KR101903865B1

KR101903865B1 - 스러스트 베어링

Info

Publication number: KR101903865B1
Application number: KR1020167009469A
Authority: KR
Inventors: 나오미치 오모리
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2018-10-02
Also published as: CN105683598B; US9903411B2; EP3048317A4; JP6372062B2; CN105683598A; EP3048317B1; US20160195128A1; KR20160054591A; EP3048317A1; WO2015041233A1; CA2924429A1; JP2015059630A; CA2924429C

Abstract

스러스트 베어링(3, 3A, 3B)은 회전축(1)에 마련된 스러스트 컬러(4)에 대향해 배치되는 스러스트 베어링으로서, 탑 포일(10), 백 포일(20) 및 베이스 플레이트(30)를 구비한다. 백 포일은 복수의 백 포일편(21)을 갖고 있다. 탑 포일은 복수의 탑 포일편(11, 50, 60)을 갖고 있다. 또한, 탑 포일편에는, 회전축의 회전 방향 상류측에 베이스 플레이트에 고정되는 고정부(13)가 형성됨과 함께, 백 포일편에 대향하는 면이 제거되어 이루어지고, 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 박벽부(14, 16)가 형성되어 있다.

Description

스러스트 베어링{THRUST BEARING}

본 발명은 스러스트 베어링에 관한 것이다.

본원은 2013년 9월 19일에 출원된 일본 특허출원 2013-194441호에 기초해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 고속 회전체용 베어링으로서 회전축에 마련된 스러스트 컬러에 대향해 배치되는 스러스트 베어링이 알려져 있다. 이와 같은 스러스트 베어링으로는, 포일식의 스러스트 베어링, 즉 스러스트 포일 베어링이 잘 알려져 있다. 스러스트 포일 베어링은 진동이나 충격에 의해 발생하는 회전축의 움직임(스러스트 컬러의 축 방향 변위나 기울어짐)을 흡수할 수 있도록, 베어링면이 유연한 포일(금속제 박판)에 의해 형성되고, 베어링면 하부에 이 베어링면을 유연하게 지지하기 위한 포일 구조를 갖고 있다.

이와 같은 스러스트 포일 베어링의 일 형태로서, 원판을 둘레 방향으로 분할한 복수의 조각 형상의 포일편(탑 포일편)에 의해 링(원) 형상의 베어링면을 형성하고, 이들 탑 포일편을 각각 물결판 형상의 포일편(범프 포일편)으로 지지한 구조가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 각각의 탑 포일편(두께 100㎛ 정도)은 스러스트 컬러에 대해 경사각을 갖고 배치되기 때문에, 스러스트 컬러와 탑 포일편 사이의 베어링 간극은 측면에서 보았을 때 쐐기 형상으로 형성된다. 즉, 스러스트 컬러(회전축)의 회전 방향 상류측으로부터 하류측을 향할수록 베어링 간극이 좁아지도록 형성되고 있다. 따라서, 베어링 간극이 넓은 쪽(상류측)으로부터 베어링 간극이 좁은 쪽(하류측)을 향해 스러스트 컬러가 회전하면, 윤활 유체가 쐐기 형상의 베어링 간극의 좁은 부분으로 흘러들어 스러스트 베어링의 부하 능력이 발휘된다.

탑 포일편은, 스러스트 컬러(회전축)의 회전 방향 상류측 말단변만 베이스 플레이트에 고정되어 있고, 이 말단변이 고정변으로서 구성된다. 베어링 하중이 증가하면, 고정변(상류측의 말단변)을 받침점으로 하여 탑 포일이 수평(스러스트 컬러의 피지지면과 평행)이 되도록 변위해 그 경사각이 작아지고, 경사각이 0.1° 정도가 되었을 때 스러스트 베어링은 최대 부하 능력을 발휘한다. 한편, 범프 포일편은 산의 능선이 탑 포일편의 하류측 말단변에 평행이 되도록 배치되고, 범프 포일편에서의 스러스트 컬러(회전축)의 회전 방향 하류측 말단변만 베이스판에 고정되어 있다. 즉, 범프 포일편의 상류측 말단변은 자유단이 되어 있다.

범프 포일편이 이와 같이 배치되어 고정되므로, 탑 포일편에 발생하는 유체 윤활막의 압력이 베어링 간극이 좁은 쪽(하류측)에서 높아진다. 따라서, 이 부위를 높은 강성으로 지지함으로써 스러스트 베어링의 부하 능력을 높일 수 있다.

또한, 특허 문헌 2 내지 4에는 탑 포일과 범프 포일을 갖는 스러스트 베어링이 개시되어 있다. 특허 문헌 5에는 베어링 포일을 갖는 스러스트 베어링이 개시되어 있고, 이 베어링 포일의 베어링면에는 도입홈이 형성되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허공개 평10-331847호 공보 특허 문헌 2: 일본 특허공개 2005-155802호 공보 특허 문헌 3: 일본 특허공개 소63-195412호 공보 특허 문헌 4: 일본 실용공개 평1-109617호 공보 특허 문헌 5: 일본 특허공개 2006-183786호 공보

전술한 스러스트 포일 베어링 구조에서는, 유체 윤활막의 압력이 탑 포일편에 작용하면, 탑 포일편의 내주단(직경 방향 안쪽단)과 외주단(직경 방향 바깥쪽단) 사이의 직경 방향 중앙부에서는 백 포일을 향하는 휨(함몰)이 커져, 상기 중앙부에서 유체 윤활막의 압력이 낮아져 베어링의 부하 능력이 저하되는 경우가 있다.

즉, 탑 포일편의 내주단이나 외주단에서는 탑 포일편과 스러스트 컬러 사이에 형성되는 유체 윤활막의 압력이 탑 포일편 주위에서의 유체의 압력(주위압)과 비슷한데 비해, 탑 포일편의 내주단과 외주단에 끼워진 직경 방향의 중앙부에서는 상기 유체 윤활막의 압력이 상기 주위압보다 높아진다. 유체 윤활막이 이와 같은 압력 분포를 가짐으로써, 상기 중앙부에서는 내주단측이나 외주단측에 비해 백 포일을 향해 크게 휠(함몰될) 가능성이 있다. 이때 크게 휜 상기 중앙부에서는 베어링 간극(유체 윤활막의 두께)이 증가함으로써 상기 중앙부에서의 유체 윤활막의 압력이 낮아져, 전술한 바와 같이 베어링의 부하 능력이 저하되는 경우가 있다.

이와 같은 부하 능력의 저하를 방지할 수 있도록 직경 방향 중앙부에서의 휨(함몰)을 작게 하기 위해, 예를 들면 탑 포일편의 두께를 두껍게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 탑 포일편의 둘레 방향에서의 경사 변형성이 손상되어, 탑 포일편의 경사각이 전술한 바와 같이 수평에 가까운 0.1° 정도가 되기 힘들어질 가능성이 있다. 이 때문에, 베어링의 최대 부하 능력을 얻기 힘들어져, 역시 부하 능력이 저하되는 경우가 있다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 부하 능력의 저하를 방지할 수 있는 뛰어난 스러스트 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 형태에서, 스러스트 베어링은 회전축에 마련된 스러스트 컬러에 대향해 배치되는 스러스트 베어링으로서, 상기 스러스트 컬러에 대향해 배치되는 탑 포일과, 상기 탑 포일에서 상기 스러스트 컬러와 대향하는 면의 반대쪽 면에 대향해 배치되어, 상기 탑 포일을 지지하는 백 포일과, 상기 백 포일에서 상기 탑 포일쪽과는 반대쪽에 배치되어, 상기 백 포일을 지지하는 원판 형상의 베이스 플레이트를 구비한다. 상기 백 포일은 상기 베이스 플레이트의 둘레 방향으로 배열된 복수의 백 포일편을 갖고 있다. 상기 탑 포일은 상기 복수의 백 포일편 위에 각각 배치된 복수의 탑 포일편을 갖고 있다. 또한, 상기 탑 포일편에는, 상기 회전축의 회전 방향 상류측에, 상기 베이스 플레이트에 고정되는 고정부가 형성됨과 함께, 상기 백 포일편에 대향하는 면이 제거되어 이루어지고, 상기 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 박벽부가 형성된다.

