JPS60136615A

JPS60136615A - 流体軸受構造

Info

Publication number: JPS60136615A
Application number: JP24208283A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sugita; 杉田　孝志
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1985-07-20
Also published as: JPS6331001B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野〕本発明はガス、油、水、蒸気等の流体軸受構造に係り、
特に弾性フォイルを利用したフォイル軸受において、優
れた高速安定性を発揮できる流体軸受構造に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］流体軸受は回転軸と軸受面との間に高圧な流体膜を形成
してこの流体膜圧力により回転軸を支持する方式の軸受
であり、特にガス軸受は摩擦損失が少なく高負荷能力を
有する特長があり、ターボ圧縮機、ターボ膨張機、ター
ボチャージャ、ターボ冷凍機等の高速回転軸の軸受とし
て極めて有効なものである。

このガス軸受としては剛体軸受とフォイル軸受とが知ら
れている。剛体軸受では軸変形等に起因してガス膜の破
断を生じるため、現在フォイル軸受が研究開発されてい
る。

本願出願人も先にフォイル軸受の基本構造について提案
し、優れた性能を発揮することを見出した。

ところで、一般にガス軸受にあっては軸受面の形式がブ
レーン、スパイラルグループ、ポケッ１へ型等の高負荷
容量型の場合、高速回転域で自励振動を誘起し不安定と
なる。この現象はガス膜の圧縮性と軸受形状に起因する
もので高負荷容量型の軸受では避けられない問題である
が、回転軸の高速化の要請からその改善が望まれている
。

［発明の目的］本発明は上述したような問題点に鑑みて創案されたもの
であり、その目的はフォイル軸受において優れた高速安
定性を発揮できる流体軸受構造を提供するにある。

［発明の概要］上記目的は、本発明によれば次のような構成により達成
される。

即ち支承面上に弾性フォイルが積層されて形成され、流
体膜圧力により回転軸を支承するための流体軸受におい
て、軸受面上に流体膜を形成するための軸受フォイルと
、上記軸受面上の流体膜圧力を規制するために該圧力を
解放する圧力解放路と、上記支承面と上記軸受フォイル
との間に設けられ、上記圧力解放路から解放される圧力
を導入して制振させるダンプフォイルと、該ダンプフォ
イルを上記支承面上に弾性支持するためのバネフ［発明
の実施例］以下に本発明の好適一実施例を添付図面に従って詳述す
る。本実施例にあっては流体軸受としてジャーナルガス
軸受が例示されている。

第１図に示すように、１はターボ圧縮機等の回転軸であ
り、この回転軸１の外周にはこれを囲繞して環状の軸受
ケース２が設けられている。そして回転軸１と軸受ケー
ス２内周の支承面２ａとの間にはガス膜圧力により回転
軸１を支承するための弾性フォイル３．４．５が積層し
て設けられる。

これら弾性フォイル３．４．５は第２図に示すように、
それらの一端が固定片６に接合されて一体化され、この
固定片６が支承面２に回転軸方向に沿って形成された係
合溝７に係止されて取り付けられる。

３は最も回転軸１に近接させて設けられ、その内周の軸
受面３ａ上にガス膜を形成するための軸受フォイルであ
る。図示例にあっては軸受面３ａが平滑に形成されたプ
レーン状のものが示されているが、この他スパイラルグ
ループ、テーパランド、ポケット等の加工が施されたも
のであっても良い。

特にこの軸受フォイル３には回転軸方向略巾央で板厚方
向に貫通させて圧力解放路たる細孔８・・・が複数形成
される。この細孔８・・・は軸受面３ａ上に形成される
ガス膜の余剰圧力を解放して軸受面３ａ上のガス膜圧力
を蜆制し、過剰な昇圧を抑制づるように構成される。

他方５は支承面２ａ上に設番プられ、軸受フォイル３に
作用するガス膜圧力を支承面２ａから弾発支持するため
に後述するダンプフォイル４を弾性支持するバネフォイ
ルである。バネフォイル５はＭ３図に示すように細長い
矩形状に形成され、その長手方向に所定ピッチ毎に折曲
溝５８・・・が形成される。そしてこのバネフォイル５
は第４図に示すように支承面２ａに沿って折り曲げ加工
される。

