KR102556910B1 - 터보기계용 벤트식 베어링 리테이너 - Google Patents

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Abstract

압축기 및 터빈과 같은 터보기계용 벤트식 베어링 리테이너 및 롤러 베어링. 베어링 리테이너 부재의 내주면 내에 또는 그에 인접한 축방향 개구는 롤러 베어링 상의 압력차를 균등하게 한다. 내주면 내에 축방향 홈이 제공될 수 있다. 리테이너 부재의 OD 상의 댐퍼 부재는 강성 진동 모드를 최소화하고 열 성장 및 오정렬에 대응할 수 있다.

Description

터보기계용 벤트식 베어링 리테이너
본 발명은 터보기계용 베어링에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 롤러 베어링용 리테이너 및 어셈블리에 관한 것이다.
터보기계는 로터와 유체 간에 에너지를 전달하며, 터빈과 압축기 둘 모두를 포함한다. 터빈은 유체로부터 로터(임펠러)로 에너지를 전달하는 한편, 압축기는 로터(임펠러)로부터 유체로 에너지를 전달한다. 일반적으로, 개방형 및 폐쇄형 터보기계가 있다. 프로펠러, 풍차, 및 개방형 팬과 같은 개방형 기계는 무한대의 유체로서 작동하며, 반면 폐쇄형 기계는 유체가 하우징 또는 케이싱을 통과할 때에 유한량의 유체로 작동한다. 터보기계는 또한 축류 기계 또는 반경(원심)류 기계인지에 따라 분류된다.
압축기 터보 기계 및 터빈 터보기계는 전형적으로 일 단부에 임펠러가 있는 본체 또는 하우징 내에 배치된 회전 샤프트를 포함한다. 샤프트의 회전은 임펠러의 회전을 일으키고, 이것은 다음에 임펠러가 유체의 흐름을 압축하거나 용이하게 한다. 샤프트가 자유롭게 회전하는 것을 가능하게 하기 위해 롤러 베어링과 같은 베어링이 제공된다.
정확한 윤활은 베어링의 성능과 수명에 중요하다. 영구적으로 윤활되는 베어링의 경우에는, 베어링으로부터 윤활유를 압출할 수 있는 압력차(pressure differentials)를 균등하게 하는 것도 필요하다. 리테이너 부재는 베어링으로부터 윤활유의 손실을 방지하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 오염물이 베어링에 침입하는 것을 방지하고, 그들의 성능과 내구성을 저하시키는 것을 방지하는 데 사용될 수 있다.
고속 터보기계의 경우에는, 롤러 베어링 또는 스어링 리테이너의 외부 레이스(outer race)이 샤프트 및 임펠러와 동일한 속도로 회전하는 것을 방지하여, 그들의 지속 시간 및 성능을 증가시키는 것도 중요하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 윤활유의 보지가 개선될 뿐만 아니라, 어셈블리의 내구성 및 수명이 개선되는, 영구 윤활형 베어링(permanently lubricated bearing)을 위한 개선된 보지 부재, 및 영구 윤활형 베어링과 개선된 보지 부재의 어셈블리를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 개선된 롤러 베어링 및 리테이너 어셈블리뿐만 아니라, 롤러 베어링을 위한 개선된 리테이너 부재를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은, 개선된 베어링 리테이너 부재 및 이러한 리테이너 부재와 롤러 베어링과 같은 베어링의 개선된 조합을 제공하는 본 발명에 의해 충족된다. 베어링 리테이너 부재는 그 내주면에 인접한 하나 이상의 축방향 벤트를 갖는다. 벤트는 베어링으로부터, 예를 들어 과저의 베어링 측면 실드 등, 윤활유를 압출할 수 있는 압력차를 균등하게 한다. 또한, 하나 이상의 반경방향 홈이 축방향 벤트에 인접한 리테이너 부재의 내주면 상에 제공될 수 있다. 반경방향 홈은 롤러 베어링 또는 어셈블리 근처에서 발생할 수 있는 가스를 위한 바이패스를 제공한다.
