KR101187893B1 - 에어 포일 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전체가 기울어질 경우 발생되는 집중 하중에 의한 파손이 방지되도록 개선된 구조의 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에 일 단부가 결합되는 지지 부재; 상기 지지 부재의 타 단부와 결합되는 탄성 포일; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 탄성 포일 사이에 배치되고, 상기 탄성 포일을 지지하도록 상기 베이스 플레이트의 반경 방향으로 복수 개가 형성되는 탄성 부재들을 포함한다.
에어 포일 베어링

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}
도 1은 일반적인 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링에서 탄성 포일이 결합되기 전의 상태를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 에어 포일 베어링에서 탄성 포일이 결합된 후의 상태를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ의 단면도이다.
도 5는 도 2의 에어 포일 베어링의 탄성 포일의 구조를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 에어 포일 베어링 110: 플레이트
120: 지지 부재 130: 탄성 부재
140: 탄성 포일 150: 회전체
본 발명은 에어 포일 베어링에 대한 것으로서, 상세하게는 회전체가 기울어 질 경우 발생되는 집중 하중에 의한 파손이 방지되도록 개선된 구조의 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
통상적으로 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위해서 에어 포일 베어링이 적용될 수 있다. 상기 에어 포일 베어링은 에어 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식이다.
상기 에어 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체를 지지하는데 효과적이다. 예를 들면, 에어 포일 베어링은 가스 터빈 엔진의 터보 압축기 등에 적용될 수 있다. 가스 터빈 엔진에서는 연료의 연소를 위해서 압축공기를 필요로 하므로, 공기를 압축시키기 위한 터보 압축기가 구비된다. 터보 압축기에서 압축된 공기는 연료의 연소를 위해서 주로 사용되지만 일부 압축공기를 이용하여 에어 포일 베어링에 공급할 수 있으므로, 터보 압축기의 임펠러 축이나 가스 터빈 엔진의 회전축을 에어 포일 베어링으로 지지할 수 있다.
도 1에는 대한민국 공개특허공보 특2000-0076381에 개시된 종래의 에어 포일 베어링의 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 상기 에어 포일 베어링(1)은 지지 부재(20)가 원주 방향의 소정 간격으로 용접되어 있는 베이스 플레이트(10)와, 용접에 의해 상기 지지 부재(20)에 그 일단이 고정된 탄성 포일(40)이 포함된다. 또한, 상기 에어 포일 베어링(1)에는 상기 탄성 포일(40)을 지지하도록 상기 베이스 플레이트(10)에 용접되는 탄성 부재(30)가 구비된다. 여기서, 상기 지지 부재(20) 및 탄성 부재(30)는 베이스 플레이트(10)의 외경 측에 용접된다. 도면부호 21과 31은 각각 지지 부재(20)와 탄성 부재(30)의 용접부를 나타낸다.
이와 같이 탄성 부재(30)가 설치됨으로써, 회전체의 동작시 탄성 포일(40)과 탄성 부재(30)의 미끄럼 접촉에 의해 마찰이 발생되는데, 상기 종래 기술에 의하면, 각각의 탄성 포일(40)은 각각 하나의 탄성 부재(30)에 의하여 지지되도록 구성된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 에어 포일 베어링(1)에는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
먼저, 종래의 에어 포일 베어링(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 반경 방향으로 하나의 탄성 부재(30)에 의하여 지지되는데, 이 경우 회전체가 기울어지면 이에 대응되는 베어링 포일에 하중이 집중되는 문제점이 존재한다.
또한, 베어링의 특정 포일에 하중이 집중되어 상기 하중이 집중된 부분에 변형이 발생하면, 이로 인하여 베어링의 지지 성능이 감소되어 회전체가 포일에 닿아 회전체 및 베어링이 파손될 수 있는 문제점이 존재한다.
또한, 상기 집중 하중에 의하여 공기 유막이 작아지고, 따라서 과도한 열이 발생하여 냉각 효율이 감소되는 문제점이 존재한다.
