KR20170041284A - 스러스트 베어링 - Google Patents

Abstract

회전축(1)에 마련된 스러스트 칼라(4)에 대향하여 배치되는 스러스트 베어링(3, 3A, 3B)은, 스러스트 칼라에 대향하여 배치되는 톱 포일(10)과, 톱 포일을 지지하는 백 포일(20)과, 백 포일을 지지하는 원환상의 베이스 플레이트(30)를 구비한다. 백 포일은 복수의 백 포일편(21)을 가지며, 톱 포일은 복수의 톱 포일편(11)을 가진다. 톱 포일편의, 회전축의 회전 방향 상류측의 부분에는 베이스 플레이트에 고정되는 고정부(13)가 형성되어 있다. 또한, 고정부의, 회전축의 회전 방향 하류측에 위치하는 고정변(12)은 베이스 플레이트의 반경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라 회전축의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되어 있다.

Description

스러스트 베어링{Thrust bearing}

본 발명은 스러스트 베어링에 관한 것이다.

본원은 2013년 1월 28일에 출원된 일본특허출원 2013-013170호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 고속 회전체용 베어링으로서 회전축에 마련된 스러스트 칼라에 대향하여 배치되어 이 스러스트 칼라를 지지하는 스러스트 베어링이 알려져 있다. 이러한 스러스트 베어링으로서는 포일식 스러스트 베어링, 즉 스러스트 포일 베어링이 잘 알려져 있다. 이 스러스트 포일 베어링은, 진동이나 충격에 의해 발생하는 회전축의 움직임(스러스트 칼라의 축방향 변위나 기울기)을 흡수할 수 있도록 베어링면이 유연한 포일(금속제 박판)에 의해 형성되어 있고, 베어링면 아래에 이 베어링면을 유연하게 지지하기 위한 포일 구조를 가지고 있다.

이러한 스러스트 포일 베어링의 일 형태로서, 원환판을 둘레 방향으로 분할한 복수의 포일편(톱 포일편)에 의해 원륜(원환)상의 베어링면을 형성하고, 이들 톱 포일편을 각각 파형(波形)판 형상의 포일편(범프 포일편)으로 지지한 구조가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 각각의 톱 포일편(두께 100㎛ 정도)은 스러스트 칼라에 대해 경사각을 가지고 배치되어 있고, 이에 따라 스러스트 칼라와 톱 포일편 사이의 베어링 간극은 측면에서 보아 쐐기형으로 형성된다. 즉, 스러스트 칼라(회전축)의 회전 방향 상류측으로부터 하류측으로 향함에 따라 베어링 간극이 좁아지도록 형성되어 있다. 따라서, 베어링 간극이 넓은 쪽(상류측)으로부터 베어링 간극이 좁은 쪽(하류측)으로 향하여 스러스트 칼라가 회전하면, 윤활 유체가 쐐기형의 베어링 간극의 좁은 부분에 흘러들어가 베어링의 부하 능력이 발휘된다.

톱 포일편은, 스러스트 칼라(회전축)의 회전 방향 상류측의 단변만이 베이스 플레이트에 고정되어 있고, 이 단변이 고정변으로서 구성되어 있다. 베어링 하중이 증가하면, 이 고정변(상류측 단변)을 받침점(支點)으로 하여 톱 포일은 수평(스러스트 칼라의 피지지면과 평행)하게 되도록 변위하여 그 경사각이 감소하고, 경사각이 0.1° 정도가 되었을 때에 스러스트 베어링은 최대 부하 능력을 발생한다. 한편, 범프 포일편은 산의 능선이 톱 포일편의 하류측 단변에 평행하게 되도록 배치되고, 범프 포일편에서의 스러스트 칼라(회전축)의 회전 방향 하류측의 단변만이 베이스 플레이트에 고정되어 있다. 즉, 범프 포일편의 상류측 단변은 자유단으로 되어 있다.

범프 포일편이 이와 같이 배치되어 고정되어 있으므로, 톱 포일편에 발생하는 유체 윤활막의 압력이 베어링 간극이 좁은 쪽(하류측)에서 높아진다. 따라서, 이 부위를 높은 강성으로 지지함으로써 베어링의 부하 능력을 높일 수 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허 평10-331847호 공보

상기 스러스트 포일 베어링 구조에서는, 톱 포일편의 하류측 단변의 위치에서 베어링 간극이 가장 좁게 되어 있고, 고부하시에는 이 위치에서의 간극이 서브 미크론에 이르는 경우가 있다. 즉, 이 하류측 단변의 위치에서는 톱 포일편과 스러스트 칼라의 접촉이 일어나기 쉽게 되어 있고, 접촉이 일어나면 톱 포일 등이 손상되어 베어링 수명이 저하되고, 최악의 경우 눌어붙음이 발생할 가능성이 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 톱 포일편의 하류측 단변 및 그 근방이 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하고, 이에 따라 베어링 수명의 저하나 눌어붙음 등을 방지한 스러스트 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 면밀히 검토를 거듭한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

스러스트 칼라와의 접촉을 회피하려면, 톱 포일편의 자유단이 되는 하류측 단변을 스러스트 칼라에 대해 항상 평행하게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 톱 포일편은 베이스 플레이트에 고정된 고정변이 되는 상류측 단변과 자유단인 하류측 단변의 간격이 베이스 플레이트의 반경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라 점차 넓어지고 있다. 이 때문에, 톱 포일편의 외주연(外周緣)은 그 내주연(內周緣)보다 길게 되어 있다. 여기서, 베어링 하중의 변화 등을 원인으로서 고정변인 상류측 단변을 받침점(회동 중심)으로 하여 톱 포일편이 베이스 플레이트로부터 멀어지도록 또는 가까워지도록 변위(회동)하면, 내주연보다 긴 외주연은 내주연보다 크게 변위한다. 따라서, 톱 포일편의 변위시에 있어서 자유단인 하류측 단변의 외주연 근처의 부분과 내주연 근처의 부분의 각각의 높이에 차이가 생기는 경우가 있다. 즉, 톱 포일편의 외주연의 길이(상류측 단변과 하류측 단변 사이의 거리)가 내주연의 길이(상류측 단변과 하류측 단변 사이의 거리)에 비해 길어지기 때문에, 톱 포일편이 상기한 바와 같이 변위함으로써, 하류측 단변에서는 그 외주연 근처의 부분의 변위량이 내주연 근처의 부분의 변위량보다 커진다.

따라서, 톱 포일편이 고정변을 받침점으로 하여 변위하면, 하류측 단변의 외주연 근처의 부분 또는 내주연 근처의 부분이 스러스트 칼라에 접촉하기 쉬워질 가능성이 있다. 또한, 톱 포일편의 자유단이 되는 하류측 단변이 스러스트 칼라에 대해 비평행하게 배치되면, 베이스 플레이트의 반경 방향에서 베어링 간극(특히 베어링 간극이 좁은 쪽)이 변화되어 적절한 베어링의 부하 능력을 확보할 수 없게 될 가능성이 있다.

예를 들어, 톱 포일편의 하류측 단변이 스러스트 칼라와 평행하게 되도록 상류단측의 굽힘 가공을 조정하면서 톱 포일을 베이스 플레이트에 고정하였다고 해도, 부하의 증가 등에 따라 톱 포일편의 경사각이 작아지면, 하류측 단변과 스러스트 칼라의 평행 상태가 무너지는 경우가 있다.

