KR100528704B1 - 가스포일 저널 베어링 - Google Patents

Abstract

가스포일저널베어링(Gas Foil Journal Bearing)은 반원형의 주름이 형성된 면이 점탄성 역할을 수행하는 범퍼포일(Bump Foil)(4b)과 축과의 경사진 형태로 유로를 형성하여 유체의 동압발생을 유도하고 발생된 동압을 범퍼포일에 전달하는 리프포일(Leaf Foil)(5b)이 포일 키(3b)에 겹쳐진 상태로 고정되어져 한 쌍의 조립체를 이루고 이 조립체가 베어링하우징(2b) 내부에서 원주방향으로 일정하게 배열되어져 있다.

여기서 범퍼포일(4b)은 고정면을 중심으로 좌우로 전개되어 있으며 전개면은 일정간격으로 절개되어 서로 분리되어져 있다. 또한 전개면에는 반원형의 주름이 성형되어져 있는데 그 간격이 각각 상이하다. 이는 베어링하우징(2b) 내부에 점탄성 역할을 수행하는 반원형 주름을 고르게 분포시킴과 동시에 각각의 전개면이 작용하는 동압에 대해 개별적인 탄성거동을 수행하게 함으로써 가스포일저널베어링의 하중수용능력을 극대화하기 위함이다.

따라서 일방향으로 일정한 주름간격을 가지는 종래기술의 가스포일저널베어링 범퍼포일(4a)보다 본 발명을 통한 범퍼포일(4b)이 하중수용계수가 높도록 하여 베어링의 고하중 지지가 가능케 한다.

Description

가스포일 저널 베어링{Gas Foil Journal Bearing}

본 발명은 베어링하우징내부에 작동유체로써 자유롭게 유출입하는 공기, 냉매, 가스등이 축 회전에 의해 유체의 동압이 발생되고 이 동압이 각 포일을 변형시킴으로써 결과적으로 축이 베어링과 비접촉상태에서 회전하게 하는 가스포일저널베어링에 관한 것이다.

가스포일저널베어링(Gas Foil Journal Bearing)은 터보압축기, 터보송풍기, 터보차져, 소형가스터빈등과 같이 초고속회전체의 회전을 지지하면서 고속회전 시 축과 비접촉상태를 유지하여 마찰, 마모가 최소화되고, 윤활계통이 필요치 않으며, 발열 및 소음이 적고 시스템의 구조가 간단하다.

도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b에 종래기술의 가스포일저널베어링의 구조, 범퍼포일, 범퍼포일과 포일 키의 조립상태가 도시되어 있다.

도 2a의 범퍼포일(4a)은 일방향의 면에 일정한 간격으로 반원형 주름이 형성되어 있어 축 정지 시에는 축 하중을 지지하고 있으며 회전 시에는 발생동압에 순응하여 탄성거동을 통한 축과의 비접촉 유격을 유지하는 탄성체 역할을 수행한다.

도 2b는 범퍼포일(4a)의 정면도로 반원형 주름이 일정한 간격으로 성형되어 있음을 나타내고 있다.

도 3a에서와 같이 범퍼포일(4a)의 한쪽 끝이 포일 키(3a)에 삽입, 고정되진 조립체 한 쌍이 베어링의 원주방향으로 배열되어 베어링하우징(2a)에 조립된다.

도 3b는 조립 시 일방향의 원주방향으로 반원형 주름이 일정한 간격으로 형성되어짐을 나타내고 있다.

도 1과 같이 리프포일(5a)은 범퍼포일의 위에 한쪽 끝이 포일 키(3a)에 삽입되어 고정되고 반대쪽 자유단은 이웃하는 리프포일(5a)와 일부 겹쳐진 상태로 조립된다.

도 4와 도 5는 도 4와 도 5는 일반적인 가스포일저널베어링의 구동원리를 설명하기 위한 개략 단면도 로서, 도 4는 구동초기 리프포일과 범퍼포일의 탄성거동 전 상태를 나타내고, 도 5는 발생동압에 의해 리프포일과 범퍼포일이 탄성거동으로 변형이 이루어진 상태를 나타낸다.

축 회전초기 도 4와 같이 축(1a)의 회전에 따라 공기, 냉매, 가스등과 같은 유체가 축(1a)과 리프포일(5a)이 이루는 경사진 유로를 따라 유입된다. 이 때, 일정한 속도로 흐르던 유체가 점차적으로 좁아진 유로를 통과할 때 상대적으로 더 큰 동압이 발생된다. 회전속도가 높아질수록 발생동압은 더욱 커지게 됨에 따라 도 5와 같이 리프포일(5a)의 자유단이 하향거동하고 리프포일(5a) 거동에 따라 범퍼포일(4a)이 원주방향으로 탄성거동하여 결과적으로 축(1a)과 각 포일은 비접촉상태가 유지된다.

