KR101629714B1 - 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터가 배치되는 중공이 형성되며, 폭방향 양측이 개방되게 형성되는 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단 또는 양단이 베어링 하우징에 결합되어 고정되는 범프 포일; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 중력방향으로 하측에 배치된 양단이 서로 이격되어 베어링 하우징에 결합되는 탑 포일; 을 포함하여 이루어져, 상기 탑 포일의 내측에 배치되어 회전되는 로터의 기동 시 및 정지 시, 상기 탑 포일의 하측부분 서로 이격된 2개소에 로터가 접촉되도록 지지됨으로써, 로터의 기동 및 정지가 반복되더라도 회전되는 로터와 탑 포일과의 마찰에 따른 탑 포일 내주면의 마모를 감소시켜 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있는 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에 관한 것이다.

Description

내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링 {Air foil journal bearing improving durability}

본 발명은 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에 관한 것으로서, 로터의 기동 시 및 정지 시 회전되는 로터가 탑 포일로부터 부상 또는 착지되면서 발생되는 마찰로 인해 탑 포일이 마모되는 것을 감소시킬 수 있는 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에 관한 것이다.

베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키며 동시에 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축이 회전될 수 있도록 하는 기계요소이다.

그리고 베어링 중 에어 포일 베어링은 로터(또는 회전축)의 고속 회전에 따라 로터 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 가지는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 하중을 지지하는 베어링이다. 또한, 에어 포일 베어링 중 에어 포일 저널 베어링은 로터에 수직인 방향인 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성되는 베어링이다.

이때, 일반적인 에어 포일 저널 베어링은 도 1과 같이 베어링 하우징(10)의 중공(11)의 원주내면(12)을 따라 범프 포일(20)이 설치되며, 범프 포일(20)의 내측에 탑 포일(30)이 배치되도록 구성되며, 탑 포일(30)의 내측에 로터(40, 또는 회전축)가 배치되어 탑 포일(30)의 내주면과 로터(40)의 외주면이 이격된 상태로 로터(40)가 고속으로 회전될 수 있도록 구성된다. 여기에서 범프 포일(20) 및 탑 포일(30)은 원주방향의 단부가 반경방향 외측으로 절곡된 형태의 절곡부가 형성되며 절곡부(21,31)는 베어링 하우징(10)에 형성된 슬롯(13)에 삽입되도록 결합되어, 범프 포일(20) 및 탑 포일(30)이 원주방향으로 회전되거나 밀려나지 않고 베어링 하우징(10)에 고정되도록 하고 있다.

그런데 이와 같은 종래의 에어 포일 저널 베어링은 도 2와 같이 로터가 정지된 상태에서는 로터(40)가 자중에 의해 탑 포일(30)의 하측 1개소에 지지되어 있다가, 로터(40)의 기동 시 공기의 압력이 증가하면서 로터(40)가 탑 포일(30)의 하측으로부터 부상하여 위쪽으로 떠오르는데, 부상되기 전 회전되는 로터(40)와 접촉되는 탑 포일(30)의 내주면에 마찰이 발생하고 이로 인해 로터(40)와 접촉되는 탑 포일(30)의 내주면에 마모가 발생한다. 또한, 로터(40)가 고속으로 회전하다가 정지되려고 하는 경우 공기의 압력이 낮아지면서 로터(40)가 탑 포일(30)의 하측 내주면에 접촉되면서 착지되는데, 로터(40)가 착지되면서 정지하기 까지 탑 포일(30)의 내주면과 마찰이 일어나 이에 따른 탑 포일(30) 내주면에 마모가 발생하게 된다. 이때, 로터(40)는 탑 포일(30)과 접촉되는 부분인 접촉부가 탑 포일(30)의 하측 중앙부분인 1개소가 되어 마찰력이 1개의 접촉부에 집중된다.

이와 같이 종래의 에어 포일 저널 베어링은 로터의 기동 및 정지가 반복되면 회전되는 로터와 탑 포일과의 마찰이 발생할 때 마찰력이 1개의 접촉부에 집중되므로 탑 포일 내주면의 마모가 심해지면서 마모된 부분에서 균열 및 파손이 발생하게 되어 베어링의 내구성을 저하시키는 요인이 된다.

