KR20160011640A - 적어도 하나의 능동형 자기 베어링 및 서로 이격된 보조 구름 베어링들을 갖는 회전 기계 - Google Patents

적어도 하나의 능동형 자기 베어링 및 서로 이격된 보조 구름 베어링들을 갖는 회전 기계 Download PDF

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마누엘 비기
두치오 피오라반티
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Abstract

회전 기계는, 샤프트(14), 케이싱(12), 이 케이싱 내에 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 샤프트에 연결된 적어도 하나의 메인 자기 베어링(16), 축방향 및 반경방향 하중을 지지하도록 샤프트와 케이싱 사이에 배치되는 적어도 하나의 제1 및 적어도 하나의 제2 보조 구름 베어링(20, 22), 및 구름 베어링들의 내륜에 축방향 하중을 전달하도록 샤프트 상에 배치된 제1 및 제2 축방향 받침대 수단(44, 54)를 포함한다.
회전 기계는 또한 구름 베어링들의 내륜들(20a, 22a)의 서로 대면하는 페이스(face)들 사이에 축방향으로 위치 설정되어 내륜들 간에 축방향 하중을 전달하는 스페이서(28); 및 케이싱 상에 배치되고, 외륜(20b, 22b)들의 서로 대면하는 페이스들 사이에 축방향으로 위치 설정되어, 외륜들 중 적어도 하나와 상기 케이싱 간에 축방향 하중을 전달하는 적어도 제1 축방향 유지 수단(58)을 더 포함한다.

Description

적어도 하나의 능동형 자기 베어링 및 서로 이격된 보조 구름 베어링들을 갖는 회전 기계{ROTATING MACHINE WITH AT LEAST ONE ACTIVE MAGNETIC BEARING AND SPACED AUXILIARY ROLLING BEARINGS}
개시하는 실시예는 일반적으로 적어도 하나의 메인 능동형 자기 베어링과 보조 구름 베어링들을 갖는 회전 기계에 관한 것이다. 특히, 그 실시예는 압축기, 팽창기, 터빈, 펌프 등의 회전 터보머신에 관한 것이다. 회전 터보머신은 엔진, 터빈, 발전, 극저온 용례, 석유 가스 산업, 석유화학 용례 등에 이용되고 있다.
산업에 흔히 이용되는 한 터보머신은 압축성 가스가 통과하는 원심 임펠러를 회전시킴으로써 기계적 에너지를 이용하여 그 가스의 압력을 증가시키는 원심 압축기를 포함한다. 임펠러는 압축기 샤프트에 부착된다. 회전 샤프트 및 관련 임펠러가 로터 조립체를 형성하고, 이는 능동형 레디얼 및 액시얼 자기 베어링에 의해 압축기의 스테이터 내에 지지된다.
능동형 자기 베어링은 전자기력을 축방향 및 반경방향으로 로터 조립체 상에 가함으로써 로터 조립체를 스테이터 내부의 제위치에 부상시켜 유지한다. 이를 위해, 능동형 자기 베어링은 전기 에너지가 공급되는 전자석을 포함한다, 그러한 자기 베어링에 의해, 로터 조립체는 기계적 접촉 없이 유지된다. 이러한 유지는 충분한 전력을 전자석에 공급할 것을 필요로 한다.
때로는, 전력 공급의 중단으로 능동형 자기 베어링의 고장 또는 불충분한 정상 작동이 발생할 수 있다. 고장은 또한 과도한 부하가 로터 조립체에 가해지는 경우에도 발생한다.
이러한 경우에, 능동형 자기 베어링은 로터 조립체를 스테이터 내에서 더 이상 센터링시키지 못한다. 따라서, 로터 조립체가 스테이터와 접촉하는 경향이 있어 기계적 접촉 상태로 유지되는 "랜딩(landing)" 양상이 나타난다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 원심 압축기는 능동형 자기 베어링 옆에서 축방향으로 대면하게 압축기 상에 장착된 2개의 단열 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 더 포함한다. 각각의 보조 구름 베어링은 "랜딩" 양상이 나타날 때에 반경방향 및 축방향 하중 모두를 지지하도록 마련된다.
그러나, 그러한 볼 베어링에 의해서는, 베어링의 클리어런스 치수에서 어떠한 허용할 수 없는 변화도 없이 견딜 수 있는 랜딩 양상의 횟수에는 한계가 있다. 이는 회전 기계의 신뢰성의 감소와 유지보수 작업의 증가를 초래한다. 게다가, 접근성이 제한된 회전 기계의 경우, 그러한 유지보수 작업의 비용은 매우 높을 수 있다.
본 발명의 한 가지 목표는 그러한 문제점들을 극복하는 데에 있다.
