(57)【要約】【課題】本発明では、フォイルの軸受面の剛性を、軸受面各部で任意に変更可能なフォイル軸受を提供することを課題としている。【解決手段】支持すべき軸６と対向する軸受面Ｘを備えたトップフォイル部Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆの背後でトップフォイル部Ｔｆを弾性的に支持するバックフォイル部Ｂｆとを備え、軸６と軸受面Ｘとの間の軸受隙間Ｃに生じる流体膜で、相対回転する軸６を非接触に支持するフォイル軸受１０において、バックフォイル部Ｂｆが、複数の経材２１および緯材２２を交差させ、かつ規則的に配置されて形成された網状体２０からなることを特徴とする。【選択図】図９
2017227240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持すべき軸と対向する軸受面を備えたトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後でトップフォイル部を弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触に支持するフォイル軸受において、
前記バックフォイル部が、複数の線材を交差させ、かつ規則的に配置されて形成された網状体からなることを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記網状体は、直交二方向にそれぞれ複数配置された線材である経材と緯材を、互いに交差させて形成された請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記網状体は、配置される線材の密度を部分的に変化させた請求項１または２いずれか記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記網状体は、複数の異なる材質の線材により形成された請求項１から３いずれか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記網状体は、複数の異なる太さの線材により形成された請求項１から４いずれか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項６】
前記バックフォイル部は、複数の前記網状体を積層して形成された請求項１から５いずれか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項７】
前記バックフォイル部は、前記軸受面の側に突出した凸部を有し、
前記凸部が、前記軸の回転方向に対して千鳥状に配列された請求項１から６いずれか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、フォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホワールが生じ難く、かつ温度変化の大きい環境下でも軸受隙間の隙間幅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金属薄板（フォイル）で軸受面を構成し、この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り、軸受隙間が運転条件等に応じた適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。例えば下記の特許文献１に、ラジアル荷重を支持するラジアルフォイル軸受の一例として、バンプ型と呼ばれるフォイル軸受が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８７７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のフォイル軸受は、円筒状のトップフォイルと、トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイル（バンプフォイル）と、トップフォイルおよびバックフォイルが取り付けられた軸受ホルダとを有する。このバンプ型フォイル軸受では、トップフォイルが荷重を受けた際にバックフォイルが弾性変形するため、トップフォイルの撓みが許容されるようになっている。
【０００５】
ところで、バンプ型フォイル軸受のバックフォイルは、図２３に示すように軸方向（矢印方向）に延びる凸部２００を周方向に配置した波板状の形態を有する。この様な一枚の板材により形成されたバックフォイルは、その弾性変形時には各凸部２００を押し広げるように変形することになるが、その際の変形抵抗が大きく、バックフォイルが全体的に高剛性となる。このため、トップフォイルの柔軟性が不足する傾向にある。トップフォイルの柔軟性が不足すると、軸受隙間の自動調整機能が損なわれ、軸とトップフォイルが接触し易くなる等の不具合を招く。
【０００６】
