KR20140066790A - 래디얼 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

회전축(1)을 지지하는 래디얼 포일 베어링(3)에 관한 것이다. 래디얼 포일 베어링(3)은 톱 포일(10)과, 백 포일(11)과, 이들을 수용하는 베어링 하우징(12)을 구비한다. 베어링 하우징(12)의 양 측면에는 각각, 베어링 하우징(12)의 내주연으로부터 외주연을 향해 연장되는 걸어맞춤 노치(15)가 형성되어 있다. 백 포일(11)에는, 베어링 하우징(12)의 둘레방향에서의 일방측의 양측 단부에, 각각 걸어맞춤 노치(15)에 걸어맞춤되는 걸어맞춤 돌출편(30)이 마련되어 있다.

Description

래디얼 포일 베어링{RADIAL FOIL BEARING}

본 발명은 래디얼 포일 베어링에 관한 것이다. 본원은 2011년 10월 13일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2011-225905호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래 고속 회전체용의 베어링으로서 회전축에 외부 삽입되어 이용되는 래디얼 베어링이 알려져 있다. 이러한 래디얼 베어링으로서는, 베어링면을 형성하는 박판상(薄板狀)의 톱 포일과, 이 톱 포일을 탄성적으로 지지하는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한 래디얼 포일 베어링이 잘 알려져 있다. 래디얼 포일 베어링의 백 포일로는 박판을 파판상(波板狀)으로 성형한 범프 포일이 주로 이용되고 있다.

이러한 래디얼 포일 베어링에 있어서는, 톱 포일이나 백 포일이 베어링 하우징으로부터 탈락하는 것을 방지하기 위해 그 일단부(고정단부)가 점 용접에 의해 베어링 하우징에 직접적으로 또는 스페이서를 개재하여 간접적으로 고정되어 있다.

또한 상기한 용접에 의한 고정 대신에 기계적으로 고정하는 구조로서, 톱 포일이나 백 포일(범프 포일)의 단부를 굽힘가공에 의해 절곡하고, 이 절곡부를 베어링 하우징의 내주면에 형성한 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤시킨 구조도 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1~특허문헌 3 참조).

특허문헌 1: 일본공개특허 2011-033176호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2011-017385호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 2002-061645호 공보

그러나 베어링 하우징에의 백 포일(범프 포일)의 고정을 용접에 의해 행하면, 입열(入熱)에 의해서 백 포일이나 베어링 하우징이 변형되고, 이 영향을 받아 톱 포일에 변형이 생겨 버린다.

또한 특허문헌 1~특허문헌 3에 개시된 구조에서는, 베어링 하우징의 내주면에 형성한 걸어맞춤 홈에 톱 포일이나 백 포일(범프 포일)의 단부(절곡부)를 걸어맞춤시캄으로써 이들 톱 포일이나 백 포일을 베어링 하우징에 고정하고 있다.

그런데 상기한 구조에서는, 동작 시에 래디얼 포일 베어링이 큰 외력을 받으면, 특히 백 포일이 베어링 하우징의 축 방향으로 슬라이딩하여 덜컹거림를 일으켜 버린다. 그러면 이 백 포일의 덜컹거림에 의해 톱 포일에 변형이 생기는 경우가 있다.

또한 회전축의 회전에 의해 상기 회전축과 톱 포일과의 사이에 형성되는 포일 베어링의 유체 윤활막의 막 두께는 10㎛ 전후로 매우 얇다. 이 때문에 톱 포일에 조금이라도 변형이 생기면, 베어링의 부하 능력이나 동특성(動特性; 강성과 감쇠)에 악영향을 준다. 그 결과, 설계 그대로의 성능을 갖는 베어링을 얻을 수 없게 된다.

또한 래디얼 포일 베어링의 베어링 성능을 향상시키기 위해서는 백 포일을 그 둘레방향으로 복수 분할하는 것이 유효하다. 그러나 그 경우에는 베어링 하우징에 대한 백 포일의 고정점이 많아진다. 이 때문에 종래의 용접에 의한 고정에서는 용접 개소가 증가하여 공수가 증가함으로써 제조 비용이 증대한다. 또한 용접 개소가 증가하면, 용접한 모든 개소를 양호하게 용접할 수 없으면 제품으로서 출하할 수 없다. 이 때문에 제조시의 품질 유지가 어려워져, 양품률의 저하에 의해 제조 비용이 증대해진다.

본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 톱 포일에 생기는 변형을 줄여, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계 그대로의 양호한 성능을 가지며, 제조 비용을 억제한 래디얼 포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 태양에 관한 래디얼 포일 베어링은, 회전축에 외부 삽입되어 상기 회전축을 지지하고, 상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일과, 상기 톱 포일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 내부 삽입한 상태로 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하고 있다. 상기 베어링 하우징의 양 측면에는 각각, 상기 베어링 하우징의 내주연(內周緣)으로부터 외주연(外周緣)을 향해 연장된 걸어맞춤 노치(notch)가 형성되어 있다. 상기 백 포일에는, 상기 베어링 하우징의 둘레방향에서의 일방측의 양측 단부에 각각 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤되는 걸어맞춤 돌출편이 마련되어 있다.