본 발명의 제1 형태에 의하면, 백 포일편에 대향하는 면이 제거됨으로써, 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 박벽부가 형성되어 있다. 이 때문에, 탑 포일편은 상기 박벽부에서 휘기 쉬워지게 되어, 회전축의 회전 방향 상류측으로부터 하류측에 걸쳐, 즉 둘레 방향에서 휘기 쉬워진다. 한편, 직경 방향에서는 박벽부의 영향을 거의 받지 않기 때문에, 휘기 힘든 정도(휨 강성)가 거의 변화없이 박벽부 형성전과 같은 정도로 유지된다. 따라서, 탑 포일편을 형성하기 위해 종래에 비해 두꺼운 판재를 이용함으로써, 둘레 방향에서는 종래와 같이 휘기 쉬우면서 직경 방향에서는 종래보다 쉽게 휘지 않도록 하여, 중앙부에서의 백 포일을 향하는 휨을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 형태에서는, 상기 제1 형태의 스러스트 베어링에서, 상기 박벽부는 상기 고정부 및 상기 고정부의 근방부에서 상기 고정부보다 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 형성되고, 상기 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단까지 연장되는 고정부측 박벽부를 포함한다.

본 발명의 제2 형태에 의하면, 박벽부는, 고정부 및 고정부의 근방부에서 고정부보다 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 형성되고, 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단까지 연장되는 고정부측 박벽부를 포함하고 있다. 이 때문에, 전술한 바와 같이 탑 포일편을 형성하기 위해 종래에 비해 두꺼운 판재를 이용함으로써, 특히 직경 방향에서 종래보다 쉽게 휘지 않도록 하여 중앙부에서 백 포일을 향하는 휨을 억제할 수 있다.

또한, 고정부측 박벽부에 의해 탑 포일편에서의 회전축의 회전 방향 하류측 부분이 쉽고 원활하게 변위할 수 있게 됨으로써, 예를 들면 스러스트 컬러가 한 쌍의 탑 포일에 의해 협지되어 있는 등의 경우에 회전축의 시동 토크가 저감된다. 또한, 회전축이 회전을 개시한 후에도, 탑 포일편이 쉽고 원활하게 변위하기 때문에, 탑 포일편의 최적 경사각이 얻어지기 쉬워져 베어링의 부하 능력이 향상된다.

또한, 본 발명의 제3 형태에서는, 상기 제1 또는 제2 형태의 스러스트 베어링에서, 상기 고정부는 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 위치하는 직선상의 고정변을 포함하고 있다. 상기 백 포일편은 산부(山部)와 골부(谷部)를 교대로 형성한 물결판 형상의 범프 포일편에 의해 형성되고, 상기 산부의 배열 방향이 상기 고정변과 교차 배치되고 있다. 또한, 상기 박벽부는, 상기 골부에 대향하는 부분에 형성되고, 상기 산부에 대향하는 부분에 비해 얇게 형성된 골부측 박벽부를 포함한다.

본 발명의 제3 형태에 의하면, 박벽부가 골부측 박벽부를 포함하고 있으므로, 전술한 바와 같이 탑 포일편을 형성하기 위해 종래에 비해 두꺼운 판재를 이용함으로써, 특히 직경 방향에서 종래보다 쉽게 휘지 않도록 하여 중앙부에서 백 포일을 향하는 휨을 억제할 수 있다. 또한, 회전축의 회전 방향 상류측으로부터 하류측에 걸쳐, 즉 둘레 방향에서는 골부측 박벽부에 의해 탑 포일편이 휘기 쉬워지므로, 탑 포일편의 경사각이 최적각이 되기 쉬워져 베어링의 부하 능력이 높아진다.

또한, 본 발명의 제4 형태에서는, 상기 제3 형태의 스러스트 베어링에서, 상기 산부는 높이가 상기 고정변측으로부터 상기 회전축의 회전 방향 하류측을 향할수록 높아지도록 형성되어 있다.

제4 형태에 의하면, 범프 포일편에 의해 탑 포일편을 탄성적으로 지지할 수 있다. 또한, 높이가 변화하는 범프 포일편의 산부를 따라 탑 포일편의 높이를 변화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제5 형태에서는, 상기 제1 내지 제3 형태 중 어느 한 형태의 스러스트 베어링에서, 상기 베이스 플레이트에는 상기 백 포일편을 지지하는 각 지지 영역에, 상기 탑 포일편의 상기 고정변측으로부터 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 말단변을 향할수록 높이가 증가하는 경사면이 형성되고 있다.

제5 형태에 의하면, 이 경사면 상에 백 포일편을 개재해 탑 포일편을 배치함으로써 탑 포일편의 높이를 경사면을 따라 정밀하게 변화시킬 수 있다. 또한, 이때 백 포일편에 대해서는 높이를 변화시키지 않고 일정한 높이로 제작하면 되기 때문에, 가공 비용을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 제6 형태에서는, 상기 제5 형태의 스러스트 베어링에서, 상기 백 포일편이 산부와 골부를 교대로 형성한 물결판 형상의 범프 포일편에 의해 형성되고, 상기 산부의 배열 방향이 상기 경사면의 경사 방향과 일치하도록 배치된다.

제6 형태에 의하면, 범프 포일편에 의해 탑 포일편을 탄성적으로 지지할 수 있다. 또한, 범프 포일의 하류측 말단변에 가장 가까운 산부의 능선을 스러스트 컬러의 피지지면과 평행하게 할 수 있기 때문에, 이 산부에 지지되는 탑 포일의 하류측 말단변과 스러스트 컬러를 항상 평행하게 하기 쉬워진다.

또한, 본 발명의 제7 형태에서는, 상기 제3, 제4 또는 제6 형태의 스러스트 베어링에서, 상기 범프 포일편이 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 말단변에서 상기 베이스 플레이트에 고정되어 있다.

제7 형태에 의하면, 탑 포일편에 발생하는 유체 윤활막의 압력이 베어링 간극이 좁은 쪽, 즉 회전축의 회전 방향 하류측에서 높아지게 하기 위해, 탑 포일편의 회전 방향 하류측을 높은 강성으로 지지할 수 있기 때문에, 베어링의 부하 능력을 높일 수 있다.

본 발명의 스러스트 베어링에 의하면, 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 박벽부를 형성하고 있으므로, 탑 포일편을 상기 박벽부에서 휘기 쉽게 해 회전축의 회전 방향 상류측으로부터 하류측에 걸쳐, 즉 둘레 방향에서 휘기 쉽게 할 수 있다. 한편, 직경 방향에서는 박벽부의 영향을 거의 받지 않기 때문에, 휘기 힘든 정도(휨 강성)가 거의 변화없이 박벽부 형성전과 같은 정도로 유지될 수 있다. 따라서, 탑 포일편을 형성하기 위해 종래에 비해 두꺼운 판재를 이용함으로써, 둘레 방향에서는 종래와 같이 휘기 쉬우면서, 직경 방향에서는 종래보다 쉽게 휘지 않도록 하여, 중앙부에서의 백 포일을 향하는 휨을 억제할 수 있다. 이에 따라, 스러스트 베어링의 부하 능력의 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 스러스트 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 스러스트 베어링을 나타내는 도면으로, 스러스트 컬러를 협지한 상태의 스러스트 베어링의 측면도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 스러스트 베어링을 나타내는 도면으로, 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링의 평면도이다.
도 3b는 탑 포일편의 이면을 나타내는 평면도이다.
도 3c는 도 3a의 화살표 3C-3C선을 따라 본 단면도이다.
도 3d는 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 그 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 스러스트 베어링을 설명하기 위한 도면으로, 탑 포일편의 이면을 나타내는 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 화살표 4B-4B선을 따라 본 단면도이다.
도 4c는 골부측 박벽부의 설명도이다.
도 5a는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 스러스트 베어링을 설명하기 위한 도면으로, 탑 포일편의 이면을 나타내는 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.
도 5b는 도 5a의 화살표 5B-5B선을 따라 본 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 스러스트 베어링을 나타내는 도면으로, 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링의 평면도이다.
도 6b는 탑 포일편의 이면을 나타내는 평면도이다.
도 6c는 도 6a의 화살표 6C-6C선을 따라 본 단면도이다.
도 6d는 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.

