KR102659634B1 - 가스 포일 베어링 및 이를 포함하는 유체 기계 - Google Patents

가스 포일 베어링 및 이를 포함하는 유체 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 포일 베어링 및 이를 포함하는 유체 기계에 관한 것이다. 본 발명은, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil), 및 상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트를 포함하고, 상기 베이스 플레이트는 타면에서 외측으로 돌출되며, 이웃하는 상기 범프 포일 사이에 배치되는 복수개의 탄성 편을 가진다.

Description

가스 포일 베어링 및 이를 포함하는 유체 기계{Gas foil bearing and fluid machinery comprising the same}
본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 포일 베어링 및 이를 포함하는 유체에 관한 것이다.
통상적으로 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위해서 가스 포일 베어링이 적용될 수 있다. 이러한 가스 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아니고, 가스 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 베어링이다.
가스 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체를 지지하는데 효과적이다. 예를 들면, 가스 포일 베어링은 가스 터빈 엔진의 터보 압축기 등에 적용될 수 있다. 가스 터빈 엔진에서는 연료의 연소를 위해서 압축공기를 필요로 하므로, 공기를 압축시키기 위한 터보 압축기가 구비된다. 터보 압축기에서 압축된 공기는 연료의 연소를 위해서 주로 사용되지만 일부 압축공기를 이용하여 가스 포일 베어링에 공급할 수 있으므로, 터보 압축기의 임펠러 축이나 가스 터빈 엔진의 회전축을 가스 포일 베어링으로 지지할 수 있다.
한국 등록 특허 제10-0365806호에는 강성을 향상시킨 가스 포일 베어링을 개시하고 있다.
한국 등록 특허 제10-0365806호
본 발명의 실시예들은 프리 로드를 가지며, 내구성과 구동성이 향상된 가스 포일 베어링 및 이를 포함하는 유체 기계를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil), 및 상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트를 포함하고, 상기 베이스 플레이트는 타면에서 외측으로 돌출되며, 이웃하는 상기 범프 포일 사이에 배치되는 복수개의 탄성 편을 가지는 가스 포일 베어링을 제공한다.
또한, 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트에서 절개되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 랜드 플레이트는 일측이 상기 베이스 플레이트에 일면에 고정되어 타측으로 연장되고, 상기 범프 포일은 상기 베이스 플레이트의 일면에 고정되어 상기 랜드 플레이트을 따라 연장되며,상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트의 타면에서 일 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트 중 상기 범프 포일과 상기 베이스 플레이트가 중첩되지 않는 영역에 배치될 수 있다.
또한, 상기 랜드 플레이트와 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트를 따라 제1 방향으로 연장되고, 상기 범프 포일은 상기 베이스 플레이트를 따라 상기 제1 방향과 반대방향인 제2 방향을 따라 연장될 수 있다.
또한, 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트에 방사형으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 베이스 플레이트는 외부 구조물과 상기 베이스 플레이트의 타면 사이에 배치된 탄성 부재를 가지는 조인트부를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 단부에 설치되는 임펠러 조립체와, 상기 로터의 외주면에서 반경방향으로 연장되고, 상기 로터의 길이 방향으로 상기 임펠러 조립체와 이격된 디스크와, 상기 디스크와 기 설정된 간격을 가지면서 상기 디스크를 감싸도록 배치되는 하우징, 및 상기 디스크와 상기 하우징 사이의 간격에 개재되며, 상기 하우징이나 상기 디스크와 마주보도록 배치된 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트에서 외측으로 돌출된 탄성 편을 구비하는 가스 포일 베어링을 포함하는, 유체 기계를 제공한다.
또한, 상기 로터가 회전하지 않으면, 상기 탄성 편이 상기 베이스 플레이트를 상기 하우징이나 상기 디스크에서 이격시키고, 상기 로터가 회전하면, 상기 임펠러 조립체에서 토출된 유체가 상기 가스 포일 베어링을 가력하여 상기 베이스 플레이트를 상기 하우징이나 상기 디스크에 접촉시킬 수 있다.
또한, 상기 가스 포일 베어링은 상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil), 및 상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트를 구비하고, 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트의 타면에서 외측으로 돌출되며, 이웃하는 상기 범프 포일 사이에 배치될 수 있다.
