特開 2024-53880 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】P2024053880

(43)【公開日】2024-04-16

(54)【発明の名称】フォイル軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 27/02 20060101AFI20240409BHJP

【ＦＩ】

F16C27/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022160361

(22)【出願日】2022-10-04

(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】林 恵莉

【テーマコード（参考）】

3J012

【Ｆターム（参考）】

3J012AB12

3J012BB01

3J012EB08

3J012FB01

(57)【要約】

【課題】フォイルの表面に潤滑被膜を形成したフォイル軸受において、所望の負荷容量を確保する。
【解決手段】各フォイル１２，２２の軸受面Ｓ１，Ｓ２側の表面の全域には潤滑被膜３０が形成される。潤滑被膜３０は、無機系バインダー３３と固体潤滑剤粒子３１，３２とを含む。潤滑被膜３０の表面粗さはＲａ５．０μｍ以下である。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転部材と対向する軸受面を有し、前記回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを備えたフォイル軸受であって、
各フォイルが、前記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上流側に設けられ、隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側に重ねて配されたバックフォイル部とを有し、
各フォイルの前記軸受面側の表面の全域に潤滑被膜が形成され、
前記潤滑被膜が、無機系バインダーと固体潤滑剤粒子とを含み、
前記潤滑被膜の表面粗さがＲａ５．０μｍ以下であるフォイル軸受。

【請求項2】

前記固体潤滑剤粒子の最大粒径が９０μｍ以下である請求項１に記載のフォイル軸受。

【請求項3】

前記固体潤滑剤粒子が、二硫化モリブデン粒子及び黒鉛粒子を含む請求項１又は２に記載のフォイル軸受。

【請求項4】

前記無機系バインダーがチタンを含む請求項１又は２に記載のフォイル軸受。

【請求項5】

前記回転部材の停止時において、各フォイルの前記トップフォイル部のうち、前記軸受面に沿う面内で前記回転方向と直交する方向の中央部の、前記回転方向両端を除く領域が、当該トップフォイルに重ねて配された前記バックフォイル部と非接触である請求項１又は２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】

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。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自動的に形成される。そのため、フォイル軸受は、軸の支持の安定性に優れており、高速回転する軸にも使用できる。

【0004】

フォイル軸受の一種として、複数のフォイルを一部が重なり合うように設置して、その重なりの部分で軸受面にばね性を与えるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この場合、各フォイルには、軸受面を有するトップフォイル部と、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後（軸受面と反対側）に重ねて配されるバックフォイル部とが設けられる。

【0005】

上記のようなフォイル軸受において、軸の起動直後あるいは停止直前等の低速回転時には、フォイルと軸との間に十分な流体膜が形成されないため、これらが接触摺動する。そこで、フォイルの耐摩耗性や耐久性を向上させるために、フォイルの表面に被膜を形成することがある。

【0006】

例えば下記の特許文献１には、フォイルの表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）や二硫化モリブデン、ニッケルメッキ等の低摩擦化被膜を形成することが示されている。また、下記の特許文献２には、耐摩耗性とフォイルに対する密着性及び柔軟性の確保を目的として、フォイルの表面に、フッ素樹脂と黒鉛を含んだ樹脂被膜を形成することが示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１７－８２９１３号公報

【特許文献2】特開２０１９－１０８９６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、フォイルの表面にＤＬＣやニッケルメッキからなる硬質被膜を形成すると、フォイルの変形が阻害される。また、フォイルの表面に、二硫化モリブデンやフッ素樹脂等の固体潤滑剤を含む樹脂被膜を設けた場合、ＤＬＣ等の硬質被膜よりはフォイルが変形しやすいが、固体潤滑剤を保持するバインダーとしての樹脂がフォイルの変形を阻害する。このように、被膜の形成によってフォイルの変形が阻害されると、軸受隙間の自動調節機能が低下するため、所望の負荷容量を得られない恐れがある。

