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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6257965
(24)【登録日】2017年12月15日
(45)【発行日】2018年1月10日
(54)【発明の名称】フォイル軸受ユニット
(51)【国際特許分類】
F16C 27/02 20060101AFI20171227BHJP
F16C 17/06 20060101ALI20171227BHJP
F16C 17/03 20060101ALI20171227BHJP
F16C 17/10 20060101ALI20171227BHJP
F02C 7/06 20060101ALI20171227BHJP
F01D 25/16 20060101ALI20171227BHJP
F02B 39/00 20060101ALI20171227BHJP
【ＦＩ】
F16C27/02 A
F16C17/06
F16C17/03
F16C17/10 Z
F02C7/06 C
F01D25/16 B
F01D25/16 C
F02B39/00 J
F02B39/00 L
【請求項の数】7
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2013-185191(P2013-185191)
(22)【出願日】2013年9月6日
(65)【公開番号】特開2015-52345(P2015-52345A)
(43)【公開日】2015年3月19日
【審査請求日】2016年8月26日
(73)【特許権者】
【識別番号】000102692
【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107423
【弁理士】
【氏名又は名称】城村 邦彦
(74)【代理人】
【識別番号】100120949
【弁理士】
【氏名又は名称】熊野 剛
(74)【代理人】
【識別番号】100155457
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 祐輔
(72)【発明者】
【氏名】藤原 宏樹
【審査官】
前田 浩
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００３−２７８７５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−３２９３２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−６１０２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第４１６７２９５（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０１Ｄ ２５／１６
Ｆ０２Ｂ ３９／００
Ｆ０２Ｃ ７／０６
Ｆ１６Ｃ １７／０３
Ｆ１６Ｃ １７／０６
Ｆ１６Ｃ １７／１０
Ｆ１６Ｃ ２７／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
円筒部及び該円筒部から外径に延びる平板部を一体に有する第１ケース部材と、前記第１ケース部材に取り付けられた平板部を有する第２ケース部材と、前記第１ケース部材の円筒部の内周面に直接取り付けられたラジアル軸受フォイルと、前記第１ケース部材の平板部の端面に直接取り付けられたスラスト軸受フォイルと、前記第２ケース部材の平板部の端面に取り付けられた他のスラスト軸受フォイルと、前記第１ケース部材の円筒部の内周に挿入され、内周面に回転軸が嵌合固定される中空のスリーブ部、及び、前記スリーブ部から外径に突出したフランジ部を有する内方部材とを備え、前記ラジアル軸受フォイルの軸受面と前記スリーブ部の外周面との間のラジアル軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をラジアル方向に支持すると共に、前記スラスト軸受フォイルの軸受面と前記フランジ部の一端面との間のスラスト軸受隙間、及び、前記他のスラスト軸受フォイルの軸受面と前記フランジ部の他端面との間のスラスト軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をスラスト方向に支持するフォイル軸受ユニット。
