KR20130024405A - Air foil bearing of which the cooling efficiency is enhanced - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An air foil bearing with improved cooling efficiency is provided to minimize the decrease of the efficiency of a system by reducing a two dimensional blow for a cooling blow, thereby effectively supporting a super-high speed rotator. CONSTITUTION: An air foil bearing with improved cooling efficiency comprises a bearing housing(160), a top foil(130), and an elastic foil. The bearing housing surrounds a rotary shaft. The top foil is installed between the rotary shaft and the bearing housing to be spaced from the rotary shaft at a predetermined space, thereby surrounding the rotary shaft. The elastic foil is interposed between the top foil and the housing and elastically transformed by being pushed by the top foil.

Description

냉각효율이 향상되는 공기 포일 베어링{Air foil bearing of which the cooling efficiency is enhanced}Air foil bearing of which the cooling efficiency is enhanced}

본 발명은 공기 포일 베어링(air foil bearing, AFB)에 관한 것으로서, 베어링 포일의 자유단과 고정단 사이의 윤활공기 혼합영역에서 높은 유동혼합이 이루어지도록 하는 직접냉각방식을 채용함으로써 냉각효율이 향상되는 공기 포일 베어링에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an air foil bearing (AFB), in which a cooling efficiency is improved by employing a direct cooling method for high flow mixing in a lubricating air mixing region between a free end and a fixed end of a bearing foil. Relates to a foil bearing.

공기 포일 베어링은 고속 회전기기, 예컨대 항공기용 공조 시스템의 핵심부품인 ACM(air cycle machine) 등에 있어서 회전체를 지지하는데 매우 효과적인 것이다. 이러한 베어링에서는 베어링의 진동감쇠 성능이 베어링의 안정성과 직결되며, 안정성이 뛰어날수록 지지된 회전체의 최고 회전수를 더욱 높일 수 있다. 공기 포일 베어링의 진동감쇠 메커니즘은 주로 윤활제와 하우징의 내부에 설치된 포일의 탄성력에 의존한다. Air foil bearings are very effective for supporting rotors in high speed rotary machines, such as air cycle machines (ACMs), which are a key component of aircraft air conditioning systems. In such a bearing, the vibration damping performance of the bearing is directly related to the stability of the bearing, and the higher the stability, the higher the maximum rotation speed of the supported rotating body. The vibration damping mechanism of the air foil bearing mainly depends on the lubricant and the elastic force of the foil installed inside the housing.

도 1은 종래의 공기 포일 베어링을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 공기 포일 베어링의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 심포일(50)은 반드시 필요한 것은 아니므로 도 2에서는 도 1의 심포일(50)이 생략된 경우가 도시되었다. 1 is a view for explaining a conventional air foil bearing, Figure 2 is a view for explaining the operation principle of the air foil bearing of FIG. Since the symfoil 50 of FIG. 1 is not necessarily required, the symfoil 50 of FIG. 1 is omitted in FIG. 2.

도 1 및 도 2를 참조하면, 공기 포일 베어링은 베어링 하우징(60)이 회전축(10)을 감싸도록 설치되며, 회전축(10)과 하우징(60) 사이에는 회전축(10)의 주위를 감싸도록 안쪽에서부터 탑포일(30), 범프포일(40), 심포일(50)이 설치된다. 각 포일(30, 40, 50)은 스테인레스 강 또는 고온특성이 좋은 인코넬 등의 재질로 이루어지며, 일단은 핀(70)에 의해 하우징(60)의 내측면에 고정되어 고정단을 이루고, 타단은 하우징 내면 형상을 따라 연장되어 자유단을 이룬다. 1 and 2, the air foil bearing is installed so that the bearing housing 60 surrounds the rotation shaft 10, and the inner side of the air foil bearing surrounds the rotation shaft 10 between the rotation shaft 10 and the housing 60. From the top foil 30, bump foil 40, the sym foil 50 is installed. Each foil 30, 40, 50 is made of a material such as stainless steel or Inconel having high temperature characteristics, one end is fixed to the inner surface of the housing 60 by a pin 70 to form a fixed end, the other end is It extends along the inner surface of the housing and forms a free end.

탑포일(30)은 회전축(10)에 약간 이격되게 설치되며 그 이격공간에는 공기가 존재하여 공기 윤활막(20)을 이룬다. 범프포일(40)은 자체의 강성이 높아 회전축(10)의 하중 지지능력을 향상시키기 위해 설치되는 것으로 회전축(10)의 회전에 의해 동압이 발생하면 원주방향으로 변형되어 하중을 지지한다. 심포일(50)은 하우징(60) 내면에 닿도록 설치되어 표면을 보호하면서 범프포일(40)과 마찰작용을 일으킨다. 이러한 다수의 포일(30, 40, 50)은 하우징(60)의 내부에서 회전축(10)이 회전할 때 발생하는 진동을 감쇠시키는 역할을 한다. 즉, 각 포일(30, 40, 50)이 가지고 있는 자체 탄성과, 회전축(10)의 고속 회전시 작용하는 동압에 의해 각 포일(30, 40, 50)이 서로 밀착되어 원주방향으로 상대 운동함에 따라 발생하는 쿨롱 마찰력이 회전축(10)의 회전시에 생기는 진동에너지를 소산시켜 진동을 감쇠시키게 된다. The top foil 30 is installed to be slightly spaced apart on the rotating shaft 10 and the air is present in the space to form an air lubrication membrane 20. The bump foil 40 is installed to improve the load bearing ability of the rotary shaft 10 because its rigidity is high, and when dynamic pressure is generated by the rotation of the rotary shaft 10, the bump foil 40 is deformed in the circumferential direction to support the load. The shim foil 50 is installed to contact the inner surface of the housing 60 to cause friction with the bump foil 40 while protecting the surface. The plurality of foils 30, 40, and 50 serve to dampen vibrations generated when the rotating shaft 10 rotates inside the housing 60. That is, the foils 30, 40, and 50 are in close contact with each other due to their own elasticity of the foils 30, 40, and 50, and the dynamic pressure acting at the high speed of rotation of the rotary shaft 10. Coulomb friction force generated according to the dissipation of the vibration energy generated during the rotation of the rotary shaft 10 to damp the vibration.