본 발명자는 이러한 지견에 기초하여 더욱 면밀히 검토를 거듭한 결과, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 제1 태양에서는, 회전축에 마련된 스러스트 칼라에 대향하여 배치되는 스러스트 베어링은, 상기 스러스트 칼라에 대향하여 배치되는 톱 포일과, 상기 톱 포일의, 상기 스러스트 칼라에 대향하는 면과 반대측의 면에 대향하여 배치되어 상기 톱 포일을 지지하는 백 포일과, 상기 백 포일의, 상기 톱 포일 근처측과 반대측에 배치되어 상기 백 포일을 지지하는 원환상의 베이스 플레이트를 구비한다. 상기 백 포일은 상기 베이스 플레이트의 둘레 방향으로 배열된 복수의 백 포일편을 가지며, 상기 톱 포일은 상기 복수의 백 포일편 상에 각각 설치된 복수의 톱 포일편을 가진다. 상기 톱 포일편의, 상기 회전축의 회전 방향 상류측의 부분에는 상기 베이스 플레이트에 고정되는 고정부가 형성되어 있다. 또한, 상기 고정부의, 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 위치하는 고정변은 상기 베이스 플레이트의 반경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라 상기 회전축의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되고, 상기 반경 방향으로 연장되는 직선에 대해 경사져 있다.

본 발명의 제1 태양에 의하면, 베이스 플레이트에 고정되는 고정부 중의 고정변이 베이스 플레이트의 반경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라 회전축의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되고, 상기 반경 방향으로 연장되는 직선에 대해 경사져 있다. 이 때문에, 톱 포일편의 외주연의 길이(상류측 단변과 하류측 단변 사이의 거리)가 내주연의 길이(상류측 단변과 하류측 단변 사이의 거리)에 가까워지고, 따라서 톱 포일편이 고정변을 받침점(회동 중심)으로 하여 베이스 플레이트로부터 멀어지도록 또는 가까워지도록 변위(회동)하여 그 경사각이 변화해도, 하류측 단변의 외주연 근처의 부분이 내주연 근처의 부분에 비해 크게 변위하는 것이 억제된다. 따라서, 톱 포일편의 경사각이 변화해도 톱 포일편의 자유단이 되는 하류측 단변이 스러스트 칼라에 대해 평행에 가까운 상태를 유지할 수 있다.

본 발명의 제2 태양에서는, 상기 제1 태양의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 고정변은 상기 톱 포일편에서의 상기 회전축의 회전 방향 상류측에 위치하는 제1 단변의 양단 사이의 위치로부터 상기 톱 포일편의 외주연까지 연장되어 형성되어 있다.

본 발명의 제2 태양에 의하면, 고정변의 길이가 짧아짐으로써 고정변 근방의 강성이 저감되고, 톱 포일편이 고정변을 받침점으로 하여 변위하기 쉬워진다. 따라서, 예를 들어 스러스트 칼라가 한 쌍의 톱 포일에 의해 끼워넣어져 있는 것과 같은 경우에 시동 토크가 저감된다. 또한, 회전축이 회전을 개시한 후에도 톱 포일편이 용이하고 원활하게 변위하기 때문에, 톱 포일편의 최적 경사각이 얻어지기 쉬워지고 베어링의 부하 능력이 향상된다.

본 발명의 제3 태양에서는, 상기 제1 태양의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 톱 포일편에서의 상기 회전축의 회전 방향 상류측의 제1 단변은, 상기 톱 포일편의 내주연으로부터 외주연으로 향하여 연장되는 내측변과, 이 내측변의 상기 외주연 근처의 단부로부터 상기 외주연까지 연장되는 외측변을 가진다. 또한, 상기 외측변에 상기 고정변이 마련되어 있다.

본 발명의 제3 태양에 의하면, 고정변의 길이가 짧아짐으로써 고정변 근방의 강성이 저감되고, 톱 포일편이 고정변을 받침점으로 하여 변위하기 쉬워진다. 따라서, 예를 들어 스러스트 칼라가 한 쌍의 톱 포일에 의해 끼워넣어져 있는 것과 같은 경우에 시동 토크가 저감된다. 또한, 회전축이 회전을 개시한 후에도 톱 포일편이 용이하고 원활하게 변위하기 때문에, 톱 포일편의 최적 경사각이 얻어지기 쉬워지고 베어링의 부하 능력이 향상된다.

본 발명의 제4 태양에서는, 상기 제2 또는 제3 태양의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 고정변은 상기 톱 포일편에서의 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 제2 단변에 대해 평행하게 형성되어 있다.

본 발명의 제4 태양에 의하면, 톱 포일편의 고정변과 회전축의 회전 방향 하류측의 제2 단변이 평행하게 형성되어 있으므로, 스러스트 칼라의 회전시에 있어서 스러스트 하중이 변화하여 톱 포일편이 고정변을 받침점으로 하여 변위해도, 톱 포일편의 자유단이 되는 하류측 단변이 스러스트 칼라(스러스트 칼라의 피지지면)에 대해 항상 평행하게 된다.

본 발명의 제5 태양에서는, 상기 제1 내지 제4 태양 중 어느 하나의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 톱 포일편은 상기 고정변에서의 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 근방에 상기 톱 포일편의 다른 부분에 비해 얇은 두께로 형성된 얇은 두께부를 가지고 있다.

본 발명의 제5 태양에 의하면, 고정변의 근방에 얇은 두께부가 형성되어 있으므로, 톱 포일편에서의 얇은 두께부보다 회전축의 회전 방향 하류측의 부분이 보다 용이하고 원활하게 변위할 수 있다. 따라서, 예를 들어 스러스트 칼라가 한 쌍의 톱 포일에 의해 끼워넣어져 있는 것과 같은 경우에 시동 토크가 저감된다. 또한, 회전축이 회전을 개시한 후에도 톱 포일편이 용이하고 원활하게 변위하기 때문에, 톱 포일편의 최적 경사각이 얻어지기 쉬워지고 베어링의 부하 능력이 향상된다.

본 발명의 제6 태양에서는, 상기 제1 내지 제5 태양 중 어느 하나의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 백 포일편은 복수의 산부(山部)와 복수의 골부(谷部)를 교대로 형성한 파형판 형상으로 형성됨과 동시에, 상기 복수의 산부가 이웃하는 방향이 상기 고정변의 연장 방향과 교차하도록 배치되어 있다. 또한, 상기 복수의 산부의 높이가, 상기 고정변 근처에 위치하는 상기 백 포일편의 단부로부터 상기 회전축의 회전 방향 하류측으로 향함에 따라 점차 높아지고 있다.

본 발명의 제6 태양에 의하면, 범프 포일편에 의해 톱 포일편을 탄성적으로 지지할 수 있다.

본 발명의 제7 태양에서는, 상기 제1 내지 제5 태양 중 어느 하나의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 베이스 플레이트에는 상기 복수의 백 포일편을 각각 지지하는 복수의 지지 영역이 마련되고, 각 지지 영역에 상기 고정변이 마련된 위치로부터 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 단변측으로 향함에 따라 점차 높이가 증가하는 경사면이 형성되어 있다.

본 발명의 제7 태양에 의하면, 이 경사면 상에 백 포일편을 통해, 톱 포일편을 설치함으로써, 톱 포일편의 높이를 경사면에 따라 정밀도 높게 변화시킬 수 있다. 또한, 그 때에 백 포일편에 대해서는 그 높이를 변화시키지 않고 일정한 높이로 제작하면 되며, 따라서 그 가공 비용을 억제할 수 있다.

