KR20120063111A - 가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기 - Google Patents

가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기에 관한 것이다. 본 발명의 가스 포일 스러스트 베어링은, 구동축(110)의 스러스트 패드(112)와 마주하여 추력을 감당하기 위한 베어링으로서, 중앙에 구동축(110)이 관통하기 위한 관통공(12)이 형성되어 있는 원판형의 베이스 패드(10); 상기 베이스 패드(10)의 베어링 면(14)에 부착되고 축방향 힘에 대해 탄력을 발휘하는 복수의 범프 포일(20); 상기 복수의 범프 포일(20)을 수개씩 덮으면서 베이스 패드(10)에 부착되고, 기초단부가 범프 포일(20)과 함께 베이스 패드(10)에 고정되고 자유단부가 구동축(110)의 스러스트 패드(112)에 근접하여 배치되는 복수의 탑 포일(30); 상기 각각의 탑 포일(30)의 기초단부(32)에 인접한 지점에, 상기 베이스 패드(10)를 관통하여 형성되어 베이스 패드(10)의 기초면(14a) 측으로부터 가압 가스를 강제로 유입하여 탑 포일(30)과 스러스트 패드(112) 사이의 공간으로 토출하는 노즐공(18)을 포함한다. 본 발명의 원심 압축기는 가스 포일 스러스트 베어링(2)을 구동축(112)에 설치하고, 볼류트의 가압 가스를 노즐공(18)으로 공급하는 구조로 이루어진다.

Description

가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기{GAS FOIL THRUST BEARING AND A COMPRESSOR ASSEMBLY WITH THEREOF}
본 발명은 가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베이스 패드를 통해 포일 스러스트 베어링과 스러스트 패드 사이에 고압 가스를 주입함으로써, 기동 및 정지 시 구동축의 스러스트 패드와 베어링의 탑 포일 사이에 발생하는 고체 마찰을 줄이고 하중 지지능력을 배가시킨 가스 포일 스러스트 베어링, 그리고 해당 가스 포일 스러스트 베어링을 임펠러 구동용 회전축에 적용한 원심 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기, 터빈, 과급기 등과 같은 고속 회전기기의 회전축을 지지하는 베어링으로서, 윤활유를 사용하지 않고 공기 또는 가스 상태의 유체를 작동 유체로서 사용하는 이른바 '가스 베어링(gas bearing)'은, 크게 정압(靜壓) 베어링과 동압(動壓) 베어링으로 분류할 수 있다.
정압 베어링은 외부 압축기로 가압한 공기나 가스를 강제로 베어링 사이에 공급하여 부하 지지능력을 얻는 형태로서, 압력 원천(외부 가압장치)을 필요로 하는 대신에 축이 회전하지 않을 때에도 축을 부양할 수 있으므로 고체 마찰에 의한 베어링 손상을 피할 수 있다.
이에 비해, 동압 베어링은 축의 회전에 따라 주변의 공기나 가스를 베어링 사이로 끌어들여 압력을 상승시켜서 부하능력을 얻는 형태로서, 별도의 압력 원천을 필요로 하지 않는 대신에 회전체의 기동 및 정지 시 필연적으로 고체마찰이 발생하여 베어링 수명이 단축되므로, 이를 방지하기 위해 베어링 면에 고체 윤활제의 코팅이 필요하다.
동압 베어링 중, 포일 베어링(foil bearing)은 굴곡형 박판을 겹쳐 베어링 면을 구현한 것으로서, 반경방향 하중을 지지하는 포일 래디얼 베어링 형태와 축방향 하중을 지지하는 포일 스러스트 베어링 형태로 적용되고 있다.
이 중, 축방향 하중을 지지하도록 스러스트 베어링 형태로 구현한 포일 스러스트 베어링에 대한 다양한 예가, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0360240호, 등록특허공보 등록번호 제10-0590139호, 등록특허공보 등록번호 제10-0954066호 등에 개시되어 있다.
상기 공보 등에서 알 수 있는 바와 같이, 포일 스러스트 베어링은, 중심에 구동축 통과용 관통공이 형성되어 있고 베어링 하우징에 고정되는 원판형의 베이스 패드와, 베이스 패드의 상면에 방사상으로 부착되고 축방향 힘에 대해 탄력적인 범프 포일(bump foil)과, 복수의 범프 포일을 덮으면서 베이스 패드에 부착되어 구동축의 스러스트 패드(thrust pad)(또는 '칼라(collar)' 라고도 불린다)를 마주보는 탑 포일(top foil)로 이루어진다.
