KR100789993B1

KR100789993B1 - 열쇠 없는 포일을 가진 유체 역학적 유체 필름 베어링

Info

Publication number: KR100789993B1
Application number: KR1020050013680A
Authority: KR
Inventors: 지리드하리 엘. 아그라왈
Original assignee: 알 앤 디 다이나믹스 코포레이션
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2007-12-31
Also published as: EP1566556A2; KR20060043004A; US20050185865A1; EP1566556A3; ATE414854T1; US7070330B2; DE602005011061D1; EP1566556B1; JP2005233427A; JP4021901B2

Abstract

샤프트 저널을 회전 가능하게 지지하는 향상되고 개선된 유체 역학적 필름 베어링이 제공되며 이것은 정지 상태의 유지 부재, 서로 부착되어 회전 방지 핀을 형성하는 적어도 2 개의 전체적으로 실린더형인 포일 요소들 및 전체적으로 실린더형인 탄성의 지원 부재를 구비한다. 유지 부재는 샤프트 저널을 수용하기 위한 실린더형 개구를 한정하는 내측 표면을 가진다. 내측 표면은 길이 방향으로 연장된 슬롯을 구비하며 포일 요소들이 실린더형 개구의 적어도 일부에서 라이닝을 형성하도록 포일 요소들에 의해 형성된 회전 방지 핀이 슬롯 안에 장착된다. 탄성 부재는 포일 요소들에 전체적으로 동심상이고 그로부터 반경 방향인 실린더형 개구 안에 배치된다. 포일 요소들은 서로 부착되어 회전 방지 핀을 형성하도록 별개의 요소일 수 있거나, 또는 그와는 달리 회전 방지 핀을 한정하는 굽힘부를 가진 단일 포일로부터 형성될 수 있다.

Description

열쇠 없는 포일을 가진 유체 역학적 유체 필름 베어링{Hydrodynamic fluid film bearing having a key-less foil}

도 1 은 선행 기술의 유체 역학적 유체 필름 베어링의 정면도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 유체 역학적 유체 베어링의 정면도이다.

도 3 은 도 2 의 유체 역학적 유체 필름의 확대된 부분 정면도이다.

도 4 는 본 발명의 유체 역학적 유체 필름 베어링의 다른 구현예에 대한 확대된 부분 정면도이다.

본 발명은 전체적으로 유체 역학적 유체 필름 베어링에 관한 것이며, 보다 상세하게는 베어링 안에 유체 필름을 설정하여 유지하는 하나 또는 그 이상의 포일을 채용하고 그리고 베어링의 회전 부분의 편위와 포일의 편향을 수용하는 탄성 지원 부재를 채용한 베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 유체 역학적 유체 필름 베어링은 샤프트 또는 쓰러스트 굴대와 같은 회전 부재와, 매끄러운 포일등과 같은 근접한 요소가 그 사이에서 가압된 유체 필름층을 설정하고 유지하는 원리로 작동한다. 산업 분야에서 유체 필름 쐐기부 로 지칭되기도 하는 유체 필름층은 회전 부재에 대하여 윤활유가 없는 지지를 제공한다. 종종 탄성 지원 수단 또는 스프링이 포일과 정지 상태 부재(예를 들면, 카트리지, 리테이너(retainer) 또는 베이스) 사이에 배치되는데, 여기에서 회전 부재는 유체 필름층에 의한 가압에 기인하는 포일의 편향 및, 선회등과 같은 불균형과 베어링 하중에 기인하는 회전 부재의 편위를 수용하도록 축방향으로 배치된다.

성공적인 베어링 디자인들은 단일 코일의 포일 또는 다중 포일 요소들의 형태인 다중 포일 층을 사용하였다. 다중층 포일의 구조는 특정의 면에서 유리하다. 예를 들면, 다중층의 포일은 유체 역학적 베어링에 특히 적절한 에너지 분산을 제공하는 쿨롱 댐핑을 향상시키는 것으로 믿어진다. 더욱이, 그러한 다중층의 포일 구조는 로터의 커다란 편위 운동(excursion)을 견디고, 포일의 차별적인 팽창을 허용하고, 제조하는 동안 발생되는 오정렬(misalignment)을 수용하고, 포일의 불완전성을 허용하고, 오염물에 대한 내구성이 있으며, 시동과 정지 동안뿐만 아니라 고속으로 이용되는 동안에도 양호한 마손 특성(wipe-wear characteristics)을 나타낸다.

본원에 참조로써 포함되는 미국 특허 제 4,415,280 호 및 제 4,415,281 호에 전체적으로 개시되고 청구된, 일반적으로 인정된 산업용 포일의 디자인이 도 1 에 도시되어 있다. 예를 들면, 유체 역학적 유체 필름 저널 베어링(10)은 쉘(shell), 리테이너(retainer) 또는 베이스로서 알려진 정지 상태의 유지 부재 또는 카트리지(12)를 구비하는데, 이것은 고속 로터에 연결되도록 적합화된 회전 샤프트 또는 저널(14)을 감싼다. 유지 부재(12)와 저널(14)은 고리형 간격 또는 간극(16)을 한정하도록 결합된다. 유지 부재는 그 안에 형성된 길이 방향으로 연장된 열쇠홈(18)을 가지는 내측 표면을 구비한다.