이 경우, 베어링 하우징의 양 측면에 각각 걸어맞춤 노치를 형성하고, 백 포일의 일방측의 양측 단부에 각각 걸어맞춤 돌출편을 마련하여, 이들 걸어맞춤 돌출편을 각각 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤시키고 있다. 이 때문에 백 포일에 대해서 점 용접을 행하지 않고, 백 포일을 베어링 하우징 내에 수용·고정할 수 있다. 또한 백 포일은 베어링 하우징의 둘레방향 및 축 방향으로의 슬라이딩이 베어링 하우징의 양 측면에 형성된 걸어맞춤 노치로 규제되므로, 거의 덜컹거림이 생기지 않는다. 따라서 백 포일의 점 용접이나 백 포일의 덜컹거림에 의해 톱 포일에 변형이 생기는 것을 막을 수 있다. 또한 백 포일의 용접이 필요 없기 때문에, 용접 불량에 의한 조립 불량이나 조립의 불균일을 없앨 수 있다.

또한 본 발명의 제2 태양에 관한 래디얼 포일 베어링에 의하면, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 백 포일은 상기 베어링 하우징의 둘레방향을 따라서 배치된 복수의 백 포일편을 가지고 구성되어 있다. 상기 백 포일편에는 각각 상기 걸어맞춤 돌출편이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

백 포일은 톱 포일을 탄성적으로 지지한다. 이 때문에 백 포일은 톱 포일으로부터 하중을 받았을 때에 그 둘레방향으로 변형함으로써 톱 포일의 휨을 허용하고, 톱 포일을 지지한다. 그러나 백 포일이 둘레방향으로 변형될 때, 베어링 하우징과의 사이의 마찰의 영향을 받기 때문에 자유단측에서는 변형되기 쉽지만, 걸어맞춤 돌출편를 형성한 고정단측에서는 변형되기 어렵다. 이 때문에 자유단측과 고정단측에서는 지지 강성에 차이가 발생하여, 베어링 전체적으로 균일한 지지 강성을 얻을 수 없다.

그래서 백 포일을, 상기 베어링 하우징의 둘레방향을 따라서 배치된 복수의 백 포일편을 가진 형태로 구성하고 있다. 이 때문에 백 포일편에서의 고정단과 자유단과의 사이의 거리가 짧아져, 자유단측과 고정단측과의 사이의 지지 강성의 차이가 적어지게 된다. 그 결과, 백 포일 전체적으로 지지 강성의 불균형이 적어지게 된다.

또한 본 발명의 제3 태양에 관한 래디얼 포일 베어링에 의하면, 상기 제2 태양에 있어서, 상기 백 포일편 중에서 서로 이웃하는 한 쌍의 백 포일편은, 각각의 상기 걸어맞춤 돌출편이 근접한 상태로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또한 이들 근접한 한 쌍의 걸어맞춤 돌출편이 하나의 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤되는 것이 바람직하다.

이 경우, 베어링 하우징에 형성하는 걸어맞춤 노치의 수를 줄일 수 있다. 즉 베어링의 가공 개소의 수를 줄임으로써 가공 비용을 억제할 수 있다.

또한 본 발명의 제4 태양에 관한 래디얼 포일 베어링에 의하면, 상기 제 1태양부터 제3 태양 중 어느 한 태양에 있어서, 상기 베어링 하우징의 내주면에는, 대향하는 한 쌍의 상기 걸어맞춤 노치 간에 상기 걸어맞춤 노치보다 깊이가 얕은 걸어맞춤 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 백 포일에는, 상기 걸어맞춤 돌출편 간에 상기 걸어맞춤 돌출편보다 높이가 낮은 걸어맞춤 돌출줄기가 마련되어, 상기 걸어맞춤 돌출편이 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤됨과 아울러, 상기 걸어맞춤 돌출줄기가 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되는 것이 바람직하다.

이 경우, 걸어맞춤 돌출줄기가 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤됨으로써 베어링 하우징에 대해서 백 포일이 보다 강하게 고정된다.

본 발명의 래디얼 포일 베어링에 의하면 백 포일의 점 용접이나 백 포일의 덜컹거림에 의해 톱 포일에 변형이 생기는 것을 방지하여, 톱 포일의 변형이 적어진다. 그 결과, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해서 설계 그대로의 양호한 성능을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

또한 용접을 불필요하게 하여 용접 불량에 의한 조립 불량이나 조립의 뷸균일을 없앴기 때문에 제조 시의 양품률 향상에 의해 제조 비용을 낮출 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2a는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 나타내는 래디얼 포일 베어링의 측면도이다.
도 2b는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 나타내는, 래디얼 포일 베어링의 주요부를 나타내는 사시도이다.
도 2c는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 나타내는, 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 2d는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제1 실시형태의 개략 구성을 나타내는, 도 2c의 A-A선 단면도이다.
도 3a는, 평탄화한 백 포일편의 평면도이다.
도 3b는, 평탄화한 백 포일편의 측면도이다.
도 4a는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제2 실시형태의 개략 구성을 나타내는 래디얼 포일 베어링의 측면도이다.
도 4b는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제2 실시형태의 개략 구성을 나타내고, 래디얼 포일 베어링의 주요부를 나타내는 사시도이다.
도 5a는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제3 실시형태의 개략 구성을 나타내고, 래디얼 포일 베어링의 주요부를 나타내는 사시도이다.
도 5b는, 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 제3 실시형태의 개략 구성을 나타내는, 평탄화한 백 포일편의 평면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링에 대해 자세히 설명한다. 또한 이하의 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다.