そこで、本発明は、トップフォイル部の柔軟性を高め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】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明は、支持すべき軸と対向する軸受面を備えたトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後でトップフォイル部を弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜で、相対回転する軸を非接触に支持するフォイル軸受において、前記バックフォイル部が、複数の線材を交差させ、かつ規則的に配置されて形成された網状体からなることを特徴とするものである。
【０００８】
かかる構成では、軸受運転中の軸受隙間で生じる流体圧力により、バックフォイル部にトップフォイル部を介して流体圧力の作用方向（ラジアル軸受では半径方向、スラスト軸受では軸方向）の圧縮力が作用する。そして、この流体圧力に対して、線材を交差させた網状体によってバックフォイル部を構成することにより、バックフォイル内の各部で剛性差を生じさせることができる。
【０００９】
具体的には、線材と線材が交差する部分ではバックフォイル部が高剛性となり、この高剛性部の周囲（各線材の交差部分に隣接する部分）でバックフォイル部が低剛性となる。バックフォイル部が流体圧力を受けると、この低剛性部が弾性変形することにより、流体圧力によって生じる圧縮力を吸収することができる。
【００１０】
高剛性部は、低剛性部の弾性変形により、低剛性部が設けられた各方向へ相対移動することができる。高剛性部の周囲に低剛性部を設けることで、高剛性部の各方向への相対移動を許容することができるため、バックフォイル部の柔軟性を高めることができる。
【００１１】
さらに、かかる構成では、バックフォイル部の任意の位置で線材同士を交差させて剛性差を生じさせることができ、高剛性部とその周辺に形成される低剛性部との組み合わせを、バックフォイル部全体にわたって分散して配置することができる。このため、バックフォイル部が各部で受ける流体圧力に応じて弾性変形することができ、軸受面全体にバネ性を持たせることができる。
【００１２】
網状体は、直交二方向にそれぞれ複数配置された経材と緯材を、互いに交差させて形成することができる。これにより、経材と緯材の低剛性部分の弾性変形により圧縮力を吸収することができると共に、経材と緯材が互いに摺接して、軸からの振動を吸収することができる。
【００１３】
網状体は、配置される線材の密度を部分的に変化させたり、異なる材質や異なる太さの線材により形成することができる。これにより、バックフォイル部の剛性等の軸受特性を部分的に変化させることができ、フォイル軸受全体としての軸の支持剛性を容易に調整することができる。
【００１４】
バックフォイル部は、複数の網状体を積層して形成することができる。これにより、積層された網状体同士の間で摺動を許容することができ、軸の振動をより吸収しやすくなる。また、個々の網状体の構成を変更することにより、バックフォイル部全体としての剛性やバネ性の調整が容易になる。
【００１５】
バックフォイル部は、軸受面の側に突出した凸部を有し、この凸部が、軸の回転方向に対して千鳥状に配列されることが好ましい。凸部の位置においては、バックフォイル部が高剛性となって変形しにくくなり、軸との間に形成される流体膜が高圧になって流体が軸の回転方向に逃げ難くなる。このため、この凸部を軸の回転方向に対して千鳥状に配置することで、軸受隙間を流れる流体が、この凸部を避ける様に多方向に分岐しながら流れていき、その流れが複雑化する。これにより、軸受隙間において流体が逃げにくくなり、一定の空気膜を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、軸受面全体に柔軟性を持たせることができる。これにより、軸受隙間の自動調整機能が良好に発揮されるため、軸とトップフォイル部の接触を確実に防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】マイクロガスタービンの構成を概念的に示す図である。
【図２】マイクロガスタービンのロータ支持構造の概略構成を示す図である。
【図３】本発明にかかるフォイル軸受の断面図である。
【図４】フォイルの平面図である。
【図５】連結した二枚のフォイルを裏面側から見た平面図である。
【図６】三枚のフォイルを仮組みした状態を示す斜視図である。
【図７】フォイルの仮組体をフォイルホルダに取り付ける様子を示す斜視図である。
【図８】フォイル軸受のフォイル重複部を拡大して示す断面図である。
【図９】網状体によって形成されるバックフォイル部の斜視図である。
【図１０】網状体の平面図である。
【図１１】本発明のフォイルの平面図である。
【図１２】網状体の断面図で、（ａ）図は図９中のＡ１−Ａ１線断面図、（ｂ）図は図９中のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図１３】網状体における高剛性部と低剛性部の配置を示す概略図である。
【図１４】バックフォイル部の変形例を示す平面図である。
【図１５】バックフォイル部の変形例を示す断面図である。
【図１６】バックフォイル部の変形例を示す平面図である。
【図１７】バックフォイル部の変形例を示す平面図である。
【図１８】軸受隙間における空気の流れを示す模式図で、（ａ）図は本発明のフォイル軸受、（ｂ）図は従来の板状のバックフォイルを用いたフォイル軸受を示す図である。