상술한 바와 같이 축 하중을 지지하고 있는 범퍼포일은 회전 시 발생동압에 순응하여 탄성거동하고 따라서 축과의 비접촉을 유지한다. 이 때, 축 하중과 발생동압이 과다하면 범퍼포일의 탄성거동 기능이 상실하고 따라서 각 포일이 축과 지속적인 접촉을 유지하여 마찰과 마모로 인해 가스포일저널베어링의 기능을 수행할 수 없게 된다.

일반적으로 가스포일베어링이 지지할 수 있는 축 하중은 다음 공식과 같다.

W= D (L×D)(D×Ω)

W:가스포일저널베어링의 최대지지하중(N)

D :가스포일저널베어링의 하중수용계수(N/㎣?krpm)

L:가스포일저널베어링의 축방향 넓이(mm)

D:가스포일저널베어링의 직경(mm)

Ω:축의 회전속도(krpm)

종래기술에 의한 가스포일저널베어링의 하중수용계수( D )는 0.001~0.6 N/㎣·krpm로 상대적으로 낮아 가스포일저널베어링이 지지 가능한 하중이 작았다. 따라서 축경 20~30mm 전후에 상대적으로 높은 회전속도의 소형시스템에 적용이 한정되었다. 중형시스템에 가스포일저널베어링을 적용하기 위해서는 회전속도 및 크기가 적용 시스템의 요구사양에 비해 월등히 빠르고, 커야하나 이는 시스템의 운용 및 안정성과 내구성에 대한 효율저하를 초래한다.

본 발명은 가스포일저널베어링의 하중수용계수를 증대하는 범퍼포일(4b)의 구조를 개선하여 넓은 회전속도 영역의 중형시스템등과 같이 그 적용범위를 확대할 수 있는 가스포일베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 도 7a의 범퍼포일(4b)은 고정면을 중심으로 좌우로 전개된 면을 가지며 전개면은 일정간격으로 절개되어 각각 분리된 자유단 형태로 구성된다. 이 때, 각각의 전개면에는 반원형 주름이 성형되는데 그 간격은 서로 상이하다.

도 7b는 범퍼포일(4b)의 정면도로 단일 범퍼포일(4b)에서 상이한 간격의 반원형 주름이 서로 교차하여 분포함을 나타낸다. 상기와 같이 간격을 서로 상이하게 하여 반원형 주름이 고르게 형성되므로 반원형 주름이 동일한 간격을 이루며 길게 형성된 종래기술에 비해 하중에 견디는 힘이 더욱 높아진다. 이는 종래의 기술이 반원형 주름이 길게 형성되어 있어 하중이 집중되는데 반해 본발명에서는 주름이 넓게 흩어져 분포하게 되므로 하중이 분산되도록 구성되어 있기때문이다.

각 범퍼포일(4b)의 고정면은 포일 키(3b)에 점용접으로 고정된다. 고정된 범퍼포일(4b)과 포일 키(3b)는 도 8a와 같이 원주형으로 배열되어 베어링하우징(2b)에 삽입, 고정된다. 이 때, 각 범퍼포일(4b)의 전개면은 범퍼포일의 절개된 부분에 서로 엇갈리게 배열된다.

도 8b는 범퍼포일(4b)과 포일 키(3b)의 조립 및 배열상태의 정면도로 베어링하우징(2b)내부에서 반원형 주름이 원주방향으로 복잡하게 교차하면서 고르게 분포되어짐을 나타낸다.

도 6과 같이 리프포일(5b)은 범퍼포일의 위에 겹쳐져 일방향으로 한쪽 끝이 범퍼포일(4b)의 고정면에 점용접되어 고정되고 반대쪽 자유단은 이웃하는 리프포일(5b)과 일부 겹쳐진다.

축 회전 시 베어링하우징(2b) 내부로 유입되어 축과 리프포일(5b)이 이루는 유로를 일정한 속도로 흐르던 유체가 점차적으로 좁아진 유로를 통과할 때 상대적으로 더 큰 동압이 발생된다. 회전속도가 높아질수록 발생동압은 더욱 커지게 됨에 따라 리프포일(5b)의 자유단이 하향거동하고 리프포일(5b) 거동에 따라 범퍼포일(4b)이 원주방향으로 탄성거동하여 결과적으로 축(1b)과 각 포일은 비접촉상태가 유지된다. 이때의 범퍼포일(4b)은 베어링하우징(2b)의 내부 표면에 복잡하게 교차하면서도 고르게 분포하기 때문에 더 큰 축 하중의 수용능력을 가지게 된다.

