KR101279252B1 - 선박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링에 관한 것이며, 그 목적은 터보차저 회전축의 고른 하중 지지력을 확보하기 위한 래디얼 및 스러스트 베어링의 기능을 겸하는 틸팅패드 타입의 베어링 구조를 제공함에 있다.

본 발명은 터빈과 임펠러를 동일 축으로 하는 선박용 터보차저의 회전축을 하우징으로부터 지지하는 베어링에 있어서; 상기 하우징에 고정되어, 상기 임펠러를 향해 인접하여 회전축상에 설치되는 래버린스 링에 전면이 밀착되는 제1스러스트 베어링과; 상기 래버린스 링 후방에 배치되어 회전축상에 고정되며, 래디얼 접촉부와 스러스트 접촉부를 일체로 하는 슬리브형 스러스트 링과; 상기 하우징에 고정되어, 상기 래디얼 접촉부에 내면이 밀착되는 래디얼 베어링부와, 상기 스러스트 접촉부에 후면이 밀착되는 스러스트 베어링부를 일체로 구성한 제2복합 베어링; 및 상기 하우징에 고정되어, 상기 터빈을 향해 인접하는 회전축에 내면이 밀착되는 제3래디얼 베어링을 포함하여 이루어진 터보차저 회전축 베어링에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

터보차저, 베어링, 틸팅패드, 래디얼(radial), 스러스트(thrust)

Description

선박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링{Tilting pad bearing for turbocharger}

본 발명은 선박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈과 임펠러를 동축으로 하는 회전축의 지지를 위한 베어링 구조에 관한 것이다.

선박이나 발전 장치 등과 같이 고출력이 요구되는 디젤 엔진 등에 있어서는, 배기 터빈 과급기(turbocharger : 이하 '터보차저'라 한다.)가 채용하여 기관의 출력을 향상시키도록 하고 있다.

이러한 터보차저는 터빈과 임펠러를 동일 축으로 부착한 구성으로 되고, 터빈실내로 도입된 기관의 배기가스를 에너지원으로 하여 압축실의 임펠러를 구동함으로써, 기관에 공급하는 공기를 고밀도로 압축하는 기능을 갖고 있다.

고속으로 회전하는 터보차저의 회전축은 베어링에 의해 하우징으로부터 지지하게 되는데, 고속회전 및 고 하중에 대한 지지 능력을 가지는 베어링이 필요하다.

또한, 터보차저의 대형화로 인해 그 회전축은 가공 및 조립 정밀도의 부정확 성이 늘어나게 되고, 이로 인해 조립 시 부정확한 정렬에 대한 공차 범위를 흡수할 수 있는 베어링이 필요하다.

일반적으로, 양쪽에 배치된 임펠러와 터빈을 동일 축으로 하는 회전축은 그 반경방향에 대한 지지하중을 안정적으로 확보하도록 래디얼 베어링이 임펠러와 터빈에 각각 인접하도록 2개 요소로 구비되고, 또한, 회전축의 축방향에 대한 지지하중을 안정적으로 확보하도록 스러스트 베어링이 2개 요소로 구비되는 것이 기본이다. 이때 일반적으로 2개의 스러스트 베어링은 과 진동 현상이 크게 발생되는 임펠러에 인접하여 모두 설치 구성된다.

한편, 종래 회전축 지지를 위해 사용되는 베어링은 대부분 플레인(plain)베어링을 사용하게 된다. 하지만, 이러한 플레인베어링과 같은 슬리브베어링은 강성이 큰 반면 감쇠 능력이 부속하여 외부 댐퍼를 설치하여야 하는 등 부가적인 장치를 필요로 하게 된다. 이는 특히 본 발명과 같이, 고속회전과 고출력을 요구하는 터보차저의 터빈의 운동에너지가 회전축을 통하여 임펠러로 전달됨으로서 해서 한쪽방향으로 굉장히 큰 하중이 걸리게 된다.

종래 회전축 지지를 위해 사용되는 플레인베어링의 경우에는, 고속회전 시 발열 및 불안정 주파수 발생 등 회전에 따른 불안정성이 증대되고, 또한 조립 시에도 부정확한 정렬로 인한 오차를 보상하기에는 미흡한 구조를 이루고 있다.