도 2에서와 같이 회전축(10)이 회전을 시작하면 회전축(10)이 부상하고 공기 윤활막(20)에 회전축(10)의 반경방향 외측으로 동압이 작용한다. 이 때, 회전축(10)에 의한 진동이 적고 동압이 일정한 경우에는 도 2a에 도시된 바와 같이 범프포일(40)의 탄성 변형량이 적고 각 포일면 사이의 마찰력 또한 크게 작용하지 않는다.As shown in FIG. 2, when the rotating shaft 10 starts to rotate, the rotating shaft 10 floats and a dynamic pressure acts radially outward of the rotating shaft 10 on the air lubrication membrane 20. At this time, when the vibration by the rotary shaft 10 is small and the dynamic pressure is constant, as shown in FIG. 2a, the amount of elastic deformation of the bump foil 40 is small, and the friction force between the foil surfaces does not act greatly.

회전축(10)에 의한 진동이 큰 경우에는 큰 압력이 탑포일(30)에 작용하게 되며 그러면 범프포일(40)이 원주방향으로 밀려나면서 그 높이가 낮아져 탄성 변형량이 많아지게 된다. 이 때 각 포일(30, 40, 50) 사이의 접촉면에는 진동에 의한 압력이 작용한 상태에서 마찰력이 발생한다. 이때, 범프포일(40)의 존재로 인하여 큰 에너지 소산이 일어난다. 이러한 탄성 변형 및 마찰력에 의한 에너지 소산은 진동에 의한 압력 변화를 보다 짧은 시간 안에 다른 형태의 에너지로 변환시킴으로써 진동을 크게 감쇠시킨다. When the vibration caused by the rotary shaft 10 is large, a large pressure acts on the top foil 30, and then the bump foil 40 is pushed in the circumferential direction and the height thereof is lowered to increase the amount of elastic deformation. At this time, a frictional force is generated on the contact surfaces between the foils 30, 40, and 50 in a state in which pressure due to vibration is applied. At this time, large energy dissipation occurs due to the presence of the bump foil 40. The energy dissipation caused by the elastic deformation and frictional force greatly attenuates the vibration by converting the pressure change due to the vibration into other forms of energy in a shorter time.

회전축(10)이 회전할 때에 마찰에 의한 열이 발생하여 공기 포일 베어링의 온도가 상승하게 되는데, 이는 일반적으로 탑포일(30)과 범프포일(40) 사이 및 범프포일(40)과 하우징(60) 사이에 회전축(10) 방향으로 길게 존재하는 완충공간(41, 42)에 축방향으로 냉각유동을 가하여 탑포일(30), 범프포일(40), 그리고 하우징(60)을 냉각한다. 그러나 상술한 종래의 공기 포일 베어링은 온도 상승 방지를 위한 냉각에 완충공간(41, 42)에 존재하는 공기만 기여하기 때문에 회전축(10)이 고속회전 하는 경우에는 그 냉각 능력이 한계에 부딪히게 되고, 고온윤활공기에 대하여 탑포일(30)을 통한 간접적인 냉각으로 인하여 상대적으로 많은 냉각유량을 필요로 한다. When the rotating shaft 10 rotates, frictional heat is generated to increase the temperature of the air foil bearing, which is generally between the top foil 30 and the bump foil 40 and between the bump foil 40 and the housing 60. Cooling flow is applied in the axial direction to the buffer space (41, 42) that is long in the direction of the rotation shaft 10 between the) to cool the top foil (30), bump foil (40), and the housing (60). However, the above-described conventional air foil bearing only contributes to the air present in the buffer spaces 41 and 42 for cooling to prevent the temperature rise, and thus the cooling capacity of the rotating shaft 10 is at a high limit. Due to the indirect cooling through the top foil 30 for the high temperature lubrication air, a relatively high cooling flow rate is required.

한편, 대한민국 공개특허 제2006-54524호(2006.05.22 공개)는 공기포일베어링의 펌프포일에 관통구멍을 뚫어서 포일의 냉각유로로 활용하는 것에 관하여 개시되어 있는데, 이는 탑포일과 하우징 사이의 공간에 축방향으로 냉각공기를 흘려주는 종래의 간접냉각 방식을 벗어나지 못한 것이다. 따라서 이 역시 냉각유동이 많이 소요되는 문제점을 가지고 있다.
On the other hand, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-54524 (published on May 22, 2006) discloses the use of a cooling passage of a foil by drilling a through hole in a pump foil of an air foil bearing, which is a shaft in a space between the top foil and the housing. Will not escape the conventional indirect cooling method to flow the cooling air in the direction. Therefore, this also has a problem that takes a lot of cooling flow.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 포일의 고정단과 자유단 사이의 혼합유동 현상을 이용한 직접냉각방식으로 종래의 비하여 훨씬 적은 냉각유동을 사용하면서도 냉각효율을 향상시킴으로서 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 공기 포일 베어링을 제공하는데 있다.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems by improving the cooling efficiency while using a much less cooling flow than the conventional method by the direct cooling method using the mixed flow phenomenon between the fixed end and the free end of the foil. To provide an air foil bearing.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기 포일 베어링은, Air foil bearing according to the present invention for achieving the above object,

회전축을 둘러싸도록 설치되는 베어링 하우징; A bearing housing installed to surround the rotating shaft;