【0009】

そこで、本発明は、フォイルの表面に被膜を形成したフォイル軸受において、所望の負荷容量を確保することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記課題を解決するために、本発明は、回転部材と対向する軸受面を有し、前記回転部材の回転方向に並べて配された複数のフォイルを備えたフォイル軸受であって、
各フォイルが、前記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上流側に設けられ、隣接するフォイルのトップフォイル部の前記軸受面と反対側に重ねて配されたバックフォイル部とを有し、
各フォイルの前記回転部材側の表面の全域に潤滑被膜が形成され、
前記潤滑被膜が、無機系バインダーと固体潤滑剤粒子とを含み、
前記潤滑被膜の表面粗さがＲａ５．０μｍ以下であるフォイル軸受を提供する。

【0011】

無機系バインダーを含む潤滑被膜は、ＤＬＣ及びニッケルメッキ等の硬質被膜や、樹脂バインダーを含む被膜と比べて、フォイルの変形を阻害しにくい。従って、このような無機バインダーを含む潤滑被膜をフォイルの表面に形成することで、フォイルが変形しやすくなるため、軸受隙間が適切な大きさに維持され、負荷容量の低下を防止できる。

【0012】

ところで、回転部材の起動停止時には、フォイルと回転部材とが摺動するため、仮にフォイルの軸受面に設けられる潤滑被膜の表面粗さが粗い場合でも、回転部材との摺動により潤滑被膜の表面が滑らかになる。従って、これまで、フォイルに設ける潤滑被膜の表面粗さは特に着目されていなかった。しかし、本発明者らの検証により、各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、隣接するフォイルのトップフォイル部の背後（軸受面と反対側）に重ねて配されたバックフォイル部とを有するフォイル軸受の場合、回転部材と直接摺動しないバックフォイル部の表面に設けられる潤滑被膜の表面粗さが、負荷容量に影響することが明らかになった。これは、トップフォイル部を支持するバックフォイル部の表面に設けられた潤滑被膜の面粗さが粗い場合、潤滑被膜の表面のうねりや凹凸がトップフォイル部の可撓性に影響し、負荷容量が低下するためと考えられる。

【0013】

例えば、各フォイルのトップフォイル部のみに潤滑被膜を形成し、バックフォイル部に潤滑被膜を形成しないようにすれば、バックフォイル部に設けられた潤滑被膜の影響によりトップフォイル部の変形が阻害される事態を回避できる。しかし、この場合、潤滑被膜を形成する際に、バックフォイル部の表面をマスキングする必要が生じるため、工数が増えて製造コストが高くなる。

【0014】

そこで、上記のように、各フォイルの回転部材側の表面（軸受面を含む表面）の全域に潤滑被膜を形成し、この潤滑被膜の表面粗さを抑える（具体的には、Ｒａ５．０μｍ以下とする）ことで、製造コストを抑えながら、所望の負荷容量を得ることができる。

【0015】

潤滑被膜に含まれる固体潤滑剤粒子の最大粒径は、９０μｍ以下とすることが好ましい。

【0016】

潤滑被膜に含まれる固体潤滑剤粒子は、二硫化モリブデン及び黒鉛粒子を含むことができる。この場合、回転部材との良好な摺動性を確保することができる。

【0017】

潤滑被膜に含まれる無機系バインダーは、チタンを含むことができる。これにより、潤滑被膜とフォイルとの良好な密着性を確保することができる。

【0018】

上記のフォイル軸受では、回転部材の停止時において、各フォイルのトップフォイル部と、これに重ねて配された隣接するフォイルのバックフォイル部とが非接触となるように、潤滑被膜の厚さを設定することが好ましい。具体的に、回転部材の停止時において、各フォイルのトップフォイル部のうち、軸受面に沿う面内で回転方向と直交する方向（ラジアルフォイル軸受では軸方向、スラストフォイル軸受では半径方向）の中央部の、前記回転方向両端を除く領域が、当該トップフォイルに重ねて配されたフォイルのバックフォイル部と非接触であることが好ましい。