이하, 도면을 참조해 본 발명의 스러스트 베어링을 상세하게 설명한다. 한편, 이하의 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해, 각 부재의 축척을 적절하게 변경하고 있다.

도 1은 본 발명의 스러스트 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 모식적으로 나타내는 측면도이며, 참조 부호 1은 회전축, 2는 회전축의 선단부에 마련된 임펠러, 3은 본 발명에 따른 스러스트 베어링을 나타낸다.

회전축(1)에는 임펠러(2)가 형성된 선단의 근방에 스러스트 컬러(4)가 고정되고, 이 스러스트 컬러(4)를 협지하듯이 한 쌍의 스러스트 베어링(3)이 배치되어 있다.

또한, 임펠러(2)는 정지(靜止)측이 되는 하우징(5) 내에 배치되고, 임펠러(2)와 하우징(5) 사이에 팁 클리어런스(Tip clearance; 6)가 형성된다.

또한, 회전축(1)에는, 스러스트 컬러(4)보다 중앙쪽 부분에 래디얼 베어링(7)이 마련되어 있다.

도 2, 도 3a 내지 도 3d는, 이와 같은 구성의 터보 기계에 적용된 본 발명의 제1 실시 형태에서의 스러스트 베어링(3)을 나타내는 도면이다. 도 2는 스러스트 컬러(4)를 사이에 둔 상태의 스러스트 베어링(3)의 측면도이다. 또한, 도 3a는 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링(3)의 평면도이다. 도 3b는 탑 포일편의 이면(백 포일에 대향하는 면)을 나타내는 평면도이다. 도 3c는 도 3a의 화살표 3C-3C선을 따라 본 단면도이다. 도 3d는 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.

도 2에 나타낸 바와 같이 제1 실시 형태에서, 스러스트 베어링(3A(3))은 스러스트 컬러(4)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 있다. 이들 한 쌍의 스러스트 베어링(3A(3))은 모두 같은 구성으로, 회전축(1)에 고정된 원판상의 스러스트 컬러(4)에 대향해 배치된 원형(원통 형상)의 장치이며, 회전축(1)을 둘러싸고 있다. 스러스트 컬러(4)의 양면(회전축(1)의 축 방향에서의 양면)은 피지지면으로 구성되어 있고, 한 쌍의 스러스트 베어링(3A(3))은 스러스트 컬러(4)의 두 피지지면에 각각 대향해 지지하도록 배치되고 있다.

스러스트 베어링(3A)은 스러스트 컬러(4)에 대향해 배치된 탑 포일(10)과, 탑 포일(10)에서 상기 스러스트 컬러(4)와 대향하는 면의 반대쪽 면에 대향해 배치된 백 포일(20)과, 백 포일(20)에서 상기 탑 포일(10)쪽과는 반대쪽에 배치된 원판 형상의 베이스 플레이트(30)를 구비한다.

본 실시 형태에서는, 한 쌍의 스러스트 베어링(3A, 3A)의 각각의 베이스 플레이트(30, 30) 사이에 2점 쇄선으로 나타내는 원통상의 베어링 스페이서(40)가 협지되고, 베이스 플레이트(30, 30)는 체결 볼트(41)에 의해 베어링 스페이서(40)를 개재해 연결되어 있다. 또한, 한쪽 베이스 플레이트(30)는 그 외면이 체결 볼트(41)에 의해 하우징(5)에 고정되고, 따라서 한 쌍의 스러스트 베어링(3A, 3A)은 스러스트 컬러(4)를 협지한 상태로 체결 볼트(41)에 의해 하우징(5)에 고정된다.

베이스 플레이트(30)는, 도 3a에 나타낸 바와 같이 두께 수 ㎜ 정도의 원판 형상으로 금속제의 부재이며, 그 외주부에 상기 체결 볼트(41)를 통과시키기 위한 관통공(42)이 복수 개(본 실시 형태에서는 8개) 형성되어 있다. 베이스 플레이트(30)에는, 상기 스러스트 컬러(4)에 대향하는 면에 상기 백 포일(20)이나 탑 포일(10)을 지지하기 위한 지지 영역이 마련되어 있다. 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이 백 포일(20)이 복수 매(6매)의 백 포일편(21)을 갖고, 탑 포일(10)이 복수 매(6매)의 탑 포일편(11)을 갖도록 구성되어 있다. 따라서, 베이스 플레이트(30)에는 그 표면을 둘레 방향으로 6 분할(6개로 등분할)한 6개의 지지 영역(31)이 형성되어 있다. 단, 본 실시 형태에서의 6개의 지지 영역(31)은 설계상의 영역이며, 이들 지지 영역(31)을 포함하는 베이스 플레이트(30)의 표면은 균일한 평면으로 되어 있다.

각 지지 영역(31)에는, 도 2에 나타낸 바와 같이 각각 백 포일편(21) 및 탑 포일편(11)이 차례로 배치되어, 지지 영역(31)에 의해 지지된다. 베이스 플레이트(30), 백 포일편(21) 및 탑 포일편(11)은 회전축(1)의 축 방향으로 적층되어 있다.

도 3a, 3c, 3d에 나타낸 바와 같이 백 포일(20)은, 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 배열된 6매의 백 포일편(21)으로 형성된다. 이들 백 포일편(21)은 베이스 플레이트(30)의 복수의 지지 영역(31) 상에 각각 배치되어, 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 배열된다. 또한, 이들 백 포일편(21)은 후술하는 탑 포일편(11)보다 평면에서 보았을 때 약간 작게 형성되므로, 도 3a에 나타낸 바와 같이 베이스 플레이트(30) 상에서 스러스트 컬러(4)에 대해 노출되지 않고, 탑 포일편(11)에 의해 덮여 있다.

이들 백 포일편(21)으로 이루어지는 백 포일(20)은 포일(박판)로 형성되고, 탑 포일(10)(탑 포일편(11))을 탄성적으로 지지한다. 이와 같은 백 포일(20)로는, 예를 들면, 범프 포일, 일본 특허공개 2006-57652호 공보나 일본 특허공개 2004-270904호 공보 등에 기재되어 있는 스프링 포일, 일본 특허공개 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 포일 등이 이용된다. 한편, 일본 특허공개 2006-57652호 공보나 일본 특허공개 2004-270904호 공보에 기재되어 있는 스프링 포일, 일본 특허공개 2009-299748호 공보에 기재되어 있는 백 포일은 래디얼 베어링(radial bearing)에 이용되는 포일이지만, 이들을 평면상으로 전개해 원판 형상으로 형성하면, 스러스트 베어링에 이용하는 것이 가능하다.

본 실시 형태에서는, 도 3d에 나타낸 바와 같이 백 포일(20)이 범프 포일로 이루어지고, 따라서 백 포일편(21)은 범프 포일편으로 이루어져 있다. 이와 같은 백 포일편(21)(범프 포일편)은 두께 수백 ㎛ 정도의 포일(금속제 박판)이 프레스 성형에 의해 물결판 형상으로 성형되어, 도 3d에 나타낸 바와 같이 전체가 평면에서 보았을 때 대략 오각형상으로 형성된다.

이와 같이 물결판 형상으로 성형된 백 포일편(21)은, 베이스 플레이트(30)에 접하는 골부(22)와, 탑 포일편(11)에 접하는 산부(23)가 교대로 배치되어 형성된다. 이들 골부(22) 및 산부(23)는, 도 3a에 나타낸 바와 같이 후술하는 탑 포일편(11)의 말단변(11a)의 연장 방향과 평면에서 보았을 때 직교하는 방향으로 배열된다. 또한, 골부(22) 및 산부(23)는 탑 포일편(11)의 고정변(12)의 연장 방향과 교차하는 방향으로 배열된다. 즉, 복수의 산부(23)는 평면에서 보았을 때 고정변(12)의 연장 방향과 교차하는 방향에서 서로 인접하고 있다.