본 발명의 제8 태양에서는, 상기 제7 태양의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 백 포일편은 복수의 산부와 복수의 골부를 교대로 형성한 파형판 형상으로 형성됨과 동시에, 상기 복수의 산부가 이웃하는 방향이 상기 경사면의 경사 방향에 일치하도록 배치되어 있다.

본 발명의 제8 태양에 의하면, 범프 포일편에 의해 톱 포일편을 탄성적으로 지지할 수 있다.

본 발명의 제9 태양에서는, 상기 제6 또는 제8 태양의 스러스트 베어링에 있어서, 상기 백 포일편은 상기 회전축의 회전 방향 하류측의 단변에서 상기 베이스 플레이트에 고정되어 있다.

본 발명의 제9 태양에 의하면, 톱 포일편에 발생하는 유체 윤활막의 압력이 베어링 간극이 좁은 쪽, 즉 회전축의 회전 방향 하류측에서 높아지도록 하기 때문에, 베어링 간극의 회전 방향 하류측의 부분을 높은 강성으로 지지할 수 있고, 이에 따라 베어링의 부하 능력을 높일 수 있다.

본 발명의 스러스트 베어링에 의하면, 톱 포일편의 자유단이 되는 하류측 단변을 스러스트 칼라에 대해 평행에 가까운 상태로 유지할 수 있다. 따라서, 이 하류측 단변 및 그 근방이 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 베어링 수명의 저하나 눌어붙음 등을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 스러스트 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 관한 스러스트 베어링의 제1 실시형태를 나타내는 도면으로, 스러스트 칼라를 사이에 둔 상태의 스러스트 베어링의 측면도이다.
도 3a는 본 발명에 관한 스러스트 베어링의 제1 실시형태를 나타내는 도면으로, 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링의 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 3B-3B선 단면도이다.
도 3c는 본 발명에 관한 스러스트 베어링의 제1 실시형태를 나타내는 도면으로, 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 그 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.
도 4a는 톱 포일편의 형상이나 고정변, 고정부의 형상 등에 대한 변형예를 나타내기 위한 톱 포일편의 평면도이다.
도 4b는 톱 포일편의 형상이나 고정변, 고정부의 형상 등에 대한 변형예를 나타내기 위한 톱 포일편의 평면도이다.
도 4c는 톱 포일편의 형상이나 고정변, 고정부의 형상 등에 대한 변형예를 나타내기 위한 톱 포일편의 평면도이다.
도 4d는 톱 포일편의 형상이나 고정변, 고정부의 형상 등에 대한 변형예를 나타내기 위한 톱 포일편의 평면도이다.
도 5a는 본 발명에 관한 스러스트 베어링의 제2 실시형태를 나타내는 도면으로, 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링의 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 5B-5B선 단면도이다.
도 5c는 본 발명에 관한 스러스트 베어링의 제2 실시형태를 나타내는 도면으로, 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 그 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 스러스트 베어링을 자세하게 설명한다. 이하의 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하고 있다.

도 1은 본 발명의 스러스트 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 모식적으로 나타내는 측면도로서, 도 1 중에서 부호 1은 회전축, 부호 2는 회전축의 선단부에 마련된 임펠러, 부호 3은 본 발명에 관한 스러스트 베어링이다.

회전축(1)에는, 임펠러(2)가 형성된 선단의 근방에 스러스트 칼라(4)가 고정되어 있다. 이 스러스트 칼라(4)를 끼움지지하도록 하여 한 쌍의 스러스트 베어링(3)이 배치되어 있다.

또한, 임펠러(2)는 정지측이 되는 하우징(5) 내에 배치되어 있고, 임펠러(2)와 하우징(5)의 사이에 팁 클리어런스(Tip clearance; 6)가 형성되어 있다.

또한, 회전축(1)에는 스러스트 칼라(4)보다 중앙 근처의 부분에 래디얼 베어링(7)이 마련되어 있다.

도 2, 도 3a~도 3c는 이러한 구성의 터보 기계에 적용된 스러스트 베어링(3)의 제1 실시형태를 나타내는 도면이다. 도 2는 스러스트 칼라(4)를 사이에 둔 상태의 스러스트 베어링(3)의 측면도이다. 도 3a는 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링(3)의 평면도이다. 도 3b는 도 3a의 3B-3B선 단면도이다. 도 3c는 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 그 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 이 제1 실시형태에서는, 스러스트 베어링(3A(3))은 스러스트 칼라(4)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 있다. 이들 한 쌍의 스러스트 베어링(3A(3))은 모두 동일한 구성으로 되어 있고, 회전축(1)에 고정된 원판상의 스러스트 칼라(4)에 대향하여 배치된 원환상(원통형)의 장치로서, 회전축(1)을 둘러싸고 설치되어 있다. 스러스트 칼라(4)의 양면(회전축(1)의 축방향에서의 양면)은 피지지면으로서 구성되어 있고, 한 쌍의 스러스트 베어링(3A(3))은 스러스트 칼라(4)의 양 피지지면에 각각 대향하여 지지하도록 배치되어 있다.

스러스트 베어링(3A)은, 스러스트 칼라(4)에 대향하여 배치된 톱 포일(10)과, 이 톱 포일(10)의, 상기 스러스트 칼라(4)에 대향하는 면과 반대측의 면에 대향하여 배치된 백 포일(20)과, 이 백 포일(20)의, 상기 톱 포일(10) 근처측과 반대측에 배치된 원환판 형상의 베이스 플레이트(30)를 구비하여 구성되어 있다. 베이스 플레이트(30)는 원환판 형상에 한정되지 않고, 회전축(1)의 축방향으로 연장되는 원통형이어도 된다.

본 실시형태에서는, 한 쌍의 스러스트 베어링(3A, 3A)의 각각의 베이스 플레이트(30, 30) 사이에 이점쇄선으로 나타내는 원통형의 베어링 스페이서(40)가 끼움지지되어 있고, 베이스 플레이트(30, 30)는 체결 볼트(41)에 의해 베어링 스페이서(40)를 개재하여 연결되어 있다. 또한, 한쪽의 베이스 플레이트(30)의 외면이 체결 볼트(41)에 의해 하우징(5)에 고정되어 있다. 따라서, 한 쌍의 스러스트 베어링(3A, 3A)은 스러스트 칼라(4)를 사이에 둔 상태로 체결 볼트(41)에 의해 하우징(5)에 고정되어 있다.

베이스 플레이트(30)는, 도 3a에 도시된 바와 같이 원환판 형상으로 금속제 부재로서, 그 외주부에 상기 체결 볼트(41)를 삽입 통과하기 위한 관통공(42)이 복수(본 실시형태에서는 8개) 형성되어 있다. 이 베이스 플레이트(30)에는, 상기 스러스트 칼라(4)에 대향하는 면에 상기 백 포일(20)이나 톱 포일(10)을 지지하기 위한 지지 영역이 마련되어 있다. 본 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이 백 포일(20)이 복수매(6매)의 백 포일편(21)을 가지며, 톱 포일(10)이 복수매(6매)의 톱 포일편(11)을 가지고 구성되어 있다. 따라서, 베이스 플레이트(30)에는 그 표면을 둘레 방향으로 6분할(6개로 등분할)하여 이루어지는 6개의 지지 영역(31)이 형성되어 있다. 또, 본 실시형태에서 6개의 지지 영역(31)은 설계상 영역이며, 이들 지지 영역(31)을 포함한 베이스 플레이트(30)의 표면은 균일한 평면으로 되어 있다.