【発明の効果】

【0019】

以上のように、本発明によれば、フォイルの表面に潤滑被膜を形成したフォイル軸受において、所望の負荷容量を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【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】上記支持構造に設けられたラジアルフォイル軸受を軸方向から見た正面図である。

【図4】上記ラジアルフォイル軸受のフォイルの平面図である。

【図5】上記ラジアルフォイル軸受の軸方向断面図である。

【図6】上記支持構造に設けられた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7】上記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8】図６中のＺ－Ｚ線における断面図である。

【図9】上記ラジアルフォイル軸受及び上記スラストフォイル軸受に設けられたフォイルの表面の拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【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、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。尚、以下では、軸６の回転方向下流側（図３及び図６～８の矢印方向）を「下流側」と言い、軸６の回転方向上流側（図３及び図６～８の矢印と反対方向）を「上流側」と言う。

【0025】

［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、図３に示すように、内周に挿入された回転部材としての軸６との間のラジアル軸受隙間Ｇ１に生じる流体膜で、軸６をラジアル方向に支持するものである。本実施形態のラジアルフォイル軸受１０は、圧力発生流体として空気を用いる空気動圧軸受である。ラジアルフォイル軸受１０は、円筒状のフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに取り付けられた複数（図示例では５枚）のフォイル１２とを有する。

【0026】

フォイルホルダ１１は、金属あるいは樹脂で形成される。フォイルホルダ１１を形成する金属としては、例えば焼結金属や溶製材（例えば鋼材）が挙げられる。フォイルホルダ１１は、円筒面状の内周面１１ａ及び外周面１１ｂを有する。フォイルホルダ１１の内周面１１ａのうち、周方向（軸６の回転方向）に離隔した複数箇所（図示例では５箇所）には軸方向溝１１ｃが形成される。各軸方向溝１１ｃの軸方向両端は、それぞれフォイルホルダ１１の端面に開口している。

【0027】

各フォイル１２は、図４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４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４の右側）に設けられたバックフォイル部１２ｃとを有する。トップフォイル部１２ａの内径側の面は、軸６の外周面と半径方向で対向する軸受面Ｓ１として機能する（図３参照）。差込部１２ｂは、トップフォイル部１２ａから下流側（図４の左側）に延び、図示例ではトップフォイル部１２ａの軸方向両端に形成されている。差込部１２ｂの軸方向外側の縁には、凹部１２ｄが設けられる。バックフォイル部１２ｃの上流側の縁には、略Ｕ字形状の切り欠き部１２ｅが設けられる。トップフォイル部１２ａとバックフォイル部１２ｃとの境界には差込口１２ｆが設けられる。各フォイル１２の差込部１２ｂは、下流側に隣接するフォイル１２の差込口１２ｆに内径側から差し込まれ（図５参照）、さらにフォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｃに差し込まれる（図３参照）。

【0028】

フォイル１２は、図９に示すように、金属製の薄膜からなるフォイル本体１５と、フォイル本体１５の表面に形成された潤滑被膜３０とを有する。フォイル本体１５は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。フォイル本体１５は、厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の金属フォイルにプレス加工や放電加工を施すことで形成される。フォイル本体１５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。潤滑被膜３０は、フォイル本体１５の軸受面Ｓ１側の表面の全域に設けられる（図４の散点領域参照）。潤滑被膜３０の詳細は後述する。

【0029】

フォイルホルダ１１には、フォイル１２のフォイルホルダ１１からの抜けを規制する抜け止め部材１３が取り付けられる（図５参照）。本実施形態では、フォイルホルダ１１の内周面１１ａの軸方向両端に凹部１１ｄが形成され、この凹部１１ｄに環状の抜け止め部材１３が配される。抜け止め部材１３の内周面は、フォイルホルダ１１の内周面１１ａと同一円筒面上に連続して設けられる。抜け止め部材１３は、軸方向溝１１ｃに差し込まれたフォイル１２の差込部１２ｂの凹部１２ｄに嵌合する。抜け止め部材１３がフォイル１２と軸方向及び半径方向で係合することで、フォイル１２の軸方向及び半径方向の抜け止めが行われる。

