KR101070892B1 - 에어 포일 베어링 및 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조 - Google Patents

에어 포일 베어링 및 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 성능과 댐핑 능력을 향상시켜 회전 안정성을 증가시킨 에어 포일 베어링 및 그 공기 공급 구조를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위하여, 회전축을 수용하는 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 길이 방향의 중간 부분으로 압축공기를 공급할 수 있도록 적어도 하나 이상의 공기 주입구가 형성되며, 내면에 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬롯이 형성된 슬리브 및 상기 슬롯에 일단부가 결합되어지고 슬리브의 내면에 원주 방향을 따라 배치된 적어도 하나의 에어 포일을 포함하는 에어 포일 베어링을 제공한다. 또한, 회전축을 수용하는 중공부가 형성되고, 그 길이 방향의 중간부에 상기 중공부로 압축공기를 공급할 수 있도록 적어도 하나 이상의 공기 주입구가 형성되고 내면에 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬롯이 형성된 슬리브, 상기 슬롯에 일단부가 고정 설치되는 적어도 하나의 에어 포일, 상기 슬리브가 결합되고 상기 공기 주입구와 연결되는 공기 유로가 형성된 하우징, 및 상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구를 통해 상기 슬리브 내로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조를 제공한다.

Description

에어 포일 베어링 및 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조{Air foil bearing and structure for supplying air into it}
도 1에는 종래의 에어 포일 베어링의 냉각공기 흐름을 보여주는 단면도가 도시되어 있고,
도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 자른 단면도가 도시되어 있고,
도 3에는 본 발명에 따른 에어 포일 베어링 및 그 공기 공급 구조를 설명하는 단면도가 도시되어 있고,
도 4에는 도 3의 IV부분의 확대도가 도시되어 있고,
도 5에는 도 4의 V-V 방향에서 바라본 단면도가 도시되어 있으며, 그리고
도 6에는 본 발명의 다른 실시예의 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조를 성명하는 단면도가 도시되어 있다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200: 에어 포일 베어링 101, 201: 에어 포일
102, 202: 간극 103, 203: 슬롯
104, 204: 슬리브 110, 210: 하우징
120: 회전축 205: 공기 주입구
206: 공기 유로 연결 홈 207: 슬리브 양단부
211: 공기 유로
본 발명은 고속 회전체에 사용되는 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각 성능과 댐핑 능력을 향상시켜 회전 안정성을 향상시킨 에어 포일 베어링 및 그 공기 공급 구조에 관한 것이다.
에어 포일 베어링은 압축기(compressor), 블로어(blower), 모터 또는 발전기 등에 사용되는 회전축과 같은 고속의 회전체를 지지하기 위해 사용된다.
도 1에는 종래의 에어 포일 베어링의 냉각공기 흐름을 보여주는 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 에어 포일 베어링의 II-II 선을 따라 자른 단면도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이 에어 포일 베어링(100)은 하우징(110)에 결합되어 회전축(120)을 지지한다. 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 에어 포일 베어링(100)은 상기 회전축(120)이 고속으로 회전할 때, 고속 회전에 의해 상기 회전축(120)과 고정자(stator)인 슬리브(104)간의 작은 간극(101)에서 발생되는 압력장에 의해 회전축(120)이 부상하도록 하여 회전축(120)을 회전 가능하게 지지하게 된다. 회전 중에 상기 회전축(120)과 상기 슬리브(104) 간의 간극(101)은 일정하게 유지된다. 에어 포일 베어링의 불안정성(instability) 문제를 해결하기 위해 회전축과 고정자 사이에는 얇은 에어 포일(101)이 개재된다.
이러한 에어 포일 베어링(100)은 회전축이 고속으로 회전하고 작은 간극(101)에서 급격하게 속도 구배(공기 압력 구배)가 변화하기 때문에 동작 중에 많은 열이 발생하게 되어 적절히 냉각해줄 필요가 있다. 종래에는 도 1에 화살표로 도시된 것과 같이, 냉각을 위해 베어링의 중공부 길이 방향으로 일단부에서 타단부로 냉각 공기를 공급하여 베어링의 작은 간극(101)에서 발생되는 열을 냉각시켜왔다.
