KR20160070176A - 저널 베어링 조립체 및 그 조립 방법 - Google Patents

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damper
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버그라 한 에타스
마르퀘즈 아돌포 델가도
대런 리 홀맨
월터 존 스미스
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

저널 베어링 조립체는 베어링 하우징, 복수의 베어링 패드(230) 및 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 포함한다. 상기 베어링 하우징은 방사상 외벽을 포함한다. 상기 복수의 베어링 패드는 상기 베어링 하우징 내에 장착되고, 가스 투과형 다공성 매체와 가스 전달 구멍(234) 어레이 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 복수의 베어링 패드 지지 조립체는 상기 베어링 패드와 상기 방사상 외벽 사이에 방사상으로 개재된다. 각각의 상기 베어링 패드 지지 조립체는 스프링 조립체(246)와 댐퍼 조립체(248)를 포함한다.

Description

저널 베어링 조립체 및 그 조립 방법{JOURNAL BEARING ASSEMBLIES AND METHODS OF ASSEMBLING SAME}
본 발명은 일반적으로 베어링 조립체에 관한 것으로, 특히 유연성 있게 장착된 가스 확산 베어링 패드를 구비한 저널 베어링 조립체에 관한 것이다.
적어도 일부의 공지된 터보 기계는 샤프트, 압축기 추진기, 터빈, 커플링, 밀봉 팩, 및 주어진 동작 조건하에서 최적의 동작을 위해 필요한 다른 요소들을 포함한 회전자 조립체를 포함한다. 이러한 회전자 조립체는 중력에 기인하여 일정한 정적 힘을 생성하는 질량을 갖고 있고, 또한 동작 중에 회전자 조립체에서의 불균형에 기인하여 동적 힘을 생성한다. 다른 정적 힘은 기어가 걸려 있는 터보 기계류로부터 생성될 수 있다. 이러한 터보 기계는 회전자 조립체의 회전을 가능하게 하면서 상기 힘들을 유지 및 지지하는 베어링을 포함한다.
적어도 일부의 공지된 터보 기계는 회전자 조립체의 회전을 가능하게 하면서 회전자 조립체를 지지하기 위해 오일 윤활형 베어링을 사용한다. 이러한 오일 윤활형 베어링은 특히 고성능 터보 기계류, 즉 500 킬로와트(KW) 이상의 에너지를 생성할 수 있는 터보 기계에서 사용되고, 이때 회전자 조립체의 질량과 불균형 하중은 베어링의 중대한 정적 하중 운반 능력 외에 중대한 진동 감쇠를 요구한다.
그러나 소정의 터보 기계류 응용에서는 해저 압축 시스템, 고부식성 작동 유체 환경, 극저온 환경 및 고온 응용과 같이 비오일 윤활형 베어링을 사용하는 것이 바람직하다. 그러한 응용에서, 적어도 일부 공지된 터보 기계는 오일 윤활형 베어링 대신에 자기(magnetic) 베어링 시스템을 사용한다. 그러나 이러한 자기 베어링 시스템은 가격이 비교적 높고, 동작을 위해 보조 전자 시스템이 필요하며, 운영 및 셋업이 고도로 복잡하다.
그 결과, 적어도 일부 공지된 회전 기계는 비오일 윤활형 베어링이 바람직한 경우 자기 베어링 대신에 가스 베어링을 사용한다. 그러나 이러한 회전 기계의 크기는 그러한 회전 기계에서 회전자 조립체의 무게를 지탱하고 회전 기계의 동적 하중을 유지하는 가스 베어링의 능력에 의해 제한을 받는다. 가스 베어링으로 동작하는 가장 큰 공지의 상업적으로 이용 가능한 회전 기계는 200 KW의 발전 능력이 있는 마이크로터빈 발전기이다. 이러한 마이크로터빈 발전기는 회전자 조립체의 회전을 통하여 회전자 조립체의 샤프트와 베어링 사이에 얇은 가스막을 생성하는 포일 베어링(foil bearing)을 포함한다. 그러나 이러한 포일 베어링은 얇은 가스막을 사용하는 유체동적 효과가 전형적으로 무거운 하중을 지지하기 위한 충분한 압력을 생성하지 못하기 때문에 소규모 회전 기계에 사용하는 것으로 제한된다. 또한, 이러한 포일 베어링은 고전력 출력 기계에서 사용되는 큰 질량을 가진 회전자 조립체를 수용하기 위한 충분한 제진 능력(damping capacity)을 갖지 못한다.
게다가, 가스 베어링은 전면적(full-scale) 무오일(oil-free) 터보 기계류의 동작 중에 발생하는 동적 하중을 유지하기 위해 필요한 제진 능력 때문에 상기 전면적 무오일 터보 기계류 응용에서 사용하도록 적응시키는 것이 용이하지 않다. 오히려, 전면적 터보 기계류의 동적 하중 필요조건에 부합하기 위해, 적어도 일부의 공지된 회전 기계는 압착막 댐퍼(squeeze-film damper)를 포함한다. 적어도 일부의 공지된 압착막 댐퍼는 회전자 진동에 응답하여 동적 압력 및 막 힘(film force)을 발생하는 윤활제(전형적으로 오일)의 작은 갭에 의해 분리되는 고정 저널과 원통형 하우징을 포함한다. 이러한 압착막 댐퍼는 전형적으로 윤활제가 베어링 조립체로부터 누출되는 것을 방지하기 위해 공급 포트 및 배출 플레넘(exit plenum)을 포함한 윤활제 유동 회로, 또는 일부 경우에는 밀봉 조립체(sealing assembly)를 필요로 한다. 그러나 이러한 압착막 댐퍼는 윤활제 유동 회로 및 밀봉 조립체를 사용함에도 불구하고 누출이 발생하는 경향이 있다. 또한, 상기 윤활제 유동 회로는 전형적으로 윤활제의 전달 및 배유(scavenge)를 제어하기 위한 복잡한 베어링 윤활계통을 필요로 한다. 그 결과, 개방 흐름의 윤활 회로를 가진 압착막 댐퍼는 가스 윤활형 베어링 시스템에 실용적으로 통합되거나 함께 사용되지 못한다.
일 양태에 있어서, 저널 베어링 조립체가 제공된다. 베어링 조립체는 베어링 하우징, 복수의 베어링 패드 및 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 포함한다. 상기 베어링 하우징은 방사상 외벽을 포함한다. 상기 복수의 베어링 패드는 상기 베어링 하우징 내에 장착되고, 가스 투과형 다공성 매체와 가스 전달 구멍 어레이 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 복수의 베어링 패드 지지 조립체는 상기 베어링 패드와 상기 방사상 외벽 사이에 방사상으로 개재된다. 각각의 베어링 패드 지지 조립체는 스프링 조립체 및 댐퍼 조립체를 포함한다.
다른 양태에 있어서, 터보 기계가 제공된다. 터보 기계는 케이싱, 회전자 조립체 및 저널 베어링 조립체를 포함한다. 상기 케이싱은 처리실을 형성한다. 상기 회전자 조립체는 상기 처리실 내에 배치된 회전 가능 샤프트를 포함한다. 상기 저널 베어링 조립체는 샤프트를 지지하고, 베어링 하우징, 상기 베어링 하우징 내에 장착된 복수의 베어링 패드, 및 상기 베어링 패드와 상기 베어링 하우징 사이에 방사상으로 개재된 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 포함한다. 상기 복수의 베어링 패드는 가스 투과형 다공성 매체와 가스 전달 구멍 어레이 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 적어도 하나의 베어링 패드 지지 조립체는 기밀하게 밀봉된 유체 충전 댐퍼 조립체를 포함한다. 상기 베어링 조립체는 상기 처리실로부터 처리 가스를 수납하고 상기 처리 가스를 상기 베어링 패드에 투과시켜서 상기 샤프트와 상기 베어링 패드 사이에 윤활을 제공하도록 구성된다.