또한, 상기 랜드 플레이트는 일측이 상기 베이스 플레이트에 일면에 고정되어 타측으로 연장되고, 상기 범프 포일은 상기 랜드 플레이트의 타측에 대응하는 상기 베이스 플레이트의 일면에 고정되어 상기 랜드 플레이트의 일측으로 연장되며, 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트와 연결되는 부분이 상기 베이스 플레이트의 일측에 인접하게 배치되고 상기 베이스 플레이트의 타측으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트 중 상기 범프 포일과 상기 베이스 플레이트가 중첩되지 않는 영역에 배치될 수 있다.
또한, 상기 베이스 플레이트는 상기 디스크 또는 상기 하우징과 상기 베이스 플레이트의 타면 사이에 배치된 탄성부재를 가지는 조인트부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 가스 포일 베어링이 안정적으로 유체 기계를 구동을 할 수 있으며, 유체 기계의 내구성을 증가시킬 수 있다. 가스 포일 베어링은 프리 로드를 가지고 있으므로, 유체 기계의 회전 부품과 고정 부품 사이의 손상을 줄일 수 있다. 또한, 유체 기계가 구동시에는 회전 부품과 고정 부품 사이에 허용 간극을 생성하여 회전 효율을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 포일 베어링의 평면도이다.
도 2는 도 1의 베이스 플레이트와 범프 포일을 도시하는 평면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 1의 가스 포일 베어링이 설치된 유체 기계를 도시하는 단면도이다.
도 5는 도4의 A 영역의 확대도이다.
도 6a는 도 1의 가스 포일 베어링이 설치된 상태를 일 측면에서 도시한 단면도이고, 도 6b는 도 1의 가스 포일 베어링이 구동 상태를 일 측면에서 도시한 단면도이다.
도 7a는 도 1의 가스 포일 베어링이 설치된 상태를 다른 측면에서 도시한 단면도이고, 도 7b는 도 1의 가스 포일 베어링이 구동 상태를 다른 측면에서 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 포일 베어링의 일부를 도시하는 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 가스 포일 베어링의 구동 상태를 도시한 단면도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 포일 베어링(100)의 평면도이고, 도 2는 도 1의 베이스 플레이트(110)와 범프 포일(120)을 도시하는 평면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 가스 포일 베어링(100)은 베이스 플레이트(110), 범프 포일(120) 및 랜드 플레이트(130)를 구비할 수 있다.
베이스 플레이트(110)는 중앙에는 로터가 삽입되는 개구를 가지며, 환형의 플레이트 형상을 가질 수 있다. 베이스 플레이트(110)의 외측에는 복수개의 결합홈(111)에 조인트부(140)가 설치되어, 베이스 플레이트(110)는 로터의 회전 디스크나 유체 기계의 하우징과 같은 외부 구조물에 고정될 수 있다.
베이스 플레이트(110)의 일면에는 범프 포일(120)이 고정되고, 타면에는 탄성 편(115)이 형성된다. 탄성 편(115)은 베이스 플레이트(110)에서 절개되어 형성되며, 베이스 플레이트(110)의 타면에서 외측으로 돌출되도록 절곡된다. 탄성 편(115)은 탄성에 의해서 가스 포일 베어링(100)에 프리 로드(preload)를 형성한다. 상기 프리 로드에 의해서 가스 포일 베어링(100)은 유체 기계가 비구동 시에는 회전 부품과 고정 부품 사이에 개재되고, 구동되면 베이스 플레이트(110)를 높이 방향으로 승하강 시켜서 회전 부품과 고정 부품 사이에 간격을 형성할 수 있다.
범프 포일(bump foil, 120)은 베이스 플레이트(110)의 일면에 복수개로 배치된다. 범프 포일(120)은 기 설정된 간격을 유지하면서 방사형으로 배치될 수 있다. 범프 포일(120)은 베이스 플레이트(110)와 랜드 플레이트(130) 사이에 배치된다. 범프 포일(120)은 베이스 플레이트(110)에 고정되는 커넥터(121), 커넥터(121)에서 연장되며 만곡되게 형성되는 복수개의 범프를 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 3개의 범프(bump)가 반경 방향으로 나란하게 배치된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
제1 범프(122)은 베이스 플레이트(110)의 내측에 배치되고, 랜드 플레이트(130)와 접촉하도록 볼록한 제1 볼록부(122a)와 베이스 플레이트(110)의 일면과 접촉하는 제1 오목부(122b)를 구비할 수 있다. 제2 범프(123)는 제1 범프(122)에서 이웃하게 배치되고, 랜드 플레이트(130)와 접촉하도록 볼록한 제2 볼록부(123a)와 베이스 플레이트(110)의 일면과 접촉하는 제2 오목부(123b)를 구비할 수 있다. 또한, 제3 범프(124)는 제2 범프(123)에서 이웃하게 배치되고, 랜드 플레이트(130)와 접촉하도록 볼록한 제3 볼록부(124a)와 베이스 플레이트(110)의 일면과 접촉하는 제3 오목부(124b)를 구비할 수 있다.