통상 에어 포일 베어링(100)과 회전축(120)이 결합된 부분에서 발생하는 열은 베어링의 중앙부분에서 가장 많고, 양단부로 갈수록 적다. 종래의 공기 공급 구조에 따르면, 비교적 열이 적게 발생하는 일단부로부터 열이 더 많이 발생하는 중앙부분으로 냉각 공기가 공급되게 되고, 다시 비교적 발열량이 적은 타단부로 냉각 공기가 통과하게 된다. 따라서, 회전축에서의 온도는 공기가 주입되는 일단부로부터 타단부로 갈수록 높아지도록 분포하게 되고, 열팽창에 의해 간극의 폭은 공기 주입구 부분이 더 좁고 후방으로 갈수록 넓어지는 쐐기 모양이 된다. 이는 회전축의 회전 안정성을 해치게 되어 이를 해결할 방안을 마련할 필요성이 대두되고 있다.
한편, 통상적으로 에어 포일 베어링은 회전축의 회전 진동을 감쇠시키는 댐핑(damping) 능력이 떨어지는 경우, 회전축이 굽힘 임계 속도(bending critical speed)를 통과할 때 큰 진동이 발생하고, 베어링 코팅제의 마모와 회전축과 고정자의 러빙(rubbing) 현상 등의 문제가 발생한다는 단점이 있다. 이러한 문제를 예방하기 위해서는 에어 포일 베어링의 진동이 있을 경우 이를 감쇠시킴으로써, 회전축 이 설치되어 있는 회전기기의 안정성(stability)을 향상시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 냉각 성능과 댐핑 능력이 향상되고, 이에 따라 회전 안정성이 향상된 에어 포일 베어링 및 그 공기 공급 구조를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전축을 수용하는 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 길이 방향의 중간 부분으로 압축공기를 공급할 수 있도록 적어도 하나 이상의 공기 주입구가 형성되며, 내면에 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬롯이 형성된 슬리브 및 상기 슬롯에 일단부가 결합되어지고 슬리브의 내면에 원주 방향을 따라 배치된 적어도 하나의 에어 포일을 포함하는 에어 포일 베어링을 제공한다.
여기서, 상기 공기 주입구는 일부분이라도 그 직경이 작게 형성되어, 통과하는 공기가 팽창하여 냉각되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 공기 주입구는 상기 슬리브의 중간 부분에 둘레를 따라 복수 개가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 회전축을 수용하는 중공부가 형성되고, 그 길이 방향의 중간부에 상기 중공부로 압축공기를 공급할 수 있도록 적어도 하나 이상의 공기 주입구가 형성되고 내면에 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬롯이 형성된 슬리브, 상기 슬롯에 일단부가 고정 설치되는 적어도 하 나의 에어 포일, 상기 슬리브가 결합되고 상기 공기 주입구와 연결되는 공기 유로가 형성된 하우징, 및 상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구를 통해 상기 슬리브 내로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조가 제공된다.
여기서, 상기 공기 주입구는 일부분이라도 그 직경이 작게 형성되어, 통과하는 공기가 팽창하여 냉각되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 공기 주입구는 상기 슬리브의 중간 부분에 둘레를 따라 복수 개가 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 하우징에는, 상기 슬리브와 결합되는 면의 중앙부분에, 상기 공기 유로와 상기 공기 주입구를 연결하고 상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구보다 폭이 넓은 공기 유로 연결 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 슬리브에는, 그 중앙부분에 상기 공기 유로와 상기 공기 주입구를 연결하고 상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구보다 폭이 넓은 공기 유로 연결 홈이 둘레를 따라 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명에 따른 에어 포일 베어링 및 그 공기 공급 구조를 설명하는 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 IV부분의 확대도가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 4의 V-V 방향에서 바라본 단면도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 에어 포일 베어링(200)은, 도 3에 도시된 것과 같이, 하우징(210)에 결합되어 회전축(120)을 지지하고, 도 4 내지 도 6에 도시된 것과 같이, 슬리브(204) 및 에어 포일(201)을 포함한다.
상기 슬리브(204)는 내부에 상기 회전축(120)을 수용하는 중공부가 형성된 관상 부재로, 상기 중공부의 길이 방향의 중간 부분에는 압축 공기를 공급할 수 있도록 공기 주입구(205)가 형성되어 있다.
상기 공기 주입구(205)는 일부분이라도 그 직경이 충분히 작게 형성되어, 통과하는 공기가 주울-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)에 의해 팽창하여 냉각될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 공기 주입구(205)는 상기 슬리브(204)의 길이 방향의 중간 부분에 2개 이상 형성될 수 있는데, 특히 상기 슬리브(204)의 중앙부에 둘레를 따라 복수 개가 형성되는 것이 바람직하다(도 5).