JP 2010-529390 A (2010.08.26.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로터의 기동 및 정지가 반복되더라도 회전되는 로터와 탑 포일과의 마찰에 따른 탑 포일 내주면의 마모를 감소시켜 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있는 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링은, 로터가 배치되는 중공이 형성되며, 폭방향 양측이 개방되게 형성되는 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단 또는 양단이 베어링 하우징에 결합되어 고정되는 범프 포일; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 중력방향으로 하측에 배치된 양단이 서로 이격되어 베어링 하우징에 결합되는 탑 포일; 을 포함하여 이루어져, 상기 탑 포일의 내측에 배치되어 회전되는 로터의 기동 시 및 정지 시, 상기 탑 포일의 하측부분 서로 이격된 2개소에 로터가 접촉되도록 지지되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베어링 하우징의 중공 하측에 폭방향으로 오목하게 슬롯이 형성되고, 상기 범프 포일은 일단 또는 양단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부가 형성되어, 상기 절곡부가 슬롯에 삽입되며, 상기 탑 포일은 양단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부들이 형성되어, 상기 절곡부들이 슬롯에 삽입되어 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탑 포일의 절곡부들의 길이(L1)는 상기 베어링 하우징의 슬롯의 깊이(L2)보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탑 포일의 양단 절곡부들에 연결된 부분은 원주방향에 대해 반경방향 외측으로 경사진 경사부로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 범프 포일은 반경방향 내측으로 볼록하게 형성되어 탑 포일과 접촉되는 다수개의 탄성 범프들이 형성되되, 상기 탑 포일의 경사부들에 접촉되어 상기 경사부들을 지지하는 탄성 범프들은 나머지 탄성 범프들보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링은, 로터의 기동 시 및 정지 시 회전되는 로터가 탑 포일로부터 부상 또는 착지되면서 발생되는 마찰로 인해 탑 포일이 마모되는 것을 감소시킬 수 있어 베어링의 내구성이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 종래의 에어 포일 저널 베어링에서 로터가 부상되어 회전되고 있는 상태를 나타낸 단면도.
도 2는 종래의 에어 포일 저널 베어링에서 로터가 기동 시 또는 정지 시 탑 포일과 접촉되어 회전되고 있는 상태를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에서 로터가 부상되어 회전되고 있는 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에서 로터가 부상되어 회전되고 있는 상태를 나타낸 단면도.
도 5는 도 4의 부분확대도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 분해사시도 및 조립사시도.
도 8은 종래의 에어 포일 저널 베어링에서 로터를 3만회 이상 기동 및 정지를 반복하였을 때 탑 포일이 마모된 상태를 나타낸 사진.
도 9는 본 발명에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에서 로터를 3만회 이상 기동 및 정지를 반복하였을 때 탑 포일이 마모된 상태를 나타낸 사진.
도 10은 본 발명에 따른 로터가 부상되어 회전되고 있는 상태에서 베어링 하우징의 위치(각도)에 따른 공기의 압력 분포를 나타낸 그래프.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에서 로터가 부상되어 회전되고 있는 상태를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에서 로터가 부상되어 회전되고 있는 상태를 나타낸 단면도이며, 도 5는 도 4의 부분확대도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 분해사시도 및 조립사시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링(1000)은, 로터(400)가 배치되는 중공(110)이 형성되며, 폭방향 양측이 개방되게 형성되는 베어링 하우징(100); 상기 베어링 하우징(100)의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단 또는 양단이 베어링 하우징(100)에 결합되어 고정되는 범프 포일(200); 및 상기 범프 포일(200)의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 중력방향으로 하측에 배치된 양단이 서로 이격되어 베어링 하우징(100)에 결합되는 탑 포일(300); 을 포함하여 이루어져, 상기 탑 포일(300)의 내측에 배치되어 회전되는 로터(400)의 기동 시 및 정지 시, 상기 탑 포일(300)의 하측부분 서로 이격된 2개소에 로터(400)가 접촉되도록 지지될 수 있다.

