特許 7192320 スラストフォイル軸受

(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】

(24)【登録日】2022-12-12

(45)【発行日】2022-12-20

(54)【発明の名称】スラストフォイル軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 27/02 20060101AFI20221213BHJP

【ＦＩ】

F16C27/02 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018165317

(22)【出願日】2018-09-04

(65)【公開番号】P2020037976

(43)【公開日】2020-03-12

【審査請求日】2021-05-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】大森 直陸

【審査官】倉田 和博

(56)【参考文献】

【文献】実開昭６２－１３４９２３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１８－０４０４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０１８６０５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、
前記挿通孔の周囲に配置され、前記ベースプレートに支持されたバックフォイルと、
前記バックフォイルに支持されたトップフォイルと、を備え、
前記トップフォイルは、前記シャフトの回転方向の最も下流側で前記バックフォイルの山部が前記トップフォイルに接する接線の法線方向に沿って、前記接線が延びる接線方向の幅が縮小する拡張部を有し、
前記拡張部は、前記トップフォイルの外周端と内周端を除く、前記回転方向の下流側に単一のピークを有し、前記ピークに向かって前記接線方向の幅が単調に縮小している、スラストフォイル軸受。

【請求項2】

前記ピークが、前記トップフォイルの外周側に存在する、請求項１に記載のスラストフォイル軸受。

【請求項3】

前記拡張部には、貫通孔が形成されている、請求項１または２に記載のスラストフォイル軸受。

【請求項4】

シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、
前記挿通孔の周囲に配置され、前記ベースプレートに支持されたバックフォイルと、
前記バックフォイルに支持されたトップフォイルと、を備え、
前記トップフォイルは、前記シャフトの回転方向の最も下流側で前記バックフォイルの山部が前記トップフォイルに接する接線の法線方向に沿って、前記接線が延びる接線方向の幅が縮小する拡張部を有し、
前記拡張部には、貫通孔が形成されている、スラストフォイル軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スラストフォイル軸受に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラストフォイル軸受が知られている。スラストフォイル軸受は、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き(スラストカラーの軸方向変位と傾き)を吸収できるように、軸受面が柔軟なフォイル(金属製薄板)によって形成されており、軸受面の下に軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有している。

【0003】

スラストフォイル軸受には、周方向に複数のトップフォイル片とバックフォイル片が配列された形態がある。トップフォイル片は、バックフォイル片に支持されており、スラストカラーの回転により、トップフォイル片とスラストカラーとの間に空気が導入される。この空気がトップフォイル片とスラストカラーとの間に楔状の流体潤滑膜を形成し、スラストフォイル軸受の負荷能力が発揮される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１４／０６１６９８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記スラストフォイル軸受では、流体潤滑膜の圧力がトップフォイルに作用すると、当該圧力はトップフォイルの下流端側で最も高くなる。そのため、トップフォイルの下流端側において径方向への曲げ（撓み）が大きくなる。すなわち、トップフォイルの下流端側において、径方向外側の部位が径方向内側の部位よりベースプレートに近づくことになり、対向するスラストカラーとの間隔が広くなる。そうすると、同部位において流体潤滑膜の圧力が立ち難くなり、軸受としての負荷能力が低下することになる。
なお、トップフォイルを厚くすれば、上記曲げは小さくできる。しかし、トップフォイルが厚くなれば、周方向への傾斜変形が阻害されることになる。周方向への傾斜変形が阻害されると、適切なテーパー角が形成され難くなり、軸受負荷能力が低下する。このように、トップフォイルには、径方向の曲げに強く、周方向に柔軟な剛性（異方剛性）が求められている。

【0006】

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、トップフォイルの下流端側における径方向への曲げを抑制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に、本開示のスラストフォイル軸受は、シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、前記挿通孔の周囲に配置され、前記ベースプレートに支持されたバックフォイルと、前記バックフォイルに支持されたトップフォイルと、を備え、前記トップフォイルは、前記シャフトの回転方向の最も下流側で前記バックフォイルに支持される仮想直線の法線方向に沿って、前記仮想直線が延びる仮想直線方向の幅が縮小する拡張部を有する。

