KR100365806B1 - 가스 역학 호일 베어링 - Google Patents

Abstract

베이스(10)에 부착되는 플레이트(13)와, 상기 플레이트(13) 위에 소정 간격으로 부착된 서포트 부재들(14)과, 상호 겹쳐지도록 상기 서포트 부재(14)에 그 일단이 고정된 탄성포일들(15)과, 회전하는 로터와 결합되어 상기 탄성포일들(15) 위에 놓여지는 트러스트 디스크(11)를 포함하는 가스 역학 포일 베어링에 있어서,

상기 탄성포일(15)이 겹쳐지는 영역의 상기 탄성포일(15)과 상기 플레이트(13) 사이에 개재되어 상기 탄성포일(15)을 지지하는 아크형 곡률 스프링들(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링이 개시되어 있다.

Description

가스 역학 호일 베어링{Gas dynamic foil bearing}

가스 역학 포일 베어링은 그 구조가 간단하고 경제적인 양산이 가능하다. 따라서, 소형 기계에 널리 적용되어 왔다. 1975년 7월 8일 등록된 실버(Silver) 등의 미국 특허 제3,893,733호 "포일 베어링 설비"에는 자가압축 유체역학 포일 베어링이 개시되어 있는데, 이 베어링은 가동베어링 부재와 고정베어링 부재 사이를 지지하는 탄성 포일과, 상기 포일을 지지하며 강성도을 제공하는 탄력 포일 서포트를 포함한다.

1992년 8월 15일 발행된 소비에트 연방 특허 제1754949호에 개시된 종래의 트러스트 가스 포일 베어링이 제1도에 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 트러스트 가스 포일 베어링은 베이스(10)에 부착된 플레이트(1)와, 상기 플레이트(1)에 용접되어 고정된 서포트 부재(2)와, 상기 서포트 부재(2)에 상호 중첩되도록 용접되어 부착된 탄성포일을 포함한다. 여기서, 상기 탄성포일(3)은 상기 서포트 부재(2)에 부착되지 않은 꼬리부에 해당하는 지지부(3a)를 가지며, 상기 탄성포일(3)의 에지(3b)는 인접하는 포일(3)과 접촉되어 있다. 상기 탄성포일(3)의 곡률반경은 에지(3b)로 갈수록 R1에서 R2로 감소한다. 또한. 예컨대 회전축과 같은 로터(미도시)와 결합된 트러스트 디스크(11)가 상기 탄성포일(3)의 상부에 놓여진다.

트러스트 디스크(11)가 회전하면서, 상기 트러스트 디스크(11)와 탄성포일(3) 사이의 공간에는 가스가 유입되고 그로인해 상기 트러스트 디스크(11)는 상기 탄성포일(3)로부터 부상한다. 여기서, 상기 트러스트 디스크(11)는 그 회전속도가 정상 부상 속도에 도달할 때까지는 상기 탄성포일(3)과 계속 접촉한다. 이때, 탄성포일(3)은 인접하는 탄성포일(3)의 에지(3b)에 의해 하방으로 가압되어 탄성변형되어 지점(A)에서 상기 플레이트(1)의 상면과 접촉한다. 동시에, 변형된 포일(30의 하면은 인접하는 포일(3)의 지지부(3a)와 지점(B)에서 접촉하여 지지된다.

상기 종래의 트러스트 가스 포일 베어링은 몇가지 문제점을 지닌다. 인접하는 탄성포일(3)을 지지하는 상기 지지부(3a)는 탄성포일(3)과 동일한 재료로 일체로 형성되므로, 축방향 부하에 의해 탄성변형되는 상기 각 탄성포일(3)에 대해 충분한 강성도(stiffness)를 추가적으로 제공하지 못한다. 따라서, 상기 탄성포일(3)은 상기 플레이트(1)의 상면과 접촉할 때까지 하방으로 탄성변형된다. 이것은 베어링의 초기 동작시 상기 트러스트 디스크(11) 또는 그것과 연결된 로터의 축방향 변위가 크다는 것을 의미한다.

또한, 정상 부상 속도로 동작시 상기 탄성포일(3)이 상기 플레이트(3)와 접촉하고 있으므로, 축방향의 부하에 대한 댐핑능력 및 베어링의 부하능력이 저하된다. 나아가, 상기 탄성포일(3)은 에지(3b)로 갈수록 그 곡률반경이 감소하므로, 제작에 어려움이 있다.

본 발명은 베어링에 관한 것으로서, 특히 터보쿨러, 터보팽창기, 터보압축기, 터보충전기, 터보발전기 및 터보펌프와 같은 터보머신내에서 고속으로 회전하는 로터(rotor)를 축방향과 반경방향으로 지지하는데 사용되는 가스마찰을 수반한 가스 역학 포일 베어링에 관한 것이다.