본 발명의 특별한 목적은, 보조 구름 베어링이 증가된 사용 수명을 가져 보다 많은 횟수의 랜딩 양상을 허용하는 회전 기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 랜딩 양상으로 인해 유지보수 비용이 낮은 회전 기계를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예에서, 회전 기계는, 샤프트, 케이싱, 이 케이싱 내에 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 샤프트에 연결된 적어도 하나의 메인 자기 베어링, 축방향 및 반경방향 하중을 지지하도록 샤프트와 케이싱 사이에 배치되는 적어도 하나의 제1 및 적어도 하나의 제2 보조 구름 베어링을 포함하며, 이들 보조 구름 베어링에는 각각 내륜, 외륜, 이들 내외륜 사이에 배치된 적어도 1열의 구름 요소들이 마련된다. 회전 기계는 또한 제1 및 제 2 구름 베어링의 내륜에 축방향 하중을 전달하도록 샤프트 상에 배치된 제1 및 제2 축방향 받침대(abutment) 수단, 구름 베어링들의 내륜들의 서로 대면하는 페이스(face)들 사이에 축방향으로 위치 설정되고 내륜들 간의 축방향 하중의 전달을 위해 페이스들과 축방향으로 접촉하게 장착되는 스페이서, 및 케이싱 상에 배치되고, 제1 및 제2 구름 베어링들의 외륜들의 서로 대면하는 페이스들 사이에 축방향으로 위치 설정되어 외륜들 중 적어도 하나와 케이싱 간에 축방향 하중을 전달하는 적어도 제1 축방향 유지 수단을 더 포함한다.
스페이서와 제1 축방향 유지 수단이 제1 및 제2 구름 베어링 사이에 개재함으로 인해, 받침대 수단에 의해 가해지는 축방향 하중을 구름 베어링 쌍 각각이 분담하게 된다. 따라서, 각 구름 베어링의 사용 수명이 현저하게 증가한다. 보조 구름 베어링에 의해 견딜 수 있는 랜딩 양상의 횟수 또한 증가한다.
각 받침대 수단은 스페이서와는 반대측에서 내륜들 중 하나와 축방향으로 대면할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 샤프트는 샤프트의 외면과 제1 및 제2 구름 베어링의 내륜 사이에 반경방향으로 개재된 적어도 하나의 슬리브를 포함한다. 유리하게는, 슬리브는 제1 및 제2 축방향 받침대 수단 중 하나를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 케이싱은 케이싱의 보어와 제1 및 제2 구름 베어링 중 하나의 외륜 사이에 반경방향으로 개재된 중간 하우징을 포함한다. 중간 하우징은 제1 축방향 유지 수단을 포함할 수 있다.
유리하게는, 회전 기계는 제1 및 제2 구름 베어링의 외륜들을 축방향으로 유지하도록 케이싱 상에 배치된 제2 및 제3 축방향 유지 수단을 더 포함하며, 이들 제2 및 제3 축방향 유지 수단 각각은 관련 구름 베어링에 대하여 제1 축방향 유지 수단과는 축방향에 있어서의 반대측에 위치한다.
하나의 실시예에서, 회전 기계는 제1 및 제2 구름 베어링 각각에 축방향 힘을 가하는 적어도 하나의 프리스트레싱(pre-stressing) 및 댐핑 요소를 포함한다.
각 베어링의 사용 수명은 동적 축방향 랜딩 하중의 영향을 감소시킬 수 있는 적어도 하나의 축방향 프리스트레싱 및 댐핑 요소의 이용으로 더 증가한다.
몇몇 실시예에서, 회전 기계는 케이싱의 제2 축방향 유지 수단과 관련 구름 베어링의 외륜 사이에 축방향으로 위치 설정된 하나의 프리스트레싱 및 댐핑 요소를 포함할 수 있다. 하나의 프리스트레싱 및 댐핑 요소는 케이싱의 제3 축방향 유지 수단과 관련 구름 베어링의 외륜 사이에 축방향으로 위치 설정될 수도 있다. 회전 기계는 케이싱의 제1 축방향 유지 수단과 관련 구름 베어링 각각의 외륜 사이에 하나씩 축방향으로 위치 설정된 프리스트레싱 및 댐핑 요소를 포함할 수 있다. 이들 프리스트레싱 및 댐핑 요소는 탄성 플레이트 스프링 또는 원추형 와셔를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 회전 기계는 축방향으로 서로 접촉하는 2개의 제1 구름 베어링과 축방향으로 서로 접촉하는 2개의 제2 구름 베어링을 포함한다. 유리하게는, 제1 및 제2 구름 베어링들은 서로 동일할 수 있다. 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 구름 베어링은 축방향으로 메인 자기 베어링 옆에 배치된다. 제1 및 제2 구름 베어링은 앵귤러 콘택트 트러스트 볼 베어링일 수 있다.