상기 회전축과 상기 하우징 사이에 상기 회전축을 둘러싸도록 상기 회전축에 소정간격 이격되게 설치되는 탑포일; 및A top foil installed on the rotating shaft at predetermined intervals so as to surround the rotating shaft between the rotating shaft and the housing; And

상기 탑포일과 상기 하우징 사이에 끼이도록 설치되며 상기 탑포일에 눌려 탄성압축 변형이 가능하도록 설치되는 탄성포일; 을 포함하여 이루어지되, An elastic foil installed to be sandwiched between the top foil and the housing and installed to be elastically compressed by being pressed by the top foil; , ≪ / RTI >

상기 탑포일과 탄성포일의 끝단은 상기 하우징의 내면에 고정되어 고정단을 이루고 그 반대편의 선단은 상기 하우징의 내면을 따라 환형으로 연장되어 상기 끝단과 소정간격 이격되면서 자유단을 이루며, Ends of the top foil and the elastic foil are fixed to the inner surface of the housing to form a fixed end, and the opposite end thereof extends annularly along the inner surface of the housing to form a free end while being spaced a predetermined distance from the end.

상기 하우징에는 상기 고정단과 자유단 사이에 냉각용 공기가 공급될 수 있도록 냉각공기 주입구가 형성됨으로써, 상기 탑포일과 상기 회전축 사이의 공간에서 고온 윤활공기가 상기 냉각용 공기에 의해 상기 베어링 하우징 외부로 밀려 나가 제거되거나 상기 냉각공기 주입부 부근에서 혼합작용을 통하여 상기 고온 윤활공기가 냉각되도록 하는 것을 특징으로 한다. Cooling air inlet is formed in the housing so that cooling air can be supplied between the fixed end and the free end, so that hot lubricating air is pushed out of the bearing housing by the cooling air in the space between the top foil and the rotating shaft. It is characterized in that the hot lubricating air is cooled through the mixing action in the vicinity or the cooling air inlet portion is removed.

상기 탄성포일로는 반복적인 굴곡부를 가지는 범프포일이 사용될 수 있다. 상기 범프포일의 굴곡부에 의해 형성되는 상기 탑포일과 상기 범프포일 사이 및 상기 범프포일과 상기 하우징 사이의 완충공간에는 공기가 차 있는 것이 바람직하다. As the elastic foil, a bump foil having a repetitive bent portion may be used. Preferably, air is filled between the top foil formed by the bent portion of the bump foil and the bump foil, and the buffer space between the bump foil and the housing.

상기 탑포일과 탄성포일은 서로 닿도록 설치되며, 상기 냉각공기 주입구는 상기 탑포일과 상기 회전축 사이의 공간에 연통되도록 설치되는 것이 바람직하다. The top foil and the elastic foil are installed to be in contact with each other, the cooling air inlet is preferably installed to communicate with the space between the top foil and the rotating shaft.

상기 탄성포일과 상기 하우징 사이에 심포일이 끼이도록 더 설치될 수 있으며, 이 경우 상기 심포일은 상기 탑포일과 탄성포일과 마찬가지로 끝단이 상기 하우징의 내면에 고정되어 고정단을 이루고 그 반대편의 선단은 상기 하우징의 내면을 따라 환형으로 연장되어 상기 끝단과 소정간격 이격되면서 자유단을 이루며, 상기 심포일의 고정단과 자유단 사이에 상기 냉각공기 주입구가 형성되는 것이 바람직하다. The core foil may be further installed between the elastic foil and the housing, in which case the end foil is fixed to the inner surface of the housing to form a fixed end like the top foil and the elastic foil. It extends annularly along the inner surface of the housing to form a free end while being spaced apart from the end by a predetermined interval, it is preferable that the cooling air inlet is formed between the fixed end and the free end of the symfoil.

상기 냉각공기 주입구는 상기 회전축의 길이방향으로 복수개 형성되는 것이 바람직하다. Preferably, the cooling air inlet is formed in plural in the longitudinal direction of the rotating shaft.

상기 하우징의 표면이나 내부의 온도를 측정하기 위한 온도감지센서가 설치되고, 상기 냉각공기 주입구에는 상기 냉각용 공기를 공급하도록 컴프레서가 연결되며, 상기 컴프레서는 컨트롤러에서 의해서 제어되며, 상기 컨트롤러는 상기 온도감지센서에서 측정되는 온도를 피드백 받아 상기 컴프레서를 통한 냉각용 공기의 공급을 제어하는 것이 바람직하다. A temperature sensor for measuring the temperature of the surface or the inside of the housing is installed, a compressor is connected to the cooling air inlet to supply the cooling air, the compressor is controlled by a controller, the controller is the temperature It is preferable to control the supply of cooling air through the compressor by receiving the temperature measured by the sensor.

상기 고온 윤활공기가 상기 냉각공기 주입구 쪽으로 많이 유입되지 못하게 차단하도록 상기 탑포일과 상기 회전축 사이의 공간에 윤활공기 순환 브레이크가 설치되는 것이 바람직하다. A lubricating air circulation brake is preferably installed in a space between the top foil and the rotating shaft to block the high temperature lubricating air from flowing into the cooling air inlet.

상기 윤활공기 순환 브레이크는 상기 고정단 이나 자유단 중 어느 한 곳에 설치되는 것이 바람직하다. The lubricating air circulation brake is preferably installed at either the fixed end or the free end.

상기 윤활공기 순환 브레이크는 부드러운 세라믹 재질로 이루어지거나 인코넬 계열의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. The lubricating air circulation brake is preferably made of a soft ceramic material or an Inconel-based material.

상기 윤활공기 순환 브레이크에 스프링이 설치될 수 있다. A spring may be installed in the lubricating air circulation brake.