댐핑을 제공하고 하우징 내의 베어링 리테이너 부재의 회전을 제한하기 위해서, 하나 이상의 댐핑 부재가 리테이너 부재의 외주면 상에 제공된다. 댐핑 부재는 O링과 같은 고무 또는 엘라스토머 링 부재일 수 있거나, 또는 하우징과의 댐핑 및 마찰 접촉을 제공하는 금속제의 압축 가능한 구조 부재일 수 있다.
본 발명의 다른 특징뿐만 아니라, 다른 이점 및 장점은 첨부된 도면 및 첨부된 청구범위와 조합하여 이하의 본 발명의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명을 사용하는 대표적인 터보기계의 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 영역(2)의 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따른 롤러 베어링과 베어링 보지 부재의 조합의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 베어링 리테이너 부재의 사시도이다.
도 6은 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 대체 실시형태를 도시한다.
바람직한 실시형태의 상세한 설명
본 발명은 특히 터빈 발전기 또는 전기 수퍼차저와 같은 고속 터보기계를 위한 영구 윤활형 롤러 베어링 메커니즘에 관한 것이며, 본 명세서에서 예시적인 방식으로 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이들 상황 및 이들 제품에 대하여만 본 발명을 사용하는 것으로 한정되지 않아야 한다. 터보기계는 터빈, 압축기, 펌프, 팬 등을 포함한 다양한 임펠러를 지원할 수 있다. 베어링은 또한 다양한 유형의 볼 베어링 또는 롤러 베어링, 예를 들어 원통형 롤러 베어링, 테이퍼형 롤러 베어링, 구형 롤러 베어링 등과 같은 임의의 유형의 표준 베어링일 수 있다. 롤러 요소는 또한 하나 이상의 열로 배치될 수도 있다. 사용되는 그리스 또는 윤활유의 유형은 또한 임의의 표준 유형일 수 있거나, 또는 장래에 새롭게 합성될 수 있다.
베어링은 또한 영구적으로 윤활되는 유형일 필요도 없다. 그것은 윤활유의 보충을 위한 포트를 갖는 베어링일 수 있다. 그리스 또는 윤활유는 바람직하게는 수분뿐만 아니라, 고체 및 액체 오염물에 대해 베어링 메커니즘을 밀봉하기에 충분한 유형 및 양인 것이어야 한다. 베어링에 도포되는 그리스의 양은 통상 용도에 따라 다르다. 불충분한 양의 그리스는 금속간 접촉(metal-to-metal contact) 및 조기 베어링 고장을 유발할 수 있다. 과도한 양의 그리스는 베어링 내의 작동 온도를 급격하게 상승시킬 수 있다. 그리스의 양은 또한 베어링의 속도 범위에 의존할 수 있다. 보다 많은 수량의 윤활유(100%까지 충전됨)는 전형적으로 저속 용도에 사용되며, 보다 적은 양의 윤활유(예를 들어, 30-50%)는 전형적으로 중속 내지 고속 용도에 사용된다.
엔드 캡 또는 엔드 실드와 같은 리테이너 부재가 또한 베어링 내에 그리스를 보지하고 더 긴 베어링 수명을 제공하는 데 사용된다. 그리스가 리테이너 또는 캡 부재에 도포될 수 있고, 그런 다음 롤러 베어링이 베어링-리테이너 어셈블리에서 가능한 한 많은 그리스를 포획하는 리테이너 부재 내에 또는 그와 함께 조립될 수 있다.
또한, O링 또는 금속 부세력 부재와 같은 댐핑 또는 연화 부재의 사용이 바람직하지만, 이러한 아이템은 리테이너 및 베어링 어셈블리의 특정 실시형태에서는 필요하지 않을 수 있다. 소프트 장착 어셈블리는, 리테이너 부재의 회전을 감소 또는 방지하고, 축방향 이동을 가능하게 하며, 효과적인 축방향 예압을 보장하고, 또한 회전 어셈블리의 강성 진동 모드를 낮출 수 있기 때문에 바람직하다. 소프트 장착 어셈블리는 또한 열 성장 및 오정렬에 더 잘 대응할 수 있다.
