KR20010022290A - 유체 유동 기계의 회전자용 베어링 장치 및 그 사용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 영구 자석 베어링(20, 22)에 의해 회전자의 방사상 안내가 실현되는 유체 유동 기계의 회전자(16)용 베어링 장치에 관한 것이다. 축방향 안내는 한쪽에 작용하는 하나 이상의 동압 플레인 베어링(24)에 의해 행해진다. 동시에 영구 자석 베어링(20, 22)은 동압 플레인 베어링(24)의 활주면의 리프트 장치로서 작용한다. 축방향 스러스트(B)에 정반대되는 하우징쪽의 베어링 요소(30)에 대한 영구 자석 베어링(22)의 회전자쪽 베어링 요소(28)의 축방향 변위는 축방향 스러스트에 정반대되고 정지 상태에서 서로로부터 동압 플레인 베어링(24)의 활주면을 분리시키는 힘(A)을 발생시킨다. 정지된 상태에서 그리고 시작 및 중단이 된 동안 회전자는, 낮은 회전 속도에서 그리고 정지된 상태에서 베어링 장치에서 사용되는 동압 플레인 베어링보다 사실상 작은 마찰 모멘트를 가질 수 있도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 플레인 또는 롤링 베어링에 의해 안내된다.

Description

유체 유동 기계의 회전자용 베어링 장치 및 그 사용방법{MOUNTING FOR A TURBO-MACHINE ROTOR AND ITS USE}

여러 분야에서 유체 유동 기계 또는 터빈 내의 롤링 및 플레인 베어링의 윤활이 유동 매체 자체만으로 행해지도록 하는 것은 공지되어 있다. 이렇게 윤활되는 베어링의 수명은, 예를 들어 롤링 베어링 내의 질화 규소 또는 플레인 베어링 내의 탄화 규소 등의 내마모성 베어링 재료를 사용할 때, 증가될 수 있다.

동압 및 정압 플레인 베어링을 사용하게 되면, 베어링 장치가 동작 상태에서 활주면과 접촉하지 않게 되고, 따라서 베어링 장치의 마모 정도는 낮아진다. 비접촉식 베어링 장치는 초전도체 재료로 된 베어링 또는 영구 자석 베어링 내의, 예를 들어 WO 95/13477에 따른 능동 자기 베어링 내의 전기력 또는 자기력을 사용함으로써 또한 실현된다. 이 경우, 지지 작용을 달성하는데 있어서 윤활유가 필요하지 않다. 영구 자석 베어링은, 언쇼(Earnshaw)의 법칙에 따르면 정적인 몸체가 영구 자석에만 의해서는 공간내의 모든 삼방향으로 안정되게 지지되는 것은 가능하지 않기 때문에, 다른 종류의 베어링과 함께 사용된다. 대부분의 경우, 이들 베어링은 능동 자기 베어링과 조합되어 사용된다. 더욱이, 능동 자기 베어링의 경우에는 회전자의 진동을 억제하기 위하여 회전자가 기동 및 중단 또는 정지 상태에서 롤링 베어링에 의해 방사상으로 안내되는 구성을 취한다.

예를 들어 유동 매체를 가지고 축방향 스러스트 보상 작용을 하는 보상 판 따위의 유압 보상 장치가 또한 공지되어 있다. 일시적인 동작 상태에서의 축방향 스러스트 보상 효과를 향상시키기 위하여, EP 0 355 796에는 능동 자기 장치와 축방향 스러스트 보상 장치의 조합 구조가 개시되어 있다. 축방향 스러스트 보상 장치와, 영구 자석에 의해 정지 상태에서 부하가 걸리지 않은 판의 접촉을 방지하는 리프트 장치의 조합 구조가 EP 0 694 696에 개시되어 있다. 이 경우의 영구 자석은 베어링 기능을 갖추고 있지 않다.

