KR20110106875A - 개선된 저널 베어링 설계 - Google Patents

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KR20110106875A
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Abstract

본 개시내용은 베어링, 예컨대 개선된 저널 베어링에 관한 것이다. 저널 베어링(40)과 함께 사용하기 위한 부싱(44)은 내부 베어링면(46)을 형성하는 원통형 내부; 종방향 축(45) 및 내경(ID); 종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 내부 베어링면(46)의 홈형성 영역; 및 내부 베어링면(46)의 홈형성 영역 내의 홈(48) 세트 - N은 홈(48) 세트의 홈 갯수임 - 를 포함한다. 각각의 홈은 부싱(44)의 종방향 축(45)으로부터 비틀림각(θ)으로 오프셋되어 배치된다. 비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가이다. 탄젠트(θ) = (π x ID) / (N x H).

Description

개선된 저널 베어링 설계 {IMPROVED JOURNAL BEARING DESIGN}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 전체가 본원에 도입된 "저널 베어링 설계 (JOURNAL BEARING DESIGN)"라는 명칭의 미국 가출원 번호 61/144,055 (2009년 1월 12일 출원)의 이익을 청구한다.
본 개시내용은 일반적으로, 회전 설비와 함께 사용하기 위한 베어링에 관한 것이다. 추가적으로, 본 개시내용은 개선된 저널 베어링 설계에 관한 것이다.
베어링은 통상적으로 회전 설비에 사용되어 두 부품 간의 상대적인 운동을 가능하게 한다. 예컨대, 볼 베어링 또는 롤러 베어링을 사용하여 샤프트를 고정된 하우징 내에서 회전시킬 수 있다. 저널 베어링은 회전 샤프트와 함께 사용하기 위한 단순한 베어링이다. 저널 베어링에서, "저널"은 샤프트의 일부를 지칭하며, "부싱(bushing)"은 저널을 둘러싼 중공 실린더이다. 부싱은 하우징, 또는 "저널 박스"로 불릴 수 있는 다른 케이싱(casing)에 고정된다.
통상적으로, 저널 및 부싱 모두는 매끈하게(smooth) 연마된 실린더이다. 저널과 부싱 사이의 갭은 베어링의 "간극(clearance)"으로 지칭될 수 있다. 저널 베어링에서, 저널과 부싱 사이의 간극 내에 윤활제가 첨가된다. 윤활제는 통상적으로 회전하는 저널과 고정된 부싱 사이에 완충작용(cushion)을 제공하도록 충분히 점성이다.
도 1은 회전 장치(1)를 포함하는 종래 기술 시스템의 예를 도시한다. 회전 장치(1)는 임의의 종류의 회전 설비(예컨대, 모터, 펌프 등)를 포함할 수 있다. 회전 장치(1)는 단부 캡(12) 및 저널 박스(14)를 구비한 고정식 하우징(10)을 포함한다. 회전 장치(1)는 또한 회전 요소(22) 및 저널 베어링(24)을 구비한 회전 샤프트(20)를 포함한다. 회전 요소(22)는 회전 장치(1)의 임의의 구성요소(예컨대, 로터, 임펠러 등)을 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술 저널 베어링(24)의 다양한 태양을 도시한다. 도 2a는 부싱 내부면(28)을 구비한 부싱(26)의 종방향 단면을 도시한다. 부싱(26)은 저널(27)을 수용하도록 구성된 중공 실린더이다. 도 2b는 저널 외부면(29)을 갖는 저널(27)을 도시한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 저널(27)이 부싱(26) 내부에 놓여 베어링(24)을 형성한다.
도 2d는 도 2c에 도시된 라인 2D-2D에 따른 베어링(24)의 단면을 도시하며, 화살표(30)는 회전 샤프트(20) 및 저널(27)의 회전 방향을 나타낸다. 부싱(26)과 저널(27) 간의 갭이 간극(34)이다. 간극(34) 내에 윤활제(32)가 도입된다. 부싱(26) 내에서 저널(27)의 회전은 윤활제(32)의 "웨지(wedge)"를 생성한다. 저널(27)은 부싱(26)과 직접 접촉하지 않으면서 윤활제(32)의 웨지 상에 놓인다.
