KR100590139B1 - 포일 스러스트 베어링 - Google Patents

포일 스러스트 베어링

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KR100590139B1
KR100590139B1 KR1020050031028A KR20050031028A KR100590139B1 KR 100590139 B1 KR100590139 B1 KR 100590139B1 KR 1020050031028 A KR1020050031028 A KR 1020050031028A KR 20050031028 A KR20050031028 A KR 20050031028A KR 100590139 B1 KR100590139 B1 KR 100590139B1
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thrust
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foil pad
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KR1020050031028A
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이용복
김창호
류근
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 구조가 간단하여 제작이 용이하고, 회전축과의 간극조절이 용이하며, 강성과 감쇠력의 조절 및 증대를 도모할 수 있는 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다. 포일 스러스트 베어링은 제 1스러스트 포일 패드와; 일단이 제 1스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 1탑포일과; 제 1스러스트 포일 패드 상에 적층되는 제 2스러스트 포일 패드와; 일단이 제 2스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 2탑포일과; 제 2스러스트 포일 패드 상에 적층되는 적어도 하나의 베킹포일 패드와; 베킹포일 패드에 원주방향으로 구비되는 복수의 공간부와; 복수의 공간부를 구획하는 복수의 베킹포일로 이루어진다. 제 1탑포일과 제 2탑포일은 베킹포일 패드의 공간부를 통해 회전축을 향해 경사져 연장되고, 베킹포일에 의해 지지된다. 제 1 및 제 2탑포일과 회전축과의 간극은 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드에 대한 베킹포일 패드의 상대 회전위치이동 및/또는 베킹포일 패드의 적층개수에 따라 용이하게 조절된다.
스러스트 베어링, 회전축, 탑포일, 베킹포일, 범프포일

Description

포일 스러스트 베어링{FOIL THRUST BEARING}
도 1은 종래의 포일 스러스트 베어링을 보인 사시도,
도 2는 종래의 포일 스러스트 베어링을 보인 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링을 보인 사시도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링의 조립공정을 보인 사시도,
도 5는 범프포일이 부착된 베킹포일 패드의 변형례를 보인 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 포일 스러스트 베어링
110: 제 1스러스트 포일 패드
112: 제 1탑포일
120: 제 2스러스트 포일 패드
122: 제 2 탑포일
130,140: 베킹포일 패드
132,142: 베킹포일
134,144: 공간부
146: 범프포일
본 발명은 회전기기의 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위한 포일 스러스트 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조가 간단하여 제작이 용이하고, 회전축과의 간극조절이 용이하며, 강성과 감쇠력의 조절 및 증대를 도모할 수 있는 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다.
일반적으로, 터보 압축기, 터보 과급기, 초소형 가스 터빈 등과 같은 고속 회전기기의 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위해 포일 스러스트 베어링이 사용된다. 종래의 포일 스러스트 베어링의 일례는 대한민국 공개특허공보 제2001-63914호에 개시되어 있으며, 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 종래의 포일 스러스트 베어링을 보인 사시도 및 분해사시도이다. 도시된 바와 같이, 중심부에 관통공(12)이 형성된 박판의 원형 베이스포일 패드(10)와, 베이스포일 패드(10)의 상면에 부착되고 다수의 베킹포일(24, 26)이 구비되는 박판의 베킹포일 패드(20)와, 3~4개의 베킹포일(24, 26)을 덮도록 구비되어 회전기기의 회전축을 지지하기 위한 복수의 콘택포일(30)로 이루어진다.