【請求項2】
前記スリーブ部と前記フランジ部とが一体に形成された請求項１記載のフォイル軸受ユニット。
【請求項3】
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との軸方向間にスペーサを設けた請求項１記載のフォイル軸受ユニット。
【請求項4】
前記スペーサの内周と外周とを連通する連通孔を設けた請求項３記載のフォイル軸受ユニット。
【請求項5】
前記スリーブ部の内周面と、この内周面に固定される回転軸の外周面との間に、前記ラジアル軸受隙間と外部とを連通する連通路が形成された請求項４記載のフォイル軸受ユニット。
【請求項6】
前記第２ケース部材が円筒部をさらに備え、前記第２ケース部材の円筒部の内周面に他のラジアル軸受フォイルを取り付け、前記内方部材の軸部の外周面と前記他のラジアル軸受フォイルの軸受面との間のラジアル軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をラジアル方向に支持する請求項１〜５の何れかに記載のフォイル軸受ユニット。
【請求項7】
前記第１ケース部材の外周に設けられた取付部材と、前記第１ケース部材と前記取付部材とを連結する減衰材とを備え、前記減衰材の変形により、前記取付部材に対する前記第１ケース部材の移動を許容した請求項１〜６の何れかに記載のフォイル軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はフォイル軸受ユニットに関する。
【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】
例えば、下記の特許文献１及び特許文献２には、フォイル軸受を適用したターボ機械が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表平９−５１０５２２号公報
【特許文献2】特表平１０−５１１４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のようなターボ機械において、ターボ機械に設けられたハウジングの内周面に直接フォイルを固定する作業は難しい。このため、通常、上記特許文献１及び２のように、円筒状のケースの内周にフォイルを固定したフォイル軸受カートリッジを予め形成し、このフォイル軸受カートリッジをハウジングの内周面に固定することで、組立作業の容易化を図っている。一方ハウジングの端面にフォイルを固定する作業は比較的容易であるため、上記特許文献１及び２では、ハウジングの端面にスラストフォイルが直接固定されている。
【0006】
ところで、上記のようにラジアル方向及びスラスト方向に軸を支持するフォイル軸受において、回転軸を高精度に支持するためには、ラジアル方向の支持を行うフォイル（ラジアル軸受フォイル）とスラスト方向の支持を行うフォイル（スラスト軸受フォイル）との相対的な位置関係が重要となる。このため、ラジアル軸受フォイルを取り付ける取付面とスラスト軸受フォイルを取り付ける取付面との相対的な位置精度（例えば直角度）を高精度に設定する必要がある。しかし、上記のような構成では、ラジアル軸受フォイルの取付面が軸受カートリッジのケースの内周面に設けられる一方で、スラスト軸受フォイルの取付面がハウジングの端面に設けられるため、これらの取付面の相対的な位置精度を高めるためには、各部材の高精度な加工及び組み付けが必要となり、製造コストが高くなってしまう。
【0007】
本発明は、製造コストの高騰を招くことなく、回転軸を高精度に支持可能なフォイル軸受ユニット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】
【0008】
上記目的を達成するため、本発明は、円筒部及び該円筒部から外径に延びる平板部を一体に有する第１ケース部材と、前記第１ケース部材の円筒部の内周面に取り付けられたラジアル軸受フォイルと、前記第１ケース部材の平板部の端面に取り付けられたスラスト軸受フォイルと、前記第１ケース部材の円筒部の内周に挿入される軸部、及び、前記軸部から外径に突出したフランジ部を有する内方部材とを備え、前記ラジアル軸受フォイルの軸受面と前記軸部の外周面との間のラジアル軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をラジアル方向に支持すると共に、前記スラスト軸受フォイルの軸受面と前記フランジ部の一端面との間のスラスト軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をスラスト方向に支持するものである。