또 다른 양태에 있어서, 저널 베어링 조립체를 조립하는 방법이 제공된다. 이 방법은 방사상 내벽과 방사상 외벽을 가진 베어링 하우징을 제공하는 단계와, 가스 투과형 다공성 매체와 가스 전달 구멍 어레이 중 적어도 하나를 포함한 복수의 베어링 패드를 제공하는 단계와, 상기 복수의 베어링 패드를 상기 베어링 하우징의 방사상 내벽을 따라 결합하는 단계와, 스프링 조립체 및 댐퍼 조립체를 각각 구비하는 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 제공하는 단계와, 상기 댐퍼 조립체를 상기 베어링 하우징 내에서 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 및 기타의 특징, 양태 및 장점은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하면서 읽을 때 더 잘 이해할 수 있을 것이고, 첨부 도면에 있어서 동일한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 표시한다.
도 1은 회전 기계의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 터보 기계의 예시적인 저널 베어링 조립체의 부분 분해도이다.
도 3은 도 2에 도시된 저널 베어링 조립체의 예시적인 베어링 하우징의 투시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 베어링 하우징을 축방향에서 본 도이다.
도 5는 도 4에 도시된 선 "5-5"를 따라 취한, 도 3에 도시된 베어링 하우징의 부분 횡단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 베어링 조립체의 예시적인 베어링 패드 조립체의 투시도이다.
도 7은 도 2에 도시된 베어링 조립체와 함께 사용하기에 적합한 대안적인 베어링 패드 조립체의 투시도이다.
도 8은 조립된 구성의 도 2에 도시된 베어링 조립체의 축방향 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 베어링 조립체의 개략도이다.
도 10은 도 8에 도시된 베어링 조립체를 명확성을 위해 댐퍼 조립체를 생략한 상태로 보인 횡단면도이다.
도 11은 도 2 및 도 8에 도시된 베어링 조립체의 예시적인 댐퍼 조립체의 분해도이다.
도 12는 조립된 구성으로 도시된 도 11에 도시된 댐퍼 조립체의 횡단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 선 "13-13"을 따라 취한, 도 12에 도시된 댐퍼 조립체의 횡단면도이다.
도 14는 대안적인 댐퍼 조립체의 투시도이다.
도 15는 도 14에 도시된 댐퍼 조립체의 횡단면도이다.
도 16은 베어링 조립체를 조립하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 17은 도 16의 연속도이다.
도 18은 기밀 밀봉형 댐퍼 조립체를 조립하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 19는 도 18의 연속도이다.
다르게 표시되지 않는 한, 여기에서 제공되는 도면들은 발명의 실시형태의 특징들을 예시하는 것으로 의도된다. 이 특징들은 발명의 하나 이상의 실시형태를 포함한 매우 다양한 시스템에 적용할 수 있는 것으로 믿어진다. 그러므로 도면들은 여기에서 설명하는 실시형태들의 실시를 위해 필요한, 업계에 공지된 종래의 특징들을 모두 포함하는 것으로 의도되지 않는다.
이하의 상세한 설명 및 특허 청구범위에서, 하기의 의미를 갖는 것으로 정의되는 다수의 용어를 사용할 것이다.
단수 형태("a", "an", "the")는 문맥에서 명확히 다르게 구술하지 않는 한 복수 형태를 포함한다.
상세한 설명 및 특허 청구범위에 걸쳐서 여기에서 사용하는 근사화 언어는 관련된 기본 기능을 변화시키지 않고 변화가 가능한 임의의 정량적 표시를 수식하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수식되는 값은 특정된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 예에서, 근사화 언어는 값을 측정하는 도구의 정밀도에 대응할 수 있다. 여기에서 및 상세한 설명과 특허 청구범위 전반에 걸쳐서, 범위 한계는 결합 및/또는 상호 교환될 수 있고, 그러한 범위는 문맥상 또는 언어로 다르게 표시하지 않는 한 그 안에 포함된 모든 부범위와 동일시되고 그러한 부범위를 포함한다.
또한, 여기에서 설명하는 주제의 일 "구현예" 또는 일 "실시형태"의 인용은 인용된 특징들을 또한 통합하는 추가적 구현예의 존재를 배제하는 것으로 해석되지 않는다.
여기에서 설명하는 시스템 및 방법은 전면적인 비오일 윤활형 터보 기계류에서 사용하기에 적합한 저널 베어링 조립체를 제공한다. 여기에서 설명하는 실시형태들은 비오일 윤활형 터보 기계류에서 회전자 조립체를 지지하기 위해 사용되는 저널 베어링 조립체의 회전 저항성을 감소하고, 상기 저널 베어링 조립체의 내마모성을 향상시키고, 상기 저널 베어링 조립체의 제진 능력을 향상시키고, 상기 저널 베어링 조립체의 정적 하중 용량을 향상시킨다. 더 구체적으로, 여기에서 설명하는 시스템 및 방법은 축방향으로 정렬된 댐퍼 조립체 및 스프링 조립체와 함께 다공성 베어링 패드, 및 내부에 가스 전달 구멍 어레이가 형성된 베어링 패드를 활용한다. 그러므로, 여기에서 설명하는 저널 베어링 조립체는 터보 기계의 회전자 조립체를 지지하기 위해 딱딱한 가스막을 사용하고, 터보 기계의 동작 중에 베어링 조립체가 받는 동적 하중을 유지하기 위해 유연성 있게 장착된 베어링 패드를 사용한다. 또한, 여기에서 설명하는 시스템 및 방법은 비오일 윤활형 베어링 조립체 및 터보 기계류뿐만 아니라 다른 무오일 동작 환경에서 사용하기에 적합한 댐퍼 조립체를 제공한다. 여기에서 설명하는 실시형태들은 유체 기반 댐퍼 조립체를 무오일 환경에 통합하고, 그러한 댐퍼 조립체의 제진 능력을 오일 기반 압착막 댐퍼의 제진 능력에 근접하는 레벨까지 향상시킨다. 더 구체적으로, 여기에서 설명하는 시스템 및 방법은 일체형으로 형성된 스프링과 함께 폐쇄 유동 회로를 가진 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼 하우징을 활용한다. 그러므로, 여기에서 설명하는 댐퍼 조립체는 복잡한 유동 회로 또는 밀봉 조립체를 요구하지 않고 전면적인 터보 기계에서 사용하기에 적합한 제진 능력을 갖는다.
도 1은 회전 기계, 즉 터보 기계(100), 더 구체적으로는 비오일 윤활형 터빈 엔진의 개략도이다. 예시적인 실시형태에 있어서, 터빈 엔진은 가스 터빈 엔진이다. 대안적으로, 터보 기계(100)는 비제한적인 예를 들자면 증기 터빈 엔진, 원심 압축기 및 터보차저(turbocharger)를 포함한 임의의 다른 터빈 엔진 및/또는 터보 기계이다. 예시적인 실시형태에 있어서, 터보 기계(100)는 흡기부(102)와, 상기 흡기부(102)의 하류에서 상기 흡기부(102)와 흐름 연통(flow communication)하도록 결합된 압축기부(104)를 구비한다. 압축기부(104)는 압축기 실(108)을 형성하는 압축기 케이싱 내에 봉입된다. 연소기부(110)는 압축기부(104)의 하류에서 상기 압축기부(104)와 흐름 연통하도록 결합되고, 터빈부(112)는 연소기부(110)의 하류에서 상기 연소기부(110)와 흐름 연통하도록 결합된다. 터빈부(112)는 터빈실(116)을 형성하는 터빈 케이싱(114) 내에 봉입된다. 배기부(118)는 터빈부(112)의 하류에 제공된다. 더욱이, 예시적인 실시형태에 있어서, 터빈부(112)는 구동 샤프트(122)를 포함한 회전자 조립체(120)를 통해 압축기부(104)에 결합된다. 구동 샤프트(122)는 압축기 케이싱(106) 및 터빈 케이싱(114) 내에 위치된 저널 베어링 조립체(200)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
예시적인 실시형태에 있어서, 연소기부(110)는 복수의 연소기 조립체, 즉 압축기부(104)와 흐름 연통하도록 각각 결합된 연소기(124)들을 구비한다. 더욱이, 예시적인 실시형태에 있어서, 터빈부(112) 및 압축기부(104)는 구동 샤프트(122)를 통해 부하(126)에 회전 가능하게 결합된다. 예를 들면, 부하(126)는 발전기 및/또는 기계적 구동 설비, 예컨대 펌프를 포함할 수 있다. 대안적으로, 터보 기계(100)는 항공기 엔진일 수 있다.