(제1 실시형태)

도 1은, 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 측면도이다. 도 1은, 회전축(1), 회전축의 선단부에 설치된 임펠러(2), 래디얼 포일 베어링(3), 스러스트 칼라(4), 스러스트 베어링(5) 및 하우징(6)을 나타내고 있다. 또한 도 1에서는 생략하여 래디얼 포일 베어링을 하나밖에 기재하지 않았는데, 통상은 회전축(1)의 축 방향으로 2개의 래디얼 포일 베어링이 설치됨으로써 회전축(1)의 지지 구조가 구성되어 있다. 따라서 본 실시형태에서도 2개의 래디얼 포일 베어링(3)이 설치되어 있다.

회전축(1)에는 임펠러(2)가 형성된 측에 스러스트 칼라(4)가 고정되어 있다. 스러스트 칼라(4)의 양측에는 스러스트 칼라(4)에 대향하도록 스러스트 베어링(5)이 배치되어 있다.

또한 임펠러(2)는 정지측이 되는 하우징(6) 내에 배치되어 있고, 하우징(6)과의 사이에 팁 클리어런스(tip clearance;7)를 가지고 있다. 또한 회전축(1)에는, 회전축(1)의 스러스트 칼라(4)보다 중앙 측에 래디얼 포일 베어링(3)이 외부 삽입되어 있다.

도 2a 내지 도 2d는 상기한 구성의 터보 기계에 적용되는 래디얼 포일 베어링의 제1 실시형태를 도시하는 도면이다. 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)은, 도 2a에 도시하는 바와 같이 회전축(1)에 외부 삽입되어 회전축(1)을 지지하며, 원통형이다. 래디얼 포일 베어링(3)은 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일(10)과, 톱 포일(10)의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일(11)과, 백 포일(11)의 직경 방향 외측에 배치되는 베어링 하우징(12)을 구비하여 구성되어 있다.

베어링 하우징(12)은 래디얼 포일 베어링(3)의 최외곽부를 구성하고, 금속으로 이루어지며, 원통형이다. 베어링 하우징(12)은 그 내부에 백 포일(11) 및 톱 포일(10)을 수용하고 있다. 베어링 하우징(12)의 내주면에는 베어링 하우징(12)의 축 방향을 따라서 홈(13)이 형성되어 있다.

즉, 베어링 하우징(12)의 내주면에는 베어링 하우징(12)의 축 방향의 전체 길이에 걸쳐서 홈(13)이 형성되어 있다. 홈(13)은, 그 깊이 방향이 후술하는 톱 포일(10)의 일방측(10a)이 연장되는 방향과 일치하도록 형성되어 있다. 또한 홈(13)의 깊이는 2mm~5m 정도이다.

또한 베어링 하우징(12)의 외주면 측에는 홈(13)에 연통하는 한 쌍의 구멍(14)이 형성되어 있다. 이들 구멍(14)은, 후술하는 바와 같이 홈(13) 내에 넣어진 톱 포일(10)의 일방측(10a)을 홈(13) 내에 고정하기 위해 이용된다. 즉, 구멍(14)은 수나사의 삽입용 구멍이고, 그 내주면에 암나사부가 형성되어 있다.

또한 베어링 하우징(12)의 양 측면에는, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 바와 같이 베어링 하우징(12)의 내주연으로부터 외주연을 향해 연장된 6개(복수)의 걸어맞춤 노치(15)가 형성되어 있다. 본 실시형태의 걸어맞춤 노치(15)는, 베어링 하우징(12)의 내주연으로부터 외주연까지 잘라낸 홈 형상을 가진다. 이들 걸어맞춤 노치(15)는 도 2a에 도시하는 바와 같이 베어링 하우징(12)의 측면을 그 둘레방향으로 대략 6분할하는 위치에 각각 형성되어 있다. 이들 걸어맞춤 노치(15)에는 후술하는 백 포일(11)의 걸어맞춤 돌출편(30)이 걸어맞춤되어 있다. 또한 본 실시형태에서는 6개의 걸어맞춤 노치(15) 중에서 2개의 걸어맞춤 노치(15, 15)의 사이에 홈(13)이 배치되어 있다.

백 포일(11)은, 포일(박판)로 형성되고, 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지한다. 백 포일(11)으로서는, 예를 들면 범프 포일이나, 일본공개특허 2006-57652호 공보나 일본공개특허 2004-270904호 공보 등에 기재되어 있는 스프링 포일, 또는 일본공개특허 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 포일 등이 이용된다. 본 실시형태에서는, 백 포일(11)으로서 범프 포일을 이용하고 있다. 다만, 상술한 스프링 포일이나 백 포일을 백 포일로서 이용하여도 괜찮다.

백 포일(범프 포일)(11)은 도 2a에 도시하는 바와 같이 톱 포일(10)의 둘레방향을 따라서 배치된 6개(복수)의 백 포일편(11a)에 의해 구성되어 있다. 백 포일편(11a)은 그 포일(박판)이 파판상으로 성형되며, 그 측면이 전체적으로 대략 원호형상이 되도록 성형되어 있다. 6개의 백 포일편(11a)은 모두 같은 형상·치수로 형성되어 있다. 따라서 이들 백 포일편(11a)은 베어링 하우징(12)의 내주면을 대략 6분할하도록 배치되어 있다.

또한 이들 백 포일편(11a)은 홈(13)을 사이에 두는 위치에서는 어느 정도의 간극를 두고 배치되고, 그 이외의 위치에서는 서로의 단부가 근접하여 배치되어 있다. 상기 구성에 의해 6개의 백 포일편(11a)은 전체적으로 대략 원통 형상이 되도록 베어링 하우징(12)의 내주면을 따라 배치되어 있다.