これら支承面２ａに配設されるバネフォイル５と回転軸
１側に配設される軸受フォイル３との間にはダンプフォ
イル４が設けられる。このダンプフォイル４は、その外
周にバネフォイル５が摩擦接触されると共に、内周は細
孔８・・・が形成された軸受フォイル３の外周に臨ませ
られる。そして、これらフォイル３．５相互間の空隙Ｈ
に細孔８・・・から圧力が導入されるように構成される
。　即ちダンプフォイル４は軸受フォイル３の外側に空
隙１−１を形成し、この空ｍ　ｌ−１内に圧力解放路た
る細孔８・・・から軸受面３ａのガス膜の余剰圧力を導
入させて制振機能を発揮するように構成される。本実施
例にあっては空隙側内周面がプレーン状に形成されたも
のが示されている。

次に本発明の作用について述べる。

第１図及び第５図に示すように、回転軸１が矢印の方向
に速度Ｖで回転すると回転軸１周囲のガスの粘性に基づ
く巻き込み作用により軸受フォイル３と回転軸１との間
に荷重Ｗを支えるためのガス膜が相当の膜厚りで形成さ
れる。

本実施例で示したプレーンなジャーナル軸受にあっては
外部減衰があまり大きくない場合１次危険速度の２倍以
上でホワールと呼ばれる自励振動が発生し不安定となる
。この現蒙はガス膜の膜厚りに発生する過剰なガス膜圧
力による軸偏心量の減少に基づくものである。

本発明は圧力解放路（本実施例にあっては細孔８・・・
）どダンプフォイル４とにより、過剰なガス膜圧力の発
生を規ちりすると共に、解放させた圧力を外部減衰とし
て有効に活用して制振効果を発揮させるものである。

即ち軸受面３ａ上で発生するガス膜圧力の一部は細孔８
・・・を介してダンプフォイル４と軸受フォイルａとの
間の空隙１−１に流入する。従って可及的にガス膜圧力
の過剰な上昇を規制できる。

また解放された圧力が導入された空隙Ｈは、膜厚り方向
のスクイズフィルムダンパとして機能し制振効果を発揮
する。この作用は弾性フォイル３゜４．５という構成要
素によって発揮されるものであり、高速域において顕著
な効果を秦する。また回転軸１が水平方向に置かれたジ
ャーナル軸受の場合、反負荷側の軸受面（第１図におい
て、上方の軸受面）は逆クサビ状（回転方向に末広がり
）のガス膜が形成されて負圧が発生する傾向がある。

この場合負圧により回転軸１を持ち上げる力が作用して
不安定化に進むことになる。これに対し本発明にあって
は圧力解放路（細孔８・・・）により負圧発生を防止す
ることもできる。

これらの相乗効果により高負荷容量の動圧型ガス軸受の
長所を損なうことなく高速回転まで安定させることがで
きる。従ってターボ機械等高速回転機器の高効率化を図
り得る。

また圧力解放路たる細孔８・・・を形成したことにより
軸受面３ａ上に溜まり易かった塵等も圧力の解放に伴な
わせて軸受面３ａ外へ除去さすることができ、信頼性も
向上できる。

また、本発明の軸受構造は変形可能な弾性フォイル３，
４．５によって構成されるため、回転軸１の熱変形、遠
心膨張にも対応できる。

尚、以上の説明にあっては軸受フォイル３とダンプフォ
イル４とで構成される空隙１−１は、細孔８・・・を流
体絞りとして給気させる局所的な自戒絞り型静圧ガス軸
受として機能させ、これを分布して配置させることによ
って高速安定化に寄与するものである。自戒絞り型静圧
ガス軸受は静圧ガス軸受の中にあってガス流量が小さな
形式の−っであり、軸受フォイル３の上面に形成させる
ガス族の負荷能力の低下を制限１ノつつ余剰圧ノ〕を解
放できるものである。この機能は軸受フォイル３とダン
プフォイル４とが弾性に富むフォイルで形成されている
ことにより発揮される特性であり、剛体軸受にない特長
である。

また小型高速で低荷重のａ−夕等を支持するフォイルガ
ス軸受の構成としては次のようにしても効果がある。低
荷重の場合には自戒絞り型静圧ガス軸受の部分を局所的
なポケット付オリフィス絞り型または表面絞り型の静圧
ガス軸受としガス流量を増加させて空隙Ｈをより能動的
な局所的に分布した静圧軸受として機能させ、減衰能力
を高め安定性を向上させることができる。