이들 골부(22) 및 산부(23)는 각각 거의 등간격으로 형성되고 있다. 또한, 산부(23)의 높이는 상기 고정변(12)측으로부터 그 반대측, 즉 도 3a에 화살표 R로 나타내는 회전축(1)(스러스트 컬러(4))의 회전 방향의 하류측을 향할수록, 일정한 높이씩 높아지도록 형성되고 있다(도 3c 참조).

또한, 백 포일편(21)은, 회전축(1)의 회전 방향 하류측의 말단변(21a)이, 후술하는 탑 포일편(11)에서의 회전축(1)의 회전 방향 하류측 말단변(11a)과 평면에서 본 상태에서 거의 일치하는 위치에 배치되고 있다. 백 포일편(21)은 말단변(21a)이 되는 골부(22)의 형성 방향을 따라 베이스 플레이트(30)에 스폿 용접(spot welding)되어 고정된다.

이때, 백 포일편(21)의 말단변(21a)은 전체가 연속되는 하나의 골부(22)에 의해 형성되고 있기 때문에, 골부(22) 전체를 용이하게 베이스 플레이트(30)에 용접할 수 있다. 따라서, 백 포일편(21)의 용접에 의한 고정을 용이하게 실시할 수 있다.

한편, 베이스 플레이트(30)에 대한 말단변(21a)의 고정은 스폿 용접 외에도 예를 들면 나사 고정 등에 의해 실시할 수 있다.

탑 포일(10)도, 도 3a에 나타낸 바와 같이 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 배열된 6매의 탑 포일편(11)에 의해 형성된다. 이들 탑 포일편(11)은 원판을 둘레 방향으로 분할한 원호판 형상, 즉, 두께 수백 ㎛ 정도의 금속제의 박판(포일)을 이용하여, 부채꼴에서 그 정점을 포함하는 부분을 제거해 내주단(직경 방향 안쪽 끝단) 및 외주단(직경 방향 바깥쪽 끝단)을 각각 원호상으로 한 원호판 형상의 부재이다.

이와 같은 형상의 탑 포일편(11)은, 베이스 플레이트(30)의 각 지지 영역(31) 상에서 상기 백 포일편(21)을 덮으면서 각각 배치되며, 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 등간격으로 배열되고 전체적으로 대략 원판 형상으로 배치되어 탑 포일(10)을 형성한다.

한편, 탑 포일편(11)은 지지 영역(31)보다 평면에서 보았을 때 약간 작게 형성되고, 또한 백 포일편(21)보다 평면에서 보았을 때 약간 크게 형성된다. 이로 인해 복수의 탑 포일편(11)은 서로 간섭하지 않고, 또한 백 포일편(21)을 스러스트 컬러(4)에 대해 노출시키지 않고, 그 상면을 덮은 상태로 각 지지 영역(31)에 배치되게 된다. 단, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 탑 포일편(11)을 백 포일편(21)과 평면에서 보았을 때 같은 크기로 형성해도 되고, 혹은, 평면에서 보았을 때 백 포일편(21)보다 작게 형성해도 된다.

또한, 탑 포일편(11)은 회전축(1)(스러스트 컬러(4))의 회전 방향 상류측에 고정부(13)을 갖고, 이 고정부(13)에 의해 베이스 플레이트(30)에 고정된다. 베이스 플레이트(30)에 대한 고정부(13)의 고정은, 상기 백 포일편(21)의 말단변(21a)과 마찬가지로 스폿 용접(spot welding)에 의해 이루어진다. 한편, 베이스 플레이트(30)에 대한 고정부(13)의 고정에 대해서도 스폿 용접 외에, 예를 들면 나사 고정 등으로 실시할 수도 있다.

고정부(13)는 회전축(1)(스러스트 컬러(4))의 회전 방향 상류측에 마련되어 있으면, 면상이라도 직선상이라도 무방하지만, 본 실시 형태에서는 어느 정도의 폭을 갖는 직선상으로 형성된 고정변(12)으로 구성되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 고정부(13)와 고정변(12)은 대략 동일한 위치에 배치되어 있지만, 본 발명의 고정변은 고정부(13)에서 회전축(1) 회전 방향 하류측에 위치하는 변으로서 구성되어 있다.

또한, 탑 포일편(11)은, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 고정변(12)의 근방에서 휨가공되어 백 포일편(21)의 산부(23)의 높이와 대략 동일한 높이를 확보할 수 있도록 상승되어, 고정변(12)보다 말단변(11a)에 가까운 부분이 산부(23) 위에 얹어지게 된다.

한편, 말단변(11a)(트레이딩 엣지)측은 베이스 플레이트(30) 등에 고정되지 않고, 단순히 백 포일편(21)의 산부(23) 위에 지지되는 자유단이 되어 있다.

본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 백 포일편(21)의 골부(22) 및 산부(23)가 탑 포일편(11)의 고정변(12)과 교차하는 방향으로 배열되도록 백 포일편(21)을 배치하고 있다. 따라서, 이들 골부(22)나 산부(23)는 탑 포일편(11)의 고정변(12)이나 말단변(11a)의 길이 방향으로 연장되고, 특히 말단변(11a)에 대해서는 평행으로 연장되고 있다. 따라서, 백 포일편(21) 상에 얹어지게 됨으로써, 탑 포일편(11)은 상기 산부(23)의 배열 방향을 따라 고정변(12)으로부터 말단변(11a)을 향할수록 점차 베이스 플레이트(30)의 내면(지지 영역(31)이 마련되어 있는 면)으로부터 멀어지도록 백 포일편(21)의 산부(23)에 의해 설정된 초기 경사각으로 경사지게 배치된다.

초기 경사각이란, 하중이 제로일 때의 베이스 플레이트(30)에 대한 탑 포일편(11)의 경사각이다. 또한, 경사각이란, 도 3d에 나타낸 바와 같이 백 포일편(21) 산부(23)의 높이가 증가하는 양에 따라 정해지는 각도(구배) θ이다. 상기 경사각은 탑 포일편(11)과 베이스 플레이트(30) 내면 사이의 각도이다. 한편, 이 경사각은 탑 포일편(11)과 스러스트 컬러(4)의 피지지면 사이의 각도와 동일하다. 따라서, 하중이 증가하면 백 포일편(21)의 산부(23)가 베이스 플레이트(30)를 향해 밀려들어가 백 포일편(21) 전체가 평탄화됨으로써, 탑 포일편(11)도 베이스 플레이트(30)를 향해 변위해 경사각 θ는 초기 경사각보다 작아진다.

이와 같은 구조에서, 탑 포일편(11)은 그 말단변(11a)이 백 포일편(21)의 골부(22)나 산부(23)의 연장 방향과 평행하게 배치되고, 백 포일편(21)은 산부(23)의 배열 방향이 말단변(11a)과 직교하게 배치되어 있다. 이 때문에, 탑 포일편(11)의 자유단이 되는 말단변(11a)은, 초기 경사각 상태에서도, 또한, 스러스트 컬러(4)의 회전에 의해 탑 포일편(11)을 통해 백 포일편(21)에 하중이 가해져 경사각 θ가 작아졌을 때에도, 베이스 플레이트(30)로부터의 높이가 거의 일정하게 된다.

또한, 탑 포일편(11)에는, 상기 백 포일편(21)과 대향하는 면이 에칭 가공 등에 의해 절삭(제거)되어, 도 3b에 나타낸 바와 같이 탑 포일편(11)의 고정변(12)(고정부(13))과 그 근방부, 즉 고정변(12)과 이 고정변(12)보다 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 위치하는 근방부에, 다른 부위에 비해 얇게 형성된 고정부측 박벽부(14)(박벽부)가 형성된다. 한편, 고정부측 박벽부(14)의 형성 방법으로는, 탑 포일편(11)에 변형 등을 일으키지 않는 것이라면 전해 가공 등을 이용해도 무방하다.