일부 응용에서, 윤활제(32)는 회전 장치(1)의 내부 및 임의의 베어링(24)을 통해 순환하여, 열을 제거하고 윤활을 제공한다. 통상의 캔드(canned) 모터 응용에서, 베어링(24) 냉각에 적절한 윤활제(32)의 양은 모터 및/또는 그 구성요소 냉각에 필요한 윤활제(32)의 양보다 적다. 이러한 응용에서, 윤활제(32)의 일부는 베어링(24)을 우회하여, 간극(34) 통과에 수반되는 압력 강하를 방지한다 - 많은 저널 베어링에서 간극(34)을 통한 유동에 대한 큰 저항이 존재한다. 밀접한 간극의 저널 베어링 설계는 윤활제의 압력 강하와 최소 허용가능 유량 간의 균형에 의해 유의하게 제한된다. 또한, 회전 장치(1)의 회전 속도가 증가함에 따라, 간극(34)을 통한 유동에 대한 저항도 증가한다. 일부 저널 베어링은 - 간극을 통한 유동에 대한 저항을 감소시키기 위해 - 베어링면에 하나 이상의 홈을 포함한다.
본 개시내용은, 일부 실시양태에 따라, 저널 베어링에 관한 것이다. 예로서, 본 개시내용의 교시는 저널 베어링에 사용하기 위한 부싱을 제공한다. 부싱은, 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부, 종방향 축 및 내경(ID), 종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 내부 베어링면의 홈형성 영역, 및 내부 베어링면의 홈형성 영역 내의 홈 세트 - N은 홈 세트의 홈 갯수임 - 를 포함할 수 있다. 각각의 홈은 부싱의 종방향 축으로부터 비틀림각(helix angle:θ)으로 오프셋되어 배치될 수 있다. 비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가일 수 있다.
탄젠트(θ) = (π x ID) / (N x H).
다른 예로서, 본 개시내용은 저널 베어링에 사용하기 위한 부싱을 제공한다. 부싱은 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부, 원통형 내부의 중심을 통해 진행하는 종방향 축, 종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 내부 베어링면의 홈형성 영역, 및 내부 베어링 면의 홈형성 영역 내의 나선형 홈 세트를 포함할 수 있다. 또한, 종방향 축에 평행한 방향으로 내부 베어링면의 홈형성 영역을 따라 연장되는 임의의 직선은 나선형 홈 세트 중 단 하나의 홈과 교차할 수 있다.
다른 예로서, 본 개시내용은 회전 설비와 함께 사용하기 위한 베어링을 제공한다. 베어링은, 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부, 종방향 축 및 내경(ID)을 갖는 부싱, 회전 샤프트 상에 장착되고 부싱 내에서 회전하도록 구성되며 외부 베어링면을 형성하는 원통형 외부를 갖는 저널, 부싱의 종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 부싱의 내부 베어링면의 홈형성 영역, 및 부싱의 내부 베어링면의 홈형성 영역 내의 홈 세트 - N은 홈 세트의 홈 갯수임 - 를 포함할 수 있다. 각각의 홈은 부싱의 종방향 축으로부터 비틀림각(θ)으로 오프셋되어 배치될 수 있다. 또한, 비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가일 수 있다.
탄젠트(θ) = (π x ID) / (N x H).
다른 예로서, 본 개시내용은 회전 설비와 함께 사용하기 위한 베어링을 제공한다. 베어링은 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부, 실린더 내부의 중심을 통해 진행하는 종방향 축을 갖는 부싱, 회전 샤프트 상에 장착되고 부싱 내에서 회전하도록 구성되며 외부 베어링면을 형성하는 원통형 외부를 갖는 저널, 종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 내부 베어링면의 홈형성 영역, 및 내부 베어링면의 홈형성 영역 내의 나선형 홈 세트를 포함할 수 있다. 종방향 축에 평행한 방향으로 내부 베어링면의 홈형성 영역을 따라 연장되는 임의의 직선은 나선형 홈 세트 중 단 하나의 홈과 교차할 수 있다.
본원의 실시양태 및 장점은, 유사한 참조 번호가 유사한 특징부를 나타내는 첨부 도면과 연계하여 이하의 설명을 참조함으로써 보다 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 회전 설비 및 저널 베어링을 포함하는 종래 기술 시스템의 예를 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 예시적인 종래 기술 저널 베어링의 다양한 태양을 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 교시를 도입한 예시적인 베어링을 도시한다.
도 4는 라인 4-4를 따른, 도 3의 베어링의 단면을 도시한다.
도 5는 라인 5-5를 따른, 도 3의 베어링의 단면을 도시한다.
도 6은 본 개시내용의 교시를 도입한 예시적인 부싱의 선택된 태양을 도시한다.
도 7 및 도 8은 본 개시내용의 교시를 도입한 예시적인 부싱의 선택된 태양을 도시한다.
본 개시내용의 실시양태 및 그 장점은, 유사 및 대응 부분을 나타내는데 유사 번호를 사용하는 도 3 내지 도 8을 참조하여 가장 잘 이해된다. 본원의 논의가 캔드 모터 펌프와 함께 저널 베어링에 사용하기 위한 부싱에 본원의 교시를 응용하는데 집중하고 있지만, 이러한 교시는 다른 회전 설비에 응용될 수 있다. 예컨대, 본 개시내용의 교시는 저널 베어링에 사용하기 위한 저널을 개선하는데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 본 개시내용의 태양을 구현한 저널 베어링은 수직, 수평 및/또는 다른 방식으로 정렬된 응용에 사용될 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 교시를 도입한 예시적인 저널 베어링(40)을 도시한다. 저널 베어링(40)은 저널(42) 및 부싱(44)을 포함할 수 있다. 저널(42)의 외경과 부싱(44)의 내경 간의 차이가 간극(41)을 형성할 수 있다 (도 4에 도시됨). 저널(42)은 회전 샤프트(50) 상에 장착될 수 있고/있거나 회전 샤프트(50)와 일체형일 수 있다. 회전 샤프트(50) 및 저널(42)은 화살표(52)에 의해 도시된 방향으로 단일 유닛으로 회전한다. 부싱(44)은 일반적으로 회전 샤프트(50)와 정렬된 종방향 축(45) (도 5에 도시됨)을 가질 수 있다. 부싱(44)은 도 3에 L1으로 도시된 길이를 가질 수 있다.
도 4는 라인 4-4를 따른, 도 3의 저널 베어링(40)의 단면을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 부싱(44)이 저널(42)을 둘러쌀 수 있다. 저널(42)과 부싱(44) 사이의 공간은 간극(41)을 형성할 수 있다. 저널 베어링(40)은 베어링면 중 하나에 홈 세트(48)를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 저널 베어링(40)은 부싱(44)의 내부 베어링면(46)에 홈 세트(48)를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 저널 베어링(40)은 저널(42)의 외부 베어링면(43)에 홈 세트(48)를 포함할 수 있다. 저널 베어링의 베어링면(43, 46) 중 하나에 홈을 추가하는 경우, 간극(41)을 통한 유체 유동에 대한 저항이 감소할 수 있다. 간극(41)을 통한 유체 유동에 대한 저항 감소는 간극(41)을 통한 유체의 부피 유량을 증가시킬 수 있으며, 결국 유체 압력의 증가를 필요로 하지 않고도 베어링 수명 및/또는 냉각 향상을 제공할 수 있다.
도 5는 라인 5-5를 따른, 도 3의 부싱(44)의 단면을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 부싱(44)은 내부 베어링면(46)을 형성하는 원통형 내부를 포함할 수 있다. 원통형 내부는 종방향 축(45)을 형성할 수 있다. 내부 베어링면(46)은 부싱(44)의 원통형 내부를 라이닝(lining)하는 연성 재료를 포함할 수 있다. 부싱(44)의 원통형 내부를 라이닝하기 위한 예시적인 일 재료는 통상 "배빗(babbit)"으로 공지된 것일 수 있다. 배빗은 주석- 및/또는 납-기반 합금을 포함할 수 있다. 배빗 및/또는 다른 적절한 재료로 제조된 라이닝은, 저널(42)이 부싱(44)과 접촉하게 되는 경우, 회전 샤프트(50) 또는 저널(42)을 손상(예컨대, 마링(marring) 및/또는 가우징(gouging))으로부터 보호할 수 있다. 또한, 배빗 라이닝은 윤활제(53)에서 발생되는 임의의 오염물이, 저널(42)의 손상 없이 라이닝에 포획되게 할 수 있다.
부싱(44)은 내부 베어링면(46)에 하나 이상의 홈(48)을 포함할 수 있다. 홈(48)을 포함하는 부싱(44) 부분은 홈형성 영역으로 기술될 수 있다. 일부 실시양태에서, 홈형성 영역은 홈(48)을 포함하는, 종방향 축(45) 방향으로 연장된 영역이다. 예컨대, 도 5에 도시된 실시양태에서, 홈형성 영역은 종방향 축(45)에 수직 연장된 가상선(49)에 의해 경계지어지는 내부 베어링면(46)의 영역이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 홈형성 영역은 길이(L2)를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 홈형성 영역의 길이(L2)는 대략 L1과 동등할 수 있다.
도 4 및 도 5는, 예로서, 내부 베어링면(46)에 4 개의 홈(48)을 구비한 홈형성 영역을 도시한다. 홈형성 영역은 복수의 홈(48) - 그 갯수를 N으로 정의함 - 을 갖는 것으로 기술될 수 있다. 개별적인 홈은 홈형성 영역에 임의의 단일 연속 홈(48)을 포함할 것이다.
부싱(44)은 홈형성 영역에 단일 홈(48) 또는 N 개의 홈(48) 세트를 포함할 수 있다. 도 4에 대해 논의한 바와 같이, 저널 베어링(40)의 베어링면(43, 46)에 홈(들)(48)을 추가하는 것은 간극(41)을 통한 유체 유동에 대한 저항을 감소시킬 수 있다. 그러나, 저널 베어링(40)의 베어링면(43, 46)에 홈(들)(48)을 추가하는 것은, 또한 저널 베어링(40)의 하중 지지 능력을 감소시킬 수 있다. 홈(들)(48)의 특정 설계 및 형상은, 간극(41)을 통한 유체 유동에 대한 저항 및 저널 베어링(40)의 하중 지지 능력 모두에 영향을 미칠 수 있다.
저널 베어링의 하중 지지 능력은 베어링면의 유체역학적 유효 표면적에 관계된다. 통상적으로, 홈형성 표면은 매끄러운 표면에 비해 작은 총 유체역학적 표면적을 제공한다. 저널 베어링의 베어링면(43, 46)에 홈(48) 세트를 설계하는데 있어 한 가지 해결해야 할 측면은, 저널 베어링(40)의 하중 지지 능력을 현저히 감소시키지 않으면서 간극(41)을 통한 유체 유량을 증가시키는 것이다.
도 6은 저널 베어링(40)의 베어링면(43, 46)에 사용하기 위한 홈(들)(48)의 예시적인 설계를 도시한다. 도 6은, 단지 예시의 목적으로 편평한 표면인 것처럼 비압연된(unrolled) 베어링면(43, 46)을 도시한다. 도 6에 도시된 홈(들)(48)의 설계는, 도 5에 도시된 부싱(44)의 베어링면(46) 및/또는 저널(42)의 베어링면(43)에 수행될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 가상선(49)이 베어링면(43, 46)의 홈형성 영역을 경계지을 수 있다. 베어링면(43, 46)의 홈형성 영역은 도 5에 관해 상기 논의한 바와 같이 길이(L2)를 가질 수 있다.
도 6에 도시된 설계는 종방향 축(45)에 대해 각도 θ로 연장되는 4 개의 홈(48) (N = 4)을 포함한다. 도 6에 도시된 예가 4 개의 홈을 포함하지만, 당업자는 임의의 갯수의 홈을 갖는 것으로 본 개시내용의 교시를 수행할 수 있다. 홈(들)의 θ는 하기 수학식 1로 정의될 수 있다.
<수학식 1>
탄젠트(θ) = (π x D) / (N x H).
식중, θ는 홈(48)과 종방향 축(45) 사이의 비틀림각이고, D는 원통형 베어링면의 직경이고, N은 홈의 갯수이고, H는 베어링면의 홈형성 영역의 길이이다. (π x D)가 원통형 베어링면의 원주이므로, (π x D) / N은 각각의 홈(48)이 커버하는 원주 길이이다. 당업자는 수학식 1에 의해 정의된 값 근처에서 θ를 변경할 수 있다. 예컨대, θ를 증가시키는 것은 베어링면의 홈형성 영역의 양 단부에서 홈(48)의 중첩을 제공할 수 있다. 다른 예로서, θ를 감소시키는 것은 베어링면의 홈형성 영역의 양 단부에서 홈(48)의 단부들 사이에 갭을 제공할 수 있다. 예로서, 비틀림각은 0.5 x θ 내지 1.5 x θ에서 선택될 수 있다. 다른 예로서, 비틀림각은 0.9 x θ 내지 1.1 x θ에서 선택될 수 있다.
베어링(40)에서, 홈형성 영역은 베어링면 중 하나 또는 둘 모두(예컨대, 부싱(44)의 내부 베어링면(46) 및/또는 저널(42)의 외부 베어링면(43))에 존재할 수 있다. 홈(48)의 비틀림각(θ) 결정시, 저널과 부싱의 평균 직경(예컨대, (저널 외경 + 부싱 내경) / 2)을 사용할 수 있다. 많은 저널 베어링에서, 저널과 베어링 사이의 간극은 저널의 직경 및/또는 부싱의 직경에 비해 비교적 작을 수 있다. 본 개시내용의 교시를 도입한 예시적인 베어링에서, 홈(48)의 설계는 하기 수학식 2를 사용하여 비틀림각(θ)을 설정하는 것을 포함할 수 있다.
<수학식 2>
탄젠트(θ) = (π x (D1 + D2)) / (2 x N x H).
식중, θ는 홈(48)과 종방향 축(45) 사이의 비틀림각이고, D1은 부싱 내부 베어링면의 직경이고, D2는 저널 외부 베어링면의 직경이고, N은 홈의 갯수이고, H는 베어링면의 홈형성 영역의 길이이다. 이 실시양태에서, (D1 + D2) / 2는 두 직경의 평균을 제공한다. (π x (D1 + D2)) / 2가 평균 직경의 원주이므로, (π x (D1 + D2)) / 2 x N은 각각의 홈(48)이 커버하는 원주 길이이다. 당업자는 수학식 2에 의해 정의된 값 근처에서 θ를 변경할 수 있다. 예컨대, θ를 증가시키는 것은 베어링면의 홈형성 영역의 양 단부에서 홈(48)의 중첩을 제공할 수 있다. 다른 예로서, θ를 감소시키는 것은 베어링면의 홈형성 영역의 양 단부에서 홈(48)의 단부들 사이에 갭을 제공할 수 있다. 예로서, 비틀림각은 0.5 x θ 내지 1.5 x θ에서 선택될 수 있다. 다른 예로서, 비틀림각은 0.9 x θ 내지 1.1 x θ에서 선택될 수 있다.
다른 예로서, 각각의 홈(48)은 그의 선회(turn)에 의해 기술될 수 있다. 각각의 홈(48)의 선회는 홈(48)이 커버하는 원주 부분이다. 예컨대, 베어링면(43, 46)의 원주를 1 회전하는 단일 홈(48)은 1 선회하는 것으로 기술될 수 있다. 각각이 베어링면(43, 46)의 원주의 1/4을 커버하는 도 6에 도시된 4 개 홈(들)(48)의 세트는 1/4 선회 또는 0.25 선회하는 것으로 기술될 수 있다. 본 개시내용의 교시를 도입한 저널 베어링(40)의 실시양태에서, 각각의 홈(48)은 대략 1 / 홈의 갯수와 등가로 선회할 수 있다.
<수학식 3>
홈 선회 = 1 / N.
본 개시내용의 교시를 도입한 저널 베어링의 일부 장점은 간극(41)을 통한 유체(예컨대, 윤활제) 유동에 대한 저항 감소를 포함할 수 있다. 저항 감소는 일정 압력에서 부피 유동이 증가되게 할 수 있다. 간극(41)을 통한 부피 유동 증가는 저널 베어링(40)의 온도 제어 및/또는 저널 베어링(40)의 사용 수명을 개선할 수 있다. 베어링 수명 증가는 결국, 저널 베어링(40)을 도입한 회전 설비 부품의 신뢰성을 개선할 수 있다. 홈 세트(48)를 포함하는 저널 베어링(40)의 실시양태에서, 간극(41)을 통한 유동 경로 길이를 감소시키는 홈 설계는 또한 베어링 표면적 손실을 감소시킬 수 있다. 대략 수학식 3에 의해 정의된 것과 동일하게 선회하는 홈 선택은 또한 베어링 수명 연장을 제공할 수 있다. 예컨대, 일 베어링 설계는 수학식 3에 의해 정의된 선회의 50 % 내지 150 %로 선회하는 홈을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 일 베어링 설계는 수학식 3에 의해 정의된 선회의 90 % 내지 110 %로 선회하는 홈을 포함할 수 있다.
