KR101165607B1 - 고온 냉각용 공기 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 포일 베어링에 관한 것으로서, 외관을 형성하되 내부에 회전축이 회전 가능하게 배치되는 베어링 슬리브; 베어링 슬리브와 회전축 사이에 배치되는 다수의 공기 포일(air foil); 및 회전축 영역의 냉각을 위해 베어링 슬리브의 반경 방향 또는 반경 방향에 교차되는 방향을 따라 베어링 슬리브의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 간단하고 단순한 구조를 가지면서도 회전축 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

Description

고온 냉각용 공기 포일 베어링{Air foil bearing for high temperature cooling}

본 발명은, 공기 포일 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 간단하고 단순한 구조를 가지면서도 회전축 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있는 공기 포일 베어링에 관한 것이다.

공기 포일 베어링은 주로 고속으로 회전하는 회전체를 지지하기 위한 용도로 사용된다. 즉 5 ~ 15만 RPM 가량의 고회전을 하는 터보 기기에 적용되던 기존의 볼 베어링이나 유체막 베어링 등을 대체하여 터보 압축기나 터보 발전기와 같은 고속 회전기기의 회전축을 지지하는데 사용된다.

구체적으로 도시하지는 않았지만 공기 포일 베어링은 외관을 형성하는 베어링 슬리브와 그 내부의 회전축 사이에 형성되는 공기막에 의해 회전축을 회전 가능하게 지지한다.

이러한 공기 포일 베어링은 회전축이 고속으로 회전하고 회전축과 베어링 슬리브 간의 작은 갭(gap)에서 급격하게 속도 구배(공기 압력 구배)가 변화하기 때문에 동작 중 많은 열이 발생하게 된다.

이때, 발생되는 열을 적절하게 냉각시켜주지 않으면 안정적이고 원활한 회전축의 회전운동을 보장할 수 없을 뿐만 아니라 제품의 표면에 코팅된 소재들을 손상시킬 수 있다.

이에, 종래기술에서는 회전축과 베어링 슬리브 사이의 공간으로 냉각을 위한 공기를 공급하는 방식을 적용하여 왔지만 이러한 경우에는 회전축의 냉각이 원활하지 못하여 회전축의 회전 안정성을 저해하는 요인으로 작용하기 때문에 이에 대한 보다 실질적인 구조의 개선이 요구된다.

본 발명의 목적은, 간단하고 단순한 구조를 가지면서도 회전축 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있는 고온 냉각용 공기 포일 베어링을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 외관을 형성하되 내부에 회전축이 회전 가능하게 배치되는 베어링 슬리브; 상기 베어링 슬리브와 상기 회전축 사이에 배치되는 다수의 공기 포일(air foil); 및 상기 회전축 영역의 냉각을 위해 상기 베어링 슬리브의 반경 방향 또는 상기 반경 방향에 교차되는 방향을 따라 상기 베어링 슬리브의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링에 의해 달성된다.

여기서, 상기 공기 공급부는 상기 베어링 슬리브의 외벽의 접선 방향을 따라 형성되어 상기 공기를 공급하는 공기 공급홀(hole)을 포함할 수 있다.

상기 공기 공급홀을 통해 상기 공기가 공급되는 방향은 상기 회전축이 회전되는 방향과 일치할 수 있다.

상기 공기 공급홀은 상기 베어링 슬리브의 외벽에서 상기 회전축이 결합되는 방향 또는 상기 베어링 슬리브의 원주 방향을 따라 상호간 등각도 간격으로 다수 개 마련될 수 있다.

상기 공기 공급홀은 상기 베어링 슬리브의 외벽 표면에 직접 형성되거나 상기 베어링 슬리브의 외벽 표면으로부터 반경 방향을 따라 함몰된 함몰부 내에 마련될 수 있다.

상기 공기 포일은, 박막의 판상체로 형성되는 탑 포일(top foil); 및 상기 탑 포일과 중첩되게 배치되며, 표면이 굴곡진 범프 형상을 갖는 적어도 하나의 범프 포일(bump foil)을 포함할 수 있다.

상기 탑 포일은 상기 베어링 슬리브의 원주 방향을 따라 한 겹씩 3개 마련되고, 상기 범프 포일은 상기 베어링 슬리브의 원주 방향을 따라 두 겹씩 3개 마련될 수 있으며, 상기 베어링 슬리브의 내벽에는 상기 공기 포일의 일단부가 고정되는 포일 고정 그루브가 원주 방향을 따라 등간격으로 다수 개 마련될 수 있다.

본 발명에 의하면, 간단하고 단순한 구조를 가지면서도 회전축 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하게 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 사시도,
도 2는 도 1의 분해 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 공기 포일을 서로 이격시킨 도 1의 분해 사시도,
도 4a는 도 1의 측단면도,
도 4b는 도 4a의 변형 실시예,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 분해 사시도,
도 6a는 도 5의 측단면도,
도 6b는 도 5a의 변형 실시예,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 분해 사시도,
도 8a는 도 7의 측단면도,
도 8b는 도 8a의 변형 실시예,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 포일 베어링이 순수 산소 터빈의 로터 영역에 장착된 상태의 이미지,
도 10은 열 하위 시스템들 사이의 열전달 경로들을 가지는 열 하위 시스템들에 대한 도면,
도 11은 열 특성을 서로 다른 냉각 공기 혼합 모델들과 비교한 도면,
도 12는 속도에 따른 공기의 혼합량을 비교한 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 사시도, 도 2는 도 1의 분해 사시도, 도 3은 도 2에 도시된 공기 포일을 서로 이격시킨 도 1의 분해 사시도, 그리고 도 4a는 도 1의 측단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 공기 포일 베어링은, 베어링 슬리브(110), 다수의 공기 포일(air foil, 120), 그리고 공기 공급부(130)를 포함한다.

베어링 슬리브(110)는 공기 포일 베어링의 외관을 형성하는 부분이며, 터보 압축기나 터보 발전기와 같은 고속 회전기기의 일측에 고정되어 고정자로서의 역할을 한다(도 9 참조).

원통 형상을 갖는 베어링 슬리브(110)의 내부에는 도 1 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 회전자로서의 회전축(1)이 회전 가능하게 배치되어 지지된다. 회전축(1)은 도 4a에 도시된 바와 같이, 공기 포일(120)의 자유단에서 고정단 쪽으로의 회전 방향을 이룬다.

앞서도 기술한 바와 같이, 공기 포일 베어링은 베어링 슬리브(110)와 그 내부의 회전축(1) 사이에 형성되는 공기막에 의해 회전축(1)이 회전되는 구조를 갖는데, 동작 중 공기 포일 베어링의 불안정성(instability) 문제를 해결하기 위해 베어링 슬리브(110)와 회전축(1) 사이에는 얇은 막 구조의 공기 포일(120)이 배치된다.

공기 포일(120)은 박막의 판상체로 형성되는 탑 포일(top foil, 121)과, 탑 포일(121)과 중첩되게 배치되며, 표면이 굴곡진 범프 형상을 갖는 다수의 범프 포일(bump foil, 122)을 구비한다.

본 실시예의 경우, 탑 포일(121)은 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 한 겹씩 3개 마련되며, 범프 포일(122)은 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 두 겹씩 3개 마련된다.

이때, 탑 포일(121)은 회전축(1)에 인접된 위치에서 회전축(1)을 회전 가능하게 지지하도록 배치되며, 범프 포일(122)은 탑 포일(121)과 베어링 슬리브(110)의 내벽 사이에 배치되어 회전축(1)이 부상되는 고속 회전 시 탑 포일(121)을 지지하도록 함으로써 공기 포일 베어링의 하중지지 능력이 향상되도록 한다. 때문에, 제작이 다소 복잡하지만 탑 포일(121)과 달리 범프 포일(122)은 두 개 마련되는 것이다.

물론, 도시되고 설명된 사항은 하나의 실시예에 불과하며 본 발명의 권리범위가 이에 제한될 필요는 없다. 따라서 탑 포일(121)만 마련되거나 범프 포일(122)만 마련되어도 무방하며, 필요에 따라 범프 포일(122)은 한 겹일 수도 있는데, 이와 같은 실시예는 도면을 참조하여 후술하도록 한다.

본 실시예처럼 탑 포일(121)과 달리 범프 포일(122)이 3개씩 마련되는 경우를 소위, 3 패드형 베어링이라 부르기도 하며, 본 실시예의 구조가 적용되는 경우, 단일 패드 베어링과 비교해서 속도나 하중의 전범위에서 더 우수한 특성을 갖는다.

이러한 공기 포일(120)은 전술한 바와 같이, 공기 포일 베어링의 불안정성(instability) 문제를 해결하기 위해 마련되는 것이므로 탑 포일(121)과 범프 포일(122)로 이루어지는 공기 포일(120)은 베어링 슬리브(110)에 고정되어야 한다. 이를 위해, 베어링 슬리브(110)의 내벽에는 공기 포일(120)의 일단부가 고정되는 포일 고정 그루브(111)가 형성된다.

탑 포일(121)과 범프 포일(122) 모두는 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 3개씩 마련되기 때문에, 포일 고정 그루브(111) 역시 베어링 슬리브(110)의 내벽에 원주 방향을 따라 등간격을 이루면서 3개 마련된다. 공기 포일(120)은 포일 고정 그루브(111)에 그 일단부가 고정되며, 타단부는 자유단을 형성하게 된다.

한편, 앞서도 언급한 바와 같이, 본 실시예의 공기 포일 베어링은 고속 회전기기에 적용되기 때문에, 회전축(1)이 고속으로 회전될 때 회전축(1)과 베어링 슬리브(110) 간의 작은 갭(gap)에서 급격하게 속도 구배(공기 압력 구배)가 변하면서 많은 열이 발생된다.

이때, 발생되는 열을 적절하게 냉각시켜주지 않으면 안정적이고 원활한 회전축(1)의 회전운동을 보장할 수 없을 뿐만 아니라 제품의 표면에 코팅된 소재들을 손상시킬 수 있기 때문에, 종래기술에서는 회전축(1)과 베어링 슬리브(110) 사이의 공간으로 냉각을 위한 공기를 공급하는 방식을 적용하여 왔으나 실질적인 냉각 효율을 제공하기에 부족하였다.

이에, 본 실시예에서는 커다란 구조의 개선 없이, 즉 공기 공급부(130)라는 간단하고 단순한 구조를 통해 회전축(1) 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하게 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 하고 있는 것이다.

다시 말해, 본 실시예의 공기 포일 베어링에 적용되는 공기 공급부(130)는 베어링 슬리브(110)의 반경 방향(도 4a 참조)을 따라 베어링 슬리브(110)의 내부로 공기를 공급함으로써 공기 포일 베어링을 원활하게 냉각시키고 있다. 즉 본 실시예의 경우, 공기 공급부(130)를 통해 공기(냉각 공기)를 범프 포일(122)에 형성되는 채널들을 통해 공급함으로써 공기 포일 베어링이 원활하게 냉각될 수 있도록 한다.

본 실시예에서 공기 공급부(130)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 베어링 슬리브(110)의 반경 방향을 따라 형성되어 공기를 회전축(1) 쪽으로 공급하는 다수의 공기 공급홀(hole, 130)을 포함한다.

물론, 공기 공급홀(130)을 통해 공기가 공급되려면 공기 공급홀(130)에 별도의 노즐이 결합되고, 또한 컴프레서 등이 노즐을 통해 압축 공기, 즉 고속의 냉각 공기를 공급해야 하나 이들의 구성은 일반적이므로 도면에 노즐과 컴프레서 등은 도시하지 않았다.

본 실시예에서 공기 공급홀(130)은, 회전축(1)이 결합되는 방향 또는 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 베어링 슬리브(110)의 외벽에 상호간 등각도 간격으로 다수 개 마련된다.

이러한 공기 공급홀(130)은 베어링 슬리브(110)의 외벽 표면에 직접 형성될 수도 있고, 아니면 베어링 슬리브(110)의 외벽 표면으로부터 반경 방향을 따라 함몰된 함몰부(114, 도 1 참조) 내에 마련될 수도 있다. 특히, 함몰부(114) 내에 공기 공급홀(130)이 마련되는 경우에는 함몰부(114) 쪽으로 공기를 공급하기 위한 구조들을 장착할 수 있어 구조상 유리할 수 있다.

