KR20140031994A - 래디얼 호일 베어링 - Google Patents

Abstract

회전축(1)을 지지하는 래디얼 호일 베어링(3)에 관한 것이다. 톱 호일(10)과, 백 호일(11)과, 이들을 수용하는 베어링 하우징(12)을 구비한다. 톱 호일(10)은, 직사각형상의 금속박이 원통형으로 감김과 동시에 금속박의 일측(10b)이, 금속박에 의해 형성되는 원통(10a)의 접선 방향으로 연장돌출되게 형성되어 있다. 베어링 하우징의 내주면에는 그 축방향을 따라 걸어맞춤 홈(13)이 형성되어 있으며 걸어맞춤 홈(13)은 그 깊이방향이 톱 호일(10)의 원통(10a)의 하나의 접선 방향과 일치하여 형성되어 있다. 톱 호일(10)의 일측(10b)이 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤되어 있다.

Description

래디얼 호일 베어링{RADIAL FOIL BEARING}

본 발명은, 래디얼 호일 베어링에 관한 것이다. 본원은, 2011년 8월 1일에 일본에 출원된 일본특허출원 2011-168574호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 고속 회전체용 베어링으로서 회전축에 외삽(外揷)되어 이용되는 래디얼 베어링이 알려져 있다. 래디얼 베어링으로서는, 베어링면을 형성하는 박판형의 톱 호일과, 이 톱 호일을 탄성적으로 지지하는 백 호일과, 상기 톱 호일 및 상기 백 호일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한 래디얼 호일 베어링이 잘 알려져 있다. 래디얼 호일 베어링의 백 호일로서는, 박판을 파판(波板)형으로 성형한 범프 호일이 주로 이용되고 있다.

상기 래디얼 호일 베어링에서는, 통상적으로, 톱 호일이나 범프 호일이 베어링 하우징으로부터 탈락하는 것을 방지하기 위해 그 일단부(고정단부)가 스폿 용접에 의해 베어링 하우징에 직접적으로, 혹은 스페이서를 개재하여 간접적으로 고정되어 있다.

또 용접 대신에 기계적으로 고정시키기 위해 톱 호일의 일단측 일부 또는 전부를 굽힘가공에 의해 일으켜 세우고, 이 일단측을 외륜(베어링 하우징)에 형성한 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤시킨 구조도 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1: 일본공개특허 2004-190762호 공보

그러나 톱 호일을 용접하면, 열이 발생하기 때문에 톱 호일에 변형이 생긴다. 특허문헌 1의 구조에서도 굽힘가공에 의해 톱 호일에 변형이 생긴다.

회전축의 회전에 의해 상기 회전축과 톱 호일 사이에 형성되는 호일 베어링의 유체 윤활막의 두께는 10㎛전후로 매우 얇다. 따라서 톱 호일에 조금이라도 변형이 생기면 베어링의 부하 능력이나 동특성(動特性; 강성과 감쇠)에 영향이 미쳐 설계대로의 성능을 얻을 수 없게 된다.

또 일단부(고정단부)를 스폿 용접에 의해 베어링 하우징에 고정시키는 톱 호일에서는, 그 양단 부근(고정단측과 자유단측)이 베어링 하우징의 내주면을 구성하는 곡면을 따르기 어려워(곡면을 따라 변형되기 쉽지 않아) 평면에 가까운 상태가 된다. 그러면, 평면에 가까운 상기 부위에서는 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생한다. 그 결과, 회전축의 시동 토크가 높아지거나 운전중 발열이 설정 이상으로 높아지는 등의 부작용이 발생한다.

회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)을 줄이는 방법으로서 예를 들면, 톱 호일의 양단 부근을 지지하고 있는 범프 호일(백 호일)의 산을 없애는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 범프 호일의 산을 없애면 산을 없앤 부위에서의 회전축의 지지 강성이 대폭 저하된다. 따라서 충격 하중 등에 의해 회전축이 상기 부위를 향해 움직이려고 할 때 회전축의 움직임을 억제할 수 없다. 그 결과, 회전축에 마련된 임펠러 등의 회전 부분이 정지부(하우징)와 접촉을 일으킨다.

또 상기 부위에서의 회전축의 지지 강성을 지나치게 저하시키지 않는 방법으로서 상기 부위의 범프 호일의 한 산의 높이를 낮추는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 낮추는 양이 수십㎛의 작은 단위이므로 그 제작은 매우 어렵다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 톱 호일에 생기는 변형을 충분히 줄여 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 얻을 수 있는 래디얼 호일 베어링을 제공한다. 또 본 발명은, 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 생기는 것을 방지한 래디얼 호일 베어링을 제공한다.