【図１９】リーフ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。
【図２０】バンプ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。
【図２１】リーフ型のスラストフォイル軸受を示す斜視図である。
【図２２】図２１中のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図２３】バンプ型フォイル軸受のバックフォイルを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に、ターボ機械の一例として、マイクロガスタービンと称されるガスタービン装置の構成を概念的に示す。このガスタービン装置は、主要な構成として、翼列を形成したタービン１と、圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを備える。タービン１および圧縮機２は、水平方向に延びる軸６に取り付けられて軸６と共に回転側のロータを構成する。軸６の軸方向一端は発電機３に連結されている。このマイクロガスタービンが運転されると、吸気口７から空気が吸入され、吸入された空気は、圧縮機２で圧縮されると共に再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。燃焼器４は、圧縮・加熱された空気に燃料を混合してこれを燃焼させることにより高温・高圧のガスを発生させ、このガスによりタービン１を回転させる。タービン１が回転すると、その回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転駆動される。発電機３が回転駆動することにより生じた電力は、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。
【００１９】
図２に、図１に示したマイクロガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を概念的に示す。この支持構造では、軸６の周囲にラジアル軸受１０が配置され、軸６に設けたフランジ部６ｂの軸方向両側にそれぞれスラスト軸受３０が配置される。これらラジアル軸受１０およびスラスト軸受３０により、軸６がラジアル方向およびスラスト両方向に回転自在に支持される。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に隣接している関係上高温雰囲気となる。加えて、軸６は、数万ｒｐｍ以上の回転速度で回転する。そのため、この支持構造で使用する軸受１０，３０としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。
【００２０】
上記のマイクロガスタービン用のラジアル軸受１０に適合するフォイル軸受の一例として、多円弧型と呼ばれるものが使用される。以下、この多円弧型フォイル軸受の基本的構成を図３〜図８に基づいて説明する。
【００２１】
［多円弧型フォイル軸受の基本的構成］
図３に示すように、多円弧型のラジアルフォイル軸受１０は、円筒面状の内周面１１ａを有するフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面１１ａ上で、軸６の回転方向の複数箇所に配置されたフォイル１２とを有する。図示例のフォイル軸受１０は、内周面１１ａの三カ所にフォイル１２を配置した場合を例示している。各フォイル１２の内径側に軸６が挿入されている。
【００２２】
フォイルホルダ１１は、例えば焼結金属や溶製材等の金属（例えば鋼材）で形成することができる。フォイルホルダ１１の内周面１１ａのうち、回転方向Ｒに離隔した複数箇所（フォイル数と同数）には、各フォイル１２の取り付け部となる軸方向溝１１ｂが形成されている。
【００２３】
各フォイル１２を構成するフォイル材は、バネ性に富み、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を、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。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、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、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。
【００２４】
図４に示すように、フォイル１２は、軸６の回転方向Ｒ側の第一領域１２ａと、反回転方向側の第二領域１２ｂとを有する。
【００２５】
第一領域１２ａは、軸受面Ｘを形成するトップフォイル部Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆの表面に沿い、かつ回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（以下、単に「直交方向Ｎ」と呼ぶ）の複数箇所に設けられ、かつ、それぞれ回転方向Ｒ側に突出する方向に延びた凸部１２ａ２とを有する。本実施形態では、前記直交方向の三カ所に凸部１２ａ２を形成した場合を例示している。各凸部１２ａ２の基端部には、フォイル縁部から反回転方向に延びる微小な切り込み１２ａ３が設けられている。