이웃하는 범프 사이에는 슬롯(125)이 배치된다. 구체적으로, 제1 범프(122)와 제2 범프(123) 사이에는 제1 슬롯(125a)이 배치되고, 제2 범프(123)와 제3 범프(124) 사이에는 제2 슬롯(125b)이 배치되어 각각의 범프에 독립적인 탄성력이 형성될 수 있다.
범프 포일(120)에서 반경방향의 외측에 배치된 제3 범프(124)가 가장 길고, 반경방향의 내측에 배치된 제1 범프(122)가 가장 짧은 길이를 가질 수 있다. 예컨대. 제1 범프(122), 제2 범프(123) 및 제3 범프(124)의 순서대로 길이가 증가할 수 있다. 도 2에서 제1 범프(122)는 하나의 제1 볼록부(122a)를 가지고, 제2 범프(123)는 두개의 제2 볼록부(123a)를 가지며, 제3 범프(124)는 세개의 제3 볼록부(124a)를 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 범프 포일(120)의 설치 위치에 따라서 제1 범프(122), 제2 범프(123) 및 제3 범프(124)가 다양한 설정된 길이를 가질 수 있다.
도2 에서 보면, 제1 범프(122), 제2 범프(123) 및 제3 범프(124)는 단차 지도록 형성되나 본 발명의 가스 포일 베어링(100)은 이에 한정되지 않으며, 부채꼴 형태를 가질 수 있다.
랜드 플레이트(130)는 범프 포일(120)을 각각 커버하도록 배치된다. 랜드 플레이트(130)는 각각의 범프 포일에 대응하게 배치된다. 랜드 플레이트(130)의 일측(130a)은 베이스 플레이트(110)에 고정되는 고정부(131)를 가질 수 있고, 고정부(131)에서 연장되는 랜딩부(132)를 가질 수 있다. 고정부(131)는 용접 등의 방법으로 베이스 플레이트(110)에 고정된다. 랜드 플레이트(130)의 타측(130b)은 범프 포일(120)의 커넥터(121)를 향하여 연장된다. 랜드 플레이트(130)의 타측(130b)은 커넥터(121)의 상단에 배치되고, 범프 포일(120)과 접촉 가능하도록 배치된다.
랜드 플레이트(130)는 일측(130a)이 베이스 플레이트(110)에 일면에 고정되어 타측(130b)으로 연장되고, 범프 포일(120)은 랜드 플레이트(130)의 타측(130b)에 대응하는 상기 베이스 플레이트(110)의 일면에 고정되어 랜드 플레이트(130)의 일측(130a)으로 연장된다. 다른 실시예로, 범프 포일(120)은 랜드 플레이트(130)의 일측(130a)에 대응하는 상기 베이스 플레이트(110)의 일면에 고정되어 랜드 플레이트(130)의 타측(130a)로 연장될 수 있다.
탄성 편(115)은 베이스 플레이트(110)와 연결되는 부분이 베이스 플레이트(110)의 일측에 인접하게 배치되고 베이스 플레이트(110)의 타측으로 연장된다. 즉, 탄성 편(115)은 랜드 플레이트(130)와 같은 방향으로 연장된다. 도 1에서, 랜드 플레이트(130)와 탄성 편(115)은 반시계 방향으로 연장되나, 범프 포일(120)은 시계 방향으로 연장된다.
또한, 다른 실시예로 탄성 편(115)는 베이스 플레이트(110)와 연결되는 부분이 베이스 플레이트(110)의 타측에 인접하게 배치되고 베이스 플레이트(110)의 일측으로 연장된다. 또 다른 실시예로 탄성편(115)는 베이스 플레이트(110)의 반경방향으로 연장될 수 있다.
