KR20180069583A - 에어 포일 스러스트 베어링 - Google Patents

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bumps
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하경구
이창하
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 부품의 수를 줄임과 더불어 하중 지지면적을 증가시키는 에어 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다.
본 발명에 의한 에어 포일 스러스트 베어링은, 베이스 플레이트; 및 각각의 일부가 서로 중첩되게 상기 베이스 플레이트에 부착되는 복수의 포일부재;를 가질 수 있다.

Description

에어 포일 스러스트 베어링{AIR FOIL THRUST BEARING}
본 발명은 에어 포일 스러스트 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품의 수를 줄임과 더불어 하중 지지면적을 증가시키는 에어 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다.
에어 포일 스러스트 베어링(air foil thrust bearing)은 고속으로 회전하는 축과 에어 포일 사이에 발생하는 공기층(air film)과 압력 분포를 이용하여 회전체의 추력(thrust)을 지지하는 베어링으로, 굴림(rolling)에 의해 마찰을 저감하는 볼 베어링이나 롤러 베어링, 오일 유막(oil film)을 이용하여 추력을 지지하는 미끄럼 베어링과 구별된다.
이러한 에어 포일 스러스트 베어링은 압축기, 송풍기 등과 같은 터보 기계류에 사용되고 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 에어 포일 스러스트 베어링은 베이스 플레이트(60)의 상면에 범프 포일(80, bump foil)이 배치되고, 범프 포일(80)의 상부에 탑 포일(90, top foil)이 배치된다.
탑 포일(90)은 경사부(99) 및 평탄부(92)를 가질 수 있고, 범프 포일(80)은 복수의 범프(8, bump)를 가질 수 있다.
로터(10)의 회전에 따라 베어링 디스크(20)가 회전을 하게 되면, 공기가 탑 포일(90)의 경사부(99)를 따라 유입되면서 톱 포일(90)과 베어링 디스크(20) 사이에 압력이 형성되어 하중을 지지할 수 있다.
탑 포일(90)의 에지부(94, edge portion)가 베이스 플레이트(60)에 용접을 통해 부착될 수 있고, 범프 포일(80)의 에지부(84, edge portion)가 베이스 플레이트(60)에 용접을 통해 부착될 수 있다.
이와 같이, 종래의 에어 포일 스러스트 베어링은 각 범프 포일(80)의 상부에 탑 포일(90)가 개별적으로 배치됨으로써 탑 포일(90)의 갯수와 범프 포일(80)의 갯수가 서로 동일하여야 하고, 이로 인히 그 조립하고자 하는 부품의 수가 상대적으로 많아져 조립공정이 복잡해질 수 있다. 예컨대, 6개의 탑 포일(90)을 설치할 경우, 그와 동일하게 6개의 범프 포일(80)을 설치하여야 하므로 전체적인 부품의 수가 12개가 될 수 있다.
또한, 종래의 에어 포일 스러스트 베어링은 탑 포일(90)의 에지부(94) 및 범프 포일(80)의 에지부(84)가 개별적으로 베이스 플레이트(60)에 용접을 통해 부착되므로, 탑 포일(90)의 에지부(94) 및 범프 포일(80)의 에지부(84) 각각은 용접기 및 용접지그 등에 의한 용접을 수행하도록 일정 길이를 확보하여야 한다. 이와 같이 탑 포일(90)의 에지부(94) 및 범프 포일(80)의 에지부(84) 각각이 용접을 위하여 충분한 길이를 가져야 하고, 이는 탑 포일(90)의 평탄부(92)에 대해서는 사영역(dead zone)이 증가하는 것이므로 탑 포일(90)의 평탄부(92)가 짧아질 수 있고, 이에 따라 탑 포일(90)의 평탄부(92)의 면적이 상대적으로 줄어듬으로써 하중 지지면적이 감소할 수 있고, 이로 인해 하중지지력이 낮아져 고속구동 시의 안정성이 낮아질 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 부품의 수를 줄임과 더불어 하중 지지면적을 증가시킬 수 있는 에어 포일 스러스트 베어링을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 에어 포일 스러스트 베어링은,
베이스 플레이트; 및
상기 베이스 플레이트에 부착되는 복수의 포일부재;를 포함하고,
각 포일부재는 탑 포일부(top foil portion) 및 상기 탑 포일부에 일체화되게 연결된 범프 포일부(bump foil portion)를 포함할 수 있다.
상기 범프 포일부는 복수의 범프를 가질 수 있다.
상기 복수의 범프는 상기 탑 포일부를 향해 돌출할 수 있다.