【0009】
このように、円筒部及び平板部を一体に有する第１ケース部材に、ラジアル軸受フォイル及びスラスト軸受フォイルを取り付けることで、両軸受フォイルの取付面の相対的な位置精度、ひいては、ラジアル軸受フォイルの軸受面（ラジアル軸受面）とスラスト軸受フォイルの軸受面（スラスト軸受面）の相対的な位置精度を、各部材の加工精度や組み付け精度によらず高精度に設定することが可能となる。こうして、ラジアル軸受面及びスラスト軸受面の相対的な位置精度が高精度に設定されたフォイル軸受ユニットを作成し、このユニットをターボ機械等に組み込むことで、内方部材、ひいてはターボ機械等の回転軸を高精度に支持することができる。
【0010】
上記のフォイル軸受ユニットは、例えば、内方部材の軸部を中空のスリーブ部で構成し、このスリーブ部とフランジ部とを一体に形成することができる。このように、内方部材のスリーブ部とフランジ部とを一体に形成することにより、各軸受面と対向するスリーブ部の外周面とフランジ部の端面との相対的な位置精度が高精度に設定される。また、スリーブ部の内周面を、ターボ機械等の回転軸の外周面に嵌合固定することで、例えばフランジ部単体を回転軸の外周面に嵌合固定する場合と比べて、固定領域の軸方向寸法が大きくなる。従って、回転軸に対する内方部材の相対的な位置精度（回転軸に対するスリーブ部の同軸度やフランジ部の直角度等）を高精度に設定できる。
【0011】
上記のフォイル軸受ユニットは、例えば、前記第１ケース部材に取り付けられた平板部を有する第２ケース部材と、前記第２ケース部材の平板部の端面に取り付けられた他のスラスト軸受フォイルとをさらに備え、前記内方部材のフランジ部の他端面と前記他のスラスト軸受フォイルの軸受面との間のスラスト軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をスラスト方向に支持する構成とすることができる。これにより、内方部材の回転に伴って、フランジ部の一端面と第１ケース部材に取り付けたスラスト軸受フォイルの軸受面との間、及び、フランジ部の他端面と第２ケース部材に取り付けたスラスト軸受フォイルの軸受面との間にそれぞれスラスト軸受隙間が形成され、これらのスラスト軸受隙間に生じる流体圧で、内方部材を両スラスト方向に支持することができる。また、この場合、第１及び第２ケース部材がフランジ部に軸方向両側から係合することで、第１及び第２ケース部材（軸受ケース）からの内方部材の抜けを規制できるため、軸受ケース及び内方部材を一体的に取り扱うことが可能となり、フォイル軸受ユニットのターボ機械等への組み付け性が向上する。
【0012】
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との軸方向間にスペーサを設ければ、両ケース部材の軸方向距離をスペーサで高精度に設定することができる。これにより、各ケース部材に取り付けられたスラスト軸受フォイルの軸受面とフランジ部の端面との間のスラスト軸受隙間の大きさを高精度に設定でき、スラスト方向の支持精度を高めることができる。
【0013】
例えば、上記のフォイル軸受ユニットが、高温のガスでタービンが駆動されるターボ機械に組み込まれる場合、タービン付近に配されたフォイル軸受ユニットが高温となる。この場合、上記のスペーサの内周と外周とを連通する連通孔を設ければ、フランジ部の回転に伴う遠心力により、軸受ケースの内部の流体を連通孔を介して外部に排出することができる。これにより、軸受ケースの内部の高温の空気を排出すると共に、外部から低温の空気を導入することができるため、軸受ケース内部の空気、ひいてはフォイル軸受ユニット自体を冷却することができる。特に、前記スリーブ部の内周面と、この内周面に固定される回転軸の外周面との間に、前記ラジアル軸受隙間と外部とを連通する連通路を形成すれば、外部の空気をラジアル軸受隙間に積極的に導入することができ、冷却効果が高まる。
【0014】
上記のフォイル軸受ユニットは、第２ケース部材の内周面に他のラジアル軸受フォイルを取り付け、前記軸部の外周面と前記他のラジアル軸受フォイルの軸受面との間のラジアル軸受隙間に生じる流体圧で前記内方部材をラジアル方向に支持する構成とすることができる。これにより、フランジ部の軸方向両側にラジアル軸受隙間が設けられるため、フランジ部が大径である場合であっても内方部材を安定的に支持することができる。