도 1을 참조하면, 대표적인 터빈 발전기(10)에서 사용되는 본 발명이 나타나 있다. 터빈은 하우징(15), 내부에 장착된 회전 샤프트 부재(14), 유체 덕트(17), 및 샤프트 부재의 일 단부에 부착된 임펠러(16)를 포함한다.
샤프트 부재(14)는 한 쌍의 베어링 어셈블리(18, 20)에 의해 스테이터 하우징(12) 내에 회전 가능하게 장착된다. 스테이터 하우징 내의 전기 모터(22)는 샤프트 부재를 회전시키기 위한 전력을 생성하는 데 사용된다. 모터는, 샤프트 부재(14)에 고정적으로 부착되는 로터 부재(26)를 회전시키는 스테이터 부재(24)를 갖는다. 터보기계(10)는 또한 래비린스 시일(labyrinth seal)(23), 히트 실드(25), 및 냉각수 통로(27)를 갖는다.
베어링 어셈블리(18, 20)는 모두 동일한 유형의 베어링일 수 있거나, 또는 상이한 유형일 수 있다. 베어링 어셈블리(20)가 본 발명의 바람직한 실시형태의 사용에 관하여 본 명세서에서 설명될 것이다. 베어링(18)은 바람직하게는 벤트식 베어링 어셈블리(20)와 동일한 유형이고 동일한 구성요소를 갖는다.
본 발명의 베어링 어셈블리(20)는 도 2 내지 도 6에 나타나 있다. 어셈블리(20)는 일반적으로 베어링 부재(25) 및 리테이너 부재(30)를 포함한다. 나타낸 실시형태에서, 베어링 부재는 케이지 부재(38) 내에 배치된 복수의 구형 볼 부재(32)를 갖는 롤러 베어링이다. 7개의 볼 부재(32)가 도시되어 있지만, 볼 부재의 수는 중요하지 않으며, 이 유형의 롤러 베어링에 사용되는 임의의 수일 수 있다.
롤러 베어링 어셈블리(20)는 내부 레이스 부재(34) 및 외부 레이스 부재(36)를 포함하며, 이들 모두는 볼 부재에 대해 각각 곡선형 레이스웨이(35, 37)를 갖는다. "케이지(cage)"라고도 불리는 볼 홀더 부재(36)는 2개의 레이스 부재 사이에 위치되고, 볼 부재를 제자리에 유지하고 베어링 어셈블리의 원주 둘레에 균등하게 이격되도록 하는 데 사용된다. 볼 부재(32) 중 하나는 케이지 부재(38) 내의 각각의 개구(39) 내에 배치된다.
환형 실드 부재(40, 42)는 2개의 레이스 부재의 2개의 축방향 측면 상에 배치된다. 리테이너 부재(40, 42)는 베어링이 만족스럽게 작동하도록 롤러 베어링 부재 내부에 윤활유를 유지하는 것을 돕는다.
캡 유형의 리테이너 부재(30)는 도 3 내지 도 6에 가장 잘 나타나 있다. 리테이너 부재(30)는 외측(OD) 원주면(50) 및 내측(ID) 원주면(52)을 갖는다. 리테이너 부재(30)는 또한 반경방향의 환형 플랜지 부재(54)를 갖는다.
바람직하게는, 리테이너 부재(30)는 강철 또는 알루미늄 재료와 같은 적절한 강도, 열, 자기 및 제조 특성을 갖는 금속 재료로 이루어진다. 마찬가지로, 내부 레이스 부재(34) 및 외부 레이스 부재(36)도 유사한 재료로 이루어진다. 볼 부재(32)는 바람직하게는 질화규소 또는 적절한 재료로 이루어진다. 강철과 같은 금속 볼 재료는 높은 원심력, 열 팽창 및 전기 전도도 때문에 고속 전기 터보기계에 대한 사용이 제한될 수 있다. 홀더 부재(38)는 바람직하게는 플라스틱 또는 폴리머 재료로 이루어진다.