이러한 포일 스러스트 베어링은, 구동축의 회전에 의해, 구동축의 스러스트 패드와 탑 포일 사이로 주변의 공기를 끌어들여 공기층을 형성하여 구동축의 축방향 하중을 지지하게 된다.
정압 베어링에서는, 앞에서 설명한 바와 같이, 가압 공기를 강제로 공급하여 하중을 지지하여야 하므로 외부의 압력 원천이 필요하지만, 기동 초기나 구동축이 회전하지 않을 때에도 구동축을 부양할 수 있으므로 고체 마찰에 의한 베어링 손상을 피할 수 있다.
이에 비해, 동압 베어링인 포일 스러스트 베어링은, 별도의 압력 원천을 필요로 하지 않아 적용이 간단하나 구동축의 기동 초기나 정지 말기에는 탑 포일과 스러스트 패드가 필연적으로 고체마찰을 일으키기 때문에 베어링 수명이 단축되는 폐단이 있다. 또한, 고체 마찰에 의한 손상을 줄이기 위해 탑 포일과 스러스트 패드에 고체 윤활제 코팅을 행하여야 함으로써 제조원가가 증가하고, 고체 윤활제 코팅을 하더라도 고체 마찰은 그대로 계속되기 때문에 미봉책에 불과하다.
한편, 냉동 시스템이, 공기조화 시스템, 과급기 등에 사용되는 원심 압축기는, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0814619호, 등록특허공보 등록번호 제10-0833061호, 공개특허공보 공개번호 제10-2010-0078697호, 등록특허공보 등록번호 제10-0296306호, 등록특허공보 등록번호 제10-0937901호 등에서 알 수 있는 바와 같이, 보통 1개 또는 2개 이상의 임펠러를 회전시켜 증발기를 나온 냉매가스를 압축하여 응축기로 보낸다. 이러한 원심 압축기에서는 1단 압축 방식이든 2단 압축 방식이든, 구동축은 반경방향으로 작용하는 래디얼 하중을 받음과 함께, 임펠러에 의한 냉매 압축 시 압력차에 의해 추력(축방향으로 작용하는 힘)을 받는다. 따라서, 구동축에는 포일 래디얼 베어링과 스러스트 베어링이 설치되어 양방향의 하중을 받으면서 구동축을 지지하게 된다.
이러한 원심 압축기에서 포일 스러스트 베어링도, 앞에서 이미 설명한 바와 같은 고체 마찰의 문제를 가지기 때문에 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 베이스 패드를 통해 베어링과 스러스트 패드 사이에 고압 가스를 주입함으로써, 기동 및 정지 시 구동축의 스러스트 패드와 베어링의 탑 포일 사이에 발생하는 고체 마찰을 줄이고 하중 지지능력을 배가시킨 가스 포일 스러스트 베어링을 제공하고, 그와 더불어 해당 가스 포일 스러스트 베어링을 임펠러 구동용 회전축에 적용하고, 가압 가스의 공급이 용이하게 구성한 원심 압축기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가스 포일 스러스트 베어링은, 구동축의 스러스트 패드와 마주하여 추력을 감당하기 위한 베어링으로서, 중, 에 구동축이 관통하기 위한 관통공이 형성되어 있는 원판형의 베이스 패드; 상기 베이스 패드의 베어링 면에 부착되고 축방향 힘에 대해 탄력을 발휘하는 복수의 범프 포일; 상기 복수의 범프 포일을 수개씩 덮으면서 베이스 패드에 부착되고, 기초단부가 범프 포일과 함께 베이스 패드에 고정되고 자유단부가 구동축의 스러스트 패드에 근접하여 배치되는 복수의 탑 포일; 상기 각각의 탑 포일의 기초단부에 인접한 지점에, 상기 베이스 패드를 관통하여 형성되어 베이스 패드의 기초면 측으로부터 가압 가스를 강제로 유입하여 탑 포일과 스러스트 패드 사이의 공간으로 토출하는 노즐공을 포함한다.
