特開 2022-146264 フォイル軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022146264

(43)【公開日】2022-10-05

(54)【発明の名称】フォイル軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 27/02 20060101AFI20220928BHJP

【ＦＩ】

F16C27/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021047143

(22)【出願日】2021-03-22

(71)【出願人】

【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】山郷 正志

(72)【発明者】

【氏名】尾藤 仁彦

(72)【発明者】

【氏名】藤原 幹久

【テーマコード（参考）】

3J012

【Ｆターム（参考）】

3J012EB09

3J012EB11

3J012FB01

(57)【要約】

【課題】フォイルと軸との接触に起因するフォイルの破損を防止する。
【解決手段】各フォイル１２は、軸受面Ｓ１を有するトップフォイル部１２ａと、トップフォイル部１２ａの下流側に設けられた差込部１２ｂとを有する。各フォイル１２の差込部１２ｂは、フォイルホルダ１１の軸方向溝１３ｃに、フォイルホルダ１１に対する回転方向の移動が許容された状態で挿入される。フォイルホルダ１１の軸方向溝１３ｃの内壁には、フォイル１２の差込部１２ｂの下流側端部の縁が当接する係止面１５が設けられる。各フォイル１２の差込部１２ｂの下流側の端部の縁に、その縁の延在方向中間部を下流側に突出させた凸部１２ｆを設ける。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォイルホルダと、支持すべき回転部材の回転方向の移動が許容された状態で前記フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを有するフォイル軸受において、
前記フォイルホルダに、前記フォイルの前記回転方向下流側の端部の縁が当接する係止面を設け、
前記フォイルの前記回転方向下流側の端部の縁に、当該縁の延在方向中間部を前記回転方向下流側に突出させた凸部を設けたフォイル軸受。

【請求項2】

前記凸部が、厚さ方向中間部を前記回転方向下流側に突出させた形状を有する請求項１に記載のフォイル軸受。

【請求項3】

支持すべき回転部材の回転方向に離隔した複数の凹部を有するフォイルホルダと、前記フォイルホルダに前記回転方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを有し、
各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の前記回転方向下流側に設けられた差込部とを有し、
各フォイルの差込部が、前記フォイルホルダの凹部に、前記フォイルホルダに対する前記回転方向の移動が許容された状態で挿入され、
前記フォイルホルダの凹部の内壁に、前記フォイルの差込部の前記回転方向下流側の端部の縁が当接する係止面が設けられたフォイル軸受において、
各フォイルの差込部の前記回転方向下流側の端部の縁に、前記縁の延在方向中間部を前記回転方向下流側に突出させた凸部を設けたフォイル軸受。

【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】

ガスタービンやターボチャージャの主軸は超高速で回転し、タービン翼は高温環境下に晒される。主軸は、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受によって支持されることも多いが、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には、空気動圧軸受の一種であるフォイル軸受が使用されることがある。

【0003】

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、フォイルのたわみを許容して荷重を支持する軸受である。軸の回転時には、軸とフォイルの軸受面との間に流体膜（空気膜）が形成され、この流体膜を介して軸が非接触で支持される。このとき、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自動的に形成されるため、フォイル軸受は、高速回転する軸であっても安定して支持することができる。

【0004】

例えば、下記の特許文献１には、図２１に示すようなフォイル軸受１００が示されている。このフォイル軸受１００は、円筒状のフォイルホルダ１１０と、フォイルホルダ１１０の内周面に周方向に並べて取り付けられた３枚のフォイル１２０とを有する。フォイルホルダ１１０の内周面１１２には、周方向に離間した３本の軸方向溝１１１が形成される。図２２に示すように、各フォイル１２０は、トップフォイル部１２１と、トップフォイル部１２１の下流側に設けられた差込部１２２と、トップフォイル部１２１の上流側に設けられたバックフォイル部１２３とを有する。各フォイル１２０のトップフォイル部１２１の内径面は、軸受隙間に面する軸受面として機能する（図２１参照）。各フォイル１２０の差込部１２２はフォイルホルダ１１０の軸方向溝１１１に差し込まれる。各フォイル１２０のバックフォイル部１２３は、隣接するフォイル１２０のトップフォイル部１２１とフォイルホルダ１１０の内周面１１２との間に配される。

