KR101507374B1 - 래디얼 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

이 래디얼 포일 베어링(3, 20)은 원통형의 톱 포일(10, 21)과 톱 포일(10, 21)의 직경방향 외측에 배치되는 백 포일(11)과 톱 포일(10, 21) 및 백 포일(11)을 수용하는 원통형의 베어링 하우징(12, 25)을 구비한다. 톱 포일(10, 21)은 직사각형상의 금속박이 회전축(1)의 둘레방향으로 감겨 형성되어 있다. 금속박은 그 일방의 변측에 제1볼록부(15a, 22a) 및 제1오목부(16a, 23a)를 가지는 제1요철부(17a, 23a)와 일방의 변과 반대의 타방의 변측에 제2볼록부(15b, 22b) 및 제2오목부(16b, 23b)를 가지는 제2요철부(17b, 24b)를 구비한다. 또한 금속박이 제1요철부(17a, 23a)와 제2요철부(17b, 24b)가 겹치도록 원통형으로 감겨 있다. 제1볼록부(15a, 22a) 및 제2볼록부(15b, 22b)가 각각 대응하는 제1오목부(16a, 23a) 및 제2오목부(16b, 23b)를 통과하여 베어링 하우징(12, 25)측으로 인출되어 베어링 하우징(12, 25)의 내주면에 형성된 걸어맞춤 홈(13, 26)에 걸어맞춤되어 있다.

Description

래디얼 포일 베어링{RADIAL FOIL BEARING}

본 발명은 래디얼 포일 베어링에 관한 것이다.

본원은 2011년 7월 22일에 일본에서 출원된 일본특허출원 2011-160772호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래 고속 회전체용의 베어링으로서 회전축을 둘러싸도록 장착되어 이용되는 래디얼 베어링이 알려져 있다. 이러한 래디얼 베어링으로는 베어링면을 형성하는 박판형의 톱 포일과, 이 톱 포일을 탄성적으로 지지하는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한 래디얼 포일 베어링이 잘 알려져 있다. 래디얼 포일 베어링의 백 포일로서는 박판을 파판(波板)형으로 성형한 범프 포일이 주로 이용되고 있다.

이러한 래디얼 포일 베어링에서는 통상 톱 포일이나 범프 포일이 베어링 하우징으로부터 탈락하는 것을 방지하기 위해 그 일단부(고정단부)가 점 용접에 의해서 베어링 하우징에 직접적으로, 혹은 스페이서를 개재하여 간접적으로 고정되어 있다.

또한 특허 문헌 1에서는 톱 포일의 양단을 각각 하우징 내벽의 정지벽에 부딪히도록 하여 걸림고정시켜, 고정하고 있다.

특허 문헌 1: 일본공개특허 2006-57828호 공보

그러나 톱 포일을 용접하면 열이 가해지기 때문에 톱 포일에 변형이 생길 가능성이 높다. 또한 용접을 대신하여 기계적으로 고정을 행하기 위해 톱 포일의 일단부(고정단부)를 굽힘가공한 구성도 알려져 있는데, 이 경우는 굽힘가공에 의해서 톱 포일에 변형이 생길 가능성이 있다. 게다가 상기 특허 문헌 1에서는 톱 포일의 양단을 정지벽에 부딪히게 하고 있기 때문에, 톱 포일에 그 양단부로부터 중심부로 향하는 반력이 가해져 변형이 생기는 경우가 있다.

회전축의 회전에 의해서 이 회전축과 톱 포일의 사이에 형성되는 포일 베어링의 유체 윤활막은 10㎛ 전후로 매우 얇다. 이 때문에 톱 포일에 조금이라도 변형이 발생하면, 베어링의 부하 능력이나 동특성(動特性; 강성과 감쇠 성능)에 영향을 미쳐, 설계 그대로의 성능을 얻을 수 없게 될 가능성이 있다.

또한 일단부(고정단부)를 점 용접에 의해서 베어링 하우징에 고정하는 일반적인 톱 포일에서는 그 양단 부근(고정단측과 자유단측)이 베어링 하우징의 내주면을 구성하는 곡면을 따르기 어려워, 평면에 가까운 상태가 된다. 이 경우 평면에 가까운 상기 부위에서는 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생한다. 그 결과 시동 토크가 높아지거나 운전중의 발열이 설정 이상으로 높아지는 경우가 있다.

또한 상기 특허 문헌 1에서는 상기 반력에 의해서 톱 포일에 변형이 발생하는 경우가 있기 때문에 톱 포일이 베어링 하우징의 내주면을 따라서 진원에 가까운 형상이 되지 않고, 변형에 의해서 부분적으로 평면부를 가지는 각형에 가까운 형상이 될 가능성이 있다. 이 경우 평면부에 가까운 부위가 회전축에 대해서 강하게 접촉하게 되어, 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생해, 시동 토크가 높아지거나 운전중의 발열이 설정 이상으로 높아지는 경우가 있다.