ポケット又は表面絞りはダンプフォイル４、軸受フォイ
ル３のダンプフォイル側面いずれに形成しても良い。

［変形実施例コ第６図〜第１９図には上記実施例の変形例が示されてい
る。

第６図〜第９図に示すものは、上記実施例において折曲
形成したバネフォイルに代替させて以下のように構成し
た弾発体９を採用したものである。

弾発体９は第８図に示すように、バネフォイル５と格子
状フォイル１Ｏとからなり、格子状フォイル１０にはそ
の長手方向に沿って等間隔で縦格子状にｍ１１・・・が
段けられており、バネフォイル５は格子状フォイル１Ｏ
の歯１１・・・が交互にその表裏に瑛れるように組み付
けられる。他の構成は上記実施例と同様である。

第１０図及び第１１図に示すものは、上記実施例におい
てプレーン状の軸受面で形成した軸受フォイルに代替し
て軸受面３ａに回転軸の回転方向Ｖに沿って側部から中
央部に向けて軸受面３ａより６だ【プ深く加工されたへ
リングボーン状のグループ１２・・・を形成したもので
ある。本実施例にあっは、圧力解放路は軸受面３ａの中
央部に周方向に沿って板厚方向に貫通させて形成した複
数の細孔８・・・と、これら細孔８・・・とグループの
中央部側端部（グループエンド）１２ａ・・・どの間に
形成された絞り通路１３・・・とから構成される。また
図示しないが絞り通路を省略して直接グループエンド１
２ａ・・・に細孔を形成しても良い。

このように軸受面３ａにグループを形成したガス軸受に
あっては（後述するスパイラルグループ型、ポケット型
も同様である。）、上述したブレーン型の軸受が軸受面
と回転軸との間に形成されるくさび状ガス膜による圧力
発生機構を有しているのに対し、グループ１２・・・に
沿うガスの巻き込み作用によって昇圧する一種の粘性ポ
ンプ様の圧力発生機構を備えている。従って軸受面３ａ
と回転軸１とを同軸で構成しても昇圧機能を発揮する。

即ち、回転軸１が回転するとガスは軸受面３ａの外方へ
解放されたグループ１２・・・の一端１２ｂからグルー
プ１２・・・内に巻ぎ込まれてゆ（。巻き込まれたガス
は順次グループ１２・・・内で減速され順次圧力が高め
られてゆく。そしてグループエンド１２ａ・・・で最大
圧力を発生しガス膜を形成してゆく。

このグループ型軸受も高負荷能力を有するものであるが
、上述したブレーン型軸受と同様、高速域で不安定とな
る。これに対し本発明にあっては余剰圧力をグループエ
ンド１２ａ・・・から較り通路１３・・・及び細孔８・
・・を介して解放できるので自励振動の発生を抑止でき
ると共に、更に解放された圧力を空隙卜１で外部減衰と
してのスクイズダンパ作用に利用して大幅に安定性を向
上させることができる。

第１２図〜第１８図に示すものはスラストガス軸受に本
発明を適用した場合が示されている。第１２図において
、１４は回転軸のスラストカラーであり、スラストカラ
ー１４はＶ方向に回転している。また、スラストカラー
１４のスラスト荷重Ｗをガス膜を形成して支承すべく、
スラストカラー１４に臨ませこれに対向させて軸受ケー
ス２が設けられると共に、軸受ケース２の支承面２ａに
は回転軸を囲繞する環状の弾性フォイル３，４゜１５．
１６．５が取り付りられている。これら弾性フォイル３
．４，１５．１６．．５は、スラストカラー１４側から
軸受ケース２に向かって軸受フォイル３．ダンプフォイ
ル４、くし形フォイル１５、バネフォイル５、くし形フ
ォイル１６を順次積層させて５枚設けられる。これらフ
ォイル３゜４．１５．１６．５はいずれも環状をなし、
それらの平面図を第１３図〜第１７図に夫々示す。

軸受フォイル３は、その表面が軸受面３ａを成し、この
軸受面３ａにはガス膜圧力発生のためのスパイラル状の
溝、すなわちスパイラルグループ１２が形成されている
。また、軸受フォイル３には、くし形フォイル１５等、
他のフォイルと重ね合せた状態で固定するための取付孔
３ｂが、その外周部に適宜間隔にて複数設けられている
（図示例では６個）。またダンプフォイル４．バネフォ
イル５にも同様にその外周部に取付孔４ａ、５ａが設け
られている。

くし形フォイル１５は、リング状の外周部１５ｂとその
内周面より径方向にくし形フォイル１５中心に向って延
出された（し歯１５Ｃとからなり、くし歯１５ｃは外周
部１５ｂに沿って等ピッチにて複数、放射状に設けられ
ている。更に、くし形フォイル１５の外周部１５１）に
は、取付孔１５ａが設けられている。また（し形フォイ
ル１６も、くし形フォイル１５と同一形状、寸法であり
、外周部１６ｔｌとこれに等ピッチにてくし歯１６０が
設けられると共に、取付孔１６ａを有している。