본 발명에 의하면, 공기 포일 베어링의 냉각효율이 좋아지게 하고, 터보기계의 경우 냉각유동을 위한 이차유동의 소모를 감소하게 하므로 시스템의 효율저하를 최소화할 수 있으므로 초고속 회전체를 지지하는데 더욱 효과적이게 되며, 공기가 외부에서 지속적으로 공급되므로 지속적인 운전 및 마찰로 인한 공기 윤활막 내의 불순물을 제거할 수 있어 진동 완충 및 윤활제로서의 역할을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
According to the present invention, the cooling efficiency of the air foil bearing is improved, and in the case of turbomachinery, the consumption of secondary flow for cooling flow is reduced, so that the efficiency decrease of the system can be minimized. In addition, since air is continuously supplied from the outside, impurities in the air lubrication film due to continuous operation and friction can be removed, and thus, the vibration buffer and the lubricant can be more effectively performed.

도 1은 종래의 공기 포일 베어링을 설명하기 위한 도면;
도 2는 도 1의 공기 포일 베어링의 동작원리를 설명하기 위한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 공기 포일 베어링을 설명하기 위한 도면;
도 4는 냉각공기 주입구(180)를 설명하기 위한 도면;
도 5는 냉각용 기체(181)의 흐름을 설명하기 위한 도면;
도 6은 공기 윤활막(120)의 온도를 설명하기 위한 도면;
도 7 및 도 8은 윤활공기 순환 브레이크(190)를 설명하기 위한 도면;
도 9는 윤활공기 순환 브레이크(190)가 공기윤활막(120)의 온도저하에 기여함을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view for explaining a conventional air foil bearing;
2 is a view for explaining the operation principle of the air foil bearing of FIG.
3 is a view for explaining an air foil bearing according to the present invention;
4 is a view for explaining the cooling air inlet 180;
5 is a view for explaining the flow of the cooling gas 181;
6 is a view for explaining the temperature of the air lubricating film 120;
7 and 8 are views for explaining the lubricating air circulation brake 190;
9 is a view for explaining the lubrication air circulation brake 190 contributes to the temperature decrease of the air lubrication membrane 120.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are merely provided to understand the contents of the present invention, and those skilled in the art will be able to make many modifications within the technical scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.

도 3은 본 발명에 따른 공기 포일 베어링을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 베어링 하우징(160)이 회전축(110)을 감싸도록 설치되며, 회전축(110)과 하우징(160) 사이에는 회전축(110)의 주위를 감싸도록 안쪽에서부터 탑포일(130), 범프포일(140), 심포일(150)이 설치된다. 각 포일(130, 140, 150)의 끝단(trailing edge)은 핀(170)에 의해 하우징(160)의 내측면에 고정되어 고정단을 이루고, 선단(leading edge)은 하우징(160)의 내면을 따라 환형으로 연장되어 상기 끝단과 소정간격 이격되면서 자유단을 이룬다. 3 is a view for explaining the air foil bearing according to the present invention. Referring to Figure 3, the bearing housing 160 is installed to surround the rotating shaft 110, between the rotating shaft 110 and the housing 160, the top foil 130 from the inside to wrap around the rotating shaft 110, The bump foil 140 and the symfoil 150 are installed. Trailing edges of the foils 130, 140, and 150 are fixed to the inner surface of the housing 160 by pins 170 to form a fixed end, and leading edges form an inner surface of the housing 160. It extends in an annular shape and forms a free end while being spaced apart from the end by a predetermined interval.

탑포일(130)은 회전축(110)에 소정간격 이격되도록 설치되며 그 이격공간에는 공기가 존재하여 공기 윤활막(120)을 이룬다. 범프포일(140)은 반복적인 굴곡부를 가지며 자체의 강성이 높아 회전축(110)의 하중 지지능력을 향상시키기 위해 설치되는 것으로 회전축(110)의 회전에 의해 동압이 발생하면 원주방향으로 변형되어 하중을 지지한다. 심포일(150)은 하우징(160) 내면에 닿도록 설치되어 표면을 보호하면서 범프포일(140)과 마찰작용을 일으킨다. 이러한 다수의 포일(130, 140, 150)은 하우징(160)의 내부에서 회전축(110)이 회전할 때 발생하는 진동을 감쇠시키는 역할을 한다. 즉, 각 포일(130, 140, 150)이 가지고 있는 자체 탄성과, 회전축(110)의 고속 회전시 작용하는 동압에 의해 각 포일(130, 140, 150)이 서로 밀착되어 원주방향으로 상대 운동함에 따라 발생하는 쿨롱 마찰력이 회전축(110)의 회전시에 생기는 진동에너지를 소산시켜 진동을 감쇠시키게 된다. 심포일(150)은 생략될 수 있다. The top foil 130 is installed to be spaced apart from the rotation shaft 110 by a predetermined interval, and air is present in the space to form an air lubrication membrane 120. The bump foil 140 has a repetitive bent portion and is installed to improve the load bearing ability of the rotating shaft 110 because its rigidity is high. When the dynamic pressure is generated by the rotation of the rotating shaft 110, the bump foil 140 is deformed in a circumferential direction. I support it. The core foil 150 is installed to contact the inner surface of the housing 160 to cause friction with the bump foil 140 while protecting the surface. The plurality of foils 130, 140, and 150 serve to attenuate vibrations generated when the rotating shaft 110 rotates inside the housing 160. That is, the foils 130, 140, and 150 are in close contact with each other due to their own elasticity of the foils 130, 140, and 150, and the dynamic pressure acting at the high speed of rotation of the rotating shaft 110, so that the foils 130, 140, and 150 move relative to each other in the circumferential direction. Coulomb friction force generated according to the dissipation of the vibration energy generated during the rotation of the rotary shaft 110 to damp the vibration. The symfoil 150 may be omitted.