이러한 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)을 작게 하기 위해서는, 예를 들어 톱 포일의 양단 부근을 지지하고 있는 범프 포일(백 포일)의 산(山)을 없애는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 범프 포일의 산을 없애면 산을 없앤 부위에 있어서의 회전축의 지지 강성이 큰 폭으로 감소한다. 이 때문에 충격 하중 등에 의하여 회전축의 상기 부위로 향하는 이동을 방지하지 못하여, 회전축에 설치된 임펠러 등의 회전 부분이 정지부(하우징 등)에 접촉할 가능성이 높아진다.

또한 산을 없앤 부위에서의 회전축의 지지 강성이 과도하게 감소되지 않도록 하기 위해 산을 없애는 대신에 상기 부위의 범프 포일의 산의 높이를 낮게 하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 낮게 하는 양이 수십㎛로 작기 때문에 이러한 범프 포일의 제작은 매우 곤란하다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 톱 포일에 생기는 변형을 충분히 줄여, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠 성능)에 대해서 설계 그대로의 양호한 성능을 얻을 수 있는 래디얼 포일 베어링을 제공하는 것을 제1목적으로 한다. 또한 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생을 방지할 수 있는 래디얼 포일 베어링을 제공하는 것을 제2목적으로 한다.

본 발명의 제1형태에 의하면, 회전축을 둘러싸서 그 회전축을 지지하는 래디얼 포일 베어링은, 상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일과, 상기 톱 포일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한다. 상기 베어링 하우징의 내주면에는 그 축 방향을 따라서 복수의 걸어맞춤 홈이 형성되어 있다. 상기 톱 포일은 직사각형상의 금속박이 회전축의 둘레방향으로 감겨 형성되어 있다. 금속박은 그 일방의 변(邊)측에 제1볼록부 및 제1오목부를 가지는 제1요철부와, 상기 일방의 변과 반대의 타방의 변측에 제1볼록부에 대응하는 위치를 포함하도록 형성되는 제2오목부, 및 제1오목부에 대응하는 위치의 적어도 일부에 형성되는 제2볼록부를 가지는 제2요철부를 구비한다. 또한 금속박이 상기 제1요철부와 상기 제2요철부가 겹치도록 원통형으로 감겨 있다. 제1볼록부 및 제2볼록부가 각각 대응하는 제1오목부 및 제2오목부를 통과하여 상기 베어링 하우징측으로 인출되어 있다. 또한 상기 베어링 하우징측으로 인출된 제1볼록부 및 제2볼록부가, 각각 대응하는 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있다.

이 래디얼 포일 베어링에 있어서는, 제1요철부와 제2요철부를 가지는 금속박을, 상기 제1요철부와 상기 제2요철부가 겹치도록 원통형으로 감고, 각 요철부의 볼록부를 각각 베어링 하우징측으로 인출하고, 인출된 이들 볼록부를 베어링 하우징의 내주면에 형성한 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤시키고 있다. 이 때문에 톱 포일에 대해서 점 용접이나 굽힘가공을 행하지 않고, 또한 그 양단부를 베어링 하우징에 부딪히게 하는 것에 의한 양단부로부터 중심부로 향하는 강한 반력을 발생시키지 않고, 톱 포일을 베어링 하우징 내에 수용·고정할 수 있다. 따라서 톱 포일에 발생하는 변형을 억제해, 톱 포일의 변형을 충분히 줄일 수 있다.

본 발명의 제2형태에 의하면, 상기 제1형태에 있어서, 상기 톱 포일에는 상기 일방의 변측과 상기 타방의 변측에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 얇은두께부가 형성되어 있다.

이렇게 하면 톱 포일의 양단부가 탄성변형하기 쉬워져, 이 양단부에서의 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생이 억제된다.

본 발명의 제3형태에 의하면, 상기 제2형태에 있어서, 상기 얇은두께부는 그 외주면이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태로 형성되어 있다.

이와 같이 하면 이 얇은두께부에서는 그 외주면측을 지지하는 백 포일과의 사이에 간극이 형성된다. 따라서 이 얇은두께부에서의 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생이 확실히 방지된다.

본 발명의 제4형태에 의하면, 상기 제1형태 내지 제3형태 중 어느 한 형태에 있어서, 상기 걸어맞춤 홈의 적어도 하나는, 상기 베어링 하우징에서의 축방향의 전체 길이의 일부에 형성되어 있다.

이와 같이 하면 톱 포일과 베어링 하우징의 사이에 축방향의 어긋남이 생겼을 때에도, 베어링 하우징의 축방향의 일부에 형성되어 있는 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되는 볼록부가, 이 걸어맞춤 홈의 단부에 규제되어 그 이동이 정지당하므로, 그 이상의 어긋남이 방지된다. 따라서 톱 포일의 베어링 하우징으로부터의 탈락이 확실히 방지된다.

