KR100648637B1 - 에어포일 베어링 - Google Patents

Abstract

에어포일 베어링의 생산성 및 경제성을 향상시키기 위하여, 본 발명은 원통형으로 이루어진 하우징; 상기 하우징의 내주면에 내접하도록 다각형 형태로 이루어지며 상기 하우징의 길이방향으로 다단으로 구비되되, 각 단의 인접한 모서리는 상호 일치하지 않도록 배치되는 범프포일; 상기 범프포일의 내측에 탄성적으로 지지되는 회전축; 그리고 상기 범프포일의 탄성력이 상기 회전축에 균일하게 전달되도록, 상기 회전축을 감싸도록 배치된 탑포일을 포함하여 이루어진 에어포일 베어링을 제공한다.

에어포일, 베어링, 범프포일, 다각형

Description

에어포일 베어링{airfoil bearing}

도 1은 종래의 리프형 에어포일 베어링의 상면도.

도 2는 종래의 리프형 에어포일 베어링의 사시도.

도 3은 종래의 범프형 에어포일 베어링의 상면도.

도 4는 종래의 범프포일의 사시도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 범프형 에어포일 베어링의 상면도.

도 6은 도 5의 "A"부분을 나타낸 확대도.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 범프포일의 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 하우징 120 : 회전축

140 : 범프포일 150 : 탑포일

본 발명은 에어포일 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경제적이고 생산성이 개선된 에어포일 베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 에어포일 베어링(airfoil bearing)은 터보압축기, 터보쿨러, 터 보발전기와 같은 터보머신 내에서 고속으로 회전하는 회전자를 축방향과 반경방향으로 지지하는데 사용된다. 상기 에어포일 베어링은 원통형 하우징의 내측에 탄성력을 가지는 포일이 상호 중첩되도록 구비되고, 상기 포일의 내측에는 회전축이 회전가능하게 구비된다.

여기서, 상기 회전축을 고속으로 회전시키면, 상기 포일과 회전축의 사이에 공간에 공기 유동에 의한 동압이 형성된다. 이러한 공기의 동압에 의하여 상기 포일은 회전축으로부터 멀어지는 쪽으로 탄성변형되고, 상기 회전축과 포일의 사이에 에어갭이 형성됨으로써 상기 회전축이 포일과의 마찰 없이 회전될 수 있다.

이러한 에어포일 베어링은 리프형(Leaf type)과 범프형(Bump type)으로 나뉘어진다. 이하, 종래기술에 따른 에어포일 베어링을 종류별로 설명하고 각각의 문제점을 설명한다.

도 1은 종래의 리프형 에어포일 베어링의 상면도이고, 도 2는 종래의 리프형 에어포일 베어링의 사시도이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 리프형 에어포일 베어링은 원통형 하우징(10)의 내측에 다수개의 날개 형상의 리프형 에어포일(15)이 겹쳐지게 배치되고, 상기 에어포일(15)의 내측에 회전축(20)이 삽입된다. 여기서, 상기 리프형 에어포일(15)은 회전축(20)을 지지하도록 충분한 탄성을 가져야 하는데, 이를 위하여 상기 리프형 에어포일(15)은 높은 스프링 강성을 가져야 한다.

그러나, 높은 스프링 강성을 갖는 리프형 에어포일(15)은 기동과 정지시 상기 회전축(20)과 마찰력이 크게되어, 상기 에어포일(15) 또는 회전축(20)의 표면에 형성된 코팅층이 손상되어 거칠어지므로 에어갭이 안정적으로 형성되지 않게 되었다. 따라서, 상기 회전축의 기동과 정지가 빈번히 이루어지는 경우에는 상기 리프형 에어포일 베어링의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.

반면에, 상기 리프형 에어포일(15)의 스프링 강성을 낮게 하는 경우에는 상기 회전축(20)을 안정적으로 지지하지 못하여, 기동과 정지시 진동으로 인한 심한 소음을 발생시키는 문제점이 있었다.

한편, 도 3은 종래의 범프형 에어포일 베어링의 상면도이고, 도 4는 종래의 범프포일의 사시도이다.