【0005】

各フォイル１２０のトップフォイル部１２１とバックフォイル部１２３との境界には、図２２に示すようなスリット１２４が形成される。図２３は、２枚のフォイル１２０を組み合わせた状態を示し、理解しやすいように上流側のフォイルの符号にダッシュ（’）を付している。同図に示されるように、下流側のフォイル１２０のスリット１２４には、上流側のフォイル１２０’の差込部１２２’が差し込まれる。これにより、隣接するフォイル１２０，１２０’同士が軸方向で互いに係合した状態で連結される。このように、各フォイル１２０の差込部１２２は、下流側に隣接するフォイル１２０のスリット１２４に差し込まれ、さらに、フォイルホルダ１１０の軸方向溝１１１に差し込まれる（図２１参照）。

【0006】

上記のフォイル軸受１００では、各フォイル１２０の差込部１２２が、フォイルホルダ１１０の軸方向溝１１１に完全に固定されているのではなく、隙間を介して差し込まれているため、各フォイル１２０はフォイルホルダ１１０に対する移動が許容されている。このため、軸１３０の起動直後の低速回転時には、軸１３０とフォイル１２０との摺動によりフォイル１２０が回転方向下流側に移動し、各フォイル１２０の差込部１２２の下流端の縁がフォイルホルダ１１０の軸方向溝１１１の内壁に当接する（図２３の白抜き矢印参照）。この状態で、軸１３０の回転速度が上昇し、軸１３０とフォイル１２０との間の流体膜の圧力が高まることで、軸１３０が非接触支持される（図２１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５－１４３５７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記のフォイル軸受において、軸１３０がコニカルモードで振動すると、図２３に示すように、フォイル１２０の軸方向端部付近（ａ部）に軸１３０が回転しながら強く接触する。これにより、フォイル１２０が矢印ｂ方向に引っ張られ、隣接するフォイル１２０同士の連結部ｃに負荷が加わり、この連結部ｃでフォイル１２０が破損するおそれがある。特に、軸の振れ回りが大きい環境や、フォイル軸受の取り付け精度が悪い（ミスアライメントが大きい）環境でフォイル軸受を使用すると、軸フォイルとの干渉を抑えきれず、フォイルに過剰なせん断力が加わることで、フォイルが破損するおそれが高い。

【0009】

以上のような問題は、上記のようなフォイル軸受に限らず、フォイルが、フォイルホルダに対して移動が許容された状態で取り付けられたフォイル軸受において生じ得る。

【0010】

以上のような事情から、本発明は、フォイルと軸（回転部材）との接触に起因するフォイルの破損を防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記課題を解決するために、本発明は、フォイルホルダと、支持すべき回転部材の回転方向の移動が許容された状態で前記フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを有するフォイル軸受において、
前記フォイルホルダに、前記フォイルの前記回転方向下流側の端部の縁が当接する係止面を設け、
前記フォイルの前記回転方向下流側の端部の縁に、当該縁の延在方向中間部を前記回転方向下流側に突出させた凸部を設けたフォイル軸受を提供する。

【0012】

このように、フォイルの下流側端部の縁に凸部を設け、この凸部の頂部をフォイルホルダに設けられた係止面に当接させることにより、両者を略点接触させることができる。コニカルモードで振動するフォイルが回転部材と摺動してフォイルに負荷が加わったときには、フォイルの縁の凸部とフォイルホルダの係止面との当接部（点接触部）を支持点としてフォイルを局部的に動かす（揺動させる）ことができる（図６の矢印Ｑ１参照）。これにより、回転部材の動きに合わせてフォイルが回転部材に追従して、フォイルに加わる負荷を逃がすことができるため、フォイルの破損を防止できる。

【0013】

上記の凸部を、厚さ方向中間部を下流側に向けて突出させた形状とすれば、フォイルがフォイルホルダに対してさらに動きやすくなるため、フォイルの破損をより確実に防止できる。

【0014】

より具体的な構成として、本発明は、支持すべき回転部材の回転方向に離隔した複数の凹部を有するフォイルホルダと、前記フォイルホルダに前記回転方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを有し、
各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の前記回転方向下流側に設けられた差込部とを有し、
各フォイルの差込部が、前記フォイルホルダの凹部に、前記フォイルホルダに対する前記回転方向の移動が許容された状態で挿入され、
前記フォイルホルダの凹部の内壁に、前記フォイルの差込部の前記回転方向下流側の端部の縁が当接する係止面が設けられたフォイル軸受において、
各フォイルの差込部の前記回転方向下流側の端部の縁に、前記縁の延在方向中間部を前記回転方向下流側に突出させた凸部を設けたフォイル軸受を提供する。