본 발명의 래디얼 포일 베어링에 의하면, 톱 포일에 생기는 변형을 억제하여, 톱 포일의 변형을 충분히 줄일 수 있다. 그 결과, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠 성능)에 대해서 설계 그대로의 양호한 성능을 얻을 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제1실시 형태에 관련된 래디얼 포일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2a는, 본 발명의 제1실시 형태에 관련된 래디얼 포일 베어링의 개략적 구성을 나타내는 측면도이다.
도 2b는, 도 2a의 A-A선 단면도이다.
도 2c는, 톱 포일의 전개 평면도이다.
도 2d는, 톱 포일의 전개측면도이다.
도 3a는, 본 발명의 제2실시 형태와 관련된 래디얼 포일 베어링의 개략적 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3b는, 도 3a의 B-B선 단면도이다.
도 3c는, 톱 포일의 전개 평면도이다.
도 3d는, 톱 포일의 전개측면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 래디얼 포일 베어링을 자세히 설명한다. 또한 이하의 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해서, 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다.

(제1실시 형태)

도 1은 본 발명의 제1실시 형태의 래디얼 포일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 측면도이다. 도 1에서 부호 1은 회전축, 부호 2는 회전축의 선단부에 설치된 임펠러, 부호 3은 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링이다. 또한 도 1에서는 생략하여 래디얼 포일 베어링을 하나만 기재하고 있지만, 통상은 회전축(1)의 축방향으로 래디얼 포일 베어링이 두 개 설치되어, 회전축(1)의 지지 구조가 구성된다. 따라서 도시하지 않았으나, 본 실시 형태에 있어서도 래디얼 포일 베어링(3)은 두 개 설치되어 있다.

회전축(1)에는 임펠러(2)가 형성된 측에 스러스트 칼라(4)가 고정되어 있다. 이 스러스트 칼라(4)의 양측에는 이 스러스트 칼라(4)에 대향하여 스러스트 베어링(5)이 각각 배치되어 있다.

또 임펠러(2)는 정지측이 되는 하우징(6) 내에 배치되어 있으며 임펠러(2)와 하우징(6) 사이에 팁 클리어런스(tip clearance;7)가 형성되어 있다.

또 회전축(1)에는 스러스트 칼라(4)보다 회전축(1)의 중앙측에 래디얼 포일 베어링(3)이 둘러싸도록 장착되어 있다.

도 2a~2d는 이러한 구성의 터보 기계에 적용된 래디얼 포일 베어링의 제1실시 형태를 도시한 도면이다.이 제1실시 형태의 래디얼 포일 베어링(3)은 도 2a에 도시한 바와 같이 회전축(1)을 둘러싸서 회전축(1)을 지지하는 원통형으로 형성되어 있다. 래디얼 포일 베어링(3)은 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일(10)과 톱 포일(10)의 직경방향 외측에 배치되는 범프 포일(11)(백 포일)과 범프 포일(11)의 직경방향 외측에 배치되는 베어링 하우징(12)을 구비하여 구성되어 있다.

베어링 하우징(12)은 래디얼 포일 베어링(3)의 최외곽부를 구성하며 금속을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다. 베어링 하우징(12)은 그 내부에 범프 포일(11)및 톱 포일(10)을 수용하고 있다. 이 베어링 하우징(12)에는 그 내주면에 베어링 하우징(12)의 축방향을 따라서 복수의 걸어맞춤 홈(13)이 형성되어 있다. 걸어맞춤 홈(13)은 제1걸어맞춤 홈(13a)과 제2걸어맞춤 홈(13b)을 구비한다. 즉 베어링 하우징(12)의 내주면을 나타내는 도 2b에 도시한 바와 같이, 베어링 하우징(12)의 내주면에는 베어링 하우징(12)의 축방향의 전체 길이에 걸쳐 제1걸어맞춤 홈(13a)이 형성되어 있다. 또 제1걸어맞춤 홈(13a)의, 베어링 하우징(12)의 둘레방향에서의 이웃에는 베어링 하우징(12)에 있어서의 축방향의 전체 길이의 일부에만 제2걸어맞춤 홈(13b)이 형성되어 있다. 바꾸어 말하면 제2걸어맞춤 홈(13b)은 베어링 하우징(12)의 축방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있지 않다.

