KR102460907B1 - 에어 포일 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 공기 압축기(10)의 로터(610)의 회전축(650)을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며, 상기 범프 포일(706)은 로터 회전방향의 반대 방향을 향해 연장 형성된 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 범프 포일의 형상 및 강성을 변경함으로써 하중 지지력을 향상시키고 댐핑 효과를 증가시키는 효과가 있다. 또한, 댐핑력의 향상으로 베어링의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}
본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하중 지지력이 향상되고 마모 및 파손에 강한 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 가능하게 지지하는 기계 요소이다. 볼 베어링이나 저널 베어링은 유막을 이용해 축을 지지하는 방식이고, 포일 베어링은 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식의 베어링이다.
에어 포일 베어링은 로터가 고속 회전할 때 로터 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 축 하중을 지지한다.
에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축을 지지하는데 효과적이므로, 터보 압축기나 터보 쿨러, 터보 발전기, 공기 압축기 등의 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축에 적용할 수 있다. 이러한 에어 포일 베어링의 일 예가 한국등록특허공보 제0604132호에 개시되어 있다.
일반적으로 에어 포일 베어링은 한 쌍의 원판 형상의 플레이트 사이에 범프 포일 및 탑 포일이 배치되는 구조를 갖는다. 에어 포일 베어링의 하중지지 능력은 베어링 내부에 형성되는 공기의 전체 압력에 의해 결정되는 것이므로 전체 압력을 높일 필요가 있다. 그러나 종래의 에어 포일 베어링은 공기의 압력을 높일 수 있는 구조가 없어 하중 지지력을 향상시키기가 어려운 문제가 있다. 또한, 로터의 가진 시 에어 포일 베어링의 국부적인 마모 유발 및 파손 가능성이 높아지는 문제가 있다.
전술한 선행기술문헌의 도 16 내지 18에 개시된 범프 포일의 에지부(30)는 용접 수단을 제공함과 동시에 에어포켓 형성이 가능한 모서리를 제공하는 목적으로 구성된다. 범프 포일이 분포하는 면적이 클수록 탑포일을 지지하는 면적이 증가하나, 이는 공기역학적 측면에서 봤을 때 상대적으로 유막에 의한 손실을 유발하는 베어링 면적도 크다는 의미가 된다.
따라서 하중 지지력이 부족하지 않으면서도 공기역학적인 손실이 최소화될 수 있는 에어 포일 베어링의 최적 설계가 요구된다.
한국등록특허 제0604132호(등록일: 2006.07.18)
본 발명의 목적은 하중 지지력이 향상되고 공기역학적인 손실이 최소화될 수 있는 에어 포일 베어링을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 에어 포일 베어링은, 공기 압축기(10)의 로터(610)의 회전축(650)을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며, 상기 범프 포일(706)은 로터 회전방향의 반대 방향을 향해 연장 형성된 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)을 포함하며, 상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 일단부(A, B)는 상기 플레이트(702)에 각각 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 일단부(A, B)는 상기 플레이트(702)에 각각 스팟 용접(spot welding)되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)은 상기 로터 회전방향에 대응하는 단부가 하나로 연결되어 트레일링 에지를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 용접되는 일단부(A, B)는 상기 트레일링 에지(E)에 대향되는 단부인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 용접되는 일단부(A, B)는 각각 상기 트레일링 에지(E)에 대향되는 쪽의 첫 번째 범프 산 외측에 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 제4 포일(706d)는 상기 트레일링 에지(E)와 상기 첫 번째 범프 산이 연결되는 내경부 자유단(F)이 상기 트레일링 에지(E)의 내경측 모서리에 인접하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 트레일링 에지(E)의 내경측 모서리는 상기 로터(610)의 회전축(650)을 향하는 쪽 모서리인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 범프 포일의 형상 및 강성을 변경함으로써 하중 지지력을 향상시키고 댐핑 효과를 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 따른 에어 포일 베어링을 도시한 평면도,
도 3은 도 2에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부위를 확대한 평면도 및 측면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축이 구비된 기계장치에 설치된다. 본 명세서에서는 편의상 공기 압축기(10)에 장착된 블로어 모터(600)의 회전축(650)을 지지하는데 에어 포일 베어링(트러스트 베어링, 700)이 설치된 것을 예로 들어 설명하고자 한다(그러나 이러한 설명은 하나의 실시 예일 뿐, 회전하는 축을 가진 기계장치 어디에 적용되어도 무방하다).
차량용 공기 압축기(10)는 외관을 형성하는 하우징(100)과, 하우징(100)의 전방에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)와, 임펠러(400)를 수용하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 하우징(100)의 후방에 결합되는 리어 커버(500)와, 하우징(100)의 내부에 설치되어 임펠러(400)를 회전 구동시키는 블로어 모터(600)를 포함하여 구성된다.