【0008】

また、本開示においては、前記拡張部は、前記回転方向の下流側に単一のピークを有し、前記ピークに向かって前記仮想直線方向の幅が縮小していてもよい。

【0009】

また、本開示においては、前記拡張部は、前記ピークに向かって前記仮想直線方向の幅が単調に縮小していてもよい。

【0010】

また、本開示においては、前記ピークが、前記トップフォイルの外周側に存在していてもよい。

【0011】

また、本開示においては、前記拡張部には、貫通孔が形成されていてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、トップフォイルの下流端側における径方向への曲げを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示のスラストフォイル軸受３が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。

【図2】本開示のスラストフォイル軸受３を示す側面図である。

【図3】本開示のスラストフォイル軸受３を示す平面図である。

【図4】本開示のバックフォイル片２１及びトップフォイル片１１を示す構成図である。

【図5】一実施例に係るトップフォイル片（拡張部無し）に作用する流体潤滑膜の圧力分布を示す解析図である。

【図6】本開示の拡張部１３を有するトップフォイル片１１の作用を説明する図である。

【図7】本開示の一変形例に係るトップフォイル片１１Ａを示す構成図である。

【図8】本開示の一変形例に係るトップフォイル片１１Ｂを示す構成図である。

【図9】本開示の一変形例に係るトップフォイル片１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅを示す平面図である。

【図10】本開示の一変形例に係るスラストフォイル軸受３Ｇを示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本発明のスラストフォイル軸受を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

【0015】

図１は、本開示のスラストフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。
図１中、符号１は回転軸（シャフト）、符号２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、符号３は本開示に係るスラストフォイル軸受である。

【0016】

回転軸１には、円板状のスラストカラー４が固定されている。スラストカラー４は、一対のスラストフォイル軸受３に挟まれている。インペラ２は、静止側となるハウジング５内に配置されており、ハウジング５との間にチップクリアランス６を有している。回転軸１は、ラジアルフォイル軸受７に支持されている。

【0017】

図２は、本開示のスラストフォイル軸受３を示す側面図である。図３は、本開示のスラストフォイル軸受３を示す平面図である。図４は、本開示のバックフォイル片２１及びトップフォイル片１１を示す構成図である。なお、図４（ａ）は、平面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）における矢視Ａ図を示す。すなわち、図４（ｂ）は、バンプフォイル片２１及びトップフォイル片１１を径方向外側から視た図である。
スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を挟んでその両側に一対で設けられている。これら一対のスラストフォイル軸受３は、共に同じ構成となっている。スラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０と、バックフォイル２０と、ベースプレート３０と、を備える。ベースプレート３０は、図３に示すように、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有する。

【0018】

なお、以下の説明においては、挿通孔３０ａを基準に各部材の位置関係を説明することがある。具体的に、「軸方向」とは、挿通孔３０ａが延びる方向（回転軸１が挿通される方向）を言う。また、「径方向」とは、挿通孔３０ａの径方向を言う。また、「周方向」とは、挿通孔３０ａの内周面に沿った周方向を言う。あるいは、挿通孔３０ａに挿通された回転軸１の軸心を基準に、当該軸心から視た「径方向」及び「周方向」ともいえる。

【0019】

ベースプレート３０は、軸方向におけるスラストフォイル軸受３の最外部（反スラストカラー側）を構成する円板状の部材である。ベースプレート３０には、挿通孔３０ａが形成されている。すなわち、本開示のベースプレート３０は、円環状の部材である。ベースプレート３０は、スラストカラー４と対向して配置される平坦面を備える。ベースプレート３０の平坦面の挿通孔３０ａ（開口）の周囲には、バックフォイル２０、トップフォイル１０が配置されている。具体的に、バックフォイル２０は、ベースプレート３０に支持され、トップフォイル１０は、バックフォイル２０に支持されている。なお、本開示のベースプレート３０は、挿通孔３０ａを備える円板状の部材である。しかし、挿通孔３０ａを有すれば、ベースプレート３０は、円板状以外の部材（例えば矩形板状）であってもよい。また、挿通孔３０ａについても、必ずしも厳密な円筒形状である必要はない。