본 실시 형태에 있어서, 제2걸어맞춤 홈(13b)은 제1걸어맞춤 홈(13a)의 이웃에 두 개가 형성되어 있다. 두 개의 제2걸어맞춤 홈(13b)은 베어링 하우징(12)의 축방향과 평행한 일직선상에 배치되어 있다. 이들 제2 걸어맞춤 홈(13b) 중 일방은 베어링 하우징(12)의 일방의 측단으로부터 중심측을 향해 연장되어 형성되어 있고, 타방은 베어링 하우징(12)의 타방의 측단으로부터 중심측을 향해 연장되어 형성되어 있다. 따라서 이들 제2 걸어맞춤 홈(13b)은 베어링 하우징(12)의 축방향 중심부에 있어서 서로 연통하고 있지 않고, 이들 제2 걸어맞춤 홈(13b)에 있어서의 베어링 하우징(12)의 중심측에는 이들 홈의 상기 중심측을 막는 제방부(14)가 형성되어 있다.아울러 걸어맞춤 홈(13a, 13b)의 깊이는 0.1mm~수mm정도이다.

도 2a에 도시한 바와 같이 범프 포일(11)은 포일(박판)로 형성되어 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지하는 백 포일이다. 이러한 백 포일로는 예를 들면 범프 포일이나, 일본공개특허 2006-57652호 공보나 일본공개특허 2004-270904호 공보 등에 기재되어 있는 스프링 포일, 일본공개특허 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 포일 등이 이용된다. 본 실시 형태에서는 백 포일로서 범프 포일을 이용하고 있다. 단, 상기 스프링 포일이나 백 포일을 본 발명의 백 포일로서 이용해도 좋다.

범프 포일(11)은 도 2a에 도시한 바와 같이 포일(박판)이 파판형으로 성형되고, 또한 전체적으로 원통형으로 형성되어 베어링 하우징(12)의 내주면을 따라서 배치되어 있다. 또한 본 실시 형태에 있어서 이 범프 포일(11)은 그 양단 사이가 소정의 간격을 두도록 배치되어 있다. 즉 이 범프 포일(11)은 상기 걸어맞춤 홈(13),(13) 위 및 이들의 사이를 덮지 않고, 그 외의 베어링 하우징(12)의 내주면 위만을 덮어서 배치되어 있다.

또한 파판형으로 성형된 범프 포일(11)은 래디얼 포일 베어링(3)의 둘레방향을 따라서 베어링 하우징(12)에 접하는 골(谷)부와 톱 포일(10)에 접하는 산(山)부를 교대로 형성하고 있다. 이로써 범프 포일(11)은 특히 톱 포일(10)에 접하는 산부에 의해 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 또한 래디얼 포일 베어링(3)의 축방향으로 산부나 골부에 의한 유체의 통로를 형성하고 있다.

아울러 이 범프 포일(11)은 종래와 마찬가지로 점 용접 등에 의해서 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다.

톱 포일(10)은 직사각형상의 금속박이 범프 포일(11)의 내면을 따라서 원통형으로 감겨 형성되고 일방의 단부측에 형성된 볼록부(15a)(제1볼록부)와 타방의 단부측에 형성된 볼록부(15b)(제2볼록부)가 각각 베어링 하우징(12)에 형성된 상기 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤되도록 배치되어 있다. 이 톱 포일(10)은 그 전개 평면도인 도 2c에 도시하는 바와 같이 베어링 둘레방향을 장변으로 하고, 베어링축 방향을 단변으로 하는 직사각형상의 금속박이 그 측면도인 도 2d에서의 화살표 방향(장변의 길이 방향: 베어링 둘레방향)으로 원통형으로 감겨 형성되어 있다.

이 톱 포일(10)에는 도 2c에 도시한 바와 같이, 단변에 있어서의 일방의 변측에 하나의 볼록부(15a)와 두 개의 오목부(16a)(제1오목부)를 가지는 제1요철부(17a)가 형성되고, 단변에 있어서의 상기 일방의 변과 반대의 타방의 변측에 두 개의 볼록부(15b)와 하나의 오목부(16b)(제2오목부)를 가지는 제2요철부(17b)가 형성되어 있다. 제2요철부(17b)의 오목부(16b)는 제1요철부(17a)의 볼록부(15a)에 대응하는 위치에 형성되고, 제1요철부(17a)의 오목부(16a)는 제2요철부(17b)의 볼록부(15b)에 대응하는 위치에 형성되어 있다.

즉 제2요철부(17b)의 오목부(16b)는 제1요철부(17a)와 제2요철부(17b)가 겹치도록 톱 포일(10)(직사각형상의 금속박)을 원통형으로 감았을 때, 오목부(16b) 내를 볼록부(15a)가 빠져나가도록 형성되어 있다. 마찬가지로 제1요철부(17a)의 오목부(16a)는 톱 포일(10)(직사각형상의 금속박)을 원통형으로 감았을 때, 오목부(16a)내를 볼록부(15b)가 각각 빠져나가도록 형성되어 있다.

