KR20060121343A - 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저널 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전체-베어링 시스템을 구성하는 외부 가압 저널 베어링에 있어서, 베어링 틈새로 가압된 윤활제를 공급하는 윤활제 공급용 미세 급기공이 1 열(42) 혹은 복수 열(43)로 원주 방향에 대하여 복수 개로 형성되며, 상기 급기공은 노즐 형태의 급기공 입구에서부터 베어링 틈새 입구까지 연결되어 형성되며, 상기 급기공은 급기공 입구에 포켓이 형성되며, 베어링의 하우징에는 이 포켓으로 공기를 공급하는 윤활제 공급구가 형성되며, 상기 급기공의 직경은 원주 방향에 따라 두 가지 이상의 서로 다른 크기를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 급기공을 갖는 저널 베어링 및 이러한 가변 급기공을 갖는 저널 베어링으로 지지 되는 회전체-베어링 시스템에 관한 것이다.

이 새로운 방식의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 회전체의 최대 가능 회전 속도는 기존의 동일한 직경의 급기공을 갖는 저널 베어링으로 지지 되는 경우보다 획기적으로 향상되며, 또한 회전체의 진동 특성도 획기적으로 향상되는 것을 특징으로 한다.

외부가압 저널베어링, 가변 급기공, 회전체, 안정한계속도, 훨비, 안정성, 진동

Description

가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링{Externally pressurized journal bearings with different supply holes}

도 1은 종래의 외부 가압 저널 베어링 지지 회전체 시스템의 사시도

도 2는 도 1의 외부 가압 저널 베어링 단면도

도 3과 4는 도 1의 외부 가압 저널 베어링에 대한 윤활면에서의 단면도

도 5는 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링의 단면도

도 6과 7은 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링에 대한 윤활면에서의 단면도

도 8에서 12는 종래 및 본 발명의 베어링 실시 예에 따른 성능 및 성능 변화도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 외부 가압 저널 베어링

2 : 로터 혹은 회전체

3 : 포켓

4 : 급기공

5 : 베어링 윤활면

본 발명은 외부 가압 저널 베어링의 일종인 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링 및 이를 이용한 회전체-베어링 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 베어링 틈새로 윤활제를 공급하는 통로인 급기공의 직경이 원주 방향에 대하여 변화를 가짐으로써, 베어링 틈새 내의 윤활제에서 발생되는 압력 분포를 고속 회전에 유리하도록 분포 시킴으로써, 이 베어링에 의하여 지지 되는 회전체의 최대 회전 속도를 크게 높일 수 있는 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링 및 이를 이용한 회전체-베어링 시스템에 관한 것이다.

도 1은 종래의 외부 가압 저널 베어링에 의하여 회전축이 지지 되는 회전체-베어링 시스템의 사시도로서 베어링(1)과 회전축(2)이 있으며, 베어링 윤활면에는 도 2에 보인 바와 같은 미세 급기공(4)이 원주 방향으로 복수 개로 구성된다.

종래의 외부 가압 저널 베어링은 도 3 혹은 도 4와 같은 1 열 혹은 복수 열의 구조로 구성되며, 원주 방향으로의 복수 개의 급기공 직경은 같은 크기의 직경을 갖는다.