【0030】

各フォイル１２のバックフォイル部１２ｃは、上流側に隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａの外径側（軸受面Ｓ１と反対側）に重ねて配される。図示例では、各フォイル１２のバックフォイル部１２ｃが、上流側に隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａとフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配される（図３参照）。これにより、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａが、隣接するフォイル１２のバックフォイル部１２ｃで外径側から支持される。

【0031】

［スラストフォイル軸受の基本的構成］
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、両スラストフォイル軸受２０は、これらの間に配された軸直交方向平面に関して鏡像対称の構成を有するため、他方のスラストフォイル軸受２０の説明は省略する。

【0032】

スラストフォイル軸受２０は、図６および図７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（すなわち、軸６の回転方向）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、円盤状のホルダ本体２３と、ホルダ本体２３の端面２３ａの外周部に取り付けられた固定部材２４とを有する。

【0033】

図６に示すように、複数のフォイル２２は、フォイルホルダ２１に周方向等ピッチで並べて配置される。図７は、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、トップフォイル部２２ａおよびバックフォイル部２２ｂを有する本体部２５と、本体部２５から外径側に延びる延在部２６とを一体に備える。

【0034】

図示例では、各フォイル２２の本体部２５の内径端縁２５ａおよび外径端縁２５ｂの双方が、フォイルホルダ２１の軸心を中心とする円弧で形成されている。また、本体部２５の下流端縁２５ｃ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２５ｄ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、本体部２５の下流端縁２５ｃおよび上流端縁２５ｄ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。

【0035】

延在部２６は、本体部２５から外径側に延びている。ホルダ本体２３の端面２３ａ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２６をホルダ本体２３と固定部材２４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６参照）。

【0036】

フォイル２２は、図９に示すように、金属製の薄膜からなるフォイル本体２７と、フォイル本体２７の表面に形成された潤滑被膜３０とを有する。フォイル本体２７は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。フォイル本体２７は、厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の金属フォイルにプレス加工や放電加工を施すことで形成される。フォイル本体２７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。潤滑被膜３０は、フォイル本体２７の軸受面Ｓ２側の表面の全域に設けられる（図７の散点領域参照）。潤滑被膜３０の詳細は後述する。

【0037】

図８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２３の端面２３ａ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２５の下流端縁２５ｃ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２２ａを構成する。各フォイル２２のトップフォイル部２２ａの、スラストカラー６ａの端面６ａ１と対向する面が、軸受面Ｓ２として機能する。また、各フォイル２２の本体部２５の上流端縁２５ｄ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２２ａの背後（軸受面Ｓ２と反対側）に配され、この領域が、当該トップフォイル部２２ａを背後から支持するバックフォイル部２２ｂを構成する。

【0038】

［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、両スラストフォイル軸受２０のフォイル２２の軸受面Ｓ２と軸６のスラストカラー６ａ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８参照）。そして、各フォイル１２，２２のトップフォイル部１２ａ，２２ａが、隣接するフォイル１２，２２のバックフォイル部１２ｃ，２２ｂ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。軸６の回転に伴って、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。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８ではその幅を誇張して描いている。

【0039】

また、各フォイル１２，２２のトップフォイル部１２ａ，２２ａが、隣接するフォイル１２，２２のバックフォイル部１２ｃ，２２ｂ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。

【0040】

また、ラジアルフォイル軸受１０の各フォイル１２は、フォイルホルダ１１に完全に固定されておらず、フォイルホルダ１１に対して移動可能とされる。従って、軸６の回転中は、各フォイル１２とフォイルホルダ１１との間、及び、隣接するフォイル１２の間に微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸６の振動を減衰させることができる。

