KR102283021B1 - 터보 압축기용 스러스트 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터보 압축기의 회전축 회전 시 가해지는 힘의 크기에 따라 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 큰 부위에 대응하여 스러스트 베어링의 구조를 변경함으로써 유막의 두께를 일정하게 유지해 스러스트 베어링의 하중 지지력을 향상시키는 효과가 있다. 이에 따라 스러스트 베어링의 내구성이 향상된다.

Description

터보 압축기용 스러스트 베어링{Thrust bearing for turbo-compressor having it}
본 발명은 고압력 하에서 변형되는 스러스트 러너의 형상을 고려하여 형상을 개선한 터보 압축기용 스러스트 베어링에 관한 것이다.
베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 가능하게 지지하는 기계 요소이다. 일반적으로 사용되는 베어링의 종류로는 볼 베어링, 저널 베어링, 에어 또는 가스 포일 베어링 등이 있다. 볼 베어링이나 저널 베어링은 유막을 이용해 축을 지지하는 방식이고, 포일 베어링은 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식의 베어링이다. 전술한 고압의 공기층이 유막과 유사한 기능을 하므로 통상적으로 전술한 고압의 공기층을 '유막'이라고 표현한다.
에어 포일 방식의 베어링은 스러스트 베어링이라고도 하며, 공기 압축기 등에 주로 사용된다. 이하에서는 도면을 참조하여 일반적인 공기 압축기에 적용되는 스러스트 베어링의 구조에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 스러스트 베어링의 기본 구조를 도시한 사시도이다. 도 2 및 도 3은 고속 회전 조건에서 도 1에 따른 스러스트 베어링의 변형 예를 도시한 모식도이다. 도 4는 도 1에 따른 스러스트 베어링의 유막 두께 및 압력분포를 도시한 그래프이다. 도 5는 도 2 및 도 3의 스러스트 베어링 변형에 따른 감소된 하중지지 면적을 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 스러스트 베어링(100)은 중앙에 공기 압축기의 회전축이 관통하는 원판 형상의 스러스트 러너(110)와, 스러스트 러너(110)와 소정 간격 이격되도록 결합되는 범프 포일 어셈블리(130)로 구성된다.
범프 포일 어셈블리(130)는 회전축이 관통하는 원판형의 베어링 플레이트(132)와, 베어링 플레이트(132) 상에 안착되는 복수의 범프 포일(134)과, 범프 포일(134)과 스러스트 러너(110) 사이에 배치되며 범프 포일(134)을 커버하는 탑 포일(136)로 구성된다.
스러스트 베어링(100)의 하중 지지력은 스러스트 러너(110)와 탑 포일(136) 표면 사이에 일정한 두께의 유막이 형성되어야 발생된다. 일반적인 공기 압축기의 경우 낮은 압력 조건에서 동작하므로 전술한 종래의 스러스트 베어링(100)을 적용하더라도 충분한 하중 지지력이 발생한다.
그러나 터보 압축기와 같이 고속 고압 조건으로 작동하는 장치에 종래의 스러스트 베어링(100)을 적용하면, 스러스트 러너의 변형으로 유막 두께가 일정하게 유지되지 않는 문제가 발생한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고속으로 회전하는 회전축의 회전 시 반경방향과 원주 방향으로 가해지는 힘의 방향을 분석하면 스러스트 베어링이 설치된 쪽 힘의 크기보다 스러스트 베어링이 설치되지 않은 쪽 힘의 크기가 커지게 된다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 힘의 합력 방향이 스러스트 베어링이 설치되지 않은 쪽 방향으로 작용하므로, 스러스트 러너(110)의 자유단이 힘의 합력 반대 방향으로 변형된다. 그에 따라 유막의 두께는 스러스트 러너(110)의 자유단 쪽 두께(A)보다 내측 두께(A')가 작아진다.
전술한 구조에서 도 4에 도시된 바와 같이, 압력이 상대적으로 높은 스러스트 러너(110)의 내측 유막 두께(A')가 상대적으로 작으므로 하중 지지 면적이 감소할 수밖에 없는 구조이다.
이 결과 도 5에 도시된 바와 같이, 스러스트 러너(110)의 변형 전 하중 지지 면적에 비해 스러스트 러너(110)의 변형에 따라 하중 지지 면적이 크게 감소하게 된다(감소 면적 B).