한편, 공기 공급홀(130)이 무한정 많이 형성되는 것이 바람직한 것만은 아니므로 실험 치에 의해 선택될 수 있는데, 만약 공기 공급홀(130)의 개수를 가급적 적게 유지하고자 한다면, 공기 공급홀(130)의 개구 직경을 충분히 작게 형성하여 이를 통과하는 공기가 주울-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)에 의해 팽창하여 냉각될 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다. 공기 공급홀(130)의 개수와 크기, 위치 등은 공기 포일 베어링의 사이즈에 따라 얼마든지 변경될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 공기 공급홀(130)이 베어링 슬리브(110)의 외벽에 등각도 간격으로 다수 개 형성되되 베어링 슬리브(110)의 반경 방향을 따라 형성되는 경우, 공기의 공급 강도가 과도하게 세지 않더라도 또한 공기 공급량이 많지 않더라도 와류 등의 발생 없이 공기의 공급(주입)은 매우 원활해질 수 있기 때문에, 냉각 효율은 종래보다 훨씬 향상될 수 있다.

뿐만 아니라 본 실시예의 경우에는 공기가 회전축(1)으로 직접 공급될 수 있기 때문에 공기 포일(120) 쪽으로 공기를 주입하는 방식의 종래기술 대비 월등한 냉각 효율을 기대할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 간단하고 단순한 구조를 가지면서도 회전축(1) 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

도 4b는 도 4a의 변형 실시예이다.

본 실시예의 공기 포일 베어링에 적용되는 공기 공급부(130a)는, 베어링 슬리브(110a)의 반경 방향에 교차되는 방향을 따라 형성되어 베어링 슬리브(110a)의 내부로 공기를 공급하는 구조를 갖는다.

도 4b와 같은 구조를 갖더라도 회전축(1) 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

참고로, 도 4b의 경우, 공기 포일(120a)을 형성하는 탑 포일(121a)과 범프 포일(122a) 모두는 3개씩 마련되나 이들의 고정단은 도 4a보다 약간 세워진 형태를 가질 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 분해 사시도이고, 도 6a는 도 5의 측단면도이며, 도 6b는 도 6a의 변형 실시예이다.

본 실시예의 경우, 전술한 실시예와는 달리 공기 포일(120b)을 이루는 탑 포일(121b)이 1개, 그리고 범프 포일(122b)이 각각 3개씩 마련되는 구조를 갖는다.

이러한 구조에서 도 6a에 도시된 바와 같이, 공기 공급부(130b)는 베어링 슬리브(110b)의 반경 방향을 따라 형성되어 베어링 슬리브(110b)의 내부로 공기를 공급함으로써 공기 포일 베어링을 원활하게 냉각시킬 수도 있고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 공기 공급부(130c)는 베어링 슬리브(110c)의 반경 방향에 교차되는 방향을 따라 형성되어 베어링 슬리브(110c)의 내부로 공기를 공급함으로써 공기 포일 베어링을 원활하게 냉각시킬 수도 있다.

도 6b의 경우, 공기 포일(120c)을 형성하는 탑 포일(121c)과 범프 포일(122c) 각각은 도 6a처럼 1개, 그리고 3개씩이나 이들의 고정단은 도 6a보다 약간 세워진 형태를 가질 수 있다.

도 6a 및 도 6b 중 어떠한 구조가 적용되더라도 회전축(1) 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있기에 충분하다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 분해 사시도이고, 도 8a는 도 7의 측단면도이며, 도 8b는 도 8a의 변형 실시예이다.

본 실시예의 경우, 전술한 실시예와는 달리 공기 포일(120d)을 이루는 탑 포일(121d)이 1개, 그리고 범프 포일(122d) 역시 각각 1개씩 마련되는 구조를 갖는다.

본 실시예처럼 탑 포일(121d)과 범프 포일(122d) 모두가 1개씩 마련되는 경우, 포일 고정 그루브(111d) 역시 1개 마련되며, 공기 공급부(130d) 역시 도 8a처럼 베어링 슬리브(110d)의 일측에 한 군데 배치될 수 있다.

