KR20170068160A - 고속 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 베어링 장치에 관한 것으로써, 개시된 발명은 고속 회전체의 고속 회전축에 가해지는 부하를 지지해주기 위한 고속 베어링 장치에 있어서, 상기 고속 회전축의 외측둘레를 따라 설치되어 상기 고속 회전축을 방사형으로 지지해주며, 상기 고속 회전축의 회전에 따라 상기 고속 회전축의 외주면에 외륜이 접촉되어 함께 회전되고, 상기 고속 회전축 외경과 상기 외륜 외경의 지름비는 1:4.5 이상의 지름비를 갖는 복수의 지지 베어링과, 중심부의 전후로 상기 고속 회전축이 관통 설치되고, 내부에는 상기 지지 베어링이 각각 수용되면서 상기 지지 베어링의 내륜 중심에 고정되는 지지축이 구비된 하우징을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

고속 베어링 장치{High-speed bearing device}

본 발명은 고속 회전체의 회전축에 설치되어 회전축의 부하를 지지해주는 고속 베어링 장치이다.

일반적으로 터보 압축기, 캐스 터빈, 터버 차저 등의 고속 회전체는 구동방식에 따라 고속 모터 및 터빈에 직결되는 직접 구동방식과, 일반 모터 등에 기어 증속기를 설치하여 회전속도를 증가시키는 간접 구동방식으로 구분될 수 있다.

이와 같은 고속 회전체의 회전시에는 구동 방식에 관계 없이 임펠러 입구와 출구에 작용하는 압력차 등에 의해 축방향으로 작용하는 축방향 부하와, 회전체에 작용하는 중력으로 인한 부하가 작용하게 되며, 특히 간접 구동방식의 고속 회전체에서는 상기 부하들 외에도 헤리컬 기어 등의 기어 증속기를 이용한 회전력 전달에 따른 복합 부하가 작용하게 된다.

따라서, 상기 고속 회전체에는 상기 부하들을 지지하기 위한 고속 베어링이 필수적으로 설치된다.

고속 베어링은 운동 형식에 따라 미끄럼 베어링과 구름 베어링으로 구분할 수 있으며, 구름 베어링은 내륜과 외륜 사이에 있는 전동체, 예컨대 볼을 통하여 내륜(또는 외륜)에 하중을 전달하는 방식으로 작동되며, 미끄럼 베어링은 베어링과 저어널 접촉면 사이에 압축 공기가 차 있거나, 기름, 그리이스 등의 오일이 충전되어 구성된다.

이에 종래에는 레이디얼 미끄럼 베어링과 스러스트 미끄럼 베어링을 사용하거나, 구름 베어링을 사용하여 고속 회전체를 지지하고 있다.

그런데 상기 구름 베어링, 예컨대 볼 베어링은 점접촉으로 인한 기동 마찰 부하와 운전 마찰 부하가 높고, 기동 운전시 및 정지 운전시 유막이 충분히 형성되지 않아 마모가 쉽게 발생되며, 회전시의 언밸런스 등으로 인한 진동이 발생할 경우 유막의 파괴 및 금속 대 금속의 접촉으로 쉽게 마모가 발생하여 내구성을 감소시킴에 따라 고가의 고속 베어링에 대한 유지 비용이 많이 소모되는 문제점이 있었다.

대한민국등록특허 제10-1553192호(2015.09.14 공고)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고속 회전체의 고속 회전축에 전달되는 부하를 지지하기 위한 고속 베어링의 내구성 및 진동 특성을 향상시키고, 고속 회전축의 직경에 따라 고속 베어링의 설치 위치를 가변적으로 조절할 수 있도록 구성하여 고속 베어링의 설치 효율성을 높이며, 고속 베어링의 부품의 단가를 줄여 제작 및 조립성의 향상효과를 기대할 수 있도록 한 고속 베어링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한될 필요는 없으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

바람직한 일 실시 예에 따른 본 발명은 고속 회전체의 고속 회전축에 가해지는 부하를 지지해주기 위해 상기 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치에 있어서, 상기 고속 회전축의 외측둘레를 따라 설치되어 상기 고속 회전축을 방사형으로 지지해주며, 상기 고속 회전축의 회전에 의해 상기 고속 회전축의 외주면과 접촉되는 외륜이 함께 회전되고, 상기 고속 회전축 외경과 상기 외륜 외경의 지름비는 1:4.5 이상의 지름비를 갖는 복수의 지지 베어링과,

중심부의 전후로 상기 고속 회전축이 관통 설치되고, 내부에는 상기 지지 베어링이 각각 수용되면서 상기 지지 베어링의 내륜 중심에 고정되는 지지축이 구비되는 하우징을 포함하여 구성된다.