우선, 본 발명의 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링(1000)은 크게 베어링 하우징(100), 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 베어링 하우징(100)의 중공(110) 내측에 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)이 말린 형태로 배치되며, 범프 포일(200)의 내측에 탑 포일(300)이 배치될 수 있다. 그리고 탑 포일(300)의 내측에는 로터(400)가 관통하도록 삽입되어 배치될 수 있다. 이때, 로터(400)는 탑 포일(300)의 내측으로 이격되어 배치되도록 탑 포일(300)의 내경보다 로터(400)의 외경이 작게 형성될 수 있다.

그리고 범프 포일(200)은 베어링 하우징(100)의 중공(110) 내주면에 밀착되어 원주방향을 따라 배치되며, 범프 포일(200)은 두께가 얇은 판형으로 형성되되 내측으로 볼록하게 돌출된 다수개의 탄성 범프(201)들이 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 일단 또는 양단이 베어링 하우징(200)에 결합되어 원주방향으로 회전되지 않도록 고정될 수 있다.

또한, 탑 포일(300)은 두께가 얇은 평판으로 형성되어 탄성 범프(201)들에 밀착될 수 있다. 그리고 탑 포일(300)은 범프 포일(200)의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 중력방향으로 하측에 배치된 양단이 서로 이격되어 베어링 하우징(100)에 결합될 수 있다. 즉, 탑 포일(300)은 서로 이격된 양단이 중력방향 하측에 배치되며, 양단은 베어링 하우징(100)에 결합되어 탑 포일(300)이 원주방향으로 회전되지 않도록 고정될 수 있다. 그리하여 탑 포일(300)의 이격된 양단이 베어링 하우징(100)에 결합됨에 따라 범프 포일(200) 역시 중력방향 하측에 양단이 이격되도록 배치되며, 범프 포일(200)은 일단 또는 양단이 베어링 하우징(100)에 결합될 수 있다.

그리하여 탑 포일(300)의 내측에 배치되어 회전되는 로터(400)의 기동 시 및 정지 시, 상기 탑 포일(300)의 하측부분 서로 이격된 2개소에 로터(400)가 접촉되도록 지지될 수 있다. 즉, 본 발명의 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링(1000)은 로터(400)가 정지된 상태에서 로터(400)의 자중에 의해 탑 포일(300)의 하측부분 2개소 로터(400)가 지지되어 있다가, 로터(400)의 기동 시 로터(400)가 회전되면서 탑 포일(300)과 접촉되는 2개소(2개의 접촉부)에서 마찰이 발생하게 된다. 마찬가지로 로터(400)의 정지 시에도 탑 포일(300)과 접촉되는 2개소에서 마찰이 발생하게 된다. 이에 따라 종래에는 탑 포일의 1개소에만 로터가 접촉되어 마찰되던 것에 비해 본 발명은 탑 포일의 2개소에 로터가 접촉되어 마찰이 발생하므로, 마찰력이 분산되어 각각의 마찰이 발생하는 접촉부(330)에서의 마찰력이 줄어들게 된다. 이에 따라 로터(400)의 기동 시 및 정지 시 회전되는 로터(400)와 접촉되는 탑 포일(300)의 접촉부(330)가 2개소가 됨에 따라 탑 포일(300)의 마모가 감소하게 되고 베어링의 내구성이 향상될 수 있다.

도 8은 종래의 에어 포일 저널 베어링에서 로터를 3만회 이상 기동 및 정지를 반복하였을 때 탑 포일이 마모된 상태를 나타낸 사진이며, 도 9는 본 발명에 따른 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링에서 로터를 3만회 이상 기동 및 정지를 반복하였을 때 탑 포일이 마모된 상태를 나타낸 사진이다.

도시된 바와 같이 종래의 에어 포일 저널 베어링은 분해하여 펼친 상태에서 중앙부분 1개소에 접촉부가 형성되며, 내측 표면의 코팅층의 마모가 심하며 일부 금속 포일층도 마모가 발생한 것을 알 수 있다.