예시적인 실시형태에 있어서, 압축기부(104)는 적어도 하나의 압축기 블레이드 조립체(128) 및 적어도 하나의 인접하는 고정 베인 조립체(130)를 구비한다. 상기 압축기 블레이드 조립체(128) 및 상기 인접하는 고정 베인 조립체(130)의 각 조합은 압축기단(132)을 형성한다. 또한, 각각의 압축기 블레이드 조립체(128)는 복수의 압축기 블레이드(도 1에는 도시 생략됨)를 구비하고 각각의 고정 베인 조립체(130)는 복수의 압축기 베인(도 1에는 도시 생략됨)를 구비한다. 더 나아가, 각각의 압축기 블레이드 조립체(128)는 구동 샤프트(122)에 분리 가능하게 결합되고, 각각의 고정 베인 조립체(130)는 압축기 케이싱(106)에 분리 가능하게, 및 상기 압축기 케이싱(106)에 의해 지지되게 결합된다.
예시적인 실시형태에 있어서, 터빈부(112)는 적어도 하나의 터빈 블레이드 조립체(134) 및 적어도 하나의 인접하는 고정 노즐 조립체(136)를 구비한다. 상기 터빈 블레이드 조립체(134) 및 상기 인접하는 고정 노즐 조립체(136)의 각 조합은 터빈단(138)을 형성한다. 또한, 각각의 터빈 블레이드 조립체(134)는 구동 샤프트(122)에 분리 가능하게 결합되고, 각각의 고정 노즐 조립체(136)는 터빈 케이싱(114)에 분리 가능하게, 및 상기 터빈 케이싱(114)에 의해 지지되게 결합된다.
동작시에, 흡기부(102)는 공기(150)를 압축기부(104) 쪽으로 보낸다. 압축기부(104)는 흡입 공기(150)를 더 높은 압력 및 온도로 압축하고 압축 공기(152)를 연소기부(110) 쪽으로 배출한다. 압축 공기(152)는 연료 노즐 조립체(도시 생략됨)로 보내지고, 연료(도시 생략됨)와 혼합되어 각 연소기(124) 내에서 연소되어 연소 가스(154)를 생성하고, 상기 연소 가스(154)는 터빈부(112)를 향해 하류로 보내진다. 연소기(124) 내에서 생성된 연소 가스(154)는 터빈부(112)를 향해 하류로 보내진다. 터빈 블레이드 조립체(134)에 부딪힌 후에, 열 에너지는 회전자 조립체(120)를 구동하기 위해 사용되는 기계적 회전 에너지로 변환된다. 터빈부(112)는 구동 샤프트(122)를 통해 압축기부(104) 및/또는 부하(126)를 구동하고, 배기 가스(156)는 배기부(118)를 통해 대기중으로 배출된다. 저널 베어링 조립체(200)는 회전자 조립체(120)의 회전을 쉽게 하고 터보 기계(100)의 동작 중에 베어링 조립체(200)에 부여되는 진동 에너지를 감쇠시킨다. 비록 베어링 조립체(200)가 압축기 케이싱(106) 및 터빈 케이싱(114) 내에 위치되는 것으로 도시 및 설명되지만, 베어링 조립체(200)는 비제한적인 예를 들자면 샤프트(122)의 중간 또는 미드스팬(mid-span) 영역을 포함한 샤프트(122)를 따르는 임의의 바람직한 위치에, 또는 종래의 오일 윤활형 베어링 조립체의 사용이 중대한 설계 난제를 나타내는 샤프트(122)를 따르는 다른 위치에 위치될 수 있다. 또한, 베어링 조립체(200)는 종래의 오일 윤활형 베어링 조립체와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 일 실시형태에 있어서, 종래의 오일 윤활형 베어링 조립체는 샤프트(122)의 단부에 위치되고, 하나 이상의 베어링 조립체(200)는 샤프트(122)의 중간 또는 미드스팬 영역을 따라 위치될 수 있다.
도 2는 도 1의 터보 기계에서 사용하기에 적합한 예시적인 저널 베어링 조립체의 부분 분해도이다. 저널 베어링 조립체(200)는 베어링 하우징(202), 복수의 베어링 패드 조립체(204), 및 복수의 베어링 패드 지지 조립체(206)를 포함한다. 베어링 패드 조립체(204)는 저널 베어링 조립체(200)의 중심선(208) 주위에서 대칭으로 배열되고, 회전가능 샤프트(122)(도 1에 도시됨)를 지지하도록 구성된 환상의 내부 베어링 표면(210)을 형성한다. 베어링 패드 지지 조립체(206)는 상기 중심선(208) 주위에서 유사하게 대칭으로 배열되고, 대응하는 베어링 패드 조립체(204)로부터 방사상으로 외향으로 배치된다. 뒤에서 설명하는 바와 같이, 베어링 패드 지지 조립체(206)는 베어링 패드 조립체(204)에 대한 유연한 장착 지지를 제공하여 베어링 조립체(200)가 전면적인 터보 기계류의 동작 중에 발생된 진동 에너지를 적절히 감쇠시키도록 충분한 제진 능력을 여전히 가지면서 비교적 큰 정적 부하(예를 들면, 전면적인 터보 기계류에서 사용되는 회전자 조립체)를 지원할 수 있게 한다. 예를 들면, 저널 베어링 조립체(200)는 적어도 약 50 파운드, 더 나아가 적어도 약 100 파운드의 질량을 가진 회전자 조립체(120)와 같은 회전자 조립체와 함께 사용하기에 적합하다. 또한, 베어링 조립체(200)는 비오일 윤활형 베어링 조립체이고, 뒤에서 더 자세히 설명하는 댐퍼 조립체(248)를 제외하고 무오일 베어링 조립체이다.
도 3은 베어링 하우징(202)의 투시도이고, 도 4는 베어링 하우징(202)을 축방향에서 본 도면이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 베어링 하우징(202)은 대략 환형을 갖고, 방사상 내벽(212)과 방사상 외벽(214)을 갖는다. 방사상 내벽(212)은 터보 기계(100)가 조립된 구성일 때 샤프트(122)를 수납하는 내측 공동(216)을 형성한다. 베어링 패드 조립체(204)는 터보 기계(100)가 조립된 구성일 때 샤프트(122)가 베어링 패드 조립체(204)에 의해 지지되도록 방사상 내벽(212) 부근의 베어링 하우징(202) 내에 고착된다. 베어링 패드 지지 조립체(206)는 방사상 내벽(212)과 방사상 외벽(214) 사이에 개재된다. 더 구체적으로, 각각의 베어링 패드 지지 조립체(206)는 샤프트(122)와 베어링 조립체(200) 사이에서 향상된 진동 감쇠를 제공하도록 베어링 패드 조립체(204)와 방사상으로 정렬된다. 베어링 패드 조립체(204)와 베어링 패드 지지 조립체(206)의 구성 및 형태(뒤에서 더 자세히 설명함)는 큰 정적 하중(예를 들면, 전면적 터보 기계류에서 사용되는 샤프트의 무게)를 지지하고, 전면적 터보 기계류에서 사용하기 위한 적당한 제진을 제공하며, 베어링 조립체(200)와 샤프트(122) 사이에 비오일 윤활을 제공하도록 적당한 강성을 제공한다.
