KR20160011635A - 적어도 하나의 능동 자기 베어링 및 보조 롤링 베어링들을 갖춘 회전 기계 - Google Patents

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루치아노 메이
마누엘레 비기
기우세페 사사넬리
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

회전 기계는 샤프트(14)와, 케이싱(12)과, 케이싱 내에서 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 샤프트에 연결되는 적어도 하나의 메인 자기 베어링(16)과, 샤프트와 케이싱 사이에 배치되어 각각 반경방향 하중만을 및 축방향 하중만을 지지하는 적어도 하나의 보조 레이디얼 롤링 베어링(18) 및 적어도 하나의 보조 액시얼 롤링 베어링(22)을 포함한다.

Description

적어도 하나의 능동 자기 베어링 및 보조 롤링 베어링들을 갖춘 회전 기계{ROTATING MACHINE WITH AT LEAST ONE ACTIVE MAGNETIC BEARING AND AUXILIARY ROLLING BEARINGS}
개시된 실시예들은 개략적으로 적어도 하나의 메인 능동 자기 베어링 및 보조 롤링 베어링들을 갖춘 회전 기계에 관한 것이다. 특히, 실시예들은 압축기, 익스팬더(expanders), 터빈, 펌프 등과 같은 회전 터보기계에 관한 것이다. 터보기계들은 엔진, 터빈, 발전, 극저온 응용예, 석유 및 가스, 석유화학 응용예 등의 분야에서 사용된다.
산업 현장에서 사용되곤 하는 한 가지 터보기계는 가스가 지나가게 되는 원심 임펠러들(centrifugal impellers)을 회전시키는 것에 의한 기계 에너지의 사용을 통해 압축성 가스의 압력을 증가시키는 원심 압축기를 포함한다. 임펠러들은 압축기 샤프트에 부착된다. 회전 샤프트 및 관련 임펠러들은 능등 레이디얼(radial) 및 액시얼(axial) 자기 베어링들에 의해 압축기의 스테이터(stator) 내에 지지되는 로터 어셈블리(rotor assembly)를 형성한다.
능동 자기 베어링들은 로터 어셈블리에 축방향 및 반경방향으로 전자기력을 가함으로써 로터 어셈블리를 스테이터 내측에서 부양시켜서 제자리에 유지한다. 이를 위해, 능동 자기 베어링들은 전기 에너지가 공급되는 전자석들을 포함한다. 그러한 자기 베어링에 의하면, 로터 어셈블리는 기계적인 접촉 없이 유지된다. 그와 같이 유지하기 위해서는 전자석들에 충분한 전력을 공급할 필요가 있다.
전력 공급의 중단에 의해 때때로 능동 자기 베어링들의 고장 또는 불충분한 정상 작동이 발생할 수 있다. 고장은 로터 어셈블리에 과도한 하중이 가해지는 경우에도 발생할 수 있다.
이들 경우에는, 능동 자기 베어링들이 로터 어셈블리를 스테이터 내측에서 더 이상 중심에 위치시키지 못한다. 결국, "랜딩(landing)" 상태가 나타나고, 랜딩 상태 동안에는, 로터 어셈블리가 스테이터와 접촉하게 되는 경향이 있고 기계적 접촉 상태가 유지된다.
이러한 결점을 극복하기 위해, 원심 압축기는 축방향으로 능동 자기 베어링 옆에 압축기 샤프트에 대면 장착되는 2개의 단일 열의 앵귤러 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing)을 추가로 포함한다. 각각의 보조 롤링 베어링은 "랜딩" 상태가 나타날 때 반경방향 및 축방향 하중을 모두 지지하기 위해 제공된다.
그러나, 이러한 볼 베어링에 의하면, 상기 베어링들의 간극 크기에 있어서의 임의의 용인할 수 없는 변화 없이 지속될 수 있는 랜딩 상태의 횟수가 제한된다. 이는 회전 기계의 신뢰도의 감소 및 유지보수 작업의 증가를 초래한다. 게다가, 접근성이 제한된 회전 기계에 대해서는, 그러한 유지보수 작업에 소요되는 비용이 높아질 수 있다.
본 발명의 일 목적은 이들 결점을 극복하려는 것이다.