이용되는 다른 특징들은 첨부 도면에 도시한 비한정적인 예로서 제시된 본 발명의 특정 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 읽을 시에 드러날 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 회전 기계의 부분 축방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면에서 동일 도면 부호는 동일 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 회전 기계(10)의 예시적인 실시예를 부분적으로 도시하고 있다. 회전 기계(10)는 케이싱(12)과, 축선(14a)을 따라 연장하고 로터부(도시 생략)를 지지하도록 된 회전 샤프트(14)를 포함한다. 예를 들어, 회전 기계가 원심 압축기라면, 로터부는 임펠러를 포함한다. 회전 샤프트 및 관련 로터부가 로터 조립체를 형성한다.
회전 기계(10)는 또한 샤프트(14)에 연결되어 케이싱(12) 내에 샤프트를 지지하는 적어도 하나의 메인 능동형 자기 베어링(16), 및 자기 베어링(16)에 협력하여, 자기 베어링(16)이 정상적으로 작동하지 않는 경우에 샤프트(14)와 케이싱(12) 간에 반경방향 및 축방향 하중을 전달하도록 반경방향으로 그 사이에 장착된 보조 구름 베어링(18 내지 24)을 포함한다. 회전 기계(10)는 보조 구름 베어링(18 내지 24)들과 샤프트(14) 사이에 반경방향으로 위치 설정된 환형 슬리브(26), 및 구름 베어링(18, 20)들과 다른 구름 베어링(22, 24)들 사이에 축방향으로 개재된 환형 스페이서(28)를 더 포함한다. 보조 구름 베어링(18 내지 24)들은 자기 베어링(16)의 동일한 측에서 축방향으로 그 자기 베어링(16)의 옆에 배치된다. 보조 구름 베어링(18 내지 24)들은 케이싱(12)에 고정되고 샤프트의 슬리브(28)를 반경방향에서 둘러싼다. 구름 베어링(18, 20)들은 구름 베어링(22, 24)들로부터 축방향으로 간격을 두고 떨어져 있다.
자기 베어링(16)은 케이싱(12)의 일단에 마련될 수 있다. 자기 베어링(16)은 액시얼 타입이다. 레디얼 타입 메인 자기 베어링(도시 생략)이 또한 회전 샤프트(14)를 지지하도록 액시얼 자기 베어링(16)과 협력할 수도 있다. 능동형 자기 베어링(16)은 케이싱(12)에 고정된 스테이터 아마추어와, 회전 샤프트(14)에 고정된 디스크 형상의 로터 아마추어(32)를 포함한다. 스테이터 아마추어(30)는, 통상의 방식으로, 환형 코일(36) 및 대형(massive)이거나 국부적으로 라미네이팅될 수 있는 강자성체(38)를 포함한 스테이터 자기 회로(34)를 포함한다. 스테이터 아마추어(30)는 또한 자기 회로(34)가 내부에 배치되는 보호용 환형 지지체(40)를 포함한다. 이 지지체(40)는 정지형 지지 요소(41)에 고정되고, 이 지지 요소 자체는 케이싱(12)에 고정된다. 스테이터 자기 회로(34)는 기계적 접촉 없이 로터 아마추어(32)에 대면하게 배치된다.
정상 작동시에, 즉 자기 베어링(들)이 정상적으로 작동하고 과도한 하중에 샤프트(14)에 가해지지 않는 상태에서, 상기한 베어링(들)은 로터 조립체를 케이싱(12)에 센터링된 상태로 유지한다. 자기 베어링(들)이 정상적으로 작동하지 않는 경우, 구름 베어링(18 내지 24)이 케이싱(12) 내에서 샤프트(14)의 반경방향 및 축방향 이동을 제한하고 그들 간에 축방향 및 반경방향 하중을 전달한다. 아래에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 구름 베어링(18 내지 24)의 구성은 그 사용 수명을 증가시키도록 되어 있다.
개시된 실시예에서, 구름 베어링(18 내지 24)은 앵귤러 콘택트 트러스트 구름 베어링이다. 구름 베어링(18 내지 24)들은 쌍으로 대면하여 배치되어, 각 구름 베어링 쌍이 양방향으로 작용하는 축방향 하중을 수용할 있도록 된다. 각 쌍에 있어서, 2개의 구름 베어링들이 축방향으로 서로 접촉한다. 구름 베어링(18 내지 24)들은 동일하기 때문에, 본 명세서에서는 그 중 하나만을 설명할 것이며, 나머지 구름 베어링들의 동일한 요소들은 동일한 도면 부호를 갖는다는 점을 이해할 것이다.
