KR20020035283A - Air foil bearing - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로서, 더 상세하게는 반경방향과 경사지게 형성된 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯이 하우징에 형성된 에어 포일 베어링에 관한 것이다.The present invention relates to an air foil bearing, and more particularly to an air foil bearing in which at least one auxiliary air foil fixing slot formed radially and inclined is formed in a housing.
통상적으로 에어 포일 베어링은 터보압축기, 터보쿨러, 터보발전기같은 터보머신내에서 고속으로 회전하는 축을 지지하는데 사용된다.Air foil bearings are typically used to support shafts that rotate at high speed in turbomachines such as turbocompressors, turbocoolers and turbogenerators.
에어 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아니고, 압축 공기를 에어 포일과 축 사이에 유입시킴으로써 공기의 막을 형성하여 축을 지지하는 방식이다. 에어 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체의 축을 지지하는데 효과적이다.The air foil bearing is not a method of supporting the shaft by using an oil film like a conventional ball bearing or a journal bearing, but a method of supporting the shaft by forming a film of air by introducing compressed air between the air foil and the shaft. Air foil bearings are particularly effective for supporting the shaft of a rotating body rotating at high speed.
종래의 에어 포일 베어링이 미국 특허 제4,153,315호에 개시되어 있다.Conventional air foil bearings are disclosed in US Pat. No. 4,153,315.
도 1에 도시된 것은 이 종래의 에어 포일 베어링에 대한 단면도이다.Shown in Figure 1 is a cross sectional view of this conventional air foil bearing.
도면을 참조하면, 이 에어 포일 베어링은 하우징(11)과, 상기 하우징의 내측에 형성된 슬롯(12)과, 상기 슬롯에 슬러그(Slug)(13)에 의해 고정되는 다수의 주 에어 포일(14)과, 상기 슬롯에 슬러그에 의해 고정되어 상기 주 에어 포일(14)을 지지하는 다수의 보조 에어 포일(15)을 포함한다.Referring to the drawings, the air foil bearing includes a housing 11, a slot 12 formed inside the housing, and a plurality of main air foils 14 fixed to the slot by slugs 13. And a plurality of auxiliary air foils 15 fixed to the slots by slugs to support the main air foils 14.
위와 같은 구성을 가진 에어 포일 베어링은 축(1)이 회전하게 되면, 주 에어 포일(14)과 축(1)사이의 공간으로 유입되는 고압의 가스로 인하여 탄성력을 가지는 주 에어 포일(14)이 축(1)으로부터 멀어지는 방향으로 변형하게 된다.In the air foil bearing having the above configuration, when the shaft 1 is rotated, the main air foil 14 having elastic force due to the high pressure gas flowing into the space between the main air foil 14 and the shaft 1 is formed. It will deform in the direction away from the axis (1).
이에 따라, 축(1)은 주 에어 포일(14)로부터 부상한다. 즉, 축(1)은 회전속도가 초기속도로부터 정상속도에 도달할 때까지는 주 에어 포일(14)의 외면과 계속 접촉해 있다가, 유입되는 고압의 가스로 인하여 축(1)과 접촉한 주 에어 포일(14)이 아랫방향으로 가압되어 탄성변형되면서부터 부상하여 회전하는 것이 가능하다.Thus, the shaft 1 rises from the main air foil 14. That is, the shaft 1 keeps in contact with the outer surface of the main air foil 14 until the rotational speed reaches the normal speed from the initial speed, and then contacts the shaft 1 due to the high-pressure gas introduced therein. It is possible to float and float from the air foil 14 while being pressed downward to elastically deform.
이러한 에어 포일 베어링은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.Such air foil bearings have the following problems.
겹치도록 설치된 주 에어 포일이 충분한 강성(stiffness)를 확보하지 못하는경우에는 축하중에 의해 주 에어 포일이 아래 방향으로 탄성변형된다. 이것은 베어링의 초기 동작시 축의 반경방향변위가 크다는 것으로 축에 대하여 하중을 지지하는 능력이 부족하다는 것을 의미한다.If the overlapping main air foils do not have sufficient stiffness, the main air foils elastically deform downwards during celebration. This is due to the large radial displacement of the bearing during the initial operation of the bearing, which means that it lacks the ability to support the load against the shaft.
