KR20080088293A - A wear prevention device of gas foil bearing in high-speed revolution axis system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a은 본 발명에 따른 가스포일 베어링에 의해 지지되는 고속 회전축 시스템에서 회전축이 정지한 상태를 도시한 횡단면도.1A is a cross-sectional view showing a state in which a rotating shaft is stopped in a high speed rotating shaft system supported by a gas foil bearing according to the present invention.
도 1b은 본 발명에 따른 가스포일 베어링에 의해 지지되는 고속 회전축 시스템에서 회전축이 고속으로 회전하는 상태를 도시한 횡단면도.1B is a cross-sectional view showing a state in which a rotating shaft rotates at a high speed in a high speed rotating shaft system supported by a gas foil bearing according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 가스포일 베어링에 의해 지지되는 고속 회전축 시스템에 구비된 마모방지 장치의 일예를 도시한 분해 사시도, Figure 2 is an exploded perspective view showing an example of the wear protection device provided in the high speed rotary shaft system supported by the gas foil bearing according to the present invention,
도 3a는 종래 포일베어링을 회전축 수직방향으로 절단한 상태의 종단면도로 회전축이 정지된 상태를 나타내고 있고, Figure 3a shows a state in which the rotating shaft is stopped in the longitudinal cross-sectional view of a state in which the conventional foil bearing is cut in the vertical direction of the rotating shaft,
도 3b는 고속회전 시 포일베어링에 의해 회전축이 부상하여 포일베어링의 중심과 회전축의 중심이 정렬되어 회전하고 있는 상태를 나타내고 있다.3B illustrates a state in which a rotating shaft is lifted by the foil bearing during high speed rotation so that the center of the foil bearing is aligned with the center of the rotating shaft.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
10 : 마모방지 시스템 20 : 회전축10: wear protection system 20: rotating shaft
30 : 포일베어링 31 : 베어링하우징30: foil bearing 31: bearing housing
40 : 콜릿 41 : 날개부40: collet 41: wing
42 : 홈부 50 : 슬리브42: groove 50: sleeve
60 : 부싱 70 : 구름베어링60: bushing 70: rolling bearing
71 : 외륜 72 : 내륜71: outer ring 72: inner ring
본 발명은 고속 회전축 시스템에서의 가스 포일베어링 마모방지 시스템에 관한 것으로, 포일베어링을 갖는 회전축시스템에서 원심력에 따라 벌어지는 날개부가 형성된 콜릿을 장착하여 고속과 저속일 때 회전축을 지지하는 베어링을 달리 구성하도록 함으로써 기동 또는 정지시 포일베어링의 부하 지지능력의 감소로 회전축이 탑포일과 간섭하여 마모를 일으키고 나아가 범프포일의 형상까지도 소성 변형시키는 문제점을 방지하는 가스 포일베어링의 마모방비 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a gas foil bearing wear prevention system in a high speed rotating shaft system, in which a bearing supporting a rotating shaft at high speed and low speed is mounted by mounting a collet formed with a wing portion that is formed according to a centrifugal force in a rotating shaft system having a foil bearing. Therefore, the present invention relates to a wear protection system for a gas foil bearing, which prevents a problem that the rotation shaft interferes with the top foil and causes plastic deformation even in the shape of the bump foil by reducing the load bearing capacity of the foil bearing at start or stop.