베어링 하우징(202)은 베어링 패드 조립체(204)와 베어링 패드 지지 조립체(206)를 수납하도록 구성된다. 더 구체적으로, 베어링 하우징(202)은 베어링 하우징(202) 내에서 베어링 패드 조립체(204)를 고착시키도록 구성된 베어링 패드 레일(218), 및 적어도 베어링 패드 지지 조립체(206)의 일부를 수납하도록 각각 적응된 복수의 공동(220)을 포함한다.
도 5는 도 4에 도시된 선 "5-5"를 따라 취한, 도 3에 도시된 베어링 하우징(202)의 부분 횡단면도이다. 베어링 하우징(202)은 방사상 외벽(214)에 형성된 가스 취입구(224)로부터 방사상 내벽(212)에 형성된 가스 취출구(226)까지 연장하는 복수의 가스 전달 포트(222)(대체로 관통공)를 포함한다. 가스 전달 포트(222)는 압축 가스(228)(도 2에 도시됨)를 내측 공동(216)으로, 및 특히 베어링 패드 조립체(204)로 전달하기 위해 압축 가스원과 유체 연통 관계에 있다. 예시적인 실시형태에 있어서, 가스 전달 포트(222)는 압축기실(108)과 터빈실(116)(대체로 처리실) 중 적어도 하나와 유체 연통 관계에 있고, 처리실(108, 116) 중의 적어도 하나로부터 처리 가스를 수납하여 그 가스를 샤프트(122)와 베어링 조립체(200) 간에 윤활을 제공하도록 베어링 패드 조립체(204)에 전달하게끔 적응된다. 베어링 패드 조립체(204)에 전달된 처리 가스(228)는 비제한적인 예를 들자면 압축 공기(152)와 연소 가스(154)를 포함할 수 있다. 대안적인 실시형태에 있어서, 가스 전달 포트(222)는 처리 가스 이외의 가스를 베어링 패드 조립체(204)에 전달하기 위해 보조 가스 공급원(도시 생략됨)과 흐름 연통하도록 결합될 수 있다.
예시적인 실시형태에 있어서, 베어링 하우징(202)은 스테인레스강으로 제조된다. 그러나 베어링 하우징(202)은 베어링 조립체(200)가 여기에서 설명하는 바와 같이 기능하게 하는 임의의 적당한 물질, 예를 들면, 인코넬(Inconel®) 및 티타늄 기반 합금으로 제조될 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 베어링 패드 조립체(204)의 투시도이다. 베어링 패드 조립체(204)는 가스 취입구(224)로부터 가스(228)를 수용하고, 샤프트(122)를 지지 및/또는 윤활하기 위한 고른 분산 압력장(pressure field)을 제공하도록 가스(228)를 베어링 패드 조립체(204) 전역에 분산 및/또는 확산시키게끔 적응된다. 예시적인 실시형태에 있어서, 베어링 패드 조립체(204)는 베어링 패드 리테이너(232)에 분리 가능하게 연결된 베어링 패드를 포함한 모듈식 조립체이다.
베어링 패드(230)는 샤프트(122)의 원형 단면 및/또는 베어링 하우징(202)의 환형에 대략 대응하는 아크 형상을 갖는다. 베어링 패드(230)는 다공성 매체로 제조되고, 따라서 가스 취입구(224)로부터 수납된 가스(228)를 내측 공동(216)으로 투과 및 확산시키도록 적응된다. 베어링 패드(230)를 제조할 수 있는 적당한 다공성 매체는 탄소 흑연과 같은 다공성 탄소, 소결된 다공성 세라믹, 및 인코넬 및 스테인레스강과 같은 소결된 다공성 금속을 포함한다. 베어링 패드(230)는 가스 전달 포트(222)를 통하여 수납된 가스(228)가 터보 기계(100)의 동작 중에 샤프트(122)를 지지 및/또는 윤활하도록 내측 공동(216) 내에서 충분한 압력을 생성하게끔 충분히 높은 가스 투과성을 갖는다. 더 나아가, 베어링 패드(230)는 터보 기계(100)의 동작 중에 베어링 패드(230)와 샤프트(122) 사이에서 생성되는 얇은 가스 막의 불안정성을 방지하기 위해 충분히 낮은 유공성을 갖는다. 예시적인 실시형태에 있어서, 베어링 패드(230)는 다공성 탄소 흑연으로 제조되고, 따라서 베어링 패드(230)를 제조하는 다른 공지의 물질에 비하여 우수한 내마모성 및 윤활성을 갖는다.
예시적인 실시형태에 있어서, 베어링 패드(230)는 또한 베어링 패드(230)의 방사상 내부 표면(236)으로부터 베어링 패드(230)의 방사상 외부 표면(238)까지 연장하는 분리된 극소 크기 가스 전달 구멍(234)의 어레이를 포함한다. 가스 전달 구멍(234)은 가스 전달 포트(222)와 유체 연통 관계에 있고, 터보 기계(100)의 동작 중에 샤프트(122)를 지지 및/또는 윤활하도록 베어링 패드(230)의 방사상 내부 표면(236) 전역에 가스(228)을 추가로 확산 및/또는 분산시키고 고른 압력장을 제공하게끔 구성된다. 가스 전달 구멍(234)은 방사상 내부 표면(236)으로부터 방사상 외부 표면(238)까지 실질적으로 방사상 방향으로 연장하지만, 대안적인 실시형태에 있어서, 가스 전달 구멍(234)은 실질적으로 방사상 방향이 아닌 다른 방향으로 연장할 수 있다. 예시적인 실시형태에 있어서, 가스 전달 구멍(234)은 약 2mil(약 50 마이크로미터) 내지 약 100mil(약 2,540 마이크로미터) 범위, 더 구체적으로는 약 5mil(약 127 마이크로미터) 내지 약 20mil(약 508 마이크로미터) 범위의 직경을 갖는다. 그러나 가스 전달 구멍(234)은 베어링 조립체(200)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 직경을 가질 수 있다. 또한, 예시적인 실시형태에 있어서, 가스 전달 구멍(234)은 사각형 어레이로 배열되어 있지만, 가스 전달 구멍(234)은 베어링 조립체(200)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 어레이, 패턴 또는 구성으로 배열될 수 있다.
베어링 패드 리테이너(232)는 베어링 패드 조립체(204) 내에 베어링 패드(230)를 수용하여 제거 가능하게 고착하는 공동(240)과, 상기 공동(240)으로부터 베어링 패드 리테이너(232)의 방사상 외벽(242)까지 연장하는 가스 전달 포트(도시 생략됨)를 포함한다. 베어링 패드 리테이너(232)의 가스 전달 포트는 대응하는 가스 전달 포트(222)와 정렬되어 베어링 하우징(202)의 방사상 외벽(214)으로부터 베어링 패드(230)까지 가스(228)에 대한 흐름 연통을 제공한다. 더욱이, 베어링 패드 리테이너(232)의 가스 전달 포트는 베어링 패드 리테이너(232)의 공동과 대략 동일하거나 더 작은 크기일 수 있다. 베어링 패드 리테이너(232)는 또한 베어링 패드 레일(218)(도 2-4에 도시됨)에 의해 미끄러지게 수납되어 베어링 조립체(200) 내에 베어링 패드 조립체(204)를 고착하도록 적응된 립(lip)(244)을 포함한다. 베어링 패드 리테이너(232)는 특수한 동작 조건 및/또는 특수한 터보 기계에 기초하여 다른 속성(비제한적인 예를 들자면 가스 투과성 및 유공성)을 가진 베어링 패드를 선택할 수 있도록 베어링 패드(230)를 다른 베어링 패드로 교체할 수 있게 한다.