또한, 이러한 에어 포일 베어링은 보조 에어 포일의 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 처음부터 주 에어 포일과 한 몸체로 제작하여야 하므로 강성과 댐핑(Damping)의 조절이 용이하지 않다는 문제점이 있다.In addition, such an air foil bearing has a problem in that the structure of the auxiliary air foil is complicated and difficult to manufacture, and since the air foil bearing must be manufactured as a main air foil and a body from the beginning, adjustment of rigidity and damping is not easy.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제작이 용이하고 강성과 댐핑이 향상된 에어 포일 베어링을 제공하는데 목적이 있다. 또한, 강성과 댐핑의 조절이 용이한 에어 포일 베어링을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to solve the problems as described above, it is an object to provide an air foil bearing is easy to manufacture, and improved rigidity and damping. It is also an object of the present invention to provide an air foil bearing with easy adjustment of rigidity and damping.
도 1은 종래의 에어 포일 베어링의 단면도,1 is a cross-sectional view of a conventional air foil bearing,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링의 초기 속도에서의 상태를 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing a state at an initial speed of the air foil bearing according to an embodiment of the present invention;
도 3은 도 2의 에어 포일 베어링의 정상 부상 속도에서의 상태를 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view showing a state at a normal floating speed of the air foil bearing of FIG.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the reference numerals for the main parts of the drawings>
10...하우징 10a...주 에어 포일 고정 슬롯10.Housing 10a ... Main air foil securing slot
10b...보조 에어 포일 고정 슬롯 20...주 에어 포일10b ... Secondary airfoil securing slot 20 ... Main airfoil
30...보조 에어 포일30 ... Secondary Air Foil
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어 포일 베어링은 반경방향으로 형성된 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯이 그 내측에 형성되고 축의 회전방향으로 반경방향과 경사지게 형성된 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯이 상기 주 에어 포일 고정 슬롯사이에 형성된 하우징과; 상기 주 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상호 겹치게 설치되는 다수개의 주 에어 포일과; 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 그 고정단이 고정되고 그 자유단은 상기 주 에어 포일을 지지하게 설치되며 상기 주 에어 포일보다 길이가 짧은 다수개의 보조 에어 포일을 포함하는 것을 특징으로 한다.Air foil bearing of the present invention for achieving the above object is a plurality of primary air foil fixing slots formed in the radial direction is formed therein and at least one auxiliary air foil fixing slot formed radially and inclined in the rotational direction of the shaft is the main air A housing formed between the foil fixing slots; A plurality of main air foils whose fixed ends are fixed to the main air foil fixing slots and whose free ends are installed to overlap each other; The fixed end is fixed to the auxiliary air foil fixing slot, and the free end thereof is installed to support the main air foil, and includes a plurality of auxiliary air foils having a length shorter than that of the main air foil.
또한, 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯이 상기 하우징의 반경방향과 이루는경사각을 θ라 할 때, θ가 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the inclination angle of the auxiliary air foil fixing slot and the radial direction of the housing is θ, θ satisfies the following equation.
<수학식>Equation
또한, 상기 보조 에어 포일은 긴 길이의 긴 보조 에어 포일과 짧은 길이의 짧은 보조 에어 포일을 구비하는 것으로서, 상기 긴 보조 에어 포일의 고정단은 상기 주 에어 포일을 기준으로 축의 회전방향에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되고,상기 짧은 보조 에어 포일의 고정단은 상기 주 에어 포일을 기준으로 축의 역회전방향에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the auxiliary air foil has a long auxiliary air foil of a long length and a short auxiliary air foil of a short length, the fixed end of the long auxiliary air foil is the auxiliary air installed in the rotational direction of the axis with respect to the main air foil It is fixed to the air foil fixing slot, characterized in that the fixing end of the short auxiliary air foil is fixed to the auxiliary air foil fixing slot installed in the reverse rotation direction of the axis with respect to the main air foil.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어 포일 베어링을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an air foil bearing according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링은 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)과 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)이 그 내측에 형성된 하우징(10)과, 상기 다수의 주 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 다수개의 주 에어 포일(20), 상기 하나 이상의 보조 에어 포일 고정 슬롯에 고정되는 다수개의 보조 에어 포일(30)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the air foil bearing according to the exemplary embodiment of the present invention includes a housing 10 having a plurality of main air foil fixing slots 10a and at least one auxiliary air foil fixing slot 10b formed therein; And a plurality of primary air foils 20 fixed to the plurality of primary air foil fixing slots, and a plurality of auxiliary air foils 30 fixed to the one or more auxiliary air foil fixing slots.