베이스포일 패드(10)는 회전기기의 회전축 부근의 고정부재에 고정결합된다. 베킹포일 패드(20)는 베이스포일 패드(10)와 동일한 직경을 가지고 베이스포일 패드(10) 상에 접합되는 원테형 테두리부(22)와, 테두리부(22)의 내주면을 따라 일단이 일체로 형성되고 타단이 테두리부(22)의 중심을 향해 베이스포일 패드(10)의 관 통공(12)의 둘레까지 연장되는 다수의 제 1베킹포일(24) 및 제 2베킹포일(26)을 포함한다. 다수의 제 1베킹포일(24)과 제 2베킹포일(26)은 상호 등간격을 이루며 교호적으로 배치된다. 제 1베킹포일(24)과 제 2베킹포일(26)은 도 1을 기준으로 시계방향으로 일측면부가 상측을 향하도록 경사져 구비된다. 이를 위해 제 1 및 제 2베킹포일(24, 26)과 테두리부(22)와의 연결부(24a, 26a)에는 슬릿(24b, 26b)이 형성된다.
콘택포일(30)은 박판의 부채꼴형상으로 이루어지고 다수의 제 1 및 제 2베킹포일(24, 26) 중 대략 3~4개의 베킹포일(24, 26)에 걸쳐 이들의 상측에 구비되는 지지부(32)와, 지지부(32)의 일단부 부근의 외측 테두리로부터 일체로 돌출형성되어 베킹포일 패드(20)의 테두리부(22)상에 위치하는 고정부(34)를 포함한다. 콘택포일(30)의 고정부(34)는 베킹포일 패드(20)의 테두리부(22) 상에 스폿용접 등의 방법에 의해 고정되고, 반대측 자유단(36)은 고정부(34)로부터 시계방향으로 연장되어 위치한다. 따라서, 콘택포일(30)은 제 1 및 제 2베킹포일(24, 26)에 의해 고정부(34)에서 자유단(36)으로 갈수록 점차 상승되도록 경사지게 된다. 이러한 콘택포일(30)은 대칭으로 3~4개정도 구비된다.
회전기기의 회전축의 초기 구동시 회전축은 콘택포일(30) 및 베킹포일(24, 26)에 의해 탄성지지된다. 계속해서, 회전축이 고속으로 회전하면서 축방향으로 하중이 작용하게 되면 회전축과 콘택포일(30) 사이에 공기층이 형성되면서 회전축을 지지하게 된다.
그러나, 종래의 포일 스러스트 베어링에 있어서, 베킹포일 패드의 내주면에 다수의 베킹포일을 정확한 등간격과 동일한 형상으로 일체로 가공하는 것이 매우 어렵고 구조가 복잡하므로 제조공정이 많고 비용이 높아지는 문제점이 있다. 더욱이, 구조의 복잡성으로 인해 고하중, 고속, 초소형 터보회전기기에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 베킹포일의 강성과 감쇠력은 제작시 결정되는 베킹포일의 경사각에 의존하므로, 강성과 감쇠력을 조절할 수 없고, 고속 회전기기나 고하중을 지지하기에는 부적합한 단점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하여 제조가 용이한 포일 스러스트 베어링을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강성과 감쇠력을 용이하게 조절할 수 있도록 함으로써 회전축의 축방향 지지를 원활하게 하여 작동안정성을 향상시킬 수 있는 포일 스러스트 베어링을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링은 제 1스러스트 포일 패드와; 일단이 제 1스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 1탑포일과; 제 1스러스트 포일 패드 상에 적층되는 제 2스러스트 포일 패드와; 일단이 제 2스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 2탑포일과; 제 2스러스트 포일 패드 상에 적층되는 적어도 하나의 베킹포일 패드와; 베킹포일 패드에 원주방향으로 구비되는 복수의 공간부와; 복수의 공간부를 구획하는 복수의 베킹포일로 이루어지고, 제 1탑포일과 제 2탑포일은 베킹포일 패드의 공간부를 통해 회전축을 향해 경사져 연장되고, 베킹포일에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
제 1탑포일과 제 2탑포일은 서로 인접하는 탑포일의 일부를 덮도록 대칭으로 중첩된다. 제 1 및 제 2탑포일과 회전축과의 간극은 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드에 대한 베킹포일 패드의 상대 회전위치이동 및/또는 베킹포일 패드의 적층개수에 따라 용이하게 조절된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링을 보인 사시도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링의 조립공정을 보인 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링(100)은 소정의 폭을 가지며 원테형상으로 형성된 박판의 제 1스러스트 포일 패드(110)와, 제 1스러스트 포일 패드(110)와 동일한 형상을 가지며 제 1스러스트 포일 패드(110) 상에 적층되는 박판의 제 2스러스트 포일 패드(120)와, 제 2스러스트 포일 패드(120) 상에 적층되어 스러스트 탑포일(112, 122)의 강성과 감쇠력을 조절하기 위한 박판의 베킹포일 패드(130)로 이루어진다.