임펠러 하우징(300)의 전방 중앙에는 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(310)가 형성되고, 전방 양측에는 공기 토출구(330)가 형성된다. 임펠러(400)는 임펠러 하우징(300)의 내부에 설치되며, 임펠러(400)를 관통하는 중공에 후술할 블로어 모터(600)의 회전축(650)이 결합된다. 즉, 임펠러(400)는 회전축(650)에 의해 지지된다. 임펠러(400)에 의해 공기 유입구(310)를 통해 흡입된 공기는 임펠러(400)에 의해 압축되어 공기 토출구(330)로 배출된다.
블로어 모터(600)는 하우징(100)의 내측에 삽입된 모터 하우징(600a)에 삽입된다. 블로어 모터(600)는 모터 하우징(600a)의 내주면에 인접하게 설치되며 중공(번호 미표기)을 갖는 스테이터(630)와, 스테이터(630)의 중공을 관통하여 설치되는 회전축(650)과, 회전축(650)의 외주면에 결합되는 로터(610)로 구성된다. 스테이터(630)는 플레이트(630a) 및 코일(630b)로 구성되어 고정되고, 로터(610)는 회전축(650)의 외주면에 일체로 형성된다.
회전축(650)은 일단이 임펠러(400)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(400)의 후방에 설치되는 트러스트 베어링(thrust bearing, 700) 및 저널 베어링(750)에 의해 하우징(100)의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 후방 단부 역시 후방 베어링(800)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 따른 에어 포일 베어링을 도시한 평면도, 도 3은 도 2에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부위를 확대한 평면도 및 측면도이다.
회전축(650)의 전방 쪽에는 원판 형상의 트러스트 디스크(미도시)가 형성되며, 트러스트 디스크의 전방 쪽 일면 및 후방 쪽 타면에 인접하여 트러스트 베어링(700)이 삽입된다(도 1 참조).
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트러스트 베어링(700)은 에어 포일(air foil) 베어링으로, 에어 포일은 블로어 모터(600)의 회전체인 로터(610)의 고속 회전에 따라 로터 또는 베어링 디스크와 이와 접하는 포일 사이에 점성을 가지는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성하여 하중을 지지하는 베어링을 말한다. 여기서 말하는 점성이란, 공기가 실제로 점성을 갖는다는 의미가 아니라 공기가 압력을 형성함으로써 마치 점성이 있는 물질이 유막을 형성한 것과 같은 역할을 한다는 의미이다.
트러스트 베어링(700)은 원판형의 플레이트(702)에 복수의 부채꼴 형상의 범프 포일(706)을 안착시키고 다시 탑 포일(704)로 커버한 형태이다. 트러스트 베어링(700)의 중앙에는 회전축(650)이 삽입되는 원형의 홀이 형성된다. 회전축(650)이 트러스트 베어링(700)의 홀에 삽입된 상태에서 범프 포일(706)의 일면은 탑 포일(704)이 트러스트 디스크(652)의 일면과 인접하고 타면은 플레이트(702)에 안착된다.
탑 포일(704)은 일단이 플레이트(702)에 고정되고 타단이 플레이트(702)와 이격되어 변형되는 자유단으로 형성된다. 탑 포일(704)의 고정단은 용접에 의해 플레이트(702)에 부착된다.
범프 포일(706)은 부채꼴의 판 형태로, 탑 포일(704)의 고정단과 자유단의 사이에서 탑 포일(704)과 접촉된다.
범프 포일(706)은 로터 회전방향을 향하는 일측으로부터 로터 회전방향의 반대 방향을 향해 연장 형성된 제1 포일 내지 제4 포일(706a ~ 706d)로 구성된다. 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)의 일단은 로터 회전방향의 반대 방향을 향해 연장되고, 타단은 하나로 연결된다. 이렇게 하나로 연결된 부분을 트레일링 에지(E)로 정의한다. 트레일링 에지(E)는 자유단으로 구성된다. 편의상 범프 포일(706)의 부채꼴 형상에서 회전축(650)을 향하는 내측 호 부분을 내경부, 이에 대향되는 외측 호 부분을 외경부라고 정의한다.
또한, 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)은 제1 슬릿(706e) 및 제2 슬릿(706f)을 사이에 두고 상호 이격된다. 제1 포일(706a)에서 제4 포일(706d)로 갈수록 그 길이가 짧아진다. 제2 포일(706b)과 제3 포일(706c)의 단부는 제1 포일(706a) 및 제4 포일(706d)의 단부를 연결한 가상의 선보다 트레일링 에지(D)를 향해 내측으로 요입 형성된다.