본 발명에 관한 제1 형태의 래디얼 호일 베어링은, 회전축에 외삽(外揷)되어 상기 회전축을 지지하는 래디얼 호일 베어링으로서,

상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일과, 상기 톱 호일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일과, 상기 톱 호일 및 상기 백 호일을 그 내부에 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하고,

상기 톱 호일은, 직사각형상의 금속박이 원통형으로 감기고 상기 금속박의 일측이, 상기 금속박에 의해 형성되는 원통의 하나의 접선 방향으로 연장돌출되게 형성되고,

상기 베어링 하우징의 내주면에는 그 축방향을 따라 걸어맞춤 홈이 형성되고, 상기 걸어맞춤 홈은, 그 깊이방향이 상기 톱 호일의 상기 원통의 접선 방향과 일치하여 형성되고,

상기 톱 호일의, 상기 원통의 접선 방향으로 연장돌출된 일측이 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있다.

이 경우, 톱 호일의 일측이 원통의 접선 방향으로 연장돌출되게 형성되어 있으며, 이 일측이 베어링 하우징의 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있다. 따라서 톱 호일에 대해 스폿 용접이나 굽힘가공을 하지 않고 톱 호일을 베어링 하우징내에 수용·고정시킬 수 있다.

또 걸어맞춤 홈의 깊이방향을, 톱 호일이 형성하는 원통의 하나의 접선 방향과 일치시킨다. 따라서 상기 톱 호일의 일측을 상기 걸어맞춤 홈의 깊이방향에 맞춰 걸어맞춤시키면, 이 걸어맞춤된 상태에서는 톱 호일은 변형되지 않는다. 따라서 톱 호일에 변형이 생기지 않는다. 그 결과, 톱 호일에 변형이 생기는 것을 방지하여 톱 호일의 변형을 충분히 작게 할 수 있다.

본 발명에 관한 제2 형태에 의하면, 상기 제1 형태의 래디얼 호일 베어링에 있어서, 상기 톱 호일에는, 상기 일측과, 상기 일측과 반대인 타측에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 박육(薄肉)부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 톱 호일의 양단부가 쉽게 탄성 변형되어 상기 양단부에서 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 생기는 것을 억제할 수 있다.

본 발명에 관한 제3 형태에 의하면, 상기 제1 형태의 래디얼 호일 베어링에 있어서, 상기 박육부는 그 외주면이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 이 박육부에서는 그 외주면측을 지지하는 백 호일과의 사이에 간극이 형성되어 상기 박육부에서 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 생기는 것을 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 제4 형태에 의하면, 상기 제1 내지 3 중 어느 한 형태의 래디얼 호일 베어링에 있어서, 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있는 톱 호일의 상기 일측이 고정 수단에 의해 상기 걸어맞춤 홈 내에 고정되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 톱 호일의 일측이 걸어맞춤 홈 내에 고정됨으로써 회전축의 회전중에 톱 호일이 회전하거나 래디얼 호일 베어링으로부터 탈락하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 제5 형태에 의하면, 상기 제1 내지 4 중 어느 한 형태의 래디얼 호일 베어링에 있어서, 상기 톱 호일의 직경 방향 외측과 상기 백 호일의 직경 방향 내측 사이에 중간 호일이 배치되고, 상기 베어링 하우징이 상기 톱 호일, 상기 중간 호일 및 상기 백 호일을 그 내부에 수용하는 것이 바람직하다.

이 경우, 톱 호일과 백 호일 사이에 중간 호일이 있기 때문에 회전축이 회전시에 축진동을 일으켰을 때, 톱 호일과 중간 호일 사이 및 중간 호일과 백 호일 사이가 서로 미끄러짐으로써 마찰이 생긴다. 이로써 축진동을 감쇠시키는 효과를 얻을 수 있다. 상기 감쇠 효과에 의해 회전축의 축진동을 억제할 수 있다. 또 중간 호일에 의해 톱 호일의 강성을 보강할 수도 있다.

본 발명에 관한 제6 형태에 의하면, 상기 제5 형태의 래디얼 호일 베어링에서는 상기 중간 호일이 복수매 겹쳐져 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 톱 호일과 중간 호일 사이 및 중간 호일과 백 호일 사이가 서로 미끄러짐으로써 생기는 마찰에 의해 얻어지는 감쇠 효과에, 복수매의 중간 호일간의 미끄러짐에 의한 마찰에 의해 얻어지는 감쇠 효과를 추가할 수 있다. 그 결과, 회전축의 축진동을 보다 쉽게 수용할 수 있다.

