KR20020062077A - 하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일저널베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포일의 배면에 댐핑(damping)과 강성(stiffness)을 부가하기 위한 감쇠기를 추가로 설치함으로서 회전축 지지하중에 대한 베어링의 강성을 높이고 제진능력을 제고시킨 반능동형 댐퍼포일 저널베어링에 관한 것으로서, 베어링 하우징 (12)의 내주면에 일정간격으로 다수의 다엽포일(14) 또는 탑포일(16)을 배치하여 공기피막을 형성시켜 회전축(10)을 지지하는 공기포일 저널베어링에 있어서, 상기 다엽포일(14) 또는 탑포일(16)의 배후에는 상기 회전축(10) 회전시 강성과 감쇠를 부가하여 줄 수 있도록 다수의 감쇠기(20)가 추가로 분포 설치되되, 상기 감쇠기 (20)는 상기 베어링 하우징의 내주면에 다수개로 형성 분포된 핀홈(12b)에 삽입되어 댐핑(damping)을 수행하는 댐핑핀(21)과, 상기 댐핑핀(21)과 핀홈(12b)과의 사이에 개재되어 강성(stiffness)을 부여하는 탄성스프링(22)으로 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일 저널베어링{High load capacity smart foil journal bearing with semi-active dampers}

본 발명은 공기 포일 저널베어링에 관한 것으로서, 특히 포일(탄성박판)의 배면에 댐핑(damping)과 강성(stiffness)을 부가하기 위한 감쇠기를 추가로 설치함으로서 회전축 지지하중에 대한 베어링의 강성을 높이고 제진능력을 제고시킨 반능동형 댐퍼포일 저널베어링에 관한 것이다.

일반적으로 공기 포일 베어링(air foil bearing)은 윤활시스템이 필요없는 공기만의 윤활로 이루어진 청정 시스템에 적합한 기계요소로서, 회전부를 지지하는 면적이 타 베어링에 비하여 넓어 신뢰도가 높다. 따라서 공기포일베어링은 소형 일반 항공 가스 터빈엔진, 터보 팽창기는 물론 다양한 항공우주산업의 보조파워 유닛, 육상교통수단과 증기사이클 원심압축기 등 다양한 상업용 에어컴프레셔의 지지베어링으로도 활용이 가능하다.

그러나 공기 포일 베어링은 축 하중 지지능력(load carring capacity) 및 안정성을 위한 베어링의 정확한 해석이 설계에 필수적이며 아울러 운전 시동시와 종료시 축과 베어링과의 불안정한 접촉으로 인한 마모(wear)의 형태가 불가결하다.

종래, 공기포일베어링의 예시도가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.

도 1은 다엽(multi-leaves) 형태의 저널베어링으로서, 베어링 하우징(12)의 내주면에 일정 간격으로 다수의 슬롯(12a)을 형성하고, 이 슬롯(12a)에 다엽 포일 (14)을 원주형으로 배치하여 회전축(10)을 지지하는 구조로 되어 있다. 도 1의 기술은 포일(14)의 두께를 증가시켜 동력학적 강성(stiffness)을 증대시킬 수 있지만, 그 두께에 제한이 따르고 초기 기동토크의 증가에 따른 포일(14)과 축(10)과의 마모(wear) 문제로 수명이 제한된다는 단점을 가지고 있다. 또한 회전축(10)에 대한 진동을 제어하는데 1차원적으로 다엽포일(14)에만 의존하므로 고속영역에서의 효율적인 진동제어가 어려웠다.

도 2는 베어링 하우징(12)의 내주면에 탑 포일(top foil)(16)과 범프 포일 (bump foil)(18)을 설치하여 회전축(10)을 지지하는 구조로서, 범프 포일(18)의 높은 강성으로 하중지지 능력을 높일 수 있다. 그러나 회전축(10)의 하중에 따른 탄성 변형되는 범프(18)속의 가스가 회전축(10) 방향으로 누수가 발생하고, 이로 인해 댐핑력이 저하되는 단점을 가지고 있다.