제1 포일(706a)과 제2 포일(706b)의 사이에 형성된 제1 슬릿(706e)은 일단에서 타단까지가 동일한 폭으로 형성되어 제1 포일(706a)과 제2 포일(706b)을 동일한 간격으로 이격시킨다. 제3 포일(706c)과 제4 포일(706d) 역시 동일한 폭으로 형성된 제1 슬릿(706e)에 의해 상호 이격된다.
제2 포일(706b)과 제3 포일(706c)의 사이에 위치한 제2 슬릿(706f)은 트레일링 에지(E)를 향하는 쪽 단부에서 반대쪽 단부까지의 폭이 상이하다. 제2 슬릿(706f)의 폭은 트레일링 에지(E) 쪽에서 반대쪽 단부로 갈수록 계단 형태로 단차지게 넓어지는 형태를 갖는다.
로터(630)의 고속회전에 따라 트러스트 디스크(652)와 에어 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 회전 시 하중을 지지한다.
동일한 피치(Pitch), 높이(Height), 길이(Length), 두께(Thickness)를 갖는 트러스트 베어링(700)에서, 하중 지지력은 공기의 점성뿐만 아니라 범프 포일(706)의 강성에도 영향을 받는다. 하중 지지력을 높이기 위해 높은 하중 지지력을 필요로 하는 부분에는 강성을 높이고, 상대적으로 낮은 하중 지지력을 필요로 하는 부분에는 상대적으로 강성을 낮출 수 있다. 본 명세서에서는 용접 부위의 구성과 자유단 부위의 구성을 변형함으로써 강성을 조절하는 방법을 제시하고자 한다.
도 3의 측면도를 참조하면, 탑 포일(704)은 일단이 고정단이고 플레이트(702)와의 사이에 범프 포일(706)이 삽입되어 탑 포일(704)의 자유단인 타단이 플레이트(702)와 이격되는 구조이다. 따라서 탑 포일(704)은 고정단 쪽에서 자유단 쪽 방향으로 갈수록 플레이트(702)와의 간격이 점차 커지는 경사 구간(L1)이 형성된다. 경사 구간(L1)을 지나 소정 위치가 되면 탑 포일(704)과 플레이트(702)의 간격이 균일한 평면 구간(L2)가 형성된다.
평면 구간(L2)이 형성되는 부분은 로터 회전 방향을 기준으로 범프 포일(706)의 첫 번째 산(leading edge) 부분에 해당된다. 즉, 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)의 첫 번째 범프 산 부분이 평면 구간(L2)의 시작 위치가 된다.
이때, 제1 포일(706a)은 트레일링 에지(E)의 반대편 쪽인 첫 번째 범프 산 외측 단부가 스팟 용접에 의해 플레이트(702)에 고정된다. 즉, 제1 포일(706a)의 외경부 쪽 단부(이하 외경부 용접단)가 플레이트 상에 고정되며, 트레일링 에지(E)는 자유단으로 구성된다.
제4 포일(706d) 역시 트레일링 에지(E)의 반대편 쪽인 첫 번째 범프 산 외측 단부가 스팟 용접에 의해 플레이트(702)에 고정된다. 즉, 제4 포일(706d)의 내경부 쪽 단부(이하 내경부 용접단)가 플레이트(702) 상에 고정되며, 트레일링 에지(E)는 자유단으로 구성된다.
또한, 제4 포일(706d)의 내경부 용접단(B) 및 첫 번째 범프 산의 내경부 자유단(F)은 트레일링 에지(E)의 내경측 모서리에 인접하게 형성되는 것이 바람직하다. 특히 내경부 자유단(F)이 트레일링 에지(D)의 내경측 모서리에 인접하게 형성된다(범프 포일 전체를 기준으로 보면 제4 포일의 내경부 자유단이 트레일링 에지와 연결된 것이지만, 제4 포일만을 기준으로 볼 때 첫 번째 범프 산의 트레일링 에지 쪽 부분이 자유단을 형성하는 부분이므로 내경부 자유단으로 정의함). 이 경우 범프 포일(706)의 하중 지지력이 과도하지 않으면서 외경부와 내경부의 강성 분포를 균등하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
범프 포일은 범프 산의 위치가 어디인지에 따라 눌리는 양이나 면적이 달라지는데, 범프 포일의 면적(눌려서 퍼지는 면적)이 과대해지면 하중지지력은 향상되나 열 손실 및 소비전력 역시 상승하게 된다. 반대로 범프 포일의 면적이 감소되면 열 손실 및 소비전력은 감소하나 하중지지력이 감소된다. 따라서 적절한 범프 포일의 면적을 확보하는 것이 중요하며, 본 실시 예에서는 여러 번의 시험을 통해 적절한 범프 포일의 면적을 산정하였다. 이러한 결과로 도출된 것을 전술한 바와 같이, 제4 포일(706d)의 내경부 용접단(B) 및 첫 번째 범프 산의 내경부 자유단(F)은 트레일링 에지(E)의 내경측 모서리에 인접하게 형성된 형태로 제시한다.