도 2에 보다 명확하게 도시한 바와 같이, 구름 베어링(18)은 내륜(18a), 외륜(18b), 및 이들 내외륜 사이에 반경방향으로 개재된 복수의 구름 요소(18c)를 포함하며, 본 예의 경우에 구름 요소들은 볼이다. 구름 베어링(18)의 축선은 샤프트의 축선과 동축이다. 내륜(18a)은 슬리브(26)의 원통형 외면 둘레에 장착되는 원통형 보어, 원통형 외면, 이들 보어와 외면의 축방향에 있어서의 경계를 획정하는 2개의 대향한 레디얼 페이스(radial face), 및 구름 요소(18c)들을 위해 외면 상에 형성되고 반경방향 외측을 향한 토로이달 원형 레이스웨이를 포함한다. 외륜(18b)은 케이싱의 축방향 보어(42) 내에 장착되는 원통형 외면, 소직경의 제1 원통형 보어, 대직경의 제2 원통형 보어, 및 이들 보어에 구름 베어링(18c)이 단지 한쪽 방향의 하중만을 수용할 수 있도록 연결된 원형 레이스웨이를 포함한다. 외륜(18b)은 또한 외면과 보어들의 축방향에 있어서의 경계를 획정하는 2개의 대향한 레디얼 페이스를 포함한다.
전술한 바와 같이, 2개의 구름 베어링(18, 20)이 서로 축방향으로 접촉하게 장착된다. 다른 구름 베어링(20)을 향해 축방향으로 배향된 구름 베어링(18)의 내외륜(18a, 18b)의 레디얼 페이스는 그 다른 구름 베어링의 내외륜(20a, 20b)의 대응 레디얼 페이스에 축방향으로 기대어 진다. 내륜(18a)의 반대쪽 레디얼 페이스는 슬리브(26)의 축방향 단부에 형성된 레디얼 환형 리브(44)에 축방향으로 대면하며, 그 리브는 샤프트 상에 형성된 레디얼 견부(46)에 접촉한다. 리브(44)는 내륜(18a)을 위한 받침대 수단을 형성한다. 축방향 클리어런스(45)가 리브(344)와 내륜(18a) 사이에 마련된다. 축방향에 있어서 구름 베어링(18)과는 반대측에 위치한, 즉 축방향 외측을 향해 배향된 내륜(20a)의 레디얼 페이스는 스페이서(28)에 축방향으로 맞대진다.
축방향에 있어서 구름 베어링(20)과는 반대측에 위치한 외륜(18b)의 레디얼 페이스는 케이싱의 보어(42)에 반경방향 내측을 향해 연장하게 형성된 레디얼 돌출부(48)와 축방향으로 대면한다. 보어(42)는 단차형 형상을 갖고, 소직경 액시얼 표면(42a), 대직경 액시얼 표면(42b), 및 이들 액시얼 표면 사이에 마련된 레디얼 표면(42c)을 포함한다. 구름 베어링의 외륜(18b, 20b)들은 보어의 소직경 액시얼 표면(42) 내에 장착된다. 돌출부(48)는 액시얼 표면(42)의 축방향 단부에 형성된다. 구름 베어링(20)은 보어의 레디얼 표면(42c)에 대해 축방향으로 약간 돌출한다.
회전 기계(10)는 보어의 대직경 액시얼 표면(42b)과 반경방향으로 접촉하게 장착된 중간 하우징(50)을 포함한다. 이 하우징(50)은 예를 들면 볼트에 의해 케이싱(12)에 고정된다. 하우징은 축방향 보어(52)를 포함하고, 이 내에 구름 베어링(22, 24)들의 외륜이 장착된다. 구름 베어링(24)은 보어(52)에 대해 축방향 외측으로 약간 돌출한다.
전술한 바와 같이, 2개의 구름 베어링(22, 24)들은 축방향으로 서로 접촉하게 장착된다. 구름 베어링(22, 24)들은 양방향으로 작용하는 축방향 하중을 수용하도록 서로 대면하게 배치된다. 다른 구름 베어링(24)을 향해 축방향으로 배향된 구름 베어링(22)의 내외륜(22a, 22b)의 레디얼 페이스는 그 다른 구름 베어링의 내외륜(24a, 24b)의 대응 레디얼 페이스에 축방향으로 기대어 진다. 내륜(22a)의 반대쪽 레디얼 페이스는 스페이서(28)에 축방향으로 기대어 진다. 스페이서(28)는 일측에서는 구름 베어링(22)에 축방향으로 접촉하고 타측에서는 구름 베어링(20)에 축방향으로 접촉한다. 개시된 실시예에서, 스페이서(28)의 반경방향 치수는 내륜(20a, 22a)과 동일하다.