개방되거나 갈라진, 전체적으로 실린더 형상의 매끄러운 제 1 포일 요소(20)는 고리형 간격(16) 안에 배치되며 열쇠홈(18) 안에 미끄러지게 수용된 열쇠(22)의 일측에 대한 가장자리를 따라서 고정된다. 개방되거나 또는 갈라진, 전체적으로 실린더 형상의 매끄러운 제 2 포일 요소(24)는 고리형 간격(16) 안의 제 1 포일 요소(20)의 내측으로 그에 동심상으로 제공된다. 제 2 포일 요소(24)는 또는 열쇠(22)의 가장자리를 따라서 고정된다. 도 1 에 도시된 배치에 따라서, 제 1 포일 요소(20)는 중간 또는 접촉 포일로서 지칭될 수도 있는 반면에, 제 2 포일 요소(24)는 상부 포일로서 지칭될 수도 있다. 저널(14)의 회전이 개시되고 정지되는 동안에, 충분한 유체 필름이 발생될 때까지 상부 포일은 저널(14)과 마찰된다. 따라서, 상부 포일에는 반경 방향의 내측 표면상에 저마찰 코팅이 통상적으로 제공된다.

물결 주름 형상의 탄성 지원 부재 또는 스프링(26)은 유지 부재(12)와 포일 요소(20,24)들 사이의 고리형 간격(16) 내에 배치된다. 스프링(26)은 또한 전체적으로 개방되거나 또는 갈라진 실린더의 형상이고 가장자리를 따라서 열쇠(22)에 고정된다. 일반적으로, 포일 요소(20,24)들은 열쇠(22)에 부착되고 유지 부재(12) 내에 장착됨으로써, 제 1 포일 요소(20)의 연장은 제 2 포일 요소(24)의 연장과 반대인 방향이다.

포일 요소(20, 24)와 스프링(26)은 별개의 부재들이고 단일의 포일 요소로부터 감길 수 없기 때문에, 이러한 부재들이 축방향 하중에 기인하여 망원경식으로 끼워져서(telescoping) 저널(14)과의 마찰에 의해 포일에 손상을 초래할 가능성은 최소화된다. 또한, 하나로 감겨진 포일을 제공하는 것보다 별개의 포일 요소들을 제공하는 것은, 두께, 탄성등의 변화하는 특성을 가진 포일들이 정확한 특성을 맞추는데 사용될 수 있게 한다.

도 1 에 도시된 디자인의 베어링과 같은 유체 역학적 유체 필름 베어링은 항공기의 냉각과 배기를 위한 현대적인 공기 사이클 기계류에 채용된 터보 콤프레서 장치에서 공통적으로 사용된다. 다중층의 포일 디자인들이 상기에 식별된 장점들을 나타내는 동안, 제조성, 댐핑 특성과 순응성(compliancy), 조립/분해 및 포일 교체에서의 용이성, 포일 끼움에 대한 저항성 및, 다중 두께의 포일층을 제공하는 것의 편의성 분야에서 상기 베어링의 향상이 지속적으로 추구되고 있다. 더욱이, 도 1 에 도시된 열쇠 배치는 몇 가지 단점을 가진다. 특히, 베어링이 만족스럽게 작동하려면 포일의 제조가 완전하게 이루어질 필요가 있다. 즉, 열쇠는 완전하게 직선이어야 하며, 포일들은 열쇠(key)에 대하여 완전히 일치되게 부착되어야 한다. 그 어떤 간극, 만곡 및 정렬 이탈이라도 베어링의 하중 유지 성능에 영향을 미칠 것이며, 또한 베어링이 조기에 고장을 일으킬 수 있다. 열쇠에 부착된 적어도 2 개의 포일 요소들이 있기 때문에, 정렬은 더욱 중요하다. 열쇠나 포일 요소들에 포함된 불완전성이나, 또는 용접에서 발생되는 그 어떤 불완전성이라도 베어링의 작동에 영향을 미칠 것이다. 얇은 포일 요소들을 열쇠의 작은 단면 부위에 부착시키는 것은 종종 성가시고, 곤란하며, 따라서 고비용에 이르게 된다.

베어링의 만족스러운 작동을 위해서, 열쇠는 유지 부재의 열쇠홈 내에서 완전하게 직선으로 유지되어야 한다. 열쇠는 제조되는 동안과 작동되는 동안에 모두 굽힘 작용을 받기 쉽다. 더욱이, 포일 요소들에 가해지는 힘들에 의해서, 열쇠는 작동하는 동안에 열쇠홈 안에서 굽혀지거나 또는 비틀릴 수 있다. 열쇠에서 발생되는 굽힘이나 비틀림은 하중 유지 성능과 베어링의 순응성(compliancy)을 감소시키는 결과를 초래하며, 긍극적으로 고장의 원인이 될 수 있다.