70년대 여객기 객실공조용 냉각터빈에 적용하기 시작하여 로켓엔진 터보펌프, 극저온 냉각기, 소형 가스터빈, 터보챠저, 히트펌프, 터보압축기 등으로 적용이 확대되고 있다. 현재 고속 회전축시스템에 널리 사용되고 있는 베어링으로는 유막베어링(예, 틸팅 패드베어링)을 들 수 있다. 이 베어링은 상당히 높은 신뢰성과 여러 장점을 갖고 있지만 작동유를 필요로 하기에 이에 따른 공급, 냉각, 순환, 밀봉장치 등이 요구된다. 또한 고속 터보압축기의 경우, 미량의 베어링 작동유가 압축기체와 같이 배출되어 청정도가 요구되는 용도에는 부합되지 않는다. 이에 대한 대안으로 제시되는 가스 포일베어링은 상기의 유막베어링이 갖고 있는 단점을 해소할 수 있으나, 유막베어링에 비해 아직 신뢰성이 부족하고 수명이 짧으며, 같은 크기의 포일베어링에 비해 부하지지능력과 베어링의 강성 및 감쇠 능력이 부족한 면이 있다. In the 1970s, it was applied to cooling air turbines for passenger cabin air conditioning, and has been expanded to rocket engine turbo pumps, cryogenic coolers, small gas turbines, turbochargers, heat pumps, and turbo compressors. Bearings widely used in high-speed rotary shaft systems are oil film bearings (eg, tilting pad bearings). These bearings have a high degree of reliability and many advantages, but they require hydraulic fluid, so supply, cooling, circulation and sealing are required. In addition, in the case of a high speed turbocompressor, a small amount of bearing hydraulic oil is discharged together with the compressor body, which is not suitable for applications requiring cleanliness. The gas foil bearing proposed as an alternative to this can solve the disadvantages of the oil film bearings, but it is still less reliable and shorter in life than oil film bearings. There is a lack of stiffness and damping ability.
근래에 들어 많은 연구와 개발 결과로 가스포일 베어링의 신뢰성, 수명, 부하지지능, 강성 및 감쇠능이 날로 향상되고 있다. 신뢰성과 수명 면에서 볼 때, 포일베어링은 기동 및 정지 시에 부하지지능력 저하로 회전축과 탑 포일이 접촉하여 마찰하는 근본적인 문제를 갖고 있다.In recent years, as a result of much research and development, the reliability, lifespan, load bearing capacity, rigidity and damping capacity of gas foil bearings are being improved day by day. In terms of reliability and lifespan, foil bearings have a fundamental problem of friction between the rotating shaft and the top foil due to a decrease in load bearing capacity at start and stop.
종래 포일베어링(100)의 탑 포일(120)은 일측 단부가 베어링 하우징(110)에 고정되고 타측 단부는 자유롭게 방치되어 축을 감싸고 있다. 회전축(200)이 정지된 상태에서는 도 3a와 같이 회전축의 자중에 의해 하부의 탑 포일과 범프 포일(130)이 눌려진 상태가 된다. 이 상태에서 회전을 시작하여 회전축을 부상시킬 수 있는 부하지지 능력을 갖는 소정의 회전속도 이상이 되면 도 3b와 같이 회전축(200)과 포일베어링(100)의 중심이 정렬되어 회전하게 된다. 이와 같이 회전축이 정지된 상태에서 회전을 시작할 경우와 회전축이 부상되어 회전하고 있는 상태에서 감속되어 정지할 경우 포일베어링의 부하지지 능력 미달로 회전축(200)과 탑 포일(120)이 접촉하여 마찰이 발생한다. 이러한 마찰은 나아가 회전축과 탑 포일의 접촉면에 마모를 야기하고, 발생된 열은 탑 포일과 범프 포일의 형상을 소성 변형 또는 파손시켜 포일베어링 고유의 성능을 저하시키거나 소멸하게 한다.The
이러한 문제점을 완화하기 위하여 탑 포일과 회전축에 윤활성 및 내마모성을 높이기 위하여 코팅, 열처리 기술이 적용하고 있는 등 임시적인 대안이 제공되고 있으나 근본적인 구조적 문제점은 여전히 내재되어 있다.In order to alleviate this problem, temporary alternatives such as coating and heat treatment techniques are applied to increase the lubricity and wear resistance of the top foil and the rotating shaft, but fundamental structural problems are still inherent.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로,The present invention was invented to solve the above problems,