【００２６】
第二領域１２ｂの後端１２ｄ（反回転方向側の端部）には、前記直交方向Ｎに離隔して、回転方向Ｒに向けて凹んだ二つの切り欠き部１２ｂ２が形成される。各切り欠き部１２ｂ２の前記直交方向Ｎにおける幅寸法は、回転方向Ｒに向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部１２ｂ２全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部１２ｂ２は、頂部を尖端状とした略Ｖ字状に形成することもできる。各切り欠き部１２ｂ２の前記直交方向Ｎの両側には、それぞれ反回転方向に突出する突出部１２ｂ１が形成されている。
【００２７】
第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界部で、かつ前記直交方向Ｎの複数箇所（凸部１２ａ２と同数）には、隣接するフォイル１２の凸部１２ａ２が差し込まれる、スリット状の差込口１２ｃ１が設けられる。このうち、両端の差込口１２ｃ１は、前記直交方向Ｎに直線状に延びて、フォイル１２の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口１２ｃ１は、前記直交方向Ｎに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から反回転方向側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。
【００２８】
図５に示すように、一方のフォイル１２の各凸部１２ａ２を、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１にそれぞれ差し込むことにより、２枚のフォイル１２を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル１２のうち、一方のフォイル１２にグレーの色を付している。
【００２９】
そして、図６に示すように、３枚のフォイル１２を図５と同様の結合手法により周状に連結する事で、各フォイル１２を仮組みの状態にする事ができる。この仮組体を、図７に示すように、筒状にしてフォイルホルダ１１の内周に矢印Ｂ２の方向へ挿入する事で、フォイル軸受１０が組み立てられる。具体的には、３枚のフォイル１２の仮組体をフォイルホルダ１１の内周に挿入しながら、各フォイル１２の凸部１２ａ２を、フォイルホルダ１１の一方の端面に開口した軸方向溝１１ｂ（図７参照）に軸方向一方側から差し込む。以上により、３枚のフォイル１２が、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに回転方向Ｒに並べた状態で取り付けられる。
【００３０】
図８に示すように、各フォイル１２をフォイルホルダ１１に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル１２同士が交差した状態となる。この交差部分よりも回転方向Ｒ側では、一方のフォイル１２の凸部１２ａ２が、他方のフォイル１２の差込口１２ｃ１を介して他方のフォイル１２の背後に回り込み、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに挿入されている。また、他方のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成している。交差部分よりも反回転方向側では、一方のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、他方のフォイルの第二領域１２ｂが一方のフォイル１２の背後に回り込んでバックフォイル部Ｂｆを構成する。このバックフォイル部Ｂｆの反回転方向側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Ｂｆの弾性変形に応じて周方向（回転方向および反回転方向）に変動する。バックフォイル部Ｂｆの回転方向Ｒ側の端部は、前記交差部分で他のフォイル１２（前記一方のフォイル）と周方向で係合した状態にある。
【００３１】
トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆが重なり合った部分で、フォイル同士が重複したフォイル重複部Ｗが構成される。このフォイル重複部Ｗは、回転方向Ｒの複数箇所（フォイル１２と同数であり、本実施形態では三カ所）に形成される。
【００３２】
このフォイル軸受１０では、各フォイル１２の回転方向Ｒ側の一端（凸部１２ａ２）がフォイルホルダ１１に取り付けられると共に、反回転方向側の領域が他のフォイル１２と周方向で係合した状態にある。これにより、隣接するフォイル１２同士が周方向で互いに突っ張り合った状態となるため、各フォイル１２のトップフォイル部Ｔｆがフォイルホルダ１１側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿った形状に湾曲する。各フォイル１２の回転方向Ｒ側への移動は、各フォイル１２の凸部１２ａ２が軸方向溝１１ｂに突き当たるために規制されるが、各フォイル１２の反回転方向側への移動は規制されず、各フォイル１２は、バックフォイル部Ｂｆの自由端も含めて反回転方向に移動可能である。