이러한 방식으로 오목부(16b, 16a)를 통과한 볼록부(15a, 15b)는 도 2a에 도시한 바와 같이 각각 베어링 하우징(12)측으로 인출되고, 그 선단부가 베어링 하우징(12)의 상기 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤된다. 이로써 톱 포일(10)은 그 둘레방향으로의 이동이 규제되어 그 이동량이 근소해지도록 배치되어 있다.

또 볼록부(15a, 15b)는 그 선단이 걸어맞춤 홈(13)의 측벽면이나 저면에 강하게 부딪히지 않고, 측벽면이나 저면에 근접한 상태로 배치된다. 따라서 회전축(1)의 정상 운전시에 볼록부(15a, 15b)는 걸어맞춤 홈(13)으로부터 큰 반력을 받지 않기 때문에 톱 포일(10)에 생기는 변형을 방지할 수 있다. 또 래디얼 포일 베어링(3)에 회전축(1)의 축 흔들림 등에 의한 예측 불가능한 외력이 가해졌을 때에도, 톱 포일(10)은 베어링 하우징(12) 내를 회전하지 않아, 베어링 하우징(12)과 회전축(1)의 사이로부터의 탈락을 방지할 수 있다.

즉 예측 불가능한 외력이 가해졌을 때에는 볼록부(15a, 15b)가 걸어맞춤 홈(13)의 측벽면이나 저면에 걸림고정함으로써, 이들 볼록부(15a, 15b)가 걸어맞춤 홈(13)에서 빠지는 것을 방지할 수 있다. 따라서 톱 포일(10)이 회전하는 것이나, 과잉 변형하여 상기 볼록부(15a, 15b)가 오목부(16b, 16a)로부터 빠져 나가 톱 포일(10)이 베어링 하우징(12)으로부터 탈락하는 것이 방지되어 있다.

또한 도 2b에서 2점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 특히 제2걸어맞춤 홈(13b)에 걸어맞춤되는 볼록부(15b)는, 제2걸어맞춤 홈(13b)에 의해서 베어링 하우징(12)의 축방향 중심측(내측)으로의 이동이 규제되어 있다. 즉 제2걸어맞춤 홈(13b)에는 베어링 하우징(12)의 중심측에 제방부(14)가 형성되어 있기 때문에 톱 포일(10)과 베어링 하우징(12)의 사이에 축방향의 어긋남이 생겼을 때에도, 두 개의 볼록부(15b) 중 어느 하나가 걸어맞춤 홈(13b)의 제방부(14)에 접촉하여, 볼록부(15b), 즉 톱 포일(10)의 이동이 정지당한다. 이로써 톱 포일(10)은 베어링 하우징(12)에서 밖으로 튀어나오는 것이 방지되어 있다.

또한 톱 포일(10)에는 도 2d에서 도시하는 바와 같이, 제1요철부(17a)를 형성한 측(일방의 변측)과 제2요철부(17b)를 형성한 측(타방의 변측)에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 얇은두께부(18)가 형성되어 있다. 이들 얇은두께부(18)는 도 2a에서 도시하는 바와 같이, 그 외주면(범프 포일(11)측의 면)이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록, 두께가 얇게 되어(薄肉化) 형성되어 있다.

얇은두께부(18)를 형성하기 위해서는 예를 들면 에칭 가공에 의해서 톱 포일(10)의 양단부를 10㎛ 단위로 컨트롤하여 원하는 두께(얇기)로 형성한다. 구체적으로는 베어링 직경 Ø35mm로 했을 경우, 톱 포일(10)의 두께를 100㎛로 하면 얇은두께부(18)의 두께는 80㎛ 정도가 되도록 한다. 또한 이러한 에칭 가공에서는 굽힘가공 등과 비교해 톱 포일(10)에 생기는 응력이 극히 작으며, 따라서 톱 포일(10)에 변형이 생기는 일도 거의 없다.

또 도 2d에서 도시하는 얇은두께부(18)의 둘레방향의 길이(L)는 도 2a에서 도시하는 바와 같이, 둘레방향으로 서로 이웃하는 두 개의 걸어맞춤 홈(13)의 간격과 범프 포일(11)의 단부의 산 하나의 폭을 합한 길이에 대응하고 있다.

이와 같이 톱 포일(10)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성함으로써, 이들 양단부(얇은두께부(18))는 탄성 변형하기 쉬워진다. 따라서 이들 양단부는 베어링 하우징(12)의 내주면을 구성하는 곡면을 따라서 곡면이 된다. 이로써 톱 포일(10)에서는 그 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

또한 톱 포일(10)의 양단부의 외주면을, 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 두께를 얇게 하여 얇은두께부(18)를 형성하고 있으므로, 그 외주면측을 지지하는 범프 포일(11)의 단부의 하나의 산과 얇은두께부(18) 사이에 간극이 형성된다. 이로써 얇은두께부(18)에서는 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생이 확실히 방지된다. 또한 얇은두께부(18)의 둘레방향의 길이(L)에 대해서는, 도 2a에 도시한 예를 대신하여, 둘레방향으로 서로 이웃하는 두 개의 걸어맞춤 홈(13)의 간격과 범프 포일(11)의 단부의 산 세 개분 정도의 폭을 합한 길이까지로 대응시켜도 좋다.