본 발명의 래디얼 호일 베어링에 의하면, 톱 호일에 변형이 생기는 것을 방지하여 톱 호일의 변형을 충분히 작게 할 수 있다. 또 회전축의 축진동을 용이하게 억제할 수 있다. 이로써 래디얼 호일 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 양호하게 설계대로의 성능을 얻을 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 모식도이다.
도 2a는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 래디얼 호일 베어링의 측면도이다.
도 2b는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 베어링 하우징의 정면도이다.
도 2c는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 도 2a의 주요부 확대 측단면도이다.
도 2d는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 톱 호일의 전개도이다.
도 2e는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 톱 호일의 전개 측면도이다.
도 3a는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제2 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 래디얼 호일 베어링의 주요부 확대 측단면도이다.
도 3b는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제2 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 톱 호일의 전개도이다.
도 3c는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제2 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 톱 호일의 전개 측면도이다.
도 4a는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제3 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 래디얼 호일 베어링의 측면도이다.
도 4b는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제3 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 중간 호일의 전개도이다.
도 4c는, 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링의 제3 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로서, 중간 호일의 전개 측면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 래디얼 호일 베어링의 실시형태를 자세히 설명하기로 한다. 이하의 도면에서는, 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다.

(제1 실시형태)

도 1은, 본 발명의 래디얼 호일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 측면도이다. 도 1은, 회전축(1), 회전축(1)의 선단부에 마련된 임펠러(2), 및 래디얼 호일 베어링(3)을 도시한다.

아울러 도 1에서는, 래디얼 호일 베어링(3)이 하나밖에 기재되어 있지 않지만, 통상은 회전축(1)의 축방향으로 래디얼 호일 베어링이 2개 마련되어 회전축(1)의 지지 구조가 구성된다. 따라서 본 실시형태에서도 래디얼 호일 베어링(3)이 2개 마련되어 있다.

회전축(1)에는, 임펠러(2)가 형성된 측에 스러스트 칼라(4)가 고정되어 있다. 스러스트 칼라(4)의 양면측에는, 스러스트 칼라(4)에 대향하는 각각의 측에 스러스트 베어링(5)이 배치되어 있다.

또 임펠러(2)는, 정지측이 되는 하우징(6)내에 배치되어 있으며 하우징(6)과의 사이에 팁 클리어런스(tip clearance; 7)를 가지고 있다.

또 회전축(1)에는, 스러스트 칼라(4)보다 중앙측에서, 래디얼 호일 베어링(3)이 외삽(外揷)되어 있다.

도 2a 내지 도 2e는, 전술한 구성의 터보 기계에 적용된 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태를 도시한 도면이다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 제1 실시형태의 래디얼 호일 베어링(3)은 원통 형상을 가지며, 회전축(1)에 외삽되어 회전축(1)을 지지한다. 래디얼 호일 베어링(3)은, 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일(10)과, 톱 호일(10)의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일(11)과, 백 호일(11)의 직경 방향 외측에 배치되는 베어링 하우징(12)을 구비하고 있다.

베어링 하우징(12)은 금속제의 원통 형상을 가지며, 래디얼 호일 베어링(3)의 최외곽부를 구성하고 그 내부에 백 호일(11) 및 톱 호일(10)을 수용한다. 베어링 하우징(12)에는, 그 내주면에 베어링 하우징(12)의 축방향을 따라 걸어맞춤 홈(13)이 형성되어 있다.

즉, 베어링 하우징(12)의 정면도인 도 2b에 도시한 바와 같이, 베어링 하우징(12)의 내주면에는, 베어링 하우징(12)의 축방향의 전길이에 걸쳐 걸어맞춤 홈(13)이 형성되어 있다. 걸어맞춤 홈(13)은, 도 2c중에 화살표(A)로 도시한 깊이방향이, 후술하는 톱 호일(10)의 원통부(10a)의 소정 위치에서의 (하나의) 접선 방향과 일치하도록 형성되어 있다. 또 그 깊이는 2mm∼5mm정도이다.

베어링 하우징(12)의 외주면측에는, 걸어맞춤 홈(13)에 연통하여 걸어맞춤 홈(13)이 깊이방향(A)으로 직교하는 1쌍의 구멍(14)이 형성되어 있다. 1쌍의 구멍(14)은, 후술하는 바와 같이 걸어맞춤 홈(13)내에 끼워넣어진 톱 호일(10)의 일측(10b)을, 걸어맞춤 홈(13) 내에 고정시킬 때 이용되는 나사 삽입용 구멍이다. 1쌍의 구멍(14)의 내주면에는 암나사부가 각각 형성되어 있다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 백 호일(11)은 호일(박판)로 형성되어 톱 호일(10)을 탄성적으로 지지한다. 백 호일(11)로서는, 예를 들면 범프 호일이나, 일본공개특허 2006-57652호 공보나 일본공개특허 2004-270904호 공보 등에 기재되어 있는 스프링 호일, 또는 일본공개특허 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 호일 등이 이용될 수 있다. 본 실시형태에서는, 백 호일(11)로서 범프 호일을 이용하고 있다. 단, 상기 스프링 호일이나 백 호일을 본 발명의 백 호일로서 이용해도 좋다.