가스 포일 베어링(100)이 구동하면 유체는 랜드 플레이트(130)의 일측에서 타측을 향하여 이동한다. 탄성 편(115)의 연장방향은 랜드 플레이트(130)의 연장방향과 같으므로, 즉 유체의 유동방향과 같은 방향으로 탄성 편(115) 배치되므로, 유체가 랜드 플레이트(130)를 가력시에 탄성 편(115)의 단부가 신속하고 부드럽게 압축되어 베이스 플레이트(110)가 외부 구조물에 지지될 수 있다.
또한, 탄성 편(115)이 베이스 플레이트(110)의 일측에서 인접하게 연장되고, 범프 포일(120) 사이에 배치되므로, 탄성 편(115)의 단부는 랜드 플레이트(130)의 중앙 부분에 배치될 수 있다. 복수개의 탄성 편(115)이 각각의 랜드 플레이트(130)의 중앙 부분에 배치되므로, 복수개의 탄성 편(115)은 범프 포일(120)과 랜드 플레이트(130)의 무게를 균형적으로 분포시킨다. 따라서, 가스 포일 베어링(100)은 균형적이고 안정적으로 외부 구조물에 지지될 수 있다.
탄성 편(115)은 이웃하는 범프 포일(120) 사이에 배치된다. 더 상세하게, 탄성 편(115)은 랜드 플레이트(130)의 고정부(131)와 범프 포일(120) 사이에 배치된다. 탄성 편(115)은 베이스 플레이트(110)에서 범프 포일(120)과 베이스 플레이트가 중첩되지 않는 영역 또는 접촉하는 않는 영역에 배치될 수 있다.
이러한 배치로 인해서, 랜드 플레이트(130)가 범프 포일(120)을 가력하여 범프 포일(120)의 위치가 변경되더라도, 탄성 편(115)은 범프 포일(120)과 중첩되지 않는다. 탄성 편(115)과 범프 포일(120)이 서로 중첩되지 않도록 배치되므로, 탄성 편(115)이 범프 포일(120)을 방해하지 않으면서, 베이스 플레이트(110)에 탄성력을 제공할 수 있다.
도 4는 도 1의 가스 포일 베어링(100)이 설치된 유체 기계를 도시하는 단면도이다. 도 5는 도4의 A 영역의 확대도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 유체 기계는 로터(10), 임펠러 조립체(20), 하우징(30) 및 가스 포일 베어링(100)을 구비할 수 있다.
로터(10)는 길이방향을 회전축으로 회전할 수 있으며, 로터(10)의 단부에는 임펠러 조립체(20)가 설치될 수 있다. 로터(10)는 외주면에서 반경방향으로 연장되고, 로터(10)의 길이 방향으로 임펠러 조립체(20)와 이격된 디스크(15)를 구비할 수 있다. 로터(10)가 회전하면, 임펠러 조립체(20) 및 디스크(15)도 회전한다.
임펠러 조립체(20)는 로터(10)에 결합되는 블레이드(21)와, 블레이드(21)를 감싸는 쉬라우드(22)를 구비할 수 있다. 임펠러 조립체(20)는 외부에서 유입된 유체를 가압시킬 수 있다. 블레이드(21)에서 토출된 일부는 디스크(15) 및 가스 포일 베어링(100)을 따라 이동할 수 있다.
하우징(30)은 로터(10)의 외측을 감싸도록 배치된다. 하우징(30)은 디스크(15)와 기 설정된 간격(G)을 가지면서, 디스크(15)를 감싸도록 배치된다. 하우징(30)은 쉬라우드(22)에 고정되며, 임펠러 조립체(20)와 디스크(15) 사이의 상기 간격(G)에 삽입되는 서포터(35)를 구비할 수 있다. 서포터(35)는 하우징(30)과 일체로 형성될 수 있다.
서포터(35)의 제1 부분(35a)는 임펠러 조립체(20)와 하우징(30)을 연결하도록 플랫하고, 제2 부분(35b)는 상기 간격(G)에 삽입되며 유체의 유동을 안내하는 경사면을 가질 수 있다.
가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)와 하우징(30)의 간격(G)에 개재된다. 한 쌍의 가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)의 양면에 배치되어, 디스크(15)와 하우징(30)을 연결하거나, 디스크(15)가 회전하도록 간극(g)를 형성할 수 있다.