또한, 대형기관에 사용되는 터보차저의 회전축의 경우에는 그 대형화에 따른 가공 및 조립 정밀도의 부정확성이 늘어나게 되고, 이로 인해 조립 시에도 부정확한 정렬에 대한 어느 정도의 공차 범위를 흡수할 필요가 있으며, 또한 고속회전 및 고 하중 지지의 능력을 필연적으로 만족하여야 한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 래디얼 베어링과 스러스트 베어링을 일체로 하는 복합 베어링을 설치 구성하여, 개별 베어링의 설치 시 필요로 하는 슬리브, 링 부재, 및 윤활유의 유로 등 부가요소를 현저히 줄일 수 있는 래디얼 및 스러스트의 복합기능을 겸하는 터보차저의 베어링 구조를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기존의 플레인베어링의 문제점을 해결하기 위해 고속회전에 적합하고 강성 및 감쇠 연성이 쉽게 이루어지지 않는 틸팅패드를 구비하는 베어링을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 과제를 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 본 발명은 터빈과 임펠러를 동일 축으로 하는 선박용 터보차저의 회전축을 하우징으로부터 지지하는 베어링에 있어서,

상기 하우징에 고정되어, 상기 임펠러를 향해 인접하여 회전축 상에 설치되는 래버린스 링에 전면이 밀착되는 제1스러스트 베어링과;

상기 래버린스 링 후방에 배치되어 회전축 상에 고정되며, 래디얼 접촉부와 스러스트 접촉부를 일체로 하는 슬리브형 스러스트 링과;

상기 하우징에 고정되어, 상기 래디얼 접촉부에 내면이 밀착되는 래디얼 베 어링부와, 상기 스러스트 접촉부에 후면이 밀착되는 스러스트 베어링부를 일체로 구성한 제2복합 베어링과;

상기 하우징에 고정되어, 상기 터빈을 향해 인접하는 회전축에 내면이 밀착되는 제3래디얼 베어링을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1복합 베어링의 래디얼 베어링부 및 스러스트 베어링부는, 상기 래디얼 접촉부와 스러스트 접촉부에 각각 밀착되는 틸팅패드를 구비하는 틸팅패드형 베어링 구조를 이루도록 한다.

상기와 같은 수단으로부터 본 발명은 래디얼 베어링과 스러스트 베어링을 일체로 하는 복합 베어링을 구비함으로서, 종래 개별 베어링의 설치 시 필요로 하는 슬리브, 링 부재, 및 윤활유의 유로 등 부가요소를 현저히 줄일 수 있어, 베어링의 가공비용을 포함한 베어링의 조립 설치에 따른 제작비용 및 유지보수 비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 틸팅패드 타입의 베어링을 구비함으로서, 래디얼 및 스러스트 방향으로 작용하는 회전축의 하중 크기변화에 대응하여, 균등한 지지력을 확보와 지지용량을 증대시킬 수 있으며, 이로 인한 회전축의 진동 억제와 소음 절감을 만족할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 터보차저 회전축의 종단면 예시도를 도 2는 도 1의 요부 확대도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 베어링 구조는, 크게 제1스러스트 베어링(20)과, 래디얼 베어링 기능과 스러스트 베어링 기능을 겸하는 제2복합 베어링(30) 및 제3래디얼 베어링(40)을 포함한다.

먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예로서, 회전축(3)의 전방 즉, 임펠러(1)에 인접하여 기밀을 위한 래버린스 링(5:labyrinth ring)이 회전축(3)에 결합된다.

그리고 제1스러스트 베어링(20)은 하우징(4)에 고정되어, 상기 래버린스 링(5)에 그 전면이 밀착된다.

그리고 제3래디얼 베어링(40)은 하우징(4)에 고정되어, 회전축(3)의 후방 즉, 터빈(2)에 인접하게 회전축(3)의 외경을 지지하게 된다.