반면, 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 탑 포일의 양단에서 안쪽으로 약간 이격된 위치의 2개소에 접촉부(330)가 형성되며, 거의 마모가 발생하지 않은 것을 실험적으로도 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링은, 로터의 기동 시 및 정지 시 회전되는 로터가 탑 포일로부터 부상 또는 착지되면서 발생되는 마찰로 인해 탑 포일이 마모되는 것을 감소시킬 수 있어 베어링의 내구성이 향상되는 장점이 있다.

또한, 상기 베어링 하우징(100)의 중공(110) 하측에 폭방향으로 오목하게 슬롯(120)이 형성되고, 상기 범프 포일(200)은 일단 또는 양단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(210)가 형성되어, 상기 절곡부(210)가 슬롯(120)에 삽입되며, 상기 탑 포일(300)은 양단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부들이 형성되어, 상기 절곡부들이 슬롯에 삽입되어 결합될 수 있다.

즉, 중력방향 하측인 베어링 하우징(100)의 중심에서 수직 하측에 중공(110)에 연통되는 슬롯(120)이 형성되며, 슬롯(120)은 중공(110)의 하측부분에 폭방향으로 오목하게 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 일단 또는 양단에 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(210)가 형성될 수 있으며, 절곡부(210)가 슬롯(120)에 삽입되어 범프 포일(200)이 베어링 하우징(100)에 결합되어 회전되지 않도록 고정될 수 있다. 또한, 탑 포일(300)은 양단에 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(310)들이 형성되어, 절곡부(310)들이 슬롯(120)에 삽입되어 탑 포일(300)이 베어링 하우징(100)에 결합되어 회전되지 않도록 고정될 수 있다. 이때, 탑 포일(300)은 양단의 절곡부(310)들이 서로 이격되어 마주보도록 배치될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)의 절곡부(210)와 탑 포일(300)의 절곡부(310)들이 슬롯(120) 내에 삽입된 상태에서 반경방향 및 원주방향(상하방향 및 좌우방향)으로 움직일 수 있도록 유격이 있는 것이 바람직하다.

그리하여 탑 포일(300)의 양단이 서로 이격된 형태로 배치되어 양단이 베어링 하우징(100)에 결합되기 용이하면서 탑 포일(300)의 2개소에 접촉부(330)가 형성되도록 할 수 있다. 또한, 탑 포일(300) 양단인 절곡부(310)들이 슬롯(120)에 삽입되어 탑 포일(300)이 회전되지 않도록 고정되므로, 로터(400)가 시계방향 및 반시계방향으로 모두 회전될 수 있어, 로터(400)의 회전방향에 관계없이 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 탑 포일(300)의 절곡부(310)들의 길이(L1)는 상기 베어링 하우징(100)의 슬롯의 깊이(L2)보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

즉, 도시된 바와 같이 로터(400)의 자중에 의해 탑 포일(300)의 양단부가 눌렸을 때 2개소에 접촉부(330)가 용이하게 형성될 수 있으며, 탑 포일(300)의 양단부를 지지하는 탄성 범프(201a)들이 눌리면서 절곡부(310)들이 반경방향 외측으로 밀려들어갈 수 있도록 함으로써 절곡부(310)의 꺾인 지점에서 원주방향으로 약간 이격된 위치에 접촉부(330)들이 용이하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 탑 포일(300)의 양단 절곡부(310)들에 인접한 영역은 탑 포일(300)의 절곡부(310)쪽으로 갈수록 베어링 하우징(100)과의 거리가 가까워지도록 형성될 수 있다.

즉, 도시된 바와 같이 탑 포일(300)의 절곡부(310)들의 꺾인 지점으로부터 원주방향으로 형성되는 부분이 원형으로 형성되어 로터(400)의 자중에 의해 눌린 상태에서 반경방향 외측으로 밀려들어간 형태로 형성될 수도 있으나, 상기한 바와 같이 탑 포일(300)의 절곡부(310)와 인접한 영역에서 탑 포일(300)이 베어링 하우징(100)과의 거리가 가까워지도록 형성되어 원하는 지점에 접촉부(330)들이 형성되도록 할 수 있다.