공지된 베어링 구조는 여러가지 결점을 가지고 있다. 롤링 및 플레인 베어링은 윤활 작용이 불량한, 예를 들어 점성이 매우 낮은 매체에 의해 윤활될 경우에 부하를 심하게 받게 되어서, 수명이 짧아지고 보수 또는 교체가 빈번히 이루어지게 된다. 다른 베어링들은 기동시에 그리고 부분적으로는 작동이 행해지는 동안에 베어링의 만족스러운 동작을 위해 별도의 복잡한 기술과 비용이 소요되는 결점을 가지고 있다. 정압 플레인 베어링은, 예를 들어 펌프에서 사용될 때 펌프 자체에 의해 명백히 동작 상태에서 대표될 수 있지만 기동 상태에서는 외부 구성요소로서 존재하여야 하는 압력원을 필요로 한다. 이러한 점은 높은 기동 모멘트가, 예를 들어 정압 기동이 적절한 기술적인 수단에 의해 보상되어야 하는 동압 플레인 베어링에도 적용된다. 이전에 설계된 유압 보상 장치는, 일시적인 동작 상태에서 유체 유동 기계의 축방향 스러스트 힘을 보상하기 위해 그리고 예를 들어 보상판의 접촉으로 인한 높은 기동 모멘트를 방지하기 위하여, 기술적인 장치, 예를 들어, 별도의 베어링을 또한 필요로 한다. 자기 능동 베어링은 동작에 필요한 전기력을 필요로 하며, 능동적인 조정이 필요할 뿐만 아니라 자기 베어링이 손상되는 경우에 대비하여 별도의 보조 베어링을 필요로 한다.

초전도체 자기 베어링을 사용할 때, 예를 들어 극저온 유동 매체를 사용할 때, 초전도체의 초전도 상태 이상의 온도에서 회전자의 정확한 위치를 보장하기 위하여 복잡한 기술적인 지원 및 비용이 필요하다. 극저온 매체를 사용할 때에는, 앞서 언급한 베어링에서와 마찬가지로, 극저온 매체 내의 함유된 불순물이 결빙됨으로 인해 회전자가 움직이지 않을 위험성이 있으며, 기계는 정지 상태에 놓이게 된다.

본 발명은 방사상 안내를 하는 적어도 하나의 영구 자석 베어링과, 동작 상태에서 유체 유동 기계의 축방향 스러스트를 지지하여 축방향 또는 축방향 및 방사상 안내를 하는 적어도 하나의 동압 플레인 베어링을 갖춘 유체 유동 기계의 회전자용 베어링 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 그러한 유체 유동 기계를 사용하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 동작 위치에 있는 회전자의 본 발명에 따른 베어링 장치를 갖춘 액체 수소를 수송하기 위한 펌프의 종단면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 펌프의 회전자의 도시도이다.

도 3은 동작 위치에 있는 본 발명에 따른 회전자 베어링 장치의 개략도이다.

도 4는 휴지 위치에 있는 또다른 회전자 베어링 장치의 개략도이다.

도 5 내지 도 7은 여러가지 영구 자석 베어링의 종단면도이다.

도 8 내지 도 10은 펌프의 덮개판을 갖춘 임펠러 내에 동압 플레인 베어링이 통합된 실시예의 도시도이다.

도 11은 유압 보상 장치의 종단면도이다.

도 12는 정압 플레인 베어링의 종단면도이다.

도 13은 전방 단부 또는 인테이크 임펠러가 일체로 형성된 영구 자석 베어링의 종단면도이다.

이러한 점들을 고려하여, 본 발명자는 유체 매체 외에는 윤활유를 갖추지 않으며, 회전자 베어링 장치는 낮은 기동 토오크로 그리고 복잡한 기술 및 비용을 많이 들이지 않고도 실현할 수 있는 유체 유동 기계 또는 터빈의 회전자용 저마모 베어링 장치를 제공하기에 이르렀다.

이러한 목적은 독립항에 기재된 기술 내용에 의해 획득된다. 종속항은 바람직한 실시예를 보여준다. 본 발명의 범위는 명세서, 도면 및/또는 청구의 범위에 개시된 적어도 두개의 특징으로 구성된 모든 조합을 포함한다.

본 발명에 따라, 회전자의 동작 위치에서, 회전자 위의 영구 자석 베어링의 구성요소는 유체 유동 기계의 축방향 스러스트 방향에 정반대되는 상태로 축방향으로 배치된 하우징쪽의 관련 구성요소에 대해 힘의 균형 위치 밖으로 변위되며, 축방향 스러스트에 정반대되는 방향을 향하고 동작 상태에서 동작하는 동압 베어링의 활주면이 기동 상태에서 상호간에 분리되고, 회전자는 하나 이상의 별도의 플레인 또는 롤링 베어링 위에 놓이고, 플레인 또는 롤링 베어링은 기동 및 중단 상태에서 회전자를 안내하기 위해 제공되며, 낮은 회전 속도에서 그리고 정지된 상태에서 베어링 장치에서 사용되는 동압 플레인 베어링보다 사실상 낮은 마찰 모멘트를 가질 수 있는 구조로 되어 있다.