도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 범프형 에어포일 베어링은 원통형 하우징(30)의 내측에 전체적으로 원형을 이루며 회전축(35)을 향하여 볼록하게 라운드진 굴곡부(41)가 다수개 형성된 범프포일(40)과, 상기 범프포일(40)의 내측에 회전축(35)과 접하도록 배치된 탑포일(50)을 포함하여 이루어진다. 따라서, 이러한 범프형 에어포일 베어링은 회전축(35)의 기동과 정지시 마찰부하가 작으며, 정지시 상기 회전체를 지지하는 스프링 강성이 우수하다.

그러나, 상기 범프포일(40)에 다수개의 라운드진 굴곡부(41)를 형성하기 어렵고, 원활한 회전축(35)의 구동을 위한 굴곡부(41)의 형성을 위한 설계 및 생산이 용이하지 않았다. 더욱이, 종래의 범프형 에어포일 베어링은 생산성이 낮고 제조원가가 매우 높은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 생산성이 높고 경제적인 에어포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원통형으로 이루어진 하우징; 상기 하우징의 내주면에 내접하도록 다각형 형태로 이루어지며 상기 하우징의 길이방향으로 다단으로 구비되되, 각 단의 인접한 모서리는 상호 일치하지 않도록 배치되는 범프포일; 상기 범프포일의 내측에 탄성적으로 지지되는 회전축; 그리고 상기 범프포일의 탄성력이 상기 회전축에 균일하게 전달되도록, 상기 회전축을 감싸도록 배치된 탑포일을 포함하여 이루어진 에어포일 베어링을 제공한다.

삭제

또한, 상기 범프포일은 상기 회전축의 길이방향으로 다단으로 구비되되 각각 정다각형을 이루며, 인접한 상기 범프포일의 모서리는 상호 θ/n 각도만큼 일방향으로 회전된 위치에 배치됨이 바람직하다. 여기서, θ는 상기 범프포일의 한 변이 중심점과 이루는 각도이고, n은 다단으로 배치된 상기 범프포일의 개수이다.

여기서, 상기 범프포일은 소성가공에 의하여 밴딩됨으로써 다각형 형태로 이루어짐이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어포일 베어링을 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에어포일 베어링의 평면도이다.

도 5에서 보는 바와 같이, 상기 에어포일 베어링은 하우징(100), 범프포일(140), 회전축(120), 그리고 탑포일(150)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 하우징(100)은 에어포일 베어링이 장착되는 장치의 프레임에 고정되고, 내부에 회전축이 삽입될 수 있도록 원통형으로 이루어진다. 또한, 상기 범프포일(140)은 스프링 강성을 가지도록 금속재질로 일체로 형성되되, 소성가공을 통한 밴딩작업에 의하여 모서리가 상기 하우징(100)의 내주면에 내접하는 다각형 형태로 이루어짐이 바람직하다.

이때, 상기 다각형의 형상은 설계 및 구조강도의 해석이 용이하도록 각 변의 길이가 동일한 정다각형 형태로 이루어짐이 바람직하다.

이와 같이, 상기 범프포일(140)은 판재를 회전시키면서 소정길이 간격으로 소정각도 만큼 밴딩하기만 하면 되므로, 상기 범프포일(140)의 제조방법이 매우 간단하다. 이를 통하여 경제적이고 생산성이 우수한 범프포일(140)을 제공할 수 있다.

물론, 상기 범프포일(140)의 재질은 금속에 한정되지 않고, 스프링 강성을 가지는 물질로서 합성수지 재질로 이루어질 수도 있다.

한편, 상기 범프포일(140)의 내측에는 상기 범프포일(140)의 내측면에 탄성적으로 지지되는 회전축(120)이 구비되고, 상기 범프포일(140)의 탄성력이 상기 회전축(120)에 균일하게 전달되도록 상기 범프포일(140)과 회전축(120)의 사이에는 탑포일(150)이 구비된다. 여기서, 상기 탑포일(150)은 상기 회전축(120)을 감싸도록 배치된다. 그리고, 상기 회전축(120)은 상기 하우징(100)의 길이방향으로 구비됨이 바람직하다.