각 지지 영역(31)에는, 도 2에 도시된 바와 같이 각각 백 포일편(21) 및 톱 포일편(11)이 이 순서로 배치되고, 지지 영역(31)에 의해 지지되어 있다. 베이스 플레이트(30), 백 포일편(21) 및 톱 포일편(11)은 회전축(1)의 축방향으로 적층되어 있다.

도 3a~도 3c에 도시된 바와 같이, 백 포일(20)은 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 배열된 6매의 백 포일편(21)을 가지고 형성되어 있다. 이들 백 포일편(21)은 베이스 플레이트(30)의 복수의 지지 영역(31) 상에 각각 배치되고, 이에 따라 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 배열되어 있다. 또한, 이들 백 포일편(21)은 후술하는 톱 포일편(11)보다 평면에서 보아 약간 작게 형성되고, 따라서 도 3a에 도시된 바와 같이 베이스 플레이트(30) 상에서 스러스트 칼라(4)로 향하여 노출되지 않고 톱 포일편(11)에 덮여 있다.

이들 백 포일편(21)으로 이루어지는 백 포일(20)은 포일(박판)로 형성되어 있고, 톱 포일(10)(톱 포일편(11))을 탄성적으로 지지한다. 이러한 백 포일(20)로서는, 예를 들어 범프 포일, 일본공개특허 2006-57652호 공보나 일본공개특허 2004-270904호 공보 등에 기재되어 있는 스프링 포일, 일본공개특허 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 포일 등이 이용된다. 또, 일본공개특허 2006-57652호 공보나 일본공개특허 2004-270904호 공보에 기재되어 있는 스프링 포일, 일본공개특허 2009-299748호 공보에 기재되어 있는 백 포일은 래디얼 베어링에 이용되는 포일이지만, 이들을 평면형상으로 전개하여 평면에서 보아 원환판 형상으로 형성하면 스러스트 베어링에 이용되는 포일이 된다.

본 실시형태에서는, 도 3c에 도시된 바와 같이 백 포일(20)이 범프 포일로 이루어지고, 따라서 백 포일편(21)은 범프 포일편으로 이루어져 있다. 이러한 백 포일편(21)(범프 포일편)은, 두께 수백㎛ 정도의 포일(금속제 박판)이 프레스 성형에 의해 파형판 형상으로 성형되고, 도 3c에 도시된 바와 같이 전체가 직사각형에 가까운 대략 오각형상으로 형성되어 있다.

이와 같이 파형판 형상으로 성형된 백 포일편(21)은, 베이스 플레이트(30)에 접하는 골부(22)와, 톱 포일편(11)에 접하는 산부(23)가 교대로 배치되어 형성되어 있다. 이들 골부(22) 및 산부(23)는, 도 3a에 도시된 바와 같이 후술하는 톱 포일편(11)의 고정변(12)의 연장 방향과 직교하는 방향으로 배열되어 있다. 즉, 골부(22) 및 산부(23)의 배열 방향(골부(22) 및 산부(23)가 이웃하는 방향, 복수의 산부(23)가 이웃하는 방향)은, 상기 고정변(12)의 연장 방향과 직교하는 방향으로 형성되어 있다. 따라서, 골부(22) 및 산부(23)는 각각 상기 고정변(12)과 평행하게 연장되도록 형성되어 있다.

이들 골부(22) 및 산부(23)는 각각 대략 등간격으로 형성되어 있다. 또한, 산부(23)의 높이는 상기 고정변(12) 근처에 위치하는 백 포일편(21)의 단부로부터 그 반대측, 즉 도 3a 중에 화살표 R로 나타내는 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향의 하류측(회전의 진행측)으로 향함에 따라 일정한 높이씩 높아지도록 형성되어 있다(도 3b 참조).

또한 백 포일편(21)은, 회전축(1)의 회전 방향 하류측의 단변(21a)이 후술하는 톱 포일편(11)에서의 회전축(1)의 회전 방향 하류측의 단변(11c)(제2 단변)과 평면에서 본 상태로 대략 일치하는 위치에 배치되어 있다. 백 포일편(21)은, 이 단변(21a)이 되는 골부(22)의 형성 방향을 따라 베이스 플레이트(30)에 스폿 용접(점용접)되어 고정되어 있다.

그 때, 백 포일편(21)의 단변(21a)은 전체가 연속되는 하나의 골부(22)에 의해 형성되어 있기 때문에, 이 골부(22) 전체를 용이하게 베이스 플레이트(30)에 용접할 수 있다. 따라서, 백 포일편(21)의 용접에 의한 고정을 용이하게 행할 수 있다.

또, 베이스 플레이트(30)에 단변(21a)의 고정에 대해서는 스폿 용접 이외에도 예를 들어 나사 고정 등에 의해 행할 수 있다.

톱 포일(10)도, 도 3a에 도시된 바와 같이 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 배열된 6매의 톱 포일편(11)을 가지고 형성되어 있다. 이들 톱 포일편(11)은, 두께 수백㎛ 정도의 금속제 박판(포일)을 이용하여 부채꼴로부터 그 정점을 포함한 부분을 잘라 제거하여 내주연(베이스 플레이트(30)의 반경 방향 내측 가장자리) 및 외주연(베이스 플레이트(30)의 반경 방향 외측 가장자리)을 각각 원호형으로 하고, 나아가 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향 상류측에서의 가장자리부의 외주연 근처의 부분을 잘라낸 형상으로 형성되어 있다. 이러한 형상의 톱 포일편(11)은, 베이스 플레이트(30)의 각 지지 영역(31) 상에서 상기 백 포일편(21)을 덮어 각각 배치되고, 베이스 플레이트(30)의 둘레 방향으로 등간격으로 배열되어 전체적으로 대략 원환판 형상으로 배치됨으로써 톱 포일(10)을 형성하고 있다.

톱 포일편(11)은 지지 영역(31)보다 평면에서 보아 약간 작게 형성됨과 동시에, 백 포일편(21)보다 평면에서 보아 약간 크게 형성되어 있다. 이에 따라, 복수의 톱 포일편(11)은 서로 간섭하지 않고, 또한 백 포일편(21)을 스러스트 칼라(4)로 향하여 노출시키지 않고 그 상면을 덮은 상태로 각 지지 영역(31)에 배치되어 있다. 단, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 톱 포일편(11)을 백 포일편(21)과 평면에서 보아 동일한 크기로 형성해도 되고, 평면에서 보아 백 포일편(21)보다 작게 형성해도 된다.

또한, 이 톱 포일편(11)의, 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향 상류측의 부분에는 고정부(13)가 형성되어 있다. 이 고정부(13)에 의해 톱 포일편(11)은 베이스 플레이트(30)에 고정되어 있다. 이 고정부(13)에서 베이스 플레이트(30)에의 고정은, 상기 백 포일편(21)의 단변(21a)과 마찬가지로 스폿 용접(점용접)에 의해 이루어져 있다. 또, 이 고정부(13)의 베이스 플레이트(30)에의 고정에 대해서도 스폿 용접 이외에 예를 들어 나사 고정 등으로 행할 수도 있다.

