KR20050098332A - 에어 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 에어 포일 베어링이 개시된다. 상기 에어 포일 베어링은 베이스 부재 상에 설치되는 플레이트와, 플레이트 상에 원주방향으로 소정간격 이격되게 설치되는 복수 개의 서포트 부재와, 서포트 부재에 그 일단이 결합되는 것으로, 상호 겹쳐지게 설치되는 복수 개의 탄성포일 및 플레이트 상에 설치되어 탄성포일을 탄성적으로 지지하는 것으로, 적어도 하나의 절개홈을 구비하는 적어도 하나의 스프링 부재를 포함한다. 개시된 에어 포일 베어링에 의하면, 상대적으로 용이한 구조변경을 통하여, 미끄럼 마찰에 의한 베어링의 댐핑성능을 개선할 수 있다.

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하중의 댐핑효과가 향상되는 개선된 구조의 에어 포일 베어링에 관한 것이다.

통상적으로 회전체를 축방향 또는 반경방향으로 지지하기 위해서 에어 포일 베어링이 적용될 수 있다. 에어 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 회전체를 지지하는 방식이 아니고, 베어링 내에 고압의 공기층을 형성하여 회전체를 지지하는 방식이다.

에어 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체를 지지하는데 효과적이다. 예를 들면, 에어 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 에어 포일 베어링에 공급할 수 있으므로, 터보 압축기의 임펠러 축이나 가스 터빈 엔진의 회전축을 에어 포일 베어링으로 지지할 수 있다.

도 1에는 대한민국 공개특허 특2000-0076381 호에 개시된 가스 역학 포일 베어링의 구조가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 가스 역학 포일 베어링은 서포트 부재(14)가 원주방향의 소정 간격으로 용접되어 있는 플레이트(13)와, 용접에 의해 상기 서포트 부재(14)에 그 일단이 고정된 탄성포일(15)을 포함한다.

또한, 상기 가스 역학 포일 베어링에는 상기 플레이트(13)에 용접되는 것으로, 상기 탄성포일(15)을 지지하는 곡률 스프링(17)이 구비된다. 여기서, 상기 서포트 부재(14) 및 곡률 스프링(17)은 플레이트(13)의 외경 측에 용접된다. 도면부호 14a와 17a는 각각 서포트 부재(14)와 곡률 스프링(17)의 용접부를 나타낸다.

이와 같이 곡률 스프링(17)이 설치됨으로써, 회전체의 동작시 탄성포일(15)과 곡률 스프링(17)의 미끄럼 접촉에 의해 마찰이 발생되는데, 상기 종래 기술에 의하면, 구조적인 제한으로 인해 충분한 미끄럼 마찰에 의한 댐핑효과를 기대하기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 마찰에 의한 댐핑효과가 증대되는 에어 포일 베어링의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 에어 포일 베어링은,

베이스 부재 상에 설치되는 플레이트;

상기 플레이트 상에 원주방향으로 소정간격 이격되게 설치되는 복수 개의 서포트 부재;

상기 서포트 부재에 그 일단이 결합되는 것으로, 상호 겹쳐지게 설치되는 복수 개의 탄성포일; 및

상기 플레이트 상에 설치되어 상기 탄성포일을 탄성적으로 지지하는 것으로, 적어도 하나의 절개홈을 구비하는 적어도 하나의 스프링 부재를 포함한다.

여기서, 상기 절개홈은 상기 플레이트의 원주방향으로 형성되고, 상기 절개홈에 의해 분할된 상기 스프링 부재의 단편들은 상기 플레이트의 반경방향으로 배열되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스프링 부재는 상기 플레이트의 원주방향으로 소정간격 이격되도록 복수 개 구비되고, 상기 각각의 스프링 부재에는 복수 개의 절개홈이 형성되는 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 스프링 부재는 상기 탄성포일을 지지하는 지지부 및 상기 플레이트 상에 결합되는 결합부를 구비하고, 상기 결합부는 상기 탄성포일을 벗어난 상기 플레이트의 외부반경 측에 형성되며, 상기 지지부에는 상기 절개홈이 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 지지부의 단면은 양단이 상기 플레이트에 지지되는 아치형상으로 구비되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링의 단면도가 도시되어 있고, 도 3 및 도 4에는 도 2에 도시한 에어 포일 베어링의 평면도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 상기 에어 포일 베어링은 베이스 부재(10)와, 상기 베이스 부재(10)에 결합된 플레이트(13)와, 상기 플레이트(13) 상에 소정간격 이격되도록 부착된 복수 개의 서포트 부재(14)를 포함하고, 상기 서포트 부재(14) 상에 일단이 결합되고, 곡률을 구비한 복수의 탄성포일(15)을 구비한다.