범프 호일(백 호일)(11)은, 도 2a에 도시한 바와 같이 호일(박판)이 파판형으로 성형되어 베어링 하우징(12)의 내주면을 따라 원통형을 형성하도록 배치되어 있다. 단, 본 실시형태에서는 범프 호일(11)은, 그 양단부 사이를 소정 간격 벌려둔 상태로 배치되어 있다. 즉, 범프 호일(11)은 베어링 하우징(12)의 내주면상을, 걸어맞춤 홈(13)상 및 걸어맞춤 홈(13)의 측방(걸어맞춤 홈(13)이 깊이방향(A)과 반대 측방)을 덮지 않고 기타 면상만을 덮어 배치되어 있다.

또 파판형으로 성형된 범프 호일(11)에는, 래디얼 호일 베어링(3)의 둘레방향을 따라 베어링 하우징(12)과 접하는 골(谷)부와, 톱 호일(10)에 접하는 산(山)부가 교대로 형성되어 있다. 이로써 범프 호일(11)은, 특히 톱 호일(10)에 접하는 산부에 의해 톱 호일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 또 래디얼 호일 베어링(3)의 축방향으로 산부나 골부에 의한 유체의 통로가 형성되어 있다.

아울러 범프 호일(11)은, 종래와 마찬가지로 스폿 용접 등을 이용하여 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다.

톱 호일(10)은, 백 호일(범프 호일)(11)의 내면을 따라 원통형으로 감기고 그 일측(10b)의 선단부가 베어링 하우징(12)에 형성된 상기 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤하도록 배치되어 있다. 톱 호일(10)은, 그 전개도인 도 2d에 도시한 바와 같이 베어링 둘레방향을 장변으로 하고 베어링 길이방향을 단변으로 하는 직사각형상의 금속박이, 그 측면도인 도 2e중의 화살표 방향(장변의 길이방향 : 베어링 둘레방향)으로 원통형으로 감겨 형성되어 있다.

단, 톱 호일(10)은 상기 금속박의 양단이 대치하도록 감겨지지 않고, 도 2c에 도시한 바와 같이 그 일측(10b)이 타측의 외측에 겹쳐지도록 감겨 있다. 또 일측(10b)은 다른 부분에 형성되는 원통부(10a)의 소정 위치(본 실시형태에서는 백 호일(11)의 한쪽 단부(11a)와 겹치는 위치(R))에서의 접선 방향으로 연장돌출되게 형성되어 있다.

상기 베어링 하우징(12)에서의 걸어맞춤 홈(13)도, 그 깊이방향(A)이 톱 호일(10)의 원통부(10a)의 상기 소정 위치(상기 위치(R))에서의 접선 방향과 일치되어 형성되어 있다. 아울러 본 실시형태에서의 「접선 방향과 일치되어 있다」라는 문언은, 설계상 상기 위치(R)에서의 접선 방향과 일치시켜 걸어맞춤 홈(13)을 형성하고 있다는 의미이다. 걸어맞춤 홈(13)은, 제조 오차 혹은 상기 제조 오차를 예상한 여유 간극(clearance)을 포함하고 있어도 좋다. 이로써 위치(R)에서의 접선 방향과 걸어맞춤 홈(13)의 깊이방향(A)이 약간 어긋나 있더라도 본 실시형태의 범위내이다.

톱 호일(10)은, 전술한 것처럼 그 일측(10b)이 연장돌출된 방향이 걸어맞춤 홈(13)의 깊이방향(A)과 일치하도록 배치되어 있다. 일측(10b)의 선단부가 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤되어 있다. 따라서 톱 호일(10)은 일측(10b)이 걸어맞춤된 상태에서는 변형되지 않는다. 따라서 톱 호일(10)에는 변형이 생기지 않는다.