상기 하우징의 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)은 상기 하우징(10)의 반경방향으로 형성되어 있다. 상기 하우징의 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)은 축(1)의 회전방향(A)으로 상기 하우징의 반경방향과 경사지게 형성되어 있다. 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)은 상기 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)을 사이에 두고 형성되어있다.The main air foil fixing slot 10a of the housing is formed in the radial direction of the housing 10. The auxiliary air foil fixing slot 10b of the housing is formed to be inclined with the radial direction of the housing in the rotation direction A of the shaft 1. The auxiliary air foil fixing slot 10b is formed with the main air foil fixing slot 10a interposed therebetween.
상기 보조 에어 포일의 고정단(30a)이 경사진 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)에 고정되어 주 에어 포일(20)을 지지하는 경우 주 에어 포일(20)의 하중지지력이 증가되어 축하중에 대한 강성이 커지게 된다.When the fixed end 30a of the auxiliary air foil is fixed to the inclined auxiliary air foil fixing slot 10b to support the main air foil 20, the load bearing force of the main air foil 20 is increased to increase rigidity during celebration. Will become large.
상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)이 상기 하우징의 반경방향과 이루는 경사각을 θ라 할 때, θ가 하기의 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.When the inclination angle between the auxiliary air foil fixing slot 10b and the radial direction of the housing is θ, it is preferable that θ satisfies Equation 1 below.
θ가 45。를 초과하는 경우에는 과도한 부하와 마찰력에 의해 축이 회전하지 못하게 된다.If θ exceeds 45 °, the shaft will not rotate due to excessive load and friction.
상기 다수개의 주 에어 포일(20)은 서로 겹쳐진 상태로 설치되어 있다. 상기 주 에어 포일의 고정단(20a)은 상기 주 에어 포일 고정 슬롯(10a)에 고정되어 있다. 상기 주 에어 포일의 자유단(20b)은 인접하는 주 에어 포일(20)의 외면에 접촉하고 있다. 주 에어 포일(20)의 외면은 축(1)의 외주면에 접촉하고 있는 형상이다.The plurality of main air foils 20 are provided so as to overlap each other. The fixed end 20a of the main air foil is fixed to the main air foil fixing slot 10a. The free end 20b of the main air foil is in contact with the outer surface of the adjacent main air foil 20. The outer surface of the main air foil 20 is in contact with the outer circumferential surface of the shaft 1.
상기 다수개의 보조 에어 포일(30)은 상기 주 에어 포일(20)을 지지하게 설치된다. 상기 보조 에어 포일(30)의 길이는 주 에어 포일(20)보다 짧다. 상기 보조 에어 포일(30)은 긴 길이의 긴 보조 에어 포일(31)과 짧은 길이의 짧은 보조 에어 포일(32)을 구비한다. 긴 보조 에어 포일의 고정단(30a)은 주 에어 포일(20)을 기준으로 축(1)의 회전방향(A)에 설치된 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)에 고정된다. 짧은 보조 에어 포일의 고정단(30a)은 주 에어 포일(20)을 기준으로 축(1)의역회전방향에 설치된 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)에 고정된다. 상기 보조 에어 포일의 자유단(30b)은 상기 주 에어 포일(20)을 지지하도록 설치된다. 이렇게 짧은 보조 에어 포일(32)과 긴 보조 에어 포일(31)을 축(1)의 회전방향으로 순차적으로 배치함으로써 축(1)이 회전방향으로 과부하를 받지 않도록 한다.The plurality of auxiliary air foils 30 are installed to support the main air foil 20. The length of the auxiliary air foil 30 is shorter than the main air foil 20. The auxiliary air foil 30 has a long auxiliary air foil 31 of long length and a short auxiliary air foil 32 of short length. The fixed end 30a of the long auxiliary air foil is fixed to the auxiliary air foil fixing slot 10b provided in the rotation direction A of the shaft 1 with respect to the main air foil 20. The fixed end 30a of the short auxiliary air foil is fixed to the auxiliary air foil fixing slot 10b provided in the reverse rotational direction of the shaft 1 with respect to the main air foil 20. The free end 30b of the auxiliary air foil is installed to support the main air foil 20. The short auxiliary air foil 32 and the long auxiliary air foil 31 are sequentially arranged in the rotational direction of the shaft 1 so that the shaft 1 is not overloaded in the rotational direction.
상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링의 동작과정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the air foil bearing according to an embodiment of the present invention having the structure as described above are as follows.