본 발명은 회전체가 기울어질 경우 발생하는 집중 하중에 의한 파손이 방지되어 내구성이 및 동작 신뢰성이 향상되는 에어 포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에 일 단부가 결합되는 지지 부재; 상기 지지 부재의 타 단부와 결합되는 탄성 포일; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 탄성 포일 사이에 배치되고, 상기 탄성 포일을 지지하도록 상기 베이스 플레이트의 반경 방향으로 복수 개가 형성되는 탄성 부재들을 포함한다.
본 발명에 의해서, 회전체가 기울어질 경우 발생되는 집중 하중에 의한 파손이 방지되고, 따라서 제품의 내구성이 향상되고, 동작 신뢰성이 향상되며, 나아가서는 과도한 발열이 방지되어 냉각 성능이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탄성 부재들은 판 스프링으로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탄성 부재들은 양 단부가 아치형상으로 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 관한 에어 포일 베어링은 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에 상기 베이스 플레이트의 원주 방향으로 상호 겹쳐지게 배열되어 있는 복수 개의 탄성 포일들; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 탄성 포일들 사이에 배열되고, 상기 베이스 플레이트의 반경 방향으로 배열되며, 상기 탄성 포일들에 탄성력을 제공하는 복수 개의 탄성 부재들을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 각각의 탄성 부재가 서로 동일하거나 또는 서로 다른 강성을 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탄성 포일 각각은 상기 베이스 플레이트의 원주 방향을 따라 일부분이 적어도 두 개의 조각으로 분리되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 탄성 포일 중 적어도 두 개의 탄성 포일은, 서로 상이한 개수의 조각으로 분리되도록 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 사상은 이러한 실시예로 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자가 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 것으로서 구성요소의 용이 부가, 삭제, 추가 및 변형에 의해서 쉽게 제안할 수 있는 다른 실시예들도 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링에서 탄성 포일이 결합되기 전의 상태를 나타내는 평면도이고, 도 3은 도 2의 에어 포일 베어링에서 탄성 포일이 결합된 후의 상태를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ의 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 실시예에 관한 에어 포일 베어링(100)은 베이스 플레이트(110)와, 복수 개의 지지 부재(120)와, 복수 개의 탄성 포일(140)과, 탄성 부재(130)를 포함한다.
지지 부재(120)는 아교접착 등에 의해 베이스 플레이트(110) 상에 부착될 수 있다. 또는, 도 2에 도시된 바와 같이 베이스 플레이트(110)의 외부 반경 측에 결합부(121)가 용접됨으로써 베이스 플레이트(110) 상에 고정될 수도 있다. 지지 부재(120)는 탄성 부재(130)의 재질 자체의 두께에 의하여 발생하는 높이차를 보상해주는 기능을 수행한다.
탄성 부재(130)는 베이스 플레이트(110)와 탄성 포일(140) 사이에 개입되도 록 형성된다. 여기서, 탄성 부재(130)는 그 양단이 베이스 플레이트(110)에 탄성적으로 지지되는 아치형상의 판 스프링으로 제공될 수 있다. 따라서, 탄성 부재(130)는 회전체로부터 힘이 발생하였을 경우, 지지작용을 하여 상기 발생된 힘을 흡수 및 완충하는 기능을 수행한다.
여기서, 본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)은 탄성 부재(130)가 반경 방향으로 다수 개 형성되는 것을 특징으로 한다. 다시 말하면, 종래의 에어 포일 베어링의 경우 각 탄성 포일(도 1의 40 참조)을 각각 하나씩의 탄성 부재(도 1의 30 참조)가 지지하였다. 따라서, 회전체가 기울어지면 이에 대응되는 베어링 포일에 하중이 집중되고, 상기 하중이 집중된 부분에 변형이 발생하면, 이로 인하여 베어링의 지지 성능이 감소되어 회전체가 포일에 닿아 회전체 및 베어링이 파손될 수 있는 문제점이 존재하였다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)은 적어도 두 개 이상의 탄성 부재(130)를 반경 방향으로 구비한다. 따라서, 회전체가 기울어질 경우 발생하는 집중 하중에 의한 파손이 방지되고, 제품의 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되는 효과를 가질 수 있다.