유체 역학적 유체 필름 베어링은 그들의 순응성(compliancy) 때문에 작동한다. 도 1 의 열쇠 디자인에서, 베어링은 열쇠의 방향에서 낮은 순응성을 가지는 것으로 측정되었다. 사실상, 열쇠가 걸쳐 있는 곳에는 "곤란한 장소(hard spot)'가 있다. 순응성과 관련하여, 이러한 곤란한 장소는 저널의 회전 동안에 그 안에 발생되는 유체 필름과 베어링의 특성에 모순되는 것이다. 결과적으로, 베어링은 그 어떤 곤란한 장소의 방향으로도 보다 작은 하중 성능을 가지게 되며, 즉, 열쇠의 위치에서 보다 적은 하중 성능을 가진다. 더욱이, 베어링은 그러한 방향에서 충격 하중 저항과 댐핑이 보다 적어지게 된다.

본 발명은 아래의 도면과 설명에 상술된 바와 같이 유체 역학적 유체 필름 베어링에서의 이들 결함을 제거하거나 감소시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 정지 상태의 유지 부재, 서로 부착되고 회전 방지 핀(fin)을 형성하는 적어도 2 개의 전체적으로 실린더형인 포일 요소들 및, 전체적으로 실린더형인 탄성의 지원 부재를 구비하는 유체 역학적 유체 필름 베어링에 관한 것이다. 유지 부재는 샤프트 저널(shaft journal)을 수용하기 위한 실린더형 개구를 한정하는 내측 표면을 가진다. 내측 표면은 또한 길이 방향으로 연장된 슬롯을 구비하는데, 포일 요소들이 실린더형 개구의 적어도 일부에 라이닝(lining)을 형성하도록 포일 요소들에 의해 형성된 회전 방지 핀이 슬롯 안에 장착된다. 또한 탄성 부재는 포일 요소들에 전체적으로 동심상에 있고 그로부터 반경 방향 외측으로 있는 실린더형의 개구 안에 배치된다. 포일 요소들은 회전 방지 핀을 형성하도록 함께 부착된 별개의 요소들일 수 있거나, 또는 이와는 달리 회전 방지 핀을 한정하는 굽힘부와 함께 단일의 포일로 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 포일 요소들은 유지 부재의 실린더형 개구내에서 슬롯으로부터 반대인 원주 방향으로 연장되고 서로 중첩되는 개별의 자유 단부들을 가진다.

본 발명의 베어링 디자인은 종래 기술의 열쇠 디자인에 비해 몇가지 장점을제공한다. 예를 들면, 열쇠가 제거되고, 따라서 열쇠 형상 및 표면들이 완전하게 이루어져야만 하는 필요성이 제거되기 때문에, 포일 베어링의 제조가 보다 용이하다. 본 발명의 회전 방지 핀은 베어링의 고장 위험이나 또는 하중 유지 성능의 저하 없이 굽혀지거나, 경사지거나, 또는 비틀릴 수 있다. 곤란한 장소(hard spot)에 기인한 고장의 위험성은 열쇠의 제거에 의해 감소된다. 회전 방지 핀의 사용은 높은 순응성, 높은 하중 성능 및, 핀의 방향에서조차 베어링의 고충격 저항 성능을 유지한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 유체 역학적 유체 필름 베어링(110)은 실린더형 개구를 한정하는 내측 표면을 가진 정지 상태의 유지 부재 또는 카트리지(112)를 구비하는데, 상기 개구는 공기 사이클 기계류에서 채용된 것들과 같은 그 어떤 유형의 고속 터보 콤프레서에서도 사용되는 고속 전기 모터 또는 블레이드 로 터(bladed rotor)와 같은 장비를 위한 고속 로터에 연결되도록 적합화된 회전 샤프트 또는 저널(114)을 감싼다. 고리형 간격 또는 간극(116)이 유지용 부재(112)와 저널(114) 사이에 한정된다. 길이 방향으로 연장된 슬롯(118)에는 유지용 부재(112)의 내측 표면상에 고리형 간격(116) 안으로의 개구가 제공된다.

전체적으로 (측부를 따라서 갈라진) 개방되거나 또는 갈라진 실린더형 형상의 매끄러운 제 1 포일 요소(foil element, 120)는 고리형 간격(116) 안에 배치된다. 제 1 포일 요소(120)는 전체적으로 원주 방향으로 연장되며 요소의 원주 연장부에 전체적으로 수직인 반경 방향으로 포일 요소(120)의 개구의 가장자리로부터 돌출된 핀(fin) 부분(122)을 구비한다.

도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 전체적으로 (측부를 따라서 갈라진) 개방되거나 또는 실린더 형상인 매끄러운 제 2 포일 요소(124)는 제 1 포일 요소(120)의 반경 방향 내측으로 그리고 그에 대하여 동심상으로 고리형 간격(116) 안에 배치된다. 이와는 달리, 제 2 포일 요소(124)는 도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 포일 요소(120)의 반경 방향 외측으로 그리고 그에 대하여 동심상으로 고리형 간격 내에 배치될 수 있다.