더 바람직하게 상기 지지 베어링의 외륜과 접촉하는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 주동기어의 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜에는 상기 주동기어와 치합되는 종동기어의 형태로 구성된다.

더 바람직하게 상기 지지 베어링의 외륜과 접촉하는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 테이퍼 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜은 테이퍼 형태의 상기 접촉부에 상응하여 접면되는 형태로 구성된다.

더 바람직하게 상기 지지 베어링의 외륜과 접촉되는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 계단 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜은 계단 형태의 상기 접촉부에 상응하여 접면되는 형태로 구성된다.

더 바람직하게 상기 지지 베어링의 외륜과 접촉되는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 브이 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜은 브이 형태의 상기 접촉부에 상응하여 접면되는 형태로 구성된다.

더 바람직하게 상기 하우징은 상부 케이스와 하부 케이스로 구분되어 그 테두리가 체결수단을 통해 서로 결합되며, 상기 하우징의 표면 어느 한쪽에는 냉각을 위한 하나 이상의 열방출공이 구성된다.

더욱 바람직하게 상기 하우징의 상부 케이스 또는 하부 케이스의 내면에는 내부에 수용된 상기 지지 베어링의 내륜 중심에 고정될 수 있도록 지지축이 돌출되어 구성된다.

더욱 바람직하게 상기 하우징의 상부 케이스와 하부 케이스의 내면에는 서로 마주하는 끼움부가 형성되고, 상기 끼움부로 상기 지지 베이링 내륜의 중심에 고정되는 상기 지지축 양선단부가 각각 끼워지도록 구성된다.

더울 바람직하게 상기 하우징의 끼움부는 상기 지지축의 축중심과 상기 고속 회전축의 축 중심을 직선으로 연결하는 선상을 따라 복수개로 구성된다.

본 발명에 따른 고속 베어링 장치는 아래와 같은 이점을 가진다.

즉, 고속 회전축의 외주면을 감싸는 형태로 다수의 지지 베어링이 접촉 지지되며, 이때 서로 접촉되는 고속 회전축의 지름보다 지지 베어링 외륜의 지름을 크게 구성함으로써, 고속 회전축의 고속 회전에 대하여 지지 베어링이 저속 회전되면서 고속 회전축을 지지하는 지지 베어링의 내구성이 향상되고, 진동 특성의 향상에 따른 품질이 개선되며, 고속 베어링 장치의 제작에 따른 부품 단가를 절감시킬 수 있는 효과를 가진다.

여기서, 이와 같이 기재된 본 발명의 효과는 발명자가 인지하는지 여부와 무관하게 기재된 내용의 구성에 의해 당연히 발휘되게 되는 것이므로 상술한 효과는 기재된 내용에 따른 몇 가지 효과일 뿐 발명자가 파악한 또는 실재하는 모든 효과를 기재한 것이라 인정되어서는 안 된다.

또한, 본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따라 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치의 구성을 예시한 측단면도와 정면도를 함께 보인 도면이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치의 구성을 예시한 측단면도와 정면도를 함께 보인 도면이다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치의 구성을 예시한 측단면도와 정면도를 함께 보인 도면이다.
도 4 는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치의 구성을 예시한 측단면도와 정면도를 함께 보인 도면이다.
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치의 구성을 예시한 측단면도와 정면도를 함께 보인 도면이다.
도 6a, 6b, 6c 는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 고속 회전축의 직경의 변화에 의해 고속 베어링의 위치가 가변되는 상태를 측면도와 정면도로 함께 보인 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 내용을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

우선, 본 발명에 따른 고속 베어링 장치의 중요한 구성요소는 고속 회전체에 구비된 구동수단을 통해 고속 회전되는 고속 회전축, 그러한 고속 회전축을 외주면에 접촉되어 부하를 지지해주는 지지 베어링과, 고속 회전축이 중심부를 관통하여 설치되고, 지지 베어링은 내부에 수용되어 고정되는 하우징으로 크게 구분될 수 있으며, 이하 예시된 도면을 통해 각 구성요소를 보다 상세하게 살펴 보면 다음과 같다.