【0015】
前記第１ケース部材の外周に設けられた取付部材と、前記第１ケース部材と前記取付部材とを連結する減衰材とを備え、前記減衰材の変形により、前記取付部材に対する前記第１ケース部材の移動を許容した構成とすれば、フォイル軸受ユニットの振動を減衰材の変形により吸収することができる。
【発明の効果】
【0016】
以上のように、本発明のフォイル軸受ユニットによれば、製造コストの高騰を招くことなく、回転軸を高精度に支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【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、本発明の一実施形態に係る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を軸方向に分解した状態の斜視図である。
【図6】（Ａ）は、ラジアル軸受フォイルを構成する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てラジアル軸受フォイルを形成した状態の斜視図である。
【図7】スラスト軸受フォイルを構成するフォイルの平面図である。
【図8】（Ａ）は第１ケース部材の端面の平面図であり、（Ｂ）は第２ケース部材の端面の平面図である。
【図10】（Ａ）は、スラスト軸受フォイルを構成する２組のフォイル群を示す平面図であり、（Ｂ）はスラスト軸受フォイルの平面図である。
【図12】他の実施形態に係るフォイル軸受ユニットの断面図である。
【図13】さらに他の実施形態に係るフォイル軸受ユニットの断面図である。
【図14】さらに他の実施形態に係るフォイル軸受ユニットの断面図である。
【図15】過給機の構成を概念的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0019】
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回転軸６が設けられ、この回転軸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の回転力が回転軸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。
【0020】
図２〜図４に、上記ガスタービンにおけるロータの回転軸６を支持するフォイル軸受ユニット１００を示す。フォイル軸受ユニット１００は、ガスタービンのハウジング１０の内周に固定される。フォイル軸受ユニット１００は、回転軸６に固定された内方部材２０と、内方部材２０を収容する軸受ケース３０と、軸受ケース３０に取り付けられたラジアル軸受フォイル４０及びスラスト軸受フォイル５０とを備える。
【0021】
内方部材２０は、軸部（本実施形態では、中空のスリーブ部２１）と、スリーブ部２１の円筒面状の外周面２１ａから外径に突出した円盤状のフランジ部２２とを備える。本実施形態では、スリーブ部２１及びフランジ部２２が一体に形成され、例えば、溶製材に切削加工や鍛造加工を施すことにより、あるいは、焼結金属で一体成形することにより形成される。図示例では、スリーブ部２１の圧縮機２側（図３の左側）の軸方向端部にフランジ部２２が設けられる。スリーブ部２１の内周面２１ｂには、回転軸６の外周面が嵌合固定される。
【0022】
軸受ケース３０は、第１ケース部材３１と、第２ケース部材３２とを備える。第１ケース部材３１は、円筒部３１ａと、円筒部３１ａの圧縮機２側（図３の左側）の軸方向端部から外径に延びる平板部３１ｂとを一体に備える。図示例では、軸方向と直交する円盤で第１ケース部材３１の平板部３１ｂが構成される。第２ケース部材３２は平板部を備え、図示例では軸方向と直交する円盤で第２ケース部材３２が構成される。第１ケース部材３１は、溶製材に切削加工や鍛造加工を施すことにより、あるいは、焼結金属で一体成形することにより形成される。第１ケース部材３１の円筒部３１ａの内周面３１ｃには、ラジアル軸受フォイル４０（図３では点線で示す）が取り付けられる。第１ケース部材３１の平板部３１ｂの端面３１ｄ及び第２ケース部材３２の端面３２ａには、それぞれスラスト軸受フォイル５０（図３では点線で示す）が取り付けられる。
【0023】
第１ケース部材３１の円筒部３１ａの内周面３１ｃには、図５に示すように、ラジアル軸受フォイル４０を取り付けるための溝３１ｅが形成される。溝３１ｅは、円筒部３１ａの内周面３１ｃの軸方向全長にわたって延び、円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に設けられる。
【0024】
ラジアル軸受フォイル４０は、例えば、複数枚（図示例では３枚）のフォイル４１で構成される。これらのフォイル４１は、第１ケース部材３１の内周面３１ｃに円周方向に並べた状態で取り付けられる。各フォイル４１の内径側の面は、ラジアル軸受面４１ａとして機能する。図示例では、３枚のフォイル４１で多円弧型のラジアル軸受面を形成している。第１ケース部材３１の内周面３１ｃと各フォイル４１との間には、フォイル４１に弾性を付与するための部材（例えばバックフォイル）は設けられておらず、フォイル４１の外径面４１ｂと第１ケース部材３１の内周面３１ｃとが半径方向で直接対向している。
【0025】
各フォイル４１は、一枚の金属フォイルにプレス加工を施すことにより一体に形成される。各フォイル４１は、図６（Ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部４１ｃと、周方向他端に設けられた凹部４１ｄとを備える。各フォイル４１の凸部４１ｃと凹部４１ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。これにより、図６（Ｂ）に示すように、各フォイル４１の凸部４１ｃを、隣接するフォイル４１の凹部４１ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル４１を筒状に仮組みすることができる。図５に示すように、各フォイル４１の周方向他端の凸部４１ｅは、第１ケース部材３１の内周面３１ｃに設けられた溝３１ｅに差し込まれる。各フォイル４１の周方向一端の凸部４１ｃは、隣接するフォイル４１の外径面４１ｂと第１ケース部材３１の内周面３１ｃとの間に配される。以上により、各フォイル４１の周方向両端が、第１ケース部材３１に接触した状態で保持される。
【0026】
スラスト軸受フォイル５０は、例えば、複数枚のフォイル５１で構成され、第１ケース部材３１の平板部３１ｂの端面３１ｄ、及び、第２ケース部材３２の端面３２ａにそれぞれリング状の固定部材３３により取り付けられる（図３及び図４参照）。各フォイル５１は、図７に示すように、本体部５１ａと、各ケース３１，３２の端面３１ｄ，３２ａに固定される固定部５１ｂとを一体に備える。本体部５１ａの回転方向先行側の縁５１ｃ及び回転方向後方側の縁５１ｄは、何れ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。各縁５１ｃ，５１ｄの中央部は、円弧状に丸まっている。各フォイル５１の固定部５１ｂは、外径側を回転方向後方側（図８の矢印と反対側）に傾斜させた方向へ延びている。各スラスト軸受フォイル５０において、複数のフォイル５１の固定部５１ｂは同一円周上に配され、リング状の固定部材３３と各ケース部材３１，３２の端面３１ｄ，３２ａとで挟持固定される。
【0027】
スラスト軸受フォイル５０を構成する複数のフォイル５１は、図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１ケース部材３１の端面３１ｄ、及び、第２ケース部材３２の端面３２ａに円周方向等ピッチで配される。図９に示すように、各フォイル５１の回転方向先行側の縁５１ｃは、隣接するフォイル５１の上（フランジ部２２側）に配される。すなわち、各フォイル５１の回転方向先行側部分は、隣接するフォイル５１の回転方向後方側部分に乗り上げている。各フォイル５１のうち、フランジ部２２の端面２２ａ，２２ｂと直接対向している部分（図８で見えている部分）は、スラスト軸受面５１ｅとして機能する。
【0028】
フォイル４１，５１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、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、金属フォイルとしては、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。
【0029】
上記構成のフォイル軸受ユニット１００は、以下のような手順で組み立てられる。
【0030】