본 발명의 특정한 목적은 보다 많은 수의 랜딩 상태를 허용하기 위해 내용 연한이 증가되어 있는 보조 롤링 베어링들을 갖는 회전 기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 랜딩 상태들로 인한 유지보수 비용이 낮은 회전 기계를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예에 있어서, 회전 기계는 샤프트와, 케이싱과, 케이싱 내에서 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 샤프트에 연결되는 적어도 하나의 메인 자기 베어링과, 샤프트와 케이싱 사이에 배치되어, 각각 반경방향 하중만을 및 축방향 하중만을 지지하는 적어도 하나의 보조 레이디얼 롤링 베어링 및 적어도 하나의 보조 액시얼 롤링 베어링을 포함한다.
레이디얼 롤링 베어링과 액시얼 롤링 베어링 사이에서의 반경방향 및 축방향 랜딩 하중을 지탱하기 위한 간격 때문에, 각각의 베어링의 하중 용량이 크게 증가된다. 각각의 롤링 베어링은 단지 하나의 방향으로만, 즉 반경방향 또는 축방향으로만 작용한다. 따라서, 롤링 베어링들에 의해 지속될 수 있는 랜딩 상태의 횟수가 증가된다.
레이디얼 롤링 베어링은 액시얼 롤링 베어링으로부터 축방향으로 이격될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 각각의 내부 링과 샤프트와의 사이에는 반경방향 간극이 제공된다. 유리하게는, 액시얼 롤링 베어링의 내부 링과 샤프트와의 사이에 제공된 반경방향 간극은 레이디얼 롤링 베어링의 내부 링과 샤프트와의 사이에 제공된 반경방향 간극보다 클 수 있다.
일 실시예에 있어서, 샤프트는 상기 샤프트의 외부면과 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들과의 사이에 반경방향으로 개재되는 적어도 하나의 슬리브를 포함한다. 반경방향 간극들은 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 각각의 내부 링과 관련 슬리브와의 사이에 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 보조 롤링 베어링들은 축방향으로 메인 자기 베어링 옆에 배치된다.
일 실시예에 있어서, 회전 기계는 서로 축방향으로 접촉하는 2개의 레이디얼 롤링 베어링 및 서로 축방향으로 접촉하는 2개의 액시얼 롤링 베어링을 포함한다. 레이디얼 롤링 베어링들은 깊은 홈 볼 베어링(deep groove ball bearing) 또는 4점 접촉 볼 베어링(four-point contact ball bearing)일 수 있다. 액시얼 롤링 베어링들은 앵귤러 콘택트 스러스트 볼 베어링(angular contact thrust ball bearing)일 수 있다.
유리하게는, 회전 기계는 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 중 적어도 하나에 축방향 힘을 가하는 적어도 하나의 예비응력 및 댐핑 요소를 추가로 포함할 수 있다.
동적 축방향 랜딩 하중 영향을 감소시킬 수 있는 적어도 하나의 축방향 예비응력 및 댐핑 요소를 사용하여 각각의 베어링의 내용 연한도 증가된다.
일부 실시예에 있어서, 회전 기계는 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 각각에 축방향 힘을 가하는 적어도 하나의 예비응력 및 댐핑 요소를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제 1 예비응력 및 댐핑 요소가 케이싱에 장착될 수 있으며, 축방향으로 액시얼 롤링 베어링의 외부 링에 접해 있다. 제 2 예비응력 및 댐핑 요소가 케이싱과 액시얼 롤링 베어링의 외부 링과의 사이에서 축방향으로 제 1 예비응력 및 댐핑 요소의 반대편에 장착될 수도 있으며, 상기 제 1 및 제 2 예비응력 및 댐핑 요소는 2가지의 대향된 축방향 힘을 상기 액시얼 롤링 베어링에 가한다.
일 실시예에 있어서, 예비응력 및 댐핑 요소는 케이싱에 장착될 수 있으며, 축방향으로 레이디얼 롤링 베어링의 외부 링에 접해 있다. 예비응력 및 댐핑 요소들은 탄성 플레이트 스프링 또는 원뿔형 와셔를 포함할 수 있다.
사용된 다른 특징들은, 비제한적인 예로서 주어지고 첨부 도면들에 의해 나타내진 본 발명의 특정 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 숙독함으로써 분명해질 것이다:
도 1은 예시적인 실시예에 따른 회전 기계의 부분적인 축방향 단면도이고,
도 2는 도 1을 확대한 부분 단면도이다.