당업자들에게 일반적으로 공지된 바로서, 충분한 유체 필름이 고리형 간격(116) 안에서 발생될 때가지 저널(114) 회전의 개시와 정지 동안에 최상부 포일로 알려진 내측 포일 요소는 저널(114)을 문지르며, 따라서 최상부 포일의 반경 방향 내측 표면에는 그러한 상황에서 마찰을 감소시키도록 낮은 마찰의 코팅이 제공되는 것이 바람직스럽다. 본 발명은 제 1 포일 요소(120) 또는 제 2 포일 요소(124)의 어느 하나라도 저널(114)에 근접한 내측 포일 또는 최상부 포일로서 위치될 수 있는 경우를 포괄한다. 그 어떠한 디자인이라도, 최상부 포일은 저널(114)의 회전 방향에 반대인, 고리형 간격(116)내에서 전체적으로 원주의 방향으로 연장되는 것이 바람직스럽다. 바람직한 구현예에서, 중간 또는 접촉 포일로서 알려진 외측 포일 요소는, 저널의 회전 방향과 같고 상부 포일의 방향에 반대인, 고리형 간격(116)내에서 전체적으로 원주의 방향으로 연장된다.

또한 길이 방향으로 유연성이 있고, 물결 주름형의 지원 부재 또는 스프링(126)은 유지 부재(112)의 내측 표면에 근접하여 고리형 간격(116) 안에 배치된다. 바람직스럽게는, 스프링(126)이 유지 부재(112)와 외측의, 또는 중간의/접촉하는, 포일 요소 사이에 위치된다. 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 스프링(126)은 유지 부재(112)와 제 1 포일 요소(120) 사이에 배치된다. 도 4 에 도시된 다른 구현예에서, 스프링(126)은 유지 부재(112)와 제 2 포일 요소(124) 사이에 배치된다. 스프링(126)은 전체적으로 (측부를 따라서) 개방되거나 또는 갈라진 실린더 형상으로서 전체적으로 원주 방향으로 연장된다.

제 2 포일 요소(124)는 전체적으로 원주 방향으로 연장되며 요소의 원주 방향 연장부에 전체적으로 수직인 반경 방향으로 포일 요소(124)의 개구의 가장자리로부터 돌출된 핀(fin) 부분(128)을 구비한다. 포일 요소(120,124)의 개별의 플랜지 부분들(122,128)은 서로 부착되어서 유지 부재(112) 내에 제공된 슬롯(118) 안에 미끄러지게 수용될 수 있는 회전 방지 핀(anti-rotation fin, 130)을 형성한다. 포일 요소(120,124)는 따라서 유지 부재(112)내에 장착되며 핀(130)을 슬롯(118) 안에 삽입함으로써 회전이 억제된다. 슬롯(118)의 길이 방향 단부들은 포일 요소(120,124)들을 유지 부재(112)내에 포획하도록 폐쇄된다. 슬롯(118) 안으로 삽입된 핀(130)의 사용은 베어링 하중 조건들에 대하여 베어링 댐핑이 맞도록 베어링 삽입부들이 용이하게 교환될 수 있게 한다.

도 2 및 도 3에서 별개의 요소들로 도시되었을지라도, 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)는 도 4 에 도시된 바와 같이 단일체의 포일로부터 형성될 수 있다. 굽힘부(134)가 제공되어 포일 재료를 제 1 및 제 2 포일 요소(120,124)로 분할한다. 베어링(110)을 조립하도록, 굽힘부(134)가 슬롯(118) 안으로 삽입되어서 포일이 저널(114) 안에서 회전되는 것을 억제할 뿐만 아니라, 포일 요소(120,124)를 유지 요소(112) 안에 장착한다.

스프링(126)은 플랜지 부분(flange portion, 132)을 구비할 수도 있는데, 상기 플랜지는 스프링(126)의 원주 방향 연장부에 전체적으로 수직인 반경 방향으로 스프링(126)의 개구의 가장자리로부터 돌출된다. 스프링(126)의 플랜지 부분(132)은 슬롯(118) 안으로 삽입되어서 스프링(126)을 유지용 부재(112)와 포일 요소(120,124)들에 대한 위치로 장착시키고 스프링(132)이 회전하는 것을 억제한다. 플랜지 부분(132)은 핀(130)이나, 또는 굽힘부(134)에 부착될 수 있거나, 또는 그와는 달리 핀(130) 또는 굽힘부(134)와의 표면 접촉에 의해 슬롯(118) 안에 유지될 수 있다. 스프링(126)이 핀(130), 굽힘부(134), 또는 포일 요소들(120,124)의 어느 한쪽에라도 적극적으로 부착되지 않은 스프링 유지는 적절한 베어링의 작동을 위해서 그것의 나머지로부터의 스프링(126) 플랜지 부분(132)의 각도 배치의 임계성 (criticality)을 감소시킴으로써, 베어링 제조성을 용이하게 하는데 기여한다.

바람직스럽게는, 유지 부재(112)의 슬롯(118)이 핀(130) 및 스프링 플랜지 부분(132)에 대한 보완의 형상 및 폭(complementary shape and width)을 가진다. 즉, 예를 들면, 슬롯(118)의 폭은 제 1 포일 요소 플랜지 부분(120), 제 2 포일 요소 플랜지 부분(124) 및 스프링 플랜지 부분(132)을 결합한 두께와 실질적으로 같도록 설계된다. 따라서, 슬롯(118)은 통상적으로 도 1 에 도시된 선행 기술 디자인의 열쇠홈(18) 보다 작은 폭을 가진다. 바람직스럽게는, 슬롯(118)의 폭이 핀(130) 또는 굽힘부(134)의 길이 보다 크다. 예를 들면, 핀(130)의 단부, 또는 굽힘부(134)와 슬롯(118)의 저부 사이의 간격은 0.030 인치 정도일 수 있다. 일반적으로, 핀(130) 또는 굽힘부(134)에 의해 점유된 보다 작은 체적은 작동하는 동안에 베어링에 보다 큰 순응(compliance)을 제공한다. 선행 기술의 열쇠 디자인에 있어서, 열쇠(22)는 움직이는데 덜 자유롭고, 따라서 열쇠의 방향에서 순응성, 부하 유지 성능 및 충격 저항 성능을 감소시키는 "곤란한 장소(hard spot)"를 발생시킨다.

당업자들이 인정하는 바로서, 저널(114)에 대한 교란은 저널(114)과 근접한 포일 요소(예를 들면, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같은 제 2 포일 요소(124); 도 4 에 도시된 바와 같은 제 1 포일 요소(120)) 사이의 압축 또는 압착, 스프링(126)에서의 주름의 압축 및, 쿨롱 댐핑(coulomb damping)에 의해서 댐핑된다.

베어링(110)은 저널(114)과 포일 요소(120,124)들 사이의 고리형 간격(116)의 부분 안에서의 유체 역학적 압력 발생의 기초 원리 아래에서 작동한다. 이론적인 무부하 조건하에서, 저널(114)의 기하학적 중심은 포일 요소(120,124)에 의해 형성된 실린더와 유지 부재(112)의 기하학적 중심과 일치한다. 그러나, 실제의 작동 조건하에서, 일부의 하중은 저널(114)에 가해져서 그것이 저널(114)의 기하학적 중심을 유지 부재(112)와 포일 요소(120,124)의 기하학적 중심으로부터 편심되게 변위시킴으로써, 포일 요소(120,124)와 함께 쐐기 형상의 간극을 한정한다. 저널(114)의 회전은 그것의 기하학적 중심이 포일 요소(120,124)의 기하학적 중심의 둘레로 궤도 운동하게 하여 쐐기 형상의 간극이 포일 요소의 중심을 그에 따라 궤도 운동하게 한다. 당업자들이 인정하는 바로서, 포일 요소(120,124)와, 저널(114)의 연속적인 회전에 대한 저널(114)의 편심 위치 선정은 저널(114)과 포일 요소(120,124) 사이에서 고압 및 저압 영역의 확립과 유지를 야기한다. 이것은 유체가 고압 영역으로부터 저압 영역으로 유동하게 하여 저널(114)과 포일 요소(120,124)들 사이에서 유체의 압착을 초래한다. 이러한 현상은 지지하는 유체 필름을 한정하는데, 이것은 베어링(110)상에서 반경 방향 하중을 지지하고 저널(114)이 포일 요소(120,124)와 접촉하는 것을 방지한다.

스프링(126)은 두 가지 목적을 위한 것이다. 우선, 스프링(126)은 탄성의 변형 가능한 지원을 제공하는데, 이것은 필름에 의한 가압에 기인한 특정 포일의 편향을 수용함으로써, 위에서 설명된 바와 같은 지원을 위한 유체 필름 쐐기부의 형성을 보조한다. 스프링(126)은 저널의 하중과 불균형에 기인한 저널 편위의 수용과 전체적인 하중 유지 성능을 제공한다. 바람직스럽게는, 댐핑과 안정을 위해서 스프링(126)이 상대적으로 낮은 특성의 스프링 비율을 가져야 하는 반면에, 적절한 하중 성능과 샤프트 편위의 제한을 위해서, 스프링(126)은 상대적으로 높은 스프링 비율을 가져야 한다.

위에서 스프링(126)의 플랜지 부분(132)을 슬롯(118) 안으로 삽입함으로써 베어링(110) 안에 장착되는 것으로 도시되고 설명되었을지라도, 본 발명은 그러한 면에 제한되지 않으며, 스프링(136)은 스프링(126)의 일부를 유지 부재(112)의 내측벽에 용접하는 것을 포함하는, 다른 방법으로 베어링(110) 안에 유지될 수 있다. 이와는 달리, 스프링(126)은 제 1 및 제 2 포일 요소(120, 124)로부터 분리된 것으로서 위에 설명된다. 그러나, 본 발명은 스프링(126)이 예를 들면 스프링 플랜지 부분(132)을 핀(130) 또는 굽힘부(134)에 용접함으로써 제 1 및 제 2 포일 요소들(120,124)에 부착된 디자인을 포괄한다.

향상된 쿨롱 댐핑을 위해서, 종래 기술에서는 저널과 유지 부재 사이의 고리형 간격내에 다중의 포일층들을 제공하는데, 그러한 다중층들의 일 예는 위에서 설명되고 도 1 에 도시된 것이다. 본 발명에 따라서, 그리고 도 2 및 도 3 에 도시된 바에 따라서, 쿨롱의 댐핑을 향상시키도록, 제 2 포일 요소(124)는 제 1 포일 요소(120)의 반경 방향 내측으로 그리고 그에 동심상으로 제공된다. 제 1 및 제 2 포일 요소(120, 124)들은 고리형 간격(116) 안에서 중첩된다. 스프링(126)은 제 1 포일 요소(120)의 반경 방향 외측으로 그에 동심상으로 배치된다. 따라서 저널(114)에 대한 교란은 제 1 포일 요소(120)와 스프링(126)의 정점들 사이에서뿐만 아니라 제 1 과 제 2 포일 요소(120,124)들 사이의 쿨롱 댐핑에 의해서 부분적으로 댐핑된다.