따라서 고속 고압 조건에서 작동되는 터보 압축기의 경우 종래의 스러스트 베어링을 적용할 수 없는 문제가 있다. 종래의 스러스트 베어링 구조를 터보 압축기에 적용하는 경우, 터보 압축기의 구동에 필요한 충분한 하중 지지력을 발생할 수 없으므로 회전축과 베어링, 더 나아가 임펠러 등이 열에 의해 열화되거나 파손되는 문제가 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 고속 고압 조건에서도 충분한 하중 지지력을 제공할 수 있는 터보 압축기용 스러스트 베어링을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 고압력 하에서 변형되는 스러스트 러너의 형상을 고려하여 형상을 개선한 터보 압축기용 스러스트 베어링을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 스러스트 베어링은 터보 압축기에 적용될 수 있다. 상기 스러스트 베어링은 터보 압축기의 회전축이 관통하는 원판 형상의 스러스트 러너; 및 상기 스러스트 러너의 판면 양측에 각각 배치되며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트 상에 안착되는 복수의 범프 포일과, 상기 범프 포일과 상기 스러스트 러너 사이에 배치되며 상기 범프 포일을 커버하는 탑 포일을 갖는 범프 포일 어셈블리를 포함할 수 있다.
본 발명의 범프 포일은 회전축의 회전 시 가해지는 힘의 크기에 따라 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 큰 부위에 다른 범프 포일 보다 상대적으로 낮은 강성을 갖는 저강성 포일이 배치될 수 있다. 또한, 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 큰 부위에 다른 범프 포일 보다 상대적으로 높은 강성을 갖는 고강성 포일이 배치될 수 있다.
이러한 배치는 스러스트 베어링에 작용하는 힘에 따른 분포 하중을 고려하여 범프 포일이 균일하게 변형되도록 하기 위한 구조이다. 즉, 범프 포일의 강성에 따라 하중 지지력이 다른 것을 고려한 구조이다. 따라서 스러스트 러너의 변형량 및 변형 부위에 대응하여 강성을 달리한 범프 포일을 배치함으로써 스러스트 러너의 중심 부위와 선단부 쪽의 유막 두께를 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 스러스트 베어링은 범프 포일의 강성을 변경하는 대신, 탑 포일의 형상을 변경하는 구조를 제공할 수 있다. 즉, 상기 스러스트 베어링은 전술한 스러스트 러너 및 범프 포일 어셈블리를 포함하되, 탑 포일의 두께를 달리 형성할 수 있다. 본 발명의 탑 포일은 상기 회전축의 회전 시 변형되는 상기 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 작은 부위에서 큰 부위로 갈수록 두께가 점차 증가하는 형상을 가질 수 있다.
이에 따라 스러스트 러너의 변형으로 유막 두께가 커지는 부분과 상대적으로 유막 두께가 작아지는 부분의 차이를 보전하는 효과가 있다. 또한, 유막 두께가 일정하게 유지되는 면적이 종래 구조 대비 크게 증가하므로 스러스트 베어링의 하중 지지력이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 스러스트 베어링은 전술한 스러스트 러너 및 범프 포일 어셈블리를 포함하되, 스러스트 러너의 형상이 반경 방향의 외측에서 상기 회전축에 인접한 부분으로 갈수록 두께가 증가되는 형상을 가질 수 있다. 이에 따라 스러스트 러너의 강성이 보강되어 변형량 자체를 감소시킬 수 있다.
또는, 스러스트 러너 대신 스러스트 베어링을 지지하는 베어링 하우징이 외주 측으로 갈수록 그 두께가 증가하는 형상을 가질 수도 있다.
이러한 형상에 의해 유막 두께가 일정하게 유지되는 효과가 있으며, 유막 두께가 일정하게 유지되는 면적이 종래 구조 대비 크게 증가되어 스러스트 베어링의 하중 지지력이 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 스러스트 베어링은 범프 포일의 강성을 조절함으로써 고속 고압 조건에서 요구하는 충분한 하중 지지력을 제공하므로 터보 압축기에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 고압력 하에서 변형되는 스러스트 러너의 형상을 고려하여 범프 포일 및 스러스트 러너의 형상을 개선하였으므로 고속 고압 조건에서 요구하는 충분한 하중 지지력을 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 일반적인 스러스트 베어링의 기본 구조를 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 고속 회전 조건에서 도 1에 따른 스러스트 베어링의 변형 예를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1에 따른 스러스트 베어링의 유막 두께 및 압력분포를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 2 및 도 3의 스러스트 베어링 변형에 따른 감소된 하중지지 면적을 도시한 그래프이다.
도 6은 일반적인 스러스트 베어링의 범프 포일 구조를 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다.
도 8a 내지 도 8h는 도 6에 따른 범프 포일 구조의 변형 예들을 도시한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다.