도 6a는 도 1의 가스 포일 베어링(100)이 설치된 상태를 일 측면에서 도시한 단면도이고, 도 6b는 도 1의 가스 포일 베어링(100)이 구동 상태를 일 측면에서 도시한 단면도이며, 도 7a는 도 1의 가스 포일 베어링(100)이 설치된 상태를 다른 측면에서 도시한 단면도이고, 도 7b는 도 1의 가스 포일 베어링(100)이 구동 상태를 다른 측면에서 도시한 단면도이다.
도 5 내지 도 7b를 참조하면, 유체 기계의 구동에 의해서 가스 포일 베어링(100)의 동작을 설명할 수 있다. 이하에서는 베이스 플레이트(110)가 하우징(30) 또는 서포터(35)에 마주보고, 랜드 플레이트(130)가 디스크(15)에 마주보도록 배치된 실시예를 중심으로 설명하기로 한다. 그러나, 상기 예에 한정되지 않으며, 베이스 플레이트(110)가 디스크(15)에 마주보고, 랜드 플레이트(130)가 하우징(30) 또는 서포터(35)에 마주 볼 수 있다.
도 6a 와 도 7a를 보면, 유체 기계가 구동하지 않으면, 가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)와 하우징(30) 사이의 간격과 디스크(15)와 서포터(35) 사이의 간격을 막을 수 있다. 베이스 플레이트(110)에서 돌출된 탄성 편(115)은 프리 로드(preload)를 가지고 있으므로, 베이스 플레이트(110)는 서포터(35)에서 d만큼 상승한다. 가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)와 하우징(30)을 서로 연결하고 간격(G)에 의해서 서로 움직이지 않게 할 수 있다.
상세히, 베이스 플레이트(110)를 따라 배치된 복수개의 탄성 편(115)이 서포터(35)에 지지되므로, 탄성 편(115)의 프리 로드는 가스 포일 베어링(100)이 로터(10)와 하우징(30)을 연결 및 고정하도록 할 수 있다. 따라서, 유체 기계가 미구동시에 디스크(15)와 하우징(30) 사이의 간격(G)에 의해서 양 부품이 충돌하거나, 마모 되는 것을 방지 할 수 있다.
베이스 플레이트(110)의 외측에 배치된 복수개의 결합홈(111)에는 조인트부(140)가 설치되어, 가스 포일 베어링(100)을 서포터(35)에 고정할 수 있다. 조인트부(140)는 서포터(35)에서 돌출되어, 결합홈(111)에 삽입되는 지지 기둥(141), 베이스 플레이트(110)와 서포터(35) 사이에 설치되는 탄성 부재(142), 지지 기둥(141)의 상단에 설치되어 베이스 플레이트(110)의 이동을 제한하는 결합 부재(143)를 구비할 수 있다.
탄성 부재(142)는 베이스 플레이트(110)와 서포터(35) 사이에 설치되므로, 탄성 편(115)과 함께 가스 포일 베어링(100)에 프리 로드(preload)를 형성할 수 있다. 예컨대 스프링과 같은 탄성 부재(142)가 베이스 플레이트(110)의 타면을 지지하므로, 조인트부(140)는 로터(10)가 미 구동시에 베이스 플레이트(110)가 d 거리만큼 이격 되도록 탄성 편(115)의 프리 로드를 증대할 수 있다. 다만, 조인트부(140)의 탄성 부재(142)와 결합 부재(143)은 가스 포일 베어링(100) 설치 위치에 따라 선택적으로 구비되는 것이며, 가스 포일 베어링(100)을 위해 반드시 구비되어야 하는 것은 아니다.
유체 기계 구동하지 않을 시에, 조인트부(140)의 프리 로드는 디스크(15)와 하우징(30)을 더 강하게 지지 및 결합한다. 유체 기계가 미구동시에, 가스 포일 베어링(100)은 간격(G)에 의해서 유체 기계의 회전 부품과 고정 부품의 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 5, 도 6b 와 도 7b를 보면, 유체 기계가 구동하면, 임펠러 조립체(20)로 유입된 유체는 고압의 유체로 변환되어 쉬라우드(22)를 통해서 배출된다. 블레이드(21)를 통과한 고압 유체 중 일부는 서포터(35)의 제1 부분(35a)과 임펠러 조립체(20)에 의해 형성된 제1 유로(P1)에 유입되고, 서포터(35)의 제2 부분(35b)을 따라 이동한다. 유체는 제2 부분(35b)의 경사면을 따라 로터(10)을 향하도록 이동할 수 있다.