【００３３】
図８に示すように、軸方向溝１１ｂがフォイルホルダ１１の内周面の接線方向に対して角度θ１だけ僅かに傾斜して設けられるため、軸方向溝１１に挿入された凸部１２ａ２の近傍では、トップフォイル部Ｔｆがフォイル１２全体の湾曲方向（フォイルホルダ１１の内周面１１ａの湾曲方向）と逆方向に湾曲しようとする。また、トップフォイル部Ｔｆは、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げることで、フォイルホルダ１１の内周面１１ａから離反する方向に傾斜した状態で立ち上がる。従って、トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘと軸６の外周面の間に楔空間が形成される。また、トップフォイル部Ｔｆは弾性変形可能なバックフォイル部Ｂｆに弾性的に支持された状態となる。
【００３４】
軸６の一方向回転中は、楔空間に生じた空気膜（流体膜）が高圧となるため、軸６が浮上力を受ける。そのため、各フォイル１２の軸受面Ｘと軸６の間に環状のラジアル軸受隙間Ｃが形成され、軸６がフォイル１２に対して非接触の状態で回転自在に支持される。トップフォイル部Ｔｆの弾性変形により、ラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅は運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸６の回転が安定的に支持される。なお、図３においては理解の容易化のためラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅を誇張して描いている（図２２も同じ）。
【００３５】
軸６の回転中は、流体圧力により、トップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押さえ付けられて弾性変形するため、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げたトップフォイル部Ｔｆには、軸受隙間Ｃの幅方向の段差が形成される。図５に示すように、各フォイル１２の第二領域１２ｂの後端１２ｄに切り欠き部１２ｂ２を設けた場合には、この段差は、切り欠き部１２ｂ２の形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Ｔｆに沿って流れる流体は、上記の段差に沿って流れるため（矢印を参照）、軸受隙間Ｃのうち、前記直交方向Ｎの二カ所に流体の圧力発生部が形成される。これにより、軸６の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図４に示すように、トップフォイル部Ｔｆに微小な切り込み１２ａ３を形成してトップフォイル部Ｔｆの剛性を低下させているため、トップフォイル部Ｔｆが切り欠き部１２ｂ２に沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。
【００３６】
［本発明の特徴的構成］
本実施形態のフォイル軸受１０は、各フォイル１２のバックフォイル部Ｂｆが、図９に示す網状体２０で構成される。網状体２０は、金属製の線材である複数の経材２１と複数の緯材２２を規則的に配列し、かつ互いに交差させて形成される。図１０に示すように、経材２１と緯材２２で区画された領域は、表裏に貫通した角穴状の窓部２３を構成している。経材２１および緯材２２として、金属製の線材の他、樹脂製の線材を使用することもできる。
【００３７】
網状体２０は、直線状の経材２１に対して、緯材２２を浮き沈みさせながら織り込むことで形成される。直線状の各経材２１は同一レベルにあり（図１２ａ参照）、この経材２１の上下を緯材２２が交互に通過している。
【００３８】
この網状体２０では、緯材２２の浮き沈みした部分で網状体２０の表裏側に突出する凸部２２ａ，２２ｂが形成される。緯材２２の浮き部分でトップフォイル部Ｔｆ側（表側）に突出した凸部２２ａが形成され、沈み部分でフォイルホルダ１１の側（裏側）へ突出する凸部２２ｂが形成される。
【００３９】
図４に示すように、トップフォイル部Ｔｆおよびバックフォイル部Ｂｆを一枚のフォイル１２で形成する場合、図１１に示すように、網状体２０と薄板状のトップフォイル部Ｔｆとの周方向端部を、例えば溶接等の方法により連結することでフォイル１２を形成することができる。
【００４０】
このように形成されたフォイル１２のバックフォイル部Ｂｆを図５〜図７と同様の手順でフォイルホルダ１１に取り付けることにより、図３に示すように、各バックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）を網状体２０で形成したラジアルフォイル軸受１０が完成する。
【００４１】
図１２（ａ）は図９のＡ１−Ａ１線断面図、図１２（ｂ）は図９のＡ２−Ａ２線断面図であり、それぞれフォイル軸受１０の断面を示したものである。バックフォイル部Ｂｆの表側の凸部２２ａがトップフォイル部Ｔｆに接触し、バックフォイル部Ｂｆの裏側の凸部２２ｂがフォイルホルダ１１の内周面１１ａに接触する。