또 본 실시형태에서는, 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤되어 있는 톱 호일(10)의 일측(10b)은 고정 수단에 의해 걸어맞춤 홈(13)내에 고정되어 있다. 구체적으로는, 고정 수단으로서 수나사(15)를 상기 구멍(14)에 나사결합하여 삽입한다. 이로써 일측(10b)dmf 걸어맞춤 홈(13)의 내벽면에 밀착시킴으로써 고정한다. 아울러 걸어맞춤 홈(13)을 내벽면에 밀착시킴에 따른 일측(10b)의 변형은 미미하다. 따라서 일측(10b)의 변형에 의해 톱 호일(10)에 변형이 생기는 경우는 거의 없다.

또 도 2e에 도시한 바와 같이, 일측(10b)과 이와 반대의 타측에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 박육부(18)가 형성되어 있다. 이들 박육부(18)는, 도 2a 및 도 2c에 도시한 바와 같이 그 외주면(범프 호일(11)측 면)이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 형성되어 있다.

박육부(18)는, 톱 호일(10)의 양단부를 10㎛단위로 컨트롤하여 원하는 두께(얇기)로 형성하는 가공(예를 들면, 식각 가공)에 의해 형성된다. 구체적으로는, 베어링 직경φ35mm로 한 경우, 톱 호일(10)의 두께를 100㎛로 하면 박육부(18)의 두께는 80㎛정도가 되도록 형성한다. 아울러 식각 가공에서는, 굽힘가공 등에 비해 톱 호일(10)에 생기는 응력이 매우 작다. 따라서 톱 호일(10)에 변형이 생기는 경우는 거의 없다.

또 도 2a, 도 2c, 및 도 2e에 도시한 바와 같이 박육부(18)의 둘레방향의 길이(L)는, 걸어맞춤 홈(13)과 걸어맞춤 홈(13)의 양측에 위치하는, 범프 호일(11)의 단부의 산 하나분까지 대응하는 길이이다.

톱 호일(10)의 양단부에 박육부(18)을 형성함으로써 이들 양단부(박육부(18))는 쉽게 탄성 변형된다. 따라서 이들 양단부는, 베어링 하우징(12)의 내주면을 구성하는 곡면을 따라 곡면이 된다. 이로써 톱 호일(10)에는, 그 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

또 톱 호일(10)의 양단부의 외주면을, 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 하여 박육부(18)를 형성하였다. 이로써 박육부(18)의 외주면과 톱 호일(10)의 외주면측을 지지하는 백 호일(11) 사이에서 그 단부의 산 하나분과의 사이에 간극이 형성된다. 이로써 박육부(18)에서는, 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생이 확실하게 방지된다. 아울러 박육부(18)의 둘레방향의 길이(L)는, 도 2a 및 도 2c에 도시한 예 대신에 걸어맞춤 홈(13)과 범프 호일(11)의 단부의 산 3개분 정도까지 대응하는 길이여도 좋다.

다음으로 전술한 구성으로 이루어진 래디얼 호일 베어링(3)의 작용에 대해 설명하기로 한다.

회전축(1)이 정지한 상태에서는, 톱 호일(10)은 백 호일(11)에 의해 회전축(1)측dmfh 가압됨으로써 회전축(1)에 밀착되어 있다.

아울러 본 실시형태에서는, 톱 호일(10)의 양단부가 박육부(18)이다. 따라서 이들 박육부(18)에서는 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 생기지 않는다.

회전축(1)을 도 2a중의 화살표(P)방향으로 시동시키면, 먼저 회전축(1)은 저속으로 회전을 시작하고 그 후 서서히 가속하여 고속으로 회전한다. 계속해서 도 2a중 화살표(Q)로 나타낸 것처럼 톱 호일(10)의 타단(일측(10b)과 반대측[자유단측]의 단부)과 범프 호일(11)의 일단과의 사이로부터 주위 유체가 끌어들여져 톱 호일(10)과 회전축(1) 사이에 주위 유체가 유입된다. 이로써 톱 호일(10)과 회전축(1) 사이에 유체 윤활막이 형성된다.

그 때 유체 윤활막이 형성될 때까지의 과도 상태에서는, 회전축(1)과 톱 호일(10) 사이에 고체 마찰이 생겨 이것이 시동시의 저항이 된다. 그러나 전술한 바와 같이 톱 호일(10)의 양단부에서 프리로드가 생기지 않도록 되어 있으며 주위 유체가 유입되는 측의 톱 호일(10)이 유연한 박육부(18)이므로 톱 호일(10)과 회전축(1) 사이가 개구되기 쉽게 되어 있다. 이로써 회전축(1)이 시동하면 조기에 유체 윤활막이 형성되고 회전축(1)은 톱 호일(10)에 대해 비접촉 상태로 회전하게 된다.