또한 파판상으로 성형된 백 포일편(11a)에는, 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 나타내는 도 2c에 도시하는 바와 같이, 베어링 하우징(12)의 둘레방향을 따라서 베어링 하우징(12)과 접하는 평탄한 골(谷)부(11b)와, 톱 포일(10)에 접하는 만곡한 산(山)부(11c)가 교대로 형성되어 있다. 백 포일편(11a)은 특히 톱 포일(10)에 접하는 산부(11c)에 의해 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 또한 래디얼 포일 베어링(3)의 축 방향으로 산부(11c)나 골부(11b)에 의한 유체의 통로가 형성되어 있다.

또한 이들 백 포일편(11a)의 일방측(즉 베어링 하우징(12)의 둘레방향에서의 일방측)의 양측 단부에는 각각 걸어맞춤 돌출편(30)이 형성되어 있다. 이들 걸어맞춤 돌출편(30, 30)에는 평탄화한 백 포일편(11a)의 평면도인 도 3a에 도시하는 바와 같이, 골부(11b)로 되어 있는 일방측의 양측 단부(30a, 30a) 사이가 잘라내어져 오목부(31)가 형성되어 있다. 또한 이들 걸어맞춤 돌출편(30, 30)은, 평탄화한 백 포일편(11a)의 측면도인 도 3b에 도시하는 바와 같이 상기 양측 단부(30a, 30a)가 각각 하방(산부(11c)가 돌출하는 방향과 반대의 방향)을 향해 대략 직각으로 절곡됨으로써 형성되어 있다. 또한 양측 단부(30a, 30a)의 절곡 위치를 도 3a 중에서 절곡선(M)으로 나타낸다.

걸어맞춤 돌출편(30, 30)(양측 단부(30a, 30a))의 절곡 가공에 의해 백 포일편(11a)(백 포일(11))에는 변형이 생긴다. 그러나 가공된 부분이 근소하기 때문에 생기는 변형은 작아서, 이 변형이 톱 포일(10)에 영향을 주지는 않는다.

또한 백 포일편(11a)에서의 오목부(31)는, 버(burr)가 발생하지 않고 스트레스를 주지 않으며 또한 변형도 생기지 않도록, 에칭 가공이나 방전 가공을 이용하여 포일에 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 에칭 가공이나 방전 가공을 이용하여 포일에 오목부(31)를 형성한 후, 산부(11c)나 골부(11b)를 형성하기 위한 프레스 성형을 행한다. 그 후, 양측 단부(30a, 30a)를 절곡하여 걸어맞춤 돌출편(30, 30)을 형성하여, 백 포일편(11a)를 형성하는 것이 바람직하다.

이들 걸어맞춤 돌출편(30, 30)은 도 2a에 도시하는 바와 같이 각각 걸어맞춤 노치(15)에 걸어맞춤되어 있다. 즉, 도 2b 중에서 화살표로 나타내는 바와 같이 백 포일편(11a)의 걸어맞춤 돌출편(30, 30)이 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 노치(15)에 삽입된다. 이에 의해 도 2c의 A-A선 단면도인 도 2d에 도시하는 바와 같이 걸어맞춤 노치(15, 15)에 각각 걸어맞춤 돌출편(30)이 걸어맞춤되어 있다. 걸어맞춤 노치(15, 15)에 걸어맞춤 돌출편(30, 30)이 걸어맞춤되면, 백 포일편(11a)은 베어링 하우징(12)의 둘레방향으로의 슬라이딩이 규제된다. 또한 백 포일편(11a)의 축 방향으로의 슬라이딩도 걸어맞춤 돌출편(30, 30)이 걸어맞춤되어 있는 걸어맞춤 노치(15, 15)에 의해 규제된다. 이 때문에 백 포일편(11a)(백 포일(11))에는 거의 덜컹거림이 생기지 않는다.

또한 걸어맞춤 돌출편(30)의 길이는, 이것이 베어링 하우징(12)의 외주면측으로 돌출되지 않는 길이이다. 구체적으로는 베어링 하우징(12)의 두께가 예를 들면 5mm인 경우, 걸어맞춤 돌출편(30)의 길이는 2mm~5mm 정도이다.

도 2a에 도시하는 바와 같이 톱 포일(10)은 6개의 백 포일편(11a)으로 이루어지는 백 포일(11)의 내면을 따라서 원통형으로 감기도록 구성되어 있다. 또 톱 포일(10)은 일방측(10a)의 선단부가 베어링 하우징(12)에 형성된 홈(13)에 걸어맞춤되도록 배치되어 있다. 톱 포일(10)은, 베어링 둘레방향을 장변으로 하고, 베어링 길이 방향을 단변으로 하는 직사각형 형상의 금속박이 장변의 길이 방향(베어링 둘레방향)으로 원통형으로 감김으로써 형성되어 있다.

톱 포일(10)은, 상기 금속박의 양단이 맞대지도록 감기지 않고, 그 일방측(10a)이 타방측의 외측과 겹쳐지도록 감겨 있다. 또한 일방측(10a)은, 이것 이외의 부분에서 형성되는 원통부의 소정 위치에서의 접선 방향으로 연장되도록 형성되어 있다.