이와 같은 종래의 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 회전체의 최대 회전속도를 증가시키거나 회전체의 진동 특성을 개선하기 위하여, 외부 가압되는 윤활제의 압력을 증가시키거나, 같은 크기를 갖는 급기공의 직경을 적절히 변화시키거나, 베어링의 틈새 크기를 감소시키거나, 베어링의 개수를 늘려 베어링이 지지하는 부하의 크기를 줄이는 등의 방법이 적용되고 있으나, 이와 같은 방법들을 이용하여 최대 회전 속도를 증가시키거나 진동 특성을 개선시키는 데에는 설계상 그리고 실제 작동 환경 등을 고려하여 여러 가지 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 고안된 것으로서, 외부 가압 되는 윤활제의 압력을 증가시키거나, 같은 크기를 갖는 급기공의 직경을 적절히 변화시키거나, 베어링의 틈새 크기를 감소시키거나, 베어링의 개수를 늘려 베어링이 지지하는 부하를 줄이는 등의 방법을 이용치 않고, 원주 방향으로 두 개 이상의 서로 다른 크기의 직경을 갖는 급기공이 1 열 혹은 복수 열로 구성된 베어링으로서, 회전체의 운전 특성을 고려하여 고속 회전 및 진동 특성에 유리하도록 윤활제의 압력 분포를 형성시키도록 함으로써, 이를 이용하여 지지 되는 회전체의 최대 회전 속도를 크게 향상시키며, 또한 진동 특성을 크게 향상시키는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 회전체-베어링 시스템을 구성하는 외부 가압 저널 베어링에 있어서, 베어링 틈새로 윤활제를 공급하는 원주 방향으로 여러 개의 미세 급기공이 형성되며, 상기 급기공은 베어링 반경 방향으로는 급기공 입구로부터 베어링 입구까지 연결되어 형성되며, 상기 급기공은 급기공 입구에 포켓이 형성되며, 베어링 하우징에 설치된 공급구를 통하여 이 포켓으로 윤활제가 공급되며, 상기 급기공의 직경은 원주 방향에 따라 두 개 이상의 서로 다른 크기를 갖는 급기공으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링 및 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 회전체-베 어링 시스템에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링 및 회전체-베어링 시스템의 구성에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 종래의 외부 가압 저널 베어링을 도시한 도 2의 베어링에 대하여 베어링의 윤활면(5)을 원주 방향으로 펼친 단면도를 도 3 과 도 4에 나타내었으며, 도 3은 1 열로 구성된 예이며, 도 4는 2 열로 구성된 예이다. 도 3 과 도 4에 나타낸 바와 같이 원주 방향에 대하여 복수 개로 구성되는 급기공의 직경은 모두 같은 크기의 직경을 갖도록 설계 되어진다.

도 5는 본 발명에 따른 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링(1A)의 단면도를 나타내고 있으며, 이 베어링에 대하여 베어링의 윤활면(5A)을 원주 방향으로 펼친 단면도를 도 6과 도 7에 나타내었다. 도 6은 1 열로 구성된 예이며, 도 7은 2열로 구성된 예이다. 도 6과 도 7에 나타낸 바와 같은 가변 급기공의 직경은 원주방향으로 2개 이상의 다른 크기의 직경을 갖는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 원주 방향에 대하여 크기가 서로 다른 급기공을 가짐으로써 베어링 틈새 내로 공급되는 공기의 압력 분포가, 회전체의 운전 특성을 고려하여 고속 회전 및 진동특성에 유리하도록 압력 분포를 형성시키도록 함으로써, 이를 이용하여 지지 되는 회전체의 최대 회전 속도를 크게 향상시키며, 또한 진동 특성을 크게 향상시킨다.

다음은 회전체의 최대 회전 속도 및 진동 특성의 향상이 가능한 압력 분포를 얻을 수 있는 급기공 크기에 대한 보다 바람직한 변화 형태를 찾아보면 다음과 같 다. 이를 위하여 가장 작은 급기공의 직경을 d₁ 이라 할 때, 가장 큰 급기공의 직경을 d₂ 라 한다. 혹은 가장 큰 급기공의 직경을 d₁ 이라 할 때, 가장 작은 급기공의 직경을 d₂ 라 한다. 회전체-베어링 시스템의 최대 회전속도를 나타내는 물리량을 안정한계속도라고 하는데, 안정한계속도 이상에서 회전체의 회전을 계속 방치할 경우에는, 회전 중심의 공전 크기가 단시간 내에 크게 증가되어 회전체가 베어링의 윤활면과 접촉되어, 결국 회전체 및 베어링부가 파손되는 현상을 초래할 수 있게 된다. 따라서 안정한계속도가 클수록 회전체의 최대 작동 속도는 높다고 할 수 있다.

안정한계속도를 구하는 방법은 다음과 같다. 아래의 계산 예는 윤활제가 공기인 경우의 한 예이다. 하기의 수학식 1은 베어링 틈새에서의 공기의 압력 분포를 나타내는 지배방정식이며, 수학식 2와 3은 급기공으로부터 베어링 틈새 내로 유입되는 공기의 유량 관계식이다.

상기의 수학식 1에서 3에 나타낸 p 는 압력, h 는 베어링 틈새 내 윤활막의 두께, μ 는 윤활제의 점성 계수, ω 는 회전체의 회전각속도, r 은 베어링 반경, t 는 시간, q _in 은 유입 유량, c 는 상수, α 는 급기공의 등가 면적, p_sp 는 급기 압력, g 는 중력가속도, R _g 는 기체 상수, T 는 절대 온도, 그리고 κ 는 윤활제의 단열지수이다.