상기에 기재된 쿨롱 댐핑은, 하나 또는 그 이상의 요소들이 장착된 가장자리로부터 근접한 요소들의 원주 방향에 반대인 원주 방향으로 연장되도록 제 1 및 제 2 포일 요소(120,124)들과 스프링(126)을 유지 부재(112)에 장착시킴으로써 더욱 향상된다. 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 저널(114)과 제 2 포일 요소(124) 사이의 유체 필름의 반경 방향 외측 압력은 그 포일 요소를 외측 방향으로 강제하여, 그 포일 요소에 의해 형성된 실린더를 개방하고 전체적으로 시계 방향의 운동을 그 실린더에 부여한다. 쿨롱 댐핑은 제 2 포일 요소(124)를 근접한 제 1 포일 요소(120)에 대하여 마찰시키는 것에 의해서 달성된다. 이러한 쿨롱 댐핑은 제 2 포일 요소(124)의 원주 방향에 반대인 원주 방향으로 제 1 포일 요소(120)를 연장시킴으로써 향상된다. 유체 필름의 가압은 제 2 포일 요소(124)를 외측 방향으로 강제하므로, 그것은 다시 제 1 포일 요소(120)를 외측 방향으로 강제하여 그 포일 요소가 개방되고 시계 반대 방향으로, 즉, 제 2 포일 요소(124)의 방향과 반대인 방향으로 움직이게 한다. 당업자들이 이해하는 바로서, 포일 요소들을 서로 반대인 방향으로 움직이는 것은 같은 원주 방향으로 움직이는 것보다 큰 에너지의 분산과 댐핑을 달성하는데, 상기 같은 원주 방향으로 움직이는 것은 포일의 층들이 그것의 장착부로부터 같은 방향으로 연장되는 경우이거나, 또는 등가적으로, 포일들이 단일의 코일화된 요소의 근접한 층들을 구비하는 경우에 그러하다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 포일 요소(120,124)의 외측으로의 운동은, 유체 필름으로부터의 압력 하에, 포일 요소(120,124)들을 스프링(126)에 대하여 강제하 여, 스프링(126)이 외측 방향으로 개방되고 전체적으로 시계 방향으로 움직이게 한다. 제 1 포일 요소(120)는 가압되었을 때 전체적으로 시계 반대 방향으로 움직이기 때문에, 스프링(126)과 제 1 포일 요소(120)의 반대되는 운동에 기인한 향상된 쿨롱 댐핑이 달성된다.

도 4 는 쿨롱 댐핑의 문제와 관련된 다른 구현예를 도시한 것이다. 상세하게는, 제 2 포일 요소(124)가 이러한 구현예에서 제 1 포일 요소(120)의 반경 방향 외측으로 그리고 그에 동심으로 고리형 간격(116)의 안에 제공된다. 따라서 스프링(126)은 제 2 포일 요소(124)에 근접하며, 그렇게 함으로써 그에 대하여 반경 방향 방향 외측으로 그리고 그에 동심으로 배치된다. 따라서 저널(114)에 대한 교란은 제 2 포일 요소(124)와 스프링(126)의 정점들 사이에서뿐만 아니라, 제 1 과 제 2 포일 요소들(120,124) 사이의 쿨롱 댐핑에 의해 부분적으로 댐핑된다. 도시된 바와 같이, 제 1 포일 요소(120)는 스프링(126)의 방향과 반대인 원주 방향으로 연장된다. 제 2 포일 요소(124)는 스프링(126)과 같은 원주 방향이지만, 제 2 포일 요소(120)로부터 반대인 원주상의 방향으로 주행한다.

부가적인 포일의 층들이 고리형 간격(116) 안에 제공될 수도 있다. 바람직스럽게는, 근접한 포일들이 교번하는 방식으로 반대되는 원주 방향으로 연장될 것이다. 그러나, 본 발명은 같은 방향으로 연장되는 근접한 포일 요소들을 수용할 수 있다. 예를 들면, 도 2 내지 도 4 에 도시된 제 1 및 제 2 포일 요소(120,124)는, 스프링(126)이 반대의 원주 방향으로 연장되고 그리고/또는 부가적인 포일 요소가 제 1 및 제 2 포일 요소(120,124)들의 원주 방향에 반대인 원주 방향으로 연장된 스프링(126)의 반경 방향 내측으로 그리고 그에 동심으로 배치된 상태에서, 핀(130) 또는 굽힘부(134)로부터 같은 원주 방향으로 연장될 수 있다. 부가적인 포일 요소들이 바람직스럽게는 포일 조립체의 회전 방지 핀을 형성하고 그에 부착된 플랜지 부분들을 구비한다.