회전 기계(10)는 샤프트(14)에 고정된 맞대짐 링(abutting ring)(54)을 더 포함한다. 이 맞대짐 링(54)은 축방향으로 구름 베어링(22)과는 반대측에 위치한, 즉 축방향 외측으로 배향된 내륜(24a)의 레디얼 페이스와 축방향으로 대면한다. 그 맞대짐 링(54)은 슬리브(26)에 축방향으로 기대어 진다. 맞대짐 링(54)과 내륜(24a) 사이에 축방향 클리어런스(55)가 마련된다. 회전 기계(10)는 또한 예를 들면 볼트에 의해 케이싱(12)에 고정되어 맞대짐 링(54)을 반경방향에서 둘러싸는 유지 링(56)을 포함한다. 이 유지 링(56)은 축방향 외측으로 배향된 외륜(24b)의 레디얼 페이스에 축방향으로 대면한다. 축방향 내측으로 배향된 외륜(22b)의 레디얼 페이스는 하우징의 보어(52)에 반경방향 외측으로 연장하게 형성된 레디얼 돌출부(58)와 대면한다. 구름 베어링(22, 24)들의 외륜은 케이싱(12) 상에 배치된 멈춤 또는 유지 수단, 즉 돌출부(58)와 유지 링(56)에 의해 보어(52) 내에 축방향으로 제위치에 유지된다. 구름 베어링(18, 20)들의 외륜은 돌출부(48, 58)에 의해 케이싱의 보어(42) 내에 축방향으로 제위치에 유지된다.
구름 베어링(18 내지 24)은 샤프트(14)의 외면 상에 장착된 슬리브(26) 둘레에 반경방향으로 위치 설정된다. 구름 베어링들의 내륜의 보어 및 스페이서(28)의 보어와 슬리브(26)의 외면 사이에 반경방향 클리어런스(59)가 마련된다. 슬리브(26)는 일단부에서는 샤프트에 형성된 레디얼 견부(46)에 기대어 지며, 반대쪽 축방향 단부에서는 맞대짐 링(54)에 기대어 진다.
회전 기계(10)는 구름 베어링(18, 20; 22, 24)에 축방향으로 예비 하중을 가하도록 마련된 탄성 스프링(60, 62, 64, 66)을 더 포함한다. 탄성 스프링(60)은 케이싱(12)의 레디얼 표면(42c) 상에 고정되어, 축방향 외측으로 배향된, 즉 축방향으로 다른 구름 베어링(18)과는 반대쪽에 위치한 구름 베어링의 외륜(20b)의 레디얼 표면에 작용한다. 탄성 스프링(60)은 일측에서는 구름 베어링(20)에 축방향으로 접촉하고 타측에서는 중간 하우징(50)의 돌출부(58)와 함께 축방향 갭을 제공한다. 탄성 스프링(60)은 구름 베어링(20) 상에 영구적 축방향 힘을 가한다. 탄성 스프링(60)은 또한 구름 베어링(20)을 통해 다른 구름 베어링(18)을 돌출부(48)를 향해 축방향으로 밀어 그에 예비 하중을 가하기도 한다. 따라서, 탄성 스프링(60)에 의해 가해지는 하중은 돌출부(48)를 향해 구름 베어링(18, 20) 모두를 축방향으로 프리스트레싱하게 된다. 개시된 실시예에서, 축방향 탄성 스프링(60)은 서로 겹쳐진 2개의 금속 탄성 플레이트 스프링이다.
탄성 스프링(62)은 케이싱의 돌출부(48)와 구름 베어링의 외륜(18b)의 레디얼 페이스 사이에 축방향으로 위치 설정된다. 탄성 스프링(62)은 일측에서는 구름 베어링(18)과 축방향으로 접촉하고, 타측에서는 돌출부(48)와 축방향으로 접촉한다. 탄성 스프링(62)은 탄성 스프링(60)에 의해 가해지는 축방향 힘과는 반대 방향을 따라 구름 베어링(18)에 영구적 축방향 힘을 가한다. 탄성 스프링(60, 62) 모두 두 구름 베어링(18, 20)에 축방향으로 예비 하중을 가한다. 여기서, 탄성 스프링(62)의 반경방향 치수는 외륜(18b) 및 돌출부(48)의 반경방향 치수와 실질적으로 동일하다. 개시된 실시예에서, 축방향 탄성 스프링(62)은 예를 들면 벨르빌 와셔(Belleville washer) 형태의 금속 탄성 와셔이다.