제 1스러스트 포일 패드(110)에는 한 쌍의 제 1탑포일(112)이 포일 패드(110)의 원주방향으로 대칭 형성되는데, 제 1탑포일(112)의 일단은 포일 패드(110)와 일체가 되는 지지단(112a)이 되고, 이 지지단(112a)으로부터 도 4a의 반시계방 향으로 절개된다. 따라서, 제 1탑포일(112)은 포일 패드(110)에 지지단(112a)이 일체로 형성된 상태에서 탄성지지된다.
제 1스러스트 포일 패드(110)와 완전히 동일한 형태로 제 2스러스트 포일 패드(120)에도 한 쌍의 제 2탑포일(122)이 포일 패드(120)의 원주방향으로 대칭 형성된다. 마찬가지로, 제 2탑포일(122)은 이의 지지단(122a)이 포일 패드(120)에 일체로 형성된 상태에서 탄성지지된다. 제 1탑포일(112)과 제 2탑포일(122)은 제 2스러스트 포일 패드(120) 상에서 서로 인접하는 탑포일의 대략 반정도의 부위를 덮도록 대칭으로 중첩되는데, 이는 후에 설명하기로 한다.
베킹포일 패드(130)는 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드(110, 120)와 동일한 직경과 폭을 가지는 원테형상의 박판으로 형성된다. 베킹포일 패드(130)에는 탑포일(112, 122)과 동일한 곡률로 그 원주방향을 따라 복수의 공간부(134)가 구비된다. 복수의 공간부(134)는 상호 등간격으로 배치되며 반경방향으로 연장되는 복수의 베킹포일(132)에 의해 구획된다. 이 때, 공간부(134)와 베킹포일(132)의 개수는 제 1 및 제 2탑포일(112, 122)의 총개수(본 실시예에서는 4개)와 동일하게 구비되어야 한다. 제 1 및 제 2탑포일(112, 122)은 베킹포일 패드(130)의 공간부(134)를 통해 회전기기의 회전축을 향해 연장되고, 베킹포일(132)에 의해 지지되는데, 이의 상세한 설명은 후에 하기로 한다. 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드(110, 120)와 베킹포일 패드(130)의 외측 테두리부에는 이들의 상대위치결정과 회전기기 내의 고정작업을 용이하게 하기 위해 복수의 위치결정용 돌기(118, 128, 138)가 서로 대응되게 형성된다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링의 조립과정을 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1스러스트 포일 패드(110) 상에 제 2스러스트 포일 패드(120)를 겹쳐 적층시킨다. 이 때, 제 1스러스트 포일 패드(110)의 제 1탑포일(112)과 제 2스러스트 포일 패드(120)의 제 2탑포일(122)의 위치가 정확히 일치되도록 한다. 이러한 상태에서, 화살표 A방향으로 제 2스러스트 포일 패드(120)를 제 1스러스트 포일 패드(110)에 대해 회전시키되, 도 4b에 도시된 바와 같이 제 1탑포일(112)의 선단부가 제 2탑포일(122)을 상측으로 밀면서 제 2스러스트 포일 패드(120) 상에 위치되도록 한다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 제 1 및 제 2탑포일(112, 122)의 개수를 각각 2개로 하였으므로, 모두 4개의 탑포일(112, 122)의 선단부가 서로 90°를 이루며 대칭되도록 한다. 또한, 4개의 탑포일(112, 122)은 서로 인접하는 탑포일(112, 122)의 대략 반정도의 부위를 덮도록 중첩되어 있으므로, 그 두께에 의해 각 탑포일(112, 122)은 그 선단부가 상측을 향하도록 경사지게 된다.