유지 요소(112), 저널(114), 포일 요소(120,12) 및 스프링(126)의 치수들은 물론 베어링(110)의 적용과 예상된 하중에 달려있다. 예를 들면, 2 인치의 직경을 가진 베어링(110)은 공기 사이클의 공기 조화 시스템을 위한 40,000 RPM 터보 콤프레서 장치에 채용될 수 있다. 2 인치 직경 베어링을 위한 포일 요소(120,124)들은 0.002 내지 0.010 인치 정도의 두께일 수 있으며, 스프링(126)은 대략 같은 두께를 가질 수 있다. 마찬가지로, 핀(130) 또는 굽힘부(134)가 바람직스럽게는 베어링(110)의 크기 및 직경과 함께 변화하게 되는 길이로 반경 방향으로 포일 요소들로부터 이격되게 연장된다. 위에 기재된 바와 같이, 슬롯(118)은 결합된 핀(130)과 스프링 플랜지 부분(132)에 보완되는 형상과 폭을 가지거나, 또는 결합된 굽힘부(134)와 스프링 플랜지 부분(132)에 보완되는 형상과 폭을 가진다. 위에 더 기재된 바와 같이, 슬롯(118)의 깊이가 바람직스럽게는 핀(130)의 단부 또는 굽힘부(134)와 슬롯(118)의 저부 사이에 간격(예를 들면, 0.030 인치)이 있도록 핀(130) 또는 굽힘부(134)의 길이 보다 큰 것이 바람직스럽다.

핀(130)의 형성 방법은 물론 포일 요소(120,124)들에 사용된 재료들에 달려있다. 이들 요소들이 금속 재료로 형성될 경우에 용접과 브레이징이 바람직스럽다. 바람직스럽게는, 스프링(126) 뿐만 아니라 포일 요소(120,124)들이 INCONEL (등록 상표)로부터 형성되지만, 그 어떤 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로부터 제조될 수도 있다.

본 발명에 대한 상기의 설명과 구현예들은 예시와 설명의 목적으로 제시되었으며 본 발명을 개시된 형태에 제한하거나 또는 남김 없는 것으로 의도되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 당해 기술 분야의 당업자들이 인식하는 바로서, 본 발명의 넓은 범위로부터 이탈함이 없이 다양한 변화와 변형이 상기 설명된 구현예들에 대하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 유체 역학적 유체 필름 베어링에서는 열쇠가 제거되었기 때문에, 포일 베어링의 제조가 보다 용이하다. 즉, 종래 기술에서 포일을 용접하는데 2 번의 작업이 필요한데 비해 본원 발명에서는 단일의 작업으로 포일을 용접하는 것이 가능하며, 따라서 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한 본 발명의 회전 방지 핀은 베어링의 고장 위험이나 또는 하중 유지 성능의 저하 없이, 굽혀지거나, 경사지거나, 또는 비틀릴 수 있다. 더욱이, 곤란한 장소(hard)에 기인한 고장의 위험성은 열쇠의 제거에 의해 감소되며, 회전 방지 핀의 사용은 높은 순응성, 높은 하중 성능 및, 핀의 방향에서조차 베어링의 고충격 저항 성능을 유지할 수 있다.

Claims

샤프트 저널(114)을 수용하기 위한 실린더형 개구(116)를 형성하며 길이 방향으로 연장된 슬롯(118)을 구비하는 내측 표면을 가진 정지 상태의 유지 부재(112);

실린더형 개구(116)의 제 1 부분 안에 배치되어 상기 제 1 부분을 라이닝(lining)하는, 전체적으로 실린더형인 제 1 포일 요소(120);

실린더형 개구(116)의 제 2 부분 안에 배치되어, 상기 제 2 부분을 라이닝하는, 전체적으로 실린더형인 제 2 포일 요소(124)로서, 제 2 포일 요소(124)와 제 1 포일 요소(120)가 열쇠 결여된 상태로(without key) 서로 부착되어 유지 부재(112)를 향하여 전체적으로 반경 방향으로 연장됨으로써 유지 부재의 슬롯(118) 안에 장착되는 회전 방지용 핀(130)을 형성하는, 제 2 포일 요소(124); 및,

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)로부터 반경 방향 외측으로, 그리고 제 1 포일 요소와 제 2 포일 요소에 대하여 전체적으로 동심으로(concentric) 실린더형 개구(116)내에 배치된 전체적으로 실린더형인 탄성의 지원 부재(126);를 구비하고,

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)가 실린더형 개구(116) 안에서 슬롯(118)으로부터 반대의 원주 방향으로 연장되어 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는, 샤프트 저널을 회전 가능하게 지지하기 위한 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
삭제
제 1 항에 있어서,

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)는 핀(130)을 형성하도록 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
제 1 항에 있어서,

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)는 슬롯(118) 안에서 서로 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
제 1 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)는 원주 방향에 전체적으로 법선인 반경 방향으로 상기 탄성의 지원 부재(126)로부터 돌출된 플랜지 부분(132)을 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
제 5 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)의 플랜지 부분(132)은 슬롯(118) 안에 배치되어서, 탄성의 지원 부재(126)를 회전에 대하여 억제시키는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링.
제 5 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)의 플랜지 부분(132)은 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)에 의해 형성된 핀(130)에 부착되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
제 7 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)의 플랜지 부분(132)은 핀(130)에 용접되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
제 1 항에 있어서,