제1도 및 제2도는 종래의 트러스트 가스 포일 베어링을 나타내는 단면도.

제3도 및 제4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 트러스트 가스 역학 포일 베어링을 나타낸 단면도.

제5도는 상기 제4도의 트러스트 가스 역학 포일 베어링을 나타낸 평면도.

제6도는 제5도와 유사한 도면으로서 서포트부재와 곡률스프링의 결합상태를 나타낸 평면도.

제7도는 제4도의 트러스트 가스 역학 포일 베어링에 있어서, 곡률 스프링의다른 결합 실시예를 나타낸 단면도.

제8도는 본 발명의 트러스트 가스 역학 포일 베어링의 정상부상속도에서의 상태를 나타낸 단면도.

제9도는 제7도의 곡률 스프링의 결합 상태를 나타낸 평면도.

제10도는 곡률 스프링의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도.

제11도는 제10도의 XI-XI선에 따른 단면도.

제12도는 본 발명의 트러스트 가스 역학 포일 베어링에 있어서, 축방향 부하(F)와 플레이트에 대한 트러스트 디스크 높이(H)의 관계를 나타낸 그래프.

제13도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이디얼 가스 역학 포일 베어링을 나타낸 횡단면도.

본 발명의 목적은 초기동작시 트러스트 디스크 또는 축의 변위가 적고, 베어링의 부하능력이 증대되고, 나아가 제작이 간편한 가스 역학 포일 베어링을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 역학 포일 베어링은, 베이스에 부착되는 플레이트와, 상기 플레이트 위에 소정 간격으로 부착된 서포트 부재들과, 상호 겹쳐지도록 상기 서포트 부재에 그 일단이 고정된 탄성포일들과, 회전하는 로터와 결합되어 상기 탄성포일들 위에 놓여지는 트러스트 디스크를 포함하는 가스 역학 포일 베어링에 있어서,

상기 탄성포일이 겹쳐지는 영역의 상기 탄성포일과 상기 플레이트 사이에 개재되어 상기 탄성포일을 지지하는 아크형 곡률 스프링들을 포함한다.

또한, 상기 탄성포일은 전 구간에 걸쳐 동일한 곡률 반경을 가지고, 상기 곡률 스프링은 상기 탄성포일을 지지하며 탄성변형되는 동작부와 상기 탄성포일의 내부반경과 외부반경 사이의 베어링 동작영역을 벗어난 지점에서 상기 플레이트와 결합되는 상기 동작부의 일측 또는 양측의 결합부로 구성된다.

대안으로서, 상기 곡률 스프링은 상기 플레이트 위에 결합된 위치설절 플레이트에 형성된 홈에 느슨하게 놓이고 상기 탄성포일에 의해 그 이탈이 방지될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 베이스의 내주면에 부착되는 플레이트와, 상기 플레이트 위에 소정 간격으로 부착된 서포트 부재들과, 상호 겹쳐지도록 상기 서포트 부재에 그 일단이 고정된 탄성포일들과, 상기 탄성포일의 상면과 접촉하는 회전축을 포함하는 가스 역학 포일 베어링에 있어서,

상기 탄성포일이 겹쳐지는 영역의 상기 탄성포일과 상기 플레이트 사이에 개재되어 상기 탄성포일을 지지하는 아크형 곡률 스프링들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링이 제공된다.

본 발명에 따르면, 초기 베어링 동작시에 탄성포일 패키지의 강성도는 상기 탄성포일의 강성도에 의해 결정되며, 정상부상속도에서의 강성도는 상기 곡률 스프링의 강성도에 의해 결정된다.

본 발명이 가스 역학 포일 베어링은 트러스트 베어링과 레이디얼 베어링에 모두 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 트러스트 가스 역학 포일 베어링의 바람직한 실시예가 제3도 및 제4도에 도시되어 있다. 도면들을 참조하면, 상기 가스 역학 포일 베어링은, 베이스(10)에 부착되며 그 위에 서포트 부재(14)가 소정 간격으로 예컨대 용접, 아교접착에 의해 부착되거나 또는 에칭 또는 플레이트의 변형을 통해서 형성된 플레이트(13)와, 용접에 의해 상기 플레이트(13)의 서포트부재(14)에 그 일단이 고정된 탄성포일(15)을 포함한다. 여기서, 상기 탄성포일(15)은 제5도에 도시된 바와 같이 상호 겹쳐지며, 탄성포일(15)의 에지(16)는 인접하는 탄성포일(15) 상면에 놓인다.