탄성 스프링(64)은 중간 하우징(50)에 고정되어, 축방향 외측으로 배향된, 즉 축방향으로 다른 구름 베어링(22)과는 반대쪽에 위치한 구름 베어링의 외륜(24b)의 레디얼 표면에 작용한다. 탄성 스프링(64)은 일측에서는 구름 베어링(24)과 접촉하고 타측에서는 유지 링(56)과 함께 축방향 갭을 제공한다. 탄성 스프링(64)은 구름 베어링(24) 상에 영구적 축방향 힘을 가한다. 탄성 스프링(64)은 또한 구름 베어링(24)을 통해 다른 구름 베어링(22)을 중간 하우징의 돌출부(58)를 향해 축방향으로 밀어 그에 예비 하중을 가하기도 한다. 따라서, 탄성 스프링(66)에 의해 가해지는 하중은 돌출부(58)를 향해 구름 베어링(22, 24) 모두를 축방향으로 프리스트레싱하게 된다. 개시된 실시예에서, 축방향 탄성 스프링(65)은 서로 겹쳐진 2개의 금속 탄성 플레이트 스프링이다.
탄성 스프링(66)은 중간 하우징의 돌출부(58)와 구름 베어링의 외륜(22b)의 레디얼 페이스 사이에 축방향으로 위치 설정된다. 탄성 스프링(66)은 일측에서는 구름 베어링(22)과 축방향으로 접촉하고, 타측에서는 돌출부(58)와 축방향으로 접촉한다. 탄성 스프링(66)은 탄성 스프링(64)에 의해 가해지는 축방향 힘과는 반대 방향을 따라 구름 베어링(22)에 영구적 축방향 힘을 가한다. 탄성 스프링(64, 66) 모두 두 구름 베어링(22, 24)에 축방향으로 예비 하중을 가한다. 여기서, 탄성 스프링(66)의 반경방향 치수는 외륜(22b) 및 돌출부(58)의 반경방향 치수와 실질적으로 동일하다. 개시된 실시예에서, 축방향 탄성 스프링(66)은 예를 들면 벨르빌 와셔 형태의 금속 탄성 와셔이다.
회전 기계는 케이싱의 보어의 액시얼 표면(42a)과 접촉하게 반경방향으로 장착되어, 구름 베어링들의 외륜(18b, 20b)들을 반경방향에서 둘러싸는 환형 댐핑 슬리브(70)를 더 포함한다. 댐핑 슬리브(70)는 주름진 라미네이트일 수 있다. 댐핑 슬리브(70)와 외륜(18b, 20b)들의 외면 사이에는 반경방향 클리어런스(72)가 마련된다. 유사한 구성이 구름 베어링(22, 24)들과 하우징(50) 사이에도 마련된다. 사실상, 회전 기계는 하우징의 보어(52)와 접촉하게 반경방향으로 장착되어, 구름 베어링들의 외륜(22b, 24b)들을 반경방향에서 둘러싸는 환형 댐핑 슬리브(74)도 포함한다. 반경방향 클리어런스(76)가 댐핑 슬리브(74)와 외륜(22b, 24b)들의 외면 사이에 마련된다. 댐핑 슬리브(74)는 주름진 라미네이트일 수 있다.
정상 작동시에, 능동형 자기 베어링(들)은 샤프트를 케이싱(12) 내에 센터링된 상태로 유지하여, 구름 베어링(18 내지 24)들의 내륜, 슬리브(26) 및 맞대짐 링(54) 간의 접촉은 없다. 구름 베어링(18 내지 24)에 축방향으로 예비 하중을 가하는 탄성 스프링(60 내지 64)들은 그 베어링들이 예기치 않게 회전하는 것을 방지한다.
랜딩 양상의 발생시에, 샤프트(14)는 케이싱(12) 내에서 축방향 및 반경방향 모두로 이동할 수 있다. 샤프트(14)는, 슬리브(26)와 구름 베어링(18 내지 24)들의 내륜 사이에 마련된 반경방향 클리어런스(59)로 인해, 슬리브가 반경방향으로 그 내륜들과 접촉하게 될 때까지 이동할 수 있다. 이는 베어링의 내륜(18a, 20a)들의 회전을 야기한다. 반경방향 동적 랜딩 하중이 구름 베어링(18 내지 24)에 의해 지지된다. 샤프트(14)는 슬리브(26), 맞대짐 링(54) 및 구름 베어링(18, 24)들의 내륜 사이의 축방향 클리어런스(45, 55)로 인해 축방향으로 이동할 수 있다.