그리고 상기 래버린스 링(5) 후방에 배치되어, 회전축(3)상에 고정되어, 슬리브형 스러스트 링(10)이 설치 구성된다. 이 슬리브형 스러스트 링(10)은, 도시된 바와 같이, 단면 형상이 '┛'자형을 이룸으로서, 일부는 래디얼 접촉부(11)를, 나머지 일부는 스러스트 접촉부(12)를 일체로 구비하게 된다.

그리고 상기 제2복합 베어링(30)은 하우징(4)에 고정되어, 상기 슬리브형 스러스트 링(10)에 내면과 후면이 각각 밀착되어, 래디얼 베어링의 기능과 스러스트 베어링의 기능을 겸하게 된다. 즉, 제2복합 베어링(30)은 슬리브형 스러스트 링(10)의 단면 형상과 대응하여 '┛'자형을 이루며, 일부는 상기 래디얼 접촉부(11)에 내면이 밀착되는 래디얼 베어링부(31)와, 나머지 일부는 상기 스러스트 접촉부(12)에 후면이 밀착되는 스러스트 베어링부(32)를 일체로 구성하게 된다.

이렇게 래디얼 베어링과 스러스트 베어링의 기능을 겸하게 되는 제2복합 베어링(30)을 설치 구성함으로서, 개별 베어링의 지지를 위한 슬리브, 링 부재, 및 윤활유의 유로 등 부가적으로 설치 구성되어야 하는 장치를 배제하고 단순 구조를 만족할 수 있어, 이에 따른 제작비 절감과 유지보수 작업의 편의를 가져올 수 있다.

상기 슬리브형 스러스트 링(10)의 길이는 전방에 설치되는 제1스러스트 베어링(20)과 후방에 설치되는 제2복합 베어링(30)에 의한 스러스트 베어링의 사이 거리를 결정하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 베어링 구조에는 종래의 플레인(plain)베어링 타입이 아닌 틸팅패드(tilting pad) 타입의 베어링 구조를 구비하도록 한다.

즉, 본 발명의 실시예로서, 제2복합 베어링(30)의 래디얼 베어링부(31)와 스러스트 베어링부(32)에는 상기 슬리브형 스러스트 링(10)에 밀착되는 부위에 틸팅패드를 각각 구비하게 된다.

보다 구체적으로, 먼저 도 3은 도 2의 A-A단면을 보이는 것으로, 래디얼 베어링부(31)의 내면(래디얼 접촉부(11)와 밀착부)에는 윤활유가 채워지는 함몰 부(311)를 형성하고, 이 함몰부(311)에 방사형으로 다수개의 틸팅패드(312)가 균등한 간격으로 배치되어, 그 중심부가 회전축(3)과 나란한 방향으로 핀(313)결합되어 틸팅 구조를 이루게 된다. 이때 이러한 틸팅패드(312)는 정위치(핀(313)을 중심으로 틸팅이 되지 않은 상태)시 상기 슬리브형 스러스트 링(10)의 래디얼 접촉부(11)와 소정의 간격을 유지하게 된다.

이상과 같이, 래디얼 베어링부(31)에 설치 구성되는 틸팅패드(312)는 회전축(3)의 축방향으로 다수개가 구비하여, 축방향에 대한 균등한 지지력을 확보할 수 있게 함이 바람직하다.

또한, 도 4는 도 2의 B-B단면을, 도 5는 스러스트 베어링부의 분리 사시도를 보이는 것으로, 스러스트 베어링부(32)의 후면(스러스트 접촉부(12)와 밀착부)에는 윤활유가 채워지는 함몰부(321)를 형성하고, 이 함몰부(321)에 방사형으로 다수개의 틸팅패드(322)가 균등한 간격으로 배치되어, 그 중심부가 회전축(3)의 중심을 향하는 핀(323)결합되어 틸팅 구조를 이루게 된다. 이때 이러한 틸팅패드(322)는 정위치(핀(323)을 중심으로 틸팅이 되지 않은 상태)시 상기 슬리브형 스러스트 링(10)의 스러스트 접촉부(12)와 소정의 간격을 유지하게 된다.