따라서, 상기 회전축(120)을 고속으로 회전시키면, 상기 범프포일(140)과 회전축(120)의 사이의 공간에 공기 유동에 의한 동압이 형성된다. 이러한 공기의 동 압에 의하여 다각형상의 범프포일(140)은 회전축으로부터 멀어지는 쪽으로 탄성변형되고, 상기 회전축(120)과 범프포일(140)의 사이에 에어갭이 형성됨으로써 상기 회전축(120)이 범프포일(140)과의 마찰 없이 회전될 수 있다.

이때, 상기 범프포일(140)이 탄성적으로 변형될 수 있는 여유공간을 확보하기 위하여 상기 범프포일(140)의 일측은 상기 회전축(120)의 길이방향을 따라서 개구된다. 따라서, 상기 회전축(120)의 고속회전시 상기 다각형상의 범프포일(140)은 회전축(120)으로부터 멀어지는 방향으로 탄성변형되어 실질적으로 원형을 이룸으로써 상기 개구된 부분의 테두리는 상호 밀착되고, 상기 회전축(120)의 정지시에는 상기 범프포일(140)이 다시 다각형상으로 복귀되면서 상기 개구된 부분의 테두리는 상호 멀어지게 된다.

이와 같이, 상기 범프포일(140)의 개구된 부분은 탄성변형시 여유공간으로 기능하게 된다. 이를 통하여, 상기 범프포일(140)의 원활한 탄성변형을 보장할 수 있다.

한편, 상기 범프포일(140)과 회전축(120)의 사이에 구비되는 탑포일(150)도 상기 회전축(120)의 길이방향을 따라서 일측이 개구되고, 상기 개구된 부분의 일측 테두리는 상기 하우징(120)에 고정됨이 바람직하다.

여기서, 상기 탑포일(150)은 상기 회전축(120)의 형상에 대응되는 원통형으로 이루어지며, 상기 회전축(120)이 회전됨에 따라 상기 탑포일(150)과 회전축(120)의 사이에 동압이 형성되면 상기 탑포일(150)이 하우징(120) 측으로 밀착되면서 상기 탑포일(150)과 회전축(120) 사이에 보다 균일한 에어갭이 형성될 수 있다.

즉, 상기 회전축(120)의 회전시 발생되는 동압이 상기 다각형 형태의 범프포일(140)에 직접적으로 전달되지 않고 원형의 탑포일(150)을 통하여 간접적으로 전달되도록 함으로써, 상기 범프포일(140)이 원주방향을 따라서 보다 균일하게 하우징(100)측으로 가압된다.

한편, 도 6은 도 5의 "A" 부분의 확대도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 범프포일의 배치구조를 나타낸 사시도이다.

도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 상기 범프포일(140)은 상기 회전축(120)의 길이방향으로 다단으로 구비될 수 있다. 이때, 다단으로 배치된 다수개의 범프포일들(140) 중 인접한 범프포일의 다각형 모서리는 상호 일치하지 않도록 배치됨이 바람직하다.

즉, 상기 회전축(120)의 회전시 발생되는 동압은 상기 탑포일(150)의 원주방향을 따라서 국부적인 차이를 갖는데, 국부적으로 강한 동압이 작용하는 부분에서는 비대칭적으로 상기 범프포일(140)이 변형될 수 있다. 이와 같이, 상기 범프포일(140)이 불균일하게 탄성변형되는 경우에는 상기 탑포일(150)과 회전축(120) 사이에 균일한 에어갭이 형성되지 못함으로써 국지적인 마찰이 발생되는 문제점이 발생될 수 있다.

이를 방지하기 위하여, 정다각형 형태로 밴딩되어 이루어진 범프포일(140)의 각 모서리의 위치가 원주방향을 따라서 일치하지 않고, 상호 소정각도 회전된 위치에 배치되도록 한다. 이와 같이 다단으로 배치된 범프포일들(140)의 모서리가 원주방향에서 상호 일치된 위치에 배열되지 않도록 함으로써, 전체적으로 각 범프포일 (140)의 정다각형의 한변의 길이가 작아지도록 한 것과 동일한 효과를 제공한다.

따라서, 상기 범프포일(140)이 전체적으로 균일한 원형을 이루면서 변형되는 것이 보장될 수 있으므로, 각각의 범프포일(140)의 스프링 강성은 보다 강하게 할 수 있다.