예시적인 실시예에 대한 하기의 상세한 설명은 첨부 도면들을 참조한다. 상이한 도면들에서의 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 가리킨다.
도 1은 본 발명의 회전 기계(10)의 예시적인 실시예를 부분적으로 나타낸다. 회전 기계(10)는 케이싱(12)과, 축선(14a)을 따라 연장되며 로터부(도시되지 않음)를 지지하도록 구성되어 있는 회전 샤프트(14)를 포함한다. 예를 들어, 회전 기계가 원심 압축기인 경우에는, 로터부는 임펠러들을 포함한다. 회전 샤프트 및 연계된 로터부가 로터 어셈블리를 형성한다.
또한, 회전 기계(10)는, 샤프트(14)에 연결되며 케이싱(12) 내에서 상기 샤프트를 지지하는 적어도 하나의 메인 능동 자기 베어링(16), 및 자기 베어링(16)에 연계된 보조 롤링 베어링(18 내지 24)을 포함하는데, 보조 롤링 베어링(18 내지 24)은 상기 자기 베어링(16)이 정상적으로 작동하고 있지 않을 때 샤프트(14)와 케이싱(12) 사이에서 반경방향 및 축방향 하중을 지지 및 전달하도록 샤프트(14)와 케이싱(12) 사이에 반경방향으로 장착된다. 회전 기계(10)는 보조 롤링 베어링(18 내지 24)과 샤프트(14) 사이에 반경방향으로 배치되는 환형 슬리브(26, 28)를 더 포함한다. 보조 롤링 베어링(18 내지 24)은 자기 베어링(16)과 동일측에서 축방향으로 자기 베어링(16) 옆에 배치된다. 보조 롤링 베어링(18 내지 24)은 케이싱(12)에 고정되고, 샤프트(14)를 반경방향으로 둘러싼다. 롤링 베어링(18, 20)은 롤링 베어링(22, 24)으로부터 축방향으로 이격된다.
메인 자기 베어링(16)은 케이싱(12)의 일 단부에 제공될 수 있다. 자기 베어링(16)은 액시얼 타입 베어링이다. 메인 레이디얼 타입 자기 베어링(도시되지 않음)이 회전 샤프트(14)를 지지하기 위해 액시얼 자기 베어링(16)에 연계될 수도 있다. 능동 자기 베어링(16)은 케이싱(12)에 고정된 스테이터 아마추어(armature)(30) 및 회전 샤프트(14)에 고정된 디스크 형태의 로터 아마추어(32)를 포함한다. 스테이터 아마추어(30)는 국부적으로 뭉쳐지거나 또는 적층될 수 있는 환형 코일(36)과 강자성체(38)를 기존의 방식으로 구비하는 스테이터 자기 회로(34)를 포함한다. 스테이터 아마추어(30)는 자기 회로(34)가 내부에 배치되는 보호용 환형 지지체(40)를 또한 포함한다. 지지체(40)는 그 자체가 케이싱(12)에 고정되는 고정식 지지 요소(41)에 고정된다. 스테이터 자기 회로(34)는 기계적인 접촉 없이 로터 아마추어(32)에 축방향으로 대면하도록 배치된다.
정상 작동시에, 즉 자기 베어링(들)이 정상적으로 작동하고 샤프트(14) 상의 하중이 과도하지 않을 때, 상기 베어링(들)은 로터 어셈블리를 케이싱(12) 내의 중심에 유지한다. 자기 베어링(들)이 정상적으로 작동하지 않을 경우에, 롤링 베어링(18, 20)은 케이싱(12) 내측에서의 샤프트(14)의 반경방향 이동을 제한하고 그 사이에서 반경방향 하중만을 지지 및 전달하기에 적합한 레이디얼 롤링 베어링을 형성한다. 롤링 베어링(22, 24)은 축방향 하중만을 지탱하기에 적합한 액시얼 롤링 베어링을 형성한다. 샤프트(14)와 케이싱(12) 사이의 롤링 베어링(18, 20) 및 롤링 베어링(22, 24)의 배열은 이러한 목적에 맞게 조정되어 있다.