또한 도 2의 범프 베어링 구조에서는 범프 포일(18)의 설계 및 가공성이 쉽지 않은 것도 한 단점으로 지적되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로서, 축하중지지력에 대한 강성 및 감쇠력(댐핑력)을 높일 수 있도록 하여 하중 지지능력 및 안정성을 대폭 개선시킨 반능동형 댐퍼포일 저널베어링을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 회전축의 탄성에 따른 강성이 부가되어 축방향으로 가스 누수를 없애고, 감쇠기의 스퀴즈 필름현상을 이용하여 고속영역에서의 진동을 제어할 수 있는 불안정성을 제거시킨 반능동형 댐퍼포일 저널베어링을 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은, 베어링 하우징의내주면에 일정간격으로 다수의 다엽포일 또는 탑포일을 배치함과 동시에 공기피막을 형성시켜 회전축을 지지하는 공기포일 저널베어링에 있어서, 상기 다엽포일 또는 탑포일의 배후에는 상기 회전축 회전시 강성과 감쇠를 부가하여 줄 수 있도록 다수의 감쇠기가 추가로 분포 설치되되, 상기 감쇠기는 상기 베어링 하우징의 내주면에 다수개로 형성 분포된 핀홈에 삽입되어 댐핑(damping)을 수행하는 댐핑핀과, 상기 댐핑핀과 핀홈과의 사이에 개재되어 강성(stiffness)을 부여하는 탄성스프링으로 구성한 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 다엽포일 공기포일베어링의 단면구성도.

도 2는 종래 범프포일 공기포일베어링의 단면구성도.

도 3a,3b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 댐퍼포일 저널베어링의 단면도 및 감쇠기의 설치사시도.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 댐퍼포일 저널베어링의 단면도.

도 5는 본 발명에 적용되는 감쇠기의 설치확대 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 감쇠기의 포일강성이 부가되어 있는 베어링의 전체적인 등가강성을 개략적으로 도시한 도면.

도 7은 본 발명에 적용되는 댐핑핀의 스퀴즈 필름현상을 설명한 작동상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전축 12 : 베어링 하우징

12b : 핀홈 14 : 다엽 포일

16 : 탑 포일 20 : 감쇠기

21 : 댐핑핀 22 : 탄성스프링

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3a,3b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 포일저널베어링의 단면도 및 본 발명에 적용되는 감쇠기의 설치 사시도이다..

도 3a,3b에서 종래 기술을 도시한 도 1과 동일 또는 동등부분은 동일부호를 사용하여 설명한다.

도 3a,3b와 같이 본 발명의 공기포일저널베어링은 베어링 하우징(12)의 내주면에 일정간격으로 다수의 다엽포일(14)을 원주방향으로 배열하고, 각 다엽포일 (14)의 배후에 다수의 감쇠기(20)가 베어링 하우징(12)의 내주면에 배치되어 있는 구조이다.

상기 감쇠기(20)는 도 5와 같이 상기 베어링 하우징(12)의 내주면에 다수개로 분포형성된 핀홈(22)에 각기 삽입되어 있는 댐핑핀(21)과, 상기 댐핑핀(21)과핀홈(22)과의 사이에 개재된 탄성스프링(22)으로 구성되어 있다.

상기 댐핑핀(21)의 일측면은 상기 다엽포일(14)에 접촉하고 있고, 그의 타측면은 탄성스프링(21)에 접촉하게 설치되어 있다. 상기 댐핑핀(21)은 베어링하우징 (12)의 반경방향으로 설치되고 또, 핀홈(22)에서 슬라이딩 가능하게 삽입되어 있다. 따라서 베어링이 다엽포일(14)로부터 하중을 받을 경우 탄성스프링(22)력을 이기고 충격력을 흡수한다. 이와 동시에 댐핑핀(21)과 핀홈(12b)과의 공간에 채워진 공기압에 의해 베어링의 댐핑력이 증가하게 된다.

상기 댐핑핀(21)은 핀홈(22)에 미세한 틈새를 가지고 슬라이딩 결합되어 있어 댐핑핀(21)이 베어링 작동중 하중을 받을 경우 탄성스프링(22)을 압축시키고 동시에, 핀홈(22)내에 채워진 공기압이 완충을 흡수하고 동시에 그 틈새로 공기흐름(스퀴즈 필름(squeeze film) 현상)을 형성시켜 축의 반경방향의 진동을 억제한다. 이러한 공기흐름은 베어링 유막에서의 점성감쇠력(viscous damping force)의 부족을 보충한다.

본 실시예에서 상기 탄성스프링(22)은, 상기 다엽포일(14)의 위치에 따라 상기 댐핑핀(21)의 높이가 변화할 수 있도록 박판으로 제작한 와셔형태의 코일스프링을 사용하였고, 이때 코일스프링은 탄성 및 열 변형이 적은 고내열강을 사용함이 바람직하다.

본 발명은 일례로서 포일(14)의 재질을 인코넬 계통의 재질을 사용할 경우 이보다 재질이 연한 동(copper)이나 알루미늄 합금의 재질을 사용함이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 도 6과 같이 축(10)이 고속으로 회전할 경우다엽포일(14)의 자체 강성뿐만 아니라 포일(14)의 바깥측 감쇠기(20)에서 지지되는 댐핑핀(21)의 댐핑(C') 및 탄성스프링(22)의 강성(K')이 부가됨으로서 전체적인 등가강성은 도 6과 같이 표현할 수 있다.