고정부(13)는 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향 상류측에 마련되어 있으면 면형상이어도 되고 직선형상이어도 되지만, 본 실시형태에서는 직선형상으로 형성된 고정변(12)으로서 구성되어 있다. 즉, 본 실시형태의 고정부(13)와 고정변(12)은 동일한 위치에 배치되어 있지만, 후술하는 바와 같이 본 발명의 고정변은 고정부(13)의, 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 위치하는 변으로서 구성되어 있다.

톱 포일편(11)에서의 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향 상류측의 단변(11e)(제1 단변)은, 본 실시형태에서는 톱 포일편(11)의 내주연으로부터 외주연으로 향하여 연장되는 내측변(11a)과, 내측변(11a)의 상기 외주연 근처의 단부로부터 톱 포일편(11)의 외주연(반경 방향 외측의 가장자리)까지 연장되는 외측변(11b)을 가지고 형성되어 있다. 이러한 단변(11e) 중의 외측변(11b)에, 베이스 플레이트(30)에 고정되어 있는 고정변(12)이 마련되어 있다.

또한, 톱 포일편(11)은, 그 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 단변(11e) 중에서 내측변(11a)과 회전축(1)의 회전 방향 하류측의 단변(11c)(제2 단변)이 회전축(1)을 중심으로 하여, 즉 회전축(1)의 중심축을 중심으로 하여 그 반경 방향(베이스 플레이트(30)의 반경 방향과 동일)으로 연장되는 직선에 각각 대략 일치하도록 배치되어 있다. 따라서, 고정변(12)이 되는 상기 외측변(11b)은, 톱 포일편(11)의 내주연 근처의 위치로부터 외주연 근처의 위치로 향함에 따라 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 회전축(1)을 중심으로 하여 그 반경 방향으로 연장되는 직선에 대해 경사지게 형성되어 있다. 다시 말하면, 고정변(12)은 베이스 플레이트(30)의 반경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되고, 베이스 플레이트(30)의 상기 반경 방향으로 연장되는 직선에 대해 평면에서 보아 경사지게 배치되어 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 고정변(12)은 톱 포일편(11)에서의 회전축(1)의 회전 방향 하류측의 단변(11c)에 대해 평행하게 형성되어 있다.

또, 톱 포일편(11)의 형상과 고정변(12) 및 고정부(13)의 형상 등에 대해서는 도 3a에 도시된 구성에 한정되지 않고, 여러 가지의 형태를 채용할 수 있다.

예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이 화살표로 나타내는 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향의 상류측에서 외주연 근처의 부분을 잘라내지 않고 대략 사다리꼴 형상(부채꼴로부터 그 정점을 포함한 부분을 잘라낸 형상)으로 톱 포일편(11)을 형성한 경우에, 도 3a에 나타낸 고정변(12)과 대응하는 위치만을 스폿 용접 등에 의해 베이스 플레이트(30)에 고정하고, 이 고정 개소를 고정변(12)(고정부(13))으로 해도 된다.

이 경우, 고정변(12)은 톱 포일편(11)에서의 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 단변(11e)(제1 단변)의 양단 사이의 위치로부터 톱 포일편(11)의 외주연까지 연장되어 형성되고, 회전축(1)이나 베이스 플레이트(30)의 반경 방향으로 연장되는 직선(회전 방향 상류측의 단변(11e))에 대해 경사지게 형성되어 있다.

이 경우, 고정변(12)보다 회전축(1)의 회전 방향 상류측에서 외주연 근처에 위치하는 부위(11d)는 부하 능력의 점에서는 거의 기능하지 않는다. 그러나, 이 부위(11d)를 잘라내는 가공을 생략할 수 있기 때문에, 도 3a에 나타낸 톱 포일편(11)에 비해 그 가공을 용이하게 할 수 있고 제작 비용을 저감할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 회전축(1)(스러스트 칼라(4))의 회전 방향 상류측에서 외주연 근처의 부분을 잘라내지 않고 대략 사다리꼴 형상으로 톱 포일편(11)을 형성한 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이 잘라내지 않고 남긴 부위(11d)를 포함하여, 즉 부위(11d)와 고정변(12)을 포함한 개소 전체를 고정부(13)로 해도 된다. 이 경우, 부위(11d)와 고정변(12)을 포함한 개소 전체에 스폿 용접 등이 실시된다. 이와 같이 고정부(13)를 형성한 경우, 이 고정부(13)는 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 위치하는 직선형상의 고정변(12)을 포함하여 형성된다. 다시 말하면, 고정변(12)은 고정부(13)의, 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 위치하는 변으로서 구성되어 있다. 이 고정변(12)은, 톱 포일편(11)의 내주연 근처의 위치로부터 외주연 근처의 위치로 향함에 따라 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되고, 회전축(1)을 중심으로 하여 그 반경 방향으로 연장되는 직선(회전 방향 상류측의 단변)에 대해 경사지게 형성되어 있다.

또한, 도 3a, 도 4a, 도 4b에 도시된 구성에서는, 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 단변 일부 혹은 그 도중으로부터 절곡된(경사진) 부분을 고정변(12)으로 하였지만, 도 4c에 도시된 바와 같이 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 단변 전체를 고정변(12)으로 해도 된다. 그 경우, 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 부위를 비스듬하게 잘라내고, 회전 방향 상류측의 단변을 회전축(1)을 중심으로 하여 그 반경 방향으로 연장되는 직선(P1)에 대해 경사지게 형성한다. 즉, 내주연으로부터 외주연으로 향함에 따라(베이스 플레이트(30)의 직경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라) 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되고, 고정변(12)을 상기 반경 방향으로 연장되는 직선(P1)에 대해 경사지게 형성한다.

도 4c에서 고정변(12)보다 회전축(1)의 회전 방향 상류측을 잘라내지 않고, 도 4c 중에 이점쇄선으로 나타내는 바와 같이 그대로 남겨 두어도 된다. 또한, 이 이점쇄선으로 나타낸 개소도 포함하여 고정부(13)로 해도 된다. 나아가 고정변(12)을 단변(11c)과 평행하게 형성해도 된다.

도 4c에서는 도시하지 않았지만, 백 포일편(21)의 산부(23)는 단변(11c)과 평행하게 연장되어 있다. 이 때문에, 복수의 산부(23)의 배열 방향(이웃하는 방향, 도 4c의 좌우 방향)은 고정변(12)의 연장 방향과 직교하지 않고 교차하고 있다. 이와 같이, 복수의 산부(23)가 이웃하는 방향과 고정변(12)의 연장 방향이 교차하도록 톱 포일편(11)이나 고정변(12)이 구성되어 있어도 된다.

또한 도 3a에서는, 고정변(12)을 회전축(1)의 회전 방향 하류측의 단변(11c)에 대해 평행하게 되도록 형성하였다. 그러나, 도 4d에 도시된 바와 같이 고정변(12)으로서는, 톱 포일편(11)의 내주연 근처의 위치로부터 외주연 근처의 위치로 향함에 따라(베이스 플레이트(30)의 직경 방향 내측으로부터 외측으로 향함에 따라) 회전축(1)의 회전 방향 하류측에 가까워지도록 직선형상으로 연장되고, 회전축(1)을 중심으로 하여 그 반경 방향으로 연장되는 직선(P1)에 대해 경사지게 형성되어 있으면, 고정변(12)의 직선(P1)에 대한 기울기가, 단변(11c)에 대해 평행한 직선(P2)의 직선(P1)에 대한 기울기보다 작아도 된다.