개시된 실시예에 있어서, 롤링 베어링(18, 20)은 서로 축방향으로 접촉하는 깊은 홈 롤링 베어링이고, 롤링 베어링(22, 24)은 마찬가지로 서로 축방향으로 접촉하는 앵귤러 콘택트 스러스트 롤링 베어링이다. 레이디얼 롤링 베어링(18, 20)은 샤프트(14) 상에서 축방향으로 능동 자기 베어링(16) 옆에 배치되고, 액시얼 롤링 베어링(22, 24)은 상기 샤프트 상에서 롤링 베어링(18, 20)에 대해 상기 자기 베어링의 반대편에 배치된다. 롤링 베어링(18 및 20) 및 롤링 베어링(22 및 24)은 각각 동일하기 때문에, 여기서는 이들 중 하나만을 기술할 것이고, 다른 롤링 베어링의 동일한 요소들은 동일한 참조번호를 갖는 것으로 이해된다.
도 2에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 레이디얼 롤링 베어링(18)은 내부 링(18a), 외부 링(18b), 및 반경방향으로 상기 링들 사이에 개재되며, 본 예에서는 볼(ball)인 복수의 롤링 요소(18c)를 포함한다. 롤링 베어링(18)의 축선은 샤프트의 축선과 동축이다. 내부 링(18a)은 슬리브(26)의 원통형 외부면 둘레에 장착되는 원통형 보어, 원통형 외부면, 보어와 외부면의 축방향 범위를 규정하는 2개의 대향하는 반경방향 평면, 및 롤링 요소(18c)를 위해 외부면 상에 형성되는 원환상 주행로(toroidal circular raceway)를 포함하고, 상기 주행로는 반경방향 외측으로 향해 있다. 외부 링(18b)은 케이싱의 축방향 보어(42) 내에 장착되는 원통형 외부면, 원통형 보어, 외부면과 보어의 축방향 범위를 규정하는 2개의 대향하는 반경방향 평면, 및 롤링 요소(18c)를 위해 보어 상에 형성되는 원환상 주행로를 포함하고, 상기 주행로는 반경방향 내측으로 향해 있다.
상술한 바와 같이, 2개의 레이디얼 롤링 베어링(18, 20)은 축방향으로 서로 접촉하도록 장착된다. 축방향으로 다른 롤링 베어링(20)을 향해 방향설정되어 있는 롤링 베어링(18)의 내부 및 외부 링(18a, 18b)의 반경방향 평면들은 상기 베어링의 내부 및 외부 링(20a, 20b)의 대응하는 반경방향 평면들에 축방향으로 접해 있다. 각각의 내부 링(18a, 20a)의 대향하는 반경방향 평면은 슬리브(26) 상에 또는 샤프트(14) 상에 축방향으로 고정된 수단과 축방향 접촉을 이루고 있지 않다. 내부 링(18a, 20a)의 상기 반경방향 평면들은 노출되어 있다. 롤링 베어링(18)은 케이싱의 보어(42)에 대해 안쪽으로 약간 돌출한다. 축방향으로 롤링 베어링(18)의 반대편에서는, 외부 링(20b)의 반경방향 평면이 케이싱의 보어(42) 상에서 반경방향 내측으로 연장하도록 형성된 반경방향 돌출부(44)에 축방향으로 접해 있다.
롤링 베어링(18, 20)은 샤프트(14)의 외부면에 장착되는 슬리브(26) 둘레에 반경방향으로 배치된다. 롤링 베어링(18, 20)의 내부 링들의 보어와 슬리브(26)의 외부면 사이에는 제 1 반경방향 간극(45)이 제공된다. 슬리브(26)의 일 단부는 샤프트 상에 형성된 반경방향 견부(shoulder)(46)에 축방향으로 접해 있고, 축방향 대향 단부는 롤링 베어링(22, 24)에 연계된 다른 슬리브(28)에 축방향으로 접해 있다.
축방향 롤링 베어링(22)은 내부 링(22a), 외부 링(22b), 및 반경방향으로 상기 링들 사이에 개재되며, 본 예에서는 볼인 복수의 롤링 요소(22c)를 포함한다. 롤링 베어링(22)의 축선은 샤프트의 축선과 동축이다. 내부 링(22a)은 레이디얼 롤링 베어링(18)의 내부 링(18a)과 동일하고, 슬리브(28)의 원통형 외부면 둘레에 장착되는 원통형 보어, 원통형 외부면, 2개의 대향하는 반경방향 평면, 및 롤링 요소(22c)를 위한 원환상 주행로를 포함한다. 외부 링(22b)은 케이싱의 보어(42)와 반경방향으로 접촉하도록 장착되는 원통형 외부면, 소직경의 제 1 원통형 보어, 대직경의 제 2 원통형 보어, 및 롤링 베어링(22)이 축방향 하중을 일 방향으로만 수용할 수 있도록 상기 보어들에 연결되는 롤링 요소(22c)를 위한 원형 주행로를 포함한다. 외부 링(22b)은 외부면과 보어들의 축방향 범위를 규정하는 2개의 대향하는 반경방향 평면을 또한 포함한다.