【0020】

図２に示すように、一対のスラストフォイル軸受３のそれぞれのベースプレート３０の間には、二点鎖線で示す円筒状の軸受スペーサ４０が挟持されている。そして、これらベースプレート３０は、締結ボルト４１によって軸受スペーサ４０を介して連結されている。なお、これらベースプレート３０のうちの一方は、締結ボルト４１によってハウジング５に固定されている。

【0021】

ベースプレート３０は、例えば、厚さ数ｍｍ程度の金属板から形成されている。ベースプレート３０の外周部には、図３に示すように、締結ボルト４１を挿通するための貫通孔４２が複数形成されている。ベースプレート３０は、スラストカラー４に対向する側の面に、バックフォイル２０、トップフォイル１０を支持している。本開示では、後述するようにバックフォイル２０、トップフォイル１０がいずれも複数枚（６枚）のバックフォイル片２１、トップフォイル片１１によって形成されている。本開示のベースプレート３０は、スラストカラー４に対向する側の面の周方向において等間隔に６つに分けた領域のそれぞれに、バックフォイル片２１、トップフォイル片１１を支持している。

【0022】

図３に示すように、バンプフォイル２０は、周方向に配列された６枚のバンプフォイル片２１によって形成されている。本開示では、これらバンプフォイル片２１は、図３に示す平面視で、後述するトップフォイル片１１よりも小さく形成されている。したがって、バンプフォイル片２１は、軸方向から視て、図３に示すように、ベースプレート３０上で、トップフォイル片１１に覆われている。また、本開示において、各トップフォイル片１１は、周方向に離隔している。また、周方向に隣接するトップフォイル片１１の周方向の間隔は、内周側から外周側に向かい広くなっている。

【0023】

これらバンプフォイル片２１は、波型のフォイル（薄板）である。各バンプフォイル片２１は、トップフォイル片１１を弾性的に支持している。このようなバックフォイル２０としては、例えば、バンプフォイル、特開２００６－５７６５２号公報や特開２００４－２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、特開２００９－２９９７４８号公報などに記載されているバックフォイルなどが用いられる。なお、特開２００６－５７６５２号公報や特開２００４－２７０９０４号公報に記載されているスプリングフォイル、特開２００９－２９９７４８号公報に記載されているバックフォイルは、ラジアル軸受に用いられるフォイルであるが、これらを平面状に展開して円環板状に形成すれば、スラストフォイル軸受３に用いられるフォイルとなる。

【0024】

本開示のバックフォイル２０は、図２に示すように、バンプフォイルから形成されている。バックフォイル片２１は、図３に示すように、全体が扇形の頂点側を切り欠いて、内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、バンプフォイル片２１は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する２つの端縁を備えている。本開示のバンプフォイル片２１は、周方向一方側の端縁である第一の側端と、周方向他方側の端縁である第二の側端と、第一、第二の側端それぞれの外周側の端部を繋ぐ円弧状の外周端と、第一、第二の側端それぞれの内周側の端部を繋ぐ円弧状の内周端とを備える。ここで、スラストカラー４は、周方向他方側に回転している。