즉, 본 발명의 베어링은 회전중에 공기피막층에 형성되는 공기강성(K)과 공기댐핑(C) 그리고 감쇠기(20)에서의 포일강성(K')과 포일댐핑(C')을 모두 갖게 된다.

한편, 본 발명은 상기 감쇠기(20)의 지지개수를 조절하여 베어링 전체의 강성을 조절할 수 있다. 또한 본 발명은 탄성스프링(22)의 스프링 상수값을 조절하여 강성을 조절할 수도 있다. 따라서 회전축(10)의 회전시 하중지지점에서의 베어링의 하중지지 능력이 향상되는 결과를 갖는다.

본 발명은 상기 회전축(10)의 진동시 상기 댐핑핀(21)으로부터 스퀴즈 필름 현상에 의해 반경방향으로 도 7과 같이 화살표 방향(K)의 공기흐름이 형성되어 진동을 제어할 수 있다. 이는 회전축(10)의 운전속도가 임계속도 이상이 될 경우 감쇠력을 증진시키고 베어링의 안정성을 높이게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 공기포일저널베어링의 단면도이다. 도 4는 도 3a,3b와 동일 또는 동등부분은 동일부호를 사용한다.

본 발명은 도 4에 예시된 바와 같이 베어링 하우징(12)내에 탑포일(top foil)(16)을 배치하고, 이 탑포일(16)의 배후에 위치되는 감쇠기(20)를 전술한 제1실시예와 같이 베어링 하우징(12)의 내주면에 같은 구조로 배치한 것이다. 따라서 제 2실시예도 감쇠기(20)의 추가 설치로 인해 강성부여로 축하중 지지능력이 향상되고, 댐핑력이 현저히 상승하여 고속영역에서의 불안정성을 제거할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 베어링 하우징 내에 배열되는 다엽포일 또는 탑포일의 배면측에 강성과 댐핑을 증진시킬 수 있는 다수의 감쇠기를 분포 배치시킴으로서, 공기포일베어링의 축하중 지지능력을 향상시킬 수 있고, 감쇠력을 증대시켜 베어링의 불안정성을 제거할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 회전축에 하중이 가해졌을 때 탄성스프링의 탄성에 따른 강성이 부가되어 하중지지능력이 높아지고, 댐핑핀과 핀홈과의 미세틈새에 의해서 발생되는 스퀴즈 필름현상의 공기흐름에 의해 고속영역에서의 진동을 제어하여 불안정성을 제거할 수 있다.

Claims (5)

1. 베어링 하우징(12)의 내주면에 일정간격으로 다수의 다엽포일(14) 또는 탑포일(16)을 배치함과 동시에 공기피막을 형성시켜 회전축(10)을 지지하는 공기포일 저널베어링에 있어서,

   상기 다엽포일(14) 또는 탑포일(16)의 배후에는 상기 회전축(10) 회전시 강성과 감쇠를 부가하여 줄 수 있도록 다수의 감쇠기(20)가 추가로 분포 설치되되, 상기 감쇠기(20)는 상기 베어링 하우징의 내주면에 다수개로 형성 분포된 핀홈 (12b)에 삽입되어 댐핑(damping)을 수행하는 댐핑핀(21)과, 상기 댐핑핀(21)과 핀홈(12b)과의 사이에 개재되어 강성(stiffness)을 부여하는 탄성스프링(22)으로 구성한 것을 특징으로 하는 하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일 저널베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄성스프링(22)은, 상기 다엽포일(14)의 위치에 따라 상기 댐핑핀(21)의 높이가 변화할 수 있도록 박판으로 제작한 와셔형태의 코일스프링임을 특징으로 하는 하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일 저널베어링.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회전축(10)의 지지 강성은 상기 감쇠기(20)의 지지개수 또는 탄성스프링(22)의 강성 조절로 이루어진 것을 특징으로 하는 하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일 저널베어링.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 회전축(10)의 진동시 상기 댐핑핀(21)으로부터 스퀴즈 필름 현상에 의해 반경방향으로 공기흐름이 형성되도록 상기 댐핑핀(21)과 상기 핀홈(12b)과의 사이에 미소 간극이 존재하는 것을 특징으로 하는 하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일 저널베어링.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 댐핑핀(21)은, 상기 베어링 하우징(12)의 내면에 반경방향으로 입설되어 상기 다엽포일(14) 또는 탑포일(16)을 지지하고 있는 것을 특징으로 하는 하중 지지능력 및 안정성이 개선된 반능동형 댐퍼포일 저널베어링.