회전속도에 의해 비례하여 증가하는 원심력을 이용하여 방사상으로 벌어지는 날개부가 형성된 콜릿을 회전축에 결합하고, 상기 콜릿의 내측으로는 구름베어링의 내륜에 장착된 부싱이 위치하도록 함으로써, 저속일 때에는 콜릿의 날개부가 부싱을 물고 회전하여 구름베어링이 회전축을 지지하도록 하고, 고속일 때는 원심력에 의해 콜릿의 날개부가 벌어져 부싱과 단락되고 포일베어링으로 지지가 이루어지도록 하는 고속 회전축 시스템에서의 가스 포일베어링 마모방지 시스템의 제공을 목적으로 한다.By using a centrifugal force that increases in proportion to the rotational speed, the collet having a radially widening wing portion is coupled to the rotational shaft, and the bushing mounted on the inner ring of the rolling bearing is located inside the collet. Rotation of the additional bushings to allow the rolling bearings to support the rotary shafts, and at high speeds, the wing of the collet is opened by the centrifugal force to short-circuit the bushings and to support the foil bearings. It is for the purpose of providing.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고속 회전축 시스템에서의 마모방지 시스템은,In order to achieve the above object, a wear protection system in a high speed rotation shaft system according to the present invention,
포일 베어링에 의해 지지되는 회전축 시스템의 마모방지시스템에 있어서, 상기 회전축에는 일측단부에 다수의 날개부가 형성되어 고속 회전 시 원심력에 의해 날개부가 원주방향으로 벌어지는 콜릿과, 상기 콜릿의 변위를 제한하는 슬리브가 설치되고, 상기 포일베어링의 베어링하우징에는 구름베어링의 외륜이 삽설되고, 상 기 구름베어링의 내륜에는 부싱이 설치되어 정지 및 저속회전시 상기 콜릿이 부싱에 안착되어 부싱이 결합된 구름베어링이 회전축을 지지하도록 한다.In the wear prevention system of the rotary shaft system supported by the foil bearing, a plurality of wings are formed at one end of the rotary shaft to collet the wings are circumferentially spread by the centrifugal force during high-speed rotation, and the sleeve to limit the displacement of the collet Is installed, the outer ring of the rolling bearing is inserted in the bearing housing of the foil bearing, the inner ring of the rolling bearing is provided with a bushing is installed on the inner ring of the rolling bearing when the collet is seated on the bushing and the rolling bearing combined with the bushing rotation shaft To support it.
또한, 상기 콜릿, 슬리브, 부싱은 강도가 높은 재질로 제조되고 서로 대향되는 면에는 윤활재가 공급되도록 하고, 상기 콜릿, 슬리브 그리고 부싱은 윤활유가 함침되는 다공질의 재질로 제조되는 것이 바람직하다.In addition, the collet, the sleeve, and the bushing is made of a material of high strength and the surface facing each other so that the lubricant is supplied, the collet, the sleeve and the bushing is preferably made of a porous material impregnated with lubricating oil.
또한, 상기 콜릿은 외주연을 따라 홈부을 형성해 날개부 시작부분의 두께를 얇게 하여 원심력에 의해 외측으로 용이하게 벌어지도록 한 것을 특징으로 한다.In addition, the collet is characterized in that the groove is formed along the outer periphery so as to thin the thickness of the start of the wing portion to be easily opened to the outside by centrifugal force.
이하에서는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세히 기술하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily understand and reproduce the present invention.