고정부측 박벽부(14)는 고정변(12)의 길이 방향을 따라 직선상으로 형성되고, 즉 탑 포일편(11)의 직경 방향을 따라 외주단으로부터 내주단까지 연장되어 에칭 가공 등에 의해 형성되고 있다. 고정부측 박벽부(14)의 두께에 대해서는, 탑 포일편(11)에서 에칭에 의한 절삭 가공을 행하지 않는 부위의 두께(수백 ㎛ 정도)의 50% 내지 70% 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다. 고정부측 박벽부(14)를 이와 같은 두께로 형성함으로써, 이것보다 회전축(1)의 하류측 부분을 보다 변위하기 쉽게 할 수 있다.

또한, 고정부측 박벽부(14)는, 도 3c에 나타내는 백 포일편(21)에 대해, 산부(23) 중 고정변(12)에 가장 가까운 산부(23)의 정점(능선)에 걸리지 않도록 형성된다. 즉, 고정부측 박벽부(14)는 고정변(12)을 포함하고 이것과 고정변(12)에 가장 가까운 산부(23)의 정점(능선)의 사이에 위치하도록 그 폭이 설정되어 형성된다. 이에 따라, 탑 포일편(11)은 고정부측 박벽부(14) 이외의 부분이 모든 산부(23) 위에 올려져 이들에 균등하게 지지되기 때문에, 도 3d에 나타낸 경사각 θ가 유지된다. 또한, 고정부측 박벽부(14)를 형성함으로써, 이 고정부측 박벽부(14)보다 말단변(11a)에 가까운 부분이 보다 쉽고 원활하게 변위할 수 있다(그 경사각이 쉽게 변경된다). 또한, 이와 같은 고정부측 박벽부(14)를 형성함으로써 탑 포일편(11)을 용이하게 회동시킬 수 있기 때문에, 고정부측 박벽부(14) 이외의 부분의 두께를 종래에 비해 두껍게 하는 것도 가능하게 된다.

다음으로, 이와 같은 구성으로 이루어지는 스러스트 베어링(3A(3))의 작용에 대해 설명한다.

본 실시 형태에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이 스러스트 베어링(3A)을 스러스트 컬러(4)의 양측에 마련하고 있다. 이와 같이 스러스트 컬러(4)의 양측에 스러스트 베어링(3A)을 마련함으로써 스러스트 방향에서의 스러스트 컬러(4)(회전축(1))의 이동량을 최대한 억제할 수 있다. 즉, 스러스트 이동량을 작게 함으로써, 도 1에 나타낸 팁 클리어런스(6)를 좁게 한 경우에도 임펠러(2) 등의 하우징(5)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 팁 클리어런스(6)를 좁게 하면, 터보 기계 등의 터보 기계로서의 유체 성능을 향상시킬 수 있다.

스러스트 방향의 이동량을 최대한 억제하기 위해, 두 스러스트 베어링(3A)은 스러스트 컬러(4)에 대해 큰 간극이 생기지 않도록 근접해 마련된다. 이에 따라, 두 스러스트 베어링(3A)의 탑 포일편(11)(탑 포일(10))은 스러스트 컬러(4)에 대해 약간 눌린 상태가 된다. 이때, 본 실시 형태에서는 탑 포일편(11)에 고정부측 박벽부(14)를 형성하고 있으므로, 말단변(11a)쪽 부분이 기울기 쉽게(변위하기 쉽게) 되어 있다. 이 때문에, 밀리는 양에 비해 발생하는 가압력이 작아지고, 이에 따라 회전축(1)의 시동 토크가 작아진다.

즉, 종래에는 베어링에 가해지는 하중이 증가했을 때 탑 포일편의 경사각이 최적각이 되도록, 미리 최적각보다 큰 경사각이 부여되어 있었다. 따라서, 회전 정지 상태에서는 탑 포일편은 스러스트 컬러(4)를 양면으로부터 협지해 눌린 상태(프리로드(preload)가 걸린 상태)가 된다. 그러나, 종래에는 탑 포일편의 두께가 일정한 것으로부터, 스러스트 컬러(4)로의 가압력(프리로드)이 강해 회전축(1)의 시동 토크가 커지는 경우가 있었다.

이에 대해 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이 탑 포일편(11)에 고정부측 박벽부(14)를 형성하고 있기 때문에 시동 토크가 작아진다.

이와 같은 상태로 회전축(1)이 회전해 스러스트 컬러(4)가 회전을 시작하면, 스러스트 컬러(4)와 탑 포일편(11)은 맞닿으면서 양자간에 형성된 측면에서 보았을 때 쐐기형의 공간(베어링 간극)으로 주위 유체가 밀려 들어간다. 스러스트 컬러(4)가 일정 회전 속도에 도달하면, 양자간에 유체 윤활막이 형성된다. 이 유체 윤활막의 압력에 의해 탑 포일편(11)(탑 포일(10))이 백 포일편(21)(백 포일(20))쪽으로 밀려, 스러스트 컬러(4)는 탑 포일편(11)과의 접촉 상태를 벗어나 비접촉으로 회전한다.

스러스트 하중이 가해지면, 탑 포일편(11)은 더욱 백 포일편(21)쪽으로 밀려 탑 포일편(11)의 경사각 θ가 작아진다. 이때, 탑 포일편(11)은 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 고정변(12) 근처에서 회동하므로(구부러지므로), 고정부측 박벽부(14)에 의해 그 회전축(1)의 회전 방향 하류측, 즉 말단변(11a)쪽 부분이 쉽고 원활하게 변위한다. 따라서, 스러스트 하중이 더욱 증가해 유체 윤활막의 두께가 더욱 얇아졌다고 해도, 탑 포일편(11)이 스러스트 컬러(4)에 접촉하기 힘들어져 최적의 경사각을 얻기 쉽게 된다.

본 실시 형태의 스러스트 베어링(3A(3))에 있어서는, 탑 포일편(11)에서, 고정변(12)과 고정부의 회전 방향 하류측의 근방부에 고정부측 박벽부(14)를 형성하고 있으므로, 하중이 베어링에 가해졌을 때 말단변(11a)쪽 부분이 보다 쉽고 원활하게 변위할 수 있고, 따라서 회전축(1)의 시동 토크가 저감된다. 또한, 회전축(1)이 회전을 개시한 후에도, 탑 포일편(11)이 고정부측 박벽부(14)를 중심으로 쉽고 원활하게 회동하기 때문에, 탑 포일편(11)의 최적 경사각을 얻기 쉬워져 베어링의 부하 능력이 향상된다.

높은 스러스트 하중을 받고 있을 때에는 유체 윤활막의 압력이 높아지므로, 탑 포일편(11) 중 백 포일편(21)에 직접 지지되지 않는 부분, 즉 백 포일편(21)의 골부(22) 위에 위치하는 부분이 휘어, 이곳으로부터 압력이 방출되어 부하 능력이 저하될 가능성이 있다.

그러나, 본 실시 형태에서는 탑 포일편(11)의 고정변(12)(고정변(12) 및 그 근방)에 고정부측 박벽부(14)를 형성하고 있으므로, 탑 포일편(11)이 변위하는(휘는) 움직임을 방해하지 않아, 종래에 비해 탑 포일편(11)을 구성하는 판재(박판)의 두께를 두껍게 하는 것이 가능하다.

따라서, 이와 같이 탑 포일편(11)의 두께를 두껍게 함으로써 백 포일편(21)에 지지되지 않는 부분에서의 휨을 줄일 수 있어, 부하 능력의 저하를 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에서의 스러스트 베어링에 대해 설명한다.

제2 실시 형태의 스러스트 베어링이 제1 실시 형태의 스러스트 베어링(3A(3))과 주로 다른 점은, 탑 포일편으로서 도 4a 내지 도 4c에 나타내는 구성을 이용하는 점이다. 도 4a는 탑 포일편(50)의 이면을 나타내는 평면도이다. 도 4b는 도 4a의 화살표 4B-4B선을 따라 본 단면도이다. 도 4c는 골부측 박벽부의 설명도이다.