복수의 축방향 벤트 개구(60)가 리테이너 부재(30) 내에 제공된다. 벤트 개구는, 도 5 및 도 6에 보다 구체적으로 나타낸 바와 같이, 리테이너 부재(30)의 내주면(52)에 인접하여 제공된다. 벤트 개구는 윤활유를 측면 실드(40, 42)를 지나서 베어링 부재 밖으로 압출할 수 있는 임의의 압력차를 균등하게 하기 위해 제공된다.
바람직하게는, 3개의 벤트 개구(60)가 제공되지만, 그 수는 그보다 적거나 많을 수 있다. 벤트 개구는 또한 바람직하게는 도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 리테이너 부재 상에 균등하게 이격되어 있다. 벤트 개구를 균등하게 이격하는 것은 외부 레이스의 왜곡을 회피할 수 있다. 벤트의 크기는 적절한 압력차가 균등하게 되는 한 중요하지 않다.
복수의 홈(70)이 리테이너 부재(30)의 내주면(52) 상에 제공된다. 홈은 바람직하게는 축방향으로 배향된다. 홈의 깊이는, 예를 들어 리테이너 부재의 두께의 10% 내지 80%일 수 있다. 홈은, 샤프트 부재 주위의 터빈 하우징 내에 형성되거나 베어링 어셈블리(20)에 의해 야기될 수 있는 임의의 가스가 벤트 개구(60)를 통해 바이패스하여 벤트되는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 3개의 홈(70)이 도면에 나타나 있지만, 실제 수는 3개 초과 또는 3개 미만일 수 있다. 바람직하게는 그 수는 가스의 효율적인 제거 및 임의의 압력차의 균등화를 위한 벤트 개구의 수와 동일하며, 바람직하게는 홈(70)은 나타낸 바와 같이 벤트 개구(60)와 정렬되고 연통한다.
베어링 ID로부터 베어링의 외부 레이스로의 가스의 반경방향 바이패스류(radial bypass flow)가 도 4에 화살표(74)로 나타나 있다. 축방향 홈(70)은 도 4에 화살표(76)로 나타낸 방식으로 내주면 상에 바이패스 유로를 제공한다.
바람직하게는, 벤트 개구(60) 및 홈(70)은 동시에 동일한 단회의 기계 가공 또는 분쇄밀링 절차로 형성된다. 벤트 개구 및 홈은 또한 주조, 소결, 금속 사출 성형, 3D 프린팅 등과 같은 임의의 다른 통상적인 형성 동작에 의해 또한 형성될 수 있다. 이들은 또한 하나의 단계에서 리테이너 부재의 하나의 축방향 측면으로부터 형성될 수 있다. 도면에 나타낸 벤트 개구 및 홈의 기하학적 형상은 이 방식으로 달성되도록 제공된다. 이것은 리테이너 부재(30)뿐만 아니라, 완전한 베어링 어셈블리(20)를 제조하는 데 필요한 비용 및 시간을 절감한다.
벤트 개구(60) 및 홈(70)이 일 단계의 기계 가공 동작으로 형성될 수 있는 본 발명의 실시형태가 도 5 및 도 6에 나타나 있다.
플랜지 벽(54)을 관통하는 벤트 개구는 고속, 높은 부스트 동작 중에 베어링 압력차를 방지한다. 직접 베어링 벤트(60)는 또한 모든 조건 하에서 균등화된 압력을 보장한다.
벤트 개구 및 홈에 더하여, 바람직한 베어링 어셈블리는 또한 댐핑 "소프트" 장착 특징부를 갖는다. 일 실시형태에서는, 하나 이상의 O링 홈(80)이 리테이너 부재(30)의 외측(OD) 원주면(50) 상에 위치된다. O링 부재(82)는, 도 4에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 홈(80) 내에 위치되고 표면(50)의 약간 위로 연장된다. 터빈 하우징(12) 내의 베어링 어셈블리(20)의 "소프트" 장착은 도 1 및 도 2에 나타나 있다.