또한, 상기 범프 포일(200)은 반경방향 내측으로 볼록하게 형성되어 탑 포일(300)과 접촉되는 다수개의 탄성 범프(201)들이 형성되되, 상기 탑 포일(300)의 절곡부(310)에 인접한 영역에서 탑 포일(300)을 지지하는 탄성 범프(201a)들은, 탑 포일(300)의 절곡부(310)에 인접한 영역이 아닌 나머지 부분에서 탑 포일(300)을 지지하는 탄성 범프(201)에 비해 상대적으로 크기가 작게 형성될 수 있다.

즉, 탑 포일(300)의 절곡부(310)에 인접한 영역이 절곡부(310)쪽으로 갈수록 베어링 하우징(100)과의 거리가 가까워지는 형태로 유지될 수 있도록 탑 포일(300)의 절곡부(310)에 인접한 영역에 접촉되어 탑 포일(300)을 지지하는 탄성 범프(201a)들은 탑 포일(300)의 절곡부에 인접하지 않은 역역에 접촉되어 탑 포일(300)을 지지하는 탄성 범프(201)들보다 반경방향 내측으로 볼록한 정도가 작게 형성될 수 있다.

또한, 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)은 평평하게 펴진 형태로 형성되어 말린 상태로 베어링 하우징(100) 내에 삽입되어 조립될 수 있으며, 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)은 각각 2장 이상이 겹쳐진 형태로 베어링 하우징(100) 내에 배치될 수도 있다.

그리고 도 10과 같이 로터(400)의 회전에 의해 형성되는 공기의 압력 분포 그래프를 보면 압력의 피크가 2개가 형성된 형태로 나타나게 되며, 이에 따라 수평방향으로 로터(400)의 중심이 베어링 하우징(100)의 중심에 거의 일치한 상태에서 로터(400)가 회전될 수 있어 로터(400)에 결합되어 회전되는 임펠러 등의 회전 정밀도가 향상될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 에어 포일 저널 베어링
100 : 베어링 하우징
110 : 중공 120 : 슬롯
200 : 범프 포일 201 : 탄성 범프
201a : 탄성 범프 210 : 절곡부
300 : 탑 포일
310 : 절곡부
330 : 접촉부
400 : 로터 (회전축)

Claims (5)

1. 로터가 배치되는 중공이 형성되며, 폭방향 양측이 개방되게 형성되는 베어링 하우징;
   상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단 또는 양단이 베어링 하우징에 결합되어 고정되는 범프 포일; 및
   상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 중력방향으로 하측에 배치된 양단이 서로 이격되어 베어링 하우징에 결합되는 탑 포일; 을 포함하여 이루어져,
   상기 탑 포일의 내측에 배치되어 회전되는 로터의 기동 시 및 정지 시, 상기 탑 포일의 하측부분 서로 이격된 2개소에 로터가 접촉되도록 지지되며,
   상기 베어링 하우징의 중공 하측에 폭방향으로 오목하게 슬롯이 형성되고, 상기 범프 포일은 일단 또는 양단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부가 형성되어, 상기 절곡부가 슬롯에 삽입되며, 상기 탑 포일의 양단에는 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부들이 형성되어, 상기 절곡부들이 슬롯에 삽입되어 결합되며,
   상기 탑 포일이 상기 탑 포일의 절곡부쪽으로 갈수록 베어링 하우징과의 거리가 가까워지도록 형성되되,
   상기 탑 포일의 절곡부에 인접한 영역에서 상기 탑 포일을 지지하는 탄성 범프는, 상기 탑 포일의 절곡부에 인접한 영역이 아닌 나머지 부분에서 상기 탑 포일을 지지하는 탄성 범프에 비해 상대적으로 크기가 작은 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 탑 포일의 절곡부들의 길이(L1)는 상기 베어링 하우징의 슬롯의 깊이(L2)보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 에어 포일 저널 베어링.
4. 삭제
5. 삭제

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