회전축(110)이 회전을 시작하면 회전축(110)이 부상하고 공기 윤활막(120)에 회전축(110)의 반경방향 외측으로 동압이 작용한다. 이 때, 회전축(110)에 의한 진동이 적고 동압이 일정한 경우에는 범프포일(140)의 탄성 변형량이 적고 각 포일면 사이의 마찰력 또한 크게 작용하지 않는다.When the rotating shaft 110 starts to rotate, the rotating shaft 110 rises and a dynamic pressure acts on the air lubrication membrane 120 in the radially outward direction of the rotating shaft 110. At this time, when the vibration by the rotating shaft 110 is small and the dynamic pressure is constant, the amount of elastic deformation of the bump foil 140 is small, and the frictional force between the foil surfaces also does not significantly act.

회전축(110)에 의한 진동이 큰 경우에는 큰 압력이 탑포일(130)에 작용하게 되며 그러면 범프포일(140)이 원주방향으로 밀려나면서 그 높이가 낮아져 탄성변형량이 많아지게 된다. 이 때 각 포일(130, 140, 150) 사이의 접촉면에는 진동에 의한 압력이 작용한 상태에서 마찰력이 발생한다. 이때, 범프포일(140)의 존재로 인하여 큰 에너지 소산이 일어난다. 이러한 탄성 변형 및 마찰력에 의한 에너지 소산은 진동에 의한 압력 변화를 보다 짧은 시간 안에 다른 형태의 에너지로 변환시킴으로써 진동을 크게 감쇠시킨다. When the vibration caused by the rotating shaft 110 is large, a large pressure acts on the top foil 130, and then the bump foil 140 is pushed in the circumferential direction and its height is lowered to increase the amount of elastic deformation. At this time, a frictional force is generated on the contact surfaces between the foils 130, 140, and 150 in a state in which pressure due to vibration is applied. At this time, large energy dissipation occurs due to the presence of the bump foil 140. The energy dissipation caused by the elastic deformation and frictional force greatly attenuates the vibration by converting the pressure change due to the vibration into other forms of energy in a shorter time.

회전축(110)이 회전할 때에 윤활공기의 전단 마찰손실로 인한 열이 발생하여 공기 포일 베어링의 온도가 상승하게 되는데, 이러한 온도 상승은 탑포일(130)과 범프포일(140) 사이 및 범프포일(140)과 하우징(60) 사이에 회전축(10) 방향으로 길게 존재하는 완충공간(141, 142)에 축방향으로 냉각유동을 가하여 탑포일(130), 범프포일(40), 그리고 하우징(60)을 냉각함으로써 감소시킬 수 있기는 하지만, 이것만으로는 온도상승을 방지하는 데 한계가 있으며, 이는 회전축(110)이 고속으로 회전할수록 더욱 문제가 된다. When the rotating shaft 110 rotates, heat is generated due to shear friction loss of the lubricating air, thereby increasing the temperature of the air foil bearing. The temperature rise is between the top foil 130 and the bump foil 140 and the bump foil ( The top foil 130, the bump foil 40, and the housing 60 by applying cooling flow in the axial direction to the buffer spaces 141 and 142 that are long in the direction of the rotation axis 10 between the 140 and the housing 60. Although it can be reduced by cooling, this alone has a limit in preventing the temperature rise, which becomes more problematic as the rotating shaft 110 rotates at a high speed.

따라서 냉각효율을 향상시키기 위하여 본 발명의 특징부로서, 하우징(160)에 냉각공기 주입구(180)를 형성한다. 냉각공기 주입구(180)는 포일(130, 140, 150)의 자유단과 고정단 사이에 설치되는 것이 바람직하다. 각 포일(130, 140, 150)은 서로 닿도록 설치되기 때문에 냉각공기 주입구(180)를 통해서 유입되는 냉각용 공기(181)는 탑포일(120)과 회전축(110) 사이의 공간으로 흘러 들어가 공기 윤활막(120)의 역할을 겸한다. Thus, as a feature of the present invention to improve the cooling efficiency, forming a cooling air inlet 180 in the housing 160. Cooling air inlet 180 is preferably installed between the free end and the fixed end of the foil (130, 140, 150). Since each of the foils 130, 140, and 150 is installed to touch each other, the cooling air 181 introduced through the cooling air inlet 180 flows into the space between the top foil 120 and the rotating shaft 110. It also serves as a lubricant film 120.

도 4는 냉각공기 주입구(180)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이 냉각공기 주입구(180)를 회전축(110)의 길이방향으로 하우징(110)에 복수개 형성함으로써 냉각용 기체(181)가 하우징(160) 내에서 골고루 퍼지는 속도를 배가시킬 수 있다. 4 is a view for explaining the cooling air inlet 180. As shown in FIG. 4, the plurality of cooling air inlets 180 may be formed in the housing 110 in the longitudinal direction of the rotation shaft 110 to double the speed of spreading the cooling gas 181 evenly in the housing 160. have.

하우징(160)에는 하우징(160)의 표면이나 내부의 온도를 측정하기 위한 온도감시센서(190)가 설치되며, 냉각공기 주입구(180)에는 냉각용 공기(181)를 주입하기 위한 컴프레서(196)가 연결 설치된다. 컨트롤러(193)는 온도감지센서(190)에서 측정되는 온도를 피드백 받아 컨트롤러(193)를 제어함으로써 컴프레서(196)를 통한 냉각용 공기의 공급을 제어한다. The housing 160 is provided with a temperature monitoring sensor 190 for measuring the temperature of the surface or the inside of the housing 160, the compressor 196 for injecting the cooling air 181 to the cooling air inlet 180 Is installed connected. The controller 193 controls the supply of cooling air through the compressor 196 by controlling the controller 193 in response to the temperature measured by the temperature sensor 190.