くし形フォイル１５とくし形フォイル１６との構造上の
相違は、くし歯１５Ｃ，１６Ｃに対する取付孔１５ａ、
１６ａの加工位置のずれにある。即ち、取付孔１５ａ、
１６ａは、等ピッチにて設けられたくし歯１５Ｃ，１６
Ｇに対して互いに　１／２ピツチずらして設けられてい
る。それ故、軸受フォイル３、ダンプフォイル４．くし
形フォイル１５、バネフォイル５、くし形フォイル１Ｇ
がそれら取付孔３ａ　、　４ａ　、　１５ａ　、　５ａ
　、　１６ａを一致させて軸受ケース２に５枚重ねて取
り付けられたどきに、第１２図示すように、くし歯１５
Ｃと１６ｃどが周方向に沿ってバネフォイル５の両面に
交互に　１／２ビツヂで配置されることになる。

このようなスラストガス軸受において第１８図に示すよ
うにスパイラルグループ１２・・・のグループエンド１
２ａ・・・に細孔８が形成され、この細孔８・・・は問
ＦＪｆ　Ｉ−１に連通されて上記実施例と同様な効果を
奏するものである。

尚、第１９図にはスパイラルクループに代替させてポケ
ット型グループ１７が示されている。

また図示しないが円錐面軸受にも適用することができる
。

ところで上記実施例及び変形実施例において、軸受フォ
イル３の軸受面やダンプフォイル４の表面加工はフォト
エツチング等により容易にでき、量産性、コストメリッ
トに優れるものである。

尚、上記実施例及び変形実施例にあってはガスを利用し
た流体軸受を例示して説明したが、油、水、水蒸気等を
利用した流体軸受であっても同様な効果を奏する。

［発明の効果］以上要するに本発明によれば次のような優れた効果を発
揮する。

（１）　軸受面上の流体膜圧力の過剰な上昇を規制する
ために余剰圧力を解放する圧力解放路と、この圧力解放
路から解放される圧力を導入して軸受フォイルとの間に
スクイズダンパを構成するダンプフォイルどを佑えたこ
とにより自励振動の発生を抑止して優れた高速安定性を
発揮できる。

（？）　また圧力解放路により流体中に含まれる塵等の
異物を軸受面から除去でき軸受機能の信頼性を向上し得
る。

（３）　圧力解放路はフォトエツチングにより簡単且つ
安価に形成できる。

（４）　負荷能力の低下が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適一実施例を示す正面断面図、第２
図は軸受構成部材の斜視図、第３図はバネフォイルを示
す斜視図、第４図はバネフォイルの折曲状態を示す斜視
図、第５図は第１図の周方向の展開断面図、第６図は変
形実施例を示す正面断面図第７図は軸受構成部材の斜視
図、第８図は弾発体の組立状態を示す平面図、第９図は
第６図の周方向展開断面図、第１０図はへリングボーン
状の軸受フォイルを示す斜視図、第１１図は第１０図に
おけるＡ部拡大平面図、第１２図はスラスト軸受に適用
した場合の一部側断面図、第１３図はスパイラルグルー
プ状のスラスト用軸受フォイルを示す平面図、第１４図
はダンプフォイルを示す平面図、第１５図はくし形フォ
イルを示す平面図、第１６図はバネフォイルを示す平面
図、第１７図は他のくし形フォイルを示す平面図、第１
８図は第１３図におけるＢ部拡大平面図、第１９図はポ
ケット型グループを有する軸受フォイルを示す一部斜視
図である。図中、１は回転軸、２ａは支承面、３は軸受フォイル、
３ａは軸受面、４はダンプフォイル、５はバネフォイル
、８，１３は圧力解放路として例示した細孔及び絞り通
路である。特許出願人　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理士　
絹　谷　信　雄第１６区

Claims

【特許請求の範囲】

支承面上に弾性フォイルが積層されて形成され、流体膜
圧力により回転軸を支承するための流体軸受において、
軸受面上に流体膜を形成するための軸受フォイルと、上
記軸受面上の流体膜圧力を規制するために該圧力を解放
する圧力解放路と、上記支承面と上記軸受フォイルとの
間に設けられ、上記圧力解放路から解放圧力を導入して
制振させるダンプフォイルと、該ダンプフォイルを上記
支承面上に弾性支持するためのバネフォイルとを備えた
ことを特徴とする流体軸受構造。