【0025】

バンプフォイル片２１の第一の側端は、内周側から外周側に分離した複数の端縁で形成される。すなわち、バンプフォイル片２１には、第一の側端から第二の側端に向かい延伸する複数のスリット２４が形成されている。バンプフォイル片２１は、図４（ｂ）に示すように、谷部２２と山部２３とが交互に配置されて形成されている。すなわち、バンプフォイル片２１のスリット２４により分岐した各部位には、周方向一方側から周方向他方側に向かい谷部２２と山部２３が連なっている。谷部２２と山部２３は、スリット２４を介し直線状に延伸している。本開示の谷部２２は、平坦面を備えベースプレート３０に対向している。また、山部２４は、隣接する谷部２２を繋ぐアーチ状の部位となっている。バンプフォイル片２１は、ベースプレート３０に支持されている。そのため、谷部２２は、ベースプレート３０と当接可能である。

【0026】

本開示のバンプフォイル片２１において、谷部２２は、内周端もしくは外周端のいずれかまで延伸している。バンプフォイル片２１の周方向他方側の位置は、ベースプレート３０に対してスポット溶接（点付溶接）されている。つまり、この溶接位置が、ベースプレート３０に対するバンプフォイル片２１の取付位置となっている。また、バンプフォイル片２１の取付位置は、谷部２２となっている。本開示において、バンプフォイル片２１の取付位置は、最も周方向他方側に位置する谷部２２となっている。また、バンプフォイル片２１の周方向一方側は、自由端となっている。すなわち、バンプフォイル片２１に荷重が作用すると、周方向一方側の端縁が、周方向一方側に向かって移動することが可能である。なお、ベースプレート３０に対するバンプフォイル片２１の取り付けについては、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによっても行うことができる。

【0027】

谷部２２及び山部２３は、バンプフォイル片２１の周方向他方側の端辺２１ａ（固定端）と直交する方向（交差する方向）に交互に配列されている。すなわち、谷部２２、山部２３は、上記固定端と平行に延びている。これら谷部２２及び山部２３は、それぞれほぼ等ピッチで形成されている。また、山部２３の高さは、端辺２１ａと反対側から端辺２１ａ側に向かって、すなわち図３中に矢印で示す回転軸１（スラストカラー４）の回転方向の下流側（周方向一方側から他方側）に向かうに連れて、図４（ｂ）に示すように順に高くなるように形成されている。

【0028】

このため、バックフォイル片２１に支持されるトップフォイル片１１は、谷部２２、山部２３の配列方向に沿って、その固定辺１２側からバックフォイル片２１の端辺２１ａ側に向かうに連れて、ベースプレート３０から漸次遠ざかるように初期傾斜角で傾斜して配置されている。ここで、初期傾斜角とは、荷重がゼロのときのベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の傾斜角を意味する。

【0029】

バンプフォイル片２１は、図４（ａ）に示すように、周方向における一方側（回転方向の上流側）が、径方向において複数（本開示では４つ）の端辺２５に分割されている。４つの端辺２５は、それぞれ周方向において変位可能となっている。４つの端辺２５の間には、スリット２４が形成されている。本開示のスリット２４は、挿通孔３０ａと同心円の一部を形成する円弧状に形成されている。また、本開示のスリット２４は、ベースプレート３０に対するバンプフォイル片２１の取付位置と隣接する山部２３まで延伸している。つまり、バンプフォイル片２１の取付位置と、当該取付位置の周方向一方側に隣接する谷部２２との間の位置までスリット２４が延伸している。

【0030】

トップフォイル１０も、図３に示すように、周方向に配列された６枚のトップフォイル片１１によって形成されている。これらトップフォイル片１１は、金属製の薄板（フォイル）により、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、トップフォイル片１１は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する２つの端縁を備えている。本開示のトップフォイル片１１は、周方向一方側の端縁である第一の側端と、周方向他方側の端縁である第二の側端と、第一、第二の側端それぞれの外周側の端部を繋ぐ円弧状の外周端と、第一、第二の側端それぞれの内周側の端部を繋ぐ円弧状の内周端とを備える。このトップフォイル片１１は、周方向における他方側（回転方向の下流側）に拡張部１３を有している。拡張部１３は、トップフォイル片１１のうち、軸方向にバックフォイル片２１と重ならない部位である。本開示のバックフォイル片２１は、周方向他方側の直線状の領域が谷部２２となっており、当該谷部２２がベースプレート３０にスポット溶接された端辺２１ａとなっている。また、スポット溶接された谷部２２（端辺２１ａ）の周方向一方側には山部２３があり、トップフォイル片１１を支持している。そのため、拡張部１３は、トップフォイル片１１のうちバックフォイル片２１に支持されていない領域であるともいえる。このような形状のトップフォイル片１１は、ベースプレート３０上にてバンプフォイル片２１を覆って全体として略円環板状に配置されて、トップフォイル１０を形成している。