또한 베어링 하우징(12)에서의 홈(13)은, 그 깊이 방향이 톱 포일(10)의 일방측(10a)이 연장되는 방향에 일치하도록 형성되어 있다.

따라서 톱 포일(10)은, 그 일방측(10a)이 연장된 방향이 홈(13)의 깊이 방향에 일치하도록 배치되고, 그 일방측(10a)의 선단부가 홈(13)에 걸어맞춤되어 있다. 이에 의해 톱 포일(10)은, 그 일방측(10a)이 홈(13)에 걸어맞춤된 상태에서는 변형되지 않는다. 이 때문에 톱 포일(10)에는 변형이 생기지 않는다.

또한 본 실시형태에서는, 홈(13)에 걸어맞춤되어 있는 톱 포일(10)의 일방측(10a)은 수나사(17)에 의해 홈(13) 내에 고정되어 있다. 즉, 수나사(17)가 구멍(14)에 나사 결합하여 삽입됨으로써, 일방측(10a)이 홈(13)의 내벽면에 밀착되어 고정되어 있다. 또한 홈(13)의 내벽면으로의 밀착에 의한 일방측(10a)의 변형은 근소하다. 따라서 이 변형에 의해 톱 포일(10)에 변형이 생기지 않는다.

또한 톱 포일(10)에는, 일방측(10a) 및 이것과 반대의 타방측에, 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 얇은두께부(18)가 형성되어 있다. 이들 얇은두께부(18)는, 그 외주면(백 포일(11)측의 면)이 톱 포일(10)의 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 되어 형성되어 있다.

얇은두께부(18)는, 예를 들면 에칭 가공에 의해 톱 포일(10)의 양단부를 10㎛ 단위로 컨트롤하여 원하는 두께(얇기)로 형성되어 있다. 구체적으로는 베어링 지름 Ø35mm로 했을 경우, 톱 포일(10)의 두께를 100㎛로 하면 얇은두께부(18)의 두께는 80㎛ 정도가 되도록 형성되어 있다. 또한 상기한 에칭 가공에서는, 굽힘가공 등과 비교하여 톱 포일(10)에 생기는 응력이 극히 작다. 따라서 이 가공에 의해서 톱 포일(10)에 변형이 생기는 일은 거의 없다.

또한 얇은두께부(18)의 둘레방향의 길이는, 예를 들면 홈(13)과 홈(13)의 양측에 위치하는 백 포일(11)(백 포일편(11a))의 단부의 산 하나분까지에 대응하는 길이이다.

톱 포일(10)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성함으로써 이들 양단부(얇은두께부(18))는 탄성 변형되기 쉬워진다. 따라서 이들 양단부(얇은두께부(18))는 베어링 하우징(12)의 내주면을 구성하는 곡면을 따라 곡면이 된다. 이에 의해 톱 포일(10)의 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

즉, 종래와 같이 톱 포일의 일단부(고정단부)를 점 용접으로 베어링 하우징에 고정한 경우, 그 양단 부근(고정단측과 자유단측)이 베어링 하우징의 내주면을 구성하는 곡면에 따르기 어려워 평면에 가까운 상태가 된다. 이에 의해 평면에 가까운 상기 부위에서는 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생한다. 그 결과, 시동 토크가 높아지거나 운전 중의 발열이 설정 이상으로 높아지는 등의 문제가 생긴다. 이에 대해 본 실시형태의 톱 포일(10)에서는, 그 양단부에 얇은두께부(18)를 형성함으로써 상기한 바와 같이 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

또한 톱 포일(10)의 양단부의 외주면을, 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 하여 얇은두께부(18)를 형성하고 있다. 이 때문에 얇은두께부(18)와 그 외주면측을 지지하는 백 포일(11)과의 사이, 및 얇은두께부(18)와 그 단부의 산 하나분의 사이에 간극이 형성된다. 이에 의해 얇은두께부(18)에서 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생을 확실히 방지할 수 있다.

다음으로 상술한 구성으로 이루어지는 래디얼 포일 베어링(3)의 작용에 대하여 설명한다.

회전축(1)이 정지한 상태에서는, 톱 포일(10)은 백 포일(11)(6개의 백 포일편(11a))에 의해 회전축(1) 측으로 바이어스됨으로써, 회전축(1)에 밀착되어 있다.

또한 본 실시형태에서는, 톱 포일(10)의 양단부가 얇은두께부(18)로 되어 있다. 이 때문에 이들 얇은두께부(18)에서는 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 생기지 않는다.

도 2a 중의 화살표(P)로 나타내는 바와 같이 회전축(1)을 화살표(P)의 방향으로 시동시키면, 처음에는 저속으로 회전을 시작하고, 그 후 서서히 가속하여 고속으로 회전한다. 그 결과, 도 2a 중의 화살표(Q)로 나타내는 바와 같이 톱 포일(10)의 일방측(10a)과 백 포일편(11a)의 일단 사이로부터 주위 유체가 끌어들여져, 톱 포일(10)과 회전축(1) 사이에 유입된다. 이에 의해 톱 포일(10)과 회전축(1) 사이에 유체 윤활막이 형성된다.

이 유체 윤활막의 막압은 톱 포일(10)에 작용하여 톱 포일(10)에 접하는 백 포일편(11a)의 개개의 산부(11c)를 압압한다. 그 결과, 백 포일편(11a)이 톱 포일(10)에 압압됨으로써, 그 산부(11c)가 눌려 확장된다. 이에 의해 백 포일편(11a)은 베어링 하우징(12) 상을 그 둘레방향으로 움직인다.