【発明の効果】

【0015】

以上のように、フォイルの下流側端部の縁に設けられた凸部とフォイルホルダの係止面とを略点接触させることで、フォイルの変形の自由度が高まるため、フォイルと回転部材との接触に起因するフォイルの破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【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】ラジアルフォイル軸受の軸直交方向断面図（図４におけるＹ－Ｙ線断面図）である。

【図4】図３におけるＸ－Ｘ線断面図である。

【図5】図３のラジアルフォイル軸受のフォイルの平面図である。

【図6】２枚のフォイルを組み合わせた状態を示す平面図である。

【図7】スラストフォイル軸受を軸受面側から見た平面図である。

【図8】スラストフォイル軸受のフォイルホルダおよび一枚のフォイルを示す平面図である。

【図9】図７におけるＺ－Ｚ線断面図である。

【図10】フォイルの凸部の他の例を示す平面図である。

【図11】フォイルの凸部のさらに他の例を示す平面図である。

【図12】フォイルの凸部のさらに他の例を示すフォイル厚さ方向の断面図である。

【図13】フォイルの他の例を示す平面図である。

【図14】（Ａ）は、図１３のフォイルをフォイルホルダの凹部に差し込んだ状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は、そのフォイルホルダに係止部材を取り付けた状態を示す斜視図である。

【図15】図１３のフォイルを有するフォイル軸受の軸直交方向断面図である。

【図16】図１３のフォイルの拡大図である。

【図17】（Ａ）は、スラストフォイル軸受の他の例を示す斜視図であり、（Ｂ）は、同スラストフォイル軸受の一部のフォイルの図示を省略した斜視図である。

【図18】図１７のスラストフォイル軸受のフォイルの平面図である。

【図19】図１８のフォイルを２枚組み合わせた状態を示す平面図である。

【図20】図１７ＡにおけるＷ－Ｗ線断面図である。

【図21】従来のラジアルフォイル軸受の軸直交方向断面図である。

【図22】図２１のラジアルフォイル軸受のフォイルの平面図である。

【図23】図２２のフォイルを２枚組み合わせた状態を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0018】

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、それぞれに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。

【0019】

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。

【0020】

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、一対のスラストフォイル軸受２０により軸６に設けられたスラストカラー６ａが両スラスト方向に支持される。以下、ラジアルフォイル軸受１０およびスラストフォイル軸受２０の構成を説明するが、各部の説明において、軸６の回転方向下流側を「下流側」、軸６の回転方向上流側を「上流側」と言う。

【0021】

［ラジアルフォイル軸受の基本的構成］
ラジアルフォイル軸受１０は、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受であり、図３に示すように、フォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１に取り付けられた複数枚（図示例では３枚）のフォイル１２とを備える。本実施形態では、フォイルホルダ１１が、筒状（図示例では円筒状）のホルダ本体１３と、係止部材１４とを有する。図示例では、３枚のフォイル１２が、フォイルホルダ１１の周方向（すなわち、軸６の回転方向）に並べた状態でホルダ本体１３の内周面に取り付けられる。

【0022】

ホルダ本体１３は、金属あるいは樹脂で一体に形成される。ホルダ本体１３の内周面には、図４に示すように、小径内周面１３ａと、小径内周面１３ａの軸方向一方側に設けられた大径内周面１３ｂとが設けられる。ホルダ本体１３の小径内周面１３ａには、フォイル１２を取り付けるための凹部が設けられる。図示例では、凹部として、３本の軸方向溝１３ｃが周方向等間隔に設けられる（図３参照）。軸方向溝１３ｃの内壁には、フォイル１２の下流側端部の縁が当接する係止面１５が設けられる。

【0023】

フォイルホルダ１１には、フォイル１２の差込部１２ｂに軸方向外側から当接する軸方向係止面１６，１７が設けられる（図４参照）。図示例では、一方の軸方向係止面１６が、ホルダ本体１３と一体に設けられた係止部１３ｄに形成され、他方の軸方向係止面１７が、ホルダ本体１３と別体に形成された係止部材１４に形成される。係止部材１４は、例えば円環状あるいは円環の周方向一部を切り欠いたＣ形を成し、弾性に富んだ金属あるいは樹脂で形成される。係止部材１４は、ホルダ本体１３の小径内周面１３ａと大径内周面１３ｂとの軸方向間に設けられた環状溝１３ｅに装着される。係止部材１４の内周面は、フォイルホルダ１１の小径内周面１３ａと同一円筒面上あるいはそれよりも外径側に配される。

【0024】

フォイル１２は、一枚の金属製の箔材にプレス加工やエッチングあるいはワイヤカットを施すことにより一体に形成される。フォイル１２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属からなる厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の箔材で形成される。箔材の材質としては、例えば鋼材料や銅合金を使用することができ、特にステンレス鋼もしくは青銅を使用するのが好ましい。

【0025】

各フォイル１２は、図５に示すように、トップフォイル部１２ａと、トップフォイル部１２ａの下流側（図５の左側）に設けられた差込部１２ｂと、トップフォイル部１２ａの上流側（図５の右側）に設けられたバックフォイル部１２ｃとを備える。トップフォイル部１２ａとバックフォイル部１２ｃとの境界には、スリット１２ｄが形成される。図示例では、差込部１２ｂ及びスリット１２ｄが、それぞれ軸方向に離隔した複数箇所（２箇所）に設けられ、軸方向で同じ位置に設けられる。各スリット１２ｄの軸方向幅は、各差込部１２ｂの軸方向幅よりも僅かに大きい。すなわち、一対のスリット１２ｄの軸方向間に設けられた中間部１２ｅの軸方向幅Ｗ１が、一対の差込部１２ｂの軸方向間隔Ｗ２よりも僅かに小さい。中間部１２ｅの軸方向幅Ｗ１と一対の差込部１２ｂの軸方向間隔Ｗ２との差（Ｗ２―Ｗ１）は、例えば０．１～０．５ｍｍの範囲とされる。

【0026】

図６に、２枚のフォイル１２を組み合わせた状態を示す。この図では、理解しやすいように、２枚のフォイル１２のうちの上流側のフォイルの符号にダッシュ（’）を付している。下流側のフォイル１２のスリット１２ｄに、上流側のフォイル１２’の差込部１２ｂ’が差し込まれ、これにより２枚のフォイル１２が連結される。これにより、下流側のフォイル１２の中間部１２ｅと、上流側のフォイル１２’の一対の差込部１２ｂ’とが軸方向（図６の上下方向）で互いに係合した連結部Ｃが形成される。

【0027】

各フォイル１２の差込部１２ｂは、ホルダ本体１３の軸方向溝１３ｃに差し込まれる（図３参照）。差込部１２ｂは、軸方向溝１３ｃに完全に固定されているのではなく、ホルダ本体１３の軸方向溝１３ｃに隙間を介して差し込まれているため、軸方向溝１３ｃの内部での移動が許容される。軸方向溝１３ｃに差し込まれた差込部１２ｂとトップフォイル部１２ａとの境界は、折れ曲がることなく滑らかに湾曲している。

【0028】

各フォイル１２のバックフォイル部１２ｃは、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａとホルダ本体１３の小径内周面１３ａとの間に配される。各フォイル１２のトップフォイル部１２ａの内径面は、ラジアル軸受面Ｓ１として機能する。図６に示すように、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａの上流側端部１２ａ１の縁（すなわち、スリット１２ｄの下流側の縁）は、上流側に隣接するフォイル１２’のトップフォイル部１２ａ’の下流側端部の縁１２ａ２’（一対の差込部１２ｂ’の軸方向間領域）と周方向で互いに突っ張りあっている。これにより、各フォイル１２が外径側に張り出し、フォイルホルダ１１の小径内周面１３ａに沿った軸受面Ｓ１が得られる（図３参照）。

【0029】

［スラストフォイル軸受の構成］
スラストフォイル軸受２０は、軸６をスラスト方向に支持するものであり、図示例では、軸６に設けられたスラストカラー６ａの軸方向両側に、一対のスラストフォイル軸受２０が配される（図２参照）。尚、以下では、一方のスラストフォイル軸受２０について説明するが、他方のスラストフォイル軸受２０は、軸受面側からみた平面図が鏡像対称であることを除いて同様の構成を有するため、説明を省略する。