도 5는 냉각용 기체(181)의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4와 함께 도 5를 결부하여 참조하면, 탑포일(120)과 회전축(110) 사이의 공간 즉 공기 윤활막(120)을 이루는 공간으로 흘러 들어간 냉각용 기체(181)는 회전축(110)의 원주방향으로 흐르면서 퍼져 나가는 성분(x축 성분, 182)과 회전축(110)의 길이방향으로 퍼져 나가는 성분(z축 성분, 184)의 것으로 구분될 수 있다.5 is a view for explaining the flow of the cooling gas 181. Referring to FIG. 5 together with FIGS. 3 and 4, the cooling gas 181 flowing into the space between the top foil 120 and the rotation shaft 110, that is, the space forming the air lubrication membrane 120, is rotated on the rotation shaft 110. It can be divided into the component (x-axis component, 182) and the component (z-axis component, 184) that extends in the circumferential direction of the () spread out in the longitudinal direction of the rotating shaft (110).

회전축(110)이 회전하기 때문에 회전축(110)의 원주방향으로 흐르면서 퍼져 나가는 성분(182)의 경우 냉각용 공기(181)는 회전체(110)의 흐름에 편승하여 회전축(110)의 회전방향을 따라 일방향으로 흐르게 된다. 반면에 회전체(110)의 길이방향으로 퍼져나가는 성분(184)은 냉각기체 주입구(180)를 중심으로 양쪽 방향으로 흐른다. In the case of the component 182 that flows in the circumferential direction of the rotating shaft 110 because the rotating shaft 110 rotates, the cooling air 181 piggybacks on the flow of the rotating body 110 to change the rotating direction of the rotating shaft 110. Therefore, it flows in one direction. On the other hand, the component 184 spreading in the longitudinal direction of the rotating body 110 flows in both directions about the cooling gas inlet 180.

이 경우 고정단의 고온 윤활공기(182)는 냉각공기(181)의 압력 및 유동으로 인하여 베어링 바깥으로 나가는 혼합유동(184)에 의해 제거되고, 자유단 부위(M)의 공기는 냉각용 공기(181)로 대체되는 효과를 얻을 수 있게 된다. In this case, the high-temperature lubricating air 182 of the fixed end is removed by the mixed flow 184 that goes out of the bearing due to the pressure and flow of the cooling air 181, and the air of the free end portion M is cooled air ( 181) can be obtained.

도 6은 회전축(110)의 원주방향으로 흐르는 기체성분(182)의 온도를 설명하기 위한 도면이다. 우선, 도 3 내지 도 5에서 알 수 있듯이, 냉각공기 주입구(180)를 통하여 유입되는 냉각용 기체(181)는 회전축(110)의 회전 때문에 -x 방향으로 흐르면서 회전축(110)의 둘레를 따라 돌게 되고 이 과정에서 열을 받아 온도가 상승하게 된다. 따라서 한바퀴 돌아 냉각공기 주입부(180)의 위치에 다시 돌아오면 온도가 상승한 상태가 되며, 이렇게 온도가 상승된 공기는 다시 냉각공기 주입부(180)를 통해 주입되는 냉각용 공기(181)의 압력으로 인해 혼합 및 베어링 외부로 제거됨으로써 자유단 부위(M)의 윤활공기가 냉각용 공기(181)로 대체되게 된다. 6 is a view for explaining the temperature of the gas component 182 flowing in the circumferential direction of the rotation shaft 110. First, as shown in FIGS. 3 to 5, the cooling gas 181 introduced through the cooling air inlet 180 flows along the circumference of the rotation shaft 110 while flowing in the -x direction due to the rotation of the rotation shaft 110. In the process, it receives heat and the temperature rises. Therefore, when the air is returned to the position of the cooling air injecting unit 180 once again, the temperature rises, and the air whose temperature is increased is the pressure of the cooling air 181 injected through the cooling air injecting unit 180 again. As a result of the mixing and removal to the outside of the bearing, the lubricating air of the free end portion M is replaced by the cooling air 181.

따라서 냉각공기 주입부(180)를 시발점으로 하여 기체가 회전축(110) 주위를 한바퀴 돌아온다고 할 때 시발점을 0도 도착점을 360도라 하면 공기 윤활막(120)의 온도는 도 6에서와 같은 프로파일을 가져서 전체적으로 낮은 온도를 유지하게 된다. Therefore, when the gas is returned around the rotating shaft 110 with the starting point of the cooling air inlet unit 180 as the starting point, the starting point is 0 degrees and the arrival point is 360 degrees, so that the temperature of the air lubrication membrane 120 has the same profile as in FIG. Maintain a low temperature overall.

도 7 및 도 8은 윤활공기 순환 브레이크(190)를 설명하기 위한 도면이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 냉각공기 주입구(180) 쪽으로 고온 윤활공기(182)가 많이 유입되지 못하도록 냉각공기 주입구(180) 후단 즉, 고정단 부위에 윤활공기 순환 브레이크(190)가 설치된다. 윤활공기 순환 브레이크(190)는 고온 윤활공기(182)의 재순환을 기계적으로 막음으로써 냉각공기 주입구(180)에서 주입되는 냉각용 공기의 유량 대비 냉각효율을 증가시킨다. 윤활공기 순환 브레이크(190)는 일방향으로만 공기흐름을 유도하도록 예컨대 도 7과 같이 공기흐름방향으로 비스듬히 기울이게 설치되거나 도 8과 같이 아예 절곡되게 설치될 수도 있다. 7 and 8 are views for explaining the lubricating air circulation brake 190. 7 and 8, the lubrication air circulation brake 190 is installed at the rear end of the cooling air injection hole 180, that is, the fixed end portion, so that the high temperature lubrication air 182 does not flow into the cooling air injection hole 180. . The lubricating air circulation brake 190 mechanically prevents recirculation of the high temperature lubricating air 182 to increase the cooling efficiency relative to the flow rate of the cooling air injected from the cooling air inlet 180. The lubricating air circulation brake 190 may be installed to be inclined obliquely in the air flow direction, for example, as shown in FIG. 7, or bend at all, to induce air flow in only one direction.

