Development of aerodynamic bearings supported by elastic structure with snap-through buckling for high speed turbomachines

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03920
• Research Institution: Daido University
• Principal Investigator: 杣谷 啓 大同大学, 工学部, 准教授 (70581429)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 動圧空気軸受 / 流体潤滑 / 弾性支持 / 飛越座屈

Outline of Annual Research Achievements

空気を潤滑流体として用いた弾性支持空気軸受は移動機器用の超小型・超高速ターボ機械への応用が期待されている。しかし従来の弾性支持構造では極めて強い衝撃・振動によって支持特性が変化し易く、宇宙機器などの強い衝撃を伴う過酷な環境では要求性能が満たせない可能性がある。そこで本研究では、温度変化や衝撃に強い弾性支持構造として飛越座屈現象を利用した弾性構造体に注目し、超高速対応型空気軸受用弾性支持体として用いることを提案した。この弾性支持構造は湾曲した梁を重ね合わせた多層構造となっており、湾曲した梁は横荷重に対して飛越座屈現象が現れるようにパラメータを調整している。このような湾曲した梁の変位－負荷特性は、荷重増加時と減少時で経路が大きく異なるため減衰容量が大きく、これを多層化にすることにより優れた減衰能が期待できる。2020年度では、主に提案する弾性支持構造の比較対象に関する実験・計算を行った．弾性梁を用いてトップフォイルを支持する新しい軸受構造を提案・製作し，実際に運転を行った．その結果，新しい軸受構造を有する弾性支持軸受は直径6mm，質量4.8gのロータを600,000rpmを超える回転速度で安定的に支持できることが明らかとなった．また，飛越座屈現象を利用した弾性支持構造を実際の弾性支持軸受に対応した形状を複数パターン製作し、その減衰容量について数値計算を行った。その結果、提案する弾性支持構造を対向して配置した場合にはその減衰容量は大きく落ちることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2020年度は「①弾性梁を用いた弾性支持構造の高速安定性」「②周方向に拡張した弾性支持構造の減衰特性」について検討を行った。
①本研究で提案した飛越座屈現象を利用した弾性支持構造軸受と従来の摩擦を用いた弾性支持構造の特性を比較するために、弾性梁を用いた弾性支持構造を新しく提案・設計した。従来の弾性支持構造のほとんどは金属平板に対して曲げ加工などの塑性加工を行うことで得られた弾性バネを用いているため、その特性にバラツキがあった。そこで、ワイヤー放電加工機により製作された弾性梁の弾性と梁とトップフォイルの摩擦による減衰を利用した新しい弾性支持構造を提案し、その特性を調査した。今年度はそれを用いて実際に軸受を製作し、直径6mm，質量4.8gのロータを600,000rpmを超える回転速度で安定的に支持できることが明らかとしている。
②実際の弾性支持軸受に適用すべく弾性支持構造の基本要素である湾曲した二重梁を円周方向に拡張した構造について数値計算を行い、その減衰容量について検討を行った。弾性支持構造が対向している場合には負剛性領域が狭くなり、その結果減衰容量が大きく低下することが確認できた。
その他、飛越座屈現象を利用した弾性構造体の衝撃耐久性の実験的評価のため、サーボモータを用いた衝撃耐久試験装置を用意した。最後にアディティブ加工などの製造法に関する検討や実際に試験軸受を製作が可能と考えていたが、感染症対応により実験装置製作をはじめとした工程が予定よりも遅延したこと、軸受に対応した構造とすることで性能が大きく落ちることが数値的に確認されたことが原因となり、想定よりも遅れがでている。

Strategy for Future Research Activity

今年度提案した比較用の弾性支持構造について、動的・静的な構造特性について実験的検討を行う予定である。さらに、数値計算により優れた減衰能を有することが確認された弾性支持構造のパラメータスタディを行ったのち、実際に製作を行う。その後、弾性支持構造の基本特性である変位－負荷特性や周波数応答特性を実験的に明らかとする。これらの装置はすでに完成しており、本工程で遅延することはない。
次に飛越座屈現象を利用した弾性支持構造が衝撃・振動に対して十分な耐久性を有しているかを確認するため、今年度用意した衝撃耐久試験装置を用いて試験を行う。はじめに出力可能な衝撃荷重を確認した後、以前製作した弾性支持構造を対象とした衝撃試験を行う予定である。
最後に、弾性支持構造の製作方法として抵抗式溶接を応用したアディティブ加工についての検討が進んでいる。実験装置製作が遅れていることで実施が遅れてはいるが基礎的な調査が進んでおり、2021年度前半には有用性に関して一定の結論が出る見込みである。

Causes of Carryover

感染症のまん延により、国際会議をはじめとした研究成果の発表の場が中止もしくは2021年度に延期されたため、旅費や参加費の出費がなされなかったこと、実験装置製作に一部遅れが生じていることが次年度使用額に違いが生じた大きい理由である。
これらの経費は2021年度に延期されたMITC（Malaysia International Tribology Conference）の発表に関する費用や2020年度に中止された機械学会機素潤滑部門講演会に代えた他学会の講演会に関する費用、そして遅延している実験装置の製作費として主に使用する予定である。