제2 포일(706b) 및 제3 포일(706c)은 트레일링 에지(E)의 반대편 쪼인 첫 번째 범프 산 외측 단부가 자유단으로 구성된다. 제1 포일(706a) 및 제4 포일(706d)의 일단이 플레이트(702)에 고정된 형태이고 제1 포일 내지 제4 포일(706a~706d)이 트레일링 에지(E)로 하나로 연결되므로 제2 포일(706b) 및 제3 포일(706c)이 고정되지 않아도 범프 포일(706)이 설치 위치를 벗어나지 않는다.
로터(610)의 회전수가 증가하거나 하중 부하가 증가하면 범프 포일(706)에 가해지는 하중이 점차 커져 유막의 압력이 상승하게 된다. 이 경우 트러스트 베어링(700)의 변형이 일정 수준 이상으로 증가하면, 자유단인 제2 포일(706b) 및 제3 포일(706c)의 범프 산이 이를 지지하지 못하고 펼쳐지게 된다. 그러나 제1 포일(706a)의 첫 번째 범프 산 및 제4 포일(706d)의 첫 번째 범프 산은 고정된 단부에 인접해 있기 때문에 자유단으로 구성된 제2 포일(706b) 및 제3 포일(706c)에 비해 약 2배 정도의 강성을 가지므로 범프 산이 변형되면서 하중을 지지할 수 있다.
전술한 실시 예에서는 제2 포일 및 제3 포일의 단부가 제1 포일 및 제4 포일의 단부보다 트레일링 에지(D) 쪽으로 요입된 것을 예로 하여 설명하였으나, 제2 포일 및 제3 포일의 길이를 변경할 수도 있다(전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하며, 상세한 설명을 생략하기로 함).
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부위를 확대한 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 포일(706b') 및 제3 포일(706c')의 용접되지 않은 단부(E)는 제1 포일(706a') 및 제4 포일(706d')의 용접된 단부(B)를 연결하는 가상의 선과 동일 선상에 배치되는 길이를 가질 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 범프 포일의 형상 및 강성을 변경함으로써 하중 지지력을 향상시키고 댐핑 효과를 증가시키는 효과가 있다. 또한, 댐핑력의 향상으로 베어링의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
10: 공기 압축기 100: 하우징
110: 임펠러 수용부 300: 임펠러 하우징
310: 공기 유입구 330: 공기 토출구
400: 임펠러 500: 리어 커버
600: 블로어 모터 600a: 모터 하우징
610: 로터 630: 스테이터
650: 회전축 700: 트러스트 베어링
702: 플레이트 704: 탑 포일
706: 범프 포일

Claims (9)

  1. 공기 압축기(10)의 로터(610)의 회전축(650)을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서,
    상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하며,
    상기 범프 포일(706)은 로터 회전방향의 반대 방향을 향해 연장 형성된 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)을 포함하며,
    상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 일단부(A, B)는 상기 플레이트(702)에 각각 접합되고,
    상기 제1 포일 내지 제4 포일(706a~ 706d)은 상기 범프 포일(706)에서 회전 방향의 상류측 단부가 하나로 연결되어 트레일링 에지(E)를 형성하며,
    상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 용접되는 일단부(A, B)는 각각 상기 트레일링 에지(E)에 대향되는 쪽의 첫 번째 범프 산 외측에 배치되고,
    상기 제4 포일(706d)은 상기 트레일링 에지(E)와 상기 첫 번째 범프 산이 연결되는 내경부 자유단(F)이 상기 트레일링 에지(E)의 내경측 모서리에 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 일단부(A, B)는 상기 플레이트(702)에 각각 스팟 용접(spot welding)되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 포일(706a) 및 상기 제4 포일(706d)의 용접되는 일단부(A, B)는 상기 트레일링 에지(E)에 대향되는 단부인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 트레일링 에지(E)의 내경측 모서리는 상기 로터(610)의 회전축(650)을 향하는 쪽 모서리인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 포일(706a)에서 제4 포일(706d)로 갈수록 그 길이가 짧아지며, 상기 제2 포일(706b)과 제3 포일(706c)의 단부는 제1 포일(706a) 및 제4 포일(706d)의 단부를 연결한 가상의 선보다 트레일링 에지(D)를 향해 내측으로 요입 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제1 포일(706a)에서 제4 포일(706d)로 갈수록 그 길이가 짧아지며, 상기 제2 포일(706b)과 제3 포일(706c)의 단부는 제1 포일(706a) 및 제4 포일(706d)의 단부를 연결한 가상의 선과 동일 선상에 배치되는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
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