먼저, 고속 회전축(100)은,

고속 회전체(도면중 미도시)에 구비된 구동수단(도면중 미도시)을 통해 고속으로 회전하게 되며, 고속 회전체는 터보 압축기(Turbo Compressor), 개스 터빈(Gas Turbine), 터보 차저(Tubor Charger) 등이 될 수 있고, 구동수단은 고속모터이거나, 일반모터에 기어 증속기가 구비되는 형태가 될 수 있다.

지지 베어링(200)은,

전술한 고속 회전축의 축 방향 부하나, 고속 회전체에 작용하게 되는 하중에 따른 부하 및 고속 회전축이 기어 증속기를 통해 간접 구동되는 경우, 기어 증속기를 이용한 회전력 전달에 따른 반경 방향 부하나 축 방향 부하와 같은 복합된 부하를 지지해준다.

본 발명에 따른 지지 베어링(200)은 그 형태가 어느 하나로 정해질 필요는 없으며, 내,외륜 사이에 볼, 롤러, 니들을 넣어 회전 접촉을 시켜 마찰을 경감하는 구름 베어링의 형태가 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 예시된 도 1 에서와 같이 구름 베어링의 일 예로 외륜(210)과 내륜(220) 사이에 볼(230)이 설치된 구름 베어링을 예시한 것이다.

지지 베어링(200)은 전술한 고속 회전축(100)의 외주면을 감싸면서 복수개로 설치되며, 바람직하게는 고속 회전축(100)을 중심으로 세개 이상이 방사형으로 배열되어 지지 베어링(200)의 외륜(210)이 각각 고속 회전축(100)의 외주면에 접하도록 설치된다.

전술한 고속 회전축(100)의 외주면을 따라 방사형으로 배치되는 각각의 지지 베어링(200)은 그 외륜(210)의 직경이 서로 동일하고, 방사형으로 배치되는 지지 베어링(200)의 외륜(210) 간에 서로 접하지 않도록 구성됨이 바람직하며, 구체적으로 고속 회전축(100) 외경의 지름과 지지 베어링(200) 외륜(210)의 지름이 대략 1:4.5 이상의 지름비가 되도록 구성될 수 있고, 더 구체적으로는 1:6.4의 지름비로 구성됨이 바람직하다.

지지 베어링(200)의 외륜(210)과 접하여 구름접촉을 하게 되는 고속 회전축(100) 외주면의 어느 한 지점에는 고속 회전축(100)의 외주면에 접촉부(110)가 형성되며, 이러한 접촉부(110)는 도 1 에서와 고속 회전축(100) 자체가 될 수도 있으며, 도 2 내지 도 5 에서와 같이 별도의 형상을 가지는 부재가 결합되어 구성될 수도 있다.

즉, 도 5 와 같이 고속 회전축(100)의 접촉부(110)를 기어 이의 형상을 가지는 주동기어로 구성하고, 지지 베어링(200)의 외륜(210)은 외주면을 따라 전술한 접촉부(110)의 주동기어와 맞물려 함께 회전될 수 있는 기어 이의 형상을 가지는 종동기어로 구성될 수 있다.

여기서, 주동기어나 종동기어는 키와 키홈과 같은 고정수단을 통해 고속 회전축(100) 및 지지 베어링(200)의 외륜(210)에 조립되는 형태가 될 수도 있으며, 주동기어나 종동기어가 고속 회전축(100) 및 지지 베어링(200)의 외륜(210)에 일체 형태로 구성될 수도 있다.