복수의 포일부재는 상기 베이스플레이트의 상면에 원주방향을 따라 배열될 수 있다.
원주방향으로 인접한 포일부재들은 그 각각의 탑 포일부 및 범프 포일부가 서로 중첩될 수 있다.
어느 일측의 포일부재의 범프 포일부가 인접한 다른 포일부재의 탑 포일부 하부에 위치할 수 있다.
상기 탑 포일부는 그 상면에 평탄면을 가질 수 있다.
상기 탑 포일부와 상기 범프 포일부 사이에는 경사부가 형성될 수 있다.
상기 경사부와 상기 범프 포일부 사이에는 부착부가 형성되고, 상기 부착부는 상기 베이스 플레이트에 부착될 수 있다.
상기 부착부는 접힘가능하게 구성되고, 상기 부착부가 접혀짐에 따라 상기 범프 포일부 및 상기 탑 포일부가 서로 중첩될 수 있다.
상기 복수의 범프는 상기 탑 포일부의 반대방향을 향해 돌출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 탑 포일과 범퍼 포일이 동일체로 구성됨으로써 조립하고자 하는 부품의 수를 줄일 수 있고, 이를 통해 용접 공정을 줄여 공정시간을 단축함으로써 전체적인 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 탑 포일과 범퍼 포일이 동일체로 구성됨에 따라 탑 포일의 평탄부의 길이가 늘어날 수 있고, 이를 통해 탑 포일의 사영역(dead zone)이 축소할 수 있으므로 하중 지지면적을 증가시킬 수 있고, 이를 통해 하중지지력이 높아져 고속구동 시의 안정선을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 도시한 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 도시한 분해도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 포일부재를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 포일부재들이 트러스트 플레이트에 조립되는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 포일부재를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링(30)은 베이스 플레이트(31, base plate)의 상면에 부착되는 복수의 포일부재(40, foil member)를 포함할 수 있다.
베이스 플레이트(31)는 그 상면이 평탄하게 형성되고, 이러한 베이스 플레이트(31)의 평탄한 상면에 복수의 포일부재(40)가 용접 또는 체결구(리벳) 등을 통해 부착될 수 있다.
베이스 플레이트(31)의 가장자리에는 하나 이상의 장착러그(32, mounting lug)가 형성될 수 있고, 장착러그(32)는 체결구 등이 체결될 수 있는 장착홈(33)을 가질 수 있다. 이러한 장착러그(32)를 통해 베이스 플레이트(31)가 터보 기계 등에 견고하게 장착될 수 있다. 일 예에 따르면, 복수의 장착러그(32)가 베이스 플레이트(31)의 가장자리를 따라 원주방향으로 이격되게 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 인접한 포일부재(40)들의 적어도 일부가 서로 중첩될 수 있고(superposed), 이에 도 2 및 도 4와 같이 복수의 포일부재(40)은 그 각각의 적어도 일부가 서로 중첩되면서 베이스 플레이트(31)의 상면에 원주방향을 따라 배열될 수 있다.
도 5를 참조하면, 각 포일부재(40)는 탑 포일부(41, top foil portion)와, 탑 포일부(41)에 일체화되게 연결된 범프 포일부(42, bump foil portion)를 포함할 수 있다.
탑 포일부(41)는 그 상면에 평탄면(41a)을 가지고, 이에 탑 포일부(41)의 평탄면(41a)은 하중 지지면을 구성할 수 있다.
범프 포일부(42)는 탑 포일부(41)에 대해 경사부(45)를 통해 일체화되게 연결될 수 있고, 범프 포일부(42)는 탑 포일부(41) 보다 낮게 위치할 수 있다. 즉, 탑 포일부(41)는 범프 포일부(42) 보다 높게 위치할 수 있다.
도 3 및 도 5을 참조하면, 범프 포일부(42)는 복수의 범프(43)를 가질 수 있고, 복수의 범프(43)는 일정 간격으로 이격되게 형성될 수 있다. 도 2 내지 도 6의 실시예에 따르면, 복수의 범프(43)는 탑 포일부(41)를 향하도록 돌출될 수 있다.
도 5를 참조하면, 범프 포일부(42)는 범프(43)를 가로질러 형성된 하나 이상의 슬롯(44)을 가질 수도 있다.