여기서, 상기 서포트 부재(14)는 용접 또는 아교접착에 의해 플레이트(13) 상에 부착될 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 플레이트(13)의 외부반경 측에 형성된 결합부(14a)가 용접됨으로써, 상기 플레이트(13) 상에 고정될 수 있다.

도 4에서 볼 수 있듯이, 일단이 서포트 부재(14)에 고정된 탄성포일(15)은 상호 중첩되도록 구비되어, 탄성포일(15)의 타단부는 인접한 탄성포일(15)의 상면에 접한다(도 2 참조). 여기서, 상기 탄성포일(15)은 서포트 부재(14)에 용접되어 고정될 수 있는데, 플레이트(13)의 외부반경 측에서 용접될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 탄성포일(15)과 플레이트(13) 사이에는 곡률 스프링(17)이 개재되는데, 상기 곡률 스프링(17)은 그 양단이 상기 플레이트(13)에 탄성적으로 지지되는 아치형상으로 구비된다. 여기서, 상기 곡률 스프링(17)은 탄성포일(15) 보다 큰 강성도를 구비하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 곡률 스프링(17)은 상기 플레이트(13) 상에 원주방향의 일정간격으로 용접됨으로써, 고정될 수 있는데, 플레이트(13)의 외부반경 측에 형성된 결합부(17a)가 용접될 수 있다.

여기서, 탄성포일(15)을 탄성적으로 지지하며 변형되는 곡률 스프링(17)의 지지부(17b)에는 다수의 절개홈이 구비되는데, 상기 절개홈은 상기 플레이트(13)의 원주방향으로 형성된다.

이러한 절개홈에 의해 곡률 스프링(17)은 다수 개의 단편으로 분리되는데, 도면에서 볼 수 있듯이, 분리된 곡률 스프링(17)의 단편들은 플레이트(13)의 반경방향으로 배열된다.

이와 같이, 곡률 스프링(17)에 절개홈이 구비됨으로써, 각 곡률 스프링(17)의 단편들은 서로 상대적인 운동이 가능하게 된다. 이에 따라, 곡률 스프링(17)의 변형이 보다 자유로워지는바, 변형에 따른 곡률 스프링(17)과 그의 지지를 받는 탄성포일(15)의 마찰작용이 증대된다.

여기서, 상기 곡률 스프링(17)의 절개홈은 적절하게 설계되는 것이 바람직하다. 이를 보다 상세히 설명하면, 곡률 스프링(17)의 절개홈이 과다하게 형성되는 경우, 각 단편의 강성이 약화되어, 베어링의 하중지지력이 약화될 수 있다.

그러나, 이와 반대로 곡률 스프링(17)의 절개홈이 과소하게 설계되는 경우에는 마찰작용 증가에 따른 댐핑증대효과가 저감될 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같이 구성되는 에어 포일 베어링의 구동에 대해 설명하기로 한다.

도 5 및 도 6은 도 2에 도시한 에어 포일 베어링의 작동상태도들이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 디스크(11)가 회전하면, 디스크(11)와 탄성포일(15) 사이에는 고압의 가스층이 형성되는데, 이러한 가스의 압력은 디스크(11)의 회전에 따라 급속하게 상승하게 되고, 결국, 도 6에 도시된 바와 같이, 디스크(11)가 탄성포일(15)로부터 부상하게 된다. 이러한 에어 포일 베어링의 동작과정을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

디스크(11)가 한 방향으로 서서히 회전하게 되면, 디스크(11)와 탄성포일(15) 사이의 공간부에 고압가스가 유입되기 시작한다. 상기 디스크(11)는 그 회전속도가 정상속도에 이를 때까지 탄성포일(15)의 만곡부에 접촉해 있다(도 5 참조). 여기서, 상기 탄성포일(15)은 강성도가 상대적으로 큰 곡률 스프링(17)에 의해 지지되므로, 에어 포일 베어링의 전체 강성도가 증가하게 되는바, 디스크(11)의 축방향 변위가 감소될 수 있고, 또한, 하중지지력이 증가될 수 있다.