【0031】

トップフォイル片１１の周方向一方側の位置は、ベースプレート３０に対してスポット溶接（点付溶接）されている。本開示においては、同一直線上の複数の点がスポット溶接されており、挿通孔３０ａの軸心から径方向に延伸する直線上でベースプレート３０にスポット溶接されている。つまり、この溶接位置が、ベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の取付位置（固定辺１２）となっている。また、トップフォイル片１１の取付位置は、バンプフォイル片２１よりも周方向一方側に離間して配置されている。また、トップフォイル片１１の周方向他方側は、自由端となっている。すなわち、トップフォイル片１１に荷重が作用すると、周方向他方側の端縁が、周方向他方側に向かって移動することが可能である。なお、ベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の取り付けについては、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによっても行うことができる。

【0032】

トップフォイル片１１は、図４（ｂ）に示すように、固定辺１２側が曲げ加工されており、固定辺１２側の曲げ部より周方向他方側に、バンプフォイル片２１に形成された山部２３の配列に沿って周方向他方側に向かい高さが漸増する部位を備える。本開示の固定端１２側の曲げ部は、第１の屈曲と、第１の屈曲の周方向他方側に位置する第２の屈曲とで構成される。第１の屈曲は、トップフォイル片１１のベースプレート３０に対向する面の背面側に屈曲している。第２の屈曲は、トップフォイル片１１のベースプレート３０に対向する面側に屈曲している。つまり、固定端１２側の曲げ部は、階段状となっている。なお、第１の屈曲、第２の屈曲とも鈍角となっている。この固定辺１２よりも周方向他方側（拡張部１３側）が山部２３上に載せられている。一方、拡張部１３（トレーリングエッジ）は、固定されることなく自由端となっている。拡張部１３は、バックフォイル片２１の最も固定端（端辺２１ａ）側でトップフォイル片１１を支持する山部２３より、トップフォイル片１１の自由端側（周方向他方側）に延伸した部分である。また、本開示では、バックフォイル片２１の最も固定端（端辺２１ａ）側でトップフォイル片１１を支持する山部２３の周方向他方側にある谷部２２（端辺２１ａ）より、トップフォイル片１１の自由端側まで、拡張部１３が延伸している。

【0033】

トップフォイル片１１は、図４（ａ）に示すように、内周側の端辺１１ｃと、外周側の端辺１１ｄと、を有する。本開示の内周側の端辺１１ｃは、挿通孔３０ａと同心円の一部を形成する円弧状に形成されている。また、外周側の端辺１１ｄは、挿通孔３０ａと同心円（端辺１１ｃが形成する同心円よりも径が大きい同心円）の一部を形成する円弧状に形成されている。

【0034】

拡張部１３は、内周側の端辺１１ｃの下流端１１ｃ１と、外周側の端辺１１ｄの下流端１１ｄ１と、を結ぶ仮想側端Ｌに対して、回転軸１の回転方向の下流側に拡張している。ここで、内周側の端辺１１ｃの下流端１１ｃ１とは、端辺１１ｃの周方向他方側において、トップフォイル片１１の周方向他方側の端辺の内周端と接続されることで曲率が変わる変曲点を意味する。また、外周側の端辺１１ｄの下流端１１ｄ１とは、端辺１１ｃの周方向他方側において、トップフォイル片１１の周方向他方側の端辺の外周端と接続されることで曲率が変わる変曲点を意味する。