도 11 본 발명의 제4 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 스러스트 베어링의 유막 두께 및 압력분포를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 스러스트 베어링의 개선된 하중지지 면적을 도시한 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 '유막'이라는 용어는 오일막이 아니며, 오일막의 점성과 유사한 특성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성한 일종의 공기층을 의미하는 용어로 사용된다. 따라서 '유막의 두께'는 실제 어떠한 형상을 가진 막의 두께가 아닌 압력을 형성하는 공기층의 두께, 또는 공기층이 형성될 수 있는 공간의 폭(또는 두께)를 의미한다.
또한, 본 발명의 도면에서 범프 포일은 범프 산 및 범프 골을 갖거나 특정 형상을 가지나, 편의상 일부 도면에서는 이러한 형상을 상세히 도시하지 않고 범프 포일의 변형 방향만을 도시하였다.
도 6은 일반적인 스러스트 베어링의 범프 포일 구조를 도시한 모식도이다. 도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다(본 발명의 스러스트 베어링을 설명함에 있어, 종래와 동일한 일반적인 구성에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하기로 한다).
도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스러스트 베어링(100)은 터보 압축기(미도시)에 적용될 수 있다.
일반적으로 에어 포일 타입의 스러스트 베어링은 전체가 동일한 스프링 특성을 갖는 범프 포일로 구성된다. 그러나 실제 운전 시에는 스러스트 러너의 변형에 의해 베어링으로 역할을 하는 영역은 운전 조건(압력 조건)에 따라 달라지게 된다. 터보 압축기에 일반적인 스러스트 베어링을 적용하는 경우, 고압력비 조건(흡입/토출의 평균이 높은 평압 조건)에서 베어링의 특성인 하중 지지력이 부족하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 스러스트 베어링(100) 구조를 제안하는 것이다.
스러스트 베어링(100)은 터보 압축기의 회전축(미도시)에 결합되어 전후방 임펠러를 회전 가능하게 지지한다. 스러스트 베어링(100)은 스러스트 러너(110) 및 범프 포일 어셈블리(130)를 포함한다. 스러스트 베어링(100)은 일부 도면에 도시한 베어링 하우징(150)을 더 포함할 수 있다.
스러스트 러너(110)는 회전축이 삽입되는 원통형의 축삽입부(100a)와, 축삽입부(100a)에서 원판 형상으로 연장된 판면을 갖는다. 스러스트 러너(110)는 소정의 두께를 가지며, 범프 포일 어셈블리(130)를 충분히 커버할 수 있는 크기를 갖는다. 스러스트 러너(110)의 판면 중 축삽입부(100a)에 연결된 부분을 러너 중심부(112), 러너 중심부(112)에서 반경 방향으로 연장된 외주 부분을 선단부(114)로 정의한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 터보 압축기가 작동되어 회전축이 고속으로 회전하면서 압력이 발생하면, 회전축의 축 방향으로 압력이 가해진다. 스러스트 베어링(100)을 기준으로 보면, 스러스트 베어링(100)에 가해지는 힘의 방향은 힘의 합력(Fsum) 방향이다. 즉, 러너 중심부(112) 쪽으로 힘이 가해지므로, 선단부(114)는 범프 포일 어셈블리(130)로부터 멀어지는 방향으로 변형된다.
따라서 스러스트 러너(110)는 축삽입부(100a)에 연결된 러너 중심부(112)에 비해 선단부(114)에 가해지는 하중이 상대적으로 낮으므로 선단부(114)의 변형량이 러너 중심부(112)의 변형량보다 크다.
이러한 스러스트 러너(110)의 변형량 및 변형 부위에 대응할 필요가 있다. 이를 위해, 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 부위에는 고강성 포일(134”)을 배치하고, 변형량이 작은 부위에는 저강성 포일(134')을 배치하는 등의 방법으로 대응할 수 있다(이에 대해서는 후술하기로 함).
범프 포일 어셈블리(130)는 중공이 형성되어 회전축이 관통하는 원판형의 베어링 플레이트(132)와, 베어링 플레이트(132) 상에 안착되는 복수의 범프 포일(134)과, 범프 포일(134)과 스러스트 러너(110) 사이에 배치되며 범프 포일(134)을 커버하는 탑 포일(136)로 구성된다.
범프 포일 어셈블리(130)는 스러스트 러너(110)를 사이에 두고 양측에 각각 배치될 수 있다(도 2 참조). 또한, 베어링 플레이트(132)의 범프 포일(134) 장착면과 반대 면에는 스러스트 베어링(100)을 지지하는 베어링 하우징(150)이 추가로 장착될 수 있다(설명의 편의를 위해 베어링 하우징은 도 11에만 추가로 도시함).
베어링 플레이트(132)는 범프 포일(134) 및 탑 포일(136)이 결합되어 지지되는 부분이다. 베어링 플레이트(132)의 일면에 범프 포일(134) 및 탑 포일(136)이 용접되어 고정될 수 있다. 범프 포일(134) 및 탑 포일(136)이 고정되는 부분을 리딩 엣지(leading edge), 자유단 부분을 트레일링 엣지(trailing edge)라고 한다.