그리고 도 8a에 도시된 바와 같이, 공기 공급부(130d)는 베어링 슬리브(110d)의 반경 방향을 따라 형성되어 베어링 슬리브(110d)의 내부로 공기를 공급함으로써 공기 포일 베어링을 원활하게 냉각시킬 수도 있고, 도 7, 8에 도시된 바와 같이, 공기 공급부(130e)는 베어링 슬리브(110e)의 반경 방향에 교차되는 방향을 따라 형성되어 베어링 슬리브(110e)의 내부로 공기를 공급함으로써 공기 포일 베어링을 원활하게 냉각시킬 수도 있다.

도 8b의 경우, 공기 포일(120e)을 형성하는 탑 포일(121e)과 범프 포일(122e) 각각은 도 8a처럼 1개씩이나 이들의 고정단은 도 8a보다 약간 세워진 형태를 가질 수 있다.

도 8a 및 도 8b 중 어떠한 구조가 적용되더라도 회전축(1) 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있기에 충분하다.

이하, 위에서 설명한 본 실시예에 따른 공기 포일 베어링의 냉각 작용을 시뮬레이션 결과를 참조하여 간략하게 설명하도록 한다. 이하의 설명 중, 전술한 도 1 내지 도 4a와 관련된 구성의 참조부호는 편의상 생략한다.

도 9는 순수 산소 터빈 구성의 로터 구조에 관한 것으로서 이에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 공기 포일 베어링(AFB)은 전방 및 후방에서 각각 로터를 지지하도록 설치되어 축방향 하중을 지지할 수 있다.

실제, 냉각 성능은 터빈의 뜨거운 부분에만 적용되는 편이 보다 바람직할 수 있기 때문에 본 실시예는 전술한 구조적인 특징을 갖는 공기 공급홀(130)에 의해, 테프론으로 코팅된 뜨거운 부분에서 후방에 배치된 제2 공기 포일 베어링을 작동시키기 위해 최적의 냉각 성능을 발휘한다.

도 10을 참조하면, 공기막에서 점성 소산에 의해 발생되는 열은 로터(도 9 참조) 및 탑 포일(도 1 내지 도 4 참조)로 전달된다. 대류에 의해 로터로 전달된 열은 로터 쉘을 통해 전도되고, 노출된 로터 표면을 통해 주변 공기로 대류된다.

대류에 의해 탑 포일로 전달된 열은 대류 및 전도로 범프 포일들을 통해 냉각 채널 및 베어링 슬리브(도 1 내지 도 4 참조)로 전달된다. 베어링 슬리브를 둘러싸는 구조에 의존할 때, 다른 열전달 메커니즘이 베어링 슬리브의 외부 표면에 존재할 수는 있다.

냉각 공기가 혼합되는 방식, 다시 말해 냉각 효과를 제공하기 위한 구조적인 타입에는 크게 세 가지 타입, 즉 자연 혼합, 강제 혼합 및 강제 냉각이 있을 수 있다.

이 중에서 자연 혼합은 흡입되는 공기량이 적기 때문에 내연기관에 적용하기에 다소 부담스럽다. 따라서 자연 혼합보다는 흡입되는 공기량이 많을 수 있는 강제 혼합 및 강제 냉각이 주로 적용될 수 있다.

한편, 직경 38 mm 공기 포일 베어링을 가지고 강제 혼합 조건으로 시뮬레이션해보면 전체 채널 온도가 유입 냉각 공기 온도보다 탑 포일 또는 범프 온도에 더 의존하는 것으로 보고 되었다. 로터, 탑 포일 및 베어링 슬리브 온도들은 하중과 함께 증가한다. 게다가, 평균 탑 포일 온도 및 베어링 슬리브 온도 간의 온도 차이는 하중과 함께 또한 증가하며, 이는 더 높은 하중 하에서는 탑 포일로부터 베어링 슬리브로 더 많은 열이 전달되는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 탑 포일 및 베어링 슬리브 사이의 유효 열전달 저항의 실험적인 측정값들의 경향으로부터 예측될 수 있다.

다음으로, 50 mm 공기 포일 베어링을 가지고 강제 혼합 조건으로 시뮬레이션해보면 충분한 강제 혼합 케이스는 자연 혼합과 비교하여 뚜렷한 냉각 효과를 가지지 않는 것으로 보고 되었다.