축(1)이 일방향으로 서서히 회전하게 되면, 축(1)과 상기 축(1)과 접촉하는 주 에어 포일(20) 사이의 공간부(2)에 고압의 가스가 유입되기 시작한다. 상기 축(1)은 그 회전속도가 정상속도에 이를때까지 주 에어 포일(20)의 자유단과(20b) 접촉해 있다. 이어서 상기 공간부(2)에서의 가스의 압력은 축(1)의 회전력으로 인하여 급속하게 상승하게 되고, 이로 인하여 상기 축(1)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 주 에어 포일(20)로부터 부상하게 된다.When the shaft 1 is gradually rotated in one direction, the high pressure gas starts to flow into the space 2 between the shaft 1 and the main air foil 20 in contact with the shaft 1. The shaft 1 is in contact with the free end 20b of the main air foil 20 until its rotational speed reaches a normal speed. Subsequently, the pressure of the gas in the space 2 rises rapidly due to the rotational force of the shaft 1, whereby the shaft 1 is removed from the main air foil 20 as shown in FIG. 3. You will be injured.
이렇게 축(1)이 상기 주 에어 포일(20)로부터 부상하게 되면, 주 에어 포일(20)은 인접하는 주 에어 포일의 자유단에 의하여 가압되어 축(1)로부터 멀어지는 방향으로 변형을 하게 된다. 즉, 상기 축(1)의 외주면에 접촉한 주 에어 포일(20)은 유입되는 고압의 가스로 인하여 하방으로 가압되고, 이에 탄성적으로 변형하게 된다.When the shaft 1 rises from the main air foil 20, the main air foil 20 is deformed in a direction away from the axis 1 by being pressed by the free end of the adjacent main air foil. That is, the main air foil 20 in contact with the outer circumferential surface of the shaft 1 is pressed downward due to the high-pressure gas flowing therein, and elastically deforms thereto.
여기서, 에어 포일 베어링이 큰 하중지지능력을 가지기 위해서는 주 에어 포일(20)의 탄성력이 커야하고, 하중을 지지하는 면적이 넓어야 한다.Here, in order for the air foil bearing to have a large load carrying capacity, the elastic force of the main air foil 20 should be large, and the area supporting the load should be wide.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 보조 에어 포일 고정 슬롯(10b)이 축의 회전방향으로 상기 하우징(11)의 반경방향과 경사지게 형성되어 상기 주 에어 포일(20)을 지지하는 상기 보조 에어 포일(30)의 탄성력이 크게 된다. 따라서 상기 주 에어 포일(20)은 큰 하중지지력을 가지게 된다. 이에 따라 강성이 증가된다.According to a feature of the present invention, the auxiliary air foil fixing slot 10b is formed to be inclined with the radial direction of the housing 11 in the rotational direction of the shaft to support the auxiliary air foil 30 to support the main air foil 20 The elastic force of becomes large. Therefore, the main air foil 20 has a large load bearing force. This increases the rigidity.
더구나, 상기 보조 에어 포일(30)은 주 에어 포일을 지지하여 큰 접촉면적을 가지게 되므로 마찰력이 증가하여 댐핑이 향상된다. 또한, 상기 보조 에어 포일(30)을 쉽게 추가할 수 있기 때문에 강성과 댐핑의 조절이 용이하다.Moreover, since the auxiliary air foil 30 has a large contact area by supporting the main air foil, frictional force is increased and damping is improved. In addition, since the auxiliary air foil 30 can be easily added, adjustment of rigidity and damping is easy.
상기 에어 포일 베어링에서 댐핑값은 마찰에 의한 값으로 결정된다. 마찰에 의한 에너지 흡수는 E=μN×l로 나타나는데,(여기서, E:소모에너지, μ:마찰계수, N:수직력, l:이동거리를 말한다.) 경사진 보조 에어 포일에 의해 수직력이 증가되므로 댐핑이 향상된다.The damping value in the air foil bearing is determined by the friction value. The energy absorption due to friction is represented by E = μN × l, where E is the energy consumption, μ is the friction coefficient, N is the vertical force, and l is the travel distance. Damping is improved.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 에어 포일 베어링은 주 에어 포일과 길이와 코팅물질이 다른 보조 에어 포일을 추가함으로써 제작이 용이하고 강성과 댐핑이 향상된다는 이점이 있다.As described above, the air foil bearing according to the present invention has an advantage of easy manufacturing and improved rigidity and damping by adding an auxiliary air foil having a different length and coating material from the main air foil.
또한, 강성과 댐핑의 조절이 용이하도록 한 이점이 있다.In addition, there is an advantage to facilitate the adjustment of the stiffness and damping.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Could be. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
Claims (3)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |