KR20080089838A - 에어 포일 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유막이 균일하게 유지되고 다양한 작동 환경에서 사용 가능한 구성을 갖는 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 제 1 플레이트; 상기 제 1 플레이트를 마주보는 제 2 플레이트; 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트의 사이에 배열되는 적어도 하나의 탄성 부재; 상기 제 2 플레이트의 외측에 원주 방향으로 배치되는 탑 포일; 및 상기 제 2 플레이트와 상기 탑 포일 사이에 배열되어 상기 탑 포일을 지지하고 높이가 서로 다른 복수 개의 지지 부재를 포함한다.
에어 포일 베어링

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}
도 1은 종래의 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 에어 포일 베어링의 범프 포일의 구조를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 도 3의 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 에어 포일 베어링 110: 제 1 플레이트
120: 제 2 플레이트 130: 탄성 부재
140: 결합 부재 150: 지지 부재
160: 탑 포일
본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로서, 상세하게는 유막이 균일하게 유지되고 다양한 작동 환경에서 사용 가능한 구성을 갖는 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
통상적으로 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위해서 에어 포일 베어링이 적용될 수 있다. 이러한 에어 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아니고, 에어 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 베어링이다.
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 1은 종래의 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 에어 포일 베어링의 범프 포일의 구조를 나타내는 측면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 에어 포일 베어링(1)은 결합 부재(20)가 원주 방향의 소정 간격으로 용접되어 있는 베이스 플레이트(10)와, 용접에 의해 결합 부재(20)에 그 일단이 고정된 탑 포일(40)이 포함된다. 또한, 에어 포일 베어링(1)에는 탑 포일(40)을 지지하도록 베이스 플레이트(10)에 용접되는 범프 포일(30)이 구 비된다.
범프 포일(30)은 도 2에 도시된 바와 같이 파동의 형상으로 형성된다. 여기서, 범프 포일(30)은 결합 부재(20)에서 멀어질수록 마루(파동의 가장 높은 부분)의 높이가 높아지도록 형성된다. 다시 말하면, 도 2에서 보았을 때 좌측 파동의 마루의 높이가 가장 낮고, 우측으로 갈수록 파동의 마루의 높이가 높아진다. 예를 들어, 가장 좌측 파동의 마루의 높이는 0.55mm, 다음 파동의 마루의 높이는 0.60mm, 그리고 그 이후의 파동의 높이는 0.65mm 로 형성될 수 있다.
이와 같이 범프 포일(30)이 설치됨으로써, 회전체의 동작시 탑 포일(40)과 범프 포일(30)의 미끄럼 접촉에 의해 마찰이 발생되는데, 종래 기술에 의하면, 각각의 탑 포일(40)은 판 스프링으로 형성된 범프 포일(30)에 의하여 지지되도록 구성된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 에어 포일 베어링(1)에는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
먼저, 종래의 에어 포일 베어링(1)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 범프 포일 자체가 판 스프링으로 형성된다. 그러나, 장시간 사용시 상기 판 스프링에 변동하는 외력이 반복적으로 가하여짐으로써 판 스프링의 피로파괴(fatigue failure) 현상이 발생할 수 있다.
또한, 판 스프링이 피로파괴에까지 이르지는 아니하더라도, 베어링의 특정 포일에 하중이 집중되어, 상기 하중이 집중된 부분에 변형이 발생하면, 이로 인하여 베어링의 지지 성능이 감소되어 회전체가 포일에 닿아 회전체 및 베어링이 파손 될 수 있는 문제점이 존재한다.
또한, 상기 집중 하중에 의하여 공기 유막이 작아지고, 따라서 과도한 열이 발생하여 냉각 효율이 감소되는 문제점이 존재한다.
또한, 제품의 용도 및 사용 환경 등에 적합한 기계적 성질을 가지는 판 스프링을 제작하는 것 자체가 용이하지 아니하다는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 유막이 균일하게 유지되고, 다양한 작동 환경에서 사용 가능하고, 베어링이 안정적으로 지지되어 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되는 에어 포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 제 1 플레이트; 상기 제 1 플레이트를 마주보는 제 2 플레이트; 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트의 사이에 배열되는 적어도 하나의 탄성 부재; 상기 제 2 플레이트의 외측에 원주 방향으로 배치되는 탑 포일; 및 상기 제 2 플레이트와 상기 탑 포일 사이에 배열되어 상기 탑 포일을 지지하고 높이가 서로 다른 복수 개의 지지 부재를 포함한다.
이러한 구성을 구비함으로써, 유막이 균일하게 유지됨으로써 제품의 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되고, 또한 다양한 작동 환경에서 사용 가능해지는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 탄성 부재는 코일 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탄성 부재는 코일 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탄성 부재는 판 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 지지 부재의 높이는 일 측에서 타 측으로 갈수록 순차적으로 높아질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 관한 에어 포일 베어링은 서로 마주보는 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트; 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트 사이에 배열되는 코일 스프링; 상기 제 2 플레이트 상에 원주 방향으로 배열되는 결합 부재; 상기 결합 부재의 일 측과 결합하는 탑 포일; 및 상기 제 2 플레이트와 상기 탑 포일 사이에 배열되어 상기 탑 포일을 지지하고 높이가 서로 다른 복수 개의 강체를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 사상은 이러한 실시예로 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자가 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 것으로서 구성요소의 용이 부가, 삭제, 추가 및 변형에 의해서 쉽게 제안할 수 있는 다른 실시예들도 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 측면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 에어 포일 베어링(100)은 제 1 플레이트(110)와, 제 2 플레이트(120)와, 탄성 부재(130)와, 탑 포일(160)과, 지지 부재(150)가 포함된다.
제 1 플레이트(110) 및 제 2 플레이트(120)는 상호 간에 실질적으로 평행인 방향으로 배치된다. 탄성 부재(130)는 제 1 플레이트(110)와 상기 제 2 플레이트(120)의 사이에 개입되어 소정의 탄성력을 제공한다. 탑 포일(160)은 제 2 플레이트(120)의 상부에 일 측이 고정되어 원주 방향으로 배치된다. 복수 개의 지지 부재(150)는 제 2 플레이트(120)와 탑 포일(160) 사이에 형성되어 탑 포일(160)의 고정 위치를 지지한다. 그리고, 제 2 플레이트(120) 상에 원주 방향으로 소정 간격 이격되도록 형성되어 탑 포일(160)과 제 2 플레이트(120)가 결합되도록 하는 복수 개의 결합 부재(140)가 더 포함될 수 있다.
제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120)는 상호 간에 실질적으로 평행한 방향으로 형성된다. 여기서, 제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120)는 서로 동일한 재질, 형상 및 크기로 형성될 수 있다.
제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120) 사이에는 적어도 하나의 탄성 부재(130)가 형성된다. 탄성 부재(130)는 제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120) 사이에 개입되어 제 1 플레이트(110) 및 제 2 플레이트(120)에 소정의 탄성력을 제공한다. 또한, 탄성 부재(130)의 일단은 제 1 플레이트(110)와 결합되고, 타단은 제 2 플레이트(120)와 결합됨으로써, 제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120)가 결합되도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
탄성 부재(130)는 도 4에 도시된 바와 같이 코일 스프링(coiled spring)으로 형성될 수 있다. 여기서, 코일 스프링(130)은 쇠막대를 나선형으로 둥글게 감아 만든 스프링으로써, 다양한 기계적 특성을 갖는 코일 스프링들이 이미 상용화되어 있 다. 따라서, 제품의 사양에 적합한 탄성 부재를 별도로 제작할 필요 없이, 기 제작되어 있는 코일 스프링 중에서 용이하게 선택/조달할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
한편, 코일 스프링은 원주 방향으로 복수 개 형성될 수 있다. 도 4에는 하나의 탑 포일(160) 당 다섯 개의 코일 스프링이 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 에어 포일 베어링(100)의 기계적 특성 및 사용 환경 등에 따라 다양한 형상 및 개수의 코일 스프링이 적용 가능함은 당연하다 할 것이다.
또한, 한 쌍을 이루는 복수 개의 코일 스프링(130)은 모두 동일한 기계적 특성(예를 들면 탄성 계수, 크기, 형상 등)을 갖도록 형성될 수도 있고, 각각의 코일 스프링(130)이 서로 다른 기계적 특성을 갖도록 형성될 수도 있다.
이와 같이 에어 포일 베어링(100)의 탄성 부재(130)로써 코일 스프링이 사용됨으로써 제품의 제조 비용이 절감되고, 제조 공정이 간단해지는 효과를 가질 수 있다. 또한, 다양한 기계적 특성을 가진 코일 스프링이 사용됨으로써, 다양한 작동 환경에 적합한 에어 포일 베어링(100)을 용이하게 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 종래의 판 스프링에 비하여 내구성이 탁월한 코일 스프링이 탄성 부재로 사용됨으로써, 스프링의 피로파괴 현상이 방지되고, 나아가서는 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
결합 부재(140)는 아교접착 등에 의해 제 2 플레이트(120) 상에 부착될 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 제 2 플레이트(120)의 반경 방향으로 용접됨으로써 제 2 플레이트(120) 상에 고정될 수도 있다.
탑 포일(160)은 회전체와 에어 포일 베어링(100) 사이에 공기막이 형성되도록 하는 금속 박판이다. 본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)의 각 탑 포일(160)들에는 실질적으로는 사각형의 평면인 마찰부가 형성되며, 이 마찰부의 일단이 결합 부재(140)에 용접 등의 방법으로 결합되어 고정된다.
또한, 겹치듯이 배치되어 있는 탑 포일(160)들 안쪽에 삽입되는 회전체의 원활한 회전을 위하여, 회전체와 마주보는 탑 포일(160)들의 면들에는 코팅층(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 탑 포일(160)들이 일 방향으로 겹치듯이 배치되어 있기 때문에, 회전체는 특정 방향으로는 회전이 원활해지고, 다른 방향으로는 회전이 제한된다.
마찰부에는 하나 이상의 홈(미도시)이 형성되고, 홈에 의하여 마찰부가 원주 방향으로 두 개 이상의 조각으로 분리될 수 있다. 분리되는 조각의 수는 탑 포일(160)마다 동일할 수도 있으나, 이들의 수가 상이할 경우 회전체와 탑 포일(160)들 사이에서 마찰 댐핑이 증가될 수 있다. 또한, 탑 포일(160)들은 다양한 재료로 제조될 수 있으며, 고온에서도 변형이 발생하지 않는 강성 재질인 인코넬(Inconel)이 사용될 수도 있다.
한편, 제 2 플레이트(120)와 탑 포일(160) 사이에는 복수 개의 지지 부재(150)가 형성되어 탑 포일(160)을 지지한다.
이와 같은 구성을 이루는 본 발명은 종래 판 스프링이 수행하던 역할을 탄성 부재(130)와 지지 부재(150)가 분리하여 수행하는 것을 특징으로 한다. 다시 말하 면, 종래에는 베이스 플레이트(도 1의 10 참조)와 탑 포일(도 1의 40 참조) 사이에 판 스프링으로 형성된 범프 포일(도 1의 30 참조)이 형성되었다. 그리고, 범프 포일(30)이 베이스 플레이트(10)와 탑 포일(40) 사이에 탄성력을 제공하는 동시에 탑 포일(10)을 지지하는 역할을 수행하였다. 따라서, 판 스프링에 변동하는 외력이 반복적으로 가하여짐으로써 판 스프링이 피로파괴(fatigue failure)되거나, 또는 변형이 발생하여 베어링이 파손될 수 있는 문제점이 존재하였다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)은 탄성 부재(130)와 지지 부재(150)가 분리되도록 하고, 탄성 부재(130)로 코일 스프링을 사용하도록 구성된다. 이와 같은 구조에 의하여 에어 포일 베어링의 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되고, 제조 비용이 감소되고, 제조 공정이 간단해지는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 복수 개의 지지 부재(150)는 결합 부재(140)에서 멀어질수록 높이가 높아지도록 형성될 수 있다. 다시 말하면, 도 4에서 보았을 때 좌측의 지지 부재(150)의 높이가 가장 낮고, 우측으로 갈수록 지지 부재(150)의 높이가 높아지도록 형성될 수 있다. 또한, 도 4에는 상기 하나의 탑 포일(160) 당 네 개의 지지 부재(150)가 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 에어 포일 베어링(100)의 기계적 특성 및 사용 환경 등에 따라 다양한 형상 및 개수의 지지 부재(150)가 적용 가능함은 당연하다 할 것이다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성되는 에어 포일 베어링의 동작에 대해 설명한다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)은 다양한 회전기기에 설치될 수 있으 나, 고속으로 회전하는 회전기기에 이용되는 것이 일반적이다. 따라서, 에어 포일 베어링(100)의 내측에 형성된 공간으로 회전체가 삽입되어 회전하게 된다.
회전체가 한 방향으로 서서히 회전하게 되면, 회전체와 탑 포일(160) 사이의 공간부에 고압가스가 유입되기 시작한다. 회전체는 그 회전 속도가 정상속도에 이를 때까지 탑 포일(160)에 접촉해 있다. 그리고, 회전체와 탑 포일(160) 사이의 가스압력이 회전체의 회전으로 인해 더욱 상승하게 되면, 회전체는 탑 포일(160)로부터 부상하게 된다.
여기서 회전기기가 작동될 때, 에어 포일 베어링(100)은 회전체의 자중을 지지할 뿐만 아니라, 회전체의 회전이 원활하도록 돕는다. 그리고, 회전체가 진동 등에 의하여 편심될 경우, 에어 포일 베어링(100)은 회전체의 진동을 흡수하기 위하여, 회전체와 제 2 플레이트(120) 사이에서 미끄럼 접촉에 의한 마찰을 발생시켜 반경 방향의 하중을 댐핑시키는 기능을 한다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링(100)에서는 탄성 부재(130)와 지지 부재(150)가 분리 형성되어, 외력이 탄성 부재(130)에 직접 작용하는 현상이 방지됨으로써, 상기 탄성 부재(130)의 파손 및 변형이 방지된다. 그리고, 상기와 같이 탄성 부재(130)의 파손 및 변형이 방지됨으로써, 제품의 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되고 제조 공정이 간단해진다.
한편, 탑 포일(160)들의 경우, 다수 개의 탑 포일(160)들이 겹치듯이 배치되어 있기 때문에, 일체형 탄성 포일에 비하여 포일들 간의 상대적 운동에 의한 마찰이 증가되므로, 전체적으로 마찰 댐핑이 향상된다.
이와 같은 본원 발명의 구성에 의하여 탄성 부재의 파손 및 변형이 방지됨으로써 제품의 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되고, 또한 다양한 작동 환경에서 사용 가능해지는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 측면도이다. 도 5에 도시된 실시예의 탄성 부재는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 비하여, 탄성 부재(230)로써 판 스프링이 사용된다는데 특징이 있다.
다시 말하면, 도 5에 도시된 실시예의 탄성 부재(230)는 판 스프링으로 형성될 수 있다. 판 스프링은 제 1 플레이트(210)와 제 2 플레이트(220)의 사이에 형성되고, 제 2 플레이트(220) 상에 별도의 지지 부재(250)가 구비되어 있다. 이러한 구성에 의하여, 판 스프링에 직접적인 외력이 가하여지는 현상을 방지할 수 있게 됨으로써, 베어링의 파손이 방지되고 제품 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다. 종래의 에어 포일 베어링은 판 스프링이 탄성 부재와 지지 부재의 역할을 동시에 수용하였기 때문에 이러한 효과를 얻을 수 없었다.
판 스프링은 원주 방향으로 복수 개 형성될 수 있다. 도 5에는 하나의 탑 포일(260) 당 네 개의 판 스프링이 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 에어 포일 베어링(200)의 기계적 특성 및 사용 환경 등에 따라 다양한 형상 및 개수의 판 스프링이 적용 가능함은 당연하다 할 것이다.
한 쌍을 이루는 복수 개의 판 스프링(230)은 모두 동일한 기계적 특성(예를 들면 탄성 계수, 크기, 형상 등)을 갖도록 형성될 수도 있고, 각각의 판 스프링(230)이 서로 다른 기계적 특성을 갖도록 형성될 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 탄성 부재의 파손 및 변형이 방지되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 유막이 균일하게 유지되고 다양한 작동 환경에서 사용 가능하고, 베어링이 안정적으로 지지되고, 내구성 및 동작 신뢰성이 향상되는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 제 1 플레이트;
    상기 제 1 플레이트와 마주보는 제 2 플레이트;
    상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트의 사이에 배열되는 적어도 하나의 탄성 부재;
    상기 제 2 플레이트의 외측에 원주 방향으로 배치되는 탑 포일; 및
    상기 제 2 플레이트와 상기 탑 포일 사이에 배열되어 상기 탑 포일을 지지하고 높이가 서로 다른 복수 개의 지지 부재를 포함하는 에어 포일 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 코일 스프링을 포함하는 에어 포일 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 판 스프링을 포함하는 에어 포일 베어링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 부재의 높이는 일 측에서 타 측으로 갈수록 순차적으로 높아지는 에어 포일 베어링.
  5. 서로 마주보는 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트;
    상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트 사이에 배열되는 코일 스프링;
    상기 제 2 플레이트 상에 원주 방향으로 배열되는 결합 부재;
    상기 결합 부재의 일 측과 결합하는 탑 포일; 및
    상기 제 2 플레이트와 상기 탑 포일 사이에 배열되어 상기 탑 포일을 지지하고 높이가 서로 다른 복수 개의 강체를 포함하는 에어 포일 베어링.
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