도 4a 내지 도 4c에 나타낸 탑 포일편(50)이 도 3a 내지 도 3d에 나타낸 탑 포일편(11)과 다른 점은, 도 3d에 나타낸 백 포일편(21)의 골부(22)에 대향하는 부분에, 산부(23)에 대향하는 부분에 비해 얇게 형성된 골부측 박벽부(16)(박벽부)를 형성한 점이다. 한편, 골부(22)가 복수 개 마련되고 있기 때문에, 골부측 박벽부(16)도 복수 개 형성되고 있다.

곡부측 박벽부(16)는 탑 포일편(50)의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 홈 형상으로 형성되고, 상기 고정부측 박벽부(14)와 마찬가지로 에칭 가공 등으로 형성된다. 측단이란, 탑 포일편(50)의 둘레 방향에서의 한쪽 가장자리이다. 본 실시 형태에서는, 복수의 골부측 박벽부(16) 중 몇 개의 골부측 박벽부(16)(본 실시 형태에서는 3개)가 탑 포일편(50)의 외주단으로부터 내주단까지 연장되고, 다른 골부측 박벽부(16)(본 실시 형태에서는 3개)는 탑 포일편(50)의 외주단으로부터 측단까지 연장되고 있다(도 4a 참조). 또한, 골부측 박벽부(16)에 대해서는, 고정부측 박벽부(14)와 동일한 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시 형태에서는 탑 포일편(50)의 판재에 대해 에칭 가공을 1회 실시해, 고정부측 박벽부(14)와 골부측 박벽부(16)를 동시에 형성한다.

단, 골부측 박벽부(16)를 고정부측 박벽부(14)와 다른 두께로 형성해도 되고, 그 경우에는 고정부측 박벽부(14) 형성을 위한 에칭 가공과 골부측 박벽부(16) 형성을 위한 에칭 가공을 별도로 실시한다.

전술한 '백 포일편(21)의 골부(22)에 대향하는 부분'이란, 예를 들면 다음과 같이 정의된다.

즉, 도 4c에 나타낸 바와 같이 백 포일편(21)의 산부(23)의 정점을 H라고 하고, 산부(23)에서 골부(22)와 인접하는 위치, 즉 산부(23)와 골부(22)의 경계선(접속부)을 L이라고 하고, 또한 정점 H와 경계선 L의 베이스 플레이트(30) 상에서의 중간점을 M이라고 하면, 골부(22)를 사이에 둔 2개의 중간점 M, M의 사이에 상당하는, 지면상 하방의 탑 포일편(50)의 부분을 골부(22)에 대향하는 부분이라고 한다. 따라서, 도 4c에 나타낸 바와 같이 탑 포일편(50)의 두 중간점 M, M의 사이에 대응하는 부분에 골부측 박벽부(16)를 형성한다. 한편, 도 4c에서는 골부(22)가 폭을 갖고 있는 경우에 대해 도시했지만, 골부(22)가 단순히 절곡부로서 폭을 갖지 않는 경우에는, 상기 경계선 L이 인접하는 산부(23, 23) 사이에서 공통이 되는 것뿐이고(경계선 L은 인접하는 산부(23, 23)의 접속부가 된다), 상기 정의는 그대로 이용할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 고정부측 박벽부(14)를 형성하고 있으므로, 종래에 비해 탑 포일편(50)을 구성하는 판재를 두껍게 할 수 있다.

유체 윤활막의 압력이 탑 포일편(50)에 작용하면, 탑 포일편(50)의 내주단과 외주단 사이의 직경 방향 중앙부에서는 백 포일(20)을 향한 휨이 발생하기 쉬워진다. 이러한 휨이 커지면, 상기 중앙부에서 유체 윤활막의 압력이 저하되어 베어링의 부하 능력이 낮아지는 경우가 있다.

본 실시 형태에서는 골부측 박벽부(16)를 형성함으로써, 탑 포일편(50)을 회전축(1)의 회전 방향 상류측으로부터 하류측에 걸쳐, 즉 둘레 방향으로 휘기 쉽게 한다(탑 포일편(50)의 면과 평행하면서 직경 방향으로 연장되는 축 둘레에서 휘기 쉽게 한다). 동시에, 직경 방향에서의 휘기 힘든 정도(휨강성)(탑 포일편(50)의 면과 평행하면서 직경 방향에 직교하는 축 둘레에서의 휘기 힘든 정도)를, 골부측 박벽부(16) 형성전과 같은 정도로 유지하고 있다. 따라서, 탑 포일편(50)을 형성하기 위해 종래에 비해 두꺼운 판재를 이용함으로써, 둘레 방향에서는 종래와 같이 휘기 쉬우면서도 직경 방향에서는 종래보다 쉽게 휘지 않게 하여, 중앙부에서의 백 포일(20)을 향하는 휨을 억제할 수 있다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 직경 방향 중앙부에서의 휨을 억제함으로써 이 부위에서 유체 윤활막의 압력이 낮아져 부하 능력이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태에서의 스러스트 베어링에 대해 설명한다.

제3 실시 형태의 스러스트 베어링이 제2 실시 형태의 스러스트 베어링과 주로 다른 점은, 탑 포일편으로서 도 5a 및 도 5b에 나타내는 구성을 이용하는 점이다. 도 5a는 탑 포일편(60)의 이면을 나타내는 평면도와 측면도(상기 평면도의 화살표 A-A선을 따라 본 단면도)를 대응시킨 설명도이다. 도 5b는 도 5a의 화살표 5B-5B선을 따라 본 단면도이다.

도 5a 및 도 5b에 나타낸 탑 포일편(60)이 도 4a 내지 도 4c에 나타낸 탑 포일편(50)과 다른 점은, 상기 백 포일편(21)에 대향하는 면이 에칭 가공 등에 의해 절삭(제거)됨으로써, 도 5a에서 회색으로 나타낸 바와 같이, 그 내주단측에 외주단측보다 얇게 형성된 내주단측 박벽부(15)가 형성되고 있는 점이다. 단, 본 실시 형태에서, 내주단측 박벽부(15)는 골부측 박벽부(16)를 피한 위치, 즉 인접하는 골부측 박벽부(16, 16)의 사이에 형성되고 있다. 한편, '내주단측'이란, 탑 포일편(60)에서의 내주단쪽 부분(또는 내주단을 포함하는 부분)을 나타내고, '외주단측'이란, 탑 포일편(60)에서의 외주단쪽 부분(또는 외주단을 포함하는 부분)을 나타낸다.

이와 같은 내주단측 박벽부(15)가 형성됨으로써, 탑 포일편(60)은 그 내주단측이 외주단측에 비해 휘기 쉬워지게 된다.

본 실시 형태에서는, 내주단측 박벽부(15)와 외주단측과의 경계선(15a), 즉 단차부는 탑 포일편(60)의 내주단이나 외주단의 둘레 방향을 따르는 원호상이 되어 있다.

탑 포일편(60)에서 내주단측 박벽부(15)의 직경 방향의 폭 W1을 탑 포일편(60) 전체의 직경 방향의 폭 W2에 대해 1/2 이하로 하는 것이, 후술하는 바와 같이 탑 포일편(60)의 내주단측에서 스러스트 컬러(4)를 향하는 상승을 억제하면서, 탑 포일편(60)의 외주단측을 종래와 같이 기능시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 폭 W1을 폭 W2에 대해 1/8 이상으로 하는 것이, 탑 포일편(60)의 내주단측이 스러스트 컬러(4)를 향해 상승하는 것을 확실하게 억제하는데 있어서 바람직하다.