【0030】

スラストフォイル軸受２０は、図７および図８に示すように、フォイルホルダ２１と、フォイルホルダ２１に、周方向に並べた状態で取り付けられた複数のフォイル２２とを備える。本実施形態では、フォイルホルダ２１が、ホルダ本体２１ａと固定部材２１ｂとを有する。ホルダ本体２１ａの、スラストカラー６ａと対向する端面６ａ１に、複数のフォイル２２が取り付けられる。

【0031】

図７に示すように、フォイル２２は、フォイルホルダ２１の周方向（すなわち、軸６の回転方向）に等ピッチで配置される。図８は、周方向に並べた複数のフォイル２２のうち、一つのフォイル２２のみを図示して他のフォイルの図示を省略したものである。同図に示すように、各フォイル２２は、後述するトップフォイル部２２ａ１およびバックフォイル部２２ａ２を有する本体部２２ａと、本体部２２ａから外径側に延びる延在部２２ｂとを一体に備える。

【0032】

図示例では、各フォイル２２の内径端縁２２ｅおよび外径端縁２２ｆの双方が軸心を中心とする円弧で形成されている。また、下流端縁２２ｃは、半径方向中間部を下流側に突出させた凸形状をなし、上流端縁２２ｄは、半径方向中間部を下流側に凹ませた凹形状をなしている。図示例では、下流端縁２２ｃおよび上流端縁２２ｄが同形状の曲線であるため、一枚のフォイルから複数のフォイル２２を効率よく切り出すことができる。

【0033】

延在部２２ｂは、本体部２２ａから外径側に延びている。ホルダ本体２１ａの端面上に複数のフォイル２２を周方向に並べて配し、各フォイル２２の延在部２２ｂの外径部分（図８にクロスハッチングで示す領域）をホルダ本体２１ａと固定部材２１ｂとで挟み込み、これらをボルト等で締め付け固定することで、各フォイル２２がフォイルホルダ２１に固定される（図７参照）。

【0034】

フォイル２２は、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２と同様の材質で形成される。フォイル２２の材質の具体例はフォイル１２と同様であるため、説明を省略する。

【0035】

図９に示すように、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２は、ホルダ本体２１ａの端面２１ａ１上に、概ね半ピッチずつ位相をずらしながら周方向に並べて配置されている。各フォイル２２の本体部２２ａの下流端縁２２ｃを含む領域は、下流側に隣接するフォイル２２の上（スラストカラー６ａ側）に乗り上げ、この領域がトップフォイル部２２ａ１を構成する。また、各フォイル２２の本体部２２ａの上流端縁２２ｄを含む領域は、上流側に隣接するフォイル２２のトップフォイル部２２ａ１の下（ホルダ本体２１ａ側）に配され、この領域が、当該トップフォイル部２２ａ１を背後から弾性的に支持するバックフォイル部２２ａ２を構成する。各フォイル２２のトップフォイル部２２ａ１の表面に、スラストカラー６ａの一方の端面６ａ１と対向するスラスト軸受面Ｓ２が形成される。

【0036】

［フォイル軸受の動作］
軸６が回転すると、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２のラジアル軸受面Ｓ１と軸６の外周面６ｂとの間のラジアル軸受隙間Ｇ１に流体膜（空気膜）が形成される（図３参照）。これと同時に、スラストフォイル軸受２０のフォイル２２のスラスト軸受面Ｓ２と軸６のスラストカラー６ａの端面６ａ１との間のスラスト軸受隙間Ｇ２に流体膜（空気膜）が形成される（図９参照）。尚、実際の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図３および図９ではその幅を誇張して描いている。

【0037】

各フォイル１２，２２のトップフォイル部１２ａ，２２ａ１が、隣接するフォイル１２，２２のバックフォイル部１２ｃ，２２ａ２の上に乗り上げて湾曲することで、ラジアル軸受隙間Ｇ１およびスラスト軸受隙間Ｇ２は、下流側へ行くにつれて狭くなった楔状を成す。このような楔状の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の幅狭側に空気が押し込まれることにより、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の空気膜の圧力が高められ、この圧力により軸６がラジアル方向および両スラスト方向に非接触支持される。

【0038】

また、各フォイル１２，２２のトップフォイル部１２ａ，２２ａ１が、隣接するフォイル１２，２２のバックフォイル部１２ｃ，２２ａ２に乗り上げることで、各フォイル１２，２２が湾曲する。この湾曲部のバネ性により、各フォイル１２，２２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Ｇ１およびスラスト軸受隙間Ｇ２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、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２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】