홈 세트의 홈(48) 갯수(N) 선택은 복수의 변수 및/또는 고려사항에 의존할 수 있다. 예컨대, 베어링(40)을 포함한 설비의 작동은 베어링(40)을 가로지르는 허용가능한 압력 강하의 범위, 저널(42)의 기대 회전 속도, 및/또는 베어링(40)에 사용되는 유체의 점도를 제공할 수 있다. 일부 경우에, 당업자는 베어링의 형상 및 작동에 의해 제공되는 유동각과 비슷한 비틀림각(θ)을 제공하도록 N을 선택할 수 있다. 예컨대, 설계는 1 내지 10 개의 홈을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 설계는 1 내지 5 개의 홈을 포함할 수 있다.
홈 세트의 홈(48) 갯수인 N을 변경하는 것과 함께, 당업자는 하나 이상의 홈(48)의 선회 또는 비틀림각 변경을 선택할 수 있다. 유동 경로 길이를 감소시킬 수 있는 설계는 종방향 축(45)에 평행한 축방향 홈(즉, θ = 0)을 포함한다. 축방향 홈은 매끄러운 저널 베어링면에 비해 저널 베어링(40)을 통한 유동 증가를 제공하지만, 베어링 표면적의 비교적 큰 감소 및 이에 따른 하중 지지 능력의 비교적 큰 감소를 겪게 된다. 또한, 축방향 홈은 방사상으로 대칭이 아니어서, 축방향 홈을 포함하는 저널 베어링의 하중 지지 능력은 홈형성 표면의 배향에 매우 의존적이다.
반대로, 대략 수학식 1에 따른 θ와 동일한 비틀림각을 갖는 홈(48) 세트는 저널 베어링(40)의 하중 지지 능력의 현저한 감소 없이 간극(41)을 통한 유체 유동에 대한 저항을 감소시킬 수 있다. 본 개시내용의 교시에 따른 홈(48) 세트(예컨대, 도 6, 도 7 또는 도 8에 따름)는 방사상 대칭인 베어링 - 종방향 축(45)에 평행한 임의의 사선(radial line)이 정확하게 하나의 홈(48)과 교차함 - 을 제공할 수 있다.
전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics: CFD)을 사용한, 도 6에 도시된 것과 유사한 예시적인 저널 베어링(40a)의 모델링은, 다른 저널 베어링 설계와 비교하여, 간극(41)을 통한 유체 유동에 대한 저항에 있어서 놀랍고 예기치 않은 감소량을 입증한다. 예시적인 저널 베어링(40a)은 부싱(44a)의 베어링면(46a)에 4 개의 홈(48a)을 포함하였다. 홈(48a)은 3 mm 반경의 4 개의 반원형 홈을 포함하였다. 홈(48a) 각각은 약 52.6°의 비틀림각(θ)을 가졌다. 부싱(44a)의 내경은 80.188 mm였다. 홈형성 영역의 길이(L2)는 82.5 mm였다. 예시적인 저널 베어링(40a)은 0.1525 mm의 간극(41a)을 포함하였다. 예시적인 저널 베어링(44a)을 홈(48)이 없는 유사한 저널 베어링과 비교하였다.
저널 베어링의 4 가지 설계를 동등한 상황(예컨대, 동일한 길이, 저널 직경, 부싱 직경, 간극, 베어링을 가로지르는 압력 강하, 저널 회전 속도, 유체 특성 등)으로 모델링하였다. 홈이 없는 매끄러운 저널 베어링(베어링 A)은 338 파운드/시간의 유체의 베어링 통과를 허용하였다. 약 9 도(9°)의 비틀림각을 갖는 2 개의 나선형 홈을 구비한 저널 베어링(베어링 B)은 1554 파운드/시간의 유체의 베어링 통과를 허용하였다. 3 개의 등간격 축방향 홈을 구비한 저널 베어링(베어링 C)은 1647 파운드/시간의 유체의 베어링 통과를 허용하였다. 저널 베어링(40a)(예컨대, 수학식 1에 따라 결정된 비틀림각(θ)을 갖는 4 개의 홈)은 2869 파운드/시간의 유체의 베어링 통과를 허용 - 다른 모든 시험 설계에 비해 유의하게 개선됨 - 하였다.