유체는 제3 유로(P3)를 따라 반경 방향으로 이동하면서 가스 포일 베어링(100)을 통과하고, 제4 유로(P4)에서 디스크(15)를 따라 유동 방향이 전환되고, 제5 유로(P5)를 따라 다른 가스 포일 베어링을 통과하여 배출된다.
가스 포일 베어링(100)은 디스크(15)와 하우징(30) 또는 디스크(15)와 서포터(35)의 상대적인 회전을 허용한다. 디스크(15)가 회전하면 유체는 랜드 플레이트(130)의 상면을 따라 이동한다. 통과하는 유체는 랜드 플레이트(130)를 아래 방향으로도 가력하므로, 범프 포일(120)은 변형되고, 탄성 편(115)도 개구(114)로 삽입된다. 또한, 통과하는 유체는 베이스 플레이트(110)를 가력하여, 탄성 부재(142)는 베이스 플레이트(110)와 서포터(35) 사이에 압축된다.
유체가 가스 포일 베어링(100)에 전달하는 힘은 베이스 플레이트(110)를 서포터(35)에 접촉하게 하고, 범프 포일(120)이 L1에서 L2로 길이가 변형되게 한다. 또한, 랜드 플레이트(130)와 디스크(15) 사이에는 허용 간극(g)이 형성된다. 상기 허용 간극(g)에 의해서 로터(10)는 하우징(30)과 같은 다른 구조물의 방해 없이 자유롭게 회전할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 포일 베어링(100)과 유체 기계는 안정적으로 유체 기계를 구동을 할 수 있으며, 내구성을 증가시킬 수 있다. 가스 포일 베어링(100)은 프리 로드를 가지고 있으므로, 유체 기계의 회전 부품과 고정 부품 사이의 손상을 줄일 수 있다. 또한, 유체 기계가 구동시에는 회전 부품과 고정 부품 사이에 허용 간극(g)을 생성하여 회전 효율을 향상 시킬 수 있다.
또한 가스 포일 베어링(100)은 범프 포일(120)의 변형과 간섭되지 않도록 탄성 편(115)이 배치되므로, 유체 기계가 구동시에 신속하고 안정적으로 베이스 플레이트(110)가 지지되는 구조물에 지지될 수 있다.
가스 포일 베어링(100)은 베이스 플레이트(110)에 탄성 편(115)가 형성되므로, 가스 포일 베어링(100)의 전체 두께를 줄여서 슬림하게 제작할 수 있다. 슬림한 가스 포일 베어링(100)은 제조 단가를 줄일 수 있으며, 유체 기계의 회전 부품과 고정 부품 사이의 간격을 최소화 하여 유지 보관을 용이하게 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 포일 베어링(300)의 일부를 도시하는 분해 사시도이고, 도 9는 도 8의 가스 포일 베어링(300)의 구동 상태를 도시한 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 가스 포일 베어링(300)은 베이스 플레이트(310), 범프 포일(320), 랜드 플레이트(330)를 구비할 수 있다.
베이스 플레이트(310)는 개구(314)와 외측으로 돌출되는 탄성 편(315)를 구비할 수 있다. 또한, 베이스 플레이트(310)의 일면에는 돌기(P)와 딤플(D)가 형성될 수 있다.
범프 포일(320)은 커넥터(321)과 복수개의 범프를 구비할 수 있다. 제1 범프(322)는 제1 볼록부(322a), 제1 오목부(322b) 및 제1 경사부(322c)를 가질 수 있다. 제2 범프(323)는 제2 볼록부(323a), 제2 오목부(323b) 및 제2 경사부(323c)를 가질 수 있다. 제3 범프(324)는 제3 볼록부(324a), 제3 오목부(324b) 및 제3 경사부(324c)를 가질 수 있다.
범프 포일(320)의 제1 볼록부(322a) 내지 제3 볼록부(324a)는 랜드 플레이트(330)와 접촉하고, 제1 오목부(322b) 내지 제3 오목부(324b)는 베이스 플레이트(310)와 접촉한다.