まず、ラジアル軸受フォイル４０を仮組みし｛図６（Ｂ）参照｝、これを第１ケース部材３１の内周面３１ｃに取り付ける。具体的には、仮組みしたラジアル軸受フォイル４０の各フォイル４１の凸部４１ｅを、第１ケース部材３１の内周面３１ｃに設けられた溝３１ｅに軸方向一方側から差し込みながら、ラジアル軸受フォイル４０を第１ケース部材３１の内周に挿入する。
【0031】
そして、スラスト軸受フォイル５０を、第１ケース部材３１の端面３１ｄ、及び、第２ケース部材３２の端面３２ａに取り付ける。具体的には、まず、図１０（Ａ）に示すように、１枚の金属フォイルを切断して得られた複数のフォイル５１からなるフォイル群を２組用意する（図１０では、理解しやすいように、一方のフォイル群に散点を付している。）。この２組のフォイル群を、各フォイルの半分だけ位相をずらして重ね合わせ｛図１０（Ｂ）参照｝、各フォイル５１の回転方向先行側の縁５１ｃを、隣接するフォイル５１の上に重ねる。この状態で、各フォイル５１の固定部５１ｂを、第１ケース部材３１の平板部３１ｂの端面３１ｄとリング状の固定部材３３とで挟持することで、スラスト軸受フォイル５０が第１ケース部材３１に取り付けられる｛図８（Ａ）参照｝。同様に、各フォイル５１の固定部５１ｂを、第２ケース部材３２の端面３２ａとリング状の固定部材３３とで挟持することで、スラスト軸受フォイル５０が第２ケース部材３２に取り付けられる｛図８（Ｂ）参照｝。尚、フォイル５１の固定部５１ｂを、第１ケース部材３１の平板部３１ｂの端面３１ｄや第２ケース部材３２の端面３２ａ、あるいはリング状の固定部材３３に、接着もしくは溶接してもよい。
【0032】
次に、第１ケース部材３１に取り付けたラジアル軸受フォイル４０の内周に、内方部材２０のスリーブ部２１を挿入する。その後、内方部材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ケース部材３２を第１ケース部材３１に取り付ける。具体的に、第１ケース部材３１に取り付けた固定部材３３と、第２ケース部材３２に取り付けた固定部材３３とを当接させ、この状態で、図示しないボルト等で両ケース部材３１，３２を軸方向に固定する。このとき、図３に示すように、両固定部材３３に設けた軸方向穴に、共通の位置決めピン３４を嵌合させることで、両固定部材３３の軸直交方向の位置決め、ひいては、両ケース部材３１，３２の軸直交方向の位置決めが行われる。
【0033】
以上により、フォイル軸受ユニット１００が完成する。このフォイル軸受ユニット１００は、軸受ケース３０の内部に内方部材２０が収容され、且つ、第１ケース部材３１及び第２ケース部材３２とフランジ部２２とが軸方向で係合することで、軸受ケース３０からの内方部材２０の抜け止めが行われる。これにより、フォイル軸受ユニット１００を一体的に取り扱うことができるため、ガスタービンへのハウジング１０への組み付け性が向上する。
【0034】
以上の構成において、回転軸６を円周方向一方（図５及び図８の矢印方向）に回転させると、ラジアル軸受フォイル４０の軸受面４１ａと内方部材２０のスリーブ部２１の外周面２１ａとの間のラジアル軸受隙間に空気膜が形成され、この空気膜の圧力により内方部材２０及び回転軸６がラジアル方向に支持される。これと同時に、第１ケース部材３１に取り付けられたスラスト軸受フォイル５０の軸受面５１ｅと内方部材２０のフランジ部２２の一方の端面２２ａとの間のスラスト軸受隙間、及び、第２ケース部材３２に取り付けられたスラスト軸受フォイル５０の軸受面５１ｅと内方部材２０のフランジ部２２の他方の端面２２ｂとの間のスラスト軸受隙間に、それぞれ空気膜が形成される。この空気膜の圧力により、内方部材２０及び回転軸６が両スラスト方向に支持される。
【0035】
また、回転軸６が回転すると、回転軸６との摩擦及び空気の粘性により、ラジアル軸受フォイル４０の各フォイル４１は回転方向先行側（図５の矢印方向）に回転しようとする。このとき、各フォイルの回転方向先行側の端部（凸部４１ｅ）が溝３１ｅの角部に突き当たることで、各フォイル４１の移動が規制される。これにより、図１１に示すように、各フォイル４１の回転方向先行側の端部（凸部４１ｅ）が溝３１ｅの内部で湾曲し、軸受面４１ａが内径側に凸となるように湾曲する。そして、ラジアル軸受隙間の空気膜の圧力が高まると、ラジアル軸受フォイル４０の各フォイル４１が外径側に押し込まれて弾性変形する。このときのフォイル４１の弾性力と、ラジアル軸受隙間に形成される空気膜の圧力とが釣り合う位置で、フォイル４１の形状が保持される。また、回転軸６の回転に伴ってスラスト軸受隙間の空気膜の圧力が高まると、スラスト軸受フォイル５０の各フォイル５１が第１及び第２ケース部材３１，３２側に押し込まれて弾性変形する（図９参照）。このときのフォイル５１の弾性力と、スラスト軸受隙間に形成される空気膜の圧力とが釣り合う位置で、フォイル５１の形状が保持される。