본 발명에 따라, 회전자는 하나 이상의 영구 자석 베어링에 의해 방사상으로 안내된다. 축방향 안내는 한쪽에서 작용하는 하나 이상의 동압 플레인 베어링에 의해 수행되며, 유체 유동 기계의 회전자는 동작 상태에서 발생하는 축방향 스러스트에 의해 베어링 위에 놓인다. 동압 베어링이 적절한 구성을 취하는 경우에는, 기계의 작동 중에 동압 플레인 베어링에 의해 방사상 힘을 지지하는 것이 또한 가능하다. 동시에 영구 자석 베어링은 동압 플레인 베어링의 활주면을 들어올리는 리프트 장치로서의 기능을 수행한다.

하우징쪽의 베어링 요소에 대한 회전자쪽의 베어링 요소의 축방향 변위는 축방향 스러스트에 정반대 방향을 향하고 중단 상태 또는 정지 상태에서 동압 베어링의 활주면을 상호 분리시키는 힘을 생성한다. 정지된 상태에서 그리고 기동 및 중단 상태에서, 낮은 회전 속도에서 그리고 정지된 상태에서 사용되는 동압 베어링보다 사실상 적은 마찰 모멘트를 갖는 하나 이상의 플레인 또는 롤링 베어링에 의해 회전자가 안내된다. 이것은 유동 기계의 기동 토오크를 최소화한다.

복잡한 기술과 비용을 필요로 하지 않으면서 기동 상태에서 동작 위치로 회전자를 축방향으로 변위시키기 위해서는 회전자의 상기 언급한 축방향 변위를 제한하여 발생되는 영구 자석 베어링의 자기력을 작동이 되고 있는 기계의 최소 축방향 스러스트보다 축방향으로 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 그 결과, 기동시에 회전자는 자동적으로 동작 위치로 이동한다.

회전자의 축방향 변위의 제한이 가능하지 않거나 바람직하지 않은 경우, 본 발명에 따른 회전자 또는 보조 베어링은 유체 유동 기계의 축방향 스러스트가 영구 자석 베어링의 축방향 자기력을 초과하고, 회전자가 자동적으로 동작 위치로 이동할 때까지 별도의 장치, 예를 들어 전자석에 의해 기동이 되는 동안 동압 베어링의 방향으로 축방향을 따라 변위될 수 있다.

가스 유동 매체 또는 저점성의 유동 매체로 유체 유동 기계의 회전자를 지지하기 위해, 본 발명에 따라 동압 플레인 베어링은 공기역학적인 플레인 베어링의 형태로 이루어질 수도 있다.

구조를 단순화하고 갭 손실을 줄이기 위하여, 본 발명의 또다른 특징에 따른 동압 플레인 베어링은 폐쇄 임필러의 덮개 판 또는 디스크에 연결될 수 있다. 윤활 갭은 동시에 임펠러의 밀봉 갭으로서의 기능을 수행한다. 이 경우, 회전자쪽에서 적어도 하나의 동압 플레인 베어링의 활주면이 덮개 판 또는 디스크를 갖춘 임펠러의 면과 통합되는 것이 바람직하고, 그 위치에서의 플레인 베어링이 저압쪽에 대해 임펠러의 고압쪽에 대해 밀봉부재를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또다른 특징에 따라, 회전자는 영구 자석 베어링에 의해 방사상으로 지지될 수 있으며, 회전자의 중심 가까이에 동압 축방향 또는 스러스트 베어링을 제공할 수 있다. 보조 베어링, 특히 콘 형상의 플레인 베어링은 회전자의 중심 가까이에 배치된다. 보조 베어링은 임펠러의 후방에 통합될 수 있다.

본 발명에 따라, 유체 유동 기계를 구동하는 전기 모터의 회전자는, 예를 들어 영구 자석의 여자와 동기되는 모터의 형태로 된 전기 모터의 회전자는 유체 유동 기계의 회전자와 통합될 수 있다.

수명이 긴 이유로, 본 발명의 추가적인 특징으로서 영구 자석 베어링의 베어링 또는 자석 링, 그리고 전기 모터의 여자 자석 또는 자석 링은 전기적으로 도전되는 보호 링에 의해 보호된다. 특히 높은 회전 속도에서, 회전자쪽의 자석 링은 특별히 강하고, 가벼운 체결 또는 보유 링, 예를 들어 탄소섬유로 보강된 플라스틱 재료로 보호되어야 한다.