스러스트 베어링(100)의 회전 방향에 맞추어 리딩 엣지 및 트레일링 엣지가 배열된다. 스러스트 베어링(100)의 회전 방향은 리딩 엣지에서 트레일링 엣지를 향하는 방향이다.
범프 포일(134)은 일단이 베어링 플레이트(132) 상에 고정되고 타단은 고정되지 않은 자유단으로 형성될 수 있다. 범프 포일(134)은 복수 개가 배치되며, 여러 형상을 가질 수 있다. 범프 포일(134)의 변형 방향은 회전축의 축 방향인 힘의 합력 방향(도 7 기준으로 Fsum 방향)이다. 범프 포일(134)은 일종의 판 스프링이므로, 편의상 범프 포일(134)의 강성은 스프링 상수와 동일하게 설명할 수 있다.
일반적으로 범프 포일(134)은 고정된 단부에서 자유단을 향해 동일한 형상의 범프 산(볼록한 부분)과 범프 골(오목하거나 평평한 부분)이 교대로 반복되는 형상을 갖는다. 범프 포일(134)은 스러스트 베어링(100)에 가해지는 하중을 지지하는 역할을 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134)의 단면을 기준으로 범프 골에서 범프 산까지의 거리를 범프 높이(H)라고 하고, 범프 산의 시작 부위에서 끝 부위까지를 범프 길이(L)라고 한다. 또한, 범프 포일(134) 자체의 두께를 범프 두께(T)라고 하고, 범프 산의 최고점에서 이웃한 범프 산의 최고점까지의 거리를 범프 피치(P)라고 한다.
범프 높이(H), 범프 길이(L), 범프 두께(T) 및 범프 피치(P)는 범프 포일(134)의 형상을 정의하는데 필수적인 요소이다. 범프 높이(H), 범프 길이(L), 범프 두께(T) 및 범프 피치(P)를 조절함으로써 범프 포일(134)의 강성을 조절할 수 있다. 본 발명에서는 범프 포일(134)의 형상을 조절하여 범프 포일(134)의 강성(스프링 상수)을 조절함으로써 스러스트 러너(110)의 변형에 대응할 수 있다.
범프 포일(134)은 도 7에서와 같이 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 부분에는 고강성 포일(134”)을 적용하고, 변형량이 작은 부분에는 저강성 포일(134')을 적용할 수 있다. 이때, 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 부분은 스러스트 러너(110)의 반경 방향을 기준으로 외측인 선단부(114) 쪽이다. 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 부분은 스러스트 러너(110)의 반경 방향을 기준으로 내측인 러너 중심부(112) 쪽이다.
이와 같이, 스러스트 베어링(100)은 힘이 작용하는 분포 하중을 고려해 범프 포일(134)이 균일하게 변형될 수 있도록 설계될 수 있다. 즉, 범프 포일(134)의 강성에 따라 하중 지지력(하중에 따른 변형)이 다른 것을 고려하는 것이다. 따라서 고하중 영역은 상대적으로 낮은 스프링 상수를 갖도록 하고, 저하중 영역은 상대적으로 높은 스프링 상수를 갖도록 범프 포일(134)을 설계하는 것이다.
스러스트 베어링(100)의 구조 상 범프 포일(134)의 높이 제한이 있으므로, 범프 포일(134)의 소성 변형이 발생되지 않는 30% 이내와, 장한 충격을 받을 수 있는 80% 이내의 스프링 상수를 갖도록 범프 포일(134)을 설계할 수 있다.
이를 바탕으로, 범프 포일(134)을 스러스트 러너(110)의 변형량 및 변형 부위에 대응하게 배치하면, 스러스트 러너(110)의 러너 중심부(112) 쪽 유막 두께(A)와 선단부(114) 쪽 유막 두께(A')를 동일하게 유지할 수 있다. 범프 포일(134)의 강성을 조절하는 구조에 대해서는 후술하기로 한다.
탑 포일(136)은 범프 포일(134)과 스러스트 러너(110) 사이에 배치되어 범프 포일(134)을 커버한다. 탑 포일(136)은 일단이 베어링 플레이트(132) 상에 고정되고 타단은 범프 포일(134)과 마찬가지로 자유단으로 형성된다.
탑 포일(136)은 스러스트 러너(110)와 소정 간격으로 이격된다. 이격된 간격으로 형성된 공간에 유체인 공기가 유입되어 유막 효과를 나타낸다. 범프 포일(134)과 함께 이 부분에서 스러스트 베어링(100)에 가해지는 하중이 지지되므로 유막의 두께는 하중 지지력에 있어 매우 중요한 요소이다.