랜딩 양상 동안 샤프트(14)가 축방향으로 변위하여 자기 베어링의 로터 아마추어(32)가 베어링(18 내지 24)을 향해 축방향으로 이동하는 경우, 슬리브의 리브(44)가 구름 베어링의 내륜(18a)과 축방향으로 맞대진다. 리브(44)에 의해 내륜(18a)에 가해지는 축방향 동적 랜딩 부하는 관련 구름 베어링의 내륜(20a)에 전달된다. 가해진 축방향 하중의 일부는 구름 요소(20c)를 통해 내륜(20a)에서 그 구름 베어링의 외륜(20b)으로 전달되고, 이어서 스프링(60) 및 케이싱(12)에 전달된다. 가해진 축방향 하중의 다른 부분은 내륜(20a)에서 축방향 스페이서(28)로 전달되고, 이어서 축방향으로 접촉한 2개의 나머지 구름 베어링(22, 24)들의 내륜(22a, 24a)에 전달된다. 가해진 축방향 하중의 상기한 다른 부분은 구름 요소(24c)를 통해 내륜(24a)에서 그 구름 베어링의 외륜(24b)으로 전달되고, 이어서 스프링(64), 중간 하우징(50) 및 케이싱(12)에 전달된다. 축방향 하중이 큰 경우에, 레디얼 돌출부(58)는 구름 베어링의 외륜(20b)의 축방향 변형을 제한하도록 받침대 수단을 형성하고, 또한 유지 링(56)도 구름 베어링의 외륜(24b)의 축방향 변형을 제한하도록 받침대 수단을 형성한다.
랜딩 양상 동안, 샤프트(14)가 반대 방향으로 축방향으로 변위하는 경우에, 맞대짐 링(54)이 구름 베어링의 내륜(24a)에 축방향으로 맞대진다. 맞대짐 링(54)에 의해 내륜(24a)에 가해지는 그러한 축방향 동적 랜딩 하중은 관련 구름 베어링의 내륜(22a)에 가해진다. 가해진 축방향 하중의 일부는 구름 요소(24c)를 통해 내륜(22a)에서 그 구름 베어링의 외륜(22b)으로 전달되고, 이어서 중간 하우징(50)의 레디얼 돌출부(58) 및 케이싱(12)에 전달된다. 가해진 축방향 하중의 다른 부분은 내륜(20a)에서 스페이서(28)로 전달되고, 이어서 축방향으로 접촉한 2개의 나머지 구름 베어링(18, 20)들의 내륜(20a, 18a)에 전달된다. 가해진 축방향 하중의 상기한 다른 부분은 내륜(18a)에서 그 구름 베어링의 외륜(24b)으로 전달되고, 이어서 케이싱(12)에 전달된다.
랜딩 양상이 발생하는 경우에, 한 쌍의 구름 베어링(18, 20)과 다른 한 쌍의 구름 베어링(22, 24) 사이에 스페이서(28) 및 리브(58)의 개재로 인해, 리브(44) 또는 맞대짐 링(54)에 의해 가해지는 축방향 하중은 각 구름 베어링 쌍이 분담하게 된다. 따라서, 각 구름 베어링의 사용 수명이 현저히 증가한다. 보조 구름 베어링(18, 24)에 의해 견딜 수 있는 랜딩 양상의 횟수도 증가한다.
축방향 랜딩 하중을 위해 2개의 경로가 존재하는데, 그 하중의 일부는 한 쌍의 구름 베어링에 의해서만 지지되어 케이싱에 전달되며, 다른 부분은 두 쌍의 구름 베어링에 지지되어 케이싱에 전달된다. 그러한 두 쌍의 구름 베어링이 서로 동일하기 때문에, 그 쌍의 강도 레벨이 동일하고, 축방향 하중은 그들 간에 균일하게 분배된다. 따라서, 각 구름 베어링의 사용 수명도 연장된다. 게다가, 탄성 스프링(60 내지 66)들이 그 축방향 랜딩 하중을 감소시킬 수 있다. 그러한 탄성 스프링들이 이중 기능을 수행, 즉 구름 베어링(18 내지 24)에 예비 하중을 가하고 추가로 그 축방향 랜딩 하중을 감쇠시키도록 기능한다. 랜딩 양상이 나타나는 경우, 샤프트(14)는 무접촉으로 유지된 상태에서 구름 베어링(18 내지 24)과의 기계적 접촉에 의해 유지된 상태로 옮겨간다.
개시된 실시예에서, 구름 베어링(18 내지 24)은 앵귤러 콘택트 트러스트 볼 베어링이다. 대안적으로, 구름 베어링은 예를 들면 깊은 홈 볼 베어링, 4점 접촉 볼 베어링, 테이퍼 롤러 베어링, 구면 롤러 베어링 등일 수 있다.