한편, 도 4에는 탄성 부재(130)가 반경 방향으로 두 개 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 에어 포일 베어링(100)의 크기, 용도 및 작용하는 하중 등의 요소에 따라 다양한 실시예가 가능함은 당연하다 할 것이다. 또한, 베어링의 물성치를 조절하기 위하여, 반경 방향으로 두 개 이상 형성되는 각각의 탄성 부재(130)가 서로 다른 강성을 갖도록 형성될 수도 있다.
탄성 포일(140)은 회전체(도 5의 150 참조)와 에어 포일 베어링(100) 사이에 공기막이 형성되도록 하는 금속 박판이다. 본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)의 탄성 포일(140)의 구조를 나타내는 도 5를 참조하면, 각 탄성 포일(140)들은 실질적으로는 사각형의 평면인 마찰부(142) 및 마찰부(142)의 일 단부에 형성되며 사각 형상으로 절곡되는 고정부(143)가 구비된다. 그리고, 탄성 포일(140)의 전체가 베이스 플레이트(110)의 원주 방향 또는 길이 방향으로 이동되는 것을 방지하기 위하여, 고정부(143)가 슬롯(미도시)에 삽입되어 고정된다.
또한, 겹치듯이 배치되어 있는 탄성 포일(140)들 안쪽에 삽입되는 회전체(150)의 원활한 회전을 위하여, 회전체(150)와 마주보는 탄성 포일(140)들의 면들에는 코팅층(미도시)이 형성될 수 있다. 탄성 포일(140)들이 일 방향으로 겹치듯이 배치되어 있기 때문에, 회전체(150)는 특정 방향으로는 회전이 원활해지고, 다른 방향으로는 회전이 제한된다.
마찰부(142)에는 하나 이상의 홈(141)이 형성되고, 홈(141)에 의하여 마찰부가 원주 방향으로 두 개 이상의 조각으로 분리될 수 있다. 분리되는 조각의 수는 탄성 포일(140)마다 동일할 수도 있으나, 이들의 수가 상이할 경우 회전체(150)와 탄성 부재(130)들 사이에서 마찰 댐핑이 증가될 수 있다. 또한, 상기 탄성 포일(140)들은 다양한 재료로 제조될 수 있으며, 고온에서도 변형이 발생하지 않는 강성 재질인 인코넬(Inconel)이 사용될 수도 있다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성되는 에어 포일 베어링의 동작에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)은 다양한 회전기기에 설치될 수 있으나, 일반적으로 고속으로 회전하는 회전기기에 이용되는 것이 일반적이다. 따라서, 에어 포일 베어링(100)의 내측에 형성된 공간으로 회전체(150)가 삽입되어 회전하게 된다.
회전체(150)가 한 방향으로 서서히 회전하게 되면, 회전체(150)와 탄성 포일(140) 사이의 공간부에 가스가 회전하면서 압력이 상승하기 시작한다. 그리고, 회전체(150)는 그 회전 속도가 정상속도에 이를 때까지 탄성 포일(140)에 접촉해 있다. 여기서, 상기 탄성 포일(140)은 강성도가 상대적으로 큰 탄성 부재(130)에 의해 지지되므로, 에어 포일 베어링(100)의 전체 강성도가 증가하게 되는바, 회전체(150)의 축 방향 변위가 감소될 수 있고, 또한 하중지지력이 증가될 수 있다. 그리고, 회전체(150)와 탄성 포일(140) 사이의 가스압력이 회전체(150)의 회전으로 인해 더욱 상승하게 되면, 회전체(150)는 탄성 포일(140)로부터 부상하게 된다.
여기서 상기 회전기기가 작동될 때, 에어 포일 베어링(100)은 회전체(150)의 자중을 지지할 뿐만 아니라, 회전체(150)의 회전이 원활하도록 돕는다. 그리고, 회전체(150)가 진동 등에 의하여 편심될 경우, 에어 포일 베어링(100)은 회전체(150)의 진동을 흡수하기 위하여, 회전체(150)와 베이스 플레이트(110) 사이에서 미끄럼 접촉에 의한 마찰을 발생시켜 반경 방향의 하중을 댐핑시키는 기능을 한다.