본 발명에서는 유막 두께가 일정하게 유지되는 면적을 종래보다 크게 증가시켜 스러스트 베어링(100)의 하중 지지력을 향상시키는 구조를 제안한다(이에 대해서는 후술하기로 함).
전술한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스러스트 베어링에 있어서, 스러스트 러너의 변형에 대응하여 범프 포일의 형상을 개선한 예들에 대해 설명하기로 한다.
도 8a 내지 도 8h는 도 6에 따른 범프 포일 구조의 변형 예들을 도시한 모식도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134a)은 반원형의 범프 산을 갖되, 범프 길이(L)가 상대적으로 긴 저강성 포일(134a')과, 상대적으로 짧은 고강성 포일(134a”)을 하나의 범프 포일(134a)상에 적용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 저강성 포일(134a')이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 러너 중심부(112) 쪽이다. 고강성 포일(134a”)이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 선단부(114) 쪽이다. 저강성 포일(134a')과 고강성 포일(134a”)은 하나의 범프 포일(134a) 상에 연속적으로 형성된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134b)은 대략 사각형 또는 사다리꼴 형상의 범프 산을 갖되, 범프 길이(L)가 상대적으로 긴 저강성 포일(134b')과, 상대적으로 짧은 고강성 포일(134b”)을 하나의 범프 포일(134b)상에 적용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 저강성 포일(134b')이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 러너 중심부(112) 쪽이다. 고강성 포일(134b”)이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 선단부(114) 쪽이다. 저강성 포일(134b')과 고강성 포일(134b”)은 하나의 범프 포일(134b) 상에 연속적으로 형성된다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134c)은 삼각형 형상의 범프 산을 갖되, 범프 길이(L)가 상대적으로 긴 저강성 포일(134c')과, 상대적으로 짧은 고강성 포일(134c”)을 하나의 범프 포일(134c) 상에 적용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 저강성 포일(134c')이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 러너 중심부(112) 쪽이다. 고강성 포일(134c”)이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 선단부(114) 쪽이다. 저강성 포일(134c')과 고강성 포일(134c”)은 하나의 범프 포일(134c) 상에 연속적으로 형성된다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134d)은 꺾인 직선 형태의 범프 산을 갖되, 각 범프의 일단이 자유단으로 형성될 수도 있다. 이 경우 범프 길이(L)가 상대적으로 긴 저강성 포일(134d')과, 상대적으로 짧은 고강성 포일(134d”)을 하나의 범프 포일(134d) 상에 적용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 저강성 포일(134d')이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 러너 중심부(112) 쪽이다. 고강성 포일(134d”)이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 선단부(114) 쪽이다. 저강성 포일(134d')과 고강성 포일(134d”)은 하나의 범프 포일(134d) 상에 연속적으로 형성된다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134e)은 반원형의 범프 산을 갖되, 범프 길이(L)를 동일하게 형성한 형태일 수 있다. 하나의 범프 포일(134e) 상에 저강성 포일(134e')과 고강성 포일(134e”)을 구분하기 위해 고강성 포일(134e”)은 저강성 포일(134e') 내측에 범프 높이(H)와 범프 길이(L)가 작은 범프를 중복하여 적용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 저강성 포일(134e')이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 러너 중심부(112) 쪽이다. 고강성 포일(134e”)이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 선단부(114) 쪽이다. 저강성 포일(134e')과 고강성 포일(134e”)은 하나의 범프 포일(134e) 상에 연속적으로 형성된다.
도 8f에 도시된 바와 같이, 범프 포일(134f)은 서로 형태가 다른 범프 산을 혼용할 수도 있다. 즉, 하나의 범프 포일(134f)이 반원형의 범프 산과 사다리꼴 또는 사각형의 범프 산을 갖되, 반원형의 범프는 범프 길이(L)가 상대적으로 긴 저강성 포일(134f')로 형성하고, 사각형의 범프는 범프 길이(L)가 상대적으로 짧은 고강성 포일(134f”)로 형성할 수 있다. 도 7을 참조하면, 저강성 포일(134f')이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 작은 러너 중심부(112) 쪽이다. 고강성 포일(134f”)이 배치되는 부분은 스러스트 러너(110)의 변형량이 큰 선단부(114) 쪽이다. 저강성 포일(134f')과 고강성 포일(134f”)은 하나의 범프 포일(134f) 상에 연속적으로 형성된다.
또는 하나의 범프 포일 상에 저강성 포일과 고강성 포일을 연속적으로 배치하는 형태가 아닌, 복수의 저강성 포일과 고강성 포일을 독립적으로 형성할 수도 있다.