동일한 4 가지 설계의 하중 지지 능력을 모델링하기 위한 CFD를 사용하여, 다른 홈형성 설계에 비해 증가된 예시적인 저널 베어링(40a)의 하중 지지 능력을 입증한다. 베어링 A(매끄러운 베어링면)에 비해, 베어링 B는 하중 지지 능력이 34 % 감소하였고, 베어링 C는 하중 지지 능력이 방사상 하중의 배향에 따라 40 % 내지 51 % 감소하였다. 저널 베어링(40a) (예컨대, 수학식 1에 따라 결정된 비틀림각(θ)을 갖는 4 개의 홈)은 베어링 A에 비해 29.8 % 감소한 하중 지지 능력을 나타냈다.
저널 베어링(40a) (예컨대, 수학식 1에 따라 결정된 비틀림각(θ)을 갖는 4 개의 홈)은 간극을 통한 유체 유동에 대한 가장 큰 저항 감소 및 가장 적은 하중 지지 능력 감소를 입증하였다. 이러한 개선된 성능은 홈(48) 세트의 설계에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 개시내용의 교시를 도입한 저널 베어링(40)은 베어링면의 축방향 길이를 따라 베어링 유체역학적 필름 또는 웨지의 오직 단일한 중단(interruption)을 하는 방사상 대칭을 제공한다.
도 7 및 도 8은 본 개시내용의 교시에 따른 저널 베어링(40)의 베어링면 상의 예시적인 홈(48) 배열을 도시한다. 각각의 홈(48)은 종방향 축(45)에 평행하게 연장된 가상선(54)이 단 하나의 홈(48)과 교차하도록 배치될 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 가상선(54a-54h)은 각각 단 하나의 홈(48)과 교차한다. 각각의 홈(48)의 갯수 및 길이는, 비틀림각을 대략 수학식 1에 따른 θ와 동일하게 유지하면서 변경할 수 있다.
본원에 개시된 도면 및 실시양태를 저널 베어링에 대해 기술하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 예시된 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본원에 다양한 변화, 치환 및 변경을 가할 수 있음을 이해해야 한다. 예컨대, 당업자는 수학식 1에 의해 정의된 값 근처에서 홈의 비틀림각(θ) 변경을 선택할 수 있다. 다른 예로서, 당업자는 수학식 2에 의해 정의된 값 근처에서 하나 이상의 홈의 선회 변경을 선택할 수 있다.

Claims (20)

  1. 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부;
    종방향 축 및 내경(ID);
    종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 내부 베어링면의 홈형성 영역; 및
    내부 베어링면의 홈형성 영역 내의 홈 세트 - N은 홈 세트의 홈 갯수임 - 를 포함하는, 저널 베어링과 함께 사용하기 위한 부싱(bushing)이며,
    각각의 홈은 부싱의 종방향 축으로부터 비틀림각(helix angle, θ)으로 오프셋되어 배치되며,
    비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가인 부싱.
    탄젠트(θ) = (π x ID) / (N x H).
  2. 제1항에 있어서, 홈 세트가 1 내지 10 개의 홈을 포함하는 부싱.
  3. 제1항에 있어서, 홈 세트가 1 내지 5 개의 홈을 포함하는 부싱.
  4. 제1항에 있어서, 비틀림각이 0.5 x θ 내지 1.5 x θ인 부싱.
  5. 제1항에 있어서, 비틀림각이 0.9 x θ 내지 1.1 x θ인 부싱.
  6. 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부;
    원통형 내부의 중심을 통해 진행하는 종방향 축;
    종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 내부 베어링면의 홈형성 영역; 및
    내부 베어링면의 홈형성 영역 내의 나선형 홈 세트를 포함하는, 저널 베어링과 함께 사용하기 위한 부싱이며,
    종방향 축에 평행한 방향으로 내부 베어링면의 홈형성 영역을 따라 연장되는 임의의 직선이 나선형 홈 세트 중 단 하나의 홈과 교차하는 부싱.
  7. 내부 베어링면을 형성하고 원주를 갖는 원통형 내부; 및
    내부 베어링면 내의 나선형 홈 세트 - 나선형 홈의 갯수가 N 값을 정의함 - 를 포함하는, 저널 베어링과 함께 사용하기 위한 부싱이며,
    나선형 홈 세트의 각각의 홈은 원주의 일부 주위를 진행하며,
    내부 베어링면 내의 나선형 홈 세트의 각각의 홈은 선회 - 홈의 선회는 각각의 홈이 진행한 원주의 비율(fraction)로 정의됨 - 하며,
    각각의 홈의 선회는 약 1 / N인 부싱.
