KR20060054524A - 에어포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어포일 베어링에 관한 것이다. 이는 회전 샤프트를 수용하는 원통형 공간을 갖는 베어링케이스와, 상기 원통형 공간내에 설치되며 베어링케이스의 내주면에 그 일단이 고정된 상태로 상기 샤프트측으로 연장되어 샤프트의 외주면에 접촉하고 상기 샤프트의 회전시 샤프트 주위에 발생하는 압력 상승에 의해 샤프트로부터 벌어지는 하나 이상의 탑포일과, 상기 베어링케이스의 내주면에 지지되며 샤프트로부터 발생하는 진동을 흡수하는 범프포일을 포함하는 에어포일 베어링에 있어서, 상기 범프포일은, 다수의 산부와 골부가 반복적으로 형성되어 물결형 단면 형상을 취하고 공기가 통과할 수 있는 적어도 하나의 제 1관통구멍을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 에어포일베어링은, 샤프트와 탑포일 사이의 압력공간 내부의 열을 압력공간 외부로 신속히 빼내어 제거할 수 있으므로, 샤프트는 물론 탑포일이 과열될 염려가 없다. 따라서 장치의 최대 rpm을 상승시킬 수 있으며, 같은 rpm의 경우 탑포일을 냉각하기 위해 필요한 공기의 양을 줄일 수 있어 그만큼 장치의 메인 섹션으로 보내어 활용할 수 있는 공기가 늘어나게 되므로 장치의 파워 및 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

에어포일 베어링{Air foil bearing}

도 1은 종래 에어포일 베어링의 일 예를 도시한 단면도이다.

도 2는 상기 도 1에 도시한 에어포일 베어링의 일부를 발췌하여 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 베어링의 구성을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.

도 4는 상기 도 3에 도시한 에어포일 베어링의 동작 메카니즘을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.

도 5는 상기 도 4에 도시한 에어포일 베어링에서의 냉각공기의 흐름을 나타내 보인 부분 사시도이다.

도 6 내지 도 8은 상기 도 3에 도시한 에어포일 베어링에 적용할 수 있는 여러 종류의 범프포일을 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11,31:에어포일 베어링 13:베어링케이스

15:샤프트 17:탑포일(top foil)

19:냉각포일 19a:냉각용구멍

21:범프포일(bump foil) 21a:산부

21b:골부 33:베어링케이스

33a:끼움슬릿 35:탑포일

35a:제 2관통구멍 35b:끼움부

37:범프포일 37a:산부

37b:골부 37c,37e:제 1관통구멍

37d:고정부

본 발명은 에어포일 베어링에 관한 것이다.

각종 터어보머신에 많이 사용되는 에어포일 베어링은, 샤프트의 회전시 발생하는 압축공기를 샤프트와 베어링케이스와의 사이공간 내부로 유도함으로써, 샤프트가 베어링 케이스 내에서 공기의 힘으로 부양되도록 하는 기본 메카니즘을 갖는다.

예를 들어 에어포일 베어링이 적용된 가스터빈엔진의 경우, 압축기에서 압축된 공기는 연료의 연소를 위해서 주로 사용되고 나머지 일부 압축공기가 에어포일 베어링으로 공급되어 압축기나 터어빈의 회전축을 지지하는 에어포일 베어링을 구동할 수 있는 것이다.

이러한 에어포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체의 축을 지지하는데 적합하여, 50,000rpm 내지 150,000rpm 까지의 고속 터어보머신의 베어링으로 사 용할 수 있고, 기존의 볼베어링이나 유체필름베어링(fluid film bearing)을 대체할 수 있다.

도 1은 종래 에어포일 베어링의 일 예를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 에어포일 베어링(11)은, 원통형 내부공간을 제공하고 그 내부로 샤프트(15)를 통과시키는 베어링케이스(13)와, 상기 베어링케이스(13)의 내주면에 일단부가 고정되며 내주면에 기대어진 상태로 내측으로 탄성 지지력을 가하는 범프포일(21)과, 상기 범프포일(21)과 샤프트(15)의 사이에 설치되는 탑포일(17) 및 냉각포일(19)을 포함하여 구성된다.

상기 탑포일(17)은 샤프트(15)를 부분적으로 감싸 선접촉 한 상태로 샤프트(15)의 고속 회전시 발생하는 압력공간(Z)내의 압력상승에 의해 샤프트(15)로부터 이격되어 베어링케이스(13)의 중심부로 이동한다.