［本発明の特徴的構成］
以下、本発明の特徴的構成である、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２に設けられる凸部１２ｆについて説明する。

【0040】

図５に示すように、ラジアルフォイル軸受１０に設けられた各フォイル１２の差込部１２ｂの下流側端部（図中左端）の縁には、凸部１２ｆが設けられる。凸部１２ｆは、差込部１２ｂの下流側端部の縁の延在方向中間部（軸方向中間部）を下流側に突出させた形状を成している。図示例の凸部１２ｆは、平面視で下流側に凸の凸曲線（例えば円弧）で構成される。また、図示例の凸部１２ｆは、差込部１２ｂの下流側端部の縁の延在方向全域に設けられる。

【0041】

軸６の回転開始直後は回転速度が低速であるため、流体膜が十分に形成されず、軸６とラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２とが摺動する。これにより、フォイル１２が下流側に移動し、フォイル１２の差込部１２ｂの下流側端部が、フォイルホルダ１１の軸方向溝１３ｃの内壁に形成された係止面１５に当接する（図６参照）。なお、図６では、一つの係止面１５のみを示しているが、実際には、全てのフォイル１２の差込部１２ｂがそれぞれ係止面１５に当接している（図３参照）。その後、軸６の回転数が高まり、軸６がラジアルフォイル軸受１０で非接触支持されても、ラジアル軸受隙間Ｇ１の流体膜の粘性により、各フォイル１２の差込部１２ｂが係止面１５に押し付けられた状態が維持される（図６の白抜き矢印参照）。

【0042】

そして、軸６のコニカルモードの振動等により、軸６がフォイル１２の軸受面Ｓ１の軸方向端部付近のＡ部に当接すると、フォイル１２のトップフォイル部１２ａが矢印Ｂ方向に引っ張られる。このとき、隣接するフォイル１２同士の連結部Ｃでは、各フォイル１２の中間部１２ｅと、上流側に隣接するフォイル１２’の差込部１２ｂ’とが軸方向で係合している。このため、上記のようにトップフォイル部１２ａのＡ部が矢印Ｂ方向に引っ張られることで、隣接するフォイル１２同士の連結部Ｃに負荷が加わる。

【0043】

本実施形態では、上記のように、各フォイル１２の差込部１２ｂの下流側端部の縁に凸部１２ｆを設けているため、この凸部１２ｆの頂部（下流側端部）とフォイルホルダ１１の係止面１５とが平面視で略点接触した状態となる。このため、軸６とフォイル１２との接触によりトップフォイル部１２ａのＡ部が矢印Ｂ方向に引っ張られたときに、各フォイル１２の差込部１２ｂおよびその周辺が、図６に矢印Ｑ１で示すように、差込部１２ｂの凸部１２ｆとフォイルホルダ１１の係止面１５との当接部Ｐ１を支持点として局所的に動きやすく（揺動しやすく）なっている。このようなフォイル１２の局部的な動きにより、トップフォイル部１２ａのＡ部を矢印Ｂ方向に引っ張る負荷が吸収されるため、隣接するフォイル１２同士の連結部Ｃの破損を防止できる。

【0044】

本発明の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点については重複説明を省略する。

【0045】

上記の実施形態では、フォイル１２の縁に形成する凸部１２ｆの頂部が丸まった形状（平面視で曲線状）である場合を示したが、これに限らず、例えば図１０に示すように、凸部１２ｆを、頂部が尖った形状（平面視で三角形状）としてもよい。また、上記の実施形態では、フォイル１２の差込部１２ｂの下流側端部の縁の全域に凸部１２ｆを設けているが、これに限らず、例えば図１１に示すように、差込部１２ｂの下流側端部の縁の一部（図示例では、縁の延在方向両端を除く中間部）に凸部１２ｆを設けてもよい。

【0046】

また、一対の差込部１２ｂの一方のみに凸部１２ｆを設けてもよい。例えば、予め、軸６の変位が大きくなる方向が分かっていれば、振れが大きくなる側の差込部１２ｂのみに凸部１２ｆを設けてもよい。通常、軸６の振れは軸端側で大きくなるため、軸端に近い方の差込部１２ｂ（ラジアルフォイル軸受１０を図２の状態で配した場合、タービン１に近い側の差込部１２ｂ）のみに凸部１２ｆを設けてもよい。