적어도 하나의 동압 플레인 베어링 또는 유압 보상 장치가 그와 협력 관계에 있는 동압 플레인 베어링과 연합하거나 동압 플레인 베어링을 정압 플레인 베어링 또는 유압 보상 장치로 교체하는 것이 바람직하다는 것이 또한 증명되었다. 본 발명에 따라, 전방 단부 또는 인테이크 임펠러는 자기 링 내에 또한 제공될 수 있다. 인테이크 임펠러는 회전자쪽의 베어링 링 내에 고정된다.

본 발명에 의해 달성되는 장점은 긴 수명에 특징이 있는 저마모 베어링 장치를 복잡한 기술이나 많은 비용을 들이지 않고도 실현할 수 있다는 점이다. 전기력 또는 유압력을 제공할 필요가 없으며, 베어링 장치의 동작을 제어하는 장치를 제공할 필요도 없다. 베어링 장치는 적은 수의 구성요소만으로 단순한 제조 기술을 사용하여 경량으로 제조할 수 있다. 개개의 공기역학적인 베어링이 회전자를 축방향으로 지지하기 위해 사용될 때, 활주면의 별도의 탄성 지지 구조 또는 그 요소를 제공할 필요가 없다.

베어링 장치는 작은 갭 간격을 허용하며, 따라서 특히 점성이 매우 낮은 유동 매체가 사용되는 유체 유동 기계의 경우 갭 손실을 최소화할 수 있다. 극저온 매체로 유체 유동 기계를 작동하는 경우에는, 동작 상태와 비교하여 정지된 상태에서 펌프 갭이 확대되고, 회전자와 하우징간의 접촉은 오직 보조 베어링의 영역에서만 발생하기 때문에, 본 발명에 따른 회전자 베어링 장치에 의해 불순물이 결빙되거나 정지 상태에 놓이게 될 위험성이 최소화된다. 기동 및 정지 상태에서 축방향 및 방사상으로 작용하는 보조 베어링에 의한 회전자의 지지에 의해 위험성이 없이 영구 자석 베어링의 진동을 일으킬 수 있는 회전 속도 범위를 통과할 수 있게 된다.

액체 수소는 점성이 매우 낮고, 윤활 효과가 불량하다. 따라서 이 매체로 동작하는 유체 유동 기계의 베어링 장치에는 특별한 사항이 요구된다. 매우 낮은 동작 온도로 인하여, 윤활유가 고체 상태로 변하기 때문에 윤활유에 의한 베어링의 윤활은 가능하지 않다. 공간 이동시, 지금까지의 동작은 주로 종래의 플레인 또는 롤링 베어링으로 실현되어 왔다. 이들 베어링의 마모 정도는 높기 때문에 동작 주기 및 수명은 짧다. 이러한 마모로 인해 공간 이동 및 다른 영역에서의 추진체로서 액체 수소를 사용하는데 문제가 있다.

본 발명에 따른 원심 또는 회전식 펌프의 베어링 장치는 액체 수소로 작동하는 유동 기계의 수명과 작동의 신속성을 증가시킨다.

이하, 본 발명의 다른 장점 및 특징이 첨부도면을 참조한 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해 명백히 밝혀진다.

도 1에 도시한 바와 같은 원심 또는 회전식 펌프(10)는 액체 수소를 수송하기 위한 침지 펌프로서 설계된 것이다. 이 펌프는 수송될 매체 내에 잠긴 상태로 동작하며, 하우징(12) 내에서 도 2에 도시한 바와 같은 회전자(16)의 수직 배치 회전자 축(14)을 구비하고 있다. 회전자(16) 위에는 매체를 수송하고 매체의 압력을 증가시키기 위한 세개의 반개방 임펠러(18)이 배치되어 있다.