  8. 제7항에 있어서, 각각이 홈의 선회가 1 / N의 50 % 내지 150 %인 부싱.
  9. 제7항에 있어서, 각각의 홈의 선회가 1 / N의 90 % 내지 110 %인 부싱.
  10. 제7항에 있어서, 나선형 홈 세트의 나선형 홈의 갯수가 1 내지 10 개인 부싱.
  11. 제7항에 있어서, 나선형 홈 세트의 나선형 홈의 갯수가 1 내지 5 개인 부싱.
  12. 종방향 축을 갖는 베어링;
    내부 베어링면을 형성하고 제1 직경(D1)을 갖는 원통형 내부를 갖는 부싱;
    회전 샤프트 상에 장착되고 부싱 내에서 회전하도록 구성되며, 외부 베어링면을 형성하고 제2 직경(D2)을 갖는 원통형 외부를 갖는 저널;
    베어링의 종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 베어링면 중 하나의 홈형성 영역; 및
    베어링면의 홈형성 영역 내의 홈 세트 - N은 홈 세트의 홈 갯수임 - 을 포함하는, 회전 설비와 함께 사용하기 위한 베어링이며,
    각각의 홈은 베어링의 종방향 축으로부터 비틀림각(θ)으로 오프셋되어 배치되며,
    비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가인 베어링.
    탄젠트(θ) = (π x (D1 + D2)) / (2 x N x H).
  13. 제12항에 있어서,
    홈형성 영역은 부싱의 내부 베어링면 상에 배치되며;
    비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가인 베어링.
    탄젠트(θ) = (π x D1) / (N x H).
  14. 제12항에 있어서,
    홈형성 영역은 저널의 외부 베어링면 상에 배치되며;
    비틀림각은 대략적으로 하기 수학식과 등가인 베어링.
    탄젠트(θ) = (π x D2) / (N x H).
  15. 제12항에 있어서, 홈 세트가 1 내지 10 개의 홈을 포함하는 베어링.
  16. 제12항에 있어서, 홈 세트가 1 내지 5 개의 홈을 포함하는 베어링.
  17. 제12항에 있어서, 비틀림각이 0.5 x θ 내지 1.5 x θ인 베어링.
  18. 제12항에 있어서, 비틀림각이 0.9 x θ 내지 1.1 x θ인 베어링.
  19. 내부 베어링면을 형성하는 원통형 내부를 갖는 부싱;
    회전 샤프트 상에 장착되고 부싱 내에서 회전하도록 구성되며, 외부 베어링면을 형성하는 원통형 외부를 갖는 저널;
    부싱의 원통형 내부의 중심을 통해 진행하는 종방향 축;
    종방향 축을 따른 길이(H)를 갖는 베어링의 베어링면 중 하나의 홈형성 영역; 및
    베어링면의 홈형성 영역 내의 나선형 홈 세트를 포함하는, 회전 설비와 함께 사용하기 위한 베어링이며,
    종방향 축에 평행한 방향으로 베어링면의 홈형성 영역을 따라 연장되는 임의의 직선이 나선형 홈 세트 중 단 하나의 홈과 교차하는 베어링.
  20. 내부 베어링면을 형성하고 제1 원주(C1)를 갖는 원통형 내부를 갖는 부싱;
    회전 샤프트 상에 장착되고 부싱 내에서 회전하도록 구성되며, 제2 원주(C2)를 갖는 외부 베어링면을 형성하는 원통형 외부를 갖는 저널; 및
    베어링면 중 하나의 나선형 홈 세트 - 나선형 홈의 갯수가 N 값을 정의함 -; 를 포함하는, 회전 설비와 함께 사용하기 위한 베어링이며,
    나선형 홈 세트의 각각의 홈이 베어링면의 원주(C1 또는 C2)의 일부 주위를 진행하며,
    내부 베어링면 내의 나선형 홈 세트의 각각의 홈은 선회 - 홈의 선회는 각각의 홈이 진행하는 원주의 비율로 정의됨 - 하며,
    각각의 홈의 선회는 약 1 / N인 베어링.
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