상술한 바와 같이, 2개의 액시얼 롤링 베어링(22, 24)은 서로 축방향으로 접촉하도록 장착된다. 롤링 베어링(22, 24)은 양 방향으로 작용하는 축방향 하중을 수용하기 위해 대면 배치된다. 축방향으로 다른 롤링 베어링(24)을 향해 방향설정되어 있는 롤링 베어링(22)의 내부 및 외부 링(22a, 22b)의 반경방향 평면들은 상기 베어링의 내부 및 외부 링(24a, 24b)의 대응하는 반경방향 평면들에 축방향으로 접해 있다. 내부 링(22a)의 대향하는 반경방향 평면은 슬리브(28)의 축방향 단부에 형성된 반경방향 환형 리브(annular rib)(48)에 축방향으로 대면한다. 리브(48)와 내부 링(22a) 사이에는 축방향 간극(49)이 제공된다. 리브(48)를 포함하는 슬리브(28)의 축방향 단부는 축방향으로 슬리브(26)에 접해 있다. 인접 링(50)은 샤프트(14)에 고정되고, 축방향으로 롤링 베어링(22)의 반대편에 위치되는, 즉 축방향 외측으로 방향설정된 내부 링(24a)의 반경방향 평면에 축방향으로 대면한다. 인접 링(50)과 내부 링(24a) 사이에는 축방향 간극(51)이 제공된다. 인접 링(50)은 축방향으로 리브(48)의 반대편에서 슬리브(28)에 인접해 있다. 보지 링(retaining ring)(52)은 케이싱(12)에 고정되며, 반경방향으로 인접 링(50)을 둘러싼다. 보지 링(52)은 축방향 외측으로 방향설정된 외부 링(24b)의 반경방향 평면에 축방향으로 대면한다. 축방향 내측으로 방향설정된 외부 링(22b)의 반경방향 평면은 돌출부(44)에 대면한다. 롤링 베어링(22, 24)의 외부 링들은 상기 케이싱에 형성 또는 고정되는 멈춤 수단 또는 보지 수단, 즉 돌출부(44) 및 보지 링(52)에 의해 케이싱의 보어(42) 내에서 축방향으로 제자리에 유지된다. 롤링 베어링(24)은 케이싱의 보어(42)에 대해 바깥쪽으로 약간 돌출한다.
롤링 베어링(22, 24)의 내부 링들과 슬리브(28)의 외부면 사이에는, 케이싱(12) 내측의 샤프트(14)에 대해 예상되는 반경방향 최대 간극보다 작고 롤링 베어링(18, 20)과 슬리브(26) 사이에 제공된 제 1 반경방향 간극(45)보다 큰 제 2 반경방향 간극(54)이 존재한다.
회전 기계(10)는 롤링 베어링(18, 20 및 22, 24)에 축방향으로 예비하중을 가하기 위해 제공되는 탄성 스프링(56, 58 및 60)을 추가로 포함한다. 탄성 스프링(56)은 케이싱(12)에 고정되어 있으며, 축방향 내측으로 방향설정되는, 즉 축방향으로 다른 레이디얼 롤링 베어링(20)의 반대편에 위치되는 레이디얼 롤링 베어링의 외부 링(18b)의 반경방향 평면에 작용한다. 탄성 스프링(56)은 상기 롤링 베어링(18)에 영구적인 축방향 힘을 가한다. 또한, 탄성 스프링(56)은, 롤링 베어링(18)을 거쳐서, 케이싱의 돌출부(44)에 대해 다른 롤링 베어링(20)을 축방향으로 밀어서 예비하중을 가하는 경향이 있다. 따라서, 탄성 스프링(56)에 의해 가해진 하중은 케이싱의 돌출부(44)에 대해 롤링 베어링(18, 20) 모두에 축방향으로 예비응력을 가한다.