이후, 도 4c에 도시된 바와 같이, 베킹포일 패드(130)를 제 2스러스트 포일 패드(120) 상에 적층시키되, 베킹포일 패드(130)의 공간부(134)와 제 1 및 제 2탑포일(112, 122)의 위치가 각각 일치되도록 한다. 이러한 상태에서, 베킹포일 패드(130)를 도 4c에서 표시된 화살표 B방향으로 회전시키면 베킹포일(132)이 탑포일(112, 122)의 저면측으로 파고 들면서 탑포일(112, 122)은 베킹포일 패드(130)의 공간부(134)를 통해 선단부가 더 높이 상측을 향하도록 경사가 커지게 된다(도 3참 조). 이 때, 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드(110, 120)에 대한 베킹포일 패드(130)의 상대 회전위치이동에 따라 탑포일(112, 122)을 지지하는 베킹포일(132)의 지지점 위치가 변화되므로, 탑포일(112, 122)의 경사도 및 탑포일(112, 122)과 회전축과의 간극이 쉽게 조절될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 베킹포일 패드(130)의 개수를 한 개로 하였으나, 베킹포일 패드(130)의 개수를 늘이거나 또는 두께를 증가시키는 등의 조절을 하면 탑포일(112, 122)의 경사도가 증가되어 탑포일(112, 122)과 회전축과의 간극를 용이하게 줄일 수 있는 특징이 있다.
회전기기의 회전축의 초기 구동시 회전축은 탑포일(112, 122)과 베킹포일(132)에 의해 탄성지지된다. 계속해서, 회전축이 고속으로 회전하면서 축방향으로 하중이 작용하게 되면 회전축과 탑포일(112, 122) 사이에 공기가 유입되어 공기층이 형성되고, 유입된 공기로 인해 탑포일(112, 122)은 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 변형되는 것이다.
도 5는 범프포일이 부착된 베킹포일 패드의 변형례를 보인 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 베킹포일 패드(140)는 이전 실시예의 베킹포일 패드(130, 도 4c참조)와 동일한 직경과 폭을 가지는 원테형상의 박판으로 형성되며, 복수의 베킹포일(142)과, 베킹포일(142)에 의해 등간격으로 구획되는 복수의 공간부(144)를 포함한다. 각 베킹포일(142)의 상면에는 상측을 향해 대략 반원형상으로 형성된 범프포일(146)이 부착된다. 바람직하게는, 범프포일(146)은 스폿용접에 의해 접합된다.
이와 같이 범프포일(146)이 부착된 베킹포일 패드(140)를 이전 실시예의 베 킹포일 패드(130) 대신에 적용하는 경우에는, 범프포일(146)의 곡률반경에 의해 베킹포일 패드(140)를 한 장만 구비하더라도 탑포일(112, 122)의 경사도를 소정 크기 이상 증가시켜 탑포일(112, 122)과 회전축과의 간극을 용이하게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 범프포일(146)의 두께와 높이를 조절하여 탑포일(112, 122)의 탄성력 및 진동흡수력을 증대시킬 수 있는 특징이 있다. 미설명 부호 148은 위치결정용 돌기이다.