회전자(16)는 영구 자석 베어링(20, 22)에 의해 방사상으로 지지되어 있다. 동압 스러스트 베어링(24)은 회전자(16)의 중심(S) 가까이에 배치되어 있다. 이것은 지지 갭이 약 1μm 인 공기역학적 플레인 베어링에 적합한 구조이다. 이러한 구조는 윤활 액체 수소에 적절한 지지력을 제공한다. 언급된 펌프에 있어서 자석 베어링(20, 22)의 방사상 강도는 스러스트 베어링(24)의 축방향 강도와 비교하여 매우 낮기 때문에, 활주면 또는 그 요소중 하나에 대해서 매우 작은 지지 갭에는 으례히 있는 탄성 지지 구조를 취하지 않을 수 있다. 스러스트 베어링(24)의 작은 지지 갭과 큰 축방향 강도로 인해 반개방 임펠러(18)의 블레이드와 하우징의 벽 사이의 갭(26)을 매우 정확하게 설정할 수 있다. 이렇게 하여 갭 손실을 최소화할 수 있다. 회전자(16)의 동작 위치에서, 상부 자석 베어링(22)의 회전자쪽 베어링 링 또는 내부 자석 링(28)은 하우징쪽의 베어링 링으로서의 그 외측 자석 링(30)에 대해 약 0.1 mm 만큼 위로 변위됨으로써, 정지 상태에서 플레인 베어링(24)으로부터 회전자(16)를 들어올리는데 필요한 힘이 생성된다. 대응하는 베어링 또는 하부 자석 베어링(20)의 자석 링(32, 34)은 동작 상태에서 어떠한 변위도 하지 않는다.

회전자(16)의 축방향 운동을 제한하기 위한 보조 베어링(36)이 회전자(16)의 중심(S) 가까이에 배치되어 있다. 이것은 콘 형상의 플레인 베어링의 형태로 마지막 임펠러(18)의 후방에 통합되어 있고, 시작 및 정지 상태에서 회전자(16)를 방사상으로 또한 지지한다. 보조 베어링(36)에 의해 회전자(16)를 방사상으로 지지하고, 회전자(16)의 중심 가까이에 배치하면 더욱 느린 회전 속도로 회전자(16)의 최초의 강성체 모드를 통과하기가 쉬워진다.

펌프를 구동하고, 영구 자석 여자 방식의 동기 모터의 형태로 된 전기 모터(38)의 회전자가 펌프(10)의 회전자(16) 내에 통합되어 있다. 여자기 자석(40)과 철 복귀 부재(42) 사이의 큰 공기 갭과 회전자쪽의 전기 모터(38)의 철이 없는 설계는 방사상 방향으로의 전기 모터(38)의 불안정한 힘의 감소를 보장함으로써, 방사상 강도가 비교적 낮은 상태에서 영구 자석 베어링(20, 22)에 의한 회전자의 방사상 지지가 가능해진다. 큰 공기 갭에 의해 전체 수송 유량이 갭을 통해 통과할 수 있기 때문에, 전기 모터(38)의 양호한 냉각이 보장된다. 베어링(20, 22)의 자기 링(28, 30, 32, 34) 및 여자기 자석 또는 전기 모터(38)의 자기 링(40)은 금속 보호 또는 덮개 링(44)에 의해 손상으로부터 보호된다. 이 링은 자계에 의해 회전자(16)가 진동할 때 감쇠 와상 전류가 그 내부에 유도됨에 따라 회전자의 진동을 감쇠하는 기능을 또한 수행한다.

내마모성을 향상시키기 위하여 그리고 펌프(10)의 중량을 최소화하기 위하여, 임펠러(18) 및 중간 디스크 또는 판(45) 및 하우징 판 또는 디스크(46, 48) 따위의 회전자(16)의 개개의 구성요소는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 회전자(16)의 세라믹 구성요소는 타이 볼트(50)에 의해 함께 고정된다. 기계가 작동하는 동안 회전자(16) 위에 작용하는 휨 부하는 압축력으로서 구성요소의 보스 단면에 의해 지지된다.

본 발명에 따른 베어링 장치를 보인 도 3의 개략도는 영구 자석 베어링(20, 22)에 의해 방사상으로 접촉하지 않은 상태에서 지지되는 임펠러(18)를 갖춘 유체 유동 기계의 회전자(16)를 보여주고 있다. 기계의 동작 상태에서, 임펠러(18)는 축방향으로 스러스트를 발생시킨다. 이것은 동압 플레인 베어링(24)에 의해 지지된다. 회전자(16) 위의 자기 베어링(22)의 구성 요소(28)는, 유압 플레인 베어링(24)과 접촉하게 되면, 크기(t) 만큼 보조 베어링(36)을 향해 축방향으로 하우징쪽의 자기 베어링(22)의 구성 요소(30)에 대해 변위하여 배열됨으로써, 축방향에서의 영구 자석 베어링(22)의 지지력의 불안정한 특성에 의해, 축방향으로 자기력(A)이 제공된다. 이는 임펠러(18)의 스러스트 힘(B)에 정반대의 것이다. 회전자(16)가 상승하여 플레인 베어링(24)에서 떨어질 때, 영구 자석 베어링(20)에서는 하우징쪽의 구성요소(34)에 대해 회전자쪽의 구성요소(32)의 축방향 변위가 발생한다. 결과적으로 얻어지는 자기 베어링(20, 22)의 축방향으로의 힘은 플레인 베어링(24)으로부터의 회전자(16)의 간격이 증가함에 따라 증가한다.