유사하게, 탄성 스프링(58)은 케이싱(12)에 고정되어 있으며, 축방향 외측으로 방향설정되는, 즉 축방향으로 다른 액시얼 롤링 베어링(22)의 반대편에 위치되는 액시얼 롤링 베어링의 외부 링(24b)의 반경방향 평면에 작용한다. 탄성 스프링(58)은 일측이 롤링 베어링(24)에 대해 축방향 접촉하고, 타측이 보지 링(52)과 축방향 접촉하고 있다. 탄성 스프링(58)은 상기 롤링 베어링(24)에 영구적인 축방향 힘을 가한다. 또한, 탄성 스프링(58)은, 롤링 베어링(24)을 거쳐서, 다른 롤링 베어링(22)을 축방향으로 케이싱의 돌출부(44) 쪽으로 밀어서 예비하중을 가하는 경향이 있다. 따라서, 탄성 스프링(58)에 의해 가해진 하중은 롤링 베어링(22, 24) 모두에 대해 축방향으로 케이싱의 돌출부(44) 쪽으로 예비응력을 가한다. 개시된 실시예에 있어서, 축방향 탄성 스프링(56, 58) 각각은 2개의 중첩된 금속 탄성 플레이트 스프링을 포함한다.
탄성 스프링(60)은 축방향으로 케이싱의 돌출부(44)와 액시얼 롤링 베어링의 외부 링(22b)의 반경방향 평면 사이에 배치된다. 탄성 스프링(60)은 일측이 롤링 베어링(22)에 대해 축방향 접촉하고, 타측이 돌출부(44)와 축방향 접촉해 있다. 탄성 스프링(60)은 탄성 스프링(58)에 의해 가해진 축방향 힘에 반대되는 방향을 따라 영구적인 축방향 힘을 롤링 베어링(22)에 가한다. 탄성 스프링(58, 60)은 모두 2개의 롤링 베어링(22, 24)에 축방향으로 예비하중을 가한다. 여기서, 탄성 스프링(60)의 반경방향 크기는 외부 링(22b) 및 돌출부(44)의 반경방향 크기와 거의 동일하다. 개시된 실시예에 있어서, 축방향 탄성 스프링(60)은, 예를 들어 벨빌(Belleville) 와셔 타입의 금속 탄성 와셔이다.
회전 기계는 외부 링(18b, 20b)의 외부면에 장착되며 케이싱의 보어(42)와 반경방향으로 접촉하는 환형 댐핑 슬리브(62)를 추가로 포함한다. 댐핑 슬리브(62)는 탄성 재료로 제조될 수 있다.
정상 작동시에, 능동 자기 베어링(들)이 샤프트(14)를 케이싱(12) 내의 중심에 유지하여, 롤링 베어링(18 내지 24)의 내부 링들과 상기 샤프트에 장착된 슬리브(26, 28) 사이에 접촉이 일어나지 않는다. 롤링 베어링(18, 20 및 22, 24)에 축방향으로 예비하중을 가하는 탄성 스프링(56, 58 및 60)은 상기 베어링들이 예기치 않게 회전하는 것을 방지한다.
랜딩 상태의 경우에, 샤프트(14)는 케이싱(12) 내에서 축방향 및 반경방향으로 이동할 수 있다. 샤프트(14)는 롤링 베어링(22 및 24), 슬리브(28) 및 인접 링(50) 사이에 제공된 축방향 간극(49, 51) 때문에 축방향으로 이동할 수 있다. 샤프트(14)는 슬리브(26)가 롤링 베어링(18, 20)의 내부 링들과 반경방향으로 접촉하게 될 때까지 슬리브와 내부 링들 사이에 제공되는 반경방향 간극(45) 때문에 반경방향으로 이동할 수 있다. 이는 상기 베어링들의 내부 링(18a, 20a)의 회전을 초래한다. 샤프트(14)와 롤링 베어링(18 및 20) 사이에서의 그러한 반경방향 접촉 이후에도, 샤프트에 장착된 슬리브(28)와 롤링 베어링(22, 24) 사이에는 여전히 반경방향 간극(54)이 존재한다. 랜딩 상태 동안에는, 반경방향 간극(54)이 존속된다. 따라서, 반경방향 동적 랜딩 하중은 레이디얼 롤링 베어링(18, 20)에 의해서만 지지된다.