상기 노즐공은 하나의 탑 포일마다 2개 이상의 구멍이 반경방향으로 간격을 유지하여 배치되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 원심 압축기는, 하우징 내부에 설치되어 구동원에 의해 회전하는 구동축과, 상기 구동축에 의해 회전되는 원심력으로 작동가스를 압축하는 임펠러와, 상기 임펠러로부터 토출되는 작동가스를 유도하는 유로를 형성함과 더불어 작동가스를 받아들여 속도에너지를 압력에너지로 변환하는 볼류트 챔버를 형성하는 케이싱을 포함하는 원심 압축기에 있어서, 상기 구동축의 외주에 외향 연장되는 형태로 형성되는 스러스트 패드와; 상기 스러스트 패드와 마주보는 상태로 배치되고 상기 케이싱 또는 하우징에 고정 설치되는 베어링 서포트와; 탑 포일이 상기 스러스트 패드를 마주보는 상태로 베이스 패드가 상기 베어링 서포트에 안착 고정되는 청구항 제1항 또는 제2항에 기재된 가스 포일 스러스트 베어링과; 상기 가스 포일 스러스트 베어링의 복수의 노즐공에 가압 가스를 공급하도록, 상기 베어링 서포트의 베어링 안착면에 스러스트 베어링의 베이스 패드와 함께 가스 유입 공간을 형성하는 플리넘 챔버와; 상기 볼류트 챔버로부터 상기 플리넘 챔버를 연결하여 볼류트 챔버의 가압 가스를 플리넘 챔버로 공급하도록 상기 베어링 서포트에 형성되는 가스 공급로를 포함한다.
상기 가스 포일 스러스트 베어링에 공급되는 가압 가스를 공급 또는 차단 제어하기 위하여, 상기 가스 공급로의 도중에 개폐 밸브를 설치할 수 있다.
본 발명의 가스 포일 스러스트 베어링에 의하면, 구동 초기나 구동 정지 시와 같이 스러스트 패드와 탑 포일의 고체 마찰이 예상되는 시점에 노즐공을 통해 베어링 내부로 가압 가스를 강제 공급할 수 있으므로, 탑 포일과 스러스트 패드 사이에 가압 가스층에 의한 간극을 형성하므로 고체 마찰이 방지되어 내구연한이 연장되고 안정적인 운전이 가능해진다.
또한, 원심 압축기의 구동축에 본 발명에 따른 가스 포일 스러스트 베어링을 적용하고, 볼류트 챔버에 있는 가압 가스를 쉽게 이용할 수 있는 구조이므로, 장치가 비교적 간단하고 압축기의 안정적인 운전이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 포일 스러스트 베어링을 보인 도면이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원심 압축기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 원심 압축기의 베어링 서포트의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 원심 압축기의 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 가스 포일 스러스트 베어링이 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 포일 스러스트 베어링(2)은, 중앙에 구동축(110)이 관통하기 위한 관통공(12)이 형성되어 있는 원판형의 베이스 패드(10)와, 베이스 패드(10)의 베어링 면(14)에 부착되고 축방향 힘에 대해 탄력을 발휘하는 복수의 범프 포일(20)과, 이러한 복수의 범프 포일(20)을 수개씩 덮으면서 베이스 패드(10)에 부착되는 복수의 탑 포일(30)을 포함한다.
복수의 탑 포일(30)은, 그것의 기초단부(32)가 범프 포일(20)과 함께 베이스 패드(10)에 고정되고 자유단부(34)가 구동축(110)의 스러스트 패드(112)에 근접하여 배치된다.
베이스 패드(10)는, 복수의 체결공(16)을 통해 소정의 구조체(예: 압축기 케이싱)에 고정된다.
그리고 상기 베이스 패드(10)에는, 각각의 탑 포일(30)의 기초단부(32)에 인접한 지점마다 노즐공(18)이 관통형성된다. 이 노즐공(18)은 스러스트 베어링(2)의 베이스 패드(10)의 기초면(14a) 측으로부터 가압 가스를 강제로 주입하기 위한 것으로서, 노즐공(18)을 통해 유입된 가압 가스는 탑 포일(30)과 스러스트 패드(112) 사이의 공간으로 토출 되어, 스러스트 패드(112)와 탑 포일(30) 사이에 압력을 형성하여 부양력(浮揚力)을 제공함으로써 스러스트 패드(112)와 탑 포일(30)이 간극을 유지한 채 하중을 지지할 수 있도록 한다.
노즐공(18)은 하나의 탑 포일(30)마다 2개 이상의 노즐공(18)이 반경방향으로 간격을 유지하여 배치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 각각의 탑 포일(30)의 기초단부(32)에 인접하여 2개의 노즐공(18)이 반경방향으로 소정의 간격을 유지하여 배치되어 있다.
노즐공(18)에 주입할 가압 가스는, 별도의 압축장치(압축기, 압축펌프) 등에 으로부터 공급한다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 가스 포일 스러스트 베어링(2)에 있어서, 구동축(110)의 구동 초기나 구동이 정지될 때와 같이 구동축(110)의 회전수가 낮을 때 구동축(110)의 스러스트 패드(112)와 탑 포일(30)이 접촉하여 고체 마찰을 일으키므로 노즐공(18)을 통해 가압 가스를 공급한다.