롤러 베어링 및 리테이너 부재 어셈블리가 하우징 내에 설치될 때, O링은 터보기계 내의 어셈블리에 대해 유연한 장착을 제공한다. 소프트 장착은 구조적 댐핑을 제공하여, 이동 및 진동의 강성모드가 조우하게 되는 속도를 저하시킨다. "소프트" 장착은 또한 하우징 내의 베어링 어셈블리의 임의의 열 성장 및/또는 오정렬에도 대응한다. O링은 또한 하우징과의 마찰을 제공하고, 샤프트 부재 및 롤러 베어링의 속도에 대한 리테이너 부재의 회전 속도를 제한한다.
O링(82)은 오늘날 사용중인 임의의 통상적인 유형의 적합한 내약품성 및 내열성 엘라스토머 O링일 수 있다. 리테이너 부재의 외면 내에 위치된 O링은 압축기 하우징(12) 내의 베어링 어셈블리(20)의 플로팅 마운트(floating mount)를 제공한다.
본 발명의 베어링 어셈블리의 대체 실시형태(100)가 도 7에 나타나 있다. 이 실시형태(100)는 전술한 실시형태(10)와 동일한 벤트 개구(60) 및 반경방향 홈(70)을 포함하지만, 다른 댐핑 특징부를 갖는다. 원주방향 홈 내에 1개 또는 2개의 O링을 사용하기보다는, 실시형태(100)는 그 대신에 리테이너 부재의 외주면(104) 상에 금속 구조 댐퍼 부재(102)를 포함한다. 댐퍼 부재(102)는 바람직하게는 외면(104) 상의 원주방향 홈(106) 내에 위치된다. 금속 댐퍼 부재는 그의 원주 주위에, 하우징 상에 부세력을 제공하는 복수의 유연부 또는 유연 부재(108)를 갖는다. 베어링 어셈블리(100)가 하우징에 장착되거나 조립될 때, 부세 부재(108)는 베어링 어셈블리를 제자리에 고정하고 도 1 내지 도 6에 관하여 전술한 것과 동일한 "소프트" 장착을 제공한다. 바람직하게는, 금속 댐퍼 부재(102)는 댐퍼 부재가 회전하는 것을 방지하기 위해 부재(120)와 같은 회전 방지 특징부를 포함한다. 베어링 어셈블리는 또한 샤프트 부재 상에서 축방향으로 슬라이딩하는 것이 가능하게 되어 있고 바람직하게는 반경방향 감쇠력을 제공한다.
본 발명이 하나 이상의 실시형태에 관련하여 설명되었지만, 설명되어 있는 특정 메커니즘 및 기술은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 설명된 방법 및 장치에 대하여 다양한 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 롤러 베어링과 함께 사용하기 위한 베어링 리테이너 부재로서, 상기 베어링 리테이너 부재는:
    외면 및 내면을 갖는 원형의 축방향으로 연장되는 환형 벽 부재, 및 상기 환형 벽 부재에 부착된 반경방향으로 연장되는 벽 플랜지 부재로서,
    가스의 통과를 위한 적어도 하나의 벤트 개구를 갖는 상기 벽 플랜지 부재, 및
    상기 원형의 축방향으로 연장되는 환형 벽 부재의 상기 내면에 상기 적어도 하나의 벤트 개구와 축방향으로 정렬해서 서로 연통하는 적어도 하나의 홈을 포함하는, 베어링 리테이너 부재.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 벤트 개구가 상기 벽 플랜지 부재 내에 제공되는, 베어링 리테이너 부재.
  3. 제1항에 있어서, 복수의 홈이 상기 원형의 축방향으로 연장되는 벽 부재의 상기 내면 내에 제공되는, 베어링 리테이너 부재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 벤트 개구 및 상기 홈은 동시에 단회의 기계 가공 동작으로 형성될 수 있는, 베어링 리테이너 부재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 외면 상에 원주방향으로 제공된 적어도 하나의 O링 홈을 더 포함하는, 베어링 리테이너 부재.