즉, 백 포일편(11a)(백 포일(11))은 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 이 때문에 백 포일편(11a)(백 포일(11))은 톱 포일(10)으로부터 하중을 받았을 때에 그 둘레방향으로 변형함으로써, 톱 포일(10)의 휨을 허용하고 톱 포일(10)을 지지한다.

그러나 도 2c에 도시하는 바와 같이 백 포일편(11a)은, 걸어맞춤 돌출편(30, 30)이 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 노치(15, 15)에 걸어맞춤되어 있기 때문에, 베어링 하우징(12)의 내주면 상에서 둘레방향으로 도는 것이 방지(규제)되어 있다. 따라서 백 포일편(11a)의 개개의 산부(11c)는, 걸어맞춤 노치(15)에 걸어맞춤되어 있는 걸어맞춤 돌출편(30)을 고정점(고정단)으로 하여 둘레방향으로 변형되는데(움직이는데), 백 포일편(11a) 자체는 그 고정점(고정단)이 걸어맞춤 노치(15)의 형성 위치로부터 벗어나는 일은 없다.

또한 백 포일편(11a)은 둘레방향으로 변형될 때(움직일 때), 베어링 하우징(12)이나 톱 포일(10)과의 사이의 마찰의 영향을 받는다. 이 때문에 백 포일편(11a)의 타방측(즉 자유단측)은 변형되기 쉽지만(움직이기 쉽지만), 상기 고정점(고정단) 측은 변형되기 어렵다. 따라서 자유단측과 고정단측에서는 백 포일편(11a)에 의한 지지 강성에 차이가 생긴다.

그러나 본 실시형태에서는 백 포일(11)을 6개의 백 포일편(11a)으로 분할하고 있다. 이 때문에 백 포일(11)을 단일의 포일로 형성했을 경우와 비교하여, 고정단과 자유단의 사이의 거리가 짧다. 따라서 자유단측과 고정단측의 사이의 지지 강성의 차이가 작다.

또한 회전축(1)이 고속으로 회전하고 있을 때, 걸어맞춤 돌출편(30, 30)에 걸어맞춤되어 있는 걸어맞춤 노치(15, 15)가, 백 포일편(11a)의 축 방향으로의 움직임도 구속하여 그 슬라이딩을 규제하고 있다. 이 때문에 백 포일편(11a)(백 포일(11))에는 거의 덜컹거림이 생기지 않는다. 또한 예기치 않은 충격 등이 작용했을 경우에도, 걸어맞춤 노치(15, 15)로의 걸어맞춤 돌출편(30, 30)의 걸어맞춤에 의해, 백 포일편(11a)이 베어링 하우징(12)으로부터 탈락하는 일은 없다. 또한 걸어맞춤 돌출편(30)을 걸어맞춤 노치(15)에 끼워 넣어 걸어맞춤시키기만 하면 되는 간이한 구조로 되어 있다. 그러나 톱 포일(10)이 백 포일(11)(백 포일편(11a))을 덮고 있기 때문에, 충격 등에 의해 백 포일편(11a)이 베어링 하우징(12)으로부터 탈락하는 일은 없다.

또한 유체 윤활막이 형성되기까지의 상태에서는, 회전축(1)과 톱 포일(10)의 사이에 고체 마찰이 생기고, 이것이 시동 시의 저항이 된다. 그러나 상기한 바와 같이 본 실시형태에 있어서의 래디얼 포일 베어링(3)에 의하면, 톱 포일(10)의 양단부에서 프리로드가 생기지 않고, 주위 유체가 유입되는 측의 톱 포일(10)이 얇은두께부(18)로 되어 있어 유연하다. 이 때문에 톱 포일(10)과 회전축(1)의 사이가 개구되기 쉬워, 회전축(1)이 시동하면 조기에 유체 윤활막이 형성되어 회전축(1)은 톱 포일(10)에 대해서 비접촉 상태로 회전한다.

래디얼 포일 베어링(3)에서는, 베어링 하우징(12)의 양 측면에 각각 걸어맞춤 노치(15)를 형성하고, 백 포일편(11a)의 일방측의 양측 단부에 각각 걸어맞춤 돌출편(30)을 마련하여, 이들 걸어맞춤 돌출편(30, 30)을 각각 걸어맞춤 노치(15, 15)에 걸어맞춤시키고 있다. 이 때문에 백 포일편(11a)에 대해서 점 용접을 행하지 않고, 백 포일편(11a)(백 포일(11))을 베어링 하우징(12) 내에 수용·고정할 수 있다. 또한 백 포일편(11a)은 베어링 하우징(12)의 둘레방향 및 축 방향으로의 슬라이딩이 베어링 하우징(12)의 양 측면에 형성된 걸어맞춤 노치(15, 15)로 규제된다. 이 때문에 백 포일편(11a)(백 포일(11))에는 거의 덜컹거림이 생기지 않는다. 따라서 백 포일(11)(백 포일편(11a))의 점 용접이나 백 포일의 덜컹거림에 의해 톱 포일(10)에 변형이 생기는 것을 방지하여, 톱 포일(10)의 변형을 충분히 줄일 수 있다. 따라서 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대하여 설계 그대로의 양호한 성능을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

또한 백 포일(11)에 대해서는, 종래의 점 용접을 없앨 수 있고, 나아가 변형을 발생시키는 굽힘가공을 근소한 부위만으로 하고 있기 때문에, 제작의 난이도를 저하시켜 제조 비용을 저감화할 수 있다. 즉, 용접 불량에 의한 조립 불량이나 조립의 불균일을 없앴으므로 제조시의 양품률이 향상하여, 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한 백 포일(11)에 특별한 굽힘가공을 행하지 않고, 간이한 굽힘가공만으로 하고 있다. 이 때문에 백 포일(11)을 고정밀도로 프레스 성형하는 것이 가능하게 된다.