공급된 가압 가스는, 스러스트 베어링(2)의 베이스 패드(10)를 통과하여 탑 포일(30)의 기초단부(32) 쪽으로 주입되고, 주입된 가압 가스는 탑 포일(30)의 자유단부(34)와 스러스트 패드(112) 사이에 압력 가스층을 형성하여 탑 포일(30)의 자유단부와 스러스트 패드(112)에 간극을 형성하여 고체 마찰을 방지한다.
가압 가스의 주입은, 고체 마찰이 수반되는 구동 초기나 구동 정지 시에는 물론이고, 구동축의 회전수가 낮을 때 등, 필요에 따라 선택적으로 주입할 수 있으며, 장치의 특성에 따라 구동 중에는 언제나 주입하여 고체 마찰을 방지하는 역할과 함께 하중 분담의 역할을 수행할 수 있도록 하여도 좋다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 포일 스러스트 베어링(2)을 적용한 원심 압축기를 보인 것으로서, 도 3에는 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 베어링 서포트의 사시도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 원심 압축기는, 하우징(100)과, 하우징(100) 내부에 설치되어 구동원에 의해 회전하는 구동축(110)과, 구동축(110)에 의해 회전되는 원심력으로 작동가스를 압축하는 임펠러(120)와, 임펠러(120)에서 토출되는 작동가스를 유도하는 유로(132)를 형성함과 더불어 작동가스를 받아들여 속도에너지를 압력에너지로 변환하는 볼류트 챔버(volute vhamber)(134)를 형성하는 케이싱(130)을 포함한다.
구동축(110)의 외주에는 스러스트 패드(112)가 외향 연장되는 형태로 형성된다. 스러스트 패드(112)는 구동축(112)에 일체로 형성하거나, 별도의 스러스트 패드(112)를 구동축(110)에 용접으로 고정하여 설치할 수 있다.
압축기의 케이싱(130) 또는 하우징(100)에는 베어링 서포트(200)가 설치된다. 베어링 서포트(200)는, 구동축(110)의 스러스트 패드(112)와 마주보는 상태로 배치되어 볼트 등의 체결구로 케이싱(130) 또는 하우징(100)에 고정된다.
베어링 서포트(200)에는 베어링 안착면(210)이 형성되고, 베어링 안착면(210)에는 스러스트 베어링(2)의 베이스 패드(10)와 함께 가스 유입 공간을 형성하는 플리넘 챔버(plenum chamber)(220)가 형성되며, 압축기의 볼류트 챔버(134)로부터 플리넘 챔버(220)를 연결하는 가스 공급로(230)가 형성된다. 가스 공급로(230)는 볼류트 챔버(134)와 플리넘 챔버(220)를 연통시켜 볼류트 챔버(134)의 가압 가스를 플리넘 챔버(220)로 공급하도록 한다.
가스 공급로(230)는, 드릴 등의 공구를 이용하여 구멍을 천공하는 형태로 쉽게 형성할 수 있고, 천공시 생성된 개구 부분은 플러그(232)로 막아 놓는다.
가스 포일 스러스트 베어링(2)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 그것의 베이스 패드(10)가 베어링 서포트(200)의 베어링 안착면(210)에 안착되고 고정되어, 탑 포일(30)이 스러스트 패드(112)를 마주보는 상태로 배치된다.
이러한 압축기는, 구동 초기나 구동 정지 중에 볼류트 챔버(134)에 있는 가압 가스가 가스 공급로(230)를 따라 플리넘 챔버(220)로 유입되고, 플리넘 챔버(220)에 유입된 가압 가스는 포일 베어링(2)의 베이스 패드(10)에 형성된 노즐공(18)을 통해 포일 베어링(2)의 내부의 탑 포일(30)의 기초단부(32)(도 1 참조) 측으로 유입되어 탑 포일(30)의 자유단부(34) 쪽으로 흐르므로, 스러스트 패드(112)와 탑 포일(30) 사이에 압력 가스층을 형성하여 스러스트 패드(112)와 탑 포일(30)이 간극을 유지하도록 한다.
도 5에는 본 발명의 제2실시예에 따른 원심 압축기의 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예는 전술한 제1실시예에 비해 가압 가스 공급로(230a)의 구성만이 다르고 나머지의 구성은 동일하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 가압 가스 공급로(230a)의 도중에 개폐밸브(240)를 설치하여, 가스 포일 스러스트 베어링(2)에 공급되는 가압 가스를 필요에 따라 공급 또는 차단 제어할 수 있도록 한 구성이다.