탑 포일부(41)와 범프 포일부(42) 사이에는 경사부(45)가 형성될 수 있다. 일 예에 따르면, 경사부(45)는 탑 포일부(41)의 가장자리와 범프 포일부(42)의 가장자리를 연결하도록 일정한 경사각으로 형성될 수 있고, 경사부(45)의 경사각은 탑 포일부(41)와 범프 포일부(42) 사이의 높이차이에 대응하도록 형성될 수 있다. 다른 예에 따르면, 경사부(45)는 곡면지게 형성될 수도 있다.
경사부(45)의 하단과 범프 포일부(42) 사이에는 부착부(46)가 형성될 수 있고, 부착부(46)는 용접을 통해 베이스 플레이트(31)에 부착될 수 있다.
부착부(46)는 용접기(51)를 이용한 용접을 수행하기 위한 공간을 형성하도록 일정 길이를 확보하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 각 포일부재(40)의 탑 포일부(41) 및 범프 포일부(42) 사이에 부착부(46)가 배치됨으로써 종래기술에 비해 용접 횟수 등을 대폭 줄일 수 있다.
도 2 내지 도 4, 및 도 6을 참조하면, 어느 일측의 포일부재(40)의 탑 포일부(41)가 시계방향으로 인접한 다른 포일부재(40)의 범프 포일부(42)의 상부에 위치하고, 어느 일측의 포일부재(40)의 범프 포일부(42)는 반시계방향으로 인접한 다른 포일부재(40)의 탑 포일부(41)의 하부에 위치함으로써 인접한 포일부재(40)들은 그 각각의 탑 포일부(41) 및 범프 포일부(42)가 베이스플레이트(31)의 원주방향을 따라 서로 중첩될 수 있고, 각 포일부재(40)의 부착부(46)는 용접을 통해 베이스 플레이트(31)의 상면에 부착될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 원주방향으로 인접한 포일부재(40)들이 서로 중첩되게 부착됨으로써 종래기술의 에어 포일 스러스트 베어링에 비해 조립되는 부품의 수가 절반으로 감소할 수 있다. 예컨대, 종래기술의 에어 포일 스러스트 베어링에서 6개의 탑 포일이 필요한 경우에 6개의 탑 포일에 상응하여 6개의 범프 포일이 요구됨에 따라 조립하고자 하는 부품의 수가 12개가 될 수 있고, 이에 12개의 부품을 용접 등을 통해 개별적으로 부착하여야 함에 따라 12번의 용접공정이 적용될 수 있다.
반면에, 본 발명은 탑 포일부(41) 및 범프 포일부(42)가 동일체로 형성됨에 따라 그 조립하고자 하는 부품의 수가 6개가 될 수 있고, 이에 6번의 용접공정 등이 적용될 수 있으므로 그 부품의 수가 감소함과 동시에 조립공정이 간편해질 수 있다.
또한, 본 발명은 일체로 형성된 탑 포일부(41) 및 범프 포일부(42) 사이에 부착부(46)가 마련됨에 따라, 종래에 비해 용접을 위한 사공간(dead zone)을 대폭 줄일 수 있으므로, 탑 포일부(41)의 평탄면(41a)의 면적이 종래기술에 비해 대폭 증가할 수 있고, 이를 통해 하중 지지면적이 증가함에 따라 하중지지력이 높아져 고속구동 시의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링(30)은, 베이스 플레이트(31, base plate)의 상면에 부착되는 복수의 포일부재(40, foil member)를 포함할 수 있다.
도 7를 참조하면, 각 포일부재(40)는 탑 포일부(41, top foil portion)와, 탑 포일부(41)에 일체화되게 연결된 범프 포일부(42, bump foil portion)를 포함할 수 있다.
탑 포일부(41)는 그 상면에 평탄면(41a)을 가지고, 이에 탑 포일부(41)의 평탄면(41a)은 하중 지지면을 구성할 수 있다.
범프 포일부(42)는 탑 포일부(41)에 대해 경사부(45)를 통해 일체화되게 연결될 수 있고, 범프 포일부(42)는 탑 포일부(41) 보다 낮게 위치할 수 있다. 즉, 탑 포일부(41)는 범프 포일부(42) 보다 높게 위치할 수 있다.
도 7을 참조하면, 범프 포일부(42)는 복수의 범프(43)를 가질 수 있고, 복수의 범프(43)는 일정 간격으로 이격되게 형성될 수 있다. 도 7의 실시예에 따르면, 복수의 범프(43)는 탑 포일부(41)의 반대방향을 향하도록 돌출될 수 있다.