돌기(P) 및/또는 딤플(D)의 배치는 가스 포일 베어링(300)의 동작에 영향을 미치므로, 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 아래와 같이 베이스 플레이트(310)와 범프 포일(320)의 특정 영역에 형성될 수 있다.
가스 포일 베어링(300)이 미구동시에는 범프 포일(320)의 제1 오목부(322b) 내지 제3 오목부(324b)는 베이스 플레이트(310)의 C1영역에 접촉한다. 가스 포일 베어링(300)이 구동하면, 범프 포일(320)의 변형에 의해서 제1 오목부(322b) 내지 제3 오목부(324b)의 접촉 영역은 C2 영역으로 변화한다.
베이스 플레이트(310)에서는 범프 포일(320)의 변형에 의해서, 범프 포일(320)이 베이스 플레이트(310)와 접촉하지 않는 영역(J1, J2, J3)에 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치될 수 있다.
베이스 플레이트(310)에서는 범프 포일(320)의 오목부가 접촉하지 않는 영역에 돌기(P)나 딤플(D)이 배치되므로, 범프 포일(320)이 변형시에 간섭 없이 베이스 플레이트(310)를 따라 이동할 수 있다.
범프 포일(320)은 베이스 플레이트(310)와 접촉하지 않는 면이나, 랜드 플레이트(330)와 접촉하지 않는 면에 돌기(P)나 딤플(D)이 형성될 수 있다.
베이스 플레이트(310)와 마주보는 볼록부의 하면과 경사부의 하면에는 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치될 수 있다. 또한, 랜드 플레이트(330)와 마주보는 오목부의 상면과 경사부의 상면에는 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 배치될 수 있다. 특히, 랜드 플레이트(330)와 접촉하는 영역(C3)에는 돌기(P)나 딤플(D)이 배치되지 않으므로, 변형 시에 범프 포일(320)은 돌기(P)나 딤플(D)의 간섭 없이 랜드 플레이트(330)를 따라 이동할 수 있다.
베이스 플레이트(310)의 상면과 범프 포일(320)의 하면은 터널 형상의 스페이스를 형성하고, 범프 포일(320)의 상면과 랜드 플레이트(330)의 하면은 터널 형상의 스페이스를 형성한다.
돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 터널 형상의 스페이스의 내부에 형성되므로, 이를 통과하는 유체의 유동을 변화시킬 수 있다. 가스 포일 베어링(300)이 구동되면, 유체는 랜드 플레이트(330)를 따라 이동하는 것뿐만 아니라, 베이스 플레이트(310)와 랜드 플레이트(330) 사이의 공간으로도 이동한다. 즉, 유체는 베이스 플레이트(310)와 범프 포일(320)이 형성하는 터널 형상의 스페이스와, 범프 포일(320)과 랜드 플레이트(330)가 형성하는 터널 형상의 스페이스를 통과한다.
터널 형상의 스페이스를 통과하는 유체는 가스 포일 베어링(300)에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있다. 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 터널 형상의 스페이스에서 유체가 접촉하는 표면적을 증가하여, 열이 교환되는 면적을 증가시킨다. 또한, 돌기(P) 및/또는 딤플(D)은 유체의 유동을 난류(亂流)로 변경시켜서 열이 효과적으로 전달 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 포일 베어링(300)과 유체 기계는 안정적으로 유체 기계를 구동을 할 수 있으며, 내구성을 증가시킬 수 있다. 가스 포일 베어링(300)은 프리 로드를 가지고 있으므로, 유체 기계의 회전 부품과 고정 부품 사이의 손상을 줄일 수 있다.