나아가 백 포일(11)의 용접이 불필요하기 때문에, 제조시의 양품률이나 성능이 용접의 좋고 나쁨에 영향받지 않는다. 그 결과, 우량품의 재현성이 높아져 양산성이 향상된다.

나아가 래디얼 포일 베어링의 베어링 성능을 향상시키기 위해 백 포일(11)을 그 둘레방향으로 복수 분할하는 경우도, 용접에 의한 고정과 비교하여 적은 공수로 베어링을 제조할 수 있다. 따라서 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한 백 포일(11)을, 톱 포일(10)의 둘레방향을 따라서 배치된 6개(복수)의 백 포일편(11a)로 구성하고, 이들 백 포일편(11a)에 각각 걸어맞춤 돌출편(30)을 형성하고 있다. 이에 의해, 백 포일편(11)에서의 고정단과 자유단 사이의 거리를 짧게 하고 있다. 이 때문에 자유단측과 고정단측과의 사이의 지지 강성의 차이를 작게 하여, 백 포일(11) 전체적으로 지지 강성의 불균형을 줄일 수 있다. 따라서 백 포일(11) 전체적으로 균일한 지지 강성과 미끄러짐 특성을 얻을 수 있다. 그 결과, 큰 베어링 부하 능력과 높은 베어링 강성 능력 및 감쇠능력을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

(제2 실시형태)

다음으로 도 1에 도시한 터보 기계에 적용되는 래디얼 포일 베어링의 제2 실시형태에 대해서, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다. 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)이, 도 2a~도 2d, 도 3a 및 도 3b에 도시한 제1 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)과 다른 점은 백 포일편(11a)의 배치에 있다.

즉, 본 실시형태에서는, 도 4a에 도시한 바와 같이 6개의 백 포일편(11a) 중에서 서로 이웃하는 한 쌍의 백 포일편(11a, 11a)을, 각각의 걸어맞춤 돌출편(30)이 근접한 상태가 되도록 배치하고 있다. 또한 이에 대응하여 베어링 하우징(12)에서는, 그 양 측면에 형성하는 걸어맞춤 노치(15)를 6개씩이 아니라 3개씩 형성하고 있다. 상기 구성에 의해 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)에서는, 서로 이웃하는 한 쌍의 백 포일편(11a, 11a)의, 근접하게 배치된 한 쌍의 걸어맞춤 돌출편(30, 30)이, 도 4b에 도시하는 바와 같이 하나의 걸어맞춤 노치(15)에 걸어맞춤된다.

또한 도 4b에 도시한 걸어맞춤 노치(15)는 한 쌍의 걸어맞춤 돌출편(30, 30)에 걸어맞춤된다. 이 때문에 1개의 걸어맞춤 돌출편(30, 30)에 걸어맞춤되는 도 2b에 도시한 걸어맞춤 노치(15)에 비하여, 그 가로 폭이 대략 2배로 넓다.

상기 구성의 래디얼 포일 베어링(3)에서는, 도 2a~도 3b에 도시한 제1 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)과 마찬가지의 효과에 더하여, 베어링 하우징(12)에 형성하는 걸어맞춤 노치(15)의 수를 줄일 수 있다. 즉, 베어링의 가공 개소의 수를 줄일 수 있으므로 가공 비용을 억제할 수도 있다.

(제3 실시형태)

다음으로 도 1에 도시한 터보 기계에 적용되는 래디얼 포일 베어링의 제3 실시형태에 대해 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한다. 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)이 도 2a~도 2d, 도 3a 및 도 3b에 도시한 제1 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)과 다른 점은, 백 포일편(11a)의 베어링 하우징(12)에 대한 걸어맞춤부의 구조에 있다.

즉, 본 실시형태에서는, 도 5a에 도시한 바와 같이 백 포일(11a)에, 그 걸어맞춤 돌출편(30, 30) 간에 걸어맞춤 돌출편(30)보다 높이가 낮은 걸어맞춤 돌출줄기(32)가 마련되어 있다. 걸어맞춤 돌출줄기(32)는, 평탄화한 백 포일편(11a)의 평면도인 도 5b에 도시하는, 절곡선(M)으로 나타내는 위치에서 절곡함으로써 형성할 수 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 도 3a에 도시한 경우에 비하여 백 포일편(11a)의 둘레방향에서의 오목부(31)의 치수(N)를 작게 하여, 그만큼 절곡선(M)을 양측 단부(30a, 30a)보다 멀리한다. 이에 의해, 절곡선(M)에서 백 포일편(11a)을 절곡하면, 양측 단부(30a, 30a) 뿐만 아니라 이들 사이의 골부(11b)의 일부도 절곡된다. 그 결과, 도 5a에 도시한 바와 같이 걸어맞춤 돌출편(30, 30) 간에 걸어맞춤 돌출편(30)보다 높이가 낮은 걸어맞춤 돌출줄기(32)가 형성된다.