개폐밸브(240) 설치를 위하여, 가스 공급로(230a)는 입구측 가스 공급로(231a)와 출구측 가수 공급로(231b)를 일측으로 개방시키고 중간에 연결배관(231c)을 연결하며, 연결배관(231c) 상에 개폐밸브(240)를 설치한다.
예를 들어, 고체 마찰이 수반되는 구동 초기나 구동 정지 시는 물론이고, 구동축의 회전수가 낮을 시에는, 개폐밸브(240)를 열어 가스 포일 베어링(2)에 가압 가스를 주입하도록 하고, 정상 운전 영역에서는 개폐밸브(240)를 닫아 구동축(110)의 스러스트 패드(112)의 회전만으로 주변의 공기를 흡인하여 공기층을 형성하도록 할 수 있다.
이와 같이, 가스 공급로(230a)에 개폐밸브(240)를 설치하면, 압축기의 운전 상태에 대응하여 가압 가스를 선택적으로 주입할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
2 : 가스 포일 스러스트 베어링 10 : 베이스 패드
12 : 관통공 14 : 베어링 면
14a : 기초면 16 : 체결공
18 : 노즐공 20 : 범프 포일
30 : 탑 포일 32 : 기초단부
34 : 자유단부 100 : 하우징
110 : 구동축 112 : 스러스트 베어링
130 : 케이싱 132 : 유로
134 : 볼류트 챔버 200 : 베어링 서포트
210 : 베어링 안착면 220 : 플리넘 챔버
230, 230a : 가스 공급로 231a : 입구측 가스 공급로
231b : 출구측 가스 공급로 231c : 연결배관
232 : 플러그 240 : 개폐밸브

Claims (4)

  1. 구동축의 스러스트 패드와 마주하여 추력을 감당하기 위한 베어링으로서,
    중앙에 구동축이 관통하기 위한 관통공이 형성되어 있는 원판형의 베이스 패드;
    상기 베이스 패드의 베어링 면에 부착되고 축방향 힘에 대해 탄력을 발휘하는 복수의 범프 포일;
    상기 복수의 범프 포일을 수개씩 덮으면서 베이스 패드에 부착되고, 기초단부가 범프 포일과 함께 베이스 패드에 고정되고 자유단부가 구동축의 스러스트 패드에 근접하여 배치되는 복수의 탑 포일;
    상기 각각의 탑 포일의 기초단부에 인접한 지점에, 상기 베이스 패드를 관통하여 형성되어 베이스 패드의 기초면 측으로부터 가압 가스를 강제로 유입하여 탑 포일과 스러스트 패드 사이의 공간으로 토출하는 노즐공을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 포일 스러스트 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐공은 하나의 탑 포일마다 2개 이상의 구멍이 반경방향으로 간격을 유지하여 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 포일 스러스트 베어링.
  3. 하우징 내부에 설치되어 구동원에 의해 회전하는 구동축과, 상기 구동축에 의해 회전되는 원심력으로 작동가스를 압축하는 임펠러와, 상기 임펠러에서 토출되는 작동가스를 유도하는 유로를 형성함과 더불어 작동가스를 받아들여 속도에너지를 압력에너지로 변환하는 볼류트 챔버를 형성하는 케이싱을 포함하는 원심 압축기에 있어서,
    상기 구동축의 외주에 외향 연장되는 형태로 형성되는 스러스트 패드와;
    상기 스러스트 패드와 마주보는 상태로 배치되고 상기 케이싱 또는 하우징에 고정 설치되는 베어링 서포트와;
    탑 포일이 상기 스러스트 패드를 마주보는 상태로 베이스 패드가 상기 베어링 서포트에 안착 고정되는 청구항 제1항 또는 제2항에 기재된 가스 포일 스러스트 베어링과;
    상기 가스 포일 스러스트 베어링의 복수의 노즐공에 가압 가스를 공급하도록, 상기 베어링 서포트의 베어링 안착면에 스러스트 베어링의 베이스 패드와 함께 가스 유입 공간을 형성하는 플리넘 챔버와;
    상기 볼류트 챔버로부터 상기 플리넘 챔버를 연결하여 볼류트 챔버의 가압 가스를 플리넘 챔버로 공급하도록 상기 베어링 서포트에 형성되는 가스 공급로를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 포일 스러스트 베어링에 공급되는 가압 가스를 공급 또는 차단 제어하기 위하여, 상기 가스 공급로의 도중에는 개폐 밸브가 설치되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
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