또한, 가스 포일 베어링(300)은 돌기(P) 및/또는 딤플(D)이 구동시에 발생하는 열을 효과적으로 배출하여, 가스 포일 베어링(300)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100, 300: 가스포일 베어링
110, 310: 베이스 플레이트
115, 315: 탄성 편
120, 320: 범프 포일
130, 330: 랜드 플레이트

Claims (13)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil); 및
    상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트를 포함하고,
    상기 베이스 플레이트는 타면에서 외측으로 돌출되며, 이웃하는 상기 범프 포일 사이에 배치되는 복수개의 탄성 편을 가지며,
    상기 베이스 플레이트는 조인트부를 포함하며,
    상기 조인트부는,
    외부 구조물인 서포터에서 돌출되어 상기 베이스 플레이트에 배치된 결합홈에 삽입되는 지지 기둥;
    상기 베이스 플레이트의 타면과 상기 서포터 사이에 설치되는 탄성 부재; 및
    상기 지지 기둥에 설치되어 상기 베이스 플레이트의 이동을 제한하며, 상기 베이스 플레이트를 사이에 두고 상기 탄성 부재와 마주보도록 설치되는 결합 부재를 포함하는, 가스 포일 베어링.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트에서 절개되어 형성되는, 가스 포일 베어링.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 랜드 플레이트는 일측이 상기 베이스 플레이트에 일면에 고정되어 타측으로 연장되고,
    상기 범프 포일은 상기 베이스 플레이트의 일면에 고정되어 상기 랜드 플레이트을 따라 연장되며,
    상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트의 타면에서 일 방향으로 연장되는, 가스 포일 베어링.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 탄성 편은
    상기 베이스 플레이트 중 상기 범프 포일과 상기 베이스 플레이트가 중첩되지 않는 영역에 배치되는, 가스 포일 베어링.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 랜드 플레이트와 상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트를 따라 제1 방향으로 연장되고,
    상기 범프 포일은 상기 베이스 플레이트를 따라 상기 제1 방향과 반대방향인 제2 방향을 따라 연장되는, 가스 포일 베어링.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트에 방사형으로 배치되는, 가스 포일 베어링.
  7. 삭제
  8. 회전 가능한 로터;
    상기 로터의 단부에 설치되는 임펠러 조립체;
    상기 로터의 외주면에서 반경방향으로 연장되고, 상기 로터의 길이 방향으로 상기 임펠러 조립체와 이격된 디스크;
    상기 디스크와 기 설정된 간격을 가지면서 상기 디스크를 감싸도록 배치되는 하우징;
    상기 임펠러 조립체와 상기 디스크 사이에 배치되는 서포터; 및
    상기 디스크와 상기 하우징 사이의 간격에 개재되며, 상기 하우징이나 상기 디스크와 마주보도록 배치된 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트에서 외측으로 돌출된 탄성 편을 구비하는 가스 포일 베어링을 포함하며,
    상기 베이스 플레이트는 조인트부를 포함하며,
    상기 조인트부는,
    상기 서포터에서 돌출되어 상기 베이스 플레이트에 배치된 결합홈에 삽입되는 지지 기둥;
    상기 베이스 플레이트와 상기 서포터 사이에 설치되는 탄성 부재; 및
    상기 지지 기둥에 설치되어 상기 베이스 플레이트의 이동을 제한하며, 상기 베이스 플레이트를 사이에 두고 상기 탄성 부재와 마주보도록 설치되는 결합 부재를 포함하는, 유체 기계.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8 항에 있어서,
    상기 로터가 회전하지 않으면, 상기 탄성 편이 상기 베이스 플레이트를 상기 하우징이나 상기 디스크에서 이격시키고,
    상기 로터가 회전하면, 상기 임펠러 조립체에서 토출된 유체가 상기 가스 포일 베어링을 가력하여 상기 베이스 플레이트를 상기 하우징이나 상기 디스크에 접촉시키는, 유체 기계.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8 항에 있어서,
    상기 가스 포일 베어링은
    상기 베이스 플레이트의 일면에 복수 개로 배치되는 범프 포일(Bump foil); 및
    상기 범프 포일을 각각 커버하도록 배치되는 복수개의 랜드 플레이트;를 구비하고,
    상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트의 타면에서 외측으로 돌출되며, 이웃하는 상기 범프 포일 사이에 배치되는, 유체 기계.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 랜드 플레이트는 일측이 상기 베이스 플레이트에 일면에 고정되어 타측으로 연장되고,
    상기 범프 포일은 상기 랜드 플레이트의 타측에 대응하는 상기 베이스 플레이트의 일면에 고정되어 상기 랜드 플레이트의 일측으로 연장되며,
    상기 탄성 편은 상기 베이스 플레이트와 연결되는 부분이 상기 베이스 플레이트의 일측에 인접하게 배치되고 상기 베이스 플레이트의 타측으로 연장되는, 유체 기계.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 탄성 편은
    상기 베이스 플레이트 중 상기 범프 포일과 상기 베이스 플레이트가 중첩되지 않는 영역에 배치되는, 유체 기계.
  13. 삭제
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