8g에 도시된 바와 같이, 범프 포일은 복수의 저강성 포일(134g')과 복수의 고강성 포일(134”)이 서로 독립적으로 각각 베어링 플레이트 상에 형성되되 규칙적으로 배열된 형태를 가질 수 있다. 이때 저강성 포일(134g')은 원통형 또는 반원형으로 크기가 상대적으로 크고, 고강성 포일(134”)은 상대적으로 작은 크기를 가질 수 있다.
또는 도 8h에 도시된 바와 같이, 범프 포일은 복수의 저강성 포일(134h') 및 고강성 포일(134h”)이 서로 독립적으로 각각 베어링 플레이트 상에 형성되되 규칙적으로 배열된 형태를 가질 수 있다. 이때 저강성 포일(134h')은 반타원형 또는 원뿔형으로 크기가 상대적으로 크고 고강성 포일(134h”)은 상대적으로 작은 크기를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 범프 포일(134)의 형상을 변경하여 스러스트 러너(110)의 변형량 및 변형 부위에 대응함으로써 스러스트 베어링의 하중 지지력을 향상시킬 수 있다.
또는, 범프 포일(134)이 아닌 다른 부분의 형상을 변경하여 스러스트 러너(110)의 변형량 및 변형 부위에 대응할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다. 도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다. 도 11 본 발명의 제4 실시 예에 따른 스러스트 베어링의 구조를 도시한 모식도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스러스트 베어링(100)은 범프 포일(134)이 일괄적으로 고강성을 갖도록 구성할 수 있다. 대신 탑 포일(136)의 형상을 스러스트 러너(110)의 변형 부위에 대응하여 변경할 수 있다. 즉, 탑 포일(136)이 러너 중심부(112)에서 선단부(114)를 향할수록 그 두께가 점차 두꺼워지게 형성할 수 있다.
이 경우 선단부(114)와 탑 포일(136) 사이의 유막 두께(A)보다 러너 중심부(112)와 탑 포일(136) 사이의 유막 두께(A')가 감소되어야 하나, 유막 두께가 증가되는 부분의 탑 포일(136) 두께를 증가시킴으로써 유막 두께의 차이를 보전하는 효과가 있다.
따라서 선단부(114)와 탑 포일(136) 사이의 유막 두께(A)와 러너 중심부(112)와 탑 포일(136) 사이의 유막 두께(A')가 동일해짐으로써 일정한 유막 두께를 유지할 수 있다. 이에 따라, 유막 두께가 일정하게 유지되는 면적이 종래 구조 대비 크게 증가하므로 스러스트 베어링(100)의 하중 지지력이 향상되는 효과가 있다.
또는 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 스러스트 베어링(100)은 범프 포일(134)이 일괄적으로 고강성을 갖도록 구성할 수 있다. 대신 스러스트 러너(110)의 형상을 변경할 수 있다. 즉, 스러스트 러너(110)가 선단부(114)에서 러너 중심부(112)를 향할수록 그 두께가 점차 두꺼워지게 형성할 수 있다.
이 경우 스러스트 러너(110) 자체의 강성을 보강함으로써 변형량 자체를 감소시킬 수 있다. 따라서 스러스트 베어링(100)의 하중 지지력이 향상되는 효과가 있다.
또는 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 스러스트 베어링(100)은 범프 포일이 일괄적으로 고강성을 갖도록 구성할 수 있다. 대신 탑 포일(136)과 베어링 플레이트(132), 베어링 하우징(150)의 형상을 변경할 수 있다. 즉, 스러스트 러너(110)의 선단부(114)에 대응하는 베어링 하우징(150)의 단부 쪽의 두께를 증가시키고, 이에 따라 탑 포일(136)과 베어링 플레이트(132)의 형상을 변경할 수 있다.
베어링 하우징(150)의 단부쪽 반경 방향 두께를 증가시키고 베어링 플레이트(132)를 향하는 부분의 두께는 유선형으로 점차 감소되도록 형성할 수 있다. 베어링 플레이트(132) 및 탑 포일(136)의 형상은 베어링 하우징(150)의 유선형 형상 부위에 대응하도록 유선형 부위를 갖도록 형성할 수 있다. 그러나 이 경우에도 베어링 플레이트(132)와 탑 포일(136) 사이의 간격은 동일하게 유지된다. 즉, 범프 포일(134)의 높이가 변화되지 않는다.
이 경우, 변형량이 큰 스러스트 러너(110)의 선단부 쪽 유막 두께(A)보다 러너 중심부(112) 쪽 유막 두께(A')를 크게 형성할 수 있다. 스러스트 러너(110)가 변형되면 선단부(114)와 탑 포일(136) 사이의 유막 두께(A)가 러너 중심부(112)와 탑 포일(136) 사이의 유막 두께(A')보다 커져야 한다.