전술한 고속 회전축(100)의 접촉부(110)는 도 2 에 예시한 바와 같이 고속 회전축(100)의 표면으로부터 일정한 상향 기울기를 가지는 테이퍼 형태로 구성될 수도 있으며, 접촉부(110)가 테이퍼 형태로 구성되는 경우, 지지 베어링(200)의 외륜(210)은 그러한 테이퍼 형태의 접촉부(110)와 마주하여 접면될 수 있도록 반대형상의 테이퍼 형태로 구성될 수 있다.

전술한 고속 회전축의 접촉부(110)는 도 3 에 예시한 바와 같이 고속 회전축(100)의 표면으로부터 일정한 상향 기울기를 가지다가 고속 회전축(100)과 평행해지는 일단 또는 다단의 계단 형태로 구성될 수도 있으며, 접촉부(110)가 계단 형태로 구성되는 경우, 지지 베어링(200)의 외륜(210)은 그러한 계단 형태의 접촉부(110)와 마주하여 접면될 수 있도록 반대형상 다단의 계단 형태로 구성될 수 있다.

전술한 고속 회전축(100)의 접촉부(110)는 도 4 에 예시한 바와 같이 브이(∨) 또는 역브이(∧) 형태로 구성될 수도 있으며, 접촉부(110)가 브이(∨) 또는 역브이(∧) 형태로 구성되는 경우, 지지 베어링(200)의 외륜(210)은 그러한 브이(∨) 또는 역브이(∧) 형태의 접촉부(110)와 마주하여 접면될 수 있도록 역브이(∧) 또는 브이(∨) 형태로 구성될 수 있다.

하우징(300)은,

전술한 복수의 지지 베어링(200)이 내부에 수용될 수 있도록 소정 크기의 공간을 제공하면서 전술한 고속 회전축(100)은 중심 전후를 관통하여 설치된다.

하우징(300)은 그 실시 예로써, 도면으로 정확히 예시되지는 않았지만 상부 케이스와 하부 케이스로 구분될 수 있으며, 이러한 상부 케이스와 하부 케이스는 별도의 체결수단을 통해 서로 결합될 수 있다.

일 실시 예로 하우징(300)의 상부 케이스와 하부 케이스의 서로 접하는 외곽 접면부에 필요에 따라 실링부재가 더 구비될 수도 있다.

다른 실시 예로 하우징(300)은 상부 케이스 또는 하부 케이스 또는 상부 케이스와 하부 케이스 모두에 내부의 열이 외부로 방열될 수 있도록 하나 이상의 열방출공이 구비될 수도 있다.

하우징(300)의 상부 케이스와 하부 케이스의 내면에는 하우징(300)의 내부에 수용되는 지지 베어링(200)의 내륜(220) 중심을 고정시키기 위한 지지축(240)이 구비되며, 이러한 지지축(240)은 도 1 내지 도 5 에서와 같이 상부 케이스의 내면 또는 하부 케이스의 내면 또는 양쪽 모두의 내면으로부터 돌출되어 형성될 수 있다.

하우징(300)의 다른 실시 예로는 도 6a 내지 도 6c 에서와 같이 하우징의 상부 케이스와 하부 케이스의 내면에 홈이나 구멍 형태의 끼움부(310)가 마주하여 구비되고, 이러한 끼움부(310)로 지지 베어링(200)의 내륜(220) 중심을 관통 고정하는 지지축(240)의 양선단부가 끼워져 고정될 수도 있다.

도면으로 예시하지는 않았지만 하우징(300)에 구비되는 끼움부(310)의 내부에 탄성부재를 설치하고, 그러한 탄성부재의 탄성력을 통해 지지 베어링(200)의 지지축(240)이 고정되도록 구성될 수도 있다.

하우징(300)에 구비되는 끼움부(310)는 도 6a 내지 도6c 에서와 같이 복수로 구성될 수도 있으며, 이때 끼움부(310)는 고속 회전축(100)과 지지축(240)의 축중심을 직선으로 연결하는 선상을 따라 이격되어 형성되거나, 일부분이 겹쳐지는 상태가 되도록 형성될 수도 있다.