본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링(100)은 내구성 및 작동신뢰성을 확보하기 위해 높은 열적 안정성과 강도를 가지는 인코넬 재질, 특히 인코넬 X-750이나 탄성 복원력이 우수한 스테인리스 스틸재질로 이루어지고, 그 표면에 내열, 내마모, 저마찰 특성의 하이브리드 타입의 고체 윤활제를 코팅하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 포일 스러스트 베어링은 제 1스러스트 포일 패드, 제 2스러스트 포일 패드 및 베킹포일 패드가 차례로 적층되면서 각각 이들에 형성된 제 1탑포일, 제 2탑포일 및 베킹포일이 상호 중첩되어 결합되므로, 구조가 단순하고 조립이 정확하고 용이하여 생산성이 증대되는 효과가 있다.
또한, 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드에 대한 베킹포일 패드의 상대 회전 및/또는 베킹포일 패드의 적층개수에 따라 베킹포일에 의해 탄성지지되는 제 1 및 제 2탑포일의 경사도가 변화되어 회전축과의 간극을 정확하고 용이하게 조절할 수 있도록 함으로써, 회전축의 축방향 지지를 원활하게 하여 작동안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 회전기기의 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위한 포일 스러스트 베어링에 있어서,
    제 1스러스트 포일 패드와;
    일단이 상기 제 1스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 상기 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 1탑포일과;
    상기 제 1스러스트 포일 패드 상에 적층되는 제 2스러스트 포일 패드와;
    일단이 상기 제 2스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 상기 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 2탑포일과;
    상기 제 2스러스트 포일 패드 상에 적층되는 적어도 하나의 베킹포일 패드와;
    상기 베킹포일 패드에 원주방향으로 구비되는 복수의 공간부와;
    상기 복수의 공간부를 구획하는 복수의 베킹포일로 이루어지고,
    상기 제 1탑포일과 상기 제 2탑포일은 상기 베킹포일 패드의 공간부를 통해 상기 회전축을 향해 경사져 연장되고, 상기 베킹포일에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1탑포일과 제 2탑포일은 서로 인접하는 탑포일의 일부를 덮도록 대칭으로 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드에 대한 상기 베킹포일 패드의 상대 회전위치이동에 따라 상기 제 1 및 제 2탑포일과 상기 회전축과의 간극이 조절되는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 베킹포일 패드의 적층개수에 따라 상기 제 1 및 제 2탑포일과 상기 회전축과의 간극이 조절되는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1스러스트 포일 패드, 제 2스러스트 포일 패드, 베킹포일 패드의 둘레에는 각각 복수의 위치결정용 돌기가 대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  6. 회전기기의 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위한 포일 스러스트 베어링에 있어서,
    제 1스러스트 포일 패드와;
    일단이 상기 제 1스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 상기 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 1탑포일과;
    상기 제 1스러스트 포일 패드 상에 적층되는 제 2스러스트 포일 패드와;
    일단이 상기 제 2스러스트 포일 패드와 일체로 형성되고, 상기 일단으로부터 원주방향으로 절개되어 구비되는 적어도 하나의 제 2탑포일과;
    상기 제 2스러스트 포일 패드 상에 적층되는 베킹포일 패드와;
    상기 베킹포일 패드에 원주방향으로 구비되는 복수의 공간부와;
    상기 복수의 공간부를 구획하고, 상기 베킹포일 패드의 상측을 향해 돌출되는 복수의 범프포일로 이루어지고,
    상기 제 1탑포일과 상기 제 2탑포일은 상기 베킹포일 패드의 공간부를 통해 상기 회전축을 향해 경사져 연장되고, 상기 범프포일에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제 1탑포일과 제 2탑포일은 서로 인접하는 탑포일의 일부를 덮도록 대칭으로 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2스러스트 포일 패드에 대한 상기 베킹포일 패드의 상대 회전위치이동에 따라 상기 제 1 및 제 2탑포일과 상기 회전축과의 간극이 조절되는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 범프포일의 높이에 따라 상기 제 1 및 제 2탑포일과 상기 회전축과의 간극이 조절되는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 제 1스러스트 포일 패드, 제 2스러스트 포일 패드, 베킹포일 패드의 둘레에는 각각 복수의 위치결정용 돌기가 대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포일 스러스트 베어링.
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