KR100954066B1

KR100954066B1 - 에어 포일 스러스트 베어링

Info

Publication number: KR100954066B1
Application number: KR1020100008469A
Authority: KR
Inventors: 최충기
Original assignee: 최충기
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-04-20

Abstract

본 발명은 각종 터보기기 내지 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서, 판재를 일정 간격으로 접어서 절곡부를 형성한 범프포일(20)을 포함하는 것을 특징으로 것을 기술적 특징으로 한다.
이에 의해 에어 포일 베어링의 구조가 간단하여 제품의 생산성이 향상되고, 제조 공정이 간소화되어 비용이 절감되며, 더욱이 터보기기의 작동간에 에어 포일 베어링의 범프포일이 단락될 우려가 없다.

Description

에어 포일 스러스트 베어링 {A AIR FOIL THRUST BEARING}

본 발명은 고속으로 회전하는 회전체의 축을 지지하기 위해 사용되는 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 회전축이 장착되는 베어링 하우징과 러너 베어링 사이에 설치되는 스러스트 베어링에 있어서, 수평으로 요동되는 러너 베어링을 탄성지지하기 위한 범프포일을 적정의 간격으로 접어서 절곡부를 만든 에어 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다.

통상적으로 회전되는 회전체의 축 방향 또는 반경 방향으로 에어 포일 베어링이 설치되는데, 이러한 에어 포일 베어링은 설치된 에어 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 구조의 에어 포일 저널 베어링(journal bearing)과, 상기 저널 베어링이 내부에 구비된 하우징의 일측면에 설치되는 판 형태의 에어 포일 스러스트 베어링(thrust bearing)이 있다.

이러한 에어 포일 베어링은 주로 고속으로 회전하는 회전체의 축을 지지하기 위한 용도로 사용되고 있는데, 5 ~ 15만 RPM 가량의 고회전을 하는 터보 기기에 적용되던 기존의 볼 베어링이나 유체막 베어링 등을 대체하여 적용되며, 또한 산업용 소형 터보기기, 공기 및 가스 압축기와, 터보 블로워 등 공기 사이클 기계에 적용되고 있다.

이중에서 에어 포일 스러스트 베어링은 고속으로 회전하는 회전축이 수평의 방향으로 요동하는 것을 제한하기 위해 베어링 하우징의 측면에 설치되는데, 이러한 에어 포일 스러스트 베어링의 예로서 한국등록특허 제10-0590139호(포일 스러스트 베어링)가 개시되어있다.

상기 기술은 도 1에서와 같이, 중심부에 관통공(110)이 형성된 박판의 원형 베이스 포일 패드(100)와, 상기 베이스 포일 패드(100)의 상면에 부착되는 다수의 범프포일(210)과, 상기 범프포일이 구비되는 범프포일 패드(200)와, 3~4개의 범프포일을 덮도록 구성되며 회전기기의 회전축을 지지하기 위한 복수의 탑포일(300)로 이루어진다.

상기 범프포일(210)은 베이스 포일 패드(100)에 일단이 고정되도록 스폿 용접으로 고정되어 있고, 탑포일(300)과 더불어서 부채꼴 형상으로 이루어져 있으며, 탑포일(300)은 범프포일(210)의 상부면에 스폿 용접으로 고정된다.

이러한 스러스트 베어링은 탑포일에 덮어진 범프포일의 자유단이 경사지게 상승하도록 물결형상으로 요철부가 형성되어 있는데, 이러한 범프포일은 회전축의 초기 구동시 회전축을 탑포일과 범프포일의 탄성력에 의해 지지하고, 고속회전시에는 회전축과 탑포일 사이에 공기층이 형성되면서 회전축의 수평으로의 유동을 탄성 지지하게 된다.

그러나 종래의 에어 포일 스러스트 베어링은 범프포일과 탑포일을 베이스 포일 패드에 스폿 용접하여 고정하므로, 이 용접부가 단락되면 범프포일 또는 탑포일이 터보기기 작동 간에 떨어질 수 있고, 떨어진 부속이 고속으로 회전하는 회전축 등에 끼이면서 터보기기를 파손시키게 된다.