래디얼 호일 베어링(3)에서는, 톱 호일(10)의 일측(10b)이 원통부(10a)의 접선 방향으로 연장돌출되게 형성되어 있다. 일측(10b)이 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤되어 있다. 따라서 톱 호일에 대해 스폿 용접이나 굽힘가공을 하지 않고 톱 호일(10)을 베어링 하우징(12)내에 수용·고정시킬 수 있다. 또 걸어맞춤 홈(13)의 깊이방향(A)을, 톱 호일(10)이 형성하는 원통부(10a)의 하나의 접선 방향과 일치시키고 있다. 따라서 톱 호일(10)의 일측(10b)을 걸어맞춤 홈(13)의 깊이방향(A)에 맞춰 걸어맞춤시키면, 이 걸어맞춤된 상태에서는 톱 호일(10)은 변형되지 않는다. 따라서 톱 호일(10)에는 변형이 생기지 않는다. 톱 호일(10)에 변형이 생기는 것을 방지하여 톱 호일(10)의 변형을 충분히 작게 할 수 있다. 그 결과, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 발휘시킬 수 있다.

또 톱 호일(10)에 대해서는, 종래의 스폿 용접이나, 변형을 발생시키는 굽힘가공을 생략할 수 있기 때문에 제작의 난이도를 낮춰 제조비용을 줄일 수 있다.

또 베어링 하우징(12)에 대한 톱 호일(10)의 용접이 없기 때문에 용접 불량 등에 의한 조립 불량이나 조립 불균일이 없어진다. 따라서 제조 공정에서의 양품의 재현성이 높아져 우수한 양산성을 얻을 수 있다.

톱 호일(10)의 양단부에 박육부(18)를 형성하였다. 따라서 톱 호일(10)에는, 전술한 바와 같이 이들 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생하지 않는다. 따라서 프리로드에 의해 시동 토크가 높아지거나 운전중 발열이 설정 이상으로 높아지는 것을 방지할 수 있다.

또 톱 호일(10)의 양단부에 박육부(18)를 형성하였다. 따라서 예를 들면 종래와 같이 톱 호일의 양단부를 베어링 하우징의 내곡면(내주면)을 따르게 하기 위한 열처리 공정이 불필요해진다.

또한 톱 호일(10)의 양단부에 박육부(18)를 형성하였다. 따라서 주위 유체가 유입되는 측의 톱 호일(10)의 단부측(종래형의 자유단측에 상당)이 유연하게 되어 있다. 따라서 전술한 바와 같이 주위 유체가 톱 호일(10)과 회전축(1) 사이에 유입되게 쉬어진다. 그 결과, 보다 낮은 회전수로 유체 윤활막이 형성되어 회전축(1)의 시동성이 향상된다.

(제2 실시형태)

다음으로 본 발명의 래디얼 호일 베어링의 제2 실시형태를 설명하기로 한다. 도 3a 내지 도 3c는, 도 1에 도시한 터보 기계에 적용된 래디얼 호일 베어링의 제2 실시형태를 도시한 도면이다. 도 3a는 래디얼 호일 베어링(20)을 도시하고 있다. 래디얼 호일 베어링(20)이 도 2a 및 도 2c에 도시한 래디얼 호일 베어링(3)과 다른 점은, 톱 호일(21)의 일측의 걸어맞춤 홈(13)에의 고정 방법에 있다.

즉, 본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(20)의 톱 호일(21)에서는, 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이 그 일측(21b)에 수나사(15)의 선단측을 통과하는 관통 구멍(22)이 형성되어 있다. 이들 관통 구멍(22)은, 도 2b에 도시한 구멍(14)의 위치에 대응하여 2개 형성되어 있다. 또 이들 관통 구멍(22)은, 그 내경이 수나사(15)의 외경보다 크게 형성되어 있다. 따라서 수나사(15)는, 톱 호일(21)의 일측(21b)을 압압하지 않고 걸어맞춤 홈(13)의 내벽면에 접촉한다. 이로써 톱 호일(21)의 일측(21b)은 수나사(15)에 압압됨으로써 변형되지 않는다. 일측(21b)은, 원통부(21a)의 접선 방향으로 연장돌출된 상태 그대로, 그 선단부가 걸어맞춤 홈(13)내에 확실하게 보유지지, 고정된 상태가 된다.

본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(20)에서는, 도 2a 내지 도 2e에 도시한 래디얼 호일 베어링(3)과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다. 또한 톱 호일(21)의 일측(21b)을 걸어맞춤 홈(13)내에 확실하게 고정시킬 수 있다. 또 변형에 의한 약간의 변형도 생기지 않도록 할 수 있다.