도 7은 베어링 조립체(200)(도 2에 도시됨)에 사용하기에 적합한 대안적인 베어링 패드 조립체(700)의 투시도이다. 베어링 패드 조립체(700)는 베어링 패드 레일(218)에 의해 직접 수용되도록 적응된 베어링 패드(702)를 포함한다. 더 구체적으로, 베어링 패드(704)는 베어링 패드 레일(218)에 의해 미끄러져 수용되도록 적응된 립(704)을 포함한다. 그래서, 베어링 패드 리테이너(232)(도 6에 도시됨)는 베어링 패드 조립체(700)에서 생략된다. 예시적인 실시형태에 있어서, 베어링 패드(702)는 다공성 매체로 제조되고 가스 전달 구멍(234)(도 6에 도시됨)을 포함하지 않는다. 다른 대안적인 실시형태에 있어서, 베어링 패드(230, 702)는, 가스 전달 구멍(234)이 베어링 패드(230)를 통해 내측 공동(216)까지 가스(228)를 투과 및 확산시키는 실질적으로 유일한 소스가 되도록, 가스 전달 구멍(234)을 포함하고 무공성(non-porous) 매체로 제조될 수 있다.
베어링 패드(230, 702)는 베어링 조립체(200)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 방법으로 제조될 수 있다. 특수한 일 실시형태에 있어서, 베어링 패드(230, 702)는 선택적 레이저 소결법(selective laser sintering, SLS), 직접 금속 레이저 소결법(DMLS), 전자빔 용융법(EBM) 또는 선택적 열 소결법(SHS)과 같은 추가적 제조 공정(시제품 급속 제작, 급속 제조 및 3D 프린팅이라고도 알려져 있음)을 이용하여 제조된다. 추가적 제조 공정을 이용한 베어링 패드(230, 702)의 제조는 베어링 패드(230, 702)의 유공성 및 가스 투과성, 및 가스 전달 구멍(234)의 크기의 정밀 제어가 가능하다.
또한, 대안적인 실시형태에 있어서, 베어링 패드(230, 702)는 예를 들면 추가적 제조 공정 또는 방전 가공(electric discharge machining, EDM) 공정을 이용하여 베어링 하우징(202) 내에서 일체로 형성될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 예시적인 실시형태는 중앙선(208) 주위에 대칭적으로 위치된 4개의 베어링 패드 조립체(204)를 포함한다. 대안적인 실시형태는 베어링 조립체가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 수의 베어링 패드 조립체(204)를 포함할 수 있다.
도 8은 조립된 구성의 도 2에 도시된 베어링 조립체(200)의 축방향 도면이다. 이 예시적인 실시형태는 4개의 베어링 패드 조립체(204)에 대응하는 4개의 베어링 패드 지지 조립체(206)를 포함한다. 대안적으로, 저널 베어링 조립체(200)는 베어링 조립체(200)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 수의 베어링 패드 지지 조립체(206)를 포함할 수 있다.
각각의 베어링 패드 지지 조립체(206)는 샤프트(122)에 의해 베어링 패드 조립체(204)에 부여되는 하중이 대응하는 베어링 패드 지지 조립체(206)에 전달되도록 베어링 패드 조립체(204)와 방사상으로 정렬된다. 각각의 베어링 패드 지지 조립체(206)는 스프링 조립체(246) 및 이 스프링 조립체(246)와 축방향으로 정렬된 댐퍼 조립체(248)를 포함한다. 스프링 조립체(246)는 큰 정적 하중(예를 들면, 전면적 터보 기계류에서 사용되는 샤프트의 무게)을 지지하게끔 충분한 강성을 제공하도록 구성되고, 댐퍼 조립체(248)는 터보 기계(100)의 동작 중에 샤프트(122)에 의해 베어링 조립체(200)에 전달되는 진동 하중을 감쇠시키게끔 충분한 제진을 제공하도록 구성된다.
도 9는 도 8에 도시된 베어링 조립체(200)의 개략도이다. 도 9는 스프링 조립체(246)와 댐퍼 조립체(248)에 의해 제공되는 강성 요소 및 제진 요소를 예시한다.
도 10은 도 8에 도시된 베어링 조립체(200)를 명확성을 위해 댐퍼 조립체(248)(도 2 및 도 8에 도시됨)를 생략한 상태로 도시한 횡단면도이다. 도 10에 도시된 것처럼, 각각의 스프링 조립체(246)는 샤프트(122)에 의해 베어링 조립체(200)에 전달된 하중에 대한 선형 탄성 반응을 제공하도록 적응된 "S"자 형상 단면을 가진 1쌍의 스프링(250, 252)을 포함한다. 이것에 의해, 스프링(250, 252)은 베어링 패드 지지 조립체(206)에 대하여 강성 요소를 제공한다. 예시적인 실시형태에 있어서, 스프링(250, 252)은 방전 가공(EDM) 공정을 이용하여 베어링 하우징(202) 내에서 일체로 형성되지만, 스프링(250, 252)은 베어링 조립체(200)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
스프링(250, 252)은 방사상 외벽(214)과 방사상 내벽(212) 사이에서 연장하고, 베어링 패드 조립체(204)에 부여된 하중이 스프링(250, 252)에 전달되도록 방사상 내벽(212)에 직접 또는 간접적으로 결합된다. 스프링(250, 252)은 스프링(250, 252)들 사이에서 방사상 내벽(212) 주위에서 원주방향을 따라 연장하는 브리지(254)에 의해 서로 연결된다. 브리지(254)는 샤프트(122)에 의해 베어링 패드 조립체(204)에 부여된 하중을 스프링(250, 252)들 사이에서 배분하도록 구성된다.
예시적인 실시형태에 있어서, 각각의 스프링 조립체(246)는 2개의 스프링(250, 252)을 포함하지만, 스프링 조립체(246)는 스프링 조립체(246)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 수의 스프링을 포함할 수 있다. 또한, 예시적인 실시형태에 있어서, 스프링 조립체(246)는 베어링 하우징(202) 내에서 일체로 형성되지만, 스프링 조립체(246)는 베어링 하우징(202)과 별도로 제조되어 베어링 하우징(202) 내에 수용되도록 적응될 수 있다.
도 8을 다시 참조하면, 각각의 베어링 패드 지지 조립체(206)는 대응하는 스프링 조립체(246)의 양측에서 축방향으로 정렬된 2개의 댐퍼 조립체(248)를 포함한다. 도 8에서는 2개의 축방향으로 정렬된 댐퍼 조립체 중 하나만을 볼 수 있다. 각각의 댐퍼 조립체(248)는 대략 아크 형상으로 되고, 공동(220)(도 2-4에 도시됨) 내에 수납되도록 적응된다. 댐퍼 조립체(248)는 방사상 내벽(212)과 방사상 외벽(214) 사이에 방사상으로 개재되고, 베어링 패드 조립체(204)에 부여되는 하중이 대응하는 댐퍼 조립체(248)에 전달되도록 방사상 내벽(212)에 결합된다.
도 11은 도 2 및 도 8에 도시된 베어링 조립체(200)에 사용하기에 적합한 댐퍼 조립체(248)의 분해도이다. 예시적인 실시형태에 있어서, 댐퍼 조립체(248)는 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼이다. 더 구체적으로, 각각의 댐퍼 조립체(248)는 비압축 점성 유체(258)가 내부에 배치된 밀봉형 댐퍼 하우징(256), 플런저(260), 및 베어링 패드 조립체(204)에 부여된 하중을 댐퍼 조립체(248)에, 구체적으로는 플런저(260)에 전달하도록 구성된 봉(262)(대체로, 하중 전달 부재)을 포함한다.
댐퍼 하우징(256)은 내부에 공동(266)이 형성되고 저항성 유동 경로(268)(도 12 및 13에서 최상으로 보여짐)가 내부에 적어도 부분적으로 형성된 보디(264)와, 보디(264)의 양측 단부 벽(274, 276)에 고착되어 보디(264)와 기밀 밀봉을 형성하도록 적응된 밀봉 벽(270, 272)을 포함한다. 플런저(260)는 공동(266) 내에 배치되어 공동(266)을 제1 제어 체적(278)과 제2 제어 체적(280)(도 12 및 13에서 최상으로 보여짐)으로 분리하고, 플런저(260)가 로드 및 언로드될 때 그 사이에서 유체(258)가 전달된다. 예시적인 실시형태에 있어서, 플런저(260)는 보디(264) 내에 일체로 형성된다. 플런저(260)는 댐퍼 하우징(256)으로부터 외향으로 및 대응하는 베어링 패드 조립체(204)를 향하여 방사상 내향으로 돌출하는 봉(262)의 제1 단부(282)에 결합된다. 공동(266) 및 저항성 유동 경로(268)의 비점유 체적은 플런저(260)가 로드 및 언로드될 때 유체(258)가 저항성 유동 경로(268)를 통하여 강제로 흐르게 하여 댐퍼 조립체(248)에 부여된 진동 에너지가 열로 변환되도록 실질적으로 유체(258)에 의해 채워지고, 상기 열은 그 다음에 전도 및/또는 컨벤션(convention)을 통하여 소산된다.