바람직하게, 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 상기 탄성포일(15)의 일단과 서포트 부재(14)의 결합 또는 플레이트(13)와 서포트 부재(14)의 결합은 상기 탄성포일(15)의 내부반경(Ri)과 외부반경(Re) 사이의 영역으로 정의되는 베어링 동작영역을 벗어난 지점(15a,15b)에서 이루어진다. 이때, 상기 서포트 부재(14) 또는 탄성포일(15)은 플레이트(13)의 외경쪽의 한 지점(14a,15a)만 용접되는 것이 바람직하나, 그 내경쪽의 지점(14b,15b)도 용접될 수 있다. 또한, 미도시되었으나, 상기 탄성포일(15)은 결합부로부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 줄어들도록 형성될 수도 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 탄성포일(15)이 겹쳐지는 영역의 상기 탄성포일(15)과 플레이트(13) 사이에는 상기 탄성포일(15)을 지지하는 아크형 곡률 스프링(17)이 개재된다. 상기 곡률 스프링(17)은 상기 탄성포일(15)보다 더 큰 강성도를 지닌다.

제6도에 도시된 바와 같이, 상기 곡률 스프링(17)은 상기 탄성포일(15)을 지지하며 탄성변형되는 동작부(17c)와 그 동작부(17c) 양측의 결합부(17a,17b)로 구성되며, 상기 결합부(17a,17b)를 상기 플레이트(13)의 전술한 베어링 동작 영역으로 벗어난 지점에 용접함으로써 상기 곡률 스프링(17)을 플레이트(13) 위에 장착할 수 있다. 상기 곡률 스프링(17)도 플레이트(13)의 외경쪽 결합부(17b)만이 용접되는 것이 바람직하나, 그 내경쪽 결합부(17a)도 용접가능하다.

대안으로서, 제7도 및 제9도에 도시된 바와 같이, 플레이트(13)에 소정 깊이의 홈이 형성된 위치설정 플레이트(27)를 용접하고, 상기 위치설정 플레이트(27)의 홈에 상기 곡률 스프링(17)을 느슨하게 올려놓을 수 있다. 이때, 상기 홈은 상기 곡률 스프링(17)이 탄성변형하기에 충분하도록 유격을 가진다. 이러한 방식은 곡률 스프링(17)의 자가 장착을 가능케하며, 상기 곡률 스프링(17)은 그 위에 올려진 탄성포일(15)에 의해 상기 위치설정 플레이트(27)로부터 이탈되지 않는다.

바람직하게, 상기 곡률 스프링은 제10도 및 제11도에 도시된 바와 같이, 곡률 높이(Ha)가 상기 플레이트(13)의 내경으로부터 외경으로 갈수록 증가하고, 반면에 그 폭(W)은 감소한다.

또한, 상기 탄성포일(15) 위에는 예컨대, 회전축과 같은 로터(미도시)와 결합된 트러스트 디스크(11)가 놓인다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 트러스트 가스 역학 포일 베어링의 동작에 있어서, 로터 및 트러스트 디스크(11)가 제4도의 화살표 방향으로 회전하면, 트러스트 디스크(11)가 가스를 "수축영역" 즉, 트러스트 디스크(11)와 탄성포일(15) 사이의 공간으로 끌고 들어간다. 수축영역 내에서 가스의 압력은 급속하게 상승하고 이로인해 상기 트러스트 디스크(11)는 제8도에 도시된 바와 같이 탄성포일(15)로부터 부상한다.

동작에 따른 트러스트 가스 역학 포일 베어링의 부하 특성을 제12도에 도시된 그래프를 참조로 상세히 설명한다. 제12도는 상기 트러스트 디스크(11)(도4)에 가해지는 부하(F)에 따른 플레이트(13)에 대한 트러스트 디스크(11)의 높이(H) 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 커브(I)은 본 발명의 트러스트 가스 역학 포일 베어링에 대한 것이고, 커브(2)는 도1 및 도2에 도시된 종래의 베어링에 관한 것이다.

베어링의 초기 동작시 가해지는 부하와 같이 F1이하의 비교적 작은 부하가 트러스트 디스크(11)에 가해지면, 트러스트 디스크(11)의 높이(H)는 H0로부터 H1까지 급격하게 변화한다. 여기서, 상기 H1은 다음과 같이 표현된다.