다음으로 이러한 구성으로 이루어지는 래디얼 포일 베어링(3)의 작용에 대해 설명한다.

회전축(1)이 정지한 상태에서는, 톱 포일(10)은 범프 포일(11)에 의해서 회전축(1)측으로 가압됨으로써 회전축(1)에 밀착되어 있다. 또한 본 실시 형태에서는 톱 포일(10)의 양단부가 얇은두께부(18)로 되어 있으므로, 이들 얇은두께부(18)에서는 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 생기지 않는다.

회전축(1)을 도 2a중의 화살표(P)방향으로 회전시키면, 처음에는 저속으로 회전을 시작하고 그 후 서서히 가속하여 고속으로 회전한다. 이 때문에 도 2a중 화살표(Q)로 나타낸 것처럼, 톱 포일(10)의 일단(볼록부(15a))과 범프 포일(11)의 일단 사이로부터 주위 유체가 끌려들여져 톱 포일(10)과 회전축(1)의 사이에 유입된다. 이로써 톱 포일(10)과 회전축(1) 사이에 유체 윤활막이 형성된다.

이 때, 유체 윤활막이 형성되기까지의 과도 상태에서는 회전축(1)과 톱 포일(10) 사이에 고체 마찰이 발생하는데 이것이 시동시의 저항이 된다. 그러나 상술한 바와 같이 톱 포일(10)의 양단부에서는 프리로드가 발생되지 않게 되어 있다. 또, 주위 유체가 유입되는 측의 톱 포일(10)의 단부가 얇은두께부(18)로 되어 있어서 유연하게 되어 있으므로 톱 포일(10)의 단부와 회전축(1) 사이가 개구되기 쉬워, 유체가 용이하게 유입할 수 있도록 되어 있다. 따라서 회전축(1)이 시동하면 조기에 유체 윤활막이 형성되고 회전축(1)은 톱 포일(10)에 대해서 비접촉 상태로 회전한다.

이러한 래디얼 포일 베어링(3)에 있어서는, 오목부(16b, 16a)로부터 인출된 볼록부(15a, 15b)를 베어링 하우징(12)의 내주면에 형성한 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤시키고 있다. 이 때문에 톱 포일(10)에 대해서 점 용접이나 굽힘가공을 행하지 않고, 또한 톱 포일(10)의 양단부를 베어링 하우징(12)에 부딪히게 하는 것에 의한 양단부로부터 중심부로 향하는 강한 반력을 발생시키지 않고, 톱 포일(10)을 베어링 하우징(12) 내에 수용·고정할 수 있다. 따라서 톱 포일(10)에 생기는 변형을 억제하여 톱 포일(10)의 변형을 충분히 줄일 수 있기 때문에, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠 성능)에 대해서 설계 그대로의 양호한 성능을 발휘시킬 수 있다.

또한 톱 포일(10)에 대해서는, 단지 에칭 가공에 의한 요철부(17a,17b)의 형성 공정이 늘었을 뿐으로, 변형을 발생시킬 가능성이 있는 종래의 점 용접이나 굽힘가공을 없앨 수 있다. 따라서 제작의 난이도를 저하시켜, 제조 비용을 줄일 수 있다.

또한 베어링 하우징(12)에 대한 톱 포일(10)의 용접공정이 없기 때문에, 용접 불량 등에 의한 조립 불량이나 조립 편차를 억제할 수 있다. 따라서 재현성이 높아져, 양산성이 우수하다.

또한 종래와 같이 톱 포일의 일단측을 베어링 하우징에 점 용접하여 고정단으로 하고 타단측을 자유단으로 한 구성에서는 회전축을 역회전시켰을 때, 톱 포일이 회전축에 휘감길 가능성이 있다. 이에 비해 본 실시 형태의 래디얼 포일 베어링(3)은 도 2a에 도시한 바와 같이 측면에서 볼 때에는 좌우 대칭으로 되어 있기 때문에, 회전축(1)의 정회전에도 역회전에도 모두 대응하여 동등하게 기능할 수 있다. 따라서 회전축이 역회전하는 회전 기계에도 적용 가능하다.

또한 톱 포일(10)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성하고 있으므로, 상술한 바와 같이 이들 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생하지 않는다. 따라서 프리로드에 의해서 시동 토크가 높아지는 일이나, 운전중의 발열이 설정 이상으로 높아지는 일을 방지할 수 있다.