【0041】

［本発明の特徴的構成］
以下、本発明の特徴的構成である、各フォイル軸受１０，２０のフォイル１２，２２の表面に設けられる潤滑被膜３０について説明する。尚、以下では、スラストフォイル軸受２０のフォイル２２に設けられる潤滑被膜３０について説明するが、ラジアルフォイル軸受１０のフォイル１２に設けられる潤滑被膜３０も同様である。

【0042】

潤滑被膜３０は、図９に示すように、固体潤滑剤粒子としての二硫化モリブデン粒子３１及び黒鉛粒子３２と、無機系バインダー３３とを有する。無機系バインダー３３としては、例えばチタンを使用できる。潤滑被膜３０の表面（フォイル本体１５と反対側の表面）には、二硫化モリブデン粒子３１及び黒鉛粒子３２が露出している。これにより、回転部材（スラストカラー６ａ）との良好な摺動性を確保することができる。潤滑被膜３０における各成分の配合比は、例えば、二硫化モリブデン２０～５０ｗｔ％、黒鉛４０～６０ｗｔ％、チタン２～１０ｗｔ％とされる。

【0043】

二硫化モリブデン粒子３１の最大粒径は、９０μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下とされる。尚、「最大粒径が９０μｍ以下である」ことは、目開き寸法が９０μｍの網目（メッシュ）を通過可能な粒子であることを意味する。黒鉛粒子３２の最大粒径は、二硫化モリブデン粒子３１の最大粒径よりも小さい。無機系バインダー３３（チタン粒子）の最大粒径は、黒鉛粒子３２の最大粒径よりも小さい。尚、粒径の測定は、ＩＳＯ１３３２０のレーザ回折・散乱法により行うことができる。また、潤滑被膜中の粒子をうまく採取できない場合は、電子顕微鏡により撮影した画像から粒径を確認することも可能である。

【0044】

潤滑被膜３０の表面粗さは、Ｒａ５．０μｍ以下、好ましくはＲａ４．０μｍ以下、より好ましくはＲａ３．０μｍ以下、さらに好ましくはＲａ２．０μｍ以下とされる。換言すると、表面粗さが上記の範囲となるように、潤滑被膜３０に含まれる各粒子の粒径や組成、あるいは潤滑被膜３０の形成条件等を調整する。尚、Ｒａは、JIS B 0601:2013に規定された算術平均高さである。

【0045】

潤滑被膜３０の厚さは、軸６の停止時において、重ねられたトップフォイル部２２ａとバックフォイル部２２ｂとが、回転方向両端を除く領域で非接触となるように設定される。本実施携帯では、軸６の停止時において、図８に示すように、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａの半径方向中央部の上流端を除く領域が、このトップフォイル部２２ａに重ねて配されたフォイル２２の潤滑被膜３０と非接触となるように、潤滑被膜３０の厚さが設定される。これにより、重ねられたトップフォイル部２２ａとバックフォイル部２２ｂとの間の隙間が確保されるため、軸６の回転時に軸受隙間に生じる空気膜の圧力によりトップフォイル部２２ａが変形しやすくなる。

【0046】

以上のようなフォイル軸受１０，２０をガスタービンに組み込んだ後、慣らし運転を行うことにより、各フォイル１２，２２のトップフォイル部１２ａ，２２ａの軸受面Ｓ１，Ｓ２と回転部材（軸６及びスラストカラー６ａ）とが摺動する。これにより、軸受面Ｓ１，Ｓ２の余分な潤滑被膜３０が削り取られて、潤滑被膜３０の厚さのバラつきが低減される。尚、樹脂系バインダーを用いた潤滑被膜は、被膜が硬く、慣らし運転に時間がかかるため、生産性の面でも無機系バインダーを用いた潤滑被膜３０が有利である。