【００４２】
軸６の回転中には、軸受隙間Ｃで生じる空気圧によりトップフォイル部Ｔｆが圧力Ｐを受けるため、バックフォイル部Ｂｆには、トップフォイル部Ｔｆを介して圧力Ｐ方向の圧縮力が作用する。この際、バックフォイル部Ｂｆを構成する緯材２２のうち、凸部２２ａ、２２ｂ間の領域２２ｃ（図１２（ａ）参照）や、経材２１のうち、緯材２２の凸部２２ａ，２２ｂに挟まれた領域２１ｃ（図１２（ｂ）参照）は、圧縮力Ｐに対する剛性が低い部分となる。そのため、バックフォイル部Ｂｆに圧縮力Ｐが負荷された際には、これら低剛性の部分２１ｃ、２２ｃが、それぞれ図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す２点鎖線のように弾性変形して圧縮力Ｐが吸収される。
【００４３】
一方、凸部２２ａの位置では、緯材２２が圧縮力Ｐの方向とは逆方向から経材２１によって支持されており、この部分が緯材２２のその他の部分より剛性の高い部分となる。このため、凸部２２ａに対応するトップフォイル部Ｔｆの位置では、軸受隙間Ｃに形成される空気膜が高圧力となり、空気が逃げ難くなる。
【００４４】
図１３に示すように、網状体２０において、剛性の高い部分である凸部２２ａ（図１３の黒丸で示す部分）は、軸受面Ｘに沿う直交二方向（回転方向Ｒおよび直交方向Ｎ）の両側から剛性の低い部分２１ｃ、２２ｃ（図１３の白丸で示す部分）によって挟まれており、凸部２２ａの四方を囲う様にして低剛性部２１ｃ、２２ｃが設けられる。この低剛性部２１ｃ、２２ｃが圧縮力Ｐを受けて弾性変形することで、高剛性部２２ａは、矢印Ｎ方向およびＲ方向へ相対移動することができ、バックフォイル部の剛性を低くすることができる。
【００４５】
また、網状体２０を構成する経材２１と緯材２２は、お互いが溶接等の方法によって固定されておらず、網状体２０内部において、経材２１は図９の矢印Ｎ方向へ、緯材２２は図９の矢印Ｒ方向へ、それぞれ相対移動可能に設けられている。従って、バックフォイル部Ｂｆが受ける圧縮力Ｐに合わせて、それぞれの線材が相対移動することで、経材２１と緯材２２の間での微小な摺動を許容することができる。この摺動により、バックフォイル部Ｂｆが軸６の回転により受ける振動を吸収し、フォイル軸受１０が軸６の回転を安定して支持することができる。
【００４６】
ところで、軸受面Ｘに必要とされる剛性の最適値は、軸受面Ｘの各部で異なると考えられる。このため、軸６に合わせた最適な軸受剛性を得るためには、部分的にフォイル軸受１０の剛性を高くしたり、低くしたりすることで、軸受面Ｘの各部でその剛性を適切に調整することが必要である。
【００４７】
この点、本実施形態の様に、線材を規則的に配列した網状体２０をバックフォイル部Ｂｆとする構成の場合、網状体２０の構成を変更することにより、部分的な剛性の変更が容易であり、求められる軸受剛性に合わせたフォイル軸受の設計が可能である。
【００４８】
例えば、上記の網状体２０では、経材２１および緯材２２を、それぞれＲ方向とＮ方向に等間隔に配置したが、図１４に示すように、経材２１や緯材２２を配置する間隔を部分的に大きくする等、その間隔を変化させてもよい。隣接する線材の間隔を部分的に変化させることで、網状体２０のその部分における線材の密度を調整し、バックフォイル部Ｂｆの剛性を部分的に変化させることができる。つまり、線材の密度を大きくすることで、その部分におけるバックフォイル部Ｂｆの剛性を大きくしたり、逆に線材の密度を小さくすることで剛性を小さくしたりすることができる。
【００４９】
また、図１４のように経材２１の間隔を一部大きくすることで、緯材２２の凸部２２ａと凸部２２ｂの支持スパンＳ（図１２ａ参照）を大きくすることができる。スパンＳを大きくし、緯材２２の周方向の曲率を小さくすることで、領域２１ｃ、２２ｃの部分が弾性変形しやすくなり、この部分の剛性をさらに低くすることができる。また、これとは逆に、支持スパンＳを小さくして緯材２２の周方向の曲率を大きくすることで、バックフォイル部Ｂｆの剛性を高くすることができる。この様に、経材２１の間隔を調整することで、バックフォイル部Ｂｆの剛性を部分的に調整することができる。
【００５０】
また、図１５に示すように、部分的に経材２１を隣接して２本以上（図では２本）配置する構成とすることもできる。緯材２２を支持する経材２１の本数を増やすことで、緯材２２の支持力を高め、凸部２２ａにおけるバックフォイル部Ｂｆの剛性を高めることができると共に、トップフォイル部Ｔｆに接触する凸部２２ａの面積を大きくし、高剛性部の範囲を広げることができる。
【００５１】
経材２１と緯材２２の太さは均一である必要はなく、一部の経材２１や緯材２２を太くしてその部分の剛性を高めたり、逆に細くすることで剛性を低くして弾性変形しやすくすることもできる。
【００５２】
さらに、複数の異なる材質の金属材により、経材２１や緯材２２を形成することもできる。部分的に剛性の高い線材を使用する等して、バックフォイル部Ｂｆの剛性を部分的に変化させることができる。
【００５３】
また、網状体２０を構成する線材の配列方法についても、図９で示した形態のものに限らず、求められる軸受剛性等に応じて適宜変更が可能である。例えば、図９の実施形態とは逆に、経材２１を波状、緯材２２を直線状としたり、経材２１および緯材２２を共に波状にすることもできる。また、各線材は矢印Ｒ方向あるいは矢印Ｎ方向に対して傾斜して設けられていてもよいし、三方向以上に線材が交差して配列される構成であってもよい。