제 1 포일 요소(120)는 제 1 포일 요소의 반경 방향 내측 표면상에서 낮은 마찰의 코팅을 유지하는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
제 1 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)는 물결 주름 형상을 가지는 포일 부재인 것을 특징으로 하는, 유체 역학적 유체 필름 베어링(110).
전체적으로 실린더형인 제 1 포일 요소(120)로서, 제 1 포일 요소(120)의 원주 방향에 전체적으로 법선인 반경 방향으로 상기 제 1 포일 요소로부터 돌출된 핀 부분 및, 핀 부분으로부터 원주 방향으로 연장된 가요성 부분(flex portion)을 가지는 제 1 포일 요소(120); 및

전체적으로 실린더형인 제 2 포일 요소(124)로서, 제 2 포일 요소(124)의 원주 방향에 전체적으로 법선(normal)인 반경 방향으로 상기 제 2 포일 요소(124)로부터 돌출된 핀 부분 및, 핀 부분으로부터 원주 방향으로 연장된 가요성 부분(flex portion)을 가지는 제 2 포일 요소(124);를 구비하며,

제 2 포일 요소(124)의 가요성 부분이 제 1 포일 요소(120)의 가요성 부분으로부터 반경 방향 내측으로 배치된 상태로, 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)의 가요성 부분들이 중첩된 부분들을 가지고,

제 1 포일 요소(120)의 핀 부분이 제 2 포일 요소(124)의 핀 부분에 부착되어 회전 방지용 핀(130)을 형성하고, 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)의 개별적인 가요성 부분들이 핀(130)으로부터 반대의 원주 방향으로 연장되는, 샤프트의 저널(journal)을 위한 베어링 하우징 안에 지지되도록 적합화된, 열쇠 결여(keyless) 방식의 유체 역학적 유체 필름 베어링 포일 조립체.
제 11 항에 있어서,

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)의 개별의 핀 부분들은 함께 용접되는 것을 특징으로 하는, 열쇠 결여(keyless) 방식의 유체 역학적 유체 필름 베어링 포일 조립체.
제 11 항에 있어서,

전체적으로 원주 방향으로 연장되고, 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)에 전체적으로 동심으로 제 1 포일 요소와 제 2 포일 요소로부터 반경 방향 외측으로 배치된 탄성의 지원 부재(126)를 더 구비하는, 열쇠 결여(keyless) 방식의 유체 역학적 유체 필름 베어링 포일 조립체.
제 13 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)는, 원주 방향에 전체적으로 법선인 반경 방향으로 상기 탄성의 지원 부재로부터 돌출되고 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)의 핀(130)에 부착된 핀 부분을 더 구비하는, 열쇠 결여(keyless) 방식의 유체 역학적 유체 필름 베어링 포일 조립체.
제 13 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)는, 반경상 근접한 포일 요소와 반대의 원주 방향으로 회전 방지용 핀(130)으로부터 연장되는, 열쇠 결여(keyless) 방식의 유체 역학적 유체 필름 베어링 포일 조립체.
제 13 항에 있어서,

탄성의 지원 부재(126)는, 반경상 근접한 포일 요소와 동일한 원주 방향으로 회전 방지용 핀(130)으로부터 연장되는, 열쇠 결여(keyless) 방식의 유체 역학적 유체 필름 베어링 포일 조립체.
샤프트 저널(114)을 수용하기 위한 실린더형 개구(116)를 형성하며 길이 방향으로 연장된 슬롯(118)을 구비하는 내측 표면을 가진 정지 상태의 유지 부재(112);

실린더형 개구(116)내에 배치된, 전체적으로 실린더형인 제 1 포일 요소(120);

제 1 포일 요소(120)에 전체적으로 동심(concentric)인 실린더형 개구내에 배치된 전체적으로 실린더형인 제 2 포일 요소(124)로서, 열쇠 결여 방식으로 제 1 포일 요소(120)에 부착되어 회전이 억제되도록 유지 부재(112)의 슬롯(118) 안으로 전체적으로 반경 방향으로 연장된 회전 방지용 핀(130)을 형성하는, 제 2 포일 요소(124); 및

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)로부터 반경 방향 외측으로, 그리고 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)에 대하여 전체적으로 동심으로 실린더형 개구(116) 안에 배치된 전체적으로 실린더형인 탄성의 지원 부재(126);를 구비하고,

제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124)는 실린더형 개구(116) 안에서 슬롯(118)으로부터 반대의 원주 방향으로 연장되고 서로 중첩되며,

베어링 안의 쿨롱 댐핑은, 제 1 포일 요소(120)와 제 2 포일 요소(124) 사이에서 반대의 원주 방향으로 마찰시켜서 접촉하는 것에 의해, 그리고 탄성의 지원 부재(126)와 제 1 포일 요소 및 제 2 포일 요소들중 적어도 어느 하나 사이에서 반대의 원주 연장 방향으로 마찰시켜서 접촉시키는 것에 의해 이루어지는, 샤프트 저널을 회전 가능하게 지지하기 위한 유체 역학적 유체 필름 베어링.