【0035】

拡張部１３は、バックフォイル片２１の最も周方向他方側に位置する山部２３に支持される仮想直線Ｘの法線方向（図４（ａ）に示す白抜き矢印方向）に沿って、仮想直線Ｘが延びる仮想直線方向の幅Ｗが縮小している。ここで、仮想直線Ｘとは、回転軸１の回転方向の最も下流側で、バックフォイル片２１がトップフォイル片１１に接する接線（なお、バックフォイル２０が泡型などの場合、最も下流側でトップフォイル１０に接する接点を結ぶ直線）である。本開示の拡張部１３は、仮想直線Ｘの法線方向に沿って下流側に向かい、仮想直線方向の幅Ｗが単調減少しているが、必ずしも幅Ｗが単調減少しなくてはならないわけではない。この拡張部１３は、回転軸１の回転方向の下流側に単一のピークＰを有し、ピークＰに向かって仮想直線方向の幅Ｗが単調に縮小した形状を有する。つまり、本開示のトップフォイル片１１の周方向他方側の端縁は、バックフォイル片２１の最も周方向他方側に位置する山部２３と周方向に見たときの間隔が、径方向に変動する。この周方向に見たときの間隔がピークＰでピークとなる。また、拡張部１３は、平面視でピークＰとは異なる位置に角度のピークを持つ。図４（ａ）に示す例では、この角度のピークは、トップフォイル片１１の周方向他方側の端辺の内周端と外周端の中間の径方向位置より外周側に位置する。なお、ピークＰは、頂点だけでなく、ある程度の幅を有した辺（線状ピーク）であってもよい。すなわち、拡張部１３のピークＰとは、回転軸１の回転方向の最も下流側に位置する部分のことで、頂点や辺となるトップフォイル片１１の自由端側は、当該自由端に向かい仮想直線方向の幅Ｗが縮小している。

【0036】

拡張部１３のピークＰは、図４（ａ）に示すように、トップフォイル片１１の外周側に存在している。ここで、トップフォイル片１１の外周側とは、トップフォイル片１１を径方向において３分割したときの最も径方向外側の領域を意味する。拡張部１３は、図４（ｂ）に示すように、バックフォイル片２１の端辺２１ａよりも回転方向の下流側に延びており、バックフォイル片２１の山部２３に支持されていない。また、拡張部１３は、拡張部１３以外のトップフォイル片１１の部位と同一の厚みを有する。

【0037】

次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受３の作用について説明する。
スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を挟んだ両側に設けている。そのため、回転軸１のスラスト方向両側の移動を抑制できる。

【0038】

このような状態で回転軸１が回転し、スラストカラー４が回転を始めると、スラストカラー４とトップフォイル片１１は擦れ合いつつ、両者の間に形成されたくさび形の空間に周囲流体が押し込まれる。そして、スラストカラー４が一定の回転速度に達すると、両者の間に流体潤滑膜が形成される。この流体潤滑膜の圧力によってトップフォイル片１１（トップフォイル１０）はバックフォイル片２１（バックフォイル２０）側へ押し付けられ、スラストカラー４はトップフォイル片１１との接触状態を脱し、非接触で回転するようになる。

【0039】

このとき、バックフォイル片２１は、ベースプレート３０側へ押し付けられ、トップフォイル片１１の傾斜角は、初期傾斜角よりも浅く（小さく）なる。バンプフォイル片２１は、回転軸１の回転方向の上流側を径方向にて４つ（複数）に分割しているので、それぞれの端辺２５（分割片）が独立に動くことができる。すなわち、それぞれの端辺２５がそれぞれ異なる変形量となりうる。これにより、バンプフォイル片２１の周方向における変形が滑らかになる。