랜딩 상태 동안 샤프트(14)가 축방향으로 변위하는 경우에는, 축방향 동적 랜딩 하중은 축방향 롤링 베어링(22, 24)에 의해서만 지지된다. 축방향 동적 하중은 하중의 방향에 따라, 리브(48)와 내부 링(22a) 사이의 축방향 접촉에 의해, 또는 인접 링(50)과 내부 링(24a) 사이의 축방향 접촉에 의해 롤링 베어링(22, 24)에 전달되고, 그 후에 보지 링(52) 또는 돌출부(44)에 전달된다.
랜딩 상태의 경우에, 롤링 베어링(18, 20)은, 케이싱(12) 내에서의 샤프트(14)의 반경방향 이동을 제한하고 반경방향 하중만을 지지하도록 구성되어 있는 반경방향으로 작용하는 랜딩 기계 베어링을 형성한다. 롤링 베어링(22, 24)은 축방향 하중만을 지지하도록 구성되어 있는 축방향으로 작용하는 랜딩 기계 베어링을 형성한다. 그 밖에, 탄성 스프링(56, 58 및 60)은 축방향 랜딩 하중을 감쇠시킬 수 있다. 상기 탄성 스프링들은 이중 기능, 즉 롤링 베어링(18 내지 24)에 축방향으로 예비하중을 가하는 기능과, 추가적으로 축방향 랜딩 하중을 감쇠시키는 기능을 수행한다. 랜딩 상태가 나타나는 경우에, 샤프트(14)는 접촉 없이 유지되는 상태로부터 롤링 베어링(18 내지 24)과의 기계적 접촉에 의해 유지되는 상태로 이행된다.
레이디얼 롤링 베어링(18, 20)과 액시얼 롤링 베어링(22, 24) 사이의 반경방향 및 축방향 랜딩 하중을 지탱하기 위한 간격 때문에, 각각의 베어링의 하중 용량이 크게 증가된다. 축방향 및 반경방향 랜딩 하중은 서로 상이한 2가지 타입의 롤링 베어링에 의해 지지된다. 각각의 롤링 베어링은 오직 반경방향으로만 또는 축방향으로만 작용한다. 결국, 보조 롤링 베어링(18 내지 24)에 의해 지속될 수 있는 랜딩 상태의 횟수가 증가된다. 그 밖에, 동적 축방향 하중 영향을 감소시키는 축방향 탄성 댐퍼의 사용에 의해 각각의 베어링의 내용 연한도 증가된다.
개시된 실시예에 있어서, 액시얼 롤링 베어링(22, 24)은 앵귤러 콘택트 스러스트 볼 베어링이다. 선택적으로, 액시얼 롤링 베어링들은, 예를 들어 깊은 홈 볼 베어링, 4점 접촉 볼 베어링, 테이퍼 롤러(tapered roller) 베어링, 구면(spherical) 롤러 베어링 등일 수 있다. 개시된 실시예에 있어서, 랜딩 상태가 발생할 경우에도 샤프트(14)에 의해 지지된 슬리브(28)와 액시얼 롤링 베어링(22, 24)의 내부 링들 사이에 반경방향 간극(54)이 존속되기 때문에, 액시얼 롤링 베어링(22, 24)은 단지 축방향으로만 작용한다. 그에 따라, 샤프트(14)와 케이싱(12) 사이의 롤링 베어링(22, 24)의 배치는 축방향 하중만을 지탱하도록 조정되어 있다. 선택적으로, 축방향 하중만을 수용할 수 있는 구조를 갖는 롤링 베어링, 예를 들어 스러스트 볼 베어링 또는 스러스트 테이퍼 또는 구면 롤러 베어링 또는 스러스트 니들 롤러 베어링을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에, 이들 스러스트 베어링과 샤프트 사이에서 예상되는 반경방향 간극은 레이디얼 롤링 베어링들과 상기 샤프트 사이에 제공되는 반경방향 간격과 동일할 수 있다. 결국, 랜딩 상태 동안에는, 액시얼 및 레이디얼 롤링 베어링들이 모두 샤프트와 반경방향 접촉을 이루고 있다.