(제3 실시형태)

본 발명의 래디얼 호일 베어링의 제3 실시형태를 설명하기로 한다. 도 4a 내지 도 4c는, 도 1에 도시한 터보 기계에 적용되는 래디얼 호일 베어링의 제3 실시형태를 도시한 도면이다. 도 4a는 래디얼 호일 베어링(30)을 도시한다. 도 4a에 도시한 래디얼 호일 베어링(30)이, 도 2a 내지 도 3c에 도시한 래디얼 호일 베어링(3) 및 래디얼 호일 베어링(20)과 다른 점은, 톱 호일(10(21))과 백 호일(11) 사이에 중간 호일(33)을 구비하고 있는 점이다.

중간 호일(33)은, 도 4a에 도시한 바와 같이 톱 호일(10(21)) 백 호일(범프 호일)(11) 사이에 배치되어 있다. 또 중간 호일(33)은, 톱 호일(10(21))과 마찬가지로 백 호일(범프 호일)(11)의 내면을 따라 원통형으로 감겨 있다.

중간 호일(33)은, 톱 호일(10(21))과 백 호일(11) 사이에 보유지지되어 있다. 따라서 중간 호일(33)과 베어링 하우징(3(20)) 사이에 축방향의 어긋남이 생겼을 때에도 중간 호일(33)이 베어링 하우징(3(20)) 밖으로 튀어나오는 것을 방지할 수 있다.

도 4b 및 도 4c에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에서는 중간 호일(33)의 전개 형상은 톱 호일(10(21))의 전개 형상과 같다. 그러나 중간 호일(33)의 두께는 톱 호일(10(21))보다 얇게 형성되어 있다.

제1 및 제2 실시형태에서는, 톱 호일(10(21))의 양단부에 박육부(18)를 형성하였으나, 중간 호일(33)에도 박육부(18)을 형성해도 좋다. 톱 호일(10(21))에 형성하지 않고 중간 호일(33)에만 박육부(18)를 형성해도 좋다. 중간 호일(33)의 두께는, 예를 들면 30㎛정도로 매우 얇게 형성되기 때문에 상기 박육부를 형성하는 경우는 별로 없다. 따라서 본 실시형태에서는 톱 호일(10(21))에만 박육부(18)를 형성하였다.

본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(30)에 의하면, 도 2a 내지 도 3c에 도시한 래디얼 호일 베어링(3)(20)과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다. 또한 래디얼 호일 베어링(30)은, 톱 호일(10(21))과 백 호일(11) 사이에 중간 호일(33)을 구비하고 있기 때문에 회전축(1)이 회전시에 축진동을 일으켰을 때에는 그에 따른 막압 변동이 톱 호일(10(21))로부터 중간 호일(33)을 통해 백 호일(11)에 전달된다. 이 때, 톱 호일(10(21))에는 하중 변동에 의해 미소한 휨(하중에 따라 변동)이 유발된다. 이로써 톱 호일(10(21))과 중간 호일(33) 사이 및 중간 호일(33)과 백 호일(11) 사이에 「미끄러짐」이 발생한다. 이 「미끄러짐」이 마찰에 의한 에너지 산일(散逸)을 일으켜 막압 변동을 감쇠시킨다. 즉, 상기 막압 변동에 대한 감쇠 효과를 얻을 수 있다. 따라서 상기 감쇠 효과에 의해 상기 축진동을 억제하여 상기 축진동을 쉽게 수용할 수 있다. 또 중간 호일(33)에 의해 톱 호일(10(21))의 강성을 보강할 수도 있다. 그 결과, 래디얼 호일 베어링(3)(20)의 동특성(강성과 감쇠)을 충분히 높일 수 있다.

아울러 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않으며 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 고정 수단으로서 수나사(15)를 이용하였으나, 그 대신에 쐐기형 핀 등을 이용하여 이것을 구멍(14)에 꽂아넣음으로써 톱 호일(21)의 일측을 걸어맞춤 홈(13)에 고정시켜도 좋다.

박육부(18)에 대해서는, 예를 들면 그 표리 양면을 식각 가공하여 얇게 형성해도 좋다.

상기 실시형태에서는 톱 호일(10(21))의 일측(10b(21b)) 전체를 원통부(10a(21a))로부터 연장돌출시켜 그 선단부를 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤시키도록 하였으나, 예를 들면 일측(10b(21b))에 그 측테두리로부터 연장돌출되는 연장돌출편(片)을 마련해 놓고 이 연장돌출편만을 걸어맞춤 홈(13)에 걸어맞춤시키도록 해도 좋다. 또 이 연장돌출편만을 원통부(10a(21a))로부터 연장돌출되게 형성하여 이 연장돌출편을 본 발명의 일측으로 해도 좋다.