도 1a는 본 발명에 따른 포일 베어링 마모 방지 장치가 구비된 고속 회전축 시스템의 회전축이 정지한 상태 또는 시동 시, 정지 시를 도시한 횡단면도이고, 도 1b는 고속으로 회전하는 상태를 도시한 횡단면도이다. 도 2는 포일베어링 마모 방지 장치의 구성 부품인 구름베어링, 콜릿-슬리브, 변위제한 슬리브, 부싱을 회전축과 함께 도시한 분해 사시도이다. Figure 1a is a cross-sectional view showing a state in which the rotating shaft of the high speed rotary shaft system with a foil bearing wear protection device in accordance with the present invention is stopped or at start-up, Figure 1b is a cross-sectional view showing a state of rotating at high speed. FIG. 2 is an exploded perspective view showing a rolling bearing, a collet-sleeve, a displacement limiting sleeve, and a bushing, which are components of a foil bearing wear protection device, together with a rotating shaft.
도시된 바와같이 본 발명에 따른 고속회전축 시스템에서의 가스 포일베어링 마모방지 시스템(10)은 포일베어링의 정중앙에 회전축이 위치한다. As shown, the gas foil bearing
상기 포일베어링의 하우징(31)에는 구름베어링(70)의 외륜(71)이 슬립이 발생되지 않고록 견고하게 삽설되고, 상기 구름제어링의 내륜(72)에는 부싱(60)이 열박음, 억지끼움, 또는 이외에 다양한 방법으로 슬립이 발생되지 않도록 조립되어 후술되는 콜릿(40)의 날개부(41)가 안착되도록 한다. 상기 구름베어링(70)은 포일베어링(30)과 동심도를 유지하도록 설치되어 포일베어링의 마모를 방지하도록 하고, 회전축의 저속회전시(통상 5,000 rpm 이하) 회전축을 잠시 지지하는 역할을 담당함으로 포일베어링의 지지력이 저하되는 저속 또는 정지시 회전축을 지지하도록 한다.The
한편, 콜릿(40)은 회전축(20)에 조립되고, 상기 콜릿의 변위를 한정하는 슬리브(50)도 같이 조립하여 너트 또는 그 외의 방법으로 움직이지 않도록 고정한다. 상기 콜릿(40)은 외주연에 홈부(42)가 형성되고 상기 홈부를 기준으로 일측방향에는 콜릿(40)의 원주를 따라 다수의 절단홈이 형성되어 콜릿 일측단부에 다수의 날개부(41)가 형성되도록 한다.On the other hand, the
상기 콜릿의 날개부(41)는 회전축(20)의 회전속도가 증가함에 따라 원심력에 의해 외측으로 벌어지게 되는 것으로, 상기 콜릿의 외주연에 형성된 홈부(42)는 콜릿의 몸체와 접하는 날개부(41) 부분의 두께를 얇게 함으로써 원심력에 의해 날개부(41)가 외측으로 잘 휠 수 있도록 한 것이다. 또한 날개부(41)의 내면은 단부에서 콜릿의 몸체방향으로 점진적으로 작은 지름을 갖는 경사면으로 형성하여 원심력에 의해 휨이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.The
본 발명에 따른 콜릿(40)은 회전축(20)의 회전속도가 증가함에 따라 콜릿의 날개부(41) 부분에 작용하는 원심력이 커져 날개부(41)를 원주방향으로 벌어지게 하고, 회전축의 속도가 일정속도 이하 일 경우 부싱(60)과 결속되도록 한다.The
즉, 정지상태 그리고 시동 시, 정지 시의 저속 회전에서는 도 1a와 같이 콜 릿의 날개부(41)가 구름베어링(70)의 내륜(72)에 조립된 부싱(60)과 결속하여 구름베어링(70)이 회전축(20)을 지지한다. 또한, 회전속도가 증가하여 콜릿의 날개부(41)가 원심력에 의해 벌어지면 도 1b와 같이 구름베어링(70)에 의한 회전축(20) 지지는 단락되고 부하지지 능력이 확보된 포일베어링(30)에 의해 회전축(20)이 지지된다. 반대로 회전축(20)이 고속 회전상태에서 정지되는 상황에서도 같은 원리로 회전축지지 시스템은 전환되어 작동된다.That is, in the stationary state and at the start-up and low-speed rotation at the time of stop, as shown in FIG. 1A, the
상기 원심력에 의해 콜릿(40)의 날개부(41)가 원주방향으로 벌어지는 변위에 대한 설계는 일차적으로 포일베어링의 부하지지 능력이 완전히 발달되는 회전속도를 포일베어링의 설계, 해석, 실험을 통해 알아야 한다. 그리고 콜릿(40)의 형상, 사용 소재, 회전속도를 변수로 구조해석을 통해 변위를 결정할 수 있다. 콜릿과 함께 회전축에 조립되는 변위한계 슬리브(50)는 과도한 원심력에 의해 콜릿의 날개부(41)가 의미없이 원주방향으로 벌어지는 것을 제한하여 피로도 집중에 따른 소성 변형되는 것을 방지하기 위한 목적으로 사용된다.The design of the displacement of the