개시된 실시예에 있어서는, 레이디얼 롤링 베어링(18, 20)이 깊은 홈 볼 베어링이다. 선택적으로, 레이디얼 롤링 베어링들은, 예를 들어 앵귤러 콘택트 볼 베어링 또는 4점 접촉 볼 베어링일 수 있다. 기술된 실시예에 있어서, 샤프트(14)와 케이싱(12) 사이의 롤링 베어링(18, 20)의 배치는 반경방향 하중만을 지지하도록 구성되어 있다. 반경방향 하중만을 수용할 수 있는 구조를 갖는 롤링 베어링, 예를 들어 원통형 또는 환형 롤러 베어링 또는 니들 롤러 베어링을 예상하는 것도 가능하다.
위에서는 단일 열의 롤링 요소들을 각각 갖는 2개의 액시얼 롤링 베어링 및 2개의 레이디얼 롤링 베어링을 포함하는 회전 기계에 대해 설명하였다.. 그러나, 상기의 설명은 1열의 롤링 요소들 또는 적어도 2열의 롤링 요소들을 각각 갖는 1개의 액시얼 롤링 베어링 및 1개의 레이디얼 롤링 베어링을 포함하는 회전 기계에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 샤프트(14), 케이싱(12), 및 상기 케이싱 내에서 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 상기 샤프트에 연결되는 적어도 하나의 메인 자기 베어링(16)을 포함하는 회전 기계에 있어서,
    상기 샤프트와 상기 케이싱 사이에 배치되어, 각각 반경방향 하중만을 및 축방향 하중만을 지지하는 적어도 하나의 보조 레이디얼 롤링 베어링(20) 및 적어도 하나의 보조 액시얼 롤링 베어링(22)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    회전 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이디얼 롤링 베어링(20)은 상기 액시얼 롤링 베어링(22)으로부터 축방향으로 이격되어 있는
    회전 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 각각의 내부 링(20a, 22a)과 상기 샤프트와의 사이에는 반경방향 간극(45, 54)이 제공되는
    회전 기계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 액시얼 롤링 베어링의 내부 링(22a)과 상기 샤프트와의 사이에 제공된 반경방향 간극(54)은 상기 레이디얼 롤링 베어링의 내부 링(20a)과 상기 샤프트와의 사이에 제공된 반경방향 간극(45)보다 더 큰
    회전 기계.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트는 상기 샤프트의 외부면과 상기 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들과의 사이에 반경방향으로 개재되는 적어도 하나의 슬리브(26, 28)를 포함하는
    회전 기계.
  6. 제 4 항을 인용하는 제 5 항에 있어서,
    상기 반경방향 간극은 상기 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 각각의 내부 링과 관련 슬리브와의 사이에 제공되는
    회전 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링(20, 22)은 축방향으로 상기 메인 자기 베어링(16) 옆에 배치되는
    회전 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 축방향으로 접촉하는 2개의 레이디얼 롤링 베어링(18, 20) 및 서로 축방향으로 접촉하는 2개의 액시얼 롤링 베어링(22, 24)을 포함하는
    회전 기계.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이디얼 롤링 베어링(들)은 깊은 홈(deep groove) 볼 베어링(들) 또는 4점 접촉(four-point contact) 볼 베어링(들)인
    회전 기계.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액시얼 롤링 베어링(들)은 앵귤러 콘택트(angular contact) 스러스트 볼 베어링(들)인
    회전 기계.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 중 적어도 하나에 축방향 힘을 가하는 적어도 하나의 예비응력 및 댐핑 요소(56, 58, 60)를 더 포함하는
    회전 기계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 레이디얼 및 액시얼 롤링 베어링들 각각에 축방향 힘을 가하는 적어도 하나의 예비응력 및 댐핑 요소(56, 58, 60)를 포함하는
    회전 기계.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    제 1 예비응력 및 댐핑 요소(58)가 상기 케이싱에 장착되어 상기 액시얼 롤링 베어링의 외부 링에 축방향으로 접해 있는
    회전 기계.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 2 예비응력 및 댐핑 요소(60)가 상기 케이싱과 상기 액시얼 롤링 베어링의 외부 링과의 사이에서 축방향으로 상기 제 1 예비응력 요소(58)의 반대편에 장착되고, 상기 제 1 및 제 2 예비응력 및 댐핑 요소는 2가지의 대향된 축방향 힘을 상기 액시얼 롤링 베어링에 가하는
    회전 기계.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예비응력 및 댐핑 요소(56)가 상기 케이싱에 장착되어 상기 레이디얼 롤링 베어링의 외부 링에 축방향으로 접해 있는
    회전 기계.
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