또한 톱 포일(10)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성하고 있으므로, 예를 들면 종래와 같이 톱 포일의 양단부를 베어링 하우징 내곡면(내주면)에 맞추기 위한 열처리 공정이 불필요하게 된다. 나아가 톱 포일(10)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성함으로써, 주위 유체가 유입되는 측의 톱 포일(10)의 단부(종래형의 자유단에 상당)가 유연하게 되어 있기 때문에, 상술한 바와 같이 주위 유체가 톱 포일(10)과 회전축(1) 사이에 유입되기 쉬워진다.

따라서 보다 낮은 회전수에서 유체 윤활막이 형성되며, 시동성이 향상된다.

(제2실시 형태)

다음으로 본 발명의 제2실시 형태의 래디얼 포일 베어링을 설명한다. 도 3a~3d는 도 1에 도시한 터보 기계에 적용된 래디얼 포일 베어링의 제2실시 형태를 나타내는 도면이며, 도 3a 중 부호(20)는 래디얼 포일 베어링이다. 이 래디얼 포일 베어링(20)이 도 2a에 도시한 래디얼 포일 베어링(3)과 다른 점은 톱 포일의 형상 및 이에 대응하는 베어링 하우징의 걸어맞춤 홈의 형상이다. 또한 제2실시 형태에서 제1실시 형태와 마찬가지 요소에는 동일한 부호를 붙이며, 그 설명을 생략한다.

즉 본 실시 형태의 래디얼 포일 베어링(20)의 톱 포일(21)에는 도 3c에 도시한 바와 같이 단변에 있어서의 일방의 변측에, 하나의 볼록부(22a)(제1볼록부)와 하나의 오목부(23a)(제1오목부)를 가지는 제1요철부(24a)가 형성되고, 단변에 있어서의 상기 일방의 변과 반대의 타방의 변측에, 하나의 볼록부(22b)(제2볼록부)와 하나의 오목부(23b)(제2오목부)를 가지는 제2요철부(24b)가 형성되어 있다. 제2요철부(24b)의 오목부(23b)는 제1요철부(24a)의 볼록부(22a)에 대응하는 위치를 포함하도록 형성되고, 제1요철부(24a)의 오목부(23a)는 제2요철부(24b)의 볼록부(22b)에 대응하는 위치를 포함하도록 형성되어 있다. 환언하면, 볼록부(22a)는 오목부(23b)에 대응하는 위치의 적어도 일부에 형성되고, 볼록부(22b)는 오목부(23a)에 대응하는 위치의 적어도 일부에 형성되어 있다.

즉 제2요철부(24b)의 오목부(23b)는 제1요철부(24a)와 제2요철부(24b)가 겹치도록 톱 포일(21)을 원통형으로 감았을 때, 오목부(23b) 내를 볼록부(22a)가 빠져나가도록 형성되어 있다. 마찬가지로 제1요철부(24a)의 오목부(23a)는 톱 포일(21)을 원통형으로 감았을 때, 오목부(23a) 내를 볼록부(22b)가 빠져나가도록 형성되어 있다. 또한 본 실시 형태에서는 오목부(23b, 23a)의 폭(래디얼 포일 베어링(20)의 축방향에서의 폭)이 대응하는 볼록부(22a, 22b)의 폭보다 충분히 넓어지도록 형성되어 있다.

또한 베어링 하우징(25)의 내주면에는 도 3a에 도시한 바와 같이 이러한 볼록부(22a, 22b)의 배치에 대응하여, 걸어맞춤 홈(26)이 형성되어 있다. 즉 베어링 하우징(25)의 내주면을 나타내는 도 3b에 도시한 바와 같이 베어링 하우징(25)의 내주면에는 축방향의 전체 길이의 일부에만 형성된 두 개의 걸어맞춤 홈(26)이 형성되어 있다.

이들 걸어맞춤 홈(26) 중 일방은 베어링 하우징(25)의 일방의 측단으로부터 중심측을 향해 연장되어 형성되고 있고, 타방은 베어링 하우징(25)의 타방의 측단으로부터 중심측을 향해 연장되어 형성되어 있다. 또한 이들 걸어맞춤 홈(26)은 베어링 하우징(25)의 축방향과 평행한 동일 직선상에 배치되지 않고, 베어링 하우징(25)의 둘레방향에서 소정의 간격을 둔 다른 직선상에 각각 배치되어 있다.