  6. 롤러 베어링 메커니즘 및 베어링 리테이너 부재를 포함하는 롤러 베어링 어셈블리로서, 상기 롤러 베어링 메커니즘은 내부 레이스 부재, 외부 레이스 부재 및 상기 내부 및 외부 레이스 부재 사이에 위치된 복수의 롤러 부재를 포함하고, 상기 베어링 리테이너 부재는 외면 및 내면을 갖는 원형의 축방향으로 연장되는 환형 벽 부재, 및 상기 환형 벽 부재에 부착된 반경방향으로 연장되는 벽 플랜지 부재로서, 가스의 통과를 위한 적어도 하나의 벤트 개구를 갖는 상기 벽 플랜지 부재, 및 상기 원형의 축방향으로 연장되는 환형 벽 부재의 상기 내면에 상기 적어도 하나의 벤트 개구와 축방향으로 정렬해서 서로 연통하는 적어도 하나의 홈을 포함하며, 상기 롤러 베어링 메커니즘은 상기 베어링 리테이너 부재 내에 장착되며, 상기 벽 플랜지 부재의 축방향 측면들 사이의 압력차는 균등하게 될 수 있는, 롤러 베어링 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 벤트 개구가 상기 벽 플랜지 부재 내에 제공되는, 롤러 베어링 어셈블리.
  8. 제6항에 있어서, 복수의 홈이 상기 원형의 축방향으로 연장되는 벽 부재의 상기 내면 내에 제공되는, 롤러 베어링 어셈블리.
  9. 제6항에 있어서, 상기 벤트 개구 및 상기 홈은 동시에 단회의 기계 가공 동작으로 형성될 수 있는, 롤러 베어링 어셈블리.
  10. 제6항에 있어서, 상기 외면 상에 원주방향으로 제공된 적어도 하나의 O링 홈, 및 상기 홈 내에 위치된 O링을 더 포함하는, 롤러 베어링 어셈블리.
  11. 제6항에 있어서, 하우징 부재를 갖는 터보기계를 더 포함하고, 적어도 하나의 롤러 베어링 어셈블리가 상기 하우징 부재 내에 위치되는, 롤러 베어링 어셈블리.
  12. 내연 기관용 터보기계로서:
    하우징;
    상기 하우징 내에 배치된 임펠러 부재;
    상기 임펠러 부재가 결합되고 상기 하우징을 통해 연장되는 샤프트; 및
    상기 샤프트 및 상기 하우징에 결합되고 리테이너 부재를 갖는 베어링 어셈블리를 포함하고,
    상기 리테이너 부재는 축방향으로 연장되는 환형 벽 부재 및 상기 환형 벽 부재에 부착된 반경방향으로 연장되는 벽 플랜지 부재를 갖고, 상기 벽 플랜지 부재는 가스의 통과를 위한 적어도 하나의 벤트 개구를 가지고 있어서 상기 베어링 어셈블리의 각 측면에 대한 압력을 밸런싱하는, 터보기계.
  13. 제12항에 있어서, 상기 베어링 어셈블리는 상기 리테이너 부재 및 그 안에 수용된 롤러-요소 베어링을 포함하고, 상기 리테이너 부재는 상기 하우징에 결합되며, 이들 사이에는 환형 댐핑 부재가 반경방향으로 압축되며, 상기 리테이너 부재는, 상기 롤러-요소 베어링을 향하여 반경방향 내측으로 통과하여 상기 롤러-요소 베어링의 양 측면에 걸친 압력을 밸런싱하는 반경방향으로 연장되는 적어도 하나의 통로를 포함하는, 터보기계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 환형 댐핑 부재는 적어도 하나의 O링 부재 또는 금속 구조 댐퍼 부재인, 터보기계.
  15. 제13항에 있어서, 상기 터보기계는 터빈 또는 압축기 터보기계인, 터보기계.

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