탑 포일부(41)와 범프 포일부(42) 사이에는 경사부(45)가 형성될 수 있다. 일 예에 따르면, 경사부(45)는 탑 포일부(41)의 가장자리와 범프 포일부(42)의 가장자리를 연결하도록 일정한 경사각으로 형성될 수 있고, 경사부(45)의 경사각은 탑 포일부(41)와 범프 포일부(42) 사이의 높이차이에 대응하도록 형성될 수 있다. 다른 예에 따르면, 경사부(45)는 곡면지게 형성될 수도 있다.
경사부(45)의 하단과 범프 포일부(42) 사이에는 부착부(46)가 형성될 수 있고, 부착부(46)는 용접을 통해 베이스 플레이트(31)에 부착될 수 있다.
부착부(46)는 용접기(51)를 이용한 용접을 수행하기 위한 공간을 형성하도록 일정 길이를 확보하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 각 포일부재(40)의 탑 포일부(41) 및 범프 포일부(42) 사이에 부착부(46)가 배치됨으로써 종래기술에 비해 용접 횟수 등을 대폭 줄일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 부착부(46)에는 접힘부(46a)가 형성될 수 있고, 이러한 부착부(46)의 접힘부(46a)를 기준으로 범프 포일부(42)가 탑 포일부(41)를 향해 접혀지면 도 8과 같이, 범프 포일부(42)가 탑 포일부(41)의 하부에 위치할 수 있으며, 범프 포일부(42)의 범프(43)들이 탑 포일부(41)를 향해 돌출하는 형상을 유지할 수 있다. 즉, 각 포일부재(40)들의 탑 포일부(41) 및 범프 포일부(42)가 자체적으로 서로 중첩될 수 있고(superposed), 이에 각 포일부재(40)의 탑 포일부(41)가 범프 포일부(42)의 상부에 위치하도록 구성될 수 있다.
접힘부(46a)는 부착부(46)의 중간부 또는 그외 다양한 위치에 형성될 수 있다. 이를 테면, 접힘부(46a)는 범프 포일부(42)의 범프(43)들이 탑 포일부(41)의 설계된 위치에 정확하게 위치할 수 있도록 부착부(46)의 다양한 위치에 형성될 수 있으며, 접힘부(46a)는 그 접힘을 보다 용이하게 하도록 다른 부분 보다 얇은 두께(thin thickness)를 가질 수도 있다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 각 포일부재(40)는 부착부(46)의 접힘부(46a)를 기준으로 범프 포일부(42) 및 탑 포일부(41)가 서로 중첩된 상태에서 각 포일부재(40)의 부착부(46)는 용접기(51) 등을 통해 베이스플레이트(31)에 부착될 수 있다.
그외 나머지 구성 및 결합관계 등은 선행하는 실시예와 유사 내지 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
30: 에어 포일 스러스트 베어링
31: 베이스 플레이트
32: 장착러그
41: 탑 포일부
42: 범프 포일부
43: 범프
44: 슬롯
45: 경사부
46: 부착부

Claims (11)

  1. 베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트에 부착되는 복수의 포일부재;를 포함하고,
    각 포일부재는 탑 포일부(top foil portion) 및 상기 탑 포일부에 일체화되게 연결된 범프 포일부(bump foil portion)를 포함하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 범프 포일부는 복수의 범프를 가지는 에어 포일 스러스트 베어링.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 범프는 상기 탑 포일부를 향해 돌출하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  4. 청구항 3에 있어서,
    복수의 포일부재는 상기 베이스플레이트의 상면에 원주방향을 따라 배열되는 에어 포일 스러스트 베어링.
  5. 청구항 4에 있어서,
    원주방향으로 인접한 포일부재들은 그 각각의 탑 포일부 및 범프 포일부가 서로 중첩되는 에어 포일 스러스트 베어링.
  6. 청구항 5에 있어서,
    어느 일측의 포일부재의 범프 포일부가 인접한 다른 포일부재의 탑 포일부 하부에 위치하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탑 포일부는 그 상면에 평탄면을 가지는 에어 포일 스러스트 베어링.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탑 포일부와 상기 범프 포일부 사이에는 경사부가 형성되는 에어 폴일 스러스트 베어링.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 경사부와 상기 범프 포일부 사이에는 부착부가 형성되고, 상기 부착부는 상기 베이스 플레이트에 부착되는 에어 포일 스러스트 베어링.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 부착부는 접힘가능하게 구성되고, 상기 부착부가 접혀짐에 따라 상기 범프 포일부 및 상기 탑 포일부가 서로 중첩되는 에어 포일 스러스트 베어링.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 범프는 상기 탑 포일부의 반대방향을 향해 돌출하는 에어 포일 스러스트 베어링.
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