이러한 구성의 래디얼 포일 베어링(20)에 있어서도, 도 2a~2d에 도시한 래디얼 포일 베어링(3)으로 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다. 즉, 오목부(23b, 23a)로부터 인출된 볼록부(22a, 22b)를 베어링 하우징(25)의 내주면에 형성한 걸어맞춤 홈(26)에 걸어맞춤시키고 있다. 따라서 톱 포일(21)에 대해서 점 용접이나 굽힘가공을 실시하지 않고, 또한 톱 포일(21)의 양단부를 베어링 하우징(25)에 부딪히게 하는 것에 의한 양단부로부터 중심부로 향하는 강한 반력을 일으키지 않고, 톱 포일(21)을 베어링 하우징(25) 내에 수용·고정할 수 있다. 따라서 톱 포일(21)에 생기는 변형을 억제해, 톱 포일(21)의 변형을 충분히 줄일 수 있기 때문에, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠 성능)에 대해서 설계 그대로의 양호한 성능을 발휘시킬 수 있다.

또 톱 포일(21)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성하고 있으므로, 상술한 바와 같이 이들 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생하지 않는다. 따라서 프리로드에 의해서 시동 토크가 높아지는 일이나, 운전중의 발열이 설정 이상으로 높아지는 일을 방지할 수 있다.

또한 도 3b중 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 걸어맞춤 홈(26)에 걸어맞춤되는 볼록부(22a, 22b)의, 베어링 하우징(25)의 축방향 중심측(내측)으로의 이동을 걸어맞춤 홈(26)의 제방부(14)에 의해서 규제하고 있으므로, 톱 포일(21)이 베어링 하우징(25)로부터 밖으로 튀어나오는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않고, 첨부한 클레임의 범위에 의해서만 한정된다. 상술한 실시 형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 형상이나 편성 등은 일례이며, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 외의 변경이 가능하다.

예를 들면 상기 실시 형태에서는 제1요철부, 제2요철부를 각각 한 개 또는 두 개의 볼록부와 오목부에 의해서 형성했지만, 이들 볼록부와 오목부의 수에 대해서는 세 개 이상이어도 좋다.

또 얇은두께부(18)에 대해서는 예를 들면 그 표리 양면을 에칭 가공해, 얇은 두께(박육)로 형성해도 좋다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명은 회전축을 둘러싸서 지지하는 래디얼 포일 베어링에 폭넓게 이용할 수 있다.

1 회전축
3 래디얼 포일 베어링
10 톱 포일
11 범프 포일(백 포일)
12 베어링 하우징
13 걸어맞춤 홈
13a 제1걸어맞춤 홈
13b 제2걸어맞춤 홈
14 제방부
15a 볼록부(제1볼록부)
15b 볼록부(제2볼록부)
16a 오목부(제1오목부)
16b 오목부(제2오목부)
17a 제1요철부
17b 제2요철부
18 얇은두께부
20 래디얼 포일 베어링
21 톱 포일
22a 볼록부(제1볼록부)
22b 볼록부(제2볼록부)
23a 오목부(제1오목부)
23b 오목부(제2오목부)
24a 제1요철부
24b 제2요철부
25 베어링 하우징
26 걸어맞춤 홈

Claims (6)

1. 회전축을 둘러싸서 그 회전축을 지지하는 래디얼 포일 베어링으로서,
   상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일과, 상기 톱 포일의 직경방향 외측에 배치되는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하고,
   상기 베어링 하우징의 내주면에는 그 축방향을 따라서 복수의 걸어맞춤 홈이 형성되고,
   상기 톱 포일은 직사각형상의 금속박이 상기 회전축의 둘레방향으로 감겨져 형성되고,
   상기 금속박은, 그 일방의 변측에 제1볼록부 및 제1오목부를 가지는 제1요철부와, 상기 일방의 변과 반대의 타방의 변측에 상기 제1볼록부에 대응하는 위치를 포함하도록 형성되는 제2오목부 및 상기 제1오목부에 대응하는 위치의 적어도 일부에 형성되는 제2볼록부를 가지는 제2요철부를 구비함과 동시에, 상기 제1요철부와 상기 제2요철부가 겹치도록 원통형으로 감기고,
   상기 제1볼록부 및 제2볼록부가, 각각 대응하는 상기 제1오목부 및 제2오목부를 통과하여 상기 베어링 하우징측으로 인출되고,
   상기 베어링 하우징측으로 인출된 상기 제1볼록부 및 제2볼록부가, 각각 대응하는 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있는 래디얼 포일 베어링.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 톱 포일에는 상기 일방의 변측과 상기 타방의 변측에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 얇은두께부가 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 얇은두께부는 그 외주면이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태로 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 걸어맞춤 홈의 적어도 하나는 상기 베어링 하우징에 있어서의 축방향의 전체 길이의 일부에 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 걸어맞춤 홈의 적어도 하나는 상기 베어링 하우징에 있어서의 축방향의 전체 길이의 일부에 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 걸어맞춤 홈의 적어도 하나는 상기 베어링 하우징에 있어서의 축방향의 전체 길이의 일부에 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.

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