베어링 구성요소의 축방향 변위는 도 3에서 콘 형상의 플레인 베어링의 형태로 된 보조 베어링(36)에 의해 제한된다. 유체 유동 기계의 회전자(16)는 베어링(24, 36)과의 접촉 상태 사이를 자유로이 이동할 수 있다. 베어링(20, 22, 24, 36)의 베어링 요소는 영구 자석 베어링(22)에 의해 발생하는 축방향 힘이 기계의 정지 상태에서 회전자(16)를 들어올려 동압 플레인 베어링(24)에서 떨어지게 할 수 있도록 배열된다. 회전자(16)의 변위는 보조 베어링(36)에 의해 제한됨으로써, 동작 상태에서의 임펠러(18)에 의해 발생되는 최소의 축방향 스러스트는 영구 자석 베어링(20, 22)에 의해 축방향으로 발생되고 회전자(16)가 보조 베어링(36)과 접촉할 때 발생하는 최대 힘보다 크다. 이것은 동작이 이루어지는 동안 회전자(16)가 상승하여 보조 베어링(36)에서 떨어지고, 활주면간의 접촉 없이 동압 플레인 베어링(24)에 의해 축방향으로 지지됨을 보장한다. 정지 상태에서, 회전자(16)는 자기력에 의해 다시 상승하여 동압 베어링(24)에서 분리되며, 보조 베어링(36)에 내리 눌린다. 베어링 재료의 적절한 선택 및 보조 베어링(36)의 작은 직경에 의해 베어링 장치의 낮은 기동 토오크가 보장된다.

도 4에 도시한 실시예에서 회전자(16)는 휴지 위치에 놓여 있으며, 자기 베어링(22)의 회전자쪽 내부 자기 링(28)은 크기(t)만큼 임펠러쪽 위에 돌출되어 있다. 이 경우, 자기력(A)은 임펠러(18)를 향하는 방향으로 작용한다. 여기서, 자기력(A)에 의해 회전자(16)는 보조 베어링(36) 밖으로 나와 동작 위치로 놓인다. 도면은 동작 위치 밖으로 장치를 상승시키기 위한 전자기 장치 따위의 리프트 장치가 필요하다는 것은 도시하고 있지 않다.

도 5는 회전자 축선 또는 축(14) 위에서 회전자에 가까운 자기 또는 베어링 링(28)을 개략적으로 보여주고 있다. 바깥쪽 자기 또는 베어링 링(30)은 회전자를 둘러싸고 있으며, 크기(t) 만큼 축방향으로 변위되어 있다. 여기서 자성 방향은 화살표(52)로 도시되어 있다. 이 베어링 장치는 자석(28, 30)의 반발력에 기초한다.

전단력으로 동작하는 도 6에 도시한 베어링의 경우에는, 회전자 및 하우징쪽의 자기 링(28, 30)은 일반적으로 동일한 높이에서 배치되어 있다. 즉, 안쪽으로도 바깥쪽으로도 아니고 종방향 축선(Q)에 대해 간격을 달리하여 배치되어 있다.

도 7에 도시한 바와 같은 소위 자기저항 베어링의 경우, 자석이 하우징쪽에 배열되거나 회전자쪽에 배열되면 지지 작용이 또한 성취될 수 있다. 이 경우, 오직 강자성체 재료, 일반적으로 철(54)이 반대쪽에 제공된다. 하우징(12)에 고정된 부분은 도면부호 13에서 파선으로 도시되어 있다.

도면에서, 변위의 크기(t)는 자기 베어링의 자기 링(28, 30)에 의해 결정된다. 도 6에서, 크기(t)는 두개의 간격(t1, t2)에 의해 한정된다. 여기서, t = (t1-t2)/2 이다.

도 8 내지 도 10은 덮개 판 또는 디스크를 갖춘 임펠러(18) 내로 동압 플레인 베어링(24)이 통합된 것을 보인 것이다. 플레인 베어링(24)이 임펠러(18) 내로 통합되었을 때의 주된 장점은 동압적으로 저항하는 활주면과의 활주 링 밀봉부재의 밀봉 작용과 유사한 특정 밀봉 작용이다. 따라서, 임펠러(18)의 슬릿형 또는 복잡한 밀봉 부재로서 플레인 베어링(24)이 적절하다.