그러나 유막 두께가 증가되는 부분의 형상을 변경하고 러너 중심부(112) 쪽 유막 두께(A)를 증가시킴으로써 스러스트 러너(110)의 변형에 의한 유막 두께의 차이를 보전하는 효과가 있다. 따라서 유막 두께가 일정하게 유지되는 면적이 종래 구조 대비 크게 증가하므로 스러스트 베어링(100)의 하중 지지력이 향상되는 효과가 있다.
전술한 구조를 갖는 본 발명의 스러스트 베어링(100)에 있어서, 하중지지 면적과 압력 분포를 살펴보면 다음과 같다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 스러스트 베어링의 유막 두께 및 압력분포를 도시한 그래프이다. 도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 스러스트 베어링의 개선된 하중지지 면적을 도시한 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 스러스트 러너(110)의 반경 방향을 따라 외측으로 갈수록 스러스트 러너(110)가 변형되어 하중 지지력이 저하되나, 스러스트 베어링(100)의 형상을 변경함으로써 종래에 비해 감소된 하중 지지 면적이 크게 감소된다. 즉, 도 5에 비해 스러스트 러너(110) 변형에 따른 감소된 하중 지지 면적(B 영역의 크기) 자체가 감소된다.
따라서 종래의 구조 대비 유막 두께가 일정하게 유지되는 면적이 증가하므로 스러스트 베어링(100)의 하중 지지 성능이 향상되는 효과가 있다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 유막의 두께가 스러스트 러너(110)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되거나, 일정하게 유지되는 것과 동일한 효과를 나타내므로 스러스트 베어링(100)에 가해지는 압력을 고르게 분산하여 지지할 수 있다. 따라서 스러스트 베어링(100)의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 스러스트 베어링은 터보 압축기의 회전축 동작에 따라 스러스트 러너가 변형되는 부위와 변형량에 대응하여 범프 포일의 형상 및 강성을 변화시킴으로써 유막 두께의 감소로 하중 지지력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 스러스트 베어링은 스러스트 러너가 변형되는 부위와 변형량에 대응하여 탑 포일, 베어링 플레이트, 베어링 하우징 및 스러스트 러너 자체의 형상 변경을 통해 유막 두께를 일정하게 유지하거나 이와 동일한 효과를 낼 수 있다. 따라서 유막 두께의 감소로 하중 지지력이 저하되는 것을 방지하고 스러스트 베어링의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 스러스트 베어링 110: 스러스트 러너
112: 러너 중심부 114: 선단부
130: 범프 포일 어셈블리 132: 베어링 플레이트
134: 범프 포일 136: 탑 포일
150: 베어링 하우징

Claims (10)

  1. 터보 압축기의 회전축에 결합되어 임펠러를 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 스러스트 러너; 및
    상기 스러스트 러너의 판면 양측에 각각 배치되며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트 상에 안착되는 복수의 범프 포일과, 상기 범프 포일과 상기 스러스트 러너 사이에 배치되며 상기 범프 포일을 커버하는 탑 포일을 갖는 범프 포일 어셈블리;
    를 포함하고,
    상기 스러스트 러너는 상기 회전축의 회전 시 힘이 가해져서 축방향으로 변형되고,
    상기 범프 포일은
    상기 축방향으로 변형되는 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 큰 부위에 상대적으로 높은 강성을 갖는 고강성 포일이 배치되고, 상기 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 작은 부위에 상대적으로 낮은 강성을 갖는 저강성 포일이 배치되고,
    이에 따라 상기 스러스트 러너가 축방향으로 변형되더라도 스러스트 러너(110)와 탑 포일(136) 사이에 형성되는 유막의 두께(A, A')가 반경방향을 따라 일정하게 유지됨으로써 압력이 고르게 분산되어, 상기 변형에 의해 하중지지 면적이 감소하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는
    스러스트 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스러스트 러너는
    상기 회전축이 삽입되는 축삽입부에 연결되고 상기 회전축의 회전 시 힘이 가해지는 러너 중심부와, 상기 러너 중심부에서 연장된 선단부를 포함하고,
    상기 회전축의 회전 시 가해지는 힘에 의해 상기 선단부가 상기 범프 포일 어셈블리로부터 멀어지는 방향으로 변형되는
    스러스트 베어링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 범프 포일 어셈블리는
    상기 범프 포일 및 상기 탑 포일의 일단이 상기 베어링 플레이트에 결합되고, 타단은 자유단으로 형성되며,
    상기 범프 포일 및 상기 탑 포일이 상기 베어링 플레이트에 결합된 리딩 엣지에서 상기 자유단인 트레일링 엣지를 향하는 방향이 상기 스러스트 베어링의 회전 방향에 대응하는 것을 특징으로 하는
    스러스트 베어링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 범프 포일은
    상기 저강성 포일의 범프 길이가 상기 고강성 포일의 범프 길이에 비해 상대적으로 길게 형성되는
    스러스트 베어링.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저강성 포일과 상기 고강성 포일은 하나의 상기 범프 포일 상에 형성되는
    스러스트 베어링.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 범프 포일 어셈블리는
    상기 탑 포일의 일단이 상기 베어링 플레이트에 결합되고, 타단은 자유단으로 형성되며,
    상기 범프 포일은 복수 개의 상기 저강성 포일 및 상기 고강성 포일이 상기 베어링 플레이트 상에 독립적으로 연속하여 배치되는
    스러스트 베어링.