상기의 수학식들로부터 주어진 급기공 형상에 대하여 베어링 틈새 내에서의 윤활제에서 발생하는 압력 분포를 구한다. 도 8은 종래의 베어링에 대하여 급기공의 직경이 모두 1.0 mm 인 경우에서의 압력 분포이며, 도 9는 급기공의 직경이 1.0 mm 와 0.1 mm 의 두 가지 조합에 의하여 발생되는 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링에서의 압력 분포의 예이다. 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링에서의 압력 분포가 비대칭 형태로 이루어짐으로써, 이 베어링으로 지지 되는 회전체는 고속 회전에 매우 유리하며, 또한 서로 우력 성분의 반력을 감소시킴으로써, 진동 특성이 매우 유리해 진다.

이 압력 분포를 이용하여 베어링 부에서의 강성과 감쇠를 구하여, 하기의 수학식 4와 같은 베어링-회전체 시스템의 운동방정식을 얻는다.

상기의 수학식 4에서 m 은 회전체의 질량이며, f _x 와 f _y 는 회전체 작용하는 하중 또는 외력이다. 상기의 수학식 4로부터 회전체-베어링 시스템의 진동 특성을 구하고, 또한 특성방정식을 유도하여, 이 특성방정식에서 Routh-Hurwitz 안정성 판별 조건을 이용하여 안정한계속도 및 안정한계속도에서의 선회비를 구한다. 선회비란 회전축의 회전 속도에 대한 회전축 중심의 선회속도의 비이다. 이와 같은 방법 에 의하여 얻어진, 회전체-베어링 시스템의 안정한계속도 변화의 예는 도 10과 같다.

도 10에서 급기공의 직경이 모두 같은 경우의 종래의 외부 가압 저널 베어링에 대응되는 안정한계속도가 O 부분에 되며, 나머지 부분이 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 회전체-베어링 시스템의 안정한계속도이다. 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 회전체-베어링 시스템의 안정한계속도가 크게 향상된다. 회전체-베어링 시스템의 진동 특성 및 안정한계속도 변화의 예는 도 11과 같다. 도 11에서 파선이 급기공의 직경이 모두 같은 종래의 외부 가압 저널 베어링을 이용한 베어링-회전체 시스템의 진동 특성이며, 실선이 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 베어링-회전체 시스템의 진동 특성이다. 그리고 도 11에서 △ 표시가 안정한계속도를 나타낸다. 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 베어링-회전체 시스템의 진동 특성 및 안정한계속도 특성이 크게 향상된다. 그리고 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링으로 지지 되는 회전체-베어링 시스템의 안정한계속도 변화의 예를 도 12에 나타내었다. 도 12에서 가로축과 세로축은 가장 작은 급기공의 직경 혹은 가장 큰 급기공의 직경을 의미하며, 파선으로 표시된 대각선에 대응되는 부분이 급기공의 직경이 모두 같은 경우에 대응하는 종래의 외부 가압 저널 베어링의 경우에 해당된다. 이것으로부터 볼 때, 원주 방향에 따른 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링의 가장 큰 급기공의 직경과 가장 작은 급기공의 직경 비는 2:1 이상이 적합하다.

본 발명에 따른 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링을 이용함으로써 회전체-베어링 시스템의 최대 회전 속도를 크게 높일 수 있고 또한 회전체의 진동 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링은 기름 윤활인 터보 블러워 혹은 터보 컴퓨레샤용 베어링 등에도 적용 가능하며, 또한 공기 윤활인 스핀들 베어링 등에도 적용 가능하며, 외부 가압되는 형태의 모든 베어링에 적용 가능하다.

Claims (4)

1. 회전체-베어링 시스템을 구성하는 외부 가압 저널 베어링에 있어서, 베어링 틈새로 윤활제를 공급할 수 있는 급기공의 직경이 원주 방향으로 두 가지 이상의 다른 크기를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는, 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링
2. 청구항 1에 있어서, 상기 두 자지 이상의 서로 다른 미세 급기공의 직경에 대하여 가장 큰 급기공의 직경과 가장 작은 급기공의 직경 비가 2:1 이상인 것을 특징으로 하는, 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 베어링 축방향에 대하여 1 열 혹은 복수 열로 구성되는 것을 특징으로 하는, 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링
4. 청구항 3에 있어서, 상기 가변 급기공을 갖는 외부 가압 저널 베어링에 의해 지지되는 회전체-베어링 시스템

Images