도 8은 순수한 축방향 효과를 갖는 동압 플레인 베어링(24)이 폐쇄 임펠러(18) 내에 통합되는 것을 보인 것이다. 공기역학적인 플레인 베어링이 회전자(16)의 다수의 임펠러(18) 내에 통합될 때, 하나를 제외한 모든 플레인 베어링은 탄성적으로 지지되는 활주 또는 지지면을 가지로 구성되어야 한다. 영구 자석 베어링(20, 22)에 의해 낮은 강도를 갖는 회전자(16)를 부유시키는 것은 활주면에 대해 위치 오차를 보상하기 위해 개개의 플레인 베어링의 경우에 한하여 활용될 수 있다. 도 9에서의 하우징쪽의 활주면과 도 10에서의 플레인 베어링(24)의 임펠러쪽의 활주면은 (이 경우에는 전체 임펠러 18를 가리킨다) 탄성적으로 지지되어 있는 것으로 도시되어 있다.

도 9 및 도 10은 각각 도면부호 56으로 탄성 링을 보여주고 있다. 반면에 도 9 및 도 10에서 동압 베어링(24)은 콘 또는 테이퍼 형상의 베어링으로 되어 있다. 이러한 구성을 통해, 정밀한 축방향 안내는 물론 동작이 행해지고 있는 회전자(16)의 매우 정확한 방사상 안내를 성취할 수 있다.

도 11 및 도 12는 정압 플레인 베어링(60)의 유압 보상 장치 - 보상 판 또는 디스크(58)(도 11)의 일례를 개략적으로 도시한 것이다. 도 11의 도면부호 62는 환상 갭을 가리키며, 도 12의 도면부호 64는 압력 이송수단(66)을 갖춘 베어링 디스크를 가리킨다.

도 11에서, 보상 디스크(58)는 임펠러쪽 위에서 작용할 때 수송 압력을 받는 반면에, 다른쪽은 주변 압력 또는 낮은 스테이지 압력의 작용을 받는다. 환상 갭(62)은 동작 상태에서 흡입 또는 인테이크쪽 방향으로의 축방향 스러스트로 인한 임펠러(18)의 운동이 갭의 폭을 감소시키고, 그 결과로서 얻어지는 갭 내의 압력의증가는 갭의 폭을 최소값 이하로 떨어뜨림이 없이 축방향 스러스트를 보상한다.

도 12의 정압 플레인 베어링(60)은 첫번째 스테이지의 임펠러(18) 위에 배치될 수 있다. 플레인 베어링(60)의 압력 공급은 더 높은 스테이지로부터의 스테이지 압력의 복귀에 의해 동작 상태에서 실현될 수 있다.

도 13은 자기 베어링(28, 30)의 내부에 전방 단부 또는 인테이크 임펠러(68)가 통합된 것을 보인 것이다. 이러한 배열은 공간을 절약하며, 매체의 수송을 최적화할 수 있지만 (축방향 이송은 흡입 인테이크 능력을 향상시킨다), 임펠러(68)는 회전자(16)의 방사상 변위에는 그다지 민감하지 않다. 이는 통상의 축방향 임펠러인 경우에도 동일하게 적용된다.

Claims (25)