또한, 콜릿(40)과 부싱(60)의 소재는 서로 친화성이 없는 이종 재료의 조합이 바람직하며, 둘 중 하나는 경도가 높은 금속 또는 경질 코팅, 열처리된 금속을 사용하고, 다른 하나는 자체 윤활성이 있는 소재 또는 윤활성 물질을 함침시킨 소결 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 윤활성 물질의 함침도를 증가시키기 위해 다공성재질을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the material of the
즉, 본 발명에 따른 포일베어링 마모방지 시스템(10)은 포일베어링이 부하지지 능력이 충분히 발휘되지 않는 경우의 정지된 상태, 시동 시, 정지 시에서도 회 전축(20)에 장착된 콜릿(40)과 구름베어링(70)에 장착된 부싱(60)의 결합력에 의해 구름베어링이 회전축을 지지하게 하고, 회전축의 고속 회전시에는 콜릿의 날개부(41)가 원심력으로 벌어져 부싱(60)과 단락됨으로 회전축(20)은 포일베어링의 탑포일과 범프포일에 의해 지지가 이루어지도록 함으로써, 포일베어링의 지지력이 저하되는 정지, 시동 시, 정지 시에 회전축이 일측으로 편중되어 포일베어링의 탑포일에 집중적인 마찰이 발생되는 것을 회피하도록 한 것이다.That is, the foil bearing
이상에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명의 고속 회전축 시스템에서 포일 베어링 마모 방지 시스템은, As described in detail above, the foil bearing wear prevention system in the high speed rotary shaft system of the present invention,
회전속도에 의해 비례하여 증가하는 원심력을 이용하여 방사상으로 벌어지는 날개부가 형성된 콜릿을 회전축에 결합하고, 상기 콜릿의 내측으로는 구름베어링의 내륜에 장착된 부싱이 위치하도록 하여, 저속일 때에는 콜릿의 날개부가 부싱을 물고 회전하여 구름베어링이 회전축을 지지하도록 하고, 고속일 때는 원심력에 의해 콜릿의 날개부가 벌어져 부싱과 단락되고 포일베어링으로 지지가 이루어지도록 함으로써 회전축의 편중에 의한 과도한 접촉에 따른 탑포일과 범퍼포일의 마모 및 소성변형을 방지할 수 있으며, 포일베어링의 수명을 항구적으로 연장할 수 있는 유용한 시스템의 제공이 가능하게 되었다.Using a centrifugal force that increases in proportion to the rotational speed, the collet formed with a radially flared wing is coupled to the rotational shaft, and the bushing mounted on the inner ring of the rolling bearing is located inside the collet. Top bearing and bumper due to excessive contact due to the bias of rotation shaft by rotating the additional bushing so that the rolling bearing supports the rotating shaft. Foil wear and plastic deformation can be prevented and a useful system can be provided to permanently extend the life of the foil bearing.
한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변 경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.In addition, the above-mentioned example is only an example to demonstrate this invention. Therefore, it is a matter of course that those skilled in the art to which the present invention pertains use the partial change with reference to this detailed description fall within the scope of the present invention.
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Legal Events
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
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