【0040】

図５は、一実施例に係るトップフォイル片（拡張部無し）に作用する流体潤滑膜の圧力分布を示す解析図である。図５においては、圧力の高低を、ドットの濃淡で示している。
トップフォイル片の下流端側は、上記くさび形の空間の最も狭まった部分になるため、図５に示すように、流体潤滑膜による高い圧力が作用することになる。なお、流体潤滑膜による高い圧力は、図５では、トップフォイル片の外周側に作用しているが、バックフォイル片の支持剛性によっては、その位置は径方向に変化し得る。しかし、トップフォイル片の外周側では、その内周側よりもスラストカラーの周速が速いので、トップフォイル片の外周側に、流体潤滑膜による高い圧力が作用しやすい傾向がある。

【0041】

図６は、本開示の拡張部１３を有するトップフォイル片１１の作用を説明する図である。なお、図６（ａ）は、平面図を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）における矢視Ｂ図を示す。
上述したように、トップフォイル片１１の下流端側は、流体潤滑膜による高い圧力が作用するため、径方向に湾曲（撓む）するような力を受けることになる。ここで、本開示のトップフォイル片１１は、図６（ａ）に示すように、その内外周の下流端１１ｃ１，１１ｄ１を結ぶ仮想側端Ｌに対して、回転軸１の回転方向の下流側に拡張した拡張部１３を有する。拡張部１３は、図４（ａ）に示すように、バックフォイル片２１の最も周方向他方側に位置する山部２３に支持される仮想直線Ｘの法線方向に沿って、仮想直線Ｘが延びる仮想直線方向の幅Ｗが縮小している。

【0042】

この構成によれば、トップフォイル片１１の下流端側が、拡張部１３によって長く伸ばされているので、トップフォイル片１１の径方向における曲げに対する剛性（断面二次モーメント）を高めることができる。このため、トップフォイル片１１の下流端側において、流体潤滑膜による高い圧力が作用しても、トップフォイル片１１の下流端側がベースプレート３０側に落ち込むことが抑制される。さらに、拡張部１３では、トップフォイル片１１上において潤滑流体が周方向に長く保持されるので、流体潤滑膜による高い圧力が広範囲に形成される。これらの複合作用により、トップフォイル片１１上では、強い流体潤滑膜が形成され、高負荷時においてもスラストカラー４との非接触状態が維持されることとなる。

【0043】

また、本開示では、拡張部１３は、図４（ａ）に示すように、回転方向の下流側に単一のピークＰを有し、ピークＰに向かって仮想直線方向の幅Ｗが縮小している。この構成によれば、流体潤滑膜による圧力が図５の解析図のトップフォイル片１１の下流端の外周側より比較的小さい部位（トップフォイル片の内周側の端辺、及び外周側の端辺の近傍）において、潤滑流体を周方向に長く保持しなくて済む。これにより、トップフォイル片１１上において圧縮され、高温となった潤滑流体が、トップフォイル片１１の内外周の下流端１１ｃ１，１１ｄ１からベースプレート３０側に流れて冷却され易くなり、スラストフォイル軸受３が効率よく冷却される結果、強い流体潤滑膜が形成され、スラストフォイル軸受３の軸受負荷能力を向上させることができる。

【0044】

また、本開示では、拡張部１３のピークＰが、図６（ａ）に示すように、トップフォイル片１１の外周側に存在しているため、上述した図５及び図６（ｂ）に示すように、流体潤滑膜による高い圧力が作用しやすく、径方向の撓みが最大になりやすい箇所において、トップフォイル片１１の径方向の曲げ剛性を高めることができる。このため、トップフォイル１０の下流端側における径方向への曲げを効果的に抑制することができる。

【0045】

以上、図面を参照しながら本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0046】

例えば、本開示のスラストフォイル軸受３は、図７～図１１に示すような形態を採用し得る。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