또한, 이 톱 포일편(11)은 도 3b에 도시된 바와 같이 그 고정변(12)의 근방에서 굽힘 가공되어 있고, 이에 따라 백 포일편(21)의 산부(23)의 높이와 대략 동일한 높이를 확보할 수 있도록 상승되어 고정변(12)보다 단변(11c)에 가까운 부분이 산부(23) 상에 놓여 있다.

한편, 단변(11c)(트레이딩 엣지)은 베이스 플레이트(30) 등에 고정되지 않고 단지 백 포일편(21)의 산부(23) 상에 지지된 자유단으로 되어 있다.

본 실시형태에서는, 백 포일편(21)을 상기한 바와 같이 그 골부(22) 및 산부(23)가 톱 포일편(11)의 고정변(12)의 연장 방향과 직교하는 방향으로 배열되도록 배치하고 있다. 따라서, 이들 골부(22)나 산부(23)가 톱 포일편(11)의 고정변(12)이나 단변(11c)과 평행하게 연장되어 있다. 이에 따라, 이 백 포일편(21) 상에 놓임으로써 톱 포일편(11)은 상기 산부(23)의 배열 방향(복수의 산부(23)가 이웃하는 방향, 고정변(12)에 직교하는 방향)에 따라 고정변(12)의 근방으로부터 단변(11c)으로 향함에 따라 점차 베이스 플레이트(30)의 내면(스러스트 칼라(4)에 대향하는 면)으로부터 멀어지도록 경사지게 배치되어 있다. 또, 베어링 하중이 가해지지 않은 상태에서 톱 포일편(11)은 백 포일편(21)의 산부(23)에 의해 설정된 초기 경사각으로 경사지게 배치되어 있다.

초기 경사각이란, 하중이 제로일 때의 베이스 플레이트(30)에 대한 톱 포일편(11)의 경사각이다. 또한, 경사각이란, 도 3c에 도시된 바와 같이 백 포일편(21)의 산부(23)의 높이 증가량에 따라 정해지는 각도(기울기) θ이다. 본 실시형태의 경사각은, 톱 포일편(11)과 베이스 플레이트(30)의 내면 사이의 각도이다. 이 경사각은 톱 포일편(11)과 스러스트 칼라(4)의 피지지면 사이의 각도와 동일하다. 따라서, 하중이 늘어나면 백 포일편(21)의 산부(23)가 베이스 플레이트(30)로 향하여 밀어넣어져 그 전체가 평탄화됨으로써, 톱 포일편(11)도 베이스 플레이트(30)로 향하여 변위하여 경사각 θ은 초기 경사각보다 작아진다.

이러한 구조에 있어서, 톱 포일편(11)은 그 고정변(12)과 단변(11c)이 평행하게 배치되어 있고, 이를 지지하는 백 포일편(21)은 그 산부(23)의 배열 방향이 고정변(12)과 직교하고 있다. 그 때문에, 톱 포일편(11)의 자유단이 되는 단변(11c)은 초기 경사각 상태에서도 스러스트 칼라(4)의 회전에 따라 톱 포일편(11)을 통해 백 포일편(21)에 하중이 가해지고, 경사각 θ이 작아졌을 때에도 그 베이스 플레이트(30)로부터의 높이가 항상 일정하게 된다. 즉, 단변(11c)에서의 외주연 근처의 부분의 높이와 내주연 근처의 부분의 높이가 상기 경사각이 변화하는 경우에서도 마찬가지로 변화한다.

즉, 고정변(12)에 직교하는 방향에 있어서 고정변(12)부터 단변(11c)에서의 외주연 근처의 부분까지의 길이(외주연의 길이)와, 고정변(12)부터 단변(11c)에서의 내주연 근처의 부분까지의 길이(내주연의 길이)가 서로 동일하게 되어 있기 때문에, 톱 포일편(11)이 고정변(12)을 받침점(회동 중심)으로 하여 베이스 플레이트(30)로부터 멀어지도록 또는 가까워지도록 변위(회동)해도, 하류측 단변(11c)은 그 외주연 근처의 부분과 내주연 근처의 부분의 높이가 동일하게 된다. 따라서, 상기 경사각이 변화한 경우에도 톱 포일편(11)의 자유단이 되는 하류측 단변(11c)은 스러스트 칼라(4)에 대해 항상 평행하게 된다.

또한, 톱 포일편(11)은, 도 3b에 도시된 바와 같이 고정변(12) 근방, 즉 고정변(12)에서의 회전축(1)의 회전 방향 하류측 근방에 그 밖의 부위에 비해 얇은 두께로 형성된 얇은 두께부(14)를 가지고 있다. 얇은 두께부(14)는 고정변(12)에 따라 직선형상으로 형성되어 있고, 톱 포일편(11)을 구성하는 그 밖의 부위의 두께(수백㎛ 정도)의 50%~70% 정도의 두께로 형성되어 있다. 이러한 얇은 두께부(14)의 형성은, 예를 들어 에칭 가공에 의해 행할 수 있다. 또, 윤활 유체의 흐름에 영향을 주지 않도록 얇은 두께부(14)는 톱 포일편(11)의 백 포일편(21) 근처의 면에 형성되어 있다.

또한, 이 얇은 두께부(14)는, 도 3b에 도시된 바와 같이 백 포일편(21)에서의 복수의 산부(23) 중에서 고정변(12)에 가장 가까운 산부(23)의 정점(능선)에 접하지 않도록 형성되어 있다. 즉, 얇은 두께부(14)는 고정변(12)과 고정변(12) 근처에 위치하는 산부(23)의 정점(능선)의 사이에 위치하도록 그 폭이 설정되어 있다. 이에 의해, 톱 포일편(11)은 얇은 두께부(14) 이외의 개소(그 밖의 부위)가 모든 산부(23) 상에 놓여 이들에 균등하게 지지되어 도 3c에 나타낸 경사각 θ이 유지된다. 또한, 얇은 두께부(14)를 형성함으로써, 얇은 두께부(14)보다 단변(11c)에 가까운 부분이 보다 용이하고 원활하게 고정변(12)을 받침점으로 하여(또는 얇은 두께부(14)를 받침점으로 하여) 변위(회동)할 수 있다. 나아가 이러한 얇은 두께부(14)를 형성함으로써, 얇은 두께부(14) 이외의 개소의 두께를 종래에 비해 두껍게 하는 것도 가능하게 된다.

다음에, 이러한 구성으로 이루어지는 스러스트 베어링(3A(3))의 작용에 대해 설명한다.

본 실시형태에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 스러스트 베어링(3A)을 스러스트 칼라(4)의 양측에 마련하고 있다. 이와 같이 스러스트 칼라(4)의 양측에 스러스트 베어링(3A)을 마련함으로써, 스러스트 방향에서의 스러스트 칼라(4)(회전축(1))의 이동량을 최대한 억제할 수 있다. 즉, 스러스트 이동량을 줄임으로써, 도 1에 나타낸 팁 클리어런스(6)를 좁게 한 경우에서도 임펠러(2) 등의 하우징(5)에의 접촉을 방지할 수 있고, 팁 클리어런스(6)를 좁힘으로써 터보 기계 등의 유체 성능을 향상시킬 수 있다.