내주단측 박벽부(15)의 절삭량, 즉 내주단측 박벽부(15)와 외주단측의 두께의 차이는 10 내지 20㎛ 정도이면 된다. 이와 같은 양으로 탑 포일편(60)을 절삭해 외주단측의 고정부측 박벽부(14) 및 골부측 박벽부(16)를 제외한 부위에 대해 내주단측 박벽부(15)를 10 내지 20㎛ 정도 얇게 형성함으로써, 이 차이에 상당하는 간극을 상기 백 포일편(21) 산부(23)의 정점과의 사이에 형성할 수 있다. 이 간극은 스러스트 컬러(4)와 탑 포일편(60) 사이에 형성되는 유체 윤활막에 영향을 주고, 유체 윤활막도 충분히 얇기 때문에, 상기 간극은 10 내지 20㎛ 정도라도 충분히 기능한다. 또한, 이 정도의 절삭량이면, 탑 포일편(60)의 내주단측을 극단적으로 휘기 쉽게 하지 않고, 스러스트 컬러(4)를 향한 내주단측의 상승을 양호하게 억제할 수 있게 된다.

내주단측 박벽부(15)도, 상기 고정부측 박벽부(14)나 골부측 박벽부(16)와 마찬가지로 에칭 가공 등에 의해 형성한다. 단, 전술한 바와 같이 고정부측 박벽부(14)와 골부측 박벽부(16)는 같은 두께로 하는 것이 바람직하고, 내주단측 박벽부(15)는 이들 고정부측 박벽부(14)나 골부측 박벽부(16)에 비해 절삭량을 감소시키는 것이 바람직한 것으로부터, 본 실시 형태에서는 탑 포일편(60)의 판재에 대해 에칭 가공을 2회 실시한다. 예를 들면, 골부측 박벽부(16)와 고정부측 박벽부(14)를 같은 에칭 가공 공정에서 형성하고, 그 후 내주단측 박벽부(15)에 대해서는 다른 에칭 가공 공정에서 형성한다. 한편, 내주단측 박벽부(15)의 형성에 있어서는, 골부측 박벽부(16)를 형성한 부분은 에칭 가공을 실시하지 않고, 골부측 박벽부(16)를 피한 위치에만 선택적으로 에칭 가공을 실시하도록 한다.

이와 같은 구성의 스러스트 베어링을 작동시키기 위해, 회전축(1)을 회전시켜 스러스트 베어링에 스러스트 하중을 가하면, 탑 포일편(60)은 백 포일편(21)을 향해 밀려 탑 포일편(60)의 상기 경사각 θ가 작아진다. 이때, 스러스트 베어링(3A(3))에서는 그 외주단측에서의 스러스트 컬러(4)의 원주속도가 내주단측에서의 원주속도에 비해 빠르기 때문에, 원주속도가 느린 내주단측에서는 유체 윤활막의 압력(막압)이 낮아져, 탑 포일편(60)이 백 포일편(21)으로부터 반력을 받아 스러스트 컬러(4)를 향해 상승되기 쉬워지고 있다.

그러나, 본 실시 형태에서는, 탑 포일편(60)의 내주단측에 내주단측 박벽부(15)가 형성되어 있으므로, 이 내주단측이 외주단측에 비해 휘기 쉬워진다. 또한, 내주단측에서는 내주단측 박벽부(15)에 의해 백 포일편(21)(범프 포일편)과의 사이에 간극이 형성되므로, 내주단측은 백 포일편(21)에 대해 밀려 들어가기 쉬워진다. 이때, 내주단측에서는 상기 간극으로 인해 백 포일편(21)이 탑 포일편(60)을 스러스트 컬러(4)를 향해 밀어내는 힘이 생기기 어려워진다. 따라서, 스러스트 베어링의 내주단측에서의 스러스트 컬러(4)의 원주속도가 외주단측에서의 원주속도에 비해 느린 것에 의해, 내주단측이 스러스트 컬러(4)를 향해 상승되기 쉬워지는 것이 억제된다. 즉, 내주단측은 스러스트 컬러(4)를 향해 상승되기 힘들어진다.

또한, 탑 포일편(60)의 내주단측이 백 포일편(21)에 대해 밀려 들어가 상기 간극이 없어져도, 외주단측과 비교하면 간극만큼 백 포일편(21)의 탄성력(백 포일편(21)으로부터 탑 포일편(60)이 받는 반력)이 약해져 있으므로, 내주단측은 전술한 바와 같이 스러스트 컬러(4)를 향해 상승되기 힘들어진다.

따라서, 스러스트 하중이 더욱 증가해 유체 윤활막의 두께가 더욱 얇아졌다고 해도, 탑 포일편(60)은 스러스트 컬러(4)에 쉽게 접촉되지 않게 되고, 결과적으로 보다 높은 스러스트 하중을 지지할 수 있게 된다.

본 실시 형태의 스러스트 베어링에서는, 탑 포일편(60)의 내주단측에 외주단측보다 얇은 내주단측 박벽부(15)를 형성해 내주단측을 휘기 쉽게 함과 동시에, 내주단측에서 백 포일편(21)과의 사이에 간극을 형성하고 있으므로, 내주단측에서 백 포일편(21)에 의해 탑 포일편(60)이 스러스트 컬러(4)쪽으로 밀려나는 힘이 쉽게 생기지 않도록 할 수 있다. 따라서, 내주단측에서의 스러스트 컬러(4)의 원주속도가 외주단측에서의 원주속도에 비해 느린 것에 의해, 내주단측이 스러스트 컬러(4)를 향해 상승되기 쉬워지는 것을 억제해, 탑 포일편(60)이 스러스트 컬러(4)에 접근해 접촉하는 것을 방지할 수 있어, 베어링 수명의 저하나 눌어붙음을 방지할 수 있다.

한편, 본 실시 형태에서는, 고정부측 박벽부(14), 내주단측 박벽부(15) 및 골부측 박벽부(16)를 모두 형성하고 있지만, 이것으로 한정되지 않고, 제1 실시 형태의 탑 포일편(11)에 본 실시 형태의 내주단측 박벽부(15)를 형성해도 된다. 또한, 본 실시 형태의 내주단측 박벽부(15) 및 제2 실시 형태의 골부측 박벽부(16)만을 탑 포일편에 형성해도 된다.

다음으로, 본 발명의 제4 실시 형태에서의 스러스트 베어링에 대해 설명한다.

제4 실시 형태의 스러스트 베어링(3B(3))이 제2 실시 형태의 스러스트 베어링과 주로 다른 점은, 도 6a 내지 도 6d에 나타낸 바와 같이, 베이스 플레이트(30)의 상기 지지 영역(31)에 경사면(32)을 형성한 점과, 백 포일편(21)의 산부(23)의 높이를 모두 동일하게 한 점이다. 한편, 도 6a는 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링(3)의 평면도이다. 도 6b는 탑 포일편(50)의 구성을 설명하기 위해 이면을 나타내는 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다. 도 6c는 도 6a의 화살표 6C-6C선을 따라 본 단면도이다. 도 6d는 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 그 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.

본 실시 형태에서는, 도 6a에 나타낸 바와 같이 지지 영역(31)에서 상기 백 포일편(21) 및 제2 실시 형태에서 이용한 탑 포일편(50)을 지지하는 영역 전체를, 탑 포일편(50)의 고정변(12)측으로부터 하류측의 말단변(50a)을 향할수록 높이가 증가하는 경사면(32)으로 하고 있다. 즉, 경사면(32)을, 도 6c에 나타낸 바와 같이 말단변(50a)에 대해 직교하는 방향으로 경사지게 형성하고 있다.

또한, 백 포일편(21)은, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 베이스 플레이트(30)에 접하는 골부(22)와, 탑 포일편(50)에 접하는 산부(23)를 교대로 배치한 물결판 형상으로 형성한다. 단, 본 실시 형태에서는, 도 6c 및 도 6d에 나타낸 바와 같이, 산부(23)의 높이를 모두 동일하게 형성하고 있다.