【0036】
このとき、フォイル４１，５１が有する可撓性により、各フォイル４１，５１の軸受面４１ａ，５１ｅが、荷重や回転軸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、内方部材２０及び回転軸６を安定して支持することが可能となる。
【0037】
また、一体に形成された第１ケース部材３１にラジアル軸受フォイル４０及び一方のスラスト軸受フォイル５０を取り付けることで、各軸受フォイル４０，５０が取り付けられる取付面（円筒部３１ａの内周面３１ｃ及び平板部３１ｂの端面３１ｄ）の相対的な位置精度（直角度等）を高精度に設定できる。これにより、各軸受フォイル４０，５０の軸受面４１ａ，５１ｅの相対的な位置精度、ひいてはラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間が高精度に設定されるため、内方部材２０及び回転軸６を高精度に支持することができる。特に、本実施形態では、内方部材２０のスリーブ部２１及びフランジ部２２が一体に形成されているため、第１ケース部材３１に取り付けられた軸受フォイル４０，５０と対向する面（スリーブ部２１の外周面２１ａ及びフランジ部２２の一方の端面２２ａ）の相対的な位置精度も高精度に設定される。これにより、ラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間の精度がさらに高められ、内方部材２０及び回転軸６の支持精度がさらに高められる。
【0038】
また、本実施形態では、第１ケース部材３１と第２ケース部材３２との軸方向間に、固定部材３３，３３が設けられる。この場合、固定部材３３，３３が、第１ケース部材３１の端面３１ｄと第２ケース部材３２の端面３２ａとの軸方向距離を決定するスペーサとして機能し、これらの軸方向距離が高精度に設定される。これにより、第１ケース部材３１の端面３１ｄと内方部材２０のフランジ部２２の一方の端面２２ａとの間のスラスト軸受隙間、及び、第２ケース部材３２の端面３２ａと内方部材２０のフランジ部２２の他方の端面２２ｂとの間のスラスト軸受隙間を高精度に設定することが可能となり、回転軸６のスラスト方向の支持精度を高めることができる。尚、本実施形態では、第１ケース部材３１及び第２ケース部材３２のそれぞれに固定部材３３を設けたが、フォイル５１の固定部５１ｂを第１ケース部材３１の平板部３１ｂの端面３１ｄおよび第２ケース部材３２の端面３２ａに溶接などの方法でそれぞれ一体に接合した場合は、固定部材３３は1個であってもよい。その場合、スラスト軸受すきまは1個の固定部材３３の軸方向寸法のみで定めることができる。
【0039】
尚、回転軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル４１，５１の軸受面４１ａ，５１ｅと内方部材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、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、軸受の運転中は、フォイル４１，５１と各ケース部材３１，３２との間で微小摺動が生じるため、これら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。
【0040】
本発明は、上記の実施形態に限られない。図１２に示す実施形態では、固定部材３３に半径方向の連通孔３３ａが設けられる。これにより、回転軸６及び内方部材２０の回転に伴って、スラスト軸受隙間の空気が遠心力で外径側に流動し、連通孔３３ａから外部に排出される。このとき、第１ケース部材３１とフランジ部２２との間のスラスト軸受隙間の空気が連通孔３３ａから外部に排出されることで、これと連通したラジアル軸受隙間の空気がスラスト軸受隙間を介して連通孔３３ａから外部に排出される。フォイル軸受ユニット１００は、タービン１側が高温となるため、タービン１に近接したラジアル軸受隙間の空気を外部に排出することで、軸受ケース３０の内部の空気を冷却することができる。