【００５４】
図１６に示すように、経材２１と緯材２２を格子状に配置し、交差部分を溶接等の方法により連結することで網状体２０を形成することもできる。経材２１と緯材２２で区画された領域は、表裏に貫通した角穴状の窓部２３を構成している。線材同士の交差部２５１が圧力Ｐに対して剛性の高い部分となり、その周囲四方の交差部分に隣接する連結部２５２が、交差部２５１よりも剛性の低い部分となる。バックフォイル部Ｂｆが圧力Ｐを受けると、この連結部２５２が弾性変形することにより、圧力Ｐによって生じる圧縮力Ｐを吸収することができる。
【００５５】
さらに、図１７に示すように、メリヤス編みによって網状体２０を形成することもできる。つまり、線材２４に形成した複数のループ部２４ａに、隣接する線材２４のループ部２４ａを通し、これを連続して設けることで網状体２０が形成される。網状体２０を構成する線材２４は、ループ部２４ａ同士を連結する連結部２４ｂが矢印Ｒ方向（図の左右の矢印方向）へ伸縮することにより、ループ部２４ａを矢印Ｎ方向（図の上下の矢印方向）へ伸縮させることができる。この線材２４の伸縮により、隣接する線材２４同士を摺接させて軸６の振動を吸収することができる。
【００５６】
以上で説明した網状体２０を圧力Ｐの作用方向に複数枚積層したものをバックフォイル部Ｂｆとすることもできる。これにより、積層された網状体２０同士の間で摺動を許容することができ、軸６の振動をより吸収しやすくなる。このため、フォイル軸受１０が軸６の回転を安定して支持することができる。また、個々の網状体２０の構成を変更することにより、バックフォイル部Ｂｆ全体としての剛性やバネ性の調整が容易になる。さらに、複数のバックフォイル部Ｂｆによってトップフォイル部Ｔｆの裏側から軸６を支持することができ、バックフォイル部Ｂｆ全体としての支持剛性を高めることもできる。
【００５７】
このように、線材を規則的に配置した網状体２０によってバックフォイル部Ｂｆを形成することにより、網状体２０における線材の配列の方法や線材同士の交差のさせ方（織り方や編み方）を変更することで、バックフォイル部Ｂｆの形状を多様に変化させることができる。また、線材の太さや材料等を部分的に変更することもでき、図４や図２３のような板材でバックフォイル部Ｂｆを形成するフォイル軸受と比較して、バックフォイル部Ｂｆの軸受剛性等の特性に対する設計の自由度が格段に向上する。このため、軸受面の各部で求められる剛性に合わせた、最適な軸受剛性を有するフォイル軸受を実現することができる。
【００５８】
本発明の線材を規則的に配置して形成する網状体としては、図９で示したバックフォイル部Ｂｆのように、バックフォイル部Ｂｆ全体にわたって線材を等間隔で配置する場合の他、図１４の様にその間隔を一部変更した場合や線材の太さを変えた場合、線材同士の交差のさせ方を変えた場合等、線材の配列の規則性を一部変更したものも含まれる。バックフォイル部Ｂｆ全体、あるいはその一部において、線材を規則的に配列することにより、バックフォイル部Ｂｆの剛性やバネ性等を周期的に変化させることができるので、バックフォイル部Ｂｆにおける剛性やバネ性等の管理が容易になる利点がある。
【００５９】
また、図４で示したバックフォイル部Ｂｆの様に、網状体２０を、フォイル１２の後端側に切り欠き部１２ｂ２を設けた形状に形成することもできる。また、線材の密度を変更する等して、切り欠き部１２ｂ２に相当する部分を高剛性部、バックフォイル部Ｂｆのその他の部分を低剛性部として、図４のバックフォイル部Ｂｆに形成される流体の圧力発生部と同等の圧力発生部を形成し、軸６の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することも可能である。
【００６０】
図１８（ａ）は、軸受面Ｘを軸６の側から見た模式図で、図のハッチング部分Ｄがバックフォイル部Ｂｆの凸部２２ａが設けられた部分に相当する。凸部２２ａは、緯材２２が軸６の側へ突出した部分で、経材２１と緯材２２が交差した部分である。この部分では、バックフォイル部Ｂｆが受ける圧力Ｐに対して凸部２２ａが高剛性となって変形しにくいため、軸受隙間Ｃに形成される空気膜が高圧力になり、空気が軸受面に沿う方向へ逃げ難くなる。本発明では、軸６の回転方向である矢印Ｒ方向に対して、この高圧部Ｄ（凸部２２ａ）がいわゆる千鳥状に配置されている。
【００６１】
軸６が回転すると、軸６と軸受面Ｘの間に形成される軸受隙間Ｃにおいて、矢印Ｒ方向に空気が流れる。この際、高圧部Ｄの位置では、高圧力下で空気膜が形成されて空気が逃げ難くなっており、軸受隙間Ｃを流れる空気は、軸受面Ｘ上に千鳥状に配置された高圧部Ｄを避けるように、低圧部分を多方向に分岐しながら流れる（例えば、図の矢印方向へ分岐しながら流れる）。
【００６２】
一方、例えば図１８（ｂ）に示すように、高圧部（凸部）が矢印Ｒ方向と平行に配置された構成では、軸６の回転によって軸受隙間Ｃへ流入した空気は、高圧部Ｄに衝突することなく、矢印Ｒ方向と平行な方向へ進路を変えずに流れていく。このため、軸受隙間Ｃから空気が抜けやすくなり、軸受隙間Ｃにおいて一定の空気膜を維持することが難しくなってしまう。