이상과 같이, 슬리브형 스러스트 링(10)과 밀착되는 래디얼 베어링부(31) 및 스러스트 베어링부(32)에 틸팅패드(312)(322)타입의 베어링 구조를 적용함으로서, 회전축(3)에 대한 지지하중의 크기가 달리되더라도 틸팅작용에 의해 가변되는 틸팅패드(312)(322)로 인해 제2복합 베어링(30)과 슬리브형 스러스트 링(10) 사이 공간 에 대한 충분한 유막 압력이 균등하게 형성되어, 결국 회전축(3) 하중 지지 용량이 증대될 뿐만 아니라, 회전축(3)의 축방향 하중의 크기에 따라 틸팅패드(312)(322)의 틸팅 각도가 결정됨으로서 항상 최적의 지지상태를 유지하게 된다. 이는 회전축(3)의 진동을 억제하여 소음감소 및 전체적인 엔진의 정숙성에 커다란 효과를 제공하게 된다.

또한, 이렇게 틸팅패드(312)(322)를 구비하는 제2복합 베어링(30)은 초기 베어링 조립 시, 슬리브형 스러스트 링(10)과 결합에 있어 여유를 두고 결합될 수 있어 조립작업의 편의를 제공하게 된다.

물론, 도시되진 않았지만, 상기 틸팅 패드(312)(322)를 구비하는 베어링 구조는, 상기 제1스러스트 베어링(20) 및 제3래디얼 베어링(40)을 포함하여 회전축(3)을 지지하는 부위별 베어링에 모두 적용될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 고 하중과 과 진동이 집중되는 제2복합 베어링(30)에 대해서만 그 설치 구성을 제한하였다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 터보차저 회전축의 구성을 보이는 종단면 예시도

도 2는 도 1의 요부 확대도

도 3은 도 2의 A-A선을 따라 절단한 단면도

도 4는 도 2의 B-B선을 따라 절단한 단면도

도 5는 본 발명에 따른 스러스트 베어링부의 구성을 보이는 사시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 임펠러 (2) : 터빈

(3) : 회전축 (4) : 하우징

(5) : 래버린스 링 (10) : 슬리브형 스러스트 링

(11) : 래디얼 접촉부 (12) : 스러스트 접촉부

(20) : 제1스러스트 베어링 (30) : 제2복합 베어링

(31) : 래디얼 베어링부 (32) : 스러스트 베어링부

(312)(322) : 틸팅패드 (40) : 제3래디얼 베어링

Claims (3)

1. 터빈(2)과 임펠러(1)를 동일 축으로 하는 선박용 터보차저의 회전축(3)을 하우징(4)으로부터 지지하는 베어링에 있어서,

   상기 하우징(4)에 고정되어, 상기 임펠러(1)를 향해 인접하여 회전축(3)상에 설치되는 래버린스 링(5)에 전면이 밀착되는 제1스러스트 베어링(20)과;

   상기 래버린스 링(5) 후방에 배치되어 회전축(3)상에 고정되며, 래디얼 접촉부(11)와 스러스트 접촉부(12)를 일체로 하는 슬리브형 스러스트 링(10)과;

   상기 하우징(4)에 고정되어, 상기 래디얼 접촉부(11)에 내면이 밀착되는 래디얼 베어링부(31)와, 상기 스러스트 접촉부(12)에 후면이 밀착되는 스러스트 베어링부(32)를 일체로 구성한 제2복합 베어링(30)과;

   상기 하우징(4)에 고정되어, 상기 터빈(2)을 향해 인접하는 회전축(3)에 내면이 밀착되는 제3래디얼 베어링(40)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2복합 베어링(30)의 래디얼 베어링부(31) 및 스러스트 베어링부(32)는, 상기 래디얼 접촉부(11)와 스러스트 접촉부(12)에 각각 밀착되는 틸팅패드(312)(322)를 구비하는 틸팅패드형 베어링 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 선 박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링.
3. 제2항에 있어서,

   상기 래디얼 베어링부(31)에 구비된 틸팅패드(312)는, 회전축(3)의 축방향으로 다수개가 설치 구성되는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 터보차저의 회전축 베어링.

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