상기 샤프트(15)는 회전하지 않을 때에는 하부로 내려앉아 아래측 부위의 탑포일에 접촉한 상태로 범프포일(21)에 탄성 지지된다.

한편, 상기 샤프트(15)와 탑포일(17)의 사이로 압축공기가 공급될 때 압축공기의 일부는 화살표 b방향으로 표현한 바와같이 상기 냉각포일(19)과 베어링케이스(13) 내주면의 사이로 공급된다.

이와같이 압축공기의 일부를 냉각포일(19)과 베어링케이스(13) 내주면의 사이로 공급하는 것은 탑포일(17)을 냉각시키기 위한 것이다.

도 2는 상기 도 1에 도시한 에어포일 베어링의 일부를 발췌하여 도시한 단면도이다.

도시한 바와같이, 베어링케이스(13)의 내주면에 범프포일(21)이 구비되어 있고, 상기 범프포일(21)의 도면상 상부에는 냉각포일(19)과 탑포일(17)이 차례로 설치되어있다.

상기 범프포일(21)은 일정두께의 시트로 제작된 것으로서 다수의 산부(21a)와 골부(21b)가 반복적으로 형성되어 물결모양의 단면형태를 갖는다. 또한 상기 골부(21b)는 베어링케이스(13)의 내주면에 접하고 산부(21a)는 냉각포일(19)의 저면에 접한다.

또한 상기 탑포일(17)과 냉각포일(19)은 면접하고 있고 상기 냉각포일(19)에는 다수의 냉각용구멍(19a)이 마련되어 있다. 상기 탑포일(17)과 냉각포일(19)은 대략 0.15mm정도의 자체 두께를 가지며 그 사이가 미세하게 벌어져 있다. 즉 탑포일(17)과 냉각포일(19)은 미세한 틈새로 이격되어 있는 것이다.

상기 냉각용구멍(19a)은 화살표 b방향으로 유입한 차가운 공기를 다시 화살표 c방향으로 유도하여 상기한 미세한 틈새로 공급하기 위해 설계된 것이다. 즉 상기 탑포일(17)과 냉각포일(19)의 사이로 냉각공기를 공급하여 고속 회전하는 샤프트(15)로부터 가해지는 열(H)에 의해 가열되는 탑포일(17)을 냉각하기 위한 것이다. 상기 탑포일(17)이 과열될 경우 베어링의 수명이 짧아지고 베어링효율이 급격히 낮아진다.

그러나 상기와 같이 구성되는 종래의 에어포일베어링(11)은, 상기 냉각포일(19)에 탑포일(17)을 냉각시키기 위한 냉각용구멍(19a)이 형성되어 있기는 하지만, 탑포일(17)과 냉각포일(19)이 거의 밀착되어 있으므로, 화살표 c방향으로 유도되는 냉각공기가 탑포일(17)과 냉각포일(19)의 사이로 들어가지 못한다는 현실적 한계가 있다. 따라서 상기 탑포일(17)은 냉각용구멍(19a) 주변부위만 냉각되고 다른 전체적인 부분은 냉각되지 못하여 상기한 수명 및 베어링효율의 문제를 발생하게 된다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 샤프트와 탑포일 사이의 압력공간 내부의 열을 압력공간 외부로 신속히 빼내어 제거할 수 있으므로, 샤프트는 물론 탑포일이 과열될 염려가 없고 장치의 최대 rpm을 상승시킬 수 있으며, 같은 rpm의 경우 탑포일을 냉각하기 위해 필요한 공기의 양을 줄일 수 있어 그만큼 장치의 메인 섹션으로 보내어 활용할 수 있는 공기가 늘어나게 되므로 장치의 파워 및 효율을 증가시킬 수 있는 에어포일 베어링을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 회전 샤프트를 수용하는 원통형 공간을 갖는 베어링케이스와, 상기 원통형 공간내에 설치되며 베어링케이스의 내주면에 그 일단이 고정된 상태로 상기 샤프트측으로 연장되어 샤프트의 외주면에 접촉하고 상기 샤프트의 회전시 샤프트 주위에 발생하는 압력 상승에 의해 샤프트로부터 벌어지는 하나 이상의 탑포일과, 상기 베어링케이스의 내주면에 지지되며 샤프트로부터 발생하는 진동을 흡수하는 범프포일을 포함하는 에어포일 베어링에 있어서, 상기 범프포일은, 다수의 산부와 골부가 반복적으로 형성되어 물결형 단면 형상을 취하고 공기가 통과할 수 있는 적어도 하나의 관통구멍을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 범프포일에 형성된 관통구멍은 산부와 골부에 일정 간격 패턴을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관통구멍은 원형 또는 사각형의 형상을 취하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탑포일에는 샤프트의 회전시 샤프트와 탑포일 사이의 공간부에 생성된 열을 공간부 외부로 배출하기 위한 적어도 하나의 제 2관통구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 탑포일은 두 개 이상이 구비되며, 상기 제 2관통구멍은 적어도 하나의 탑포일에 하나 이상 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일 베어링의 구성을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 에어포일 베어링(31)은, 원통형 수용공간(Y)을 제공하고 상기 수용공간(Y) 내에 샤프트(15)를 통과시키는 베어링케이스(33)와, 상기 수용공간(Y)의 내주면 벽에 기대어 설치되는 다수의 범프포일(37)과, 상기 범프포일(37)과 샤프트(15)의 사이에 설치되는 다수의 탑포일(35)을 포함하여 구성된다.