【００６３】
これに対して本実施形態では、軸受隙間Ｃを流れる空気が、上記の様に多方向へ分岐してその進路を繰り返し変更しながら矢印Ｒ方向に流れるため、軸受隙間Ｃから空気が抜けにくくなる。また、軸受面Ｘ全体に高圧部Ｄが分散して設けられているため、この高圧部Ｄの間に設けられた低圧部を通って軸受面Ｘ全体に均等に空気が供給されやすくなる。これらにより、軸受隙間Ｃに一定の空気膜を形成することができ、フォイル軸受１０が、軸６を安定して非接触支持することができる。
【００６４】
矢印Ｒ方向に高圧部（凸部）Ｄを千鳥状に配置する例として、図１８（ａ）で示した図９の網状体２０の配置の他、例えば図１８（ｃ）に示すように高圧部Ｄを配置する網状体２０であってもよい。この様に、矢印Ｒ方向に隣接する高圧部Ｄを、矢印Ｎ方向の両側に交互にずらして配置することにより、軸受隙間Ｃにおける空気の流れを複雑化させ、軸受隙間Ｃに一定の空気膜を形成することができる。
【００６５】
以上の説明では、フォイル軸受１０として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図１９に示すいわゆるリーフ型のラジアルフォイル軸受１０にも本発明を適用することができる。リーフ型フォイル軸受は、回転方向Ｒ側の一端を自由端とし、反回転方向側の他端を固定端とした複数のフォイル１２（リーフ）を軸６の回転方向Ｒに配置したもので、各フォイル１２の回転方向Ｒ側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、反回転方向側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。このリーフ型のラジアルフォイル軸受において、各リーフ１２のバックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）を網状体２０で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
また、図２０に示すいわゆるバンプ型のラジアルフォイル軸受１０にも本発明を適用することもできる。バンプ型のフォイル軸受１０では、バックフォイル部Ｂｆの全体を網状体２０で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図２０では、バックフォイル部Ｂｆをフォイルホルダ１１の内周面１１ａの全周にわたって連続させているが、バックフォイル部Ｂｆを周方向の一個所もしくは複数箇所で分割することもできる。この場合、分割した個々の要素が網状体２０で形成される。
【００６７】
さらに図２１に示すスラストフォイル軸受３０にも本発明を適用することもできる。図２１はスラストフォイル軸受３０の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。このスラストフォイル軸受においても、図２２に示すように、各リーフ１２のバックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）を網状体２０で形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
なお、以上の説明では、軸６を回転側部材とし、フォイルホルダ１１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸６を固定側部材とし、フォイルホルダ１１を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイル１２が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル１２全体の変形を考慮してフォイル１２の設計を行う必要がある。
【００６９】
また、本発明にかかるフォイル軸受は、上述したガスタービンに限られず、例えば過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受としても使用することができる。以上の例示に限らず、本発明にかかるフォイル軸受は、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。また、本実施形態の各フォイル軸受は、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可能である。
【符号の説明】
【００７０】
６        軸
１０      ラジアルフォイル軸受
１１      フォイルホルダ
１２      フォイル
２０      網状体
２１      経材（線材）
２２      緯材（線材）
２２ａ    凸部
２２ｂ    凸部
３０      スラストフォイル軸受
Ｔｆ      トップフォイル部
Ｂｆ      バックフォイル部
Ｃ        軸受隙間
Ｄ        高圧部
Ｒ        回転方向
Ｎ        直交方向
Ｘ        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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