【0047】

また、図１２に示すように、凸部１２ｆの厚さ方向中間部を下流側（図中左側）に突出させてもよい。図示例では、凸部１２ｆの断面形状を下流側に凸の凸曲線状とし、具体的には下流側に凸の凸円弧状としている。この他、凸部１２ｆの断面形状を、下流側の端部が尖った形状（断面三角形状）としてもよい。これにより、各フォイル１２の凸部１２ｆとフォイルホルダ１１の係止面１５とが厚さ方向断面で略点接触した状態となるため、矢印Ｑ２で示すように、当接部Ｐ２を支持点としてフォイル１２が厚さ方向に動きやすく（揺動しやすく）なり、フォイル１２の破損の防止効果が高まる。

【0048】

図１３に示すフォイル１２は、差込部１２ｂの軸方向外側の縁に凹部１２ｇを有する。係止部材１４には、軸方向内側に突出した軸方向突起１４ａが設けられる（図１４Ｂ参照）。フォイル１２の差込部１２ｂをホルダ本体１３の軸方向溝１３ｃに差し込み（図１４Ａ参照）、係止部材１４をホルダ本体１３に取り付けると、各フォイル１２の凹部１２ｇに係止部材１４の軸方向突起１４ａが嵌合する（図１４Ｂ参照）。これにより、図１５に点線矢印で示すように軸６が何らかの原因により逆回転し、フォイル１２が上流側に移動しようとしたときに、係止部材１４の軸方向突起１４ａとフォイル１２の凹部１２ｇとが周方向で係合することにより、フォイル１２の上流側への移動が規制され、フォイル１２の差込部１２ｂがホルダ本体１３の軸方向溝１３ｃから抜ける事態を防止できる。なお、図１４では、ホルダ本体１３の大径内周面１３ｂの図示を省略している。

【0049】

この場合、図１６に示すように、凸部１２ｆの軸方向外側の端部１２ｆ１が凹部１２ｇの下流側の内壁１２ｇ１に達すると、凹部１２ｇの下流側の内壁１２ｇ１の軸方向寸法が低減される。この凹部１２ｇの下流側の内壁１２ｇ１は、係止部材１４の軸方向突起１４ａと係合する部分であるため、この部分の軸方向寸法が小さいと強度が不足し、フォイル１２の上流側への移動を規制できなくなるおそれがある。従って、差込部１２ｂの凸部１２ｆの軸方向外側の端部１２ｆ１は、凹部１２ｇの下流側の内壁１２ｇ１よりも下流側に離間させて配することが好ましい。

【0050】

本発明は、スラストフォイル軸受にも適用することができる。図１７～２０に、本発明を適用したスラストフォイル軸受３０を示す。スラストフォイル軸受３０は、図１７に示すように、円盤状のフォイルホルダ３１と、フォイルホルダ３１の端面３１ａに取り付けられた複数のフォイル３２とを有する。図示例では、１２枚のフォイル３２が、周方向に並べた状態でフォイルホルダ３１の端面３１ａに取り付けられる。なお、図１７Ｂでは、複数のフォイル３２のうち、一部のフォイル３２の図示を省略している。

【0051】

フォイルホルダ３１は、金属あるいは樹脂で円盤状に形成される。フォイルホルダ３１の端面３１ａには、フォイル３２を取り付けるための凹部が設けられる。図示例では、凹部として、複数の半径方向溝３１ｃが周方向等間隔に設けられる。各半径方向溝３１ｃの両端は、それぞれフォイルホルダ３１の内周面及び外周面に開口している（図１７Ｂ参照）。半径方向溝３１ｃの内壁には、フォイル３２の下流側の端部の縁が当接する係止面３３が設けられる。