상기 범프포일(37) 및 탑포일(35)을 베어링케이스(33)내에 지지할 수 있도록 수용공간(Y)의 내주면에는 다수의 끼움슬릿(33a)이 나란하게 마련되어 있다. 상기 끼움슬릿(33a)은 수용공간의 중심부를 기준으로 등각 위치하며 탑포일(35)의 단부 및 범프포일(37)의 고정부(도 6의 37d)를 수용 고정한다.

상기 범프포일(37)은 그 일단부가 상기 끼움슬릿(33a)에 끼워진 상태로 베어링케이스의 내주면에 전체적으로 접하여 있다. 이에 반해 상기 탑포일(35)은 그 단부가 상기 끼움슬릿(33a)에 끼워진 상태로 샤프트(15)측으로 연장되어 샤프트(15)의 외주면에 부분적으로 접한다.

상기 탑포일(35)은 기본적인 탄성 지지력을 가지고 있다. 도 3에서는 샤프트(15)가 수용공간(Y)의 중심부에 위치하도록 도시하였지만 샤프트(15)는 중량이 있으므로 탑포일(35)이 탄성 지지한다 하더라도 회전하지 않을 때에는 어느 정도 하부로 쳐져 있다.

한편, 상기 범프포일(37)은 다수의 산부(37a)와 골부(37b)가 반복적으로 형성되어 전체적으로 물결모양의 단면 형상을 갖는다.(도 6 참조). 또한 상기 범프포일(37)의 골부(37b)는 베어링케이스(33)의 내주면에 접한다.

상기 범프포일(37)의 산부(37a) 및 골부(37b)에는 다수의 제 1관통구멍(37c)이 형성된다. 상기 제 1관통구멍(37c)은 도 4의 화살표 r2방향으로 들어오는 뜨거운 공기를 통과시키는 구멍으로서 이에 관해서는 도 4를 통해 후술하기로 하겠다.

상기 탑포일(35)에는 제 2관통구멍(35a)이 형성된다. 상기 제 2관통구멍(35a)은 샤프트(15)의 고속 회전시 탑포일(35)과 샤프트(15) 사이에 형성되는 압력공간(도 4의 Z)내부의 뜨거운 공기를 외부로 빼내기 위한 배열구멍이다.

상기 제 2관통구멍(35a)의 직경 및 분포위치는 압력공간(Z)의 압력 유지를 위하여 실험을 통해 적절히 결정된다.

도 4는 상기 도 3에 도시한 에어포일 베어링의 동작 메카니즘을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.

도시한 바와같이, 샤프트(15)를 화살표 a방향으로 고속 회전시키면 샤프트(15) 외주면에 부분적으로 접하고 있던 각 탑포일(35)이 화살표 s방향으로 밀려나게 된다. 이는 샤프트(15) 외주면과 샤프트 주위의 공기와의 마찰에 의해 발생하는 공지의 현상이다.

여하튼 상기와 같이 샤프트(15)가 고속 회전함에 따라 탑포일(35)과의 사이에 압력공간(Z)이 확보되고 또한 이와 때맞추어 콤프레셔로부터 압축공기의 일부를 상기 압력공간(Z)에 압입함으로써 샤프트(15)는 베어링케이스(33)의 거의 중심축부까지 부양하게 된다. 이 때 상기 콤프레셔로부터 공급되는 공기의 일부는 상기 댐프포일(도 5의 37) 위 아래를 도 5의 화살표 b방향으로 통과한다.