본 발명의 실시 예에 따른 가스포일저널베어링의 하중수용계수( D )는 실험적 데이터를 통해 약 1.4 N/㎣·krpm임을 알 수 있다.

도 9는 종래기술과 본 발명에 의한 가스포일저널베어링의 지지하중의 크기와 하중수용계수( D )를 비교하여 도시하였다.

이에 본 발명에 의한 개선된 형상의 범퍼포일(4b)을 갖는 가스포일저널베어링이 종래기술에 의한 가스포일저널베어링에 비해 더 높은 하중수용계수( D )를 가짐으로써 더 높은 하중지지능력이 있음을 알 수 있다. 이는 종래의 기술로는 소형시스템에만 적용이 국한되었던 가스포일저널베어링을 중형시스템의 상대적인 고하중에도 확대 적용할 수 있음을 보여준다.

또한 본 발명에 의한 가스포일저널베어링의 개선된 범퍼포일(4b)은 종래기술의 것과 동일하게 단일 금형을 통한 간단한 제작공정과 별도의 부재 추가 없이도 종래기술에 비해 월등한 하중수용능력을 개선시킬 수 있다.

본 발명의 가스포일저널베어링은 축 하중을 지지하고 발생동압에 순응하여 탄성거동하는 범퍼포일(4b)의 형상을 개선하여 가스포일저널베어링의 하중수용계수( D )를 증대시킴으로써 베어링의 지지하중능력을 월등히 향상시킬 수 있다는 효과가 있다. 또한 종래와 같이 별도 부재의 추가가 없으면서도 제작이 간단하여 제작비용의 상승 없이도 성능개선효과를 기대할 수 있다.

이로써 종래에 차량용 터보차져, 소형고속모터등과 같이 소형시스템에만 적용이 국한되었던 가스포일저널베어링을 중대형 터보차져, 분산발전 가스터빈, 산업용 고속터보송풍기, 항공기용 에어사이클머신(Air Cycle Machine), 보조동력기등과 같은 중형시스템에도 확대 적용할 수 있다는 효과도 있다.

도 1 :종래기술의 가스포일저널베어링의 구조를 나타내는 정면도

도 2a : 종래기술의 가스포일저널베어링 범퍼포일의 단일 입체상도

도 2b : 종래기술의 가스포일저널베어링 범퍼포일의 정면도

도 3a : 종래기술의 범퍼포일과 포일키 조립 한 쌍의 입체상도

도 3b : 종래기술의 범퍼포일과 포일키 조립 한 쌍의 정면도

도 4와 도 5 : 일반적인 가스포일저널베어링의 구동원리를 설명하기 위한 개략 단면도

도 6 : 본 발명의 실시 예에 따른 가스포일저널베어링의 구조를 나타내는 정면도

도 7a : 본 발명의 실시 예에 따른 가스포일저널베어링 범퍼포일의 단일 입체상도

도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 가스포일저널베어링 범퍼포일의 정면도

도 8a는 본 발명의 실시 예에 따른 범퍼포일과 포일키 조립 한 쌍의 입체상도

도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 범퍼포일과 포일키 조립 한 쌍의 정면도

도 9는 본 발명의 가스포일저널베어링과 종래의 가스포일저널베어링의 지지하중의 크기와 베어링 수용하중계수를 측정, 비교한 결과를 나타내는 챠트

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1a:회전축 2a:베어링하우징 3a:포일 키 4a:범퍼포일 5a:리프포일

Claims (3)

1. 반원형의 주름이 형성된 면이 점탄성 역할을 수행하는 범퍼포일과 축과의 경사진 형태로 유로를 형성하여 유체의 동압발생을 유도하고 발생된 동압을 범퍼포일에 전달하는 리프포일이 포일 키에 겹쳐진 상태로 고정되어져 한 쌍의 조립체를 이루고 이 조립체가 베어링하우징 내부에서 원주방향으로 일정하게 배열되는 가스포일 저널 베어링에 있어서, 상기 범퍼포일은

   상기 포일키와 결합되는 고정면을 중심으로 일정간격으로 절개되어 좌우로 전개되는 전개면이 형성되며 각 전개면에 반원형 주름이 다수개 형성되어 베어링의 원주방향으로 조립되면서 전개면 사이로 이웃하는 범퍼포일의 전개면이 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 가스포일 저널 베어링.
2. 제1항에 있어서, 범퍼포일은

   고정면이 포일 키에 점용접으로 고정되는 것을 특징으로 하는 가스포일 저널 베어링
3. 제1항에 있어서, 상기 범퍼포일은

   상기 전개면에 형성된 반원형 주름간의 간격을 서로 달리하되 상기 반원형 주름이 고르게 분포하도록 형성한 것을 특징으로 하는 가스포일 저널 베어링