또한, 골부(22) 및 산부(23)는, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 탑 포일편(50)의 고정변(12)과 평면에서 보았을 때 교차하는 방향으로 배열한다. 즉, 골부(22) 및 산부(23)의 배열 방향을 상기 고정변(12)과 교차하는 방향으로 하고, 경사면(32)의 경사 방향에 일치시키고 있다. 이에 따라, 백 포일편(21)의 산부(23)는 정점의 위치가 베이스 플레이트(30)의 경사면(32)의 경사 방향을 따라, 즉 회전축(1)의 회전 방향의 하류측을 향할수록 소정 높이씩 높아진다. 즉, 산부(23)의 정점의 위치에 대해서는 제1 실시 형태나 제2 실시 형태와 외관상 동일하게 되어 있다. 따라서, 백 포일편(21) 상에 배치되는 탑 포일편(50)은 경사각 θ가 제1 실시 형태와 동일하게 형성된다. 본 실시 형태에서는, 탑 포일편(50)의 경사각 θ는 도 6d에 나타낸 바와 같이 경사면(32)의 경사각 θ에 의해 정해진다.

본 실시 형태의 스러스트 베어링(3B(3))에서도, 도 6b에 나타낸 바와 같이 탑 포일편(50)에 고정부측 박벽부(14)를 형성하고 있으므로, 하중이 걸렸을 때 말단변(50a)쪽의 부분이 보다 쉽고 원활하게 변위할 수 있고, 따라서 회전축(1)이 회전을 개시한 후에도 탑 포일편(50)의 최적 경사각이 얻어지기 쉬워져, 베어링의 부하 능력이 향상된다.

또한, 골부측 박벽부(16)를 형성하고 있으므로, 탑 포일편(50)을 형성하기 위해 종래에 비해 두꺼운 판재를 이용함으로써, 둘레 방향에서는 종래와 같이 휘기 쉬움을 유지하면서 직경 방향에서는 종래보다 휘기 어렵게 해 중앙부에서 백 포일(20)을 향하는 휨을 억제할 수 있다. 따라서, 직경 방향 중앙부에서 유체 윤활막의 압력이 저하되어 부하 능력이 낮아지는 것을 억제할 수 있다.

한편, 본 실시 형태에서는, 고정부측 박벽부(14) 및 골부측 박벽부(16)를 모두 형성하고 있지만, 이것으로 한정되지 않고, 고정부측 박벽부(14) 및 골부측 박벽부(16)의 하나를 형성한 탑 포일편을, 경사면(32)을 갖는 본 실시 형태의 베이스 플레이트(30)에 조합해도 된다. 또한, 본 실시 형태의 탑 포일편(50)에 제3 실시 형태의 내주단측 박벽부(15)를 형성해도 된다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않는다. 상기 실시 형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거해, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 그 외의 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시 형태에서는 백 포일(20)이나 탑 포일(10)을 각각 6개의 백 포일편(21)(범프 포일편), 탑 포일편(11)으로 구성하고, 베이스 플레이트(30)의 지지 영역(31)도 이것에 맞추어 6개로 형성(설정)하고 있다. 그러나, 백 포일편(21)(범프 포일편)이나 탑 포일편(11)은 복수 개라면 5개 이하라도 7개 이상이라도 무방하다. 그 경우에, 지지 영역(31)의 수도 백 포일편(21)(범프 포일편)이나 탑 포일편(11)의 수에 맞추어 조정한다.

또한, 본 발명에 이용되는 탑 포일편으로는, 도 4a에 나타낸 구조의 탑 포일편(50)에서 고정부측 박벽부(14)를 없앤 구조, 즉 골부측 박벽부(16)만을 형성한 구조도 사용 가능하다.

또한, 상기 제4 실시 형태에서는, 탑 포일편으로서 제2 실시 형태의 탑 포일편(50)을 이용하고 있지만, 이를 대신해 제1 실시 형태의 탑 포일편(11) 혹은 제3 실시 형태의 탑 포일편(60)을 이용할 수도 있다.

또한, 제4 실시 형태에서 베이스 플레이트(30)의 지지 영역(31)에 경사면(32)을 형성하는 경우, 백 포일편(21)이 마련되는 면 전체를 경사면(32)으로 하는 대신해, 이 면에 경사면과 평탄면(스러스트 컬러(4)의 피지지면과 평행한 면)을 형성해, 백 포일편(21)의 일부를 경사면 상에, 나머지를 평탄면 상에 배치해도 된다. 이 경우에, 평탄면은 경사면의 위쪽(말단변(11a)쪽 위치, 스러스트 컬러(4)쪽 위치)에 형성해도 되고, 아래쪽(고정변(12)쪽 위치)에 형성해도 무방하다. 또한, 경사면의 둘레 방향에서의 양측에 평탄면을 각각 형성해도 된다.

또한, 탑 포일편이나 범프 포일편의 형상, 지지 영역 상의 탑 포일편이나 범프 포일편의 배치, 경사면의 경사 방향 등, 상기 실시 형태 이외에도 여러 가지 형태를 채용하는 것이 가능하다.

〈산업상의 이용 가능성〉

본 발명은 회전축에 마련된 스러스트 컬러에 대향해 배치되고, 스러스트 컬러를 지지하는 스러스트 베어링에 이용할 수 있다.

1 회전축
3, 3A, 3B 스러스트 베어링
4 스러스트 컬러
10 탑 포일
11, 50, 60 탑 포일편
11a 말단변
12 고정변
13 고정부
14 고정부측 박벽부(박벽부)
15 내주단측 박벽부
16 골부측 박벽부(박벽부)
20 백 포일
21 백 포일편(범프 포일편)
21a 말단변
22 골부(谷部)
23 산부(山部)
30 베이스 플레이트
31 지지 영역
32 경사면

Claims

회전축에 마련된 스러스트 컬러에 대향해 배치되는 스러스트 베어링으로서,
상기 스러스트 컬러에 대향해 배치되는 탑 포일과,
상기 탑 포일에서 상기 스러스트 컬러에 대향하는 면과 반대쪽 면에 대향해 배치되어, 상기 탑 포일을 지지하는 백 포일과,
상기 백 포일에서 상기 탑 포일쪽과는 반대쪽에 배치되어, 상기 백 포일을 지지하는 원환 형상의 베이스 플레이트를 구비하고,
상기 백 포일은 상기 베이스 플레이트의 둘레 방향으로 배열된 복수의 백 포일편을 갖고,
상기 백 포일편은 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 말단변이 상기 베이스 플레이트에 고정되고,
상기 탑 포일은 상기 복수의 백 포일편 위에 각각 배치된 복수의 탑 포일편을 갖고,
상기 탑 포일편에는, 상기 회전축의 회전 방향 상류측에, 상기 베이스 플레이트에 고정되는 고정부가 형성됨과 함께, 상기 백 포일편에 대향하는 면이 제거되어 이루어지고, 상기 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 박벽부가 형성되는 스러스트 베어링.
제1항에 있어서,
상기 박벽부는, 상기 고정부 및 상기 고정부의 근방부에서 상기 고정부보다 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 형성되고, 상기 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단까지 연장되는 고정부측 박벽부를 포함하는 스러스트 베어링.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고정부는 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 위치하는 직선상의 고정변을 포함하고,
상기 백 포일편은 산부와 골부를 교대로 형성한 물결판 형상의 범프 포일편에 의해 형성되고, 상기 산부의 배열 방향이 상기 고정변과 교차 배치되고,
상기 박벽부는 상기 골부에 대향하는 부분에 형성되고, 상기 산부에 대향하는 부분에 비해 얇게 형성된 골부측 박벽부를 포함하는 스러스트 베어링.
원환 형상의 베이스 플레이트와,
상기 베이스 플레이트에 배치되고, 둘레 방향의 한쪽이 상기 베이스 플레이트에 고정된 백 포일편과,
상기 백 포일편에 지지되고, 둘레 방향의 다른 쪽이 상기 베이스 플레이트에 고정된 탑 포일편과,
상기 탑 포일편의 상기 백 포일편에 대향하는 면이 제거되어 형성된 박벽부를 구비하고,
상기 박벽부는, 상기 탑 포일편의 외주단으로부터 내주단 혹은 측단까지 연장되는 스러스트 베어링.
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