한편, 상기한 바와같이 탑포일(35)에는 제 2관통구멍(35a)이 마련되어 있으므로 고온의 압력공간(Z)의 열이 상기 제 2관통구멍(35a)을 통해 화살표 r1방향으로 배출된다. 이와같이 압력공간(Z) 내부의 고온의 열이 제 2관통구멍(35a)을 통해 신속히 배출됨과 동시에 콤프레셔로부터 새로운 공기가 계속적으로 유입되므로 샤프트(15)는 물론 탑포일(35)이 과열될 염려가 없다.

상기 제 2관통구멍(35a)을 통과한 고온의 공기는 더러는 제 1관통구멍(43c)을 화살표 r2방향으로 통과하면서 도 5의 화살표 b방향의 공기의 흐름에 쓸려 베어링케이스(33)의 외부로 배출 제거된다.

도 5는 상기 도 4에 도시한 에어포일 베어링에서의 냉각공기의 흐름을 나타내 보인 부분 사시도이다.

도면을 참조하면, 상기 탑포일(35)을 통해 압력공간(Z)으로부터 배출된 공기의 일부가 화살표 r2방향으로 제 1관통구멍(35c)을 통과하고 있음을 알 수 있다. 상기 제 1관통구멍(35c)을 통과한 공기는 범프포일(37)과 베어링케이스(33)의 사이에서, 또한 제 1관통구멍(35c)을 통과하지 못한 공기는 범프포일(37)과 탑포일(35)의 사이에서 화살표 b방향의 흐름에 밀려 베어링케이스(33)의 외부로 배출된다.

도 6 내지 도 8은 상기 도 3에 도시한 에어포일 베어링에 적용할 수 있는 여러 종류의 범프포일을 도시한 사시도이다.

도시한 바와같이, 범프포일(37)은 대략 직사각의 형편형태를 취하며 다수의 산부(37a)와 골부(37b)를 갖는다. 또한 그 일측 에지부에는 하부로 절곡된 고정부(37d)가 마련되어 있다.

특히 상기 산부(37a) 및 골부(37b)에는 다수의 제 1관통구멍(37c)이 형성되어 있다. 상기 제 1관통구멍(37c)의 역할은 상기한 바와같다. 상기 제 1관통구멍(37c)의 배열 패턴이나 직경은 경우에 따라서 매우 다양하게 변경할 수 있다.

아울러 상기 제 1관통구멍(37c)을 도 6 및 도 7과 같이 원형으로 제작할 수 도 있고, 도 8과 같이 한 쪽 방향으로 길게 연장된 장공형식으로 제작할 수 도 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지 식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 에어포일베어링은, 본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 샤프트와 탑포일 사이의 압력공간 내부의 열을 압력공간 외부로 신속히 빼내어 제거할 수 있으므로, 샤프트는 물론 탑포일이 과열될 염려가 없고 장치의 최대 rpm을 상승시킬 수 있으며, 같은 rpm의 경우 탑포일을 냉각하기 위해 필요한 공기의 양을 줄일 수 있어 그만큼 장치의 메인 섹션으로 보내어 활용할 수 있는 공기가 늘어나게 되므로 장치의 파워 및 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 회전 샤프트를 수용하는 원통형 공간을 갖는 베어링케이스와, 상기 원통형 공간내에 설치되며 베어링케이스의 내주면에 그 일단이 고정된 상태로 상기 샤프트측으로 연장되어 샤프트의 외주면에 접촉하고 상기 샤프트의 회전시 샤프트 주위에 발생하는 압력 상승에 의해 샤프트로부터 벌어지는 하나 이상의 탑포일과, 상기 베어링케이스의 내주면에 지지되며 샤프트로부터 발생하는 진동을 흡수하는 범프포일을 포함하는 에어포일 베어링에 있어서,

   상기 범프포일은, 다수의 산부와 골부가 반복적으로 형성되어 물결형 단면 형상을 취하고 공기가 통과할 수 있는 적어도 하나의 관통구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 범프포일에 형성된 관통구멍은 산부와 골부에 일정 간격 패턴을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 관통구멍은 원형 또는 사각형의 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.

Images