상기한 상세한 설명은 단열의 구름 요소들을 각각 갖는 4개의 구름 베어링을 포함하는 회전 기계를 참조하여 이루어졌다. 하지만, 축방향 스페이서에 의해 축방향으로 서로 간격을 두고 배치되고 각각 1열의 구름 요소 또는 적어도 2열의 구름 요소를 갖는 2개의 구름 베어링을 포함하는 회전 기계에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 샤프트(14), 케이싱(12), 이 케이싱 내에 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하도록 상기 샤프트에 연결된 적어도 하나의 메인 자기 베어링(16), 축방향 및 반경방향 하중을 지지하도록 상기 샤프트와 상기 케이싱 사이에 배치되는 적어도 하나의 제1 및 적어도 하나의 제2 보조 구름 베어링(20, 22)을 포함하며, 상기 보조 구름 베어링에는 각각 내륜(20a, 22a), 외륜(20b, 22b), 이들 내외륜 사이에 배치된 적어도 1열의 구름 요소들이 마련되며, 제1 및 제2 축방향 받침대(abutment) 수단(44, 54)이 상기 제1 및 제 2 구름 베어링의 내륜에 축방향 하중을 전달하도록 상기 샤프트 상에 배치되는, 회전 기계에 있어서,
    상기 구름 베어링들의 내륜들(20a, 22a)의 서로 대면하는 페이스(face)들 사이에 축방향으로 위치 설정되고 상기 내륜들 간의 축방향 하중의 전달을 위해 상기 페이스들과 축방향으로 접촉하게 장착되는 스페이서(28); 및
    상기 케이싱 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 구름 베어링들의 외륜(20b, 22b)들의 서로 대면하는 페이스들 사이에 축방향으로 위치 설정되어, 상기 외륜들 중 적어도 하나와 상기 케이싱 간에 축방향 하중을 전달하는 적어도 제1 축방향 유지 수단(58)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  2. 제1항에 있어서, 각 받침대 수단(44, 54)은 상기 스페이서(28)와는 반대측에서 상기 내륜들 중 하나와 축방향으로 대면하는 것인 회전 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 샤프트는 상기 샤프트의 외면과 상기 제1 및 제2 구름 베어링의 내륜 사이에 반경방향으로 개재된 적어도 하나의 슬리브(26)를 포함하는 것인 회전 기계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 슬리브는 상기 제1 및 제2 축방향 받침대 수단 중 하나를 포함하는 것인 회전 기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱은 상기 케이싱의 보어(42)와 상기 제1 및 제2 구름 베어링 중 하나의 외륜(22b) 사이에 반경방향으로 개재된 중간 하우징(50)을 포함하는 것인 회전 기계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 중간 하우징(50)은 상기 제1 축방향 유지 수단(58)을 포함하는 것인 회전 기계.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구름 베어링의 외륜(20b, 22b)들을 축방향으로 유지하도록 상기 케이싱 상에 배치된 제2 및 제3 축방향 유지 수단(48, 56)을 더 포함하며, 이들 제2 및 제3 축방향 유지 수단 각각은 관련 구름 베어링에 대하여 상기 제1 축방향 유지 수단(58과는 축방향에 있어서의 반대측에 위치하는 것인 회전 기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구름 베어링 각각에 축방향 힘을 가하는 적어도 하나의 프리스트레싱(pre-stressing) 및 댐핑 요소(60, 62, 64, 66)를 포함하는 것인 회전 기계.
  9. 제7항에 종속하는 제8항에 있어서, 상기 케이싱의 제2 축방향 유지 수단(48)과 관련 구름 베어링의 외륜 사이에 축방향으로 위치 설정된 하나의 프리스트레싱 및 댐핑 요소(62)를 포함하는 것인 회전 기계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 케이싱의 제3 축방향 유지 수단(56)과 관련 구름 베어링의 외륜 사이에 축방향으로 위치 설정된 하나의 프리스트레싱 및 댐핑 요소(64)를 포함하는 것인 회전 기계.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기기 케이싱의 제1 축방향 유지 수단(58)과 관련 구름 베어링 각각의 외륜 사이에 하나씩 축방향으로 위치 설정된 프리스트레싱 및 댐핑 요소(60, 66)를 포함하는 것인 회전 기계.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리스트레싱 및 댐핑 요소는 탄성 플레이트 스프링 또는 원추형 와셔를 포함하는 것인 회전 기계.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로 서로 접촉하는 2개의 제1 구름 베어링(18, 20)과 축방향으로 서로 접촉하는 2개의 제2 구름 베어링(22, 24)을 포함하는 것인 회전 기계.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구름 베어링(20, 22)들은 서로 동일한 것인 회전 기계.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구름 베어링은 축방향으로 상기 메인 자기 베어링(16) 옆에 배치되는 것인 회전 기계.
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