H1 ≒ Hmin + Hsp, ------ (1)

Hmin = 2 f + sp ------- (2)

상기 Hsp 는 스프링의 아크 높이, 상기 Hmin 은 상기 트러스트 디스크(11)와 플레이트(13) 사이의 최소 거리를 말하며 f는 탄성포일(15)의 두께, sp는 곡률 스프링(17)의 두께를 가리킨다. 즉, 트러스트 디스크(11)는 지점(C)(D)(제4도참조) 사이 구간으로 정의되는 "접촉영역"에서 탄성포일(15)과 접촉하며, 초기 동작구간에서의 그래프의 양상은 탄성포일(15)의 강성도에 의해 결정된다. 이때, 곡률 스프링(17)은 강성도가 크므로 변형되지 않는다.

트러스트 디스크 높이(H)가 더욱 감소하면, 상기 곡률 스프링(17)이 변형되기 시작한다. 그러면, 탄성포일(15) 패키지의 강성도는 상기 곡률 스프링(17)의 강성도에 의해 결정되기 시작하여 급격히 증가한다. 상기 트러스트 디스크 높이(H)가 H1보다 더 감소하면. 상기 트러스트 디스크(11)가 지탱할 수 있는 부하는 F1으로부터 급격히 증가한다.

일반적으로, 터보머신에는 양면 트러스트 베어링이 사용된다. 여기서, 축방향의 변위를 줄이기 위해서 상기 트러스트 베어링은 예비 축방향 부하에 의해 가압되어 상기 탄성포일이 부분적으로 변형된 채로 조립된다. 본 발명에 따르면, H>H1인 상태에서, 약간의 부하 변동(F)에 대해서 트러스트 디스크 높이(H)가 급격히 변화하므로, 커브(II)의 특성을 가진 종래의 트러스트 베어링에 비해서 예비 축방향 부하를 줄일 수 있다. 좀 더 상세하게, 트러스트 디스크(13)의 초기 조립 높이가 HP일 때, 커브(I)의 특성을 지닌 본 발명에서는 FI의 부하가 필요하고, 커브(II)의 특성을 지닌 종래의 트러스트 베어링은 FI보다 큰 FII의 부하가 요구된다. 따라서, 커브(II)에서 트러스트 디스크를 탄성포일로부터 부상시키기 위해서는 커브(I)에서 보다 더 큰 부하가 필요한데. 이것은 결국 트러스트 디스크의 부상회전속도를 증가시켜야 한다는 것을 의미한다. 부상회전속도의 증가는 탄성포일(15)과 트러스트 디스크(11) 사이의 마찰손실을 발생시켜 결국 베어링의 수명 즉, 로터의 기동-정지 횟수를 단축시킨다. 그러나, 본 발명의 가스 역학 포일 베어링의 부상회전속도는 상대적으로 느리므로 고속회전을 하지 않는 로터에 적용될 수 있으며, 또한 그 수명도 향상된다.

또한, 트러스트 디스크(11)는 탄성포일(15)과 지점(C)(D)(제4도) 사이의 비교적 작은 곡률을 가진 넓은 접촉영역에서 접촉하므로, 트러스트 디스크(11)에 의해 상기 탄성포일(15)에 야기되는 접촉 응력이 감소되고, 이것은 터보머신의 수명을 향상시킨다.

제12도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 베어링의 트러스트 디스크 높이(H)는 H0에서 H1까지 변화하는 반면, 종래 베어링의 트러스트 디스크 높이는 He에서 H2까지 크게 변화한다. 따라서, 본 발명에 따르면 트러스트 디스크의 변위를 줄일 수 있다.

H<H1인 경우에는, 상기 곡률 스프링(17)의 강성도가 크므로 베어링의 부하능력과 댐핑능력은 향상된다. 이 구간에서는 상기 곡률 스프링(17)의 모양이 제8도에 도시된 바와 같이 아크형에서 직선형으로 변한다. 이때, 상기 곡률 스프링(17)의 단부는 아크형을 유지하고, 두 지점(E)(F) 사이의 탄성포일(15) 접촉구간인 중앙부에는 직선부가 형성되는데 이 직선부의 길이는 부하가 증가할수록 커진다.

또한, 정상부상속도에서 상기 탄성포일(15)은 곡률 스프링(17)의 지지에 의해 비교적 편평하게 유지된다. 가스 윤활 이론에서 알 수 있듯이, 윤활층의 최대 부하능력은 윤활층 단면의 경사시발영역과 편평한 영역에서 발생한다. 따라서, 본 발명에 의해 베어링 부하능력이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 레이디얼 가스 역학 포일 베어링의 바람직한 실시예가 제13도에 도시되어 있다. 여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다. 도면을 참조하면, 베이스(20)의 내주면에는 그 베이스(20)의 내경(Rc)과 일치하도록 띠형태의 복수개의 플레이트(23)가 부착된다. 상기 띠 형태의 플레이트(23)의 에지(23a,23b) 사이에는 작은 틈이 형성된다. 탄성포일(25)과 플레이트(23)의 결합은 전술한 실시예에서와 동일하게 이루어진다.