상기 실시형태에서는 1매의 중간 호일(33)을 이용하였으나, 복수의 중간 호일을 겹침으로써 중간 호일을 다층화해도 좋다. 백 호일과 톱 호일 사이에 복수의 중간 호일을 겹쳐 배치함으로써 톱 호일과 중간 호일 사이나 중간 호일과 백 호일 사이가 서로 미끄러짐으로써 생기는 마찰에 의해 얻어지는 감쇠 효과에, 중간 호일간의 미끄러짐에 의한 마찰에 의해 얻어지는 감쇠 효과를 더할 수 있다. 그 결과, 회전축의 축진동을 억제하여 상기 축진동을 보다 쉽게 수용할 수 있다.

래디얼 호일 베어링의 감쇠 능력을 높이려면, 전술한 바와 같이 중간 호일을 복수매 겹침으로써 다층화하는 것이 유효하다. 그러나 종래 중간 호일은 스폿 용접을 이용하여 베어링 하우징에 고정되어 있다. 따라서 중간 호일의 두께를 상기 스폿 용접에 의해 녹아내리지 않을 정도로 조정할 필요가 있으며, 중간 호일의 두께는 톱 호일의 두께와 동일한 정도이다. 상기 두께의 중간 호일을 복수매 겹쳐 다층화하면, 베어링면의 강성(톱 호일과 중간 호일을 합한 강성)이 매우 높아져 축진동에 의해 유발되는 유체 윤활막의 막압 변동에 대해 베어링면이 추종할 수 없게 된다. 그 결과, 전술한 각 호일간의 「미끄러짐」에 의한 충분한 감쇠 효과를 얻을 수 없다.

그러나 상기 실시형태에서 중간 호일(33)은, 스폿 용접을 이용하지 않고 톱 호일(10(21))과 백 호일(11) 사이에 보유지지되어 있다. 따라서 중간 호일을 톱 호일보다 얇게 형성할 수 있다. 따라서 베어링면의 강성을 적정한 높이(강도)로 조절하면서 복수의 중간 호일을 중합시킬 수 있다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명의 래디얼 호일 베어링에 의하면, 톱 호일의 변형 발생을 방지하여 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 관해 설계대로의 양호한 성능을 가진 래디얼 호일 베어링을 얻을 수 있다.

1…회전축, 3…래디얼 호일 베어링, 10…톱 호일, 10a…원통부(원통), 10b…일측, 11…백 호일(범프 호일), 12…베어링 하우징, 13…걸어맞춤 홈, 14…구멍, 15…수나사(고정 수단), 18…박육부, 20…래디얼 호일 베어링, 21…톱 호일, 21a…원통부(원통), 21b…일측, 22…관통공, 30…래디얼 호일 베어링, 33…중간 호일

Claims (6)

1. 회전축에 외삽(外揷)되어 상기 회전축을 지지하는 래디얼 호일 베어링으로서,
   상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일과, 상기 톱 호일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일과, 상기 톱 호일 및 상기 백 호일을 그 내부에 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하고,
   상기 톱 호일은, 직사각형상의 금속박이 원통형으로 감김과 동시에 상기 금속박의 일측이, 상기 금속박에 의해 형성되는 원통의 접선 방향으로 연장돌출되게 형성되고,
   상기 베어링 하우징의 내주면에는 그 축방향을 따라 걸어맞춤 홈이 형성되고,
   상기 걸어맞춤 홈은, 그 깊이방향이 상기 톱 호일의 상기 원통의 하나의 접선 방향과 일치하여 형성되고,
   상기 톱 호일의, 상기 원통의 접선 방향으로 연장돌출된 일측이 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있는 래디얼 호일 베어링.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 톱 호일에는, 상기 일측과, 상기 일측과 반대인 타측에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 박육(薄肉)부가 형성되어 있는 래디얼 호일 베어링.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 박육부는, 그 외주면이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태로 형성되어 있는 래디얼 호일 베어링.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있는 톱 호일의 상기 일측이, 고정 수단에 의해 상기 걸어맞춤 홈 내에 고정되어 있는 래디얼 호일 베어링.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 톱 호일의 직경 방향 외측과 상기 백 호일의 직경 방향 내측 사이에 중간 호일이 배치되고, 상기 베어링 하우징이 상기 톱 호일, 상기 중간 호일 및 상기 백 호일을 그 내부에 수용하고 있는 래디얼 호일 베어링.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 중간 호일이 복수매 겹쳐져 있는 래디얼 호일 베어링.

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