【0041】
また、本実施形態では、ラジアル軸受隙間のタービン側の端部と、フォイル軸受ユニット１００の圧縮機２側の空間とを連通する連通路６０を設けている。具体的には、内方部材２０の内周面２１ｂに軸方向溝２１ｃを設けると共に、内方部材２０のタービン１側の端面に半径方向溝２１ｄを設け、これらの軸方向溝２１ｃ及び半径方向溝２１ｄで連通路６０が形成される。これにより、回転軸６の回転によりスラスト軸受隙間の空気が連通孔３３ａから外部に排出されることで、連通路６０を介して、圧縮機２側の空気がラジアル軸受隙間のタービン１側の端部から導入される。圧縮機２側の空気は、タービン１側の空気と比べてはるかに低温であるため、圧縮機２側の空気をラジアル軸受隙間に導入することで、フォイル軸受ユニット１００を効率良く冷却することが可能となる。
【0042】
図１３に示す実施形態では、軸受ケース３０の外周に取付部材７０が設けられると共に、これらが減衰材８０を介して連結される。取付部材７０の外周面が、ガスタービンのハウジング１０に取り付けられる。図示例では、取付部材７０が円筒状とされ、取付部材７０の内周面７１と軸受ケース３０の外周面３１ｆとが減衰材８０を介して連結される。減衰材８０は、例えばワイヤメッシュ、高粘度油、樹脂、ゴム等を使用できる。取付部材７０と軸受ケース３０との間にはＯリング９０が配される。Ｏリング９０により、取付部材７０に対する軸受ケース３０の半径方向の移動が規制される。軸受ケース３０は、減衰材８０を変形させることにより、取付部材７０に対する周方向及び軸方向の移動が許容される。これにより、軸受ケース３０に振動が生じた場合、軸受ケース３０の振動を減衰材８０の変形で吸収することで、振動を減衰させることができる。
【0043】
図１４に示す実施形態では、内方部材２０のスリーブ部２１の軸方向中間部（図示例では軸方向中央部）にフランジ部２２が設けられると共に、第２ケース部材３２に、円筒部３２ｂ及び円盤状の平板部３２ｃを一体に設ける。第２ケース部材３２の円筒部３２ｂの内周面３２ｄには、ラジアル軸受フォイル４０が取り付けられる。これにより、フランジ部２２の軸方向両側にラジアル軸受隙間が設けられるため、回転軸６の振れ回りに伴うモーメント力に対する支持力を高めることができる。特に、フランジ部２２を大径化した場合（例えば、フランジ部２２の直径が、スリーブ部２１の軸方向長さよりも大きい場合）、上記のモーメント力が大きくなるため、本実施形態の構成が有効となる。
【0044】
以上の実施形態では、ラジアル軸受フォイル４０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軸受ケース３０の内周面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。
【0045】
また、以上の実施形態では、スラスト軸受フォイル５０が、各フォイル５１の外径端に設けられた固定部５１ｂを軸受ケース３０に固定した場合を示したが、これに限らず、各フォイル５１の周方向一端を軸受ケース３０に取り付け、周方向他端を自由端としてもよい。
【0046】
本発明にかかるフォイル軸受ユニット１００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。過給機は、図１５に示すように、エンジン１０３で生じた排気ガスでタービン１０１を駆動し、その駆動力で圧縮機１０２を回転させて吸入エアを圧縮し、エンジン１０３のトルクアップや効率改善を図るものである。タービン１０１、圧縮機１０２、および回転軸６でロータが構成され、回転軸６を支持する軸受として、上記各実施形態のフォイル軸受ユニット１００を使用することができる。
【0047】
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。
【0048】
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】
【0049】
１ タービン２ 圧縮機
６ 回転軸
１０ ハウジング
２０ 内方部材
２１ スリーブ部
２２ フランジ部
３０ 軸受ケース
３１ 第１ケース部材
３２ 第２ケース部材
３３ 固定部材
４０ ラジアル軸受フォイル
４１ フォイル
５０ スラスト軸受フォイル
５１ フォイル
６０ 連通路
７０ 取付部材
８０ 減衰材
１００ フォイル軸受ユニット