또한 베어링 하우징(12)의 내주면에는, 대향하는 한 쌍의 걸어맞춤 노치(15, 15) 간에 걸어맞춤 노치(15, 15)보다 깊이가 얕은 걸어맞춤 홈(16)이, 걸어맞춤 노치(15, 15)에 연통하여 형성되어 있다. 이에 의해, 걸어맞춤 노치(15)와 걸어맞춤 홈(16)의 사이에는 단차부(미도시)가 형성되어 있다. 걸어맞춤 홈(16)은, 그 깊이가 걸어맞춤 돌출줄기(32)의 길이(높이), 즉 하방으로 연장되는 길이에 대응하여, 이것과 같은 깊이 또는 이것보다 근소하게 깊어지도록 형성되어 있다. 또한 걸어맞춤 노치(15)의 상기 단차부까지의 깊이는, 걸어맞춤 돌출편(30)의 가로 폭과 같거나 근소하게 깊어지도록 형성되어 있다.

상기한 구성의 백 포일편(11a)은, 걸어맞춤 돌출편(30, 30)이 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 노치(15, 15)에 걸어맞춤되고, 또한 상기 단차부에 걸림고정됨과 아울러, 걸어맞춤 돌출줄기(32)가 걸어맞춤 홈(16)에 걸어맞춤되어 있다.

따라서 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)에서는, 도 2a~도 3b에 도시한 제1 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)과 마찬가지의 효과에 더하여, 걸어맞춤 돌출줄기(32)를 걸어맞춤 홈(16)에 걸어맞춤시킴으로써, 베어링 하우징(12)에 대해서 백 포일(11)(백 포일편(11a))을 보다 강하게 고정할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 백 포일(11)을 6개의 백 포일편(11a)에 의해 구성했는데, 이에 한정되지 않는다. 백 포일(11)에 대해서는, 한 장의 금속박을 대략 원통형으로 성형한 단일의 것으로 구성해도 된다. 또한 복수의 백 포일편(11a)으로 구성하는 경우에는, 2개~5개, 또는 7개 이상의 백 포일편(11a)으로 백 포일(11)을 구성하도록 해도 된다.

또한 상기 실시형태에 대해서는, 걸어맞춤 노치(15)를 베어링 하우징(12)의 내주연으로부터 외주연까지 잘라내어 홈 형상으로 형성했는데, 이에 한정되지 않는다. 베어링 하우징(12)의 내주연으로부터 외주연을 향해 연장되어 있으면, 외주연에 도달하지 않고, 그 직전까지 잘라냄으로써 걸어맞춤 노치(15)를 형성해도 된다.

나아가 상기 실시형태에서는, 톱 포일(10)에 대해서도 이것을 용접으로 고정하지 않고, 그 일방측(10a)을 베어링 하우징(12)에 형성한 홈(13)에 걸어맞춤시킴으로써 베어링 하우징(12) 내에 수용·고정하도록 했는데, 이에 한정되지 않는다. 톱 포일(10)의 고정에 대해서는, 용접을 포함하여 임의의 고정을 행할 수 있다.

본 발명의 래디얼 포일 베어링에 의하면, 그 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계 그대로의 양호한 성능을 가져, 그 제조 시의 양품률이 향상하여, 그 제조 비용이 낮은 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

1…회전축, 3…래디얼 포일 베어링, 10…톱 포일, 11…백 포일(범프 포일), 11a…백 포일편, 11b…골부, 11c…산부, 12…베어링 하우징, 15…걸어맞춤 노치, 16…걸어맞춤 홈, 30…걸어맞춤 돌출편, 31…오목부, 32…걸어맞춤 돌출줄기

Claims (4)

1. 회전축에 외부 삽입되어 상기 회전축을 지지하는 래디얼 포일 베어링으로서,
   상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일과,
   상기 톱 포일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일과,
   상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 내부 삽입한 상태로 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하며,
   상기 베어링 하우징의 양 측면에는 각각, 상기 베어링 하우징의 내주연(內周緣)으로부터 외주연(外周緣)을 향해 연장되는 걸어맞춤 노치가 형성되고, 상기 백 포일에는 상기 베어링 하우징의 둘레방향에서의 일방측의 양측 단부에, 각각 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤되는 걸어맞춤 돌출편이 마련되어 있는 래디얼 포일 베어링.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 백 포일은, 상기 베어링 하우징의 둘레방향을 따라서 배치된 복수의 백 포일편을 가지고 구성되고,
   상기 백 포일편에는, 각각 상기 걸어맞춤 돌출편이 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 백 포일편 중 서로 이웃하는 한 쌍의 백 포일편은, 각각의 상기 걸어맞춤 돌출편이 근접한 상태로 배치되고, 이들 근접한 한 쌍의 걸어맞춤 돌출편이 하나의 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤되어 있는 래디얼 포일 베어링.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 베어링 하우징의 내주면에는, 대향하는 한 쌍의 상기 걸어맞춤 노치 간에 상기 걸어맞춤 노치보다 깊이가 얕은 걸어맞춤 홈이 형성되고,
   상기 백 포일에는, 상기 걸어맞춤 돌출편 간에 상기 걸어맞춤 돌출편보다 높이가 낮은 걸어맞춤 돌출줄기가 마련되고,
   상기 걸어맞춤 돌출편이 상기 걸어맞춤 노치에 걸어맞춤됨과 아울러, 상기 걸어맞춤 돌출줄기가 상기 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤되어 있는 래디얼 포일 베어링.

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