스러스트 방향의 이동량을 최대한 억제하기 위해, 두 스러스트 베어링(3A)은 스러스트 칼라(4)에 대해 큰 간극이 발생하지 않도록 근접하여 설치된다. 이에 의해, 두 스러스트 베어링(3A)의 톱 포일편(11)(톱 포일(10))은 스러스트 칼라(4)(스러스트 칼라(4)의 피지지면)에 대해 약간 눌러 붙여진 상태가 된다. 그 때, 본 실시형태에서는 톱 포일편(11)에 얇은 두께부(14)를 형성하고 있으므로, 단변(11c) 근처의 부위가 변위하기(구부러지기) 쉬워진다. 그 때문에, 눌러 붙이는 양에 따라 발생하는 눌러 붙이는 힘(반력)이 작아지고, 이에 따라 시동 토크가 작아진다.

즉, 종래에서는 하중이 증대하였을 때에 톱 포일편의 경사각이 최적각이 되도록 미리 최적각보다 큰 경사각이 톱 포일편에 부여되어 있다. 따라서, 회전 정지 상태에서는 톱 포일편은 스러스트 칼라(4)를 양면으로부터 끼워넣어 눌러 붙여진 상태(프리로드가 걸린 상태)가 된다. 그러나, 종래에서는 톱 포일편의 상류측 단변이 그 전체길이에 걸쳐 베이스 플레이트에 고정되어 있고, 톱 포일편의 두께도 일정하기 때문에, 스러스트 칼라(4)에 눌러 붙이는 힘(프리로드)이 강하고 시동 토크가 커지는 경우가 있다.

이에 반해 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이 고정변(12)의 길이를 상류측 단변(11e)의 전체 길이보다 짧게 하고, 나아가 톱 포일편(11)에 얇은 두께부(14)를 형성하고 있기 때문에, 발생하는 눌러 붙이는 힘(반력)이 저감되고 시동 토크가 작아진다.

또한, 회전축(1)이 회전하여 스러스트 칼라(4)가 회전을 시작하면, 스러스트 칼라(4)와 톱 포일편(11)은 서로 스치면서 양자 사이에 형성된 측면에서 보아 쐐기형 공간(베어링 간극)에 주위 유체가 밀어 넣어진다. 스러스트 칼라(4)가 일정한 회전 속도에 이르면, 양자 사이에 유체 윤활막이 형성된다. 이 유체 윤활막의 압력에 따라 톱 포일편(11)(톱 포일(10))은 백 포일편(21)(백 포일(20))에 눌러 붙여지고, 톱 포일편(11)은 스러스트 칼라(4)로부터 이격되고, 스러스트 칼라(4)는 톱 포일편(11)에 대해 비접촉으로 회전한다.

스러스트 하중이 가해지면, 톱 포일편(11)은 더욱 백 포일편(21)에 눌리고 톱 포일편(11)의 경사각 θ은 작아진다. 그 때, 톱 포일편(11)은 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 고정변(12)을 받침점으로 하여 변위하지만(구부러지지만), 자유단이 되는 하류측 단변(11c)은 고정변(12)과 평행하게 되어 있으므로, 톱 포일편(11)의 변위가 진행되어도 단변(11c)의 스러스트 칼라(4)와의 평행 상태가 유지된다.

따라서, 스러스트 하중이 더욱 증가하여 유체 윤활막의 막두께가 더욱 얇아졌다고 해도 톱 포일편(11)의 스러스트 칼라(4)에 대한 접촉이 억제되어 있기 때문에, 결과적으로 보다 높은 스러스트 하중을 지지하는 것이 가능해진다.

본 실시형태의 스러스트 베어링(3A(3))에 있어서는, 베이스 플레이트(30)에 고정되는 고정변(12)을 톱 포일편(11)의 내주연 근처의 위치로부터 외주연 근처의 위치로 향함에 따라 회전축(1)의 회전 방향 하류측(단변(11c))에 가까워지도록, 회전축(1)을 중심으로 하여 그 반경 방향으로 연장되는 직선에 대해 경사시켜 형성함과 동시에, 단변(11c)에 대해 평행하게 형성하고 있다. 이 때문에, 톱 포일편(11)이 고정변(12)을 받침점으로 하여 베이스 플레이트(30)로부터 멀어지도록 또는 가까워지도록 변위해도, 하류측 단변(11c)의 상승량을 그 외주연 근처의 부분과 내주연 근처의 부분에서 동일하게 할 수 있다. 이에 따라, 스러스트 칼라(4)의 회전시에 있어서 스러스트 하중이 변화해도 톱 포일편(11)의 자유단이 되는 하류측 단변(11c)을 스러스트 칼라(4)에 대해 항상 평행하게 유지할 수 있고, 따라서 톱 포일편(11) 등이 스러스트 칼라(4)에 접촉하여 손상되는 것에 의한 베어링 수명의 저하나 눌어붙음 등을 방지할 수 있다.

또한 고정변(12)은, 톱 포일편(11)에서의 회전축(1)의 회전 방향 상류측의 단변(11e)의 양단 사이의 위치로부터 외주연까지 연장되어 형성되어 있다. 이 때문에, 고정변(12)의 길이를 상류측 단변(11e)의 전체보다 짧게 할 수 있고, 이에 따라 톱 포일편(11)을 변위하기 쉽게(구부러지기 쉽게) 하고 시동 토크를 저감할 수 있다. 또한, 회전축(1)이 회전을 개시한 후에도 톱 포일편(11)이 용이하고 원활하게 변위하기 때문에, 최적 경사각(예를 들어 0.1° 정도)이 얻어지기 쉬워지고 베어링의 부하 능력이 향상된다.

또한 톱 포일편(11)의, 고정변(12)에서의 회전 방향 하류측의 근방부에 얇은 두께부(14)를 형성하고 있으므로, 하중이 걸렸을 때에 단변(11c)에 가까운 부분이 보다 용이하고 원활하게 변위할 수 있게 되고, 따라서 시동 토크가 저감된다. 또한, 회전축(1)이 회전을 개시한 후에도 톱 포일편(11)이 용이하고 원활하게 변위하기 때문에, 최적 경사각이 얻어지기 쉬워지고 부하 능력이 향상된다.

높은 스러스트 하중을 받고 있을 때에는 유체 윤활막의 압력이 높아지므로, 톱 포일편(11)의 백 포일편(21)에 직접 지지되지 않은 부분, 즉 백 포일편(21)의 골부(22) 상에 위치하는 개소가 휘어지고, 여기로부터 압력이 빠져서 부하 능력이 저하될 가능성이 있다.

그러나, 본 실시형태에서는 톱 포일편(11)의 고정변(12) 근방에 얇은 두께부(14)를 형성하고 있으므로, 톱 포일편(11)이 변위하는(구부러지는) 움직임을 방해하지 않고 종래에 비해 톱 포일편(11)의 판두께를 두껍게 하는 것이 가능하다. 따라서, 이와 같이 톱 포일편(11)의 판두께를 두껍게 함으로써, 백 포일편(21)에 지지되지 않은 부분에서의 휨을 줄일 수 있고 부하 능력의 저하를 억제할 수 있다.

다음에, 본 발명의 스러스트 베어링(3)의 제2 실시형태에 대해 설명한다.

제2 실시형태의 스러스트 베어링(3B(3))이 제1 실시형태의 스러스트 베어링(3A(3))과 주로 다른 점은, 도 5a~도 5c에 도시된 바와 같이 베이스 플레이트(30)의 상기 지지 영역(31)에 경사면(32)을 형성한 점과, 백 포일편(21)의 복수의 산부(23)의 높이를 모두 동일하게 한 점이다. 또, 도 5a는 일부를 단면에서 본 스러스트 베어링(3)의 평면도, 도 5b는 도 5a의 5B-5B선 단면도, 도 5c는 범프 포일편의 형상을 설명하기 위해 그 평면도와 측면도를 대응시킨 설명도이다.