더욱이 범프포일에 형성된 물결 형상의 요철부는 회전샤프트의 고회전과 고열에 의해 러너베어링의 요동에 의해 압력을 받아 눌리면서 변형되어 그 본래의 기능을 유지하기 어렵고, 이처럼 눌린 요철부는 원래대로 복원되지 않아 축을 탄성지지하지 못하게 되고, 이에 의해 터보기기가 파손되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명은 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서, 범프포일의 탄성력이 러너베어링의 요동과 고열에 의해 저하되어 본래의 기능을 쉽게 상실하던 문제를 해소한 에어 포일 스러스트 베어링을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한 범프포일을 사용하여 포일패드와 탑포일의 구성없이 단독으로 에어 포일 스러스트 베어링의 기능을 수행할 수 있는 개선된 구조의 에어 포일 스러스트 베어링을 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적에 따른 본 발명은 각종 터보기기 내지 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서, 박판을 일정 간격으로 접어서 절곡부를 형성한 범프포일을 포함하는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 범프포일은 러너 베어링과 베어링 하우징 사이에 설치되는 원판형의 포일패드와; 상기 포일패드와 러너 베어링 사이에 개재되는 범프포일과; 상기 범프포일의 상부면에 안착되는 탑포일을 포함하여 실시될 수 있고, 다른 예로는 러너 베어링과 베어링 하우징 사이에 설치되는 범프포일로 구성되되; 상기 범프포일은 서로 다른 방향으로 접은 2개 이상의 범프포일로 실시될 수 있다.

본 발명의 사용으로 각종 터보기기와 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서, 고속으로 회전되는 회전샤프트에 의해 고열이 발생되고, 이렇게 온도가 높은 상태에서 러너 베어링이 수평으로 요동되어 에어 포일 스러스트 베어링을 한쪽 방면으로 강하게 누르더라도 탄성지지하는 범프포일의 절곡부의 변형 없이 오랫동안 지지할 수 있다.

또한 본 발명의 범프포일을 포일패드와 탑포일의 구성없이 러너 베어링과 베어링 하우징 사이에 단독으로 설치하여도 스러스트 베어링의 기능을 수행 할 수 있으며, 이 경우에는 러너 베어링의 회전방향에 따라 좌우측의 범프포일 및 탑포일의 방향을 구분하지 않아도 되므로 더욱 간단한 구조의 에어 포일 스러스트 베어링을 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 에어 포일 스러스트 베어링의 예를 보인 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 예를 보인 사시도,
도 3(a, b)는 본 발명에 따른 탑포일과 범프포일을 보인 사시도,
도 4(a, b)는 본 발명에 따른 범프포일의 절곡부를 보인 단면도,
도 5(a, b, c)는 본 발명에 따른 절곡부의 다른 실시예를 보인 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 에어 포일 스러스트 베어링이 설치된 예를 보인 분리된 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 에어 포일 스러스트 베어링이 적용된 설치 단면도,
도 8(a, b)는 본 발명에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 다른 실시예를 보인 사시도,
도 9(a, b)는 도 8(a, b)의 평면도 및 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 다른 실시예가 적용된 분리된 사시도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 도시한 첨부도면을 통해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 에어 포일 스러스트 베어링(이하 "스러스트 베어링"이라 한다)에 있어서, 범프포일의 절곡부 구조를 개선하여 범프포일이 강하게 눌리더라도 이를 변형 없이 오랫동안 지지할 수 있는 스러스트 베어링을 제공하기 위해, 박판을 일정 간격으로 접어서 절곡부(24)를 형성한 범프포일(20)을 포함한다.

상기 범프포일(20)을 적용하여 스러스트 베어링을 구현하는 방안으로서, 본 발명은 2가지의 실시예를 제공하는데, 이하에서는 이러한 실시예를 따라 더욱 상세히 설명하기로 한다.

<제1실시예>

스러스트 베어링은 도 2에서와 같이 원판 형상의 포일패드(10)가 구비되고, 그 위로 다수개의 범프포일(20A)이 안착되며, 상기 범프포일(20A) 위로 탑포일(30)이 안착 고정되는 구조로 이루어진다.

포일패드(10)는 일반적인 베어링 하우징(2)을 한쪽 측면에 설치 고정되며, 러너 베어링(1)와 마주되고, 후술하는 범프포일(20A)과 탑포일(30)을 고정하는 구성이다.

여기서 상기 범프포일(20A)과 탑포일(30)은 도 3(a, b)에서와 같이 부채꼴 형상의 판재로 이루어지고, 그 한쪽 끝단에 스폿용접이 가능하도록 적정 폭의 용접부(23, 31)가 형성되며, 상기 포일패드(10)의 상부면에 범프포일(20A)의 용접부(23)가 맞닿아 용접되고, 상기 용접부(23)의 상부면으로 탑포일(30)의 용접부(31)가 적층되어 용접된다.

상기 범프포일(20A)은 하나의 판재를 적정의 간격을 두고 절곡하여 절곡부(24)를 형성함으로서, 수평으로 요동되는 러너 베어링(1)을 탄성지지하도록 구성되는데, 이 절곡부(24)는 도 4(a)에서와 같이 그 단면형상이 서로 단차를 갖도록 수직으로 절곡되는 2개의 측벽(H1, H2)과; 상기 측벽(H1, H2)의 각각 상단이 수평의 길이를 갖도록 절곡되어 형성되는 2개의 평판부(W1, W2)와; 상기 평판부(W1, W2)의 다른 끝단이 서로 연결되는 수직 절곡된 단부(H3)가 형성되되; 상기 측벽(H1, H2), 평판부(W1, W2), 단부(H3)는 하나의 박판을 절곡하여 일체로 형성된다.

이와 같은 절곡부(24)는 도 4(b)에서와 같이 그 상부면이 강한 압력에 의해 눌리게 되면, 절곡부(24)의 휨이 발생하면서 탄성지지하게 되는데, 이때 측벽(H1)의 휨이 발생하는 경우에도 이와 높이를 달리하는 다른 측벽(H2)과 단부( H3)는 휨이 발생하지 않고, 단순히 평판부(W1, W2)의 기울어짐에 의해 적정 폭의 탄력적인 수축이 가능하다.

이에 의해 휨이 발생하는 측벽(H1)의 경우에도 과도한 휨 변형을 방지할 수 있으며, 또한 다른 측벽(H2)과 단부(H2)에도 휨이 발생할 정도로 강한 압력이 가해지더라도, 그 압력이 해제되면 측벽(H1, H)과 단부(H3)가 복귀하려는 힘이 발생하면서 원형으로의 복귀가 순조롭게 이루어진다.

상기 구조에 의해 수평으로 요동되는 러너 베어링(1)이 상기 스러스트 베어링(3)을 강하게 눌러 압착하여도 각각의 측벽(H1, H2)과 단부(H2)가 이 힘을 분산 지지하고, 또한 원래대로 복귀하려는 힘을 제공하므로 범프포일(20A)의 절곡부(24)가 쉽게 변형되지 않는다.

따라서 본 발명은 상기와 같이 하나의 박판을 이용하여 서로 다른 높이를 갖는 측벽(H1, H2, H3)과 이를 연결하는 평판부(W1, W2)를 형성하고, 이를 범프포일(20A)에 적용될 수 있도록 부채꼴 형상으로 재단함으로서 탄성지지력이 보강된 스러스트 베어링이 제조된다.

상기 절곡부(24)의 다른 예로는 도 5(a)에서와 같이 사각의 홈(24A)과 돌출부(24B)가 교대로 반복하여 형성된 범프포일(20B)로 실시될 수 있는데, 이 경우에는 사각 양측벽의 휨 정도를 이용하여 탄성지지하게 된다.

또 다른 예로는 도 5(b)에서와 같이 절곡부(24)가 서로 다른 높이를 가지며 상하로 적층되는 바닥층(F₁)과 중간층(F₂) 및 상부층(F₃)을 갖고, 이 바닥층(F₁)의 일단은 상부층(F₃)의 일단과 연결되며, 상부층(F₃)의 다른 끝단은 중간층(F₂)의 일단과 연결되고, 중간층(F₂)의 다른 끝단은 바닥층(F₁)의 다른 끝단과 연결되며, 각 층이 연결되는 연결부는 박판이 구부러져 곡면부(R)가 형성된 범프포일(20C)로 실시될 수 있다.

상기 범프포일(20C)은 바닥층(F₁)과 중간층(F₂) 및 상부층(F₃)으로 이루어지도록 접어진 박판과 상기 각 층간을 연결하는 곡면부(R)를 이용해 각층이 적정의 탄성력에 의해 이격되어 있는데, 범프포일(20C)이 눌리게 되면, 이러한 각층이 서로 밀착되면서 충격을 흡수하게 되고, 범프포일(20C)을 누르는 힘이 해소되면 곡면부(R)의 탄성복원력에 각층이 서로 이격된다.

이러한 구조에 의해 범프포일(20C)이 강한 압력을 받더라도 각 곡면부(R)에 가해지는 압착력은 각층이 서로 밀착되면서 적정의 한도 내로 제한하게 되므로 곡면부(R)의 복원이 불가능한 정도로 심하게 압착되는 것을 방지할 수 있고, 이 때문에 범프포일(20C)의 절곡부(24)가 쉽게 변형되지 않는다.

절곡부(24)의 또 다른 실시예로는 도 5(c)에서와 같이 상판(H_F)과 하판(L_F)을 갖고, 상기 상판(H_F)의 양단이 양측의 하판(L_F)의 끝단과 경사부(A)를 갖도록 연결되어 상판(H_F)과 하판(L_F)이 삼각형과 역삼각형이 교대로 배열된 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 범프포일(20D)로 실시될 수 있다.

상기 범프포일(20D)은 상판(H_F)이 회전축 또는 탑포일과 마주하도록 설치되고, 이 상판(H_F)이 압력에 의해 눌리면 양단의 경사부(A)가 눌리면서 상판(HF)이 하판(LF)측으로 밀리면서 2개의 경사부(A)에 의해 탄성 지지된다.

이와 같은 일예의 스러스트 베어링은 도 6에서와 같이 베어링 하우징(2)과 러너 베어링(1) 사이에 위치되되, 베어링 하우징(2)은 그 측면으로 다수 돌출 형성된 고정핀(2A)이 더 구비되고, 상기 포일패드(10)에는 이 고정핀(2A)이 삽입될 수 있는 고정플랜지(11)가 다수 형성된다.

이에 따라 포일패드(10)를 베어링 하우징(2)의 측면에 위치시켜 고정하고, 이와 마주하여 러너 베어링을 밀착하여 설치 고정하여 사용된다.

이러한 본 발명은 도 7에서와 같이 고속 회전되는 터보기기의 회전축(5)에 외부로 삽입되는 베어링 하우징(2)이 설치되고, 상기 베어링 하우징(2)의 측면에는 스러스트 베어링이 위치되며, 이와 마주하여 러너 베어링(1)이 설치되고, 또한 회전축과 베어링 하우징(2) 사이에는 저널 베어링이 위치되어 회전축의 고속회전으로 인해 러너 베어링이 수평으로 요동되더라도 러너 베어링(1) 양측방면에 설치된 스러스트 베어링(3)이 이를 탄성지지하여 러너 베어링(1)의 요동을 제한한다.

<제2 실시예>

상기 범프포일(20)은 도 8(a, b)와 도 9에서와 같이 스러스트 베어링의 포일패드(10)와 탑포일(30)의 구성을 삭제하고 단독으로 사용되는 범프포일(20)로서, 이를 위해 서로 다른 방향으로 2개 이상의 범프포일패드(21, 22)로 접어 실시된다.

이러한 2개의 범프포일패드(21, 22)는 별도로 서로 체결하거나 용접하지 않고, 단순히 베어링 하우징(2) 측면에 돌출 형성된 고정핀(2A)이 삽입될 수 있는 다수의 체결공(25)이 범프포일패드(21, 22)간에 형성되어 있고, 이를 서로 끼워 양자를 밀착한 뒤, 이를 마주하여 러너 베어링(2)을 설치하는 것으로 간단하게 설치된다.

이때 상기 범프포일패드(21, 22)는 하나의 박판을 한쪽 방향으로 접어 절곡부(24)를 형성하고, 이 판을 범프포일패드(21, 22)의 형상에 맞게 원반형으로 제단한 뒤, 이를 반으로 자르고, 서로 반대 방향의 판으로 바꾸어 한 쌍의 범프포일패드(21, 22)를 구성한다.

상기와 같은 범프포일패드(21, 22)는 도 10에서와 같이 베어링 하우징(2)의 측면에 돌출 형성되는 고정핀(2A)에 체결공(25)을 맞추어 조립 고정하고, 이에 마주하여 러너 베어링(1)을 밀착 설치함으로서 범프포일패드(21, 22)가 유동되지 않고 베어링 하우징(2)과 러너 베어링(1) 사이에 설치된다.

이러한 범프포일(20)은 러너베어링(1)의 회전방향과 무관하게 양방향 회전에 모두 적용 가능한 구조이므로 설치가 용이하고, 탑포일과 포일패드의 구성없이 그 기능을 수행하므로 제조비용과 시간을 절약할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 에어 포일 스러스트 베어링이 사용 중에 강한 압력에 의해 변형되어 탄성지지하는 힘이 불규칙적으로 달라지는 문제를 해소하고자, 변형이 쉽지 않는 절곡부(24)를 형성하고, 이에 의해 회전축이 파손되는 문제를 해소할 수 있다.

1: 러너 베어링 2: 베어링 하우징
2A: 고정핀 3: 스러스트 베어링
4: 저널 베어링 5: 회전축
10: 포일패드 11: 고정플랜지
20, 20', 20A, 20B, 20C, 20D: 범프포일 21, 22: 범프포일패드
23: 용접부 24: 절곡부
24A: 홈 24B: 돌출부
25: 체결공 30: 탑포일
31: 용접부 H1, H2: 측벽
H3: 단부 W1, W2: 평판부
F₁: 바닥층 F₂: 중간층
F₃: 상부층 R: 곡면부
H_F: 상판 L_F: 하판
A: 경사부

Claims

삭제
각종 터보기기 또는 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서,
박판을 일정 간격으로 접어서 절곡부(24)를 형성한 범프포일(20)을 포함하되;
상기 범프포일(20)은 절곡부(24)의 단면형상이 서로 단차를 갖으며 수직으로 절곡되어 형성되는 2개의 측벽(H1, H2)과;
상기 측벽(H1, H2)의 각각 상단이 수평의 길이를 갖도록 절곡되어 형성되는 2개의 평판부(W1, W2)와;
상기 평판부(W1, W2)의 다른 끝단이 서로 연결되도록 수직 절곡된 단부(H3)가 형성되되;
상기 측벽(H1, H2), 평판부(W1, W2), 단부(H3)는 하나의 박판을 절곡하여 일체로 형성된 범프포일(20A)인 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
각종 터보기기 또는 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서,
박판을 일정 간격으로 접어서 절곡부(24)를 형성한 범프포일(20)을 포함하되;
상기 범프포일(20)은 절곡부(24)의 단면형상이 사각의 홈(24A)과 돌출부(24B)가 교번하여 형성된 범프포일(20B)인 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
각종 터보기기 또는 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서,
박판을 일정 간격으로 접어서 절곡부(24)를 형성한 범프포일(20)을 포함하되;
상기 범프포일(20)의 절곡부(24)는 서로 다른 높이를 가지며 상하로 적층되는 바닥층(F₁)과 중간층(F₂) 및 상부층(F₃)을 갖고, 이 바닥층(F₁)의 일단은 상부층(F₃)의 일단과 연결되며, 상부층(F₃)의 다른 끝단은 중간층(F₂)의 일단과 연결되고, 중간층(F₂)의 다른 끝단은 바닥층(F₁)의 다른 끝단과 연결되며, 각 층이 연결되는 연결부는 박판이 구부러져 곡면부(R)가 형성된 범프포일(20C)인 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
각종 터보기기 또는 공기사이클 기기 등에 사용되는 에어 포일 스러스트 베어링에 있어서,
박판을 일정 간격으로 접어서 절곡부(24)를 형성한 범프포일(20)을 포함하되;
상기 범프포일(20)의 절곡부(24)는 상판(H_F)과 하판(L_F)을 갖고, 상기 상판(H_F)의 양단이 양측의 하판(L_F)의 끝단과 경사부(A)를 갖도록 연결되어 상판(H_F)과 하판(L_F)이 삼각형과 역삼각형이 교대로 배열된 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 범프포일(20D)인 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
삭제
청구항 2 내지 청구항 5 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 범프포일(20)은 러너 베어링(1)과 베어링 하우징(2) 사이에 단독으로 설치되고;
상기 범프포일(20)은 서로 다른 방향으로 접은 2개 이상의 범프포일패드(21, 22)로 구성된 범프포일(20')인 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
청구항 7에 있어서,
상기 범프포일(20')은 베어링 하우징(2)의 일 측면에 다수개의 고정핀(2A)이 배열되고;
상기 범프포일패드(21, 22)에는 고정핀(2A)에 삽입되는 체결공(25)이 형성되어 범프포일패드(21, 22)가 베어링 하우징(2)의 측면에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.