【0047】

図７は、本開示の一変形例に係るトップフォイル片１１Ａを示す構成図である。なお、図７（ａ）は、平面図を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）における矢視Ｃ図を示す。
トップフォイル片１１Ａ（トップフォイル１０Ａ）は、図７（ａ）に示すように、トップフォイル片１１Ａの径方向の中間部に、拡張部１３のピークＰを有している。ここで、トップフォイル片１１Ａの径方向の中間部とは、トップフォイル片１１Ａを径方向において３分割したときの真ん中の領域を意味する。この構成によれば、バックフォイル片２１の支持剛性によって、図７（ｂ）に示すように、トップフォイル片１１Ａの下流端側の径方向の曲げが、当該中間部で最大になる場合に、その曲げを効果的に抑制することができる。

【0048】

図８は、本開示の一変形例に係るトップフォイル片１１Ｂを示す構成図である。なお、図８（ａ）は、平面図を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）における矢視Ｃ図を示す。
トップフォイル片１１Ｂ（トップフォイル１０Ｂ）は、図８（ａ）に示すように、トップフォイル片１１Ｂの内周側に、拡張部１３のピークＰを有している。ここで、トップフォイル片１１Ｂの内周側とは、トップフォイル片１１Ｂを径方向において３分割したときの最も径方向内側の領域を意味する。この構成によれば、バックフォイル片２１の支持剛性によって、図８（ｂ）に示すように、トップフォイル片１１Ｂの下流端側の径方向の曲げが、当該内周側で最大になる場合に、その曲げを効果的に抑制することができる。
このように、拡張部１３のピークＰの径方向位置を変化させることで、バンプフォイル片２１の設計自由度が向上する。

【0049】

図９は、本開示の一変形例に係るトップフォイル片１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅを示す平面図である。
図９（ａ）に示すトップフォイル片１１Ｃ（トップフォイル１０Ｃ）は、複数の貫通孔１４が形成された拡張部１３Ｃを有する。この構成によれば、トップフォイル片１１上において圧縮され、高温となった潤滑流体が、拡張部１３Ｃの貫通孔１４からベースプレート３０側に流れて冷却され易くなる。なお、貫通孔１４は、トップフォイル片１１Ｃの曲げ剛性の観点から、トップフォイル片１１Ｃの径方向と直交する方向において連続しないように、例えば千鳥状に配置することが好ましい。

【0050】

また、図９（ｂ）に示すトップフォイル片１１Ｄ（トップフォイル１０Ｄ）のように、その下流端側から部分的に拡張した拡張部１３Ｄを有してもよい。
さらに、図９（ｃ）に示すトップフォイル片１１Ｅ（トップフォイル１０Ｅ）のように、その内外周の下流端１１ｃ１，１１ｄ１から異形（例えば平面視クローバー形）に拡張した拡張部１３Ｅを有してもよい。

【0051】

図１０は、本開示の一変形例に係るスラストフォイル軸受３Ｇを示す平面図である。
図１０に示すスラストフォイル軸受３Ｇは、特開２０１４－１４５３８８号公報に開示されているように、トップフォイル片１１の固定辺１２Ｇが、その内周側から外周側に向かうに連れて回転軸１の回転方向の下流側に近づくように、回転軸１を中心としてその半径方向に延びる直線に対して傾斜して形成されている。この構成によれば、回転方向の下流側のトップフォイル片１１と干渉しないで（重ならないで）、拡張部１３を回転方向の下流側に伸ばしやすくできるので、スラストフォイル軸受３の軸受負荷能力を向上させることができる。

【0052】

また、例えば、上記実施形態では、トップフォイル１０を複数のトップフォイル片１１から形成し、バックフォイル２０を複数のバックフォイル片２１から形成したが、トップフォイル１０及びバックフォイル２０は、それぞれ周方向に連なって単一のフォイルから形成されていてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１ 回転軸（シャフト）
３ スラストフォイル軸受
１０ トップフォイル
１１ トップフォイル片
１１ｃ１ 下流端
１１ｄ１ 下流端
１３ 拡張部
１４ 貫通孔
２０ バックフォイル
２１ バックフォイル片
３０ ベースプレート
３０ａ 挿通孔
Ｐ ピーク
Ｘ 仮想直線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】