1. 방사상 안내를 하는 적어도 하나의 영구 자석 베어링과, 동작 상태에서 유체 유동 기계의 축방향 스러스트를 지지하여 축방향 또는 축방향 및 방사상 안내를 하는 적어도 하나의 동압 플레인 베어링을 갖춘 유체 유동 기계의 회전자용 베어링 장치에 있어서, 회전자(16)의 동작 위치에서, 회전자 위의 적어도 하나의 영구 자석 베어링(20, 22)의 구성요소(32, 28)는 축방향 스러스트(B) 방향에 정반대되는 상태로 축방향으로 배치된 하우징쪽의 관련 구성요소(34, 40)에 대해 힘의 균형 위치 밖으로 변위하며, 유체 유동 기계(10)의 축방향 스러스트에 정반대는 방향으로 향하는 힘이 생성되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 동작 상태에서 동작하는 동압 플레인 베어링(24)의 활주면은 정지 상태에서 그리고 기동 및 중단 상태에서 상호 분리되며, 회전자(16)는 기동 및 중단 상태에서 회전자를 안내하고 낮은 회전 속도에서 그리고 중단 상태에서 베어링 장치에 사용되는 동압 플레인 베어링보다 낮은 마찰 모멘트를 가질 수 있도록 설계된 적어도 하나의 별도의 플레인 또는 롤링 베어링에 놓이는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 회전자(16)의 축방향 변위의 정도는 동압 플레인 베어링(24)에 대해 보조 베어링(36)으로서 별도의 플레인 또는 롤링 베어링을 배열함으로써 제한되어, 회전자 위의 영구 자석 베어링(20, 22)의 축방향으로 작용하는 힘이 동작 상태의 유체 유동 기계(10)의 최소 축방향 스러스트보다 적은 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 변위의 크기(t)는 유체 유동 기계(10)의 자기 베어링(22)의 회전자쪽 베어링 링(28)과 하우징쪽 베어링 링(30)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 수송 경로는 모터 갭을 통과하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 수송 경로는 압력쪽의 영구 자석 베어링(22)의 베어링 갭을 통과하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 회전자(16) 또는 보조 베어링(36)은 특히 전자기 수단에 의한 회전자의 경우에 동압 플레인 베어링(24)의 방향으로 축방향을 향하여 보조 장치에 의해 기동 상태에서 회전자와 함께 이동함으로써, 회전자쪽의 영구 자석 베어링(20, 22)의 축방향으로 작용하는 힘이 동작 상태의 유체 유동 기계(10)의 최소 축방향 스러스트 미만으로 떨어지는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 동압 플레인 베어링(24)은 공기역학적인 플레인 베어링인 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 동압 플레인 베어링(24)은 폐쇄 임펠러(18)의 덮개 디스크(46, 48)에 연결되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 적어도 하나의 동압 플레인 베어링(24)의 회전자쪽 활주면은 덮개 디스크를 갖춘 임펠러(18)의 면과 통합되며, 그 위치에서의 플레인 베어링은 저압쪽에 관하여 임펠러의 고압쪽에 대해 밀봉하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 회전자(16)는 영구 자석 베어링(20, 22)에 의해 방사상으로 지지되고, 회전자의 중심(S) 가까이에 동압 스러스트 베어링(24)이 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 보조 베어링(36), 특히 콘 형상의 플레인 베어링은 회전자(16)의 중심(S) 가까이에 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 보조 베어링(36)은 임펠러(18)의 후방에 통합 설치되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
14. 제 9 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 공기역학적인 플레인 베어링(24)의 지지 갭은 약 1 μm 인 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
15. 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서, 유체 유동 기계(10)를 구동하기 위한 전기 모터(38)의 회전자는 기계의 회전자(16) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 전기 모터는 영구 자석의 여자에 동기되는 모터 형태로 된 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
17. 제 1 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 베어링 또는 영구 자석 베어링(20, 22)의 자기 링(28, 30, 32, 34)과 여자기 자석 또는 전기 모터(38)의 자기 링(40)은 보호 링(44)에 의해, 바람직하게는 전도성 보호 링에 의해 보호되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
18. 제 17 항에 있어서, 회전자쪽의 적어도 하나의 자기 링(28, 30, 32, 34)에는 특히 탄소섬유로 보강되거나 유리섬유로 보강된 플라스틱 재료로 된 체결 또는 그와 유사한 보호층이 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
19. 제 1 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서, 임펠러(18), 중간 디스크(45) 및/또는 하우징 디스크(36, 48) 따위의 회전자(16)의 개개의 구성요소는 세라믹으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
20. 제 3 항 또는 제 12 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서, 회전자(16)의 변위의 정도는 보조 베어링(26)에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
21. 제 20 항에 있어서, 동작시에 회전자(16)는 상승하여 보조 베어링(36)에서 떨어지고, 활주면과 접촉함이 없이 동압 플레인 베어링(24)에 의해 축방향으로 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
22. 제 1 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 정압 플레인 베어링(60) 또는 유압 보상 장치(58)는 지지를 할 수 있는 상태로 동압 플레인 베어링(24)과 결합하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
23. 제 1 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서, 동압 플레인 베어링(24)은 정압 플레인 베어링(60) 또는 유압 보상 장치(58)로 대체되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
24. 제 1 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 있어서, 전방 단부 임펠러(68)는 자기 베어링(28, 30) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
25. 제 1 항 내지 제 24 항중 어느 한 항에 따른 베어링 장치를 액체 수소를 수송하기 위한 유체 유동 기계의 회전자에 사용하는 방법.