이와 같이 끼움부(310)가 복수개로 구성되면, 고속 회전축(100)의 직경이 가변되는 경우, 지지 베어링(200)의 지지축(240)을 고속 회전축(100)과 지지축(240)의 축중심을 직선으로 연결하는 선상을 따라 이동시켜 고속 회전축(100)의 변화된 직경에 따라 고속 회전축(100)과 지지축(240)의 간격을 조절한 상태로 복수의 끼움부(310) 중 어느 하나의 끼움부(310)에 지지축(240)이 끼워지도록 함으로써, 고속 회전축(100)의 다양한 직경 사양에 따라 효과적으로 지지 베어링(200)의 위치를 가변시켜 사용할 수 있으므로 고속 베어링 장치의 범용성이 확대될 수 있다.

이와 같이 구성되는 고속 베어링 장치는 고속 회전축(100)이 고속 회전을 하게 되면 그러한 고속 회전축(100)을 방사형으로 지지하고 있는 각 지지 베어링(200)의 외륜(210)이 접촉되어 함께 회전되면서 고속 회전축(100)의 각종 부하를 지지해주게 되며, 이때 고속 회전축(100)의 지름과 지지 베어링(200) 외륜(210)의 지름비가 예를 들어 1: 5 인 경우 고속 회전축(100)이 5회전이 될 때, 지지 베어링(200)의 외륜(210)은 1회전 됨에 따라 지지 베어링(200)의 내구성이 그만큼 연장될 수 있으며, 고속 베어링 장치가 고가의 고속 베어링에 비해 저가의 지지 베어링(200)으로 대체될 수 있어 제작 및 유지 및 관리의 효율성이 향상될 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관한 설명을 하였으나, 기재된 내용의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 기재된 내용의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 고속 회전축 110 : 접촉부
200 : 지지 베어링 210 : 외륜
220 : 내륜 230 : 볼
240 : 지지축 300 : 하우징
310 : 끼움부

Claims (9)

1. 고속 회전체의 고속 회전축에 가해지는 부하를 지지해주기 위해 상기 고속 회전축에 설치되는 고속 베어링 장치에 있어서,
   상기 고속 회전축의 외측둘레를 따라 설치되어 상기 고속 회전축을 방사형으로 지지해주며, 상기 고속 회전축의 회전에 따라 상기 고속 회전축의 외주면에 외륜이 접촉되어 함께 회전되고, 상기 고속 회전축 외경과 상기 외륜 외경의 지름비가 1:4.5 이상의 지름비를 갖는 복수의 지지 베어링; 및
   중심부의 전후로 상기 고속 회전축이 관통 설치되고, 내부에는 상기 지지 베어링이 각각 수용되면서 상기 지지 베어링의 내륜 중심에 고정될 수 있도록 지지축이 구비되는 하우징;
   이 포함되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 베어링의 외륜과 접촉하는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 주동기어의 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜에는 상기 주동기어와 치합되는 종동기어의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 베어링의 외륜과 접촉하는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 테이퍼 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜은 테이퍼 형태의 상기 접촉부에 상응하여 접면되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 베어링의 외륜과 접촉되는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 계단 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜은 계단 형태의 상기 접촉부에 상응하여 접면되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 베어링의 외륜과 접촉되는 상기 고속 회전축 외주면의 접촉부는 브이 형태로 구성되고, 상기 지지 베어링의 외륜은 브이 형태의 상기 접촉부에 상응하여 접면되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은,
   상부 케이스와 하부 케이스로 구분되어 그 테두리가 체결수단을 통해 서로 결합되며, 상기 하우징의 표면 어느 한쪽에는 냉각을 위한 하나 이상의 열방출공이 구비된 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 하우징의 상부 케이스 또는 하부 케이스의 내면에는 내부에 수용된 상기 지지 베어링의 내륜 중심이 고정될 수 있도록 지지축이 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 하우징의 상부 케이스와 하부 케이스의 내면에는 서로 마주하는 끼움부가 형성되고, 상기 끼움부에는 상기 지지 베이링 내륜의 중심에 고정되는 상기 지지축 양선단부가 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 하우징의 끼움부는,
   상기 지지축의 축중심과 상기 고속 회전축의 축 중심을 직선으로 연결하는 선상을 따라 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 베어링 장치.

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