  7. 터보 압축기의 회전축에 결합되어 임펠러를 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 스러스트 러너; 및
    상기 스러스트 러너의 판면 양측에 각각 배치되며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트 상에 안착되는 복수의 범프 포일과, 상기 범프 포일과 상기 스러스트 러너 사이에 배치되며 상기 범프 포일을 커버하는 탑 포일을 갖는 범프 포일 어셈블리;
    를 포함하고,
    상기 스러스트 러너는 상기 회전축의 회전 시 힘이 가해져서 축방향으로 변형되고,
    상기 탑 포일은
    상기 축방향으로 변형되는 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 작은 부위에서 큰 부위로 갈수록 두께가 점차 증가하는 형상이고,
    이에 따라 상기 스러스트 러너가 축방향으로 변형되더라도 스러스트 러너(110)와 탑 포일(136) 사이에 형성되는 유막의 두께(A, A')가 반경방향을 따라 일정하게 유지됨으로써 압력이 고르게 분산되어, 상기 변형에 의해 하중지지 면적이 감소하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는
    스러스트 베어링.
  8. 터보 압축기의 회전축에 결합되어 임펠러를 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 스러스트 러너; 및
    상기 스러스트 러너의 판면 양측에 각각 배치되며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트 상에 안착되는 복수의 범프 포일과, 상기 범프 포일과 상기 스러스트 러너 사이에 배치되며 상기 범프 포일을 커버하는 탑 포일을 갖는 범프 포일 어셈블리;
    를 포함하고,
    상기 회전축의 회전 시 상기 스러스트 러너에 축방향으로 힘이 작용하고,
    상기 스러스트 러너는 외주 측에서 상기 회전축에 인접한 부분으로 갈수록 두께가 증가되는 형상이고,
    이에 따라 상기 스러스트 러너에 축방향으로 힘이 작용하더라도 상기 스러스트 러너가 축방향으로 변형되는 변형량이 감소하여, 스러스트 러너와 탑 포일 사이에 형성되는 유막의 두께(A, A')가 반경방향을 따라 일정하게 유지됨으로써 압력이 고르게 분산되어, 상기 변형에 의해 하중지지 면적이 감소하는 것을 억제하는
    스러스트 베어링.
  9. 터보 압축기의 회전축에 결합되어 임펠러를 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 스러스트 러너;
    상기 스러스트 러너의 판면 양측에 각각 배치되며, 상기 회전축이 관통하는 원판 형상의 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트 상에 안착되는 복수의 범프 포일과, 상기 범프 포일과 상기 스러스트 러너 사이에 배치되며 상기 범프 포일을 커버하는 탑 포일을 갖는 범프 포일 어셈블리; 및
    상기 스러스트 러너와 마주보게 배치되어 상기 범프 포일 어셈블리를 지지하는 베어링 하우징;
    을 포함하고,
    상기 스러스트 러너는 상기 회전축의 회전 시 힘이 가해져서 축방향으로 변형되고,
    상기 베어링 하우징은
    상기 축방향으로 변형되는 스러스트 러너의 변형량이 상대적으로 작은 부위에서 큰 부위로 갈수록 두께가 점차 증가하는 형상이고,
    이에 따라 상기 스러스트 러너가 축방향으로 변형되더라도 스러스트 러너와 탑 포일 사이에 형성되는 유막의 두께(A, A')가 반경방향을 따라 일정하게 유지됨으로써 압력이 고르게 분산되어, 상기 변형에 의해 하중지지 면적이 감소하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는
    스러스트 베어링.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 범프 포일 어셈블리는
    상기 베어링 플레이트 및 상기 탑 포일이 상기 베어링 하우징에 대응하는 형상을 갖되, 상기 베어링 플레이트와 상기 탑 포일의 간격은 상기 스러스트 러너의 반경방향을 따라 동일한 것을 특징으로 하는
    스러스트 베어링.
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