특히, 본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)에서는 적어도 두 개 이상의 탄성 부재(130)가 반경 방향으로 구비되어 회전체(150)를 보다 안정적으로 지지함으로써, 회전체(150)가 진동 등에 의하여 편심되는 것을 방지한다. 그리고, 위와 같 이 회전체(150)의 기울어짐이 방지됨으로써, 집중 하중에 의한 파손이 방지되고 제품의 수명이 연장될 수 있다.
한편, 탄성 포일(140)들의 경우, 다수 개의 탄성 포일(140)들이 겹치듯이 배치되어 있기 때문에, 일체형 탄성 포일에 비하여 포일들 간의 상대적 운동에 의한 마찰이 증가되므로, 전체적으로 마찰 댐핑이 향상된다. 특히, 탄성 포일(140)들이 베이스 플레이트(110)의 길이 방향으로 일 단부가 다수개의 조각으로 분리되어 있으므로, 탄성 포일(140)들과 회전체(150) 사이의 상대적 움직임, 탄성 포일(140)들 사이의 상대적 움직임이 증가되어 마찰에 의한 댐핑이 증가된다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링(100)에서는, 탄성 포일(140)들이 분리된 조각들이 동일하지 않을 수 있기 때문에, 상대적 움직임에 의한 마찰 댐핑이 더욱 향상된다.
위와 같은 구성을 구비함으로써 본 발명은 회전축이 설치되는 회전기기의 안전성이 향상되고, 특히 각 포일들의 마찰부가 다수 개의 조각으로 분리되어 상대적인 운동이 증가하므로 마찰에 의한 댐핑이 증가되는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 회전체가 기울어질 경우 발생하는 집중 하중에 의한 파손이 방지되어 내구성이 및 동작 신뢰성이 향상되고, 과도한 발열이 방지되어 냉각 성능이 개선되는 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 상기 베이스 플레이트의 원주 방향으로 상호 겹쳐지게 배열되어 있는 복수 개의 탄성 포일들;
    상기 베이스 플레이트와 상기 탄성 포일들 사이에 배열되고, 상기 베이스 플레이트의 반경 방향으로 배열되며, 상기 탄성 포일들에 탄성력을 제공하는 복수 개의 탄성 부재들;
    상기 탄성 포일 각각은, 베이스 플레이트에 결합되는 결합부와, 상기 결합부로부터 상기 베이스 플레이트의 원주 방향으로 연장되며 트러스트 디스크에 접촉되는 마찰부와, 상기 탄성 포일의 마찰부가 상기 베이스 플레이트의 반경 방향으로 적어도 두 조각으로 분리되도록 상기 베이스 플레이트의 원주 방향으로 연장되게 형성된 적어도 하나의 홈과, 상기 탄성 포일의 결합부에 배치되며 상기 탄성 포일을 상기 베이스 플레이트와 결합시키는 고정부를 구비하며,
    상기 베이스 플레이트의 원주 방향 상에서 상기 고정부와 탄성 부재 사이에 배치되며, 상기 탄성 부재에 의해서 발생하는 높이차를 보상해주도록 상기 탄성 부재의 적어도 분리된 두 조각의 마찰부를 지지하는 지지 부재를 포함하고,
    상기 복수개의 탄성 부재는, 상기 탄성 포일의 분리된 적어도 두 조각의 마찰부를 각각 탄성 지지하고,
    상기 복수 개의 탄성 포일 중 적어도 두 개의 탄성 포일은, 상기 홈에 의해 상기 베이스 플레이트의 반경 방향으로, 서로 상이한 개수의 조각으로 분리되도록 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재들은 판 스프링인 에어 포일 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재들은 양 단부가 아치형상으로 제공되는 에어 포일 베어링.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 탄성 부재가 서로 동일하거나 또는 서로 다른 강성을 갖는 에어 포일 베어링.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 탄성 포일 중 적어도 두 개의 탄성 포일은, 서로 상이한 개수의 조각으로 분리되도록 형성되어 있는 에어 포일 베어링.
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