도 12는 도 11에 도시된 댐퍼 조립체(248)를 조립된 구성으로 보인 횡단면도이다. 플런저(260)는 각각 "S"자 형상 단면을 가진 2개의 일체로 형성된 댐퍼 스프링(284, 286)(대체로, 복원력 부재)에 의해 댐퍼 하우징(256)에 결합된다. 댐퍼 스프링(284, 286)은 댐퍼 스프링(284, 286)이 화살표(288)로 표시된 제1 또는 방사상 방향으로 비교적 낮은 강성을 갖고 상기 방사상 방향(288)에 수직한, 화살표(290)(도 11에 도시됨)로 표시된 제2 또는 축 방향으로 비교적 높은 강성을 갖도록 구성된다. 이것에 의해 댐퍼 스프링(284, 286)은 플런저(260)가 방사상 방향(288)으로 변위되는 것을 허용하고 축 방향(290)으로의 이동을 저지한다.
도 13은 도 12에 도시된 선 "13-13"을 따라 취한 댐퍼 조립체(248)의 횡단면도이다. 저항성 유동 경로(268)는 밀봉 벽(270, 272)과 플런저(260) 사이에 부분적으로 형성된다. 저항성 유동 경로(268)는 그에 따라서 플런저(260) 주위에 연속 루프를 형성한다. 댐퍼 스프링(284, 286)은 공동(266) 내에서 플런저(260)의 정렬을 유지하는 것, 더 구체적으로 밀봉 벽(270, 272)과 플런저(260) 사이의 거리를 유지하는 것을 쉽게 한다. 그 결과, 저항성 유동 경로(268)는 밀봉 벽(270, 272)과 플런저(260) 사이에 비교적 작은 단면적을 갖고, 이것에 의해 댐퍼 조립체(248)의 제진 효율을 향상시킨다. 또한, 댐퍼 스프링(284, 286)은 플런저가 로드 및 언로드될 때 플런저(260)에 복원력을 제공함으로써 플런저(260)가 제자리에서 잠금되지 않게 한다. 또한, 댐퍼 스프링(284, 286)이 댐퍼 하우징(256)과 일체로 형성되기 때문에, 댐퍼 스프링(284, 286)은 저항성 유동 경로(268)를 적어도 부분적으로 형성하고, 그에 따라서 댐퍼 조립체(248) 구성의 소형화를 가능하게 한다.
보디(264)는 제1 또는 방사상 외벽(292)과, 상기 제1 벽(292)의 반대측에 있는 제2 또는 방사상 내벽(294)을 포함한다. 플런저(260)는 상기 제1 벽(292)과 실질적으로 평행한 제1 또는 방사상 외측 표면(296)과, 상기 제2 벽(294)과 실질적으로 평행한 제2 또는 방사상 내측 표면(298)을 포함한다. 제1 제어 체적(278)은 상기 제1 벽(292)과 상기 제1 표면(296) 사이의 측방향 거리로서 측정되는 유효 높이(300)를 갖는다. 유사하게, 제2 제어 체적(280)은 상기 제2 벽(294)과 상기 제2 표면(298) 사이의 측방향 거리로서 측정되는 유효 높이(302)를 갖는다. 예시적인 실시형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 제어 체적(278, 280)의 유효 높이(300, 302)는 플런저(260)의 로딩 및 언로딩이 유체(258), 제1 벽(292), 제1 표면(296), 제2 벽(294) 및 제2 표면(298) 사이에서 압착막 효과를 생성하도록 치수가 정해지고, 이것에 의해 댐퍼 조립체(248)의 제진 효율을 향상시킨다. 더 구체적으로, 예시적인 실시형태에 있어서, 제1 제어 체적(278)과 제2 제어 체적(280)은 각각 약 2mil(.002 인치 또는 약 50 마이크로미터) 내지 약 150mil(0.150 인치 또는 약 3,810 마이크로미터) 범위, 더 구체적으로는 약 15mil(0.015 인치 또는 약 381 마이크로미터) 내지 약 30mil(0.030 인치 또는 약 762 마이크로미터) 범위의 유효 높이를 갖는다.
예시적인 실시형태에 있어서, 유체(258)는 오일 기반 유체이다. 그러나 베어링 조립체(200) 및/또는 댐퍼 조립체(248)를 사용하는 응용 및 동작 환경에 따라 임의의 적당한 비압축성 유체를 유체(258)로서 사용할 수 있다. 예를 들면 고온 응용에서, 유체(258)는 갈륨, 인듐 또는 갈륨 및/또는 인듐 기반 합금과 같은 액체 금속(대체로, 금속성 유체)일 수 있다.
예시적인 실시형태에 있어서, 밀봉 벽(270, 272)은 패스너(도시 생략됨)를 이용하여 보디(264)에 고착되는 플레이트이다. 대안적으로, 밀봉 벽(270, 272)은 댐퍼 조립체(248)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 구성을 갖는다. 예를 들면, 밀봉 벽(270, 272)은 보디(264)와 일체로 형성될 수 있고, 또는 밀봉 벽(270, 272)은 밀봉 벽(270, 272)과 보디(264) 사이에 기밀 밀봉을 형성하도록 임의의 적당한 용접 기술을 이용하여 보디(264)에 용접될 수 있다.
도 12를 다시 참조하면, 봉(262)은 베어링 패드 조립체(204)에 부여된 하중을 플런저(260)에 전달하도록 구성된다. 더 구체적으로, 제1 단부(282)의 반대측인 봉(262)의 제2 단부(304)는 댐퍼 지주(306)에 결합된다. 베어링 조립체(200)가 조립된 구성(도 3에 도시됨)일 때, 댐퍼 지주(306)는 베어링 패드 조립체(204)에 부여된 하중이 댐퍼 지주(306)에 전달되도록 댐퍼 조립체(248)와 베어링 패드 조립체(204) 사이에 개재되고, 그 다음에 봉(262)을 통하여 하중을 플런저(260)에 전달한다. 댐퍼 지주(306)는 베어링 패드 조립체(204)에 상보되는 형상을 갖고, 따라서 아크 형상을 갖는다. 댐퍼 지주(306)는 베어링 하우징(202)의 방사상 내벽(212)으로부터 방사상 외향으로 돌출하는 댐퍼 조립체 레일(308)(도 2 및 도 4에 도시됨)에 미끄러져 수납되도록 적응된다.
댐퍼 조립체(248)는 봉(262)을 둘러싸고 댐퍼 하우징(256)에서 가요성 밀봉을 형성하는 환상 격막(310)을 또한 포함한다. 격막(310)은 댐퍼 하우징(256)에서 기밀 밀봉을 유지하면서 방사상 방향(288)으로 봉(262)의 이동을 허용하도록 구성된다. 격막(310)은 환상 플랜지(312)에 의해 보디(264)에 고착된다. 예시적인 실시형태에 있어서, 격막(310)은 봉(262)에 일체로 형성되고 티타늄으로 제조된다. 대안적인 실시형태에 있어서, 격막은 댐퍼 조립체(248)가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 물질로 제조될 수 있다. 대안적인 일 실시형태에 있어서, 격막(310)은 고무로 형성되고 가황처리에 의해 봉(262)에 부착된다.