본 실시형태에서는, 도 5a에 도시된 바와 같이 각 지지 영역(31)에서의, 상기 백 포일편(21) 및 톱 포일편(11)을 지지하는 영역 전체에 톱 포일편(11)의 고정변(12)이 마련된 위치로부터 하류측 단변(11c)에 대향하는 위치로 향함에 따라 높이가 증가하는 경사면(32)이 형성되어 있다.

즉, 경사면(32)을 도 5b에 도시된 바와 같이 고정변(12) 및 이에 평행한 단변(11c)에 대해 직교하는 방향으로 경사시켜 형성하고 있다.

또한, 백 포일편(21)에 대해서는, 상기 제1 실시형태와 마찬가지로 베이스 플레이트(30)에 접하는 골부(22)와, 톱 포일편(11)에 접하는 산부(23)를 교대로 배치한 파형판 형상으로 형성하고 있다. 단, 본 실시형태에서는 도 5b, 도 5c에 도시된 바와 같이 복수의 산부(23)의 높이를 모두 동일하게 형성하고 있다.

또한, 골부(22) 및 산부(23)에 대해서는 상기 제1 실시형태와 마찬가지로 톱 포일편(11)의 고정변(12)의 연장 방향과 직교하는 방향으로 배열시키고 있다. 즉, 골부(22) 및 산부(23)의 배열 방향을 상기 고정변(12)의 연장 방향과 직교하는 방향으로 하고, 경사면(32)의 경사 방향에 일치시키고 있다. 이에 의해, 백 포일편(21)의 산부(23)는 그 높이가 베이스 플레이트(30)의 경사면(32)의 경사 방향을 따라, 즉 회전축(1)의 회전 방향의 하류측으로 향함에 따라 소정의 높이씩 높아지고 있다. 즉, 복수의 산부(23)의 정점의 높이에 대해서는 제1 실시형태와 외관상 동일하게 되어 있다. 따라서, 이 백 포일편(21) 상에 배치되는 톱 포일편(11)은 그 경사각 θ이 제1 실시형태와 마찬가지로 형성된다. 본 실시형태에서는, 톱 포일편(11)의 경사각 θ은 도 5c에 도시된 바와 같이 경사면(32)의 경사각 θ에 의해 결정된다.

본 실시형태의 스러스트 베어링(3B(3))에 있어서도 고정변(12)을 단변(11c)에 대해 평행하게 형성하고 있으므로, 톱 포일편(11)이 고정변(12)을 받침점으로 하여 베이스 플레이트(30)로부터 멀어지도록 또는 가까워지도록 변위해도, 하류측 단변(11c)의 상승량(높이)을 그 외주연 근처의 부분과 내주연 근처의 부분에서 동일하게 할 수 있다. 따라서, 스러스트 칼라(4)의 회전시에 있어서 스러스트 하중이 변화해도, 톱 포일편(11)의 자유단이 되는 하류측 단변(11c)을 스러스트 칼라(4)에 대해 항상 평행하게 할 수 있고, 따라서 베어링 수명의 저하나 눌어붙음을 방지할 수 있다.

또한, 베이스 플레이트(30)의 각 지지 영역(31)에 경사면(32)을 형성하고, 백 포일편(21)의 복수의 산부(23)의 높이를 모두 동일하게 함과 동시에, 산부(23)의 배열 방향을 경사면(32)의 경사 방향에 일치시키고 있다. 이 때문에, 이 경사면(32) 상에 백 포일편(21)을 통해 톱 포일편(11)을 설치함으로써, 톱 포일편(11)의 높이를 경사면(32)에 따라 정밀도 높게 변화시킬 수 있다. 즉, 톱 포일편(11)에 소정의 경사각 θ을 부여할 수 있다. 또한, 그 때에 백 포일편(21)에 대해서는 산부(23)의 높이를 변화시키지 않고 일정한 높이로 제작하면 되고, 따라서 그 가공 비용을 억제할 수 있다. 이에 따라, 이 스러스트 베어링(3B(3))에 의하면, 가공을 용이하게 하여 양산성을 향상시키고 비용의 저감화를 도모할 수 있다. 또한, 가공이 용이하게 되어 품질의 불균일이 적어지기 때문에, 설계시에 예측한 베어링 성능(예를 들어 베어링 부하 능력)을 얻기 쉬워진다.

또, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.

예를 들어, 상기 실시형태에서는 백 포일(20) 또는 톱 포일(10)을 6개의 백 포일편(21)(범프 포일편) 또는 6개의 톱 포일편(11)으로 각각 구성하고, 따라서 베이스 플레이트(30)의 지지 영역(31)도 이에 맞추어 6개 형성(설정)하였다. 그러나, 백 포일편(21)(범프 포일편)이나 톱 포일편(11)은 복수이면 5개 이하이어도 되고 7개 이상이어도 된다. 그 경우, 지지 영역(31)의 수도 백 포일편(21)(범프 포일편)이나 톱 포일편(11)의 수와 동일해진다.

또한, 제2 실시형태에 있어서 베이스 플레이트(30)의 지지 영역(31)에 경사면(32)을 형성하는 경우, 백 포일편(21)이 놓이는 면 전체를 경사면(32)으로 하는 대신에 지지 영역의 일부를 평탄면으로 하고 백 포일편(21)의 일부를 경사면 상에 배치하고, 나머지 부분을 평탄면 상에 배치해도 된다. 그 경우, 평탄면은 경사면의 상측(단변(11c) 근처, 하류측)에 형성해도 되고, 하측(고정변(12) 근처, 상류측)에 형성해도 된다. 나아가 경사면의 양측(상류측 및 하류측)에 평탄면을 각각 형성해도 된다.

또한, 톱 포일편이나 범프 포일편의 형상, 지지 영역 상에 톱 포일편이나 범프 포일편의 배치, 경사면의 경사 방향 등 상기 실시형태 이외에도 여러 가지 형태를 채용하는 것이 가능하다.

본 발명은, 회전축에 마련된 스러스트 칼라에 대향하여 배치되어 이 스러스트 칼라를 지지하는 스러스트 베어링에 이용할 수 있다.

1 회전축
3, 3A, 3B 스러스트 베어링
4 스러스트 칼라
10 톱 포일
11 톱 포일편
11a 내측변
11b 외측변
11c 단변(제2 단변)
11e 단변(제1 단변)
12 고정변
13 고정부
14 얇은 두께부
20 백 포일
21 백 포일편
21a 단변
22 골부
23 산부
30 베이스 플레이트
31 지지 영역
32 경사면

Claims (1)

1. 회전축에 마련된 스러스트 칼라에 대향하여 배치되는 스러스트 베어링으로서,
   원환상의 베이스 플레이트와,
   상기 베이스 플레이트에 지지된 백 포일편과,
   상기 백 포일편을 통해 상기 베이스 플레이트에 설치된 톱 포일편을 구비하며,
   상기 톱 포일편의, 상기 회전축의 회전 방향 상류측에 위치하는 제1 단변에, 그 제1 단변의 양단 사이의 위치와 상기 톱 포일편의 외주연(外周緣)과의 사이의 부분이 상기 톱 포일편으로부터 잘라내어진 노치부가 마련되어 있으며,
   상기 노치부에 인접하는 상기 톱 포일편의 단변이 상기 베이스 플레이트에 고정되어 있는 스러스트 베어링.

Images