【0052】

フォイル３２の材質や厚さ等は、上記の実施形態のフォイル１２，２２と同様である。各フォイル３２は、図１８に示すように、トップフォイル部３２ａと、トップフォイル部３２ａの下流側に設けられた差込部３２ｂと、トップフォイル部３２ａの上流側に設けられたバックフォイル部３２ｃとを備える。トップフォイル部３２ａとバックフォイル部３２ｃとの境界には、スリット３２ｄが形成される。図示例では、差込部３２ｂ及びスリット３２ｄが、それぞれ半径方向に離隔した複数箇所（２箇所）に設けられ、半径方向で同じ位置に設けられる。スリット３２ｄの半径方向幅は、差込部３２ｂの半径方向幅よりも僅かに大きい。すなわち、一対のスリット３２ｄの軸方向間に設けられた中間部３２ｅの半径方向幅Ｗ３が、一対の差込部３２ｂの半径方向間隔Ｗ４よりも僅かに小さい。中間部３２ｅの半径方向幅Ｗ３と一対の差込部３２ｂの半径方向間隔Ｗ４との差（Ｗ４－Ｗ３）は、例えば０．１～０．５ｍｍの範囲とされる。

【0053】

各フォイル３２の差込部３２ｂの下流側の端部の縁には、凸部３２ｆが設けられる。図示例では、凸部３２ｆが、半径方向中間部を下流側に突出させた形状を成している。具体的には、図１８に示す平面視において、凸部３２ｆが、下流側に凸の凸曲線（例えば円弧）で構成される。

【0054】

図１９に、２枚のフォイル２２を組み合わせた状態を示す。この図では、理解しやすいように、上流側のフォイルの符号にダッシュ（’）を付している。下流側のフォイル３２のスリット３２ｄには、上流側のフォイル３２’の差込部３２ｂ’が差し込まれる。これにより、下流側のフォイル３２の中間部３２ｅと上流側のフォイル３２’の一対の差込部３２ｂ’とが半径方向で互いに係合した状態で連結される。

【0055】

図２０に示すように、各フォイル３２の差込部３２ｂは、フォイルホルダ３１の半径方向溝３１ｃに差し込まれる。差込部３２ｂは、半径方向溝３１ｃに完全に固定されているのではなく、半径方向溝３１ｃに隙間を介して差し込まれているため、半径方向溝３１ｃの内部での移動が許容される。半径方向溝３１ｃに差し込まれた差込部３２ｂとトップフォイル部３２ａとの境界は、折れ曲がることなく滑らかに湾曲している。

【0056】

各フォイル３２のバックフォイル部３２ｃは、隣接するフォイル３２のトップフォイル部３２ａとフォイルホルダ３１の端面３１ａとの間に配される。各フォイル３２のトップフォイル部３２ａのスラストカラー６ａ側の面は、スラスト軸受面Ｓ２として機能する。

【0057】

軸６の回転時におけるコニカルモードの振動等により、スラストカラー６ａがフォイル３２の軸受面Ｓ２の外径端部付近のＤ部（図１９参照）に当接すると、フォイル３２のトップフォイル部３２ａが矢印Ｅ方向に引っ張られ、隣接するフォイル３２同士の連結部Ｆに負荷が加わる。本実施形態では、上記のように、差込部３２ｂの下流側端部の縁に凸部３２ｆを設けているため、この凸部３２ｆの頂部（下流側端部）が半径方向溝３１ｃの内壁に設けられた係止面３３に当接し、両者が平面視で略点接触した状態となる。そのため、矢印Ｑ３で示すように、当接部Ｐ３を支持点としてフォイル３２が局所的に動きやすく（揺動しやすく）なっている。このようなフォイル３２の局部的な動きにより、トップフォイル部３２ａのＤ部を矢印Ｅ方向に引っ張る負荷が吸収されるため、隣接するフォイル３２同士の連結部Ｆの破損を防止できる。

【符号の説明】

【0058】

６ 軸（回転部材）
６ａ スラストカラー
１０ ラジアルフォイル軸受
１１ フォイルホルダ
１２ フォイル
１２ａ トップフォイル部
１２ｂ 差込部
１２ｃ バックフォイル部
１２ｆ 凸部
１３ ホルダ本体
１３ｃ 軸方向溝（凹部）
１５ 係止面
２０ スラストフォイル軸受
２１ フォイルホルダ
２２ フォイル
３０ スラストフォイル軸受
３１ フォイルホルダ
３１ｃ 半径方向溝（凹部）
３２ フォイル
３２ａ トップフォイル部
３２ｂ 差込部
３２ｃ バックフォイル部
３２ｆ 凸部
３３ 係止面
Ｇ１ ラジアル軸受隙間
Ｇ２ スラスト軸受隙間
Ｓ１ ラジアル軸受面
Ｓ２ スラスト軸受面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】