본 발명의 댐퍼 조립체를 터보 기계에서 사용하는 베어링 조립체를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 댐퍼 조립체는 베어링 조립체 및 터보 기계가 아닌 다른 각종의 응용에서 사용하기에 적합하다. 따라서, 본 발명의 댐퍼 조립체는 댐퍼 조립체가 여기에서 설명하는 것처럼 기능하게 하는 임의의 적당한 크기, 형상 및 구성을 가질 수 있다.
예를 들면, 도 14는 대안적인 댐퍼 조립체(1400)의 투시도이고, 도 15는 설명을 위해 일부(1402)를 절개한, 도 14에 도시된 댐퍼 조립체(1400)의 단면도이다. 댐퍼 조립체(1400)는 댐퍼 조립체(1400)가 대략 직사각형 형상을 갖고 댐퍼 조립체(1400)의 댐퍼 스프링(1404, 1406)이 댐퍼 조립체(248)의 댐퍼 스프링(284, 286)과 다른 구성을 갖는다는 점을 제외하면 댐퍼 조립체(248)와 유사하다.
도 16은 베어링 조립체(200)(도 2에 도시됨)와 같은 베어링 조립체를 조립하는 예시적인 방법(1600)의 흐름도이다. 도 17은 도 16의 연속도이다.
예시적인 방법에 있어서, 방사상 내벽과 방사상 외벽을 구비한 베어링 하우징(202)(도 2에 도시됨)이 제공된다(1602). 가스 투과형의 다공성 매체와 가스 전달 구멍 어레이 중의 적어도 하나를 포함한 복수의 베어링 패드(230)(도 6 및 도 7에 도시됨)가 제공된다(1604). 일부 실시형태에 있어서, 탄소 흑연으로 제조된 베어링 패드가 베어링 패드(230 및/또는 702) 중의 하나로서 제공된다(1606). 복수의 베어링 패드(230 및/또는 702)가 베어링 하우징(202)의 방사상 내벽을 따라 결합된다(1608). 일부 실시형태에 있어서, 베어링 패드(230 및/또는 702)는 압축 가스원과 유체 연통 관계로 결합된다(1610). 복수의 베어링 패드 지지 조립체(206)(도 2에 도시됨)가 제공된다(1612). 각각의 베어링 패드 지지 조립체(206)는 스프링 조립체(246)와 댐퍼 조립체(248)를 포함한다(도 8에 도시됨). 일부 실시형태에 있어서, 베어링 하우징(202)과 일체로 형성된 2개의 스프링(250, 252)(도 10에 도시됨)이 스프링 조립체(246)의 일부로서 제공될 수 있다(1614). 스프링(250, 252)은 "S"자 형상의 단면을 가질 수 있다. 댐퍼 조립체(248)가 베어링 하우징(202) 내에 결합된다(1616). 일부 실시형태에 있어서, 기밀 밀봉된 유체 충전 댐퍼(248)가 베어링 패드 지지 조립체(206)의 일부로서 제공될 수 있다(1618). 기밀 밀봉된 유체 충전 댐퍼(248)는 베어링 패드(230 및/또는 702)에 부여된 기계적 하중이 기밀 밀봉된 유체 충전 댐퍼(248)에 전달되도록 베어링 패드(230 및/또는 702)에 결합될 수 있다(1620).
도 18은 댐퍼 조립체(248)(도 11 및 도 12에 도시됨)와 같은 기밀 밀봉형 댐퍼 조립체를 조립하는 예시적인 방법(1800)의 흐름도이다. 도 19는 도 18의 연속도이다.
예시적인 방법에 있어서, 공동(266) 및 저항성 유동 경로(268)(도 13에 도시됨)가 내부에 형성된 보디(264)를 구비한 댐퍼 하우징(256)(도 11에 도시됨)이 제공된다(1802). 보디(264)는 내부에 일체로 형성된 복수의 스프링(284, 286)(도 12에 도시됨)을 포함한다. 플런저(260)(도 11에 도시됨)가 공동(266)을 제1 제어 체적(278)과 제2 제어 체적(280)(도 13에 도시됨)으로 분리하고 저항성 유동 경로(268)가 상기 제1 제어 체적(278)과 제2 제어 체적(280) 사이에서 유체 연통을 제공하도록 플런저(260)가 공동(266) 내에 제공된다(1804). 플런저(260)는 스프링(284, 286)이 플런저(260)에 복원력을 제공하도록 스프링(284, 286)에 부착된다. 일부 실시형태에 있어서, 공동(266) 내에 플런저(260)를 제공하는 단계는 댐퍼 하우징(256)의 보디(264) 내에 플런저(260)를 일체로 형성하는 단계(1806)를 포함할 수 있다. 공동(266) 및 저항성 유동 경로(268)는 점성 유체(258)로 채워진다(1808). 일부 실시형태에 있어서, 공동(266) 및 저항성 유동 경로(268)를 점성 유체(258)로 채우는 단계는 공동(266) 및 저항성 유동 경로(268)를 금속성 유체와 오일 기반 유체 중의 적어도 하나로 채우는 단계(1810)를 포함할 수 있다. 기계적 하중을 플런저(260)에 전달하도록 구성된 하중 전달 부재(262)(도 11에 도시됨)가 플런저(260)에 결합된다(1812). 방법(1800)은 댐퍼 하우징(256)을 기밀 밀봉하는 단계(1814)를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 댐퍼 하우징(256)을 기밀 밀봉하는 단계(1814)는 저항성 유동 경로(268)가 플런저(260)와 단부 벽(270) 사이에 적어도 부분적으로 형성되도록 댐퍼 하우징(256)의 보디에 단부 벽(270)(도 11에 도시됨)을 부착하는 단계(1816)를 포함할 수 있다.
전술한 시스템 및 방법은 전면적인 비오일 윤활형 터보 기계류에서 사용하기에 적합한 저널 베어링 조립체를 제공한다. 여기에서 설명한 실시형태들은 비오일 윤활형 터보 기계류에서 회전자 조립체를 지지하기 위해 사용되는 저널 베어링 조립체의 회전 저항성을 감소하고, 상기 저널 베어링 조립체의 내마모성을 향상시키고, 상기 저널 베어링 조립체의 제진 능력을 향상시키고, 상기 저널 베어링 조립체의 정적 하중 용량을 향상시킨다. 더 구체적으로, 여기에서 설명한 시스템 및 방법은 축방향으로 정렬된 댐퍼 조립체 및 스프링 조립체와 함께 다공성 베어링 패드, 및 내부에 가스 전달 구멍 어레이가 형성된 베어링 패드를 활용한다. 그러므로, 여기에서 설명한 저널 베어링 조립체는 터보 기계의 회전자 조립체를 지지하기 위해 딱딱한 가스막을 사용하고, 터보 기계의 동작 중에 베어링 조립체가 받는 동적 하중을 유지하기 위해 유연성 있게 장착된 베어링 패드를 사용한다. 또한, 여기에서 설명한 시스템 및 방법은 비오일 윤활형 베어링 조립체 및 터보 기계류뿐만 아니라 다른 무오일 동작 환경에서 사용하기에 적합한 댐퍼 조립체를 제공한다. 여기에서 설명한 실시형태들은 유체 기반 댐퍼 조립체를 무오일 환경에 통합하고, 그러한 댐퍼 조립체의 제진 능력을 오일 기반 압착막 댐퍼의 제진 능력에 근접하는 레벨까지 향상시킨다. 더 구체적으로, 여기에서 설명한 시스템 및 방법은 일체형으로 형성된 스프링과 함께 폐쇄 유동 회로를 가진 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼 하우징을 활용한다. 그러므로, 여기에서 설명한 댐퍼 조립체는 복잡한 유동 회로 또는 밀봉 조립체를 요구하지 않고 전면적인 터보 기계에서 사용하기에 적합한 제진 능력을 갖는다.
