラスト部材２１とをスラスト方向に離反する方向に付勢し、スラスト軸受隙間Ｔの流体膜によるスラスト方向の支持を補助する。特に、タービン１の高速回転により軸６にスラスト方向の大きな負荷が加わり、スラスト軸受隙間Ｔが小さくなった場合には、磁石２３、２４の距離が近づくため、これらの間に働く斥力が大きくなる。これにより、フランジ部４０がフォイル部材２２やスラスト部材２１と接触する自体を回避できる。尚、磁石２３、２４間の斥力が大きくなると、フランジ部４０に作用する力が大きくなり、フランジ部４０がスラスト部材２１に対して傾いてスラスト軸受隙間Ｔが円周方向で不均一となることが懸念されるが、軸６が高速で回転することで、ラジアル軸受隙間Ｒにおける流体膜の圧力が高まり、軸６のモーメント剛性が高くなるため、かかる不具合を防止できる。
【００４０】
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３１、３１’のスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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３１ｃ、３１ｃ’とフランジ部４０との間で金属接触を生じる。この時の金属接触による摩擦力を減じて、リーフ１２、３１、３１’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３１ｃ、３１ｃ’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３１ｃ、３１ｃ’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、上記のような被膜は、ラジアル軸受面１２ｃ及びスラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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の端面に形成してもよい。
【００４１】
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３１、３１’の裏面（スラスト軸受面３１ｃ、３１ｃ’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。このため、これらの面の摺動部分、すなわちリーフ１２、３１、３１’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してもよい。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。
【００４２】
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。
【００４３】
例えば、上記の実施形態では、磁石２３、２４を、何れも全周で連続したリング状に形成した場合を示したが、これに限らず、磁石２３、２４の一方又は双方を、円周方向に離隔して配置した複数の磁石で構成してもよい。例えば図１０に示す例では、磁石２３、２４の双方を、円周方向等間隔の複数箇所（図示例では８箇所）に配置した複数の磁石２３ａ、２４ａで構成している。複数の磁石２３ａ、２４ａは、それぞれスラスト部材２１の端面２１ｂ及びフランジ部材４１の端面に固定される。この場合、磁石２３ａ、２４ａの配置を変えるだけで、磁石２３、２４全体の径を自由に変更することができる。例えば図示例では、磁石２３の外径Ｄ１と磁石２４の外径Ｄ２とが等しくなるように配置しているが、これに限らず、磁石２４を構成する各磁石２４ａを図示より外径側に配置して、磁石２４の外径Ｄ２を磁石２３の外径Ｄ１よりも大きくする設計も可能である。また、個々の磁石２３ａ、２４ａは、特別な形状である必要は無く、例えば図示例のような矩形状（直方体）の磁石２３ａ、２４ａを用いることができる。このように磁石２３ａ、２４ａの形状が単純であれば、既製品の廉価な磁石を用いることができるため、製造コストの低減を図ることができる。
【００４４】
また、上記の実施形態では、フランジ部４０及びスラスト部材２１に同形状のリング状の磁石２３、２４を取り付けた場合を示したが、これに限られない。例えば、図１１に示す実施形態では、フランジ部４０に取り付けられる磁石２３の外径と、スラスト部材２１に取り付けられる磁石２４の外径とを異ならせ、これらを同心上に配置している。具体的には、磁石２４の外径を磁石２３の外径よりも大径とし、大径の磁石２４の内径側に小径の磁石２３を配置している。磁石２３、２４は、全周で連続したリング状としてもよいし（図５参照）、円周方向に離隔して配置した複数の磁石で構成してもよい（図１０参照）。この場合、両磁石２３、２４の間に生じる斥力のラジアル方向成分により、小径の磁石２３を内径側に付勢することができるため、両磁石２３、２４のラジアル方向のずれ、ひいては、フランジ部４０とスラスト部材２１とのラジアル方向のずれを修正し、フランジ部４０の磁石２３、２４による支持を安定させることができる。
【００４５】
また、以上の実施形態では、固定部材（スラスト部材２１）にフォイル部材を固定した場合を示したが、これとは逆に、フォイル部材を回転部材（軸６のフランジ部４０）に固定してもよい。この場合、フォイル部材のリーフに設けられたスラスト軸受面と固定部材の端面との間に、楔状のスラスト軸受隙間が形成される。ただし、フォイル部材を回転部材に固定すると、フォイル部材が高速で回転することとなるため、遠心力によりフォイルが変形する恐れがある。従って、フォイルの変形を回避する観点からは、フォイル部材を固定部材に取り付けることが好ましい。
【００４６】
また、以上の実施形態では、フランジ部４０の軸方向両側にスラスト部材２１及びフォイル部材２２を設け、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スラスト部材２１及びフォイル部材２２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。
【００４７】
また、以上の実施形態では、スラストフォイル軸受２０のフォイル部材２２が、複数のリーフ３１を一体に有するフォイル３０と複数のリーフ３１’を一体に有するフォイル３０’とを組み合せて構成されているが、これに限られない。例えば、複数のリーフを一枚ずつスラスト部材２１に固定する構成としてもよい。あるいは、スラスト軸受面を有するトップフォイルと、トップフォイルとスラスト部材との間に配置された波形のバックフォイルとで構成されるバンプフォイル型のフォイル部材を採用してもよい。
【００４８】
また、以上の実施形態では、本発明に係るスラストフォイル軸受２０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１２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６３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６１と、タービン６２とを備える。圧縮機６１及びタービン６２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６１で圧縮され、燃料を混合してエンジン６３に供給される。エンジン６３で燃料を混合した圧縮空気を燃焼させ、エンジン６３から排気された高温、高圧のガスでタービン６２を回転させる。このときのタービン６２の回転力が、軸６を介して圧縮機６１に伝達される。タービン６２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。
【００４９】
本発明にかかるフォイル軸受は、ガス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。
【００５０】
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】
【００５１】
１     タービン
２     圧縮機
３     発電機
４     燃焼器
５     再生器
６     軸
１０   ラジアルフォイル軸受
１１   外方部材
１２   リーフ
２０   スラストフォイル軸受
２１   スラスト部材（固定部材）
２２   フォイル部材
２３   磁石
２４   磁石
３０   フォイル
３１   リーフ
３１ｃ スラスト軸受面
４０   フランジ部（回転部材）
４１   フランジ部材
Ｒ     ラジアル軸受隙間
Ｔ     スラスト軸受隙間
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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