그러나 강제 냉각(유입 온도가 냉각 공기 온도와 같음)은 공기막의 최대 온도 상승을 매우 크게 감소시킨다. 강제 혼합의 냉각 효율에 따른 상대적으로 작은 개선점은 냉각 공기의 불충분한 혼합으로부터 기인하는데, 그 때의 혼합은 트레일링 에지로부터의 배출 유동 속도 및 필요한 유입 유동 속도 사이의 질량 평형에 의해 제어될 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 속도가 증가함에 따라서, 트레일링 에지로부터의 배출 유동은 단지 작은 양의 냉각 공기만이 혼합되는 것을 허용하면서 필요한 유입 유동 속도에 근접한다.

이러한 한정된 혼합은, 냉각 공기 및 로터에 부착되는 경계층 사이의 뚜렷한 압력 구배가 없는 것에 기인하며, 이에 따라 리딩 에지 부근에서 이용 가능한 냉각 공기에 의한 경계층의 파괴를 초래하지 않는다. 그러나 강제 냉각 케이스(유입 공기 온도가 냉각 공기 온도를 추종함)는 도 11에 도시된 바와 같이 최선의 냉각 효율을 제공한다.

이러한 이상적인 냉각 케이스로 미루어볼 때, 만약 냉각 공기가 리딩 에지 근방의 베어링 클리어런스로 직접적으로 주입되지 않는다면 실제 공기 포일 베어링에서 구현될 수 없을 것이다. 하나의 가능한 방법은 냉각 공기가 경계층을 파괴하기 충분한 높은 속도를 가지도록 냉각 공기를 혼합 영역으로 고속 주입하는 것이다.

이상의 결론으로 미루어볼 때, 본 실시예와 같은 냉각 구조가 회전축(1, 도 1 참조) 쪽으로 향하는 공기 공급을 종래보다 원활하고 또한 직접적으로 진행시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있는 최적의 조건이 될 수 있을 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

110 : 베어링 슬리브 111 : 포일 고정 그루브
120 : 공기 포일 121 : 탑 포일
122 : 범프 포일 130 : 공기 공급부

Claims (7)

1. 외관을 형성하되 내부에 회전축(1)이 회전 가능하게 배치되는 베어링 슬리브(110);
   상기 베어링 슬리브(110)와 상기 회전축(1) 사이에 배치되는 다수의 공기 포일(air foil)(120); 및
   상기 회전축 영역의 냉각을 위해 상기 베어링 슬리브(110)의 반경 방향 또는 상기 반경 방향에 교차되는 방향을 따라 상기 베어링 슬리브(110)의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부(130)를 포함하며,
   상기 공기 포일(130)은 탑 포일(top foil)(121)과 적어도 하나의 범프 포일(bump foil)(122)을 포함하고,
   상기 탑 포일(121)은 상기 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 한 겹씩 3개 마련되고, 상기 범프 포일(122)은 상기 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 두 겹씩 3개 마련되며,
   상기 베어링 슬리브(110)의 내벽에는 상기 공기 포일(120)의 일단부가 고정되는 포일 고정 그루브(111)가 원주 방향을 따라 등간격으로 다수 개 마련되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기 공급부(130)는 상기 베어링 슬리브(110)의 외벽의 접선 방향을 따라 형성되어 상기 공기를 공급하는 공기 공급홀(hole)(130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
3. 제2항에 있어서,
   상기 공기 공급홀(130)을 통해 상기 공기가 공급되는 방향은 상기 회전축(1)이 회전되는 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
4. 제3항에 있어서,
   상기 공기 공급홀(130)은 상기 베어링 슬리브(110)의 외벽에서 상기 회전축(1)이 결합되는 방향 또는 상기 베어링 슬리브(110)의 원주 방향을 따라 상호간 등각도 간격으로 다수 개 마련되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
5. 제3항에 있어서,
   상기 공기 공급홀(130)은 상기 베어링 슬리브(110)의 외벽 표면에 직접 형성되거나 상기 베어링 슬리브(110)의 외벽 표면으로부터 반경 방향을 따라 함몰된 함몰부(140) 내에 마련되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
6. 제1항에 있어서,
   상기 탑 포일(121)은, 박막의 판상체로 형성되고,
   상기 범프 포일(122)은, 상기 탑 포일과 중첩되게 배치되며, 표면이 굴곡진 범프 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.
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