본 실시예의 탄성포일(25)은 베어링 조립후 조립 곡률 반경(Rr)을 가지며, 이 조립 곡률 반경(Rr)은 탄성포일(25)을 회전축(21)에 설치하기 전에 다음식에 의해 얻어질 수 있다.

1/Rr = 1/Rt + 1/Rc

여기서 Rt는 제3도에 도시된 바와 같이 탄성포일의 곡률 반경이다. 전술한트러스트 베어링에서 설명된 동작 및 효과는 본 실시예의 레이디얼 베어링에 동일하게 적용된다.

본 발명의 가스 역학 포일 베어링에 따르면, 최대 축방향 변위를 줄일 수 있고, 베어링의 부하능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄성포일이 동일 곡률로 제작되므로 제작이 용이하고 베어링 특성의 안정화를 꾀할 수 있다.

Claims (14)

1. 베이스(10)에 부착되는 플레이트(13);

   상기 플레이트(13) 위에 소정 간격으로 부착된 서포트 부재들(14);

   상호 겹쳐지도록 상기 서포트 부재(14)에 그 일단이 고정된 탄성포일들(15);

   회전하는 로터와 결합되어 상기 탄성포일들(15) 위에 놓여지는 트러스트 디스크(11); 및

   상기 탄성포일(15)이 겹쳐지는 영역의 상기 탄성포일(15)과 상기 플레이트(13) 사이에 개재되어 상기 탄성포일(15)을 지지하는 적어도 하나의 곡률 스프링들(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄성포일(15)은 전 구간에 걸쳐 동일한 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 곡률 스프링(17)의 에지가 상기 플레이트에 용접된 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 곡률 스프링(17)은, 상기 탄성포일(15)을 지지하며 탄성변형되는 동작부(17c)와 상기 탄성포일(15)의 내부반경(Ri)과 외부반경(Re) 사이의 베어링 동작영역을 벗어난 지점에서 상기 플레이트와 결합되는 상기 동작부의 일측 또는 양측의 결합부(17a,17b)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 곡률 스프링(17)은 상기 플레이트(13) 위에 결합되는 위치설정 플레이트(27)에 형성된 홈에 느슨하게 놓이고 상기 탄성포일(15)에 의해 그 이탈이 방지되는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 곡률 스프링은 곡률 높이(Ha)가 상기 플레이트(13)의 내경으로부터 외경으로 갈수록 증가하는 반면 그 폭(W)은 감소하는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
7. 베이스(20)의 내주면에 부착되는 플레이트(23);

   상기 플레이트(23) 위에 소정 간격으로 부착된 서포트 부재들(14);

   상호 겹쳐지도록 상기 서포트 부재(14)에 그 일단이 고정된 탄성포일들(25);

   상기 탄성포일(25)의 상면과 접촉하는 회전축(21); 및

   상기 탄성포일(25)이 겹쳐지는 영역의 상기 탄성포일(25)과 상기플레이트(23) 사이에 개재되어 상기 탄성포일(25)을 지지하는 적어도 하나의 곡률 스프링들(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 플레이트(23)는 상기 베이스(20)의 내경에 상응하는 곡률 반경을 가진 복수개의 띠형태인 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 플레이트(23) 사이에는 틈이 형성된 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 탄성포일(25)의 조립 곡률 반경(Rr)은 다음식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.

    1/Rr = 1/Rt + 1/Rc

    여기서 Rt는 상기 탄성포일의 곡률 반경, Rc는 상기 베이스의 내경
11. 제 7항에 있어서,

    상기 곡률 스프링(17)의 에지가 상기 플레이트(23)에 용접된 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 곡률 스프링(17)은 상기 탄성포일(25)을 지지하며 탄성변형되는 동작부와 베어링 동작영역을 벗어난 지점에서 상기 플레이트와 결합되는 상기 동작부 일측 또는 양측의 결합부로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
13. 제 7항에 있어서,

    상기 곡률 스프링(17)은 상기 플레이트(23) 위에 결합되는 위치설정 플레이트(27)에 형성된 홈에 느슨하게 놓이고 상기 탄성포일(25)에 의해 그 이탈이 방지되는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.
14. 제 7항에 있어서,

    상기 곡률 스프링은 곡률 높이(Ha)가 상기 플레이트(13)의 내경으로부터 외경으로 갈수록 증가하는 반면 그 폭(W)은 감소하는 것을 특징으로 하는 가스 역학 포일 베어링.