【0047】

一方、各フォイル１２のバックフォイル部１２ｃ，２２ｂは回転部材（軸６及びスラストカラー６ａ）と摺動しないため、慣らし運転を行っても、バックフォイル部１２ｃ，２２ｂの潤滑被膜３０の表面性状はあまり変化しない。そのため、使用開始時にバックフォイル部１２ｃ，２２ｂの表面粗さが粗いと、その粗さが維持されるため、このバックフォイル部１２ｃ，２２ｂで支持されるトップフォイル部１２ａ，２２ａの変形が阻害され、所望の負荷容量が得られない。

【0048】

そこで、上記のように、潤滑被膜３０の表面粗さ、特に、バックフォイル部１２ｃ，２２ｂの表面粗さを小さくすることで、このバックフォイル部１２ｃ，２２ｂに重ねて配されるトップフォイル部１２ａ，２２ａの変形が阻害されにくくなる。これにより、トップフォイル部１２ａ，２２ａが運転条件に応じて変形することで、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２が適切幅に自動調整されるため、所望の負荷容量を得ることができる。

【0049】

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。

【0050】

無機系バインダーを用いた潤滑被膜３０は、フォイル１２，２２の基材（フォイル本体１５，２７）の特性を変化させにくいが、基材との密着性が低く、基材から剥がれやすいという問題がある。そこで、フォイル本体１５，２７の軸受面Ｓ１，Ｓ２側の表面の表面粗さ（Ｒａ）を、軸受面Ｓ１，Ｓ２と反対側の表面の表面粗さ（Ｒａ）よりも大きくしてもよい。具体的には、例えば、フォイル本体１５，２７の軸受面Ｓ１，Ｓ２側の表面のみにエッチング加工を施すことにより、エッチングを施していない反対側の表面の面粗度よりも大きくなる。これにより、フォイル本体１５，７３の軸受面Ｓ１，Ｓ２側の表面に、多数の微小凹部が形成されるため、この微小凹部に潤滑被膜３０（特に、無機系バインダー３３）が入り込むことで、フォイル本体１５，２７と潤滑被膜３０との密着性が改善される。

【0051】

潤滑被膜３０に含まれる固体潤滑剤粒子は上記に限らず、例えば、二硫化モリブデン粒子３１又は黒鉛粒子３２の一方のみを用いてもよい。この他、フッ素樹脂粒子等の他の固体潤滑剤粒子を用いてもよい。

【0052】

本発明に係るフォイル軸受は、ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械に好適に適用できるが、これに限定されず、高速で回転する回転軸を支持する軸受として広く用いることができる。

【実施例0053】

本発明の効果を確認するために、以下の試験を行った。フォイル２２の潤滑被膜３０の表面粗さが異なる複数種のスラストフォイル軸受２０を用意し、それぞれ実施例１～３及び比較例とした。各試験片の潤滑被膜３０の諸元は、下記の表１に示す通りである。スラストフォイル軸受２０の構成は、図６～８に示したものと同様である。

【0054】

【表1】

【0055】

各スラストフォイル軸受２０の負荷容量の測定をした結果、表１に示すように、潤滑被膜３０の表面粗さが小さい（具体的には、Ｒａ５．０μｍ以下である）実施例１～３の負荷容量は、潤滑被膜３０の表面粗さが大きい（具体的には、Ｒａ５．０μより大きい）比較例の負荷容量と比べて、各段に大きくなっていた。この結果から、潤滑被膜３０の表面粗さがフォイル軸受の負荷容量に大きく影響することが明らかになった。

【符号の説明】

【0056】

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
１２ｃ バックフォイル部
１５ フォイル本体
２０ スラストフォイル軸受
２１ フォイルホルダ
２２ フォイル
２２ａ トップフォイル部
２２ｂ バックフォイル部
２３ ホルダ本体
２４ 固定部材
２５ 本体部
２６ 延在部
２７ フォイル本体
３０ 潤滑被膜
３１ 二硫化モリブデン粒子（固体潤滑剤粒子）
３２ 黒鉛粒子（固体潤滑剤粒子）
３３ 無機系バインダー
Ｇ１，Ｇ２ 軸受隙間
Ｓ１，Ｓ２ 軸受面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】