즉, 상기 회전축(120)의 기동 또는 정지시에는 상기 범프포일(140)이 원주방향을 따라서 균일한 원형을 이루면서 탄성변형됨으로써 상기 회전축(120)과 탑포일(150) 간의 마찰 발생을 최소화할 수 있고, 상기 회전축(120)의 고속회전시에는 각 범프포일(140)이 강한 스프링 탄성을 가지도록 할 수 있으므로 상기 회전축(120)을 안정적으로 지지할 수 있다.

한편, 상기 범프포일(140)은 상기 회전축(120)의 길이방향으로 다단으로 구비되되 각각 정다각형을 이루며, 인접한 상기 범프포일(140)의 모서리는 상호 θ/n 각도만큼 일방향으로 회전된 위치에 배치됨이 바람직하다. 여기서, θ는 상기 범프포일(140)의 한 변이 중심점과 이루는 각도이고, n은 다단으로 배치된 상기 범프포일(140)의 개수이다.

즉, 상기 θ/n 각도는 각 범프포일(140)의 모서리 간의 최적화된 이격각도로서 제공된다. 이를 통하여, 상기 범프포일(140)이 전체적으로 균일한 원형을 이루면서 변형되는 것이 더욱 우수하게 보장될 수 있으므로, 각각의 범프포일(140)의 스프링 강성은 보다 강하게 할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 각 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구성한 것으로서 단순히 전술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 전술한 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형을 포함한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에어포일 베어링은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 판재를 회전시키면서 소정길이 간격으로 소정각도 만큼 밴딩함으로써 다각형 형상의 범프포일의 매우 간단하게 제조할 수 있으므로, 경제적이고 생산성이 우수한 범프포일을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상기 범프포일의 설계 및 제작이 용이하므로 매우 저렴한 제작비용으로 제조할 수 있다.

둘째, 상기 범프포일은 상기 회전축의 길이방향으로 다단으로 구비되며 인접한 범프포일의 다각형 모서리는 상호 일치하지 않도록 배치됨으로써, 상기 범프포일이 전체적으로 균일한 원형을 이루면서 변형되는 것이 보장될 수 있고 각각의 범프포일의 스프링 강성은 보다 강하게 할 수 있다.

더욱이, 상기 범프포일은 정다각형의 한변이 엽판스프링의 역할을 하고 긴 스프링의 유연성과 복원력을 보장하기 때문에 충격적인 요소를 완화하여 진동과 마찰손실을 현저히 감소시킬 수 있다.

이를 통하여, 상기 회전축의 기동 또는 정지시에는 상기 범프포일이 원주방향을 따라서 균일한 원형을 이루면서 탄성변형됨으로써 에어갭이 안정적으로 형성되어 상기 회전축과 탑포일 간의 마찰 발생을 최소화할 수 있고, 상기 회전축의 고속회전시에는 각 범프포일이 강한 스프링 탄성을 가지도록 할 수 있으므로 상기 회 전축을 안정적으로 지지할 수 있다.

Claims (4)

1. 원통형으로 이루어진 하우징;

   상기 하우징의 내주면에 내접하도록 다각형 형태로 이루어지며 상기 하우징의 길이방향으로 다단으로 구비되되, 각 단의 인접한 모서리는 상호 일치하지 않도록 배치되는 범프포일;

   상기 범프포일의 내측에 탄성적으로 지지되는 회전축; 그리고

   상기 범프포일의 탄성력이 상기 회전축에 균일하게 전달되도록, 상기 회전축을 감싸도록 배치된 탑포일을 포함하여 이루어진 에어포일 베어링.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 범프포일은 상기 회전축의 길이방향으로 다단으로 구비되되 각각 정다각형을 이루며, 인접한 상기 범프포일의 모서리는 상호 θ/n 각도만큼 일방향으로 회전된 위치에 배치됨을 특징으로 하는 에어포일 베어링.

   여기서, θ는 상기 범프포일의 한 변이 중심점과 이루는 각도이고, n은 다단으로 배치된 상기 범프포일의 개수이다.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 범프포일은 소성가공에 의하여 밴딩됨으로써 다각형 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 에어포일 베어링.

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