윤활공기 순환 브레이크(190)는 고온환경에서 작동가능토록 하고 또한 축진동의 수직 및 수평방향 운동을 저해하지 않도록 부드러운 재질의 세라믹 등으로 제작하는 것이 바람직하다. 브레이크(190)의 축진동 전달을 더욱 차단하기 위하여 브레이크(90)에 스프링 등이 연결 설치될 수도 있다. 더욱 바람직하게는 고온 탄성체인 인코넬 등으로 제작하는 것이 좋다. 이 경우에는 스프링이 별도로 필요없을 것이다. The lubricating air circulation brake 190 is preferably made of a ceramic of soft material so as to be operable in a high temperature environment and not to hinder the vertical and horizontal movement of the axial vibration. A spring or the like may be connected to the brake 90 to further block the axial vibration transmission of the brake 190. More preferably, it is good to manufacture with Inconel etc. which are high temperature elastic bodies. In this case you will not need a spring.

도 9는 윤활공기 순환 브레이크(190)가 공기윤활막(120)의 온도저하에 기여함을 설명하기 위한 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이 윤활공기 순환 브레이크(190)가 설치되는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 더 작은 양의 냉각용 공기(181)를 사용하더라도 공기윤활막(120)의 온도가 낮아진다. 9 is a graph for explaining that the lubricating air circulation brake 190 contributes to the temperature decrease of the air lubrication membrane 120. As shown in FIG. 9, even when the lubricating air circulation brake 190 is installed, the temperature of the air lubrication membrane 120 is lowered even when a smaller amount of cooling air 181 is used.

구체적으로, 냉각용 공기(181)를 증가시키면 자유단은 냉각공기 주입구(180)가 냉각온도로 낮춰질 뿐만 아니라 냉각용 공기(181)가 윤활막(120)으로 강하게 유입되므로 전체적인 윤활막(120) 온도가 감소한다. 이 때 윤활공기 순환 브레이크(190)를 설치하면 고정단으로부터의 고온 윤활공기가 브레이크(190)에 의해 외부로 제거됨으로써 동일한 냉각용 공기(181)를 적용할 경우 냉각효과가 증가한다. Specifically, when the cooling air 181 is increased, the free end of the cooling air inlet 180 is not only lowered to the cooling temperature, but also the cooling air 181 is strongly introduced into the lubrication membrane 120, so that the overall lubrication membrane 120 temperature. Decreases. At this time, if the lubrication air circulation brake 190 is installed, the high temperature lubrication air from the fixed end is removed to the outside by the brake 190, and thus the cooling effect is increased when the same cooling air 181 is applied.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 탑포일(130)의 고정단과 자유단 사이의 공간에 냉각용 공기(181)를 주입하여 고정단으로부터의 고온 윤활공기(회전축(130)의 회전방향이 도 3과 같을 경우)를 냉각용 공기(181)를 이용하여 베어링 외부로 제거하거나, 혼합작용을 통하여 자유단 부위(M)의 윤활공기의 온도를 효과적으로 냉각시킬 수 있게 된다.  As described above, according to the present invention, by injecting cooling air 181 into the space between the fixed end and the free end of the top foil 130, the high-temperature lubricating air from the fixed end (the rotation direction of the rotating shaft 130 is shown in Fig. 3). If the same as) is removed to the outside of the bearing using the cooling air 181, or through the mixing action it is possible to effectively cool the temperature of the lubricating air of the free end portion (M).

따라서 공기 포일 베어링의 냉각효율이 좋아지게 하고, 터보기계의 경우 냉각유동을 위한 이차유동의 소모를 감소하게 하므로 시스템의 효율저하를 최소화할 수 있으므로 초고속 회전체를 지지하는데 더욱 효과적이게 되며, 공기가 외부에서 지속적으로 공급되므로 지속적인 운전 및 마찰로 인한 공기 윤활막 내의 불순물을 제거할 수 있어 진동 완충 및 윤활제로서의 역할을 더욱 효과적으로 수행할 수 있게 된다. 범프포일(140) 대신에 탄성 압축변형될 수 있는 다른 형태의 포일, 예컨대 점탄성포일이 설치되는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 당연하다. Therefore, the cooling efficiency of the air foil bearing is improved, and in the case of turbomachinery, the consumption of secondary flow for cooling flow is reduced, thereby minimizing the efficiency reduction of the system. Since it is continuously supplied from the outside, impurities in the air lubrication film due to continuous operation and friction can be removed, and thus the vibration buffer and the lubricant can be more effectively performed. It is a matter of course that the present invention can be applied to other types of foils, such as viscoelastic foils, which may be elastically deformed instead of the bump foils 140.