여기에서 설명한 시스템 및 방법의 예시적인 기술적 효과는 (a) 비오일 윤활형 터보 기계류에서 회전자 조립체를 지지하기 위해 사용되는 저널 베어링 조립체의 회전 저항성을 감소시키는 것; (b) 상기 저널 베어링 조립체의 내마모성을 향상시키는 것; (c) 상기 저널 베어링 조립체의 제진 능력을 향상시키는 것; (d) 상기 저널 베어링 조립체의 정적 하중 용량을 향상시키는 것; 및 (e) 무오일 환경에서 사용하기에 적합한 댐퍼 조립체의 제진 능력을 증대시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
비록 본 발명의 각종 실시형태의 구체적인 특징들을 일부 도면에서 도시하고 다른 도면에서는 도시하지 않았지만, 이것은 단지 편의성을 위한 것이다. 발명의 원리에 따라서, 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 함께 참조 및/또는 청구될 수 있다.
전술한 설명은 최상 모드를 포함한 본 발명을 설명하기 위해, 및 또한 임의의 당업자가 임의의 장치 또는 시스템을 제작 및 이용하고 임의의 관련 방법을 수행하는 것을 비롯한 본 발명의 실시를 가능하게 하기 위해 몇 가지 예를 이용하고 있다. 특허 가능한 발명의 범위는 특허 청구범위에 의해 규정되고, 당업자라면 생각할 수 있는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 만일 그 예가 특허 청구범위와 사실상 차이가 없는 구조 요소를 갖고 있으면, 또는 그 예가 특허 청구범위로부터 사실상 중요하지 않은 차이를 가진 등가적 구조 요소를 포함하고 있으면, 특허 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 저널 베어링 조립체로서,
    방사상 외벽을 구비한 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징 내에 장착되고, 가스 투과형 다공성 매체 및 가스 전달 구멍 어레이 중 적어도 하나를 포함한 복수의 베어링 패드; 및
    상기 베어링 패드와 상기 방사상 외벽 사이에 방사상으로 개재된 복수의 베어링 패드 지지 조립체
    를 포함하고, 각각의 상기 베어링 패드 지지 조립체는 스프링 조립체와 댐퍼 조립체를 포함한 것인 저널 베어링 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 댐퍼 조립체 중 적어도 하나는 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼인 것인 저널 베어링 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼는,
    점성 유체가 채워지는 공동 및 저항성 유동 경로가 내부에 형성되어 있는 보디를 포함한 밀봉형 댐퍼 하우징;
    상기 공동 내에 배치되어 상기 공동을 제1 제어 체적과 제2 제어 체적- 상기 제1 제어 체적과 제2 제어 체적 간의 유체 연통은 상기 저항성 유동 경로에 의해 제공됨 -으로 분리하는 플런저; 및
    상기 플런저에 결합되고 상기 베어링 패드에 부여된 기계적 하중을 상기 플런저에 전달하도록 구성된 하중 전달 부재를 포함한 것인 저널 베어링 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스프링 조립체 중 적어도 하나는 상기 베어링 하우징과 일체로 형성된 2개의 스프링을 포함하고, 상기 스프링은 "S"자 형상 단면을 갖는 것인 저널 베어링 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베어링 하우징은, 상기 방사상 내벽이 상기 베어링 패드와 상기 댐퍼 조립체 사이에 개재되도록 상기 베어링 패드를 수용하게 되어 있는 방사상 내벽을 포함한 것이고, 상기 방사상 내벽은 상기 베어링 패드로부터의 기계적 하중을 상기 베어링 패드 지지 조립체로 전달하도록 구성된 것인 저널 베어링 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 베어링 하우징은 상기 방사상 외벽으로부터 상기 방사상 내벽 쪽으로 연장하는 복수의 가스 전달 포트를 포함하고, 각각의 상기 가스 전달 포트는 상기 베어링 패드와 유체 연통되는 것인 저널 베어링 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 베어링 패드 중 적어도 하나는 탄소 흑연으로 제조된 것인 저널 베어링 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 베어링 패드는 회전 샤프트를 지지하도록 구성된 환상의 내측 베어링 표면을 형성하는 것인 저널 베어링 조립체.
  9. 터보 기계로서,
    처리실을 형성하는 케이싱;
    상기 처리실 내에 배치되고 회전가능 샤프트를 포함한 회전자 조립체; 및
    상기 샤프트를 지지하는 저널 베어링 조립체
    를 포함하고, 상기 저널 베어링 조립체는,
    베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징 내에 장착되고 가스 투과형 다공성 매체와 가스 전달 구멍 어레이 중 적어도 하나를 포함한 복수의 베어링 패드; 및
    상기 베어링 패드와 상기 베어링 하우징 사이에 방사상으로 개재된 복수의 베어링 패드 지지 조립체
    를 포함하며, 상기 베어링 패드 지지 조립체 중 적어도 하나는 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼 조립체를 포함하고, 상기 베어링 조립체는 상기 샤프트와 상기 베어링 패드 사이에 윤활을 제공하도록 상기 처리실로부터 처리 가스를 수용하고 상기 처리 가스를 상기 베어링 패드로 전달하도록 구성된 것인 터보 기계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 터보 기계는 비오일 윤활형 터보 기계인 것인 터보 기계.
  11. 제9항에 있어서, 상기 처리 가스는 압축 공기와 연소 가스 중의 적어도 하나를 포함한 것인 터보 기계.
  12. 제9항에 있어서, 상기 샤프트는 적어도 약 50 파운드의 질량을 갖는 것인 터보 기계.
  13. 제9항에 있어서, 상기 베어링 패드 지지 조립체 각각은 스프링 조립체와 댐퍼 조립체를 포함한 것인 터보 기계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 스프링 조립체 중 적어도 하나는 상기 베어링 하우징과 일체로 형성된 2개의 스프링을 포함하고, 상기 스프링은 "S"자 형상 단면을 갖는 것인 터보 기계.
  15. 제9항에 있어서, 상기 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼는,
    점성 유체가 채워지는 공동 및 저항성 유동 경로가 내부에 형성되어 있는 보디를 포함한 밀봉형 댐퍼 하우징;
    상기 공동 내에 배치되어 상기 공동을 제1 제어 체적과 제2 제어 체적- 상기 제1 제어 체적과 제2 제어 체적 간의 유체 연통은 상기 저항성 유동 경로에 의해 제공됨 -으로 분리하는 플런저; 및
    상기 플런저에 결합되고 상기 베어링 패드에 부여된 기계적 하중을 상기 플런저에 전달하도록 구성된 로딩 부재를 포함한 것인 터보 기계.
  16. 저널 베어링 조립체의 조립 방법으로서,
    방사상 내벽과 방사상 외벽을 가진 베어링 하우징을 마련하는 단계;
    가스 투과형 다공성 매체와 가스 전달 구멍 어레이 중 적어도 하나를 포함한 복수의 베어링 패드를 마련하는 단계;
    상기 복수의 베어링 패드를 상기 베어링 하우징의 상기 방사상 내벽을 따라 결합하는 단계;
    스프링 조립체 및 댐퍼 조립체를 각각 구비하는 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 마련하는 단계; 및
    상기 댐퍼 조립체를 상기 베어링 하우징 내에서 결합하는 단계
    를 포함한 저널 베어링 조립체의 조립 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 마련하는 단계는 적어도 하나의 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼를 마련하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 상기 베어링 패드에 부여된 기계적 하중이 상기 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼에 전달되도록 상기 기밀 밀봉형 유체 충전 댐퍼를 베어링 패드에 결합하는 단계를 더 포함한 것인 저널 베어링 조립체의 조립 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 베어링 패드를 압축 가스원과 유체 연통하도록 결합하는 단계를 더 포함한 저널 베어링 조립체의 조립 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 복수의 베어링 패드를 마련하는 단계는 탄소 흑연으로 제조된 적어도 하나의 베어링 패드를 마련하는 단계를 포함한 것인 저널 베어링 조립체의 조립 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 복수의 베어링 패드 지지 조립체를 마련하는 단계는 상기 베어링 하우징과 일체로 형성된 2개의 스프링을 마련하는 단계를 포함하고, 상기 스프링은 "S"자 형상 단면을 갖는 것인 저널 베어링 조립체의 조립 방법.
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