상기 에어 포일(201)은 탄성체로 만들어지고, 임의의 곡률이 형성되며, 길이 방향으로 일정한 단면 형상을 가지는 판상 부재이다. 다만, 상기 회전축과 닿는 경우 마찰 댐핑 효과를 크게 할 수 있도록, 회전축(120) 방향으로 오목하게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 슬리브(204)는 내면에 원주 방향을 따라 복수 개의 슬롯(103)이 형성되고, 상기 에어 포일(201)들은 각각 상기 슬롯(103)에 일단이 고정될 수 있다. 상기 에어 포일(201)은 상기 회전축(120)과 상기 슬리브(204) 사이의 마찰에 의한 발열과 마모를 줄이기 위해 설치되는 것으로, 미끄러짐이 좋고 마모가 덜 되는 코팅제로 덮여 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 에어 포일 베어링(200)은, 도 3에 도시된 것과 같이, 회전축을 지지하도록 하우징(210)에 결합되고, 그 슬리브(204)의 중공부에 상기 회전축(120)을 수용한다. 상기 하우징(210)의 베어링 결합 부분에는 상기 공기 주입구(205)와 연결되는 공기 유로(211)가 형성되고, 상기 공기 유로(211) 및 상기 공기 주입구(205)를 통해 압축 공기를 상기 에어 포일 베어링(200)의 내부로 공급하는 공기 공급부(미도시)가 설치된다. 상기 공기 공급부는 상기 하우징(210)과 결합되어 설치될 수도 있고, 상기 하우징(210) 외부에 별도로 설치되어 공기 튜브로 상기 공기 유로(211) 및 상기 공기 주입구(205)에 연결될 수도 있다. 상기 공기 공급부는 공기 압축기(air compressor)가 사용될 수 있다.
상기 공기 주입구(205)가 상기 에어 포일 베어링의 중앙부에 형성되어 있어 압축 공기는 상기 에어 포일 베어링(200)의 중앙 부분으로부터 상기 에어 포일 베어링과 상기 회전축 사이의 간극(202)으로 유입되고 상기 에어 포일 베어링(200)의 양단부를 통해 배출된다.
압축 공기가 상기 회전축(120)이 위치하는 상기 에어 포일 베어링(200)의 중앙부로부터 상기 에어 포일 베어링(200)의 양단부 방향으로 공급됨으로써, 상기 회전축(120) 내의 온도가 높은 곳부터 낮은 곳의 순으로 냉각이 되어, 냉각 효과가 향상되고, 상기 회전축(120)과 상기 슬리브(204) 사이의 간극(202)의 폭이 균일하게 된다.
그리고, 상기 에어 포일 베어링(200) 내부에 있던 공기가 상기 회전축(120)의 고속 회전에 의해 압축되고, 이에 더하여 외부의 압축 공기가 상기 공기 주입구(205)를 통하여 공급됨으로써, 상기 회전축(120)과 상기 슬리브(204) 간의 간극(202)에서의 공기 압력은 더욱 상승한다. 이에 따라 공기 압축에 의해 생성되 는 에어 댐핑의 효과와, 상기 에어 포일(201)의 지지능력 향상으로 인한 마찰 댐핑의 효과가 더욱 커지게 된다.
또한, 마찰 댐핑이 회전속도 증가에 따라 큰 변화가 없고 거의 일정한 댐핑 성능을 보이는 것과 달리, 본 발명에서와 같은 방향으로의 냉각 공기 공급에 따른 압력 증가는, 상기 회전축(120)의 회전 속도 증가에 따라 더욱 큰 댐핑 효과를 가질 수 있다. 그리고, 압축 공기를 상기 에어 포일(201)의 아래 부분으로 공급함으로써, 외부에서 직접 상기 회전축(120)으로 압축 공기를 공급함에 따라 회전축(120)의 회전이 안정적으로 이루어지지 못하고 진동하게 될 가능성을 차단한다.