10, 110: 회전축
20, 120: 공기 윤활막
30, 130: 탑포일
40, 140: 범프포일
41, 42, 141, 142: 완충공간
50, 150: 심포일
60, 160: 하우징
70, 170: 핀
180: 냉각공기 주입구
190: 윤활공기 순환 브레이크10, 110: axis of rotation
20, 120: air lubricating film
30, 130: top foil
40, 140: bump foil
41, 42, 141, 142: buffer space
50, 150: symfoil
60, 160: housing
70, 170: pin
180: cooling air inlet
190: lubricating air circulation brake

Claims (11)

회전축을 둘러싸도록 설치되는 베어링 하우징;
상기 회전축과 상기 하우징 사이에 상기 회전축을 둘러싸도록 상기 회전축에 소정간격 이격되게 설치되는 탑포일; 및
상기 탑포일과 상기 하우징 사이에 끼이도록 설치되며 상기 탑포일에 눌려 탄성압축 변형이 가능하도록 설치되는 탄성포일; 을 포함하여 이루어지되,
상기 탑포일과 탄성포일의 끝단은 상기 하우징의 내면에 고정되어 고정단을 이루고 그 반대편의 선단은 상기 하우징의 내면을 따라 환형으로 연장되어 상기 끝단과 소정간격 이격되면서 자유단을 이루며,
상기 하우징에는 상기 고정단과 자유단 사이에 냉각용 공기가 공급될 수 있도록 냉각공기 주입구가 형성됨으로써, 상기 탑포일과 상기 회전축 사이의 공간에서 고온 윤활공기가 상기 냉각용 공기에 의해 상기 베어링 하우징 외부로 밀려 나가 제거되거나 상기 냉각공기 주입부 부근에서 혼합작용을 통하여 상기 고온 윤활공기가 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링.A bearing housing installed to surround the rotating shaft;
A top foil installed on the rotating shaft at predetermined intervals so as to surround the rotating shaft between the rotating shaft and the housing; And
An elastic foil installed to be sandwiched between the top foil and the housing and installed to be elastically compressed by being pressed by the top foil; Including but not limited to,
Ends of the top foil and the elastic foil are fixed to the inner surface of the housing to form a fixed end, and the opposite end thereof extends annularly along the inner surface of the housing to form a free end while being spaced a predetermined distance from the end.
Cooling air inlet is formed in the housing so that cooling air can be supplied between the fixed end and the free end, so that hot lubricating air is pushed out of the bearing housing by the cooling air in the space between the top foil and the rotating shaft. Air foil bearing, characterized in that the hot lubricating air is cooled through the mixing action is removed or near the cooling air inlet. 제1항에 있어서, 상기 탄성포일이 반복적인 굴곡부를 가지는 범프포일인 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing of claim 1, wherein the elastic foil is a bump foil having a repetitive bent portion. 제2항에 있어서, 상기 범프포일의 굴곡부에 의해 형성되는 상기 탑포일과 상기 범프포일 사이 및 상기 범프포일과 상기 하우징 사이의 완충공간에 공기가 차 있는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing according to claim 2, wherein air is filled in a buffer space formed between the top foil and the bump foil formed by the bent portion of the bump foil and between the bump foil and the housing. 제1항에 있어서, 상기 탑포일과 탄성포일이 서로 닿도록 설치되며, 상기 냉각공기 주입구는 상기 탑포일과 상기 회전축 사이의 공간에 연통되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing of claim 1, wherein the top foil and the elastic foil are installed to contact each other, and the cooling air inlet is installed to communicate with a space between the top foil and the rotating shaft. 제1항에 있어서, 상기 탄성포일과 상기 하우징 사이에 심포일이 끼이도록 설치되며, 상기 심포일은 상기 탑포일과 탄성포일과 마찬가지로 끝단이 상기 하우징의 내면에 고정되어 고정단을 이루고 그 반대편의 선단은 상기 하우징의 내면을 따라 환형으로 연장되어 상기 끝단과 소정간격 이격되면서 자유단을 이루며, 상기 심포일의 고정단과 자유단 사이에 상기 냉각공기 주입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. According to claim 1, It is installed so that the core foil is sandwiched between the elastic foil and the housing, the end foil is fixed to the inner surface of the housing as the top foil and the elastic foil to form a fixed end and the opposite end thereof An annular extension along the inner surface of the housing to form a free end spaced apart from the end by a predetermined interval, the air foil bearing, characterized in that the cooling air inlet is formed between the free end and the free end of the core foil. 제1항에 있어서, 상기 냉각공기 주입구가 상기 회전축의 길이방향으로 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing of claim 1, wherein the cooling air inlet is formed in plural in the longitudinal direction of the rotating shaft. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 표면이나 내부의 온도를 측정하기 위한 온도감지센서가 설치되고, 상기 냉각공기 주입구에는 상기 냉각용 공기를 공급하도록 컴프레서가 연결되며, 상기 컴프레서는 컨트롤러에서 의해서 제어되며, 상기 컨트롤러는 상기 온도감지센서에서 측정되는 온도를 피드백 받아 상기 컴프레서를 통한 냉각용 공기의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. According to claim 1, wherein a temperature sensor for measuring the temperature of the surface or inside of the housing is installed, a compressor is connected to the cooling air inlet for supplying the cooling air, the compressor is controlled by a controller And the controller receives feedback of the temperature measured by the temperature sensor and controls the supply of cooling air through the compressor. 제1항에 있어서, 상기 고온 윤활공기가 상기 냉각공기 주입구 쪽으로 많이 유입되지 못하게 차단하도록 상기 탑포일과 상기 회전축 사이의 공간에 윤활공기 순환 브레이크가 설치되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing of claim 1, wherein a lubricating air circulation brake is installed in a space between the top foil and the rotating shaft to block the high temperature lubricating air from flowing into the cooling air inlet. 제8항에 있어서, 상기 윤활공기 순환 브레이크가 상기 고정단이나 자유단 중 어느 한 곳에 설치되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing according to claim 8, wherein the lubricated air circulation brake is installed at either the fixed end or the free end. 제8항에 있어서, 상기 윤활공기 순환 브레이크는 부드러운 세라믹 재질로 이루어지거나 인코넬 계열의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing of claim 8, wherein the lubricated air circulation brake is made of a soft ceramic material or an Inconel-based material. 제8항에 있어서, 상기 윤활공기 순환 브레이크에 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 공기 포일 베어링. The air foil bearing of claim 8, wherein a spring is installed on the lubricating air circulation brake.
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