디스크(11)와 탄성포일(15) 사이의 가스압력이 디스크(11)의 회전으로 인해 더욱 상승하게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 디스크(11)는 탄성포일(15)로부터 부상하게 된다.

도면에서 볼 수 있듯이, 베어링의 구동 중에는 다수 개의 접촉부위가 형성된다. 접촉부위, 다시 말해서, 유입되는 가스로 인한 탄성변형으로 마찰이 발생하는 영역은, 탄성포일(15)이 중첩되는 영역과, 탄성포일(15)과 곡률 스프링(17)이 접촉하는 영역이다(도 6 참조).

이와 같이 접촉부위가 다수 개 형성됨으로써, 마찰에 의한 베어링의 댐핑력이 향상될 수 있다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 곡률 스프링(17)이 절개홈에 의해 다수 개의 단편으로 분리되는바, 자유변형이 촉진되고, 이에 따라, 곡률 스프링(17)과 탄성포일(15)의 마찰작용이 증가되어, 댐핑력이 개선된다.

본 명세서에 첨부된 도면들에서는 회전체의 축방향으로 하중이 걸리는 트러스트 베어링 구조만이 도시되어 있으나, 본 발명의 실질적인 특징들은 회전체의 반경방향으로 하중이 걸리는 레이디얼 베어링에 대해서도 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 용이하게 이해될 것이다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 에어 포일 베어링에 의하면, 탄성포일을 지지하는 곡률 스프링에 절개홈이 형성됨으로써, 곡률 스프링이 복수 개의 단편으로 분리되는바, 곡률 스프링과 탄성포일의 미끄럼 접촉에 의한 댐핑능력이 향상될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 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 의해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래 공기 역학 포일 베어링의 구조를 도시한 평면도,

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링의 단면도,

도 3 및 도 4는 도 2의 에어 포일 베어링을 도시한 평면도들,

도 5 및 도 6은 도 2에 도시한 에어 포일 베어링의 작동 상태도들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...베이스 부재 11...디스크

13...플레이트 14...서포트 부재

14a...서포트 부재의 결합부 15...탄성포일

17...곡률 스프링 17a...곡률 스프링의 결합부

17b...곡률 스프링의 지지부

Claims (5)

1. 베이스 부재 상에 설치되는 플레이트;

   상기 플레이트 상에 원주방향으로 소정간격 이격되게 설치되는 복수 개의 서포트 부재;

   상기 서포트 부재에 그 일단이 결합되는 것으로, 상호 겹쳐지게 설치되는 복수 개의 탄성포일; 및

   상기 플레이트 상에 설치되어 상기 탄성포일을 탄성적으로 지지하는 것으로, 적어도 하나의 절개홈을 구비하는 적어도 하나의 스프링 부재를 포함하는 에어 포일 베어링.
2. 제1항에 있어서, 상기 절개홈은 상기 플레이트의 원주방향으로 형성되고, 상기 절개홈에 의해 분할된 상기 스프링 부재의 단편들은 상기 플레이트의 반경방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
3. 제1항에 있어서, 상기 곡률 스프링은 상기 플레이트의 원주방향으로 소정간격 이격되도록 복수 개 설치되고, 상기 각각의 곡률 스프링에는 복수 개의 절개홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
4. 제1항에 있어서, 상기 스프링 부재는 상기 탄성포일을 지지하는 지지부 및 상기 플레이트 상에 결합되는 결합부를 구비하고, 상기 결합부는 상기 탄성포일을 벗어난 상기 플레이트의 외부반경 측에 형성되며, 상기 지지부에는 상기 절개홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
5. 제4항에 있어서, 상기 지지부의 단면은 양단이 상기 플레이트에 지지되는 아치형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.