도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 슬리브(204)의 외면에는 상기 슬리브(204)와 상기 하우징(210)의 조립이 용이하도록 양단부(207)의 외경보다 중앙부의 외경이 작도록 단이 형성되어 있다. 상기 양단부(207)를 상기 하우징(210)과 열간조립함으로써, 상기 하우징(210)과 상기 슬리브(204)가 억지끼워맞춤되고, 상기 외경이 작은 공기 유로 연결 홈(206)과 상기 하우징(210)에 의해 형성되는 공간은 외부와 밀봉된다. 이에 따라, 상기 공기 유로 연결 홈(206)에 주입된 압축 공기는 일정 수치 이상의 압력을 유지할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 다른 실시에에 따른 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조를 설명하는 도면이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 도 3에서 상기 슬리브에 형성된 것으로 도시된 공기 유로 연결 홈(206)은 상기 하우징(210)에 형성될 수도 있다. 도 3에 도시된 것 과 같이, 상기 슬리브에 상기 공기 유로 연결 홈(206)을 형성하는 것이 상기 슬리브의 두께를 얇게 만들 수 있어 더욱 바람직하다.
한편, 상기 공기 주입구(205)의 모양은 다양한 형태가 가능하지만, 공정의 편의를 위하여 원형의 홀로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 공기 주입구(205)의 크기를 조절하여 상기 에어 포일 베어링(200) 내부로 주입되는 압축 공기의 양과 압력을 조절 가능하게 되어 필요한 최적의 냉각 성능과 에어 댐핑의 효과를 얻을 수 있는 설계가 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 공기 주입구가 슬리브의 중앙 부분에 형성되어, 슬리브와 회전축의 균일한 냉각이 가능하다. 이에 따라, 회전축과 베어링 슬리브 사이의 간극이 쐐기 모양으로 변형되지 않고 간극의 폭이 균일하게 유지되어, 에어 포일 베어링에 의해 지지되는 회전축의 회전 안정성이 향상된다.
그리고, 에어 포일 베어링 내부에서 회전축과 슬리브간의 간극에서의 공기 압력이 더욱 상승하여, 공기 압력에 의해 생성되는 에어 댐핑의 효과가 향상되고, 에어 포일의 지지능력이 향상되어 마찰 댐핑의 효과가 향상된다. 이에 따라 에어 포일 베어링에 의해 지지되는 회전축의 회전 안정성이 더욱 향상된다.
그리고, 압축 공기를 에어 포일의 아래 부분으로 공급함으로써, 외부에서 회전축으로 직접 압축 공기를 공급함에 따라 회전축이 진동하게 될 가능성을 차단할 수 있다.
또한, 공기 주입구의 모양이나 크기를 조절하여 상기 에어 포일 베어링 내부로 주입되는 압축 공기의 양과 압력을 조절 가능하게 되어 냉각 성능과 에어 댐핑의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 회전축을 수용하는 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 길이 방향의 중간 부분으로 압축공기를 공급할 수 있도록 적어도 하나 이상의 공기 주입구가 형성되며, 내면에 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬롯이 형성된 슬리브; 및
    상기 슬롯에 일단부가 결합되고 슬리브의 내면에 원주 방향을 따라 배치된 적어도 하나의 에어 포일을 포함하며,
    상기 공기 주입구는 상기 슬리브의 아래쪽 절반에만 형성이 되는 에어 포일 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 주입구는 일부분이라도 그 직경이 작게 형성되어, 통과하는 공기가 팽창하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 주입구는 상기 슬리브의 중간 부분에 둘레를 따라 복수 개가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  4. 회전축을 수용하는 중공부가 형성되고, 그 길이 방향의 중간부에 상기 중공부로 압축공기를 공급할 수 있도록 적어도 하나 이상의 공기 주입구가 형성되고, 내면에 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬롯이 형성된 슬리브;
    상기 슬롯에 일단부가 고정 설치되는 적어도 하나의 에어 포일;
    상기 슬리브가 결합되고, 상기 공기 주입구와 연결되는 공기 유로가 형성된 하우징; 및
    상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구를 통해 상기 슬리브 내로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,
    상기 공기 주입구는 상기 슬리브의 아래쪽 절반에만 형성이 되는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기 주입구는 일부분이라도 그 직경이 작게 형성되어, 통과하는 공기가 팽창하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기 주입구는 상기 슬리브의 중간 부분에 둘레를 따라 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징에는, 상기 슬리브와 결합되는 면의 중앙부분에, 상기 공기 유로와 상기 공기 주입구를 연결하고 상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구보다 폭이 넓은 공기 유로 연결 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬리브에는, 그 중앙부분에 상기 공기 유로와 상기 공기 주입구를 연결하고 상기 공기 유로 및 상기 공기 주입구보다 폭이 넓은 공기 유로 연결 홈이 둘레를 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링의 공기 공급 구조.
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